成果報告書詳細
管理番号20130000000563
タイトル平成20年度-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)高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発(強相関材料)
公開日2014/7/15
報告書年度2008 - 2012
委託先名独立行政法人理化学研究所
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)高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発(強相関材料)」

 本研究では、バンドギャップより大きなエネルギーを持つ1つの光子から、複数の電子・正孔対を生成して太陽電池の効率を向上する新材料として、強相関電子酸化物の可能性を検証することを目的とした。このような多重キャリア生成には、閉じこめ効果による電子相関効果の増強効果が必要であるため、半導体ナノ粒子を対象とした基礎研究が行われてきた。強相関電子酸化物では元来的に電子相関が大きいため、薄膜・接合形成が可能なスケールで同様の効果が期待できる。これまで広範な物質系で緻密な物性研究が展開された遷移金属酸化物を対象にして、数値シミュレーションと光電物性実験を両輪に多重キャリア生成の原理構築と好適な物質系を探索した。
以下に得られた成果の概要を示す。

I. 数値シミュレーション
 強相関太陽電池の実時間シミュレーション法を新たに開発し、強い電子相関に基づく光誘起の多重キャリア生成現象とこれを用いた太陽光発電の効率向上の基本原理を調べた。そして、強相関電子系の接合系における太陽電池動作を可視化することが出来るアプリケーションプログラムの開発に成功した。多重キャリア生成の鍵となるのは、強相関電子系が示す絶縁体金属転移の不安定性、そして絶縁体ギャップの実時間ダイナミクスである。また、接合系でのバンドギャップの配置も、太陽電池動作の効率向上に重要なことが示された。多重キャリア生成の効果により、バンドギャップのおよそ3倍のエネルギーを持つ光照射による光-電気エネルギー変換効率はおよそ250%増加することが明らかとなった。

II. 光電物性実験
 強相関電子材料中で生成された光キャリアを電流として取り出せることを示すために、様々なモット絶縁体と、バンド絶縁体から成るヘテロ接合を作製し、光照射特性を調べた。光電流作用スペクトルを測定し、モット絶縁体からの少数キャリアを取り出せることを確認した。また、モット絶縁体中の空乏層の存在とその幅を明らかにすることができた。また、光電流作用スペクトル及びキャパシタンス測定の結果から、様々なモット絶縁体のバンドラインナップを構築することに成功した。
英文要約Title:Exploring multi-junction thin-film solar cells with highly ordered structures (Strongly correlated electron materials) (FY2008-FY2012) Final Report

The aim of this research project is to verify the possibility of generating multiple carriers by single high energy photon excitation in correlated electron oxides and extracting these carriers as photocurrent by the internal electric field in heterojunction. Multiple carrier generation is one of the most challenging and promising routes to accomplish substantially high efficiency in future photovoltaics. However, current research is focused on pump-probe experiments using narrow band gap semiconductor nano-particles dispersed in liquid as a colloidal solution to detect multiple exciton generation. This unrealistic system has to be chosen because semiconductor has very low electron correlation. Yet the possibility is unknown, we would like to make use of strong electron correlation is transition metal oxides.
Summary of our achievements is as follows.

I. Numerical simulations
We develop new theoretical method to study the photo-induced insulator-to-metal (IM) transition and its real-time quantum dynamics of correlated electron systems. By the theoretical study, we find the key ingredients for multiplication of particle-hole pairs by high-energy photon, i.e., instability and/or metastability of IM transition, and the photo-induced dynamics of the bandgap. We also examine the real-time photo-induced dynamics of a junction composed of the interacting electron systems to enhance the solar-cell efficiency using the multiplication. The bandgap alignment of the junction is important for high efficiency solar-cell. The theory shows that the photo-excitation by photons having a triple energy of the bandgap gives the ability of ~250% or more larger efficiency by the multiplication in comparison to the case without carrier multiplication.

II. Photoelectric experiments
To extract photocarriers generated in correlated electron materials as electric current, heterojunctions composed of various Mott insulators and band insulators were fabricated, and photo-illumination effects was investigated. By measuring photocurrent action spectra of the junctions, the extraction of minority carriers from Mott insulators could be verified. We could also reveal the existence of a depletion layer and its width in a Mott insulator. In addition, band lineups of the Mott insulators were constructed based on the results of photocurrent action spectra and capacitance measurements.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る