可視光の80%を通す透明に近い太陽電池を開発―― 1cm2の太陽電池で420pWの発電に成功 東北大

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東北大学は2022年7月12日、同大学大学院工学研究科電子工学専攻の研究グループが、可視光の80%を通す透明に近い太陽電池を開発したと発表した。

透明太陽電池はさまざまな場所に設置できるため、存在を無視でき、環境に調和するクリーンエネルギーデバイスとして注目されている。一方で、既存の透明太陽電池と呼ばれているものには、可視光透過率が60%以下に留まるものも多かった。

同研究グループは今回、原子オーダーの厚みを有する半導体2次元シートの遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)を用いた。同グループは2017年にTMD透明太陽電池の新たな発電機構としてショットキー発電を提唱しており、半透明太陽電池の作成に成功している。一方で、既存の研究では不透明なニッケル(Ni)やパラジウム(Pd)などのバルク金属を電極に採用していたため、透明な太陽電池は実現できていなかった。

今回の研究では、ショットキー型原子層太陽電池をベースとしつつ、透明電極のITO電極を新たに採用した。ITO電極の表面に数nm以下のさまざまな金属薄膜を堆積させて、ITO電極の仕事関数を制御している。これにより、挿入する金属薄膜の種類と膜厚を調整することで、ITOの透明度を損ねずにTMD接合部のショットキー障壁高さを自在に制御可能となった。

(a)ショットキー型透明TMD太陽電池の構造模式図
(b)さまざまな金属薄膜を堆積させたITO/石英基板の光学写真
(c)仕事関数(WF)と透過率(T)との関係

そこで、電荷分離領域とキャリア捕集領域それぞれに最適な金属薄膜/ITO構造を選んでデバイスを作製し、太陽光発電性能を比較した。すると、単純なITO電極のみを用いた場合と比較して、最適化した金属薄膜/ITO電極構造では発電効率が1000倍以上向上することが判明した。

金属薄膜堆積により表面状態を制御したITO電極と発電効率との関係

さらに、透明太陽電池の実用化に向けて必要となる大面積化に関する研究も行った。まずは2本の平行電極対で構成した基本ユニット構造の面積を単純にcmスケールに拡大したものの、総発電量は増加しなかった。面積増加に伴って開放電圧が低下することが原因であることが判明した。

(a)(上段)単純繰り返し構造(Sim-P)と(下段)最適ユニットデバイスの繰り返し構造(Des-P)に関する光学写真
(b) Sim-PとDes-Pにおける発電総量のデバイス面積依存性

そこで、開放電圧の低下を抑制すべく、電極幅と長さから算出されるアスペクト比を一定値以下として設計したところ、デバイス面積の増加に伴って総発電量が増加した。これに基づいてTMD太陽電池を1cm2の石英基板上に大規模集積化したところ、可視光透過率約80%で420pWの太陽光発電に成功した。

今回の研究で試作した高透明TMD太陽電池の(a)光学写真、(b)透過率スペクトル、(c)発電特性

現在市販されている消費電力が低い小型センサーなどの電子デバイスは、100pW程度の電力で動作するため、今回作製した1cm2の高透明太陽電池でも駆動可能となる。

今後は、大面積化や大規模モジュール化を進めることで、ビルの窓ガラスや車のフロントガラス、メガネ、人体の皮膚などでの実用化に繋がることが期待される。

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