主要成果
中国科学院の研究者たちは、高効率ペロブスカイト太陽電池（PSC）の製造において、スケーラビリティと性能、安定性を同時に向上させる画期的な新しい共堆積戦略を開発しました。この戦略は、複数の結合部位を持つ（マルチデンテート）固定化分子を活用し、産業応用に適したブレードコーティング技術で自己組織化単分子膜（SAMs）の形成を改善します。このアプローチにより、小面積デバイスで26.60%（独立機関による認証値は26.23%）という驚異的な電力変換効率（PCE）が達成され、さらに20.9 cm²のミニモジュールでも23.31%のPCEを実現しました。特筆すべきは、ISO-L-1プロトコルに基づく1000時間の連続動作後も96%の初期効率を維持し、1000時間の熱老化試験後も91%を保持するなど、デバイスの長期安定性が大幅に改善されたことです。
技術・製造詳細
- 共堆積戦略とマルチデンテート固定化分子: 研究の中心は、ペロブスカイト層と電荷輸送層の界面に、マルチデンテートな有機分子を同時に堆積させる共堆積法です。これらの分子は、ペロブスカイト結晶の表面や粒界に存在する欠陥サイト（例えば、未配位の鉛イオン）と強く結合し、これらをパッシベートします。このパッシベーション効果により、電荷キャリアの非放射再結合が抑制され、開放電圧（Voc）とフィルファクター（FF）が向上します。
- ブレードコーティング技術の適用: この戦略は、スピンコーティングのような研究室規模の手法ではなく、産業規模の製造に適したブレードコーティングと互換性があります。ブレードコーティングは、広い面積に均一な薄膜を高速かつ低コストで形成できるため、量産化への道を開きます。
- 高効率とスケーラビリティ: 小面積デバイスでの26.60%という高効率は、界面の品質が高度に制御されていることを示します。さらに、20.9 cm²という実用的なサイズのミニモジュールで23.31%を達成したことは、この技術が将来的にギガワット級の製造へとスケールアップ可能であることを強く示唆しています。
- 長期安定性の劇的な改善:
- 連続動作安定性: ISOS-L-1プロトコル（連続光照射）に基づき1000時間の動作後も96%の初期効率を維持。これは、屋外での実使用環境に近い条件下での優れた耐久性を示します。
- 熱老化安定性: 1000時間の熱老化試験後も91%の効率を保持。熱はペロブスカイト太陽電池の主要な劣化要因の一つであり、この耐性は商用化にとって極めて重要です。
背景・業界文脈
ペロブスカイト太陽電池は、シリコン太陽電池の理論効率限界を超える可能性を秘めた次世代技術として期待されています。しかし、その商用化には、高い効率の維持と同時に、大規模製造へのスケーラビリティ、そして長期安定性の確保が最大の課題でした。特に、ブレードコーティングのようなスケーラブルな技術で高効率と安定性を両立させることは、業界にとって長年の目標でした。本研究は、これらの課題に包括的に対応するもので、ペロブスカイト技術の商業化を大きく加速させるものです。
今後の展望
中国科学院によるこの共堆積戦略は、ペロブスカイト太陽電池の量産化に向けた重要なブレークスルーです。達成された高効率、実証されたスケーラビリティ、そして劇的に改善された長期安定性は、高性能なペロブスカイト太陽電池モジュールが、低コストで大規模に生産され、幅広いアプリケーションで実用化される可能性を大きく高めます。この技術が普及すれば、太陽光発電のコストパフォーマンスを向上させ、世界の再生可能エネルギー転換に不可欠な貢献を果たすことが期待されます。
元記事: https://www.eurekalert.org/news-releases/1139614
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