宇宙用次世代太陽電池材料のプロセス探索

点击翻译按钮获取中文摘要

次世代の太陽電池材料として、窒化物半導体の混晶であるAlGaInNを利用することで高い変換効率の達成が期待できる。さらにⅢ族窒化物半導体は耐放射線性に優れているため、宇宙利用にも適している。この宇宙用高効率エネルギー変換デバイスを実現するためには、気相成長のプロセスを理論的に解明し、実験において適切に制御する必要がある。本年度は結晶の成長速度が速く、自立基板を製造するのに適しているGaN-THVPE法の成長過程を理解するための理論解析を行った。具体的には第一原理計算を主軸として、有限温度・ガス分圧下で表面エネルギーを計算する手法と、成長表面のエネルギーをバルク基準で計算する手法を組み合わせることで、異なる成長方向の表面の安定性を評価する計算手法を提案し、THVPE法で成長中のGaN結晶表面に適用した。解析の結果、極性面、非極性面、半極性面における最安定な再構成構造の温度・分圧依存性が明らかになった。主としてEC(Electron Counting)則に従う、表面のGaにClが吸着した構造および表面のNにHが吸着した構造が安定であったが、温度の上昇によって理想表面が安定する場合もあった。これは高温ではClやHが気体分子として安定化するためである。また、典型的な実験条件下において上述の最安定構造を有する極性面、非極性面、半極性面のバルク基準の表面エネルギー（絶対表面エネルギー）を比較したところ、(10-10)および(000-1)が安定であることがわかった。さらに絶対表面エネルギーを利用してウルフ構造の決定を行ったところ、低温においては(10-10)と(000-1)が出現するが、高温においては(10-10)、(000-1)に加えて(10-1-1)が出現することがわかった。こうした結果は実験報告とも一致しており、実験結果を理論的に説明することに成功した。