長年にわたり、より高性能なペロブスカイト太陽電池を目指す競争は、光吸収層そのものを巡る競争だった。結晶を微調整し、バンドギャップを広げ、パッシベーション添加剤を加えるという具合だ。しかし新たな論文は、決定的な最前線が、ほとんど信じがたいほど薄いものへと移ったことを示唆している。それは、ペロブスカイトと電極の間に位置する、可視光の波長のおよそ1000分の1の厚さしかない、単一の分子の絨毯のような層だ。この層を設計することで、認証済みの変換効率は27%超に引き上げられ、さらに注目すべきことに、連続光照下でセルが性能を保てる時間が大きく変わった。この研究はNature Communicationsに掲載されたもので、重慶大学が率いるチームと、日本および香港の共同研究者による成果だ。
ペロブスカイト太陽電池はサンドイッチのような構造をしている。光を吸収するペロブスカイト結晶を、電子を集める層と正孔を集める層が挟み込む。最も急速に改善が進んでいる構成は、逆型あるいはp-i-n型と呼ばれ、下部電極で正孔を収集する。この構成は耐久性とタンデムセルとの親和性で評価されており、タンデムセルではペロブスカイトがシリコンセルの上に積層される。その正孔輸送層には、自己組織化単分子層（SAM）が使われることが増えている。SAMは3つの部分からなる小さな分子で、金属酸化物表面に結合するホスホン酸アンカー、リンカー、そしてエネルギー準位を決定してペロブスカイトに接する末端基で構成される。SAMは安価で薄く透明だが、周知の弱点がある。分子が凝集しがちで、表面を不均一にしか濡らさず、ペロブスカイトとの相互作用も弱いことが多く、その結果、ペロブスカイトと輸送層が出会う境界である埋没界面でエネルギー損失が生じる。この損失は電圧を奪う。そして現代のセルの勝敗は、まさにこの電圧で決まる。
研究チームは、Yi Pan氏、Lei Liu氏、Haoxuan Guo氏、Changqin Lin氏を共同筆頭著者とし、Kuan Sun氏、Qiang Liao氏らを責任著者とする。チームは主力分子であるカルバゾール系SAMの2PACzを出発点とし、その末端に3,5-ジメトキシフェニル基を追加して、DMPAと呼ぶ新分子を作り出した。この追加は規模としては小さく、効果としては大きい。2つのメトキシ基は電子に富む酸素原子を持ち、その酸素原子が上層のペロブスカイトと化学結合し、下層の酸化ニッケル表面へのアンカー結合を強化する。計算によれば、DMPAは試験した分子の中で最も強い吸着エネルギーを示し、酸化物上で-2.67 eVだった。分子動力学シミュレーションでは、DMPAが自身の凝集を抑え、より密に充填されること（標準層の1平方センチメートルあたり4.5 x 10^13分子に対し、6.8 x 10^13分子）と、正孔移動度がほぼ2倍になることが示された。
電気的な成果は、チャンピオン電力変換効率27.59%の達成だ。中国国家計量試験技術院による独立認証では27.2%とされ、界面での非発光再結合も低減された（光強度の傾きが1.66から1.21 kT/qへ低下）。しかし耐久性の数値こそ、おそらくより大きな話題だ。ISOS-L-2プロトコルに基づき、最大電力点追従の下で1サン相当の白色LED光を照射し、65 °Cに保たれた封止セルは、1,600時間後に初期効率の94.5%を維持した。標準の2PACz対照セルは66.9%、メトキシ基を持たない類縁体BCPAは86.4%を維持した。窒素中での非封止保管でも同じ傾向が見られ、DMPAは2,000時間後に95.9%を維持したのに対し、対照セルは72.7%だった。
対照セルとの対比は、安定性が獲得されている場所が吸収層ではなく界面であることを最も明確に示している。SAMを用いたデバイスは長らく、弱い分子間接触によって欠陥や歪みが蓄積する埋没界面で劣化すると疑われてきた。その境界の両側を化学的に橋渡しする分子は、この劣化要因に直接対処する。
数値を読むには文脈が重要だ。認証された27.2%により、DMPAを用いたセルは単接合逆型デバイスのトップクラスに位置する。このカテゴリーは過去2年間で急速に水準を上げてきた。2つの吸収層を積層するタンデムセルは、今月初めに報告された大面積の蒸着型ペロブスカイト・シリコンタンデムを含め、すでに31%超の認証効率に達している。この論文の意義は見出しではなくツールキットにある。すなわち、界面と結合する電子豊富な基を追加するという末端基の設計規則であり、他の研究グループはこれを自らの分子に応用できる。
留意点はこの分野では標準的なものであるが、明記しておく価値がある。チャンピオンセルは実験室規模であり、モジュールではない。安定性試験は窒素中・封止状態という管理された条件下で行われており、屋外の気象条件を再現するものではない。また65 °Cは高温だが、一部の用途が要求する85 °Cの自動車用耐久基準よりは低い。認証は単一の機関によるものだ。さらに、この原稿は早期アクセス版であり、最終的な編集校正前に未編集の形で公開されたものだ。
それでも、この研究には分野の方向性が見て取れる。吸収層が理論限界に近づくにつれ、電圧は継ぎ目、すなわち層と層の間の分子レベルの継ぎ目から漏れ出している。界面の両側と手をつなぐ分子というチームの答えは、ナノメートルスケールでは化学こそが究極の工学材料であることを思い起こさせる。
雅子 訳
Sources: Pan, Y., Liu, L., Guo, H. et al. Self-assembled multilayers reduce interfacial energy loss in perovskite solar cells. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76497-1.