| 研究課題/領域番号 |
26709019
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
都甲 薫 筑波大学, 数理物質系, 助教 (30611280)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | ゲルマニウム / 結晶成長 / 薄膜 / 太陽電池 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、高い変換効率と広い汎用性を両立したフレキシブル・多接合型太陽電池の基盤技術構築を目指し、プラスチック基板上に高品質・高性能なGe薄膜を創出することを目指している。本年度においては、プラスチック基板上に形成したAl誘起成長Ge薄膜をシード（種結晶）とし、光吸収層となる厚膜Ge層を分子線エピタキシー（MBE: Molecular Beam Epitaxy）法で高品質成長することを試みた。
Al誘起成長Ge薄膜は擬似単結晶サイズの大きな結晶粒（100 um）を持っているものの、表面に低品質なアイランド上のGe層が発生するとの問題があった。今回、アイランドGe層を選択的に除去する技術を新たに開発することで、シード層として良質な表面状態を作り出すことに成功した。これにより、シード層の結晶粒径や方位を引きついだ、低欠陥の厚膜Ge層（1 um）をMBE成長することができた。
一方、二次イオン質量分析から、MBE-Ge層中に約10^18 cm^-3のAl原子が含まれていることが判った。これは、Al誘起成長Ge層に含まれるAl原子（約10^20 cm^-3）がMBE層へ拡散したことに起因している。太陽電池性能の指標となる少数キャリア寿命をマイクロ波光導電減衰測定で評価した結果、Al含有量の増大に伴って劣化することが判明した。
以上、Al誘起成長Ge層の高品質化と低欠陥厚膜Ge層の形成を達成し、さらに特性劣化要因を明らかにした。金属含有のない光吸収Ge層を形成することが今後の課題となる。
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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
当初計画の通り、Al誘起成長Ge層の結晶粒径および結晶方位を引き継いだ、低欠陥の厚膜Ge層を結晶成長することができた。また、厚膜Ge層中のAl拡散量と少数キャリア寿命との相関が得られ、課題を顕在化することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
Al拡散の抑制と金属触媒種の変更を並行して検討する。
Al拡散の抑制には、Al誘起成長層とMBE層との間に「Al原子捕獲層」を挿入する。具体的には、Al誘起成長Ge層上に非晶質Ge層を堆積後、固相エピタキシャル成長（SPE: Solid-Phase Epitaxy）を誘起し、その上にMBE成長を行う。SPE層中には原子空孔が発生し、不純物原子のトラップとなることが知られている。
金属触媒種としては、AgまたはAuを検討する。金属誘起成長後のGe層中には、固溶限程度の金属が残留することが判っており、Al原子の場合、10^19 cm^-3程度残留する。一方、Ge中のAuやAgの固溶限は10^10 cm^-3程度であるため、残留金属のないGe層の形成が期待される。これらの金属とGeとの層交換成長を達成するため、成長プロセスの最適化を進める。
以上の２つのアプローチにより、光吸収層となるMBE層中の金属含有を10^15 cm^-3以下に抑えることを目標とする。
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