JP2010225884A - Method of manufacturing thin-film solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜太陽電池の製造方法にかかり、詳しくは、CIGS層を光吸収層とするカルコパイライト型薄膜太陽電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a thin film solar cell, and more particularly, to a method for manufacturing a chalcopyrite thin film solar cell using a CIGS layer as a light absorption layer.
カルコパイライト型薄膜太陽電池は、製造方法や材料のバリエーションが豊富であり、低コスト化、高性能化にも対応できることから、近年著しく開発が進められている。また、カルコパイライト型薄膜太陽電池は、多結晶型シリコンの太陽電池と比較して、大面積化し易く、製造時のエネルギ消費も少なく大面積での量産化も可能であることから、商品開発も進展している。 Chalcopyrite thin-film solar cells have been extensively developed in recent years because they have a wide variety of manufacturing methods and materials, and can cope with low cost and high performance. In addition, chalcopyrite thin-film solar cells are easier to increase in area compared to polycrystalline silicon solar cells, consume less energy during production, and can be mass-produced in large areas. It is progressing.
カルコパイライト型薄膜太陽電池の製造方法は、一般的に熱処理法と真空蒸着法が知られており、これらの製造方法は光吸収層を形成するものである。真空蒸着法は、真空中で元素(In,Cu,Ga等)を蒸発させ、加熱した基板に堆積させるものであり、大規模な設備が必要となる。一方、熱処理法としては、元素を気体状で供給して薄膜層を形成し、酸素存在下において適正な温度範囲でアニーリングを行う製法が知られている(特許文献1)。 As a method for producing a chalcopyrite thin film solar cell, a heat treatment method and a vacuum evaporation method are generally known, and these production methods form a light absorption layer. The vacuum evaporation method evaporates elements (In, Cu, Ga, etc.) in vacuum and deposits them on a heated substrate, and requires a large-scale facility. On the other hand, as a heat treatment method, a manufacturing method is known in which an element is supplied in a gaseous state to form a thin film layer, and annealing is performed in an appropriate temperature range in the presence of oxygen (Patent Document 1).
カルコパイライト型薄膜太陽電池の一般的な構造は積層構造となっており、下層からガラス基板、金属裏面電極層、光吸収層、バッファ層、透明電極層によって構成されている。一般的に金属裏面電極層はMoが適用されており、熱処理の際に、このMoと、CIS(銅、インジウム、セレン)、CIGS(銅、インジウム、ガリウム、セレン)等から構成される光吸収層の元素との化合物(MoSe2など)が光吸収層と金属裏面電極層との界面に形成される。 The general structure of a chalcopyrite thin film solar cell has a laminated structure, and is composed of a glass substrate, a metal back electrode layer, a light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode layer from the lower layer. In general, Mo is applied to the metal back electrode layer, and during heat treatment, light absorption composed of Mo, CIS (copper, indium, selenium), CIGS (copper, indium, gallium, selenium), and the like. A compound (such as MoSe 2 ) with the element of the layer is formed at the interface between the light absorption layer and the metal back electrode layer.
形成された化合物の層は、光吸収層とオーミック接合し、光吸収層と金属裏面電極層との導通状態を実現させるため、太陽電池の効率を高める上で重要な役割を担っている。化合物の層が厚いと電気抵抗が増加して太陽電池の性能を下げるとともに、構造的にもガラス基板と金属裏面電極層との密着性を低下させるため好ましくない。従来技術では抵抗加熱炉で焼成を行ったり、特許文献1のように酸素ビームを用いて熱処理を行ったりしていたが、少なくとも一時間程度は熱処理を行う必要があった。これらの方法では、昇温と降温とに時間を要し、化合物の層が厚くなるおそれがあり、太陽電池の性能を低下させるおそれがあった。また、従来の熱処理法では、太陽電池、特にカルコパイライト型薄膜太陽電池は、大面積の基板が製造される場合が多く、熱処理時の温度ムラによって、化合物の層が不均一になるおそれがあった。
The formed compound layer is in ohmic contact with the light absorption layer and realizes a conductive state between the light absorption layer and the metal back electrode layer, and thus plays an important role in increasing the efficiency of the solar cell. A thick compound layer is not preferable because the electrical resistance increases to lower the performance of the solar cell and structurally lowers the adhesion between the glass substrate and the metal back electrode layer. In the prior art, baking was performed in a resistance heating furnace or heat treatment was performed using an oxygen beam as in
本発明は、かかる課題を鑑み、CIGS(銅、インジウム、ガリウム、セレン)型の太陽電池において、Moが適用された金属裏面電極層と光吸収層との間に形成される化合物の層を適切な厚さにするとともに均一に形成する薄膜太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。 In view of such a problem, the present invention appropriately provides a compound layer formed between a metal back electrode layer to which Mo is applied and a light absorption layer in a CIGS (copper, indium, gallium, selenium) type solar cell. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thin-film solar cell having a uniform thickness and a uniform thickness.
本発明は、薄膜太陽電池の製造方法に関する発明である。かかる製造方法は、Moからなる電極基板に形成された金属裏面電極層に、Cu,In,Se,Gaからなる光吸収層を形成する工程と、前記光吸収層の表面にバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層の表面に透明電極層を形成する工程と、前記透明電極層の側から前記光吸収層へ空間選択的にレーザ光を照射する工程と、から構成されている。 The present invention relates to a method for manufacturing a thin film solar cell. Such a manufacturing method includes a step of forming a light absorption layer made of Cu, In, Se, and Ga on a metal back electrode layer formed on an electrode substrate made of Mo, and a buffer layer is formed on the surface of the light absorption layer. A step, a step of forming a transparent electrode layer on the surface of the buffer layer, and a step of spatially selectively irradiating the light absorption layer from the transparent electrode layer side to the light absorption layer.
前記構成によれば、例えば0.1mJ/cm2以上のレーザ光によってアニーリングを行うことによって、局所的かつ急速な熱処理が実現されて、光吸収層への熱履歴を最小限に抑えるとともに、必要最小限の光吸収層とMoからなる金属裏面電極層との間の化合物層(MoSe2層)を形成することができる。また、バッファ層と透明電極層を形成した後に、レーザアニールの特徴である空間選択的に光吸収層を熱処理することによって、前記化合物層は電池性能評価を行いながら形成することができる。さらに、かかる構成は、熱処理によって光吸収層が蒸発することを防止することができる。 According to the above-described configuration, for example, by performing annealing with a laser beam of 0.1 mJ / cm 2 or more, a local and rapid heat treatment is realized, and the thermal history to the light absorption layer is minimized and necessary. A compound layer (MoSe 2 layer) between the minimum light absorption layer and the metal back electrode layer made of Mo can be formed. Further, after the buffer layer and the transparent electrode layer are formed, the compound layer can be formed while evaluating the battery performance by heat-treating the light absorption layer in a space selective manner, which is a feature of laser annealing. Furthermore, this configuration can prevent the light absorption layer from evaporating due to the heat treatment.
前記構成において、前記レーザ光は、前記バッファ層と前記透明電極層を透過し、かつ、前記光吸収層のバンドギャップを超える、例えば750〜850nmの波長とする構成が好適であり、かかる構成はレーザ光の空間選択的なアニーリングを実現させることができる。なお、カルコパイライト型太陽電池の光吸収層材料は直接遷移型半導体であるため、光吸収係数が大きく、750nm未満の波長のレーザーでは効果が小さくなるが、光吸収層が1μm以下と薄い場合や、1.5eV以上のワイドギャップの場合では、固体レーザの倍調波(例えば532nmの波長)でも大きな効果を見込むことができる。 In the above configuration, it is preferable that the laser beam pass through the buffer layer and the transparent electrode layer and exceed the band gap of the light absorption layer, for example, a wavelength of 750 to 850 nm. Spatial selective annealing of laser light can be realized. In addition, since the light absorption layer material of the chalcopyrite solar cell is a direct transition type semiconductor, the light absorption coefficient is large, and the effect is reduced with a laser having a wavelength of less than 750 nm, but the light absorption layer is as thin as 1 μm or less. In the case of a wide gap of 1.5 eV or more, a large effect can be expected even with a harmonic of a solid-state laser (for example, a wavelength of 532 nm).
前記構成において、前記レーザ光は、前記光吸収層を平面的に走査しつつ均一な照射を行うことが好適であり、均一な化合物層を形成することができる。 In the above structure, it is preferable that the laser light is uniformly irradiated while scanning the light absorption layer in a planar manner, and a uniform compound layer can be formed.
本発明によれば、CIGS型の太陽電池において、Moが適用された金属裏面電極層と光吸収層との間に形成される化合物の層を適切な厚さにするとともに均一に形成する薄膜太陽電池の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in a CIGS type solar cell, a thin film solar in which a compound layer formed between a metal back electrode layer to which Mo is applied and a light absorption layer has an appropriate thickness and is uniformly formed A method for manufacturing a battery can be provided.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図1を参照すると、本発明の一実施形態にかかる薄膜太陽電池の構造は、ガラス基板1上に、太陽電池の正極を構成する金属裏面電極層2を備えた電極基板と、後記するレーザ光照射によって形成される化合物層3と、光吸収層となるCIGS層4と、バッファ層5と、太陽電池の負極を構成する透明電極層6と、が積層された多層積層構造となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, the structure of a thin-film solar cell according to an embodiment of the present invention includes an electrode substrate provided with a metal
ガラス基板1は、例えば、ソーダライムガラスや無アルカリガラス基板を適用することが好適である。金属裏面電極層2は、例えば、Mo、W等の耐食性が高く、高融点の金属層を適用することができ、本実施形態では0.5μm程度のMo裏面電極がガラス基板1に設けられているものとしている。化合物層3は、金属裏面電極層2のMoとCIGS層4のSeとの化合物層(MoSe2層)であり、光吸収層であるCIGS層4とオーミック接合し、CIGS層4と電極基板2との導通状態を実現させる。
As the
CIGS層4は、カルコパイライト系のI−III−VI族化合物のCuInGaSe2(銅、インジウム、ガリウム、セレン)でありp型の光吸収層である。バッファ層5は、CdS、ZnS、InSを適用することができ、本実施例においてはInS層を適用している。InS層は、環境衛生上無害である上、カルコパイライト型薄膜太陽電池の特性を向上させるからである。すなわち、バッファ層5はCIGS層4と透明電極層6との界面でキャリアの再結合を防止し、pn接合を形成するものである。透明電極層6は、例えば、透明かつ低抵抗のn型半導体薄膜としてAl添加ZnOを適用することができる。
The
図2を参照して一実施形態にかかる一実施例について薄膜太陽電池の製造工程について説明する。最初に、CIGS層4を構成する微細な粒子を溶媒であるトルエンと混合して、インク(混合液)化する(ステップS01)。微細な粒子は、例えば、組成モル比がCu:In:Se=21:24:55とされたCIS粒子と、組成モル比がCu:Ga:Se=18:22:60とされたCGS粒子と、することができ、粒子のサイズは4nmとすることができる。なお、本実施例では、CIS粒子とCGS粒子の混合比が分子量比でCIS:CGS=4:6、6:4、8:2となる3種類のインクを作成している。ここで、CIS層4を構成する微細な粒子とトルエンとは重量比で1:3となるように混合することが好ましい。
With reference to FIG. 2, the manufacturing process of a thin film solar cell is demonstrated about one Example concerning one Embodiment. First, fine particles constituting the
次に、インクは、例えばスピンコーター法にて、ガラス基板1上の金属裏面電極層2に塗布される(ステップS02)。電極基板は、前記のように、ガラス基板1にMoをスパッタリングすることにより形成され、Mo層の厚さは0.5μmとすることができる。スピンコートの条件としては、例えば、1000rpm×30秒とすることができる。かかる工程によってCIGS層4を構成する元素を含んだインクは一様に金属裏面電極層2に塗布される。
Next, the ink is applied to the metal
次に、インクが塗布された薄膜太陽電池の中間工程品はホットプレート等によって乾燥される(ステップS03)。乾燥は、例えば、100℃で行うことができる。 Next, the intermediate process product of the thin film solar cell to which the ink has been applied is dried by a hot plate or the like (step S03). Drying can be performed at 100 degreeC, for example.
次に、乾燥された薄膜太陽電池の中間工程品は、加熱・焼成される(ステップS04)。加熱・焼成は、例えば、赤外線ランプ加熱炉を使用し、RTA(Rapid Thermal Annealing)によって急速熱処理を行うことができる。本実施例では窒素雰囲気下で昇温速度500℃/分、保持時間1分、保持温度500℃としており、この加熱・焼成によってはCIGS層4と金属裏面電極層2との間に化合物層3が形成されにくい条件としている。
Next, the intermediate process product of the dried thin film solar cell is heated and baked (step S04). For heating and baking, for example, an infrared lamp heating furnace is used, and rapid thermal annealing can be performed by RTA (Rapid Thermal Annealing). In this example, the heating rate is 500 ° C./min, the holding time is 1 minute, and the holding temperature is 500 ° C. in a nitrogen atmosphere. Depending on the heating and firing, the
前記したように塗布されるインクは、CIS粒子とCGS粒子の混合比が分子量比でCIS:CGS=4:6、6:4、8:2の3種類が作成されている。本実施例において、ステップ02〜ステップS04の一連の工程を一サイクルとして、最初にCIS:CGS=4:6のインクでこのサイクルが実行され、次にCIS:CGS=6:4のインク、CIS:CGS=8:2のインクの順で繰り返しこのサイクルが実施されている。 As described above, there are three types of inks to be applied: CIS: CGS = 4: 6, 6: 4, and 8: 2 in terms of molecular weight ratio of CIS particles to CGS particles. In this embodiment, a series of steps from Step 02 to Step S04 is set as one cycle, and this cycle is first executed with CIS: CGS = 4: 6 ink, and then CIS: CGS = 6: 4 ink, CIS. This cycle is repeated in the order of: CGS = 8: 2 ink.
本実施例において、CIS:CGS=4:6のインクを塗布したサイクルでは乾燥後に0.6μmあった膜厚は0.4μmとなり、次に、CIS:CGS=6:4のインクを塗布したサイクルでは膜厚は0.8μmとなり、CIS:CGS=8:2のインクを塗布したサイクルでは膜厚は1.2μmとなった。このように、製品化にあたっては、ステップS02からステップS04の工程を組み合わせ、複数回実行することにより、薄膜太陽電池として要求される厚みを実現することができる。 In this example, in the cycle in which the ink of CIS: CGS = 4: 6 was applied, the film thickness of 0.6 μm after drying was 0.4 μm, and then the cycle in which the ink of CIS: CGS = 6: 4 was applied. Then, the film thickness was 0.8 μm, and the film thickness was 1.2 μm in the cycle in which the ink of CIS: CGS = 8: 2 was applied. Thus, in commercialization, the thickness required as a thin film solar cell can be realized by combining the steps S02 to S04 and executing the steps a plurality of times.
また、最初に金属裏面電極層2に塗布されるインクはCIS:CGS=4:6の分子量比であり、CGS粒子の方が多くなっている。そして、CGS粒子の組成モル比は、Cu:Ga:Se=18:22:60であり、CIS粒子の組成モル比Cu:In:Se=21:24:55と比べて、Seの量が多くなっている。このように金属裏面電極層2に近いCGIS層4はSeがいわゆるリッチな状態となるように形成されている。
In addition, the ink initially applied to the metal back
再び図2の工程図に戻り、加熱・焼成された薄膜太陽電池の中間工程品は、形成されたCIGS層4の上にバッファ層5が形成される(ステップS05)。バッファ層5は、InS層を浸漬浴堆積法によって形成することができ、本実施例では70nmの厚さとしている。そして、バッファ層5が形成された薄膜太陽電池の中間工程品は、バッファ層5の上に透明電極層6が形成される(ステップS06)。透明電極層6は、透明かつ低抵抗のn型半導体薄膜としてAl添加ZnOをスパッタリング法によって形成することができ、本実施例では1μmの厚さとしている。ステップS01〜ステップS06の工程を実行することによって、図1の化合物層3が無い状態の薄膜太陽電池の中間工程品となる。
Returning to the process diagram of FIG. 2 again, the
次に半導体レーザ、YAGレーザ等によってレーザ光が透明電極層6側から図1の矢印に示すように照射される(ステップS07)。ここで適用されるレーザ光はバッファ層5と透明電極層6を透過し、かつ、CIGS層4のバンドギャップを超えるエネルギーの波長のものが選択される。
Next, laser light is irradiated from the
一般に半導体は、自身のバンドギャップより小さいエネルギの光を透過し、バンドギャップより大きいエネルギの光を吸収する。そのためバッファ層5のバンドギャップより小さいエネルギの光は、透明電極層6とバッファ層5を透過してCIGS層4に進入する。そして、この光がCIGS層4のバンドギャップより大きいエネルギを有する場合は、CIGS層4に吸収されて、CIGS層4を加熱する。しかしながら、光のエネルギがCIGS層4のバンドギャップと比べて非常に大きい場合は、照射されるCIGS層4の表面で光が吸収され、CIGS層4を全体的に加熱することが難しくなる。そこで、本実施例では、CIGS層4のバンドギャップよりもわずかに大きい波長のレーザ光が選択され、CIGS層4を全体的に加熱できる構成としている。具体的には、化合物系太陽電池の理想的なバンドギャップは約1.4eVであり、一般にCIS型太陽電池で1.0eV、高効率化されたCIGS型太陽電池で1.2eVであることから、本実施例では1.56eV、795nmの半導体レーザを適用している。しかし、前記した要件を満足させれば半導体レーザに限定はされず、例えばYAGレーザの倍調波(532nm)も適用することができる。
In general, a semiconductor transmits light having energy smaller than its own band gap and absorbs light having energy larger than its band gap. Therefore, light having energy smaller than the band gap of the
バッファ層5と透明電極層6を透過したレーザ光は、CIGS層4を照射して層の全体を加熱する。CIGS層4の金属裏面電極層2側に多く含まれているSeは、CIGS層4が加熱されることによって、金属裏面電極層2のMoをセレン化して、MoSe2層の化合物層3を形成する。前記したように、ステップS04の加熱・焼成の工程においては急速熱処理を行うことによって化合物層3の形成を抑止しているため、本ステップS07においてレーザ光の照射をコントロールすることで好適な厚さの化合物層3を形成することができる。化合物層3の厚みは厚すぎると抵抗が増大し、一方薄すぎるとオーミック接合が不良となるおそれがある。好適な厚さは、0.05〜0.2μmであり、本実施例では約0.1μmの厚さの層を形成することができた。
The laser light transmitted through the
レーザ光は、熱ムラをなくし、局所的に過加熱とならないように、CIGS層4を平面的に走査(スキャン)しつつ均一に照射される。本実施例では、照射エネルギ1mJ/cm2、照射速度10m/secで照射している。なお、化合物層3の厚さは、レーザ照射時間とレーザの種類によって可変でき、照射を走査(スキャン)しつつ行うことにより、大面積の太陽電池であっても全面的に均一な化合物層を形成することができる。さらに、レーザ光による照射は、従来技術と比べ急速な昇温、降温を可能にすることから、照射条件を制御することによって、処理工程途中に性能評価を行いながら、CIGS層4と金属裏面電極層2との間の化合物層3の形成を行うことができる。
The laser light is uniformly irradiated while scanning the
また、本実施例のようにバッファ層5と透明電極層6とを形成した後に、レーザ光によってCIGS層4を照射することによって、CIGS層4が蒸発することを防止することができる。
Moreover, after forming the
本発明が適用されたCIGS型薄膜太陽電池の実施例と、従来技術である抵抗加熱炉で光吸収層を形成させた比較例についてI−V特性を比較したチャートを図3に示す。破線で示す比較例は、Se蒸気雰囲気下で500℃、90分間の熱処理が実施されている。図3を参照すると、実施例の実線とI軸とV軸とに囲まれた領域は、比較例の破線とI軸とV軸とに囲まれた領域と比べて、大きな面積となっており、特に電流特性が向上している。 FIG. 3 shows a chart comparing IV characteristics of an example of a CIGS type thin film solar cell to which the present invention is applied and a comparative example in which a light absorption layer is formed by a resistance heating furnace as a conventional technique. In the comparative example indicated by the broken line, heat treatment is performed at 500 ° C. for 90 minutes in an Se vapor atmosphere. Referring to FIG. 3, the area surrounded by the solid line, the I axis, and the V axis in the example is larger than the area surrounded by the broken line, the I axis, and the V axis in the comparative example. Especially, the current characteristics are improved.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。前記した実施形態ではCIGS型薄膜太陽電池の製造方法について説明したが、例えば、他のカルコパイライト型薄膜太陽電池においても本発明は適用することができる。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an embodiment, and can be modified and used without departing from the spirit of the present invention. In the above-described embodiment, the manufacturing method of the CIGS thin film solar cell has been described. However, the present invention can also be applied to, for example, other chalcopyrite thin film solar cells.
1 ガラス基板
2 金属裏面電極層
3 化合物層
4 CIGS層
5 バッファ層
6 透明電極層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光吸収層の表面にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の表面に透明電極層を形成する工程と、
前記透明電極層の側から前記光吸収層へ空間選択的にレーザ光を照射する工程と、から構成されることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a light absorption layer made of Cu, In, Se, Ga on the surface of the metal back electrode layer placed on the electrode substrate;
Forming a buffer layer on the surface of the light absorbing layer;
Forming a transparent electrode layer on the surface of the buffer layer;
A method of manufacturing a thin-film solar cell, comprising: a step of spatially selectively irradiating the light absorption layer with a laser beam from the transparent electrode layer side.
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