ＢａＳｉ２を用いたシリコンベース高効率薄膜太陽電池

• 研究課題/領域番号: 13J01713
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 応用物性・結晶工学
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 馬場 正和 筑波大学, 大学院数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 結晶粒界 / 第一原理計算 / 透過電子顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 半導体デバイス / ホモ接合 / シリサイド / 少数キャリア拡散長 / 電子線誘起電流法 / ケルビンプローブ原子間力顕微鏡法

研究実績の概要

Si(111)基板上BaSi2中に含まれる直線状粒界近傍のBa原子配列を透過電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、Ba原子由来の原子欠損は粒界に存在していないことが示された。この粒界の特性を評価するために、VASPを用いた第一原理計算によって安定構造の探索を行った。各構造での粒界エネルギーの大小関係から最安定な粒界構造を見出し、その粒界特性を調べた。最安定な構造では95 mJ/m2の粒界エネルギーが得られた。他の構造と比較して、この粒界では粒界近傍のSi四面体配列がバルク結晶内部と類似した配列となっており、そのことが粒界が安定化した理由であると考えられる。さらに、この構造は、TEMで観察された実際の原子配列と対応しており、実験と計算での一貫性が取れた。粒界近傍とバルク結晶内部における局所状態密度に顕著な差はなく、BaSi2中に多数含まれる直線状の粒界は電気的に不活性であると結論付ける。BaSi2のpn接合についても評価を行った。p型層中の不純物Bの活性化のために行うアニール処理によって試料にはクラックが形成される。原子間力顕微鏡の電流モード(c-AFM)によりクラック部分を優先的に電流が流れている様子が確認された。次に、クラックを含まない領域での電流経路を調べたところ、膜内を均一に流れている結果が得られた。これは、上記の粒界特性によって粒界と粒内で電流の流れ易さに大きな違いが無いためであると考えられる。p-Si/n-BaSi2/p-BaSi2の構造に対して印加するバイアス電圧を増やすことによって、p-Si/n-BaSi2による電流・電圧特性を打ち消すような結果が得られた。このことは、BaSi2のpnホモ接合による特性による影響と考えられ、pn接合が作用していることを示唆したと考えている。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Minority carrier diffusion length of undoped BaSi2 epitaxial films on Si(001) substrates by electron-beam-induced-current technique (2014)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Kentaro Watanabe, Kosuke O. Hara, Kaoru Toko, Takashi Sekiguchi, Noritaka Usami, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 号: 7 ページ: 078004-078004
  • DOI: 10.7567/jjap.53.078004
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Potential variation around grain boundaries in BaSi2 films grown on multicrystalline silicon evaluated using Kelvin probe force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Kosuke O. Hara, Daichi Tsukahara, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Takashi Sekiguchi, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 116 号: 23
  • DOI: 10.1063/1.4904864
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hard x-ray photoelectron spectroscopy study on valence band structure of semiconducting BaSi_2, J. (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Keita Ito, Weijie Du, Tatsunori Sanai, Kazuaki Okamoto, Kaoru Toko, Shigenori Ueda, Yoji Imai, Akio Kimura, and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 114巻 号: 12
  • DOI: 10.1063/1.4823784
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of potential variations around grain boundaries in BaSi_2 epitaxial films by Kelvin probe force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Sadahiro Tsurekawa, Kentaro Watanabe, W. Du, Kaoru Toko, Kosuke O. Hara, Horitaka Usami, Takashi Sekiguchi, and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Letter 巻: 103巻 号: 14 ページ: 142113-142113
  • DOI: 10.1063/1.4824335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth of BaSi_2 films with large grains using vicinal Si(111) substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Kosuke O. Hara, Kaoru Toko, Noriyuki Saito, Noriko Yoshizawa, Noritaka Usami, and akashi Suemasu
  • 雑誌名: Physica Status Solidi (c) 10 巻: No. 12 号: 12 ページ: 1756-1758
  • DOI: 10.1002/pssc.201300327
  • 査読あり
• [学会発表] Si(111)基板上BaSi2エピタキシャル膜の双晶粒界に対する第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 馬場正和, 香山正憲, 都甲薫, 末益崇
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京都目黒区)
  • 年月日: 2016-03-21
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算によるBaSi2(011)/(011) 双晶粒界・界面構造についての考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 馬場正和, 香山正憲, 都甲薫, 末益崇
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-09-15
• [学会発表] Cross-sectional electric field distributions in BaSi2 homo and BaSi2/Si hetero pn junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Baba, K. Watanabe, K. O. Hara, T. Sekiguchi, W. Du, R. Takabe, K. Toko, N. Usami, T. Suemasu
  • 学会等名: 42nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference
  • 発表場所: アメリカ、ニューオーリンズ
  • 年月日: 2015-06-17
  • 国際学会
• [学会発表] BaSi2 domain boundary の最安定構造及び界面特性についての考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 馬場 正和、香山 正徳、都甲 薫、末益 崇
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川県、平塚市
  • 年月日: 2015-03-14
• [学会発表] Evaluation of potential variation around grain boundaries in BaSi2 on poly-crystalline Si substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Baba, W. Du, R. Takabe, K. Toko, K. Watanabe, T. Sekiguchi, K. O. Hara, N. Usami, T. Suemasu
  • 学会等名: The 6th IEEE International Nanoelectronics Conference
  • 発表場所: Sapporo, Hokkaido
  • 年月日: 2014-07-30
• [学会発表] Crystal growth of undoped and impurity doped BaSi2 films on poly-crystalline Si (2014)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba, Kosuke O. Hara, Daichi Tsukahara, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Takashi Suemasu
  • 学会等名: ICSS Silicide 2014
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2014-07-19
• [学会発表] Grain boundaries characterization of semiconducting BaSi2 thin films on a polycrystalline Si substrate (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Baba, K. O. Hara, K. Watanabe, W. Du, D. Tsukahara, K. Toko, K. Jiptner, T. Sekiguchi, N. Usami, T. Suemasu
  • 学会等名: 40th IEEE Photovoltaic Specialist Conference
  • 発表場所: Denver, USA
  • 年月日: 2014-06-10
• [学会発表] Investigation about grain boundary character in semiconducting BaSi_2 by Kelvin probe force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba
  • 学会等名: 23^<rd> International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • 発表場所: 台北,台湾
  • 年月日: 2013-10-30
• [学会発表] Potential barrier height at grain boundaries in BaSi_2 epitaxial thin films studied by Kelvin probe force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba
  • 学会等名: JSAP-MRS Joint Symposia
  • 発表場所: 京都, 日本
  • 年月日: 2013-09-16
• [学会発表] Evaluation of BaSi_2 epitaxial films grain boundary character by Kelvin probe force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba
  • 学会等名: 2^<nd> ASCO-NANOMAT
  • 発表場所: ウラジオストク, ロシア
  • 年月日: 2013-08-26
• [学会発表] Epitaxial growth of BaSi_2 films with large grains using vicinal Si(111) substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba
  • 学会等名: APAC-SILICIDE 2013
  • 発表場所: 茨城,日本
  • 年月日: 2013-07-28
• [学会発表] Characterization of grain boundary properties in BaSi_2 epitaxial films on Si(111) and Si(001) by Kelvin probe force microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Baba
  • 学会等名: 39^<th> Photovoltaic Specialists Conference
  • 発表場所: フロリダ,アメリカ
  • 年月日: 2013-06-18
• [備考] 環境半導体・磁性体研究室 Publications
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/publication.html
• [備考]
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/publication.html
• [備考]
  • URL: http://www.bk.tsukuba.acjp/~ecology/dome-int.html