JP2001007360A - Ｉｂ−ｉｉｉａ−ｖｉａ族化合物半導体ベースの薄膜太陽電池素子およびその製造方法 - Google Patents

Ｉｂ−ｉｉｉａ−ｖｉａ族化合物半導体ベースの薄膜太陽電池素子およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ＩＢ−IIIＡ−VIＡ族化合物半導
体ベースの薄膜太陽電池素子およびこのような太陽電池
素子を製造するための方法に関するものである。 【解決手段】 ｐ型導電率の多結晶ＩＢ−IIIＡ−VIＡ
族吸収体層と基板としての役割を持つキャリア・フィル
ムとの間に多結晶ＩＢ−IIIＡ−VIＡ族吸収体層の生成
のために沈着形成されるものと同じＩＢ族金属とIIIＡ
族金属との合金相のバック電極が設けられる。多結晶Ｉ
Ｂ−IIIＡ−VIＡ族吸収体層およびバック電極は、太陽
電池素子構造のバック電極としての役割を持つＩＢ族金
属とIIIＡ族金属の合金相がキャリア・フィルム上に直
接形成されるように、ＩＢ−IIIＡ族金属からなる前駆
体がカルコゲンとの反応によってキャリア・フィルム反
対側から縦方向に井部分にのみ光起電活性吸収体材料に
変換されるようにして製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、そのバック電極が
ｐ型導電率の多結晶吸収体層を製造するために使用され
るものと同じ金属の合金相からなるＩＢ−IIIＡ−VIＡ
族半導体ベースの薄膜太陽電池素子に関するものであ
る。さらに、本発明はこのような太陽電池素子を製造す
るための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光電池モジュール開発の主たる目的の一
つは、太陽電気の生産コストを地上での利用のために大
幅に低減することである。地球圏外の用途に関しては、
太陽電池モジュールの重量低減が太陽電池素子の耐放射
線性の改良とともに開発の眼目になっている。
【０００３】多結晶のＩＢ−IIIＡ−VIＡ族化合物半導
体ベースの太陽電池素子およびモジュールはこれらの目
的を達成するための好適な手段の候補である。近年、光
活性吸収体材料として一般にＣＩＳあるいはＣＩＧＳと
呼ばれる銅、インジウムとガリウムさらにはセレンある
いは硫黄をベースとする化合物半導体を用いて特に大き
な進歩が達成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】太陽電池素子の構造
は、米国特許第5,141,564号明細書で知られている。こ
の特許明細書に記載されているセル構造は、ガラス製の
基板、モリブデンで形成されたバック電極、ｐ型導電率
のＣｕＩｎＳｅ２またはＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）２の１〜
５μｍの厚さを有する多結晶吸収体層、薄膜硫化カドミ
ウム−窓層およびｎ型導電率の透明フロント電極よりな
る。このセル構造は、これらの多結晶薄膜太陽電池素子
を製造するための多くの方法の基礎をなすものである。
独国特許DE 42 25 385 C2号公報および欧州特許公開EP
0,574,716 A1号公報に記載されているように、モリブデ
ン被覆ガラス基板に代えて、多結晶吸収体層を、モリブ
デン製テープあるいはモリブデン被覆金属テープと同様
の可撓性テープ状基板上に沈着形成することも可能であ
る。
【０００５】これら構成はすべて、モリブデン製のバッ
ク電極を具備する。しかしながら、多結晶吸収体層のモ
リブデンに対する接着性が低いために、ガラス基板の層
の剥離や可撓性テープ上の層のフレーキングが生じて、
これまで可撓性ＣＩＳ太陽電池素子の開発が大きく妨げ
られて来た。国際公開WO 95/09441 Al号公報には、ＣＩ
Ｓ吸収体層の接着性を改善するために、モリブデン製の
バック電極と吸収体層との間にチタン、タンタル、クロ
ムあるいは窒化チタン製の中間層を設けることが提案さ
れている。また、欧州特許公開EP 0,360,403 A2号公報
には、ＣＩＳ吸収体とモリブデン製の基板との間にガリ
ウム含有中間層を有する銅−インジウム−２セレン化物
太陽電池素子が提案されている。欧州特許公開EP 0,79
8,786 A2号公報には、黄銅鉱の吸収体層を有する太陽電
池素子が提案されており、この太陽電池素子によれば、
モリブデン製のバック電極と吸収体層との間に亜鉛から
なる薄い中間層が設けられる。
【０００６】上記のいずれの構成に関しても、追加の構
成要素を導入しなければならず、そのために、それらの
層の沈着形成のために別途の技術ステップが必要になる
という不利がある。独国特許DE 196 34 580 C2号公報に
は、銅テープにＣＩＳ吸収体層を沈着によって直接形成
する方法が提案されている。この方法によれば、剥離あ
るいはフレーキングが起こらないように、ＣＩＳ吸収体
層が銅と密にあるいは堅固に互生（intergrown）され
る。Solar Energy Materials and Solar Cells 53 (199
8）pp.285〜298には、銅−インジウム合金相の薄層を銅
テープと多結晶吸収体層との間に導入する技術が記載さ
れている。この方法に従って生成される吸収体層はｎ型
導電率を持つ。少数キャリアの移動度はｎ型導電率の黄
銅鉱ではｐ型導電率の黄銅鉱より１単位小さいので、こ
の構成に関して、ｐ型吸収体層よりなる構成とｎ型導電
率のコレクタ層よりなる構成とを比較した場合、効率が
いっそう低減することが予期される。さらに、この方法
は、銅の機械的安定性が低いので比較的厚い銅テープを
使用しなければならないという点で、不利な影響を受け
ることになる。また、この方法によれば、銅テープは同
時に吸収層のための銅ソースをもなすので、非常に高純
度の銅テープが使わなければならず、従って太陽電池素
子のコストが不必要に高くなる。
【０００７】本発明の目的は、コスト効率の良い任意の
キャリア・フィルムに対して堅固に接着されるＩＢ−II
IＡ−VIＡ族化合物半導体ベースのｐ型導電率吸収体層
を具備した太陽電池素子を提供することにある。本発明
のもう一つの目的は、上記のような形態の太陽電池素子
で、可撓性を有し、比較的安価に製造することが可能な
太陽電池素子を提供することにある。
【０００８】本発明のもう一つの目的は、上記のような
形態の太陽電池素子で、比較的重量の小さい太陽電池素
子を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、
上記のような太陽電池素子を製造するための方法を提供
することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
を達成するためになされた本発明は、ＩＢ−IIIＡ−VI
Ａ族化合物半導体ベースの薄膜太陽電池素子において、
ｐ型導電率の多結晶ＩＢ−IIIＡ−VIＡ族吸収体層と基
板として用いられるキャリア・フィルムとの間にバック
電極を設け、該バック電極が該吸収体層の生成のために
沈着されるものと同じＩＢ族金属とIIIＡ族金属との合
金相で形成されることを特徴とするものである。
【００１０】また、上記およびその他の目的を達成する
ためになされた本発明は、吸収体層とキャリア・フィル
ムとの間にバック電極を有する薄膜太陽電池素子を製造
するための方法において、上記ＩＢ族金属とIIIＡ族金
属を上記キャリア・フィルム上に沈着し、その際、上記
キャリア・フィルムと反対側の面の金属がカルコゲンと
の反応により縦方向に一部分だけ光起電活性吸収体材料
に変換されて該ＩＢ族金属とIIIＡ族金属との合金相が
該キャリア・フィルム上に直接形成されるようにすると
ともに、該ＩＢ族金属とIIIＡ族金属が太陽電池素子構
造のバック電極としての役割を持つように変換され、緩
衝層を沈着形成し、透明な導電率フロント電極を沈着形
成するものである。
【００１１】本発明の好適な実施態様については、それ
ぞれ従属請求項に記載するとおりである。本発明の基本
的概念は、太陽電池素子のバック電極を多結晶の吸収体
層の形成のために使用されるものと同じＩＢ族金属とII
IＡ族金属との合金相で形成することにある。これらの
合金相は、同時に吸収体層と可撓性キャリア・フィルム
とを結合する役割も果たす。従って、バック電極として
モリブデン層を別に沈着形成したり、吸収体層の接着性
改善のために中間層を沈着形成する必要がない。
【００１２】吸収体層の接着性が良いということに関し
ては、コスト効率が良く、非常に薄く、機械的に堅固な
金属フィルムを基板として用いることが可能になる。こ
れらの基板上で可撓性の太陽電池素子を連続ロール・ツ
ー・ロール・プロセスによって製造することができる。
第１のステップでは、ＩＢ族金属およびIIIＡ族金属が
連続ロール・ツー・ロール・プロセスで沈着される。第
２の連続ロール・ツー・ロール・プロセスでは、前駆体
によって被覆されたキャリア・フィルムが狭スリット反
応装置でカルコゲン化される。このプロセスは、太陽電
池素子構造のバック電極としての役割を持つＩＢ族金属
とIIIＡ族金属の合金相が直接キャリア・フィルム上に
形成されるよう、ＩＢ−IIIＡ族金属前駆体が一部分だ
け三元成分多結晶のｐ型吸収体層に変換されるように行
われる。カルコゲン化プロセスにおける反応時間が短
く、またキャリア・フィルムの熱容量が小さいために、
三元成分多結晶吸収体層は、このように、連続ロール・
ツー・ロール・プロセスで薄いキャリア・フィルム上に
効率的に沈着形成することができる。多結晶吸収体層
は、可撓性金属フィルム上で剥離もフレーキングも起こ
ることがないように、バック電極と密に互成される。次
に、連続ロール・ツー・ロール・プロセスで緩衝層およ
び透明フロント電極を沈着形成して、これらの可撓性薄
膜太陽電池素子の製造プロセスは終了する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施形
態に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る太陽
電池素子の断面構造を示す説明図である。典型的には１
０μｍ〜３０μｍの厚さを持つステンレススチール・フ
ィルムがキャリア・フィルム１として通常使用される。
ステンレススチール・フィルムは、さらに他の金属ある
いは酸化物で被覆することも可能である。キャリア・フ
ィルム１上には、厚さが１μｍ〜５μｍのバック電極４
が設けられる。バック電極４は、好ましくはＣｕ７Ｉｎ
３合金相よりなる。バック電極４の上には、ｐ型導電率
の多結晶吸収体層（ＰＡＳ）５（好ましくはやはりＣｕ
ＩｎＳ２合金相よりなる）が設けられる。多結晶吸収体
層５は、通常１μｍ〜３μｍの厚さを有する。多結晶吸
収体層５は、如何なるフレーキングも生じないように、
バック電極４で密に互生される。多結晶吸収体層５の上
には、好ましくはＣｄＳで形成された薄い緩衝層７が設
けられる。この緩衝層７は、５０ｎｍ〜１０ｎｍの厚さ
を有する。緩衝層７の上には、好ましくは外部ドーピン
グされた酸化亜鉛で形成された透明なブリーダ電極８が
設けられる。
【００１４】この太陽電池素子は、厚さが僅か約２０μ
ｍ〜４０μｍしかなく、そのために原材料消費量に関し
て非常に効率的に生産することができる。膜厚が非常に
薄いために、この太陽電池素子は非常に重量が小さく、
地球圏外での用途に極めて好適である。このような太陽
電池素子を製造するためには、図３に示すように、金属
の銅とインジウムを可撓性のステンレススチール・フィ
ルム１上に好ましくはロール・ツー・ロール・プロセス
（例えば、米国特許第5,457,057号明細書に開示されて
いる）で次々に電着する。この方法は、非常に材料効率
が良く、設備ないしは実装技術に関して比較的簡単に実
施することが可能である。また、金属前駆体はスパッタ
リングプロセスや真空蒸着プロセスあるいはこれらの組
合せによって沈着形成することも可能である。銅層２
は、通常１μｍ〜５μｍの厚さを有する。インジウム層
３の厚さは通常０.５μｍ〜２μｍである。
【００１５】その後、Ｃｕ−Ｉｎ前駆体によって被覆さ
れたキャリア・フィルム１は、数秒間ロール・ツー・ロ
ール・プロセスにより狭スリット反応装置にかけてカル
コゲン化される。前駆体は、好ましくはミリ秒の範囲の
時間不活性気体雰囲気中４５０℃〜６００℃で加熱され
る。インジウムは融解され、銅は状態図に従ってその融
解インジウム中に溶解される。続いて、前駆体は硫黄含
有またはセレン含有反応ガス、好ましくは硫黄含有窒素
キャリアガス中でカルコゲン化される。このプロセスに
従って、気体硫黄と液体Ｃｕ−Ｉｎ前駆体との化学反応
によりｐ型導電率の多結晶吸収体層５が形成される。こ
のカルコゲン化プロセスは好ましくは１秒〜１０秒間行
われる。このプロセス制御によって、Ｃｕ−Ｉｎ前駆体
は一部分だけ多結晶吸収体層５に変換される。カルコゲ
ン化プロセスの後、多結晶吸収体層５を具備するキャリ
ア・フィルム１を好ましくは５００℃〜６００℃の温度
の不活性気体雰囲気中でアニールされる。このアニール
ステップは通常１０秒〜６０秒間行われる。このアニー
ルステップ中に、残留前駆体はＣｕ‐Ｉｎ合金相の形
成、好ましくは太陽電池素子のバック電極４を形成しか
つ同時に多結晶吸収体層５と密に互成するＣｕ７Ｉｎ３
合金相の形成に伴って固化する。このアニール処理は、
多結晶吸収体層５の結晶構造および電子特性を決定す
る。アニール後、キャリア・フィルム１は不活性気体雰
囲気中で秒の範囲の時間で周囲温度に冷却される。
【００１６】「加熱、カルコゲン、アニール、冷却」の
プロセス全体では、通常１５秒〜７０秒の時間を要す
る。そして、「ステンレススチール・フィルム１、Ｃｕ
−Ｉｎバック電極４、多結晶ｐ−ＣＩＳ−吸収体層５」
の構造が形成される。Ｃｕ−カルコゲン二元成分相６が
多結晶ｐ−ＣＩＳ−吸収体層５の表面に形成されること
もあるが、この相はロール・ツー・ロール・プロセスの
中間ステップでエッチングによって除去される。
【００１７】ｐ型導電率の多結晶吸収体層５上には、ロ
ール・ツー・ロール・プロセスで硫化カドミウムのｎ型
層が湿式化学沈着法により形成される。また、酸化イン
ジウム、水酸化インジウムあるいは硫化亜鉛の薄層の沈
着形成も可能である。最終ステップでは、ロール・ツー
・ロール・プロセスで透明フロント電極（ＴＣＯ）が沈
着されるが、このフロント電極は通常１μｍ〜２μｍの
厚さを有するＺｎＯ層からなり、スパッタリングプロセ
スによって沈着形成される。他の導電率酸化物を使用す
ることも可能である。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、コスト効率の良い任意
のキャリア・フィルムに対して堅固に接着されるＩＢ−
IIIＡ−VIＡ族化合物半導体ベースのｐ型導電率吸収体
層を具備した太陽電池素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池素子の断面構
造を示す説明図である。
【図２】バック電極と密に互生中の多結晶吸収体層の断
面構造を示す顕微鏡写真である。
【図３】可撓性太陽電池素子製造における中間生成物の
断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１ キャリア・フィルム ２ 銅層 ３ インジウム層 ４ バック電極 ５ ｐ型導電率の多結晶吸収体層（ＰＡＳ） ７ 緩衝層 ８ 透明なブリーダ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユルゲン ペンドルフ ドイツ連邦共和国 デー−15236 ホーエ ンバルデ ドルフスタラッセ 11ｂ (72)発明者 ミカエル ウィンクラー ドイツ連邦共和国 デー−12589 ベルリ ン フライエンブリンカー ザウム 32 (72)発明者 クラウス ヤコブ ドイツ連邦共和国 デー−12559 ベルリ ン アルフレッド−ランド−ストラッセ 24 (72)発明者 トーマス コシャック ドイツ連邦共和国 デー−15295 ヴィー ゼナウ ブリースカウアー ストラーセ ８ａ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＩＢ−IIIＡ−VIＡ族半導体ベースの薄
    膜太陽電池素子において、 ｐ型導電率の多結晶ＩＢ−IIIＡ−VIＡ族吸収体層と基
    板として用いられるキャリア・フィルムとの間にバック
    電極を設け、該バック電極が上記吸収体層の生成のため
    に沈着されるものと同じＩＢ族金属とIIIＡ族金属との
    合金相で形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池
    素子。
  2. 【請求項２】 上記キャリア・フィルムが可撓性金属フ
    ィルムであることを特徴とする請求項１記載の薄膜太陽
    電池素子。
  3. 【請求項３】 上記可撓性金属フィルムが１５μｍ〜１
    ００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項２記載
    の薄膜太陽電池素子。
  4. 【請求項４】 上記吸収体層が、元素Ｃｕ、Ｉｎおよび
    Ｓからなり、かつ金属製の上記バック電極がＣｕ−Ｉｎ
    混合相によって形成されていることを特徴とする請求項
    １記載の薄膜太陽電池素子。
  5. 【請求項５】 上記キャリア・フィルムがステンレスス
    チール・フィルムであることを特徴とする請求項２記載
    の薄膜太陽電池素子。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の薄膜太陽電池素子を製造
    する方法において、 上記ＩＢ族金属とIIIＡ族金属を上記キャリア・フィル
    ム上に沈着し、 その際、上記キャリア・フィルムと反対側の面の金属が
    カルコゲンとの反応により縦方向に一部分だけ光起電活
    性吸収体材料に変換されて該ＩＢ族金属とIIIＡ族金属
    との合金相が該キャリア・フィルム上に直接形成される
    ようにするとともに、該ＩＢ族金属とIIIＡ族金属が太
    陽電池素子構造のバック電極としての役割を持つように
    変換され、 緩衝層を沈着形成し、 透明な導電率フロント電極を沈着形成することを特徴と
    する薄膜太陽電池素子の製造方法。
  7. 【請求項７】 上記カルコゲン化のプロセスがロール・
    ツー・ロール・プロセスであることを特徴とする請求項
    ６記載の薄膜太陽電池素子の製造方法。
  8. 【請求項８】 上記バック電極がＣｕ−Ｉｎ相よりな
    り、かつ吸収体層が元素Ｃｕ、ＩｎおよびＳによって形
    成されることを特徴とする請求項６記載の薄膜太陽電池
    素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 上記キャリア・フィルムが金属フィルム
    であることを特徴とする請求項６記載の薄膜太陽電池素
    子の製造方法。
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