26.2%認証効率の大面積全ペロブスカイトタンデムモジュールにおける画期的進展···

2026-06-24
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大面積全ペロブスカイトタンデムモジュールにおける26.2%認証効率の画期的進展：In₂O₃ナノ結晶トンネル再結合接合

はじめに

全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールは、その高効率と低コストの可能性から、次世代太陽光発電技術の有力候補と広く見なされています。しかし、大面積での商業化は深刻に妨げられてきました。小面積デバイスはすでに30%の効率を超えていますが、大面積モジュール（≥20 cm²）は長い間約24.5%に留まっています。主な原因は、従来の金ベースのトンネル再結合接合（TRJ）におけるAu/PEDOT:PSS構造の強い近赤外寄生吸収と界面熱不安定性、そしてブレードコーティング中の不均一な結晶化による大面積Pb-Snペロブスカイト膜の電荷輸送の劣化です。

この研究では、表面工学処理されたIn₂O₃ナノ結晶に基づく溶液プロセスTRJを開発しました。ナノ結晶の形態と表面化学を調整することで、高い光学透明性、滑らかな界面、理想的なエネルギー準位整合を達成しました。同時に、Pb-Snペロブスカイト前駆体にホスホン酸型添加剤を導入し、In₂O₃再結合層との電子接触を改善し、正孔抽出を強化し、結晶化速度を調整して大面積膜の残留歪みを緩和しました。この組み合わせ戦略により、接合部でのキャリア再結合効率、電荷抽出、大面積膜の均一性が同時に向上し、最終的に65 cm²の開口面積でJET認証の26.2%効率（VOC = 2.182 V、FF = 77.4%、JSC = 15.6 mA cm⁻²）を達成しました。これは全ペロブスカイトタンデム太陽光発電のスケールアップへの重要なマイルストーンです。

新しいTRJの設計と利点

この研究では、溶液プロセスの代替案として、表面工学処理された酸化インジウムナノ結晶（In₂O₃ NCs）から構築された新しいTRJ（タイプIII）を提案しています。これは、従来のAu/PEDOT:PSSタイプI構造および市販のITOナノ結晶に基づくタイプII構造と体系的に比較されています。

構造と界面特性

自己合成したIn₂O₃ナノ結晶は市販のITOナノ結晶よりも粒子径がはるかに小さく、より平滑な埋込界面を形成し、接触欠陥密度を効果的に低減します。電気試験により、Type III構造は電荷輸送障壁のない理想的なオーミック接触挙動を示すことが実証されました。

光学および熱安定性

光学特性評価により、Type IのPEDOT:PSSは深刻な寄生吸収損失を引き起こす一方、In₂O₃ナノ結晶膜は高い光透過性を示すことが明らかになりました。85°Cの加速熱劣化試験では、Type Iモジュールの効率は50時間以内に初期値の半分以下に低下しましたが、ナノ結晶ベースのType IIおよびType IIIは200時間後も初期効率の約75%を維持しました。10×10 cm²の基板上では、ブレードコートされたナノ結晶膜は、熱蒸着された薄いAu膜よりもはるかに均一な光吸収を示し、溶液プロセスによるナノ結晶がスケーラブルな製造において本質的な利点を持つことを完全に実証しました。

大面積ペロブスカイト膜作製の最適化

TRJの光学損失と不安定性が解決された後、大面積Pb-Snペロブスカイト膜の均一な作製が次の技術的障壁となりました。従来のDMF/DMSO溶媒系は沸点が高く揮発性が低いため、高速ブレードコーティング中に核形成速度が遅れ、大型基板上に均一な膜を形成することが困難でした。

この問題を解決するため、研究チームは2-メトキシエタノール（2-Me）とテトラヒドロフラン（THF）に基づく二元溶媒系を開発しました。低沸点と高蒸気圧を持つこの系は、急速に臨界過飽和に達し、核形成を著しく加速します。これを用いることで、Pb-Snペロブスカイトのブレードコーティング速度は従来のDMF系の5 mm/sから30 mm/sまで向上し、10×10 cm²以上の基板上で高度に均一なフォトルミネッセンス（PL）強度と優れたデバイス均一性を実現しました。これにより、大面積コーティングの結晶化速度論の課題を解決し、65 cm²の開口面積で17.5%の初期効率検証を達成しました。

表面配位子工学とエネルギー準位整合

PEDOT:PSSを除去した後、光学損失は減少しましたが、開放電圧（VOC）と曲線因子（FF）が低下しました。これは、ペロブスカイトとナノ結晶層の間の界面輸送障壁と非放射再結合の増加に起因します。この問題に対処するため、研究では二重の相乗的最適化戦略を実施しました：

エネルギー準位を調整するための表面配位子工学

Through ligand exchange, MMES and MMPA were used to modify the surface of the In₂O₃ NCs. UV photoelectron spectroscopy (UPS) showed that MMPA-modified In₂O₃ NCs achieve favorable interfacial band bending with the target perovskite film (upward bending of about 50 meV), significantly promoting hole extraction, whereas OAm or MMES modification caused downward bending and a transport barrier. Space-charge-limited current (SCLC) tests ruled out any ligand interference on mobility itself, confirming that the performance gain mainly stems from optimized energy-level alignment.

Bulk doping with phosphonic-acid hole-selective material (HSM)

The team doped phosphonic-acid HSMs such as MeO-2PACz directly into the Pb-Sn perovskite precursor (optimized at 0.2 mol%) rather than limiting them to interface modification. This bulk doping strategy avoids the problem of uneven SAM coverage over large areas. UPS showed that after HSM doping the perovskite work function shifted from 5.04 eV to 4.81 eV, the valence band maximum moved up, and the n-type character weakened, better matching the energy levels of the In₂O₃ NCs. The resulting HTL-free single-junction Pb-Sn cell reached 23% efficiency, while a blade-coated device using In₂O₃-MMPA NCs as the hole transport layer (HTL) achieved 24.0% reverse-scan efficiency with a JSC as high as 33.8 mA cm⁻².

Multiple Roles of HSM on the Perovskite Film

The role of HSM goes far beyond charge transport — it profoundly influences film crystallization and defect passivation:

Crystallization control and defect suppression

Scanning electron microscopy (SEM) showed that after HSM doping the dendritic impurities originally cutting across grain boundaries in the Pb-Sn film disappeared, grain size grew markedly, and grain boundaries took on a "fused" appearance. GIWAXS and XRD confirmed that HSM effectively suppressed PbI₂ impurity-phase formation. Liquid-state ¹H NMR further revealed that HSM, through preferential deprotonation, consumes free acidic phosphonic groups, thereby preventing their acidic deprotonation of FA⁺ cations and stabilizing the precursor chemistry.

Improved carrier dynamics

過渡吸収分光法（TAS）により、HSMドーピング後に欠陥支援型非放射再結合が顕著に抑制されることが示されました。定常状態PL強度は急激に上昇し、平均PL寿命は1042 nsから1889 nsに延長され、特に底部界面でのパッシベーション効果が強く、埋没界面での電荷捕獲を効果的に低減しました。OPTP分光法により、ターゲット膜のキャリア移動度は20 cm² V⁻¹ s⁻¹から36 cm² V⁻¹ s⁻¹に上昇し、拡散長は2.65 μmから4.78 μmに増加し、バルク膜品質の全体的な向上が確認されました。

大面積モジュールの性能と安定性

これらの相乗効果に基づき、チームは65 cm²の開口面積（14個のサブセルを直列接続）を持つ全ペロブスカイトタンデムモジュールを作製しました。Type III（In₂O₃-MMPA）TRJを使用したチャンピオンモジュールは、実験室測定で26.6%の効率（逆走査）を達成し、VOCは30.4 V、JSCは1.12 mA cm⁻²、FFは78.2%でした。JET認証の安定化効率は26.2%に達し、従来のType I TRJを使用した対照モジュール（24.8%）を明らかに上回りました。デッドゾーン最適化後、幾何学的フィルファクターは96.5%に達し、等価活性面積効率は27.6%にも達しました。EQE空間マッピングにより、16の異なる位置で、上部および下部サブセルの積分電流密度はそれぞれ平均16.3および16.2 mA cm⁻²であり、J-V結果と密接に一致し、両方とも以前に報告された15 mA cm⁻²未満のモジュールボトルネックを打破しました。

信頼性に関しては、IEC 61215:2021規格に従い、封止されたType IIIモジュールは、連続1-sun MPP追跡下でT90寿命（初期効率の90%を維持）が771時間に達し、1000時間後も82.5%の効率を維持しました。過酷な85°C/85% RH湿熱試験（ISOS-D-3）では、Type IIIモジュールは平均T84寿命が1000時間に達しましたが、Type Iモジュールはすでに40%未満の効率に低下していました。-40°Cから85°Cの温度サイクル試験（ISOS-T-3）では、Type IIIモジュールは200サイクル後に初期効率の93%を維持しました。すべての加速劣化試験により、Type IIIの優れた安定性は、PEDOT:PSSによって引き起こされる不安定要因を完全に排除したことに起因することが確認されました。

表面工学処理されたIn₂O₃ナノ結晶再結合接合と相乗的なバルク/界面HSM工学により、この研究は65cm²の開口面積で26.2%の認証効率を達成した全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールを実現し、モジュールサイズ、効率、動作安定性において包括的なブレークスルーをもたらしました。この研究は、全ペロブスカイトタンデム太陽光発電技術の商業化可能性を強く示しています。今後、モジュール面積を800cm²以上に拡大するには、スロットダイコーティングなどの成膜プロセスと真空支援結晶化などの方法を相乗的に最適化し、大面積のワイドバンドギャップおよびナローバンドギャップサブセルの高品質で均一な作製を確保する必要があります。

参考および試験装置

A+AA+グレードのLEDソーラーシミュレーターを劣化光源として使用する複合ペロブスカイトMPPTテスターは、高度な技術と多機能設計によりペロブスカイト太陽電池の研究を強力にサポートします。このような機器は主に、完成したペロブスカイト単接合およびタンデムセルの安定性試験に使用されます。ペロブスカイトセルの出力特性は光や温度などの環境要因の影響を受けやすいため、最大電力点は頻繁に変動します。MPPTコントローラーは最大電力点をリアルタイムで追跡・固定し、システムが常に最適な電力出力で動作することを保証します。

参考：全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールのためのナノ結晶調整再結合