大阪大学は2018年9月6日、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たと発表した。次世代太陽電池材料開発への寄与が期待できるという。
実用化されている太陽電池や光検出器の光電変換材料が含んでいる元素には、高価なものや有毒なものがあり、安価で低毒な新規光電変換材料の開発が強く求められている。数千万種類以上もある有機／無機およびハイブリッド材料の中には、優れた半導体が埋もれていると考えられるが、素子材料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、さらに最適な成膜方法は材料ごとに異なるため、一つ一つの成膜方法を開発して多くの材料を検討するには、膨大な時間と労力を要していた。
今回の研究では、同大学の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」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出した。しかし、硫化ビスマスは安価でより低毒であるものの、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だった。
そこで、研究グループは前駆体を溶かした溶液からアモルファス性の薄膜を作製し、続いて硫化するという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た。従来、光電気特性と膜平坦性は両立しないものだったが、結晶の核生成と成長過程を独立したプロセスに切り分けることで、それぞれを最適化した。
その結果、従来のプロセスで作製した硫化ビスマス薄膜に比べて、素子の光応答性能を6～100倍以上向上させることに成功した。作製した素子は、大気中／室内で3カ月放置した後も性能を維持しており、長期安定性にも優れているという。
