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シリコンベース新材料を用いた薄膜結晶太陽電池を目指して

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(1)

シリコンベース新材料を用いた 薄膜結晶太陽電池を目指して

筑波大 数理物質科学研究科 電子・物理工学専攻

JST-PRESTO

末益 末益

BaSi2

c=1.158nm

a=0.892nm b=0.680nm

Jan. 25, 2010 日本板硝子工学助成会

(2)

シリコン系

結晶シリコン

単結晶シリコン 多結晶シリコン

太陽電池の分類

シリコン系

アモルファス 微結晶シリコン

多接合へテロ接合型(HIT) III-V族(GaAs)

材料による分類

化合物系

族( ) CIGS(CuInSe2) CdTe

太陽電池

シリサイド系結晶

有機系 有機半導体 色素増感

動作原理による分類 pn接合型太陽電池

色素増感太陽電池

殆どの太陽電池は、この型です

厚みによる分類 結晶シリコン太陽電池

薄膜太陽電池

50-300μm

< 10μm

接合数による分類 単接合型太陽電池

多接合型太陽電池

市販品の殆どは、この型です

(3)

太陽電池用の半導体材料

(Si

95%)

太陽電池の現状

4%

25%

単結晶Si Si リボン

4% 7%

多結晶Si 非晶質Si

60%

Others

4%

Siの利点 Si

の欠点

・資源が豊富

・成熟した技術

Siの利点

・光吸収係数が小さい⇒厚い太陽電池

Siの大量消費(50μmは必要) 安定確保が困難

Si

の欠点

安定確保が困難

・禁制帯幅

Eg

が小さい

(

理想値

Eg=1.4eV vs Eg

Si

=1.1eV

将来進むべき方向

資源の豊富な元素で構成される、高効率

&

薄膜太陽電池

(4)

光のエネルギーを吸収するとは?

E2

エネルギー (光のエネルギー)= (E2 – E1)

E1

(光のエネルギー) < (E2 – E1) (光のエネルギー) > (E2 – E1)

E2 (光のエネルギ ) < (E2 E1)

光は吸収されない

余分なエネルギーが無駄になる

E

E2

E1

E1

(5)

4 5

eV-1 cm-2 s

6500K

太陽光のスペクトル

2 3

ensity 1017 (e

Black-body radiation

AM 0

1

oton flux de

5

m-2 s-1 )

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Pho

Phon energy (eV)

AM1.5 (100mW/cm2)

3 4

017 (eV-1 cm

AM 0 Eg

Si

=1.1eV

=

5 . 3

)

SC

q F ( E dE J

1 2

oton flux 10

1

θ

cos θ

1

g

E

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Pho 0

Photon energy(eV)

AM 1

地表

(6)

太陽電池の出力

4 2

cm )

s

-1

)

64

3 48

sity (mA/ c

10

17

(cm

-2

s

エネルギー変換効率: Egで決まる が太陽電池 適す

2 32

rrent den s

x desity 1

1.3−1.6eVが太陽電池に適す

1 16

Photocu r

hoton flu x

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

P h

Enegy gap (eV)

Si

% ) 28

mW/cm (

100

8 . 0 )

mA/cm (

2

photo 2

× × =

J qE

g

η

(7)

禁制帯幅が太陽電池に相応し

目標:

Si

系薄膜結晶太陽電池

on SiO

2

Si-based crystalline thin-film solar cells on SiO2

BaSi

2の特徴

禁制帯幅が太陽電池に相応しい

Eg: 1.3 eV (BaSi2)1.4 eV (Ba0.5Sr0.5Si2) suitable for solar cells

⇒High efficiency solar cell

M it S JJAP45(2006) L390 c=1 158nm

Nakamura,..,Suemasu, APL81(2002) 1032.

光吸収係数が大きい

Very large optical absorption coefficient α

Morita,…, Suemasu, JJAP45(2006) L390.

(Theory) Imai and Watanabe, TSF515(2007) 8219.

a=0.892nm c=1.158nm

b=0.680nm

Conversion efficiency

y g p p

α105 cm-1 at 1.5 eV

More than 100 times larger than crystalline Si

⇒Thin-film solar cell

Morita Suemasu TSF508(2006) 363

資源が豊富

Si & Ba abundant chemical elements

Morita, ..,Suemasu, TSF508 (2006) 363.

(Theory) D. B. Migaset al, PSS(b) 244(2007) 2611.

Si & Ba abundant chemical elements Clarke number: Si(2), Ba(14), Sr(15)

cf. CIGS: Cu(26), In(66), Ga(35), S(16), Se(69)

Ba0.5Sr0.5Si2 Si

Si(111)面にエピタキシャル成長可能

Si(111)面に ピタキシャル成長可能

Epitaxial growth possible on a Si(111) surface

Inomata,..,Suemasu,JJAP43(2004) 4155, L478, L771.

High-quality crystal growth

(8)

他の太陽電池材料との比較: 特徴は何か?

Characteristic points of BaSi2 compared with other materials

BaSi2

p 2 p

BaSi2

(9)

研究項目

pn-junction Tandem

Schottky-junction

pn junction Tandem

EF

1. 不純物ドーピングによる伝導型、キャリア密度制御

Control of electron and hole concentrations by impurity doping

2. 分光感度特性

y p y p g

Photoresponsivity

3. BaSi2/Siトンネル接合の形成

p y

Formation of heavily doped BaSi2/Si tunnel junction for an electrical contact

4. 太陽電池動作の実証

y p 2 j

Demonstration of solar cell

(10)

Growth of BaSi

2

epitaxial films using a template layer

Inomata,..,Suemasu,Jpn. J. Appl. Phys.43(2004) 4155, L478, L771.

B

BaSi

Reactive deposition epitaxy Tsub: 550

MBE growth Tsub: 600℃

Undoped n-BaSi2

Ba

BaSi2template (10nm)

Si(111) Si(111)

Si(111)

θ-2θXRD pattern

103

Si(111) (*) BaSi2(600)

BaSi2(400) BaSi2(200)

](Log Scale)

Pt TEM

102

Intensity [counts]

Pt

20 30 40 50 60 70 80

101

XRD

2θ [deg]

0.2 μm

(11)

Electrical properties of undoped BaSi

2

film

Zintl phase (A X )

300 250 200 150

Temperature [K]

Ba

Si Zintl phase (AaXx)

Si-Si: covalent Ba-Si: ionic

7x1015 8x1015

m

-3

]

300 250 200 150

1200

が置換され す

6x1015

nsity [c m

900

cm

2

/V s]

13 14 15 Baサイトより、Siサイトが置換されやすい Y. Imai et al., Intermetallics 15(2007) 1291.

4x1015 5x1015

ectr on de n

300 600

M obility [

B Al

N P Si

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 3x1015

El e

0

300

M

Ga

In

As Rb Y Sb

1 2 3

1000/T [1/K]

Morita,…, Suemasu, Thin Solid Films 508(2006) 363.

Cs Fr

La Ac Ba

(12)

Electrical properties of impurity-doped BaSi

2

films

Kobayashi,…. Suemasu, Thin Solid Films 515(2007) 8242.

B

Si Ba Sb (V)

In, Al(III)

Kobayashi,…..Suemasu, Appl. Phys. Express1 (2008) 051403.

Si(111) (ρ>1000Ωcm)

BaSi2(10nm)

Ba

Si(111) (ρ>1000Ωcm)

Impurity –doped  BaSi2

/Vs] 1000

Sb-doped n-BaSi

2

In-doped p-BaSi

2

(ρ>1000 Ωcm) (ρ>1000 Ωcm)

s] 200

600 800 1000

ility [cm2 /

120 160

ty [cm2 /Vs

200 400

ctron mobi

40 80

ole mobilit

1015 1016 1017 1018 1019 1020

Elec

Electron concentration [cm-3]

1016 1017 1018

Ho

Hole concentration [cm-3]

(13)

1. 不純物ドーピングによる伝導型、キャリア密度制御

Control of electron and hole concentrations by impurity doping

2. 分光感度特性

y p y p g

Photoresponsivity

3. BaSi2/Siトンネル接合の形成

Formation of heavily doped BaSi2/Si tunnel junction for an electrical contact

4. 太陽電池動作の実証

Demonstration of solar cell

(14)

Photoresponse properties of BaSi

2

epitaxial films

Matsumoto,…., Suemasu, Appl. Phys. Express 2(2009) 021101.

hv

Sb-doped n+-BaSi2

1.5 mm Currentapplied voltage 1~10 V hv

E10 V/cm L1 mm hv electron

Stripe-shaped electrode

CZ-Si(111) undoped n-BaSi2

(850nm)

CZ-Si(111) h l

BaSi2

C S ( ) ( )

Photoresponse spectra of BaSi2 Photoresponse spectra of Cz-Si hole

band structure

n=3×1018 cm-3 n=3×1018 cm-3

0.010 0.015

2%

1%

RT

y (A/W)

1.0V 1.5V 2.0V 2.5V

p p 2 p p

0.010 0.015

y (A/W)

1 V 3 V CZ-Si, n=3×1018 cm-3

0.005

otoresponsivity

0.005

toresponsivity

1.0 1.5 2.0 2.5

Pho

Photon energy (eV)

1.0 1.5 2.0 2.5

0.000

Phot

Photon energy (eV)

(15)

Analysis of grain size by Electron Backscatter Diffraction

Matsumoto,..,Suemasu,Jpn. J. Appl. Phys.(2010) in press.

Sample Grain

Electron

Diffraction Pattern

Atomic

Plane Diffraction Electron

ND mapping

Grain size 3~10 μm

TD mapping

100 μm 100 μm

(16)

Formation of (111)-oriented Si layers on SiO

2

by Al-induced crystallization

O. Nast et al., Appl. Phys. Lett. 73(1998) 3214.

BaSi2 BaSi2

sample L N holder

SiO2

(111)-oriented Si Si(111)

Al(100nm) a-Si(100nm) Al(100nm)

breaking the vacuum to

form a native Al oxide Al

poly-Si L-N2 p

( )

SiO2 sub.

( )

SiO2 sub.

Vacuum evaporation RF magnetron sputtering

Annealing at 500oC

for 10 h in dry N2 SiO2 sub.

p y

5 mm 5 mm

(17)

Growth of polycrystalline BaSi

2

films on AIC-Si/SiO

2

T k d S J C t G th311(2009) 3581

(111) oriented Si Anneal

Tsukada,…..Suemasu, J. Cryst. Growth 311(2009) 3581.

EBSD(ND)

(111)‐oriented Si 500, 10 h

SiO2 SiO2 SiO2

a-Si(100 nm)

Al(100 nm) Al

poly-Si

Au/Cr striped electrodes

50μm

Undoped n-BaSi2 300 nm( 1016cm-3)

1.5 mm

Undoped n-BaSi2 300 nm( 1016cm-3)

MBE substrates

SiO Sub SiO Sub SiO Sub

(111)-oriented Si (111)-oriented Si (111)-oriented Si

SiO Sub (111)-oriented Si

~300 nm(~1016cm3)

BaSi2template ~300 nm(~1016cm3)

SiO2 Sub SiO2 Sub SiO2 Sub SiO2 Sub

RDE growth Tsub: 550

MBE growth Tsub: 500

Evaporation Au/Cr electrodes

(18)

Tsukada,…..Suemasu, Appl. Phys. Express2(2009) 051601.

Photoresponse properties of polycrystalline BaSi

2

films on SiO

2

Al striped electrodes hv

1.5 mm

Al striped electrodes

Current (applied voltage 1~5 V)

0.06 8% RT

n-BaSi (300 nm)

0.04 0.05

4% 5 V 6%

vity (A/W)

n-BaSi2(300 nm)

(111)-oriented Si SiO2

0.02 0.03

4 V 2 V

3 V 2%

otoresponsiv

1.0 1.5 2.0 2.5

0.00 0.01

2V (AIC-Si ×10)

Pho 1 V

Ph t ( V)

Photon energy (eV)

0.4 μm

(19)

1. 不純物ドーピングによる伝導型、キャリア密度制御

Control of electron and hole concentrations by impurity doping

2. 分光感度特性

y p y p g

Photoresponsivity

3. BaSi2/Siトンネル接合の形成

Formation of heavily doped BaSi2/Si tunnel junction for an electrical contact

4. 太陽電池動作の実証

Demonstration of solar cell

(20)

Band diagrams of BaSi

2

/Si structure

Suemasu et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45(2006) L519 .

χBaSi2=3.3eV χSi=4.0eV

Vacuum level

ΔEC=0.7eV EgBaSi2=1.3eV EgSi=1.1eV

ΔEV=0.5eV n+/p+ tunnel junction

n-Si/n-BaSi

2 p j

p-Si/p-BaSi

2

n Si/n BaSi

2

n-Si B Si

ΔEC

p Si/p BaSi

2

p-BaSi

2

n-BaSi

2

p Si

n-Si

ΔE

p BaSi

2

p-Si

ΔEV

(21)

Formation of n

+

-BaSi

2

/p

+

-Si tunnel junction by MBE

B

Ba Si Sb

Sb-doped n+-BaSi2

template d

~1×1020cm-3

Ba

BaSi2template BaSi2template

p-Si(111)

B-doped p+-Si(70nm)

~5×1019cm-3 4×1018cm-3

p-Si(111)

B-doped p+-Si(70nm)

4×1018cm-3

p-Si(111)

B-doped p+-Si(70nm)

4×1018cm-3

102 103

(301)

Si(111) d=0 nm Si(222)

unts)

AFM images of BaSi2template d=1 nm 2 nm 10 nm

101

103 d=1 nm (600)

ntensity (cou

102

10 d=1 nm

(200) (400)

(600)

XRD In

3 μm

+ Si template

20 30 40 50 60 70

101

2θ (deg)

p+-Si p-Si(111)

(22)

Dependence of I-V characteristics on template layer thickness

n BaSi /p Si

+ B Si /t l t / + Si

Undoped n--BaSi2 Sb-doped n+-BaSi2

240 nm 60 nm

n-BaSi

2

/p-Si

Sb-doped n+-BaSi2 ~1×1020cm-3

n+-BaSi2/template/p+-Si

1nm 2 nm 10 nm

n+-BaSi2 template

p-Si(111)

template

4×1018cm-3

p-Si(111)

template B-doped p+-Si(70nm)

d

~5×1019cm-3 4×1018cm-3

p+-Si p-Si(111)

current

10 20

/cm

2

)

10 20

/cm2 ) d=1nm

d=2nm

d=10nm

d=1nm 4×10 cm

J =20A/cm2at 0 5 V

0 10

ens ity ( A /

n+‐BaSi2/p+‐Si

n BaSi /p Si

0 10

density (A/ J =20A/cm2 at 0.5 V

-10

C urrent d e

n‐BaSi2/p‐Si

-10

Current d

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

C

-20

Voltage (V)

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

-20

Voltage (V)

(23)

Photoresponsivity of BaSi

2

layers on tunnel junction

0 10

0 06 0.08 0.10

Reverse 10%

15%

ty (A/W) 1 V 2 V

3 V Saito,…..Suemasu, Appl. Phys. Express (2010) in press.

Current flow normal to the sample plane

0 02 0.04 0.06 5%

oresponsivit

4 V n+-BaSi2

hv

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0.02

Photon energy (eV)

Photo

1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

Undoped BaSi2(360nm)

-0.02

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

ty (A/W)

p-Si(111), 4×1018cm-3

n+-BaSi2 p+-Si

Tunnel junction

-0.06 -0.04

5%

1 V oresponsivit 3 V

-0.10

-0.08 10%

15%

3 V 4 V

Photo 5 V

Forward

(24)

Wet chemical etching of BaSi

2

layers on Si

Saito Suemasu Jpn J Appl Phys 48(2009) 106507 Saito,…..Suemasu, Jpn. J. Appl. Phys. 48(2009) 106507.

Au/Cr SiO2

1mm φ

HCL+H O HF+H O

Si(111) Si(111)

BaSi2

Si(111) Si(111)

BaSi2

HCL+H2O HF+H2O

HCL

5% 15s 2% 10s 1% 180s 0.5% 120s

HCL

HF

2% 15s

5% 15s 2% 15s 2% 15s

(5,5% 30s) (0.5,0.5% 60s) (0.5,1.5% 60s) (1.5,0.5% 60s)

(25)

1. 不純物ドーピングによる伝導型、キャリア密度制御

Control of electron and hole concentrations by impurity doping

2. 分光感度特性

Photoresponsivity

特願2007-208729 , US2009/0044862 特願2008-218688 , PCT/WO2009/028560 特願2009-115337,

3. BaSi2/Siトンネル接合の形成

Formation of heavily doped BaSi2/Si tunnel junction for an electrical contact

4. 太陽電池動作の実証

Demonstration of solar cell

Schottky-junction

pn-junction Tandem

EF

(26)

Schottky-barrier diode n-BaSi

2

/CoSi

2

sunlight

n

+

-BaSi

ドリフト

~0.5μm

n -BaSi

2

n-BaSi

2

(undoped)

CoSi

EF Eg=1.3eV

φB~1.6eV

p

+

-Si (111) CoSi

2

CoSi2 /n-BaSi2/n+-BaSi2

Suemasuet al., J. Cryst. Growth 310(2008) 1250.

Si

Ichikawa,…, Suemasu, Appl. Surf. Sci. 254(2008) 7963.

Epitaxial growth of BaSi

2

/CoSi

2

/Si(111) structure

Si(10nm) BaSi

2

( 22nm) BaSi

2

( 240nm)

Co Si Ba Ba

Si(111) CoSi

2

(30nm)

Si(111) CoSi

2

Si(10nm) BaSi

2

( 22nm) Si(111)

CoSi

2

Si(111)

CoSi

2

(27)

Characterization of n-BaSi

2

/CoSi

2

Schottky diode

10000

Si(111)

*

ounts) BaSi2 BaSi2

BaSi2

(600) BaSi2

θ-2θ XRD pattern TEM

100 1000

CoSi2 (222)

ntensity (co 2(200) (400)

CoSi2

20 30 40 50 60 70

XRD In 10

5 nm

Si

20 30 40 50 60 70

2θ (deg)

5 nm

Si

Si[11-2]

AM1.5, 1Sun

20

A/cm2 )

Jsc=11.3mA/cm2 V 0 36 V 10

ent density (A Voc=0.36 V

FF=0.72 V η=2.9%

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0

Curre

Voltage (V)

(28)

まとめ

○ 不純物ドーピングによる伝導型、キャリア密度制御

Control of electron and hole concentrations by impurity doping

○ 分光感度特性

Control of electron and hole concentrations by impurity doping n-type: Sb(1016Æ1×1020cm-3), As

p-type: In(1016 Æ5×1017cm-3), Al, Cu

○ BaSi2/Siトンネル接合の形成

Photoresponsivity

Photocurrent increases sharply for photons greater than 1.25 eV (~Eg).

R75mA/W at 2.3 eV.

○ BaSi2/Siトンネル接合の形成

Formation of heavily doped BaSi2/Si tunnel junction for an electrical contact

○ W t h i l t hi

n+-BaSi2/p+-Si, J =21A/cm2 at 0.5 V

○ 太陽電池動作の実証

D t ti f l ll

○ Wet chemical etching

Demonstration of solar cell Schottky-barrier diode

CoSi2/n-BaSi2, η~2-3%

(29)

1 h j ti l ll

今後の展開

Future plan

undoped

1. pn homojunction solar cell

表面電極 p+-Si p-Si

p-Ba1-xSrxSi2

undoped n-Ba1-xSrxSi2

EF

反射防止膜 pn接合 n+-Ba1-xSrxSi2

EF

構造が単純 SiO2基板を利用

SiO 基板

ZnO:Al 反射防止膜

Ba1-xSrxSi2薄膜多結晶(1μm) Si薄膜多結晶 (~0.1μm)

p 接合 トンネル接合

<111>配向・大粒径・

超平坦高品質薄膜結晶

SiO2基板を利用

効率20%超を目指せる&多接合への展開

SiO2基板 超平坦高品質薄膜結晶

2. pn heterojunction solar cell

参照

関連したドキュメント

2 研究の背景

5 用語解説 ※1 光電変換効率 照射された太陽光エネルギーから取り出せる電気エネルギーの割合。 ※2

炭素を主元素としたいわゆる有機半導体が脚光を浴びて います。

大幅な コスト削減が見込まれる色素増感型太陽電池は有機材料を用いながらも、

1.1 市場投入される太陽電池の商品化状況 太陽電池の種類による分類 太陽電池 シリコン III-V族 II-Ⅵ族 多元系 単結晶 Si ‥‥ 大規模商業生産 多結晶 Si

はじめに:光劣化の無い薄膜Si太陽電池用材料として、ガラス基板上に堆積したa-Siを事後の熱処理で

有機薄膜太陽電池における 有機薄膜太陽電池における性能向上 における性能向上の 性能向上の検討

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