単接合・二重接合ペロブスカイト系太陽電池向けの酸化アンチモン緩衝層

より多くの太陽光をとらえる新しい方法

太陽光パネルは物理的限界に近づいており、わずかな追加の光取り込みでもクリーン電力のコストを下げる意味があります。本研究は、あまり知られていない材料である酸化アンチモンが、最先端のペロブスカイト–シリコン太陽電池をより効率的に、かつ実用的なサイズで製造しやすくできることを示します。

現在のタンデム太陽電池が光を無駄にする理由

高性能の太陽パネルの中には、ペロブスカイトセルをシリコンセルの上に重ね、太陽スペクトルの異なる領域をそれぞれ吸収するものがあります。これらの層の間には、電荷を導き加工中のデリケートな材料を保護する超薄膜が挟まれています。一般的に使われる緩衝材料である原子層で堆積されたスズ酸化物はこの役割をうまく果たしますが、ペロブスカイトと化学的に反応してしまいます。ペロブスカイトを守るために、技術者はフラーレンと呼ばれる炭素系材料のより厚い層を追加せざるを得ませんでした。しかしその追加厚は、作動層に到達するはずの青～紫領域の光を吸収してしまい、静かにデバイスの電流と効率を奪っていました。

より多くの光を通すやさしい保護層

研究者らは、反応性のスズ酸化物層を単純な熱蒸着で作製した酸化アンチモン膜に置き換えました。この工程では粉末状の材料をやさしく蒸発させ、均一なコーティングとして凝縮させるため、ペロブスカイトを損なう過酷な化学反応を回避できます。酸化アンチモンが下地に対して穏やかに作用するため、ペロブスカイト上のフラーレン膜は安定性を損なうことなく15ナノメートルからわずか5ナノメートルに薄くできます。フラーレンが薄くなると300～560ナノメートルの波長域での寄生吸収が減り、短波長光が上部のペロブスカイトセルでより多く電気に変換されます。

電荷の隠れた高速通路

電子顕微鏡と特殊な電気プローブで詳しく調べると、酸化アンチモン膜は均一なガラス状ではないことが分かりました。むしろ、非晶質領域と微小な秩序立った結晶が共存しています。これらのナノ結晶は電子のための垂直方向の通路を形成するように配列し、周囲の非晶質材料はより絶縁的に残ります。追加の測定からは、アンチモン原子に伴う欠陥がエネルギー準位を作り出し、層間のエネルギー障壁を電子が越えるのを助ける可能性が示唆されました。これらの特徴が組み合わさることで、電荷は必要な方向に速やかに緩衝層を通過させつつ、横方向の望まない漏れを抑えられます。

研究室規模のセルから大判パネルへ

酸化アンチモンが実用的であることを示すため、研究者らは単一のペロブスカイトセルと完全なペロブスカイト–シリコンタンデムの両方で試験しました。異なるバンドギャップを持つ単一セルはいずれも22パーセントを超える高効率を達成し、最高で23.18パーセントに達しており、類似手法で作製した最先端のスズ酸化物デバイスと同等でした。面積1平方センチメートルのタンデムセルに組み込むと、新しい緩衝層は主に上部ペロブスカイトセルからの電流を約1ミリアンペア毎平方センチメートル増やすことで、光電変換効率を30.28パーセントに高めました。重要なのは、この手法がスケールアップにも適していることです。開口面積64.64平方センチメートルの完全封止モジュールは28.16パーセントの効率を達成し、独立認証値は27.70パーセントで、長時間の光曝露や高温試験でもほとんど劣化しませんでした。

将来の太陽パネルへの意味

専門外の読者にとっての主なメッセージは、太陽電池のほとんど見えない薄い層に対する微妙な変更が、製造を複雑にしたり脆弱にしたりすることなく、取り込める太陽光量を目に見える形で増やし得るということです。酸化アンチモンはペロブスカイト層をやさしく保護しながらより多くの光を透過させ、電荷を効率的に運ぶ方法を提供します。小さな試験セルからより大きなモジュールまで、この高効率・良好な安定性・低コスト処理の組み合わせは、タンデム太陽パネルが35パーセントを超える効率に到達し、広く商業利用に魅力的になる可能性を示唆します。

引用: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

キーワード: ペロブスカイト太陽電池, タンデム太陽電池, 酸化アンチモン, 緩衝層, 太陽光変換効率