原研ら,ペロブスカイト太陽電池の特性を解明

日本原子力研究開発機構(原研)とJ-PARCセンター,総合科学研究機構の研究グループは,ペロブスカイト太陽電池の材料として「ヨウ化鉛メチルアンモニウム(MAPbI3)」に注目し,ペロブスカイト半導体がシリコン太陽電池と比べて電気に変換する過程でエネルギーが熱として逃げてしまう割合が圧倒的に小さい点と,変換効率が高い理由を解明した(ニュースリリース)。

現在開発が進む太陽電池の多くには,シリコンでできた半導体が使われているが,シリコン樹脂を作るにはかなりの電力が必要であり,また,太陽電池自体に起因する問題として,シリコン系太陽電池のエネルギー効率向上が限界に近づきつつあること,波長が異なる太陽光をすべて電気エネルギーに変換することが難しいこと,変換する際に一部の光エネルギーが熱となって逃げてしまうことなどがある。

今回研究グループは,J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)に設置された2台の中性子非弾性・準弾性散乱実験装置を用いて,MAPbI3の原子運動を調べた。MAPbI3は,無機物で構成された八面体の中に,有機分子が入れ子のように入ったペロブスカイト結晶構造を持つ。

その結果,MAPbI3の中に含まれる有機分子の中に存在する正負の電荷が対となった電気双極子が独特の運動をしていること,この物質で熱を伝えているのは「光学フォノン」ではなく励起エネルギーがとても小さい「音響フォノン」であり,その伝搬速度が遅く,かつ寿命が短いため,熱伝導が極めて低く抑えられていることがわかった。

さらにMAPbI3では,半導体が光を吸収することで生成される電荷キャリヤーが,再結合により消滅するまでにきわめて長い距離を移動できるという,太陽電池素材として有利な性質をもっており,低い熱伝導がこのキャリヤーの長い寿命を支えていることもわかった。

シリコン系太陽電池は高温下で作成する必要があり,化合物半導体を使用した太陽電池は真空中で作成や加工する必要がある。従来型の太陽電池ではこうした問題がコストを押し上げていたが,ペロブスカイト半導体の作成には高温も真空も必要なく,印刷技術を適用することで製造コストを大きく下げることができる可能性を持つ。今回の結果はペロブスカイト半導体すべてに応用できる可能性があり,高機能で安い次世代型の太陽電池を設計する際の基礎になることが期待されるとしている。

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