| 研究課題/領域番号 |
17K07036
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| 研究機関 | 和歌山工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
山口 利幸 和歌山工業高等専門学校, 電気情報工学科, 教授 (60191235)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | エネルギー生成・変換 / 薄膜太陽電池 / カルコゲナイド / アルカリ金属 |
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| 研究実績の概要 |
福島原発事故以来、再生可能エネルギーへの期待が一層高まり、安全・安心な太陽光発電が注目されている。将来の普及拡大に向けた課題は、資源的制約の無い、低コストな太陽電池を開発することである。本研究では、稀少元素のInやGaを含まず、資源上の制約が少なく、原材料費が安価であるという利点を持っている、次世代型のカルコゲナイド薄膜太陽電池の性能向上を目指して、成膜技術を検討することを目的とする。
Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太陽電池の作製において、前年度、新規な結晶化プロセス（3S法と命名）を見出したので、本年度は、太陽光スペクトルに整合する活性層のバンドギャップの理論最適値1.4～1.5eVを実現できるS/(S+Se)比0.8～1.0になるCu2ZnSn(S,Se)4薄膜の3S法における結晶化温度を検討した。その結果、プリカーサの蒸着温度を500℃にして、硫化温度を高くするほど開放電圧が向上した。3S法においてはプリカーサの基板温度がキー技術であることが明らかになった。
Cu2SnS3薄膜太陽電池の作製において、プリカーサ蒸着後の真空チャンバー内への大気の導入開始時間を変化させて酸素の影響を調べたが、同時にCu/Sn比も変化したことから、酸素との相関は明確にならなかった。しかし、成膜技術としては、大気導入開始時間は10分以上で、比較的高い開放電圧が得られた。また、銀をドーピングした(Cu,Ag)2SnS3薄膜では、NaF添加で開放電圧253mV、KF添加で260mVが得られ、前回の244mVより向上した。
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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
本研究は、稀少元素のInやGaを含まず、資源上の制約が少なく、原材料費が安価であるという利点を持っている、次世代型のカルコゲナイド薄膜のCu2ZnSn(S,Se)4や(Cu,Ag)2SnS3薄膜を用いた太陽電池の高性能化を目指して、成膜技術を検討することを目的として実施している。
申請時の課題として、太陽電池の開放電圧が小さいことによる変換効率の低さを挙げていた。昨年、Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太陽電池の成膜技術として新たな結晶化プロセス（3S法）を見出し、今回、プリカーサ蒸着時の基板温度がキー技術であることを明らかにした。さらに、結晶化温度を高くすることが開放電圧向上に有効であることを明らかにした。
また、Cu2SnS3薄膜太陽電池においては酸素の効果は明確にならなかったが、プリカーサ蒸着後の大気導入時間を調整することで、銀をドーピングした(Cu,Ag)2SnS3薄膜では従来の値を超える開放電圧を実現できた。
以上の理由より、3年計画の2年目の実績としては「当初の計画どおりに進展している」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に引き続き、カルコゲナイド薄膜のCu2ZnSn(S,Se)4や(Cu,Ag)2SnS3薄膜を用いた太陽電池の性能向上を目指して、成膜条件を検討する。
Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太陽電池については、本研究の初年度に見出した新たな結晶化プロセス3S法を用いて、Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜や太陽電池の作製条件を検討する。プリカーサ蒸着時の基板温度は500℃が適しているが、硫化温度は高い方が開放電圧の向上が見られた。しかし、今までは基板にソーダライムガラスを使用していたので、硫化温度の上限は570℃であった。今年度は、基板をEAGLEガラスに変更することで、より高い結晶化温度（650℃程度まで）でのCu2ZnSn(S,Se)4薄膜の作製に取組み、太陽電池のさらなる向上を目指す。さらに、EAGLEガラスには含まれていないアルカリ金属の添加方法についても検討する。
Cu2SnS3や(Cu,Ag)2SnS3薄膜太陽電池についても、初年度の結果から、硫化温度を530℃から570℃に上げることで太陽電池の発電パラメータが大きく向上したことから、上記と同様に硫化温度の高温化を制限していたソーダライムガラス基板からEAGLEガラス基板に変更する。硫化温度の高温化を図り、太陽電池の性能向上を目指す。
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