2015 Fiscal Year Annual Research Report
外的要因により核生成制御された高品質シリコン太陽電池の創成と原料循環プロセス開発
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26289281
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
宮原 広郁 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90264069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
成田 一人 大阪教育大学, 教育学部, 准教授 (50404017)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / ファセット界面 / 双晶 / 金属生産工学 / 電子・電気材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽電池素材としての多結晶シリコンインゴットは発電効率及び生産性効率向上の面から冶金学的な品質改善が要求され，また，シリコン原料の枯渇問題及び加工工程における切削くず処理も問題とされている．本研究では①核生成制御による高効率大型シリコン太陽電池及び②シリコン加工粉末再利用太陽電池の製造システム構築の指針を得ることを目標として研究を遂行している．
平成２７年度は結晶育成及び粉末の溶融・結晶化過程における研究を遂行した．シリコン塊及び粉末を溶解した後の核生成はルツボ表面の離型剤から生ずることから，まず結晶形態に及ぼす離型剤の塗布条件の影響を調査した．その結果，β-type離型剤から結晶成長の起点と考えられる組織が得られ，核生成の過冷度測定からもβ-type離型剤が5～10K有利であったことから，核生成及び過冷融液領域への成長を助長したと考えられた．この現象について分子動力学に基づいた数値解析により，溶融シリコンと離型剤との界面エネルギーを解析したところ，β-type離型剤の結晶構造は結晶シリコンの構造に類似した原子配列をしており，異質核生成としての結晶形態安定性を向上させているものと考えられた．
続いて，切削シリコン粉末の再利用プロセスの予備調査として，既存のYAGレーザを用いたマイクロ粒子製造プロセスについての実験を行った．一様に配置されたシリコン粒子群にレーザを照射し，得られるシリコン粒子の形態及び結晶成長機構を調査したところ，レーザの出力に応じて，溶融体積が直線的に増加すること，溶融した液滴内で核生成が複数生ずること，結晶成長方位は<211>または<101>方向を主軸として，基材からレーザ照射部に向かって成長していること，等が明らかとなり，結晶成長制御のためには，更なる因子の制御が必要であると考えらえた．
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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
平成２７年度は，平成２６年度で得られた初期凝固組織形成過程を，シリコン融液内の核生成近傍及び初期凝固領域における成長駆動力として過冷度との関連で詳細に調査した．シリコンを用いた実験においては，試料底部に設置した熱電対により核生成における過冷度を測定し，一方，核生成の発生メカニズムについてはコンピュータによる数値解析を行い，３次元に配列する原子集合体の界面エネルギーを冶金学知見から解釈した．さらにインゴットの大型化において，試料の温度分布は坩堝形状に依存して冷却されることが熱拡散を基盤とした数値解析により示され，離型剤の塗布及び坩堝の熱拡散も制御すべき因子であることが分かった．
続いて，切削シリコン粉末の再利用プロセスの予備調査として行ったYAGレーザによるマイクロ粒子製造実験においては，レーザ装置の性能を評価すると共に，一様に配置されたシリコン粒子群にレーザを照射し，シリコン粒子の溶融状態，凝固状態，雰囲気の影響及び結晶成長機構を評価できた．レーザによる溶解及び凝固は一般のインゴット凝固と類似しており，高い凝固潜熱を有するシリコンにおいても，レーザの出力に応じて溶融量が制御できること，溶融した液滴内で急速冷却に伴う核生成・結晶成長が生ずること等が明らかとなった．また，インゴット凝固と同様に，結晶成長中で導入される双晶の効果が顕著であり，<211>または<101>の結晶方位へ優先成長した．溶融する量にも依存するが，得られるシリコン粒子は1mmを超えるものもあり，目的とする結晶成長が制御されたシリコン薄膜を達成するためには溶融量の制御も必要であると考えらえた．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２８年度も大規模結晶の育成研究を持続するが，平成２７年度で得られたシリコン粒子及び切削シリコン粒子の再利用プロセスを主たる研究と位置づけて計画を遂行する．まずは平成２７年度と同様にYAGレーザを用いて予熱された基板のシリコン粒子の溶解及び温度勾配制御した凝固実験を行う．シリコン粒子を種種の基板に塗布し，パルス幅，レーザ出力を制御しながら基板全体及び局部的に温度分布を付与し，基板を0.05～1mm/sの速度で移動させて一方向凝固を行い，薄膜試料を作製する．得られたシリコン薄膜組織は前年度と同様に組織観察および結晶成長方位解析を行う．続いて，得られるSi基板は熱衝撃に弱く急速加熱・冷却により破壊される恐れがあるので，アニーリングも含めた熱処理の最適化を行う．必要に応じて，赤外線加熱炉及び大型電気炉とレーザ照射装置を組み合わせることにより，急激な冷却を低減させ，凝固条件，赤外線照射条件およびレーザ照射条件の最適値を見出す．
さらに，シリコン切削粒子をバッチ処理で分離させ，得られるシリコン粒子の表面を塩酸，硫酸等の薬品で除去した後，マイクロ粒子溶融法により薄膜化を行う．切削粒子は大型Siインゴットから得られるのでB添加試料はインゴット試料と同様にP型半導体となっている可能性が高い．従って，得られる薄膜試料について顕鏡するとともに，既存のスピンコータで表面にN型素子を形成し，太陽電池モジュールを作製してソーラーシミュレータにより光－電気変換効率の評価を行う．凝固条件，結晶成長速度，後処理等，総合的に判断して結晶育成技術へフィードバックをかけ，以上の調査で得られた成果を国内外で発表する．
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| Causes of Carryover |
シリコンマイクロ粒子の製造と薄膜化の最適化のためには，シリコン粒子近傍の雰囲気制御が極めて重要である．シリコンの熱応力を低減させるためには，溶融状態から室温までの冷却をゆるやかにする必要があるが，本年度は赤外線及び電気抵抗発熱体を用いて調査を行い，より最適な温度分布と冷却条件の最適化を考察した．その結果，本年度購入予定であったYAGレーザ分岐ユニットについては，試料全体を高温に保持しうる熱エネルギーが得られにくいとの判断をし，本ユニットの購入を見送り，一方，本年度用いた赤外線及び電気抵抗発熱体の拡張が，より良い成果が得られると判断して，一部を高温雰囲気制御装置に充てんすることとした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
赤外線及び電気抵抗発熱体を基本構成とした高温雰囲気制御装置の設計及び購入に充てんする予定である．併せて雰囲気制御チャンバーも大型に改良する必要があり，差額はすべて装置の改良に充てる予定である．
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