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新しいプロセス技術を駆使して
シリコン系次世代太陽電池を開発しよう

大平研究室 OHDAIRA Laboratory
准教授:大平 圭介(Ohdaira Keisuke)

E-mail:ohdairajaist.ac.jp
[研究分野]
太陽電池、半導体工学、薄膜形成
[キーワード]
結晶化、パッシベーション、モジュール耐久性

研究を始めるのに必要な知識・能力

 学部もしくは高専で習う固体物理、半導体の基礎知識がある方が望ましい。
 地球環境問題、エネルギー問題への関心は研究を進める原動力となる。

この研究で身につく能力

 各学生の研究テーマを遂行することで、真空装置の取扱いの他、薄膜形成およびその物性評価技術、デバイス作製・評価技術が身につきます。また、データの解析や日々のディスカッション、ゼミ活動などを通じて、特に半導体や太陽電池に関する基礎学力を習得できます。さらに、学生の自主性を重んじる研究室の方針から、いわゆる「指示待ち人間」にならない、問題解決能力の高い人間に成長できます。国内・国際学会での発表や、展示会でのブース展示などを通して、プレゼンテーション能力や、英語も含めたコミュニケーション能力も鍛えられます。

【就職先企業・職種】 大学研究教育職、企業研究職(電機、精密機器メーカー)など

研究内容


FLA装置の発光の様子(左)とCat-CVD装置の触媒体(右)

 地球上に豊富に存在するシリコンを用いた太陽電池は、現在でも市場の大部分を占めており、また今後も、太陽光発電技術の主役であり続けることが期待されています。しかし一方で、さらなる低コスト化、高効率化が求められており、そのためにはより一層の技術的なブレークスルーが必要です。当研究室では、以下の新技術に着目し、シリコン系高効率太陽電池実現のための基盤技術の確立を目指します。

1.瞬間熱処理よる太陽電池用多結晶シリコン薄膜形成

 キセノンランプにおけるミリ秒台の瞬間放電を利用したフラッシュランプアニール(FLA)は、数十J/㎠という、瞬間的には地上における太陽光の数万倍の強度のパルス光を照射できます。当研究室では、この手法を、安価なガラス基板上への多結晶シリコン薄膜の形成に応用する検討を行っています。非晶質シリコン膜をガラス基板上に形成し、一度のFLA光照射を行うだけで、膜厚4µm以上の多結晶シリコン膜が形成できます。水素を含有した非晶質シリコン膜を前駆体に用いると、結晶化後も膜内に多量の水素原子が残留し、シリコンの未結合手が終端されるため、低欠陥の多結晶シリコン膜が形成でき、高効率薄膜太陽電池用材料としての利用が期待されます。このFLAによる非晶質シリコン膜の結晶化の現象解明および制御と、形成される多結晶シリコン薄膜の太陽電池応用について研究を行っています。

2.触媒化学気相堆積(Cat-CVD)の太陽電池応用

 加熱触媒体線での接触分解反応により原料ガスを分解して薄膜を形成するCat-CVD法は、膜堆積時の基板材料への損傷を低減でき、結晶シリコン表面でのキャリアの再結合を大幅に抑制可能な高品質パッシベーション膜を形成できることから、高効率バルク結晶シリコン太陽電池への応用が期待されます。Cat-CVD法の研究開発の中心である松村特任教授のグループと共同で、本テーマに取り組んでいます。

3.結晶シリコン太陽電池モジュールの耐久性

 多数のモジュールが直列に接続される大規模太陽光発電所などで、モジュールのフレームとセルの間にかかる高電圧が原因で発電特性が低下する、いわゆる電圧誘起劣化(PID)の問題が顕在化しています。当研究室では、セル作製からモジュール化、耐久性評価までを一貫して行うことで、PIDの機構を解明し、抑止技術を開発する研究を行っています。特に、p 型結晶シリコン太陽電池よりも変換効率が高いことで知られるn 型結晶シリコン太陽電池は、今後の普及拡大が予想されているものの、PID に関する十分な知見がまだ得られていません。そこで、各種n 型結晶シリコン太陽電池のPID 現象の解明に取り組んでいます。

主な研究業績

  1. Trinh Cham Thi, K. Koyama, K. Ohdaira, and H. Matsumura: Drastic reduction in the surface recombination velocity of crystalline
    silicon passivated with Cat-CVD SiNx films by introducing phosphorous Cat-doped layer, J. Appl. Phys. 116, 044510 (2014)
  2. J. Seto, K. Ohdaira, and H. Matsumura:Catalytic doping of phosphorus and boron atoms on hydrogenated amorphous silicon films, Jpn. J. Appl. Phys .55, 04ES05 (2016)
  3. S. Yamaguchi, C. Yamamoto, K. Ohdaira, and A. Masuda:Reduction in the short-circuit current density of silicon heterojunction photovoltaic modules subjected to potential-induced degradation tests, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 161, 439 (2017)

使用装置

フラッシュランプアニール装置
触媒化学気相堆積(Cat-CVD)装置
太陽電池特性評価装置
太陽電池モジュール作製および信頼性評価装置
各種薄膜物性評価装置

研究室の指導方針

研究活動は自主性を重んじる方針で、学生自身の発想が研究に活かせます。毎朝一度、研究室メンバー全員が集まるミーティングを行い、その日の各自の活動を報告します。ミーティングでは、簡単な研究の相談もでき、メンバー間のコミュニケーションも十分行えるシステムです。当番の学生が文献紹介を行う勉強会では、細部にわたる質問への回答が求められ、しっかりとした基礎学力が身につきます。学会などでの外部発表は、積極的に行います。また、博士前期課程期間中に、英語の論文を執筆し投稿できるよう指導します。

[研究室HP] URL: http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/ohdaira/home

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