Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

日光は、目に見えるバイオレットから、肌を温める目に見えない赤外線まで、さまざまな色を含む広大で不均一なエネルギーの川です。数十年もの間、このエネルギーを捕獲する最も効率的な方法は、シリコンのような単一の材料を使用して光を電気に変換することでした。しかし、単一の材料は、決まったサイズの穴が開いたふるいのようなものであり、いくつかの色はよく捕らえますが、他の色はそのまま通り抜けさせてしまい、そのエネルギーを熱として無駄にしてしまいます。この川をもっと捉えるために、科学者たちは異なる材料を上に積み重ねる「タンデム」太陽電池を作ることに目を向けました。各層は日光のスペクトルの異なる部分を捉えるように調整されており、単層の材料では決して到達できないほど多くのエネルギーを収穫するために協力し合っています。課題は常に、ボトム層に使用する適切な材料を見つけることであり、その層は薄く、柔軟で、かつ長くて目に見えない赤外線の波を捉えながら劣化しないものでなければなりません。

オックスフォード大学の研究チームとその共同研究者たちは、この問題を解決できる可能性のある新しい材料を特定しました。これは、より効率的であるだけでなく、製造コストが低く安定した太陽電池への道を提供するものです。彼らは、銀ビスマス硫化物と呼ばれる化合物に注目しました。この材料は単層の太陽電池では有望な結果を示していましたが、積み重ねられたタンデム型デバイスのボトム層として使用することには成功していませんでした。研究者たちは、この材料に自然な利点があることを発見しました。それは、現在の主要な候補である鉛と錫（すず）の混合物よりも赤外線を効果的に吸収でき、空気中にさらされても分解しないということです。彼らは、この材料の厚い膜を形成する新しい方法を開発することで、銀ビスマス硫化物を用いた初のタンデム太陽電池の実装に成功し、この材料が他の層と組み合わされて、非常に効率的で安定し、かつスケーラブルな電源になり得ることを証明しました。

この発見への道のりは、物理学の単純な問いから始まりました。タンデム太陽電池において、ボトム層は特定の「バンドギャップ」を持つ必要があります。バンドギャップとは、材料が光を電気に変換するために必要な最小限のエネルギーを表す用語です。もしバンドギャップが高すぎれば、材料は低エネルギーの赤外線を無視してしまいます。もし低すぎれば、高エネルギーの光から得られるエネルギーを無駄にしてしまいます。2層の太陽電池におけるボトム層の理想的なバンドギャップは、わずか1電子ボルト弱であり、3層のセルではさらに低くなります。高度な太陽電池における現在の標準的なボトム層は、鉛と錫の混合物です。この混合物は赤外線を吸収するように調整可能ですが、そのバンドギャップは完璧とは言えないほどまだわずかに高く、また、錫の成分は化学的に不安定であり、完全に密閉された酸素のない環境で作られない限り、酸素と反応してセルを台無しにしてしまいます。

研究者たちは、銀ビスマス硫化物に注目しました。この材料は自然に約1電子ボルトのバンドギャップを持っており、これはボトム層の理想的な値に対して、鉛・錫混合物よりもはるかに近い値です。また、豊富で無害な元素からできており、鉛・錫混合物とは異なり、通常の空気中でも安定しています。しかし、大きな障害がありました。これまでの実験では、銀ビスマス硫化物は、わずか数十ナノメートルという極めて薄い膜の場合にのみ最もよく機能していました。これは、この材料の「拡散長」が短いためです。つまり、光によって生成された電荷の粒子が、失われる前に移動できる距離が非常に短いのです。赤外線を捉えるように設計された太陽電池がうまく機能するためには、十分な光を吸収するために、膜は100ナノメートル以上の厚さである必要があります。もし膜が厚すぎると、電荷がトラップされ、電流が止まってしまいます。

これを克服するために、研究者たちは材料を準備する新しい方法を開発しました。層を一層ずつ作る、遅くて退屈なプロセスを行う代わりに、彼らは銀ビスマス硫化物の微細な結晶を含む液体インクを作成しました。そして、それらの結晶を臭化物とヨウ化物を含む化学剤の混合物で処理しました。この「溶液相リガンド交換」と呼ばれる処理により、結晶が互いにしっかりと結合し、電気をより良く伝導できるようになりました。その結果、塗料を塗るのと同じように、一段階で膜を堆積させることができ、割れることなく、また電気を運ぶ能力を失うことなく、340ナノメートルもの厚さにすることが可能になりました。これは決定的な突破口となりました。なぜなら、この材料が本来設計された通り、赤外線を捉えるのに十分な厚さを持つことができるようになったからです。

この新しい厚い膜を用いて、チームは銀ビスマス硫化物を活用した初のタンデム太陽電池を構築しました。彼らは2種類のデバイスを作成しました。1つ目は「4端子」タンデムで、2つの独立した太陽電池を、回路に接続された2つの別々の電池のように、上に重ねて配置したものです。彼らは、銀ビスマス硫化物のボトムセルと、ペロブスカイトと呼ばれる別の材料で作られたトップセルを組み合わせました。この組み合わせは、24パーセント近い効率を生み出し、2つの材料が効果的に連携できることを示す強力な結果となりました。2つ目のタイプは、「モノリシック」または「2端子」タンデムで、層が1つの固形ユニットとして融合し、1つの電池として機能するものです。これは、層間でショートを防ぎつつ電気を流すための特殊な透明層を必要とする、より困難なエンジニアリング上の課題でした。複雑ではありましたが、チームはこれらのデバイスの製作に成功し、2つの層の電圧が正しく加算されることを示しました。これは、動作するタンデムセルの必須要件です。

デバイスを構築する前に行ったシミュレーションでは、銀ビスマス硫化物が3層太陽セルの理論的効率を、現在の鉛・錫技術の限界である36パーセントを大幅に上回る、約48パーセントまで押し上げられる可能性が示唆されていました。彼らが実際に製作したデバイスはまだこの理論的ピークには達していませんが、実験結果は、この材料が機能すること、そしてその製造方法が実行可能であることを裏付けました。チームはまた、新しいセルの安定性についてもテストを行いました。密閉されていないデバイスを、乾燥した空気の棚に3ヶ月間放置しました。鉛・錫混合物で作られた同様のデバイスは、わずか1日半でほとんどの電力を失ってしまうところですが、銀ビスマス硫化物のセルは元の効率の90パーセント以上を維持しました。この耐久性は、この材料で作られた将来のソーラーパネルが、高価な無酸素ルームを必要とせず、通常の工場で製造できる可能性を示唆しており、太陽エネルギーのコストを下げる可能性があります。

研究者たちはまた、これらの膜を大規模に製造することがどれほど容易であるかについても調査しました。彼らは、新しいシングルステップ法を従来のマルチステップ法と比較し、新しいアプローチが大幅に速く、かつ安価であることを発見しました。彼らは、小さなタイルほどの大きさの表面に対しても、膜が均一で欠陥がない状態で、プロセスをラボの小さなサンプルからより大きなパネルへとスケールアップさせることに成功しました。このスケーラビリティは、研究室の好奇心から、屋根や建物に統合される製品へと移行するために不可欠です。

この研究は、問題が完全に解決されたことを意味するものではありません。研究者たちは、改善を行ったとしても、銀ビスマス硫化物の電荷は依然として比較的早くトラップされるため、それが膜の厚さを制限し、生成できる電流量を制限していると指摘しました。彼らは、次のステップとして、例えば結晶の配列を変えることによって、材料をさらに導電性にする方法を見つけ出す必要があると考えています。しかし、本研究は明確な新しい道筋を確立しました。銀ビスマス硫化物が厚く、安定し、かつ効率的な膜を作れることを証明し、最初のタンデム太陽電池での成功を示したことで、チームは、現在存在する技術よりも効率的で、より安定し、そしておそらくははるかに安価に生産できる、次世代の太陽光技術への扉を開いたのです。