2015 Fiscal Year Annual Research Report
化学的転写法で形成する極低反射率シリコン表面の物性
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15H01997
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小林 光 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90195800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松本 健俊 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (20390643)
今村 健太郎 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60591302)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / シリコンナノクリスタル層 / 表面パッシベーション / 化学的転写法 / 反射率 / 傾斜材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコンウェーハをH2O2+HF水溶液に浸漬し、それに白金触媒体を接触させる化学的転写法を用いて、単結晶シリコン、多結晶シリコン共に3％以下の極低反射率を得た。断面透過電子顕微鏡写真の観測から、シリコン基板上に200～300μmの層厚を持つシリコンナノクリスタル層が形成されていることを確認した。シリコンナノクリスタル層中の空孔率は表面近傍では大きく、深さと共に減少することが分かった。したがって、シリコンナノクリスタル層の屈折率は、表面近傍では空気に近く、界面近傍では結晶シリコンに近くなるため、反射率が極低になると結論した。エリプソメトリーによる解析の結果、シリコンナノクリスタル層は結晶シリコンと異なる屈折率と消衰係数を持つことが分かった。
シリコンナノクリスタル層/結晶シリコン構造にpn接合を形成するために、リン珪酸ガラス（PSG)をシリコンナノクリスタル層上にスピンコートしその後約900℃で加熱処理を施した。加熱処理によってPSGが溶解しシリコンナノクリスタル層の空孔部分にPSGが入り込み、シリコンナノクリスタルと接触しそこで化学結合を形成する結果、表面がパッシベーションされ、高い少数キャリアーライフタイムが得られることが分かった。PSG堆積＋加熱後400℃で水素雰囲気中で加熱処理を行うことによって、少数キャリアーライフタイムはさらに増加した。シリコンナノクリスタル層の形成条件とそのパッシベーション条件を最適化することによって、シリコンナノクリスタル層/シリコン構造を持つ太陽電池の変換効率が向上し、反射防止膜すら必要としない単純構造の太陽電池にもかかわらず、19.5％と高い変換効率が得られた。PSG堆積＋水素処理によって、短波長光に対する量子効率が向上し、波長300nmの入射光に対して約60％の量子効率を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
PSG堆積法＋水素処理によって、シリコンナノクリスタル層の表面パッシベーションが効果的に行われることがわかり、これを結晶シリコン太陽電池に利用することによって、反射防止膜すら必要としない単純構造の太陽電池にもかかわらず19.5％という高い変換効率を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)シリコンナノクリスタル層/シリコン構造の物性解明
27年度の研究によって、TEM観測からシリコンナノクリスタル層の空孔率が深さと共に減少し、シリコンナノクリスタルのサイズが深さと共に増加することが分かった。したがって、シリコンナノクリスタル層のバンドギャップは深さと共に狭くなると考えられる。シリコンナノクリスタル層をHF＋HNO3水溶液で徐々にエッチングしてそのフォトルミネッセンススペクトルと紫外・可視吸収スペクトルを観測することで、シリコンナノクリスタルのバンドギャップの深さ依存性を見出す。この情報を基に、シリコンナノクリスタルの誘電率の深さ依存性を求める。シリコンナノクリスタル層自身の屈折率をバンドギャップとエリプソメトリー測定から求め、これを用いて反射率の波長依存性を計算する。
(2)シリコンナノクリスタル層の表面パッシベーションと表面物性の解明
表面パッシベーション技術として、①燐酸ガラス（PSG）膜堆積法、②水素処理法、③熱酸化法、及びそれらの組み合わせ法を検討する。
パッシベーション機構を解明するため、シリコンナノクリスタル層の表面化学結合状態、特にSiO2膜の膜厚とサブオキサイド濃度及び価電子帯の状態をXPSスペクトルの観測によって求める。シリコンナノクリスタル層表面のSi-H結合の量とその種類（SiH,SiH2,SiH3）をFT-IRで観測されるLOとTOフォノンのエネルギー差によって求める。シリコン表面に存在する可能性のある微量元素、特に太陽電池の性能を大きく劣化させる金属元素の表面濃度を、全反射蛍光X分光法によって求める。これらの情報と少数キャリアーライフタイムとの比較から、表面パッシベーション機構を解明すると共に、効果的な表面パッシベーション法を見出す。
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