ペロブスカイト太陽電池が宇宙グレードの温度極値に耐える

太陽光を宇宙に配置する際の問題

低地球軌道上の太陽光パネルは、地上のどの設備も経験しない何かを経験します。つまり、激しい温度振動で、直射日光の灼熱から地球の影の深い冷たさまで90分ごとに循環します。温度は-80°Cから+80°Cに急速に変動し、従来の太陽電池材料が地上で経験するものより遥かに速く劣化させる機械的応力を生み出します。

ペロブスカイト太陽電池 - 高効率と低製造コストのため、膨大な研究関心を集めている光電子材料の一種 - にとって、この熱不安定性は重大な障害でした。現在、ドイツのムンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の研究チームは、これを回避する方法を見つけ、シミュレートされた宇宙条件の苦痛を生き残るだけでなく、26%を超える電力変換効率で機能するペロブスカイト太陽電池を製造しました。

粒界:弱いリンク

ブレークスルーを理解するには、熱ストレス下でペロブスカイト太陽電池がどこで失敗するかを理解する必要があります。これらの電池のペロブスカイト層は微小な結晶粒で構成されており、これらの粒間の境界は機械的に脆弱です。電池が加熱・冷却されると、ペロブスカイト材料と下地のガラス基板が異なる速度で膨張・収縮します。このミスマッチは粒界および下のペロブスカイト膜とガラス間のインターフェースに集中する応力を生成します。

時間の経過とともに、繰り返される熱サイクルはマイクロクラックの伝播、欠陥の蓄積、および性能の劣化を引き起こします。この劣化メカニズムはよく理解されていますが、機械的安定性を向上させるソリューションは電気的性能を損なうことが多いため、解決が証明されています。

LMUチームは両方の脆弱なサイトに同時に攻撃をかけました。フィルム形成中、α-リポ酸を組み込みました。これは、フィルム形成時に粒界にわたってポリマー化する化合物で、柔軟な分子スキャフォールドを使用して結晶ネットワークを本質的に縫い合わせます。これは粒界でのインターフェースでの欠陥密度を削減しながら、ペロブスカイト材料の電気的特性を保ちます。

フィルムをサブストレートに固定する

2番目の介入は、ペロブスカイト層とガラス基板間のインターフェースに対処しました。研究者らはスルフォニウムベースの分子誘導体を適用し、ペロブスカイト膜を基板表面に化学的に固定し、彼らが「固定された網」と呼ぶものを作成し、層が分離されるのではなく、熱膨張・収縮中にユニットとして一緒に移動することができます。

一緒に、2つの変更は、熱ストレスが最も損害を引き起こす正確な場所に補強構造を作成します。テストでは、セルを-80°Cから+80°C間で16回の極端な熱サイクルにさらしました - 低地球軌道の衛星の熱環境をシミュレートするために選択された条件。

結果は印象的でした。補強セルは16サイクルテスト後に初期効率の約84%を保持しました。未修正の参照セルは同じプロトコルでより大きな損失を被りました。補強セルの電力変換効率は26%に達しました。これは参照セルより約3パーセントポイント高く、競争の激しい太陽電池開発分野で有意なマージンです。

これが宇宙と地球にとって重要な理由

宇宙への応用は明らかです:軽量で高効率のペロブスカイト太陽電池は、軌道熱サイクルを生き残ることができ、衛星電力システムのために変革的になるでしょう。現在、宇宙規定の太陽電池は、極めて効率的で、製造するのに非常に高価である多接合ガリウムヒ化物設計です。ペロブスカイト電池は、豊富な地球資源から相対的に低コストのプロセスを使用して製造されます。それらが宇宙条件で信頼できることが証明されれば、衛星および軌道インフラの太陽光発電のコストを大幅に削減することができます。

含意は軌道を超えて行きません。宇宙ベースのアプリケーションは、最終的に地上製品に見出される材料と工学的アプローチのテストベンチとしてしばしば機能します。真空中で160度の温度振動に耐えるように設計されたペロブスカイト電池は、ほぼ確実にミネソタの屋根に付いたソーラーパネルまたは砂漠気候の車両統合太陽システムが経験するより穏やかな熱サイクルを処理します。

ペロブスカイト太陽技術は、商業化にほぼ準備ができていると長く説明されてきました。研究用セルは実験室環境で効率記録を繰り返し破ってきましたが、実世界の環境での耐久性は遅れています。LMUからのこのような研究は、その間隙を閉じるために必要な体系的なエンジニアリング作業を代表しています。基本的な材料がそれ自体でより堅牢になることを期待するのではなく、特定の障害モードを標的分子溶液で対処します。

商業化への道

LMUチームはNature Communicationsに彼らの発見を発表し、科学コミュニティに技術的アプローチと仕事をレプリケートして構築するために必要な実験データの両方を提供しました。主著者Erkan Aydinは、結果が何を意味するかについて直接的でした:「これにより、この技術を実世界のアプリケーションに適用可能にすることにより一歩近づきました。」

商業化には、デュアル分子補強プロセスを大面積生産にスケーリングし、16サイクルではなく数千サイクルの性能を検証し、同時湿度、UV、および電気ストレス下での性能保持を実証する必要があります。しかし、熱安定性と26%の効率のしきい値の両方を達成することは、実験室のブレークスルーから世界的なクリーンエネルギー技術への長い旅で重要なマイルストーンを示しています。

この記事はPV Magazineのレポートに基づいています。オリジナル記事を読む.