2018 Fiscal Year Research-status Report
次世代薄膜太陽電池材料SnS：ホモ接合実現に向けた固体化学の追究
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18KK0133
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
柳 博 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30361794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川西 咲子 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80726985)
鈴木 一誓 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60821717)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | コンビナトリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、バルク焼結体や単結晶において塩素ドープにより実現したSnSのn型化が薄膜で困難な原因について、「Sn2+の孤立電子対が関わる電子欠陥による電荷補償が、非平衡状態が凍結される薄膜中で顕著であるため」との推論を立て、これを解決するために塩素ドープSnS薄膜中に導入される欠陥を同定することを第一の目的としている。次に、ここで同定した欠陥の導入起源の解明をすることによりn型伝導を阻害する孤立電子対起因の欠陥の抑制手法を確立し、SnS薄膜のn型化を実現することを目的とする。これらの目的を達成するために国立再生可能エネルギー研究所（NREL，アメリカ）所有のコンビナトリアルRFマグネトロンスパッタリング製膜装置（塩素添加量やSn/S比、基板温度等の製膜条件を一度に広範囲に制御できる堆積装置）により塩素ドープSnS薄膜を製膜することで欠陥を単離する製膜条件の高速スクリーニングを行う。
当該年度は、NRELにて使用予定のコンビナトリアルRFマグネトロンスパッタリング製膜装置ならびにコンビナトリアル評価装置（XRD、XRF、光学スペクトル、電気伝導度など）を現地で見学し、実験方法に関する入念な計画を検討するとともにNRELでの受け入れ研究員との意思統一を図った。これに加え、山梨大学にて現在行っている近接昇華法により製膜したSnS薄膜について東北大学でTOF-SIMSやEPMAによる分析を行った。EPMAでは検出限界に対して有意な塩素を確認することができなかったが、TOF-SIMSにより膜中に塩素が均質に分布していることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
アメリカの国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）を訪問し、研究に使用を予定しているコンビナトリアルRFマグネトロンスパッタリング製膜装置やその評価装置を実地確認するとともに、Andriy Zakutayev博士と実験方針などについて具体的な打ち合わせを行った。
次に、山梨大学で行っている近接昇華法により製膜したSnS薄膜について東北大学でTOF-SIMSやEPMAによる分析を行った。EPMAでは検出限界に対して有意な塩素を確認することができなかったが、TOF-SIMSによって膜中に塩素が均質に分布していることが明らかとなった。しかしその絶対量はn型化を実現するためには不足していることが明確になった。
次年度、NRELのコンビナトリアルRFマグネトロンスパッタリング製膜装置による製膜で使用する2インチのClドープSnSターゲット製造業者を世界規模で探した結果、中国の企業一社のみから製造可能との回答を得た。しかし実際に納品されたテストサンプルは実験に使用できる品質のものではなかったため、製造業者とのさらなる打ち合わせを図りつつ、他の手法によるターゲット製造についても検討を重ねている。
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| Strategy for Future Research Activity |
NRELにてコンビナトリアルRFマグネトロンスパッタリング製膜装置による製膜実施のためにはClトープSnSの2インチターゲットが欠かせない。国内企業からは製造できないとの回答があり、唯一中国の一社のみから製造可能との回答があった。しかし、実際に納品されたテストサンプルには意図しない不純物元素が多量含まれており、実際の製膜に使える品質のものではなかった。２インチターゲットは実験遂行に欠かせないものであるため、以下の2つのルートでのターゲット作製を試みる。一つ目は、中国企業とさらなる打ち合わせを重ねて実験に耐える品質のターゲット作製を進める。二つ目は山梨大学で塩素ドープSnSの大量合成法を開発し、100 g単位の粉末を合成し、これを業者に依頼してターゲット作製を進める。国内業者がターゲットを作製できない最大の理由は、SnSに塩素をドープした試薬の合成ができないためである。そこで山梨大学でターゲット作製に必要な量の塩素ドープSnSを合成する。大量合成法開発にあたっては、原料試薬の変更、反応容器の大型化、反応雰囲気の変更などを検討することで実現を図る。これらの手法により、2019年度前期中にターゲットを実現させる。従って2019年度前期はアンドープSnSターゲットを用いたコンビナトリアル製膜を行い、製膜条件による組成や物性への影響を調査する。この知見をもとに塩素ドープSnS製膜条件の検討を行い、2019年度後期に実際の製膜を行い、当初目的に沿った検討を行う。これと並行して、山梨大学で育成したアンドープならびに塩素ドープSnS単結晶についてダルムシュタット工科大学でXPS測定などを行い、ClドープSnS固有の欠陥に関する知見を得る。
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| Causes of Carryover |
2インチのClドープSnSターゲットのテストサンプルの品質が実際の使用に耐えるものではなく、実際のターゲット作製前に業者との打ち合わせを重ねているため支払いが発生しなかった。次年度前期中にターゲットの作製・納品を受ける計画である。
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