有望な太陽電池材料は、エネルギー生産効率を犠牲にすることなく、最も安価なシリコン デバイスと同じ方法を使用して製造できます。この進歩により、安価な材料が既存の産業に採用される可能性が高まります。
太陽電池は太陽光を電気に変換します。典型的なセルには、半導体として知られる材料の層が含まれています。ほとんどの場合、シリコンです。光の粒子、または光子がこれらの半導体の 1 つの原子に衝突すると、負の電子が放出され、材料を通り抜けることができ、正に帯電した「正孔」が残ります。電子と正孔は、異なる特性を持つ半導体の層を通って反対方向に移動し、電流の流れを作り出します。
簡単に聞こえるかもしれませんが、安価に製造されたシリコンをベースにしたほとんどの太陽電池は、太陽光の 10% 以上を電気に変換することはできません。ガリウム砒素などの他の半導体は 30% を超える効率を達成できますが、衛星への電力供給など、最も要求の厳しいアプリケーションを除いて、法外に高価です。
より安価な代替品は、ペロブスカイトとして知られる材料である可能性があります。これは、原子が立方体とダイヤモンドの形状の特定の組み合わせで配置されている酸化チタン カルシウムなどの化合物です。ペロブスカイトは太陽光を吸収するように簡単に調整できます。実際、2009 年の太陽電池におけるペロブスカイトの最初の役割は、光子を吸収することであり、それ以上のものではありませんでした。隣接する半導体は、解放された電子と正孔を分離しました。
これは、物理学者が、ペロブスカイト内で解放された電子と正孔が遠くまで移動しないと想定していたためです。実際、これらの電荷が隣接する半導体に到達することを確認するために、物理学者はすべての構成要素を複雑なナノ構造に混ぜ合わせました。この構造では、半導体の小さな相互接続バブルがペロブスカイトの薄い層でコーティングされ、さらに厚い層でコーティングされています。
しかし、昨年、イギリスのオックスフォード大学の物理学者 Henry Snaith とその同僚が、ペロブスカイト セルにブレークスルーが見られました。半導体バブルを絶縁足場に置き換えた場合、デバイスが実際により良く機能することを発見したのです。結局のところ、ペロブスカイトは非常に優れた半導体であり、それ自体で電子を効率的に移動させることができました.
今回、Snaith と同僚は別の驚きをもたらしました:泡のようなナノ構造はまったく無関係です。オックスフォードのチームは、ペロブスカイト セルが、安価な薄膜シリコン セルと同じフラットな設計で、蒸着と呼ばれる同じ方法を使用して構築されている場合、同じように効率的であることを実証しました。 「複雑なナノ構造から始めて、それを薄膜に縮小しました」と Snaith は言います。 「面白いですね、そうです！」
さらに、単純な層状セルは、太陽光の 15% 以上を電気に変換します。これは、わずか 2 か月前にナノ構造デバイスで設定されたペロブスカイト セルの記録に匹敵します。研究者は本日 Nature で報告しています。 .物理学者がペロブスカイトが優れた半導体であることを知っていたら、おそらく通常の薄膜セルから始めていただろう、と Snaith は言う。ペロブスカイト セルは現在、主流市場に参入する可能性が高く、おそらく 1 ワットあたりわずか 0.15 ドル、または薄膜シリコン デバイスの 4 分の 1 の価格であると Snaith は言います。
ローザンヌにあるスイス連邦工科大学の物理学者で、ペロブスカイトの効率の記録を打ち立てたチームのメンバーである Michael Grätzel は、次のように述べています。しかし、ノースカロライナ州ウィンストン セーラムにあるウェイク フォレスト大学の物理学者 David Carroll は、一部のペロブスカイトは紫外線にさらされ続けると劣化することが示されていると述べています。また、材料が工業的に処理されたときに無毒であることを証明する必要があると彼は言います。それでもキャロル氏は、「これにより、多くの研究グループが [ペロブスカイト] システムをより注意深く調べ始めるようになるでしょう」と述べています。
