JP2011151160A - Thin film solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Hideyuki Takakura
秀行 高倉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film solar cell which can film-form a buffer layer by using a dry process and has high efficiency, and to provide a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: In a thin film solar cell 1, a back electrode 3, a light absorbing layer 4, a buffer layer 5, and a transparent electrode 6 are successively laminated on a substrate 2. The buffer layer 5 comprises ZnO<SB>1-X</SB>S<SB>X</SB>(wherein, 0≤X≤1). Moreover, in the buffer layer 5, the value of X is determined to secure electrical matching between the light absorbing layer 4 and the buffer layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、薄膜太陽電池、及びその製造方法に関し、特に高効率かつバッファ層をドライプロセスで成膜できる薄膜太陽電池、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film solar cell and a method for manufacturing the same, and particularly relates to a thin film solar cell that can form a buffer layer by a dry process with high efficiency and a method for manufacturing the same.

高効率の薄膜太陽電池１０１としては、太陽光を吸収し発電する層である光吸収層１０２を、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２（以下、「ＣＩＧＳ」と記載する。また、Ｃｕは銅、Ｉｎはインジウム、Ｇａはガリウム、Ｓｅはセレンである。）により構成したものが知られている。 As the high-efficiency thin-film solar cell 101, the light absorption layer 102 that absorbs sunlight and generates power is described as Cu (In, Ga) Se 2 (hereinafter, “CIGS”. Cu is copper, (In is indium, Ga is gallium, and Se is selenium).

薄膜太陽電池１０１は、図５に示すように、青板ガラスにより構成される基板１０３上に、Ｍｏ（モリブデン）により構成される裏面電極１０４、ＣＩＧＳにより構成される光吸収層１０２、ＣｄＳ（Ｃｄはカドミウム、Ｓは硫黄である。）により構成されるバッファ層１０５、ＺｎＯ（Ｚｎは亜鉛、Ｏは酸素である。）により構成される窓層１０６、酸化インジウムスズ（以下、「ＩＴＯ」と記載する。）により構成される透明電極１０７が順次積層されており、さらに裏面電極１０４と透明電極１０７との上には、夫々ＮｉＣｒ／Ａｌ（Ｎｉはニッケル、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウムである。）から構成される取り出し電極１０８が成膜されている。このように構成される薄膜太陽電池１０１は、太陽光が照射されることにより発電し、発電した電力は取り出し電極１０８より取り出すことができる。   As shown in FIG. 5, the thin-film solar cell 101 includes a back electrode 104 made of Mo (molybdenum), a light absorption layer 102 made of CIGS, and a CdS (Cd is Cd) on a substrate 103 made of soda-lime glass. A buffer layer 105 composed of cadmium and S is sulfur), a window layer 106 composed of ZnO (Zn is zinc and O is oxygen), and indium tin oxide (hereinafter referred to as “ITO”). .) Are sequentially laminated, and NiCr / Al (Ni is nickel, Cr is chromium, and Al is aluminum) on the back electrode 104 and the transparent electrode 107, respectively. A take-out electrode 108 made of is formed. The thin film solar cell 101 configured in this manner generates power by being irradiated with sunlight, and the generated power can be extracted from the extraction electrode 108.

ここで、バッファ層１０５は、ＣｄＳにより構成することで光吸収層１０２との界面における電気的損失を低減することができるが、一方でＣｄは人体にとって有害であることが知られている。また、裏面電極１０４、光吸収層１０２、窓層１０６、透明電極１０７、取り出し電極１０８がドライプロセスにより成膜できることに対し、ＣｄＳにより構成されるバッファ層１０５の成膜は、ウェットプロセスである化学析出法により行わなければならない。そのため、バッファ層１０５がＣｄＳにより構成される薄膜太陽電池１０１の製造においては、バッチ処理を行う必要が生じることにより、インライン製造を行うことが困難であり、それ故生産効率が低下してしまうという問題があった。さらに、Ｃｄを含む廃液が大量に生じるという問題もあった。   Here, the buffer layer 105 can be made of CdS to reduce electrical loss at the interface with the light absorption layer 102, but Cd is known to be harmful to the human body. Further, the back electrode 104, the light absorption layer 102, the window layer 106, the transparent electrode 107, and the extraction electrode 108 can be formed by a dry process, whereas the formation of the buffer layer 105 made of CdS is a chemical process that is a wet process. Must be done by precipitation. Therefore, in manufacturing the thin-film solar cell 101 in which the buffer layer 105 is made of CdS, it is difficult to perform in-line manufacturing due to the necessity of performing batch processing, and therefore production efficiency is reduced. There was a problem. Further, there is a problem that a large amount of waste liquid containing Cd is generated.

このような問題を鑑みてか、特許文献１には、バッファ層をＩｎＳ、ＺｎＳ、又はＺｎＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウムである。）により構成した薄膜太陽電池が開示されている。ＩｎＳ、ＺｎＳ、ＺｎＭｇＯは、Ｃｄを含まないため、人体へ悪影響が及ぶことを防止することができる。   In view of such a problem, Patent Document 1 discloses a thin film solar cell in which a buffer layer is composed of InS, ZnS, or ZnMgO (Mg is magnesium). Since InS, ZnS, and ZnMgO do not contain Cd, adverse effects on the human body can be prevented.

特開２００９−２３１７４４号公報JP 2009-231744 A

しかしながら、特許文献１に開示されるＩｎＳ、ＺｎＳによりバッファ層を構成する場合は、化学析出法により成膜を行う必要があり、依然としてウェットプロセスを用いなければならないという問題点が残されている。また、ＺｎＭｇＯによりバッファ層を構成する場合は、ドライプロセスであるスパッタリング法により成膜を行うことができるが、成膜時に光吸収層がダメージを受けること等により、薄膜太陽電池の効率が低下してしまうという問題点が生じる。   However, when the buffer layer is composed of InS and ZnS disclosed in Patent Document 1, it is necessary to form a film by a chemical deposition method, and there remains a problem that a wet process must still be used. In addition, when the buffer layer is composed of ZnMgO, the film can be formed by a sputtering method which is a dry process. However, the efficiency of the thin film solar cell is reduced due to damage to the light absorption layer at the time of film formation. The problem that it will end up occurs.

本発明は、上記のような課題を解決することを目的としてなされたものであり、バッファ層をドライプロセスを用いて成膜できると共に、効率の高い薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made for the purpose of solving the above-described problems, and provides a thin film solar cell having high efficiency and a method for manufacturing the same, in which a buffer layer can be formed using a dry process. With the goal.

上記目的を達成するために、請求項１の薄膜太陽電池は、基板上に、裏面電極、光吸収層、バッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、前記バッファ層が、ＺｎＯ１−ＸＳＸ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the thin film solar cell according to claim 1 is a thin film solar cell in which a back electrode, a light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode are sequentially laminated on a substrate, and the buffer layer includes: It is characterized by being composed of ZnO 1-X S X (where 0 ≦ X ≦ 1).

また、請求項２の薄膜太陽電池は、前記バッファ層を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸが、前記光吸収層との間の電気的マッチングが取れるようにＸの値を決定されることを特徴とする。 The thin-film solar cell according to claim 2 is characterized in that the value of X is determined so that the ZnO 1-X S X constituting the buffer layer can be electrically matched with the light absorption layer. And

また、請求項３の薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、裏面電極、光吸収層、ＺｎＯ１−ＸＳＸ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されるバッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池の製造方法であって、前記バッファ層をスパッタリング法により成膜することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a thin film solar cell manufacturing method comprising: a back electrode, a light absorption layer, a buffer layer composed of ZnO 1-X S X (where 0 ≦ X ≦ 1), a transparent electrode; Is a method of manufacturing a thin film solar cell in which the layers are sequentially stacked, wherein the buffer layer is formed by sputtering.

また、請求項４の薄膜太陽電池の製造方法は、前記バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットと、前記第１スパッタリングターゲットと前記第２スパッタリングターゲットとに加える電力を夫々独立に制御できる電源と、を有するスパッタリング装置にて行うことを特徴とする。   The method for producing a thin-film solar cell according to claim 4 is characterized in that the buffer layer is formed by forming a first sputtering target containing ZnS, a second sputtering target containing ZnO, the first sputtering target, and the first sputtering target. (2) A sputtering apparatus having a power source capable of independently controlling the power applied to the sputtering target.

また、請求項５の薄膜太陽電池の製造方法は、前記バッファ層を成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことを特徴とする。   The thin-film solar cell manufacturing method according to claim 5 is characterized in that heat treatment is performed during or after the formation of the buffer layer.

請求項１に記載の薄膜太陽電池は、バッファ層がドライプロセスにより成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸにより構成されている。これにより、本薄膜太陽電池は、裏面電極、光吸収層、透明電極と共に、前記バッファ層もドライプロセスで成膜することができるため、製造をインラインで行うことができ、生産効率を向上させることができる。また、人体に有害なＣｄを使用しないため安全であり、廃液に係る問題も発生しない。 In the thin film solar cell according to claim 1, the buffer layer is made of ZnO 1-X S X that can be formed by a dry process. As a result, the thin-film solar cell can be formed in-line because the buffer layer can be formed by a dry process together with the back electrode, the light absorption layer, and the transparent electrode, so that production efficiency can be improved. Can do. Further, since Cd that is harmful to the human body is not used, it is safe, and there is no problem with waste liquid.

請求項２に記載の薄膜太陽電池は、バッファ層を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＸの値を制御することで、光吸収層との間の電気的マッチングをとることができるので、バッファ層と光吸収層との界面における電気的損失を低減できる。これにより、本薄膜太陽電池では、高い効率を実現することができる。 Since the thin film solar cell of Claim 2 can take the electric matching between the light absorption layers by controlling the value of X of ZnO 1-X S X constituting the buffer layer, the buffer The electrical loss at the interface between the layer and the light absorption layer can be reduced. Thereby, in this thin film solar cell, high efficiency is realizable.

請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、ＺｎＯ１−ＸＳＸから構成されるバッファ層をドライプロセスであるスパッタリング法により成膜する。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法は、裏面電極、光吸収層、透明電極と共に、前記バッファ層もドライプロセスで成膜することができるので、薄膜太陽電池の生産効率を向上させることができる。また、廃液に係る問題も発生しない。 In the method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 3, a buffer layer made of ZnO 1-X S X is formed by a sputtering method which is a dry process. Thereby, the manufacturing method of this thin film solar cell can improve the production efficiency of a thin film solar cell since the said buffer layer can also be formed into a film by a dry process with a back surface electrode, a light absorption layer, and a transparent electrode. . Moreover, the problem regarding waste liquid does not occur.

請求項４に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットとに加える電力を独立に制御できる電源を有するスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎＯ１−ＸＳＸのＸの値を制御することができ、もってバッファ層と光吸収層との間の電気的マッチングをとることができる。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法では、高い効率の薄膜太陽電池を製造することができる。 The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 4 includes: a power source capable of independently controlling power applied to the first sputtering target containing ZnS and the second sputtering target containing ZnO for forming the buffer layer. Therefore, the value of X of ZnO 1-X S X to be formed can be controlled, so that electrical matching between the buffer layer and the light absorption layer can be achieved. Thereby, in the manufacturing method of this thin film solar cell, a highly efficient thin film solar cell can be manufactured.

請求項５に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、バッファ層の成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことで、バッファ層を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＺｎとＳを前記光吸収層に拡散させることができ、もって光吸収層とバッファ層との界面における電気的損失を低減させることができる。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法では、製造される薄膜太陽電池の効率を向上させることができる。 The method for manufacturing a thin film solar cell according to claim 5, wherein the light absorption of Zn and S of ZnO 1-X S X constituting the buffer layer is performed by performing a heat treatment during or after the buffer layer is formed. Therefore, electrical loss at the interface between the light absorption layer and the buffer layer can be reduced. Thereby, in the manufacturing method of this thin film solar cell, the efficiency of the thin film solar cell manufactured can be improved.

本発明の実施形態の薄膜太陽電池の側面模式図。The side surface schematic diagram of the thin film solar cell of embodiment of this invention. 薄膜太陽電池の製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the manufacturing method of a thin film solar cell. バッファ層を成膜するスパッタリング装置の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the sputtering device which forms a buffer layer into a film. 薄膜太陽電池の効率を示すグラフ。The graph which shows the efficiency of a thin film solar cell. 従来技術の薄膜太陽電池の側面模式図。The side surface schematic diagram of the thin film solar cell of a prior art.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。本発明の薄膜太陽電池１は、図１に示すように、基板２上の全域に裏面電極３が積層されている。裏面電極３上の所定の領域には太陽光を受けて発電を行う光吸収層４が積層されており、さらに光吸収層４の全域にバッファ層５が、バッファ層５の全域に透明電極６が夫々積層されている。また、裏面電極３上の光吸収層４が成膜されていない部分の一部と、透明電極６上の一部とには、夫々取り出し電極７が積層されており、この取り出し電極７から光吸収層４で発電した電力を取り出すことができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the thin film solar cell 1 of the present invention has a back electrode 3 laminated on the entire area of a substrate 2. A light absorbing layer 4 that receives sunlight to generate power is laminated in a predetermined region on the back electrode 3, and a buffer layer 5 is formed over the entire light absorbing layer 4, and a transparent electrode 6 is formed over the entire buffer layer 5. Are stacked. In addition, an extraction electrode 7 is laminated on a part of the part where the light absorption layer 4 is not formed on the back electrode 3 and a part on the transparent electrode 6, and light is emitted from the extraction electrode 7. The electric power generated by the absorption layer 4 can be taken out.

薄膜太陽電池１では、バッファ層５をドライプロセスで成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸにより構成しているため、裏面電極３、光吸収層４、透明電極６、取り出し電極７の成膜を含め全ての成膜をドライプロセスのみで行うことができる。また、バッファ層５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸは、Ｘの値を０≦Ｘ≦１の範囲で任意の値に制御することができ、これにより、光吸収層４とバッファ層５との間の伝導帯の不連続量を制御して界面におけるキャリア再結合を低減して（以下、このことを、「光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングをとる」という。）、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失を低減することができる。これにより、薄膜太陽電池１では、図４に示すように、従来最も効率を高くできるとされるバッファ層５をＣｄＳにより構成した薄膜太陽電池と同程度の効率を得ることができる。 In the thin-film solar cell 1, since the buffer layer 5 is made of ZnO 1-X S X that can be formed by a dry process, the back electrode 3, the light absorption layer 4, the transparent electrode 6, and the extraction electrode 7 are formed. All film formation including it can be performed only by a dry process. In addition, ZnO 1-X S X constituting the buffer layer 5 can control the value of X to an arbitrary value in the range of 0 ≦ X ≦ 1, and thereby the light absorption layer 4, the buffer layer 5, By controlling the discontinuous amount of the conduction band between the two, the carrier recombination at the interface is reduced (hereinafter, this is referred to as “electrical matching between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5”). Electrical loss at the interface between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5 can be reduced. Thereby, in the thin film solar cell 1, as shown in FIG. 4, the efficiency comparable to the thin film solar cell which comprised the buffer layer 5 which can be made most efficient conventionally by CdS can be acquired.

上記薄膜太陽電池１は、図２に示す各工程により製造される。まず、Ｓ１において、基板２として採用される青板ガラスを超音波洗浄法等により洗浄する。なお、基板２としては白板ガラスを採用することも可能であるが、青板ガラスを採用することにより薄膜太陽電池１のコストを低減できるというメリットがある。基板２には可塑性を持つ材料、たとえば、ステンレス箔、チタン箔、ポリイミドフィルム、アルミ箔、銅箔を使用することもできる。これによってフレキシブル太陽電池を作製することもできる。
The thin film solar cell 1 is manufactured by the steps shown in FIG. First, in S1, the soda-lime glass employed as the substrate 2 is cleaned by an ultrasonic cleaning method or the like. In addition, although white board glass can also be employ | adopted as the board | substrate 2, there exists a merit that the cost of the thin film solar cell 1 can be reduced by employ | adopting blue board glass. The substrate 2 may be made of a plastic material such as stainless steel foil, titanium foil, polyimide film, aluminum foil, or copper foil. Thereby, a flexible solar cell can also be produced.

次に、図２のＳ２において、基板２上に裏面電極３が成膜される。裏面電極３としてはＭｏを採用することができ、その膜厚は０．８μｍ程度である。基板２上への成膜はスパッタリング法、電子ビーム蒸着法等を用いて行われる。なお、裏面電極３としてはＭｏの他、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｗ（タングステン）等を採用してもよい。これらを採用した場合においても、裏面電極３は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法等を用いて成膜することができる。   Next, a back electrode 3 is formed on the substrate 2 in S2 of FIG. Mo can be adopted as the back electrode 3 and its film thickness is about 0.8 μm. Film formation on the substrate 2 is performed using a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like. As the back electrode 3, Ta (tantalum), Nb (niobium), W (tungsten), or the like may be employed in addition to Mo. Even when these are employed, the back electrode 3 can be formed using a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like.

次に、図２のＳ３において、裏面電極３上に光吸収層４が成膜される。光吸収層４は、太陽光を吸収して電力に変換する部分であり、薄膜太陽電池１では、高い効率で太陽光を電力に変換できる材料であるＣＩＧＳを採用しており、その膜厚は２μｍ程度である。この光吸収層４の成膜は蒸着法を用いて行う。なお、光吸収層４の成膜は、前記蒸着法の他、セレン化法、電着法、印刷法、スプレー法等により行っても良い。   Next, in S <b> 3 of FIG. 2, the light absorption layer 4 is formed on the back electrode 3. The light absorption layer 4 is a part that absorbs sunlight and converts it into electric power, and the thin-film solar cell 1 employs CIGS, which is a material that can convert sunlight into electric power with high efficiency. It is about 2 μm. The light absorption layer 4 is formed by vapor deposition. The light absorption layer 4 may be formed by a selenization method, an electrodeposition method, a printing method, a spray method or the like in addition to the vapor deposition method.

次に、図２のＳ４において、光吸収層４上にバッファ層５が成膜される。薄膜太陽電池１では、バッファ層５としてＺｎＯ１−ＸＳＸを採用しており、その膜厚は０．１μｍ程度である。このバッファ層５の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができ、具体的には図３に示すようなスパッタリング装置８を用いて行うことができる。 Next, in S <b> 4 of FIG. 2, the buffer layer 5 is formed on the light absorption layer 4. In the thin-film solar cell 1 employs a ZnO 1-X S X as a buffer layer 5, a film thickness of about 0.1 [mu] m. The buffer layer 5 can be formed by using a sputtering method, and specifically by using a sputtering apparatus 8 as shown in FIG.

前記スパッタリング装置８は、内部にＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲット９、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲット１０、シャッター１１、１２、及び基板２を支持すると共にシャフト１３に接続された基板ホルダー１４が配設されると共に、側面に図外の真空ポンプが接続された排気口１５、及び図外のＡｒ（アルゴン）ガス源が接続されたガス導入口１６が設けられたチェンバー１７と、第１スパッタリングターゲット９に電気的マッチング調整用のキャパシタ１８を介して電力を供給するＲＦ（Ｒａｄｉｏ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１９と、第２スパッタリングターゲット１０に電気的マッチング調整用のキャパシタ２０を介して電力を供給するＲＦ電源２１とにより構成される。 The sputtering apparatus 8 includes a first sputtering target 9 containing ZnS, a second sputtering target 10 containing ZnO, shutters 11 and 12, and a substrate 2, and a substrate holder 14 connected to a shaft 13. A chamber 17 provided with a gas inlet 16 connected to an exhaust port 15 connected to a vacuum pump (not shown) and an Ar (argon) gas source (not shown) on the side surface; RF (Radio) for supplying electric power to the target 9 through a capacitor 18 for adjusting electrical matching
(Frequency) power source 19 and an RF power source 21 that supplies power to the second sputtering target 10 via a capacitor 20 for electrical matching adjustment.

前記第１スパッタリングターゲット９と、前記第２スパッタリングターゲット１０とは、チェンバー１７の下方に並べられた状態で配設される。また、前記ＲＦ電源１９、２１は、互いに独立して出力する電力を設定することができるよう構成されており、第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０には、互いに異なる電力を加えることができる。これにより、バッファ層５を成膜する際には、ＲＦ電源１９より第１スパッタリングターゲット９に供給する電力、及びＲＦ電源２１より第２スパッタリングターゲット１０に供給する電力を制御して、夫々のスパッタリングレートを調整し、バッファ層５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＸの値を任意に制御することができる。 The first sputtering target 9 and the second sputtering target 10 are arranged in a state of being arranged below the chamber 17. The RF power sources 19 and 21 are configured to be able to set powers to be output independently of each other, and different powers are applied to the first sputtering target 9 and the second sputtering target 10. Can do. Thus, when the buffer layer 5 is formed, the power supplied from the RF power source 19 to the first sputtering target 9 and the power supplied from the RF power source 21 to the second sputtering target 10 are controlled, so that each sputtering is performed. By adjusting the rate, the value of X of ZnO 1-X S X constituting the buffer layer 5 can be arbitrarily controlled.

前記シャッター１１、１２は、第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方に配設されており、バッファ層５を成膜する時以外に、それらからのスパッタが飛散しないようにするためのものである。なおシャッター１１、１２は、バッファ層５を成膜する際に第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方から取り除かれる。   The shutters 11 and 12 are disposed above the first sputtering target 9 and the second sputtering target 10 so as to prevent the sputtering from scattering other than when the buffer layer 5 is formed. belongs to. The shutters 11 and 12 are removed from above the first sputtering target 9 and the second sputtering target 10 when the buffer layer 5 is formed.

前記基板ホルダー１４は、チェンバー１７の上方に配設され、裏面電極３、光吸収層４が成膜された基板２を光吸収層４が下向きとなるように保持する。基板ホルダー１４は、図外の回転駆動源にシャフト１３を介して接続されており、保持している基板２が第１スパッタリングターゲット９上と、第２スパッタリングターゲット１０とを交互に通過するように回転する。   The substrate holder 14 is disposed above the chamber 17 and holds the substrate 2 on which the back electrode 3 and the light absorption layer 4 are formed so that the light absorption layer 4 faces downward. The substrate holder 14 is connected to a rotational drive source (not shown) via a shaft 13 so that the substrate 2 being held passes through the first sputtering target 9 and the second sputtering target 10 alternately. Rotate.

スパッタリング装置８を用いたバッファ層５の成膜は、所定流量のＡｒが、チェンバー１７内を流れるよう排気口１５に接続されている真空ポンプとガス導入口１６に接続されているＡｒガス源を調整すると共に、シャッター１１、１２を第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方から取り除く。その後、基板ホルダー１４をシャフト１３を介して接続されている回転駆動源により回転させつつ、第１スパッタリングターゲット９にＲＦ電源１９より、また第２スパッタリングターゲット１０にＲＦ電源２１より電力を供給することにより行われる。   The buffer layer 5 is formed using the sputtering apparatus 8 by using a vacuum pump connected to the exhaust port 15 and an Ar gas source connected to the gas inlet 16 so that a predetermined flow rate of Ar flows in the chamber 17. At the same time, the shutters 11 and 12 are removed from above the first sputtering target 9 and the second sputtering target 10. Thereafter, power is supplied to the first sputtering target 9 from the RF power source 19 and to the second sputtering target 10 from the RF power source 21 while the substrate holder 14 is rotated by a rotational drive source connected via the shaft 13. Is done.

このバッファ層５の成膜中あるいは成膜後において、基板２を加熱して熱処理してもよい。このことにより、バッファ層５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＺｎ、及びＳが、光吸収層４を構成するＣＩＧＳ内へ拡散して、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失が低減するので、薄膜太陽電池１の効率は向上する。 During or after the formation of the buffer layer 5, the substrate 2 may be heated and heat-treated. As a result, Zn of ZnO 1-X S X constituting the buffer layer 5 and S diffuse into the CIGS constituting the light absorption layer 4, and electric at the interface between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5 is diffused. Since the mechanical loss is reduced, the efficiency of the thin film solar cell 1 is improved.

次に、図２のＳ５において、バッファ層５上に透明電極６が成膜される。透明電極６としては、ＩＴＯを採用しており、その膜厚は０．１μｍ程度である。このＩＴＯの成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができる。なお、透明電極６としては、ＩＴＯの他、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｂ（Ｂは、ホウ素である。）を採用することができ、これらはスパッタリング法の他、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成膜できる。   Next, in S <b> 5 of FIG. 2, the transparent electrode 6 is formed on the buffer layer 5. As the transparent electrode 6, ITO is employed, and the film thickness is about 0.1 μm. The ITO film can be formed using a sputtering method. In addition to ITO, ZnO: Al, ZnO: B (B is boron) can be employed as the transparent electrode 6, and these can be formed by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) in addition to sputtering. ) Can be used to form a film.

次に、図２のＳ６において、裏面電極３上、及び透明電極６上に取り出し電極７が成膜される。取り出し電極７としては、ＮｉＣｒ／Ａｌを採用しており、その膜厚はＮｉＣｒが０．０５μｍ、Ａｌが０．２μｍ程度である。このＮｉＣｒ／Ａｌの成膜は、抵抗加熱蒸着法を用いて行うことができる。なお、薄膜太陽電池１をパネルとする場合等において、取り出し電極７が不要な場合は、本工程を省略することができる。   Next, in S <b> 6 of FIG. 2, the extraction electrode 7 is formed on the back electrode 3 and the transparent electrode 6. As the extraction electrode 7, NiCr / Al is adopted, and the film thickness is about 0.05 μm for NiCr and about 0.2 μm for Al. The NiCr / Al film can be formed using a resistance heating vapor deposition method. In the case where the thin film solar cell 1 is a panel or the like, this step can be omitted when the extraction electrode 7 is not necessary.

以上のような工程を経て製造される薄膜太陽電池１は、全ての成膜プロセスがドライプロセスにて行うことができる。そのため、インライン作業にて製造を行うことができ、製造効率を高めることができる。さらに、薄膜太陽電池１では、バッファ層５をＣｄＳ等化学析出法を用いて成膜する従来の薄膜太陽電池のような廃液に係る問題が生じず、またＣｄを使用しないことにより人体へ悪影響が及ぶ危険性も生じない。   In the thin film solar cell 1 manufactured through the above steps, all film forming processes can be performed by a dry process. Therefore, it can manufacture by an in-line operation and can improve manufacturing efficiency. Further, in the thin film solar cell 1, there is no problem with the waste liquid as in the conventional thin film solar cell in which the buffer layer 5 is formed using a chemical deposition method such as CdS. There is no danger of it.

また、ＺｎＯ１−ＸＳＸは、ＣｄＳに対して、禁制帯幅が大きいため、太陽光の短波長の吸収が少ない。即ち、バッファ層５にＺｎＯ１−ＸＳＸを採用することで、ＣｄＳを採用する場合と比べて、太陽光の短波長成分をロスすることなく光吸収層４に到達させることができることになる。このことは、薄膜太陽電池１の効率を向上させることにつながる。 Moreover, since ZnO 1-X S X has a larger forbidden band width than CdS, it absorbs less sunlight at short wavelengths. That is, by adopting ZnO 1-X S X for the buffer layer 5, it is possible to reach the light absorption layer 4 without losing the short wavelength component of sunlight as compared with the case of employing CdS. . This leads to an improvement in the efficiency of the thin film solar cell 1.

ここで、薄膜太陽電池１の効率は、横軸にバッファ層５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＸの値を、縦軸に薄膜太陽電池１の効率を表した図４に示すようにＸの値に依存する。これは、Ｘの値により光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが変化するからである。薄膜太陽電池１の効率は、Ｘの値が０．１２から０．４３の範囲で高くなり、Ｘの値が０．１８の時に光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが最も取れた状態となってピークの値をとる。このピーク時の値は１１．１％であり、薄膜太陽電池１では、従来最も効率を高くできるとされるバッファ層５をＣｄＳにより構成した薄膜太陽電池と同程度の効率を実現できる。 Here, the efficiency of the thin film solar cell 1 is as shown in FIG. 4 in which the horizontal axis represents the value of X of ZnO 1-X S X constituting the buffer layer 5 and the vertical axis represents the efficiency of the thin film solar cell 1. Depends on the value of X. This is because the electrical matching between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5 changes depending on the value of X. The efficiency of the thin-film solar cell 1 is high when the value of X is in the range of 0.12 to 0.43, and when the value of X is 0.18, the light absorption layer 4 and the buffer layer 5 have the best electrical matching. The peak value is obtained. The value at the peak is 11.1%, and the thin film solar cell 1 can achieve the same efficiency as a thin film solar cell in which the buffer layer 5 that is conventionally considered to have the highest efficiency is made of CdS.

なお、図４に示すＸの値に対する薄膜太陽電池１の効率の依存性は、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．２９、またＣｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．９１とした場合のものである。このＸの値に対する薄膜太陽電池１の効率の依存性は、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成によって変化する。即ち、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成により、光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが取れるＸの値は変化することになる。このことより、薄膜太陽電池１では、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成に応じて、バッファ層５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸのＸの値を制御して、光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングを取り、それらの界面における電気的損失を低減させることもできる。このことは、このような制御ができないＣｄＳから構成されるバッファ層５を採用した薄膜太陽電池対する本薄膜太陽電池１の大きな利点である。 The dependence of the efficiency of the thin film solar cell 1 on the value of X shown in FIG. 4 is that the composition of CIGS constituting the light absorption layer 4 is 0.29 for Ga / (In + Ga) and 0 for Cu / (In + Ga). .91. The dependence of the efficiency of the thin-film solar cell 1 on the value of X varies depending on the composition of CIGS constituting the light absorption layer 4. That is, the value of X that can achieve electrical matching between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5 varies depending on the composition of CIGS constituting the light absorption layer 4. This shows that, in the thin film solar cell 1, depending on the composition of the CIGS constituting the light-absorbing layer 4, by controlling the value of X in ZnO 1-X S X constituting the buffer layer 5, a light absorbing layer 4 It is also possible to take electrical matching with the buffer layer 5 and reduce electrical loss at the interface between them. This is a great advantage of the present thin-film solar cell 1 over the thin-film solar cell employing the buffer layer 5 made of CdS that cannot be controlled as described above.

また、ＺｎＯ１−ＸＳＸから構成されるバッファ層５の成膜は、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲット９、及びＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲット１０を用いて行う。この第１スパッタリングターゲット９に印加する電力は、ＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５の成膜時に使用するＭｇＯを含有する図外のスパッタリングターゲットに印加する電力に対して低い値でよい。従って、ＺｎＯ１−ＸＳＸから構成されるバッファ層５の成膜時の光吸収層４が受けるスパッタリングダメージは、ＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５の成膜時の光吸収層４が受けるスパッタリングダメージより小さくなる。このスパッタリングダメージは、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失を増大させる要因となるため、薄膜太陽電池１ではＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５を有する薄膜太陽電池と比べて効率を高めることができる。 Further, the buffer layer 5 made of ZnO 1-X S X is formed using the first sputtering target 9 containing ZnS and the second sputtering target 10 containing ZnO. The power applied to the first sputtering target 9 may be lower than the power applied to a sputtering target (not shown) containing MgO used when forming the buffer layer 5 made of ZnMgO. Therefore, the sputtering damage received by the light absorption layer 4 when the buffer layer 5 made of ZnO 1-X S X is formed is the sputtering damage received by the light absorption layer 4 when the buffer layer 5 made of ZnMgO is formed. Less than damage. Since this sputtering damage causes an increase in electrical loss at the interface between the light absorption layer 4 and the buffer layer 5, the thin film solar cell 1 is more efficient than the thin film solar cell having the buffer layer 5 made of ZnMgO. Can be increased.

なお、本実施の形態で示した薄膜太陽電池１は、本発明に係る薄膜太陽電池の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、光吸収層４をＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳｅ４、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４等により構成した場合でも、バッファ層５をＺｎＯ１−ＸＳＸにより構成することで、上記同様の効果を得ることができる。 In addition, the thin film solar cell 1 shown in this Embodiment is only one aspect | mode of the thin film solar cell which concerns on this invention, and various deformation | transformation implementation is possible within the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the light absorption layer 4 is made of Cu (In, Ga) (Se, S) 2 , Cu (In, Al) Se 2 , Cu (In, Al) (Se, S) 2 , CuIn (Se, S) 2 , Even when CuInS 2 , Cu (In, Ga) S 2, Cu (In, Al) S 2 , Cu 2 ZnSnSe 4 , Cu 2 ZnSnS 4, etc. are used, the buffer layer 5 is made of ZnO 1-X S X. Thus, the same effect as described above can be obtained.

本発明に係る薄膜太陽電池１は、効率の高い薄膜太陽電池として利用することができる。   The thin film solar cell 1 according to the present invention can be used as a highly efficient thin film solar cell.

１ 薄膜太陽電池
２ 基板
３ 裏面電極
４ 光吸収層
５ バッファ層
６ 透明電極
８ スパッタリング装置
９ 第１スパッタリングターゲット
１０ 第２スパッタリングターゲット
１９、２１ ＲＦ電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film solar cell 2 Substrate 3 Back surface electrode 4 Light absorption layer 5 Buffer layer 6 Transparent electrode 8 Sputtering device 9 1st sputtering target 10 2nd sputtering target 19, 21 RF power supply

Claims (5)

基板上に、裏面電極、光吸収層、バッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、
前記バッファ層が、ＺｎＯ１−ＸＳＸ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴とする薄膜太陽電池。 A thin-film solar cell in which a back electrode, a light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode are sequentially laminated on a substrate,
The thin-film solar cell, wherein the buffer layer is made of ZnO 1-X S X (where 0 ≦ X ≦ 1). 前記バッファ層を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸが、前記光吸収層との間の電気的マッチングが取れるようにＸの値を決定されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池。 2. The thin film solar cell according to claim 1, wherein the value of X is determined so that ZnO 1-X S X constituting the buffer layer can be electrically matched with the light absorption layer. 3. . 基板上に、裏面電極、光吸収層、ＺｎＯ１−ＸＳＸ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されるバッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池の製造方法であって、
前記バッファ層をスパッタリング法により成膜することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。 A method of manufacturing a thin film solar cell in which a back electrode, a light absorption layer, a buffer layer composed of ZnO 1-X S X (where 0 ≦ X ≦ 1), and a transparent electrode are sequentially stacked on a substrate. ,
A method of manufacturing a thin film solar cell, wherein the buffer layer is formed by a sputtering method. 前記バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットと、前記第１スパッタリングターゲットと前記第２スパッタリングターゲットとに加える電力を夫々独立に制御できる電源と、を有するスパッタリング装置にて行うことを特徴とする請求項３記載の薄膜太陽電池の製造方法。   A power source capable of independently controlling the power applied to the first sputtering target containing ZnS, the second sputtering target containing ZnO, and the first sputtering target and the second sputtering target for forming the buffer layer. The method for producing a thin-film solar cell according to claim 3, wherein: 前記バッファ層を成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。   The method for producing a thin-film solar cell according to claim 3 or 4, wherein heat treatment is performed during or after the buffer layer is formed.
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