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二次元シートを使った透明で曲がる太陽電池を開発 ~太陽電池の実用化に大きく前進~

 東北大学は2017年9月21日,同大学大学院工学研究科電子工学専攻の加藤俊顕准教授,金子俊郎教授らのグループが,原子オーダーの厚みを持つシート材料である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)を用いて,透明かつフレキシブルな太陽電池の開発に成功したことを発表した.なお,本研究の一部は,科学研究費補助金 基盤研究(B),挑戦的萌芽研究および東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究(若手研究者対象型)の支援を得て行われ,成果は英国科学雑誌Scientific Reports(電子版)に掲載された(注).

 近年,炭素の単原子層の二次元単結晶であるグラフェンが次世代のエレクトロニクス用新材料として大きな注目を集めているが,バンドギャップを持たないため半導体エレクトロニクス分野への応用は困難とされており,グラフェンと類似構造を持つ炭素以外の原子から構成された二次元シートに関心が持たれている.特に,遷移金属(モリブデンやタングステン)とカルコゲン原子(硫黄やセレン)から構成される遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)は,グラフェンとは異なり半導体特性(例えばMoS2,WS2の場合バンドギャッップ:1.8~1/9eV)を示すことから,半導体フレキシブルエレクトロニクス分野等で大きな注目を集めている.太陽電池へ適用した場合,90%以上の光を透過する“透明かつフレキシブルな太陽電池”が実現し,車のフロントガラスやビルの窓,携帯電話ディスプレイの表面,人体の皮膚等あらゆる場所へ太陽電池を設置することが可能となるなど,多彩な応用分野の広がりが期待される.しかし,これまでは,マイクロメートルオーダーの極めて小さなTMD片を使った“発電の原理実証”の研究が主であり,パターニングしたキャリアドーピングによるpn接合形成や異種TMDを積層させるヘテロ接合形成等の高精度なデバイス作製技術による試みに止まり,実用レベルの大面積デバイスを作製することは極めて困難とされてきた.

 東北大学の研究グループは,実用化が可能なシンプルなデバイス作製を狙い,電極とTMDとの間に自発的に形成されるショットキー接合を活用することを考えた.TMDの両端に電極を形成するだけの簡単な構造である.一端の電極を高効率発電用の高いショットキー障壁に,もう一端を生成されたキャリアを高効率に回収するための低いショットキー障壁となるように電極金属を選定する実験を行い,電極間隔を短く(~2µm以下)かつTMDを基板に接触しない架橋型とすることで,最高で0.7%(AM1.5G照射,AM:擬似太陽光の標準規格)というTMD太陽電池の中では世界最高の発電効率を実現した.

 次に,本手法の大面積化に着手し,TMDを塗布するだけで太陽電池が形成できる非常に簡便な手法を考えた.シリコン基板にあらかじめ電極をパターニングし,その上にTMDを塗布して太陽電池を作製したところ,センチメートルオーダーの基板上でも容易に発電が確認できた.またシリコン基板上に限らず,透明フレキシブルなポリマー(PEN)基板上でも同様に太陽電池を作製し発電可能であることを実証した.

 開発した新技術は,光を透過しない従来のシリコン太陽電池に比べ発電効率は原理的に低くなるが,代わって新たに透明性とフレキシブル性を備えており,新たな広い適用分野の開拓が期待される.

(注)Toshiki Akama, Wakana Okita, Reito Nagai, Chao Li, Toshiro Kaneko & Toshiaki Kato, "Schottky solar cell using few-layered transition metal dichalcogenides toward large-scale fabrication of semitransparent and flexible power generator", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 11967 (2017), doi: 10.1038/s41598-017-12287-6; Published online: 20 September 2017