ICFO の研究者らは、タンデム構成で 16.94% の電力変換効率 (PCE) を実現する新しい 4 端子有機太陽電池を製造しました。この新しいデバイスは、わずか 7nm の透明な極薄銀 (Ag) 電極を組み込んだ透明性の高いフロント セルで構成されており、効率的な動作を保証します。

2端子タンデム 有機太陽電池(OSC) は、単接合太陽電池の透過損失と熱損失に対処するための最も有望なアプローチの 1 つです。これらの有機太陽電池は、さまざまなバンドギャップを持つ前面と背面のサブセルで構成されており、より広範囲の太陽光スペクトルの吸収と利用が可能になります。

ただし、このような構成で最適なパフォーマンスを達成するには、2 つのサブセル間の十分な電流バランスが必要です。さらに、これらのタイプのタンデム有機太陽電池の製造は、高い透明性を維持しながら効率的な電荷再結合を促進できる堅牢な相互接続層を必要とするため、困難です。

4 端子タンデム構成は、高効率の代替戦略として浮上しました。太陽電池の設計。2 端子アプローチとは異なり、この構成では個別の機能が備えられています。電気接続透明な前面セルと不透明な背面セルの場合。

その結果、電流のマッチングの問題はもはや制限要因ではなくなりました。この設定により、タンデムの各セルのバンドギャップをより柔軟に選択できるようになり、それによって光子の吸収が最適化され、太陽エネルギー生成の全体的な効率が向上します。

さて、新しい研究では出版された日記で太陽光発電RRL、ICFOの研究者フランシスコ・ベルナル・テクカとジョルディ・マルトレル教授は、16.94％の電力変換効率（PCE）を達成した4端子タンデム有機太陽電池の製造について説明しています。この成果の中心となるのは、タンデム型太陽電池の性能を最適化する上で極めて重要な役割を果たす重要なコンポーネントである極薄透明銀電極の製造です。

新しいデバイスを製造するために、研究者らはまず、両方のセルの光活性層に使用される有機材料を調査した。彼らは、高エネルギー光子を収集するように設計されたフロントセル用の 3 つの異なるブレンドの有効性を調べました。PM6:L8-BO と名付けられた最高のパフォーマンスを発揮したブレンドが最終的に選ばれました。背面不透明セルには、研究者らはバンドギャップが狭いPTB7-Th:O6T-4Fブレンドを使用することを決定しました。これにより、スペクトルの赤外線部分（低エネルギー光子）の吸収に適しています。

ブレンドを選択した後、研究者らは数値的アプローチを使用して 4 タンデム OSC の最終構造を設計しました。彼らは、マトリックス形式と従来の逆問題解決手法を組み合わせて、ソーラー デバイスの最適な性能と最終構成を見つけました。

厚さわずか 7nm の極薄透明銀電極の製造が、現在の研究の重要な要素でした。この要素はフロントセルの背面に配置され、バックセルに電力を供給するための良好な光透過性を確保しました。透明太陽電池用途に利用される従来の上部 Ag 電極の厚さは、通常 9 ～ 15 nm の範囲です。

その製造には、精度と一貫性を確保するために実験室の条件を細心の注意を払って制御する必要がありました。次に、電極に三酸化タングステン (WO3) とフッ化リチウム (LiF) を交互に配置した 3 つの誘電体層を積層しました。このフォトニック多層構造は 2 つのセルの間に配置され、効率的かつ均一な配光を促進するため、重要な役割を果たします。

「この構造は、750～1,000 nmの範囲で高い透過率を示し、500～700 nmの範囲で高い反射率を示します」と研究者らは書いている。

「透明な銀の中間電極の開発は、太陽電池の効率的な動作にとって極めて重要です。これは、バックセルに光が届くのに十分な透明性を持ちながら、高い導電率を維持して確実に太陽電池を動作させるという、微妙なバランスをとらなければなりません。」最適なパフォーマンスICFOの研究者でこの研究の筆頭著者であるBernal氏は、「前面の透明セルの損失を観察することなく、わずか7nmの電極を製造できることは、透明セルの分野における大きな進歩である。」と述べた。

研究者らは、ソーラーシミュレーターを使用して、1 太陽の照明の下でデバイスの太陽光発電性能をテストし、その量子効率を測定しました。このデバイスは 16.94% のパフォーマンスを達成しました。電力変換効率これは、これまでのところ、4 端子タンデム有機電池で達成される最高値となります。この研究の著者らは、有機タンデムデバイスの効率の現在の公式記録は14.2%であり、最後に報告された4端子有機タンデムのPCEは6.5%であると述べています。

「私たちの研究は光電気化学電池 (PEC) での応用の可能性を秘めており、水の分解や CO を駆動するために確立された電圧を超える必要な電圧を提供するなど、重要な電気的要件に対処します。₂SOREC2プロジェクトのような還元反応です」とICFOの研究者でSOREC2プロジェクトコーディネーターのマルトレル教授は説明した。

「4 端子タンデム構造の設計と実装の方法論は、要素内の光の適切な分布が特定のデバイスのパフォーマンスにとって重要であるニュース システムの設計に適用できる可能性があります。」

研究者らは現在、方法論の改良、調整、強化に焦点を当てており、構造設計タンデム型デバイスが広範囲に適用できる太陽燃料などの用途に合わせて調整されています。研究者らは、方法論と設計戦略を最適化することで、太陽エネルギーを二酸化炭素などの多様で持続可能なエネルギー変換プロセスに利用する際に、これらのデバイスの可能性を最大限に引き出すことを目指しています。₂変換と価値化。

詳細情報:Francisco Bernal – Texca et al、PM6:L8 – BO 透明太陽電池と 7 nm Ag 層中間電極に基づく 4 端子タンデム、太陽光発電RRL（2024年）。DOI: 10.1002/solr.202300728