化学的転写法による超高効率光閉じ込め薄型多結晶シリコン太陽電池の作製

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26870342
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 今村 健太郎 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60591302)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: シリコン微細加工 / 光閉じ込め構造 / 多結晶シリコン

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、フッ化水素酸と過酸化水素混合溶液に多結晶シリコン基板を浸漬させ、その表面に白金触媒を接触させることで、シリコン基板表面に白金触媒の形状を転写し、太陽電池によって重要な光閉じ込め構造を形成する。初年度は、針状の白金を用い、シリコン基板に針構造を転写しマイクロホールを形成し、表面、断面構造をＳＥＭ，ＴＥＭにて観察することでシリコン基板と白金との反応機構を検討した。その結果、シリコン基板のエッチングには、白金によって注入されたホールによってシリコンが不均一に溶解して形成されたシリコンナノクリスタル層が関与していることが明らかとなった。また、転写される形状は白金とシリコン界面、薬液とシリコン界面のバンド構造によって左右されることがわかり、白金の金型を精度良くシリコン基板転写可能な薬液、シリコン基板の条件が明らかとなった。
市販される単結晶シリコン太陽電池の表面には、ピラミッド構造の凹凸が形成されている。この構造は単結晶シリコン基板を加温した強アルカリ溶液でエッチングすることで容易に形成可能であるが、反応が結晶方位によるエッチングレートを利用しているため、結晶方位が様々な多結晶シリコン基板には用いることができない。本方法ではピラミッド構造とした単結晶シリコンに窒化膜を成膜、その上に白金を蒸着することで転写を行う型として用いた。多結晶シリコンにピラミッド構造の白金を接触させ反応させることで、多結晶シリコンに逆ピラミッドの構造の転写を試みた。しかしこの場合、反応時間とともに金型である単結晶シリコン/SiNx膜/白金自体が反応し、蒸着した白金の剥離が生じてしまうため、多結晶シリコン基板全面に転写構造を形成することができなかった。一部への転写は可能であった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

白金とシリコンの反応条件についての評価は一通り終えており、次年度として当初予定していた、多結晶シリコン基板への転写構造の形成をすでに始めている。しかし今年度に検討を完了する予定であった、転写にとって重要なシリコンと白金とのギャップを広げて反応を進行させる条件についてはまだ指針が定まっていない。進捗が当初より前倒しの内容、先送りされている内容があることを考慮し、おおむね順調に進行していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後に最重要となるのは、多結晶シリコン基板に転写を行うための白金金型の試作である。すでに他材料に白金を蒸着して形成する等の方法を検討しているが、蒸着した白金では反応時に溶解してしまうことが明らかであるため、現在白金自体を加工して金型を作製することを進めている。一つは切削、もう一つはドライエッチングである。切削では微細なパターンは困難であるが、アスペクト比が高い構造の形成が見込まれるため、反応時の薬液浸透にとっては有利である。一方、ドライエッチングでは、アスペクト比は低いが、微細な構造の形成が期待される。両者の方法で金型を作製し、多結晶シリコン基板へのテクスチャ形成を行っていく予定である。また光線追跡シミュレーションと合わせ光閉じ込め効果を検証する。多結晶シリコンを用いた太陽電池試作も平坦構造ですでに検討しており、転写構造が形成されれば、その効果を太陽電池特性でも確認する準備ができている。

Causes of Carryover

当初はシリコンと白金のギャップを精度良く制御する駆動系を開発する予定(計画では100万円)であり、転写を行う白金触媒形状は従来のピラミッド構造シリコン基板に窒化膜を製膜し、その上に蒸着したもので代用可能と考えていが、そうではなく、白金自体を切削等で金型として作製する必要性がでてきた。金型費用は大部分が白金の材料費であり、高額である。そこで駆動系の精度は追及せずに汎用品で反応系を構築した。駆動系の精度は金型試作の目途が立ってから随時向上させていく予定である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

前年度の未使用分は、金型試作のための白金板の購入と試作費用に充てる。白金板の価格については1mm厚、20mm角、1枚あたりで10万円を超えており、試作時の反りをなくすには厚さが必要となりさらに高額となる。試作テストと、光学シミュレーションで最良なパターンを数回の試作で決定する予定である。最適なパターンが試作できれば、白金は反復使用が可能なため、それ以外については反応駆動系の精度向上に使用していく予定である。