研究課題/領域番号 |
22K04209
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研究種目 |
基盤研究(C)
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配分区分 | 基金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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研究機関 | 長野工業高等専門学校 |
研究代表者 |
百瀬 成空 長野工業高等専門学校, 情報エレクトロニクス系, 准教授 (00413774)
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研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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キーワード | 薄膜太陽電池 / 化合物半導体 |
研究開始時の研究の概要 |
次世代薄膜太陽電池の候補であるCZTSは,Seを添加することで,①禁制帯幅Egの狭小化(電流の生み出しが増加)と,②結晶サイズの大型化(生まれた電流の取り出しに有利)が生じ,太陽電池の出力が増大する。しかし,②を最大限引き出そうとSeの添加量を増やすと①のEgが狭くなりすぎてしまい(出力電圧が低下),実用化を狙う出力を得るには電圧低下を抑える必要がある。本研究では,CZTSへSeとともにGe(結晶の大型化と,Eg拡張の効果がある)も添加することで,SeとGeの相乗効果によるさらに大型な結晶と,電圧を低下させない程度に調整されたEgを兼ね持つCZTS薄膜の製膜条件を確立させる。
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研究実績の概要 |
本課題は,「Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜にSeとGeの両方を添加し,CZTS系薄膜太陽電池の出力性能を最大限に伸ばす手法とメカニズムを明らかにする」ことを最終目的に研究を遂行している。Cu-Zn-Sn-Ge膜を封管内にて硫化・セレン化する方法でCZTS膜へGeとSeを添加しようと試みていたが,加熱反応中にGeの大部分が再蒸発してしまっていた。これを解決するために,令和4年度はまず現有のスパッタ装置へ小型スパッタ源を増設し,Cu-Zn-Sn-Ge膜の上に極薄層をキャップする実験を実施した。材料選定の結果,40nmのZn極薄層を堆積した場合にGeの再蒸発をある程度防ぎながらCZTS系結晶を成長させることができ,SeとGeの両方を添加したCZTS膜を,その添加量を自在に変えながら作製することが可能となった。Se/(S+Se)が0.94,Ge/(Sn+Ge)が0.25としたCZTS薄膜は禁制帯幅が1.20eVとなり,これを光吸収層とした薄膜太陽電池からは35mA/cm2の電流密度と0.4V超の電圧を得ることができた。これは従来作製していたSeのみを添加したCZTSよりもバンド幅が拡がり理論上出力電流が不利になるにも関わらず,出力電流が勝っている。ただし曲線因子FFが33%程度と振るわず,膜ならびにpn接合部の品質改善が課題として残されている。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
申請書に記載した研究計画のとおりにおおむね実験は進んでいる。国際会議での発表申し込みは受理されたが,さらに原著論文として成果を発信できれば申し分ないと言える。
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今後の研究の推進方策 |
Znキャップの有無ならびに堆積厚,SeとGeの添加比をパラメータに膜物性の変化を体系的にまとめ学術論文として投稿する。また,Cu-Zn-Snの各組成の過不足がSe-Ge添加CZTS膜へおよぼす影響も体系的に調査し,主に太陽電池の曲線因子の改善に努める。以上をクリアしてからは,Geの添加量に厚さ方向の分布を加える作製を試行し,膜底部,膜表面のpn接合付近のバンド幅をアレンジするバンドエンジニアリングに挑戦する。
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