Een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en de Waseda University hebben met succes hoogwaardige dunne film monokristallijn silicium geproduceerd met een verminderde kristaldefectdichtheid tot op het siliciumwafelniveau met een groeisnelheid die meer dan 10 keer hoger is dan voorheen . In principe, deze methode kan de grondstofopbrengst tot bijna 100 procent verbeteren. Daarom, kan worden verwacht dat deze technologie het mogelijk zal maken om de productiekosten drastisch te verlagen, terwijl de efficiëntie van de energieopwekking van monokristallijne siliciumzonnecellen behouden blijft, die worden gebruikt in de meeste hoogefficiënte zonnecellen.

Het efficiënt omzetten van zonne-energie om elektriciteit op te wekken is een effectieve oplossing voor het probleem van de opwarming van de aarde in verband met CO ₂ uitstoot. Door de monokristallijne Si-zonnecellen die de kern vormen van systemen voor het opwekken van zonne-energie dunner te maken, het is mogelijk om de grondstofkosten sterk te verlagen, die goed zijn voor ongeveer 40 procent van de kosten van de huidige modules. Door ze flexibel en lichter te maken, zou het gebruik toenemen en de kosten dalen.

In aanvulling, als een methode om de productiekosten te verlagen, dunne-film monokristallijne Si-zonnecellen die via lift-off een dubbel poreuze siliciumlaag (DPSL) gebruiken, trekken de aandacht. Een van de technische uitdagingen met betrekking tot monokristallijne Si-zonnecellen met behulp van lift-off zijn (1) de vorming van een hoogwaardige dunne film Si op het Si-wafelniveau, (2) het bereiken van een poreuze structuur die gemakkelijk kan worden verwijderd (afgepeld), (3) verbetering van de groeisnelheid en de opbrengst aan Si-grondstoffen (noodzakelijke apparatuurkosten worden bepaald door de groeisnelheid), en (4) het substraat na het opstijgen zonder afval kunnen gebruiken.

Om uitdaging (1) te overwinnen, het was nodig om de belangrijkste factoren te verduidelijken die de kwaliteit bepalen van dunnefilmkristallen die op poreus silicium zijn gegroeid, en een techniek te ontwikkelen om deze te beheersen.

Een gezamenlijk onderzoeksteam bestaande uit professor Manabu Ihara en assistent-professor Kei Hasegawa van de Tokyo Tech, en professor Suguru Noda van Waseda University heeft een hoogwaardig monokristallijn silicium met dunne film ontwikkeld met een dikte van ongeveer 10 m en een verminderde kristaldefectdichtheid tot op het siliciumwafelniveau met een groeisnelheid die meer dan 10 keer hoger is dan voorheen. Eerst, dubbellaags nano-orde poreus silicium wordt gegenereerd op het oppervlak van een monokristallijne wafer met behulp van een elektrochemische techniek. Volgende, het oppervlak werd gladgestreken tot een ruwheid van 0,2 tot 0,3 nm via een unieke zoneverwarmingsherkristallisatiemethode (ZHR-methode), en dit substraat werd gebruikt voor snelle groei om een ​​monokristallijne dunne film met hoge kristalkwaliteit te verkrijgen. De gegroeide film kan eenvoudig worden afgepeld met behulp van de dubbellaagse poreuze Si-laag, en het substraat kan worden hergebruikt of gebruikt als verdampingsbron voor dunnefilmgroei, waardoor het materiaalverlies aanzienlijk wordt verminderd. Wanneer de oppervlakteruwheid van het onderliggende substraat wordt verminderd door de voorwaarden van de ZHR-methode te wijzigen, de defectdichtheid van het dunnefilmkristal dat werd gekweekt nam af, en het team slaagde er uiteindelijk in om het te reduceren tot het Si-wafelniveau van ongeveer 1/10e. Dit toont kwantitatief aan dat een oppervlakteruwheid in het bereik van slechts 0,1-0,2 nm (niveau van atomen tot enkele tientallen lagen) een belangrijke invloed heeft op de vorming van kristaldefecten, wat ook van belang is als kristalgroeimechanisme.

De filmvormingssnelheid en de conversiesnelheid van de Si-bron in het dunne-film Si zijn knelpunten bij de productie van dunne-film monokristallijn Si. Met chemische dampafzetting (CVD), die voornamelijk wordt gebruikt voor epitaxie, de maximale filmvormingssnelheid is enkele m/h en de opbrengst is ongeveer 10 procent. In het Noda-laboratorium van de Waseda-universiteit, in plaats van de reguliere fysieke dampafzetting (PVD) waarbij ruw Si wordt verdampt rond het smeltpunt van 1414 ?C, door het ruwe Si te verdampen bij een veel hogere temperatuur van> 2000 graden C, een snelle verdampingsmethode (RVD) werd ontwikkeld met een hoge Si-dampdruk die Si met 10 m/min kan afzetten. De onderzoekers ontdekten dat de ZHR-technologie technische problemen oplost en de fabricagekosten van het lanceringsproces drastisch verlaagt.

Op basis van de resultaten van dit onderzoek, het team ontdekte niet alleen de belangrijkste factoren voor het verbeteren van de kwaliteit van kristallen tijdens snelle groei op poreus silicium dat wordt gebruikt voor het lift-off-proces, ze slaagden erin ze te beheersen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society of Chemistry (RSC) CrystEngComm en zal worden vermeld op de binnenkant van de omslag van het nummer.