2017 Fiscal Year Annual Research Report
Post-process control of PV characteristics using wavelength conversion properties of semiconductor nano-particles
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17H03538
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
重川 直輝 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (60583698)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金 大貴 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (00295685)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 半導体ナノ粒子 / LBL法 / 太陽電池 / 量子効率 / 短絡電流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高抵抗ｐ－Ｓｉ（１００）基板へのリン、ボロン注入、活性化アニール、電極形成、ダイシングを経て、本研究のベースとなる2mm角の簡易的な太陽電池を作製した。ナノ粒子積層前の特性を確認した。
平均粒径3.5 nmのＣｄＳナノ粒子（吸収ピーク波長412 nm、発光ピーク波長625 nm）を合成した。ＣｄＳナノ粒子の表面改質により発光特性が大きく向上すること、さらにＣｄＳナノ粒子の発光起源を明らかにした。
レイヤバイレイヤ法で上記太陽電池表面に５、１０、１５層の積層を行った。また、平均粒径2 nmのＺｎＳｅナノ粒子を合成し、太陽電池表面に5層、10層積層した。これらの太陽電池の電流-電圧特性、分光感度特性を評価した。ＣｄＳナノ粒子、ＺｎＳｅナノ粒子いずれについてもＣｄＴｅナノ粒子を用いて行った予備実験と同様に、層数増加に伴い、短絡電流の増加、外部量子効率の増加を確認した。ＣｄＳナノ粒子15層を積層した太陽電池とＺｎＳｅナノ粒子10層を積層した太陽電池において、積層前と比較して500 nm付近の広い波長範囲で内部量子効率が増加していることを見出した。使用したナノ粒子には不純物をドーピングしていないため、波長変換の効果の可能性は低い。この結果により、ナノ粒子積層による表面凹凸導入、反射の抑制以外に、太陽電池の特性を向上させるメカニズムが存在する可能性を示した。
波長変換機能の発現、太陽電池表面の積層による特性向上を狙って「ＭｎをドーピングしたＺｎＳｅナノ粒子（ＺｎＳｅ:Ｍｎナノ粒子）の表面をＺｎＳシェル層で被覆したＺｎＳｅ:Ｍｎ／ＺｎＳコア／シェル型ナノ粒子」を作製した。発光の量子効率が３０％まで向上することを見出した。
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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
発光中心をドーピングしたナノ粒子に先立ち、不純物を含まないナノ粒子を簡易的なSi太陽電池表面に積層し、積層前後での素子特性の変化の検証を行ったところ、当初の予測に反して、波長変換機能が弱いにも関わらずナノ粒子の積層による太陽電池の内部量子効率の増加を示す結果を得た（当初予期していない結果）。今後、実験、モデル計算の両面からメカニズムの解明を進めることにより、従来に無い太陽電池特性を変調する手法として体系化が期待される。
ナノ粒子の波長変換機能の発現については、発光中心となる不純物元素（Mn）をドーピングしたZnSe:Mnナノ粒子の合成、光学特性確認と積層の予備実験を並行して進めた。コア／シェル型のナノ粒子を合成し、発光の量子効率が30%まで向上することを確認した（当初予定通りの進捗）。次年度以降、合成条件の最適化・太陽電池上への積層・評価確認を進める。あわせて、シェル構造を改良することにより、当初計画を上回る高量子効率ナノ粒子を実現する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の方針で研究を推進する。
（１）昨年度新規に見出した、波長変換機能の弱い（発光中心をドーピングしていない）ナノ粒子の積層の効果を実験・モデル計算の両面から明らかにする。
（２）当初計画に基づき、発光中心としてＭｎをドーピングしたコアシェル型ナノ粒子を太陽電池表面に堆積し、ナノ粒子の高量子効率による太陽電池の特性向上効果の実証を目指す。さらに、別の発光中心としてＣｕをドーピングしたコアシェル型ナノ粒子を作製する。ナノ粒子の種類とサイズによってＣｕ発光バンドの発光波長を制御し、発光波長と太陽電池の特性向上効果の関係を明らかにする。
（３）コアシェル型ナノ粒子のシェル構造の改良により、当初計画を上回る高量子効率ナノ粒子実現を目指す。例えば、ＭｎをドーピングしていないＺｎＳｅナノ粒子をコアに用い、ＺｎＳ：ＭｎシェルおよびＺｎＳシェルの2層で覆った3層構造のＺｎＳ／ＺｎＳｅ：Ｍｎ／ＺｎＳ コア／シェル／シェル型ナノ粒子を作製に取り組む。3層構造の作製条件を最適化することにより、量子効率６０％以上を達成する。
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