格子整合系複合材料を用いたシリコン太陽電池の極限高効率化

本研究は、シリコンならびにそれに格子整合して成長させた広禁制帯幅半導体との複合材料系を用い、太陽光の広波長領域にわたって光エネルギ-を有効に活用し、単一素材を用いて素子の効率限界を打破し、30%を超える極限高効率を達成するシリコン太陽電池を開発することを目的とする。実現可能な物性値を用いた数値シミュレ-ションによる動作特性の解析と最適素子構造の設計を行い、素子製作のための基礎プロセスを検討した。1.<最適素子構造の設計>___ー 広禁制帯幅半導体としてSiと格子整合したGaP、ならびに格子不整合が少なく禁制帯幅が可変のGaP系半導体(GaAs_<1ーx>P_x、In_<1ーx>Ga_xP)を選定し、動作特性の理論的検討を行った。任意の組成比xにおける広禁制帯幅半導体の光吸収係数を半経験的に計算する手法を創出し、実測値とよく一致することを確かめた。現実的に期待される電子的物性(少数キャリヤ拡散長、寿命、表面再結合速度等)を考慮し、実際の素子構造における光起電圧・電流を計算機シミュレ-ションで求め、高効率を達成する最適素子構造を設計した。その結果、我々が提案する複合材料系太陽電池では33〜34%の超高光電変換効率が達成可能であることが示された。2.<GaP単結晶のエピタキシャル成長>___ー 複合太陽電池作製の基礎的プロセスとして、有機金属を原料とする半導体エピタキシ-装置を用い、GaP単結晶のエピタキシャル成長を行った。Pの原料として熱分解効率が高く毒性の少ないタ-シャリブチルホスフィンを用いた。得られた結晶表面は鏡面で、X線回折法、反射電子線回折法ならびにホトルミネッセンス法により評価したところ良質の単結晶が成長していることが判明した。今後早急に電気的電子的特性の評価を行い高品質単結晶を得るための最適成長条件を確立したい。

本研究は、シリコンならびにそれに格子整合して成長させた広禁制帯幅半導体との複合材料系を用い、太陽光の広波長領域にわたって光エネルギ-を有効に活用し、単一素材を用いて素子の効率限界を打破し、30%を超える極限高効率を達成するシリコン太陽電池を開発することを目的とする。実現可能な物性値を用いた数値シミュレ-ションによる動作特性の解析と最適素子構造の設計を行い、素子製作のための基礎プロセスを検討した。1.<最適素子構造の設計>___ー 広禁制帯幅半導体としてSiと格子整合したGaP、ならびに格子不整合が少なく禁制帯幅が可変のGaP系半導体(GaAs_<1ーx>P_x、In_<1ーx>Ga_xP)を選定し、動作特性の理論的検討を行った。任意の組成比xにおける広禁制帯幅半導体の光吸収係数を半経験的に計算する手法を創出し、実測値とよく一致することを確かめた。現実的に期待される電子的物性(少数キャリヤ拡散長、寿命、表面再結合速度等)を考慮し、実際の素子構造における光起電圧・電流を計算機シミュレ-ションで求め、高効率を達成する最適素子構造を設計した。その結果、我々が提案する複合材料系太陽電池では33〜34%の超高光電変換効率が達成可能であることが示された。2.<GaP単結晶のエピタキシャル成長>___ー 複合太陽電池作製の基礎的プロセスとして、有機金属を原料とする半導体エピタキシ-装置を用い、GaP単結晶のエピタキシャル成長を行った。Pの原料として熱分解効率が高く毒性の少ないタ-シャリブチルホスフィンを用いた。得られた結晶表面は鏡面で、X線回折法、反射電子線回折法ならびにホトルミネッセンス法により評価したところ良質の単結晶が成長していることが判明した。今後早急に電気的電子的特性の評価を行い高品質単結晶を得るための最適成長条件を確立したい。