JP2014045072A - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換装置の光電変換効率を高める。
【解決手段】 半導体層３の製造方法は、Ｉ−III−VI族化合物を含む第１の導電型の第
１の半導体層３を用意する工程と、第１の半導体層３の主面に酸化物層３ａを形成する工程と、II−Ｂ族元素をスパッタリング法によって酸化物層３ａを介して第１の半導体層３に注入する工程と、酸化物層３ａを除去した後、第１の半導体層３の主面に第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の半導体層４を形成する工程とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｉ−III−VI族化合物を含む光電変換装置の製造方法に関する。

太陽光発電等に使用される光電変換装置として、ＣＩＳやＣＩＧＳ等のカルコパイライト系のＩ−III−VI族化合物によって半導体層が形成されたものがある。

このような光電変換装置の光電変換効率を高めるために、特許文献１では、Ｉ−III−VI族化合物を含む半導体層の表面にＺｎやＣｄ等のII−Ｂ族元素をドープして半導体層の
表面をｎ型化することにより、半導体層内にｐｎ接合を形成している。半導体層へのII−Ｂ族元素のドープ方法としては、II−Ｂ族元素を含む化合物をガス化し、このガスによりII−Ｂ族元素を半導体層中に熱拡散させる方法が用いられている。

特開２００８−２３５７９４号公報

しかしながら上記のようにII−Ｂ族元素を半導体層の表面に熱拡散させた場合、II−Ｂ族元素は主に半導体層の結晶粒界に沿って拡散し、結晶粒内には拡散しにくい。そのため、半導体層内で良好なｐｎ接合を形成できず、光電変換効率のさらなる向上は困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光電変換装置の光電変換効率を高めることを目的とする。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、Ｉ−III−VI族化合物を含む第
１の導電型の第１の半導体層を用意する工程と、該第１の半導体層の主面に酸化物層を形成する工程と、II−Ｂ族元素をスパッタリング法によって前記酸化物層を介して前記第１の半導体層に注入する工程と、前記酸化物層を除去した後、前記第１の半導体層の前記主面に前記第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の半導体層を形成する工程とを具備する。

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。

光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。 図１の光電変換装置の断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。

以下、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説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。

＜（１）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１１の一例を示す斜視図である。図２は、図１の光電変換装置１１のＸＺ断面図である。なお、図１から図９には、光電変換セル１０の配列方向（図１の図面視左右方向）をＸ軸方向とする右手系のＸＹＺ座標系が付されている。

光電変換装置１１は、基板１の上に複数の光電変換セル１０が並設された構成を有している。図１では、図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみが示されているが、実際の光電変換装置１１には、図面のＸ軸方向、或いは更に図面のＹ軸方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されている。

各光電変換セル１０は、下部電極層２、第１の半導体層３、第２の半導体層４、上部電極層５、および集電電極７を主に備えている。光電変換装置１１では、上部電極層５および集電電極７が設けられた側の主面が受光面となっている。また、光電変換装置１１には、第１〜３溝部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３といった３種類の溝部が設けられている。

基板１は、複数の光電変換セル１０を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。例えば、基板１として、１〜３ｍｍ程度の厚さを有する青板ガラス（ソーダライムガラス）が用いられてもよい。

下部電極層２は、基板１の一主面の上に設けられた導電層であり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、または金（Ａｕ）等の金属、あるいはこれらの金属の積層構造体からなる。また、下部電極層２は、０．２〜１μｍ程度の厚さを有し、例えば、スパッタリング法または蒸着法等の公知の薄膜形成方法によって形成される。

第１の半導体層３は、下部電極層２の＋Ｚ側の主面（一主面ともいう）の上に設けられた、第１の導電型（ここではｐ型の導電型）を有する半導体層であり、１〜３μｍ程度の厚さを有している。第１の半導体層３はＩ−III−VI族化合物を含む半導体層である。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）とを含んだ化合物である。Ｉ−III−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（ＣＩＧＳともいう）
、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（ＣＩＧＳＳともいう）、およびＣｕＩｎＳｅ_２（ＣＩＳともいう）等が挙げられる。なお、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２は、Ｉ−Ｂ族元素としてＣｕを含み、III−Ｂ族元素としてＩｎおよびＧａを含み、VI−Ｂ族元素としてＳｅを含んでいる。また、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２は、Ｉ−Ｂ族元素としてＣｕを含み、III−Ｂ族元素としてＩｎおよびＧａを含み、VI−Ｂ族元素としてＳｅおよびＳを含んでいる。

また、第１の半導体層３は、下部電極層２とは反対側（第２の半導体層４側）の表面部（以下、第１の半導体層３の下部電極層２とは反対側の表面部のことを単に第１の半導体
層３の表面部ともいう）にII−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）がドープされている。これにより、第１の半導体層３の表面部においてキャリアの分離が良好に行なわれ、光電変換効率が高くなる。II−Ｂ族元素としては、ＺｎやＣｄ等が用いられ、環境負荷を低減するという観点からＺｎが用いられてもよい。

第１の半導体層３の表面部におけるII−Ｂ族元素の濃度は、例えば、０．０１〜１原子％であってもよい。また、表面部３ａの厚みは、例えば、第１の半導体層３の厚みの０．０１〜０．３倍であってもよい。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３の一主面の上に設けられた半導体層である。この第２の半導体層４は、第１の半導体層３の導電型とは異なる導電型（ここではｎ型の導電型）を有している。第１の半導体層３と第２の半導体層４との接合によって、第１の半導体層３で光電変換されて生じた正負キャリアが良好に電荷分離される。なお、導電型が異なる半導体とは、伝導担体（キャリア）が異なる半導体のことである。また、上記のように第１の半導体層３の導電型がｐ型である場合、第２の半導体層４の導電型は、ｎ型でなく、ｉ型であっても良い。

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（Ｉｎ_２Ｓ_３）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化インジウム（Ｉｎ_２Ｓｅ_３）、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等の化合物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、例えば溶液成長法（ＣＢＤ法ともいう）等で形成される。

また、第２の半導体層４は、第１の半導体層３の一主面の法線方向に厚さを有する。この厚さは、例えば１０〜２００ｎｍに設定される。

上部電極層５は、第２の半導体層４の上に設けられた透明導電膜であり、第１の半導体層３において生じた電荷を取り出す電極である。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも低い抵抗率を有する物質によって構成されている。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、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３およびＳｎＯ_２等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、ＩｎおよびＦ等のうちの何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）、
ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（Fluorine tin Oxide）等がある。

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）法等によって、０．０５〜３．０μｍの厚さを有するように形成される。ここで、第１の半導体層３から電荷が良好に取り出される観点から言えば、上部電極層５は、１Ω・ｃｍ未満の抵抗率と、５０Ω／□以下のシート抵抗とを有するものとすることができる。

第２の半導体層４および上部電極層５は、第１の半導体層３が吸収する光の波長領域に対して光を透過させ易い性質（光透過性ともいう）を有する素材によって構成され得る。これにより、第２の半導体層４と上部電極層５とが設けられることで生じる、第１の半導体層３における光の吸収効率の低下が低減される。

また、光透過性が高められると同時に、光反射のロスが防止される効果と光散乱効果とが高められ、更に光電変換によって生じた電流が良好に伝送される観点から言えば、上部電極層５は、０．０５〜０．５μｍの厚さとなるようにすることができる。更に、上部電極層５と第２の半導体層４との界面で光反射のロスが低減される観点から言えば、上部電極層５と第２の半導体層４との間で絶対屈折率が略同一となるようにすることができる。

集電電極７は、Ｙ軸方向に離間して設けられ、それぞれがＸ軸方向に延在している。集電電極７は、導電性を有する電極であり、例えば、銀（Ａｇ）等の金属からなる。

集電電極７は、第１の半導体層３において発生して上部電極層５において取り出された電荷を集電する役割を担う。集電電極７が設けられれば、上部電極層５の薄層化が可能となる。

集電電極７および上部電極層５によって集電された電荷は、第２溝部Ｐ２に設けられた接続導体６を通じて、隣の光電変換セル１０に伝達される。接続導体６は、例えば、図２に示されるように集電電極７のＹ軸方向への延在部分によって構成されている。これにより、光電変換装置１１においては、隣り合う光電変換セル１０の一方の下部電極層２と、他方の集電電極７とが、第２溝部Ｐ２に設けられた接続導体６を介して電気的に直列に接続されている。なお、接続導体６は、これに限定されず、上部電極層５の延在部分によって構成されていてもよい。

集電電極５は、良好な導電性が確保されつつ、第１の半導体層３への光の入射量を左右する受光面積の低下が最小限にとどめられるように、５０〜４００μｍの幅を有するものとすることができる。

＜（２）光電変換装置の製造方法＞
図３から図９は、光電変換装置１１の製造途中の様子をそれぞれ模式的に示す断面図である。なお、図３から図９で示される各断面図は、図２で示された断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。

まず、図３で示されるように、洗浄された基板１の略全面に、スパッタリング法等を用いて、Ｍｏ等からなる下部電極層２を成膜する。そして、下部電極層２の上面のうちのＹ方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の基板１の上面にかけて、第１溝部Ｐ１を形成する。第１溝部Ｐ１は、例えば、ＹＡＧレーザー等による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なう、レーザースクライブ加工によって形成することができる。図４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５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３を形成した後、第１の半導体層３の主面に酸化物層３ａを形成する。図６は、酸化物層３ａを形成した後の状態を示す図である。そして、この酸化物層を介して、ＺｎやＣｄ等のII−Ｂ族元素をスパッタリング法によって第１の半導体層３に注入する。これにより、第１の半導体層３の下部電極層２とは反対側の表面部において結晶粒界だけでなく結晶粒内へもII−Ｂ族元素を、第１の半導体層３の表面の損傷を抑制しながら
良好に注入することができる。つまり、スパッタリング法を用いることによって、II−Ｂ族元素を結晶粒内へも良好に注入することが可能となり、第１の半導体層３の表面部に良好なｐｎ接合を形成できる。しかし、直接第１の半導体層３の主面に対してスパッタリングを行なうと、スパッタリングの衝撃によって第１の半導体層３の主面が損傷する。このように主面が損傷すると、その主面に第２の半導体層４を良好に成膜することが困難になる。これに対し、上記実施形態のように、酸化物層３ａを介してII−Ｂ族元素をスパッタリング法で注入すれば、第１の半導体層３の表面を保護しながら、良好にII−Ｂ族元素の注入を行なうことが可能となる。その結果、第２の半導体層４を良好に成膜でき、光電変換装置１１の光電変換効率を高めることができる。

酸化物層３ａは、第１の半導体層３の主面を良好に保護できるとともにII−Ｂ族元素の第１の半導体層３への注入を良好に行なうことができる厚みであればよく、例えば、１０〜５００ｎｍ程度とすることができる。

酸化物層３ａは、第１の半導体層３を酸素や水蒸気等の酸化性ガスを含む雰囲気で加熱することによって、第１の半導体層３の表面部を酸化することによって形成できる。このような方法であれば、酸化物層３ａを容易に作製でき、製造工程を簡略化できる。酸化物層３ａを第１の半導体層３の表面部を酸化することによって形成する方法の具体例としては、例えば、水蒸気を分圧比で１００〜１０００ｐｐｍｖ含む窒素ガス雰囲気下で、第１の半導体層３を、１００〜３００℃で５〜１２０分程度加熱する方法が挙げられる。

あるいは、酸化物層３ａゾルゲル法や蒸着法等によって、別途、金属酸化物等の皮膜を形成したものであってもよい。

次に、この酸化物層３ａを酸性溶液やアルカリ性溶液で溶解するなどの方法で除去した後、この第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を順に形成する。

第２の半導体層４は、溶液成長法（ＣＢＤ法ともいう）によって形成することができる。例えば、酢酸カドミウムとチオ尿素とをアンモニア水に溶解して成膜液を形成し、この成膜液に第１の半導体層３の形成まで行なった基板１を浸漬することで、第１の半導体層３の上にＣｄＳを含む第２の半導体層４を形成することができる。

第２の半導体層４をＣＢＤ法で形成する場合、このＣＢＤ法に用いる成膜液で上記酸化物層３ａを溶解できる場合は、酸化物層３ａの除去と第２の半導体層４とを同じ成膜液を用いて、同時に行なってもよい。その場合、製造工程を簡略化できる。

また、上部電極層５は、例えば、Ｓｎが含まれた酸化インジウム（ＩＴＯ）等を主成分とする透明導電膜であり、スパッタリング法、蒸着法、またはＣＶＤ法等で形成することができる。図７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。

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Ｙ方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層２の上面にかけて、第２溝部Ｐ２を形成する。第２溝部Ｐ２は、例えば、スクライブ針を用いたメカニカルスクライビング加工によって形成することができる。図８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、第１溝部Ｐ１よりも若干Ｘ方向（図中では＋Ｘ方向）にずれた位置に形成する。

第２溝部Ｐ２を形成した後、集電電極７および接続導体６を形成する。集電電極７および接続導体６については、例えば、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散した導電性
を有するペースト（導電ペーストともいう）を、所望のパターンを描くように印刷し、これを加熱することで形成できる。図９は、集電電極７および接続導体６を形成した後の状態を示す図である。

集電電極７および接続導体６を形成した後、上部電極層５の上面のうちの直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層２の上面にかけて、第３溝部Ｐ３を形成する。第３溝部Ｐ３の幅は、例えば、４０〜１０００μｍ程度とすることができる。また、第３溝部Ｐ３は、第２溝部Ｐ２と同様に、メカニカルスクライビング加工によって形成することができる。このようにして、第３溝部Ｐ３の形成によって、図１および図２で示された光電変換装置１１を製作したことになる。

１：基板
２：第１の電極層
３：第１の半導体層
３ａ：酸化物層
４：第２の半導体層
５：第２の電極層
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置

Claims (4)

1. Ｉ−III−VI族化合物を含む第１の導電型の第１の半導体層を用意する工程と、
   該第１の半導体層の主面に酸化物層を形成する工程と、
   II−Ｂ族元素をスパッタリング法によって前記酸化物層を介して前記第１の半導体層に注入する工程と、
   前記酸化物層を除去した後、前記第１の半導体層の前記主面に前記第１の導電型とは異なる第２の導電型の第２の半導体層を形成する工程と
   を具備することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
2. 前記酸化物層を前記第１の半導体層の表面部を酸化することによって形成する、請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
3. 前記酸化物層をアルカリ金属元素を含む溶液によって除去する、請求項１または２に記載の光電変換装置の製造方法。
4. 前記第２の半導体層としてIII−VI族化合物を用いる、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。

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