| 研究課題/領域番号 |
21H01825
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分30010:結晶工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
森戸 春彦 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80463800)
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| 研究分担者 |
伊藤 暁彦 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20451635)
今村 健太郎 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (60591302)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
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| キーワード | クラスレート / 結晶成長 / 太陽電池 / シリコン / シリコンクラスレート / 単結晶 / フラックス成長 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、次世代の太陽電池材料として注目されているシリコン系クラスレートの新しい結晶育成法を確立することを目的とする。金属フラックスをを用いた結晶引き上げ法や、クラスレート基板を用いた低温エピタキシャル成長など、独自に考案した結晶育成法の原理を構築する。最終的には、シリコン系クラスレートを材料とした太陽電池デバイスの設計指針を勘案し、高効率な太陽電池の創製に挑む。
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| 研究実績の概要 |
本研究対象であるシリコン（Si）単元素クラスレートとは、Si原子がカゴ状に結合した物質で、ダイヤモンド構造Siの同素体として捉えられている。その応用は太陽電池や熱電変換材料など多岐に渡るが、本物質に関しては応用に不可欠なバルク結晶の育成手法が確立されていなかった。そこで本研究では、Si単元素クラスレートのバルク結晶の実現を目指し、新しい結晶育成手法を開発することを目的とした。
これまでに本研究グループでは、Si単元素クラスレートの前駆体となるNaを内包したSiクラスレート（Na-Siクラスレート）の新しい結晶育成技術を開発した。最終的には、このNa-Siクラスレートのバルク結晶を用いて、Si単元素クラスレートを合成することを目標の一つとしている。本年度は、NaとSnの複合金属フラックスを用いてNa-Siクラスレートの単結晶育成に取り組み、本手法において高品質な単結晶が成長する条件を解明することにした。その結果、Na-SnフラックスにおけるSn濃度が結晶の形態や大きさ、結晶性に大きく影響を及ぼすことを明らかにした。そして、フラックス中のSn濃度を制御することで、ファセット面で囲まれた高品質な単結晶を育成することに成功した。また、従来の前駆体を熱分解して合成する手法においても結晶構造がI型と呼ばれる単相試料が得られる新たな合成条件を見出し、Na-Siクラスレートの合成技術の基盤を構築しつつある。
また、本研究で開発しているフラックス法がBaを内包したSiクラスレートの結晶育成にも適用できることを見出し、結晶構造が異なるI型とII型の単結晶を選択的に育成することに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、Si単元素クラスレートの前駆体となるNa-Siクラスレートの結晶育成手法の確立を目指した。当初の予定通り、金属フラックスがNa-Siクラスレートの結晶成長に及ぼす影響を明らかにし、高品質な単結晶が成長する条件を見出した。また、Baを内包した新規のSiクラスレートの結晶成長にも成功し、金属フラックスを用いた結晶育成法の基盤が構築されつつある。
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| 今後の研究の推進方策 |
Na-Siクラスラートの結晶育成条件が明らかになったため、チョクラルスキー法やトップシード法などを用いて大型単結晶の育成に取り組む。また、横浜国立大学の伊藤准教授と共同で、得られたNa-Siクラスレートの単結晶を種結晶として、Na-SiおよびSi単元素クラスレートの単結晶作製に取り組む。
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