タンデム型太陽電池のトップセルとして有望な光吸収層を開発

今回開発した技術では、アルミニウム添加によってCuGaSe2光吸収層裏面側の伝導帯下端を押し上げ、エネルギー帯に傾斜構造を形成します。さらにアルカリ金属化合物を添加することで、アルミニウム添加によって副作用的に形成されてしまう結晶欠陥を抑制する効果を得ました。図１に示すように、作製した光吸収層（CuGaSe2:Al）では裏面側のアルミニウム含有量が高く、そのため図のような裏面電界形成が期待できます。これにより、光吸収によって生成された電子の移動と外部回路への取り出しやすさが促進され、太陽電池の性能向上に成功しました。

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これまで、広禁制帯幅を有するCIS型化合物であるCuGaSe2薄膜太陽電池の高性能化を目指した研究開発では、CuGaSe2単体、もしくはこれに銀（Ag）やアルカリ金属などを含有させることで性能向上が図られ、ようやく10％を超える程度の光電変換効率が報告されていました。前述の通り、インジウムを含有しないCIS型太陽電池の高性能化は特に難しい課題でしたが、今回、安価な材料であるアルミニウム添加による性能向上効果を見いだし、初めて12％を超える変換効率が得られました（表１）。これはインジウムを含まないCIS型薄膜太陽電池の最高効率となります。

今回の成果は、太陽電池だけでなく、水分解水素生成用光カソードとして光電気化学セルなどさまざまなエネルギー変換デバイスへの応用も期待できます。

今後の予定

今回開発した技術をさらに改良することで、より高効率な太陽電池の実現を目指します。具体的には、広禁制帯幅CIS型薄膜太陽電池のさらなる欠陥低減化や新しい電子輸送層の開発に取り組みます。また、裏面電極層を従来の金属電極層から透明電極層に置き換えるなど、タンデム型太陽電池への応用に向けた具体的な設計と試作も行う予定です。

将来的には、CIS型やペロブスカイト型など多様な材料の組み合わせから構成される、安価で高性能、かつ長期信頼性にも優れるフレキシブルタンデム型太陽電池の実現を目指します。

論文情報

掲載誌：ACS Applied Materials & Interfaces