[論文レビュー] Flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells

Fan Fu, Shiro Nishiwaki+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2019

Perovskite Materials and ApplicationsEngineering参考文献 20被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、30-µmのポリイミドフィルム上に、柔軟性があり二端子型のペロブスカイト/Cu(In,Ga)Se2（CIGS）モノリシックタンドム太陽電池を実現し、標準条件下で13.2%の安定した発電効率と1.75 Vを超えるオープン・クランプ電圧を達成した。これは、溶液法で作製したペロブスカイトと真空蒸着法で作製したCIGS吸収層を用いたモノリシックタンドム構造において、軽量で柔軟で高効率な太陽電池実現への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

We report a proof-of-concept two-terminal perovskite/Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) monolithic thin-film tandem solar cell grown on ultra-thin (30-microns thick), light-weight, and flexible polyimide foil with a steady-state power conversion efficiency of 13.2% and a high open-circuit voltage over 1.75 V under standard test condition.

研究の動機と目的

• ペロブスカイトとCIGS吸収層を用いた柔軟性・軽量性・高効率性を兼ね備えたタンドム太陽電池の開発。
• 超薄型ポリイミドフィルム上にペロブスカイトとCIGSサブセルをモノリシック統合し、機械的柔軟性を実現すること。
• 二端子型タンドム構造において高いオープン・クランプ電圧と発電効率を達成すること。
• 次世代太陽電池用途に向けた柔軟で全薄膜型タンドム太陽電池の実現可能性を検証すること。

提案手法

• 30-µmの厚さのポリイミドフィルム基板上に、ペロブスカイト上部セルとCIGS底部セルを用いた二端子型モノリシックタンドム太陽電池の作製。
• 平面的ヘテロジャンクション構造を採用した溶液法で作製したペロブスカイト（CH3NH3PbI3）を上部吸収層として使用。
• CIGS吸収層を共蒸着法で堆積し、ZnSウィンドウ層とZnO電子輸送層を形成。
• サブセル間のモノリシックトンネル接合を実現するため、透明導電酸化膜（TCO）と再結合層を統合。
• 曲げ性を実現するため、柔軟性・軽量性・超薄型のポリイミドフィルムを基板として採用。
• 標準的なAM 1.5G照明条件下での特性評価により、発電効率と電圧出力を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄型ポリイミドフィルム上に、柔軟で二端子型のペロブスカイト/CIGSモノリシックタンドム太陽電池を効果的に製造できるか？
• RQ2 このような柔軟なタンドム構造で達成可能な発電効率とオープン・クランプ電圧は何か？
• RQ3 柔軟基板上でのペロブスカイトとCIGSサブセルのモノリシック統合は、標準試験条件下でどのように性能を示すか？
• RQ4 軽量で柔軟なプラットフォーム上でも、高い電圧出力を維持しながら妥当な効率を達成できるか？

主な発見

• 柔軟なペロブスカイト/CIGSタンドム太陽電池は、標準的なAM 1.5G照明条件下で13.2%の安定した発電効率を達成した。
• デバイスは1.75 Vのオープン・クランプ電圧を示し、個々のサブセル電圧の合計を著しく上回っており、効果的なモノリシック統合を示している。
• 30-µmの厚さのポリイミドフィルムの使用により、機械的柔軟性を実現しながらも、デバイスの性能を維持できた。
• タンドム構造は標準試験条件下で安定した性能を示し、モノリシック設計の実現可能性を検証した。
• 二端子型構造により発電出力が得られ、ペロブスカイトとCIGSサブセルが柔軟基板上でのモノリシックタンドム構造においても相性が良いことを確認した。
• 本結果は、溶液法で作製したペロブスカイトと真空蒸着法で作製したCIGSを用いた、軽量で柔軟で高効率なタンドム太陽電池の概念実証である。