ORNL、3Dプリンティングとペロブスカイトを研究し、新世代の高性能太陽電池を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-4-1 16:49 に最後に編集されました

2022年4月1日、アンタークティックベアは、オークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者が、もともとカルシウム、チタン、酸素からなる結晶であると考えられていたペロブスカイトについて新たな発見をしたことを知りました。現在、ORNL のナノ相材料科学センター (CNMS) の先進的な装置を使用して、ORNL は金属ハロゲン化物ペロブスカイトの構造に関する新たな発見をしました。

研究チームは、3Dプリントデバイスを含む、より効率的で堅牢な太陽電池やその他の光起電装置を設計できると確信している。「これらの材料のほとんどは静的な条件下で研究されてきた」と研究の主任研究者であるヨンタオ・リウ氏は説明する。「私たちはこれらの材料をリアルタイムで研究し、これらのイオン移動パターンが太陽エネルギーを電気に変換する効率と太陽電池の安定性の鍵となることを示しました。」この研究はまた、この構造が光を電気に変換するイオン運動などの現象とどのように相互作用するかについての洞察も提供します。

△ 金属ハロゲン化物ペロブスカイトにおける格子歪み、歪み、イオン分布の図解。画像提供：ORNL
地球温暖化問題を解決するために、新世代の高性能太陽電池を開発する<br /> 研究チームは、この研究がより効率的で強力な太陽光発電装置の開発につながり、信頼性の高いクリーンエネルギーの持続可能な開発につながる可能性があると確信している。 ORNLでこの技術を開発したオルガ・オブチンニコワ氏は、3Dプリント技術を利用するメリットについて、「この技術を使ってウェアラブルデバイスを作ったり、車に搭載したりできる。ペロブスカイト太陽電池が本当に普及すれば、どこにでも設置できる。オルガ・オブチンニコワ氏は、将来的には3Dプリント技術がこの分野で重要な役割を果たすだろうと考えている」と語った。

ペロブスカイトと 3D プリント<br /> ORNL は近年 3D プリント技術を使用していますが、なぜ 3D プリントをペロブスカイトと組み合わせているのでしょうか。前述のように、研究者がこの材料を研究した主な理由の 1 つは、その変換効率です。現在、標準的な多結晶シリコン太陽電池は 23% のピーク変換効率を達成しており、ペロブスカイトはこのレベルを超えることができるようです。研究者らは転換率がどの程度になるかについては言及しなかったが、この研究は素材に大きな可能性があることを示していると指摘した。

さらに、ペロブスカイトは軽量、柔軟性、低価格であることから研究者に好まれる材料となっています。これらの特性により、あらゆる種類の表面を覆うことができるフィルムを設計できます。この場合、3D プリント特有の設計可能性は、特に複雑な形状の部品を製造する場合に、大きな利点をもたらします。

△ペロブスカイト太陽電池。写真はSollianceより
より長持ちするペロブスカイトを目指して<br /> しかし、いくつかの技術的な制限により、ペロブスカイトはまだ十分に普及していません。この鉱物はシリコンよりも早く劣化するため、耐久性が低くなります。このような画期的で包括的な研究を実施するために、チームは、材料の化学的特性から物理的特性まですべてを分析するための一連の新しい特性評価方法を開発する必要がありました。そのため、質量分析計や走査プローブ顕微鏡などの従来の機器では要件を満たすことができないため、研究者はORNLの高度な機器CNMSを使用してこの問題を解決しています。

「質量分析計ではイオンがどのように動くかは分かりません」とオブチンニコワ氏は説明する。「そこで私たちは、質量分析計と走査型プローブ顕微鏡を 1 つのシステムに統合した新しい機器を使用しました。また、このシステムで、物質が光と相互作用する際のイオンの動きをリアルタイムで観察できる方法を開発し、新しい機械学習方法と組み合わせてデータを取得して研究しました。」

チームは現在、自分たちが考案した方法について特許を申請している。今後の研究では、これらの技術を使用して太陽電池用のより耐久性の高いペロブスカイトを開発するとともに、他の種類の材料にも使用してその特性を理解することが予定されています。

△オークリッジ国立研究所。写真提供：ORNL
「基礎となる物理学の一部について理解が深まったので、光起電力効果を高めるために材料をどのように設計し、改良するかを研究しています」とオブチンニコワ氏は結論付けている。

アンタークティックベアは、最も活性な材料の一つである金属ハロゲン化物ペロブスカイト（MPS）が、オプトエレクトロニクスの分野で優れた性能を発揮し、幅広い注目を集めていることを知りました。このクラスの材料はペロブスカイト構造のため強誘電性が期待されます。しかし、MSP が強誘電体であるかどうかは謎のままです。最近、MSP の強弾性についても議論されています。さらに、MHP におけるイオンの動きと構造のダイナミクスはよく知られています。電気分極、歪み、イオン運動、構造ダイナミクスなどの現象の相互作用は、オプトエレクトロニクスに大きな影響を与える可能性があります。ペロブスカイトに興味がある場合は、このリンクをクリックして、より関連性の高い情報を入手することもできます。

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