DE112010002687T5 - Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis - Google Patents

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Shunsuke Kijima
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Abstract

Zur Herstellung einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit hoher fotoelektrischer Umwandlungseffizienz ist diese Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis in folgender Reihenfolge laminiert: Substrat (1) aus Glas mit hohem Verformungspunkt, einer Alkalikontrollschicht (2), eine Rückelektrodenschicht (3), einTyp und ein transparenter leitender Film (6) vom n-Typ, wobei die Alkalisteuerschicht (2) ein Silikafilm ist, dessen Filmdicke innerhalb eines Bereiches von 2,00–10,00 nm und dessen Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,450–1,500 liegt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis und insbesondere eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer neuen Struktur, die eine hohe fotoelektrische Umwandlungseffizienz erreichen kann.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In den letzten Jahren hat eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis, die einen Halbleiter mit einer Chalcopyritstruktur mit einer Verbindung der Gruppe I-III-VI2 verwendet, umfassend Cu, In, Ga, Se und S als Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ, Aufmerksamkeit erregt. Eine Solarzelle dieses Typs kann mit verhältnismäßig niedrigen Kosten hergestellt werden. Weil eine Solarzelle dieses Typs einen großen Absorptionskoeffizienten in einem Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarotlicht aufweist, wird angenommen, dass eine hohe fotoelektrische Umwandlungseffizienz erzielt werden kann. Diese wird daher in großen Umfang als führender Kandidat für die Solarzellen der nächsten Generation angesehen. Typische Materialien umfassen Cu (In, Ga)Se2, Cu(In, Ga)(Se, S)2, CuInS2 usw.
  • Bei der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis wird eine Metallrückelektrodenschicht auf einem Glassubstrat gebildet. Dann wird eine Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ, umfassend einen Halbleiter mit einer Verbindung der Gruppe I-III-VI2, auf dieser Schicht gebildet und weiterhin werden eine Pufferschicht vom n-Typ und eine transparente leitende Fensterschicht vom n-Typ gebildet. Bei der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis wird berichtet, dass eine hohe fotoelektrische Umwandlungseffizienz erreicht werden kann, wenn Natronkalkglas als Glassubstrat verwendet wird.
  • Es wird vermutet, dass der Grund darin liegt, dass Na oder ein Element der Gruppe Ia, das in dem Natronkalkglas enthalten ist, in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ beim Bildungsverfahren dieser Schicht diffundiert und die Trägerkonzentration beeinflusst. Auf der anderen Seite gibt es ein Problem, dass dann, wenn die Menge von Na, das in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ eingeführt wird, zu hoch ist, die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ von der Elektrodenschicht getrennt werden kann. Wenn die Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis hergestellt wird, ist es daher sehr wichtig, eine optimale Menge von Na in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ einzuführen, um so die fotoelektrische Umwandlungseffizienz zu verbessern.
  • Zum Einführen der optimalen Menge des Elementes der Gruppe Ia wie beispielsweise Na, das in Natronkalkglas enthalten ist, in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ während des Filmbildungsverfahrens dieser Schicht wurde eine Technik vorgeschlagen, worin eine Alkalisteuerschicht aus Silika und dgl. zwischen dem Natronkalkglassubstrat und der Rückelektrodenschicht vorgesehen wird, um so die Menge an Na zu steuern, die in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ diffundiert. (Siehe beispielsweise ungeprüfte japanischen Patentveröffentlichung 2006-165386 ). Gemäß dieser Technik haben diese Erfinder die Herstellung einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer fotoelektrischen Umwandlungseffizienz von 14,3% unter Verwendung einer Alkalisteuerschicht mit einer Dicke von 30 nm erzielt.
  • Auf der anderen Seite ist es zur Verbesserung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis notwendig, die Filmbildungstemperatur der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ oder die Temperatur der Sulfurierung/Selenisierung zu erhöhen. Jedoch hat das Sodakalkglas einen verhältnismäßig niedrigen Deformationspunkt. Wenn die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ bei einer höheren Filmbildungstemperatur wie beispielsweise 550°C oder mehr gebildet wird, um weiter die fotoelektrische Umwandlungseffizienz zu verbessern, wird das Natronkalkglassubstrat daher deformiert. Somit kann auf dem Natronkalkglassubstrat die Filmbildungstemperatur der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ nicht ausreichend erhöht werden. Zur Bildung der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ bei einer ausreichend hohen Temperatur muss das Glassubstrat aus einem Glas mit hohem Verformungspunkt gemacht werden, das ein Glas mit niedrigem Alkaligehalt oder ohne Alkali ist. Weil diese Glasmaterialien eine zu niedrige Konzentration der Alkalikomponenten oder diese überhaupt nicht enthalten, kann die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ nicht mit ausreichenden Alkalikomponenten versehen werden.
  • Im Stand der Technik offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung H11-135819 eine Technik, worin ein Glas mit hohem Verformungspunkt als Substrat der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis verwendet wird. Bei dieser Patentveröffentlichung wird es jedoch als wichtig angesehen, die Deformation des Glassubstrates aufgrund der Wärmegeschichte und Verformung aufgrund eines Unterschiedes des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Substrat und den Halbleiterschichten auf CIS-Basis zu inhibieren, indem das Glas mit hoher Verformung als Substrat verwendet wird, so dass die Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis kostengünstig hergestellt werden kann. Dieser Stand der Technik berücksichtigt daher nicht die Verbesserung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz aufgrund der optimalen Diffusion von Na von dem Glassubstrat und diese Solarzelle gemäß diesem Stand der Technik ist nicht mit der Alkalisteuerschicht versehen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung wurde zur Lösung der obigen Probleme bezüglich einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis und für den Erhalt einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemacht, die eine höhere fotoelektrische Umwandlungseffizienz hat. Somit ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer neuen Struktur anzugeben, die eine optimale Menge eines Elementes der Gruppe Ia wie Na in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ einführen kann, selbst wenn ein Glassubstrat aus einem Glas mit hohem Verformungspunkt anstelle von Natronkalkglas mit einem niedrigen Verformungspunkt gemacht ist.
  • Zur Lösung der obigen Probleme wird gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis angegeben, die als Laminat in der Reihenfolge aufweist: ein Glassubstrat mit hohem Verformungspunkt, eine Alkalisteuerschicht, eine Rückelektrodenschicht, eine Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis und vom p-Typ und einen transparenten leitenden Film vom n-Typ, worin die Alkalisteuerschicht ein Silikafilm ist, dessen Filmdicke innerhalb eines Bereiches von 2,00–10,00 nm ist und dessen Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,450–1,500 ist.
  • In der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis kann die Filmdicke der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 2,00–7,00 nm sein. Weiterhin kann der Refraktionsindex der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 1,470–1,490 sein.
  • Weiterhin kann in der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis ein Verformungspunkt des Glassubstrates mit hohem Verformungspunkt 560°C oder höher sein. Weiterhin kann der Vergütungspunkt 610°C oder höher sein. Weiterhin kann der thermische Expansionskoeffizient innerhalb eines Bereiches von 8 × 10–6/°C bis 9 × 10–6/°C sein. Darüber hinaus kann die Dichte innerhalb eines Bereiches von 2,7 bis 2,9 g/cm3 sein.
  • In der Solarzelle auf CIS-Basis kann das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–7 Gew.-% Na2O enthalten. Insbesondere kann das Glas mit hohem Verformungspunkt 3–5 Gew.-% Na2O enthalten. Weiterhin kann das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–15 Gew.-% oder insbesondere 5–10 Gew.-% K2O enthalten. Darüber hinaus kann das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–15 Gew.-% oder besonders 4–10 Gew.-% CaO enhalten.
  • Weiterhin kann die Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis vom p-Typ aus einer 5-Komponenten-Verbindung gebildet sein, die hauptsächlich aus Cu, In, Ga, Se und S zusammengesetzt ist. Weiterhin kann die Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis vom p-Typ durch Selenisieren und Sulfurisieren einer laminierten Struktur gebildet sein, umfassend Cu, In und Ga oder einen gemischten Kristall.
  • Gemäß dieser Erfindung ist die Alkalisteuerschicht, die ein Silikafilm mit einer Filmdicke von 2,00–10,00 nm und einem Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,450–1,500 ist, zwischen dem Glassubstrat mit hohem Verformungspunkt und der Rückelektrode vorgesehen. Die Alkalikontrollschicht dieser Struktur kann effizient ein Alkalielement mit niedriger Konzentration, das in dem Glas mit hohem Verformungspunkt enthalten ist, in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ diffundieren. Als Ergebnis kann durch Bilden der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ bei einer hohen Temperatur wie beispielsweise 600°C oder mehr die Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer hohen fotoelektrischen Umwandlungseffizienz implementiert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur einer konventionellen Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis erläutert;
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiels dieser Erfindung erläutert;
  • 3 ist eine Tabelle, die Messwerte der Filmdicke, des Refraktionsindex und der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz einer Alkalisteuerschicht in einer Vielzahl von Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis anzeigt;
  • 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Filmdicke und der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Alkalisteuerschicht zeigt, wobei die Daten von 3 stammen;
  • 5 ist ein Diagramm, das einen Teil des Diagramms von 4 im Detail zeigt; und
  • 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Refraktionsindex und der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Alkalisteuerschicht zeigt, wobei diese Daten von den Daten von 3 stammen.
  • Beschreibung der Merkmale
  • Im Vergleich zu dieser Erfindung zeigt 1 eine Struktur einer konventionellen Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer Alkalisteuerschicht. 1 erläutert ein Natronkalkglassubstrat 100, umfassend 12–15 Gew.-% Na2O, und eine Alkalisteuerschicht 101, die Silika (SiOx) und dgl. umfasst. Diese Alkalisteuerschicht hat eine Filmdicke von etwa 30 nm und eine Qualität oder beispielsweise der Refraktionsindex des Filmes wird nicht berücksichtigt. 1 erläutert weiterhin eine Rückelektrodenschicht 102 aus Mo und dgl., eine Lichtabsorptionsschicht 103 vom p-Typ, gebildet auf einem Halbleiter auf CIS-Basis, eine Pufferschicht 104 und eine Fensterschicht 105 vom n-Typ (transparenter leitender Film). Aufgrund der Wärmebehandlung während der Bildung der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ 103 auf der Rückelektrodenschicht 102 diffundiert Na, das in dem Natronkalkglassubstrat enthalten ist, in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ. Die Alkalisteuerschicht 101 soll die Menge der Diffusion des Na-Elementes in die Lichtabsorptionsschicht 103 vom p-Typ steuern. Bei Experimenten, die durch die Erfinder durchgeführt sind, etc., kannte dann, wenn die. Alkalisteuerschicht 101 aus Silika mit einer Dicke von etwa 30 nm gebildet ist, die maximale fotoelektrische Umwandlungseffizienz von 14,3% erzielt werden.
  • 2 erläutert eine Struktur einer Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. 2 erläutert ein Glassubstrat 1 mit hohem Verformungspunkt, umfassend 3–5 Gew.-% Na2O, und eine Alkalisteuerschicht 2, die aus Silika (SiO2) gebildet ist und eine Filmdicke innerhalb eines Bereiches von 4–5 nm und einen Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,47–1,48 hat. Dieser Refraktionsindex wird mit Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm gemessen. 2 erläutert weiterhin eine Rückelektrodenschicht 3 aus Mo, eine Lichtabsorptionsschicht 4 vom p-Typ, umfassend den Halbleiter auf CIS-Basis, eine Pufferschicht 5 und eine Fensterschicht 6, die zu einem transparenten leitenden Film vom n-Typ gebildet ist.
  • Tabelle 1 zeigt physikalische Eigenschaften des Glassubstrates 1 mit hohem Verformungspunkt gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften des Glassubstrates mit hohem Verformungspunkt
    Verformungspunkt 560°C oder mehr
    Vergütungspunkt 610°C oder mehr
    Thermischer Expansionskoeffizient 8 × 10–6/°C–9 × 10–6/°C
    Na2O-Gehalt 3–5 Gew.-%
    K2O-Gehalt 5–10 Gew.-%
    CaO-Gehalt 1–10 Gew.-%
  • Die Gehalte von Na2O, K2O und CaO in dem Glas mit hohem Verformungspunkt, verwendet bei diesem Ausführungsbeispiel, sind wie in Tabelle 1 angezeigt. Typische Gläser mit hohem Verformungspunkt umfassen 1–7 Gew.-%, Na2O, 1–15 Gew.-% K2O und 1–15 Gew.-% CaO, und das Glas mit hohem Verformungspunkt wie dieses kann ebenfalls verwendet werden, um die Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß dieser Erfindung auszumachen. Weiterhin gibt es ein Glas mit hohem Verformungspunkt, das die obigen Bedingungen nicht erfüllt, und selbst ein solches Glas kann zur Herstellung der Solarzelle dieser Erfindung verwendet werden.
  • Nachfolgend wird ein Filmbildungsverfahren für die Alkalisteuerschicht 2 beschrieben. Die Alkalisteuerschicht 2 kann beispielsweise durch Verwendung von SiOx oder Si als Ziel mit Hilfe von (1) RF-Sputterverfahren, (2) AC-Sputterverfahren oder (3) DC-Sputterverfahren gebildet werden. Bei dem Filmbildungsverfahren unter Anwendung dieser Sputtertechniken kann die Alkalisteuerschicht mit verschiedenen Filmdicken und Refraktionsindices durch Ändern von Parametern wie auferlegte elektrische Leistung, O2-Konzentration und Filmbildungsdruck gebildet werden. Die Parameter können Gasfließrate, Substratträgergeschwindigkeit und dgl. umfassen.
  • Ein Beispiel der Parameter ist wie folgt:
    RF-Sputtern: SiO2-Target
    Auferlegte elektrische Leistung: 0,1–3 W/cm2
    O2-Konzentration (O2/O2 + Ar): 0–20%
    Filmbildungsdruck: 0,3–2,0 Pa
  • Anstelle der oben beschriebenen Sputterverfahren kann die Alkalisteuerschicht 2 ebenfalls durch Plasma-CVD-Verfahren, Elektronenstrahlverdampfungsverfahren und dgl. gebildet werden.
  • Tabelle 2 zeigt die Konstruktion der Rückelektrode 3. Tabelle 2: Konstruktion der Rückelektrode
    Filmdicke 200–500 nm
    Filmbildungsverfahren DC-Sputtern Filmbildungsdruck: 1,0–2,5 Pa Auferlegte elektrische Leistung: 1,0–3,0 W/cm2
  • Nachfolgend wird die Lichtabsorptionsschicht 4 vom p-Typ detailliert beschrieben.
  • Zur Bildung der Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ wird ein Metallvorläuferfilm mit einer laminierten Struktur oder ein gemischter Kristall, umfassend Cu, In und Ga, auf einer Metallrückelektrode 3 durch Sputter- oder Verdampfungsverfahren gebildet und dann selenisiert und sulfurisiert. Bei diesem Beispiel wird, wenn ein Verhältnis der Atomizität von Cu zum Element der Gruppe III oder In und Ga (Cu/Gruppe III-Verhältnis) auf 0,85–0,95 und ein Verhältnis der Atomizität von Ga zum Element der Gruppe III (Ga/Gruppe III-Verhältnis) auf 0,15–0,4 fixiert wird, die Selenisierung bei 350–500°C und die Sulfurisierung bei 550–650°C durchgeführt, so dass eine Lichtabsorptionsschicht mit einer Filmdicke von 1–3 μm mit der elektrischen Leitung vom p-Typ gebildet werden kann.
  • In dem Ausführungsbeispiel von 2 wird als Lichtabsorptionsschicht 4 vom p-Typ ein Film aus Kupferindiumgalliumdiselenid/-sulfid (Cu(InGa) (SeS)2) gebildet. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt und die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ kann aus irgendeinem Chalcopyrithalbleiter der Gruppe I-III-VI2 hergestellt werden, wie z. B.:
    Kupferindiumdiselenid (CuInSe2);
    Kupferindiumdisulfid (CuInS2);
    Kupferindiumdiselenid/sulfid (CuIn(SeS)2);
    Kupfergalliumdiselenid (CuGaSe2);
    Kupfergalliumdisulfid (CuGaS2);
    Kupferindiumgalliumdiselenid (Cu(InGa)Se2); und
    Kupferindiumgalliumdisulfid (Cu(InGa)S2).
  • Nachfolgend wird die Pufferschicht 5 detailliert beschrieben.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 wird als Pufferschicht 5 ein Film aus transparentem und hochresistentem Zn(O, S, OH)x mit einer Filmdicke von 2–50 nm mit elektrischer Leitung vom n-Typ gebildet. Diese Pufferschicht 5 kann durch ein chemisches Badniederschlagsverfahren oder MOCVD-Verfahren gebildet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Pufferschicht 5 ein Halbleiterfilm, der sich zusammensetzt aus Zn(O, S, OH)x, gebildet. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann die Pufferschicht 5 aus einem dünnen Film eines Halbleiters mit einer Verbindung der Gruppe II-VI gebildet werden, wie z. B. CdS, ZnS und ZnO und deren gemischten Kristallen wie Zn(O, S)x und einem dünnen Film aus einem Halbleiter mit der Verbindung auf In-Basis wie z. B. In2O3, In2S3 und In(OH).
  • Nachfolgend wird die Fensterschicht (transparenter leitender Film) 6 detailliert beschrieben.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 wird ein transparenter Halbleiterfilm mit niedrigem Widerstand und mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 μm, der sich aus ZnO:B zusammensetzt und eine elektrische Leitung vom n-Typ und einen breiten Bandabstand hat, gebildet. Die Fensterschicht 6 kann durch das Sputterverfahren oder MOCVD-Verfahren gebildet werden.
  • Anstelle von ZnO:B, das bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, können ZnO:Al und ZnO:Ga als Fensterschicht 6 verwendet werden. Weiterhin kann die Fensterschicht 6 ein Halbleiterfilm sein, der einen transparenten leitenden Film (ITO) enthält.
  • In der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, erläutert in 2, konnten diese Erfinder eine maximale fotoelektrische Umwandlungseffizienz von 15,3% erzielen. Im Vergleich zu der Tatsache, dass die maximale fotoelektrische Umwandlungseffizienz der konventionellen Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis, erläutert in 1, 14,3% ist, entfaltet diese Erfindung eine deutliche Verbesserung bei der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz. Tabelle 3 fasst den Unterschied der Struktur und die Eigenschaften der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis zwischen 1 (konventioneller Stand der Technik) und 2 (diese Erfindung) zusammen: Tabelle 3: Vergleich mit dem Stand der Technik
    Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß Stand der Technik Dünnfilmsolarzelle auf CIS–Basis gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
    Na2O-Gehalt im Glassubstrat 12–15 Gew.-% 3–5 Gew.-%
    Filmdicke der Alkalisteuerschicht 30 nm 4–5 nm
    Qualität der Alkalisteuerschicht nicht spezifiziert Refraktionsindex: 1,47–1,48
    Maximale fotoelektrische Umwandlungseffizienz 14,3% 15,3%
  • Die Werte der Filmdicke und der Refraktionsindex der Alkalisteuerschicht, angezeigt in Tabelle 3, sind lediglich auf ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung fixiert, und diese Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Gemäß dieser Erfindung hat die Alkalisteuerschicht wünschenswert eine Filmdicke von 2–10 nm und einen Refraktionsindex von 1,45–1,50 (bei einer Wellenlänge von 633 nm) und mehr wünschenswert eine Filmdicke von 2–7 nm und einen Refraktionsindex von 1,47–1,49.
  • Nachfolgend werden die Ergebnisse eines Experimentes beschrieben, das durchgeführt wurde, um die obige Struktur der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis gemäß dieser Erfindung zu bestimmen.
  • Das Glas mit hohem Verformungspunkt umfasst typischerweise 1–7 Gew.-% Na2O, 1–15 Gew.-% K2O und 1–10 Gew.-% CaO. Der Na-Gehalt in dem Glas mit hohem Verformungspunkt ist etwa halb oder weniger als dieses in dem Natronkalkglas. Jedoch glauben diese Erfinder, dass dann, wenn diese Elemente effizient in die Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ diffundieren können, indem die strukturellen und physikalischen Eigenschaften der Alkalisteuerschicht mit Hilfe der Hochtemperaturbehandlung unter Anwendung der Eigenschaften des Glases mit hohem Verformungspunkt optimiert werden, die Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit einer hohen fotoelektrischen Umwandlungseffizienz erhalten werden kann. In Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis, deren Alkalisteuerschicht sich aus Silika (SiOx) zusammensetzt, wurde die Filmdicke als struktureller Faktor und der Refraktionsindex als physikalischer Faktor ausgewählt. Durch Ändern dieser Faktoren haben diese Erfinder die fotoelektrische Umwandlungseffizienz gemessen. Bei diesem Experiment konnte eine Vielzahl von Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis, deren Filmdicke innerhalb eines Bereiches von 0–30 nm und deren Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,407–1,507 lag, erhalten werden. Dieser Refraktionsindex war ein Wert, der bei einer Wellenlänge von 633 nm gemessen wurde.
  • 3 zeigt die Messdaten in den Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis, erläutert in 2. Die 4 und 5 zeigen die Messdaten, angeordnet als Diagramme von Filmdicke/fotoelektrischer Umwandlungseffizienz. 6 zeigt die Messdaten, angeordnet als Diagramm von Refraktionsindex/fotoelektrischer Umwandlungseffizienz. Zunächst werden die Daten gemäß 3 beschrieben. Diese Tabelle zeigt die Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis mit der Probennummer (Nr.) 1–46 mit der Filmdicke T (nm) der Alkalisteuerschicht 2, dem Refraktionsindex n und der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz Eff (%) in 30 min. nach der Lichtbestrahlung.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wurden bei den Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis mit den Probennummern 9–46 (nachfolgend als Proben bezeichnet), wenn die Alkalisteuerschicht 2 durch das RF-Sputterverfahren gebildet ist, die Filmdicke und der Refraktionsindex der Alkalisteuerschicht geändert, indem die auferlegte elektrische Leistung, Gaskonzentration (Verhältnis von O2 zu Argon) und der Filmbildungsdruck wie oben beschrieben geändert wurden. Für den Vergleich sind weiterhin bei den Proben mit den Nummern 1-8 die Daten (fotoelektrische Umwandlungseffizienz) der Proben, die keine Alkalisteuerschicht 2 haben, gezeigt. Bei den Proben der Probennummern 1-46 sind die Struktur (Filmdicke) und Refraktionsindex der Alkalisteuerschicht geändert, aber andere Bedingungen wie beispielsweise die Struktur und Herstellungsverfahren des Glases 1 mit hohem Verformungspunkt der Rückelektrodenschicht 3, der Lichtabsorptionsschicht 4 vom p-Typ, der Pufferschicht 5 und des transparenten leitenden Filmes 6 identisch.
  • 4 und 5 sind Diagramme auf der Basis von Daten, die in 3 gezeigt sind, worin die horizontale Achse die Filmdicke T in nm der Alkalikontrollschicht und die vertikale Achse die fotoelektrische Umwandlungseffizienz (Eff) in zeigt und der Refraktionsindex n der Alkalisteuerschicht in einen Vielzahl von Niveaus gruppiert und aufgezeichnet ist. 6 ist ein Diagramm auf der Basis der in 3 gezeigten Daten, worin die horizontale Achse den Refraktionsindex n (bei einer Wellenlänge von 633 nm) und die vertikale Achse die fotoelektrische Umwandlungseffizienz (Eff) in % zeigt.
  • Aufgrund der Diagramme gemäß den 4 und 5 kann das Folgende verstanden werden. Wenn die Filmdicke T der Alkalisteuerschicht 10 nm übersteigt, wird die fotoelektrische Umwandlungseffizienz deutlich vermindert und es ist daher gewünscht, dass die Filmdicke T der Alkalisteuerschicht 10 nm oder weniger ist. Wenn auf der anderen Seite die Filmdicke T der Alkalisteuerschicht 2 nm oder weniger ist, ist die fotoelektrische Umwandlungseffizienz von einigen Proben 12,5% oder weniger und es ist daher gewünscht, dass die Filmdicke T der Alkalisteuerschicht 2 nm oder mehr ist. Unter Bezugnahme auf 5 in größerem Detail haben die Proben, deren Alkalisteuerschicht eine Filmdicke T innerhalb eines Bereiches von 2–7 nm haben, eine fotoelektrische Umwandlungseffizienz von mehr als 13% mit Ausnahme der Proben, deren Refraktionsindex 1,50 oder mehr ist. Als Ergebnis ist es mehr gewünscht, dass die Filmdicke T der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 2–7 nm fällt. Obwohl einige Proben, die keine Alkalisteuerschicht haben, eine fotoelektrische Umwandlungseffizienz von mehr als 14% haben, wird angenommen, dass diese Erfindung eine Alkalisteuerschicht hat. Denn zusätzlich zum Problem der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz haben die Proben, die die Alkalisteuerschicht nicht aufweisen, ein Problem der Zuverlässigkeit, weil die Schichten, die auf dem Glassubstrat gebildet sind, vom Glassubstrat getrennt werden können.
  • Vom Diagramm gemäß 6 ist das Folgende zu verstehen. Selbst wenn die Dünnfilmsolarzellen auf CIS-Basis, deren Filmdicke T der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 2–10 nm fällt, wird die fotoelektrische Umwandlungseffizienz Eff reduziert, wenn der Refraktionsindex n der Alkalisteuerschicht 1,50 übersteigt. Der Grund liegt darin, dass die Diffusion der Alkalisteuerschicht von dem Glas mit hohem Verformungspunkt nicht durch die Steuerung der Filmdicke der Alkalisteuerschicht alleine gesteuert werden kann. Die Diffusion der Alkalisteuerschicht von dem Glas mit hohem Verformungspunkt kann nur gesteuert werden, wenn sowohl die Filmdicke T als auch die Qualität (bestimmt durch den Refraktionsindex) durch die Alkalisteuerschicht gesteuert sind. Entsprechend dem Diagramm von 6 können Proben mit guter fotoelektrischer Umwandlungseffizienz erhalten werden, wenn der Refraktionsindex n der Alkalisteuerschicht 1,45 oder mehr ist. Als Ergebnis kann durch Vorsehen der Alkalisteuerschicht mit der Filmdicke T innerhalb eines Bereiches von 2,00–10,00 nm und einem Refraktionsindex n innerhalb eines Bereiches von 1,450–1,500 die fotoelektrische Umwandlungseffizienz Eff der Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis verbessert werden. Bezugnehmend auf 6 in größerem Detail ist festzustellen, dass die Proben mit einer Filmdicke T innerhalb eines Bereiches von 2,00-7,00 nm und einem Refraktionsindex n innerhalb eines Bereiches von 1,470–1,490 eine bessere fotoelektrische Umwandlungseffizienz haben.
  • Als Ergebnis haben diese Erfinder festgestellt, dass dann, wenn Glas mit hohem Verformungspunkt als Glassubstrat verwendet wird, bei einer Filmdicke T der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 2,00-10,00 nm und einem Refraktionsindex n innerhalb eines Bereiches von 1,450-1,500 eine gute Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit hoher fotoelektrischer Effizienz erhalten werden kann und mehr bevorzugt bei einer Filmdicke T der Alkalikontrollschicht innerhalb eines Bereiches von 2,00–7,00 nm und einem Refraktionsindex n innerhalb eines Bereiches von 1,470–1,490 eine Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis mit höherer fotoelektrischer Effizienz erhalten werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2006-165386 [0005]
    • JP 11-135819 [0007]

Claims (15)

  1. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis, die als Laminat in der Reihenfolge aufweist: ein Substrat aus Glas mit hohem Verformungspunkt, eine Alkalisteuerschicht, eine Rückelektrodenschicht, eine Absorptionsschicht auf CIS-Basis vom p-Typ und einen transparenten leitenden Film vom n-Typ, worin die Alkalisteuerschicht ein Silikafilm ist, dessen Filmdicke innerhalb eines Bereiches von 2,00–10,00 nm und dessen Refraktionsindex innerhalb eines Bereiches von 1,450–1,500 ist.
  2. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filmdicke der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 2,00–7,00 nm ist.
  3. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Refraktionsindex der Alkalisteuerschicht innerhalb eines Bereiches von 1,470–1,490 ist.
  4. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verformungspunkt des Substrates aus Glas mit hohem Verformungspunkt 560°C oder mehr ist.
  5. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergütungspunkt des Substrates aus Glas mit hohem Verformungspunkt 610°C oder mehr ist.
  6. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Expansionskoeffizient des Substrates aus Glas mit hohem Verformungspunkt innerhalb eines Bereiches von 8 × 10–6/°C – 9 × 10–6/°C ist.
  7. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichte des Substrates aus Glas mit hohem Verformungspunkt innerhalb eines Bereiches von 2,7–2,9 g/cm3 ist.
  8. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–7 Gew.-% Na2O umfasst.
  9. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 3–5 Gew.-% Na2O umfasst.
  10. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–15 Gew.-% K2O enthält.
  11. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 5–10 Gew.-% K2O enthält.
  12. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–15 Gew.-% CaO enthält.
  13. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas mit hohem Verformungspunkt 1–10 Gew.-% CaO enthält.
  14. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis vom p-Typ aus einer 5-Komponenten-Verbindung gebildet ist, die sich hauptsächlich aus Cu, In, Ga, Se und S zusammensetzt.
  15. Dünnfilmsolarzelle auf CIS-Basis nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis vom p-Typ durch Selenisieren und Sulfurisieren einer laminierten Struktur gebildet ist, umfassend Cu, In und Ga oder einen gemischten Kristall von diesen.
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