様式３立 S22-21

高効率 Cu(In, Ga)Se2 太陽電池における ZnO/CdS 界面の化学結合状態評価
Chemical analysis of ZnO/CdS interface in Cu(In, Ga)Se2 solar cell阿部 泰宏a, 中西 康次b, 峯元 高志a, 太田 俊明b, 高倉 秀行cYasuhiro Abea, Koji Nakanishib, Takashi Minemotoa, Toshiaki Ohtab, Hideyuki Takakuraca立命館大学 立命館グローバル・イノベーション研究機構, b 立命館大学 SR センター,c
立命館大学 理工学部a
Ritsumeikan Global Innovation Research Organization, Ritsumeikan University,b
The SR Center, Ritsumeikan University, cCollege of Science and Engineering, Ritsumeikan University
高スループットな薄膜堆積方法であるスパッタ法は、薄膜太陽電池の作製において主に ZnO 窓層や透明導電膜の堆積に使われている。スパッタ法は蒸着物のエネルギーが高いので、下部層へのダメージや界面層の形成が懸念される。本研究で我々は ZnO/CdS 界面の化学結合状態や結晶構造を調べた。その結果、ZnO/CdS 界面に硫酸化合物が形成していること見出した。さらに ZnO 堆積によって、CdS 表面部はアモルファス化していることを見出した。
In the fabrication of thin film solar cells, a sputtering method is mainly used for depositing ZnO window
and transparent conductive oxide layers because of high throughput. There are the concerns such asdegradation of an underlayer and formation of an interface layer due to the high energy deposition of a targetmaterial. In this study, we investigated the local structures such as chemical bonding state and crystal quality
at the ZnO/CdS interface. We found that a sulfate compound formed in the vicinity of the ZnO/CdS interface.
Moreover, we found that the surface part of the CdS layer was amorphized.
Keywords: Sputtering, XANES, Interface, Solar cell, ZnO, CdS, Sulfate compound
注目した。なぜなら XAFS は化学結合状態だ
背景と研究目的： 太陽光発電を普及させる
けでなく、結晶性の評価も可能だからである。
ために、太陽電池の高効率化と発電コストのさらに、部分蛍光収量 (PFY) 法と全電子収量
低 下 が 求 め ら れ て い る 。 特 に Cu(In,Ga)Se2(TEY) 法を組み合わせれば深さ方向分解測(CIGS) 薄膜太陽電池は省原料の点で有利で定が可能な利点もある。本研究では ZnO/CdSあり、盛んに研究が行われている。
界面の化学結合状態と結晶構造を調べた。
一方、スパッタ法は高スループットな薄膜堆実験：2.5 μm-CIGS/800 nm-Mo/ソーダライム
積方法であることから、薄膜太陽電池の作製
ガラス (SLG) 基板上に化学析出法を用いてプロセスで広く用いられている。スパッタ法
100 nmのCdS層を堆積した。その後、膜厚 1はクヌーセンセルや電子ビームを用いた蒸着～63 nmのZnO層を高周波マグネトロンスパ法よりも蒸着物のエネルギーが高いので、下ッタ法で堆積した。このように作製した試料部層へダメージや界面層の形成が懸念される。のXAFS測定を行った。XAFS測定は立命館大
CIGS 薄膜太陽電池作製において、スパッタ学SRセンター BL-10 で実施した。硫黄 (S) K
ダメージが変換効率低下を引き起こしていると亜鉛 (Zn) LIII&LII吸収端XANES測定におと提案した報告があるが [1]、スパッタダメ
い て 、 分 光 結 晶 は そ れ ぞ れ InSb(111) とージによる下部層の物理的な変化は明らかにBeryl(101 0)を用いた。深さ方向分解測定のたなっていない。
めPFY法とTEY法の同時測定を行った。
一般的な CIGS 薄膜太陽電池は透明導電膜
結果および考察： ZnO膜厚を 18～63 nmに変(TCO)/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG 構造となって化させた試料におけるSのK吸収端XANESス
おり、ZnO 窓層や TCO 層の堆積にスパッタペクトル (PFY法) を図 1 に示す。比較のため法が用いられている。しかし、ZnO/CdS 界面ZnO層を堆積していない試料の結果も示す。
におけるスパッタダメージや界面層の形成にPFY法ではZnO膜厚が変化しても、スペクトついて調査した報告はない。我々はこのルにほとんど変化は認められない。一方、図ZnO/CdS 界面構造の評価方法として XAFS に

様式３

文 献
[1] S. Shimakawa, Y. Hashimoto, S. Hayashi, T.
Satoh, and T. Negami, Sol. Energy Mater. Sol.
Cells 92 (2008) 1086.
[2] C. J. Glover, G. J Foran, and M. C. Ridgway,Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 199 (2003) 195.
論文・学会等発表（予定）[1] Y. Abe, K. Nakanishi, T. Minemoto, T. Ohta
and H. Takakura, 11th International Conferenceon Atomically Controlled Surfaces, Interfaces
and Nanostructures: ACSIN11 (ポスター発表)

Normalized X-ray absorption(arb. unit)

SK

2460

Normalized X-ray absorption (arb. unit)

SK

TEY

63 nm-ZnO
53 nm-ZnO

44 nm-ZnO
33 nm-ZnO
18 nm-ZnO
without ZnO
ZnO0.82S0.18
ZnO0.47S0.53

ZnSO4 7H2O
CdSO4 8H2O

2460

2470
2480
2490
2500
Photon energy (eV)Fig. 2. S K-edge XANES spectra of TEY
measurements.
Zn LIII&LII

Normalized X-ray absorption (arb. unit)

2 に示されるTEY法のXANESスペクトルでは、ZnO膜厚が厚くなるにつれて 2473 eV付近のピークが小さくなっている。これは、CdS表面側がアモルファスしていることを示している [2]。また、ZnO層が厚くなるにつれて 2482eV付近にピークが現れた。このピークについて 検 討 す る 。 比 較 の た め ZnSO4 ・ 7H2O とCdSO4 ・8H2Oの高純度試薬、ZnOとZnSターゲットの同時スパッタ法で作製したZnO1-xSx(酸硫化亜鉛) の結果を示す。硫酸化合物のZnSO4・7H2OとCdSO4・8H2Oは 2482 eV近傍にピークが現れる。しかし、酸硫化物である
ZnO1-xSxはx=0.18 と 0.53 では 2482 eV近傍に顕著なピークを示さない。従って、ZnO/CdS界面に硫酸化合物が存在していることが分かる。
図 3 に ZnO 膜厚を 1～5 nm に変化させた試料の Zn の LIII と LII 吸収端の XANES スペクトルを示す。ZnO が薄くなるにつれて、1015eV や 1037 eV 近傍に、ZnSO4・7H2O で認められるプリエッジが顕著になっている。従って、ZnO/CdS 界面に ZnSO4 が形成していることが明らかとなった。

1 nm-ZnO
2 nm-ZnO
3 nm-ZnO
5 nm-ZnO
110 nm-ZnO
ZnO0.82S0.18
ZnO0.47S0.53
ZnS
ZnSO4 7H2O

PFY
63 nm-ZnO
53 nm-ZnO
44 nm-ZnO
33 nm-ZnO
18 nm-ZnO
without ZnO

2470
2480
2490
2500
Photon energy (eV)Fig. 1. S K-edge XANES spectra of PFY
measurements.

1010

1020
1030
1040
1050
Photo energy (eV)Fig. 3. Zn LIII&LII-edges XANES spectra of TEY
measurements.