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新しい半導体Ba1-xMxSi2(M=Sr, Mg,....)を用いた薄膜結晶太陽電池の開発

太陽電池を目指して様々な材料が世界中で研究されています。将来の太陽電池は、原料の省量化が可能で、資源が豊富で社会的受容性が高い安全・安心な材料を利用し、デバイスの動作原理が明確であることが重要と考えています。そのような中で、Siベースの新しい半導体材料としてBaSi2に集中して研究を行っています。この材料は、従来より扱ってきたβ-FeSi2の発光波長をバンドエンジニアリングにより制御したいと考えていた際に、さまざまな偶然が重なって、その存在を知ったものです。BaSi2は、資源が豊富な元素で構成され、禁制帯幅が約1.3eVの間接遷移型半導体ですが、間接遷移端の直上に直接遷移端があるため、間接遷移型半導体でありながら、1.5eV帯においてカルコパイライト並みの非常に大きな光吸収係数(105cm-1)を持ちます(TSF 508 (2006) 363)。したがって、光吸収係数と少数キャリア拡散長の両方を同時に大きくすることが可能な点で、従来の太陽電池材料には無い優れた特徴を持っているといえます。さらに、禁制帯幅が1.3eVと太陽電池として理想的な禁制帯幅(1.4-1.7eV)に近く、さらに、等電子的なアルカリ土類元素であるSrをBaサイトに混ぜて混晶化することで、禁制帯幅を1.4eVに拡大できることを見出しました(JJAP 45 (2006) L390)。H18年10月からH22年3月の間、JSTさきがけ研究に採択され、この間、不純物ドーピングによる伝導型およびキャリア密度の制御に成功し(APEX 1 (2008) 051403)、実用的な観点から重要なSiO2基板上においても、分光感度の高い薄膜の成長を実現し(APEX 2 (2009) 05160)、さらに、電流の取り出しに重要なBaSi2/Siトンネル接合の形成等の要素技術の開発に成功しています(APEX 3 (2010) 021301)。最近、厚さ400nmのBaSi2膜で、内部量子効率60%超を達成しました(APL 100 (2012) 152114)。 また、CoSi2/n-BaSi2ショットキー接合およびn-BaSi2/p+-Siヘテロ接合においても、太陽電池動作を実証してきました。H22年10から、大型の国家プロジェクトの1つであるJST-CREST(研究代表者)に採択され、 今後は、これまで培ってきた要素技術を統合し、他の研究機関と強く連携して、光吸収層の厚さが2μm程度のBaSi2 pn接合で、エネルギー変換効率が30%を超える太陽電池の実現を目指し、強力に研究を推進しています。

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