中間バンド型高効率次世代太陽電池の研究

中間バンド型
高効率次世代太陽電池の研究
鳥取大学大学院工学研究科
電気電子工学講座
市野邦男
研究の背景
•
太陽光発電のさらなる普及に向けた，
低コスト・高効率化の必要性
• 高効率太陽電池の実現手段
• 発表者らの実績・技術
－硫化物半導体光デバイス材料
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太陽光発電開発戦略 (NEDO PV Challenges: 2014/9)
http://www.nedo.go.jp/content/100573590.pdf
発電コスト目標と低減シナリオ（非住宅分野）
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太陽電池の発電の原理と制限
従来型（単接合）太陽電池
光子エネルギー
hn ≧ Eg
吸収
半導体
（pn接合）
出力電流 I
伝導帯
価電子帯
Eg：バンドギャップ
≒出力電圧V
hn < Eg
透過
電力 W=V I
バンドギャップ小：電流大，電圧小
バンドギャップ大：電流小，電圧大
→最適値（妥協点）あり：効率に制限（～30%）
•シリコンを中心として種々の半導体材料
•変換効率：市販レベル 10～17%；研究レベル 15～25%
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高効率太陽電池の実現手段（1）タンデム型
バンド
ギャップ
大
中
小
異なる半導体を積層
光子エネ
ルギー hn
大
中
小
伝導帯
価電子帯
各層でエネルギーの異なる光を吸収 → ロスの減少
•現時点の最高効率を実現 (44.7%， 4段，集光時)
•3段タンデム型太陽電池の理論効率
47%（非集光時），63%（最大集光時）
•高製造コスト：宇宙用，集光システム用
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高効率太陽電池の実現手段（2）中間バンド型*)
半導体中に
中間バンドを形成
光子エネ
ルギー hn
小
中
大
伝導帯
Eg~eVOC
価電子帯
中間バンドを介してエネルギーの異なる光を吸収
•原理提案・実証段階
•中間バンドの実現方法：量子ドット，不純物バンドなど
•単純構造で3段タンデム構造と同等の理論効率
［ 47%（非集光時），63%（最大集光時）］
•低製造コストの可能性
(*) A. Luque and A. Marti (Univ. Politecnica de Madrid),
Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 5014.
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発表者らの実績・技術
硫化物半導体の分子線エピタキシー(MBE)技術
・高純度な極薄膜多層構造の作製に適する
・硫化物に特化した専用独自設計の分子線エピタキシー
(Molecular Beam Epitaxy; MBE)装置を開発
超高真空: <10-9気圧
(1/1000×1/1000×1/1000）
基板
半導体
薄膜
真空
ポンプ
分子線
RHEED
スクリーン
N2
gas
RHEED
電子銃
Zn
Cu
Al, Ga
高純度原料：蒸発（昇華）
S
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Photoluminescence Study of
ZnS/ZnMgS Single Quantum Wells
Appl. Phys. Lett., Vol. 74, pp. 3486-3488, (1999).
PL
ZnMgS
ZnS buffer
GaP sub.
dwell
ZnS/Zn 1-xMgxS SQW PL 10 K
ZnMgS barrier
Xe-lamp
3.95
ZnS well
3.9
dwell=
19 Å
28 Å
56 Å
73 Å
Energy (eV)
ZnMgS
ZnS
PL intensity (arb. units)
Xe lamp
(4.1 eV)
ZnS/Zn 1-xMgxS SQW
PL peak
fit
x=0.21
x=0.16
3.85
Eex HH
Eex (no strain)
3.8
Eex LH
x5
3.75
x5
3.7
3.8
3.9
Photon energy (eV)
Eex HH (no QC)
Eex LH (no QC)
4
25
50
75
100
ZnS well width d well (Å)
紫外発光量子井戸構造のを初めて作製
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ZnS-based ZnSTe:N/n-ZnS Light-Emitting Diodes
Appl. Phys. Express, Vol. 6, pp.112102-1~4, (2013).
EL intensity (arb. unit)
ZnSに少量(x~0.15)のTeを
加えた上で，アクセプタとして
Nを添加 → 従来困難だったp型化に成功
pn接合発光ダイオード
(LED) 構造
Au/ZnSTe:N/n–ZnS/n–GaP EL
T=290K
I=10mA
7mA
5mA
2
2.5
3
Photon energy (eV)
発光ダイオード動作を確認
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研究の目的と構想
• 目的：高効率太陽電池（非集光で >30%）
• 手段：中間バンド型太陽電池－不純物バンド型
－従来型同様の低コストと高効率を両立
• 母体半導体：CuGaS2
－硫化物半導体，適切なバンドギャップ，適した物性，
類似の実用材料
• 研究の方針：
－独自の結晶成長技術により，まず高品質単結晶で
高効率化の原理実証
－その後低コスト多結晶で実用化研究
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研究の構想
本研究
従来技術
Eg~eVOC
Eg~eVOC
バンド間吸収のみ
中間バンド型
CIGS（CuInGaSe2）多結晶薄膜
(Eg～1.2eV)：高効率・低コスト
・不純物添加による中間バンド
形成：低コスト
・CuGaS2単結晶(Eg～2.46eV)
高品質結晶で原理検証
製造技術etc.
超高効率・低コスト
実用太陽電池
新原理
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想定する太陽電池構造
窓層：n-ZnS
光吸収層:
CuGaS2:X (X=Ti etc.)
中間バンドを形成
p-CuGaS2
不純物バンドによる中間バンド実現のため，
種々の不純物から適切なものを見出す
• 適切なエネルギー準位を形成
• 高濃度添加可能
• 非発光再結合が少ない
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研究の現状
• 主として母体結晶CuGaS2のMBE成長と高品質結晶の
作製条件確立に取組中
作製結晶のX線回折パターン
発光スペクトル
−5
+4
[110 ]
Tsub=600℃ TGa=900℃ TS=155℃ 90min
PL Intensity (a.u.)
#161
TCu=1140℃
XRD Intensity (cps.)
400
1
#162 TCu=1175℃
200
0
68
70
PL (14K)
15 Ex 350nm
CuGaS2 (008)
600
CuGaS2 (040)
XRD Intensity (cps.)
800
[10 ]
Tsub=600℃ TGa=900℃ TS=155℃ 90min
72
2θ(deg.)
Cu poor：低品質
74
68
70
72
2θ(deg.)
Cu rich：高品質
74
10
5
0
#186
Cu−rich
#161
Cu−poor
500
600
700
Wavelingth (nm)
800
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今後の方針
• pn接合構造の作製，基本的太陽電池動作の確認
• 不純物添加による中間バンド形成（不純物探索）
• 中間バンド型太陽電池構造の作製，構造最適化
• 高効率化の実証
• 実用化研究へ
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鳥取大学大学院工学研究科情報エレクトロニクス専攻電気電子工学講座
市野邦男
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