太陽光発電の主流はシリコンだが、人工衛星やドローンに必要な薄型・軽量の太陽電池を作るには最適な素材とはいえない。二硫化タングステンや二硫化モリブデンといった原子レベルの薄さをもつ半導体材料は、すでに次世代電子機器への応用が検討されており、低コストで柔軟性のある超薄型太陽電池として期待されている。そして今回、二セレン化タングステン太陽電池は、従来の薄膜系太陽電池に匹敵する出力重量比を実現した。
雑誌で報告されたフレキシブル太陽電池 ネイチャーコミュニケーションズ の光電変換効率は5.1%であり、この種のフレキシブル太陽電池としては最高の報告値です。また、比電力は4.4W/gと、テルル化カドミウム、セレン化銅インジウムガリウム、アモルファスシリコン、III-V族半導体の薄膜太陽電池と同程度である。 スタンフォード大学の電気工学者で、同僚のアルウィン・ダウスと共同でこの研究を主導したクーシャ・ナシリ・ナジフは、「他の太陽光発電技術で示されている値をはるかに超えています」と言う。
シリコンの1000分の1の薄さでありながら、一般的なシリコンウェハーと同じ吸収量を実現しています。
シリコンの効率はコストの割に高く、シリコンのソーラーパネルのコストは年々下がっている。しかし、「シリコンは新興のアプリケーションにはかなり不向きだ」とNassiri Nazifは言う。そのようなアプリケーションには、ウェアラブルでコンフォータブルなエレクトロニクス、スマートウィンドウやその他の建築用途、無人航空機、電気自動車などがある。「小型センサーやデバイスに電力を供給するために、バッテリーの寿命を延ばしたり、バッテリーの必要性を完全になくしたりすることができるのです。これらの用途では、高い比電力が重要であるという。現在の薄膜技術や新しいペロブスカイト太陽電池は、いずれもシリコンよりも高い比電力を持ち、ペロブスカイトは29W/gという記録を持っている。
しかし、二硫化タングステンや二硫化モリブデンは、材料として知られているクラスに属します。 遷移金属二カルコゲナイド (TMD）には、他の材料にはない利点があります。現在、航空宇宙分野で使用されているCdTeやCIGSの薄膜太陽電池よりも軽量である。また、ペロブスカイトや有機太陽電池材料よりも安定で、鉛を含むペロブスカイトよりも環境に優しい。.
さらに、TMD材料は、太陽光発電材料の中で最も高い光吸収能力を誇っている。「つまり、シリコンの1,000分の1の薄さの超薄膜でも、適切な光学設計をすれば、同程度の吸収率を得ることができるのです」とナシリ・ナジフは言う。
しかし、これまでのところ、最高のTMD太陽電池の効率は3％未満であり、軽量でフレキシブルな基板に作った場合は0.7％未満であった。しかし、この材料の理論的な効率は27％である。Dausは、この材料は単に登場したばかりで、効率を上げるにはもっと重厚なエンジニアリングが必要だと言う。すべての太陽光発電材料は、電荷の取り出しに課題を抱えている。つまり、材料が光子を吸収して電子と正孔を生成したら、それらの電荷キャリアが再結合する前に素早く抽出しなければならない。
そのコツは、電荷キャリアを半導体から電極にシャトルするための適切なコンタクト材料を見つけることである。研究者らは、そのために透明なグラフェンシートを選んだ。 酸化モリブデン層は透明で、グラフェンの電荷キャリアの取り出し能力を高めることができます」と、Daus教授は説明する。
高品質のフレキシブル太陽電池を作るためのもう一つの重要な進歩は、彼らが開発した転写方法である、と彼は付け加えた。まず、シリコン基板上に二セレン化タングステンフレークを蒸着し、その上に金電極を蒸着した後、薄いフレキシブルなプラスチック基板でコーティングする。次に、全体を水槽に入れ、シリコンからフレキシブルな構造体をゆっくりと剥がす。 最後に、二セレン化タングステンが上になるように構造をひっくり返し、グラフェンと酸化モリブデンでコーティングした。最終的に、デバイス全体の厚さはわずか350 nmになった。
この時点では、太陽電池は100×100μm程度の小さなものだとNassiri Nazifは指摘する。「実用化するためには、少なくとも1×1cmのデバイスが必要です」と彼は言う。「大面積で高品質なTMDの成長がすでに証明されているのは良いニュースです」。
しかし、ほとんどの努力は、エレクトロニクス用の単層TMD材料を作ることに集中していると、ダウスは言います。スタンフォード大学の研究チームは、すでに2×2 cmのTMD膜を作り始めているが、これまでのところ、厚膜は論文で使用した小さなフレークと同じ高品質には至っていない。
研究チームは、この研究がTMD太陽電池の分野でさらなる研究のきっかけになることを期待している。「私たちの目標は、TMD太陽電池の応用の基礎を築くことです」とNassiri Nazif助教は語る。「この材料は、他の技術に対して基本的な優位性を持っています。工学的な問題を解決できれば、次世代光電池技術の材料として選ばれる可能性があります。" と述べています。
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