中国の科学者が10.1%の効率を誇る10.48cm2のケステライト太陽電池モジュールを開発
中国の科学者が10.1%の変換効率を達成した10.48 cm²のケスタイト太陽電池モジュールを開発
2025年9月18日
中国の科学者チームが、10.48平方センチメートルのケスタイト太陽電池モジュールで10.1%の変換効率を達成した。この効率値は米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）によって確認されている。モジュールは、高い薄膜気孔率と均一性を特徴とする変換効率13.4%のケスタイト太陽電池セルを用いて製造された。
2025年9月18日 エミリアーノ・ベリーニ
PV Magazine より
カテゴリ
モジュール・アップストリーム製造
技術研究開発
中国
提案されたケスタイト太陽電池パネル
画像提供：南京郵電大学
中国の南京郵電大学の科学者チームは、エネルギー変換効率10.1%を達成可能なケスタイト（CZTSSe）太陽電池モジュールの試作品を製造した。
研究者らによれば、この結果は米国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）によって認証されている。
この新型モジュールは、変換効率13.4%のCZTSSe太陽電池セルを基盤としている。この種のセルの世界記録は、2024年6月に中国科学院（CAS）が達成した14.6%である。
ケスタイトは、低コストの薄膜太陽電池への応用が期待される最も有望な光吸収材料の候補の一つである。ケスタイトは銅、スズ、亜鉛、セレンなどの一般的な元素を含む。CIGS化合物とは異なり、将来的な供給ボトルネックは予想されていない。しかし、現時点では量産における効率はCIGSよりも依然として低い。
研究チームは、溶液ベースの薄膜CZTSSeセル製造プロセスには、前駆体の堆積と高温結晶化という2つの重要な工程が含まれると説明した。この一見明確なプロセスには、多相融合反応が容易に膜の組成不均一性と電気的特性の変動を引き起こすという重大な落とし穴が隠れており、CZTSSe太陽電池の効率向上と産業化における障壁となっている。
「我々は、Cu+-Sn4+溶液法に基づく直接相転移結晶化の達成にブレイクスルーをもたらし、CZTSSe太陽電池の効率を13%以上に押し上げました」と、本研究の責任著者であるShaoying Wang氏はpv magazineに語った。しかし、彼らの研究における最大の課題の一つは、モジュールレベルでこの高効率を維持することであったと述べている。
「当初、我々が最初に製造したCZTSSeモジュールの効率はわずか4.3%で、驚くべき56.81%というセル-モジュール間電力変換効率（CTMPCE）損失が発生しました。これは、実験室で高効率な小面積セルを成功させることと、高品質な大面積吸収膜を製造することは程遠いという厳しい現実を露呈しています」と彼は説明した。「我々はさらに、この大きなセル-モジュール損失の原因究深く掘り下げました。」
結晶化プロセスの異なる段階における膜の形態と元素分布の特性評価と分析を通じて、重要な問題が浮き彫りになった：セレン化過程の初期段階で、膜の表面にすでに緻密な結晶層が形成され、これは硬い殻のように目に見えない障壁として作用し、その後のセレン蒸気の膜内部への浸透を深刻に妨げているのである。
「これは垂直方向への粒成長を妨げ、膜の均一性の低下と表面粗さの増加をもたらします」とWang氏は述べた。「不均一な吸収膜は、高効率で大面積なデバイスの製造を支えられず、これが我々の以前のモジュールの性能不良と大きなCTM損失の原因でした。」
研究グループは、ペロブスカイト吸収体に用いる前駆体膜の微細構造を変更し、その気孔率を調整することを決定した。これにより、セレン化初期段階での緻密な表層の急速な形成を防ぎ、後続のセレン（Se）浸透のためのより多くの空間と、横向きの粒成長のためのより多くの時間を確保し、膜の均一性を向上させることを目的とした。
前駆体膜の微細構造は、前駆体溶液の組成と密接に関連していた。この溶液はチオ尿素（Tu）を基としており、この試薬は熱分解過程中に分解し、揮発性ガスを膜から放出するため、膜の気孔率向上に寄与する。
「そこで、我々は前駆体溶液中のTuと金属イオンの比率を体系的に調整し、膜の形態を調査しました」とWang氏は続けた。「結果は期待できるものでした：Tu含有量を増加させた後、前駆体膜はより多孔質でより緩やかになり、セレン化初期段階でより緩い表層結晶層の形成を可能にしました。これにより、より多くのSeが膜内部に浸透し、横向きの粒成長のためのより多くの空間を提供し、最終的にはCZTSSe吸収膜の均一性と表面平坦性が向上しました。」
0.1 cm2のセルは、ソーダ石灰ガラス（SLG）基板にモリブデン（Mo）をコーティングし、CZTSSe吸収体、硫化カドミウム（CdS）層、酸化亜鉛（ZnO）からなるバッファ層、酸化インジウムスズ（ITO）層、そしてアルミニウム（Al）とニッケル（Ni）の金属コンタクトを積層して作製された。
吸収膜の均一性向上に基づき、標準偏差が非常に小さい単一セルで13.4%の平均効率を、太陽電池モジュールでは8.91%の効率を達成することに成功しました」とWang氏は強調した。「しかし、これで終わりではありませんでした。直列抵抗による非理想的な接触とシャントリングを減らすため、モジュール構造をさらに修正した結果、認証効率10.1%、開口面積10.48 cm²、低いCTMPCE損失25.3%、そして最新の新興薄膜太陽電池モジュールの中で最低レベルの開放電圧（0.93%）と短絡電流（7.03%）のCTM損失を実現しました。」
「これは、溶液プロセスを用いたCZTSSeモジュールとして初の記録効率であるだけでなく、溶液アプローチによる無機薄膜の製造に潜む根本的な課題を理解し、解決するための旅でした」と彼は結論付けた。「この研究は、高性能で大面積な無機化合物薄膜太陽電池セルおよびモジュールの溶液処理に向けて、明確かつ実現可能な技術的な道筋を提供します。」
この新しいセルおよびパネル技術は、学術誌『Nature Energy』に最近掲載された論文「Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency（認証効率10.1%の溶液処理ケスタイト太陽電池モジュール）」で紹介された。
2023年4月には、南京郵電大学の別の研究者グループが、CZTSSe吸収体の結晶性を高め、欠陥を低減させると報告された新しいセレン化手法を用いてケスタイト（CZTSSe）太陽電池を設計している。