2021 Fiscal Year Annual Research Report
Na添加を用いた結晶成長技術の革新による高効率Inフリー化合物薄膜太陽電池の開発
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19H02663
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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, 教授 (40342480)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤木 洋二 都城工業高等専門学校, 電気情報工学科, 准教授 (10321530)
寺田 教男 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (20322323)
田中 久仁彦 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (30334692)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / 硫化物 / 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 / Na添加効果 / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Cu2SnS3（CTS)前駆体薄膜の熱処理中のラマン分光測定による結晶成長過程に関する知見として，立方晶構造CTSを含む前駆体薄膜が単斜晶構造の薄膜へと変化する様子を観察し，単斜晶構造の単相薄膜が得られる硫化温度条件を明らかにした。
また，同時蒸着Cu2SnS3（CTS）薄膜を用いた太陽電池セルの作製プロセスの最適化の取り組みとして，同時蒸着・硫化法で作製したCTS薄膜上にCdSを形成した後の熱処理温度を変化させて作製した太陽電池セルの光起電力特性を調べ，250-275℃で熱処理（熱処理時間30分）を行うことで太陽電池の光起電力特性が向上することを明らかにした。
さらに，Cu2GeS3（CGS）に対するNa添加効果について検討するため，同時蒸着法により作製した CGS 薄膜上に NaF を蒸着した CGS/NaF 積層薄膜を硫化することで CGS 薄膜を作製し，ラマン分光による結晶構造の評価を行った。Naを添加していない試料ではcubic構造に帰属されるピークとともに，monoclinic構造に帰属されるピークが確認されたが，Naを添加した試料ではmonoclinic構造に帰属されるピークのみが確認された。このことから，Na添加によりmonoclinic-Cu2GeS3の成長が促進されることが示唆された。また，得られたCGS薄膜を用いた太陽電池セルの特性を評価したところ， Na添加しない場合と比較して，Naを添加した試料の方が良好な光電変換特性を示し，Na添加によるCGS薄膜太陽電池の特性向上を明らかにした。
これらの同時蒸着によるCTS，CGSの作製条件を踏まえ，同時蒸着CGS/CTS積層前駆体薄膜を作製し，熱処理することでCu2(Ge,Sn)S3(CTGS)薄膜を作製した。CGS/CTSの積層膜厚比を変化させることで，Ge/Sn組成比を制御できることを明らかにした。
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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
Cu2(Sn,Ge)S3のベース化合物であるCu2GeS3へNa添加結晶成長を適用し，Na添加による太陽電池セルの高効率化を見出した。また，Cu2SnS3系太陽電池の作製プロセスの最適化として，単斜晶構造の単相化の硫化温度条件やCTS上に形成したCdSバッファ層との適切な接合界面を得るための熱処理条件を明らかにするなど，CTS系薄膜太陽電池の高効率化のための作製プロセスの新たな指針が得られたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
Cu2SnS3,Cu2GeS3の作製で得られた知見に基づいて，Cu2(Sn,Ge)S3(CTGS)薄膜の作製及びNa添加試料の作製と熱処理による結晶成長の検証を行うとともに，得られたCTGS薄膜を用いた太陽電池セルを作製と，更なる作製プロセスの最適化に取り組むことで，高効率なCTGS薄膜太陽電池の作製を目指す。
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