ペロブスカイト太陽電池

ペロブスカイトとは何ですか？

ペロブスカイトは、最初に発見されたペロブスカイト結晶である鉱物酸化チタンカルシウムと同じ結晶構造を持つ材料です。 一般に、ペロブスカイト化合物は化学式ABX3を持ち、ここで’A’と’B’は陽イオンを表し、Xは両方に結合する陰イオンである。 多数の異なる元素を組み合わせてペロブスカイト構造を形成することができる。 この組成の柔軟性を利用して、科学者はペロブスカイト結晶を設計して、さまざまな物理的、光学的、および電気的特性を持つことができます。 ペロブスカイト結晶は、今日、超音波装置、メモリチップ、そして現在は太陽電池で発見されています。

ペロブスカイトのクリーンエネルギー応用

すべての太陽電池は、ガラスなどの電気絶縁体と銅などの金属導体との中間にある半導体に依存しており、光から電気にエネルギーを変換しています。 太陽からの光は、半導体材料中の電子を励起し、導電性電極に流れ込み、電流を生成する。

シリコンは、その半導体特性が太陽の光線のスペクトルとよく一致し、比較的豊富で安定しているため、1950年代から太陽電池に使用されている主な半導体材料となっています。 しかし、従来の太陽電池パネルに使用されている大きなシリコン結晶は、多くのエネルギーを利用する高価な多段階の製造プロセスを必要とする。 代替案の探索では、科学者たちはペロブスカイトの調整可能性を利用して、シリコンと同様の特性を持つ半導体を製造しています。 ペロブスカイト太陽電池は、コストとエネルギーのほんの一部のために、印刷のような単純な添加剤蒸着技術を使用して製造することができます。 ペロブスカイトの組成の柔軟性のために、太陽のスペクトルに理想的に一致するように調整することもできます。

2012年、ハロゲン化鉛ペロブスカイトを光吸収層として、光光子-電子変換効率が10%以上の安定した薄膜ペロブスカイト太陽電池を初めて発見しました。 それ以来、ペロブスカイト太陽電池の太陽光から電力への変換効率は急上昇し、実験室の記録は25.2％に達しています。 また、ペロブスカイト太陽電池と従来のシリコン太陽電池を組み合わせた研究者もおり、これらの”ペロブスカイトオンシリコン”タンデムセルの記録効率は現在29.1％（従来のシリコンセルの27％を上回る）であり、急速に上昇している。 この急速なセル効率の急増により、ペロブスカイト太陽電池とペロブスカイトタンデム太陽電池は、すぐに従来のシリコン太陽電池に代わる安価で高効率の代替物になる可能性があります。

いくつかの現在の研究目標は何ですか？

シリコンタンデム上のペロブスカイトを含むペロブスカイト太陽電池は、世界中の数十社によって製品化されていますが、性能、信頼性、製造性を向上させることができる基本的な科学技術上の課題がまだあります。

一部のペロブスカイト研究者は、ペロブスカイトの欠陥を特徴付けることによって変換効率を押し進め続けています。 ペロブスカイト半導体は非常に欠陥耐性がありますが、欠陥は依然として性能、特に活性層の表面で発生する欠陥に悪影響を及ぼします。 他の研究者は、（タンデムセルスタックのような）特定のアプリケーションのためにそれらの電子特性を調整するか、さらにその安定性と寿命を向上させるために、新しいペロブスカイト化学製剤を探索しています。

研究者はまた、新しいセル設計、ペロブスカイトを環境から保護するための新しいカプセル化戦略、およびペロブスカイト太陽電池が屋根上でどのように持続するかを予測するための加速老化研究を使用できるようにするための基本的な劣化経路を理解するために取り組んでいる。 他の人たちは、ペロブスカイト”インク”を確立された大規模な溶液印刷方法に適応させる方法を含む、さまざまな製造プロセスを急速に模索しています。 最後に、最高性能のペロブスカイトは今日、少量の鉛で作られているが、研究者はまた、鉛毒性に関連する懸念を軽減するために、代替組成物および新

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CEIはペロブスカイトをどのように進めていますか？

ペロブスカイト結晶は原子スケールの欠陥を示すことが多く、太陽変換効率を低下させる可能性があります。 CEIの主任科学者で化学教授のDavid Gingerは、これらの欠陥を治癒するために異なる化合物でペロブスカイトを処理する”不動態化”技術を開発しました。 しかし、ペロブスカイト結晶が太陽電池に組み立てられると、電流収集電極は追加の欠陥を引き起こす可能性があります。 2019年、GingerとGeorgia Techの共同研究者は、米国から資金を受け取りました。 エネルギー省の太陽エネルギー技術事務所（SETO）は、新しい不動態化戦略と新しい電荷収集材料を開発し、ペロブスカイト太陽電池が低コストの製造と互換性を保ちながら完全な効率の可能性に達することを可能にします。

化学教授Daniel Gamelinと彼のグループは、従来のシリコンセルの理論的限界である33％変換を迂回して、青色光の高エネルギー光子をより効率的に収集するために、ペロブスカイトコーティングを用いてシリコン太陽電池を改良することを目指している。 Gamelinと彼のチームは、高エネルギー光子を吸収し、2倍の低エネルギー光子を放出することができるペロブスカイト量子ドット（人間の髪の毛の数千倍の小さ「太陽電池で吸収された光子は1つの電子を生成するため、ペロブスカイト量子ドットコーティングは変換効率を劇的に向上させることができます。

Gamelinと彼のチームは、この技術を商業化するためにbluedot Photonicsというスピンオフ会社を設立しました。 GAMELINとBlueDotは、瀬戸からの資金を得て、大面積太陽電池用ペロブスカイト薄膜の作製や従来のシリコン太陽電池の強化のための蒸着技術を開発しています。

化学工学教授ヒュー-ヒルハウスは、ペロブスカイトの研究を支援するために機械学習アルゴリズムを使用しています。 Hillhouseと彼のグループは、高速ビデオによって捕獲された光ルミネセンスを用いて、長期安定性のために様々なハイブリッドペロブスカイトを試験しています。 これらの実験は膨大なデータセットを生成しますが、機械学習を用いて、ペロブスカイト太陽電池の劣化予測モデルを生成することを目指しています。 このモデルは、長期安定性のためにペロブスカイト太陽電池の化学構造と構造を最適化するのに役立ち、商業化の重要な障壁となります。

CEIが運営するオープンアクセスのラボ施設であるWashington Clean Energy Testbedsでは、研究者や起業家がペロブスカイト太陽電池のような技術を開発、テスト、スケールする テストベッドでロール-トゥ-ロール-プリンタを使用すると、ペロブスカイト-インクを低温でフレキシブル基板上に印刷することができます。 Testbedsテクニカルディレクター J.Devin MacKenzieは、uwの材料科学&工学および機械工学の教授であり、高スループットおよび低炭素フットプリント製造のための材料およ 彼のグループの最も活発なプロジェクトの一つは、また、瀬戸によって資金を供給され、彼らはロールツーロール印刷中に急速に堆積されているようにペロブスカイト結晶の成長を測定することができ、in situ機器を開発しています。 マッケンジーのグループは、地球材料開発研究共同センター（JCDREAM）の支援を受けて、世界最高解像度のプリンタを使用して、太陽電池に太陽光が入るのを妨げずにペロブスカイト太陽電池から電流を引き出すための新しい電極を開発しています。