プラスチックを基材とした高効率・多接合型薄膜太陽電池のボトムセル技術

• 研究課題/領域番号: 26709019
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 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, 助教 (30611280)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円); 2016年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2015年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2014年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 薄膜 / 太陽電池 / 結晶成長 / ゲルマニウム

研究成果の概要

高い変換効率と広い汎用性を両立する新規な太陽電池の開発が望まれている。本研究では、高効率かつフレキシブルな多接合薄膜太陽電池の実現を目指し、そのボトムセルとなるプラスチック上Ge薄膜の低温合成手法を検討した。
研究代表者のシーズ技術である「金属誘起層交換法」を用いることで、大粒径のGe（111）薄膜をプラスチック上に形成することに成功した。一方、金属触媒を用いない固相成長法も併せて検討した。その結果、前駆体となる非晶質Ge層の原子密度を制御することで、最高品質の多結晶Ge薄膜を低温合成した。以上、本研究は、フレキシブル多接合太陽電池のボトム層として最高品質のGe薄膜に結実した。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of interlayer on Ag-induced layer exchange crystallization of amorphous Ge thin film on insulator (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Yoshimine, K. Toko, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 56 号: 5S1 ページ: 05DE04-05DE04
  • DOI: 10.7567/jjap.56.05de04
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of Al grain size on metal-induced layer exchange growth of amorphous Ge thin film on glass substrate (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, K. Toko, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 626 ページ: 190-193
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2017.02.046
  • NAID: 120007129174
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orientation control of intermediate-composition SiGe on insulator by low-temperature Al-induced crystallization (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, K. Toko, N. Saitoh, N.Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 112 ページ: 86-88
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.05.025
  • NAID: 120007129544
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sn-inserted Al-induced layer exchange for large-grained GeSn thin films on insulator (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, N. Oya, M. Nakata, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 616 ページ: 316-319
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2016.08.046
  • NAID: 120007135218
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Transfer-free synthesis of highly ordered Ge nanowire arrays on glass substrate (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, K. Toko, W. Jevasuwan, N. Fukata, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 13 ページ: 133102-133102
  • DOI: 10.1063/1.4932054
  • NAID: 120007135961
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vertically Aligned Ge Nanowires on Flexible Plastic Films Synthesized by (111)-Oriented Ge Seeded Vapor－Liquid－Solid Growth (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, M. Nakata, W. Jevasuwan, N. Fukata, and T. Suemasu
  • 雑誌名: ACS Applied Materials ＆ Interfaces 巻: 7 号: 32 ページ: 18120-18124
  • DOI: 10.1021/acsami.5b05394
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of Substrate on Crystal Orientation of Large-Grained Si Thin Films Formed by Metal-Induced Crystallization (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, M. Nakata, A. Okada, M. Sasase, N. Usami, and T Suemasu
  • 雑誌名: International Journal of Photoenergy 巻: 2015 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1155/2015/790242
  • NAID: 120007130269
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved surface quality of the metal-induced crystallized Ge seed layer and its influence on subsequent epitaxy (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, K. Nakazawa, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 15 号: 3 ページ: 1535-1539
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.5b00060
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of diffusion control layer on reverse Al-induced layer exchange process for high-quality Ge/Al/glass structure (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nakazawa, K. Toko, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 巻: 44 号: 5 ページ: 1377-1377
  • DOI: 10.1007/s11664-014-3521-7
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of flexible substrate thickness on Al-induced crystallization of amorphous Ge thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Oya, K. Toko, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 583 ページ: 221-226
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2015.03.072
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 70 °C synthesis of high-Sn content (25%) GeSn on insulator by Sn-induced crystallization of amorphous Ge (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, N. Oya, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 号: 8
  • DOI: 10.1063/1.4913744
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct synthesis of highly textured Ge on flexible polyimide films by metal-induced crystallization (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Oya, K. Toko, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 104 号: 26
  • DOI: 10.1063/1.4887236
  • NAID: 120007136703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-organization of Ge(111)/Al/glass structures through layer exchange in metal-induced crystallization (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, K. Nakazawa, N. Saitoh, N. Yoshizawa, and T. Suemasu
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 16 号: 41 ページ: 9590-9595
  • DOI: 10.1039/c4ce01252f
  • 査読あり
• [学会発表] Al誘起層交換によるSi1-xGex熱電薄膜の低温合成 (2017)
  • 著者名/発表者名: 都甲薫、中田充希、山本淳、末益崇
  • 学会等名: 第78回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] SiGe薄膜の低温合成技術と熱電変換への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 都甲薫、山本淳、末益崇
  • 学会等名: 応用物理学会シリコンテクノロジー分科会研究集会
  • 発表場所: 産業技術総合研究所（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2016-11-14
  • 招待講演
• [学会発表] IV族半導体薄膜の金属誘起層交換成長 ―現象の理解と制御― (2016)
  • 著者名/発表者名: 都甲薫、末益崇
  • 学会等名: 第8回半導体材料・デバイスフォーラム
  • 発表場所: くまもと県民交流館パレア（熊本県熊本市）
  • 年月日: 2016-11-05
  • 招待講演
• [学会発表] プラスチック上Ge薄膜の結晶方位制御と垂直配向ナノワイヤ合成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 都甲 薫、中田 充紀、大谷 直生、Jevasuwan Wipakorn、深田 直樹, 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: 2016-03-20
• [学会発表] Fabrication of Vertical Ge Nanowires on Amorphous Substrates by Combining Au-seeded Chemical-Vapor Deposition with Al-induced Crystallization (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, K. Toko, W. Jevasuwan, N. Fukata, and T. Suemasu
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2015)
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] Sn-doped Al-induced Layer Exchange for Large-grained GeSn Thin Films on Insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Oya, K. Toko, and T. Suemasu
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2015)
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2015-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] Large-grained Ge Thin Films on Glass Formed by Al-induced Crystallization for Inexpensive Tandem Solar Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Toko, K. Nakazawa, N. Oya, N. Usami, and T. Suemasu
  • 学会等名: 6th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] 金属誘起層交換成長による非晶質基板上Ge 薄膜の結晶方位制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 都甲 薫, 中沢 宏紀、大谷 直生、宇佐美 徳隆、末益 崇
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 札幌
  • 年月日: 2014-09-17
  • 招待講演
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/
• [産業財産権] 半導体装置とその製造方法 (2017)
  • 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: 2017-02-28