成果報告書詳細
管理番号20160000000036
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 フレキシブルCIGS太陽電池モジュールの高効率化研究(新規バッファ層の開発)
公開日2016/5/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人豊橋技術科学大学
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22年度?平成26年度成果報告書 「太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 フレキシブルCIGS太陽電池モジュールの高効率化研究(新規バッファ層の開発)」

本研究開発では、新規な高効率、軽量(フレキシブル)、低コストなCIGS太陽電池の開発を目的として、Cd-フリーZn(S,O,OH)バッファ層ならびにその低コストCBD製膜プロセスを開発する。本課題のH26年度末の最終目標は「フレキシブルCIGS太陽電池サブモジュール(30cm角)にて変換効率18%であり、これに資するために豊橋技術科学大学では、ワイドギャップ(1.4eV程度)CIGSに適合する新規Cd-フリーZn(S,O,OH)バッファ層の材料とその成形技術、およびバンドギャップチューニング技術の開発を行った。これを実現するために、CBD法によるバンドギャップ制御酸化物系バッファ層形成技術の開発とCBD法における溶液化学的制御技術の開発を行った。チオ尿素をS源とする化学溶液析出(CBD)法によって作製したZn(S,O,OH)層の局所構造をXAFS,XANES, FE-TEMなどを用いて詳細に検討し、Zn(S,O,OH)層は結晶性Zn(O,S)層とZn(OH)2上層からなる2層構造を有していた。また、CBD成膜後NH3水溶液浸漬により選択的にZn(OH)2上層が除去でき、Zn(S,O,OH)/CIGS 太陽電池の変換効率が6.8%から13.7%に向上する事を明らかにした。Zn(OH)2層がキャリア輸送の障壁として作用していた。さらに、Zn(S,O,OH)層の厚さならびに均一性が制膜時間と共に変化し、CIGS太陽電池の変換効率に大きな影響を及ぼす事も明らかにし、制膜時間を最適化しZn(S,O,OH)層を薄く均一にする事によって、Zn(S,O,OH)/CIGS太陽電池の効率が15.5%まで向上した。このように、CIGS太陽電池の効率に影響するZn(S,O,OH)層の組織的要件を明確にした事から最終目標に資する一定の成果を得た。また、製膜技術として用いる化学溶液析出(CBD)プロセスにおける酸化物析出過程の解析ならびに溶液化学的考察を連携して実施することによって、バッファ層析出制御のための溶液化学的指針を明確にし、酸化物バッファ層形成のための低コスト化プロセスを開発した。CBD反応解析のための化学熱力学シミュレーション技術を確立すると共に、CBD反応が主として物質の溶解度変化により支配されている反応である事を明確にした。さらに、実用系に適用し熱力学シミュレーション技術の一般性を示し、新たな設計ツールを提供した。また、この熱力学シミュレーションを活用し、チオ尿素-CBD法において不可避であった溶液内沈殿生成を完全に抑制すると共に、CIGS基板上に選択的にZn(S,O,OH)層を形成しチオ尿素系の場合と同等な変換効率を得る事ができる新規な沈殿フリーCBD法を開発した。
英文要約Title:High performance PV generation system for the future. The development of high performance flexible CIGS PV modules (Development of Buffer Films and the Wet-Preparation Process)(FY2010-FY2014) Final Report

The aim of this research work is development of Cd-free Zn(S,O,OH) buffer layer and the chemical bath deposition (CBD) process alternative to CdS process for raising the conversion efficiency of flexible Cu(InGa)Se2(CIGS) solar cells. The clarification of the structural parameter of the Zn(S,O,OH) buffer layer affecting the conversion efficiency and the development of the low cost CBD process has been carried out to achieve the aim of this research work in Toyohashi University of Technology by cooperating with Advanced Institute of Science and Technology (AIST), Fuji Film, Tsukuba university, and Kagoshima university. The structural characteristics of the Zn(S,O,OH) buffer layer prepared by CBD in basic zinc-ammonia complex solution containing thiourea as a S source was investigated with X-ray absorption fine structure (XAFS), X-rai absorption near-edge structure (XANES) by a synchrotron X-ray radiation and high resolution FE-TEM. The Zn(S,O,OH) layer was composed of two layers of upper Zn(OH)2 layer and lcrystalline Zn(O,S) bottom layer. The upper Zn(OH)2 layer was removed by a simple iommersion into a NH3 aqueous solution, and the conversion efficiency of the Zn(S,O,OH)/CIGS solar cell improved from 6.8% to 13.7%. The removal mechanism was explained based on the thermodynami calculation. The upper Zn(OH)2 layer act as an obstacle for transporting the carrier from the CIGS absorption layer to the n-ZnO layer. And, the thickness and homogeneity of the Zn(S,O,OH) layer affected the conversion efficiency, and the conversion efficiency improved to 15.5 % by optimizing the CBD deposition time. The structural parameters of the Zn(OH)2 content, thickness, and homogeneity affecting on the photovoltaic performance of the CIGDS solar cells has been demonstrated.The thermodynamic simulation technique has been developed for understanding the deposition mechanism and designing the new CBD process, and the technique was applied to predict the dependence of the dissolved chemical species on solution parameters such as the pH value, potential-pH diagram, and solubility curves for reference Zn-NH3 complex aqueous solution and industrially employed one. The mechanism of the CBD deposition was described that the ZnS nuclea were formed by a large super saturation throughout the solution, and then both ZnO and Zn(OH)2 formed on the ZnS nuclea due to a super saturation generated by shifting the solubility curves to low pH side with raise in solution temperature. The precipitation-free CBD process has been developed based on the thermodynamic simulation and speculated deposition mechanism and provides the selective deposition of the thin and continuous Zn(S,O,OH) layer on CIGS layer without any precipitation formation thoroughout the bulk solution. And, the Zn(S,O,OH)/CIGS solar cell showed the coversion efficiency corresponbding to that by conventional CBD process with a thiourea.
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