「温室効果ガスを封じ込める」低コスト太陽電池の製造

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「温室効果ガスを封じ込める」低コスト太陽電池の製造

ペロブスカイト太陽電池の温室効果ガスを封じ込める低コスト太陽電池の製造に画期的な方法が開発されました。

The Tandon team, led by André D. Taylor, an associate professor, and Jaemin Kong, a post-doctoral associate, along with Miguel Modestino, assistant professor — all in the Department of Chemical and Biomolecular Engineering — discovered a method of vastly increasing the speed of this key step through the use of carbon dioxide (CO2) instead of oxygen.
参照元：https://engineering.nyu.edu/news/innovative-process-removes-key-hurdle-next-generation-solar-cells-also-lockbox-greenhouse
– ニューヨーク大学タンドン・スクール・オブ・エンジニアリング NYU Tandon School of Engineering. JUNE 2, 2021 –

ペロブスカイト太陽電池は、近年、電力変換効率が急速に向上し（2006年の3％から現在は25.5％）、シリコン系太陽電池との競争力が高まっています。

しかし、競争力のある商業技術になるまでには、いくつかの課題が残されています。

今回、ニューヨーク大学タンドン・スクール・オブ・エンジニアリングのチームは、そのうちの1つである、太陽電池内の有機正孔輸送材料のp型ドーピングを含む重要なステップにおけるボトルネックを解決するプロセスを開発しました。

この研究は、「CO2 doping of organic interlayers for perovskite solar cells（ペロブスカイト太陽電池のための有機層へのCO2ドーピング）」としてNatureに掲載されました。

現在、正孔輸送層への酸素の侵入と拡散によって達成されるp-ドーピングプロセスは、時間がかかる（数時間から1日）ため、ペロブスカイト太陽電池の商業的な大量生産は現実的ではありません。

今回、化学・生物分子工学科のアンドレ・D・テイラー准教授、ジェミン・コング・ポスドク、ミゲル・モデスティーノ助教授らのタンドンチームは、酸素の代わりに二酸化炭素（CO2）を使用することで、この重要なステップの速度を大幅に向上させる方法を発見しました。

ペロブスカイト太陽電池では、通常、光活性を持つペロブスカイト層と電極の間に、電荷抽出用の中間膜として有機半導体をドープする必要があります。

従来、ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送材料として広く用いられているπ共役系有機半導体のスピロOMeTADに、リチウム塩であるリチウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド（LiTFSI）を添加して、この中間膜をドーピングする方法がとられてきました。

その後、スピロ-OMeTAD:LiTFSIブレンドフィルムを空気や光にさらすことで、ドーピングプロセスが開始されます。

この方法は、時間がかかるだけでなく、周囲の環境に大きく左右されます。

一方、Taylorらのチームは、スピロ-OMeTAD:LiTFSI溶液に紫外線下でCO2をバブリングすることで、迅速かつ再現性の高いドーピング法を報告しました。

その結果、CO2処理によって中間膜の導電率が100倍に向上し、酸素バブリング処理に比べて約10倍の導電率を得ることができました。

また、CO2処理したフィルムは、後処理なしで安定した高効率のペロブスカイト太陽電池が得られました。

主任研究者のKong氏は話します。

「デバイスの製造・加工時間を短縮できるだけでなく、ペロブスカイト太陽電池にプレドープされたスピロ-OMeTADを適用することで、太陽電池の安定性が格段に向上します。これは、スピロ-OMeTAD:LiTFSI溶液中の有害なリチウムイオンのほとんどが、CO2バブリングプロセス中に炭酸リチウムとして安定化されたことが一因です。」

さらに、炭酸リチウムは、プレドープされた溶液をペロブスカイト層にスピンキャストする際に、最終的にろ過されるという。

Kong氏は話します。

「このようにして、効率的な正孔輸送層のためのかなり純粋なドープされた有機材料を得ることができるのです。」

サムスン、イェール大学、韓国化学技術研究院、市立大学大学院センター、円光大学、光州科学技術院などの研究者からなるチームは、CO2ドーピング法が、PTAA、MEH-PPV、P3HT、PBDB-Tなどの他のπ共役ポリマーのp型ドーピングにも使えることを発見しました。

テイラー氏によると、研究者たちは、太陽電池に使われる典型的な有機半導体の枠を超えようとしているという。

また、このプロセスは大量のCO2ガスを消費するため、将来的にはCO2の回収・貯留の研究にも利用できるという。

テイラー氏は話します。

「政府や企業が脱炭素とまではいかなくても、CO2の排出量を削減しようとしている今、この研究は、大量のCO2を炭酸リチウムと反応させて、大気中の温室効果ガスを除去しながら、次世代太陽電池を改良する方法を提供しています。」

また、この斬新なアプローチのアイデアは、チームの電池研究から得られた直感的な洞察だったと述べました。

テイラー氏は続けます。

「酸素/空気リチウム電池を長年研究してきた当社は、酸素電極を空気にさらすことで炭酸リチウムが生成されることが大きな課題であることを知っています。しかし、今回のスピロ・ドーピング反応では、炭酸リチウムの生成を利用しています。炭酸リチウムは、リチウムを結合し、ペロブスカイト太陽電池の長期安定性に悪影響を及ぼす可動イオンになるのを防ぎます。私たちは、このCO2ドーピング技術が、有機エレクトロニクスをはじめとする既存の課題を克服するための足がかりになることを期待しています。」

本研究は、米国国立科学財団、韓国国立研究財団、中国奨学金委員会、および米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所の機能性ナノ材料センターから支援を受けています。

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