成果報告書詳細
管理番号20150000000405
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) ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(集光型多接合)
公開日2016/4/22
報告書年度2008 - 2014
委託先名豊田工業大学
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)「ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(集光型多接合)」

1.多接合太陽電池評価解析: 格子不整合系バッファの歪緩和過程を、世界で初めて3次元X線逆格子マッピングでリアルタイム観測し、転位密度の低減化に有効とされるオーバーシューティング(OS)層が歪緩和過程に与える効果を検討し、OS層の膜厚によりトップ層の歪を圧縮歪から引張歪に制御できること、生成される欠陥が大きく異なることを示した。微傾斜基板のオフ方向が転位の種類の異方性に与える影響を検討した。[110]方向にオフした微傾斜基板では、転位の異方性が大きいことにより、転位の対消滅が促進され、転位密度の低減に有効であることが示唆された。: 2.多接合太陽電池集光動作解析: 開発した3D動作シミュレータを用いて太陽電池セル内部抵抗における消費電力の解析を行った。光が集中した場合、各サブセルの電流ミスマッチは、ミドル層およびボトム層での消費電力の増加の原因となった。屋外において集光型太陽電池モジュールの動作温度の詳細な測定を行った。熱解析シミュレータを用いて太陽電池セルにかかる熱ストレスの解析を行った。日射が太陽電池セル中心部に集中する場合、均一に印加する場合で、セル温度を解析した。本手法は、集光型太陽電池のレンズへの光の入射から、動作特性まで解析と最適化が行える。高効率集光型太陽電池の開発に有効である。: 3.III?V系オン・シリコン構造: Si基板上に良好なGaAsを成膜させる手段として、III-VI族層状化合物(InGa)2Se3をバッファ層に用いる事を検討した。GaAs(111)基板上に単相で層状構造In2Se3を得るための条件を確立した。宮崎大学では、ALE法およびMBE法を併用し、加工Si基板あるいはSiO2マスクパターン付きSi基板上へのGaAs薄膜の作製を試みた。加工基板上へのGaAs成長において、{111}ファセット上へのナノワイヤー(NWs)の形成を確認し、NWsもしくは薄膜を作り分けられる条件を見いだした。一方、マスクパターン付きSi基板においては、マスク開口部への均一なGaAs成膜に成功した。: 4.GaInNAsミドルセル(CBE): GaAsN材料の欠陥評価と高品質化に重点をおいて研究した。CBE法により成長したGaAsN膜において、0.9nsの少数キャリア寿命を達成した。N濃度を増加しても少数キャリア寿命が低下しない成膜条件を見出した。詳細な欠陥解析により、残留キャリアの要因ともなるN-H複合欠陥や、窒素起因の再結合中心に関する理解が深まった。GaAsN材料の高品質成膜が可能になった一方で、試作したGaAsNホモ接合太陽電池の変換効率は7.2%に留まった。電極形成などのセル作製プロセスに主な問題があることを示された。現状で得られているCBE成長GaAsN膜の特性を基に、4接合太陽電池のデバイスシミュレーションを行った。1 eV GaInNAs のトラップ密度が現状のGaAsN の場合と同じであると仮定すれば、4接合太陽電池において、約1000倍集光で45%の変換効率が達成可能であることが予想された。: 5. 窒素系結晶成長の理論解析: 成膜条件や欠陥に関する理論計算を行い、成長中の表面再構成構造と空孔・水素不純物混入の相関について明らかにし、欠陥を低減する成膜条件を提示した。また点欠陥・複合欠陥の格子振動数を解析した。
英文要約Title:R & D on Innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program) "Research and Development of Post-silicon solar cells for ultra-high efficiencies (Concentrator Multi-Junction Solar Cells)" (FY2008-FY2014) Final Report

1. Analysis of multi-junction solar cells: Real-time structural analyses of compositionally step graded InGaAs/GaAs(001) layers were performed at SPring-8 for lattice-mismatched tandem solar cells. From asymmetric 022 reflections by in situ X-ray reciprocal space mapping, we found that the top layer is almost strained to overshooting (OS) layers, and it is independent on thicknesses of the OS layers. This implies that the strain of solar cell active layers can be controlled from compression to tensile by changing the OS layer thickness.: 2. Analysis of materials and cells under concentrator operation: A 3-dimensional (3D) equivalent circuit model for triple-junction solar cell was developed. And, a temperature characteristic analysis of the single-junction solar cells (InGaP, InGaAs and Ge solar cells) was carried out using temperature analysis function of the simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). By using 3D equivalent circuit model for triple-junction solar cell and SPICE calculation, the operating characteristics of triple-junction solar cell were calculated. We can use this total simulator for the evaluation and optimization from the light incidence to operating characteristic of CPV modules.: 3. III-V on Si structure: We propose novel buffer layers consisting of the layered defect zincblende (InGa)2Se3 compounds for the GaAs on Si(111) system. Epitaxial layered In2Se3 were successfully grown on GaAs(111). III-V thin films were grown on Si substrates using atomic layer epitaxy and molecular beam epitaxy. To improve film properties, the Si substrates were modified by wet etching or SiO2 masks. In the modified Si substrate cases, nanowires and thin films were formed on the substrates, and we found growth conditions to fabricate thin films. In the case of SiO2 masks, flat and uniform GaAs thin films were successfully grown on the substrates.: 4. Development of GaInNAs middle cell by CBE: Optimum conditions of step direction of substrate surface and growth rate are discussed to obtain higher N composition and good material quality. Carrier lifetime was improved to be around 1 ns. Carrier trap levels and those assosciations with recombination centers in GaAsN are disscussed. Also those relationships with residual acceptors and N-H complex are disscussed. Homo-junction GaAsN solar cell was fabricated and the efficiency was 7.2%. Further improvement should be possible by optimizing device properties such as contact resistance. 1 eV GaInNAs solar cell with p-i-n structure is expected to obtain Jsc higher than 14 mA/cm2. The efficiency of 4-junction solar cell with the property of 1 eV InGaAsN is expected to be over 45% at 1000-sun.: 5. Crystal growth simulation for III-V-N materials: Optimum conditions of V/III flow ratio and N composition were found by calculation. Effect of lattice strain and types of sources are considered. The formation of vacancies and incorporation of impurities are disscussed.
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