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2023 Fiscal Year Annual Research Report

界面層によるキャリア再結合抑制効果を用いたガラス上シリサイド半導体高効率太陽電池

Research Project

Project/Area Number 21H04548
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

末益 崇  筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)

Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Keywordsバリウムシリサイド / 太陽電池 / スパッタ / 多結晶 / 分光感度 / ドーピング
Outline of Annual Research Achievements

BaSi2は光吸収係数が大きく、禁制帯幅が1.3eVのため、薄膜太陽電池の光吸収層材料として期待される。これまで種々のBaSi2ヘテロ接合太陽電池で動作が実証されてきたが、その多くがBaSi2をホール輸送層として用いており、BaSi2を光吸収層として用いたのはホモ接合太陽電池に限られる。BaSi2の大きな光吸収係数を活用できるよう、BaSi2と電子輸送層およびホール輸送層とのヘテロ接合を形成し、以下の成果を得た。
1. a-SiCは、電子親和力がBaSi2の値(3.2eV)よりも大きく、また、禁制帯幅も大きいため、BaSi2で発生した光生成電子を電極側に引き抜く電子輸送層として期待される。ガラス基板を用いて、BaSi2/a-SiC/TiN/SiO2構造をスパッタ法で形成し、堆積温度750度で分光感度が2A/Wを超え、これまでで最大値を達成した。また、断面TEM観察により、BaSi2/a-SiC/TiN/SiO2構造を確認した。この成果は、ガラス基板上のBaSi2太陽電池のデバイス構造の設計指針を与える結果といえる。
2. 結晶Si太陽電池のホール輸送層として実績のあるMoO3、WO3を、真空蒸着法およびスパッタ法でa-Si/BaSi2構造上に形成し、酸素割合を光電子分光法により調べた。その結果、a-Si層中の水素量が多いほど、ホール輸送層の酸素組成が化学量論比に近づくことが分かった。これは、Baと酸素が結合しやすいものの、a-Si中の水素によりa-Si中の酸素の拡散が抑制されたことを示している。また、同じ条件でホール輸送層を堆積した場合、a-Si/Siとa-Si/BaSi2を比較すると、後者の方がホール輸送層の酸素組成が減少することも明らかになった。これらの知見は、BaSi2膜にホール輸送層を組み合わせる際の堆積条件に有益な情報を与えるものである。
3. AZO/BaSi2ヘテロ界面での光生成キャリアの再結合を防ぐ目的で、BaSi2の電子親和力(3.2eV)に合わせたZnGeO膜を堆積することに、ZnGeO膜を堆積する際の基板温度を制御することで成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画では、禁制帯幅3.2eVのn型酸化物半導体AlドープZnO(AZO)を用いてAZO/BaSi2ヘテロ接合太陽電池を作製し、ヘテロ界面での光生成キャリアの再結合を抑制するために、BaSi2の電子親和力(3.2eV)に合わせたZnGeO膜を堆積して、AZO/ZnGeO/BaSi2構造を形成することが目的であった。この研究を進めるうちに、光生成電子とホールを分離する働きがa-SiC/TiN構造でも実証され、この構造がBaSi2にとって電子輸送層として働くことを見出した。また、ホール輸送層として期待されるMoO3およびWO3についても、酸素組成を化学量論比に保つための堆積条件を明らかにすることができた。これらの成果は、BaSi2を光吸収層として利用する太陽電池の実現に向けて非常に重要な知見である。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、 BaSi2に対して電子輸送層またはホール輸送層として働くと考えられる材料とのヘテロ接合を作製し、高い分光感度向上を達成する。具体的には、次の3つのことを実施する。

1. a-SiCは14族元素で構成されるワイドギャップ材料であり、BaSi2との親和性が高く、電子輸送層として働くと考えられる。既に、TiN/SiO2基板上にa-SiC(5nm)を堆積して、その上に、BaSi2膜を高温で堆積することで分光感度が大きくなっている。どの温度で堆積するのが最適か、明らかにする。
2. ホール輸送層として期待されるホール輸送材料群(NiO, WO3, MoO3など)を真空蒸着法でa-Si膜上に堆積する際、a-Si中の水素量により、その上に形成したホール輸送層の酸素の組成が変化することが分かっている。a-Si/BaSi2構造にホール輸送層を堆積し、分光感度が最大になる堆積条件を明らかにする。
3. BaSi2はSiに比べると電子親和力が0.8eV程度小さい。このため、一般的な酸化物(NiO, WO3, MoO3など)とは異なる材料がホール輸送層に適している可能性がある。そのような材料候補を有機ELで研究された材料群の中から選び、真空蒸着法で薄膜を堆積し、物性を調べる。

  • Research Products

    (44 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] グルノーブルアルプ大(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      グルノーブルアルプ大
  • [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)

    • Country Name
      NETHERLANDS
    • Counterpart Institution
      デルフト工科大学
  • [Journal Article] Control of hole concentration in sputter-deposited BaSi2 films by B implantation and its application to p-BaSi2/n-Si solar cells2024

    • Author(s)
      Sato Takumi、Aonuki Sho、Takenaka Haruki、Du Rui、Kido Kazuki、Hasebe Hayato、Narita Shunsuke、Koda Yoichiro、Mesuda Masami、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 175 Pages: 108296.1~6

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2024.108296

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of high-temperature postannealing atmosphere on the properties of BaSi2 films2024

    • Author(s)
      Iwai Ai、Aonuki Sho、Narita Shunsuke、Takayanagi Kaori、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology A

      Volume: 42 Pages: 033404.1~7

    • DOI

      10.1116/6.0003505

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of template on the photoresponsivity of BaSi2 films grown on Ge(111) substrates by molecular beam epitaxy2024

    • Author(s)
      Aonuki Sho、Takayanagi Kaori、Iwai Ai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology A

      Volume: 42 Pages: 032702.1~7

    • DOI

      10.1116/6.0003503

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Film properties affecting the photoresponsivity of polycrystalline BaSi2 films formed by radio-frequency co-sputtering2024

    • Author(s)
      Kido Kazuki、Takenaka Haruki、Hasebe Hayato、Du Rui、Mesuda Masami、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 176 Pages: 108301.1~4

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2024.108301

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanism of photoresponsivity reduction in BaSi<sub>2</sub> epitaxial films by post-annealing at moderate temperatures2024

    • Author(s)
      Aonuki Sho、Haku Yurika、Narita Shunsuke、Takayanagi Kaori、Iwai Ai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Pages: 020906.1~4

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad27a5

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermoelectric properties of sintered Ba2AgSi3 crystals and search for impurities to control conductivity type by first-principles calculation2024

    • Author(s)
      Kajihara K.、Koda Y.、Ishiyama T.、Aonuki S.、Toko K.、Honda S.、Mesuda M.、Suemasu T.
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 135 Pages: 075107.1~8

    • DOI

      10.1063/5.0190025

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Composition dependence of crystalline and magnetic properties in Mn4?Ge N epitaxial thin films2024

    • Author(s)
      Yasuda Tomohiro、Toko Kaoru、Amemiya Kenta、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 593 Pages: 171813.1~7

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2024.171813

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] X-ray magnetic circular dichroism of Mn4?Ga N epitaxial thin films confirming ferrimagnetic-ferromagnetic phase transition by nonmagnetic Ga doping2024

    • Author(s)
      Hatate Aoi、Horiuchi Takumi、Ishiyama Takamitsu、Toko Kaoru、Amemiya Kenta、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 597 Pages: 171973.1~7

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2024.171973

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of hydrogen on trap neutralization in BaSi2 with interstitial silicon atoms2023

    • Author(s)
      Aonuki Sho、Toko Kaoru、Filonov Andrew B.、Migas Dmitri B.、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 773 Pages: 139823.1~8

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2023.139823

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of highly oriented Mn4N/Pt epitaxial bilayer structure on MgO(001) for spintronics applications2023

    • Author(s)
      Yasuda Tomohiro、Horiuchi Takumi、Suemasu Takashi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 13 Pages: 105219.1~6

    • DOI

      10.1063/5.0165791

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Effect of growth temperature on photoresponsivity of BaSi2 formed on a-SiC/TiN/SiO22024

    • Author(s)
      Rui Du
    • Organizer
      71th JSAP Spring Meeting 2024
  • [Presentation] Carrier Properties Control of As-doped BaSi2 Grown by Molecular Beam Epitaxy2024

    • Author(s)
      Nurfauzi Abdillah
    • Organizer
      71th JSAP Spring Meeting 2024
  • [Presentation] スパッタ法で作製したB-ion-implanted p-BaSi2膜を用いた太陽電池2024

    • Author(s)
      佐藤 匠
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 熱電応用に向けたAgBa2Si3の特性評価と第一原理計算2024

    • Author(s)
      梶原 君円
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] BaSi2太陽電池への応用へ向けたHTLの特性評価2024

    • Author(s)
      深谷 友香
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] BaSi2ヘテロ接合型太陽電池への応用に向けたスパッタ法によるMoOx膜の導入2024

    • Author(s)
      林 洸希
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Control of hole concentration of B implanted sputter-deposited BaSi2 films by post annealing and its solar cell application2023

    • Author(s)
      Takumi Sato
    • Organizer
      34th International Photovoltaics Science and Engineering Conference (PVSEC-34)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Device modeling of HTL/BaSi2 heterojunction solar cells by optical simulations2023

    • Author(s)
      Sho Aonuki
    • Organizer
      40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Research on boron and oxygen related defects in barium disilicide thin films by Density Functional Theory method2023

    • Author(s)
      Yuguang Cao
    • Organizer
      40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Construction of novel BaSi2 solar cells by applying an a-SiC electron transport layer2023

    • Author(s)
      Rui Du
    • Organizer
      40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Device modeling of HTL/BaSi2 heterojunction solar cells2023

    • Author(s)
      Sho Aonuki
    • Organizer
      IEEE Photovoltaics Specialists Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 熱電変換応用に向けたAgBa2Si3の第一原理計算2023

    • Author(s)
      梶原 君円
    • Organizer
      第31回 電気学会東京支部茨城支所研究発表会
  • [Presentation] Zn1-xGexOy界面層の作製と p-BaSi2太陽電池への応用2023

    • Author(s)
      髙柳 香織
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] BaSi2ヘテロ型太陽電池におけるNiOホール輸送層の最適化2023

    • Author(s)
      竹中 晴紀
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ポストアニール条件とBaSi2膜の特性変化の関係2023

    • Author(s)
      岩井 藍
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会,
  • [Presentation] スパッタ法によるB-ion-implanted p-BaSi2膜の伝導型制御2023

    • Author(s)
      佐藤 匠
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] AgBa2Si3の熱電応用に向けた第一原理計算による伝導型制御の検討2023

    • Author(s)
      梶原 君円
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] n-BaSi2膜のデバイス応用に向けた正孔輸送層の探索2023

    • Author(s)
      青貫 翔
    • Organizer
      日本太陽エネルギー学会2023年度若手研究発表会
  • [Presentation] BaSi2太陽電池に向けたHTL材料探索2023

    • Author(s)
      青貫 翔
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] The effect of a-SiC in BaSi2/a-SiC/TiN junction on the defects of BaSi2 film2023

    • Author(s)
      Rui Du
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] p-NiO/n-BaSi2ヘテロ接合型太陽電池の高効率化に向けた成膜プロセスの検討2023

    • Author(s)
      竹中 晴紀
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] n+-AZO/p-BaSi2太陽電池におけるZn1-xGexOy界面層の作製と挿入効果2023

    • Author(s)
      髙柳 香織
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] ポストアニール条件の違いによるBaSi2膜中の特性と酸素の影響2023

    • Author(s)
      岩井 藍
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] スパッタ法で作製したB-ion-implanted p-BaSi2膜の特性評価2023

    • Author(s)
      佐藤 匠
    • Organizer
      第20回 シリサイド系半導体・夏の学校
  • [Presentation] 3D 光学シミュレーションによる HTL/n-BaSi2太陽電池のデバイス設計2023

    • Author(s)
      青貫 翔
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Presentation] Effect of a-SiC electron transport layer on the performance of BaSi2-based solar cells2023

    • Author(s)
      R. Du
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Presentation] Zn1-xGexOy界面層を用いたn+-AZO/p-BaSi2太陽電池の特性評価2023

    • Author(s)
      髙柳 香織
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Presentation] p-NiO/n-BaSi2ヘテロ接合型太陽電池の設計およびガラス基板上での動作実証"2023

    • Author(s)
      竹中 晴紀
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Presentation] ポストアニールの雰囲気の違いによるBaSi2膜中の酸素の影響2023

    • Author(s)
      岩井 藍
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Presentation] スパッタ法によるB-ion-implanted BaSi2膜の作製と評価2023

    • Author(s)
      佐藤 匠
    • Organizer
      第3回日本太陽光発電学会学術講演会
  • [Remarks] 環境半導体・磁性体研究室

    • URL

      https://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/journalpapers.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 珪化バリウム系膜及びその製造方法2022

    • Inventor(s)
      召田雅実、末益崇
    • Industrial Property Rights Holder
      召田雅実、末益崇
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      7304571

URL: 

Published: 2024-12-25  

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