JP2005347566A - Solar battery and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は太陽電池とその製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
Ib族元素、IIIb族元素およびVIb族元素からなる化合物半導体層(カルコパイライト構造化合物半導体薄膜)を光吸収層に用いた薄膜太陽電池が報告されている。例えば、上記化合物半導体の1種として、CuInSe2(以下、「CIS」ともいう)、あるいは、CISにGaを固溶させたCu(In,Ga)Se2(以下、「CIGS」ともいう)が挙げられる。上記CISまたはCIGSを光吸収層に用いた薄膜太陽電池(以下、「CIS系太陽電池」ともいう)はエネルギー変換効率が高く、また、光照射等による変換効率の劣化がないなど特性に優れることが知られている。CIS、CIGSなどの化合物半導体はp形半導体であり、上記p形半導体層とpn接合するようにn形半導体層を形成することによって、p形半導体層を光吸収層とする太陽電池を得ることができる(例えば、特許文献1などに記載)。
しかしながら、光吸収層であるp形半導体層上、例えば、CIGS薄膜上にスパッタなどの方法を用いてn形半導体層を形成した場合、CIGS薄膜の表面に存在する欠陥などによって安定したpn接合を形成することが出来ない可能性がある。上記pn接合の状態が乱れると、十分な太陽電池特性(例えば、変換効率)が得られない可能性がある。 However, when an n-type semiconductor layer is formed on a p-type semiconductor layer that is a light absorption layer, for example, on a CIGS thin film using a method such as sputtering, a stable pn junction is formed due to defects present on the surface of the CIGS thin film. There is a possibility that it cannot be formed. If the state of the pn junction is disturbed, sufficient solar cell characteristics (for example, conversion efficiency) may not be obtained.
このような状況に鑑み、本発明は、光吸収層であるp形半導体層とn形半導体層との間に従来よりも良好なpn接合が形成され、変換効率などの特性に優れる太陽電池とその製造方法とを提供することを目的とする。 In view of such a situation, the present invention provides a solar cell in which a pn junction better than the conventional one is formed between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, which are light absorption layers, and is excellent in characteristics such as conversion efficiency. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method thereof.
本発明の太陽電池は、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に配置されたp形半導体層と、前記p形半導体層と前記第2の電極層との間に配置されたn形半導体層と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Znとを含む化合物半導体層であり、前記p形半導体層に含まれるZnの濃度が、前記p形半導体層の膜厚方向に、前記第1の電極層から前記n形半導体層に向かって高濃度になるように組成勾配しており、前記p形半導体層の電子親和力をχ1(eV)、前記n形半導体層の電子親和力をχ2(eV)としたときに、χ1およびχ2が、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たすことを特徴としている。
The solar cell of the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, a p-type semiconductor layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, and the p-type. A solar cell including a semiconductor layer and an n-type semiconductor layer disposed between the second electrode layer, wherein the p-type semiconductor layer comprises a group Ib element, a group IIIb element, a group VIb element, and Zn. The concentration of Zn contained in the p-type semiconductor layer is increased in the film thickness direction of the p-type semiconductor layer from the first electrode layer toward the n-type semiconductor layer. When the electron affinity of the p-type semiconductor layer is χ1 (eV) and the electron affinity of the n-type semiconductor layer is χ2 (eV), χ1 and χ2 are expressed by the
次に、本発明の太陽電池の製造方法は、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に配置されたp形半導体層と、前記p形半導体層と前記第2の電極層との間に配置されたn形半導体層とを含む太陽電池の製造方法であって、
(i)基板上に第1の電極層およびp形半導体層を順に積層して、前記基板と前記第1の電極層と前記p形半導体層とを含む第1の積層体を形成する工程と、
(ii)前記p形半導体層にZnをドープする工程と、
(iii)Znをドープした前記p形半導体層を前記第1の電極層とn形半導体層とによって狭持するように前記n型半導体層を積層し、積層した前記n形半導体層を前記p形半導体層と第2の電極層とによって狭持するように前記第2の電極層を積層して第2の積層体を形成する工程とを含み、前記p形半導体層は、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であり、前記工程(iii)において、電子親和力がχ2(eV)であるn形半導体層を積層することを特徴としている。ただし、本発明の太陽電池の製造方法において、χ2は、前記p形半導体層の電子親和力をχ1(eV)とした場合に、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たす正の数値である。
Next, the method for manufacturing a solar cell according to the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, and a p-type semiconductor disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. A method for manufacturing a solar cell, comprising: a layer; and an n-type semiconductor layer disposed between the p-type semiconductor layer and the second electrode layer,
(I) a step of sequentially stacking a first electrode layer and a p-type semiconductor layer on a substrate to form a first stacked body including the substrate, the first electrode layer, and the p-type semiconductor layer; ,
(Ii) doping the p-type semiconductor layer with Zn;
(Iii) The n-type semiconductor layer is stacked so that the p-type semiconductor layer doped with Zn is sandwiched between the first electrode layer and the n-type semiconductor layer, and the stacked n-type semiconductor layer is the p-type semiconductor layer. Laminating the second electrode layer so as to be sandwiched between the type semiconductor layer and the second electrode layer to form a second stacked body, and the p-type semiconductor layer includes a group Ib element and A compound semiconductor layer containing a group IIIb element and a group VIb element, and in the step (iii), an n-type semiconductor layer having an electron affinity of χ 2 (eV) is stacked. However, in the method for manufacturing a solar cell of the present invention, χ2 has the relationship represented by the
本発明によれば、変換効率などの特性に優れる太陽電池とその製造方法とを提供することができる。特にこの発明によれば、高効率化が可能なCISまたはCIGS太陽電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solar cell excellent in characteristics, such as conversion efficiency, and its manufacturing method can be provided. In particular, according to the present invention, it is possible to provide a CIS or CIGS solar cell capable of increasing efficiency.
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。なお、以下の説明において、同一の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts may be denoted by the same reference numerals and overlapping description may be omitted.
最初に、本発明の太陽電池について説明する。 First, the solar cell of the present invention will be described.
本発明の太陽電池の一例を図1に示す。図1に示す太陽電池1は、第1の電極層12と、第2の電極層16と、第1の電極層12と第2の電極層16との間に配置されたp形半導体層13と、第2の電極層16とp形半導体層13との間に配置されたn形半導体層15とを含んでいる。各層は基板11の上に形成されている。p形半導体層13はIb族元素と、IIIb族元素と、VIb族元素と、Zn(亜鉛)とを含んでいる。p形半導体層13は、例えば、カルコパイライト結晶構造を有する化合物半導体層である。ここで、p形半導体層13に含まれるZnの濃度が、p形半導体層13の膜厚方向に、第1の電極層12からn形半導体層15に向かって高濃度になるように組成勾配している。また、p形半導体層13の電子親和力をχ1(eV)、n形半導体層15の電子親和力をχ2(eV)としたときに、χ1およびχ2が、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たしている。
An example of the solar cell of the present invention is shown in FIG. A solar cell 1 shown in FIG. 1 includes a
このような太陽電池とすることによって、p形半導体層13とn形半導体層15との間に形成されたpn接合の状態が良好な(例えば、界面の欠陥が少ない)太陽電池とすることができる。このため、変換効率などの特性に優れる太陽電池とすることができる。
By using such a solar cell, a solar cell in which the state of the pn junction formed between the p-
なお、p形半導体層13は光吸収層であり、本発明の太陽電池1は、第2の電極層16側から入射する光によって光起電力を発生する太陽電池である。発生した光起電力は、第1の電極層12と電気的に接続された取り出し電極17と、第2の電極層16と電気的に接続された取り出し電極18とを介して外部に伝達することができる。
In addition, the p-
また、図1に示す太陽電池1では、第1の電極層12、p形半導体層13、n形半導体層15および第2の電極層16が基板11の上に配置されているが、本発明の太陽電池では基板11は必ずしも必要ではない。少なくとも、光入射側から順に配置された第2の電極層16、n形半導体層15、p形半導体層13および第1の電極層12が含まれていればよく、基板11は必要に応じて省略することができる。取り出し電極17および18についても基板11と同様に、必要に応じて省略できる。なお、本発明の太陽電池1では、上述した各層の間に、必要に応じて任意の層が配置されていてもよい。
Further, in the solar cell 1 shown in FIG. 1, the
本発明の太陽電池では、p形半導体層13は、Ib族元素と、IIIb族元素と、VIb族元素と、Znとを含む、カルコパイライト構造を有する化合物半導体層である。p形半導体層13が上記各元素を含む形態(p形半導体層13における上記各元素の状態)は特に限定されない。例えば、Ib族元素と、IIIb族元素と、VIb族元素とを含むp形の化合物半導体(I−III−VI化合物半導体)にZnがドープされたp形半導体層13であればよい。
In the solar cell of the present invention, the p-
p形半導体層13におけるZnの分布は、例えばZnの濃度が、p形半導体層13の膜厚方向に、第1の電極層12からn形半導体層15に向かって高濃度になるように組成勾配していればよい。なかでも、p形半導体層13における第1の電極層12に面する主面の近傍において、Znの濃度がほぼ0であることが好ましい。Znの濃度をほぼ0とすることによって、p形半導体層13とn形半導体層15との間に形成されたpn接合の状態をより良好にすることができる。I−III−VI化合物半導体にZnがドープされたp形半導体層13である場合、p形半導体層13におけるZnのドープ量が、p形半導体層13の膜厚方向に、第1の電極層12からn形半導体層15に向かって高くなるように勾配している、ともいえる。このようなp形半導体層13は、例えば、後述する本発明の太陽電池の製造方法によって得ることができる。なお、Znの組成勾配は、連続的であっても段階的であってもよい。
The distribution of Zn in the p-
また、図2に示すように、p形半導体層13が、Znを相対的に多く含む第1の領域14bと、Znを相対的に少なく含む第2の領域14aとを含み、第1の領域14bがp形半導体層13におけるn形半導体層15に面する主面22の近傍に配置されていてもよい。p形半導体層13とn形半導体層15との間に形成されたpn接合の状態をより良好にすることができる。なかでも第2の領域14aがZnをほぼ含まないことが好ましい。このようなp形半導体層13は、例えば、後述する本発明の太陽電池の製造方法によって形成することができる。具体的な説明は後述するが、例えば、図4(b)に示すように、p形半導体層の主面22からZnをドープさせればよい。Znをドープさせた距離(ドープ距離)を、図2に示す第1の領域14bの厚さdとすることができる。第1の領域14bは、後述するZnドープ層であるともいえる。第1の領域14bの厚さdは、例えば、3nm〜30nm程度の範囲である。
In addition, as shown in FIG. 2, the p-
換言すれば、本発明の太陽電池は、図3に示すように、第1の電極層12と、第2の電極層16と、第1の電極層12と第2の電極層16との間に配置されたp形半導体層13と、第2の電極層16とp形半導体層13との間に配置されたn形半導体層15とを含み、p形半導体層13は、Znを相対的に多く含む第1の領域(Znドープ層)14bと、Znを相対的に少なく含む第2の領域14aとを含み、第1の領域14bはn形半導体層15に面するように配置されているともいえる。
In other words, as shown in FIG. 3, the solar cell of the present invention is provided between the
p形半導体層13に含まれるIb族元素、IIIb族元素およびVIb族元素の具体的な種類は特に限定されず、例えば、Ib族元素としてCu(銅)を、IIIb族元素としてIn(インジウム)およびGa(ガリウム)から選ばれる少なくとも1つの元素を、VIb族元素としてSe(セレン)およびS(硫黄)から選ばれる少なくとも1つの元素を含んでいればよい。より具体的には、例えば、CuInSe2やCu(In,Ga)Se2、あるいは、Seの一部をSで置換した化合物半導体であればよい。このような太陽電池はCISあるいはCIGS太陽電池であり、より変換効率に優れる太陽電池とすることができる。p形半導体層13の厚さは、例えば、0.4μm〜3.5μm程度の範囲である。p形半導体層13の形状は特に限定されず、任意に設定すればよい。その他の層の形状についてもp形半導体層13と同様に、特に限定されない。
Specific types of the Ib group element, IIIb group element, and VIb group element contained in the p-
n形半導体層15は、p形半導体層13とpn接合を形成でき、かつ、p形半導体層13の電子親和力をχ1(eV)、n形半導体層15の電子親和力をχ2(eV)としたときに、χ1およびχ2が、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たす限り、その組成などは特に限定されない。なかでも、ZnとMgとOとを含むn形半導体層15であることが好ましい。このような太陽電池では、p形半導体層13とn形半導体層15との間で、より理想的な電子親和力を有するpn接合を形成することができる。このため、変換効率などの特性により優れる太陽電池とすることができる。電子親和力が上記χ2であるn形半導体層15としては、例えば、p形半導体層13がCu(In,Ga)Se2であるときに、式Zn0.9Mg0.1Oで示される組成を有するn形半導体層15が挙げられる。
The n-
ZnとMgとOとを含むn形半導体層15の具体的な組成は特に限定されないが、なかでも、式Zn1-xMgxAyOで示される組成を有するn形半導体層であることが好ましい。ただし、上記式において、Aは、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)およびBa(バリウム)から選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは、式0.05≦x≦0.35で示される関係を満たす数値であり、yは、式0.00005≦y≦0.005で示される関係を満たす数値である。このような太陽電池では、さらに、n形半導体層16の電気抵抗を低減することができる。このため、電池全体としての電気伝導性に優れ、変換効率などの特性により優れる太陽電池とすることができる。なお、上記組成式において、O(酸素)以外の元素と酸素との間に化学量論比が成立している必要は必ずしもなく、例えば、酸素が一部欠損していてもよい。なお、n形半導体層15の厚さは、例えば、50nm〜0.3μmの範囲であればよい。
Although the specific composition of the n-
基板11に用いる材料は特に限定されず、太陽電池に一般的に用いる材料であればよい。例えば、ガラス基板、ステンレス基板、ポリイミド基板などを用いればよい。なお、製造したい太陽電池が集積形であり、かつ、基板が導電性の基板(例えばステンレス基板)である場合には、基板の表面に絶縁層を形成するか、基板の表面を絶縁化する処理を予め行う必要がある。
The material used for the board |
第1の電極層12に用いる材料は、導電性を有する限り特に限定されず、例えば、体積抵抗率が6×106Ω・cm以下の金属、半導体などを用いればよい。具体的には、例えば、第1の電極層12としてMo(モリブデン)を用いればよい。第1の電極層12の厚さは、例えば、0.1μm〜1μm程度の範囲であればよい。
The material used for the
光入射側に配置されている第2の電極層16としては、例えば、透光性を有する導電材料を用いればよい。なお、ここでいう「透光性」とは、太陽電池に入射する帯域の光に対する透光性であればよい。具体的には、例えば、インジウム・スズ酸化物(ITO)やZnO、あるいは、これらの材料の積層膜を用いればよい。第2の電極層16の厚さは、例えば、0.1μm〜0.3μm程度の範囲であればよい。
As the
取り出し電極17および18に用いる材料は特に限定されず、太陽電池に一般的に用いる材料であればよい。例えば、NiCr、Ag、Au、Alなどを用いればよい。
The material used for
次に、本発明の太陽電池の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the solar cell of this invention is demonstrated.
本発明の太陽電池の製造方法は、第1の電極層と、第2の電極層と、第1の電極層と第2の電極層との間に配置されたp形半導体層と、p形半導体層と第2の電極層との間に配置されたn形半導体層とを含む太陽電池の製造方法である。p形半導体層は、Ib族元素と、IIIb族元素と、VIb族元素とを含み、カルコパイライト構造を有する化合物半導体層である。 The method for manufacturing a solar cell according to the present invention includes a first electrode layer, a second electrode layer, a p-type semiconductor layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, and a p-type. It is a manufacturing method of the solar cell containing the n-type semiconductor layer arrange | positioned between the semiconductor layer and the 2nd electrode layer. The p-type semiconductor layer is a compound semiconductor layer that includes a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element and has a chalcopyrite structure.
図4(a)〜図4(c)に、本発明の太陽電池の製造方法の一例を示す。 An example of the manufacturing method of the solar cell of this invention is shown to Fig.4 (a)-FIG.4 (c).
最初に、図4(a)に示すように、基板11上に第1の電極層12およびp形半導体層13を順に積層して、基板11と第1の電極層12とp形半導体層13とを含む積層体21を形成する(工程(i))。
First, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、p形半導体層13にZnをドープする(工程(ii))。
Next, as shown in FIG. 4B, the p-
次に、図4(c)に示すように、Znをドープしたp形半導体層13を第1の電極層12とn形半導体層15とによって狭持するようにn形半導体層15を積層する。図4(c)に示す例では、p形半導体層13上にn形半導体層15を積層している。このとき積層するn形半導体層15は、p形半導体層13の電子親和力をχ1(eV)、n形半導体層15の電子親和力をχ2(eV)とした場合に、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たす層である。
Next, as shown in FIG. 4C, the n-
続いて、積層したn形半導体層15をp形半導体層13と第2の電極層16とによって狭持するように第2の電極層を積層して積層体23を形成する。図4(c)に示す例では、n形半導体層15上に第2の電極層16を積層している。
Subsequently, the second electrode layer is stacked so that the stacked n-
このような製造方法では、工程(ii)においてp形半導体層13にZnをドープすることによって、p形半導体層13と、工程(iii)において積層するn形半導体層15との間に従来よりも良好な(例えば、界面の欠陥が少ない)pn接合を形成することができる。このため、変換効率などの特性に優れる太陽電池を製造することができる。なお、本発明の製造方法によって得られる太陽電池は、p形半導体層13が光吸収層であり、第2の電極層16側から入射する光によって光起電力を発生する太陽電池である。また、本発明の製造方法では、必要に応じて、取り出し電極17および/または18を形成してもよい。図1および/または図3に示すような本発明の太陽電池1を製造することができる。取り出し電極17および18を形成する方法は、各取り出し電極が各電極層と電気的に接続できる限り特に限定されず、一般的な方法を用いればよい。また、太陽電池を構成する各層の間に、必要に応じて任意の層を積層してもよい。
In such a manufacturing method, the p-
基板11に用いる材料は特に限定されず、太陽電池に一般的に用いる材料であればよい。例えば、ガラス基板、ステンレス基板、ポリイミド基板などを用いればよい。なお、製造したい太陽電池が集積形であり、かつ、基板が導電性の基板(例えばステンレス基板)である場合には、基板の表面に絶縁層を形成するか、基板の表面を絶縁化する処理を予め行う必要がある。
The material used for the board |
工程(i)における第1の電極層12の積層には、太陽電池の製造に一般的に使用される手法を用いればよく、例えば、スパッタリング法や蒸着法などを用いればよい。第1の電極層12に用いる材料は、導電性を有する限り特に限定されず、例えば、体積抵抗率が6×106Ω・cm以下の金属、半導体などを用いればよい。具体的には、例えば、第1の電極層12としてMo(モリブデン)を積層すればよい。第1の電極層12の形状は特に限定されず、太陽電池として必要な形状に応じて任意の形状に積層すればよい。積層の形状については、第1の電極層12以外の層についても同様である。積層する第1の電極層12の厚さは、例えば、0.1μm〜1μm程度の範囲であればよい。
For the lamination of the
工程(i)におけるp形半導体層13の積層には、太陽電池の製造に一般的に使用される手法を用いればよく、例えば、蒸着法やセレン化法などを用いればよい。p形半導体層13に用いる材料は、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とを主要な構成元素とし、カルコパイライト構造を有する化合物半導体であれば特に限定されない。具体的には、例えば、Cu(銅)と、InおよびGaから選ばれる少なくとも1つの元素と、Se(セレン)およびS(硫黄)から選ばれる少なくとも1つの元素とを含むp形半導体層13を積層すればよい。より具体的には、例えば、CuInSe2やCu(In,Ga)Se2、あるいは、Seの一部をSで置換した化合物半導体をp形半導体層13として積層すればよい。このような製造方法ではCISあるいはCIGSの太陽電池が得られるため、より変換効率に優れる太陽電池を製造することができる。積層するp形半導体層13の厚さは、例えば、0.4μm〜3.5μm程度の範囲である。
For the lamination of the p-
工程(ii)においてZnをドープするp形半導体層13の領域は特に限定されず、例えば、p形半導体層13における一部の領域にZnをドープすればよい。例えば、p形半導体層13に含まれるZnの濃度が、p形半導体層13の膜厚方向に、第1の電極層12側から高濃度になるように(濃度勾配を有するように)Znをドープすればよい。なかでも、図4(b)に示すように、p形半導体層13における第1の電極層12に面している主面とは反対側の主面22の近傍に、Znをドープすることが好ましい。このような製造方法によって、p形半導体層13とn形半導体層15との間に、より良好にpn接合を形成することができるため、変換効率などの特性により優れる太陽電池を製造することができる。なお、主面の近傍とは、例えば、図4(b)において、p形半導体層13における主面22からの距離(ドープ距離:図2に示すdが上記距離に相当する)が、例えば、3nm〜30nm程度の範囲をいう。ドープ距離は、p形半導体層13の全域において一定である必要はなく、部分的にばらつきがあってもよい。
The region of the p-
p形半導体層13における一部の領域にZnをドープする場合、工程(ii)は、p形半導体層にZnをドープすることによって、p形半導体層の内部にZnドープ層を形成する工程であるともいえる。このとき、p形半導体層における第1の電極層に面している主面とは反対側の主面の近傍に、Znドープ層を形成することが好ましい。形成するZnドープ層の厚さは、上述したドープ距離と同様であればよい。なお、この製造方法では、例えば、図3に示すような太陽電池を製造することができる。この場合、Znドープ層は、図3に示す第1の領域14bに相当する層である。
When doping a part of the p-
工程(ii)においてp形半導体層13へドープするZnの量は特に限定されない。Znがドープされたp形半導体層13の領域において、Znのドープ量が、例えば、1(at%)〜15(at%)程度の範囲であればよい。
The amount of Zn doped into the p-
工程(ii)においてp形半導体層13へZnをドープする方法は特に限定されない。例えば、p形半導体層13へZnをイオン照射すればよい。このとき、照射するZnイオンのエネルギーなどを制御することによって、ドープ距離やドープ量を制御することができる。
The method of doping the p-
また、Znを含む溶液とp形半導体層13とを接触させることによって、p形半導体層13にZnをドープしてもよい。このとき、Znを含む溶液の濃度や、上記溶液とp形半導体層13とを接触させる時間などを制御することによって、Znのドープ距離やドープ量を制御することができる。また、このような製造方法では、Znをより均一にドープすることができる。また、ドープ距離をより小さくする(即ち、p形半導体層13におけるZnがドープされた領域(例えば、Znドープ層)をより薄くする)ことができる。
Alternatively, the p-
より具体的には、例えば、Znを含む溶液に、工程(i)において形成した積層体21を浸漬することによって、p形半導体層13にZnをドープしてもよい。このような製造方法では、より簡便にZnをドープすることができるため、製造コストに優れる製造方法とすることができる。
More specifically, for example, the p-
Znを含む溶液は特に限定されず、例えば、Znイオンを含む溶液であればよい。具体的には、例えば、Znの硫酸化物(硫酸亜鉛)、塩化物(塩化亜鉛)、ヨウ化物(ヨウ化亜鉛)、臭化物(臭化亜鉛)、硝酸化物(硝酸亜鉛)および酢酸化物(酢酸亜鉛)から選ばれる少なくとも1つの化合物の水溶液であればよい。上記水溶液の濃度は特に限定されない。例えば、上記水溶液におけるZnイオンの濃度が0.01mol/L〜0.03mol/Lの範囲であればよい。上記濃度範囲において、より良好なZnドープ層を形成することができる。なお、Znを含む溶液に積層体21を浸漬する時間は特に限定されず、必要なドープ距離(あるいは、必要なZnドープ層の厚さ)に応じて任意に設定すればよい。
The solution containing Zn is not particularly limited, and may be a solution containing Zn ions, for example. Specifically, for example, Zn sulfate (zinc sulfate), chloride (zinc chloride), iodide (zinc iodide), bromide (zinc bromide), nitrate (zinc nitrate) and acetate (zinc acetate) The aqueous solution of at least one compound selected from The concentration of the aqueous solution is not particularly limited. For example, the concentration of Zn ions in the aqueous solution may be in the range of 0.01 mol / L to 0.03 mol / L. In the above concentration range, a better Zn doped layer can be formed. In addition, the time which immerses the
工程(iii)におけるn形半導体層15の積層には、太陽電池の製造に一般的に使用される手法、例えば、蒸着法やスパッタリング法を用いればよい。積層するn形半導体層15の厚さは、例えば、50nm〜0.3μmの範囲であればよい。
For the lamination of the n-
なかでも、工程(iii)において、ZnとMgとOとを含むn形半導体層15を積層することが好ましい。このような製造方法では、p形半導体層13とn形半導体層15との間で、より理想的な電子親和力を有するpn接合を形成することができる。このため、変換効率などの特性により優れる太陽電池を製造することができる。
Especially, it is preferable to laminate | stack the n-
ZnとMgとOとを含むn形半導体層15の具体的な組成は特に限定されないが、なかでも、式Zn1-xMgxAyOで示される組成を有するn形半導体層であることが好ましい。ただし、上記式において、Aは、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは、式0.05≦x≦0.35で示される関係を満たす数値であり、yは、式0.00005≦y≦0.005で示される関係を満たす数値である。このような製造方法では、さらに、n形半導体層16の電気抵抗を低減することができる。このため、電池全体としての電気伝導性に優れ、変換効率などの特性により優れる太陽電池を製造することができる。なお、O(酸素)以外の元素と酸素との間に化学量論比が成立している必要は必ずしもなく、例えば、酸素が一部欠損していてもよい。
Although the specific composition of the n-
上記組成を有するn形半導体層15を積層する方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法や蒸着法を用いればよい。スパッタリング法や蒸着法によれば、ターゲット(あるいは蒸着源)の組成を変化させることによって、積層するn形半導体層15の組成を比較的容易に制御することができる。具体的には、例えば、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1つの元素Aと、Znと、Mgと、Oとを含むターゲットを用いればよい。また、異なる組成を有する複数のターゲットを用いてもよい。その他、弱い酸化雰囲気中において、元素AとZnとMgとを含むターゲットを用いてn形半導体層15を形成してもよい。この場合においても異なる組成を有する複数のターゲットを用いてもよい。
The method for laminating the n-
工程(iii)における第2の電極層16の積層には、太陽電池の製造に一般的に使用される手法、例えば、スパッタリング法を用いればよい。光入射側である第2の電極層16としては、例えば、透光性を有する導電材料を積層すればよい。具体的には、例えば、インジウム・スズ酸化物(ITO)やZnO、あるいは、これらの材料の積層膜を積層すればよい。積層する第2の電極層16の厚さは、例えば、0.1μm〜0.3μm程度の範囲であればよい。
For the lamination of the
取り出し電極17および/または18をさらに形成する場合、取り出し電極17および18に用いる材料は特に限定されず、太陽電池に一般的に用いる材料であればよい。例えば、NiCr、Ag、Au、Alなどを配置して取り出し電極17および/または18を形成すればよい。形成には、一般的に用いられる方法を用いればよい。取り出し電極17および18を形成した場合、図1および/または図3に示すような太陽電池を製造することができる。
When the
本発明の製造方法では、工程(ii)と工程(iii)との間に、工程(ii)においてp形半導体層13にZnをドープした後の積層体21を熱処理する工程(工程(a))をさらに含んでいてもよい。熱処理を行うことによって、p形半導体層13とn形半導体層15との間により良好なpn接合を形成することができる。
In the manufacturing method of the present invention, between step (ii) and step (iii), a step of heat-treating the
積層体21の熱処理は、形成した積層体21の組成を保持する観点から、不活性ガスの雰囲気下で行うことが好ましい。具体的には、例えば、窒素ガス、希ガス、あるいはこれらのガスを含む雰囲気下で行えばよい。希ガスには、例えば、アルゴンガスを用いればよい。熱処理の温度は、例えば、250℃〜450℃の範囲であり、300℃〜400℃の範囲が好ましい。熱処理の時間は熱処理の温度によっても変わるが、例えば、5分〜30分程度の範囲であればよい。積層体21への熱の印加方法は特に限定されず、例えば、基板11の加熱や積層体21全体の加熱などによって行えばよい。
The heat treatment of the stacked
また、上記熱処理は、工程(iii)の後に、工程(iii)において形成した積層体23に対して行ってもよい。積層体21に対して熱処理を行った場合と同様の効果を得ることができる。また、積層体23に対して熱処理を行った場合、n形半導体層15の特性をより向上させることが可能である。このため、積層体21に対する熱処理と、積層体23に対する熱処理とを併用してもよい。
Moreover, you may perform the said heat processing with respect to the
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下に示す実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
実施例1では、Cu(In,Ga)Se2からなる薄膜にZnイオンを含有する溶液を接触させて、Cu(In,Ga)Se2膜にZnがドープ可能であるかを検証した。
(Example 1)
In Example 1, Cu (In, Ga) to a thin film formed of Se 2 by contacting a solution containing Zn ions and verify Zn can be doped Cu (In, Ga) to Se 2 film.
最初に、ガラス基板上に、第1の電極層としてMo膜(厚さ1μm)を蒸着法によって形成し、形成したMo膜上に、p形半導体層としてCu(In,Ga)Se2膜(厚さ2μm)を多元蒸着法によって形成して、基板と第1の電極層とp形半導体層とを含む積層体を形成した。次に、Znを含む化合物(塩)である硫酸亜鉛(ZnSO4)を含有する水溶液を準備した。溶液中のZnイオンの濃度は0.025mol/Lとした。次に、準備した水溶液を恒温槽中において85℃に保持し、上記積層体を約3分間浸漬させた。浸漬の間、p形半導体層における第1の電極層に面する主面とは反対側の主面(p形半導体層における露出面)と、上記Znを含む水溶液とが接触していることになる。 First, a Mo film (thickness: 1 μm) is formed as a first electrode layer on a glass substrate by a vapor deposition method, and a Cu (In, Ga) Se 2 film (as a p-type semiconductor layer is formed on the formed Mo film. 2 μm in thickness) was formed by multi-source deposition to form a laminate including a substrate, a first electrode layer, and a p-type semiconductor layer. Next, an aqueous solution containing zinc sulfate (ZnSO 4 ), which is a compound (salt) containing Zn, was prepared. The concentration of Zn ions in the solution was 0.025 mol / L. Next, the prepared aqueous solution was kept at 85 ° C. in a thermostatic bath, and the laminate was immersed for about 3 minutes. During immersion, the main surface opposite to the main surface facing the first electrode layer in the p-type semiconductor layer (exposed surface in the p-type semiconductor layer) is in contact with the aqueous solution containing Zn. Become.
その後、上記積層体を取り出し、p形半導体層における第1の電極層に面する主面とは反対側の主面(浸漬の間、上記水溶液が接触していた面)を二次イオン質量分析法(SIMS)を用いて分析した。結果を図5に示す。図5に示すように、上記主面から約20nmの範囲において、Znの存在が確認できた。即ち、上記浸漬によって、ドープ距離約20nm程度の範囲でZnをドープできたことがわかった。(厚さ約20nm程度のZnドープ層をp形半導体層内に形成できたともいえる)。 Thereafter, the stacked body is taken out, and the main surface of the p-type semiconductor layer opposite to the main surface facing the first electrode layer (the surface on which the aqueous solution is in contact during immersion) is subjected to secondary ion mass spectrometry. Analysis using the method (SIMS). The results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, the presence of Zn was confirmed in the range of about 20 nm from the main surface. That is, it was found that Zn could be doped by the above immersion in a doping distance range of about 20 nm. (It can be said that a Zn-doped layer having a thickness of about 20 nm could be formed in the p-type semiconductor layer).
(実施例2)
実施例2では、図1に示すような太陽電池を作製し、その特性を評価した。
(Example 2)
In Example 2, a solar cell as shown in FIG. 1 was produced and its characteristics were evaluated.
最初に、ガラス基板上に、第1の電極層12としてMo膜(厚さ1μm)を配置した。Mo膜の配置には蒸着法を用いた。次に、蒸着法を用い、Mo膜上にp形半導体層13としてCu(In,Ga)Se2膜(厚さ2μm)を配置して、基板と第1の電極層とp形半導体層とを含む積層体を形成した。
First, a Mo film (thickness: 1 μm) was arranged as the
次に、実施例1と同様の硫酸亜鉛溶液を準備し、実施例1と同様にして上記形成した積層体を浸漬させた。 Next, the same zinc sulfate solution as in Example 1 was prepared, and the formed laminate was immersed in the same manner as in Example 1.
次に、硫酸亜鉛溶液から積層体を引き上げて純水で洗浄し、さらに、窒素雰囲気中において400℃で10分間熱処理した。 Next, the laminate was pulled up from the zinc sulfate solution, washed with pure water, and further heat-treated at 400 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere.
次に、ZnOターゲットおよびMgOターゲットを用いた二元スパッタリングによって、上記積層体におけるp形半導体層13上に、n形半導体層15としてZn0.9Mg0.1O膜(厚さ100nm)を形成した。このとき、アルゴンガス雰囲気中(ガス圧2.66Pa(2×10-2Torr))において、ZnOターゲットにはパワー200Wの高周波を印加して、MgOターゲットにはパワー120Wの高周波を印加してスパッタリングを行った。
Next, a Zn 0.9 Mg 0.1 O film (thickness: 100 nm) was formed as the n-
次に、スパッタリング法を用い、n形半導体層15上に第2の電極層16として透光性を有する導電膜であるITO膜(厚さ100nm)を形成した。ITO膜は、アルゴンガス雰囲気中(ガス圧1.07Pa(8×10-3Torr))において、パワー400Wの高周波をターゲットに印加することによって形成した。最後に、NiCr膜とAg膜とを電子ビーム蒸着法を用いてMo膜およびITO膜上に積層することによって、取り出し電極17および18を形成し、図1に示すような太陽電池(サンプル1)を作製した。
Next, an ITO film (thickness: 100 nm), which is a light-transmitting conductive film, was formed as the
上記太陽電池(サンプル1)とは別に、硫酸亜鉛水溶液に浸漬しない(即ち、Znのドープを行わない)太陽電池を比較例として作製した。硫酸亜鉛水溶液への浸漬を省略した他は、サンプル1と全く同様にして作製した。 Separately from the solar cell (sample 1), a solar cell that was not immersed in an aqueous zinc sulfate solution (that is, not doped with Zn) was produced as a comparative example. It was produced in the same manner as Sample 1 except that immersion in the aqueous zinc sulfate solution was omitted.
このようにして作製した2種類の太陽電池に対して、AM(AirMass)1.5、100mW/cm2の疑似太陽光を照射することによって、発電特性を評価した。 The power generation characteristics were evaluated by irradiating the two types of solar cells thus produced with artificial sunlight of AM (Air Mass) 1.5 and 100 mW / cm 2 .
比較例では、短絡電流34.0mA/cm2、開放電圧0.522V、曲線因子(FF)0.391、変換効率6.9%の結果が得られた。これに対して、p形半導体層にZnのドープを行ったサンプル1では、短絡電流34.3mA/cm2、開放電圧0.523V、曲線因子0.634、変換効率11.4%の結果が得られた。よって、p形半導体層にZnをドープさせることによって、太陽電池の発電特性が向上する効果が確認された。 In the comparative example, a short circuit current of 34.0 mA / cm 2 , an open circuit voltage of 0.522 V, a fill factor (FF) of 0.391, and a conversion efficiency of 6.9% were obtained. In contrast, Sample 1 in which the p-type semiconductor layer is doped with Zn has a short circuit current of 34.3 mA / cm 2 , an open circuit voltage of 0.523 V, a fill factor of 0.634, and a conversion efficiency of 11.4%. Obtained. Therefore, the effect of improving the power generation characteristics of the solar cell was confirmed by doping the p-type semiconductor layer with Zn.
なお、実施例1および実施例2では、Znを含む化合物として硫酸亜鉛を用いたが、塩化亜鉛、ヨウ化亜鉛、臭化亜鉛、硝酸亜鉛、酢酸亜鉛などを用いた場合においても同様の効果を得ることができた。 In Example 1 and Example 2, zinc sulfate was used as the compound containing Zn, but the same effect can be obtained when zinc chloride, zinc iodide, zinc bromide, zinc nitrate, zinc acetate, or the like is used. I was able to get it.
以上説明したように、本発明によれば、変換効率などの特性に優れる太陽電池とその製造方法とを提供することができる。特にこの発明によれば、高効率化が可能なCISまたはCIGS太陽電池を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solar cell excellent in characteristics such as conversion efficiency and a manufacturing method thereof. In particular, according to the present invention, it is possible to provide a CIS or CIGS solar cell capable of increasing efficiency.
1 太陽電池
11 基板
12 第1の電極層
13 p形半導体層
14a 第2の領域
14b 第1の領域
15 n形半導体層
16 第2の電極層
17、18 取り出し電極
21、23 積層体
22主面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (18)
前記p形半導体層が、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とZnとを含む化合物半導体層であり、
前記p形半導体層に含まれるZnの濃度が、前記p形半導体層の膜厚方向に、前記第1の電極層から前記n形半導体層に向かって高濃度になるように組成勾配しており、
前記p形半導体層の電子親和力をχ1(eV)、前記n形半導体層の電子親和力をχ2(eV)としたときに、χ1およびχ2が、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たすことを特徴とする太陽電池。 A first electrode layer; a second electrode layer; a p-type semiconductor layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer; the p-type semiconductor layer; and the second electrode layer. A solar cell comprising an n-type semiconductor layer disposed between the electrode layers,
The p-type semiconductor layer is a compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, a group VIb element, and Zn;
The compositional gradient is such that the concentration of Zn contained in the p-type semiconductor layer increases in the thickness direction of the p-type semiconductor layer from the first electrode layer toward the n-type semiconductor layer. ,
When the electron affinity of the p-type semiconductor layer is χ1 (eV) and the electron affinity of the n-type semiconductor layer is χ2 (eV), χ1 and χ2 are expressed by the equation 0 ≦ (χ1-χ2) <0.5. A solar cell characterized by satisfying the indicated relationship.
前記第1の領域は、前記p形半導体層における前記n形半導体層に面する主面の近傍に配置されている請求項1に記載の太陽電池。 The p-type semiconductor layer includes a first region containing a relatively large amount of Zn and a second region containing a relatively small amount of Zn;
2. The solar cell according to claim 1, wherein the first region is disposed in the vicinity of a main surface facing the n-type semiconductor layer in the p-type semiconductor layer.
ただし、前記式において、
Aは、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素であり、
xは、式0.05≦x≦0.35で示される関係を満たす数値であり、
yは、式0.00005≦y≦0.005で示される関係を満たす数値である。 The solar cell according to claim 4, wherein the n - type semiconductor layer has a composition represented by the formula Zn 1-x Mg x A y O.
However, in the above formula,
A is at least one element selected from Ca, Sr and Ba,
x is a numerical value that satisfies the relationship represented by the formula 0.05 ≦ x ≦ 0.35,
y is a numerical value that satisfies the relationship represented by the expression 0.00005 ≦ y ≦ 0.005.
(i)基板上に第1の電極層およびp形半導体層を順に積層して、前記基板と前記第1の電極層と前記p形半導体層とを含む第1の積層体を形成する工程と、
(ii)前記p形半導体層にZnをドープする工程と、
(iii)Znをドープした前記p形半導体層を前記第1の電極層とn形半導体層とによって狭持するように前記n型半導体層を積層し、積層した前記n形半導体層を前記p形半導体層と第2の電極層とによって狭持するように前記第2の電極層を積層して第2の積層体を形成する工程とを含み、
前記p形半導体層は、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であり、
前記工程(iii)において、電子親和力がχ2(eV)であるn形半導体層を積層することを特徴とする太陽電池の製造方法。
ただし、χ2は、前記p形半導体層の電子親和力をχ1(eV)とした場合に、式0≦(χ1−χ2)<0.5で示される関係を満たす正の数値である。 A first electrode layer; a second electrode layer; a p-type semiconductor layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer; the p-type semiconductor layer; and the second electrode layer. A method for producing a solar cell comprising an n-type semiconductor layer disposed between electrode layers,
(I) a step of sequentially stacking a first electrode layer and a p-type semiconductor layer on a substrate to form a first stacked body including the substrate, the first electrode layer, and the p-type semiconductor layer; ,
(Ii) doping the p-type semiconductor layer with Zn;
(Iii) The n-type semiconductor layer is stacked so that the p-type semiconductor layer doped with Zn is sandwiched between the first electrode layer and the n-type semiconductor layer, and the stacked n-type semiconductor layer is the p-type semiconductor layer. Forming the second laminate by laminating the second electrode layer so as to be sandwiched between the shaped semiconductor layer and the second electrode layer,
The p-type semiconductor layer is a compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element,
In the step (iii), an n-type semiconductor layer having an electron affinity of χ 2 (eV) is laminated.
However, χ2 is a positive numerical value satisfying the relationship represented by the formula 0 ≦ (χ1−χ2) <0.5 when the electron affinity of the p-type semiconductor layer is χ1 (eV).
前記p形半導体層における前記第1の電極層に面している主面とは反対側の主面の近傍に、Znをドープする請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 In the step (ii),
The method for manufacturing a solar cell according to claim 7, wherein Zn is doped in the vicinity of a main surface opposite to the main surface facing the first electrode layer in the p-type semiconductor layer.
Znを含む溶液と前記p形半導体層とを接触させることによって、前記p形半導体層にZnをドープする請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 In the step (ii),
The method for manufacturing a solar cell according to claim 7, wherein the p-type semiconductor layer is doped with Zn by bringing a solution containing Zn into contact with the p-type semiconductor layer.
Znを含む溶液に前記第1の積層体を浸漬することによって、前記p形半導体層にZnをドープする請求項9に記載の太陽電池の製造方法。 In the step (ii),
The method for manufacturing a solar cell according to claim 9, wherein the p-type semiconductor layer is doped with Zn by immersing the first stacked body in a solution containing Zn.
(a)前記p形半導体層にZnをドープした前記第1の積層体を熱処理する工程をさらに含む請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 Between the step (ii) and the step (iii),
(A) The manufacturing method of the solar cell of Claim 7 which further includes the process of heat-processing the said 1st laminated body which doped Zn to the said p-type semiconductor layer.
(A)形成した前記第2の積層体を熱処理する工程をさらに含む請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 After the step (iii),
(A) The manufacturing method of the solar cell of Claim 7 which further includes the process of heat-processing the formed said 2nd laminated body.
InおよびGaから選ばれる少なくとも1種の元素と、SeおよびSから選ばれる少なくとも1種の元素と、Cuとを含むp形半導体層を積層する請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 In the step (i),
The method for manufacturing a solar cell according to claim 7, wherein a p-type semiconductor layer containing at least one element selected from In and Ga, at least one element selected from Se and S, and Cu is stacked.
ZnとMgとOとを含むn形半導体層を積層する請求項7に記載の太陽電池の製造方法。 In the step (iii),
The method for manufacturing a solar cell according to claim 7, wherein an n-type semiconductor layer containing Zn, Mg, and O is stacked.
ただし、前記式において、
Aは、Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも1種の元素であり、
xは、式0.05≦x≦0.35で示される関係を満たす数値であり、
yは、式0.00005≦y≦0.005で示される関係を満たす数値である。
The method for manufacturing a solar cell according to claim 17, wherein the n - type semiconductor layer has a composition represented by the formula Zn 1-x Mg x A y O.
However, in the above formula,
A is at least one element selected from Ca, Sr and Ba,
x is a numerical value that satisfies the relationship represented by the formula 0.05 ≦ x ≦ 0.35,
y is a numerical value that satisfies the relationship represented by the expression 0.00005 ≦ y ≦ 0.005.
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