見た目よりも無害ではない: ハイブリッドペロブスカイトの水素: 研究者らが太陽電池の性能を制限する欠陥を特定

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メチルアンモニウム分子から水素を除去することによって生成された水素空孔 (中央左側の黒い点) は、典型的なハイブリッドペロブスカイト、メチルアンモニウムヨウ化鉛 CH3NH3Pbl3 にキャリアを捕捉します。 CREDIT Xie Zhang

要約：
カリフォルニア大学サンタバーバラ校工学部の材料部門の研究者らは、新世代の太陽電池の効率を制限する主な原因を発見しました。

見た目よりも無害ではない：ハイブリッドペロブスカイト中の水素：研究者は、太陽電池の性能を制限する欠陥を特定します

カリフォルニア州サンタバーバラ | 投稿日: 30 年 2021 月 XNUMX 日

ハイブリッドペロブスカイトとして知られるものの格子に存在する可能性のあるさまざまな欠陥が、このような制限の潜在的な原因としてこれまで考えられていましたが、有機分子 (「ハイブリッド」という名の原因となる成分) は無傷のままであると想定されていました。最先端の計算により、これらの分子内の水素原子が欠落すると、大幅な効率損失が生じる可能性があることが明らかになりました。この研究結果は、「水素空孔を最小限に抑えて高効率ハイブリッドペロブスカイトを可能にする」というタイトルの論文として、Nature Materials誌の29月XNUMX日号に掲載される。

ハイブリッドペロブスカイトの驚くべき太陽光発電性能は、太陽電池技術を進歩させる可能性があるため、大きな話題を呼んでいます。「ハイブリッド」とは、ペロブスカイト鉱物（酸化カルシウムチタン）の結晶構造に似た結晶構造を持つ無機ペロブスカイト格子に有機分子を埋め込むことを指します。この材料はシリコンに匹敵する電力変換効率を示しますが、製造コストははるかに安価です。しかし、ペロブスカイト結晶格子の欠陥は、熱の形で不要なエネルギー散逸を引き起こし、効率を制限することが知られています。

多くの研究チームがそのような欠陥を研究しており、その中にはUCSBの材料教授クリス・ヴァン・デ・ウォールのグループも含まれており、最近、これまで誰も注目しなかった場所、つまり有機分子上で有害な欠陥を発見することで画期的な進歩を遂げた。

「ヨウ化メチルアンモニウム鉛は、典型的なハイブリッドペロブスカイトです」と、このプロジェクトの主任研究員である Xie Zhang 氏は説明しました。「結合の XNUMX つを切断し、メチルアンモニウム分子上の水素原子を除去するのは驚くほど簡単であることがわかりました。結果として生じる「水素空孔」は、太陽電池に当たる光によって生成された後に結晶中を移動する電荷のシンクとして機能します。これらの充電が空いた部分で発生すると、バッテリーの充電やモーターへの電力供給などの有用な作業ができなくなり、効率が低下します。」

この研究は、ヴァンデウォールグループによって開発された高度な計算技術によって可能になりました。このような最先端の計算により、材料内の電子の量子力学的挙動に関する詳細な情報が得られます。研究に参加したヴァン・デ・ウォール氏のグループの上級大学院生であるマーク・トゥリアンスキー氏は、この情報を電荷キャリアのトラップ率の定量値に変換するための洗練されたアプローチの構築に貢献した。

「私たちのグループは、どのプロセスが効率損失を引き起こすかを判断するための強力な方法を開発しました。そして、このアプローチが重要なクラスの材料に対してこのような貴重な洞察を提供するのを見るのは喜ばしいことです。」とトゥリアンスキー氏は述べました。

「計算は理論的な顕微鏡として機能し、実験で達成できるよりもはるかに高い解像度で材料を覗き込むことができます」とヴァン・デ・ウォール氏は説明した。「それらは合理的な材料設計の基礎にもなります。試行錯誤の結果、メチルアンモニウム分子をホルムアミジニウムに置き換えたペロブスカイトがより優れた性能を示すことがわかりました。この改善は、ホルムアミジニウム化合物中で水素欠陥が形成されにくいという事実に帰することができるようになりました。

「この洞察は、ホルムアミジニウムが高効率太陽電池の実現に不可欠であるという経験的に確立された通念に対する明確な根拠を提供します。」と彼は付け加えた。「これらの基本的な洞察に基づいて、材料を製造する科学者は有害な欠陥を抑制する戦略を開発し、太陽電池の効率をさらに高めることができます。」

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この研究への資金は、エネルギー省の科学局と基礎エネルギー科学局から提供されました。計算は国立エネルギー研究科学計算センターで実行されました。

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コンタクト：
ジェームズ・バダム

@ucsantabarbara

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