成果報告書詳細
管理番号20160000000041
タイトル平成24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 CZTS薄膜太陽電池の高効率化技術の研究開発(CZTSの結晶欠陥に関する研究開発)
公開日2016/5/20
報告書年度2012 - 2014
委託先名国立大学法人筑波大学
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24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 CZTS薄膜太陽電池の高効率化技術の研究開発(CZTSの結晶欠陥に関する研究開発)

2020年までに14円/kWhを達成するために、モジュール変換効率20%をめざし、モジュールの高効率化、低コスト化に関わる技術を確立することを目標とした。本グループは結晶欠陥の検出と同定、欠陥の性質の理解を通して欠陥形成の抑制、欠陥密度の低減化技術開発支援を行いセルの高効率化に寄与する。欠陥評価技術として、アドミッタンススペクトロスコピー法、光容量法、X線回折のリートベルト解析、二波長励起フォトルミネセンス法、発光寿命測定などを用いた。欠陥準位・濃度、捕獲断面積や捕獲時間の評価、異相の存在、非発光再結合中心の検出と構造などに関して多角的に情報をとることにより、デバイス特性に影響を与える欠陥の特定とその性質を明らかにすることに注力した。アドミッタンス法により価電子帯から100?300meVに欠陥準位が存在することを検出した。これらはCu/Sn比の変化でエネルギー準位が変化する特異なふるまいを見せた。すなわち、Cu/Sn比の変化で欠陥構造が変化していると予測できる。捕獲断面積が10-16cm2のオーダであると評価した。また、捕獲平均時間がマイクロ秒であると評価できた。これらの結果より、100?300meVの欠陥はデバイス特性に大きな影響を与えない欠陥であると結論した。興味深い欠陥構造を有していると思われるが、デバイス特性に大きな影響を与えないため、構造の同定はこれ以上行なわないことにした。光容量スペクトル測定より、価電子帯から約800meVに欠陥準位が存在することを見出した。CIGSと同様、SとSeの比を変化させバンドギャップエネルギーを変化させても欠陥準位は価電子帯からほぼ一定の値を保った。二波長フォトルミネセンス法により、800meV欠陥はCZTSにおいては再結合中心として働くことが分かった。一方、SeリッチCZTSSeではトラップとして働くことが分かった。発光寿命はCZTSおよびCZTSSeともに数十ナノ秒のオーダであり、CIGSの100?200ナノ秒に比べ短く、再結合センターの存在が顕著であることが示された。発光寿命測定において、励起波長を変化させた、すなわち、発光寿命の深さ方向変化を測定した。CZTSおよびCZTSSeでは表面近傍の励起では発光寿命が短くなり、表面再結合が顕著であることが明らかとなった。これはCIGSでは見られなかった現象で、CZTS系においては表面・界面の処理方法が重要な技術となることが示された。
英文要約Title:Development of high-efficiency CZTS solar cells and sub-modules(FY2012-FY2014)

The goal is to demonstrate high performance CZTS solar cells with the conversion efficiency of more than 20% by the end of 2020. To achieve the subjects set as the goal, detection and identification of defects in CZTS has been carried out, especially study on the formation of impurity phases such as Cu2S, ZnS, Cu4SnS4 and so on, and on the deep defect levels were performed by using Raman spectroscopy, admittance spectroscopy, photo-capacitance spectroscopy, two-wavelength excitation photoluminescence, luminescence lifetime measurements and so on.Defect phase of Cu2S was detected by X-ray diffraction measurements and ZnS was detected by Raman spectroscopy for all samples grown under Sn deficient condition. The intensity of the X-ray diffraction and Raman peaks corresponding to Cu2S and ZnS was almost constant although the growth condition of Cu/Sn was changed. The band gap energy and the polarity of Cu2S and ZnS are 1.2eV with p-type and 3.6eV with n-type, respectively. The correlation between the existence of the impurity phase and the device performance was not clear at present. The effect of the formation of such defect phases on the device performance are under investigation.The admittance spectra were measured for CZTS grown under various Cu/Sn ratio, and deep defect levels around 100 - 300meV from the valence band was detected. The defect level seems to be sensitive to surface treatment of the CZTS samples and deposition method of the electrode. The capture cross section and carrier capture time were estimated to be in the order of 10-16cm2 and micro second, respectively. From the estimation, it has been concluded that the defects with the energy level of 100 - 300meV from the valence band does not affect so much the device performance.
The defect level around 0.8eV from the valence band was detected in CZTS and CZTSSe by photo-capacitance measurements. The defect level measured from the valence band was almost constant with varying band gap energy. From the two-wavelength excitation photoluminescence measurements, it was found that the 0.8eV defect in CZTS works as a recombination center at room temperature, however, in CZTSSe, it works as an electron trap.A significant surface recombination was observed in CZTS and CZTSSe by luminescence lifetime measurements with different kinds of excitation wavelength. Such phenomenon was not observed in case of CIGS. It is necessary to take care the surface and interface properties of CZTS and CZTSSe.
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