太陽電池用シリコン基板の自己成長形態保持機能を利用した合金融液からの直接製造法
【研究分野】材料加工・処理
【研究キーワード】
シリコン / 太陽電池 / 結晶成長 / 融液成長 / フェーズフィールドモデル / フェーズフイールドモデル
【研究成果の概要】
本研究は、シリコン結晶が特定成長方位を持つ板状あるいはロッド状ファセット結晶とし成長することに着目し、シリコン合金融液から直接太陽電池用板状シリコン結晶を育成する低温プロセスの可能性するとともに、その結晶成長機構の検討を目的とした。このためのモデル実験として、Si-45wt%Ni合金融液からのシリコン結晶育成とその最適条件を検討した。当初は、低過冷度融液でのシリコン結晶優先成長方位が<211>であることから、<211>方向の種結晶を用いた結晶引上げを試みたが、自由デンドライトが過冷合金融液表面を成長するため板状結晶の引上げは困難であった。このため、過熱合金融液からの結晶育成を試みた。その結果、過熱度1〜5℃、引上げ速度0.15mm/min以下の条件で種結晶とエピタキシャル成長する結晶育成が可能となることを示した。育成結晶形態は棒状、針状および表面デンドライトの成長した円錐状の結晶に分類され、棒状結晶、針状結晶には内部に共晶が成長するもの、成長途中から共晶成長となるものが見出された。これら結晶育成時の種結晶と育成結晶の温度分布を推定し、それがほぼ一定であり、熱的定常状態が保たれること、また、育成結晶と合金融液の濡れ挙動が育成結晶形状や共晶の晶出と密接に関連することを確認した。これらの結果を詳細に検討し、引上げ速度を0.03mm/min以下とすることによりシリコン結晶育成が可能となることを示した。また、この育成結晶は多数の双晶を含む多結晶であり、双晶により形成される凹角を基点とした成長機構が支配的であることを示した。以上の結果を総合し、シリコン合金融液からの大型結晶の育成が十分可能であること、また、表面にシリコン結晶が成長した一定径の棒状結晶を育成し、これを放物面鏡と組み合わせた新たな太陽電池システム設計も可能であることを示唆した。
【研究代表者】