効率と電圧の記録を更新した新しい太陽電池(New solar cell breaks records for efficiency and voltage)

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シリコンの限界を克服するペロブスカイト技術の登場 Emerging perovskite technology overcomes silicon’s key limitations

2022-11-16 ノースウェスタン大学

This prototype all-perovskite tandem solar cell measures one square centimeter and has a power conversion efficiency of 27.4%, which is higher than is currently possible with traditional single-junction silicon solar cells. (Photo: Aaron Demeter/U of T)

研究チームは、シリコンを使わずに製造する新しいタイプの太陽電池を導入した。この新しい太陽電池は、極めて高い効率と記録的な高電圧を有するだけでなく、製造や精製にエネルギー的に高価なシリコンを必要としない。
国際研究チームは2種類のペロブスカイト層を使用した。ペロブスカイトは、液体中に分散させたナノ結晶の一種で、低コストで確立した技術により表面にコーティングされている。そして、それぞれのペロブスカイト層を太陽スペクトルの異なる部分に調整することで、タンデム型太陽電池を作製した。
試作した太陽電池の面積は1平方センチメートルで、開放電圧は2.19電子ボルトと、ペロブスカイト型タンデム太陽電池としては最高値となった。また、電力変換効率は27.4%に達し、これも従来のシリコン系太陽電池の記録を更新した。
タンデム設計により、非常に高い開放電圧を発生させることができ、その結果、セルの効率も向上した。
しかし、ペロブスカイト層表面の電場(表面電位と呼んでいる)が一様ではないことを発見した。
この課題を解決するために、研究チームは、ペロブスカイト層の表面を1,3-プロパンジアンモニウム(PDA)と呼ばれる物質でコーティングした。ペロブスカイト層と電子輸送層のエネルギー的な位置関係がより良くなり、全体的な効率が大きく改善された。
このセルは、コロラド州の国立再生可能エネルギー研究所で独自に認証され、26.3%の効率を達成しました。研究チームは、業界標準の方法を用いて新型セルの安定性を測定し、500時間の連続運転後も初期効率の86%を維持していることを確認した。

<関連情報>

表面電位の制御によるオールペロブスカイトタンデムの電圧最大化 Regulating surface potential maximizes voltage in all-perovskite tandems

Hao Chen,Aidan Maxwell,Chongwen Li,Sam Teale,Bin Chen,Tong Zhu,Esma Ugur,George Harrison,Luke Grater,Junke Wang,Zaiwei Wang,Lewei Zeng,So Min Park,Lei Chen,Peter Serles,Rasha Abbas Awni,Biwas Subedi,Xiaopeng Zheng,Chuanxiao Xiao,Nikolas J. Podraza,Tobin Filleter,Cheng Liu,Yi Yang,Joseph M. Luther,Stefaan De Wolf,Mercouri G. Kanatzidis,Yanfa Yan & Edward H. Sargent
Nature  Published:15 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

We are providing an unedited version of this manuscript to give early access to its findings. Before final publication, the manuscript will undergo further editing. Please note there may be errors present which affect the content, and all legal disclaimers apply.

Abstract

The open circuit voltage (VOC) deficit in perovskite solar cells (PSCs) is greater in wide bandgap (>1.7 eV) cells than in ~1.5 eV perovskites.1,2 Quasi-Fermi level splitting (QFLS) measurements reveal VOC-limiting recombination at the electron transport layer (ETL) contact.3-5 This, we find, stems from inhomogeneous surface potential and poor perovskite-ETL energetic alignment. Common monoammonium surface treatments fail to address this; instead we introduce diammonium molecules to modify the perovskite surface states and achieve a more uniform spatial distribution of surface potential. Using 1,3-propane diammonium (PDA), QFLS increases by 90 meV, enabling 1.79 eV PSCs with a certified 1.33 V VOC, and > 19% power conversion efficiency (PCE). Incorporating this layer into a monolithic all-perovskite tandem, we report a record VOC of 2.19 V (89% of the detailed balance VOC limit) and > 27% PCE (26.3% certified quasi-steady-state). These tandems retain more than 86% of their initial PCE after 500 hrs operation.

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