【別添資料2】プレゼン資料様式

2次元シート材料を用いた完全透明太陽電池の開発
東北大学

大学院工学研究科准教授 加藤 俊顕
2022年7月14日

1

環境調和型太陽電池
様々な環境

自然

都市

環境に調和できる環境発電素子設置により環境を乱さない

Soc. 5.0

デバイスへの要求

SDGs

環境発電素子

➢ 透明性
➢ 柔軟性
➢ 軽量性
2

透明太陽電池
Christopher J. et al., Nature Energy, 2017, 849-860.

不透明

半透明

完全透明

30 GaAs

(%)

SiPCE

ペロブスカイト
AVT: 平均可視光透過率
PCE: 電力変換効率

有機薄膜
0020406080
AVT (%)

100

ほぼ全ての太陽電池が可視光透過率60%以下
完全に透明な太陽電池は未開拓領域
3従来技術とその問題点
透明太陽電池という名前で既に商品は販売されているが、透明度の定義が曖昧
透過率30～60%のものがほとんどであり、存在が認識できないほど透明ではない設置により環境が乱れてしまう45二次元原子層材料
バンドギャップ
単層
多層00

金属

5.2 eV

5.2 eV

絶縁体

MoS2

1.89 eV(直接遷移)

1.23 eV(間接遷移)

MoSe2

1.58 eV(直接遷移)

1.09 eV(間接遷移)

WS2

2.05 eV(直接遷移)

1.35 eV(間接遷移)

WSe2

1.61 eV(直接遷移)

1.20 eV(間接遷移)

グラフェン

ボロンナイトライド
層状遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)
厚さ ～1 nm
MoS2

半導体

A. Kumar et al, Eur. Phys. J. B 85, (2012) 186.
K. Kam et al, J. Phys. Chem. 86, (1982) 463.
M. Bernardi et al., Nano Lett. 13, (2013) 3664

✓ 単層における光吸収率が5-10% (Solar light)✓ GaAsやSiに比べて出力密度 (kW/kg)が10-100倍程度高い

高効率透明太陽電池の発電層材料として最適
5原子層 (TMD) 太陽電池の開発状況
一般的な太陽電池

••••
•

PN接合型
ヘテロ接合型
ショットキー型
色素増感型
量子ドット型

単層～数層TMD太陽電池✓ PN接合型✓ ヘテロ接合型

H. Li, D. Lee et al. Nat communications. 6, (2015) 6564
Baugher B. W. H. ea al. Nat Nanotechnol. 9, (2014) 262✓ デバイス構造が複雑であるため大面積化が困難(実用化が難しい)✓ ショットキー型✓ 電極をパターンニングする簡単な手法のため大面積化が可能 (実用化に期待)✓ 現在のところ高効率発電の報告がなされていない

未解決課題
ショットキー太陽電池

SiO2/Si

SiO2/Si✓ ショットキー発電によるTMD太陽電池のデバイス構造最適化✓ 可視光透過率80%以上で発電実証✓ 大面積化6

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術では実現されていない、可視光透過率70%以上の太陽電池を作製することに成功した。
• 従来は透過率が低く使用が限定されていたが、約80%まで可視光透過率が向上できたため、設置可能な場所が大幅に増加した。
• 本技術の適用により、様々な場所での発電が期待される。
7

TMDショットキー太陽電池の発電原理
 本研究グループで開発したTMDショットキー太陽電池
T. Akama, W. Okita, R. Nagai, C. Li, T. Kaneko, and T. Kato, Sci. Rep. 7, 11967 (2017)

電極A

電極 A

VDS

電極B

オーミック接合(キャリア捕集)② 励起子
拡散×＋＋VGS① 太陽光照射による励起子生成③ 励起子分離-S

SiO2/Si

ショットキー接合(自由キャリア生成)ØBTMD-励起子＋TMD

電極 BIph④ 電極B（A）への電子 (正孔) 移動8ショットキー太陽電池の発電性能（本研究グループのこれまでの成果）[110 ]
 小規模デバイスによる発電実証実験−10電極種の効果

3003
Solar simulator

WSe2or-Ids [pA]

WS2SiO2Si

PCE: 0.7 %2002
10010000

5.25Au (4.81)
045Photon energy [eV]6

PCE: 0.7 % (AM1.5G)

4.6

 半透明太陽電池の実証

4.4
5 Ti Pd Pt
Ni Fe Cu Ag Au

0Normalized PCE

0.60.6

TMD（3層以下）太陽電池における世界最高発電効率達成

10

4.8

0.40.4Vds [V]

20Counts [arb. units]Work function [eV]5.40.20.2Ni-Pt

Ni-Pd0101Ni-Ti
0.1

Ag-Ti–110

Ti-Ti
0

WSe20.2

Ni-Pd
0.4

WS20.60.8

DWF [eV]✓ PCEがDWFに依存して増加✓ WSe2TMDに対してNi-Pdが最適✓ WS2-TMDに対してNi-Pt が最適

半透明太陽電池の大面積形成を実証
T. Akama, W. Okita, R. Nagai,
C. Li, T. Kaneko, and T. Kato,
Sci. Rep. 7, 11967 (2017)9

ショットキー太陽電池の発電性能（本研究グループのこれまでの成果と課題）
 透過率の更なる向上には ?
✓ 透明電極（ITO）の利用✓ ITOの仕事関数制御✓ 単層TMDの利用＜理想的な構造＞
3L TMD

Monolayer TMD

NiPd
石英

ITO

ITO

石英

Monolayer TMD

ITO

ITO

石英

異なる仕事関数

バンド構造半透明✓ 電極-TMD界面制御

完全透明× 界面構造制御

完全透明✓ 電極-TMD界面制御
10透明電極（ITO）の仕事関数制御
 薄膜を堆積したITOの透過率測定
WSe2 (peel off, 3L)

NiPdAlWS2仕事関数（WF)、透過率測定

Ni

ITO

ITO

金属薄膜

石英

石英

半透明

完全透明？（T＞８０％）

ITOの表面に様々な金属薄膜を堆積

ITO

石英

金属薄膜/ITOの透過率

ITO表面に金属薄膜を堆積した場合でも高い可視光透過率が維持されることが判明

ITOの仕事関数制御

Ni1 (5.4 eV)

Al5 (4.2 eV)Work function (WF) [eV]

金属薄膜を堆積したITOの仕事関数を量子効率計（PYS)により測定✓ Ni ⇨ Work function increase✓ Al,Fe,Ag,Au,Cu ⇨ Workfunction decrease✓ Al,Fe,Ag,Cu,Ni ⇨ Transparency
over 80%

11➢

ΔWF=1.2 eV※ 1 or 5: Thickness of metals、T: Average of visible transparency

薄膜堆積によりITOの仕事関数が制御可能であることが判明

薄膜堆積したITOがTMDショットキー太陽電池の透明電極として利用可能ショットキー障壁高さの計測
空間分解光励起電流（SRPC）マッピングによりショットキー障壁高さを計測

SRPCマッピング手法-Cu/ITO--S

D-

Ni/ITO

Relative photocurrent-IDS [A]Y position

0Yamaguchi et. al, ACS nano, 9 (2015), 1, 840–849
Yang et. al, Appl. Phys. Lett. 108 (2016), 083104

0DS
Y position [um]Iph ∝ E∫Iph∝∫E = ∅SRPCマッピングによりショットキー障壁高さを実測可能=Potential (∅)

lasar

室温かつ大気中での計測が可能（＝太陽電池の実際の利用環境）
Integrated photocurrent
IDS [A]

デバイス間に様々な電圧(VDS)を印加した状態でレーザーを照射
し光電流を計測
レーザーをスキャンし光誘起電流をスキャン方向に積算

金属薄膜/ITO電極とTMD間のショットキー障壁高さ
様々な金属薄膜を堆積したITOとTMD間のショットキー障壁高さをSRPCマッピングで実測
SBH (ショットキー障壁高さ)
SBH (∅𝐵 ) = ∅𝑚 − 𝑥(S = 1)SBH(cal.)∅𝑚 ∶ Work function of electrode𝑥 ∶ Electron affinity of WS2Electrode

WF
[eV]

SBH
[meV]

SBH(cal.)
[meV]

ITO

4.55

50Au/ITO

4.60

100Ag/ITO

4.75

2050

Cu/ITO

5.00

100300Ni/ITO5.4060700➢ SBHは予想される理論値より著しく低い値であることが判明➢ フェルミピンニングの効果でSBHが決定している可能性が示唆
SBH = S * (∅𝑚 −𝑥)(S: フェルミピンニング係数)

発電層側ショットキー障壁高さの向上
S～1

WO3 layer

WS2
WO3
Cu

inter-layer

WO3

ITO--SD-Cu# S: Fermi level pining factor✓ TMDと金属薄膜間に酸化物薄膜層を追加することでフェルミピニング効果が弱まることが判明✓ 発電層側のショットキー障壁高さを大幅に向上することに成功

ITO

ITO-TMD間ショットキー障壁制御と発電性能＜ショットキー障壁制御無し＞

ITO-ITO

PCE=0%＜ショットキー障壁制御有り＞

Cu1-ITO

PCE= 1.44*10-4%

WO3/Cu1-ITO＜最大ショットキー障壁の結果＞
PCE= 1.45*10-3%

ショットキー障壁制御により発電効率が1000倍以上も向上することが判明

完全透明太陽電池の試作
WO3WS2 (CVD, 1L)

ITO

ITOCuQuartz
完全透明太陽電池

AVT%
= 79%
実デバイスが駆動可能なレベルの発電を達成
5025101010✓ D/A Converter: 1 uW
(TI DAC7512)✓ CMOS−6−8✓ Optical Switch: 0.55 nW(Seiko S 5470)✓ Thermo Sensor: 100 pW−10

H. Wang & P. P. Mercier, Sci. Rep. 7, 44276, (2017)
2460IDS (nA)Power consumption [W]＜各種電子デバイスと消費電力＞

総発電量 = 400 pW-25-50under dark-75-100

under solar simulator (AM 1.5G)-125-10-50510VDS (mV)

15208• 可視光透過率79%の完全透明太陽電池の試作に成功• 実デバイスが駆動可能なレベルの発電を達成

25想定される用途• 本技術の特徴を生かすことで、ビルの窓ガラス、車のフロントガラス、衣服、人体の肌、眼鏡、ビニールハウス等これまで太陽光発電ができなかった様々な場所でエネルギーを取り出せることになるため、メリットが大きいと考えられる。
• 上記以外に、軽量太陽電池としての効果も期待でき、移動体での発電にも期待される。
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実用化に向けた課題• 現在、実用デバイスが駆動可能なレベルの発電量を達成するところまで開発済み。しかし、さらなる発電量の向上が必要である。
• 今後、発電層の高品質化について実験を繰り返し、発電総量の増加に適用していく場合の条件設定を行っていく。
• 実用化に向けて、太陽電池モジュールの大面積化の精度を向上できるよう技術を確立する必要もあり。
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企業への期待• 未解決の発電層の高品質化については、“その場観測合成の技術（TMD合成で世界初）”により克服できると考えている。
• 太陽電池や薄膜形成等の技術を持つ企業との共同研究を希望。
• また、従来太陽電池を開発中の企業、環境発電分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：光電変換素子および光電変換デバイス• 出願番号：特願２０２２－０５５７０４
• 出願人
：東北大学
• 発明者
：加藤俊顕、何杏、金子俊郎

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お問い合わせ先
東北大学
産学連携機構 総合連携推進部
Website https://www.rpip.tohoku.ac.jp/jp/

ＴＥＬ
０２２－７９５ － ５２７５ＦＡＸ
０２２－７９５ － ５２８６E-mail souren@ｇｒｐ.tohoku.ac.jp22