高品質ケステライト化合物バルク単結晶を用いた高効率太陽電池デバイスの創製

使用高品质黄锌锡矿化合物的块状单晶创建高效太阳能电池器件

基本信息

批准号：
17J07259
负责人：
永岡章
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

太陽電池開発において特に重要である低コスト・低毒素・高効率を達成し得る可能性を持つ新規材料である化合物半導体Cu2ZnSnS4 (CZTS)、Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)、Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe)は、世界中で太陽電池デバイス応用として活発に研究されており、注目度の高い材料である。現在CZTS太陽電池の変換効率向上の制限要因となっているのは、開放端電圧VOCが理論値(バンドギャップ値)の半分程度(VOC達成率42-50%)しか得られていない事である。他の化合物太陽電池のワールドレコードと比較すると、変換効率22.3%を達成しているCu(In, Ga)Se2 (CIGS)においてVOC達成率60-65%、21.5%を達成しているCdTe太陽電池においてVOC達成率60%であり、CZTS系は10%程度低い値となっているが、同じ課題を抱えている。VOCの制限要因としてキャリアの再結合によるもので、主に①光吸収層バルク内、②空乏層内、③PN接合界面、④裏面電極近傍の4つが挙げられる。特に光材料層自体の物性に依存する①から③の再結合を改善する必要があり、そのために本研究では結晶欠陥の少ない高品質CZTSバルク単結晶に注目し、単結晶を光吸収層に用いて変換効率向上に必要な界面欠陥の少ない良質なPN接合を実現する事で界面におけるキャリア再結合に関する知見を収集し、開放電圧の高い単結晶太陽電池デバイス作製を目的としている。

化合物半导体Cu2ZnSnS4 (CZTS)、Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)和Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe)是有潜力实现低成本、低毒和高效率的新材料，这在太阳能电池开发中尤为重要是一种备受关注的材料，全世界正在积极研究其在太阳能电池设备中的应用。目前，提高CZTS太阳能电池转换效率的限制因素是开路电压VOC仅为理论值（带隙值）的一半左右（VOC达标率42-50%）。与其他化合物太阳能电池的世界纪录相比，Cu(In, Ga)Se2 (CIGS)实现了22.3%的转换效率，而CdTe太阳能电池实现了60-65%的VOC达标率和21.5%的VOC达标率。为60%，CZTS型的数值较低，约为10%，但也存在同样的问题。 VOC的限制因素是载流子复合，主要有四个位置：（1）在光吸收层的本体中，（2）在耗尽层中，（3）在PN结界面处，（4）在附近背面电极。特别是，需要改善复合（1）至（3），这取决于光学材料层本身的物理性质，为此，本研究重点关注晶体缺陷少的高质量CZTS块状单晶，并使用单晶作为光吸收层，通过实现提高转换效率所需的界面缺陷少的高质量PN结，我们的目标是收集有关界面载流子复合的知识，并制造具有高开路电压的单晶太阳能电池器件。。