成果報告書詳細
管理番号20150000000752
タイトル平成22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(広帯域AlGaInN)
公開日2016/4/19
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人名古屋大学
プロジェクト番号70015
部署名新エネルギー部
和文要約平成22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(広帯域AlGaInN)」
a. +c面InGaNシングルセル太陽電池に関して、光取り込み効率向上のため、p-GaNへのグリッド電極やITOの利用などにより、2012年当時、GaN基板上に世界最高である4%の変換効率を達成した。一方で、精密なシミュレーションから、+c面セルの変換効率は数%が限界であることも明らかにした。
b. 従来の+c面に加えて、半極性面や無極性面、及び?c面についてもシミュレーションを行った。シングルセルの無極性面太陽電池では、従来のGaN障壁層に代えてInGaN障壁層を利用することにより、In0.6Ga0.4N/In0.2Ga0.8N超格子を用いて29.8%の変換効率が期待できることを確認した。 
c. 無極性a面及び?c面上にInGaN太陽電池を試作した。サファイアr面上のa面太陽電池は、結晶品質が不十分で漏れ電流が多いことから、変換効率は1.6%に留まった。試作可能であった?c面太陽電池は、量子井戸2nmで井戸数が5と非常に少ないため、量子井戸数不足、すなわち光吸収層不足から効率が低く、測定は出来なかった。
d. AlInGaP/(In)GaAs/Ge多接合太陽電池のトップセルとして、その上に+c面のInGaN太陽電池の機械的融着のため、まずp-GaNの表面処理を検討した。InGaNセル中のp型GaN表面へのアルゴンプラズマ照射、アルゴンイオン照射、及び加圧・加熱の3方法を比較したところ、アルゴンプラズマ処理、およびプラズマ表面処理ではLED動作での動作電圧が非常に高くなってしまったのに対し、単純な加圧・加熱処理では処理前後での電流電圧特性の変化はなかった。従って、AlInGaPとGaNの機械的融着には、加圧・加熱処理が有効である。
e. InGaNトップセルの加圧・加熱による機械的融着を用いたInGaN/AlInGaP/(In)GaAs/Ge多接合太陽電池を試作した。その結果、まだ電流マッチングを全く考慮していない構造であるため短絡電流密度は5 mA/cm2から0.2 mA/cm2と低くなったものの、開放端電圧は2 Vが3.2 Vに増加し、機械的融着によるデバイス作製が可能であることを実証した。
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 (Development of tandem-type solar cells based on AlGaInN having super wide-rage bandgap)" (FY2010-FY2014) Final Report
a. In 2012, we demonstrated the highest efficiency InGaN single cell photovoltaic device on a +c plane GaN substrate. Grid electrode and transparent ITO electrodes were used to increase efficiency of the cell. On the other hand, we also found through the simulation that it is impossible to fabricate much higher efficiency solar cells if we use +c plane as the substrate or template.
b. We simulated performance and efficiency of semi polar, non polar and –c plane solar cells in addition to the conventional +c plane solar cells. We found that use of InGaN as the barrier layer is effective to improve the efficiency. By using the non polar In0.6Ga0.4N/In0.2Ga0.8N superlattice, we can expect the efficiency as high as 29.8%.
c. We tried to fabricate nonpolar a plane and –c plane InGaN-based solar cells. Non polar a plane solar cells were fabricated on r plane sapphire substrate. Crystalline quality was not sufficient and leakage current was so high that the efficiency was limited to be 1.6%. Total absorption layer of –c plane solar cell was 2nm × 5, which was insufficient and we could not measure the solar cell performance.
d. In case of mechanical fusion of AlInGaP/(In)GaAs/Ge multi junction solar cell with InGaN top cell solar cell, surface treatment is essential for the chemical fusion of these two devices. We tried Ar ion bombardment, exposure to Ar plasma and simple high pressure and high temperature to the surface of p-GaN. Among these three treatment, only high pressure and high temperature treatment did not degrade and affect the I-V characteristic of the solar cells.
e. InGaN/AlInGaP/(In)GaAs/Gemulti junction solar cells with InGaN top cell was fabricated for the first time in the world. Although short circuit current density became smaller from 5 mA/cm2 to 0.2 mA/cm2, open circuit voltage increased from 2 V to 3.2V, which is the evidence of the formation of multi junction solar cells using mechanical stack.
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