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モノライクIII-V族化合物薄膜をベースとした高効率フレキシブル太陽電池の開発

Research Project

Project/Area Number 20J20462
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

西田 竹志  筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
KeywordsInGaAs / 多結晶 / 層交換 / GaAs / 粒径制御 / 太陽電池
Outline of Research at the Start

再生可能エネルギーを利用した持続可能社会の実現には、高い変換効率をもちながらどこにでも設置できる新しい太陽電池が求められる。これまで高効率(>30%)な太陽電池は、III-V族化合物半導体とその多接合化によって達成されてきた。一方、軽くて柔らかいプラスチックを基板としたフレキシブル太陽電池は、効率で劣るものの汎用性は高い。
本研究では、「プラスチック上モノライクGaAs膜」の結晶成長・デバイス化技術を構築し、転写レス・フレキシブル太陽電池として最高の変換効率(20%、従来値の2倍)の実証を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

高効率フレキシブル多接合薄膜太陽電池の創出を目指し、最終年度となる本年度は、主に以下の課題に取り組んだ。
(i) InGaAs膜のガラス上合成および近赤外分光感度の実証
太陽光発電ロードマップでは、「汎用基板上における赤外光吸収層の開発」が重要課題として挙げられている。赤外光吸収材料を絶縁基板上に合成する研究は古くから行われてきたが、小粒径な多結晶膜であることに起因し、分光感度が得られた例はなかった。InGaAsは、その組成変調により、赤外光の吸収が可能な材料である。そこで、我々の得意とする「層交換Geシード技術」をInGaAs膜に応用することで、近赤外領域における分光感度の発現を目指した。その結果、ガラス上合成したInGaAs膜として最大粒径(>300 μm)を獲得すると共に、In組成比の増加に伴う分光感度吸収端の遷移が確認された。絶縁基板上の合成膜で近赤外領域の分光感度特性を実証した初めての成果である。
(ii) GaAsおよびInGaAs薄膜のプラスチック上合成
上記の成果に加え、我々は、フレキシブル薄膜太陽電池に向けたプラスチック基板上InGaAs薄膜の合成を検討した。基板の歪みはGeシード層の結晶成長を阻害したが、Ge成長条件の変調により100 μmに及ぶ結晶粒径を得ることに成功した。本Ge層をシードとして500℃でInGaAs膜をエピタキシャル成長した結果、プラスチック基板上に合成したInGaAs膜として初めてとなる分光感度の取得に成功した。次世代の高効率フレキシブル太陽電池開発に資する成果である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Polycrystalline GaAs Formed on a Plastic Film Using Grain-size-controlled Ge Seed Layers2022

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Journal of Japan Solar Energy Society

      Volume: 48 Pages: 75-79

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Grain size dependent photoresponsivity in GaAs films formed on glass with Ge seed layers2021

    • Author(s)
      Nishida T.、Igura K.、Imajo T.、Suemasu T.、Toko K.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 10159-10159

    • DOI

      10.1038/s41598-021-89342-w

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Solid-phase crystallization of gallium arsenide thin films on insulators2021

    • Author(s)
      M. Saito, T. Nishida, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 124 Pages: 105623-105623

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2020.105623

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] フレキシブル多接合太陽電池に向けた多結晶InGaAs近赤外吸収層2023

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Large-grained GaAs Films Synthesized on Insulating Substrates for Flexible Solar Cells2022

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials(APAC SILICIDE 2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First Elucidation of the Correlation between Grain Size and Photoresponsivity in Polycrystalline GaAs Films2022

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Material (IURMS-ICYRAM 2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Large-grained GaAs Films Synthesized on Insulating Substrates for Flexible Solar Cells2022

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大粒径InGaAs膜のプラスチック上合成技術と近赤外分光感度の実証2022

    • Author(s)
      西田 竹志
    • Organizer
      日本太陽エネルギー学会第3回若手研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 多結晶InxGa1-xAs膜のプラスチック上合成と近赤外分光感度の実証2022

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 層交換Geシード技術を活用した疑似単結晶GaAs薄膜の絶縁基板上合成2022

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第51回結晶成長国内会議(JCCG-51)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] GaAs膜のプラスチック上合成と分光感度の初実証2022

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      電気化学会第89回大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 層交換Geシード技術によるInxGa1-xAs膜のプラスチック上合成と近赤外分光感度の実証2022

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Potential of polycrystalline GaAs thin films for wearable solar cells2021

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2021 European Materials Research Society (E-MRS) Spring Meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] III-V compound semiconductor thin films for energy harvesting devices2021

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      Materials Research Meeting (MRM) 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Geシード技術によるガラス上GaAs膜の粒径制御と高分光感度実証2021

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Geシード技術を活用した多結晶GaAs膜のガラス上合成と粒径―分光感度の相関解明2021

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      日本太陽エネルギー学会2021年度研究発表会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 多結晶GaAs層の粒径拡大による分光感度の劇的向上2021

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第4回結晶工学×ISYSE合同研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Layer exchange technique of Ge for high-efficiency solar cells on glass2021

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ガラス上多結晶GaAs膜における粒径―分光感度の相関解明2021

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Seed Layer Technique Leading to High-photoresponsivity GaAs Films on Glass2020

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High optical performance of pseudo-single-crystal semiconductors formed on glass using layer-exchanged Ge seed layer2020

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      The Electrochemical Society PRiME 2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 層交換Geシード層を利用した擬似単結晶GaAs膜の合成2020

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ガラス上多接合太陽電池の開発に向けたAl誘起層交換Ge薄膜のシード応用2020

    • Author(s)
      西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第39回電子材料シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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