12. Thin Films: Material Choices & Manufacturing, Part I

以下のコンテンツはクリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下で提供されています。皆様のご支援により、MIT OpenCourseWare は質の高い教育リソースを無料で提供し続けることができます。寄付をする、または数百に及ぶMITのコースの追加教材を見るには、MIT OpenCourseWare の ocw.mit.edu を訪問してください。

教授：さて、皆さん、少しの間、薄膜に入っていきますが、クラスで2人、少なくとも2人、イーライ・ヤブロノビッチ氏の講演を聴きに行ったのを見かけました。いつだったかな、火曜日？火曜日でしたね。講演に参加した人はどれくらいいますか？手を挙げてください。3人？はい、3人、素晴らしい。一人見落としたかもしれません。非常に興味深い講演でした。これは、光管理を行う人物の視点から語られた太陽電池に関する講演でした。そこで、彼が効率計算を行っている、主に熱力学に基づき、連続の方程式にはあまり基づいていない、ピーター・ワーフェル著『Physics of Solar Cells』という本を紹介したいと思います。素晴らしい、素晴らしい本です。回覧します。33ページ、覚えやすい数字です。2×3、3。33ページで、イーライ・ヤブロノビッチ氏が講演中に発表した導出に踏み込み始めています。これにより、熱力学的な観点からフォローでき、さらに少し読み進めてその視点を理解できるでしょう。しかし、彼は非常に、非常に簡潔に、本質的に同じ物理学に触れましたが、クラスで話してきたキャリア密度と電流の流れという観点からでした。講演の途中、おそらく半分くらいで、スライドの最後に4つの異なる箇条書きで示されていました。誰か覚えていますか？なぜ彼はガリウムヒ素セルでそれほど高い効率変換効率を達成できたのでしょうか？誰か覚えていますか？彼は薄いデバイスを持っていました。つまり、デバイスを薄くすることで、キャリアを集中させることができれば、つまり、その非常に薄い層の中にすべての電荷キャリアを収集できれば、より高い電荷キャリア密度を持つことができます。そして、キャリア密度が準フェルミ準位の分離に影響を与え、それがデバイスの電圧出力に影響を与えます。したがって、彼はより薄い太陽電池を持っていたため、より高い電圧出力を得ることができました。彼は光閉じ込め、光管理によって、そのより薄い領域でキャリアを集中させることができました。そして、その結果、より高いキャリア濃度を持つことで、準フェルミ準位の分離がより高くなり、それゆえにデバイスの電圧出力も高くなりました。ですから、実際には、ここでクラスで学んできたことからすると、彼がガリウムヒ素の非常に高い効率を達成できた方法は非常に単純でした。物理学はよく知られています。新しい物理学ではありません。実際にはかなり古い物理学であり、そのアプローチは結晶シリコン太陽電池コミュニティでもしばらくの間使用されてきました。デバイスの背面反射器は、光を散乱させるために、テクスチャとともに高度に最適化されています。ですから、皆さんに見ていただきたいと思います。これは、技術が1つの光起電システムから別のシステムへと流れることができるもう一つの例です。ですから、必ずしも自分で取り組んでいない材料システムからも多くのことを学ぶことができます。少なくとも私が講演から持ち帰ったのは、それです。講義に入る前に、他に共有したい印象はありますか？はい。

聴衆：キャリア収集について質問があります。接合の前面で生成されたキャリアからエネルギーを抽出することは可能ですか？拡散して別の接合に到達しても、落ちるものがありませんか？

教授：はい、それは常に少数キャリアの視点から考える必要があります。電子とホールのペアを生成すると、少数キャリアはn+領域のホールになります。そして、そのホールは接合を横切って拡散します。電子は残ります。

聴衆：なるほど、わかりました。

教授：彼のプレゼンテーションの冒頭で、誰かこの点に気づきましたか？彼は、P-N接合は電荷を分離するために必要ではないと言いました。それは結構です。ヘテロ接合については話しました。電荷を分離する他の方法があることに皆同意しています。そして彼は、電場は電荷を分離するために必要ではないと言いましたが、その後すぐに、接触部では半導体よりも化学ポテンシャルがわずかに低いことを議論し始めました。これは電荷の不均衡をもたらし、電場をもたらすでしょう。そして、材料科学工学科のジーン・フィッツジェラルド教授が彼に指摘し、金属接触部には電場があるのではないかと尋ねました。彼は、「静かに、賢い人、後で戻ってきます」と言いました。しかし、本質的に彼のポイントは、非常に小さな電場が必要であるということでした。ですから、彼のポイントは程度の問題であり、巨大な電場は必要ないということです。非常にわずかな電場があれば、システムを流れる電流を駆動するのに十分です。この講演で、頭が逆さまになったまま、完全に混乱したまま終わらないようにしたかったのです。今日は薄膜材料について話します。なぜ薄膜太陽電池なのでしょうか？さて、私たちは、光吸収係数が低い結晶シリコン太陽電池について話してきました。そのため、かなりの量の光を吸収するには、より多くの材料、またはより長い光路長が必要です。すでに、講義2で、光吸収係数が高い他の材料システムが、より薄い材料量とより少ない材料で同等の量の光を吸収できることを見ました。ですから、これを理解するために、一方では結晶シリコンデバイスについて話していることとして、髪の毛の3、4倍の厚さのデバイスがあるかもしれません。そして、他の材料、つまりこれらの薄膜材料については、吸収層が髪の毛の幅の100分の1、つまり1ミクロン未満、または髪の毛の幅の50分の1の厚さになるかもしれません。それが、私たちが念頭に置くべきスケールの視点です。薄膜について話すとき、私たちは薄い材料について話しています。本当に1ミクロン程度のオーダーです。そして、脆い材料でさえ、1ミクロンの厚さで、柔軟な基板上に堆積されれば、柔軟になります。薄膜技術で覚えておくべきもう一つのことは、薄膜産業の規模は現在シリコン産業の1/10であるということです。ですから、結晶シリコン産業は現在、勢いよく進んでおり、薄膜は成長中の割合ですが、世界の市場全体の約10%のオーダーです。そして、多くの、多くの、多くのスタートアップ企業があり、若く、ダイナミックで、楽しいです。だから今日、私はネクタイをしていません。スタートアップモードです。もっとリラックスしています。薄膜技術について話し、楽しい仕事に飛び込みます。ですから、これらの特定の薄膜材料技術について話します。そして、それらに取り掛かる前に、堆積に関する一般的なトピックと、もちろん、すべての薄膜材料システムに影響を与える一般的なパラメータについて説明します。市場に出回っている技術の驚くべき多様性を認識する必要があります。さまざまな太陽電池材料が利用可能であり、その一部は薄膜であり、その他はウェハーベースの結晶シリコンです。そして、これらのすべての技術は、コスト、資源の入手可能性、そして最終的には環境への影響も考慮する必要があります。ですから、これらは、これらの異なる技術について話すときに、皆さんに心に留めておいてほしいことのいくつかです。より広い視野で考えてください。そして最終的には、このコスト、つまり単位エネルギー生産あたりの金額が、市場性、そして市場に浸透する規模を決定する上で本当に重要です。これは印刷されている唯一のスライドです。学生のペアごとに1つ、またはそうあるはずです。ですから、その特定のスライドにアクセスできない場合は、隣の人と共有してください。これは、1970年代に遡る記録的な太陽電池変換効率を時間の関数として表しています。このチャートは、NRELのラリー・カズマースキー氏によって維持されています。実際、彼はかつてNRELの太陽プログラムの責任者でした。非常に成功した期間の後、数年前に退任しました。彼はアメリカのPV産業の父のような存在です。彼は長い間この分野に携わっており、PV産業の成長と、もちろんパフォーマンスの経時的な改善を追跡してきました。これらのデバイスの多く、これらの記録的な効率デバイスの多くは、非常に小さな面積であり、その多くは、このチャートに載ることを意図して、明確な目的で実際に成長させられました。ですから、記録的な効率デバイスを作ろうとするときは、少し違うことをします。例を挙げましょう。ガラスではなく、空気のために反射防止コーティングを最適化します。ですから、前面の反射率を最小限に抑えたい場合、屈折率が1である空気のために最適化します。屈折率が1.5であるガラスとは対照的に。ですから、人が行うトリックがいくつかあり、中には少し裏技的なものもあります。過去には、効率を測定する直前に、シリコンベースの太陽電池をHFでディップした人がいました。フッ化水素酸は表面の不動態化をもたらしますが、もちろん、金属の表面接着性が非常に低くなり、金属が剥がれてしまいます。引張試験には合格しませんでしたが、それでも瞬時に高い効率を達成できました。そのような慣行は、ほとんど排除されました。これらは太陽電池のワイルドウェストだった初期の頃でした。より最近では、非常に厳格な基準があり、これらの標準測定を行うことができる世界中の研究所はごくわずかです。NRELのものは、人材の質という点で非常に充実しています。彼らは資源不足で有名ですが、それは別の問題です。しかし、そこで働く人々の質という点では、非常に、非常に優秀で、非常に徹底的で、測定を行う上で非常に几帳面で注意深いです。太陽電池効率測定の実施方法について質問がある場合は、彼らは非常に良いリソースです。彼らのウェブサイトは素晴らしい場所になるでしょう。ですから、ここにあるこれらのデータポイントは、時間の経過とともに記録的なセル効率を表しています。非常に、非常に小さな材料片上にある可能性があります。1平方センチメートル、あるいはそれ以下である可能性があり、必ずしも今日の商業生産で利用されているものを代表するものではありません。一例を挙げましょう。記録的な結晶シリコンセル（ここでは青色）は、約10年間、実際には10年以上、約25%でした。そして、記録的な効率の結晶シリコンデバイスは、本質的に、何年も、何年も、それほど植え付けられていません。それには多くの理由があります。理論的な効率限界に非常に近づいています。人々は必ずしも記録的な効率の結晶シリコンデバイスを特に作ろうとはしていません。彼らは、記録的な効率のものよりも、低コストのシリコンデバイスを作ることに重点を置いており、平均的なモジュール効率は、実際には、モジュール、平均モジュール効率で約13%から15%の範囲です。18%、19%、20%の範囲のモジュールもありますが、ほとんどは大幅に低いです。そして、記録的なセル効率は、ご覧のとおり、25%です。したがって、商業的に入手可能なものと記録的なセル効率の間には大きな差があります。これにはいくつかの理由があります。記録的な効率のセルを作るには、リービッヒの最小律にすべてを注ぎ込む必要があります。すべての板が本当に、本当に高いことを確認する必要があります。それは通常、多くのお金がかかるので、それを安価に行うことは大きな課題です。First Solarのような一部の企業は、市場で最も低コストのモデルのいくつかを所有しています。数スライドでそれらがどのように作られているかを説明します。First Solarは長年、ガラスの反射防止コーティングを放棄していました。なぜなら、コスト的に意味がなかったからです。この関数を最適化するのに役立ちませんでした。より多くのエネルギーを得られたとしても、そのコンポーネントを追加するためにかかった費用は、彼らにとって意味がありませんでした。ですから、いくつかの異なる視点から考える必要があります。コストとパフォーマンスの両方の観点から考える必要があります。パフォーマンス、それが何をするか、またはそれが私たちに伝えることは、この材料システムには可能性があるということです。高いパフォーマンスが得られることが証明されています。それは概念実証です。トリックは今、それを低コストで実現することです。そして、このチャートから皆さんが持ち帰るべきことは、ほぼそれです。もう一つ覚えておくべきことは、新しい材料のパフォーマンスを向上させるには長い時間がかかるということです。もしあなたがここで、この辺りから始めているなら、より高い効率に到達するには時間がかかります。確かに、以前の材料システムから多くのことを学ぶことができます。オンラインで入手可能な古いNRELプロジェクトレポートを読むことで、これらの記録的な効率を目指して働いていたすべての人々が何をしたか、どのように進歩し、セルのパフォーマンスをどのように向上させたか、そしてその情報を活用して材料を開発しようとすることができます。しかし、事実として、新しい技術を開発するにはまだ時間がかかります。そして、それを、例えば、有機ベースの太陽電池のような、ここに登場する新しい材料のいくつかで見ることができます。ですから、薄膜、一般的な問題。利点について話しました。モジュールから吸収層のコストを絞り出すことができるということです。これはコストの観点からは素晴らしいことです。しかし、明らかに、トレードオフが伴います。もしそれがすべて簡単なことなら、私たちは100%薄膜になり、シリコンを放棄していたでしょう。薄膜には利点と欠点の両方があります。欠点の代わりに、これをより幸せに見る方法は、博士号やその他の高度な学位を取得するための課題と機会かもしれません。では、利点に進みましょう。薄膜の利点は、非常に薄い量の材料を使用していることです。事実上、モジュールの総コスト構造において無視できるほど薄いです。一つの視点は、比較的低コストの技術、例えばc空間昇華タイプのプロセスを使用して薄膜を堆積する場合、モジュールを工場から18輪車に積み込む際にモジュールを互いに分離する段ボールにかかるコストと同じくらいで材料を堆積できる可能性があるということです。視点を変えるために。これらの薄い層を堆積するのは非常に安価です。では、欠点にすぐに移りましょう。非常に薄い層を堆積していて、それが高効率でない場合、同じ量の電力に対して、より多くのガラス、より多くの封止材、より多くのフレーム材料、より多くの労働力が必要になります。効率が低い場合、コストは高くなります。たとえ吸収層が非常に安価であっても、吸収層は無料で手に入るようなものです。効率が低すぎると、他のすべての汎用材料がそのコスト優位性を上回る可能性があります。なぜなら、汎用材料は面積とともにスケールするからです。効率が低い場合、同じ量の電力を得るには、より大きな面積のモジュールが必要になります。ですから、ある時点で、材料のコストと効率を見ると、マイナス領域に入り始めます。実際に支払われる必要があります。例えば、8%または7%のモジュールを生産している場合、通常、顧客に受け入れてもらうために支払う必要があります。ですから、コスト競争力を持つためには、最低限の効率目標を達成する必要があります。そして経験則として、今日のガラス、封止材、フレーム材料、労働力、設置などのコストを考えると、通常は10%から12%です。では、利点に戻りましょう。非常に低い熱予算の可能性があります。もし私たちが基板上に1ミクロン厚の層を印刷できるとしたら、覚えておいてください、高速プリンターのアナロジーに戻りますが、低い熱予算の可能性があります。つまり、熱予算とは、処理中に導入する熱の量です。非常に低い熱予算の結果として、コスト削減の可能性があります。結晶シリコンウェハーを製造するために必要な大量の電力を消費して、1400℃まで数時間加熱する代わりに、ここでは、柔軟な基板上に印刷できる可能性があります。それが熱予算の議論です。共形堆積と柔軟な基板に関しては、ロール・ツー・ロール堆積の可能性があります。新聞工場を想像してください。一方の側で紙のロールがもう一方のスプールに引き込まれ、その間に堆積プロセスが行われます。柔軟な基板に堆積できるなら、これがビジョンです。そして、柔軟な基板ではなく、この右側にあるような硬い基板に堆積している場合、これはガラスであり、ここにガラス上に堆積された薄膜材料、非常に小さなものです。おっと、前面にテープが付いています。取り除きますね。はい、どうぞ。ここに素敵な保護コーティングがありますので、指紋を気にせずに見ることができます。そして、会社名は完全に削除されています。確認してください。これは、反射防止コーティングなしでガラス上に堆積された薄膜材料の例です。吸収層材料のみです。だから、感覚を得ることができます。素晴らしい見た目です。厚さは約1ミクロンです。火曜日に見たウェハーの約170分の1です。それが薄膜材料の例です。これは回覧されます。薄膜ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ産業との技術移転が多く、ガラス上への堆積も同様です。そして、建材一体型PVアプリケーションに非常に適している可能性があります。ガラスを取り除いて共形基板に堆積できるなら、屋根瓦や他の柔軟な基板を想像できます。これにより、波打つ屋根などに共形被覆が可能になります。放射線耐性。これはちょっとした余談ですが、シリコンよりも優れた放射線耐性を持つ材料もあります。放射線耐性とは何ですか？宇宙に何かを送った場合、地球のヴァン・アレン帯にある大気の放射線シールドの恩恵を受けられず、プロトン照射やその他の形態の放射線がモジュールに衝突し、吸収層内に損傷を引き起こす場合、一部の化合物は、パフォーマンスの劣化に抵抗する上で、他の化合物よりも自然に優れているということです。それが放射線耐性です。ですから、宇宙用途に優れた薄膜材料がいくつかあります。課題と…ああ、どうぞ、アシュリー。

アシュリー：ヒ化ガリウムもその一つですか？

教授：数スライドで示します。放射線暴露時間との関係でそれらをすべて比較します。欠点、あるいは博士号や修士号の学生にとっての課題と機会と言い換えるなら、結晶シリコンよりも低い効率、潜在的に大きなモジュールコスト。これらの薄膜材料のパフォーマンスを向上させることができれば、結晶シリコンと同等のパフォーマンスをはるかに低コストで実現できます。おめでとうございます。市場性のある製品を手に入れました。資本集約的な生産設備の可能性。すべての生産設備が、紙に印刷するのと同じくらい低コストで低熱予算であるわけではありません。実際、それはより前衛的で研究開発的な堆積プロセスの一つです。ほとんどの堆積プロセスと、大多数の企業が使用しているものは、実際には非常に資本集約的であり、装置のコストは積み重なる可能性があります。時には、常にではありませんが、希少元素が使用されます。来週の火曜日、それについて議論します。このスライドが終わったら、すぐにそれらに戻ります。そして、堆積中の空間的均一性が課題です。1メートルサイズのガラス上に1ミクロン厚の膜を堆積しようとしていると想像してください。ここでは6桁のアスペクト比について話しています。ですから、私たちは、例えば、電荷を分離するために吸収層の下や上に数10ナノメートルまたは数百ナノメートルの層で、1ミクロン厚の膜を堆積する方法を見つけなければなりません。そして、それを非常に大規模に行うのは非常に困難です。そしてそれは、多くのスタートアップ企業が長年苦労してきたエンジニアリングの課題、またはプロセスエンジニアリングの課題です。空間的均一性を次のように考えてください。太陽電池の一方の領域が多くの電力を生成しており、隣接する領域が生成していない場合、それらは接触部を介して並列に接続されているため、電力は良好な領域から悪い領域に流れます。したがって、モジュール内に内部電流ループがあります。これは、モジュール自体の電力出力を本質的に低下させます。だからこそ、均一性が重要です。これは、右上にあるロール・ツー・ロールプロセスのビジョンを表すものです。ある企業、特にミシガン州のUni-Solarが実施している、ある種の先見の明のある漫画です。彼らはロール・ツー・ロールプロセスとPCBD（すぐに説明します）でこの材料、いわゆるアモルファスシリコンを堆積しています。そして、ここに建材一体型ソリューションの例がいくつかあります。あなたが本当に柔軟な基板を持っていたら、それをホームデポからロールで持ってきて、屋根に広げ、タープやプラスチックシートを敷くように広げ、ステープルガンや釘打ち機で所定の位置に固定できるとしたら、それは設置コストの大幅な削減の例になるでしょう。ですから、モジュールのフォームファクターの結果として、太陽光の設置コストを削減する可能性があります。そして、これは薄膜における建材一体型太陽光発電ソリューションのもう一つの例です。見た目が本当に良く、非常に洗練されているという事実は、それらがソーラーパネルであるとは決して推測しないでしょう。そして、それは、美的な観点からすると、大きな利点です。一般的な成長方法。現在教室で回覧されている銅インジウムガリウム二セレン化物という薄膜材料のサンプルをどのように作るのか？さて、私が説明した材料だけでなく、他の材料もあります。一般的な成長方法のクラスについて話します。ですから、これは材料科学プロセスを数スライドに凝縮したものです。お付き合いください。これは非常に高レベルですが、今日PVで最も一般的に使用されている技術を強調することを目的としています。真空ベースの薄膜堆積技術と呼ばれるものから始めます。真空と非真空を分けているのは、物理学の建物の中を歩くと通常目にするような、これらの大きなステンレス鋼チャンバーで構成されるシステムがある場合、真空チャンバーは通常かなり高価だからです。少なくとも商業生産されている大規模なものは。名前が示すように、チャンバー内の空気を吸い出すためのポンプが必要であり、それが真空を作成する方法です。真空は、通常、原子を何らかのソース（ガスまたは固体ターゲット）から基板に輸送するため必要です。ですから、個々の原子または原子クラスターをソースから最終的に薄膜デバイスを保持する基板に転送しています。そして、そのプロセスでは、それらの原子または原子クラスターの相互作用が制限されている必要があります。つまり、基板に到達するまでの平均自由行程が長い必要があります。そして、それが、これらの堆積システムで通常真空が必要とされる理由です。この目標を達成する方法はいくつかあります。技術の一つのクラスは化学気相成長（CVD）と呼ばれます。これは通常、チャンバーに何らかの形態のガスを流し込み、そのガスをサンプルの表面またはサンプルの表面上で反応させ、最終的に表面に堆積させることを伴います。CVDプロセスに関与する化学は非常に複雑になる可能性があり、反応プロセス自体を習得するのは非常に困難な場合があります。ですから、分光法に関与している友人が、レーザーをシステムに照射し、吸収線を見て、それらがチャンバーに挿入されたときと実際にフィルムになったときの分子がどのように進化しているかを理解しようとしているかもしれません。なぜなら、反応、化学反応を理解することが、CVDプロセスを本当に制御するための鍵だからです。もう一つの技術クラスはPVD、または物理気相堆積と呼ばれ、これはもう少し直接的です。特定の種類の原子があります。それらはイオン化されているか、電荷中性である可能性があり、基板に向かっています。そして、化学ははるかに単純になる傾向がありますが、原子がターゲットを離れて基板に堆積するインセンティブを与えるための装置は、より複雑になる傾向があります。そして、これらのツールの一部、特に分子線エピタキシーは非常に高価で、非常に遅いが、非常に高品質だが、結果として非常に高価になる可能性があります。ですから、真空ベースの堆積技術を考えるための非常に簡単な方法は、妥協です。これは確かに単純化しすぎですが、これらのすべての技術のパラメータ空間を考えるための簡単な方法です。速度と品質の間の妥協です。最も速い技術の一部は、最も低品質の材料になる傾向があり、最も遅い技術の一部は、最も高品質の材料を生成する傾向があります。そのパラメータ空間のどこかで、適度に高品質の材料を得るために、デバイスのパフォーマンスを飽和させるのに十分なほど、つまり、それ以上最適化しても意味がないレベルまで、どのように最適化するのでしょうか。十分によくなった。これで大丈夫です。ですから、堆積システムを選択する際に考慮すべきことの一つです。では、これらの真空ベースの堆積システムの例をいくつか見てみましょう。PVD技術、物理気相堆積技術の中で、製造で最も一般的に使用されているものの一つ、少なくとも一部のスタートアップ企業では、MiaSoleのような例があります。スパッタリングです。そして、このスパッタリングプロセスは、本質的に非常に、非常に直接的です。プラズマがあります。プラズマは帯電した原子で構成されています。これらはターゲットに向かって加速され、ターゲットは堆積したい元素で構成されています。基板は上にあります。そして、このターゲット材料がスパッタリングされ、最終的に上に移動して付着し、最終的にここのオレンジ色のプラテンの上にフィルムを成長させます。それが基板です。基板は下向きです。なぜ基板は下向きなのですか？これを反転させて、ターゲットを上に、基板を下に置かないのはなぜですか？その場合、堆積プロセスの純度に関して何が起こる可能性がありますか？クリスティに行きましょう。

聴衆：何かが落ちる可能性があります。

教授：ですから、ゴミなどが基板に落ちる可能性があります。厚さ1ミクロンの薄膜を成長させようとしており、欠陥を避けようとしているのに、重力がその場合あなたに不利に働いています。なぜなら、もしこれを反転させたら、ターゲットは上にあるからです。ゴミが基板に降り注ぐ可能性があります。下向きにスパッタリングする人もいますが、非常に難しいです。プロセスを非常によく制御し、剥がれ落ちるのを避ける必要があります。横向きにスパッタリングする人もおり、工場でのスペースを節約しています。垂直に積み込み、挿入するかもしれません。そして多くの人が、少なくとも研究開発では、上向きにスパッタリングしています。ですから、再び、プラズマを作成しています。帯電した種がターゲットに向かって加速されます。それらは原子をスパッタリングし、それらは基板に堆積され、基板は上部にあります。そして、ちょうど回覧されていたフィルムは、スパッタリングされたフィルムの例です。大面積堆積におけるスパッタリングの空間的均一性は、数パーセントのオーダーになる可能性があります。したがって、空間的均一性の観点からこのプロセスを制御する能力はかなり良好です。バイアス電圧に無線周波数変調を適用することもできます。それは無線周波数のためのRFスパッタリングと呼ばれます。産業用途には通常、大きな回転ターゲットが含まれます。ですから、皆さんのために…スパッタリング材料を扱ったことがある人、または過去にそれをやったことがある人は何人いますか？1、2、3、4、5、6、はい。ですから、少なくとも実験室では、固定ターゲットがあると、あのトラックのようになりますよね？ですから、実験室に固定ターゲットがあり、フィルムを堆積しようとしている場合、数時間かけて摩耗すると、最終的に堆積しようとしている金属、または堆積しようとしているセラミックは、通常、形状が少し変わります。表面が平らではなく、いわゆるトラックになり、端の近くに落ち込み、堆積しようとしている種の堆積率の変化を引き起こす可能性があります。そして、均一性の観点からすると、それは会社にとって壊滅的である可能性があります。ですから、そのような効果を防ぐためにターゲットを移動させる方法があります。そして、大きなターゲットについて話すとき、私たちは本当に大きなターゲットについて話しています。これらは実験室規模の2インチや3インチではなく、商業生産でははるかに大きいです。ですから、スパッタリングを他の成長技術と比較すると、より共形な技術があります。これはライン・オブ・サイト堆積技術であるため、原子は基板に向かって移動しています。しかし、基板に何らかの形状、例えば棚や隆起がある場合、その部分を均一にコーティングできない可能性があります。平坦な部分よりも、その端に堆積される量が少なくなる可能性があります。ですから、カバレッジの共形性、または共形表面カバレッジは、スパッタリングの問題となる可能性があります。無機薄膜堆積で一般的に使用される次の技術について話しましょう。失礼します。これは金属有機化学気相成長と呼ばれます。ですから、再び、最後にCVDが現れることに気づきます。それが化学気相成長プロセスであることを知っています。この場合、MOは金属有機を意味します。金属有機である理由は、通常、金属（ここではインジウムを表しています）と、外側に小さな有機化合物があるためです。それらはメチル基です。小さな灰色と2つの白い点は、インジウムの周りの3つのメチル基を表しています。つまり、トリメチルインジウムです。そして、これらの分子を反応チャンバーに流し込み、内部の温度勾配を制御して、それらの分子が表面に堆積し、インジウムを残し、反応生成物が後部から流れ去るようにします。そして、それは化学的に表面で表されます。これは私たちのサンプルの表面にズームインしたものです。つまり、ガスが堆積している薄膜材料と相互作用する場所です。これは、金属有機分子が表面に到達することを示しています。これは、ここで、インジウムが黒で示されており、メチル基が離れていく分離を示しています。そして、それらはチャンバーから吸い出され、この特定のケースでは、インジウムの層が形成され、おそらくその下に別の材料の層が形成されます。例えば、薄膜を構成する他の種がリンであるとしましょう。つまり、インジウムリン化物の成長になります。この金属有機化学気相成長は、均一な膜を形成する傾向があるため、非常に優れています。非常に良い表面カバレッジです。欠点は、多くの入力と出力が有毒であることです。常にそうとは限りませんが、多くはそうです。それらは揮発性で反応性がある必要があります。これにより、表面で金属を分解して薄膜を作成できます。反応性がなければ、単に流れていき、基板との反応なしに通過してしまいます。しかし、反応性が関与しているため、多くの場合、これらは人間や他の生物にとってあまり友好的ではありません。MOCVDリアクター開発の初期の頃は、屋根まで伸びる小さな煙突があり、屋根のメンテナンスをするときに、そこに死んだ鳥がたくさん転がっているのを見つけることが珍しくありませんでした。成長システムの出力、いわゆるスクラバーに適切なろ過が施され、有毒ガスが大気中に放出されるのを防ぐようになったため、それは明らかに改善されました。しかし、古い話もあります。ですから、金属有機前駆体の適切な設計は不可欠です。導入する分子を変更すると、反応温度が変化し、堆積速度が変化し、成長プロセスをすべてやり直す必要があることが簡単にわかります。ですから、良いMOCVDを行うためのトリックの一部は、化学を理解し、これらの金属有機前駆体を設計または合成できることです。そして、堆積プロセスは、温度、圧力、正確な表面配向、準備、そして金属有機前駆体と混合されるキャリアガスにも非常に敏感であり、副生成物は明らかに管理する必要があります。それがMOCVDの概要です。はい？

聴衆：そして、MOCVDの方がスパッタリングよりも純粋な品質がはるかに優れていますよね？

教授：多くの要因によります。MOCVDの純度が一般的にスパッタリングよりも優れている理由は、特定の種類のガスに対してガスフローを制御するために必要なマスフローコントローラーです。さて、スパッタリングでは、スパッタリングチャンバーの汎用性のため、このターゲットを取り出して、アシュリーがスパッタリングチャンバーに来て、別の金属のターゲットを挿入することができます。そして、同じスパッタリングチャンバーで2つの異なる金属を堆積することになります。クロスコンタミネーションが発生します。クロスコンタミネーションを最小限に抑えるためにできることがあります。ターゲットの周りに煙突を設けて、剥がれ落ちるのを防ぐことができます。側面コーティングをサンドブラストして、側面にゴミが蓄積するのを防ぐことができますが、それでもかなりのクロスコンタミネーションが発生します。さらに、膜の純度はターゲットの純度によって決まります。オンラインで[聞き取れない]やCERAC、または大きな金属販売会社を検索すると、それらは基本的にターゲットメーカーが前駆体を購入し、それらを圧縮してターゲットを作成する場所です。ターゲットの純度、または金属の純度は、通常、ターゲットメーカーが前駆体を購入し、それらを圧縮してターゲットを作成する場所です。ターゲットの純度、または金属の純度は、通常、おそらく2/9から6/9の純度、通常はその範囲内です。ですから、MOCVDの観点からは、蒸留プロセスを実行して前駆体ガスの純度を高め、それを回避できます。ですから、MOCVDがスパッタリングシステムよりも高純度の膜を生成できる主な理由を2つ挙げると、1つはターゲットの品質、もう1つは、少なくとも私たちの成長システムでは、クロスコンタミネーションがより大きなパラメータだと思います。そして、E M Lを堆積するとき、例えば、彼らはAJAのスパッタリングシステムを持っています、またはハーバードCNSには別のAJAスパッタリングシステムがあります。クロスコンタミネーションが発生します。ログブックを見て、人々が何を堆積しようとしたかを見てください。それはかなり恐ろしいです。PECVD、プラズマ強化化学気相成長。前の種類と似ていますが、「さて、設計の負担、科学的設計をこのインターフェースと、表面に到達して適切な方法で秩序正しく分解し、金属を残して他のガスを離れる分子を設計しなければならない化学者に任せよう」と言う代わりに、ここでは、分離の負担をプラズマにシフトします。ですから、物理学者が中心になります。ガスを流し込み、プラズマ内で分解し、原子化するか、少なくともラジカル化されたバージョンを作成し、基板に付着させることができます。理論的には非常に単純です。実際には、プラズマ内で何が起こるかは、温度、周波数、その他の要因によって異なります。そして圧力、特に圧力によって、プラズマ内でさまざまな種類の分子が形成されます。それらは帯電している可能性があり、基板に向かって加速され、最終的に成長して薄膜を形成します。しかし、表面に堆積されている種の種類によって、さまざまな種類の薄膜が成長します。さまざまな品質の材料です。ですから、再び、これはスペクトル分析家にプラズマの正確な組成を測定する負担をシフトします。表面に加速されて堆積されている活性分子は何ですか？そして通常、それはさまざまな種の確率分布関数です。プラズマは無線周波数によって作成されます。このように言ってみましょう。通常、プラズマ周波数は約13.56メガヘルツです。なぜこの13.56が繰り返し出てくるのか誰か知っていますか？はい？

聴衆：[聞き取れない]水素イオン化のエネルギーですよね？

教授：eVを考えているなら、それは確かに水素原子から電子を取り除くのに必要なエネルギーですが、これは別の理由です。はい？

聴衆：それは、これらのクレイジーなノイズを発する医療および産業用途に特化した特別な帯域です。

教授：その通りです。これは無線周波数領域に該当し、通信に影響を与えます。そして、誰もが自由に動き回り、非常に高強度の無線周波数波の放射線源を作成することを許可されていたら、警察の通信やラジオ、携帯電話の中断が発生する可能性が非常に高いでしょう。ですから、ある時点で、私たちは、特定の帯域を無線周波数空間に割り当て、特定の目的に割り当てる必要があると言わなければなりませんでした。一つの帯域では、すべての科学者、医療従事者、そしておそらく家庭用電化製品、例えば電子レンジにも、特定の帯域が割り当てられています。だからこそ、この13.56という数字が繰り返し出てくるのです。現実は、周波数を変更すると、プラズマの性質が変わるということです。堆積速度や膜の品質も変わる可能性があります。ですから、特別な許可を得て、これらの無線周波数シールドルームで実験を行う人もいます。13.56メガヘルツの範囲外での実験です。ですから、これはPCBDです。再び優れた共形表面カバレッジです。基板をバイアスしているため、共形にすることができます。電場は通常、常に表面に垂直であり、原子または分子、イオン化された種の表面への入射角度は、その表面に垂直になります。そして、粗いテクスチャ表面の周りのカバレッジを良くすることができます。堆積は、温度、圧力、電力、キャリアガスに非常に敏感です。電力は…ここでも示されています。そして、副生成物も管理する必要があります。なぜなら、時には、この特定のケースでは、シランを吸い出している可能性があるからです。そして、最後のクラスでシランに関わるすべてのリスクについて話しました。ですから、ご想像のとおり、これらの異なる堆積技術のそれぞれが、特定の材料システムに使用されているか、または好まれています。そして、研究室を歩き回ると、これらの大きなステンレス鋼チャンバーが素敵でクールに見える、これらのすべての派手な真空装置について話すとき、私たちは、よりシンプルで、低コストで、低熱予算で、低資本設備コストの技術、溶液ベースの堆積方法を忘れてはなりません。そして、これらには印刷が含まれます。これらは、電着、スピンキャスティング、コロイド合成、レイヤーバイレイヤー堆積（MITで開発されました）、およびその他の技術も含まれます。2つの技術を一般的に指摘したいと思います。最初のものはまだ開発中ですが、印刷です。明らかに、インクジェットプリンターがあります。それは非常に直接的です。しかし、フラクショナルソーラーセルの印刷は、ごく一部の企業、Nanosolarがその一つですが、商業化されています。そして、それらの技術を説明する権威ある教科書はほとんどないと言えます。なぜなら、それは大部分が秘密だからです。彼らはスタートアップ企業であり、公開されていません。一方、電着はかなりよく知られています。再び、2つの電極間に電圧差を適用します。そのうちの1つが基板になり、電解質溶液に含まれる種をその基板に堆積させ、層を成長させます。室温で成長させるため、これらの膜は、表面が粗くなる傾向があると言えます。それが電着の欠点かもしれません。ピンホールもあるかもしれません。しかし、かなり大きな結晶材料を得ることができます。非常に穏やかな成長プロセスであり、もちろん、利点は低温であることです。ですから、さまざまな成長技術があります。薄膜全般に関わる一般的な問題について話しましょう。そして、特定の材料に飛び込みます。ですから、クラス全体で取ってきたのと同じアプローチで、基礎から技術へと進みます。はい？

聴衆：電着を使用している会社を知っていますか？

教授：いくつかの会社を知っています。公に話せるものを考えてみましょう。IBMは、先週月曜日にボストンで開催された電気化学会で発表しました。彼らは、銅亜鉛スズ硫化物や銅インジウムガリウム二セレン化物などの材料システム向けの電気化学堆積プロセスを開発している企業の例です。後者については数スライドで話しますが、それが企業の例の一つです。ですから、薄膜における一般的な問題。薄膜化合物は、常にそうとは限りませんが、通常は二元、三元、四元、または多元半導体です。つまり、半導体種を構成する要素が1つだけではないということです。いくつかあり、それらは繰り返し構造を持つ結晶構造を形成しますが、通常は原子が交互になります。ですから、1つの化合物に複数の原子がある場合、良好な膜を成長させるために制御する必要がある問題がいくつか発生する可能性があります。最初の問題は相安定性です。ここで多元素パラメータ空間に示されているのは、いわゆる亜鉛銅スズ硫化物材料システムにおける化学ポテンシャル、亜鉛、銅、スズです。この赤いひれは、この化合物が安定しているパラメータ空間を示しています。化学量論がその赤いひれから外れると、二相領域に入る可能性があります。つまり、CZTSと何か他のもの、硫化銅スズ、硫化亜鉛、または相空間の近くにある他の種があるということです。これを考える一つの方法は、均一な材料であるということです。溶解限度を超えると、二次相の沈殿が発生します。ですから、大まかな視点、パーセントベースで、正しい化学量論の領域にいることを確認する必要があります。化学量論とは、システム内の異なる元素の比率です。料理のようなものです。正しい材料を作るには、正しい材料のセットが必要です。さて、それは…化学量論からの大きな逸脱は相分解につながる可能性があります。化学量論からの小さな逸脱、はるかに微妙な効果が発生する可能性があります。2つの種が二元材料を構成していると想像してみましょう。一方の種は3つの価電子を持っています。もう一方の種は5つの価電子を持っています。さて、化学量論の小さな誤差、おそらく数10または数100 ppmの化学量論の誤差により、比率が正確でなかった場合。少しずれていました。今、私たちの化合物の一方が過剰になり、もう一方が不足しています。原子の周りの電子の数が異なれば、過剰な自由キャリア密度になる可能性があります。つまり、運が悪ければ、材料システムにその傾向がある場合、自己ドーピングされる可能性があります。そして、自由キャリア濃度を変更でき、自由キャリア濃度が変化するため、移動度も変化する可能性があります。ですから、化学量論からの小さな逸脱の結果として発生する効果がいくつかあります。自己ドーピングの結果として、半導体内のフェルミ準位がシフトします。そして、フェルミ準位のシフトの結果として、連鎖的なイベントが発生する可能性があります。フェルミ準位の変化の結果として他の欠陥が形成される可能性があります。他のいわゆる逆サイト欠陥が発生する可能性があります。原子が格子内で位置を入れ替える可能性があり、その結果、特定の材料で非常に低い少数キャリア寿命を持つ可能性があります。ですから、化学量論を正確に把握することは、相分解を避けるために非常に大きな意味で、ダルメシアン膜ではなく、相純粋な膜を持つために、そして、膜をうまく成長させることができる相空間に入ったときに、局所的な視点から、自己ドーピングを避け、少数キャリア寿命を低下させたり、キャリア濃度を変更したり、膜の他の特性を変更したりする可能性のある特定の種類の内在点欠陥の形成を防ぐために、化学量論が制御されていることを確認したいです。これらの種類の材料に取り組んでいる方のために、これらのトピックについて延々と話すことができます。これはより詳細なトピックなので、クラスの後かもしれません。薄膜におけるもう一つの関心事は結晶粒径です。ある時点で、結晶粒はもはや問題になりません。結晶粒径は、通常、膜の厚さの約5倍を超えると問題になりません。つまり、結晶粒の直径が膜の厚さの約5倍広い場合、結晶粒径はそれほど問題になりません。しかし、非常に小さな結晶粒がある場合、キャリアがそれらの結晶粒界と相互作用するため、パフォーマンスに影響を与える可能性があります。そして、再結合活性がどれくらいか、または結晶粒界がフェルミ準位をどこでピン止めしているかによって、結晶粒界での状態密度がデバイスパフォーマンスへの影響を決定します。ですから、これらは結晶シリコンにおける薄膜デバイスと、より厚いデバイスのいくつかの非常にラフなプロットです。したがって、パフォーマンスは結晶粒径の関数です。そして、結晶シリコンを示したのは、データが非常に充実しているためですが、有機材料、CIGSなどの無機薄膜材料でも同様のプロットが見られます。そして、これはいくつかの異なるパラメータを畳み込んでいます。結晶粒界の再結合活性も要因であることを考慮する必要があります。次のトピック、一般的な関心事、材料科学ツールキットに含めたいもう一つのツールです。これらの材料の設計を開始するとき、私たちは考える必要があります。

異なる材料間の界面についてです。特に薄膜では、界面は非常に重要です。なぜなら、バルク（塊）がほとんどなくなるからです。そのため、界面に適切な注意を払わないと、デバイスが実際に影響を受けたり、デバイスの性能が著しく低下したりする可能性があります。

ここにあるこれらのプロットは何ですか？これらのプロットは、例えばMOCVDや分子線エピタキシーによって、非常に高効率な材料を成長させるために使用されます。そして、横軸に表されているのは格子定数です。格子定数とは、材料内部の原子の平衡間隔を指します。したがって、結晶を定義するこの規則的に繰り返される単位格子は、ある格子定数、ある距離、ここではオングストロームで示される物理的な距離を持っています。

縦軸にはバンドギャップエネルギーが表示されています。そして、これらの材料の中から2つか3つを選んで互いに積み重ね、太陽スペクトルの異なる部分でよく吸収させたい場合、例えば、1.9 eV付近のバンドギャップ、1 eVのバンドギャップ、あるいは3つの材料が必要な場合は、上限をさらに高くし、下限を低くすることを選択します。

したがって、太陽スペクトルの異なる領域で優先的に吸収するために異なる材料を互いに積み重ね、それによってショックレー・クエイサー効率限界を超えることができます。なぜなら、今では1色だけでなく、2色または3色の異なる色でよく吸収しているからです。そして、ここでのエネルギーギャップは重要です。なぜなら、1 eVの材料、約1.9 eVの材料が欲しいかもしれません。しかし、それらが互いに積み重ねて成長できること、界面の不整合が生じないこと、格子定数がそれほど違わないために界面にダングリングボンドが生じないことを確認する必要があります。ダングリングボンドとは、原子が降りてきて、結合する相手が反対側にいない状態です。

したがって、多接合デバイスを成長させようとしている場合、非常に高効率な太陽電池デバイスを成長させようとしている場合、格子定数は一致しているがバンドギャップは異なる材料を成長させる必要があることを確認する必要があります。そして、材料を互いに積み重ねて成長させること、または一致させることは重要です。特に多接合の場合、また、界面再結合を本当に最小限に抑えたい場合は、一部の単接合材料でも重要です。

では、ここで、高効率太陽電池材料で一般的に使用されているこの成長システムを見てみましょう。ここにはゲルマニウム、ヒ化ガリウム、そしてリン化インジウムガリウムがあります。これは、上のリン化ガリウムと下のリン化インジウムの混合物です。これら2つを合金化してリン化インジウムガリウム混合物を得て、これらの3つの材料を互いに積み重ねることができます。ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、そしてリン化インジウムガリウムです。これらは3つの異なるバンドギャップを持っています。太陽スペクトルの3つの異なる領域で吸収します。しかし、それらは非常に似た格子定数を持っており、界面は非常によく維持されます。これは、このようなチャートを使用して太陽電池材料を設計する例です。

次のトピックは材料の豊富さです。私たちが話してきた他のすべてのパラメータ、格子定数、バンドギャップ、材料の成長方法にも依存する結晶粒径、自己ドーピング能力をエンジニアリングしようとしている場合。私たちはすべての材料の問題をまず第一に念頭に置いています。周期表に行きます。機能する化合物をいくつか見つけます。私たちはそれにとても満足しています。しかし、突然、人生がやってきて私たちの顔を叩き、十分な量のこの材料がないため、テラワットセルまで完全にスケールアップできないと言います。ああ、最初に始めたときにこれを事前に知っていればよかったのに。

そこで、私たちは、材料の豊富さについて知られていることの最先端を皆さんに提示します。そして、ここにある最後の2つの研究、APS Energy Critical ElementsとDOE Critical Material Strategyは、どちらも情報の合成を表しています。基本的に気候変動におけるIPCC報告書と同等ですが、現在、さまざまな元素の豊富さについて私たちが持っている最良の合成です。また、過去数十年間、あるいはそれ以前からこの主題について発表されたさまざまな論文もあります。

したがって、私たちが心に留めておくべきことは、私たちの星屑は無限の供給ではないということです。私たちが知っている地球上のすべての元素は、星での核融合反応から来ており、それらの元素の出現には確率分布関数があり、zの関数として地球上では軽い元素に偏った結果となりました。そして、私たちが知っているように、重い元素の一部は地球の地殻では供給量が少ないです。鉱床が存在しないと言っているわけではありません。これらの研究が最終的で絶対的なものであると言っているわけではありません。来年、あるいは来月、明日、北極の下など、特定の場所で特定の元素の巨大な鉱床を発見するかもしれません。しかし、現時点で私たちが知っていることから、それが私たちが協力しなければならない星屑です。これらが私たちの豊富さです。ですから、それに基づいて設計したい場合は、これらの報告書も調べることをお勧めします。

そして最後に、放射線耐性、アシュリーの質問に戻りますが、最も放射線耐性の高い種は何ですか？これは、テストの開始時に正規化された太陽電池性能の効率であり、これは同等の放射線損傷です。また、半導体内部の原子に伝達される運動量またはエネルギーの量と考えることもできます。これは格子損傷を引き起こし、少数キャリア寿命または移動度の低下につながり、最終的にはセル性能と効率に影響を与えます。

異なる材料システムが異なる程度の放射線耐性を持っていることがわかります。一部は非常に高い放射線量まで高い効率を維持しますが、他のものははるかに速く劣化します。そしてこれを見てください。これは軌道上での1年あたりの線量です。そして、私たちの最も一般的な化合物の一部がそこではうまくいっていないことがすでにわかります。宇宙ではうまくいっていません。したがって、これらの太陽電池パネルを宇宙に設置する場合は、放射線耐性を考慮する必要があります。

これは私がぜひ見てほしい古い研究の1つです。新しい研究もあるかもしれません。太陽電池の効率が向上するにつれて、少数キャリア拡散長のわずかな変化で効率が低下し始めるため、それらはより敏感になります。したがって、これらのチャートは時間の経過とともに異なって見えるかもしれません。

聴衆：放射線の影響は累積的ですか？たとえば、ヒ化ガリウムやこれらのいずれかは、宇宙にいる間、劣化し続けるのですか？

教授：放射線量の効果は累積的ですか？私はこの特定のトピックの専門家ではありません。しかし、シンクロトロンでの検出器の放射線被曝について知っていることから、これは少し似ていますが、まったく同じではありません。このメカニズムは、基本的に格子内の原子の変位を含みます。原子がこれらの入射放射線と相互作用すると、物理的に平衡位置から変位します。そして、それが起こる確率は時間、単位体積あたりの増加の関数であり、したがって累積的な被曝効果と考えることができます。一次的な影響は、寿命と移動度の両方に影響を与える少数キャリア拡散長にあります。そして、被曝時間と格子変位、格子変位と少数キャリア拡散長、少数キャリア拡散長と効率の関係がある場合、この効果をモデル化できるかもしれません。それが私の情報に基づかない答えです。繰り返しますが、ご自身で調べる必要があるかもしれません。

質問？

聴衆：テルル化カドミウムが改善される理由を知っていますか？

教授：ああ、なぜ効率が改善されるのですか？この特定のケースについては具体的には知りませんが、一部の材料は欠陥耐性があると呼ばれることを知っています。一部は、逆サイト欠陥や特定の濃度の損傷、内部表面、空隙、結晶粒界に耐える能力がより自然にあります。カドテル、テルル化カドミウムは、かなり欠陥耐性があります。その点では、それは人類にとって自然の贈り物の一つです。材料が欠陥耐性を持つ程度は、キャリア密度に部分的に依存します。キャリア密度が非常に高い場合、欠陥をスクリーニングする傾向があります。それらが欠陥耐性を持つもう一つの理由です。これらの化合物はすべて、イオン性半導体と共有結合性半導体の間にあります。共有結合性半導体では、それらの材料は非常に欠陥耐性が低い傾向があります。なぜなら、位置の関数としての伝導帯と価電子帯は非常に平坦になる傾向があるからです。材料は、電子密度全体でかなり均一であり、共有結合性材料ではかなり均一に分布しています。イオン性材料では、電荷の局在化が生じる傾向があります。したがって、位置の関数としてのエネルギーは、格子上の原子から次の原子、次の原子へと進むにつれて、原子スケールではこのようになるかもしれません。そして、それはあなたの材料における電荷の局在化を反映しています。これらの材料は、伝導がバンド伝導メカニズムからではなく、ホッピングメカニズムからより多く起こる可能性があるため、欠陥耐性が低くなる可能性があります。そして、これは実際には、ここにあるリストを下にたどると、ほとんどの材料が部分的にイオン性で部分的に共有結合性であるという勾配です。そして、イオン性共有結合性の観点から、硫化亜鉛から硫化カドミウムへのわずかなシフトがあります。したがって、カドテルは周期表で硫黄よりも2つ下のカルコゲンになります。私もこの遷移にあると想像しますが、それを調べる必要があります。それは、さらに読むための出発点を提供します。

そして、信頼性と劣化です。これは重要です。これは、環境試験チャンバーに装填されている結晶シリコンモジュールです。そのチャンバー内では、モジュールは地獄を経験することになります。温度が上昇します。湿度が注入されます。最新の高度なものの中には、紫外線が注入されることもあります。そして、環境チャンバーがモジュールをどのようにストレスまたはテストするように設計されているかによって、温度はマイナス40℃まで低下する可能性があります。アイデアは、モジュールの加速劣化を意図的に促進して、その故障モードが何であるかをテストすることです。そして、数週間後にフラウンホーファーCSEをツアーするときにこれらを見ます。これは結晶シリコンモジュールが装填されているところです。

薄膜材料を配置した場合、そして結晶シリコンは非常に非常に厚い材料であり、天然酸化物は非常に強固であると言いました。それはわずか数十、あるいは数百オングストロームの厚さで、接合深さは約1ミクロンでした。水がシリコンウェハーの表面を攻撃した場合、水蒸気、それはあまり問題ではありません。そしてシリコンは anyway かなり不活性です。しかし今、かなり反応性の高い材料、空気と反応する可能性のある、または水と反応する可能性のある薄膜材料を取ると、それは非常に薄いため、これらの錆びモード、または反応モード、風化モードは、デバイスの厚さの大部分に実際に影響を与える可能性があります。

今、あなたは加速劣化に対してはるかに敏感になりました。今、あなたは元素に対してはるかに敏感になりました。これには酸素と水の両方が含まれます。したがって、周囲の空気が封止材を透過して活性吸収材に到達できる場合、その結果としてモジュール性能の加速劣化が生じる可能性があります。そして、薄膜モジュール内には独自の故障モードもいくつかあります。化合物が2つの異なる種で構成されている場合、一方の種が電場中で移動しやすい可能性があります。たとえば、銅は電場中をジグザグに進むことで悪名高く、電解マイグレーションします。したがって、それは、厚い結晶シリコンモジュールには存在しない故障モードですが、薄膜には存在する可能性があります。

そして、これらすべてのため、そして結晶シリコンモジュールをテストする方法とそれらを故障させる方法が、薄膜モジュールで故障を達成できる方法と同じではないという認識の高まりのためです。IEC 61853のような新しいテストプロトコルが導入されており、薄膜モジュールをそれぞれの故障モードに対して適切にテストしようとしています。そして、これはまだ進行中の作業だと思います。それほどまでに、これに部分的に焦点を当てたグループプロジェクトがあります。薄膜モジュールを適切にテストして故障させる方法を理解しようとするのは、まだ進行中の作業です。

これまでのこれらのトピックについて質問はありますか？これらはすべての薄膜材料に影響を与える一般的な問題なので、技術自体に詳細に入る前に、これらの一般的なトピックに慣れていることを確認したかったのですか？はい？

聴衆：格子整合に関する質問ですが、半導体を接触に格子整合させることも重要ですか？それともそれほど重要ではありませんか？

教授：半導体と接触の格子整合は重要ですか？という質問でした。多くの半導体接触の組み合わせでは、接触の直前に高度にドーピングされた半導体、高度にドーピングされた半導体の非常に局所化された領域があり、それがトンネル接合を作成することを強調させてください。その場合、トンネル接合があるため、界面の状態で密度は重要ではありません。半導体から接触へ直接トンネルすることができます。しかし、トンネル接合がない場合は、格子整合が重要になります。通常のショットキーオーミック接触がある場合、界面状態の密度を心配する必要があるかもしれません。これはダングリングボンドの数によって規制され、すべての原子が反対側の隣人とペアになることを望むかもしれません。したがって、格子整合はそこでの接触にとって重要になります。

さて、楽しい時間です。今日はかなりの量の材料科学を学びました。薄膜のコスト構造です。1つのことを強調しておきたいと思います。ここの材料は吸収材ではありません。吸収材は材料のごくわずかな部分です。これはモジュール内の他の材料も構成しています。したがって、封止材、ガラスなどです。それを一種のアスタリスクとして心に留めておいてください。

これは典型的な薄膜のコスト構造です。それは時間とともに進化します。これは数年前のスライドですが、感覚、感触を与えてくれます。世界的な生産量に関して言えば、これは2010年からの1年前のデータです。昨年の間に、これは2010年に示された2009年のデータでした。2010年の市場は薄膜メーカーにとって非常に厳しく、その多くは米国とヨーロッパにありました。2010年には価格がかなり下落し、それは主に米国とヨーロッパに拠点を置く低コストの中国の太陽電池メーカーに有利になりました。その多くは結晶シリコン技術に投資していました。したがって、技術自体に何の損害もなく、世界中の市場力学は、他の要因により、過去1年間で結晶シリコンを支持する傾向がありました。そして、薄膜の市場シェアは少し縮小しました。したがって、2010年には世界中で約90％が結晶シリコン、10％が薄膜になりました。しかし、さまざまな薄膜技術間の内訳を見ると、いわゆるテルル化カドミウム、CIGS、つまり銅インジウムガリウム二セレン化物、そしてアモルファスシリコンがありました。そして、2009年から2010年の間のダイナミクスは、アモルファスシリコンが少し縮小したことでした。CIGSは成長し、カドテルは成長を続けましたが、すでに大きかったため、よりわずかに成長しました。したがって、この赤い部分が緑色の部分を犠牲にして成長していると考えることができます。これを2010年の数字に翻訳したい場合です。

では、CIGS、カドテル、アモルファスシリコンとは何でしょうか？それらはどのような材料でしょうか？さて、それに入りましょう。次のクラスにこれを残すのが最善だと思います。カドテルについては、それが非常に重要なので簡単に説明します。それは最大のものです。米国最大の太陽電池メーカーは、テルル化カドミウム太陽電池、または短くカドテルを製造しています。そして、あなたの太陽電池パネルが断面でどのように見えるかの説明をするために、これは裏側のガラスです。このITO、酸化インジウムスズ。それは何ですか？透明導電性酸化物、非常に良いです。したがって、ITOは透明導電性酸化物です。あなたの光、太陽光はここから入ってきます。これは電気的に導電性の層ですが、透明なので太陽光を通します。酸化スズ、後で説明します。硫化カドミウムとテルル化カドミウム。テルル化カドミウム層は、太陽光の大部分を吸収し、電子正孔対を生成する層です。硫化カドミウムは、カドテルとカドスルフィド間のヘッダー接合で電荷を分離するヘッダー接合を提供します。この酸化スズは一般的に本質的な層です。これは、前面接触のITOをここで支援しており、その後、背面から電荷を抽出する背面接触があります。

カドテルデバイスを良好にするための追加のトリックがいくつかあり、塩素処理と欠陥の不動態化が含まれます。そこで活性化が行われます。これは、カドテルデバイスの断面図の別のビューです。別の例です。この透明導電性酸化物は、この場合、フッ素ドープ酸化スズ、別のTCO材料です。しかし、ここでは非常に似た構造で、カドテルはp型材料であり、カドスルフィドはn型材料です。これらのさまざまな層の厚さを見ることができます。カドテルはわずか数ミクロン厚で、カドスルフィドはさらに薄いです。電荷を分離するだけの非常に薄い層です。

カドテル太陽電池のバンド図をここに示します。ここにはカドテルがあり、ここには硫化カドミウムがあります。したがって、接合を見ることができます。この層の厚さのために、これらの界面でのバンド曲げがデバイスの総厚のかなりの割合を占めていることに注意してください。一方、結晶シリコンでは、接合領域のすぐ近く、つまり接合から数百ナノメートル、おそらく1ミクロン離れたところにバンド曲げがありますが、デバイスは100ミクロン厚です。したがって、少なくとも暗闇では、約100ミクロンの平坦バンド状態がありました。ここでは、薄膜であるという事実だけで、デバイスの総厚のかなりの割合にわたって曲げが及んでいます。

そして、カドテルの特性、堆積技術は、私が言ったように、それは人類への自然の贈り物です。カドミウムとテルルを一緒に鍋に入れて加熱し始めると、蒸発するのはカドテルです。それは共融的に蒸発します。したがって、近接昇華と呼ばれるプロセスを使用できます。そこでカドテルを昇華させ、基板に堆積させます。周期表の他のほとんどの化合物でこれを試みると、一方の元素またはもう一方の元素が最初に蒸発します。それらは過圧を生成します。それらは蒸発し、化合物は堆積しませんが、一方の元素が基板に優先的に堆積します。カドテルは、再び、人類への自然の贈り物です。2つは一緒に蒸発し、カドテル層を形成します。そして、その共融蒸発は、堆積の観点から非常に優れています。太陽光発電に非常に低コストで高スループットの堆積プロセスです。

環境問題です。カドミウムは、環境グループの人々の間でかなりの懸念を引き起こしています。なぜなら、それは既知の発がん物質だからです。それは日本で、私が思うに「痛い痛い病」と呼ばれていたもの、それはカドミウムに曝露された人々が製造中に罹患した病気でした。その結果、カドテル太陽電池パネルは日本での設置が許可されていません。したがって、First Solarは日本でカドテル製品を販売できません。EUと米国、特にEUでは、非常に厳しく規制された排出法があり、カドテルの太陽電池パネルのライフサイクル全体のリサイクルが必要です。したがって、大規模なフィールド設置や商業ビルでは、20年または25年の寿命後にそれらをすべて収集し、工場に戻すのが非常に簡単なため、多くのカドテル太陽電池パネルを見ることができます。屋根に設置された何十万もの小さなシステムに分散しているのとは対照的です。

太陽電池パネルにカドミウムを含めることの利点についての議論は次のとおりです。カドミウムを比較的不活性な化合物であるカドテルに閉じ込める方が、それが単独で問題を引き起こすよりも良いです。加熱すると、カドテルは共融的に蒸発します。通常、火災中に放出されるカドミウムの量は「無視できる」とされていますが、これは研究であり、非常に良い研究であり、私は[INAUDIBLE]グループからの仕事を非常に信頼しています。彼の批評家は、研究はFirst Solarによって一部支払われたので、そのような研究をどのように信頼できるのかと主張するでしょう。私は反論して、これはかなり良いグループだと言うでしょう。ライフサイクル分析を行うすべての人のうち、彼はトップティアにいます。したがって、それについてはいくらか疑問があります。人々は、これらの研究で使用された温度が、火災の高温などで実際に得られる温度を代表しているかどうかを疑問視しています。公衆の恐怖と認識の問題があります。それは大きな問題です。そして、人々は、例えばニッケルカドミウム電池のような電池よりも、キロワット時あたり放出されるカドミウムがはるかに少ないと主張するでしょう。そして、安全な生産方法が現在あります。完全に自動化されており、法律でリサイクルが保証されています。

したがって、賛成と反対の議論があります。ここで停止します。そして、クラスの最後の15分間、チームを個別に呼び出します。私はあなたにメールしました。昨夜5時より前にメールをチェックした方は、特定のプロジェクトチームに所属しているというメールを受け取っているはずです。パートナーを見つけて、一緒に集まってください。ジョーと私は、最初のステップが明確であることを確認し、前進する道筋を立て、勢いをつけられるように、それぞれ数分間一緒に回ります。したがって、自己組織化し、あなたと話す機会を得る前に部屋を出ないでください。