主要成果
華中科技大学のWenjiang Ye氏、Aoyue Chen氏らによる研究チームは、全ペロブスカイト・タンデム太陽電池の界面を平坦な構造から周期的な鋸歯状（serrated）のマイクロ構造に置き換えることで、発電効率を大幅に向上させるシミュレーション結果を発表しました。このデュアル鋸歯状設計を導入することで、反射による光電流の損失を4.47から3.65 milliamperes per square centimeterへと18.34%低減し、電力変換効率をベースラインから3.41%向上させ、約31.13%にまで高められる見込みです。
技術・詳細
本研究では、COMSOL Multiphysicsを用いた光学モデルを構築し、マクスウェル方程式を解くことで吸収・反射・透過を算出しました。デバイス構成は、バンドギャップ1.8 electronvoltsのワイドバンドギャップ層（厚さ400 nanometers）と、1.25 electronvoltsのナローバンドギャップ層（厚さ1200 nanometers）を積層した構造です。
最適化は二段階で行われました。まず前面界面に周期1 micrometer、高さ400 nanometersの鋸歯状テクスチャを導入したところ、微小レンズのような働きにより、ワイドバンドギャップ層の吸収帯（400〜700 nanometers）における電界強度が平坦構造の4倍（最大100 volts per meter）まで増幅されました。これにより、反射損失電流密度が4.47から3.77 milliamperes per square centimeterへと15.66%減少し、タンデム光電流は16.84 milliamperes per square centimeterまで向上しました。
さらに、前面のテクスチャだけでは解消できない950 nanometers付近の反射損失を抑えるため、背面電極にも同様の鋸歯状構造を導入しました。この背面構造は、ナノインプリント技術を用いてペロブスカイト層を成形し、その後に金属カソードを堆積させることで実現可能です。
背景・業界の文脈
全ペロブスカイト・タンデム太陽電池は、異なるバンドギャップを持つ2つの層を重ねることで、高エネルギーの可視光と赤外光を効率的に吸収します。2つのサブセルが直列に接続されているため、全体の電流は電流値が低い方のセルによって制限されるため、光電流のバランス調整が設計上の重要な制約となります。
実用デバイスの変換効率はすでに30.1%に達していますが、理論上の最大効率は約45%とされており、その乖離の主な要因は光学的な損失にあります。先行研究では、全エネルギー損失の約31.15%を光学損失が占め、そのうち反射だけで最大19.64%に及ぶことが指摘されていました。
今後の展望
今回のシミュレーションでは、前面と背面の双方に鋸歯状構造を配置することで、屈折率のミスマッチによる反射を抑制し、光の閉じ込め効果を高めることに成功しました。これにより、これまで回路的な工夫では回収できなかった反射光などのエネルギーを効率的に電荷キャリアへ変換できる道が開かれました。今後は、これらのシミュレーション結果を実際のデバイス作製に適用し、理論値に近い高効率なタンデム太陽電池を実現することが期待されます。
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