2020 Fiscal Year Annual Research Report
レジリエント社会構築のための高効率タンデム太陽電池の開発
| Project/Area Number |
20H02636
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
山田 明 東京工業大学, 工学院, 教授 (40220363)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中田 和吉 東京工業大学, 工学院, 助教 (70783223)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 太陽電池 / カルコパイライト |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，①Ag添加による高品質なCu(In,Ga)S2(CIGS)膜の製膜技術開発，②小さい電子親和力を有するn型Zn-Ge-O材料の開発，③ZnO犠牲層を用いたタンデム化技術開発の3つを研究課題としている．
課題①に関しては，青板ガラス上にCuおよびInを同時蒸着し，得られた金属プリカーサをS粉末を用いてS蒸気中でアニール，CISを製膜することを試みた．その結果，粒径1um程度の多結晶CISの作製に成功するとともに変換効率1%台の太陽電池の作製に成功した．課題②に関しては，既存の有機金属気相堆積（MOCVD）装置を改良，有機金属Geを原料としてZn-Ge-O薄膜の製膜を試みた．その結果，Ge原料の流量制御によりZn-Ge-Oが製膜可能であることを確認した．課題③に関しては，従来の青板ガラス/Mo/p-Cu(In,Ga)Se2(CIGSe)/n-CdS/n-ZnO構造のCIGSe太陽電池に対して青板ガラス/Mo界面に薄いZnO犠牲層を挿入，酸を用いてZnO犠牲層をエッチングすることにより青板ガラス基板上からCIGSe薄膜太陽電池を剥離することを試みた．この時，ZnO犠牲層にn型ドーパントであるB（ホウ素）がドーピングされていると青板ガラス基板上からのアルカリ金属の拡散が抑制され，太陽電池の変換効率が低下するとの興味深い事実が明らかとなった．しかしながら，金属Moが多結晶構造であるため粒界を通って酸がCIGSe層およびn型層を侵食，犠牲層を用いた溶液による剥離は困難であるとの結論を得た．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
課題①に関しては，初年度は硫化物系カルコパイライト光吸収層の製膜に取り組んだ．得られた変換効率は1%台であるものの，金属プリカーサの硫化により，当初予定していたCIS薄膜の作製に成功した．現状では，硫化時の膜の均一性が問題であることが明らかとなっている．今後は溶融S相の利用，Ga添加により裏面電子障壁層の導入，Ag添加などの高品質化・高効率化技術に取り組む予定であり，次年度以降の硫化物ワイドギャップ光吸収層の研究基盤技術が確立されたと考えている．
課題②に関しては，既存のZnO-MOCVD装置へのGe原料の導入，Zn-Ge-O製膜の実現，初期的段階ながら得られた膜のイオン化エネルギーおよびバンドギャップ評価によるGe組成に対する電子親和力変化までを本年度確認することに成功した．今後はZn-Ge-O膜の光学的・電気的評価を進め，その物性を明らかにするとともに，得られたZn-Ge-O膜をCIGSe薄膜太陽電池に適用，バッファ層としての機能を確認する．
課題③に関しては，ZnO犠牲層を用いた溶液エッチングによる太陽電池の剥離を試みた．しかしながら，犠牲層のエッチングには成功したものの，Mo金属およびCIGSe光吸収層が多結晶薄膜であるためエッチング時に粒界を通ってエッチング液が浸透，酸に弱いn型層がダメージを受けることが明らかとなった．今後は，犠牲層を用いた溶液エッチングではなく，逆積層型の太陽電池構造を用いたタンデム化を検討して行く予定である．
以上の課題①~課題③の研究成果を踏まえ，現在までの研究の進捗状況は「概ね順調」であると判断した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
課題①に関しては，現在のCIS薄膜に対して膜組成の均一化を図る予定である．現状では，S粉末を用いてアニールを行なっており，S蒸気を介してCu-In金属プリカーサの硫化を行なっている．このため，ガラス基板上の中央と端において硫化の度合いが異なるとの課題を抱えている．そこで次年度は，溶融S相を用いて膜組成の均一化を図るとともに溶融相を用いた粒径増大などの膜の高品質化に取り組む．また薄膜太陽電池としては，裏面における再結合を抑制するために電子障壁（BSF）を設ける必要がある．そこでCu-In金属プリカーサにGaを添加することによりBSFの形成を試みる．
課題②における低電子親和力n型バッファ層の開発に関しては，本年度Zn-Ge-O薄膜の製膜に成功した．今後は，Ge組成に対する電子親和力およびバンドギャップ変化などの光学的評価を行なう．また，Bドーピングを行ない，n型薄膜の作成に取り組むとともに，移動度およびキャリア濃度などの電気的評価を進める．Zn-Ge-O膜の最終目標は硫化物CIGSへの適用であるが，CIGSの製膜技術開発は同時進行である．このため，当面はセレン化物であるCIGSeへの適用を行い，n型バッファ層としての機能を確認して行く．
課題③に関しては，ZnO犠牲層を用いた溶液エッチングによるCIGSe太陽電池の剥離およびタンデム化は困難であることが本年度明らかとなった．従来n型バッファ層として用いられていたCdSは熱アニールによりCdがCIGSe層中に拡散することが課題であった．現在開発中のn型バッファ層であるZn-Ge-Oの熱耐性およびZn拡散などは明らかになっていない．今後は，n-TCO/n-Zn-Ge-O/p-CIGSe逆構造の太陽電池を試作し，n-Zn-Ge-Oの熱耐性を調査するとともに逆構造型トップ・セルによるタンデム化技術開発に取り組む．
|
Research Products
(1 results)
