プラズマ・ナノ表面反応制御に基づいたキャリア輸送特性の設計

• Project Area: Creation of Science of Plasma Nano-Interface Interactions
• Project/Area Number: 22110502
• 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: Saitama University
• Principal Investigator: 白井 肇 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (30206271)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2011: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2010: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 局所酸化 / ナノ結晶Si / プラズマCVD / ナノ結晶成長の位置制御 / 太陽電池 / 塩素系原料 / AFM / ナノ界面 / 表面 / 量子効果

Research Abstract

塩素系(SiH_2Cl_2/H_2)プラズマCVD法によるた微結晶シリコン(μc-Si:H:Cl)成長初期過程の反応圧力、高周波電力、流量比、基板温度、高周波電力のオン・オフ比を変化させてsi基板上のナノ結晶Si(nc-Si)ドットを形成した。その結果nc-Siのサイズおよび密度分布制御に成功した。そこでnc-Si成長の位置制御を呂的に原子間力顕微鏡(AFM)のコンタクトモードによる局所酸化を利用して10-50μm(5×5)サイズの酸化領域を格子状に形成し、1辺の格子サイズを変化させてその上にSi製膜を行うことでnc-Siドットの形成状態を観察した。その結果1)1辺の格子サイズが小さい程c-Si領域にSiが形成される確率が低く、サイズが大きくなるにしたがってその確率は増大することがわかった。2)コンタクトモードで水を用いて酸化した幅5μmのSiO_2ライン上にはSiの膜は形成されなかった。3)Si/SiO_2境界領域では、膜がSi領域に偏析されやすく、SiO_2上への付着は見られなかった。以上の結果からSi表面の局所酸化を利用することで、Si成長領域を制御できることを明らかにした。以上の結果は、塩素系前駆体の反応性に起因するもので従来のSiH_4系との相違が明らかになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

太陽電池性能におけるSiナノ粒子の効用を明らかにするための取り組みに関して、ドット密度・位置制御の効用をより明らかにすることが必要であり、現在継続して実験をおこなっている。

Strategy for Future Research Activity

ナノ結晶Siの導入法に関して、より簡便で且つプラズマを利用したことによる優位性を明確にするためのアイデアが必要である。基礎的検討からC-SiとSiO_2上のSi前駆体の付着の差を利用して位置制御できることが明らかになったが、局所的な制御であり、大面積で実現するためにはナノ粒子の導入等との融合が今後の展開に有効であることから、系統的にナノ粒子を導入して上記の実験を推進していくことを予定している。

Research Products

• [Journal Article] Efficient Crystalline Si/PEDOT:PSS:GO composite heterojunction solar cells (2012)
  • Author(s): M.Ono, Z.Tang, R.Ishikawa, T.Gotou, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 5 Pages: 32301-32301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly efficient Si/Zonyl fluorosurfacant-tretaed organic heterojunction solar cell (2012)
  • Author(s): Q.Liu, M.Ono, Z.Tang, R.Ishikawa, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 100 Issue: 18 Pages: 183901-183901
  • DOI: 10.1063/1.4709615
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrospray deposition of P3HT films for crystalline Si/organic hybrid junction solar cells (2012)
  • Author(s): T.Ino, M.Ono, N.Miyauchi, Q.Liu, Z.Tang, R.Ishikawa, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Japn Journal of Applied Physics Volume: 51(印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid thermal annealing of sputter-deposited ZnO/ZnO:N/Zno multilayered structures (2012)
  • Author(s): F.Watanabe, H.Shirai, Y.Fuji, T.Hanajiri
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 520 Pages: 3729-3735
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Depth profile characterization of spin-coated PEDOT:PSS films for thin-film solar cells during Ar plasma etching by spectroscopic ellipsometry (2012)
  • Author(s): T.Ino, T.Hayashi, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Japan Journal of Applied Physics Volume: 50
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time ellipsometric characterization of the initial growth stage of PEDOT:PSS films by electrospary deposition (2011)
  • Author(s): T.Ino, T.Asano, T.Fukuda, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Journal of Nanoscience and Nanotechnology Volume: 11 Pages: 1-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time ellipsometric characterization of initial growth stage of PEDOT:PSS films by electrospray deposition (2011)
  • Author(s): T.Ino, T.Arai, T.Fukuda, K.Ueno, H.Shirai
  • Journal Title: Japan Journal of Applied Physics Volume: 50 Pages: 81603-81603
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical activity of oxygen atoms in the magnetron sputter-deposited Z nO films (2011)
  • Author(s): A.Morita, I.Watanabe, H.Shirai
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 519 Issue: 20 Pages: 6903-6909
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2010.11.055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid thermal-annealing of ZnO:Sl films for Si thin-film solar cells (2011)
  • Author(s): N.Ohta, D.Ohba, S.Sato, H.Shimizu, H.Shirai
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 519 Pages: 6920-6927
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Si Thin-Film Solar Cells Fabricated by RF PE-CVD of a Si_3H_8 and H_2 Mixture on ZnO:Al (2010)
  • Author(s): D.Ohba, C.H.Lai, S.Sato, Z.Tang, H.Shirai
  • Journal Title: Trans.of the Mater.Res.Soc.Jpn. Volume: 35 Pages: 617-620
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Local Deposition of Carbon Containing SiO_x, Synthesized Using Atmospheric Pressure Microplasma Jet (2010)
  • Author(s): Q.Pan, Y.Ding, H.Shirai
  • Journal Title: Trans.of the Mater.Res.Soc.Jpn. Volume: 35 Pages: 187-190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of Oxygen Atoms in the Growth of Sputter-Deposited ZnO Films (2010)
  • Author(s): J.Jie, A.Morita, H.Shirai
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 108
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Efficient crystalline Si/organic junction solar cells (2012)
  • Author(s): Q.Liu, Z.Tang, R.Ishiwaka, K.Ueno, H.Shirai
  • Organizer: European Material Research Society (E-MRS)
  • Place of Presentation: ストラスブルグ(フランス)
  • Year and Date: 2012-05-17
• [Presentation] Surface Chemistry of the Preferential (111) and (220) Crystal Oriented Microcryst alline Silicon by RF PE-CVD for Si Thin-Films Solar Cells (2010)
  • Author(s): H.Shirai, Z.Tang, D.Ohba
  • Organizer: 7^<th> International Conference on Reactive Plasma, 28^<th> Symposium on Plasma Processing and 63d Gaseous Electronics Conference (ICRP-7/SPP-28/GEC-63)
  • Place of Presentation: フランス(パリ)
  • Year and Date: 2010-10-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] シリコン単結晶膜およびその製造方法 (2011)
  • Inventor(s): 白井肇、東正信
  • Industrial Property Rights Holder: 埼玉大学、トクヤマ
  • Industrial Property Number: 2011-255400
  • Filing Date: 2011-11-22