Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

反応・分離・精製 / シリコン / フラックス / 凝固精製 / 合金化 / 金属生産工学 / 反応・分離工学 / 結晶成長 / 太陽電池 / 環境材料

太陽電池級シリコンの精製を合金化して低温凝固精製プロセスとフラックス処理を組み合わせることにより、最も効率的にBおよびPを除去するシリコン精製プロセスの最適化を行った。各種合金組成においてBの活量係数測定（Bの熱力学的安定性）を明らかにすることで、スラグによる効果的なB除去条件を評価するとともに、スラグによる精製試験により確認を行った。
また、Pについては一般的な酸化精製によるフラックス処理ではなく、還元によるフラックス脱リンの可能性についてシリコン合金組成やフラックス系を変えて明らかにし、また、凝固精製を最後に行うことでの効果的な脱リンプロセスの可能性を明らかにした。

種々の溶媒組成において溶融Si合金中のB、Pの熱力学的性質を明らかにすることで、冶金学的手法の組み合わせを最適化することにより、高生産性低コストの冶金学的手法により太陽電池用シリコンの精製が実現可能であることが示された。現在未だ主流であるガス化精製法に代わる高効率高生産性冶金学的手法への展開の可能性があらためて示された。

多結晶シリコン / 結晶成長 / 不純物 / 太陽電池 / 結晶欠陥 / バルク / シリコン / 多結晶 / 炭素不純物

本研究では太陽電池用の多結晶Siについて、1)結晶成長過程での炭素不純物の挙動を解明する。2)固溶および析出状態の炭素不純物の電気的特性を定量化する。ことを目的として研究を行なった。1)については、不純物の取込モデルを作成し、結晶成長実験の結果とモデルに基づく計算の比較によって不純物の取込機構を明らかにした。2)については、炭素析出物が与える影響は明らかとなったが、固溶炭素の影響解明は今後の課題である。

シリコン / 太陽電池 / 結晶成長 / 融液成長 / フェーズフィールドモデル / フェーズフイールドモデル

本研究は、シリコン結晶が特定成長方位を持つ板状あるいはロッド状ファセット結晶とし成長することに着目し、シリコン合金融液から直接太陽電池用板状シリコン結晶を育成する低温プロセスの可能性するとともに、その結晶成長機構の検討を目的とした。このためのモデル実験として、Si-45wt%Ni合金融液からのシリコン結晶育成とその最適条件を検討した。当初は、低過冷度融液でのシリコン結晶優先成長方位が<211>であることから、<211>方向の種結晶を用いた結晶引上げを試みたが、自由デンドライトが過冷合金融液表面を成長するため板状結晶の引上げは困難であった。このため、過熱合金融液からの結晶育成を試みた。その結果、過熱度1〜5℃、引上げ速度0.15mm/min以下の条件で種結晶とエピタキシャル成長する結晶育成が可能となることを示した。育成結晶形態は棒状、針状および表面デンドライトの成長した円錐状の結晶に分類され、棒状結晶、針状結晶には内部に共晶が成長するもの、成長途中から共晶成長となるものが見出された。これら結晶育成時の種結晶と育成結晶の温度分布を推定し、それがほぼ一定であり、熱的定常状態が保たれること、また、育成結晶と合金融液の濡れ挙動が育成結晶形状や共晶の晶出と密接に関連することを確認した。これらの結果を詳細に検討し、引上げ速度を0.03mm/min以下とすることによりシリコン結晶育成が可能となることを示した。また、この育成結晶は多数の双晶を含む多結晶であり、双晶により形成される凹角を基点とした成長機構が支配的であることを示した。以上の結果を総合し、シリコン合金融液からの大型結晶の育成が十分可能であること、また、表面にシリコン結晶が成長した一定径の棒状結晶を育成し、これを放物面鏡と組み合わせた新たな太陽電池システム設計も可能であることを示唆した。

高分解能・超高真空電子顕微鏡 / 結晶成長 / 表面再配列構造 / シリコン表面 / 金属微粒子の構造 / シリコンー金属吸着構造 / シリコン-金属吸着構造 / 超高真空・高分解能電子顕微鏡法 / 表面構造 / ヘテロエピタクシャル成長 / 真空蒸着 / その場観察 / 金 / シリコン

高分解能・超高真空電子顕微鏡を用いて、表面・吸着膜成長過程の"その場"観察を、透過顕微鏡法と反射顕微鏡法によって、原子レベルで行った。
A.シリコン(111)表面での金属原子の吸着過程、B.金表面の再配列構造とその上での金の層成長過程、C.グラファイト下地での金微粒子の核成長過程を明らかにした。
Aでは、a)Pd原子が/3x/3構造をつくり、この構造が三個のPd原子のトライマーが回転した配置を持つことを見出した。また、b)CuやAuが吸着してできる"5x5"非整合構造や5x2構造について、吸着がSi(111)7x7表面のステップで優先的に起こること、吸着に依って余剰となったSi原子が拡散してステップの下側へも吸着層が広がっていくことが見出された。吸着層の成長の定量的解析から、吸着層のSi原子はダングリング結合を3本もつmissing top layer構造であることを明かとした。
Bでは、金の(001)と(110)表面に形成される、それぞれ、5x1および2x1再配列構造を高分解能プロファイル顕微鏡法で観察し、原子変位の詳細を明かとした。これらの表面に金が層成長する過程を高分解能プロファイル顕微鏡法で観察し、(110)面では2原子層の(111)表面では1原子層の成長が起こることを示した。
Cでは、グラファイト下地上に蒸着された金原子が核成長する過程で、個々の金原子が表面を拡散してクラスターを形成し、次第に大きくなって多重双晶粒子へと成長していく過程を高分解能顕微鏡観察できた。
また、固相微粒子の液体様の振舞い、ならびに、液化現象についても調べた。

【研究協力者】
米永一郎	東北大学	金属材料研究所	教授	(Kakenデータベース)
大野裕	東北大学	金属材料研究所	准教授	(Kakenデータベース)
徳本有紀	東北大学	金属材料研究所	助教	(Kakenデータベース)
中嶋一雄	京都大学	エネルギー科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
森下浩平	京都大学	エネルギー科学研究科	助教	(Kakenデータベース)
村井良太	京都大学	エネルギー科学研究科	研究員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
森田一樹	東京大学	生産技術研究所御	教授	(Kakenデータベース)
池田実	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
澁田靖	東京大学	大学院・工学系研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
谷城康真	東京工業大学	理学部	助手	(Kakenデータベース)