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Memo_2020_09_17_by_Yoshiaki_Hagiwara.html
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Reference

https://cgi.jp.sharp/corporate/rd/journal-79/pdf/79-10.pdf


https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130328/pr20130328.html

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太陽電池の原理 について.........Pinned Photodiode Solar Cellの提案
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太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、
短波長(紫外、紫、青)の光になるほど光子は大きなエネルギー
を持ち、より大きな禁制帯幅を超えてキャリアを励起できる。


この短波長側の光に対応した禁制帯幅を持つ単接合太陽電池を
用いれば、より大きな電圧を得ることが出来、短波長域の光の
エネルギーをより効率良く利用できる。

しかし禁制帯幅を拡げすぎれば、より長波長の
光は素通りして利用されず、出力電流が減少する。

即ちpn接合が1つだけの単接合太陽電池においては、
禁制帯幅より大きなエネルギーの光子のエネルギー
の一部が無駄になり、禁制帯幅より小さなエネルギー
の光子のエネルギーは利用できない。

このような兼ね合いから、単接合の太陽電池では
禁制帯幅 1.3~1.4 eV付近が最も高い変換効率が
得られるとされている。単接合の場合、変換効率の
限界は約30%とされているが、これは間違いである。


現在の太陽電池は N+P接合型のPhotodiodeを採用しており
受光面のはfloating構造のN+電荷蓄積部をもち、大昔の
残像のあった頃の、短波長青色感度が不十分だった、
当時の Image Sensorの受光素子そのものを太陽電池は
今も採用しているのが大きな問題である。

シリコン結晶内では 0.2 μm 以上短波長青色光は透過
できないが、このシリコン結晶表面 0.2 μm 近傍での
光電変換を効率よく実行する工夫がなされていないのが
現在の太陽電池の最大の欠点となっている。


短波長青色光感度に適した Photodiodeである、
Pinned Photodiode 構造を利用していない事が
今までの太陽電池の最大の問題点である。

Image Sensorの開発史においては、SONYの HAD Sensor
(電子shutter 機能付のPinned Photodiode)を 1975年には
既に、もとSonyの萩原が考案し1987年に世界で初めて、
Sonyの浜崎チームが開発商品化に成功している。

しかし今だに短波長青色感度に優れた P+PNP接合型の
Pinned Photodiodeは太陽電池に採用される事はなかった。

太陽光の分光特性から短波長青色光エネルギーが大きな
割合を示すことは知られているが、それを現在の太陽
電池構造では無駄にしている事になる。P+PNP接合型の
Pinned Photodiodeは太陽電池に採用することにより
単結晶シリコンでの太陽電池の量子効率 60%の実現も
夢ではない。Pinned Photodiode型太陽電池を提案する。

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っと涼しくなりました。

Pinned Photodiode 型太陽電池の 
Device Simulation を更に詳しく
やってみました。

久しぶりに C 言語で coding して
数値計算に挑戦して 正確な数値解
と2次関数で表記可能な近位式を
解いて、比較しました。かなりの
いい精度で一致してます。

面白い結果が出ました。

ガウス分布関数でも、PN接合と同様に
2次関数近似式でかなり精度よくバリア
電界の存在する幅 WB が求まることを
発見しました。解析的に2次関数近似式
を求めることができました。数値計算の
方は、通常の簡単な非線形微分方程式の
数値計算で簡単に力づくで解けますので
解析解と比較しています。あまり誤差が
ないにも驚いています。詳細はWEBに
掲載しています。特許の出願が完了で
特許番号は JPA 2020^131313 です。
面白い番号をもらいました(笑顔)。
早期権利化を進めています。

お金を儲けるのが目的ではないので興味
のある企業や研究機関で原理試作し評価
してもらえればうれしいです。未来人類
の為のなるものになればうれしいです。

http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_Surface_Barrier_Potential.html



P+Pのバリア電界の発生の原因となる、
ホール濃度 H(x)と不純物濃度 D(x) との
差が正確に数値計算で求まりました。

2次関数で表記可能な解析解の近似式と
あまり変わりません。バリア電荷の幅
WBが一番重要ですが、VB*Wo = Vo*WB
の関係から簡単に求めた値とほぼ同じ
でした(笑顔)。P+P のガウス分布
関数が青色感度の向上に100%寄与
したことが裏付けられます。Pinned
Photodiodeの青色感度の向上はPN
接合の空乏層での光電変換ではあり
ません。受光表面の P+P濃度
勾配(ガウス分布関数)によるもの
です。また太陽光は紫外線短波長側
のエネルギが豊富です。青色光は
シリコン結晶内を 0. 2 ミクロン
以上は透過できません。従来の太陽
電池では、受光面が 今でも昔の
N+P接合型の受光素子でN+層は
受光時は floating となりますが、
このままでは ピン止めされて
おらず、シリコン受光面は電子の
海になっており、電界がなく電子と
ホールはその場で再結合してしまい、
たいへん効率が悪い(~20%)のが
今の太陽電池です。

Image Sensor が Pinned Photodiodeを
採用して超感度になりましたが、同様
に 太陽電池も Pinned Photodiode型
にすることにより、かなり量子効率を
できると確信しています。残念ながら
この内容を理解してもらえる人が世界
にあまりいないのが非常に残念ですが
あきらめずに、PRしていきたいです。


●実は、P+PNN+の片側ダイオードでは
すでにSSDM1978の論文で
その特性を学会発表済みです。

http://www.aiplab.com/P1978_SSDM1978_Paper_on_Pinned_Photodiode_A.jpg


あの論文は P+NP接合型受光素子の
世界最初の原理試作の original 論文
でしたが、その目的は 超感度です。

残像のない完全電荷転送も特徴のひとつ
ですが、CCD電荷転送も残像のない
完全電荷転送機能があり、残像に関して
は新規性がないので強調していませんが
残像もありませんでした。

P+PNP接合型受光素子を世界初で
1978年に萩原・阿部・岡田の
3名の連名でSSDM1978で報告
しています。たいへん青色感度が
良好で理論的な分光感度特性(直線)
に近い結果を出してそれをSSDM
1978で報告しています。

それがPinned Photodiodeが超感度である
最初の original な原理試作報告でした。

Pinned Photodiode の最大の特長は
この短波長青色光の高感度です。


それで暗い画面でも色再現よい
映像が実現しました。その最初の
論文が SSDM1978の炉Original
論文でした。世界は CCDが
超感度と誤解しました。

CCDは転送雑音が比較的少ないでしたが
デジタルTVの時代では99.999%の転送効率
では不十分です。使いものになりません。

現在の縦4000V の高解像 high definition の 
Imager では 1万回転送する事が必要です。

転送雑音が 1転送あたり0.001 % でも、 
それを1万倍しますと、10% の転送雑音
となり、もはやデジタルTVの時代では
CCDの電荷転送雑音は大きすぎて
使いものになりません。

それが理由でCCDは消えました。

しかし、受光部は今でも
Pinned Photodiode の
超感度性が生きています。


それを太陽電池に応用したいです。

これからもPRを続けます。


>先ずはP+PNN+の片側ダイオードで始めるのは
>いかがでしょうか。容易に出来そうです。

はい、川名さんのアドバイスをヒントに、
従来型の 単純なSolar Cellの製法に近い形で
P+PNP接合型のPinned Photodiode 型 
Solar Cell の製法を考えて見ました。

SSDM1978の受光素子構造と同じものです。
当時の分光特性は FT CCDの Imagerに
直接光をあてて分光特性を測定しました。

ちゃんとした TEGを造っていません。

TEGにするにも大きなTEGが必要となります。

IMAGER自身が理想的なTEGでした。


この製法なら容易に試作が可能ですね。

だれか実験試作してほしいですが、、、、

WEB公開していますので感心ある企業が
出てくることを願っています。世の中
そんなに甘くないでしょうが、あきらめず、
もっと努力し、PRしていきます。

川名さん、いろいろアドバイスありがとうございます。




萩原




だれかスポンサーになって開発資金を出してくれて、
半導体製造委託企業に乗合いBUS形式のTEG
として発注できればうれしいですが、、、

シャープと産総研にからは太陽電池に関して
たいへん興味深いWEB掲載があります。

https://cgi.jp.sharp/corporate/rd/journal-79/pdf/79-10.pdf

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2013/pr20130328/pr20130328.html


やはり一番いいのは学会で 「Pinned Photodiode型太陽電池の提案」

と題して論文発表ができれば一番いいと思っています。下記の論文

内容には実証dataがありませんでした。論文としては弱い内容です。


http://www.aiplab.com/P2020_Pinned_Photodiode_Solar_Cell_1.pdf

http://www.aiplab.com/P2020_Pinned_Photodiode_Solar_Cell_2.pdf


しかし、あきらめずに、さらに努力
したいと思っております。

その為には実証実験して、原理試作し
論文にはdata の提示が不可欠です。


(1)high energy ion 打ち込みで 
埋め込みN層を形成し

(2)シリコンの表と裏にP+の
hole accumulation層を築き、

(3)受光面にN+ 金属コンタクトを形成し

(4)同時にP+ の金属コンタクトを形成し、

これだけでPinned Photodiode 型太陽電池は
製造可能です。アイデアも単純ですし提案
する構造も簡単です。

これを10 cm角のシリコン chip として形成
する必要があります。

これだけでもたいへんな作業です。

その為にも相当なdevice simulation
による理論武装が必要です。

「Pinned Photodiode型太陽電池の提案」

と題して是非論文内容をさらに充実
させて論文発表したいです。




 






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