成果報告書詳細
管理番号20140000000804
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) 低倍率集光型薄膜フルスペクトル太陽電池の研究開発(グラフェン透明導電膜)
公開日2015/5/1
報告書年度2008 - 2012
委託先名富士電機株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約低倍率集光型薄膜フルスペクトル太陽電池を実現するために必要不可欠な、可視光のみならず赤外領域においても透過率が高い透明導電膜の開発を目的に、グラフェン製膜技術の開発とグラフェンを透明導電膜へ適用する技術の研究開発を行った。最終目標(平成26年度)としては、シート抵抗:10 Ω/□以下、透過率: 90% 以上 @ 380 –2000 nmである。グラフェンを透明導電膜に適用するための技術課題としては大面積かつ高品質なグラフェンを実現する製膜を開発することがある。そこで、まず、化学的剥離によるグラフェン合成の追試と合成条件最適化によるシートサイズの大面積化を実施し、最大200 mのグラフェンを得ることに成功したが(当時世界最大)、導電率は数100 S/cmと低い値であった。そこで、CVD・転写によるグラフェンの製膜の追試、およびホール測定による詳細な電気伝導特性の評価と低シート化の課題抽出を実施し、PMMA上のグラフェンにて導電率が約2×104 S/cm (透過率はグラフェンの膜厚換算から90%)を達成した(シート抵抗は250 /□である)。さらにCVDグラフェンのシート抵抗の低減として、金属微粒子の付着対策のためのエッチャントの検討、グラフェンの転写率向上のための転写技術の高度化を実施し、SiO2、石英、PET上に亀裂の無い転写を形成することに成功するとともに、移動度が1000 cm2/Vs以上と1桁向上させることに成功した。このグラフェンのシート抵抗は121 Ω/□、透過率90%(4層換算)である。このCVDグラフェンの太陽電池適用技術として、テクスチャ構造を持つa-Si太陽電池、透明電極上へのグラフェンの転写技術の開発を実施し、テクスチャ構造を持つ太陽電池、透明電極上へグラフェンを転写することに成功した。また、グラフェンを透明電極/p層界面に挿入した太陽電池の作製および特性評価(東工大小長井Grとの共同研究)を行いグラフェンの挿入により開放電圧が30 mV向上することを確認した。以上より、グラフェンを太陽電池に適用できる可能性を見出すことに成功したが、目標値を達成するには至らなかった。
英文要約We performed a study on graphene as a transparent conductive film that have transparency over a wide range of solar spectrum for thin film spectrum solar cells. The target value in FY2014 is 10 Ohm/square with a transmissivity of 90 % or higher in a wavelength range of 380 - 2000 nm. To realize the graphene transparent conductive films, the technical issues are to develop the fabrication of a large-area graphene with a high quality.

Firstly, we have tried a chemical exfoliation which has a possibility of a high productivity with low cost. Over 200 m in sheet size of graphene was successfully obtained by optimization of chemical exfoliation process, however, the conductivity was as high as several hundreds S/cm which is less than the target value. Thus we studied a CVD and transfer method that is expected to enable to fabricate a high quality graphene with a large area, and also with a high conductivity. The CVD graphene on PMMA film shows a high conductivity up to 20000 S/cm which corresponds to a sheet resistance of 250 Ohm/square with 90 % in transmissivity. We also investigated and optimized the transfer process to improve the electrical properties of the transferred graphene. We finally achieved a mobility of graphene up to 1000 cm^2/Vs on any substrates such as SiO2/Si ,quartz and PET film.

The obtained CVD graphene was applied to the a-Si solar cells for increasing the open-circuit voltage. To fabricate the solar cell, we transferred the graphene onto the textured transparent electrode, followed by the deposition of a-Si layers by PECVD on it. With this structure, improvement of 30 mV in open-circuit voltage was achieved.

As mentioned above, it was found that graphene has a potential to improve the performance of solar cells. Further study will be needed to attain higher conversion efficiency by using graphene as a key role.
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