京大がペロブスカイト太陽電池の発電メカニズムを解析しエネルギー変換効率を限界まで高め得ることが明らかに

先日、京都大学の大北英生准教授、伊藤紳三郎教授らの研究グループは、エネルギー変換効率19%以上の高効率ペロブスカイト太陽電池の発電メカニズムを解析し、電流が発生する効率はほぼ100%であり、電圧も理論限界にまで向上可能なことを明らかにしました。

ペロブスカイト太陽電池の不安定性を改善、理論限界への設計指針を発見
~新型太陽電池のポテンシャルを見極める~

要約すると…
○ペロブスカイト太陽電池は測定条件によって電流-電圧曲線が変わるため、発電特性と素子構造の関係を定量的に研究することができなかった。
○発電特性が変化しにくいペロブスカイト太陽電池の作製に成功し、電流・電圧のロス機構を明らかにすることができた。
○得られた設計指針を基に、エネルギー変換効率がシリコン太陽電池に迫るペロブスカイト太陽電池の実現が期待できる。
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今回の研究の概要

ペロブスカイト太陽電池は、材料溶液を印刷することで容易に作製できるため生産コストの大幅な低減ができる太陽電池として期待されています。最近では20%以上の高いエネルギー変換効率が報告され、次世代太陽電池の有力候補として注目を集めています。しかし、発電特性にばらつきが多く、測定条件によって素子特性が変わるヒステリシスという現象を示すため、素子構造と発電特性の関係を定量的に研究することができないという課題がありました。
大北准教授らは、比較的平滑で緻密なペロブスカイト膜の製膜法を用いて、エネルギー変換効率19%以上でかつ、ヒステリシスが小さいペロブスカイト太陽電池を再現性良く作製することに成功しました。

さらにこの素子を用いて解析したところ、電流については、変換ロスはほとんどないことが分かりました。一方、電圧については、電流の担い手である電荷キャリアを捕捉するサイト(トラップ)を介した電圧ロスが存在することが分かりました。このことから、トラップの密度を単結晶ペロブスカイト程度にまで減らすことができれば、開放電圧を理論限界近くにまで向上できることが明らかになりました。

太陽光発電技術への影響

今回の研究成果により、ペロブスカイト太陽電池の発電特性を理論限界近くにまで向上させるための設計指針が明らかになり、シリコン太陽電池に匹敵するペロブスカイト太陽電池の開発が期待されます。

また今回の予測は、架空のパラメータによる予測値とは異なり、実際の実験値に基づくものなので実現可能なものといえます。単結晶ペロブスカイトでは、今回考慮したトラップを介した再結合以外の新たなロス機構が関与する可能性もありますが、一つ一つ解決していくことで、シリコン太陽電池に迫るエネルギー変換効率25%のペロブスカイト太陽電池の実現が期待されます。

参考
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2015/151208_1.html
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2015/documents/151208_1/01.pdf

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