産業技術総合研究所(産総研) 太陽光発電研究センター 化合物薄膜チームの柴田肇氏と反保衆志氏は、岐阜大学工学部電気電子・電子情報工学科の藤原裕之教授と共同で、薄膜型太陽電池の量子効率スペクトルを高精度にシミュレーションできるソフトウェアを開発し、無償公開することを発表した。この技術の詳細は9月25日、アムステルダムで開催された「EU PVSEC 2017」にて発表された。

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

産総研は、量子効率スペクトルの高精度シミュレーション、短絡電流密度と損失解析、そして膜質の定量評価ができる技術の開発に、岐阜大学と共同で取り組んだ。

今回公開されるソフトウェアは、量子効率スペクトルをシミュレーションすることにより太陽電池の特性予測や、膜質の評価を可能とするもの。同技術は、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)、光吸収層の膜質を収集長として取り込んだモデル(e-ARC法)、そして光吸収層の精密な光学特性を導入することで実現した。太陽電池の各層の膜厚や、収集長を入力・変更することにより、量子効率スペクトルのリアルタイムシミュレーションができる。

同ソフトウェアは新しい光学モデル(ARC法)を実装し、反射防止条件での反射スペクトルを計算し利用できるようになっている。なお、本ソフトウェアでは、ARC法での反射率以外にも、太陽電池で実際に測定された反射率や表面が平たんな条件での反射率、またそれらの複合による反射率など種々の反射率もシミュレーションに利用できるという。

太陽電池の研究開発、特に研究開発の初期段階においては、光吸収層の品質が十分ではない場合が多い。光吸収層の品質は量子効率スペクトルに大きな影響を与えるため、開発したソフトウェアでは、吸収層の品質を収集長としてモデル化してシミュレーションできる(e-ARC法)。収集長は小さくなるに従い量子効率スペクトルの感度が減少することが知られており、同ソフトウェアでは収集長を含んだシミュレーションを実現したため収集長により光吸収層の品質を定量的に評価できる。また、実験による量子効率スペクトルとシミュレーション結果を比較することで光吸収層の品質を定量評価することもできる。

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、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することも可能となっている。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ので、層ごとの電流損失も分かる。これらの機能のほか、ソフトウェアは各層のバンドギャップの増減、さまざまな材料の特性に応じた光学特性が計算できる物理モデルを利用した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有している。

CIGS太陽電池の量子効率スペクトル、短絡電流密度と電流損失のシミュレーション結果

今回のソフトウェアの公開では、シミュレーションソフトと共に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しているため、これらの太陽電池では即座にシミュレーションを行うことができる。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することもできる。

今後は、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、さらにはそれらを含めて多接合型の太陽電池のシミュレーション技術までソフトウェアの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、新しい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としての改良を目指すとしている。