ドイツのヘルムホルツ・ベルリン研究センター (HZB) の研究者たちは、高度に複雑な「トリプルジャンクション」太陽電池を開発しました。この新型のペロブスカイトトリプルジャンクション太陽電池は、27.3%の効率を達成し、770時間の連続運転後も優れた性能を示し、性能の劣化は見られませんでした。層の重ね方は、美味しいハンバーガーのようで、これが高効率と安定性を生み出す秘密です。HZBペロブスカイト連結太陽電池部門の責任者であるスティーブ・アルブレヒト教授は、「これはビッグマックのように、三層のパンの間に異なる具材、例えば肉、サラダ、チーズが挟まっていると想像できます。
ここでは、中間層と下層のパンの間の具材です。」
分子自己組織化とグラフェンの組み合わせは、太陽電池の姿を根本的に変えました。シリコン太陽電池は数年前から市場を支配していますが、その物理的効率は絶対的な限界に急速に近づいています。したがって、ペロブスカイトは太陽エネルギー研究界で非常に重要になっており、コストが低く、非常に軽量で、プラスチックや布などの柔軟な基材にも取り付けることができます。これらの電池は、三種類の異なるペロブスカイト吸収体を重ねることで、より多くの太陽光を捕らえることができ、各層は太陽光スペクトルの異なるエネルギーバンドを捕らえるように調整されています。しかし、ペロブスカイトは、サブセル間で電荷を伝送するポリマー層 (PEDOT:PSS) という弱点によって劣化します。
このポリマーは光の吸収効率が高くなく、継続使用の下で急速に分解します。
HZBチームが新型ペロブスカイトトリプルジャンクション太陽電池を成功裏に開発
この欠点に対処するために、HZBチームはこの層を高い安定性と低損失の化学物質のペアで置き換えることを試みました。効率を最大化するために、彼らは異なるエネルギーバンドを持つ三種類のペロブスカイト吸収体を重ねることで、複雑なトリプルジャンクション太陽電池を製作しました。チームは自己組織化単分子層 (SAMs) を使用することを選びました。これは、大型有機分子からなる超薄層で、自然に整然とした単分子膜を形成します。最初は、これらのSAMsは電荷を効果的に移動できなかったため、チームはSAM層の下に他の層を実験的に追加して基盤としました。
薄い酸化グラフェンの層がSAMの下に直接滑り込み、界面を根本的に変え、完璧な形状と電子のマッチングを作り出しました。電荷の移動がスムーズになり、光学的損失が大幅に減少しました。新型トリプルジャンクション太陽電池は27.3%の電力変換効率を実現し、この技術の中で記録的な高さの一つとなりました。さらに重要なのは、この電池の耐久性が優れていることです。旧型ペロブスカイト構造が継続的な曝露の下で劣化する中、GO/SAMを備えた電池は770時間の連続運転中に初期性能の90%以上を保持し、次世代光伏技術において重要な安定性の記録を樹立しました。
通常、スズ鉛ベースのペロブスカイトは、酸素や湿気に接触すると急速に酸化し劣化しやすいです。新型のGO/SAM二重層は、この脆弱なスズ層を環境から保護する密閉された化学バリアを形成します。特に、この分子バリアは、この太陽電池が性能を犠牲にすることなく770時間の安定記録を達成するための重要な要因です。未来の展望はさらに明るいです。アルブレヒト教授は、これはあくまで基準に過ぎず、さまざまなペロブスカイト薄膜の微調整を通じて、この軽量構造の効率は簡単に30%を突破する可能性があると述べています。
この研究結果は、7月9日に《Joule》誌に発表されました。