Ge基板上へのBaSi2薄膜太陽電池の作製と高効率タンデム型太陽電池の実現

• 研究課題/領域番号: 22KJ0358
• 補助金の研究課題番号: 21J20404 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 青貫 翔 筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 薄膜太陽電池 / シリサイド半導体 / バリウムシリサイド / ポストアニール / 伝導型制御 / 光学特性

研究開始時の研究の概要

新規環境半導体であるバリウムシリサイド（BaSi2）の太陽電池への応用を目指す。BaSi2は資源が豊富な元素のみで構成され，太陽電池に適した諸物性を有する。光入射によりBaSi2層において生成したキャリアを取り出すためのキャリア輸送層とBaSi2層の高品質な接合の形成が高効率動作に向けて重要である。本研究では，上記界面における欠陥評価を元に高品質化への端緒をつかみ，20％のエネルギー変換効率を目指す。さらに，本手法をGe基板上へ展開し，30％を超えるエネルギー変換効率を有するBaSi2/Geタンデム型太陽電池を実現する。

研究実績の概要

本研究では，n型BaSi2膜の高品質化，および太陽電池応用に向けたシミュレーションを行った。BaSi2のn型ドーパントであるPとAsを用いてn型BaSi2薄膜を作製し，物性の評価を行った。Pについては，BaSi2中での拡散係数の導出，およびイオン注入を用いた太陽電池応用に着手した。これまでBaSi2太陽電池に用いられていたSbと比較して2桁小さい拡散係数を示し，イオン注入を用いたBaSi2太陽電池の初動作を実証した。この成果は，あらゆる手法により作製したBaSi2膜に応用可能であり、新たなBaSi2太陽電池の設計方法を提示した。
次に，Asを添加したBaSi2薄膜の光学特性の向上にむけて，これまで高い光学特性を示してきたSi-rich条件で堆積したBaSi2膜への高温の加熱を行った。光学特性の評価には，太陽電池の光電流を決定するパラメーターである，分光感度を測定した。加熱しない試料と比較して，1000°Cで2分間の加熱後に分光感度が約3倍に向上した。この結果は，n型不純物を添加したn型BaSi2薄膜において、最も高い分光感度である。さらに，これまで高い分光感度を示していた，Bを添加したp型BaSi2薄膜と同程度の光学特性であり、BaSi2太陽電池の設計自由度が大幅に拡大した。
上記の結果をもとに，n型BaSi2薄膜の太陽電池応用に向けて，デルフト工科大学との共同研究によりシミュレーションを用いた太陽電池設計を行った。 太陽電池の基本構造はpn接合であるため，n型BaSi2光吸収層にはp型BaSi2層のキャリア輸送層が候補になる。しかし，p型BaSi2は光吸収係数が大きく，n型BaSi2膜での光電流密度が制限される。そこで，ワイドバンドギャップ半導体に着目し，最適な構造を決定した。

研究成果

• [国際共同研究] Belarusian State University(ベラルーシ)
• [国際共同研究] National Research Nuclear University/Joint Institute for Nuclear Research(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Delft University of Technology(オランダ)
• [国際共同研究] Belarusian State University(ベラルーシ)
• [国際共同研究] National Research Nuclear University/Joint Institute for Nuclear Research(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Mechanism of photoresponsivity reduction in BaSi₂ epitaxial films by post-annealing at moderate temperatures (2024)
  • 著者名/発表者名: Aonuki Sho、Haku Yurika、Narita Shunsuke、Takayanagi Kaori、Iwai Ai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 号: 2 ページ: 020906-020906
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad27a5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of template on the photoresponsivity of BaSi2 films grown on Ge(111) substrates by molecular beam epitaxy (2024)
  • 著者名/発表者名: Aonuki Sho、Takayanagi Kaori、Iwai Ai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology A 巻: 42 号: 3 ページ: 032702-032702
  • DOI: 10.1116/6.0003503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of B-ion-implanted p-BaSi2/n-Si heterojunction solar cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Aonuki Sho、Narita Shunsuke、Takayanagi Kaori、Iwai Ai、Yamashita Yudai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 号: SD ページ: SD1017-SD1017
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acab08
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of hydrogen on trap neutralization in BaSi2 with interstitial silicon atoms (2023)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, Andrew B. Filonov, Dmitri B. Migas and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 773 ページ: 139829-139823
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2023.139823
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Device operation of P-ion-implanted n-BaSi2/p-Si heterojunction solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Gianluca Limodio, Shunsuke Narita, Kaori Takayanagi, Ai Iwai, Kaoru Toko, Miro Zeman, Olindo Isabella and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Progress in Photovoltaics: Research and Applications 巻: Early view 号: 12 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1002/pip.3658
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-temperature post-annealing effect on the surface morphology and photoresponse and electrical properties of B-doped BaSi2 films grown by molecular beam epitaxy under various Ba-to-Si deposition rate ratios (2022)
  • 著者名/発表者名: Narita Shunsuke、Yamashita Yudai、Aonuki Sho、Saitoh Noriyuki、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 578 ページ: 126429-126429
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126429
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanisms of carrier lifetime enhancement and conductivity-type switching on hydrogen-incorporated arsenic-doped BaSi2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Zhihao Xu, Yudai Yamashita, Kazuhiro Gotoh, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Andrew B. Filonov, Siarhei A. Nikitsiuk, Dmitri B. Migas, Denis A. Shohonov, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 724 ページ: 138629-138629
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2021.138629
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Ba-to-Si deposition rate ratios on the electrical and photoresponse properties of arsenic-doped n-type BaSi2 films (2021)
  • 著者名/発表者名: Aonuki Sho、Yamashita Yudai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 738 ページ: 138969-138969
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2021.138969
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of post-annealing on the significant photoresponsivity enhancement of BaSi2 epitaxial films on Si(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: Yurika Haku, Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 2 ページ: 021003-021003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abdc9f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solar cell operation of sputter-deposited n-BaSi2/p-Si heterojunction diodes and characterization of defects by deep-level transient spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Taira Nemoto, Sho Aonuki, Ryota Koitabashi, Yudai Yamashita, Masami Mesuda, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 5 ページ: 051010-051010
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abfb87
  • 査読あり
• [学会発表] Device modeling of HTL/BaSi2 heterojunction solar cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Carlos Mario Ruiz Tobon, Rudi Santbergen, Olindo Isabella, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: IEEE Photovoltaics Specialists Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of MoOx/BaSi2 heterojunction solar cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Karu Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: China-Japan International Symposium on Photonic Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Device medeling of HTL/BaSi2 heterojunction solar cells by optical simulations (2023)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Carlos Mario Ruiz Tobon, Rudi Santbergen, Olindo Isabella, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: 40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] BaSi2太陽電池に向けたHTL材料探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔，Rudi Santbergen, Olindo Isabella, 末益 崇
  • 学会等名: 第20回シリサイド系半導体・夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] n-BaSi2膜のデバイス応用に向けた正孔輸送層の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔，Rudi Santbergen, Olindo Isabella, 末益 崇
  • 学会等名: 日本太陽エネルギー学会2023年度若手研究発表会
• [学会発表] 3D光学シミュレーションによるHTL/n-BaSi2太陽電池のデバイス設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔，Calros Mario Ruiz Tobon, Rudi Santbergen, Olindo Isabella, 末益 崇
  • 学会等名: 第3回日本太陽光発電学会学術講演会
• [学会発表] The 6th Asia-Pacific Conference on Semiconducting Silicides and Related Materials, 2022 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: First demonstration of B-ion-implanted p-BaSi2/n-Si heterojunction solar cells
  • 国際学会
• [学会発表] The first solar cell application of P-ion-implanted n-BaSi2 films (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The 5th International Union of Materials Research Societies International Conference of Young Researchers on Advanced Material
  • 国際学会
• [学会発表] The first operation of P-ion-implanted n-BaSi2/p-Si solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, Dmitri B. Migas, Takashi Suemasu
  • 学会等名: 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic hydrogen passivation effect on BaSi2 films containing interstitial silicon atoms (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, Dmitri B. Migas, Takashi Suemasu
  • 学会等名: 33rd International Photovoltaics Science and Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of P-ion-implanted n-BaSi2/p-Si solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 学会等名: Grand Renewable Energy 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of B-ion-implanted p-BaSi2 films and its solar cell application (2022)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kazuki Kido, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONFERENCE
  • 国際学会
• [学会発表] B-ion-implanted p-BaSi2膜の伝導型制御および太陽電池応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Bのイオン注入法によるp-BaSi2膜の作製および太陽電池応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 2022年度 日本太陽エネルギー学会 研究発表会
• [学会発表] 光学シミュレーションによるHTL/BaSi2太陽電池の構造設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, Tobon Carlos Mario Ruiz, Santbergen Rudi, 都甲 薫, Isabella Olindo, 末益 崇
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 原子状水素パッシベーションによるSi-rich BaSi2膜の光学特性向上及び第一原理計算による機構考察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 都甲 薫, Dmitri Migas, 末益 崇
  • 学会等名: 第19回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム（第2回日本太陽光発電学会学術講演会）
• [学会発表] P-ion-implanted n-BaSi2膜の太陽電池応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Notable improvement of the photoresponsivity of As-doped n-BaSi2 films by post-annealing (2021)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Shunsuke Narita, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The 7th Southeast Asia Collaborative Symposium on Energy Materials (SACSEM 7th)
  • 国際学会
• [学会発表] High optical performance of pseudo-single-crystal semiconductors formed on glass using layer-exchanged Ge seed layer (2021)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Kazuhiro Gotoh, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Dmitri B. Migas and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The Electrochemical Society PRiME 2020
  • 国際学会
• [学会発表] ポストアニールによるAs-doped BaSi2膜の分光感度向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 成田 隼翼, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 第19回シリサイド系半導体・夏の学校
• [学会発表] ポストアニールを施したAs-doped BaSi2膜の特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 成田 隼翼, 都甲 薫, 末益 崇
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 水素パッシベーションによるAs-doped n-BaSi2膜の分光感度向上及び第一原理計算を用いた考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青貫 翔, 山下 雄大, Xu Zhihao, 後藤 和泰, 都甲 薫, 宇佐美 徳隆, Dmitri Migas, 末益 崇
  • 学会等名: 第18回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム（第1回日本太陽光発電学会学術講演会）
• [備考] 所属研究機関
  • URL: https://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/publications.html
• [備考] ORCiD
  • URL: https://orcid.org/0000-0002-9155-9170
• [備考] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.com/citations?user=782d9EQAAAAJ&hl=en&oi=ao
• [学会・シンポジウム開催] 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (2022)