【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.12】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AT0079

利用課題名 / Title

太陽電池用新規コンタクトの開発

利用した実施機関 / Support Institute

産業技術総合研究所 / AIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

ALD,太陽電池/ Solar cell,電子分光/ Electron spectroscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

松井 卓矢

所属名 / Affiliation

国立研究開発法人 産業技術総合研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

山崎 将嗣

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AT-102：原子層堆積装置_3〔FlexAL〕
AT-103：原子層堆積装置_3付帯ＸＰＳ装置（アルバック・ファイ）
AT-104：原子層堆積装置_4〔FlexAL〕

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

高効率な結晶シリコン太陽電池を作製する新技術として金属酸化物等を用いたキャリア選択性パッシベーティングコンタクト（Carrier Selective Passivating Contact）が注目されている。我々はこれまでに、ALD法で製膜した酸化チタン（TiO_x）薄膜が結晶シリコンから取り出すキャリアの選択性を制御できることを見出し、TiO_xの正孔・電子コンタクトとしての性能を評価してきた。今回は、結晶シリコン太陽電池の表裏にTiO_xを形成したドーパントフリーかつ同一材料を正・負極のコンタクトに用いたセルの実証を試みた。また、TiO_xが両極性の材料として振る舞うメカニズムについて調査した。

実験 / Experimental

n-Si基板の洗浄と希フッ酸処理を行った後、基板をALD製膜室に導入し、正孔選択性TiO_x（TiO_x(h)）または電子選択性TiO_x（TiO_x(e)）をn-Si基板の片面に製膜した。その後、基板を反転させ、反対の極性のTiO_xを同じALD装置で製膜した。ここで、TiO_x(h)とTiO_x (e)の製膜にはそれぞれTTIPとTDMATのチタン前駆体原料を使用し、酸素源には同じH₂Oを使用した。TiO_x(h)とTiO_x(e)上にそれぞれ正極（ITO/Ag-grid）と負極（LiF/Al）を形成し、セルを作製した（Fig. 1）。n-Si/ TiO_x界面の評価にはALD装置(AT-102)に付帯のX線光電子分光（XPS, AT-103）を用いた。XPS測定を行わない場合には、研究室で保有するALD装置（エイコー製）と、一部他のALD装置(AT-104)を用いた。

結果と考察 / Results and Discussion

結晶シリコンの両面にTiO_xを配置した太陽電池構造で変換効率17.8%のデバイス動作を実証した。セルの表裏面に使用したn-Si/TiO_x(h)とn-Si/TiO_x(e)界面についてXPS測定(AT-103)をおこない、Si 2pコアレベルのスペクトルを比較した結果、n-Si/TiO_x(e)に対してn-Si/TiO_x(h)のピーク位置は約0.45 eV低エネルギー側にシフトしていることが観測された（Fig. 2）。これは、n-Si/TiO_x(h)界面に内包する負の固定負電荷の存在により、n-Siのフェルミ準位が深いエネルギーにシフトしている（すなわちn型からp型に反転している）ことを示している。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1. Schematic device structure and J-V curve of a symmetrically TiO_x contacted Si solar cell. Double-sided planar n-Si was used.

Fig. 2. XPS Si 2p spectra measured on n-Si/TiO_x(h) (blue) and n-Si/TiO_x(e) (red) samples. Thickness of the TiO_x layers is about 5 nm.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Takuya Matsui, Symmetric Dopant‐Free Si Solar Cells Enabled by TiO_x Nanolayers: An In‐Depth Study on Bipolar Carrier Selectivity, Advanced Science, 12, (2024).
   DOI: doi.org/10.1002/advs.202410179
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Takuya Matsui and Hitoshi Sai, "Development of functional thin-film materials for Si solar cells and their application to perovskite/Si tandems", 2024 International Conference on Solid State Devices and Materials, Himeji, 2024, 令和6年9月4日
2. 松井 卓矢, 深谷 昌平, Shona McNab, 齋 均, 後藤 和泰, 宇佐美 徳隆, Ruy Sebastian Bonilla "酸化チタンを正孔・電子コンタクトに用いた結晶シリコン太陽電池", 第85回応用物理学会 秋季学術講演会, 令和6年9月20日
3. 松井 卓矢, Calum McDonald, 齋 均 "酸化チタン薄膜を介して接合した ペロブスカイト／結晶シリコンタンデム太陽電池", 第85回応用物理学会 秋季学術講演会, 令和6年9月20日
4. Takuya Matsui and Hitoshi Sai, "Multi-functional TiOx Nanolayers for Silicon and Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells", 35th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-35), 令和6年11月12日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件