発表日:2018年9月6日

2段階の熱処理で高品質のビスマス系薄膜

～光応答性能を向上、次世代太陽電池開発に期待～

■ポイント

・光電変換素子の材料探索は、それぞれの材料に最適な成膜プロセスの開発と同時に進める必要があり、1つの材料でも数年を要していた。

・粉末でも性能を評価できる独自の超高速スクリーニング法で200種類以上の材料を探索し、安価でより低毒な硫化ビスマスが優れた光電気特性を持つことを見いだした。

・2段階の熱処理を施す薄膜生成プロセスを開発し、光応答性能は従来と比べて6倍～100倍向上した。次世代太陽電池材料の開発につながると期待される。

JST戦略的創造研究推進事業において、大阪大学 大学院工学研究科 佐伯 昭紀准教授と西久保 稜佑 大学院生（博士後期課程1年）は、価格、低毒性、安定性に優れた硫化ビスマスの成膜プロセスを開発し、高性能光応答素子の作製に成功しました。

実用化されている太陽電池や光検出器の光電変換材料の多くは、高価で有毒な元素を含んでおり、安価で低毒な新規材料の開発が強く求められています。しかし、素子の性能を評価するには均一で平坦な薄膜を作製する必要があり、1つの候補材料だけでも成膜方法の開発に数年かかることもあります。そのため、多くの材料を一つ一つ検討していくには膨大な時間と労力を要していました。

本研究では、佐伯准教授らがこれまでに開発した、粉末でも簡便に光電気特性を評価できるマイクロ波分光法注1）を用いて200種類以上の材料を評価し、その中から硫化ビスマスが高い光電気特性を示すことを見いだしました。硫化ビスマスは安価でより低毒なものの、溶媒に溶けにくい粉末材料であり、このままでは素子作製が困難でした（図1）。そこで、前駆体注2）を溶かした溶液からアモルファス注3）性の薄膜を作製し、続いて硫化する新たな熱処理プロセスを開発し、優れた光電気特性と膜平坦性を兼ね備えた薄膜の作製に成功しました（図2）。従来、光電気特性と膜平坦性は両立しないものでしたが、新規プロセスは結晶の核生成と成長過程を個別に制御することでこの問題を克服しました。これにより、光応答性能が大きく向上しました（図3）。

本研究成果は、2018年9月5日（米国東部時間）に米国化学会誌「The Journal of Physical Chemistry Letters」のオンライン速報版に掲載されました。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

　戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）

　研究領域:

　　「理論・実験・計算科学とデータ科学が連携・融合した先進的マテリアルズインフォマティクスのための基盤技術の構築」

　　（研究総括:常行 真司 東京大学 大学院理学系研究科 教授）

　研究課題名:「超高速スクリーニング法を駆使したエネルギー変換材料の探索」

　研究者:佐伯 昭紀（大阪大学 大学院工学研究科 准教授）

　研究実施場所:大阪大学 大学院工学研究科

　研究期間:平成27年12月～平成31年3月

本研究領域では、実験科学、理論科学、計算科学、データ科学の連携・融合によって、それぞれの手法の強みを生かしつつ得られた知見を相互に活用しながら新物質・材料設計に挑む先進的マテリアルズインフォマティクスの基盤構築と、それを牽引する将来の世界レベルの若手研究リーダーの輩出を目指しています。

※以下は添付リリースを参照

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添付リリース

http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0489947_01.pdf