成果報告書詳細
管理番号20130000000589
タイトル平成20年度-平成24年度成果報告書 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) ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(ナノハイブリッド太陽電池)
公開日2014/5/9
報告書年度2008 - 2012
委託先名JX日鉱日石エネルギー株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 件名:平成20 年度-平成24年度成果報告書 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)ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(ナノハイブリッド太陽電池)

1)量子ドット・有機ハイブリッド材料による中間バンド型太陽電池の研究開発:配位子置換したPbS量子ドットを有機半導体と混合した材料を使って試作した太陽電池において、有機半導体よりも長波長側に量子ドット由来の光電流を確認した。また、電子輸送材であるTiO2の表面にPbS量子ドットを有機物のリンカーを介して結合させた状態で過渡吸収測定により多励起子形成(MEG)動作を確認したところ、MEG状態の寿命が短くなった。これは、TiO2粒子への電子注入現象を見ている可能性があり、MEG状態を外部に電流として取り出せる可能性を示唆した。2)ETA(Extreme Thin Absorber)構造による新概念素子の研究開発:ETA構造素子を構成するためのドナー、色素、アクセプターの条件として、光電流を取り出すためのエネルギー準位の適合性だけでなく、ドナー分子と色素分子の相溶性が小さいことが重要であることを見出した。また、そのような色素を使うことで、元のドナーの吸収波長域における量子収率を低下させずに、色素のより長波長側まで伸びた吸収による電流増大効果を得ることができ、変換効率の向上が確認できた。3)金属ナノ粒子構造を利用した光マネジメント材料の研究開発:陽極酸化アルミナを利用したテンプレートをマスクとして金属を蒸着することで、多種多様な金属のナノ粒子アレイを大きさや間隔を制御して作製する技術を確立した。また、ETA構造素子に近い素子構造を持つ有機薄膜太陽電池に金属ナノ粒子アレイを組み込む技術を開発し、広い波長範囲で外部量子収率が10%向上することを確認した。4)表面修飾技術開発(ナノ構造修飾):FDTD計算を用いたシミュレーションで、金属ナノ構造の形状を最適化し、光マネジメント未適用に比べて量子井戸太陽電池の量子井戸部分の吸収を4.5倍とできる構造を設計した。また、厚い基板を有する太陽電池の裏面に金属ナノ構造を適用した際の効果を予測するために、FDTD法と光線追跡法を組み合わせた手法を開発し、実験結果をよく再現することを確認した。また、半絶縁基板上に作製した量子井戸太陽電池の裏面に金属ナノホール構造を適用することで光マネジメント未適用と比べて量子井戸部分の吸収が約1.7倍になることを実験的に確認した。さらに成長基板を取り除いた薄型量子井戸太陽電池においても約3.2倍相当の吸収増大効果を確認した。
英文要約Title:New Energy Technology Development:R&D for Innovative PV System Technologies: Post-silicon solar cells for ultra-high efficiencies (FY2008-FY2012) Final Report

1) Quantum dot-organic semiconductor composites: By adding ligand exchanged PbS quantum dots to organic bulk heterojunction solar cells, enhanced quantum efficiency in longer wavelength than pristine solar cells was observed, which is attributed to the absorption of quantum dots. We also conducted transient absorption measurement. A shortened lifetime of multiple excited state of PbS quantum dot was observed only when dots were attached on TiO2 by a short organic linker, which indicates possible carrier extraction of multiply generated excitions to external electrodes. 2) Cells based on extremely thin absorber (ETA) layers: We find that a small miscibility between donor polymer and dye is a crucial factor to make efficient ETA cell to keep quantum efficiency other than the energy-level alignment between donor and polymer. Using such dye, we could extend the absorption and the quantum efficiency to longer wavelength, then we achieved enhanced short circuit current and conversion efficiency. 3) Plasmonic metal nanoparticle structure: Using anodic aluminum-oxide template as an evaporation mask, we fabricated nanoparticle arrays of various metals with controlled size and spacing. Applying a metal nanoparticle array to an organic photovoltaic cell, we achieved 10% enhancement of external quantum efficiency in a broad wavelength range. 4) Light management for quantum structured solar cells: We optimized the metal nanostructure on the backside of quantum-well solar cells using FDTD method. 4.5 times larger absorption of thin quantum-well layer is expected by the optimized structure. We developed the method to predict the performance of actual solar cells on thick-substrates using both FDTD and ray-tracing method. We confirmed the accordance between the predictions and the actual performances. We experimentally achieved 1.7 times larger absorption of the quantum-well using metal nano-hole structure on the backside of quantum-well solar cells on semi-insulating GaAs substrate. We also achieved virtually 3.2 times absorption enhancement in substrate-free quantum-well solar cells.
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