平成 28 年度新技術説明会 2016/1/12 超高効率太陽電池 水素生成用 インタースタック酸化物構造体 豊橋技術科学大学大学院工学研究科機械工学専攻教授伊﨑昌伸 m-izaki@me.tut.ac.jp
太陽エネルギーの活用 太陽光スペクトルと擬似太陽光
pn 接合型太陽電池の動作原理と理論変換効率ー単接合太陽電池の限界ー 空乏層 伝導帯 e 伝導帯 e 変換効率 < 28% h 荷電子帯 h 荷電子帯 電極 p 型半導体 n 型半導体 TCO
高効率太陽電池 : 変換効率 > 30% 要件 : バンドギャップエネルギーの異なる複数の p 型半導体層の内包 1E g1 ~ E g2 2E g2 <E ph 2 1 伝導帯 e 伝導帯 e E g1 e E g2 h 荷電子帯 荷電子帯
量子ドット太陽電池 課題 多接合太陽電池 1 構造が複雑 2 単結晶級材料必要 3 レアメタル必要 4 製造が困難 5 発電コストが高い 6 地球上での応用困難 P 型半導体 2 P 型半導体 1 N 型半導体 透明電極 インタースタック構造体 ( 特徴 ) 簡単構造 レアメタル不要 ( 酸化物 ) 多結晶 OK 製造簡単 電流積算型で高効率対応 発電コスト目標達成可能性 Glass 電極 contact Cap layer AlInP(n+) GaInP(n) GaINP GaInP(p) GaInP(p+) AlGaInP(p+) AlGaAs(p++) GaAs(n++) AlGaInP(n+)/AlInAs GaInAs(n) GaInAs GaInAs(p) GaInAs(p+) AlGaInAs(p+) GaInAs(p++) GaInAs(n++) GaInAs(n) Window(n) Ge(n) Ge(p) substrate Ga 0.35 In 0.65 P top cell Tunnel diode Ga 0.83 In 0.17 As middle celll Tunnel diode Buffer Ge Bottom cell 電圧積算型
従来型酸化物太陽電池との比較 単一太陽電池 Cu 2 O/ZnO, CuO/ZnO インタースタック太陽電池 /CuO/Cu 2 O/n-ZnO/GZO 2.1-eV-Cu 2 O <0001>-n-ZnO Ga:ZnO(GZO) Glass 1.3eV-CuO 2.1eV-Cu 2 O <0001>-n-ZnO Ga:ZnO(GZO) Glass Cu 2 O/ZnO 系太陽電池 ( 近年急速に性能向上 ) M. izaki, et al., J. Phys. D, 40, 3326(2007). Top 1% paper in Physics (Web of Science) ACS Appl. Mater. Interface, 6, 13461(2014). 2.1-eV-Cu 2 O 2.1-eV-Cu 2 O/1.3-eV-CuO ( 特徴 ) 1 光吸収波長領域の拡張 2 簡単構造 レアメタル不要 ( 酸化物 ) 多結晶 OK 製造簡単 3 電流積算型で高効率対応 4 発電コスト目標達成可能性
インタースタック Cu 2 O/CuO 構造体の用途 1 超高効率酸化物太陽電池 V oc Cu2O/ZnO n-zno J sc CuO J sc Cu2O p-cuo p-cu 2 O Ga:ZnO MgF 2 発電力 :V oc Cu2O/ZnO x (J sc Cu2O +J sc CuO ) x FF
インタースタック Cu 2 O/CuO 構造体の用途 2 高効率水素生成用光電極 V H 2 O 2 GZ O Pt J sc Cu2O p-cu 2 O Jsc CuO p-cuo H 2 O H 2 O 2 H 2 O
インタースタック Cu 2 O/CuO 構造体形成技術 水溶液電気化学製膜法 Function generator Function generator Potentiostat / Galvanostat Coulometer Recorder Potentiostat / Galvanostat Coulometer Recorder 制御雰囲気下での加熱 真空蒸着法 Temperature controller Temperature controller WE RE CE WE RE CE <0001>-n-ZnO Ga:ZnO(GZO) Cu 2 O Ga:ZnO(GZO) 1.35eV-CuO 2.1eV-Cu 2 O Ga:ZnO(GZO) 1.35eV-CuO 2.1eV-Cu 2 O Ga:ZnO(GZO) Glass Glass Glass Glass <0001>-n-ZnO/GZO Cu 2 O/<0001>-n-ZnO/GZO CuO/Cu 2 O/<0001>-n-ZnO/GZO /CuO/Cu 2 O/<0001>-n-ZnO/GZO M. Izaki, et al., Appl. Phys. Lett., 68(1996),2439. (WoS:441) 他特許第 3148882, 3273294, 3256776 他 M. Izaki, et al., J. Phys. D,40(2007), 3326. (Top 1%, WoS:144) J. Electrochem. Soc., 152 (2005), C179. ACS Appl. Mater. Interface, 6(2014), 13461 他特許第 4803548
実用化に向けた課題 ワイドバンドギャップバッファ層挿入 p-cuo ΔEc p-cu 2 O n-zno Ga:ZnO バッファ層 N 型 ZnO 層 透明電極 反射防止膜 高品質インタースタック層形成技術の確立 各層の品質向上 ヘテロ界面の品質向上 バンド接続の最適化 ディメンジョンの最適化 積層体形成技術の確立 Al 基本的な太陽電池構造の確立バッファ層 (M. Izaki, et al., Prog.Photovolt., 24, 397(2016). 水素生成用光電極 高効率太陽電池
企業への期待高効率光電極 高効率太陽電池などの光利用技術のブレークスルー関連企業との共同研究 ΔEc n-zno Ga:ZnO バッファ層 N 型 ZnO 層 透明電極 反射防止膜 p-cuo p-cu 2 O Al インタースタック層形成技術の開発 ( 半導体産業 化学産業 ) 水素生成用光電極への展開 ( 化学産業 ) デバイス構造の確立による高効率太陽電池の開発と実用化 ( 太陽電池関係企業 )
本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 光電変換層及び光電変換層の製造方法出願番号 : 特願 2015-177515 出願人 : 国立大学法人豊橋技術科学大学発明者 : 伊﨑昌伸 深澤和馬
外部資金 TOYOHASHI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 産学連携の経歴 新エネルギー 産業技術総合開発機構 (NEDO) 1. 2004-2006 年度 平成 16 年度革新的次世代太陽光発電システム技術研究開発 酸化物系薄膜太陽電池の研究開発 代表研究者 2. 2008-2013 年度 新エネルギー技術研究開発革新的次世代太陽光発電技術研究開発高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発 ( 酸化物ワイドギャップ ) 研究開発責任者 3. 2010-2014 年度 太陽エネルギー技術研究開発太陽光発電システム次世代高性能技術の開発フレキシブル CIGS 太陽電池モジュールの高効率化研究 ( 新規バッファ層の開発 ) 研究代表者 他 有機太陽電池関係 3 件 CIGS 用バッファ層関係 1 件 計 7 件 日本学術振興会 (JSPS)- 日仏交流促進事業 (SAKURA),2011-2012 年,Electrochemical construction of high quality and nano-structured oxide photovoltaic devices, 研究代表者,2 フランス Ecole Nationale Superiure de Chimie de Paris(ENSCP) と共同 JST 戦略的創造研究推進事業 (CREST) 太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出 領域 ( 科学技術振興機構 ) 2009~2014 年度 有機太陽電池のバンドギャップサイエンス 研究分担者 JSPS 科研費
産学連携の経歴 企業との共同研究による成果 ( 特許取得もしくは出願中 ) 1. 酸化物形成技術に関する成果 (ZnO, In 2 O 3, CeO 2, Fe 3 O 4, 他多数 ) : 奥野製薬工業株式会社 上村工業株式会社 TDK 株式会社 他 1. ZnO 系透明電極形成技術に関する研究 ( 松下電器産業株式会社 他 ) 1. プリント配線用回路形成技術に関する研究 ( 日本電気株式会社 他 ) 1. 光触媒用酸化物形成技術 ( 上村工業株式会社 ) 他 企業との共同研究多数現在 3 社と継続中
お問い合わせ先 豊橋技術科学大学研究推進アドミニストレーションセンター TEL:0532-44-6975 FAX:0532-44-6980 email:tut-sangaku@rac.tut.ac.jp 担当 : 勝川裕幸