| 研究課題/領域番号 |
19J21034
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
今城 利文 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 薄膜 / Ge / 多結晶 / 絶縁体 / 低温 / 高移動度 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、高効率を誇る多接合太陽電池の汎用性を高めるため、基板に用いる単結晶Geウェハをプラスチック上のGe薄膜に代替することを目的とする。本年度は、当研究室における「固相成長による絶縁体上Ge薄膜合成技術」の高度化とプラスチック応用を検討した。
現状の固相成長Ge薄膜が、不純物散乱に支配されていることをMatthiessenの規則により見積もった。これにより、更なる特性向上にはGe中の欠陥低減が重要であると推察した。欠陥低減のために、固相成長の初期結晶核を改善するというアイデアの元、下地界面層の挿入を着想した。複数の界面種を変調した結果、GeO2を選択した際に、劇的な大粒径化（~ 10 μm）が達成できることを電子線後方散乱回折像により確認した。さらに、ポストアニール（500 °C）による欠陥誘起アクセプタの補償・厚膜化（500 nm）による界面散乱の低減を重畳することにより、正孔移動度:620 cm2/Vs、正孔密度:1.4×1017 cm-3を有する高品質なGe薄膜がガラス上に実現した。続いて、本プロセスを耐熱プラスチック基板上へと展開した。その結果、極めて高い電気的特性（正孔移動度:680 cm2/Vs、正孔密度 1.4×1017 cm-3）を有するフレキシブルGe薄膜（400 nm）を達成した。
プラスチック上においてガラス上よりも高品質なGe薄膜が得られたことを受け、種々特性の比較を行った。プラスチック上では面内圧縮歪を、ガラス上では面内引張歪みを有することを確認した。電気的特性の温度依存性の調査により、プラスチック上のGe薄膜はより低い粒界障壁を示した。以上の結果より、面内圧縮歪が多結晶Ge薄膜の粒界特性に好適であると推察される。
以上、本手法により合成したGe薄膜は、プラスチック上の赤外光吸収層として最高品質の薄膜を合成した。
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| 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
本研究では、多接合太陽電池における高効率と汎用性の両立を目指し、光吸収能力に優れたGe結晶をプラスチック上に合成し、ボトム層に応用することを提案した。まず、当グループで行われてきた「固相成長によるGe薄膜の絶縁体上合成」技術において、下地絶縁層挿入による界面欠陥の低減を検討した。その結果、界面種にGeO2を選択した際にGe薄膜の結晶性が劇的に向上することを発見した。さらに、この知見を合成温度の制限されるプラスチック基板上へと応用することで、従来のプラスチック薄膜と比して10倍以上の移動度（680 cm2/Vs）を有するGe薄膜を実現した。
これは、フレキシブルな多接合太陽電池実現を大きく進める成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
Ge 層の粒径および拡散長は、下地層の種類に強く依存することが判っており、絶縁膜としてはGeO2 が好適であった。太陽電池構造には下部電極が必須となるため、GeO2 を導電膜に置き換える必要がある。そこで、Ge と反応性の低い導電膜を候補とし、Ge 粒径を最大とする導電膜を探索する。
また、N 型／P 型（ノンドープ）Ge 構造の形成に向け、「各層の堆積→固相成長による逐次形成」および「N 型層のエピタキシャル成長」の二つのアプローチを検討する）PN 接合の高品位化に向けて成長条件を突き詰め、優れた逆方向飽和電流密度を目指す。
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