主要成果
南西石油大学、中国科学院、上海師範大学、重慶大学、および中国科学院大学の研究チームは、ペロブスカイト-シリコンタンデム太陽電池において、認定効率32.28%、チャンピオン効率33.06%という高い変換効率を達成しました。特筆すべきは、多くの研究が光吸収層の改良に注力するなか、本研究ではフロント電極の再設計のみでこの数値を実現した点にあります。
技術・詳細
タンデムセルのフロント電極は、電荷を収集して横方向に移動させる「透明導電酸化物層」と、電流を外部へ導く「メタルグリッド」の2つの要素で構成されています。本研究では、一般的に使用される酸化インジウム亜鉛に代わり、タングステン添加酸化インジウム（IWO）を採用しました。IWOは仕事関数が低いため電子抽出効率が向上し、さらに近赤外光を底層のシリコンセルへより多く透過させることができます。これにより、メタルグリッドの構成が同一の条件下で、チャンピオン効率を31.65%から32.49%へと引き上げました。この向上は主にフィルファクター（FF）が78.74%から79.51%へ改善したことによるものです。
さらにチームは、メタルグリッドによる遮光損失と電極の抵抗損失のトレードオフを評価するシミュレーションツールを構築しました。グリッド線が細ければ遮光は減りますが、太く密度が高ければ電流伝導性が向上します。実験の結果、線幅約50 µm、間隔2.5 mmの設計が最適であることが判明しました。この最適化を施したチャンピオンセルは、開回路電圧1.973 V、短絡電流密度20.72 mA/cm²、フィルファクター80.87%を記録しました。
安定性と製造可能性
耐久性試験において、IWO電極を用いた未封止セルは、1サン照射下での最大電力点追従（MPPT）を500時間継続した後、初期効率の91.3%を維持しました。これは標準的な電極を用いた場合の86.1%を上回る結果です。
また、本研究で導き出された設計ルールは、スクリーン印刷、電気めっき、レーザー転写印刷といった既存の工業的手法でメタル線を約10 µmまで細くできるため、実際の製造プロセスへの適用が可能であると指摘されています。
今後の展望
今回の成果は小面積デバイスによるものですが、実用化に向けてはいくつかの課題が残っています。具体的には、ペロブスカイト層の温度制限内での透明酸化物の大面積かつ均一な堆積技術の確立や、高価なインジウムの使用量を削減することが今後の重要な課題として挙げられています。
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