ライス大学のエンジニアは、半導体ペロブスカイトでできた原子レベルの薄さの太陽電池の設計において、環境に耐える能力を維持しながら効率を高めるという、新たな基準を達成しました。ライス大学ジョージ・R・ブラウン工学部のAditya Mohite教授の研究室は、太陽光が2次元ペロブスカイトの原子層間の空間を収縮させ、材料の光電変換効率を最大18%まで向上させることを発見しました。研究内容 "高効率太陽電池を目指した二次元ペロブスカイトの光活性化層間収縮" " Nature Nanotechnologyに掲載されました。
“ペロブスカイトの効率は、10年間で3％程度から25％以上へと急上昇した」とモヒテは言う。「他の半導体はそこまで到達するのに60年近くかかっています。だから私たちはとても興奮しているのです。ペロブスカイトは、立方体状の結晶格子を持つ化合物で、高効率の光吸収体です。その可能性は何年も前から知られていたが、太陽光をエネルギーに変換することには長けているが、太陽光や水分によって劣化するという難点があった。
化学・生体分子工学および材料科学・ナノ工学の准教授であるモヒテは、「太陽電池の寿命は20〜25年といわれています」と述べました。「私たちは長年にわたって、非常に効率的ですが安定性に欠けるバルクペロブスカイトの研究に取り組んできました。これに対して、2次元ペロブスカイトは、安定性は非常に高いのですが、屋根に貼れるほどの効率はありません。
「安定性を損なわずに効率を上げることが、大きな課題でした」と彼は言う。
ライス大学のエンジニアと、パデュー大学、ノースウェスタン大学、米国エネルギー省の国立研究所（ロスアラモス、アルゴンヌ、ブルックヘブン）、フランス・レンヌの電子・デジタル技術研究所（INSA）の共同研究者たちは、特定の2次元ペロブスカイトにおいて、太陽光によって原子間の空間が効果的に縮小して電流を流す能力が改善することを発見しました。
“材料を光らせると、スポンジのように材料が絞られ、層が集まって、その方向への電荷輸送が促進されることがわかりました」とMohite教授は言う。研究者らは、上部のヨウ化物と下部の鉛の間に有機カチオンの層を置くことで、層間の相互作用が強まることを見いだした。
「この研究は、正の電荷が一方の層に、負の電荷が他方の層に存在し、それらが互いに相互作用するような励起状態や準粒子の研究に大きな意味を持ちます」とMohite教授は語る。「これらは励起子と呼ばれ、ユニークな性質を持つ可能性があります。「この効果により、積層2次元遷移金属ダイカルコゲナイドのような複雑なヘテロ構造を作らずに、これらの基本的な光・物質相互作用を理解し、調整する機会が得られました」と同教授は語っている。
実験は、フランスの研究者らによるコンピューターモデルで確認されました。INSAの物理学教授であるJacky Even氏は、「この研究は、最先端の第一原理シミュレーション技術、大規模な国立放射光施設による材料調査、稼働中の太陽電池のその場での特性評価を組み合わせるユニークな機会を提供しました」と述べています。 "この論文は、ペロブスカイト材料において、パーコレーション現象が電荷電流の流れを突然解放する様子を初めて描いています。"
両者の結果は、1太陽強度のソーラーシミュレーター下で10分後、2Dペロブスカイトが、その長さに沿って0.4%、上から下に向かって約1%収縮したことを示しています。その効果は、太陽エネルギー5倍の条件下で1分間で確認できた。
ライス応用物理学大学院生で共同研究者のWenbin Liは、「大したことではありませんが、この格子間隔の1%の収縮が、電子流を大きく増大させるのです」と語っています。"我々の研究では、この材料の電子伝導が3倍増加したことを示しています。" 同時に、格子の性質が、80℃(華氏176度)に加熱しても、この材料を劣化させにくいものにしました。さらに研究者らは、光を消すと格子がすぐに元の形に戻ることも発見した。
「2Dペロブスカイトの大きな魅力の1つは、通常、湿度に対する障壁として働き、熱的に安定で、イオンマイグレーション問題を解決する有機原子を持つことでした」と、大学院生で共同研究者のSiraj Sidhikは述べています。「3Dペロブスカイトは、熱や光に対して不安定になりやすいので、研究者たちは、バルクペロブスカイトの上に2D層を載せて、両方の長所を生かせるかどうかを調べ始めたのです。
"私たちは、2Dのみに移行して効率化しよう、と考えたのです。
研究チームは、材料の収縮を実際に観察するために、米国エネルギー省（DOE）科学局の2つのユーザー施設、DOEブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源IIとDOEアルゴンヌ国立研究所の先進光源（APS）を利用した。
論文の共著者であるアルゴンヌの物理学者Joe Strzalka氏は、APSの超高輝度X線を用いて、材料の極小の構造変化をリアルタイムでとらえた。APSのビームライン8-ID-Eの高感度装置では、「オペランド」研究、つまり、通常の動作条件下で温度や環境の変化を制御しながら行う研究が可能である。今回、Strzalka教授らは、温度を一定に保ちながら、太陽電池の光活性物質を模擬太陽光にさらし、原子レベルの微小な収縮を観察した。
対照実験として、部屋を暗くし、温度を上げたところ、逆に物質が膨張することが観察された。このことから、光による熱ではなく、光そのものが変化を引き起こしたことがわかった。
「このような変化には、オペランド研究が重要です」とStrzalkaは言います。「整備士がエンジンを動かして内部で何が起こっているかを確認したいのと同じように、私たちは、1枚のスナップショットではなく、本質的にこの変化をビデオで撮影したいと思うのです。APSのような設備があれば、それが可能になるのです。
APSは現在、X線の明るさを最大500倍まで高める大規模なアップグレードを行っています。 それが完了すれば、より明るいビームと高速でシャープな検出器によって、科学者がこれらの変化をより高い感度で発見する能力が向上することになる、と彼は言う。
その結果、ライス大学の研究チームは、さらに優れた性能を発揮するように材料を調整することができるようになる。「私たちは、カチオンと界面の設計によって、20%以上の効率を得る道を歩んでいます」と、Sidhikは言いました。2Dペロブスカイト/シリコンや2D/3Dペロブスカイトタンデムに2Dペロブスカイトを使うようになれば、30%に近い効率を達成できるかもしれないからです」。そうなれば、商業化もやむを得ないでしょう。"
詳しくは、以下をご覧ください。 https://news.rice.edu/news/2021/ultrathin-solar-cells-get-boost
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