| 研究課題/領域番号 |
15K17472
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
田中 良典 京都大学, 工学研究科, 講師 (20534522)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | フォトニック結晶 / 太陽電池 / 電磁界解析 / 感度解析 |
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| 研究実績の概要 |
薄膜Si太陽電池は、厚さが数百nm～数μm程度の非常に薄いSi光起電力層をもつ太陽電池であり、将来の太陽電池のさらなる普及を考えると、Si資源の有効利用の観点で重要である。しかし、Siは薄膜であるため、Siの電子バンド端近傍での光吸収が十分ではなく、その結果として短絡電流密度が低下することが課題である。本研究では、薄膜Si太陽電池における光吸収を、フォトニック結晶を用いた光マネジメント技術により向上させ、それにより光電変換効率を向上させることを目的とする。特に、本若手研究では、光吸収を増大させるためのフォトニック結晶構造の設計を、感度解析法と呼ばれる手法を採用して行う。
感度解析法とは、電磁界解析において、構造の誘電率の微小変化に対する、目的関数の光吸収量の変化率（微分係数）を、少ない計算時間で計算することが可能となる計算手法である。昨年度は、本手法を用いた太陽電池におけるフォトニック結晶構造の設計を行い、厚さ500nm程度の極薄微結晶Si太陽電池において、フォトニックを導入しない場合の短絡電流密度19.6 mA/cm2に対し、設計したフォトニック結晶構造では25.1 mA/cm2まで増大することを明らかにした。
ただし、昨年度の検討では、厚さ方向に対して均一なフォトニック結晶を想定していたため、実際に微結晶Siを製膜することを考えると、欠陥等の生成が課題となる。したがって、これを解消するためには、側面を緩やかな形状とすることが有効であると考えられる。したがって本年度は、各設計点におけるフォトニック結晶構造の高さを変化させつつ設計を行うプログラムを作成し、フォトニック結晶構造の設計を行った。その結果、緩やかな側面形状をもつフォトニック結晶構造で、高い短絡電流密度を得ることに成功した。
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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
本研究では、フォトニック結晶を導入した薄膜微結晶Si太陽電池における、フォトニック結晶構造の最適化を目標としている。本年度は、時間領域差分法(FDTD法）を基にした感度解析法において、各設計点におけるフォトニック結晶構造の高さに着目した設計を進めることを目標としていた。研究実績の概要の項目で述べたように、本年度、高さに着目した設計を進めることで、太陽電池として実現可能なフォトニック結晶構造の設計に成功した。このように、本年度、概ね当初計画通りの研究の進展が得られており、順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度までは、厚さが数百nm～数μm程度の非常に薄いSi光起電力層をもつ太陽電池でる微結晶Si太陽電池を対象にしてきた。現在、太陽光発電の分野においては、百μm程度の厚さの単結晶Si太陽電池を数十μm程度まで薄くすることを目指した検討が広くなされている。このような潮流を踏まえ、来年度は、厚さ20μm～50μm程度の薄型単結晶Si太陽電池の光吸収を増大させることを目指して検討を進める計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度は、解析を行うための大型計算機の利用料などに使用する計画であったが、契約量等について再検討を行った結果、予算の縮減が可能となり残額が生じた。研究遂行には支障は生じなかった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
翌年度以降、解析に必要な計算機・ソフトウェアの購入や大型計算機の利用料等に、研究費を使用していく計画である。
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