非晶質シリコン

非晶質シリコン：

• 屋上に設置された薄膜シリコン太陽電池パネル
• 結晶シリコン、非晶質シリコン、および非晶質水素化シリコンの模式構造
• アモルファス太陽電池（右上隅）と液晶ディスプレイを備えたソーラー計算機。

アモルファスシリコン（a-Si ）は、太陽電池や液晶ディスプレイ（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。

アモルファスシリコン太陽電池（薄膜シリコン太陽電池）の半導体材料として使用され、ガラス、金属、プラスチックなどの様々な柔軟な基板上に薄膜として成膜される。アモルファスシリコン太陽電池は一般的に効率が低い。

第2世代薄膜太陽電池技術であるアモルファスシリコンは、かつては急速に成長する世界の太陽光発電市場において主要な役割を果たすと期待されていましたが、従来の結晶シリコンセルやCdTe、CIGSなどの他の薄膜技術との激しい競争により、その重要性を失ってしまいました。アモルファスシリコンは、液晶ディスプレイ（LCD）の薄膜トランジスタ（TFT）素子やX線イメージャーの材料として好まれています。

非晶質シリコンは、単結晶シリコン（単一の結晶）や、結晶粒（結晶とも呼ばれる）からなる多結晶シリコンなどの他の同素体とは異なります。

シリコンは四配位原子であり、通常は隣接する4つのシリコン原子と四面体構造で結合している。結晶シリコン（c-Si）では、この四面体構造が広範囲にわたって連続しており、整然とした結晶格子を形成している。

アモルファスシリコンでは、このような長距離秩序は存在しません。むしろ、原子は連続的なランダムネットワークを形成しています。さらに、アモルファスシリコン内のすべての原子が四配位であるわけではありません。この材料の無秩序な性質のため、一部の原子にはダングリングボンドが存在します。物理的には、これらのダングリングボンドは連続的なランダムネットワークにおける欠陥を表し、異常な電気的挙動を引き起こす可能性があります。

この材料は水素によって不動態化することができ、水素はダングリングボンドに結合してダングリングボンド密度を数桁低減することができる。水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）は、特にプロト結晶成長領域において、太陽電池などのデバイス内で使用するのに十分低い欠陥量を持つ。[ ^{1 ]しかし}、水素化は、スタブラー・ロンスキー効果と呼ばれる材料の光誘起劣化と関連している。^{[ 2 ]}

シリコンと炭素のアモルファス合金（アモルファス炭化ケイ素、水素化も可能、a-Si _1−x C _x :H）は興味深いバリエーションである。炭素原子を導入することで、材料の特性を制御する自由度が増加する。また、この薄膜は可視光に対して透明にすることもできる。

合金中の炭素濃度が増加すると、伝導帯と価電子帯の間の電子ギャップ（「光学ギャップ」またはバンドギャップとも呼ばれる）が広がります。これにより、非晶質炭化ケイ素層で作られた太陽電池の光効率が向上します。一方、半導体としての電子特性（主に電子移動度）は、合金中の炭素含有量の増加によって悪影響を受けます。これはおそらく、原子ネットワークの乱れが増加するためと考えられます。^{[ 3 ]}

科学文献には、主に成膜パラメータが電子品質に及ぼす影響を調査した研究がいくつか見られるが、非晶質炭化ケイ素の商用デバイスへの実用化はまだ実現していない。

a-Si の密度は、例えば電子ビーム蒸着膜の場合、厚さ、成長温度、成長速度によって密度が 3.90×10 ²²～ 4.95×10 ²²原子/cm ³ (1.82 ～ 2.31 g/cm ³ )の範囲で変化する^{[ 4 ]}のに対し、イオン注入 a-Si では 300 K で 4.90×10 ²²原子/cm ³ (2.29 g/cm ³ )と決定された^{[ 5 ]}シリコンは、冷却時に膨張し、固体時の密度が液体時の密度よりも低い数少ない元素の 1 つである。

水素化されていない a-Si は欠陥密度が非常に高く、光伝導性が低いなど望ましくない半導体特性をもたらし、半導体特性の設計に不可欠なドーピングを妨げます。アモルファスシリコンの製造中に水素を導入することで、光伝導性が大幅に向上し、ドーピングが可能になります。水素化アモルファスシリコン (a-Si:H) は、1969 年に Robert Carnegie Chittick、Alexander、および Sterling によって、シランガス (SiH ₄ ) 前駆体を使用した堆積により初めて製造されました。得られた材料は、不純物により欠陥密度が低く、導電率が増加しました。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) を使用した a-Si:H の置換ドーピングの可能性を発見したときに高まりました。^{[ 6 ]}欠陥を減らす水素の役割は、ハーバード大学のポールらのグループによって検証され、 Si-H結合の約2000 cm ⁻¹ の周波数を持つIR振動によって約10原子％の水素濃度が発見された。^{[ 7 ]} 1970年代から、a-Si:HはRCA研究所のDavid E. CarlsonとCR Wronskiによって太陽電池に開発された。^{[ 8 ]}変換効率は着実に上昇し、2015年には約13.6％に達した。^{[ 9 ]} 

アモルファスシリコン（a-Si）は結晶シリコン（c-Si）に比べて電子特性は劣るものの、用途の柔軟性ははるかに高い。例えば、a-Si層はc-Siよりも薄く作製できるため、シリコン材料のコスト削減につながる可能性がある。

もう一つの利点は、a-Si は、例えば 75 ℃ という非常に低い温度で成膜できることです。これにより、ガラスだけでなく、プラスチックや紙^{[ 10 ] [ 11 ]}基板上にも成膜できるため、ロール ツー ロール処理技術の候補となります。成膜後、a-Si はc-Si と同様の方法でドーピングされ、 p 型またはn 型の層を形成し、最終的に電子デバイスを形成することができます。

もう一つの利点は、 PECVDにより a-Si を広い面積に成膜できることです。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ため、ほとんどの装置サプライヤーは、より高いスループットを実現し、製造コストを削減するための PECVD の設計に重点を置いています^{[ 12 ]} 。特にシランをリサイクルする場合に顕著です^{[ 13 ]}。

ガラス基板上に小型（ 1mm×1mm未満）のa-Siフォトダイオードをアレイ状に配置したものが、透視検査やX線撮影用の一部のフラットパネル検出器において 可視光イメージセンサーとして使用されている。

太陽光発電

水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）は、ポケット電卓など、ごくわずかな電力しか必要としない機器の光起電力太陽電池材料として使用されてきました。これは、従来の結晶シリコン（c-Si）太陽電池に比べて性能は劣るものの、基板への成膜が簡略化され、コストも低いため、その欠点が十分に補われるからです。さらに、ピンデバイスのシャント抵抗が非常に高いため、非常に低い光量でも許容できる性能が得られます。最初の太陽光発電式電卓は、1970年代後半にはすでにRoyal Solar 1、Sharp EL-8026、Teal Photonなどがありました。

近年、a-Si:Hの構造技術の進歩により、大面積太陽電池への応用も期待されるようになった。a-Si:Hは本来効率が低いものの、その薄さによって少なくとも部分的には効率が向上している。複数の薄膜セルを積層することで効率を高めることができ、各セルは特定の周波数の光で最適な性能を発揮するように調整されている。この方法は、間接バンドギャップのために厚みがあり、そのためほとんど不透明で、積層構造内の他の層に光が届かないc-Siセルには適用できない。

アモルファスシリコン太陽電池の効率が低い原因は、主に材料の正孔移動度が低いことにある。^{[ 14 ]}この低い正孔移動度は、ダングリングボンド（3つの結合を持つシリコン）^{[ 15 ]} 、フローティングボンド（5つの結合を持つシリコン）[16]、^{およびボンド再}構成^{[ 17 ]}など、材料の多くの物理的側面に起因すると考えられている。これらの低移動度の原因を制御するために多くの研究が行われてきたが、相互作用する多数の欠陥により移動度が本質的に制限される可能性があることを示唆する証拠があり、1種類の欠陥を減らすと他の種類の欠陥が形成される。^{[ 18 ]}

大規模生産における a-Si:H の主な利点は効率ではなくコストです。a-Si:H セルは、一般的な c-Si セルに必要なシリコンのほんの一部しか使用せず、シリコンのコストはこれまでセルのコストに大きく影響してきました。しかし、多層構造による製造コストの高さから、現在まで、薄さや柔軟性が利点となる用途以外では a-Si:H は魅力的ではありませんでした。^{[ 19 ]}

一般的に、アモルファスシリコン薄膜セルはピン構造を使用します。p型層を上に配置するのは、正孔の移動度が低いため、正孔が上部コンタクトまで平均的に短い距離を移動して収集できるためでもあります。一般的なパネル構造には、前面ガラス、TCO、薄膜シリコン、背面コンタクト、ポリビニルブチラール（PVB）、背面ガラスが含まれます。Energy Conversion Devicesの一部門である Uni-Solar は、ロールオン屋根材製品に使用される柔軟な裏板のバージョンを製造しました。しかし、世界最大のアモルファスシリコン太陽光発電メーカーは、従来の太陽光パネルの価格が急速に下落したため、2012 年に破産を申請しなければなりませんでした。^{[ 20 ] [ 21 ]}

微結晶シリコンおよび微形態シリコン

微結晶シリコン（ナノ結晶シリコンとも呼ばれる）はアモルファスシリコンですが、小さな結晶も含まれています。より広いスペクトルの光を吸収し、柔軟性があります。マイクロモルファスシリコンモジュール技術は、アモルファスシリコンと微結晶シリコンという2種類のシリコンを上下の太陽電池に組み合わせたものです。シャープはこのシステムを使用してセルを製造し、青色光をより効率的に捕捉することで、直射日光が当たらない時間帯のセルの効率を高めています。プロト結晶シリコンは、アモルファスシリコン太陽電池の開放電圧を最適化するためによく使用されます。

大規模生産

4,000万ドル以上の機関投資を受けているXunlight Corporationは、薄膜シリコンPVモジュールの製造用に、初の25MWワイドウェブロールツーロール太陽光発電製造装置の設置を完了しました。 ^{[ 22 ]} Anwell Technologiesも、自社設計のマルチ基板マルチチャンバーPECVD装置を使用して、河南省に初の40MW a-Si薄膜太陽電池パネル製造施設の設置を完了しました。^{[ 23 ]} 

太陽光発電・熱ハイブリッド型太陽熱集熱器

太陽光発電・熱ハイブリッド太陽熱集熱器（PVT）は、太陽放射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（光子）を電気に変換する太陽電池と、残りのエネルギーを捕捉し、太陽光発電モジュールから廃熱を除去する太陽熱集熱器を組み合わせています。太陽電池は、温度上昇に伴う抵抗増加により効率が低下します。このようなシステムのほとんどは、太陽電池から熱を運び去り、セルを冷却して抵抗を下げ、効率を向上させるように設計できます。これは効果的な方法ですが、太陽熱集熱器と比較すると、熱コンポーネントの性能が低下します。最近の研究では、温度係数の低いa-Si:H PVを使用することで、PVTを高温で動作させることが可能になり、より相乗効果の高いPVTシステムが構築され、a-Si:H PVの性能が約10%向上することが示されています。

• カナダ、オンタリオ州ウォータールー大学のアモルファスシリコンデバイスグループ
• オハイオ大学（オハイオ州アセンズ）の理論とシミュレーション部門