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擬似単結晶インゴット製造技術:スマート法

  • 工学部/工学研究科

教授 宇佐美 徳隆[うさみ のりたか]

http://www.numse.nagoya-u.ac.jp/photonics/

シーズの概要

太陽光発電の低コスト化には、実用太陽電池の5割以上を占める多結晶シリコン太陽電池において、製造コストを増加させずに変換効率を向上させることが合理的です。多結晶シリコンは、大容量(約1m角)石英ルツボ内でシリコン融液を一方向凝固して安価に製造できるメリットをもちますが、変換効率は単結晶に劣ります。大量普及している多結晶インゴット製造設備を活用して高品質な単結晶ウェハが実現できれば、流通ウェハを100%単結晶化し、高効率化と低コスト化を同時達成できるでしょう。私たちは、単結晶大容量インゴットの革新的製造技術としてスマート法(Seed Manipulation for ARtificially controlled defect Technique)を提案し、その具現化に向けた基礎学理構築と基盤技術の開発を行っています。スマート法は、シリコンだけでなく多様な材料への応用が期待できます。

この研究の新規性・独創性

スマート法では、意図的に導入した機能性欠陥に歪み緩和、不純物トラップ、多結晶化抑制、転位の閉じ込めなどの機能を担わせ高品質単結晶を実現する方法です。ブロック加工の切りしろやインゴット端部などウェハに使用しない領域に機能性欠陥を配置し、単結晶領域の幅を実用太陽電池のセルサイズ以上とすれば単結晶ウェハの供給が可能となります。このような着想は、結晶粒界と転位発生の関係の解明、結晶欠陥と不純物との相互作用、機能性粒界による多結晶化抑制メカニズム解明など、シリコン多結晶の組織形成メカニズムに関する基礎研究の知見を集約することによってうまれました。

産学連携を目指した応用研究

スマート法では、複数の種結晶を方位関係を考慮してルツボ底部に設置し、成長過程における欠陥発生を利用して機能性欠陥を導入します。よって大量普及している多結晶インゴット製造装置を改造することなくそのまま活用できます。3次元熱流体シミュレーションの結果や、大学の小型装置でのモデル成長実験の結果を活用することで、実用サイズの擬似単結晶シリコンインゴットの製造にスマート法を適用し、高品質単結晶シリコンウェハの低コスト生産を可能にすることを目指しています。

一言アピール

我々は、研究成果の迅速な社会還元を意識し、研究資源が豊富で安全であり社会的受容性にも優れたシリコンをベースとする材料を主たる研究対象に選定し、研究の出口を明確にして研究を実施しております。産学連携研究にも、研究の初期段階から積極的に取り組んでまいりたいと思います。

キーワード

機能性欠陥、疑似単結晶、スマート法、シリコン、太陽電池

保有技術

  • 結晶成長・結晶加工技術(バルクからナノまで)
  • 太陽電池作製プロセス・評価技術
  • 半導体光学特性・電気的特性評価技術
  • 微細構造評価技術

主な機器

  • シリコン溶融凝固装置
  • 結晶成長その場観察装置
  • プラズマCVD装置
  • ALD装置
  • 少数キャリア寿命測定装置
  • 少数キャリア拡散長測定装置
  • ソーラーシミュレータ
  • 蛍光イメージング

主な特許

  • 特開2016-172681 シリコンインゴット及びその製造方法並びに種結晶

主な論文

  • Controlling impurity distributions in crystalline Si for solar cells by using artificial designed defects, J. Cryst. Growth (in press)
  • Seed manipulation for artificially controlled defect technique in new growth method for quasi-monocrystalline Si ingot based on casting, Appl. Phys. Express 8, 105501 (2015).
  • Mono-like silicon growth using functional grain boundaries to limit area of multicrystalline grains, IEEE J. Photovolt. 4, 84 (2014)
  • Control of grain boundary propagation in mono-like Si: Utilization of functional grain boundaries, Appl. Phys. Express 6, 025505 (2013).