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産総研 CIGS太陽電池の一種であるCuGaSe2薄膜太陽電池の動作原理を解明

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独立行政法人 産業技術総合研究所(以下産総研)は1月20日、CIGS太陽電池の一種で、インジウムを含まない広禁制帯幅のCuGaSe2薄膜太陽電池の動作原理であるヘテロp-n接合の形成メカニズムを解明したことを発表した。

CIGS太陽電池はCu(In,Ga)Se2系太陽電池の略称で、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、およびセレン(Se)からなる半導体材料を用い、CIS太陽電池とも呼ばれる。

CIGSは基本的にはp型半導体であるため、バッファ層と呼ばれるn型半導体を組み合わせることで太陽電池の動作に必要なp-n接合を形成している。
広禁制帯幅のCIGS太陽電池で高い変換効率を得るためには、このn型半導体材料の選択が重要と考えられてきたが、これまで広禁制帯幅CIGSの性能を十分に引き出せるバッファ層材料は見つかっていない。
また、太陽電池デバイスの動作の基本原理であるp-n接合の形成や界面状態に関しても未解明な部分が多かった。

そのため、広禁制帯幅CIGS材料を用いることがCIGS太陽電池の高効率化の有望なアプローチとされながらも、高効率化実現に必要なデバイス構造の設計指針が不明確であった。

産総研は広禁制帯幅CIGS太陽電池であるCuGaSe2太陽電池で、初めて10%以上の変換効率を得ることに成功しており、今回はこのCuGaSe2太陽電池を用いてp-n接合の形成メカニズムについて研究を行った。

その結果、銅(Cu)が極端に欠乏したCuGaSe2の異相層はn型層として働き、p型CuGaSe2層とp-n接合を形成して太陽電池として動作することがわかった。

この発見により、現在製造されているCIGS太陽電池より広禁制帯幅を持つ新しい太陽電池デバイス構造が提案でき、エネルギー変換効率の向上といった高性能化に向けた研究開発の加速が期待できる。

産総研は今後、銅欠乏異相層のn型伝導性に関与すると考えられる亜鉛(Zn)やカドミウム(Cd)などの二価の不純物元素とアルカリ金属元素の相互的な効果や、KとNaの効果の違い、これに関連する電子状態の解明などを行い、CuGaSe2だけでなく、同様に不明な点が多かったCIGS太陽電池のp-n接合形成メカニズムの詳細の解明、高効率化に向けたデバイス構造の新設計などへの応用を目指す方針だ。

情報参照元:独立行政法人 産業技術総合研究所

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