アモルファスシリコン
非結晶シリコン

アモルファスシリコン：

アモルファス シリコン( a-Si ) は、太陽電池やLCDの薄膜トランジスタに使用される非結晶シリコンです。

アモルファスシリコン太陽電池（薄膜シリコン太陽電池）の半導体材料として使用され、ガラス、金属、プラスチックなどの様々なフレキシブル基板上に薄膜として堆積されます。アモルファスシリコン太陽電池は一般的に効率が低いという特徴があります。

第二世代の薄膜太陽電池技術として、アモルファスシリコンはかつて、急成長する世界中の太陽光発電市場において大きな貢献を果たすと期待されていましたが、従来の結晶シリコン電池や、 CdTe、CIGSなどの他の薄膜技術との激しい競争により、その重要性を失っています。[要出典]アモルファスシリコンは、液晶ディスプレイ（LCD）の薄膜トランジスタ（TFT）素子やX線イメージング装置 に適した材料です。

アモルファス シリコンは、単結晶シリコン(単一の結晶) や、微結晶とも呼ばれる小さな粒子で構成される多結晶シリコンなど、他の同素体とは異なります。

説明

シリコンは四配位原子であり、通常は隣接する4つのシリコン原子と四面体結合しています。結晶シリコン（c-Si）では、この四面体構造が広範囲にわたって連続しており、秩序立った結晶格子を形成しています。

アモルファスシリコンには、この長距離秩序は存在しません。むしろ、原子は連続したランダムネットワークを形成します。さらに、アモルファスシリコン内のすべての原子が四配位しているわけではありません。材料の無秩序な性質により、一部の原子はダングリングボンド（未結合）を持ちます。物理的には、これらのダングリングボンドは連続したランダムネットワークにおける欠陥を表し、異常な電気的挙動を引き起こす可能性があります。

この材料は水素によって不活性化され、水素はダングリングボンドと結合してダングリングボンド密度を数桁も低減することができます。水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）は、特に原結晶成長段階において、太陽光発電セルなどのデバイスに使用できるほど欠陥量が少ないです。 [1]しかし、水素化は材料の光誘起劣化、いわゆるシュテーブラー・ロンスキー効果と関連しています。[2]

シリコンの同素体の模式図：単結晶、多結晶、非晶質シリコン

アモルファスシリコンとカーボン

シリコンと炭素のアモルファス合金（アモルファスシリコンカーバイド、水素化物とも呼ばれる、a-Si 1−x C x :H）は興味深い材料です。炭素原子を導入することで、材料特性の制御にさらなる自由度が加わります。この膜は可視光に対して 透明にすることも可能です。

合金中の炭素濃度を増加させると、伝導帯と価電子帯の間の電子ギャップ（「光学ギャップ」またはバンドギャップとも呼ばれる）が広がります。これにより、アモルファスシリコンカーバイド層を用いた太陽電池の光効率が向上します。一方、半導体としての電子特性（主に電子移動度）は、合金中の炭素含有量の増加によって悪影響を受けます。これは、原子ネットワークの無秩序性の増加に起因すると考えられます。[3]

科学文献には、主に堆積パラメータが電子品質に与える影響を調査したいくつかの研究が記載されていますが、商用デバイスにおけるアモルファスシリコンカーバイドの実用的応用はまだ不足しています。

プロパティ

a-Siの密度は作製条件に依存し、例えば、電子ビーム蒸着膜の場合、密度は厚さ、成長温度、成長速度に依存し、3.90×10 22～ 4.95×10 22 atom/cm 3 (1.82 ～ 2.31 g/cm 3 )の範囲になります。[4]一方、イオン注入a-Siの場合は、300 Kで4.90×10 22 atom/cm 3 (2.29 g/cm 3 )と測定されています。 [5]シリコンは、冷却すると膨張する数少ない元素の1つであり、固体の密度は液体の密度よりも低くなります。

水素化アモルファスシリコン

水素化されていないアモルファスシリコンは欠陥密度が非常に高く、光伝導性の低下など望ましくない半導体特性をもたらし、半導体特性のエンジニアリングに不可欠なドーピングを阻害します。アモルファスシリコンの製造中に水素を導入することで、光伝導性が大幅に向上し、ドーピングが可能になります。水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）は、1969年にロバート・カーネギー・チティック、アレクサンダー、スターリングによって、シランガス（SiH 4）前駆体を用いた堆積法で初めて製造されました。得られた材料は、欠陥密度が低く、不純物による導電性が向上しました。a-Si:Hへの関心が高まったのは、1975年にルコンバーとスピアがホスフィン（n型）またはジボラン（p型）を用いたa-Si:Hの置換ドーピングが可能であることを発見した時でした。[6]水素が欠陥を減らす役割を果たすことは、ハーバード大学のポールらのグループによって検証され、Si-H結合の振動数が約2000 cm −1である赤外線振動から、水素濃度が約10原子％であることを発見しました。[7] 1970年代から、 RCA研究所のデビッド・E・カールソンとCR・ロンスキーによって、a-Si:Hは太陽電池に利用されるようになりました。[8]変換効率は着実に上昇し、2015年には約13.6％に達しました。[9]

堆積プロセス

CVD PECVD 触媒CVD スパッタリング
フィルムの種類 a-Si:H a-Si:H a-Si:H アモルファスシリコン
ユニークなアプリケーション 大面積エレクトロニクス 水素フリー堆積
チャンバー温度 600C 30～300℃ 30～1000℃
活性要素温度 2000C
チャンバー圧力 0.1～10トル 0.1～10トル 0.001～0.1トル
物理原理 熱分解 プラズマ誘起解離 熱分解 Si源のイオン化
ファシリテーター Ta加熱ワイヤー 付き アルゴン陽イオン
標準駆動電圧 13.56 MHz; 0.01～1W/cm 2
Si源 SiH 4ガス SiH 4ガス SiH 4ガス ターゲット
基板温度 制御可能 制御可能 制御可能 制御可能

アプリケーション

a-Siはc-Siに比べて電子性能が低いものの、用途の柔軟性がはるかに優れています。例えば、a-Si層はc-Siよりも薄くできるため、シリコン材料コストの削減につながる可能性があります。

もう一つの利点は、a-Siは75℃という非常に低い温度で成膜できることです。これにより、ガラスだけでなく、プラスチックや紙[10] [11]などの基板にも成膜が可能になり、ロールツーロールプロセス技術の候補となります。成膜後、a-Siはc-Siと同様にドーピングされ、 p型またはn型の層を形成し、最終的には電子デバイスを形成することができます。

もう一つの利点は、 PECVDによってa-Siを大面積に堆積できることです。PECVDシステムの設計は、このようなパネルの製造コストに大きな影響を与えるため、ほとんどの装置サプライヤーは、特にシランをリサイクルする場合に製造コストの削減につながる、より高いスループットを実現するPECVDの設計に重点を置いています[12]。[13]

ガラス上の小型（1 mm × 1 mm 未満）a-Si フォトダイオードのアレイは、透視検査や放射線検査用のフラットパネル検出器の一部で可視光画像センサーとして使用されます。

太陽光発電

1970年代後半に製造された「ティールフォトン」太陽電池式計算機

水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）は、ポケット電卓など、電力消費が非常に少ない機器の太陽電池材料として利用されてきました。これは、従来の 結晶シリコン（c-Si）太陽電池に比べて性能が低いものの、基板への成膜が簡略化され低コストであるため、その欠点を補って余りあるからです。さらに、pinデバイスのシャント抵抗は大幅に高いため、非常に低い光量でも十分な性能が得られます。最初の太陽電池式電卓は、Royal Solar 1、Sharp EL-8026、Teal Photonなど、1970年代後半に既に発売されていました。

近年、a-Si:H構造技術の進歩により、大面積太陽電池への応用も期待が高まっています。a-Si:Hの本来の効率の低さは、少なくとも部分的には薄さによって補われます。薄膜セルを複数積層し、それぞれを特定の光周波数で良好に動作するように調整することで、より高い効率を実現できます。このアプローチはc-Siセルには適用できません。c-Siセルは間接バンドギャップのために厚みがあり、そのため光が他の層に届かず、不透明度が高くなります。

アモルファスシリコン太陽光発電の効率が低い原因は、主に材料のホール移動度が低いことに起因しています。 [14]この低いホール移動度は、ダングリングボンド（結合数が3のシリコン）、[15]浮遊結合（結合数が5のシリコン）、[16]結合再構成の存在など、材料の多くの物理的側面に起因すると考えられています。[17]これらの移動度が低い原因を制御するために多くの研究が行われてきましたが、相互作用する欠陥の多数が、ある種類の欠陥を減らすと他の欠陥の形成につながるため、移動度が本質的に制限される可能性があることを示す証拠があります。[18]

大規模生産におけるa-Si:Hの主な利点は、効率ではなくコストです。a-Si:Hセルは、一般的なc-Siセルに必要なシリコンのほんの一部しか使用せず、シリコンのコストは歴史的にセルコストの大きな要因となってきました。しかし、多層構造による製造コストの上昇により、薄さや柔軟性が強みとなる用途以外では、a-Si:Hはこれまであまり魅力的ではありませんでした。[19]

一般的に、アモルファスシリコン薄膜セルはpin構造を採用しています。p型層を上部に配置するのは、正孔移動度が低いため、正孔が上部コンタクトに集まるまでの平均距離が短くなるためです。一般的なパネル構造は、前面ガラス、TCO、薄膜シリコン、背面コンタクト、ポリビニルブチラール（PVB）、背面ガラスで構成されています。Energy Conversion Devices傘下のUni-Solarは、ロールオン式屋根材に使用されるフレキシブルバッキングを製造していました。しかし、世界最大のアモルファスシリコン太陽光発電メーカーであった同社は、従来の太陽光パネルの急激な価格下落に対抗できず、2012年に破産を申請せざるを得ませんでした。[20] [21]

微結晶シリコンと微形態シリコン

微結晶シリコン（ナノ結晶シリコンとも呼ばれる）はアモルファスシリコンですが、微細な結晶も含んでいます。より広いスペクトルの光を吸収し、柔軟性に優れています。マイクロモルファスシリコンモジュール技術は、アモルファスシリコンと微結晶シリコンという2種類のシリコンを、トップセルとボトムセルに組み合わせたものです。シャープはこのシステムを用いてセルを製造し、青色光をより効率的に捕捉することで、直射日光が当たらない時間帯のセル効率を向上させています。プロト結晶シリコンは、a-Si太陽電池の開放電圧を最適化するためによく使用されます。

大規模生産

ユナイテッドソーラー・オボニックの年間生産能力30MWのロールツーロール太陽光発電生産ライン

4,000万ドル以上の機関投資を受けたXunlight Corporation [要出典]は、薄膜シリコンPVモジュールの製造用に、初の25MWワイドウェブロールツーロール太陽光発電製造装置の設置を完了しました。 [22] Anwell Technologiesも、自社設計のマルチ基板マルチチャンバーPECVD装置を備えた初の40MW a-Si薄膜太陽電池パネル製造施設を河南省に設置しました。[23]

太陽光発電と熱を融合したソーラーコレクター

ユナイテッド・ソーラー・オボニックのフレキシブル薄膜太陽光発電システムを搭載した航空宇宙製品

光起電力熱ハイブリッド太陽熱コレクター(PVT) は、太陽放射を電気エネルギーと熱エネルギーに変換するシステムです。このシステムは、電磁放射(光子) を電気に変換する太陽電池と、残りのエネルギーを捕捉して太陽光発電モジュールから廃熱を取り除く太陽熱コレクターを組み合わせたものです。太陽電池は、抵抗が増加するため、温度上昇とともに効率が低下します。このようなシステムのほとんどは、太陽電池から熱を奪い取ってセルを冷却し、抵抗を下げることで効率を向上させるように設計できます。これは効果的な方法ではありますが、太陽熱コレクターと比較すると熱コンポーネントの性能が低下します。最近の研究では、温度係数の低い a-Si:H PV により PVT を高温で動作させることができ、より共生的な PVT システムを作り出し、a-Si:H PV の性能を約 10% 向上できることが示されています。

薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ

アモルファス シリコンは、主に液晶ディスプレイ(LCD) などの大面積エレクトロニクスアプリケーションで最も広く使用されている薄膜トランジスタ(TFT)のアクティブ層に最適な材料となっています。

薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ（TFT-LCD）は、半導体製品と同様の回路レイアウトプロセスを採用しています。ただし、トランジスタを結晶シリコンウェハーから製造するのではなく、ガラスパネル上に堆積されたアモルファスシリコンの薄膜から製造されます。TFT-LCDのシリコン層は、通常、PECVDプロセスを用いて堆積されます。[24]トランジスタは各ピクセルの面積のごく一部を占め、残りのシリコン膜は光が容易に透過できるようにエッチングで除去されます。

多結晶シリコンは、より高いTFT性能が求められるディスプレイに使用されることがあります。例えば、プロジェクターやビューファインダーなどに用いられる小型高解像度ディスプレイなどが挙げられます。アモルファスシリコンベースのTFTは製造コストが低いため、圧倒的に普及していますが、多結晶シリコンTFTはコストが高く、製造もはるかに困難です。[25]

参照

参考文献

  1. ^ Collins, RW; Ferlauto, AS; Ferreira, GM; Chen, Chi; Koh, Joohyun; Koval, RJ; Lee, Yeeheng; Pearce, JM; Wronski, CR (2003). 「リアルタイム分光エリプソメトリーによるアモルファス、プロトクリスタリン、マイクロクリスタリンシリコンの微細構造と相の進化に関する研究」.太陽エネルギー材料と太陽電池. 78 ( 1–4 ): 143– 180. Bibcode :2003SEMSC..78..143C. doi :10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  2. ^ Wronski, CR; Pearce, JM; Deng, J.; Vlahos, V.; Collins, RW (2004). 「a-Si:H材料および太陽電池における固有および光誘起ギャップ状態 ― 微細構造の影響」(PDF) . Thin Solid Films . 451– 452: 470– 475. Bibcode :2004TSF...451..470W. doi :10.1016/j.tsf.2003.10.129.
  3. ^ Catalano, A.; Newton, J.; Trafford, M. (1989). 「a-Si 1−x C x :Hベーストランジスタの性能と電気的・光学的特性との関係」. IEEE Transactions on Electron Devices . 36 (12): 2839. Bibcode :1989ITED...36.2839C. doi :10.1109/16.40969.
  4. ^ Jacks, HC; Molina-Ruiz, M.; Weber, MH; Maldonis, JJ; Voyles, PM; Abernathy, MR; Metcalf, TH; Liu, X.; Hellman, F. (2022年4月25日). 「アモルファスシリコンにおける構造調整可能性と2準位系の起源」. Physical Review Materials . 6 (4) 045604. arXiv : 2111.10914 . Bibcode :2022PhRvM...6d5604J. doi :10.1103/PhysRevMaterials.6.045604. ISSN  2475-9953.
  5. ^ Custer, JS; Thompson, Michael O.; Jacobson, DC; Poate, JM; Roorda, S.; Sinke, WC; Spaepen, F. (1994年1月24日). 「アモルファスSiの密度」 . Applied Physics Letters . 64 (4): 437– 439. Bibcode :1994ApPhL..64..437C. doi :10.1063/1.111121. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Street, RA (2005). 水素化アモルファスシリコン. ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-01934-7。
  7. ^ ポール・ウィリアム；アンダーソン・デイビッド・A.（1981年9月1日）「アモルファス水素化シリコンの特性、特にスパッタリング法による作製に重点を置いたもの」太陽エネルギー材料誌5 (3): 229– 316. doi :10.1016/0165-1633(81)90001-0.
  8. ^ Carlson, David; Wronski, CR (1976). 「アモルファスシリコン太陽電池」.応用物理学論文集. 26 (11): 671– 673. Bibcode :1976ApPhL..28..671C. doi :10.1063/1.88617.
  9. ^ ファイル:PVeff(rev170324).png
  10. ^ アグアス、ヒューゴ;マテウス、ティアゴ。ビセンテ、アントニオ。ガスパール、ダイアナ。メンデス、マヌエル J.シュミット、ヴォルフガング A.ペレイラ、ルイス。フォルトゥナート、エルビラ。マルティンス、ロドリゴ（2015年6月）。「柔軟な屋内用途向けの紙上の薄膜シリコン太陽電池」。先端機能材料。25 (23): 3592–3598。ビブコード:2015AdvFM..25.3592A。土井：10.1002/adfm.201500636。S2CID  94159781。
  11. ^ ビセンテ、アントニオ;アグアス、ヒューゴ。マテウス、ティアゴ。アラウーホ、アンドレイア。リュブチク、アンドリー。シトネン、シモ。フォルトゥナート、エルビラ。マルティンス、ロドリゴ（2015年6月17日）。「自立可能なインテリジェントパッケージングのための太陽電池」。材料化学ジャーナル A。3 (25): 13226–13236。土井:10.1039/C5TA01752A。ISSN  2050-7496。
  12. ^ シャー、A.マイヤー、J.ブッケル、A.クロール、米国;スタインハウザー、J.メイロー、F.シェイド、H.ドミネ、D. (2005 年 9 月 2 日)。 「ガラス上の薄膜シリコン太陽光発電（PV）太陽電池モジュールの非常に低コストの大量生産に向けて」。薄い固体フィルム。502 ( 1-2 )。 Elsevier BV: 292–299。doi : 10.1016 / j.tsf.2005.07.299。
  13. ^ Kreiger, MA; Shonnard, DR; Pearce, JM (2013). 「アモルファスシリコン系太陽光発電製造におけるシランリサイクルのライフサイクル分析」. Resources, Conservation and Recycling . 70 : 44– 49. Bibcode :2013RCR....70...44K. doi :10.1016/j.resconrec.2012.10.002. S2CID  3961031.
  14. ^ Liang, Jianjun; Schiff, EA; Guha, S.; Yan, Baojie; Yang, J. (2006). 「アモルファスシリコン太陽電池の正孔移動度限界」. Applied Physics Letters . 88 (6): 063512. Bibcode :2006ApPhL..88f3512L. doi : 10.1063/1.2170405 . S2CID  18053686.
  15. ^ Smith, Z E.; Wagner, S. (1987). 「水素化アモルファスシリコンにおけるバンドテール、エントロピー、および平衡欠陥」. Physical Review Letters . 59 (6): 688– 691. Bibcode :1987PhRvL..59..688S. doi :10.1103/PhysRevLett.59.688. PMID  10035845.
  16. ^ Stathis, JH (1989). 「アモルファスシリコン中の欠陥の超超微細構造とgテンソルの解析」. Physical Review B. 40 ( 2): 1232– 1237. Bibcode :1989PhRvB..40.1232S. doi :10.1103/PhysRevB.40.1232. PMID  9991947.
  17. ^ Johlin, Eric; Wagner, Lucas K.; Buonassisi, Tonio; Grossman, Jeffrey C. (2013). 「水素化アモルファスシリコンにおける構造的正孔トラップの起源」. Physical Review Letters . 110 (14) 146805. Bibcode :2013PhRvL.110n6805J. doi :10.1103/PhysRevLett.110.146805. hdl : 1721.1/80776 . PMID  25167024.
  18. ^ Johlin, Eric; Simmons, CB; Buonassisi, Tonio; Grossman, Jeffrey C. (2014). 「水素化アモルファスシリコンにおける正孔移動度を制限する原子構造」(PDF) . Physical Review B. 90 ( 10) 104103. Bibcode :2014PhRvB..90j4103J. doi :10.1103/PhysRevB.90.104103. hdl : 1721.1/89217 .
  19. ^ Wesoff, Eric (2014年1月31日)「エリコンのアモルファスシリコン太陽電池物語の終焉」Greentech Media。
  20. ^ 「ECDソーラーの終焉が到来」GreentechMedia、2012年2月14日。
  21. ^ 「エリコンが太陽光発電事業を売却、アモルファスシリコンPVの運命は？」GrrentechMedia . 2012年3月2日.
  22. ^ 「Xunlight、初の25メガワット・ワイドウェブ・ロールツーロール太陽光発電製造装置の設置を完了」Xunlight、2009年6月22日。2014年11月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  23. ^ 「Anwell、初の薄膜太陽電池パネルを製造」Solarbuzz、2009年9月7日。
  24. ^ 「TFT LCD – TFT LCDの製造」Plasma.com。2013年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年7月21日閲覧。
  25. ^ 「TFT LCD – LCDテレビとLCDモニターの電子的側面」Plasma.com。2013年8月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年7月21日閲覧。
  • カナダ、オンタリオ州ウォータールー大学のアモルファスシリコンデバイスグループ
  • オハイオ大学（オハイオ州アセンズ）の理論とシミュレーション
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