2019 Fiscal Year Research-status Report
Electrochemically deposited pn-junction solar cells based on iron oxide
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18K04232
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
市村 正也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30203110)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 酸化鉄 / 太陽電池 / 電気化学堆積 / 伝導型制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、酸化鉄薄膜をメッキの技術である電気化学堆積によって作製し、薄膜太陽電池に応用する。赤サビという遍在する材料を原料とし、電気化学堆積という簡便安価な手法で作製することで、究極に安価な太陽電池作製を目指す。FeSO4水溶液を用いた電気化学堆積によりFeOOH薄膜が得られ、それを空気中など酸化雰囲気でアニールするとFe2O3になる。初年度に、CuSO4を溶液に加えることでp型になること、パルス電圧印加により銅の分布が均一になること、空気中400℃でのアニールで膜が平坦・ち密になることを見出した。2019年度はその結果を踏まえ、無添加薄膜とCu添加薄膜でpn接合太陽電池を作製することに重点を置いた。
作製にあたり、CuSO4濃度、堆積順、アニール条件の最適化を試みた。その結果、p型層を先に堆積し、その上にn層を堆積した後にアニールすることで、整流性を示す素子が作製できた。CuSO4濃度は、3mMでもっとも良好な特性が得られた。(FeSO4濃度は50mM) 1mMでは整流性が観測されなかったが、これはCu濃度が低いため一層目が完全にp型に反転していなかったためと考えられる。5mM以上の濃度での特性悪化は、銅の偏析に伴う何らかの欠陥の増加が原因と考えられる。3mMの試料では微弱ながら光起電力も確認できた。得られた最大の短絡電流密度は1.3μA/cm2、開放電圧は約4mVと極めて小さいが、酸化鉄からなるpn接合太陽電池を初めて実現できたことは2019年度の成果といえる。
一方、FeSxOyを用いた太陽電池については、次項で述べるように、硫黄アニールにより特性改善を試みたが成功しなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の予定通り、2019年度はpn接合の作製に重点をおいて研究を行った。条件を様々に変えて数多くの試料を作製し、整流性と光起電力を示す素子が作製できた。ただし、素子の効率はきわめて低く、目標である1%を実現するためにはなんらかのブレイクスルーが必要である。「推進方策」で述べるように、界面での欠陥抑制の新たな試みをすでに開始している。
FeSxOyについても実験を継続している。初年度には電気化学堆積したFeSxOyとZnOで整流性と光起電力を観測した。硫黄雰囲気でのアニールで酸素濃度を減らし、太陽電池に適するとされる結晶相のパイライトの割合を増やすことができる。そこで、硫黄アニールによって、FeSxOy/ZnO太陽電池の特性改善を試みた。しかし特性は逆に悪化した。パイライトが太陽電池に適するという従来の定説が間違っていると現在は考えている。
2019年度は、酸化鉄pn接合に関し、国内会議および国際会議で報告した。また、FeSxOyとZnOのヘテロ接合について、論文が一編出版された(投稿は前年度)。
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| Strategy for Future Research Activity |
前項で述べたように、酸化鉄太陽電池の出力電流、電圧ともまだ極めて小さい。短絡電流密度は1μA/cm2の桁だが、p型薄膜の光電気化学測定では、0.1mA/cm2の桁の光電流が観測されている。したがって、低い変換効率は、薄膜それ自体ではなく、界面に原因があると考えている。電気化学堆積では、二層目の堆積時に、一層目が二層目の堆積溶液に溶解する可能性がある。もし溶解すれば、界面に両層が混じった欠陥層が形成され、pn接合の特性悪化につながると考えられる。そこで、一層目の溶解を防ぐために、化学的に安定な物質の極薄膜を挿入する。挿入する物質としては、アモルファスの酸化アルミニウムAlOxと水酸化マグネシウムMg(OH)2を考えている。AlOxは本研究室で開発した光化学堆積法にて堆積する。また、Mg(OH)2は、これも新たに開発したドロップ蒸発法にて堆積する。どちらの堆積も水溶液を用いた簡便安価な手法であり、また両物質とも安価豊富な元素で構成されているので、この試みは本研究の目的に合致する。これにより大幅な効率改善を実現し、目標を達成したい。
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| Causes of Carryover |
申請では海外での国際会議参加を想定して外国旅費を計上していたが、2019年度は海外に適当な国際会議がなく国内(横浜)での国際会議に参加した。またスターラーなどの機器に故障がなかったため、更新修理に費用がかからなかった。
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