ハニントン教授の科学についての話: プラスチック太陽電池で効率 19.3% を記録

私たちのエネルギー源が化石燃料からより環境に優しいものへと移行するにつれ、家庭に電力を供給したり、電気自動車を充電したり（あるいは、後で経済的に回収できる何らかの送電網に電気を設置したりできる）低コストの太陽電池の探求が求められています。それはますます熱狂的に進んでいます。

ちょうど今週、有機タイプの太陽電池の電力効率の大幅な飛躍が発表されました。 Nature Communications に掲載されたとおり、香港理工大学の Li Gang 教授率いるチームは、電力効率がほぼ 20% であるポリマー太陽電池の製造方法を発表しました。これは、これまでで最高の実際のシリコン太陽電池であるカネカ株式会社が開発した26.7%の変換効率を記録した太陽電池に匹敵するものです。特殊な単結晶アレイで構成されるこのタイプは、適切な基板上に材料をスキージすることで簡単に製造できるポリマータイプとは対照的に、製造に非常にコストがかかります。それは2016年のことであり、今でもその記録が残っています。

香港のチームがどのようにしてこのような偉業を達成できたのかを理解するには、少し遡って、太陽光をエネルギーに変換する際の概念を簡単に確認する必要があります。 1839 年にエドモンド・ベクレルによって行われた光起電力効果の最初の実証では電気化学セルが使用されましたが、おそらく私たちが最もよく知っている種類は、再充電可能なガーデンライトや電卓に使用される標準のシリコンセルです。この要素の技術は 70 年以上前からよく知られているため、これらはすべてシリコンデバイスです。

シリコン太陽電池は内部が 2 つの層で構成されており、1 つは P 型、もう 1 つは N 型と呼ばれます。 P 型シリコンは、シリコンよりも外側のエネルギー準位に電子が 1 つ少ない原子 (ホウ素やガリウムなど) を追加することによって生成されます。ホウ素には、周囲のシリコン原子との結合を形成するのに必要な電子よりも 1 つ少ない電子が含まれているため、電子空孔または「正孔」が生成されます。

n 型シリコンは、リンなど、シリコンよりも外側準位に電子が 1 つ多い原子を含むことで作られます。リンの外部エネルギー準位には 4 つではなく 5 つの電子があります。シリコンは電子が4つありますが、結晶構造内でホウ素やリンと結合しやすい性質があります。しかし、リンには余分な電子があるため、その電子は結合に関与せず、シリコン構造内を自由に移動できるため、結晶はわずかにマイナスに帯電します。電荷キャリアとなります。ホウ素ドープ領域でも同様である。そこに形成された「穴」（実際には結合が欠落している）は、欠落した結合が移動して正の実体として機能するため、電荷キャリアとしても機能します。 N 領域が P 領域の隣に配置されると、これらの余分な電子と正孔の一部が再びお互いを見つけ、これらの可動電荷が存在しない空乏領域が形成されます。

しかし、ここがこの無人地帯の枯渇ゾーンの興味深い部分です。ホウ素とリンの原子が留まっているため、空乏ゾーンの N 型側には (リン原子からの) 正に荷電したイオンが含まれ、P 側には現在、正に荷電したイオンが含まれています。 (ホウ素原子からの) マイナスに帯電したイオンが含まれており、これにより電子と正孔がさらに混ざり合うのを防ぐ内部電場が生成されます。しかし、太陽光が PN 接合に当たると、シリコン内の電子が放出され、「ホール」が形成されます。これが空乏領域の電場で起こると、その電場によって電子が n 型層に移動し、正孔が p 型層に移動します。

n型層とp型層の外側領域を金属線で接続すると、電子が移動して電気の流れが生まれます。一般的なシリコン結晶セルは、明るい太陽光の下で約 0.6 ボルトを生成し、一般的な携帯電話の面積のセルに 1 アンペアの電流を供給できます。より高い電圧を得るには、多くのセルを直列に配置するだけです。単結晶太陽電池のワットあたりの平均コストは約 1 ドルです。

灰色の太陽電池セルの上部を見下ろすと、上記のすべての動作が行われる PN 接合まで見ることができます。

通常、最上層は N 型領域です。 N 領域を上部に配置すると、ホウ素の代わりにリンが存在するため、光による劣化に対する耐性が高くなるという利点があります。この要因により、セル内でより多くの電荷が移動し、より効率的で強力な出力が得られます。

来週は、有機太陽電池とその仕組みを調べます。

ゲイリー・ハニントンは、グレートベースン大学の物理科学の名誉教授であり、AHV の主任研究員です。彼への連絡先は、[email protected] です。

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