2015 Fiscal Year Annual Research Report
可変バンドギャップアモルファスカーボン半導体の開発と光電変換デバイスへの応用
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26289089
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
本多 謙介 山口大学, 理工学研究科, 教授 (60334314)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | アモルファスカーボン / 可変バンドギャップ / 半導体材料 / 太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２７年度は、高効率太陽電池への応用できる、高い半導体特性を示す可変光学ギャップa-C半導体の具現化を図った。
[１]アモルファスカーボン(a-C)半導体の光学ギャップ制御技術（制御目標値：1.0～2.5 eV）～平成２７年度には、低ギャップかつ移動度の高いa-C半導体の開発を行った。①アノードカップリングCVD法によりsp2炭素量の高いa-C作製では、成膜温度とプラズマ出力の最適化により、Siを18 atom%添加することで、光学ギャップを1.25 eVに制御することに成功した。また、このSi添加 a-Cは、1 atom%の窒素添加により、キャリア密度2×1014/cm3、移動度0.57 cm2V-1S-1のn型半導体として機能させること成功した。
[２]a-C半導体のp型導電性制御（キャリア密度制御目標値1013～1021/cm3）～平成２６年度に作製したp型Si添加 a-Cをn型Si上に成膜し、ヘテロ接合太陽電池を作製したが、成膜出力が非常に高いため光起電力の発現に至らなかった。そこでRF周波数を13.56MHzから60.0MHに上昇させ、成膜出力を1/4程度に下げでp型Si添加 a-Cを作製した。このSi添加 a-Cは、キャリア密度1×1014/cm3、移動度5.03 cm2V-1S-1の半導体として機能し、p型Si添加 a-Cをn型Si上に成膜したヘテロ接合太陽電池において、200 mVの電位を発生した。また、平成２７年度にはp・n型それぞれの半導体の優れた特性を活かした物理・化学アプリケーションのアウトプットを図った。
[３] グルコースを選択的に高感度検出可能なセンサーの開発（検出限界濃度目標：1 maicroM）～①電極幾何構造制御による選択性向上のため、幅2micro m 間隔2 micro mの電極が交互に並ぶくし型構造の作製に成功した。これによりredox反応種を平板に対し、10倍高感度化することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
＜高い半導体性を示すpin型可変光学ギャップa-C半導体の開発＞
[１]アモルファスカーボン(a-C)半導体の光学ギャップ制御技術（制御目標値：1.0～2.5 eV）では、Si添加量の低減制御により、半導体特性を保ちつつ炭素成分を上昇させ、目標の1.0 eVに近い光学ギャップ1.25 eVを有するa-C半導体の作製に成功した。
[２]a-C半導体のｎ型導電性制御（キャリア密度制御目標値1013～1021/cm3）～また、1 atom%の窒素添加によりn型半導体性を示し、キャリア密度2×1014/cm3、移動度0.57 cm2V-1S-1のアモルファス半導体として機能する半導体の合成に成功した。
[３]a-C半導体のp型導電性制御（キャリア密度制御目標値1013～1021/cm3）～RF周波数60.0MHで作製したp型Si添加 a-Cは、キャリア密度1×1014/cm3、移動度5.03 cm2V-1S-1の半導体となった。いずれも目標値内で制御することに成功した。したがって、おおむね研究計画通りに進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
[１] p-i-n太陽電池単セルの開発：各光学ギャップ値における理論変換効率の80％以上
申請者は、n型Si添加a-Cとp型Si結晶を接合したヘテロ接合太陽電池セルを作製、開路電圧0.8V、変換効率0.03%で作動することを確認している。a-C半導体による太陽電池に不可欠な素子化プロセス技術（最適なpin接合技術）を確立し、理論変換効率の80%以上の達成を目指す。
[２] グルコースを選択的に高感度検出可能なセンサーの開発：グルコースの検出限界濃度目標：1 microM
①a-C化学組成制御によるグルコース酸化活性向上（高感度化）～a-C中のsp3炭素比上昇によりOHラジカルの生成効率は向上し、グルコース応答電流もsp3炭素比に比例する。a-C構造（sp3炭素比）の最適化によりグルコース酸化活性の向上を図る。
②電極幾何構造制御による選択性向上～電極を、２つの作用極が交互に並ぶくし型構造とする。一方の電極に3.6Vの電位印加し、OHラジカルによりグルコースを酸化、他方の電極により夾雑成分の酸化しない電位でグルコース酸化生成物のみを検出（電気化学活性な莢雑成分を除去）。a-C組成とマクロな電極構造の制御によるグルコース酸化活性および選択性向上手法を確立する。
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