Cu2SnS3 thin-film solar cells without rare metal

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04607
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 峯元 高志 立命館大学, 理工学部, 教授 (80373091)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 太陽電池 / 化合物 / 薄膜

Outline of Annual Research Achievements

レアメタルを用いないことから太陽光発電の大量普及時の資源制約を受け難い太陽電池材料として、Cu2SnS3（CTS）系の化合物薄膜の光吸収層に注目した。CTSは太陽電池の高効率化に有利な優れた半導体物性を有するが、結晶成長やデバイス構造の検討が不十分であるため、まだ効率改善の余地が大きい。本研究では、最適デバイス設計、高品質CTS系薄膜の成長技術確立、最適構造CTS系薄膜太陽電池の実現を通じて、変換効率15%を達成することを目的とする。また、本研究の最終段階では、効率20%達成に必要とされる要件を明確化する。
2021年度は、Cu2(SnGe)S3 (CTGS)光吸収層へのAgドーピングを検討した。これまでCu2SnS3(CTS)に対するAgドーピングは、結晶粒径増大などのポジティブな効果が報告されている。そこで、CTGS光吸収層に対するAgドーピングの効果を検証するため、膜厚制御されたAgプリカーサを導入した(Ag,Cu)2(Sn,Ge)S3(ACTGS)薄膜の作製と評価を行った。ACTGS薄膜の作製方法として、まず、裏面電極としてMoを成膜したソーダライムガラス(SLG)基板上に、厚さ20-50 nmのAgを電子ビーム(EB)蒸着法により堆積した後、GeおよびCu-SnS2を、それぞれEB蒸着法と同時スパッタ法により積層してCu-SnS2/Ge/Agプリカーサを作製した。これを電気炉にてH2S雰囲気下にて硫化することにより、ACTGS薄膜を作製し光吸収層とした。硫化時の熱処理条件は60分で520℃まで昇温させ、60分間キープする温度プロファイルを用いた。SEMを用いてACTGS薄膜の表面観察を行ったところ、Ag/(Ag+Cu)比の増加に伴って結晶粒径が増大することを確認した。これはAgドーピングがCTGSの結晶成長を促進させる効果があることを示すものである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、デバイス理論設計、CTS系光吸収層の高品質化、最適設計されたデバイス構造の実現を通じて、高効率化を実証することを目的としている。
今年度は、CTGSにAgを添加することによって結晶成長の促進に取り組んだ。Agを0～12%まで添加した薄膜の結晶粒径を走査型電子顕微鏡で観察し、Ag添加による結晶粒径の増大を確認した。
以上より、研究進捗としては、「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、ACTGS薄膜の結晶粒径増大に成功した。一方で、太陽電池としての性能向上を明確には達成できず、目標である15%にはまだ大きな差がある。今後は、ACTGS薄膜を用いた太陽電池セルの作製技術向上とデバイス構造の最適化に取り組む。

Causes of Carryover

次年度使用額が1136円生じた。
この額は、本研究を実行するための物品費（特に消耗品）の主な単価よりも小さく、研究費の効率的な執行のため、次年度に使用することが望ましいと判断した。