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2023 年度 実績報告書

多元系半導体ヘテロ構造の界面急峻性の制御

研究課題

研究課題/領域番号 20K05354
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

西永 慈郎  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90454058)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード多元系化合物半導体 / MBE / MEE / ヘテロ界面 / 低温結晶成長 / 太陽電池
研究実績の概要

多元系化合物半導体は未知なる可能性を秘めた材料群であり、その積層構造による電子・光デバイスは、高機能化のみならず、製品製造・使用時における低環境負荷化に多大な貢献ができる。しかしながらデバイス応用のための積層構造を作る際に、構成元素同士が容易に熱拡散するため、急峻なヘテロ界面を得ることは難しい。そこで本研究の目的は急峻な多元系化合物半導体ヘテロ界面形成に関する学理を構築し、高効率な太陽電池等を実現させることが目的である。最終年度である2023年度はワイドギャップI-III-VI族系化合物(高Ga濃度Cu(In,Ga)Se2(CIGS))を作製し、ドイツHZBにて結晶学的特性を評価した。MBE法にて、GaAs基板上に高Ga組成CIGS薄膜を堆積させ、原子層堆積法(ALD)にて、ZnSnO薄膜を堆積させた。その後、スパッタ法にてZnO窓層を堆積させ、太陽電池構造とした。比較用に多結晶CIGSをガラス基板上に成膜させた。ドイツHZBにて多結晶CIGS薄膜の断面SEM-EDX、カソードルミネッセンス測定を行ったところ、CIGS層内に高In組成CIGS層が形成されることがわかった。これは光によって生成された電子が、高In組成CIGS層に閉じ込められ、太陽電池特性の高効率化を抑制させている。一方、GaAs基板上の高Ga組成CIGS層は、組成均一のワイドギャップCIGS層となっており、裏面にCu(In,Ga,Al)Se2層を形成することで、変換効率13.9%が達成された。この変換効率は世界最高の成果である。研究期間全体で、高効率Epitaxial CIGS太陽電池、III-V族/I-III-VI族ヘテロ界面、ワイドギャップCIGS太陽電池の作製に成功し、世界最高の太陽電池性能を実現させた。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] HZB(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      HZB
  • [国際共同研究] University of Luxembourg(ルクセンブルク)

    • 国名
      ルクセンブルク
    • 外国機関名
      University of Luxembourg
  • [雑誌論文] Comparison of polycrystalline and epitaxial Cu(In, Ga)Se2 solar cells with conversion efficiencies of more than 21%2024

    • 著者名/発表者名
      Nishinaga Jiro、Kamikawa Yukiko、Sugaya Takeyoshi、Ishizuka Shogo
    • 雑誌名

      Solar Energy Materials and Solar Cells

      巻: 269 ページ: 112791~112791

    • DOI

      10.1016/j.solmat.2024.112791

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Annealing effects on Cu(In,Ga)Se2 solar cells irradiated by high-fluence proton beam2023

    • 著者名/発表者名
      Nishinaga Jiro、Togawa Manabu、Miyahara Masaya、Itabashi Kosuke、Okumura Hironori、Imura Masataka、Kamikawa Yukiko、Ishizuka Shogo
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: SK1014~SK1014

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acc53b

    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the Origin of Tail States and Open Circuit Voltage Losses in Cu(In,Ga)Se22023

    • 著者名/発表者名
      Ramirez Omar、Nishinaga Jiro、Dingwell Felix、Wang Taowen、Prot Aubin、Wolter Max Hilaire、Ranjan Vibha、Siebentritt Susanne
    • 雑誌名

      Solar RRL

      巻: 7 ページ: 2300054

    • DOI

      10.1002/solr.202300054

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 高Ga組成Cu(In,Ga)Se2太陽電池の結晶成長2024

    • 著者名/発表者名
      西永慈郎、上川由紀子、Daniel Abou-ras、石塚尚吾
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Microstructure-property relationships in epitaxial Cu(In,Ga)Se2 solar cell absorbers2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel Abou-ras, Jiro Nishinaga, Ulrike Bloeck, Henrik Prell, Sinju Thomas, Michael Tovar, Dan R. Wargulski, Harvey Guthrey, Pat Trimby, Aimo Winkelmann, Yukiko Kamikawa, Takeyoshi Sugaya, Shogo Ishizuka
    • 学会等名
      IEEE PVSC 50th
    • 国際学会
  • [学会発表] The role of grain boundaries and dislocations in various solar-cell materials on the corresponding device performance2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel Abou-ras, Sinju Thomas, Dan Wargulski, Jiro Nishinaga
    • 学会等名
      Horizons symposium: Electronic & Energy materials
    • 国際学会
  • [学会発表] High radiation tolerance of 10um thick Cu(In,Ga)Se2 diodes2023

    • 著者名/発表者名
      西永慈郎、外川学、石塚尚吾
    • 学会等名
      第42回電子材料シンポジウム
  • [学会発表] Widegap Cu(In,Ga)Se2 エピタキシャル成長に関する考察2023

    • 著者名/発表者名
      西永慈郎
    • 学会等名
      第52回結晶成長国内会議
  • [学会発表] Cu(In,Ga)Se2 detectors with high radiation tolerance2023

    • 著者名/発表者名
      Jiro Nishinaga
    • 学会等名
      The 25th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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