JP2009206348A - Method of manufacturing chalcopyrite type solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カルコパイライト型光吸収層を備えるカルコパイライト型太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a chalcopyrite solar cell including a chalcopyrite light absorption layer.
図5は、一般的なカルコパイライト型太陽電池の縦断面を模式的に示した構造説明図である。この場合、カルコパイライト型太陽電池10は、ガラス基板12上に形成された下部電極層14と、Cu(In,Ga)Se等のカルコパイライト化合物からなりp型半導体である光吸収層16と、n型半導体からなるバッファ層18と、n型半導体からなる透明電極層20とがこの順序で積層された積層体として構成される。なお、図5中、参照符号22、24は集電電極を示す。
FIG. 5 is a structural explanatory view schematically showing a longitudinal section of a general chalcopyrite solar cell. In this case, the chalcopyrite
下部電極層14の好適な材質としてはMo又はW等が挙げられ、バッファ層18の好適な材質としてはCdSやZnS、InS等が挙げられる。
Suitable materials for the
一方、透明電極層20は、太陽光等を透過する透明体である。従って、透明電極層20の材質には、光透過性に優れ、且つ集電効率が高いものが選定される。この種の物質としては、ZnOにAlをドープしたZnO:Al等が知られている。
On the other hand, the
ここで、バッファ層18上に透明電極層20を形成するに際しては、MOCVD法やRFスパッタ法が多く採用される。この理由は、これらの手法によれば、バッファ層18ないし光吸収層16が損傷する懸念が払拭され、従って、バッファ層18ないし光吸収層16が損傷することに起因してカルコパイライト型太陽電池10の諸特性が低下することを回避することが可能となるからである。
Here, when forming the
しかしながら、MOCVD法やRFスパッタ法には成膜速度が低いという難点があり、このためにカルコパイライト型太陽電池10を効率よく量産することが困難である。しかも、これらの手法には、面積が大きな膜を設ける際に該膜の厚みを略均等にすること等が容易ではないという不具合が顕在化している。
However, the MOCVD method and the RF sputtering method have a drawback that the film formation rate is low, and it is difficult to efficiently mass-produce the chalcopyrite
この不具合を解消するべく、特許文献1には、先ず、RFスパッタ法を行って小膜厚の透明電極層を成膜した後、成膜速度が比較的高いDCスパッタ法を行って透明電極層を所定の厚みに形成することが提案されている。この場合、最初に成膜された小膜厚の透明電極層が、DCスパッタが行われる間、バッファ層ないし光吸収層を保護する保護層として機能する、とされている。
In order to eliminate this problem,
また、特許文献2には、DCスパッタ法を採用した上で、透明電極層の成膜を開始した当初は出力電圧を小さくし、透明電極層の厚みが大きくなるにつれて出力電力を大きくしていくことが提案されている。
In
特許文献1記載の従来技術には、RFスパッタ機構とDCスパッタ機構の2機構を付設する必要がある。勿論、RF電源及びDC電源や、該電源の制御を行うための制御系統も必要であるため、装置構成が複雑となるとともに、設備投資が高騰してしまう。
The prior art described in
また、DCスパッタ法も成膜速度が十分な手法であるとは言い難く、従って、特許文献1、2記載の従来技術をそのまま採用した場合、カルコパイライト型太陽電池を効率よく量産することは容易ではないと推察される。
In addition, it is difficult to say that the DC sputtering method is a method with a sufficient film forming speed. Therefore, when the conventional techniques described in
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、バッファ層ないし光吸収層等に生じた欠陥を容易に修復することが可能であるとともに、簡素な設備で透明電極層の成膜速度を大きくすることも可能なカルコパイライト型太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can easily repair defects generated in a buffer layer or a light absorption layer, and can form a transparent electrode layer with a simple facility. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a chalcopyrite solar cell capable of increasing the size of the solar cell.
前記の目的を達成するために、本発明は、カルコパイライト型光吸収層を備えるカルコパイライト型太陽電池の製造方法であって、
基板の上方に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極の上方にカルコパイライト型光吸収層を形成する工程と、
前記カルコパイライト型光吸収層の上方にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上方に第2電極をスパッタリングによって形成する工程と、
前記第2電極を形成した後に熱処理を行う工程と、
を有することを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a method for producing a chalcopyrite solar cell comprising a chalcopyrite light absorption layer,
Forming a first electrode above the substrate;
Forming a chalcopyrite type light absorption layer above the first electrode;
Forming a buffer layer above the chalcopyrite light absorption layer;
Forming a second electrode by sputtering above the buffer layer;
Performing a heat treatment after forming the second electrode;
It is characterized by having.
熱処理が施されることにより、バッファ層ないし光吸収層、又は第2電極の結晶構造中に存在する点欠陥等の欠陥が修復される。すなわち、これらの層を形成する結晶が、元の結晶構造に復元する。 By performing the heat treatment, defects such as a point defect existing in the crystal structure of the buffer layer, the light absorption layer, or the second electrode are repaired. That is, the crystals forming these layers are restored to the original crystal structure.
要するに、本発明によれば、第2電極を形成する際にバッファ層や光吸収層が損傷を受けた場合であっても、その損傷を回復することができる。従って、変換効率等の諸特性に優れたカルコパイライト型太陽電池を得ることができる。 In short, according to the present invention, even when the buffer layer or the light absorption layer is damaged when forming the second electrode, the damage can be recovered. Therefore, a chalcopyrite solar cell excellent in various properties such as conversion efficiency can be obtained.
しかも、第2電極をスパッタリングで形成するようにしているので、第2電極を効率よく形成することができる。すなわち、カルコパイライト型太陽電池の生産効率が向上する。 In addition, since the second electrode is formed by sputtering, the second electrode can be formed efficiently. That is, the production efficiency of the chalcopyrite solar cell is improved.
以上から諒解されるように、本発明によれば、諸特性に優れたカルコパイライト型太陽電池を効率よく量産することができる。しかも、既存の簡便な設備を使用することができるので、設備投資が高騰することもない。 As understood from the above, according to the present invention, a chalcopyrite solar cell excellent in various characteristics can be mass-produced efficiently. In addition, since existing simple equipment can be used, capital investment does not increase.
なお、第2電極の形成時は、成膜速度が比較的大きいDCスパッタ法を採用することが好ましい。勿論、この場合においても、バッファ層や光吸収層に生じた欠陥が熱処理によって修復される。 In forming the second electrode, it is preferable to employ a DC sputtering method having a relatively high film formation rate. Of course, also in this case, defects generated in the buffer layer and the light absorption layer are repaired by the heat treatment.
ここで、第2電極を形成する際のスパッタリングは、ターゲットと前記基板の離間距離と、供給ガスの圧力との積が4.8cm・Pa以下の値となる条件で行うことが好ましい。このような条件下で第2電極を形成すると、該第2電極が緻密になるとともに、その成膜速度が大きくなる。しかも、カバレッジが良好となる。その上、この場合、第2電極を構成する結晶同士の間の結晶粒界が不明確となる。すなわち、結晶同士が良好に融合する。従って結晶粒界での界面抵抗が低減する。 Here, the sputtering for forming the second electrode is preferably performed under the condition that the product of the distance between the target and the substrate and the pressure of the supply gas is 4.8 cm · Pa or less. When the second electrode is formed under such conditions, the second electrode becomes dense and the film formation rate increases. Moreover, the coverage is good. In addition, in this case, the crystal grain boundary between the crystals constituting the second electrode becomes unclear. That is, the crystals are well fused. Accordingly, the interface resistance at the grain boundary is reduced.
以上の理由が相俟って第2電極の抵抗が低減するので、変換効率が大きなカルコパイライト型太陽電池を得ることができる。 For the above reasons, the resistance of the second electrode is reduced, so that a chalcopyrite solar cell with high conversion efficiency can be obtained.
前記バッファ層の材質は、InSであることが好ましい。InSは融点が比較的低いので、熱処理による欠陥修復が比較的容易であるからである。 The material of the buffer layer is preferably InS. This is because InS has a relatively low melting point, so that defect repair by heat treatment is relatively easy.
また、熱処理は、大気中で行ってもよいが、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気、又は還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。この場合、カルコパイライト型太陽電池を構成する各層が酸化することを確実に回避することができる。従って、カルコパイライト型太陽電池の抵抗が上昇することを防止することができる。 The heat treatment may be performed in the air, but is preferably performed in a vacuum atmosphere, an inert gas atmosphere, or a reducing gas atmosphere. In this case, it is possible to reliably avoid oxidation of each layer constituting the chalcopyrite solar cell. Therefore, it is possible to prevent the resistance of the chalcopyrite solar cell from increasing.
本発明によれば、第2電極を形成した後に熱処理を行うようにしているので、第2電極形成時にスパッタリングを行ったことに伴ってバッファ層ないし光吸収層を構成する結晶構造中に点欠陥等の欠陥が生じる等、バッファ層ないし光吸収層が損傷を受けた場合であっても、その損傷が回復される。従って、変換効率等の諸特性に優れたカルコパイライト型太陽電池を容易に得ることができる。 According to the present invention, since the heat treatment is performed after the second electrode is formed, a point defect is formed in the crystal structure constituting the buffer layer or the light absorption layer in accordance with the sputtering at the time of forming the second electrode. Even when the buffer layer or the light absorption layer is damaged, such as when a defect such as the above occurs, the damage is recovered. Therefore, a chalcopyrite solar cell excellent in various characteristics such as conversion efficiency can be easily obtained.
しかも、第2電極を形成する際に成膜速度が大きいスパッタリングを採用するので、カルコパイライト型太陽電池の生産効率も向上する。結局、諸特性に優れたカルコパイライト型太陽電池を効率よく大量生産することができる。 Moreover, since sputtering with a high deposition rate is employed when forming the second electrode, the production efficiency of the chalcopyrite solar cell is also improved. As a result, chalcopyrite solar cells excellent in various characteristics can be mass-produced efficiently.
以下、本発明に係るカルコパイライト型太陽電池の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図5に示される構成要素と同一の構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing a chalcopyrite solar cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same components as those shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図1A〜図1Eは、カルコパイライト型太陽電池10の製造過程を模式的に示した工程フロー説明図である。カルコパイライト型太陽電池10を作製するに際しては、先ず、図1Aに示すように、例えば、スパッタリング成膜を行うことにより、ガラス基板12上にMo等からなる下部電極層14(第1電極)を成膜する。
1A to 1E are process flow explanatory views schematically showing the manufacturing process of the chalcopyrite
次に、スパッタリング成膜等により、図1Bに示すように、Cu、In、Gaを含むプリカーサ層30を設ける。
Next, as shown in FIG. 1B, a
そして、このプリカーサ層30の上端面に、例えば、塩化ナトリウム水溶液をはじめとするナトリウム塩水溶液等のアルカリ溶液を塗布した後、該溶液を乾燥することにより、図1Cに示すように、プリカーサ層30上にアルカリ層32を形成する。なお、前記溶液の塗布は、スピンコート等によって行われる。又は、プリカーサ層30までが形成された半製品を前記溶液内に浸漬するようにしてもよい。
Then, for example, an alkaline solution such as a sodium salt aqueous solution such as a sodium chloride aqueous solution is applied to the upper end surface of the
次に、アルカリ層32が形成された半製品を熱処理炉に収容し、プレヒートを行った後、熱処理炉内にH2Seガスを導入して前記プリカーサ層30をセレン化し、図1Dに示すように、カルコパイライト化合物であるCu(In,Ga)Se、すなわち、いわゆるCIGSからなる光吸収層16を設ける。この際、前記アルカリ層32に含まれるNa等のアルカリ成分がCu(In,Ga)Seの結晶化を促進する。アルカリ層32は、最終的に光吸収層16に拡散して消滅し、その結果、光吸収層16の上端面が露呈する。
Next, the semi-finished product on which the
その後、ケミカルバスデポジション法等によってn型半導体であるCdS、ZnS、InS等からなるバッファ層18を形成する。なお、この中、最も融点が低いInSが好ましい。この場合、バッファ層18に欠陥が生じたとしても、後述する熱処理時に欠陥が容易に修復されるからである。
Thereafter, a
さらに、メカスクライブを行った後、図1Eに示すように、n型の透明電極層20(第2電極)を形成する。本実施の形態においては、この際、ターゲットをスパッタすることによって前記バッファ層18上に透明電極層20を成膜する、DCスパッタ法を採用する。
Further, after performing mechanical scribing, an n-type transparent electrode layer 20 (second electrode) is formed as shown in FIG. 1E. In this embodiment, a DC sputtering method is employed in which the
ここで、ターゲットと前記ガラス基板12の離間距離と、供給ガスの圧力とを種々変化させてDCスパッタ法を実施してターゲット表面から粒子を蒸発させ、該粒子中に存在する10eV以上のエネルギを有するものの割合を調べた結果を図2に示す。この図2から、ターゲットと前記ガラス基板12の離間距離と、供給ガスの圧力との積(以下、「離間距離・圧力積」とも表記する)が4.8cm・Pa以下であるときに、10eV以上のエネルギを有する粒子の割合が7%以上となることが諒解される。
Here, the DC sputtering method is performed by varying the separation distance between the target and the
ターゲット表面から蒸発した粒子は、エネルギが大きいほど散乱し難い。すなわち、ターゲット−ガラス基板12間の距離を短くし、且つ供給ガスの圧力を小さくするほど、透明電極層20の成膜速度を大きくすることができる。
Particles evaporated from the target surface are less likely to scatter as the energy increases. That is, the film formation rate of the
また、供給ガスの圧力が0.1Pa、2.0Paであるときの粒子のターゲット出発時の角度分布と、バッファ層18到達時の角度分布のシミュレーション結果を図3、図4にそれぞれ示す。図3と図4を比較し、ターゲット出発時の粒子の角度分布は互いに略同等であるが、バッファ層18到達時の粒子の角度分布における低角度域、高角度域の粒子の頻度は、供給ガスの圧力が低くなると低下していることが分かる。このように、低角度域、高角度域の粒子の頻度が低下することは、透明電極層20を形成する際、バッファ層18に凹凸があったとしても、カバレッジが良好になることを表す。
Further, FIGS. 3 and 4 show simulation results of the angular distribution at the time of starting the target of the particles when the pressure of the supply gas is 0.1 Pa and 2.0 Pa, and the angular distribution when reaching the
以上の結果から、本実施の形態においては、離間距離・圧力積が4.8cm・Pa以下となるように、ターゲット−ガラス基板12間の距離と、供給ガスの圧力を設定する。これにより、ターゲット表面から蒸発した粒子中、10eV以上のエネルギを有するものの割合が比較的多くなり、その結果、ターゲット表面から蒸発した粒子や、ターゲット表面で反跳した供給ガス原子が気相中で散乱する確率が低減する。すなわち、ターゲットが供給ガス原子によって効率よくスパッタされるとともに、スパッタによって生成した透明電極の粒子が効率よくバッファ層18上に到達する。
From the above results, in the present embodiment, the distance between the target and the
すなわち、離間距離・圧力積を4.8cm・Pa以下に設定することにより、DCスパッタ法によって透明電極層20を所定厚みとなるまで効率よく成膜することができる。しかも、透明電極層20が緻密となるので、その膜密度が大きくなるために該透明電極層20の抵抗が小さくなる。
That is, by setting the separation distance / pressure product to 4.8 cm · Pa or less, the
その上、この場合、透明電極の粒子が効率よくバッファ層18上に到達することに伴ってカバレッジが良好となるので、バッファ層18に微細な凹凸が存在する場合であっても、該凹凸を被覆して略平坦な透明電極層20が形成される。このような透明電極層20では、成膜方向(厚み方向)に対して略直交する方向、すなわち、いわゆる面内方向における抵抗も小さくなる。
In addition, in this case, since the coverage of the transparent electrode particles efficiently reaches the
加えて、透明電極層20を構成する結晶同士の間の結晶粒界が不明確となる。すなわち、結晶同士が良好に融合するので一層緻密な層となる。これにより抵抗が一層低減するので、変換効率がさらに向上したカルコパイライト型太陽電池10を得ることができる。
In addition, the crystal grain boundary between the crystals constituting the
なお、以上の傾向は、離間距離・圧力積が3.2cm・Pa以下であるときに一層顕著となる。 The above tendency becomes more prominent when the separation distance / pressure product is 3.2 cm · Pa or less.
このように、本実施の形態によれば、低抵抗の透明電極層20を短時間で得ることができるので、発電特性に優れたカルコパイライト型太陽電池10を効率よく大量生産することができる。
Thus, according to this Embodiment, since the low-resistance
以上のようにして透明電極層20を形成することに伴い、バッファ層18が若干の損傷を受け、その結晶構造中に、例えば、点欠陥等の欠陥が生じる懸念がある。場合によっては、透明電極層20も欠陥が生じたものであることもある。これらの欠陥がバッファ層18や透明電極層20に残留したままであると、カルコパイライト型太陽電池10における抵抗が大きくなってしまう。
As the
そこで、次に、元の結晶構造に復元するためのアニールを行う。具体的には、透明電極層20を形成した後、全体に対して熱処理を施す。
Therefore, next, annealing is performed to restore the original crystal structure. Specifically, after forming the
熱処理は、大気中で行ってもよいが、カルコパイライト型太陽電池10を熱処理炉に収容し、且つ雰囲気を真空、不活性ガス又は還元ガスとすることが好ましい。このような雰囲気を選定することにより、カルコパイライト型太陽電池10を構成する各層が化学変化(特に酸化)を起こして高抵抗を示す別物質となることを確実に回避することができる。なお、不活性ガスとしては窒素やアルゴン等が例示され、一方、還元ガスとしては、水素や、水素と不活性ガスの混合ガスが例示される。
The heat treatment may be performed in the air, but it is preferable that the chalcopyrite
熱処理を施すことにより、バッファ層18の微細構造中で原子拡散や部分的な溶融・再固化が生じ、その結果、欠陥が修復されてバッファ層18が回復するに至る。この欠陥修復は、バッファ層18の材質が低融点のものであるほど容易に進行する。従って、バッファ層18の材質としては、上記したように、InSが好適である。
By performing the heat treatment, atomic diffusion and partial melting / resolidification occur in the microstructure of the
熱処理時の温度を過度に低くすると、バッファ層18の欠陥を修復することが困難となる。一方、225℃を超えると、カルコパイライト型太陽電池10に熱応力が加わることがあり、また、光吸収層16の材質であるCIGS中のCuがバッファ層18に拡散してしまう原因ともなる。このような事態が生じると、カルコパイライト型太陽電池10としては、変換効率が低いものとなってしまう。
If the temperature during the heat treatment is excessively lowered, it becomes difficult to repair defects in the
従って、熱処理時の温度は、150〜225℃の範囲内であることが好ましい。この場合、保持時間は20〜180分とすれば十分である。 Therefore, the temperature during the heat treatment is preferably in the range of 150 to 225 ° C. In this case, a holding time of 20 to 180 minutes is sufficient.
勿論、仮に光吸収層16に欠陥が生じていた場合であっても、上記の熱処理によって同時に修復される。
Of course, even if a defect occurs in the
このように、透明電極層20をDCスパッタ法によって形成する際にバッファ層18ないし光吸収層16が損傷を受けたとしても、熱処理を施すことによってこれらバッファ層18ないし光吸収層16の欠陥が修復されるので、カルコパイライト型太陽電池10の諸特性が低下することを回避することができる。例えば、熱処理が施されていないカルコパイライト型太陽電池10における透明電極層20の抵抗を1とした場合、熱処理が施されたものでは、大気中で処理されたものであっても0.8を下回り、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気、還元ガス雰囲気下で処理されたものでは0.7を下回る。
As described above, even if the
結局、本実施の形態によれば、発電特性に優れたカルコパイライト型太陽電池10を容易に量産することが可能となる。
After all, according to the present embodiment, chalcopyrite
なお、熱処理は、透明電極層20を形成した後に行ってもよいし、集電電極22、24(図5参照)を形成した後に行ってもよい。
The heat treatment may be performed after the
また、上記した実施の形態においては、プリカーサ層30上にアルカリ層32を設けるようにしているが、アルカリ層32を下部電極層14上に設けるようにしてもよい。そして、アルカリ層32はNaを含むものに特に限定されるものではなく、K等の別種のアルカリ元素を含むものであってもよい。勿論、アルカリ層32を設けるための原材料もナトリウム塩水溶液に特に限定されるものではなく、カリウム塩水溶液であってもよい。
In the above-described embodiment, the
さらに、下部電極層14の材質は、Mo以外の他の金属、例えば、Wであってもよい。
Furthermore, the material of the
さらにまた、例えば、ガラス基板12と下部電極層14との間に他の層を介装するようにしてもよい。この種の層としては、熱膨張係数の不整合を緩和するための層が例示される。
Furthermore, for example, another layer may be interposed between the
10…カルコパイライト型太陽電池 12…ガラス基板
14…下部電極層 16…光吸収層
18…バッファ層 20…透明電極層
30…プリカーサ層 32…アルカリ層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
基板の上方に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極の上方にカルコパイライト型光吸収層を形成する工程と、
前記カルコパイライト型光吸収層の上方にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上方に第2電極をスパッタリングによって形成する工程と、
前記第2電極を形成した後に熱処理を行う工程と、
を有することを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の製造方法。 A method for producing a chalcopyrite solar cell comprising a chalcopyrite light absorption layer,
Forming a first electrode above the substrate;
Forming a chalcopyrite type light absorption layer above the first electrode;
Forming a buffer layer above the chalcopyrite light absorption layer;
Forming a second electrode by sputtering above the buffer layer;
Performing a heat treatment after forming the second electrode;
A method for producing a chalcopyrite solar cell, comprising:
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