ひずみ「トリック」でペロブスカイト太陽電池の効率が向上(Strain “trick” improves perovskite solar cells’ efficiency)

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2025-04-09 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

ひずみ「トリック」でペロブスカイト太陽電池の効率が向上(Strain “trick” improves perovskite solar cells’ efficiency)Strain-induced Rb incorporation boosts open-circuit voltage in wide bandgap perovskite solar cells. Credit: Zheng et al 2025. DOI: 10.1126/science.adt3417​

スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)の研究者たちは、ペロブスカイト太陽電池のエネルギー損失を大幅に削減し、効率を向上させる新しい手法を開発しました。この手法では、結晶格子に「歪み」を導入することで、ルビジウム(Rb)イオンをペロブスカイト構造内に安定的に組み込み、相分離を防止します。これにより、非放射性再結合が最小化され、エネルギー効率が向上します。具体的には、化学組成の微調整と加熱・冷却プロセスの精密な制御を通じて、急速加熱と制御された冷却を行い、結晶格子に歪みを誘発します。これにより、Rbが不要な二次相を形成するのを防ぎ、構造内に統合された状態を維持します。さらに、塩化物イオンの導入も、組み込まれた元素間のサイズ差を補償し、格子を安定化させる上で重要であることが判明しました。この新しいペロブスカイト組成は、開放電圧1.30Vを達成し、理論的限界の93.5%に相当します。この成果は、ペロブスカイト太陽電池の商業化を加速させ、再生可能エネルギー分野における技術革新に寄与する可能性があります。

<関連情報>

ワイドバンドギャップペロブスカイトへの歪み誘起ルビジウム導入による光電圧損失の低減 Strain-induced rubidium incorporation into wide-bandgap perovskites reduces photovoltage loss

Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, […], and Michael Grätzel
Science  Published:3 Apr 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adt3417

Editor’s summary

Cooperative lattice contraction created by small chlorine and rubidium ions allows the formation of a stable wide-bandgap perovskite for use in tandem solar cells. The small size of rubidium cations usually prevents formation of the perovskite phase, but Zheng et al. showed that the strain induced with added chlorine prevents phase segregation of the rubidium and cesium cations in the perovskite and creates a phase with a wide band gap (1.67 electron volts). A perovskite solar cell had an open-circuit voltage of 1.3 volts, 93.5% of the radiative open-circuit voltage limit. —Phil Szuromi

Abstract

A-site cation mixing can enhance the photovoltaic performance of a wide-bandgap (WBG) perovskite, but rubidium (Rb) cation mixing generally forms a nonperovskite phase. We report that lattice strain locks Rb ions into the α-phase of the lattice of a triple-halide WBG perovskite, preventing phase segregation into a nonperovskite Rb-cesium–rich phase. This process cooperates with chloride accommodation and promotes halide homogenization across the entire film volume. The resulting 1.67–electron volt WBG perovskite exhibits photoluminescence quantum yields exceeding 14% under 1-sun-equivalent irradiation, corresponding to a quasi–Fermi level splitting of ~1.34 electron volts. A WBG perovskite solar cell with an open-circuit voltage (VOC) of 1.30 volts was prepared, corresponding to 93.5% of the radiative VOC limit and representing the lowest photovoltage loss relative to the theoretical limit observed in WBG perovskites.

0402電気応用
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