シリーズ１：バルク欠陥が支配的な最適化a-Si:H p-i-nセル （i層膜厚依存性） Adrien Bidiville、 松井 卓矢、 齋 均、 松原 浩司 産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター 先進プロセスチーム 太陽電池の局在準位評価（FTPS） 研究の目的 結論 謝辞 シリーズ２：界面の局在準位が支配的なa-Si:H p-i-nセル （i層製膜温度依存性） アモルファスシリコン太陽電池の局在準位評価 水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）には初 期欠陥や光誘起欠陥、バンドテイルなどの 局在準位が存在し、これらがセル特性に影 響を及ぼすことが知られている。しかし、a- Si:Hが太陽電池デバイスに組み込まれた際、 これらの局在準位が空間的にどのように分 布し、バルクや界面の局在準位がセル特性 にどのような影響を与えるかについては実験 的に解明されていない。本研究では、p-i-n型 （またはn-i-p型）太陽電池の光吸収層（i層） の局在準位をセル構造で評価することで、局 在準位とセル特性の関係を調査した。 p TCO i n TCO *Fourier transform photocurrent spectroscopy M. Vanecek and A. Poruba, APL 80, 719 (2002). Photon energy (eV) 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 EQE, IQE 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 EQE IQE R cell , A TCO 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 reflectance absorptance of TCO J sc (mA/cm 2 ) 6 8 10 12 14 16 18 20 V oc (V) 0.8 0.9 1.0 Absorber thickness t i (nm) 0 100 200 300 400 500 600 FF 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 (a) (c) (b) 0 100 200 300 400 500 600 Eff . (%) 2 4 6 8 10 12 (d) Absorber thickness t i (nm) 0 100 200 300 400 500 IQE( E g -0.5eV) (x10 -4 ) 0 2 4 6 8 diode (light soaked) triode (light soaked) triode (initial) diode (initial) J sc (mA/cm 2 ) 14 15 16 17 V oc (V) 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 T s ( o C) 200 250 300 350 FF 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 (a) (c) (b) 200 250 300 350 Eff. (%) 2 4 6 8 10 (d) p-i-n n-i-p p-i-n n-i-p n-i-p n-i-p p-i-n p-i-n E g (eV) 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 p-i-n n-i-p E u (meV) 35 40 45 T s ( o C) 200 250 300 350 IQE( E g -0.5eV) (x10 -4 ) 0.1 1.0 (cm -1 ) 0.01 0.1 1 p-i-n n-i-p p-i-n n-i-p layer (SE) layer layer ( ) T s ( o C) 200 250 300 350 V oc (V) -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 E g decrease Bandtail broadning p-layer degradation V oc decrease IQE (E g -0.5 eV) (x10 -4 ) 0 2 4 6 8 10 FF 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 t i series T s series p-i-n cross: model p層、p-i層製膜後に高温アニールを 施す試験により、各層の変化がセ ル特性に与える影響を解析。 V oc のロスは（１）p層の熱ダメージと （２） i層のバンドテイルブロードニン グ、（３） i層のナローギャップ化で定 量的に説明できる。 ２種類の製膜法（ダイオードおよびトライオード）を用い てi層を製膜 （同一チャンバー、ほぼ同じ製膜条件）。 ダイオードではできるだけ低い製膜速度で製膜 （<0.1 nm/s）。 光劣化後のFFの膜厚依存性にトライオードの優位性 が確認できる。 ダイオード型プラズマCVD トライオード型プラズマCVD 初期・光誘起欠陥量は膜厚に対してほぼ直線的に増加⇒傾きが欠陥密 度に相当し、直線性から欠陥はバルク一様に分布していると考えられる。 トライオードで作製したa-Si:Hの光劣化後の欠陥密度はダイオードで作製 したものに比べて約２割少ない。 セルのFFは光吸収層内の欠陥の総量 に支配され、膜厚や光劣化の前後、 製膜方法によらない（裾準位一定の場合）。 p-i-nセルはn-i-pセルに比べて温度耐性（製膜温度・アニール温 度）が低い。 （図は製膜温度依存性） 高温プロセス＋ p層との接合により、i層の局在準位（特にバンド テイル）が増大することを観測した。 i層のフェルミレベルが価電子帯に漸近すると、水素脱離が促進し （Raman評価より）、局在準位がより増大することが示唆される。 FFの欠陥量依存性は、上記膜厚シ リーズと異なる挙動を示す。 解析から、a-Si:H p-i-nセルのFFは 欠陥量以外にバンドテイルとセルの 開放電圧に強く依存することがわ かった。 FTPSによる太陽電池光吸収層の局在準位評価から、最適化セル（T s =200 o C）の初期欠陥お よび光誘起欠陥はバルク一様に分布し、顕著な界面欠陥は観測されなかった。 一方、高温（>200 o C）プロセスで作製したセルでは、p-i-nセルはn-i-pセルに比べてバンドギャ ップの縮小とバンドテイルの増大が顕著であることが明らかとなった。 i層のフェルミレベルが価電子帯に漸近する領域（p-i界面）で水素脱離が促進され、界面の局 在準位が増大することが示唆された。 太陽電池のロス解析から、V oc はバンドギャップの他、バンドテイルの影響が大きいことがわか った。一方、FFは多くのパラメータ（欠陥、バンドテイル、V oc ）に依存し、これらのパラメータを用 いたモデルから導出したFFと実験値の間に良い一致を示した。 本研究の一部は、NEDOから委託された事 業（高性能・高信頼性太陽光発電の発電コ スト低減技術開発/太陽電池セル、モジュー ルの共通基盤技術開発/薄型セルを用いた 高信頼性・高効率モジュール製造技術開 発）のもとで実施した。また、成果の一部は PVTECとの共同研究で得た。関係各位に 感謝する。 製膜方向 x x x i x x バルク 欠陥 界面 欠陥 = 0 + + ( − 0.5eV) + A. Bidiville et al., JAP 118, 184506 (2015). T. Matsui et al., APL 106, 053901 (2015). A. Bidiville et al., to be submitted. 光吸収層 Wavelength (nm) 300 400 500 600 700 800 EQE 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 240 T s 220 200 o C 260 280 300 350 T s p-i-n Wavelength (nm) 300 400 500 600 700 800 280 200 o C 350 T s n-i-p セル特性の膜厚依存性 (T s =200 o C) 欠陥量の膜厚依存性 (T s =200 o C) 欠陥量とFFの関係 （t i series, T s =200 o C） サンプル構造 FTPS概略図 測定例 実デバイスで評価。 セルのEQE（λ<800 nm）とFTPS* （λ>700 nm）、反射スペクトルを 用いてサブバンドギャッ プ領域のIQE（内部量 子効率）を評価。 IQE(E g -0.5eV)を欠陥 に起因する吸収(欠陥 量)と定義。 非常に薄いセル（t i ~10 nm）まで評価が可能。 欠陥吸収 バンド テイル セル特性、E g 、局在準位（Urbach energy：E u 、欠陥量）のi層製膜温度依存性 (t i =250 nm) V oc のロス解析 (t i =250 nm) FFと欠陥量の関係（t i , T s seriesとモデル値） x diode triode light soaked initial IQE (E g -0.5 eV) (x10 -4 ) 0 2 4 6 8 10 FF 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 triode initial triode light soaked diode initial diode light soaked t i series p-i-n E g バンドギャップ
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シリーズ１：バルク欠陥が支配的な最適化a-Si:H p-i-nセル （i層膜厚依存性）
Adrien Bidiville、 松井 卓矢、 齋 均、 松原 浩司産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター 先進プロセスチーム
太陽電池の局在準位評価（FTPS）研究の目的
結論 謝辞
シリーズ２：界面の局在準位が支配的なa-Si:H p-i-nセル （i層製膜温度依存性）
アモルファスシリコン太陽電池の局在準位評価
水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）には初
期欠陥や光誘起欠陥、バンドテイルなどの局在準位が存在し、これらがセル特性に影響を及ぼすことが知られている。しかし、a-Si:Hが太陽電池デバイスに組み込まれた際、
これらの局在準位が空間的にどのように分布し、バルクや界面の局在準位がセル特性にどのような影響を与えるかについては実験的に解明されていない。本研究では、p-i-n型（またはn-i-p型）太陽電池の光吸収層（i層）
の局在準位をセル構造で評価することで、局在準位とセル特性の関係を調査した。
pTCO
inTCO
*Fourier transform photocurrent spectroscopyM. Vanecek and A. Poruba, APL 80, 719 (2002). Photon energy (eV)
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
EQ
E, I
QE
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
EQEIQE
Rce
ll, ATC
O
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
reflectance
absorptance of TCO
J sc (m
A/cm
2 )
68
101214161820
V oc (V
)
0.8
0.9
1.0
Absorber thickness ti (nm)0 100 200 300 400 500 600
FF
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
(a)
(c)
(b)
0 100 200 300 400 500 600
Eff.
(%)
24681012(d)
Absorber thickness ti (nm)0 100 200 300 400 500
IQE(
E g-0.5
eV) (
x10-4
)
0
2
4
6
8diode
(light soaked)
triode(light soaked)
triode(initial)
diode(initial)
J sc (m
A/cm
2 )
14
15
16
17
V oc (V
)
0.30.40.50.60.70.80.91.0
Ts (oC)
200 250 300 350
FF
0.20.30.40.50.60.70.8
(a)
(c)
(b)
200 250 300 350
Eff.
(%)
246810(d)
p-i-n
n-i-p
p-i-n
n-i-p
n-i-p
n-i-p
p-i-np-i-n
Eg (
eV)
1.55
1.60
1.65
1.70
1.75
p-i-n
n-i-p
Eu (
meV
)
35
40
45
Ts (oC)
200 250 300 350
IQE
( Eg-
0.5e
V) (x
10-4)
0.1
1.0
(c
m-1
)
0.01
0.1
1
p-i-n
n-i-p
p-i-n
n-i-p
layer (SE)
layer
layer ()
Ts (oC)
200 250 300 350
V
oc (V
)
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
Eg decreaseBandtail broadningp-layer degradationVoc decrease
IQE (Eg-0.5 eV) (x10-4)0 2 4 6 8 10
FF
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
ti series
Ts series
p-i-n
cross: model
p層、p-i層製膜後に高温アニールを
施す試験により、各層の変化がセル特性に与える影響を解析。
Vocのロスは（１）p層の熱ダメージと（２） i層のバンドテイルブロードニング、（３） i層のナローギャップ化で定量的に説明できる。
２種類の製膜法（ダイオードおよびトライオード）を用いてi層を製膜 （同一チャンバー、ほぼ同じ製膜条件）。
ダイオードではできるだけ低い製膜速度で製膜（<0.1 nm/s）。
光劣化後のFFの膜厚依存性にトライオードの優位性が確認できる。
ダイオード型プラズマCVD
トライオード型プラズマCVD
初期・光誘起欠陥量は膜厚に対してほぼ直線的に増加⇒傾きが欠陥密度に相当し、直線性から欠陥はバルク一様に分布していると考えられる。
トライオードで作製したa-Si:Hの光劣化後の欠陥密度はダイオードで作製したものに比べて約２割少ない。
セルのFFは光吸収層内の欠陥の総量に支配され、膜厚や光劣化の前後、製膜方法によらない（裾準位一定の場合）。
p-i-nセルはn-i-pセルに比べて温度耐性（製膜温度・アニール温度）が低い。 （図は製膜温度依存性）
高温プロセス＋ p層との接合により、i層の局在準位（特にバンドテイル）が増大することを観測した。
i層のフェルミレベルが価電子帯に漸近すると、水素脱離が促進し（Raman評価より）、局在準位がより増大することが示唆される。
FFの欠陥量依存性は、上記膜厚シリーズと異なる挙動を示す。
解析から、a-Si:H p-i-nセルのFFは欠陥量以外にバンドテイルとセルの開放電圧に強く依存することがわかった。
FTPSによる太陽電池光吸収層の局在準位評価から、最適化セル（Ts=200oC）の初期欠陥および光誘起欠陥はバルク一様に分布し、顕著な界面欠陥は観測されなかった。
一方、高温（>200oC）プロセスで作製したセルでは、p-i-nセルはn-i-pセルに比べてバンドギャップの縮小とバンドテイルの増大が顕著であることが明らかとなった。
i層のフェルミレベルが価電子帯に漸近する領域（p-i界面）で水素脱離が促進され、界面の局在準位が増大することが示唆された。
太陽電池のロス解析から、Vocはバンドギャップの他、バンドテイルの影響が大きいことがわかった。一方、FFは多くのパラメータ（欠陥、バンドテイル、Voc）に依存し、これらのパラメータを用いたモデルから導出したFFと実験値の間に良い一致を示した。
本研究の一部は、NEDOから委託された事
業（高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発/太陽電池セル、モジュールの共通基盤技術開発/薄型セルを用いた
高信頼性・高効率モジュール製造技術開発）のもとで実施した。また、成果の一部はPVTECとの共同研究で得た。関係各位に感謝する。
製膜方向
xx
x i xx
バルク欠陥
界面欠陥
𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝐹𝐹𝐹𝐹0 + 𝑘𝑘𝑈𝑈𝐸𝐸𝑈𝑈 + 𝑘𝑘𝐼𝐼𝐼𝐼𝐸𝐸𝐼𝐼𝐼𝐼𝐸𝐸(𝐸𝐸𝑔𝑔 − 0.5eV) + 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜
A. Bidiville et al., JAP 118, 184506 (2015).T. Matsui et al., APL 106, 053901 (2015).
A. Bidiville et al., to be submitted.
光吸収層
Wavelength (nm)300 400 500 600 700 800
EQE
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
240
Ts
220200oC
260280
300
350
Ts
p-i-n
Wavelength (nm)300 400 500 600 700 800
280200oC
350
Ts
n-i-p
セル特性の膜厚依存性 (Ts=200oC) 欠陥量の膜厚依存性 (Ts=200oC) 欠陥量とFFの関係 （ti series, Ts=200oC）
サンプル構造
FTPS概略図
測定例 実デバイスで評価。
セルのEQE（λ<800 nm）とFTPS* （λ>700 nm）、反射スペクトルを
用いてサブバンドギャップ領域のIQE（内部量子効率）を評価。
IQE(Eg-0.5eV)を欠陥に起因する吸収(欠陥量)と定義。
非常に薄いセル（ti~10 nm）まで評価が可能。
欠陥吸収
バンドテイル
セル特性、Eg、局在準位（Urbach energy：Eu、欠陥量）のi層製膜温度依存性 (ti=250 nm) Vocのロス解析 (ti=250 nm) FFと欠陥量の関係（ti, Ts seriesとモデル値）
x
diode
triode
light soaked
initial
IQE (Eg-0.5 eV) (x10-4)0 2 4 6 8 10
FF
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
triode initialtriode light soakeddiode initialdiode light soaked
ti series
p-i-n
Egバンドギャップ
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