成果報告書詳細
管理番号20130000000565
タイトル平成20年度-24年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業)高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発(ガラス基板上の単結晶シード層)
公開日2014/6/11
報告書年度2008 - 2012
委託先名コーニングホールディングジャパン合同会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度-平成24年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業) 「高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発(ガラス基板上の単結晶シード層)」

本サブテーマでは、透明なガラスとシリコン(Si)またはゲルマニウム(Ge)単結晶薄膜を接合した基板(SiOGおよびGeOG)を用い、その上にエピタキシャル成長を行うことにより、半導体材料の消費を抑えながら、研究グループ全体で構成する多接合太陽電池のうち、狭バンドギャップ・ボトムセル用の低欠陥のシリコン・ゲルマニウム(SiGe)単結晶薄膜材料の開発を行った。
研究開発目標としては、(1)要素技術として、転位密度が1x10e7 /cm2(平成26年度:最終)程度の高品質な結晶成長が可能なエピタキシャル成長技術を開発する。さらに(2)単結晶SiGe系薄膜セル材料形成技術として、バンドギャップ0.9eV以下のSiGe半導体薄膜を用いて、ボトムセルの変換効率で10%(平成26年度:最終)を達成する、こととした。これらの目標に対して以下の成果を得た。
(1)低転位密度結晶成長要素技術
SiH4とGeH4およびF2ガスを用いた反応性化学気相成長 (CVD)法により、基板ガラスの許容できる600℃以下の低温で、SiおよびGeのバルク結晶基板とSiOGおよびGeOG基板上へ、Ge組成0.1-1.0(バンドギャップ0.66-1.08eVに相当)のSiGe単結晶薄膜の2 nm/s以上に及ぶ世界最速レベルののエピタキシャル成長に初めて成功した。
さらにSiGe膜と基板との格子不整合によって発生する転位をセルを形成する表面側で低減するため、基板上にMBE法または反応性CVD法で傾斜組成のバッファ層を形成した後、R-CVD法で所望の組成のSiGe膜を厚く成長することを試みた。結果として、SiOG基板上にMBE法でバッファ層を形成してから厚さ5.9 μmのSi0.5Ge0.5 膜(バンドギャップ:約0.9 eV)を反応性CVD法で成長した試料では、転位密度に相当するエッチピット密度はバッファ層なしの場合の5x10e6 cm-2から1x10e6 cm-2と1/5に減少し、転位密度については最終目標を達成できた。
(2)単結晶SiGe系薄膜セル材料形成技術
開発したSiGe単結晶薄膜を用いて、アモルファスSiとのヘテロ接合型のセルを作製した。得られた変換効率はGe基板上で1.2%、Si基板上で0.80%と目標には到達できなかったが、飽和電流密度は28.3 mA/cm2と大きく、また、MBE法でバッファ層を挿入した試料ではキャリア寿命が16.3μsと、10%以上の効率が期待できる可能性を示した。さらにPH3とB2H6のドーピングにより、初めてpn接合型の単結晶SiGe太陽電池を作製した。
英文要約Title: New Energy Technology Development, Research and Development on Innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program), Research and Development on Highly-Ordered Thin-Film Multi-Junction Solar Cells (Single Crystal Seed Layer on a Glass Substrate) (FY2008-FY2012) Final Report

In this sub theme, we use a substrate made of a bonded mono-crystalline silicon or germanium thin film on a transparent glass (SiOG or GeOG) and grow epitaxially a mono-crystalline silicon-germanium (SiGe) film with a small density of defects on it. Then we provide a narrow bandgap bottom cell for the multi-junction solar cells of the AIST group with a minimum consumption of semiconductor materials.
Our goals of this research at the end (FY 2014) are: (A) as an elementary growth technology, the development of high quality SiGe epitaxial films whose dislocation density is less than 1x10e7 /cm2 and (B) as a mono-crystalline SiGe film solar cell technology, the achievement of 10% conversion efficiency of a bottom cell that has the bandgap less than 0.9 eV.
As a result of our research between FY 2008 and FY 2012, we have obtained the following results.
(A) SiGe film epitaxial growth technology
By the reactive chemical vapor deposition (R-CVD) using SiH4, GeH4, and F2 gases, mono-crystalline SiGe films having 0.1 - 1.0 Ge content (corresponding to 0.66 - 1.08 eV bandgap) have been successfully grown on Si, Ge. SiOG, and GeOG substrates for the first time at the temperature lower than 600 C where glass does not deform. The growth rate reaches 2 nm/s or higher, which is among the fastest in the world.
In order to reduce the dislocations on the film surface where solar cells are formed, a composition-graded buffer layer grown by molecular beam epitaxy (MBE) or R-CVD were inserted between a substrate and a thick R-CVD SiGe film. The dislocations originate from the lattice mismatch between the Si or Ge substrate and the SiGe film. The etch pit density that corresponds to the dislocation density on top of the 5.9 micron-thick Si0.5Ge0.5 (band gap: about 0.9 eV) film on a SiOG substrate grown by R-CVD with the MBE-grown buffer layer was decreased to 1x10e6 cm-2 from 5x10e6 cm-2 of the film without the buffer. As a result, we have achieved the final goal of the dislocation density, i.e., less than 1x10e7 cm-2.
(B) Mono-crystalline SiGe film solar cell technology
Undoped R-CVD SiGe films (p-type) were processed into hetero-junction solar cells by the deposition of i-type and n-type amorphous silicon films subsequently. The resultant conversion efficiencies are 1.2% for the on-Ge cell and 0.80% for the on-Si cell, which are below our final goal. However, the saturation current density is as large as 28.3mA/cm2 and the carrier lifetime of the SiGe sample with the MBE-grown buffer layer is 0.0163 ms, that leads to the potential efficiency over 10%.
In addition, by the doping with PH3 and B2H6, the pn-junction type mono-crystalline SiGe cell was fabricated for the first time.
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