Title
ガラス入射エリプソメトリーによるテクスチャー薄膜シリ
コン太陽電池構造の非破壊測定手法( 内容と審査の要旨
(Summary) )
Author(s)
山口, 真二
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 甲第473号
Issue Date
2015-03-25
Type
博士論文
Version
ETD
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/51031
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。1 別紙様式第１３号（論文内容の要旨及び論文審査の結果の要旨） 氏 名 （ 本 籍 ） 学 位 の 種 類 学 位 授 与 番 号 学 位 授 与 日 付 専 攻 学 位 論 文 題 目 学位論文審査委員 山口 真二（兵庫県） 博 士（工学） 甲第 ４７３ 号 平成 ２７ 年 ３ 月 ２５ 日 電子情報システム工学専攻 ガラス入射エリプソメトリーによるテクスチャー薄膜シリコン太陽 電池構造の非破壊測定手法
(A non-destructive measurement technique of textured silicon thin-film solar cell structures using glass-side illumination ellipsometry)
（主 査） 教授 野々村 修一 （副 査） 教授 藤原 裕之 准教授 伊藤 貴司 論 文 内 容 の 要 旨 申請論文は、テクスチャー構造を有する薄膜シリコン太陽電池モジュールの膜構造を非破壊で高速 に評価することを目的とし、分光エリプソメトリー法(SE)を適用して上記太陽電池の構造評価を行っ た研究内容をまとめたものである。SE は、偏光させたプローブ光を試料に照射し、試料の反射による 偏光状態の変化に基づき、試料と光学的に等価な光学モデルを利用して、膜構造や誘電関数を解析す る手法である。通常、SE はプローブ光を膜面側から照射して平坦な膜構造を解析するが、太陽電池の 場合には、膜表面には金属電極が形成されており光を透過しない。そのため、申請論文では、特にガ ラス基板側からプローブ光を照射するガラス面入射により太陽電池モジュールを高精度で評価する新 しい手法に取り組んだ。さらに、太陽電池に一般に用いられているテクスチャー構造に対応するため、 新しい光学モデルを構築することにより標準的な薄膜シリコン太陽電池の構造を評価できるようにし ている。申請論文では、研究内容を全6 章にまとめているが、実験結果を記載した各章の内容を以下 に要約する。 第3 章のテクスチャーSnO2:F 基板の分光エリプソメトリー解析では、光入射側の透明電極であるテ クスチャーSnO2:F 基板について、膜面入射とガラス入射それぞれに対して SE 解析を行っている。テ クスチャーSnO2:F 基板に関しては、特に膜厚の深さ方向に対する SnO2:F 光学特性の評価を実施し、 光学モデルとしては多層膜構造を利用して、高精度で膜構造を決定できることを示した。結果として、 膜面入射とガラス入射、いずれの場合にも解析スペクトルは測定結果と極めて良く一致することを明 らかにし、さらに両入射方法では、SnO2:F 層のキャリヤ特性が若干異なって評価されることを見出し た。また、SE 解析結果を他の評価法と比較し、SE による膜厚と平均キャリヤ濃度は、走査型電子顕 微鏡やホール測定の結果と極めて良く一致することから、解析結果の妥当性を確認している。 第4 章のテクスチャーa-Si:H/SnO2:F 構造の分光エリプソメトリー解析では、テクスチャーSnO2:F 基 板上にプラズマCVD により a-Si:H 層を成膜した試料(テクスチャーa-Si:H/SnO2:F 基板)について SE 解 析を行っている。構造がランダムなテクスチャー構造における膜構造の不均一性を表現するため、光 学モデルには、膜厚が異なる2 領域を利用したモデルを適用し、さらにテクスチャー構造による光学 応答を示すため、表面ラフネス・界面領域では、深さ方向に各層の体積分率が連続的に変化する多層 界面モデルを使用して解析を行っている。その結果、a-Si:H/SnO2:F 構造に対しても、ガラス入射 SE により、各層膜厚を精度良く決定できることを示した。 第5 章の薄膜アモルファスシリコン太陽電池構造の基板入射エリプソメトリー解析では、上記の解 析手法をテクスチャー型のa-Si:H/SnO2:F 太陽電池構造の評価に適用した結果について記載している。 太陽電池における複雑な光学応答を少数の解析パラメーターにより示すため、太陽電池の裏面側に形
2 成されているAg/ZnO:Al/a-Si:H の 3 相混合層の体積変化を指数関数によって近似する新たなモデル関 数を見出した。この SE 解析を用いて太陽電池の評価を行い、その結果、解析により得られた薄膜シ リコン太陽電池の構造が、透過型電子顕微鏡の断面観察から確認される構造と極めてよく一致するこ とを確認した。膜厚が30 nm 未満である ZnO:Al 層についても、高い精度で膜厚を決定できることを 明らかにした。 論文審査結果の要旨 学位申請の内容は、大面積の太陽電池モジュールの構造をガラス側からプローブ光を入射させたエ リプソメトリー測定から評価する解析技術の確立に関するものであり、以下の研究成果について示し ている。 ① ガラス基板上に形成されたテクスチャー型の透明導電膜 SnO2:F に対し、ガラス面入射における SE 解析手法を確立した。特に、この測定から、テクスチャー構造の評価だけでなく、膜厚方向へ の光学特性を精度良く決定できることを初めて示した。 ② テクスチャーa-Si:H/SnO2:F 構造では、凹凸の大きい表面・界面における光学応答を精度良く近似 するため、界面構造における各層成分の体積分率変化を指数関数により示す光学モデルを新たに 構築し、このモデルから計算したスペクトルは、実験値と極めてよく一致することを示し、解析 可能であることを示した。 ③ 上記の解析技術を発展させ、薄膜アモルファスシリコン太陽電池構造を同様のガラス面入射によ り解析できることを示した。特に解析から得られた構造は、透過型電子顕微鏡を用いた直接観察 の結果と高精度で一致し、確立した解析手法が妥当であることを示した。 よって、本申請では、エリプソメトリー解析に対し、新たな解析手法を確立することに成功している。 最終試験結果の要旨 申請者は、要旨にまとめられた研究成果を、下記に示す査読付ジャーナル誌 2 編に掲載している。 学位論文審査委員会は、平成 27 年 2 月 4 日に開催された学位論文公聴会における審査に基づき、申請 者は学位授与にふさわしいと判断し、最終試験の結果を合格とした。 発表論文（論文名、著者、掲載誌名、巻号、ページ）
1. Characterization of textured SnO2:F layers by ellipsometry using glass-side illumination, Shinji Yamaguchi, Yoshio Sugimoto, Hiroyuki Fujiwara, Thin Solid Films, 534 (2013), 149-154.
2. Ellipsometry analysis of a-Si:H solar cell structures with submicron-size textures using glass-side illumination,
