2021 Fiscal Year Annual Research Report
積極的欠陥制御による高効率・有毒・希少元素フリー薄膜太陽電池の創生
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20H02680
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 薄膜太陽電池 / 有毒元素・レアメタルフリー / 発光分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
希少・有毒元素を含まないCu2Sn1-xGexS3(CTGS)を光吸収層とする太陽電池効率改善を目標にx=0にあたるCu2SnS3(CTS)、CTGS中の欠陥を発光スペクトル観測で分析し、効率低下、効率改善に繋がる欠陥を明らかにすることを目的としている。
CTSについては高品質薄膜の詳しい検討を行った。その結果、励起子発光が3つのに分かれていること、深い発光は5つのドナーアクセプタ対(DAP)再結合発光からなることが分かった。DAPの活性化エネルギーは室温相当の26meV程度以下であり、室温でキャリア供給源になりうることが分かった。
CTGSについてはGe/IV=0.8、Ge/IV=0.2について検討を行った。Ge/IV=0.8ではCu/IV=1.85, 1.92, 2.25と化学量論比組成に近いものの分析を行った。前年度Cu/IV=1.64で観測された効率低下要因となり得る0.9-1.2 eVの深い発光はCu/IV>1.85で弱くなっておりCu欠陥寄与が明確となった。1.3-1.4 eVの浅い発光は1つの励起子と3つのDAP再結合発光からなることがわかった。DAP再結合発光の活性化エネルギーはいずれも26meV以下であり室温でキャリア供給源になりうることが分かった。また、Cu richでは発光強度が低くなっており、非放射再結合が多いかキャリアが少ないと考えられ、Cu-richで発電効率が低くなることと対応が取れた。Na添加についてはCu poorでより発電効率が高いことNa無添加で発光強度が高いことが知られていることからCu poorの試料についてのみ観測した。その結果、Na無添加とほぼ同様の結果となった。しかし、現状ではNaに特有の発光は見られなかった。Cu poor, Na添加のCu/IV=1.77, Ge/IV=0.21についてもGe/VI=0.8と同様の結果となった。
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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
研究計画ではCTSについては薄膜とバルクの比較を行い、効率改善のために導入・削減する欠陥を明らかにすることが、CTGSについては効率低下要因となる深い欠陥の起源を明らかにすることが目標となっている。
CTSではバルクの組成制御が難しかったことと薄膜では高品質なものが入手できたこともあり、薄膜について詳しく解析を行った。その結果、効率が低い異相を含む薄膜と高効率薄膜との違いが明らかとなり、効率改善のきっかけがつかめた。CTGSではCuが効率低下要因となる深い発光にかかわっていることが判明している。以上のことから今年度の目標を概ね達成できているといえる。
ただし、細かい組成制御が難しく、もう少し細かく組成を制御して調べていく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度研究計画ではCTGSについてはバルクと薄膜の比較を行うことになっている。しかし、バルクの組成制御が難しいことがわかってきており、また、現在、薄膜の成膜環境が整ってきたことや、発電効率と物性との対応関係が判明しているCTGS薄膜をいくつか入手できたため、今年度はCTGS薄膜の発光を中心的に調べて効率低下・改善に繋がる欠陥を調べていく。バルクについては任意の組成のものが作製できた場合に発光観測を行い薄膜との比較を行う。
CTSに関しては計画書通り発光分光による薄膜のさらなる分析と、これまでの知見を基に太陽電池素子化を行い高効率化を目指していく。
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