無線送電・さよなら充電!電源から解放、走行EV給電も可能だ!青色発光ダイオード=LED の発明でノーベル物理学賞を受賞!

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宇宙システム開発利用推進機構は、飛行中のドローンへ給電した!


無線送電・さよなら充電!電源から解放、走行EV給電も可能だ!青色発光ダイオード=LED の発明でノーベル物理学賞を受賞!

 

電気は電線て伝わるという常識が崩れ、空を飛ぶ時代がやってくる。

翼を得た電気を受け取れば、電気自動車=EV はどこまでも走れるようになり、パソコンは電池切れを気にせず使える。

スマートフォンの電池が切れていたら電話に出られないという言い訳も通用しなくなるだろう。

こうした未来をもたらすのが、電波に乗せて電気を送る無線送電技術だ。

大空を舞うドローン=小型無人機。

物資を運ぶのは消費電力が大きい。

大型の蓄電池を積んでも飛行可能時間は10~30分という。電池交換のたびに着陸を繰り返す。

空を飛びながら充電できれば常に動ける。

理想を現実にするのが電波の一つでもある「マイクロ波」で電気を届ける技術だ。

宇宙システム開発推進機構は電波を放つアンテナで1.6キロワットの電力を送り、

ドローンは60ワットを受け取った。内臓の電池を補い、飛行時間を伸ばした。

まだ数%の電気しか送れず、24時間の連続飛行は遠い。

だが技術の芽は着実に育っている。

既に近距離の別方式ではスマホを置くだけで済む充電器で実用化している。接触さえすれば効率は8割近い。

いつどこでも電力を供給できるようになれば、社会が一変する。

無線送電は水面を叩いて発生した電波で、離れた場所にある小さなヨットのおもちゃを動かすイメージだ。

町中に並ぶマイクロ波電線装置の横を通りかかるだけで、身に付けた電子機器の充電ができる。

電源のコンセントが使えるカフェを探していたのは過去の話となる。

電源から解放されたとき、これまでの前提が崩れる。意識の変化はイノベーションをもたらす。

1回の充電でガソリン車並みの長距離走行を目指してきたEVは充電設備が命綱だ。

宙を電力が飛び交うインフラが整えば、充電設備に立ち寄る必要がなくなる。

近距離走行車でも競争力を発揮できる。

青色発光ダイオード=LED の発明でノーベル物理学賞を受賞した

名古屋大学の天野浩教授は今、マイクロ波送電の研究に力を入れる。

近未来には「充電しなければという意識自体が人々から消える」と予想する。

あらゆるものがインターネットにつながるIOTにとっても追い風だ。

工場などに設置した無線のセンサーは、それぞれに電池をつけると交換の手間がかかる。

無線送電ならば、すべてのセンサーに電気を浴びせて一気に充電できる。

慶應大学の三次仁教授は6個のセンサー付きの素子の電力をマイクロ波で実験に成功した。

3mほどの距離で素子が双方向に通信できることも確かめた。

発電所の概念すらなくなるかもしれない。

宇宙に浮かべた太陽電池で受電し、地球に送れば良いからだ。

宇宙太陽光発電システムのイメージ=JAXA提供!

宇宙太陽光発電と呼ぶ構想は2050年ごろの実現を目指し、宇宙航空研究開発機構=JAXA などは研究する。

縦と横が2キロメートル超の太陽光パネルを宇宙に打ち上げ、送電する壮大な計画だ。

距離は伸びるが、無線送電技術の原理は同じだ。

最も新しい時代に不安はつきものだ。

マイクロ波は電子レンジで食べ物を温めるのに使う。

「宇宙から地球に届くマイクロ波で、飛んでいる鳥が焼き鳥になったり、

家が火事になったりしないのか」心配する声も聞こえる。

地上での無線通信にも悪影響を及ぼさないだろうか。

「焼き鳥問題」について、宇宙システム開発利用推進機構の

ドローンの実験に携わった京都大学の篠原真毅教授は明確に否定する。

宇宙太陽光発電の場合、受電に使うパネルも2.5キロメートル程度と広大になる。

「マイクロ波は巨大なアンテナに向かって広く分散して飛んでくる。

密度は小さく、エネルギーが集中しすぎて危険になることはない」

とはいえマイクロ波周辺の付近には無線通信網「WiFi=ワイファイ」で使う周波数帯がある。

悪さをする懸念から電気の送り方をめぐって論争になりかねない。

電気を飛ばすアイデアの歴史は古く、最初に米国で取り組んだマイクロ波の実験は1964年にさかのぼる。

一時は研究が下火になったが、デジタル時代の到来で

電源が手放せなくなった人類は送電技術に再び目を向け始めた。

マイクロ波以外にも、青色LEDの光で電気を運ぶ取り組みを東京都立大学が進めている。

青い光を次世代のペロブスカイト型太陽電池が受け取り、電気に変える。

電気は長らく安住した電線から、巣立とうとしている。  

三隅勇気。日経新聞。

 

 

ペロブスカイト太陽電池は青色LEDの光を20%の確率で電気に変換する!


キーワード・無線送電!スマホの充電で実用化!電気を送れる距離や効率などについては一長一短がある!

 

電線や金属のプラグを使わず、電子機器に電気を供給する技術。

充電するたびに配線に接続する必要がなくなるため利用性が向上する。

現状では従来の配線を給電よりも効率が劣っていることが多いが、年々向上している。

電線のいらない社会を実現するとして期待が大きい。

マイクロ波の電波を飛ばす給電方法の他に、電磁誘導の法則を元にした

磁界結合方式、磁界共鳴方式、電解結合方式などがある。

電気を送れる距離や効率などについては一長一短がある。

電動歯ブラシの充電スタンドや、スマートフォンの充電パッドなどで実用化している例がある。 日経新聞。

ではこれに関連する研究をします。

 

 

走行中給電 道路が“電源”になる日 2020年に一部で実用化か!

走行中給電 道路が“電源”になる日 2020年に一部で実用化か!!!

 

[第 4 部:走行中給電 道路が“電源”になる日 2020年に一部で実用化か]   

高速道路の車線などにワイヤレス給電システムを高密度に敷設し、走行中の EV に給電す る構想が議論され始めている。

まだ課題の洗い出し段階にすぎないが、技術面や費用面で 乗り越えられない壁はなさそうだ。

実現すれば、EV の利用可能性も大幅に広がる。

早けれ ば2020年前後に一部の道路で実用化される可能性もある。

走 行 中 の 電 気 自 動 車( E V )に 給 電 す る 走 行中給電は、ワイヤレス給電(WPT)技術の 究極目標といえる(図1)注1)。 

最大のメリットは、EV の軽量化、低価格 化、そして長距離走行が容易になることだ。

高速道路などで走行中給電が実現すれば、 蓄電池の容量が小さくて済む。

これまでの EV が陥っていた、長距離走行のために蓄電 池を多量に積載して価格が高騰し、

重量が 増すことで電力の “ 燃費 ” が悪化するという 悪循環から解放される。 

その最初の構想から10年。走行中給電は これまで、“SFの世界の話”と切って捨てら

れることも多かった。それがここへきて、実 用化を真剣に議論する段階となり、世界各 地で実証実験が始まっている注2)。 

日本では、2016年3月に豊橋技術科学大学 の大平研究室が同大学キャンパス内で実験 を 行 っ た( 図 1( b ) )。

電 界 結 合 型 W P T シ ス テムを採用し、車両に電池を一切搭載せず、 道路からの給電だけで走行した。

また、東 京大学 教授で、自動車技術会(JSAE)ワイ ヤレス給電システム技術部門委員会 委員長 の

堀洋一氏の研究室も、道路舗装大手の東 亜道路工業と共同で、2016年中にも実験を 始める計画だ。

東亜道路工業は2013年に、( a )高 速 道 路 の 走 行 中 給 電 用「 E V レ ー ン 」 (日産自動車の将来イメージ)  

(b)蓄電池を持たない車両に道路から給電 (豊橋技術科学大学 大平研)   

( c )高 速 道 路 で の 走 行 中 給 電 の メ リ ッ ト

EV に必要な蓄電池容量が大幅に減る 安 価 で 軽 量 の E V で 、長 距 離 走 行 も 実 現  

(d)早稲田大学 橋氏などのコスト試算  1コイル上に 2 台前後を想定 100m  

送電システムの敷設費用:2 億~ 3 億円 /km 全長 500km の高速道路では対抗 2 車線分で約 2000 億円  

図1 走行中給電は実用化 可能か 日産自動車が公開している 高速道路での走行中給電の イメージ(a)。

豊橋技術科学 大学の大平研究室が2016 年3月に始めた電界結合方 式平行 2 線路の、実際の路上 における走行実験(b)。

高 速道路での走行中給電の最 大のメリット(c)。早稲田大 学 橋氏の敷設費用の試算 例(d)。

(写真:(a)は日産自 動車)  送電コイル  送電コイル   敷設費用自体よりも、

耐久性の確保や工事で高速道路の レーンを長期間通行止めにすることが課題に 

弾力性のある特殊セメントを開発し、コイル を深さ4cmという浅い部分に埋め込めるよ うにした。

それまでコイルを損傷しないため に1m は必要とされていた埋め込み深さを

大 幅に浅くして、WPT システムの道路への敷 設費用を軽減できる可能性を示した。

[東阪間は最小2000億円]    

WPT システムを高速道路に敷設した場合 の費用の試算もある。

早稲田大学 環境総合 研究センター 客員上級研究員の橋俊輔氏 などは、

WPT システムの敷設費用を2億~ 3 億 円 / k m / レ ー ン と 試 算 し た( 図 1( d ) )。

東 京 – 大阪間500km の道路対面2車線分では最 小で2000億円となる。

一方で、同じ500km で数兆円という建設会社の試算もある注3)。 

仮に2000億円程度で済むなら、道路公団 や自動車メーカーだけで負担することも十 分可能だ。

数兆円規模でも、「日本のガソリ ン用石油の輸入額は年間4兆円程度。多くの ガソリン車が EV になって、

大量のガソリン が節約できることを考えれば十分ペイする」(ある研究者)という意見がある。 

[30kW以上なら走行中“充電”に]    

高速道路での敷設費用は、走行中給電に 求める要求の高さにも左右される。

つまり、 単に当該レーンを走れる分を給電するだけ でよいのか、それとも、電池の充電までした いのかという点だ(図2)。

高速走行するEVの消費電力は約15k~ 20kW。道路の全区間で EV1台当たりこの電 力を給電すれば、

高速道路を走っている間 は蓄電池の容量を減らさずに済む。

システムの敷設費用は比較的安い。ただし、充電 まですることは難しい。 

一方、給電電力を約30kW 以上にすれば、 走りながら充電もできる。

高速道路に入っ た当初充電状態に不安があっても、走って いる間に満充電に近づき、旅先でのドライブ を楽しめる。

ただし、敷設費用は高くなる。

 

 

EV タクシー乗り場は早期導入可能!送電用線路をメタマテリアルに!

EV タクシー乗り場は早期導入可能!送電用線路をメタマテリアルに!

 

[EV タクシー乗り場は早期導入可能]    

実用化への課題は費用だけではない。早 稲田大学の橋氏は、既存の高速道路を1車線だけでも工事で長期間止めることがネッ クになるとみる。

数十トンの大型トラックな どに対する WPT システムの耐久性の確保も 課題だという。「一度工事したら最低10年は 持たせる必要がある」(橋氏)からだ。 

橋氏は、課題が多い高速道路にこだわ るよりは、まずは他のエリアでの実用化を考 えるべきとする。

例えば、EV タクシー乗り場や空港の拠点間バス、工場内での無人搬 送車(AGV)などだ(図3)。

「走行距離に不安 のある EV タクシーは事実上流しができず、 タクシー乗り場で乗客を待つしかない。

客 待ちしながら充電できれば、充電に貴重な時 間を取られる心配もない」(同氏)。 

新エネルギー・産業技術総合開発機構

(NEDO)が示した走行中給電のロードマッ プでは、2020年までにタクシー乗り場での 実用化、

2020年ごろに高速道路での一部区 間での実験、2030年までに高速道路の登坂 車線の一部区間での実用化、

そして2050年 ごろの東名高速道路のリニューアル時に長 距離区間に導入する構想だ注4)。

[電界結合方式も有力な選択肢に]    

走行中給電の実現方式自体にも検討の余 地は多い。

最有力なのは、既に実用化や普 及が見えてきた、停車中のEVに充電する WPT 技術と互換性が高い磁界共鳴型 WPT だ。

送電コイルとインバーターをセットで道 路に埋設する方式が検討されている(図4)。 

高額なインバーターを送電コイルごとに 敷設する代わりに、中継コイルを用いて敷設 費用を圧縮する案もある。 

一方で、停車中充電システムとの互換性 を考えなければ、実現技術の選択肢は大き く広がる。

期待できるのが、豊橋技術科学 大学 教授の大平孝氏の研究室や奈良先端科

学技術大学院大学 教授の岡田実氏の研究室 が以前から研究している、電界結合方式の WPT である。

タイヤのホイール部分を受電 用電極として使えるため、受電器が軽量で 実装も容易になる。

[電界結合なら鉄製薄板が線路に]    

磁界共鳴型を含む磁界結合方式と、電界 結合方式にはそれぞれ長所と短所がある(表 1)。

電界結合方式の最大のメリットは、道路 への敷設コストを磁界結合型に比べて大幅 に抑えられる可能性がある点だ。

送受電デ バイスが共に薄い金属板でよく、しかも大電 流を流さないため、鉄(Fe)などの安い材料 が利用できるからである。 

一方で、電界結合方式にも課題はある。 例えば、周波数を数 MHz 以上と高くする必 要があったり、

道路やタイヤの強電界に対す る耐圧の点で給電できる電力に限界があっ たりする点だ。

タイヤ1個でおよそ5kW まで、 タイヤすべてに受電器を実装しても、数十 kW が限界となりそうだ。 

課題はまだある。「道路が雨で濡れた場合 の 安 全 性 に 不 安 が あ る 」( あ る W P T の 技 術 者)ことだ。

電界結合方式の送受電器はいわば大きなキャパシターといえる。

そこに高い 電圧が印加されるため、万が一水分などで 短絡すると感電や発火事故になりかねない。

この点について大平研究室は、「アスファル トなら一般に稠密で防水性は高い。

ただし、 安全性の評価はこれから進める」という。

[送電用線路をメタマテリアルに]    

大平研究室や岡田研究室が推進する平行 2線路の電界結合方式にはさらに別の課題も ある。

定在波の “ 節問題 ” だ(図5)。平行2線 路上に電界の定在波が発生し、節部分で給 電できなくなる現象である。 

大平研究室では最近、ブレークスルーが あったとする。

メタマテリアル技術の1つで ある左手系回路†を平行2線路に組み込むの である。

左手系回路では有効屈折率が負値 になる。

すると線路全体での平均有効屈折 率をほぼゼロにでき、定在波の波長が無限 大になるため、節が発生しないという。  

注4)早稲田大学の 橋氏は、WPTの開発 当初によく語られた一 般道路やその交差点な どでの実用化は現時点 では難しいとする。

「敷 設費用の安い大きな送 電コイルでは、送電中 のコイルの上に、WPT 対応の車両と対応して いない

車両の両方があ っ た り、人 が 歩 い て い たりするケースを避け られず、危険性が高い。

送電コイルを十分小さ くすると敷設費用が高 騰 す る (」 橋 氏 ) か ら だ。  

†左手系回路=伝送線 路を伝わる電圧と電流 を、Maxwell方程式 の平面波の電界ベクト ルと

磁界ベクトルのそ れぞれ1成分に対応付 けた上で、その有効誘 電率と有効透磁率が同 時に負値になるような 回路。

この場合、有効 屈折率も負値になる。

最も単純な左手系回路 は、容量成分を持つ導 線がインダクターで接 地されている回路であ る。   

Brakthrougun より。

 

 

ハイブリッド型ハライドペロブスカイト太陽電池の最近の進展!

ハイブリッド型ハライドペロブスカイト太陽電池の最近の進展!!

 

[ハイブリッド型ハライドペロブスカイト太陽電池の最近の進展]    

はじめに

この数十年間、環境的に持続可能かつ経済的にも存続可能なエネルギー源に対する需要にこたえるため、

低コストで製造可能な高効率発電システムの実現を目指した研究が広範囲に行われています。

太陽電池は、光吸収材料を利用して太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスであり、

近年の太陽光変換技術分野では、太陽電池の本格的な実用化への道筋が見え始めていることを確信させるに十分な結果が得られています。

太陽電池は、光吸収材料の形態およびデバイス構造に基づいて大きく3種類に分類できます1。

第1世代および第2世代の太陽電池デバイスとして、シリコンウェハを使用したデバイスおよびテルル化カドミウム(CdTe)

またはCIGS(copper-indium-gallium-selenide)で作製された薄膜太陽電池などがあります。

これらデバイスに使用されている技術は成熟したと考えられており、すでに大面積モジュールおよびパネルが多数市販されています。

そのシステムは、少なくとも15~18%の太陽エネルギー変換効率(PCE:power conversion efficiency)を示し、性能保証期間は20年以上です。

第3世代の薄膜太陽電池では、周囲条件における溶液法を用いてより高効率の材料およびデバイスを

低コストで作製するために、最新のナノサイエンスおよびナノテクノロジーが活用されています。

過去20年にわたって、有機もしくは無機色素化合物で増感される、

ワイドバンドギャップ半導体を用いたデバイスの研究に大きな関心が集まっています2。

しかし、光吸収色素の単分子層を使用した場合は光吸収が限定されるため、

色素増感太陽電池(DSSC:dye-sensitized solar cell)のPCEは非常に低くなります(<1%)。

ゾルゲル法では、目的の半導体のコロイド溶液を用いて、光学的および

電子的性質を調整しながらメソポーラス酸化物半導体薄膜を作製することが可能です。

1991年にO’ReganおよびGrätzel3は、DSSCのPCEを改善するため、

メソポーラスチタニア(TiO2)半導体を色素堆積させるための高表面積足場として用いる方法を提案し、

この新たな手法がDSSC開発の飛躍的な前進をもたらしました。

現在2種類のデバイス構造を持つDSSCが研究されており、最適化が行われています。

1つは、有機溶媒中の(I-/I3-)などのレドックス電解質が、対電極と光アノードの間で電子をシャトル輸送する液体電解質型DSSCです。

もう一つは固体型DSSC(ss-DSSC)であり、有機正孔輸送材料(HTM:hole transport material)が

メソポーラス半導体酸化物層に導入され、レドックス系の役割を果たします。

今までに報告されている太陽光-電力変換効率の最高値は約14.3%であり4、DSSCを使用した商品が既に多数市販されています。

[ペロブスカイト太陽電池に関する初期の報告]       

ペロブスカイトとは、一般式ABX3(図1)で表される構造を持つ一連の材料をさします。

ここで、A、B、およびXはそれぞれ、有機カチオン、金属カチオン、およびハロゲン化物アニオンを表します。

例として、A = Cs+、CH3NH3+(MA)、NH=CHNH2+(FA);B = Pb、Sn;X = Br、Iがあります。

CaTiO3などの酸化物ペロブスカイト化合物は1893年から知られており5a、1957年、

Christian MøllerはCsPbX3(X = Cl、Br、I)などのアルカリ金属複合ハロゲン化物の

光伝導性を調べ、これらの半導体性に着目しました5b。

その後、Weberにより、A = アルキルアンモニウムカチオン、B = Sn(II)またはPb(II)とした

ABX3の有機類似体もペロブスカイト構造を取り、興味深い光学的および電子的特性を示すことが報告されています5c。

有機無機ペロブスカイト化合物については、David Mitzi による包括的なレビューをご参考ください5d。

この有機カチオンのアルキル鎖長を変えることにより、光吸収のバンドギャップなどの性質を高度に調節することが

可能な一連の有機-鉛ペロブスカイト化合物を得ることができます。

図1 ABX3型のハイブリッド型ハライドペロブスカイトの結晶構造。

有機および無機カチオンがA(緑色)、金属カチオンがB(灰色)、ハロゲン化物がX(紫色)に位置しています。

2009年、KojimaおよびMiyasaka6がペロブスカイト型メチルアンモニウム-三ヨウ化鉛を

電解液型DSSCの光増感剤として使用することを提案しました。

ハロゲン化鉛ペロブスカイトは、ハロゲン化鉛とアルキルアンモニウム塩の前駆体を有機電解質中で

混合することによりin situ で調製されますが、そのPCEは3.8%と高くはありません。

Parkら7は、電解質の組成と堆積方法を変えることによりデバイスの安定性を向上させ、

6.5%のPCEが得られることを報告し、ハライド‐ペロブスカイト光増感剤の可能性をさらに示しました。

電解液型ペロブスカイト系DSSCにおいて、性能および安定性に関する初期の

進展がみられてから1年も経たずに、固体型ペロブスカイト太陽電池が報告されました。

この新たな構造ではCsSnIF8や2,2,7,7-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9-spirobifluorene

(spiro-OMeTAD)9がHTMとして使用され、PCEが9.7%に増加するとともに、デバイスの安定性が大幅に改善されました。

これら結果を皮切りに、世界中の多くの研究グループがこの構造を有する太陽電池に強い関心を示し、

FTO/c-TiO2/meso-TiO2/ペロブスカイト/HTM/CEの典型的な構造のペロブスカイト太陽電池

(PSC:Perovskite Solar Cell)のPCEは、6年間でおよそ4%から21%まで急激に向上しました10。

本レビューでは、PSC性能の著しい向上に重要な役割を果たす要素について概説します。

なお、ここでの議論は、ローザンヌの当研究グループで行われた研究に焦点を絞ります。

より詳細な議論については、PSC開発に関する最近のレビューをご参照ください11。 

 

 

 


3種類のペロブスカイト!PSC技術の非常に魅力的な特徴の1つです!

材料および調製法!3種類のペロブスカイト!PSC技術の非常に魅力的な特徴の1つです!

 

[材料および調製法]     

3種類のペロブスカイト、MAPI(CH3NH3PbI3)、ホルムアミジニウムヨウ化鉛

(FAPI:Formamidinium lead iodide)、および複合ハライド(FA,MA)PbI3(FAMAPI)、

およびその類似体が、高効率光吸収材料として知られています。

これらの中で、MAPIは1.55~1.59 eV、FAPIは1.45 eVのバンドギャップを示します。

太陽電池の光吸収体として使用される有機‐無機ハライドペロブスカイト(以降、ペロブスカイト)の特長には、

強い光吸収、長い電荷キャリア寿命(300 ns超)、1 μmを超える電子および正孔の拡散長、

70%ものフォトルミネッセンス量子収率、両極性の電荷輸送能などがあります。

特に記述がない限り、本稿で議論されているペロブスカイトはMAPIです。

ペロブスカイトの非常に魅力的な特長は、基板上で直接かつ容易にin situ合成が可能であることです。

温和な条件下においてジメチルホルムアミド(DMF)などの適切な有機溶媒中でハロゲン化鉛と

ハロゲン化アルキルアンモニウムの前駆体を混合すると、ハイブリッドペロブスカイトが直ちに形成されます。

他のゾルゲル法によるナノ粒子合成と同様に、溶媒の性質、鉛塩の濃度および前駆体の混合比、

他の添加物の存在、堆積温度、ポストアニール処理などの合成条件を変えることにより、

得られるペロブスカイトの電子的性質や形状を広い範囲で調節することが可能です。

ペロブスカイト層を基板上(平面層として、または足場として使用するメソポーラス酸化物上)に調製する手順として、次の3つの方法が用いられています。

(a)γ-ブチロラクトン、DMF、またはDMSOなどの溶媒と反応物であるMAIおよびPbI2の予混合溶液

(premixed solution)を使用して1段階で堆積を行う方法9、

(b)最初にスピンコートでPbX2を製膜した後に適切な有機溶媒中でMAI溶液に浸漬する、逐次または2段階で堆積する方法12、

(c)反応物の気相成長法13です。

また、均一でマイクロサイズの結晶粒を持つ熱力学的に安定かつ緻密な膜を作製するために、

溶液処理法と真空蒸着法を組み合わせたハイブリッド法も使用されています。

各方法にそれぞれの利点があり、15%を超える高いPCEが得られます。

MAPIは数秒間で生成し、メソポーラス酸化物足場に完全に浸透します。

厚さ約400~600 nmのペロブスカイト層で、ほぼ定量的な可視光吸収を得ることができます。

最終的にいずれの方法を選択したとしても、費用効率の高い拡張性と

製造に関するその大きな可能性は、PSC技術の非常に魅力的な特徴の1つです。

 

 

p型ドパートンの化学構造!


デバイス構造!高性能のペロブスカイト太陽電池!ペロブスカイト光吸収体の堆積を増やすための足場!

 

[デバイス構造]    

これまでのところ、最も高性能のペロブスカイト太陽電池では、ペロブスカイト光吸収体の堆積を増やすための足場として、

表面積の大きいメソポーラスTiO2層が使用されています。

ハイブリッドペロブスカイトの吸光係数が可視領域で非常に大きいため、電解液型DSSCと比較して

酸化物層を実質的に薄くすることが可能です(PSCの150~400 nmに対して電解液型DSSCでは約10 μm、固体型DSSCでは約2 μm)。

メソポーラスTiO2は、ペロブスカイトを均一に浸透させる大面積の足場になるとともに、

光生成された電子を収集してFTO(fluorine-doped tin oxide)電極に受け渡す電子輸送層(ETL:electron-transport layer)の役割も果たします。

FTO/c-TiO2/meso-TiO2-MAPI/MAPI/spiro-OMeTAD/Au構造のPSCは、

固体型DSSCと同様の動作機構を有するn-i-p型光起電力デバイスとみなすことができます。

ペロブスカイトが光を吸収すると、電子がメソポーラス層に注入され、

メソポーラス層に浸透した電子は最終的に集電極に到達します。

正孔(h+)は正孔導電性材料層内をホッピング移動し、AuまたはAgのカソードに到達します。

ハイブリッドペロブスカイトの重要な特性の1つは、正と負の両方の電荷キャリアを輸送できる両極性です。

そのため、電子と正孔の両方が非常に高い移動度を示し、HTMを使用しなくても高効率PSCを作製することが可能になります。

このコンセプトを裏付ける2つの実験結果があります。

Etgarら14は、meso-TiO2/MAPIヘテロ接合のみを使用した

太陽電池(HTM層の堆積なし)でも5.5%という中程度のPCEを示すことを見出しています。

Snaithら15は、バンドギャップの広いメソポーラス酸化物Al2O3を使用したPSCでも十分なPCEが得られることを示しました。

これら2つの結果を合理的に解釈するためには、spiro-OMeTADやTiO2などの正孔輸送層や電子輸送層がない場合でも、

光生成した正孔と電子が集電極(Au、TiO2)まで効率良く移動するモデルを考える必要があります。

LiuおよびKelly16による研究では、平面ペロブスカイト層の下にZnO薄膜を置くことで、

FTO/ZnOETL/平面MAPI/spiro-OMeTAD/Au構造の高性能太陽電池が作製できることを報告しています。

このように、ペロブスカイト吸収体の均一な分布を促進するメゾスコピック酸化物の足場がない場合でも、

標準的なAM1.5照射条件でこのPSCのPCEは15.7%でした。

複数の研究17により、ペロブスカイトの拡散長が非常に長いことが確認されており、

MAPIでは100 nm超、「MAPI3-xClx」吸収層では約1,000 nm、MAPI単結晶では175 μmに達しています。

電荷キャリアの拡散長が長いため、ペロブスカイトは平面吸収層として高い効率を示します。

ただし、ZnO層はペロブスカイトの熱分解にも関与しています。

例えば、ZnO上に堆積したペロブスカイト膜は吸収スペクトルにわずかな変化が見られるものの、

短時間であれば120℃までの温度で安定していると思われます。

しかし、100℃での長時間加熱や短時間であっても150℃までの加熱によって、膜が分解して黄色の副生成物が生成します。

分解した膜の吸収スペクトルはPbI2のスペクトルに一致します。

Snaithら18は、FTO/PEDOT:PSS/MAPI3-xClx/PCBM/TiOx/Al構造の太陽電池において、

いくつかのHTM化合物(PEDOT:PSS、V2O5、NiO)を使用した「逆構造型PSCデザイン」(p-i-n構造)について最初に報告しました。

この構造を使用した場合、正孔はHTM層を経由して前面の透明ガラス電極で収集され、電子はETLを経由して上部の対電極で収集されます。

このp-i-n型デバイスでは、光電流は逆方向

光誘起された正孔が電子の代わりに前面の導電性ガラス基板を通って収集される)に流れるため、「逆構造」と呼ばれます。

当初の研究では、PEDOT:PSSを使用したPSCのPCEはガラス基板で10%、

フレキシブルポリマー基板で6%でした。それ以降の研究で、PCEは18%まで向上しています17d。

 

 

正孔輸送剤超の例!


過去一年間に、大面積PSCモジュールの作製に成功した例がいくつか報告されています!!

 

過去一年間に、大面積PSCモジュールの作製に成功した例がいくつか報告されています。

Razzaら36aは、ペロブスカイトの逐次堆積方法を最適化して10 mm2の太陽電池を作製し、最大効率13.3%および平均効率12.1%を達成しました。

さらにその拡張性を確認するため、ブレードコーティングしたPbI2膜を含む直列接続モジュールが作製されました。

このモジュールの効率は有効面積10.1 cm2で10.4%が得られ、モジュール面積100 cm2で4.3%の効率が測定されました。

これに関連した研究で、Yangら36bはペロブスカイトの2段階合成の際に過剰量の有機ハロゲン化物アニオンを使用し、

大きな結晶粒を成長させるために非(貧)溶媒を用いました。これにより、

有効面積1.2 cm2の平面型PSCで16.3%のPCEが達成され(約15.6%の安定化PCE出力)、

デバイス面積を0.12 cm2まで減少させると、最高で18.3%が得られました(安定化出力:約17.5%)。

2015年には、IMEC(ベルギー)の研究グループが、有効面積16 cm2のペロブスカイト太陽電池の作製に成功し、11.9%のPCEを達成したと報告しています。

最近、平面型PSCにおいて高濃度ドープした無機電荷抽出層を作製する手法が開発され36c、

非常に高速なキャリア抽出、ピンホールや局所的な構造欠陥の低減を、10~20ナノメートルの比較的厚い膜厚でも大面積で実現することができます。

無機材料の堅牢性を利用して、1 cm2を超える開口面積で>15%のPCEを示すPSCの作製が可能になります。

電流-電圧特性のヒステリシスは確認されず、1,000時間にわたる光照射後でも初期値に対して90%を超えるPCEを維持する安定なPSCが得られました。「」

[おわりに]    

高効率太陽電池開発の進展には目覚ましいものがあり、過去3年間で太陽光変換効率は21%まで急激に上昇しました。

宇宙太陽光発電!

しかし、ハイブリッドペロブスカイト太陽電池の実用化への可能性を引き出すためには、達成すべき重要な条件がいくつかあります。

第一に、異なる研究グループ間において結果の再現を容易に行うために、実験条件に関する理解および管理を改善する必要があります。

例として、調製条件が非常に大きく異なる点が挙げられ、これら条件がペロブスカイト層の結晶(電子)

特性および形態に強い影響を与えているため、全体のPCEも調製条件に大きく影響されます。

また、I-V曲線で観測されるヒステリシスについては、非常に遅い掃引速度の下で光電流および電圧を測定しなければなりません。

第二に、期待できる太陽光変換効率が得られた場合、大面積モジュールおよびパネルで再現する必要があります。

基礎研究で使用する太陽電池は通常小型(1 cm2以下)であり、特定の方法の再現性について信頼性を高めるためには大面積サンプルでの測定が必要です。

最近、このような大面積モジュール(10 cm2以上)で10%を超える効率を示すデバイスに関する報告がいくつか発表されており、期待が高まっています。

第三に、これら新規太陽光デバイスの長期安定性は、高温、高湿度、連続照射などの現実的な動作条件下で検証されなければなりません。

全太陽光スペクトル照射もしくは85℃への加熱という条件下で、少なくとも1,000時間にわたって安定した

性能を示す太陽電池を作製するために、いくつかのデバイス構造および材料調製方法が見いだされています。

PSCの水分に対する耐性を向上させるためには、広範な探索および開発が必要であり、

また、本技術が環境に悪影響を与えるのを防ぐためには、鉛系ペロブスカイト材料に替わる

非毒性物質の使用、および/または非常に堅牢なカプセル化が必要になります。

最後に、PSCの計り知れない可能性を引き出すためには、

大規模かつ低コストでの製造方法の開発に成功しなければなりません。   

中略 MeRCK より。

 

 

宇宙太陽光発電!


私が期待するのは!宇宙に浮かべた太陽電池で受電し、地球に送れば良いからだ。宇宙太陽光発電と呼ぶ構想は2050年ごろの実現を目指し、JAXA などは研究する!

 

今日のまとめ。

無線送電・さよなら充電!電源から解放、走行EV給電も!

青色発光ダイオード=LED の発明でノーベル物理学賞を受賞! 

キーワード・無線送電!スマホの充電で実用化! 

宇宙に浮かべた太陽電池で受電し、地球に送れば良いからだ。

宇宙太陽光発電と呼ぶ構想は2050年ごろの実現を目指し、宇宙航空研究開発機構=JAXA などは研究する!

電気を送れる距離や効率などについては一長一短がある! 走行中給電 道路が“電源”になる日 2020年に一部で実用化か! 

EV タクシー乗り場は早期導入可能!送電用線路をメタマテリアルに! 

ハイブリッド型ハライドペロブスカイト太陽電池の最近の進展! 

材料および調製法!

3種類のペロブスカイト!

PSC技術の非常に魅力的な特徴の1つです! 

デバイス構造!高性能のペロブスカイト太陽電池!

ペロブスカイト光吸収体の堆積を増やすための足場! 

過去一年間に、大面積PSCモジュールの作製に成功した例がいくつか報告されています!

今日は、電気は電線て伝わるという常識が崩れ、空を飛ぶ時代がやってくる。

次世代を考えると電線で伝わるのではなく、空中を飛ばして送電できる時代がやがてやってくる! 

送電を考えた時有線から無線送電に切り替えられたら、時代は間違いなく変わるでしょう!!

そんな時代に既にrとつにゅうしようとしています! 

キーワードは送電は無線送電です! 

必ずこの無線送電の時代に突入します!!

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私はかなり高齢な建築家です。出身は伊豆の湯ヶ島で多くの自然に触れて育ちました。少年時代の思い出も記事になっています。趣味が多くカテゴリーは多義に渡ります。今は鮎の友釣りにハマっています。自然が好きで自然の中に居るのが、見るのが好きです。ですので樹木は特に好きで、樹木の話が多く出てきます。 電子書籍作りも勉強して、何とか発売できるまでになりました。残り少ない人生をどう生きるかが、大事です。