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2024-02-20 16:01:51
2024 年 2 月 20 日• 物理学 17、27
光に敏感な半導体の構造変形を工学的に操作することで、太陽電池の効率を高めることができます。
M.ヤン/USTC; APS/Carin Cain による脚色
図1： Catalan、Shu、および同僚がハロゲン化物ペロブスカイトのフレキソ光起電力効果を観察するために使用したセットアップのスキーム [1]。 ハロゲン化物ペロブスカイト結晶を曲げると、面外ひずみ勾配が生成され、電気分極が誘発されます。 この分極により材料の反転対称性が破れ、p-n 接合を必要とせずにバルク材料内で入射光を電気に変換できるようになります。
M.ヤン/USTC; APS/Carin Cain による脚色
図 1: Catalan 氏、Shu 氏、および共同研究者がハロゲン化物ペロブスカイトのフレキソ光起電力効果を観察するために使用した装置の概略図 [1]。 ハロゲン化物ペロブスカイト結晶を曲げると、面外ひずみ勾配が生成され、電気分極が誘発されます。 この分極により材料の反転対称性が破れ、p-n 接合を必要とせずにバルク材料内で入射光を電気に変換できるようになります。×
太陽エネルギーを電気に変換する効率的な方法の探求は、カーボンニュートラルと環境の持続可能性を追求する上で極めて重要です。 従来の太陽電池は半導体間の接合に基づいており、接合部の電場によって分離された光生成キャリアによって電流が生成されます。 太陽電池の性能を向上させる取り組みは、半導体特性の改良とデバイスの完成度に焦点を当ててきました。 同時に、研究者らは、接合ベースの光起電力効果と相乗して太陽電池効率を高めることができる代替の光起電力機構を探索している。 この文脈の中で、材料内のひずみ勾配のエンジニアリングが有望な研究方向として浮上しています。 フレキソ光起電力効果として知られるこの現象では、材料の不均一な歪みが接合がない状態で光起電力効果を生み出します。 [1]。 今回、スペインのカタロニア・ナノサイエンス・ナノテクノロジー研究所のGustau Catalan氏と中国の南昌大学のLonglong Shu氏が率いるチームは、ハロゲン化物ペロブスカイトの顕著なフレキソ光起電力効果を発見した。この材料は、高効率で高効率な第4世代太陽電池の開発に極めて重要な材料である。低い生産コスト [2]。 注目すべきことに、その効果は以前に研究されたフレキソ光起電力材料よりも桁違いに大きく、太陽電池技術の改善に大きな期待をもたらします。
光起電力効果には、反転対称性を破るデバイスまたは材料が必要です。 対称性の破れにより、光生成された電子と正孔が優先的に流れる方向が形成され、キャリアが再結合する前にかなりの電流が生成されます。 従来の太陽電池では、2 つの異なる材料間の界面、つまり正孔ドープ (p) 材料と電子ドープ (n) 材料間の p-n 接合で対称性が本質的に破れます。
圧電体として知られる特定の材料も、結晶構造の反転対称性の破れを示します。 [3]。 これらの材料はバルク光起電力効果を示します。 接合ベースの効果とは異なり、バルク効果は実空間および運動量空間における光励起キャリアの非対称分布から生じる電荷分離メカニズムに依存しています。 [4]。 この動作は、光の偏光に依存する光電流や半導体材料のバンドギャップを超える可能性のある光電圧などの独特の特性をもたらします。 対照的に、接合ベースのデバイスで得られる光電圧は材料のバンドギャップを超えることができないため、太陽電池の最大出力が制限され、これは光電圧と光電流の積に比例します。 賢明な設計により、接合ベースの太陽光発電効果とバルク太陽光発電効果の両方が単一デバイス内で連携して動作し、そのパフォーマンスが向上します。 ただし、バルク光起電力効果は通常、効率が低いという問題があります。 さらに、主流の太陽電池で通常使用される半導体は中心対称であるため、バルク光起電力効果を示しません。
この課題に対処するための実行可能なアプローチには、半導体構造を変更してその対称性を破壊することが含まれます。 空間座標に沿って増加する材料構造の変形であるひずみ勾配のエンジニアリングは、対称性に関係なく、反転対称を破り、材料内に電気双極子を誘導する効果的な手段であることが証明されています。 [5]。 歪み勾配を受ける中心対称材料は圧電効果を示し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができます。この現象はフレクソエレクトリック効果として知られています。 [6]。 同様に、半導体に歪み勾配を加えることで得られる反転対称性の破れは、バルク光起電力効果の出現につながる可能性があります。 このひずみ勾配誘起の光起電力効果はフレキソ光起電力効果と呼ばれ、英国ウォーリック大学の Dong Jik Kim、Marin Alexe、および私によって酸化物ペロブスカイト SrTiO3 (STO) で最初に実証されました。 [1]。 しかし、材料、特に太陽電池技術に不可欠な材料で達成可能な効果の大きさは、これまで十分に調査されていなかった。
Catalan 氏らは、MAPbBr3 (MAPB) および MAPbI3 (MAPI) と呼ばれる 2 つのハロゲン化物ペロブスカイトの単結晶におけるフレキソ光起電力効果を研究しています。MA はメチルアンモニウム、CH3NH3 を表します。 有機化合物と無機化合物の両方を組み合わせたこれらのハイブリッド ペロブスカイトは、低い製造コスト、長いキャリア寿命、優れた電荷輸送特性のおかげで、最も魅力的な太陽電池材料の一部として浮上しています。 これらおよび関連材料のおかげで、ペロブスカイト電池の効率は 2009 年の約 3% から現在では 25% 以上に急上昇し、この数値は最高のシリコンベースの太陽電池の効率に匹敵します。 [7]。 Catalan、Shu、および共同研究者は、これらの結晶の両側に電極を堆積することによってコンデンサ構造を製造しました。 次に、これらの結晶を垂直に曲げて面外ひずみ勾配を導入し、フレキソ太陽光発電の効率を特徴付ける実験を実施しました（図） 1）。
MAPB は室温で中心対称であるため、MAPB コンデンサは平らな状態では無視できる光電流を生成しますが、曲げると光起電力効果が活性化します。 照明下では、測定された光電流と光電圧の両方が、適用された歪み勾配に応じて直線的に増加します。 観察された応答は、STO の応答を 3 桁近く上回っています。 さらに、研究者らは、（原子間力顕微鏡の先端で圧力を加えることによって得られる非常に大きな局所的変形を通じて）ひずみ勾配を増加させることによって、結晶内の光起電力を大幅に増加させ、従来の光起電力よりも2倍以上大きな値を達成できることを示した。材料のバンドギャップ。 この成果は、材料のバンドギャップを超えるフレキソ光起電力誘起電圧を初めて実証した画期的なものであり、光起電力効率の向上におけるひずみ勾配の大きな可能性を強調しています。
一方、MAPI キャパシタは、平坦な状態でも実質的なバルク光起電力効果を示します。 この効果は、その起源がまだ確立されていない結晶内の巨視的分極の存在によるものです (強誘電効果または材料内の化学勾配による可能性があります)。 強誘電体材料で以前に観察された挙動と同様に、MAPI 結晶におけるこのバルク光起電力効果は、外部バイアスの印加によって調整できます。 結晶を曲げることにより、フレキソ光起電力効果が生来のバルク光起電力効果に加わり、加えられたひずみ勾配の符号に応じて光電流が増加または抑制されます。 したがって、MAPI コンデンサを使用した実験は、フレキソ光起電力効果が他のバルク光起電力効果と共存できることを示し、複数の効率向上現象を組み合わせるオプションを提供します。
カタラン氏、シュウ氏、および共同研究者らによってハロゲン化物ペロブスカイト結晶で観察されたフレキソ光起電効果の顕著な性能は、太陽エネルギー収集の効率を高めるひずみ勾配の能力を実証する。 これらのハロゲン化物ペロブスカイト材料の弾性率が比較的低いことは、シリコンなどの従来の有機半導体に比べて機械的変形に対する耐性が高いことを示唆しており、これは、動作中のデバイスに大きな歪み勾配が組み込まれる可能性があることを意味します。 次のステップは、従来の効果とフレキソ光起電効果の組み合わせを実証することです。 このようなステップには、ap-n 接合における内蔵磁場と歪み勾配の両方を統合するデバイス構成の設計が含まれます。 ハロゲン化物ペロブスカイトについて得られた結果は、この 2 つの効果の組み合わせが、単一の p-n 接合に基づく太陽電池の最大効率が約 30 を超えることができないというショックリー・クワイサー限界の圧制を克服する大きな可能性を秘めていることを示しています。 %。
参考文献
著者について
ミンミン・ヤンは、2011 年に中国の武漢理工大学で材料科学の理学士号を取得し、2018 年に英国のウォリック大学で博士号を取得しました。その後、ウォリック大学と理化学研究所の科学研究センターで博士研究員として研究を行いました。創発物性科学、日本。 ウォリック大学物理学科の助教授として働いた後、中国の合肥国立研究所に研究員およびグループリーダーとして入社しました。 彼の研究の焦点は、多機能極性材料における効率的なエネルギー変換プロセスと、量子技術、情報通信、およびグリーンエネルギー応用のためのデバイスの研究にあります。
対象分野
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