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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ, welche eine lichtabsorbierende Schicht
hat, die eine Verbindung vom Chalcopyrit-Typ umfasst.
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Beschreibung der verwandten Technik:
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Eine
Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ hat eine lichtabsorbierende Schicht,
welche eine Verbindung vom Chalcopyrit-Typ umfasst, wie z. B. Cu(In,
Ga)Se (sogenanntes CIGS), und zeigt hervorragende Eigenschaften,
wie z. B. einen Umwandlungswirkungsgrad, welcher höher
als jener von Siliciumsolarzellen ist. Beispielsweise hat diese
Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ eine Stapelstruktur, umfassend ein
Glassubstrat, eine erste Elektrodenschicht, welche auf dem Substrat
ausgebildet ist, die lichtabsorbierende Schicht, welche einen p-Typ-Halbleiter
umfasst von der Verbindung vom Chalcopyrit-Typ, wie z. B. das Cu(In,
Ga)Se, eine Pufferschicht, welche einen n-Typ-Halbleiter umfasst,
und eine transparente zweite Elektrodenschicht, welche in dieser
Reihenfolge gestapelt sind.
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In
der Stapelstruktur kann die lichtabsorbierende Schicht ausgebildet
werden durch die Schritte, Cu-, In- und Ga-Targets in keiner bestimmten
Reihenfolge mehrfach zu sputtern, um auf diese Weise eine Cu-Schicht
2,
eine In-Schicht
3 und eine Ga-Schicht
4 auf einer
ersten Elektrodenschicht
1 zu stapeln, wie in
9 gezeigt,
um einen Precursor vorzubereiten, und dann die Cu-Schicht
2,
In-Schicht
3 und Ga-Schicht
4 einer Wärmebehandlung
in einer Selenisierungsatmosphäre zu unterziehen, um auf diese
Weise das Cu, In und Ga zu legieren und zu selenisieren. Der Precursor
kann vorbereitet werden durch Mehrfach-Sputtern eines Cu-Ga-Legierung-Targets
und eines In- Targets in keiner bestimmten Reihenfolge, wie in der
japanischen Patentoffenlegungspublikation
Nr. 10-135495 offenbart.
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In
den obigen Techniken müssen die zwei Schritte des Mehrfachsputterns
und der Selenisierungsbehandlung durchgeführt werden, sodass
es lange dauert, die lichtabsorbierende Schicht auszubilden. Im
Hinblick auf die Probleme werden in den
japanischen Patentoffenlegungspublikationen
Nr. 08-172052 und
2008-163367 Techniken
vorgeschlagen zur Ausbildung der lichtabsorbierenden Schicht ohne
die Selenisierungsbehandlung, welche Sputtern unter Verwendung eines
Chalcopyrit-Typ-Verbindung-Halbleiter-Targets umfasst.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Die
vorliegenden Erfinder haben bestätigt, dass dann, wenn
die lichtabsorbierende Schicht ausgebildet wird durch die Schritte,
die Elemente, welche andere als Se sind, zu dem drei- oder zweischichtigen
Precursor umzuformen und den vorbereiteten Precursor der Selenisierungsbehandlung
zu unterziehen, wie oben beschrieben, Ga selektiv auf der ersten
Elektrodenschicht 1 abgeschieden wird. Dies liegt daran,
dass Ga und In unterschiedliche Reaktivitäten mit Se haben
und unterschiedliche thermische Diffusionsraten in der Feinschicht
während der Herstellung der CIGS-Verbindung haben. Als
Ergebnis einer intensiven Forschung haben die Erfinder herausgefunden,
dass, wie in 10 gezeigt, eine so erhaltene
lichtabsorbierende Schicht 5 eine Doppelschichtstruktur
hat, welche eine CuGaSe2-Schicht 6 und
eine Cu(In, Ga)Se-Schicht 7 infolge der Ga-Abscheidung
umfasst. Mit anderen Worten sind die Kristallschichten, welche unterschiedliche
Zusammensetzungen haben, in der lichtabsorbierenden Schicht 5 gestapelt.
Wenn die lichtabsorbierende Schicht 5 eine solche getrennte
Doppelschichtstruktur hat, hat die resultierende Solarzelle vom
Chalcopyrit-Typ einen verringerten Umwandlungswirkungsgrad.
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Es
ist allgemein bekannt, dass die ideale Bandlücke der Solarzelle
1,4 eV bei einer Luftmasse (AM) von 1,5 beträgt und dass
dann, wenn Ga/(In + Ga) = 0,6, die Ga-Konzentration ideal ist, um
die Bandlücke von 1,4 eV in der lichtabsorbierenden CIGS-Schicht
zu erhalten. Wenn der obige Precursor, welcher die Drei- oder Zweischichtstruktur
hat, der Selenisierungsbehandlung unterzogen wird, sodass die ideale
Ga-Konzentration erhalten wird, wird die Ga-Abscheidung weiter beschleunigt
infolge der hohen Ga-Konzentration, wodurch die Trennung der lichtabsorbierenden
Schicht in die Doppelschichtstruktur signifikanter wird, was den
Umwandlungswirkungsgrad reduzieren.
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Dieses
Problem wird selbst in dem Fall verursacht, in dem die Sputterreihenfolge
von Cu, In und Ga verändert wird. Somit kann dieses Problem
nicht nur dadurch gelöst werden, dass die Ga-Schicht am Ende
des Mehrfachsputterns ausgebildet wird. Tatsächlich wird
bei dem Verfahren zur Ausbildung des Precursors (d. h. dem Verfahren
zur Herstellung der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ) gemäß den
obigen herkömmlichen Techniken, dann, wenn die Ga-Konzentration
erhöht wird, um das Ga/Gruppe III-Verhältnis von
0,6 zu erhalten, Ga am Boden der lichtabsorbierenden Schicht abgeschieden,
wodurch das hohe Ga-Zusammensetzungsverhältnis in der resultierenden
CIGS nicht erhalten werden kann und die obige Trennung in die Doppelschichtstruktur
verursacht wird, um auf diese Weise den Umwandlungswirkungsgrad
zu reduzieren.
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In
dem Fall, dass ein Se-haltiges Target verwendet wird, wie in den
japanischen Patentoffenlegungspublikationen
Nr. 08-172052 und
2008-163367 beschrieben,
zeigen die Elemente verschiedene Plasmasputterraten, wodurch das
Se-Zusammensetzungsverhältnis der resultierenden CIGS-Schicht nachteilig
niedriger als die von dem Target ist. In anderen Worten hat die
lichtabsorbierende Schicht einen niedrigen Se-Gehalt und kann dadurch
nicht eine gewünschte Zusammensetzung haben. Daher ist
es in diesem Fall notwendig, der lichtabsorbierenden Schicht Se
hinzuzufügen.
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Ferner
hat das Se-haltige Target einen hohen Widerstand und muss durch
HF-Sputtern oder dgl. gesputtert werden. Jedoch hat das HF-Sputtern unvorteilhafterweise
eine geringe Film- bzw. Feinschichtbildungsgeschwindigkeit. Beim
HF-Sputtern dauert es lange, um die lichtabsorbierende Schicht auszubilden,
wodurch die Herstellungseffizienz der Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ
verschlechtert ist.
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Ein
allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Herstellung einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ bereitzustellen,
welche eine lichtabsorbierende Schicht hat, die eine Verbindung
vom Chalcopyrit-Typ umfasst, welche in der Lage ist, eine Trennung
der lichtabsorbierenden Schicht zu verhindern.
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Ein
hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es,
ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ
bereitzustellen, welche eine lichtabsorbierende Schicht mit einer
verbesserten Feinschichtqualität hat.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ mit reduzierten
Produktionskosten bereitzustellen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt
zur Herstellung einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ, welche wenigstens
eine lichtabsorbierende Schicht hat, die eine Verbindung vom Chalcopyrit-Typ
umfasst, wobei die lichtabsorbierende Schicht zwischen ersten und zweiten
Elektrodenschichten angeordnet ist, wobei die Elektrodenschichten
auf der Oberseite einer Oberfläche eines Substrats ausgebildet
sind. Das Verfahren umfasst die Schritte, eine Cu-In-Ga-Legierungsschicht
auf der ersten Elektrodenschicht durch Sputtern unter Verwendung
eines Cu-In-Ga-Legierung-Targets auszubilden, und die Cu-In-Ga-Legierungsschicht
einer Selenisierungsbehandlung zu unterziehen, um auf diese Weise die
Cu-In-Ga-Legierung in die Verbindung vom Chalcopyrit-Typ umzuwandeln,
um die lichtabsorbierende Schicht zu erhalten.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das Cu-In-Ga-Legierung-Target (das
CIG-Target) verwendet, um die Legierungsschicht auszubilden, welche
annähernd dieselbe Zusammensetzung wie das Cu-In-Ga-Legierung-Target
hat. In der Legierungsschicht sind Teilchen von Elementen von Cu,
In und Ga im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert.
In anderen Worten sind in der Legierungsschicht die Teilchen von
Cu, In und Ga im Wesentlichen gleichmäßig vermischt.
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Somit
wird die selektive Reaktion von Ga und Se kaum bei der Selenisierungsbehandlung
der Legierungsschicht bewirkt, sodass eine Ga-Abscheidung in dem
unteren Abschnitt der lichtabsorbierenden Schicht wirksam verhindert
wird. Als ein Ergebnis kann die Ausbildung der Cu-Ga-Se2-Schicht
(d. h. die Trennung der lichtabsorbierenden Schicht) verhindert
werden und die resultierende lichtabsorbierende Schicht kann eine
im Wesentlichen gleichmäßige Einschicht-Cu(In,
Ga)Se-Struktur haben.
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Mit
anderen Worten kann dann, wenn das Cu-In-Ga-Legierung-Target verwendet
wird, um die Legierungsschicht auszubilden, welche im Wesentlichen
dieselbe Zusammensetzung wie das Target hat, und die Legierungsschicht
zu der lichtabsorbierenden Schicht umgewandelt wird, welche die
verbindung vom Chalcopyrit-Typ umfasst, durch die Selenisierungsbehandlung,
die erhaltene lichtabsorbierende Schicht frei von der CuGaSe2-Schicht sein.
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Die
Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ, welche die annähernd gleichmäßige
einzelne lichtabsorbierende Schicht hat, hat weniger Interferenzdefekte und
ist ausgezeichneter in Eigenschaften, wie z. B. Strom-Spannung-Kennlinien
und einem Quantenwirkungsgrad, im Vergleich zu den oben beschriebenen Solarzellen,
welche die separate Doppelschichtstruktur haben. Somit hat die Solarzelle
vom Chalcopyrit-Typ, welche durch das Verfahren der vorliegen den Erfindung
hergestellt ist, ausgezeichnete Energieerzeugungseigenschaften.
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Ferner
ist bei der vorliegenden Erfindung nur ein Feinschichtbildungsschritt
erforderlich und die komplizierten Prozesse (wie z. B. ein Target-Austauschprozess,
um drei oder zwei Schichten zu stapeln, um den Precursor vorzubereiten)
sind nicht erforderlich. Daher kann die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ
in einer kürzeren Zeit ohne den Austauschprozess erzeugt
werden, mit einer bemerkenswert verbesserten Produktionseffizienz.
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Das
CIG-Target hat einen niedrigen Widerstand und somit kann die Schicht
durch DC-Sputtern oder dgl. ausgebildet werden. In dem Fall, dass DC-Sputtern
verwendet wird, kann die Feinschichtbildungsgeschwindigkeit erhöht
werden, wodurch die Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ effizienter erzeugt werden
kann.
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Um
die lichtabsorbierende Schicht mit einer idealen Cu-In-Ga-Zusammensetzung
zu erhalten, hat das Cu-In-Ga-Legierung-Target vorzugsweise eine
Cu-In-Ga-Zusammensetzung, welche eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Target eine Cu-In-Ga-Zusammensetzung
hat, welche die beiden nachfolgenden Ungleichungen (1) und (2) erfüllt. 0,7 ≤ Cu/(In + Ga) ≤ 0,99 (1) 0,4 ≤ Ga/(In + Ga) ≤ 0,7 (2)
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Die
obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlicher,
wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verwendet
wird, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung anhand eines erläuternden Beispiels gezeigt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Seitenansicht, welche eine Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine erläuternde Ansicht, welche die Bildung einer Cu-In-Ga-Legierungsschicht
durch Sputtern unter Verwendung eines Cu-In-Ga-Legierung-Targets
zeigt;
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3 ist
eine schematische Seitenansicht, welche die Legierungsschicht zeigt,
welche auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet ist;
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4 ist
eine schematische Seitenansicht, welche eine lichtabsorbierende
Schicht zeigt, die eine Verbindung vom Chalcopyrit-Typ umfasst,
welche aus der Legierungsschicht durch eine Selenisierungsbehandlung
umgewandelt ist;
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5 ist
eine graphische Darstellung, welche Röntgenbeugungsmuster
der lichtabsorbierenden Schicht, welche durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Ausführungsform ausgebildet ist, und einer lichtabsorbierenden
Schicht, welche durch eine herkömmliche Technik ausgebildet
ist, in einem niedrigen Winkelbereich zeigt;
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6 ist
eine graphische Darstellung, welche Röntgenbeugungsmuster
der lichtabsorbierenden Schicht, welche durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Ausführungsform ausgebildet ist, und der lichtabsorbierenden
Schicht, welche durch die herkömmliche Technik ausgebildet
ist, in einem hohen Winkelbereich zeigt;
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7 ist
ein Diagramm, welches Strom-Spannungs-Kennlinien einer Solarzellenbatterie
zeigt, welche die lichtabsorbierende Schicht hat, die durch das
Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ausgebildet ist, und ei ner Solarzellenbatterie, welche die lichtabsorbierende
Schicht hat, welche durch die herkömmliche Technik ausgebildet
ist;
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8 ist
ein Diagramm, welches die Quantenwirkungsgrade der Solarzellenbatterie
zeigt, welche die lichtabsorbierende Schicht hat, welche durch das
Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ausgebildet ist, und der Solarzellenbatterie, welche die lichtabsorbierende
Schicht hat, welche durch die herkömmliche Technik ausgebildet
ist;
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9 ist
eine schematische Seitenansicht, welche eine Cu-Schicht, eine In-Schicht
und eine Ga-Schicht zeigt, welche auf einer ersten Elektrodenschicht
durch Mehrfachsputtern von Cu-, In- und Ga-Targets ausgebildet ist;
und
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10 ist
eine schematische Seitenansicht, welche eine untere CuGaSe2-Schicht und eine obere Cu(In, Ga)Se-Schicht
in einer lichtabsorbierenden Schicht zeigt, welche durch Selenisieren
der Cu-Schicht, der In-Schicht und der Ga-Schicht von 9 ausgebildet
ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Zuerst
wird nachstehend eine Struktur einer Solarzelle vom Chalcopyrit-Typ
beschrieben unter Bezugnahme auf 1, welche
schematisch die Solarzelle zeigt. Die Solarzelle 10 vom
Chalcopyrit-Typ hat eine erste Elektrodenschicht 14, eine
lichtabsorbierende Schicht 16, welche einen p-Typ-Halbleiter von
einer Verbindung vom Chalcopyrit-Typ umfasst, eine Pufferschicht 18,
welche einen n-Typ-Halbleiter umfasst, und eine transparente zweite
Elektrodenschicht 20, welche in dieser Reihenfolge auf
ein Glassubstrat 12 gestapelt sind.
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Die
erste Elektrodenschicht 14 ist generell aus einem Metall
hergestellt und bevorzugte Materialien hierfür umfassen
Mo, W, usw.
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In
dieser Ausführungsform ist die lichtabsorbierende Schicht 16,
welche auf der ersten Elektrodenschicht 14 ausgebildet
ist, aus Cu(In, Ga)Se (sogenanntes CIGS) hergestellt. Wie nachstehend
beschrieben, ist die lichtabsorbierende Schicht 16 durch
eine Selenisierung eines Precursors, d. h. einer Cu-In-Ga-Legierungsschicht
ausgebildet.
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Bevorzugte
Materialien für die Pufferschicht 18, welche auf
der lichtabsorbierenden Schicht 16 angeordnet ist, umfassen
CdS, ZnS, InS usw. Die zweite Elektrodenschicht 20 umfasst
ein transparentes Material, welches eine hohe Energiesammeleffizienz
und einen ausgezeichneten Lichtdurchlässigkeitsgrad hat,
welcher dafür geeignet ist, Licht, wie z. B. ein Sonnenlicht,
durchzulassen. Bevorzugte Beispiele solcher transparenter Materialien
umfassen Al-dotiertes ZnO (ZnO-Al) usw.
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In 1 verkörpert
die Bezugszahl 22 eine strukturierte Nut, welche durch
Strukturieren bei der Herstellung der Solarzelle 10 vom
Chalcopyrit-Typ ausgebildet ist.
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Bei
der Solarzelle 10 vom Chalcopyrit-Typ, welche eine solche
Struktur hat, fließt ein Photostrom i längs eines
in 1 gezeigten Pfeils.
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Dann
wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung der Solarzelle 10 vom
Chalcopyrit-Typ gemäß der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte, eine
Cu-In-Ga-Legierungsschicht 26 (einen Precursor von der
lichtabsorbierenden Schicht 16, siehe 3)
auf der ersten Elektrodenschicht 14 unter Verwendung eines
Cu-In-Ga-Legierung-Targets 24 (siehe 2)
auszubilden und die Cu-In-Ga-Legierungsschicht 26 zu selenisierern,
um die lichtabsorbierende Schicht 16 auszubilden, welche
die CIGS umfasst. Die Cu-In-Ga-Legierungsschicht 26 und
das Cu-In-Ga-Legierung-Target 24 können nachfolgend einfach
als die Legierungsschicht 26 bzw. das CIG-Target 24 bezeichnet
werden.
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Als
Erstes wird die erste Elektrodenschicht 14, welche aus
Mo, W oder dgl. hergestellt ist, auf dem Glassubstrat 12 beispielsweise
durch Sputtern ausgebildet.
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Als
Nächstes wird die Legierungsschicht 26 (der Precursor
von der lichtabsorbierenden Schicht 16) auf der ersten
Elektrodenschicht 14 ausgebildet. Diese Ausbildung wird
durch Sputtern unter Verwendung des CIG-Targets 24 erreicht,
wie in 2 gezeigt. Das CIG-Target 24 hat einen
geringen Widerstand und kann somit durch DC-Sputtern gesputtert werden,
was eine hohe Feinschichtbildungsgeschwindigkeit hat.
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In
dieser Ausführungsform hat das CIG-Target 24 eine
Cu-In-Ga-Zusammensetzung, welche die beiden nachfolgenden Ungleichungen
(1) und (2) erfüllt. 0,7 ≤ Cu/(In
+ Ga) ≤ 0,99 (1) 0,4 ≤ Ga/(In + Ga) ≤ 0,7 (2)
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In
dem Fall einer Verwendung des CIG-Targets 24, welches eine
solche Zusammensetzung hat, kann die lichtabsorbierende Schicht 26 ein
Ga-Zusammensetzungsverhältnis nahe an dem Idealwert von
0,6 haben.
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Beim
Sputtern kollidiert beispielsweise ionisiertes Ar mit einer hohen
Geschwindigkeit mit dem CIG-Target 24 und Atome oder Moleküle
von der Cu-In-Ga-Legierung werden aus dem CIG-Target 24 freigesetzt.
Die freigesetzten Atome oder Moleküle werden an der ersten
Elektrodenschicht 14 angelagert und abgelagert, um die
Legierungsschicht 26 mit einer vorbestimmten Dicke auszubilden.
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Es
ist aus dem Vorangehenden klar, dass in dieser Ausführungsform
das Sputtern nur einmal unter Verwendung des CIG-Targets 24 durchgeführt wird,
welches aus der ternären Cu-In-Ga-Legierung besteht, um
die Cu-In-Ga-Legierungsschicht 26 auszubilden. Somit kann
die Legierungsschicht 26 in einer beträchtlich
kürzeren Zeit in der vorliegenden Ausführungsform
ausgebildet werden als bei den herkömmlichen Techniken,
welche mehrfaches Sputtern unter Verwendung von Cu-, In- und Ga-Targets oder
Cu- und In-Ga-Targets umfassen.
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Bei
den herkömmlichen Techniken sind komplizierte Prozesse
zum Öffnen einer Kammer von Sputter-Equipment und dem Austausch
des Targets erforderlich, um die Schichten aus verschiedenen Materialien
zu stapeln. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform
das Sputtern nur einmal durchgeführt, wodurch die Herstellungsabläufe
vereinfacht werden können.
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Aus
den obigen Gründen kann in dieser Ausführungsform
die Zeit, welche erforderlich ist, um die Solarzelle 10 vom
Chalcopyrit-Typ herzustellen, verkürzt werden und die Produktionseffizienz
kann verbessert werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Solarzellen 10,
welche in einer Zeiteinheit hergestellt werden, um das Zwei- bis
Dreifache erhöht werden.
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In
dieser Ausführungsform hat das CIG-Target 24 die
oben erwähnte Zusammensetzung und Teilchen von Cu, In und
Ga sind im Wesentlichen gleichmäßig in der ausgebildeten
Legierungsschicht 26 dispergiert.
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Es
ist bevorzugt, dass eine Alkalischicht (nicht gezeigt) auf der Legierungsschicht 26 ausgebildet
ist. Beispielsweise kann die Alkalischicht ausgebildet werden, indem
eine wässrige Lösung, welche Alkalimetalle enthält,
wie z. B. eine wässrige Natriumsalzlösung (z.
B. eine wässrige Natriumchloridlösung) auf die
Legierungsschicht 26 aufgebracht wird und danach die aufgebrachte
Lösung getrocknet wird. Die Lösung kann aufgebracht
werden, indem ein teilweise verarbeitetes Produkt, welches die Legierungsschicht 26 hat,
in die Lösung eingetaucht wird. Alternativ kann die Lösung
durch ein bekanntes Applikationsverfahren, wie z. B. ein Rotationsbeschichtungsverfahren,
aufgebracht werden.
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Das
teilweise verarbeitete Produkt, auf welchem die Alkalischicht ausgebildet
ist, wird in einem Wärmebehandlungsofen angeordnet und
einer Vorwärmung unterzogen, und dann wird ein Selenisierungsgas,
wie z. B. H2Se-Gas, in den Wärmebehandlungsofen
eingeleitet. Die Cu-In-Ga-Legierung der Legierungsschicht 26 wird
selenisiert und durch das Selenisierungsgas in die Chalcopyrit-Typ-Verbindung Cu(In,
Ga)Se umgewandelt, sodass die lichtabsorbierende Schicht 16 ausgebildet
wird.
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In
diesem Schritt wird die Kristallisation von Cu(In, Ga)Se durch einen
Alkalibestandteil, wie z. B. Na, beschleunigt, welcher in der Alkalischicht
enthalten ist. Die Alkalischicht wird in die lichtabsorbierende Schicht 16 diffundiert
und verschwindet letztendlich. Somit bleibt die Alkalischicht nicht
als eine Schicht auf der lichtabsorbierenden Schicht 16 übrig.
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Wie
oben beschrieben, sind die Cu-, In- und Ga-Teilchen, welche in der
Legierungsschicht 26 enthalten sind, in einem im Wesentlichen
gleichmäßig vermischten Zustand dispergiert. Daher
wird die selektive Reaktion von Ga und Se kaum bei der Selenisierung
der Legierungsschicht 26 verursacht, sodass die Ausbildung
einer CuGaSe2-Schicht infolge der Ga-Abscheidung
in dem unteren Abschnitt der lichtabsorbierenden Schicht 16 auf
der ersten Elektrodenschicht 14 verhindert wird. Als Ergebnis
hat die lichtabsorbierende Schicht 16 eine gleichmäßige
Einschicht-Cu(In, Ga)Se-Struktur.
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Das
Vorangehende kann durch die gemessenen Röntgenbeugungsmuster
der 5 und 6 bestätigt werden.
Die 5 und 6 zeigen die Röntgenbeugungsmuster
einer lichtabsorbierenden Schicht, welche durch eine herkömmliche
Technik ausgebildet ist, welche die Schritte umfasst, eine Cu-Schicht,
eine In-Schicht und eine Ga-Schicht auf der ersten Elektrodenschicht 14 zu
stapeln und danach die gestapelten Schichten zu selenisieren, und der
lichtabsorbierenden Schicht 16, welche durch das Verfahren
der vor liegenden Ausführungsform ausgebildet ist, welches
die Schritte umfasst, eine Legierungsschicht 26 unter Verwendung
des CIG-Targets 24 auszubilden, welches aus der Cu-In-Ga-Legierung
besteht, und danach die Legierungsschicht 26 zu selenisieren.
Die Muster in einem niedrigen Winkelbereich sind in 5 gezeigt
und die Muster in einem hohen Winkelbereich sind in 6 gezeigt.
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Wie
in den 5 und 6 gezeigt, haben die Röntgenbeugungsmuster
von der lichtabsorbierenden Schicht, welche durch die herkömmliche Technik
ausgebildet ist, deutliche Höchstwerte A, B und C, welche
sich aus dem CuGaSe2 ergeben. Im Gegensatz
dazu haben die Muster der lichtabsorbierenden Schicht 16,
welche in der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet
ist, keine sich aus dem CuGaSe2 ergebenden
Höchstwerte. Es ist aus den obigen Ergebnissen klar, dass
die lichtabsorbierende Schicht 16 die CuGaSe2-Schicht
nicht hat. Mit anderen Worten ist die lichtabsorbierende Schicht 16 als eine
gleichmäßige einzelne CIGS-Schicht ohne die Schichttrennung
ausgebildet.
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Ferner
werden die CIGS-Höchstwerte X2 (5) und Y2
(6) der lichtabsorbierenden Schicht, welche durch
die herkömmliche Technik ausgebildet ist, bei kleineren
Winkeln beobachtet als die CIGS-Höchstwerte X1 (5)
und Y1 (6) der lichtabsorbierenden Schicht 16.
Dies bedeutet, dass das CIGS in der lichtabsorbierenden Schicht,
welche durch die herkömmliche Technik ausgebildet ist,
ein geringeres Ga-Zusammensetzungsverhältnis hat.
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Somit
kann die lichtabsorbierende Schicht 16, welche die gleichmäßige
Einschichtstruktur ohne die Schichttrennung und die ideale Ga-Konzentration hat,
erhalten werden, indem die Legierungsschicht 26 ausgebildet
wird unter Verwendung des CIG-Targets 24, welches aus der
Cu-In-Ga-Legierung besteht, und danach die Legierungsschicht 26 selenisiert
wird.
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Als
Nächstes wird die Pufferschicht 18, welche aus
einem n-Typ-Halbleiter, wie z. B. CdS, ZnS, InS usw. hergestellt
ist, durch ein chemisches Bad-Abscheidungsverfahren usw. ausgebildet.
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Dann
wird eine mechanische Strukturierung bzw. mechanisches Scribing
durchgeführt und die zweite Elektrodenschicht 20 wird
ausgebildet. Beispielsweise wird eine transparente ZnO-Al-Schicht als
die zweite Elektrodenschicht 20 durch Sputtern unter Verwendung
eines ZnO-Al-Targets ausgebildet.
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Danach
wird erneut die mechanische Strukturierung durchgeführt,
um auf diese Weise eine Teilung in eine vorbestimmte Anzahl von
Zellen zu erreichen, wodurch eine Solarzellenbatterie erhalten wird, welche
die Solarzellen 10 vom Chalcopyrit-Typ umfasst.
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7 ist
eine graphische Darstellung, welche Strom-Spannung-Kennlinien (I-U-Kennlinien)
der Solarzellenbatterie zeigt, welche durch das Verfahren der vorliegenden
Ausführungsform erhalten wird, und einer Solarzellenbatterie,
welche durch die obige herkömmliche Technik erhalten wird.
Die Kurve C1 ist die I-U-Kennlinienkurve der Solarzellenbatterie,
welche durch das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform
erhalten wird, und die Kurve C2 ist die I-U-Kennlinienkurve der
Solarzellenbatterie, welche durch die herkömmliche Technik
erhalten wird.
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Es
ist aus 7 klar, dass die Solarzellenbatterie,
welche durch das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform
erhalten wird, eine höhere Spannung unter einem gleich
hohen Strom zeigt und somit eine höhere Ausgangsleistung
hat. Die Ausgangsleistung ist um etwa 10 bis 20% erhöht,
was aus der Fläche des von der Kurve C1 und der Kurve C2
umgebenen Bereichs berechnet wird (d. h. der Bereich, welcher durch
diagonale Linien in 7 gezeigt ist).
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8 ist
eine graphische Darstellung, welche die Quantenwirkungsgrade der
Solarzellenbatterie zeigt, welche durch das Verfahren der vorliegenden
Ausführungsform erhalten wird (Kurve C3) und der Solarzellenbatterie,
welche durch die herkömmliche Technik erhalten wird (Kurve
C4), welche die Beziehung zwischen einer Wellenlänge und
einem normalisierten Wert verkörpern. In 8 ist
der normalisierte Wert der Kurve C3 größer als
der der Kurve C4 in einem Bereich zwischen einer niedrigen Wellenlänge
und einer Wellenlänge von sichtbarem Licht. Somit ist bestätigt,
dass der Quantenwirkungsgrad in diesem Wellenlängenbereich
erhöht werden kann unter Verwendung des Herstellungsverfahrens,
welches die Schritte umfasst, die Legierungsschicht 26 unter
Verwendung des Cu-In-Ga-Legierung-Targets 24 auszubilden
und danach die Legierungsschicht 26 zu selenisieren.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird der Quantenwirkungsgrad
auf diese Weise verbessert, wodurch der Kurzschlussstrom erhöht
wird. Ferner sind die inneren Defekte der Solarzelle 10 vom Chalcopyrit-Typ
reduziert, sodass die Leerlaufspannung in vorteilhafter Weise erhöht
ist.
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Somit
wird in der vorliegenden Ausführungsform die Solarzelle 10 vom
Chalcopyrit-Typ erhalten, welche in verschiedenen Eigenschaften
ausgezeichnet ist.
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Obwohl
das CIG-Target 24 die Ga-Zusammensetzung hat, welche die
beiden Ungleichungen (1) und (2) in der obigen Ausführungsform
erfüllt, kann das CIG-Target 24 irgendeine Zusammensetzung
haben, solange die selenisierte Legierungsschicht 26 als
die lichtabsorbierende Schicht wirken kann.
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Zusätzlich
kann das CIG-Target 24 durch ein anderes Verfahren als
das DC-Sputtern gesputtert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 10-135495 [0003]
- - JP 08-172052 [0004, 0008]
- - JP 2008-163367 [0004, 0008]