JP2009176927A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化亜鉛系材料からなるターゲットを用いて、スパッタ法により基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜を成膜することにより中間電極やバッファ層を形成する工程を備え、この中間電極やバッファ層の形成工程では、水素ガス、酸素ガス、水蒸気の群から選択される2種または3種を含む雰囲気中にてスパッタを行う。
【選択図】図1
Description
すなわち、本発明の太陽電池の製造方法は、光入射側の反対側で電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または複数の光発電セルの間に配置された中間電極とを備え、前記バッファ層および/または前記中間電極が、酸化亜鉛を基本構成材料とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、
酸化亜鉛系材料からなるターゲットを用いて、スパッタ法により基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜を成膜することにより前記バッファ層および/または前記中間電極を形成する工程を備え、
前記前記バッファ層および/または前記中間電極の形成工程では、水素ガス、酸素ガス、水蒸気の群から選択される2種または3種を含む雰囲気中にてスパッタを行うことを特徴とする。
R=PH2/PO2≧2 ……(2)
を満たすことが好ましい。R=PH2/PO2≧2を満たすことで、比抵抗2000μΩ・cm以下の透明導電膜を得ることができる。
また、前記スパッタ電圧は、直流電圧に高周波電圧を重畳するのが好ましい。直流電圧に高周波電圧を重畳することで放電電圧を、さらに下げることができる。
前記ターゲットの表面における水平磁界の強度の最大値は、600ガウス以上であることが好ましい。水平磁界の強度の最大値を、600ガウス以上とすることで放電電圧を下げることができる。
前記酸化亜鉛系材料は、アルミニウム添加酸化亜鉛またはガリウム添加酸化亜鉛を使用することができる。
(スパッタ装置1)
図1は、第1の実施形態のスパッタ装置(成膜装置)を示す概略構成図、図2は同スパッタ装置の成膜室の主要部を示す断面図である。スパッタ装置1は、インターバック式のスパッタ装置であり、例えば、無アルカリガラス基板(図示せず)等の基板を搬入/搬出する仕込み/取り出し室2と、基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜を成膜する成膜室(真空容器)3とを備えている。
電源14は、ターゲット7に直流電圧に高周波電圧が重畳されたスパッタ電圧を印加するためのもので、直流電源と高周波電源(図示略)とを備えている。
図3は、本発明の太陽電池の製造方法に用いられる別なスパッタ装置の一例、即ちインターバック式のマグネトロンスパッタ装置の成膜室の主要部を示す断面図である。図3に示すマグネトロンスパッタ装置21が、図1、2に示すスパッタ装置1と異なる点は、成膜室3の一方の側面3aに酸化亜鉛系材料のターゲット7を保持し所望の磁界を発生するスパッタカソード機構(ターゲット保持手段)22を縦型に設けた点である。
本実施形態で製造する太陽電池について、図4に基づいて説明する。図4は太陽電池の構成の一例を示す断面図である。太陽電池50は、表面を構成するガラス基板51と、ガラス基板51上に設けられた酸化亜鉛系の透明導電膜からなる上部電極53と、アモルファスシリコンで構成されたトップセル55と、トップセル55と後述するボトムセル59との間に設けられた透明導電膜からなる中間電極57と、微結晶シリコンで構成されたボトムセル59と、透明導電膜からなるバッファ層61と、金属膜からなる裏面電極63とが積層されている。
こうした中間電極57やバッファ層61は電気伝導性と透明性の両方が必要であり、比抵抗の低さと、可視光域での光透過性の高さを両立することが要求されている。そこで、スパッタ装置を用いて、水素ガス、酸素ガス、水蒸気の群から選択される2種または3種を含む雰囲気中にてスパッタを行うことによって、ZnO系膜の中でも特に比抵抗が低く、かつ可視光域での光透過性の高い透明導電膜を得ることができる。これにより、優れた光電変換効率をもつ太陽電池50を実現することが可能になる。
次に、本発明の太陽電池の製造方法の一例として、図1、2に示すスパッタ装置1を用いて、太陽電池の中間電極やバッファ層を成す酸化亜鉛系の透明導電膜を基板上に成膜する方法について例示する。まず、ガラス基板51上に、上部電極53を後述する中間電極57と略同一の方法により形成した後、トップセル55を形成する。トップセル55を形成した後、トップセル55上に中間電極57として構成されるAlが添加されたZnO(AZO)膜を形成する。
ここで、水素ガスと酸素ガスを選択した場合、水素ガスの分圧(PH2)と酸素ガスの分圧(PO2)との比R(PH2/PO2)は、
R=PH2/PO2≧2 ……(3)
を満たすことが好ましい。
これにより、成膜室3内の雰囲気は、水素ガス濃度が酸素ガス濃度の2倍以上の反応性ガス雰囲気となる。R=PH2/PO2≧2を満たすことで、比抵抗2000μΩ・cm以下の透明導電膜を得ることができる。なお、太陽電池50の中間電極57やバッファ層61は、比抵抗2000μΩ・cm以下であることが好ましい。
このようにして、比抵抗が低くかつ可視光線に対する透明性が良好な酸化亜鉛系の透明導電膜が形成された基板6が得られる。こうした基板6を太陽電池に用いる事で、低抵抗で、かつ可視光線の透過度が高い中間電極やバッファ層を形成することが可能になり、低コストで生産可能な酸化亜鉛系透明導電膜であっても、太陽電池の光電変換効率を向上させることが可能になる。
(実施例1)
図5は、無加熱成膜におけるH2Oガス(水蒸気)の効果を示すグラフであり、図5中、Aは反応性ガスを導入しない場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、BはH2Oガスの分圧が5×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、CはO2ガスの分圧が1×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、それぞれ示している。なお、カソードとしては、直流(DC)電圧を印加する平行平板型のカソードを用いた。
また、H2Oガスを導入した場合、透明導電膜の膜厚は204.0nm、比抵抗は64464μΩcmであった。
更に、O2ガスを導入した場合、透明導電膜の膜厚は208.5nm、比抵抗は2406μΩcmであった。
また、H2Oガスを導入した場合、比抵抗が高く、抵抗劣化が大きくなるが、透過率が高いことから、電極面積が大きいため比較的低抵抗の要求が弱く、透過率に対する要求が強い太陽電池の電極や、ほとんど抵抗が問題にならない光学部材に適用可能であることが分かった。
更に、H2Oガスの無導入と導入もしくは導入量を変化させた成膜条件を繰り返し行うことで、屈折率が変化した積層構造の光デバイスを1枚のターゲットで得られることが分かった。
H2Oガスを導入することにより、透過率を上昇させることに加え、使用したい光の周波数の透過率を選択的に高めることが可能となる。
図6は、基板温度を250℃とした加熱成膜におけるH2Oガス(水蒸気)の効果を示すグラフであり、図6中、Aは反応性ガスを導入しない場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、BはH2Oガスの分圧が5×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、CはO2ガスの分圧が1×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、それぞれ示している。なお、カソードとしては、直流(DC)電圧を印加する平行平板型のカソードを用いた。
また、H2Oガスを導入した場合、透明導電膜の膜厚は183.0nm、比抵抗は6625μΩcmであった。
更に、O2ガスを導入した場合、透明導電膜の膜厚は197.3nm、比抵抗は2214μΩcmであった。
図7は、基板温度を250℃とした加熱成膜においてH2ガスとO2ガスとを同時に導入した場合の効果を示すグラフであり、図7中、AはH2ガスの分圧が15×10−5Torr、O2ガスの分圧が1×10−5Torrになるように同時に導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、BはO2ガスの分圧が1×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、それぞれ示している。なお、カソードとしては、直流(DC)電圧と高周波(RF)電圧を重畳可能な平行平板型のカソードを用いた。
また、O2ガスのみを導入した場合、透明導電膜の膜厚は208.9nmであった。
図7に示す実験結果によれば、H2ガスとO2ガスを同時に導入した場合、O2ガスのみを導入した場合と比べて、膜厚の干渉によるピーク波長のシフト以上に、ピーク波長がシフトしていることが分かった。また、透過率も向上していることが分かった。
図8は、基板温度を250℃とした加熱成膜においてH2ガスとO2ガスを同時に導入した場合の効果を示すグラフであり、O2ガスの分圧を1×10−5Torr(流量換算の分圧)に固定し、H2ガスの分圧が0〜15×10−5Torr(流量換算の分圧)の間になるように変化させた場合の酸化亜鉛系透明導電膜の比抵抗を示している。なお、カソードとしては、直流(DC)電圧と高周波(RF)電圧を重畳可能な平行平板型のカソードを用いた。また、透明導電膜の膜厚は概ね200nmであった。
図9は、無加熱成膜におけるH2ガスの効果を示すグラフであり、図9中、AはH2ガスの分圧が3×10−5Torrになるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、BはO2ガスの分圧が1.125×10−5Torr以下になるように導入した場合の酸化亜鉛系透明導電膜の透過率を、それぞれ示している。なお、カソードとしては、直流(DC)電圧を印加する対向型のカソードを用いた。
また、O2ガスを導入した場合、透明導電膜の膜厚は206.4nm、比抵抗は3608μΩcmであった。
また、特に透過率と低抵抗を高いレベルで両立させたい場合には、酸素と水素を導入することが好ましい。
図10は、ITOを成膜した基板と、AZO(アルミニウム添加酸化亜鉛)を成膜した基板において、波長400〜700nmの範囲の光の透過率を測定した結果を示すグラフである。図10中、AはAZOを50.5nmの厚みで成膜した基板、BはITOを56.0nmの厚みで成膜した基板をそれぞれ示している。
図11は、ITOを成膜した基板と、AZO(アルミニウム添加酸化亜鉛)を成膜した基板において、波長400〜700nmの範囲の光の透過率を測定した結果を示すグラフである。図11中、AはAZOを183.0nmの厚みで成膜した基板、BはITOを173.0nmの厚みで成膜した基板をそれぞれ示している。
51 ガラス基板(基板)
57 中間電極(酸化亜鉛系透明導電膜)
61 バッファ層(酸化亜鉛系透明導電膜)
Claims (6)
- 光入射側の反対側で電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または複数の光発電セルの間に配置された中間電極とを備え、
前記バッファ層および/または前記中間電極が、酸化亜鉛を基本構成材料とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、
酸化亜鉛系材料からなるターゲットを用いて、スパッタ法により基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜を成膜することにより前記バッファ層および/または前記中間電極を形成する工程を備え、
前記バッファ層および/または前記中間電極の形成工程では、水素ガス、酸素ガス、水蒸気の群から選択される2種または3種を含む雰囲気中にてスパッタを行うことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記水素ガスの分圧(PH2)と前記酸素ガスの分圧(PO2)との比R(PH2/PO2)は、
R=PH2/PO2≧2 ……(1)
を満たすことを特徴とする請求項1記載の太陽電池の製造方法。 - 前記スパッタ電圧は340V以下であることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池の製造方法。
- 前記スパッタ電圧は、直流電圧に高周波電圧を重畳したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
- 前記ターゲットの表面における水平磁界の強度の最大値は、600ガウス以上であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
- 前記酸化亜鉛系材料は、アルミニウム添加酸化亜鉛またはガリウム添加酸化亜鉛であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の太陽電池の製造方法。
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