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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。