東洋アルミから大阪大学大学院工学研究科に出向している、ダムリン・マルワン特任教授と名古屋大学大学院工学研究科の福田 啓介 博士前期課程学生（研究当時）、宮本 聡 特任講師、宇佐美 徳隆 教授、東北大学金属材料研究所の藤原 航三 教授、奈良先端科学技術大学院大学の浦岡 行治 教授らの共同研究グループは、同社の独自技術により作製される特殊なペーストを、シリコン単結晶基板に印刷して熱処理を行うことで、高品質なシリコンゲルマニウム半導体を非真空で実現することに成功した。

 

　この研究により、安価なシリコン基板上に作製されたシリコンゲルマニウム膜を、化合物半導体の基板として利用することで、超高効率太陽電池の製造コストを1/10以下にすることが期待される。

 

 

研究の背景

　宇宙用の超高効率多接合太陽電池では、ゲルマニウム基板の上に複数の化合物半導体薄膜太陽電池を重ねることで高いエネルギー変換効率を実現している。しかし、ゲルマニウム基板が製造コストの50%以上を占めており、地上での利用に向けては安価な材料で代替することが課題となっていた。

 

　そこで，共同研究グループは、ゲルマニウム基板を代替することを目指し、安価なシリコン基板上にシリコンとゲルマニウムが混ざった材料であるシリコンゲルマニウム膜を低コスト技術により作製する技術開発に取り組んだ。

 

 

本研究におけるシリコンゲルマニウム半導体膜の製造プロセス

 

 

試料の電子顕微鏡写真（左）ペーストを印刷した後の様子（右）熱処理後に残留ペーストを除去した後の様子

 

 

成果の意義

　シリコン基板は、地球で導入されている90%以上の太陽電池で基板材料として用いられており、安全で安価、加えて地球上に豊富に存在するため環境負荷の小さい材料だ。同研究で開発した製造技術は、高価な真空装置が不要であるため製造設備のコストを低くすることができる。このように安全で安価な材料を主として用い、低コスト製造技術で、高価なゲルマニウム基板と同等の機能を持つと考えられるシリコンゲルマニウム半導体の膜をシリコン基板に作製できることを実証した。

 

　今後は、大面積化や化合物半導体薄膜成長などへの展開が必要だが、同研究の成果は、超高効率多接合太陽電池の飛躍的な低コスト化に貢献できる可能性を示したことに大きな意義がある。

 

　＊同研究成果は、2022年9月12日午後6時（日本時間）付イギリスのNature Research社が発行する自然科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

　＊同研究は、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究（A）、東北大学金属材料研究所における共同研究のもとで行われたもの。

　＊研究の詳細は下記URLを参照。

　　https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/

 

（IRuniverse.jp）

 

 

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