低コスト、高効率、多色

フレキシブル基板とカラーバリエーションを備えた透明薄膜の開発

国家科学技術研究評議会

画像: アルミニウムをドープした酸化亜鉛材料に水素を定期的に混合して色を実現した、フレキシブル基板上の透明薄膜太陽電池もっと見る

クレジット: 韓国物質科学研究院 (KIMS)

韓国物質科学研究院(KIMS)エネルギー・電子材料学科のJung-dae Kwon博士率いる研究チームは、異なる反射率を示すフレキシブル基板上に世界初の透明薄膜太陽電池を実現することに成功した。色が変わり、太陽電池の効率を大幅に低下させることはありません。 KIMS は、科学情報通信省傘下の政府出資の研究機関です。

透明電極であるアルミニウムをドープした酸化亜鉛材料に周期的に水素を導入し、屈折率差を生じさせることで、単一材料のみで反射色を実現する技術です。 屈折率差が5%未満という極めて低い多層薄膜を設計することで、太陽電池素子が吸収する可視光領域での反射損失を最小限に抑えました。 着色による太陽電池効率の低下が少ないため、薄膜太陽電池用の各種吸収体への応用が可能です。 さらに、BIPV(建築用統合型太陽光発電)やVIPV(車両用統合型太陽光発電)用のフレキシブル基板透明薄膜太陽電池の美観を向上させるためのベンチマークとしての役割も期待されています。

これまで、透明薄膜太陽電池の美観を向上させる着色手法として、屈折率差の大きな材料の多層薄膜化技術、光学特性を設計する色制御薄膜コーティング技術、自然構造を模倣した構造色技術が用いられてきた。 しかし、これらの技術は、反射帯域が広く反射率が高いため可視光を吸収する太陽電池には適していなかったり、複数の材料やプロセスからなる複雑な技術を必要とし、工業的に応用することが困難であった。

研究チームは、一般的な半導体や太陽電池の製造プロセスで用いられる真空スパッタリング蒸着法を用いて酸化亜鉛薄膜を成膜しながら、周期的な水素反応により屈折率の異なる多層薄膜を形成した。 そして、多層薄膜の厚さを調整することで光の三原色を得ることができました。 当時は可視光域の光を吸収する太陽電池に適用しても電極の色をうまく表現できました。

単一材料をベースとした多層透明薄膜電極は追加の加工を必要としません。 薄膜太陽電池の多彩な色彩と高効率を低コストで実現できることが期待されています。 また、反射色を光学フィルターとして実装しているため、イメージセンサー、フォトリソマスク、赤外線遮蔽などの様々な分野への応用が可能です。

主任研究員のJung-dae Kwon博士は、「この技術が実用化されれば、シンプルでプロセス不要の光フィルター技術や高効率の着色フレキシブル基板透明薄膜太陽電池の開発に役立ち、また、現代の建物用の BIPV システムと、美的特徴を備えた車両用の VIPV システムです。」

本研究は、韓国科学情報通信部の支援を受けて、韓国物質科学研究院の基礎研究事業と韓国エネルギー技術評価企画研究院のエネルギー技術開発事業の下で実施された。 さらに、研究結果は、化学工学分野の一流ジャーナル（上位3%）であるChemical Engineering Journal（IF: 15.1）に8月3日に掲載されました（筆頭著者：Choi Soo-won博士） 、責任著者：釜山大学、ソン・プングン教授、韓国航空宇宙大学、シン・ミョンフン教授）。 研究チームは今回の研究をもとに、BIPVの美的側面と実用的側面の両方を考慮した色を表現する太陽電池モジュールの分野での追跡研究を積極的に行っている。