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シリコンの非結晶形態です。

a-Si太陽電池または薄膜シリコン太陽電池の半導体材料として使用される場合、ガラス、金属およびプラスチックなどの様々な可撓性基板上に薄膜で堆積される。 アモルファスシリコンセルは一般に低効率であるが、カドミウムや鉛のような有害な重金属を使用しないため、最も環境に優しい太陽電池技術の1つである。

第2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急速に成長している世界の太陽光発電市場の主要な貢献者になると予想されていましたが、従来の結晶シリコンセルや他の薄いシリコン太陽電池との強い競争により、 CdTeやCIGSなどのフィルム技術

アモルファスシリコンは単結晶シリコンのような他の同異方性のばらつきとは異なります。単結晶シリコンと多結晶シリコンは小さな粒子で構成され、微結晶としても知られています。

説明
珪素は、4つの隣接する珪素原子に通常四面体で結合された4配位原子である。 結晶シリコン(c-Si)では、この四面体構造が広範囲に亘って連続しており、従って良好に規則化された結晶格子を形成する。

アモルファスシリコンでは、この長距離秩序は存在しない。 むしろ、原子は連続したランダムなネットワークを形成する。 さらに、アモルファスシリコン内のすべての原子が4配位であるわけではない。 材料の不規則な性質のために、いくつかの原子はダングリングボンドを有する。 物理的には、これらのダングリングボンドは連続ランダムネットワークの欠陥を表し、異常な電気的挙動を引き起こす可能性があります。

材料は、ダングリングボンドに結合する水素によって不動態化され、ダングリングボンド密度を数桁低下させることができる。 水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)は、太陽光発電セルなどのデバイス内、特に原結晶成長領域で使用される欠陥の量が十分に少ない。 しかしながら、水素化は、Staebler-Wronski効果と呼ばれる物質の光誘起分解に関連する。

アモルファスシリコンと炭素
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、a-Si1-xCx:H)は、興味深い変形である。 炭素原子の導入は、材料の特性の制御のために余分な自由度を加える。このフィルムは、可視光に対して透明にすることもできる。

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」およびバンドギャップとも呼ばれる)が広がる。 これは、アモルファス炭化ケイ素層で作られた太陽電池の光効率を潜在的に高めることができる。 一方、半導体としての電子的性質(主に電子移動度)は、原子ネットワークにおける不規則性の増大のために、合金中の炭素含有量の増加によって悪影響を受ける。

主として電子パラメータに対する堆積パラメータの影響を調べる科学文献ではいくつかの研究が見出されているが、商用デバイスにおける非晶質炭化ケイ素の実用化には未だ不十分である。

プロパティ
非晶質シリコンの密度は、300Kで4.90×1022原子/ cm3(2.285g / cm3)と計算されている。これは、アモルファスシリコンの薄い(5ミクロン)ストリップを使用して行われた。 この密度は、300Kでの結晶Siよりも1.8±0.1%低密度である。シリコンは、冷却時に膨張し、液体としてよりも密度が低い少数の元素の1つである。

水素化非晶質シリコン
水素化されていないa-Siは非常に高い欠陥密度を有し、これは光伝導性が悪いなどの望ましくない半導体特性をもたらし、半導体特性を設計するのに重要なドーピングを防止する。 アモルファスシリコンの製造中に水素を導入することにより、光伝導性が大幅に改善され、ドーピングが可能になる。 水素化非晶質シリコンa-Si:Hは、1969年にChittick、Alexander、Sterlingによって、シランガス(SiH4)前駆体を用いた堆積によって最初に製造された。 得られた材料は、欠陥密度が低く、不純物による導電性が高かった。 a-Si:Hへの関心は1975年にLeComberとSpearがホスフィン(n型)またはジボラン(p型)を用いてa-Si:Hを置換ドーピングする能力を発見したときに発生した。 欠陥を低減する際の水素の役割は、Si-H結合の場合、約2000cm -1の周波数を有する、IR振動によって約10原子%の水素濃度を見出したHarvardのPaulのグループによって検証された。 1970年代からa-Si:HがRCAによって太陽電池で開発され、2015年に効率が約13.6%まで着実に上昇しました。

CVD PECVD 触媒CVD スパッタリング
映画のタイプ a-Si:H a-Si:H a-Si:H a-Si
ユニークなアプリケーション 大面積エレクトロニクス 水素を含まない堆積
チャンバー温度 600℃ 30〜300℃ 30〜100℃
能動素子温度 2000C
チャンバー圧力 0.1〜10Torr 0.1〜10Torr 0.001-0.1Torr
物理的な原理 熱分解 プラズマ誘起解離 熱分解 Siソースのイオン化
ファシリテーター W / Ta加熱線 アルゴンカチオン
典型的な駆動電圧 RF 13.56MHz; 0.01~1W / cm 2
Siソース SiH 4ガス SiH 4ガス SiH 4ガス 坩堝
基板温度 制御可能な 制御可能な 制御可能な 制御可能な

アプリケーション
a-Siはc-Siに比べて電子性能が劣りますが、アプリケーションでははるかに柔軟性があります。 例えば、a-Si層はc-Siよりも薄くすることができ、シリコン材料のコストを節約することができる。

さらなる利点の1つは、a-Siが非常に低い温度、例えば摂氏75度の低い温度で堆積できることである。 これにより、ガラスだけでなくプラスチック上への堆積も可能になり、ロールツーロール処理技術の候補となる。 一旦堆積されると、a-Siはc-Siと同様の様式でドープされ、p型またはn型層を形成し、最終的に電子デバイスを形成することができる。

Related Post

別の利点は、a-SiがPECVDによって広い領域にわたって堆積できることである。 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ので、大部分の装置供給者は、より高いスループットのためにPECVDの設計に重点を置いて、特にシランをリサイクルするときに製造コストを低下させる。

ガラス上の小さな(1mm×1mm)a-Siフォトダイオードのアレイは、蛍光透視法およびラジオグラフィー用のいくつかのフラットパネル検出器の可視光イメージセンサとして使用される。

太陽光発電
アモルファスシリコン(a-Si)は、従来の結晶シリコン(c-Si)太陽電池と比較して性能が低いため、ポケット電卓のような電力をほとんど必要としないデバイス用の光起電性太陽電池材料として用いられてきた基板上への堆積の単純化され低コストである。 最初の太陽電卓は、Royal Solar 1、Sharp EL-8026、Teal Photonなど、1970年代後半にすでに使用可能でした。

より最近では、a-Si構造技術の改良により、大面積太陽電池用途においてもそれらをより魅力的にしている。 ここでは、その固有の効率の低下は、少なくとも部分的にはその薄さによって構成されています。複数の薄膜セルを重ねて、特定の周波数の光でうまく動作するようにチューニングされています。 このアプローチは、その間接的なバンドギャップの結果として厚く、したがって大部分が不透明であり、光がスタック内の他の層に到達することを阻止するc-Siセルには適用できない。

アモルファスシリコン光起電力の低効率の原因は、主に材料の低正孔移動度に起因する。 この低い正孔移動度は、ダングリングボンド(3つのボンドを有するシリコン)、フローティングボンド(5つのボンドを有するシリコン)、およびボンド再構成の存在を含む、材料の多くの物理的側面に起因する。 これらの低移動度源を制御するために多くの作業が行われてきたが、相互作用する欠陥の多数は、あるタイプの欠陥を減少させると他のものを形成するため、移動性が本質的に制限されることを示唆する。

大規模生産におけるa-Siの主な利点は、効率ではなくコストです。 a-Siセルは、典型的なc-Siセルに必要なシリコンのほんの一部しか使用しておらず、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います。 しかし、多層構造による製造コストの増加は、これまでのところ、a-Siをその薄さまたは柔軟性が優位である役割を除いて魅力的でないものにしていた。

典型的には、アモルファスシリコン薄膜セルはピン構造を使用する。 上部にp型層を配置することはまた、より低い正孔移動度に起因し、正孔が上部コンタクトへの収集のためのより短い平均距離を横切ることを可能にする。 典型的なパネル構造には、フロントサイドガラス、TCO、薄膜シリコン、バックコンタクト、ポリビニルブチラール(PVB)および裏面ガラスが含まれる。 Energy Conversion Devicesの一部門であるUni-Solarは、ロールオン屋根製品に使用されるフレキシブルバッキングのバージョンを製造しました。 しかし、アモルファスシリコン太陽電池の世界最大のメーカーは、従来のソーラーパネルの急激な価格低下と競合することができなかったため、2012年に破産申請しなければならなかった。

微結晶シリコンと微結晶シリコン
微結晶シリコン(ナノ結晶シリコンとも呼ばれる)は、非晶質シリコンであるが、小さな結晶も含む。 これは、より広いスペクトルの光を吸収し、柔軟性がある。 Micromorphous siliconモジュール技術は、上下の光電池に、2つの異なるタイプのシリコン、アモルファスシリコンと微結晶シリコンを組み合わせています。 シャープは、青色光をより効率的に捕捉するためにこのシステムを用いて細胞を生産し、直射日光が当たらない時間に細胞の効率を高める。 Protocrystallineシリコンはa-Si太陽電池の開回路電圧を最適化するためによく使用されます。

大規模生産
4,000万ドル超の設備投資を受けたXunlight Corporationは、薄膜シリコン太陽電池モジュールの製造用に、最初の25MWの幅広いロールツーロール太陽光発電装置の設置を完了しました。 Anwell Technologies社はまた、社内で設計されたマルチ基板マルチチャンバPECVD装置を使用して、最初の40MWのa-Si薄膜太陽電池パネル製造設備を河南省に設置しました。

太陽光熱ハイブリッドソーラーコレクター
光起電性熱ハイブリッドソーラーコレクター(PVT)は、太陽エネルギー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。 これらのシステムは、電磁放射線(光子)を電気に変換する太陽電池と、残りのエネルギーを取り込み、太陽電池モジュールからの廃熱を除去する太陽熱収集器とを組み合わせている。 太陽電池は、抵抗が増大するために温度が上昇すると効率が低下する。 ほとんどのこのようなシステムは、太陽電池から熱を運び、それによって細胞を冷却し、抵抗を下げることによって効率を改善するように設計することができる。 これは効果的な方法ですが、太陽熱集熱器に比べて熱成分の性能が低下します。 最近の研究によれば、低温係数を有するa-Si:H PVは、PVTを高温で動作させることができ、より共生したPVTシステムを生成し、a-Si:H PVの性能を約10%向上させる。

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、液晶ディスプレイ(LCD)を中心とする大面積エレクトロニクス用途で最も広く使用されている薄膜トランジスタ(TFT)の活性層のための選択材料になっている。

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示す。 しかし、結晶シリコンウエハに形成されたシリコンからトランジスタを製造するのではなく、ガラスパネル上に堆積されるアモルファスシリコンの薄膜からトランジスタを作製する。 TFT-LCD用のシリコン層は、典型的には、PECVDプロセスを用いて堆積される。 トランジスタは各画素の領域のほんのわずかしか占有せず、残りのシリコン膜は光が容易に通過できるようにエッチング除去される。

多結晶シリコンは、より高いTFT性能を必要とするディスプレイに用いられることがある。 例としては、プロジェクタやビューファインダに見られるような小型の高解像度ディスプレイが挙げられる。 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、これまでに最も一般的であるが、多結晶シリコンTFTは、より高価であり、製造がより困難である。

Share