東北大、太陽電池用SnS薄膜の最適組成を解明：組成を精密に制御する手法も開発

東北大学は、太陽電池に用いられる硫化スズ（SnS）薄膜の組成を精密に制御する手法を開発するとともに、「組成のずれ」が電気的特性や膜質に与える影響を実験的に解明した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

化学量論組成の薄膜は粒子が密に堆積、正孔の移動度が極めて高い

　東北大学多元物質科学研究所の鈴木一誓講師と同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による研究グループは2025年3月、太陽電池に用いられる硫化スズ（SnS）薄膜の組成を精密に制御する手法を開発するとともに、「組成のずれ」が電気的特性や膜質に与える影響を実験的に解明したと発表した。

　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ている。ところが、硫黄は蒸発しやすく、SnS薄膜を作製する時にスズと硫黄の比率が1：1からわずかにずれることがあるという。しかしその影響についてはこれまで、十分に解明されていなかった。

　研究グループは今回、独自の硫黄プラズマ援用スパッタリング法を用い、硫黄の供給量を精密に制御したSnS薄膜を作製することに成功した。独自の方法とは、SnS焼結体をターゲットにした従来のスパッタリングに加え、プラズマ化した硫黄を薄膜堆積部に供給する手法だ。硫黄プラズマは、硫黄粉末をヒーターで加熱して得られる硫黄蒸気に、高周波を印加することで得られるという。

硫黄プラズマ援用スパッタリング法の模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　実験では、硫黄粉末の加熱温度を変えて硫黄プラズマの供給量を調整し、SnS薄膜中に含まれる硫黄量を制御した。そして、スズと硫黄の比率が「1：0.81」「1：0.96」「1：1」「1：1.04」と、微妙に異なる複数のp型SnS薄膜を作製した。

　これらの薄膜を詳細に解析した。この結果、化学量論組成の1：1となるSnS薄膜は粒子が密に堆積しており、正孔の移動度は11cm²V^-1s^-1と極めて高く、太陽電池に適していることを明らかにした。

　これに対し、化学量論組成からわずかでもずれると、粒子が粗く堆積し空隙の多い膜質となった。しかも、硫黄が過剰な場合はキャリア密度が急上昇する。ところが硫黄が不足してもキャリア密度はほとんど変化しないことが判明した。

上図は「化学量論組成」と「非化学量論組成」における薄膜表面の電子顕微鏡写真、下図は薄膜断面の模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

SnS薄膜の正孔移動度とキャリア密度との組成依存性［クリックで拡大］ 出所：東北大学