認証済み10.7%変換効率を達成したSb2(S,Se)3太陽電池のための硫化ナトリウムによる加水分解反応動力学の制御

より賢い太陽材料でクリーンな未来を

太陽電池は価格が下がり普及が進んでいますが、効率の一パーセント向上は依然として炭素排出削減とエネルギーコスト低減に大きな影響を与えます。本研究は、豊富に存在する元素であるアンチモン、硫黄、セレンからなる新しい太陽材料に注目し、水を用いた低温の成長プロセスを精密に調整することで超薄膜太陽電池の出力を高める方法を示します。密閉された高温水反応器内部の化学を理解し制御することで、研究チームはこれらの環境に優しいデバイスを認証効率10.7%まで押し上げ、将来のタンデムや建築一体型太陽技術に役立つ設計ルールも明らかにしました。

有望な薄くて地球に優しい太陽吸収層

本研究の中心にある材料、アンチモン・セレノサルファイドは太陽光を非常によく吸収するため魅力的です。数百ナノメートル程度の薄さ—人間の髪の毛よりも遥かに薄い—であってもほとんどの入射光を捕えることができます。硫黄とセレンの比率を変えることでバンドギャップ（色調）を調整でき、単層設計の限界を超えるためにシリコン上に積層するタンデム太陽電池の上位層として有望です。同時に、一般的な元素を用いた溶液プロセスで比較的低温により製造できる点も重要で、希少金属や有毒金属を使わないことが利点です。高い吸収率、調整可能性、そして製造性の組み合わせがこの材料を次世代薄膜太陽材料の有力候補にしています。

速い化学反応が生む見えにくい障壁

これらの光吸収膜を成長させるために、多くの研究グループは加水分解法を用いています。ガラス基板に薄い“シード”層をコーティングし、テフロン裏打ちの容器に水と溶解塩を入れて加熱すると、表面に結晶が成長します。標準条件では、アンチモン源と硫黄を含む塩は反応しやすい一方で、有機分子として添加したセレンは突然放出されることが多いという特徴があります。研究チームは、このセレンの急激な放出が膜の下部をセレン濃化、上部を硫黄濃化させ、垂直方向の組成勾配を埋め込んでしまうことを示しました。走査顕微鏡画像は底部付近に空隙や不均一な構造があることを示し、光放出マップは膜内部のエネルギー景観が不利に傾いており、電荷キャリアが外部電極に達しようとする際にエネルギーの“丘”を登らされることを明らかにしました。

成長過程を抑えるシンプルな塩の利用

鍵となる革新は、前駆体溶液に少量の硫化ナトリウムを添加することです。この余分な硫化物は液の酸性度を穏やかに上昇させて安定化させ、硫黄とセレンを含む種の形成と反応タイミングを変えます。突然のセレン放出とその後の枯渇が起こる代わりに、放出は徐々かつ安定したものになります。その結果、膜成長に伴い硫黄とセレンがより均一に組み込まれ、底面界面から上面にかけてほぼ一様な組成になります。電子顕微鏡および元素マッピングは、構造的な空隙がほとんど消え、深さ方向の硫黄/セレン比が平坦化することを示しています。同時に、追加の硫化物は好ましくない酸素リッチな副生成物を所望のカルコゲナイドへと変換するのを助け、膜の形成をクリーンにします。

電荷の通り道がきれいになりエネルギー・トラップが減る

これらの構造的・組成的改善は、太陽光で生成される電荷の取り扱い方法を直接変えます。膜の断面にわたる光放出の詳細な測定は、添加剤がない場合にエネルギーレベルが曲がって正孔（正に帯電したキャリア）の外部電極への流れを遮っていることを示しています。硫化ナトリウムを加えると、バンドは平坦になりこの障壁が除去され、正孔はより自由に移動できるようになります。別の欠陥分光実験では、深い“トラップ”状態の密度—硫黄欠損やアンチモンの位置ずれに起因するもの—が概ね2桁減少していることが明らかになりました。トラップが減ると非放射再結合（電荷が熱として失われる現象）が減り、有効なキャリア濃度が上がって内部抵抗が下がります。これらの変化が合わさって、吸収層がやや薄くなり電圧が少し下がるものの、デバイスの短絡電流とフィルファクターが向上します。

微妙な化学調整から優れた太陽電池へ

アンチモン・セレノサルファイドの加水分解成長における反応経路を注意深く解析し、硫化ナトリウムでそれらを意図的に遅らせ滑らかにすることで、控えめな化学的調整が太陽電池性能に大きな影響を与えることを研究者たちは示しました。改良された膜は変換効率11.02%を達成し、独立認証では10.7%が確認され、このクラスのデバイスに新たなベンチマークを設定しました。より広く見ると、本研究はデバイスの層構成だけでなく溶液化学の制御により、効率を制限する隠れた勾配や欠陥を排除できることを示しています。これらの知見は低温・溶液プロセスによる太陽材料の改良に向けたロードマップを提供し、手頃で高性能な薄膜およびタンデム太陽技術に近づけます。

引用: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

キーワード: アンチモン・セレノサルファイド太陽電池, 加水分解薄膜, 硫化ナトリウム添加剤, 太陽電池における欠陥低減, タンデム太陽技術