プラズマ工学研究室

太陽光発電関連研究


薄膜太陽電池製造用プラズマプロセス技術革新
および超高品質光安定アモルファスシリコン薄膜作製技術開発
人類文明の今後の発展において、3Eのトリレンマが最重要課題とされている。 すなわち、経済(economy)の発展には、エネルギー(energy)消費を伴い、これが化石燃料を主体とする現在のエネルギー需給構成から地球環境(environment)破壊につながるという三すくみ問題である。 また、年々世界人口・エネルギー消費量の増加とともに、地球温暖化の要因の1つに挙げられている二酸化炭素の排出量の増加を招いている(図1)[1-4]。 このトリレンマを解決するためには、環境を維持しつつエネルギー供給可能な新エネルギー技術の開発が必要である。 今、石油に代わる新エネルギーとして特に注目されているものに、太陽電池が挙げられる。 太陽電池には、太陽光のエネルギーを直接電気に変換できるため、クリーンで無尽蔵なエネルギーを生み出せるという利点がある。

図1.世界人口・エネルギー消費量・CO2排出量・南極におけるCO2濃度の年間推移
現在、最も普及している太陽電池は、資源が豊富なシリコン系太陽電池であり、単結晶(c-Si)や多結晶(poly-Si)などの結晶系とアモルファス(a-Si)系に分類できる。 結晶系の形成には1000度以上の高温が必要なことや、光の吸収係数が小さいため基板の厚さが200ミクロン以上あり、半導体材料の必要量が多いことから、コストが高いという問題点がある、 一方、アモルファス系である水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜太陽電池は、300度以下のプロセスで形成でき、光の吸収係数が大きいため厚さが1ミクロン以下で十分であることから、低コスト太陽電池として大いに期待されている。 本研究の目標は、12%以上の安定化効率を有する低コスト太陽電池の開発である。

上記の最終目標を達成するための課題として以下の3つが挙げられる。
1) 高光安定な低欠陥密度(1立方センチメートルあたり10の15乗個の欠陥)の膜を2.0nm/s程度の製膜速度で作製すること。
2) 光劣化を起こすクラスタの最小サイズと膜への取り込み量を明らかにすること。
3) 高光安定な膜を大面積(2m角)で製膜すること。

a-Si:H薄膜の堆積において,SiH3ラジカルの他に,サイズが0.5nm以下の高次シラン(HOS)のラジカルや,1-10nm程度の微粒子(クラスタ)が堆積に寄与する(図2)[5]。 我々は、クラスタが膜中に取込まれることで、光劣化現象[6]が起こるのではないかと考え、マルチホロー放電プラズマCVD法を開発した(図3)。 この方法を用いることで,プラズマ中で生成されたクラスタはガス流によって下流側へ輸送され、上流側に設置した基板にはクラスタの取込みが抑制されたa-Si:Hが堆積する。 我々の研究室ではマルチホロー放電プラズマCVD法を用いて、光劣化のない、光安定なa-Si:H膜の作製に成功している(図4)[7]。

図2. シランプラズマ中における
HOSとクラスタの形成と
堆積のモデル

図3. マルチホロー放電
プラズマCVD法

図4. 欠陥密度の光照射時間依存性
[1] World Population Prospects The 2004 Revision Hilights
[2] BP統計
[3] エネルギー・経済統計要覧2004年度
[4] 温室効果ガス世界資料センター
[5] M.shiratani et al., Thin Solid Films, 506-507 (2006) 17
[6] D. L. Staebler and C. R. Wronski, Appl. Phys. Lett. 31 (1977) 292
[7] K. Koga et al., JJAP 44 (2005) L1430
ナノ粒子を用いた革新的次世代太陽電池材料開発

白谷研究室では、多重励起子生成という効果を利用した高効率太陽電池(多重励起子型太陽電池)の研究を行っています。 従来型の太陽電池には結晶シリコン太陽電池やアモルファスシリコン太陽電池などがありますが、これら太陽電池は発電効率が20%以下(太陽のエネルギーの20%しか電気に変えられない!)という問題がありました。 一方、多重励起子型太陽電池では約40%の発電効率が期待できます。 この理由について次に説明しますが、その前に太陽電池の発電原理を簡単に説明します。 太陽電池は、光のエネルギーを直接電気に変換する装置です。 しかし、光が当たればその光がどんな光(青色、緑色、赤色など)でも電気に変換されるというわけではなく、ある大きさ以上のエネルギー(バンドギャップエネルギー)を持った光のみ電気に変換されます。 光は、その波長(色の違いを表す)によって持っているエネルギーが違います。 波長が短い程大きなエネルギーを持っていて、波長が短くなる程エネルギーは小さくなります(図5で紫色に近い光ほどエネルギーは大きく、赤色に近い光ほどエネルギーは小さくなります)。 つまり、緑色の光のエネルギー以上の光のエネルギーしか電気に変換しない太陽電池があったとした場合、紫色の光は電気に変換され赤色は電気には変換されません。


図5.光のスペクトル
発電効率が100%という状態は、いろいろな波長の光により構成される太陽光のエネルギーが、無駄なく電気の素となる電子と正孔(電子の抜けた穴)の生成に利用された状態をいいます。 従来型の太陽電池では、バンドギャップエネルギーの数倍のエネルギーを持った短い波長の光に対しても、電気に変換されるのはバンドギャップエネルギーと同じ大きさだけで後は熱として捨てられ、小さなエネルギーを持った長い波長の光に対しては全く電子と正孔の生成に光のエネルギーが利用されませんでした。 そのため発電効率が低かったのです(実際には、発電効率を減少させる要因はこれらだけではありませんが、上で説明した要因が発電効率を減少させる主な原因です)。 しかし、多重励起子型太陽電池では大きなエネルギーを持った光に対して従来型では捨てられていたエネルギーが次の電子と正孔の生成に利用されるため発電効率が高くなります。 この現象を起こすためには、半導体という金属(電気をよく通す)と絶縁体(電気を通さない)の中間の性質を持つ材料をナノメートル(0.000000001m)というものすごく小さな大きさの粒にする必要があります。 これをナノ粒子(量子ドット)といいます。

本研究室では、このナノ粒子をシリコンという物質を用いて作り、それを太陽電池に応用することで多重励起子型太陽電池の実現を目指しています。

興味のある方は、是非白谷研究室へ!