Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜のモノライク・低温合成技術の構築とユビキタス太陽電池の創製

• 研究課題/領域番号: 17H04918
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 都甲 薫 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30611280)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 21,840千円 (直接経費: 16,800千円、間接経費: 5,040千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2018年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2017年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
• キーワード: 太陽電池 / 薄膜 / 結晶成長 / GaAs

研究成果の概要

本研究課題では、軽くて柔らかいプラスチックの上にIII-V族化合物半導体（GaAs）を薄膜で直接合成し、高い効率と広い汎用性を両立した「ユビキタス太陽電池」の基盤技術を構築することを目的とし、研究を推進した。多結晶GaAs薄膜の結晶粒径と分光感度の相関が初めて実験的に明らかになるとともに、ガラス上・プラスチック上として最大粒径のGaAs膜および最高の分光感度が実証された。フレキシブル多接合太陽電池実現の可能性を開拓する成果である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

IoT社会におけるエネルギーの確保のため、あらゆるシーンで太陽光発電を利用する技術が求められている。軽くて柔軟で設置場所を選ばず、かつ限られた面積で大きな電力が得られる「フレキシブル多接合太陽電池」はひとつの解決策であり、その基盤技術が構築された点に本研究の社会的意義がある。多結晶GaAs薄膜の結晶粒径と光学特性の相関が実験的に明らかにされたことは学術的に特筆すべき点であり、多結晶系III-V族化合物太陽電池の設計指針としても有用である。

研究成果

• [雑誌論文] Solid-phase crystallization of gallium arsenide thin films on insulators (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, T. Nishida, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 124 ページ: 105623-105623
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2020.105623
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metal-induced layer exchange of group IV materials (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Toko and T. Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 53 号: 37 ページ: 373002-373002
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ab91ec
  • NAID: 120007166909
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improving photoresponsivity in GaAs film grown on Al-induced-crystallized Ge on an insulator (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 号: 1 ページ: 15153-15153
  • DOI: 10.1063/1.5138677
  • NAID: 120007127661
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-electron-mobility (370 cm2/Vs) polycrystalline Ge on an insulator formed by As-doped solid-phase crystallization (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, K. Moto, T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 16558-16558
  • DOI: 10.1038/s41598-019-53084-7
  • NAID: 120007132909
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Minority carrier lifetime of Ge film epitaxially grown on a large-grain seed layer on glass (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, M. Nakata, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: in press ページ: 98-102
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2019.03.019
  • NAID: 120007133455
  • 査読あり
• [雑誌論文] High photoresponsivity in a GaAs film synthesized on glass using a pseudo-single-crystal Ge seed layer (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, K. Moto, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: in press 号: 14
  • DOI: 10.1063/1.5091714
  • NAID: 120007127940
  • 査読あり
• [雑誌論文] High hole mobility (>500cm2 V-1 s-1) polycrystalline Ge films on GeO2-coated glass and plastic substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Imajo, K. Moto, R. Yoshimine, T. Suemasu, and K. Toko
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 号: 1 ページ: 015508-015508
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aaf5c6
  • NAID: 120007128213
  • 査読あり
• [学会発表] ガラス上多結晶GaAs膜における粒径―分光感度の相関解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Group IV semiconductor thin films on insulators: polycrystallization and device applications (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Toko
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Layer exchange technique of Ge for high-efficiency solar cells on glass (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • 国際学会
• [学会発表] ガラス上多接合太陽電池の開発に向けたAl誘起層交換Ge薄膜のシード応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第39回電子材料シンポジウム
• [学会発表] 層交換Geシード層を利用した擬似単結晶GaAs膜の合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 固相成長における前駆体高密度化：GaAs薄膜への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 聖也, 西田 竹志, 茂藤 健太, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] High optical performance of pseudo-single-crystal semiconductors formed on glass using layer-exchanged Ge seed layer (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: ECS PRiME
  • 国際学会
• [学会発表] Impact of the Precursor Conditions on the Solid-phase Crystallization of Amorphous GaAs Thin Films on Glass and Plastic Substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Seed Layer Technique Leading to High-photoresponsivity GaAs Films on Glass (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 擬似単結晶 GaAs 膜のガラス上合成と高分光感度の実証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ガラス上における非晶質GaAs薄膜の固相成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 聖也, 西田 竹志, 茂藤 健太, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 大粒径Ge薄膜をシードとしたガラス上多結晶GaAsのMBE成長と分光感度実証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第38回電子材料シンポジウム
• [学会発表] 高品質多結晶Geの固相成長とそのGaAsへの応用? (2019)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 聖也, 西田 竹志, 茂藤 健太, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第38回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Low-temperature synthesis of GaAs films on insulators for wearable solar cells (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: 2019 European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Al-induced layer exchange of Ge for seed layer applications (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: 2019 European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Photoresponsivity of a Pseudo-single-crystal GaAs Film Synthesized on Glass Using a Large-grained Ge Seed Layer for Solar Cell Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, K. Moto, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: The 5th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and optical properties of GaAs film grown on a glass substrate using a large-grained Ge seed layer for solar cell applications (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, K. Moto, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Low-temperature synthesis of group IV semiconductors on insulators (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Toko and T. Suemasu
  • 学会等名: MRS Spring Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大粒径Geシード層を利用したガラス上GaAs膜の合成と分光感度実証 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 茂藤 健太, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Al誘起成長Ge薄膜をシードとした大粒径GaAs層の形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 斎藤 聖也, 茂藤 健太, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 非晶質基板上の多結晶GaAs膜における分光感度の初実証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 茂藤 健太, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 第10回半導体材料・デバイスフォーラム
• [学会発表] Epitaxial Thickening of a Large-grained Ge Layer on Glass for Solar Cell Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Nishida, Takashi Suemasu, Kaoru Toko
  • 学会等名: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Epitaxial growth of a light absorbing Ge layer on an Al-induced crystallized Ge seed layer (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • 学会等名: 60th Electric Materials Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Al誘起成長Ge薄膜をシードとした大粒径厚膜Ge層の形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西田 竹志, 中田 充紀, 末益 崇, 都甲 薫
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [産業財産権] 半導体装置とその製造方法および光電変換装置 (2018)
  • 発明者名: 都甲薫、末益崇
  • 権利者名: 都甲薫、末益崇
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018