次世代太陽電池用SnS薄膜の最適組成を新手法で解明：研究開発の最前線

東北大学は、太陽電池などへの応用が期待される硫化スズ薄膜の組成を、精密に制御する成膜技術を開発した。スズと硫黄の比率が微妙に異なる薄膜を作製し、電気的性質と膜質への比率の違いによる影響を解明した。

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　東北大学は2025年3月25日、硫化スズ（SnS）薄膜の組成を、精密に制御する成膜技術を開発したと発表した。スズと硫黄の比率が微妙に異なるSnS薄膜を作製し、電気的性質と膜質への比率の違いによる影響を解明した。

　開発した手法は、SnS薄膜をスパッタリングによって成膜する際にプラズマ化した硫黄を薄膜堆積部に供給する「硫黄プラズマ援用スパッタリング法」だ。硫黄粉末をプラズマ化する際の加熱温度を変えることで、硫黄プラズマの供給量を制御し、薄膜中の硫黄量をコントロールする。

硫黄プラズマ援用スパッタリング法の模式図。装置の全体像（a）と硫黄プラズマ供給装置の内部の様子（b）［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　この手法により、スズ1に対し、硫黄が0.81、0.96、1、1.04の4つの比率のSnS薄膜を作製し解析したところ、1：1の比率からわずかでもずれると、粒子が粗く堆積した空隙の多い膜質となることがわかった。一方、1：1の薄膜は粒子が密に堆積しており、11cm²V^－1s^－1と高い正孔移動度を示した。

（上）化学量論組成と非化学量論組成の薄膜表面の電子顕微鏡写真。（下）薄膜の断面の模式図。結晶子の内部の斜線は結晶の方位を示す［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　また、キャリア密度は硫黄比率が高い場合に上昇するが、低い場合は変化しない。これは、正孔を生成するアクセプタ型欠陥と電子を生成するドナー型欠陥が同時に形成されるためと考えられ、太陽電池に応用した際の性能低下の原因となり得る。

SnS薄膜の（a）正孔移動度と（b）キャリア密度との組成依存性。横軸は硫黄比率を示す［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　安全で豊富な資源のスズと硫黄で構成されるSnSは、環境に優しい半導体だ。太陽電池や熱電変換素子など次世代のエネルギー変換デバイスへの活用が注目されている。

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