2021 Fiscal Year Research-status Report

Electrochemically deposited pn-junction solar cells based on iron oxide

Research Project

Project/Area Number	18K04232
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
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)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2023-03-31
Keywords	太陽電池 / 酸化鉄 / 電気化学堆積 / 伝導型制御
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、それを用いた薄膜太陽電池を作製する。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。2020年度までに、①FeSO4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になること、②CuSO4を溶液に加えることでp型になること、③パルス電圧印加により銅の分布が均一になること、④無添加薄膜とCu添加薄膜でpn接合太陽電池が作製できること、⑤pn界面に中間層としてMg(OH)2を挿入すると整流性が改善すること、を見出した。しかし発電効率はまだ低いままであった。2021年度は、さらなる特性改善を目指し、pn二層の連続堆積を試みた。電気化学堆積でpn接合を作製する場合、通常は片方の層を堆積後、溶液を替え次の層を堆積する。この時、堆積を中断して空気にさらすことで一層目の表面すなわちpn接合界面に欠陥・不純物が導入される恐れがある。また電気化学堆積では、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。これは、一層目と二層目が違う物質であるため、二層目の堆積溶液と一層目との間に化学平衡が成り立たないためである。そこで、堆積途中で不純物元素(Cu)を溶液に投入し、途中から堆積膜の伝導型を変化させ、二層を連続堆積させることにした。まず連続堆積に適した定電流法の条件を把握した。それに基づき、FeOOH堆積中に溶液にCuSO4を投入してn型→p型の連続堆積を行った。しかし、ある程度の整流性は得られたものの、光起電力は改善されず、期待していた効果はまだ得られていない。諸条件をさらに最適化する必要がある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 2021年度はpn層連続堆積による太陽電池の効率改善に重点をおいて研究を行った。まだ薬品濃度、堆積電流、攪拌条件などの最適化が不十分で、効率改善にはつながらなかった。高い効率の太陽電池を作るという最終的な目標に近づいたとはいいがたい。もうひとつ取り組んでいる材料であるFeSxOyについても実験を継続したが、顕著な改善は得られず、この材料系については実験を終了することにした。 2021年度も依然として新型コロナ感染対策により実験回数を制限せざるを得ない時期があった。また2021年秋に予定されていた国際会議(Symp. Earth-Abundant Materials for Future Photovoltaics)に参加することにし、アブストラクトはアクセプトされたが、新型コロナ感染のため会議は2022年6月に延期になった。その結果予算の消化も遅れ、2021年度での研究発表もできなかった。そこで研究期間の延長を願い出ることにした。
Strategy for Future Research Activity	上記のように、pn連続堆積により整流性が得らえることは確認したが、効率の改善には結びついていない。引き続き適切な堆積電位・電流を探し、また攪拌などの影響も調べる。堆積を連続させつつ不純物投入と同時に堆積電流を変えるなど、詳細な条件設定が必要かもしれない。2022年度には、より多数の実験を重ねることで効率改善を達成し、論文発表を行いたい。中間層を挿入する試みも継続して行う。Mg(OH)2層挿入で一定の改善は観測されたことは、2022年6月に行われる国際会議にて発表予定である(進捗の項参照)。しかし改善は不十分であり、条件の最適化をさらに行う必要がある。特に、Mg(OH)2の上の堆積は、同じ条件でもITO基板への堆積とは相違点があると考えられるので、注意深く条件を検討する。また、AlOx薄膜を簡便に堆積可能なディップ蒸発法を開発したので、それを中間層に用いた実験も新たに試みる。Mg(OH)2薄膜に比べ、より薄くかつ化学的に安定な膜であるので、改善が期待できる。予算残高は学会発表などを中心に使用する予定である。
Causes of Carryover	申請では2021年度中の国際会議参加を想定して旅費を計上していたが、新型コロナ感染のため会議が2022年6月に延期になり、2021年度は出張を行わなかった。また、緊急事態宣言に伴う出勤・登校の制限のため実験回数が減少した時期があり、消耗品の購入が予定より少なかった。