2021 Fiscal Year Annual Research Report
Ge基板上へのBaSi2薄膜太陽電池の作製と高効率タンデム型太陽電池の実現
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21J20404
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
青貫 翔 筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 薄膜太陽電池 / バリウムシリサイド / ポストアニール / 伝導型制御 / 光学特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ベラルーシ大のMigas先生との共同研究により，第一原理計算を用いてAs-doped BaSi2における水素の挙動を考察した。第一原理計算は，電子密度を数値的に求めることで物性を評価する方法である。計算の結果，As-doped BaSi2における主要な欠陥種は格子間Asであり，水素原子が格子間Asを不活性化することで分光感度が向上したことが示唆された。さらに，水素原子の配位位置によりドナー，アクセプタ準位を形成し，伝導型の反転を引き起こすことが明らかとなった。
以上の結果を受けて，As-doped BaSi2の伝導型を制御しつつ，分光感度を向上させる方法として，BaとSiの供給比の最適化，および，ポストアニールに着目した。BaとSiの供給比をSiリッチの条件にすると分光感度が3倍に向上した。これは，Siの供給量が増加し，BaSi2中に最も形成されやすいSi空孔が低減したためであると考えられる。さらに，この試料にポストアニールを施すと，分光感度は10倍に飛躍した。ポストアニール後もn型伝導を示し，ポストアニールの温度上昇に伴い電子密度は増加傾向を示した。よって，格子間Asが置換位置に移動し，Asがn型ドーパントとして機能したことを示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，民生用の太陽電池で30%超の変換効率を実現するため，資源が豊富なBaとSiからなるシリサイド半導体BaSi2をトップセルとしたGeベースタンデム型太陽電池の実現を目的としている。昨年度までの研究では，既存のn型ドーパントであるSbに変わる新しいn型ドーパントであるAsに着目し，n型BaSi2膜の特性向上に着手してきた。本年度は，第一原理計算によりBaSi2のAsとHによる伝導型反転，および，分光感度特性向上を考察し，As-doped n-BaSi2膜のさらなる高品質化を目的とした。
第一原理計算は，電子密度を数値的に求めることで物性を評価する方法である。本研究では，ベラルーシ大のMigas先生との共同研究により，第一原理計算を用いてAs-doped BaSi2における水素の挙動を考察した。計算の結果，As-doped BaSi2における主要な欠陥種は格子間Asであり，水素原子が格子間Asを不活性化することで分光感度が向上したことが示唆された。さらに，水素原子の配位位置によりドナー，アクセプタ準位を形成し，伝導型の反転を引き起こすことが明らかとなった。
以上の結果を受けて，As-doped BaSi2の伝導型を制御しつつ，分光感度を向上させる方法として，BaとSiの供給比の最適化，および，ポストアニールに着目した。BaとSiの供給比をSiリッチの条件にすると分光感度が3倍に向上した。これは，Siの供給量が増加し，BaSi2中に最も形成されやすいSi空孔が低減したためであると考えられる。さらに，この試料にポストアニールを施すと，分光感度は10倍に飛躍した。ポストアニール後もn型伝導を示し，ポストアニールの温度上昇に伴い電子密度は増加傾向を示した。よって，格子間Asが置換位置に移動し，Asがn型ドーパントとして機能したことを示唆した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は，p型BaSi2膜とのpn接合を形成し，BaSi2太陽電池の高効率化を目指す予定である。As-doped BaSi2をアニールすることで高分光感度と伝導型制御を両立する。B-doped p-BaSi2膜とAs-doped n-BaSi2膜を接合した試料において，堆積条件やアニール条件を最適化し，高効率BaSi2薄膜太陽電池の実現を目指す。積層構造の試料をアニールする際には，ドーパントの拡散が生じ，急峻なpn接合の作製が困難である。そこで，分光感度が最大となった1000°Cでアニールし，アニール時間を変調し，太陽電池特性を評価する。また，不純物拡散を抑制するために薄膜Si層の挿入を検討する。先行研究では，BaSi2膜の表面側Si-richの試料において分光感度が向上した。この結果を応用し，薄膜Si層の挿入により不純物の拡散制御，および，分光感度向上を目指す。
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