成果報告書詳細
管理番号20150000000786
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
公開日2016/4/19
報告書年度2008 - 2014
委託先名国立大学法人東京大学先端科学技術研究センター
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」
格子整合系高効率多接合太陽電池に向け、1.2 eVのInGaAs/GaAsP歪み補償二次元超格子の結晶成長法の開発とキャリア収集を効率化する構造設計を行った。GaAsP障壁層を3 nm以下、InGaAs吸収層との間にGaAs中間層2.6 nmを挿入することで、電子・正孔ともに高効率で回収できる超格子を開発し、トップセルフィルタ下で短絡電流17.4 mA/cm2と電流整合に十分な値を得た。一方GaInNAsSb希釈窒化物材料を用いては、厚さ2.0 umのGaInNAsSb薄膜を用いたダブルヘテロ太陽電池において、GaAsフィルタ下で短絡電流12.2 mA/cm2を実現した。3接合及び4接合セルをウエハシャトルにより作製しその有効性を示した。次にパルススパッタ法による低温成長技術を用いてInGaNトップセル作製技術の開発を行った。低温成長技術を用いることで、全組成域で相分離の無い高品質InGaN薄膜の結晶成長が可能となり、また世界最高品質の窒素極性GaN結晶成長を実現するとともに窒素極性面上InGaNセルの基本動作を確認した。ハイブリッド材料を用いたボトムセルでは、近赤外領域に強い吸収を示す量子トッドと酸化亜鉛ナノワイヤのハイブリッド構造に、プラズモン共鳴効果を示す金属ナノ粒子を組込んだセルの高効率化を行い、1 eV帯を吸収する量子ドットセルにおいてフィルタ下で12 mA/cm2 を達成した。量子ドット超格子太陽電池で中間バンド型動作による高効率化を達成するために必須となる2段階光吸収過程を評価するための分光計測法を確立し、歪補償InAs/GaNAs量子ドット太陽電池において、明瞭な2段階光吸収による電流増大を世界で初めて観測に成功した。InGaAs量子ドットのバリア材料としてGaAsSbを用いることでタイプII量子構造では、キャリア寿命と中間バンド動作による電流生成量の増大を実証した。また50層のInAs/AlGaAs積層量子ドットを低温で作製し、10^13 /cm2の超高密度量子ドットと0.942 Vと高い開放電圧を達成した。またELO法により作製した薄膜InAs/GaAs量子ドット太陽電池で長波領域での電流の増大を実証した。
太陽電池への効率的な集光技術を検討した。従来のセル・モジュールで使われる反射防止法は光学素子の表面を1/4波長程度の薄膜で被覆したものであるが、これは干渉現象を利用するものであるため、フレネルレンズに対して広帯域で低反射率を実現するのは難しい。そこでプラズマ加工によるモス・アイ構造を検討した。B270ガラスを用いて作製したモス・アイ構造で透過率95.5%が得られ、これは片面のみの反射防止効果がほぼ極限まで到達していることを示した。両面処理を行ったところ透過率は99%を超え、ほとんど限界の反射防止効果が得られた。集光モジュールへのセルの適用に向けてモノリシック集積マイクロ直列セル構造を考案し、GaAsセルおよびInGaP/GaAs 2接合セルにおいて、バイパスダイオードを含む10直列セルを作製しその有効性を実証した。さらに、量子井戸や量子ドットのGaAsサブバンドギャップ領域での量子効率を改善すべく、表面反射防止と裏面光散乱構造を有する薄膜セルを作製し、その効果を実証した。多層膜/モス・アイのハイブリッド構造を形成することで、短波長から可視光領域での反射率低減を達成した。量子井戸を挿入したGaAsセルに本構造を適用することで、量子井戸への垂直光入射に比べて約5倍の実効光路長を実現し、変換効率を20%に高めることに成功した。
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” (FY2008-FY2014) Final Report
For lattice-matched multijunction solar cells, InGaAs/GaAs strain-balanced superlattice was developed. Thinning GaAsP barriers < 3 nm and inserting 2.6-nm-thick GaAs buffer layer between InGaAs and GaAsP enabled to collect carriers efficiently. A short-circuit current Isc of 17.4 mA/cm2 under a top-cell filter was obtained. An 1eV subcell with a 2.0 um thick 1.0 eV GaInNAsSb DH structure was fabricated and Isc = 12.2 mA/cm2 under a top GaAs cell filter, and wafer shuttle was implemented to realize 3 and 4 junction cells. We have developed fabrication process of InGaN top cells by low-temperature (LT) growth based on pulsed sputtering deposition, and showed high quality InGaN films in the whole In composition range and operation of InGaN cells on N-polar GaN. For hybrid materials-based bottom cells, PbS-colloidal quantum dot (CQD)-based bulk-heterojunction solar cells were developed by combining ZnO nanowire arrays with PbS CQDs showing the first exciton absorption at wavelengths >1 um. The solar cell yielded Isc = 12 mA/cm2 in the near IR region (>800 nm). In quantum dot superlattice solar cells (QDSCs), we have established optical spectroscopic techniques to investigate two-step photon absorption (TSPA). The photocurrent enhancement under IR bias light illumination was successfully observed for the first time in a strain compensated InAs/GaNAs QDSC. InGaAs/GaAsSb QDSCs with a type-II band alignment structure were demonstrated with increased carrier lifetimes and photocurrent production by TSPA. A high-density QD of 1e13 /cm2) and a high open-circuit voltage of 0.942 V were achieved for 50-stacked InAs/AlGaAs QDSCs. Methods employed to fabricate broadband antireflection nanostructures on glass and on PMMA were carried out for CPV systems. Broadband high transmittance was achieved on a commercial glass, reaching 95.5% and over 99% on samples with one and both treated sides, respectively. For application to CPV module, monolithic integration of series-connected micro cells were developed for the purpose of reducing joule heating loss due to large current. 10 series connection was demonstrated for both GaAs single-junction and InGaP/GaAs 2-junction cells, evidencing the applicability of this strategy. Also thin-film light-trapping for nanostructure solar cells have been developed. The cells were with surface anti-reflection coating using dielectric bilayers with nanostructures defined by an array of silica particles. Using GaAs single-junction cells with quantum wells, 5 times enhancement of an effective optical path was demonstrated, allowing us 20% efficiency.
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