2022 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
| Project/Area Number |
20H02680
|
|---|
| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
|---|
Principal Investigator |
田中 久仁彦 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (30334692)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 薄膜太陽電池 / 有毒元素・レアメタルフリー / 発光分光 / 銅カルコゲナイド |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はCu2Sn1-xGexS3(CTGS)の欠陥を分光学的手法により分析し、効率低下・効率改善に寄与する欠陥を明らかにすることで効率改善を行うものである。2022年度はCTGS系太陽電池において最高効率が報告されているx=Ge/(Ge+Sn)に近い組成を持ちCu poor でCu/(Sn+Ge=IV)=2.0に近い組成比を中心に詳しく分析を行った。バルクについてはCu poor、Ge/IV=0.2程度でCu/IV=1.61, 1.75, 1.91の発光スペクトルの検討を行った。その結果、発光から明らかにした不純物準位をアクセプタ準位とした場合、いずれの試料においてもアクセプタ準位が約20 meV、約25meV、約50 meV、ドナー準位が 約5 meV、約70 meV、約80 meV、約120 meVであることが分かった。いくつかの準位は室温相当の26 meVより深く効率低下の原因となることが分かった。それぞれの欠陥準位はCu/IVが変化しても大きな差はなくCu欠陥量の影響を受けないことが分かった。また、約20 meVの欠陥は第一原理計算の報告よりCu空孔に由来する準位であると結論付けた。
薄膜に関してはGeの影響を調べるため、Cu/IVについては最高効率が観測されているCu/IV=1.7程度でGe/IVについては0～0.19のものについて検討を行った。その結果、アクセプタ準位は浅く6～20 meVであり、Ge/IVが変化してもほぼ変化しないことが分かった。効率改善にはSnの一部をGeで置換しバンドギャップを増加させる必要があるが、本研究の結果より、Ge/IVを変化させる、つまりバンドギャップを増加させても浅い欠陥準位を保てることからCTGSは太陽電池光吸収層として優れていることが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで単層太陽電池で効率が最も高くなるバンドギャップ1.4 eVとなるx=0.8を中心に検討を行ってきたが、今年度はバルクについては最高効率が報告されているx=0.2～0.3程度のバルクの検討を行うこと、また薄膜についても検討を行うこと、太陽電池の特性と発光特性を比較することを目的とした。CTGS太陽電池はCu poorでのみ発電するが、バルクに関する研究結果よりCu組成に欠陥準位があまり依存しないことが分かった。薄膜においては、ｘを変える、つまりバンドギャップを変えても浅い欠陥準位が変化しないことが分かった。CTGS太陽電池はCu poorかつ、Ge量を調整することで高効率を実現できるため、上記のように欠陥準位に影響がないとわかったことは大きな成果であるといえる。太陽電池の特性と発光効率の比較については、現時点では効率が高いものは発光強度が強いことは確認しているが今後さらなる分析が必要となる。上記のように欠陥が効率に与える影響について知見が得られたのでおおむね予定でといってよい。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究は効率低下・改善要因となる欠陥を明らかにし、欠陥を制御することでCTGS太陽電池の高効率化を図ることが目的である。これまでバルク、薄膜での検討を行ってきているが、バルクに関しては組成制御が難しく、初年度よりは組成を細かく制御できるようになっているもののまだ最高効率を実現する組成近辺で細かく制御したものは作れていない。今年度はバルク作製工程を見直し、さらに組成と発光の関係を調べて欠陥に関する知見を得ていく。薄膜ならびに太陽電池に関しては、分担者が効率の異なる太陽電池素子をいくつか用意したので、これらの発光スペクトルを分析していく方針である。太陽電池作製に関しては現在、研究室で作製系を立ち上げ中であるが、良質な電池が年内にできるかはまだ見通しが立っていない。良質な素子ができるようになれば発光による欠陥分析で得た知見をフィードバックしていく予定である。
|
