26.2% 認証効率のブレークスルー

簡単な回答： 全ペロブスカイトタンデム太陽電池モジュールが26.2%の認定効率を達成しました。これは全ペロブスカイトがシリコンボトムセルを完全に回避するため重要な結果です。このモジュールは約2.182 Vの開放電圧を示し、これは単接合シリコンセルのほぼ2倍で、2つの接合が直列接続されている証拠です。認定試験には85 °Cでの耐湿熱暴露とIEC 61215の機械的要件が含まれ、5 mmから30 mmクラスの試験形状で行われました。ペロブスカイトタンデムは歴史的に効率ではなく安定性で失敗しており、そのため認定結果は実験室の記録とは異なります。生産への残されたギャップは面積です。ほとんどの記録は小型モジュールであり、ペロブスカイトコーティングをピンホールや均一性の損失なしにフルサイズモジュールへスケールアップすることは別の工学的課題です。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

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、高い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%効率を超えている一方で、大面積モジュール（≥20 cm²）は長らく24.5%前後で停滞しています。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、さらにブレードコーティング中の不均一な結晶化に起因する大面積Pb-Snペロブスカイト膜の電荷輸送劣化です。

本研究では、表面工学を施したIn₂O₃ナノ結晶を基盤とする溶液プロセス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、チームは高い光透過性、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、ホスホン酸系添加剤をPb-Snペロブスカイト前駆体に導入し、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ひずみを緩和しました。この複合戦略は、接合部でのキャリア再結合効率、電荷抽出、大面積膜の均一性を同時に向上させ、最終的に65 cm²の開口面積でJET認証26.2%の効率（VOC = 2.182 V、FF = 77.4%、JSC = 15.6 mA cm⁻²）を実現しました。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。

新型TRJの設計と利点

本研究は溶液プロセスによる代替案を提案しています。表面工学を施し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）です。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 NCは、市販のITO NCよりもはるかに小さい粒子サイズを持ち、より滑らかな埋め込み界面を形成し、接触欠陥密度を効果的に低減します。電気的試験では、Type III構造が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確認されました。

光学的および熱的安定性

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 NC膜は高い光透過性を示すことがわかりました。85°Cの加速熱老化条件下では、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、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%を維持しました。10×10 cm²基板上で、ブレードコートされたNC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、スケーラブル製造における溶液プロセスナノ結晶の固有の優位性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遅いため、高速ブレードコーティング中にその核生成速度論が遅れ、大面積基板上で均一な膜を形成することが困難でした。

これを解決するため、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）をベースとした二元溶媒系を開発しました。低沸点と高蒸気圧により、この系は急速に臨界過飽和に達し、核生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一貫性を実現しました。これにより大面積コーティングの結晶化速度論的課題が解決され、65 cm²開口面積で17.5%の効率検証を予備的に達成しました。

表面配位子工学とエネルギー準位マッチング

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）とフィルファクター（FF）が低下しました。これはペロブスカイトとNC層間の界面輸送障壁の増加と非放射再結合に起因すると考えられます。これに対処するため、本研究では二重相乗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

配位子交換を通じて、MMESとMMPAを用いてIn₂O₃ NCsの表面を修飾した。紫外光電子分光法（UPS）により、MMPA修飾In₂O₃ NCsはターゲットペロブスカイト膜との間で好ましい界面バンドベンディング（約50 meVの上向き曲がり）を達成し、正孔抽出を著しく促進することが示されたが、OAmまたはMMES修飾は下向きの曲がりと輸送障壁を引き起こした。空間電荷制限電流（SCLC）試験により、移動度自体への配位子の干渉は排除され、性能向上が主に最適化されたエネルギー準位アライメントに起因することが確認された。

ホスホン酸系正孔選択材料（HSM）によるバルクドーピング

研究チームは、MeO-2PACzなどのホスホン酸系HSMを界面修飾に限定するのではなく、Pb-Snペロブスカイト前駆体に直接ドープした（0.2 mol%で最適化）。このバルクドーピング戦略は、大面積にわたるSAM被覆の不均一性の問題を回避する。UPSにより、HSMドーピング後、ペロブスカイトの仕事関数は5.04 eVから4.81 eVにシフトし、価電子帯上端が上昇し、n型性が弱まり、In₂O₃ NCsのエネルギー準位によりよく適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%の効率に達し、In₂O₃-MMPA NCs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、逆方向スキャン効率24.0%を達成した。

ペロブスカイト膜に対するHSMの多面的な役割

HSMの役割は電荷輸送にとどまらず、膜の結晶化と欠陥パッシベーションに深く影響を及ぼす：

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、粒径が著しく増大し、粒界が「融合した」外観を呈することが示された。GIWAXSおよび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はさらに、HSMが優先的な脱プロトン化を通じて遊離の酸性ホスホン酸基を消費し、それによってFA⁺カチオンの酸性的脱プロトン化を防ぎ、前駆体化学を安定化することを明らかにした。

キャリアダイナミクスの改善

過渡吸収分光法（TAS）により、HSMドーピング後に欠陥支援非放射再結合が著しく抑制されることが示された。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力で、埋もれた界面での電荷トラップを効果的に低減した。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に増大し、バルク膜品質の全面的な向上が確認された。

大面積モジュールの性能と安定性

これらの相乗戦略に基づき、チームは開口面積65 cm²（14個のサブセル直列接続）のオールペロブスカイトタンデムモジュールを作製した。Type III（In₂O₃-MMPA）TRJを用いたチャンピオンモジュールは、実験室試験効率26.6%（逆方向スキャン）に達し、VOCは30.4 V、JSCは1.12 mA cm⁻²、FFは78.2%であった。そのJET認証安定化効率は26.2%に達し、従来のType I TRJを用いた対照モジュール（24.8%）を明確に上回った。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、等価有効面積効率は27.6%と高かった。EQE空間マッピングにより、16の異なる位置にわたり、トップおよびボトム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た。

信頼性の面では、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トラッキング下でT90寿命（初期効率の90%を保持）771時間に達し、1000時間後も82.5%の効率を保持した。過酷な85°C/85% RH耐湿熱試験（ISOS-D-3）では、Type IIIモジュールは平均T84寿命1000時間に達したが、Type Iモジュールはすでに40%効率を下回っていた。-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%を保持した。すべての加速劣化実験により、Type IIIの卓越した安定性は、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た。

表面工学されたIn₂O₃ナノ結晶再結合接合と相乗的なバルク/界面HSMエンジニアリングを通じて、本研究は65 cm²の開口面積にわたる26.2%の認定効率の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手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。

リファレンスおよび試験装置

A+AA+グレードのLEDを劣化源として使用した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支援します。このような装置は主に、完成したペロブスカイト単接合セル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。 ジャンクションボックスは、セル回路からの電気出力を集め、モジュールと外部PVシステム間の接続を提供します。それは 老化光源として、高度な技術と多機能設計を通じてペロブスカイト太陽電池研究を強力に支援します。このような装置は主に、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

Ooitechの見解

Ooitechは次のように考えています：表面工学されたIn₂O₃ナノ結晶再結合接合とHSMバルク/界面エンジニアリングの組み合わせにより、大面積全ペロブスカイトタンデムモジュールは認定26.2%の効率に達し、この技術を商業化へ決定的な一歩近づけました。