Un team di ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e della Waseda University ha prodotto con successo silicio monocristallino a film sottile di alta qualità con una ridotta densità di difetti cristallini fino al livello del wafer di silicio a un tasso di crescita che è più di 10 volte superiore a prima . In linea di principio, questo metodo può migliorare la resa della materia prima fino a quasi il 100%. Perciò, ci si può aspettare che questa tecnologia consentirà di ridurre drasticamente i costi di produzione mantenendo l'efficienza di generazione di energia delle celle solari in silicio monocristallino, che sono utilizzati nella maggior parte delle celle solari ad alta efficienza.

Convertire in modo efficiente l'energia solare per generare elettricità è una soluzione efficace al problema del riscaldamento globale legato alla CO ₂ emissioni. Rendendo più sottili le celle solari al silicio monocristallino che sono al centro dei sistemi di generazione di energia solare, è possibile ridurre notevolmente i costi delle materie prime, che rappresentano circa il 40 per cento del costo dei moduli attuali. Renderli flessibili e più leggeri aumenterebbe l'utilizzo e diminuirebbe i costi.

Inoltre, come metodo per ridurre i costi di produzione, Le celle solari al silicio monocristallino a film sottile che utilizzano un doppio strato di silicio poroso (DPSL) tramite sollevamento stanno attirando l'attenzione. Tra le sfide tecniche relative alle celle solari al silicio monocristallino che utilizzano il decollo ci sono (1) la formazione di un film sottile di alta qualità a livello di wafer di silicio, (2) ottenere una struttura porosa che può essere facilmente sollevata (staccata), (3) migliorare il tasso di crescita e la resa della materia prima Si (i costi delle attrezzature necessarie sono determinati dal tasso di crescita), e (4) essere in grado di utilizzare il substrato dopo il sollevamento senza alcuno spreco.

Per vincere la sfida (1), era necessario chiarire i principali fattori che determinano la qualità dei cristalli a film sottile cresciuti su silicio poroso, e sviluppare una tecnica per controllarli.

Un gruppo di ricerca congiunto composto dal professor Manabu Ihara e dall'assistente professore Kei Hasegawa del Tokyo Tech, e il professor Suguru Noda della Waseda University ha sviluppato un silicio monocristallino a film sottile di alta qualità con uno spessore di circa 10 μm e una ridotta densità di difetti cristallini fino al livello del wafer di silicio con un tasso di crescita che è più di 10 volte superiore a prima. Primo, silicio poroso nano-ordine a doppio strato viene generato sulla superficie di un wafer monocristallino utilizzando una tecnica elettrochimica. Prossimo, la superficie è stata levigata con una rugosità da 0,2 a 0,3 nm tramite un metodo di ricristallizzazione con riscaldamento a zona unico (metodo ZHR), e questo substrato è stato utilizzato per la crescita ad alta velocità per ottenere un film sottile monocristallino con un'elevata qualità dei cristalli. Il film cresciuto può essere facilmente rimosso utilizzando lo strato di Si poroso a doppio strato, e il substrato può essere riutilizzato o utilizzato come fonte di evaporazione per la crescita del film sottile, che riduce notevolmente la perdita di materiale. Quando la rugosità superficiale del substrato sottostante viene ridotta modificando le condizioni del metodo ZHR, la densità del difetto del cristallo a film sottile che è stato coltivato è diminuita, e alla fine il team è riuscito a ridurlo al livello del wafer di Si di circa 1/10. Ciò dimostra quantitativamente che una rugosità superficiale nell'intervallo di soli 0,1-0,2 nm (livello di atomi a diverse decine di strati) ha un impatto importante sulla formazione di difetti cristallini, che è anche interessante come meccanismo di crescita dei cristalli.

Il tasso di formazione del film e il tasso di conversione della sorgente di Si al Si a film sottile sono colli di bottiglia nella produzione di Si monocristallino a film sottile. Con deposizione chimica da vapore (CVD), che viene utilizzato principalmente per l'epitassia, la velocità massima di formazione del film è di pochi μm/he la resa è di circa il 10 percento. Presso il Laboratorio Noda della Waseda University, invece della normale deposizione fisica da vapore (PVD) in cui il Si grezzo viene vaporizzato intorno al suo punto di fusione di 1414 ?C, vaporizzando il Si grezzo a una temperatura molto più alta di> 2000 gradi C, è stato sviluppato un metodo di evaporazione rapida (RVD) con un'elevata pressione di vapore di Si in grado di depositare Si a 10 μm/min. I ricercatori hanno scoperto che la tecnologia ZHR risolve i problemi tecnici e riduce drasticamente i costi di produzione del processo di decollo.

Sulla base dei risultati di questo studio, non solo il team ha scoperto i principali fattori per migliorare la qualità dei cristalli durante la rapida crescita sul silicio poroso utilizzato per il processo di distacco, sono riusciti a controllarli. I risultati sono pubblicati sulla rivista Royal Society of Chemistry (RSC) CrystEngComm e sarà presente sulla copertina interna del numero.