| 研究課題/領域番号 |
19H00773
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| 研究機関 | 東京都市大学 |
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研究代表者 |
小長井 誠 東京都市大学, 付置研究所, 教授 (40111653)
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| 研究分担者 |
石川 亮佑 東京都市大学, 付置研究所, 准教授 (50637064)
齊藤 公彦 福島大学, 共生システム理工学類, 特任教授 (70704203)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 太陽電池 / アモルファスシリコン / 多接合太陽電池 / 両面受光 / IoT機器用電源 |
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| 研究実績の概要 |
IoT機器に用いられるセンサーなどの自立電源として、集積化構造を用いなくても高い動作電圧が得られる５接合、６接合太陽電池を開発することを目的に3項目のサブテーマを実施し、以下の成果を得た。
（１）高電圧・両面受光 5 接合、6接合 Si 薄膜太陽電池：p/i/n 構造からなる5接合、6接合アモルファスSi太陽電池を分離方式プラズマCVD装置により形成した。低照度下で高い動作電圧を得るため接合の漏れ電流を極力抑制する製膜技術開発を行い、漏れ電流を極力低下させることに成功した。その結果、ガラス基板上6接合太陽電池で100 luxの低照度下、3.5 Vの開放電圧を得ることができた。また、ポリイミド/ガラス基板5接合太陽電池で3.0 V (1000 lux) の開放電圧を得ることができた。さらにポリイミドをコーティングしたガラス基板からフレキシブル太陽電池をはぎ取ることが可能となった。
（２）グラフェンを用いた剥ぎ取り・貼り付け技術：2020年度は、グラフェン薄膜上にシングル接合型アモルファスSi薄膜太陽電池を形成し、ガラス基板から引き剥がすことに成功した。具体的にはシリコーン樹脂膜を積層化し、熱的な刺激を与えることで引き剥がした。さらに、フレキシブル基板上のグラフェン、グラフェン/ITO、ITOの各膜について繰り返し曲げ試験を行った結果、グラフェンのシート抵抗の変化率が最も小さいことが明らかになった。
（３）光学マネージメント：2019年度に行った設計をベースに、30mm角、厚み4.8mmガラス基板に対し、表面側中央部に幅6mm×長さ30mmの両面受光型太陽電池貼り付けエリアを設け、更に、表面側から入射した光を太陽電池裏面に反射させる反射部位を、ガラス基板裏面かつ丁度太陽電池の両側に来るような位置に幅3.1mm×長さ30mmで設けた基板の試作を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2020年度は、当初の計画以上に進展した。まず、研究開発当初、2,000lux以下の低照度領域で開放電圧が急激に減少する現象が見られた。従来、光閉じ込め効果を期待して、凹凸構造を有するSnO2透明導電膜付きガラス基板を用いていたが、この凹凸構造が原因で接合の漏れ電流を招いていることを見出し、問題解決のため平坦な透明導電膜であるITOを用いた。これによって大幅に漏れ電流が減少し、50luxという超低照度でも動作が可能な太陽電池が実現した。これらの成果は、国外からも高い評価を受けており、ポルトガルで開催された（実際はオンライン開催）第37回EUPVSEC（欧州太陽光発電国際会議）へ投稿したところ、前年度に引き続いて投稿された約1,000件の論文中、査読結果が上記30位以内にランキングされた。さらに、インパクトファクターが7.690と高いProgress in Photovoltaics誌への投稿を2年連続で招待されるに至り、この論文はすでに出版されている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度（最終年度）は、フレキシブル化技術を完成させるとともに、これまでに考案した光学マネージメント技術を実デバイスに導入する。
(1)高電圧・両面受光 5 接合、6接合 Si 薄膜太陽電池の高性能化： 低照度下での太陽電池特性のいっそうの性能向上を目指し、６接合を対象とした各膜厚の最適設計を理論、実験両面から行う。特に、これまでの太陽電池特性がp層、n層などのドーピング層の膜厚や品質に大きな影響を受けていることが明らかとなっており、これまでの光吸収層に加えてドーピング層の最適化を行う。また、これまでに成功しているポリイミド/ガラス基板への製膜の研究成果をもとに、ポリイミドフィルム基板上に直接アモルファスSi６接合を製膜する技術を開発する。これらの成果をもとに、任意のサイズに切り取り可能なフレキシブル６接合Si薄膜太陽電池を実現するとともに、成果をとりまとめ学会発表を行う。
(2)グラフェンを用いた剥ぎ取り・貼り付け技術： 2020年度は、グラフェン上の単接合アモルファスシリコン太陽電池をガラス基板から引き剥がしすることに成功したため、本年度はこれを５接合、６接合太陽電池に展開する。また、グラフェンを用いた貼り付け技術を用いて裏面での光学マネージメント構造を導入することにより最終的な両面受光型フレキシブル太陽電池を実現する。
(3)光学マネージメント： 2021年度は、2020年度に試作を行った、片面受光した光の一部をアモルファスシリコン太陽電池の裏面側に導入可能となる基板に、東京都市大学で開発したフレキシブル5接合、もしくは、6接合両面受光型太陽電池を貼り合わせ適用し、片面受光で両面受光特性が得られることを実証する。
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