成果報告書詳細
管理番号20110000000816
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 新エネルギー技術開発 革新的太陽光発電技術研究開発 革新的太陽電池評価技術の研究開発
公開日2011/8/5
報告書年度2009 - 2010
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約A.要約
1.集光型多接合太陽電池評価技術
a)集光型太陽電池屋内評価技術
集光型太陽電池セル性能を屋内で高精度に評価するため、照度およびスペクトル調整可能な高照度パルス光源を導入し,高照度(50~1000sun以上)における集光型多接合太陽電池セルの屋内測定を可能とした。セル+光学系から成る集光型太陽電池ユニットの性能評価においては,直達基準太陽光と同等の分光スペクトル(スペクトル合致度クラスA)を持ち,かつ太陽光およびユニット許容角と同程度の極めて小さい視野角約0.5度~1度(全角)の評価用光源を開発・導入し,ユニットの屋内測定を可能とした。米国NRELを訪問しての評価技術交流,及び同一サンプルによる国際比較測定等を含めた測定精度の検証を行った。
b)集光型太陽電池屋外評価技術
 多接合型太陽電池の発電量予測モデルを日米共同で開発するために,国内外の3種の多接合型太陽電池を使用した集光型太陽光発電設備(30kW)を岡山市とコロラド州に設置し,異なる気候環境下での実際の発電データを取得した。両システムには,IV特性測定機を付設し,気象パラメータと同時測定することで,日射スペクトル等が集光型多接合型太陽電池の発電性能に影響を及ぼすことを実証的に明らかにした。
2.薄膜多接合太陽電池評価技術
a)革新的薄膜多接合太陽電池性能評価技術
ミクロなレベルでの多接合太陽電池の評価を行うことを目的に,薄膜の微少領域での組成分布測定が可能な太陽電池材料組成分布評価装置を導入した。この装置を用いてCuInGaSe2(CIGS)系薄膜太陽電池の評価を開始した。CIGS光吸収層の組成やZnO窓層におけるドナー型不純物の面内均一性に関する評価を実施した。またモノクロx線源装置を用いた光電子分光測定と分光エリプソメトリー装置等を用いたバンドギャップ測定より得られるヘテロ接合界面のバンドオフセット量が新規太陽電池開発に有効である事をa-Si1-xGex:H/c-Geへテロ接合型太陽電池を用いて確認した。また,太陽電池評価用走査型プローブ顕微鏡を用いて,薄膜多接合太陽電池の発電特性を支配する微視的構造及び特性の劣化要因となる微視的欠陥を評価した。具体例として多接合薄膜シリコン太陽電池の中間層として適用される異相が混在する透明導電層の導電特性の評価、高移動度透明導電膜の薄膜構造評価を行った。
 単結晶有機半導体による新概念太陽電池の研究開発において,有機半導体C60とSiとのヘテロ接合単結晶太陽電池の作製を行っている。Si(100)単結晶基板上に成長したC60結晶の方位,結晶性を薄膜用試料水平型X線回折装置により精密に評価した。その結果,特定の方位でエピタキシャル成長していることを確認し,Si基板上での単結晶有機半導体の薄膜作製および太陽電池化の可能性を示した。更に,p型有機半導体であるルブレンの単結晶を作製し,その上でC60(n型半導体)がエピタキシャル成長していることも確認した。これにより有機半導体の単結晶ヘテロ接合作製の可能性を初めて確認した。
従来より広いスペクトル領域で感度特性を有するSi系以外および3接合以上を含めた革新的材料および構造を持つ薄膜多接合太陽電池評価のために,太陽光スペクトルをカバーする波長の光源としてフェムト秒レーザーを光源とし時間分解発光スペクトル測定法を行い、太陽電池材料となり得る過渡応答材料の性能評価を行った。
b)革新的薄膜多接合太陽電池信頼性評価技術
革新的太陽電池およびそれに用いられる新材料の部材・組成・不純物等評価および基本的な光・熱等の環境に対する信頼性を検証するために,以下の装置の導入と材料の評価を行った。「太陽電池材料信頼性加速試験装置」を設計・仕様の検討を行い,入札後,つくば研究センター第二事業所内に導入した。この装置は,光源としてLEDを用いることを特色としており,この特色を活かした長時間(5万時間)ランプ交換無しで連続運転も可能である。また,LED光源は所定の照度で安定するまでの時間が短時間で可能であることを活かした光デューティサイクル試験や特定部位ごとに照度を変えることができるため,ホットスポット試験とダンプヒート試験などを組み合わせた試験方法も可能である。また,封止材料として,EVAのラミネーション条件と架橋率の関係を実験的に把握した。
英文要約Precision indoor measurement technologies for CPV cells and units have been developed by using a high intensity pulsed solar simulator with the irradiance/ spectrum adjustability and a highly parallel continuous solar simulator. We have also carried out a indoor comparison measurement of the concentrator solar cell with NREL to verify the measurement technology by comparing the results. 30 kW CPV systems were installed for evaluations of power generation characteristics in Okayama, Japan and Aurora, CO, U.S. The evaluations of power generation characteristics of three different types of concentrator solar cells under different environment conditions were carried out for analysis of factor to contribute to the characteristic of the CPV systems. The impact of spectrum and some other factors on concentrator multi-junction solar cell was confirmed from the measurements both meteorological data and CPV system's characteristics data.
As for the characterization technologies of innovative thin film multi-junction solar cells, the microscopic distribution of the composition of CuInGaSe2 (CIGS) based thin-film solar cells were investigated by electron probe microanalysis. The distribution of the composition near the nucleus on the CIGS absorber was investigated. It indicated that the signal intensities of Cu, In, Ga and Se are weaker, while those of Na and O are stronger. It suggests that the nucleus is made of excessive diffusion of Na from the sodalime glass substrate. The mechanism and origin of the nucleus will be further investigated for further improving the solar cell performance. It has been confirmed that photoemission spectroscopy using monochromatic x-rays source and spectroscopic ellipsometry are useful techniques to investigate band alignment of solar cells. In this study, we have applied this technique to a-Si1-xGex:H/c-Ge hetero-junction solar cells. Also, the microscopic characterization of several component materials in thin-film multi-junction solar cells has been performed by means of scanning probe microscopy. Anisotropic electric conduction properties in a mixed-phase intermediate reflector and the film structure composed of anomalously large crystal grains in a high-mobility transparent conducting oxide films have been confirmed.
In order to develop single crystalline organic photovoltaic cells, we have controlled the crystal growth of organic semiconductors onto inorganic and organic crystal substrates. We confirmed the epitaxy of C60 crystals onto Si(100) substrates by using grazing incidence X-ray diffraction methods. Also, we observed the organic -organic hetero-epitaxy of C60 crystals onto rubrene single crystal surface for the first time.
As for the reliability characterization technologies for the innovative thin film multi-junction PV devices, a test apparatus which applies light and thermal stresses were introduced, in order to evaluate new materials which is used for the novel photovoltaic cells.
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