I propose a materials design for low cost and high-efficiency In-free or In-reduced CuInSe2 photovoltaic solar cells using the first-principles calculations. CuInSe2 which has high conversion efficiency and low cost is expected as solar cells materials for the next generation. However, the supply of Indium is limited around the world, therefore, it is important to propose new photovoltaic materials without (or with low concentration of) In with high efficiency than CuInSe2.
The electronic structure of CuIn1-xZn0.5xSn0.5xSe2 is calculated by using the self-interaction-corrected local density approximation (SIC-LDA) and the Korringa-Kohn-Rostoker coherent potential approximation (KKR-CPA). The results show that (1) in all concentration of In, CuIn1-xZn0.5xSn0.5xSe2 have a direct band gap, (2) no impurity band is formed in the band gap, and (3) Sn impurity state for the formation of multiexciton appears in the conduction band. Based on these findings, it is expected that CuInSe2 in which all of In are replaced with Zn and Sn can be used as materials of photovoltaic solar cells with low production cost.
今回は第一原理計算を用いた高効率CIGS太陽電池に関するマテリアルデザインを提案する。高い変換効率で生産コストも安いCuInSe2は次世代の太陽電池材料として期待されている。しかしInの生産は世界でも限られており、Inを使わずにCuInSe2よりも高効率な新しい太陽電池材料を提案することは重要である。 本研究ではそのような物質としてCuIn1-xZn0.5xSn0.5xSe2の電子状態をSIC-LDAに基づくKKR-CPAを用いて計算した。計算結果によると、(1)全ての濃度領域においてCuIn1-xZn0.5xSn0.5xSe2は直接なバンドギャップを持ち、(2)バンドギャップ中に不純物順位は形成されず、(3)マルチエキシトン効果が期待できるSnの不純物順位が価電子帯に現れると予想される。これらに基づくとCuInSe2のInを全てZnとSnで置き換えたものは、低コストの太陽電池材料として期待できる。