平成 24 年度
修士論文
周期構造の応用による光起電力デバイスの
高効率化に関する研究
指導教員
三浦 健太 准教授
群馬大学大学院工学研究科
電気電子工学専攻
11801654
横田 潤一
第1章
緒言…………………………………………………………………………...1
1-1
研究背景…………………………………………………………………………....1
1-2
太陽電池の原理…………………………………………………………………….2
1-3
反射率低減のための表面構造の形成法………………………………………………..3
1-3-1
太陽電池表面での反射率低減技術……………………………………………...3
1-3-2
アルカリエッチング……………………………………………………………...3
1-3-3
酸エッチング……………………………………………………………………...3
1-3-4
ドライエッチング………………………………………………………………...4
1-3-5
マスクを利用したエッチング法………………………………………………...4
1-3-6
金属ナノ粒子を利用したエッチング法………………………………………...4
1-3-7
電気化学的方法……………………………………………………………….,,,,,,5
1-3-8
VLS 機構によるシリコンナノワイヤの成長………………………………….5
1-3-9
物理的形成方法…………………………………………………………………...5
1-3-10
表面構造転写法………………………………………………………………….6
1-4
テクスチャ構造…………………………………………………………………….7
1-5
研究目的…………………………………………………………………………....8
1-6
本論文の構成……………………………………………………………………….9
第2章
光起電力デバイス及び周期構造の作製と評価………………………….10
2-1
はじめに…………………………………………………………………………..10
2-2
ZnO を用いた光起電力デバイスの作製…………………………………………...11
2-3
2-2-1
ZnO について……………………………………………………………….11
2-2-2
スパッタリング法………………………………………………………….11
2-2-3
真空蒸着法…………………………………………………………………13
2-2-4
光起電力デバイスの作製方法……………………………………………...14
周期構造について………………………………………………………………...15
2-3-1 回折波の発生条件……………………………………………………………15
2-3-2
2-4
周期構造による回折ベクトルの作用………………………………………18
周期構造の作製…………………………………………………………………...18
2-4-1
2光束干渉露光法の原理…………………………………………………..18
2-4-2
2光束干渉露光法の実験系 ………………………………………………19
2-4-3
ECR エッチング……………………………………………………………20
2-4-4
周期構造の作製手順……………………………………………………….21
2-4-5
スピンコーターについて…………………………………………………..22
2-5
光学特性の評価…………………………………………………………………...23
2-5-1 周期構造の作製条件…………………………………………………………23
2-4
2-5
2-5-2
反射率について…………………………………………………………….24
2-5-3
透過率について…………………………………………………………… 25
周期構造を導入した試料の反射率、透過率………………………………………26
2-4-1
周期構造の周期別反射率の評価…………………………………………...26
2-4-2
周期構造の高さ別反射率の評価…………………………………………...28
2-4-3
周期構造の周期別及び深さ別の透過率の評価…………………………….28
まとめ…………………………………………………………………………......30
第3章
周期構造を導入した光起電力デバイスの評価………………………….31
3-1
はじめに…………………………………………………………………………..31
3-2
変換効率の測定方法………………………………………………………………32
3-3
周期構造の導入による光起電力デバイスの特性評価……………………………34
3-4
作製した試料の I-V 特性……………………………………………………….....35
3-4-1
周期 1400nm、高さ 500nm のときの I-V 特性と各パラメータ………………35
3-4-2
周期 1400nm、高さ 700nm のときの I-V 特性と各パラメータ……………..36
3-4-3
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチングをしたときの I-V 特性と…………..38
各パラメータ
3-5
まとめ……………………………………………………………………………..40
第4章
結言………………………………………………………………………….41
謝辞…………………………………………………………………………………….43
参考文献…………………………………………………………………………..........44
第1章
1-1
緒言
研究背景
近年、地球温暖化や化石燃料の枯渇、不安定な政情の国家からの燃料の輸入依存、さ
らには昨今に発生した福島第一原発事故によって代替エネルギーの重要性が叫ばれて
いる。そういった中で、特に風力、太陽光、地熱などの地球環境にクリーンな再生可能
エネルギーへの関心はより高まっている。全世界、特に発展途上国での人口増加や工業
の発展に伴い、年々エネルギー消費量が増え化石燃料の消費が急増し、CO2 などの温室
効果ガスの排出量の増加が地球温暖化をもたらし問題となっている。将来的に世界のエ
ネルギー消費量は増え続け、国際エネルギー機関(IEA)の試算によると、2002 年から 2030
年にかけて世界中のエネルギー消費量は約 60%増加する見込みであり、特に中国におい
ては 2002 年から 2030 年にかけての消費量は約 2 倍に増加するとみられている[1]。18
世紀末の産業革命以降大量に消費されてきた化石エネルギー資源の資源量は限りがあ
り、その中でも石油、天然ガス、ウランは数十年以内には枯渇してしまうと言われてい
る。したがって、これに代わる環境への負荷が少なく、化石燃料に頼らない新しいエネ
ルギーの開発、普及が世界中の課題となる。
このような現状によりクリーンエネルギーが重要視される中、太陽からの光エネルギ
ーをエネルギー源とした太陽電池が注目を浴びている。半導体を利用して光エネルギー
を直接電力に変換する太陽電池は、化石燃料と異なり燃焼による温室効果ガスの排出が
なく、太陽がある限り半永久的な発電が可能である。現時点での太陽電池の生産種類別
の世界シェアは単結晶シリコン、多結晶シリコンが大きな割合を占め、この 2 種類を合
わせたシェアは約 80%にも及ぶ。しかし、原料であるシリコンの需要が増え価格が急騰
したため製造コストが上がり、それによる太陽電池の普及への影響が懸念されている。
そのため、結晶系の太陽電池よりシリコンの使用量が大幅に少なくてすむ薄膜シリコン
系の太陽電池が期待されている。さらに、太陽電池の電極部分には主な材料として ITO
(酸化インジウムスズ)が使われているが、その主成分であるインジウムが埋蔵量の少
ない高価な希少金属であり、需要の拡大により枯渇の可能性があるので代替材料の開発
が急務となっている。これらによって、太陽電池の低コスト化、省資源化、生産に要す
るエネルギーの低減が可能となる。
結晶系の太陽電池の変換効率は約 15~20%程度、薄膜太陽電池の変換効率は約 7~10%
程度となっており[2]、結晶系のものと比べて変換効率が低く、効率の改善が求められ
ている。解決法として、太陽電池にテクスチャ構造を導入することにより、表面で光を
多重反射させ表面が平たんなものよりも有効に内部に取り込むことができる技術があ
る。
1-2
太陽電池の原理
太陽電池は光から直接電気エネルギーを取り出せる素子で、p 型と n 型の半導体を積
み重ねた構造になっており、この接合面に光を当てることで、内部光電効果により光電
子が発生し起電力を発生させる。pn 接合の接合部付近ではそれぞれの多数キャリアで
ある電子と正孔が互いに拡散して拡散電流を生じ、空乏層を形成する。pn 接合付近に
禁制帯幅 Eg より大きい光を照射すると、荷電子帯の電子はエネルギーを受け取り、伝
導帯に励起し伝導電子になり電流を流すキャリアとなる。同時に電子の抜けた箇所は正
孔となりこれもキャリアとなる。空乏層内で生成されたキャリアは、拡散電位差に起因
する電界により電子は n 領域へ、正孔は p 領域へと分離し送りだされる。これにより、
n 領域に負電圧が、p 領域には正電圧が現れ両領域間に起電圧が発生し、電極を取り付
けることで電流を外部に取り出すことができる[3]。
電流
負荷
光:hv>Eg
n型
p型
空乏層
励起
Eg
図 1-1
太陽電池の pn 接合
1-3
1-3-1
反射率低減のための表面構造の形成法
太陽電池表面での反射率低減技術
シリコン表面での表面形成構造は大きく分けて二種類ある。一つは、数ミクロンの大
きさの構造を有するもので、シリコン表面で複数回反射させたり、シリコン内部での光
路長を長くする効果がある。例えば、単結晶シリコンには、形成プロセスの単純なピラ
ミッド構造が主に利用されるが、より反射率の低い逆ピラミッド構造やハニカム構造等
も利用されている。もう一つは、ナノ構造を利用したもので、光の波長より小さい幾何
構造を形成し、シリコン基板と空気の屈折率の中間の屈折率を持たせるものである。ナ
ノワイヤ構造、ナノホイル・ナノハニカム構造などがあり、ブラックシリコンの形成を
目指す。また、複数回の光散乱が起こる数ミクロンの大きさのポアー構造と屈折率が変
わるナノシリコン構造が混在するポーラスシリコン層もある。
1-3-2
アルカリエッチング
単結晶型シリコン太陽電池では、一般的にシリコン表面をアルカリ水溶液でエッチン
グし、ピラミッド構造を形成する。これにより、一度反射した光が再びシリコンに入射
することによって、シリコン表面での実効的な反射率を低減できる。通常、平坦なシリ
コン表面での反射率は、入射光の波長や表面状態にもよるが 30%~50%と高く、この
表面にピラミッド構造を形成すると 10~20%まで低減でき、反射防止膜と組み合わせ
ると更に低減することができる。
1-3-3
酸エッチング
多結晶型シリコン太陽電池の場合、基板が結晶方位の異なる結晶粒からなるため、シ
リコン表面の方位もドメインにより異なる。そのため、アルカリエッチングでは、部分
的にしかマットテクスチャー面を形成することができない。そこで、多結晶シリコン太
陽電池のテクスチャ面形成技術として、フッ化水素酸と硝酸の混合水溶液を用いる方法
が一般的に用いられている。これは、硝酸がシリコン表面を酸化し、フッ化水素酸が酸
化膜をエッチングする反応機構によるものである。希釈剤として酢酸を添加した溶液を
用いる場合もある。この酸エッチングは、スライス時に形成された欠陥が優先的に起こ
るため、多結晶シリコン表面でも均一にテクスチャ面を形成できる。室温で処理でき、
有機物を添加しないので廃液処理が低コストでもある。多結晶シリコン表面の酸テクス
チャ面での反射率は、アルカリテクスチャ面よりも低く、10~30%である。
1-3-4
ドライエッチング
反応性イオンエッチング法より、シリコン表面にピラミッド構造、ピラー構造やナノ
ワイヤ構造などを形成する方法である。片面のみエッチングされるので、極薄の結晶型
太陽電池では強度が保たれ、歩留まりを改善できる。一般的には、SF6 と O2 の混合ガス
を用いる。SF6 は Si や SiO2 をエッチングする F ラジカル、O2 は側壁を保護する SiO2 や
SiOF を形成する O ラジカルの原料となる。Cl2 を添加すると保護膜の成長が促進され、
プラズマダメージが減るとの報告もある。比較的高コストであり、SF6 が温室効果ガス
であるという問題があるが、高付加価値太陽電池への利用が期待される。H2 ガスを用
いたリモート水素プラズマエッチングによっても、ピラミッド構造を形成したり、単に
ClF3 ガスに曝露するのみでハニカム構造を形成できるとの報告もある。
1-3-5
マスクを利用したエッチング法
シリコン表面にマスクを形成したのち、エッチングを行うことにより、逆ピラミッド
構造やハニカム構造などのより反射率の低い表面構造を形成でき、マスクによりエッチ
ングの反応サイトや反応種の拡散を制御することで、より複雑な構造を作製できる。マ
スクには、SiO2 薄膜をフォトリソグラフィでパターン形成したものや SiNx 薄膜をレー
ザーパターニングしたものなどが報告されている。この後、アルカリエッチング、酸エ
ッチングやドライエッチングによりシリコン基板の選択的エッチングを行う。単結晶太
陽電池では逆ピラミッド構造と、多結晶太陽電池ではハニカム構造と他の要素技術を組
み合わせることにより、AM1.5、 1sun 照射下で世界最高のエネルギー変換効率(単結
晶:25%、多結晶:20.4%)を記録している。マスク工程の低コスト化をねらい、織化し
た安価なポリスチレンや SiO2 の微粒子をマスクとして利用する研究も行われている。
1-3-6
金属ナノ粒子を利用したエッチング法
金属塩とフッ化水素酸の混合水溶液に 40~60℃でシリコン基板を浸漬し、析出した
金属ナノ粒子でシリコン基板をエッチングし、シリコンナノワイヤを形成することがで
きる。金属ナノ粒子の原料には、一般的にが AgNO3 用いられるが、K2PtCl6、KAuCl4、
Fe(NO3)、Mn(NO3)2 なども利用可能である。他にも、シリコン表面に s クリーン印刷法
で金属ナノ粒子を塗布したり、自己組織化により作製したマスクを利用して金属ナノ粒
子を配置してポアーを形成することによって反射率を低減する方法も存在する。
1-3-7
電気化学的方法
フッ化水素酸水溶液中で、シリコン表面を陽極酸化することによりポーラスシリコン
層を形成し、太陽電池に応用する研究も多く行われており、この方法により反射率を
10%以下に低減できる。しかし、シリコン基板に電圧を印加する機構は複雑で、大量生
産には用いられていない。また、シリコン表面を陽極酸化する際に、金属ナノ粒子を触
媒としたり、ポリスチレンナノ粒子をマスクとしたりすることにより、ナノハニカム構
造を形成できる。シリコン基板の裏面から侵入長の短い短波長の光を照射しながら陽極
酸化を行うと、光照射によって生成したホールがシリコンの酸化反応に寄与し、これが
ナノホールの先端に集中するため、そこでエッチングが早く進む。これにより、表面に
垂直で径が均一なナノホールを形成することもできる。
1-3-8
VLS 機構によるシリコンナノワイヤの成長
金属微粒子触媒を用いて、Vapor-Liquid-Solid(VLS)機構により、シリコンナノワイヤ
を形成する方法が開発されている。これは、①プラズマ気相成長法などにより SiH4 を
分解して生成する気相のシリコン化合物が金などの金属微粒子に吸着する②シリコン
と金属の共晶混合物が生成する③過飽和になったシリコン原子が微粒子表面に析出す
る④金属微粒子表面を鋳型として結晶成長が始まる⑤余剰シリコンがウィや状で析出
する、という反応機構によると考えられている。反射率は、20%以下低減できる。しか
し、触媒金属が Si 内に溶解して欠陥準位を生成する可能性があり、pn 接合や電極形成
が困難であるなどの問題を解決する技術の開発が重要である。
1-3-9
物理的形成方法
極薄のブレードを用いて、多結晶シリコン表面を機械的に研磨し、平行な V 字の溝
を均一に形成したマットテクスチャー構造も形成できる。単純な構造ではあるが、反射
防止膜と組み合わせれば、反射率を 10%以下に抑えることができる。N2、SF6、H2S な
どの気相中でパルスレーザーを用いてレーザーアブレーションを行い、シリコン表面に
マットテクスチャー構造を形成する方法も報告されている。ナノピラミッド構造、トレ
ンチ構造、ハニカム構造などが形成されており、反射率は 10%以下にできる。
1-3-10
表面構造転写法
極低反射率を実現する最適な構造を形成するために、モールドを作製しこれをシリコ
ン表面に転写する方法である。モールドは高価なものを利用しても繰り返し使えるので、
結果的にはコストは問題にならない。例えば、シリコンマットテクスチャー面に白金膜
を堆積したものをモールドとして用いて、これをフッ化水素酸と過酸化水素の混合水溶
液中でシリコン基板に接触させるだけで、逆ピラミッド構造をシリコン表面の面方位に
関係なく容易に作製することができる。多結晶シリコン表面にも、逆ピラミッド構造を
形成することによってモールドのシリコンマットテクスチャー面よりも低い反射率が
得られる[4]。
1-4
テクスチャ構造
前項で様々な表面加工方法を述べたが、太陽電池の変換効率向上のために広く一般的
に利用されているのは、アルカリエッチングを用いて作製される太陽電池に表面にラン
ダムな凹凸構造を施す図 1-2 のような表面テクスチャ構造である。NaOH や KOH など
のアルカリ溶液を用いてシリコンの面方位でのエッチング速度の違いを利用すること
で、四角錐で覆われた表面構造が形成される。この構造により
①電池表面での多重反射による反射率の低減
②光の進行が斜めになることによる光路長の増大
③内部全反射による光閉じ込めが可能
といった効果が期待できる(図 1-3)[5]。しかし、構造の制御が難しく再現性が低い、
成膜条件や膜厚に依存してしまうといった問題点がある。
図 1-2
テクスチャ構造の撮影像
(参考アドレス http://patent.astamuse.com/ja/published/JP/No/2011139023)
①
Si層
③
②
Al電極
図 1-3
テクスチャ構造の効果
1-5
研究目的
省資源、低コスト化が望める薄膜太陽電池は、結晶系の太陽電池より変換効率が低い
という欠点があり、変換効率の向上が課題となっている。そこで、本研究では、太陽電
池を想定した光起電力デバイスを作製し、ランダムテクスチャ構造に代わる表面構造と
して、制御が容易で再現性の高い図 1-4 のような周期的な凹凸構造(周期構造)を導入
する。それにより、入射光の反射を抑えることによる内部への光の吸収を増加させる効
果を期待し、変換効率の向上を目指す。
図 1-4
周期構造のレーザー顕微鏡撮影図
1-5 本論文の構成
本論文の構成は次の通りである。
第1章:緒言である。
第2章:光起電力デバイス及び周期構造の作製と評価について述べる
第3章:周期構造を導入した光起電力デバイスの評価について述べる
第4章:結言である。
第3章
光起電力デバイス及び周期構造の作製と評価
2-2 はじめに
現在、太陽電池の透明電極には ITO が一般的に使用されている。しかし、ITO に含ま
れている In はレアメタルであり産出量が少ないため相場価格は高価である。そこで、
ITO に替わる電極の材料として資源が豊富に存在し、価格も比較的安い ZnO(酸化亜鉛)
に注目した。スパッタリング法を用いて ZnO を成膜し透明電極として利用することで、
製造過程の簡略化や製造コストの削減が期待できる。
変換効率向上の手段として太陽電池表面にテクスチャ構造を導入ことにより表面で
の光の多重反射、透過光の光路長の増大させることで効率の向上が図られてきた。しか
し、再現性の低いことや制御が困難な点など問題点もある。そこで、本研究ではテクス
チャ構造に代わるものとして、微細パターンの作製技術であるフォトリソグラフィ技術
を用いて、周期的な凹凸構造を作製する。この技術を用いることでテクスチャ構造より
も再現性が高く、制御も容易な構造作製が可能となる。また、露光の際には簡単な操作
で任意の周期長のパターン作製ができ、フォトマスクを必要としないなどの利点をもつ
2 光束干渉露光法を用いた。さらに、太陽電池電極上への周期構造の転写には、低ガス
圧力下で使用により方向性のそろったイオンビームが得られ、加工精度の優れたエッチ
ングが可能である ECR(電子サイクロトロン共鳴)エッチングを用いた。
今回は1回目の露光後基板を 90°回転させ再度露光することで 2 次元正方格子の周
期構造を作製し、これによる表面での反射率の低減を目指し、最も反射率が抑えられる
最適周期長の探索をおこなう。
図 2-1
作製する光起電力デバイスの概略図
2-2
ZnO を用いた光起電力デバイスの作製
2-2-1
ZnO について
In に替わる透明導電膜材料の候補として酸化鉛(PbO2)、酸化カドミウム(CdO)
、酸
化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)等がある。これらのうち、PbO2 および CdO は毒性の
観点から工業的に採用されることは難しいと考えられる。SnO2 系は、低抵抗な膜を得
るには 350℃以上の高い基板温度が要求されること、また酸に不溶なため微細加工が困
難であることから、工業的な採用にはその用途が限定されてしまう。これに対し、ZnO
は安価で豊富な材料であり毒性も無い。さらに光透過率も高く、抵抗率も ITO に匹敵す
る値が報告されており、代替材料の有力候補と考えられる[6]。ZnO の成膜方法は様々
なものがあるが、本研究ではスパッタリング法を用いた。ドーパントを含まない ZnO
膜をスパッタリング法で成膜することにより 5×10-4Ω・cm の低抵抗率を得られる[7]。
本研究では透明電極である ZnO 膜の成膜に RF(Radio Frequency-高周波)スパッタリン
グ法を用いた。
2-2-2
スパッタリング法
装置のチャンバ内を真空状態にし、その中にスパッタリングガスを導入する。この状
態で内部に電圧を印加しプラズマを発生させる。そして、ガス中で加速されたイオンが
陰極にあたるターゲットに衝突する。この際、ターゲットはイオンの突入により結晶が
損傷を受けるとともに、結晶格子を構成する原子が相互に衝突を繰り返し表面の原子や
分子が外部に放出される。この放出された粒子を基板に付着させ成膜をおこなう方法が
スパッタリング法である[8]。また、RF(高周波)電源を用いることで DC(直流)スパ
ッタリングではできない絶縁物からの成膜も可能であり、様々な材料の薄膜を作製でき
る。また、その他のスパッタリング法の特徴としては
・ 成膜時間を変えるだけで膜厚の制御が可能
・ 反応性ガスを導入することで窒化物、酸化物の成膜が可能
・ 膜の原料となる粒子の持つエネルギーが大きく試料への付着力が大きい
・ 合金系や化合物のなど、原料の組成比を変えずに成膜ができる
・ 大面積でも均一に成膜ができる
といったものが挙げられる。
RF スパッタリング装置の概略図を図 2-2 に示す。
図 2-2
RF スパッタリング装置の概略図
次に、本研究で用いた ZnO 薄膜のスパッタリング条件を以下に示す。
表 2-1
本研究で用いたスパッタリング条件は、過去に行われた本研究室での研究結果に基づ
いて設定した。上記の条件で H2 ガスを混合し ZnO 薄膜を成膜して作製された光起電力
デバイスが高い電流-電圧特性を得られたという研究報告が上がっている[9]。
2-2-3
真空蒸着法
本研究では光起電力デバイスの裏面には真空蒸着装置(ULVAC、YH-500)を用いて
Al を成膜した。図 2-3 に真空蒸着装置の概略図を示す。
図 2-3
真空蒸着装置の概略図
真空状態にしたチャンバ内で、蒸発用ボートに成膜したい薄膜材を入れそのボートを
加熱し、薄膜材を高温溶融して蒸発させる。高温に保たれた蒸発源と低い温度に保たれ
た基板表面との間の飽和蒸気圧の差を利用し、基板の表面に目的の物質を析出させて薄
膜を形成させる。膜厚の制御は水晶振動膜厚計の値の変化を読み取り、シャッターの開
閉によって行う[10]。
2-2-4
光起電力デバイスの作製方法
本研究では p 型 Si 基板上に ZnO 薄膜を成膜し、それを透明電極兼 n 層として太陽電
池を想定した光起電力デバイスを作製した。光起電力デバイスの作製手順を以下に示す。
① p 型 Si ウエハを 11.5[cm]×2.45[cm]目安にカットする。
② カットした基板をフッ酸に 3 分間浸し洗浄する(Si 基板上に付着している酸化
膜を除去するため)。
③ 真空蒸着装置で裏面電極である Al を裏面に成膜する。
④ RF スパッタリング装置で透明電極となる ZnO を表面に成膜する。
⑤ 表面と裏面に導電性エポキシ(Chemitronics 社、CW2400)を用いて導線を接着
する。この時、ドライオーブンで 90℃、20 分間ベークする。
以下にデバイス作製工程のイメージ図を示す。
図 2-4
光起電力デバイス作製工程のイメージ図
2-3
周期構造について
2-3-1 回折波の発生条件
周期的な凹凸構造をもつ基板に光を入射すると、基板表面での反射光と透過光には散
乱波または回折波が発生する。特に、表面構造に周期性がある場合、回折格子と同様に
0 次光、1 次光のような次数が与えられる回折波が発生する。反射低減を目指すための
表面構造では回折波が発生しない程度に周期構造を細かくする必要がある。図 2-5 のよ
うに屈折率が n1 から n2 にかわる境界面に周期 d の表面構造がある場合、波長λの光を
θin の角度で入射すると回折波の角度θ(m)は
n1 sin θ in + m
λ
d
= n i sin θ r(,mt )
(ni=n1 or n2)
(2-1)
で表される。mは回折工の次数を表す整数であり、ni は反射;n1、透過:n2 である。θ
の添え字は r:反射、t:透過を表す。(2-1)式を波数を用いて表すと
k in sin θ + mG = k r ,t sin (r m,t )
(2-2)
と表せる。kr=2πn1/λ、kt=2πn2/λであり、G=2π/d で定義される逆格子定数である。
(2-2)式は入射光の波数ベクトルに kin の境界面に平行な成分(左辺第一項)に、格子
ベクトル G の整数倍(左辺第二項)を足したものが境界面成分(右辺)になることを
意味している。
図 2-5
周期構造で発生する回折波
(2-1)式において周期 d か小さくなると、第 2 項(mλ/d)が n1 や n2 より大きくなる。
このような条件では、式を満たすのは次数 m が 0 の時だけになり、高次の回折光が発
生せず 0 次光だけが表れる。例えば、レンズ表面での光の反射を低減させるモスアイ構
造では、0 次以外の回折光は迷光になるので、表面構造の周期はこれらの式にしたがい
短く設定される。回折波が発生しない周期構造の周期 d の条件は、垂直入射において
d<λ/ni(ni:n1 と n2 の大きいほう)であり、全ての入射角度で発生しない条件は d<λ/(2
ni)である。
周期構造は LED などの光の発光効率を改善する用途としても用いられる。光取り出
し効率の向上を目指す場合、周期構造の周期は長く設定される。LED チップは屈折率
が高く、外部の空気の屈折率のほうが低いため臨海角度を超えた光は境界面で全反射し
てしまい外部に取り出せない。(2-2)式では n1 が大きく n2 が小さいため、m=0 の条件
では入射角度θin が arcsinθ(n2/ n1)より大きいと両辺の等号が成り立たない。しかし、m
が負のとき左辺の値は小さくなるので、等式が成り立つ回折角度θt(m)の条件が存在する。
この負の次数をもつ回折光を使って、全反射して取り出せなかった光を外部に取り出す
ことができる[4]。
2-3-2
周期構造による回折ベクトルの作用
太陽電池に入射した光は、全てが電池内に入射するわけではなく反射してしまう成分
がある。それが光エネルギーの損失となり出力低下の原因であると考えられる。そこで、
太陽電池表面に周期構造を施すことにより、表面での入射光の反射を回折ベクトルの作
用により抑えることができ、太陽電池内により多くの光を取り込むことが期待できる。
本来、光取り出しのような屈折率の高い層から低い層へと光が入射する場合には全反射
臨界角を算出できるので、その値から最適周期を求めることができる。しかし、本研究
のように太陽電池の表面に用いる場合のように、屈折率が低い層から高い層へと光が入
射する場合は境界面で全反射することはないが、境界面で入射光が全て回折することな
く、ある割合の光が反射してしまうことは同じである。この反射する光に対して回折ベ
クトルが作用により反射光を抑えることができると考えられる[11]。
今回、全反射臨界角を計算で求めることができず最適周期が設定できない。さらに周
期構造の凹凸の高さも回折効率に影響するためこれも考慮する必要がある[12]。したが
って、周期別、高さ別にサンプルをつくり、光学特性を測定することで最適周期の探索
をおこなった。
図 2-6
回折ベクトルの作用による反射光抑制
2-4
2-4-1
周期構造の作製
2光束干渉露光法の原理
周期構造の作製には2光束干渉露光法を用いた。図 2-7 に原理を示す。
D=λ/nsinθ
D:周期
λ:波長(=325nm)
θ:2 つの波長の傾斜角
n:空気の屈折率
A1,A2:それぞれの波面の光強度
図 2-7
2 光束干渉露光の原理
同一波長を持つ、たがいにコヒーレントな光波は互いに相関が強く、干渉を起こす。
パターンを作製する試料は x 軸上にあるとする。試料に対して 2 方向から角度θだけ傾
いて入射する。1 つの波面の伝播方向を z 軸方向として、他方の伝播方向軸 z’が y 軸を
中心に角度θだけ傾いているときのそれぞれの電界は
Ey1=A1exp[j(ω0t-k0nz+Φ1)]
2
y
E =A2exp[j{ω0t-k0n(zcosθ+xsinθ)+Φ2}]
(2-3)
(2-4)
と表される。従って、試料上の光強度分布を求めると、
IL(x)=(k0n/2ωµ0)・[A12+A22+2A1A2cos{Φ1-Φ2+k0n(z-zcosθ-xsinθ)}]
(2-5)
となる。試料は x 軸上に固定されているので、{Φ1-Φ2+k0n(z-zcosθ)}は定数であり、IL(x)
は x に依存して濃淡を変え、干渉縞が得られる。その干渉縞の周期 D は
D=λ/nsinθ
(2-6)
である。干渉縞は 2 つの光強度 A1、A2 が同じ場合には明暗の差が明瞭になり、差があ
るときには干渉縞の明瞭度は弱められる。入射角θが大きくなるほど、周期 D は小さ
くなる。また、n は空気の屈折率である[13]。
2-4-2
2光束干渉露光法の実験系
図 2-8 に2光束干渉露光の実験系を示す。
図 2-8
2 光束干渉露光の実験系
光源に He-Cd レーザ(λ=325nm)を用いて露光した。He-Cd レーザのビーム径は 1.2mm
と狭く、試料に照射する光はより広い範囲を必要とするためビームエキスパンダでビー
ム径を約 40 倍に拡大する。その光をハーフミラーで透過光と反射光とに二分し、ミラ
ーの角度を調節し反射させ基板上で干渉させる。はじめに 1 回露光することで基板上に
1 次元の周期構造を作製し、その後基板を 90°回転させ、再度露光することにより 2 次
元正方格子の周期構造を作製した。この際、周期構造の周期は基板とハーフミラーとの
距離を変えることで調整し、He-Cd レーザの照射時間の制御は電磁シャッターを用いて
調整した。
2-4-3
ECR エッチング
周期構造を試料上に転写するためにドライエッチングの一種である ECR(電子サイ
クロトロン共鳴)エッチングを用いた。以下に ECR エッチング装置(ANELVA、RIB-300)
の概略図を示す。
図 2-9
エッチング装置概略図
フォトレジスト表面上に作製された周期構造は転写の際マスクとして作用し、エッチ
ングを施すことで試料上に導入される。イオン源のなかで発生した電子はマイクロ波に
よって非常に速い速度で振動する。このときイオン源にマイクロ波の進行方向と平行な
磁界を印加すると、磁場とマイクロ波による電場との相互作用により電子が螺旋を描き
ドリフト運動をおこなう。磁場の強度がある程度になると電子サイクロトロン共鳴の条
件が満たされ、電子がイオン源の中で加速される。このため、イオン源の中での電子衝
突による中性粒子の電離確率が高まり 10-3Pa 台の真空度において高電離プラズマが生
成される。この ECR イオン源よりイオンを引出し、電界を加えて加速させ試料に照射
することによりエッチングをおこなう。低ガス圧力下で使用するので方向性のそろった
イオンビームが得られ、加工精度の高いエッチングが可能となる[14]。
本研究では以下の条件でエッチングをおこなった。
表 2-2
エッチング条件
2-4-4
周期構造の作製手順
周期構造の作製手順を以下に示す。
① スピンコーターを用いて、フォトレジスト(東京応化製、THMR-iP3500HP)を試料
に塗布する。
② ドライオーブンで 90℃、90 秒間プリベークする。
③ 図 2-4 の実験系を用いて露光する。
④ ドライオーブンで 110℃、90 秒間ポストベークする。
⑤ 冷却後、NMD3 現像液に 65 秒間浸し現像を行い露光した部分を除去する。
⑥ エッチングを行い試料の表面に周期構造を導入する。
⑦ エッチング後、アセトンで残っているフォトレジスト膜を除去し、AFM やレーザー
顕微鏡で表面を観察する。
②の段階でプリベークをおこなうのはフォトレジスト中に残っている溶媒や水分を
追い出し、膜を緻密にするためであり、④の段階でポストベークをおこなうのはレジス
ト膜の密着性とエッチングに対する耐性を高めるためである。[15]
図 2-10
周期構造作製手順イメージ図
2-4-5
スピンコーターについて
試料表面へのフォトレジストの塗布はスピンコーター(MISAKI 1H-D7)を用いた。シ
リコンウェハーやガラス等の基盤表面にフォトレジストを均一に回転塗布することを
目的とした装置である。基盤にフォトレジストを滴下し、回転数、回転時間を設定しス
タートさせる。高速回転により余分なレジストは除去され、基盤上には適量のレジスト
が残り、さらに回転させることで溶媒が蒸発し、感光性有機物質のみが基盤上に均一に
コーティングされます。レジストの膜厚は、スピンコーターの回転数、レジストの粘性、
温度環境などにより数 10nm から数μm に調整することができる[16]。以下に回転数と
フォトレジスト膜厚の関連性を示したグラフを示す。回転数をかえてサンプルをいくつ
か作製し、段差計(ULVAC、Dektak3st)を用いて膜厚を測定したものを基にグラフ化
した。
1200
1100
レジスト膜厚(nm)
1000
900
800
700
600
500
400
1000
2000
3000
4000
5000
6000
回 転 数 (rp m )
図 2-11
スピンコーターの回転数と膜厚の関係
7000
2-5
光学特性の評価
2-5-1 周期構造の作製条件
周期構造を試料の表面に導入したものと導入していないフラットなものの反射率、透
過率をそれぞれ分光光度計(島津製作所、UV-310PC)を用いて測定した。今回周期構
造の周期長と高さを変えることによって光学特性がどのように変化するか探索するた
めに、以下のように変化させた2次元正方格子の周期構造を作製した。
・周期
1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、周期なし
・高さ
500nm、700nm、900nm、1100nm、周期なし
図 2-12
光学特性評価で用いた試料の概略図
条件を変えて作製した周期構造の反射率、透過率それぞれの測定結果を表したグラフ
を次ページ以降の図 2-16~2-19 に示した。
2-5-2
反射率について
試料の反射率の測定には分光光度計を用いた。光源から出された光を波長ごとに分け
る部分(分光部)と、分けた光を試料に当てて光の弱くなる程度を測定する部分(光度
計)を有する構造となっている。V-N 法と呼ばれる方法で絶対反射率の測定をおこなっ
た。
図 2-13
絶対反射率測定の光学系統図
図 2-13 に分光光度計の絶対反射率測定の光学系統図を示した。分光光度計の試料室
に鏡面反射測定装置を設置する。ミラーb を移動させず固定した状態の光路で 100%補
正をする。次にミラーb を少し移動させミラーc を回転させる。この状態で試料を設置
すると、ミラーを移動させてない時の全光路長とそれぞれのミラーの入射角が同一で試
料表面での反射が加わった光路長となり、試料面の絶対反射率を測定できる[17]。
図 2-14
鏡面反射測定装置
2-5-3
透過率について
透過率は分光光度計の試料室に図 2-15 のフィルムホルダを設置しそこに試料を固定
し測定する。試料に当てる光の強さを Ii、試料を透過した光の強さを It、補正のため基
板のない場合の透過率 A で割ると透過率 T[%]は
T [%] =
It
÷ A × 100
Ii
で表せる。
図 2-15
フィルムホルダ
(2-7)
2-4
周期構造を導入した試料の反射率、透過率
2-4-1
周期構造の周期別反射率の評価
周期構造の周期パターン無し(Flat)のレジストのみをコーティングした試料と周期
を、1000、1200、1400、1600、1800 と変化させた 2 次元正方格子の周期構造を ZnO 薄
膜上に作製した。高さは 500nm で統一した。それぞれの試料の反射率を分光光度計を
用いて測定した。図 2-16 に測定結果を示す。
図 2-16
周期の異なる周期構造の反射率
横軸が波長、縦軸が反射率を表している。測定結果を見てみると、いずれの周期の時
も周期構造を導入した試料は Flat な試料と比較すると全体的に反射率が低減している
のが確認できる。
太陽光のピーク波長である波長 500nm 付近を見てみると、周期 1400nm
の試料が最も低い値を示し、表面が Flat な試料と比較すると約 15%程度の低減が見ら
れた。
2-4-2
周期構造の深さ別反射率の評価
ZnO 薄膜上に高さ 500nm、700nm、900nm、1100nm と変化させた周期構造を作製し
それぞれの反射率を測定した。周期は 1400nm に統一した。図 2-17 に測定結果を示す。
図 2-17
高さの異なる周期構造の反射率
測定結果を見てみると、表面が flat な試料よりも周期構造を施した試料のほうが全体
的に低減されていた。特に周期構造の高さが 1100nm の試料が波長帯に関わらず最も反
射率が低減されており、表面が flat な試料と波長 500nm 付近で比較すると約 10%程度
の低減がみられた。
2-4-3
周期構造の周期別及び深さ別の透過率の評価
反射率を測定した時と同様に周期別(flat、1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm)
と高さ別(flat、500nm、700nm、900nm、1100nm)の周期構造を ZnO 薄膜上に作製し
それぞれの試料の透過率の測定結果を図 2-18、図 2-19 に示す。
図 2-18
周期の異なる周期構造の透過率
図 2-19
高さの異なる周期構造の透過率
横軸が波長、縦軸が透過率を表している。透過率の測定結果をみてみると、周期別及
び高さ別どちらも表面が flat なものより周期構造を施した試料のほうが、透過率は低く
なる結果が得られた。透過率が低減してしまった原因として、膜内への光の吸収や透過
率を測定した分光光度計の測定原理が関係していると考えられる。透過率の測定器は試
料を透過した光の垂直成分しか検出できない。図 2-20 に周期構造を施していないレジ
ストのみをコーティングした試料と周期構造を施した試料に対し垂直にレーザー光を
当てたときの様子を写真で示す。レジストのみの試料では光が垂直に透過しているのに
対し、周期構造を施した試料は透過光が散乱しているのがわかる。これは、周期構造が
回折格子のはたらきをすることによって光が回折したためによるものだと思われる。こ
のような現象により実際には光は透過しているが光が回折してしまい、透過光として検
出されない成分があるので実験結果の透過率は全体的に低減してしまったと考えられ
る。さらに、反射率測定の際もこの回折の作用により検出できない成分があると考えら
れるので、今後測定方法の検討が必要である。
(a)周期構造なし
図 2-20
(b)周期構造あり
周期構造を有無による透過光の進む様子
2-5
まとめ
本章では、薄膜太陽電池を想定した光起電力デバイスの作製、及び試料の表面に周期
構造を導入することによる光学特性の評価をおこない、反射率が最も抑えられるような
周期構造の最適周期の探索をおこなった。
光起電力デバイスには透明電極に n 層の役割を担い光透過率、低抵抗率を有する ZnO
を用いた。p-Si 基板上に、ZnO はスパッタリング法を裏面電極である Al は真空蒸着法
を用いてそれぞれ成膜し試料を作製した。
2 光束干渉露光法を用いて 2 次元正方格子の周期構造を作製した。まず、周期構造の
高さを統一し、周期を 1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm と設定し、それぞ
れの反射率を測定した。周期構造を施した試料は、周期構造を施していない試料よりも
全体的に反射率が低減される結果となった。太陽光のピーク波長 500nm 付近では周期
1400nm の試料が最も反射率を低減しており、フラットな表面のものと比べ 15%程度の
低減がみられた。次に、周期構造の周期を統一し、高さを 500nm、700nm、900nm、1100nm
と設定し、それぞれの反射率を測定した。結果は、周期構造の高さが大きくなるにつれ
て反射率も低減していく傾向がみられ、高さ 1100nm の試料が最も反射率を低減した。
特に太陽光のピーク波長 500nm 付近ではフラットな表面のものより 10%程度の低減が
みられた。透過率の結果は、周期、高さの変化に関わらず、周期構造を施した試料はフ
ラットな表面の試料より透過率が減少している測定結果を得た。これは、入射した光が
試料の膜内に吸収されてしまったことによるものと、透過率測定に使用した分光光度計
の測定原理が関係しているものと思われる。透過率の測定器は試料を透過した光の垂直
成分しか検出できない。周期構造が回折格子のはたらきをすることで、実際には光は透
過しているが光が回折してしまい、透過光として検出されない成分があるので実験結果
の透過率は全体的に低減してしまったと考えられる。
第3章
3-1
周期構造を導入した光起電力デバイスの評価
はじめに
前章で薄膜太陽電池を想定した光起電力デバイスを作製したが、実際に光に当てて作
製した試料の性能の良し悪しを評価する必要がある。太陽電池の性能は変換効率により
評価される。太陽電池に当たる光エネルギーのうちどれだけ電気エネルギーが取り出せ
るかの割合であり
出力された電気エネルギー
×100 [%]
η=
太陽からの光エネルギー
で表される。しかし、太陽光の照射条件が同じ場合でも、太陽電池の負荷が変わってし
まうと取り出せる出力も変化してしまい、効率が変わってしまう。そこで、太陽放射の
空気質量照射条件が AM(Air Mass:通過空気質量) 1.5、入力光の出力を 100[mW/cm2]と規
格化し、負荷条件を変えた場合の最大電気出力との比を公称効率と呼び、この値を国際
基準として定義している[18]。本研究では、この定義にのっとり照射光からの出力が
100[mW/cm2]になるような条件のもと、周期構造を施した太陽電池の変換効率の測定を
おこなった。
3-2
変換効率の測定方法
太陽電池の変換効率を求めるため、本研究で用いた測定回路を図 3-1 に示す。
図 3-1
変換効率を求めるための測定系
入射光源には白熱電球を用いた。照射光の強さが 100[mW/cm2]となるような場所をカ
ロリメータを用いて探索し、そこに試料を光源に対し垂直に設置した。端子を開放した
時の電圧を開放電圧 Voc、短絡した時の電流を短絡電流 Isc と呼ぶ。変換効率の測定は、
最初に Voc を測定し、次に抵抗値を徐々に上げていきそのときの電圧値を測定すると同
時にマルチメータを用いて電流値を測定した。測定で得られた値を以下の式に代入する
ことで変換効率ηを算出することができる。
η=
=
Vmax ⋅ I max
× 100
Pin ⋅ S
Voc ⋅ I sc ⋅ FF
× 100
2
100[mW / cm ]
(3.1)
= Voc [V ] ⋅ I sc [mA / cm 2 ] ⋅ FF
ここで Vmax と Imax は最大出力点:Pmax の時の電圧値と電流値であり、S はの受光面積
である。また FF(fill factor:曲線因子)は以下の式で与えられる。
FF =
Vmax ⋅ I max
Voc ⋅ I sc
(3.2)
FF は太陽電池が図 3-2 のような特性を取る時、斜線部分の面積を P=Voc×Isc で決ま
る面積(図 3-2 の色のついた部分)で割って得られる値であり、太陽電池の性能を示す
指数である。理想状態では 0.8 以上の値が期待できるが電池内部の抵抗成分の影響を受
け一般的に 0.7~0.75 値をとる[19]。
図 3-2
一般的な太陽電池の電流‐電圧(I-V)特性
3-3
周期構造の導入による光起電力デバイスの特性評価
第 2 章で行った周期構造の反射率の測定結果から周期 1400nm の時、反射率が抑えら
れることが分かった。さらに、高さの異なる周期構造の反射率の測定結果から高さが大
きい方が反射率を抑えられる傾向が見られた。第 2 章
で示した手順で光起電力デバイ
スを作製し、図 3-1 の測定系で出力特性を測定した。その後、周期構造を光起電力デバ
イスの表面に実装し出力特性を再測定し、周期構造の有無で変換効率が改善されるかを
探索した。
図 3-3
周期構造をフォトレジスト上(①)、ZnO 電極上(②)及び周期構造を
導入していない(③)光起電力デバイスの模式図
3-4
3-4-1
作製した試料の I-V 特性
周期 1400nm、高さ 500nm のときの I-V 特性と各パラメータ
周期 1400nm、高さ 500nm、レジスト上に周期構造を導入したものと、周期構造を導
入していないもののそれぞれの出力特性を測定した。測定結果である I-V 特性を図 3-4
に、測定結果から算出した各パラメータを表 3-1 に示す。
0.55
0.50
周期無し
周期あり
0.45
Current(mA)
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Voltage(mV)
図 3-4
表 3-1
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチング無しの時の I-V 特性
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチング無しの時の各パラメータ
結果より、周期構造を施した試料とそうでないものとで特性に違いがみられた。周期
構造を有しているものは短絡電流は約 1.6 倍、変換効率は約 2.2 倍となり周期構造を有
していない試料より出力の向上がみられた。これは、周期構造の作用によりデバイス表
面での光の反射が抑えられ、内部へより多くの光が入射したことによると思われる。
3-4-2
周期 1400nm、高さ 700nm のときの I-V 特性と各パラメータ
周期 1400nm、高さ 700nm、レジスト上に周期構造を導入したものと、周期構造を導
入していないもののそれぞれの出力特性を測定した。測定結果である I-V 特性を図 3-5
Current(mA)
に、測定結果から算出した各パラメータを表 3-2 に示す。
3.2
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
周期なし
周期あり
0
50
100
150
200
Voltage(mV)
図 3-5
表 3-2
周期 1400nm、高さ 700nm、エッチング無しのときの I-V 特性
周期 1400nm、高さ 700nm、エッチング無しのときの各パラメータ
結果より、周期構造を施した試料とそうでない試料とで特性に違いがみられた。周期
構造を有している試料は短絡電流が約 2.8 倍、変換効率が約 2.5 倍となり特性の向上が
みられた。これも、周期構造がデバイスの表面で入射光に作用し反射を低減させたこと
によるものだと考えられる。さらに、エッチングをおこなうことでより大きな特性の向
上を達成できると思われる。
以下に周期 1400nm、高さ 500nm、700nm の周期構造のレーザー顕微鏡での観察像を示
す。
(a)
図 3-6
(b)
周期 1400nm、高さ 500nm の周期構造の鳥瞰図(a)と断面図(b)の
レーザー顕微鏡観察図
(a)
図 3-7
(b)
周期 1400nm、高さ 700nm の周期構造の鳥瞰図(a)と断面図(b)の
レーザー顕微鏡観察図
3-4-3
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチングをしたときの I-V 特性と
各パラメータ
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチングをおこない ZnO 透明電極上に周期構造を導入
したものと、周期構造を導入していないもののそれぞれの出力特性を測定した。測定結
果である I-V 特性を図 3-8 に、測定結果から算出した各パラメータを表 3-3 に示す。
1.0
周期なし
周期あり
Current(mA)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
120
Voltage(mV)
図 3-8
表 3-3
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチングをした時の I-V 特性
周期 1400nm、高さ 500nm、エッチングをした時の各パラメータ
結果より、周子構造を ZnO 電極上にエッチングした試料とそうでないものとで特性に
違いがみられた。周期構造を導入した試料のほうが短絡電流は約 2.6、変換効率は約 2.8
倍となり周期構造を有していない試料より出力の改善がみられた。周期構造をエッチン
グをおこない ZnO 電極上に導入したことで、光を効率よく内部へ取り入れることがで
きたからであると思われる。
以下にエッチングした試料のレーザー顕微鏡での観察図を示す。
(a)
図 3-9
(b)
エッチング後の周期 1400nm、高さ 500nm の周期構造の鳥瞰図(a)と断面図(b)の
レーザー顕微鏡観察図
図 3-9 からほぼ設定どおりの周期構造が作製できた。しかし、凹凸の形状を詳しく観察
すると理想的な円錐の形状になっておらず、凹凸の頂点部分が削れてしまっているのが
見て取れる。原因としてはエッチングをおこなう際のエッチング時間が長すぎたためだ
と考えられる。今後はエッチング条件(ガス流量、露光時間、加速電圧など)や露光条
件の見直しが必要である。
3-5
まとめ
前章の周期構造の反射率に関する結果から反射率低減が確認できた。本章では、周期
構造を光起電力デバイスに施し I-V 特性を評価した。
光起電力デバイスに周期 1400nm で高さ 500nm と 700nm の周期構造を導入した。周
期 500nm のものは電極部分に周期構造をエッチングした試料も作製した。高さ 500nm
の試料は表面がフラットな試料に比べ短絡電流は約 1.6 倍、
変換効率は約 2.2 倍なった。
エッチングをおこない、高さ 500nm の周期構造を電極部分に実装した試料は短絡電流
約 2.6、変換効率は約 2.8 倍となった。高さ 700nm の試料は短絡電流が約 2.8 倍、変換
効率が約 2.5 倍となった。どの試料も変換効率の向上が見られた。これは周期構造の作
用により、入射光のデバイス表面での反射が抑えられ、デバイス内部へのより多くの光
を取り込むことができたからであると考えられる。さらに、周期構造の高さが高くなる
と見かけの屈折率がゆるやかになり屈折率差が小さくなり、それにより光が反射しにく
くなるとも考えられる。したがって、より高い周期構造を太陽電池に導入することで、
更なる変換効率の向上が期待できる。また、高さ 500nm の周期構造を導入した試料の
エッチングの有無で特性を比較すると、エッチングをした試料のほうが短絡電流、変換
効率ともに向上の割合が大きいことが確認できた。これは、エッチングをおこなってい
ない試料は、その分膜厚が大きくなってしまい、光の吸収が起こってしまったことが出
力の低下に繋がっていると考えられる。エッチングをすることで光の吸収の影響が小さ
くなると思われる。
第5章
結言
本研究では、太陽電池の透明電極に使われている ITO の代替材料として期待される
ZnO を用いて薄膜太陽電池を想定した光起電力デバイスを作製した。そして、フォトリ
ソグラフィを用いて 2 次元正方格子の周期構造を光起電力デバイスに導入し変換効率
の向上を狙った。
第 2 章では、薄膜太陽電池を想定した光起電力デバイスの作製、周期構造を導入する
ことによる光学特性の評価をおこない、反射率が最より抑えられるような周期構造の最
適周期の探索について述べた。
光起電力デバイスには表面電極部に n 層の役割を担い光透過率、低抵抗率を有する
ZnO(n 層兼透明電極)を用いた。p-Si 基板上に、スパッタリング法で ZnO を真空蒸着
法で Al(裏面電極)をそれぞれ成膜し試料を作製した。
2 光束干渉露光法を用いて 2 次元正方格子の周期構造を作製した。まず、周期構造の
高さを統一し、周期を変化させた試料(1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm)
と、周期構造の周期を統一し、高さを変化させた試料(500nm、700nm、900nm、1100nm)
をそれぞれ作製し、反射率を測定した。周期の異なる周期構造を施した試料は、周期構
造を施していない試料よりも全体的に反射率が低減される結果を得た。太陽光のピーク
波長 500nm 付近では周期 1400nm の試料が最も反射率を低減しており、フラットな表面
のものと比べ 15%程度の低減がみられた。また、周期構造の高さが異なる試料につい
ても反射率も低減していく傾向がみられ、高さ 1100nm の試料が最も反射率を低減し、
特に太陽光のピーク波長 500nm 付近ではフラットな表面のものより 10%程度の低減が
みられた。透過率の結果は、周期、高さの変化に関わらず、周期構造を施した試料はフ
ラットな表面の試料より透過率が減少する結果を得た。これは、入射した光が試料の膜
内への吸収が起こってしまったことや、透過率測定に使用した分光光度計の測定原理が
関係しているものと思われる。透過率の測定器は試料を透過した光の垂直成分を検出す
る。周期構造が回折格子のはたらきをすることで、実際には光は透過しているが光が回
折してしまい、透過光として検出されない成分があるので実験結果の透過率は全体的に
低減してしまったと考えられる。このため、回折した光も検出できるような透過率の測
定系が必要である。
第 3 章では本章では、周期構造を光起電力デバイスに施した場合の I-V 特性を評価し
た。
前章の周期構造の反射率に関する結果から反射率低減が確認できたので、光起電力デ
バイスに周期 1400nm で高さ 500nm と 700nm の周期構造を導入し、表面がフラットな
ものと比較した。また、周期 500nm の電極部分に周期構造をエッチングした試料も作
製した。高さ 500nm の試料は短絡電流が約 1.6 倍、変換効率は約 2.2 倍となった。エッ
チングをおこない、高さ 500nm の周期構造を電極部分に実装した試料は短絡電流約 2.6
倍、変換効率は約 2.8 倍となった。高さ 700nm の試料は短絡電流が約 2.8 倍、変換効率
が約 2.5 倍となった。周期構造を導入した試料はいずれも変換効率が向上した。これは
周期構造の作用によって、デバイス表面での入射光の反射が低減され、デバイスの内部
へより多くの光を取り込んだためだと思われる。より高さのある周期構造を導入するこ
とで屈折率差が小さくなり、反射が抑えられると考えられるので変換効率の向上が望め
る。また、高さ 500nm の周期構造のエッチングの有無による特性を比較すると、エッ
チングをした試料のほうが短絡電流、変換効率ともに向上の割合が大きくなった。原因
として、エッチングなしの試料は膜厚が大きく、膜内で光の吸収が起こってしまったこ
とが出力の低減に繋がっていると思われる。電極上にパターンをエッチングすることで
特性の向上が期待できる。さらに、エッチング条件を見直し、周期構造を理想的な円柱
形の形状に近づけることで、更なる変換効率の高効率化が望める。
謝辞
本研究を行うにあたり、非常に興味深い研究テーマをご提示頂き、とても充実した研
究を行う環境を与えてくださり、さらには終始丁寧かつ適切なご助言、ご指導を頂いた
三浦健太准教授に心より感謝いたします。
研究を進めるにあたり問題解決に対する姿勢、発表に関してのご指摘、ご指導を頂い
た花泉修教授に感謝いたします。
本論文を作成するにあたり、ご多忙の中審査して頂いた高橋佳孝准教授に深く感謝致
します。
本研究をおこなうにあたり、多くの専門知識と、問題に対する的確なご助言をいただ
きました技術職員の野口克也氏に心より感謝いたします。
日々の研究をおこなうにあたり、良い研究成果を求め研究パートナーとして共に研究
を行って下さった修士 1 年王蒙懿氏、学部 4 年鈴木智也氏に心より感謝いたします。
本研究をおこなうにあたり、共に助け合い、研究生活や日常生活をとても有意義なも
のにしていただき、三浦、花泉両研究室の同期院生並びに後輩の皆様に心より感謝いた
します。
最後に、日常生活から学生生活において有意義なものになるよう陰ながら支えてくれ
た両親に心より感謝いたします。
本研究では多くの方々のご指導、ご助言のもとになされたものであり、様々な面で協
力していただいた関係諸氏に改めて感謝し、御礼申し上げます。
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周期構造の応用による光起電力デバイスの 高効率化に関する研究