Inを含まないCIS型太陽電池で光電変換効率12％超：トップセルに適した光吸収層を開発

産業技術総合研究所（産総研）は、インジウム（In）を含まないCIS型薄膜太陽電池で、12％を超える光電変換率を達成した。タンデム型太陽電池のトップセルに適した光吸収層を開発することで実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

CuGaSe2光吸収層を製膜中に、傾斜をつけてAlを添加

　産業技術総合研究所（産総研）ゼロエミッション国際共同研究センターの石塚尚吾首席研究員は2024年11月、インジウム（In）を含まないCIS型薄膜太陽電池で、12％を超える光電変換率を達成したと発表した。タンデム型太陽電池のトップセルに適した光吸収層を開発することで実現した。

　タンデム型太陽電池は、複数の太陽電池を組み合わせ、吸収する光の波長を分担させることで、より高い性能が得られる。しかし、材料として用いられるIII-V族化合物などが高価なため、宇宙用など特殊な用途に限れていた。タンデム型太陽電池を民生用途などにも普及させるためには、コストパフォーマンスに優れた材料開発が必須となっていた。

　こうした中、軽量で柔軟性のある太陽電池を作製できるCIS型化合物が注目されている。ところが、短波長の光吸収に特化した禁制帯幅約1.6eV以上のCIS型太陽電池においては、高い光電変換効率を達成するのが極めて難しかった。

波長光吸収に特化したCIS型太陽電池で変換効率を向上［クリックで拡大］ 出所：産総研

　産総研は今回、1.7eVの広禁制帯幅を有するCuGaSe₂薄膜にアルミニウム（Al）を添加し、裏面電界効果を得ることで性能を向上させた。そして、Inを含まない広禁制帯幅CIS型薄膜太陽電池として、初めて12％を超える光電変換効率を実現した。

　実験では、CuGaSe₂光吸収層の製膜中に、光吸収層の表面から裏面に向かってAlの含有量が多くなるよう傾斜をつけて添加したという。さらに、アルカリ金属化合物を添加すれば、欠陥形成が抑制できることを発見した。

開発した太陽電池と光吸収層エネルギー帯の構造［クリックで拡大］ 出所：産総研

開発した禁制帯幅約1.7eVのCuGaSe₂：Al太陽電池における性能測定例［クリックで拡大］ 出所：産総研

　産総研では今後、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よって、より高効率な太陽電池の実現を目指している。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ことも検討している。