2015 Fiscal Year Annual Research Report
ゲルマニウム基板上へのバリウムシリサイド薄膜太陽電池作製とガラス基板上への展開
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15J02139
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
髙部 涼太 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / シリサイド半導体 / 硬Ｘ線光電子分光 / 表面パッシベーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の研究で、BaSi2表面を自然酸化膜あるいは非晶質Si(a-Si)で覆うことで、少数キャリア寿命が格段に向上することを明らかにした。そこで、今年度は硬X線光電子分光(HAXPES)によって自然酸化膜/BaSi2およびa-Si/BaSi2のバンドオフセットを評価し、undoped BaSi2の正孔輸送の観点から、BaSi2太陽電池の表面層としてどちらが有利か検討した。HAXPES測定では、光電子の取り出し角を様々に変えることによって検出深さを変え、表面層とBaSi2のスペクトルを分離した。価電子帯スペクトルより、undoped n-BaSi2の正孔に対する自然酸化膜の障壁高さは3.9eV、a-Siの障壁高さは-0.2eVであることが分かった。よって、a-Si/BaSi2構造では表面から正孔をスムーズに取り出すことができるため、a-Si層は表面パッシベーション層としてだけでなく、正孔輸送層としても機能することが判明した。
次に、Ge基板上のBaSi2成長について検討した。従来法のように、Ge(111)基板上にBaSi2を直接MBE成長すると、BaSi2の横方向の成長制限によってアイランドを形成し、結果としてBaSi2膜が酸化し易かった。そこで、今年度はGe(111)基板上に固相成長(SPE)法によってBaSi2を作製し、これをテンプレートとしたBaSi2の成長を試みた。成長条件を最適化することで、高a軸配向のBaSi2連続膜の作製に成功した。また、a-Si/MBE-BaSi2(930nm)/SPE-BaSi2/p-Ge構造において、BaSi2由来の明確な分光感度が得られ、順バイアス下2V下で最大20%の内部量子効率を得た。よって、表面パッシベーション層の検討結果とGe(111)基板上BaSi2の成長技術を重畳することで、Ge基板上BaSi2の分光感度測定に初めて成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画では、BaSi2をMBE成長した後、スパッタ法でAZOやITOを形成することで表面パッシベーション効果があるか否かを検討する予定であった。しかし、MBE成長後にスパッタ装置へ試料を導入するためには、必ず大気暴露を行わなければならず、ITO堆積前に自然酸化膜が形成されていた。結果として、自然酸化膜によってBaSi2中のホール輸送が妨げられ、分光感度特性の低下を招いていた。しかし、本年度の研究により、BaSi2表面にin situで堆積することができるa-Si膜が、表面パッシベーション層としてだけでなく、ホール輸送層としても機能することが明らかになった。また、a-Si膜の形成は低温で可能であり、尚且つ膜厚を高精度に制御することができるため、BaSi2を利用したあらゆる太陽電池構造に対して応用が可能である。実際にa-Si層を表面に堆積したa-Si/p-BaSi2/n-Siヘテロ接合太陽電池構造において、シリサイド半導体を含む太陽電池構造の中で世界最高の変換効率9.0 %を達成した。よって、BaSi2の表面パッシベーションに関する研究は、当初の計画以上に進展しているといえる。
また、本年度の研究により、厚さ900 nmのundoped BaSi2高a軸配向膜作製に成功した。更に、前述したa-Si表面パッシベーション膜を用いることで、Ge基板上BaSi2の分光感度測定に初めて成功した。結晶成長の観点ではいくつか問題があるが、これらの成果は期待していた以上のものであり、順調に研究が進んでいるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度では、Ge基板上のBaSi2 pn接合作製の前段階として、不純物ドーピングによるBaSi2の伝導型制御を行う予定である。Si基板上のB-doped p-BaSi2では、Bの活性化のために高温成長、あるいは高温ポストアニールが必要であった。しかし、BaSi2とSiの大きな線熱膨張係数差により、厚膜のBaSi2膜ではクラックが発生しやすかった。一方、BaSi2とGeの線熱膨張係数差は、Siのものよりも小さくなるため、高温成長してもクラックが入りづらいと予想できる。よって、Ge基板上B-doped BaSi2では、クラックを抑制しつつBの活性化率を向上できると期待している。また、Ge基板上BaSi2の分光感度を向上させるために、undoped BaSi2の成長でも高温成長やポストアニールを試し、BaSi2の更なる高品質化を目指す。
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