フォトニック結晶による薄膜Ｓｉ太陽電池の高効率化に関する研究

利用光子晶体提高薄膜硅太阳能电池效率的研究

• 批准号: 15J08596
• 负责人: 川本 洋輔
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J08596/
• 关键词: フォトニック結晶; 感度解析法; 薄膜シリコン太陽電池; 電極吸収の取り込み; 共振モード

薄膜シリコン（Si）太陽電池は少ないSi資源量で発電可能だが、膜厚が数百nmから数μmと薄く、光吸収が弱いことが課題である。そこで本研究ではフォトニック結晶（PC）と呼ばれる、光の波長程度の周期的屈折率分布をもつナノ構造体を用いた。PCの共振モードを多数用意し、それらに入射光を結合させることにより広帯域に亘る光吸収増大が期待される。そこでPCを用いて薄膜Si太陽電池（特に薄膜微結晶Si）の光吸収増大を図るべく、そのPCの構造設計手法の確立を検討した。これまで、PCの微小構造変化に対するSiの光吸収変化が計算でき、細かな構造設計が可能であるという特徴をもつ感度解析法を用いた構造設計を行ってきたが、従来では太陽電池の構成要素である電極の光吸収を無視していた。そこで、電極の光吸収を考慮に入れた上でPCの構造設計を検討した。電極の光吸収を取り込むにあたり、電極の吸収係数を設計に導入した。感度解析法では、目的関数と設計変数の設定が重要である。目的関数はSiの光吸収であり、Siにのみ吸収される電磁エネルギーで表現した。設計変数については、PCの面内の誘電率をその設計変数を使って表現することにより導入した。そして、感度、すなわち目的関数を設計変数で偏微分したものを計算することにより構造設計を行った。Si膜厚600nmの太陽電池において、設計対象のPCに対して感度を計算し、その計算結果を受けて構造設計を行うことを繰り返した結果、PCを有さない太陽電池と比較して、約1.4倍の光吸収増大を実現することに成功した。また、この光吸収は、光吸収のベンチマークである、Si層内への光の等方的な散乱を実現するような理想的なテクスチャ構造採用時の光吸収をも上回ることを示した。本研究で検討した手法により、より大きな光吸収を実現する薄膜微結晶Si太陽電池の実現可能性が示されたといえる。

薄膜硅（SI）太阳能电池可以用少量的Si资源产生电力，但问题在于它们在几百到几百μm上薄，并且光吸收较弱。因此，在这项研究中，我们使用了称为光子晶体（PC）的纳米结构，该纳米结构具有光的光波长的周期性折射率分布。准备多种PC的共振模式，并有望在宽带上增加光吸收光。因此，为了增加薄膜SI太阳能电池的光吸收（尤其是薄膜微晶SI），我们研究了PC的结构设计方法的建立。到目前为止，使用灵敏度分析方法进行了结构设计，其特征是能够计算出PC中的微小结构变化中Si的光吸收变化并允许详细的结构设计，但在过去，电极的光吸收是忽略了solar电池组成部分的光吸收。因此，考虑到电极的光吸收，我们考虑了PC的结构设计。为了捕获电极的光吸收，将电极的吸收系数引入了设计中。在灵敏度分析方法中，设置目标函数和设计变量很重要。目标函数是Si的光吸收，并表示为仅由Si吸收的电磁能。设计变量是通过使用设计变量在PC平面内表达介电常数来引入的。然后，通过计算灵敏度，即使用设计变量的目标函数的部分分化来实现结构设计。在SI膜厚度为600 nm的太阳能电池中，对设计PC进行了敏感性，并在重复计算结果后重复进行结构设计，因此，与没有PC的太阳能电池相比，该公司能够使光吸收增加约1.4倍。还已经表明，这种光吸收在采用理想的质地结构时超过了光吸收，该结构将光的各向同性散射到Si层中，这是光吸收的基准。这项研究中检查的方法显示了获得更大光吸收的薄膜微晶SI太阳能电池的可行性。

项目成果

Structural design of photonic crystal thin film silicon solar cells by sensitivity analysis: Inclusion of electrode absorption

通过灵敏度分析进行光子晶体薄膜硅太阳能电池的结构设计：包含电极吸收

• DOI: 10.1364/oe.23.00a896
• 发表时间: 2015
• 期刊: Optics Express
• 影响因子: 3.8
• 作者: Y. Kawamoto;Y. Tanaka;K. Ishizaki;M. D. Zoysa;T. Asano;and S. Noda
• 通讯作者: and S. Noda