ペロブスカイト：新しいタイプの太陽電池技術が、豊富で安価な印刷可能な電池への道を開く

スウォンジー大学 SPECIFIC イノベーションおよびナレッジ センター上級研究員

David Beynon は EPSRC とウェールズ政府から資金提供を受けています。 彼はこれまでに、欧州地域開発基金、タタ・スチール、パワー・ロール社、および欧州連合ホライズンから資金提供を受けた研究プロジェクトに取り組んできました。

スウォンジー大学は、The Conversation UK のメンバーとして資金を提供しています。

すべてのパートナーを表示

シリコン太陽電池は、太陽から電気を生成するための確立された技術です。 しかし、それらは製造に多大なエネルギーを必要とし、硬く、壊れやすいものでもあります。

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、シリコンよりも製造コストがはるかに低い材料であるペロブスカイトで作られた、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。 効率も改善できれば、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できる可能性が示されます。

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量が作られたとしても、2050 年までにそれを作るための材料がなくなる可能性があります。そのため、何か新しいものが大量に必要になります。 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。

ペロブスカイトは、無機成分と有機成分で構成される結晶構造であり、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。

ペロブスカイト太陽電池は、2012 年に初めて研究室に登場し、太陽光を電気に変換する能力と、インクの組み合わせから作製できる可能性という 2 つの要因により研究者の注目を集めました。

研究室では、酸素と水が完全に除去された環境で高度に制御された製造方法を使用することで、ペロブスカイト太陽電池が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、プラスチックフィルムのロールを印刷機に装填すると、反対側の端から動作するペロブスカイト太陽電池が出現することを実証しました。 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が非常に薄くなければならないことを発見しました。その厚さは 50 ～ 500 ナノメートル (人間の髪の毛の約 500 分の 1) です。

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、長年の努力の結果、当社は現在、元々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であるスロットダイコーティングプロセスに適合する、有毒な溶剤を含まないインクを配合しました。

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。 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、良好な電力変換効率（入力される光出力と出力される光出力の比）を高めます。

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。

私たちは異なるアプローチを採用し、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 インクを作成しました。 その結果、印刷​​機から大量の柔軟で巻き取り可能な太陽電池が生み出され、発電の準備が整います。

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、こ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％には及ばない。

より高性能のペロブスカイト化学を利用することで、さらなる増加が可能であることを私たちは知っています。

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。 化学、デバイス設計、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を組み合わせることにより、ペロブスカイト太陽電池の寿命安定性をさらに向上させることも必要です。

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。