Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
本研究は、連続蒸着されたワイドバンドギャップおよびナローバンドギャップペロブスカイト積層体における異なる固相転換メカニズムを明らかにすることで、バンドギャップ特異的な制御を設計指針として確立し、19.2%の効率と向上した熱安定性を備えた初の蒸着型全ペロブスカイトタンデム太陽電池を実現した。
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太陽エネルギーは長らく、ある根本的な限界に直面してきました。単一の材料層では太陽光の特定の範囲しか捉えることができず、残りの光は通り抜けたり、無駄な熱へと変わったりしてしまうのです。この障壁を打破するために、科学者たちは2つの異なる層を上に積み重ねる手法へと目を向けました。これにより、上層がエネルギーの高い光を捉え、下層が残りの光を捉える「タンデム型セル」が誕生します。この役割において最も有望な材料は、ペロブスカイトと呼ばれる結晶の一種であり、これは異なる色の光を吸収するように調整することが可能です。これらのセルは研究室レベルでは驚異的な変換効率に達していますが、現在は液体化学物質を用いて製造されています。この手法には毒性のある溶媒や煩雑な工程が含まれており、大規模な、あるいは柔軟で工業サイズのパネルへとスケールアップさせることが困難です。よりクリーンで精密な代替案は、真空中で固体材料を蒸発させて、窓に付く霜のように薄膜を形成させることで、これらの層をゼロから構築することです。しかし、この真空法は単純な層を作るには適していますが、タンデムセルに必要な複雑な混合材料の層を、液体の助けなしにどのように作るかについて、科学者たちは苦慮してきました。
研究チームは、これら真空蒸着された層がどのようにして機能する太陽電池へと変化していくのかをリアルタイムで観察することで、このパズルを解明しました。彼らは、このプロセスが単一の均一なイベントではなく、作られる材料の種類によって全く異なる2つの経路を辿ることを発見しました。青や緑の光を吸収するように設計された上層を作成する場合、材料は最終的な結晶構造が形成される前に、素早く均一に混ざり合います。研究者たちは、この層が吸収する光の色は、他の成分の比率に関わらず、特定の臭素を含む成分をどれだけ添加するかによって単純に決定されることを突き止めました。このシステムは、最終的な味わいが他の材料の割合ではなく、主要なスパイスの総量によって決まる、よく混ぜられたスープのような挙動を示します。
対照的に、スズと鉛の混合物を用いて赤外線や赤色の光を吸収するように設計された下層は、はるかに混沌とした経路を辿ります。有機成分が加えられた途端、層の界面で反応が始まり、残りの材料を下に閉じ込める固い殻（クラスト）が形成されます。この早期の形成が障壁となり、成分が十分に混ざり合うのを妨げます。均一なブレンドになる代わりに、最終的な結晶は垂直方向の勾配を持つことになり、上部は鉛が豊富で、下部はスズが豊富な状態になります。研究者たちは、結晶格子が金属原子が最適な位置を見つけるために入れ替わる速度よりも速く形成・硬化してしまうため、このような不均一な混合が起こるのだと理解しました。この洞察は、なぜこれまでの製造試行が不安定であったのかを説明しています。つまり、プロセスが、本来は均一な混合を拒むシステムに対して、無理に均一な混合を強いていたのです。
各層の材料がどのように振る舞うかという理解を得た上で、チームは各層に対して加熱とタイミングを個別に最適化しました。彼らは、両方の層をこの乾燥した真空ベースの手法のみで形成した、完全なタンデム型太陽電池の作成に成功しました。そこには液体溶媒は一滴も使用されていません。完成したデバイスは、太陽光を電気へと19.2パーセントの効率で変換し、この特定の製造技術における重要な節目となる成果を上げました。さらに、これらのセルは極めて高い耐久性を示しました。温暖な環境で1,200時間保管した後でも、初期性能の80パーセントを維持しました。この研究は、製造プロセスを各層の特定の物理的挙動に合わせて調整することで、高品質で溶媒を使用しない太陽電池を構築することが可能であり、それが次世代の柔軟で大規模な太陽光発電への準備ができていることを証明しています。
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