米エネルギー省のオークリッジ国立研究所とテネシー大学ノックスビル校が主導し、将来性のある太陽エネルギー材料の研究により、熱を運ぶ波であるフォノンを遅らせる方法が明らかになりました。この発見は、熱にエネルギーを失う前に光生成された電荷キャリアを利用することで、従来の太陽電池よりも効率的に太陽光を電気に変換する、新しいホットキャリア太陽電池の改良につながる可能性がある。EurekAlert!が報じた

オークリッジ国立研究所のマイケル・マンリー教授は、「我々は、太陽電池材料中の水素原子の質量を変えることで、熱輸送と電荷キャリアの冷却時間を操作できることを示した。電荷キャリアの寿命を延ばすこの方法は、新しいホットキャリア太陽電池で記録的な太陽電池から電気への変換効率を達成するための新たな戦略を明らかにした」と述べている。

テネシー大学のマフシド・アフマディ助教授は「有機分子のダイナミクスを調整することで、有機金属ペロブスカイトの熱伝導率に重要なフォノンを制御することが可能になる」と指摘している。これらの半導体材料は、光起電力(物質に光を照射することで起電力が発生する現象)への応用に有望である。

マンリーとアフマディらは、Science Advances誌に掲載されたこの研究の設計と管理を行った。材料合成、中性子散乱、レーザー分光法、および凝縮系理論の専門家が、有機金属ペロブスカイト中の軽い同位体を重い同位体と交換することで、無駄な電荷冷却を抑制する方法を発見した。

太陽電池に太陽光が当たると、光子は吸収体材料の中で電荷キャリア(電子と正孔)を作る。ホットキャリア太陽電池は、電荷キャリアのエネルギーを廃熱として失われる前に素早く電気に変換する。従来の太陽電池の2倍の変換効率が期待できるホットキャリア太陽電池は、熱損失を防ぐことが大きな課題となっている。

従来のペロブスカイト型太陽電池の変換効率は、2009年の3%から2020年には25%以上に向上している。適切に設計されたホットキャリアデバイスは、理論上の変換効率が66%に近づくことを達成することができる。

研究者らは、ペロブスカイト型吸収体材料であるヨウ化メチルアンモニウム鉛を研究した。格子の中では、原子の集団的な励起によって振動が生じる。互いに同期して動く振動は音響フォノンであり、同期して動かない振動は光学フォノンである。

オークリッジ国立研究所の共同研究者ラファエル・ハーマンは、「通常、電荷キャリアは最初に光フォノンに熱を奪われ、光フォノンは音響フォノンよりも伝播が遅くなる。その後、光学フォノンは音響フォノンと相互作用し、このエネルギーを運び去る」と声明の中で説明している。

しかし、「ホットフォノンのボトルネック」と呼ばれる領域では、エキゾチックな物理学によって、電子が熱を運ぶ集団振動にエネルギーを失うのを防ぐことができる。光起電性ペロブスカイトでこの効果を高めるために、研究者らは慣性(物体が静止しているか移動しているかに関わらず、何かをし続けようとする傾向)を利用した。

「基本的には、回転するアイススケート選手が手に重りを持って回転を遅くするのと同じように、分子が揺れる速度を遅くしたのです」とハーマンは言う。

アフマディ研究員とオークリッジ国立研究所のカンラン・ホン研究員は、オークリッジ国立研究所のナノフェーズ材料科学センターで、秩序ある原子格子の中でこれを行うために、ヨウ化メチルアンモニウム鉛結晶の合成を主導した。彼らは、ペロブスカイトの中心的な有機分子であるメチルアンモニウム(MA)の中で、中性子を持たない通常はプロチウムに存在する軽い水素の同位体を、中性子を1個持つ重い重水素の同位体で置換した。同位体とは、化学的に同一の原子であり、中性子数の違いによって質量が異なるだけだ。

次に、マンリーとハーマンはオークリッジ国立研究所のソンクスエ・チーとともに、高フラックス同位体反応器で中性子三軸散乱実験を行い、プロトン化結晶と重水素化結晶のフォノン分散をマッピングした。X線非弾性測定から得られた測定値と公表されているデータとの間に不一致が見られたため、彼らはオークリッジの核破砕中性子源で追加測定を行った。そこでオークリッジのリューク・デーメンは、VISION振動分光器を用いて、考えられるすべての振動エネルギーを明らかにした。その結果、重水素化した試料では、波長の短い縦方向の音響モードがよりゆっくりと伝搬することがわかり、熱伝導率が低下している可能性が示唆された。

オークリッジのシン・ワンは、結晶内での熱の動きを調べるために熱拡散率の測定を行った。「その結果、すでに低い熱伝導率であったものが、重水素化によって50%も減少したことがわかりました」とマンリー教授は語った。「私たちは、この発見がソーラーデバイスの製造者が気にしていること、特に電荷キャリアを高温に保つことに影響するのではないかと考えたのだ」。

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