二重ペロブスカイト型太陽電池がシリコンをライバルする可能性があること

二重ペロブスカイト型太陽電池がシリコンをライバルする可能性があること

安価で一般的に入手可能な材料を使用する太陽電池の新しい設計は、シリコン製の従来のセルに匹敵し、さらに優れた性能を発揮する可能性がある。

科学者は、シリコン結晶よりも薄く、柔軟性があり、製造が容易な光起電性の結晶材料であるペロブスカイトの新規な形態を創出するために、スズなどの豊富な元素を使用してきました。 彼らはジャーナルに彼らの研究を報告する 科学.

「ペロブスカイト半導体は低コストで高効率の太陽電池を製造する大きな可能性を示しています」とスタンフォード大学の材料科学と工学の教授であるMichael McGeheeは共著です。 「太陽光を電気に変換する頑丈でオールペロブスカイトのデバイスを設計しました。このデバイスは、今日市場にあるシリコン太陽電池に匹敵する20.3パーセントの効率で電力に変換されます。

ダブルペロブスカイトスタック

この新しいデバイスは、2つのペロブスカイト型太陽電池が直列に積み重ねられて構成されています。 各セルはガラスに印刷されますが、同じ技術を使用してセルをプラスチックに印刷することもできます。

オックスフォード大学の物理学教授であるヘンリー・スナイス(Henry Snaith)共著者は次のように述べています。「我々が実証したペロブスカイト型タンデムセルはすべて、薄膜太陽電池が30%以上の効率を提供するロードマップを明確に示しています。 "これは始まりにすぎない。"

これまでの研究では、ペロブスカイトの層を追加することで、シリコン太陽電池の効率を向上させることができることが示された。 しかし、2つの全ペロブスカイト電池からなるタンデム装置は、安く、エネルギー集約的であると科学者は言う。

「シリコンソーラーパネルは、華氏3,000度(1,600°C)以上の温度を伴うプロセスによって、ケイ岩をシリコン結晶に変換することから始まります」と共同研究者のTomas Leijtens(スタンフォード大学のポスドク研究員)は述べています。 ペロブスカイト電池は、鉛、スズ、臭素などの一般的な材料から実験室で処理し、その後室温でガラスに印刷することができます。

難しい課題

しかし、ペロブスカイト型のタンデム装置の構築は困難な課題でした。 主な問題は、適度な電圧を発生させるのに十分なエネルギーを太陽から取り込むことができる安定なペロブスカイト材料を作ることである。

典型的なペロブスカイト電池は、太陽スペクトルの可視部分から光子を収集する。 高エネルギーの光子は、ペロブスカイト結晶中の電子を「エネルギーギャップ」を越えて飛び越えて電流を生成することがある。

小さなエネルギーギャップを有する太陽電池は、ほとんどの光子を吸収することができるが、非常に低い電圧を生成する。 より大きなエネルギーギャップを有するセルはより高い電圧を生成するが、より低いエネルギーのフォトンがそれを右に通過する。

効率的なタンデムデバイスは、2つの理想的に一致したセルで構成されていたと、ワシントン大学のオックスフォードのポスドクの学者である共同執筆者のGiles Eperonは語っています。

「より大きなエネルギーギャップを持つセルは、より高いエネルギーの光子を吸収し、追加の電圧を生成します」とEperon氏は言います。 「より小さなエネルギーギャップを持つセルは、最初のセルで収集されずに電圧を生成する光子を収穫することができます。

安定性の問題

より小さなギャップが科学者にとってより大きな課題であることが分かっています。 一緒に働くEperonとLeijtensは、スモール、鉛、セシウム、ヨウ素、有機材料のユニークな組み合わせを使って、小さなエネルギーギャップの効率的なセルを作りました。

「低エネルギーの赤外光を吸収し、14.8%の変換効率を実現する新規ペロブスカイトを開発しました」とEperon氏は述べています。 「我々は、同様の材料で構成されたペロブスカイト電池と組み合わせたが、より大きなエネルギーギャップを持っていた。

結果:20.3パーセントの総合効率を有する2つのペロブスカイト電池からなるタンデム装置。

「ペロブスカイトには数千もの化合物が存在する」とLeijtensは述べている。「しかし、これは以前よりもずっと優れている。

'接着剤'のトリックは、より大きなペロブスカイト太陽電池を成長させる

ペロブスカイトの1つの懸念は、安定性である。 シリコン製の屋上ソーラーパネルは、典型的には25年以上続く。 しかし、いくつかのペロブスカイトは、水分または光に曝されたときに迅速に分解する。 以前の実験では、スズで作られたペロブスカイトは特に不安定であることが判明した。

安定性を評価するために、研究チームは、両方の実験細胞を4日間212度(摂氏X度)の温度に曝した。

「重要なことに、私たちの細胞は、優れた熱安定性と大気安定性を示し、スズ系ペロブスカイトにはこれまでにない優れた特性を示しています。

McGehee氏は次のように述べています。「当社のタンデムデバイスの効率は、既に有機低分子や微結晶シリコンなど他の低コスト半導体で製造された最高のタンデム太陽電池をはるかに超えています。 "可能性を見ている人は、これらの結果が素晴らしいことを認識しています。"

次のステップは、材料の組成を最適化してより多くの光を吸収し、より高い電流を生成することです。

「ペロブスカイトの汎用性、素材と製造コストの低さ、非常に高い効率を達成する可能性と相まって、製造性と許容可能な安定性が実証されれば、太陽光発電業界にとって変わっていくでしょう。

スタンフォード大学、オックスフォード大学、ベルギーのハッセルト大学、およびサンプリム社の他の研究者もこの研究の共著者である。

グラフェン・フラッグシップ、レバハム・トラスト、英国工学・物理科学研究評議会、欧州連合第七フレームワーク・プログラム、ホライズン2020、米国海軍研究庁、スタンフォード大学の地球気候とエネルギープロジェクトから資金が調達された。

ソース: スタンフォード大学

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