2021 Fiscal Year Research-status Report
高配向CNT結晶膜で明らかにするCNT-Siヘテロ接合太陽電池の発電メカニズム
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21K04141
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| Research Institution | Asahikawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
中村 基訓 旭川工業高等専門学校, システム制御情報工学科, 教授 (50435963)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / CNT-Si太陽電池 / CNT配向膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，高い配向を持ったCNT膜（CNT結晶膜）によるCNT-Si太陽電池の実現に向け，以下の点について研究を進めた．一点目は，これまで高配向膜の安定した作製プロセスが確立されていない半導体CNTリッチの分散液を用いた場合の配向CNT薄膜作製条件の確立，二点目は，すでに作製条件が確立されている金属CNTリッチの分散液による高配向CNT膜を用いたCNT-Si太陽電池の試作と評価であった．
前者については，CoMoCAT-CNTを用いた分散液を準備し，CNT濃度，分散液量，界面活性剤濃度をパラメータとして，成膜後のCNT薄膜の配向度との関係を調査し，CNT薄膜全体にわたって比較的高い配向が得られる成膜条件を見出すことができた．
後者については，様々な配向度を持つ金属性CNTリッチな薄膜を準備し，約20デバイスほどのCNT-Si太陽電池の試作と発電特性の評価を実施した．CNT配向膜は，入射光の偏光方向とCNT薄膜の配向方向が平行な場合によく光を吸収する．この特性を積極的に利用するために，評価時にデバイスに入射させる光を直線偏光させ，太陽電池からの光電流の応答を測定した．その結果，高配向CNTを用いたデバイスでは低配向CNTデバイスと比較して，CNT層でより多くの光を吸収していることが確認できた．その一方で光電流の発生への寄与が小さく，これらの実験結果から本デバイスにおけるCNT-Si接合形態は，ショットキ接合が支配的であることが示唆された．本結果については，2022年3月にJapanese Journal of Applied Physics 61(3) 031006-031006にて報告した．
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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
本年度の主たる目標は，(1)半導体CNTの含有割合が高い分散液を用いた配向条件の導出および(2)高配向CNT膜を用いたCNT-Si太陽電池の試作と評価の2点であった．
(1)については，CoMoCAT-CNTを用いた分散液を準備し，CNT濃度，分散液体積，界面活性剤濃度をパラメータとして，それらと成膜後のCNT薄膜の配向度との関係を調査した．DOC濃度が0.03%付近に設定することで，膜面全体に比較的高い配向度を持つCNT膜が得られることがわかった．ただし，さらに高い配向度でCNTを配向させるためには，さらなる追加実験が必要であると考えている．
(2)については，主に金属CNTの含有割合が高い分散液を用いて様々な配向度を持つCNT膜を作製し，それらを用いてCNT-Si太陽電池を試作し，その発電特性について評価した．配向度が高いCNT薄膜と低いCNT薄膜の2つの場合を比較し，光電流の入射光波長依存性を測定した．これにより，作製した太陽電池のCNT-Siヘテロ接合について，ショットキー接合が支配的であることが示唆された．
以上のように，本年度の目標である(1)，(2)について，必要なデータが得られたと判断したため，上記の「おおむね順調に進展している」と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
R3年度の結果から，半導体CNTなリッチの分散液を使って作製した配向膜を利用して，CNT-Si太陽電池の試作および特性評価へと研究を進める．並行して，さらに高い配向度を有する半導体リッチCNT配向膜の作製に向けて追加実験を継続する．また，R3年度に実施した高配向膜作製条件が確立された金属CNTリッチな分散液におけるCNT-Si太陽電池の試作・評価結果から，CNT膜単体もしくはCNT-金属電極間の抵抗が比較的高く，変換効率を制限している可能性があることも判明した．この点の改善に向けて，CNT膜単体の低効率測定およびCNT-金属電極間の低抵抗化に着手する．具体的には，CNT膜のうち金属との接合領域に対して，金属電極形成前にプラズマエッチングによりCNTの端面を露出させるプロセスを導入する予定である．このプロセスの導入により，CNT-電極間の接触抵抗を低減させる効果が期待できる．
また，現時点で2種類のCNT分散液によるCNT配向膜が得られているが，それぞれのCNT膜の厚膜化を実現するため，積層転写プロセスを確立する．積層転写することにより作製したCNT厚膜について，その際に配向度に与える影響について検証する．さらに厚膜CNTを用いたCNT-Si太陽電池の試作と評価も併せて実施し，厚膜化による影響を調査する．
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| Causes of Carryover |
コロナの影響により，昨年度出席した国際会議がweb開催となったことから旅費がかからなかった．また，学術論文が採択されたが，その出版費の請求が今年度になされたことが主な理由である．出版費は今年度に支出予定で，旅費などの残額についてはCNT材料など消耗品の購入に充てる予定である．
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