効率的で「グリーンな」量子ドット太陽電池は欠陥を活用

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(Efficient, “green” quantum-dot solar cells exploit defects)

2020/5/18 アメリカ合衆国・ロスアラモス国立研究所(LANL)

・ LANLが、有害な鉛等を含まず、安価な銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se2)から成る、優れた欠陥許容性を備えた量子ドット(QDs)太陽電池を開発。
・ 従来型の QDs ベースデバイスに匹敵するエネルギー変換効率の達成に加え、同 QDs の欠陥がフォトコンバージョンプロセスを促進するメカニズムを解明した。
・ 多様なアプリケーションが可能な QDs は、ドットサイズを変えることで発光色を容易に調整できる極めて効率的な発光素子。ディスプレイやテレビ等で使用されているが、発光色を調整できるより効率的な電球開発での活用が予定されている。
・ このようなサイズ調整特性は、太陽光の効率的な捕獲にも役立つため、太陽光からエネルギーへの変換に利用できる。現在の QDs 太陽電池のエネルギー変換効率は薄膜太陽電池のレベルに近づいているが、その多くが有毒性の重金属である鉛やカドミウムを使用するため、実用性が制限される。
・ 今回、添加した亜鉛(Zn)と Cu、In,Se2 との反応により、亜鉛でドープした QDs を作製し、有毒な元素を使用することなく高い効率性を達成。電極として機能する多孔質のチタニアフィルムの中空にこれらの QDs を配置した。QDs が太陽光の光子を吸収すると、伝導帯の電子がチタニア電極へと移動し、光電流を発生させる。
・ 4 種類の元素をナノサイズの粒子に統合した極めて複雑な組成であるため、同 QDs は欠陥を有するが、光子から電子への変換効率 85%のほぼ完ぺきな太陽電池性能が確認できた。高い光変換効率と優れた欠陥許容性を備えた有害元素フリーの同 QDs は、サイズ調整が容易で簡単に処分できる安価な太陽電池の実現に有望な材料と考える。
・ 本研究には、米国エネルギー省(DOE)の科学局および LANL の Laboratory Directed Research and Development プログラムが資金を提供した。
URL: https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2020/May/0518-greener-solarcells.php?source=newsroom

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Energy 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Spectroscopic insights into high defect tolerance of Zn:CuInSe2 quantum-dot-sensitized solar
cells
URL: https://www.nature.com/articles/s41560-020-0617-6

Abstract

Colloidal semiconductor quantum dots (QDs) are promising materials for realizing high-performance liquid-junction photovoltaic cells. Solar cells based on Zn:CuInSe2 QDs show high efficiency despite a large abundance of native defects typical of ternary I–III–VI2 semiconductors. To elucidate the reasons underlying the remarkable defect tolerance of these devices, we conduct side-by-side photovoltaic and spectroscopic studies of as-prepared and surface-modified Zn:CuInSe2 QDs. Using surface ligands with different lengths and binding affinities to the TiO2 surface, we tune the rates of both defect-related relaxation and QD-to-TiO2 electrode electron transfer. Despite their profound influence on photoluminescence dynamics, surface modifications have surprisingly little effect on photovoltaic performance suggesting that intragap defects do not impede but actually assist the photoconversion process in Zn:CuInSe2 QDs. These intragap states, identified as shallow surface-located electron traps and native Cu1+ hole-trapping defects, mediate QD interactions with the TiO2 electrode and the electrolyte, respectively, and help achieve consistent photovoltaic performance with ~85% photon-to-electron conversion efficiencies and highly reproducible power conversion efficiencies of 9–10%.

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