水素プラズマ処理による高品質シリコン量子ドット発電層の創製

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05075
• 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)
• 研究分担者: 加藤 慎也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10775844)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: シリコン / 量子ドット / プラズマ / 太陽電池 / ベイズ最適化

研究実績の概要

シリコン量子ドット(Si-QD)は量子サイズ効果によりバンドギャップ制御が可能であり、環境光に対応した吸収スペクトルを有する吸収層の作製が可能である。しかし、太陽電池性能はSi-QD表面のダングリングボンド(DB)を介したキャリアの再結合により低下するため、DBの水素終端処理が極めて重要である。水素プラズマ処理(HPT)は、シリコン量子ドット積層構造(Si-QDML)に水素を導入する方法の一つであるが、最適化すべき多くのパラメータがある。そこで、本研究ではベイズ最適化(BO)を用いてHPT条件の効率的な最適化を試みた。BOにおけるSi-QDMLの高品質指標としては、光感度を採用した。光感度はSi-QDMLの光導電率と暗導電率の比で算出され、太陽電池の性能に直結する電気的指標である。また、デバイス作製の必要がなくガラス基板上に成膜したSi-QDML単膜で評価ができるというメリットもある。40周期のSiOx:H/SiOy:H (x<y)薄膜を石英基板上にプラズマ援用化学気相堆積法にて堆積し、フォーミングガス雰囲気で30分間、900 ℃にて熱処理することでSiOx層内にSi-QDを形成した。BOの初期データとして10試料に対して、ランダムな条件でHPTを行い、薄膜の暗・光導電率を測定した。得られたデータをBOプロセスに追加し、次のHPT条件を算出し、実験と計算を逐次的に行うことで光感度が最も高くなるHPT条件を探索した。結果として、BOプロセスを7回繰り返すことでHPTの6パラメータを最適化し、光感度が22.7から347.2に向上した。最適化された条件で太陽電池構造を作製したところ、開放電圧と曲線因子はそれぞれ689mVと0.67を得た。これらの特性値は同様のデバイスの中でも最高値であり、BOとHPTを組み合わせたことで吸収層の大幅な性能向上を達成できた結果と考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Preparation and thermoelectric characterization of boron-doped Si nanocrystals/silicon oxide multilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Shibata Keisuke、Kato Shinya、Kurosawa Masashi、Gotoh Kazuhiro、Miyamoto Satoru、Usami Noritaka、Kurokawa Yasuyoshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SC1074～SC1074
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb779
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bayesian optimization of hydrogen plasma treatment in silicon quantum dot multilayer and application to solar cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Fuga、Gotoh Kazuhiro、Miyamoto Satoru、Kato Shinya、Kutsukake Kentaro、Usami Noritaka、Kurokawa Yasuyoshi
  • 雑誌名: Discover Nano 巻: 18 ページ: 0043
  • DOI: 10.1186/s11671-023-03821-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] シリコン量子ドット積層膜の光導電率評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 風雅、後藤 和泰、山田 繁、伊藤 貴司、宇佐美 徳隆、黒川 康良
  • 学会等名: 第19回次世代の太陽光発電シンポジウム
• [学会発表] Application of Bayesian optimization for high-efficiency silicon quantum dot solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuyoshi Kurokawa, Fuga Kumagai, Shinsuke Miyagawa, Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto, Kentaro Kutsukake, Shinya Kato, and Noritaka Usami
  • 学会等名: European assembly of Advanced Materials Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ボロンドープしたシリコンナノ結晶/シリコン酸化膜積層構造の作製及び熱電特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田 啓介、加藤 慎也、黒澤 昌志、後藤 和泰、宮本 聡、宇佐美 徳隆、黒川 康良
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Application of Silicon Nanocrystals to Energy Harvesting Devices (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasuyoshi Kurokawa, Fuga Kumagai, Keisuke Shibata, Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto, Shinya Kato, and Noritaka Usami
  • 学会等名: Advanced Materials World Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoconductivity measurement of silicon quantum dot multilayers for the Bayesian optimization (2022)
  • 著者名/発表者名: Fuga Kumagai, Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto, Shinya Kato, Naoki Matsuo, Shigeru Yamada, Takashi Itoh, Noritaka Usami, Yasuyoshi Kurokawa
  • 学会等名: 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] ベイズ最適化を援用したシリコン量子ドット積層構造の高品質化と太陽電池応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 風雅、後藤 和泰、加藤 慎也、宮本 聡、沓掛 健太朗、宇佐美 徳隆、黒川 康良
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Preparation and thermoelectric characterization of boron-doped silicon nanocrystals/silicon oxide multilayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shibata , Shinya Kato , Masashi Kurosawa , Kazuhiro Gotoh, Satoru Miyamoto, Noritaka Usami, Yasuyoshi Kurokawa
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials 2022
  • 国際学会
• [備考] 名古屋大学 宇佐美・黒川研究室HP
  • URL: https://www.material.nagoya-u.ac.jp/photonics/
• [備考] 名古屋大学研究者総覧
  • URL: https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100008535_ja.html
• [備考] Researchermap
  • URL: https://researchmap.jp/kurokawacookie1129