成果報告書詳細
管理番号20130000001024
タイトル平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(太陽光発電) 「革新的SiC高速低価格製造方法とSiC太陽電池の開発」
公開日2013/12/17
報告書年度2010 - 2011
委託先名スマートソーラーインターナショナル株式会社 国立大学法人東北大学 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(太陽光発電) 「革新的SiC高速低価格製造方法とSiC太陽電池の開発」

本研究では、SiC(シリコンカーバイド)太陽電池の研究開発を実施するにあたり、SiC高速成長炉の開発およびSiC生成の為の原料素材洗浄技術の開発を行った。成長炉は、安価なカーボン材で構成し、高温下で消耗や劣化を抑え、繰り返し使用できる耐久性のある炉を設計、製作しSiC成長の実証を行った。SiC成長条件の所定温度領域まで短時間で昇温させ、SiC生成の原料となるSiOガスを安定的に発生させることにより、均一な膜厚のSiCの形成を可能とした。SiC成長温度領域炉体の温度勾配ΔTは、0.8℃/cmであることを確認し、SiOガス生成反応における温度依存性を明らかにした。この成長炉を用いSiO(g)をコークス(s)と反応させ、3C-SiCが生成される事を確認した。基板温度が1800℃において、SiCの成長速度は40μm/h であり、従来の気相成長法(3-5μm/h)、液相成長法(10μm/h)より格段に速い成長速度を実現した。SiO2(S)+Si(l)=2SiO(g)の反応速度は速く、SiCの成長速度はSiO2(S)の添加量とSi融液温度に依存する事を確認し、当初の見込みの通りであることが判明した。市販の3インチ4H-SiC基板上にDLC膜(ダイヤモンドライクカーボン)を形成し、SiOガスと反応させSiCを成長させた。その後、成長膜にイオン注入を行いpn接合特性を得た。3インチn型3C-SiC基板に多段イオン注入法を用いたプロセスフローを開発し、pn接合特性を実測し太陽電池が機能することを実証した。また、3インチSi基板上に積層されているn型3C-SiC層にp型3C-SiCエピ層を成長させ、pn接合を可能とし、開放電圧が1.5V以上を有する超薄膜3C-SiC太陽電池セルが実現できる確証を得た。また、Eg=2.23eVを有する3C-SiCの最適なレーザー波長を見出し、低抵抗セル形成に不可欠なスルーホール技術を開発した。また、安価にSiCを生成する為には、原料の金属汚染に対して独自の洗浄技術を用いて純度を高める必要がある。市販のシリカ粉末は、フッ化水素酸水溶液中でのエッチング処理後にシアン化法で洗浄処理をすることにより、最も効果的に金属不純物を除去できた。フッ化水素酸によって表面と表面近傍の金属不純物を除去し、シアン洗浄処理によってシリカ表面に再吸着した金属汚染を除去できたと考えられる。誘導結合プラズマ発光分析(ICP-OES)法で金属不純物量を定量したが、9ppb以下にできることが分かった。また、コークスの純度を、燃焼法により生成した残渣を用いてICP-OES測定することを試みたが、コークスの純度が高く燃焼できなかった。そこで、コークスを白金るつぼ中で水酸化カルシウムと混合して灰化する方法を用いたが、コークスに含まれる不純物量は水酸化カルシウムや白金に含まれる不純物より非常に少なく、定量できなかった。ホウ素や主な金属の汚染物量は検出限界である1 ppm以下であることが分かった。硝酸酸化法を用いてSi表面のパッシベーションを行うと、Si太陽電池のエネルギー変換効率を相対値で約20%向上できることを証明した。シアン化法を用いて太陽電池用Si基板表面をシアン化処理することにより、ライフタイムが向上することも明らかにした。また、新しく金属触媒モールドを薬液中でSi太陽電池基板に接触させて表面にナノポーラス構造を形成することにより、従来技術である異方性エッチングによって形成したマットテクスチャー面よりも格段に低い5%以下に低減することに成功し、さらなる太陽電池の高効率化の可能性を見出した。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program / New Energy Venture Business Technology Innovation Program(photovoltaic power generation)/ Innovative method of high speed and low cost SiC growth and Development of SiC solar cell

When a SiC (silicon carbide) solar cell was researched and developed by this Project, We had developed the furnace for the SiC growth at high growth rate and washing technology of raw material for SiC generation. We built up the hot-zone by low-cost carbon material and prevented consumption and deterioration under the high temperature. We made durability which can be used repeatedly and proved SiC growth. The temperature was increased in a short time to the target temperature of SiC growth condition, SiC which have a uniform thickness of film was generated by a stable generation of SiO gas as raw material for SiC. The temperature gradation of the hot-zone ΔT is 0.8 ℃/cm, We revealed the temperature dependence of the SiO gas formation reaction and Using this furnace, SiO (g) and kokes (s) were reacted, 3C-SiC was generated. When the substrate temperature is 1800 ℃, the growth rate of SiC is 40μm / h. We achieved a growth rate much faster than conventional growth rate of vapor (3 ~ 5μm / h) and the growth rate of liquid phase epitaxy (10μm / h). the reaction of SiO2 (S) + Si (l) = 2SiO (g) is fast, the growth rate of SiC is depend on the amount of adding SiO2 (S) and the temperature of Si melt. We prepared 3inch-4H-SiC and formed DLC (diamond-like carbon) film on the substrate of SiC and grew SiC with SiO gas. Then, to obtain a pn junction in the SiC film, ion implantation is performed. The process flow of the 3 inches n-type 3C-SiC was developed for multistage ion implantation into the substrate SiC, we demonstrated that pn junction characteristics was measured as solar cells. In addition, we grew p-type 3C-SiC on the n-type 3C-SiC on the substrate 3inches Si, it enables to be pn junction. We obtained evidence that 3C-SiC ultra-thin film with more than 1.5V open circuit voltage-solar cell can be realized. We developed optimum laser wavelength of 3C-SiC which have Eg=2.23eV and the essential through-hole technology for low resistance solar cells. it is necessary for generating low-cost SiC to increase the purity of the materials using the original techniques for cleaning metal contamination. Metal contaminants of SiO2 particles were removed most effectively by etching in the HF aqueous solution followed by cleaning in the diluted HCN aqueous solution. It is considered that contaminants on the surface and in the subsurface of the SiO2 particles can be removed by HF etching and reabsorbed contaminants can be eliminated by the HCN treatment. Etching 1.5 μm from the surface in HF solution was sufficient to remove metal contaminants in the subsurface of SiO2 particles. The concentration of metal contaminants for SiO2 particles was decreased to 9ppb by this method. The concentration of boron and most of metal contaminants in coke was found to be below 1 ppm. The relative energy conversion efficiency increased by ~20% by use of the NAOS (Nitric Acid Oxidation of Si) method. The application of the HCN treatment to Si solar cell substrates increased the lifetime. The method to reduce reflectance of the solar cells was also developed. Immersion of Si solar cells contacted with a metal mold resulted in fabricating nanoporous structures on the solar cell surfaces. Ultra-low reflectance below 5% has been achieved.
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