ドイツのヘルムホルツ・ベルリン研究センター（HZB）は、高効率の「串連」太陽電池の性能と商業的実現可能性を向上させる簡便な方法を発表しました。この技術は、サブセル間に超薄の塩化セシウムの種層を追加することで、単結晶ペロブスカイト—シリコン串連太陽電池の性能を改善しました。最終的に、研究チームは溶剤を使用しない共蒸着法を用いて、30.3%の光電変換効率を達成しました。HZBチームは、この改良が業界が長年抱えていた量産の課題を効果的に解決し、次世代太陽電池の工業生産への道を開くと指摘しています。
標準的なシリコン層の表面にはナノ構造が設けられ、光の吸収を最適化しています。しかし、この粗い表面は有機自己組織化単分子層（SAM）が均一に形成されるのを難しくし、SAMは主にホール輸送層として使用されます。HZBの科学者たちは、BESSY IIシンクロトロン施設の先進的な赤外線およびX線装置を利用して、界面の状況を詳細に観察しました。その結果、有機SAM分子がテクスチャーシリコンの凹部に堆積し、山の頂上部分はほぼ完全に裸であることが発見されました。研究者たちが蒸着法で上部のペロブスカイト層を堆積しようとした際、不均一な表面が化学反応の欠陥を引き起こし、隙間部分に有害なヨウ化鉛が生成され、電池の発電効率が著しく低下しました。
塩化セシウム種層が微視的構造を改善し電池効率を向上
塩化セシウム種層の導入は微視的な地形を変えました。この層は化学的基盤として機能し、SAM層の下層の欠陥を平滑にし、ペロブスカイト結晶がテクスチャーシリコン表面でスムーズに成長するのを促進します。主任著者のDr. Viktor Škorjancは、この種層が表面の不均一性を補償し、テクスチャーシリコン上に均一な共蒸着ペロブスカイト薄膜を形成するのに役立ち、ホール輸送層の不均一な被覆による欠陥を回避することができると述べています。このおかげで、製造された串連太陽電池は30.3%の変換効率を達成しました。プレスリリースによれば、これは蒸着法で製造されたペロブスカイト電池にとって「非常に優れた数値」とされています。
この技術は、溶剤を使用しない真空共蒸着法を採用しており、業界で一般的に使用されているプロセスです。プロセスから化学溶剤を取り除くことで、ペロブスカイト太陽電池の商業化における主要な障害である、長期的な材料の劣化と安定性の問題を対象としています。溶剤を使用しないプロセスは、下層構造を劣化から保護し、より耐久性のある串連電池を製造し、高効率の太陽電池の量産に向けた実行可能な基盤を提供します。実験室での記録的なペロブスカイト電池は、ほとんどが回転コーティングや湿式化学溶液処理に依存しており、これらの方法は大面積のテクスチャー工業用シリコンウェハーに拡張するのが難しいです。それに対して、真空共蒸着はOLEDディスプレイやマイクロエレクトロニクス製品の製造における標準プロセスであり、工場での採用のハードルが大幅に低下しています。
研究成果が工業化量産串連太陽電池技術の基盤を築く
HZBのペロブスカイト太陽電池蒸着チームの責任者であるDr. Marcel Roßは、「これは、実験室での記録的な効率を信頼性のある工業化量産可能な串連太陽電池技術に変換するための真の一歩を踏み出したことを示しています」と述べています。HZBチームの研究成果は、工業用太陽電池製造業に対して、価格競争力のある次世代太陽電池の開発に向けた重要な技術を提供することが期待されています。ペロブスカイト—シリコン串連太陽電池の1平方フィートあたりの発電量は、従来のシリコン電池よりもはるかに高く、特にスペースが限られた都市の屋根や、クリーンエネルギーの生産を最大限に増やしたい高エネルギー消費産業施設に適しています。
さらに、ペロブスカイト材料は軽量で、半透明に設計することができ、建築統合型太陽光発電（BIPV）に適しており、発電技術が建築構成要素に直接統合されることを可能にします。例えば、高層ビルの外壁、ガラス窓、天窓などです。関連する研究結果は、学術誌Jouleに発表されています。
項目 規格 太陽電池タイプ 単結晶ペロブスカイト—シリコン串連太陽電池 光電変換効率 30.3% 製造方法 溶剤なし真空共蒸着法 種層材料 塩化セシウム（CsCl） ホール輸送層 有機自己組織化単分子層（SAM） 分析装置 BESSY IIシンクロトロン施設（赤外線およびX線装置）