結晶極性を利用した高効率太陽電池 - jst...spectrolab ingap/ga(in)asge 1100 40.0...
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教授 松岡隆志
東北大学未来科学技術共同研究センター
開発研究部
結晶極性を利用した高効率太陽電池
東北大学 新技術説明会JST東京本部別館1Fホール
2019年12月05日(木) 13:25～15:55
2
タンデム化による高効率化
Eg2 Eg3
Eg1３接合ﾀﾝﾃﾞﾑ太陽電池
Eg1 >Eg2 >Eg3
タンデム太陽電池：異なる禁止帯幅の太陽電池を積層した太陽電池
0 1000 20000
1
2
波長 (nm)
輻射
ｴﾈ
ﾙｷ
ﾞｰ(W
/m2 n
m)
利用可能ｴﾈﾙｷﾞｰ
（理想）理論変換効率≒ 70 %
直列接続の場合
各ｻﾌﾞｾﾙでの発生電流
≒各ｻﾌﾞｾﾙでの吸収ﾌｫﾄﾝ数
3
予想される多接合タンデム太陽電池の出力特性
サブセル数と期待される特性
10接合で変換効率50％と開放端電圧10V
0 2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
開放
端電
圧Vo
c（V）
サブセル数
Voc
Isc
η
Isc (m
A/cm
2 ) 変
換効
率η(
%)
サブセル数増加
・変換効率の向上
・格子不整合率の低減
・小電流、高電圧電源
集光動作に適す
同一材料系のため作製容易
4
最高効率 : PVSEC-17 @ 福岡
材料 太陽数 効率（％） 組織
GaInP/GaInAs/Ge 1 33.8 NRELGaInP/GaInAs/Ge 240 40.7 SpectrolabInGaP/Ga(In)AsGe 1100 40.0 シャープ
苦心惨憺
一種の材料では太陽光のスペクトルをカバーできない。
ヘテロエピ＋ウェハの貼り合わせ
5
高効率化 異なる材料の重ね合わせ
従来技術とその問題点
・高密度の結晶欠陥 効率の低下・ウェハの貼り合わせ 高コスト・吸収波長の選択の自由度 低い
6
いますね。
II-VI groupIII-V group
2
4
6
5
3
1
0従来の材料
青色用提案材料
Si2002年松岡実験的に修正
新技術の特徴・従来技術との比較：材料
7
結晶構造
ウルツ鉱型結晶(繊維亜鉛鉱)（GaN, CdS)
ジンクブレンド型結晶(閃亜鉛鉱)（GaAs, InP)
8
原子の積層位置と結晶構造
9
従来の窒化物半導体太陽電池
×
×
Ga極
性面
PSP : 自発分極
成長
方向
NGa
Ga
Ga
Ga
N NN
<0001>
PSP
太陽電池のバンド構造
分極電界により妨げられる
分極電界により高効率化
極性と結晶構造
GaGa
Ga
GaN
N
NNPSP
成長
方向
<0001>
光生成ｷｬﾘｱ引き出し
N極
性面
p層 n層i層
-4-2024
エネ
ルギ
(eV)
0.50.40.30.20.10.0表面からの距離 (µm)
p層 n層i層
-4
-20
2
4
エネ
ルギ
(eV)
0.50.40.30.20.10.0表面からの距離 (µm)
10
GaN薄膜成長と結晶の極性
成長
方向
C軸方
向
(a) Ga(+C)極性 (b) N(-C)極性
N NN
Ga
GaGa
N
Ga
自然
分極
自然
分極
11
窒化物半導体中の分極
N
Ga<0001>
PSP PPZ
PSP : 自発分極PPZ : ピエゾ分極（歪下で発生する分極）
歪
12
従来構造と新構造の比較
×
×
Ga極
性面
PSP : 自発分極
成長
方向
NGa
Ga
Ga
Ga
N NN
<0001>
PSP
太陽電池のバンド構造
分極電界により妨げられる
分極電界により高効率化
極性と結晶構造
GaGa
Ga
GaN
N
NNPSP
成長
方向
<0001>
光生成ｷｬﾘｱ引き出し
N極
性面
p層 n層i層
-4-2024
エネ
ルギ
(eV)
0.50.40.30.20.10.0表面からの距離 (µm)
p層 n層i層
-4
-20
2
4
エネ
ルギ
(eV)
0.50.40.30.20.10.0表面からの距離 (µm)
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作製手法と比較
p-GaN：Mgドープ
n-GaN：Siドープ
i-GaN分
極電
界
成長
方向
p-GaN：Mgドープ
n-GaN：Siドープ
i-GaN
成長
方向
＝
不 可（Mgの履歴のため）構造成長 可 能
p-GaN成長
一般に困難（表面粗れ、p型化不可 容 易
太陽電池構造
ｷｬﾘｱ引き出し効率
同 じ
Ga極性N極性
分極
電界
結晶極性
14
×5p-GaN 150 nm
GaN 7.7 nmInGaN 5.2 nm
N型 GaN 1.3 µmアンドープ GaN 1.3 µmサファイア基板 350 µm
Ti/Al/Ti/Au
Ni/Au
太陽電池構造～p-GaN/InGaN/GaN MQW/n-GaN～
P型電極
P型パッド
N型パッド
N型電極
130µm
300µm
150µm
100µm
130µ
m
キセノン・ランプ照射
15
N極性太陽電池
裏面からキセノンランプ集光照射
開放端電圧Voc = 0.9 V
短絡電流密度Isc = 62.4 µA/cm2
最大出力点Pmax
Ipmax = 50.8 µA/cm2
Vpmax = 0.6 V
曲線因子FF = 0.53
16
極性による太陽電池特性の違い
極 性 N極性 Ga極性
電流－電圧特性
電流
密度
（μ
A/cm
2)
1.00.80.60.40.20.0
電圧 (V)
光照射時
暗電流
80
60
40
20
0
電流密度N極性 ＝ 8 × Ga極性
17電
流密
度（μA
/cm
2 )
極性による太陽電池特性の違い
極 性 Ga極性 N極性
太陽電池特性
分光感度特性
1.00.80.60.40.20.0電圧 (V)
光照射時暗電流
80
60
40
20
0
18
Ga極性平滑
Ga極性平滑
Ga極性平滑Ga極性平滑
MOVPE成長GaNにおける極性制御に関する報告
MBE成長では、N極性成長→平滑表面・ｐ型不可
Ga極性平滑
極 性表面形態基 板年著 者
非窒化c-Al2O3
N極性六角錐窒化c-Al2O31999M.SumiyaGa極性六角柱状c-Al2O31998T.Yasoshima
Si面 SiC1997P.VermautN極性六角錐
c-Al2O31996B.DaudinN極性六角錐
c-Al2O31996J.L.Rouviec-Al2O31996F.A.Ponce
Ga終端平滑c-Al2O31993M.A.KhanN終端平滑Si面 SiC1988佐々木・松岡
19
2μm
T. Matsuoka et al., phys. stat. sol., (b) 243 (2006) 1446.
M. Sumiya et al., Appl. Phys. Lett.,75 (1999) 674.
サファイア基板上成長のN極性GaN薄膜の表面
20
極性成長技術に関する世の中との対比
成長法Ga 極性 N 極性
表面 p型化 表面 p型化
MBE ×(粗面)
○ ○(鏡面)
×
世の中のMOVPE ○(鏡面)
○ ×(粗面)
×
松岡ｸﾞﾙｰﾌﾟMOVPE
○(鏡面)
○ ○(鏡面)
○
T. Matsuoka et al., phys. stat. sol. (b), 243(2006)1446.S. Keller et al., J. Appl. Phys ., 102(2007)083546
MBE：分子線エピタキシャル成長法。スループットが悪く、実験用。
MOVPE:有機金属気相成長法。大量生産向きであり、LED製造に使用
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1. 高効率太陽電池を必要とする装置
2. 温度変化の激しい環境での使用
∵窒化物半導体のバンドギャップ・エネルギの温度安定性が高い。
3. N極成長技術の応用分野
・高In組成結晶の成長 黄色や赤色発光素子
・携帯電話の基地局に用いられているGa極性高周波トランジスタ（HEMT)より一桁早いHEMT
・GaNバルク基板の作製
特許6514915 “単結晶基板の製造方法およびレーザ素子の製造方法”
特許出願 特願2015-029275 “窒化物半導体自立基板作製方法”
想定される用途
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実用化に向けた課題
• 現在、LED構造を転用して太陽電池としての特性を測定し、N極性太陽電池のポテンシャルを確認
できている。素子構造を最適設計して、特性の到達点を把握できていない。
• 今後、構造を最適設計し、N極性太陽電池の特性を定量的に把握していく。
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企業への期待
• 素子構造を最適化し、N極性太陽電池の特性を定量的に明らかにして欲しい。
• 実用化
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：太陽電池
• 出願番号 ：特願2013-139463• 特許番号 ：特許第6164685• 出願人 ：東北大学
• 発明者 ：松岡隆志、片山竜二、谷川智之
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お問い合わせ先
東北大学
産学連携機構 総合連携推進部
ＴＥＬ ０２２－７９５ － ５２６７/５２７４
ＦＡＸ ０２２－７９５ － ５２８６
問い合わせ専用URL
http://www.rpip.tohoku.ac.jp/jp/information/gijutsu/
e-mail [email protected]