JP2009033206A - Multi-layer photovoltaic element, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくとも2つ以上の発電機能単位を持つ積層型光起電力素子、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a stacked photovoltaic device having at least two power generation function units, and a method for manufacturing the same.
光起電力素子は入射光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置で、その内太陽電池は白色光である太陽光を電気エネルギーに変換するもので広い波長域の光を効率的に変換することを特徴とする光起電力素子である。そのため高い変換効率を達成するためには広い波長領域全体にわたって無駄なく光を吸収する必要がある。 Photovoltaic elements are devices that convert incident light energy into electrical energy, among which solar cells convert white light, sunlight, into electrical energy, and efficiently convert light in a wide wavelength range. The photovoltaic element. Therefore, in order to achieve high conversion efficiency, it is necessary to absorb light without waste over the entire wide wavelength region.
その解決手段の一つとして異なるバンドギャップの光活性層を含む光起電力素子を積層する積層型光起電力素子が知られている。この積層型光起電力素子は、光入射側にバンドギャップが相対的に大きい光活性層を用いた光起電力素子、或いは相対的に膜厚を薄くした光起電力素子を配置して短波長の光を吸収させ、その下にバンドギャップが相対的に小さい半導体を用いた光起電力素子、或いは膜厚が厚い光起電力素子を配置することで、上部の素子を透過した長波長の光を吸収させることにより広い波長域で効率よく光を吸収利用するものである。 As one of the means for solving the problem, a stacked photovoltaic element in which photovoltaic elements including photoactive layers having different band gaps are stacked is known. This stacked photovoltaic element has a short wavelength by arranging a photovoltaic element using a photoactive layer having a relatively large band gap on the light incident side or a photovoltaic element having a relatively thin film thickness. Long-wavelength light that has passed through the upper element by disposing a photovoltaic element using a semiconductor with a relatively small band gap or a photovoltaic element having a thick film thickness. By absorbing the light, the light is efficiently absorbed and utilized in a wide wavelength range.
ここで重要な点は、各々のバンドギャップの異なる光活性層を有する光起電力素子に適した波長領域の光を各素子に導入することが必要であるということである。これは各々の光起電力素子がその光活性層に用いられている半導体のバンドギャップにより入射光の利用可能波長域が異なることに理由がある。すなわち、バンドギャップよりもエネルギーが低い光子は半導体に吸収されず利用することができない。また、バンドギャップより大きなエネルギーをもった光子は吸収はされるが、電子を励起した際に与えることができる電子のポテンシャルエネルギーがそのバンドギャップの大きさに制限されてしまうため、バンドギャップエネルギーと光子エネルギーの差分は利用することができない。従って、積層型光起電力素子においては、その光入射側の素子には短波長領域の光のみを入射させ、その下の素子には長波長領域の光のみを入射させることが重要である。 The important point here is that it is necessary to introduce into each element light in a wavelength region suitable for a photovoltaic element having photoactive layers with different band gaps. This is because the usable wavelength range of incident light differs depending on the band gap of the semiconductor used in the photoactive layer of each photovoltaic device. That is, photons having energy lower than the band gap are not absorbed by the semiconductor and cannot be used. Photons with energy larger than the band gap are absorbed, but the potential energy of electrons that can be given when electrons are excited is limited by the size of the band gap. The difference in photon energy cannot be used. Therefore, in the stacked photovoltaic element, it is important that only light in the short wavelength region is incident on the light incident side element, and only light in the long wavelength region is incident on the underlying element.
その解決手段の一つとして、上下の光起電力素子の間に中間層を設けて反射層として使うといった方法が知られている。例えば特許文献1または非特許文献1には、各素子間に短波長の光を反射し長波長の光を透過する導電層を設けるといった方法が開示されている。また、特許文献2には、この選択反射層の膜厚を調整してその反射率のピークを光入射側光起電力素子の分光感度の最大波長に合わせて光入射側光起電力素子の電流値を増やすといった方法が開示されている。さらにまた、特許文献3には、選択反射層を積層構造とし、その特性を上部光電変換層が吸収しやすい短波長領域については反射率が高く、下部光電変換層が吸収しやすい長波長領域については反射率を低くし透過させることで積層型光起電力素子の効率を向上させるといった方法が開示されている。これらはいずれも選択反射層として、SnO2、ZnO、ITO等の誘電体層を用い、本来入射光側の光起電力素子で吸収させたい短波長の光が下の光起電力素子で吸収されてしまうのを防ぎ、入射光側の光起電力素子の変換効率を上げることを目的としたものである。 As one solution, a method is known in which an intermediate layer is provided between the upper and lower photovoltaic elements and used as a reflective layer. For example, Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 discloses a method in which a conductive layer that reflects light having a short wavelength and transmits light having a long wavelength is provided between elements. In Patent Document 2, the thickness of the selective reflection layer is adjusted, and the peak of the reflectance is adjusted to the maximum wavelength of the spectral sensitivity of the light incident side photovoltaic element to adjust the current of the light incident side photovoltaic element. A method of increasing the value is disclosed. Furthermore, in Patent Document 3, the selective reflection layer has a laminated structure, and the characteristics of the short wavelength region that the upper photoelectric conversion layer easily absorbs have high reflectance, and the lower photoelectric conversion layer easily absorbs the long wavelength region. Discloses a method of improving the efficiency of the stacked photovoltaic element by lowering the reflectance and transmitting it. All of them use a dielectric layer such as SnO 2 , ZnO, ITO, etc. as a selective reflection layer, and light of a short wavelength that is originally intended to be absorbed by the photovoltaic element on the incident light side is absorbed by the lower photovoltaic element. The purpose is to increase the conversion efficiency of the photovoltaic element on the incident light side.
上述したように、中間層に対する種々の検討の結果、ある程度良好な中間層が得られている。しかし、さらなる光学特性、電気特性の向上、或は半導体層との整合性の向上、堆積速度の向上を実現するためには解決するべき課題が残存するのが現状である。 As described above, as a result of various studies on the intermediate layer, an intermediate layer that is good to some extent is obtained. However, there are still problems to be solved in order to realize further improvement in optical characteristics and electrical characteristics, or improvement in consistency with a semiconductor layer, and improvement in deposition rate.
例えば、導電体である上記反射層を中間層として設けた場合、以下のような問題が発生する。 For example, when the reflective layer that is a conductor is provided as an intermediate layer, the following problems occur.
まず大面積の光起電力素子を作製する際、例えば図1に示すような単位素子を直列に積層した素子内には、例えば成膜時に発生するダスト或いは基板表面の凹凸または異物に起因する電気的欠陥が形成される。ここで図1における100は積層型光起電力素子、101は基板、102は第2の光起電力素子、103は酸化亜鉛層、104は第1の光起電力素子、105は透明電極からなる導電層、106は第2の光起電力素子中の短絡回路、107は第1の光起電力素子中の短絡回路である。この大面積であるが故に避けられない欠陥形成は、シャント抵抗の低下、曲線因子(FF)の低下による特性の低下をもたらす。このことに対する有効な手段としては、通常は電解溶液中に光起電力素子を浸し、電流を流す事によって電気的欠陥部位の外側の導電層を選択的に一部除去する方法(パッシベーション)がある。しかし、基板上に下部の光起電力層、中間層、上部の光起電力層、導電層と積層するタイプの光起電力素子の場合、上部層の欠陥部位107にあたる導電層105は除去できても、下部層の欠陥部位106にあたる中間層103は除去できない。このため、下部層の欠陥に短絡電流が流れる事になり、下部の光起電力素子の起電力低下を引き起こす事になる。特に、中間層は反射層としてある一定の層厚を維持しなければならないこと、両側に接する半導体層との整合性及びシリーズ抵抗も考慮に入れねばならないため材料の抵抗率の調整もままならないこと、等の理由により短絡電流が中間層内に広がる事を防ぎきれないでいた。また、複数の光起電力素子間に異なる材料からなる中間層とのジャンクションが発生する事で、FF低下を伴う特性低下が避けられなかった。さらにまた、シャント抵抗低下防止の目的で複数の層を挿入した場合にはさらにジャンクションが増加するため、界面の問題がいっそう大きくなっていた。
First, when fabricating a photovoltaic device having a large area, for example, in an element in which unit elements as shown in FIG. Defects are formed. Here, in FIG. 1, 100 is a stacked photovoltaic element, 101 is a substrate, 102 is a second photovoltaic element, 103 is a zinc oxide layer, 104 is a first photovoltaic element, and 105 is a transparent electrode. The
このように、従来は光電流を増やすために選択反射層として中間層を導入したとしても、結果として起電力の低い光起電力素子になってしまう問題があった。 As described above, conventionally, even if an intermediate layer is introduced as a selective reflection layer in order to increase the photocurrent, there is a problem that a photovoltaic element having a low electromotive force is obtained as a result.
また、特許文献3に開示されている構成では、光反射及び透過特性については満たすことはできても、光起電力素子と良好な接続を有し、中間層形成に際し、光起電力素子に悪影響を及ぼさないようにするには、不十分であることが分かった。十分な特性を得るには、以下のような技術的な項目を解決する必要がある。 Further, in the configuration disclosed in Patent Document 3, although the light reflection and transmission characteristics can be satisfied, it has a good connection with the photovoltaic element and has an adverse effect on the photovoltaic element when forming the intermediate layer. It was found to be insufficient to prevent In order to obtain sufficient characteristics, it is necessary to solve the following technical items.
中間層と下地半導体層との接続については、下地の半導体層と良好なオーミック接触をもつことが必要である。また、中間層形成時の下地半導体層へのダメージについては、下地の半導体層の酸化など化学変性やイオンダメージなどの物理的変性が少ないことが必要である。さらに、中間層を介して、横方向にシャント電流が流れることについては、適度な抵抗率と膜厚をもち、または横方向に流れにくいように工夫する必要がある。 For the connection between the intermediate layer and the underlying semiconductor layer, it is necessary to have good ohmic contact with the underlying semiconductor layer. In addition, regarding the damage to the underlying semiconductor layer during the formation of the intermediate layer, it is necessary that there is little physical modification such as chemical modification such as oxidation of the underlying semiconductor layer and ion damage. Furthermore, it is necessary to devise that the shunt current flows in the lateral direction through the intermediate layer so that it has an appropriate resistivity and film thickness, or hardly flows in the lateral direction.
本発明は、上記の課題に鑑み、起電力低下を伴わずに大きな光電流を得ることで高い変換効率をもつ積層型光起電力素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a stacked photovoltaic element having high conversion efficiency by obtaining a large photocurrent without causing a decrease in electromotive force.
また、本発明は、入射光の全ての波長領域にわたって効率よくエネルギー収集を行うことができ、且つ開放電圧(以下Voc)、曲線因子(以下FF)などの良好な高い変換効率をもつ積層型光起電力素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。 In addition, the present invention can efficiently collect energy over the entire wavelength range of incident light, and has a high conversion efficiency such as an open circuit voltage (hereinafter referred to as Voc) and a fill factor (hereinafter referred to as FF). An object of the present invention is to provide an electromotive force element and a manufacturing method thereof.
本発明は上述した課題を解決するために鋭意検討を行ってなされたものであり、下述する構成のものである。 The present invention has been made through extensive studies to solve the above-described problems, and has the configuration described below.
即ち、第1の本発明は、複数のpn接合またはpin接合からなる単位光起電力素子を直列に積層してなる光起電力素子であって、前記単位光起電力素子間の少なくとも一ヶ所に酸化亜鉛層を配置しており、該酸化亜鉛層の抵抗率が層厚方向で異なることを特徴とする。
さらに、前記酸化亜鉛層において、p層と接する側の酸化亜鉛の抵抗率がn層と接する側の酸化亜鉛の抵抗率と比較して大きいことを特徴とする。
さらに、前記酸化亜鉛層内において、酸化亜鉛の抵抗率が、p層と接する側からn層と接する側に向かって連続的に小さくなることを特徴とする。
また、前記酸化亜鉛層内において、酸化亜鉛の抵抗率が、2×100Ωcm以上5×103Ωcm以下であることが望ましい。
また、前記酸化亜鉛層内において、酸化亜鉛の抵抗率の高い部分が、5×102Ωcm以上5×103Ωcm以下であることが望ましい。
本発明の前記複数の単位光起電力素子のうち、少なくとも1つの単位光起電力素子はpin型接合を有し、該i型層には非晶質Si:Hが好適に用いられる。
また、本発明の前記複数の単位起電力素子のうち、少なくとも1つの単位光起電力素子はpin型接合を有し、該i型層には微結晶質Siが好適に用いられる。
さらにまた、本発明の前記複数の単位起電力素子のうち、少なくとも1つの単位光起電力素子はpin型接合を有し、該i型層には単結晶または多結晶Siが好適に用いられる。
That is, the first aspect of the present invention is a photovoltaic element formed by laminating unit photovoltaic elements each composed of a plurality of pn junctions or pin junctions in at least one place between the unit photovoltaic elements. A zinc oxide layer is disposed, and the resistivity of the zinc oxide layer is different in the layer thickness direction.
Furthermore, in the zinc oxide layer, the resistivity of zinc oxide on the side in contact with the p layer is larger than the resistivity of zinc oxide on the side in contact with the n layer.
Furthermore, in the zinc oxide layer, the resistivity of zinc oxide continuously decreases from the side in contact with the p layer toward the side in contact with the n layer.
In the zinc oxide layer, the resistivity of zinc oxide is preferably 2 × 10 0 Ωcm or more and 5 × 10 3 Ωcm or less.
Moreover, in the zinc oxide layer, a high portion of resistivity zinc oxide is desirably 5 × 10 2 Ωcm or more 5 × 10 3 Ωcm or less.
Among the plurality of unit photovoltaic elements of the present invention, at least one unit photovoltaic element has a pin-type junction, and amorphous Si: H is suitably used for the i-type layer.
Moreover, at least one unit photovoltaic element among the plurality of unit photovoltaic elements of the present invention has a pin-type junction, and microcrystalline Si is suitably used for the i-type layer.
Furthermore, at least one unit photovoltaic element among the plurality of unit photovoltaic elements of the present invention has a pin-type junction, and monocrystalline or polycrystalline Si is suitably used for the i-type layer.
また、第2の本発明は、PN接合またはPIN接合を含む光起電力素子間に中間層を有する積層型光起電力素子の製造方法であって、少なくとも一つの光起電力素子界面に、主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層を積層した後、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層を積層して前記中間層を形成することを特徴とする。
また、前記第2の層の膜厚が、前記第1の層の膜厚よりも大きくなるように形成することを特徴とする。
また、前記第1の層の膜厚は、1nm以上50nm以下となるように形成することを特徴とする。
さらに、前記第2の層の形成速度が、前記第1の層の形成速度よりも速くなるように形成することを特徴とする。
そしてまた、前記第2の層の形成温度が、前記第1の層の形成温度よりも低くなるように形成することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a stacked photovoltaic element having an intermediate layer between photovoltaic elements including a PN junction or a PIN junction, and is mainly provided at an interface of at least one photovoltaic element. The intermediate layer is formed by laminating a first layer composed of indium oxide and then laminating a second layer composed mainly of zinc oxide.
Further, the second layer is formed so that the film thickness of the second layer is larger than the film thickness of the first layer.
The first layer is formed to have a thickness of 1 nm to 50 nm.
Further, the second layer is formed so that the formation speed of the second layer is higher than the formation speed of the first layer.
In addition, the second layer is formed so that the formation temperature of the second layer is lower than the formation temperature of the first layer.
また、第3の本発明は、pn接合またはpin接合を含む光起電力素子間に中間層を有する積層型光起電力素子であって、前記中間層は、少なくとも一つの光起電力素子界面に積層された主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層の上に、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層が積層されたものであることを特徴とする。
また、前記第2の層の膜厚が、前記第1の層の膜厚より厚いことを特徴とする。
また、前記第1の層の膜厚は、1nm以上50nm以下であることを特徴とする。
さらに、前記第2の層の波長800nmにおける透過率が、前記第1の層の波長800nmにおける透過率よりも高いことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a stacked photovoltaic element having an intermediate layer between photovoltaic elements including a pn junction or a pin junction, wherein the intermediate layer is provided at an interface of at least one photovoltaic element. It is characterized in that a second layer whose main component is made of zinc oxide is stacked on a first layer whose main component is made of indium oxide.
In addition, the thickness of the second layer is larger than the thickness of the first layer.
The thickness of the first layer is 1 nm to 50 nm.
Furthermore, the transmittance of the second layer at a wavelength of 800 nm is higher than the transmittance of the first layer at a wavelength of 800 nm.
第1の本発明によれば、入射光の全ての波長域に渡って無駄なく光吸収が行われるために高い変換効率が得られ、かつ電気的欠陥部分を流れる短絡電流を低く抑え、さらには酸化亜鉛層から半導体層への接合が改善されることで高い変換効率を実現する積層型光起電力素子を提供することが可能である。 According to the first aspect of the present invention, since light absorption is performed without waste over the entire wavelength range of incident light, high conversion efficiency is obtained, and the short-circuit current flowing through the electrical defect portion is kept low. It is possible to provide a stacked photovoltaic device that realizes high conversion efficiency by improving the bonding from the zinc oxide layer to the semiconductor layer.
また、第2及び第3の本発明によれば、入射光の全ての波長領域にわたって効率よくエネルギー収集を行うことができ、且つ開放電圧(以下Voc)、曲線因子(以下FF)などの良好な高い変換効率をもつ積層型光起電力素子、及びその製造方法を提供することができるという優れた効果を発揮する。 Further, according to the second and third aspects of the present invention, energy can be efficiently collected over the entire wavelength region of incident light, and the open circuit voltage (hereinafter referred to as Voc), the fill factor (hereinafter referred to as FF), etc. An excellent effect that a stacked photovoltaic element having a high conversion efficiency and a method for manufacturing the same can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments.
また、以下の説明では、本発明に係る積層型光起電力素子として、光起電力素子を2つ積層した太陽電池を例に説明するが、本発明はこれに限るものではなく、光起電力素子を3つ以上積層した場合にも適用できるものである。 In the following description, a solar cell in which two photovoltaic elements are stacked will be described as an example of the stacked photovoltaic element according to the present invention. However, the present invention is not limited to this, and the photovoltaic cell is not limited thereto. The present invention can also be applied when three or more elements are stacked.
図3は、第1の本発明の実施形態の1つである2層積層型の光起電力素子300の断面構造を示す概略図である。反射層を積層した金属等の基板301上に第2の光起電力素子302、第2の酸化亜鉛層303、第1の酸化亜鉛層304、第1の光起電力素子305、透明電極306が順に積層されている。第1の光起電力素子305と第2の光起電力素子302の光活性部を構成する半導体は第1の光起電力素子305が第2の光起電力素子302よりバンドギャップが大きい半導体で構成されており、第1の光起電力素子305で短波長領域を第2の光起電力素子302で長波長領域の光が吸収されるように設計されている。第1の酸化亜鉛層304と第1の光起電力素子305とでは屈折率が異なり、層厚を調整する事により多重反射を起こし、有効に上記の短波長領域の反射率を高くする事が可能で、第1の光起電力素子305の光吸収量を増加させる効果を持っている。また、第2の酸化亜鉛層303は第1の酸化亜鉛層304よりも抵抗率が大きく設計されている。
FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a two-layered
図4に第1の本発明の積層型光起電力素子の発電動作を模式的に示す。第1の光起電力素子に存在する電気的欠陥は電流の短絡経路として働くが、なかでも第1の光起電力素子305中の電気的欠陥402および第2の光起電力素子302中の電気的欠陥403が近接した距離にある場合は、積層型光起電力素子作製後に行なうシャントパッシベーション処理により、透明電極306が取り除かれるため光起電力素子の特性低下はもたらさない。一方、電気的欠陥402および電気的欠陥401が離れた距離にある場合、シャントパッシベーション処理が充分に行なわれず特性低下の原因となることがある。しかしながら、第1の光起電力素子305の基板側表面には、抵抗率の低い第1の酸化亜鉛層304が形成されているものの、層厚が薄いために横方向への短絡電流の広がりは少なく、特性低下に結びつくことはない。
FIG. 4 schematically shows the power generation operation of the stacked photovoltaic element according to the first aspect of the present invention. The electrical defects present in the first photovoltaic element act as a short circuit path for the current. Among these, the
次に、第2の光起電力素子302に存在する電気的欠陥の周辺には、導電層である酸化亜鉛層が存在するために、電気的欠陥は発電時における光起電力素子の短絡回路として働く。しかしながら、第2の光起電力素子302の表面(上層面)には、抵抗率の高い第2の酸化亜鉛層303が形成されているため、横方向への短絡電流の広がりは少なく、より抵抗率の低い第1の酸化亜鉛層304中を介して広がることとなる。一方、ここでも第1の酸化亜鉛層304および第2の酸化亜鉛層303の重ね合わされた層厚は、選択反射層としての機能からおよそ限られているため、高抵抗率及び低抵抗率の組み合わせにより効果的に短絡電流の広がりを防止することができる。
Next, since the zinc oxide layer, which is a conductive layer, is present around the electrical defect present in the second
また、順次積層される第2の光起電力素子、第2及び第1の酸化亜鉛層、第1の光起電力素子の各接合面の電気的極性は、例えば図2に示すようにキャリア濃度の最も低い(n−)第2の酸化亜鉛層202、キャリア濃度の高い(n+)第1の酸化亜鉛層203、キャリア濃度の最も高い(n++)第1の光起電力素子のn型半導体層204の順に積層された、n−/n+/n++/の構成になっている。ここで、図2において、201は基板、202はn−型の電気特性を示す第2の酸化亜鉛層、203はn+型の電気特性を示す第1の酸化亜鉛層、204はn++型の電気特性を示す第1の光起電力素子のn型半導体層、205は透明電極であり、206は第2の光起電力素子、207は積層された酸化亜鉛層、208は第1の光起電力素子を示す。
In addition, the electrical polarity of each joint surface of the second photovoltaic element, the second and first zinc oxide layers, and the first photovoltaic element that are sequentially stacked is, for example, as shown in FIG. (N−) second
n型である酸化亜鉛層は作製条件により、バルク内のキャリア濃度を増減させることが可能である。さらにその理由ははっきりと解明されてはいないが、n型である酸化亜鉛層のキャリア濃度が、第2の光起電力素子のp型半導体層側から第1の光起電力素子のn型半導体層側に向かって、段階的あるいは連続的に増加する傾向にあるほうが、同じ極性のキャリア濃度の増減傾向が第1の光起電力素子のn型半導体層も含めて、一方向に決まるためバンド接合部でのつながりがよく、光発生キャリアを効率よく回収することが可能になると思われる。 The n-type zinc oxide layer can increase or decrease the carrier concentration in the bulk depending on the manufacturing conditions. Furthermore, although the reason is not clearly clarified, the carrier concentration of the n-type zinc oxide layer is changed from the p-type semiconductor layer side of the second photovoltaic element to the n-type semiconductor of the first photovoltaic element. The tendency to increase or decrease stepwise or continuously toward the layer side is that the increase / decrease tendency of the carrier concentration of the same polarity is determined in one direction including the n-type semiconductor layer of the first photovoltaic element. It seems that the connection at the junction is good, and it is possible to efficiently recover the photogenerated carrier.
ここで使用される中間層である酸化亜鉛層は、近年低抵抗化の進歩が著しい酸化亜鉛層よりは、高い抵抗率を有するもので、第1の酸化亜鉛層、第2の酸化亜鉛層とも2×100Ωcm以上5×103Ωcm以下の範囲にあるのが好ましい。この範囲にあれば、第1の光起電力素子のn型半導体層よりもキャリア濃度が小さくなり、結果として接合部が改善されるものであると考えられる。一方、酸化亜鉛の抵抗率の高い部分については、5×102Ωcm以上5×103Ωcm以下の範囲でなければ層内で短絡電流が拡散してしまい、結果として特性低下を引き起こすものと考えられる。 The zinc oxide layer, which is an intermediate layer used here, has a higher resistivity than the zinc oxide layer, which has made remarkable progress in reducing resistance in recent years. Both the first zinc oxide layer and the second zinc oxide layer are used. It is preferably in the range of 2 × 10 0 Ωcm to 5 × 10 3 Ωcm. If it exists in this range, it will be thought that carrier concentration becomes smaller than the n-type semiconductor layer of a 1st photovoltaic element, and a junction part is improved as a result. On the other hand, the portion having a high resistivity zinc oxide, 5 × 10 2 Ωcm or more 5 × 10 3 Ωcm will diffuse a short-circuit current at unless within the layer the following ranges, believed to cause resulting properties decrease It is done.
また、酸化亜鉛層は800nmの光を50%以上透過することが好ましい。太陽光のスペクトルを考えた場合、有効に利用できる波長範囲はおおむね300nm〜1200nm付近であり、酸化亜鉛層の上部のセルで短波光は吸収されており、酸化亜鉛層としては長波の光が有効に透過することが好ましく、長波長の目安である800nmの透過率が50%以上あることが望ましい。 The zinc oxide layer preferably transmits 50% or more of light of 800 nm. When considering the spectrum of sunlight, the wavelength range that can be used effectively is approximately 300 nm to 1200 nm, short wave light is absorbed by the cells above the zinc oxide layer, and long wave light is effective as the zinc oxide layer. It is preferable that the transmittance at 800 nm, which is a guide for long wavelengths, is 50% or more.
次に、第2及び第3の本発明に係る積層型光起電力素子について説明する。 Next, the stacked photovoltaic elements according to the second and third aspects of the present invention will be described.
まず、第2及び第3の本発明の特徴部分である中間層について説明する。第2及び第3の本発明に係る積層型光起電力素子は、pn接合またはpin接合を含む光起電力素子を複数積層して成り、少なくとも一つの光起電力素子界面に、主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層を積層した後、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層を積層して中間層を形成するものであり、以下のような作用効果を奏する。なお、第2及び第3の本発明に係る積層型光起電力素子の構成および各構成要素については後述する。 First, the intermediate layer which is a characteristic part of the second and third aspects of the present invention will be described. The stacked photovoltaic elements according to the second and third aspects of the present invention are formed by stacking a plurality of photovoltaic elements including pn junctions or pin junctions, and the main component is oxidized at at least one photovoltaic element interface. After laminating the first layer made of indium, the second layer whose main component is made of zinc oxide is laminated to form an intermediate layer, which has the following effects. The configuration and each component of the stacked photovoltaic elements according to the second and third aspects of the present invention will be described later.
上記構成を有する中間層を形成することによって、Voc、FFの低下を防ぐことができ、また長期間の使用下等においても優れた特性を有する。まず、光起電力素子界面上に酸化亜鉛のみを形成した中間層の場合では、酸化亜鉛の形成条件、抵抗率、厚み等にもよるが、Voc、FFが低下する傾向が認められた。上記のような現象は、酸化亜鉛上に光起電力素子を形成する場合には顕著には見られない。例えば、サブストレート型の光起電力素子で反射層上に光起電力素子を形成するような場合に反射層として酸化亜鉛を用いることが考えられるが、このような場合には、Voc、FF等の特性の低下は特に見られないので、光起電力素子界面上に酸化亜鉛を形成するプロセスによって、特性の低下が発生すると考えられる。これは、酸化亜鉛上に半導体を形成する場合には、還元性雰囲気にて形成されるのに対し、光起電力素子界面上に酸化亜鉛を形成する場合には、酸化性雰囲気にて形成されることが関係しているものと考えられる。すなわち、光起電力素子界面上に酸化亜鉛を形成する場合、酸化亜鉛中の酸素が光起電力素子界面上の原子に奪われて半導体が酸化されることによって、光起電力素子と酸化亜鉛の界面に変異層を作ることによって起こるものと考えられる。 By forming the intermediate layer having the above-described configuration, it is possible to prevent a decrease in Voc and FF and to have excellent characteristics even under long-term use. First, in the case of an intermediate layer in which only zinc oxide was formed on the photovoltaic device interface, there was a tendency for Voc and FF to decrease, depending on the zinc oxide formation conditions, resistivity, thickness, and the like. The above phenomenon is not noticeable when a photovoltaic element is formed on zinc oxide. For example, in the case where a photovoltaic element is formed on a reflective layer with a substrate type photovoltaic element, it is conceivable to use zinc oxide as the reflective layer. In such a case, Voc, FF, etc. Since there is no particular deterioration in the characteristics, it is considered that the characteristics are deteriorated by the process of forming zinc oxide on the photovoltaic element interface. This is formed in a reducing atmosphere when a semiconductor is formed on zinc oxide, whereas it is formed in an oxidizing atmosphere when zinc oxide is formed on the photovoltaic device interface. Is considered to be related. That is, when zinc oxide is formed on the photovoltaic device interface, oxygen in the zinc oxide is deprived by atoms on the photovoltaic device interface and the semiconductor is oxidized, so that the photovoltaic device and the zinc oxide This is thought to be caused by creating a mutation layer at the interface.
酸化亜鉛の形成時に酸素や水分を導入した場合には、さらにその傾向が認められた。また、スパッタ等で成膜する場合など酸素イオンが発生する場合には、光起電力素子界面にイオンダメージを与えて、さらに特性の低下の原因になる。この現象は、特にVocの特性に敏感なp層上に堆積した場合に顕著に現れた。 This tendency was further observed when oxygen or moisture was introduced during the formation of zinc oxide. Further, when oxygen ions are generated such as when a film is formed by sputtering or the like, ion damage is given to the interface of the photovoltaic element, which further causes deterioration of characteristics. This phenomenon was particularly prominent when deposited on a p-layer sensitive to Voc characteristics.
一方、光起電力素子界面上に主成分が酸化インジウムからなる層を形成した中間層の場合には、形成条件、錫などのドープ量、抵抗率、厚み等にもよるが、シャント抵抗が低下し、Voc、FFが低下する傾向が認められた。これは、酸化インジウムが酸化亜鉛に比べて抵抗率が概して低いために、中間層を横方向に流れる漏れ電流が発生し、シャント抵抗が低下するものと考えられる。また、酸化インジウムは酸化亜鉛よりも還元性雰囲気に弱く、酸化インジウム上に光起電力素子を作製した場合、インジウムの析出を起こして、特性の低下及び長期の信頼性の低下を招くと考えられる。 On the other hand, in the case of an intermediate layer in which a layer mainly composed of indium oxide is formed on the photovoltaic device interface, the shunt resistance is reduced, although it depends on the formation conditions, the doping amount of tin, resistivity, thickness, etc. And the tendency for Voc and FF to fall was recognized. This is probably because indium oxide has a generally lower resistivity than zinc oxide, so that a leakage current flowing in the lateral direction in the intermediate layer is generated and the shunt resistance is lowered. Indium oxide is weaker in a reducing atmosphere than zinc oxide, and when a photovoltaic device is formed on indium oxide, it is considered that indium is precipitated, resulting in deterioration of characteristics and long-term reliability. .
そこで、光起電力素子界面に薄く、主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層を形成した後に主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層を形成した場合には、特にVoc、FFの低下は見られなかった。これは詳細な理由は不明であるが、第1の層と光起電力素子界面が良好に形成されたことによるものと考えられる。また、第1の層の抵抗及び膜厚が適当であれば、横方向の漏れ電流が流れ難く、且つ第2の層が適当に厚い膜厚であれば、光電流の増加が見込める。 Therefore, when the second layer whose main component is zinc oxide is formed after the first layer whose main component is made of indium oxide is formed on the photovoltaic device interface, the decrease of Voc and FF is particularly reduced. I couldn't see it. Although the detailed reason is unknown, it is thought that this is because the interface between the first layer and the photovoltaic element is well formed. Further, if the resistance and film thickness of the first layer are appropriate, it is difficult for a lateral leakage current to flow, and if the second layer is appropriately thick, an increase in photocurrent can be expected.
第1の層は、横方向の漏れ電流が流れ難くなるように抵抗が高いほうが好ましく、また膜厚も適度に薄いほうが好ましい。また、光起電力素子を高温で付けることが多く、高温が続くとインジウムの拡散が起こり、特性の低下を招いたり、長期の信頼性の低下に繋がるので、第1の層は適度に薄いほうが良い。上記の観点から主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層の膜厚は1nm以上50nm以下となるように形成することが好ましく、さらに好ましくは、3nm以上40nm以下であり、最適には5nm以上30nm以下である。 The first layer preferably has a high resistance so that a lateral leakage current does not easily flow, and preferably has a moderately thin film thickness. In addition, the photovoltaic element is often attached at a high temperature. If the high temperature continues, diffusion of indium occurs, leading to deterioration of characteristics or deterioration of long-term reliability. Therefore, the first layer should be appropriately thin. good. From the above viewpoint, the thickness of the first layer whose main component is indium oxide is preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 3 nm to 40 nm, and most preferably 5 nm to 30 nm. It is as follows.
一方、中間層としては、膜厚が大きいほど上部の光起電力素子に光を反射する効果が大きくなるため、第2の層の膜厚が第1の層の膜厚よりも大きくなるように形成することが好ましい。 On the other hand, as the intermediate layer, the larger the film thickness, the greater the effect of reflecting light to the upper photovoltaic element, so that the second layer has a larger film thickness than the first layer. It is preferable to form.
第1の層の抵抗率は、第2の層の抵抗率よりも小さい方が好ましい。いずれの層も可視光の平均透過率は80%以上が好ましく、特に、長波側である800nmでの透過率は80%以上あることが好ましい。また、第1の層よりも第2の層の波長800nmでの透過率が高いことが好ましい。 The resistivity of the first layer is preferably smaller than the resistivity of the second layer. In any layer, the average transmittance of visible light is preferably 80% or more, and in particular, the transmittance at 800 nm on the long wave side is preferably 80% or more. In addition, the transmittance of the second layer at a wavelength of 800 nm is preferably higher than that of the first layer.
以上説明したように、第2及び第3の本発明は、特性の異なる少なくとも2層の酸化膜を各々の特性に応じて機能的に分離して最適設計する点に1つの大きな特徴を有するものである。 As described above, the second and third aspects of the present invention have one major feature in that at least two layers of oxide films having different characteristics are functionally separated and optimally designed according to their characteristics. It is.
また、中間層としてはある程度の膜厚が必要であるので、形成速度が速いほど、タクトタイムの減少に繋がりコスト的に有利であるが、特性の低下を起こし易い。第1の層を低速で形成したほうが、ダメージが少なく、良好な界面特性を得ることができる。低速で第1の層を形成した後に高速で第2の層を形成しても特性の低下が見られないので、第2の層の形成速度が第1の層の形成速度よりも速くなるように形成することが好ましい。 In addition, since the intermediate layer needs to have a certain thickness, the faster the formation speed, the shorter the tact time, which is advantageous in terms of cost, but the characteristics are likely to deteriorate. When the first layer is formed at a low speed, the damage is less and good interface characteristics can be obtained. Even if the second layer is formed at a high speed after the first layer is formed at a low speed, the characteristics are not deteriorated, so that the formation speed of the second layer is higher than the formation speed of the first layer. It is preferable to form.
また、インジウムが拡散しやすいので、第1の層を堆積した後の工程は、なるべく低い温度のほうが好ましい。また、酸化インジウムは低い温度で堆積すると透過率が悪くなるので、ある程度高い温度で堆積する必要がある。一方、酸化亜鉛は、低い温度で堆積したほうが透過率が高くなるのでJscの向上に繋がる。また、酸化亜鉛層を高温で形成すると、応力を発生し易く、中間層で剥がれる原因になりやすい。よって、第2の層の形成温度が第1の層の形成温度よりも低くなるように形成することが好ましい。第1の層の形成温度は150℃以上300℃以下が好ましく、第2の層の形成温度は50℃以上250℃以下が好ましい。また、第2の層の形成温度が第1の層の形成温度を下回ることが好ましく、より好ましくは40℃以上下回ることが好ましい。 In addition, since indium easily diffuses, the temperature after the first layer is preferably as low as possible. Further, since indium oxide has a low transmittance when deposited at a low temperature, it needs to be deposited at a certain high temperature. On the other hand, since zinc oxide has a higher transmittance when deposited at a low temperature, it leads to an improvement in Jsc. Further, when the zinc oxide layer is formed at a high temperature, stress is likely to be generated, and it is likely to cause peeling at the intermediate layer. Therefore, it is preferable to form the second layer so that the formation temperature is lower than the formation temperature of the first layer. The formation temperature of the first layer is preferably 150 ° C. or more and 300 ° C. or less, and the formation temperature of the second layer is preferably 50 ° C. or more and 250 ° C. or less. Further, the formation temperature of the second layer is preferably lower than the formation temperature of the first layer, more preferably 40 ° C. or more.
次に、第2及び第3の本発明に係る積層型光起電力素子の構成について説明する。 Next, the configuration of the stacked photovoltaic element according to the second and third aspects of the present invention will be described.
図8は、第2及び第3の本発明に係る積層型光起電力素子の一実施形態の断面構造を模式的に示す概略図である。図示するように、金属等の導電性の基板801上に光反射層802、第2の光起電力素子803、中間層806(主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層804と、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層805とから成る。)、第1の光起電力素子807、透明電極808が順に積層されている。第1の光起電力素子807と第2の光起電力素子803の光活性部を構成する半導体は、第1の光起電力素子807が第2の光起電力素子803の半導体よりバンドギャップが大きい半導体で構成する、或は光活性部を薄く構成することにより、第1の光起電力素子807で短波長域を第2の光起電力素子803で長波長域の光が吸収されるように設計されている。中間層806は光の一部を反射し、第1の光起電力素子807の光吸収量を増加させる効果をもっている。中間層806は凹凸に形成されることもある。
FIG. 8 is a schematic view schematically showing a cross-sectional structure of an embodiment of the stacked photovoltaic element according to the second and third aspects of the present invention. As shown in the figure, a
図7は、第2の本発明に係る積層型光起電力素子の製造方法を模式的に示す概略図であり、図8に示す積層型光起電力素子を形成する場合を示している。 FIG. 7 is a schematic view schematically showing a method for manufacturing a stacked photovoltaic element according to the second aspect of the present invention, and shows a case where the stacked photovoltaic element shown in FIG. 8 is formed.
図7において、(a)に示すように、基板700、反射層701、第2の光起電力素子702まで形成したものに、まず主たる成分が酸化インジウムからなる層703を堆積する。次に、(b)に示すように、主たる成分が酸化亜鉛からなる層704を堆積する。そして、(c)に示すように、第1の光起電力素子706を堆積する。その後、(d)に示すように、透明電極を堆積する。以上のような作製順序で、光起電力素子の界面に中間層705(主たる成分が酸化インジウムからなる層703と、主たる成分が酸化亜鉛からなる層704とから成る。)を有する積層型光起電力素子の各層の堆積を行う。
In FIG. 7, as shown in FIG. 7A, a
また図9は、他の実施形態における積層型光起電力素子の断面構造を模式的に示す概略図である。図示するように、ガラス等の透光性絶縁板の基板901上に透明電極908、第1の光起電力素子907、中間層906(主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層904と、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層905とから成る。)、第2の光起電力素子903、導電性の光反射層902が順に積層されている。この場合には、光入射は透光性絶縁基板である基板901側から行われる。中間層906は凹凸に形成されることもある。
FIG. 9 is a schematic view schematically showing a cross-sectional structure of a stacked photovoltaic element in another embodiment. As shown in the figure, a
次に、本発明に係る積層型光起電力素子の各構成要素について説明する。 Next, each component of the stacked photovoltaic element according to the present invention will be described.
[基板]
本発明の積層型光起電力素子に用いる基板を構成する材料には、導電性材料及び絶縁性材料の何れでもよく、その種類を問わない。導電性材料としては、例えば、めっき鋼板,NiCr,ステンレス,Al,Cr,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb,Sn等の金属、またはこれらの合金などが挙げられる。絶縁性材料としては、ポリエステル,ポリエチレン,ポリカーボネート,セルロースアセテート,ポリプロピレン,ポリ塩化ビニル,ポリ塩化ビニリデン,ポリスチレン,ポリアミド等の合成樹脂、またはガラス,セラミックス,紙などが挙げられる。特に金属基板としてはステンレス鋼、絶縁基板としてはガラス、セラミックス、ポリイミドが好適に用いられる。また、基板側から光入射する場合には透光性絶縁性基板が用いられ、特にガラスが好適に用いられる。
[substrate]
The material constituting the substrate used for the stacked photovoltaic element of the present invention may be either a conductive material or an insulating material, regardless of the type. Examples of the conductive material include plated steel plates, NiCr, stainless steel, Al, Cr, Mo, Au, Nb, Ta, V, metals such as Ti, Pt, Pb, and Sn, or alloys thereof. Examples of the insulating material include synthetic resins such as polyester, polyethylene, polycarbonate, cellulose acetate, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, and polyamide, or glass, ceramics, and paper. In particular, stainless steel is suitably used as the metal substrate, and glass, ceramics, and polyimide are suitably used as the insulating substrate. Further, when light is incident from the substrate side, a translucent insulating substrate is used, and glass is particularly preferably used.
基板の表面形状は、平滑面、あるいは山の高さが最大0.1〜1.0μmの凹凸面となるテクスチャー化した形状であってもよい。例えば、ステンレスによる基板の表面をテクスチャー化する1つの方法として、酸性溶液を用いて表面をエッチング処理することが挙げられる。 The surface shape of the substrate may be a smooth surface or a textured shape having an uneven surface with a peak height of 0.1 to 1.0 μm at the maximum. For example, one method for texturing the surface of a substrate with stainless steel is to etch the surface using an acidic solution.
基板の厚さは、各層を所定に積層できて光起電力素子を所定に形成し得るように適宜に決定するが、光起電力素子としての柔軟性が要求される場合には、支持体としての機能が十分に発揮される範囲で可能な限り薄くすればよい。しかし、基板の製造上及び取り扱い上の面から、そして機械的強度の面から、通常は厚さが10μm以上とされる。 The thickness of the substrate is appropriately determined so that each layer can be laminated in a predetermined manner so that a photovoltaic element can be formed in a predetermined manner. However, when flexibility as a photovoltaic element is required, It is only necessary to make it as thin as possible within the range where the above functions are sufficiently exhibited. However, the thickness is usually 10 μm or more from the viewpoint of manufacturing and handling the substrate and from the viewpoint of mechanical strength.
[反射層]
本発明の積層型光起電力素子に用いる反射層には、可視光から近赤外で反射率が高い金属、例えばAg,Al,Cu等の金属やこれらの合金の堆積膜が用いられる。真空蒸着法,スパッタリング法等や、水溶液からの電解析出法などの方法で形成することが好適である。この反射層の厚さは、10nmから5000nmが適した層厚として挙げられる。また乱反射をさせるために表面が凹凸であることが好ましい。また反射層には反射する光量を多くするために反射増加層を備えるのが望ましい。
[Reflective layer]
For the reflective layer used in the stacked photovoltaic element of the present invention, a metal having high reflectivity from visible light to near infrared, for example, a metal such as Ag, Al, Cu, or a deposited film of these alloys is used. It is preferable to form by a method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or an electrolytic deposition method from an aqueous solution. A suitable thickness of the reflective layer is 10 nm to 5000 nm. Further, it is preferable that the surface is uneven in order to cause irregular reflection. In addition, it is desirable to provide the reflection layer with a reflection increasing layer in order to increase the amount of light reflected.
反射増加層の構成材料には、ZnO,SnO2,In2O3,ITO,TiO2,CdO,Cd2SnO4,Bi2O3,MoO3,NaxWO3等が挙げられる。反射増加層は、これらの材料を使用し、真空蒸着法,スパッタリング法,電解析出法,CVD法,スプレー法,スピンオン法,ディッピング法等の方法で形成することが好適である。この反射増加層の厚さは、使用材料が固有に持つ屈折率により最適な層厚は異なるが、好ましくは50nm〜10μmが層厚の範囲として挙げられる。また、光を散乱させるために反射増加層の表面が凹凸であることが好ましい。例えば、スパッタリング法においては、作製条件によって、結晶粒界を基にした凹凸が生成される。 Examples of the constituent material of the reflection increasing layer include ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 , ITO, TiO 2 , CdO, Cd 2 SnO 4 , Bi 2 O 3 , MoO 3 , and Na x WO 3 . The reflection enhancement layer is preferably formed by using these materials by a method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, an electrolytic deposition method, a CVD method, a spray method, a spin-on method, or a dipping method. The optimum thickness of the reflection increasing layer varies depending on the refractive index inherent to the material used, but 50 nm to 10 μm is preferable as the range of the layer thickness. Moreover, it is preferable that the surface of the reflection increasing layer is uneven in order to scatter light. For example, in the sputtering method, irregularities based on crystal grain boundaries are generated depending on the manufacturing conditions.
[光起電力層(光起電力素子)]
本発明の積層型光起電力素子に用いられる半導体としては、IV族、III−V族、II−VI族、I−III−VI2族の単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が用いられる。IV族としてはC、Si、Ge、及びこれらの合金、III−V族としてはAlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、II−VI族としてはZnSe、ZnS、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、Cu2S、I−III−VI2族としてはCuInSe2などが挙げられる。特にシリコン系半導体が好適に用いられる。また形体は単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が好適に用いられる。
[Photovoltaic layer (photovoltaic element)]
The semiconductor used in the stacked photovoltaic device of the present invention includes group IV, group III-V, group II-VI, group I-III-VI 2 single crystal, polycrystal, microcrystal, and amorphous. Used. Group IV is C, Si, Ge, and alloys thereof, Group III-V is AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, Group II-VI is ZnSe, ZnS, ZnTe, CdS. , CdSe, CdTe, Cu 2 S, I-III-VI 2 group includes CuInSe 2 and the like. In particular, a silicon-based semiconductor is preferably used. The form is preferably single crystal, polycrystal, microcrystal, or amorphous.
本発明の積層型光起電力素子に用いられる光起電力層は、pn接合、pin接合を含んでいる。 The photovoltaic layer used in the stacked photovoltaic element of the present invention includes a pn junction and a pin junction.
本発明の積層型光起電力素子は光起電力層を少なくとも2構成以上積層して構成される。それぞれの光起電力層は材料の異なる半導体を用いて構成することも、同一の材料で構成することもできるが、短波長の光ほど吸収されやすいことから、光入射側には、より短波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層を配置し、その後により長波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層を配置する構成が好適に用いられる。 The stacked photovoltaic element of the present invention is configured by stacking at least two photovoltaic layers. Each photovoltaic layer can be composed of semiconductors of different materials or the same material, but the shorter the wavelength, the easier it is to absorb light. A configuration in which a photovoltaic layer using a material that easily absorbs light is disposed, and then a photovoltaic layer that uses a material that easily absorbs long wavelengths is preferably used.
[酸化亜鉛層]
第1の本発明の積層型光起電力素子の光起電力層(単位光起電力素子)間の少なくとも一ヶ所に酸化亜鉛層からなる中間層が設けられる。
[Zinc oxide layer]
An intermediate layer made of a zinc oxide layer is provided at least at one position between the photovoltaic layers (unit photovoltaic elements) of the stacked photovoltaic element of the first aspect of the present invention.
本発明の酸化亜鉛層の形成方法としては、たとえば、真空蒸着法、DCマグネトロンスパッタリング法、RFマグネトロンスパッタリング法、電解析出法、無電解めっき法、CVD法、MOCVD法、スプレー法、スピンオン法、ディッピング法、ゾルゲル法等の方法で形成することが好適である。そのとき、抵抗率を変化させる物質としては、Al、B、Ga、In等がドーパントとして一般的に知られている。またSi、Ge、Ti、Zr等の4価の金属も知られている。一般的な真空蒸着法、スパッタリング法の場合、これらのドーパントはあらかじめ所望の添加量を酸化亜鉛(ターゲット等)と一緒に焼結しておけばよい。 Examples of the method for forming the zinc oxide layer of the present invention include a vacuum deposition method, a DC magnetron sputtering method, an RF magnetron sputtering method, an electrolytic deposition method, an electroless plating method, a CVD method, an MOCVD method, a spray method, a spin-on method, It is preferable to form by a method such as a dipping method or a sol-gel method. At that time, Al, B, Ga, In, and the like are generally known as dopants as substances that change the resistivity. In addition, tetravalent metals such as Si, Ge, Ti, and Zr are also known. In the case of a general vacuum deposition method or sputtering method, these dopants may be sintered together with zinc oxide (a target or the like) in a desired amount in advance.
酸化亜鉛層は、入射光の全波長領域に渡って無駄なくエネルギー変換を行なうために第2の光起電力素子の分光特性が最大となる波長λmを基準としてその短波長領域で反射が高く、かつその長波長領域で低くなるように変化している。また膜の透過率は、入射光を損失させないために80%以上であることが望ましい。 The zinc oxide layer has high reflection in the short wavelength region with reference to the wavelength λm at which the spectral characteristic of the second photovoltaic element is maximized in order to perform energy conversion without waste over the entire wavelength region of incident light, And it changes so that it may become low in the long wavelength region. Further, the transmittance of the film is desirably 80% or more so as not to lose incident light.
また本発明の酸化亜鉛層は選択反射膜としての機能を保った状態で従来の課題であるシャントによる素子の特性低下を防ぐためにその抵抗率を層厚方向に変化させている。またその抵抗率の好適な範囲は5×103Ωcmから2×100Ωcmであり、高抵抗部分は5×102Ωcm以上5×103Ωcm以下であることが望ましい。また層厚は、反射率、シリーズ抵抗、凹凸形状を考慮すると0.2μmから2μmの範囲が望ましい。 In addition, the zinc oxide layer of the present invention has its resistivity changed in the layer thickness direction in order to prevent deterioration of device characteristics due to the shunt, which is a conventional problem, while maintaining the function as a selective reflection film. Moreover, the preferable range of the resistivity is 5 × 10 3 Ωcm to 2 × 10 0 Ωcm, and the high resistance portion is desirably 5 × 10 2 Ωcm or more and 5 × 10 3 Ωcm or less. The layer thickness is preferably in the range of 0.2 μm to 2 μm in consideration of the reflectivity, series resistance, and uneven shape.
[中間層]
第2及び第3の本発明の積層型光起電力素子に用いられる中間層は、主たる成分が酸化インジウムからなる層と、主たる成分が酸化亜鉛からなる層とを含んでいる。主たる成分が酸化インジウムからなる層は、微量の他の成分を含んでいてもよく、例えば、Mg、Zn、Sn、Sb等を含んでいてもよい。
[Middle layer]
The intermediate layer used in the stacked photovoltaic elements of the second and third aspects of the invention includes a layer whose main component is made of indium oxide and a layer whose main component is made of zinc oxide. The layer whose main component is indium oxide may contain a trace amount of other components, for example, may contain Mg, Zn, Sn, Sb and the like.
主たる成分が酸化亜鉛からなる層は、微量の他の成分を含んでいてもよく、例えば、Al、Sn、In、Fe、Ga、Co、Si、Ti、Ge、Sbなどを含んでいてもよい。 The layer whose main component is made of zinc oxide may contain a trace amount of other components, for example, Al, Sn, In, Fe, Ga, Co, Si, Ti, Ge, Sb, etc. .
さらに、中間層には他に、SnO2,TiO2,CdO,Cd2SnO4,Bi2O3,MoO3,NaxWO3等からなる層を含んでいても良い。 Further, the intermediate layer may further include a layer made of SnO 2 , TiO 2 , CdO, Cd 2 SnO 4 , Bi 2 O 3 , MoO 3 , Na x WO 3 or the like.
中間層の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、電解析出法、CVD法、スプレー法、スピンオン法、ディッピング法等の方法が好適である。 As a method for forming the intermediate layer, methods such as a vacuum deposition method, a sputtering method, an electrolytic deposition method, a CVD method, a spray method, a spin-on method, and a dipping method are suitable.
その後、ウエットエッチングやドライエッチング等で凹凸を設けることもできる。このとき、半導体界面に主たる成分が酸化インジウムからなる層を形成した後に主たる成分が酸化亜鉛からなる層を形成することによって中間層を形成する。 Thereafter, irregularities can be provided by wet etching, dry etching, or the like. At this time, an intermediate layer is formed by forming a layer whose main component is zinc oxide after forming a layer whose main component is composed of indium oxide at the semiconductor interface.
[透明電極]
本発明の積層型光起電力素子に用いられる透明電極は酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛等が挙げられ、スパッタリング法、真空蒸着法、化学的気相成長法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、およびイオンビームスパッタ法などで作製することができる。また、硝酸基や酢酸基やアンモニア基などと金属イオンからなる水溶液中からの電気析出法や浸漬法でも作製することができる。透明電極の厚さは、反射防止膜としての条件を満たす膜厚に堆積するのが好ましい。
[Transparent electrode]
Examples of the transparent electrode used in the stacked photovoltaic element of the present invention include indium oxide, tin oxide, indium tin oxide, and zinc oxide. Sputtering method, vacuum deposition method, chemical vapor deposition method, ion plating method , Ion beam sputtering, ion beam sputtering, and the like. Further, it can also be produced by an electrodeposition method or an immersion method from an aqueous solution composed of a metal ion with a nitrate group, an acetate group, an ammonia group, or the like. The thickness of the transparent electrode is preferably deposited to a film thickness that satisfies the condition as an antireflection film.
以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例では本発明の積層型光起電力素子として光起電力層(単位光起電力素子)が2層で、基板側から反射層、微結晶シリコンからなる光起電力素子、その上に中間層、アモルファスシリコンからなる光起電力素子を順次作成した太陽電池の実施例を説明するが、本発明はこれらによって何ら制限されるものではなく、必要に応じて積層する光起電力素子の数を増加することも可能である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following embodiments, the stacked photovoltaic element of the present invention has two photovoltaic layers (unit photovoltaic elements), a reflective layer from the substrate side, a photovoltaic element made of microcrystalline silicon, An embodiment of a solar cell in which a photovoltaic element made of an intermediate layer and amorphous silicon is sequentially formed will be described. However, the present invention is not limited to these, and the photovoltaic element is laminated as necessary. It is also possible to increase the number of.
[実施例1]
本実施例は、第2の光起電力素子302としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、第1の光起電力素子305としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、および酸化亜鉛を中間層として用いた第1の本発明に係る積層型光起電力素子(図3参照)を作製した例である。
[Example 1]
In this example, the second
基板301には、縦横45mm×45mm、厚さ0.15mmの形状で、一般的にBA仕上げと呼ばれる平坦なステンレス鋼(SUS430)を使用し、市販の直流マグネトロンスパッタ装置(不図示)に設置し、圧力が10-3Pa以下になるまで排気した。
The
その後、アルゴンガスを30cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。基板は加熱せず、6inchφのアルミニウムターゲットに120Wの直流電力を印加し、90秒間で70nmのアルミニウムの薄膜を形成した。引き続き、基板温度を200℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて500Wの直流電力を30分間印加し、約500nmの酸化亜鉛の反射層を堆積し作製した。 Thereafter, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. The substrate was not heated, and a DC power of 120 W was applied to a 6 inch φ aluminum target to form a 70 nm aluminum thin film in 90 seconds. Subsequently, the substrate temperature was heated to 200 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 500 W DC power was applied for 30 minutes, and a zinc oxide reflective layer of about 500 nm was deposited.
図5は、本発明に係る積層型光起電力素子の半導体層を作製するために好適な装置の一形態を示す模式図である。図5において、堆積膜形成装置500は、ロードチャンバー501、n型層RFチャンバー502、微結晶シリコンi型層チャンバー503、アモルファスシリコンi型層RFチャンバー504、p型層RFチャンバー505、およびアンロードチャンバー506から主に構成されている。各チャンバー間は、ゲートバルブ507、508、509、510、511により、原料ガスが混合しないように分離されている。
FIG. 5 is a schematic view showing an embodiment of an apparatus suitable for producing a semiconductor layer of a stacked photovoltaic element according to the present invention. In FIG. 5, the deposited
微結晶シリコンi型層チャンバー503は、基板加熱用のヒーター512およびプラズマCVD室513から構成されている。RFチャンバー502は、n型層堆積用ヒーター514とn型層堆積用の堆積室515を、RFチャンバー504はi型層堆積用ヒーター516とi型層堆積用の堆積室517を、RFチャンバー505はp型層堆積用ヒーター518とp型層堆積用の堆積室519を有している。基板は基板ホルダー521に取り付けられ、レール520上を外部から駆動されるローラーによって移動する。プラズマCVD室513では、微結晶を堆積する。微結晶は、マイクロ波プラズマCVD法またはVHFプラズマCVD法が使用される。
The microcrystalline silicon i-
このような堆積膜形成装置を使用して、表1に示す所定の成膜条件のもとに第2の光起電力素子302としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子以下のようにして成膜した。
Using such a deposited film forming apparatus, the second
まず、反射層を有する基板301を基板ホルダー521にセットしロードチャンバー501のレール520上にセットする。そして、ロードチャンバー501内を数百mPa以下の真空度に排気する。
First, the
次に、ゲートバルブ507を開け、基板ホルダー521をチャンバー502のn型層堆積室515に移動する。各ゲートバルブ507、508、509、510、511を閉じた状態で、所定の原料ガスにてn型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ508を開けて基板ホルダー521を堆積チャンバー503に移動し、ゲートバルブ508を閉じる。
Next, the
ヒーター512で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のマイクロ波エネルギーまたはVHFエネルギーを堆積室513へ導入し、プラズマを発生させて基板上に微結晶シリコンi型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー503を十分に排気し、ゲートバルブ509、510を開けて基板ホルダー521をチャンバー503からチャンバー505へ移動する。
A substrate is heated to a predetermined substrate temperature by a
基板ホルダー521をチャンバー505のp型層堆積室519に移動させた後、ヒーター518によって基板を所望の温度に加熱する。堆積室519にp型層堆積用の原料ガスを所定の流量だけ供給し、所定の真空度に維持しつつ堆積室519にRFエネルギーを導入し、p型層を所望の層厚に堆積する。
After the
上記と同様にして堆積室519を十分に排気した後、ゲートバルブ511を開け、基板ホルダー521をアンロードチャンバー506へ移動する。ゲートバルブを全て閉じ、アンロードチャンバー506内へ窒素ガスを封入して、基板温度を冷却する。その後、アンロードチャンバー506の取り出しバルブを開けて、基板ホルダー521を取り出す。
After exhausting the
次に、基板ホルダー521から第2の光起電力素子302まで作製した基板を取り外し、酸化亜鉛層を形成するために図6に示すDCマグネトロンスパッタ装置600の基板ホルダー601上に設置し、圧力が10-3Pa以下になるまで排気した。
Next, the substrate produced from the
基板ホルダー601は電気的に絶縁されており、サンプルである光起電力素子をフローティング状態にすることができる。その後、アルゴンガスを50sccm、酸素ガス及び気化したH2Oガスを表2に従いガス導入管602から0.1〜5sccm供給しながら圧力を2×10-2Paに保持した。引き続き、ヒーター603により基板温度を150℃となるように基板ホルダー601を加熱し、Alドープされた6インチφの酸化亜鉛(ZnO)ターゲット604にDC電源605より500Wの直流電力を10分間印加し、層厚約0.5μmの第2の酸化亜鉛層303を堆積した。ターゲット604の周囲にはアースシールド606として囲いが設置されており、プラズマの拡散を防止するとともに、安定放電にも寄与している。このとき同時に、45mm×45mmの石英基板を基板ホルダー上に設置しておき、同じ酸化亜鉛層を堆積させ、電気特性を測定した。
The
次に、表2のA〜J処方の第2の酸化亜鉛層303が堆積された各基板上に、再び表2のA〜Jの条件で第1の酸化亜鉛層304を積層しトータルで100個のサンプルを作製した。このとき同時に、45mm×45mmの石英基板を基板ホルダー上に設置しておき、同じ酸化亜鉛層を堆積させ、電気特性を測定した。
Next, the first
次に再び堆積膜形成装置500を用いて、上記中間層(酸化亜鉛層)が形成された基板上に、表3に示す所定の成膜条件のもとに第1の光起電力素子305としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子を以下に述べるように作製した。
Next, using the deposited
まず、前記と同様にして所定の条件でn型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ508、509を開けて基板ホルダー521を堆積チャンバー504に移動し、ゲートバルブ508、509を閉じた。
First, in the same manner as described above, an n-type layer is deposited to a predetermined thickness under predetermined conditions. After exhausting sufficiently, the
次に、ヒーター516で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のRFエネルギーを堆積室517へ導入し、プラズマを発生させて基板上に非晶質Si:H i型層を、成膜時間を調整することによって所定の層厚に堆積する。チャンバー504を十分に排気し、ゲートバルブ510を開けて基板ホルダー521をチャンバー504からチャンバー505へ移動させた。
Next, the substrate is heated to a predetermined substrate temperature by a
前記と同様にして所定の条件でp型層を所定の層厚に堆積した。 In the same manner as described above, a p-type layer was deposited in a predetermined layer thickness under predetermined conditions.
前記と同様にして堆積室519を十分に排気した後、ゲートバルブ511を開け、第1の光起電力素子305まで形成された基板をセットした基板ホルダー521をアンロードチャンバー506へ移動した。
After sufficiently exhausting the
上記と同様にしてアンロードチャンバー506内から基板ホルダー521を取り出した。
The
次に、第1の光起電力素子305まで形成された基板をDCマグネトロンスパッタ装置のアノードの表面に取り付け、ステンレス鋼のマスクで試料の周囲を遮蔽して、中央部40mm×40mmの領域に10重量%の酸化錫と90重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて透明電極として酸化インジウムスズをスパッタリングした。
Next, the substrate formed up to the first
堆積条件は基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量30sccm、酸素ガス0.5sccm、堆積室内の圧力300mPa、ターゲットの単位面積当たりの投入電力量0.2W/cm2にて約100秒で厚さが70nmとなるように堆積した。膜の厚みは、前もって同じ条件で堆積時間との関係を検量して堆積することにより、所定の厚みとした。こうして作製した光起電力素子を「実1」とした。 Deposition conditions are about 100 seconds at a substrate temperature of 170 ° C., an argon flow rate of 30 sccm as an inert gas, an oxygen gas of 0.5 sccm, a pressure in the deposition chamber of 300 mPa, and an input power amount of 0.2 W / cm 2 per unit area of the target. Deposited to a thickness of 70 nm. The thickness of the film was set to a predetermined thickness by performing the deposition by calibrating the relationship with the deposition time under the same conditions in advance. The photovoltaic device thus fabricated was designated as “Example 1”.
[比較例1]
第1の光起電力素子と第2の光起電力素子の間に酸化亜鉛層を挿入しなかった以外は実施例1と同様の手順により、光起電力素子を作製した。
[Comparative Example 1]
A photovoltaic element was produced in the same procedure as in Example 1 except that the zinc oxide layer was not inserted between the first photovoltaic element and the second photovoltaic element.
(測定)
まず初めに、実施例1において石英基板上に堆積させた酸化亜鉛層の電気特性を測定した。酸化亜鉛の抵抗率の範囲は広い(10桁)ため抵抗値に適した測定系で評価しなければならない。一般に絶縁体に用いられる2端子法では接触抵抗の影響がでてくるため、4端子法が用いられる。ここでは、ダイアンインスツルメンツ社製のMCP−T600型抵抗率計を用いて、直列4端子4探針法で定電流を印加、間の電位差を測定することにより抵抗率の測定を行なった。このようにして測定した結果を表4に示す。ターゲットに含有させたドーパントが多く、かつO2、H2Oの導入量の小さい酸化亜鉛層の方が低い抵抗率を示す。
(Measurement)
First, the electrical characteristics of the zinc oxide layer deposited on the quartz substrate in Example 1 were measured. Since the range of resistivity of zinc oxide is wide (10 digits), it must be evaluated by a measurement system suitable for the resistance value. In general, the two-terminal method used for insulators is affected by contact resistance, so the four-terminal method is used. Here, using a MCP-T600 type resistivity meter made by Diane Instruments, a constant current was applied by a series four-terminal four-probe method, and the potential difference was measured by measuring the potential difference therebetween. The measurement results are shown in Table 4. A zinc oxide layer with a large amount of dopant contained in the target and a small amount of O 2 and H 2 O introduced exhibits a lower resistivity.
次に実施例と比較例で作製した計101個の光起電力素子について山下電装株式会社製のYSS−150を使用し、AM1.5のスペクトル、強度100mW/cm2で光照射した状態で電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性から短絡電流密度[Jsc(mA/cm2)]、開放電圧[Voc(V)]、曲性因子[FF]を求め、変換効率[η(%)]を求めた。 Next, YSS-150 made by Yamashita Denso Co., Ltd. was used for a total of 101 photovoltaic elements produced in Examples and Comparative Examples, and the current was irradiated in the state of AM1.5 spectrum and intensity of 100 mW / cm 2. Voltage characteristics were measured. Short-circuit current density [Jsc (mA / cm 2 )], open-circuit voltage [Voc (V)], and curvature factor [FF] were determined from the measured current-voltage characteristics, and conversion efficiency [η (%)] was determined.
また、暗状態における電流電圧測定からV=0近傍の傾きを求めシャント抵抗(Rsh)とし、また電流の立ち上がりの傾きからシリーズ抵抗(Rs)を求めた。 Further, the slope near V = 0 was obtained from the current voltage measurement in the dark state to obtain the shunt resistance (Rsh), and the series resistance (Rs) was obtained from the slope of the current rise.
以上の結果を表5、表6、表7、表8に示す。
酸化亜鉛層が、第2の光起電力素子側で高く、第1の光起電力素子側で低い抵抗率を有する場合、反射の増加、短絡電流の減少、接合面の改善によりFFは改善され光電流が増加し、変換効率は向上するが、抵抗率の組み合わせが逆の場合はJscの低下に伴い変換効率は低下する。また、5×103Ωcmから2×100Ωcmの範囲にあれば、上記の抵抗率の組み合わせで優れた特性を示すが、2×100Ωcm以下、または抵抗率の高い部分が、5×102Ωcm以下の場合、短絡電流の影響でシャント抵抗値が下がりFFが低下、結果としてJscの低下を引き起こし、変換効率が低下する。一方、抵抗率が5×103Ωcm以上の場合、シリーズ抵抗の上昇で変換効率は若干低下する。
The results are shown in Table 5, Table 6, Table 7, and Table 8.
When the zinc oxide layer has a high resistivity on the second photovoltaic element side and a low resistivity on the first photovoltaic element side, the FF is improved by increasing the reflection, decreasing the short circuit current, and improving the bonding surface. Although the photocurrent increases and the conversion efficiency improves, if the combination of the resistivity is reversed, the conversion efficiency decreases as Jsc decreases. Also, 5 if the × 10 3 [Omega] cm in the range of 2 × 10 0 [Omega] cm, exhibits excellent characteristics of the above combinations of resistivity, 2 × 10 0 Ωcm or less, or a high resistivity portion, 5 × In the case of 10 2 Ωcm or less, the shunt resistance value decreases and the FF decreases due to the short-circuit current, resulting in a decrease in Jsc and a decrease in conversion efficiency. On the other hand, when the resistivity is 5 × 10 3 Ωcm or more, the conversion efficiency slightly decreases as the series resistance increases.
※上記シリーズ抵抗相対値は、大きい値が高いシリーズ抵抗値を示す。高いシリーズ抵抗値は特性低下をもたらす。 * The above series resistance relative value indicates a higher series resistance value. A high series resistance value leads to characteristic degradation.
[実施例2]
実施例1と同様に、第2の光起電力素子302としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、第1の光起電力素子305としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、および酸化亜鉛を中間層として用いた積層型光起電力素子(図3参照)を作製した。
[Example 2]
As in Example 1, the second
酸化亜鉛層のサンプルは、光起電力素子とは別に作製しており、Al含有ターゲットはそのままに、酸素ガス及び気化したH2Oガスの導入量を調整しながら、表9に示すような導電率を示す酸化亜鉛層を石英板上に作製した。この結果を元に、酸化亜鉛層の層厚方向に抵抗率が徐々に変化するような、いわゆるグレーディッド抵抗率を有する酸化亜鉛層の作製条件を見いだした。 The sample of the zinc oxide layer was prepared separately from the photovoltaic device, and the conductivity as shown in Table 9 was adjusted while adjusting the introduction amount of oxygen gas and vaporized H 2 O gas while leaving the Al-containing target as it was. A zinc oxide layer showing the rate was produced on a quartz plate. Based on this result, the inventors have found out conditions for producing a zinc oxide layer having a so-called graded resistivity in which the resistivity gradually changes in the thickness direction of the zinc oxide layer.
また、実施例1と同様に、酸化亜鉛層を中間層として用いた積層型光起電力素子を、表10に示す酸化亜鉛層の条件で作製した。このときの酸化亜鉛層は全て、第1の光起電力素子側から第2の光起電力素子に向かって抵抗率が高くなるように各条件を調整してある。 Further, similarly to Example 1, a stacked photovoltaic element using a zinc oxide layer as an intermediate layer was produced under the conditions of the zinc oxide layer shown in Table 10. Each condition of the zinc oxide layer at this time is adjusted so that the resistivity increases from the first photovoltaic element side toward the second photovoltaic element.
このようにして作製した光起電力素子(実2−1〜5)について、実施例1と同様に評価を行なった。その結果を、表10にあわせて示す。 Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 on the photovoltaic elements (2-1 to 5) thus manufactured. The results are also shown in Table 10.
酸化亜鉛層の抵抗率が、グレーディッドに変化する場合でも、その抵抗率が第2の光起電力素子側で高く、第1の光起電力素子側で低い抵抗率を有する場合、反射の増加、短絡電流の減少、接合面の改善によりFFは改善され光電流が増加し、変換効率は向上する。 Even when the resistivity of the zinc oxide layer changes to graded, if the resistivity is high on the second photovoltaic element side and low on the first photovoltaic element side, the reflection increases. By reducing the short-circuit current and improving the bonding surface, the FF is improved, the photocurrent is increased and the conversion efficiency is improved.
またその有効な範囲は、抵抗率が5×103Ωcmから2×100Ωcmの範囲であり、抵抗率の高い部分が5×102Ωcm以上の範囲であることがわかった。 Further, it was found that the effective range is a range of resistivity from 5 × 10 3 Ωcm to 2 × 10 0 Ωcm, and the high resistivity portion is in the range of 5 × 10 2 Ωcm or more.
[実施例3]
実施例3は、第1の光起電力素子としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、第2の光起電力素子としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、中間層として酸化インジウム錫と酸化亜鉛を積層して、図8に示したような第3の本発明に係る積層型光起電力素子を作製した。
[Example 3]
Example 3 is a pin type photovoltaic element in which the i layer is an intrinsic amorphous Si: H as the first photovoltaic element, and the pin type light in which the i layer is an intrinsic microcrystalline Si as the second photovoltaic element. A photovoltaic element and indium tin oxide and zinc oxide as an intermediate layer were laminated to produce a laminated photovoltaic element according to the third aspect of the present invention as shown in FIG.
図8の基板801には、縦横45mm×45mm、厚さ0.15mmの形状で、一般的にBA仕上げと呼ばれる平坦なステンレス鋼(SUS430)を使用し、市販の直流マグネトロンスパッタ装置(不図示)に設置し、圧力が10-3Pa以下になるまで排気した。
A flat stainless steel (SUS430) generally called BA finish is used for the
その後、アルゴンガスを30cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。基板は加熱せず、6inchφのアルミニウムターゲットに120Wの直流電力を印加し、90秒間で70nmのアルミニウムの薄膜を形成した。引き続き、基板温度を200℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて500Wの直流電力を30分間印加し、約3000nmの酸化亜鉛の反射増加膜を堆積した基板801を作製した。
Thereafter, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. The substrate was not heated, and a DC power of 120 W was applied to a 6 inch φ aluminum target to form a 70 nm aluminum thin film in 90 seconds. Subsequently, the substrate temperature was heated to 200 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 500 W DC power was applied for 30 minutes, and a
次に、図5に示した堆積膜形成装置500を用いて、表11に示すように各層における所定の成膜条件の下に光起電力素子を成膜した。
Next, using the deposited
表11に従って、最初に基板801上に以下の手順で第2の光起電力素子を形成した。基板801を基板ホルダー521にセットし、ロードチャンバー501のレール520上にセットする。そして、ロードチャンバー501内を数百mPa以下の真空度に排気する。
According to Table 11, the 2nd photovoltaic element was first formed on the board |
次に、ゲートバルブ507を開け、基板ホルダー521をチャンバー502のn型層堆積室515に移動する。各ゲートバルブ507、508、509、510、511を閉じた状態で、所定の原料ガスにてn型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー502を十分に排気した後、ゲートバルブ508を開けて基板ホルダー521を堆積チャンバー503に移動し、ゲートバルブ508を閉じる。
Next, the
ヒーター512で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のマイクロ波エネルギーまたはVHFエネルギーを堆積室513へ導入し、プラズマを発生させて基板上に微結晶シリコンi型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー503を十分に排気した後、ゲートバルブ509、510を開けて基板ホルダー521をチャンバー503からチャンバー505へ移動する。
A substrate is heated to a predetermined substrate temperature by a
基板ホルダー521をチャンバー505のp型層堆積室519に移動させた後、ヒーター518によって基板を所望の温度に加熱する。堆積室519にp型層堆積用の原料ガスを所定の流量だけ供給し、所定の真空度に維持しつつ堆積室519にRFエネルギーを導入し、p型層を所望の層厚に堆積する。
After the
上記と同様にして堆積室519を十分に排気した後、ゲートバルブ511を開け、光起電力素子が堆積された基板201をセットした基板ホルダー521をアンロードチャンバー506へ移動する。
After exhausting the
ゲートバルブを全て閉じ、アンロードチャンバー506内へ窒素ガスを封入して、基板温度を冷却する。その後、アンロードチャンバー506の取り出しバルブを開けて、基板ホルダー521を取り出す。
All the gate valves are closed and nitrogen gas is sealed in the unload
次に、基板ホルダー521から第2の光起電力素子まで作製した基板801を取り外し、中間層を形成するために市販の直流マグネトロンスパッタ装置(不図示)に設置し、圧力が10-3Pa以下になるまで排気した。
Next, the
3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。 Indium tin oxide was sputtered using a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてのアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を約100秒印加し、厚さが約10nmとなるように堆積した。膜の厚みは、前もって同じ条件で堆積時間との関係を検量して堆積することにより、所定の厚みとした。 The deposition conditions are as follows: the substrate temperature is 170 ° C., the flow rate of argon as an inert gas is 50 cm 3 / min (normal), the oxygen gas is 0.2 cm 3 / min (normal), the pressure in the deposition chamber is 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched to 10 W, DC power of 10 W was applied for about 100 seconds, and the film was deposited to a thickness of about 10 nm. The thickness of the film was set to a predetermined thickness by performing the deposition by calibrating the relationship with the deposition time under the same conditions in advance.
その後、同一装置にて、酸化亜鉛からなるターゲットに交換して、酸化亜鉛をスパッタリングした。 Then, it replaced with the target which consists of zinc oxide with the same apparatus, and sputtered zinc oxide.
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、約100nmの酸化亜鉛を堆積した。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, and 100 W DC power was applied for 5 minutes to deposit about 100 nm of zinc oxide.
次に、再び図5の堆積膜形成装置500を用いて、上記中間層が形成された基板801上に第1の光起電力素子としてpin型非晶質Si:H光起電力素子を以下に述べるように作製した。
Next, using the deposited
上記と同様にして、チャンバー502において所定の条件でn型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー502を十分に排気した後、ゲートバルブ508、509を開けて基板ホルダー521をチャンバー504に移動し、ゲートバルブ508、509を閉じた。
In the same manner as described above, an n-type layer is deposited in a predetermined thickness in the
ヒーター516で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のRFエネルギーを堆積室517へ導入し、プラズマを発生させて基板上に非晶質Si:Hのi型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー504を十分に排気し、ゲートバルブ510を開けて基板ホルダー521をチャンバー504からチャンバー505へ移動させた。
The substrate is heated to a predetermined substrate temperature by a
上記と同様にして、チャンバー505において所定の条件でp型層を所定の層厚に堆積した。
In the same manner as described above, a p-type layer was deposited in a predetermined thickness in the
また、上記と同様にして、堆積室519を十分に排気した後、ゲートバルブ511を開け、光起電力素子が堆積された基板801をセットした基板ホルダー521をアンロードチャンバー506へ移動した。
In the same manner as described above, after the
さらに、上記と同様にして、アンロードチャンバー506内から基板ホルダー521を取り出した。
Further, the
次に、基板をDCマグネトロンスパッタ装置のアノードの表面に取り付け、ステンレス鋼のマスクで試料の周囲を遮蔽して、中央部40mm×40mmの領域に10重量%の酸化錫と90重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて透明電極として酸化インジウム錫をスパッタリングした。 Next, the substrate is attached to the surface of the anode of a DC magnetron sputtering apparatus, the periphery of the sample is shielded with a stainless steel mask, and 10% by weight of tin oxide and 90% by weight of indium oxide are formed in a central area of 40 mm × 40 mm. Indium tin oxide was sputtered as a transparent electrode using a target composed of
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.5cm3/min(normal)、堆積室内の圧力300mPa、ターゲットの単位面積当たりの投入電力量0.2W/cm2にて約100秒で厚さが70nmとなるように堆積した。膜の厚みは、前もって同じ条件で堆積時間との関係を検量して堆積することにより、所定の厚みとした。こうして作製したサンプルを「実3」とした。
Deposition conditions are as follows: substrate temperature 170 ° C., flow rate of argon as inert gas 50 cm 3 / min (normal), oxygen gas 0.5 cm 3 / min (normal), pressure in the
[比較例2]
図12に示すように、1層からなる中間層1206を備えていること以外は、本発明の積層型光起電力素子800(図8参照)と同じ構成の積層型光起電力素子1200を作製する。図12において、金属等の導電性の基板1201上に光反射層1202、第2の光起電力素子1203、中間層1206、第1の光起電力素子1207、透明電極1208が順に積層されている。
[Comparative Example 2]
As shown in FIG. 12, a laminated
上記中間層1206の作製において、酸化亜鉛からなるターゲットを用いて酸化亜鉛をスパッタリングした。
In the production of the
作製条件はアルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を100℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間30秒印加し、約110nmの酸化亜鉛を堆積した。このようにして1層から成る中間層1206を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比2−1」とした。
The production conditions were such that argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 100 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, and 100 W DC power was applied for 5 minutes for 30 seconds to deposit about 110 nm of zinc oxide. A photovoltaic element was produced in the same procedure as in Example 3 except that the
また、中間層1206の作製において、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。
Further, in the production of the
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を約18分20秒印加し、厚さが約110nmとなるように堆積した。このようにして中間層1206を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比2−2」とした。
The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched, and 10 W DC power was applied for about 18 minutes and 20 seconds, and the film was deposited to a thickness of about 110 nm. A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 3 except that the
さらに、図8の構成の積層型光起電力素子800の中間層806の作製において、まず、酸化亜鉛からなるターゲットを用いて酸化亜鉛をスパッタリングした。
Further, in the production of the
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を30秒間印加し、約10nmの酸化亜鉛を堆積した。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 100 W DC power was applied for 30 seconds, and about 10 nm of zinc oxide was deposited.
その後、同一装置にて、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットに交換して酸化インジウム錫をスパッタリングした。 Thereafter, in the same apparatus, indium tin oxide was sputtered by exchanging with a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を約16分40秒間印加し、厚さが約100nmとなるように堆積した。このようにして中間層を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比2−3」とした。 The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched and DC power of 10 W was applied for about 16 minutes and 40 seconds, and deposition was performed to a thickness of about 100 nm. A photovoltaic element was produced in the same procedure as in Example 3 except that the intermediate layer was produced in this manner. The sample thus produced was designated “Ratio 2-3”.
こうして実施例3と比較例2で作製したサンプルについて山下電装株式会社製のYSS−150を使用し、AM1.5のスペクトル、強度100mW/cm2で光照射した状態で電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性から短絡電流密度[Jsc(mA/cm2)]、開放電圧[Voc(V)]、曲性因子[FF]、光電変換効率[η(%)]を求めた。 Thus, about the sample produced in Example 3 and Comparative Example 2, YSS-150 made from Yamashita Denso Co., Ltd. was used, and the current-voltage characteristic was measured in the state irradiated with light of AM1.5 spectrum and intensity of 100 mW / cm 2 . The short-circuit current density [Jsc (mA / cm 2 )], open-circuit voltage [Voc (V)], curvature factor [FF], and photoelectric conversion efficiency [η (%)] were determined from the measured current-voltage characteristics.
試料の暗状態での電圧電流特性を測定し、原点付近の傾きからシャント抵抗[Rsh(kΩcm2)]を求めた。 The voltage-current characteristics of the sample in the dark state were measured, and the shunt resistance [Rsh (kΩcm 2 )] was obtained from the inclination near the origin.
これらの特性値を比較例に対する実施例の比率(実3/比2−1、実3/比2−2、実3/比2−3)をまとめたものを表12に示す。 Table 12 shows a summary of the ratios of the characteristic values to the comparative example (actual 3 / ratio 2-1, actual 3 / ratio 2-2, actual 3 / ratio 2-3).
実3は比2−1に比べ、FF、Vocのいずれも改善し、高い光電変換効率を示した。図10にそれぞれのJ−Vカーブを示すが、実3と比2−1の違いが主にVocのシフトによっており、比2−1は半導体界面と中間層の界面との接合の不良によるものと考えられる。 Actual 3 improved both FF and Voc compared with the ratio 2-1, and showed high photoelectric conversion efficiency. FIG. 10 shows the respective JV curves. The difference between the actual 3 and the ratio 2-1 is mainly due to the shift of Voc, and the ratio 2-1 is due to the poor bonding between the semiconductor interface and the interface of the intermediate layer. it is conceivable that.
また、実3は比2−2に比べ、FF、Voc、Rshのいずれも改善し、高い光電変換効率を示した。図11にそれぞれのJ−Vカーブを示すが、比2−2はシャント抵抗の低下により主にFFが低下しているものと考えられる。 In addition, Actual 3 improved all FF, Voc, and Rsh compared to the ratio 2-2, and showed high photoelectric conversion efficiency. FIG. 11 shows the respective JV curves. It is considered that the ratio 2-2 is mainly due to the decrease in FF due to the decrease in shunt resistance.
また、実3は比2−3に比べ、FF、Voc、Rshのいずれも改善し、高い光電変換効率を示した。比2−3は実3の構成とは逆に酸化亜鉛を堆積した後に酸化インジウム錫を堆積した構成であるが、この場合、界面の接合の影響とシャント抵抗の低下の影響によりVoc、FFが低下しているものと考えられる。 In addition, the actual 3 improved all of the FF, Voc, and Rsh compared with the ratio 2-3, and showed high photoelectric conversion efficiency. The ratio 2-3 is a configuration in which indium tin oxide is deposited after depositing zinc oxide on the contrary to the configuration of actual 3, but in this case, Voc and FF are reduced due to the effect of interface bonding and the decrease in shunt resistance. It is thought that it is decreasing.
さらに、信頼性試験を以下のように行った。試料を高温高湿槽に投入し、85℃、相対湿度85%に保持した。この試験中に、試料に逆バイアス−0.85Vを20時間印加し続けた。その後、取り出し、自然に十分乾燥冷却してから、電圧電流特性を測定した。各特性は初期値に対する相対値であり、表13に示す。 Further, the reliability test was performed as follows. The sample was put into a high-temperature and high-humidity tank and kept at 85 ° C. and a relative humidity of 85%. During this test, a reverse bias of −0.85 V was continuously applied to the sample for 20 hours. Then, after taking out and naturally drying and cooling sufficiently, the voltage-current characteristic was measured. Each characteristic is a relative value with respect to the initial value, and is shown in Table 13.
実3および比2−1は、信頼性試験によって、殆どシャント抵抗の低下は見られなかった。一方、比2−2および比2−3では、シャント抵抗が初期よりも低下して、主にVoc、FFが低下し、光電変換効率の低下が見られた。 As for the actual 3 and the ratio 2-1, a decrease in the shunt resistance was hardly observed by the reliability test. On the other hand, in the ratio 2-2 and the ratio 2-3, the shunt resistance decreased from the initial stage, Voc and FF mainly decreased, and the photoelectric conversion efficiency was decreased.
以上のことから、第2及び第3の本発明によると、初期光電変換効率が良好で、信頼性も高いことが判った。 From the above, it was found that according to the second and third aspects of the present invention, the initial photoelectric conversion efficiency is good and the reliability is high.
[実施例4]
実施例4は、第1の光起電力素子としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、第2の光起電力素子としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、中間層として酸化インジウム錫と酸化亜鉛を積層した図8に示したような第3の本発明に係る積層型光起電力素子を、酸化インジウム錫と酸化亜鉛の膜厚の割合を変えて、3サンプル作製した。
[Example 4]
Example 4 is a pin type photovoltaic element in which the i layer is an intrinsic amorphous Si: H as the first photovoltaic element, and an i layer is an intrinsic microcrystalline Si as the second photovoltaic element. The photovoltaic element, the laminated photovoltaic element according to the third aspect of the present invention as shown in FIG. 8 in which indium tin oxide and zinc oxide are laminated as an intermediate layer, the thickness ratio of indium tin oxide and zinc oxide Three samples were prepared by changing.
中間層の作製において、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。 In preparation of the intermediate layer, indium tin oxide was sputtered using a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を所定時間印加し、所定の膜厚となるように堆積した。 The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched and 10 W DC power was applied for a predetermined time to deposit the film to a predetermined thickness.
その後、同一装置にて、酸化亜鉛からなるターゲットに交換して酸化亜鉛をスパッタリングした。 Thereafter, using the same apparatus, the target was made of zinc oxide, and zinc oxide was sputtered.
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を所定の時間印加し、所定の膜厚の酸化亜鉛を堆積した。中間層としての総膜厚は約110nmに揃えた。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, and 100 W DC power was applied for a predetermined time to deposit zinc oxide having a predetermined film thickness. The total film thickness as the intermediate layer was adjusted to about 110 nm.
このようにして酸化亜鉛層と酸化インジウム錫層の割合を変えた中間層を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「実4A」、「実4B」、「実4C」、「実4D」とした。それぞれのサンプルの作製条件を表14に示す。 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 3 except that an intermediate layer in which the ratio of the zinc oxide layer and the indium tin oxide layer was changed was produced. The samples thus prepared were designated as “Act 4A”, “Act 4B”, “Act 4C”, and “Act 4D”. Table 14 shows the production conditions of each sample.
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例3と同様に測定した。その結果を表15に示しており、比較例「比2−2」との相対値で示す。 Next, the current-voltage characteristics of the produced photoelectric conversion element were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in Table 15 and are shown as relative values to the comparative example “ratio 2-2”.
実4A,4B,4C,4Dはいずれも比2−2よりも改善していたが、酸化インジウム錫層が酸化亜鉛層よりも薄い方がより変換効率が高い。さらに、信頼性試験を実施例3と同様に行った。各特性は、初期値に対する相対値で表16に示す。 Actual 4A, 4B, 4C, and 4D all improved from the ratio 2-2, but the conversion efficiency is higher when the indium tin oxide layer is thinner than the zinc oxide layer. Further, the reliability test was performed in the same manner as in Example 3. Each characteristic is shown in Table 16 as a relative value with respect to the initial value.
信頼性試験の結果、実4A,4B,4C、4Dはいずれも比2−2よりも改善していたが、酸化インジウム錫層が酸化亜鉛層よりも薄いほうがより低下が少ない。 As a result of the reliability test, the actual 4A, 4B, 4C, and 4D were all improved from the ratio 2-2, but the decrease was less when the indium tin oxide layer was thinner than the zinc oxide layer.
以上の結果から、実施例4A、4Bは4C、4Dよりも、より変換効率が高く、尚且つ、信頼性試験も良好であり、酸化インジウム錫層が酸化亜鉛層よりも薄い方がより好ましい。 From the above results, in Examples 4A and 4B, conversion efficiency is higher than that of 4C and 4D, the reliability test is good, and it is more preferable that the indium tin oxide layer is thinner than the zinc oxide layer.
[実施例5]
実施例5は、第1の光起電力素子としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、第2の光起電力素子としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、中間層として酸化インジウム錫と酸化亜鉛を積層した図8に示したような第3の本発明に係る積層型光起電力素子を酸化インジウム錫の膜厚を変えて、4サンプル作製した。
[Example 5]
Example 5 is a pin type photovoltaic element in which the i layer is intrinsic amorphous Si: H as the first photovoltaic element, and the pin type light in which the i layer is intrinsic microcrystalline Si as the second photovoltaic element. Four samples were produced by changing the film thickness of indium tin oxide from the photovoltaic element according to the third aspect of the present invention in which indium tin oxide and zinc oxide were laminated as an intermediate layer as shown in FIG. did.
中間層の作製において、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。 In preparation of the intermediate layer, indium tin oxide was sputtered using a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を所定時間印加し、所定の膜厚となるように堆積した。 The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched and 10 W DC power was applied for a predetermined time to deposit the film to a predetermined thickness.
その後、同一装置にて、酸化亜鉛からなるターゲットに交換して酸化亜鉛をスパッタリングした。 Thereafter, using the same apparatus, the target was made of zinc oxide, and zinc oxide was sputtered.
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。このようにして酸化インジウム錫層の膜厚を変えた中間層を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「実5A」、「実5B」、「実5C」、「実5D」とした。それぞれのサンプルの作製条件を表17に示す。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 100 W DC power was applied for 5 minutes, and 100 nm zinc oxide was deposited. A photovoltaic element was produced in the same manner as in Example 3 except that the intermediate layer with the indium tin oxide layer having a different thickness was produced in this manner. The samples thus prepared were designated as “Actual 5A”, “Actual 5B”, “Actual 5C”, and “Actual 5D”. Table 17 shows the production conditions of each sample.
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例3と同様に測定した。その結果を表18に示しており、比較例「比2−2」との相対値で示す。 Next, the current-voltage characteristics of the produced photoelectric conversion element were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in Table 18 and are shown as relative values to the comparative example “ratio 2-2”.
実5A,5B,5C,5Dはいずれも比2−2よりも改善していたが、酸化インジウム錫層が1nmから50nmの範囲でより変換効率が高い。さらに、信頼性試験を実施例3と同様に行った。各特性は、初期値に対する相対値で表19に示す。 Actual 5A, 5B, 5C, and 5D all improved from the ratio 2-2, but the conversion efficiency is higher in the range of 1 nm to 50 nm for the indium tin oxide layer. Further, the reliability test was performed in the same manner as in Example 3. Each characteristic is shown in Table 19 as a relative value with respect to an initial value.
信頼性試験の結果、実5A,5B,5C、5Dは大きな低下は無かったが、酸化インジウム錫層が薄いほうがより低下が少なく、酸化インジウム錫層が50nm以下であることが好ましい。 As a result of the reliability test, the actual 5A, 5B, 5C, and 5D did not significantly decrease, but the thinner the indium tin oxide layer, the smaller the decrease, and the indium tin oxide layer is preferably 50 nm or less.
以上の結果から、酸化インジウム錫層が1nmから50nmの範囲でより変換効率が高く、尚且つ、信頼性試験も良好であった。 From the above results, the indium tin oxide layer had higher conversion efficiency in the range of 1 nm to 50 nm, and the reliability test was also good.
[実施例6]
実施例6は、第1の光起電力素子としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、第2の光起電力素子としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、中間層として酸化インジウム錫と酸化亜鉛を積層した図8に示したような第3の本発明に係る積層型光起電力素子の作製条件を変えて、2サンプル作製した。
[Example 6]
Example 6 is a pin type photovoltaic element in which the i layer is an intrinsic amorphous Si: H as the first photovoltaic element, and the pin type light in which the i layer is an intrinsic microcrystalline Si as the second photovoltaic element. Two samples were produced by changing the production conditions of the photovoltaic device according to the third aspect of the present invention as shown in FIG. 8 in which indium tin oxide and zinc oxide were laminated as an intermediate layer.
中間層の作製において、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。 In preparation of the intermediate layer, indium tin oxide was sputtered using a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を8分20秒秒印加し、50nmの膜厚となるように堆積した。 The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched and 10 W DC power was applied for 8 minutes and 20 seconds to deposit the film to a thickness of 50 nm.
その後、同一装置にて、酸化亜鉛からなるターゲットに交換して酸化亜鉛をスパッタリングした。 Thereafter, using the same apparatus, the target was made of zinc oxide, and zinc oxide was sputtered.
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。このようにして酸化インジウム錫層の膜厚を変えた中間層を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「実6A」とした。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 100 W DC power was applied for 5 minutes, and 100 nm zinc oxide was deposited. A photovoltaic element was produced in the same manner as in Example 3 except that the intermediate layer with the indium tin oxide layer having a different thickness was produced in this manner. The sample thus produced was designated “Act 6A”.
同様に酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて35Wの直流電力を2分30秒印加し、50nmの膜厚となるように堆積した。同様に酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて30Wの直流電力を16分40秒間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。こうして作製したサンプルを「実6B」とした。次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例3と同様に測定した。その結果を表20に示しており、比較例「比2−2」との相対値で示す。 Similarly, the electrical connection was switched to an indium tin oxide target, and 35 W DC power was applied for 2 minutes and 30 seconds, and the film was deposited to a thickness of 50 nm. Similarly, the electrical connection was switched to the zinc oxide target, and 30 W DC power was applied for 16 minutes and 40 seconds to deposit 100 nm of zinc oxide. The sample thus fabricated was designated “Real 6B”. Next, the current-voltage characteristics of the produced photoelectric conversion element were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in Table 20 and are shown as relative values to the comparative example “ratio 2-2”.
実6Aは実6Bよりも特性が良かった。さらに、信頼性試験を実施例3と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表21に示す。 Actual 6A had better characteristics than actual 6B. Further, the reliability test was performed in the same manner as in Example 3. Each characteristic is a relative value with respect to the initial value, and is shown in Table 21.
信頼性試験の結果、いずれも良好であった。 As a result of the reliability test, all were good.
以上の結果から、酸化インジウム錫層の堆積速度が酸化亜鉛層の堆積速度よりも遅いほうが、より変換効率が高く、信頼性試験も良好であった。 From the above results, the conversion efficiency was higher and the reliability test was better when the deposition rate of the indium tin oxide layer was slower than the deposition rate of the zinc oxide layer.
[実施例7]
実施例7は、第1の光起電力素子としてi層が真性非晶質Si:Hのpin型光起電力素子、第2の光起電力素子としてi層が真性微結晶Siのpin型光起電力素子、中間層として酸化インジウム錫と酸化亜鉛を積層した図8に示したような第3の本発明に係る積層型光起電力素子の作製条件を変えて、3サンプル作製した。
[Example 7]
Example 7 is a pin type photovoltaic element in which the i layer is an intrinsic amorphous Si: H as the first photovoltaic element, and the pin type light in which the i layer is an intrinsic microcrystalline Si as the second photovoltaic element. Three samples were produced by changing the production conditions of the photovoltaic element according to the third aspect of the present invention as shown in FIG. 8 in which indium tin oxide and zinc oxide were laminated as an intermediate layer.
中間層の作製において、3重量%の酸化錫と97重量%の酸化インジウムからなるターゲットを用いて酸化インジウム錫をスパッタリングした。 In preparation of the intermediate layer, indium tin oxide was sputtered using a target composed of 3 wt% tin oxide and 97 wt% indium oxide.
堆積条件は、基板温度170℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量50cm3/min(normal)、酸素ガス0.2cm3/min(normal)、堆積室内の圧力200mPa、6inchφの酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を100秒印加し、10nmの膜厚となるように堆積した。 The deposition conditions were as follows: a substrate temperature of 170 ° C., an argon gas flow rate of 50 cm 3 / min (normal), an oxygen gas of 0.2 cm 3 / min (normal), a pressure in the deposition chamber of 200 mPa, and 6 inch φ indium tin oxide target. The electrical connection was switched and 10 W DC power was applied for 100 seconds to deposit the film to a thickness of 10 nm.
その後、同一装置にて、酸化亜鉛からなるターゲットに交換して酸化亜鉛をスパッタリングした。 Thereafter, using the same apparatus, the target was made of zinc oxide, and zinc oxide was sputtered.
堆積条件は、アルゴンガスを30cm3/min(normal)、酸素ガス2cm3/min(normal)供給し、圧力を2×10-1Paに保持した。引き続き、基板温度を120℃に加熱し、6inchφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。このようにして酸化インジウム錫層の膜厚を変えた中間層を作製した以外は、実施例3と同様の手順により光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「実7A」とした。 As deposition conditions, argon gas was supplied at 30 cm 3 / min (normal) and oxygen gas was supplied at 2 cm 3 / min (normal), and the pressure was maintained at 2 × 10 −1 Pa. Subsequently, the substrate temperature was heated to 120 ° C., the electrical connection was switched to a 6 inch φ zinc oxide target, 100 W DC power was applied for 5 minutes, and 100 nm zinc oxide was deposited. A photovoltaic element was produced in the same manner as in Example 3 except that the intermediate layer with the indium tin oxide layer having a different thickness was produced in this manner. The sample thus produced was designated “Act 7A”.
同様に基板温度120℃にして、酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を100秒印加し、10nmの膜厚となるように堆積した。その後、同様に、基板温度を170℃にして、酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。こうして作製したサンプルを「実7B」とした。 Similarly, the substrate temperature was set to 120 ° C., the electrical connection was switched to the target of indium tin oxide, 10 W DC power was applied for 100 seconds, and the film was deposited to a thickness of 10 nm. Thereafter, similarly, the substrate temperature was set to 170 ° C., the electrical connection was switched to the zinc oxide target, 100 W direct current power was applied for 5 minutes, and 100 nm zinc oxide was deposited. The sample thus prepared was designated “Real 7B”.
同様に基板温度170℃にして、酸化インジウム錫のターゲットに電気接続を切り替えて10Wの直流電力を100秒印加し、10nmの膜厚となるように堆積した。その後、同様に、基板温度を250℃にして、酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて100Wの直流電力を5分間印加し、100nmの酸化亜鉛を堆積した。こうして作製したサンプルを「実7C」とした。 Similarly, the substrate temperature was set to 170 ° C., the electrical connection was switched to the target of indium tin oxide, 10 W DC power was applied for 100 seconds, and the film was deposited to a thickness of 10 nm. Thereafter, similarly, the substrate temperature was set to 250 ° C., the electrical connection was switched to the zinc oxide target, and 100 W DC power was applied for 5 minutes to deposit 100 nm of zinc oxide. The sample thus produced was designated “Real 7C”.
中間層堆積後、目視で表面を観察したところ、実7Cには微細な膜剥がれが観察された。顕微鏡にて確認したところ、中間層が剥がれていることが分かった。 When the surface was visually observed after the intermediate layer was deposited, minute film peeling was observed in the actual 7C. When confirmed with a microscope, it was found that the intermediate layer was peeled off.
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例3と同様に測定した。その結果を表22に示しており、比較例「比2−2」との相対値で示す。 Next, the current-voltage characteristics of the produced photoelectric conversion element were measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in Table 22 and are shown as relative values to the comparative example “ratio 2-2”.
実7A、7B、7Cはいずれも「比2−2」よりも良好な特性を有するが、実7Aがより良好であった。さらに、信頼性試験を実施例3と同様に行った。各特性は、初期値に対する相対値で表23に示す。 Actual 7A, 7B, and 7C all had better characteristics than “ratio 2-2”, but actual 7A was better. Further, the reliability test was performed in the same manner as in Example 3. Each characteristic is shown in Table 23 as a relative value to the initial value.
信頼性試験の結果、実7A〜7Cはいずれも「比2−2」よりも良好な特性が得られた。 As a result of the reliability test, all of the actual materials 7A to 7C had better characteristics than “Ratio 2-2”.
実7Cは中間層が微細に剥がれていたものの、信頼性試験ではあまり低下していないことが分かった。実7Aは他のものより、低下が少ないことが分かった。 In the case of the actual 7C, although the intermediate layer was finely peeled off, it was found that the reliability test did not deteriorate much. Actual 7A was found to be less degraded than the others.
以上の結果から、酸化亜鉛層の形成温度が酸化インジウム層の形成温度よりも低いほうが変換効率が高く、尚且つ、信頼性試験も良好であった。 From the above results, the conversion efficiency was higher when the formation temperature of the zinc oxide layer was lower than the formation temperature of the indium oxide layer, and the reliability test was also good.
100 積層型光起電力素子
101 基板
102 第2の光起電力素子
103 酸化亜鉛層
104 第1の光起電力素子
105 透明電極
106 第2の光起電力素子中の短絡回路
107 第1の光起電力素子中の短絡回路
200 本発明の積層型光起電力素子
201 基板
202 n−型の電気特性を示す第2の酸化亜鉛層
203 n+型の電気特性を示す第1の酸化亜鉛層
204 n++型の電気特性を示す第1の光起電力素子のn型半導体層
205 透明電極
206 第2の光起電力素子
207 酸化亜鉛層
208 第1の光起電力素子
300 本発明の積層型光起電力素子
301 基板
302 第2の光起電力素子
303 第2の酸化亜鉛層
304 第1の酸化亜鉛層
305 第1の光起電力素子
306 透明電極
401、403 第2の光起電力素子中の短絡回路
402 第1の光起電力素子中の短絡回路
500 半導体堆積膜形成装置
501 ロードチャンバー
502 n層チャンバー
503 微結晶i層チャンバー
504 非晶質i層チャンバー
505 p層チャンバー
506 アンロード室
507、508、509、510、511 ゲートバルブ
512 微結晶i層基板加熱用ヒーター
513 微結晶i層プラズマCVD室
514 n層基板加熱用ヒーター
515 n層プラズマCVD室
516 非晶質i層基板加熱用ヒーター
517 i層プラズマCVD室
518 p層基板加熱用ヒーター
519 p層プラズマCVD室
520 ホルダー搬送レール
600 スパッタチャンバー
601 基板ホルダー
602 ガス導入管
603 ヒーター
604 酸化亜鉛ターゲット
605 DC電源
606 アースシールド
700 基板
701 反射層
702 第2の光起電力素子
703 酸化インジウムからなる層
704 酸化亜鉛からなる層
705 中間層
706 第1の光起電力素子
800 積層型光起電力素子
801 基板
802 光反射層
803 第2の光起電力素子
804 酸化インジウムからなる第1の層
805 酸化亜鉛からなる第2の層
806 中間層
807 第1の光起電力素子
808 透明電極
900 積層型光起電力素子
901 基板
902 光反射層
903 第2の光起電力素子
904 酸化インジウムからなる第1の層
905 酸化亜鉛からなる第2の層
906 中間層
907 第1の光起電力素子
908 透明電極
1200 積層型光起電力素子
1201 基板
1202 光反射層
1203 第2の光起電力素子
1206 中間層
1207 第1の光起電力素子
1208 透明電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Laminated photovoltaic element 101 Substrate 102 2nd photovoltaic element 103 Zinc oxide layer 104 1st photovoltaic element 105 Transparent electrode 106 Short circuit in 2nd photovoltaic element 107 1st photovoltaic Short circuit in power element 200 Stacked photovoltaic element of the present invention 201 Substrate 202 Second zinc oxide layer showing n-type electrical characteristics 203 First zinc oxide layer showing n + -type electrical characteristics 204 n ++ type The n-type semiconductor layer of the first photovoltaic element that exhibits the electrical characteristics of the layer 205 Transparent electrode 206 The second photovoltaic element 207 The zinc oxide layer 208 The first photovoltaic element 300 The stacked photovoltaic element of the present invention 301 Substrate 302 Second photovoltaic element 303 Second zinc oxide layer 304 First zinc oxide layer 305 First photovoltaic element 306 Transparent electrode 401, 403 Second photovoltaic element Short circuit in 402 Short circuit in first photovoltaic element 500 Semiconductor deposition film forming apparatus 501 Load chamber 502 N layer chamber 503 Microcrystalline i layer chamber 504 Amorphous i layer chamber 505 P layer chamber 506 Unload chamber 507, 508, 509, 510, 511 Gate valve 512 Heater for heating microcrystalline i layer substrate 513 Microcrystalline i layer plasma CVD chamber 514 Heating heater for n layer substrate 515 N layer plasma CVD chamber 516 Heating amorphous i layer substrate Heater 517 i layer plasma CVD chamber 518 p layer substrate heater 519 p layer plasma CVD chamber 520 holder transport rail 600 sputter chamber 601 substrate holder 602 gas introduction pipe 603 heater 604 zinc oxide target 605 DC power source 606 a SShield 700 Substrate 701 Reflective layer 702 Second photovoltaic element 703 Layer made of indium oxide 704 Layer made of zinc oxide 705 Intermediate layer 706 First photovoltaic element 800 Stacked photovoltaic element 801 Substrate 802 Light reflecting layer 803 Second photovoltaic element 804 First layer made of indium oxide 805 Second layer made of zinc oxide 806 Intermediate layer 807 First photovoltaic element 808 Transparent electrode 900 Multilayer photovoltaic element 901 Substrate 902 Light reflecting layer 903 Second photovoltaic element 904 First layer made of indium oxide 905 Second layer made of zinc oxide 906 Intermediate layer 907 First photovoltaic element 908 Transparent electrode 1200 Multilayer photovoltaic element 1201 Substrate 1202 Light reflecting layer 1203 Second photovoltaic element 1206 Intermediate layer 1207 1 of the photovoltaic element 1208 transparent electrode
Claims (9)
少なくとも一つの光起電力素子界面に、主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層を積層した後、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層を積層して前記中間層を形成することを特徴とする積層型光起電力素子の製造方法。 A method of manufacturing a stacked photovoltaic element having an intermediate layer between photovoltaic elements including a pn junction or a pin junction,
The intermediate layer is formed by laminating a first layer whose main component is indium oxide at the interface of at least one photovoltaic device and then laminating a second layer whose main component is zinc oxide. A method for producing a stacked photovoltaic element.
前記中間層は、少なくとも一つの光起電力素子界面に積層された主たる成分が酸化インジウムからなる第1の層の上に、主たる成分が酸化亜鉛からなる第2の層が積層されたものであることを特徴とする積層型光起電力素子。 A stacked photovoltaic element having an intermediate layer between photovoltaic elements including a pn junction or a pin junction,
The intermediate layer is formed by laminating a second layer whose main component is made of zinc oxide on a first layer whose main component is made of indium oxide and stacked at the interface of at least one photovoltaic device. A laminated photovoltaic device characterized by the above.
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