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本研究課題では、薄膜Si太陽電池における光吸収を、フォトニック結晶ナノ構造を用いて増大させ、ひいては光電変換効率向上のための構造設計に取り組んできた。これまでに、厚さ2μm程度の微結晶Si太陽電池、厚さ20μm程度の薄膜単結晶Si太陽電池を対象して解析を行い、フォトニック結晶ナノ構造による光吸収の増大効果が見られ、かつ、本設計に基づいた実験においても、理論とよく対応した光吸収スペクトルが得られた。
本年度は、企業との共同研究を通じ、より製品に近い厚さ50μm程度の薄膜単結晶太陽電池を対象とした検討を実施した。その際、実素子の構造を反映し、空気からSi層へ直接入射する構造ではなく、屈折率が空気よりも大きい、太陽電池の劣化を防止するための封止材を通して入射する構造を考えた。また併せて実素子で用いられている材料の光吸収の屈折率や光吸収係数を正確に取り込んだ解析を行った。解析には、厳密結合波解析法（RCWA法）を用いた。フォトニック結晶の格子定数やフォトニック結晶深さ、またフォトニック結晶構造をパラメータとして、光電流の計算を行い、光電流が大きくなる構造の探索を行った。この結果、格子定数1600～2000nm、深さ1600～2000nmの円錐形状空孔の三角格子フォトニック結晶を用いることで、39.2mA/cm2の光電流が得られることが判明した。さらに、円錐の頂点位置をわずかにシフトさせ、格子点形状に非対称性を導入することにより、39.4mA/cm2まで光電流が増大することが判明した。この値は、ランダムテクスチャ構造と同等から少し上回る値であり、実用上も有用な構造であると考えられる
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