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有機太陽電池のための高効率光閉じ込め技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K04825
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分28030:ナノ材料科学関連
研究機関山形大学

研究代表者

久保田 繁  山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (60396588)

研究分担者 廣瀬 文彦  山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50372339)
水野 潤  早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 客員上級研究員(研究院客員教授) (60386737)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード有機太陽電池 / 3次元ナノ構造 / 光閉じ込め / 光学シミュレーション / 太陽電池 / 光制御 / マイクロ・ナノデバイス
研究開始時の研究の概要

次世代の低コスト太陽電池として有機太陽電池が注目されているが、商業化に向けて発電効率の向上が課題となっている。本研究では、ナノ加工技術を用いてデバイス内部の屈折率分布を精密に調整することで、光の流れを最適に制御する技術を開発する。この技術により、有機太陽電池に特有の薄い発電層に効率的に光を閉じ込めることで、光エネルギーの吸収を促進して発電性能を大幅に向上させることを目指す。

研究実績の概要

2023年度の研究では、有機薄膜太陽電池に光が斜めから入射する場合の光閉じ込め性能について光学解析を行った。有機薄膜太陽電池は、シリコン太陽電池と比べて弱い光でも相対的に高い発電効率を維持できること、LEDや蛍光灯のような屋内光源のスペクトルと適合した吸収波長特性を有することから、屋内環境への適用が注目されている。特に工場のような特殊な環境では、太陽電池の使用方法を事前に想定することで、光の入射方向が設計時にある程度予測可能な場合が考えられる。そこで、本研究ではこのような場合に、設計目標の入射角に対して反射防止膜の性能を最適化することで発電効率を改善する手法について検討した。垂直入射に対して発電電流を最大化する従来法と、特定の入射角での性能を最適化する提案法の双方で多層反射防止膜を設計して比較解析を行った。光学設計に際しては、多層薄膜のための電磁界解析の代表的手法である特性マトリクス法を使用した。特性マトリクス法は、複素演算により薄膜を横切る光の電界と磁界の発展を高速に算出できるため、光学デバイスの設計に広く使用されている。解析の結果、提案法では垂直入射での発電量を低下させる代わりに、設計目標角での発電量を一定程度向上できることが判明した。このように、本手法により異なる入射角における性能のトレードオフを考慮した新しい概念の設計が可能であり、太陽電池を適用する光学環境を適切に選択することで、反射防止膜の光制御機能を改善して有機太陽電池を効率化できる可能性がある。このように、光閉じ込め技術に関する有用な知見が継続的に得られており、本研究は順調に進展している。

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

有機太陽電池の光閉じ込め技術に関する幅広い検討を行い、多くの有用な知見が得られており研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今後の研究では、これまでの成果をさらに発展させることで、様々な光学条件における光閉じ込め性能を改善するための光制御技術について検討を行う。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] 表面ナノ構造を用いた有機薄膜太陽電池の光閉じ込め技術2023

    • 著者名/発表者名
      久保田 繁, 有馬ボシールアハンマド, 廣瀬文彦
    • 雑誌名

      電子情報通信学会論文誌C

      巻: J106-C ページ: 267-276

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical design of multilayer antireflection coatings for indoor solar cell applications2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kubota, B. Ahmmad, and F. Hirose
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 62 ページ: 2117-2123

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 屋内用太陽電池のための反射防止多層膜の設計法2023

    • 著者名/発表者名
      久保田 繁, 有馬 ボシールアハンマド, 廣瀬 文彦
    • 学会等名
      応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Design of broadband and omnidirectional antireflection coatings for indoor solar cells2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kubota, B. Ahmmad, and F. Hirose
    • 学会等名
      4th International Conference on Optics, Photonics, and Lasers
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 有機薄膜太陽電池の光制御技術~数理工学の観点から~2023

    • 著者名/発表者名
      久保田 繁
    • 学会等名
      精密工学会 「微細加工と表面機能専門委員会」第3回セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Application of nano-optical engineering to trap light in thin-film organic solar cells2022

    • 著者名/発表者名
      S. Kubota, K. Hiraga, K. Kanomata, B. Ahmmad, J. Mizuno, and F. Hirose
    • 学会等名
      13th Asia-Pacific Conference on Near-Field Optics
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 表面ナノ構造を用いた有機太陽電池の統合デバイスに関する光学解析2022

    • 著者名/発表者名
      久保田 繁, 鹿又健作, 有馬ボシールアハンマド, 水野 潤, 廣瀬文彦
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] モスアイ反射防止を導入した有機太陽電池の斜入射特性の解析2022

    • 著者名/発表者名
      菊池颯, 有馬ボシールアハンマド, 廣瀬文彦, 久保田 繁
    • 学会等名
      情報処理学会東北支部研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of optimized moth eye structure with UV-nanoimprint process for thin-film organic photovoltaic2021

    • 著者名/発表者名
      S. Kubota, K. Hiraga, K. Kanomata, B. Ahmmad, J. Mizuno, and F. Hirose
    • 学会等名
      E-MRS 2021 Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] モスアイ表面を用いた有機太陽電池の光閉じ込め技術2021

    • 著者名/発表者名
      久保田 繁, 平賀健太, 鹿又健作, 有馬ボシールアハンマド, 水野 潤, 廣瀬文彦
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] 山形大学 久保田研究室

    • URL

      https://www.matheng.yz.yamagata-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 山形大学 久保田研究室

    • URL

      https://www.matheng.yz.yamagata-u.ac.jp

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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