开发了用氧化钛形成结的新型晶体硅太阳能电池- -利用使氧化钛作为正极发挥作用的新技术，实现了20%以上的转换效率-

重点发现氧化钛具有使硅的表面缺陷失活，选择性地取出空穴的功能通过将氧化钛用于空穴取出层的新型硅太阳能电池，证实了与实用化相关的转换效率期待着高效、低成本的硅太阳能电池的实用化技术和向其他太阳能电池的推广

概要国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产综研”)零排放国际共同研究中心【研究中心长吉野彰】多接合太阳能电池研究小组松井卓矢高级主任研究员、斋均主任研究员，通过与德国夫琅和费研究机构太阳能系统研究所( Fraunhofer ISE )的共同研究，从原子层沉积法制膜的氧化钛薄膜(厚度:约5 nm )具有纹理结构的晶体硅的表面缺陷进行失活的功能和晶体硅中选择空穴我们试制了将该氧化钛薄膜配置在正极侧的结晶硅太阳能电池，证实了与实用化相关的超过20%的转换效率。通过此次开发的技术，有可能通过低成本的材料工艺获得比以往使用空穴取出材料的结晶硅太阳能电池更好的性能，期待实现高效率、低成本的太阳能电池。该技术的详细情况将于10月22日(美国东部夏季时间)在美国化学会学术杂志ACS Applied Materials & Interfaces上在线公开。

(左)制作的太阳能电池的结构概念图的例子、(右上)太阳能电池受光面的透射电子显微镜图像、(右下)在50 mm见方的结晶硅基板上形成5个太阳能电池的试样的外观

开发的社会背景用于太阳能发电的太阳能电池是将光能直接转换为电能的器件，在从大规模太阳能发电站到建筑物、车、室内的各种用途中使用了各种材料。最广泛普及的晶体硅太阳能电池板(目前市场的9成以上)的转换效率为市售的20%左右，但转换效率与制造成本有权衡关系。今后，作为成本竞争力优异的电源，为了促进太阳能发电的导入，要求同时实现太阳能电池的高效化和低成本化。

研究的经过在产综研中，为了促进太阳能发电的普及，正在推进各种太阳能电池的高性能化和新的制造工艺的研究开发。其中，正在进行研究开发，目的是在低温下在晶体硅表面制作数nm的薄膜，以获得比以往的pn结型更高的转换效率。这次，我们关注作为光电极和光学涂层材料广泛使用的氧化钛，进行了关于使用该薄膜使结晶硅太阳能电池的表面缺陷失活的技术、从硅向外部提取电荷的技术的研究开发。另外，此次开发的一部分得到了国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构( NEDO )的委托事业“高性能、高可靠性太阳能发电的发电成本降低技术开发”( 2018年度至2019年度)的支持。另外，另外，在文部科学省“纳米技术平台”事业支持下的产综研纳米处理设施中对氧化钛进行了成膜。

研究的内容晶体硅太阳能电池中，由光吸收体晶体硅光激发的电子和空穴分别从负极和正极选择性取出，但晶体硅表面有缺陷，如果该缺陷多，光激发的电子和空穴会因复合而消失。因此，要求具有对表面缺陷进行电失活的功能。具有该功能的代表性材料是非晶硅。但是，由于非晶硅吸收可见光，会导致能量损失，因此需要尽量使受光面的非晶硅变薄。另外，非晶硅制膜一般设备投资和维持费较大。因此，作为比非晶硅更透明、可以廉价制造的材料，着眼于氧化钛。这次，以含钛的有机金属络合物和水蒸气为原料，用原子层堆积法制取氧化钛膜。在具有金字塔形状纹理结构的n型结晶硅的表面上成膜厚度约5 nm的非晶质氧化钛后，成膜掺杂锡的氧化铟( ITO )的透明电极，进而形成银( Ag )的栅格电极，将其作为正极。负极使用异质结型结晶硅太阳能电池中一般使用的结构制作了太阳能电池。从正极侧照射模拟太阳光，对太阳能电池的性能进行评价，正极使用氧化钛的太阳能电池与在硅上直接制膜了ITO的无氧化钛膜的太阳能电池相比，开放电压从200 mV增加到了500 mV。这表明氧化钛具有缺陷失活能力和空穴选择性。但是，如果将氧化钛薄膜直接制成具有纹理结构的结晶硅，则缺陷失活能力和空穴选择性不充分。于是，氧化钛制膜后，用氢等离子体照射表面，缺陷失活能力和空穴选择性同时提高，太阳能电池的开路电压改善到670 mV。众所周知，氧化钛不仅对硅，对各种材料的电子选择性也很高，被用于有机类太阳能电池等负极材料，但这次首次证实了氧化钛具有空穴选择性和缺陷失活能力，可以作为正极发挥作用。对这种显示出与以往完全相反性质的机理进行了调查，结果表明，通过氧化钛和晶体硅界面存在的相互混合层(由钛、硅、氧、氢构成)的组成及其分布，可以控制缺陷失活能力和空穴选择性。通过发现选择性提取空穴这一氧化钛的新功能，氧化钛的应用有望扩大。

图1:(左)太阳能电池的电流·电压特性和(右)在平坦的结晶硅上成膜氧化钛的截面的高分辨率透射电子显微镜图像右图中通过组成分析确认，在晶体硅和氧化钛的界面形成了由钛、硅、氧、氢构成的相互混合层。

此次开发的使用氧化钛的太阳能电池与以往使用非晶硅的异质结型结晶硅太阳能电池相比，在波长400-600 nm处显示出了较高的外部量子效率，短路电流密度增加了约2.0 mA/cm2。其原因在于，与非晶硅的带隙1.7 eV相比，氧化钛的带隙大到3.4 eV，并且由于氧化钛优异的透明性，可以降低正极因光吸收而引起的损失。虽然该太阳能电池的性能还有改善的余地，但是通过有效改善短路电流密度，迄今为止获得了21.1% (第三方测量)的转换效率。该值相当于以往异质结型结晶硅太阳能电池的性能(研究室为22.3% )。

图2:(上)基准太阳能光谱( air mass 1.5 global )和(下)制作的太阳能电池的外部量子效率光谱在外部量子效率方面，将此次开发的使用氧化钛的太阳能电池与以往使用非晶硅的太阳能电池进行了比较。短路电流密度也可以通过基准太阳光光谱与外部量子效率光谱之积的积分求出。

今后的计划今后，一方面以更高的效率化为目标，另一方面将推进耐紫外线性提高的研究开发。另外，此前认为只作为电子取出层发挥作用的氧化钛显示出正好相反的性质在学术上也很有趣，逐渐明确了空穴在氧化钛和硅的界面上的输送机理。并且，还将探讨应用于各种无机有机类太阳能电池、将它们和硅组合而成的串联型太阳能电池、光电化学装置、半导体装置等。

発表雑誌雑誌名:ACS应用材料和界面論文标题:Atomic-Layer-Deposited TiO_x Nanolayers Function as Efficient Hole-Selective Passivating Contacts in Silicon Solar Cells
作者：Takuya Matsui,* Martin Bivour, Martin Hermle, Hitoshi Sai

用语说明 ◆原子层沉积法一种通过反复向设置有基板的反应容器中加入或排出原料气体的循环，逐个堆积原子层薄膜的方法。也称为原子层沉积( ALD )法。即使在凹凸大的表面也能够维持优异的可涂性进行制膜。返回参照源 ◆纹理结构采用将硅的表面凹凸加工成金字塔状的结构(大小:约5-10μm )，可以降低入射到太阳能电池的光的反射，同时可以延长进入硅的光的光路长度，增加光吸收。返回参照源 ◆空穴电子具有负电荷，而电子逸出的孔具有正电荷，因此被称为空穴。在太阳能电池中，光激发产生电子和空穴对，分别从负极和正极取出，从而产生电动势和光电流。返回参照源 ◆晶体硅太阳能电池使用厚度100-200μm的结晶硅基板作为光吸收材料的太阳能电池。现在占世界太阳能电池板市场的9成以上。返回参照源 ◆pn结在p型半导体中扩散n型添加材料，或者在n型半导体中扩散p型添加材料而得到的半导体的接合方式。虽然pn结型晶体硅太阳能电池目前最为普及，但转换效率比其他高效率型低。返回参照源 ◆非晶硅没有周期性硅原子排列的非晶硅，如晶体硅。因为通常使用含有10-20原子%的氢的物质，所以也称为氢化非晶硅。在身边，被用于计算器和钟表用的太阳能电池、液晶显示器的薄膜晶体管等。返回参照源 ◆掺锡氧化铟( ITO ) 在可见光到近红外光的波长区域透明的代表性透明电极材料。被称为铟锡氧化物( ITO )。返回参照源 ◆异质结型晶体硅太阳能电池一种太阳能电池，是将几纳米厚的非晶硅在结晶硅表面制膜而制成的。目前，晶体硅太阳能电池实现了最高的转换效率。返回参照源 ◆开路电压在阳光照射的状态下开放太阳能电池端子时得到的电压。晶体硅太阳能电池的情况下，强烈依赖于表面缺陷的失活和从硅中提取电荷(电子或空穴)到外部的电荷选择性。返回参照源 ◆量子效率用太阳能电池的短路电流相对于照射太阳能电池的光量(光子数)的比例，扫描光的波长进行测量。包括反射损耗在内的称为外部量子效率，而短路电流相对于进入太阳能电池内部的光量的比例称为内部量子效率。返回参照源 ◆短路电流密度在阳光照射的状态下将太阳能电池的端子短路时得到的单位面积的电流。取决于射入晶体硅的光的光谱和强度。返回参照源 ◆带隙也称为禁带，以半导体和绝缘体为特征的物理量。带隙以上能量的光被吸收，带隙以下的能量的光透过。返回参照源 ◆空气质量1.5全球( am 1.5克) 表示阳光到达地面之前通过的大气厚度的指标。 AM1.0是太阳光垂直入射到地面时的值，相当于赤道上。国际标准中用于太阳能电池评价的基准太阳能光谱为AM1.5，相当于太阳高度约为42度的情况。 global(G )意味着太阳光光谱是由直达光成分和散射光成分组成的全天日照。返回参照源 ◆串联型太阳能电池通过层叠具有不同带隙的多个太阳能电池，可以获得分别超过单体太阳能电池极限的转换效率的太阳能电池。返回参照源

开发了用氧化钛形成结的新型晶体硅太阳能电池- -利用使氧化钛作为正极发挥作用的新技术，实现了20%以上的转换效率-

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