研究者らは、ペロブスカイト系太陽光発電材料を工業規模で製造するための、低コストかつ省エネルギーな技術を開発した。
スピンコーティング技術に共溶媒を導入することで、このプロセスにおける廃棄物やその他の有毒副生成物の削減が可能であることを見いだした。
多くの製造業者がすでにスピンコーティングの技術を保有していることから、この新技術はコストを削減しつつ、ペロブスカイト太陽電池の大量生産を後押しすると見込まれる。
研究者らは、ペロブスカイト系太陽光発電材料を工業規模で製造する技術を実証した。これにより、大量生産されるペロブスカイト太陽電池のコストが削減され、性能も向上すると期待される。
この技術は低コストかつ簡便で、省エネルギーであり、ペロブスカイト太陽電池の製造への道を開くものと期待される。ペロブスカイトは、光を非常に効率よく吸収するため、太陽電池への応用が注目されている。これにより、建物や車両の窓など、さまざまな技術に組み込むことが可能な、軽量でフレキシブルな太陽電池の製造が可能になる。
「研究室では、基板上に薄いペロブスカイト膜を形成するスピンコーティングと呼ばれる技術を用いて、ペロブスカイト系太陽光発電材料を製造しています。ただし、それは小規模に限られています」と、本研究の論文の共同責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の材料科学工学分野の教授であるアラム・アマシアン氏は述べている。
「私たちが話題にしているのは、一辺がわずか1～2センチメートルの試料基板です。しかし、数十センチメートル角の基板を使い、スピンコーティングを製造向けに拡大できるとは考えられていませんでした。そのため、代わりに各種の他の手法が採用されてきました。しかし、これらの他の手法で製造されたペロブスカイト系太陽光発電デバイスは、スピンコーティングで作製された薄膜ほどの性能が得られず、また多大な研究開発を必要としました。」
「本研究で私たちが実証したのは、共溶媒希釈戦略を設計することで、スピンコーティングを用いて、より大きな基板上にペロブスカイト系太陽光発電デバイスを製造できるということです」と、本論文の共同責任著者であり、ローザンヌ連邦工科大学の教授であるミヒャエル・グレッツェル氏は述べている。
「言い換えれば、スピンコーティングで製造されるほぼすべての種類のペロブスカイト薄膜において、優れた性能を維持したまま、太陽光発電の生産規模を拡大できるということです。」
これまで、スピンコーティングとペロブスカイトの性質の両方のために、材料効率の高い方法で工業規模の基板上にペロブスカイト系太陽光発電デバイスを製造することはできないと考えられてきた。
スピンコーティングは、基板表面に液体を置いた後に基板を回転させ、液体材料を表面全体に広げる技術である。しかし、この技術でペロブスカイトを塗布すると、ペロブスカイトを液体の状態に保つ溶媒が十分に速く蒸発しない。その結果、ペロブスカイトの多くが端から飛び散り、大量のペロブスカイト材料が無駄になってしまう。また、表面のペロブスカイトの厚みが不均一になるほか、乾燥に他の部分より時間がかかる領域も生じる。これらはいずれも製造の観点から問題となる。
「私たちのアプローチは、共溶媒を導入することで、この課題に取り組むものです。これにより、液体のペロブスカイトを均一に広げ、非常に速く、かつ一様に乾燥させることが可能になります」と、本論文の共同筆頭著者の一人であり、ローザンヌ連邦工科大学のホン・チャン氏は述べている。
この新技術は、廃棄物を大幅に削減し、ひいてはペロブスカイト系太陽光発電デバイスの製造に伴う有毒副生成物も削減する。
「この技術の優れた点は、多くの産業がすでにスピンコーティング技術を用いて、あらゆる種類の製品を製造していることです」と、共同責任著者であり、ローマ・トル・ヴェルガータ大学の教授であるアルド・ディ・カルロ氏は述べている。
「本研究は、こうした既存の技術をペロブスカイト太陽電池の製造に活用できることを示しています。これは、ペロブスカイト太陽光パネルおよび太陽電池の製造と導入を大きく加速させる可能性があります。」
実証プロジェクトの共同研究者らは、すでにこの新技術を用いて、数十センチメートルにわたり、優れた均一性と性能を備えたモジュールを製造している。
「私のチームは現在、プロセスの自動化と人工知能を活用して本研究を発展させ、ペロブスカイト系太陽光発電デバイスの効率、安定性、持続可能性をさらに向上させることに取り組んでいます」とアマシアン氏は述べている。「公共部門と民間部門の関係者と連携し、本研究の実装方法を見いだし、ペロブスカイト太陽電池技術の開発を加速させたいと考えています。」
本論文は、学術誌Nature Communicationsに掲載されている。その他の共著者は、ノースカロライナ州立大学およびローマ・トル・ヴェルガータ大学に所属している。
本研究は、欧州連合のHorizon 2020研究・イノベーション・プログラム、スイス国立科学財団、イタリア経済開発省、および米国海軍研究局の支援を受けた。
