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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Frontier of the compound thin-film solar cells with homojunction SnS

Research Project

Project/Area Number 21H01613
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

鈴木 一誓  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60821717)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 柳 博  山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30361794)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords薄膜太陽電池 / 硫化スズ / スパッタリング
Outline of Annual Research Achievements

2022年度の研究では、おもに2つの成果を得た。一つは、SnS単結晶とMoO3薄膜を接合することで高い変換効率を示す太陽電池が得られることである。変換効率は4.2%であり、SnS太陽電池の最高値(4.8%)には及ばなかったものの、開放電圧は430 mVに及び、従来のSnS太陽電池の最高値を上回った。このような高い変換効率は、SnS単結晶のダングリングボンドのない劈開面を用いたことに起因することを明らかにした。したがって、原理的にダングリングボンドのないホモ接合によってSnS薄膜太陽電池を構成すれば、高い開放電圧が期待できることを示した。
もう一つは、p型SnS薄膜の堆積条件を明らかにしたことである。SnS薄膜の堆積においては、成膜圧力がモフォロジーに極めて大きな影響を与えること、および、より良いモフォロジーを得るには成膜圧力が低いほうが良いことを明らかにした。本研究では、ターゲット表面にスパッタガスを吹き付ける新しい構造のスパッタリングカソードを用いているが、これによって従来のスパッタ装置では実現できない低い成膜圧力にて成膜を行っており、このような方法が特にSnS薄膜の堆積には有効であることを示した。また、硫黄の蒸気圧が高いことからSnS薄膜の組成は一般的に硫黄欠損となることが知られているが、成膜中にプラズマ化した硫黄を供給することでSnS薄膜の組成をコントロールできることを明らかにした。加えて、SnSのスパッタリングにおいてはターゲット表面の組成が変化しやすく(硫黄が欠損しやすく)、この組成変化が得られるSnS薄膜のモフォロジーに大きな影響を与えることを発見した。このようなターゲット表面の硫黄欠損の傾向は、硫黄の蒸気圧を考慮すると当然のことではあるが、従来の研究報告では全く意識されていなかった。成膜前に研磨によりフレッシュなターゲット表面を準備することで安定して同じモフォロジーの薄膜が得られることも確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

SnS薄膜の堆積に関して、ターゲットの寸法によりプラズマが安定しないことや、スパッタリングによりターゲットの組成が変化することなどの問題があり、これの解決に時間を要したため、進捗はやや遅れている。すでにSnS薄膜を安定して堆積する条件は確立しているため、順次、素子の作製をすすめる。

Strategy for Future Research Activity

P型SnS薄膜の成膜条件が明らかとなったため、順次ドーパントを導入してホモ接合素子を作製し、その性能の評価と解析を行う。特に、P型およびN型SnS薄膜のキャリア密度は性能に影響する重要なパラメーターである。N型SnS薄膜のキャリア密度の制御についてはこれまでに全く研究例がないことから、フォーカスして調べる。
また、n型SnS単結晶を用いて、MoO3薄膜、および、p型SnS薄膜と接合した素子を引き続き作製する。従来の解析結果から、単結晶中の余剰なドーパントによって界面での再結合が増加していることが示唆されるため、ブリッジマン法を用いてドーパント量を精密に制御した単結晶の合成を試み、素子へと用いる。

  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] ダルムシュタット工科大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      ダルムシュタット工科大学
  • [Int'l Joint Research] 再生可能エネルギー研究所(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      再生可能エネルギー研究所
  • [Journal Article] High open-circuit voltage in single-crystalline n-type SnS/MoO3 photovoltaics2023

    • Author(s)
      Suzuki Issei、Lin Zexin、Nogami Taichi、Kawanishi Sakiko、Huang Binxiang、Klein Andreas、Omata Takahisa
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 11 Pages: -

    • DOI

      10.1063/5.0143617

  • [Journal Article] Experimental identification of atomic orbital contributions using polarization-dependent ARPES: SnS valence band as case study2023

    • Author(s)
      I. Suzuki, S. Kawanishi, K. Tanaka, T. Omata, S. Tanaka
    • Journal Title

      Phys. Status Solidi B

      Volume: 260 Pages: 2200408

    • DOI

      10.1002/pssb.202200408

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct evaluation of hole effective mass of SnS-SnSe solid solutions with ARPES measurement2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, Z. Lin, S. Kawanishi, K. Tanaka, Y. Nose, T. Omata, S. Tanaka
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 24 Pages: 634-638

    • DOI

      10.1039/D1CP04553A

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Contribution of the Sn 5s state to the SnS valence band: direct observation via ARPES measurements2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, S. Kawanishi, K. Tanaka, T. Omata, S. Tanaka
    • Journal Title

      Electronic Structure

      Volume: 4 Pages: 025004

    • DOI

      10.1088/2516-1075/ac6ea8

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Current status of n-Type SnS: Paving the way for SnS homojunction solar cells2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, S. Kawanishi, T. Omata, H. Yanagi
    • Journal Title

      J. Phys. Energy

      Volume: 4 Pages: 042002

    • DOI

      10.1088/2515-7655/ac86a1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Avoiding Fermi level pinning at SnS interface for high open-circuit voltage2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, B. Huang, S. Kawanishi, T. Omata, A. Klein
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. C

      Volume: 126 Pages: 20570

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c04212

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] PGSカソードを用いたスパッタリング法によるSnS薄膜の作製2023

    • Author(s)
      野上大一、鈴木一誓、小俣孝久
    • Organizer
      2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 角度分解光電子分光によるSnS価電子帯の原子軌道同定2022

    • Author(s)
      鈴木一誓、川西咲子、田中清尚、田中慎一郎、小俣 孝久
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] 偏光依存ARPESを用いたSnS価電子帯の電子構造の解析2022

    • Author(s)
      鈴木一誓、川西咲子、田中清尚、田中慎一郎、小俣 孝久
    • Organizer
      2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] n型SnSの作製とホモ接合太陽電池への展開2022

    • Author(s)
      鈴木一誓
    • Organizer
      2022年度 多元系化合物・太陽電池研究会 年末講演会
    • Invited
  • [Presentation] Close to energy gap band bending at SnS interface2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, B. Huang, S. Kawanishi, T. Omata, A. Klein
    • Organizer
      E-MRS 2022 Spring Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] N-type SnS and its application to homojunction solar cells2022

    • Author(s)
      I. Suzuki, S. Kawanishi, S. R. Bauers, A. Zakutayev, M. Kim, H. Yanagi, T. Omata
    • Organizer
      PVSEC-33
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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