2021-06-22

ペロブスカイト太陽電池の未来がさらに明るく

太陽光を電気に変換する太陽電池は、長年、再生可能エネルギーとして世界的に注目されてきました。太陽電池は、その1枚1枚は非常に小さいですが、モジュールにスケールアップすることでバッテリーの充電や照明の点灯などに利用することができます。また、将来的には太陽電池モジュールを並べて建物の主要なエネルギー源として利用できるようになる可能性もあります。しかし、現在市販されている太陽電池はシリコンを使用しているため、従来の電源に比べて製造コストが高くなってしまいます。

そこで登場するのが、比較的新しい素材として研究開発が進んでいるメタルハライドペロブスカイトです。この結晶構造を太陽電池の中心に置くことで光を電気に変換することができ、コストもシリコンよりはるかに低く抑えることができます。さらに、ペロブスカイト太陽電池は、硬い基板と柔らかい基板のどちらでも製造することができるため、安価であることに加えて、より軽量で柔軟性のあるものになる可能性があります。しかし、実用化に向けては、サイズや効率に加え、寿命も向上させる必要があります。 

この度、沖縄科学技術大学院大学(OIST)のヤビン・チー教授が率いるエネルギー材料と表面科学ユニットの研究チームは、ペロブスカイトの重要な原材料のうちの1つを従来とは異なる方法で合成することが、ペロブスカイト太陽電池を改良する鍵となる可能性があることを新たな研究で実証し、Nano Energyに発表しました。

「ペロブスカイトには、吸収層を形成するホルムアミジン鉛ヨウ素(FAPbI3)と呼ばれる結晶性粉末が必要です。以前は、この層はヨウ化鉛(II)(PbI2)とヨウ化ホルムアミジニウム(FAI)という2つの材料を混ぜ合わせて作られていました。両材料間で反応が起こることでホルムアミジン鉛ヨウ素が生成されますが、この方法は完璧というには程遠いやり方でした。元の材料の一方または両方が残ってしまうことが多く、それが太陽電池の効率を下げてしまうのです」と、本論文の筆頭著者の一人、ポストドクトラルスカラーのグオチン・トン博士は説明します。

同課題の解決策として、研究チームはより精密な粉体技術を用いて結晶性粉末を合成しました。この際も原料の一つであるヨウ化鉛(II)を使用しましたが、90℃に加熱して丁寧に溶かし、残った材料を濾過するなどの工程を追加しました。これにより、高品質で完璧な構造を持つ粉末を得ることができました。

研究チームは、粉体技術を用いて、高品質なホルムアミジン鉛ヨウ素(FAPbI3)を合成した。まず、酢酸ホルムアミジン(FAAc)とヨウ化水素酸(HI)を混合した。次に、ヨウ化鉛(II)(PbI2)を加え、この混合物を90℃まで加熱した。最後に、残った不純物や未反応物を水に溶かしてろ過した。

この方法のもう一つの利点は、各温度でのペロブスカイトの安定性が向上したことです。従来の、化学反応によってペロブスカイトの吸収層を形成していたやり方では、高温では安定性が見られましたが、室温では元の茶色から光の吸収に適さない黄色に変色してしまいました。一方、合成によって形成したものは、室温でも茶色のままでした。

これまでに、シリコン系太陽電池に匹敵する25%以上の効率を持つペロブスカイト太陽電池が製作されてきてはいましたが、これらの新たな太陽電池を実験室以外で使用できるようにするには、サイズのスケールアップと長期的な安定性を向上させることが必要です。

「実験室サイズの太陽電池は非常に小さいものです。1つの電池の大きさは、わずか0.1平方センチメートル程度です。この太陽電池は、簡単に作れるという理由で多くの研究者が注目していますが、応用を考えると、もっと大きなモジュールが必要です。また、寿命も考慮する必要があります。これまでに25%の効率が達成されていますが、その寿命は最大でも数千時間で、それ以上使用すると、電池の効率は低下していきました」とチー教授は説明します。

OISTのエネルギー材料と表面科学ユニットでは、さまざまなサイズのペロブスカイト太陽電池およびモジュールを用いて研究しています。

トン博士は、デヨン・ソン博士やユニットの研究チームとともに、合成した結晶性ペロブスカイト粉末を太陽電池に使用して、23%以上の変換効率で2000時間以上の寿命を達成しました。また、同電池を5 x 5平方センチメートルの太陽電池モジュールにスケールアップしても、14%以上の変換効率が得られました。さらに、これを実証するため、ペロブスカイト型太陽電池モジュールを使用してリチウムイオン電池を充電する実験装置を製作しました。

5×5平方センチメートルのペロブスカイト太陽電池モジュールを使用してリチウムイオン電池を充電する実証実験装置。

2021-06-22

ペロブスカイト太陽電池モジュールを使用してリチウムイオン電池を充電する実証実験装置をOISTのエネルギー材料と表面科学ユニットが製作した。

本研究結果は、効率的で安定したペロブスカイト太陽電池およびモジュールの実現に向けた重要な一歩であり、将来的に実験室以外でも使用できるようになる可能性があります。トン博士は次のように語っています。「今後の研究では、15 × 15平方センチメートルのサイズで、15%以上の効率を持つ太陽電池モジュールの製作を行います。いつの日か、私たちの太陽電池でOISTの建物に電力を供給できるようにしたいですね。」

本研究は、OIST技術開発イノベーションセンターのプルーフ・オブ・コンセプトプログラム(POCプログラム)の支援を受けて行われました。

論文情報

  • 発表先: Nano Energy
  • 論文タイトル: Removal of residual compositions by powder engineering for high efficiency formamidinium-based perovskite solar cells with operation lifetime over 2000 h
  • 著者: Guoqing Tong, Dae-Yong Son, Luis K. Ono, Hyung-Been Kang, Sisi He, Longbin Qiu, Hui Zhang, Yuqiang Liu, Jeremy Hieulle, Yabing Qi
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106152
(ディッキー・ルシー)

広報や取材に関して:media@oist.jp