高効率太陽電池のための新規多元系材料の単結晶成長と基礎物性の解析

高效太阳能电池新型多组分材料的单晶生长和基本物理性能分析

基本信息

批准号：
13J10330
负责人：
永岡章
金额：
$ 1.47万
依托单位：
University of Miyazaki
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013 至 2014
项目状态：
已结题

项目摘要

エネルギー問題を解決するキーテクノロジーの代表格である太陽電池は、現在様々な材料、手法で活発に研究がおこなわれており、低コスト、高効率達成が急務とされている。その中でも、新規材料であるケステライト化合物Cu_2ZnSn(S, Se)_4(=CZTSSe)は、レアメタルを含まず、且つ構成元素が地球上に豊富にあるため低コストであり世界中で活発に研究されている。しかしながら、薄膜太陽電池への応用研究が先行しており、基礎研究であるバルク単結晶成長や基礎物性評価の報告は非常に少ない現状である。基礎研究が少ない原因として、これらの材料は融液からの冷却過程において複雑な相転移を示すため、一般的な融液成長からの単結晶成長が非常に困難であるからである。本研究では、CZTS系単結晶成長確立と単結晶を用いた基礎物性評価という基礎研究に注目し、まだまだ未知な物性を明らかにすることにより、更なる太陽電池高効率化への知見を提供する事を目的として取り組んできた。本研究で得られている高品質なCZTSe単結晶を用いて、ホール効果温度変化測定から電気的特性である伝導メカニズム、キャリアの活性化エネルギー等の解明を行った。その結果、CZTSeもCZTSと同様に化学量論組成においても固有点欠陥の多い材料であり、この多数存在する点欠陥間をキャリアが移動するホッピング伝導が支配的であることを突き止めた。Cu(In, Ga)Se_2(CIGS)太陽電池の高効率化に必要なNaをドーピングし、電気的特性に与える影響を調査し、0.1 mol%以下でNaをドーピングすることでキャリア濃度、移動度が向上することを明らかにし、低温100K以下で支配的である不純物散乱の影響を低減することを突き止め、CZTS材料では世界初の電気的特性に与えるNa効果の報告した。これらの良質な単結晶から得られた評価結果は、更なる高効率化へ知見を与えるとともに、CZTS薄膜多結晶を評価するうえで重要なリファレンスになる。

太阳能电池是解决能源问题的关键技术，目前正在积极研究各种材料和方法，并且迫切需要实现低成本和高效率。其中，Kesterite化合物Cu_2znsn（S，SE）_4（= CZTSSE）是一种新颖的材料，是低成本的，因为它不包含稀有金属，并且在地球上富含构成元素，并且在世界各地进行了积极研究。但是，目前，关于批量单晶生长和基本物理特性评估以及基础研究的基础研究的报告很少。缺乏基础研究的原因是，这些材料在熔体的冷却过程中表现出复杂的相变，从而使典型熔体生长的单晶生长极为困难。这项研究的重点是基础研究，建立基于CZTS的单晶生长和使用单晶对基本物理特性的评估，并一直致力于通过阐明仍然未知的物理特性来提供有关进一步提高太阳能电池效率的知识。使用这项研究中获得的高质量CZTSE单晶，我们通过测量Hall效应温度变化来研究传导机制，载体激活能量等的电气特性。结果，发现CZTSE是一种材料，在化学计量组成中具有许多固有的点缺陷，而跳动传导在许多点缺陷之间移动的跳动传导占主导地位。我们研究了与Na掺杂的效果，这对于Cu（In，Ga）SE_2（CIGS）太阳能电池的高效率是必不可少的，并揭示了Na在0.1 mol％或更少的情况下掺杂可以提高载体浓度和迁移率，并发现杂质散射的效果（在低于低于100k的低于100K的属性上，以及在100k的属性上都效应了世界上的第一种CZT，并且在世界上的第一个CZT效果都具有巨大的作用。从这些高质量的单晶获得的评估结果为进一步提高效率提供了洞察力，也是评估CZTS薄膜多晶的重要参考。