南京大学が主導し、太陽電池メーカーのレンシャイン・ソーラーと協力した研究者チームは、面積810平方センチメートル、太陽エネルギーを電気に変換する効率24.0％のペロブスカイト太陽電池モジュールを開発し、太陽光発電技術の注目すべき発展を主張している。この結果はテュフズードによって検証されており、面積 800 cm² を超えるペロブスカイト モジュールの作成における世界記録です。この研究結果は「Nature」誌に掲載された。
実験室を超えて: スケールへの挑戦
ペロブスカイト太陽電池は、2009 年のわずか 3.8% から今日の実験室規模のデバイスでは 25% 以上にまで急速に効率が向上し、研究者を長い間驚かせてきました。{0}しかし、小さな実験室から商業的に実行可能な大きなモジュールに至るまでの道のりには障害がたくさんありました。デバイスがスケールアップするにつれて、欠陥が増加し、コーティングが不均一になり、効率が急激に低下します。この「スケールギャップ」が、ペロブスカイトの商業化に対する最大の障壁となってきました。
南京大学のチームはついにこの距離を完走することに成功した。モジュールのサイズは 810 cm²。一般的な紙と同様のモジュールは、実験室条件下でテストされたモジュールで 24.2% という記録的な効率を達成し、独立した認証では 24.0% の効率が確認されました。このモジュールは、53.46 V の開回路電圧、0.436 A の短絡電流、83.40% の曲線因子も示しています。-最大電力点トラッキングが動作している間、モジュールの出力は 19.4 W のレベルで安定しています。
さらに印象的なのは、チームが合計面積 0.72 平方メートルの 150 個のモジュールを製造したことです。-平均出力 144 W を達成する真のメートル-スケール製品-です。これらの製品の中で最も優れた製品は、認定効率 22.0% と出力 158.4 W に達し、メートル-スケールの効率記録を樹立しました。
技術的なブレークスルー: 表面不動態化の再考
何がこの成果を可能にしたのでしょうか?答えは、表面不動態化を賢く再考することにあります。{0}これは、電荷キャリアを捕捉して再結合を促進し、デバイスが太陽光から抽出できる電圧と電流を低下させる、ペロブスカイト層の境界にある欠陥を処理するプロセスです。
従来の不動態化はハロゲン化アンモニウム（AHP）に依存しており、実験室ではうまく機能しますが、大規模になると問題が発生します。大面積の製造に使用されるスロット-ダイ コーティング-と連続堆積法を組み合わせると、AHP は不均一に分布する傾向があり、一部の領域は過剰に処理され、他の領域は不動態化が不十分な状態になります。-また、湿気にも弱いため、通常、メーカーはメートルスケールのモジュールを不活性雰囲気内で処理する必要があり、装置の複雑さとコストが増加します。{8}}
中国チームは根本的に異なるアプローチをとりました。不利な表面を補うために不動態化剤に依存する代わりに、彼らはペロブスカイト膜の表面化学を設計しました。前にそれを不動態化します。彼らは、飽和蒸気圧の高い溶媒系を使用してフィルムの結晶化を制御し、自然にヨウ化ホルムアミジニウム (FAI) が豊富な表面を生成しました。次に、その調整された表面を、従来のハロゲン化アンモニウムの代わりにジオレイン酸鉛-化学的に安定なカルボン酸鉛 (LCP)-で処理しました。
その発見は革命的なものでした。 X-線光電子分光法では、LCPとFAI-が豊富な表面の間に化学結合が存在することが証明され、フォトルミネッセンス分析では、キャリア寿命が264ナノ秒から706ナノ秒に増加したことが示されました。これは、キャリアのトラップが大幅に減少し、不動態化の品質が大幅に向上したことを意味します。マクロスケールで不均一な堆積や欠陥を示した AHP で処理したフィルムとは対照的に、LCP 処理では、湿気、熱、紫外線に対する耐性が向上したことを特徴とする連続的な疎水性フィルムが得られました。
耐久性: パズルの欠けているピース
効率性は話の半分に過ぎません。太陽光発電技術が商業的に成功するには、数十年にわたる現実世界の天候に耐える必要があります。-ここで、LCP アプローチは同様に驚くべき結果をもたらしました。
国際電気標準会議 (IEC) の標準テストでは、LCP{0}} 処理されたモジュールは顕著な回復力を示しました。 1,300 時間の湿気-熱にさらされた後、LCP モジュールは初期効率のわずか 2% しか低下しませんでした。-AHP 処理モジュールでは 39% でした-。 300 回の熱サイクル後、劣化は無視できました。 2,200 時間の最大電力点追跡後、モジュールは初期効率の 96% を維持しました。また、UV 老化後も初期性能の 95% を維持しました。すべての LCP-修正モジュールは、地上太陽光発電モジュールの耐久性を認定するために使用される国際規格である IEC 61215 信頼性テストスイート-に完全に合格しました。現場モニタリングでは、比エネルギー出力がシリコン TOPCon モジュールの比エネルギー出力を超えていることが示されました。
これが太陽光発電業界にとって重要な理由
この画期的な進歩は、世界の太陽光発電産業に重大な影響を及ぼします。
まず、ペロブスカイト太陽光発電は、厳密に制御された不活性環境を必要とするのではなく、周囲空気処理を使用して製造できることが実証されています。{0}これにより、産業規模の生産における大きなコスト障壁が取り除かれます。-
第 2 に、このアプローチは、純粋に欠陥をブロックする処理層の利点を長い間制限してきた不動態化{0}}と-導電性のトレードオフ-に対処します。 LCP 戦略は、電子的欠陥の抑制と界面全体でのキャリア輸送の強化の両方により、多くの人が不可能だと考えていたこと、つまり大規模でのパフォーマンスの向上を実現します。
3 番目に、おそらく最も重要なことは、チームが 150 個のモジュールを作成およびテストした-規模-での成功により、このテクノロジーが研究セルから製造関連のアーキテクチャに変換できることを証明したことです。-研究者らが指摘したように、彼らの結果は、意図的に設計された表面化学と、安定した周囲環境適合性のある不動態化剤-を組み合わせた製造戦略を示しています。このアプローチは、高度に最適化された実験室用ペロブスカイトセルと、連続的な工業規模のコーティングで作られたモジュールとの間のギャップを埋めるのに役立つ可能性があります。-
これからの道
大面積ペロブスカイト モジュールの効率 24% というマイルストーンは、-終点ではなく、通過点です。-業界観察者らは、継続的な改良により、効率 26% を達成する 2 ～ 3 平方メートルの商用モジュールが達成可能であると指摘しています。一方、タンデム ペロブスカイト-シリコンとオール ペロブスカイト タンデム アーキテクチャは限界を押し広げ続けており、一部の構成では小規模ですでに 26% の効率を超えています。
南京大学-レンシャイン・ソーラーとの共同研究で証明されたのは、ペロブスカイト太陽光発電がもはや実験室の単なる興味の対象ではないということです。それらは製造可能で耐久性があり、ますます効率的なものになりつつあります。世界がエネルギー システムの脱炭素化に向けて競う中、この画期的な進歩は、次世代の太陽光発電技術が数十年も先のことではないということを強く思い出させてくれます。-それは現在、一度に 1 つずつ記録を積み上げながら構築されているところです。
