Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
本研究は、工業規模のテクスチャードシリコン上に均一で安定した界面被覆を可能にする長鎖ビスホスホン酸自己組織化分子（S2）を導入しており、これにより、認証された変換効率32.6%を誇る極めて耐久性の高いペロブスカイト／シリコンタンデム太陽電池およびモジュールを実現している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
太陽エネルギーは長らく、ある根本的な限界に阻まれてきました。それは、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、残りの光は透過してしまうか、無駄な熱へと変わってしまうという点です。この障壁を打破するために、科学者たちは2つの異なる光捕捉層を重ね合わせる「タンデム型セル」の開発に取り組んできました。上の層は高エネルギーの光を捉えるように設計され、下の層（通常はシリコン製）は、その層を通り抜けてくる低エネルギーの光を捉えます。これら2つが連携することで、標準的なソーラーパネルよりもはるかに多くの電力を生成できる理論的可能性があります。しかし、これらの積層セルを大規模な産業規模で効率的に機能させることは困難であることが判明しています。底部のシリコン層は平坦ではなく、光をトラップしやすくするために微細でギザギザなピラミッド状の構造で覆われています。このテクスチャは日光を捕らえるのには適していますが、上のセルを機能させるために必要な繊細な化学層を均一にコーティングすることを極めて難しくする、凹凸のある地形を作り出します。もしコーティングが不均一であれば、デバイスは失敗し、高い効率化という約束は研究室の中に閉じ込められたままになってしまいます。
研究チームは、新しいタイプの分子層を設計することで、このコーティングの問題を解決し、大規模なソーラーパネルにおいて記録的な効率を実現しました。彼らの成功の核心は、シリコンと上の光捕捉層との間で「自己組織化する架け橋」として機能する、カスタムメイドの分子にあります。これまでの試みでは、シリコンの1点にしか掴まることができない小さな分子を使用していましたが、工業用シリコンのギザギザの頂点や隆起の上では、これらの小さな分子は次の地点まで届かず、隙間が生じて膜が壊れてしまいました。他の研究者たちは、より広い範囲をカバーするために長い鎖状の分子を使用しようとしましたが、それらは滑らかなシートを形成するのではなく、乱雑な塊となって集まってしまう傾向がありました。北京大学、トリナソーラー（Trina Solar）、およびその他の機関の科学者によって開発されたこの新しい設計は、両者の良いとこ取りをしたものです。彼らは、工業用シリコンのピラミッドの鋭い先端をまたいで広がる（スパンする）ことができる長い柔軟なバックボーンを持ち、かつ端には1つではなく2つの強力なアンカーを備えた分子を作り上げました。
研究者たちは、この特定の設計により、分子が均一に広がり、塊になることも隙間ができることもなく、テクスチャのある表面の隅々までを覆うことができることを発見しました。分子が非常に長く柔軟であるため、ピラミッドの片側からもう片側へと曲がりながら、シリコンの形状に適合することができます。両端にある2つのアンカーが表面をしっかりと掴むことで、熱やストレスの下でも層がその場に留まることを保証します。この均一な被覆は極めて重要です。なぜなら、これにより、電気が途切れたり漏れたりすることなく、上の層から下の層へとスムーズに流れるようになるからです。チームが研究室の設定で、小さなシリコン片に対してこの新分子をテストしたところ、得られた太陽電池は、当たった太陽光の34.3%を電気に変換しました。これは、この種の小型セルにおける従来の記録からの大幅な飛躍です。
さらに重要なことに、チームはこのアプローチが、現実世界の発電に必要な大規模なスケールでも機能することを証明しました。彼らは、プリンターのように表面をコーティングする機械を用いて、標準的な工業用ソーラーパネルほどの大きさがある大きなシリコンウェハーに、この同じ分子を塗布しました。その大型パネルは、32.6%の認定効率を達成しましたが、これはそのサイズの太陽電池としてこれまで記録された中で最高水速の効率です。この技術を実世界に適合させるため、研究者たちは、屋外での数年間の使用を模した過酷な条件にパネルをさらしました。彼らはパネルを高熱と高湿度の中で焼き、激しい温度変化のサイクルにかけました。これらのテストの後でも、パネルは元の出力の90%以上を維持しました。彼らがこれらの大型セルで作られたモジュールを屋外に設置したところ、1ヶ月間にわたって安定したエネルギーを生産し続けました。
この研究は、次世代の太陽エネルギーの潜在能力を解き放く鍵は、光を捉える材料そのものだけでなく、それらの材料が下のシリコンとどのように接続されているかにあることを示しています。工業用シリコンの凹凸のある地形をまたぐのに十分な長さがあり、かつしっかりと保持できる強さを持つ分子を設計することで、研究者たちは、高効率な太陽電池を小さな研究室サンプルの中に閉じ込めていた大きなボトルネックを取り除きました。この成果は、層間の繊細なインターフェースを光を捉える材料自体と同じ精度で管理できるのであれば、より安価で強力な太陽エネルギーへの道は明確であることを示唆しています。結果は、これらのタンデム型セルがもはや単なる理論上の可能性ではなく、大量生産に向けた準備ができている実行可能な技術であることを示しています。
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