JP2012124284A - Photoelectric element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain higher power generation efficiency without requiring a material containing Cd, in a photoelectric element in which a sulfide-based compound semiconductor such as CZTS is used in a light absorbing layer.SOLUTION: A photoelectric element 10 comprises a light absorbing layer 16 being a p-type semiconductor layer, a buffer layer 18, and a window layer 20. The light absorbing layer 16 is a film of a sulfide-based compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S. The buffer layer 18 contains InSand In(OH).

Description

本発明は、光電素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric element.

光電素子は、光量子のエネルギーを何らかの物理現象を介して電気的信号に変換(光電変換)する。光電素子は、太陽電池、光導電セル、フォトダイオード及びフォトトランジスタ等に用いられる。   A photoelectric element converts photon energy into an electrical signal (photoelectric conversion) through some physical phenomenon. Photoelectric elements are used for solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors, and the like.

太陽電池は、光電素子の一種であり、太陽光線の光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。一般的な太陽電池は、p型半導体層とn型半導体層とが接合された構造を有する。太陽電池に用いられるp型半導体としては、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、GaAs、InP、CdTe、CuIn1−xGaSe(CIGS)、CuZnSnS(CZTS)等が知られている。これらの中でも、CIGS及びCZTSに代表されるカルコゲナイト系の化合物半導体は、光吸収係数が大きいため、低コスト化に有利な薄膜化が可能である。特に、CIGSを用いた薄膜太陽電池は変換効率が高く、多結晶Siを超える変換効率も得られている。しかしながら、CIGSは、環境負荷の高い元素及び希少元素を含んでいるという問題がある。一方、CZTSは、太陽電池に適したバンドギャップエネルギー(1.4〜1.5eV)を有しながら、環境負荷の高い元素及び希少元素を含まず、材料資源が豊富で低コストで製造できることから、近年注目されている(例えば、特許文献1)。 A solar cell is a kind of photoelectric element, and can efficiently convert light energy of sunlight into electric energy. A general solar cell has a structure in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are joined. The p-type semiconductor used in solar cells, monocrystalline Si, polycrystalline Si, amorphous Si, GaAs, InP, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) Hitoshigachi It has been. Among these, chalcogenite-based compound semiconductors typified by CIGS and CZTS have a large light absorption coefficient, so that a thin film advantageous for cost reduction can be obtained. In particular, thin film solar cells using CIGS have high conversion efficiency, and conversion efficiency exceeding that of polycrystalline Si is also obtained. However, CIGS has a problem that it contains elements with high environmental impact and rare elements. On the other hand, CZTS has a band gap energy (1.4 to 1.5 eV) suitable for solar cells, does not contain elements with high environmental impact and rare elements, and is rich in material resources and can be manufactured at low cost. Recently, attention has been paid (for example, Patent Document 1).

特開2009−26891号公報JP 2009-26891 A

しかしながら、CZTS等の硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いた光電素子は、CIGSを用いた従来の光電素子と比較すると発電効率が低く、実用化のためにはこの点で更なる改善が求められている。CdS膜をバッファ層としてCZTSと組み合わせることによりある程度の発電効率を達成し得るが、工業的には、環境負荷の高いCdを含まない材料を用いることが望まれる。   However, photoelectric elements using sulfide compound semiconductors such as CZTS in the light absorption layer have lower power generation efficiency than conventional photoelectric elements using CIGS, and further improvement in this respect is necessary for practical use. It has been demanded. A certain amount of power generation efficiency can be achieved by combining a CdS film with a CZTS using a CdS film as a buffer layer, but industrially, it is desirable to use a material that does not contain Cd and has a high environmental load.

そこで、本発明は、CZTS等の硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いた光電素子において、Cdを含む材料を必要とすることなく、更に高い発電効率を得ることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to obtain higher power generation efficiency without requiring a material containing Cd in a photoelectric element using a sulfide compound semiconductor such as CZTS for a light absorption layer.

本発明は、p型半導体層である光吸収層と、バッファ層と、窓層と、を備え、光吸収層、バッファ層及び窓層がこの順に設けられている光電素子に関する。本発明に係る光電素子において、光吸収層は、Cu、Zn、Sn及びSを含む硫化物系化合物半導体の膜であり、バッファ層は、In及びIn(OH)を含む。 The present invention relates to a photoelectric device including a light absorption layer that is a p-type semiconductor layer, a buffer layer, and a window layer, and the light absorption layer, the buffer layer, and the window layer are provided in this order. In the photoelectric device according to the present invention, the light absorption layer is a film of a sulfide compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S, and the buffer layer contains In 2 S 3 and In (OH) 3 .

本発明者らの鋭意検討の結果、CZTS等の硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いた光電素子において、In及びIn(OH)を含むバッファ層を設けることにより、更に高い発電効率が得られることが明らかとなった。 As a result of intensive studies by the present inventors, in a photoelectric device using a sulfide compound semiconductor such as CZTS as a light absorption layer, it is further increased by providing a buffer layer containing In 2 S 3 and In (OH) 3. It became clear that power generation efficiency was obtained.

CIGSとCZTSとでは伝導帯下端(CBM)が異なっていることから、CZTSの光吸収層と、従来のバッファ層との組み合わせでは、光吸収層、バッファ層、及び窓層相互のコンダクションバンドオフセット(CBO)が十分に適正化されなかったのに対し、バッファ層として、In及びIn(OH)を含むものを設けることにより、コンダクションバンドオフセットが適正化され、その結果、発電効率が向上したと考えられる。 Since the conduction band bottom (CBM) is different between CIGS and CZTS, the combination of the light absorption layer of CZTS and the conventional buffer layer is a conduction band offset between the light absorption layer, the buffer layer, and the window layer. Whereas (CBO) was not adequately optimized, by providing a buffer layer containing In 2 S 3 and In (OH) 3 , the conduction band offset was optimized, resulting in power generation The efficiency is thought to have improved.

バッファ層が、Inから形成されたIn膜である第一層と、In(OH)を含む第二層と、を有することが好ましい。この場合、第二層が第一層よりも窓層側に形成されていることがより好ましい。例えば、バッファ層が、光吸収層上にInを成膜した後、In(OH)をCBD法により成膜して形成した層であってもよい。このような二段階の成膜により、窓層側において光吸収層側よりも相対的に高い濃度でIn(OH)を含む領域を有するバッファ層を形成することができる。 Buffer layer, the first layer is an In 2 S 3 film formed from an In 2 S 3, and a second layer comprising an In (OH) 3, it is preferable to have a. In this case, it is more preferable that the second layer is formed closer to the window layer than the first layer. For example, the buffer layer may be a layer formed by depositing In 2 S 3 on the light absorption layer and then depositing In (OH) 3 by the CBD method. By such two-stage film formation, a buffer layer having a region containing In (OH) 3 at a relatively higher concentration on the window layer side than on the light absorption layer side can be formed.

このように、高い濃度でIn(OH)が含まれる部分がバッファ層中に存在することにより、リーク電流が抑制され、このことも発電効率の向上に寄与していると考えられる。 Thus, the presence of a portion containing In (OH) 3 at a high concentration in the buffer layer suppresses the leakage current, which is considered to contribute to the improvement of power generation efficiency.

別の側面において、本発明は、光電素子の製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、Cu、Zn、Sn及びSを含む硫化物系化合物半導体の膜である光吸収層上に、Inを成膜した後、In(OH)をCBD法により成膜することにより、In及びIn(OH)を含むバッファ層を形成する工程と、バッファ層の光吸収層とは反対側に窓層を形成する工程と、を備える。 In another aspect, the present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric element. In the manufacturing method according to the present invention, an In 2 S 3 film is formed on a light absorption layer that is a film of a sulfide-based compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S, and then In (OH) 3 is converted into a CBD method. Forming a buffer layer containing In 2 S 3 and In (OH) 3 and forming a window layer on the opposite side of the buffer layer from the light absorption layer.

本発明に係る製造方法によれば、CZTS等の硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いながら、更に高い発電効率を有する光電素子を得ることができる。   According to the production method of the present invention, a photoelectric device having higher power generation efficiency can be obtained while using a sulfide-based compound semiconductor such as CZTS for the light absorption layer.

本発明によれば、CZTS等の硫化物系化合物半導体を光吸収層に用いた光電素子において、Cdを含む材料を必要とすることなく、更に高い発電効率を得ることができる。   According to the present invention, in a photoelectric device using a sulfide compound semiconductor such as CZTS for a light absorption layer, higher power generation efficiency can be obtained without requiring a material containing Cd.

光電素子の一実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one Embodiment of a photoelectric element.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、光電素子の一実施形態を示す斜視図である。図1に示す光電素子10は、基板12と、基板12上に設けられた下部電極14と、下部電極14上に設けられた光吸収層16と、光吸収層16上に設けられたバッファ層18と、バッファ層18上に設けられた窓層20と、窓層20上に設けられた上部電極22とを備える。光吸収層16、バッファ層18及び窓層20はこの順に積層されている。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a photoelectric element. 1 includes a substrate 12, a lower electrode 14 provided on the substrate 12, a light absorption layer 16 provided on the lower electrode 14, and a buffer layer provided on the light absorption layer 16. 18, a window layer 20 provided on the buffer layer 18, and an upper electrode 22 provided on the window layer 20. The light absorption layer 16, the buffer layer 18, and the window layer 20 are laminated in this order.

基板12は、その上に形成される各部材を支持する。基板12は、導電体であってもよいし、絶縁体であってもよい。基板12は、好ましくは、石英ガラス、ノンアルカリガラス、及び低アルカリガラス(LAG)、並びに、金属、半導体、酸化物、硫化物、窒化物、炭化物、珪化物、炭素、又はこれらの組み合わせから選ばれる材料の板状体である。   The substrate 12 supports each member formed thereon. The substrate 12 may be a conductor or an insulator. The substrate 12 is preferably selected from quartz glass, non-alkali glass, and low alkali glass (LAG), and metals, semiconductors, oxides, sulfides, nitrides, carbides, silicides, carbon, or combinations thereof. It is a plate-shaped body of material.

下部電極14は、電気伝導度が高く、且つ、基板12との密着性が良好な材料によって形成される。下部電極14は、例えば、Mo、In−Sn−O、In−Zn−O、ZnO:B、SnO:F、SnO:Sb及びTiO:Nbから選ばれる材料から形成される。「ZnO:B」の表記は、BによりドープされたZnOを意味する。他も同様である。基板12としてガラス基板を用いる場合、密着性、電気伝導度、入射光の反射率、硫化のしにくさの観点から、Moが好ましい。 The lower electrode 14 is formed of a material having high electrical conductivity and good adhesion to the substrate 12. The lower electrode 14 is formed of, for example, a material selected from Mo, In—Sn—O, In—Zn—O, ZnO: B, SnO 2 : F, SnO 2 : Sb, and TiO 2 : Nb. The notation “ZnO: B” means ZnO doped with B. Others are the same. When a glass substrate is used as the substrate 12, Mo is preferable from the viewpoints of adhesion, electrical conductivity, incident light reflectance, and difficulty in sulfidation.

光吸収層16は、Cu、Zn、Sn及びSを含む硫化物系化合物半導体を含むp型半導体層である。硫化物系化合物半導体としてはCuZnSnS(CZTS)が好ましい。CZTSは大きな光吸収係数を有することから、CZTSを用いると光吸収層16の厚さを極めて薄くすることができる。光吸収層16は、一般に薄膜であるが、粒子の凝集体であってもよい。光吸収層16の厚さは0.3μm〜2μmが好ましい。 The light absorption layer 16 is a p-type semiconductor layer containing a sulfide compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S. As the sulfide compound semiconductor, Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) is preferable. Since CZTS has a large light absorption coefficient, if CZTS is used, the thickness of the light absorption layer 16 can be extremely reduced. The light absorption layer 16 is generally a thin film, but may be an aggregate of particles. The thickness of the light absorption layer 16 is preferably 0.3 μm to 2 μm.

CZTSにおけるCuの比率は、化学量論組成よりも僅かに小さいことが、高い変換効率が得られることから好ましい。具体的には、Cu/(Zn+Sn)は、原子比で好ましくは0.69〜0.99、より好ましくは0.8〜0.9である。   The ratio of Cu in CZTS is preferably slightly smaller than the stoichiometric composition because high conversion efficiency can be obtained. Specifically, Cu / (Zn + Sn) is preferably 0.69 to 0.99, more preferably 0.8 to 0.9 in terms of atomic ratio.

バッファ層18は、In及びIn(OH)を含む。より高い発電効率を達成するために、バッファ層18において、Inに対するIn(OH)のモル比は好ましくは0.001〜0.3である。 The buffer layer 18 includes In 2 S 3 and In (OH) 3 . In order to achieve higher power generation efficiency, the molar ratio of In (OH) 3 to In 2 S 3 in the buffer layer 18 is preferably 0.001 to 0.3.

より詳細には、バッファ層18は、主としてInから構成される第一層1と、第一層1よりも窓層20側に設けられた、In(OH)を含む第二層2とを有する。第一層1は、実質的にIn(OH)を含まず、Inから形成されたIn膜である。第二層2は、第一層1よりも高濃度でIn(OH)を含む領域を有していればよく、通常、In膜にIn(OH)が浸入して形成された領域を含む。すなわち、第二層2は、Inを含む領域を含む場合が多い。したがって、透過型電子顕微鏡等によりバッファ層を観察したとき、第一層1と第二層2との境界は必ずしも明りょうではない。 More specifically, the buffer layer 18 includes a first layer 1 mainly composed of In 2 S 3 and a second layer including In (OH) 3 provided on the window layer 20 side of the first layer 1. 2. The first layer 1 is substantially free of In (OH) 3, which is an In 2 S 3 film formed from an In 2 S 3. The second layer 2 only needs to have a region containing In (OH) 3 at a higher concentration than the first layer 1 and is usually formed by intrusion of In (OH) 3 into the In 2 S 3 film. Including That is, the second layer 2 often includes a region containing In 2 S 3 . Therefore, when the buffer layer is observed with a transmission electron microscope or the like, the boundary between the first layer 1 and the second layer 2 is not always clear.

第一層1及び第二層2を有するバッファ層18は、例えば、光吸収層16上にInを成膜してIn膜を形成した後、In膜上にIn(OH)をCBD法(Chemical Bath Deposition法)により成膜する二段階の成膜方法により、形成することができる。 Buffer layer 18 having a first layer 1 and the second layer 2 is, for example, after a film of an In 2 S 3 on the light-absorbing layer 16 to form a an In 2 S 3 film, an In 2 S 3 film on the In (OH) 3 can be formed by a two-stage film formation method in which a film is formed by a CBD method (Chemical Bath Deposition method).

In膜は、例えば、チオアセトアミド、インジウム塩(塩化インジウム等)及びこれらが溶解している水を含むCBD用の酸性の反応液に光吸収層16を浸漬する方法により形成することができる。この場合、形成されたIn膜(第一層1)は、第二層2の形成の前に、加熱により乾燥されることが好ましい。 The In 2 S 3 film may be formed by, for example, a method of immersing the light absorption layer 16 in an acidic reaction solution for CBD containing thioacetamide, indium salt (such as indium chloride) and water in which these are dissolved. it can. In this case, the formed In 2 S 3 film (first layer 1) is preferably dried by heating before the second layer 2 is formed.

In膜の厚さは、好ましくは10nm以上、より好ましくは30nm以上である。また、In膜の厚さは、好ましくは120nm以下、より好ましくは90nm以下である。In膜の厚さをこれら数値範囲内に制御することにより、特に高い発電効率が得られる。In膜の厚さは、成膜のための浸漬時間により調整することができる。好適な厚さのIn膜を形成するための浸漬時間は、通常、15〜40分程度である。 The thickness of the In 2 S 3 film is preferably 10 nm or more, more preferably 30 nm or more. Further, the thickness of the In 2 S 3 film is preferably 120 nm or less, more preferably 90 nm or less. By controlling the thickness of the In 2 S 3 film within these numerical ranges, particularly high power generation efficiency can be obtained. The thickness of the In 2 S 3 film can be adjusted by the immersion time for film formation. The immersion time for forming an In 2 S 3 film having a suitable thickness is usually about 15 to 40 minutes.

第二層2は、例えば、チオウレア、インジウム塩(塩化インジウム等)及びこれらが溶解している水を含むCBD用の反応液にIn膜を浸漬して、In(OH)をIn膜上に堆積させるCBD法により形成することができる。反応液は必要により50〜85℃程度に加熱される。この方法によれば、堆積したIn(OH)のうち少なくとも一部は、In膜内に浸入する場合が多い。 The second layer 2 is formed by, for example, immersing an In 2 S 3 film in a reaction solution for CBD containing thiourea, an indium salt (such as indium chloride), and water in which these are dissolved, and thereby converting In (OH) 3 into In It can be formed by the CBD method of depositing on the 2 S 3 film. The reaction solution is heated to about 50 to 85 ° C. if necessary. According to this method, at least a part of the deposited In (OH) 3 often intrudes into the In 2 S 3 film.

第二層2の形成のための反応液のpHは好ましくは2.5〜4.5である。安定してある程度の厚さを有する膜を形成するために、CBD用の反応液は塩化亜鉛を更に含むことが好ましい。CBD用の反応液において、チオウレアの濃度は好ましくは0.03〜0.3モル/L、インジウムの濃度は好ましくは0.001〜0.1モル/L、塩化亜鉛の濃度は好ましくは0.001〜0.1モル/Lである。   The pH of the reaction solution for forming the second layer 2 is preferably 2.5 to 4.5. In order to stably form a film having a certain thickness, the reaction solution for CBD preferably further contains zinc chloride. In the reaction solution for CBD, the concentration of thiourea is preferably 0.03 to 0.3 mol / L, the concentration of indium is preferably 0.001 to 0.1 mol / L, and the concentration of zinc chloride is preferably 0.00. 001 to 0.1 mol / L.

第二層2の厚さは、好ましくは0.1〜10nmである。好適な厚さの第二層2を形成するための浸漬時間は、例えば溶液温度が60℃の場合には、10〜100分程度である。浸漬後、第二層2は加熱により乾燥されることが好ましい。   The thickness of the second layer 2 is preferably 0.1 to 10 nm. For example, when the solution temperature is 60 ° C., the immersion time for forming the second layer 2 having a suitable thickness is about 10 to 100 minutes. After the immersion, the second layer 2 is preferably dried by heating.

窓層20は、低抵抗であり、可視から近赤外領域の光の大半を透過する。   The window layer 20 has a low resistance and transmits most of light in the visible to near infrared region.

窓層20は、例えば、ZnMg1−xO(ZMO):Ga(xは0を超えて1未満の数値)、ZnO:B、ZnO:Al(AZO)、In−Sn−O、In−Zn−O、SnO:Sb、TiO:Nb、及びZnO:Ga(GZO)から選ばれる半導体から構成される膜である。 The window layer 20 includes, for example, Zn x Mg 1-x O (ZMO): Ga (x is a numerical value greater than 0 and less than 1), ZnO: B, ZnO: Al (AZO), In—Sn—O, In It is a film composed of a semiconductor selected from —Zn—O, SnO 2 : Sb, TiO 2 : Nb, and ZnO: Ga (GZO).

上部電極22は、窓層20で集めた電流を効率よく外部に取り出すために設けられる。上部電極22は、通常、櫛形に形成される。なお、光電素子の形態によっては必ずしも上部電極22は必要とされない。上部電極22の材料としては、Al、Cu、Ag、及びAu等が挙げられ、Alが好ましい。上部電極22は、Al、Cu、Ag及びAuから選ばれる1種以上の金属を含む合金であってもよい。このような合金としては、具体的には、Al−Ti合金、Al−Mg合金、Al−Ni合金、Cu−Ti合金、Cu−Sn合金、Cu−Zn合金、Cu−Au合金、Ag−Ti合金、Ag−Sn合金、Ag−Zn合金、及びAg−Au合金等がある。   The upper electrode 22 is provided to efficiently extract the current collected by the window layer 20 to the outside. The upper electrode 22 is usually formed in a comb shape. The upper electrode 22 is not necessarily required depending on the form of the photoelectric element. Examples of the material of the upper electrode 22 include Al, Cu, Ag, and Au, and Al is preferable. The upper electrode 22 may be an alloy containing one or more metals selected from Al, Cu, Ag, and Au. Specific examples of such alloys include Al-Ti alloys, Al-Mg alloys, Al-Ni alloys, Cu-Ti alloys, Cu-Sn alloys, Cu-Zn alloys, Cu-Au alloys, and Ag-Ti. There are an alloy, an Ag—Sn alloy, an Ag—Zn alloy, an Ag—Au alloy, and the like.

本実施形態に係る光電素子は、例えば、基板上に、下部電極、光吸収層、バッファ層、窓層及び上部電極を順次形成する方法により製造することができる。それぞれの膜は、スパッタ法、真空蒸着法、PLD法等、薄膜の形成方法として通常採用されている方法により形成することができる。   The photoelectric element according to this embodiment can be manufactured by, for example, a method of sequentially forming a lower electrode, a light absorption layer, a buffer layer, a window layer, and an upper electrode on a substrate. Each film can be formed by a method usually employed as a method for forming a thin film, such as a sputtering method, a vacuum deposition method, or a PLD method.

光吸収層16としてのCZTS膜は、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法等を用いて、基板上にCu、Sn、及びZnSが所定の順序で積層された前駆体の膜を形成し、この前駆体をHS含有雰囲気下(例えば、5〜20体積%HSとN雰との混合ガス雰囲気下)で硫化させる方法により形成することができる。硫化時の温度は、500〜600℃程度である。前駆体を作製する際に、Cu、Sn、又はZnSの厚さを変化させることにより、組成の異なる種々のCZTS膜を形成させることができる。 The CZTS film as the light absorption layer 16 is a precursor film in which Cu, Sn, and ZnS are laminated in a predetermined order on a substrate using a sputtering method, a vacuum evaporation method, a pulse laser deposition (PLD) method, or the like. And this precursor can be formed by sulfurization under an atmosphere containing H 2 S (for example, in a mixed gas atmosphere of 5 to 20% by volume of H 2 S and N 2 atmosphere). The temperature during sulfidation is about 500 to 600 ° C. When producing the precursor, various CZTS films having different compositions can be formed by changing the thickness of Cu, Sn, or ZnS.

窓層20としてのZMO:Ga膜は、例えば、ZnO、MgO及びGaを同時にターゲットとして用いたスパッタ法により形成することができる。 The ZMO: Ga film as the window layer 20 can be formed, for example, by sputtering using ZnO, MgO, and Ga 2 O 3 simultaneously as targets.

スパッタ法、真空蒸着法、PLD法以外の各種薄膜の成膜方法としては、例えば、(1)有機金属等を溶解した溶液を基板12上にコーティングし、空気中で乾燥させることによって加水分解と縮重反応を起こさせて金属酸化物薄膜とし、金属酸化物薄膜を硫化水素雰囲気中で熱処理することによって光吸収層16を形成するゾル−ゲル+硫化法がある。   As a method for forming various thin films other than sputtering, vacuum deposition, and PLD, for example, (1) a solution in which an organic metal or the like is dissolved is coated on the substrate 12 and dried in the air. There is a sol-gel + sulfurization method in which a degenerative reaction is caused to form a metal oxide thin film, and the light absorption layer 16 is formed by heat-treating the metal oxide thin film in a hydrogen sulfide atmosphere.

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、基板、下部電極、光吸収層、バッファ層、窓層、及び上部電極以外の付加的な層が各層の間に設けられていてもよい。付加的な層としては、例えば、接着層、光散乱層、及び反射防止層が設けられ得る。直列又は並列に接続された複数の光電素子を備える太陽電池モジュールを構成することもできる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, additional layers other than the substrate, the lower electrode, the light absorption layer, the buffer layer, the window layer, and the upper electrode may be provided between the layers. As additional layers, for example, an adhesive layer, a light scattering layer, and an antireflection layer may be provided. A solar cell module including a plurality of photoelectric elements connected in series or in parallel can also be configured.

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

1.太陽電池の作製
以下の手順に従い、図1の光電素子10と同様の構成を有する光電素子を備える評価用の太陽電池を作製した。
1. Production of Solar Cell An evaluation solar cell comprising a photoelectric element having the same configuration as the photoelectric element 10 of FIG. 1 was produced according to the following procedure.

(実施例1〜5)
(1)低アルカリガラス(LAG)基板上に、下部電極14としてのMo膜をスパッタ法によって形成した。
(2)Mo膜上に、CZTS前駆体膜をスパッタ法によって形成した。
(3)大気圧、20体積%のHSとNとの混合ガス雰囲気中、550〜580℃、3時間の硫化処理により、上記前駆体膜からCZTS膜(光吸収層16)を形成させた。
(4)CZTS膜を、チオアセトアミド(0.3モル/L)、塩酸(0.009モル/L)、塩化インジウム(25ミリモル/L)、及び酢酸(0.3モル/L)を含むCBD用の反応液(70℃、pH1.8)に浸漬させて、光吸収層16上にIn膜を形成した。CBD浴は、70℃の水にチオアセトアミドを溶解し、そこに塩酸を加え、更に、塩化インジウムの酢酸溶液を加える方法により調整した。塩化インジウムの酢酸溶液を加えてから、反応液は約7分後に白濁し、徐々に黄色に変化した。反応液が黄色に変化してからすぐに、CZTS膜を反応液に浸漬した。Inの成膜が進行するのにしたがって、反応液は黄色からオレンジ色に変化した。形成されたIn膜を200℃で20分の加熱により乾燥した。乾燥後のIn膜の膜厚は、浸漬時間の調整により、20nm(実施例1)、27nm(実施例2)、30nm(実施例3)、43nm(実施例4)又は81nm(実施例5)とした。膜厚はFE−SEM(HITACHI S−4800)による断面観察で測定した。なお、膜厚20nm未満については本FE−SEMでは測定不可能であった。
チオウレア(0.15モル/L)、塩化インジウム(0.01モル/L)、酢酸(0.0016モル/L)及び塩化亜鉛(0.01モル/L)を含むCBD用の反応液(25℃)をビーカー中に準備し、そこにIn膜を含む積層体を浸漬し、ビーカーを64℃のウォーターバスで加温しながら、In(OH)の成膜を進行させた。その後、積層体を200℃で20分の加熱により乾燥した。
以上のCBD法による二段階の成膜により、主としてInを含む第一層と、In(OH)を含む第二層とから構成されるバッファ層18を形成した。
(5)バッファ層上に、ZnO:Al膜(窓層20)をスパッタ法により形成した。
(6)窓層20上に、行列状に配列された12個の櫛形電極(Al膜)をスパッタ法によって形成した。
(7)1個の櫛形電極を囲む4mm×5mmの升目の下部に位置する柱状の部分以外の部分の窓層20、バッファ層18及び光吸収層16を除去して、下部電極14を露出させた。下部電極14上に、櫛形電極、窓層20、バッファ層18及び光吸収層16から構成される12個の柱状の積層体が4行×3列の行列状に配列された。
(8)露出した下部電極14の端部の表面に、銀ペーストを塗布した。
(Examples 1-5)
(1) A Mo film as the lower electrode 14 was formed on a low alkali glass (LAG) substrate by sputtering.
(2) A CZTS precursor film was formed on the Mo film by sputtering.
(3) CZTS film (light absorption layer 16) is formed from the precursor film by sulfiding treatment at 550 to 580 ° C. for 3 hours in a mixed gas atmosphere of 20 vol% H 2 S and N 2 at atmospheric pressure. I let you.
(4) The CZTS film is formed from a CBD containing thioacetamide (0.3 mol / L), hydrochloric acid (0.009 mol / L), indium chloride (25 mmol / L), and acetic acid (0.3 mol / L). The In 2 S 3 film was formed on the light absorption layer 16 by dipping in the reaction solution (70 ° C., pH 1.8). The CBD bath was prepared by dissolving thioacetamide in 70 ° C. water, adding hydrochloric acid thereto, and further adding an acetic acid solution of indium chloride. After adding the acetic acid solution of indium chloride, the reaction solution became cloudy after about 7 minutes and gradually turned yellow. Immediately after the reaction solution turned yellow, the CZTS film was immersed in the reaction solution. As the In 2 S 3 film formation progressed, the reaction solution changed from yellow to orange. The formed In 2 S 3 film was dried by heating at 200 ° C. for 20 minutes. The film thickness of the In 2 S 3 film after drying was adjusted to 20 nm (Example 1), 27 nm (Example 2), 30 nm (Example 3), 43 nm (Example 4) or 81 nm (implemented) by adjusting the immersion time. Example 5). The film thickness was measured by cross-sectional observation with FE-SEM (HITACHI S-4800). It should be noted that the film thickness of less than 20 nm could not be measured by this FE-SEM.
Reaction solution for CBD containing thiourea (0.15 mol / L), indium chloride (0.01 mol / L), acetic acid (0.0016 mol / L) and zinc chloride (0.01 mol / L) (25 (° C.) was prepared in a beaker, a laminate including an In 2 S 3 film was immersed therein, and film formation of In (OH) 3 was advanced while the beaker was heated in a water bath at 64 ° C. Thereafter, the laminate was dried by heating at 200 ° C. for 20 minutes.
A buffer layer 18 mainly composed of a first layer containing In 2 S 3 and a second layer containing In (OH) 3 was formed by the above-described two-stage film formation by the CBD method.
(5) A ZnO: Al film (window layer 20) was formed on the buffer layer by sputtering.
(6) Twelve comb-shaped electrodes (Al films) arranged in a matrix were formed on the window layer 20 by sputtering.
(7) The window layer 20, the buffer layer 18 and the light absorption layer 16 other than the columnar part located under the 4 mm × 5 mm square surrounding one comb electrode are removed to expose the lower electrode 14. It was. On the lower electrode 14, twelve columnar laminates composed of a comb-shaped electrode, a window layer 20, a buffer layer 18, and a light absorption layer 16 were arranged in a matrix of 4 rows × 3 columns.
(8) A silver paste was applied to the exposed end surface of the lower electrode 14.

(比較例1)
バッファ層の形成の際、In膜上にIn(OH)を成膜しなかったこと以外は、実施例4と同様の手順で評価用の太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A solar cell for evaluation was produced in the same procedure as in Example 4 except that In (OH) 3 was not formed on the In 2 S 3 film when the buffer layer was formed.

(比較例2)
バッファ層としてCdS膜(厚さ80nm)を形成したこと以外は実施例と同様の手順で太陽電池を作製した。
(Comparative Example 2)
A solar cell was fabricated in the same procedure as in the example except that a CdS film (thickness 80 nm) was formed as a buffer layer.

2.電圧−電流特性の評価(I−V測定)
エアマス(AM)1.5、1SUNの擬似太陽光を用い、各太陽電池のI−V測定を行った。開放端電圧VOC、短絡電流密度JSC、曲線因子FFを求め、発電効率(η)をη=Voc・Jsc・FF/(擬似太陽光単位面積当りのエネルギー)から算出した。
得られた結果を表1に示す。
2. Evaluation of voltage-current characteristics (IV measurement)
Each solar cell was subjected to IV measurement using air mass (AM) 1.5 and 1 SUN simulated sunlight. The open-circuit voltage V OC, the short-circuit current density J SC , and the fill factor FF were determined, and the power generation efficiency (η) was calculated from η = V oc · J sc · FF / (energy per unit area of simulated sunlight).
The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2012124284
Figure 2012124284

実施例の太陽電池の発電効率は、In(OH)の成膜を行わなかった比較例1に比べて顕著に向上した。特に、実施例3、4、5はCdS膜をバッファ層として有する比較例2と比較しても更に高い発電効率を達成した。 The power generation efficiency of the solar cell of the example was significantly improved as compared with Comparative Example 1 in which In (OH) 3 was not formed. In particular, Examples 3, 4, and 5 achieved higher power generation efficiency than Comparative Example 2 having a CdS film as a buffer layer.

本発明に係る光電素子は、太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ等に用いることができる。   The photoelectric element according to the present invention can be used for solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors and the like.

1…第一層、2…第二層、10…光電素子、12…基板、14…下部電極、16…光吸収層、18…バッファ層、20…窓層、22…上部電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st layer, 2 ... 2nd layer, 10 ... Photoelectric element, 12 ... Board | substrate, 14 ... Lower electrode, 16 ... Light absorption layer, 18 ... Buffer layer, 20 ... Window layer, 22 ... Upper electrode.

Claims (5)

p型半導体層である光吸収層と、バッファ層と、窓層と、を備え、前記光吸収層、前記バッファ層及び前記窓層がこの順に設けられている光電素子において、
前記光吸収層が、Cu、Zn、Sn及びSを含む硫化物系化合物半導体の膜であり、
前記バッファ層が、In及びIn(OH)を含む、光電素子。
In a photoelectric device comprising a light absorption layer that is a p-type semiconductor layer, a buffer layer, and a window layer, wherein the light absorption layer, the buffer layer, and the window layer are provided in this order.
The light absorption layer is a film of a sulfide compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn and S;
It said buffer layer comprises an In 2 S 3 and In (OH) 3, the photoelectric element.
前記バッファ層が、Inから形成されたIn膜である第一層と、In(OH)を含む第二層と、を有する、請求項1に記載の光電素子。 The buffer layer has a first layer is an In 2 S 3 film formed from an In 2 S 3, and a second layer comprising an In (OH) 3, the photoelectric element according to claim 1. 前記第二層が前記第一層よりも前記窓層側に形成されている、請求項2に記載の光電素子。   The photoelectric device according to claim 2, wherein the second layer is formed closer to the window layer than the first layer. 前記バッファ層が、前記光吸収層上にInを成膜した後、In(OH)をCBD法により成膜することより形成することのできる層である、請求項1に記載の光電素子。 2. The buffer layer according to claim 1, wherein the buffer layer is a layer that can be formed by depositing In 2 S 3 on the light absorption layer and then depositing In (OH) 3 by a CBD method. Photoelectric element. Cu、Zn、Sn及びSを含む硫化物系化合物半導体の膜である光吸収層上に、Inを成膜した後、In(OH)をCBD法により成膜することにより、In及びIn(OH)を含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の前記光吸収層とは反対側に窓層を形成する工程と、
を備える、光電素子の製造方法。
In 2 S 3 is formed on a light absorption layer that is a film of a sulfide compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S, and then In (OH) 3 is formed by the CBD method. Forming a buffer layer comprising 2 S 3 and In (OH) 3 ;
Forming a window layer on the opposite side of the buffer layer from the light absorbing layer;
A method for manufacturing a photoelectric element.
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