ナノ結晶シリコン

ナノ結晶シリコン( nc-Si ) は、マイクロ結晶シリコン( μc-Si )とも呼ばれ、多孔質シリコンの一種です。^[1]これは、準結晶構造を持つシリコンの同素体であり、アモルファス相を持つという点でアモルファスシリコン(a-Si)に似ています。ただし、nc-Si と異なるのは、アモルファス相の中に小さな結晶シリコンの粒子がある点です。これは、粒界で分離された結晶シリコン粒子のみで構成される多結晶シリコン(poly-Si) とは対照的です。違いは、結晶粒子の粒径のみによるものです。マイクロメートル範囲の粒子を持つ材料のほとんどは、実際には微粒子ポリシリコンであるため、ナノ結晶シリコンという用語の方が適切です。ナノ結晶シリコンという用語は、シリコン薄膜内のアモルファス相からマイクロ結晶相への遷移領域の周辺の材料の範囲を指します。結晶体積率 (ラマン分光法で測定) は、この遷移領域にある材料を説明するもう 1 つの基準です。

nc-Si は a-Si に比べて多くの利点があり、その 1 つは、適切に成長すればシリコン微結晶が存在するため、電子移動度が高くなることです。また、赤色および赤外線の波長での吸収が増加するため、a-Si太陽電池に使用する重要な材料となります。しかし、ナノ結晶シリコンの最も重要な利点の 1 つは、a-Si よりも安定性が高く、その理由の 1 つは水素濃度が低いことです。現時点ではポリシリコンほどの移動度は得られませんが、ポリシリコンの場合のレーザーアニールや高温 CVD プロセスとは対照的に、PECVDなどの従来の低温 a-Si 堆積技術を使用して堆積できるため、ポリシリコンよりも製造が容易であるという利点があります。^[2]

この新素材の主な用途は、シリコン薄膜太陽電池の分野です。nc-Si は結晶シリコンとほぼ同じバンドギャップ(約 1.12 eV) を持っているため、a-Si と薄層で組み合わせて、タンデムセルと呼ばれる層状の多接合セルを作成できます。a-Si の上部セルは可視光を吸収し、スペクトルの赤外線部分をナノ結晶 Si の下部セルに 残します。

いくつかの企業は、ナノ結晶シリコンまたは他のシリコン化合物をベースにしたシリコンインクの商品化に近づいています。半導体業界も、特にメモリ分野でナノ結晶シリコンの可能性を調査しています。

ナノ結晶シリコンと小粒径多結晶シリコンは薄膜シリコンと考えられている。^[3]

• 薄膜シリコン太陽電池。