JP2004327849A - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス基板を用いた、信頼性が高いＣＩＳ系太陽電池、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも一主面に酸化被膜１１ａが形成されたステンレス基板１１と、酸化被膜１１ａ上に順に積層された絶縁層１２、第１の電極層１３、多層膜１４および透光性の第２の電極層１５とを含み、多層膜１４が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体層（ｐ形化合物半導体層１４ａ）を含む。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた太陽電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｉｂ族元素、ＩＩＩｂ族元素およびＶＩｂ族元素からなるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体薄膜（カルコパイライト構造化合物半導体薄膜）であるＣｕＩｎＳｅ_２あるいはこれにＧａを固溶させたＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２を光吸収層に用いた薄膜太陽電池（以下、ＣＩＳ系太陽電池という場合がある）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。
【０００３】
従来の高効率ＣＩＳ系太陽電池では、一般に、基板としてソーダライムガラスが用いられている。しかし、ガラス基板を用いると、ＣＩＳ系太陽電池の低コスト化は困難である。近年、ＣＩＳ系太陽電池を低コストに製造する方法として、ステンレス基板を用いたロールトゥロール法が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス基板を用いてＣＩＳ太陽電池を製造すると、基板から下部電極膜が剥離する場合があるという問題があった。このような状況に鑑み、本発明は、ステンレス基板を用いた、信頼性が高いＣＩＳ系太陽電池、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【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、少なくとも一主面に酸化被膜が形成されたステンレス基板と、前記酸化被膜上に順に積層された絶縁層、第１の電極層、多層膜および透光性の第２の電極層とを含み、前記多層膜が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体層を含むことを特徴とする。
【０００６】
上記太陽電池では、前記ステンレス基板の両面に酸化被膜が形成されていてもよい。
【０００７】
上記太陽電池では、前記第１の電極層がモリブデンからなるものでもよい。
【０００８】
上記太陽電池では、前記酸化被膜が酸化クロムを含んでもよい。
【０００９】
上記太陽電池では、前記絶縁層が、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３から選ばれる少なくとも１つからなるものでもよい。
【００１０】
上記太陽電池では、前記酸化被膜の厚さが０．１μｍないし１μｍであってもよい。
【００１１】
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つの元素であってもよい。
【００１２】
また、本発明の太陽電池の製造方法は、（ｉ）ステンレス基板の少なくとも一主面を酸化することによって前記一主面に酸化被膜を形成する工程と、（ｉｉ）前記酸化被膜上に、絶縁層、第１の電極層、多層膜および透光性の第２の電極とをこの順序で積層する工程とを含み、前記多層膜が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体層を含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の太陽電池について説明する。本発明の太陽電池の一例の断面図を図１に示す。
【００１４】
図１の太陽電池１０は、ステンレス基板１１と、ステンレス基板１１上に順に積層された絶縁層１２、第１の電極層１３、多層膜１４および第２の電極層１５とを含む。多層膜１４は、基板側から順に積層されたｐ形化合物半導体層１４ａおよびバッファ層（または窓層）１４ｂを備える。第１の電極層１３上および第２の電極層１５上には、それぞれ、取り出し電極１６および１７が形成されている。
【００１５】
ステンレス基板１１の一主面には、酸化被膜１１ａが形成されている。ステンレス基板は、鉄（Ｆｅ）を主成分とし、さらにＣｒなどの添加元素を含む。したがって、ステンレス基板を酸化することによって形成される酸化被膜１１ａは、酸化鉄や酸化クロムなどを含む。酸化被膜１１ａの厚さは、たとえば０．１μｍ〜１μｍ程度とすることができる。なお、酸化被膜１１ａは、ステンレス基板の両面に形成されてもよい。酸化被膜をステンレス基板の両面に形成することによって、放熱性を高めることができ、太陽電池の特性を向上させることができる。
酸化被膜１１ａは、酸素を含む雰囲気中、たとえば大気中や酸素ガス雰囲気中でステンレス基板を加熱することによって形成できる。加熱は、たとえば４００℃〜７００℃程度の温度で行えばよい。好ましい加熱時間は、加熱雰囲気や加熱温度によって異なるが、一例では５分〜３０分程度とすることができる。
【００１６】
絶縁層１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成できる。これらの層は、たとえばスパッタ法やゾル−ゲル法といった方法によって形成できる。絶縁層１２の厚さは、たとえば０．５μｍ〜２μｍ程度とすることができる。
【００１７】
第１の電極層１３は導電性の材料で形成でき、たとえばモリブデン（Ｍｏ）などの金属で形成できる。第１の電極層１３は、蒸着法やスパッタ法で形成できる。
【００１８】
ｐ形化合物半導体層１４ａは、光吸収層として機能する層であり、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造半導体で形成できる。より具体的には、ＣｕＩｎＳｅ_２、またはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２、あるいはこれらのＳｅの一部を硫黄（Ｓ）で置き換えた半導体を用いることができる。これらは、公知の蒸着法またはスパッタ法によって形成できる。
【００１９】
バッファ層１４ｂは、たとえば、ＣｄＳ、ＺｎＯ、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ）、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ，Ｓ）、ＺｎＭｇＯ等の少なくともＩＩ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物で形成できる。これらは、たとえば化学浴析出法やスパッタ法で形成できる。
【００２０】
第２の電極層１５は、透光性の導電材料で形成できる。具体的には、ＺｎＯ膜、ＺｎＯ：Ａｌ膜、ＩＴＯ膜などの透明導電膜を用いることができ、これらはスパッタ法やＣＶＤ法などによって形成できる。取り出し電極１６および１７は、それぞれ金属などで形成できる。
【００２１】
太陽電池を製造するための本発明の製造方法は、（ｉ）ステンレス基板１１の少なくとも一主面を酸化することによってその一主面に酸化被膜１１ａを形成する工程と、（ｉｉ）酸化被膜１１ａ上に、絶縁層１２、第１の電極層１３、多層膜１４および透光性の第２の電極１５とをこの順序で積層する工程とを含む。各層の材料および形成方法は上述した通りである。
【００２２】
本発明の太陽電池は、ステンレス基板のうち太陽電池が形成される側の一主面に酸化被膜が形成されており、その上に絶縁層が形成されている。このため、基板上に形成された下部電極膜が基板から剥離することを防止でき、製造が容易で信頼性が高い太陽電池が得られる。
【００２３】
以上、本発明の太陽電池の一例について説明したが、本発明の太陽電池は図１に示した太陽電池に限定されない。たとえば多層膜１４は、ｐｎ接合を含むものであればよい。また、本発明の太陽電池は、直列接続された複数のユニットセルが基板上に形成された集積型の太陽電池であってもよい。
【００２４】
【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。
【００２５】
（実施例１）
実施例１では、酸化被膜を備えるステンレス基板上に、モリブデンからなる第１の電極層を形成した一例について説明する。
【００２６】
まず、酸素雰囲気中で、ステンレス基板を５００℃で１５分間加熱して厚さ０．３μｍの酸化クロムからなる被膜を形成した。この被膜上に、ゾルゲル法によって、厚さ１μｍのＳｉＯ_２膜を形成した。さらに、ＳｉＯ_２膜上に、スパッタ法によって、厚さ０．４μｍのＭｏ薄膜を形成した。この方法で形成した膜には、剥離は見られなかった。
【００２７】
（実施例２）
実施例２では、本発明の太陽電池を作製した一例について説明する。
【００２８】
実施例２では、実施例１と同様の方法で、ステンレス基板上に、酸化クロムからなる被膜（厚さ０．３μｍ）と、ＳｉＯ_２膜（厚さ１μｍ）と、Ｍｏ膜（厚さ０．４μｍ）とを形成した。なお、実施例２では、基板の両面に酸化クロムからなる被膜を形成した。この基板を用いて太陽電池を作製した。また、比較のために、ステンレス基板と絶縁層（ＳｉＯ_２膜）との間に酸化被膜（酸化クロム膜）を形成しなかった基板を用いて比較例の太陽電池を作製した。以下、太陽電池の作製方法について説明する。
【００２９】
まず、Ｍｏ膜上に、蒸着法によってＣＩＧＳ膜を形成した。ＣＩＧＳ膜の製膜温度は５７５℃であった。
【００３０】
次に、Ｉｎを含む化合物（塩）である塩化インジウム（ＩｎＣｌ_３）を含有する溶液を用意した。溶液中の塩化インジウムの濃度は０．０１５Ｍ、ｐＨは１．９とした。この溶液を入れた容器を７５℃に保った温水槽に静置した。この溶液に、ＣｕＩｎＳｅ_２薄膜を形成した基板を約１０秒間浸漬した。この処理によって、表面にＣｕＩｎＳ_２膜が形成される。その後、溶液から基板を引き上げて純水で洗浄した。この処理中、酸化被膜がない基板を用いた試料では、２０％（５枚に１枚）の割合でＭｏ膜の剥離が生じた。一方、酸化被膜を形成した試料では剥離は生じなかった。
【００３１】
次に、カドミウムを含む化合物（塩）である硫酸カドミウム（ＣｄＳＯ_４）とアンモニアとを含有する溶液を用意した。溶液中の硫酸カドミウムの濃度は０．００１Ｍ、アンモニアの濃度は１Ｍとした。この溶液を入れた容器を８５℃に保った温水槽に静置した。この溶液に、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体薄膜を形成した基板を約６分間浸漬した。この処理によって、ＣｄＳ膜が形成される。その後、溶液から基板を引き上げて純水で洗浄した。
【００３２】
この処理中、酸化被膜がない試料では、１５％の割合でＭｏ膜の剥離がさらに生じた。一方、酸化被膜を形成した試料では剥離は生じなかった。
【００３３】
酸化被膜を形成した基板を用いた試料について、さらに、ＺｎＯ膜（膜厚１００ｎｍ）と、透明導電膜であるＩＴＯ膜（膜厚１００ｎｍ）とをスパッタ法によって形成した。スパッタの条件は、ＺｎＯ膜形成時は、アルゴンガス圧２．７Ｐａ（２×１０^−２Ｔｏｒｒ）、高周波パワー４００Ｗとした。また、ＩＴＯ膜形成時は、アルゴンガス圧１．１Ｐａ（８×１０^−３Ｔｏｒｒ）、高周波パワー４００Ｗとした。その後、ＮｉＣｒ膜とＡｕ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２つの取り出し電極を形成した。
【００３４】
このようにして作製した太陽電池に、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ^２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３４．２ｍＡ／ｃｍ^２、開放電圧０．５８Ｖ、曲線因子０．６９、変換効率１３．７％であった。この特性は、ガラス基板上に形成したＣＩＧＳ太陽電池の特性と同じである。
【００３５】
基板の裏面に酸化被膜を形成しなかった太陽電池について、同様の評価を行ったところ、変換効率が１％程度低かった。これは、基板の裏面に酸化被膜を形成した場合と比較して、基板の放熱性が低いからである。
【００３６】
なお、本実施例では、酸化被膜として酸化クロムを用い、絶縁層としてＳｉＯ_２膜を用いた場合について説明したが、酸化被膜として酸化鉄膜を用いても上記実施例と同様に高効率の太陽電池が得られ、絶縁層としてＡｌ_２Ｏ_３膜を用いても上記実施例と同様に高効率の太陽電池が得られる。
【００３７】
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。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステンレス基板と絶縁層との間に酸化被膜を形成することによって下部電極膜の剥離を防止することができ、その結果として、製造が容易で効率の高い太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一例の断面を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池
１１ ステンレス基板
１１ａ 酸化被膜
１２ 絶縁層
１３ 第１の電極層
１４ 多層膜
１４ａ ｐ形化合物半導体層
１４ｂ バッファ層
１５ 第２の電極層
１６、１７ 取り出し電極

Claims (8)

1. 少なくとも一主面に酸化被膜が形成されたステンレス基板と、前記酸化被膜上に順に積層された絶縁層、第１の電極層、多層膜および透光性の第２の電極層とを含み、
   前記多層膜が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体層を含むことを特徴とする太陽電池。
2. 前記ステンレス基板の両面に酸化被膜が形成されている請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記第１の電極層がモリブデンからなる請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記酸化被膜が酸化クロムを含む請求項１に記載の太陽電池。
5. 前記絶縁層が、ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３から選ばれる少なくとも１つからなる請求項１に記載の太陽電池。
6. 前記酸化被膜の厚さが０．１μｍないし１μｍである請求項１に記載の太陽電池。
7. 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つの元素である請求項１ないし６のいずれかに記載の太陽電池。
8. （ｉ）ステンレス基板の少なくとも一主面を酸化することによって前記一主面に酸化被膜を形成する工程と、
   （ｉｉ）前記酸化被膜上に、絶縁層、第１の電極層、多層膜および透光性の第２の電極とをこの順序で積層する工程とを含み、
   前記多層膜が、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含む化合物半導体層を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。

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