用于降低成本的太阳能电池的单晶硅薄膜 生长速度提高了10倍

东京工业大学(东京工业大学)和早稻田大学的研究团队成功生产出高质量的薄膜单晶硅，其晶体缺陷密度降低到硅晶片水平，增长速度比以前提高了10倍以上。原则上，该方法可以将原料收率提高到接近100%。因此，可以预期该技术将使得可以在保持用于大多数高效太阳能电池的单晶硅太阳能电池的发电效率的同时大幅降低制造成本成为可能。

背景

太阳能发电是一种利用称为“太阳能电池”的装置将太阳能光直接转换为电能的发电方法。有效地转化太阳能，是不断撞击地球来发电是一种有效的解决方案来对CO相关的全球变暖的问题2的排放量。通过使作为太阳能发电系统核心的单晶硅太阳能电池更薄，可以大大降低原材料成本，占目前模块的约40%，并且通过使它们更灵活和更轻，使用可以预计会扩大，预计安装成本会降低。

另外，作为降低制造成本的方法，通过剥离使用多孔硅(双孔硅层：DPSL)的薄膜单晶硅太阳能电池由于具有竞争优势而受到关注。

与使用剥离的单晶硅太阳能电池相关的技术挑战包括：(1)在Si晶片级形成高质量的薄膜Si，(2)实现易于剥离的多孔结构(剥离) )，(3)提高生长速度和Si原料收率(必要的设备成本由生长速率决定)，以及(4)能够在剥离后使用基材而没有任何浪费。

为了克服挑战(1)，有必要澄清决定在多孔硅上生长的薄膜晶体质量的主要因素，并开发一种控制这些因素的技术。

研究成果概述

由东京工业大学的Manabu Ihara教授和助理教授Kei Hasegawa以及早稻田大学的Suguru Noda教授组成的联合研究小组开发出一种厚度约10μm的高质量薄膜单晶硅，并降低了晶体缺陷密度硅晶片水平的增长速度比以前高10倍以上。首先，使用电化学技术在单晶晶片的表面上产生双层纳米级多孔硅。接下来，通过独特的区域加热重结晶方法(ZHR法)将表面平滑至0.2至0.3nm的粗糙度，并且该基板用于高速生长以获得具有高晶体质量的月晶薄膜。使用双层多孔Si层可以容易地剥离生长的膜，并且基板可以重复使用或用作薄膜生长的蒸发源，这大大减少了材料损失。当通过改变ZHR方法条件降低下层基板的表面粗糙度时，生长的薄膜晶体的缺陷密度降低，并且团队最终成功地将其降低到约1/10的Si晶片水平。这定量地表明，表面粗糙度仅在0.1-0.2nm(原子水平至几十层)的范围内对晶体缺陷的形成具有重要影响，这也是晶体生长机制所关注的。生长的薄膜晶体的缺陷密度降低，团队最终成功地将其降低到约1/10的Si晶片水平。这定量地表明，表面粗糙度仅在0.1-0.2nm(原子水平至几十层)的范围内对晶体缺陷的形成具有重要影响，这也是晶体生长机制所关注的。生长的薄膜晶体的缺陷密度降低，团队最终成功地将其降低到约1/10的Si晶片水平。这定量地表明，表面粗糙度仅在0.1-0.2nm(原子水平至几十层)的范围内对晶体缺陷的形成具有重要影响，这也是晶体生长机制所关注的。

成膜速率和Si源向薄膜Si的转化率是薄膜单晶Si生产中的瓶颈。采用主要用于外延的化学气相沉积(CVD)，最大成膜速率为几μm/ h，产率约为10%。在早稻田大学的Noda实验室，通过在1414ºC的熔点附近蒸发原料Si，而不是通过在>2000ºC的更高温度下蒸发原料Si的常规物理气相沉积(PVD)，快速蒸发方法(RVD)开发具有高Si蒸气压，能够以10μm/ min的速率沉积Si。

结果发现，这次开发的ZHR技术可以解决技术问题，大大降低了剥离工艺的制造成本。

未来发展

根据这项研究的结果，该团队不仅发现了在用于剥离工艺的多孔硅快速生长期间提高晶体质量的主要因素，他们成功地控制了这些。将来，为了将该技术投入实际使用，将进行与太阳能电池的性能直接相关的薄膜的载流子寿命的测量以及太阳能电池的制造。还将考虑使用这种Si薄膜作为串联型太阳能电池中的低成本底部电池，效率超过30%。