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本研究は、太陽光発電の光電変換効率を向上させることを目指し、新しい光マネジメント法を開発することである。研究開始段階では、幅広いスペクトルをもつ太陽光を、エネルギー損失なく狭帯域の熱輻射スペクトルへと変換する熱輻射制御の実現を、量子井戸による電子系の制御と、フォトニック結晶を用いた光子系の制御により実現するということを目指して研究を開始した。その後、研究を進める過程で、新たにフォトニック結晶のバンド構造の特異点(バンド端)における大面積共振作用を用いて、薄膜Si系太陽電池への光吸収率を増大させ、太陽光発電の効率を向上させることを目指すという研究も新たに開始し、この両者に関する検討を進めている。
本年度は特に後者に関する検討を進めた。理論的には、光起電力層を低屈折率材料を挟んで複数積層する構造を考え、各光起電力層にフォトニック結晶を形成することで、炭層の場合と比較して光吸収が増大することを示すことに成功した。また、昨年度検討したフォトニック結晶のランダム性を導入すると、さらに吸収が増えること、入射角度依存性が小さくなり、あらゆる角度の入射に対して効率的に光を吸収させることが可能となることを明らかにした。また、太陽電池で広く用いられているテクスチャ構造と比較しても、光吸収が増えることが分かった。
合わせて、昨年度得られた解析結果(単層のSi層にフォトニック結晶を導入することによる光吸収増大)について、実験的な評価を進めた。基板上に、光反射層となる銀、透明導電膜を製膜した後、プラズマCVD装置を用いて堆積した厚さ1μmの微結晶Siを堆積した。そして、設計に基づき、微結晶Si層に電子線露光装置とプラズマエッチング装置を用いてフォトニック結晶を形成した。本素子の光吸収スペクトルを積分球を用いて評価したところ、設計通り、ランダムなフォトニック結晶の導入により、光吸収が増加する結果を得ることに成功した。
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