行业第一！利用最尖端的测量技术阐明化合物半导体的缺陷结构 - 通过独特的材料开发技术为太阳能发电的更高效率做出贡献 -

宫崎大学
V体育

演示要点

〇 成功利用荧光X射线全息测量直接观察化合物半导体中的详细缺陷结构
〇不同于过去30年支持的理论的新实验点缺陷知识，有助于化合物半导体物理性质的控制
〇〇开发CdTe太阳能电池所需的技术，实现25%以上的转换效率

摘要

　宫崎大学工学院环境与能源工程中心副教授 Akira Nagaoka 领导的研究小组；V体育工学研究科工学部（物理工程领域）Koichi Hayashi教授和Koji Kimura助理教授领导的研究小组；北京计算科学研究中心苏怀通过魏教授课题组的国际合作研究，阐明了化合物半导体CdTe（碲化镉）缺陷的详细结构。这一结果是不同于过去30年所支持的理论的新实验知识，有望加速太阳能电池等器件转换效率的提高。
　该研究成果于当地时间4月17日发表在美国化学会出版的权威学术期刊上，长冈副教授为第一作者

研究背景

　本研究中使用的CdTe是自20世纪50年代以来主要在美国作为太阳能电池和辐射探测器材料进行积极研究的材料。特别是CdTe太阳能电池在制造过程中消耗的能源较少，并且已建立回收技术，使其成为具有良好环保性能的太阳能电池。它价格便宜，在欧洲和美国的大型发电厂中使用。但目前的转换效率低于目前最受关注的主流硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。
　掺杂技术添加少量杂质，用于控制半导体材料的性能。这控制了杂质取代半导体内的构成元素（替代缺陷）或进入间隙（间隙缺陷）的缺陷数量。此外，空位缺陷（元素不存在于其原始位置）也作为独特缺陷存在（图1）。通过控制这些缺陷，我们可以产生两种粒子，带负电的电子和带正电的空穴，它们是电流的元素（载流子）。为了改进当前的 CdTe 太阳能电池，只需要孔。
　低空穴浓度一直是提高CdTe太阳能电池转换效率的障碍，但近年来，V族（P、As和Sb元素）杂质掺杂作为解决该问题的技术引起了人们的关注。在优化V族掺杂时，以激活率（即实际添加的杂质产生的空穴百分比）为指标，但存在一个问题，即最高只能达到50%（一半的杂质没有被利用）。人们从实验和理论角度研究了这个问题的原因，但仍未得到解决。

研究策略

　研究小组进行了联合研究，目的是通过实验阐明由V族杂质引起的详细缺陷结构。为了获得可靠的结果，需要含有大量有序排列的元素（10的20次方或更多）的“单晶”样品。宫崎大学的一个研究小组拥有独特的单晶生长技术，成功地生产出了高质量的掺有As（砷）杂质的CdTe单晶。通过实验准确地检测半导体中掺入的杂质的量是极其困难的。V体育的一个研究小组正在使用荧光 X 射线全息术¹⁾，我们拥有独特的技术和设备，可以高灵敏度地直接观察微量杂质的三维结构。此外，这项研究将在大型同步辐射装置SPring-8内进行。²⁾处进行的，通过使用高强度和明亮的X射线，我们成功地获得了详细的缺陷信息。
　在分析测量结果时，我们能够获得与迄今为止支持的缺陷结构不同的信息。这表明不仅存在As元素的简单替代缺陷，而且还存在多种类型缺陷组合的复杂缺陷。此外，通过与北京计算科学研究中心的一个研究小组反复讨论，该中心在半导体缺陷的理论方法方面拥有良好的记录，我们能够在实验和理论上支持我们的新发现。

研究结果

　As（As_特) 缺陷的存在（图 2）。作为_Te30 多年来，理论计算一直支持缺陷的二元性，因为它们会变成捕获已生成的孔洞的缺陷（图 3）。这是作为_Te这意味着，即使由于缺陷而产生1个空穴，该空穴也会同时被捕获，并且实际空穴浓度不会增加（载流子补偿过程）。这项研究的重要成果之一是As(As_CD)我们已经通过实验证明了缺陷的存在（图2）。从实验和理论上来看，该缺陷的活化能较低，约为 30 meV³⁾非常容易产生电子。此外，对于迄今为止已支持的捕获空穴的情况，As_Te未发现有缺陷的结构。研究发现，导致活化率低的载流子补偿过程是As元素取代Te和Cd位置产生空穴，但同时也产生电子，从而抵消了电荷。在本研究中，为了有效增加孔的数量，我们在CdTe晶体生长过程中用Cd蒸气进行热处理以增加As_镉我们开发了一种抑制缺陷并实现高活化率的技术。
　作为_CD在具有大量缺陷的样本中，我们确认了先前报告的发现无法解释的缺陷结构。由于这不能用我们迄今为止考虑的简单替代缺陷来解释，因此我们考虑了缺陷组合的复杂缺陷，并通过理论计算选择了可能的结构。结果，去除了 Cd 原子的缺陷 = Cd 空位(V_CD)和作为_CD具有链接缺陷的复合缺陷V_CD-作为_CD(图2) 已被揭露。从实验和理论来看，我们发现这种复杂的缺陷需要240 meV的大活化能才能产生空穴。
　(1)利用全息技术直接观察掺As元素的CdTe单晶的详细缺陷结构，(2)提出新的载流子补偿工艺，(3)As_CD缺陷V_CD-作为_CD我们获得了用于确定复杂缺陷的结构和活化能的新知识和技术。该结果是业界第一份使用 X 射线全息测量直接观察 V 族掺杂化合物半导体详细缺陷的报告。

对未来的期望

2050 碳中和⁴⁾。可再生能源在其中发挥着重要作用，太阳能发电就是其中的代表，未来有望进一步发展。这项研究获得的实验结果将有助于解决限制CdTe太阳能电池特性的低空穴浓度问题，实现25%的转换效率，相当于目前太阳能电池行业的领先者。此外，化合物半导体是功能材料的宝库，在这项研究中获得的有关掺杂的知识将有助于改善对各种物理性能的控制。

论文信息

论文标题：CdTe 单晶中 V 族掺杂剂替代缺陷的直接观察
出版期刊：美国化学会杂志 (JACS)
作者：Akira Nagaoka、Koji Kimura、Artoni Kelvin R Ang、Yasuhiro Takabayashi、Kenji Yoshino、Qingde Sun、Baoying Dou、Su-Huai Wei、Koichi Hayashi、Kensuke Nishioka
DOI：101021/jacs3c01248
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研究支持

　本研究得到学术转化领域（A）超有序结构科学（项目号20H05878，20H05881）和2020年高柳健二郎研究鼓励奖。荧光 X 射线全息测量在 SPring-8 光束线 BL13XU（分配号 2020A1207）上进行。

术语表

1) 荧光X射线全息术与普通摄影不同，全息术是一种可以记录和再现物体三维图像的技术。为了防止伪造，这项技术被印在万日元纸币和信用卡上，并在社会上广泛应用。荧光X射线全息术是将这种技术应用到原子尺度的方法，如图所示。

2) 大型同步加速器辐射设施SPring-8该设施隶属于国立物理化学研究所，位于兵库县播磨科学园区市，能够产生世界上最高性能的同步加速器辐射。

3) 活化能缺陷产生的电子和空穴等载流子在半导体中移动所需的能量。尺寸越小，越容易产生载流子。

4) 碳中和：当人类生产某种东西或进行一系列活动时，排放到大气中的二氧化碳量与从大气中吸收（固定）的二氧化碳量相等，总量为零（净零，真正的零）。世界各地正在努力争取到 2050 年实现碳中和。

联系信息

研究很重要

宫崎大学工程教育与研究学院环境与能源工程研究中心
长冈彰副教授
电话：0985-58-7368
电子邮件：nagaokaakiram0[at]ccmiyazaki-uacjp

V体育工学研究科工学部（物理工程领域）
林浩一教授
电话：052-735-5308
电子邮件：hayashikoichi[at]nitechacjp

V体育工学研究科工学部（物理工程领域）
助理教授木村浩二
电话：052-735-5362
电子邮件：kimurakoji[at]nitechacjp

公共关系很重要

宫崎大学企划总务部总务公关科
电话：0985-58-7114
电子邮件：kouhou[at]ofmiyazaki-uacjp

V体育企划公关科
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