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ペロブスカイト太陽電池の成膜技術と性能自動測定システム
Deposition Technology and Automated Comprehensive Performance
Assessment System for Perovskite Solar Cells
エネルギー材料と表面科学ユニット Energy Materials and Surface Sciences Unit
大野ルイス勝也 グループリーダー研究員 Luis Katsuya Ono (Group Leader)
ペロブスカイト太陽電池とはAbout Perovskite Solar Cell
ペロブスカイト実用化への課題:大型化、安定性Challenges for commercialization: scalability & stability
1
ペロブスカイトPerovskite
シリコンSi
変換効率PCE
20%以上20+%
20%以上20+%
コストCost
低 - 材料、製造コストLow material costs and manufacturing costs
高 - 製造コストHigh manufacturing costs
太陽光Sunlight
弱光、拡散光でも発電Dim/diffuse light is ok
強い直射日光が必要Direct sunlight
重さ、形状、色Weight, shape, color
軽量、柔軟性あり、半透明Light, flexible, semi-transparent
重い、固い、黒いHeavy, rigid, dark
用途Application
室内、窓、カーテン、建築材に用途拡大Indoor, windows, curtains, building‘s shells
屋根上、太陽光発電ファームに限定Rooftop and solar farm panels only
次世代太陽電池の中でも突出したエネルギー変換効率(PCE)Outstanding power-conversion efficiency among next generation PV cells
OIST独自の化学蒸着法OIST Chemical Vapor Deposition (CVD) method
OISTの成膜技術Our Deposition Method
100個の10x10cmモジュールから成る1x1m のペロブスカイト太陽光パネルを開発中Currently developing a 1x1m panel consisting of 100 pcs of 10x10cm modules
2
大型化 (モジュール面積25cm2 / 有効面積 12cm2)Scalability (Module 25cm2 / Active area 12cm2)
安定性Stability
高エネルギー変換効率(PCE) 14.6%High PCE 14.6%
低温製造(室温~150 ℃)Lower fabrication temp. (Room temp – 150 ℃ )
溶液法、既存CVD法より低い製造コストLower fabrication costs than solution method and standard CVD
method
3
パネルPANEL
太陽電池 Photovoltaic (PV) System
http://www.energy-transition-institute.com/Insights/SolarPhotovoltaic.html
OISTの測定技術:背景Our Measurement Technology: Background
セルCELL
アレイARRAY
グリッドGRID
高精度な性能測定が重要!Precise Electrical Characterization
Important!
➢ 太陽電池の構成:各セル/モジュール、パネル、アレイ、グリッドMain components of PV system:
Single cell/module, Panel, Array and Grid.
➢ パネル内に特性の低いセルが混入していると、そのセルが抵抗となりパネルの出力に影響を及ぼすLow performing cells in a panel generate resistance
and affect overall performance of that panel.
各セルの正確な特性測定を行い、均一性の高いセルを集める事が重要Measuring performance of each cell and making a panel
with uniform cells.
従来技術:シリコンと同じ測定方法Conventional Technology: Same Measurement Method as for Silicon
ペロブスカイトに使用する問題点Problems in measuring Perovskite PCE by conventional instrumentation for Si-based solar
ペロブスカイトでは光電流量が電圧走査条件に強く依存Strong dependence of the photocurrent on the voltage-scan conditions
↓
履歴挙動*(ヒステリシス挙動)が起こるHysteretic behaviour
↓
正確なPCE測定が困難!Inaccurate PCE
履歴挙動・・・ある量Aの変化に伴って他の量Bが変化する場合,Aが増加するときと減少するときとで,同じ Aの値に対する Bの値が異なる現象Hysteresis・・・the phenomenon in which the value of a physical property lags behind changes in the effect causing it
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
5
10
15
20
Ph
oto
cu
rre
nt
(mA
/cm
2)
IFW
(td = 5 ms)
IRS
(td = 5 ms)
Voltage (V)
12.0%
10.6%
― FW scan (Vmin →Vmax)
― RS scan (Vmax →Vmin)
異なるPCE値が測定されてしまうDifferent values are measured.
4
Zhang, et.al., Mater. Horiz., 2015, 2, 315
新技術:ペロブスカイト用の測定方法New Technology: New Method for Perovskite
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
5
10
15
20
Ph
oto
curr
en
t (m
A/c
m2)
IFW
(td = 5 ms)
IRS
(td = 5 ms)
Voltage (V)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
5
10
15
20
Ph
oto
curr
en
t (m
A/c
m2)
I(td )
Voltage (V)
11.5%
PCE=12.0%
10.6%
新技術 Our developed system従来技術 Conventional system
ペロブスカイト太陽電池用
自動測定システム
(ソフトウェアも含む)
Automated comprehensive system
including software for measuring and
assessing perovskite-based device
performances
➢ 標準I-V測定 Standard I-V measurement
Siセルと同様 i.e. similar to Si cells
➢ 履歴(ヒステリシス)測定 Hysteresis measurement
スキャンレート; 前照射 、プロット、フィッティング Scan rate; pre-illumination; poling; fitting
➢ 光電流の安定 Steady photocurrent
最大電力点(MPP)の追従 Track of maximum-power-point (MPP)
➢ 安定性測定 Stability measurement
ガス環境 (N2, ドライ-O2, …); 湿度制御、温度、光度
Gas environment (N2, dry-O2, …); Humidity control; temperature and light intensity.
➢ 自動化 Automation
コンピューター制御; リレー基盤、マルチデバイス測定、MPP追従
Computerized; relay boards; multi-device measurement; track of MPP actively
正確なP
CE
値を測定
Corre
ctP
CE
me
asure
ment
5
Zhang, et.al., Mater. Horiz., 2015, 2, 315
6
…
…
… …光源
Light source
Switch board.
SMU(ソースメジャーユニット)
1つのセルのI-V測定
Measure single cell
I-V at a time.
DC電圧供給:SMUで測定されているセル以外の動作条件を制御SMU.
コンピューターLabviewソフトウェア
Computer installed
with controlling
software written on
Labview platform
GPIB Card
PART A
PART B
PART C PART D
PART G PART F
PART E
電圧 Voltage
電流 Current
相対湿度Relative humidity
&
温度 Temp.
ガス(N2, dry O2, H2O bubbler, …)
真空 Vacuum,
排気 Exhaust
環境チェンバーEnvironmental
Chamber
ペロブスカイト測定システム概要図Overview Schematic
DC voltage supply to
keep all rest cells
under operation
conditions, except the
one under the
measurement by SMU
既存製品 /Conventional product 本技術 /Our Technology
ヒステレシス測定不可Automated measurement.
セル1個ずつをマニュアル測定Manually measures cells, one by one.
ヒステレシス測定可Hysteresis measurement.
複数のセルを測定可(ホルダー数、ソケット数拡張可)Extendable holder and sockets.
自動測定(スイッチボード)Automated measurement.
ペロブスカイト測定システム概要System Overview
サンプルホルダーSample holder
ソケット(写真は4個)Sockets (4off in photo)
7
スイッチボードSwitch boards
開発効率アップ!Higher efficiency in R&D.
ペロブスカイト測定技術の用途Expected Application for the Measurement System
• ペロブスカイト太陽電池の性能評価Characterization processes of perovskite solar cells for accurate PCE determination
• 試作品の測定自動化として、その他の太陽電池テクノロジーにも使用可能Compatible with the existing photovoltaic technologies
➢ Si
➢ GaAs
➢ CIGS
➢ CdTe
➢ 有機太陽電池 Organic PV
➢ 色素増感太陽電池 Dye-sensitized solar cells
➢ 量子ドット太陽電池 Quantum dot PV.
• ペロブスカイトLEDやレーザーの性能評価Further expandable to characterize perovskite LED and lasers.
8
OISTのペロブスカイト太陽電池の技術ポートフォリオOIST technology portfolio of Perovskite PV
➢ 成膜技術Deposition
➢ 測定技術Mesurement
➢ その他周辺技術 多数ありMany other surrounding technologies
2019年中に1x1m の実用化サイズのパネルを完成(目標)Aim to finish 1x1m perovskite solar panel technology in 2019.
実用化に向けてCommercialization
9
1 m1 m
(a) (b)ClB Cell ClF Cell
Pin-holes
640 635 630 625 620 615 610
ClB Cell
XP
S I
nte
nsity (
arb
. un
its)
Binding Energy (eV)
I 3d
ClF Cell
(c) ClB Cell ClF Cell
0 h
49 h
100 h
(d)
• 発明の名称 :ペロブスカイト光電子デバイス用自動性能評価システム及び方法
原題「System and Method for Automated Performance
Assessment of Perovskite Optoelectronic Devices」
• 出願番号 :PCT国際出願 PCT/JP2017/019872
• 出願人 :沖縄科学技術大学院大学(単独)
• 発明者 :Yabing Qi (教授)
大野ルイス勝也(研究員)
Sonia Luiz Raga(研究員)
Mikas Remeika(研究員)
10
特許Patents
成膜技術、周辺技術等、全9特許あり
9 patents incl. deposition and surrounding
technologies
沖縄科学技術大学院大学(OIST)
技術移転セクション
TEL : 098-966-8937
FAX : 098-982-3424
E-mail : [email protected] .
11
お問い合わせ先Contact