利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.07.09】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UT0194

利用課題名 / Title

ペロブスカイト型半導体の組成分析

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

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）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

再生可能エネルギー材料, ペロブスカイト型半導体, 有機無機ペロブスカイト型半導体, ペロブスカイト太陽電池, X線光電子分光,電子分光,太陽電池/Solar cell,パワーエレクトロニクス/Power electronics,太陽電池/ Solar cell,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,電子分光/ Electron spectroscopy


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)

五月女 真人

所属名 / Affiliation

東京大学　先端科学技術研究センター

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

近藤高志,豊田祥平,劉子豪,Jung Hanbo,浅原礼旺

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


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

UT-301：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)


報告書データ / Report

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

ハロゲン化金属ペロブスカイト型半導体は組成ABX3のペロブスカイト構造からなる半導体で，Aが一価カチオン（Cs+，CH3NH3+など），Bが金属イオン（Pb2+，Sn2+など），Xがハロゲンイオン（I−，Br−など）である。このハロゲン化金属ペロブスカイト型半導体を光吸収層に用いた薄膜太陽電池は，「ペロブスカイト太陽電池」と呼ばれ，ペロブスカイト型半導体の層で光を吸収しキャリアを生成する。発電効率の高い次世代太陽電池として注目を集めている。真空蒸着装置（研究室保有）でZnドープCsSnBr3薄膜を作製し，そのSn2+, Sn4+の比率を多機能走査型X線光電子分光分析装置(設備ID UT-301)により評価した。

実験 / Experimental

【測定対象】試料は研究室保有の真空蒸着装置を用いて作製した薄膜試料である（図１に模式図：ガラス基板に厚み約500 nm積層）。CsSnBr3薄膜やZn合金CsSnBr3薄膜をガラス基板上に以下の化学量論比で20%Zn試料まで作製した。CsBr、SnBr2、ZnBr2の共蒸着により作製した。サンプルはZnの含有量によって以下のように略した(1Zn = SnBr2:ZnBr2供給比99:1など)。【組成分析】多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)(UT-301)によって、作製したペロブスカイト多結晶薄膜の組成分析を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

CsSnBr3薄膜の化学組成やZn合金CsSnBr3薄膜でのSnイオンの酸化の度合いを評価するため、CsSnBr3薄膜やZnイオン濃度を変えた薄膜試料でXPSを行った（図２）。Arイオンスパッタリングなしで測定し、深さ5nm以下の表面スズイオン酸化のみを評価した。Sn3d5/2のピークからSn2+とSn4+の2つのピークでフィッティングし、各イオンの割合を評価した。4Zn試料ではSn4+組成の有意な減少が10%未満で観測され、Zn合金がSn2+の酸化を抑制していることが示唆された。Sn4+イオンの抑制により、欠陥やトラップ状態が減少し、再結合損失が減少する可能性がある。したがって、Zn合金は太陽電池内の電荷抽出と輸送の全体的な効率を高めることにつながる可能性がある。さらに、Snの3d軌道の結合エネルギーは、Zn含有量の増加とともに減少した。具体的には、4Znサンプルは純粋なものと比較して1.0eV低い結合エネルギーを示した。これは、ZnイオンはSnよりもBrとの化学的相互作用が強いため、ZnイオンがSn2+ 3d軌道の核外電子と内殻電子のクーロン相互作用を減少させるためである。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


図1. 評価した蒸着薄膜の概念図。



図2. (a) XPSスペクトル。Arイオンスパッタリングを行わずに測定し、最表面から深さ5nm以内の表面Snイオン酸化を評価。(b) Sn2+とSn4+の割合のZn含有比率に対する依存性。


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

 本実験データは下記の論文に用いた：H. Jung, Z. Liu, M. Sotome, and T. Kondo, "Vapor phase deposition of lead-free halide perovskite alloy CsSn1-x Zn x Br3." Japanese Journal of Applied Physics, 63, 01SP24 (2024). DOI: 10.35848/1347-4065/acfdb3■Z. Liu, H. Jung, M. Sotome, and T. Kondo, "Substrate temperature dependence of vapor phase deposition of all-inorganic lead-free CsSnBr3 perovskite thin films." Japanese Journal of Applied Physics, 63, 01SP23 (2024). DOI: 10.35848/1347-4065/ad1196　　大学院工学系研究科附属総合研究機構ナノテクノロジープラットフォームの沖津康平様には、PHI 5000 Versa Probe(設備ID UT-301)の使用方法について詳細にご教授いただきました。深く御礼申し上げます。


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. Hanbo Jung, Vapor phase deposition of lead-free halide perovskite alloy CsSn1−x Zn x Br3, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 01SP24(2023).
    DOI: 10.35848/1347-4065/acfdb3
  2. Zihao Liu, Substrate temperature dependence of vapor phase deposition of all-inorganic lead-free CsSnBr3 perovskite thin films, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 02SP23(2024).
    DOI: 10.35848/1347-4065/ad1196
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. Hanbo Jung, Zihao Liu, Masato Sotome, Gaurav Kapil, Shuzi Hayase, Takashi Kondo, "Vapor phase deposition of lead-free halide perovskite alloy CsSn1-xZnxBr3 (part II)", The 84th JSAP Autumn Meeting, 22p-C601-2 (2023). (oral presentation)
  2. Hanbo Jung, Zihao Liu, Masato Sotome, Takashi Kondo,"Vapor phase deposition of lead-free halide perovskite alloy CsSn1-xZnxBr3", The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, G-4, June 2023, Kanazawa, Japan (10:40~11:00 June 7th, 2023). (oral presentation)　2023年9月
  3. Z. Liu, H. Jung, M. Sotome and T. Kondo,"Substrate temperature dependence of vapor phase deposited thin films of all inorganic lead free CsSnBr3 perovskite", The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, C-3, June 2023, Kanazawa, Japan (2023). (oral presentation)
  4. Z. Liu, H. Jung, M. Sotome and T. Kondo,"三温度法を用いた真空蒸着によるペロブスカイトCsSnBr3薄膜の作製 Vapor phase deposition of tin halide perovskite CsSnBr3 thin films with three-temperature method", The 84th JSAP Autumn Meeting, 22p-C601-4 (2023). (oral presentation）2023年9月
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

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