[論文レビュー] Accelerated development of CuSbS2 thin film photovoltaic device prototypes

Adam W. Welch, Lauryn L. Baranowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2015

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、三段階で自己調整される成長プロセスにハイ・スループットなコンビナトリアル・アプローチを適用することで、CuSbS2薄膜太陽電池の開発が加速された。この手法により、吸収層の相純度、結晶指向性、厚さ、バック接触の系統的最適化が可能となり、初期のデバイスプロトタイプで約1%の発電効率が達成されたが、これは低効率な電流収集と、CuSbS2/CdS界面におけるクラiff型の伝導帯ギャップオフセットに起因する。

ABSTRACT

Development of alternative thin film photovoltaic technologies is an important research topic due to the potential for low-cost, large-scale fabrication of high-efficiency solar cells. Despite the large number of promising alternative absorbers and corresponding contacts, the rate of progress is limited by complications that arise during solar cell fabrication. One potential solution to this problem is the high-throughput combinatorial method, which has been extensively used for research and development of individual absorber and contact materials. Here, we demonstrate an accelerated approach to development of thin film photovoltaic device prototypes based on the novel CuSbS2 absorber, using the device architecture employed for CuInxGa(1-x)Se2 (CIGS). The newly developed three-stage, self-regulated CuSbS2 growth process enables the study of PV device performance trends as a function of phase purity, crystallographic orientation, layer thickness of the absorber, and numerous back contacts. This exploration results in initial CuSbS2 device prototypes with ~1% conversion efficiency; currently limited by low short-circuit current due to poor collection of photoexcited electrons, and a small open-circuit voltage due to a cliff-type conduction band offset at the CuSbS2/CdS interface (suggested by first-principles calculations). Overall, these results illustrate the potential of combinatorial methods to accelerate the development of thin film photovoltaic devices with novel absorbers.

研究の動機と目的

• 新規のCuSbS2吸収層材料を用いた薄膜太陽電池デバイスの開発を加速すること。
• 新規吸収層の統合に遅れが生じるのを防ぐために、ハイ・スループットなコンビナトリアル手法をデバイス構造に応用すること。
• 相純度、結晶指向性、吸収層厚さ、バック接触材料の影響を系統的に調査し、デバイス性能に与える影響を明らかにすること。
• 第一原理計算と実験データを統合して、初期段階のCuSbS2デバイスにおける性能制限要因を同定すること。

提案手法

• 相純度と結晶指向性を制御するため、三段階で自己調整されるCuSbS2成長プロセスを採用した。
• 同一基板上ですべての組成とプロセス条件を同時に変化させることで、吸収層厚さとバック接触材料をコンビナトリアルに変化させた。
• デバイスの製造と試験にあたって、既に確立されたCIGSデバイス構造をテンプレートとして用いた。
• コンポジションおよびプロセスパラメータの広範囲にわたる性能トレンドをマップするため、ハイ・スループットな電気的および構造的特性評価を実施した。
• CuSbS2/CdS界面における伝導帯ギャップオフセットを分析するために、第一原理計算を実施した。
• 実験結果と理論的予測を統合し、デバイス構造の最適化を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CuSbS2の相純度は、薄膜デバイスにおける発電性能にどのように影響するか？
• RQ2 結晶指向性および吸収層厚さは、デバイス効率と電流収集にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 異なるバック接触材料は、デバイス性能および界面特性にどのように影響するか？
• RQ4 CuSbS2/CDsヘテロジャンクションにおける伝導帯ギャップオフセットは、オープン・サーキット電圧の低減にどのように寄与しているか？
• RQ5 ハイ・スループットなコンビナトリアル手法は、新規薄膜太陽電池プロトタイプの開発を顕著に加速できるか？

主な発見

• 初期のCuSbS2デバイスプロトタイプは、約1%の発電効率を達成した。
• 短絡電流が低かったのは、吸収層内での光励起電子の収集が不十分だったためとされた。
• CuSbS2/CdS界面に存在するクラiff型の伝導帯ギャップオフセットが、オープン・サーキット電圧の低減の主な要因であると特定された。
• 第一原理計算により、電子抽出を妨げる顕著なバンドギャップオフセットが存在することが確認された。
• 三段階で自己調整される成長プロセスにより、相純度および結晶指向性の再現性ある制御が可能になった。
• コンビナトリアル手法は、初期段階のデバイス開発における性能トレンドと主な制限要因の迅速特定に有効であることが示された。