2015 Fiscal Year Research-status Report
薄膜Si太陽電池の光吸収増大のためのフォトニックナノ構造の最適化
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15K17472
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 良典 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (20534522)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / 太陽電池 / 電磁界解析 / 感度解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
薄膜Si太陽電池は、厚さが数百nm～数μm程度の非常に薄いSi光起電力層をもつ太陽電池であり、将来の太陽電池のさらなる普及を考えると、Si資源の有効利用の観点で重要である。しかし、Siは薄膜であるため、Siの電子バンド端近傍での光吸収が十分ではなく、その結果として短絡電流密度が低下することが課題である。本研究では、薄膜Si太陽電池における光吸収を、フォトニック結晶を用いた光マネジメント技術により向上させ、それにより光電変換効率を向上させることを目的とする。特に、本若手研究では光吸収を増大させるためのフォトニック結晶構造の設計を、感度解析法と呼ばれる手法を採用して行う。
現在までに、まず、時間領域差分法(FDTD法)を基にした、感度解析法の開発を進めた。本手法を用いると、電磁界解析において、構造の誘電率の微小変化に対する、目的関数の光吸収量の変化率(微分係数)を、少ない計算時間で計算することが可能となる。本年度は特に、太陽電池を構成する透明導電膜の吸収も計算に取り込んだうえで、光電変換に寄与するSi層の光吸収を最大化するような構造設計を行った。次に、開発した感度解析法を、厚さ500nm程度の極薄微結晶Si太陽電池に本解析手法を適用した。その結果、フォトニック結晶を導入しない場合の短絡電流密度19.6 mA/cm2に対し、設計したフォトニック結晶構造では25.1mA/cm2まで増大することを明らかにすることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、フォトニック結晶を導入した薄膜微結晶Si太陽電池における、フォトニック結晶構造の最適化を目標としている。本年度は、申請者がこれまでの研究にて経験を有している手法である、時間領域差分法(FDTD法)を基にし、感度解析法の開発を進めるとともに、特に太陽電池を構成する透明導電膜の吸収も計算に取り込んだうえで、光電変換に寄与するSi層の光吸収を最大化するような構造設計を進めることを目標としていた。研究実績の概要の項目で述べたように、本年度、太陽電池を構成する透明導電膜の吸収も計算に取り込んだうえで、光電変換に寄与するSi層の光吸収を最大化するような解析手法を確立するとともに、厚さ500nmの極薄微結晶Si太陽電池において25.1mA/cm2の短絡電流が得られることを明らかにすることに成功した。このように、本年度、概ね当初計画通りの研究の進展が得られており、順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度には、Si層成膜条件を考慮し、欠陥等が入らないように、厚さ方向に均一でない、緩やかな側面をもつ形状のフォトニック結晶構造の設計を進めていく。
本年度行ってきた設計手法においては厚さ方向に対して均一なフォトニック結晶を想定している。このような場合に、実際に微結晶Siを製膜することを考えると、欠陥等の生成が課題となり、これを解消するためには、側面を緩やかな形状とすることが有効であることが明らかになりつつある。そこで、ここで進めている感度解析法において、緩やかな側面をもつような構造を設計する手法を開発していく。具体的には、現状では誘電率の面内分布を変化させているが、ここでは、各点におけるフォトニック結晶構造の高さを変化させることで、厚さ方向に不均一で、緩やかな側面を持つ形状の設計ができると考えられ、これを実現するようなプログラムを実現していく計画である。
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| Causes of Carryover |
本年度は、解析を行うための計算機を複数購入する計画であったが、計算機のスペック等について再検討を行った結果、予算の縮減が可能となり残額が生じた。研究遂行には支障は生じなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
翌年度以降、解析に必要な計算機・ソフトウェアの購入や大型計算機の使用料等に、研究費を使用していく計画である。
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