JP2014017377A - Compound solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い光変換効率(以下「変換効率」とする)を有し、Ib族、IIIb族およびVIb 族の元素からなるCuInSe2 (CIS)あるいはこれにGaを固溶させたCu(In,Ga)Se2 (CIGS)化合物半導体(I-III-VI族化合物半導体)を光吸収層に用いた化合物太陽電池を、効率よく製造する方法に関するものである。 The present invention has a high light conversion efficiency (hereinafter referred to as “conversion efficiency”), CuInSe 2 (CIS) composed of elements of Ib group, IIIb group and VIb group, or Cu (In , Ga) Se 2 (CIGS) compound semiconductor (I-III-VI group compound semiconductor) The present invention relates to a method for efficiently producing a compound solar cell using a light absorption layer.
太陽電池の中でも、CISまたはCIGS(以下「CIGS系」と総称する)化合物半導体を光吸収層に用いた化合物太陽電池は、高い変換効率を有し薄膜に形成できるとともに、光照射等による変換効率の劣化が少ないという利点を有していることが知られている。 Among solar cells, a compound solar cell using a CIS or CIGS (hereinafter collectively referred to as “CIGS-based”) compound semiconductor for a light absorption layer has high conversion efficiency and can be formed into a thin film, and conversion efficiency by light irradiation or the like. It is known that it has the advantage of less degradation.
このようなCIGS系化合物太陽電池の表面電極層として用いられる透明導電層としては、一般に、スパッタリング法(「スパッタ法」ともいう)により形成されたアルミニウム(Al)添加ZnO(AZO)やガリウム(Ga)添加ZnO(GZO)、MOCOV法によって形成されたホウ素(B)添加ZnOが用いられている(例えば、非特許文献1の第16頁〜第17頁を参照)。 As a transparent conductive layer used as a surface electrode layer of such a CIGS-based compound solar cell, aluminum (Al) -added ZnO (AZO) or gallium (Ga) formed by a sputtering method (also referred to as “sputtering method”) is generally used. ) Added ZnO (GZO) and boron (B) added ZnO formed by the MOVOV method are used (for example, refer to pages 16 to 17 of Non-Patent Document 1).
しかしながら、このような透明導電層は、高温下での使用の際に抵抗率が大幅に上昇してしまうという問題がある。 However, such a transparent conductive layer has a problem that the resistivity is greatly increased when used at high temperatures.
また、スパッタリング装置として汎用されているマグネトロンスパッタ装置を用いて真空下で薄膜層を形成すると、スパッタリングで発生するプラズマ中の負イオンや高エネルギー電子が、薄膜層やその下地層にダメージを与え、太陽電池の特性が低下することが最近判明し、問題となっている。そして、このことが、上記透明導電層の抵抗率上昇の一因であると考えられており、その改善が強く望まれている。 In addition, when a thin film layer is formed under vacuum using a magnetron sputtering apparatus that is widely used as a sputtering apparatus, negative ions and high energy electrons in plasma generated by sputtering damage the thin film layer and its underlying layer, Recently, it has been found that the characteristics of solar cells deteriorate, which is a problem. This is considered to be a cause of the increase in resistivity of the transparent conductive layer, and the improvement is strongly desired.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、透明導電層の層内やその下地となるバッファ層や光吸収層にダメージがなく高変換効率を有する化合物太陽電池と、その製法の提供をその目的とする。 The present invention was made in order to solve the above-mentioned problems, and a compound solar cell having a high conversion efficiency without damage in the transparent conductive layer or in the underlying buffer layer or light absorption layer, and its production method The purpose is to provide
上記の目的を達成するため、本発明は、基板上に、少なくともI-III-VI族化合物半導体層と、バッファ層と、透明導電層からなる表面電極層とをこの順で備え、上記透明導電層の水蒸気透過度が、5.0×10-2g/m2 ・day以下に設定されている化合物太陽電池を第1の要旨とする。 In order to achieve the above object, the present invention comprises, on a substrate, at least an I-III-VI group compound semiconductor layer, a buffer layer, and a surface electrode layer composed of a transparent conductive layer in this order. A first aspect is a compound solar cell in which the water vapor permeability of the layer is set to 5.0 × 10 −2 g / m 2 · day or less.
また、本発明は、基板上に、少なくともI-III-VI族化合物半導体層と、バッファ層と、透明導電層からなる表面電極層とをこの順で備えた、上記第1の要旨である化合物太陽電池の製法であって、上記基板の層形成面に対して垂直状に延びる仮想中心軸Xの両側に、2枚のスパッタリング用の陰極ターゲットを対向させた状態で配置し、高周波(RF)電源、もしくは直流(DC)電源を重畳した高周波(RF)電源を用いて印加するスパッタリング法により、上記表面電極層の形成を行うようにした化合物太陽電池の製法を第2の要旨とする。 In addition, the present invention provides a compound according to the first aspect of the present invention, which comprises at least an I-III-VI group compound semiconductor layer, a buffer layer, and a surface electrode layer composed of a transparent conductive layer in this order on a substrate. A method for manufacturing a solar cell, wherein two sputtering cathode targets are arranged opposite to each other on both sides of a virtual central axis X extending perpendicularly to the layer forming surface of the substrate, and a radio frequency (RF) The second gist of the present invention is a compound solar cell manufacturing method in which the surface electrode layer is formed by sputtering using a power source or a radio frequency (RF) power source superimposed with a direct current (DC) power source.
本発明の化合物太陽電池は、表面電極層を構成する透明導電層が、水蒸気透過度5.0×10-2g/m2 ・day以下、という特殊な物性を備えており、非常に密度の高い緻密な結晶構造をしている。このため、上記透明導電層の抵抗値が、高温下においても安定して低く維持され、太陽電池として高い変換効率を安定的に達成することができる。 The compound solar battery of the present invention has a special physical property that the transparent conductive layer constituting the surface electrode layer has a water vapor permeability of 5.0 × 10 −2 g / m 2 · day or less, and has a very high density. Highly dense crystal structure. For this reason, the resistance value of the said transparent conductive layer is stably maintained low also under high temperature, and can achieve high conversion efficiency stably as a solar cell.
また、本発明の化合物太陽電池の製法によれば、上記透明導電層からなる表面電極層を、基板の層形成面に対して垂直状に延びる仮想中心軸Xの両側に、2枚のスパッタリング用の陰極ターゲットを対向させた状態で配置し、高周波(RF)電源、もしくはおよび直流(DC)電源を重畳した高周波(RF)電源を用いて印加するスパッタリング法を用いて形成するため、発生した電子等を上記両陰極ターゲット間に閉じ込めることができ、透明導電層自身と、その下地となるバッファ層や化合物半導体層(光吸収層)に与えるダメージを低減することができ、上記水蒸気透過度の非常に低い、緻密な結晶構造の透明導電層を、簡単に得ることができる。 Moreover, according to the manufacturing method of the compound solar cell of this invention, the surface electrode layer which consists of the said transparent conductive layer is for two sheets of sputtering on both sides of the virtual central axis X extended perpendicularly | vertically with respect to the layer formation surface of a board | substrate. Generated by using a sputtering method in which a cathode target is placed facing each other and applied using a radio frequency (RF) power source or a radio frequency (RF) power source superimposed with a direct current (DC) power source. Etc. can be confined between the cathode targets, and the damage to the transparent conductive layer itself and the underlying buffer layer and compound semiconductor layer (light absorption layer) can be reduced. A transparent conductive layer having a very low and dense crystal structure can be easily obtained.
なお、本発明の化合物太陽電池の製法において、表面電極層の形成だけでなく、その下のバッファ層の形成においても、上記表面電極層を形成する場合と同様の、特殊なスパッタリング方法を用いるようにすると、バッファ層、表面電極層の両層がともに緻密な結晶構造となり、またバッファ層より下の層についてもダメージが低減されるため、化合物太陽電池としての変換効率をさらに高めることができる。 Note that, in the method for producing the compound solar cell of the present invention, not only the formation of the surface electrode layer, but also the formation of the buffer layer below it, a special sputtering method similar to the case of forming the surface electrode layer is used. In this case, both the buffer layer and the surface electrode layer have a dense crystal structure, and damage is also reduced in layers below the buffer layer, so that the conversion efficiency as a compound solar cell can be further increased.
そして、上記2枚の対向する陰極ターゲットが、基板側に向かって広がる略V字状に配置されていると、形成される層の結晶構造がより緻密になり、好適である。 When the two opposing cathode targets are arranged in a substantially V shape that expands toward the substrate side, it is preferable that the crystal structure of the formed layer becomes denser.
そのなかでも、特に、上記各陰極ターゲットが、上記基板の層形成面に対して垂直に延びる仮想中心軸Xとなす角度が、ともに5〜15°に設定されていると、形成される層の結晶構造がとりわけ緻密になり、好適である。 Among them, in particular, when each of the cathode targets is set to 5 to 15 ° with respect to the virtual central axis X extending perpendicularly to the layer forming surface of the substrate, The crystal structure is particularly dense and suitable.
つぎに、本発明を実施するための形態について説明する。 Next, an embodiment for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の一実施の形態であるCIGS太陽電池の断面図である。このCIGS太陽電池は、基板1と、裏面電極層2と、CIGS光吸収層(化合物半導体層)3と、バッファ層4と、表面電極層5とをこの順で備えており、上記表面電極層5を構成する透明導電層の水蒸気透過度が、後述するように、非常に低く抑えられた特殊な構成になっている。以下、各層を詳細に説明する。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a CIGS solar cell according to an embodiment of the present invention. This CIGS solar cell includes a
上記基板1は、ガラス基板、金属基板、樹脂基板等のなかから、目的や設計上の必要に応じて適宜のものが選択して用いられる。上記ガラス基板としては、アルカリ金属元素の含有量が極めて低い低アルカリガラス(高杢点ガラス)、アルカリ金属元素を含まない無アルカリガラス、青板ガラス等があげられる。なかでも、アルカリ金属元素の添加量を正確に制御することができガラス基板から光吸収層にアルカリ金属元素が拡散しないよう制御することができる低アルカリガラスまたは無アルカリガラスを用いることが好ましい。
As the
また、このCIGS太陽電池を、ロールトゥロール方式またはステッピングロール方式で製造する場合、上記基板1は、長尺状で可撓性を有することが好適である。なお、上記「長尺状」とは長さ方向の長さが幅方向の長さの10倍以上あるものをいい、30倍以上あるものがより好ましく用いられる。
Moreover, when manufacturing this CIGS solar cell by a roll-to-roll system or a stepping roll system, it is suitable that the said board |
そして、上記基板1の厚みは、5〜200μmの範囲にあることが好ましく、より好ましくは10〜100μmの範囲である。すなわち、厚みが厚すぎると、CIGS太陽電池の屈曲性が失われ、CIGS太陽電池を曲げた際にかかる応力が大きくなってCIGS光吸収層3等の積層構造にダメージを与えるおそれがあり、逆に薄すぎると、CIGS太陽電池を製造する際に、基板1が座屈して、CIGS太陽電池の製品不良率が上昇する傾向がみられるためである。
And it is preferable that the thickness of the said board |
上記基板1の上に形成される裏面電極層2の形成材料としては、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、チタン(Ti)等があげられる。そして、これらの形成材料を用い、例えばスパッタ法、蒸着法、インクジェット法等の方法により、単層もしくは複層に形成されている。
Examples of the material for forming the
上記裏面電極層2の厚み(複層の場合は、各層の厚みの合計)は、10〜1000μmの範囲にあることが好ましい。ただし、前記基板1が導電性を有し、裏面電極層2の機能を有する場合には、この裏面電極層2を設けなくてもよい。
The thickness of the back electrode layer 2 (in the case of multiple layers, the total thickness of each layer) is preferably in the range of 10 to 1000 μm. However, when the
また、基板1由来の不純物が熱拡散するとCIGS化合物太陽電池の性能が悪影響を受けるため、これを防止することを目的として、基板1または裏面電極層2の上にバリア層(図示せず)を設けてもよい。このようなバリア層の形成材料としては、例えばCr、ニッケル(Ni)、NiCr、コバルト(Co)等があげられる。
Moreover, since the performance of the CIGS compound solar cell is adversely affected when impurities derived from the
上記裏面電極層2の上に形成されるCIGS光吸収層3は、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)の4元素からなるカルコパイライト型結晶構造の化合物半導体で形成されている。そして、その厚みは、1.0〜3.0μmの範囲にあることが好ましく、1.5〜2.5μmの範囲にあることがより好ましい。厚みが薄すぎると、光吸収層として用いた際の光吸収量が少なくなり、太陽電池の性能が低下する傾向がみられ、逆に、厚すぎると、CIGS光吸収層3の形成にかかる時間が増加し、生産性に劣る傾向がみられるためである。
The CIGS
また、上記CIGS光吸収層3におけるCu、In、Gaの組成比は、0.7<Cu/(Ga+In)<0.95(モル比)の式を満たすことが好ましい。この式を満たすようになっていると、上記CIGS光吸収層3内にCu(2-x) Seが過剰に取り込まれることをより阻止でき、しかも層全体としてわずかにCuが不足した状態にできるためである。また、同属元素であるGaとInとの比は、0.10<Ga/(Ga+In)<0.40(モル比)の範囲にあることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the composition ratio of Cu, In, and Ga in the CIGS
上記CIGS光吸収層3の上に形成されるバッファ層4は、IIa族金属およびZn酸化物の混晶で形成されている。そして、上記CIGS光吸収層3とpn接合できるよう、高抵抗のn型半導体であることが好ましく、単層だけでなく、複数の層を積層したものであってもよい。バッファ層4として、複数の層が積層したものを用いると、上記CIGS光吸収層3とのpn接合をより良好にできる。このようなバッファ層4の形成材料としては、MgおよびZnOの混晶の他、CdS、ZnMgO、ZnCaO、ZnMgCaO、ZnMgSrO、ZnSrO、ZnO、ZnS、Zn(OH)2 、In2 O3 、In2 S3 およびこれらの混晶であるZn(O,S,OH)、Zn(O,S)等があげられる。また、その厚みは、50〜200nmの範囲にあることが好ましい。
The
つぎに、上記バッファ層4の上に形成される表面電極層5としては、透明導電層が用いられる。このような透明導電層としては、高透過率で低抵抗な薄膜となる材料が好ましく、GZOの他、ITO、IZO、酸化亜鉛アルミニウム(AlZnO)等があげられる。また、その厚みは、50〜300nmの範囲にあることが好ましい。そして、この透明導電層の光透過率は、80%を超えるものであることが好ましい。
Next, as the
上記表面電極層5の透明導電層は、できるかぎり緻密な構造であることが好ましく、その水蒸気透過度(WVTR:Water Vapor Transmission Rate)が、5.0×10-2g/m2 ・day以下に設定されている。水蒸気透過度が、このように低い値であるということは、この透明導電層内に、欠陥やボイドが殆どないということであり、これらの隙間から層内部に水分や酸素が入り込んで層の劣化を招くような事態が発生しにくい。したがって、透明導電層の抵抗値が、環境に左右されず、長期にわたって低く維持されるという優れた特性を有する。
The transparent conductive layer of the
上記構成のCIGS太陽電池によれば、上記のように、その表面電極層5を構成する透明導電層の水蒸気透過度が、ごく低い値に設定されており、層内に欠陥やボイドが殆どない緻密な結晶構造を有しているため、劣化しにくく、長期にわたって抵抗値を低く維持することができる。したがって、耐湿熱信頼性に優れ、長期にわたって良好な変換効率を維持することができる。
According to the CIGS solar cell having the above configuration, as described above, the water vapor permeability of the transparent conductive layer constituting the
上記CIGS太陽電池は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、まず、長尺状の基板1を準備し、その表面に、ロールトゥロール方式で裏面電極層2を形成し、同じくロールトゥロール方式で、その上にCIGS光吸収層3を形成し、これを所定のサイズとなるよう切断した後、上記CIGS光吸収層3の上に、バッファ層4、表面電極層5をこの順で積層することによって得ることができる。以下、この製法を、各層の形成工程ごとに詳細に説明する。
The CIGS solar cell can be manufactured, for example, as follows. That is, first, a
〔裏面電極層2の形成工程〕
ロールトゥロール方式により、長尺状の基板1を走行させながら、その表面に、Mo等の形成材料を用いて、スパッタリング法、蒸着法、インクジェット法等により、裏面電極層2を形成する。
[Step of forming back electrode layer 2]
The
〔CIGS光吸収層3の形成工程〕
つぎに、上記裏面電極層2が形成された基板1を、同じくロールトゥロール方式で走行させながら、その裏面電極層2の上に、CIGS光吸収層3を形成する。CIGS光吸収層3の形成方法としては、真空蒸着法、セレン化/硫化法、スパッタ法等があげられる。なお、アルカリ金属元素を含有しない基板1を用いる場合には、このCIGS光吸収層3の成膜前か成膜中にアルカリ金属元素を、蒸着により供給することができる。
[Formation process of CIGS light absorption layer 3]
Next, the CIGS
〔バッファ層4の形成工程〕
つぎに、上記ロールトゥロール方式によって裏面電極層2とCIGS光吸収層3とが形成され、ロール状に巻き取られた基板1を、再度巻き出しながら、所定の切断装置を用いて、これを所定の長さごとに切断して、所定サイズの積層体(基板1+裏面電極層2+CIGS光吸収層3の積層体)を得る。そして、切断された積層体のCIGS光吸収層3の上に、MgおよびZnOの混晶等の形成材料を用い、溶液成長法、真空蒸着法、スパッタリング法等により、バッファ層4を形成する。
[Formation process of buffer layer 4]
Next, the
上記バッファ層4の形成には、特に、スパッタリング法が好適であり、そのなかでも、一般的なマグネトロンスパッタ法とは異なり、2枚の陰極ターゲットを対向して配置し、ターゲット表面に垂直に配置された片方のターゲットからもう一方のターゲットに向かって磁界を印加する対向ターゲットスパッタ法を用いることが好適である。すなわち、対向ターゲットスパッタ法によれば、対向するターゲット間にプラズマを閉じ込めることができ、基板1にプラズマが晒されないことから、荷電粒子(電子、イオン)や反跳アルゴンによるダメージが小さく、成膜面やその下地となる面に欠陥やボイドが生じにくいからである。そして、上記一対のターゲットに対する印加は、高周波(RF)電源によるか、高周波(RF)電源に直流(DC)電源を重畳することによることが好適である。
For the formation of the
そして、上記対向ターゲットスパッタ法において、図2に示すように、基板1の層形成面から垂直状に延びる仮想中心軸Xを想定し、この仮想中心軸Xを挟んだ両側にこれら2枚のターゲット6,6’を対向させ、その両者6,6’が基板1の層形成面側(以下「基板1側」という)に向かって広がる略V字状となるよう配置したものを用いると、より少ない電力で成膜することができるため、成膜面やその下時となる面が、さらにダメージを受けにくくなり、好適である。なかでも、上記ターゲット6,6’のうち、少なくとも一方のターゲット6(6’)の、仮想中心軸Xに対する角度θが5〜15°の範囲に設定されていることが、特に好適である。なお、図2においては、基板1に形成された裏面電極層2およびCIGS光吸収層3の図示を省略している。
In the facing target sputtering method, as shown in FIG. 2, a virtual central axis X extending vertically from the layer forming surface of the
〔表面電極層5の形成工程〕
つぎに、上記バッファ層4の上に、GZO等の形成材料を用いて、スパッタリング法(DC、RF、RF重畳)、蒸着法、有機金属気相成長法(MOCVD法)等により、表面電極層5となる透明導電層を形成する。
[Formation process of surface electrode layer 5]
Next, a surface electrode layer is formed on the
この透明導電層の形成においても、対向ターゲットスパッタ法、とりわけ、上記バッファ層4の形成と同様、図2に示すように、ターゲット6,6’が特殊な配置に設定された対向ターゲットスパッタ法を用いることが好適である。
Also in the formation of the transparent conductive layer, the counter target sputtering method, particularly the counter target sputtering method in which the
すなわち、すでに述べたように、対向ターゲットスパッタ法によれば、成膜面やその下地となる面に欠陥やボイドが生じにくく、その結果、層の結晶構造が緻密で、余分な隙間が形成されにくいため、「水蒸気透過度(WVTR)が5.0×10-2g/m2 ・day以下」というこの層の特性を容易に達成することができるからである。 That is, as already described, according to the facing target sputtering method, defects and voids are unlikely to occur on the film formation surface and the underlying surface, and as a result, the crystal structure of the layer is dense and an extra gap is formed. This is because it is difficult to achieve the characteristics of this layer with a water vapor transmission rate (WVTR) of 5.0 × 10 −2 g / m 2 · day or less.
そして、上記ターゲッへの印加も、直流(DC)電源よりも、高周波(RF)電源によるか、高周波(RF)電源に直流電源を重畳する方が、上記WVTRをより低減することができ好適である。また、印加電力を低減したり、成膜圧力を低下させたりすることも、WVTRの低減化に有効である。 The application to the target is also preferably performed by using a high frequency (RF) power source or by superimposing a DC power source on a high frequency (RF) power source, rather than a direct current (DC) power source, because the WVTR can be further reduced. is there. In addition, reducing the applied power or reducing the film forming pressure is also effective in reducing the WVTR.
このようにして、本発明のCIGS太陽電池を得ることができる。 In this way, the CIGS solar cell of the present invention can be obtained.
なお、上記の製法において、基板1が裏面電極層2の機能を有する場合(導電性を有する場合等)には、上記〔裏面電極層2の形成工程〕は不要であり、上記基板1をそのまま裏面電極層として利用することができる。
In the above manufacturing method, when the
また、前述のように、基板1とCIGS光吸収層3との間(基板1の上または裏面電極層2の上)に、金属拡散防止層を形成する場合は、上記の製法において、基板1の形成後、もしくはCIGS光吸収層3の形成後に、Cr等の金属拡散防止層形成材料を用いて、スパッタリング法、蒸着法、CVD法、ゾル・ゲル法、液相析出法等によって、金属拡散防止層を形成する。
As described above, when the metal diffusion prevention layer is formed between the
そして、上記の製法では、バッファ層4の形成と、表面電極層5の形成の両方の工程において、対向ターゲットスパッタ法を用いることが好適である、としているが、表面電極層5となる透明導電層の水蒸気透過度が5.0×10-2g/m2 ・day以下になるには、少なくとも、表面電極層5の形成工程において、対向ターゲットスパッタ法を用いることが望ましい。すなわち、表面電極層5の形成工程において、透明導電層の水蒸気透過度を充分に低く設定できれば、バッファ層4については、必ずしも対向ターゲットスパッタ法を用いる必要はない。ただし、両層4、5とも対向ターゲットスパッタ法を用いると、両層4、5に対するダメージが大幅に低減されるだけでなく、その下側のCIGS光吸収層3も悪影響から守られることになり、より高品質のCIGS太陽電池を得ることができ、好適である。
And in said manufacturing method, although it is said that it is suitable to use a counter target sputtering method in the process of both formation of the
また、上記の製法において好適に用いられる対向ターゲットスパッタ法において、陰極ターゲット6,6’の組成やスパッタリングの条件によっては、上記陰極ターゲット6,6’を基板1側に向かって広がる略V字状に配置せず、図3に示すように、両陰極ターゲット6,6’を平行に配置するようにしてもよい。また、図4に示すように、一方の陰極ターゲットのみ(この例では、陰極ターゲット6)を、仮想中心軸Xに対し、角度θだけ傾けた形で配置するようにしてもよい。
Further, in the facing target sputtering method suitably used in the above manufacturing method, depending on the composition of the
さらに、上記の製法では、裏面電極層2の形成とCIGS光吸収層3の形成を、ロールトゥロール方式で行ったが、必ずしもロールトゥロール方式を採用する必要はなく、当初から基板1を枝葉タイプで準備して並べ、その上に順次、各層を形成していく方式を用いても差し支えない。
Further, in the above manufacturing method, the
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Next, examples will be described together with comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
〔実施例1〕
(裏面電極層の形成)
まず、脱脂したソーダライムガラス(厚み0.55mm、幅20mm×長さ20mmの平面視正方形状)からなる基板の表面に、マグネトロンスパッタ装置(アルバック社製、SH−450)を用いて、放電ガスにはアルゴン(Ar)を使用し、スパッタリング圧力が1Paとなるよう直流(DC)電源を用い、スパッタリングレート60nm/minの条件で、厚み0.8μmのMoからなる裏面電極層を形成した。
[Example 1]
(Formation of back electrode layer)
First, a discharge gas is formed on the surface of a substrate made of degreased soda lime glass (thickness 0.55 mm, width 20 mm × length 20 mm in plan view) using a magnetron sputtering apparatus (SH-450, manufactured by ULVAC). In this case, argon (Ar) was used, a direct current (DC) power source was used so that the sputtering pressure was 1 Pa, and a back electrode layer made of Mo having a thickness of 0.8 μm was formed under a sputtering rate of 60 nm / min.
(CIGS光吸収層の形成)
つぎに、上記裏面電極層の上に、CIGS光吸収層を形成した。すなわち、真空蒸着装置のチャンバー内に、Ga,In,Cu,Seのそれぞれを蒸着源として配置し、このチャンバー内を真空度1×10-4Paとし、基板を昇温速度550℃/hにて550℃まで加熱した。このとき、上記蒸着源の温度がそれぞれGa:950℃、In:780℃、Cu:1100℃、Se:140℃、となるよう加熱し、これらの元素を同時に蒸発させることにより、上記裏面電極層の上にCIGS光吸収層を形成した。得られたCIGS光吸収層の組成(原子数%)は、Cu/III 族=0.89、Ca/III 族=0.31であり、その厚みは2.1μmであった。
(Formation of CIGS light absorption layer)
Next, a CIGS light absorption layer was formed on the back electrode layer. That is, each of Ga, In, Cu, and Se is disposed as a deposition source in a chamber of a vacuum deposition apparatus, the degree of vacuum is set to 1 × 10 −4 Pa, and the substrate is heated at a rate of 550 ° C./h. And heated to 550 ° C. At this time, the back electrode layer is heated by heating the deposition sources to Ga: 950 ° C., In: 780 ° C., Cu: 1100 ° C., and Se: 140 ° C. A CIGS light absorption layer was formed on the substrate. The composition (number of atoms) of the obtained CIGS light absorption layer was Cu / III group = 0.89, Ca / III group = 0.31, and its thickness was 2.1 μm.
(バッファ層の形成)
つぎに、図2に示す一対の陰極ターゲットが略V字状に配置された対向ターゲットスパッタ装置(仮想中心軸Xに対する角度θがそれぞれ10°)を用いて、上記CIGS光吸収層の上に、バッファ層を形成した。なお、陰極ターゲットとして、Zn0.85Mg0.15Oからなる組成のものを使用し、スパッタリングの際の放電ガスにArを用い、高周波(RF)電源により、電力密度0.7kW/cm2 、スパッタリング圧力0.3Paの条件下で、電力および形成時間を調整することにより、膜厚70nmのバッファ層を得た。
(Formation of buffer layer)
Next, on the CIGS light absorption layer, using a counter target sputtering apparatus in which the pair of cathode targets shown in FIG. 2 is arranged in a substantially V shape (the angles θ with respect to the virtual central axis X are 10 °, respectively) A buffer layer was formed. A cathode target having a composition of Zn 0.85 Mg 0.15 O is used, Ar is used as a discharge gas during sputtering, a power density of 0.7 kW / cm 2 and a sputtering pressure of 0 with a radio frequency (RF) power source. A buffer layer having a thickness of 70 nm was obtained by adjusting the power and the formation time under the condition of 3 Pa.
(表面電極層の形成)
つぎに、上記バッファ層の形成と同様、図2に示す一対の陰極ターゲットが略V字状に配置された対向ターゲットスパッタ装置(仮想中心軸Xに対する角度θがそれぞれ10°)を用いて、上記バッファ層の上に、表面電極層を形成した。なお、陰極ターゲットとして、GZO(Ga2 O3 含有量:5.7重量%)からなる組成のものを使用し、スパッタリングの際の放電ガスにArを用い、高周波(RF)電源により、電力密度1.6W/cm2 、スパッタリング圧力0.3Paの条件下で、電力および形成時間を調整することにより、膜厚100nmの表面電極層(GZO膜からなる透明導電層)を得た。
(Formation of surface electrode layer)
Next, similarly to the formation of the buffer layer, the above-described counter target sputtering apparatus in which the pair of cathode targets shown in FIG. 2 are arranged in a substantially V shape (the angle θ with respect to the virtual center axis X is 10 °) is used. A surface electrode layer was formed on the buffer layer. The cathode target is composed of GZO (Ga 2 O 3 content: 5.7% by weight), Ar is used as a discharge gas during sputtering, and power density is obtained by a radio frequency (RF) power source. A surface electrode layer (transparent conductive layer made of a GZO film) having a film thickness of 100 nm was obtained by adjusting the power and formation time under the conditions of 1.6 W / cm 2 and sputtering pressure of 0.3 Pa.
〔実施例2〜9〕
製造条件を、後記の表1〜表3に示すように変更した。それ以外は、実施例1と同様にして、CIGS太陽電池を得た。ただし、実施例9におけるバッファ層の形成は、汎用のマグネトロンスパッタ装置(アルバック社製、SH−450:基板の層形成面に平行となるよう1枚の陰極ターゲットが配置されている)を用いて行った。
[Examples 2 to 9]
The production conditions were changed as shown in Tables 1 to 3 below. Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the CIGS solar cell. However, the buffer layer in Example 9 is formed using a general-purpose magnetron sputtering apparatus (manufactured by ULVAC, SH-450: one cathode target is arranged so as to be parallel to the layer forming surface of the substrate). went.
〔比較例1〕
表面電極層を、上記実施例9において用いたと同様のマグネトロンスパッタ装置を用いて形成した。このときの印加電源は高周波(RF)電源で、電力密度を2.0W/cm2 とした。それ以外は実施例1と同様にして、CIGS太陽電池を得た。
[Comparative Example 1]
The surface electrode layer was formed using the same magnetron sputtering apparatus as used in Example 9 above. The applied power source at this time was a radio frequency (RF) power source, and the power density was 2.0 W / cm 2 . Other than that was carried out similarly to Example 1, and obtained the CIGS solar cell.
〔比較例2〕
表面電極層の形成において、印加電源を直流(DC)電源にした。それ以外は比較例1と同様にして、CIGS太陽電池を得た。
[Comparative Example 2]
In the formation of the surface electrode layer, the applied power source was a direct current (DC) power source. Other than that was carried out similarly to the comparative example 1, and obtained the CIGS solar cell.
このようにして得られた実施例品、比較例品の初期変換効率(η0 )と、85℃×85%RHの雰囲気下に100時間放置した後の変換効率(η1 )と、変換効率の損失率とを、後記のとおり測定および算出し、後記の表1〜表4に併せて示す。 The initial conversion efficiency (η 0 ) of the example product and the comparative product thus obtained, the conversion efficiency (η 1 ) after being left in an atmosphere of 85 ° C. × 85% RH for 100 hours, and the conversion efficiency The loss rate is measured and calculated as described below, and is shown in Tables 1 to 4 below.
<太陽電池の初期変換効率>
CIGS太陽電池をそれぞれ20個準備し、これらに擬似太陽光(AM1.5)を照射し、IV計測システム(山下電装社製)を用いて、それぞれの変換効率を測定した。そして、測定された変換効率の平均(η0 )を「初期変換効率」とした。
<Initial conversion efficiency of solar cell>
Twenty CIGS solar cells were prepared, each was irradiated with simulated sunlight (AM1.5), and each conversion efficiency was measured using an IV measurement system (manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.). The average (η 0 ) of the measured conversion efficiencies was defined as “initial conversion efficiency”.
<太陽電池の変換効率の損失率>
上記初期変換効率を測定した各CIGS太陽電池を、85℃×85%RHの恒温恒湿器に投入し、100時間放置後の変換効率を測定し、その平均(η1 )を求め、投入前の変換効率に対する投入後の損失比率:〔(η0 −η1 )/(η0 )〕×100(%)を算出した。
<Loss rate of conversion efficiency of solar cells>
Each CIGS solar cell whose initial conversion efficiency was measured was put into a constant temperature and humidity chamber of 85 ° C. × 85% RH, the conversion efficiency after being left for 100 hours was measured, and the average (η 1 ) was obtained. The ratio of loss after input to the conversion efficiency of: [(η 0 −η 1 ) / (η 0 )] × 100 (%) was calculated.
また、実施例品、比較例品における表面電極層の形成と同様の方法によって、その表面電極層に相当する透明導電層(厚み100nm)を、ポリエチレンタレフタレートフィルム(PETフィルム、厚み125μm)上に形成した。そして、この積層フィルム上の表面電極層(透明導電層)の水蒸気透過度(WVTR)と、表面抵抗の変化率とを、後記のとおり測定した。なお、上記PETフィルムの水蒸気透過度は、上記透明導電層のそれに比べて5桁以上大きいため、透明導電層の水蒸気透過度への影響を無視することができる。これらの結果を、後記の表1〜表4に併せて示す。 In addition, a transparent conductive layer (thickness 100 nm) corresponding to the surface electrode layer was formed on a polyethylene terephthalate film (PET film, thickness 125 μm) by the same method as the formation of the surface electrode layer in the example product and the comparative product. Formed. And the water-vapor permeability (WVTR) of the surface electrode layer (transparent conductive layer) on this laminated film and the rate of change of surface resistance were measured as described later. In addition, since the water vapor transmission rate of the said PET film is 5 digits or more larger than that of the said transparent conductive layer, the influence on the water vapor transmission rate of a transparent conductive layer can be disregarded. These results are also shown in Tables 1 to 4 below.
<水蒸気透過度の測定>
各積層フィルムを透過する水蒸気量(単位:g/m2 ・day)を測定した。ただし、「day」は24時間の意味である。
<Measurement of water vapor transmission rate>
The amount of water vapor (unit: g / m 2 · day) permeating through each laminated film was measured. However, “day” means 24 hours.
<表面抵抗の変化率>
まず、各積層フィルム上の表面電極層の表面抵抗値(R0)を、抵抗計(ロレスタMCP−P600、三菱油化社製)により測定した後、85℃×85%RHの恒温恒湿器に投入し、100時間放置後の抵抗値(R1)を、上記と同じ抵抗計により測定し、〔R1/R0〕を算出した。この値が大きいほど、高温高湿下で抵抗値が上昇して導電性が損なわれていることを示す。
<Change rate of surface resistance>
First, after measuring the surface resistance value (R0) of the surface electrode layer on each laminated film with a resistance meter (Loresta MCP-P600, manufactured by Mitsubishi Yuka Co., Ltd.), the temperature is controlled in a constant temperature and humidity chamber of 85 ° C. × 85% RH. Then, the resistance value (R1) after being left for 100 hours was measured with the same resistance meter as described above, and [R1 / R0] was calculated. The larger this value, the higher the resistance value at high temperature and high humidity, indicating that the conductivity is impaired.
上記の結果から、殆どの実施例品が、その初期変換効率が6%を上回っており、これらが優れた変換効率を有することがわかる。また、殆どの実施例品において、変換効率の損失率が10%以下であり、高温高湿下に晒されても変換効率の低下幅が小さく、良好な品質が概ね維持されていることがわかる。また、実施例9品は、バッファ層をマグネトロンスパッタ法によって形成したものであり、バッファ層を対向ターゲットスパッタ法によって形成した他の実施例品に比べて性能がやや劣るものの、このものも、比較例品に比べると、変換効率の低下幅が小さく、優位であることがわかる。このことは、いずれの実施例品も、その表面電極層が、水蒸気透過度5.0×10-2g/m2 ・day以下という、非常に水蒸気を透過しにくい、緻密な結晶構造を有していることによるものと考えられる。 From the above results, it can be seen that most of the examples have an initial conversion efficiency exceeding 6%, and they have excellent conversion efficiency. In addition, in most of the examples, the loss rate of conversion efficiency is 10% or less, and even when exposed to high temperature and high humidity, the decrease in conversion efficiency is small and good quality is generally maintained. . The product of Example 9 is a buffer layer formed by a magnetron sputtering method, and the performance is slightly inferior to that of other Example products in which the buffer layer is formed by a counter target sputtering method. It can be seen that the conversion efficiency drop is small and superior compared to the conventional products. This means that the surface electrode layer of each of the examples has a dense crystal structure that is very difficult to permeate water vapor with a water vapor permeability of 5.0 × 10 −2 g / m 2 · day or less. This is probably due to the fact that
そして、とりわけ、表面電極層の水蒸気透過度が1.1×10-2g/m2 ・day以下のもの(実施例1、2、4品)は、変換効率の損失率が2%程度に抑えられているため、表面電極層の水蒸気透過度を、上記1.1×10-2g/m2 ・day以下の範囲に設定することが、より好ましいことがわかる。 In particular, when the water vapor permeability of the surface electrode layer is 1.1 × 10 −2 g / m 2 · day or less (Examples 1, 2, and 4), the conversion efficiency loss rate is about 2%. Therefore, it can be seen that it is more preferable to set the water vapor permeability of the surface electrode layer in the range of 1.1 × 10 −2 g / m 2 · day or less.
なお、上記実施例1〜9品はCIGS太陽電池であるが、同様の手順によりCIS太陽電池を製造して、上記と同様の評価を行ったところ、これらについても、上記CIGS太陽電池と同様、高い変換効率と、低い損失率が得られることがわかった。 In addition, although the said Examples 1-9 goods are CIGS solar cells, when manufacturing the CIS solar cell by the same procedure and performing evaluation similar to the above, also about these, similarly to the said CIGS solar cell, It was found that high conversion efficiency and low loss rate can be obtained.
本発明の化合物太陽電池は、変換効率が高く、また高温高湿下での変換効率損失が低いため、一般的な条件下で良好に利用することができるのみならず、過酷な条件下においても良好に利用することができる。 Since the compound solar cell of the present invention has high conversion efficiency and low conversion efficiency loss under high temperature and high humidity, it can be used not only under general conditions but also under severe conditions. It can be used well.
1 基板
6,6’陰極ターゲット
X 仮想中心軸
1
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