Development of High-Performance Hole Transport Materials by Isovalent Impurities

太陽電池に用いられている正孔輸送材料には高性能な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きた。その中より化学的に安定かつ溶液法で比較的容易に薄膜形成が可能なワイドギャップp型無機半導体のヨウ化銅（CuI）に着目した。正孔輸送能を向上させるために、正孔濃度を向上させるキャリアドーピング法を検討した。銅一価で構成されるCuIでは、置換をゼロ価不純物で行う必要があり、カチオン不純物を用いたCuIの正孔ドーピングはこれまでなかった。キャリア濃度が純粋なもので10^14cm-3程度と低かったのに対して、等原子価のアルカリ不純物を入れると増加することが分かった。また、アルカリ金属不純物の最適化を行い、カリウム、ルビジウム、セシウムの中でセシウムが最も効率のよいドーパントとなることが分かった。セシウム不純物濃度を制御することにより、キャリア濃度は最大で10^18 cm-3以上であった。また溶液法で作製した多結晶薄膜でもキャリア濃度は増加し、最大で~1x1019cm^-3まで向上した。元素分析よりセシウム導入により銅欠損となることが明らかになり、複数の欠陥種によってキャリア濃度増加が示唆された。そこでその欠陥構造解析を行ったところ、格子間セシウム、複数の銅空孔とヨウ素空孔からなる複合欠陥が安定で、浅いアクセプター準位を形成することが分かった。これにより、高抵抗のヨウ化銅半導体に銅と同じ価数をもつセシウムを加える簡便な方法でキャリア濃度制御が可能となった。

太陽電池に用いられている正孔輸送材料には高性能な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きた。その中より化学的に安定かつ溶液法で比較的容易に薄膜形成が可能なワイドギャップp型無機半導体のヨウ化銅（CuI）に着目した。正孔輸送能を向上させるために、正孔濃度を向上させるキャリアドーピング法を検討した。銅一価で構成されるCuIでは、置換をゼロ価不純物で行う必要があり、カチオン不純物を用いたCuIの正孔ドーピングはこれまでなかった。キャリア濃度が純粋なもので10^14cm-3程度と低かったのに対して、等原子価のアルカリ不純物を入れると増加することが分かった。また、アルカリ金属不純物の最適化を行い、カリウム、ルビジウム、セシウムの中でセシウムが最も効率のよいドーパントとなることが分かった。セシウム不純物濃度を制御することにより、キャリア濃度は最大で10^18 cm-3以上であった。また溶液法で作製した多結晶薄膜でもキャリア濃度は増加し、最大で~1x1019cm^-3まで向上した。元素分析よりセシウム導入により銅欠損となることが明らかになり、複数の欠陥種によってキャリア濃度増加が示唆された。そこでその欠陥構造解析を行ったところ、格子間セシウム、複数の銅空孔とヨウ素空孔からなる複合欠陥が安定で、浅いアクセプター準位を形成することが分かった。これにより、高抵抗のヨウ化銅半導体に銅と同じ価数をもつセシウムを加える簡便な方法でキャリア濃度制御が可能となった。