DE112015002412T5 - Solarzelle - Google Patents

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DE112015002412T5
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Hiroki Sugimoto
Takuya Katou
Noriyuki Sakai
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Solar Frontier KK
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Abstract

Diese Solarzelle ist mit einem Substrat (11), einer ersten Elektrodenschicht (12), die auf dem Substrat (11) angeordnet ist, einer CZTS-Lichtabsorptionsschicht (13) vom p-Typ, die auf der ersten Elektrodenschicht (12) angeordnet ist und Kupfer, Zink, Zinn und Elemente der Gruppe VI, enthaltend Schwefel und Selen, enthält, und einer zweiten Elektrodenschicht (15) vom n-Typ versehen, die auf der CZTS-Lichtabsorptionsschicht (13) angeordnet ist, worin die Schwefelkonzentration in den Elementen der Gruppe VI in der CZTS-Lichtabsorptionsschicht (13) sich in Tiefenrichtung von der Seite der zweiten Elektrodenschicht (15) in Richtung zur Seite der ersten Elektrodenschicht (12) erhöht.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft eine Solarzelle.
  • Hintergrund
  • Eine Dünnfilm-Solarzelle unter Verwendung eines Halbleiters aus einer Verbindung der Gruppe I2-(II-IV)-VI4 in einer Lichtabsorptionsschicht vom p-Typ hat vor kurzem Aufmerksamkeit erregt. Eine Dünnfilm-Solarzelle unter Verwendung eines Halbleiters aus einer Verbindung der Gruppe I2-(II-IV)-VI4 auf Chalkogenidbasis, enthaltend Cu, Zn, Sn, S oder Se in einer Lichtabsorptionszelle vom p-Typ wird als Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis bezeichnet. Repräsentative Lichtabsorptionszellen vom p-Typ enthalten Cu2ZnSnSe4 und Cu2ZnSn(S, Se)4.
  • Die Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis wird mit verhältnismäßig kostengünstigen und leicht verfügbaren Materialien hergestellt, ist verhältnismäßig einfach bezüglich des Produktionsverfahrens davon und hat ebenfalls einen hohen Absorptionskoeffizienten im Bereich von sichtbaren bis nahen Infrarotwellenlängen und es wird daher erwartet, dass sie eine hohe fotoelektrische Umwandlungseffizienz hat und somit als vielversprechender Kandidat für die Solarzellen der nächsten Generation angesehen wird.
  • Die Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis wird hergestellt durch Bilden einer Metallrückelektrodenschicht auf einem Substrat, Bilden einer Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis vom p-Typ darauf und weiteres aufeinanderfolgendes Stapeln einer hoch-resistenten Pufferschicht vom n-Typ und eines transparenten leitenden Films vom n-Typ. Ein Metall mit hoher Korrosionsresistenz und hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän (Mo), Titan (Ti) oder Chrom (Cr) wird für das Material der Metallrückelektrodenschicht verwendet. Der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis vom p-Typ wird beispielsweise durch Bilden eines Vorläuferfilms aus Cu-Zn-Sn oder Cu-Zn-Sn-Se-S auf einem Substrat mit einer Metallrückelektrodenschicht aus Molybdän (Mo) oder dergleichen, die darauf gebildet ist, durch ein Sputterverfahren oder dergleichen hergestellt, und anschließend wird eine Sulfurisierung oder Selenisierung in einer Wasserstoffsulfid- oder Wasserstoffselenid-Atmosphäre durchgeführt.
  • Liste der Druckschriften
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentveröffentlichung 2012-160556
    • Patentliteratur 2: offengelegte japanische Patentveröffentlichung 2012-253239
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Während die Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis ein hohes Potential hat, ist die fotoelektrische Umwandlungseffizienz davon, die gegenwärtig realisiert wird, niedriger als ein theoretischer Wert, und die Produktionstechnik davon muss weiterentwickelt werden.
  • Diese Erfindung wurde angesichts dessen durchgeführt, und ein Ziel davon ist, eine Solarzelle anzugeben, enthaltend eine Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis mit einer höheren fotoelektrischen Umwandlungseffizienz.
  • Lösung des Problems
  • Die Solarzelle, die in dieser Erfindung offenbart ist, enthält ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht, angeordnet auf dem Substrat, eine Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis vom p-Typ, angeordnet auf der ersten Elektrodenschicht, enthält Kupfer, Zink und Zinn und ein Element der Gruppe VI, enthaltend Schwefel und Selen, und eine zweite Elektrodenschicht vom n-Typ, die auf der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis angeordnet ist, worin die Schwefelkonzentration in dem Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis von der zweiten Elektrodenschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite erhöht ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die Solarzelle, die in dieser Erfindung offenbart ist, hat eine hohe fotoelektrische Umwandlungseffizienz.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Solarzelle erläutert, die in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 2 ist ein Diagramm, das die Bandstruktur einer Solarzelle erläutert, die eine konventionelle Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis enthält.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Bandstruktur der Solarzelle erläutert, die in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 4A ist eine Ansicht (Teil 1), die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 4B ist eine Ansicht (Teil 2), die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 4C ist eine Ansicht (Teil 3), die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 5D ist eine Ansicht (Teil 4), die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 5E ist eine Ansicht (Teil 5), die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 6 ist ein Diagramm, das Produktionsbedingungen für das Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 7A ist eine Ansicht (Teil 1), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 7B ist eine Ansicht (Teil 2), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 7C ist eine Ansicht (Teil 3), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 8D ist eine Ansicht (Teil 4), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 8E ist eine Ansicht (Teil 5), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 8F ist eine Ansicht (Teil 6), das ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 9 ist ein Diagramm, das Produktionsbedingungen des zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 10 ist ein Diagramm, das die Auswertungsergebnisse vom experimentellen Beispiel 1 und experimentellen Beispiel 2 und dem experimentellen Vergleichsbeispiel beschreibt, die in dieser Beschreibung offenbart sind.
  • 11A ist ein Diagramm, das die Verteilung in der Tiefenrichtung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI beim experimentellen Beispiel 1 erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 11B ist ein Diagramm, das die Verteilung in der Tiefenrichtung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI beim experimentellen Beispiel 2 erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • 11C ist ein Diagramm, das die Verteilung in der Tiefenrichtung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI beim experimentellen Vergleichsbeispiel erläutert, das in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 ist eine Ansicht, die eine Querschnittsstruktur einer Solarzelle erläutert, die in dieser Beschreibung offenbart ist.
  • Eine Solarzelle (10) enthält ein Substrat (11), eine erste Elektronenschicht (12), die auf dem Substrat (11) angeordnet ist, eine Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis, die auf der ersten Elektrodenschicht (12) angeordnet ist und eine Leitfähigkeit vom p-Typ hat, eine Pufferschicht (14), die auf der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis angeordnet ist, eine Leitfähigkeit vom n-Typ entfaltet und eine hohe Resistenz hat, und eine transparente zweite Elektrodenschicht (15), die auf der Pufferschicht (14) angeordnet ist und eine Leitfähigkeit vom n-Typ hat.
  • Beispielsweise kann ein Glassubstrat wie Kalknatronglas, ein Metallsubstrat, wie Edelstahlplatte oder ein Polyimidharzsubstrat als Substrat (11) verwendet werden.
  • Beispielsweise kann eine leitende Metallschicht, deren Material ein Metall wie Mo, Cr oder Ti ist, als erste Elektrodenschicht (12) verwendet werden.
  • Die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis wird beispielsweise mit einem Halbleiter einer Verbindung der Gruppe I2-(II-IV)-VI4 gebildet. Beispielsweise kann Kupfer (Cu) als Element der Gruppe I verwendet werden. Beispielsweise kann Zink (Zn) als Element der Gruppe II verwendet werden. Z. B. kann Zinn (Sn) als Element der Gruppe IV verwendet werden. Z. B. kann Schwefel (S) oder Selen (Se) als Element der Gruppe VI verwendet werden. Spezifisch enthält die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis einen gemischten Kristall (Cu2ZnSn(Se, S)4) von Cu2(Zn, Sn)Se4 und Cu2(Zn, Sn)S4. Das Zusammensetzungsverhältnis des Elementes der Gruppe I, des Elementes der Gruppen II bis IV und des Elementes der Gruppe VI in dem Halbleiter, der I2-(II-IV)-VI4-Verbindung kann nicht kritisch zu 1:1:2 sein. Zusätzlich kann das Verhältnis des Elementes der Gruppe II zum Element der Gruppe IV nicht kritisch 1:1 sein. Zusätzlich kann der Verbindungshalbleiter ein anderes Element als Cu als Element der Gruppe I enthalten. Der Verbindungshalbleiter kann ein anderes Element als Zn als Element der Gruppe II enthalten. Der Verbindungshalbleiter kann ein anderes Element als Sn als Element der Gruppe IV enthalten. Der Verbindungshalbleiter kann ein anderes Element als S und Se als Element der Gruppe IV enthalten.
  • Die Pufferschicht (14) vom n-Typ mit hohem Widerstand ist z. B. ein dünner Film (Filmdicke: etwa 3 bis 50 nm) einer Verbindung, enthaltend Cd, Zn und/oder In und wird repräsentativ gebildet aus CdS, ZnO, ZnS, Zn(OH)2 oder einem gemischten Kristall davon: Zn(O, S, OH); und/oder InS, InO, In(OH) oder einem gemischten Kristall davon: In(O, S, OH). Während die Schicht allgemein durch einen chemischen Badniederschlag (CBD-Verfahren) gebildet ist, kann ein metallorganischer, chemischer Dampfniederschlag (MOCVD-Verfahren) oder ein Atomschichtniederschlagsverfahren (ALD-Verfahren als trockenes Verfahren ebenfalls verwendet werden. Das CBD-Verfahren betrifft ein Verfahren, bei dem ein Basismaterial in eine Lösung getaucht wird, enthaltend eine chemische Spezies, die als Vorläufer dient, wobei eine heterogene Reaktion ablaufen kann zwischen der Lösung und der Oberfläche des Basismaterials, um einen dünnen Film auf dem Basismaterial niederzuschlagen.
  • Die zweite Elektrodenschicht (15) wird aus einem Material mit Leitfähigkeit vom n-Typ und mit einer breiten nicht zulässigen Bandbreite, das transparent und einen geringen Widerstand hat, gebildet. Spezifisch enthält die zweite Elektrodenschicht (15) einen dünnen Film auf Zinkoxid-Basis (ZnO) oder einen dünnen ITO-Film. Wenn der ZnO-Film verwendet wird, kann ein Element der Gruppe III (z. B. Al, Ga oder B) als Dotiermittel zugegeben werden, zur Verminderung des Widerstandes. Die zweite Elektrodenschicht (15) kann ebenfalls durch ein Sputterverfahren (DC, RF) oder dergleichen neben dem MOCVD-Verfahren gebildet werden.
  • Die Erfinder haben Untersuchungen bezüglich einer weiteren Verstärkung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Solarzelle durchgeführt, einschließlich der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis.
  • Beispielsweise ist eine Dünnfilm-Solarzelle auf CIS-Basis, worin ein Verbindungshalbleiter der Gruppe I-III-VI2 in einer Lichtabsorptionsschicht verwendet wird, als Dünnfilm-Solarzelle auf Verbindungsbasis bekannt, worin ein Halbleiter auf Verbindungsbasis in einer Lichtabsorptionsschicht verwendet wird, wie bei der Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis.
  • Bei der Dünnfilm-Solarzelle auf CIS-Basis wird ein seltenes Metall wie In oder Ga als Element der Gruppe III, das in der Lichtabsorptionsschicht enthalten ist, verwendet. Auf der anderen Seite werden bei der Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis Cu, Zn, Sn und das Element der Gruppe VI, die verhältnismäßig kostengünstig und leicht verfügbar sind, in der Lichtabsorptionsschicht verwendet.
  • Die Dünnfilm-Solarzelle auf CIS-Basis hat die gleiche Struktur wie die Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis, die in 1 erläutert ist, mit der Ausnahme, dass die Materialien, die die Lichtabsorptionsschicht bilden, verschieden sind.
  • Wie in 2 erläutert ist, wird folgendes in Bezug auf die Dünnfilm-Solarzelle auf CIS-Basis vorgeschlagen: die Ga-Konzentration im Element der Gruppe III in der Tiefenrichtung einer Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis wird so verteilt, dass sie von einer Pufferschichtseite in Richtung zu einer Elektrodenschichtseite erhöht ist, und das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis hat hierdurch einen Gradienten, so dass er sich von der Pufferschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite erhöht, was zu einer Verstärkung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz führt.
  • Im Diagramm von 2 bedeutet die vertikale Achse das Atomverhältnis von Ga zum Element der Gruppe III in der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis, und die horizontale Achse ist die Position in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis von der Grenzfläche der Pufferschicht.
  • Wie in 2 erläutert, ist das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis zusammen mit einer Erhöhung der Ga-Konzentration im Element der Gruppe III erhöht. Ein Elektron, das Lichtenergie absorbiert, zum Transmittieren des unteren Endes des Leitungsbandes, wird zu einer Position bewegt, bei der die Potentialenergie niedriger ist, und daher wird das Elektron gefördert, dass es sich zu der Pufferschicht bewegt, was zu einer Erhöhung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz führt.
  • Die Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis enthält jedoch kein Element der Gruppe III wie Ga und daher kann der Vorgang für eine Erhöhung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Dünnfilm-Solarzelle auf CIS-Basis nicht auf die Dünnfilm-Solarzelle auf CZTS-Basis angewandt werden.
  • Zusätzlich enthält die Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis ein Element der Gruppe VI wie S wie in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis. Es ist dann bekannt, dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis verteilt ist, so dass sie von der zweiten Elektrodenschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite erhöht ist, mit dem Ergebnis, dass eine Verminderung des Energieniveaus beim oberen Ende des Valenzbandes von der Pufferschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite ohne irgendeine Änderung beim Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis erfolgt, wie durch die durchgezogene Linie in 2 angezeigt ist. Demzufolge wird die fotoelektrische Umwandlungseffizienz selbst durch eine Erhöhung der S-Konzentration im Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis nicht erhöht.
  • Im Gegensatz dazu haben diese Erfinder festgestellt, dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis erhöht wird, unter Erhöhung des Energieniveaus am unteren Ende des Leitungsbandes ohne irgendeine Änderung im Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis.
  • Diese Erfinder haben folgendes Ergebnis erzielt: wenn eine Vielzahl von Proben, worin die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis geändert ist, hergestellt wird und die Bandstruktur einer jeden Probe durch Umkehrfotoemissionsspektroskopie gemessen wird, wird das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes zusammen mit einer Erhöhung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI erhöht.
  • Diese Erfinder haben somit festgestellt, dass die Beziehung zwischen der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht und der Bandstruktur in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis verschieden ist von der in der Lichtabsorptionsschicht auf CIS-Basis.
  • Diese Erfinder schlagen dann auf der Grundlage der obigen Feststellungen folgendes vor: die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis wird von der zweiten Elektrodenschichtseite in Richtung zu ersten Elektrodenschichtseite erhöht, zur Verstärkung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz der Dünnschicht-Solarzelle auf CZTS-Basis.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Bandstruktur der Solarzelle, die in dieser Beschreibung offenbart ist, erläutert.
  • Im Diagramm von 3 bedeutet die vertikale Achse das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis, und die horizontale Achse bedeutet die Position in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis von der Grenzfläche der Pufferschicht.
  • Eca bedeutet das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis, und Eva bedeutet das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes davon. Ecb bedeutet das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der Pufferschicht (14), und Evb bedeutet das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes davon. Ece bedeutet das Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes der zweiten Elektrodenschicht (15), und Eve bedeutet das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes davon. Der Unterschied zwischen dem Energieniveau am unteren Ende des Leitungsbandes und dem Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes entspricht der Energielücke.
  • Die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis kann wie folgt gebildet werden: die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis ist so verteilt, dass sie sich von der zweiten Elektrodenschichtseite (15), nämlich der Pufferschicht (14), erhöht in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite (12), unter Erhöhung des Energieniveaus am unteren Ende des Leitungsbandes der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-basis von der zweiten Elektrodenschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite.
  • Gemäß der Bandstruktur, die in 3 erläutert ist, wird ein Elektron, das Lichtenergie absorbiert, zum Durchgang zum unteren Ende des Leitungsbandes, zu einer Position bewegt, bei der die Potentialenergie niedriger ist, und daher wird ein Elektron in der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis gefördert, dass es zur Pufferschicht (14) bewegt wird, unter Erhöhung einer fotoelektrischen Umwandlungseffizienz.
  • Zusätzlich kann, wie in 3 erläutert, die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis eine vorbestimmte Breite der Bandlückenenergie haben, unter Absorption von Sonnenlicht in einem breiten Wellenlängenbereich, was zu einer weiteren Erhöhung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz führt.
  • In Bezug auf den Gradienten der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis ist der Unterschied zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zu dem Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis bevorzugt 0,15 oder mehr im Hinblick auf die Verstärkung der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz.
  • Die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI bedeutet hierin die Konzentration von Schwefel, was zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis beiträgt, und die Konzentration von Schwefel, der nicht an der fotoelektrischen Umwandlung beiträgt, wird ausgeschlossen. Während die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis, die dazu dient, eine fotoelektrische Umwandlung in der Solarzelle (10) durchzuführen, eine Komponente enthalten kann, die Schwefel enthält, das nicht zur Durchführung der fotoelektrischen Umwandlung dient, trägt ein solcher Schwefel nicht zur fotoelektrischen Umwandlung bei und wird daher nicht so angesehen, dass er bei der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI involviert ist.
  • Während sich die Schwefelkonzentration in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis kontinuierlich von der Pufferschichtseite (14) in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite (12), das im Beispiel gemäß 3 erläutert ist, erhöht, kann die Schwefelkonzentration diskontinuierlich schrittweise erhöht werden.
  • Zusätzlich enthält eine Erhöhung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis von der zweiten Elektrodenschicht (15) in Richtung zu ersten Elektrodenschicht (12) eine teilweise konstante Schwefelkonzentration in der Tiefenrichtung. Eine konstante Schwefelkonzentration hierin bedeutet, dass der Unterschied zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in einem bestimmten Bereich in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis 0,05 oder weniger ist. Eine Erhöhung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI von der zweiten Elektrodenschichtseite (15) in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite (12) beinhaltet einen Unterschied zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in einem bestimmten Bereich in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis von mehr als 0,05.
  • Nachfolgend wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle, offenbart in dieser Beschreibung, unten unter Bezugnahme auf die 4A bis 6 beschrieben.
  • Wie in 4A erläutert ist, wird eine erste Elektrodenschicht (12) auf einem Substrat (11) gebildet, und ein ZnS-Vorläuferfilm (13a) wird auf der ersten Elektrodenschicht (12) gebildet. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 4A angewandt werden, sind in 6 dargestellt. Der ZnS-Vorläuferfilm (13a) kann durch Zn-Filmbildung mit einem Sputterverfahren oder dergleichen mit anschließender Wärmebehandlung (Sulfurisierung) in einer schwefelhaltigen Atmosphäre gebildet werden.
  • Wie in 4B erläutert, werden dann ein Cu-Film und ein Sn-Film auf dem ZnS-Vorläuferfilm (13a) gebildet, zur Bildung eines CuSn-Vorläuferfilmes (13b). Der Cu-Film oder der Sn-Film können zunächst in Bezug auf die Stapelreihenfolge des Cu-Filmes und des Sn-Filmes des ZnS-Vorläuferfilmes (13a) gebildet werden. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt in 4B verwendet werden, sind in 6 dargestellt.
  • Wie in 4C erläutert, wird eine Verbindung aus dem CuSn-Vorläuferfilm (13b) und Se gebildet, und der CuSn-Vorläuferfilm (13b) wird einer Selenisierung unterworfen, zur Bildung eines CuSnSe-Filmes (13c) auf dem ZnS-Vorläuferfilm (13a). Der Schritt von 4C wird bevorzugt bei einer solchen Temperatur für eine solche Zeit durchgeführt, dass der ZnS-Vorläuferfilm (13a) sich nicht zersetzt oder nicht mit Se reagiert. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 4C verwendet werden, sind in 6 dargestellt.
  • Wie in 5D erläutert, können der ZnS-Vorläuferfilm (13a) und der CuSnSe-Film (13c) unter einer Atmosphäre des Elementes der Gruppe VI reagieren, zum Diffundieren von Zn in den CuSnSe-Film (13c) und ebenfalls zum Durchführen der Sulfurisierung, wodurch eine Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis gebildet wird. Die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis enthält einen gemischten Kristall aus Cu2(Zn, Sn)Se4 und Cu2(Zn, Sn)S4. Die Temperatur, bei der der ZnS-Vorläuferfilm (13a) in Zn und S zersetzt wird, wird als Temperatur im Schritt von 5D verwendet. S, das durch Zersetzung des ZnS-Vorläuferfilmes (13a) erzeugt ist, wird in den CuSnSe-Film (13c) diffundiert und bewegt sich in Richtung zur Oberfläche. Die Zeit für den Schritt gemäß 5D wird bestimmt, so dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis erhöht wird, wodurch sie sich von der Oberfläche in Richtung zur ersten Elektrodenschicht (12) erhöht. Eine längere Zeit für den Schritt gemäß 5D kann verursachen, dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis konstant von der ersten Elektrodenschichtseite (12) in Richtung zur Oberfläche ist. Zusätzlich kann eine zu kurze Zeit für den Schritt gemäß 5D eine Diffusion von Zink in den CuSnSe-Film (13c) unzureichend machen, was nicht zu einer ausreichenden Bildung von Cu(Sn, Zn)(S, Se) in der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis führt. Spezifische Produktionsbedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 5D verwendet werden, sind in 6 dargestellt. Der Grund, warum der Schritt von 5D unter einer Atmosphäre des Elementes der Gruppe VI durchgeführt wird, liegt darin, dass verhindert wird, dass das Element der Gruppe VI wie S oder Se in die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis diffundiert oder aus der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis herausgelangt. Beispielsweise können Wasserstoffsulfid oder Wasserstoffselenid als Atmosphäre des Elementes der Gruppe VI verwendet werden.
  • Die Temperatur im Schritt von 5D ist üblicherweise höher als die Temperatur im Schritt von 4C, und die Zeit für den Schritt von 5D ist üblicherweise kürzer als die Zeit für den Schritt von 4C. Wenn der ZnS-Vorläuferfilm (13a) und der CuSnSe-Film (13c) im Schritt von 4C reagieren können, kann Schwefel übermäßig in den CuSnSe-Film (13c) diffundieren, wodurch es schwierig wird, die Verteilung der Schwefelkonzentration im Schritt von 5D zu steuern.
  • Im Schritt von 5D sind Zn und S, die den ZnS-Vorläuferfilm (13a) bilden, in den CuSnSe-Film (13c) diffundiert, Cu, Sn und Se, die den CuSnSe-Film (13c) bilden, sind in den ZnS-Vorläuferfilm (13a) diffundiert, und daher werden beide Filme integriert zur Bildung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis.
  • Dann wird, wie in 5E erläutert, eine Pufferschicht (14) vom n-Typ auf der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis gebildet. Die Pufferschicht (14) vom n-Typ bildet eine pn-Bindung mit der Grenzfläche der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis vom p-Typ. Dann wird eine zweite Elektrodenschicht (15) auf der Pufferschicht (14) gebildet, unter Erhalt einer Solarzelle (10) dieses Ausführungsbeispiels. Spezifische Produktionsbedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel im Schritt gemäß 5B verwendet werden, sind in 6 dargestellt.
  • Das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle wurde verwendet, zur Bildung einer Solarzelle bei jedem experimentellen Beispiel 1 und 2. Die Auswertungsergebnisse bei den experimentellen Beispielen 1 und 2 werden später beschrieben.
  • Dann wird ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle, offenbart in dieser Beschreibung, unten unter Bezugnahme auf die 7A bis 9 beschrieben.
  • Wie in 7A erläutert, wird zunächst eine erste Elektrodenschicht (12) auf einem Substrat (11) gebildet und ein Zn-Vorläuferfilm (13d) wird auf der ersten Elektrodenschicht (12) gebildet. Spezifische Produktionsbedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel in Schritt von 7A verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Wie in 7B erläutert, werden ein Cu-Film und Sn-Film auf den Zn-Vorläuferfilm (13d) gebildet, unter Bildung eines CuSn-Vorläuferfilmes (13e). Der Cu-Film oder Sn-Film kann zunächst in Bezug auf die Stapelreihenfolge des Cu-Filmes und des Sn-Filmes auf den Zn-Vorläuferfilm (13d) gebildet werden. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 7B verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Wie in 7C erläutert, wird eine Verbindung aus dem Zn-Vorläuferfilm (13d) und dem CuSn-Vorläuferfilm (13e) mit S gebildet, und der Zn-Vorläuferfilm (13d) und der CuSn-Vorläuferfilm (13e) werden einer ersten Sulfurisierung unterworfen, unter Erzeugung eines ZnS-Vorläuferfilmes (13f) und eines CuSnS-Filmes (13g). Die Temperatur und die Zeit im Schritt von 7C werden bevorzugt so bestimmt, dass keine Reaktion zwischen den Zn-Vorläuferfilm (13d) und dem CuSn-Vorläuferfilm (13e) auftritt. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 7C verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Dann wird, wie in 8D erläutert, der CuSnS-Film (13g) einer Selenisierung unterworfen, um teilweise S in den CuSnS-Film (13g) mit Se zu substituieren, unter Bildung einer Verbindung aus Cu, Sn und Se, wodurch ein CuSn(Se, S)-Film (13h) auf dem ZnS-Vorläuferfilm (13f) gebildet wird. Der Schritt von 8D wird bevorzugt bei einer Temperatur für eine Zeit durchgeführt, so dass der ZnS-Vorläuferfilm (13f) nicht zersetzt wird und nicht mit Se reagiert. Spezifische Produktionsbedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 8D verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Wie in 8E erläutert, wird ermöglicht, dass der ZnS-Vorläuferfilm (13f) und der CuSn(Se, S)-Film (13h) unter einer Atmosphäre eines Elementes der Gruppe VI reagieren, zum Diffundieren von Zn in den CuSn(Se, S)-Film (13h) und ebenfalls zum Durchführen einer zweiten Sulfurisierung, unter Bildung einer Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis. Die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis enthält einen gemischten Kristall aus Cu2(Zn, Sn)Se4 und Cu2(Zn, Sn)S4. Die Temperatur, bei der der ZnS-Vorläuferfilm (13f) in Zn und S zersetzt wird, wird als Temperatur im Schritt gemäß 8E verwendet. Zusätzlich wird die Zeit für den Schritt zur Bildung des ZnS-Vorläuferfilmes (13f) so bestimmt, dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis von der Oberfläche in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite (12) erhöht wird. Ein Ziel des Schrittes gemäß 8E ist gleich wie das des Schrittes gemäß 5D und daher wird die Beschreibung der Sulfurisierung gemäß 5D angemessen für die Beschreibung dieses Schrittes gemäß 8E angewandt. Spezifische Produktionsbedingungen, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Schritt 8E verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Im Schritt von 8E werden Zn und S, die den ZnS-Vorläuferfilm (13f) bilden, in den CuSn(Se, S)-Film (13h) diffundiert, Cu, Sn, Se und S, die den CuSn(Se, S)-Film (13h) bilden, werden in den ZnS-Vorläuferfilm (13f) diffundiert, und daher werden beide Filme integriert, zur Bildung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis.
  • Wie in 8F erläutert, wird eine Pufferschicht (14) vom n-Typ auf der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis gebildet. Die Pufferschicht (14) vom n-Typ bildet eine pn-Bindung mit der Grenzfläche der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis vom p-Typ. Dann wird eine zweite Elektrodenschicht (15) auf der Pufferschicht (14) gebildet, unter Erhalt einer Solarzelle (10) dieses Ausführungsbeispiels. Spezifische Produktionsbedingungen, die in diesem Ausführungsbeispiel im Schritt von 8F verwendet werden, sind in 9 dargestellt.
  • Die Solarzelle, die in dieser Beschreibung offenbart ist, kann durch irgendein anderes Verfahren als den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen gebildet werden. Beispielsweise kann die Solarzelle mit einem Dampfniederschlagsverfahren gebildet werden. Spezifisch kann, wenn Cu, Sn, Zn, Se und S auf der ersten Elektrodenschicht (12) mit einem ähnlichen Dampfniederschlagsverfahren dampfniedergeschlagen werden, die Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis gebildet werden, während das S/Se-Verhältnis schrittweise oder kontinuierlich reduziert wird. Selbst ein solches Verfahren kann verwendet werden, zur Bildung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis, so dass die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis von der Oberfläche in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite (12) erhöht wird.
  • Die Auswertungsergebnisse der Solarzelle bei jedem experimentellen Beispiel 1 und 2, gebildet mit dem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle werden unten unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben.
  • 10 ist ein Diagramm, das die Auswertungsergebnisse der experimentellen Beispiele 1 und 2 und des experimentellen Vergleichsbeispiels beschreibt, die in dieser Beschreibung offenbart sind.
  • Die Verteilung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht (13) auf CZTS-Basis wird bei den experimentellen Beispielen 1 und 2 und dem experimentellen Vergleichsbeispiel geändert aufgrund der unterschiedlichen Temperatur und Zeitbedingungen im Schritt gemäß 5D.
  • 10 erläutert die Auswertungsergebnisse der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz (Eff), der offenen Spannung (Voc), der Stromdichte (Jsc), des Produktes (Voc × Jsc) der offenen Spannung und der Stromdichte und des Füllfaktors (FF) der Solarzelle bei jedem experimentellen Beispiel 1 und 2 und des experimentellen Vergleichsbeispiels. Zusätzlich erläutert 10 den Unterschied D zwischen dem minimalen Wert und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis der Solarzelle eines jeden experimentellen Beispiels 1 und 2 und des experimentellen Vergleichsbeispiels.
  • Die fotoelektrische Umwandlungseffizienz (Eff) bei jedem experimentellen Beispiel 1 und 2 entfaltet einen Wert, der um 10% oder mehr im Vergleich zu dem experimentellen Vergleichsbeispiel erhöht ist. Zusätzlich ist ersichtlich, dass andere Eigenschaften bei den experimentellen Beispielen 1 und 2 ebenfalls im Vergleich zu jeden vom experimentellen Vergleichsbeispiel erhöht sind.
  • Der Unterschied D wird unten unter Bezugnahme auf die 11A bis 11C beschrieben.
  • 11A ist ein Diagramm, das die Verteilung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung in dem experimentellen Beispiel 1, das erfindungsgemäß offenbart ist, zeigt. 11B ist ein Diagramm, das die Verteilung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI beim experimentellen Beispiel 2, offenbart in dieser Beschreibung, in der Tiefenrichtung zeigt. 11C ist ein Diagramm, das die Verteilung des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI beim experimentellen Vergleichsbeispiel in der Tiefenrichtung zeigt, offenbart in dieser Beschreibung.
  • Die 11A bis 11C erläutern die Ergebnisse der Messung der Schwefelkonzentration (Atomkonzentration) mit SIMS (Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie). In 11 bedeutet die vertikale Achse das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis und die horizontale Achse bedeutet eine Position in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis von der Grenzfläche der Pufferschicht in einer willkürlichen Einheit.
  • 11A erläutert die Messergebnisse beim experimentellen Beispiel 1, 11B erläutert die Messergebnisse beim experimentellen Beispiel 2 und 11C erläutert die Messergebnisse beim experimentellen Vergleichsbeispiel.
  • Der Unterschied D zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis wurde auf der Basis der Messergebnisse, die in 11 dargestellt sind, berechnet. Der Unterschied D ist ein Indikator der Menge der Erhöhung der Verteilung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis.
  • Kurve (C1) in 11A bedeutet das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis. Gleichermaßen bedeuten die Kurven (C2) und (C3) in den 11B und 11C das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI, das zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beiträgt. Die Zahl der Schwefelatome bedeutet die Zahl der Schwefelatome, die zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beitragen. Während die Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis ebenfalls Schwefel enthält, basierend auf ZnS, trägt ZnS nicht zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis bei und ist daher nicht bei der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI involviert.
  • Kurve (D1) von 11A gibt die Zahl der Schwefelatome gemäß ZnS zur Referenz an. Die Zahl der Schwefelatome aufgrund von ZnS wird durch eine willkürliche Einheit dargestellt. Gleichermaßen geben die Kurven (D2 und D3) in den 11B und 11C die Zahl der Schwefelatome aufgrund von ZnS an.
  • Im Folgenden wird die Bestimmung der Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI, die zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beiträgt, von den Messergebnissen mit SIMS beschrieben.
  • Zunächst werden die Zahl der Zn-Atome, Sn-Atome, Se-Atome und der S-Atome in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis mit SIMS gemessen.
  • Während das Atomverhältnis von Zn im Element der Gruppe II zu Sn im Element der Gruppe IV grundsätzlich mit 1:1 konstant ist, kann unter Berücksichtigung, dass das Element der Gruppe I, das Element der Gruppe II, das Element der Gruppe IV und das Element der Gruppe VI, die zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis bei den experimentellen Beispielen 1 und 2 und dem experimentellen Vergleichsbeispiel beitragen, auf dem Zusammensetzungsverhältnis der Verbindung der I2-(II-IV)-VI4-Gruppe basieren, das Zn/Sn-Verhältnis 1 bis 1,2 für eine Verstärkung der Leistung sein, unter Erhalt einer Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis, enthaltend übermäßiges Zn. Bei den experimentellen Beispielen und dem experimentellen Vergleichsbeispiel in diesem Ausführungsbeispiel ist das Zn/Sn-Verhältnis etwa 1,1. Zusätzlich wird das Atomverhältnis von Zn zu S, das ZnS bildet, mit 1:1 angesehen.
  • Das Atomverhältnis (Zn/Sn-Verhältnis) von Zn im Element der Gruppe II zu Sn im Element der Gruppe IV, die zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beitragen, ist 1,1, und ein konstantes Zusammensetzungsverhältnis wird in der Filmdickenrichtung entfaltet, und daher kann die Zahl der Zn-Atome, die zur fotoelektrischen Umwandlung beitragen, von der Zahl der gemessenen Sn-Atome berechnet werden. Die Zahl der Zn-Atome, die zur fotoelektrischen Umwandlung beitragen, berechnet von der Zahl der gemessenen Zn-Atome, wird subtrahiert, unter Erhalt der Zahl der Zn-Atome aufgrund von ZnS. In diesem Ausführungsbeispiel kann, während das Zn/Sn-Verhältnis 1,1 ist, der Berechnungsvorgang ebenfalls auf eine Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis angewandt werden, bei der ein solches Verhältnis im Bereich von 1,0 bis 1,3 ist. In diesem Fall wird das Zn/Sn-Verhältnis bei einer Stelle, die zur fotoelektrischen Umwandlung beiträgt (z. B. das Zn/Sn-Verhältnis in einer bestimmten Fläche von der Oberfläche der Lichtabsorptionsschicht), von dem Messwert von SIMS bestimmt und kann verwendet werden, um hierdurch die Zahl der Zn-Atome, die zur fotoelektrischen Umwandlung beitragen, von der Zahl der Sn-Atome zu berechnen.
  • Die Zahl der Zn-Atome aufgrund von ZnS ist gleich wie die Zahl der S-Atome aufgrund von ZnS, und daher wird die Zahl der Zn-Atome aufgrund von ZnS von der Zahl der gemessenen S-Atome subtrahiert, unter Erhalt der Zahl der S-Atome, die zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beitragen.
  • Somit wird das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI und die Zahl der S-Atome aufgrund von ZnS, erläutert in 11, berechnet.
  • Wie in 11A erläutert ist, wird das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI, das zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beiträgt, von der Pufferschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite beim experimentellen Beispiel 1 erhöht. Mit anderen Worten wird die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis von der Pufferschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite erhöht. Während sich das Atomverhältnis in einem Bereich, der enger bei der Pufferschicht der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis liegt, vermindert ist, der Unterschied zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in einem solchen Bereich 0,05 oder weniger, und daher wird die Schwefelkonzentration als konstant angesehen.
  • Wie in 11B erläutert ist, wird das Atomverhältnis von Schwefel zum Element der Gruppe VI, das zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis beiträgt, von der Pufferschichtseite zur ersten Elektrodenschichtseite auch beim experimentellen Beispiel 2 erhöht.
  • Auf der anderen Seite ist, wie in 11C erläutert, der Unterschied D zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis 0,05 oder weniger beim experimentellen Vergleichsbeispiel, und daher wird die Schwefelkonzentration als konstant über der gesamten Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis angesehen. Mit anderen Worten ist die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis konstant von der Pufferschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite bei dem experimentellen Vergleichsbeispiel.
  • Wie in den 11A und 11B erläutert, ist der minimale Wert des Atomverhältnisses weniger als 0,1, der maximale Wert davon ist mehr als 0,2 und der Unterschied D zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis ist 0,15 oder mehr bei den experimentellen Beispielen 1 und 2.
  • Wie in 11C erläutert, ist auf der anderen Seite der Unterschied D zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis 0,05 oder weniger beim experimentellen Vergleichsbeispiel.
  • Wie in den 11A und 11B erläutert, ist S aufgrund von ZnS in einem Bereich verteilt, der enger bei der ersten Elektrodenschicht der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis liegt. Es wird somit angenommen, dass ZnS in einem Bereich, der enger bei der ersten Elektrodenschicht der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis liegt, verteilt ist. Der Grund wird darin gesehen, dass ZnS verbleibt, während der ZnS-Film, der im Schritt 4A des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Erzeugung der Solarzelle gebildet wird, nicht zersetzt wird.
  • In dieser Erfindung kann die Solarzelle und das Verfahren zur Erzeugung der Solarzelle gemäß den Ausführungsbeispielen angemessen modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können Komponenten in einem Ausführungsbeispiel angemessen für andere Ausführungsbeispiele verwendet werden.
  • Beispielsweise enthält die Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis S und Se als Element der Gruppe VI in den obigen Ausführungsbeispielen, kann aber andere Elemente der Gruppe VI enthalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Solarzelle
    11
    Substrat
    12
    erste Elektrodenschicht
    13
    Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis
    13a
    ZnS-Vorläuferfilm
    13b
    CuSn-Vorläuferfilm
    13c
    CuSnSe-Film
    13d
    Zn-Vorläuferfilm
    13e
    CuSn-Vorläuferfilm
    13f
    ZnS-Vorläuferfilm
    13g
    CuSnS-Film
    13h
    CuSn(Se, S)-Film
    14
    Pufferschicht
    15
    zweite Elektrodenschicht

Claims (5)

  1. Solarzelle, enthaltend: ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis vom p-Typ, die auf der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist und Kupfer, Zink und Zinn und ein Element der Gruppe VI aufweist, enthaltend Schwefel und Selen, und eine zweite Elektrodenschicht vom n-Typ, die auf der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis angeordnet ist, worin die Schwefelkonzentration im Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis von der zweiten Elektrodenschichtseite in Richtung zur ersten Elektrodenschichtseite erhöht wird.
  2. Solarzelle gemäß Anspruch 1, worin der Unterschied zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis 0,15 oder mehr ist.
  3. Solarzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der minimale Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis weniger als 0,1 ist.
  4. Solarzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der maximale Wert des Atomverhältnisses von Schwefel zum Element der Gruppe VI in der Tiefenrichtung der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis mehr als 0,2 ist.
  5. Solarzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin eine Pufferschicht vom n-Typ zwischen der Lichtabsorptionsschicht auf CZTS-Basis und der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist.
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JP5709662B2 (ja) * 2011-06-16 2015-04-30 ソーラーフロンティア株式会社 Ｃｚｔｓ系薄膜太陽電池の製造方法

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