JP2003298091A - Solar cell and its fabricating method - Google Patents

Solar cell and its fabricating method

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JP2003298091A
JP2003298091A JP2002104207A JP2002104207A JP2003298091A JP 2003298091 A JP2003298091 A JP 2003298091A JP 2002104207 A JP2002104207 A JP 2002104207A JP 2002104207 A JP2002104207 A JP 2002104207A JP 2003298091 A JP2003298091 A JP 2003298091A
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type semiconductor
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solar cell
thin film
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Yasuhiro Hashimoto
泰宏 橋本
Takayuki Negami
卓之 根上
Takuya Sato
▲琢▼也 佐藤
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an easy-to-fabricate solar cell exhibiting high conversion efficiency and its fabricating method. <P>SOLUTION: The solar cell has a pn junction defined by a p-type semiconductor layer 13 functioning as a light absorbing layer and an n-type semiconductor layer 14 formed thereon. The p-type semiconductor layer 13 is composed of a p-type compound semiconductor containing a group Ib element, a group IIIb element and a group VIb element, and the n-type semiconductor layer 14 is composed of an n-type compound semiconductor containing a group Ib element, a group IIIb element, a group VIb element and a dopant of a group II element. The n-type semiconductor layer 14 has a thickness of 10-40 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池およびそ
の製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solar cell and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】Ib族、IIIb族およびVIb族元素から
なる化合物半導体薄膜(カルコパイライト構造化合物半
導体薄膜)であるCuInSe2(CIS)あるいはこ
れにGaを固溶させたCu(In,Ga)Se2(CI
GS)を光吸収層に用いた薄膜太陽電池が高いエネルギ
ー変換効率を示し、光照射等による変換効率の劣化がな
いという利点を有していることが報告されている(以
下、CIS膜またはCIGS膜を用いた太陽電池を総称
してCIS系太陽電池という場合がある)。
2. Description of the Related Art CuInSe 2 (CIS), which is a compound semiconductor thin film (chalcopyrite structure compound semiconductor thin film) made of Ib group, IIIb group, and VIb group elements, or Cu (In, Ga) Se having Ga dissolved therein 2 (CI
It has been reported that a thin film solar cell using GS) as a light absorption layer exhibits high energy conversion efficiency and has an advantage that the conversion efficiency does not deteriorate due to light irradiation or the like (hereinafter, referred to as CIS film or CIGS). The solar cells using the film may be collectively referred to as CIS solar cells).

【0003】従来の高効率CIS系太陽電池では、一般
に、バッファー層として化学析出法で形成したCdSや
Zn(O,S)等が用いられていた。近年ではバッファ
ー層を用いない高効率CIS系太陽電池も開発されてい
る。バッファー層を用いない太陽電池では、CIS膜
(またはCIGS膜)の表面にZn、CdまたはMgと
いったII族元素を添加して、p形半導体層の表面部分の
みをn形化したホモpn接合を用いている。
In conventional high-efficiency CIS solar cells, CdS, Zn (O, S), etc. formed by a chemical deposition method are generally used as a buffer layer. In recent years, high-efficiency CIS solar cells that do not use a buffer layer have also been developed. In a solar cell that does not use a buffer layer, a group II element such as Zn, Cd, or Mg is added to the surface of the CIS film (or CIGS film) to form a homo-pn junction in which only the surface portion of the p-type semiconductor layer is n-typed. I am using.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】発明者らが、このよう
なホモpn接合についてさまざまな検討を行った結果、
そのようなpn接合を用いた太陽電池では、n形半導体
層の厚さによって特性が大きく変化することを新たに見
出した。
DISCLOSURE OF INVENTION Problems to be Solved by the Invention As a result of various studies conducted by the inventors on such a homo-pn junction,
It has been newly found that the characteristics of a solar cell using such a pn junction vary greatly depending on the thickness of the n-type semiconductor layer.

【0005】本発明は、この新たな知見に基づいてなさ
れたものであって、変換効率が高く製造が容易な太陽電
池、およびその製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made based on this new finding, and an object of the present invention is to provide a solar cell having high conversion efficiency and easy to manufacture, and a manufacturing method thereof.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の太陽電池は、光吸収層として機能するp形
半導体層と前記p形半導体層に積層されたn形半導体層
とによって構成されるpn接合を含む太陽電池であっ
て、前記p形半導体層がIb族元素とIIIb族元素とVI
b族元素とを含むp形化合物半導体からなり、前記n形
半導体層がIb族元素とIIIb族元素とVIb族元素とド
ーパントであるII族元素とを含むn形化合物半導体から
なり、前記n形半導体層の厚さが10nmないし40n
mであることを特徴とする。この太陽電池では、n形半
導体層の厚さを10nmないし40nmとしているた
め、n形半導体層のキャリア密度を1×1019/cm3
以上にした場合でも高い変換効率を維持できる。このた
め、n形半導体層を形成するために添加するドーパント
の濃度の許容範囲が広く、製造が容易である。
In order to achieve the above object, the solar cell of the present invention comprises a p-type semiconductor layer functioning as a light absorption layer and an n-type semiconductor layer laminated on the p-type semiconductor layer. A solar cell including a configured pn junction, wherein the p-type semiconductor layer comprises a group Ib element, a group IIIb element and VI.
The n-type semiconductor layer is made of a p-type compound semiconductor containing a b-group element, and the n-type semiconductor layer is made of an n-type compound semiconductor containing a Ib-group element, a IIIb-group element, a VIb-group element, and a II-group element as a dopant. The thickness of the semiconductor layer is 10 nm to 40 n
It is characterized by being m. In this solar cell, since the thickness of the n-type semiconductor layer is 10 nm to 40 nm, the carrier density of the n-type semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3.
Even in the above case, high conversion efficiency can be maintained. Therefore, the allowable range of the concentration of the dopant added to form the n-type semiconductor layer is wide, and the manufacturing is easy.

【0007】上記太陽電池では、前記n形半導体層に積
層された薄膜をさらに含み、前記p形半導体層の電子親
和力χ1(eV)と前記薄膜の電子親和力χ2(eV)と
が0≦(χ1−χ2)<0.5の関係を満たすことが好ま
しい。この構成によれば、特に高効率の太陽電池が得ら
れる。
The solar cell further includes a thin film laminated on the n-type semiconductor layer, and an electron affinity χ 1 (eV) of the p-type semiconductor layer and an electron affinity χ 2 (eV) of the thin film are 0 ≦. It is preferable to satisfy the relationship of (χ 1 −χ 2 ) <0.5. According to this structure, a highly efficient solar cell can be obtained.

【0008】上記太陽電池では、前記薄膜がZnとMg
とOとを含むことが好ましく、特に、前記薄膜が、組成
式Zn1-xMgxO(0.05≦x≦0.35)で表され
る材料を含むことが好ましい。この構成によれば、上記
電子親和力の関係を満たす薄膜を容易に形成できる。
In the above solar cell, the thin film is made of Zn and Mg.
It is preferable that the thin film contains a material represented by a composition formula Zn 1-x Mg x O (0.05 ≦ x ≦ 0.35). According to this structure, a thin film satisfying the above electron affinity relationship can be easily formed.

【0009】上記太陽電池では、前記薄膜がスパッタ法
によって形成された膜であり、前記p形半導体層および
前記n形半導体層が前記薄膜を形成したのちに熱処理さ
れた層であることが好ましい。この構成によれば、薄膜
を形成した際に半導体層に生じるダメージを回復でき
る。
In the solar cell, it is preferable that the thin film is a film formed by a sputtering method, and the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are layers that are heat-treated after forming the thin film. According to this configuration, it is possible to recover damage that occurs in the semiconductor layer when the thin film is formed.

【0010】上記太陽電池では、前記n形半導体層のキ
ャリア密度が1×1018/cm3以上であることが好ま
しい。
In the above solar cell, it is preferable that the carrier density of the n-type semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 or more.

【0011】上記太陽電池では、前記n形半導体層が、
前記p形化合物半導体に前記II族元素をドーピングする
ことによって形成された半導体層であることが好まし
い。この構成によれば、ホモ接合を容易に形成できる。
In the above solar cell, the n-type semiconductor layer is
The semiconductor layer is preferably formed by doping the p-type compound semiconductor with the Group II element. According to this structure, a homojunction can be easily formed.

【0012】上記太陽電池では、前記II族元素がZn、
Cd、Be、MgおよびCaから選ばれる少なくとも1
つの元素であることが好ましい。
In the above solar cell, the group II element is Zn,
At least one selected from Cd, Be, Mg and Ca
Preferably, it is one element.

【0013】上記太陽電池では、前記Ib族元素がCu
であり、前記IIIb族元素がInおよびGaから選ばれ
る少なくとも1つの元素であり、前記VIb族元素がSe
およびSから選ばれる少なくとも1つの元素であること
が好ましい。
In the above solar cell, the Ib group element is Cu.
And the IIIb group element is at least one element selected from In and Ga, and the VIb group element is Se.
It is preferably at least one element selected from S and S.

【0014】また、本発明の太陽電池の製造方法は、光
吸収層として機能するp形半導体層と前記p形半導体層
に積層されたn形半導体層とによって構成されるpn接
合を含む太陽電池の製造方法であって、 (i)Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とを含む
p形化合物半導体によって第1の半導体層を形成する工
程と、 (ii)前記第1の半導体層の表面にII族元素を供給する
ことによって、前記第1の半導体層の一部に前記II族元
素をドーピングして前記p形半導体層と前記n形半導体
層とを形成する工程とを含み、 前記(ii)の工程において、前記n形半導体層の厚さを
10nmないし40nmとすることを特徴とする。この
製造方法によれば、n形半導体層を形成するために添加
するドーパントの濃度の許容範囲が広く、高効率の太陽
電池を容易に製造できる。
Further, the solar cell manufacturing method of the present invention includes a solar cell including a pn junction constituted by a p-type semiconductor layer functioning as a light absorption layer and an n-type semiconductor layer laminated on the p-type semiconductor layer. (I) forming a first semiconductor layer from a p-type compound semiconductor containing an Ib group element, a IIIb group element, and a VIb group element, and (ii) forming the first semiconductor layer. Supplying a group II element to the surface to form a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer by doping a part of the first semiconductor layer with the group II element. In the step (ii), the thickness of the n-type semiconductor layer is set to 10 nm to 40 nm. According to this manufacturing method, a high-efficiency solar cell can be easily manufactured with a wide allowable range of the concentration of the dopant added for forming the n-type semiconductor layer.

【0015】上記製造方法では、前記(ii)の工程のの
ちに、(iii)前記n形半導体層上に薄膜を形成する工
程をさらに含み、前記p形半導体層の電子親和力χ
1(eV)と前記薄膜の電子親和力χ2(eV)とが0≦
(χ1−χ2)<0.5の関係を満たすことが好ましい。
この構成によれば、特に高効率の太陽電池を製造でき
る。
The above manufacturing method further includes (iii) a step of forming a thin film on the n-type semiconductor layer after the step (ii), and has an electron affinity χ of the p-type semiconductor layer.
1 (eV) and the electron affinity χ 2 (eV) of the thin film are 0 ≦
It is preferable to satisfy the relationship of (χ 1 −χ 2 ) <0.5.
According to this structure, a highly efficient solar cell can be manufactured.

【0016】上記製造方法では、前記(iii)の工程は
ZnとMgとOとを含む前記薄膜をスパッタ法で形成す
る工程であり、前記(iii)の工程ののちに、(iv)前
記p形半導体層と前記n形半導体層と前記薄膜とを含む
積層膜を150℃〜250℃の範囲内の温度で熱処理す
る工程をさらに含むことが好ましい。この構成によれ
ば、薄膜を形成する際に半導体層に生じるダメージを回
復できる。
In the above manufacturing method, the step (iii) is a step of forming the thin film containing Zn, Mg, and O by a sputtering method, and after the step (iii), (iv) the p It is preferable to further include a step of heat-treating a laminated film including the n-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the thin film at a temperature in the range of 150 ° C to 250 ° C. According to this configuration, it is possible to recover damage that occurs in the semiconductor layer when forming the thin film.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】(実施形態1)実施形態1では、本発明の
太陽電池について説明する。実施形態1の太陽電池10
の断面図を図1に示す。
(Embodiment 1) In Embodiment 1, a solar cell of the present invention will be described. Solar cell 10 of Embodiment 1
A cross-sectional view of the above is shown in FIG.

【0019】図1を参照して、太陽電池10は、基板1
1と、基板11上に順に積層された第1の電極膜12、
p形半導体層13、n形半導体層14、薄膜15および
第2の電極膜16と、取り出し電極17および18とを
備える。p形半導体層13とn形半導体層14とは隣接
しており、pn接合を形成する。
Referring to FIG. 1, the solar cell 10 includes a substrate 1
1 and a first electrode film 12 sequentially stacked on the substrate 11,
A p-type semiconductor layer 13, an n-type semiconductor layer 14, a thin film 15 and a second electrode film 16, and extraction electrodes 17 and 18 are provided. The p-type semiconductor layer 13 and the n-type semiconductor layer 14 are adjacent to each other and form a pn junction.

【0020】基板11には、太陽電池に一般的に用いら
れる基板を適用できる。具体的には、ガラス基板、ステ
ンレス基板またはポリイミド基板を用いることができ
る。また、基板11が導電性基板である場合には、その
表面に絶縁層を形成してもよい。
As the substrate 11, a substrate generally used for solar cells can be applied. Specifically, a glass substrate, a stainless substrate, or a polyimide substrate can be used. Further, when the substrate 11 is a conductive substrate, an insulating layer may be formed on the surface thereof.

【0021】第1の電極膜12は、導電性の材料からな
り、たとえばMo(モリブデン)で形成できる。
The first electrode film 12 is made of a conductive material and can be formed of Mo (molybdenum), for example.

【0022】p形半導体層13は、光吸収層として機能
する半導体層であり、Ib族元素とIIIb族元素とVIb
族元素とを含むp形化合物半導体からなる。Ib族元素
にはCuを用いることができる。IIIb族元素にはIn
およびGaから選ばれる少なくとも1つの元素を用いる
ことができる。VIb族元素にはSeおよびSから選ばれ
る少なくとも1つの元素を用いることができる。具体的
には、p形半導体層13は、CuInSe2、Cu(I
n,Ga)Se2またはこれらのSeの一部をSで置換
した半導体で形成できる。
The p-type semiconductor layer 13 is a semiconductor layer that functions as a light absorption layer, and contains a group Ib element, a group IIIb element and VIb.
It is made of a p-type compound semiconductor containing a group element. Cu can be used as the Ib group element. In the group IIIb element is In
And at least one element selected from Ga can be used. As the VIb group element, at least one element selected from Se and S can be used. Specifically, the p-type semiconductor layer 13 includes CuInSe 2 , Cu (I
It can be formed of n, Ga) Se 2 or a semiconductor in which a part of these Se is replaced with S.

【0023】n形半導体層14は、Ib族元素とIIIb
族元素とVIb族元素とドーパントであるII族元素とを含
むn形化合物半導体からなる。Ib族元素、IIIb族元
素およびVIb族元素には、p形半導体層13について説
明した元素を用いることができる。II族元素には、Z
n、Cd、Be、MgおよびCaから選ばれる少なくと
も1つの元素を用いることができる。n形半導体層14
は、p形半導体層13を構成するp形化合物半導体にII
族元素を添加することによって形成できる。以下の実施
形態で説明するように、II族元素は蒸着法によって供給
することが好ましい。
The n-type semiconductor layer 14 is composed of a group Ib element and a group IIIb.
It is composed of an n-type compound semiconductor containing a group element, a VIb group element, and a group II element as a dopant. As the Ib group element, the IIIb group element, and the VIb group element, the elements described for the p-type semiconductor layer 13 can be used. For group II elements, Z
At least one element selected from n, Cd, Be, Mg and Ca can be used. n-type semiconductor layer 14
Is a p-type compound semiconductor forming the p-type semiconductor layer 13
It can be formed by adding a group element. As described in the embodiments below, the group II element is preferably supplied by a vapor deposition method.

【0024】n形半導体層14の厚さは、10nmない
し40nm(好ましくは、10nmないし30nm)で
ある。n形半導体層14のキャリア密度は、1×1018
/cm3以上であることが好ましい。n形半導体層14
の厚さを10nmないし40nmとし且つキャリア密度
を1×1018/cm3以上とすることによって、特に高
い変換効率を達成できる。
The thickness of the n-type semiconductor layer 14 is 10 nm to 40 nm (preferably 10 nm to 30 nm). The carrier density of the n-type semiconductor layer 14 is 1 × 10 18.
/ Cm 3 or more is preferable. n-type semiconductor layer 14
With a thickness of 10 nm to 40 nm and a carrier density of 1 × 10 18 / cm 3 or more, a particularly high conversion efficiency can be achieved.

【0025】薄膜15は、その電子親和力χ2(eV)
とp形半導体層13の電子親和力χ1(eV)とが、0
≦(χ1−χ2)<0.5の関係を満たす薄膜である。薄
膜15は、たとえばZnとMgとOとを含む化合物で形
成でき、具体的には、組成式Zn1-xMgxO(0.05
≦x≦0.35)で表される材料で形成できる。薄膜1
5はスパッタ法によって形成できる。薄膜15をスパッ
タ法で形成する場合には、薄膜15を形成する際にn形
半導体層14にダメージを与えるため、薄膜15を形成
したのちに、p形半導体層13およびn形半導体層14
を熱処理することが好ましい。好ましい熱処理の条件は
実施形態2で説明する。
The thin film 15 has an electron affinity χ 2 (eV).
And the electron affinity χ 1 (eV) of the p-type semiconductor layer 13 are 0
It is a thin film that satisfies the relationship of ≦ (χ 1 −χ 2 ) <0.5. The thin film 15 can be formed of, for example, a compound containing Zn, Mg, and O, and specifically, the composition formula Zn 1-x Mg x O (0.05
It can be formed of a material represented by ≦ x ≦ 0.35). Thin film 1
5 can be formed by a sputtering method. When the thin film 15 is formed by the sputtering method, the p-type semiconductor layer 13 and the n-type semiconductor layer 14 are formed after the thin film 15 is formed because the n-type semiconductor layer 14 is damaged when the thin film 15 is formed.
Is preferably heat treated. Preferred heat treatment conditions will be described in the second embodiment.

【0026】第2の電極膜16は、透光性の導電性材料
で形成でき、たとえばITO(Indium Tin
Oxide)で形成できる。また、取り出し電極17お
よび18は金属で形成できる。
The second electrode film 16 can be formed of a translucent conductive material, for example, ITO (Indium Tin).
Oxide). Further, the extraction electrodes 17 and 18 can be made of metal.

【0027】実施形態1の太陽電池では、n形半導体層
の厚さを10nmないし40nmとしている。発明者ら
は、図1に示す太陽電池についてシミュレーションを行
い、n形半導体層14の厚さおよびキャリア密度を変化
させたときの太陽電池の変換効率の変化を計算した。そ
の結果を図2に示す。図2から明らかなように、n形半
導体層の厚さを50nmとした場合には、キャリア密度
が1×1019/cm3以上となると変換効率が大きく低
下した。これに対して、n形半導体層の厚さを10nm
ないし40nmとした場合には、キャリア密度が1×1
19/cm3以上となっても変換効率の低下は小さかっ
た。このように、n形半導体層の厚さを10nmないし
40nmとすることによって、n形半導体層のドーパン
ト濃度の許容範囲が広くなり、高効率の太陽電池の製造
が容易になる。
In the solar cell of Embodiment 1, the n-type semiconductor layer has a thickness of 10 nm to 40 nm. The inventors simulated the solar cell shown in FIG. 1 and calculated the change in conversion efficiency of the solar cell when the thickness and carrier density of the n-type semiconductor layer 14 were changed. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 2, when the thickness of the n-type semiconductor layer was 50 nm, the conversion efficiency was significantly reduced when the carrier density was 1 × 10 19 / cm 3 or more. On the other hand, the thickness of the n-type semiconductor layer is 10 nm.
Or 40 nm, the carrier density is 1 × 1.
Even if it was 0 19 / cm 3 or more, the decrease in conversion efficiency was small. As described above, by setting the thickness of the n-type semiconductor layer to 10 nm to 40 nm, the allowable range of the dopant concentration of the n-type semiconductor layer is widened, and the manufacture of a highly efficient solar cell is facilitated.

【0028】なお、図1に示した太陽電池10は一例で
あり、本発明の太陽電池は図1の構成に限定されない。
たとえば、本発明の太陽電池は図1に示されていない他
の層を含んでもよい。また、本発明の太陽電池は、基板
上に複数のユニットセルが直列接続された集積型の太陽
電池であってもよい。
The solar cell 10 shown in FIG. 1 is an example, and the solar cell of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG.
For example, the solar cell of the present invention may include other layers not shown in FIG. The solar cell of the present invention may be an integrated solar cell in which a plurality of unit cells are connected in series on a substrate.

【0029】(実施形態2)実施形態2では、本発明の
太陽電池の製造方法について説明する。実施形態2の製
造方法によれば、実施形態1で説明した太陽電池を製造
できる。以下、図3を参照しながら太陽電池10を製造
する方法について説明する。
(Second Embodiment) In a second embodiment, a method for manufacturing a solar cell of the present invention will be described. According to the manufacturing method of the second embodiment, the solar cell described in the first embodiment can be manufactured. Hereinafter, a method for manufacturing the solar cell 10 will be described with reference to FIG.

【0030】まず、基板11上に第1の電極膜12を形
成する。第1の電極膜12は、スパッタ法や蒸着法で形
成できる。次に、図3(a)に示すように、第1の電極
膜12上に、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素と
を含むp形化合物半導体によって第1の半導体層31を
形成する(工程(i))。この第1の半導体層31は、
p形半導体層13と同様のp形化合物半導体によって形
成できる。第1の半導体層31は、蒸着法やスパッタ法
によって形成できる。
First, the first electrode film 12 is formed on the substrate 11. The first electrode film 12 can be formed by a sputtering method or a vapor deposition method. Next, as shown in FIG. 3A, a first semiconductor layer 31 is formed on the first electrode film 12 by a p-type compound semiconductor containing an Ib group element, a IIIb group element, and a VIb group element. (Step (i)). The first semiconductor layer 31 is
It can be formed of the same p-type compound semiconductor as the p-type semiconductor layer 13. The first semiconductor layer 31 can be formed by a vapor deposition method or a sputtering method.

【0031】次に、第1の半導体層31の表面にII族元
素を供給することによって、図3(b)に示すように、
第1の半導体層31の一部にII族元素をドーピングし
て、p形半導体層13とn形半導体層14とを形成する
(工程(ii))。すなわち、第1の半導体層31のう
ち、II族元素がドーピングされた部分はn形半導体層1
4となり、II族元素がドーピングされなかった部分はp
形半導体層13となる。ドーピングするII族元素には、
実施形態1で説明した元素を用いることができる。II族
元素は、蒸着法によって第1の半導体層31の表面に供
給することが好ましい。
Next, by supplying a group II element to the surface of the first semiconductor layer 31, as shown in FIG. 3 (b),
Part of the first semiconductor layer 31 is doped with a group II element to form the p-type semiconductor layer 13 and the n-type semiconductor layer 14 (step (ii)). That is, the portion of the first semiconductor layer 31 doped with the group II element is the n-type semiconductor layer 1
4 and the part where the II group element is not doped is p
Form the semiconductor layer 13. Group II elements to be doped include
The elements described in Embodiment 1 can be used. The Group II element is preferably supplied to the surface of the first semiconductor layer 31 by a vapor deposition method.

【0032】工程(ii)において、形成されるn形半導
体層14の厚さ、すなわちII族元素が浸透する深さは、
10nmないし40nm(好ましくは、10nmないし
30nm)である。形成されるn形半導体層14の厚さ
は、II族元素を蒸着する際の基板温度によって制御でき
る。基板温度は、270℃〜320℃の範囲内であるこ
とが好ましい。また、形成されるn形半導体層14のキ
ャリア密度は、1×1018/cm3以上であることが好
ましい。このキャリア密度は、ドーパントの蒸着時間に
よって制御できる。蒸着時間は、5分〜15分の範囲内
であることが好ましい。
In step (ii), the thickness of the n-type semiconductor layer 14 formed, that is, the penetration depth of the group II element is
It is 10 nm to 40 nm (preferably 10 nm to 30 nm). The thickness of the formed n-type semiconductor layer 14 can be controlled by the substrate temperature during vapor deposition of the group II element. The substrate temperature is preferably in the range of 270 ° C to 320 ° C. The carrier density of the formed n-type semiconductor layer 14 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more. This carrier density can be controlled by the deposition time of the dopant. The vapor deposition time is preferably in the range of 5 minutes to 15 minutes.

【0033】次に、図3(c)に示すように、n形半導
体層14上に薄膜15を形成する(工程(iii))。薄
膜15は、スパッタ法で形成できる。薄膜15は、実施
形態1で説明したように、たとえばZnとMgとOとを
含む膜であり、たとえば組成式Zn1-xMgxO(0.0
5≦x≦0.35)で表される材料で形成できる。
Next, as shown in FIG. 3C, a thin film 15 is formed on the n-type semiconductor layer 14 (step (iii)). The thin film 15 can be formed by a sputtering method. As described in the first embodiment, the thin film 15 is a film containing, for example, Zn, Mg, and O, and has, for example, a composition formula Zn 1-x Mg x O (0.0
It can be formed of a material represented by 5 ≦ x ≦ 0.35).

【0034】次に、図3(d)に示すように、薄膜15
上に第2の電極膜16を形成し、取り出し電極17およ
び18を形成する。なお、取り出し電極17を形成する
前に、第1の電極膜12を露出させるために積層膜の一
部を除去する。第2の電極膜16はスパッタ法で形成で
きる。取り出し電極17および18は、たとえば電子ビ
ーム蒸着法によって形成できる。
Next, as shown in FIG. 3D, the thin film 15
A second electrode film 16 is formed on top, and extraction electrodes 17 and 18 are formed. Before forming the take-out electrode 17, a part of the laminated film is removed to expose the first electrode film 12. The second electrode film 16 can be formed by a sputtering method. The extraction electrodes 17 and 18 can be formed by, for example, an electron beam evaporation method.

【0035】その後、p形半導体層13とn形半導体層
14および薄膜15を含む積層膜32(実際には太陽電
池全体)を150℃〜250℃の範囲内の温度で熱処理
(アニール)する(工程(iv))。熱処理の好ましい時
間は、熱処理の温度によって異なるが、たとえば5分間
〜15分間程度である。熱処理は、不活性ガス雰囲気中
で行うことが好ましい。なお、工程(iv)の熱処理は、
薄膜15を形成したのちに行えばよく、第2の電極膜1
6の形成前に行ってもよい。
Then, the laminated film 32 (actually the entire solar cell) including the p-type semiconductor layer 13, the n-type semiconductor layer 14 and the thin film 15 is heat-treated (annealed) at a temperature in the range of 150 ° C. to 250 ° C. (anneal). Step (iv)). The preferable time of the heat treatment depends on the temperature of the heat treatment, but is, for example, about 5 minutes to 15 minutes. The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere. The heat treatment in step (iv) is
It may be performed after forming the thin film 15, and the second electrode film 1
It may be performed before forming 6.

【0036】実施形態2の製造方法によれば、実施形態
1で説明した太陽電池を容易に製造できる。
According to the manufacturing method of the second embodiment, the solar cell described in the first embodiment can be easily manufactured.

【0037】[0037]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をより具体的に
説明する。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples.

【0038】(実施例1)実施例1では、蒸着法によっ
てCu(In,Ga)Se2膜を形成し、さらに蒸着法
によってCu(In,Ga)Se2膜の表面にZnを添
加してn形半導体層を形成した一例について説明する。
Example 1 In Example 1, a Cu (In, Ga) Se 2 film was formed by a vapor deposition method, and Zn was added to the surface of the Cu (In, Ga) Se 2 film by a vapor deposition method. An example of forming the n-type semiconductor layer will be described.

【0039】まず、スパッタ法によって、ガラス基板上
にMo膜を形成し、その上に蒸着法によってCu(I
n,Ga)Se2膜(膜厚:2μm)を形成した。その
後、基板温度を280℃にし、Znを3分間、Cu(I
n,Ga)Se2膜に蒸着することによって、Cu(I
n,Ga)Se2膜の表面にZnを添加した。蒸着源で
あるZnのルツボの温度を290℃として蒸着を行った
試料についてSIMS測定を行ったところ、Cu(I
n,Ga)Se2膜の表面から20nmの深さまでZn
が添加されていることが分かった。
First, a Mo film is formed on a glass substrate by a sputtering method, and Cu (I
An n, Ga) Se 2 film (film thickness: 2 μm) was formed. Then, the substrate temperature is set to 280 ° C., Zn is added for 3 minutes, and Cu (I
By depositing on the n, Ga) Se 2 film, Cu (I)
Zn was added to the surface of the n, Ga) Se 2 film. When the temperature of the Zn crucible as the vapor deposition source was 290 ° C. and the vapor-deposited sample was subjected to SIMS measurement, Cu (I
Zn from the surface of the n, Ga) Se 2 film to a depth of 20 nm
Was found to be added.

【0040】一方、基板温度280℃で、Znのルツボ
の温度を310℃として3分間、蒸着を行った試料につ
いてSIMS測定を行ったところ、Znが添加されてい
る深さは、Znのルツボの温度が290℃の場合と同じ
く20nmであった。ただし、Znのシグナル強度はル
ツボの温度が290℃のときよりも強かった。
On the other hand, SIMS measurement was performed on a sample that had been vapor-deposited for 3 minutes at a substrate temperature of 280 ° C. and a Zn crucible temperature of 310 ° C. As a result, the depth at which Zn was added was It was 20 nm as in the case where the temperature was 290 ° C. However, the Zn signal intensity was stronger than when the crucible temperature was 290 ° C.

【0041】また、基板温度を330℃にし、Znを3
分間、Cu(In,Ga)Se2膜に蒸着し、Cu(I
n,Ga)Se2膜の表面にZnを添加した。蒸着源で
あるZnのルツボの温度を290℃として蒸着を行った
試料についてSIMS測定を行ったところ、Cu(I
n,Ga)Se2膜の表面から50nmの深さまでZn
が添加されていることが分かった。
Further, the substrate temperature is set to 330 ° C. and Zn is set to 3
Min., A Cu (In, Ga) Se 2 film is vapor-deposited, and Cu (I
Zn was added to the surface of the n, Ga) Se 2 film. When the temperature of the Zn crucible as the vapor deposition source was 290 ° C. and the vapor-deposited sample was subjected to SIMS measurement, Cu (I
Zn up to a depth of 50 nm from the surface of the n, Ga) Se 2 film
Was found to be added.

【0042】基板温度330℃で、Znのルツボの温度
を310℃として3分間、蒸着を行った試料についてS
IMS測定を行ったところ、Znが添加されている深さ
は、Znのルツボの温度が290℃のときと同じく50
nmであった。ただしZnのシグナル強度はルツボの温
度が290℃のときよりも強かった。
For a sample which was vapor-deposited at a substrate temperature of 330 ° C. and a Zn crucible temperature of 310 ° C. for 3 minutes, S
When the IMS measurement was performed, the depth at which Zn was added was 50, which was the same as when the temperature of the Zn crucible was 290 ° C.
was nm. However, the Zn signal intensity was stronger than when the crucible temperature was 290 ° C.

【0043】繰り返し実験を行った結果、Znのビーム
フラックスはルツボの温度を一定にしていても変動した
が、基板温度が同じであればZnのドープされる深さは
一定であった。したがって、基板温度を制御することに
よって、Znがドープされる深さ(n形半導体層の厚
さ)を制御できることが分かった。
As a result of repeated experiments, the Zn beam flux fluctuated even when the crucible temperature was constant, but the Zn doping depth was constant if the substrate temperature was the same. Therefore, it has been found that the depth at which Zn is doped (the thickness of the n-type semiconductor layer) can be controlled by controlling the substrate temperature.

【0044】実施例1ではZnを添加した場合について
述べたが、Znの代わりにCd、Be、MgまたはCa
を用いた場合においても同様の結果が得られた。
Although the case where Zn was added was described in Example 1, Cd, Be, Mg or Ca was used instead of Zn.
Similar results were obtained when using.

【0045】(実施例2)実施例2では、本発明の方法
を用いて太陽電池を製造した一例について説明する。
Example 2 In Example 2, an example of producing a solar cell using the method of the present invention will be described.

【0046】まず、スパッタ法によって、ガラス基板上
にMo膜を形成し、その上に蒸着法によってCu(I
n,Ga)Se2膜(膜厚:2μm)を形成した。その
後、基板温度を280℃にし、蒸着源であるZnのルツ
ボの温度を300℃にして3分間、Cu(In,Ga)
Se2膜にZnを蒸着し、Cu(In,Ga)Se2膜の
表面から20nmの深さまでZnを添加した。このよう
にして、p形のCu(In,Ga)Se2層と、これに
Znがドープされたn形の半導体層とを形成した。
First, a Mo film is formed on a glass substrate by a sputtering method, and Cu (I
An n, Ga) Se 2 film (film thickness: 2 μm) was formed. Then, the substrate temperature is set to 280 ° C., the temperature of the Zn crucible that is the vapor deposition source is set to 300 ° C., and Cu (In, Ga) is used for 3 minutes.
Depositing a Zn to Se 2 film, it was added Zn from Cu (In, Ga) Se 2 film surface up to a depth of 20 nm. Thus, a p-type Cu (In, Ga) Se 2 layer and an n-type semiconductor layer in which Zn was doped were formed.

【0047】次に、ZnOおよびMgOターゲットを用
いた二元スパッタ法によって、n形の半導体層上にZn
0.9Mg0.1O膜(膜厚:100nm)を形成した。スパ
ッタは、アルゴンガス圧が2.7Pa(2×10-2To
rr)で、ZnOターゲットに加えた高周波パワーが2
00Wで、MgOターゲットに加えた高周波パワーが1
00Wの条件で行った。
Next, Zn was formed on the n-type semiconductor layer by a binary sputtering method using ZnO and MgO targets.
A 0.9 Mg 0.1 O film (film thickness: 100 nm) was formed. The sputter has an argon gas pressure of 2.7 Pa (2 × 10 -2 To
rr), the high frequency power applied to the ZnO target is 2
At 00W, the high frequency power applied to the MgO target is 1
It was performed under the condition of 00W.

【0048】次に、Zn0.9Mg0.1O膜上に、透明導電
膜であるITO膜(膜厚:100nm)をスパッタ法に
よって形成した。スパッタは、アルゴンガス圧が1.1
Pa(8×10-3Torr)で、高周波パワーが400
Wの条件で行った。その後、NiCr膜とAg膜とを電
子ビーム蒸着法によって積層することによって取り出し
電極を形成した。このようにして製造された太陽電池に
AM1.5、100mW/cm2の疑似太陽光を照射し
て太陽電池特性を測定した。
Next, an ITO film (film thickness: 100 nm) as a transparent conductive film was formed on the Zn 0.9 Mg 0.1 O film by the sputtering method. The sputter has an argon gas pressure of 1.1.
High frequency power of 400 at Pa (8 × 10 -3 Torr)
It was conducted under the condition of W. After that, a NiCr film and an Ag film were laminated by an electron beam evaporation method to form an extraction electrode. The solar cell manufactured in this manner was irradiated with pseudo sunlight of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 to measure solar cell characteristics.

【0049】次に、太陽電池を窒素雰囲気中、200℃
で10分間熱処理した。そして、熱処理後の太陽電池に
ついて、AM1.5、100mW/cm2の疑似太陽光
を照射して太陽電池特性を測定した。その結果、短絡電
流34.0mA/cm2、開放電圧0.610V、曲線
因子0.671、変換効率13.9%であった。一方、
熱処理前の太陽電池の特性は、短絡電流29.6mA/
cm2、開放電圧0.529V、曲線因子0.591、
変換効率9.25%であった。なお、実施例2では、ス
パッタ法によってZn0.9Mg0.1O膜(薄膜15)を形
成しており、熱処理をしなければ十分な太陽電池特性が
得られない。しかしながら、スパッタ法以外の方法、あ
るいは半導体層へのダメージを低減したスパッタ法で薄
膜15を形成する場合には、熱処理をしなくとも十分な
特性が得られる可能性がある。
Next, the solar cell was placed in a nitrogen atmosphere at 200 ° C.
And heat treated for 10 minutes. Then, the solar cell after the heat treatment was irradiated with pseudo sunlight of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 to measure the solar cell characteristics. As a result, the short circuit current was 34.0 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.610 V, the fill factor was 0.671, and the conversion efficiency was 13.9%. on the other hand,
The characteristics of the solar cell before heat treatment are as follows: short-circuit current 29.6 mA /
cm 2 , open-circuit voltage 0.529 V, fill factor 0.591,
The conversion efficiency was 9.25%. In Example 2, the Zn 0.9 Mg 0.1 O film (thin film 15) was formed by the sputtering method, and sufficient solar cell characteristics could not be obtained without heat treatment. However, when the thin film 15 is formed by a method other than the sputtering method or a sputtering method in which damage to the semiconductor layer is reduced, sufficient characteristics may be obtained without heat treatment.

【0050】基板温度を280℃にしてZnを添加した
場合、ビームフラックスモニターでモニターしたZnの
ビーム強度は膜作製のたびに変動したものの、再現性よ
く上記に示したような特性の太陽電池を作製できた。
When the substrate temperature was 280 ° C. and Zn was added, the beam intensity of Zn monitored by the beam flux monitor fluctuated each time the film was formed, but a solar cell having the above-described characteristics with good reproducibility was obtained. I was able to make it.

【0051】本実施例ではZnを添加した場合について
述べたが、Znの代わりにCd、Be、MgまたはCa
を用いた場合でも同様の結果が得られた。
In this embodiment, the case where Zn is added has been described. However, instead of Zn, Cd, Be, Mg or Ca is used.
Similar results were obtained when was used.

【0052】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to examples, the present invention is not limited to the above embodiments and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention. .

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の太陽電池
およびその製造方法によれば、従来のCIS系太陽電池
よりも効率が高く製造が容易な太陽電池が得られる。
As described above, according to the solar cell and the method for manufacturing the same of the present invention, a solar cell having higher efficiency and easier to manufacture than the conventional CIS solar cell can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の太陽電池について一例を示す断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell of the present invention.

【図2】 n形半導体層の厚さおよびキャリア密度と太
陽電池の変換効率との関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness and carrier density of an n-type semiconductor layer and the conversion efficiency of a solar cell.

【図3】 本発明の太陽電池の製造方法について一例を
示す工程断面図である。
FIG. 3 is a process sectional view showing an example of a method for manufacturing a solar cell according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 太陽電池 11 基板 12 第1の電極膜 13 p形半導体層 14 n形半導体層 15 薄膜 16 第2の電極膜 17、18 取り出し電極 18 取り出し電極 31 第1の半導体層 32 積層膜 10 solar cells 11 board 12 First electrode film 13 p-type semiconductor layer 14 n-type semiconductor layer 15 thin film 16 Second electrode film 17, 18 Extraction electrode 18 Extraction electrode 31 First semiconductor layer 32 laminated film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 ▲琢▼也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F051 AA10 AA16 BA14 CA12 CB15 CB18 CB24 DA03 DA20 FA04 FA06 GA03 5F103 AA01 DD30 HH01 HH10 JJ01 JJ03 KK04 KK10 LL04 RR05   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Sato ▲ Takuya             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F term (reference) 5F051 AA10 AA16 BA14 CA12 CB15                       CB18 CB24 DA03 DA20 FA04                       FA06 GA03                 5F103 AA01 DD30 HH01 HH10 JJ01                       JJ03 KK04 KK10 LL04 RR05

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光吸収層として機能するp形半導体層と
前記p形半導体層に積層されたn形半導体層とによって
構成されるpn接合を含む太陽電池であって、 前記p形半導体層がIb族元素とIIIb族元素とVIb族
元素とを含むp形化合物半導体からなり、 前記n形半導体層がIb族元素とIIIb族元素とVIb族
元素とドーパントであるII族元素とを含むn形化合物半
導体からなり、 前記n形半導体層の厚さが10nmないし40nmであ
ることを特徴とする太陽電池。
1. A solar cell including a pn junction composed of a p-type semiconductor layer functioning as a light absorption layer and an n-type semiconductor layer laminated on the p-type semiconductor layer, wherein the p-type semiconductor layer is An n-type compound semiconductor including a p-type compound semiconductor containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element, wherein the n-type semiconductor layer contains a group Ib element, a group IIIb element, a group VIb element, and a group II element serving as a dopant. A solar cell comprising a compound semiconductor, wherein the n-type semiconductor layer has a thickness of 10 nm to 40 nm.
【請求項2】 前記n形半導体層に積層された薄膜をさ
らに含み、 前記p形半導体層の電子親和力χ1(eV)と前記薄膜
の電子親和力χ2(eV)とが0≦(χ1−χ2)<0.
5の関係を満たす請求項1に記載の太陽電池。
2. A thin film laminated on the n-type semiconductor layer, wherein the electron affinity χ 1 (eV) of the p-type semiconductor layer and the electron affinity χ 2 (eV) of the thin film are 0 ≦ (χ 1 −χ 2 ) <0.
The solar cell according to claim 1, wherein the relationship of 5 is satisfied.
【請求項3】 前記薄膜がZnとMgとOとを含む請求
項2に記載の太陽電池。
3. The solar cell according to claim 2, wherein the thin film contains Zn, Mg and O.
【請求項4】 前記薄膜が、組成式Zn1-xMgx
(0.05≦x≦0.35)で表される材料を含む請求
項3に記載の太陽電池。
4. The composition formula Zn 1-x Mg x O
The solar cell according to claim 3, comprising a material represented by (0.05 ≦ x ≦ 0.35).
【請求項5】 前記薄膜がスパッタ法によって形成され
た膜であり、前記p形半導体層および前記n形半導体層
が前記薄膜を形成したのちに熱処理された層である請求
項4に記載の太陽電池。
5. The sun according to claim 4, wherein the thin film is a film formed by a sputtering method, and the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are layers heat-treated after forming the thin film. battery.
【請求項6】 前記n形半導体層のキャリア密度が1×
1018/cm3以上である請求項1ないし5のいずれか
に記載の太陽電池。
6. The carrier density of the n-type semiconductor layer is 1 ×
The solar cell according to claim 1, which has a density of 10 18 / cm 3 or more.
【請求項7】 前記n形半導体層が、前記p形化合物半
導体に前記II族元素をドーピングすることによって形成
された半導体層である請求項1ないし5のいずれかに記
載の太陽電池。
7. The solar cell according to claim 1, wherein the n-type semiconductor layer is a semiconductor layer formed by doping the p-type compound semiconductor with the group II element.
【請求項8】 前記II族元素がZn、Cd、Be、Mg
およびCaから選ばれる少なくとも1つの元素である請
求項7に記載の太陽電池。
8. The group II element is Zn, Cd, Be, Mg
The solar cell according to claim 7, wherein the solar cell is at least one element selected from Ca and Ca.
【請求項9】 前記Ib族元素がCuであり、前記III
b族元素がInおよびGaから選ばれる少なくとも1つ
の元素であり、前記VIb族元素がSeおよびSから選ば
れる少なくとも1つの元素である請求項1ないし8のい
ずれかに記載の太陽電池。
9. The group Ib element is Cu, and the group III
9. The solar cell according to claim 1, wherein the b-group element is at least one element selected from In and Ga, and the VIb-group element is at least one element selected from Se and S. 9.
【請求項10】 光吸収層として機能するp形半導体層
と前記p形半導体層に積層されたn形半導体層とによっ
て構成されるpn接合を含む太陽電池の製造方法であっ
て、 (i)Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とを含む
p形化合物半導体によって第1の半導体層を形成する工
程と、 (ii)前記第1の半導体層の表面にII族元素を供給する
ことによって、前記第1の半導体層の一部に前記II族元
素をドーピングして前記p形半導体層と前記n形半導体
層とを形成する工程とを含み、 前記(ii)の工程において、前記n形半導体層の厚さを
10nmないし40nmとすることを特徴とする太陽電
池の製造方法。
10. A method of manufacturing a solar cell comprising a pn junction constituted by a p-type semiconductor layer functioning as a light absorption layer and an n-type semiconductor layer laminated on the p-type semiconductor layer, comprising: (i) A step of forming a first semiconductor layer from a p-type compound semiconductor containing a group Ib element, a group IIIb element and a group VIb element; and (ii) supplying a group II element to the surface of the first semiconductor layer. Forming a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer by doping a part of the first semiconductor layer with the Group II element, wherein in the step (ii), the n-type semiconductor layer is formed. A method for manufacturing a solar cell, wherein the thickness of the semiconductor layer is 10 nm to 40 nm.
【請求項11】 前記(ii)の工程ののちに、(iii)
前記n形半導体層上に薄膜を形成する工程をさらに含
み、 前記p形半導体層の電子親和力χ1(eV)と前記薄膜
の電子親和力χ2(eV)とが0≦(χ1−χ2)<0.
5の関係を満たす請求項10に記載の太陽電池の製造方
法。
11. After the step (ii), (iii)
The method may further include the step of forming a thin film on the n-type semiconductor layer, wherein the electron affinity χ 1 (eV) of the p-type semiconductor layer and the electron affinity χ 2 (eV) of the thin film are 0 ≦ (χ 1 −χ 2). ) <0.
The method for manufacturing a solar cell according to claim 10, wherein the relationship of 5 is satisfied.
【請求項12】 前記(iii)の工程はZnとMgとO
とを含む前記薄膜をスパッタ法で形成する工程であり、
前記(iii)の工程ののちに、 (iv)前記p形半導体層と前記n形半導体層と前記薄膜
とを含む積層膜を150℃〜250℃の範囲内の温度で
熱処理する工程をさらに含む請求項11に記載の太陽電
池の製造方法。
12. The step (iii) comprises Zn, Mg and O.
A step of forming the thin film by a sputtering method including
After the step (iii), the method further includes (iv) a step of heat-treating the laminated film including the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the thin film at a temperature in the range of 150 ° C to 250 ° C. The method for manufacturing a solar cell according to claim 11.
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