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Jul 13, 2023

NSF CAREER 受賞者が軽量化、低背化を推進

L’energia solare giocherà un ruolo chiave nell’aiutare gli Stati Uniti a raggiungere i loro prossimi obiettivi.

米国が2050年までに実質ゼロ排出経済を達成するという目標を達成する上で、太陽エネルギーは重要な役割を果たすことになるだろう。主にシリコンとテルル化カドミウムで作られた従来の太陽電池パネルに加えて、ペロブスカイト太陽光発電もその一部となる可能性が高い。ソリューション。

「ペロブスカイトベースの太陽光発電は、新聞のように印刷でき、従来の太陽光発電技術で使用される材料のごく一部しか必要としないため、興味深いものです」と化学環境工学助教授のアダム・プリンツ氏は述べた。 「材料の使用量が減れば、コストと無駄が削減されます。つまり、長期的なペロブスカイトベースの太陽光発電は、現在の技術に代わる魅力的な代替品となるのです。」

ペロブスカイトは非常に薄く、厚さはわずか数百ナノメートル、つまり人間の髪の毛の幅の約 1% であり、柔軟なプラスチック基板に印刷できるため、災害などの可搬性と重量が重要な設計要素となる用途に使用できる可能性があります。救援、航空、宇宙探査、ヘルスケア用のポータブルセンサーなど。 しかし、ペロブスカイト太陽光発電は依然として化学的および機械的不安定性を示しており、他の技術よりも早く劣化して機能しなくなるため、まだ商業化は可能ではありません。 これらの不安定性の正確な原因は何でしょうか?また、ペロブスカイトの性能を向上させるためにはどうすれば不安定性を軽減できるのでしょうか?

国立科学財団から 50 万ドルの CAREER Award を授与されたので、Printz 氏はそれを解明するつもりです。 並行して、彼は新世代の科学者を教育するためのビデオ シリーズと再生可能エネルギーのマイナー番組の立ち上げにも取り組んでいます。

欠陥が発生する理由と場所を理解する

「ペロブスカイト」という言葉はもともと、19 世紀初頭に初めて発見された、結晶構造 ABX3 を持つ鉱物を指しました。 今日では、この言葉は「メタルハライドペロブスカイトベースの太陽光発電」、つまりABX3結晶構造を持ち、光導電性やインクに加工できる機能などの特性を備えた研究室で作られた材料を指す略語としても使用されています。

ABX3 結晶構造では、A はカチオンまたは正に荷電したイオン、B は金属 (通常は鉛またはスズ)、X はハロゲン化物 (アニオンまたは負に荷電したイオンとして機能する原子の一種) です。 。 これらはすべて溶媒に溶解してインクを作り、新聞にインクを印刷するのと同じように、柔軟なプラスチック基板に印刷できます。 得られたフィルムを加熱すると、溶媒が蒸発し、ペロブスカイトが結晶化します。

膜が冷えると、ペロブスカイトは自然に基板材料よりも大きく収縮する傾向があります。 ただし、フィルムと基板が接着されているため、ペロブスカイトが基板に接触している領域では収縮が少なくなります。 テニスネットの中心は静止状態に近いためわずかにたわんでいますが、側面はポールで支えられているため高くなっています。 ペロブスカイトの自然な格子パターン (テニス ネットの中央など) と基板に直接接触しているパターン (テニス ネットの側面など) との違いにより歪みが生じ、格子歪み勾配が形成されます。

「格子ひずみには問題があり、不安定性が生じる可能性が高いことはわかっています」とプリンツ氏は述べた。 「また、これらの膜には垂直方向のひずみ勾配があることもわかっています。これは、ひずみの量が膜の上部と下部で異なることを意味します。これまでのところ、これらのひずみ勾配を安定性と実際に結びつけている人は誰もいません。これらの勾配がペロブスカイト膜全体でどのように異なる欠陥密度をもたらすのか。」

欠陥の除去とひずみの調整

これらの欠陥を軽減する既知の方法の 1 つは、その挙動は完全には理解されていませんが、添加剤と呼ばれる有機材料をペロブスカイト膜に組み込むことです。

「添加剤は基本的に欠陥に対処し、方程式からそれらを除去します」とプリンツ氏は語った。 「これらの添加剤を使用して欠陥を攻撃するだけでなく、ペロブスカイト材料のひずみを調整できるようにするつもりです。これにより、原子を引き離したり押し寄せたりして、異なる特性と安定性を得ることができる可能性があります。」 」

ただし、ペロブスカイトは 3 つのカテゴリの成分で構成されており、各カテゴリにはさまざまなオプションがあるため、ペロブスカイト層の数は膨大で増え続けています。 そのため、科学者チームが特定のペロブスカイト配合を使用して欠陥を除去する添加剤を発見したとしても、より優れたバージョンが開発されると、その配合はすぐに時代遅れになる可能性があります。 その後、適切な添加剤の探索が再び始まります。

プリンツ氏と彼のチームは、非常に単純なペロブスカイト配合物でさまざまな添加剤をテストすることから始め、次に、より化学的に複雑なペロブスカイトで同じグループの添加剤をテストしています。

そこから、実験、シミュレーション、そして最終的には機械学習を組み合わせて、どの添加剤がどのペロブスカイト配合物に作用するかを文書化するデータベースの開発を開始する予定です。

「人がデータベースに『これが私が研究しているペロブスカイト配合物です』と入力できるかもしれないし、データベースは『これら 3 つの添加剤を試してください』、または『これら 17 種類の添加剤を試してください』と言うかもしれません」とプリンツ氏は述べた。 「私たちは非常に体系的なアプローチをとっています。」

ひずみと欠陥密度を制御できる機能は、ペロブスカイトの世界を超えて、トランジスタから物理実験に至るまでの用途に役立つ可能性があります。

「Scientists Like Me」ビデオ シリーズ

Printz の CAREER プロジェクトには、Arizona Science、Engineering、Math Scholars などのプログラムと協力して、学生に焦点を当てた要素もいくつか含まれています。 まず、彼と彼のチームは、疎外された学生が研究の準備を整えるのを助ける一連のセミナーを立ち上げることを計画しています。 並行して、彼らは「Scientists Like Me」と呼ばれる一連のビデオを作成し、さまざまな背景を持つ科学者が科学的および社会的トピックについて語る予定です。

「この形式により、私たちは科学者を人間らしくすると同時に学生たちにインスピレーションを与え、学生たちが将来の科学者として自分自身を想像できるようにするつもりです」とプリンツ氏は語った。

アリゾナ大学提供