最も高効率なペロブスカイト／シリコンタンデム太陽電池は溶液プロセスで作られている。この方法は実験室では機能するものの、均一性と信頼性が記録的な数値よりも重視される工業生産ラインでは苦戦する。半導体産業が既に熟知している技術である熱蒸着は、スケールアップ可能な経路となるはずだったが、常に壁に突き当たってきた。ペロブスカイトに最高の特性をもたらすヨウ化ホルムアミジニウムが、蒸着に必要な温度で分解してしまうためだ。
シンガポール国立大学のシンガポール太陽エネルギー研究所（SERIS）が率いるチームは、産業パートナーであるトリナ・ソーラーとともに、この壁を取り除いた。チームは『Nature』誌で、ヨウ化ホルムアミジニウムの実効蒸発温度を平均36°C下げ、分解しきい値以下に引き下げるホルムアミジニウム系共晶の合成を報告している。その結果、熱による損傷のない安定した蒸着、結晶性と原子スケールの組成均一性が向上した薄膜、そして市販ウエハー上では初となる大面積の熱蒸着ペロブスカイト／シリコンタンデムが実現した。
重要な数値
小面積デバイスは1 cm²で31.5%の定常状態効率を達成した。市販の200 cm²ハーフカットG12ウエハーでは、タンデムは30.0%に達した。1 cm²から200 cm²への拡大に伴う損失は、相対効率で3.99%のペナルティであり、ペロブスカイト系タンデムとして報告された中で最も低く、蒸着に本来備わる膜の均一性が直接もたらした成果である。
歴史的にペロブスカイトの弱点とされてきた信頼性も、ストレス条件下で持ちこたえた。デバイスは85°C、相対湿度85%での2,000時間の湿熱劣化試験後も初期効率の95%を維持し、2か月間の屋外運用後には無視できる程度の出力低下しか示さなかった。著者らが指摘するように、この節目の意義は効率そのものではなく、産業に適合した成膜方法がその効率を支え得るという証明にある。
共晶が鍵となる理由
ホルムアミジニウム系ペロブスカイトに優れた熱安定性とバンドギャップをもたらすAサイト陽イオンであるヨウ化ホルムアミジニウムは、蒸発温度が高く、きれいに蒸発する前に分解してしまう。共晶は、どちらの成分の融点よりも低い融点を持つ混合物であり、熱力学を変える。チームはホルムアミジニウム系共晶を形成することで実効蒸発温度を36°C下げ、成膜中に材料を分解しきい値以下に保った。
材料の選択は恣意的なものではなかった。この研究は、ホルムアミジニウム・セシウム系メタルハライドペロブスカイトへの幅広い流れと、高温動作下での揮発損失と陽イオン偏析が安定性への主な脅威であるという観察に基づいている。チームは蒸発の問題を根本から解決することで、残りのプロセス（膜成長、界面工学、セル集積）を成熟した製造技術のように機能させた。
その意味
その意義は産業的なものである。ペロブスカイト／シリコンタンデムの溶液プロセスは近年の見出しを飾る効率を生み出してきたが、製造ラインが好むのは蒸着だ。蒸着は確立された太陽光発電産業とディスプレイ産業で既に使用されており、大面積での膜厚制御に優れている。本論文は、両ルート間の性能差を埋められること、そして蒸着ルートが面積拡大の優位性を持つことを示している。
タンデム設計は、太陽スペクトルのより多くの部分を捉えるために、ペロブスカイトセルをシリコンセルの上に積層する。市販サイズのウエハーで30%の効率と2,000時間の湿熱安定性が実証されたことで、この技術はペロブスカイトタンデムを量産から遠ざけてきた3つのハードルのうち2つ（性能と耐久性）をクリアした。3つ目である量産時のコストこそ、蒸着の産業的な馴染み深さが最も役立つ点だ。
この研究には、シンガポール、中国、米国にまたがる共同研究者が関与しており、A*STARのIMRE、北京大学、中国電子科技大学、中国科学院高エネルギー物理研究所、蘇州大学、そして尹万健（Wan-Jian Yin）氏のグループによるカリフォルニア工科大学に隣接した計算などが含まれる。論文は早期公開原稿として発表されており、正式な公開前に最終編集を受けることになる。
雅子 訳
出典
- Luo, C., He, R., Ran, L., Hu, J., Wang, Y. et al. “Thermally evaporated perovskite/silicon tandems via formamidinium eutectic.” Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10970-1