2020 Fiscal Year Research-status Report
銅ハライド化合物の価電子帯制御で実現する透明塗布型太陽電池
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20K04567
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| Research Institution | Tsuruoka National College of Technology |
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Principal Investigator |
森谷 克彦 鶴岡工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (90509671)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 透明塗布型太陽電池 / 透明p型半導体 / 銅ハライド化合物 / 非真空プロセス / 価電子帯制御 / 低コスト / 環境調和型半導体 / 生活環境改善 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は透明p型半導体材料として，資源戦略的に優れたCuI_(1-X)I_X（CuICl）薄膜を非真空プロセスで作製し，その物性（バンドギャップ（Eg）、伝導帯の下端（E_CBM）、価電子帯の上端（E_VBM））の組成依存性を明らかにし，透明p型半導体としてのポテンシャルを確立するとともに，これらの物性を活かした透明塗布型太陽電池を実現することを目標としている．
CuIClの物性研究例は少なく，数10年以上前に基礎研究がされた材料である．したがって，現在の評価技術を用いた物性評価は行われていないため，リヴァイバル材料の一つといえる．
本研究では各組成におけるCuIClの物性評価を行った．各組成に対するEgは、透過スペクトルから得られる励起子吸収エネルギーを用いて導出した．励起子吸収に必要なエネルギーは、電子・正孔間の束縛エネルギーの分だけEgより低くなる．つまり，Egは，励起子吸収エネルギーと励起子束縛エネルギーを加算することで決定できる．その結果，バンドギャップは混合比Xが1.0から0.8では徐々に減少し、Xが0.6から0.0にかけて増加するという結果が得られた．また，イオン化ポテンシャル測定では，混合比Xが大きくなるにつれ，測定値が大きくなった．イオン化ポテンシャル測定と励起子吸収より導出したEgから決定されたCuICl薄膜のエネルギーバンド構造の組成依存性をグラフにした結果，Xが増加するにつれてE_VBM が真空レベルに向かって増加することがわかった．また，E_CBMはX=0.2から0.8ではほぼ一定で，X=0.0および1.0では少し高い数値を示した．これらの結果は，CuICl薄膜を使用した透明塗布型太陽電池の作製に役立つと期待される．
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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
本研究は，①CuIClにおける物性（Eg、E_CBM、E_VBM）の組成依存性を調査する，②透明pn接合を形成する，③透明塗布型太陽電池を実現する，ことを目的としている．
現段階では，①は達成している（前述の研究実績参照）．しかしながら，②において，p型半導体CuIClとn型半導体ZnO:Alの積層構造は構築できるものの，発電には至っていない．
以上のように，本研究期間中に設定した目標の半分を実現することができたことから，おおむね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点ではCuICl薄膜をp型，ZnO:Al薄膜をn型とした積層構造を構築したものの，発電には至っていない，この理由として以下の二つが挙げられる．一つ目は，各層の作製条件の違い，特に熱処理条件の違いが挙げられる．本研究の作製プロセスではCuICl薄膜の作製において，長時間の熱処理および高温での熱処理を必要としない．一方で，ZnO:Al薄膜においては，本研究で作製しているCuICl薄膜の作製条件に合わせて作製しておらず，従来の溶液塗布法（本研究室における銅カルコゲナイド系薄膜太陽電池における作製手法）により作製している．そのため，積層する際の熱処理条件の違いにより，pn接合がうまくとれていない可能性がある．本申請により導入された卓上型ランプ加熱装置を用い，熱処理におけるパラメータをさらに細かく振ることで，最適な条件を見出す．
発電に至らないもう一つの理由として，塗布溶液に用いる溶媒が同じであるため，剥離や溶解が生じてしまっていることが考えられる．現段階ではいずれの薄膜も溶媒に2メトキシエタノールとモノエタノールアミンを用いている．今後はCuICl薄膜に用いる溶媒を変更し，積層構造を構築する．また，溶媒を変更したことによる物性の変化を考慮し，従来の溶媒と新規溶媒のいずれの条件においても同じ組成比のCuICl薄膜を作製し，その評価を比較する．
さらに，積層構造を構築し，整流特性が取れ次第，デバイスとしての高効率化を図る予定である．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響もあり，旅費に充てられた予算の執行が難しくなった．そのため，当初計画していた購入予定物品を変更し，急速加熱および雰囲気制御が可能な卓上型ランプ加熱装置を旅費に充てられていた予算と不足分を前倒し請求により補填することで購入することとした．また，本装置は設置のために電源工事等が必要となるため，予算に余裕を持たせていたが，不要となったため次年度使用額として残っている．
なお，次年度使用額として残った予算は，今年度消耗品（試薬，ガラス基板等）に充てる．
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