太陽電池の熱的不安定性が明らかになったが、明るい展望が見えてきた(Research Reveals Thermal Instability of Solar Cells but Offers a Bright Path Forward)

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2023-02-09 ジョージア工科大学

◆近年、新しいタイプの太陽電池が有望視されている。ハライドペロブスカイト太陽電池は、高性能かつ低コストで電気エネルギーを生産することができる。しかし、新しい太陽電池材料は、25年以上の信頼性を誇るシリコン系太陽電池の安定性にも匹敵するものでなければならない。
◆ジョージア工科大学材料科学工学部のJuan-Pablo Correa-Baena助教授率いる研究チームは、このたび、ハライドペロブスカイト太陽電池がこれまで考えられていたよりも不安定であることを明らかにしました。この研究により、太陽電池の界面層で起こる熱的不安定性が明らかになっただけでなく、ハライドペロブスカイト太陽電池技術の信頼性と効率性を高めるための道筋が示されました。2022年12月にAdvanced Materials誌のカバーストーリーとして掲載された彼らの研究は、太陽光によって発生する電流に関係する分野である太陽光発電のペロブスカイトを扱う学者と産業界の専門家の両方に直ちに影響を与えるものである。
◆ハロゲン化鉛ペロブスカイト太陽電池は、太陽光を電力に変換する優れた技術として期待されている。現在、この太陽電池の変換効率を上げるには、陽イオンと呼ばれる大きな正電荷のイオンで表面を処理するのが一般的である。
◆このカチオンはペロブスカイトの原子スケール格子に収まらないほど大きく、ペロブスカイト結晶に付着すると、付着した界面で材料の構造を変化させてしまう。その結果、原子レベルの欠陥が生じ、太陽電池からの電流取り出しの効率が低下する。このような構造変化は知られているものの、カチオンが析出後に安定かどうかについての研究は限られており、ハライドペロブスカイト太陽電池の長期的な生存に影響を与える可能性のあるプロセスに対する理解にはギャップがある。
◆実験を行うために、研究チームは、典型的なペロブスカイト膜を使ったサンプル太陽電池デバイスを作りました。このデバイスは、8つの独立した太陽電池セルを備えており、研究者たちは、各セルの性能に基づいた実験とデータ作成を行うことができた。研究チームは、カチオン表面処理をした場合としない場合のセルの性能を調べるとともに、放射光を用いたX線特性評価技術により、長時間の熱応力の前後でカチオン修飾した各セルの界面を観察した。
◆まず、前処理を施した試料を100℃で40分間加熱した後、X線光電子分光法で化学組成の変化を測定した。さらに、別の種類のX線技術を使って、フィルムの表面にどのような結晶構造が形成されるかを精密に調べました。この2つの情報を組み合わせることで、陽イオンが格子の中に拡散する様子や、熱にさらされたときに界面構造がどのように変化するかを可視化することができたのである。
◆次に、カチオンによる構造変化が太陽電池の性能にどのような影響を与えるかを理解するため、研究者らは、ジョージア工科大学の物理・化学教授であるカルロス・シルバ氏と共同で、励起相関分光法を採用した。 この技術は、太陽電池サンプルに非常に速いパルス光を照射し、各パルス後にフィルムから放出される光の強度を検出することで、光からのエネルギーがどのように失われるかを理解するものである。この測定により、どのような種類の表面欠陥が性能に悪影響を及ぼすのかがわかるようになった。
◆最後に研究チームは、構造と光電子特性の変化を、太陽電池の効率の違いと関連づけた。さらに、最もよく使われる2種類のカチオンの高温による変化を調べ、その界面におけるダイナミクスの違いも観察した。
◆研究者達は、有機カチオンで処理されたメタルハライドペロブスカイト膜の表面が、熱ストレス下で、構造と組成を進化させ続けていることを知りました。その結果、界面における原子レベルの変化が、太陽電池の電力変換効率を著しく低下させることを突き止めた。さらに、この変化の速さは使用するカチオンの種類に依存することがわかり、分子を適切に操作することで安定した界面が得られる可能性があることが示唆された。

<関連情報>

ラドレスデン-ポッパー構造からの界面再構成がハロゲン化鉛ペロブスカイト太陽電池の安定性に与える影響 Interface Reconstruction from Ruddlesden–Popper Structures Impacts Stability in Lead Halide Perovskite Solar Cells

Carlo Andrea Riccardo Perini, Esteban Rojas-Gatjens, Magdalena Ravello, Andrés-Felipe Castro-Mendez, Juanita Hidalgo, Yu An, Sanggyun Kim, Barry Lai, Ruipeng Li, Carlos Silva-Acuña, Juan-Pablo Correa-Baena
Advanced Materials  Published: 17 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202204726

Abstract

The impact of the bulky-cation-modified interfaces on halide perovskite solar cell stability is underexplored. In this work, the thermal instability of the bulky-cation interface layers used in the state-of-the-art solar cells is demonstrated. X-ray photoelectron spectroscopy and synchrotron-based grazing-incidence X-ray scattering measurements reveal significant changes in the chemical composition and structure at the surface of these films that occur under thermal stress. The changes impact charge-carrier dynamics and device operation, as shown in transient photoluminescence, excitation correlation spectroscopy, and solar cells. The type of cation used for surface treatment affects the extent of these changes, where long carbon chains provide more stable interfaces. These results highlight that prolonged annealing of the treated interfaces is critical to enable reliable reporting of performances and to drive the selection of different bulky cations.

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