シリコンナノワイヤアレイを用いた革新的大容量蓄電デバイスの開発

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K14546
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 黒川 康良 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00588527)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ナノ構造 / シリコン / キャパシタ / 原子層堆積法 / ナノワイヤ

研究実績の概要

Siナノワイヤ(SiNW) MOSキャパシタは、3次元ナノ構造の非常に大きな表面積を利用することにより、平板のMOSキャパシタと比べて大きな静電容量を得ることができると考えられる。しかし、作製方法の問題からこれまでの報告では、最大で18μF/cm2の静電容量に留まっていた。それゆえ太陽光発電の出力を安定化させるなどの大容量蓄電デバイス用途などには応用するに至っていない。我々は、大面積化が可能なMetal assisted chemical etching (MACE)法によるSiNWと原子層堆積(ALD) 法による誘電膜を組み合わせることで、SiNWの長さ、誘電膜を制御して、さらなる大容量化を目指した。
これまではSiNW MOSキャパシタの誘電膜には低誘電率材料であるSiO2とAl2O3が用いられていたが、SiNW MOSキャパシタのさらなる大容量化に向けて、原子層堆積法（ALD）での製膜が容易で比較的大きな比誘電率を持つAl2O3/TiO2/Al2O3スタック誘電膜（ATA）に着目した。今年度はこのATAを用いたSiNW MOSキャパシタを作製し、その知見を得ることを試みた。ALD後の走査型電子顕微鏡像および透過型電子顕微鏡像から、長さ8μmのSiNW表面全体にATAが3.7nm/15.2nm/3.6nmの厚さで製膜できていることがわかった。キャパシタ構造を作製し、C-V測定を行った結果、蓄積領域側静電容量が5.9μF/cm2であることがわかった。これはSiNWの大きな表面積とATAの高い比誘電率の相乗効果によるものである。さらに負バイアス下では電気二重層の形成により、静電容量の増加が確認され、V =-10 Vにて84 μF/cm2の静電容量を得ることができ、これまでにない大容量化に成功した。金属電極の作製方法を変えることでさらなる静電容量向上が可能と期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Fabrication of a Silicon Nanowire Solar Cell on a Silicon-on-Insulator Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Shinya、Kurokawa Yasuyoshi、Gotoh Kazuhiro、Soga Tetsuo
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 9 ページ: 818～818
  • DOI: 10.3390/app9050818
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Silicon Nanowire Heterojunction Solar Cells with an Al2O3 Passivation Film Fabricated by Atomic Layer Deposition (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Shinya、Kurokawa Yasuyoshi、Gotoh Kazuhiro、Soga Tetsuo
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letters 巻: 14 ページ: 99～99
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1186/s11671-019-2930-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Local Structure of High Performance TiO x Electron-Selective Contact Revealed by Electron Energy Loss Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Takeya、Gotoh Kazuhiro、Kurokawa Yasuyoshi、Yamamoto Takahisa、Usami Noritaka
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 6 ページ: 1801645～1801645
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1002/admi.201801645
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activation mechanism of TiO x passivating layer on crystalline Si (2018)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Takeya、Gotoh Kazuhiro、Ohta Akio、Ogura Shohei、Kurokawa Yasuyoshi、Miyazaki Seiichi、Fukutani Katsuyuki、Usami Noritaka
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 ページ: 102301～102301
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/APEX.11.102301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of effective near-infrared light-trapping structure with submicron diameter for crystalline silicon thin film solar cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Sei Miki、Kurokawa Yasuyoshi、Kato Shinya、Usami Noritaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 08RB21～08RB21
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.57.08RB21
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of silicon nanowire based solar cells using TiO2/Al2O3 stack thin films (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Yasuyoshi、Nezasa Ryota、Kato Shinya、Miyazaki Hisashi、Takahashi Isao、Usami Noritaka
  • 雑誌名: MRS Advances 巻: 3 ページ: 1419～1426
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1557/adv.2018.40
  • 査読あり
• [学会発表] Effective Near-Infrared Light-Trapping Silicon Nanowire Structure for Crystalline Silicon Thin Film Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuyoshi Kurokawa, Shinya Kato, Noritaka Usami
  • 学会等名: Japan-Korea PV Joint Student Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] ALD 法で作製したTiOx 電子選択層の積層化による電気的特性の制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 望月 健矢, 後藤 和泰, 黒川 康良, 宇佐美 徳隆
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ALD法で作製した法で作製したTiOx/SiOx/結晶Siヘテロ界面のパッシベーョン効果発現メカニズム ～水素原子脱離の影響～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 望月 健矢, 後藤 和泰, 北條 智彦, 黒川 康良, 秋山 英二, 宇佐美 徳隆
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Silicon Nanostructure for Solar Cell Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kurokawa
  • 学会等名: Silicon Nanostructure for Solar Cell Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of interlayers on thermal stability of TiOx passivating layer deposited by atomic layer deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Mochizuki, K. Gotoh, Y. Kurokawa, and N. Usami
  • 学会等名: 10th International Workshop on Crystalline Silicon for Solar Cells
  • 国際学会
• [学会発表] EFFECT OF NOVEL SUB-MICRON STRUCTURE FABRICATED ONTO CRYSTALLINE SILICON ON OPTICAL PROPERITES AND MINORITY CARRIER LIFETIME (2018)
  • 著者名/発表者名: Miki Sei, Yasuyoshi Kurokawa, Shinya Kato, Kazuhiro Gotoh, Noritaka Usami
  • 学会等名: Grand Renewable Energy 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Local structure of high performance TiOx passivating layer revealed by electron energy loss spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Mochizuki, K. Gotoh, A. Ohta, Y. Kurokawa, S. Miyazaki, T. Yamamoto, N. Usami
  • 学会等名: The 7th World Conference on Photovoltaic EnergyConversion (WCPEC-7)
  • 国際学会
• [学会発表] 薄型結晶Si太陽電池応用に向けたサブミクロンSiナノワイヤ構造の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 根笹良太, 清美樹, 黒川康良, 宇佐美徳隆
  • 学会等名: 第15回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Evaluation of Si Nanowire MOS Capacitor Using High-k Dielectric Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Nezasa, Y. Kurokawa, N. Usami
  • 学会等名: IEEE NANO 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 電子エネルギー損失分光法を用いた高パッシベーション性能TiOx/SiOxヘテロ界面の局所構造の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 望月健矢,後藤和泰,黒川康良,山本剛久,宇佐美徳隆
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 望月健矢,後藤和泰,黒川康良,山本剛久,宇佐美徳隆 (2018)
  • 著者名/発表者名: 望月健矢,後藤和泰,黒川康良,山本剛久,宇佐美徳隆
  • 学会等名: 第12回 物性科学領域横断研究会
• [学会発表] Local analysis of TiOx/SiOx stack with excellent electrical properties for carrier selective contact (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Gotoh, Yasuyoshi Kurokawa, Takahisa Yamamoto, Noritaka Usami
  • 学会等名: The Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of Light Soaking on c-Si Surface Passivation by Atomic Layer Deposited Titanium Oxide (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinsuke Miyagawa, Takeya Mochizuki, Kazuhiro Gotoh, Yasuyoshi Kurokawa, and Noritaka Usami
  • 学会等名: Japan-Korea PV Joint Student Seminar
  • 国際学会
• [備考] 宇佐美・黒川研究室
  • URL: http://www.numse.nagoya-u.ac.jp/photonics/
• [備考] 名古屋大学教員データベース
  • URL: http://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/view/html/100008535_ja.html