高効率太陽電池の創製に向けたシリコン系クラスレートの新規結晶育成法の確立

建立一种新的硅基包合物晶体生长方法，用于制造高效太阳能电池

• 批准号: 21H01825
• 负责人: 森戸 春彦
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01825/
• 关键词: クラスレート; 結晶成長; 太陽電池; シリコン; シリコンクラスレート; 単結晶; フラックス成長

本研究対象であるシリコン（Si）単元素クラスレートとは、Si原子がカゴ状に結合した物質で、ダイヤモンド構造Siの同素体として捉えられている。その応用は太陽電池や熱電変換材料など多岐に渡るが、本物質に関しては応用に不可欠なバルク結晶の育成手法が確立されていなかった。そこで本研究では、Si単元素クラスレートのバルク結晶の実現を目指し、新しい結晶育成手法を開発することを目的とした。これまでに本研究グループでは、Si単元素クラスレートの前駆体となるNaを内包したSiクラスレート（Na-Siクラスレート）の新しい結晶育成技術を開発した。最終的には、このNa-Siクラスレートのバルク結晶を用いて、Si単元素クラスレートを合成することを目標の一つとしている。本年度は、NaとSnの複合金属フラックスを用いてNa-Siクラスレートの単結晶育成に取り組み、本手法において高品質な単結晶が成長する条件を解明することにした。その結果、Na-SnフラックスにおけるSn濃度が結晶の形態や大きさ、結晶性に大きく影響を及ぼすことを明らかにした。そして、フラックス中のSn濃度を制御することで、ファセット面で囲まれた高品質な単結晶を育成することに成功した。また、従来の前駆体を熱分解して合成する手法においても結晶構造がI型と呼ばれる単相試料が得られる新たな合成条件を見出し、Na-Siクラスレートの合成技術の基盤を構築しつつある。また、本研究で開発しているフラックス法がBaを内包したSiクラスレートの結晶育成にも適用できることを見出し、結晶構造が異なるI型とII型の単結晶を選択的に育成することに成功した。

This study like で seaborne あ る シ リ コ ン (Si) 単 element ク ラ ス レ ー ト と は, Si atoms が カ ゴ shape に combining し た material で, ダ イ ヤ モ ン ド structure Si の with ferrite と し て catch え ら れ て い る. そ の 応 や thermoelectric variations in material with は solar batteries な ど toki に cross more る が, this material に masato し て は use 応 に not owe な バ ル ク crystallization の breeding technique が establish さ れ て い な か っ た. そ こ で this study で は, Si 単 element ク ラ ス レ ー ト の バ ル ク crystallization の be presently を refers し, new し い crystallization breeding technique を open 発 す る こ と を purpose と し た. こ れ ま で に this study グ ル ー プ で は, Si 単 element ク ラ ス レ ー ト の 駆 body before と な る Na を insourcing し た Si ク ラ ス レ ー ト (Na - Si ク ラ ス レ ー ト) の new し い crystallization technology bred を open 発 し た. The final に は, こ の Na - Si ク ラ ス レ ー ト の バ ル ク crystallization を with い て, Si 単 element ク ラ ス レ ー ト を synthetic す る こ と を target の つ と し て い る. This year は, Na と Sn の composite metal フ ラ ッ ク ス を with い て Na - Si ク ラ ス レ ー ト の 単 crystallization bred に み り group, this technique に お い て high-quality な 単 crystallization が growth す る conditions を interpret す る こ と に し た. そ の results, Na - Sn フ ラ ッ ク ス に お け る Sn concentration が crystallization の form や き さ, large crystalline に き く influence を and ぼ す こ と を Ming ら か に し た. そ し て, フ ラ ッ ク ス を の Sn concentration in the system of imperial す る こ と で, フ ァ セ ッ ト surface で 囲 ま れ た high-quality な 単 crystallization を bred す る こ と に successful し た. ま た, former 従 to の 駆 を pyrolysis し て synthetic す る gimmick に お い て も crystal structure が type I と shout ば れ る 単 phase sample が have ら れ る new た な synthesis condition を see し, Na Si ク ラ ス レ ー ト の synthesis の base plate を build し つ つ あ る. ま た, this study で 発 し て い る フ ラ ッ ク ス method が Ba を insourcing し た Si ク ラ ス レ ー ト の crystallization bred に も applicable で き る こ と を shows し が different structures and crystallization な る type I と II の 単 crystallization を sentaku に of breeding す る こ と に successful し た.

项目成果

Na-Snフラックス法を用いたNa,Ba内包型Siクラスレートの単結晶育成

Na-Sn助熔剂法生长含Na、Ba的Si包合物的单晶

• 发表时间: 2022
• 作者: 森戸春彦;飯島譲;山根久典;藤岡正弥;藤原航三
• 通讯作者: 藤原航三

Naイオンの異方的拡散制御によるSi同素体のバルク単結晶開発

通过控制Na离子各向异性扩散开发Si同素异形体块状单晶

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤岡正弥;岩崎秀;西井準治;森戸春彦;小峰啓史
• 通讯作者: 小峰啓史

A Novel Technique for Controlling Anisotropic Ion Diffusion: Bulk Single‐Crystalline Metallic Silicon Clathrate

控制各向异性离子扩散的新技术：块状单晶金属硅包合物

• DOI: 10.1002/adma.202106754
• 发表时间: 2022
• 期刊: Advanced Materials
• 影响因子: 29.4
• 作者: Iwasaki Suguru;Morito Haruhiko;Komine Takashi;Morita Kazuki;Shibuya Taizo;Nishii Junji;Fujioka Masaya
• 通讯作者: Fujioka Masaya

熱分解法によるNa-Siクラスレートの生成条件の検討

热解法生成Na-Si笼形物的条件考察

• 发表时间: 2022
• 作者: 森戸春彦;岩崎秀;藤岡正弥;藤原航三
• 通讯作者: 藤原航三

Effect of Na-Sn Flux on the Growth of Type I Na8Si46 Clathrate Crystals

Na-Sn助熔剂对I型Na8Si46笼形晶体生长的影响

• DOI: 10.3390/cryst12060837
• 发表时间: 2022
• 期刊: Crystals
• 影响因子: 2.7
• 作者: Haruhiko Morito;Kohei Futami;Kozo Fujiwara
• 通讯作者: Kozo Fujiwara