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ＢＮ／Ｓｉヘテロダイオード太陽電池の試作に成功！
－ 世界初・耐久性に優れ宇宙でも活躍・将来は透明太陽電池も － 平成２０年９月４日 独立行政法人物質・材料研究機構 概 要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）半導体材料センターの小松正 二郎グループリーダーらは、可視光に対して透明で、もっとも丈夫な材料（高温耐火物） のひとつである高密度窒化ホウ素（sp3-結合性 BN）による太陽電池の試作に世界で初め て成功した。 ２．地球温暖化、燃料資源の枯渇・高騰に対処するため、様々な省エネルギー技術・新エ ネルギー開発が活発化している。なかでも太陽電池はシリコン太陽電池の実用化により 普及が世界的に進んでいる。しかし、シリコンにはない機能や特徴を持つ太陽電池材料 の発見、開発の余地もまだ大きく残されており、開発競争は激しい。 今回発表する BN/Si 系太陽電池は今まで報告例がなく、物質・材料研究機構が世界に 先駆けて着手し、作製に成功した。 ３．BN は、紫外レーザや透明トランジスタなどを可能にするワイドバンドギャップ1)半導 体2)として、期待されている材料だが、従来は半導体化に必要なドーピング3)が困難で あった。今回、高密度 BN 薄膜のドーピングにレーザミキシング・プラズマ CVD 法とい う独自の手法を用いた結果、世界で初めて BN/Si ヘテロダイオード4)の作製に成功した。 これを用いて太陽電池を試作したところ、2％程度の発電効率を示した。これは現在の 最も進んだシリコン太陽電池の水準（18%）と比較すると大きな開きがあるが、世界で 初めて試作された BN/Si ヘテロダイオード太陽電池の出だしのデータとしては前途有 望な値と考えられる。 ４．今回採用されたレーザミキシング・プラズマ CVD 法は、ダイヤモンドと同等な原子間 結合様式をもつ高密度 BN（sp3-結合性 BN）が合成されると同時にシリコンのドーピン グが進行するプロセスであり、これにより世界で初めて BN/Si ヘテロダイオードが実現 できた。また、レーザミキシング・プラズマ CVD は、ワンステップで太陽電池セルが作 製できることも特徴であり、この製造法では、電池薄膜の表面がミクロンサイズのコー ンに覆われるため、太陽光の反射が抑えられ、光吸収効率の向上に役立つ。 ５．BN/Si 太陽電池は、特に耐久性、信頼性、耐候性などの要求がシビアな無人観測装置 や、宇宙環境などの用途に特化したものが製品化される。 今後、今回作製に成功した p 型 BN に加えて、n 型 BN を作製し、全体が BN 製のホモダ イオードを作製する予定で、この場合、可視光に対して透明な電池が出来る。これによ り、蓄電池との組み合わせによる車載型サンルーフ発電システム、サングラスや窓に貼 り付けられる太陽電池などの開発が期待される。研究の背景 地球温暖化、燃料資源の枯渇・高騰に対処するため、様々な省エネルギー技術・新エネ ルギー開発が活発化している。なかでも太陽電池はシリコン太陽電池の実用化により普及 が世界的に進んでいる。しかし、シリコンにはない機能や特徴を持つ太陽電池材料の発見、 開発の余地もまだ大きく残されており、開発競争は激しい。 BN（窒化ホウ素）は本来、絶縁体（電気を通さない物質）であるが、半導体化できれば 大きなバンドギャップを持つ透明な半導体（ワイドバンドギャップ半導体）として、紫外 レーザなど様々な用途が広がるため、研究が盛んである。しかし、半導体化に必要なドー ピング技術の確立が難しく、半導体としての活用はまだ進んでいないのが現状であった。 即ち、BN によるダイオード（pn 接合）が作製できないため、発光ダイオードやセンサー、 さらには今回開発に成功した太陽電池などの作製が不可能であった。これは、半導体化が 可能な高密度 BN 構造を薄膜で製造する技術が確立していなかったことも一因であった。 一方、物質・材料研究機構において、1999 年に新しい構造の高密度窒化ホウ素（BN）の合 成に成功しており、これは、ダイヤモンドと同等な結合形式（sp3-結合）を持ち、ある種 の作製条件の試料は半導体的な特性を示したため、積極的に半導体化の研究を進めていた。 研究成果の内容 今回、可視光に対して透明で、しかももっとも丈夫な材料（高温耐火物）のひとつであ る高密度窒化ホウ素（sp3-結合性 BN）による太陽電池の試作に世界で初めて成功した。レー ザミキシング・プラズマ CVD という新しい作製法により、BN/Si ヘテロダイオードを開発 した。この製造法では、電池薄膜の表面がミクロンサイズのコーンに覆われるため、太陽 光の反射が抑えられ、光吸収効率の向上に役立つ。また、ワンステップで太陽電池セルが 作製できることも特徴である。 レーザミキシング・プラズマ CVD で作製した BN/Si ヘテロダイオードを用いて太陽電池 の試作に成功し、初号機としては良好な 2％程度の発電効率を達成した。今後、更なる発 電効率の向上の余地が見込まれる。 Ａ．今回の開発が可能になった理由は、以下の通りである。 （１）本プロセスで出来る BN が高密度 BN（sp3—結合性 BN）であり、ドーピングが容易 であること。 （２）ドーパント 5)としてシリコンを採用し、これにより p 型の半導体特性が得られた こと。 （３）ダイオードとして、シリコン基板（n 型）とその上に成長させた BN（p 型）のヘ テロ構造を採用したため、製法が簡便化され、ワンステップになったこと。
Ｃ．合成法は以下の通りである。 （１）レーザーとプラズマを同期させた CVD プロセスにおいて、基板に対しレーザー、 プラズマを照射する。 （２）薄膜原料ガスはジボラン、アンモニアを用い、レーザーは Ar-F エキシマレーザー を用いる。 （３）レーザミキシングにより、基板のシリコンが成長するＢＮ薄膜に混入・ドープさ れ、n 型 Si 基板上に p 型の sp3-結合性 BN 薄膜が成長する。 （４）この結果、ワンステップの合成プロセスで、p 型 BN/n 型 Si ヘテロダイオードが 形成される。 波及効果と今後の展開 BN/Si ヘテロ太陽電池は、特に耐久性、信頼性、耐候性などの要求がシビアな無人観測 装置や、宇宙環境などの用途に特化したものが製品化される。 今後、今回作製に成功した p 型 BN に加えて、n 型 BN を作製し、全体が BN 製のホモダイ オードを作製する予定であり、この場合、可視光に対して透明な電池が出来るため、これ により、蓄電池との組み合わせによる車載型サンルーフ発電システムや、サングラスや窓 に貼り付けられる太陽電池などの開発が期待される。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 半導体材料センター ワイドバンドギャップ半導体グループ 小松正二郎 ＴＥＬ：029-860-4486 ＦＡＸ：029-852-7449 E-mail：[email protected]
【用語解説】 １）バンドギャップ 半導体の中で電子が取り得るエネルギーには制限があり、あるエネルギーの範囲 は電子が存在できない。これを日本語で禁制帯、英語で band gap と呼ぶ。このエネ ルギーのギャップの大きさが、電子が光子とエネルギーの授受を行う際の目安を与 えるため、半導体物性では重要になる。 ２）半導体・絶縁体 物質は電気の通りやすさ（導電性）に応じて、金属、絶縁体、半導体に大別され る。金属では温度が上がると導電性が下がるが、半導体では逆で、温度が上がると 導電性が増す。代表的な半導体はシリコンで、以下に述べるドーピングにより、様々 な特性が調整され、現代文明の基礎を成す物質である。 ３）ドーピング、p 型、n 型 半導体では、不純物を混入することで導電性を制御できる。シリコンの場合、例 えば B（ホウ素）をドープした場合、B 原子にシリコン結晶格子中の電子が取られ、 電子の不足分が生じ、この電子欠損部分（ホールという）による導電性が発生する。 この状況の半導体を p 型半導体と呼ぶ。 同様に、例えばシリコンに P（リン）をドープした場合、P 原子がシリコン結晶格 子に余分な電子を与え、これが導電性を与える。この状況の半導体を n 型半導体と 呼ぶ。 ４）ダイオード、ヘテロダイオード 上記 p 型半導体と n 型半導体を接合した場合、電流—電圧特性に著しい変化が現れ る。一つは、整流特性で、p 型から n 型の方向への電流は流れるが、逆は非常に流 れにくくなる。この状況の半導体接合をダイオードと呼ぶ。特に、p 型半導体と n 型半導体の材料が異なる場合、ヘテロダイオードと呼ぶ。 ５）ドーパント ドーピングでドープする物質【 ３）の例では、B と P 】をドーパントと呼ぶ
図 2 (a) 作製されたヘテロダイオードの電流電圧特性。整流特性がきれいに出ている。又、 白熱灯照射により、第三象限に十分な光励起電流が出ており、光センサーとして機能するこ とも分かる。 図 2 (b) 30mW/cm2相当の白熱電球の光を照射した場合の発電の例。ここでは、約 0.6mW/cm2 程度の発電量で、おおよその発電効率は 2％程度になる。これは接触抵抗の大きいアルミ箔 電極を用いた試作一号機の段階としては前途有望な値である。
