成果報告書詳細
管理番号20150000000282
タイトル平成20年度ー平成26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(高度光閉じ込め技術)
公開日2016/4/22
報告書年度2008 - 2014
委託先名国立大学法人大阪大学大学院基礎工学研究科
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 薄膜系太陽電池の高効率化に必須な光閉じ込め技術を巡り、金属ナノ粒子におけるプラズモン(局在表面プラズモン)波長選択性光散乱効果を活用した新技術の研究開発を行った。プラズモンの光散乱・ヘイズスペクトル特性は、金属ナノ粒子のサイズ・形状、そして、それを包含する環境媒質により決定されていることを確認し、微結晶ならびにアモルファスシリコン太陽電池の光電流増強に資するヘイズスペクトルを有するプラズモン裏面光拡散反射層の設計・試作に成功した。これらの裏面光拡散反射層の光電流増強効果を検証するために、微結晶ならびにアモルファスシリコン単接合太陽電池を作製し、特に、600?1200 nm波長領域での光吸収端スペクトルがなだらかである微結晶系太陽電池において、一般的なランダムテクスチャー裏面光拡散層を採用した場合に比較して、7?35 %の量子効率増大、また、光電流値にして8 %の向上を達成した。この結果は当初目的としていた光増強効果を達成し、さらにこれを利用した電流増加量として妥当な値である。アモルファス系太陽電池においては、500?700 nm波長領域での光吸収端スペクトルが先鋭なため、一般的な裏面光拡散層利用に比べて、1 %程度の光電流増強に留まるとの結果を得た。さらに、太陽光入射窓側、また、多接合太陽電池の中間層への適用についても、実験およびモデルシミュレーションを行ったが、プラズモン自身による光吸収損失の抑制が困難なため、大幅な有効光閉じ込め効果は期待できないであろうことが判明した。本研究開発を実施したことにより、プラズモン光拡散層の優位性を確認・検証することができたが、同時に、多接合太陽電池の高効率化に向けては“適材適所”的な応用を行わなければならないとの結論に至った。そして、そのためのプラズモン選択や光学的構成についての指針を得られたことが、本研究開発の最大の成果と言える。
英文要約 The light trapping and multi-junction technologies are both indispensable for achieving high efficiencies in thin film Si solar cells. It is then required, for example in case of triple junction cells, the front-, back- and inter-cell layers have to be designed to scatter light of specific wavelength regions. Such a wavelength-selective scattering is likely quite difficult in the conventional textured surface approaches, while the localized surface plasmon polariton (LSP) associated with nano-sized metal particles (NP) is expected to offer us a possibility to tune the light scattering wavelength, by controlling the metal particle size, shape and surrounding media conditions. The objective of this work is to examine the availability of the LSP technology for high efficiency thin film solar cells.

We have performed a systematic experimental studies on the tunability of scattering wavelength in the simplest sample structures; i.e. a) Ag NP/ZnO/glass and b) ZnO/Ag NP/ZnO/glass in which Ag NPs are about 200 nm in the mean horizontal diameter and well isolated each other. The transmittance and reflectance spectra of a) and b) samples exhibit twin featured structure owing to ellipsoidal LSP resonant light scattering effects. The shift of the resonant wavelengths found between a) and b) is indicative of ?surrounding media effect?, which clearly demonstrates the scattering wavelength tunability over a wide spectral region of our interest. The sample b) shows a large white-light transmittance Haze of around 35% with a low surface roughness as low as 24 nm, that can never be obtained in conventional textured surfaces. We have then tried to fabricate c) ZnO/Ag NP/ZnO/Ag/glass samples in order to apply for the backside-diffusing reflector in ?c-Si single solar cell, and characterize the reflectance Haze and total reflectance spectra. It appears that, if the size of Ag NPs is well designed, the novel LSP substrates c) exhibit quite high reflectance Haze of 80% on average in the wavelength region from 600-1100 nm, which is most important to enhance the photocurrent of ?c-Si solar cells.

Based upon the experimental observation, we have attempted to apply the Ag NP LSP for the backside-diffusing reflector in ?c-Si single junction device; the structure was ZnO / p-i-n ?c-Si with sample c). The external quantum efficiency of the device is found greater by 7-35 % in the spectral region 600-1100 nm as compared with that of a reference device fabricated on the Asahi U, resulting in a 8 % improvement in the AM1.5 photocurrent, as well as the conversion efficiency. Also challenged was an application of Ag NP LSP for a-Si solar cells. We have confirmed that test a-Si solar cell provided with specifically tuned Ag NP LSP backside-diffusing reflector exhibits almost the same level of photocurrent as compared with that fabricated on the Asahi VU. The results convince us of the usefulness of NP LSPs in the light management technologies in thin-film Si solar cells.
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