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

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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。