| 研究課題/領域番号 |
24656210
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
加藤 喜峰 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60380573)
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| 研究分担者 |
奥山 勇治 九州大学, 学内共同利用施設等, その他 (80613281)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 太陽電池 / ペースト / Si / ミリング / ナノ結晶粒子 / pn接合 |
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| 研究実績の概要 |
安価なSiナノ結晶粒子ペーストを製作、塗布して太陽電池を製造するための基礎プロセスの検討を行った。高純度Si原料をミリングなどによりナノサイズ化し、ペースト状にした後、安価な金属基板などにp型、n型Siペーストをそれぞれ塗布することにより、太陽電池に必要なpn接合を製作することに成功した。
遊星型ビーズミル法は粉砕物をビーズ状の小径ミル材を用いる湿式粉砕に、粉砕エネルギーの大きな遊星型ミルを用いる方法であり、単に重力を用いた水平型ボールミル法に比べ、エネルギーも非常に大きい。粒径をナノサイズに粉砕する必要がない場合は、どちらの方法も使えるが、与えられるエネルギーが大きく異なるので、化学反応等を伴うミルの場合はどちらが適切かを選択する必要性や回転数・時間などを変える必要性が有る。本研究ではミリング中のSiの酸化を防ぐ事が最重要課題である。そのためには、粒径を大きくし、表面積を小さくする方が得策である。従って、それだけを考えると水平型ボールミル法だけでも十分である。しかし、還元性溶媒を用いて、保護基を修飾させたい場合はその限りではない。
昨年度はSi基板上にペーストを塗って、pn接合の製作を試みたが、今年度は金属基板上にp型、n型のSiペーストをそれぞれ塗布して製作する事に成功した。実用的には安価な金属基板を用いる事が必要不可欠で、一歩前進した事になる。 Siナノ結晶粒子のペーストを塗布後、水素還元雰囲気中のアニーリングにより結晶性や欠陥の回復の様子をラマン分光で確認した。アニール温度が上がるほど、単結晶Siのピーク位置には近づくが、一致する処までは行かない。また、アニール温度を上げすぎると急激な酸化が始まってしまうことが分かった。 最後に、膜の電気伝導性やpnダイオード特性の評価を行った。その結果、整流性の良いダイオードが得られ、わずかながら光起電力も得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
高純度Si原料を遊星型ビーズミル法によりナノサイズ化しペースト状にした後、金属基板上にp型とn型Siペーストをそれぞれ塗布し、還元雰囲気中で700～1100℃でアニール後、pn接合を製作することに成功した。±2Vにおいて整流比440程度得ることができた。また、光起電力もμA台とわずかではあるが、発生したことが確認された。
Siの酸化防止のために溶媒にエタノール、アセトニトリルなどを用い、それぞれに保護基として、ポリビニルピロリドン(PVP)、アセチルアセトン(acac)などを混ぜミリングを行った。 その後、700～1100℃でのアニーリングにより、結晶性や欠陥を回復されることをラマン分光で確認した。また、還元性雰囲気中でアニールする事で、Siナノ結晶粒子ペーストの酸化を押さえられるか試したが、温度が上がるほど困難になってくる事が分かった。X線回折の結果、温度が高くなるほど、ナノ粒子同士が溶着して微結晶粒が大きくなって来ている事が分かった。また、それと同様に結晶性が回復することにより、電気伝導特性が改善されたことが確認できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
(i) 今後はどの種類の金属基板がSiペーストを用いた太陽電池製作に適切かを探る。金属基板(高温のアニールに強い金属やコーティングした金属板など)にSiナノ結晶粒子のペーストを塗布し、超音波処理とアニールなどを施した後の基板との密着性や電気特性を調べる。密着性においてはスコッチテープ法ではがれないこと、電気特性ついてはオーミック特性 (接触抵抗1Ωcm2以下)にするための最適プロセス法を見出す。
(ii) Siの酸化を防ぐため、真空用グローブボックス等を用いて不活性ガス中でのミリングや各種プロセスを行う。また、これまで 試みた以外の還元性溶媒と界面活性剤や水素イオンを溶かし込んだ溶媒なども試みる。
(iii) n型とp型Siナノ結晶粒子ペーストをそれぞれ金属基板に塗布し、水素などを用いたアニール還元処理を施した後、整流特性・太陽電池特性などを計測し、結晶性回復に必要な温度や還元処理法、太陽電池製造方法の最適化条件を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
グローブボックスや周辺機器をを購入予定であったが、今年度は予算が足りなく、次年度に繰り越して購入予定である。
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| 次年度使用額の使用計画 |
・ グローブボックス内の水分や酸素を取り除くためには、循環型の除去装置もしくは、設置型の吸収剤が必要であるので、それらを揃える予定である。
・ アニール用の電気炉からも出来るだけ酸素を除去できる様に真空に引いてから、還元性ガスを導入出来る様に改良する。そのために必要な設備や材料を購入する。
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| 備考 |
太陽電池ができた暁にはNatureまたはScienceに投稿予定のため、論文や学会発表は控えております。そのため、論文や発表が少なくなっています。ご了承ください。
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