JP2008153438A - Method for measuring buffer layer film thickness - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カルコパイライト型太陽電池中のn型バッファ層の膜厚を測定するバッファ層膜厚測定方法に関する。 The present invention relates to a buffer layer thickness measuring method for measuring the thickness of an n-type buffer layer in a chalcopyrite solar cell.
カルコパイライト型太陽電池は、例えば、図6に模式的に示すように、ガラス基板10上にMo電極層12、Cu(In,Ga)Se等のカルコパイライト化合物からなりp型半導体である光吸収層14、InSからなるn型バッファ層16、ZnO:Alからなる透明電極層18がこの順序で積層されることで構成される。また、Mo電極層12及び透明電極層18の上方には、それぞれ、集電電極20、22が設けられる。
A chalcopyrite solar cell is a p-type semiconductor composed of a chalcopyrite compound such as a
このような構成のカルコパイライト型太陽電池24では、光吸収層14とn型バッファ層16とでpn接合が形成される。すなわち、n型バッファ層16はカルコパイライト型太陽電池24の発電性能に影響をもたらす層であり、従って、n型バッファ層16の膜厚を管理することが重要となる。
In the chalcopyrite
ここで、図7に示すように、実際の光吸収層14の上端面は起伏及び陥没が大きく、且つn型バッファ層16の膜厚は光吸収層14に比して著しく小さい。このため、光吸収層14上に形成されたn型バッファ層16は、光吸収層14の起伏及び陥没に対応して起伏及び陥没する。また、n型バッファ層16がいわゆるウェットプロセスで製膜された場合、該n型バッファ層16は、膜強度が小さいものとなる。このような理由から、透過型電子顕微鏡(TEM)や、透過型電子顕微鏡−X線マイクロアナライザ(TEM−EPMA)以外の手法でn型バッファ層16の膜厚を測定することは、困難を窮める。
Here, as shown in FIG. 7, the actual upper end surface of the
例えば、エリプソメータを用いるエリプソ法(特許文献1参照)でのn型バッファ層16の膜厚の測定値は、TEMによる測定値の1/2〜2倍となる。すなわち、n型バッファ層16の膜厚は略一定であるにも関わらず、測定値にバラツキが生じる。この理由は、エリプソ法ではn型バッファ層16の光学定数n、kの双方が一定であることを前提とするが、上記したようにn型バッファ層16に起伏及び陥没が多数存在するため、この影響を受けてkの値が変化するためであると推察される。
For example, the measured value of the film thickness of the n-
また、特許文献2に記載されているように蛍光X線(XRF)分析装置を用いてn型バッファ層16の化学組成を定量し、その結果に基づいて膜厚を求めることも想起されるが、この場合、Mo電極層12のMoからの蛍光X線エネルギ(Lα線=2.293eV)とn型バッファ層16(InS)のSからの蛍光X線エネルギ(Kα線=2.308eV)との値が極めて近い値であり、SとMoの両蛍光X線エネルギからSの分のみを分離することもできないので、Sを定量すること、ひいてはn型バッファ層16の膜厚を求めることができない。
It is also recalled that the chemical composition of the n-
一方、Inで定量を試みる場合、光吸収層14及びn型バッファ層16の双方にInが含まれているため、Inの蛍光X線の強度が光吸収層14由来のものであるのか、n型バッファ層16由来のものであるのかが区別できない。
On the other hand, when quantification is attempted with In, since In is contained in both the
結局、n型バッファ層16の略正確な膜厚を求めるには、TEM、TEM−EPMAが好適ではあるが、これらの手法には、膜厚を1箇所のみ測定する場合でも比較的長時間を要し、さらに高額の費用が必要であるという不具合がある。すなわち、カルコパイライト型太陽電池24を量産した場合等、1つのカルコパイライト型太陽電池24につき膜厚を迅速に測定することが必要な場合、TEM、TEM−EPMAでは対応することができない。
Eventually, TEM and TEM-EPMA are suitable for obtaining a substantially accurate film thickness of the n-
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、カルコパイライト型太陽電池に含まれるn型バッファ層の略正確な膜厚を求めることが可能なバッファ層膜厚測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and provides a buffer layer thickness measurement method capable of obtaining a substantially accurate thickness of an n-type buffer layer included in a chalcopyrite solar cell. With the goal.
前記の目的を達成するために、本発明は、硫化物からなり、且つカルコパイライト型太陽電池に含まれるn型バッファ層の膜厚を測定するバッファ層膜厚測定方法であって、
基板の上方に金属電極層を設ける工程と、
前記金属電極層の上方にp型の光吸収層を設ける工程と、
前記光吸収層上に前記n型バッファ層を設けて半製品を設ける工程と、
蛍光X線分析装置を用いて前記半製品にX線を入射する工程と、
を有し、
前記X線を、0°を超え、且つ前記金属電極層の材質である金属を検出した蛍光X線検出強度が前記n型バッファ層の構成元素であるSを検出した蛍光X線検出強度を下回る角度の範囲内の固定角度で前記半製品に入射して前記Sの蛍光X線検出強度を測定し、
前記固定角度における蛍光X線分析での前記Sの蛍光X線検出強度と前記n型バッファ層の膜厚との関係式から、前記n型バッファ層の膜厚を求めることを特徴とする。なお、前記関係式は、検量線であってもよい。すなわち、検量線は、関係式を関数としてグラフ上に表したものであるからである。
To achieve the above object, the present invention is a buffer layer thickness measuring method for measuring the thickness of an n-type buffer layer made of a sulfide and included in a chalcopyrite solar cell,
Providing a metal electrode layer above the substrate;
Providing a p-type light absorption layer above the metal electrode layer;
Providing the n-type buffer layer on the light absorption layer to provide a semi-finished product;
Injecting X-rays into the semi-finished product using a fluorescent X-ray analyzer;
Have
The X-ray fluorescence intensity detected by detecting the metal that is greater than 0 ° and detecting the metal that is the material of the metal electrode layer is lower than the X-ray fluorescence intensity detected by detecting S that is a constituent element of the n-type buffer layer. Measure the fluorescence X-ray detection intensity of the S incident on the semi-finished product at a fixed angle within the range of angles,
The film thickness of the n-type buffer layer is obtained from the relational expression between the fluorescent X-ray detection intensity of S in the fluorescent X-ray analysis at the fixed angle and the film thickness of the n-type buffer layer. The relational expression may be a calibration curve. That is, the calibration curve is a graph representing the relational expression as a function.
先ず、透明電極層を設ける前の半製品のn型バッファ層の膜厚を、TEM、TEM−EPMA等によって略正確に求める一方、該半製品に対してXRF分析を行う。このXRF分析は、Sの検出強度と、金属電極層からの金属の検出強度とを区別可能な角度で行う。以上によって得られたn型バッファ層の略正確な膜厚とSの検出強度とから、n型バッファ層の膜厚とSの検出強度との関係式(検量線)を求めておく。 First, the thickness of the n-type buffer layer of the semi-finished product before providing the transparent electrode layer is determined approximately accurately by TEM, TEM-EPMA or the like, and XRF analysis is performed on the semi-finished product. This XRF analysis is performed at an angle at which the detection intensity of S and the detection intensity of metal from the metal electrode layer can be distinguished. The relational expression (calibration curve) between the film thickness of the n-type buffer layer and the S detection intensity is obtained from the substantially accurate film thickness of the n-type buffer layer and the S detection intensity obtained as described above.
次に、別途作製された半製品に対し、前記の角度でXRF分析を行ってSの検出強度を求めれば、この検出強度と、前記の関係式(検量線)とから、該半製品におけるn型バッファ層の略正確な膜厚を求めることができる。なお、測定結果のドリフトを回避するべく、出力管電圧や出力管電流等をはじめとするXRFの諸測定条件を同一とすることは勿論である。 Next, if the XRF analysis is performed on the separately manufactured semi-finished product at the above angle to obtain the detected intensity of S, the n in the semi-finished product is calculated from the detected intensity and the relational expression (calibration curve). A substantially accurate film thickness of the mold buffer layer can be obtained. Needless to say, various measurement conditions of XRF including the output tube voltage and the output tube current are made the same in order to avoid the drift of the measurement result.
XRF分析は比較的短時間で実施可能であるので、本発明によれば、n型バッファ層の略正確な膜厚を迅速に測定することが可能となる。従って、カルコパイライト型太陽電池を量産する場合に対応することもできる。 Since XRF analysis can be performed in a relatively short time, according to the present invention, it is possible to quickly measure a substantially accurate film thickness of the n-type buffer layer. Therefore, it is possible to deal with the case of mass-producing chalcopyrite solar cells.
しかも、XRF分析は非破壊分析方法であるので、カルコパイライト型太陽電池を損傷する懸念もない。 Moreover, since the XRF analysis is a non-destructive analysis method, there is no fear of damaging the chalcopyrite solar cell.
なお、Sは、X線の入射角度が0°超〜5°の極低角度であっても十分な検出強度を示す。一方、この角度範囲内では、各種の金属の検出強度はSに比して小さい。従って、X線の入射角度は、0°超〜5°とすることが好ましい。 In addition, S shows sufficient detection intensity even if the incident angle of X-rays is an extremely low angle of more than 0 ° to 5 °. On the other hand, the detected intensity of various metals is smaller than S within this angular range. Therefore, the incident angle of X-rays is preferably more than 0 ° to 5 °.
特に、金属電極層の材質がMoである場合、X線の入射角度を0°超〜1°とすることにより、Moの検出強度とSの検出強度とを確実且つ容易に区別することができる。 In particular, when the material of the metal electrode layer is Mo, the detection intensity of Mo and the detection intensity of S can be reliably and easily distinguished by setting the incident angle of X-rays to more than 0 ° to 1 °. .
本発明においては、n型バッファ層の略正確な膜厚と、所定角度でのXRF分析におけるSの検出強度とからn型バッファ層の膜厚とSの検出強度との関係式(検量線)を先ず求め、次に、別途作製された半製品に対してXRF分析を行ってSの検出強度を求めるようにしている。前記の関係式(検量線)を予め求めておくことで、XRF分析におけるSの検出強度に基づいて、該半製品におけるn型バッファ層の略正確な膜厚を迅速に求めることができる。 In the present invention, the relational expression (calibration curve) between the thickness of the n-type buffer layer and the detected intensity of S from the substantially accurate thickness of the n-type buffer layer and the detected intensity of S in the XRF analysis at a predetermined angle. First, the XRF analysis is performed on a separately manufactured semi-finished product to determine the S detection intensity. By obtaining the relational expression (calibration curve) in advance, it is possible to quickly obtain a substantially accurate film thickness of the n-type buffer layer in the semi-finished product based on the detected intensity of S in the XRF analysis.
すなわち、本発明によれば、n型バッファ層の膜厚を略正確且つ迅速に、しかも、カルコパイライト型太陽電池を損傷する懸念もなく測定することができる。従って、カルコパイライト型太陽電池を量産する場合にも対応可能である。 That is, according to the present invention, the film thickness of the n-type buffer layer can be measured substantially accurately and quickly, and without fear of damaging the chalcopyrite solar cell. Therefore, it is possible to cope with mass production of chalcopyrite solar cells.
以下、本発明に係るn型バッファ層膜厚測定方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、図6に示すカルコパイライト型太陽電池24を設ける場合を例示して説明する。また、図6中の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
Preferred embodiments of the n-type buffer layer thickness measuring method according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, a case where the chalcopyrite
本実施の形態では、先ず、図1に示す半製品30を作製する。すなわち、ガラス基板10上にMo電極層12、Cu(In,Ga)Se等からなる光吸収層14、InSからなるn型バッファ層16をこの順序で製膜し、堆積させる。なお、各層12、14、16は、スパッタ法や溶液成長法、Se化法等の公知の手法によって製膜すればよい。
In the present embodiment, first, a
次に、この半製品30をXRF分析装置にて分析する。すなわち、半製品30に対してX線を入射する。
Next, this
ここで、n型バッファ層16を設ける前、すなわち、ガラス基板10上にMo電極層12と光吸収層14のみが設けられた半製品に対し、X線の入射角度θを0°超〜5°としたときの蛍光X線の強度を図2に示す。この図2から諒解されるように、入射角度が0°超〜1°の範囲内では、蛍光X線の強度はほとんど0であるが、入射角度が1°を超えると強度が急激に上昇する。この理由は、入射角度が0°超〜1°である場合には入射X線の進入の度合いが浅く光吸収層14に留まるため、Moをはじめ、各種元素に由来する蛍光X線は検出されないのに対し、1°を超えると入射X線がMo電極層12に進入し、その結果、Moが検出されるようになるためである。
Here, before the n-
一方、半製品30に対して0°超〜1°の入射角度でX線を入射した場合、図2に併せて示すように、蛍光X線の強度は30を超え、0.4°〜0.9°では60で略一定となる。n型バッファ層16(InS)が存在する半製品30において蛍光X線が観察されたこと、及び、Cu(In,Ga)Se等からなる光吸収層14が存在する半製品で蛍光X線が観察されなかったことから、この蛍光X線は、n型バッファ層16のSに由来するものである。
On the other hand, when X-rays are incident on the
このように、X線の入射角度θを0°超〜1°の極低角度とした場合、Moの蛍光X線は検出されず、Sの蛍光X線のみが検出される。このため、Sの定量が可能となる。なお、極低角度でのXRF分析によってSの蛍光X線のみが得られるようになる理由は、図3に示すように高角度でX線を入射すると、該X線がガラス基板10まで到達する結果、Mo電極層12の材質であるMoからの蛍光X線が検出されるようになるためであるのに対し、極低角度でX線を入射すると該X線が光吸収層14の上層部までしか到達せず(図1参照)、このためにMo電極層12からの蛍光X線が検出されなくなるためであると推察される。
As described above, when the incident angle θ of X-rays is set to an extremely low angle of more than 0 ° to 1 °, Mo fluorescent X-rays are not detected, but only S fluorescent X-rays are detected. For this reason, it is possible to quantify S. The reason why only X fluorescent X-rays can be obtained by XRF analysis at an extremely low angle is that when X-rays are incident at a high angle as shown in FIG. 3, the X-rays reach the
なお、入射角度をさらに大きくすると、図2に併せて示すように、半製品30において検出されたSの強度と、n型バッファ層16が存在しない半製品において検出されたMoの強度とが略同等となる。このため、蛍光X線の強度がS由来のものであるのか又はMo由来のものであるのかを判別することが容易でなくなる。
When the incident angle is further increased, the intensity of S detected in the
以上の結果に基づき、本実施の形態では、X線の入射角度θを0°超〜1°としてXRF分析を行う。 Based on the above results, in this embodiment, the XRF analysis is performed with the incident angle θ of X-rays set to more than 0 ° to 1 °.
図4に、n型バッファ層16の膜厚が170Å、350Å、510Åである半製品30にX線を入射した際のX線の入射角度と、n型バッファ層16からのSの蛍光X線の強度との関係をグラフにして示す。なお、膜厚は、TEM、TEM−EPMA等によって予め測定しておく。
FIG. 4 shows the incident angle of X-rays when X-rays are incident on the
この図4から、X線の入射角度が同一であっても、膜厚が異なると蛍光X線の強度も異なること、換言すれば、Sの蛍光X線の強度に膜厚依存性があることが明らかである。なお、入射角度を0.6°としたときの測定再現性は1σ%で2%以下であり、再現性が良好であることが確認された。 From FIG. 4, even if the incident angle of X-rays is the same, the intensity of fluorescent X-rays differs when the film thickness is different, in other words, the intensity of S fluorescent X-rays is dependent on the film thickness. Is clear. The measurement reproducibility when the incident angle was 0.6 ° was 2% or less at 1σ%, and it was confirmed that the reproducibility was good.
このようにして、X線の入射角度を0°超〜1°の範囲内の所定角度で固定する一方、n型バッファ層16の膜厚を種々変更しながら、Sの蛍光X線の強度を測定する。任意の入射角度での測定が終了した後、入射角度を変更して同様の測定を行う。入射角度を0.1°、0.6°、1°としたときの各測定結果を、代表例として図5に併せて示す。
In this way, the X-ray incident angle is fixed at a predetermined angle in the range of more than 0 ° to 1 °, while the thickness of the n-
n型バッファ層16の膜厚は、この測定結果に基づいて作成された図5の検量線に基づいて求めることができる。すなわち、例えば、半製品30へのX線の入射角度を0.1°としたとき、Sの蛍光X線の強度が200であれば、縦軸の200から水平線l1を引き、さらに、該水平線l1と0.1°での直線との交点から横軸に向けて垂線m1を引く。垂線m1と横軸との交点のx座標の値(約320)が、n型バッファ層16の膜厚である。
The film thickness of the n-
また、半製品30へのX線の入射角度を0.6°としたときにSの蛍光X線の強度が300であった場合も、上記と同様にすればよい。すなわち、縦軸の300から水平線l2を引き、さらに、該水平線l2と0.6°での直線との交点から横軸に向けて垂線m2を引いて、該垂線m2と横軸との交点のx座標の値を求める。この場合、x座標の値、すなわち、n型バッファ層16の膜厚は、約270Åとなる。
Further, when the incident angle of X-rays to the
このようにして、Moの蛍光X線が検出されない極低角度側でXRF分析を行うことにより、n型バッファ層16の膜厚を略正確に測定することが可能となる。
In this way, by performing XRF analysis on the extremely low angle side where Mo fluorescent X-rays are not detected, the film thickness of the n-
ここで、検量線の傾きが大きいほど検出感度が高いことを意味している。すなわち、図5に示す0.1°、0.6°、1°の場合では、0.6°の方が傾きが大きく検出感度が高い、良好な分析条件であるといえる。 Here, the greater the slope of the calibration curve, the higher the detection sensitivity. That is, in the case of 0.1 °, 0.6 °, and 1 ° shown in FIG. 5, it can be said that 0.6 ° is a better analysis condition with a larger inclination and higher detection sensitivity.
XRF分析は、出力管電圧を20kV、出力管電流を5mAとした場合、僅か約100秒程度で測定が終了する。すなわち、n型バッファ層16からSの蛍光X線を迅速に検出することができ、その結果に基づいて、膜厚を容易且つ即座に求めることが可能である。従って、カルコパイライト型太陽電池24を量産する場合においても、各々を迅速に検査することができる。
The XRF analysis is completed in about 100 seconds when the output tube voltage is 20 kV and the output tube current is 5 mA. That is, S fluorescent X-rays can be quickly detected from the n-
しかも、XRF分析は非破壊検査であるので、カルコパイライト型太陽電池24に損傷を与える懸念もない。
In addition, since the XRF analysis is a nondestructive inspection, there is no fear of damaging the chalcopyrite
その上、この実施の形態では、光吸収層14の材質であるCu(In,Ga)Seと、n型バッファ層16の材質であるInSの双方にInが含まれているものの、n型バッファ層16のSの蛍光X線のみを検出するようにしているので、光吸収層14中のInに影響されることなくn型バッファ層16の膜厚を略正確に測定することができる。
In addition, in this embodiment, although both Cu (In, Ga) Se, which is the material of the
その後、n型バッファ層16の上方に透明電極層18を設け、エッチングによって露呈したMo電極層12の上部と、透明電極層18の上部に集電電極20、22を設けることにより、カルコパイライト型太陽電池24が得られるに至る。
Thereafter, the
なお、上記した実施の形態では、n型バッファ層16としてInSを例示して説明したが、n型バッファ層16の材質は、CdSやZnS等の他の硫化物であってもよい。
In the above-described embodiment, InS has been described as an example of the n-
また、Mo電極層12に代替し、その他の金属からなる電極層を設けるようにしてもよい。この場合、X線の入射角度θを、他の前記金属の蛍光X線が検出され難くSの蛍光X線と区別が容易な範囲内に設定すればよい。好適な入射角度は、0°超〜5°の範囲内である。
Further, instead of the
さらに、例えば、ガラス基板10とMo電極層12との間に他の層を介装するようにしてもよい。
Furthermore, for example, another layer may be interposed between the
10…ガラス基板 12…Mo電極層
14…光吸収層 16…n型バッファ層
18…透明電極層 20、22…集電電極
30…半製品
DESCRIPTION OF
Claims (3)
基板の上方に金属電極層を設ける工程と、
前記金属電極層の上方にp型の光吸収層を設ける工程と、
前記光吸収層上に前記n型バッファ層を設けて半製品を設ける工程と、
蛍光X線分析装置を用いて前記半製品にX線を入射する工程と、
を有し、
前記X線を、0°を超え、且つ前記金属電極層の材質である金属を検出した蛍光X線検出強度が前記n型バッファ層の構成元素であるSを検出した蛍光X線検出強度を下回る角度の範囲内の固定角度で前記半製品に入射して前記Sの蛍光X線検出強度を測定し、
前記固定角度における蛍光X線分析での前記Sの蛍光X線検出強度と前記n型バッファ層の膜厚との関係式から、前記n型バッファ層の膜厚を求めることを特徴とするバッファ層膜厚測定方法。 A buffer layer thickness measuring method for measuring the thickness of an n-type buffer layer made of sulfide and included in a chalcopyrite solar cell,
Providing a metal electrode layer above the substrate;
Providing a p-type light absorption layer above the metal electrode layer;
Providing the n-type buffer layer on the light absorption layer to provide a semi-finished product;
Injecting X-rays into the semi-finished product using a fluorescent X-ray analyzer;
Have
The X-ray fluorescence intensity detected by detecting the metal that is greater than 0 ° and detecting the metal that is the material of the metal electrode layer is lower than the X-ray fluorescence intensity detected by detecting S that is a constituent element of the n-type buffer layer. Measure the fluorescent X-ray detection intensity of the S incident on the semi-finished product at a fixed angle within the range of angles,
A buffer layer characterized in that the film thickness of the n-type buffer layer is obtained from a relational expression between the detected X-ray fluorescence intensity of S in the fluorescent X-ray analysis at the fixed angle and the film thickness of the n-type buffer layer. Film thickness measurement method.
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