高効率オールペロブスカイトタンデム太陽電池に向けた非接触レーザー研磨と再構築

太陽電池をより効率的にする

太陽電池は価格が下がり普及が進んでいますが、現在の標準的な設計では太陽光の多くが熱として失われています。光からより多くの電力を取り出す有望な手法の一つは、異なる波長帯に最適化した二つのセルを上下に重ねる積層構造です。本研究は、こうした積層ペロブスカイト太陽電池の主要な弱点を「非接触のレーザー研磨」によって改善し、効率を約30％に近づける可能性を示しています。これは将来の屋根設置、発電所用途、さらには携帯型電源としても魅力的な水準です。

なぜ積層ペロブスカイトは課題を抱えるのか

ペロブスカイトは結晶様の材料で、光吸収が非常に効率的で溶液から容易に製造できます。単一セルの効率限界を超えるために、研究者は広いバンドギャップのペロブスカイトを上に、狭いバンドギャップのものを下に積み重ね、オールペロブスカイトのタンデムを構成します。下側の狭バンドギャップセルは上セルを透過した赤外寄りの光を回収する必要があり、その性能がタンデム全体の上限を大きく決めます。残念ながら、鉛–スズ系の狭バンドギャップ膜は通常、粗く欠陥の多い表面を形成しがちです。スズが表面近傍に蓄積して酸化しやすく、ヨウ素が不足し、でこぼこした表面は電子抽出層との接触も悪くします。これらが合わさると、電荷キャリアが回収される前に再結合してしまい、電圧や電流が失われます。

サンドペーパーの代わりに光で表面を平滑化する

従来のペロブスカイト表面の処理法は液体化学薬品や物理的接触に頼ることが多く、薄膜を損なう危険があり、大面積での制御も難しいです。本研究では、試料に一切触れないピコ秒紫外レーザー研磨法を開発しました。超短パルスのレーザーは欠陥のある上層数十ナノメートルのみをそぎ落とし、基板の結晶を過度に加熱することなく表面を平坦化します。顕微鏡観察では平均粗さが約3分の1に低下し、化学分析では表面の過剰なスズと欠乏したヨウ素が大部分除去されていることが示されました。研磨深さはレーザー出力や走査速度で調整可能で、サブナノメートルの精度と多数ロットにわたる優れた再現性が実証されています。

より健全な表面層の再構築

レーザー研磨は単に凸凹を削るだけではなく、結晶格子中の多くの「Aサイト」（通常は大型有機イオンやセシウムが入る位置）が空いた状態のペロブスカイト表面を残します。研究者らはこの新たに露出した表面をグアニジニウム臭化物を含む溶液で処理しました。大型のグアニジニウムイオンは強い水素結合を形成し、イオン移動を抑える傾向があります。これらのイオンは表面近傍の空いたサイトを選択的に埋め、グアニジニウム–セシウム系のペロブスカイト層として再構築します。この再構築層は以前より秩序立ち、歪みが少なくなります。X線や電子顕微鏡で格子の歪みが消え、上層数ナノメートルがわずかに膨張していることが確認され、これはグアニジニウムの大きさと整合します。光学的測定では光ルミネッセンスの増強とキャリア寿命の延長が見られ、欠陥が減り大面積で均一な膜品質が得られていることを示しています。

きれいな表面を高効率に変える

完全なデバイスを作製すると、その利点は相乗的に現れます。研磨と再構築を施した狭バンドギャップ単セルは、未処理の対照と比べて電圧、電流、フィルファクターが向上し、可動イオンや不安定な界面が抑えられていることを示すヒステリシスの低減も観察されます。最良の鉛–スズセルは24.07％の変換効率を達成し、独立認証で23.47％が確認されました。これらはアンチソルベントによる急冷に依存しないスケーラブルな工程で得られています。この改良された下側セルを広バンドギャップの上セルと積層すると、オールペロブスカイトタンデムで29.80％の効率を達成し、測定された電流と波長分解応答との整合性も高いです。同じ手法で作製したより大きなデバイスやミニモジュールでも高効率が維持され、封止したタンデムは約650時間の連続動作後でも初期性能の約80％を保持しました。

今後の太陽光発電にとっての意義

非接触レーザーで欠陥層を精密に除去し、その上の数ナノメートルをより堅牢なペロブスカイト組成で再構築することで、本研究はペロブスカイトタンデムの主要なボトルネックの一つである「粗く不安定な界面」に対処しています。その結果、膜は平滑化され電荷抽出は改善し、イオン移動は抑制され、アンチソルベント非依存のオールペロブスカイトタンデムとしては記録的な効率が得られました。手法は可変性があり迅速で、異なるバンドギャップやデバイス構造とも互換性があるため、ペロブスカイト太陽電池技術を理論限界へ、そして実用化へ近づける汎用性の高いツールを提供します。

引用: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

キーワード: ペロブスカイトタンデム太陽電池, レーザー表面研磨, 界面エンジニアリング, 高効率太陽光発電, 薄膜太陽電池技術