30%超タンデム太陽電池用超薄膜ペロブスカイト太陽電池と光閉じ込め貼り合わせ技術

• 研究課題/領域番号: 16H02451
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 伊原 学 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90270884)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円); 2020年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2019年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2018年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2017年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円); 2016年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
• キーワード: solar cell / tandem solar cell / monocrystalline thin Si / perovskite / passivation / タンデム太陽電池 / ペロブスカイト太陽電池 / 単結晶シリコン太陽電池 / パッシベーション / 大粒径化 / 工学 / エネルギー生成・変換 / 総合工学 / エネルギー学

研究成果の概要

太陽電池の変換効率30%超に向けて、異なるバンドギャップの発電層を積層するタンデム太陽電池の開発、トップセル、ボトムセルと接合面それぞれの効率ロスの最小化が必要である。トップセルのペロブスカイト薄膜の結晶粒径を独立に制御する手法を開発し、変換効率との関係を明らかにした。ボトムセルは単結晶Siのコスト低減に向け、多孔質基板表面のナノレベル粗さ低減と急速蒸着法による、ウェハと同等品質を持つ薄層単結晶Si作成プロセスを開発した。界面層は、Siの表面再結合を抑制するパッシベーション層とペロブスカイトの電子輸送層を兼ねるTiO２膜とSi界面の熱処理によるパッシベーション特性の向上を確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

太陽電池の効率30%超を達成するためのタンデム太陽電池の開発は、脱炭素電源の主力化に向けて重要である。また、本研究の各項目において得られた学術的な意義は大きい。ペロブスカイト太陽電池においては、これまでできていなかった、発電効率に他の要素を一定にして結晶粒径のみを変化させる手法を確立し、発電特性との直接の関連性をはじめて明らかにした。Si単結晶薄膜製造プロセスでは、結晶化しながら急速に堆積する本プロセスにおいて、原子レベルの凹凸の違いが得られる単結晶の欠陥密度に大きな影響を与えるという、結晶学的に重要な知見となった。

研究成果

• [国際共同研究] フランス国立応用科学院リヨン校(Insa de Lyon, リヨン大学)(フランス)
• [国際共同研究] フランス国立応用科学院リヨン 校(INSA de Lyon, リヨン大学)(フランス)
• [国際共同研究] フランス国立応用科学院リヨン校(INSA de Lyon, リヨン大学)(フランス)
• [国際共同研究] フランス国立応用科学院リヨン校（INSA de Lyon, リヨン大学）(フランス)
• [雑誌論文] Nanostructure of Porous Si and Anodic SiO2 Surface Passivation for Improved Efficiency Porous Si Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Sundarapura Panus、Zhang Xiao-Mei、Yogai Ryoji、Murakami Kazuki、Fave Alain、Ihara Manabu
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 11 号: 2 ページ: 459-459
  • DOI: 10.3390/nano11020459
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dominant effect of the grain size of the MAPbI3 perovskite controlled by the surface roughness of TiO2 on the performance of perovskite solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee、Budiutama Gekko、Suzuki Kazuma、Hasegawa Kei、Ihara Manabu
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 22 号: 16 ページ: 2718-2727
  • DOI: 10.1039/d0ce00169d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical effect of nanometer-size surface roughness of a porous Si seed layer on the defect density of epitaxial Si films for solar cells by rapid vapor deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Kei、Takazawa Chiaki、Fujita Makoto、Noda Suguru、Ihara Manabu
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 20 号: 13 ページ: 1774-1778
  • DOI: 10.1039/c7ce02162c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Free-standing epitaxial silicon thin films for solar cells grown on double porous layers of silicon and electrochemically oxidized porous silicon dioxide (2018)
  • 著者名/発表者名: Anatolii Lukianov and Manabu Ihara
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 648 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2017.12.025
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] PASSIVATION OF Si/TiO2 USING SiOx INTERFACIAL LAYER BY ZONE HEATING RECRYSTALLIZATION FOR 2-TERMINAL PEROVSKITE/SI TANDEM SOLAR CELL (2020)
  • 著者名/発表者名: Gekko Budiutama, Kei Hasegawa, Manabu Ihara
  • 学会等名: The 30th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-30) & Global Photovoltaic Conference 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of Intermediate SiO2 nano-Layer As Effective Passivation at Si/TiO2 Interface By Zone Heating Recrystallization Toward Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell (2020)
  • 著者名/発表者名: G. P. Budiutama, K. Hasegawa, and M. Ihara
  • 学会等名: ECS(PRiME2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Passivation of Si-TiO2 Interface Using Controlled SiOx Layer by Zone Heating Recrystallization for Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Gekko Patria Budiutama, Kei Hasegawa, Manabu Ihara
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ゾーンヒーティング再結晶法によるペロブスカイト太陽電池光吸収層の大粒径化と発電特性の関係 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一馬、Budiutama Gekko、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ナノ表面粗さ制御によるウエハレベル太陽電池用Si膜の高速成膜 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊原学
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Correlation of surface roughness of TiO2, grain size of MAPbI3 and perovskite solar cell performance (2019)
  • 著者名/発表者名: Methawee Nukunudompanich, Kazuma Suzuki, Kei Hasegawa, Manabu Ihara
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ゾーンヒーティング再結晶法によるペロブスカイト太陽電池光吸収層大粒径化の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木一馬, Nukunudompanich Methawee, 長谷川馨, 伊原学
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Study of Si/TiO2/Perovskite interfaces for perovskite/Si tandem solar cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Budiutama Gekko, Suzuki Kazuma, Nukunudompanich Methawee, Hasegawa Kei, Zhang Xiaomei, Fourmond Erwann, Fave Alain, Ihara Manabu
  • 学会等名: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Surface Passivation of Porous Silicon for Tandem Solar Cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Sundarapura Panus, Yogai Ryoji, Zhang Xiaomei, Hasegawa Kei, Fourmond Erwann, Fave Alain, Ihara Manabu
  • 学会等名: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical properties of monocrystalline Si film for solar cells fabricated by nano-surface controlling double layer porous Si in H2 atmosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Shibahara, Kei Hasegawa, Alain Fave, Erwann Fourmond, Suguru Noda and Manabu Ihara
  • 学会等名: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] p-Type Doped Large-Area Multilayer MoS2 Enabled by Mild Plasma Treatment for Phototransistors Application (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang Xiaomei, Sian-Hong TSENG, Ming-Yen LU
  • 学会等名: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical Properties of Monocrystalline Thin Film Si for Solar Cells Fabricated By Rapid Vapor Deposition with Nano-Surface Controlling Double Layer Porous Si in H2 (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Shibahara, K. Hasegawa, A. Fave, E. Fourmond, S. Noda, and M. Ihara
  • 学会等名: 236th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] ナノレベルで荒さ制御した下地への急速蒸着で作製したウェハー級の太陽電池用薄層Si (2019)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 馨、柴原 竜太朗、松浦 明、高澤 千明、Fave Alain、Fourmond Erwann、野田 優、伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第84年会
• [学会発表] 2層多孔質Si基板ナノ表面制御と超高速成膜による太陽電池用薄膜Siの電気特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴原 竜太朗、長谷川 馨、Fave Alain、Fourmond Erwann、野田 優、伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第84年会
• [学会発表] Electrochemical Passivation of Nano-Porous Silicon Solar Cell (2019)
  • 著者名/発表者名: Sundarapura Panus, Zhang Xiaomei, Hasegawa Kei, Ihara Manabu
  • 学会等名: 化学工学会第84年会
• [学会発表] Investigation of Si/TiO2/Perovskite interfaces for tandem solar cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Budiutama Gekko Patria, Suzuki Kazuma, Nukunudompanich Methawee, Hasegawa Kei, Zhang Xiaomei, Ihara Manabu
  • 学会等名: 化学工学会第84年会
• [学会発表] タンデム化にむけたペロブスカイト太陽電池光吸収層の二次元結晶成長手法と構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一馬、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 第50回化学工学会秋季大会
• [学会発表] Correlation between TiO2 roughness and perovskite grain size effect on solar cell performance (2018)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee, Suzuki Kazuma, Hasegawa Kei, Ihara Manabu
  • 学会等名: 第50回化学工学会秋季大会
• [学会発表] Influence of Perovskite Grain Size and TiO2 Surface States to the Performance of Perovskite Solar Cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee, Suzuki Kazuma, Hasegawa Kei, Ihara Manabu
  • 学会等名: 234th ECS and SMEQ2018 Joint International Meeting (AiMES 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between Suface state of compact TiO2, the grain size of Perovskite layer and the performance of Perovskite solar cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee, Suzuki Kazuma, Hasegawa Kei, Ihara Manabu
  • 学会等名: The Asia-Oceania Top University League on Engineering (AOTULE 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-Assisted Fabrication and Gate-Tunable Transport Properties of 'In-Depth' Doped MoS2 Vertical Homostructure (2018)
  • 著者名/発表者名: X. M. Zhang, and M. Ihara
  • 学会等名: 2018 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Monocrystalline Si Thin Film By High Speed Zone Melting / Heating Crystallization with Controlling Nano-Surface Roughness for Cost-Cutting Solar Cells with High Efficiency (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊原学
  • 学会等名: 234th ECS and SMEQ2018 Joint International Meeting (AiMES 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ポーラスシリコンのナノ構造を利用した低コスト、高効率太陽電池へのアプローチ --低コスト剥離およびタンデムトップセルを目指して-- (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊原学
  • 学会等名: 第100回ARS例会, 一般社団法人 表面技術協会 金属のアノード酸化皮膜の機能化部会（ARS）
  • 招待講演
• [学会発表] 単結晶薄膜 Si 太陽電池作製のための2層多孔質Si基板のナノ表面制御と超高速成膜の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松浦 明, 高澤 千明, 藤田 誠, 長谷川 馨, 野田 優, 伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第82年会
  • 発表場所: 芝浦工業大学豊洲キャンパス
  • 年月日: 2017-03-06
• [学会発表] 金属ナノ粒子の形状変化による局所電場制御とプラズモニック太陽電池への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 用貝 亮二,村上 和生,長谷川 馨,張 暁梅,伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第82年会
  • 発表場所: 芝浦工業大学豊洲キャンパス
  • 年月日: 2017-03-06
• [学会発表] ペロブスカイト太陽電池の高効率化へ向けた光吸収層の結晶粒径制御と電池特性への影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一馬, Nukunudompanich M. 長谷川 馨, 伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第82年会
  • 発表場所: 芝浦工業大学豊洲キャンパス
  • 年月日: 2017-03-06
• [学会発表] ペロブスカイト薄膜タンデム太陽電池に向けた光吸収層の二次元結晶成長手法の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一馬、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 第49回 化学工学会秋季大会
• [学会発表] 多孔基板のナノ平滑化による高速で低欠陥な太陽電池用単結晶薄膜Siの作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 馨、高澤 千明、藤田 誠、野田 優、伊原 学
  • 学会等名: 第49回 化学工学会秋季大会
• [学会発表] Effect of nano-roughness of compacted TiO2 layer by using various precursors and deposition techniques on characteristics of perovskite solar cell (2017)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee、Phaomethavarithorn Apatsanan、鈴木 一馬、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 第49回 化学工学会秋季大会
• [学会発表] Monocrystalline Si Thin Film for Solar Cells Grown on Double Layer Porous Si Treated By Zone Heating Recrystallization (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Hasegawa, C. Takazawa, M. Fujita, S. Noda, and M. Ihara
  • 学会等名: 232th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Reaction Conditions with Methylammonium Iodide on the Grain of CH3NH3PbI3 Perovskite for Thin Top Cell of Tandem Solar Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Hasegawa, and M. Ihara
  • 学会等名: 232th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Zero and Two-Dimensional Nanomaterials Towards Solar Cells Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang Xiao-Mei, M. Ihara
  • 学会等名: Nano Science and Technology-2017 (Nano S&T-2017)
• [学会発表] Temperature Dependence on Spray Pyrolysis of TiO2 and Its Perovskite Solar Cell Application (2017)
  • 著者名/発表者名: Methawee Nukunudompanich, Kazuma Suzuki , Kei Hasegawa, and Manabu Ihara
  • 学会等名: The Sixth International Education Forum on Environment and Energy Science
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of 2-dimentional crystal growth of the light absorbing layer for perovskite thin film tandem solar cell (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Suzuki, Kei Hasegawa, and Manabu Ihara
  • 学会等名: The Sixth International Education Forum on Environment and Energy Science
  • 国際学会
• [学会発表] ポーラスシリコン太陽電池におけるナノ構造の役割の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 用貝 亮二、村上 和生、張 暁梅、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
• [学会発表] 単結晶薄膜 Si 太陽電池作製に向けた２層多孔質Si基板のナノ表面制御と超高速成膜により得られたSi 薄膜特性の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松浦 明、柴原 竜太朗、藤田 誠、高澤 千明、長谷川 馨、野田 優、伊原 学
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
• [学会発表] 高速成膜法による単結晶薄膜Si太陽電池の作製とSi薄膜の電気特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 柴原 竜太朗、松浦 明、高澤 千明、藤田 誠、長谷川 馨、野田 優、伊原 学
  • 学会等名: 化学工学会第83年会
• [学会発表] ペロブスカイト/Siタンデム太陽電池に向けたトップセル光吸収層薄膜の二次元結晶成長手法の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 一馬、Nukunudompanich Methawee、長谷川 馨、伊原 学
  • 学会等名: 電気化学会第85回大会
• [学会発表] タンデム太陽電池への応用に向けたスプレー法によるTiO2緻密層の検討と界面への影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: Nukunudompanich Methawee、鈴木 一馬、長谷川 馨、FOURMOND Erwann、FAVE Alain、伊原 学
  • 学会等名: 電気化学会第85回大会
• [学会発表] Shape and size control of indium nanoparticles intended for silicon solar cells application (2016)
  • 著者名/発表者名: X. M. Zhang, R. Yogai, and M. Ihara
  • 学会等名: MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 発表場所: Boston, U.S.A
  • 年月日: 2016-11-27
  • 国際学会
• [学会発表] One-pot solution synthesis of indium nanoparticles and their application in solar cell devices (2016)
  • 著者名/発表者名: X. M. Zhang, R. Yogai, and M. Ihara
  • 学会等名: Nano S&T
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2016-10-26
  • 国際学会
• [学会発表] Epitaxial growth of silicon nanowire arrays at wafer-scale using high-speed rotating-disk CVD for improved light-trapping (2016)
  • 著者名/発表者名: X. M. Zhang and M. Ihara
  • 学会等名: Asia NANO
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2016-10-10
  • 国際学会
• [学会発表] Nano-Scale Smoothing of Double Layer Porous Si Substrates for Detaching and Fabricating Low Cost, High Efficiency Monocrystalline Thin Film Si Solar Cell By Zone Scanning Annealing (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Takazawa, K. Hasegawa, A. Lukianov, X. Zhang, and M. Ihara
  • 学会等名: 230th ECS Meeting Honolulu
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] タンデム化に向けた長波長側で光透過な薄膜ペロブスカイト太陽電池の検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木一馬, トーベンジャミン, 長谷川馨, 伊原学
  • 学会等名: 化学工学会第48回秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-06
• [学会発表] プラズモニックポーラスSi太陽電池に向けたナノ細孔中への金属ナノ粒子と酸化膜の導入 (2016)
  • 著者名/発表者名: 村上和生, 長谷川馨, 伊原学
  • 学会等名: 化学工学会第48回秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-06
• [学会発表] 単結晶薄膜 Si 太陽電池作製に向けたエピタキシャル成長用ポーラス Si のナノ表面平滑化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高澤千明, 藤田誠(早大先進理工), 長谷川馨, A. Lukianov, 野田優(早大先進理工), 伊原学
  • 学会等名: 化学工学会第48回秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-06
• [備考] 伊原・Manzhos研究室ホームページ
  • URL: http://www.chemeng.titech.ac.jp/~iharalab/index.html