35−技術資料−●太陽電池用透明電極材料
東京研究所 新材料・無機分野

倉持 豪人
飯草 仁志
秋池
良
松丸慶太郎
内海健太郎
渋田見哲夫

収層より先に太陽光が透過する表面電極として使用さ

１．はじめにれるため、広い波長領域に渡って優れた光透過性を有

近年、地球温暖化問題が顕在化するにつれ、二酸化することと、光吸収層中での光路長を増加させるため炭素排出量や石油資源使用量の抑制が可能なクリーンに高い光散乱能を有すること、が重要な要求特性となエネルギーへの関心が高まってきている。中でも太陽る。

光発電は、①極めて大きなエネルギーの太陽光を用いさらに、太陽電池の高い信頼性の確保のために、こること、②個人での導入が可能であること、等の理由

れら透明電極材料にも高い信頼性が要求されている。

から特に注目されている。
太陽電池は、その光吸収層の構成材料と構造により、結晶シリコン型太陽電池、薄膜型太陽電池、有機系太陽電池に大別される。現在は、高い光電変換効率を有３．太陽電池用新規透明電極材料の特性［1］開発材料の特徴することから結晶シリコン型太陽電池が主流である。

本稿では、３種類の開発材料を紹介する。特徴を今後は光電変換効率の向上による電力コスト削減を目表１にまとめる。各材料ともに、抵抗、透過率、信頼指した薄膜型太陽電池が急速に伸びる様相を呈してい性、あるいは膜表面形状にそれぞれ特徴があり、薄膜る。

型太陽電池の透明電極材料として適宜選択されて利用

当社では、低抵抗で高透過率、かつ高信頼性の透明電極材料を開発し、薄膜型太陽電池への適用を検討しすることができる。以下に開発材料個別に特徴を詳細に示す。てきた。本稿では、これら当社開発材料について紹介［2］ITO−X膜の特徴する。

ITO（Indium−Tin−Oxide）膜は、膜厚200nm以下でも高信頼性が得られるため、フレキシブル基板を用い２．透明電極材料への要求特性た太陽電池を中心に使用されている。中でも、赤外領薄膜型太陽電池への主要な要求は、材料の高性能化域を高透過率化するためにSn添加量を調整したSnO2による、①光電変換効率の向上、②太陽電池の信頼性を5重量％、もしくは10重量％添加したITO膜が用い向上、である。このような薄膜型太陽電池の高性能化られることが多い。には、構成部材の特性向上が必須である。

室温成膜後に結晶化処理を施し、膜厚150nmとして透明電極材料は、太陽電池の構造に関わらず、光吸表１
開発材料
ITO−X

ZAO−X

作製したITO−X膜と現行材料の電気光学特性、信頼性

当社開発材料の特徴

特徴・低抵抗と赤外領域の高透過率の両立・高信頼性
・低抵抗と赤外領域の高透過率の両立
・高信頼性
・高ヘイズ率・スプーンカット形状の凹部を有する表面構造

ZAO−S1 ・薄膜（膜厚500nm以下）での低抵抗と高信頼性の両立

36

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.54（2010）［3］ZAO−X膜の特徴を図１に示す。今回開発したITO−X膜は、現行材料の中でも赤外領域の透過率の高いITO（SnO2：5重量％）

ZAO（Al−doped Zinc Oxide）膜は、ITO膜よりも優膜と同等の抵抗を維持しつつ、波長800nm以上の赤外れた透明性を示すことから、薄膜シリコン系太陽電池、領域でさらに高い透過率を示している。また、温度化合物系太陽電池の透明電極材料として広く利用され85℃−相対湿度85％の環境下での信頼性試験の結果、てきている。

極めて高い信頼性を有することも判明した。すなわち、基板温度200℃、膜厚1000nmで加熱成膜したZAO−ITO−X膜は優れた電気光学特性を有するとともに高いX膜の電気光学特性、信頼性をZAO膜の特性とともに信頼性も有している。

図２に示す。ZAO膜は、Al添加量を低減することで赤このような特性を有するITO−X膜は、化合物系太陽外領域の透過率を向上させることが可能である。しか電池の透明電極材料として有望と考えられるため、太しながら、赤外領域の透過率の向上とともに信頼性が陽電池特性を評価した。

著しく悪化し、その両立が困難であった。

具体的には、ITO−X膜と現行材料のITO（SnO2：5

今回開発したZAO−X膜は赤外領域の透過率を向上重量％）膜を用い、CIGS（Cu（In1−xGax）Se2）系太させても、信頼性（温度85℃−相対湿度85％の環境下）陽電池セルを作製し、太陽電池特性を評価した。そのの悪化を抑止し、赤外領域の高透過率と高信頼性の両結果、光電変換効率の向上を確認している。

立を実現した。さらに、ZAO−X膜は希塩酸を用いた

このようにITO−X膜はCIGS系太陽電池を中心とし湿式エッチングにより、広い波長領域に渡って高ヘイた化合物系太陽電池の透明電極材料として有望であズ率（図３）の表面テクスチャ構造を形成することがる。また、高信頼性であることから、薄膜シリコン系可能であり、極めて良好な光散乱能を有することが判太陽電池の透明電極材料等への適用が期待される。

明した。

50100

抵抗変化率［%］透過率［%］

40①80②60③40Rs（Ω／□）①ITO−X18②ITO（SnO2： 5wt％） 16③ITO（SnO2：10wt％） 1520400600800

1000

1200302010014000

波長［nm］

図１200400600800

1000

試験時間［h］

ITO−X膜の電気光学特性と信頼性

100

5080

②6040Rs（Ω／□）①ZAO−X
8②ZAO（Al2O3：1wt％） 6③ZAO（Al2O3：2wt％） 220①ZAO−X②ZAO（Al2O3：1wt％）③ZAO（Al2O3：2wt％）

40①
抵抗変化率［%］透過率［%］②①0200①ITO−X②ITO（SnO2：5wt％）③30②20①10③00200

400600

800

1000

1200

14000

波長［nm］

図２200400600

試験時間［h］

ZAO−X膜の電気光学特性と信頼性

800

1000

東ソー研究・技術報告 第54巻（2010）

37100①ZAO−X②ZAO（Al2O3：1wt％）③ZAO（Al2O3：2wt％）④CVD−SnO2①ヘイズ率［%］806040②④20③0400600800100012001400

波長［nm］

図３ZAO−X膜のヘイズ率の波長依存性

このような特性を有するZAO−X膜は、薄膜シリコ
ン系太陽電池の透明電極材料として有望と考えられるため、太陽電池特性を評価した。

付与により発現した効果である。
一方、微結晶シリコン太陽電池セルの評価でZAO−X膜を用いた場合には、CVDで成膜された市販のSnO2

具体的には、ZAO−X膜とZAO（Al 2 O 3 ：1wt％、膜を用いた場合の変換効率よりも約1.3倍の高い変換2wt％）膜、CVDで成膜された市販のSnO2膜を用い、効率が得られ、微結晶シリコン太陽電池セルにおいて非晶質シリコン太陽電池セル、微結晶シリコン太陽も変換効率向上の効果が確認できた。

電池セルをそれぞれ作製し、太陽電池特性を評価した

１）２）

このようにZAO−X膜は薄膜シリコン系太陽電池の。結果を図４に示す。なお、ZAO−X膜とZAO透明電極材料として有望である。また、赤外領域で高（Al2O3：1wt％、2wt％）膜は、成膜後に希塩酸を用い透過率であり、かつ高信頼性であることから、CIGSた湿式エッチングで表面テクスチャ構造を付与した。

太陽電池を中心とした化合物系太陽電池への適用も期

非晶質シリコン太陽電池セルの評価でZAO−X膜を待される。

用いた場合に変換効率9.2％を得た。この結果は、ZAO（Al2O3：1wt％、2wt％）膜やCVDで成膜された［4］ZAO−S1膜の特徴

市販のSnO2膜を用いた場合の変換効率6.6〜8.2％を上ZAO膜は、Al添加量の調整による抵抗制御と薄膜化回っている。変換効率の向上は、短絡電流密度の増大による透過率制御により、薄膜での高透過率・低抵抗に起因するものであり、表面テクスチャ構造の適切な膜が可能である。しかしながら、ZAO膜は薄膜化することで著しく信頼性が悪化し、その両立が困難である。
当社では、FPD用途向けとして耐環境性に優れた

16①②ZAO−S1膜を開発している ３）。このZAO−S1膜の太陽14電流密度［mA／cm2］

電池用途への展開を考え、抵抗、透過率、信頼性の評
12④10③価を行った。図５に基板温度200℃で加熱成膜した
ZAO−S1膜の電気光学特性、信頼性をZAO−X膜、ZAO
膜の特性とともに示す。なお、膜厚は各膜のシート抵

86①ZAO−X②ZAO（Al2O3：1wt％）③ZAO（Al2O3：2wt％）④CVD−SnO2

42

抗がほぼ10Ω/□となるように調整した。

Eff（％）
9.28.26.68.0

ZAO−S1膜は低抵抗で、かつ膜厚300nmまで薄膜化することにより、波長1200nmまでの赤外領域を高透過率化できる。さらに、信頼性（温度85℃−相対湿度085％の環境下）の悪化を抑止することが可能であり、0.00.20.40.60.8

電圧［V］

10.0

その両立を実現した。
このようにZAO−S1膜は、膜厚500nm以下の薄膜で

図４非晶質シリコン太陽電池セルの特性優れた信頼性を有しており、CIGS系太陽電池を中心

38TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.54（2010）

100
100
③②①60

40
膜厚（nm） Rs（Ω／□）
12①ZAO−S1300
10②ZAO−X
800
8.2③ZAO（Al2O3：2wt％） 300

20①ZAO−S1②ZAO−X③ZAO（Al2O3：2wt％）

80
抵抗変化率［%］透過率［%］

80

6040③20②①00200400600

800

1000

1200

14002004006008001000

試験時間［h］

波長［nm］図５200

ZAO−S1膜の電気光学特性と信頼性とした化合物系太陽電池の透明電極材料や薄膜シリコン系太陽電池の透明電極材料として適用が期待される。にも成功している（図６）。
円筒ターゲットはプレーナーターゲットと比較して、・ターゲット全面がエロージョンとなるため、利用４．その他太陽電池用透明材料（ZnO膜）効率が高い。
・高投入パワーが可能であるため、成膜速度が速い。

薄膜型太陽電池では、透明電極材料以外でも薄膜材・成膜時の異常放電現象が少なく、安定性に優れる。

料が広く用いられている。中でも、ZnO膜はCIGS系等の特徴を持ち３）、太陽電池分野では有用と考えられ太陽電池等の化合物系太陽電池のバッファ層を中心にる。

用いられている。
従来、スパッタリング法によるZnO膜の成膜は、ZnOターゲットの絶縁性が高いため、安定したDC放

本稿で紹介した太陽電池用透明電極材料やZnO材料
は、プレーナーターゲットのみならず、このような特徴を有する円筒ターゲットの製造が可能である。

電が困難であり、RFスパッタリング法を中心に行われてきた。
当社では、独自のターゲット製造技術を駆使し、

６．ま と めZnOターゲットのDC放電の安定化に成功している。

当社の太陽電池用透明電極材料について紹介した。

このZnOターゲットを用い、DCスパッタリング法

各材料の特徴の詳細は、前記した通りであり、抵抗、により薄膜を形成したところ、成膜時のスパッタガス中の酸素分圧を調整することで、用途に応じた高抵抗膜（100Ωcm以上）を容易形成可能であることが判明した。
このように当社のZnOターゲットは、DCスパッタリング法により、現行のZnO膜と同等の特性を有する膜を成膜することが可能である。

５．円筒ターゲット
当社は、これまでに高品質のITOプレーナーターゲットを中心にスパッタリングターゲットを製造・販売してきた。
さらに、近年、高品質なITO円筒ターゲットの開発

図６

当社円筒ターゲット

東ソー研究・技術報告 第54巻（2010）

表２

適用が想定される太陽電池の種類

開発材料
ITO−X
ZAO−X
ZAO−S1ZnO

薄膜Si系

化合物系
○○
○
○

透過率、信頼性、膜表面形状の特性に特徴を持たせたものである。表２に各材料の適用が想定される太陽電池の種類についてまとめた。
今後、その特徴を適宜選択することにより、太陽電池分野で幅広く利用されていくことを期待するとともに、新たな太陽電池や用途へ展開されることを望む。

参考文献
１）内海健太郎、倉持豪人、飯草仁志、第57回応用物
理学関係連合講演会予稿集、20a−TG−3（2010）
２）Ihsanul Afdi Yunaz、Taweewat Krajangsang、Aswin Hongsingthong、小長井 誠、倉持豪人、飯草仁志、内海健太郎、第71回応用物理学会学術講
演会予稿集、14a−ZB−4（2010）３）内海健太郎、渋田見哲夫、東ソー研究・技術報告書、51、63（2007）

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