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

2017 年度 実績報告書

• 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: シリコンナノクリスタル層 / 屈折率勾配 / 太陽電池 / graded band-gap構造

研究実績の概要

我々が開発した化学的転写法では、シリコンウェーハを過酸化水素水＋フッ化水素酸水溶液に浸漬し、ローラーに装着した白金触媒体を接触するだけで瞬時に表面化学反応が起こりシリコンナノクリスタル層が形成される結果、3％以下の極低反射率を得ることができる。シリコンナノクリスタル層の空孔率は、表面領域では約90％と非常に高く、深さと共に単調に減少して界面近傍ではほぼ零となることが、断面TEM観測及び、分光エリプソメトリー解析によってわかった。したがって、シリコンナノクリスタル層の屈折率が表面から深さと共に増加し、表面近傍の屈折率は空気の1に近く、界面近傍の屈折率はシリコンに近くなることによって極低反射率が得られることがわかった。
シリコンナノクリスタル層の価電子帯スペクトルをXPS法を用いて観測した。シリコンナノクリスタル層の最表面の価電子帯上端のエネルギーは、化学的転写処理時間と共に下方に移動し、最大約0.4eV低くなることがわかった。一方、ケルビンプローブフォース顕微鏡を用いたシリコンナノクリスタル層の伝導帯の観測では、シリコンナノクリスタル層の最表面の伝導帯下端のエネルギーは、最大約0.2eV上方にシフトすることがわかった。一方、pn接合を形成した後のシリコンナノクリスタル層の伝導帯エネルギーは、ほぼ平坦または表面方向で少し下方にシフトしていることがわかった。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量子サイズ効果によって1.7eVであり、この値はシリコンナノクリスタル層のフォトルミネッセンススペクトルから求めたバンドギャップと良い一致を示した。これらの結果から、＜シリコンナノクリスタル層/pn接合シリコン＞構造は、graded band-gap構造を持ち、シリコンナノクリスタル層中で光生成したホールと電子の電荷分離が促進され表面再結合が防止されていることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] スロバキア科学アカデミー(スロバキア)
  • 国名: スロバキア
  • 外国機関名: スロバキア科学アカデミー
• [国際共同研究] Zilina大学(スロバキア)
  • 国名: スロバキア
  • 外国機関名: Zilina大学
• [雑誌論文] Improvement of conversion efficiency of silicon solar cells by submicron-textured rear reflector obtained by metal-assisted chemical etching (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Irishika, Y. Onitsuka, K. Imamura, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: １ ページ: 1700061-1-4
  • DOI: 10.1002/solr.201700061/epdf
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface nanocrystalline Si structure for highly efficient crystalline Si solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Imamura, D. Irishika, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: Prog. Photovolt. 巻: 25 ページ: 358-366
  • DOI: 10.1002/pip.2867
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of ultra-low reflectivity for nanocrystalline Si/crystalline Si structure formed by surface structure chemical transfer method (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Imamura, D. Irishika, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 121 ページ: 013107-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4973531
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light trapping of crystalline Si solar cells by use of nanocrystalline Si layer plus pyramidal texture (2017)
  • 著者名/発表者名: Imamura, T. Nonaka, Y. Onitsuka, D. Irishika, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: Appl. Surf. Sci. 巻: 395 ページ: 50-55
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.04.132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regarding the optical properties of porous layers prepared on Si substrates (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Pincik, R. Brunner, H. Kobayashi, P. Vojtek, Z. Zabudla, M. Mikula, J. Gregus and M. Kucera
  • 雑誌名: J. Energy Power Eng. 巻: 11 ページ: 687-692
  • DOI: 10.17265/1934-8975/2017.11.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] About complex refractive index of black Si (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Pincik, R. Brunner, H. Kobayashi, and M. Mikula
  • 雑誌名: J. Elect. Eng. 巻: 68 ページ: 81-83
  • DOI: 10.1515/jee-2017-0063
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Properties of nanocrystalline Si layers embedded in structure of solar cell (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Jurecka, K. Imamura, T. Matsumoto, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Elect. Eng. 巻: 68 ページ: 48-52
  • DOI: 10.1515/jee-2017-0055
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of deep defects in nanocrystalline-Si/Si interfaces using acoustic spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: P. Bury, S. Hardon, H. Kobayashi, and K. Imamura
  • 雑誌名: J. Elect. Eng. 巻: 68 ページ: 43-47
  • DOI: 10.1515/jee-2017-0054
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] About the optical properties of oxidized black silicon structures (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Pincik, R. Brunner, H. Kobayashi, M. Mikula, M. Kucera, P. Svec Jr., J. Gregus, P. Vojtek, Z. Zabudla, K. Imamura, and M. Zahoran
  • 雑誌名: Appl. Surf. Sci. 巻: 395 ページ: 185-194
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.04.059
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multifractal analysis and optical properties of nanostructured silicon layers (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Jurecka, T. Matsumoto, K. Imamura, and H. Kobayashi
  • 雑誌名: Appl. Surf. Sci. 395 巻: 395 ページ: 150-156
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.05.035
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] High conversion efficiency black Si solar cells formed by use of surface structure chemical transfer (SSCT) method (2017)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Kobayashi
  • 学会等名: Progress in Applied Surface, Interface and Thin Film Science 2017 (SURFINT-SREN V)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Achievement of 20% conversion efficiency from simple structure crystalline Si solar cells fabricated by use of surface structure chemical transfer method (2017)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Kobayashi
  • 学会等名: Taiwan Vacuum Society 2017 (TVS-2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly efficient black Si solar cells fabricated by use of surface structure chemical transfer method (2017)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Kobayashi
  • 学会等名: Collaborative Conference on Materials Research (CCMR 2017), International Convention Center (ICC)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication and application of Si nanocrystals and nanopowder for energy devices (2017)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Kobayashi
  • 学会等名: EMN Meeting on Surface and interface
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 大阪大学 産業科学研究所 小林研究室
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/fcm/index.html