TOYOHASHI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
令和4年度新技術説明会
2022/6/9

低コスト・高効率太陽電池・水由来水素製造用
インタースタック積層型酸化物光電変換材料

豊橋技術科学大学 大学院工学研究科 機械工学専攻教授
伊﨑 昌伸
m-izaki@me.tut.ac.jp

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家庭用太陽電池ー太陽光はエネルギーです

Amount of Solar energy: 6x1024J/year
𝐸#$ = ℎ : 𝜐, 𝑐 = 𝜐 : 𝜆,1240
𝐸#$ =[𝑒𝑉]𝜆 𝑛𝑚

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pn接合型太陽電池の動作原理と理論変換効率
ー単接合太陽電池の限界ー

空乏層

変換効率 < 28%

伝導帯

e

伝導帯

ehh
荷電子帯
荷電子帯

電極
p型半導体

n型半導体

TCO

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高効率太陽電池：変換効率> 30%
要件：バンドギャップエネルギーの異なる複数のp型半導体層の内包①Eg1 ~ Eg2

伝導帯②Eg2 <Eph伝導帯

ee
Eg１

Eg2eh

荷電子帯

荷電子帯

②①

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超高効率太陽電池
量子ドット太陽電池

課題

多接合太陽電池①構造が複雑②単結晶級材料必要③レアメタル必要④製造が困難⑤発電コストが高い⑥地球上での応用困難

電極
P型半導体2P型半導体１
N型半導体
透明電極

contact
Cap layer
AlInP(n+)
GaInP(n)GaINP
GaInP(p)GaInP(p+)
AlGaInP(p+)
AlGaAs(p++)
GaAs(n++)AlGaInP(n+)/AlInAs
GaInAs(n)GaInAsGaInAs(p)GaInAs(p+)
AlGaInAs(p+)
GaInAs(p++)
GaInAs(n++)
GaInAs(n)Window(n)Ge(n)Ge(p) substrate

Ga0.35In0.65P
top cellTunnel diodeGa0.83In0.17As
middle celll

Tunnel diodeBufferGe Bottomcell

Glass

インタースタック構造体（特徴） 簡単構造・レアメタル不要（酸化物）・多結晶OK・製造簡単
・電流積算型で高効率対応・発電コスト目標達成可能性

電圧積算型

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インタースタックCu2O/CuO構造体形成技術
水溶液電気化学製膜法
Function generator

Function generator

Potentiostat / Galvanostat

Potentiostat / Galvanostat

Coulometer

Recorder

Coulometer

RecorderTemperature
controller

Temperature
controller

WE
RECE

WE
RECE

制御雰囲気下での加熱

真空蒸着法
AgAgAgCu2O

1.35eV-CuO
2.1eV-Cu2O

1.35eV-CuO
2.1eV-Cu2O

Ga:ZnO(GZO)

Ga:ZnO(GZO)

Ga:ZnO(GZO)

Ga:ZnO(GZO)

Glass

Glass

Glass

Glass

<0001>-n-ZnO<0001>-n-ZnO/GZO

Cu2O/<0001>-n-ZnO/GZO

CuO/Cu2O/<0001>-n-ZnO/GZO

M. Izaki, et al.,M. Izaki, et al.,Appl. Phys. Lett.,
68(1996),2439.
(WoS:441)
他
特許第3148882, 3273294,3256776
他

J. Phys. D,40(2007), 3326.
(Top 1%, WoS:144)
J. Electrochem. Soc., 152 (2005), C179.
ACS Appl. Mater. Interface, 6(2014),13461
他
特許第4803548

Ag/CuO/Cu2O/<0001>-n-ZnO/GZO

M. Izaki, et al., ACS Appl. Energ. Mater., 2(2019), 4833.
伊﨑、他、特開2017-54917.

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光の吸収の比較

太陽電池電力発生の比較
100

外部量子効率Transmission(%)

Cu2O

80

Cu2O

60
40

Cu2O/ZnO

Cu2O/ZnO

20
0350

450

550

650750850

350

950 1050 1150

450550

Wavelength/nm

650

750

850

Wavelength/nm
100

CuO

外部量子効率80

Cu2O

Transmission(%)

950 1050 1150

CuO

Cu2O

6040

インタースタックCu2O/CuO

20

インタースタックCu2O/CuO
350450550650750850Wavelength/nm

950 1050 1150

0300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Wavelength/nm

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0.4

Potential

40.4V
Current density

0.2
020-0.2-2-0.4V

-0.4
-0.6
0-4
1000

500Time, t / s(B) (a)

0.6

(b)

0.4
0.2
0-0.2
-0.4
-0.6
04
30.4V
21
Current density
0-1-0.4V-2-3-4
500 1000 1500 2000 2500
Time, t / s
Potential

Current density. I / mAcm-2(a)Potential, E / V vs Ag/AgCl

Potential, E / V vs Ag/AgCl(A) 0.6

Current density, I / mAcm-2

インタースタックCuO/Cu2O, Cu2O/CuO光電変換層の光電気化学的形成（加熱不要）

(b)

CuO

Cu2O

Cu2O

CuO
ZnO

ZnO
SnO21mm

SnO21mm1mm

1mm

Chronoamperometry curves (A) and FE-SEM images (B) for CuO/Cu2O (a) and Cu2O/CuO bi-layers(b) prepared by cathodic/anodic polarization switching under light irradiation.

M. Izaki, et al., ACS OMEGA, 5(2020), 683, 伊﨑、他、特開2021-64739

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Cu2O単層からインタースタックCu2O/CuO積層体化による光電変換波長領域の拡張eee eEF10089.8%80

外部量子効率(%)

e

外部量子効率(%)

100 92.3%

Cu2O CuO FTO

Cu2O/CuO

6040
Cu2O
20Cu2O

CuO

80604020Cu2O

CuO

00350

550750波長 / nm光電気化学的に形成したインタースタックCu2O/CuO積層体

950

350

550
750
波長 / nm950

加熱により形成したインタースタックCu2O/CuO積層体

M. Izaki, et al., ACS OMEGA, 5(2020), 683, ACS OMEGA, 6(2021), 27587.
伊﨑、他、特開2021-64739

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Conduction band

太陽電池の光電変換層は、光カソードへ

Conduction band

Conduction bandeeehValence band

p-type semiconductoreValence band

n-type semiconductor
Conduction bandeh

Valence band

p-type semiconductor
with the bandgapenergy(Eg)Photocathode togenerate hydrogen gas
from water byphotoelectrochemicalreaction

H2e

EFBandgap energy

EF

Bandgap energyeEFBandgap energy

Solar cell togenerate
electricity fromsunlight

ee

H2
H2Oe

h

Valence band

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企業への期待高効率光電極・高効率太陽電池などの光利用技術のブレークスルー
CO2フリーオンサイト・オフサイト水素製造基地の実現・推進

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本技術に関する知的財産権
発明の名称：光電変換層及び光電変換層の製造方法
出願番号：特開2017-54917
出願人：国立大学法人 豊橋技術科学大学
発明者：伊﨑昌伸・深澤和馬
発明の名称：光活性層及びその製造方法
出願番号：特開2021-64739
出願人：国立大学法人 豊橋技術科学大学
発明者：伊﨑昌伸・クーペイルーン・湖山貴之・横山遼河・山本槙一

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産学連携の経歴（外部資金）・JST
1. 戦略的創造研究推進事業(CREST)「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」領
域、有機太陽電池のバンドギャップサイエンス、2009〜2014年度
2. さくらサイエンスプログラム「材料科学に根ざした太陽光エネルギー変換最前線についての研究・教育交流」、2020~2021年度
・新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
1. 革新的次世代太陽光発電システム技術研究開発「酸化物系薄膜太陽電池の研究開発」2004-2006年
度、代表研究者
2. 新エネルギー技術研究開発 革新的次世代太陽光発電技術研究開発 高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発（酸化物ワイドギャップ）、2008-2013年度、研究開発責任者
3. 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 フレキシブルCIGS太陽電池モジュールの高効率化研究（新規バッファ層の開発）2010-2014年度、研究代表者
他、有機太陽電池関係2件、CIGS太陽電池関係2件、計 7件
・日本学術振興会(JSPS)
1. 科学研究費補助金、５件（代表者）
2. 日仏交流促進事業(SAKURA),2011-2012年,Electrochemical construction of high quality andnano-structured oxide photovoltaic devices,研究代表者,フランスEcole Nationale Superiure deChimie de Paris(ENSCP)と共同
・経済産業省 戦略的基板技術高度化支援事業「電気めっき製造技術による高解像度複合シンチレータの開発」2018〜2020年度

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お問い合わせ先
豊橋技術科学大学
研究推進アドミニストレーションセンター

TEL：０５３２−４４−６９７５
FAX：０５３２−４４−６９８０
email：tut-sangaku@rac.tut.ac.jp
担当：白川 正知