宇宙用次世代太陽電池材料のプロセス探索

下一代太空太阳能电池材料的工艺探索

• 批准号: 21J20526
• 负责人: 用正 大地
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J20526/
• 关键词: 窒化ガリウム; 窒化物半導体; 結晶成長; 表面再構成; 第一原理計算

次世代の太陽電池材料として、窒化物半導体の混晶であるAlGaInNを利用することで高い変換効率の達成が期待できる。さらにⅢ族窒化物半導体は耐放射線性に優れているため、宇宙利用にも適している。この宇宙用高効率エネルギー変換デバイスを実現するためには、気相成長のプロセスを理論的に解明し、実験において適切に制御する必要がある。本年度は結晶の成長速度が速く、自立基板を製造するのに適しているGaN-THVPE法の成長過程を理解するための理論解析を行った。具体的には第一原理計算を主軸として、有限温度・ガス分圧下で表面エネルギーを計算する手法と、成長表面のエネルギーをバルク基準で計算する手法を組み合わせることで、異なる成長方向の表面の安定性を評価する計算手法を提案し、THVPE法で成長中のGaN結晶表面に適用した。解析の結果、極性面、非極性面、半極性面における最安定な再構成構造の温度・分圧依存性が明らかになった。主としてEC(Electron Counting)則に従う、表面のGaにClが吸着した構造および表面のNにHが吸着した構造が安定であったが、温度の上昇によって理想表面が安定する場合もあった。これは高温ではClやHが気体分子として安定化するためである。また、典型的な実験条件下において上述の最安定構造を有する極性面、非極性面、半極性面のバルク基準の表面エネルギー（絶対表面エネルギー）を比較したところ、(10-10)および(000-1)が安定であることがわかった。さらに絶対表面エネルギーを利用してウルフ構造の決定を行ったところ、低温においては(10-10)と(000-1)が出現するが、高温においては(10-10)、(000-1)に加えて(10-1-1)が出現することがわかった。こうした結果は実験報告とも一致しており、実験結果を理論的に説明することに成功した。

通过使用氮化物半导体的混合晶体作为下一代太阳能电池材料，可以预期高转化效率。此外，III组氮化物半导体也适合在空间中使用，因为它们具有极好的辐射电阻。为了实现这种高效的能量转换装置，用于空间使用设备，对于在实验中的蒸气沉积过程和适当控制的理论理解是必要的。今年，我们进行了理论分析，以了解GAN-THVPE方法的生长过程，该方法具有高晶体生长速率，适合于制造自支撑底物。具体而言，我们提出了一种计算方法，该方法通过将基于第一原理计算的有限温度和气体部分压力在不同生长方向上评估表面在不同生长方向的稳定性，并将其应用于使用THVPE方法的增长GAN晶体表面。该分析揭示了极性，非极性和半极性表面上最稳定的重建结构的温度和部分压力依赖性。 Cl在表面上的GA上吸附的结构和H表面上的H吸附在N上，主要遵循EC（电子计数）定律，但在某些情况下，由于温度的升高，理想的表面稳定下来。这是因为CL和H作为高温下的气体分子稳定。此外，当比较在典型的实验条件下所描述的最稳定结构的极性，非极性和半极表面的基于块状的表面能（绝对表面能）时，发现（10-10）和（000-1）稳定。此外，当使用绝对表面能确定狼结构时，发现（10-10）和（000-1）出现在低温下，但是（10-10）和（000-1）出现（10-10）和（10-10）和（000-1）。这些结果与实验报告一致，我们能够从理论上成功解释实验结果。