ペロブスカイト：豊富で安価な印刷可能な太陽電池が実証され、発電準備完了

2023 年 5 月 31 日、デヴィッド・ベイノン

世界中の研究室が競争して開発を進めています。印刷可能なペロブスカイト太陽電池。大量に生産され、非常に薄いため、ほとんど何にでも巻き付けることができます。 。 これは、比較的大きくて壊れやすい典型的なシリコンセルに比べて、大きな利点です。 そして、ペロブスカイトは製造コストがはるかに安くなります。スウォンジー大学のデイビッド・ベイノンそこには、プラスチックフィルムのロールを印刷機に装填して、すぐに発電できる状態で動作するペロブスカイト太陽電池を製造する方法を実証した研究が記載されています。 ペロブスカイト層は、50～500ナノメートルの薄さ 。 チームが使用したのは、「スロットダイコーティング工程」元々は写真フィルムの製造に使用されていた確立された工業技術。 の10%の電力変換効率は良好ですが、市販のシリコンと一致するには 17% まで上げる必要があります。この数値を改善する方法はすでによく理解されていますとベイノン氏は、より高性能なペロブスカイト化学に基づいて述べています。 のペロブスカイト太陽電池の寿命安定性も延長する必要がある 、化学、デバイス設計、保護コーティング、積層バリアフィルムの組み合わせによって。 しかし、印刷プロセスの課題は解決されたようで、規模拡大への道が開かれています。 ペロブスカイト太陽電池に関する本格的な研究が始まったのは 2012 年と最近のことで、これはこの重要な分野におけるイノベーションのペースを示すもう 1 つの例です。

シリコン太陽電池太陽から電気を生成する確立された技術です。 だけどあの人達生産には多くのエネルギーが必要で、硬くて壊れやすい場合があります。

しかし、新しい種類の太陽電池がその性能に匹敵しつつあります。 さらに、特殊なインクを使用して印刷し、凹凸のある表面にも柔軟に巻き付けることができるようになりました。

当社は、ペロブスカイトから作られた世界初の巻き取り可能で完全に印刷可能な太陽電池を開発しました。、という素材です。シリコンよりも製造コストがはるかに安い 。 効率も改善できれば、次の可能性が示唆されます。これまでよりもはるかに大規模に、より安価な太陽電池を製造する。

私たちがよく知っているシリコン太陽電池には大きな限界があります。 私たちのニーズをカバーするのに十分なものが作られたら、2050年までに作るための材料がなくなる可能性がある 。 したがって、何か新しいものがたくさん必要です。 そのギャップを埋めるためにペロブスカイト太陽電池が登場しつつある。

従来のシリコンソーラーパネルは硬くて壊れやすい / 画像: AlyoshinE/Shutterstock

ペロブスカイトは無機成分と有機成分からなる結晶構造であり、17世紀から18世紀のロシアの鉱物専門家、レフ・ペロフスキーにちなんで名付けられました。。

Pエロブスカイト太陽電池は 2012 年に初めて研究室に登場しましたそして、次の 2 つの要因により研究者の注目を集めました。太陽光を電気に変換する能力、 そしてそのインクの組み合わせからそれらを作成する可能性。

研究室では、酸素と水分が完全に除去された環境で高度に管理された製造方法を使用し、ペロブスカイト太陽電池はシリコン太陽電池と同等の発電量を実現できるようになりました 。 これは驚くべき成果です。

しかし、シリコンを使用しない安価なペロブスカイト太陽電池には、まだ商業規模で製造されていない 。 では、これらの素材を、通常のパッケージの印刷に使用するのと同じ種類のプロセスを使用して製造できたらどうなるでしょうか?

同僚と私は最近それを実証しましたプラスチックフィルムのロールを印刷機に装填すると、もう一方の端から動作するペロブスカイト太陽電池が現れます。 。 ただし、デスクトップ プリンターにインクを注ぐほど単純ではありません。

まず、科学者たちは記録的な効率を達成するには、この新しい形式の太陽電池の半導体層とペロブスカイト層は、50 ～ 500 ナノメートルと非常に薄くなければなりません。（人間の髪の毛の約500分の1）。

また、印刷に使用されるインクには毒性の高い溶剤が必要でした。 しかし、長年の努力の末、有毒な溶剤を使用しないインクを配合しました。と互換性のあるものスロットダイコーティングプロセス - 元々は写真フィルムの製造に使用されていた確立された工業技術。

ペロブスカイト太陽電池の印刷と展開のプロセス / 画像: スウォンジー大学、著者提供

印刷されたペロブスカイト層は、それに当たる光によって提供されるエネルギーから自由電子を生成します。 その後、半導体はペロブスカイトがこれらの電子を再吸収するのを防ぎます。優れた電力変換効率（光パワー入力と電力出力の比）。

問題は 1 つ残っています。それは、電荷をどのように取り出すかということです。 これまでは、金が蒸発するまで真空中で金を加熱し、その蒸気をペロブスカイト太陽電池上で捕捉して電極を形成することでこれを実現していました。

私たちは別のアプローチをとりましたが、ペロブスカイト材料とスロットダイコーティングプロセスの両方に適合するカーボンインクを作成する 。 結果は印刷機から出てくる、すぐに発電できる大量の柔軟で丸めることができる太陽電池。

スウォンジー大学の科学者が印刷可能で巻き取り可能な太陽電池を開発 / 画像: スウォンジー大学、著者提供

ペロブスカイト太陽電池は研究室で高い性能を実証しており、現在では大量生産に飛躍できることが証明されています。 しかし、仕事はまだ終わっていません。

これらの巻き取り可能なプリントセルによって達成される 10% の電力変換効率は有用であり、最初に市販されたシリコン パネルよりも高いです。 しかし、それは現在使用されている国内の太陽光パネルの一般的な変換効率17%よりも遅れています。。

さらなる増額が可能であることはわかっていますより高性能のペロブスカイト化学を利用する。

商業的に大量生産されるペロブスカイト太陽電池パネルがシリコンのエネルギー生成に匹敵するためには、克服しなければならない工学的な課題があります。ペロブスカイト太陽電池の寿命安定性のさらなる向上も必要– 化学、デバイス設計、および保護コーティングや積層バリアフィルムなどの他の戦略の組み合わせを通じて。

つまり、研究は、実験室で起こっていることを現実世界のデバイスに変換することに焦点を当てる必要があります。 しかし、数十万平方メートルのフレキシブルペロブスカイト太陽電池を製造できる可能性が一歩近づいています。

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デヴィッド・ベイノンの上級研究員です。スウォンジー大学の SPECIFIC イノベーションおよびナレッジ センター

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