2014 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理太陽電池材料シミュレーターの開発と革新的太陽電池材料のデザイン
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26286074
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
佐藤 和則 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60379097)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 太陽光発電材料 / 計算物理 / 物性理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H26年度は第一原理太陽電池材料シミュレーターの基礎的な開発を行った。古典的なShockley-Queis ser(SQ)理論では、太陽電池の変換効率を(1)単一pn接合、(2)簡単化した光吸収係数、(3)電子-正孔の急速な熱 緩和、(4)非輻射再結合過程の無視、を前提としているが、今年度はまず(2)について第一原理による光吸収係数を効率計算に取り入れた。
VASPパッケ ージに実装されたHybrid法を用いて半導体の光吸収係数を計算し、古典的なShockley-Queisser(SQ)理論をベースとする効率計算プ ログラムに組み込み現実的な効率限界を計算できるようにした。 環境調和性が高い半導体系(例えば、SnS, Cu2O, FeS2, Zn3P2, Cu2S, Cu3N, Sb2S3, Bi2S3, Fe2O3, WSe2,MoS2, Co3O4, WO3, ZnSn(N,P)2, Cu2SnS3, Cu4SnS4, Fe2(Si,Ge)S4, CuSbS2, Cu2ZnSnS4など)について効率の 計算を行い太陽電池材料としての性能を評価した。
光学特性の計算に用いたHybrid法(HSE06法）は高精度の光学特性計算法として知られているが、本研究によりFeカルコゲナイド系についてはバンドギャップの予測能力が十分でないことが明らかになった。さらに高精度な光吸収係数の計算法として小谷（鳥取大）によるQSGW法を用いることを検討し、試行的な計算として近年実験的に合成されたbeta-CuGaO2の光学特性を評価した。
電子-正孔再結合過程についてはGW法に基づく方法が提案されており（J. Noffsinger et al., Computer PHysics Communications 181 (2010) 2140.）その方法を使用することを検討した。
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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
目標としていたSQ理論に第一原理計算による光吸収特性を組み込むプログラムについては完成し、一連の環境調和型太陽電池材料に適用することが出来た。また、第一原理計算に用いたHSE06法が系によっては光学特性の予測能力が低下することを見いだし、QSGW法の導入をおこなった。現在は光吸収係数の計算については十分な精度を有する計算が可能となっている。一方、検証実験については実験グループに具体的な実験を提案するところまでは至らず、次年度以降の課題となる。電子-正孔の再結合過程の考慮については方法論の検討のみ実行し、計画通りではあるがプログラム作成には至っていない。このことから達成度を「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度以降は今年度にプロトタイプが完成した第一原理太陽電池シミュレーターを用いて、ナノスケール相分離を 利用した高効率太陽電池材料のデザインをおこなう。これまでに研究代表者は混晶半導体における相分離を利用 する太陽電池材料を提案してきた(Y. Tani et al., J. Non-Cryst. Sol. 358 (2012) 2420, Physica B407 (20 12) 3056.)。相分離により形成された界面がtype2のバンド整列を示す場合、太陽光により生成した電子-正孔 が空間的に分離されるため、再結合が抑制され効率が上昇するというものである。しかし、相分離により形成さ れた界面に局在状態が発生すると逆に再結合を促進する可能性がある。様々な界面について第一原理計算を行い 、電子と正孔の密度分布から非輻射/輻射再結合比を計算し効率の変化率を見積もり、ナノスケール相分離が変 換効率に与える影響を定量的に予測する。 候補となる材料として環境調和性が高く安価に作成が可能であると考えられる物質系として、ZnO-ZnS, ZnO -ZnTe, ZnO-GaN, CuFeS2-CuGaS2, CuFeS2-CuAlS2等に注目し、全エネルギー計算から相分離の起こる組み合わせ を探索し、その系について相分離のシミュレーションを行う。得られた構造は多 数の原子を含むため直接の電子状態計算を研究期間中に行うことは不可能である。そのため構造の特徴を反映し たモデル(ナノワイヤーや超格子)を設定し界面の電子状態計算を行い、シミュレーターによりどの程度の効率 上昇が見込めるか計算する。界面での不規則性等を取り入れられる範囲で適宜第一原理計算に取り入れその影響 を見積もる。実験グループと議論の上、有望な系については実証実験を行う。
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| Causes of Carryover |
論文出版が次年度にずれ込んだため
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
論文出版費用の一部として使用予定
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