引言

全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールは、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して広く認識されています。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%効率を超えていますが、大面積モジュール（20 cm²以上）は長い間約24.5%で停滞しています。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、および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。

本研究では、表面エンジニアリングされたIn₂O₃ナノ結晶上に構築された溶液プロセスTRJを開発します。ナノ結晶の形態と表面化学を調整することで、高い光透過性、滑らかな界面、理想的なエネルギー準位整列を実現しました。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

本研究では、溶液プロセスによる代替案として、表面エンジニアリング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（Type III）を提案する。これを従来のAu/PEDOT:PSS Type I構造および市販のITOナノ結晶に基づくType II構造と体系的に比較する。

構造と界面特性

自己合成したIn₂O₃ NCsは市販のITO NCsよりもはるかに小さな粒子サイズを持ち、より平滑な埋め込み界面を形成し、接触欠陥密度を効果的に低減する。電気的試験により、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。

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のに対し、In₂O₃ NC膜は高い光透過性を示す。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たが、NCベースのType IIおよびType IIIは200時間後も初期効率の約75%を維持した。10×10 cm²基板上では、ブレードコートされたNC膜は、薄い熱蒸着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製造において本質的に有利であることを実証した。

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ことで、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った。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、大型基板上で均一な膜を形成することが困難であった。

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する。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を従来のDMF系の5 mm/sから30 mm/sまで向上させ、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%の効率を予備的に実証した。

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、光学損失は減少したが、開放電圧（VOC）とフィルファクター（FF）は低下した。これは、ペロブスカイトとNC層間の界面輸送障壁と非放射再結合の増加に起因する。この問題に対処するため、研究では二重相乗的最適化戦略を実施した：

表面配位子工学によるエネルギー準位の調整

配位子交換により、MMESとMMPAを用いてIn₂O₃ NCの表面を修飾した。紫外光電子分光法（UPS）により、MMPA修飾In₂O₃ NCはターゲットペロブスカイト膜と好ましい界面バンドベンディング（約50 meVの上向きベンディング）を達成し、正孔抽出を大幅に促進する一方、OAmまたはMMES修飾は下向きベンディングと輸送障壁を引き起こすことが示された。空間電荷制限電流（SCLC）試験により、配位子が移動度自体に干渉しないことが確認され、性能向上は主に最適化されたエネルギー準位整列に起因することが確認された。

ホスホン酸正孔選択材料（HSM）によるバルクドーピング

研究チームは、MeO-2PACzなどのホスホン酸HSMを界面修飾に限定するのではなく、直接Pb-Snペロブスカイト前駆体にドープした（最適化濃度0.2 mol%）。このバルクドーピング戦略により、大面積での不均一なSAM被覆の問題を回避できる。UPSにより、HSMドーピング後、ペロブスカイトの仕事関数が5.04 eVから4.81 eVにシフトし、価電子帯上端が上昇し、n型特性が弱まり、In₂O₃ NCのエネルギー準位とより良く整合することが示された。得られたHTLフリー単接合Pb-Snセルは23%の効率を達成し、In₂O₃-MMPA NCを正孔輸送層（HTL）として用いたブレードコートデバイスは、JSCが33.8 mA cm⁻²と高く、逆走査効率24.0%を達成した。

ペロブスカイト膜におけるHSMの複数の役割

HSMの役割は電荷輸送をはるかに超え、膜の結晶化と欠陥パッシベーションに深く影響する：

結晶化制御と欠陥抑制

走査型電子顕微鏡（SEM）により、HSMドーピング後、Pb-Sn膜の粒界を横切っていた樹枝状不純物が消失し、粒径が顕著に成長し、粒界が「融合」した外観を示した。GIWAXSとXRDにより、HSMがPbI₂不純物相の形成を効果的に抑制することが確認された。液体状態¹H NMRにより、HSMは優先的な脱プロトン化により遊離の酸性ホスホン基を消費し、それらの酸性によるFA⁺カチオンの脱プロトン化を防ぎ、前駆体化学を安定化することが明らかになった。

改善されたキャリアダイナミクス

過渡吸収分光法（TAS）により、HSMドーピング後、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が強く、埋もれた界面での電荷トラップ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に増加し、拡散長は2.65 μmから4.78 μmに伸び、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

これらの相乗的戦略に基づき、研究チームは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（逆スキャン）、VOC 30.4 V、JSC 1.12 mA cm⁻²、FF 78.2%を達成しました。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%にもなりました。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統合電流密度は平均16.3および16.2 mA cm⁻²であり、J-V結果とよく一致し、両方とも以前報告された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、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%維持）771時間を達成し、1000時間後も82.5%の効率を維持しました。過酷な85°C/85% RHの高温高湿試験（ISOS-D-3）では、Type IIIモジュールは平均T84寿命1000時間に達したのに対し、Type Iモジュールはすでに40%未満の効率に低下しました。-40°Cから85°Cの熱サイクル試験（ISOS-T-3）では、Type IIIモジュールは200サイクル後も初期効率の93%を維持しました。すべての加速老化実験により、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。

表面エンジニアリングされたIn₂O₃ナノ結晶再結合接合部と相乗的なバルク/界面HSMエンジニアリングにより、本研究は65 cm²の開口面積で26.2%の認証効率を持つ全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールを達成し、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の可能性を強く示しています。今後、モジュール面積を800 cm²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製造を確保する必要があります。

リファレンスおよび試験装置

A+AA+グレードのLEDソーラーシミュレーターをエージング光源として使用する複合ペロブスカイトMPPTテスターは、先進技術と多機能設計によりペロブスカイト太陽電池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に影響されやすく、最大出力点が頻繁に変動するため、MPPTコントローラーがリアルタイムで最大出力点を追跡・固定し、システムが常に最適な出力で動作することを保証します。

リファレンス：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

Ooitechの見解

Ooitechは次のように考えます：表面エンジニアリングされたIn₂O₃ナノ結晶再結合接合部とHSMバルク/界面エンジニアリングにより、大面積全ペロブスカイトタンデムモジュールが認証効率26.2%を達成し、この技術を商業化に一歩近づけました。