フレキシブルアモルファスシリコン太陽電池モジュールの薄膜積層構造の最適化

アモルファスシリコン(a-Si)太陽電池モジュールは,薄膜をフレキシブルフィルムに多層配置した構造を有しているが,構造信頼性についてはほとんど検討されてきていず,現時点でも,積層薄膜の強度評価法は確立されていない.そこで,本研究では膜生成時の積層残留応力を評価する試験法を明らかにするとともに,積層強度の影響因子を評価するために,積層薄膜の自由表面からの水素侵入に及ぼす界面と温度の影響の解析を行い,以下の結論を得た.(1)膜生成応力,力学的特性の評価:被積層材がフィルムのため,積層後は変形する.フィルムの縦弾性係数や熱膨張率は既知なので,変形後の曲率半径から膜生成時の積層残留応力(結晶化応力,熱応力)を逆問題解析により評価する手法を示した.具体的には,熱膨張率αが既知の2種類のフィルム単体の縦弾性係数Eの温度依存性を自重によるたわみから測定する.次に,Eとαが既知の2種類のフィルムにそれぞれ1層ずつを成膜して恒温炉に配置する.成膜後のフィルムは,温度変化に伴い変形する.温度変化に伴う曲率半径を実験により解析し,2種類のフィルムの結果の相違から膜のE,α,膜結晶化応力(真性応力)が逆問題解析により評価できる.(2)自由表面からの水素侵入に及ぼす界面と温度の影響:分子動力学解析により,粒界を含むα鉄の変形・破壊挙動解析を行った.界面の存在により,水素の侵入が助長される.侵入の支配因子としては,負荷ひずみと温度が挙げられ,特に前者が重要である.この水素侵入により,界面強度は減少することが明らかとなった.したがって,積層薄膜の界面強度の上昇のためには,残留応力の緩和とともに自由表面からの水素侵入の防止が重要である.

アモルファスシリコン(a-Si)太陽電池モジュールは,薄膜をフレキシブルフィルムに多層配置した構造を有しているが,構造信頼性についてはほとんど検討されてきていず,現時点でも,積層薄膜の強度評価法は確立されていない.そこで,本研究では膜生成時の積層残留応力を評価する試験法を明らかにするとともに,積層強度の影響因子を評価するために,積層薄膜の自由表面からの水素侵入に及ぼす界面と温度の影響の解析を行い,以下の結論を得た.(1)膜生成応力,力学的特性の評価:被積層材がフィルムのため,積層後は変形する.フィルムの縦弾性係数や熱膨張率は既知なので,変形後の曲率半径から膜生成時の積層残留応力(結晶化応力,熱応力)を逆問題解析により評価する手法を示した.具体的には,熱膨張率αが既知の2種類のフィルム単体の縦弾性係数Eの温度依存性を自重によるたわみから測定する.次に,Eとαが既知の2種類のフィルムにそれぞれ1層ずつを成膜して恒温炉に配置する.成膜後のフィルムは,温度変化に伴い変形する.温度変化に伴う曲率半径を実験により解析し,2種類のフィルムの結果の相違から膜のE,α,膜結晶化応力(真性応力)が逆問題解析により評価できる.(2)自由表面からの水素侵入に及ぼす界面と温度の影響:分子動力学解析により,粒界を含むα鉄の変形・破壊挙動解析を行った.界面の存在により,水素の侵入が助長される.侵入の支配因子としては,負荷ひずみと温度が挙げられ,特に前者が重要である.この水素侵入により,界面強度は減少することが明らかとなった.したがって,積層薄膜の界面強度の上昇のためには,残留応力の緩和とともに自由表面からの水素侵入の防止が重要である.