2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of High-Performance Hole Transport Materials by Isovalent Impurities
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22K19094
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
松崎 功佑 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (40571500)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | キャリアドーピング / 複合欠陥 / 太陽電池材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽電池に用いられている正孔輸送材料や光吸収層には、高い移動度を示す高性能なp型半導体が必要であり、近年、その候補としてCu（I)半導体材料が検討されている。しかし、構成元素である一価のCuイオンでは、一般的に用いられる置換型不純物による不純物ドーピングを用いることができないため、デバイス性能の最適化に必要なp型半導体層のキャリア濃度制御が困難であった。本課題では、実験・理論両面の検討から複数のCu（I)半導体材料において、銅と等原子価のアルカリ金属が正孔濃度を向上させる有効な不純物ドーパントであることを示した。
１．格子間不純物―銅空孔複合欠陥が浅いアクセプター準位形成により、太陽電池光吸収層であるp型亜酸化銅(Cu2O)に等原子価のアルカリ金属不純物Naによって正孔濃度が増加する。
２．ワイドギャップp型無機半導体のヨウ化銅（CuI）では、薄膜の形態では大気中の吸着分子によるバンドベンディングにより、キャリア濃度が見かけ上向上し、純粋なもので10^14cm-3程度と低いことが分かった。そのため等原子価不純物導入によるキャリア濃度向上について検討し、セシウムよる正孔濃度増加(1x10^19cm^-3)、および格子間不純物―銅空孔型複合欠陥による浅いアクセプター準位形成を確認した。
３．多様なイオン半径をもつ等原子価のアルカリ不純物のサイズ効果により、n/p型ドーピングを制御できることを示した。具体的には、ｎ型窒化銅（Cu3N）において、小さい不純物のリチウムでは格子間不純物となりn型ドーピング、また大きな不純物のルビジウム、セシウムでは格子間不純物―銅空孔型複合欠陥形成によりp型ドーピングとなった。
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