JP2013229487A - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光電変換装置の光電変換効率を向上させる。
【解決手段】 光電変換装置11の製造方法は、基板1の主面に、第1の半導体層3および第1の半導体層3にヘテロ接合した第1の半導体層3よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の半導体層4を含む光電変換体Xを設ける工程と、光電変換体Xに対して、第1の半導体層3のバンドギャップエネルギーに相当する第1波長と第2の半導体層4のバンドギャップエネルギーに相当する第2波長との間の波長領域の光を含むとともに第2波長よりも長波長側に最大ピーク波長を有する第1光Lを照射する工程とを具備する。
【選択図】 図5
【解決手段】 光電変換装置11の製造方法は、基板1の主面に、第1の半導体層3および第1の半導体層3にヘテロ接合した第1の半導体層3よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の半導体層4を含む光電変換体Xを設ける工程と、光電変換体Xに対して、第1の半導体層3のバンドギャップエネルギーに相当する第1波長と第2の半導体層4のバンドギャップエネルギーに相当する第2波長との間の波長領域の光を含むとともに第2波長よりも長波長側に最大ピーク波長を有する第1光Lを照射する工程とを具備する。
【選択図】 図5
Description
本発明は、ヘテロ接合した複数の半導体層を具備する光電変換装置の製造方法に関する。
太陽光発電などに使用される光電変換装置として、CIGSなどの光吸収層(第1の半導体層)と、イオウを含んだ亜鉛混晶化合物やZnSe等のバッファ層(第2の半導体層)とをヘテロ接合させたものがある。この第2の半導体層の形成過程において、第1の半導体層と第2の半導体層との界面に欠陥が生じやすく、この欠陥によって光電変換効率が低下する傾向がある。この欠陥を低減させる方法として、光電変換装置に予め、太陽光に相当する人工光(疑似太陽光)を照射することによって、キャリアを発生させて欠陥の数を減少させることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
光電変換装置は常に光電変換効率の向上が求められている。特許文献1のような疑似太陽光を照射する方法では、ある程度光電変換装置の光電変換効率が向上するものの限界がある。
よって、本発明の一つの目的は光電変換装置の光電変換効率をさらに向上させることにある。
本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、基板の主面に、第1の半導体層および該第1の半導体層にヘテロ接合した該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の半導体層を含む光電変換体を設ける工程と、該光電変換体に対して、前記第1の半導体層のバンドギャップエネルギーに相当する第1波長と前記第2の半導体層のバンドギャップエネルギーに相当する第2波長との間の波長領域の光を含むとともに前記第2波長よりも長波長側に最大ピーク波長を有する第1光を照射する工程とを具備する。
本発明によれば、光電変換装置における光電変換効率が向上する。
以下に本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<光電変換装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の一例を示す要部斜視図であり、図2はその要部断面図である。光電変換装置11は、基板1上に複数の光電変換セル10が並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図1においては図示の都合上、2つの光電変換セル10のみを示しているが、実際の光電変換装置11においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配設されていてもよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の一例を示す要部斜視図であり、図2はその要部断面図である。光電変換装置11は、基板1上に複数の光電変換セル10が並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図1においては図示の都合上、2つの光電変換セル10のみを示しているが、実際の光電変換装置11においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配設されていてもよい。
図1、図2において、基板1上に複数の下部電極層2が平面配置されている。隣接する下部電極層2のうち、一方の下部電極層2a上から他方の下部電極層2b上にかけて、第1の半導体層3、第2の半導体層4および透明導電膜5が設けられている。そして、下部電極層2b上において、接続導体7が下部電極層2bと透明導電膜5とを電気的に接続するように設けられている。これら、下部電極層2、第1の半導体層3、第2の半導体層4、透明導電膜5および接続導体7によって、1つの光電変換セル10を構成している。そして、隣接する光電変換セル10同士を下部電極層2bが接続しており、このような構成によって、隣接する光電変換セル10同士が直列接続された光電変換装置11となる。
なお、本実施形態における光電変換装置11は、第1の半導体層3に対して第2の半導体層4側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板1側から光が入射されるものであってもよい。また、光吸収層としての第1の半導体層3と、第2の半導体層4とは逆の構成であってもよく、基板1上に第2の半導体層4および第1の半導体層3が順に積層されていてもよい。
基板1は、光電変換セル10を支持するためのものである。基板1に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。基板1としては、例えば、厚さ1〜3mm程度の青板ガラス(ソーダライムガラス)を用いることができる。
下部電極層2(下部電極層2a、2b)は、基板1上に設けられた、Mo、Al、TiまたはAu等の導電体である。下部電極層2は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、0.2μm〜1μm程度の厚みに形成される。
第1の半導体層3は第1導電型の半導体層である。第1の半導体層3は、光吸収層として機能し、例えば1μm〜3μm程度の厚みを有する。第1の半導体層3としては特に限定されず、例えば、II−VI族化合物、I−III−VI族化合物およびI−II−IV−VI族化合
物等が挙げられる。
物等が挙げられる。
II−VI族化合物とは、II−B族(12族元素ともいう)とVI−B族元素(16族元素ともいう)との化合物半導体であり、例えば、CdTe等が挙げられる。
I−III−VI族化合物とは、I−B族元素(11族元素ともいう)とIII−B族元素(13族元素ともいう)とVI-B族元素(16族元素ともいう)との化合物であり、カルコパイライト系を有するものが好適に用いられ得る。I−III−VI族化合物としては、例えば、CuInSe2(二セレン化銅インジウム、CISともいう)、Cu(In,Ga)Se2(二セレン化銅インジウム・ガリウム、CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)2(二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、CIGSSともいう)が挙げられる。あるいは、第1の半導体層3は、薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜にて構成されていてもよい。
I−II−IV−VI族化合物とは、I−B族元素とII−B族元素とIV−B族元素(14族元素ともいう)とVI−B族元素との化合物である。I−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Cu2ZnSnS4(CZTSともいう)、Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSeともいう)、およびCu2ZnSnSe4(CZTSeともいう)が挙げられる。
第1の半導体層3は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第1の半導体層3の構成元素の錯体溶液を下部電極層2の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。
第2の半導体層4は、第1の半導体層3にヘテロ接合された、第1の半導体層3よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体層である。第1の半導体層3と第2の半導体層4とで光電変換体Xを構成している。第2の半導体層4は第1の半導体層3に対するバッファ層として用いられてもよく、第1の半導体層3とは異なる第2の導電型を有することによって第1の半導体層3とpn接合を形成するために用いられてもよい。例えば、第1の半導体層3がp型であれば、第2の半導体層4はn型であってもよく、第1の半導体層3がn型で、第2の半導体層4がp型であってもよい。
第2の半導体層4は、例えば、硫化カドミウム(CdS)、硫化インジウム(In2S3)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、セレン化インジウム(In2Se3)、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等のII−VI族化合物やIII−VI族化合物を含む半導体によって構成されている。そして、電流の損失が低減される観点から言えば、第2の半導体層4は、1Ω・cm以上の抵抗率を有するものとすることができる。なお、第2の半導体層4は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で10〜200nmの厚みで形成される。
図1、図2のように、第2の半導体層4上にさらに上部電極層5が設けられていてもよい。上部電極層5は、第2の半導体層4よりも抵抗率の低い層であり、第1の半導体層3および第2の半導体層4で生じた電荷を良好に取り出すことが可能となる。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層5の抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/□以下であってもよい。上部電極層5には、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれ、この窓層に加えて更に透明導電膜が設けられる場合には、これらが一体の上部電極層5とみなされても良い。
上部電極層5は、例えばITO、ZnO等の0.05〜3μmの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層5は第2の半導体層4と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層5は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長(CVD)法等で形成され得る。
また、図1、図2に示すように、上部電極層5上にさらに集電電極8が形成されていてもよい。集電電極8は、第1の半導体層3および第2の半導体層4で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極8は、例えば、図1に示すように、光電変換セル10の一端から接続導体7にかけて線状に形成されている。これにより、第1の半導体層3および第4の半導体層4で生じた電流が上部電極層5を介して集電電極8に集電され、接続導体7を介して隣接する光電変換セル10に良好に導電される。
集電電極8は、第1の半導体層3への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、50〜400μmの幅を有していてもよい。また、集電電極8は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。
集電電極8は、例えば、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストがパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。
図1、図2において、接続導体7は、第1の半導体層3、第2の半導体層4および第2の電極層5を分断する溝内に設けられた導体である。接続導体7は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図1、図2においては、集電電極8を延伸して接続導体7が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層5が延伸したものであってもよい。
<光電変換装置の製造方法>
次に、光電変換装置11の製造プロセスについて説明する。図3(a)〜(c)、図4(d)〜(f)および図5は、光電変換装置11の製造途中の様子を示す要部断面図である。なお、図3〜図5で示される要部断面図は、図2で示される断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。
次に、光電変換装置11の製造プロセスについて説明する。図3(a)〜(c)、図4(d)〜(f)および図5は、光電変換装置11の製造途中の様子を示す要部断面図である。なお、図3〜図5で示される要部断面図は、図2で示される断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。
まず、図3(a)で示されるように、洗浄された基板1の略全面に、スパッタリング法などを用いて、Moなどからなる下部電極層2を成膜する。そして、下部電極層2の一部に第1溝部P1を形成する。第1溝部P1は、YAGレーザーその他のレーザー光を走査しつつ形成対象位置に照射することで溝加工を行う、レーザースクライブ加工によって形成してもよい。図3(a)は、第1溝部P1を形成した後の状態を示す図である。
第1溝部P1を形成した後、下部電極層2の上に、第1の半導体層3を形成する。第1の半導体層3は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第1の半導体層3の構成元素の錯体溶液等を下部電極層2の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。図3(b)は、第1の半導体層3を形成した後の状態を示す図である。
第1の半導体層層3を形成した後、第1の半導体層3の上に、第2の半導体層4および上部電極層5を、CBD法やスパッタリング法等で順次形成する。図3(c)は、第2の半導体層4および上部電極層5を形成した後の状態を示す図である。
第2の半導体層4および上部電極層5を形成した後、上部電極層5の上面のうちの所定の形成対象位置から下部電極層2の上面に至る領域に、第1溝部P1に沿って直線状に延在する第2溝部P2を形成する。図4(d)は、第2溝部P2を形成した後の状態を示す図である。第2溝部P2は、スクライブ針を用いたメカニカルスクライブ加工等によって形成できる。
第2溝部P2を形成した後、上部電極層5上および第2溝部P2内に、例えば、Agなどの金属粉を樹脂バインダーなどに分散させた導電ペーストをパターン状に印刷し、これを加熱硬化することで、集電電極8および接続導体7を形成する。図4(e)は、集電電極8および接続導体7を形成した後の状態を示す図である。
集電電極8および接続導体7を形成した後、第2溝部P2からずれた位置で、第1の半導体層3〜集電電極8をメカニカルスクライブ加工により除去することで第3溝部P3を形成し、複数の光電変換セル10を形成する。図4(f)は、複数の光電変換セル10を
形成した後の状態を示す図である。
形成した後の状態を示す図である。
複数の光電変換セル10を形成した後、図5に示すように、各光電変換セル10の光電変換体Xに対して、上部電極層5側から第1の半導体層3のバンドギャップエネルギーに相当する第1波長と第2の半導体層4のバンドギャップエネルギーに相当する第2波長との間の波長領域の光を含むとともに第2波長よりも長波長側に最大ピーク波長を有する第1光Lを照射する。つまり、第2の半導体層4のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光の比率が高い第1光Lを照射する。これにより、従来のような疑似太陽光を照射した場合に比べて光電変換装置11の光電変換効率がより高くなることがわかった。その理由はよくはわからないが、上記のような第1光Lを照射することによって、第2の半導体層4におけるキャリアの発生率が低減し、第1の半導体層3におけるキャリアの発生率が高まることによって、第1の半導体層3の第2の半導体層4側の表面に存在するドナー型欠陥によって捕獲されていた電子が放出されやすくなり、その結果、より多くの欠陥が修復されるためではないかと考えられる。
第1の半導体層3におけるキャリアの発生率をより高めるという観点から、上記第1光Lとして、第1波長と第2波長との間の波長領域に最大ピーク波長を有するものを用いてもよい。つまり、最大ピーク波長の光は、第2の半導体層4を励起し難く、第1の半導体層3を良好に励起できるため、ドナー型欠陥がより低減され易くなる。
また、第2の半導体層4におけるキャリアの発生率をより低くするという観点から、上記第1光として、第2波長よりも短波長側の光の強度が、第2波長よりも長波長側に有する最大ピーク波長の光の強度の半分以下のものを用いてもよい。より好適には、第2波長よりも短波長側の光の強度が最大ピーク波長の光の強度の20%以下のものを用いてもよい。
第1光Lの光源としては、例えば、ハロゲンランプ、LD、LED等を用いることができる。また、キセノンランプやソーラーシミュレーター等のような光源を、第2波長よりも短波長側の光をカットするフィルターを使用しながら用いてもよい。
図7は、第1の半導体層3としてCIGSを用い、第2の半導体層4として硫化インジウムを用いた光電変換装置11において、AM1.5のソーラーシミュレーターの疑似太陽光で光照射を行なったもの、および図6のような発光スペクトルを有するハロゲンランプで光照射(第1光Lの照射)を行なったものの各光電変換装置11の光電変換効率の変化を示すグラフである。図7の結果より、疑似太陽光よりもハロゲンランプを用いて光照射を行なった方が、光電変換効率が高くなっていることがわかる。
このようにして作製された光電変換装置11は、上記光照射が行なわれた後に、光電変換セル10が、例えばエチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)等の封止材で封止される。なお、光電変換装置11は、先に封止材で光電変換セル10が封止された後、各光電変換セル10に対して光照射が行なわれてもよい。光電変換装置11が長期にわたり高い光電変換効率を維持するようにするという観点では、光電変換セル10が封止材によって封止される前に、光照射が行なわれるのがよい。この理由としては、光電変換体Xに存在する欠陥が光照射によって修復される際、化学変化が起こって副生成物が生成することが要因ではないかと考えられる。つまり、光電変換セル10が封止される前に光照射された場合は、この生成した副生成物が大気中に放出されるが、光電変換セル10が封止された後に光照射された場合は、上記副生成物が封止材に閉じ込められるため、この閉じ込められた副生成物が再度、欠陥を形成するのではないかと考えられる。
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
で種々の変更が施されることは何等差し支えない。
で種々の変更が施されることは何等差し支えない。
1:基板
2、2a、2b:下部電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:上部電極層
7:接続導体
8:集電電極
10:光電変換セル
11:光電変換装置
L:第1光
X:光電変換体
2、2a、2b:下部電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:上部電極層
7:接続導体
8:集電電極
10:光電変換セル
11:光電変換装置
L:第1光
X:光電変換体
Claims (5)
- 基板の主面に、第1の半導体層および該第1の半導体層にヘテロ接合した該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の半導体層を含む光電変換体を設ける工程と、
該光電変換体に対して、前記第1の半導体層のバンドギャップエネルギーに相当する第1波長と前記第2の半導体層のバンドギャップエネルギーに相当する第2波長との間の波長領域の光を含むとともに前記第2波長よりも長波長側に最大ピーク波長を有する第1光を照射する工程と
を具備する光電変換装置の製造方法。 - 前記第1光として前記第1波長と前記第2波長との間の波長領域に最大ピーク波長を有するものを用いる、請求項1記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記第1光として前記第2波長よりも短波長側の光の強度が前記最大ピーク波長の光の強度の半分以下であるものを用いる、請求項2に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記第1光の照射を行なった後に前記光電変換体を封止材で封止する、請求項1乃至3のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記第1の半導体層にI−III−VI族化合物を含ませ、前記第2の半導体層にII−VI族
化合物およびIII−VI族化合物の少なくとも一方を含ませる、請求項1乃至4のいずれか
に記載の光電変換装置の製造方法。
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