JP2013115235A - Photoelectric element and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電素子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、Cu2ZnSnS4(CZTS)系化合物を光吸収層に用いた光電素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a photoelectric device using a Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) -based compound in a light absorption layer and a manufacturing method thereof.
光電素子とは、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)することが可能な素子をいう。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。 A photoelectric element refers to an element that can convert photon energy into an electrical signal (photoelectric conversion) through some physical phenomenon. A solar cell is a kind of photoelectric element, and can efficiently convert light energy of sunlight into electric energy.
太陽電池に用いられる半導体としては、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、GaAs、InP、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)、CZTSなどが知られている。
これらの中でも、CIGSやCZTSに代表されるカルコゲナイト系の化合物は、光吸収係数が大きいので、低コスト化に有利な薄膜化が可能である。特に、CIGSを光吸収層に用いた太陽電池は、薄膜太陽電池中では変換効率が高く、多結晶Siを用いた太陽電池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)を持ち、しかも、環境負荷元素や希少元素を含まないという特徴がある。
Known semiconductors used in solar cells include single crystal Si, polycrystalline Si, amorphous Si, GaAs, InP, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS), and CZTS.
Among these, chalcogenite-based compounds represented by CIGS and CZTS have a large light absorption coefficient, so that a thin film advantageous for cost reduction is possible. In particular, a solar cell using CIGS as a light absorption layer has high conversion efficiency in a thin film solar cell, and conversion efficiency exceeding that of a solar cell using polycrystalline Si is also obtained. However, CIGS has a problem that it contains an environmental load element and a rare element.
On the other hand, CZTS has a band gap energy (1.4 to 1.5 eV) suitable for a solar cell and is characterized by not containing an environmental load element or a rare element.
CZTS系化合物及びその製造方法については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献1には、ソーダライムガラス(SLG)基板上にMo膜を形成し、Mo膜上にCu/Sn/ZnS(膜厚:570〜610nm)、Sn/Cu/ZnS(膜厚:620nm)、又は、Cu/SnS2/ZnS(膜厚:950nm)からなるプリカーサを成膜し、510〜550℃×1〜3hで硫化させることにより得られるCZTS系太陽電池が開示されている。
同文献には、プリカーサとしてCu/Sn/ZnS積層膜又はCu/SnS2/ZnSを用いた太陽電池の変換効率は3.80〜3.93%であるのに対し、プリカーサとしてSn/Cu/ZnS積層膜を用いた太陽電池の変換効率は4.53%である点が記載されている。また、プリカーサとしてCu/Sn/ZnS積層膜を用いた場合、CZTS膜中に多くのボイドが含まれる点が記載されている。
すなわち、非特許文献1には、Cuを含む薄膜とZnを含む薄膜とが隣接しているプリカーサを用いた太陽電池は、両者が隣接していない太陽電池に比べて変換効率が高くなる点が記載されている。
Various proposals have been made for CZTS compounds and their production methods.
For example, in Non-Patent Document 1, a Mo film is formed on a soda lime glass (SLG) substrate, and Cu / Sn / ZnS (film thickness: 570 to 610 nm), Sn / Cu / ZnS (film thickness) are formed on the Mo film. : 620 nm), or a precursor made of Cu / SnS 2 / ZnS (film thickness: 950 nm), and a CZTS solar cell obtained by sulfiding at 510 to 550 ° C. × 1 to 3 h is disclosed. .
In this document, the conversion efficiency of a solar cell using Cu / Sn / ZnS laminated film or Cu / SnS 2 / ZnS as a precursor is 3.80 to 3.93%, while Sn / Cu / is used as a precursor. It is described that the conversion efficiency of a solar cell using a ZnS laminated film is 4.53%. Further, it is described that when a Cu / Sn / ZnS laminated film is used as a precursor, many voids are contained in the CZTS film.
That is, in Non-Patent Document 1, a solar cell using a precursor in which a thin film containing Cu and a thin film containing Zn are adjacent has a higher conversion efficiency than a solar cell in which both are not adjacent. Have been described.
また、非特許文献2には、SLG基板上に、同時スパッタ法によりCu−Sn−Zn−Sからなるプリカーサを形成し、580℃×3hで硫化させることにより得られるCZTS系太陽電池が開示されている。
同文献には、このような方法により、CZTS膜の厚さが2200nmであり、変換効率が6.77%である太陽電池が得られる点が記載されている。
Non-Patent Document 2 discloses a CZTS solar cell obtained by forming a precursor made of Cu-Sn-Zn-S on a SLG substrate by simultaneous sputtering and sulfiding at 580 ° C. for 3 hours. ing.
This document describes that a solar cell having a CZTS film thickness of 2200 nm and a conversion efficiency of 6.77% can be obtained by such a method.
非特許文献2に記載されているように、製造条件を最適化すると、CZTS系太陽電池の変換効率は、6%を超える。しかしながら、従来の方法により得られるCZTS膜は、いずれも粒径が細かくボイドも多い。CZTS系太陽電池の変換効率を向上させるためには、CZTS膜の粒径を大きくし、かつ、ボイドを低減する必要があると考えられる。また、変換効率が7%以上であるCZTS系太陽電池が提案された例は、従来にはない。 As described in Non-Patent Document 2, when the manufacturing conditions are optimized, the conversion efficiency of the CZTS solar cell exceeds 6%. However, all of the CZTS films obtained by the conventional method have a small particle size and many voids. In order to improve the conversion efficiency of the CZTS solar cell, it is considered necessary to increase the particle size of the CZTS film and reduce voids. Moreover, there is no example in which a CZTS solar cell having a conversion efficiency of 7% or more has been proposed.
本発明が解決しようとする課題は、粒径が大きく、かつ、ボイドの少ないCZTS膜を光吸収層に用いた光電素子及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、光吸収層としてCZTS膜を用い、かつ、変換効率が7%以上である光電素子及びその製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a photoelectric device using a CZTS film having a large particle size and few voids as a light absorption layer, and a method for producing the photoelectric device.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a photoelectric device using a CZTS film as a light absorption layer and having a conversion efficiency of 7% or more, and a method for manufacturing the photoelectric device.
上記課題を解決するために本発明に係る光電素子は、
(a)CZTS系化合物からなり、
(b)膜厚方向に見たときに、1個の結晶粒のみからなる領域を含み、
(c)気孔率が10%以下であり、かつ、
(d)膜厚が300〜1000nmである
光吸収層を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the photoelectric device according to the present invention is
(A) a CZTS compound,
(B) includes a region composed of only one crystal grain when viewed in the film thickness direction;
(C) the porosity is 10% or less, and
(D) The gist is that a light absorption layer having a film thickness of 300 to 1000 nm is provided.
本発明に係る光電素子の製造方法は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)基板上に、下部電極を形成する下部電極形成工程。
(2)前記下部電極の上に、
(a)Cu、Zn又はSnを含む複数の薄膜が積層された積層膜からなり、
(b)前記積層膜の成膜時及び硫化の過程においてCu−Zn相又はCu−Zn−S相を生成させることがなく、かつ、
(c)膜厚が200〜700nmである
プリカーサを形成するプリカーサ形成工程。
(3)硫化温度:560〜600℃、昇温速度:2.5〜7.5℃/min、硫化時間:5〜50分の条件下で前記プリカーサを硫化させる硫化工程。
The gist of the method for manufacturing a photoelectric device according to the present invention is as follows.
(1) A lower electrode forming step of forming a lower electrode on the substrate.
(2) On the lower electrode,
(A) a laminated film in which a plurality of thin films containing Cu, Zn or Sn are laminated,
(B) without forming a Cu—Zn phase or a Cu—Zn—S phase during the formation of the laminated film and during the sulfiding process; and
(C) A precursor forming step of forming a precursor having a film thickness of 200 to 700 nm.
(3) Sulfurization step: sulfiding the precursor under the conditions of sulfidation temperature: 560 to 600 ° C., heating rate: 2.5 to 7.5 ° C./min, sulfidation time: 5 to 50 minutes.
例えば、Sn/Cu/Zn積層膜からなる3層構造のプリカーサを硫化すると、まず、加熱初期においてCuがSn相及びZn相の双方に拡散し、Cu−Sn合金相/Cu−Zn合金相の2相構造に変化する。次いで、プリカーサの硫化が起こり、Cu2SnS3相/ZnS相の2相構造を経て、最終的にCZTS膜となる。すなわち、Cu−Zn合金相からZnS相が生成する際に、Cu−Zn相に含まれていたCuがCu−Sn相に拡散する。その結果、最終的に得られるCZTS膜中には、元素の拡散係数の違いにより生じるカーケンダールボイドが残り、ポーラスなCZTS膜となる。また、ボイドによって粒成長が妨げられる。
これに対し、例えば、Cu/Sn/ZnS積層膜からなる3層構造のプリカーサを硫化すると、プリカーサは、Cu−Zn合金相を生成させることなく、Cu2SnS3相/ZnS相の2相構造に変化し、最終的にCZTS膜となる。その結果、元素の拡散が最小限となり、ボイドが生じにくくなる。また、粒成長が促進され、膜厚方向に1個の結晶粒のみを含む領域を多く含むCZTS膜となる。
For example, when a precursor having a three-layer structure composed of a Sn / Cu / Zn laminated film is sulfided, first, Cu diffuses into both the Sn phase and the Zn phase at the initial stage of heating, and the Cu-Sn alloy phase / Cu-Zn alloy phase. It changes to a two-phase structure. Next, sulfuration of the precursor occurs, and finally a CZTS film is obtained through a two-phase structure of Cu 2 SnS 3 phase / ZnS phase. That is, when the ZnS phase is generated from the Cu—Zn alloy phase, Cu contained in the Cu—Zn phase diffuses into the Cu—Sn phase. As a result, in the CZTS film finally obtained, the carkendar void generated by the difference in the diffusion coefficient of the element remains, and a porous CZTS film is obtained. Moreover, the grain growth is hindered by the void.
On the other hand, for example, when a precursor having a three-layer structure made of a Cu / Sn / ZnS laminated film is sulfided, the precursor does not generate a Cu—Zn alloy phase, and a two-phase structure of Cu 2 SnS 3 phase / ZnS phase. And finally becomes a CZTS film. As a result, element diffusion is minimized and voids are less likely to occur. Further, the grain growth is promoted, and a CZTS film including a large number of regions including only one crystal grain in the film thickness direction is obtained.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 光電素子]
本発明に係る光電素子は、
(a)CZTS系化合物からなり、
(b)膜厚方向に見たときに、1個の結晶粒のみからなる領域を含み、
(c)気孔率が10%以下であり、かつ、
(d)膜厚が300〜1000nmである
光吸収層を備えていることを特徴とする。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Photoelectric element]
The photoelectric element according to the present invention is
(A) a CZTS compound,
(B) includes a region composed of only one crystal grain when viewed in the film thickness direction;
(C) the porosity is 10% or less, and
(D) It has the light absorption layer whose film thickness is 300-1000 nm, It is characterized by the above-mentioned.
[1.1. 光吸収層]
[1.1.1. CZTS系化合物]
本発明において、「CZTS系化合物」とは、Cu2ZnSnS4(CZTS)をベースとする化合物半導体をいう。
本発明において、「CZTS系化合物」というときは、化学量論組成の化合物だけでなく、すべての不定比化合物、あるいは、Cu、Zn、Sn、及びSを主成分とするすべての化合物が含まれる。
CZTS系化合物は、Cu、Zn、Sn及びSのみからなるものでも良く、あるいは、これらに加えて、他のカルコゲン元素や各種のドーパントや不可避的不純物などがさらに含まれていても良い。
[1.1. Light absorption layer]
[1.1.1. CZTS compound]
In the present invention, the “CZTS compound” refers to a compound semiconductor based on Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS).
In the present invention, the term “CZTS compound” includes not only stoichiometric compounds but also all non-stoichiometric compounds or all compounds containing Cu, Zn, Sn, and S as the main component. .
The CZTS-based compound may be composed only of Cu, Zn, Sn, and S, or may further contain other chalcogen elements, various dopants, unavoidable impurities, and the like.
[1.1.2. 平均結晶粒径]
後述する方法を用いると、光吸収層は、膜厚方向に見たときに1個の結晶粒のみが存在する領域を含む。すなわち、光吸収層は、粒径が膜厚と同等である結晶粒を含む。製造条件を最適化すると、研磨断面の顕微鏡像に現れる結晶粒の大半が膜厚と同等の粒径を持つ光吸収層が得られる。
本発明において、「粒径」とは、光吸収層の研磨断面の顕微鏡像に現れる個々の結晶粒の投影像に外接する長方形の内、長径が最小となるものの長径(最小長径)をいう。なお、最小長径が光吸収層の膜厚を超えるときは、粒径とは、光吸収層の膜厚をいう。
「平均結晶粒径」とは、視野内(倍率:2万倍)に現れるすべての粒子の粒径を測定し、その内の上位5個の粒径の平均値をいう。1視野内に現れる粒子数が10個に満たないときは、粒子数が10個以上となるように、複数視野の顕微鏡像を撮影し、複数の視野内に現れるすべての粒子の粒径を測定する。
高い変換効率を得るためには、平均結晶粒径は、0.3μm以上が好ましい。平均結晶粒径は、さらに好ましくは、0.5μm以上である。
[1.1.2. Average crystal grain size]
When a method described later is used, the light absorption layer includes a region where only one crystal grain exists when viewed in the film thickness direction. That is, the light absorption layer includes crystal grains having a grain size equal to the film thickness. When the manufacturing conditions are optimized, a light absorption layer in which most of the crystal grains appearing in the microscopic image of the polished cross section have a grain size equivalent to the film thickness can be obtained.
In the present invention, the “particle diameter” refers to the long diameter (minimum long diameter) of the rectangle that circumscribes the projected image of each crystal grain that appears in the microscopic image of the polished cross section of the light absorbing layer, with the smallest long diameter. When the minimum major axis exceeds the film thickness of the light absorption layer, the particle diameter means the film thickness of the light absorption layer.
“Average crystal grain size” refers to the average value of the top five particle sizes of all the particles measured in the field of view (magnification: 20,000 times). When the number of particles appearing in one field of view is less than 10, take a microscopic image of multiple fields so that the number of particles is 10 or more, and measure the particle size of all particles appearing in multiple fields of view. To do.
In order to obtain high conversion efficiency, the average crystal grain size is preferably 0.3 μm or more. The average crystal grain size is more preferably 0.5 μm or more.
[1.1.3. 気孔率]
本発明において、「気孔率」とは、光吸収層の研磨断面の顕微鏡像に現れる光吸収層の全面積に対する気孔の面積の割合をいう。なお、観察面の横方向は、膜厚の10倍程度とする。
高い変換効率を得るためには、気孔率は、10%以下である必要がある。気孔率は、さらに好ましくは、7%以下である。
後述する方法を用いると、気孔がほとんど無いCZTS膜が得られる。
[1.1.3. Porosity]
In the present invention, “porosity” refers to the ratio of the area of the pores to the total area of the light absorbing layer that appears in the microscopic image of the polished cross section of the light absorbing layer. The horizontal direction of the observation surface is about 10 times the film thickness.
In order to obtain high conversion efficiency, the porosity needs to be 10% or less. The porosity is more preferably 7% or less.
When a method described later is used, a CZTS film having almost no pores can be obtained.
[1.1.4. 膜厚]
光吸収層の膜厚は、変換効率に影響を与える。
一般に、光吸収層の厚さが薄すぎると、光の吸収率が低下する。従って、膜厚は、300nm以上である必要がある。膜厚は、さらに好ましくは、500nm以上である。
一方、膜厚が厚すぎると、光によって励起されたキャリアが電極に到達する前に再結合により消滅する確率が高くなる。従って、膜厚は、1000nm以下である必要がある。膜厚は、さらに好ましくは、800nm以下、さらに好ましくは、750nm以下である。
[1.1.4. Film thickness]
The film thickness of the light absorption layer affects the conversion efficiency.
In general, when the thickness of the light absorption layer is too thin, the light absorption rate decreases. Therefore, the film thickness needs to be 300 nm or more. More preferably, the film thickness is 500 nm or more.
On the other hand, if the film thickness is too thick, the probability that carriers excited by light disappear due to recombination before reaching the electrode increases. Therefore, the film thickness needs to be 1000 nm or less. The film thickness is more preferably 800 nm or less, and still more preferably 750 nm or less.
[1.2. 変換効率]
上述した光吸収層を備えた光電素子において、製造条件を最適化すると、変換効率は、7.0%以上、あるいは、7.5%以上となる。
[1.2. Conversion efficiency]
In the photoelectric element including the above-described light absorption layer, when the manufacturing conditions are optimized, the conversion efficiency is 7.0% or more, or 7.5% or more.
[1.3. その他の構成要素]
本発明に係る光電素子は、必要に応じて、光吸収層以外の構成要素をさらに備えていても良い。
例えば、薄膜太陽電池は、一般に、基板、下部電極、光吸収層、バッファ層、窓層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。各層の間には、付加的な層が形成されていても良い。
付加的な層としては、具体的には、
(1)基板と下部電極の接着性を高めるため接着層、
(2)入射した光を反射させ、光吸収層での光吸収効率を高めるため光散乱層であって、光吸収層より上部電極側に形成するもの、
(3)光吸収層より基板側に設けられる光散乱層、
(4)入射した光の窓層での反射量を低減し、光吸収層での光吸収効率を高めるための反射防止層、
などがある。
本発明において、光吸収層以外の各層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[1.3. Other components]
The photoelectric element according to the present invention may further include components other than the light absorption layer as necessary.
For example, a thin-film solar cell generally has a structure in which a substrate, a lower electrode, a light absorption layer, a buffer layer, a window layer, and an upper electrode are stacked in this order. Additional layers may be formed between the layers.
Specifically, as an additional layer,
(1) an adhesive layer for increasing the adhesion between the substrate and the lower electrode;
(2) a light scattering layer for reflecting incident light and increasing light absorption efficiency in the light absorption layer, which is formed on the upper electrode side from the light absorption layer;
(3) a light scattering layer provided on the substrate side from the light absorption layer;
(4) an antireflection layer for reducing the amount of reflection of incident light at the window layer and increasing the light absorption efficiency at the light absorption layer;
and so on.
In the present invention, the material of each layer other than the light absorption layer is not particularly limited, and various materials can be used according to the purpose.
光電素子が太陽電池である場合、光吸収層以外の各層の材料としては、具体的には、以下のようなものがある。
基板の材料としては、例えば、ガラス(例えば、SLG、低アルカリガラス、非アルカリガラス、石英ガラス、Naイオンを注入した石英ガラス、サファイアガラスなど)、セラミックス(例えば、シリカ、アルミナ、イットリア、ジルコニアなどの酸化物、Naを含む各種セラミックスなど)、金属(例えば、ステンレス、Naを含むステンレス、Au、Mo、Tiなど)などがある。
When the photoelectric element is a solar cell, specific examples of the material of each layer other than the light absorption layer include the following.
Examples of the substrate material include glass (for example, SLG, low alkali glass, non-alkali glass, quartz glass, quartz glass into which Na ions are implanted, sapphire glass, etc.), ceramics (for example, silica, alumina, yttria, zirconia, etc.). Oxides, various ceramics containing Na), metals (for example, stainless steel, stainless steel containing Na, Au, Mo, Ti, etc.).
特に、基板としてガラスを用いる場合、ガラス基板は、低アルカリガラスが好ましい。ガラス基板に含まれるNa2O及びK2Oの総含有量と変換効率には相関があり、Na2O及びK2Oの総含有量が少なすぎる場合及び多すぎる場合のいずれも、変換効率が低下する。
従って、ガラス基板のNa2O及びK2Oの総含有量は、3wt%以上が好ましい。Na2O及びK2Oの総含有量は、さらに好ましくは、5wt%以上、さらに好ましくは、7wt%以上である。
また、ガラス基板のNa2O及びK2Oの総含有量は、14wt%以下が好ましい。Na2O及びK2Oの総含有量は、さらに好ましくは、12wt%以下、さらに好ましくは、10wt%以下である。
In particular, when glass is used as the substrate, the glass substrate is preferably low alkali glass. There is a correlation between the total content of Na 2 O and K 2 O contained in the glass substrate and the conversion efficiency, and the conversion efficiency is high both when the total content of Na 2 O and K 2 O is too low and too high. Decreases.
Therefore, the total content of Na 2 O and K 2 O in the glass substrate is preferably 3 wt% or more. The total content of Na 2 O and K 2 O is more preferably 5 wt% or more, more preferably 7 wt% or more.
The total content of Na 2 O and K 2 O in the glass substrate is preferably 14 wt% or less. The total content of Na 2 O and K 2 O is more preferably 12 wt% or less, and further preferably 10 wt% or less.
下部電極の材料としては、例えば、Mo、MoSi2、ステンレス、In−Sn−O、In−Zn−O、ZnO:Al、ZnO:B、SnO2:F、SnO2:Sb、ZnO:Ga、TiO2:Nbなどがある。
バッファ層の材料としては、例えば、CdSなどがある。
窓層の材料としては、例えば、ZnO:Al、ZnO:Ga、ZnO:B、In−Sn−O、In−Zn−O、SnO2:Sb、TiO2:Nbなどがある。
上部電極の材料としては、例えば、Al、Cu、Ag、Au、又は、これらのいずれか1以上を含む合金などがある。また、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、Ag−Au合金などがある。
As a material of the lower electrode, for example, Mo, MoSi 2 , stainless steel, In—Sn—O, In—Zn—O, ZnO: Al, ZnO: B, SnO 2 : F, SnO 2 : Sb, ZnO: Ga, TiO 2 : Nb etc.
Examples of the material of the buffer layer include CdS.
Examples of the material of the window layer include ZnO: Al, ZnO: Ga, ZnO: B, In—Sn—O, In—Zn—O, SnO 2 : Sb, and TiO 2 : Nb.
Examples of the material of the upper electrode include Al, Cu, Ag, Au, and alloys containing any one or more of these. Specific examples of such an alloy include an Al—Ti alloy, an Al—Mg alloy, an Al—Ni alloy, a Cu—Ti alloy, a Cu—Sn alloy, a Cu—Zn alloy, a Cu—Au alloy, and Ag. -Ti alloy, Ag-Sn alloy, Ag-Zn alloy, Ag-Au alloy, and the like.
基板としてガラス基板を用い、下部電極としてMoを用いる場合、接着層の材料としては、例えば、Ti、Cr、Ni、W、あるいは、これらのいずれか1以上を含む合金などがある。
光吸収層より上に設ける光散乱層の材料としては、例えば、SiO2、TiO2などの酸化物、Si−Nなどの窒化物などがある。
光吸収層より基板側に設ける光散乱層の材料としてには、例えば、表面に凹凸のある層などがある。
反射防止層の材料としては、例えば、窓層よりも屈折率の小さい透明体、太陽光の波長よりも十分に小さい径を持つ透明粒子から構成された集合体、内部に太陽光の波長よりも十分に小さい径を持つ空間のあるもの、サブマイクロメーターの周期の凹凸構造を表面に有するものなどがある。具体的には、
(1)MgF2、SiO2等からなる薄膜、
(2)酸化物、硫化物、フッ化物、窒化物などの多層膜、
(3)SiO2などの酸化物からなる微粒子、
などがある。
When a glass substrate is used as the substrate and Mo is used as the lower electrode, examples of the material for the adhesive layer include Ti, Cr, Ni, W, and alloys containing any one or more of these.
Examples of the material for the light scattering layer provided above the light absorption layer include oxides such as SiO 2 and TiO 2, and nitrides such as Si—N.
Examples of the material for the light scattering layer provided on the substrate side with respect to the light absorption layer include a layer having an uneven surface.
As a material for the antireflection layer, for example, a transparent body having a refractive index smaller than that of the window layer, an aggregate composed of transparent particles having a diameter sufficiently smaller than the wavelength of sunlight, and the inside of which is smaller than the wavelength of sunlight. Some have a space with a sufficiently small diameter, others have an uneven structure with a period of a submicrometer on the surface. In particular,
(1) A thin film made of MgF 2 , SiO 2 or the like,
(2) multilayer films of oxides, sulfides, fluorides, nitrides, etc.
(3) Fine particles made of an oxide such as SiO 2 ,
and so on.
[2. 光電素子の製造方法]
本発明に係る光電素子の製造方法は、下部電極形成工程と、プリカーサ形成工程と、硫化工程とを備えている。
[2. Photoelectric element manufacturing method]
The method for manufacturing a photoelectric device according to the present invention includes a lower electrode forming step, a precursor forming step, and a sulfiding step.
[2.1. 下部電極形成工程]
下部電極形成工程は、基板上に、下部電極を形成する工程である。
基板及び下部電極の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。基板及び下部電極の材料の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
基板としてガラス基板を用いる場合、下部電極には、ガラス基板との密着性に優れたMoを用いるのが好ましい。
また、基板としてガラス基板を用いる場合、ガラス基板には、Na2O及びK2Oの総含有量が3wt%以上14wt%以下であるもの(低アルカリガラス)が好ましい。
[2.1. Lower electrode formation process]
The lower electrode forming step is a step of forming the lower electrode on the substrate.
The materials for the substrate and the lower electrode are not particularly limited, and various materials can be used depending on the purpose. The details of the material of the substrate and the lower electrode are as described above, and thus the description thereof is omitted.
When a glass substrate is used as the substrate, it is preferable to use Mo having excellent adhesion to the glass substrate for the lower electrode.
In the case of using a glass substrate as the substrate, a glass substrate, as the total content of Na 2 O and K 2 O is less than 3 wt% 14 wt% (low alkali glass) is preferred.
下部電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。下部電極の形成方法としては、具体的には、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、メッキ法、化学溶液析出(CBD)法、電気泳動成膜(EPD)法、化学気相成膜(CVD)法、スプレー熱分解成膜(SPD)法、スクリーン印刷法、スピンコート法、微粒子堆積法などがある。 The method for forming the lower electrode is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, the lower electrode is formed by sputtering, vacuum deposition, pulsed laser deposition (PLD), plating, chemical solution deposition (CBD), electrophoretic deposition (EPD), chemical vapor, There are a phase film formation (CVD) method, a spray pyrolysis film formation (SPD) method, a screen printing method, a spin coating method, a fine particle deposition method, and the like.
[2.2. プリカーサ形成工程]
プリカーサ形成工程は、下部電極の上に、プリカーサを形成する工程である。
本発明において、プリカーサは、
(a)Cu、Zn又はSnを含む複数の薄膜が積層された積層膜からなり、
(b)前記積層膜の成膜時及び硫化の過程においてCu−Zn相又はCu−Zn−S相を生成させることがなく、かつ、
(c)膜厚が200〜700nmである
ものからなる。
[2.2. Precursor formation process]
The precursor forming step is a step of forming a precursor on the lower electrode.
In the present invention, the precursor is
(A) a laminated film in which a plurality of thin films containing Cu, Zn or Sn are laminated,
(B) without forming a Cu—Zn phase or a Cu—Zn—S phase during the formation of the laminated film and during the sulfiding process; and
(C) The film thickness is 200 to 700 nm.
[2.2.1. 積層膜]
所定の比率でCu、Zn及びSnを含むプリカーサは、例えば、3源同時スパッタ法によっても作製することができる。しかしながら、3源同時スパッタ法で作製されたプリカーサを硫化させた場合、CZTS膜中の結晶粒は微細となり、ボイドも多くなる。
従って、プリカーサは、Cu、Zn及びSnから選ばれるいずれか1種又は2種類の元素を含む薄膜の積層膜である必要がある。
積層膜を構成する各薄膜は、金属であっても良く、あるいは、硫化物であっても良い。また、各薄膜の厚さ及び組成は、所定の厚さを有するCZTS膜を生成可能なものである限り、特に限定されない。
[2.2.1. Laminated film]
A precursor containing Cu, Zn and Sn at a predetermined ratio can also be produced by, for example, a three-source simultaneous sputtering method. However, when a precursor produced by the three-source simultaneous sputtering method is sulfided, the crystal grains in the CZTS film become fine and voids increase.
Therefore, the precursor needs to be a thin film stack including any one or two kinds of elements selected from Cu, Zn, and Sn.
Each thin film constituting the laminated film may be a metal or a sulfide. Moreover, the thickness and composition of each thin film are not particularly limited as long as a CZTS film having a predetermined thickness can be produced.
[2.2.2. Cu−Zn相又はCu−Zn−S相]
CuとZnは、加熱により容易に合金化する。例えば、プリカーサ中に金属Cuと金属Znが隣接していると、硫化反応の際に、まずCu−Zn合金相が生成し、次いでCu−Zn合金相及び他の相の硫化が起こる。このように、硫化の過程においてCu−Zn合金相が生成するようなプリカーサを硫化させた場合、CZTS膜中の結晶粒は微細となり、ボイドも多くなる。この点は、積層膜の成膜時にCu−Zn相が生成する場合、及び、プリカーサにZnSが含まれる場合(すなわち、積層膜の成膜時又は硫化の過程においてCu−Zn−S相が生成する場合)も同様である。
従って、プリカーサは、積層膜の成膜時及び硫化の過程においてCu−Zn相又はCu−Zn−S相(少なくともCuとZnを含む相)を生成させないものである必要がある。
[2.2.2. Cu-Zn phase or Cu-Zn-S phase]
Cu and Zn are easily alloyed by heating. For example, when the metal Cu and the metal Zn are adjacent to each other in the precursor, a Cu—Zn alloy phase is first generated during the sulfurization reaction, and then the Cu—Zn alloy phase and other phases are sulfided. Thus, when a precursor that forms a Cu—Zn alloy phase in the sulfidation process is sulfidized, the crystal grains in the CZTS film become fine and voids increase. This is because when a Cu—Zn phase is generated during the formation of the laminated film and when the precursor contains ZnS (that is, a Cu—Zn—S phase is produced during the formation of the laminated film or during the sulfidation process). The same applies to the case where
Therefore, the precursor must not generate a Cu—Zn phase or a Cu—Zn—S phase (a phase containing at least Cu and Zn) during the formation of the laminated film and during the sulfidation process.
このようなプリカーサとしては、具体的には、
(1)Cuを含む薄膜とZnを含む薄膜とが隣接しないように、Cu、Zn又はSnを含む複数の薄膜が積層されている積層膜、
(2)Cu2SnS3/ZnS積層膜、
などがある。
前者の例としては、例えば、ZnS/Sn/Cu、ZnS/SnS/Cu、Zn/Sn/Cu、Zn/SnS/Cuなどがある。
As such a precursor, specifically,
(1) a laminated film in which a plurality of thin films containing Cu, Zn, or Sn are laminated so that a thin film containing Cu and a thin film containing Zn are not adjacent to each other;
(2) Cu 2 SnS 3 / ZnS laminated film,
and so on.
Examples of the former include ZnS / Sn / Cu, ZnS / SnS / Cu, Zn / Sn / Cu, and Zn / SnS / Cu.
[2.2.3. 膜厚]
プリカーサを硫化させると、膜厚は増大する。上述したように、CZTS膜の膜厚は変換効率に影響する。従って、所定の膜厚を有するCZTS膜を得るためには、プリカーサの膜厚は、200〜700nmとする必要がある。
[2.2.3. Film thickness]
When the precursor is sulfided, the film thickness increases. As described above, the film thickness of the CZTS film affects the conversion efficiency. Therefore, in order to obtain a CZTS film having a predetermined thickness, the thickness of the precursor needs to be 200 to 700 nm.
[2.2.4. 成膜法]
プリカーサの形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。プリカーサの形成方法の詳細は、下部電極と同様であるので、説明を省略する。
[2.2.4. Film formation method]
The method for forming the precursor is not particularly limited, and various methods can be used. The details of the method of forming the precursor are the same as those of the lower electrode, and thus description thereof is omitted.
[2.3. 硫化工程]
硫化工程は、硫化温度:560〜600℃、昇温速度:2.5〜7.5℃/min、硫化時間:5〜50分の条件下でプリカーサを硫化させる工程である。
硫化は、硫化水素又は硫黄蒸気を含む雰囲気下で行われる。
[2.3. Sulfurization process]
The sulfiding step is a step of sulfiding the precursor under the conditions of sulfiding temperature: 560 to 600 ° C., heating rate: 2.5 to 7.5 ° C./min, and sulfiding time: 5 to 50 minutes.
Sulfurization is performed under an atmosphere containing hydrogen sulfide or sulfur vapor.
硫化温度が低すぎると、短時間で硫化を完了させるのが困難となる。従って、硫化温度は、560℃以上である必要がある。
硫化温度が高くなるほど、プリカーサの硫化が容易化する。しかしながら、硫化温度が高すぎると、下部電極の抵抗値が過度に増大する場合がある。特に、下部電極としてMoを用いた場合、高温での硫化は、下部電極の抵抗値を増大させる原因となる。従って、硫化温度は、600℃以下である必要がある。
If the sulfiding temperature is too low, it is difficult to complete sulfiding in a short time. Therefore, the sulfurization temperature needs to be 560 ° C. or higher.
The higher the sulfurization temperature, the easier the precursor is sulfided. However, if the sulfiding temperature is too high, the resistance value of the lower electrode may increase excessively. In particular, when Mo is used as the lower electrode, sulfurization at a high temperature causes an increase in the resistance value of the lower electrode. Therefore, the sulfurization temperature needs to be 600 ° C. or less.
後述するように、プリカーサを硫化させると、まずCu2SnS3相/ZnS相の2相構造が生成し、次いでこれらが反応してCZTS相が生成する。そのため、このような反応を円滑に進行させるためには、2相構造が生成する温度域をゆっくりと通過させ、2相構造の生成を促進させる必要がある。従って、昇温速度は、7.5℃/min以下である必要がある。
一方、必要以上に昇温速度を遅くしても、実益がない。従って、昇温速度は、2.5℃/min以上である必要がある。
As will be described later, when the precursor is sulfided, a two-phase structure of Cu 2 SnS 3 phase / ZnS phase is generated first, and then these react to generate a CZTS phase. Therefore, in order to make such a reaction proceed smoothly, it is necessary to slowly pass the temperature range where the two-phase structure is generated to promote the generation of the two-phase structure. Therefore, the temperature rising rate needs to be 7.5 ° C./min or less.
On the other hand, even if the heating rate is made slower than necessary, there is no real benefit. Therefore, the temperature rising rate needs to be 2.5 ° C./min or more.
硫化時間が短すぎると、プリカーサの硫化が不十分となる。従って、硫化時間は、5分以上である必要がある。
硫化時間が長くなるほど、プリカーサの硫化が容易化する。しかしながら、硫化時間が長すぎると、下部電極の抵抗値が過度に増大する場合がある。特に、下部電極としてMoを用いた場合、長時間の硫化は、下部電極の抵抗値を増大させる原因となる。従って、硫化時間は、50分以下である必要がある。
If the sulfurization time is too short, the precursor will be insufficiently sulfurized. Therefore, the sulfurization time needs to be 5 minutes or more.
The longer the sulfurization time, the easier the precursor is sulfided. However, if the sulfurization time is too long, the resistance value of the lower electrode may increase excessively. In particular, when Mo is used as the lower electrode, long-term sulfidation increases the resistance value of the lower electrode. Therefore, the sulfurization time needs to be 50 minutes or less.
[2.4. その他の工程]
上述したように、基板上に下部電極及び光吸収層を形成した後、必要に応じて光吸収層の上にその他の層を形成する。他の層としては、例えば、バッファ層、窓層、上部電極などがある。
他の層の形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。他の層の形成方法の詳細は、下部電極と同様であるので、説明を省略する。
[2.4. Other processes]
As described above, after forming the lower electrode and the light absorption layer on the substrate, other layers are formed on the light absorption layer as necessary. Examples of other layers include a buffer layer, a window layer, and an upper electrode.
The method for forming other layers is not particularly limited, and various methods can be used. The details of the method of forming the other layers are the same as those of the lower electrode, and thus description thereof is omitted.
[3. 光電素子及びその製造方法の作用]
後述するように、プリカーサの反応挙動を解析した結果、CZTSは、プリカーサの初期状態にかかわらず、次の(1)式及び(2)式に従って生成することがわかった。
2Cu+Sn+3S → Cu2SnS3 ・・・(1)
Cu2SnS3+ZnS → CZTS ・・・(2)
[3. Action of photoelectric device and manufacturing method thereof]
As will be described later, as a result of analyzing the reaction behavior of the precursor, it was found that CZTS is generated according to the following equations (1) and (2) regardless of the initial state of the precursor.
2Cu + Sn + 3S → Cu 2 SnS 3 (1)
Cu 2 SnS 3 + ZnS → CZTS (2)
一方、CuとZnは、加熱により容易に合金化しやすい。そのため、例えば、Sn/Cu/Zn積層膜からなる3層構造のプリカーサを硫化すると、まず、加熱初期においてCuがSn相及びZn相の双方に拡散し、Cu−Sn合金相/Cu−Zn合金相の2相構造に変化する。次いで、プリカーサの硫化が起こり、Cu2SnS3相/ZnS相の2相構造を経て、最終的にCZTS膜となる。すなわち、Cu−Zn合金相からZnS相が生成する際に、Cu−Zn相に含まれていたCuがCu−Sn相に拡散する。その結果、最終的に得られるCZTS膜中には、元素の拡散係数の違いにより生じるカーケンダールボイドが残り、ポーラスなCZTS膜となる。また、ボイドによって粒成長が妨げられる。この点は、プリカーサ中にZnS相が存在する場合も同様である。 On the other hand, Cu and Zn are easily alloyed by heating. Therefore, for example, when a precursor having a three-layer structure composed of a Sn / Cu / Zn laminated film is sulfided, Cu is first diffused into both the Sn phase and the Zn phase at the initial stage of heating, and a Cu—Sn alloy phase / Cu—Zn alloy The phase changes to a two-phase structure. Next, sulfuration of the precursor occurs, and finally a CZTS film is obtained through a two-phase structure of Cu 2 SnS 3 phase / ZnS phase. That is, when the ZnS phase is generated from the Cu—Zn alloy phase, Cu contained in the Cu—Zn phase diffuses into the Cu—Sn phase. As a result, in the CZTS film finally obtained, the carkendar void generated by the difference in the diffusion coefficient of the element remains, and a porous CZTS film is obtained. Moreover, the grain growth is hindered by the void. This is the same when a ZnS phase is present in the precursor.
また、非特許文献2には、3源同時スパッタ装置によりCu−Zn−Sn−Sがほぼ均一に混合したプリカーサを作製し、これを硫化させてCZTS膜を作製する方法が記載されている。しかしながら、このようなプリカーサ構造も上述と同様であり、CZTS膜が生成する際に、元素の複雑な拡散や複雑な反応過程が生じる。その結果、結晶粒が微細で、かつ比較的ボイドの多い膜が生じやすい。
また、硫化条件も高温・長時間となるために、下部電極としてMoを用いたときには、Mo硫化層が厚くなる。その結果、光電素子のフィルファクター(FF)値が低下する。一方、これを回避するために硫化条件を穏やかにすると、十分に高性能なCZTS膜を作製するのが困難となる。
Non-Patent Document 2 describes a method in which a precursor in which Cu—Zn—Sn—S is mixed almost uniformly is produced by a three-source simultaneous sputtering apparatus, and this is sulfided to produce a CZTS film. However, such a precursor structure is also the same as described above, and when the CZTS film is formed, complicated diffusion of elements and complicated reaction processes occur. As a result, a film with fine crystal grains and a relatively large amount of voids is likely to occur.
Further, since the sulfiding conditions are also high temperature and long time, when Mo is used as the lower electrode, the Mo sulfide layer becomes thick. As a result, the fill factor (FF) value of the photoelectric element decreases. On the other hand, if the sulfidation conditions are moderated to avoid this, it becomes difficult to produce a sufficiently high performance CZTS film.
これに対し、例えば、Cu/Sn/ZnS積層膜からなる3層構造のプリカーサを硫化すると、プリカーサは、Cu−Zn合金相を生成させることなく、Cu2SnS3相/ZnS相の2相構造に変化し、最終的にCZTS膜となる。その結果、元素の拡散が最小限となり、ボイドが生じにくくなる。また、粒成長が促進され、膜厚方向に1個の結晶粒のみが存在するCZTS膜となる。すなわち、本発明に係る方法を用いると、緻密で均一なCZTS膜が得られる。 On the other hand, for example, when a precursor having a three-layer structure made of a Cu / Sn / ZnS laminated film is sulfided, the precursor does not generate a Cu—Zn alloy phase, and a two-phase structure of Cu 2 SnS 3 phase / ZnS phase. And finally becomes a CZTS film. As a result, element diffusion is minimized and voids are less likely to occur. Further, the grain growth is promoted, and a CZTS film having only one crystal grain in the film thickness direction is obtained. That is, when the method according to the present invention is used, a dense and uniform CZTS film can be obtained.
さらに、下部電極としてMoを用いた場合において、下部電極上のプリカーサを硫化させると、CZTS/Mo界面にMo硫化層が生成する。Mo硫化層は、高電気抵抗層となるため、光電素子においては極力低減すべきである。
これに対し、上記のようなプリカーサでは、元素の拡散が容易であるため、硫化温度の低減、時間の短縮が可能となる。その結果、下部電極としてMoを用いた場合であっても、CZTS/Mo界面に生成するMo硫化層を低減することができ、光電素子特性の直流抵抗成分を減少させることができる。その結果、FF値の向上によって光電素子の変換効率が増加する。
Furthermore, when Mo is used as the lower electrode, if the precursor on the lower electrode is sulfided, a Mo sulfide layer is generated at the CZTS / Mo interface. Since the Mo sulfide layer becomes a high electrical resistance layer, it should be reduced as much as possible in the photoelectric element.
On the other hand, in the precursor as described above, since the diffusion of the element is easy, the sulfurization temperature can be reduced and the time can be shortened. As a result, even when Mo is used as the lower electrode, the Mo sulfide layer generated at the CZTS / Mo interface can be reduced, and the DC resistance component of the photoelectric element characteristics can be reduced. As a result, the conversion efficiency of the photoelectric element increases due to the improvement of the FF value.
なお、非特許文献1には、SLG基板上に膜厚570〜610nmのCu/Sn/ZnSプリカーサを形成し、550℃×3hの条件で硫化させることにより、膜厚が1300nmであるCZTS膜が得られる点が記載されている。また、得られたCZTS膜はボイドが多く、太陽電池の変換効率は3.8%である点が記載されている。
これは、3hという長時間硫化により
(1)Snが蒸発して、多数のボイドが形成されたため、及び、
(2)下部電極のMo膜が硫化されて、高抵抗層のMo−S膜が厚く形成されたため、
と考えられる。
Non-Patent Document 1 discloses a CZTS film having a film thickness of 1300 nm by forming a Cu / Sn / ZnS precursor having a film thickness of 570 to 610 nm on an SLG substrate and sulfidizing it at 550 ° C. × 3 h. The points obtained are described. Moreover, the obtained CZTS film | membrane has many voids and the point that the conversion efficiency of a solar cell is 3.8% is described.
This is because (1) Sn was evaporated by sulfidation for a long time of 3 h, and many voids were formed.
(2) Since the Mo film of the lower electrode is sulfided and the Mo-S film of the high resistance layer is formed thick,
it is conceivable that.
(実施例A、比較例A)
[1.反応挙動の調査]
[1.1. 試料の作製]
プリカーサは、ZnS、SnS及びCuの3種類の材料で構成した。
まず、これらの中から任意の2種類を選定した。すなわち、プリカーサとして、ZnS/Cu(試料1)、ZnS/SnS(試料2)、及び、SnS/Cu(試料3)を選択した。それぞれ選択した膜をMo膜(膜厚:1μm)付きPV200ガラス基板(Na2O含有量:5wt%)上にスパッタリングにて成膜を行った。膜厚は、各層とも300nmとなるように調整した。成膜条件は、ZnS:200W×0.5Pa、SnS:200W×0.5Pa、Cu:300W×0.5Paである。
薄膜試料を2種類の雰囲気(H2S、S蒸気)と3種類の温度(200、400、600℃)で熱処理した。
(Example A, Comparative Example A)
[1. Investigation of reaction behavior]
[1.1. Preparation of sample]
The precursor was composed of three types of materials, ZnS, SnS and Cu.
First, two arbitrary types were selected from these. That is, ZnS / Cu (sample 1), ZnS / SnS (sample 2), and SnS / Cu (sample 3) were selected as precursors. Each selected film was formed by sputtering on a PV200 glass substrate (Na 2 O content: 5 wt%) with a Mo film (film thickness: 1 μm). The film thickness was adjusted so that each layer was 300 nm. The film forming conditions are ZnS: 200W × 0.5Pa, SnS: 200W × 0.5Pa, Cu: 300W × 0.5Pa.
The thin film sample was heat-treated in two kinds of atmospheres (H 2 S, S vapor) and three kinds of temperatures (200, 400, 600 ° C.).
[1.2. 試験方法]
作製した試料について、
(1)XRD(SmartLab:RIGAKU製)による生成相の同定、
(2)GD−OESによる拡散状態の評価、及び、
(3)FE−SEM(S−4800:HITACHI製)による微構造の観察
を行い、反応挙動を調査した。
[1.2. Test method]
About the prepared sample,
(1) Identification of a production phase by XRD (SmartLab: manufactured by Rigaku),
(2) Evaluation of diffusion state by GD-OES, and
(3) The microstructure was observed by FE-SEM (S-4800: manufactured by HITACHI), and the reaction behavior was investigated.
[1.3. 結果]
H2S及びS蒸気雰囲気の熱処理では、基本的に同様の反応、拡散傾向となった。
[1.3.1. ZnS/Cu(試料1)]
試料1の場合、すべての雰囲気及び温度領域において、ZnSとCuの反応相は見られなかった。Cuは200℃時点で硫化反応が見られ、CuSを形成した。
図1に、ZnS/Cuプリカーサを600℃で硫化させた膜のGD−OESの結果を示す。図1中、横軸のスパッタ時間は、表面からの深さに対応している。図1より、Cu及びZnが深さ方向にほぼ均等に分布しており、ZnSとCuが相互拡散していることを確認した。
[1.3. result]
In the heat treatment in the H 2 S and S vapor atmospheres, basically the same reaction and diffusion tendency were observed.
[1.3.1. ZnS / Cu (Sample 1)]
In the case of Sample 1, no reaction phase of ZnS and Cu was observed in all atmospheres and temperature ranges. Cu exhibited a sulfurization reaction at 200 ° C., and formed CuS.
FIG. 1 shows the results of GD-OES of a film obtained by sulfurizing a ZnS / Cu precursor at 600 ° C. In FIG. 1, the sputtering time on the horizontal axis corresponds to the depth from the surface. From FIG. 1, it was confirmed that Cu and Zn were distributed almost uniformly in the depth direction, and that ZnS and Cu were interdiffused.
[1.3.2. ZnS/SnS(試料2)]
試料2の場合、すべての雰囲気及び温度領域において、ZnSとSnSの反応相は見られなかった。また、温度が上がるにつれてSnSが硫化され、SnS2が形成していることを確認した。
図2に、ZnS/SnSプリカーサを600℃で硫化させた膜のGD−OESの結果を示す。拡散については400℃までは全く見られなかったが、図2に示すように、600℃では拡散が若干起こっていることを確認した。なお、ZnS/Snの場合は、まずSnが硫化してSnSが形成された。その後は、ZnS/SnSと同様である。
[1.3.2. ZnS / SnS (Sample 2)]
In the case of Sample 2, no reaction phase of ZnS and SnS was observed in all atmospheres and temperature ranges. In addition, it was confirmed that SnS was sulfided and SnS 2 was formed as the temperature increased.
FIG. 2 shows the result of GD-OES of a film obtained by sulfiding a ZnS / SnS precursor at 600 ° C. Although no diffusion was observed up to 400 ° C., it was confirmed that diffusion occurred slightly at 600 ° C. as shown in FIG. In the case of ZnS / Sn, Sn was first sulfided to form SnS. After that, it is the same as ZnS / SnS.
[1.3.3. SnS/Cu(試料3)]
試料3の場合、まず、200℃でCuが硫化してCuSが生成した.続いて、400℃でSnSとCuSが反応し、Cu2SnS3が形成していることを確認した。
図3に、SnS/Cuプリカーサを600℃で硫化させた膜のGD−OESの結果を示す。図3より、他の2つと違い、SnSとCuは容易に反応して、Cu2SnS3を形成することがわかった。なお、Sn/Cuの場合は、まず200℃でCu−Sn合金が形成され、400℃でCu2SnS3が形成されることを確認した。
[1.3.3. SnS / Cu (Sample 3)]
In the case of
FIG. 3 shows the result of GD-OES of a film obtained by sulfiding SnS / Cu precursor at 600 ° C. FIG. 3 shows that, unlike the other two, SnS and Cu easily react to form Cu 2 SnS 3 . In the case of Sn / Cu, it was first confirmed that a Cu—Sn alloy was formed at 200 ° C. and Cu 2 SnS 3 was formed at 400 ° C.
[2. CZTS膜の作製及び評価]
[2.1. 試料の作製]
上記の実験結果及び文献から、反応経路は、下記に記す二段階反応と推定した。
(1)2CuS+SnS→Cu2SnS3(SnSを用いた場合)、又は、
Cu−Sn合金+S→Cu2SnS3(Snを用いた場合)、
(2)Cu2SnS3+ZnS→Cu2ZnSnS4
なお、ZnSに拡散していたCuは、一旦、ZnSから排出されつつSnSと反応してCu2SnS3を形成すると考えている。
[2. Preparation and evaluation of CZTS film]
[2.1. Preparation of sample]
From the above experimental results and literature, the reaction route was estimated as a two-step reaction described below.
(1) 2CuS + SnS → Cu 2 SnS 3 (when SnS is used), or
Cu—Sn alloy + S → Cu 2 SnS 3 (when Sn is used),
(2) Cu 2 SnS 3 + ZnS → Cu 2 ZnSnS 4
Note that Cu diffused in ZnS is considered to react with SnS to form Cu 2 SnS 3 once being discharged from ZnS.
この反応と拡散の両方を踏まえて、層構成として以下の条件が必要と考えた。
第1条件として、SnS又はSnとCuはCu2SnS3形成のために隣接させることが必要である。
第2条件として、ZnSとCuは相互拡散が起こり、Cu2SnS3形成の阻害要因となるため、隣接させてはいけない。
第3条件として、ZnSとSnS又はSnとの拡散が起こる前に、SnS又はSnとCuの反応がCu2SnS3の形成で完了するので、ZnSとSnS又はSnとは隣接させても良い。
Based on both this reaction and diffusion, the following conditions were considered necessary for the layer structure.
As a first condition, SnS or Sn and Cu must be adjacent to form Cu 2 SnS 3 .
As a second condition, ZnS and Cu are not allowed to be adjacent to each other because mutual diffusion occurs and becomes an inhibiting factor for the formation of Cu 2 SnS 3 .
As a third condition, since the reaction of SnS or Sn and Cu is completed by the formation of Cu 2 SnS 3 before the diffusion of ZnS and SnS or Sn occurs, ZnS and SnS or Sn may be adjacent to each other.
この3つの条件より導き出される層構成は、Mo/ZnS/SnS/Cu、Mo/ZnS/Sn/Cu、Mo/Cu/SnS/ZnS、又は、Mo/Cu/Sn/ZnSのいずれかである。Moの密着性から判断し、Mo/ZnS/SnS/Cuプリカーサ又はMo/ZnS/Sn/Cuプリカーサを硫化させてCZTS膜を作製した(実施例A)。
また、比較として、これまでの標準構成であるMo/ZnS/Cu/Sn/ZnSプリカーサを硫化させてCZTS膜を作製した(比較例A)。
The layer configuration derived from these three conditions is Mo / ZnS / SnS / Cu, Mo / ZnS / Sn / Cu, Mo / Cu / SnS / ZnS, or Mo / Cu / Sn / ZnS. Judging from the adhesion of Mo, Mo / ZnS / SnS / Cu precursor or Mo / ZnS / Sn / Cu precursor was sulfided to produce a CZTS film (Example A).
For comparison, a CZTS film was prepared by sulfiding Mo / ZnS / Cu / Sn / ZnS precursor, which is a standard configuration so far (Comparative Example A).
[2.2. 試験方法]
作製した試料について、SEM及びEBSDにて微構造及び結晶状態を観察した。
[2.3. 結果]
図4(a)に、Mo/ZnS/SnS/Cuプリカーサを硫化させることにより得られるCZTS膜のEBSD測定結果を示す。図4(b)に、Mo/ZnS/Cu/Sn/ZnSプリカーサを硫化させることにより得られるCZTS膜のEBSD測定結果を示す。
図4より、実施例Aで得られたCZTS膜は、比較例Aに比べて、結晶粒が大きく、空隙も少ないことがわかる。また、実施例Aで得られたCZTS膜は、結晶粒が粗大化しており、大半の結晶粒は、膜厚と同等の粒径を有していた。
[2.2. Test method]
About the produced sample, the microstructure and the crystal state were observed by SEM and EBSD.
[2.3. result]
FIG. 4A shows an EBSD measurement result of a CZTS film obtained by sulfiding a Mo / ZnS / SnS / Cu precursor. FIG. 4B shows an EBSD measurement result of a CZTS film obtained by sulfiding a Mo / ZnS / Cu / Sn / ZnS precursor.
FIG. 4 shows that the CZTS film obtained in Example A has larger crystal grains and fewer voids than Comparative Example A. Further, the CZTS film obtained in Example A had coarse crystal grains, and most of the crystal grains had a grain size equivalent to the film thickness.
(実施例1、比較例1)
[1. 試料の作製]
低アルカリガラス基板上に、スパッタ装置により厚さ1μmのMo膜を成膜した。続いて、このMo膜上に、多源スパッタ装置又は真空蒸着装置により、以下のような構造を有するプリカーサを作製した。
実施例1:Cu/Sn/ZnS/Mo(プリカーサ膜厚:410nm)。
比較例1:ZnS/Sn/Cu/ZnS/Mo(プリカーサ膜厚:410nm)。
(Example 1, Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
A Mo film having a thickness of 1 μm was formed on a low alkali glass substrate by a sputtering apparatus. Subsequently, a precursor having the following structure was produced on the Mo film by a multi-source sputtering apparatus or a vacuum deposition apparatus.
Example 1: Cu / Sn / ZnS / Mo (precursor film thickness: 410 nm).
Comparative Example 1: ZnS / Sn / Cu / ZnS / Mo (precursor film thickness: 410 nm).
これらのプリカーサを硫化させた。硫化条件は、硫化ガス:20%H2S(バランスガス:N2)、硫化温度:580℃、硫化時間:20min、昇温速度:5℃/minとした。
硫化後、バッファ層としてCBD法でCdSを約100nm成膜し、続いて窓層としてGa:ZnOをスパッタで約100nm成膜した。最後に上部電極として、くし型形状にAlを真空蒸着により成膜して、太陽電池セルを作製した。
These precursors were sulfided. The sulfiding conditions were as follows: sulfiding gas: 20% H 2 S (balance gas: N 2 ), sulfiding temperature: 580 ° C., sulfiding time: 20 min, heating rate: 5 ° C./min.
After sulfidation, CdS was deposited to a thickness of about 100 nm as a buffer layer by the CBD method, and subsequently Ga: ZnO was deposited as a window layer to a thickness of about 100 nm by sputtering. Finally, as an upper electrode, a comb-shaped Al film was formed by vacuum deposition to produce a solar battery cell.
[2. 試験方法]
CZTS太陽電池セルの断面のTEM像、並びに、SEM&EBIC像を撮影した。また、CZTS太陽電池セルの太陽電池特性を測定した。
[2. Test method]
A TEM image of a cross section of the CZTS solar cell and an SEM & EBIC image were taken. Moreover, the solar cell characteristic of the CZTS solar cell was measured.
[3. 結果]
図5に、比較例1(左図)及び実施例1(右図)で得られたCZTS太陽電池の横断面のTEM像を示す。また、図6に比較例1(左図)及び実施例1(右図)で得られたCZTS太陽電池のSEM像とEBIC像を示す。図7に、実施例1及び比較例1で得られたCZTS太陽電池のI−V特性(1sun、AM1.5)を示す。
図5及び図6より、比較例1のCZTS膜(膜厚:800nm)は、ボイドが多く、多孔質な膜であるのに対し、実施例1のCZTS膜(膜厚:700nm)は、緻密で均一な膜が得られていることがわかる。実施例1は、STEM−EDS分析からも各元素が均一に分布しており、不純物も生成していないことがわかった。
また、EBICから、実施例1では膜全体から生成したキャリア(電子)が取り出せているのに対し、比較例1では、CZTS表面で励起された電子しか取り出せていない。この結果、太陽電池特性としての変換効率は、比較例1の6.8%に対して、実施例1では7.6%に向上した(図7)。
[3. result]
In FIG. 5, the TEM image of the cross section of the CZTS solar cell obtained by the comparative example 1 (left figure) and Example 1 (right figure) is shown. FIG. 6 shows SEM images and EBIC images of CZTS solar cells obtained in Comparative Example 1 (left diagram) and Example 1 (right diagram). FIG. 7 shows the IV characteristics (1 sun, AM1.5) of the CZTS solar cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1.
5 and 6, the CZTS film of Comparative Example 1 (film thickness: 800 nm) is a porous film with many voids, whereas the CZTS film of Example 1 (film thickness: 700 nm) is dense. It can be seen that a uniform film is obtained. In Example 1, it was found from the STEM-EDS analysis that each element was uniformly distributed and no impurities were generated.
Further, in Example 1, carriers (electrons) generated from the entire film can be extracted from EBIC, whereas in Comparative Example 1, only electrons excited on the CZTS surface can be extracted. As a result, the conversion efficiency as the solar cell characteristic was improved to 7.6% in Example 1 as compared to 6.8% in Comparative Example 1 (FIG. 7).
(実施例2)
[1. 試料の作製]
低アルカリガラス基板上に、スパッタ装置により厚さ1μmのMo膜を成膜した。次いで、Mo膜の上に、Cu/Sn/ZnSプリカーサ(膜厚:410nm)を成膜した。このプリカーサを種々の昇温速度及び硫化時間で硫化させた。硫化温度は580℃とし、硫化ガスにはN2+20%H2Sガスを用いた。硫化後のCZTS膜厚は、それぞれ、700nmであった。以下、実施例1と同様にして、太陽電池セルを作製した。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
A Mo film having a thickness of 1 μm was formed on a low alkali glass substrate by a sputtering apparatus. Next, a Cu / Sn / ZnS precursor (film thickness: 410 nm) was formed on the Mo film. This precursor was sulfidized at various heating rates and sulfidation times. The sulfurization temperature was 580 ° C., and N 2 + 20% H 2 S gas was used as the sulfur gas. The CZTS film thickness after sulfidation was 700 nm, respectively. Hereinafter, solar cells were produced in the same manner as in Example 1.
[2. 結果]
種々の条件下で硫化させた太陽電池セルの変換効率を測定した。表1に、その結果を示す。表1より、変換効率は、硫化時間及び昇温速度に依存することがわかった。また、硫化時間を15〜50分とし、かつ昇温速度を2.5〜7.5℃/minとすると、高い変換効率が得られることがわかる。
[2. result]
The conversion efficiencies of solar cells that were sulfurized under various conditions were measured. Table 1 shows the results. From Table 1, it was found that the conversion efficiency depends on the sulfiding time and the heating rate. It can also be seen that high conversion efficiency is obtained when the sulfurization time is 15 to 50 minutes and the heating rate is 2.5 to 7.5 ° C./min.
(実施例3.1〜3.2、比較例3.1〜3.5)
[1. 試料の作製]
低アルカリガラス基板上に、スパッタ装置により厚さ1μmのMo膜を成膜した。次いで、Mo膜の上に、種々の積層構造を備えたプリカーサ(膜厚:410nm)を成膜した。このプリカーサを、硫化ガス:N2+20%H2S、硫化温度:580℃、硫化時間:20min、昇温速度:5℃/minの条件下で硫化させた。硫化後のCZTS膜厚は、それぞれ、700nmであった。以下、実施例1と同様にして、太陽電池セルを作製した。
(Examples 3.1 to 3.2, Comparative examples 3.1 to 3.5)
[1. Preparation of sample]
A Mo film having a thickness of 1 μm was formed on a low alkali glass substrate by a sputtering apparatus. Next, precursors (thickness: 410 nm) having various laminated structures were formed on the Mo film. This precursor was sulfided under the conditions of sulfurization gas: N 2 + 20% H 2 S, sulfurization temperature: 580 ° C., sulfurization time: 20 min, and heating rate: 5 ° C./min. The CZTS film thickness after sulfidation was 700 nm, respectively. Hereinafter, solar cells were produced in the same manner as in Example 1.
[2. 結果]
種々の条件下で硫化させた太陽電池セルのTEM観察を行い、平均結晶粒径及び気孔率を測定した。また、各太陽電池セルについて、変換効率を測定した。表2に、その結果を示す。
Cuを含む層とZnを含む層が隣接しているプリカーサを用いた比較例3.1〜3.5は、いずれも平均結晶粒径が0.2〜0.3μmであり、気孔率も10%を超えていた。また、変換効率は、プリカーサの種類により異なり、0.5〜6.8%であった。
これに対し、実施例3.1〜3.2は、いずれも平均結晶粒径が膜厚と同等であり、気孔率も10%以下であった。また、変換効率は、いずれも7%を超えていた。
[2. result]
TEM observation was performed on the solar cells that had been sulfided under various conditions, and the average crystal grain size and porosity were measured. Moreover, the conversion efficiency was measured about each photovoltaic cell. Table 2 shows the results.
In Comparative Examples 3.1 to 3.5 using a precursor in which a layer containing Cu and a layer containing Zn are adjacent, the average crystal grain size is 0.2 to 0.3 μm, and the porosity is 10 % Exceeded. The conversion efficiency was 0.5 to 6.8% depending on the type of the precursor.
On the other hand, in Examples 3.1 to 3.2, all had an average crystal grain size equivalent to the film thickness and a porosity of 10% or less. Moreover, all the conversion efficiencies exceeded 7%.
(実施例4)
[1. 試料の作製]
低アルカリガラス基板上に、スパッタ装置により厚さ1μmのMo膜を成膜した。次いで、Mo膜の上に、膜厚の異なるプリカーサを成膜した。プリカーサの膜構成は、Cu/SnS/ZnSとし、膜厚比は、Cu:19%、SnS:44%、ZnS:36%とした。このプリカーサを、硫化ガス:N2+20%H2S、硫化温度:580℃、硫化時間:20min、昇温速度:5℃/minの条件下で硫化させた。
Example 4
[1. Preparation of sample]
A Mo film having a thickness of 1 μm was formed on a low alkali glass substrate by a sputtering apparatus. Next, precursors having different film thicknesses were formed on the Mo film. The film configuration of the precursor was Cu / SnS / ZnS, and the film thickness ratio was Cu: 19%, SnS: 44%, and ZnS: 36%. This precursor was sulfided under the conditions of sulfurization gas: N 2 + 20% H 2 S, sulfurization temperature: 580 ° C., sulfurization time: 20 min, and heating rate: 5 ° C./min.
[2. 結果]
得られた太陽電池セルのTEM観察を行い、CZTS膜の膜厚を測定した。また、各太陽電池セルについて、変換効率を測定した。表3に、その結果を示す。
表3より、以下のことがわかる。
(1)変換効率は、CZTS膜の膜厚及びプリカーサの膜厚に依存する。
(2)CZTS膜の膜厚を600〜850nmとすると、変換効率は、約5.0%以上となる。
(3)CZTS膜の膜厚を650〜750nmとすると、変換効率は、約6.0%以上となる。
[2. result]
TEM observation of the obtained photovoltaic cell was performed, and the film thickness of the CZTS film was measured. Moreover, the conversion efficiency was measured about each photovoltaic cell. Table 3 shows the results.
Table 3 shows the following.
(1) The conversion efficiency depends on the thickness of the CZTS film and the thickness of the precursor.
(2) When the thickness of the CZTS film is 600 to 850 nm, the conversion efficiency is about 5.0% or more.
(3) When the thickness of the CZTS film is 650 to 750 nm, the conversion efficiency is about 6.0% or more.
(実施例5.1〜5.3)
[1. 試料の作製]
基板上に、スパッタ装置により厚さ1μmのMo膜を成膜した。基板には、Na2O含有量の異なる種々のガラス基板を用いた。次いで、Mo膜の上に、Cu/SnS/ZnSプリカーサ(膜厚:410nm)を成膜した。膜厚比は、Cu:19%、SnS:44%、ZnS:36%とした。このプリカーサを、硫化ガス:N2+20%H2S、硫化温度:580℃、硫化時間:20min、昇温速度:5℃/minの条件下で硫化させた。硫化後のCZTS膜の膜厚は、それぞれ、700nmであった。
(Examples 5.1 to 5.3)
[1. Preparation of sample]
A Mo film having a thickness of 1 μm was formed on the substrate by a sputtering apparatus. As the substrate, various glass substrates having different Na 2 O contents were used. Next, a Cu / SnS / ZnS precursor (film thickness: 410 nm) was formed on the Mo film. The film thickness ratio was Cu: 19%, SnS: 44%, and ZnS: 36%. This precursor was sulfided under the conditions of sulfurization gas: N 2 + 20% H 2 S, sulfurization temperature: 580 ° C., sulfurization time: 20 min, and heating rate: 5 ° C./min. The film thickness of the CZTS film after sulfidation was 700 nm, respectively.
[2. 結果]
得られた各太陽電池セルについて、変換効率を測定した。表4に、その結果を示す。
表4より、以下のことがわかる。
(1)変換効率は、ガラス基板中に含まれるNa2O含有量に依存する。
(2)Na2O含有量を2〜9wt%とすると、変換効率は、約6%以上となる。
(3)Na2O含有量を4〜7wt%とすると、変換効率は、約7%以上となる。
[2. result]
The conversion efficiency was measured about each obtained photovoltaic cell. Table 4 shows the results.
Table 4 shows the following.
(1) The conversion efficiency depends on the Na 2 O content contained in the glass substrate.
(2) When the Na 2 O content is 2 to 9 wt%, the conversion efficiency is about 6% or more.
(3) When the Na 2 O content is 4 to 7 wt%, the conversion efficiency is about 7% or more.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る光電素子は、薄膜太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタなどに用いることができる。 The photoelectric element according to the present invention can be used for thin film solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors, and the like.
Claims (6)
(b)膜厚方向に見たときに、1個の結晶粒のみからなる領域を含み、
(c)気孔率が10%以下であり、かつ、
(d)膜厚が300〜1000nmである
光吸収層を備えた光電素子。 (A) a CZTS compound,
(B) includes a region composed of only one crystal grain when viewed in the film thickness direction;
(C) the porosity is 10% or less, and
(D) A photoelectric device including a light absorption layer having a film thickness of 300 to 1000 nm.
(1)基板上に、下部電極を形成する下部電極形成工程。
(2)前記下部電極の上に、
(a)Cu、Zn又はSnを含む複数の薄膜が積層された積層膜からなり、
(b)前記積層膜の成膜時及び硫化の過程においてCu−Zn相又はCu−Zn−S相を生成させることがなく、かつ、
(c)膜厚が200〜700nmである
プリカーサを形成するプリカーサ形成工程。
(3)硫化温度:560〜600℃、昇温速度:2.5〜7.5℃/min、硫化時間:5〜50分の条件下で前記プリカーサを硫化させる硫化工程。 The manufacturing method of the photoelectric element provided with the following structures.
(1) A lower electrode forming step of forming a lower electrode on the substrate.
(2) On the lower electrode,
(A) a laminated film in which a plurality of thin films containing Cu, Zn or Sn are laminated,
(B) without forming a Cu—Zn phase or a Cu—Zn—S phase during the formation of the laminated film and during the sulfiding process; and
(C) A precursor forming step of forming a precursor having a film thickness of 200 to 700 nm.
(3) Sulfurization step: sulfiding the precursor under the conditions of sulfidation temperature: 560 to 600 ° C., heating rate: 2.5 to 7.5 ° C./min, sulfidation time: 5 to 50 minutes.
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