プラズモニック光閉じ込め構造の開発

革新デバイスチーム 水野 英範

研究目的

太陽電池における既存の光閉じ込め技術（テクスチャ化）と共存可能な新手法の探索

金属ナノ粒子の強い光散乱作用を利用するプラズモニック光閉じ込め構造を検討

本研究は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託を受けて実施されたものであり、関係各位に感謝します。

銀ナノ粒子の合成

合成条件による粒子形状・サイズの制御

AgNO3

Ascorbic acid/Trisodium citrate

H2O

銀ナノ粒子懸濁液

銀ナノ粒子のケミカルアセンブリー

Substrate (TCO)

Nitrogen‐basedbinding layer

Ag NP

Controlledassembly

Ag NP

NR2NR2

NR2NR2 NR2

NR2

条件による粒子導入量（密度）・配列の制御

1 μm

時間 = 5 min 10 min 30 min

1 μm 1 μm

銀ナノ粒子導入微結晶Si太陽電池

1 μm1 μm

被覆率 = 22%

裏面TCO層への銀ナノ粒子導入

（被覆率・ポジション最適化）

近赤外領域（700‐1100 nm）

+75%の光電流生成向上を確認

スーパーストレート型

微結晶Si太陽電池

銀ナノ粒子

(サイズ: 100‐300 nm)

0.00 

0.10 

0.20 

0.30 

0.40 

0.50 

0.60 

0.70 

0.80 

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100EQ

EWavelength (nm)

銀ナノ粒子あり銀ナノ粒子なし

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

1.16

1.44

1.27

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

12 22 41

J sc (>

700

nm) R

atio

Surface Coverage (%)

Ag NPs

Free electrons

Electric field

＋＋ ＋

＋＋ ＋－－ －

－－ －

銀ナノ粒子導入微結晶シリコン太陽電池

研究背景 プラズモニック光閉じ込め

セル特性

結論

水野 英範

革新デバイスチーム

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

プラズモニック光閉じ込め構造の開発

太陽電池における既存の光閉じ込め技術（表面テクスチャ化）と共存可能な 新手法の探索 金属と光の相互作用を利用するプラズモニック光じ込め構造を検討

金属ナノ粒子における局在表面プラズモンを利用[1]

- 光散乱の比率を粒子サイズで調整可能[2]

- 大きな散乱断面積（粒子サイズの~10倍）→少ない表面被覆率[3]

光吸収 光散乱

局在表面プラズモン =

+

銀ナノ粒子の合成

AgNO3

Ascorbic acid/Trisodium citrate

H2O

300 nm

ケミカルアセンブリー

Substrate

Nitrogen-basedbinding layer

Ag NP

Controlledassembly

Ag NP

NR2NR2

NR2NR2NR2

NR2

集積時間をコントロールし、表面被覆率を制御

セル構造

Ag (250 nm)

ZnO:Ga (100-x nm)

Glass SnO2:F/ZnO:Ga

n (40 nm) μc-Si:H i (500 nm) p (10 nm)

Ag NP

ZnO:Ga (x nm)

Ag (250 nm)

ZnO:Ga (100 nm)

Glass SnO2:F/ZnO:Ga

n (40 nm) μc-Si:H i (500 nm) p (10 nm)

銀ナノ粒子 導入セル 参照セル

1 μm

(a)

1 μm

(b)

1 μm

(c)

ランダムなサイズ・形状 → 幅広い太陽光スペクトルとの相互作用

被覆率 = 12% 被覆率 = 22% 被覆率 = 41%

謝辞

参考文献 [1] H. A. Atwater and A. Polman, “Plasmonics for improved photovoltaic devices”, Nat. Mater. 9, 205 (2010). [2] K. Tanabe, “Optical radiation efficiencies of metal nanoparticles for optoelectronic applications”, Mater. Lett. 61, 4573 (2007). [3] K. R. Catchpole and A. Polman, “Design principles for particle plasmon enhanced solar cells”, Appl. Phys. Lett. 93, 191113 (2008).

EQE積分値も増加(+44%)

近赤外域(700-1100 nm)において吸収増加

吸収およびEQEスペクトル J-V 特性

Jsc増加 ただしVoc およびFF は低下 → 変換効率も低下

EQE増加率：表面被膜率およびZnO:Ga膜厚依存性

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 500 700 900 1100

EQE,

1-R

Wavelength (nm)

Without Ag NPsWith Ag NPs

1.32

1.75

1.44

1.22

1.091.14 1.16

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

0 10 20 30 50 70 100

J sc(>

700

nm) R

atio

x = Initial ZnO:Ga Thickness (nm)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Curr

ent D

ensit

y (m

A/cm

2 )

Voltage (V)

最適表面被膜率 → 22% (EQE増加率44%）

最適ZnO:Gaイニシャル層膜厚 (x) → 10 nm (EQE増加率75%）

Flat → Flat →

Flat → Textured →

← Position tunable

GlassFront TCO

Active layer

Ag NPAg NP

Ag NPAg NP

Back reflectorIncorporate Ag NPs inside the rear TCO

Superstrate (p-i-n)-type

本研究は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託を受けて実施 されたものであり、関係各位に感謝します。

・ウェットケミカルアプローチによる銀ナノ粒子構造導入法を開発

・平坦µc-Si:H太陽電池において75%のJSC向上を確認（近赤外域）

今後の展開： ・ナノ粒子サイズ、配列の制御（パターニング）

JSC最大化 → セル最適化 ・他の光閉じ込め技術との併用

テクスチャ基板、フォトニック基板

・詳細について：Jpn. J. Appl. Phys. 51 (2012) 042302.