JP2005116755A

JP2005116755A - 太陽電池の製造装置

Info

Publication number: JP2005116755A
Application number: JP2003348604A
Authority: JP
Inventors: Takuya Sato; ▲琢▼也佐藤; Kimihiko Kitani; 王彦木谷; Takayuki Negami; 卓之根上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】組成分布のよい化合物半導体薄膜を製造できる製造装置、および組成分布のよい化合物半導体からなる光吸収層を備える太陽電池を製造する方法を提供する。
【解決手段】Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体膜を基体上に製造する製造装置であり、反応室と、基体を反応室に導入する導入側から基体を反応室から排出する排出側に向かって基体を移動させる移動手段と、Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源２１ａ〜ｃと、Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源２２ａ〜ｃと、Ｉ族元素を蒸着するための第３の蒸着源２３と、VI族元素を蒸着するための第４の蒸着源２４とを含む。複数の第１の蒸着源２１ａ〜ｃの少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源２２ａ〜ｃの少なくとも１つよりも導入側に配置されており、複数の第１の蒸着源２１ａ〜ｃの少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源２２ａ〜ｃの少なくとも１つよりも排出側に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、化合物半導体膜の製造装置、および太陽電池の製造方法に関する。

従来から、化合物半導体薄膜であるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂を光吸収層として用いた太陽電池が知られている。また、これらの薄膜を作製する方法として、基板を移動させながら薄膜を形成するインライン型の薄膜製造方法が広く知られている（例えば非特許文献１参照）。
デベロップメントオブラージ−エリアＣＩＧＳモジュールズ、Ｍ．ポワラ、Ｂ．ディムラー、ソーラーエネルギーマテリアルズ＆ソーラーセルズ（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅ−ａｒｅａＣＩＧＳｍｏｄｕｌｅｓ，Ｍ．Ｐｏｗａｌｌａ，Ｂ．ｄｉｍｍｌｅｒ，ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ＆ＳｏｌａｒＣｅｌｌｓＶｏｌ．７５，ｐ．２７（２００３））

上記従来の方法では、各元素ごとの蒸着源が、基板の搬送方向に沿って並べられているために、各元素が順番に基板上に堆積する。このため、従来の方法では、膜厚方向の組成分布、とりわけIII族元素であるＩｎとＧａの分布を制御することが難しかった。

本発明は、上記従来の問題を解決するため、組成分布のよい化合物半導体薄膜を製造できる製造装置、および組成分布のよい化合物半導体からなる光吸収層を備える太陽電池を製造できる製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の製造装置は、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体膜を基体上に製造する製造装置であって、反応室と、前記基体を前記反応室に導入する導入側から前記基体を前記反応室から排出する排出側に向かって前記基体を移動させる移動手段と、前記反応室内に設けられた、前記Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源と、前記反応室内に設けられた、前記Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源と、前記反応室内に設けられた、前記Ｉ族元素を蒸着するための第３の蒸着源と、前記反応室内に設けられた、前記VI族元素を蒸着するための第４の蒸着源とを含み、複数の前記第１の蒸着源と複数の前記第２の蒸着源とはマトリクス状に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記導入側に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記排出側に配置されていることを特徴とする。

上記製造装置では、複数の前記第１の蒸着源の一部と、複数の前記第２の蒸着源の一部とが、前記基体の移動方向に対して垂直に配列されていてもよい。

上記製造装置では、前記第３の蒸着源が、前記第１および第２の蒸着源よりも前記排出側に配置されており、前記第４の蒸着源が、前記第３の蒸着源よりも前記排出側に配置されていてもよい。

上記製造装置では、前記Ｉ族元素がＣｕであり、前記VI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。

また、太陽電池を製造するための本発明の方法は、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体からなる光吸収層を備える太陽電池の製造方法であって、基体を移動させながら、前記Ｉ族元素と前記VI族元素とＩｎとＧａとを前記基体上に供給することによって前記光吸収層を形成する工程を含み、前記Ｉｎおよび前記Ｇａは、それぞれ、前記Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源および前記Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源から供給され、複数の前記第１の蒸着源と複数の前記第２の蒸着源とはマトリクス状に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記基体の移動方向の上流側に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記基体の移動方向の下流側に配置されていることを特徴とする。

本発明の化合物半導体膜の製造装置によれば、太陽電池の半導体層に適した分布を持つＩ−III−VI族化合物半導体薄膜を容易に製造できる。また、本発明の製造方法によれば、特性が高い太陽電池が得られる。

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。

（実施形態１）
実施形態１では、本発明の化合物半導体膜の製造装置について、一例を説明する。

実施形態１の製造装置は、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体薄膜を基体上に製造する製造装置である。この装置は、導入側から排出側に向かって基体を移動させるための移動手段と、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを蒸着するための蒸着手段とを含む。この蒸着手段は、Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源と、Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源と、Ｉ族元素を蒸着するための蒸着源と、VI族元素を蒸着するための蒸着源を含む。なお、VI族元素の一部または全部は、蒸着時の雰囲気ガスから供給されてもよい。

Ｉ族元素には、Ｃｕを用いることができる。VI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。なお、必要に応じて、他の元素をさらに基体上に供給してもよい。

複数の第１の蒸着源と複数の第２の蒸着源とはマトリクス状に配置されている。そして、複数の第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源の少なくとも１つよりも導入側に配置されており、複数の第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源の少なくとも１つよりも排出側に配置されている。

本発明の製造装置について、一例の模式図を図１に示す。

図１を参照して、製造装置１０は、基体導入室１１と、反応室１２と、基体排出室１３と、反応室１２内に配置された複数の蒸着源群１４と、ヒータ１５と、基体移動機構（図示せず）とを備える。

基体導入室１１および基体排出室１３は、それぞれ基体（基板を含む）１６の導入と排出をするための部分である。基体導入室１１、反応室１２および基体排出室１３は、必要に応じて、排気装置（図示せず）によって略真空に排気される。

基体移動機構は、上流側である基体導入室１１から下流側である基体排出室１３に向かって基体１６を移動させる。基体移動機構には、たとえば、ローラなどを用いることができる。

蒸着源群１４は、Ｉ族元素とIII族元素（ＩｎとＧａとを含む）とVI族元素とを含む元素を基体１６上に蒸着するための蒸着手段として機能する。蒸着源群１４を構成する各蒸着源には、たとえば、蒸着用の坩堝や、抵抗加熱ボートを用いることができる。

図１の装置では、反応室１２内に基体を導入したのち、基体１６をヒータ１５で加熱しながら蒸着源群１４からＩ族元素、III族元素およびVI族元素を供給することによって、基体１６上に化合物半導体薄膜を形成できる。太陽電池を製造する場合、基体１６には、以下の実施形態２で説明する基体が用いられる。

蒸着源群１４のそれぞれの蒸着源は、マトリクス状に配置されている。蒸着源群１４の一例について装置上方から見た配置を図２に示す。

図２の例では、Ｉｎの蒸着源２１ａ〜ｃと、Ｇａの蒸着源２２ａ〜ｃと、Ｃｕの３つの蒸着源２３と、Ｓｅの３つの蒸着源２４とが、３×４列のマトリクス状に配置されている。具体的には、各蒸着源は、基体１６の移動方向Ａに対して垂直な方向に３個ずつ配列されている。

Ｉｎの蒸着源のうち蒸着源２２ｂは、Ｇａの蒸着源２２ａおよびｃよりも基体１６の導入側に配置されている。また、Ｉｎの蒸着源のうち蒸着源２２ａおよびｃは、Ｇａの蒸着源２２ｂよりも基体１６の排出側に配置されている。このような配列とすることによって、ＩｎとＧａとがほぼ均一に分布した化合物半導体膜を製造できる。また、Ｉ族元素（Ｃｕ）の蒸着源２３は、蒸着源２２ａ〜ｃおよび２３ａ〜ｃよりも基体１６の排出側に配置されており、VI族元素（Ｓｅ）の蒸着源２４は、Ｃｕの蒸着源２３よりも基体１６の排出側に配置されている。

図２に示す蒸着源群１４の上を通過する基体１６上には、まず、ＩｎおよびＧａが主に堆積し、その次にＣｕが主に堆積し、その次にＳｅが主に堆積する。堆積した元素は、拡散し、元素分布がほぼ均一な化合物半導体膜が形成される。この製造装置によって製造される化合物半導体膜は、Ｉ族元素とIII族元素とVI族元素とを含むカルコパイライト構造半導体膜であり、たとえば、ＣｕＩｎＳｅ₂、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ₂、またはこれらのＳｅの一部をＳで置換した半導体からなる膜である。

実施形態１の製造装置によれば、ＩｎとＧａとが均一性よく分布したＩ−III−VI族化合物半導体膜を形成できる。この化合物半導体膜は以下で説明するように、太陽電池の光吸収層に好適である。そのため、実施形態１の製造装置は、太陽電池の製造装置として好適である。

（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の製造方法は、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体からなる光吸収層を備える太陽電池の製造方法でる。この製造方法は、基体を移動させながら、Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを基体上に供給することによって光吸収層を形成する工程を含む。そして、ＩｎおよびＧａは、Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源と、Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源とから供給される。複数の第１の蒸着源と複数の第２の蒸着源とはマトリクス状に配置されている。複数の第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源の少なくとも１つよりも基体の移動方向の上流側に配置されており、複数の第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の第２の蒸着源の少なくとも１つよりも基体の移動方向の下流側に配置されている。光吸収層を形成するこの工程は、実施形態１の製造装置を用いることによって、容易に実施できる。

以下、太陽電池の製造方法の一例について、図３を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示すように、基体１６を用意する。基体１６は、基板１６ａと、基板１６ａ上に形成された第１の電極層１６ｂとを少なくとも備える。基板１６ａには、たとえば、ステンレス基板やガラス基板やポリイミド基板を用いることができる。第１の電極層１６ｂは、たとえば、Ｍｏを蒸着することによって形成できる。

次に、図３（ｂ）に示すように、基体１６上に、化合物半導体層（光吸収層）３１を形成する。この化合物半導体層３１は、Ｉ−III−VI族化合物半導体からなるｐ形の半導体層であり、実施形態１の製造装置を用いて容易に製造できる。

次に、図３（ｃ）に示すように、化合物半導体層３１上に、窓層３２と第２の電極層３３とを順次形成する。窓層３２には、ＣｄＳ、ＺｎＯ、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ）、Ｚｎ（Ｏ，ＯＨ，Ｓ）、またはＺｎＭｇＯ等を用いることができ、これらは、化学浴析出法またはスパッタリング法で形成できる。第２の電極層３３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、スパッタリング法などによって形成できる。このようにして、太陽電池を製造できる。なお、必要に応じて、取り出し電極を形成したり、集積型としたりしてもよい。

次に、本発明の製造装置を用いて作製したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂膜について、膜厚方向の元素分布を二次イオン質量分析法によって分析した結果の一例を図４に示す。また、比較例の製造装置を用いて作製したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂膜の元素分布の分析結果の一例を図５に示す。この比較例の製造装置は、各元素の蒸着源を一列ごとに並べた製造装置である。

図４および５に示すように、本発明の製造装置で製造したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂膜は、比較例の装置で製造したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂膜よりも元素、とりわけＧａが膜厚方向に対して均一に分布していた。

また、本発明の装置を用いて作製したＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂膜を用いた太陽電池は従来例よりも高い変換効率を示した。

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。

たとえば、実施形態で説明した蒸着源の配置は一例であり、これに限定されない。本発明の製造装置は、基板の搬送方向に垂直な方向に同一元素の蒸着源が並べられていないものであればよい。

本発明は、化合物半導体膜の製造装置および太陽電池の製造方法に適用できる。

本発明の製造装置について、一例を示す模式図である。図１の製造装置の蒸着源群の配置を示す模式図である。本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す工程断面図である。本発明の製造装置で製造された化合物半導体薄膜の一例について膜厚方向の元素分布を示す図である。比較例の製造装置で製造された化合物半導体薄膜の一例について膜厚方向の元素分布を示す図である。

符号の説明

１０製造装置
１１基体導入室
１２反応室
１３基体排出室
１４蒸着源群（元素供給手段）
１５ヒータ（加熱手段）
１６基体
１６ａ基板
１６ｂ第１の電極層
２１ａ〜ｃＩｎの蒸着源
２２ａ〜ｃＧａの蒸着源
２３Ｃｕの蒸着源
２４Ｓｅの蒸着源
３１化合物半導体層
３２窓層
３３第２の電極層
Ａ基板の移動方向

Claims

Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体膜を基体上に製造する製造装置であって、
反応室と、
前記基体を前記反応室に導入する導入側から前記基体を前記反応室から排出する排出側に向かって前記基体を移動させる移動手段と、
前記反応室内に設けられた、前記Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源と、
前記反応室内に設けられた、前記Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源と、
前記反応室内に設けられた、前記Ｉ族元素を蒸着するための第３の蒸着源と、
前記反応室内に設けられた、前記VI族元素を蒸着するための第４の蒸着源と、
を含み、
複数の前記第１の蒸着源と複数の前記第２の蒸着源とは、マトリクス状に配置されており、
複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記導入側に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記排出側に配置されていることを特徴とする化合物半導体膜の製造装置。
複数の前記第１の蒸着源の一部と、複数の前記第２の蒸着源の一部とが、前記基体の移動方向に対して垂直に配列されている請求項１に記載の化合物半導体膜の製造装置。
前記第３の蒸着源が、前記第１および第２の蒸着源よりも前記排出側に配置されており、
前記第４の蒸着源が、前記第３の蒸着源よりも前記排出側に配置されている請求項１または２に記載の化合物半導体膜の製造装置。
前記Ｉ族元素がＣｕであり、前記VI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３のいずれかに記載の化合物半導体膜の製造装置。
Ｉ族元素とVI族元素とＩｎとＧａとを含む化合物半導体からなる光吸収層を備える太陽電池の製造方法であって、
基体を移動させながら、前記Ｉ族元素と前記VI族元素とＩｎとＧａとを前記基体上に供給することによって前記光吸収層を形成する工程を含み、
前記Ｉｎおよび前記Ｇａは、それぞれ、前記Ｉｎを蒸着するための複数の第１の蒸着源および前記Ｇａを蒸着するための複数の第２の蒸着源から供給され、
複数の前記第１の蒸着源と複数の前記第２の蒸着源とはマトリクス状に配置されており、
複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記基体の移動方向の上流側に配置されており、複数の前記第１の蒸着源の少なくとも１つが、複数の前記第２の蒸着源の少なくとも１つよりも前記基体の移動方向の下流側に配置されていることを特徴とする太陽電池の製造方法。