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本研究課題ではこれまでに、ショックレー・クエイサー(SQ)理論に基づく効率計算、QSGW法による電子状態の精密計算などを用い、第一原理電子状態計算に基づく高効率太陽電池材料のシミュレーターの開発を進めてきた。最終年度であるH28年度には、これまでの知見を総合し、近年になって合成された擬ウルツ鉱型CuGaO2(CGO)に注目し、環境調和性の高い全酸化物太陽電池材料のデザインの為に、以下の3点について計算とデザインを行った。
(1)「 バンド構造の精密計算とSQ理論による効率限界の計算」: 結晶構造の精密な最適化を行い、CGOの計算には従来のHSE06計算で用いられているαパラメーターの微調整が必要であることを明らかにした。α=0.35とすることで、結晶構造と同時にバンドギャップをよく再現することができ、SQ理論によると薄膜においても25%程度の効率を達成する可能性があることが示唆された。
(2)「 p型伝導の起源とn型化の可能性の検討」: 格子欠陥や不純物の形成エネルギーの精密計算とCOHPと呼ばれる方法による化学結合解析に基づき、実験で観測されているp型伝導がCu空孔による可能性が高いことを突き止めた。同時に、Cu空孔の形成が非常に簡単に起こることから、不純物の添加によってもn型化することが非常に困難であることを指摘し、可能性の高い不純物としてCdを提案した。
(3) 「ZnOとの界面を用いたヘテロ構造太陽電池の提案」:CGOのn型化が難しいことから、本物質においては通常のpn接合による太陽電池の実現は困難である。しかし、ZnOとCGOの界面がタイプ2であることを第一原理計算により明らかにし、このヘテロ界面を用いることで全酸化物環境調和太陽電池の作成が可能であることを指摘した。
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