（出典：電力国際汇epintl）日本の研究者は銅ガリウムセレン化物太陽電池において12.28％の光電変換効率を実現しました。これは公開された1.65〜1.75電子ボルトのバンドギャップ範囲内で、無インジウムの広い禁制帯硫族化合物吸収層として最高効率です。このデバイスはアルミニウムドープされた薄膜を用い、背面場と最適化された硫化カドニウム緩衝層を組み合わせて、開放電圧を向上させ、キャリアの再結合を減少させ、全体的な性能を改善しています。国立先端産業科学技術研究所の研究者は、二硒化ガリウム銅（CuGaSe₂）吸収層を用いた太陽電池で、12.28％の変換効率を達成しました。二硒化ガリウム銅は黄銅鉱族に属する硫族化合物半導体であり、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）太陽電池材料と密接に関連しています。これは太陽電池の吸収層に理想的な材料であり、直接バンドギャップ半導体として約1.68電子ボルトのバンドギャップを持ち、可視光を高効率で吸収します。さらに、二硒化ガリウム銅は高い吸収係数を持ち、非常に薄い膜でも入射する太陽放射の大部分を吸収できます。この材料は欠陥耐性も良好であり、キャリアの再結合を減少させるのに役立ち、結晶構造が完璧でなくても良好な性能を維持できます。この研究の筆頭著者である石塚正悟は、『光伏雑誌』に対し、「この効率は、報告されている1.65〜1.75電子ボルトのバンドギャップ範囲内で、広い禁制帯硫族化合物太陽電池の最高値とみなすことができ、特に無インジウムの広禁制帯黄銅鉱（またはCIGS関連）太陽電池分野においてです。これは最新号の『光伏進展』誌に掲載された『効率表（第67版）』の表3に記載された銅ガリウムセレン-アルミニウム太陽電池の性能記録を超えています」と述べました。彼は続けて、「このデバイスの性能は、認証済みの試験所である再生可能エネルギー先端研究センター、日本産業技術総合研究所（AIST）の光伏校正・標準・測定チームによる独立認証を受けています」と述べました。このデバイスは、2024年に日本産業技術総合研究所（AIST）の研究者が開発した電池設計を基に改良されました。二硒化ガリウム銅薄膜の背面領域にアルミニウムを導入することで、電池の開放電圧、フィルファクター、全体的な光電変換効率を効果的に向上させました。この改良は主に背面表面場の形成によるもので、少数キャリアの収集能力を高めています。この記録的な太陽電池は、三段階法の工程で製造された二硒化ガリウム銅吸光層を用いています。第一段階では早期にアルミニウムとフッ化ルビジウムを導入し、第三段階の末期には追加でフッ化ルビジウム処理を行います。吸光層中のアルミニウム元素の分布を正確に調整することで、開放電圧を向上させつつ、変換効率の犠牲を避ける設計です。この電池はナトリウム・カルシウムガラスを基板とし、その上にモリブデンを背電極としてコーティングし、その上に無インジウム黄銅鉱吸光層、150ナノメートル厚の硫化カドニウム緩衝層、酸化亜鉛のウィンドウ層、金属格子電極を順に積層しています。製造工程は、スパッタリング法によりナトリウム・カルシウムガラス基板上にモリブデン背電極を堆積することから始まります。次に、高温堆積と硒化工程により二硒化ガリウム銅吸光層を作製し、その背面領域にアルミニウムを導入して背面場を形成します。吸光層は、欠陥を钝化し電気化学的特性を改善するためにアルカリ金属後処理を施します。次に、化学浴堆積法により硫化カドニウム緩衝層を追加し、p-n接合を形成します。最後に、スパッタリング法で本征酸化亜鉛とアルミニウムドープ酸化亜鉛のウィンドウ層、正面電極を作製します。従来の電池と比較して、より急峻なアルミニウム濃度勾配と硫化カドニウム緩衝層の厚みを増すことで吸光層を最適化し、開放電圧を向上させ、界面の再結合を減少させました。その結果、このデバイスは12.28％の変換効率を達成し、開放電圧は0.996ボルト、短絡電流密度は17.90ミリアンペア/平方センチメートル、フィルファクターは68.8％となりました。比較のために、2024年に製造されたデバイスは12.25％の効率を達成し、開放電圧は0.959ボルト、短絡電流密度は17.64ミリアンペア/平方センチメートル、フィルファクターは72.5％でした。この研究成果は、「体相と界面の協調制御による1.7電子ボルトのバンドギャップ硫族化合物太陽電池の効率新記録」というタイトルの論文として、『科学進展』誌に掲載されました。石塚正悟は、「私たちの研究は、積層太陽電池のトップ電池として用いる広禁制帯器件の基礎研究に焦点を当てています。プロトタイプの作製には、適切な底電池や積層技術の開発も必要です。したがって、現段階では大量生産を考慮できる段階には達していません。現在も基礎研究段階であり、コストの詳細な分析は行っていません」と述べました。
銅・ガリウム・セレン化物太陽電池の効率が12.28％に達し、日本のチームが世界記録を更新
（出典：電力国際汇epintl）
日本の研究者は銅ガリウムセレン化物太陽電池において12.28％の光電変換効率を実現しました。これは公開された1.65〜1.75電子ボルトのバンドギャップ範囲内で、無インジウムの広い禁制帯硫族化合物吸収層として最高効率です。このデバイスはアルミニウムドープされた薄膜を用い、背面場と最適化された硫化カドニウム緩衝層を組み合わせて、開放電圧を向上させ、キャリアの再結合を減少させ、全体的な性能を改善しています。
国立先端産業科学技術研究所の研究者は、二硒化ガリウム銅（CuGaSe₂）吸収層を用いた太陽電池で、12.28％の変換効率を達成しました。
二硒化ガリウム銅は黄銅鉱族に属する硫族化合物半導体であり、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）太陽電池材料と密接に関連しています。これは太陽電池の吸収層に理想的な材料であり、直接バンドギャップ半導体として約1.68電子ボルトのバンドギャップを持ち、可視光を高効率で吸収します。さらに、二硒化ガリウム銅は高い吸収係数を持ち、非常に薄い膜でも入射する太陽放射の大部分を吸収できます。この材料は欠陥耐性も良好であり、キャリアの再結合を減少させるのに役立ち、結晶構造が完璧でなくても良好な性能を維持できます。
この研究の筆頭著者である石塚正悟は、『光伏雑誌』に対し、「この効率は、報告されている1.65〜1.75電子ボルトのバンドギャップ範囲内で、広い禁制帯硫族化合物太陽電池の最高値とみなすことができ、特に無インジウムの広禁制帯黄銅鉱（またはCIGS関連）太陽電池分野においてです。これは最新号の『光伏進展』誌に掲載された『効率表（第67版）』の表3に記載された銅ガリウムセレン-アルミニウム太陽電池の性能記録を超えています」と述べました。
彼は続けて、「このデバイスの性能は、認証済みの試験所である再生可能エネルギー先端研究センター、日本産業技術総合研究所（AIST）の光伏校正・標準・測定チームによる独立認証を受けています」と述べました。
このデバイスは、2024年に日本産業技術総合研究所（AIST）の研究者が開発した電池設計を基に改良されました。二硒化ガリウム銅薄膜の背面領域にアルミニウムを導入することで、電池の開放電圧、フィルファクター、全体的な光電変換効率を効果的に向上させました。この改良は主に背面表面場の形成によるもので、少数キャリアの収集能力を高めています。
この記録的な太陽電池は、三段階法の工程で製造された二硒化ガリウム銅吸光層を用いています。第一段階では早期にアルミニウムとフッ化ルビジウムを導入し、第三段階の末期には追加でフッ化ルビジウム処理を行います。吸光層中のアルミニウム元素の分布を正確に調整することで、開放電圧を向上させつつ、変換効率の犠牲を避ける設計です。
この電池はナトリウム・カルシウムガラスを基板とし、その上にモリブデンを背電極としてコーティングし、その上に無インジウム黄銅鉱吸光層、150ナノメートル厚の硫化カドニウム緩衝層、酸化亜鉛のウィンドウ層、金属格子電極を順に積層しています。
製造工程は、スパッタリング法によりナトリウム・カルシウムガラス基板上にモリブデン背電極を堆積することから始まります。次に、高温堆積と硒化工程により二硒化ガリウム銅吸光層を作製し、その背面領域にアルミニウムを導入して背面場を形成します。吸光層は、欠陥を钝化し電気化学的特性を改善するためにアルカリ金属後処理を施します。次に、化学浴堆積法により硫化カドニウム緩衝層を追加し、p-n接合を形成します。最後に、スパッタリング法で本征酸化亜鉛とアルミニウムドープ酸化亜鉛のウィンドウ層、正面電極を作製します。
従来の電池と比較して、より急峻なアルミニウム濃度勾配と硫化カドニウム緩衝層の厚みを増すことで吸光層を最適化し、開放電圧を向上させ、界面の再結合を減少させました。その結果、このデバイスは12.28％の変換効率を達成し、開放電圧は0.996ボルト、短絡電流密度は17.90ミリアンペア/平方センチメートル、フィルファクターは68.8％となりました。
比較のために、2024年に製造されたデバイスは12.25％の効率を達成し、開放電圧は0.959ボルト、短絡電流密度は17.64ミリアンペア/平方センチメートル、フィルファクターは72.5％でした。
この研究成果は、「体相と界面の協調制御による1.7電子ボルトのバンドギャップ硫族化合物太陽電池の効率新記録」というタイトルの論文として、『科学進展』誌に掲載されました。
石塚正悟は、「私たちの研究は、積層太陽電池のトップ電池として用いる広禁制帯器件の基礎研究に焦点を当てています。プロトタイプの作製には、適切な底電池や積層技術の開発も必要です。したがって、現段階では大量生産を考慮できる段階には達していません。現在も基礎研究段階であり、コストの詳細な分析は行っていません」と述べました。