［技術報告］

自然エネルギー利用技術に関する研究
菊地利雄＊、田中愼造＊

自然エネルギー利用技術に関する研究として、太陽電池、その中でも次世代薄膜太陽電池として期待されている CIGS（CuInGaSe2）薄膜太陽電池に関する研究を行った。核となる CIGS 層は通常、真空蒸着によって製膜されるが、低コスト化の観点から微粒子をインク状にして塗布する非真空プロセスによる製膜を試みた。
試作では、セレン化銅とセレン化インジウムの粉末を使用し、それぞれをインク状として 2 層に塗布し、2層で約 8μm 厚の CIS 層を形成することができた。
キーワード：自然エネルギー、太陽電池、CIS 薄膜太陽電池

Investigation of Clean Energy Utilization Technologies
KIKUCHI Toshio and TANAKA Shinzou
We investigated CIGS(CuInGaSe2) thin film solar cells that as an investigation of clean energy
utilization technologies. The CIGS layer is usually fabricated by coevaporation. We tried to fabricatethat layer with non-vacuum process due to cost effectiveness. Cu2Se and In2Se3 fine powder wereprepared to formulate inks, then both inks were coated onto glass substrate.
key words : clean energy, solar cell, CIS thin film solar cell
１緒

言

一般的なソーダライムガラスを使用することができる。

太陽電池は半導体の厚さによって、バルク形と薄膜

その基板に Mo（モリブデン）の裏面電極、CIGS 層が形形に分類することができる。バルク形は単結晶シリコン成され、さらに CdS バッファ層、ZnO 透明電極が形成さなどのように、いったんバルク状結晶を製造し、その結れる構造となっている。

晶を板状に加工して太陽電池として使用するものであ

CIS 層／CIGS 層の形成には多源蒸着法、セレン化法、る。単結晶シリコン太陽電池では、その厚さは約 300μスパッタ法などが報告されてきたが、小面積での高効率m 程度である。一方、薄膜形では半導体層の厚さが数 10化をねらった製膜技術の中では多源蒸着法（３段階法）μm〜数μm 以下で、シリコン系薄膜太陽電池、化合物が最も優れた方法である。また、量産用製膜法として昭薄膜系、カルコパイライト系がある。シリコン系薄膜太和シェル石油や SSI（Siemens Solar Industries）では陽電池の代表がアモルファス太陽電池であり、その厚さセレン化法を採用している。その一方で、最近、低コスは約 0.3μm である。

ト化の観点から非真空プロセスによる製膜法も注目されている。これは米国のベンチャー企業の ISET 社とＡｌ電極今回試作を行った CIGS（CuInGaSe2）
薄膜太陽電池は、薄膜太陽電池の中では最も変換効率が高く、長期信頼性も実証されていることから、次世代太陽電池の有力候補として位置づけられている。CIGS 系太陽電池の研究は

ＺｎＯ

1974 年にベル研究所（米国）が CuInSe2 単結晶に CdSＣｄＳバッファＡｌ電極を蒸着して 12％という変換効率を報告したのが始まり

ＣＩＧＳである。これを契機に米国、欧州、日本など各国で研究

Ｍｏ（モリブデン）開発が行われ、現在では多結晶シリコン太陽電池に匹敵ｿｰﾀﾞﾗｲﾑｶﾞﾗｽする変換効率 18％が複数の研究機関で達成されるようになった。CuInSe2（CIS）系はⅠ‑Ⅲ‑Ⅵ2 族化合物半導図１ ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の構造体に属し、結晶構造にはカルコパイライト形とスファレ

UNISUN 社が開発中の方法で、ナノパーティクルを応用ライト形がある。このうち太陽電池として利用できるのして、インク状に塗布焼成する方法である。この方法では光吸収係数の大きなカルコパイライト形で、光吸収係は低コストで大面積化が可能なことや、高い原料使用率数は 1×105cm‑1 程度と既知の太陽電池材料の中では最などが利点である。日本でも複数の大学でナノパーティも大きい。

クルを生成して、同様な試みが行われているが、まだ成功例は報告されていない。

図１に CIGS 薄膜太陽電池の構造を示す。基板はごく＊

電子機械部（現在電子機械技術部）

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岩手県工業技術センター研究報告２

第１０号（２００３）

いずれも Cu2Se／In2Se3 が２層になっている。目視では実験方法

ISET 社の非真空プロセスでは、Cu（銅）、In（インジ非常にきれいに塗布されている様子がわかる。

ウム）、Ga（ガリウム）の混合酸化物の微粉末（ファインパウダー）をインク状にして、Mo（モリブデン）を蒸着したガラス基板に塗布し、これを H2Se ガス中で熱処理する気相セレン化法を使用している。そのため、厳密には CIGS 層を非真空プロセスで生成しているとは言えない面もある。

（ａ）サンプル１

これに対し本研究では、Cu2Se（セレン化銅）In2Se3（ｂ）サンプル２図４ スプレー法による Cu2Se、In2Se3 の塗布（セレン化インジウム）の粉末をそれぞれインク状にしてガラス基板に塗布する方法を試みた。Cu2Se 粉末の初期状態を図２に示す。In2Se3 もほぼ同様で、粒子の大きさは数十μm から 200μm 程度であった。しかし、多源Se蒸着によって作成されている CIS／CIGS 層の厚さはIn

Cu2Se 粉末の初期状態

図２

Cu

1.5μm〜2μm 程度であるため、Cu2Se 粉末、In2Se3 粉末ともさらに細かく粉砕する必要がある。図３は Cu2Se 粉末を粉砕した状態で、粒径はほぼ１μm 以下程度となっている（それより粒径が大きく見えているものも、小粒Si径が集まって大きなかたまりに見えている）。In2Se3 粉末も同様に粒径が１μm 以下、300nm〜500nm 程度になるまで粉砕した。
0.000.010.020.030.04(mm)｜Si｜

Cu2Se｜In2Se2｜

図５ サンプル２の深さ方向成分分析結果
図 5 にサンプル２を深さ方向に成分分析した結果を図３示す。成分は上から Se（セレン）、In（インジウム）、Cu2Se 粉末を粉砕した状態

Cu（銅）、Si（シリコン）で、Si はガラス基板を表して次にこの Cu2Se、In2Se3 の微粉末を PVC（Pigmentいる。下に付けているスケールより、左側にガラス基板

Volume Concentration）が大き目の値になるようにインがあり、Cu2Se、In2Se3 と積層している様子がわかる。

ク状にして、スプレー法及びメッシュを使った方法によCu2Se、In2Se3 の層はそれぞれ 12〜13μm 厚となっておりガラス基板に塗布した。

り、合わせて 25〜26μm 程度の厚さになっている。それぞれの層で Se（セレン）、In（インジウム）、Cu（銅）３といった元素が均一に分布していないのは、Cu2Se、実験結果

図４にスプレー法で Cu2Se、In2Se3 をガラス基板に塗In2Se3 が粒子として存在していることによる。

布した様子を示す。
（ａ）のサンプル１は薄目に、（ｂ）

図６にはサンプル２の顕微鏡写真を示す。２つのサのサンプル２は（ａ）より濃くなるよう塗布している。

ンプル小片を向かい合わせに貼り付けて固定している53

自然エネルギー利用技術に関する研究ため、写真の左からガラス基板／Cu2Se／In2Se3／In2Se3

スプレー方式による塗布では均一な薄膜化に限界が／Cu2Se／ガラス基板という層の順序になっている。まあることがわかったため、次にメッシュを使用して塗布た、試料作成にあたって観察面の表面を研磨している。

する方法を試みた。図８にメッシュを使用して Cu2Se 及写真中のスケールより、左右のガラス基板間の間隔は約

び In2Se3 を塗布した様子を示す。
（ｂ）は顕微鏡写真で、50μm であり、図５で示した Cu2Se と In2Se3 を合わせた

左側がガラス基板になっているが、Cu2Se、In2Se3 層は厚さのちょうど２倍になっている。図６の顕微鏡写真をおおよそ 8μm 程度の膜厚で平坦に塗布できていること見ると、Cu2Se あるいは In2Se3 と思われる粒子がいたるがわかる。図９には Mo（モリブデン）を蒸着させたガラス基板に、メッシュを使用して Cu2Se、In2Se3 を塗布した外観を示す。（ａ）は問題なく塗布できた例であるが、（ｂ）ではモリブデンの膜が剥離してしまった。このことにより、Cu2Se、In2Se3 をインク状にして塗布する際、その粘性にも注意しながら塗布する必要があることがわかった。

（ａ）外観

ガラス基板｜ Cu2Se/In2Se3 ｜ In2Se3/ Cu2Se ｜ガラス基板（ｂ）顕微鏡写真

図８ メッシュを使用した塗布（ガラス基板）
図６ サンプル２の顕微鏡写真（ａ）外観（ｂ）Mo 剥離

図９ メッシュを使用した塗布（ガラス＋Mo 基板）
メッシュを使用した塗布により約 8μm の厚さが得られたが、今後、さらに薄膜化を進める場合にはスピン法など他の塗布方法を検討していく必要がある。また、
In2Se3/Cu2Se

Cu2Se、In2Se3 の粒径、インクの粘性などについても定｜ ガラス基板

図７ サンプル１の顕微鏡写真

量的に把握、制御していく必要があると考えられる。

ところに分布している様子がわかる。中には粒径の大き４結言なものも見受けられるが、よく見ると内部に複数の小粒

自然エネルギー利用技術に関する研究として、CIGSが見えるので、いくつかの粒子が集まっているものと考（CuInGaSe2）薄膜太陽電池に関する研究を行った。核えられる。一方、Cu2Se と In2Se3 がやわらかい材料のたとなる CIS 層を構成元素の微粒子をインク状にして塗め、観察用試料作成時に行った研磨で断面が崩れてしま布する非真空プロセスによって製膜した。試作では、セった可能性もある。図７にはサンプル１の顕微鏡写真をレン化銅とセレン化インジウムの粉末を使用し、それぞ示す。試料の作成が十分ではなかったため Cu2Se とれをインク状として 2 層に塗布し、2 層で約 8μm 厚のIn2Se3 の層の様子がはっきりしていないが、両方を合わCIS 層を形成することができた。

せた膜厚は薄い部分で 7μm 程度とだいぶ薄くなってい研究を進めるにあたり、有意義な助言をしていただいる。その一方、膜の表面は平坦になっていないことがわた青山学院大学理工学部の中田時夫助教授に感謝申しかる。

上げます。

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