2016 Fiscal Year Annual Research Report
バンドエンジニアリングで実現する世界最高効率Inフリー化合物薄膜太陽電池の開発
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16H04336
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| Research Institution | Nagaoka National College of Technology |
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Principal Investigator |
荒木 秀明 長岡工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (40342480)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 薄膜太陽電池 / 硫化物 / バンドギャップ制御 / 薄膜 / カルコゲン化合物 / 銅錫ゲルマニウム硫化物 / インジウムフリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，従来のカルコパイライト系化合物太陽電池材料のCu(In,Ga)(S,Se)2に代わる光吸収層材料として，希少元素Inや毒性元素Seを含まない４元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目し，Cu2(Sn,Ge)S3 薄膜の作製技術の確立と物性解明による材料開発とともに，Ge 組成制御によるバンドエンジニアリングを用いて最適なデバイス構造を検討し，Inフリー化合物を用いた高効率薄膜太陽電池光の実現を目指している。今年度は，特にバルク試料を用いたCu2(Sn,Ge)S3物性評価とCu2(Sn,Ge)S3薄膜及び太陽電池素子の作製に取り組み，以下の成果を得た。
１．石英管中にCu，Sn，Ge，Sを所定の組成比で真空封入し，加熱・反応・溶融によってCu2(Sn,Ge)S3バルク結晶試料の合成を行い，結晶構造，光学的特性の測定から構造やバンドギャップのGe/(Ge+Sn)組成比依存性を調べ，Ge組成を変化させることでバンドギャップをEg=0.86～1.53 eVに制御できることを明らかにした。
２．同時蒸着法により作製された平滑で緻密なCu2SnS3薄膜を前駆体(プリカーサ)膜として用いて，GeS2とともに加熱し，SnとGeの置換によって緻密・大粒径な高品質Cu2(Sn,Ge)S3 薄膜の作製を目指して，作製条件の検討を行った。プリカーサ組成やGeS2とともに加熱する際の温度・時間など，作製プロセスにおける各パラメータによってGe/(Sn+Ge)組成比の異なるCu2(Sn,Ge)S3薄膜を得られることを明らかにした。
３．作製したCu2（Sn,Ge）S3薄膜を用いてCdSバッファ層とのヘテロ接合太陽電池を作製し，組成比Cu/(Sn+Ge)<2において比較的良好な光電変換特性が得られ，Ge/(Sn+Ge)=0.14の試料において，開放電圧Voc=0.292 V，短絡電流密度Jsc=29.3 mA/cm2，曲線因子FF=0.402，変換効率PCE=3.43%を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，希少元素In や毒性元素Se を含まない４元系材料Cu2(Sn,Ge)S3に着目した。
本材料のバルク試料の作製と構造・光学特性評価から，バンドギャップEgのGe/(Ge+Sn)組成比依存性を調べ，組成比Ge/(Ge+Sn)＝0.0～1.0に対して，Eg=0.86～1.53 eVと連続的に変化し，Ge組成を変化させることでバンドギャップを制御できることを明らかにした。
また，同時蒸着Cu2SnS3プリカーサ薄膜薄膜の緻密化・結晶の大粒径化に取り組み，高品質な薄膜を得る作製条件の検討を行った。同時蒸着法により作製したCu2SnS3薄膜やCu2S薄膜を前駆体(プリカーサ)薄膜として用いて，GeS2とともに加熱し，SnとGeの置換によって緻密・大粒径なCu2(Sn,Ge)S3 薄膜の作製条件の検討を行い，Cu2(Sn,Ge)S3 薄膜を得ることに成功した。組成比Ge/(Sn+Ge)=0.14, 0.66, 1.0とGe組成の異なる試料の作製できたが，本方法では，プリカーサの組成，熱処理時のGeS2の仕込み量，熱処理温度，時間等の多くのパラメータに依存して得られる試料の組成が変化し，Cu2(Sn,Ge)S3試料のGe/(Sn+Ge), Cu/(Sn+Ge)組成比を狙って制御することが困難であることも明らかとなった。今後，組成の制御方法について検討する必要がある。
また，このようにして得られたCu2(Sn,Ge)S3薄膜を用いて，SLG/Mo/Cu2(Sn,Ge)S3/CdS/ZnO:Al/Al構造の太陽電池素子を形成し，AM1.5，100mW/cm2の照射下において光起電力測定を行ったところ，Ge/(Sn+Ge)=0.14の試料において，開放電圧Voc=0.292 V，短絡電流密度Jsc=29.3 mA/cm2，曲線因子FF=0.402，変換効率PCE=3.43%を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
Cu2SnS3薄膜をGeS2とともに熱処理することでCu2(Sn,Ge)S3薄膜を作製する方法では，Cu/(Sn+Ge)組成比，Ge/(Sn+Ge)組成比を狙って作製することが難しいことから， Cu2(Sn,Ge)S3薄膜のCu/(Sn+Ge)組成比，Ge/(Sn+Ge)組成比を精密に制御するために，Cu，Sn，S同時蒸着蒸着装置に新たにGeセルを追加し，同時蒸着法によりCu(Sn,Ge)S3薄膜を作製し，これの熱処理することで，Cu2(Sn,Ge)S3薄膜の組成制御と高品質化を試みる。これにより得られるCu2(Sn,Ge)S3薄膜を用いた太陽電池素子において，光起電力特性のGe/(Sn+Ge)組成比依存性について明らかにすることを目指す。
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[Presentation] Effects of sodium on Cu2SnS3 thin films prepared by co-evaporation2016
Author(s)
Hideaki Araki, Shohei Sasagawa, Yoji Akaki, Akiko Takeuchi, Hironori Katagiri
Organizer
The 26th edition of the International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-26)
Place of Presentation
Marina Bay Sands Sands Expo and Convention Center, Singapore（シンガポール）
Year and Date
2016-10-24 – 2016-10-28
Int'l Joint Research
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[Presentation] Synthesis and characterization of Cu2Sn1-xGexS32016
Author(s)
Hideaki Araki, Masaki Yamano, Genki Nishida, Akiko Takeuchi, Naoya Aihara, Kunihiko Tanaka
Organizer
International Conference on Ternary and Multinary Compounds, ICTMC-20
Place of Presentation
The Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Halle(Saale)（ドイツ）
Year and Date
2016-09-05 – 2016-09-09
Int'l Joint Research
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[Presentation] CTS-based thin-film solar cells prepared via co-evaporation2016
Author(s)
Hideaki Araki, Ayaka Kanai, Shohei Sasagawa, Akiko Takeuchi, Hironori Katagiri
Organizer
Thin Films 2016, The 8th International Conference on Technological Advances of Thin Films & Surface Coatings
Place of Presentation
Holiday Inn Atrium (シンガポール)
Year and Date
2016-07-12 – 2016-07-15
Int'l Joint Research / Invited
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