| 研究課題/領域番号 |
19K04544
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
齋 均 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員 (50462825)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 太陽電池 / エネルギーハーベスティング / フォトニック結晶 / アモルファスシリコン |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、エナジーハーベスティングデバイスの抜本的な高効率化を目指し、フォトニック結晶構造の適用により従来技術を凌駕する光吸収増強効果を得ることを目的とする。本研究で対象とするエナジーハーベスティングデバイス太陽電池（EHPV）の材料には最も一般的なアモルファスシリコンを想定する。単色光を含む幾つかの典型的な入射光スペクトルを想定し、それに対して光吸収増強効果を最大化するフォトニック結晶構造を探索する。フォトニック結晶構造には様々なものがあるが、本研究では、薄膜系EHPVに実装することを想定し、面内方向にのみ周期を有する２次元構造に限定して検討を行う。
初年度（2019年度）は、光学計算環境を整備し、EHPV向けのフォトニック結晶構造を探索するための光学解析に関する基礎的な検討を行った。
2年度（2020年度）は、前年度の知見に基づき、光学解析を用いてEHPV向けのフォトニック結晶構造の探索を行った。面内方向に周期性を有する2次元構造を持つフォトニック結晶構造を想定し、これをEHPVデバイスの裏面側に配置し、光吸収効果を最大化する構造を探索した。また、デバイス実証用のEHPV向けのアモルファスシリコン太陽電池の開発を行い、基準太陽光下での評価で発電効率9%を確認した。
3年度（2021年度）は、光学解析を更に進め、最終的なEHPV向けフォトニック結晶構造の設計を行った。光吸収増強効果と発電層の成長を両立できる構造を検討し、主として可視光で効率的に機能するフォトニック結晶構造を選定した。また、デバイス実証用のEHPV向けアモルファスシリコン太陽電池に関しては、昨年度作製した片面受光型に加え、EH用途に特に有利と思われる両面受光型を検討し、適切な設計とプロセス条件の選定により、両面受光型でも片面受光型素子と遜色ない特性を実現した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
3年度目となる2021年度は、光学シミュレーションに基づくEHPV向けのフォトニック結晶構造の構造探索を実施した。昨年度まで得られた結果も踏まえて、光吸収増強効果と発電層の成長を両立できる構造を検討し、主として可視光で効率的に機能するフォトニック結晶構造を設計した。さらに、デバイス実証用のEHPV向けアモルファスシリコン太陽電池に関しては、昨年度作製した片面受光型に加え、EH用途に特に有利と思われる両面受光型を検討した。透明導電膜を備えたガラス基板を活用し、表裏両面ともに透明電極を備える形態とすることで、両面受光型アモルファスシリコン太陽電池素子を開発した。基準太陽光下の発電効率として8%超を得ることに成功し、昨年度開発した片面受光型素子と遜色ない特性を実現した。なおフォトニック結晶構造の作製については、使用予定であった共用クリーンルームにおいて、新型コロナウイルス感染予防対策や大規模改修工事に伴って装置利用が大きく制限されたため、当初の予定通りに進捗させることが出来なかった。このため、次年度において、この部分に集中的に取り組み、研究目標を達成することを目指す。
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| 今後の研究の推進方策 |
2022年度は、解析結果とEHPVデバイス試作の結果を統合し、本研究課題の主眼である「フォトニック結晶構造の適用により従来技術を凌駕する光吸収増強効果を得ること」を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナ対策等により当初予定していた共用実験設備の利用ができず実験が予定通り進捗しなかったこと、出張が発生しなかったことによる。支出はゼロであったが、研究は実施している。
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