Upright-homoUpright-heteroInverted-hetero
1.0 eV帯逆積みInGaAsPボトムセルを用いた3接合スマートスタックセルの高効率化
InGaAsPボトムセル
大島隆治・牧田紀久夫・太野垣健・菅谷武芳産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター 先進多接合デバイスチーム
研究の目的III-V族化合物系多接合太陽電池
結論 参考文献
メカニカルスタック型： 異なる基板上セルを接合
スマートスタックセル [1,2]
金属ナノ粒子（Pd N.P）を接合界面に介在させたセル接合技術
バンドギャップの異なる太陽電池を積層⇒ 太陽光スペクトルとの整合性の向上 ： 変換効率 (η) > 40%
モノリシック型： 精密な格子定数の制御による一貫結晶成長
Fraunhofer ISE, Spectrolab 等
NREL, SHARP 等
[1] H. Mizuno et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55, 025001 (2016).[2] H. Mizuno et al., Appl. Phys. Lett. 101, 191111 (2012).[3] K. Makita et al., 26th PVSEC, 1.2.3b, Singapore (2016). [4] R. Oshima et al., J. Crystal Growth, in press (2017).
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.12.041[5] C. H. Henry et al., IEEE J. Quantum Electron. QE-19, 905 (1983).[6] M. A. Steiner et al., J. Appl. Phys. 113, 123109 (2013).
変換効率 (η) ~ 32.0% (1sun) [3]
1.0 eV帯InGaAsPボトムセルの高効率化によるスマートスタック太陽電池の高効率化
Upright-homo
p+ InP BSF p+ InGaAs Contact
p- InGaAsP Base n+ InGaAsP Emitter n+ InAlAs Window
p+-InP Sub.Epoxy
Si handle
p+ InAlAs BSFp+ InP Contact
p- InGaAsP Basen+ InP Emittern+ InAlAs Window
Inverted-hetero
InGaP/GaAs//InGaAsP/InGaAs 4接合セル
• InGaP/GaAs 2接合セルと接合
• 直列抵抗は両セルでほぼ同等
• Inverted-3JセルはVOCが20 mV増大→ InGaAsP単セルの結果と良い一致
Au
BottomTop
Handle (Si)
InGaP/GaAs//InGaAsP 3接合セル
本研究は、国立研究開発法人NEDO 「超高効率・低コストIII-V化合物太陽電池モジュールの研究開発」の委託の下で行われた。
• MBE法を用いて1.0 eV帯InGaAsPボトムセル構造を検討した。
• InGaAsPセルの変換効率は9.5%（Upright-homo型）から12.1%（Inverted-hetero型）に向上した。
• Invertedセルにおいて暗電流が顕著に低減し、VOCが20 mV増大した。
• InGaAsP invertedボトムセルを用いたInGaP/GaAs//InGaAsP薄膜メ
カニカル3接合セルを開発し、 VOC が20 mV増大することを確認した。
謝辞
p型ベース層 ： 1 µm - In0.16Ga0.84As0.34P0.66 (1.05 eV)
InGaAsPセル構造の最適構造化
産総研独自技術
数µm
• Heteroセルにおけるセル特性向上の考察
Cell
InP sub.
1. 結晶成長（SS-MBE) [4] 2. 支持基板へ貼り付け基板除去（HCｌ）
Cell
EpoxyHandle
Cell
EpoxyHandle
Invertedセル作製工程
np n
p
InP sub.np
逆順序（p on n）に成長
n-AlInPn-GaInPp-GaInP (1.89 eV)n-GaAs p-GaAs (1.42 eV)
p-InGaAsP (1.05 eV)
p-InGaAs (0.74 eV)
n-InGaAsP
n-InGaAs
p-InP substrate
AR
3. セルプロセス（電極、メサ）
Upright-hetero
p+ InP BSF p+ InGaAs Contact
p- InGaAsP Base n+ InP Emitter n+ InAlAs Window
p+-InP Sub.
Inverted-hetero
Upright-hetero
Upright-homoUpright-heteroInverted-hetero
𝐽𝐽0 ~𝑞𝑞𝑛𝑛𝑖𝑖𝑊𝑊𝝉𝝉𝒏𝒏
𝜏𝜏 ⇒ 𝐽𝐽0
Time resolved PL∝
1𝝉𝝉𝒏𝒏Upright-homo
Upright-hetero
Inverted-hetero
ni : Intrinsic carrier densityW : Depletion width τn : Minority electron lifetime
For n+−p junction,
Upright-homo
Upright-hetero
Inverted-hetero
PL lifetime (ns) 15.6 15.2 20.2
Inverted-hereroセル：
フォトンの閉じ込め・再吸収の促進によりJ0が小さくなり、VOCが向上 （フォトンリサイクリング効果）[5,6]
Structure JSC (mA/cm-2) VOC (V) FF (%) η (%) n J0 (mA/cm−2)Upright Homo 24.0 0.56 71.0 9.5 1.95 3.2 × 10−4
Upright Hetero 26.0 0.57 75.4 11.1 1.30 1.5 × 10−6
Inverted Hetero 26.3 0.59 78.1 12.1 1.25 2.8 × 10−7
Bottom structure
η(%)
VOC(V)
Upright 19.1 2.62
Inverted 21.0 2.64
Handle (Si)
InvertedInGaAsP (1.05 eV)
GaAs (1.4 eV)
Tunnel junction
InGaP (1.9 eV)
Pdnanoparticles
np
Handle
Hall effectmeasurements
500 nm n-type / SI-InP
AM1.5G, 1sun エミッター層をn-InGaAsPからn-InPにすることによりホール移動度が増大
JSC ↑ VOC↑
再結合電流が低減し、J0, n値が低減
• Invertedセルにおけるセル特性向上の考察
Upright-homo → Upright-hetero
考察
𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂 =𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑞𝑞
ln(𝐽𝐽𝑆𝑆𝑂𝑂𝐽𝐽0
+ 1)ダイオードの式：q : Electron charge n : Diode factork : Boltzmann constantT : TemperatureJ0 : Reverse saturation current
VOC↑
∆VOC,Calc. ~8.9 mV → 実験と良い一致
ダイオードパラメータから予測されるVOCの差
• VOCが20 mV増大
• EQEの特定波長にフリンジによる増大が観測されるが、JSCへの寄与は小さい
• JSCが~2 mA/cm2増大（全波長領域のEQE増大）
• VOCが10 mV増大
Upright-hetero → Inverted-hetero
