Optimization of electronic structure in eco-friendly and low-cost CTS-system thin film solar cell

环保低成本CTS系统薄膜太阳能电池电子结构优化

基本信息

批准号：
22K20355
负责人：
金井綾香
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20355/
关键词：
硫化物薄膜化合物太陽電池伝導帯傾斜構造 Cu2SnS3 Cu2(Sn1-xGex)S3

项目摘要

本研究では次世代CTS系太陽電池における高効率新規電子輸送構造を実現するために、伝導帯下端のエネルギー位置をGe/(Ge+Sn)組成比(以後、x比)の変化により容易に制御できるCu2(Sn1-xGex)S3 (CTGS)固溶体材料に着目し、本年度はCTGSにおけるx比の変化が、薄膜の電気特性や欠陥特性にどのような影響を与えるのかについて調査を行った。具体的成果を以下に記す。(1) x比の増加とともに結晶粒径が増加することが観測され、Ge添加によりCTGSの結晶成長が促進することが分かった。しかし、x比が0.2近傍になると粒は島状に成長し、裏面電極が露出する箇所も観測されたため、x比が多い領域で成膜することは素子としては不向きである可能性が示唆された。(2) EDSマッピング分析より、CTGS表面における粒界付近にGeとOが多く存在していることを観測した。仮に粒界に酸化ゲルマニウムのような化合物が形成されていた場合、生成する電子の移動を阻害し、移動度などに影響が生じることが示唆された。(3) フォトルミネッセンス法により異なるx比のCTGS薄膜における活性化エネルギー (Ea)を推測したところ、x ~ 0.2までであればEaはx比の増減に関わらず、アクセプター準位のエネルギー位置は浅いまま変化しないことが明らかになった。従って、(2)のx比の増加に伴うキャリア濃度の減少はGeに由来するドナー源の生成が影響していることが示唆された。以上を踏まえ、本研究の目的である組成傾斜構造を施したCTGS薄膜太陽電池を実現する際には、(1)~(3)のCTGS薄膜における結晶成長および光学・電気特性の観点からx比の領域は0.0 ~ 0.2の範囲に制御することが重要であることが明らかになった。

In this study, in order to realize a new, highly efficient electron transport structure in next-generation CTS-based solar cells, we focused on Cu2(Sn1-xGex)S3(CTGS) solid solution materials, which can easily control the energy position at the lower end of the conduction band by changing the Ge/(Ge+Sn) composition ratio (hereafter x ratio), and this year we investigated how the change in the x ratio in CTGS affects薄膜的电和缺陷特征。具体结果如下列出。（1）观察到晶粒尺寸随X比的增加而增加，而GE添加促进了CTG的晶体生长。但是，当X比率达到0.2附近时，谷物也会生长成岛状形状，并且还观察到了后电极暴露的区域，这表明在具有较大X比的区域中形成膜可能不适合设备。（2）EDS映射分析表明，在CTG表面的晶界附近有许多GE和O。已经提出，如果在晶界形成诸如氧化锗之类的化合物，它将抑制产生的电子的运动，并会影响迁移率等。（3）当我们估计CTGS薄膜中具有不同X比的活化能（EA）时，光致发光的比率不同时，可以发现，如果比率从x到0.2，则受体水平的能量位置保持浅，并且不变，无论x比的增加或降低。因此，提出，（2）中X比的增加，载体浓度的降低受（2）中的X比率的增加受到源自GE的供体源的形成。基于上述情况，已经揭示了在实现具有组成梯度结构的CTG薄膜太阳能电池时，这是本研究的目的，从晶体生长的角度来控制X比区域的X比区域在0.0至0.2的范围内，以及CTGS薄膜的晶体生长和光学和光学特性（1）至（3）。