ＳＤＧs事業膨張時代 ①

　　　　

彦根藩二代当主である井伊直孝公をお寺の門前で手招き雷雨から救ったと伝え
られる"招き猫"と、井伊軍団のシンボルとも言える赤備え。（戦国時代の軍団
編成の一種で、あらゆる武具を朱塗りにした部隊編のこと）の兜（かぶと）を
合体させて生まれたキャラクタ。

 

　

 　黒の革命

炭素繊維で「世界最高」の8GPa到達、航空宇宙用途に
11月10日、東レは、炭素繊維として「世界最高」（同社）の強度を有する「ト
レカT1200」を開発（図1）。引っ張り強度は8.0GPaを示す。ゴルフクラブのシ
ャフトや釣りざおなどのスポーツ用途に加え、自動車や航空機のボディーなど
への展開を見据える。2026年までに量産化を目指す。これまで同社の炭素繊維
のラインアップで最高強度だった「トレカT1100」の引っ張り強度は7.0GPaだっ
た。新たな炭素繊維は、炭素の結晶構造をナノレベルで制御して「結晶が乱れ
た内部構造」（同社）を意図的に造っている。これにより、繊維がちぎれる際
、破断面に凹凸を形成しながら破壊が進むようになる。破断面が滑らかにちぎ
れる従来品より、凹凸にちぎれる開発品の方が、破壊が進展しにくいため強度
が増す。 従来品に比べて、開発品の破断面は凹凸に乱れている。この凹凸が
破壊進展に抵抗するため、破断面が滑らかな従来品より強度が増す/

 図１．東レの高強度炭素繊維

Si上に高密度・高均一量子ナノワイヤー作製
11月10日、電気通信大学の研究グループは，従来よりも10倍以上の高い密度で，
かつ細線直径の標準偏差が10%以下の高均一なInAs（インジウムヒ素）量子ナノ
ワイヤー（量子細線）を Si（シリコン）基板上に作製する技術を開発。

【要点】
１．InAs量子ナノワイヤーのSi基板上への作製に成功
２．従来比10倍以上の高密度、標準偏差10％以下の高均一化を実現
３．量子サイズ効果を確認
４．次世代の量子デバイスへの応用に期待

【概要】
電気通信大学大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻の山口浩一教授らの研究
グループは従来よりも10倍以上の高い密度で、かつ細線直径の標準偏差が10％
以下の高均一なInAs（インジウムヒ素）量子ナノワイヤー[2] （量子細線）を
Si（シリコン）基板上に作製する技術を開発。本研究で開発した成長技術によ
り、量子ナノワイヤー内に量子ドット[3]構造を内蔵した新しい量子ナノデバイ
スなどへの展開が期待されます。 半導体量子ナノワイヤーは、次世代の縦型ト
ランジスタやメモリーに加え、量子細線レーザーなどの光電子デバイスの超集
積化や高効率の量子構造太陽電池、高感度・高密度の量子ナノセンサーなどさ
まざまなデバイスへの応用が見通されているが、高密度で高均一な量子ナノワ
イヤー構造の作製は難しく、高度な結晶成長技術の開発が求められていた。本
研究では分子線エピタキシー（MBE）法により、Si基板表面の酸化膜にGa（ガ
リウム）のナノ液滴を堆積させ、基板の加熱による反応過程を経てナノメート
ル（nm、ナノは10億分の1）サイズのピンホールを形成。この酸化膜のピンホー
ル底のSi基板結晶からInAs単結晶核を形成し、高さ方向に成長したInAsナノワ
イヤーが高密度かつ高均一に形成されていることを確認。従来のナノワイヤー
に比べて10倍から100倍の高い密度で、さらに量子サイズ効果を発現する量子
ナノワイヤーを高均一（標準偏差8.8％）に作製することができた。次世代の
多様な量子ナノデバイスを構成する量子ナノワイヤーの高品質な作製技術とし
て、幅広い応用が見込まれている。

【背景】
半導体量子ナノ構造の結晶成長技術の進展により、将来の光デバイス応用の新
展開に大きな期待が寄せられている。特に半導体を直径数十nm～数百nmの柱状
に成長させた半導体ナノワイヤーは、次世代の縦型トランジスタやメモリーの
ほか、量子ナノセンサーや量子細線レーザー、量子構造太陽電池などの光電子
デバイスへの応用が見込まれている。その中でも、InAsなどのIII-V族半導体は
その特異な光電子物性から、デバイスの高機能化に貢献すると期待されている。
従来よりも10倍以上の高い密度で、かつ細線直径の標準偏差[1]が10％以下の高
均一なInAs（インジウムヒ素）量子ナノワイヤー （量子細線）をSi（シリコン
）基板上に作製する技術を開発。本研究で開発した成長技術により、量子ナノ
ワイヤー内に量子ドット構造を内蔵した新しい量子ナノデバイスなどへの展開
が期待されている。 半導体量子ナノワイヤーは、次世代の縦型トランジスタや
メモリーに加え、量子細線レーザーなどの光電子デバイスの超集積化や高効率
の量子構造太陽電池、高感度・高密度の量子ナノセンサーなどさまざまなデバ
イスへの応用が見通されているが、高密度で高均一な量子ナノワイヤー構造の
作製は難しく、高度な結晶成長技術の開発が求められていた。 分子線エピタキ
シー（MBE）法によりSi基板表面の酸化膜にGa（ガリウム）のナノ液滴を堆積
させ、基板の加熱による反応過程を経てナノメートル（nmのノは10億分の1）
サイズのピンホールを形成。この酸化膜のピンホール底のSi基板結晶からInAs
単結晶核を形成し、高さ方向に成長したInAsナノワイヤーが高密度かつ高均
一に形成されていることを確認。従来のナノワイヤーに比べて10倍から100倍
の高い密度で、 さらに量子サイズ効果を発現する量子ナノワイヤーを高均一
（標準偏差8.8％）に作製することができました。次世代の多様な量子ナノデ
バイスを構成する量子ナノワイヤーの高品質な作製技術として、幅広い応用が
見込まれる。
このような高機能な次世代デバイスに量子ナノワイヤーを応用するには、量子
ナノワイヤーのサイズ制御や高密度化などの基盤技術が必要になるが、従来の
多くのナノワイヤー成長では、サイズが直径100 nm～数百nm と比較的大きいも
のが多く、電子の量子閉じ込め効果が十分ではありませんでした。量子サイズ
効果を発現させるには、InAs ナノワイヤーの直径を40nm 以下に制御して作製
する必要があり、さらにこの微小な量子ナノワイヤー構造を高密度かつ高均一
に作製する高品質な結晶成長技術が求められていた。

【手法・成果】
今回、高密度で高均一な量子ナノワイヤー構造の作製に向けて、MBE 法を使い、
Si 基板表面の酸化膜にGa ナノ液滴を堆積し、基板加熱による反応過程によっ
てナノメートルサイズのピンホールを形成する手法を用いました。この際、Ga
液滴の供給量や反応温度、Si酸化膜表面の清浄化が重要になります。特に酸化
膜表面の清浄化については電子線の照射による表面への炭素などの吸着がピン
ホールの形成を阻害することが分かりました。このことから表面構造の観察に
用いる電子線照射や表面パターン形成のための電子線照射などのプロセスは避
ける必要があることを明らかにした。このようにしてSi酸化膜に高品質なピン
ホールを作製した上で、ピンホール底のSi基板結晶からInAs 単結晶核を形成
し高さ方向の成長が促進された六方晶（ウルツ鉱構造）のInAsナノワイヤーを
高密度かつ高均一に形成した。
結晶成長実験では、面内密度が1～2×10¹⁰ cm-2 のInAs ナノワイヤーが再現
性高く得られ、従来のナノワイヤーの10倍から100倍の高い密度で形成できた。
また、ナノワイヤー構造以外の堆積物や多結晶粒の形成も抑制できることから、
直径30nm以下の細いナノワイヤー構造を制御性高く作製することが可能になり
これによって量子サイズ効果を発現する量子ナノワイヤーを標準偏差8.8％と高
均一に作製することに成功した。




【展望】
高密度で高均一な半導体量子ナノワイヤーがSi 基板上に作製できたことで、Si
基板に集積する次世代の縦型トランジスタやメモリーのほか、量子ドット構造を
内蔵した量子細線レーザーや量子構造太陽電池、量子ナノセンサーなどの量子デ
バイスの高機能化や超集積化が可能になると期待される。今後は、異種半導体結
晶のヘテロ接合を導入したコア・シェル構造の量子ナノワイヤーや量子ドットナ
ノワイヤーの作製を行い、量子デバイス応用について検討する予定。
（論文情報）
雑誌名：「Journal of Applied Physics」Vol.134, (2023) 154302.
論文タイトル：High-density and high-uniformity InAs quantum nanowires on Si(111)
　　　　　　　　substrates
著者：R. Nakagawa, R. Watanabe, N. Miyashita, and K. Yamaguchi
DOI 番号：10.1063/5.0156299
（用語説明）
[1]標準偏差：データや確率変数の平均値からの散らばり具合（ばらつき）を表
 す指標の一つ
[2]半導体量子ナノワイヤー：半導体の細線構造で、細線の直径が電子の波長以
 下（数nm～数十nm）程度の柱状に成長させた2次元的な量子閉じ込め構造。量子
 細線とも呼ばれる[3]量子ドット：数nm～数十nm サイズの微小3次元構造に電子
 を量子閉じ込めした構造で、原子内の電子のような振舞いを示すことから人工
 原子とも呼ばれる。
分子線エピタキシー法：超高真空の容器内で、加熱した基板上に高純度の成
 長原料を分子ビーム状にして照射させ、単結晶薄膜を成長させる方法
ピンホール：Si基板表面上の薄い酸化膜に形成されたナノメートルサイズの
 穴のこと
[6]量子サイズ効果：電子の波長以下程度の微小な半導体結晶内に電子を閉じ込
 めることで、電子の波長よりも十分大きなバルク結晶内の電子の振舞いと異な
 る性質が現われる効果。例えば、電子のエネルギー状態が離散化（量子化）さ
 れて量子準位となり、その量子サイズによって量子準位が変化する効果。

高効率で安定したペロブスカイト－シリコンタンデム型太陽電池
高バンドギャップペロブスカイトの正孔選択層の分子工学
【背景】
最新の業界ロードマップである ITRPV (2023) によると、Siベースのタンデム
太陽電池は 2027 年から太陽光発電技術ミックスの一部となる予定。ペロブス
カイト太陽電池技術は、タンデム太陽電池の候補となる性能と製造の容易さを
備えている。ロブスカイト－Siタンデムセルの研究は、過去６年間で非常に大
きな関心を集めており、エネルギー変換効率が急速に向上。
ここでは、高バンドギャップPSC 向けに、正孔抽出を強化し、非発光再結合を
抑制する新しい自己組織化単層 (SAM) を設計。チャンピオンの 1.67 eVペロブ
スカイトセルは、非常に低いバンドギャップ電圧オフセット (0.41 V) を達成
し、ペロブスカイトとシリコンのタンデムに実装することで、チャンピオンデ
バイスは 1cm2で 28.9% の電力変換効率を達成。 新しい SAM の使用による安
定性の向上により、タンデムデバイスは国際電気標準会議 61215の熱サイクル
試験を合格。
 

【要役】
この研究では、単接合およびタンデムセルの実証のために、高バンドギャップ
(1.67 eV) ペロブスカイトにおける効率的な正孔抽出を促進し、キャリア再結
合を抑制する新しいカルバゾールベースの SAM (Ph-2PACz) が開発。 チャンピ
オンの効率 21.3%の1.67 eV セルは、82.6% の高い曲線因子 (FF) と 1.26Vの
開回路電圧 (VOC) を生成し、0.41 V での低いバンドギャップ電圧オフセット
を示した。モノリシックペロブスカイト-Si タンデムの上部ペロブスカイトセ
ルに接続すると、28.9%(1cm2) の PCE および1.91 V の VOC が得られた。
カプセル化されたタンデムセルは、連続1太陽照明 (680時間) および湿った熱
(85℃ + 85%相対湿度で 280 時間) の下で優れた安定性を示し、国際電気標準
会議 (IEC) 61215 の熱サイクルに合格しました (200サイクル)。-40℃および
85℃) テストでは、初期 PCE98.8%を達成。

【概説と展望】
有機-無機ハイブリッド金属ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池 (PSC) は、
近年非常に研究の関心を集めている。

１．これらは、優れた吸収係数、
２．欠陥耐性、
３．優れたキャリア寿命と拡散長、
４．および製造の容易さ。

最近、最高の PSC の認定電力変換効率 (PCE) は 26.1%に達し、単接合太陽電
池の理論的限界である 33.8%に漸近。単接合セルの効率限界を超えるには、高
バンドギャップのペロブスカイトを、結晶シリコン (c-Si)、二セレン化銅イン
ジウムガリウム (CIGS)、有機太陽光発電などの適切な低バンドギャップの太陽
電池材料 (OPV)と統合。 またはペロブスカイトは、熱化とサブバンドギャップ
吸収損失を軽減する効果的かつ有望な方法であることが証明されている。
このような二重接合太陽電池の概念には、理論上の限界が45%と高くなりる。
さまざまな二重接合ペロブスカイトタンデム技術の中で、ペロブスカイト-Siタ
ンデムは、最も有望で最も研究されているアプローチの１つであり、最良のデ
バイスの認定PCEとして認められている。最近では33.7％に達している。
ハイバンドギャップ PSC (約 1.67 eV) は、出力電流整合を達成するための高
性能ペロブスカイト - シリコンタンデムのトップセルに適している。 ただし、
これらのハイバンドギャップ PSC は、バンドギャップが高いという欠点があり、
電圧オフセット、WOC (= Eth/q − VOC、ここで Eth は「バンドギャップ」とし
て大まかに定義される吸収端、q は素電荷)、中間バンドギャップ (例:1.5 eV
) PSC と比較。11 ハイバンドギャップ PSC のWOC が大きいのは、相分離、非
発光再結合 ペロブスカイト層と電荷選択層の間のエネルギー的不整列 に起因
すると考えられている。最初の２つの問題については、純ヨウ化物が考えられ
る。ペロブスカイトと不動態化は、それぞれ相分離と非放射再結合を抑制する
ために開発されました。正孔選択性材料に関しては、ポリ[ビス(4-フェニル)
(2,4,6-トリメチルフェニル) アミン] (PTAA)、ポリ [N,N'-ビス(4-ブチルフェ
ニル)-N,N'-ビス(フェニル)-ベンジ (ポリ-TPD)、ポリ(3,4-エチレンジオキシ
チフェン):ポリ(スチレンスルホネート) (PEDOT:PSS) および NiOXが影響を受
ける これを克服するために、効果的な正孔選択層 (HSL) として自己組織化単
分子層 (SAM) が登場。SAMは通常、アンカー基、スペーサー、および末端基で
構成される。これらのグループで利用可能な選択肢により、機能のための大き
な設計スペースが可能となる。SAM-HSL には、材料消費量の少なさ、濡れ性の
向上、欠陥の不動態化などの他の利点もある。
最初の２つの問題については、相分離と非放射再結合を抑制に、それぞれ純ヨ
ウ化物ペロブスカイトと不動態化 が開発された。電子選択性材料に関しては、
インデンス C60 ビス付加物 (ICBA) WOC を最小限に抑えるために、高バンド
ギャップ PSCでは浅いエネルギー準位が利用されている。チルフェニル）アミ
ン] (PTAA)、ポリ[N,N'-ビス(4-ブチルフェニル)-N,N'-ビス(フェニル)-ベンジ
(ポリ-TPD)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチフェン):ポリ(スチレンスルホネー
ト) ) (PEDOT:PSS) と NiOXは、高バンドギャップ ペロブスカイトによるエネ
ルギー バンドのずれに悩まされ、その結果、深刻な WOCが発生。 これを克服
するために、自己組織化単分子層 (SAM) が登場。有効正孔選択層（HSL）。SAM
は通常、アンカー基、スペーサー、および末端基で構成。これらのグループで
利用可能な選択肢により機能のための大きな設計スペースが可能になる。SAM-
HSLには、材料消費量の少なさ、濡れ性の向上、欠陥の不動態化などの他の利
点もある。高性能ペロブスカイト電池の実証に最近使用されている典型的な末
端基には、カルバゾール、フェノチアジン、スピロ酸 (スピロ[スピロビフルオ
レンス)。追加の界面材料特性は、異なるアンカー基を使用することにより実現
できる。カルバゾールベースの SAM-HSLは、その優れた安定性とペロブスカイ
トとのエネルギー準位の整列により出現し、「電子が豊富」で正孔選択性に有
利。以前の報告の１つは、(2-{3,6-ビス[ビス(4-メトキシフェニル)アミノ]-
9H-カルバゾール-9-イル}エチル)ホスホン酸(V1036) およびブチルホスホン酸
(C4) の使用に関するもので、p-i-n PSCの正孔選択コンタクトとして使用され
17.8%の PCEを実現。
これに続いて、[2-(9H-カルバゾール-9-イル) エチル] ホスホン酸 (2PACz)、
[2-(3,6-ジメトキシ-9H-カルバゾール-9-イル) エチル] ホスホン酸などの新し
い SAM HSL (MeO-2PAcz) および 4-(3,6-ジメチルカルバゾール-9-イル) ブチ
ルホスホン酸 (Me-4PACz) は、ペロブスカイトまたは 高バンドギャップ PSC
の高速正孔抽出により、その性能、通常は VOC とフィルファクター (FF) が
大幅に向上。これらのレポートで使用されている末端基の分子構造は、次のよ
うな理由により電荷移動を制限する可能性があります。非局在化電子の密度が
低くなる。さらに、これらの SAMの一部でペロブスカイトを完全にカバーする
ことも困難0。したがって、非発光再結合を抑制しながら電荷輸送を改善には、
SAM HSL の合理的な設計が強く望まれる。これは、電子の非局在化を可能にす
る拡張共役系によって達成できる。これにより、分子のエネルギー的安定化に
もつながり、材料の安定性が向上9。 したがって、この研究では、新しいカル
バゾール SAM を開発します。 HSL は、(2-(3,6-ジフェニル-9H-カルバゾール
-9-イル)エチル)ホスホン酸 (Ph-2PACz) に基づき、２つのベンゼン環を導入し
て拡張共役系を作成。 Ph-2PACz のカルバゾール誘導体 (3,6-ジフェニル-9H-
カルバゾール) の歪んだ構造は、π-π 分子間相互作用を弱め、それにより自
己集合を促進します。その結果、PCEは 21.3%、VOCは 1.26V および 82.6%の
FFは、チャンピオンの 1.67 eV p-i-n ガラス/インジウム錫酸化物 (ITO)/Ph
-2PACz/Cs0.15FA0.65MA0.2Pb(I0.8Br0.2)3/LiF/C60/2により達成。ジメチル-4,
7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン (BCP)/Cu PSC。 これらの値は、以前に
報告された Me-4PACz SAM-HSL に基づく1.68eV PSCよりも高い。さらに新規
の Ph-2PACz を使用しモノリシックペロブスカイト-Si タンデム太陽電池を実
証。 チャンピオンのデバイスは、1.91V の VOC で 28.9% の PCE を生成した。
これは、実証されたペロブスカイ-Siタンデムの中で最も高い値の１つ。 さら
に、カプセル化された Ph-2PACz タンデムデバイスは、PTAA および 2PACz
ベースの対応物と比較して、光、熱、および湿気に対する安定性が向上。特に、
カプセル化されたPh-2PACzベースのペロブスカイト-Siタンデムデバイスは、
-40℃と85℃の間のIEC 61215 2021熱サイクル試験に合格200サイクル後も初期
PCEの98.8%を維持。この研究では、1.67eV p-i-n PSC に３つの異なるHSLが使
用された。それらは、広く使用されているPTAA、市販のSAM 2PACz、および
新しく開発および合成されたSAM Ph-2PACz。それぞれの分子構造を図 1A に
示。 2PACzと比較すると、Ph-2PACzのカルバゾール部分の反対側の端にベン
ゼン環が導入されているす。

【関係技術情報】
Molecular engineering of hole-selective layer for high band gap perovskites for highly
efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells 　　　
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435123003975

　　風蕭々と碧い時












 
●　今夜の寸評:　今さらでなく　今から
  老人性欝病症候群というものがあるのかわからないが、気候変動も手伝いネ
　ガティブな言葉が頭を過ぎる昨今。体調復帰を試みている今夜・それでも、
　回復すれば、真夜作業もいとわいようになる。この作業もそうだ。外は打っ
　て変わって強風だが、今月の「月訓」をかみしめる。