タンデム型太陽電池の性能向上に向けたバンドオフセット（不連続量）解析 No.045

背景
　タンデム型太陽電池は、特性が異なる太陽電池を組み合わせて発電効率を高めた太陽電池で、GaAs系太陽電池を用いる現行品ではSi太陽電池単体の1.5～2倍の発電効率が得られますが、数100倍以上の高い製造コストが課題です。
　これに対し、亜酸化銅（Cu₂O）太陽電池は低コストの反応性スパッタリング法を用いた製造が可能で^[1]、Si太陽電池と組み合わせた全体の発電効率は26.1%を達成していますが^[2]、さらなる効率向上には、p型半導体であるCu₂O層と組み合わせるn型層の材料や成膜プロセスを最適化し、pn接合界面の伝導帯バンドオフセットを小さくする必要があります^[3]。
　このバンドオフセットの解析には、検出深さが数10 nmと大きいHAXPES（硬X線光電子分光法）が有効で、実際のデバイスで用いられる厚さ10 nm程度のn型層越しに埋もれた界面を測定できますが、一方で膜厚50 nm以上の厚い参照試料が必要となるため、成膜時間や結晶成長の点から厚膜化が難しいn型材料には適用が困難でした。

成果の詳細
　そこで本研究ではSPring-8を利用し、n型層が10 nm程度の積層試料をX線全反射条件で測定することで、検出深さが小さくなりn型層の参照スペクトルが得られることを確認しました。酸化スズ亜鉛（ZTO）をn型層に用いた積層試料では、Cu₂O表面の平坦性不足により十分なX線全反射が生じませんでしたが、膜厚評価用としてSi基板上に同時成膜されたZTO層からX線全反射を利用した参照スペクトルが得られ、ZTO/Cu₂O界面のバンドオフセットを求めることができました。この方法では組成や成膜条件ごとに厚いn型層の参照試料を作製する必要がなく、積層試料のみを作製すればよいため、より多くの条件についてバンドオフセット解析が行えるようになりました。今後、n型材料の組成や成膜条件の最適化にバンドオフセット解析を活用し、安価で高効率なタンデム型太陽電池の製品化を目指します。