組成比制御によるシリサイド半導体の伝導型制御とガラス上の高効率ホモ接合太陽電池

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03767
• 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): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 太陽電池 / 界面層 / 蓄積 / 再結合

研究実績の概要

新しい太陽電池材料として期待されるバリウムシリサイド(BaSi2)は、禁制帯幅が太陽電池にふさわしい1.3eVであり、光吸収係数が大きいとの特徴をもつ。また、第一原理計算より、Si空孔が形成されやすく、光生成キャリアの再結合中心になることが分かっている。このような欠陥は、水素や伝導型制御に用いる不純物BやAs等を1cc当たり10の17乗程度の低濃度だけドーピングすることで不活性化できるため、この手法を用いて本年度はBaSi2ホモ接合太陽電池の高効率化に取り組んだ。しかし、変換効率が1%以下と小さいため、その原因を各層の複素誘電率を用いた光学シミュレーションにより探った。その結果、表面側のn-BaSi2エミッタ層で生じる光生成電子・ホール対の大部分が、外部回路に取り出せていないことが分かった。これは、BaSi2の光吸収係数が非常に大きいことが原因と考えられる。そのため、欠陥の入りやすい表面側での光吸収を抑える新しい太陽電池構造として、ワイドギャップn型半導体であるAZO(AlドープZnO)とp-BaSi2ヘテロ接合太陽電池を考案し、その太陽電池動作を初めて実証した。この構造では、ZnO/BaSi2ヘテロ界面での大きなバンド不連続に起因して、電子・ホール対がヘテロ界面の蓄積し、再結合する。そのため、BaSi2と同じ電子親和力(3.2eV)をもつ界面層を挿入することで、電子とホールを空間的に分離する必要がある。そのような界面層として、n-AZO/p-Cu2O太陽電池で実績のあるZnGeO層を見出し、シミュレーションではあるが、界面層の挿入により、太陽電池特性が大幅に改善できることが明らかになった。初期的な実験ながら、スパッタ法により、ZnGeO/BaSi2構造の形成にも成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2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] Universiti Kebangsaan Malaysia(マレーシア)
  • 国名: マレーシア
  • 外国機関名: Universiti Kebangsaan Malaysia
• [国際共同研究] Balarusian State Univ. Inf. Raidoelect.(ベラルーシ)
  • 国名: ベラルーシ
  • 外国機関名: Balarusian State Univ. Inf. Raidoelect.
• [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] Comparison of C doping technique between SiC and C targets for high-photoresponsivity BaSi2 films by radio-frequency sputtering (2021)
  • 著者名/発表者名: Taira Nemoto, Ryota Koitabashi, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: 058001.1-3
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abf317
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanisms of carrier lifetime enhancement and conductivity-type switching on hydrogen-incorporated arsenic-doped BaSi2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Zhihao Xu, Yudai Yamashita, Kazuhiro Gotoh, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Andrew B. Filonov, Siarhei A. Nikitsiuk, Dmitri B. Migas, Denis A. Shohonov, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 724 ページ: 138629.1-7
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2021.138629
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of post-annealing on the significant photoresponsivity enhancement of BaSi2 epitaxial films on Si(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: Yurika Haku, Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 021003.1-4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abdc9f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of high-photoresponsivity BaSi2 films on glass substrate by radio-frequency sputtering for solar cell applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryota Koitabashi, Taira Nemoto, Yudai Yamashita, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 54 ページ: 135106.1-6
  • DOI: 10.1088/1361-6463/abd434
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solar cell operation of sputter-deposited n-BaSi2/p-Si heterojunction diodes and characterization of defects by deep-level transient spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Taira Nemoto, Sho Aonuki, Ryota Koitabashi, Yudai Yamashita, Masami Mesuda, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 051010.1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abfb87
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of radio-frequency power on the photoresponsivity enhancement of BaSi2 films formed by sputtering (2020)
  • 著者名/発表者名: Taira Nemoto, Ryota Koitabashi, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 085511.1-4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/aba9a1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of high-photoresponsivity BaSi2 films formed on conductive layers by radio-frequency sputtering (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryota Koitabashi, Taira Nemoto, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 975506.1-4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9622
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic hydrogen passivation for photoresponsivity enhancement of boron-doped p-BaSi2 films and performance improvement of boron-doped p-BaSi2/n-Si heterojunction solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhihao Xu, Takuma Sato, Louise Benincasa, Yudai Yamashita, Tianguo Deng, Kazuhiro Gotoh, Kaoru Toko, Noritaka Usami, Andrew B. Filonov, Dmitri B. Migas, Denis A. Shohonov, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 127 ページ: 233104.1-15
  • DOI: 10.1063/5.0005763
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen states in hydrogen-passivated semiconducting barium disilicide measured via muon spin rotation (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhihao Xu, Takuma Sato, Jumpei Nakamura, Akihiro Koda, Koichiro Shimomura, Andrew B. Filonov, Dmitry B. Migas, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 071004.1-7
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab984b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Significant enhancement of photoresponsivity in As-doped n-BaSi2 epitaxial films by atomic hydrogen passivation (2020)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Yudai Yamashita, Takuma Sato, Zhihao Xu, Kazuhiro Gotoh, Kaoru Toko, Yoshikazu Terai, Noritaka Usami, Takashi Suemasu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 051001.1-4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab8725
  • 査読あり
• [学会発表] First Operation of n+-AZO/p-BaSi2 Thin Film Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yudai Yamashita, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The 30th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-30)
  • 国際学会
• [学会発表] Remarkable improvement of the optical properties of As-doped n-BaSi2 films (2020)
  • 著者名/発表者名: Sho Aonuki, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The 30th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-30)
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of the high photoresponse BaSi2 films sputtered on glass substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryota Koitabashi, Taira Nemoto, Masami Mesuda, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: The 30th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-30)
  • 国際学会
• [学会発表] 3D device simulation and first demonstration of BaSi2 thin film solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yudai Yamashita, Rudi Santbergen, Carlos Mario Ruiz Tobon, Olindo Isabella, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: PRiME 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Optical 3D device simulation of BaSi2 thin film solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yudai Yamashita, Rudi Santbergen, Carlos Mario Ruiz Tobon, Miro Zeman, Olindo Isabella, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: 37th European PV Solar Energy Conference and Exhibition (37th EU-PVSEC)
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogen states in BaSi2 by muon spin rotation (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhihao Xu, Takuma Sato, Jumpei Nakamura, Akihiro Koda, Koichiro Shimomura, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: 37th European PV Solar Energy Conference and Exhibition (37th EU-PVSEC)
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic hydrogen passivation for marked photoresponsivity improvement of As-doped n-BaSi2 films (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Aonuki, Y. Yamashita, T. Sato, Z. Xu, K. Toko, and T. Suemasu
  • 学会等名: 62th Electric Materials Conference
  • 国際学会
• [学会発表] First demonstration of n+-AZO/p-BaSi2 thin film solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Yudai Yamashita, Kaoru Toko, and Takashi Suemasu
  • 学会等名: Fifth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials (ASCO-NANOMAT 2020)
  • 国際学会
• [備考] 環境半導体・磁性体研究室
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/