高速ナノスケール「ムービー」が太陽電池の謎を解明

ペロブスカイト太陽電池は、太陽光発電の神童です。この次世代太陽光発電技術は、登場からわずか10年で、従来のシリコン太陽電池が半世紀近くかけて達成した効率のマイルストーンを既に達成しています。この太陽電池はペロブスカイトと呼ばれる材料から作られており、その特性により、薄くてフレキシブルな太陽電池をインクのように安価に印刷することが可能です。原理的には、ペロブスカイト太陽電池はあらゆるものを太陽電池パネルに変えることができます。車、窓、そして衣類さえも。しかし、ペロブスカイトが太陽光発電用半導体の王者シリコンの座を奪うには、研究者たちは、この材料が実験室外で数十年にわたり風雨に耐えられるほど安定していることを証明する必要があります。

シリコン太陽電池は、わずか数個の欠陥原子によって使用不能になることがあります。しかし、ペロブスカイト太陽電池は製造工程で生じる欠陥に対して非常に耐性があります。しかし、ペロブスカイトの結晶構造における「ディープトラップ」と呼ばれる特定の種類の欠陥は、依然として太陽電池の劣化を引き起こし、太陽光を効率的に電気に変換する能力を失わせる可能性があります。最近まで、ペロブスカイト太陽電池におけるディープトラップがどのように、どこで形成されるのかはほとんど分かっていませんでした。しかし今、国際的な研究チームがペロブスカイト太陽電池におけるディープトラップの位置を正確に特定しました。これは、太陽電池の安定性を大幅に向上させ、商業化を加速させる可能性があります。

水曜日にネイチャー誌に掲載された論文で詳述されているように、ケンブリッジ大学と沖縄科学技術研究所の科学者たちは、ペロブスカイトセル内の異なる粒子間の界面に、深いトラップが小さなクラスター状に形成されることを発見した。彼らは一連の高度なイメージング技術を用いて、セル内を移動しトラップと相互作用する電荷の「動画」を作成した。これは10億分の1秒未満で発生するナノスケールの一連の動作である。

「これらのトラップは安定性に直接関係しており、おそらく細胞の劣化が始まる場所であることを示す証拠は数多くあります」と、ケンブリッジ大学の物理学者で本論文の筆頭著者であるサム・ストランクス氏は述べています。「トラップがどこで形成されるかがわかったので、問題となる場所を標的にし、劣化プロセスを根本的に理解し始めることができます。」

太陽電池は、シリコンやペロブスカイトなどの半導体材料で作られており、環境に応じて電気を伝導したり絶縁したりします。太陽光からの光子が太陽電池に作用すると、半導体内の電子がより高いエネルギー状態へと遷移し、正電荷を帯びた「正孔」が残ります。電子と正孔はどちらも半導体の結晶格子を伝搬し、電荷を電極へと運び、そこで有用なエネルギーが生み出されます。

ペロブスカイト太陽電池は、それぞれのタイル、つまり粒子が類似した結晶構造を持つモザイクとして考えることができます。半導体の整然とした原子構造に欠陥があると、電子または正孔が「トラップ」され、太陽電池の発電能力が低下します。シリコンセルでは、トラップは通常、結晶構造中の原子の欠落によって発生します。ペロブスカイトセルのトラップは、欠落した原子よりも複雑なプロセスによって発生するようですが、ストランクス氏によると、その原因はまだ完全には解明されていないとのことです。「化学的に何が原因なのかは分かっていませんが、粒子間の界面に密集しているのが観察されています」とストランクス氏は言います。

ストランクス氏と彼の同僚たちは、ペロブスカイトセルに紫外線を照射し、わずか10ナノメートル（DNA鎖4本分の直径とほぼ同じ）まで観察できる高性能顕微鏡で観察することで、この結論に至りました。紫外線は太陽電池内で電子を解放します。これらの電子のエネルギーを測定することで、研究者たちは電子が半導体格子にどれほど深く束縛されているかを特定しました。これらのセルに太陽光を照射すると、深いトラップに落ち込む励起電荷が、10億分の1秒未満で測定信号に大きな変化として記録されました。

研究チームは次に、太陽電池の粒構造を画像化し、高速ナノスケール動画で明らかになった深いトラップの位置と比較しました。その結果、深いトラップは、完全な構造を持つペロブスカイトセル粒と欠陥のある構造を持つペロブスカイトセル粒の境界に沿ってのみ密集していることがわかりました。「限界領域がどこにあるかが分かりました。これは重要なブレークスルーです」とストランクス氏は述べています。「これにより、問題のある領域を特定し、除去する必要がある領域を特定できるようになります。」

こうした深いトラップを取り除くには、主に2つのアプローチがあります。1つは、ペロブスカイトセルの製造方法を改良し、欠陥粒子の形成を防ぐことです。そのためには、まず欠陥粒子が成長する原因を理解する必要があります。ストランクス氏はまた、トラップが密集するのではなく、より広い間隔で配置されるようにペロブスカイト材料を製造することで、「問題を隠蔽する」ことも可能かもしれないと述べています。もう1つの方法は、ペロブスカイト太陽電池の欠陥領域を特定し、後処理技術を用いて処理することです。しかし、どちらのアプローチも、トラップの位置を正確に把握しなければ効果がありません。ストランクス氏によると、それ以外の方法は試行錯誤を繰り返すことになり、多くの時間と労力が無駄になるという。

「この研究は、他の半導体を理解するのと同様に、この材料を理解する上で極めて重要です」と、国立再生可能エネルギー研究所の上級科学者で、今回の研究には関わっていないジョセフ・ベリー氏は述べています。ベリー氏の研究は主に、ペロブスカイト太陽電池を研究室から現実世界に持ち込む方法を見つけることに焦点を当てており、そのためには、これらの太陽電池が数十年にわたって発電し続けることを実証する必要があります。わずか10年前にはペロブスカイト太陽電池の存在は誰も知らなかったことを考えると、これは大きな挑戦です。

「これを設置して30年後に何が起こるかを見ることはできますが、自分の家でそんな実験をしたい人はまずいないでしょう」とベリー氏は言う。「しかし、サム（ストランクス）が行ってきたような研究によって、こうしたシステムについて30年後の予測を行うために必要な科学的根拠を得られるようになったのです。」

市販のシリコン太陽電池が既に理論上の最高効率である約30%に近づいていることを考えると、より優れた太陽電池を開発するには多大な労力がかかるように思えるかもしれません。しかし、その成果は十分に報われるとベリー氏は言います。まず、ペロブスカイト太陽電池は、華氏3,000度以上の高温で焼成し、有毒な化学物質で処理する必要があるシリコン太陽電池よりも安価で製造が容易です。一方、ペロブスカイト太陽電池は、新聞を印刷するのとほとんど変わらない技術で薄いプラスチックフィルムに印刷できます。さらに、ペロブスカイト太陽電池は、従来のシリコン太陽電池に比べて大幅な効率向上が期待できます。

ペロブスカイトとシリコンを組み合わせた最先端の二層太陽電池は、既に実験室で太陽光を電気に変換する効率が最大29%に達しており、これは市販されている最高級の単層シリコン太陽電池の効率に匹敵します。深いトラップはペロブスカイトセルの安定性と効率の両方を損なうと考えられているため、これらの欠陥を解消することで効率はさらに向上する可能性があります。ペロブスカイトとシリコンセルを組み合わせた多層太陽電池、あるいはペロブスカイトセルを積層した多層太陽電池は、トラップを解消できれば効率を約35%まで向上させることができ、ストランクス氏はこれが太陽エネルギーにとって「ゲームチェンジャー」になると述べています。

ベリー氏も同意見だ。「ペロブスカイトが何か一つの点で優れているというのではなく、複数の点で優れている点が重要なのです。より軽量で、より効率的で、シリコンでは難しい場所にも設置できます」とベリー氏は言う。ペロブスカイト太陽電池の柔軟性と半透明性は、窓から飛行機の翼まで、あらゆるものを太陽電池パネルに変えることができることを意味する。しかし、まず研究者たちは、この技術が大規模環境でも効率の優位性を維持できることを実証しなければならない。

これまで、研究者たちはわずか数平方センチメートルのセルを用いてペロブスカイト太陽電池の効率記録を樹立してきました。しかし、セルをより大きなシートに組み合わせると、効率は急激に低下します。大型パネルでペロブスカイトセルの効率を維持するには、材料の欠陥を除去することが不可欠です。「ペロブスカイトを技術として確立したいのであれば、他のどのセルとも同等か、それ以上の性能が必要です」とベリー氏は言います。ペロブスカイト太陽電池はまだその域に達していませんが、このペースでいけば、実現も時間の問題と言えるでしょう。

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