東北大、次世代太陽電池・硫化スズ薄膜のわずかな組成のずれの影響を解明

東北大学は3月25日、次世代の薄膜太陽電池や熱電変換素子への応用が期待される硫化スズ(SnS)を薄膜化する際、両元素の原子数比(組成)が1:1からわずかにずれることがあり、それが薄膜にどのような影響を及ぼすのかが不明だった中で、SnS薄膜の組成を精密に制御する手法を開発し、組成のずれが電気的特性や膜質に大きな影響を与えることを実験的に解明したと発表した。

同成果は、東北大 多元物質科学研究所の鈴木一誓講師、東北大大学院 環境科学研究科 先進社会環境学専攻の野上大一大学院生らの研究チームによるもの。詳細は、米国物理学協会が刊行する材料科学を扱う学術誌「APL Materials」に掲載された。

SnSは、次世代の薄膜太陽電池や熱電変換素子への応用が期待される半導体で、どちらも地球上に豊富に存在し、大量に摂取するようなことがなければ人体に無害とされるスズと硫黄が1:1の原子数比で構成されている。しかし、硫黄はスズと比較して著しく蒸発しやすい元素であるため(例えば、500℃における硫黄の「飽和蒸気圧」(元素の蒸発のしやすさ)は、スズのそれよりも11桁も高い)、SnS薄膜を作製する際、スズと硫黄の比率が化学式通りの1:1からわずかにずれが生じることがあった。従来は「組成のずれは小さい方が望ましい」と一般的に考えられていたものの、具体的にどの程度の影響があるのかは実験的に検証されていなかった。

そこで研究チームは今回、SnS焼結体をターゲットとした通常のスパッタリングに加えて、プラズマ化した硫黄を薄膜堆積部に供給する新たな手法である「硫黄プラズマ援用スパッタリング法」を用いて、硫黄の量を精密に制御したSnS薄膜を作製。その電気的特性や膜質などを詳細に解析し、組成のずれが物性に与える影響を調査したという。

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  今回の研究で用いられた硫黄プラズマ援用スパッタリング法の模式図。(a)装置の全体像。(b)硫黄プラズマ供給装置の内部構造(出所:東北大プレスリリースPDF)