Development of a novel crystal growth method for silicon-based clathrate aimed at high-efficiency solar cells

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01825
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Morito Haruhiko 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80463800)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 暁彦 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20451635) ; 今村 健太郎 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (60591302)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: シリコン / クラスレート / 結晶育成 / 太陽電池

Outline of Final Research Achievements

To create next-generation high-efficiency solar cells, we developed bulk crystals of Si clathrate, a cage-like structure material. In this study, we successfully produced high-quality single crystals of Na-encapsulated Si clathrate using a Na-Sn composite metal flux. Furthermore, by employing anisotropic diffusion control methods, we successfully removed Na from these single crystals, resulting in high-quality semiconductor Si clathrate crystals. Furthermore, by using the composite metal flux method developed in this study, we successfully grew the multi-elemental Si clathrate crystals and established a system for the creation of semiconductor clathrate crystals.

Free Research Field

結晶工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Siクラスレートは炭素フラーレンの類似物質であり、次世代の機能性材料として大きな期待が寄せられている。本研究課題では、Siクラスレートのバルク結晶を作製するための基本原理を確立した。本研究によりバルク結晶が得られたことで、Siクラスレートの学術研究が大きく進展するとともに、本物質のエレクトロニクス分野における産業応用への道が開かれた。ユビキタス元素であるSiにおいて新たな学術成果が得られたことで、資源制約や環境制約から脱却した持続可能な材料開発が期待される。