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薄型CIGS太陽電池の開発
太陽光発電工学研究センター先端産業プロセス・高効率化チーム
古江 重紀
CIGS
SLG
Mo
ZnO
CdS
CIGS
SLG
CIGS光吸収層の薄膜化
省資源化:InやMoなどの原料使用量低減技術の開発
省資源化、低コスト化、高速成膜化(高スループット)
CIGS太陽電池
はじめに
銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなる化合物半導体 Cu(In,Ga)Se2
特長
・高い変換効率 (η = 20.3 % [1])
・吸収係数が高い (薄膜化が可能)
・低コスト基板やフレキシブル基板の使用可能 (軽量化、曲面設置)
・優れた耐放射線特性 (宇宙用途)
[1] P.Jackson et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 19 (2011)
3段階法
ガラス基板+裏面電極
基板ホルダ
熱電対
ヒーター
CIGS膜
CIGS成膜方法
Se背圧 : 2x10-4 Pa成膜温度 : 400 ~ 520 ℃膜厚 : 0.6 ~ 1.8 mGa/(In+Ga) 比 : 0.37 ~ 0.41Cu /(In+Ga) 比 : ~ 0.93
400
200
Tem
pera
ture
(℃)
In, Ga, Se In, Ga, Se
Stage 1 Stage 2 Stage 3
Liquid phaseC
IGS
薄膜
化
400
200
Tem
pera
ture
(℃)
400
200 Tem
pera
ture
(℃)
6000500040003000200010000 Time (second)
膜厚1/3成膜時間も1/3
成膜条件
薄型CIGS太陽電池の課題 ~太陽電池特性のCIGS膜厚依存性
18
16
14
12
Effi
cien
cy (%
)
1.81.61.41.21.00.80.6CIGS thickness (m)
Without water vapour With water vapour
34
32
30
28
26
24
J SC
(m
A/c
m2 )
1.81.61.41.21.00.80.6CIGS thickness (m)
0.75
0.70
0.65
0.60
V OC
(V)
1.81.61.41.21.00.80.6CIGS thickness (m)
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
FF
1.81.61.41.21.00.80.6CIGS thickness (m)
Eff. Jsc
Voc FF
0.75m厚CIGS太陽電池で
変換効率 15%(ARコートなし)
変換効率の低下:短絡電流の減少が原因
薄型CIGS太陽電池の課題 ~量子効率のCIGS膜厚依存性
100
80
60
40
20
0
Qua
ntum
effi
cien
cy (%
)
12001000800600400Wavelength (nm)
CIGS thickness 1.8 m 1.4 m 1.0 m 0.8 m 0.6 m
Quantum Efficiency
太陽光を十分に吸収できていない
量子効率の低下
吸収端の短波長化
さらなる薄膜化や薄型太陽電池の高効率化には、
光閉じ込め構造など新しい太陽電池構造の開発が必要
新しい裏面電極構造の開発
・ モリブデンより光反射率が高い金属を用いる
・ CIGS成膜時のSeとの反応を抑制する構造
・ MoSe層の形成
新しい裏面電極構造
CIGS
n-ZnO
Al grid
CdSi-ZnO
SLG
Mo
従来構造 (Mo裏面電極)
n-ZnO
Al grid
SLGSnO2
CIGS
Mo
作製した裏面電極構造
新規裏面電極層
量子効率の向上が期待される新しい裏面電極構造の検討・作製
新構造薄型CIGS太陽電池特性
40
35
30
25
20
10
15
5
00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
I-V特性
Qua
ntum
effi
cien
cy (%
)
100
80
60
40
20
0
CIGS 膜厚 : 0.7m
量子効率の向上
500 700 900 1100 1300Wavelength (nm)
従来構造
新構造
外部量子効率
Voltage (V)C
urre
nt d
ensi
ty (m
A/c
m2 )
CIGS 膜厚 : 0.7mEff.:13.8 %Jsc :28.1 mA/cm2
Voc:0.66FF :0.75
Eff.:7.9 %Jsc :35.2 mA/cm2
Voc:0.41 VFF :0.55
量子効率の向上、短絡電流の増大
光閉じ込め構造を実現
ただし、開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)が低下
Na添加技術の開発が必要
Na効果 → 高効率CIGS太陽電池には不可欠
開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)を向上する働き
Na効果
裏面電極層がNaの拡散を阻害SLGからCIGS層にNaが拡散
Mo
NaNa Na
NaNa
CIGS
従来型Mo裏面電極構造
SLGNaNa Na
CIGS
新しい裏面電極構造
SLG
裏面電極層
Na添加方法
ASTL(Alkali-silicate glass thin layers)法 [2]
MoNaNa Na
NaNa CIGS
SubstrateSLG薄膜
SLG薄膜層が絶縁層のため、本研究の新規裏面電極構造には適用できない。
[2] S. Ishizuka et al., APL 93 (2008) 124105
CIGS成膜中にNaを添加(本研究)
BackcontactCIGS
Substrate
Na CIGS光吸収層成膜時にNaを同時供給
Na添加法の最適化
・添加量
・添加方法
(三段階法に適したタイミングなど)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.80
10
20
30
Voltage (V)
Cur
rent
den
sity
(mA/
cm2 )
CIGS成膜温度:480℃CIGS膜厚:0.6m
IV曲線C
urre
nt d
ensi
ty (m
A/c
m2 )
Voltage (V)
従来型(SLG/Mo)
Na添加なし
Na添加あり
(%) Jsc (mA/cm2) Voc (V) FF
従来型 11.52 25.56 0.646 0.698
Naなし 6.33 24.25 0.571 0.457
Naあり 10.76 26.24 0.610 0.672
n-ZnO
Al grid
SLGSnO2
CIGS
裏面電極(TCO)
Na添加を適用した薄型CIGS太陽電池のセル特性(初期データ)
Na効果によるVoc、FFの向上
試作セル構造
成膜中にNa添加
◎ Na添加法による薄型CIGS太陽電池の高効率化
◎ Na添加法の最適化 (Naの添加量、三段階法に適したNa添加方法)
→ フレキシブル基板など様々な基板にも応用可能
◎ Na効果の解明
◆ CIGS光吸収層の薄膜化による、薄型CIGS太陽電池の開発を行なった。
◆ 新しい裏面電極構造の検討とそれを用いた薄型CIGS太陽電池を作製した。(CIGS膜厚:0.7 m以下)
◆ 光閉じ込め構造による量子効率の向上を実現。
◆ CIGS成膜中にNa添加したセルのVocおよびFFの向上を確認。
まとめと今後
謝辞:本研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託により行われた。