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Optimization of electronic structure in eco-friendly and low-cost CTS-system thin film solar cell

Research Project

Project/Area Number 22K20355
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
Research InstitutionNagaoka University of Technology

Principal Investigator

Kanai Ayaka  長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (90960849)

Project Period (FY) 2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords硫化物 / 太陽電池 / 薄膜 / 半導体 / 化合物太陽電池 / 伝導帯傾斜構造 / 硫化物薄膜 / Cu2SnS3 / Cu2(Sn1-xGex)S3
Outline of Research at the Start

Cu2SnS3(CTS)を光吸収層に用いたレアメタルフリー低コスト次世代太陽電池の開発のために、従来には無いバンド構造の抜本的な見直しを図り、生成した電子の再結合を確実に抑制することができる新規電子輸送構造を実現し、CTS太陽電池の変換効率の飛躍的な向上を目指す。そのために新規3ゾーン硫化炉を用いてCTSに対しGeを加えることにより薄膜の深さ方向に対し、伝導帯におけるエネルギー位置の傾斜をつけた薄膜を作製する。さらに、様々な条件のエネルギー傾斜をつけたCTS太陽電池を作製し、それらの電気的特性を調査することにより変換効率との相関を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

In order to realize next-generation high-efficiency solar cells with graded conduction band structures, Cu2Sn1-xGexS3 (CTGS), which is composed of inexpensive and non-toxic elements, has been investigated for the various properties of the thin films and solar cells with different [Ge]/([Ge]+[Sn]) ratios (group IV ratios). The shallow acceptor levels and mobility of CTGS thin films can be maintained even when the group IV ratio is changed in the range of 0.0-0.2 by low-temperature photoluminescence and room-temperature Hall effect measurements. Based on the above, useful insights are obtained into the defect characteristics and electrical properties required for sulfide-related solar cells with graded conduction band structures are obtained.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在、太陽光や風力、地熱などを用いて発電する地球にやさしい再生可能エネルギーが次世代のクリーンエネルギーとして非常に注目されており、研究が推進されている。特にその中でも太陽光発電は、無尽蔵な太陽光を用いる発電方法であり次世代を担う電力インフラとして期待されている。本研究で得られた成果は安価で無毒な元素のみから構成されている伝導帯エネルギー傾斜構造硫化物系太陽電池の実現に向けた有用な知見を含んでおり、将来における変換効率向上への突破口となるデバイス構造の指針を示す重要な情報として役立つことが期待される。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Effects of the growth process on surface morphology of Cu2(Sn1-xGex)S3 thin films2024

    • Author(s)
      Kanai Ayaka、Ohashi Ray、Tanaka Kunihiko、Araki Hideaki、Sugiyama Mutsumi
    • Journal Title

      Journal of Materials Science: Materials in Electronics

      Volume: 35 Issue: 7 Pages: 526-526

    • DOI

      10.1007/s10854-024-12248-6

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Influence of thiourea concentration during deposition of a CdS buffer layer on the electric properties of Cu<sub>2</sub>SnS<sub>3</sub> solar cells2023

    • Author(s)
      Kanai Ayaka、Saito Soichiro、Araki Hideaki、Tanaka Kunihiko
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 57 Issue: 2 Pages: 025502-025502

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ad00c7

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photoluminescence properties of Cu-poor Cu2Sn1-xGexS3 thin films with varying Ge/(Ge+Sn) ratio2023

    • Author(s)
      Ayaka Kanai、Ryoma Hata、Mutsumi Sugiyama、Kunihiko Tanaka
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: - Issue: 26 Pages: 265102-265102

    • DOI

      10.1088/1361-6463/accc42

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Influence of Cd, S and Na atoms on photoluminescence in tin sulfide thin films2022

    • Author(s)
      Kanai Ayaka、Kusatsu Keina、Sugiyama Mutsumi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 61 Issue: 12 Pages: 125501-125501

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac9caf

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 3ゾーン管状炉を用いたSn-S雰囲気制御Cu2SnS3薄膜成長法の最適化2023

    • Author(s)
      五十嵐 優聴, 大橋 零, 金井 綾香, 田中 久仁彦
    • Organizer
      2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] GeSx及びS雰囲気の硫化温度がCu2Sn1-xGexS3薄膜のモフォロジーや結晶構造などの諸特性に与える影響の調査2023

    • Author(s)
      大橋 零, 五十嵐 優聴, 金井 綾香, 田中 久仁彦
    • Organizer
      2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Cu2SnS3 thin films growth in controlled Sn-S vapor for grain boundary suppression2023

    • Author(s)
      Y. Igarashi, R. Ohashi, A. Kanai, and K. Tanaka
    • Organizer
      第33回 日本MRS年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of changing the sulfurization temperature in GeSx and S vapor on morphology and crystal structure of Cu2Sn1-xGexS3 thin films2023

    • Author(s)
      R. Ohashi, Y. Igarashi, A. Kanai, and K. Tanaka
    • Organizer
      第33回 日本MRS年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Cu2SnS3系太陽電池の特徴と高効率化技術2023

    • Author(s)
      金井 綾香, 杉山 睦, 荒木 秀明, 田中 久仁彦
    • Organizer
      第70回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Ge/(Ge+Sn)組成比がCu2(Sn,Ge)S3薄膜太陽電池の電気特性に与える影響2023

    • Author(s)
      大橋 零, 金井 綾香, 荒木 秀明, 田中 久仁彦
    • Organizer
      第70回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 環境調和型化合物薄膜太陽電池の現状2022

    • Author(s)
      金井 綾香, 杉山睦, 荒木秀明, 田中久仁彦
    • Organizer
      日本太陽光発電学会 Women in Photovoltaics分科会研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] n-CdS層成膜時の(NH2)2CS濃度がCu2SnS3(CTS)太陽電池の電気特性に与える影響2022

    • Author(s)
      金井 綾香,齋藤 聡一郎, 荒木 秀明, 田中 久仁彦
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] フォトルミネッセンス観測によるCu2Sn1-xGexS3の基礎物性の調査2022

    • Author(s)
      羽田 涼馬,金井 綾香,杉山 睦,田中 久仁彦
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Influence of Ge/(Ge+Sn) ratio on morphology and structure properties of Cu2(Sn1-xGex)S3 film2022

    • Author(s)
      Ayaka Kanai, Ryoma Hata, Mutsumi Sugiyama and Kunihiko Tanaka
    • Organizer
      the 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Investigation of basic physical properties in Cu2Sn1-xGexS3 by observation of photoluminescence2022

    • Author(s)
      Ryoma Hata, Ayaka Kanai, Mutsumi Sugiyama and Kunihiko Tanaka
    • Organizer
      the 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Influence of S and Cd atom on photoluminescence in tin sulfide films2022

    • Author(s)
      Mutsumi Sugiyama, Ayaka Kanai, Kusatsu Keina
    • Organizer
      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-09-01   Modified: 2025-01-30  

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