希土類元素を利用して太陽電池の限界を克服する
ペロブスカイト太陽電池は、既存の太陽電池技術に比べて優れた点がいくつかあります。他の太陽電池に比べて、より高い効率、軽量、そして低コストを実現できる可能性があります。ペロブスカイト太陽電池では、ペロブスカイト層がセル前面の透明電極と背面の反射電極の間に挟まれています。 電極輸送層と正孔輸送層がカソードとアノードの界面の間に挿入され、電極での電荷収集が容易になります。 ペロブスカイト太陽電池は、電荷輸送層の形態構造と層順序に基づいて、通常平面型、逆平面型、通常メソポーラス型、逆メソポーラス型の 4 つの構造に分類されます。 しかし、この技術にはいくつかの欠点があります。光、湿気、酸素による劣化、吸収の不整合、そして非放射性電荷再結合の問題などです。ペロブスカイトは液体電解質によって腐食され、安定性に問題が生じる可能性があります。 実用化には、電力変換効率と動作安定性の向上が不可欠です。しかし、近年の技術進歩により、ペロブスカイト太陽電池の変換効率は25.5%に達し、従来のシリコン系太陽電池に大きく劣らなくなりました。 この目的のため、ペロブスカイト太陽電池への応用に向けて希土類元素の検討が進められてきました。希土類元素は、これらの問題を克服する光物理的特性を有しています。したがって、ペロブスカイト太陽電池に希土類元素を用いることで、その特性が向上し、クリーンエネルギーソリューションへの大規模導入がより現実的になります。 希土類元素がペロブスカイト太陽電池にどのように役立つか 希土類元素には、この新世代太陽電池の機能向上に活用できる多くの有利な特性があります。まず、希土類イオンの酸化還元電位は可逆的であるため、対象材料自身の酸化還元反応を抑制します。さらに、これらの元素をペロブスカイトや電荷輸送性金属酸化物と組み合わせることで、薄膜形成を制御することができます。 さらに、結晶格子に置換的に埋め込むことで、相構造や光電子特性を調整することができます。また、対象材料の粒界または表面に格子間原子として埋め込むことで、欠陥の不活性化を効果的に達成できます。 さらに、希土類イオンには多数の高エネルギー遷移軌道が存在するため、赤外線および紫外線の光子をペロブスカイトに反応する可視光に変換することができます。 この方法の利点は2つあります。1つ目は、ペロブスカイトが高強度光による損傷を受けないこと、2つ目は材料のスペクトル応答範囲が広がることです。希土類元素の使用により、ペロブスカイト太陽電池の安定性と効率が大幅に向上します。 前述の通り、希土類元素は金属酸化物からなる薄膜の形態を変化させることができます。下層の電荷輸送層の形態がペロブスカイト層の形態、そして電荷輸送層との接触に影響を及ぼすことは、十分に裏付けられています。 例えば、希土類イオンをドーピングすることで、構造欠陥の原因となるSnO2ナノ粒子の凝集を防ぎ、また、大きなNiOx結晶の形成を抑制して、均一で緻密な結晶層を形成することができます。このように、希土類イオンをドーピングすることで、これらの物質の欠陥のない薄膜を実現できます。 さらに、メソポーラス構造を有するペロブスカイトセルの足場層は、太陽電池におけるペロブスカイト層と電荷輸送層との接触において重要な役割を果たします。これらの構造中のナノ粒子には、形態欠陥や多数の粒界が存在する可能性があります。 これは、有害かつ深刻な非放射性電荷再結合を引き起こします。また、細孔充填も問題となります。希土類イオンをドーピングすることで、スキャフォールドの成長を制御し、欠陥を低減し、整列した均一なナノ構造を形成します。 希土類イオンは、ペロブスカイトと電荷輸送層の形態構造を改善することで、ペロブスカイト太陽電池の全体的な性能と安定性を向上させ、大規模な商用アプリケーションに適したものにします。 ペロブスカイト太陽電池の重要性は軽視できません。ペロブスカイト太陽電池は、現在市場に出回っているシリコンベースの太陽電池よりもはるかに低いコストで、優れた発電能力を提供します。本研究では、ペロブスカイトに希土類イオンをドーピングすることで特性が向上し、効率と安定性が向上することが実証されました。これは、性能が向上したペロブスカイト太陽電池の実現に一歩近づいたことを意味します。
投稿日時: 2022年7月4日 