JP2012204617A - Photovoltaic element and method of manufacturing the same - Google Patents

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健治 後藤
Hiromi Hayasaka
紘美 早坂
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photovoltaic element having a high energy conversion efficiency and a method of manufacturing the same.SOLUTION: A photovoltaic element has a glass substrate, a rear face electrode layer, a p-type semiconductor optical absorption layer comprising a compound having a chalcopyrite structure, a transparent n-type buffer layer that can form PN junction with the p-type semiconductor optical absorption layer, and a transparent electrode layer that is an oxide thin film containing InOand ZnO, and oxide of one or more elements selected from a group comprising Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti and satisfying a specific atom ratio, in this order. The photovoltaic element has a groove penetrating through the p-type semiconductor optical absorption layer and the transparent n-type buffer layer to make a part of the rear face electrode layer expose. The groove is filled with the transparent electrode layer, and thereby, the transparent electrode layer contacts with the rear face electrode layer.

Description

本発明は、光起電力素子、及び当該光起電力素子の製造方法に関する。さらに詳しくは、カルコパイライト構造の化合物半導体にて薄膜形成されたp型光吸収層を有する光起電力素子、及び当該光起電力素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a photovoltaic device and a method for manufacturing the photovoltaic device. More specifically, the present invention relates to a photovoltaic device having a p-type light absorption layer formed as a thin film of a compound semiconductor having a chalcopyrite structure, and a method for manufacturing the photovoltaic device.

太陽電池は、無尽蔵の太陽光をエネルギー源とするクリーンな発電素子であることから、種々の用途に広く利用されている。太陽電池は、太陽光等の光が入射したときにシリコン、化合物半導体等の光電変換材料に生じる光起電力を利用できる素子を備える。
太陽電池は、幾つかに分類することができるが、単結晶シリコン太陽電池及び多結晶シリコン太陽電池では、一般に、高価な高純度かつ厚い結晶シリコン基板を使用する。このことから、材料費の大幅な低減が期待される薄膜構造を有する太陽電池の研究が盛んになされている。
Solar cells are widely used for various applications because they are clean power generation elements using inexhaustible sunlight as an energy source. A solar cell includes an element that can use photovoltaic power generated in a photoelectric conversion material such as silicon or a compound semiconductor when light such as sunlight enters.
Although solar cells can be classified into several categories, single crystal silicon solar cells and polycrystalline silicon solar cells generally use expensive high purity and thick crystalline silicon substrates. For this reason, research on solar cells having a thin film structure, which is expected to significantly reduce material costs, has been actively conducted.

薄膜構造を有する太陽電池としては、光電変換材料として非シリコン系の半導体材料である、カルコパイライト型の結晶構造を有する化合物、なかでも、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)、硫黄(S)からなるCIGS系化合物を用いたCIGS系太陽電池が注目されている。   As a solar cell having a thin film structure, a compound having a chalcopyrite type crystal structure, which is a non-silicon-based semiconductor material as a photoelectric conversion material, among others, copper (Cu), indium (In), gallium (Ga), A CIGS solar cell using a CIGS compound composed of selenium (Se) and sulfur (S) has attracted attention.

CIGS系太陽電池の構成としては、例えば、ガラス基板上に形成された下部電極薄膜と、銅・インジウム・ガリウム・セレンを含むCIGS系化合物からなる光吸収層薄膜と、光吸収層薄膜の上にInS、ZnS、CdS、ZnO等で形成されるバッファ層薄膜と、ZnO:Al等で形成される上部電極薄膜とから構成されている(例えば特許文献1)。
特許文献1が開示するCIGS系太陽電池は、CIGS系半導体材料の光吸収率が高いこと、発電層を蒸着やスパッタリング等の方法で形成可能であることから、その厚さを数μmと薄くできる。そのため、小型化や材料コストを低く抑えることができ、太陽電池製造時の省エネルギー化も図ることができる。しかしながら、特許文献1のCIGS系太陽電池は、十分なエネルギー変換効率を有する太陽電池ではなかった。
As a configuration of the CIGS solar cell, for example, a lower electrode thin film formed on a glass substrate, a light absorbing layer thin film made of a CIGS compound containing copper, indium, gallium, and selenium, and a light absorbing layer thin film A buffer layer thin film formed of InS, ZnS, CdS, ZnO or the like and an upper electrode thin film formed of ZnO: Al or the like (for example, Patent Document 1).
The CIGS solar cell disclosed in Patent Document 1 has a high light absorption rate of the CIGS semiconductor material, and the power generation layer can be formed by a method such as vapor deposition or sputtering, so that the thickness can be reduced to several μm. . Therefore, downsizing and material cost can be kept low, and energy saving at the time of manufacturing a solar cell can be achieved. However, the CIGS solar cell of Patent Document 1 is not a solar cell having sufficient energy conversion efficiency.

特開2007−317885号公報JP 2007-317885 A

本発明の目的は、高いエネルギー変換効率を有する光起電力素子及び当該光起電力素子の製造方法を提供することである。   The objective of this invention is providing the photovoltaic device which has high energy conversion efficiency, and the manufacturing method of the said photovoltaic device.

本発明によれば、以下の光起電力素子等が提供される。
1.ガラス基板、
裏面電極層、
カルコパイライト構造を有する化合物からなるp型半導体光吸収層、
前記p型半導体光吸収層とpn接合を形成可能な透明n型バッファ層、及び
In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含む酸化物薄膜であって、下記原子比(1)及び(2)を満たす酸化物薄膜である透明電極層をこの順に備え、
前記p型半導体光吸収層及び透明n型バッファ層を貫通し、前記裏面電極層の一部を露出させる溝を有し、前記透明電極層が前記溝を充填して裏面電極層と接する光起電力素子。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
2.前記透明n型バッファ層及び前記透明電極層の間に、前記p型半導体光吸収層に対してn型であり、前記透明n型バッファ層より高い抵抗を有する透明高抵抗バッファ層を備える1に記載の光起電力素子。
3.前記透明電極層上に、前記透明電極層よりも屈折率の小さい透明表面反射防止層を備える1又は2に記載の光起電力素子。
4.In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含み、下記原子比(1)及び(2)を満たす焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、
酸素分圧が3×10−2Pa以下であるアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガス中、並びに/又は基板温度を200℃以下として酸化物薄膜を成膜する1〜3のいずれかに記載の光起電力素子の製造方法。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
5.4に記載の光起電力素子の製造方法により得られる光起電力素子。
According to the present invention, the following photovoltaic elements and the like are provided.
1. Glass substrate,
Back electrode layer,
A p-type semiconductor light-absorbing layer comprising a compound having a chalcopyrite structure;
A transparent n-type buffer layer capable of forming a pn junction with the p-type semiconductor light absorption layer, and at least one selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti A transparent electrode layer that is an oxide thin film containing an oxide of an element and that satisfies the following atomic ratios (1) and (2) in this order,
A photocathode that penetrates the p-type semiconductor light absorption layer and the transparent n-type buffer layer and exposes a part of the back electrode layer, and the transparent electrode layer fills the groove and contacts the back electrode layer; Power element.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)
2. 1 comprising a transparent high-resistance buffer layer that is n-type to the p-type semiconductor light absorption layer and has a higher resistance than the transparent n-type buffer layer between the transparent n-type buffer layer and the transparent electrode layer. The photovoltaic element as described.
3. The photovoltaic element of 1 or 2 provided with the transparent surface antireflection layer whose refractive index is smaller than the said transparent electrode layer on the said transparent electrode layer.
4). Sintering including oxides of one or more elements selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti, and satisfying the following atomic ratios (1) and (2) Using a sputtering target consisting of a body,
The oxide thin film is formed in a mixed gas composed of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) having an oxygen partial pressure of 3 × 10 −2 Pa or less and / or a substrate temperature of 200 ° C. or less. The manufacturing method of the photovoltaic element in any one.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)
A photovoltaic element obtained by the method for producing a photovoltaic element according to 5.4.

本発明によれば、高いエネルギー変換効率を有する光起電力素子及び当該光起電力素子の製造方法が提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photovoltaic device which has high energy conversion efficiency, and the manufacturing method of the said photovoltaic device can be provided.

本発明の光起電力素子の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the photovoltaic device of this invention. 本発明の光起電力素子の他の実施形態を示す図である。It is a figure which shows other embodiment of the photovoltaic device of this invention. 本発明の光起電力素子の他の実施形態を示す図である。It is a figure which shows other embodiment of the photovoltaic device of this invention.

[光起電力素子]
図1は、本発明の光起電力素子の一実施形態を示す図である。
光起電力素子100は、ガラス基板110、裏面電極層120、カルコパイライト構造を有する化合物からなるp型半導体光吸収層130、p型半導体光吸収層とpn接合を形成可能な透明n型バッファ層140、及びIn及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含む酸化物薄膜である透明電極層160をこの順に備える。
光起電力素子100は、p型半導体光吸収層130及び透明n型バッファ層140を貫通し、裏面電極層120の一部を露出させる第1の加工溝131を有し、透明電極層160がこの加工溝131を充填して裏面電極層120と裏面電極層120の露出部分で接している。
また、裏面電極層120は、ガラス基板110の一部を露出させる分割溝121を有し、p型半導体光吸収層130が、当該分割溝121を充填してガラス基板110と接しており、透明電極層160は、n型バッファ層140の一部を露出させる第2の加工溝171を有する。
[Photovoltaic element]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the photovoltaic device of the present invention.
The photovoltaic device 100 includes a glass substrate 110, a back electrode layer 120, a p-type semiconductor light absorption layer 130 made of a compound having a chalcopyrite structure, and a transparent n-type buffer layer capable of forming a pn junction with the p-type semiconductor light absorption layer. 140, and transparent electrode layer 160 which is an oxide thin film including an oxide of one or more elements selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti in this order. Prepare.
The photovoltaic element 100 has a first processed groove 131 that penetrates the p-type semiconductor light absorption layer 130 and the transparent n-type buffer layer 140 and exposes a part of the back electrode layer 120. The processed groove 131 is filled so that the back electrode layer 120 is in contact with the exposed portion of the back electrode layer 120.
The back electrode layer 120 has a dividing groove 121 that exposes a part of the glass substrate 110, and the p-type semiconductor light absorption layer 130 fills the dividing groove 121 and is in contact with the glass substrate 110, and is transparent. The electrode layer 160 has a second processed groove 171 that exposes a part of the n-type buffer layer 140.

光起電力素子は、光の入射により起電力を発生する素子であり、例えば直列状に複数接続され、電気エネルギーとして取り出し可能な太陽電池を構成することができる。
以下、本発明の光起電力素子を構成する各部材について説明する。
Photovoltaic elements are elements that generate an electromotive force upon incidence of light. For example, a photovoltaic cell that is connected in series and can be extracted as electric energy can be configured.
Hereinafter, each member which comprises the photovoltaic element of this invention is demonstrated.

[透明電極層]
透明電極層は、In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含む酸化物薄膜である。
酸化物薄膜が含むAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物としては、Al、Ga、B、ZrO、HfO、TiOが挙げられ、好ましくはAl、Gaである。
[Transparent electrode layer]
The transparent electrode layer is an oxide thin film containing an oxide of one or more elements selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti.
Examples of the oxide of one or more elements selected from the group consisting of Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti included in the oxide thin film include Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , B 2 O 3 , and ZrO 2. , HfO 2 and TiO 2 are preferable, and Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 are preferable.

光起電力素子は、例えばスパッタリング等により形成できるが、当該形成時に導入される酸素は、素子の光吸収層及びバッファ層にダメージを与えるおそれがある。透明電極層が含むAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiは、酸素を透明電極層中に取り込む効果を有する元素であり、当該酸素取り込み効果により、素子の内部量子効率を向上させ且つ並列抵抗を高めることができ、変換効率の低下を防止することができる。また、酸素が透明電極層中に取り込まれることにより、透明電極中で低級酸化物及びメタルが生成することを抑制することができ、これらに起因する太陽光スペクトルの最も強い波長域である600nm付近の透明電極層の光学的吸収を低減することができる。   The photovoltaic element can be formed by, for example, sputtering, but oxygen introduced at the time of formation may damage the light absorption layer and the buffer layer of the element. Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti contained in the transparent electrode layer are elements having an effect of incorporating oxygen into the transparent electrode layer. The oxygen incorporation effect improves the internal quantum efficiency of the device and improves the parallel resistance. The conversion efficiency can be prevented from being lowered. In addition, by incorporating oxygen into the transparent electrode layer, it is possible to suppress the formation of lower oxides and metals in the transparent electrode, and the vicinity of 600 nm, which is the strongest wavelength region of the sunlight spectrum due to these. The optical absorption of the transparent electrode layer can be reduced.

透明電極層が含むAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiは、高い導電性を維持したまま、キャリア密度を低減させ、移動度を向上させることができる。
当該効果により、透明電極層の赤外域(800〜1300nm)における透過率が向上し、より多くの光子を取込まれることによって変換効率を向上させることができる。
Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti contained in the transparent electrode layer can reduce carrier density and improve mobility while maintaining high conductivity.
By the effect, the transmittance in the infrared region (800 to 1300 nm) of the transparent electrode layer is improved, and conversion efficiency can be improved by incorporating more photons.

酸化物薄膜は、例えば酸化インジウム(In)及び酸化亜鉛(ZnO)を主成分として含み、Al、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を微量に含む非晶質膜であり、下記原子比(1)及び(2)を満たす。酸化インジウム及び酸化亜鉛を主要成分とした非晶質膜である酸化物薄膜は、耐熱性及び耐光性に優れ、光学特性変化を生じない安定した特性に形成でき、長期間安定したエネルギー変換効率が得られる。また、接続する層間界面の表面積が増大して界面接続信頼性を高めることができる。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、Xは酸化物薄膜中のAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計原子数である。)
上記式(2)については、より好ましくはX/(In+Zn+X)=0.0025〜0.015であり、さらに好ましくはX/(In+Zn+X)=0.004〜0.006である。
The oxide thin film contains, for example, indium oxide (In 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO) as main components, and oxidizes one or more elements selected from the group consisting of Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti. It is an amorphous film containing a small amount of matter, and satisfies the following atomic ratios (1) and (2). An oxide thin film, which is an amorphous film mainly composed of indium oxide and zinc oxide, has excellent heat resistance and light resistance, can be formed with stable characteristics that do not cause changes in optical characteristics, and has long-term stable energy conversion efficiency. can get. Further, the surface area of the interlayer interface to be connected is increased, and the interface connection reliability can be improved.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti in the oxide thin film.)
About the said Formula (2), More preferably, it is X / (In + Zn + X) = 0.0025-0.015, More preferably, it is X / (In + Zn + X) = 0.004-0.006.

原子比(1)のIn/(In+Zn)が0.5未満の場合、酸化物薄膜中に酸化亜鉛の微結晶を生じ、高抵抗化するおそれがある。また、In/(In+Zn)が0.9超の場合、酸化物薄膜中に酸化インジウムの微結晶を生じ、高抵抗化するおそれがある。
原子比(2)のX/(In+Zn+X)が0.0015未満の場合、透明電極層の成膜時に用いられる導入ガス中の酸素分圧を低減する効果が得られなくなり、バッファ層や光吸収層にダメージを与えるおそれがある。一方、X/(In+Zn+X)が0.03超の場合、透明電極層が高抵抗化し、光起電力素子の直列抵抗が増大することで、光電変換効率を低下するおそれがある。
If In / (In + Zn) of atomic ratio (1) is less than 0.5, zinc oxide microcrystals are formed in the oxide thin film, which may increase the resistance. When In / (In + Zn) is more than 0.9, indium oxide microcrystals are formed in the oxide thin film, which may increase the resistance.
When the atomic ratio (2) X / (In + Zn + X) is less than 0.0015, the effect of reducing the partial pressure of oxygen in the introduced gas used when forming the transparent electrode layer cannot be obtained, and the buffer layer or the light absorption layer May cause damage. On the other hand, when X / (In + Zn + X) is more than 0.03, the resistance of the transparent electrode layer is increased and the series resistance of the photovoltaic device is increased, which may reduce the photoelectric conversion efficiency.

酸化物薄膜中の酸化インジウム(In)及び酸化亜鉛(ZnO)は、In/(In+Zn)の原子比が50原子%以上90原子%以下である。
In/(In+Zn)の原子比が0.50未満の場合、透明電極層中に酸化亜鉛微結晶を生じ、高抵抗化するおそれがある。また、0.90超の場合、透明電極層中に酸化インジウムの微結晶を生じ、高抵抗化するおそれがある。
Indium oxide (In 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO) in the oxide thin film have an atomic ratio of In / (In + Zn) of 50 atomic% to 90 atomic%.
When the atomic ratio of In / (In + Zn) is less than 0.50, zinc oxide microcrystals are generated in the transparent electrode layer, which may increase the resistance. If it exceeds 0.90, indium oxide microcrystals are formed in the transparent electrode layer, which may increase the resistance.

透明電極層は、その抵抗値が例えば5Ω/□以上30Ω/□以下である。抵抗値がこの範囲にある場合、光吸収層で生成した電子及び正孔の移動のための十分な十分な閾値電圧が印加でき、素子のエネルギー変換効率を向上させることができる。
透明電極層の抵抗値が5Ω/□未満の場合、膜厚が厚くなって、透過率が低下するおそれがある。一方、透明電極層の抵抗値が30Ω/□超の場合、光吸収層等で生成した電子及び正孔の移動のための十分な閾値電圧が印加されず、エネルギー変換効率の低下するおそれがある。
尚、透明電極層の仕事関数は、p型半導体光吸収層の設定されるエネルギーバンドに応じて適宜設定するとよい。
The resistance value of the transparent electrode layer is, for example, 5Ω / □ or more and 30Ω / □ or less. When the resistance value is within this range, a sufficient threshold voltage for transferring electrons and holes generated in the light absorption layer can be applied, and the energy conversion efficiency of the device can be improved.
When the resistance value of the transparent electrode layer is less than 5Ω / □, the film thickness is increased and the transmittance may be reduced. On the other hand, when the resistance value of the transparent electrode layer is more than 30Ω / □, a sufficient threshold voltage for the movement of electrons and holes generated in the light absorption layer or the like is not applied, and the energy conversion efficiency may be reduced. .
Note that the work function of the transparent electrode layer may be appropriately set according to the energy band set for the p-type semiconductor light absorption layer.

透明電極層の厚さは、例えば0.01μm以上1μm以下であり、好ましくは0.1μm以上1μm以下である。透明電極層の厚みが0.01μm未満の場合、透明電極層が所定の低抵抗を得られないおそれがある。一方、透明電極層の厚みが1μm超の場合、透過率が低下して、p型半導体光吸収層の光吸収効率が低減するおそれがある。   The thickness of the transparent electrode layer is, for example, from 0.01 μm to 1 μm, and preferably from 0.1 μm to 1 μm. When the thickness of the transparent electrode layer is less than 0.01 μm, the transparent electrode layer may not obtain a predetermined low resistance. On the other hand, when the thickness of the transparent electrode layer exceeds 1 μm, the transmittance is lowered, and the light absorption efficiency of the p-type semiconductor light absorption layer may be reduced.

[ガラス基板]
ガラス基板は、例えばソーダライムガラス等のアルカリガラス等が使用できるが、これらに限定されない。
[Glass substrate]
As the glass substrate, for example, alkali glass such as soda lime glass can be used, but is not limited thereto.

[裏面電極層]
裏面電極層は、導電性材料からなる層であって、例えばガラス基板の一面に薄膜形成されており、平面領域が所定の広さとなる状態で、絶縁距離を介して並列状に複数設けられている。
裏面電極層の導電性材料としては、例えば金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、タングステン、チタン、コバルト、タンタル、ニオブ、ジルコニウム等の金属又は合金が挙げられ、特に反射率が高く且つ消衰係数の小さい金属が好ましい。
例えばp型半導体光吸収層がCIGS系層である場合、裏面電極層は好ましくはモリブデンからなる層である。
[Back electrode layer]
The back electrode layer is a layer made of a conductive material, for example, a thin film is formed on one surface of a glass substrate, and a plurality of the back electrode layers are provided in parallel via an insulating distance in a state where the planar region has a predetermined width. Yes.
Examples of the conductive material for the back electrode layer include metals or alloys such as gold, silver, copper, aluminum, nickel, iron, chromium, molybdenum, tungsten, titanium, cobalt, tantalum, niobium, and zirconium, and particularly reflectivity. A metal having a high extinction coefficient and a low extinction coefficient is preferable.
For example, when the p-type semiconductor light absorption layer is a CIGS-based layer, the back electrode layer is preferably a layer made of molybdenum.

裏面電極層の厚さは、例えば0.01μm以上1μm以下であり、好ましくは0.1μm以上1μm以下である。裏面電極層の厚さが0.01μm未満である場合、光起電力素子の抵抗値が上昇するおそれがある。一方、裏面電極層の厚さが1μm超の場合、剥離が生じるおそれがある。   The thickness of the back electrode layer is, for example, 0.01 μm or more and 1 μm or less, preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less. When the thickness of the back electrode layer is less than 0.01 μm, the resistance value of the photovoltaic element may increase. On the other hand, when the thickness of the back electrode layer is more than 1 μm, peeling may occur.

裏面電極層は、その表面は平坦に限定されず、光を乱反射させる凹凸形状を有していてもよい。凹凸形状を有する裏面電極層は、p型半導体光吸収層で吸収しきれなかった長波長光を散乱させ、p型半導体光吸収層内での光路長を延ばすことができる。これにより、光起電力素子の長波長感度が向上して短絡電流が増大し、光電変換効率を向上できる。   The surface of the back electrode layer is not limited to a flat surface, and may have an uneven shape that diffusely reflects light. The back electrode layer having an uneven shape can scatter long-wavelength light that could not be absorbed by the p-type semiconductor light absorption layer, thereby extending the optical path length in the p-type semiconductor light absorption layer. Thereby, the long wavelength sensitivity of a photovoltaic device improves, a short circuit current increases, and photoelectric conversion efficiency can be improved.

裏面電極層の光を散乱させるための凹凸形状は、凹凸の山と谷の高低差をRmaxとした場合に、Rmaxを0.2μm以上2.0μm以下とすることが望ましい。Rmaxが2.0μmより大きくなると、カバレッジ性が低下し、膜厚斑ができ、抵抗値に斑を生じるおそれがある。
上記凹凸形状は、ドライエッチング、ウェットエッチング、サンドブラスト、加熱等の各種方法を適用して加工することができる。
The uneven shape for scattering the light of the back electrode layer is preferably set to Rmax of 0.2 μm or more and 2.0 μm or less, where Rmax is the difference in height between the peaks and valleys of the unevenness. When Rmax is larger than 2.0 μm, the coverage is deteriorated, the film thickness is uneven, and the resistance value may be uneven.
The uneven shape can be processed by applying various methods such as dry etching, wet etching, sand blasting, and heating.

[p型半導体光吸収層]
p型半導体光吸収層は、p型の導電性を有するカルコパイライト構造の化合物であるカルコパイライト化合物からなる層であり、裏面電極層の一部を露出するようにして薄膜形成されている。
[P-type semiconductor light absorption layer]
The p-type semiconductor light absorption layer is a layer made of a chalcopyrite compound that is a compound of a chalcopyrite structure having p-type conductivity, and is formed into a thin film so that a part of the back electrode layer is exposed.

p型半導体光吸収層には、CIGS系の他、CIS(Cu、In、S、Se)、CZTS(Cu、Zn、Sn、S、Se)等のカルコパイライト化合物を用いることができる。
p型半導体光吸収層のカルコパイライト化合物の具体例としては、ZnSe、CdS、ZnO等のII−VI族半導体;GaAs、InP、GaN等のIII−V族半導体;SiC、SiGe等のIV族化合物半導体;Cu(In,Ga)Se、Cu(In,Ga)(Se,S)、CuInS等のカルコパイライト系半導体(I−III−VI族半導体)が挙げられる。
For the p-type semiconductor light absorption layer, a chalcopyrite compound such as CIS (Cu, In, S, Se), CZTS (Cu, Zn, Sn, S, Se) can be used in addition to CIGS.
Specific examples of the chalcopyrite compound of the p-type semiconductor light absorption layer include: II-VI group semiconductors such as ZnSe, CdS, ZnO; III-V group semiconductors such as GaAs, InP, and GaN; IV group compounds such as SiC and SiGe semiconductor; Cu (in, Ga) Se 2, Cu (in, Ga) (Se, S) 2, CuInS 2 , etc. chalcopyrite semiconductor (I-III-VI group semiconductor) of the like.

p型半導体光吸収層の厚さは、例えば0.1μm以上10μm以下、好ましくは0.5μm以上5μm以下である。
p型半導体光吸収層の厚さが0.1μm未満の場合、外光からの光の吸収量が低減するおそれがある。一方、p型半導体光吸収層の厚さが10μm超の場合、生産性が低下したり、膜応力により剥離しやすくなったり、直接抵抗の増大により変換効率が低下するおそれがある。このことにより、
The thickness of the p-type semiconductor light absorption layer is, for example, from 0.1 μm to 10 μm, preferably from 0.5 μm to 5 μm.
When the thickness of the p-type semiconductor light absorption layer is less than 0.1 μm, the amount of light absorbed from outside light may be reduced. On the other hand, when the thickness of the p-type semiconductor light absorption layer exceeds 10 μm, the productivity may decrease, the film may be easily peeled due to film stress, or the conversion efficiency may decrease due to an increase in direct resistance. As a result,

[透明n型バッファ層]
透明n型バッファ層は、p型半導体光吸収層上面に薄膜状に積層形成され、p型半導体光吸収層とpn接合する比較的低抵抗のn型の半導体層であり、p型半導体光吸収層と同様に裏面電極層の一部が露出するように形成されている。加えて、n型バッファ層は、p型半導体光吸収層の表面に残存している、シャントパスとして機能するCuSeのような半金属抵抗層に対して障壁としても機能できる。
[Transparent n-type buffer layer]
The transparent n-type buffer layer is a relatively low-resistance n-type semiconductor layer that is formed in a thin film on the upper surface of the p-type semiconductor light absorption layer and is pn-junction with the p-type semiconductor light absorption layer. Like the layer, the back electrode layer is partly exposed. In addition, the n-type buffer layer can also function as a barrier against a semi-metal resistance layer such as Cu 2 Se remaining on the surface of the p-type semiconductor light absorption layer and functioning as a shunt path.

透明n型バッファ層は、p型半導体光吸収層と良好にpn接合できる材料からなる層であれば特に限定されず、例えばCdS又はInSからなる層が挙げられる。
好ましいp型半導体光吸収層とn型バッファ層の組み合わせとしては、p型半導体光吸収層がCIGS系光吸収層であって、n型バッファ層がCdS及び/又はInSからなる層である。
The transparent n-type buffer layer is not particularly limited as long as it is a layer made of a material that can satisfactorily pn-join with the p-type semiconductor light absorption layer, and examples thereof include a layer made of CdS or InS.
As a preferable combination of the p-type semiconductor light absorption layer and the n-type buffer layer, the p-type semiconductor light absorption layer is a CIGS light absorption layer, and the n-type buffer layer is a layer made of CdS and / or InS.

n型バッファ層の厚みは、例えば0.01μm以上0.5μm以下であり、好ましくは0.1μm以上0.5μm以下である。n型バッファ層の厚みが0.01μm未満の場合、pn接合斑が生じるおそれがある。一方、n型バッファ層の厚みが0.5μm超の場合、外光からの光が阻害され、p型半導体光吸収層の光吸収が低下するおそれがある。   The thickness of the n-type buffer layer is, for example, 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, preferably 0.1 μm or more and 0.5 μm or less. When the thickness of the n-type buffer layer is less than 0.01 μm, pn junction spots may occur. On the other hand, when the thickness of the n-type buffer layer is more than 0.5 μm, the light from outside light is hindered and the light absorption of the p-type semiconductor light absorption layer may be lowered.

[高抵抗バッファ層]
図2は、本発明の光起電力素子の他の実施形態示す図である。
図2の光起電力素子100は、透明n型バッファ層140及び透明電極層160の間に、さらに高抵抗バッファ層150を備える他は図1と同様である。透明高抵抗バッファ層150は、透明n型バッファ層140及びp型半導体光吸収層130と同様に、裏面電極層120の一部が露出するように形成されている。
[High resistance buffer layer]
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the photovoltaic element of the present invention.
The photovoltaic element 100 of FIG. 2 is the same as that of FIG. 1 except that a high resistance buffer layer 150 is further provided between the transparent n-type buffer layer 140 and the transparent electrode layer 160. Similar to the transparent n-type buffer layer 140 and the p-type semiconductor light absorption layer 130, the transparent high-resistance buffer layer 150 is formed so that a part of the back electrode layer 120 is exposed.

高抵抗バッファ層は、任意に積層される層であり、p型半導体光吸収層に対してn型であり、n型バッファ層より高い抵抗を有する結晶質層である。
光起電力素子が、上記高抵抗バッファ層を備えることで、正孔キャリアとして機能するp型半導体光吸収層に対して、電子キャリアとして機能できる。また、高抵抗バッファ層は、開放端電圧の低下も防止することができる。
The high resistance buffer layer is a layer that is arbitrarily stacked, and is a crystalline layer that is n-type with respect to the p-type semiconductor light absorption layer and has a higher resistance than the n-type buffer layer.
When the photovoltaic device includes the high-resistance buffer layer, it can function as an electron carrier for the p-type semiconductor light absorption layer that functions as a hole carrier. In addition, the high resistance buffer layer can prevent a decrease in open-circuit voltage.

高抵抗バッファ層は、例えば酸化亜鉛(ZnO)からなる結晶質層であり、その抵抗値は、通常10kΩ/□以上1000kΩ/□以下である。高抵抗バッファ層を設けることにより開放端電圧の低下を防止することができる。
高抵抗バッファ層の抵抗値が100kΩ/□未満の場合、光吸収層で形成された電子が容易に陽極側に移動し、開放端電圧が低下し、光電変換効率の低下を招くおそれがある。一方、高抵抗バッファ層の抵抗値が1000kΩ/□超の場合、開放端電圧は向上するが、光電変換素子の駆動電圧の上昇を招くおそれがある。
The high resistance buffer layer is a crystalline layer made of, for example, zinc oxide (ZnO), and its resistance value is usually 10 kΩ / □ or more and 1000 kΩ / □ or less. By providing the high resistance buffer layer, it is possible to prevent a decrease in the open-circuit voltage.
When the resistance value of the high-resistance buffer layer is less than 100 kΩ / □, electrons formed in the light absorption layer easily move to the anode side, and the open end voltage may be reduced, leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency. On the other hand, when the resistance value of the high-resistance buffer layer is more than 1000 kΩ / □, the open-circuit voltage is improved, but there is a risk of increasing the driving voltage of the photoelectric conversion element.

高抵抗バッファ層の形成にZnOを主成分とする材料を用いることで、ZnOは透明電極層の材料でもあることから、透明電極層と例えば同一装置を用いて成膜することができ、大気開放のない連続成膜が実施可能となるので、生産性の向上及び製造コストの低減が可能のとなる。また、連続成膜は、表面汚染による接合界面の性能低下を防止できる。   By using a material mainly composed of ZnO for the formation of the high-resistance buffer layer, ZnO is also a material for the transparent electrode layer. Therefore, the transparent electrode layer can be formed using, for example, the same apparatus and opened to the atmosphere. Therefore, it is possible to improve the productivity and reduce the manufacturing cost. Further, the continuous film formation can prevent the performance degradation of the bonding interface due to surface contamination.

高抵抗バッファ層の厚みは、例えば0.01μm以上1μm以下であり、好ましくは0.1μm以上1μm以下である。高抵抗バッファ層の厚みが0.01μm未満の場合、p型半導体光吸収層で発生した正孔のブロッキング効果が低下するおそれがある。一方、高抵抗バッファ層の厚みが1μm超の場合、高抵抗バッファ層の透過率が低下し、p型半導体光吸収層における外光の吸収が阻害されるおそれがある。   The thickness of the high resistance buffer layer is, for example, not less than 0.01 μm and not more than 1 μm, and preferably not less than 0.1 μm and not more than 1 μm. When the thickness of the high resistance buffer layer is less than 0.01 μm, the blocking effect of holes generated in the p-type semiconductor light absorption layer may be reduced. On the other hand, when the thickness of the high-resistance buffer layer is more than 1 μm, the transmittance of the high-resistance buffer layer is lowered, and there is a possibility that the absorption of external light in the p-type semiconductor light absorption layer is hindered.

[表面反射防止層]
図3は、本発明の光起電力素子の他の実施形態示す図である。
図3の光起電力素子100は、透明電極層160上にさらに透明表面反射防止層170を備える他は図2と同様である。表面反射防止層170は、透明電極層160と同様に、高抵抗バッファ層の一部が露出するように形成されている。
[Surface antireflection layer]
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the photovoltaic device of the present invention.
The photovoltaic element 100 of FIG. 3 is the same as FIG. 2 except that a transparent surface antireflection layer 170 is further provided on the transparent electrode layer 160. Similar to the transparent electrode layer 160, the surface antireflection layer 170 is formed so that a part of the high resistance buffer layer is exposed.

表面反射防止層は、透明電極層よりも屈折率が小さい層であって、任意に積層される層である。透明電極層よりも屈折率を小さくすることで、効率的な光の入射が得られ且つ層内で閉じ込めるように光を反射させることができ、素子が効率的に光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
尚、表面反射防止層の屈折率は、高抵抗バッファ層及び透明電極層の屈折率により適宜設定できる。
The surface antireflection layer is a layer having a refractive index smaller than that of the transparent electrode layer and is arbitrarily laminated. By making the refractive index smaller than that of the transparent electrode layer, efficient light incidence can be obtained and light can be reflected so as to be confined in the layer, and the device can efficiently convert light energy into electric energy. .
The refractive index of the surface antireflection layer can be appropriately set depending on the refractive indexes of the high resistance buffer layer and the transparent electrode layer.

表面反射防止層は、例えばMgFからなる層である。
表面反射防止層の厚みは、例えば0.01μm以上1μm以下であり、好ましくは0.1μm以上1μm以下である。表面反射防止層の厚みが0.01μm未満の場合、表面反射防止層の反射防止効果が低減し、光吸収層への外光からの光が阻害され、光吸収層の光吸収が低下するおそれがある。一方、表面反射防止層1μmより厚くなると、透過率が低下し、光吸収層130への外光からの光が阻害され、光吸収層130の光吸収が低下するおそれがある。このことにより、表面透明電極層170の厚さ寸法は、0.01μm以上1μm以下、好ましくは0.1μm以上1μm以下に設定される。
The surface antireflection layer is a layer made of, for example, MgF.
The thickness of the surface antireflection layer is, for example, from 0.01 μm to 1 μm, preferably from 0.1 μm to 1 μm. When the thickness of the surface antireflection layer is less than 0.01 μm, the antireflection effect of the surface antireflection layer is reduced, light from outside light to the light absorption layer is inhibited, and the light absorption of the light absorption layer may be reduced. There is. On the other hand, when the thickness is larger than 1 μm, the transmittance decreases, light from outside light to the light absorption layer 130 is hindered, and light absorption of the light absorption layer 130 may decrease. Thereby, the thickness dimension of the surface transparent electrode layer 170 is set to 0.01 μm or more and 1 μm or less, preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less.

[光起電力素子の製造方法]
本発明の光起電力素子は、下記の方法により製造することができる。
例えば図3の構成を有する本発明の光起電力素子は、ガラス基板上に裏面電極層を形成する工程、裏面電極層上に光吸収層を形成する工程、光吸収層上にn型バッファ層を形成する工程、n型バッファ層上に高抵抗バッファ層を形成する工程、第1のスクライビング工程、高抵抗バッファ層上に裏面電極層と接する透明電極層を形成する工程、透明電極層上に表面反射防止層を形成する工程、及び第2のスクライビング工程と、を順次実施することにより製造することができる。
[Method for producing photovoltaic element]
The photovoltaic element of the present invention can be produced by the following method.
For example, the photovoltaic device of the present invention having the configuration of FIG. 3 includes a step of forming a back electrode layer on a glass substrate, a step of forming a light absorption layer on the back electrode layer, and an n-type buffer layer on the light absorption layer. Forming a high resistance buffer layer on the n-type buffer layer, a first scribing step, forming a transparent electrode layer in contact with the back electrode layer on the high resistance buffer layer, on the transparent electrode layer It can be manufactured by sequentially performing the step of forming the surface antireflection layer and the second scribing step.

本発明の光起電力素子の製造方法では、透明電極層である酸化物薄膜を、In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含み、下記原子比(1)及び(2)を満たす焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、酸素分圧が3×10−2Pa以下であるアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガス中、並びに/又は基板温度を200℃以下として成膜する。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
カルコパイライト構造を有する化合物からなるp型半導体光吸収層、InS、ZnS、CdS、ZnO等で形成されるn型バッファ層、及び透明電極層をこの順に有する光起電力素子において、透明電極層をスパッタリング法により形成する際に、成膜ガスとして酸素を導入すると、光吸収層にダメージを与え、素子の発電効率に悪影響を与えるおそれがある。これは、酸素ガスの導入とスパッタ中のプラズマによる基板加熱硬化で、酸素中でアニールしたことと同様の状況となり、酸素がバッファ層の粒界や欠陥等を通じて光吸収層まで拡散し、S及び/又はSeを置換するためである。
本発明の製造方法では、酸素分圧及び/又は基板温度を特定の範囲とすることで、素子の性能劣化を防止することができる。
In the photovoltaic device manufacturing method of the present invention, the oxide thin film that is the transparent electrode layer is selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti. A sputtering target made of a sintered body containing an oxide of the element and satisfying the following atomic ratios (1) and (2) is used, and argon (Ar) and oxygen (with an oxygen partial pressure of 3 × 10 −2 Pa or less) The film is formed in a mixed gas composed of O 2 ) and / or at a substrate temperature of 200 ° C. or lower.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)
In a photovoltaic device having a p-type semiconductor light absorption layer made of a compound having a chalcopyrite structure, an n-type buffer layer formed of InS, ZnS, CdS, ZnO, and the like, and a transparent electrode layer in this order, the transparent electrode layer When oxygen is introduced as a film forming gas during the formation by sputtering, the light absorption layer may be damaged and the power generation efficiency of the device may be adversely affected. This is the same situation as annealing in oxygen due to introduction of oxygen gas and substrate heating and curing by plasma during sputtering, oxygen diffuses to the light absorption layer through grain boundaries and defects of the buffer layer, and S and This is to replace Se.
In the manufacturing method of the present invention, the performance degradation of the element can be prevented by setting the oxygen partial pressure and / or the substrate temperature within a specific range.

裏面電極層は、例えばMo(モリブデン)等の電極材料を、蒸着法、CVD法、スプレー法、スピンオン法、ディップ法、DCスパッタ等の各種成膜方法により、ガラス基板上に成膜する。成膜後、裏面電極層の平面領域が所定の広さとなるように、レーザー光照射、メカニカルスクライビング、エッチング処理等により絶縁距離の幅を有する分割溝を形成して並列状に裏面電極層を分割する。   For the back electrode layer, an electrode material such as Mo (molybdenum) is formed on the glass substrate by various film forming methods such as vapor deposition, CVD, spraying, spin-on, dipping, and DC sputtering. After film formation, the back electrode layer is divided in parallel by forming split grooves with an insulation distance width by laser light irradiation, mechanical scribing, etching processing, etc. so that the planar area of the back electrode layer becomes a predetermined area To do.

p型半導体光吸収層は、例えばカルコパイライト構造の組成となるようにCu、In、Ga及びSe(CIGS系)をスパッタリング、分子線エピタキシー装置を用いた多元蒸着法を含む蒸着等により成膜する。また、光吸収層はCu−In−Gaをアニーリングにてセレン化する等によっても成膜できる。
尚、p型半導体光吸収層は、後述するメカニカルスクライビング等により、裏面電極層が露出するように分割される。
The p-type semiconductor light absorption layer is formed by sputtering such as Cu, In, Ga, and Se (CIGS) so as to have a chalcopyrite structure, vapor deposition including multi-source vapor deposition using a molecular beam epitaxy apparatus, or the like. . The light absorption layer can also be formed by, for example, selenizing Cu—In—Ga by annealing.
Note that the p-type semiconductor light absorption layer is divided by mechanical scribing or the like to be described later so that the back electrode layer is exposed.

n型バッファ層は、例えばCdS又はInSをCBD(Chemical Bath Deposition)等により溶液成長させることで成膜できる。
尚、n型半導体バッファ層は、後述するメカニカルスクライビング等により、裏面電極層が露出するように分割される。
The n-type buffer layer can be formed, for example, by growing a solution of CdS or InS by CBD (Chemical Bath Deposition) or the like.
The n-type semiconductor buffer layer is divided by mechanical scribing or the like, which will be described later, so that the back electrode layer is exposed.

高抵抗バッファ層は、好ましくは酸化亜鉛(ZnO)等の材料を、アルゴン(Ar)と酸素(O)を含む混合ガスを用いたスパッタ製膜(特に直流スパッタリング)において、酸素分圧pOを1×10−2Pa以上0.2Pa以下とする、及び/又は基板温度を100℃以上200℃以下として、DCスパッタや蒸着等により成膜して、結晶質膜とする。
酸素分圧pOが1×10−2Pa未満の場合、低抵抗膜が形成されるおそれがある。一方、酸素分圧pOが0.2Pa超の場合、直流スパッタリング成膜法においてプラズマの放電が不安定になり、安定した成膜ができなくなるおそれがある。
基板温度が100℃未満の場合、n型半導体バッファ層の成分(硫黄(S)等)と高抵抗バッファ層との界面反応が進行せず、高抵抗バッファ層が高抵抗化しなくなるおそれがある。一方、基板温度が200℃超の場合、n型のバッファ層の成分(Cd等)が光吸収層中に深く浸透して、光吸収層が劣化するおそれがある。
The high-resistance buffer layer, preferably a material such as zinc oxide (ZnO), in an argon (Ar) and oxygen (O 2) sputtering film formation using a mixed gas containing (especially DC sputtering), the oxygen partial pressure pO 2 Is set to 1 × 10 −2 Pa to 0.2 Pa and / or the substrate temperature is set to 100 ° C. to 200 ° C. to form a crystalline film by DC sputtering or vapor deposition.
When the oxygen partial pressure pO 2 is less than 1 × 10 −2 Pa, a low resistance film may be formed. On the other hand, when the oxygen partial pressure pO 2 exceeds 0.2 Pa, the plasma discharge becomes unstable in the DC sputtering film forming method, and there is a possibility that stable film formation cannot be performed.
When the substrate temperature is lower than 100 ° C., the interface reaction between the n-type semiconductor buffer layer component (sulfur (S) or the like) and the high resistance buffer layer does not proceed, and the high resistance buffer layer may not increase in resistance. On the other hand, when the substrate temperature is higher than 200 ° C., the components (Cd and the like) of the n-type buffer layer may penetrate deeply into the light absorption layer, and the light absorption layer may be deteriorated.

高抵抗バッファ層は、後述するメカニカルスクライビング等により、裏面電極層が露出するように分割される。
高抵抗バッファ層は任意の層であって、当該層の積層を省略してもよい。
The high resistance buffer layer is divided by mechanical scribing or the like described later so that the back electrode layer is exposed.
The high resistance buffer layer is an arbitrary layer, and the lamination of the layer may be omitted.

第1のスクライビング工程により、p型半導体光吸収層、n型バッファ層及び高抵抗バッファ層からなる積層体を貫通する第1の加工溝を設け、裏面電極層の一部を露出させる。
第1の加工溝は、裏面電極層とp型半導体光吸収層が対向する有効面積で起電力を発生させるためのもので、当該第1の加工溝は、例えばメカニカルスクライビング処理により形成できる。当該メカニカルスクライビング処理としては、248nmのエキシマレーザーを用いたレーザー照射方法が挙げられる。
In the first scribing step, a first processed groove penetrating the laminated body including the p-type semiconductor light absorption layer, the n-type buffer layer, and the high-resistance buffer layer is provided, and a part of the back electrode layer is exposed.
The first processed groove is for generating an electromotive force in an effective area where the back electrode layer and the p-type semiconductor light absorption layer face each other, and the first processed groove can be formed by, for example, a mechanical scribing process. Examples of the mechanical scribing treatment include a laser irradiation method using a 248 nm excimer laser.

透明電極層は、第1の加工溝を充填して裏面電極層と接しているように形成され、In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含む焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、酸素分圧が3×10−2Pa以下であるアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガス中、並びに/又は基板温度を200℃以下としてDCスパッタ、蒸着等により成膜する。
上記方法により、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope)の表面観察による粒径が0.001μm以下の非晶質層として透明電極層が形成できる。このような透明電極層は、裏面電極層及び高抵抗バッファ層との接合性が良好で、エネルギー障壁を低減できるとともに、素子の耐久性を向上できる。
酸素分圧pOが3×10−2Pa超の場合、透明電極層の抵抗が増加するおそれがある他、酸素による素子へのダメージで光吸収層の性能が低下するおそれがある。また、基板温度が200℃超の場合、n型バッファ層の成分(Cd等)が光吸収層中に深く浸透して、光吸収層が劣化するおそれがあるほか、クラックが生じるおそれがある。
The transparent electrode layer is formed so as to be in contact with the back electrode layer by filling the first processed groove, and is selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti. In a mixed gas composed of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) having an oxygen partial pressure of 3 × 10 −2 Pa or less, using a sputtering target composed of a sintered body containing an oxide of one or more elements In addition, the substrate temperature is set to 200 ° C. or less, and the film is formed by DC sputtering, vapor deposition, or the like.
According to the above method, the transparent electrode layer can be formed as an amorphous layer having a particle size of 0.001 μm or less by surface observation with an atomic force microscope (Atomic Force Microscope). Such a transparent electrode layer has good bonding properties with the back electrode layer and the high-resistance buffer layer, can reduce the energy barrier, and can improve the durability of the element.
When the oxygen partial pressure pO 2 exceeds 3 × 10 −2 Pa, the resistance of the transparent electrode layer may increase, and the performance of the light absorption layer may be deteriorated due to damage to the element due to oxygen. In addition, when the substrate temperature is higher than 200 ° C., the components (Cd and the like) of the n-type buffer layer may penetrate deeply into the light absorption layer, the light absorption layer may be deteriorated, and cracks may be generated.

酸素分圧が3×10−2Pa以下であるアルゴン(Ar)と酸素(O)からなる混合ガス中、及び/又は基板温度を200℃以下として得られる非晶質膜である投影電極層は、メカニカルスクライビング処理であっても亀裂や欠落等の不都合を生じずに精度良く加工できる。
メカニカルスクライビングのような簡単な加工が実施できることで、生産性が向上するほか、歩留まりを向上でき、製造コストも低減できる。
Projection electrode layer that is an amorphous film obtained in a mixed gas composed of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) having an oxygen partial pressure of 3 × 10 −2 Pa or less and / or a substrate temperature of 200 ° C. or less. Can be processed with high accuracy without causing inconveniences such as cracks or missing even in the mechanical scribing process.
Since simple machining such as mechanical scribing can be performed, productivity can be improved, yield can be improved, and manufacturing cost can be reduced.

透明電極層の形成に用いる上記ターゲットは、下記原子比(1)及び(2)を満たすターゲットである。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
The target used for forming the transparent electrode layer is a target that satisfies the following atomic ratios (1) and (2).
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)

透明電極層は、後述する表面反射防止層が成膜された後に、例えばメカニカルスクライビング等によって、光起電力素子が直列接続できる高抵抗バッファ層の一部が露出するように分割される。   The transparent electrode layer is divided so that a part of the high resistance buffer layer to which the photovoltaic elements can be connected in series is exposed by, for example, mechanical scribing after a surface antireflection layer described later is formed.

表面反射防止層は、例えばスパッタリング法や蒸着法等により成膜できる。
表面防止層の成膜時は、好ましくは基板温度を200℃以下とする。基板温度が200℃超の場合、n型バッファ層の成分(Cd等)が、光吸収層中に深く浸透して、光吸収層が劣化するおそれがある。
The surface antireflection layer can be formed, for example, by sputtering or vapor deposition.
When forming the surface prevention layer, the substrate temperature is preferably 200 ° C. or lower. When the substrate temperature is higher than 200 ° C., components (Cd and the like) of the n-type buffer layer may penetrate deeply into the light absorption layer, and the light absorption layer may be deteriorated.

表面反射防止層は、後述するメカニカルスクライビング等により、高抵抗バッファ層が露出するように分割される。
表面反射防止層は任意の層であって、当該層の積層を省略してもよい。
The surface antireflection layer is divided by mechanical scribing or the like described later so that the high resistance buffer layer is exposed.
The surface antireflection layer is an arbitrary layer, and the lamination of the layer may be omitted.

第2のスクライビング工程により、透明電極層及び表面反射防止層からなる積層体を貫通する第2の加工溝を設け、高抵抗バッファ層の一部を露出させる。
第2のスクライビング工程は、直列接続する素子構成とするためのメカニカルスクライビング処理であり、当該スクライビング処理としては、金属針を用いたメカニカルスクライビングが挙げられる。
In the second scribing step, a second processed groove penetrating the laminated body including the transparent electrode layer and the surface antireflection layer is provided, and a part of the high resistance buffer layer is exposed.
The second scribing process is a mechanical scribing process for forming elements connected in series. Examples of the scribing process include mechanical scribing using a metal needle.

上述の光起電力素子の製造方法では、スクライビング処理等により分割溝と加工溝を形成しているが、例えば印刷、マスク等により予め分割溝及び加工溝が形成されるように各層を積層してもよい。   In the photovoltaic device manufacturing method described above, the dividing grooves and the processed grooves are formed by a scribing process or the like. For example, the layers are laminated so that the divided grooves and the processed grooves are formed in advance by printing, a mask, or the like. Also good.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。但し、本発明は以下の実施例に何ら限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
図3に示す構成を有する光起電力素子を以下の手順で製造した。
[最適酸素量の選定]
縦寸法10cm及び横寸法10cmのソーダライムガラス基板上に、DCマグネトロンスパッタ装置、びIn:ZnO=70[質量%]:30[質量%]であるスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ圧力0.3Pa、アルゴン(Ar)と酸素(O)との混合ガスを酸素分圧が0.001Pa、0.002Pa、0.003Pa、0.005Paとなるようにそれぞれ調整し、室温で0.1μm膜厚の透明電極薄膜をそれぞれ形成した。
酸素分圧が0.001Pa、0.002Pa、0.003Pa及び0.005Paでそれぞれ成膜した透明電極薄膜の抵抗値を、三菱油化製のロレスタEPを用いて四端針法によって測定した。その結果、抵抗が最も低くなった酸素分圧は0.001Paであった。そこで0.001Paを透明電極層形成の最適酸素分圧と決定した。
Example 1
A photovoltaic device having the configuration shown in FIG. 3 was produced by the following procedure.
[Selection of optimal oxygen amount]
On a soda-lime glass substrate having a vertical dimension of 10 cm and a horizontal dimension of 10 cm, a sputtering pressure of 0 was applied using a DC magnetron sputtering apparatus and a sputtering target of In 2 O 3 : ZnO = 70 [mass%]: 30 [mass%]. .3 Pa, a mixed gas of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) was adjusted so that the partial pressures of oxygen were 0.001 Pa, 0.002 Pa, 0.003 Pa, and 0.005 Pa, respectively, and 0.1 μm at room temperature. A transparent electrode thin film having a thickness was formed.
The resistance values of the transparent electrode thin films formed at oxygen partial pressures of 0.001 Pa, 0.002 Pa, 0.003 Pa, and 0.005 Pa were measured by a four-end needle method using Loresta EP manufactured by Mitsubishi Yuka. As a result, the oxygen partial pressure at which the resistance was the lowest was 0.001 Pa. Therefore, 0.001 Pa was determined as the optimum oxygen partial pressure for forming the transparent electrode layer.

[素子基板の作製]
縦寸法10cm及び横寸法10cmのソーダライムガラス基板上に、DCマグネトロンスパッタ装置を用い、Mo(モリブデン)を主成分とする裏面電極層を室温で0.1μm膜厚で形成した。裏面電極層上に、CuS、InS、GaS及びSeSを蒸着源に用いて、分子線エピタキシー装置を用いた共蒸着法で350℃でCIGSを主成分とする光吸収層を1μm膜厚で形成した。光吸収層上に、CBD法によりInSを主成分とするバッファ層を100℃で0.1μm膜厚で形成し、素子基板を製造した。
尚、基板上の各層の膜厚は、成膜工程毎に、素子基板と共に膜厚測定用マスクを形成したソーダライムガラスを設置し、各層の製膜後に測定用マスクを除去することで裏面電極層を貫通し、ガラス基板の一部を露出させる分割溝、並びに光吸収層及びバッファ層を貫通し、裏面電極層の一部を露出させる第1の加工溝を形成し、当該溝の深さを触針法(使用機器:Sloan社製DEKTAK3030)により測定することで評価した。
[Production of element substrate]
On a soda lime glass substrate having a vertical dimension of 10 cm and a horizontal dimension of 10 cm, a back electrode layer containing Mo (molybdenum) as a main component was formed to a thickness of 0.1 μm at room temperature using a DC magnetron sputtering apparatus. On the back electrode layer, CuS, InS, GaS, and SeS were used as a deposition source, and a light absorption layer mainly composed of CIGS was formed at 350 ° C. by a co-evaporation method using a molecular beam epitaxy apparatus with a film thickness of 1 μm. . On the light absorption layer, a buffer layer containing InS as a main component was formed at 100 ° C. to a thickness of 0.1 μm by the CBD method to manufacture an element substrate.
In addition, the film thickness of each layer on the substrate is the back electrode by installing soda lime glass in which a film thickness measurement mask is formed together with the element substrate for each film forming process, and removing the measurement mask after forming each layer. A first groove for penetrating the layer and exposing a part of the glass substrate, a first processed groove for penetrating the light absorption layer and the buffer layer and exposing a part of the back electrode layer, and a depth of the groove; Was measured by the stylus method (device used: DEKTAK3030 manufactured by Sloan).

[光起電力素子の製造]
得られた素子基板上に、DCマグネトロンスパッタ装置とZnOターゲット(ZnO=100[質量%])を用い、スパッタ圧力を0.5Paとし、酸素分圧が0.2Paになるように調整したアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガスを供給して、室温で高抵抗バッファ層を0.1μm膜厚で形成した。高抵抗バッファ層上に、AlドープドIZOターゲット(主成分がIn2O3:ZnO=70[原子%]:30[原子%]であり、Alを1500原子ppm添加)を用い、スパッタ圧力を0.3Paとし、酸素分圧が0.001Paになるように調整したアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガスを供給して、室温で透明電極層を0.3μmの膜厚で形成した。透明電極層のシート抵抗は14.7Ω/□であった。形成した透明電極層上にMgFを用いてRFマグネトロンスパッタリングにより表面反射防止層を100nmの膜厚で形成した。第1の加工溝と同様にして高抵抗バッファ層の一部を露出させる第2の加工溝を形成し光起電力素子を製造した。
尚、透明電極層のシート抵抗は、透明電極層製膜工程において、素子基板と共に膜厚測定用のソーダライムガラス基板を設置し、透明電極層製膜工程後に、四端針法(使用機器:三菱油化製のロレスタEP)によって測定した。
[Manufacture of photovoltaic elements]
On the obtained element substrate, using a DC magnetron sputtering device and a ZnO target (ZnO = 100 [mass%]), the sputtering pressure was set to 0.5 Pa, and argon (adjusted so that the oxygen partial pressure was 0.2 Pa). A mixed gas composed of Ar) and oxygen (O 2 ) was supplied to form a high resistance buffer layer with a thickness of 0.1 μm at room temperature. Sputtering is performed using an Al 2 O 3 doped IZO target (main component is In 2 O 3 : ZnO = 70 [atomic%]: 30 [atomic%] and Al 2 O 3 is added at 1500 atomic ppm) on the high resistance buffer layer. Supplying a mixed gas composed of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) adjusted to a pressure of 0.3 Pa and an oxygen partial pressure of 0.001 Pa, the transparent electrode layer is a 0.3 μm film at room temperature Formed with thickness. The sheet resistance of the transparent electrode layer was 14.7Ω / □. A surface antireflection layer was formed to a thickness of 100 nm by RF magnetron sputtering using MgF on the formed transparent electrode layer. In the same manner as the first processed groove, a second processed groove exposing a part of the high resistance buffer layer was formed to manufacture a photovoltaic device.
The sheet resistance of the transparent electrode layer is determined by installing a soda lime glass substrate for film thickness measurement together with the element substrate in the transparent electrode layer film forming step, and after the transparent electrode layer film forming step, the four-end needle method (applicable equipment: Measured by Loresta EP (Mitsubishi Yuka).

製造した光起電力素子について、以下の方法で光電変換効率を評価した。評価結果を表1に示す。
製造した光起電力素子の透明電極層を正極とし、裏面電極層を負極として、Agペーストを用いたスクリーン印刷法により、透明電極層及び裏面電極層上に30μm□で膜厚0.5μmである取出し電極をそれぞれ形成し、当該素子に光を照射して、開放電圧(Voc)、短絡電流密度(Isc)、曲線因子(FF)/標準入射パワー(Pin)をそれぞれ評価することで光電変換効率を算出した。また、製造した光起電力素子をソーラーシュミレーターを用いて1SUNの条件で2000時間暴露し、暴露後の光起電力素子について上記と同様にして光電変換効率を算出した。
尚、光源にはキセノンランプからの光を特定の光学フィルターで調整した光(ソーラーシミュレーション)を使用した。
About the manufactured photovoltaic element, the photoelectric conversion efficiency was evaluated with the following method. The evaluation results are shown in Table 1.
The produced photovoltaic element has a transparent electrode layer as a positive electrode, a back electrode layer as a negative electrode, and a screen printing method using an Ag paste, and the film thickness is 30 μm □ and a film thickness is 0.5 μm on the transparent electrode layer and the back electrode layer. Photoelectric conversion efficiency is obtained by forming each extraction electrode, irradiating the element with light, and evaluating each of open circuit voltage (Voc), short circuit current density (Isc), fill factor (FF) / standard incident power (Pin) Was calculated. Further, the produced photovoltaic device was exposed for 2000 hours under the condition of 1 SUN using a solar simulator, and the photoelectric conversion efficiency was calculated for the exposed photovoltaic device in the same manner as described above.
In addition, the light (solar simulation) which adjusted the light from a xenon lamp with the specific optical filter was used for the light source.

実施例2〜35及び比較例1〜20
透明電極層のドーパント、高抵抗バッファ層及び透明電極層の成膜に用いたターゲット、高抵抗バッファ層及び透明電極層の成膜条件、並びに透明電極層成膜時の酸素量を表1の条件とした他は、実施例1と同様にして光起電力素子を製造して評価した。
実施例2〜35及び比較例1〜20の結果を、それぞれ表1〜3に示す。
Examples 2-35 and Comparative Examples 1-20
Table 1 shows the dopant of the transparent electrode layer, the target used for the film formation of the high resistance buffer layer and the transparent electrode layer, the film formation conditions of the high resistance buffer layer and the transparent electrode layer, and the oxygen amount at the time of film formation of the transparent electrode layer A photovoltaic device was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1 except that.
The results of Examples 2 to 35 and Comparative Examples 1 to 20 are shown in Tables 1 to 3, respectively.

Figure 2012204617
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本発明の光起電力素子は、光電変換機能、光整流機能等を利用した種々の光電変換デバイスへの応用が可能であり、例えば太陽電池等の光電池;光センサ、光スイッチ、フォトトランジスタ等の電子素子;及び光メモリ等光記録材に有用である。   The photovoltaic element of the present invention can be applied to various photoelectric conversion devices using a photoelectric conversion function, an optical rectification function, etc., for example, a photovoltaic cell such as a solar cell; an optical sensor, an optical switch, a phototransistor, etc. It is useful for optical recording materials such as electronic elements; and optical memories.

100 光起電力素子
110 ガラス基板
120 裏面電極層
121 分割溝
130 p型半導体光吸収層
131 第1の加工溝
140 n型バッファ層
150 高抵抗バッファ層
160 透明電極層
170 表面反射防止層
171 第2の加工溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Photovoltaic element 110 Glass substrate 120 Back surface electrode layer 121 Dividing groove 130 P-type semiconductor light absorption layer 131 1st process groove 140 N-type buffer layer 150 High resistance buffer layer 160 Transparent electrode layer 170 Surface antireflection layer 171 2nd Machining groove

Claims (5)

ガラス基板、
裏面電極層、
カルコパイライト構造を有する化合物からなるp型半導体光吸収層、
前記p型半導体光吸収層とpn接合を形成可能な透明n型バッファ層、及び
In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含む酸化物薄膜であって、下記原子比(1)及び(2)を満たす酸化物薄膜である透明電極層をこの順に備え、
前記p型半導体光吸収層及び透明n型バッファ層を貫通し、前記裏面電極層の一部を露出させる溝を有し、前記透明電極層が前記溝を充填して裏面電極層と接する光起電力素子。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
Glass substrate,
Back electrode layer,
A p-type semiconductor light-absorbing layer comprising a compound having a chalcopyrite structure;
A transparent n-type buffer layer capable of forming a pn junction with the p-type semiconductor light absorption layer, and at least one selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti A transparent electrode layer that is an oxide thin film containing an oxide of an element and that satisfies the following atomic ratios (1) and (2) in this order,
A photocathode that penetrates the p-type semiconductor light absorption layer and the transparent n-type buffer layer and exposes a part of the back electrode layer, and the transparent electrode layer fills the groove and contacts the back electrode layer; Power element.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)
前記透明n型バッファ層及び前記透明電極層の間に、前記p型半導体光吸収層に対してn型であり、前記透明n型バッファ層より高い抵抗を有する透明高抵抗バッファ層を備える請求項1に記載の光起電力素子。   The transparent high-resistance buffer layer which is n-type with respect to the p-type semiconductor light absorption layer and has a higher resistance than the transparent n-type buffer layer between the transparent n-type buffer layer and the transparent electrode layer. 2. The photovoltaic element according to 1. 前記透明電極層上に、前記透明電極層よりも屈折率の小さい透明表面反射防止層を備える請求項1又は2に記載の光起電力素子。   The photovoltaic element of Claim 1 or 2 provided with the transparent surface antireflection layer whose refractive index is smaller than the said transparent electrode layer on the said transparent electrode layer. In及びZnO、並びにAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiからなる群から選択される1以上の元素の酸化物を含み、下記原子比(1)及び(2)を満たす焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、
酸素分圧が3×10−2Pa以下であるアルゴン(Ar)及び酸素(O)からなる混合ガス中、並びに/又は基板温度を200℃以下として酸化物薄膜を成膜する請求項1〜3のいずれかに記載の光起電力素子の製造方法。
In/(In+Zn)=0.5〜0.9 (1)
X/(In+Zn+X)=0.0015〜0.03 (2)
(式中、XはAl、Ga、B、Zr、Hf及びTiの合計の原子数である。)
Sintering including oxides of one or more elements selected from the group consisting of In 2 O 3 and ZnO, and Al, Ga, B, Zr, Hf, and Ti, and satisfying the following atomic ratios (1) and (2) Using a sputtering target consisting of a body,
The oxide thin film is formed in a mixed gas composed of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) having an oxygen partial pressure of 3 × 10 −2 Pa or less and / or a substrate temperature of 200 ° C. or less. 4. A method for producing a photovoltaic device according to any one of 3 above.
In / (In + Zn) = 0.5 to 0.9 (1)
X / (In + Zn + X) = 0.015 to 0.03 (2)
(In the formula, X is the total number of atoms of Al, Ga, B, Zr, Hf and Ti.)
請求項4に記載の光起電力素子の製造方法により得られる光起電力素子。
A photovoltaic element obtained by the method for producing a photovoltaic element according to claim 4.
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