ヘテロ接合型Ge太陽電池の長波長光照射下における特性評価

Characterization of c-Ge based heterojunction solar cellsunder a long wavelength light irradiation

先端産業プロセス・低コスト化チーム 金子 哲也（Tetsuya Kaneko）

ヘテロ接合型太陽電池

結晶シリコンとアモルファスシリコンを接合した構造（ヘテロ接合）を持つ太陽電池

HITセルとして知られ、実用サイズで高い変換効率を有する

温度上昇時の特性低下が少ない（低温度係数）

グリッド電極

a-Si:H

ヘテロ接合

a-Si:H裏面電極

n+i

n型結晶Si基板

ip

TCO

シリコンよりも長波長光を利用可能 → 積層型太陽電池のボトムセルへ

ヘテロ接合化により温度係数を改善

欠点 動作温度が上昇 すると変換効率の低下が 大きい

ゲルマニウム太陽電池

トップセル

ミドルセル

ボトムセル

スマートスタック太陽電池

材料ごとの理論上の最大電流密度

Band gap(eV)

吸収限界(µm)

最大JSC(mA/cm2)

Si 1.12 1.11 43.8Ge 0.66 1.88 60.9

シリコンを透過した光を利用することが可能

両面ヘテロ接合型Ge太陽電池の特性

裏面ヘテロ構造 VOC (V) JSC (mA/cm2) FF Efficiency (%)無し 0.174 45.9 0.459 3.66

(p) a-Si:H 0.176 48.1 0.453 3.83(i/p) a-Si:H 0.181 48.3 0.436 3.80

(p) c-Ge sub.(i) a-Si:H(n) a-Si:H

ITOAg

(i) a-Si:H(p+) a-Si:H

ITOAl

セル構造

ヘテロ接合型Ge太陽電池のJ-V特性

両面ヘテロ接合化により効率向上

0.0 0.1 0.2 0.30

10

20

30

40

50 Back side structure No (p) a-Si:H (i/p) a-Si:H

Cur

rent

den

sity

J (m

A/c

m2 )

Voltage (V)

赤外光下においても両面ヘテロ接合化によりVOCの温度特性が改善

両面ヘテロ接合構造はGe太陽電池でも有用

赤外光下における温度特性

ヘテロ接合型Ge太陽電池の温度特性（赤外光照射時）

0 10 20 30 40 50 60 70

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Nor

mal

ized

effic

ienc

y

Temperature (°C)

Back side structure No (p) a-Si:H (i/p) a-Si:HN

orm

aliz

ed J

SC IR light

-1.50 %/°C

Nor

mal

ized

VO

C

Temperature (°C)

-1.31 %/°C

Nor

mal

ized

FF

研究背景 まとめ

実験

実験結果

金子哲也

産業技術総合研究所 太陽光発電工学研究センター 先端産業プロセス・低コスト化チーム

http://www.aist.go.jp/

ヘテロ接合型Ge太陽電池の長波長光 照射下における特性評価

研究の背景・目的

ヘテロ接合型太陽電池

•水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）と単結晶シリコンで構成される

• HITセルとして知られており、高い変換効率を有する

•接合界面のバンドオフセットによる逆方向電流の抑制が高効率（高電圧）に寄与する

•動作温度上昇時における変換効率の低下が少ない（低温度係数）

ゲルマニウム太陽電池に対しても有用

ゲルマニウム太陽電池

シリコンよりも長波長の光（赤外光）まで発電に利用することができる

積層型太陽電池のボトムセルへの応用

トップセル

ミドルセル

ボトムセル

吸収材のバンドギャップと太陽電池の最大電流

Band gap (eV)

吸収限界 (µm)

最大JSC

(mA/cm2) Si 1.12 1.11 43.8 Ge 0.66 1.88 60.9

500 1000 1500 2000 2500 3000010203040506070 43 2 1 0.5

Max

imum

J SC (

mA/

cm2 )

Wavelength of absorption limit (nm)

Photon energy (eV)

Si

Ge

500 1000 1500 2000 2500 3000010203040506070 43 2 1 0.5

Max

imum

J SC (

mA/

cm2 )

Wavelength of absorption limit (nm)

Photon energy (eV)

Si

Ge

積層型（スマートスタック）太陽電池

欠点

狭バンドギャップ 低電圧（低VOC）

温度上昇時の特性低下が大きい（高温度係数）

ヘテロ接合化により改善

Ge太陽電池を両面ヘテロ接合化することにより、JSC、VOC、変換効率の向上を確認した。

長波長光（赤外光）照射下において両面ヘテロ接合化により温度特性の改善が観測された。

Ge太陽電池においても、両面ヘテロ構造は有用であると考えられる。

(p) c-Ge sub. (i) a-Si:H (n) a-Si:H

ITO Ag

Al contact

セル構造

使用基板： 単結晶 p型Ge(111) 2.5 Ω・cm 成膜方法： プラズマCVD法

1.両面へテロ接合型Ge太陽電池の作製

2. 両面へテロ接合型Ge太陽電池の温度特性

ソーラーシミュレーター Ge太陽電池 （温度コントロール） 赤外透過フィルター

•赤外透過フィルター（透過限界波長1000nm）により積層化後の光入射状態を模擬

•セル温度をコントロールして温度特性を評価

(p) c-Ge sub. (i) a-Si:H (n) a-Si:H

ITO Ag

Al contact

(i) a-Si:H (p+) a-Si:H

ITO

(p) c-Ge sub. (i) a-Si:H (n) a-Si:H

ITO Ag

Al contact

(p+) a-Si:H ITO

裏面無し 裏面p+構造 裏面i/p+構造

1.両面へテロ接合型Ge太陽電池の作製

図1. ヘテロ接合型Ge太陽電池のJ-V特性

裏面ヘテロ構造 VOC (V) JSC (mA/cm2) FF Efficiency (%) 無し 0.174 45.9 0.459 3.66

(p+) a-Si:H 0.176 48.1 0.453 3.83 (i/p+) a-Si:H 0.181 48.3 0.436 3.80

両面ヘテロ接合化により短絡電流密度（JSC）、開放電圧（VOC）、変換効率が向上（図1）

JSCの増加は広い波長域の量子効率向上に起因（図2）

曲線因子（FF）低下は直列抵抗成分の増加が影響（図3）

両面ヘテロ接合化によりVOCの温度特性が改善（図4）

長波長光（赤外光）照射下においても、温度特性の改善を確認（図5）

2. 両面へテロ接合型Ge太陽電池の温度特性

500 1000 1500 20000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Exte

rnal

qua

ntum

effic

ienc

y

Wavelength (nm)

Back side structure No (p+) a-Si:H (i/p+) a-Si:H

0.0 0.1 0.2 0.30

10

20

30

40

50 Back side structure No (p+) a-Si:H (i/p+) a-Si:H

Curr

ent d

ensi

ty J

(mA/

cm2 )

Voltage (V)

0 10 20 30 40 50 60 70

0.40.60.81.01.2

0.40.60.81.01.2

0 10 20 30 40 50 60 70

0.40.60.81.01.2

0.40.60.81.01.2

Nor

mal

ized

effic

ienc

y

Temperature (°C)

Back side structure No (p+) a-Si:H (i/p+) a-Si:H

Nor

mal

ized

J SC

IR light

-1.50 %/°CNor

mal

ized

V OC

Temperature (°C)

-1.31 %/°C

Nor

mal

ized

FF

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.610-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

Cur

rent

den

sity

J(m

A/c

m2 )

Voltage (V)

Back side structure No (p+) a-Si:H (i/p+) a-Si:H

図2. ヘテロ接合型Ge太陽電池の外部量子効率 図3. ヘテロ接合型Ge太陽電池のダークJ-V特性

図5. ヘテロ接合型Ge太陽電池の温度特性（赤外光照射時）

0 10 20 30 40 50 60 70

0.40.60.81.01.2

0.40.60.81.01.2

0 10 20 30 40 50 60 70

0.40.60.81.01.2

0.40.60.81.01.2

Nor

mal

ized

effic

ienc

y

Temperature (°C)

Back side structure No (p+) a-Si:H (i/p+) a-Si:H

Nor

mal

ized

J SC

White light

-1.17 %/°C

-1.00 %/°C

Nor

mal

ized

V OC

Temperature (°C)

Nor

mal

ized

FF

図4. ヘテロ接合型Ge太陽電池の温度特性（白色光照射時）

＜白色光照射下＞

＜赤外光照射下＞ ( i/p+ cell@25°C - VOC: 0.143 [V], JSC: 13.2 [mA/cm2], FF: 0.486, Eff.: 0.92 [%])

a-Si:H

a-Si:H

ヘテロ接合

グリッド電極

裏面電極 n+ i

n型単結晶Si

i p

TCO