太陽電池の性能を最大限に引き出すCZTS系混晶薄膜の作製

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本課題は，「Cu2ZnSnS4（CZTS）薄膜にSeとGeの両方を添加し，CZTS系薄膜太陽電池の出力性能を最大限に伸ばす手法とメカニズムを明らかにする」ことを最終目的に研究を遂行している。Cu-Zn-Sn-Ge膜を封管内にて硫化・セレン化する方法でCZTS膜へGeとSeを添加しようと試みていたが，加熱反応中にGeの大部分が再蒸発してしまっていた。これを解決するために，令和4年度はまず現有のスパッタ装置へ小型スパッタ源を増設し，Cu-Zn-Sn-Ge膜の上に極薄層をキャップする実験を実施した。材料選定の結果，40nmのZn極薄層を堆積した場合にGeの再蒸発をある程度防ぎながらCZTS系結晶を成長させることができ，SeとGeの両方を添加したCZTS膜を，その添加量を自在に変えながら作製することが可能となった。Se/(S+Se)が0.94，Ge/(Sn+Ge)が0.25としたCZTS薄膜は禁制帯幅が1.20eVとなり，これを光吸収層とした薄膜太陽電池からは35mA/cm2の電流密度と0.4V超の電圧を得ることができた。これは従来作製していたSeのみを添加したCZTSよりもバンド幅が拡がり理論上出力電流が不利になるにも関わらず，出力電流が勝っている。ただし曲線因子FFが33％程度と振るわず，膜ならびにpn接合部の品質改善が課題として残されている。