JP2003282908A - 光吸収層の作製方法および装置 - Google Patents
光吸収層の作製方法および装置Info
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 化合物半導体による薄膜太陽電池における裏
面電極上にＣｕ−Ｇａ合金層およびＩｎ層からなる積層
プリカーサ膜を形成し、Ｓｅ雰囲気中で熱処理すること
によってＣＩＧＳ系の光吸収層を作製するに際して、光
吸収層の結晶化の不良による密着性の低下に起因する太
陽電池特性の劣化を防止して、品質の良い光吸収層を作
製する。 【構成】 裏面電極上にＩｎ層を形成したうえで、その
上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することにより積層プリカ
ーサ膜を形成して、その積層プリカーサ膜をＳｅ雰囲気
中で熱処理したときに裏面電極との界面におけるＧａ濃
度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化合物として組成
の安定した光吸収層を作製するようにする。
面電極上にＣｕ−Ｇａ合金層およびＩｎ層からなる積層
プリカーサ膜を形成し、Ｓｅ雰囲気中で熱処理すること
によってＣＩＧＳ系の光吸収層を作製するに際して、光
吸収層の結晶化の不良による密着性の低下に起因する太
陽電池特性の劣化を防止して、品質の良い光吸収層を作
製する。 【構成】 裏面電極上にＩｎ層を形成したうえで、その
上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することにより積層プリカ
ーサ膜を形成して、その積層プリカーサ膜をＳｅ雰囲気
中で熱処理したときに裏面電極との界面におけるＧａ濃
度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化合物として組成
の安定した光吸収層を作製するようにする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体による薄
膜太陽電池における光吸収層の作製方法および装置に関
する。
膜太陽電池における光吸収層の作製方法および装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、一般的な化合物半導体による薄
膜太陽電池の基本構造を示している。それは、ＳＬＧ
（ソーダライムガラス）基板１上に裏面電極（プラス電
極）となるＭｏ電極層２が成膜され、そのＭｏ電極層２
上に光吸収層５が成膜され、その光吸収層５上にＺｎ
Ｓ，ＣｄＳなどからなるバッファ層６を介して、マイナ
ス電極となるＺｎＯ：Ａｌなどからなる透明電極層７が
成膜されている。
膜太陽電池の基本構造を示している。それは、ＳＬＧ
（ソーダライムガラス）基板１上に裏面電極（プラス電
極）となるＭｏ電極層２が成膜され、そのＭｏ電極層２
上に光吸収層５が成膜され、その光吸収層５上にＺｎ
Ｓ，ＣｄＳなどからなるバッファ層６を介して、マイナ
ス電極となるＺｎＯ：Ａｌなどからなる透明電極層７が
成膜されている。
【０００３】その化合物半導体による薄膜太陽電池にお
ける光吸収層４としては、現在１８％を超す高いエネル
ギー変換効率が得られるものとして、Ｃｕ，（Ｉｎ，Ｇ
ａ），ＳｅをベースとしたＩ−ＩＩＩ−ＶＩ２族系のＣ
ｕ（Ｉｎ＋Ｇａ）Ｓｅ２によるＣＩＧＳ薄膜が用いられ
ている。
ける光吸収層４としては、現在１８％を超す高いエネル
ギー変換効率が得られるものとして、Ｃｕ，（Ｉｎ，Ｇ
ａ），ＳｅをベースとしたＩ−ＩＩＩ−ＶＩ２族系のＣ
ｕ（Ｉｎ＋Ｇａ）Ｓｅ２によるＣＩＧＳ薄膜が用いられ
ている。
【０００４】そのＣＩＧＳ薄膜は、それを蒸着法によっ
て形成すれば成膜の品質が良くなって高いエネルギー変
換効率が得られるが、成膜に時間を要して製品のスルー
プットが悪くなってしまう。
て形成すれば成膜の品質が良くなって高いエネルギー変
換効率が得られるが、成膜に時間を要して製品のスルー
プットが悪くなってしまう。
【０００５】また、スパッタ法によってＣＩＧＳ薄膜を
形成するようにすれば、高速での成膜が可能であり、タ
ーゲットの寿命が長いことにより原料供給回数が少な
く、ターゲット自体が安定なために成膜の品質に再現性
があるが、蒸着法に匹敵するエネルギー変換効率が得ら
れていないのが実状である。
形成するようにすれば、高速での成膜が可能であり、タ
ーゲットの寿命が長いことにより原料供給回数が少な
く、ターゲット自体が安定なために成膜の品質に再現性
があるが、蒸着法に匹敵するエネルギー変換効率が得ら
れていないのが実状である。
【０００６】その理由として、例えば、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓ
ｅの各単体ターゲットを用いてＣＩＧＳ薄膜を形成する
に際して、主にＳｅターゲットから放出されるＳｅの負
イオンが成膜に衝撃によるダメージを与え、形成される
ＣＩＧＳ薄膜中に多くの欠陥を生じさせる原因となると
考えられている（Ｔ．Ｎａｋａｄａ ｅｔ ａｌ．“Ｃ
ｕＩｎＳｅ２ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅ
ｌｌｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｓｐｕｔｔ
ｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｕ， Ｉｎ ａｎｄ Ｓｅ−Ｃｕ
Ｂｉｎａｒｙ Ａｌｏｙ”Ｐｒｏｃ．４ｔｈ Ｐｈｏ
ｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．１９８９．３７１−３７
５の文献参照）。
ｅの各単体ターゲットを用いてＣＩＧＳ薄膜を形成する
に際して、主にＳｅターゲットから放出されるＳｅの負
イオンが成膜に衝撃によるダメージを与え、形成される
ＣＩＧＳ薄膜中に多くの欠陥を生じさせる原因となると
考えられている（Ｔ．Ｎａｋａｄａ ｅｔ ａｌ．“Ｃ
ｕＩｎＳｅ２ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅ
ｌｌｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｓｐｕｔｔ
ｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｕ， Ｉｎ ａｎｄ Ｓｅ−Ｃｕ
Ｂｉｎａｒｙ Ａｌｏｙ”Ｐｒｏｃ．４ｔｈ Ｐｈｏ
ｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆ．１９８９．３７１−３７
５の文献参照）。
【０００７】そのために、スパッタ法によりＳｅを供給
する方法でＣＩＧＳ薄膜を形成した太陽電池の光電変換
効率は６−８％程度にとどまっている。
する方法でＣＩＧＳ薄膜を形成した太陽電池の光電変換
効率は６−８％程度にとどまっている。
【０００８】また、このＳｅの負イオンによるダメージ
を回避するために、ＣＩＧＳ薄膜を形成する際に、Ｓｅ
供給のみをスパッタ法ではなく蒸着法で行う試みがなさ
れ、光電変換効率が１０％を超す太陽電池が得られたと
いう報告がある（Ｔ．Ｎａｋａｄａ ｅｔ ａｌ．“Ｍ
ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚ
ａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｐｕｔｔｅｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｅｄ ＣｕＩｎＳｅ２Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏ
ｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊｐｎ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．３４ １９９５．４７１５−４７２１の文献
参照）。
を回避するために、ＣＩＧＳ薄膜を形成する際に、Ｓｅ
供給のみをスパッタ法ではなく蒸着法で行う試みがなさ
れ、光電変換効率が１０％を超す太陽電池が得られたと
いう報告がある（Ｔ．Ｎａｋａｄａ ｅｔ ａｌ．“Ｍ
ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚ
ａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｐｕｔｔｅｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｅｄ ＣｕＩｎＳｅ２Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏ
ｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊｐｎ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．３４ １９９５．４７１５−４７２１の文献
参照）。
【０００９】しかしながら、この方法では、ＣｕやＩｎ
の単体ターゲットの表面が蒸着によるＳｅ蒸気によって
汚染されて、その表面にＣｕＳｅやＩｎＳｅといった化
合物が生成されてしまい、スパッタリングが不安定にな
っている。
の単体ターゲットの表面が蒸着によるＳｅ蒸気によって
汚染されて、その表面にＣｕＳｅやＩｎＳｅといった化
合物が生成されてしまい、スパッタリングが不安定にな
っている。
【００１０】また、従来、ＣＩＧＳ薄膜による光吸収層
を形成する他の方法として、金属プリカーサ（前駆体）
薄膜を用いて、Ｈ２Ｓｅガス等のＳｅソースを用いた熱
化学反応でＳｅ化合物を生成するセレン化法がある。
を形成する他の方法として、金属プリカーサ（前駆体）
薄膜を用いて、Ｈ２Ｓｅガス等のＳｅソースを用いた熱
化学反応でＳｅ化合物を生成するセレン化法がある。
【００１１】米国特許第４７９８６６０号明細書には、
ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、金属裏面電
極層→純Ｃｕ単独層→純Ｉｎ単独層の順に積層する構造
で形成した金属薄膜層をＳｅ雰囲気、望ましくはＨ２Ｓ
ｅガス中でセレン化することで均一な組成のＣＩＳ単相
からなる光吸収層を形成することが開示されている。
ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、金属裏面電
極層→純Ｃｕ単独層→純Ｉｎ単独層の順に積層する構造
で形成した金属薄膜層をＳｅ雰囲気、望ましくはＨ２Ｓ
ｅガス中でセレン化することで均一な組成のＣＩＳ単相
からなる光吸収層を形成することが開示されている。
【００１２】特開平１０−１３５４９５号明細書には、
金属プリカーサとして、Ｃｕ−Ｇａの合金ターゲットを
用いてスパッタ成膜された金属薄膜と、Ｉｎターゲット
を用いてスパッタ成膜された金属薄膜との積層構造によ
るものが示されている。
金属プリカーサとして、Ｃｕ−Ｇａの合金ターゲットを
用いてスパッタ成膜された金属薄膜と、Ｉｎターゲット
を用いてスパッタ成膜された金属薄膜との積層構造によ
るものが示されている。
【００１３】それは、図２に示すように、ＳＬＧ（ソー
ダライムガラス）基板１に成膜されているＭｏ電極層２
上にＣＩＧＳ薄膜による光吸収層５を形成するに際、先
にＣｕ−Ｇａの合金ターゲットＴ２を用いた第１のスパ
ッタ工程ＳＰＴ−１′によってＣｕ−Ｇａ合金層３１を
成膜し、次いで、ＩｎターゲットＴ１を用いた第２のス
パッタ工程ＳＰＴ−２′によってＩｎ層３２を成膜し
て、Ｃｕ−Ｇａ合金層３１、Ｉｎ層３２による積層プリ
カーサ３′を形成するようにしている。そして、熱処理
工程ＨＥＡＴにおいて、その積層プリカーサ３′をＳｅ
雰囲気中で熱処理することにより、ＣＩＧＳ薄膜による
光吸収層５を作製するようにしている。
ダライムガラス）基板１に成膜されているＭｏ電極層２
上にＣＩＧＳ薄膜による光吸収層５を形成するに際、先
にＣｕ−Ｇａの合金ターゲットＴ２を用いた第１のスパ
ッタ工程ＳＰＴ−１′によってＣｕ−Ｇａ合金層３１を
成膜し、次いで、ＩｎターゲットＴ１を用いた第２のス
パッタ工程ＳＰＴ−２′によってＩｎ層３２を成膜し
て、Ｃｕ−Ｇａ合金層３１、Ｉｎ層３２による積層プリ
カーサ３′を形成するようにしている。そして、熱処理
工程ＨＥＡＴにおいて、その積層プリカーサ３′をＳｅ
雰囲気中で熱処理することにより、ＣＩＧＳ薄膜による
光吸収層５を作製するようにしている。
【００１４】しかし、Ｃｕ−Ｇａ合金層３１とＩｎ層３
２との積層構造によるプリカーサ３′を形成するので
は、成膜時やそのストック時に、その積層の界面で固層
拡散（固体間の拡散）による合金化反応が進行して、Ｃ
ｕ−Ｉｎ−Ｇａの３元合金が形成されてしまう。また、
後で行われるＳｅ化工程においても合金化反応は進行す
る。このプリカーサ３′の積層の界面における合金化反
応の進行をサンプル間で一様に管理することは難しく
（温度や時間等の合金化反応に関与するパラメータの管
理が必要となる）、得られる光吸収層５の品質がばらつ
いてしまう。そして、Ｉｎ層３２が凝集し、面内での組
成不均一が生じやすいものになってしまう。
２との積層構造によるプリカーサ３′を形成するので
は、成膜時やそのストック時に、その積層の界面で固層
拡散（固体間の拡散）による合金化反応が進行して、Ｃ
ｕ−Ｉｎ−Ｇａの３元合金が形成されてしまう。また、
後で行われるＳｅ化工程においても合金化反応は進行す
る。このプリカーサ３′の積層の界面における合金化反
応の進行をサンプル間で一様に管理することは難しく
（温度や時間等の合金化反応に関与するパラメータの管
理が必要となる）、得られる光吸収層５の品質がばらつ
いてしまう。そして、Ｉｎ層３２が凝集し、面内での組
成不均一が生じやすいものになってしまう。
【００１５】そのため、Ｇａ濃度をＭｏ電極層２との界
面から表面に向かって低くなるようにＧａ濃度勾配をも
たせるようにすることが提案されている。
面から表面に向かって低くなるようにＧａ濃度勾配をも
たせるようにすることが提案されている。
【００１６】しかし、このような従来の光吸収層の形成
方法では、ＧａがＭｏ電極層２とＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ層と
の界面に偏析するために、Ｍｏ電極層２とＣＩＧＳ薄膜
による光吸収層５との密着不良の問題をきたして、電池
特性の劣化の要因となっている。
方法では、ＧａがＭｏ電極層２とＣｕ−Ｉｎ−Ｇａ層と
の界面に偏析するために、Ｍｏ電極層２とＣＩＧＳ薄膜
による光吸収層５との密着不良の問題をきたして、電池
特性の劣化の要因となっている。
【００１７】また、特開平１０−１３５４９５号に記載
されているような光吸収層の作製方法を含めて、セレン
化法では金属は薄膜中にＳｅが取り込まれたカルコパイ
ライト結晶が成長する際に、図３に示すように、当初の
Ｃｕ−Ｇａ合金層３１およびＴｎ層３２からなる積層プ
リカーサ膜３′の約２倍の体積膨張をともなう。図中、
ａは熱処理によるセレン化前の状態を、ｂはセレン化に
よって体積が膨張した状態を示している。
されているような光吸収層の作製方法を含めて、セレン
化法では金属は薄膜中にＳｅが取り込まれたカルコパイ
ライト結晶が成長する際に、図３に示すように、当初の
Ｃｕ−Ｇａ合金層３１およびＴｎ層３２からなる積層プ
リカーサ膜３′の約２倍の体積膨張をともなう。図中、
ａは熱処理によるセレン化前の状態を、ｂはセレン化に
よって体積が膨張した状態を示している。
【００１８】体積膨張が起きる際にはＣｕ，Ｇａ，Ｉｎ
の各構成元素が固相において拡散する現象をともなうた
め、個々の元素がもつ薄膜中における拡散係数の差によ
り薄膜の厚さ方向における組成の分布が生ずる。
の各構成元素が固相において拡散する現象をともなうた
め、個々の元素がもつ薄膜中における拡散係数の差によ
り薄膜の厚さ方向における組成の分布が生ずる。
【００１９】図４はＣｕ−Ｇａ合金層３１の上にＩｎ層
３２を設けた従来の積層プリカーサ膜３′を熱処理した
ときのＣＩＧＳ薄膜の厚さ方向におけるＣｕ，Ｇａ，Ｉ
ｎの各組成の分布状態を示している。
３２を設けた従来の積層プリカーサ膜３′を熱処理した
ときのＣＩＧＳ薄膜の厚さ方向におけるＣｕ，Ｇａ，Ｉ
ｎの各組成の分布状態を示している。
【００２０】図４の特性からして、構成元素のなかでＧ
ａの拡散係数はＣｕやＩｎに比べて小さいため、Ｃｕ−
Ｇａ合金層３１の上にＩｎ層３２を設けた従来の積層プ
リカーサ膜３′では、体積膨張をともなう結晶成長過程
の際に薄膜表面付近ではＧａ濃度が低くなり、裏面電極
となるＭｏ電極層２側では拡散しにくいＧａが局在して
しまう傾向にある。また、上部にあるＩｎ層３２におけ
るＩｎ成分がＣｕ−Ｇａ合金層３１内に均等に拡散せ
ず、Ｍｏ電極層２側のＩｎ成分の分布が少なくなってし
まう。
ａの拡散係数はＣｕやＩｎに比べて小さいため、Ｃｕ−
Ｇａ合金層３１の上にＩｎ層３２を設けた従来の積層プ
リカーサ膜３′では、体積膨張をともなう結晶成長過程
の際に薄膜表面付近ではＧａ濃度が低くなり、裏面電極
となるＭｏ電極層２側では拡散しにくいＧａが局在して
しまう傾向にある。また、上部にあるＩｎ層３２におけ
るＩｎ成分がＣｕ−Ｇａ合金層３１内に均等に拡散せ
ず、Ｍｏ電極層２側のＩｎ成分の分布が少なくなってし
まう。
【００２１】その結果、Ｍｏ電極層２側にはＩｎ成分の
割合が低いＣｕ−Ｇａ−Ｓｅに近い化合物の層５′が形
成される。このＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ化合物の層５′は結晶
性が悪く構造的に脆いものとなり、それが原因となって
ＣＩＧＳ薄膜による光吸収層５とＭｏ電極層２との界面
での密着性が悪くなり、直列抵抗の増大や剥離の要因と
なってしまう。また、その形成されたＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ
化合物の層５′はその電気的特性が金属に近いものとな
って、図５に示すように、複数のセルを直列接続した太
陽電池ユニットとしたときに各セルのＭｏ電極層２間に
リーク（矢印で示す）が生ずる要因となってしまう。
割合が低いＣｕ−Ｇａ−Ｓｅに近い化合物の層５′が形
成される。このＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ化合物の層５′は結晶
性が悪く構造的に脆いものとなり、それが原因となって
ＣＩＧＳ薄膜による光吸収層５とＭｏ電極層２との界面
での密着性が悪くなり、直列抵抗の増大や剥離の要因と
なってしまう。また、その形成されたＣｕ−Ｇａ−Ｓｅ
化合物の層５′はその電気的特性が金属に近いものとな
って、図５に示すように、複数のセルを直列接続した太
陽電池ユニットとしたときに各セルのＭｏ電極層２間に
リーク（矢印で示す）が生ずる要因となってしまう。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、化合物半導体による薄膜太陽電池における裏面電
極上にＣｕ−Ｇａ合金層およびＩｎ層からなる積層プリ
カーサ膜を形成して、Ｓｅ雰囲気中で熱処理することに
よってＣＩＧＳ系の光吸収層を作製するに際して、Ｇａ
が裏面電極との界面に偏析するために、裏面電極とＣＩ
ＧＳ薄膜による光吸収層との密着不良および複数のセル
を直列接続したときの各セル間のリークの問題をきたし
て、電池特性の劣化の要因となっていることである。
点は、化合物半導体による薄膜太陽電池における裏面電
極上にＣｕ−Ｇａ合金層およびＩｎ層からなる積層プリ
カーサ膜を形成して、Ｓｅ雰囲気中で熱処理することに
よってＣＩＧＳ系の光吸収層を作製するに際して、Ｇａ
が裏面電極との界面に偏析するために、裏面電極とＣＩ
ＧＳ薄膜による光吸収層との密着不良および複数のセル
を直列接続したときの各セル間のリークの問題をきたし
て、電池特性の劣化の要因となっていることである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】本発明は、化合物半導体
による薄膜太陽電池における裏面電極上にＣｕ−Ｇａ合
金層およびＩｎ層からなる積層プリカーサ膜を形成し、
Ｓｅ雰囲気中で熱処理することによってＣＩＧＳ系の光
吸収層を作製するに際して、Ｇａが裏面電極との界面に
偏析して、裏面電極とＣＩＧＳ薄膜による光吸収層との
密着不良および複数のセルを直列接続したときの各セル
間のリークの問題をきたして電池特性が劣化することが
ないようにしている。
による薄膜太陽電池における裏面電極上にＣｕ−Ｇａ合
金層およびＩｎ層からなる積層プリカーサ膜を形成し、
Ｓｅ雰囲気中で熱処理することによってＣＩＧＳ系の光
吸収層を作製するに際して、Ｇａが裏面電極との界面に
偏析して、裏面電極とＣＩＧＳ薄膜による光吸収層との
密着不良および複数のセルを直列接続したときの各セル
間のリークの問題をきたして電池特性が劣化することが
ないようにしている。
【００２３】具体的には、裏面電極上にＩｎ層を形成し
たうえで、その上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することに
より積層プリカーサ膜を形成して、その積層プリカーサ
膜をＳｅ雰囲気中で熱処理したときに裏面電極との界面
におけるＧａ濃度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化
合物として組成の安定した光吸収層を作製するようにし
ている。
たうえで、その上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することに
より積層プリカーサ膜を形成して、その積層プリカーサ
膜をＳｅ雰囲気中で熱処理したときに裏面電極との界面
におけるＧａ濃度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化
合物として組成の安定した光吸収層を作製するようにし
ている。
【００２４】また、本発明は、このような電池特性に優
れた太陽電池における光吸収層を効率良く量産できるよ
うにするべく、ヒータによって内部が一定温度に保持さ
れ、内部に予め多数用意されている基板上に裏面電極が
形成されている基材を順次供給する基材供給室と、連続
して供給される基材を搬送しながら、第１のスパッタリ
ング部において基材の裏面電極上にＩｎ層を形成し、続
けて第２のスパッタリング部においてその基材のＩｎ層
上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成するスパッタリング室と、
そのスパッタリング室から次々と送り出されてくる積層
プリカーサ膜が形成された基材を一時貯えて冷却する基
材冷却室とからなるインライン成膜装置と、基材冷却室
において冷却した基材を複数一括してＳｅ雰囲気中で熱
処理するアニール装置とによって光吸収層の作製装置を
構成するようにしている。
れた太陽電池における光吸収層を効率良く量産できるよ
うにするべく、ヒータによって内部が一定温度に保持さ
れ、内部に予め多数用意されている基板上に裏面電極が
形成されている基材を順次供給する基材供給室と、連続
して供給される基材を搬送しながら、第１のスパッタリ
ング部において基材の裏面電極上にＩｎ層を形成し、続
けて第２のスパッタリング部においてその基材のＩｎ層
上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成するスパッタリング室と、
そのスパッタリング室から次々と送り出されてくる積層
プリカーサ膜が形成された基材を一時貯えて冷却する基
材冷却室とからなるインライン成膜装置と、基材冷却室
において冷却した基材を複数一括してＳｅ雰囲気中で熱
処理するアニール装置とによって光吸収層の作製装置を
構成するようにしている。
【００２５】
【実施例】本発明による光吸収層の作製方法にあって
は、図６に示すように、ＳＬＧ（ソーダライムガラス）
基板１に成膜されているＭｏ電極層２上にＣＩＧＳ薄膜
による光吸収層５を作製するに際して、先にＩｎ単体タ
ーゲットＴ１を用いた第１のスパッタ工程ＳＰＴ−１に
よってＩｎ層３２を成膜したうえで、その上に、Ｃｕ−
Ｇａの合金ターゲットＴ２を用いた第２のスパッタ工程
ＳＰＴ−２によってＣｕ−Ｇａ合金層３１を成膜して、
Ｉｎ層３２およびＣｕ−Ｇａ合金層３１からなる積層プ
リカーサ３を形成するようにしている。そして、熱処理
工程ＨＥＡＴにおいて、その積層プリカーサ３をＳｅ雰
囲気中で熱処理することにより、ＣＩＧＳ薄膜による光
吸収層５を作製するようにしている。
は、図６に示すように、ＳＬＧ（ソーダライムガラス）
基板１に成膜されているＭｏ電極層２上にＣＩＧＳ薄膜
による光吸収層５を作製するに際して、先にＩｎ単体タ
ーゲットＴ１を用いた第１のスパッタ工程ＳＰＴ−１に
よってＩｎ層３２を成膜したうえで、その上に、Ｃｕ−
Ｇａの合金ターゲットＴ２を用いた第２のスパッタ工程
ＳＰＴ−２によってＣｕ−Ｇａ合金層３１を成膜して、
Ｉｎ層３２およびＣｕ−Ｇａ合金層３１からなる積層プ
リカーサ３を形成するようにしている。そして、熱処理
工程ＨＥＡＴにおいて、その積層プリカーサ３をＳｅ雰
囲気中で熱処理することにより、ＣＩＧＳ薄膜による光
吸収層５を作製するようにしている。
【００２６】このように、本発明によれば、Ｍｏ電極層
２上にＩｎ層３２を設けたうえで、その上にＣｕ−Ｇａ
合金層３１を設けて積層プリカーサ３を形成するように
しているので、Ｍｏ電極層２との界面における元素の固
層拡散による合金化を抑制することができる。そして、
その積層プリカーサ３をＳｅ雰囲気中で熱処理してセレ
ン化する際に、Ｍｏ電極層２側にＩｎ成分を充分に拡散
させることができるとともに、拡散速度の遅いＧａがＭ
ｏ電極層２との界面に偏析して結晶性の悪いＣｕ−Ｇａ
−Ｓｅ層が形成されることがないようにして、均一な結
晶による高品質なＰ型半導体のＣｕ（Ｉｎ＋Ｇａ）Ｓｅ
２によるＣＩＧＳの光吸収層５を作製することができ
る。
２上にＩｎ層３２を設けたうえで、その上にＣｕ−Ｇａ
合金層３１を設けて積層プリカーサ３を形成するように
しているので、Ｍｏ電極層２との界面における元素の固
層拡散による合金化を抑制することができる。そして、
その積層プリカーサ３をＳｅ雰囲気中で熱処理してセレ
ン化する際に、Ｍｏ電極層２側にＩｎ成分を充分に拡散
させることができるとともに、拡散速度の遅いＧａがＭ
ｏ電極層２との界面に偏析して結晶性の悪いＣｕ−Ｇａ
−Ｓｅ層が形成されることがないようにして、均一な結
晶による高品質なＰ型半導体のＣｕ（Ｉｎ＋Ｇａ）Ｓｅ
２によるＣＩＧＳの光吸収層５を作製することができ
る。
【００２７】したがって、Ｍｏ電極層２と光吸収層５と
の間に、結晶性が悪くて構造的に脆く、かつ導電性を有
する異層（Ｃｕ−Ｇａ−Ｓｅ層）が介在するようなこと
がなくなり、Ｍｏ電極層２との密着性が高くて構造的に
強固な、しかも電池特性の良好な太陽電池を得ることが
できるようになる。
の間に、結晶性が悪くて構造的に脆く、かつ導電性を有
する異層（Ｃｕ−Ｇａ−Ｓｅ層）が介在するようなこと
がなくなり、Ｍｏ電極層２との密着性が高くて構造的に
強固な、しかも電池特性の良好な太陽電池を得ることが
できるようになる。
【００２８】図７は、本発明による方法を適用して光吸
収層を実際に作製するための量産用の装置の一構成例を
示している。
収層を実際に作製するための量産用の装置の一構成例を
示している。
【００２９】それは、ヒータ８によって内部が一定温度
に保持され、内部に予め多数用意されている基材（ＳＬ
Ｇ基板にＭｏ電極層が成膜されているもの）９を順次供
給する基材供給室Ｐ１と、連続して供給される基材９を
搬送しながら、Ｉｎの単体ターゲットＴ１を用いたスパ
ッタリング部ＳＰＴ１において基材９のＭｏ電極層上に
Ｉｎ層３２を形成し、続けてＣｕ−Ｇａ合金ターゲット
Ｔ２を用いたスパッタリング部ＳＰＴ２においてＩｎ層
２上にＣｕ−Ｇａ合金層３１を形成するスパッタリング
室Ｐ２と、そのスパッタリング室Ｐ２から次々と送り出
されてくるＩｎ層３２およびＣｕ−Ｇａ合金層３１から
なる積層プリカーサ３が形成された基材９′を一時貯え
て冷却する基材冷却室Ｐ３とからなるインライン成膜装
置Ａと、基材冷却室Ｐ３において冷却した基材９′を複
数一括してＳｅ雰囲気中で熱処理するアニール装置Ｂと
によって構成されている。基材９，９′の搬送は、図示
しないコントローラの制御下において、スパッタリング
部ＳＰＴ１、ＳＰＴ２の動作状態に同期して行われるよ
うになっている。
に保持され、内部に予め多数用意されている基材（ＳＬ
Ｇ基板にＭｏ電極層が成膜されているもの）９を順次供
給する基材供給室Ｐ１と、連続して供給される基材９を
搬送しながら、Ｉｎの単体ターゲットＴ１を用いたスパ
ッタリング部ＳＰＴ１において基材９のＭｏ電極層上に
Ｉｎ層３２を形成し、続けてＣｕ−Ｇａ合金ターゲット
Ｔ２を用いたスパッタリング部ＳＰＴ２においてＩｎ層
２上にＣｕ−Ｇａ合金層３１を形成するスパッタリング
室Ｐ２と、そのスパッタリング室Ｐ２から次々と送り出
されてくるＩｎ層３２およびＣｕ−Ｇａ合金層３１から
なる積層プリカーサ３が形成された基材９′を一時貯え
て冷却する基材冷却室Ｐ３とからなるインライン成膜装
置Ａと、基材冷却室Ｐ３において冷却した基材９′を複
数一括してＳｅ雰囲気中で熱処理するアニール装置Ｂと
によって構成されている。基材９，９′の搬送は、図示
しないコントローラの制御下において、スパッタリング
部ＳＰＴ１、ＳＰＴ２の動作状態に同期して行われるよ
うになっている。
【００３０】なお、インライン成膜装置Ａにおいて、Ｇ
ａ組成比の違うＣｕ−Ｇａターゲットを複数用いること
で、傾斜プロファイルを実現できるようになる。
ａ組成比の違うＣｕ−Ｇａターゲットを複数用いること
で、傾斜プロファイルを実現できるようになる。
【００３１】図８は、Ｈ２Ｓｅガス（濃度５％のＡｒガ
ス希釈）を用いた熱処理によって、熱化学反応（気相Ｓ
ｅ化）を生じさせて積層プリカーサ３から光吸収層５を
作製する際のコントローラによる炉内温度の制御特性の
一例を示している。
ス希釈）を用いた熱処理によって、熱化学反応（気相Ｓ
ｅ化）を生じさせて積層プリカーサ３から光吸収層５を
作製する際のコントローラによる炉内温度の制御特性の
一例を示している。
【００３２】ここでは、加熱を開始してから炉内温度が
１００℃に達したら炉内安定のために１０分間予熱する
ようにしている。そして、安定したランプアップ可能な
時間として３０分かけて、炉内温度をＳＬＧ基板の反り
が発生しないように、かつ高熱処理で高品質結晶にする
ことができる５００〜５２０℃にまで上げる。その際、
炉内温度が２３０〜２５０℃になった時点ｔ１からＨ２
Ｓｅガスの熱分解によるＳｅの供給が開始される。そし
て、高熱処理によって高品質結晶とするために炉内温度
を５００〜５２０℃に保った状態で、４０分間熱処理す
るようにしている。
１００℃に達したら炉内安定のために１０分間予熱する
ようにしている。そして、安定したランプアップ可能な
時間として３０分かけて、炉内温度をＳＬＧ基板の反り
が発生しないように、かつ高熱処理で高品質結晶にする
ことができる５００〜５２０℃にまで上げる。その際、
炉内温度が２３０〜２５０℃になった時点ｔ１からＨ２
Ｓｅガスの熱分解によるＳｅの供給が開始される。そし
て、高熱処理によって高品質結晶とするために炉内温度
を５００〜５２０℃に保った状態で、４０分間熱処理す
るようにしている。
【００３３】その際、加熱を開始してから炉内温度が１
００℃に達した時点から、低温でＨ２Ｓｅガスをチャー
ジして、炉内一定圧力に保った状態で熱処理する。そし
て、熱処理が終了したｔ２時点で、不要なＳｅの析出を
防ぐため、炉内を１００Ｐａ程度の低圧でＡｒガスに置
換するようにしている。
００℃に達した時点から、低温でＨ２Ｓｅガスをチャー
ジして、炉内一定圧力に保った状態で熱処理する。そし
て、熱処理が終了したｔ２時点で、不要なＳｅの析出を
防ぐため、炉内を１００Ｐａ程度の低圧でＡｒガスに置
換するようにしている。
【００３４】本発明は、積層プリカーサ３を形成するに
際して、Ｃｕ−Ｇａ合金とＩｎの組み合せに限らず、そ
の他Ｃｕ−Ｇａ合金またはＣｕ−Ａｌ合金とＩｎ−Ｃｕ
合金の組合せ、ＣｕとＩｎまたはＡｌの組合せ、Ｃｕと
Ｉｎ−Ｃｕ合金の組合せが可能である。基本的には、Ｉ
ｂ族金属−ＩＩＩｂ族金属の合金、Ｉｂ族金属、ＩＩＩ
ｂ族金属のうちの２種類を組み合せて用いるようにすれ
ばよい。
際して、Ｃｕ−Ｇａ合金とＩｎの組み合せに限らず、そ
の他Ｃｕ−Ｇａ合金またはＣｕ−Ａｌ合金とＩｎ−Ｃｕ
合金の組合せ、ＣｕとＩｎまたはＡｌの組合せ、Ｃｕと
Ｉｎ−Ｃｕ合金の組合せが可能である。基本的には、Ｉ
ｂ族金属−ＩＩＩｂ族金属の合金、Ｉｂ族金属、ＩＩＩ
ｂ族金属のうちの２種類を組み合せて用いるようにすれ
ばよい。
【００３５】
【効果】以上、本発明にあっては、化合物半導体による
薄膜太陽電池における裏面電極上にＣｕ−Ｇａ合金層お
よびＩｎ層からなる積層プリカーサ膜を形成し、Ｓｅ雰
囲気中で熱処理することによってＣＩＧＳ系の光吸収層
を作製するに際して、裏面電極上にＩｎ層を形成したう
えで、その上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することにより
積層プリカーサ膜を形成して、その積層プリカーサ膜を
Ｓｅ雰囲気中で熱処理したときに裏面電極との界面にお
けるＧａ濃度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化合物
として組成の安定した光吸収層を作製するようにしたも
ので、光吸収層の結晶化の不良による密着性の低下に起
因する電池特性の劣化を防止して、品質の良い光吸収層
を得ることができるという利点を有している。
薄膜太陽電池における裏面電極上にＣｕ−Ｇａ合金層お
よびＩｎ層からなる積層プリカーサ膜を形成し、Ｓｅ雰
囲気中で熱処理することによってＣＩＧＳ系の光吸収層
を作製するに際して、裏面電極上にＩｎ層を形成したう
えで、その上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成することにより
積層プリカーサ膜を形成して、その積層プリカーサ膜を
Ｓｅ雰囲気中で熱処理したときに裏面電極との界面にお
けるＧａ濃度を下げて、Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ化合物
として組成の安定した光吸収層を作製するようにしたも
ので、光吸収層の結晶化の不良による密着性の低下に起
因する電池特性の劣化を防止して、品質の良い光吸収層
を得ることができるという利点を有している。
【図１】一般的な化合物半導体による薄膜太陽電池の基
本的な構造を示す正断面図である。
本的な構造を示す正断面図である。
【図２】従来の裏面電極上に光吸収層を作製するプロセ
スを示す図である。
スを示す図である。
【図３】従来の積層プリカーサがセレン化される前後の
状態を示す正断面図である。
状態を示す正断面図である。
【図４】従来の積層プリカーサを熱処理したときのＣＩ
ＧＳ薄膜の厚さ方向における各組成の分布状態を示す特
性図である。
ＧＳ薄膜の厚さ方向における各組成の分布状態を示す特
性図である。
【図５】従来の積層プリカーサをセレン化したときのＭ
ｏ電極側に形成される異層によるリーク状態を示すセル
を直列接続した太陽電池ユニットを示す正断面図であ
る。
ｏ電極側に形成される異層によるリーク状態を示すセル
を直列接続した太陽電池ユニットを示す正断面図であ
る。
【図６】本発明によって裏面電極上に光吸収層を作製す
るプロセスを示す図である。
るプロセスを示す図である。
【図７】本発明によって光吸収層を実際に形成するため
の量産用の光吸収層形成装置の一例を示す簡略構成図で
ある。
の量産用の光吸収層形成装置の一例を示す簡略構成図で
ある。
【図８】本発明により積層プリカーサをＳｅ雰囲気中で
熱処理してＣＩＧＳ薄膜を形成する際の炉内温度の制御
特性の一例を示す図である。
熱処理してＣＩＧＳ薄膜を形成する際の炉内温度の制御
特性の一例を示す図である。
１ ＳＬＧ基板
２ Ｍｏ電極層
３ 積層プリカーサ
３１ Ｃｕ−Ｇａ合金層
３２ Ｉｎ層
５ 光吸収層
６ バッファ層
７ 透明電極層
Ｔ１ Ｉｎ単体ターゲット
Ｔ２ Ｃｕ−Ｇａ合金ターゲット
ＳＰＴ１ 第１のスパッタリング工程
ＳＰＴ２ 第２のスパッタリング工程
フロントページの続き
(72)発明者 小丸 貴史
埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ ホン
ダエンジニアリング株式会社内
Ｆターム(参考） 4K029 BA10 BA21 BB02 BD01 CA05
DC03 DC04 GA01 KA09
5F051 AA09 BA14 BA17 CA32 CA36
FA02 FA06 FA13 FA15 GA03
HA20
Claims (4)
- 【請求項１】 化合物半導体による薄膜太陽電池におけ
る裏面電極上にＣｕ−Ｇａ合金層およびＩｎ層からなる
積層プリカーサ膜を形成して、Ｓｅ雰囲気中で熱処理す
ることによってＣＩＧＳ系の光吸収層を作製する方法に
あって、裏面電極上にＩｎ層を形成したうえで、その上
にＣｕ−Ｇａ合金層を形成して積層プリカーサ膜を形成
するようにしたことを特徴とする光吸収層の作製方法。 - 【請求項２】 Ｉｎ層およびＣｕ−Ｇａ合金層をスパッ
タ法によって形成することを特徴とする請求項１の記載
による光吸収層の作製方法。 - 【請求項３】 Ｉｎ単体ターゲットを用いた第１のスパ
ッタリング工程によってＩｎ層を形成し、Ｃｕ−Ｇａ合
金ターゲットを用いた第２のスパッタリング工程によっ
てＣｕ−Ｇａ合金層を形成することを特徴とする請求項
２の記載による光吸収層の作製方法。 - 【請求項４】 ヒータによって内部が一定温度に保持さ
れ、内部に予め多数用意されている基板上に裏面電極が
形成されている基材を順次供給する基材供給室と、連続
して供給される基材を搬送しながら、第１のスパッタリ
ング部において基材の裏面電極上にＩｎ層を形成し、続
けて第２のスパッタリング部においてその基材のＩｎ層
上にＣｕ−Ｇａ合金層を形成するスパッタリング室と、
そのスパッタリング室から次々と送り出されてくる積層
プリカーサ膜が形成された基材を一時貯えて冷却する基
材冷却室とからなるインライン成膜装置と、基材冷却室
において冷却した基材を複数一括してＳｅ雰囲気中で熱
処理するアニール装置とによって構成された光吸収層作
製装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002127611A JP4320525B2 (ja) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | 光吸収層の作製方法および装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002127611A JP4320525B2 (ja) | 2002-03-25 | 2002-03-25 | 光吸収層の作製方法および装置 |
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|---|---|
| JP2003282908A true JP2003282908A (ja) | 2003-10-03 |
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-
2002
- 2002-03-25 JP JP2002127611A patent/JP4320525B2/ja not_active Expired - Fee Related
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