| 研究課題/領域番号 |
21H04548
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分21:電気電子工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
42,250千円 (直接経費: 32,500千円、間接経費: 9,750千円)
2024年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
2023年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
2022年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
2021年度: 16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)
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| キーワード | 太陽電池 / 電子輸送層 / シリサイド / ヘテロ界面 / 再結合 / バリウムシリサイド / スパッタ / 多結晶 / 分光感度 / ドーピング / 界面 / ヘテロ接合 / 電子神話力 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
2050年に向けた日本の脱炭素化エネルギーシステムにおいて、太陽光発電は主力電源として期待されている。日本の太陽光発電導入量は2019年末で63GW、長期的には300GWの導入が必要とされる。しかし、太陽光パネルの設置は、戸建て住宅等の屋根、野立てが中心で、いずれ導入量の制約に直面する。そのため、車載、ビルの壁面等のフレキシブル形状への利用拡大が必須である。現在、太陽電池の9割以上が厚さ200μm弱の結晶Si太陽電池であり、フレキシブル性が無い。研究代表者は、「資源が豊富な元素」で構成され、「薄膜」かつ「高効率」を達成できるSiベースの新材料で、この課題に取り組む。
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| 研究実績の概要 |
BaSi2ヘテロ接合型薄膜太陽電池の実現に向けて研究を行い、下記の成果を得た。
1. デバイスシミュレータを用いて、BaSi2光吸収層とヘテロ接合を形成した場合に、電子輸送層およびホール輸送層として機能する候補材料について調べ、光照射時の太陽電池特性を比較した。その結果、アモルファスSiCが電子輸送等として働くことが、分光感度特性およびシミュレーションから明らかになった。
2.ホール輸送層として期待されるMoO3, NiO, V2O5膜について、BaSi2とヘテロ接合を形成した場合に期待されるデバイス特性を計算し、MoO3膜が適していることが分かった。
3.AlドープZnOとBaSi2のヘテロ界面に、BaSi2と電子親和力の近いZnGeO膜を挿入することで、分光感度が向上することを明らかにした。また、印加する電圧の極性を変えることで、期待していた通り、ZnGeOは、BaSi2で生じた電子について障壁にならず、一方、ホールについては障壁になることを明らかにした。
4.スパッタ法で形成したBaSi2膜には、多数の酸素が含まれるため、不純物をドーピングしても伝導型やキャリア密度の制御がas-grown膜では達成できていなかった。そのような膜について、Ar雰囲気で1000度でアニールすることで、BドープBaSi2膜の場合、5分間のアニールにより、伝導型がn型からp型となり、アニール時間を大きくすることで、ホール密度が増加した。10分間のアニールにより、ドープしたBの約5割が活性化してホールを出すことが分かった。第一原理計算から、p型不純物であるBをドーピングした際、BaSi2中のSi四面体のSi原子の一部をBが置換しても、同じSi四面体のSiサイトに酸素が置換する場合には、n型になることが分かった。このため、アニールにより、p型伝導に変わるのは、酸素がSi四面体から出ていく一方、Bが留まるためと説明できる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
AlドープZnO/BaSi2ヘテロ界面に、BaSi2に近い電子親和力をもつZnGeOを挿入することで、BaSi2で生じした電子とホールを空間的に分離することが、本研究提案の骨子であるが、作成した試料で確かに分光感度が格段に向上したことで、本研究の提案内容が実証されたことになる。さらに、研究を進めて、分光感度特性がもっとも良いアンドープBaSi2膜を光吸収層とし用いる可能性についても、電子輸送層やホール輸送層とのヘテロ接合により、高い変換効率をもつ太陽電池特性がシミュレーションで得られたことは高く評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、以下の２点を中心に行う。
１．ホール輸送等として期待されるNiO, WO3等の薄膜を真空蒸着法でBaSi2膜上に形成して、BaSi2膜で生じた光生成キャリアに対し、ホール輸送等としての機能を実証し、太陽電池特性に結び付ける。
２．AlドープZnO/p-BaSi2ヘテロ界面にZnGeO/ZnOを挿入して、太陽電池動作を実証する。
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