東北大,硫化スズで高効率太陽電池開発に知見

東北大学の研究グループは,硫化スズ単結晶に酸化モリブデンを堆積した界面の電子状態を光電子分光法によって解析し,バンドが大きく曲がることを初めて実測した(ニュースリリース)。

現在用いられている太陽電池のほとんどはシリコン(Si)を光吸収層とするが,シリコンは光の吸収が弱く,太陽光を余すところなく吸収するためには0.5mmほどの厚みが必要であるという弱点がある。

一方,光を強く吸収する化合物を用いるとシリコンの約100分の1の厚さで太陽光を吸収しきることができる。このような薄膜を用いた太陽電池(薄膜太陽電池)は,必要となる原材料が少ないことから,軽量化や原材料コストの観点で大きな優位性がある。

硫化スズは地球上に豊富に存在し,安価なスズと硫黄から構成される化合物。光を強く吸収することから,薄膜太陽電池材料として期待されており,約20年間太陽電池として研究されてきた。

しかし,その変換効率は最高でも約5%に留まっている。低い変換効率は,硫化スズのバンドが界面においてほとんど曲がらない(約0.2 eV)ことから,得られる電圧(開放電圧)が低くなることが原因とされている。硫化スズのバンドが大きく曲がる界面はこれまで実現されたことはなかった。

研究グループは,n型硫化スズ単結晶の上に酸化モリブデン薄膜を堆積し,界面における電子状態を光電子分光法により観察した結果,界面近傍で硫化スズのバンドが1eVも曲がることを明らかにした。

従来の硫化スズ太陽電池では開放電圧が0.3V程度だったが,今回の結果は硫化スズ太陽電池から0.7-0.8Vの大きな開放電圧が得られる可能性がることを示すもの。

また,今回の結果と従来のバンドがほとんど曲がらない硫化スズ界面との違いを比較することで,太陽電池に適した硫化スズ界面を実現するには,硫化スズ薄膜中の硫黄欠損を抑制することや,太陽電池のp型層およびn型層のどちらにも硫化スズを用いたホモ接合構造の採用が有効であることを提案した。

研究グループは,この研究により,硫化スズの太陽電池としての高いポテンシャルが実証され,硫化スズ太陽電池に関する研究アクティビティが活性化することが期待されるとしている。

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