融液中に浮遊させたSi結晶の成長メカニズムの研究と高品質Si多結晶の成長技術開発

2010 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20226001
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用物性・結晶工学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 中嶋 一雄 京都大学, エネルギー科学研究科, 客員教授 (80311554)
• 研究分担者: 宇佐美 徳隆 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20262107) ; 藤原 航三 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70332517) ; 沓掛 健太朗 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00463795) ; 森下 浩平 京都大学, エネルギー科学研究科, 特定助教 (00511875)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2010
• キーワード: 結晶成長 / シリコン / 太陽電池

研究概要

本研究では、独自に開発した装置によるSi高温融液からSi結晶が成長する過程のその場観察や複合種結晶を用いたモデル結晶の成長を行うことで、結晶成長過程の動的条件下で結晶組織や欠陥が形成されていくメカニズムを解明した。これらの基礎研究で得られた知見に基づき、融液表面を核形成サイトにできる浮遊キャスト成長法の特徴を活かして種々の高品質化技術を開発し、太陽電池の高効率化に対して極めて有望なインゴットが形成できることを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Implementation of faceted dendrite growth on floating cast method to realize high-quality multicrsytalline Si ingot for solar cells (2011)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, I.Takahashi, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 109 ページ: 083527(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of type of crystal defects in multicrystalline Si on electrical properties and interaction with impurities (2011)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, H.Mizuseki, Y.Kawazoe, G.Stokkan, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 109 ページ: 033504(5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pattern formation mechanism of a periodically faceted interface during crystallization of Si (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Tokairin, K.Fujiwara, K.Kutsukake, H.Kodama, N.Usami, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Cryst.Growth 312 ページ: 3670-3674
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth mechanism of the Si <110> faceted dendrite (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Fujiwara, H.Fukuda, N.Usami, K.Nakajima, S.Uda
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 81 ページ: 224106(5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] A computational investigation of relationship between shear stress and multicrystalline structure in silicon (2010)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, K.Kutsukake, K.Morishita, K.Nakajima
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 49 ページ: 04DP01(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation mechanism of dislocations during directional solidification of multicrystalline silicon using artificially designed seed (2010)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, K.Kutsukake, G.Stokkan, K.Morishita, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Crystal Growth 312 ページ: 897-901
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relationship between grain boundary structures in Si multicrystals and generation of dislocations during crystal growth (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, R.Yokoyama, I.Takahashi, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 107 ページ: 013511(5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation mechanism of the faceted interface: in-situ observation of the Si (100) crystal-melt interface during crystallization (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Tokairin, K.Fujiwara, K.Kutsukake, N.Usami, K.Nakajima
  • 雑誌名: Phys.Rev.B. 80 ページ: 174108(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth Behavior of Faceted Si Crystals at Grain Boundary Formation (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Fujiwara, S.Tsumura, M.Tokairin, K.Kutsukake, N.Usami, S.Uda, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Cryst.Growth 312 ページ: 19-23
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructures of Si multicrystals and their impact on minority carrier diffusion length (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Y.Wang, N.Usami, K.Fujiwara, K.Kutsukake, K.Nakajima
  • 雑誌名: Acta Materialia 57 ページ: 3268-3276
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative analysis of sub-grain boundaries in Si multicrystals and their impact on electrical properties and solar cell performance (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, N.Usami, T.Ohtaniuchi, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 105 ページ: 044909(4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Floating cast method to realize high-quality Si bulk multicrystals for solar cells (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Nose, I.Takahashi, W.Pan, N.Usami, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 雑誌名: J.Crystal Growth 311 ページ: 228-231
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of defect density in Si bulk multicrystals on gettering effect of impurities (2008)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, R.Yokoyama, Y.Nose, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 47 ページ: 8790-8792
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural origin of a cluster of bright spots in reverse bias electroluminescence image of solar cells based on Si multicrystals (2008)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, K.Kutsukake, K.Fujiwara, I.Yonenaga, K.Nakajima
  • 雑誌名: Appl.Phys.Express 1 ページ: 075001(3)
  • 査読あり
• [学会発表] Toward realization of high-quality multicrystalline silicon for solar cells (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Usami
  • 学会等名: in The Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2010
  • 発表場所: Okayama, Japan
  • 年月日: 20101114-20101117
• [学会発表] High efficiency solar cells obtained from small size ingots with 30cmφ by controlling the distribution and orientation of dendrite crystals using the dendritic casting method (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima, K.Morishita, K.Kutsukake, K.Fujiwara, N.Usami, S.Ono, I.Yamasaki
  • 学会等名: in the CSSC-4 Workshop(Invited Speaker)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20101027-20101029
• [学会発表] Impact of coherency of grain boundaries in Si multicrystals on materials properties to affect solar cell performance (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, I.Takahashi, K.Kutsukake, K.Nakajima
  • 学会等名: in the CSSC-4 Workshop(Invited Speaker)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20101027-20101029
• [学会発表] Growth of high quality Si multicrystals by controlling their arrangement of dendrite crystals along the bottom of ingots and reducing the density of random grain boundaries (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima
  • 学会等名: in Nature Photonics Technology Conference "The Future of Photovoltaics", TFT hall(Invited Speaker)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20101019-20101021
• [学会発表] Impact of grain boundaries in multicrystalline Si on materials properties (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Usami
  • 学会等名: in 2010 International Conference of Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20100922-20100924
• [学会発表] High efficiency solar cells obtained from small size ingots with 30cmφ by controlling the distribution and orientation of dendrite crystals grown along the bottom of the ingots (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima, K.Kutsukake, K.Fujiwara, N.Usami, S.Ono, I.Yamasaki
  • 学会等名: in The 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (25th EU PVSEC) The 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-5) Feria Valencia
  • 発表場所: Valencia, Spain
  • 年月日: 20100906-20100910
• [学会発表] Suppression of generation of dislocations in Si multicrystals by controlling coherency of grain boundaries at the initial stage of crystal growth (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, I.Takahashi, R.Yokoyama, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in The 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (25th EU PVSEC), The 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-5), Feria Valencia
  • 発表場所: Valencia, Spain
  • 年月日: 20100906-20100910
• [学会発表] Growth mechanism of Si faceted dendrites and its application to the casting method for growing structure-controlled polycrystalline Si ingots (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Fujiwara, K.Nakajima, K.Kutsukake, N.Usami, S.Uda
  • 学会等名: in the 16th International Conference on Crystal Growth
  • 発表場所: Beijin, China
  • 年月日: 20100808-20100813
• [学会発表] Formation mechanism of twin boundaries in silicon multicrystals during crystal growth (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, T.Abe, N.Usami, K.Fujiwara, K.Morishita, K.Nakajima
  • 学会等名: in The 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Hawaii Convention Center, Honolulu, In Proceedings of The 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(pp.810-811)(2010).
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20100720-20100725
• [学会発表] Quantitative Analysis of Defects and Microstructures in Si Multicrystals Using X-ray Diffraction (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in 19th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Exhibition (PVSEC19)
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 20091109-20091113
• [学会発表] Improvement in quantitative analysis of defects and microstructures in Si multicrystals using X-ray diffraction (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in 2009 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2009)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20091007-20091009
• [学会発表] A computational investigation of relationship between shear stress and multicrystal structure in Si (2009)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, K.Kutsukake, K.Morishita, K.Nakajima
  • 学会等名: in 2009 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2009)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 20091007-20091009
• [学会発表] Control of microstructures and crystal defects in Si multicrystals grown by the casting method -how to improve the quality of multicrystals to the level of single crystals- (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima, N.Usami, K.Fujiwara, K.Kutsukake
  • 学会等名: in 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, CCH- Congress Center and International Fair Hamburg
  • 発表場所: Hamburg, Germany
  • 年月日: 20090921-20090924
• [学会発表] How can we decrease defect density in Si multicrystals to realize high-efficiency solar cells? (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, K.Kutsukake, I.Takahashi, R.Yokoyama, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, CCH- Congress Center and International Fair
  • 発表場所: Hamburg,Germany
  • 年月日: 20090921-20090924
• [学会発表] A computational investigation of relationship betwenn shear stress and multicrystal structure in Si (2009)
  • 著者名/発表者名: I.Takahashi, N.Usami, R.Yokoyama, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Morishita, K.Nakajima
  • 学会等名: in the CSSC-3 Workshop
  • 発表場所: Trondheim, Norway
  • 年月日: 20090603-20090605
• [学会発表] Growth of high-quality Si multicrystals using dendritic casting method and mechanism to obtain high-quality crystals with low defects (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima, K.Fujiwara, K.Kutsukake, N.Usami
  • 学会等名: in the CSSC-3 Workshop
  • 発表場所: Trondheim, Norway
  • 年月日: 20090603-20090605
• [学会発表] Analysis of microstructures in Si multicrystals and their impact on electrical properties (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, H.Y.Wang, K.Fujiwara, K.Kutsukake, K, Nakajima
  • 学会等名: in the CSSC-3 Workshop
  • 発表場所: Trondheim, Norway
  • 年月日: 20090603-20090605
• [学会発表] Role of crystal growth in challenges to high-efficiency solar cells (2009)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, K.Fujiwara, K.Kutsukake, K.Nakajima
  • 学会等名: in GCOE Singapore workshop (NTU-Tohoku U)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 20090224-20090225
• [学会発表] In-situ observation of Si (100) crystal-melt interface (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Tokairin, K.Fujiwara, K.Kutsukake, N.Usami, K.Nakajima
  • 学会等名: in GCOE Singapore workshop (NTU-Tohoku U)
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 20090224-20090225
• [学会発表] Comprehensive study of defects in Si Multicrystals Toward High-Efficiency Solar Cells (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, N, Usami, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in PVSEC18
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 20090119-20090123
• [学会発表] Comprehensive study of sub-grain boundaries in Si multicrystals toward defect engineering for high-efficiency solar cell (2008)
  • 著者名/発表者名: N.Usami, K.Kutsukake, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 学会等名: in the 5th International Symposium on Advanced Science and Technology of Silicon Materials
  • 発表場所: Kona, USA
  • 年月日: 20081110-20081114
• [図書] 太陽電池の物理 (2010)
  • 著者名/発表者名: ペーターヴュルフェル著, 宇佐美徳隆、石原照也、中嶋一雄監訳
  • 出版者: 丸善
• [図書] Fundamental understanding of subgrain boundaries(Advances in Materials Research 14)(Crystal Growth of Si for Solar Cells, edited by K.Nakajima, and N.Usami)(chap.6) (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 総ページ数: 83-95
  • 出版者: Springer
• [図書] Mechanism of Dendrite Crystal(Advances in Materials Research 14)(Crystal Growth of Si for Solar Cells, edited by K.Nakajima, and N.Usami)(chap.5) (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Fujiwara, K.Nakajima
  • 総ページ数: 71-81
  • 出版者: Springer
• [産業財産権] Siバルク多結晶インゴットの製造方法 (2010)
  • 発明者名: 宇佐美徳隆、中嶋一雄、高橋勲
  • 権利者名: 東北大学
  • 産業財産権番号: 特許,特許第4528995号
  • 取得年月日: 2010-06-18
• [産業財産権] 半導体バルク結晶の作製方法 (2009)
  • 発明者名: 中嶋一雄、藩伍根、野瀬嘉太郎
  • 権利者名: 東北大学
  • 産業財産権番号: 特許,特許第4292300号
  • 取得年月日: 2009-04-17
• [産業財産権] 半導体バルク多結晶の製造方法 (2009)
  • 発明者名: 宇佐美徳隆、中嶋一雄、沓掛健太朗
  • 権利者名: 東北大学
  • 産業財産権番号: 特願,特願2009-120594
  • 出願年月日: 2009-05-19
• [産業財産権] Si結晶インゴットの製造方法
  • 発明者名: 中嶋一雄、宇佐美徳隆
  • 権利者名: 東北大学
  • 産業財産権番号: 特願,特願2008-180842