シリコンのナノ粒子を塗布するだけで太陽電池変換効率の向上に成功

2015.07.29

国立研究開発法人 物質・材料研究機構

NIMS MANAのMrinal Dutta博士研究員および深田直樹グループリーダーを中心とする研究グループは、直径5nm以下のシリコンからなるナノ粒子を利用することで、シリコン系太陽電池の変換効率を向上させる簡便な方法を見出しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) のMrinal Dutta博士研究員および深田直樹グループリーダーを中心とする研究グループは、直径5nm以下のシリコンからなるナノ粒子を利用することで、シリコン系太陽電池の変換効率を向上させる簡便な方法を見出しました。
  2. 現在、太陽電池材料の主流はシリコンですが、さらなるコスト削減と変換効率の向上を目指して、シリコンの使用量を格段に減らせるシリコンナノワイヤを用いた太陽電池が注目を集めています。シリコンナノワイヤ単独では、光の吸収効率が低いですが、シリコンナノ粒子と併せて利用することで変換効率を増大させることができると考えられています。しかし、シリコンナノ粒子の表面には、結合相手がなく反応性が高いダングリングボンド型と呼ばれる欠陥が存在するため、太陽光の吸収により誘起された電子と正孔が再結合する際に発生するエネルギーを有効に取り出すことが困難でした。
  3. 本研究グループは、特殊な材料および構造を使用することなく、表面がある種の分子で終端処理された直径5nm以下のシリコンナノ粒子を、シリコンナノワイヤ型の太陽電池表面に塗布することで、簡単に変換効率を向上させる方法を開発しました。シリコンナノ粒子の表面に、分子を結合させて終端処理を行うと、界面には欠陥が形成されず、効率よく光を吸収する材料として利用できるようになりました。このシリコンナノ粒子内部で発生した光誘起キャリアの再結合エネルギーが、下地のシリコン太陽電池に伝達されることで、太陽電池のエネルギー変換効率が向上したと考えられます。今回の実験により、これまで10%程度であった変換効率を最大で12.9%まで向上させることができました。
  4. これまでにも、化合物の半導体ナノ粒子を利用した効率向上の可能性は報告されていましたが、毒性のある物質が使用されているなど問題がありました。今回開発した技術は、シリコンを中心として環境にやさしい物質で実現可能であり、さらにシリコンナノワイヤ型だけでなく、現在使用されている一般的なシリコン系の太陽電池にも簡単に応用可能と考えられ、シリコン系太陽電池の変換効率を向上させる有用な方法の1つとして提案できます。今後は、シリコンナノ粒子のサイズおよび表面を終端する分子種の最適化を行うことにより、変換効率向上の更なる効率化を目指します。
  5. 本研究は 、主に最先端・次世代研究開発支援 (NEXT) プログラムにおける研究課題「機能性シリコンナノ複合材料を利用した次世代高効率太陽電池の開発」 (研究代表者 : 深田 直樹) (平成26年3月31日終了) とNIMS第3期中期開発プロジェクトの一環として行われました。
  6. 本研究成果は、ACS NANO誌オンライン版にて2015年7月18日に掲載されました。
「プレスリリースの図1 : 分子終端シリコンナノ粒子を利用した太陽電池構造の模式図」の画像

プレスリリースの図1 : 分子終端シリコンナノ粒子を利用した太陽電池構造の模式図