量子井戸・フォトニック結晶を用いた高効率熱光発電デバイスに関する研究

利用量子阱和光子晶体的高效热光伏发电装置研究

• 批准号: 11F01365
• 负责人: 野田 進
• 金额: $ 1.34万
• 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: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11F01365/
• 关键词: フォトニック結晶; 太陽電池; 熱光発電; 量子井戸; 大面積共振

本研究は、太陽光発電の光電変換効率を向上させることを目指し、新しい光マネジメント法を開発することである。研究開始段階では、幅広いスペクトルをもつ太陽光を、エネルギー損失なく狭帯域の熱輻射スペクトルへと変換する熱輻射制御の実現を、量子井戸による電子系の制御と、フォトニック結晶を用いた光子系の制御により実現するということを目指して研究を開始した。その後、研究を進める過程で、新たにフォトニック結晶のバンド構造の特異点(バンド端)における大面積共振作用を用いて、薄膜Si系太陽電池への光吸収率を増大させ、太陽光発電の効率を向上させることを目指すという研究も新たに開始し、この両者に関する検討を進めている。本年度は特に後者に関する検討を進めた。理論的には、光起電力層を低屈折率材料を挟んで複数積層する構造を考え、各光起電力層にフォトニック結晶を形成することで、炭層の場合と比較して光吸収が増大することを示すことに成功した。また、昨年度検討したフォトニック結晶のランダム性を導入すると、さらに吸収が増えること、入射角度依存性が小さくなり、あらゆる角度の入射に対して効率的に光を吸収させることが可能となることを明らかにした。また、太陽電池で広く用いられているテクスチャ構造と比較しても、光吸収が増えることが分かった。合わせて、昨年度得られた解析結果(単層のSi層にフォトニック結晶を導入することによる光吸収増大)について、実験的な評価を進めた。基板上に、光反射層となる銀、透明導電膜を製膜した後、プラズマCVD装置を用いて堆積した厚さ1μmの微結晶Siを堆積した。そして、設計に基づき、微結晶Si層に電子線露光装置とプラズマエッチング装置を用いてフォトニック結晶を形成した。本素子の光吸収スペクトルを積分球を用いて評価したところ、設計通り、ランダムなフォトニック結晶の導入により、光吸収が増加する結果を得ることに成功した。

这项研究旨在提高太阳能发电的光电转换效率，并开发一种新的光学管理方法。在研究阶段的开始，我们开始研究，目的是实现热辐射控制，该热辐射控制将其广泛的光谱转换为狭窄的带热辐射光谱，而无需能量损失，通过使用量子孔和使用光子晶体控制光子系统来控制电子系统。在研究过程中，新的研究开始旨在通过使用光子晶体的带状点（带边缘）的大面积共振效应来提高基于薄膜Si的太阳能电池的光吸收率，并提高太阳能发电的效率，并目前正在研究两者。今年，我们特别考虑了后者。从理论上讲，考虑到一个结构，其中多个光伏层被夹在其之间的低折射率材料堆叠，并且通过在每个光伏层中形成光子晶体，它成功地表明，与煤层的情况相比，光吸收会增加。它还揭示了我们去年检查的光子晶体的随机性将进一步增加吸收并降低入射角的依赖性，从而有可能在任何入射角上有效吸收光。还发现，与太阳能电池中广泛使用的纹理结构相比，光吸收增加。此外，我们对去年获得的分析结果进行了实验评估（由于将光子晶体引入单层SI层而增加了光吸收）。在形成透明导电膜作为基板上的光反射层后，使用等离子体CVD设备沉积银和透明导电膜，将其厚度为1μm的微晶SI沉积。基于设计，使用电子束暴露装置和等离子体蚀刻装置在微晶SI层上形成光子晶体。当使用集成球体评估该设备的光吸收光谱（如设计）时，获得的结果是通过引入随机光子晶体来增加光吸收的。

项目成果

Tandem Photonic-Crystal Thin Films Surpassing Lambertian Light-Trapping Limit Over Broad Bandwidth and Angular Range

串联光子晶体薄膜在宽带宽和角度范围内超越朗伯光捕获极限

• 发表时间: 2013
• 作者: Ardavan Oskooi;田中良典;野田進;A. Oskooi and S. Noda
• 通讯作者: A. Oskooi and S. Noda

フォトニック結晶を有する光起電力素子の誘電率分布のフーリエ空間解析-構造変調効果の検討-

光子晶体光伏器件介电常数分布的傅立叶空间分析-结构调制效应研究-

• 发表时间: 2013
• 作者: 田中良典,川本洋輔;Ardavan Oskooi,野田進
• 通讯作者: Ardavan Oskooi,野田進

光起電力素子の光電変換効率増大に向けたフォトニック結晶共振作用の最適化(V)～ランダム構造フォトニック結晶の導入～

优化光子晶体谐振以提高光伏器件的光电转换效率（V）〜随机结构光子晶体的介绍〜

• 发表时间: 2012
• 作者: Oskooi Ardavan;Favuzzi Pedro;田中良典;重田博昭;原潤一;宮西晋太郎;川上養一;野田進
• 通讯作者: 野田進

Tandem photonic-crystal thin films surpassing Lambertian light-trapping limit over broad bandwidth and aneular range

串联光子晶体薄膜在宽带宽和环形范围内超越朗伯光捕获极限

• 发表时间: 2013
• 作者: Ardavan Oskooi;田中良典;野田進
• 通讯作者: 野田進

Design of single-mode narrow-bandwidth thermal emitters for enhanced infrared light sources

• DOI: 10.1364/josab.30.000165
• 发表时间: 2013-01-01
• 期刊: JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS
• 影响因子: 1.9
• 作者: Inoue, Takuya;Asano, Takashi;Noda, Susumu
• 通讯作者: Noda, Susumu