東京工業(yè)大學(xué)(東京工業(yè)大學(xué))和早稻田大學(xué)的研究團隊成功生產(chǎn)出高質(zhì)量的薄膜單晶硅，其晶體缺陷密度降低到硅晶片水平，增長速度比以前提高了10倍以上。原則上，該方法可以將原料收率提高到接近100%。因此，可以預(yù)期該技術(shù)將使得可以在保持用于大多數(shù)高效太陽能電池的單晶硅太陽能電池的發(fā)電效率的同時大幅降低制造成本成為可能。

背景

太陽能發(fā)電是一種利用稱為“太陽能電池”的裝置將太陽能光直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方法。有效地轉(zhuǎn)化太陽能，是不斷撞擊地球來發(fā)電是一種有效的解決方案來對CO相關(guān)的全球變暖的問題2的排放量。通過使作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)核心的單晶硅太陽能電池更薄，可以大大降低原材料成本，占目前模塊的約40%，并且通過使它們更靈活和更輕，使用可以預(yù)計會擴大，預(yù)計安裝成本會降低。

另外，作為降低制造成本的方法，通過剝離使用多孔硅(雙孔硅層：DPSL)的薄膜單晶硅太陽能電池由于具有競爭優(yōu)勢而受到關(guān)注。

與使用剝離的單晶硅太陽能電池相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：(1)在Si晶片級形成高質(zhì)量的薄膜Si，(2)實現(xiàn)易于剝離的多孔結(jié)構(gòu)(剝離) )，(3)提高生長速度和Si原料收率(必要的設(shè)備成本由生長速率決定)，以及(4)能夠在剝離后使用基材而沒有任何浪費。

為了克服挑戰(zhàn)(1)，有必要澄清決定在多孔硅上生長的薄膜晶體質(zhì)量的主要因素，并開發(fā)一種控制這些因素的技術(shù)。

研究成果概述

由東京工業(yè)大學(xué)的Manabu Ihara教授和助理教授Kei Hasegawa以及早稻田大學(xué)的Suguru Noda教授組成的聯(lián)合研究小組開發(fā)出一種厚度約10μm的高質(zhì)量薄膜單晶硅，并降低了晶體缺陷密度硅晶片水平的增長速度比以前高10倍以上。首先，使用電化學(xué)技術(shù)在單晶晶片的表面上產(chǎn)生雙層納米級多孔硅。接下來，通過獨特的區(qū)域加熱重結(jié)晶方法(ZHR法)將表面平滑至0.2至0.3nm的粗糙度，并且該基板用于高速生長以獲得具有高晶體質(zhì)量的月晶薄膜。使用雙層多孔Si層可以容易地剝離生長的膜，并且基板可以重復(fù)使用或用作薄膜生長的蒸發(fā)源，這大大減少了材料損失。當(dāng)通過改變ZHR方法條件降低下層基板的表面粗糙度時，生長的薄膜晶體的缺陷密度降低，并且團隊最終成功地將其降低到約1/10的Si晶片水平。這定量地表明，表面粗糙度僅在0.1-0.2nm(原子水平至幾十層)的范圍內(nèi)對晶體缺陷的形成具有重要影響，這也是晶體生長機制所關(guān)注的。生長的薄膜晶體的缺陷密度降低，團隊最終成功地將其降低到約1/10的Si晶片水平。這定量地表明，表面粗糙度僅在0.1-0.2nm(原子水平至幾十層)的范圍內(nèi)對晶體缺陷的形成具有重要影響，這也是晶體生長機制所關(guān)注的。生長的薄膜晶體的缺陷密度降低，團隊最終成功地將其降低到約1/10的Si晶片水平。這定量地表明，表面粗糙度僅在0.1-0.2nm(原子水平至幾十層)的范圍內(nèi)對晶體缺陷的形成具有重要影響，這也是晶體生長機制所關(guān)注的。

成膜速率和Si源向薄膜Si的轉(zhuǎn)化率是薄膜單晶Si生產(chǎn)中的瓶頸。采用主要用于外延的化學(xué)氣相沉積(CVD)，最大成膜速率為幾μm/ h，產(chǎn)率約為10%。在早稻田大學(xué)的Noda實驗室，通過在1414ºC的熔點附近蒸發(fā)原料Si，而不是通過在>2000ºC的更高溫度下蒸發(fā)原料Si的常規(guī)物理氣相沉積(PVD)，快速蒸發(fā)方法(RVD)開發(fā)具有高Si蒸氣壓，能夠以10μm/ min的速率沉積Si。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這次開發(fā)的ZHR技術(shù)可以解決技術(shù)問題，大大降低了剝離工藝的制造成本。

未來發(fā)展

根據(jù)這項研究的結(jié)果，該團隊不僅發(fā)現(xiàn)了在用于剝離工藝的多孔硅快速生長期間提高晶體質(zhì)量的主要因素，他們成功地控制了這些。將來，為了將該技術(shù)投入實際使用，將進行與太陽能電池的性能直接相關(guān)的薄膜的載流子壽命的測量以及太陽能電池的制造。還將考慮使用這種Si薄膜作為串聯(lián)型太陽能電池中的低成本底部電池，效率超過30%。