カルコパイライト系新材料を用いた超高効率薄膜太陽電池の開発

CIGS系薄膜太陽電池を作製して、電池内のCIGS膜と他の各層との界面の物性に焦点を絞り、変換効率を向上させる目的で素子中の各界面におけるエネルギー損失要因の解明を行った。また並行して、電池の作製過程の再現性向上手法の開発を行い、実験の信頼性向上と大面積化・量産化時の性能向上手法の確保を図った。さらに、宇宙開発用途を念頭においた実験も実施した。1)CIGS光吸収層製膜中のその場観察手法(SLS法)の確立成長中の薄膜の状態をその場で観察する技術として、白色光を表面に照射し、その散乱光を分光して逐次記録・解析する、光散乱分光法(SLS)を独・HMIと共同で開発した。この手法により、ClGS薄膜の組成比に応じて、成長中の異相の発生条件および膜表面の構造が大きく変化する様子をリアルタイムでモニタリングして、その影響をまとめ、最適化手法の提案を行った。また独・ハーンマイトナー研究所に於いて、製膜温度および製膜速度との関連性を評価する実験を行い、SLSがCIGSの製膜過程の評価に極めて有用であることを確かめた。2)電池内の各層界面での損失発生要因の解析、および要因除去手法の研究清浄なCIGS薄膜の表面を放射光を用いてXPS解析することにより、CIGS表面のバンド構造の詳細な解析を行った。その結果、表面酸化層やナトリウム化合物などに起因してCIGS表面でバンド構造が深さ方向に大きく変化しており、電池性能に大きく関与しうることを確かめた。さらに逆光電子分光(IPES)と光電子分光(UPS)を組み合わせた測定を行い、CIGSの最表面付近においてGa濃度が異常に高まり、バンド構造に大きな不連続性を生じることによって損失の一因となっている現象を発見し、報告した。3)耐放射線性の研究作製した太陽電池に高エネルギーの電子線や陽子線を照射し、放射線による劣化や回復の特性を調べた。非常に大きな照射密度で照射すると性能に劣化が見られるが、宇宙環境を模した60〜80℃の環境ではすぐに性能が回復することを確かめた。一方、0℃付近の低温に置くと性能の回復は著しく遅くなった。このことから、CIGS系薄膜太陽電池においては温度によるアニーリング効果が大きな役割を果たすことを確かめた。この他、CIGSの禁制帯幅向上の研究やCIGSに代わる新材料の開発研究も実施した。

CIGS系薄膜太陽電池を作製して、電池内のCIGS膜と他の各層との界面の物性に焦点を絞り、変換効率を向上させる目的で素子中の各界面におけるエネルギー損失要因の解明を行った。また並行して、電池の作製過程の再現性向上手法の開発を行い、実験の信頼性向上と大面積化・量産化時の性能向上手法の確保を図った。さらに、宇宙開発用途を念頭においた実験も実施した。1)CIGS光吸収層製膜中のその場観察手法(SLS法)の確立成長中の薄膜の状態をその場で観察する技術として、白色光を表面に照射し、その散乱光を分光して逐次記録・解析する、光散乱分光法(SLS)を独・HMIと共同で開発した。この手法により、ClGS薄膜の組成比に応じて、成長中の異相の発生条件および膜表面の構造が大きく変化する様子をリアルタイムでモニタリングして、その影響をまとめ、最適化手法の提案を行った。また独・ハーンマイトナー研究所に於いて、製膜温度および製膜速度との関連性を評価する実験を行い、SLSがCIGSの製膜過程の評価に極めて有用であることを確かめた。2)電池内の各層界面での損失発生要因の解析、および要因除去手法の研究清浄なCIGS薄膜の表面を放射光を用いてXPS解析することにより、CIGS表面のバンド構造の詳細な解析を行った。その結果、表面酸化層やナトリウム化合物などに起因してCIGS表面でバンド構造が深さ方向に大きく変化しており、電池性能に大きく関与しうることを確かめた。さらに逆光電子分光(IPES)と光電子分光(UPS)を組み合わせた測定を行い、CIGSの最表面付近においてGa濃度が異常に高まり、バンド構造に大きな不連続性を生じることによって損失の一因となっている現象を発見し、報告した。3)耐放射線性の研究作製した太陽電池に高エネルギーの電子線や陽子線を照射し、放射線による劣化や回復の特性を調べた。非常に大きな照射密度で照射すると性能に劣化が見られるが、宇宙環境を模した60〜80℃の環境ではすぐに性能が回復することを確かめた。一方、0℃付近の低温に置くと性能の回復は著しく遅くなった。このことから、CIGS系薄膜太陽電池においては温度によるアニーリング効果が大きな役割を果たすことを確かめた。この他、CIGSの禁制帯幅向上の研究やCIGSに代わる新材料の開発研究も実施した。