（目標）現在のカルコゲナイト系太陽電池（CIGS、CdTe系）では、希少金属（In、Te、Se）、重金属元素（Cd）等が含有され将来的課題となっている。本テーマでは、革新的な代替材料の開発（CZTS系等）により、持続的に量産可能な次世代化合物薄膜太陽電池の実現に貢献する。

次世代化合物薄膜太陽電池の開発－CZTS系太陽電池

革新デバイスチーム 反保衆志 牧田紀久夫

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

地殻内存在量（ppm）

単価

（円/g

） In

SeCuSn

ZnS

Ga

Au(Ref.)

Te

0.01

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0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

地殻内存在量（ppm）

単価

（円/g

） In

SeCuSn

ZnS

Ga

Au(Ref.)

Te

CZTS系とは？Cu2ZnSnS4(Se4)の総称。CIGS系で希少材料であるIn（Ⅲ属） をSn-Zn（Ⅱ-Ⅳ族）で置換した材料である。

・結晶構造ケステライト構造

・バンドギャップCZTSe～1.0eVCZTS～1.4eV

・吸収係数α>104/cm

化合物薄膜太陽電池材料の埋蔵量および単価

＊http://www2.ttcn.ne.jp/honkawa/4735.html参考元素周期律表

当所で実績を有するCIGS系太陽電池技術

を、本研究に効果的に波及させることが可能。

埋蔵量豊富＆低価格

CZTSe膜のSEM観察（製膜温度～400℃）

表面観察

断面観察

CZTSe製膜用MBE装置

原料同時供給により製膜。混晶の厳密制御が鍵。

Cu

Sn ZnSe

Pyrometer

Growth Chamber Loading Chamber

Cu

Sn ZnSe

Pyrometer

Growth Chamber Loading Chamber

1μm1μm

2μm

Mo

CZTSe

Soda-lime glass

2μm

Mo

CZTSe

Soda-lime glass

CZTSe製膜方法および外観評価

製膜法は、CIGS系太陽電池の開発で実績あるMBE（Molecular Beam Epitaxy）法を適用。

CIGS系と比較し遜色ない表面外観および1μmオーダのグレインを観察。

CZTSe系の混晶制御法

成長

評価：SEM-層厚EPMA-組成

Cu,Zn,Sn成長速度係数確定

成長収束

成長

評価：SEM-層厚EPMA-組成

Cu,Zn,Sn成長速度係数確定

成長収束

目標組成

0

1 0 0 0 0

2 0 0 0 0

3 0 0 0 0

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

2θ　[deg]

Inte

nsit

y

hkl 2Θ 101 17.436 112 27.174 211 36.194 220 45.093 204 45.139 312 53.45 116 53.532 400 65.68 008 65.824 332 72.459 316 72.528

Theory （▲）

Mo

0

1 0 0 0 0

2 0 0 0 0

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2θ　[deg]

Inte

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hkl 2Θ 101 17.436 112 27.174 211 36.194 220 45.093 204 45.139 312 53.45 116 53.532 400 65.68 008 65.824 332 72.459 316 72.528

Theory （▲）

Mo

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100

1000

10000

100000

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Depth :(μm)S

ec

on

dary

io

nin

ten

sit

y:(

co

un

ts/

se

c)

Cu

Mo

SnSe

Zn

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Depth :(μm)S

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se

c)

Cu

Mo

SnSe

Zn

CZTSe結晶評価

CZTSe膜のXRD評価

CZTSe膜のSIMS評価

本サンプルのEPMA評価Cu-23.9%、 Zn-10.7%Sn-13.6%、 Se-51.8%

XRDにおいて観測されるピークは、CZTSe結晶構造から予測されるピークに合致。

CZTSe膜中に、構成元素はほぼ一様分布。特定原料の損失、偏析等は特に観測されず。

0

5

10

15

0 0.1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5

Voltage:(V)

Curr

ent:

(mA

/cm

2)

η: 2.1% , Voc: 0.36VJsc: 9.8mA/cm2, FF: 0.60Rs: 3.1Ωcm2

CZTSe太陽電池の試作結果

SLG基板（soda-lime glass）

Mo（p電極）

CZTSe（光吸収層）

CdS

i-ZnO/TCO

Al（n電極）

SLG基板（soda-lime glass）

Mo（p電極）

CZTSe（光吸収層）

CdS

i-ZnO/TCO

Al（n電極）

1 cm

CZTSe太陽電池の構造と外観

CZTSe太陽電池の出力特性

初期試作では、発電効率は2.1％。特性は、短

絡電流で律速されており、結晶欠陥が介在した再結合過程が影響していると考えられる。結晶品質等の改善を開始している。