成果報告書詳細
管理番号20140000000803
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 (薄膜新素材)
公開日2015/12/2
報告書年度2008 - 2012
委託先名国立大学法人岐阜大学
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)「低倍率集光型薄膜フルスペクトル太陽電池の研究開発(薄膜新素材)」

プロジェクト「低倍率集光型薄膜フルスペクトル太陽電池の研究開発」のもと、「薄膜新素材」であるアモルファス/微結晶InGaN薄膜とゲストフリーSiGeクラスレート薄膜の開発を行った。多元同時反応性高周波マグネトロンスパッタ法によりInGaN薄膜の室温製膜を行い、GaおよびInターゲットを用いることで微結晶InGaN薄膜を、GaNおよびInNターゲットを用いることでアモルファスInGaN(a-InGaN)薄膜を製膜できることを示した。また、In組成比により、2-2.5eVの範囲でEoを制御できることを示した。Eoが2.1eV、光感度252を示すa-InGaN薄膜を室温にて製膜することができた。また、200℃で製膜することで、光感度を1178に、室温で製膜後のa-InGaN薄膜を200℃でアニールすることで光感度を2500に改善できることを見出した。Mgドープしたa-InGaN薄膜の低温製膜を試み、室温にてp型a-InGaN薄膜の製膜が可能であることを示した。Eo=2.1eVで光感度252を示すa-InGaN薄膜を光吸収層に用いた単接合太陽電池(Asahi-U基板/p型a-SiC:H/i型a-Si:Hバッファ/i型a-InGaN/n型InGaN/Al構造)を作製し、1SUN(AM-1.5、100 mW/cm2)で変換効率1.1%、開放電圧0.52V、短絡電流密度5.64mA/cm2、曲線因子0.38を得た。さらに、p層にp型a-SiO、バッファ層にi型a-SiOを用いたa-InGaN単接合太陽電池を作製して、100℃でアニールすることで、得られた変換効率は0.13%と小さいものの、全層ワイドギャップ材料を用いて作製したa-InGaN単接合太陽電池において、初めて太陽電池動作を確認することができた。クラスレート作製のために、グローブボックス、真空蒸着チャンバー、真空熱処理装置を一体化した専用装置を構築し、大気暴露せずに一連の試料作製を様々な条件下(真空下またはAr雰囲気下300-700-C)で行うことが可能になった。多くの条件を試行し、試料のキャラクタリゼーションを行った結果、高純度のII型Siクラスレートを合成するための最適条件を見出し、その大量合成を行うことが可能になった。さらに遠心分離の手法を用い、試料の純度を98%まで向上することに成功した。作製され高純度化されたクラスレート試料は、XRDによる構造の精密決定や拡散反射と光音響分光法によるエネルギーギャップの評価を行った。II型の構造については、Na含有量に敏感に変化する格子定数を実験的に明らかにし、将来の薄膜合成に役立つ基礎データが得られた。エネルギーギャップに関しては、Na含有量に依らず、約1.7eVであることが初めて実験的に示された。作製された粉末から成形・加工したペレット状試料を用いて光伝導度測定を行った結果、光応答(約1.1倍)が観測された。また、実際の太陽電池応用材料に不可欠な薄膜化についてもいくつかの検討を行った。Si単結晶基板にNaを蒸着し、熱処理を行うことにより前駆体であるNaSi、Siクラスレートの薄膜を作製する事を試みた。XRD測定により、NaSiによると考えられるXRDピークが観測された。また、希ガスドープSiクラスレートの実現を探るため、希ガス混入a-Si薄膜の作製を検討した。その結果、モル比にして約20%ものKrを混入させたa-Si薄膜の作製に成功した。
英文要約Title: Development of thin film full spectrum solar cells with low concentration ratios -novel thin film materials- (FY2008-FY2012) Final Report

We performed research and development on "novel thin film materials" in the research project “thin film full spectrum solar cells with low concentration ratios“. We conducted two R&Ds of amorphous and microcrystalline InGaN films (a- and mc-InGaN) and Si clathrates in order to use those as novel photo-absorption material of thin film full spectrum solar cells with low concentration ratios. Obtained results are summarized as follows. We deposited InGaN films using simultaneous reactive rf-magnetron sputtering at room temperature. The mc- and a-InGaN films were deposited with metal targets (Ga & In) targets and with nitride (GaN & InN) targets, respectively. Optical band gap energy Eo from 2 to 2.5eV was controlled by In composition ratio. The photosensitivity of 252 was obtained in the a-InGaN film with Eo of 2.1eV. The photosensitivity increased to 1178 and 2500 by the deposition at 200-C and by thermal annealing at 200-C, respectively. The p-type a-InGaN films were obtained by Mg-doping. We prepared solar cells using a-InGaN i-layer with Eo of 2.1eV and photosensitivity of 252, a-SiC:H p-layer, and i-type a-Si:H buffer layer. Conversion efficiency of 1.1% was obtained under the irradiation of 1SUN. We also prepared a-InGaN solar cells using a-SiO p-layer and i-type a-SiO buffer layer. Conversion efficiency of 0.13% was obtained in a-InGaN solar cells annealed at 100-C. Therefore, we confirmed a-InGaN solar cells using wide band gap materials in all layers acted solar cell for the first time, although the conversion efficiency was small. We constructed an apparatus for making Si clathrates, which consisted of a grove box filled with Ar, vacuum chambers, and a vacuum furnace. As a result of trial syntheses under various conditions, the process of the synthesis was optimized for making the large amount of the type II clathrate with high purity. The type II clathrate was further purified by a centrifuge separation from the contamination such as type I clathrate and diamond structure Si, and then the weight fraction was improved up to 98%. The lattice constant of the type II clathrate was found to be sensitive to the Na content. The band gap energy Eg was about 1.7eV independent of the Na content. In the sample pelletized from the purified powdery sample, the photocurrent was observed, but only enhanced by a factor of 1.1 under light illumination. In an attempt to fabricate the film form of the Si clathrate, we deposited Na on a single crystal Si substrate, and carried out heat treatment on the sample under Ar atmosphere. XRD signals from NaSi were observed from the sample. In order to obtain rare gas doped Si clathrate films, Kr doped a-Si film was deposited by rf-sputtering with a mixture of Kr and H2 gases. The atomic ratio of Kr and Si compositions (Kr/Si) was increased up to 20% as the Kr gas pressure increased. The Kr/Si in the obtained film was higher than that (17.6%) of the fully Kr doped Type II Si clathrate.
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