Development of high-performance thin film solar cells by controlling crystal defect cores in silicide semiconductor

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05187
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 黒川 康良 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00588527)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: シリサイド半導体 / 結晶欠陥 / 粒界 / キャリア生成 / 太陽電池 / キャリア先生

Outline of Research at the Start

本研究では，シリコンベース化合物半導体中の点欠陥や粒界を機能コアとして利用することにより，新しい高性能な薄膜太陽電池材料を開発する．この材料は熱処理温度を変化させるだけで，p型半導体とn型半導体のいずれにも変化させることが可能であることがわかっている．熱処理時に形成する点欠陥や粒界がキャリア生成に寄与していると考えられるが，その詳細は不明である．このような機能コアによるキャリア生成メカニズムを解明するため，格子欠陥や粒界の構造と機能に関して多角的な測定を行う．これにより得られた知見を利用し，キャリア濃度を最適値に制御し，太陽電池構造の作製を試み，高性能化につながる知見を得る．

Outline of Annual Research Achievements

令和３年度はBaSi2多結晶薄膜中の点欠陥について、Positron Annihilation Spectroscopy（PAS）を利用して、BaSi2多結晶薄膜中の空孔欠陥評価を行った。900℃のアニール前後で比較したところ、アニールによって膜中の空孔型欠陥が低減したことを示唆する結果を得た。フォトルミネッセンス測定においても欠陥が低減したことを示す結果が得られており、ポストアニール処理がBaSi2多結晶薄膜の高品質化に寄与することを示唆している。
本研究で得られた機能コア欠陥に関する知見を用いて，BaSi2ホモ接合太陽電池の作製を行った。真空蒸着中に成長速度と蒸気組成を2段階制御することで、単結晶Si基板上に高品質BaSi2薄膜を作製することに成功した。この二段階蒸着法に加え、アルミニウム誘起成長（AIC）法により作製したp型多結晶Si層をBaSi2成長の下地として使用して、ノンドープでn型を示すBaSi2の一部をp型化することでホモ接合を形成した。ダイオードとしては完全な整流特性を得ることができなかったが、負バイアス下にて分光感度を得ることができた。pn接合のリーク要因を解決することができれば、太陽電池として機能することを示唆している。
ホモ接合とは別にp-BaSi2/n-Siヘテロ接合型太陽電池の作製も行った。２段階製膜の初期段階において蒸着速度を低速に保つことで、開放電圧と曲線因子を向上させることに成功し、10%を超えるエネルギー変換効率を達成した。開放電圧向上は低速蒸着により原子の再配列が促進されたことによるものと考えられる。BaSi2を用いた太陽電池としては、現在報告されている中で最も高い効率となり、真空蒸着により作製したBaSi2多結晶薄膜が、欠陥制御を踏まえたプロセスを施すことによって、太陽電池材料としての機能を向上できることを示すことができた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of BaSi₂ homojunction diodes on Nb-doped TiO₂ coated glass substrates by aluminum-induced crystallization and two-step evaporation method (2022)
  • Author(s): Kurokawa Yasuyoshi、Yoshino Takamasa、Gotoh Kazuhiro、Miyamoto Satoru、Usami Noritaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SC Pages: SC1029-SC1029
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improved conversion efficiency of p-type BaSi₂/n-type crystalline Si heterojunction solar cells by a low growth rate deposition of BaSi₂ (2022)
  • Author(s): Fujiwara Michinobu、Takahashi Kazuma、Nakagawa Yoshihiko、Gotoh Kazuhiro、Itoh Takashi、Kurokawa Yasuyoshi、Usami Noritaka
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 4 Pages: 045115-045115
  • DOI: 10.1063/5.0083812
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of heterojunction crystalline Si solar cells with BaSi₂ thin films prepared by a two-step evaporation method (2021)
  • Author(s): Nakagawa Yoshihiko、Takahashi Kazuma、Fujiwara Michinobu、Hara Kosuke O.、Gotoh Kazuhiro、Kurokawa Yasuyoshi、Itoh Takashi、Suemasu Takashi、Usami Noritaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: 10 Pages: 105503-105503
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac23ec
  • NAID: 120007190669
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of BaSi2 homojunction diodes on glass substrates by aluminum induced crystallization and two-step evaporation method (2021)
  • Author(s): Takamasa Yoshino, Yasuyoshi Kurokawa, Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto, and Noritaka Usami
  • Journal Title: Ext. Abstr. 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials Volume: － Pages: 341-342
• [Journal Article] Undoped p-type BaSi2 emitter prepared by thermal evaporation and post-annealing for crystalline silicon heterojunction solar cells (2020)
  • Author(s): Kimura Yuki、Gotoh Kazuhiro、Kurokawa Yasuyoshi、Usami Noritaka
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 5 Pages: 051002-051002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab8727
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of the time-dependent vapor composition on structural properties of the BaSi2 thin films fabricated by vacuum evaporation (2020)
  • Author(s): Yoshino Takamasa、Nakagawa Yoshihiko、Kimura Yuki、Fujiwara Michinobu、Kurokawa Yasuyoshi、Usami Noritaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SF Pages: SFFA10-SFFA10
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab6b78
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Basic Photovoltaic Principles and Fabrication Methods (2021)
  • Author(s): Yasuyoshi Kurokawa
  • Organizer: 28th International Workshop on Active-Matrix Flat panel Displays and Devices
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 真空蒸着法によるステンレス基板上へのBaSi2薄膜の作製 (2021)
  • Author(s): 陳 嘉坤，宮本 聡，後藤 和泰, 黒川 康良, 宇佐美 徳隆
  • Organizer: 第19回シリサイド系半導体・夏の学校
• [Presentation] Face-to-faceアニールを用いて作製したMg2Si薄膜のラマン散乱解析 (2021)
  • Author(s): 佐藤海誓，宮本聡，後藤和泰, 黒川康良, 伊藤孝至, 宇佐美徳隆
  • Organizer: 第19回シリサイド系半導体・夏の学校
• [Presentation] Fabrication of BaSi2 homojunction diodes on Nb-doped TiO2 coated glass substrates by aluminum-induced crystallization and two-step evaporation method (2021)
  • Author(s): Takamasa Yoshino, Yasuyoshi Kurokawa, Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto and Noritaka Usami
  • Organizer: International Conference on Solid state devices and materials 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 真空蒸着法により作製したMg2Si薄膜の高品質化に向けたface-to-faceアニール効果 (2021)
  • Author(s): 佐藤 海誓，宮本 聡，後藤 和泰, 黒川 康良, 伊藤 孝至, 宇佐美 徳隆
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 真空蒸着法により作製したMg2Si薄膜の高品質化に向けたface-to-faceアニール（FTFA）効果及びラマン散乱解析 (2021)
  • Author(s): 佐藤 海誓, 宮本 聡, 後藤 和泰, 黒川 康良, 伊藤 孝至, 宇佐美 徳隆
  • Organizer: 第31回材料フォーラム TOKAI
• [Presentation] 成長速度の二段階制御による真空蒸着BaSi2薄膜の高品質化 (2020)
  • Author(s): 吉野孝政, 後藤和泰, 黒川康良, 宇佐美徳隆
  • Organizer: 第3回結晶工学×ISYSE合同研究会
• [Presentation] Improvement of BaSi2 thin film quality by two-step growth rate control of vacuum evaporation (2020)
  • Author(s): Takamasa Yoshino, Kazuhiro Gotoh, Yasuyoshi Kurokawa, Noritaka Usami
  • Organizer: The 30th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-30)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 成長速度の二段階制御による真空蒸着BaSi2薄膜の高品質化 (2020)
  • Author(s): 吉野孝政, 後藤和泰, 黒川康良, 宇佐美徳隆
  • Organizer: 第17回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [Presentation] Formation of p-Type BaSi2 Thin Film and its Application to Silicon-Based Heterojunction Solar Cells (2020)
  • Author(s): Yuki Kimura, Michinobu Fujiwara, Kazuma Takahashi, Yoshihiko Nakagawa, Takamasa Yoshino, Kazuhiro Gotoh, Yasuyoshi Kurokawa, and Noritaka Usami
  • Organizer: 37th European PV Solar Eneregy Conference and Exhibition
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.material.nagoya-u.ac.jp/photonics/publications.html
• [Remarks] 名古屋大学研究者総覧
  • URL: https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100008535_ja.html
• [Remarks] Researchermap
  • URL: https://researchmap.jp/kurokawacookie1129