• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

レアメタルフリー超低コストCTS系薄膜太陽電池の高効率化

研究課題

研究課題/領域番号 20J13953
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関東京理科大学

研究代表者

金井 綾香  東京理科大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2021年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード化合物太陽電池 / 硫化物薄膜 / 可視光吸収材料 / 表面粗さ / Cu2(Sn1-xGex)S3 / 硫化ゲルマニウム化合物 / カルコゲナイド半導体 / 界面欠陥制御 / フォトルミネッセンス / アルカリ金属添加効果 / 銅錫硫化物
研究開始時の研究の概要

低コスト・高効率薄膜太陽電池として注目されている、Cu2SnS3(CTS)系太陽電池における変換効率の制限要因として、多結晶CTSにおける欠陥物性について未解明な点が多いことや、デバイス構造が最適化されていないことが挙げられる。本研究は、CTS太陽電池の高効率化にむけ、CTS薄膜中の欠陥を光学特性と電気特性から相補的に解明する理学的側面、及び、CTS太陽電池の光吸収層における新規バンド構造を提案する工学的側面の両方からアプローチする。

研究実績の概要

2021年度は薄膜の深さ方向に伝導帯エネルギー傾斜構造をつけた高効率CTS系太陽電池の実現を目指し、Cu2(Sn1-xGex)S3(CTGS)薄膜に関する研究を遂行した。特にCTGS薄膜のGe/(Ge+Sn);x比の増加とともに表面凹凸が激しくなってしまう原因とその制御方法を明らかにするために、レーザー顕微鏡による表面粗さ(RMS)の測定などを行うことにより、x組成や成膜方法などがCTGS薄膜の表面形態へ与える影響を調査した。
Ge層を堆積した金属前駆体に対して硫化処理を行うことにより作製したCTGS薄膜はx比が高くなるとともにRMS値も増加することが確認された。この原因を調査するために薄膜の成膜過程における途中生成物に着目し、XRD測定を用いて硫化温度を変化させた際の各過程の生成物を調査した。その結果、CTGS薄膜の凹凸が激しくなり始める硫化温度においてCu-Ge-S化合物などの異相が生じることが確認され、この異相の形成がCTGS薄膜の表面形態に影響を及ぼす要因であることが示唆された。従って、この異相を抑制することが平坦性の高い薄膜の形成には重要であることが分かった。
従来の研究によりx比が高くなるとCTGS薄膜表面の凹凸が激しくなることは知られていたが、実際の表面凹凸に対しRMS値を算出することで定量化し、途中生成物とともに議論したのは本研究が初めてである。さらに、表面粗さを抑制する改善方法として、安定なCTS薄膜を成膜した後、Ge-S雰囲気中でGe拡散する方法が本実験の中で最も高い表面平坦性を持ち、かつ粒界も抑制された光吸収層に適したCTGS薄膜が得られることも明らかにした。以上の成果より、将来的に高効率エネルギー傾斜CTS系太陽電池を実現する上で重要な知見を明らかにし、CTSやCTGSのみならず硫化物半導体の研究においても貢献することが出来た。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Na induction effects for J-V properties of Cu2SnS3 (CTS) solar cells and fabrication of a CTS solar cell over-5.2% efficiency2021

    • 著者名/発表者名
      Kanai Ayaka、Sugiyama Mutsumi
    • 雑誌名

      Solar Energy Materials and Solar Cells

      巻: 231 ページ: 111315-111315

    • DOI

      10.1016/j.solmat.2021.111315

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Impact of Na and/or Sb on the CTS thin films and solar cell performance2021

    • 著者名/発表者名
      Magdy Wafaa、Kanai Ayaka、Abdel-Latif Mohamed S.、Mahmoud Fawzy. A.、El Shenawy Essam. T.、Khairy Sherif. A.、Hassan Hussam. H.、Sugiyama Mutsumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 号: 10 ページ: 105506-105506

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac26e1

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of Sb inclusion on morphologies and carrier concentration properties of CTS thin films grown by sulfurization of Cu?Sn precursors2021

    • 著者名/発表者名
      Urata Nanami、Kanai Ayaka、Sugiyama Mutsumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 号: 11 ページ: 115503-115503

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac2bd8

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Ag on the carrier lifetime and efficiency of (Cu1-xAgx)2SnS3 solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Kanai, Taichi Tosuke, Hideaki Araki, Mutsumi Sugiyama
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 号: 3 ページ: 035508-035508

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abe60b

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A comprehensive study on Cu2SnS3 prepared by sulfurization of Cu/Sn sputtered precursor for thin-film solar cell applications2020

    • 著者名/発表者名
      Abdel-Latif Mohamed S.、Magdy Wafaa、Tosuke Taichi、Kanai Ayaka、Hessein Amr、Shaalan N. M.、Nakamura Koichi、Sugiyama Mutsumi、Abdel-Moniem A.
    • 雑誌名

      Journal of Materials Science: Materials in Electronics

      巻: 31 号: 17 ページ: 14577-14590

    • DOI

      10.1007/s10854-020-04018-x

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of rapid thermal annealing on sprayed Cu2SnS3 thin films for solar-cell application2020

    • 著者名/発表者名
      Magdy Wafaa、Kanai Ayaka、Mahmoud F. A.、El Shenawy E. T.、Khairy S. A.、Hassan H. H.、Sugiyama Mutsumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 号: 10 ページ: 105503-105503

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abb7f1

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Emission properties of intrinsic and extrinsic defects in Cu2SnS3 thin films and solar cells2020

    • 著者名/発表者名
      Kanai Ayaka、Sugiyama Mutsumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 号: 1 ページ: 015504-015504

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abcf06

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Ge/(Ge+Sn)比がCTGS薄膜の表面粗さに与える影響2022

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      2022年 第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cs添加がCu2SnS3太陽電池に与える影響2022

    • 著者名/発表者名
      金森 大輝、金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      2022年 第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cesium-induced Surface Modification on CIGS Absorber Layer and the Radiation Hardness on Device2021

    • 著者名/発表者名
      Tzu-Ying Lin、Takahiko Yashiro、Ishwor Khatri、Ayaka Kanai、Mutsumi Sugiyama
    • 学会等名
      E-MRS 2021 Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Na-induced variations in the structural, optical, and electrical properties of Cu2SnS3 thin-film solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Kanai、Mutsumi Sugiyama
    • 学会等名
      E-MRS 2021 Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Current status of earth abundant materials for next-generation solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      M. Sugiyama、A. Kanai、N. Kato
    • 学会等名
      2021 Materials Research Society-Taiwan International Conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ge/(Sn+Ge)組成比がCTGS薄膜太陽電池の電気特性に与える影響2021

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cu2SnS3薄膜におけるSb添加による光学特性への影響2021

    • 著者名/発表者名
      植田 かな、金井 綾香、浦田 奈波、杉山 睦
    • 学会等名
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Sb添加によるCu2SnS3粒径増大のメカニズム検討2021

    • 著者名/発表者名
      浦田 奈波、金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cu2SnS3薄膜におけるCs添加が与える影響2021

    • 著者名/発表者名
      金森 大輝、金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Naを添加したCTS薄膜太陽電池の高効率化2021

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香、杉山 睦
    • 学会等名
      第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Na効果がCu2SnS3太陽電池の電気特性に及ぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香, 杉山 睦
    • 学会等名
      2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会 リモート開催
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Photoluminescence Properties of Cu2SnS3 Thin-film Solar Cells Deposited on Cu/Sn Ratio2020

    • 著者名/発表者名
      Ayaka Kanai, Mutsumi Sugiyama
    • 学会等名
      PVSEC-30 & GPVC 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Na拡散させたCTS薄膜のフォトルミネッセンス測定2020

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香, 杉山 睦
    • 学会等名
      2020年 第67回応用物理学会春季学術講演会 於上智大学
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Cu2SnS3薄膜におけるSb添加が与える影響2020

    • 著者名/発表者名
      浦田 奈波, 金井 綾香, 杉山 睦
    • 学会等名
      2020年 第81回応用物理学会秋季学術講演会 リモート開催
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] CTS薄膜太陽電池におけるフォトルミネッセンス測定2020

    • 著者名/発表者名
      金井 綾香, 杉山 睦
    • 学会等名
      2020年 第81回応用物理学会秋季学術講演会 リモート開催
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 低温PL測定を用いたSnS薄膜におけるNa添加が及ぼす影響の検討2020

    • 著者名/発表者名
      草津 圭那, 金井 綾香, 金 冑男, 杉山 睦
    • 学会等名
      令和2年 応用物理学会多元系化合物・太陽電池研究会 年末講演会 リモート開催
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi