フレキシブルモルファスシリコン太陽電池モジュールの薄膜積層構造の耐久性向上
【研究分野】機械材料・材料力学
【研究キーワード】
界面 / 水素拡散 / 破壊 / 変形 / 分子動力学 / Fe-H ポテンシャル / Fe-Hポテンシャル / α鉄 / 水素侵入 / ひずみ / 強度
【研究成果の概要】
アモルファスシリコン(α-Si)太陽電池のフレキシブルモジュールなど数10nm〜数100nmの多層薄膜電極の界面は,高温・高湿状態で界面剥離を生じる可能性があり,薄膜電極の剥離・断線による電気的特性劣化が懸念されるので,耐環境性や強度特性試験が実施されている.界面剥離を生じる力学的環境としては,製膜時の残留応力,環境温度変化に伴う熱応力,応力集中が挙げられる.加えて,屋外環境で使用されるモジュールの場合には,防湿被膜表面から侵入する水素原子の金属界面強度に及ぼす影響が注目されている.そこで本研究では,結晶界面を有するα鉄の自由表面からの水素の侵入を2種類のFe-Hポテンシャル(Markworth型,Olander型)を用いて分子動力学(MD)解析し,負荷に伴う界面の変形・破壊特性に及ぼす水素の影響を検討するとともに,その結果を実際の水素侵入メカニズムと比較・検討し,より現実的なモデルを提案し,その有効性を示した.得られた結果をまとめれば以下の通りである.
(1)仮定するFe-Hポテンシャルによりα鉄の自由表面からの水素の侵入挙動や界面の変形・破壊挙動は異なる.(2)水素は界面破壊・はく離を助長するが,その主因子は,負荷ひずみと水素濃度である.(3)実際の水素侵入のメカニズムに立脚し,仮定するポテンシャルと実際の水素の挙動との対応を明らかにした.(4)水素化物の挙動にはMarkworthポテンシャルが対応し,これは界面の脆性的な破壊を助長する.一方,水素イオンの挙動にはOlanderポテンシャルが対応し,これは界面の延性的な破壊を助長する.(5)両ポテンシャルの水素が混在した現実的なモデルを考案し,このモデルでは水素の侵入がより助長され,界面破壊がより内部でも生じることを明らかにした.
以上から,界面はく離強度向上には,製膜時の残留応力緩和と防湿皮膜を通して侵入する水蒸気の阻止が重要と考えられる.
【研究代表者】