主要成果
UCサンディエゴ校の研究チームは、製造プロセスにおいて一時的に塩を溶融させる手法を導入し、太陽電池構造内の欠陥を修復することに成功した。この技術を適用したテスト用太陽電池は、24〜26%という高いエネルギー変換効率を達成した。さらに、擬似太陽光に8週間的にさらされた後でも、初期の発電出力を維持することが確認されており、ペロブスカイト太陽電池の大きな課題であった安定性の向上が実証された。
技術・詳細
本技術の中核となるのは、臭化亜鉛（Zinc bromide）と塩化メチルアンモニウム（Methylammonium chloride）を混合した低温度の液体状態（液体共晶溶液）の利用である。ハライドペロブスカイト膜をガラス基板上に形成する際、結晶と結晶の境界（粒界）には電気電荷の流れを妨げる構造的欠陥が生じやすい。研究チームは、この混合液を前駆体に加えることで、加熱時に一時的な溶融塩相を形成させ、個々の結晶境界を包み込ませた。
この溶融塩相が結晶を覆うことで、配置が不適切な原子が移動し、完全な結晶構造を構築することが可能となった。その後、加熱によって揮発性の塩化メチルアンモニウムが継続的に蒸発し、溶融物質が瞬時に組織化された結晶形態へと変化する。この過程で亜鉛イオンが結晶端に濃縮され、粒界内の空いた電子トラップを埋めることで、光生成された電流を収集接点まで直接運ぶ連続的な経路が形成される。X線イメージングにより、境界が固体から液体、そして再び固体へと変化する瞬間が記録されている。
背景・業界の文脈
未処理のペロブスカイト膜では、粒界にある電子トラップが太陽光からのエネルギーを電気ではなく熱として放出してしまうため、効率が低下する。また、これらの欠陥は周囲の環境から水分を吸収しやすく、化学的な分解を加速させるため、効率の維持が困難であった。しかし、今回の液体成長法によるペロブスカイト膜は、結晶が密にパッキングされているため、内部の半導体層の崩壊を防ぐことができる。プリンストン大学は、この一時的な液体処理法がペロブスカイトの動作安定性問題を解決していると指摘している。
今後の展望
現在は小規模なサンプルでの有効性が確認されている段階であり、今後は産業用製造に向けた大面積のガラス基板への適用が焦点となる。工業化においては、加熱時の塩の分布を均一に保つことが不可欠であり、分布が不均一な場合はパネル端の性能低下を招く恐れがある。そのため、化学エンジニアによる精密な蒸発速度の制御が求められる。現在は、自動生産設備にこの溶融塩技術を組み込むための大規模製造試験が進められており、大面積での液体結晶技術の完成度が、高性能ペロブスカイト太陽電池モジュールの市場導入を左右することになる。
元記事: https://www.ecoportal.net/en/san-diego-solar-cells-efficiency/43547/
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