Cu2SnS3 thin-film solar cells without rare metal

Research Project

Project/Area Number	20K04607
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research Institution	Ritsumeikan University
Principal Investigator	Minemoto Takashi 立命館大学, 理工学部, 教授 (80373091)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	太陽電池 / 化合物薄膜 / 太陽光発電 / 薄膜 / レアメタルフリー / 化合物
Outline of Research at the Start	太陽電池の地球規模でのテラワットスケールの大量普及時において資源制約を受け難いレアメタルフリーの太陽電池としてCu2SnS3（CTS）太陽電池を開発する。従来の研究から優れた光電物性を有することがわかっているにも関わらず、デバイスの高効率化が十分でないCTS太陽電池について、1次元デバイスシミュレーションによる最適構造設計、高品質結晶成長技術開発、最適デバイス構造の実現を通じて、効率15%の達成を目指す。
Outline of Final Research Achievements	In this study, the impact of ramp-up and hold times during the growth of Cu2(Sn,Ge)S3 (CTGS) light-absorbing layers on the CTGS layer and solar cell performance was examined. When the peak temperature was set at 510°C, with a ramp-up time of 30 minutes and a hold time of 60 minutes, we observed an increase in the crystal grain size of the CTGS. Using the same sample to fabricate a solar cell, the highest conversion efficiency of 5.47% was achieved. Meanwhile, when we applied (Zn,Mg)O:Al, which has superior optical properties, as a transparent conductive oxide layer to the solar cell and varied the Mg/(Mg+Zn) ratio, the efficiency increased by 1-2% in absolute value in the range of 0.14-0.36 compared to the case without Mg addition. This increase is believed to be due to the widening of the bandgap of ZMO and the reduction of the conduction band discontinuity.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究は、元素制約の可能性の小さい汎用元素を用いたCu2SnS3をベースとした薄膜太陽電池の高効率化に関するものです。本研究の成果は、高効率化に有用な、結晶品質の向上の方法やデバイス構造の改善に関するものである。特に、従来のZnOよりも紫外線領域で透過率の高いZnMgO系透明電極を用いることで効率向上を達成できることを示しており、これは他の太陽電池にも適用でき、学術的意義がある。太陽電池の実用化には高効率化が必要であり、これは太陽電池によるクリーンエネルギーの利用拡大に貢献する可能性があるという点に社会的意義がある。