2016 Fiscal Year Annual Research Report
非対称導波路結合光子・フォトキャリア直交型マルチストライプ半導体太陽電池の研究
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16H04221
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
石橋 晃 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30360944)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松岡 隆志 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40393730)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体デバイス / 太陽電池 / 導波路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光電変換デバイスにおいて、①光とフォトキャリアの進行方向を直交させ、②複数バンドギャップの半導体ストライプが自動的にフォトンのエネルギーを弁別し、③太陽光の吸収とフォトキャリアの収集効率の最適化を両立して、④太陽光全スペクトルに対し光電変換を実行することにより、高効率で素子寿命も長い太陽電池を実現することを目指している。
我々のシステムでは、平面光導波路が重要であるが、左右対称の周期的屈折率変調構造による“回折光学系”では、光伝播効率が大きな波長依存性をもつのみならず、空間伝搬光の２次元伝搬光化の効率を大きくするのが難しい。そこで、光を片側のみに選択的に送り込む周期配列放物線鏡による“反射光学系”と屈折率異方性層をクラッド層とする平面導波路からなる左右非対称リディレクション導波路の実作を進めた。具体的には、３Dプリンティングにより周期配列放物線鏡を作製し、光の収束を確認するとともに、フォトンが一定角度範囲内より飛来するようにコントロールできることを示した。自然光（太陽光）を用いて周期配列放物線鏡による光の収束を確認し、より効率的かつ系統的に光収束の定量的評価を行うための人工光による光収束測定システムも開発した。また、シミュレーションにより、屈折率異方性を持つ層をクラッド層とする導波路における光伝搬効率の向上を図っている。この周期配列放物線鏡の配置の対称性を制御することで、効率的な伝搬を可能とできることが判ってきた。光進行方向変換層と結合することで、拡散光にも強い集光系太陽電池を実現してゆく。
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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
３次元伝搬する太陽光を２次元伝搬光化するための左右非対称リディレクション導波路の作製をシミュレーションと３Dプリンティングを用いた実作の両面から進めた。特に、この左右非対称リディレクション導波路を周期配列放物線鏡と２次元導波路を結合することで作製している。２次元導波路としては、屈折率異方性をクラッド層にもつ導波路構造と、距離と共に厚みが変わる構造などを用い、左右非対称性を活用した高効率導波を目指している。周期配列放物線鏡に持たせる対称性を選ぶことにより、フォトンフォトキャリア直交型太陽電池に有利なリディレクション導波路や、従来の直列接続タンデム構造をもつ太陽電池にも有効なリディレクション導波路構造を見つけ出した。左右非対称導波路、特に屈折率異方性を持つ層を導波路のクラッド層として用いたり、あるいはまた導波路そのものの厚みが距離と共に変化する構造などを利用して、３次元光を効率的に２次元導波光化する端緒を開きつつある。また、自然光（太陽光）を用いて周期配列放物線鏡による光の収束を確認し、より効率的かつ系統的に光収束の定量的評価を行うための人工光による光収束測定システムも開発できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
３Dプリンティングにより周期配列放物線鏡を作製し、フォトンが一定角度範囲内より飛来するようにコントロールできた状況を基に、さらにその構造をブラッシュアップすることで、リディレクション導波路構造を進化させ、フォトンフォトキャリア直交型（並列型）のタンデム太陽電池のみならず、在来の直列接続型のタンデム太陽電池の特性向上も図っていく。最終的には、フォトキャリアの進行方向を直交させた配置にて、複数バンドギャップの半導体ストライプが自動的にフォトンのエネルギーを弁別する新しい光電変換デバイスへと進化させ、太陽光の吸収とフォトキャリアの収集効率の最適化が両立可能で、太陽光全スペクトルに対し光電変換を実行し、高効率で素子寿命も長い太陽電池を実現することを目指す。光導波効率を、左右非対称導波路と結合させることで、向上させると共に温度上昇が少なく、拡散光にも強い集光型発電システムを形成し、以って光電変換素子において熱力学的に許される最大効率に迫るための原理とその学術的な基礎を築く。
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