• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実績報告書

化学的転写法で形成する極低反射率シリコン表面の物性

研究課題

研究課題/領域番号 15H01997
研究機関大阪大学

研究代表者

小林 光  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90195800)

研究分担者 松本 健俊  大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (20390643)
今村 健太郎  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60591302)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード太陽電池 / シリコンナノクリスタル層 / 表面パッシベーション / 化学的転写法 / 反射率 / 傾斜材料
研究実績の概要

シリコンウェーハをH2O2+HF水溶液に浸漬し、それに白金触媒体を接触させる化学的転写法を用いて、単結晶シリコン、多結晶シリコン共に3%以下の極低反射率を得た。断面透過電子顕微鏡写真の観測から、シリコン基板上に200~300μmの層厚を持つシリコンナノクリスタル層が形成されていることを確認した。シリコンナノクリスタル層中の空孔率は表面近傍では大きく、深さと共に減少することが分かった。したがって、シリコンナノクリスタル層の屈折率は、表面近傍では空気に近く、界面近傍では結晶シリコンに近くなるため、反射率が極低になると結論した。エリプソメトリーによる解析の結果、シリコンナノクリスタル層は結晶シリコンと異なる屈折率と消衰係数を持つことが分かった。
シリコンナノクリスタル層/結晶シリコン構造にpn接合を形成するために、リン珪酸ガラス(PSG)をシリコンナノクリスタル層上にスピンコートしその後約900℃で加熱処理を施した。加熱処理によってPSGが溶解しシリコンナノクリスタル層の空孔部分にPSGが入り込み、シリコンナノクリスタルと接触しそこで化学結合を形成する結果、表面がパッシベーションされ、高い少数キャリアーライフタイムが得られることが分かった。PSG堆積+加熱後400℃で水素雰囲気中で加熱処理を行うことによって、少数キャリアーライフタイムはさらに増加した。シリコンナノクリスタル層の形成条件とそのパッシベーション条件を最適化することによって、シリコンナノクリスタル層/シリコン構造を持つ太陽電池の変換効率が向上し、反射防止膜すら必要としない単純構造の太陽電池にもかかわらず、19.5%と高い変換効率が得られた。PSG堆積+水素処理によって、短波長光に対する量子効率が向上し、波長300nmの入射光に対して約60%の量子効率を得た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

PSG堆積法+水素処理によって、シリコンナノクリスタル層の表面パッシベーションが効果的に行われることがわかり、これを結晶シリコン太陽電池に利用することによって、反射防止膜すら必要としない単純構造の太陽電池にもかかわらず19.5%という高い変換効率を得た。

今後の研究の推進方策

(1)シリコンナノクリスタル層/シリコン構造の物性解明
27年度の研究によって、TEM観測からシリコンナノクリスタル層の空孔率が深さと共に減少し、シリコンナノクリスタルのサイズが深さと共に増加することが分かった。したがって、シリコンナノクリスタル層のバンドギャップは深さと共に狭くなると考えられる。シリコンナノクリスタル層をHF+HNO3水溶液で徐々にエッチングしてそのフォトルミネッセンススペクトルと紫外・可視吸収スペクトルを観測することで、シリコンナノクリスタルのバンドギャップの深さ依存性を見出す。この情報を基に、シリコンナノクリスタルの誘電率の深さ依存性を求める。シリコンナノクリスタル層自身の屈折率をバンドギャップとエリプソメトリー測定から求め、これを用いて反射率の波長依存性を計算する。
(2)シリコンナノクリスタル層の表面パッシベーションと表面物性の解明
表面パッシベーション技術として、①燐酸ガラス(PSG)膜堆積法、②水素処理法、③熱酸化法、及びそれらの組み合わせ法を検討する。
パッシベーション機構を解明するため、シリコンナノクリスタル層の表面化学結合状態、特にSiO2膜の膜厚とサブオキサイド濃度及び価電子帯の状態をXPSスペクトルの観測によって求める。シリコンナノクリスタル層表面のSi-H結合の量とその種類(SiH,SiH2,SiH3)をFT-IRで観測されるLOとTOフォノンのエネルギー差によって求める。シリコン表面に存在する可能性のある微量元素、特に太陽電池の性能を大きく劣化させる金属元素の表面濃度を、全反射蛍光X分光法によって求める。これらの情報と少数キャリアーライフタイムとの比較から、表面パッシベーション機構を解明すると共に、効果的な表面パッシベーション法を見出す。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 9件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] The photoluminescence of multicolor silicon2016

    • 著者名/発表者名
      E. Pincik, R. Brunner, H. Kobayashi, M. Mikula, P. Vojtek, J. Gregus, Z. Zabudla, K. Imamura, P. Svec, Jr.
    • 雑誌名

      J. Chin. Adv. Mater. Soc.

      巻: in press ページ: -

    • DOI

      10.1080/22243682.2016.1151374

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultralow Reflectivity and Light Trapping for Crystalline Si Solar Cells by Use of Surface Structure Chemical Transfer Method on Pyramidal Textured Surfaces2015

    • 著者名/発表者名
      K. Imamura, T. Nonaka, D. Irishika, H. Kobayashi
    • 雑誌名

      ECS Solid State Lett.

      巻: 4 ページ: Q63-Q65

    • DOI

      10.1149/2.0091512ssl

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultralow reflectivity surfaces by formation of nanocrystalline Si layer for crystalline Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      D. Irishika, K. Imamura, H. Kobayashi
    • 雑誌名

      Sol. Energ. Mat. Sol. C.

      巻: 141 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1016/j.solmat.2015.06.005

    • 査読あり
  • [学会発表] 化学的転写法により形成した極低反射Si表面の光学特性と、高効率太陽電池への応用2016

    • 著者名/発表者名
      今村健太郎,入鹿大地,鬼塚裕也,小林光
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 化学的転写法による極低反射表面と裏面ナノ構造を用いた結晶Si太陽電池の変換効率向上2016

    • 著者名/発表者名
      鬼塚裕也,入鹿大地,今村健太郎,小林光
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京都)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Ultra-low reflectivity surfaces with nano-structured Si layer2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Onitsuka, K. Imamura, H. Kobayashi
    • 学会等名
      The 19th SANKEN International Symposium, The 14th SANKEN Nanotechnology International Symposium
    • 発表場所
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府、吹田市)
    • 年月日
      2015-12-07 – 2015-12-09
    • 国際学会
  • [学会発表] Ulta-low reflectivity polycrystalline Si surfaces by formation of nanocrystalline Si layer and achievement of high efficiency crystalline Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      D. Irishika, K. Imamura, H. Kobayashi
    • 学会等名
      The 19th SANKEN International Symposium, The 14th SANKEN Nanotechnology International Symposium
    • 発表場所
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府、吹田市)
    • 年月日
      2015-12-07 – 2015-12-09
    • 国際学会
  • [学会発表] Si surface control for achieving high conversion efficiencies of crystalline Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      H. Kobayashi, D. Irishika, T. Nonaka, K. Imamura
    • 学会等名
      Progress in applied surface, interface and thin film science 2015
    • 発表場所
      Italy
    • 年月日
      2015-11-23 – 2015-11-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 18.9% efficiency crystalline Si solar cells with simple structure fabricated by surface2015

    • 著者名/発表者名
      H. Kobayashi
    • 学会等名
      ACTSEA-2015
    • 発表場所
      Taiwan
    • 年月日
      2015-11-08 – 2015-11-11
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 化学的転写法により形成した極低反射率をもつSiナノクリスタル層/Si構造の光学特性2015

    • 著者名/発表者名
      今村健太郎,入鹿大地,野中啓章,小林光
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス(大阪府、吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 化学的転写法で作製したナノクリスタルSi層に対する表面パッシベーションと結晶Si太陽電池の高効率化2015

    • 著者名/発表者名
      野中啓章,入鹿大地,今村 健太郎,小林 光
    • 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
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Ultra‐low reflectivity crystalline Si surfaces fabricated by use of SSCT method and application to high efficiency Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      K. Imamura, D. Irishika, T. Nonaka, H. Kobayashi
    • 学会等名
      1st International Conference on Applied Surface Science
    • 発表場所
      China
    • 年月日
      2015-07-27 – 2015-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultralow reflectivity crystalline Si surfaces by formation of nanocrystalline Si layer and application to polycrystalline Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      D. Irishika, K. Imamura, H. Kobayashi
    • 学会等名
      1st International Conference on Applied Surface Science
    • 発表場所
      China
    • 年月日
      2015-07-27 – 2015-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of ultra‐low reflectivity Si solar cells with light trapping effect to achieve a high conversion efficiency2015

    • 著者名/発表者名
      T. Nonaka, D. Irishika, K. Imamura, H. Kobayashi
    • 学会等名
      1st International Conference on Applied Surface Science
    • 発表場所
      China
    • 年月日
      2015-07-27 – 2015-07-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Chemical methods for improvement of performance of crystalline Si solar cells2015

    • 著者名/発表者名
      H. Kobayashi
    • 学会等名
      2015 Symposium for Eco Multi-Functional Nano Materials & ISO/TC 107 Workshop
    • 発表場所
      Korea
    • 年月日
      2015-05-15 – 2015-05-17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Improvement of crystalline solar cell characteristics by formation of ultralow reflectivity surface using surface structure chemical transfer method2015

    • 著者名/発表者名
      H. Kobayashi
    • 学会等名
      The 5th Asia-Africa Sustainable Energy Forum and Jointly with 7th International Workshop on Sahara Solar Breeder
    • 発表場所
      筑波大学筑波キャンパス(茨城県、つくば市)
    • 年月日
      2015-05-13 – 2015-05-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] シリコン太陽電池の研究

    • URL

      http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/fcm/research-PV.html

URL: 

公開日: 2017-01-06  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi