シリサイド半導体への酸素添加によるSiタンデム太陽電池用トップセルの開拓

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K18865
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2019-03-31
• キーワード: 太陽電池 / 禁制帯幅 / タンデム / トップセル

研究実績の概要

本研究では、禁制帯幅が1.3eVでSi基板上に高品質成長可能なBaSi2を用い、格子間位置(4cサイト)にSi原子数の約10%に相当する酸素原子を侵入させたBaSi2:O膜をSi(111)面にエピタキシャル成長し、光吸収端を評価することで1.6eV以上の禁制帯幅を実現することを目的とする。BaSi2膜中に酸素を導入する薄膜堆積方法として、これまで注力してきた分子線エピタキシー法に変えてスパッタ法を選び、2017年度は、スパッタ法によるBaSi2膜の形成と、酸素がBaSi2の格子間位置に存在するか否かをどのように検証するか、これら２つに絞って研究した。その結果、第一原理計算から酸素がBaSi2の4cサイトに入った場合、Ramanスペクトルで、593cm-1付近に、ピークが出現することが分かった。また、BaSi2膜のラマンスペクトルから、その波数位置にピークが確かに存在することが分かった。
2018年度は、酸素に代えて炭素が禁制帯幅に与える影響を調べた。炭素源としてSiCを選び、SiCターゲットをBaSi2ターゲットと同時にスパッタすることで、BaSi2膜に炭素をドーピングして、禁制帯幅拡大の可能性を含めて、光学特性を評価した。
その結果、炭素が1cc当たり10の21乗の中盤程度入ること、また、炭素導入により、禁制帯幅が拡大することが分かった。現状では、禁制帯幅の拡大は0.1eVに留まっており、この値は、第一原理計算の予想とほぼ一致する。禁制帯幅拡大を大きくするには、炭素の量を増やす必要がある。また、予想外のこととして、炭素を導入したBaSi2膜は分光感度が極端に増大した。これについては、今後、詳しく調べる予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Beralusian State University(ベラルーシ)
  • 国名: ベラルーシ
  • 外国機関名: Beralusian State University
• [国際共同研究] University Grenoble Aples(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University Grenoble Aples
• [国際共同研究] Delft University of Technology(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Delft University of Technology
• [雑誌論文] Simple way of finding Ba to Si deposition rate ratios for high photoresponsivity in BaSi2 films by Raman spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Yudai、Takahara Yuuki、Sato Takuma、Toko Kaoru、Uedono Akira、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 055506～055506
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab14b9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Operation of BaSi2 homojunction solar cells on p+-Si(111) substrates and the effect of structure parameters on their performance (2019)
  • 著者名/発表者名: Kodama Komomo、Yamashita Yudai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 041005～041005
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab0c4f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of deposition pressure and two-step growth technique on the photoresponsivity enhancement of polycrystalline BaSi2 films formed by sputtering (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsuno Satoshi、Nemoto Taira、Mesuda Masami、Kuramochi Hideto、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 021004～021004
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/aafc70
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of electrically active defects in undoped BaSi2 light absorber layers using deep-level transient spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Yudai、Sato Takuma、Bayu Miftahullatif Emha、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 075801～075801
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.57.075801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of Vibrational Modes in BaSi₂ Epitaxial Films by Infrared and Raman Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Hoshida Hirofumi、Murakoso Naoki、Suemasu Takashi、Terai Yoshikazu
  • 雑誌名: Defect and Diffusion Forum 巻: 386 ページ: 43～47
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.386.43
  • 査読あり
• [雑誌論文] Significant photoresponsivity enhancement of polycrystalline BaSi2 films formed on heated Si(111) substrates by sputtering (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuno Satoshi、Takabe Ryota、Yokoyama Seiya、Toko Kaoru、Mesuda Masami、Kuramochi Hideto、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 ページ: 071401～071401
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.071401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of local vibrational modes induced by intrinsic defects in undoped BaSi2 light absorber layers using Raman spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato Takuma、Hoshida Hirofumi、Takabe Ryota、Toko Kaoru、Terai Yoshikazu、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124 ページ: 025301～025301
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5029320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transport properties of n- and p-type polycrystalline BaSi 2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Deng T.、Suemasu T.、Shohonov D.A.、Samusevich I.S.、Filonov A.B.、Migas D.B.、Borisenko V.E.
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 661 ページ: 7～15
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.07.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] p-BaSi2/n-Si heterojunction solar cells on Si(001) with conversion efficiency approaching 10%: comparison with Si(111) (2018)
  • 著者名/発表者名: Deng Tianguo、Sato Takuma、Xu Zhihao、Takabe Ryota、Yachi Suguru、Yamashita Yudai、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 ページ: 062301～062301
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.062301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improving the photoresponse spectra of BaSi2 layers by capping with hydrogenated amorphous Si layers prepared by radio-frequency hydrogen plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Xu Zhihao、Gotoh Kazuhiro、Deng Tianguo、Sato Takuma、Takabe Ryota、Toko Kaoru、Usami Noritaka、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 8 ページ: 055306～055306
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5025021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic evidence of photogenerated carrier separation by built-in electric field in Sb-doped n-BaSi2/B-doped p-BaSi2 homojunction diodes (2018)
  • 著者名/発表者名: Kodama Komomo、Takabe Ryota、Deng Tianguo、Toko Kaoru、Suemasu Takashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 050310～050310
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.57.050310
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Significant impact of Ba to Si deposition rate ratios during molecular beam epitaxy on electrical and optical properties of BaSi2 absorber layers (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Suemasu
  • 学会等名: Forum on the Science and Techonology of Silicon Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent achievements towards high-efficiency BaSi2 homojunction solar cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Suemasu
  • 学会等名: 10th International WorkShop on Crystalline Siliciond for Solar Cells
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Present status and future prospect of BaSi2 solar cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Suemasu
  • 学会等名: 4th International Asian School Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 環境半導体・磁性体研究室
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/publications.html