主要成果
シドニー大学のAnita Ho-Baillie教授率いる研究チームは、ペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池において、認証済みの変換効率29.1%を達成した。この成果は、デバイス内部の界面に形成される超薄層の分子構造を最適化したことで実現した。また、耐久性においても顕著な向上が見られ、1,000回以上の熱サイクル後でも効率の95%以上を維持し、さらに国際規格IEC61215が定める最低要件を超える26回の湿度凍結サイクルをクリアした。
技術・詳細
タンデム太陽電池は、異なる波長の光を吸収する2つの材料を積層することで、従来のシリコン単体セルよりも効率的に発電できる次世代技術である。しかし、実用化には界面における電荷の流れを制御する「自己組織化単分子膜（SAM）」を均一に形成させることが極めて困難であった。従来のSAM分子は、塗布前の溶液状態で凝集（クランプ化）しやすく、それがナノスケールの欠陥となってエネルギー損失や安定性の低下を招いていた。
研究チームは、SAM溶液の酸性度が分子の分散状態を制御する決定的な要因であることを突き止めた。新たに設計した分子を用いて溶液の酸性度を精密に調整することで、分子の凝集を防ぎ、極めて均一な分子層を形成することに成功した。この化学的なアプローチにより、層間の界面における電荷移動の効率が向上した。
このメカニズムの証明には、高度な微細分析が活用された。アデレード大学のMatthew Griffith准教授らおよびAdelaide MicroscopyのAlex Cavallaro博士の支援を受け、紫外線光電子分光法を用いて界面の電子エネルギー準位の変化を測定した。これにより、化学的な調整がエネルギーアライメントと輸送を改善し、電荷の流れを効率化したことが直接的に証明された。
背景・業界の文脈
ペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池を研究室レベルから商業的な製品へと移行させるには、製造プロセスの信頼性と長期的な安定性の確保が不可欠である。特にナノスケールの界面欠陥は、産業規格を満たす上での大きな障壁となっていた。本研究は、Australian National Fabrication Facility (ANFF) およびAustralia’s National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) の支援を受けて実施された。
今後の展望
化学的な微調整という実用的かつ小規模な変更が、再生可能エネルギー技術に大きな利益をもたらすことを本研究は示した。効率と耐久性の両立を実現したことで、ペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池の商用展開が現実味を帯びている。また、今回の知見は他の高性能太陽電池設計の雛形となり、よりクリーンで効率的なエネルギーシステムへの世界的な移行を後押しすることが期待される。
元記事: https://micro.org.au/news/molecular-makeover-boosts-solar-performance/
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