pr_drv 産総研:太陽光発電研究センター 化合物薄膜チーム
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太陽光発電研究センター

エネルギー・環境領域
 

化合物薄膜チーム(Compound Semiconductor Thin Film Team)

 

研究の目的

シリコン太陽電池を凌駕する発電コスト低減の可能性を持つ、CIGS系化合物やCZTS系化合物などカルコゲナイド系の化合物薄膜太陽電池を主な研究対象とし、太陽電池の高効率化を阻害している根本的な原因を解明し、それを解決するための先端的なデバイス・プロセス技術を開発すると共に、開発したプロセス技術を産業界へ普及させ、我が国の太陽電池産業の発展に貢献する事を目的とします。

アプローチ

材料の基礎研究からサブモジュール作製技術の開発までを研究対象として、光吸収層材料や透明導電膜材料の性能向上や新規材料の開発と先端的な物性評価技術の開発、およびデバイス・プロセス技術の開発を行います。具体的には、カルコゲナイド系化合物薄膜太陽電池の小面積セルの潜在能力を限界まで向上させる研究と、得られた研究結果をサブモジュールに適用する技術の開発、および新材料・代替材料の開発を行います。

研究内容

(1)小面積CIGSセルの高効率化技術

太陽電池の高効率化を阻害している根本的な原因を解明し、潜在能力を限界まで向上させる研究を行った結果、小面積CIGSセルで22%の光電変換効率を達成しています。またInを全く含まない小面積CGSセルで、11.0%という高い光電変換効率を達成すると共に、CGS太陽電池の動作原理であるヘテロpn接合の形成メカニズムを解明しました。これらの成果は、将来的に必要とされている高いGa濃度を持つCIGS太陽電池の高効率化に対する技術指針を与えるものであり、CIGS太陽電池の更なる高性能化に向けた研究開発の加速が期待されます。また、今後はここで開発された技術と知見を、モジュールへ適用する技術の開発を行います。

(2)CIGSサブモジュール太陽電池の開発

青板ガラスを基板材料に用いたCIGSサブモジュール太陽電池において、小面積セルで解明された最適な薄膜形成条件を適用することにより、20.3%という高い光電変換効率を達成しました。ここで開発した技術は、太陽電池モジュールの変換効率向上の鍵となる要素技術であり、大面積太陽電池モジュールやフレキシブル太陽電池モジュールなどへ広く応用が可能です。また、量産化レベルの太陽電池モジュールの変換効率の向上や、それによる発電コストの低減、太陽電池モジュールの高機能化などへの貢献が期待されます。

(3)小面積CZTS系セルの高効率化技術

CZTS系太陽電池の一種として、GeをドープしたCZTSe(CZTGSe)太陽電池を開発しています。結果として、およそGe/(Ge+Sn) = 0.2という組成比において、0.527 Vという高い開放電圧と12.32%という変換効率を達成しました。

(4)逆光電子分光法による電子状態評価技術

太陽電池用半導体の電子状態を評価する新しい手段として逆光電子分光法に注目し、光電子分光法と組み合わせて、半導体の伝導帯および価電子帯の電子状態を詳しく評価することが可能になりました。


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図1

図1 光電変換効率20.3%を達成したCIGSサブモジュール



図2

図2 光電変換効率12.32%を達成した小面積CZTGSeセル
 

図2
図3 カルコゲナイド系化合物薄膜太陽電池作製装置
figure 2
図4 逆電子分光測定装置figure 2
図5 逆電子分光測定装置および光電子分光測定装置によって得られたCds薄膜および単結晶CIGS薄膜の逆光電子分光スペクトル(右)および光電子分光スペクトル(左)

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