2018 Fiscal Year Research-status Report
Effect of magnetic impurity doping in CuGaS2 for Intermediate Band Solar Cells
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18K04224
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
アーサン ナズムル 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (00422345)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ワイドギャップCuGaS2半導体製膜 / スプレー化学熱分解成膜 / 三元同時スパッタ成膜法 / 二段階スパッタ成膜法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では長期の実用性に向けた資源枯渇が低い新規薄膜材料を開発し、太陽電池の高効率化かつ低コスト化を推し進めている。そのため、次世代高効率太陽電池として考案されている中間バンド型太陽電池（以下、IBSC）の光吸収材料としてワイドバンドギャップ半導体であるカルコパイライト構造のCuGaS2（以下、CGS）を検討し、磁性不純物のドーピング効果により、不純物バンド物性を調べることを目的としている。研究期間を三年であり、それぞれの年度の実施計画は、 (1)高品質結晶薄膜合成と材料評価、(2)マルチバンド電子構造評価や伝導及び光学特性分析評価、及び(3)IBSCデバイス作製及び評価という3つの課題からなる。該当年度ではまず、太陽電池の電極層であるモリブデン（Mo）をガラス基板上にスパッタ成膜を実施し、スパッタ条件の最適化、薄膜の結晶性、表面・断面モルフォロジー及び伝導特性の評価を進めた。結果として、伝導率の高い良質な結晶性のMo電極層（層厚500μm）を作製することができた。そして、中間バンド型光吸収層の母体となるワイドギャップ半導体であるCGSをガラス基板/Mo膜上に成膜し、その評価を進めた。成膜手法としてまず、化学合成法（スプレー化学熱分解成膜、SPD）でCGS成膜を実施し、標準試料を準備した。続けて、物理的合成法の三元同時スパッタ成膜法を導入し、結晶性の改善を目指した。SPD法に比べてスパッタ成膜では表面粗さの少ない急峻な界面を持つ良質な結晶性を持つCGS薄膜が得られたのは大きな成果である。本来ガラスはアモルファスであり、その上で多結晶膜形成に成功したことが結晶欠陥低減へ期待が大きい。一方、成膜したワイドギャップCGS材料及び下地のMo電極間でショットキーバリアが出来たが、その低減に向けて、CGSの二段階成膜法を実施したこどで良質なオーミック接触も得られたのは大きな進展である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該年度では中間バンド型太陽電池の母体となるCuGaS2半導体（以下、CGS）をガラス基板上の製膜評価が主要な課題とした。成膜手法としてまず、化学合成法（スプレー化学熱分解成膜、SPD）でCGS成膜を実施して、標準試料を準備した。そして、膜質向上に向けて物理的合成法の三元同時スパッタ成膜法を導入し、結晶性の改善を目指した。スプレー化学熱分解に比べてスパッタ成膜では表面粗さの少ない急峻な界面を持つCGS薄膜が出来たことが大きな成果であり、当初の計画が順調に進んでいると思われる。また、本来ガラス基板はアモルファスであるのでその上で多結晶膜形成に成功したことが結晶欠陥低減にむけて大きな前進の意味合いを示す。今後、結晶粒サイズを大きくすることが課題となる。そのため、結晶粒形成過程の解明が鍵となる。一方、研究をさらに進め、成膜したワイドギャップのCGS材料及び下地のMo電極間との伝導特性を調べた結果、初期頃は良質なオーミック接触は得られなかった。これは、p型CGS吸収層及びMo電極間で自由キャリアの伝導への障壁となるショットキーバリアが形成されたこと示唆する。しかし、実際の太陽電池の性能には層間のエネルギーバリアあるいはバンドオフセットの影響が強く、光電流の確保（光生成キヤリアの再結合低減）と暗電流低減（注入キヤリアの再結合低減）がカギとなる。そのため、CGS及びMo層間のショットキーバリアの低減に向けて、CGSの二段階成膜法を実施し、Mo電極層上にまず、Cu－poorの薄いCGS層を設け、その後化学量論的組成比を制御することで伝導特性の改善を進めた。その結果、良質なオーミック接触を得ることができ、本研究課題の進捗状況は当初の計画以上に進展していると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の二年間での推進方策としてそれぞれの年度では、 マルチバンド電子構造評価や伝導及び光学特性分析評価、及び中間バンド型太陽電池（以下、IBSC）デバイス作製及び評価を推し進める計画である。そのような方策をとることでワイドギャップのCGS母体における磁性不純物であるCrのドーピング効果の評価及び中間バンド型不純物バンド物性解明を目指す。実施計画は具体的には次のような実験項目からなる。
二年目では二つの課題を主要とする。（課題1）ワイドバンドCGS及び中間バンド型光吸収層Cr添加CGSのマルチバンド電子構造及び光学特性評価及び結晶性、伝導特性及び光学特性へのアニール効果の評価及び膜質改善に向け、噴霧熱分解法及びスパッタ手法を比較評価し、成膜手法改善を行う。そして、最終年の三年目では、IBSC太陽電池デバイスを作製し、磁性不純物のドーピング効果及び不純物バンド型二段階光吸収動作の分析評価を進める。
二年目の想定される課題は結晶粒サイズを大きくすることである。そうすることで伝導及び光学特性及びマルチバンド特性改善が期待できるからである。そのため、結晶粒形成過程の解明が鍵となる。そのため、成膜したCGS薄膜の結晶粒サイズへのアニール効果の影響を調べる。Arや窒素ガスなどの不活性雰囲気及び硫黄の活性雰囲気中でアニールを行い、比較評価を行うことで結晶性の向上を進める。また、このようなアニール効果が伝導及び光学特性にどのような影響を与えるかを調べることでCGS結晶粒形成過程の解明を目指す。
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