JP4690811B2 - 薄膜特性評価方法、薄膜特性評価装置、及び薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜特性評価装置および薄膜特性評価方法に関する。

複数の結晶からなる薄膜の表面の状態を、電子顕微鏡や光学顕微鏡のような機器による撮像データに基いて評価することがある。

このような薄膜の表面状態を評価する技術として、薄膜太陽電池を例として説明する。図８は、薄膜太陽電池の断面を示す図である。図８に示されるように、薄膜太陽電池は、ガラス基板上に透明導電膜、半導体膜（p層、i層、n層）、及び裏面電極膜が順次積層されている。図３Ａは、図８におけるガラス基板、透明導電膜、及び半導体膜の構造を拡大して示した図である。ガラス基板上に設けられた透明導電膜のガラス基板と反対側の表面は、平滑である場合よりも凹凸構造である場合の方が発電効率の観点から好ましい。これは、凹凸構造を有する方が入射した光の反射量をより減少させ、発電に寄与する光の量を増加させるためである。

薄膜太陽電池では、この凹凸構造によって発電効率が左右される。よって、高い発電効率を有する薄膜太陽電池を安定的に生産する為には、透明導電膜の表面の凹凸構造を高い発電効率を与える凹凸構造に作成することが望まれる。高い発電効率を与える表面構造を意図的に製膜する為には、透明導電膜の表面状態を的確に把握して発電効率との関係を評価し、その評価結果を透明導電膜の製膜条件に反映させることが重要である。

上記と関連して、特許文献１は、薄膜の構造を示す薄膜情報に基づいて、その薄膜の特徴を示す形状評価パラメータを算出する形状評価部と、その形状評価パラメータの統計処理を行う統計処理部と、を備える薄膜特性評価装置を開示している。即ち、特許文献１には、薄膜表面の所定の領域において、その平面内における位置と膜厚との関係に基いて、その領域における薄膜の形状を示す画像としての画像データを生成し、その画像データに基いて薄膜の表面形状を評価する方法が記載されている。

更に、上記と関連して、特許文献２は、半導体薄膜の表面を電子顕微鏡にて撮影した撮像データを画像処理することにより、前記半導体薄膜表面上に形成された複数の凸部の全周囲長の総和と、前記撮像データを撮影した範囲である撮像領域における前記各凸部の面積の総和が占める割合である面積率を計算し、前記全周囲長と前記面積率を用いて前記半導体薄膜表面の凹凸部の成長状態を特定する半導体薄膜表面の凹凸部成長評価方法、を開示している。

更に、上記と関連して、特許文献３は、表面に存在する凸部に関し、高さの個数分布が、最頻値よりも平均値が大きく、かつ、横軸をnm単位として表示してχ²型の分布関数に従うとみなしたときに最も良く近似できる自由度が３．５〜１５であり、高さ／幅の比の個数分布が、最頻値よりも平均値が大きく、且つ、χ²型の分布関数に従うとみなしたときに最も良く近似できる自由度が１０〜３５であり、高さ５０〜３５０nmの個数が７０％以上であり、高さ／幅の比０．２５〜１．０５の個数が９０％以上である透明導電膜、を開示している。

しかしながら、これらの評価技術により、同程度の表面状態であると評価された透明導電膜を用いた場合でも、未だ発電効率の変動が発生していた。
特開２００４−１３４４３８号 公報 特開平１１−１０８８６５号 公報 特開２００２−２５２３６１号 公報

本発明の目的は、薄膜の表面状態の特性を的確に評価することのできる薄膜特性評価装置及び薄膜特性評価方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、薄膜の表面状態の特性を的確に評価し、その評価に従って薄膜の表面状態が制御された薄膜太陽電池を提供することにある。

以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決する為の手段を説明する。これらの番号・符号は［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにする為に付加されている。但し、付加された番号・符号は［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、
基板上に複数の結晶から構成されて表面に凹凸構造を有する薄膜の所定の領域（２１）における薄膜の表面形状の三次元データを処理することで得られるその所定の領域に含まれる複数の結晶について、その所定の領域内に含まれる複数の結晶にそれぞれ対応する一の頂点（１３）の位置を示す頂点データ及びそ複数の結晶にそれぞれ対応する頂点（１３）の周囲（２２）の表面形状を示す表面形状データに基いて、その凹凸構造の底面（２３）に形成されるその複数の結晶にそれぞれ対応する縁（２４）の重心（１１）を求める重心計算部（２）と、
それぞれの結晶に対応する重心（１１）と頂点（１３）とを結ぶ直線である重心−頂点直線（１４）が、底面（２３）の法線（１５）と成す角度である結晶傾斜角（１６）を算出する結晶傾斜角計算部（３）と、
を備える。
上述の構成により得られる結晶傾斜角は、算出の元となるデータに、結晶間の境界（２２）における膜厚のデータを用いていない。複数の結晶からなる薄膜において、結晶間の境界（２２）部分の膜厚を正確に測定することは、測定機器の性能上困難である。本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、測定機器により容易に測定することのできる頂点（１３）の位置、及び境界の位置に基いて、薄膜表面の形状を示す指標となる結晶傾斜角（１６）を算出することができる。よって、ユーザは薄膜表面の形状を正確に把握することができる。その結晶傾斜角（１６）を指標として薄膜の製膜条件に反映することで、発電効率向上に適した凹凸を持つ表面を安定的に製膜することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、
更に、
その各結晶について、結晶傾斜角計算部（３）によって計算されたその結晶傾斜角が、予め定められた所定の範囲内に収まっているか否かを判断する結晶傾斜角判断部（４）、
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、
更に、
その複数の結晶のうちで結晶傾斜角判断部（４）によってその結晶傾斜角が所定の範囲内に収まっていると判断された結晶の数が、その複数の結晶の数に対して占める割合である傾斜結晶占有率を算出する占有率算出部（５）、
を備える。
占有率算出部（５）を備えていることにより、その薄膜の所定の領域（１２）における表面状態が、主としてどのような結晶傾斜角をもつ結晶により構成されているかを把握することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）において、
その所定の範囲が、２０°〜５０°であることが好ましい。
本発明の発明者らは、従来考えられていたように透明導電膜の表面構造はピラミッド型が発電効率の向上に最適であるのではなく、その結晶傾斜角が２０°〜５０°であるときに良好な発電効率を示すことを見出した。その結晶傾斜角が２０°より小さいか、または５０°より大きい場合には、発電効率が減少する傾向にある。よって、薄膜の表面状態が、発電効率に有利な状態であるか否かを判断することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、
更に、
占有率算出部により算出されたその傾斜結晶占有率が６０％以上であるか否かを判断する占有率判断部（６）
を備える。
薄膜太陽電池は、ガラス基板上に形成された透明導電膜の表面状態が、結晶傾斜角が２０°〜５０°の範囲に収まる結晶の数が全体の６０％以上を占める状態である場合に、更に良好な発電効率を示す。よって、占有率判断部（６）の判断により、薄膜の表面状態が発電効率に有利な状態であるか否かを、より正確に判断することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）は、
更に、
結晶傾斜角計算部（３）により算出された結晶傾斜角（１６）及び占有率算出部（５）により算出されたその占有率とに基いて、結晶傾斜角をＸ軸とし、占有率をＹ軸としたスペクトルが、単一のピークを示しているかどうかを判断する度数分布判断部（７）、
を備える。
度数分布判断部（７）の判断により、その薄膜の表面における結晶傾斜角の頻度分布が２つ以上のピークを有しているがために、表面状態が全体としてが望む状態であると誤判断する可能性を排除することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）において、
度数分布判断部（７）は、そのスペクトルが、自由度４〜２０のχ²分布に従っているか否かを判断する。
度数分布判断部（７）により、自由度が４〜２０のχ²分布に従うと判断されたスペクトルは、所定の領域（２１）における複数の結晶の各々の結晶傾斜角が、単一のピークを持つ頻度分布に従っていることより確実に示す。よって、度数分布判断部（７）の判断により、その薄膜の表面における結晶傾斜角の頻度分布が２つ以上のピークを有しているがために、表面状態が全体としてが望む状態であると誤判断する可能性をより排除することができる。

本発明に係る薄膜特性評価装置（１）において、
その基板は、ガラス基板であり、その結晶は透明導電膜であることが好ましい。

本発明に係る薄膜太陽電池（１０）は、
ＴＣＯ(Transparent Conductive Oxide:透明導電性酸化物)結晶を含む透明導電膜を有する薄膜太陽電池であって、
そのＴＣＯ結晶が、本発明に係る薄膜特性評価装置（１）によって、その傾斜結晶占有率が６０％以上であると判断された薄膜太陽電池である。この判断により、薄膜太陽電池を選別することで、発電効率の低い薄膜太陽電池を排除することが容易となる。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
基板上に複数の結晶から構成されて表面に凹凸構造を有する薄膜の所定の領域（２１）における薄膜の表面形状の三次元データを処理することで得られるその所定の領域に含まれる複数の結晶について、その所定の領域内に含まれる複数の結晶にそれぞれ対応する一の頂点（１３）の位置を示す頂点データ及びその複数の結晶にそれぞれ対応する頂点（１３）の周囲（２２）の表面形状を示す表面形状データに基いて、その凹凸構造の底面（２３）に形成されるその複数の結晶にそれぞれ対応する縁（２４）の重心（１１）を求めるステップ（ステップＳ１０）と、
それぞれの結晶に対応する重心（１１）と頂点（１３）とを結ぶ重心−頂点直線（１４）が、底面（２３）の法線（１５）と成す角度である結晶傾斜角（１６）を算出するステップ（ステップＳ２０）と、
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
更に、
結晶傾斜角（１６）が、予め定められた所定の範囲内に収まっているか否かを判断する結晶傾斜角判断ステップ（ステップＳ３０）、
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
更に、
所定の領域（２１）において、その所定の範囲に収まっていると判断された結晶の数が、所定の領域（２１）に含まれる結晶の数に対して占める割合である傾斜結晶占有率を算出するステップ占有率算出ステップ（ステップＳ４０）、
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価方法において、
その所定の範囲は、２０°〜５０°であることが好ましい。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
更に、
占有率算出ステップ（Ｓ４０）において算出されたその傾斜結晶占有率が６０％以上であるか否かを判断する占有率判断ステップ（ステップＳ５０）、
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
更に、
結晶傾斜角計算部（３）により算出された結晶傾斜角（１６）と占有率算出部により算出されたその占有率とに基いて、結晶傾斜角（１６）をＸ軸とし、占有率をＹ軸としたスペクトルが、単一のピークを示しているかどうかを判断する度数分布判断ステップ（ステップＳ６０）
を備える。

本発明に係る薄膜特性評価方法は、
その度数分布判断ステップ（Ｓ６０）は、そのスペクトルが、自由度４〜２０のχ²分布に従っているか否かを判断するステップを備える。

本発明に係る薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法で選定された薄膜太陽電池（１０）は、
ガラス基板と、
そのガラス基板上に形成された透明導電膜と、
その透明導電膜上に形成された半導体膜と、
その半導体膜上に形成された裏面電極膜と、
を備え、
その透明導電膜のその半導体膜側の表面は、本発明に係る薄膜特性評価装置（１）によって傾斜結晶占有率が６０％以上であると判断されるものである。

本発明に係る薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法で選定された薄膜太陽電池（１０）は、
その透明導電膜のその半導体膜側の表面が、本発明に係る薄膜特性評価装置（１）によって、そのスペクトルが単一のピークを示していると判断される。

本発明に係る薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法で選定された薄膜太陽電池（１０）は、
その透明導電膜のその半導体膜側の表面が、本発明に係る薄膜特性評価装置（１）によって、そのスペクトルが自由度４〜２０のχ^２分布に従っていると判断される。

本発明に係る薄膜特性評価プログラム（９）は、
本発明に係る薄膜特性評価方法を、コンピュータによって実現させる為のプログラムである。

本発明に依れば、薄膜の表面状態の特性を的確に評価することのできる薄膜特性評価装置及び薄膜特性評価方法が提供される。

更に、本発明に依れば、薄膜の表面状態の特性を的確に評価し、その評価に従って薄膜の表面状態が制御された薄膜太陽電池が提供される。

（構成）
以下に図面を参照して実施の形態について説明する。本実施の形態に係る薄膜特性評価装置１は、パーソナルコンピュータなどに例示される情報処理装置である。図１は本実施の形態に係る薄膜特性評価装置１の構成を概略的に示す図である。薄膜特性評価装置１は、演算処理装置８、ハードディスクに例示される記憶部２０、ＲＡＭに例示されるメモリ１７、ディスプレイに例示される表示部１９、マウスやキーボード、通信回線と接続した通信ポートに例示される入力部１８を備える。

薄膜特性評価装置１には、薄膜特性評価プログラムとして、重心計算部２、結晶傾斜角計算部３、結晶傾斜角判断部４、占有率算出部５、及び度数分布判断部７が演算処理装置８にインストールされている。

記憶部２０には、透明導電膜の所定の領域２１における結晶の数を示す結晶数データ、各結晶の頂点１３の位置を示す頂点データ(Tx,Ty,Tz)、頂点１３の周囲２２での表面形状を示す表面形状データ（Sx,Sy,Sz）、が格納されている。図５を参照して、ある結晶についての頂点データ及び表面形状データが示す内容を説明する。表面形状データは、頂点１３の周囲２２の表面形状を、基板平面上での二次元位置（Sx,Sy）と、基板平面からの高さ(Sz)を用いて三次元的に表現している。また、頂点データは、頂点１３の位置を、基板平面上の位置（Tx,Ty）と基板からの高さ（Tｚ）により三次元的に示している。尚、ここで、表面形状データは、一の結晶と隣りの結晶との境界２５における高さを示すデータを含んでいない。境界２５部分の高さは正確な測定が困難であり、境界２５部分の高さについてのデータを排除することで正確に表面形状を評価することができる。

図４は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope:原子間力電子顕微鏡やＳＰＭ（scanning probe microscope:走査型プローブ顕微鏡）等によって取得された透明導電膜の表面の三次元データを示している。半導体導電膜の表面をこれらの測定機器で測定することにより、透明導電膜の所定の領域２１における表面の形状を基板平面上の座標（ｘ、ｙ）と、基板からの厚み（t）とで表す三次元データ(x,y,t)が取得される。取得された三次元データから、加工処理を施して、上述の結晶数データ、頂点データ、及び表面形状データが生成される。透明導電膜の表面の三次元データからこれらのデータを生成する方法については、特開２００４‐１３４４３８に記載の方法が用いられる。即ち、所定の領域２１における三次元データ（x,y,t）から、境界２５の位置が生成される。続いて、境界２５で囲まれた領域が結晶として定義される。所定の領域２１内では複数の結晶が定義されるので、これにより結晶数データが生成される。また、各結晶の頂点の位置が、頂点データ(Tx,Ty,Tz)として定義され、更にその周囲２２の表面形状が表面形状データ(Sx,Sy,Sz)として定義される。生成された頂点データ及び表面形状データに基いて、各結晶の縁２４が検出される。即ち、頂点１３の座標から、表面形状データが表す表面形状を底面２３まで外挿し、底面２３と外挿された表面形状とが交わることで形成される縁２４が検出される。ここで、底面２３は、図３Ａ、Ｂに示されるように、凹凸構造の底面を示している。すなわち、底面２３は、所定の領域２１内における三次元データにおいて最も厚みが小さい点を通り、且つ、基板平面と平行な平面である。画像に変換したデータと比較し、95％以上の結晶において粒界が規定されるよう、縁２４の検出を調整することが好ましい。生成されたこれらのデータは、入力部１８を介して外部から薄膜特性評価装置１の記憶部２０に格納される。

重心計算部２は、各結晶についての縁２４のデータを参照して、図５の上側の図に示されるように、縁２４により形成される二次元図形の重心１１を計算する機能を実現する。

結晶傾斜角計算部３は、各結晶についての頂点データを参照して、図５の下側の図に示す様に、重心１１と頂点１３とを結ぶ重心−頂点直線１４が底面２３の法線１５と成す角度を計算する機能を実現する。結晶傾斜角計算部３は、計算した角度を結晶傾斜角１６として結晶の夫々を特定する情報と対応付けて結晶傾斜角判断部４及び度数分布判断部７に通知する。

結晶傾斜角判断部４は、結晶傾斜角計算部３から通知された結晶傾斜角１６が、２０°〜５０°の範囲内であるか否かを判断する機能を実現する。更に、結晶傾斜角判断部４は、その判断結果の情報を、基板表面平面２３上の座標データ等の結晶を特定する情報と関連付けて記憶部２０に格納する。

占有率算出部５は、記憶部２０に格納された結晶数データ及び各結晶についての結晶傾斜各判断部４による判断結果を参照して、結晶傾斜角が２０°〜５０°の範囲内にある結晶の数が所定の領域２１に含まれる結晶の数のうちで占める割合である晶占有率を算出する機能を実現する。更に、占有率算出部５は、算出した傾斜結晶占有率を占有率判断部６に通知する。

占有率判断部６は、占有率算出部５より通知された傾斜結晶占有率が、６０％以上であるか否かを判断する機能を実現する。更に、占有率判断部６は傾斜結晶占有率の判断結果を、基板上の座標データ等の透明導電膜の所定の領域２１を特定する情報と関連付けて記憶部２０に格納するとともに、表示部１９に表示する機能を実現する。

度数分布判断部７は、結晶傾斜角計算部３より通知された各結晶の結晶傾斜角についての情報に基いて、図６に示すように、結晶傾斜角をＸ軸、占有率をＹ軸としたスペクトルを作成する。更に、度数分布判断部７は、そのスペクトルが単一のピークを示しているか否かを判断する機能を実現する。更に、度数分布判断部７は、そのスペクトルが自由度４〜２０のχ²分布に従っているか否かを判断する機能を実現する。更に、度数分布判断部７は、判断した結果を、透明導電膜の所定の領域２１を特定する情報と関連付けて記憶部２０に格納するとともに、表示部１９に表示する機能を実現する。

（動作）
続いて、本実施の形態に係る薄膜特性評価方法について説明する。

まず、本実施の形態においては、薄膜特性評価の対象として薄膜太陽電池の透明導電膜を用いた場合について説明する。薄膜太陽電池は、ガラス基板上にＴＣＯ結晶からなる透明導電膜、主としてＳｉからなる半導体膜（p層、i層、n層）、及び裏面電極膜、が順次積層した構成を有する。半導体膜はアモルファス型シリコンであっても良いし、図１０に示すようなアモルファス型シリコンに微結晶型シリコンを直列に積層したタンデム型でも良い。

薄膜太陽電池における透明導電膜の表面、即ち透明導電膜の半導体膜側の表面形状を測定する為には、Ｓｉを主とする半導体膜を除去する必要がある。半導体膜を除去する方法としては、薄膜太陽電池を、２５℃、２２vol%の硝酸中に１５分間浸漬させて裏面電極膜を除去した後、６０℃、２０質量％の水酸化カリウム水溶液中に１５分間浸漬させてシリコンを主成分とする半導体膜をエッチングする方法がある。透明導電膜を構成するＴＣＯ結晶の構造、透過率、反射率、及び電気特性に対する影響がないために、このようにエッチング処理を２段階にわけて施すことが好ましい。

このようにして透明導電膜の表面を露出させたサンプルをＡＦＭ等を用いて測定し、透明導電膜の表面形状の三次元データを取得する。図４はその三次元データの例を示す図である。図４に示す様に、その三次元データは、透明導電膜の表面形状を、基板表面を含む二次元平面である基板平面２３上の位置（x,y）と、基板からの高さ（ｔ）を用いて示している。その三次元データに既知の処理を施して、所定の領域における結晶の数を示す結晶数データ、各結晶の頂点の三次元的な位置を示す頂点データ（Tx,Ty,Tz）、及び頂点１３の周囲２２の表面形状を示す表面形状データ（Sx、Sy、Sz）が生成される。生成された結晶数データ、頂点データ、及び表面形状データは、入力部１８を介して薄膜特性評価装置１に入力され、薄膜特性評価装置の記憶部２０に格納される。

図２は、本実施の形態に係る薄膜特性評価方法の動作の流れを示すフローチャートである。本実施の形態に係る薄膜特性評価方法は、画像データへ変換するステップ（ステップＳ１）、空間フィルタ処理を行うステップ（ステップＳ２）、重心を計算するステップ（ステップＳ１０）、結晶傾斜角を算出するステップ（ステップＳ２０）、結晶傾斜角を判断するステップ（ステップＳ３０）、傾斜結晶占有率を算出するステップ（ステップＳ４０）、傾斜結晶占有率を判断するステップ（ステップＳ５０）、度数分布を判断するステップ（ステップＳ６０）、及び出力するステップ（ステップＳ７０）を備えている。

ステップＳ１０
画像データ変換ステップ及び空間フィルタ処理ステップにより、所定の領域２１内での境界２５が定義され、結晶の位置が定義された後に、ステップＳ１０にて、重心計算部２が記憶部２０に格納された表面形状データ及び頂点データを参照して、所定の領域２１における複数の結晶のうちの一の結晶について、頂点１３の周囲２２の表面形状を底面２３まで外挿し、底面２３上で結晶の縁２４が形成する図形の重心１１の位置情報を計算する。重心計算部２は、計算した重心１１の位置情報を結晶傾斜角算出部３へ通知して、ステップＳ２０へ進む。

ステップＳ２０
続いて、結晶傾斜角算出部３が、記憶部２０に格納された頂点データと結晶傾斜角算出部３より通知された重心１１の位置情報とに基いて、重心１１と頂点1３を結ぶ直線が、底面２３の法線１５と成す角度である結晶傾斜角１６を算出する。結晶傾斜角算出部３は、算出した結晶傾斜角１６を結晶傾斜角判断部４及び度数分布判断部７に通知して次のステップＳ３０へ進む。

ステップＳ３０
次に、結晶傾斜角判断部４が、結晶傾斜角算出部３より通知された結晶傾斜角が所定の範囲内であるか否かを判断する。更に、結晶傾斜角判断部４は、その判断結果を結晶を特定する情報と関連付けて記憶部２０に格納する。尚、その所定の範囲内は、その結晶が有する光閉じ込め効果の観点から、２０°〜５０°に設定しておくことが好ましい。即ち、結晶傾斜角が２０°〜５０°の結晶が多数を占める透明導電膜においては良好な発電効率を得られる傾向にある。一方、結晶傾斜角が２０°より小さいか、又は、５０°よりも大きい結晶が多数を占める透明導電膜では、十分な発電効率が得られない傾向にある。よって、ステップＳ３０による判断により、薄膜の表面状態が発電効率に有利な状態であるか否かを判別することができる。

次に、所定の領域内において、上述のステップＳ１０〜ステップＳ３０までの処理が行われていない結晶が未だ存在する場合にはステップＳ１０の処理へと戻り、全ての結晶について処理が行われた場合には、ステップＳ４０へと進む。

ステップＳ４０
続いて、占有率算出部５が、ステップＳ３０にて結晶傾斜角が所定の範囲内であると判断された結晶の数が、所定の領域内の結晶の数に対して占める割合である占有率を算出する。占有率算出部５は、算出した占有率を表示部１９に表示するとともに占有率判断部６に通知してステップＳ５０へ進む。

ステップＳ５０
ステップＳ４０にて、占有率判断部６に傾斜結晶占有率が通知されると、ステップＳ５０にて占有率判断部６が、通知された傾斜結晶占有率が６０％以上であるか否かを判断する。占有率判断部６は、ステップＳ４０における判断結果を、その領域を特定する情報と対応付けて表示部１９に表示するとともに、記憶部２０へ格納した後、ステップＳ６０へ進む。図７は薄膜太陽電池の初期のセル効率を示すグラフであり、結晶傾斜角が２０°〜５０°である結晶の割合をＸ軸とし、サンプルの発電効率を標準品の発電効率で除算して百分率で表示した数字をＹ軸とした場合のグラフを示している。図７に示されるように、結晶傾斜角が２０°〜５０°である結晶の割合が６０％をこえる透明導電膜を含む薄膜太陽電池は、標準品よりも良好な発電効率を示している。また、図示していないが、薄膜太陽電池の安定化後のグラフも、初期におけるグラフと同様の傾向である。よって、ステップＳ４０による判断により、薄膜の表面状態が発電効率に有利な状態であるか否かを更に詳細に判別することができる。

ステップＳ６０
図６は、結晶傾斜角をＸ軸とし、占有率をＹ軸とたときのスペクトルの例である。度数分布判断部７は、ステップＳ２０において結晶傾斜角算出部３より通知された結晶傾斜角と、記憶部２０に格納された結晶数データに基いて、図６に例示されるようなスペクトルを作成する。更に、度数分布判断部７は、スペクトルが単一のピークを形成しているか否かを判断する。図９は、図６に例示されるスペクトルに自由度８のχ^２分布のスペクトルを重ねたときの図である。度数分布判断部７は、図９に示されるように、結晶傾斜角をＸ軸とし、占有率をＹ軸としたときのスペクトルが、自由度４〜２０のχ²分布に近似できるか否かを判断する。

ステップＳ７０
最後に、度数分布判断部７は、ステップＳ６０における判断結果をその領域を特定する情報と対応付けて表示部１９に表示するとともに、記憶部２０へと格納する。

上述のステップＳ１０〜Ｓ７０までの一連の処理を終了して、本実施の形態における薄膜特性評価方法の動作を終了する。

（作用・効果）
本実施の形態に依れば、所定の領域における各結晶の頂点データ（Tx,Ty,Tz）と、頂点の周辺の表面形状を示す表面形状データ（Sx,Sy,Sz）のみに基いて、透明導電膜の表面形状を示す指標となる結晶傾斜角を算出することができる。傾斜結晶角算出の元となるデータは、隣りの結晶との境界部分の高さの位置情報を含んでいない。図３Ｂにて線で囲まれた部分のように、透明導電膜の膜厚が急激に谷に落ち込むようにして境界が形成されている部分においては、膜厚（高さ）を既存の測定機器においては正確に測定することは困難である。よって、本実施の形態に依れば、境界部分の高さの位置情報を結晶角算出の元としていないことにより、透明導電膜の表面形状をより的確に把握することができる。

さらに、本実施の形態によれば、薄膜太陽電池に用いられた透明導電膜において、結晶傾斜角が２０°〜５０°を有する結晶が全体の６０％以上を超えているか否かを判断することができる。この判断により、ある薄膜太陽電池が、その透明導電膜の表面形状を示すデータから、高い発電効率を示すものであるか否かを判別することができる。よって、高い発電効率を示す薄膜太陽電池と低い発電効率を示す薄膜太陽電池との選別をより的確に行うことができる。

また、本実施に形態に係る薄膜特性評価方法を用いて、結晶傾斜角が２０°〜５０°の結晶が全体の６０％以上を占めていると判断された透明導電膜の表面は、高い光閉じ込め効果を有しており、高い発電効率を示す薄膜太陽電池を提供できる。

薄膜特性評価装置１の概略的な構成図を示す。 薄膜特性評価方法の動作の流れを示すフローチャートである。 薄膜太陽電池の断面の図を示す図である。 ＴＣＯ表面形状がランダムな凹凸を有する薄膜太陽電池の断面の図を示す図である。 薄膜表面の三次元データの例を示す図である。 重心及び結晶傾斜角の求め方を説明する図である。 結晶傾斜角と占有率との関係を示すスペクトルである。 結晶傾斜角が２０°〜５０°の結晶の占有率と、薄膜太陽電池の発電効率の関係を示す図である。 薄膜太陽電池の断面の構造を示す図である。 結晶傾斜角と占有率との関係を示すスペクトルである。 薄膜太陽電池の断面の構造の例を示す図である。

符号の説明

１ 薄膜特性評価装置
２ 重心計算部
３ 結晶傾斜角計算部
４ 結晶傾斜角判断部
５ 占有率算出部
６ 占有率判断部
７ 度数分布判断部
８ 演算処理装置
９ 薄膜特性評価プログラム
１０ 薄膜太陽電池
１１ 重心
１３ 頂点
１４ 重心−頂点直線
１５ 法線
１６ 結晶傾斜角
１７ メモリ
１８ 入力部
１９ 表示部
２０ 記憶部
２１ 所定の領域
２２ 周囲
２３ 底面
２４ 縁
２５ 境界

Claims (12)

1. 基板上に複数の結晶から構成されて表面に凹凸構造を有する薄膜の所定の領域における前記薄膜の表面形状の三次元データを処理することで得られる前記所定の領域内に含まれる複数の結晶について、前記所定の領域内に含まれる複数の結晶にそれぞれ対応する一の頂点の位置を示す頂点データ及び前記複数の結晶にそれぞれ対応する前記頂点の周囲の表面形状を示す表面形状データに基いて、前記凹凸構造の底面に形成される前記複数の結晶にそれぞれ対応する縁の重心を求める重心計算部と、
   それぞれ結晶に対応する前記重心と前記頂点とを結ぶ直線である重心−頂点直線が、前記底面の法線と成す角度である結晶傾斜角を算出する結晶傾斜角計算部と、
   を具備した薄膜特性評価装置。
2. 請求項１に記載された薄膜特性評価装置であって、
   前記基板は、ガラス基板であり、前記結晶は透明導電膜であり、
   更に、
   前記結晶傾斜角が、２０°〜５０°の範囲内に収まっているか否かを判断する結晶傾斜角判断部と、
   前記所定の領域において、前記範囲内に収まっていると判断された結晶の数が、前記所定の領域に含まれる結晶の数に対して占める割合である傾斜結晶占有率を算出する占有率算出部を具備した薄膜特性評価装置。
3. 請求項２に記載された薄膜特性評価装置であって、
   更に、
   前記結晶傾斜角計算部により算出された前記結晶傾斜角及び前記占有率算出部により算出された前記占有率とに基いて、前記結晶傾斜角をＸ軸とし、前記占有率をＹ軸としたスペクトルが、単一のピークを示しているかどうかを判断する度数分布判断部を具備した薄膜特性評価装置。
4. 請求項３に記載された薄膜特性評価装置であって、
   前記度数分布判断部は、前記スペクトルが、自由度４〜２０のχ^２分布に従っているか否かを判断する薄膜特性評価装置。
5. 基板上に複数の結晶から構成されて表面に凹凸構造を有する薄膜の所定の領域における前記薄膜の表面形状の三次元データを処理することで得られる前記所定の領域に含まれる複数の結晶について、前記所定の領域内に含まれる前記複数の結晶にそれぞれ対応する一の頂点の位置を示す頂点データ及び前記複数の結晶にそれぞれ対応する前記頂点の周囲の表面形状を示す表面形状データに基いて、前記凹凸構造の底面に形成される前記複数の結晶にそれぞれ対応する縁の重心を求めるステップと、
   それぞれの結晶に対応する前記重心と前記頂点とを結ぶ直線である重心−頂点直線が、前記底面の法線と成す角度である結晶傾斜角を算出するステップと、
   を具備した薄膜特性評価方法。
6. 請求項５に記載された薄膜特性評価方法であって、
   更に、
   前記結晶傾斜角が、２０°〜５０°の範囲内に収まっているか否かを判断する結晶傾斜角判断ステップと、
   前記所定の領域において、前記範囲内に収まっていると判断された結晶の数が、前記所定の領域に含まれる結晶の数に対して占める割合である傾斜結晶占有率を算出するステップと、前記傾斜結晶占有率が６０％以上であるか否かを判断する占有率判断ステップと、
   を具備した薄膜特性評価方法。
7. 請求項６に記載された薄膜特性評価方法であって、
   更に、
   前記結晶傾斜角計算部により算出された前記結晶傾斜角と前記占有率算出部により算出された前記占有率とに基いて、前記結晶傾斜角をＸ軸とし、前記占有率をＹ軸としたスペクトルが、単一のピークを示しているかどうかを判断する度数分布判断ステップを具備した薄膜特性評価方法。
8. 請求項７に記載された薄膜特性評価方法であって、
   前記度数分布判断ステップは、前記スペクトルが自由度４〜２０のχ^２分布に従っているか否かを判断するステップを備える薄膜特性評価方法。
9. ガラス基板と、
   前記ガラス基板上に形成された透明導電膜と、
   前記透明導電膜上に形成された半導体膜と、
   前記半導体膜上に形成された裏面電極膜と、
   を具備する薄膜太陽電池において、
   前記透明導電膜の前記半導体膜側の表面は、請求項２乃至４に記載された薄膜特性評価装置によって前記傾斜結晶占有率が６０％以上であると判断される薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法。
10. 請求項９に記載された薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法であって、
    前記透明導電膜の前記半導体膜側の表面は、請求項３に記載された薄膜特性評価装置によって、前記スペクトルが単一のピークを示していると判断される薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法。
11. 請求項１０に記載された薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法であって、
    前記透明導電膜の前記半導体膜側の表面は、請求項４に記載された薄膜特性評価装置によって、前記スペクトルが自由度４〜２０のχ^２分布に従っていると判断される薄膜太陽電池用透明導電膜の選定方法。
12. 請求項５乃至８のいずれかに記載された薄膜特性評価方法を、コンピュータによって実現させる為の薄膜特性評価プログラム。

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