高効率薄膜太陽電池のためのCu-In-S系化合物単結晶薄膜の作製とその評価

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650006
• Research Institution: NIIGATA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 小林 敏志 新潟大学, 工学部, 教授 (30018626)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大石 耕一郎 長岡工業高等専門学校, 機械工学科, 助教授 (90300558) ; 坪井 望 新潟大学, 工学部, 講師 (70217371)
• Keywords: 太陽電池 / CuInS_2 / エピタキシャル成長 / 真空蒸着 / X線回折 / 高速電子線回折 / Cu-Au構造 / カルコパイライト構造

Research Abstract

研究目的:高効率薄膜太陽電池材料の基礎研究として、CuInS_2単結晶薄膜(エピタキシャル成長膜)の作製、その結晶学的・光学的評価を行い、高品質な結晶作製条件を明らかにすることを目的とした。
試料作製:改造した通常の真空蒸着装置を用いてCu、InおよびSの蒸発源温度を独立に制御し、Si(100)ウェーハ上に400℃と500℃でCu-In-S系薄膜を堆積した。意図的に組成をずらした膜も作製した。
結晶評価と結晶構造解析:膜組成をX線マイクロアナリシス(EPMA)で、結晶評価と構造解析をX線回折(XRD)と高速電子線回折(RHEED)によって行った。400℃ではCuInS_2とCuIn_5S_8が得られ、ほぼエピタキシャル成長した。このCuInS_2膜はバルクに見られるカルコパイライト構造ではなく、Cu-Au構造とスファレライト構造が混在していることが分った。500℃ではCu過剰な場合にカルコパイライト相の存在が認められた。しかし、この相の割合は小さく単一相ではなかった。
光学的測定:LD励起グリーンレーザの光を照射し、バンド端付近におけるホトルミネッセンス測定を20K付近で行った。ドナー-アクセプタ対発光のほかに、励起子領域に極めて弱いブロードな発光帯があるように見える。結晶構造の混在を考慮すると、エネルギーがごく僅かに異なる幾つかの励起子発光が重なり合っている可能性がある。
まとめ:真空蒸着法により、Si(100)基板上へのCuInS_2とCuIn_5S_8のエピタキシャル成長膜を得ることができた。その結晶構造解析よりCuInS_2におけるCu-Au構造やカルコパイライト構造の混在を明らかにした。まだ誰もCu-Au構造またはカルコパイライト構造だけの単一相薄膜を作製していない現状では、十分な成果を得たものと判断している。

Research Products

• [Publications] 渡辺将人, 小林敏志, 坪井望, 瀬賀寿幸, 大石耕一郎, 金子双男: "3元蒸着法によるSi基板上へのCuInS_2薄膜成長"信学技報(電子情報通信学会). CPM2001. 43-48 (2001)
• [Publications] 渡辺将人, 小林敏志, 坪井望, 大石耕一郎, 金子双男: "Si(100)上へのCuInS_2結晶薄膜の堆積"第49回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 第3分冊. 1435-1435 (2002)