DE112008003755T5 - Integrierte Struktur einer Solarzelle auf CIS-Grundlage - Google Patents

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Hideki Hakuma
Yoshiaki Tanaka
Tetsuya Aramoto
Katsumi Kushiya
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Solar Frontier KK
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Showa Shell Sekiyu KK
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Abstract

Integrierte Struktur einer Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage, die durch Stapeln einer p-CIS-Lichtabsorptionslage, einer Pufferlage und einer durchsichtigen n-leitenden Schicht in dieser Reihenfolge erhalten wurde,
wobei die Pufferlage eine Stapelstruktur von drei oder mehr Schichten besitzt,
eine erste Pufferlage, die an die p-Lichtabsorptionslage angrenzt, aus einer Verbindung hergestellt ist, die Cadmium (Cd), Zink (Zn) oder Indium (In) enthält,
eine zweite Pufferlage, die an die erste Pufferlage angrenzt, aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist,
eine dritte Pufferlage in der Weise gebildet ist, dass sie durch Bildung eines Verdrahtungsmusters in der p-CIS-Lichtabsorptionslage, in der ersten Pufferlage und in der zweiten Pufferlage freiliegende Endflächen und eine Endfläche zu der durchsichtigen n-leitenden Schicht der zweiten Pufferlage bedeckt, und
die dritte Pufferlage aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Struktur einer Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage.
  • Stand der Technik
  • Gegenwärtig gelangen Dünnschichtsolarzellen auf CIS-Grundlage umfassend in praktische Verwendung. Es ist bekannt, dass durch Züchten einer Cadmiumsulfidlage (CdS-Lage) als einer hochohmigen Pufferlage auf einer Lichtabsorptionslage, die aus einer Dünnschicht auf CuIn-Se2-Grundlage hergestellt wird, eine Dünnschichtsolarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad erhalten werden kann, wenn die Dünnschichtsolarzellen auf CIS-Grundlage hergestellt werden.
  • Das Patentdokument 1 offenbart ein chemisches Badabscheidungsverfahren (CBD-Verfahren) zum chemischen Abscheiden einer Cadmiumsulfid-Dünnschicht (CdS-Dünnschicht) aus einer Lösung durch Tauchen einer CuIn-Se2-Dünnschicht-Lichtabsorptionslage in eine Lösung in der Weise, dass eine Dünnschicht-Lichtabsorptionslage und ein hochwertiger Heteroübergang gebildet werden können und ein Nebenschlusswiderstand zunehmen kann.
  • Außerdem offenbart das Patentdokument 2 ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtsolarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad wie in dem Fall, in dem die Cadmiumsulfidlage (CdS-Lage) als eine Pufferlage verwendet wird, indem eine Zinkmischkristallverbindung, d. h. Zn(O, S, OH)x, die aus Sauerstoff, Schwefel und einer Hydroxylgruppe zusammengesetzt ist, die chemisch aus einer Lösung auf einer p-Lichtabsorptionslage gezüchtet wurde, als die hochohmige Pufferlage verwendet wird.
  • Darüber hinaus offenbart das Patentdokument 3 eine Technik zum Herstellen einer Dünnschicht durch aufeinander folgendes Abscheiden einer Pufferlage und einer Fensterlage auf einem Glassubstrat in dieser Reihenfolge unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens).
    • Patentdokument 1: US-Patent Nr. 4.611.091
    • Patentdokument 2: Japanisches Patent Nr. 3249342
    • Patentdokument 3: JP-A-2006-332440
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Wenn in einem im Patentdokument 1 des verwandten Gebiets offenbarten verwandten Verfahren eine Cadmiumsulfidlage (CdS-Lage) als die hochohmige Pufferlage gezüchtet wird, wird ein Bemühen unternommen, eine hochgiftige Cadmium-Abfalllösung (Cd-Abfalllösung) zu minimieren Da festes Cadmiumsulfid (CdS) und eine Alkaliabfalllösung reichlich produziert werden, steigen aber die Entsorgungskosten und steigen dementsprechend die Herstellungskosten der CIS-Solarzelle.
  • Obwohl das Patentdokument 2 ein effektives Herstellungsverfahren zum Ausschließen der Cadmiumsulfidpufferlage (CdS-Pufferlage) offenbart, die für die Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad als unverzichtbar angesehen wird, soll das im Patentdokument 2 offenbarte Verfahren einen Leckverlust unter Verwendung der CBD-Pufferlage unterdrücken und soll das im Patentdokument 3 offenbarte Verfahren den Leckverlust unter Verwendung der unter Verwendung des metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahren) hergestellten Pufferlage unterdrücken. Somit ist es erwünscht, beide Verfahren zu verbessern.
  • Insbesondere enthält die Oberfläche der Lichtabsorptionslage, die durch Ausführen einer Sulfidierungsreaktion bei einer hohen Temperatur für eine lange Zeit hergestellt wird, eine große Anzahl Leckverlustkomponenten wie etwa eine niederohmige Cu-Se-Verbindung und eine Cu-S-Verbindung, um eine hochwertige Lichtabsorptionslage zu erhalten. Somit ist gefordert worden, die Leckverlustunterdrückung zu verstärken, um die Leistungsfähigkeit der Solarzellen zu verbessern.
  • Andererseits ist vorstellbar, dass der Leckverlust durch Verdicken der CBD-Pufferlage, die als die Hauptkomponente zum Unterdrücken eines Leckverlusts fungiert, unterdrückt werden kann. Allerdings nimmt der Reihenwiderstand problematisch zu, während die CBD-Pufferlage verdickt wird, wobei im Ergebnis die Leckverlustunterdrückung nachteilig unzureichend wird. Da die Menge des erzeugten Abfalls dementsprechend zunimmt, steigen darüber hinaus auch die Herstellungskosten.
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Probleme und Nachteile zu lösen, und ist auf die Schaffung einer Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad gerichtet, durch die der Leckverlust unterdrückt werden kann und eine pn-Heteroübergangs-Grenzflächencharakteristik verbessert werden kann, ohne den Reihenwiderstand zu erhöhen.
  • Technische Lösung
  • Zur Lösung der oben erwähnten Aufgaben wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine integrierte Struktur einer Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage geschaffen, die durch Stapeln einer p-CIS-Lichtabsorptionslage, einer Pufferlage und einer durchsichtigen n-leitenden Schicht in dieser Reihenfolge erhalten wurde, wobei die Pufferlage eine Stapelstruktur von drei oder mehr Schichten besitzt, eine erste Pufferlage, die an die p-Lichtabsorptionslage angrenzt, aus einer Verbindung hergestellt ist, die Cadmium (Cd), Zink (Zn) oder Indium (In) enthält, eine zweite Pufferlage, die an die erste Pufferlage angrenzt, aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist, eine dritte Pufferlage in der Weise gebildet ist, dass sie eine durch Bildung eines Verdrahtungsmusters in der p-CIS-Lichtabsorptionslage, in der ersten Pufferlage und in der zweiten Pufferlage freiliegende Endfläche und eine Endfläche zu der durchsichtigen n-leitenden Schicht der zweiten Pufferlage bedeckt, und die dritte Pufferlage aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist.
  • Die dritte Pufferlage kann einen niedrigeren spezifischen Widerstand als der spezifische Widerstand der zweiten Pufferlage besitzen.
  • Die dritte Pufferlage kann eine Dicke von 10 bis 300 nm besitzen.
  • Die dritte Pufferlage kann unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet worden sein.
  • Eine Konzentration eines in der dritten Pufferlage enthaltenden Dotierungsmittels kann gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 sein. Außerdem kann das Dotierungsmittel Aluminium (Al) oder Gallium (Ga) oder Bor (B) enthalten.
  • Die dritte Pufferlage kann einen spezifischen Widerstand von 0,1 bis 100 Ωcm besitzen.
  • Eine Dicke der ersten Pufferlage kann gleich oder kleiner als 20 nm sein und eine Dicke der zweiten Pufferlage kann gleich oder größer als 100 nm sein.
  • Ein Verhältnis zwischen der Dicke der ersten Pufferlage und der Dicke der zweiten Pufferlage (Dicke der zweiten Pufferlage/Dicke der ersten Pufferlage) kann gleich oder größer als 5 sein.
  • Die erste Pufferlage kann unter Verwendung eines chemischen Badabscheidungsverfahrens (CBD-Verfahrens) gebildet worden sein.
  • Die zweite Pufferlage kann unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet worden sein.
  • Eine Konzentration des in der zweiten Pufferlage enthaltenden Dotierungsmittels kann gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 sein.
  • Das Dotierungsmittel kann Aluminium (Al) oder Gallium (Ga) oder Bor (B) enthalten.
  • Die erste Pufferlage kann CdxSy oder ZnxSy oder ZnxOy oder Znx(OH)y oder InxSy oder Inx(OH)y oder InxOy (wobei x und y irgendeine natürliche Zahl bezeichnen) enthalten.
  • Die Konzentration von Schwefel auf der Oberfläche der CIS-Lichtabsorptionslage kann gleich oder höher als 0,5 Atom-% sein.
  • Die zweite Pufferlage kann einen spezifischen Widerstand gleich oder höher als 0,1 Ωcm besitzen.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Da in einem Abschnitt, der dem Verdrahtungsmuster entspricht, die zweite Pufferlage mit einem hohen Widerstand vorhanden ist, ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich zu vermeiden, dass der Reihenwiderstand zunimmt.
  • Es ist möglich, die Unterdrückung eines Leckverlusts durch Erhöhen des spezifischen Widerstands der zweiten Pufferlage zu fördern. Aus diesem Grund ist es möglich, die Dicke der ersten Pufferlage zu verringern und den Reihenwiderstand in einem pn-Übergangsabschnitt zu verringern.
  • Da der spezifische Widerstand der dritten Pufferlage niedriger als der spezifische Widerstand der zweiten Pufferlage ist, erzeugt der Reihenwiderstand selbst dann keine Probleme, wenn die Schicht auf einem Abschnitt hergestellt wird, der dem Verdrahtungsmuster entspricht. Da außerdem die Endflächen der ersten und der zweiten Pufferlage und der Lichtabsorptionslage, die durch Bildung des Verdrahtungsmusters freiliegen, bedeckt werden, ist es möglich, den Leckverlust in den Endflächen zu unterdrücken. Darüber hinaus ist es möglich, in den Endflächen eine Passivierungswirkung zu erhalten.
  • Da die dritte Pufferlage unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) hergestellt wird, ist es möglich, die dritte Pufferlage selbst an der Endfläche des Verdrahtungsmusters, die schwierig herzustellen war, mit einer ausgezeichneten Bedeckung herzustellen.
  • Beste Ausführungsart der Erfindung
  • Im Folgenden wird anhand von 1 eine integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Anhand von 1 umfasst die Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform eine pn-Heteroübergangsvorrichtung, die eine Substratstruktur besitzt, die in der Reihenfolge eines Glassubstrats 11, einer Metallgegenelektrodenlage 12, einer p-CIS-Lichtabsorptionslage (im Folgenden einfach als eine Lichtabsorptionslage bezeichnet) 13, einer hochohmigen Pufferlage 14 und einer durchsichtigen, leitenden n-Schicht (im Folgenden einfach als eine Fensterlage bezeichnet) 15 gestapelt ist.
  • Das Glassubstrat 11 ist ein Substrat, auf dem jede der Schichten gestapelt ist, und enthält ein Glassubstrat wie etwa Blauglas, ein Metallsubstrat wie etwa ein Substrat aus rostfreiem Stahl oder ein Harzsubstrat wie etwa eine Polyimidschicht.
  • Die Metallgegenelektrodenlage 12 ist aus einem Metall mit der Eigenschaft einer hohen Korrosionsbeständigkeit und einem hohen Schmelzpunkt wie etwa Molybdän (Mo) oder Titan (Ti) mit einer Dicke von 0,2 bis 2 μm hergestellt und durch ein DC-Zerstäubungsverfahren unter Verwendung dieses Metalls als ein Ziel auf dem Glassubstrat 11 gefertigt.
  • Die Lichtabsorptionslage 13 ist eine Dünnschicht, die eine I-III-VI2-Gruppen-Chalkopyritstruktur, eine p-Leitfähigkeit und eine Dicke von 1 bis 3 μm besitzt. Zum Beispiel enthält die Lichtabsorptionslage 13 eine Mehr quellenverbindungs-Halbleiterdünnschicht wie etwa CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InGa)(SSe)2. Außerdem kann die Lichtabsorptionslage 13 eine CIS-Lichtabsorptionslage auf Selengrundlage, eine CIS-Lichtabsorptionslage auf Sulfidgrundlage und eine CIS-Lichtabsorptionslage auf Sulfid/Selen-Grundlage enthalten. Die CIS-Lichtabsorptionslage auf Selengrundlage kann CuInSe2, Cu(InGa)Se2 oder CuGaSe2 enthalten. Die CIS-Lichtabsorptionslage auf Sulfidgrundlage kann CuInS2, Cu(InGa)S2 oder CuGaS2 enthalten. Die CIS-Lichtabsorptionslage auf Sulfid/Selen-Grundlage kann CuIn(SSe)2, Cu(InGa)(SSe)2 oder CuGa(SSe)2 umfassen, wobei Beispiele solcher mit einer Oberflächenlage CuInSe2 mit CuIn(SSe)2 als einer Oberflächenlage, Cu(InGa)Se2 mit CuIn(SSe)2 als einer Oberflächenlage, Cu(InGa)(SSe)2 mit CuIn(SSe)2 als einer Oberflächenlage, CuGaSe2 mit CuIn(SSe)2 als einer Oberflächenlage, Cu (InGa) Se2 mit Cu (InGa)(SSe)2 als einer Oberflächenlage, CuGaSe2 mit Cu(InGa)(SSe)2 als einer Oberflächenlage, Cu(InGa)Se2 mit CuGa(SSe)2 als einer Oberflächenlage und CuGaSe2 mit CuGa(SSe)2 als einer Oberflächenlage umfassen.
  • Zur Herstellung der Lichtabsorptionslage 13 werden repräsentativ zwei Arten von Verfahren verwendet: ein Selenid/Sulfid-Verfahren und ein Mehrquellen-Koevaporationsverfahren.
  • In dem Selenid/Sulfid-Verfahren kann die Lichtabsorptionslage 13 dadurch hergestellt werden, dass auf der Metallgegenelektrodenlage 12 unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens oder eines Verdampfungsverfahrens oder dergleichen eine Stapelstruktur gebildet wird, die Kupfer (Cu), Indium (In) und Gallium (Ga) oder eine Mischkristall-Metallvorgängerschicht (die eine Cu/In-, Cu/Ga-, Cu-Ga-Legierung/In, eine Gu-Ga-In-Legierung oder dergleichen umfasst) umfasst, und daraufhin unter einer Selen- und/oder Schwefelatmosphäre eine Wärmebehandlung ausgeführt wird.
  • In dem Mehrquellen-Koevaporationsverfahren kann die Lichtabsorptionslage 13 durch gleichzeitiges Abscheiden von Quellenmaterialien, die Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se) in einer geeigneten Kombination umfassen, auf dem Glassubstrat 11 mit einer Gegenelektrode 12, die bei einer Temperatur gleich oder höher als näherungsweise 500°C erwärmt wird, hergestellt werden.
  • Da eine optische Bandlücke auf der Lichteinfallsseite durch Einstellen einer Konzentration von Schwefel auf der Oberfläche der Lichtabsorptionslage 13 (im Allgemeinen bis zu 100 nm von der Oberfläche) auf gleich oder größer als 0,5 Atom-% und vorzugsweise gleich oder größer als 3 Atom-% zunehmen kann, ist es möglich, Licht auf effizientere Weise zu absorbieren. Außerdem ist es möglich, eine Verbindungsgrenzflächencharakteristik mit der CBD-Pufferlage (im Folgenden beschrieben) zu verbessern.
  • Die Fensterlage 15 ist eine durchsichtige leitende Schicht mit einer n-Leitfähigkeit, einer breiten Bandlücke, Durchsichtigkeit, einem niedrigen Widerstand und einer Dicke von 0,05 bis 2,5 μm. Die Fensterlage 15 kann repräsentativ eine Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage oder eine ITO-Dünnschicht umfassen.
  • Im Fall der Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage wird die Fensterlage 15 unter Verwendung irgendeines, das aus einem Element der Gruppe III in dem Periodensystem ausgewählt wird, wie etwa Aluminium (Al), Gallium (Ga), Bor (B) oder eine Kombination davon, als ein Dotierungsmittel gebildet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform besitzt die hochohmige Pufferlage 14 eine Dreilagenstruktur, die eine CBD-Pufferlage 141 als eine erste Pufferlage, eine MOCVD-Pufferlage 142 als eine zweite Pufferlage und eine MOCVD-Pufferlage 143 als eine dritte Pufferlage umfasst. Allerdings kann die hochohmige Pufferlage 14 eine Stapelstruktur mit vier oder mehr Lagen besitzen.
  • Die CBD-Pufferlage 141 grenzt an die obere Endfläche der Lichtabsorptionslage 13 an und ist aus einer Verbindung gebildet, die aus Cadmium (Cd), Zink (Zn) oder Indium (In) zusammengesetzt ist.
  • Die CBD-Pufferlage 141 besitzt eine Dicke gleich oder kleiner 20 nm, vorzugsweise gleich oder kleiner 10 nm.
  • Die CBD-Pufferlage 141 wird unter Verwendung eines chemischen Badabscheidungsverfahrens (CBD-Verfahrens) hergestellt. In dem chemischen Badabscheidungsverfahren (CBD-Verfahren) wird auf einem Grundmaterial durch Tauchen des Grundmaterials in eine Lösung, die eine chemische Spezies enthält, die als ein Vorläufer fungiert, und Fördern einer heterogenen Reaktion zwischen der Lösung und der Oberfläche des Grundmaterials eine Dünnschicht ausgefällt.
  • Genauer wird z. B. durch Lösen von Zinkacetat in Ammoniumhydroxid bei einer Flüssigkeitstemperatur von 80°C auf der Lichtabsorptionslage 13 ein Ammoniumhydroxidkomplexsalz gebildet und wird aus der entsprechenden Lösung auf der Lichtabsorptionslage 13 durch Lösen eines schwefelhaltigen Salzes wie etwa Thioharnstoff in dieser Lösung und Veranlassen, dass die resultierende Lösung zehn Minuten mit der Lichtabsorptionslage 13 in Kontakt gelangt, chemisch eine schwefelhaltige Zinkmischkristallverbindungs-Halbleiterdünnschicht gezüchtet. Außerdem wird die gezüchtete schwefelhaltige Zinkmischkristallverbindungs-Halbleiterdünnschicht dadurch, dass sie bei einer Umgebungstemperatur von 200°C in der Atmosphäre fünfzehn Minuten getempert wird, getrocknet. Darüber hinaus kann eine hochwertige schwefelhaltige Zinkmischkristallverbindung dadurch erhalten werden, dass ein Teil des Zinkhydroxids innerhalb der Schicht in Zinkoxid umgewandelt wird und gleichzeitig die Reformierung von Schwefel gefördert wird. Die CBD-Pufferlage 141 kann durch Einstellen der Lösung CdxSy, ZnxSy, ZnxOy, Znx(OH)y, InxSy, Inx(OH)y oder InxOy (wobei x und y irgendeine natürliche Zahl bezeichnen) enthalten.
  • Die MOCVD-Pufferlage 142 als die zweite Pufferlage wird aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage gebildet, um die obere Endfläche der CBD-Pufferlage 141 zu bedecken. Ein in der MOCVD-Pufferlage 142 enthaltenes Dotierungsmittel kann irgendeines von Aluminium (Al), Gallium (Ga), Bor (B) oder dergleichen enthalten. Durch Einstellen der Dotierungsmittelkonzentration auf gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 und bevorzugter gleich oder niedriger als 1·1018 Atome/cm3 ist es möglich, eine hochohmige Schicht zu erhalten, die als die Pufferlage geeignet ist.
  • Der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 142 wird auf gleich oder höher als 0,1 Ωcm und bevorzugter gleich oder höher als 1 Ωcm eingestellt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die MOCVD-Pufferlage 142 unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet.
  • Die MOCVD-Pufferlage 142 wird z. B. dadurch gebildet, dass Quellmaterialien, die ein metallorganisches Verbindungsmaterial aus Zink (Zn) (wie etwa Diethylzink oder Dimethylzink) und reines Wasser umfassen, in einen Gasspüler oder dergleichen gefüllt werden und die Quellmaterialien unter Verwendung eines Edelgases wie etwa Helium (He) oder Argon (Ar) hindurchperlen gelassen werden, so dass innerhalb einer MOCVD-Vorrichtung auf begleitete Weise ein Schicht gebildet wird.
  • Alternativ kann die MOCVD-Pufferlage 142 unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens sowie des metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet werden. Um eine ausgezeichnete pn-Übergangsgrenzfläche mit der Lichtabsorptionslage zu erhalten, ist das MOCVD-Verfahren aber bevorzugter als Zerstäuben, in dem hochenergetische Partikel als eine Schichtbildungsspezies wirken, da in dem MOCVD-Verfahren während der Schichtbildung selten eine Beschädigung erzeugt wird.
  • In diesem Fall besitzt die MOCVD-Pufferlage 142 eine Dicke, die gleich oder größer als 100 nm ist. Somit wird das Verhältnis zwischen der Dicke der CBD-Pufferlage 141 und der Dicke der MOCVD-Pufferlage 142 (der Dicke der MOCVD-Pufferlage 142/der Dicke der CBD-Pufferlage 141) gleich oder größer als 5 (≥ 5) eingestellt.
  • Da im verwandten Gebiet die CBD-Pufferlage den Leckverlust entscheidend unterdrückt, ist es notwendig, die Dicke der CBD-Pufferlage so einzustellen, dass sie gleich oder größer als 50 nm ist. Da die Dicke der MOCVD-Pufferlage 142 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dick eingestellt wird, so dass die MOCVD-Pufferlage 142 den Leckverlust entscheidend unterdrückt, ist es möglich, die Dicke der CBD-Pufferlage 141 so einzustellen, dass sie gleich oder kleiner als 20 nm ist. Im Ergebnis ist es möglich, die Herstellungszeit der CBD-Pufferlage 141 merklich zu verringern, einen hohen Takt zu verwirklichen, die Herstellungskosten zu senken und die Erzeugung von Abfall während der Herstellung der CBD-Pufferlage 141 merklich zu verringern. Darüber hinaus spielt die MOCVD-Pufferlage 142 eine entscheidende Rolle beim Unterdrücken des Leckverlusts, wobei sie aber in einem typischen Fall eine ergänzende Rolle beim Unterdrücken des Leckverlusts besitzt. Somit ist es möglich, die Dicke der dünnen MOCVD-Pufferlage 142, die gleich oder kleiner als 50 nm war, zu erhöhen, sodass sie gleich oder größer als 100 nm ist. Außerdem ist es möglich, die Konzentration oder den spezifischen Widerstand des Dotierungsmittels einzustellen.
  • Die MOCVD-Pufferlage 143 als die dritte Pufferlage wird aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage gebildet, um die Endfläche, die durch Bilden eines Verdrahtungsmusters P2 in der Lichtabsorptionslage 13, in der CBD-Pufferlage 141 und in der MOCVD-Pufferlage 142 freigelegt wird, und die obere Endfläche der MOCVD-Pufferlage 142 zu bedecken.
  • Ein in der MOCVD-Pufferlage 143 enthaltendes Dotierungsmittel kann irgendeines von Aluminium (Al), Gallium (Ga), Bor (B) oder dergleichen umfassen, wobei die Konzentration davon gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 und vorzugsweise gleich oder niedriger als 1·1018 Atome/cm3 eingestellt wird.
  • Die MOCVD-Pufferlage 143 weist einen Dickenbereich von 10 bis 300 nm und bevorzugter eine Dicke von 50 bis 200 nm auf.
  • Der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 als der dritten Pufferlage wird niedriger als der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 142 als der zweiten Pufferlage eingestellt.
  • Genauer wird der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 142 als der zweiten Pufferlage gleich oder höher als 0,1 Ωcm, bevorzugter gleich oder höher als 1 Ωcm und am meisten bevorzugt gleich oder höher als 10 Ωcm eingestellt. Der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 als der dritten Pufferlage wird auf 0,1 bis 100 Ωcm und bevorzugter auf 0,1 bis 10 Ωcm eingestellt.
  • Im Ergebnis ist der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 als der dritten Pufferlage niedriger als der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 142 als der zweiten Pufferlage.
  • Vom Standpunkt der Stapelstruktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage spielt die MOCVD-Pufferlage 142 eine entscheidende Rolle bei der Unterdrückung des Leckverlusts in dem pn-Übergangsabschnitt und spielt die CBD-Pufferlage 141 teilweise ebenfalls eine Rolle bei der Unterdrückung des Leckverlusts. Obwohl die MOCVD-Pufferlage 143 eine ergänzende Rolle bei der Unterdrückung des Leckverlusts spielt, ist die Stapelstruktur nicht notwendig.
  • Falls andererseits vom Standpunkt der integrierten Struktur als eine Eigenschaft der Dünnschichtsolarzelle auf einem Abschnitt, der dem Muster 2 zum Trennen der Lichtabsorptionslage 13 entspricht, keine hochohmige Pufferlage vorgesehen ist, grenzt die n-Fensterlage 15 direkt an den Endabschnitt der Lichtabsorptionslage 13 an, so dass ein Leckverlust auftritt. Falls im Gegensatz dazu in dem Muster 2 die hochohmige Pufferlage vorgesehen ist, die den Leckverlust in dem pn-Übergangsabschnitt unterdrücken kann, wird in dem durch das Muster 2 gesammelten elektrischen Strom ein Widerstandsverlust erzeugt und die Leistungsabgabe der Solarzelle verschlechtert.
  • Aus diesem Grund ist in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einem Bereich, der dem Muster 2 als einer Struktur entspricht, die sowohl den Bedarf für die Stapelstruktur als auch den Bedarf für die integrierte Struktur gleichzeitig erfüllen kann, nur die MOCVD-Pufferlage 143 vorgesehen. Mit anderen Worten, das Muster 2 wird gebildet, nachdem die CBD-Pufferlage 141 mit einer ausreichenden Fähigkeit zum Unterdrücken des Leckverlusts und die MOCVD-Pufferlage 142 als die Stapelstruktur vorgesehen worden sind, wobei der freiliegende Endabschnitt der Lichtabsorptionslage 13 durch die MOCVD-Pufferlage 143 bedeckt wird. In diesem Fall werden der spezifische Widerstand und die Dicke der MOCVD-Pufferlage 13 so eingestellt, dass der Leckverlust in dem Endabschnitt der Lichtabsorptionslage unterdrückt wird und der Widerstandsverlust in dem Muster 2 minimiert wird.
  • Obwohl die hochohmige Pufferlage 14 in der vorliegenden Ausführungsform durch Stapeln dreier Schichten erhalten wird, kann die hochohmige Pufferlage 14 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung außerdem durch Stapeln dreier oder mehrerer Schichten erhalten werden. Selbst in diesem Fall kann durch gestapeltes Herstellen der Pufferlage am obersten Ende in derselben Konfiguration wie die oben erwähnte MOCVD-Pufferlage 143 dieselbe Wirkung erhalten werden.
  • Im Folgenden werden Eigenschaften der Solarzelle in Übereinstimmung mit der oben erwähnten Ausführungsform beschrieben.
  • Alle in 2 bis 7 gezeigten Ergebnisse werden unter Verwendung einer integrierten Struktur mit einer Substratgröße von 30 cm × 30 cm erhalten.
  • 2 ist ein charakteristischer Graph hinsichtlich der Dicke (nm) der MOCVD-Pufferlage 142 und des Umwandlungswirkungsgrads der Solarzelle. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Dicke (nm) der MOCVD-Pufferlage 142 und einem Füllfaktor (FF) der Solarzelle.
  • 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis der MOCVD-Pufferlage 142/der CBD-Pufferlage 141 und dem Umwandlungswirkungsgrad (%). 5 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis zwischen der MOCVD-Pufferlage 142/der CBD-Pufferlage 141 und dem Füllfaktor (FF).
  • 6 ist ein charakteristischer Graph hinsichtlich der Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 und dem Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Dicke (nm) der MOCVD-Pufferlage 143 und einem Füllfaktor (FF) der Solarzelle.
  • In dem Graphen aus 2 bezeichnet die Abszisse die Dicke der MOCVD-Pufferlage 142 und bezeichnet die Ordinate den Umwandlungswirkungsgrad (%). In dem Graphen aus 3 bezeichnet die Abszisse die Dicke der MOCVD-Pufferlage 142 und bezeichnet die Ordinate den Füllfaktor (FF).
  • In dem Graphen aus 4 bezeichnet die Abszisse das Dickenverhältnis der MOCVD-Pufferlage 142/der CBD-Pufferlage 141 und bezeichnet die Ordinate den Umwandlungswirkungsgrad (%). In dem Graphen aus 5 bezeichnet die Abszisse das Dickenverhältnis der MOCVD-Pufferlage 142/der CBD-Pufferlage 141 und bezeichnet die Ordinate den Umwandlungswirkungsgrad (%).
  • In jedem der Graphen ist der Umwandlungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Dicke der CBD-Pufferlage 141 und von der Änderung des Füllfaktors (FF) dargestellt. Außerdem besitzt die MOCVD-Pufferlage 143 in 2 bis 5 eine Dicke von 70 nm und einen spezifischen Widerstand von 0,5 Ωcm.
  • In dem Graphen aus 6 bezeichnet die Abszisse die Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 und bezeichnet die Ordinate den Umwandlungswirkungsgrad (%). In dem Graphen aus 7 bezeichnet die Abszisse die Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 und bezeichnet die Ordinate den Füllfaktor (FF).
  • In jedem der Graphen ist der Umwandlungswirkungsgrad in Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 und von der Änderung des Füllfaktors (FF) dargestellt.
  • Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist es unter Verwendung der CBD-Pufferlage mit einer Dicke von 5 nm, 10 nm, 15 nm oder 20 nm durch Erhöhen der Dicke der MOCVD-Pufferlage 142 auf gleich oder größer als 60 nm und bevorzugter gleich oder größer als 100 nm möglich, in jedem Fall einen Umwandlungswirkungsgrad gleich oder höher als 13,5% zu erzielen.
  • Außerdem ist es in der Beziehung des Dickenverhältnisses von (MOCVD-Pufferlage 142)/(CBD-Pufferlage 141) unter Verwendung der CBD-Pufferlage mit einer Dicke von 5 nm, 10 nm, 15 nm oder 20 nm durch Einstellen des Dickenverhältnisses auf gleich oder größer als 5, vorzugsweise gleich oder größer als 10 und bevorzugter gleich oder größer als 20, in jedem Fall möglich, den Umwandlungswirkungsgrad gleich oder höher als 13,5 zu erzielen.
  • Unter Verwendung der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage mit einer großen integrierten Struktur ist es möglich, einen Füllfaktor (FF) gleich oder größer als 0,65 und einen noch größeren Wert zu erzielen. Diese Wirkung kann durch Verringerung des Reihenwiderstands und durch Unterdrückung des Leckverlusts unter Verwendung der Pufferlagenstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 auf 70 nm eingestellt wird und der spezifische Widerstand auf 0,5 Ωcm eingestellt wird, können dieselben Wirkungen durch Einstellen der Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 auf 10 bis 300 nm und des spezifische Widerstands auf 0,1 bis 100 Ωcm erzielt werden.
  • Wie nachfolgend in 6 und 7 gezeigt ist, ist es unter Verwendung der MOCVD-Pufferlage 143 mit dem spezifischen Widerstand von 0,15 Ωcm, 0,5 Ωcm, 10 Ωcm oder 80 Ωcm durch Einstellen der Dicke der MOCVD-Pufferlage 143 auf 10 bis 300 nm und bevorzugter auf 50 bis 200 nm in jedem Fall möglich, den Umwandlungswirkungsgrad gleich oder höher als 13,5% zu erzielen. Währenddessen wurde beobachtet, dass die Leckverlustunterdrückungswirkung in der Endfläche der Lichtabsorptionslage 13 nicht ausreicht, wenn der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 niedriger als 0,1 Ωcm ist, so dass der Füllfaktor (FF) etwas verschlechtert werden kann. Außerdem wurde beobachtet, dass der Reihenwiderstand zunimmt, wenn der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 höher als 100 Ωcm ist, so dass der Füllfaktor (FF) verschlechtert wird.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der integrierten Struktur in Übereinstimmung mit den oben erwähnten Ausführungsformen beschrieben. Zunächst wird auf dem Glassubstrat 11 das Elektrodenmuster P1 der Metallgegenelektrodenlage 12 gebildet und werden darauf die Lichtabsorptionslage 13, die CBD-Pufferlage 141 und die MOCVD-Pufferlage 142 hergestellt.
  • Das Muster 2 wird durch Schneiden der Lichtabsorptionslage 13, der CBD-Pufferlage 141 und der MOCVD-Pufferlage 142 unter Verwendung einer mechanischen Ritzvorrichtung oder einer Laserdünnschichtschneidevorrichtung zu dem Zeitpunkt, zu dem die MOCVD-Pufferlage 142 hergestellt wird, gebildet. Daraufhin wird darauf unter Verwendung eines metallorganischen Aufdampfverfahrens (MOCVD-Verfahrens) die MOCVD-Pufferlage 143 als die dritte Pufferlage hergestellt.
  • Alternativ können die MOCVD-Pufferschichten 142 und 143 unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens sowie des metallorganischen Aufdampfverfahrens (MOCVD-Verfahrens) gebildet werden. Um eine ausgezeichnete pn-Übergangsgrenzfläche mit der Lichtabsorptionslage zu erhalten, ist das MOCVD-Verfahren aber bevorzugter als Zerstäuben, in dem die hochenergetischen Partikel als eine Schichtbildungsspezies wirken, da während der Schichtbildung in dem MOCVD-Verfahren selten eine Beschädigung erzeugt wird.
  • Da in einem Abschnitt, der dem Verdrahtungsmuster P2 entspricht, die MOCVD-Pufferlage 142 als die zweite Pufferlage mit einem hohen Widerstand vorhanden ist, ist es in Übereinstimmung mit den oben erwähnten Ausführungsformen auf diese Weise möglich zu vermeiden, dass der Reihenwiderstand zunimmt.
  • Außerdem ist es möglich, die Unterdrückung des Leckverlusts durch Erhöhen des spezifischen Widerstands der MOCVD-Pufferlage 142 zu fördern.
  • Dadurch, dass der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 143 als der dritten Pufferlage niedriger als der spezifische Widerstand der MOCVD-Pufferlage 142 als der zweiten Pufferlage eingestellt wird, erzeugt der Reihenwiderstand außerdem selbst dann keine Probleme, wenn eine Schicht auf einem Abschnitt hergestellt wird, der dem verbundenen Muster P2 entspricht. Darüber hinaus ist es möglich, den Leckverlust in der Endfläche durch Bedecken der seitlichen Endfläche der MOCVD-Pufferlage 142, der CBD-Pufferlage 141 und der Lichtabsorptionslage 13, die durch Bilden des Verdrahtungsmusters P2 freigelegt wird, zu unterdrücken. Darüber hinaus kann in der Endfläche eine Passivierungswirkung erhalten werden.
  • Obwohl es schwierig ist, die MOCVD-Pufferlage 143 in der Endfläche des Verdrahtungsmusters herzustellen, ist es unter Verwendung des metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) möglich, eine Schicht mit ausgezeichneter Bedeckung herzustellen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 veranschaulicht eine integrierte Struktur der Solarzelle auf CIS-Grundlage in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Dicke der MOCVD-Pufferlage als der zweiten Pufferlage und dem Umwandlungswirkungsgrad veranschaulicht.
  • 3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Dicke der MOCVD-Pufferlage als der zweiten Pufferlage und dem Füllfaktor (FF) veranschaulicht.
  • 4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis der MOCVD-Pufferlage als der zweiten Pufferlage/der CBD-Pufferlage als der ersten Pufferlage und dem Umwandlungswirkungsgrad veranschaulicht.
  • 5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Dickenverhältnis der MOCVD-Pufferlage als der zweiten Pufferlage/der CBD-Pufferlage als der ersten Pufferlage und dem Füllfaktor (FF) veranschaulicht.
  • 6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Dicke der MOCVD-Pufferlage als der dritten Pufferlage und dem Umwandlungswirkungsgrad veranschaulicht.
  • 7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Dicke der MOCVD-Pufferlage als der dritten Pufferlage und dem Füllfaktor (FF) veranschaulicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    GLASSUBSTRAT
    12
    METALLGEGENELEKTRODENLAGE
    13
    LICHTABSORPTIONSLAGE
    14
    HOCHOHMIGE PUFFERLAGE
    15
    FENSTERLAGE
    141
    CBD-PUFFERLAGE (ERSTE PUFFERLAGE)
    142
    MOCVD-PUFFERLAGE (ZWEITE PUFFERLAGE)
    143
    MOCVD-PUFFERLAGE (DRITTE PUFFERLAGE)
    P1
    MUSTER 1
    P2
    MUSTER 2
    P3
    MUSTER 3
  • Zusammenfassung
  • [Aufgabe] Erhalten einer Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad mit einer verbesserten pn-Heteroübergangs-Grenzflächencharakteristik ohne Erhöhen des Reihenwiderstands.
  • [Mittel zur Lösung] In einer integrierten Struktur einer Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage, die durch Stapeln einer Lichtabsorptionslage, einer hochohmigen Pufferlage und einer Fensterlage in dieser Reihenfolge erhalten wird, ist eine erste Pufferlage, die an die Lichtabsorptionslage angrenzt, aus einer Verbindung hergestellt, die Cadmium (Cd), Zink (Zn) oder Indium (In) erhält ist eine zweite Pufferlage, die an die erste Pufferlage angrenzt, aus einem Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt und ist eine dritte Pufferlage in der Weise gebildet, dass sie die durch Bilden eines Verdrahtungsmusters in der Lichtabsorptionslage, in der ersten Pufferlage und in der zweiten Pufferlage freiliegende Endfläche und die obere Endoberfläche der zweiten Pufferlage bedeckt, und ist die dritte Pufferlage aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (16)

  1. Integrierte Struktur einer Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage, die durch Stapeln einer p-CIS-Lichtabsorptionslage, einer Pufferlage und einer durchsichtigen n-leitenden Schicht in dieser Reihenfolge erhalten wurde, wobei die Pufferlage eine Stapelstruktur von drei oder mehr Schichten besitzt, eine erste Pufferlage, die an die p-Lichtabsorptionslage angrenzt, aus einer Verbindung hergestellt ist, die Cadmium (Cd), Zink (Zn) oder Indium (In) enthält, eine zweite Pufferlage, die an die erste Pufferlage angrenzt, aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist, eine dritte Pufferlage in der Weise gebildet ist, dass sie durch Bildung eines Verdrahtungsmusters in der p-CIS-Lichtabsorptionslage, in der ersten Pufferlage und in der zweiten Pufferlage freiliegende Endflächen und eine Endfläche zu der durchsichtigen n-leitenden Schicht der zweiten Pufferlage bedeckt, und die dritte Pufferlage aus einer Dünnschicht auf Zinkoxidgrundlage hergestellt ist.
  2. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach Anspruch 1, wobei die dritte Pufferlage einen niedrigeren spezifischen Widerstand als der spezifische Widerstand der zweiten Pufferlage besitzt.
  3. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dritte Pufferlage eine Dicke von 10 bis 300 nm besitzt.
  4. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dritte Pufferlage unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet worden ist.
  5. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Konzentration eines in der dritten Pufferlage enthaltenden Dotierungsmittels gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 ist.
  6. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach Anspruch 5, wobei das Dotierungsmittel Aluminium (Al) oder Gallium (Ga) oder Bor (B) enthält.
  7. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dritte Pufferlage einen spezifischen Widerstand von 0,1 bis 100 Ωcm besitzt.
  8. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Dicke der ersten Pufferlage gleich oder kleiner als 20 nm ist und eine Dicke der zweiten Pufferlage gleich oder größer als 100 nm ist.
  9. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Verhältnis zwischen einer Dicke der ersten Pufferlage und einer Dicke der zweiten Pufferlage (Dicke der zweiten Pufferlage/Dicke der ersten Pufferlage) gleich oder größer als 5 ist.
  10. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Pufferlage unter Verwendung eines chemischen Badabscheidungsverfahrens (CBD-Verfahrens) gebildet worden ist.
  11. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Pufferlage unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Verfahrens der Abscheidung aus der Gasphase (MOCVD-Verfahrens) gebildet worden ist.
  12. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Konzentration des in der zweiten Pufferlage enthaltenden Dotierungsmittels gleich oder niedriger als 1·1019 Atome/cm3 ist.
  13. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach Anspruch 12, wobei das Dotierungsmittel Aluminium (Al) oder Gallium (Ga) oder Bor (B) enthält.
  14. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Pufferlage CdxSy oder ZnxSy oder ZnxOy oder Znx(OH)y oder InxSy oder Inx(OH)y oder InxOy (wobei x und y irgendeine natürliche Zahl bezeichnen) enthält.
  15. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine Konzentration von Schwefel auf einer Oberfläche der CIS-Lichtabsorptionslage gleich oder höher als 0,5 Atom-% ist.
  16. Integrierte Struktur der Dünnschichtsolarzelle auf CIS-Grundlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die zweite Pufferlage einen spezifischen Widerstand gleich oder höher als 0,1 Ωcm besitzt.
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