太阳能电池转换效率提高1成！通过雾化实现无等离子损伤的高速成膜

 “太阳能电池的转换效率最大提高了1成”——。东芝三菱电机产业系统开发出了通过将原料制成雾状来形成薄膜的雾化CVD（化学气相沉积）装置“TMmist”。由于采用非真空工艺、不使用等离子体，因此有望减少装置的设置面积和初期投资，并提高基材薄膜的特性。东芝三菱电机产业系统将瞄准太阳能电池透明导电膜的成膜等用途，力争2014年度获得约10亿日元、2015年度获得约20亿日元的订单。

用超声波雾化

使用真空工艺的已有溅射装置等需要真空室及真空泵等附属设备。随着基板的大型化，这些设备的设置面积及初期投资将会大幅增加。而且还无法避免等离子体给基材薄膜造成的损伤。

因此，东芝三菱电机系统将开发目标瞄准了利用非真空工艺、无等离子体损伤的成膜技术。该公司着眼于日本京都大学等研究的雾化CVD技术，以该技术为基础，从2007年开始致力于产品化。

TMmist大致由（1）将原料制成雾状的超声波喷雾器、（2）向生产线上流过的宽1m左右的基板供应雾状原料的细长整流喷嘴、（3）加热基板的加热器等构成（图1）。

图1：利用超声波使原料雾化

东芝三菱电机产业系统开发的雾化CVD装置（a）。利用超声波使原料溶液雾化后，在基板上分解反应，形成薄膜（b）。（图片出外：东芝三菱电机产业系统）
具体操作过程如下。先由（1）超声波喷雾器利用1.6M～2.4MHz超声波将成膜原料溶液制成直径数μm的雾状液滴注1）。接着，将雾状原料与载气混合，输送至（2）整流喷嘴，喷到基板上。然后，喷到基板上的原料（3）在加热器产生的热效应下分解反应，形成薄膜。

实现产品化时的最大课题是如何优化对膜厚及膜质不均问题有重大影响的（2）整流喷嘴内部构造。这时需要利用整流喷嘴使雾化的原料均质化，喷到基板上。东芝三菱电机系统在母公司三菱电机的研究所的协助下，对雾化原料的流动与内部构造之间的关系进行了反复分析。另外，还对（1）超声波喷雾器使用的原料溶液的成分等实施了优化，同时改进了（3 ）加热器的机构，从而实现了大面积基板的均匀加热注2）。

注1）泄漏至装置外部的超声波数量符合制造设备业界团体SEM（I SemiconductorEquipment and Materials International）的标准。

注2）在宽1m的基板上形成透明导电膜时，膜厚不均程度为±20％。通过在产生线上排列多个整流喷嘴、重复成膜，便可将成膜膜厚的不均程度降至±10％。

凭借上述措施，TMmist可获得与溅射装置等同等的膜质。以透明导电膜的特性为例，薄膜电阻值达到了9.5Ω/□，波长400n～800nm的可见光的平均透射率达到了90.5％注3）。可满足太阳能电池的透明导电膜要求的10Ω/□以下、80％以上的标准（图2）。

图2：可见光平均透射率达到90.5％

利用雾化CVD法形成的透明导电膜的薄膜电阻达到9.5Ω/□，波长400n～800nm的可见光的平均透射率达到90.5％。（图片出外：东芝三菱电机产业系统）
注3）形成氧化锌（ZnO）透明导电膜时，使用由锌化合物等构成的原料溶液。基板用加热器加热至200℃，并向基板上供给臭氧来促进反应。基板上的温度不均程度为±2％。

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无损伤

此次装置比溅射装置出色的是，不仅能够减少采用非真空工艺时较大的设置面积及初期投资，而且还可凭借无等离子体损伤这一点来提高基材薄膜的特性。

其中，无等离子体损伤的良好效果得到了太阳能电池厂商的证实。有厂商报告称，用于CIGS（Cu-In-Ga-Se）型太阳能电池的透明导电膜时，“转换效率（最大）提高了1成”。在良好的结果鼓舞下，已开始有太阳能厂商考虑导入试制机。

另外，成膜速度也比溅射装置高。溅射装置约为200nm/分钟，而TMmist达到了650nm/分钟。其原因估计是雾状液体能够比气体实现更多的原料供给量。


图3：还可用于有机EL等

东芝三菱电机产业系统设想将雾化CVD装置用于CIGS型太阳能电池的透明导电膜用途，此外还考虑开拓有机EL等用途。（图片出处：东芝三菱电机产业系统）
作为TMmist最初的应用领域，东芝三菱电机产业系统选择的是今后市场有望增长的CIGS型太阳能电池的透明导电膜。而且今后该公司还将开拓其他用途，比如显示器等使用的透明导电膜，以及使用有机原料的有机EL等（图3）。其中，在有机EL方面，除了用于透明导电膜之外，还可用于发光层、电子传输层及正孔传输层等。（记者：河合 基伸，《日经电子》）