【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.02.27】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AT0291

利用課題名 / Title

環境調和型銅硫化物系太陽電池材料における多結晶薄膜及び太陽電池の元素分布評価

利用した実施機関 / Support Institute

産業技術総合研究所 / AIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

質量分析/ Mass spectrometry,太陽電池/ Solar cell

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

金井 綾香

所属名 / Affiliation

長岡技術科学大学電気電子情報系

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

五十嵐 優聴

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

大塚 照久

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AT-038：二次イオン質量分析装置(D-SIMS)

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

環境に優しく、無毒かつレアメタルフリーな太陽電池の光吸収層材料として、銅硫化物をベースとするCu₂SnS₃（CTS）やCu₂(Sn,Ge)S₃（CTGS）が注目されている。しかし、その物性から推定される理論上のエネルギー変換効率と比較すると、現状報告されている効率は依然として低い。その低効率の原因の一つとして、薄膜結晶成長の手法が確立されていないことが挙げられる。これは、蒸気圧がかなり高いSと比較的高いSnS、蒸気圧が低いCuSといった異なる蒸気圧を持つ化合物が含まれているため、薄膜形成における条件の最適化が難しいことに起因する。本研究では、高効率化を目指し、様々な成長条件で成膜したCTSおよびCTGS薄膜における、それら薄膜内の深さ方向の元素分布と太陽電池特性などの関係性を調査した。

実験 / Experimental

・利用装置：二次イオン質量分析装置(D-SIMS)【AT-038】
・実験方法： 作製したCTGS及びCTS薄膜or太陽電池構造に対し、二次イオン質量分析装置(D-SIMS)を使用して深さ方向元素プロファル分析した。

結果と考察 / Results and Discussion

本研究では、粒径増大を目的として、温度制御した硫化スズ＋硫黄の混合雰囲気中でCu/Sn-S積層前駆体を硫化し、CTS薄膜を成長させた。この条件で成膜した薄膜を光吸収層として用いて太陽電池素子を作製したところ、発電は得られないことが明らかとなった。その原因を調査するため、FE-SEMおよびD-SIMS測定を行い、深さ方向の元素分布を確認した。図1に、そのCTS薄膜における断面FE-SEM像と、それに対応するD-SIMS測定結果を示す。なお、測定時の構造はCTS/Mo（裏面電極）/ガラス基板である。断面FE-SEM像から、CTS薄膜は上下二層にきれいに分かれていることが確認され、D-SIMS測定によりその深さ方向の元素分布を調べた結果、上層はCu過剰組成、下層はSn過剰組成であることがわかった。これにより、成長中に硫化スズ蒸気が供給されているものの、その供給量が現状のCTS薄膜には不十分であることが示唆された。CTS系化合物においてCu/Sn組成比のわずかな変化が電気特性に大きな影響を与えることはすでに明らかであり、このような深さ方向における元素ムラが発電性能に影響を及ぼす可能性があるため、成長条件の最適化が重要であることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 CTS薄膜の断面FE-SEM像とそれに対応する深さ方向元素分布(SIMS)[Ref. 1]

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

Ref 1. Yuki Igarashi, Ray Ohashi, Ayaka Kanai* and Kunihiko Tanaka, “Influence of sulfurization process in tin sulfide and sulfur mixed vapors on the morphology of Cu₂SnS₃ thin films”, Journal of Physics D: Applied Physics 58, 015309 (2025). DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad8005

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Yuki Igarashi, Influence of sulfurization process in tin sulfide and sulfur mixed vapors on the morphology of Cu₂SnS₃ thin films, Journal of Physics D: Applied Physics, 58, 015309(2024).
   DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad8005
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 金井 綾香*，田崎 傑士, 荒木 秀明, 田中 久仁彦, “Admittance spectroscopy法によるCu2(Sn1-xGex)S3太陽電池の欠陥評価”, 第21回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム　於広島国際会議場, PC-8, 2024-7-11～12.
2. Y. Igarashi, A. Kanai*, R. Ohashi and K. Tanaka, “Influence of sulfurization in controlled Sn-S and S mixed vapors on properties of Cu2SnS3 thin films”, 22nd International Conference on Ternary and Multinary Compounds (ICTMC-22), Beijing, China, September 9-13 (2024).
3. Ayaka Kanai*, Takeshi Tasaki, Hideaki Araki, Kunihiko Tanaka, “Electrical properties of the Cu2Sn1-xGexS3 absorbing layer in solar cells as determined by admittance spectroscopy and related methods”, the 35th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-35), Tu2-P42-03, Plaza Verde (Mt. Fuji), Japan, November 10-15 (2024).

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件