太陽電池として有能なペロブスカイトの構造を保持する解決策

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太陽電池として有能なペロブスカイトの構造を保持する解決策

SLAC国立加速器研究所の研究チームは、非常に安価で効率的な太陽電池の候補として知られるペロブスカイトの実用性について研究しています。
研究は、不安定な原子構造のペロブスカイトを保持する新しい方法について述べています。

Among the materials known as perovskites, one of the most exciting is a material that can convert sunlight to electricity as efficiently as today’s commercial silicon solar cells and has the potential for being much cheaper and easier to manufacture.

参照元:https://www6.slac.stanford.edu/news/2021-01-21-squeezing-rock-star-material-could-make-it-stable-enough-solar-cells.aspx
– SLAC国立加速器研究所 SLAC National Accelerator Laboratory. January 21, 2021 –

ペロブスカイトとして知られている材料の中で、最もエキサイティングなものの1つは、今日の市販のシリコン太陽電池と同じくらい効率的に太陽光を電気に変換でき、はるかに安価で製造が容易な可能性がある材料です。

問題は1つだけです。

この材料がとることができる4つの可能な原子構成、つまり相のうち、3つは効率的ですが、室温や通常の環境では不安定であり、すぐに4番目の相に戻ります。

これはソーラーアプリケーションにはまったく役に立ちません。

現在、スタンフォード大学とエネルギー省のSLAC国立加速器研究所の科学者たちは、解決策を発見しました。

役に立たないバージョンの材料をダイヤモンドアンビルセルに入れて、高温で絞るだけです。

この処理により、原子構造が効率的な構成に微調整され、室温や比較的湿った空気中でもその状態が維持されます。

研究者たちは、ネイチャーコミュニケーションズで彼らの結果を説明しました。

スタンフォード材料エネルギー科学研究所(SIMES)のSLACスタッフ科学者および研究者であるYuLin氏は話します。

「これは、この安定性を制御するために圧力を使用する最初の研究であり、それは本当に多くの可能性を開きます。材料を準備するためのこの最適な方法を見つけたので、工業生産のためにスケールアップし、他のペロブスカイト相を操作するためにこれと同じアプローチを使用する可能性があります。」

ペロブスカイトの名前は、同じ原子構造を持つ天然鉱物に由来しています。

この場合、科学者たちは、ヨウ素、鉛、セシウムの組み合わせであるハロゲン化鉛ペロブスカイトを研究しました。

黄色相として知られるこの材料の1つの相は、真のペロブスカイト構造を持たず、太陽電池では使用できません。

しかし、科学者たちは、特定の方法で処理すると、太陽光を電気に変換するのに非常に効率的な黒いペロブスカイト相に変化することをしばらく前に発見しました。

スタンフォード大学の教授であり研究の共著者であるウェンディ・マオ氏は話します。

「これにより、それは非常に求められ、多くの研究の焦点となりました。」

残念ながら、これらの黒い相も構造的に不安定であり、すぐに役に立たない構成に戻る傾向があります。

さらに、それらは高温でのみ高効率で動作し、研究者は実際のデバイスで使用する前にこれらの問題の両方を克服する必要があるとマオ氏は語ります。

化学的性質、ひずみ、または温度で黒相を安定化する以前の試みがありましたが、太陽電池が動作する実際の条件を反映していない湿気のない環境でのみです。

スタンフォード大学のマオ研究グループの同僚とヘママラカルナダサ教授、リン、ポスドク研究員のフェンケは、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれるダイヤモンドの先端の間に黄色の相結晶を押し込むセットアップを設計しました。

圧力をかけたまま、結晶を摂氏450度に加熱してから冷却しました。

科学者たちは、圧力と温度の適切な組み合わせの下で、結晶は黄色から黒色に変わり、圧力が解放された後も黒色相にとどまったと述べた。

それらは湿った空気による劣化に耐性があり、室温で10〜30日以上安定して効率を維持しました。

X線やその他の手法で調べたところ、材料の結晶構造の変化が確認され、SIMESの理論家であるChunjingJia氏とThomasDevereaux氏による計算により、圧力によって構造がどのように変化し、黒相が維持されたかがわかりました。

結晶を黒くしてその状態に保つために必要な圧力は、大気圧の約1,000〜6,000倍だったと、Lin氏は語ります。

これは、合成ダイヤモンド業界で日常的に使用されている圧力の約10分の1です。

したがって、さらなる研究の目標の1つは、研究者がダイヤモンドアンビルセルの実験から学んだことを業界に移転し、プロセスをスケールアップして製造の領域に収めることです。

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