産総研、薄膜型太陽電池のシミュレーションができるソフトウェアを開発

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量子効率スペクトルシミュレーションソフトのインターフェースと解析結果の一例

産業技術総合研究所(産総研)は2017年9月25日、岐阜大学と共同で、薄膜型太陽電池の量子効率スペクトルの高精度なシミュレーションができるソフトウェアを開発し、無償公開すると発表した。

産総研ではこれまで、CIGS太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、CZTS太陽電池などの次世代太陽電池の高性能化に関する研究開発に取り組んできた。しかし、構成する薄膜の材料選択や膜厚、導電率の調整などの構造の最適化に長時間を要し、研究加速の障害となっていた。

そこで、太陽電池を作製する際に必ず評価が行われる基本特性の1つである量子効率スペクトルの評価技術に着目。高精度な量子効率スペクトルのシミュレーションについては、これまで、それに必要な太陽電池の波長ごとの反射率(反射スペクトル)の適切な光学モデルや、光吸収層の膜質を考慮する技術、精密な光学定数が整備されていなかったため、岐阜大学と共同で研究することとなった。

今回開発されたソフトウェアは、量子効率スペクトルのシミュレーションにより、太陽電池の特性予測や膜質の評価を可能にする。このシミュレーション技術には、太陽電池の反射スペクトルに薄膜の凹凸による反射防止機能を取り込んだ新しい光学モデル(ARC法)を実装。反射防止条件(光学干渉がない条件)での反射スペクトルを計算し利用できるようにした。

太陽電池の表面に凹凸の有無による入射光の経路の模式図

また、研究開発の初期段階での、光吸収層の品質が十分でない場合に対応して、吸収層の品質を収集長としてモデル化したe-ARC法を採用。光吸収層の品質を定量的に評価できるようにした。さらに、ソフトウェアにより計算される量子効率スペクトルを利用することで、太陽電池の短絡電流密度を計算できる。太陽電池を構成する各層の波長ごとの吸収損失も計算できるため、層ごとの電流損失も分かる。その他、光学定数の計算機能、光吸収層に任意の組成傾斜がある場合のシミュレーション機能なども備えている。

今回の公開では、シミュレーションソフトとともにCIGS太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、CZTS太陽電池を構成する各材料の光学定数を同時に提供する。また、いずれの太陽電池においてもガラスなどの基板側(スーパーストレート構造)および反対側(サブストレート構造)からの光入射に対してシミュレーションができる。

今後産総研では、結晶シリコン太陽電池、III-V族太陽電池などのバルクタイプの太陽電池や、それらを含む多接合型の太陽電池のシミュレーションまで適用範囲を拡大する。また、太陽電池内で現実に起こる電子や正孔の再結合、電子正孔対の発光性再結合による再放射の効果、新材料の光学定数の取り込み、さらには実験で得られた量子効率スペクトルのシミュレーションによる自動フィッティング機能の実装などにより、幅広い種類の太陽電池を精密に評価できる技術を目指す。

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