成果報告書詳細
管理番号20160000000110
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発/太陽光発電システム次世代高性能技術の開発/極限シリコン結晶太陽電池の研究開発「太陽電池用低価格単結晶シリコン成長法の研究開発」
公開日2016/5/24
報告書年度2010 - 2014
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約1. 研究開発の内容
 世界の競争に耐えうる太陽電池用低価格高品質シリコン結晶を育成する。このために、シングルシードキャスト法を考案し、これを実験炉にて確立させ、実証炉を製造して50cm角モノシリコン結晶を育成する。育成した結晶をウエハにスライスして、ライフタイム400μs以下を実現させる。さらに効率評価を行い、既存の単結晶、多結晶シリコン太陽電池と比べた競争力を評価する。
(1)実験炉によるSeed cast法の確立
 実験炉(小型炉)を用いてSeed cast法の基礎技術を確立させ、問題点や改良箇所を見出して、実証炉(大型炉)の設計および育成条件につなげる。
(2)実証炉の製造と、シードキャストインゴットの成長
 実証炉を製造し、装置及びプロセスの最適化を行う。実証炉を用いて50cm角シードキャストインゴットを育成する。
(3)モノシリコンウエハの評価
 モノシリコンのライフタイムおよび効率を評価する。ライフタイムの目標値は、400μsである。
(4)技術移転
 Seed cast技術を体系化し、企業への技術移転を進める。

2.成果概要
(1)実験炉によるSeed cast法の確立
 実験炉にて直径100mmのシングルシードキャスト結晶を50本以上育成し、単結晶化の要点、軽元素不純物の除去、残留歪や拡張欠陥の低減、Fe不純物の除外を検討した。結晶冷却過程と残留歪に関する研究では、同等径のSi無転位単結晶に同じ熱処理を与えて、転位と歪分布を調べ、実験とシミュレーションとの相関を検討した。これらの知見より、結晶成長条件の最適化を検討した。
(2)実証炉による結晶成長
 九州大学に実証炉を設置し、内部を改造して、シングルシードキャスト成長が行える環境を整えた。Mono cast結晶高品質化のための、装置及びプロセスの最適化を行った。その一つとして、九州大学グループの結晶成長シミュレーション予測と実験炉の知見を融合し、実証炉のホットゾーンの改造を行った。実証炉を用いて、50cm角のモノシリコンインゴットを成長した。
(3)低コスト単結晶の評価
 実験炉にて育成した結晶を切断し、NEDOコンソーシアムに供して、スライス、セルプロセス、評価を行った。最終的にライフタイムの最高値は465μsとなり、目標としていた400μsをクリアした。さらに、太陽電池を製作し、最高値で18.7%を得た。これはReferenceとなるCZシリコン単結晶の18.9%とほぼ同等であった。この結果により、シードキャストモノシリコン結晶が、近い将来の価格競争力のある太陽電池材料として、最有力であることが示された。
(4)技術移転
 Seed cast技術の開発で蓄積された、軽元素不純物低減法や、冷却プロセスの最適化などを、個別要素として、現実の鋳造結晶技術に応用すべく、会社に技術移転を行った。
英文要約Title : Crystal Growth for Low Cost Si Single Crystals for Photovoltaic (FY2010-FY2014)  Final Report

Crystal Si is the most prevailed material for solar cell application. At the present stage, it is necessary to improve crystal Si technology to increase efficiency and reduce cost of Si solar cells. We have tryed to develop the new crystal Si growth technology, “single seed cast technique”, to achieve this social demand. In this project, we have been performing advanced cast method for growing mono crystal Si for solar cells.
We have pursued this subject with the following 3 steps ;
(1) Establish the seed cast growth with laboratory size furnace.
(2) Fabricate and improve the demonstration furnace and grow 50 cm square size mono Si ingots.
(3) Characterize seed cast Si ingots.

(1) Seed cast growth with laboratory size furnace (work with Toyota Tech. Inst.)
We have grown more than 50 ingots of 100 mm diameter and have found the problems and target of this study. Light element impurities, extended defect generation, strain, Fe impurities are the main targets to improve.
(2) Fabricate and improve the demonstration furnace (work with Kyushu Univ.)
We have fabricated the demonstration furnace of 50 cm square (9 rods) ingot. According to the knowledge of labo size furnace, the whole parts of furnace were redesigned and newly manufactured. After the optimization of growth condition, shiny mono Si ingots of 50 cm square were successfully grown with this furnace.
(3) Characterize seed cast Si ingots (collaboration with this consortium)
The mono-cast Si ingots were sliced into 156 mm sized wafers and sent to the other groups in this consortium. The lifetime and solar cell efficiency of these wafers were characterized. It was found that the best value of lifetime was 465μs and the solar cell efficiency was 18.7 %, which was comparable with 18.9 % of reference cell made by CZ Si wafer.

In summary, we have developed single seed cast mono Si growth technique, and have succeeded in overcome the target value of lifetime of 400 ?s. The solar cell efficiency is comparable of that of CZ Si wafers.
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