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長波長の太陽光を利用できる材料の製造法を開発

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長波長の太陽光を利用できる材料の製造法を開発

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ペロブスカイト太陽電池の構造図 出典:NIMS

物質・材料研究機構(NIMS)太陽光発電材料ユニットの韓礼元ユニット長らの研究グループは、
長波長の太陽光を利用できる高品質なペロブスカイト材料を作製する方法を開発したと発表しています。
新たな材料を用いた太陽電池は、利用可能な波長領域が840nmまで広がり、高い短絡電流が得られることから、
ペロブスカイト太陽電池の効率を高める技術として注目されます。



ペロブスカイト太陽電池は、透明電極やブロッキング層、ペロブスカイト層、キャリア輸送層、裏面電極で構成されます。
使用する材料が廉価であることや、高温/高真空プロセスを使わず塗布法で量産が可能なことなどから、
現行のシリコン系太陽電池に比べて、大幅に製造コストを下げられる可能性があります。

ところが、現行のペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト材料として
MA3PdI3(ヨウ化鉛メチルアンモニウム)を使用しています。この材料は、吸収できる太陽光の波長領域が
短波長側に偏っており、より高い変換効率を実現するためには、太陽光吸収範囲を
長波長側に広げる必要があります。

このため、長波長領域の光も利用できる新しい材料として、MA(メチルアンモニウム)とFA(ホルムアミジニウム)の
2種類のカチオンを混合したペロブスカイト材料((MA) xFA1-xPbI3)の開発が、多くの研究機関で進められています。
しかし、これら2種類のカチオンは、混合比率を制御しにくく、結晶温度も制御が難しいという課題がありました。

<新たな混合カチオン系ペロブスカイト材料>

研究チームは、これらの課題を解決する新たな混合カチオン系ペロブスカイト材料を作製する方法を開発しています。
まず、PbI2とFAIの混合溶液を基板上に塗布し、130~140℃で熱処理してFA1-xPbI3の
単一結晶膜を形成しています。その膜の上にMAI(ヨウ化メチルアンモニウム)の入った
イソプロパノール液を塗布してMAI層を設けています。
これら2つの層の材料を過熱により反応させて、品質の高い(MA) xFA1-xPbI3材料を
作製することに成功したとのこと。


<高純度に>

新たに開発した材料は、前駆体PbI2やσ-FAPbI3などの不純物を含まず、
従来の一段浸漬法(One-step method)や二段浸漬法(Two-step method)で作成した材料に比べて、
純度が高いことが分かったとのこと。

NIMS_Perovskite_new-material_analysis_image1.jpg
新たに開発した混合カチオン系ペロブスカイト材料の作製方法(左)と、
各方式で作製したペロブスカイト膜のX線解析パターン   出典:NIMS

純度の高いペロブスカイト材料を開発できた理由として、研究チームは熱処理温度を挙げています。
130~140℃で熱処理したところ、前駆体として純粋なFA1-xPbI3膜を得ることができたとのこと。
これに対して、130℃以下であれば不純物を含むσ-FAPbI3膜に、140℃以上では不純物を含む
α-FAPbI3膜になることが分かったとのことです。

NIMS_Perovskite_new-material_analysis_image2.jpg
熱処理によるFAIx-PbI2のX線解析パターン(左)と、
熱処理温度の違いによる得られた生成物の純度 出典:NIMS

今回開発に成功したペロブスカイト膜は、蛍光寿命が長いことも分かったとのこと。
このことは、σ-FAPbI3膜やα-FAPbI3膜に比べて、ペロブスカイト材料中の電子再結合が少なく、
電子寿命が長いことを示すものだとしています。さらに、今回開発した材料を太陽電池に用いることで、
MA3PdI3を採用した場合に比べて、太陽光に対する感度が40nm広く、利用可能な波長領域が840nmまで
伸びることが分かったとのこと。同一条件で作成したMAPdI3を用いた太陽電池に比べて、
短絡電流が1.4mA/cm2高くなったとのことです。

NIMS_Perovskite_new-material_solar-cell_spec_image.jpg
ペロブスカイト材料の蛍光強度の経時変化(左)と、
ペロブスカイト太陽電池の外部量子効率(入射光子数に対する外部に取り出された電子数の割合) 出典:NIMS

<太陽光の発電コストが火力並みに>

今回開発したペロブスカイト材料は、混合カチオンの比率や太陽電池パネルの製作に関わる条件などを
最適化していないため、変換効率は13%にとどまっています。研究チームは、今回の成果をベースに、
利用可能な波長領域のさらなる拡大や変換効率の向上を目指していくとしています。
これらの取り組みによって、太陽光発電システムでの発電コストを、火力発電(7円/kWh)並みに
抑えることが可能とみているとのことです。

NIMSニュースリリース
長波長の太陽光を利用できる高品質なペロブスカイト材料の開発に成功
低コスト・高効率な太陽電池実現に前進



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