成果報告書詳細
管理番号20150000000751
タイトル平成20年度ー平成26年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業) ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(ナローバンドギャップ太陽電池)
公開日2016/4/19
報告書年度2008 - 2014
委託先名公立大学法人兵庫県立大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名: (平成20年度?平成26年度) 成果報告書「新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業)ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(ナローバンドギャップ太陽電池)」
 太陽電池を普及させる為には低コスト化が必須であり、真空系装置を用いない化合物系太陽電池の作製に期待が寄せられている。そこで我々は、非真空プロセスの中でも、シンプルで安価な製膜方法として、印刷法およびスプレー熱分解(Spray Pyrolysis Deposition: SPD)法を用い、化合物半導体太陽電池を作製した。本研究では、各化合物半導体薄膜の最適化および他材料添加時の光電特性の変化について研究開発した。特に、高効率タンデム型太陽電池のナローバンドギャップ材料を作製する為、新しい化合物半導体材料の作製にチャレンジした。
 先ず、セル構造として、スーパーストレート構造 (glass / F-doped SnO2 / TiO2 / In2S3 / 化合物半導体 / Au)を採用した。作製方法としては glass/F-doped SnO2基板にSPD法により、ホットプレート上でTiO2およびIn2S3膜を順次大気中で堆積し、その上に化合物半導体を積層し、最後にAuを電極として化合物半導体薄膜上に蒸着法で積層して太陽電池とした。本研究では、Cu2Te、PbS、AgInTe2、GaS および Ag2SnSe3などの新材料の評価を行った。このとき、特に興味深い材料はCu2Teであり、バンドギャップが0.8 eVのナローバンドギャップ材料となり、400度でのアニーリング時に高い光電流(21 mA/cm2)を示した。
 次に、サブストレート構造(glass / Mo /化合物半導体/ 硫化物バッファー層 / 酸化物バッファー層 / Al-doped ZnO)を採用した。サブストレート構造太陽電池の作製方法としては、glass基板にMoをスパッタリング製膜し、その上に化合物半導体のナノ粒子インクを積層し、さらにその上にバッハ?層を積層させてから、最後に透明電極となるAl-doped ZnOを積層することで電極として積層して太陽電池とした。さらに、幾つかの新しい化合物半導体の試作および評価を行った。変換効率はCu2ZnSnS4のナノ粒子をセレン蒸気中でアニールしたCu2ZnSn(S,Se)4が最も高くて4.94%であり、その時のバンドギャップは0.83 eVとナローバンドギャプ材料になった。
 プロジェクトの最後の2年間で、AgInTe2およびCu2Teについてボトムセルを作製するため、ナノオーダーで平滑膜が得られるスパッタリングで積層を行い、太陽電池用の半導体薄膜を作製することとなった。得られた半導体薄膜の物性をSEM、XRD、UV/Vis光吸収、ホール効果測定、およびキャリアライフタイム測定を用いて評価した。その達成状況としては、特にAgInTe2において、移動度 1.2 ×104 cm2/Vs [目標: 103 cm2/Vs以上]、キャリア密度6.9 ×1011 cm-3 [目標: 1.5×1016 cm-3以下]を有する薄膜を作製し、達成度としては非常に高いレベルの結果が得られたものと考えられる。また、得られたナローバンドギャップ太陽電池の変換効率は、現在のところ僅かに1%程度となった。今後の研究課題として、光発生したキャリアの抽出を上手く行う方法を見出す必要が有る。
英文要約Title:R & D on Innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program) "Research and Development of Post-silicon solar cells for ultra-high efficiencies(Narrow Band-Gap Solar Cells)" (FY2008-FY2014) Summary Report
In order to fabricate cost-effective solar cells for the further industrial production, non-vacuum-processed compound solar cells attract interests. In this project, we fabricated compounds solar cells by printing and spray-pyrolysis depositions. In this research work, specially, new narrow bandgap materials have been fabricated for high-efficiency tandem-structured photovoltaic devices.
Compounds particles for solar cells were synthesized by ball milling and then printed on an In2S3/TiO2/FTO-glass superstrate. We have tried Cu2Te, PbS, AgInTe2, GaS and Ag2SnSe3. One of the promising materials was Cu2Te. Their crystallinity was improved after annealing at 400-650 °C. The Cu2Te particles annealed at 400 °C melted partially, and a completely melted Cu2Te film was obtained at annealing temperatures of 600-650 °C. The band gap of the Cu2Te films annealed at 400-600 °C was approximately 0.8 eV. Thus, Cu2Te with its low melting point, narrow bandgap, and high photocurrent (21 mA/cm2) is a promising candidate absorber layer for solar cell applications.
Cu2ZnSnS4 (CZTS) nanoparticles were synthesized by hot-injection method. The structure of CZTS solar cells is . After printing on Mo substrate, CZTS layers were annealed in Se vapor to convert into high dense films. CZTS solar cells showed a conversion efficiency of 4.94 %. For the sample annealed under Se vapor ambient, the band gap of CZTSSe is around 0.83 eV as a narrow bangbap solar cell.
For the narrow band gaps semiconductor, AgInTe2 and Cu2Te thin films were fabricated by spattering method for the utilization of narrow bandgap solar cells, because chemically deposited AgInTe2 and Cu2Te layers worked as solar cells in our research up to 2013. For the AgInTe2 layers, the optimal substrate temperature at the spattering deposition was 200 ͦC. The optimal annealing temperature was 200 ͦC. The career density and career mobility resulted in 1.2 ×104 cm2/Vs and 6.9 ×1011 cm-3, respectively, which were the better results than other compounds for solar cells. Since the conversion efficiency of AgInTe2 solar cell was just ca. 1%, the further improvement of the device structure is necessary for the high efficiency solar cells.
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