成果報告書詳細
管理番号20160000000037
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(電子構造評価によるデバイス特性向上技術の開発)
公開日2016/5/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人鹿児島大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約研究開発名:「フレキシブルCIGS太陽電池モジュールの高効率化研究(電子構造評価によるデバイス特性向上技術の開発)」平成22年度?平成26年度

ワイドギャップCIGSに電子構造が整合することが期待されるバッファ材料であるZn、In系酸硫化物に注目し、まず、産業技術総合研究所・豊橋技術科学大学グループにより作製されたZn(S, O, OH)、In(S, O)層の電子構造の解明・制御手法の開発、CIGSとの界面バンド接続と電池特性の関連性の評価、及び、特性劣化をまねく析出相であるCu-Se化合物の電子構造の解明に取り組んだ。続いて、光アシスト-ケルビンプローブ顕微鏡を用いたCIGS層内粒界の伝導活性度の評価を行った。また、フレキシブルモジュールグループにより作製されたCIGS層、バッファ/CIGS界面バンド接続と電池特性の解明に取り組んだ。その結果、以下の成果を得た。1)Zn(S, O, OH)、In(S, O)系ではS/(S+O)比、OH基濃度、結晶化度がバンド端位置、バンドギャップエネルギーの支配要因であること、特にZn系におけるS/(S+O)比による顕著なバンドギャップ湾曲、OH基濃度上昇によるギャップエネルギー増大、In系におけるS-O混晶化によるバンドギャップ拡張等を明らかにした。また、CBD-Zn(S, O, OH)、In(S, O)とCIGS界面バンド接続のアニオン組成依存性の評価を行い、ZnSは伝導帯下端CBMが過高、In2S3はCBMがCIGSより低い負の伝導帯オフセットCBOとなることから、両系とも単純硫化物は適当でないことが見出した。一方、S-O混晶化によりCBMに関してZn系では下降、In系では上昇が発現しS/(S+O)比 = 0.6 ~ 0.9の領域で0 ~ +0.3の高効率化に適切なオフセットを持つ界面バンド接続が実現されることが明らかとなった。両系ともOH基濃度の上昇によりバンドギャップの拡張・CBMの上昇が生じ、電子伝導障壁が発生すること、これがCIGS層との界面から離れたバッファ層上部で顕著であることを見出した。この変成領域の除去・改質に化学エッチング及び過熱が効果的であり、これらの処理による電子伝導障壁の抑制が、未処理試料で8 %未満であった変換効率が最高16.7 %へ大幅に向上させることを明らかにした。また、モジュールグループにより作製されたZn(S, O, OH)/CIGS界面のCBOと電池特性の関連性の解明にも成功し、この場合、過高となり易い伝導帯オフセットを0.2 eV程度に抑制することで15%以上の効率が得られることを明らかにした。2)CIGS層内粒界は殆どが伝導帯がほぼ平坦且つ価電子帯が粒界近傍で下降する電子-ホール分離を促進する電池特性に有利な電子構造を持つことを明らかにした。3)Cu2Se、CuSeはいずれもp型に縮退した電子構造・高導電性を持つことを見出した。また、4)フレキシブル基板上に低温形成されたCIGS表面がワイドギャップなCu欠損相となりCdSバッファに対して不適切なCBOとなること、その起源がGaの急峻な傾斜にあり、CIGS成長の2、3段階目におけるIII族元素供給条件の変更が高特性化に有効と考えられること、を明らかにした。以上のCIGS系太陽電池の本質的電子構造の解明によりワイドギャップCIGS電池、フレキシブル基板上の同電池の特性向上に貢献した。
英文要約Title: The development of high performance flexible CIGS PV modules Development of key technologies based on characterization of their electronic structure for high-performance CIGS solar cells and modules (FY2010-FY2014)

Summary: (1) Characterization of electronic structure of Cd-free oxysulfide buffer for wide-gap CIGS: PES/IPES analyses have revealed that electronic structure of CBD-Zn(S,O,OH) grown on CIGS is characterized with a significant band gap bowing as a function of S/(S+O) ratio, and an expansion of band gap energy Eg and a rise of conduction band minimum CBM with OH concentration. For the buffer with a CBM beyond +1.0 eV, a serious electronic barrier against electron transport is formed. Chemical etching and post-annealing are effective methods to reduce the OH concentration as well as the barrier height. The proper conduction band offset at the interface has been achieved by controlling the S/(S+O) ratio of 0.6~0.8 and OH/(O+OH) below 0.3. It is confirmed that In2S3 simple sulfide has a low CBM, which causes the inadequate band alignment. Incorporation of oxygen results in a rise of CBM. The present study reveals that almost “flat” type conduction band alignment at the In(S, O)/CIGS interface can be realized by controlling S/(S+O) around 0.7. For both kinds of the buffers, the cells based on the interface with the adequate band alignment exhibit a rise of conversion efficiency above 16%. (2) Characterization of Zn(S, O, OH)/CIGS interface fabricated by flexible Module process: It is reveal that the CBD-Zn(S, O, OH) buffer grown by the flexible module-process consists of micro-crystallites with high concentration of OH-group and CBM much higher than that of CIGS. Dehydration and the control of both S/(S+O) ratio around 0.5 The adoption of these optimizations leads the adequate conduction band alignment and a remarkable rise in conversion efficiency above 16%. (3) Characterization of electronic structure of the CIGS layers grown on the flexible polymer substrate: The surface of the CIGS grown on polymer substrate at low temperature is mostly covered with the Cu-deficient phase. The surface exhibits a high CBM of +0.8 eV and a preferentially lowered VBM to -0.9 eV, which is due to high Ga concentration at the surface. Although the low CBM is beneficial for suppressing interface recombination, the high CBM results in the unfavorable band alignments. It suggests that the growth conditions in the second and third stages of the CIGS growth should be modified to make the gradient of Ga concentration moderate. (4) Characterization of electronic activity of grain boundaries in CIGS: Spatial profiles of work function and surface photovoltage reveal that conduction band connection at the boundaries is almost flat, whereas valence band forms a dip. It confirms that the grain boundaries in the CIGS on the polymer substrate have the favorable electronic structure to promote the separation of the carriers.
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