太陽光発電の増強：デューク大学の研究者はパネルを改良する方法を模索中

2023年9月26日

なぜ太陽エネルギーがもっと広く利用されないのでしょうか?結局のところ、太陽電池は、無料で本質的に無限の資源である太陽光から電気を生成します。

その理由の 1 つは、今日の太陽電池の効率が比較的低いことです。太陽から取り入れるエネルギーの約 4 分の 1 しか放出しません。その効率を改善できれば、ソーラーパネルが占める面積を減らして、より多くの電力を送り出すことができるでしょう。

「結局のところ、太陽エネルギーの課題は効率です」と彼は言います。エイドリアン・スティフ・ロバーツ博士、彼は電気およびコンピュータ工学のジェフリー・N・ヴィニク教授です。「太陽電池の効率が高ければ、その技術は（発電単位当たりの）コストが安くなり、再生可能エネルギーが炭素ベースのエネルギー源に代わるということになります。」

デューク大学では、スティフロバーツ氏とその同僚たちは、いつか太陽光からより多くのエネルギーを取り込める新しい太陽光発電技術に取り組んでいます。

太陽電池の効率を高める 1 つの方法は、太陽電池の化学組成を変更することです。現在の太陽電池は、寿命が長く、電荷の輸送に優れ、光エネルギーの吸収に優れた無機元素であるシリコンを使用しています。一方、特定の有機分子は光エネルギーの吸収に優れていますが、湿気や酸素の存在下ではすぐに分解する可能性があります。

有機分子の利点は光吸収特性だけにとどまりません。「有機化学者は、あらゆる種類の機能を持つ有機分子を設計できます」とスティフ・ロバーツ氏は言います。「彼らは柔軟に対応してくれるでしょう。」

無機化合物と有機化合物を 1 つの太陽電池に組み合わせることで、「両方の長所」を提供できる可能性があるとスティフロバーツ氏は言います。しかし、この種のハイブリッド材料を扱うのは簡単ではありません。

まず、ハイブリッド材料は、半導体として機能する厚さナノメートルの膜として堆積されなければなりません。薄膜半導体は、携帯電話、コンピュータ、テレビなど、私たちが毎日使用するデバイスにすでに普及しています。しかし、多くの場合、それらの半導体は無機鉱物でできています。薄膜に堆積させる技術は、有機化合物には機能しません。

有機分子を薄膜に堆積する方法はありますが、小さな有機分子にのみ機能するか、太陽電池に必要な複数の層を堆積することが困難です。

今回、Stiff-Roberts 氏とそのチームは、無機化合物と大きな有機化合物の両方からなるハイブリッド材料を堆積する技術を開発し、実証しました。「私のグループは、他の人がやっていたものとは根本的に異なる斬新なアプローチに貢献しました」と彼女は言います。

「私たちの証言は非常に穏やかです。 [有機分子は] ソースから基板に変化せずに転送されます。」

スティフ・ロバーツ氏は、有機分子が水中に油滴のように浮遊しているエマルション（油や酢を思い浮かべてください）を作ることで、伝統的なプロセスに挑戦しました。これにより、大きな分子が堆積中に破壊されるのを防ぎます。

彼女は最近、ハイブリッド材料の薄膜堆積に関する研究室ベースの技術を商業的に製造可能にスケールアップする実現可能性を調査するため、BRITE フェローとして国立科学財団から $100 万を授与されました。

太陽研究者が追求している最も有望なハイブリッド材料の 1 つは、結晶構造に有機分子を受け入れるように操作された天然鉱物であるペロブスカイトです。有機分子は、ワッフルのウェル内のバターのように結晶格子に閉じ込められています。

実験用ハイブリッドペロブスカイト太陽電池の効率は過去 10 年間で飛躍的に向上し、従来の太陽電池技術や他の実験用太陽電池技術よりもはるかに急速に向上しました。「このことが、この分野におけるあらゆる種類の投資と研究に拍車をかけています」とスティフ・ロバーツ氏は言う。彼女の技術が薄膜ハイブリッドペロブスカイトで機能することをすでに実証している。

Stiff-Roberts 氏は、機械工学および材料科学の理論家である Volker Blum 准教授や、デューク大学の機械工学および材料科学の Simon Family 教授である材料設計者の David Mitzi など、デューク大学の工学部の同僚と緊密に連携しています。

3 つは、エネルギー省から資金提供を受け、国立再生可能エネルギー研究所に本部を置くナショナルセンターの一部であり、ペロブスカイトやその他のハイブリッド材料の基本特性を研究しています。

「これらの材料については、私たちが理解していないことがたくさんあります」とスティフロバーツ氏は言います。「そして、材料を理解していなければ、それを改善したり、より良いデバイスを作るために材料を制御したりすることはできません。」

ただし、より優れたデバイスを作成することは最初のステップにすぎません。スティフ・ロバーツ氏は、化石燃料から再生可能エネルギーへの移行には、科学や工学だけでなく、政策から経済学に至るまで、複数の分野の関与が必要になると述べています。彼女は、デューク大学の学部生と大学院生が、多くの場合、キャンパス全体の低音接続チームやニコラスエネルギー・環境・持続可能性研究所のような学際的な環境で、これらの問題に熱心に取り組んでいることに気づきました。

「再生可能エネルギーの問題を解決したいのであれば、それはすべて関連しています。そして、デュークはこれらすべての幅広い側面に関する専門知識を持っています。そこに、デュークが提供できるユニークなものがあります。」

(C)デューク大学

元の記事の出典: WRAL TechWire