2018 Fiscal Year Research-status Report

Electrochemically deposited pn-junction solar cells based on iron oxide

Research Project

Project/Area Number	18K04232
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	市村正也名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30203110)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	酸化鉄 / 太陽電池 / 電気化学堆積 / 伝導型制御
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、酸化鉄薄膜を、メッキの技術である電気化学堆積によって作製し、薄膜太陽電池に応用する。FeSO4水溶液を用いた電気化学堆積によりFeOOH薄膜が得られ、それを空気中など酸化雰囲気でアニールするとFe2O3になる。無添加酸化鉄薄膜はn型の伝導性を示すので、初年度はpn接合に必要となるp型薄膜作製とその品質改善を目標とした。堆積溶液中のFeSO4濃度を20mMと固定し、CuSO4濃度を変えて堆積したところ、2mM以上でp型の伝導性が明確に観測された。しかしCu組成の増加につれ、膜はもろくなり、またオージェ電子分光による組成マッピングの結果、面内でわずかだが組成が不均一であることがわかった。そこで堆積に二段パルスを用いたところ、膜の平坦性と組成の均一性が改善された。二段パルス堆積では、酸化ステップ中に不安定な堆積物が溶解し、膜質の改善につながると考えらえれる。また空気中400℃でアニールすることで膜はより緻密になり、壊れにくくなった。 Cuの他にZn、Mgがp型の不純物として働くという報告がある。そこでZn添加を試みた。ZnSO4濃度を変えて堆積し、Znを含む酸化鉄薄膜の堆積に成功した。しかし伝導型はn型のままであり、p型薄膜を作ることはできなかった。 p型の鉄化合物としてはFeS2が知られている。電気化学堆積では酸素を多く含むFeSxOy薄膜が得られ、伝導型はp型である。そこでFeSxOyもp型酸化鉄薄膜として用いて太陽電池作製を試みる。初年度はZnOとのヘテロ接合を作製し、整流性と弱い光起電力を観測した。FeSxOyで太陽電池が作られた報告は過去になく、これが初の成功例である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason Cu添加酸化鉄薄膜作製においては、まずp型伝導性を確認した。さらに、二段パルス電気化学堆積を採用することで、膜の平坦性、均一性が向上した。この材料系で二段パルス堆積は初めての試みであり、意義のある成果と考えらえれる。ただ、二段パルス堆積はCuSO4濃度5mMを中心に行っており、今後、Cu組成をもっと広い範囲で変えて実験をする必要がある。 Zn添加でp型薄膜が得られなかった原因は不明である。置換型不純物として入っていない可能性が考えらえれるが、一方で、過去の報告も一例あるのみであり、信頼性は必ずしも高くはない。p型薄膜が得られなかったことは残念であるが、研究方針を考えるうえで有益な知見、経験が得られたと言える。初年度は、Cu添加でp型酸化鉄薄膜が得られることを報告する論文を一編出版した。また、FeSxOyとZnOのヘテロ接合に関する論文を一編投稿した。研究の公表は順調に進んでいる。
Strategy for Future Research Activity	初年度の研究結果に基づき、今後はCu添加に集中し、Zn添加は基本的には行わない。Cu添加量や二段パルスのパラメータなど、最適化すべき条件は残っている。また、無添加n型酸化膜を積層し、酸化鉄pn接合太陽電池の作製もこれから重点的に行っていく。堆積時および熱処理の諸条件は、個別の膜に対して最適化されたものを用いるが、最終的には太陽電池特性が最良となるよう再検討する。また、積層にあたり、堆積の順番、二層目堆積前の熱処理の有無、膜厚などの条件を変え、良好な太陽電池特性実現を目指す。また、基礎的物性評価として、伝導型が反転する限界のCu濃度を見極める実験も行いたい。できるだけCu濃度を減らし、酸化鉄のみからなるホモpn接合の作製を目指す。同時に、FeSxOyもp型薄膜の一つと位置づけ、ZnOだけでなく無添加酸化鉄とのpn接合太陽電池作製を目指す。