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バックグラウンド
太陽光発電（PV）エネルギーは、世界の主要なエネルギー源の1つになりつつあり、結晶シリコンが市場を支配しており、近い将来にも変化の兆しは見られません。 シリコンベースのヘテロ接合太陽電池（Si-HJT）は、最大26.6％の記録効率のエネルギー変換を持つ太陽電池を可能にするので、結晶シリコン太陽電池の中でホットな話題です（図1、 Yoshikawaら、Nature Energy 2も参照）。 、2017 ）。 Ｓｉ − ＨＪＴの重要な点は、広いバンドギャップを有するフィルムを挿入することによって、結晶表面からの高度に再結合活性の高い接点の変位である。 デバイスのポテンシャルを最大限に引き出すには、ヘテロ界面準位密度を最小にする必要があります。 実際には、わずか数ナノメートルの厚さの水素化非晶質シリコン（ａ − Ｓｉ：Ｈ）膜がこれに対する候補として魅力的である。それらのバンドギャップはｃ − Ｓｉのそれよりも広く、本質的にそのような膜はｃ − Ｓｉ表面を減少させることができる。水素化による状態密度 さらに、これらの膜は、比較的簡単に、ｎ型またはｐ型のいずれかにドープすることができ、飽和電流密度に関して記録的に低い値を有する接点の（リソグラフィなしの）製造を可能にする。 大面積（> 100 cm 2 ）という驚くべきエネルギー変換効率（約25％）がいくつかの企業で報告されています（ Tagushiら、IEEE JPV 4、2014 、 Adachiら、APL 104、2015 …）。
図1： 過去20年間の単結晶シリコン太陽電池の記録的な効率進化。
典型的なヘテロ接合太陽電池の概略図とバンド図を図2に示す。前面（照射）側の基本的なデバイスの特徴は、連続してプラズマで堆積された真性a-Si：Hパッシベーション層とpドープアモルファスシリコンエミッタである。強化化学気相成長法（PECVD）。 シリコン層の上に、反射防止透明導電酸化物（ＴＣＯ）が物理気相成長法（ＰＶＤ）によって堆積され、電荷収集はスクリーン印刷された金属接触格子によって行われる。 裏面には、電子収集スタックが使用され、それは真性ａ − Ｓｉ：Ｈパッシベーション層、ドープされたｎ型アモルファスシリコン（両方ともＰＥＣＶＤによって堆積される）、ＴＣＯ層および金属接触層（金属接触層）から構成される。 ＰＶＤによって堆積される。
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図２： 左：ヘテロ接合太陽電池の概略図（原寸に比例せず）。 右：ヘテロ接合太陽電池の平衡状態での暗所での電子バンド図（縮尺通りではない）。
図3は、このグループで現在進められている研究の主なトピックを示しています。 これは、不動態化メカニズムの基礎から、負（電子）および正（正孔）電荷を引き出すための代替接触方式の開発、革新的なデバイスアーキテクチャの開発、およびエネルギー収量に対する動作条件の影響の研究まであります。太陽電池モジュール
図3：シリコン系ヘテロ接合太陽電池に関する活発な研究テーマ
表面パッシベーション
高純度シリコンの大量生産における最近の進歩は、非常に高品質のシリコンウェハを大量生産に容易に利用可能にした。 そのようなウェハにおける低い欠陥密度は、適切なデバイスアーキテクチャに対して２５％を超える効率を達成可能にする。 そのような高効率デバイスを製造するための第一の課題は、ウエハの表面が電子的に活性な欠陥を示さないようにすることである。 そのような表面不動態化は様々な方法で達成することができ、ＰＶ − Ｌａｂにおいて最も広く研究されているのはプラズマ堆積水素化非晶質シリコン（ａ − Ｓｉ：Ｈ）の使用である。 これは極めて優れたパッシベーションを提供する最も効率的な層の1つであることが証明されており、シリコンウエハにおける非常に長いキャリア寿命、ならびに記録的に高い効率を可能にする。 a-Si：H（およびその酸化物および炭化物合金）からの表面不動態化の背後にある現象、水素の役割、加熱または光照射の効果は、この分野を依然として非常に活発にする魅力的な科学的疑問である[Kobayashi2016]。
コンタクト形成
高品質のシリコンウェハから高効率の太陽電池を製造するときの2つ目の課題は、空間的に離れた2つの端子で正電荷と負電荷を選択的に集めることです。 そのような選択的収集は半透性電子膜に依存し、一方の種類の電荷（例えば電子）に対して低抵抗の電気的接続を提供しながら、他方の種類（正孔）を最小限の漏れで遮断する。 ドープアモルファスシリコン層（ｐ型およびｎ型ａ − Ｓｉ：Ｈ）の使用は、いくつかの研究所および会社によってそのような接触を使用して得られる世界記録効率でそのような選択性を提供する極めて効率的な方法であることがわかる。 これらのフィルムは、光の寄生吸収および非理想的な選択性（特に、電荷抽出に対する無視できない抵抗および低い横方向伝導を伴う）を含むいくつかの制限を提示する。 理想的な選択的接触に必要な基本的な特性（材料だけでなく界面特性も含む）を解明することは、より単純なプロセスに基づいてより効率的なデバイスを開発するための鍵となります。 キャリア選択コンタクトとして新規の適切な材料を適用することは、この目的のために非常に活発なトピックであり、適切な材料を設計しそして製造することはこのグループの強い焦点である。
デバイスアーキテクチャ
無ドーパント太陽電池：太陽電池 の物理学の最近の理解は、太陽電池の物理学の最近の理解ではそうではないことを示唆していました。効率的なデバイス わずかに化学量論量以下のMoO 3およびLiFをホールおよび電子選択性コンタクトとして使用した、高効率でありながらも完全にドーパントフリーの結晶シリコンセルの実験的実証は、非常に単純化されたプロセスと極めてシンプルなデザイン[Bullock2016]。
インターデジタルバックコンタクト（IBC）太陽電池： シリコン太陽電池から電荷を引き出すには、金属コンタクトが必要です。 従来のアーキテクチャの太陽電池では、負（電子）電荷と正（正孔）電荷がウェーハの両側に集められますが、IBC設計はウェーハの裏面に両方の電荷タイプを集めます。 これにより、これらの電荷を引き出すのに必要な全ての金属をウェハの裏面に配置することが可能になり、したがってシャドーイングを防止し、より高い電流を発生させることが可能になる。 原理的には単純ですが、そのようなアプローチは多くの科学的および技術的な課題を提示します[Tomasi2017]。
小面積デバイス： 大部分の光起電力技術用の記録セルは小面積デバイス（１ｃｍ ２以下）上で得られるのに対し、ウェハベースシリコンデバイス用の最近の記録効率は１００ｃｍ ２よりはるかに大きい面積上で得られた。 シリコン中の光生成キャリアの拡散長が長いこと（典型的にはミリメートルスケール）は、エッジ再結合を特に問題にし、小型デバイスの製造は困難である。 面積に関連した損失およびエッジ不動態化の開発についてのより良い理解は、効率的な小面積デバイスをメタライゼーションに関して緩和されたニーズにすることを可能にし得る。
操作条件
太陽電池の一般的な最適化は、標準試験条件下（25℃、1000 W / m 2、AM 1.5スペクトル）で最高の性能を達成するように行われています。 このような状況は、運転中に現場で経験した状況を代表するものではありません。 特に、暑くて晴れた気候に設置されたモジュールは、高い放射照度レベルを経験するだけでなく、それらのエネルギー出力にとって有害である高い動作温度も経験する。 しかしながら、高い動作温度は、熱電子障壁を克服し電荷輸送を改善するために特定の場合には有益であり得る。 特定の気候条件に合わせた最適化を行うことで、標準的な方法に比べて年間数パーセントのエネルギー効率の向上を実現できます。 セルの相互接続による抵抗損失がモジュールの効率だけでなくモジュールの温度係数にも影響を与えることも示され、暑い気候での低抵抗の相互接続の必要性が高まっていることが強調されています。
