【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】15H03573 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハロゲン化鉛ペロブスカイト / ペロブスカイト型半導体 / 真空蒸着 / ヘテロ構造 / ダブルヘテロ構造 / エピタキシャル薄膜 / ヘテロエピタキシー / エピタキシャル成長 / 太陽電池 / 発光素子 / ペロブスカイト太陽電池 / 発光ダイオード / 半導体レーザ / ペロブスカイト半導体 / ハロゲン化鉛 / ヘテロ積層

【研究成果の概要】

日本発の新規太陽電池であるペロブスカイト太陽電池の光吸収層に用いられているハロゲン化金属ペロブスカイト型半導体を発光デバイスに応用することを念頭に，異なるメチルアンモニウムハロゲン化鉛を積層するヘテロ構造の作製を目指して研究をおこなった。真空蒸着法を用いて，多結晶ヘテロ構造を作製することに初めて成功した。また，臭化鉛ペロブスカイト単結晶基板上での単結晶ヘテロエピタキシャル薄膜の作製が可能であることも初めて示すことができた。あわせて，ペロブスカイト型半導体のバンドエンジニアリングの障害となり得る半導体混晶の光誘起相分離という新規現象についても検討した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】電力工学・電力変換・電気機器

【研究領域課題番号】26630107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / III-V族化合物 / 太陽電池 / 量子井戸 / 定量光学評価 / MOCVD / エピタキシャル成長 / III-V族化合物半導体 / 量子構造 / エピタキシャルリフトオフ / フォトルミネッセンス / エレクトロルミネッセンス / 化合物半導体 / 多重量子井戸 / 超格子 / CPV / 薄膜III-V族セル / 集光型太陽光発電 / 低コスト化

【研究成果の概要】

人工的にバンドギャップを制御した多重量子井戸（MQW）を挿入したGaAs単接合太陽電池に対して、結晶成長基板を分離することで薄膜化セルを形成する手法を確立した。さらに、MQWセルの裏面にグレーティングと高効率反射層からなる構造を形成し、光閉じ込め効果を増強することで物理的厚さの5倍以上の有効光学厚みが得られることが示された。さらに、MQW太陽電池に対して、エレクトロルミネッセンス評価を定量的に実施することによって、デバイス内部における擬フェルミ準位の状態を推定した。この結果から、光励起されたキャリアがMQW層において優先的に発光再結合し、GaAsバルク構造より発光効率が高くなることが示された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 温度安定性 / 励起子吸収効果 / 分子線エピタキシー / 超格子太陽電池 / AlGaAs/GaAs超格子 / Si/SiO2超格子 / スパッタリング / 超格子 / タンデム太陽電池 / 励起子吸収 / AlGaAs/GaAs / 解放電圧 / Si/SiO2 / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 作成・評価技術 / 表面 / 界面 / エピタキシャル成長 / 結晶評価 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

太陽電池の重要な問題点のひとつは温度上昇による特性劣化である。温度上昇によりバンドギャップが減少しVocが低下することが原因である。半導体超格子では量子効果と励起子吸収によりこの傾向が緩和されると考え、AlGaAs/GaAs超格子を用いてこれを実証した。
最適化されたAlGaAs/GaAs超格子太陽電池では、100℃という高温においてもVocとηの減少は少なく、特にdη/dTは0.22/deg.が得られた。これは報告されている太陽電池の中で最も低い値である。さらに超格子構造では、励起子吸収の効果が顕著になり、等価な構造を持つGaAsバルク太陽電池よりも高い効率が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】21226017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾプラズマ / シリコン / エピタキシャル成長 / 太陽電池 / シーメンス法 / クラスター / 単結晶シリコン / プラズマ加工 / エピタキシー / シーメンス / 収率

【研究成果の概要】

ウエーハ等価薄膜太陽電池製造を可能とする次世代シーメンス法開発に向け,製造装置や安全性も考慮したプロセスの低コスト化等の技術開発研究と,成膜前駆体としてのクラスターの成長・堆積過程の解明や励起水素原子密度の絶対計測等の学術研究との融合知を礎としたシリコン膜堆積の系統的実験により,シーメンス法の速度論的限界を超えた高歩留まり超高速エピ堆積を実証するとともに,メゾプラズマCVD法の特徴を明確化した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】161,200千円 (直接経費: 124,000千円、間接経費: 37,200千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】15206086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶シリコン太陽電池 / シリコン供給 / 原料リサイクル / 高収率プロセス / 化学蒸着法 / 物理蒸着法 / 単結晶シリコン薄膜 / エピタキシャルリフトオフ法 / 太陽電池 / CVD / エピタキシャル成長 / クロロシラン / 急速蒸着法 / エピタキシャルリフトオフ / シリコン薄膜 / リサイクルCVD / Siemens法 / SRI Report / シリコン粒子 / 一貫製造化プロセス / 低コストプロセス

【研究成果の概要】

大規模太陽光発電はクリーンエネルギーシステム構築に不可欠である。バルクシリコン型は、資源量・安定性・安全性・発電効率等に優れ、現状8-9割を占める。しかしシリコン供給が半導体産業に依存し、生産量拡大の限界が指摘されている。本研究では、シリコン基板の大規模・低コスト製造法を研究した。
現状、シリコン基板はインゴットのスライスで作られ、基板厚さ換算500μm程度のシリコンを消費している。厚さ10μm程度の薄膜に置きかえれば、大規模化・低コスト化が同時に果たせる。そこで、単結晶シリコン基板を鋳型とし、犠牲層を介して発電層シリコンをヘテロエピタキシャル成長、犠牲層を溶解し、単結晶シリコン薄膜を得、基板を繰り返し利用するエピタキシャルリフトオフ(ELO)法を研究した。
この際、発電層シリコンのエピタキシャル成長が重要となる。化学蒸着(CVD)法が一般に用いられるが、原料のクロロシランの利用率が低い。クロロシランは金属級シリコンと塩化水素の反応で合成する為、そこにCVD出口ガスをリサイクルすることで、金属級シリコンが入り単結晶シリコン薄膜が出る、無駄のないプロセスができる。現行のクロロシラン製造プロセスの調査に加え、クロロシラン生成とCVDの反応速度過程の実験的検討も行い、リサイクルプロセスの妥当性を検証した。しかし、塩素を用いることによる不純物の混入や、シリコンエピタキシャル成長中の犠牲層の構造劣化の問題が判明した。一方で、一般には低温で低速にエピタキシーさせる物理蒸着(PVD)法が本プロセスに有効なことが示唆された。急速蒸着(RVD)法のコンセプトの下、基板温度800-1000℃にて10μm/minのエピタキシャル成長を確認した。
ELO法と、RVD法を組み合わせ、小面積ながら厚さ5-10μmの単結晶シリコン薄膜のリフトオフに成功、これはシリコン問題の解決に繋がる重要な成果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】48,230千円 (直接経費: 37,100千円、間接経費: 11,130千円)