2022 Fiscal Year Research-status Report

ペロブスカイト型硫化物を基盤とする次世代型太陽電池材料の開発

Research Project

Project/Area Number	22K14752
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	永井隆之東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任研究員 (30851018)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2024-03-31
Keywords	ペロブスカイト / 半導体 / カルコゲナイド / 太陽電池
Outline of Annual Research Achievements	本研究の対象物質であるペロブスカイト型硫化物BaZrS3は、太陽電池材料として有望な電子構造を有し、巨大な吸収係数を示すだけでなく、化学的耐久性が高く、毒性元素も含まないことから、次世代型太陽電池材料の候補物質として近年注目を集めている。しかしながら、キャリア制御に関して課題を残している。太陽電池応用を見据えた際にキャリア極性・濃度の制御は不可欠であり、化学ドーピング等の手法によって自在に制御できるのが理想的であるが、BaZrS3においては適したドーパントが見つかっておらず、化学ドーピングによるn型、p型伝導、キャリア濃度の制御は未だに報告されていない。このような背景から本研究では、BaZrS3における化学ドーピングによるキャリア制御を目標とし、本年度は最適な化学ドーパント種の探索を行った。先行研究で報告されているBaZrS3の各原子サイトの欠陥生成エネルギーを参考に、各原子サイトで適当な物質合成プロセスを検討、考察し化学ドーピングを試みた。その結果、少なくともバルク多結晶体においてドーパントの種類によってキャリア極性が反転し、ドーパント量に従ってキャリア濃度が変化する結果が得られた。以上の結果を太陽電池応用に展開するためには薄膜試料で同様の結果を得る必要がある。バルク多結晶体の結果から選定したドーパントを用いて多結晶薄膜でもキャリア制御を試みたがこちらは現状成功していない。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 1年目の達成目標と設定していたn型、p型ドーパントの探索にはおおむね成功したと考えている。さらにドーパント量を制御することに伴ってキャリア濃度変化する傾向確認しており、目標の一つであった化学修飾によるキャリア濃度の制御も成功しつつある。以上のことから総合的に(2)と判断した。
Strategy for Future Research Activity	2023年度はキャリア濃度を制御したBaZrS3薄膜の作製に取り組む予定である。これまでに様々な手法で薄膜作製が行われているが、キャリア濃度を制御した薄膜の報告はほとんどなく、p型伝導の報告は未だにない。このような背景から、今年度はこれまでに探索したドーパントを足掛かりに化学修飾によってキャリアの極性・濃度を制御した薄膜の作製を試みる。さらに、BaZrS3に限らず硫化物ペロブスカイトは発光半導体・太陽電池材料に適した電子構造を持っていることが知られており、その電子構造の起源を明らかにすることは今後の物質探索における重要な指針を与えることが期待される。したがって、第一原理計算を用いてその起源解明も試みる。
Causes of Carryover	主に所属先の変更に伴って研究設備・環境が変わり、当初購入を予定していた3ゾーン環状炉などの合成設備を購入する必要がなくなったため。また購入予定だった光源の価格上昇によって使用計画の変更を余儀なくされたことも理由である。今年度は主に真空ポンプや配管設備、ガスバーナー、遠心機といった大気不安定原料を用いた物質合成を行うための真空封管環境の増設に使用する予定である。