革新太陽電池の研究開発

発表者：松原 浩司

Koji Matsubara

太陽光発電工学研究センター成果報告会

平成25年6月4日

Research Activities on Innovative Solar Cell Technology

革新太陽電池技術

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Wavelength [nm]

VIS IR

プラズモン共鳴

単接合太陽電池の理論効率を超える高効率が 期待される新概念・新技術

全太陽光の有効利用 ・新概念

・新材料 短波長利用ワイドギャップ 長波長利用ナローギャップ

中間バンド （量子ドット）

- -

- -

-

金属ナノ粒子

自由電子雲

電場＋＋ ＋

＋＋ ＋－－ －

－－ －

1. Fundamentals

and New Concepts for

Future Technologies

2. Chalcogenide

Thin Film Solar Cells

and Related Materials

3. III-V and Concentrator Technologies

4. Crystalline Silicon

Technologies

5. Amorphous, Nano, and

Film Si Technologies

6. Organic Photovoltaics

7. Space Technologies

8. Advances in

Characterization of

Photovoltaics

9. PV modules and

Terrestrial Systems

10. PV Velocity Forum:

Accelerating the PV

Economy

38th IEEE PVSC Conference Topic (2012) 27th EU-PVSEC Conference

Topic (2012)

16%

1 Advanced Photovoltaics:

New Concept and Ultra-High Efficiency

2 Wafer-Based Silicon Solar Cells

and Materials Technology

3 Thin Film Solar Cells

4 Components for PV Systems

5 PV Systems

6 PV - a Major Electricity Source

18%

国際会議における発表傾向

光の有効利用法 • 多接合（直列接続）

– 2端子（電流整合） – 4端子以上

• 波長分割（並列接続） • 高度光利用技術

– 光散乱技術 – 波長選択（分割）技術

• 新概念 – 中間バンド（量子ドット、新材料） – ホットキャリア – 多重キャリア生成

RCPVTのアプローチ

• スマートスタック（メカニカルスタック）により、材料制約のない多接合太陽電池を作製して、非集光で超高効率を実現する。

• 量子ドット、ナノ構造など、新しい概念や原理を用いることで、太陽電池の飛躍的な効率向上を目指し、原理検証のような基礎的な研究から、材料開発、新しい作製方法の開発など広い範囲にわたって取り組む。

高効

率

Lattice Matched

Metamorphic

Inverted Metamorphic

Mechanical Stacking

Bulk Thin Film

Transparent

Transparent

M.J. Bulk / Thin film Mechanical Stacking

Ⅲ-Ⅴ族系セル

Si, ｶﾙｺｹﾞﾅｲﾄﾞ系

Key technology: Mechanical Stacking

Boeing Spectrolab 、 ｼｬｰﾌﾟ等

Helmholtz Zentrum Berlin, 立命館大学、東大

Mechanical Stackingの利点 ①超高効率の実現 接合数増大（3接合→4,5接合） ②低コスト、機能性拡大 材料多様化（低コストセル組み合わせ、フレキシブル、）

多接合による高効率化の流れ

Smart Stacking Fabrication method

Monolithic stacking

Light management in stacked cells

top

middle

bottom

Mechanical stacking with optical & electrical connection

Anti-reflection

Light trapping

Spectrally selective scattering

Highly reflective back contact

Flat interface (favorable to stacking)

Light management issues: “Smart stack” solar cell

Anti-reflection

Light trapping

Spectrally selective scattering

Highly reflective back contact

Flat interface (favorable to stacking)

A. Flattened Light Scattering Substrate （FLiSS） B. Plasmonic light trapping

Our strategies:

Absorber

d (αd<1)

異種材料 （屈折率差） 反射層(Ag)

回折モード (m,n)

Photonic substrate

(1)パターニング (2)埋め込み製膜 (3)平坦化

コンセプト：平坦で光散乱

必要技術

σrms < 3 nm 1 µm

ZnO回折格子 平坦化後 ZnO

(n)a-Si

FLiSS (Flattened Light Scattering Substrate)

コンセプト：局在表面プラズモン（LSP）の利用

金属ナノ粒子

自由電子雲

電場＋＋ ＋

＋＋ ＋－－ －

－－ －

光吸収 光散乱

LSP =

+

化学的手法による金属ナノ粒子作製

様々なサイズ・形状を有する銀ナノ 粒子の合成とデバイス中への銀ナ ノ粒子導入量・配列の制御

構造設計への新手法導入

銀ナノ構造を直接スタンプ

プラズモン利用

中間バンド型量子ドット太陽電池 現状 • In(Ga)As/GaAs系等の化合物半導体量子ドット太陽電池による原理

検証が活発 • 量子ドット構造を導入した太陽電池で20％程度の変換効率は報告さ

れているが、量子ドットの寄与は非常に少ない。 • 量子ドット構造導入によりJscの上昇は見られるものの、Vocが低

下。

課題 • 量子ドット構造導入による中間バンドの形成 • 中間バンドで生成されたキャリアの外部への効率的な取り出し • 適切なバンド構造の実現

• 理想的なバンドギャップの組み合わせ例：1.9eV / 1.2eV / 0.7eV

量子ドット太陽電池の課題に対する取り組み

• 材料の選択 – GaP系母材（Eg=1.9eV）の利用

• バンド制御 – 中間バンド位置の制御

• TypeⅡバンド構造

– Ge/Si量子ドット

p- InGaP n- InGaP

~0.3 eV

GaAs 20nm

InGaAs QD

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

InGaP20 QD10 QD20 QD on GaAs

QU

ANTU

M E

FFIC

IEN

CY

WAVELENGTH (nm)

InGaAs QD

Without ARC

InGaP-based InGaAs QDSC (without InGaP barrier)

4.5 nm

InGaP

InGaAs QD GaAs spacer

p-InGaP InGaAs QD

GaAs 2 nm n-InGaP

InGaP 3 nm

~0.3 eV

0.45 eV

InGaAs QD miniband

1.15 eV

T. Sugaya et al., Appl. Phys. Lett. 101, 133110 (2012).

タイプII型 Ge/Si量子ドット太陽電池

• 安価なSi基板を利用 • タイプII型ヘテロ接合系（再結合電流の抑制） • Ge量子ドットの高密度化が課題

Ge/Si量子ドット太陽電池

GaAs / InAs / GaAs Si / Ge / Si

再結合損失大 再結合の抑制

タイプI型 タイプII型 電子

正孔

RCPTVでの革新太陽電池技術 • スマートスタック技術

– 高性能（低抵抗、高透過率）接合技術を開発

– 格子定数の異なるGaAs系とInP系の貼り合わせで22.5%を実証

• 高度光利用技術

– 3DシミュレーションによりFLiSSの高い光閉じ込めの可能性を提示

– ナノインプリント技術を応用したプラズモニック光閉じ込めに挑戦

• 量子ドット太陽電池

– InGaAs in InGaP 量子ドット形成に成功

– Ge in Si 量子ドット形成に成功

• ナノ材料

– Siナノ結晶、カーボンナノチューブなどを有機太陽電池に添加