高品質スズペロブスカイト薄膜の作製方法を開発：汎用性が高く大面積塗工も可能

京都大学化学研究所の研究グループは、高品質のスズペロブスカイト半導体薄膜を作製するための塗布成膜法を開発した。この成膜方法は汎用性が高いうえに、大面積基板への塗工にも適用できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

基板の濡れ性の影響を受けにくく、均一な薄膜の作製が可能に

　京都大学化学研究所の研究グループは2025年９月、高品質のスズペロブスカイト半導体薄膜を作製するための塗布成膜法を開発したと発表した。この成膜方法は汎用性が高いうえに、大面積基板への塗工にも適用できるという。

　ペロブスカイト太陽電池は、塗布プロセスで作製できるため、次世代太陽電池として注目されている。しかも環境負荷の観点から、鉛（Pb）フリー材料として「スズ（Sn）ペロブスカイト」が有力候補に挙がっている。ところが、光電変換率はPb系より低く、作製可能なセル面積も1cm²以下であった。

　こうした要因の1つとして、結晶化メカニズムの違いがあるという。ペロブスカイト薄膜は、スピンコート中にペロブスカイトを溶かさない溶媒（アンチソルベント）を滴下して作製する。この過程で、Pbペロブスカイトは溶媒と錯体を形成した中間相を経由して結晶化することが多い。

　これに対しSnペロブスカイトは、前駆体溶液から直接結晶化する。このため、ピンホールのないSnペロブスカイト膜を作製するには、アンチソルベントについて複雑な条件を最適化する必要がある。基板の濡れ性の影響を受けやすいという課題もあった。

　そこで研究グループは、前駆体インクを塗布した後の乾燥工程において、非晶質の中間相を経由しSnペロブスカイト薄膜を形成する「結晶成長制御剤を用いた真空乾燥法（V-CGR法）」を開発した。具体的には、Snイオンに強い支配力を持つイミダゾール誘導体をペロブスカイトの結晶成長剤として前駆体溶液に添加し、真空乾燥によって溶媒を除去する方法である。

　この結果、Snペロブスカイト微結晶の周りがSnI₂錯体を含む非晶質の固体で覆われた、平たんな中間体膜が形成された。この後に加熱すると、イミダゾール誘電体が脱離・放出されて均一なSnペロブスカイト薄膜を形成できた。

上図がアンチソルベント法、下図が開発した成膜法のイメージ［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　今回開発した成膜法は、従来手法に比べ基板の濡れ性の影響を受けにくい。このため、疎水性の高い単分子膜材料（MeO-2PACzや2PACz）上にも、Snペロブスカイト半導体膜を作製できるという。また、溶媒として酸化性のジメチルスルホキシド（DMSO）を用いないことから、Snペロブスカイト太陽電池デバイスの熱安定性も向上させた。大面積のSnペロブスカイト薄膜も作製でき、デバイス面積が21.6cm²という7段モジュールの作製に成功した。

左は疎水性単分子膜上への成膜例、中央はDMSOフリー化により熱安定性が向上、右は広い面積に塗工した例［クリックで拡大］ 出所：京都大学

　今回の研究成果は、京都大学化学研究所の原田布由樹博士課程学生、中村智也助教、若宮淳志教授、金子竜二元特定助教（現在はエネコートテクノロジーズ）、Shuaifeng Hu元博士課程学生らによるものである。