希土類元素を使用して太陽電池の限界を克服する
ペロブスカイト太陽電池には、現在の太陽電池技術に比べて利点があります。これらは、他のバリアントよりも効率が高く、軽量で、コストが低い可能性があります。ペロブスカイト太陽電池では、ペロブスカイトの層がセルの前面の透明電極と背面の反射電極の間に挟まれています。 電極輸送層と正孔輸送層がカソードとアノードの界面の間に挿入され、電極での電荷収集が容易になります。 ペロブスカイト太陽電池には、形態構造と電荷輸送層の層順序に基づいて、正平面構造、逆平面構造、正メソポーラス構造、および逆メソポーラス構造の 4 つの分類があります。 ただし、このテクノロジーにはいくつかの欠点が存在します。光、湿気、酸素は劣化を誘発する可能性があり、吸収が不一致になる可能性があり、また非放射電荷再結合の問題もあります。ペロブスカイトは液体電解質によって腐食される可能性があり、安定性の問題が発生します。 実用化するには、電力変換効率と動作安定性の向上が必要です。しかし、最近の技術の進歩により、効率が 25.5% のペロブスカイト太陽電池が開発されました。これは、従来のシリコン光起電力太陽電池に遠く及ばないことを意味します。 この目的を達成するために、希土類元素のペロブスカイト太陽電池への応用が研究されてきました。これらは問題を克服する光物理特性を備えています。したがって、ペロブスカイト太陽電池にそれらを使用すると、その特性が向上し、クリーンエネルギーソリューションの大規模な実装の実現可能性が高まります。 レアアース元素がペロブスカイト太陽電池にどのように役立つか 希土類元素には、この新世代の太陽電池の機能を向上させるために使用できる多くの有利な特性があります。第一に、希土類イオンの酸化および還元電位は可逆的であり、ターゲット材料自体の酸化および還元を軽減します。さらに、薄膜の形成は、これらの元素をペロブスカイトと電荷輸送金属酸化物の両方と結合させて添加することによって制御できます。 さらに、相構造と光電子特性は、それらを結晶格子に置換的に埋め込むことによって調整できます。欠陥の不動態化は、ターゲット材料の粒界または材料の表面に欠陥を埋め込むことによって成功裏に達成できます。 さらに、希土類イオンには多数のエネルギー遷移軌道が存在するため、赤外線および紫外線光子はペロブスカイト応答性の可視光に変換できます。 これには 2 つの利点があります。高強度の光によるペロブスカイトの損傷を回避し、材料のスペクトル応答範囲を拡張します。希土類元素を使用すると、ペロブスカイト太陽電池の安定性と効率が大幅に向上します。 前述したように、希土類元素は金属酸化物からなる薄膜の形態を変えることができます。下にある電荷輸送層の形態がペロブスカイト層の形態および電荷輸送層との接触に影響を与えることは十分に証明されています。 たとえば、希土類イオンをドーピングすると、構造欠陥の原因となる SnO2 ナノ粒子の凝集が防止され、大きな NiOx 結晶の形成も軽減され、均一で緻密な結晶層が形成されます。したがって、希土類ドーピングにより、欠陥のないこれらの物質の薄層膜を実現できます。 さらに、メソポーラス構造を有するペロブスカイトセルの足場層は、太陽電池のペロブスカイト層と電荷輸送層の間の接触において重要な役割を果たします。これらの構造内のナノ粒子は、形態的欠陥や多数の粒界を示す可能性があります。 これは、有害かつ深刻な非放射電荷再結合を引き起こします。毛穴の詰まりも問題です。希土類イオンのドーピングにより足場の成長が制御され、欠陥が減少し、整列した均一なナノ構造が形成されます。 希土類イオンはペロブスカイト層と電荷輸送層の形態構造を改善することで、ペロブスカイト太陽電池の全体的な性能と安定性を向上させ、大規模な商業用途により適したものにすることができます。 ペロブスカイト太陽電池の重要性を過小評価することはできません。これらは、現在市販されているシリコンベースの太陽電池よりもはるかに低コストで優れたエネルギー生成能力を提供します。この研究では、ペロブスカイトに希土類イオンをドープすると特性が向上し、効率と安定性が向上することが実証されました。これは、性能が向上したペロブスカイト太陽電池が現実に一歩近づいたことを意味します。
投稿時間: 2021 年 11 月 24 日