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

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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。