成果報告書詳細
管理番号20110000000650
タイトル*平成22年度中間年報 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業)高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発(フッ素系イオン制御プロセス、pn接合内蔵CNT)
公開日2011/8/25
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
(1) ゲルマニウム系ナローギャップ材料の開発
1-1-1 研究の背景と本研究の目的
高効率の太陽電池のためには低エネルギーフォトンの有効利用が必須である。二光子吸収は非集光の低強度では困難と考えられるのでナローバンドギャップEg=0.7eV の材料開発が必要と考えられる。そのため、ゲルマニウム薄膜単結晶材料の開発を行う必要がある。
従来の薄膜堆積技術としては正イオンと電子で構成された反応性プラズマが用いられてきた。しかし、これらのプラズマでは正イオンエネルギーが高いために物理的な衝撃やプラズマから発生する紫外線による欠陥生成がデバイス特性を大幅に劣化させるため、大きな課題となっている(図1左)。その問題を解決するために我々はビームプロセス技術を開発している(図1右)。
このビーム技術では、プラズマと基板の間にカーボン電極が設置され、その電極にアスペクト比1~10 の穴が開口率50%で形成されている。さらに、プラズマ生成はパルス変調プラズマを用い、生成された負イオンを高アスペクトアパーチャ∸で中性化する中性粒子ビームや負イオンを中性化せず、そのまま加速する負イオンビームを高効率・高密度・低エネルギーで形成できる。この装置を用いることで、基板表面に損傷を与えることなく、低温で微細加工や薄膜堆積が実現できる。本研究では、中性粒子ビーム、負イオンビームを用いてゲルマン系ガスとの気相反応解析および表面反応解析により、より低温で欠陥や不純物の少ない結晶質ゲルマニウム系薄膜成長の可能性実証を行う。本年度は、高分子量の有機金属化合物(MO)プリカーサを用いた成膜の検討を行った。
英文要約Title: Research and Development on Innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program)(FY2008-2012) FY2010 Annual Report
For the improvement of efficiency of solar cells, the effective use of low-energy photons and the development of novel-concept solar cells are required. For the effective use of low-energy photons, the development of material with narrow band-gap, especially crystallized Germanium thin film, is needed. Conventionally, plasma-enhanced chemical-vapor-deposition, PECVD, has been used for thin film deposition, however, the precursors are significantly dissociated by high-energy electron’s collision in PECVD, which shows the difficulty of controlling the structure by PECVD. Furthermore, the UV irradiation enhanced the precursor dissociation and generates the defect on the surface of deposited film. This makes it very hard to control the film structure. To solve the problems, we have developed a new beam technology. In this beam technology, the UV irradiation and the high-energy electrons can be controlled, which means the film structure can be precisely controlled by beam flux. We have applied beam CVD to the crystallized Germanium film formation. The vapor and surface reaction by using the neutral beam and negative ion beam with Germanium gas results in the low-defect, low-impurity crystallized Germanium thin film. This year we used metal-organic (MO) precursor to achieve higher deposition rate. Usage of hydrogen neutral beam could reduce residual carbon in the film.
In this work, semiconducting single-walled carbon nanotubes (S-SWNTs) are used to fabricate p-n heterojuctions with n-type Si substrate in order to harvest the near infrared solar energy. Our results have demonstrated that S-SWNTs can be used to convert the near infrared light (800-1650 nm) into the electrical energy. The performance of solar cells based on C60 fullerene encapsualted S-SWNTs is much better than that observed in solar cells fabricated by C60 fullerene encapsulated SWNTs containing both metallic and semiconducting SWNTs. The short circuit current is increased due to the density increase of C60@S-SWNTs. In addition, it is found that when the light photon energy exceeds two times the first van Hove transition energy of S-SWNTs (E11), the efficiency suddenly increases, suggesting the possibility for the occurrence of multiple exciton generation.
In addition, we have successfully made solar cell using individual SWNT in which the nano p-n junction is created. The diode transport characteristic is also found in nanodevices fabricated by the K partially-encapsulated individual SWNT. The short-circuit current (158 pA) and open circuit voltage (0.945 V) are observed under light illumination. The maximum power conversion efficiency is up to 23% under illumination of 1650 nm light.
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