JP2014053420A - Solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池に関し、特にInとGaとZnとを含む非晶質酸化物半導体層を備えた太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell, and particularly to a solar cell including an amorphous oxide semiconductor layer containing In, Ga, and Zn.
CIGSまたはCZTSに代表される化合物薄膜太陽電池には、光電変換層となる化合物半導体層の材料特性による高性能化、および、化合物半導体層の数μmオーダーへの薄膜化による低コスト化が見込める。そのため、近年、化合物薄膜太陽電池の開発が活発に進められている。 A compound thin film solar cell represented by CIGS or CZTS can be expected to have high performance due to the material characteristics of the compound semiconductor layer to be a photoelectric conversion layer and cost reduction by thinning the compound semiconductor layer to the order of several μm. Therefore, in recent years, development of compound thin film solar cells has been actively promoted.
現在流通している化合物薄膜太陽電池は、主に、裏面電極と、p型光電変換層と、バッファ層と、高抵抗バッファ層と、透明導電膜とがこの順に積層されることにより構成されている。 The compound thin film solar cells currently in circulation are mainly configured by laminating a back electrode, a p-type photoelectric conversion layer, a buffer layer, a high resistance buffer layer, and a transparent conductive film in this order. Yes.
一方で、バッファ層を用いずにp型光電変換層に直接n型透明導電膜を積層するという太陽電池の構造が提案されている(たとえば、非特許文献1および特許文献1など)。非特許文献1には、CIGS光電変換層上に直接酸化亜鉛層を電着またはスパッタ法により形成した構造(CIGS/ZnO/AlドープZnO)が記載されており、この構造では約11%の光電変換効率が得られることも記載されている。
On the other hand, a solar cell structure in which an n-type transparent conductive film is laminated directly on a p-type photoelectric conversion layer without using a buffer layer has been proposed (for example, Non-Patent
透明導電膜を構成する材料としては、ZnOなどの多結晶酸化物半導体に限定されず、たとえばIn−Ga−Zn−Oなどの酸化物半導体(以下、「InGaZnO非晶質酸化物半導体」と記載する)も挙げられる。InGaZnO非晶質酸化物半導体は、約3eV以上という大きなバンドギャップエネルギーを有し、室温下で成膜した場合であってもZnOよりも大きな電子移動度(>10cm2/Vs)を有する。これらのことから、InGaZnO非晶質酸化物半導体は、電子ペーパー、液晶パネルおよび有機ELなどを駆動するTFTのチャネル層の材料として注目を集めている。 The material forming the transparent conductive film is not limited to a polycrystalline oxide semiconductor such as ZnO, but is described as an oxide semiconductor such as In—Ga—Zn—O (hereinafter referred to as “InGaZnO amorphous oxide semiconductor”). ). An InGaZnO amorphous oxide semiconductor has a large band gap energy of about 3 eV or more, and has a higher electron mobility (> 10 cm 2 / Vs) than ZnO even when deposited at room temperature. For these reasons, InGaZnO amorphous oxide semiconductors are attracting attention as materials for channel layers of TFTs that drive electronic paper, liquid crystal panels, organic ELs, and the like.
ワイドギャップ材料(バンドギャップエネルギーが大きな材料)であるInGaZnO非晶質酸化物半導体は、たとえば、p型シリコン基板とのヘテロ接合太陽電池において、開放電圧を向上させ且つ光学吸収ロスを減らすn型窓層を構成する材料としても魅力的である。特許文献1では、p型半導体基板と、p型半導体基板上に設けられたn型透明非結晶酸化物半導体層とを備えた光電デバイスを提案している。特許文献1に記載のn型透明非結晶酸化物半導体層は、主に、亜鉛酸化物(ZnO)、錫酸化物と亜鉛酸化物との混合体(ZnO−SnO2混合体)または亜鉛酸化物とインジウム酸化物との混合体(ZnO−In2O3混合体)から形成され、更に、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ホウ素、イットリウム、スカンジウム、フッ素、バナジウム、シリコン、ゲルマニウム、ジルコニウム、ハフニウム、窒素およびベリリウムの少なくとも一つを含む。
An InGaZnO amorphous oxide semiconductor, which is a wide gap material (a material having a large band gap energy), is an n-type window that improves open-circuit voltage and reduces optical absorption loss in, for example, a heterojunction solar cell with a p-type silicon substrate. It is also attractive as a material constituting the layer.
Gaを含み、Cuと、Inと、SおよびSeのうちの少なくとも1つとをさらに含むカルコパイライト型結晶構造を有するp型化合物半導体材料からなる層の層内および界面では、キャリアトラップされやすい。図1は、CIGSにおいてGa/(In+Ga)を変更したときの状態密度を示すグラフである。非特許文献2によれば、点欠陥Gacuが2個の電子を捕獲してGacu 2+となり、これにより図1に示すようなDXセンターと呼ばれる深い準位が形成され、その結果、キャリアトラップされることが記載されている。つまり、CIGSにおけるGa/(In+Ga)を高くすると、そのCIGSのバンドギャップエネルギーが大きくなる一方、層内および界面にてキャリアトラップされやすくなる。
Carrier trapping is likely to occur in the layer and at the interface of a layer made of a p-type compound semiconductor material having a chalcopyrite type crystal structure containing Ga, Cu, In, and at least one of S and Se. FIG. 1 is a graph showing the density of states when Ga / (In + Ga) is changed in CIGS. According to
また、InGaZnO非晶質酸化物半導体では、酸素欠損により伝導電子が生成される一方で、酸素欠損によりバンドギャップ内に欠陥準位が形成されることが知られている。よって、導電性のInGaZnO非晶質酸化物半導体からなる層(以下、「InGaZnO非晶質酸化物半導体層」と記載する)では、キャリア濃度が高く、多くの欠陥準位が形成されるため、層内および界面にてキャリアトラップされやすい。 In InGaZnO amorphous oxide semiconductors, it is known that conduction electrons are generated due to oxygen vacancies, while defect levels are formed in the band gap due to oxygen vacancies. Therefore, in a layer made of a conductive InGaZnO amorphous oxide semiconductor (hereinafter referred to as “InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer”), the carrier concentration is high and many defect levels are formed. Carrier traps easily in the layer and at the interface.
よって、Gaを含み、Cuと、Inと、SおよびSeのうちの少なくとも1つとを含むカルコパイライト型結晶構造を有するp型化合物半導体材料を含む光電変換層(以下、「CIGS光電変換層」と記載する)に、キャリア濃度の高い、導電性のInGaZnO非晶質酸化物半導体層を直接形成することによりヘテロ接合を形成すると、ヘテロ界面でのキャリア再結合の増大を招き、光電変換効率の低下を引き起こす。 Therefore, a photoelectric conversion layer (hereinafter referred to as “CIGS photoelectric conversion layer”) containing a p-type compound semiconductor material having a chalcopyrite type crystal structure containing Ga, Cu, In, and at least one of S and Se. If a heterojunction is formed by directly forming a conductive InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration, the increase in carrier recombination at the heterointerface and a decrease in photoelectric conversion efficiency are described. cause.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、CIGS光電変換層と導電性のInGaZnO非晶質酸化物半導体層とのヘテロ界面でのキャリア再結合を抑制可能な構造を備えた太陽電池を提供することである。 The present invention has been made in view of this point, and the object of the present invention is to suppress carrier recombination at the heterointerface between the CIGS photoelectric conversion layer and the conductive InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer. It is providing the solar cell provided with the simple structure.
本発明の太陽電池は、CuとGaとInとSおよびSeのうちの少なくとも1つとからなるカルコパイライト型結晶構造を有するp型化合物半導体材料を含む光電変換層と、光電変換層上に設けられ、InとGaとZnとを含み、且つ、キャリア濃度が異なる2以上の非晶質酸化物半導体層とを備える。光電変換層側に設けられた非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は、光電変換層から遠い位置に設けられた非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度よりも低い。 The solar cell of the present invention is provided on a photoelectric conversion layer including a p-type compound semiconductor material having a chalcopyrite type crystal structure composed of at least one of Cu, Ga, In, S, and Se, and the photoelectric conversion layer. And two or more amorphous oxide semiconductor layers containing In, Ga, and Zn and having different carrier concentrations. The carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer provided on the photoelectric conversion layer side is lower than the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer provided far from the photoelectric conversion layer.
光電変換層におけるGa/(In+Ga)は、0.3以上であることが好ましい。光電変換層側に設けられた非晶質酸化物半導体層の厚さは、10nm以下であることが好ましい。キャリア濃度が異なる非晶質酸化物半導体層は、いずれも、スパッタ法により形成されることが好ましい。 Ga / (In + Ga) in the photoelectric conversion layer is preferably 0.3 or more. The thickness of the amorphous oxide semiconductor layer provided on the photoelectric conversion layer side is preferably 10 nm or less. Any of the amorphous oxide semiconductor layers having different carrier concentrations is preferably formed by a sputtering method.
CIGS光電変換層と導電性のInGaZnO非晶質酸化物半導体層との間に、このInGaZnO非晶質酸化物半導体層よりもキャリア濃度の低い別のInGaZnO非晶質酸化物半導体層を設けることで、CIGS光電変換層とキャリア濃度の低いInGaZnO非晶質酸化物半導体層とでヘテロ界面が形成される。そのため、ヘテロ界面におけるキャリア再結合が抑制されるので、本発明の太陽電池では光電変換効率が向上する。 By providing another InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer having a carrier concentration lower than that of the InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer between the CIGS photoelectric conversion layer and the conductive InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer. A heterointerface is formed by the CIGS photoelectric conversion layer and the InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration. Therefore, since carrier recombination at the heterointerface is suppressed, the photoelectric conversion efficiency is improved in the solar cell of the present invention.
以下、図面を参照して本発明の太陽電池について詳細に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。 Hereinafter, the solar cell of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In addition, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
[太陽電池の構成]
図2は、本発明の太陽電池の構成の一例を示す断面図である。図2に示す太陽電池10では、基板11上に、裏面電極12、光電変換層13、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14(単に「非晶質酸化物半導体層14」と記すことがある)、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15(単に「非晶質酸化物半導体層15」と記すことがある)、および表面電極16が順に積層されている。以下、太陽電池10の構成を説明する。
[Configuration of solar cell]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the solar cell of the present invention. In the
<基板>
基板11は、その上に裏面電極12などが積層されるための基板であり、たとえば青板ガラスなどからなるガラス基板、ステンレス板などの金属基板、またはポリイミド膜などの樹脂基板であることが好ましい。基板11の厚さは特に制限されない。
<Board>
The
<裏面電極>
裏面電極12は、基板11上に形成され、MoまたはTiなどの高耐蝕性且つ高融点の金属からなることが好ましい。裏面電極12の厚さは、特に制限されず200〜2000nm程度であることが好ましい。
<Back electrode>
The
<光電変換層>
光電変換層13は、裏面電極12上に形成され、光吸収により電荷を生じる層である。光電変換層13の主成分は、Cuと、Gaと、Inと、SおよびSeのうちの少なくとも1つとからなるカルコパイライト型結晶構造を有するp型化合物半導体材料であることが好ましい。光電変換層13の主成分がGaを含む上記p型化合物半導体材料であれば、DXセンターによってキャリアトラップされやすい。しかし、本発明の太陽電池10では、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14がキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15よりも光電変換層13側に設けられているため、ヘテロ界面におけるキャリア再結合を抑制することができ、よって、光電変換効率を向上させることができる。したがって、光電変換層13の主成分が上記p型化合物半導体材料であれば、本発明の効果が発揮される。
<Photoelectric conversion layer>
The
ここで、光電変換層13の主成分は、光電変換層13における含有率が50質量%以上である材料を意味する。光電変換層13における光電変換層13の主成分の含有率は、好ましくは60質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上である。
Here, the main component of the
図3は、CIGSにおけるGa/(In+Ga)とその禁制帯幅Egとの関係を示すグラフである。図4は、CIGSの禁制帯幅とそのCIGSからなる光電変換層を備えた太陽電池の変換効率との関係を示すグラフである。図3に示すようにCIGSにおけるGa/(In+Ga)を変更すると、そのバンドギャップエネルギーを約1.0eV〜1.7eVの範囲で変更することができる。図4に示すように、理想的なpn接合型太陽電池では、バンドギャップエネルギーが1.4eV付近で変換効率が最大となる。よって、CIGSにおけるGa/(In+Ga)を制御すれば、最適なバンドギャップエネルギーを有するCIGSを作製することが可能であり、したがって、CIGSからなる光電変換層を備えた太陽電池の変換効率を向上させることができる。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between Ga / (In + Ga) and its forbidden bandwidth Eg in CIGS. FIG. 4 is a graph showing the relationship between CIGS forbidden bandwidth and the conversion efficiency of a solar cell including a photoelectric conversion layer made of CIGS. When Ga / (In + Ga) in CIGS is changed as shown in FIG. 3, the band gap energy can be changed in the range of about 1.0 eV to 1.7 eV. As shown in FIG. 4, in an ideal pn junction solar cell, the conversion efficiency becomes maximum when the band gap energy is around 1.4 eV. Therefore, by controlling Ga / (In + Ga) in CIGS, it is possible to produce CIGS having an optimum band gap energy, and thus improve the conversion efficiency of a solar cell including a photoelectric conversion layer made of CIGS. be able to.
しかし、CIGSのバンドギャップエネルギーが約1.2eVを超えると、つまりGa/(In+Ga)が0.3以上となると、そのCIGSからなる光電変換層を備えた太陽電池の光電変換効率が低下することが報告されている。その理由は、Ga/(In+Ga)が0.3以上となると、DXセンターによるキャリアトラップが著しく増大するので、CIGSからなる光電変換層内および界面でのキャリアトラップが増大するためである。よって、Ga/(In+Ga)が大きいCIGS光電変換層、特にGa/(In+Ga)が0.3以上のCIGSからなる光電変換層と導電性のInGaZnO非晶質酸化物半導体層とでヘテロ界面を形成する場合、本発明の効果がより発揮される。 However, when the band gap energy of CIGS exceeds about 1.2 eV, that is, when Ga / (In + Ga) is 0.3 or more, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell including the photoelectric conversion layer made of CIGS decreases. Has been reported. The reason is that when Ga / (In + Ga) is 0.3 or more, carrier traps by the DX center are remarkably increased, and therefore, carrier traps in the photoelectric conversion layer made of CIGS and at the interface are increased. Therefore, a CIGS photoelectric conversion layer having a large Ga / (In + Ga), in particular, a heterointerface is formed by a photoelectric conversion layer made of CIGS having Ga / (In + Ga) of 0.3 or more and a conductive InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer. In this case, the effect of the present invention is more exhibited.
上記p型化合物半導体材料におけるGa/(In+Ga)の測定方法としては、特に限定されないが、たとえば、二次イオン質量分析法、オージェ電子分光法またはエネルギー分散型X線分光法などが挙げられる。 The method for measuring Ga / (In + Ga) in the p-type compound semiconductor material is not particularly limited, and examples thereof include secondary ion mass spectrometry, Auger electron spectroscopy, and energy dispersive X-ray spectroscopy.
光電変換層13は、単一の材料からなる単層であっても良いし、二種以上の材料を含む単層であっても良いし、異なる材料からなる層が積層されて構成されていても良い。
The
光電変換層13の厚さは特に制限されず、1〜3μm程度であることが好ましい。光電変換層13が積層構造を有する場合には、光電変換層13の合計厚さが1〜3μm程度であることが好ましい。
The thickness of the
<キャリア濃度が異なる非晶質酸化物半導体層>
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14は光電変換層13上に形成されており、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15はキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14上に形成されている。キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15とは、どちらも、InとGaとZnとを含む非晶質酸化物半導体層(InGaZnO非晶質酸化物半導体層)である。そして、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14におけるキャリア濃度は、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15におけるキャリア濃度よりも低い。
<Amorphous oxide semiconductor layers with different carrier concentrations>
The amorphous
InGaZnO非晶質酸化物半導体では、酸素欠損により伝導電子が生成することが知られており、酸素欠損によりバンドギャップ内に欠陥準位が形成されることが知られている。一方、InGaZnO非晶質酸化物半導体におけるキャリア濃度が低ければ、InGaZnO非晶質酸化物半導体における酸素欠損が少ないことを意味するので、バンドギャップ内に欠陥準位が形成されることを防止できる。そこで、このようなキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を光電変換層13とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15との間に設ければ、InGaZnO非晶質酸化物半導体における酸素欠損がキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15よりも少ない層を光電変換層13とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15との間に設けることができる。よって、ヘテロ界面におけるキャリア再結合を抑制することができるので、成果物である太陽電池10の光電変換効率が向上する。
In an InGaZnO amorphous oxide semiconductor, it is known that conduction electrons are generated due to oxygen vacancies, and it is known that defect levels are formed in the band gap due to oxygen vacancies. On the other hand, if the carrier concentration in the InGaZnO amorphous oxide semiconductor is low, it means that there are few oxygen vacancies in the InGaZnO amorphous oxide semiconductor, so that it is possible to prevent the formation of defect levels in the band gap. Therefore, if such an amorphous
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14におけるキャリア濃度は、好ましくは5×1018cm-3以下であり、より好ましくは5×1015cm-3以下である。キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14におけるキャリア濃度が5×1018cm-3を超えると、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15との差別化が難しくなり、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を設けたことにより得られる効果が十分に得られないことがある。
The carrier concentration in the amorphous
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15におけるキャリア濃度は、好ましくは1×1019cm-3以上であり、より好ましくは5×1019cm-3以上である。キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15におけるキャリア濃度が1×1019cm-3を下回ると、導電性の低下により短絡電流の低下を招くことがある。
The carrier concentration in the amorphous
キャリア濃度は、伝導電子または正孔の濃度を意味し、不純物および欠陥などに依存し、ドープされた導電型不純物の量だけで決まらない。つまり、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14におけるキャリア濃度はキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14にドープされた導電型不純物の量だけでは決まらず、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15におけるキャリア濃度はキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15にドープされた導電型不純物の量だけでは決まらない。
The carrier concentration means the concentration of conduction electrons or holes, depends on impurities and defects, and is not determined only by the amount of doped conductive impurities. That is, the carrier concentration in the amorphous
キャリア濃度は、ホール効果測定(Van der Pauw法による測定)を用いることにより得ることができる。ホール効果とは、電流の流れている方向とは垂直の方向に磁場をかけると、電流の方向および磁場の方向の両方に直交する方向に電場が生じて起電力Vが現れる現象である。キャリア濃度の算出に用いる膜厚は、たとえば、原子間力顕微鏡(AFM)により測定することができる。キャリア濃度は、太陽電池の電圧対容量特性(「C−V特性」と記すことがある。C−VはCapacitance-Voltageの略である。)の結果に基づいて算出されてもよい。 The carrier concentration can be obtained by using Hall effect measurement (measurement by Van der Pauw method). The Hall effect is a phenomenon in which an electromotive force V appears when an electric field is generated in a direction perpendicular to both the current direction and the magnetic field direction when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the direction in which the current flows. The film thickness used for calculating the carrier concentration can be measured by, for example, an atomic force microscope (AFM). The carrier concentration may be calculated based on the result of the voltage-capacitance characteristics of the solar cell (sometimes referred to as “CV characteristics”, where CV is an abbreviation for Capacity-Voltage).
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を構成するInGaZnO非晶質酸化物半導体およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15を構成するInGaZnO非晶質酸化物半導体は、それぞれ、適量のGaを含むことが好ましい。Ga3+は、酸素と強い結合エネルギーを持つ。そのため、上記InGaZnO非晶質酸化物半導体が適量のGaを含んでいれば、過剰な酸素欠損を抑制することができる。その結果、非晶質酸化物半導体層14,15のそれぞれを構成するInGaZnO非晶質酸化物半導体がキャリア濃度安定性を有するため、キャリア濃度が安定した非晶質酸化物半導体層14,15を形成することができる。
The InGaZnO amorphous oxide semiconductor constituting the amorphous
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15は、In、GaおよびZn以外に、Be、Na、Mg、Al、Si、Ca、Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni、Ge、As、Y、Zr、Nb、Mo、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、およびPbなどの少なくとも1つの元素を添加元素として含んでいても良い。キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15は、それぞれ、単一の材料からなる単一層であっても良いし、異なる組成の材料が2種以上含まれてなる単一層であっても良いし、異なる組成の材料からなる層が積層されて構成されていても良い。
The amorphous
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14の厚さは10nm以下であることが好ましい。これにより、短絡電流の低下を防止することができる。
The thickness of the amorphous
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15の厚さは特に限定されないが、10nm以上1.5μm以下であることが好ましい。
The thickness of the amorphous
<表面電極>
表面電極16は、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15上に形成されている。表面電極16の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、たとえばAlまたはAgからなることが好ましい。表面電極16は、たとえば、Al金属またはAg金属をターゲットとする抵抗加熱もしくは電子ビームなどの真空蒸着法、スパッタリング法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、またはMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などにより形成されても良いし、アルミニウム粉末または銀粉末などを含んだ導電性ペーストを塗布(スクリーン印刷)してから焼成することにより形成されても良い。表面電極16のパターニングには、たとえば、フォトプロセスを用いたエッチング法、リフトオフ法、または、メタルマスクを用いて堆積させる方法などの既存の手法を用いることができる。
<Surface electrode>
The
表面電極16は、真空蒸着法などにより形成され、Ti/Pd/Agの順に積層されてなる電極であっても良い。
The
表面電極16は、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15の上面全体に形成されたITOからなる透明電極であっても良いし、導電性を付与するためにIII族元素がドーパントとして添加された導電性酸化亜鉛膜であっても良い。ドーパントとしては、B、AlおよびGaのいずれかを用いることができる。このような構成の表面電極16は、In2O3−SnO2またはAl2O3−ZnOなどをターゲットとするスパッタ法により形成されることが好ましい。
The
表面電極16は、透明電極と金属電極とが積層されてなる電極であっても良い。表面電極16は設けられていなくても良く、別の言い方をすると本発明の太陽電池は受光面に電極を持たない裏面電極型構造(バックコンタクト構造)からなっても良い。また、表面電極16は、ITOなどからなる透明電極上に設けられていても良い。
The
以上、本発明の太陽電池の一例として図2に示す太陽電池10を例に挙げて示したが、本発明の太陽電池ではキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14がキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15よりも光電変換層13側に設けられていれば良い。そのため、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14は、1つ以上の層(たとえば非晶質酸化物半導体層14よりもさらにキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層)を挟んで光電変換層13上に設けられていても良い。キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15は、1つ以上の層(たとえば非晶質酸化物半導体層14のキャリア密度より高く非晶質酸化物半導体層15のキャリア密度より低いキャリア濃度を有する非晶質酸化物半導体層)を挟んでキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14上に設けられていても良い。表面電極16は、1つ以上の層(たとえば非晶質酸化物半導体層15よりもさらにキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層)を挟んでキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15上に設けられていても良い。キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14と表面電極16との間には、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15とは別に任意のキャリア濃度を有する非晶質酸化物半導体層が1層以上設けられていても良い。
As described above, the
本発明の太陽電池は図2に示す構成に限定されない。たとえば、本発明の太陽電池は、表面電極16を備えていなくても良い。また、本発明の太陽電池は、必要に応じて、カバーガラス、保護フィルム、反射防止膜、および封止膜などの少なくとも1つを備えていても良い。ここで、反射防止膜はMgF2またはAl2O3などからなることが好ましく、封止膜はEVA(Ethylene-Vinyl Acetate、エチレンビニルアセテート)樹脂またはエポキシ樹脂などからなることが好ましい。
The solar cell of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. For example, the solar cell of the present invention may not include the
図2に示す太陽電池10において、基板11、裏面電極12および表面電極16の各材料は上記材料に限定されない。また、図2に示す太陽電池10において、光電変換層13および非晶質酸化物半導体層14,15は、上記材料以外の材料を含んでいても良い。
In the
本発明における非晶質酸化物半導体層14,15は、単接合セルだけでなく多接合型太陽電池にも適用可能である。単接合セルとは、図2に示す太陽電池10などのように光電変換層を1層備えた太陽電池である。多接合型太陽電池とは、光電変換層を2層以上備えた太陽電池である。
The amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 in the present invention can be applied not only to a single junction cell but also to a multi-junction solar cell. A single junction cell is a solar cell provided with one photoelectric conversion layer like the
[太陽電池の製造方法]
図2に示す太陽電池10の製造方法の一例を以下に示す。
[Method for manufacturing solar cell]
An example of the manufacturing method of the
まず、基板11上に、裏面電極12および光電変換層13を順次形成する。裏面電極12は、たとえば、裏面電極12を構成する金属材料をターゲットとしたスパッタ法などにより形成されることが好ましい。光電変換層13は、多源蒸着法、セレン化法、またはスパッタ法などといった気相状態の原料を用いて形成されても良いし、ナノ粒子塗布法、電着法、または溶液法などといった液相状態の原料を用いて形成されても良い。
First, the
次に、光電変換層13上に、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15およびITOからなる透明電極を順次形成する。その後、真空蒸着法(特に抵抗加熱蒸着法)などにより表面電極16を形成する。このようにして得られた太陽電池に対してアニール処理(たとえば280℃)を行なっても良い。
Next, an amorphous
以下では、非晶質酸化物半導体層14,15の形成方法について示す。非晶質酸化物半導体層14,15の形成方法は特に限定されず、InGaZnO非晶質酸化物半導体層を形成可能な方法であれば良く、たとえば、DC(Direct Current)スパッタ法もしくはRF(Radio Frequency)スパッタ法などのスパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法またはIBS(Ion Beam Sputtering)法などに代表される公知の薄膜形成法を挙げることができる。 Hereinafter, a method for forming the amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 will be described. The method for forming the amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 is not particularly limited as long as it is a method capable of forming an InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer. For example, DC (Direct Current) sputtering or RF (Radio) Known thin film forming methods represented by sputtering methods such as frequency (sputtering) methods, chemical vapor deposition (CVD) methods, pulsed laser deposition (PLD) methods, molecular beam epitaxy (MBE) methods, and ion beam sputtering (IBS) methods Can be mentioned.
上記薄膜形成法で用いられる材料源としては、In、GaおよびZnをそれぞれ単独または複数種含む酸化物を用いても良いし、In、GaおよびZnをそれぞれ単独または複数種含む金属体を用いても良い。In、GaまたはZnを単独で含む酸化物としては、In2O3、Ga2O3またはZnOなどを用いることができる。In、GaおよびZnを複数種含む酸化物としては、InGaZnOまたはInGaOなどを用いることができる。 As a material source used in the thin film formation method, an oxide containing one or more of In, Ga and Zn may be used, or a metal body containing one or more of In, Ga and Zn may be used. Also good. As the oxide containing In, Ga, or Zn alone, In 2 O 3 , Ga 2 O 3, ZnO, or the like can be used. As the oxide containing a plurality of types of In, Ga, and Zn, InGaZnO, InGaO, or the like can be used.
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14として欠陥準位の少ないInGaZnO非晶質酸化物半導体層を形成できるのであれば、同じ組成の材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14,15を形成しても良いし、異なる組成の材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14,15を形成しても良い。また、上記材料源として酸化物および金属体のどちらを用いた場合であっても、真空中、希ガス中または酸素中において非晶質酸化物半導体層14,15を順次形成しても良いし、酸素を含むガス雰囲気中において金属を酸化させながら非晶質酸化物半導体層14,15を順次形成しても良い。しかし、以下に示す条件にしたがって非晶質酸化物半導体層14,15を形成することが好ましい。
As long as an InGaZnO amorphous oxide semiconductor layer with few defect levels can be formed as the amorphous
材料源がInGaZnO系である場合には、酸素欠損により伝導電子が生成される。そのため、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成するときには、n型半導体の起源である伝導電子の生成を極力抑えることが好ましい。具体的には、酸素欠損が発生し難い材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14を形成しても良いし、非晶質酸化物半導体層14の形成時において酸素欠損の発生が抑制されるように形成時のガス雰囲気を制御しても良い。形成時のガス雰囲気が酸素ガスを含んでいない場合には、形成後の熱処理時において酸素欠損の発生を抑制するように形成後の熱処理時のガス雰囲気を制御することが好ましい。
When the material source is an InGaZnO system, conduction electrons are generated due to oxygen vacancies. Therefore, when forming the amorphous
上記材料源を用いる場合、欠陥準位の少ない非晶質酸化物半導体層14を形成できれば、同じ組成の材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14と非晶質酸化物半導体層15とを形成しても良いし、異なる材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14と非晶質酸化物半導体層15とを形成しても良い。たとえば、同一の組成であるInGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を用いて、非晶質酸化物半導体層14と非晶質酸化物半導体層15とを形成しても良い。または、InGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を用いて非晶質酸化物半導体層14を形成する一方、InGaZnO(In:Ga:Zn=1:2:1(原子比))またはInGaZnO(In:Ga:Zn=1:3:1(原子比))を用いて非晶質酸化物半導体層15を形成しても良い。一般的に、Gaを含む酸化物半導体は、欠陥準位を形成しやすい。このことから、Ga含有率の高いInGaZnOを材料源に用いて非晶質酸化物半導体層15を形成した場合に本発明の効果がより発揮される。
In the case where the material source is used, if the amorphous
形成時または形成後の熱処理時のガス雰囲気を制御することにより形成時または形成後の熱処理において酸素欠損の発生を抑制する場合には、形成時または形成後の熱処理時の酸素流量を制御することが好ましい。たとえば、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15を形成する場合よりも酸素ガスの含有率が高い混合ガス雰囲気下において、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14の形成またはキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14の形成後の熱処理を行なうことが好ましい。酸素ガスと希ガスとの混合ガス雰囲気下においてキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成する場合には、希ガスを含めた全導入量に対して酸素ガスの導入量を6体積%以上として非晶質酸化物半導体層14の形成および形成後の熱処理を行なうことが好ましく、希ガスを含めた全導入量に対して酸素ガスの導入量を12体積%以上として非晶質酸化物半導体層14の形成および形成後の熱処理を行なうことがより好ましい。これにより、キャリア濃度が5×1018cm-3以下、より好ましくはキャリア濃度が5×1015cm-3以下である非晶質酸化物半導体層14が形成される。酸素欠損が発生し難い材料源を用いて非晶質酸化物半導体層14を形成する場合においても、このような制御を行なうことが好ましい。
In the case of suppressing the generation of oxygen deficiency in the heat treatment during or after the formation by controlling the gas atmosphere during the heat treatment during or after the formation, the oxygen flow rate during the heat treatment during or after the formation is controlled. Is preferred. For example, the formation of the amorphous
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15を形成する場合、形成時のガス雰囲気の組成は特に限定されない。希ガスを含めた全導入量に対して酸素ガスの導入量を2体積%以下として非晶質酸化物半導体層15の形成および形成後の熱処理を行なうことが好ましく、希ガスのみの雰囲気下で非晶質酸化物半導体層15の形成および形成後の熱処理を行なうことがより好ましい。キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15の形成後の熱処理は任意である。
When the amorphous
上記薄膜形成法の中でもスパッタ法により非晶質酸化物半導体層14,15を形成することが好ましい。これにより、原子レベルで平坦な、厚さがナノオーダーの非晶質酸化物半導体層14,15が形成される。以下では、非晶質酸化物半導体層14,15を形成する具体的な方法を示す。 Among the thin film formation methods, it is preferable to form the amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 by sputtering. As a result, the amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 that are flat at the atomic level and have a nano-order thickness are formed. Hereinafter, a specific method for forming the amorphous oxide semiconductor layers 14 and 15 will be described.
スパッタのターゲットとしては、In、GaおよびZnが単独または複数種含まれた金属ターゲット、または、In、GaおよびZnが単独または複数種含まれた金属酸化物ターゲットを用いることができる。In、GaおよびZnが単独または複数種含まれた金属酸化物ターゲットとしては、上記酸化物を用いることができる。 As the sputtering target, a metal target containing In, Ga and Zn alone or in plural kinds, or a metal oxide target containing In, Ga and Zn alone or in plural kinds can be used. As the metal oxide target containing In or Ga and Zn alone or in plural kinds, the above oxides can be used.
スパッタ装置内の所定の箇所に光電変換層13まで形成された基板(以下「光電変換層13付き基板」と記載する)を固定し、Arガスに代表される希ガス、酸素ガスまたは希ガスと酸素ガスとの両方をスパッタ装置内に導入する。
A substrate formed up to the photoelectric conversion layer 13 (hereinafter referred to as “substrate with the
次に、スパッタのターゲットに対してDC電力またはRF電力を供給することにより、ターゲット材料を叩き出す。これにより、光電変換層13上にキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層15が順に形成される。このとき、同一の組成からなるターゲットを用いて非晶質酸化物半導体層14,15を形成する場合には、非晶質酸化物半導体層14の形成時または形成後の熱処理時のガス雰囲気を上述のように制御することが好ましい。また、InGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))からなるターゲットを用いて非晶質酸化物半導体層14を形成し、且つ、InGaZnO(In:Ga:Zn=1:2:1(原子比))またはInGaZnO(In:Ga:Zn=1:3:1(原子比))からなるターゲットを用いて非晶質酸化物半導体層15を形成しても良い。
Next, the target material is knocked out by supplying DC power or RF power to the sputtering target. Thereby, an amorphous
このとき、ターゲットに対して供給される電力は、ターゲットの種類などに依存するが、50W以上1000W以下であることが好ましい。 At this time, the power supplied to the target depends on the type of the target and the like, but is preferably 50 W or more and 1000 W or less.
また、必要に応じて、光電変換層13付き基板を加熱することが好ましい。これにより、酸素ガスとターゲットとの反応性を高めることができる。
Moreover, it is preferable to heat the substrate with the
形成後の非晶質酸化物層に対しては、特にキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14に対しては、酸素欠損を抑制する目的または薄膜中の材料均一性を高める目的などにより、必要に応じて、真空中、希ガスを含む雰囲気中または酸素ガスを含む雰囲気中において熱処理を行っても構わない。キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成した雰囲気中において熱処理を行なっても良いし、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成した雰囲気とは異なる雰囲気中において熱処理を行なっても良い。たとえば希ガスのみをスパッタ装置内に導入してキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成した場合には、光電変換層13上にキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層14を形成した後に酸素ガスをスパッタ装置内に導入して酸素ガスを含む雰囲気中で熱処理を行うことが好ましい。
For the formed amorphous oxide layer, particularly for the amorphous
なお、裏面電極12、光電変換層13、非晶質酸化物半導体層14,15および表面電極16の各形成方法は、上記方法に限定されず、液相での形成方法であっても良いし、気相での形成方法であっても良い。各形成方法は、各層の形成に適する方法であれば、いかなる方法であっても良い。
In addition, each formation method of the
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<実施例1>
実施例1では、図2に示す構成を備えたCIGS系薄膜太陽電池を製造した。具体的には、SLG(soda-lime glass(ソーダライムガラス))基板上に、Mo裏面電極とCIGS光電変換層とを順次形成した。CIGS光電変換層上に、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層(厚さが9nm)とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層(厚さが25nm)とITOからなる透明電極(厚さが100nm)とを順次形成した。その後、透明電極上に、Alからなる表面電極を形成した。
<Example 1>
In Example 1, a CIGS thin film solar cell having the configuration shown in FIG. 2 was manufactured. Specifically, an Mo back electrode and a CIGS photoelectric conversion layer were sequentially formed on an SLG (soda-lime glass) substrate. On the CIGS photoelectric conversion layer, an amorphous oxide semiconductor layer with a low carrier concentration (thickness 9 nm), an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration (
ナノ粒子塗布法によりCIGS光電変換層を形成した。具体的には、まず、CuInGaSe2からなる核部分と、その核部分の周囲を取り囲み且つn−オクタンセレノールからなる配位子部分とからなるナノ粒子(直径が約10nmである)を準備した。 A CIGS photoelectric conversion layer was formed by a nanoparticle coating method. Specifically, first, a nanoparticle (having a diameter of about 10 nm) consisting of a core part made of CuInGaSe 2 and a ligand part surrounding the core part and made of n-octane selenol was prepared. .
次に、このナノ粒子を無水トルエン溶媒に加えて30分間撹拌した。これにより、ナノ粒子の濃度が10質量%である無水トルエン溶液を調製した。 Next, the nanoparticles were added to anhydrous toluene solvent and stirred for 30 minutes. This prepared the anhydrous toluene solution whose nanoparticle density | concentration is 10 mass%.
続いて、塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを順に行った。まず、調製された無水トルエン溶液をSLG基板上に滴下した後に、窒素雰囲気下で15分静置させた。これにより、無水トルエン溶媒を簡易的に乾燥させた。次に、ホットプレート上でSLG基板を120℃で15分加熱することにより、無水トルエン溶媒が完全に除去された(無水トルエン溶媒を完全に乾燥させた)。その後、窒素雰囲気下において、ホットプレート上でSLG基板を300℃で15分加熱し、仮焼成処理を行なった。この塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを複数回繰り返し行なった後、本塗布−仮焼成プロセスを複数回繰り返し、最後に450℃で30分加熱した。これにより、焼成処理が終了し、厚さが約2μmであるCIGS光電変換層を得た。二次イオン質量分析法によりCIGS光電変換層におけるGa/(In+Ga)を求めると、0.31であった。 Subsequently, a coating process and a temporary baking process were sequentially performed. First, the prepared anhydrous toluene solution was dropped on the SLG substrate, and then allowed to stand for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, the anhydrous toluene solvent was simply dried. Next, the anhydrous toluene solvent was completely removed by heating the SLG substrate on a hot plate at 120 ° C. for 15 minutes (the anhydrous toluene solvent was completely dried). Thereafter, in a nitrogen atmosphere, the SLG substrate was heated at 300 ° C. for 15 minutes on a hot plate to carry out a temporary baking treatment. After repeating this coating process and temporary baking process a plurality of times, this coating-temporary baking process was repeated a plurality of times, and finally, heating was performed at 450 ° C. for 30 minutes. Thereby, the baking process was complete | finished and the CIGS photoelectric converting layer whose thickness is about 2 micrometers was obtained. When Ga / (In + Ga) in the CIGS photoelectric conversion layer was determined by secondary ion mass spectrometry, it was 0.31.
DCマグネトロンスパッタリング法によりキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成した。ターゲットとしてInGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を使用し、成膜時のガスとしてはArおよびO2を用いた。 An amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration and an amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration were formed by DC magnetron sputtering. InGaZnO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio)) was used as a target, and Ar and O 2 were used as gases during film formation.
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を44sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を6sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は4×1015cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was set to 44 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 6 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration was 4 × 10 15 cm −3 .
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を49sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を1sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は2×1019cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was 49 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 1 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration was 2 × 10 19 cm −3 .
このようにして製造された太陽電池に対してAM1.5Gの擬似太陽光を照射してセル特性を測定したところ、光電変換効率は0.63%であった。 When the cell characteristics were measured by irradiating the solar cell manufactured in this manner with AM1.5G pseudo-sunlight, the photoelectric conversion efficiency was 0.63%.
<実施例2>
Ga/(In+Ga)を0.20としたことを除いては上記実施例1と同様にして、実施例2の太陽電池を製造した。
<Example 2>
A solar cell of Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that Ga / (In + Ga) was 0.20.
具体的には、SLG(soda-lime glass(ソーダライムガラス))基板上に、Mo裏面電極とCIGS光電変換層とを順次形成した。CIGS光電変換層上に、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層(厚さが9nm)とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層(厚さが25nm)とITOからなる透明電極(厚さが100nm)とを順次形成した。その後、透明電極上に、Alからなる表面電極を形成した。
Specifically, an Mo back electrode and a CIGS photoelectric conversion layer were sequentially formed on an SLG (soda-lime glass) substrate. On the CIGS photoelectric conversion layer, an amorphous oxide semiconductor layer with a low carrier concentration (thickness 9 nm), an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration (
ナノ粒子塗布法によりCIGS光電変換層を形成した。具体的には、まず、CuInGaSe2からなる核部分と、その核部分の周囲を取り囲み且つn−オクタンセレノールからなる配位子部分とからなるナノ粒子(直径が約10nmである)を準備した。 A CIGS photoelectric conversion layer was formed by a nanoparticle coating method. Specifically, first, a nanoparticle (having a diameter of about 10 nm) consisting of a core part made of CuInGaSe 2 and a ligand part surrounding the core part and made of n-octane selenol was prepared. .
次に、このナノ粒子を無水トルエン溶媒に加えて30分間撹拌した。これにより、ナノ粒子の濃度が10質量%である無水トルエン溶液を調製した。 Next, the nanoparticles were added to anhydrous toluene solvent and stirred for 30 minutes. This prepared the anhydrous toluene solution whose nanoparticle density | concentration is 10 mass%.
続いて、塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを順に行った。まず、調製された無水トルエン溶液をSLG基板上に滴下した後に、窒素雰囲気下で15分静置させた。これにより、無水トルエン溶媒を簡易的に乾燥させた。次に、ホットプレート上でSLG基板を120℃で15分加熱することにより、無水トルエン溶媒が完全に除去された(無水トルエン溶媒を完全に乾燥させた)。その後、窒素雰囲気下において、ホットプレート上でSLG基板を300℃で15分加熱し、仮焼成処理を行なった。この塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを複数回繰り返し行なった後、本塗布−仮焼成プロセスを複数回繰り返し、最後に450℃で30分加熱した。これにより、焼成処理が終了し、厚さが約2μmであるCIGS光電変換層を得た。二次イオン質量分析法によりCIGS光電変換層におけるGa/(In+Ga)を求めると、0.20であった。 Subsequently, a coating process and a temporary baking process were sequentially performed. First, the prepared anhydrous toluene solution was dropped on the SLG substrate, and then allowed to stand for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, the anhydrous toluene solvent was simply dried. Next, the anhydrous toluene solvent was completely removed by heating the SLG substrate on a hot plate at 120 ° C. for 15 minutes (the anhydrous toluene solvent was completely dried). Thereafter, in a nitrogen atmosphere, the SLG substrate was heated at 300 ° C. for 15 minutes on a hot plate to carry out a temporary baking treatment. After repeating this coating process and temporary baking process a plurality of times, this coating-temporary baking process was repeated a plurality of times, and finally, heating was performed at 450 ° C. for 30 minutes. Thereby, the baking process was complete | finished and the CIGS photoelectric converting layer whose thickness is about 2 micrometers was obtained. When Ga / (In + Ga) in the CIGS photoelectric conversion layer was determined by secondary ion mass spectrometry, it was 0.20.
DCマグネトロンスパッタリング法によりキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成した。ターゲットとしてInGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を使用し、成膜時のガスとしてはArおよびO2を用いた。 An amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration and an amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration were formed by DC magnetron sputtering. InGaZnO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio)) was used as a target, and Ar and O 2 were used as gases during film formation.
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を44sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を6sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は4×1015cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was set to 44 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 6 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration was 4 × 10 15 cm −3 .
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を49sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を1sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は2×1019cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was 49 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 1 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration was 2 × 10 19 cm −3 .
このようにして製造された太陽電池に対してAM1.5Gの擬似太陽光を照射してセル特性を測定したところ、光電変換効率は0.56%であった。 When the cell characteristics were measured by irradiating the solar cell thus produced with AM1.5G pseudo-sunlight, the photoelectric conversion efficiency was 0.56%.
<実施例3>
厚さを18nmとしてキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層を形成したことを除いては上記実施例1と同様にして、実施例3の太陽電池を製造した。
<Example 3>
A solar cell of Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that an amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration and a thickness of 18 nm was formed.
具体的には、SLG(soda-lime glass(ソーダライムガラス))基板上に、Mo裏面電極とCIGS光電変換層とを順次形成した。CIGS光電変換層上に、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層(厚さが18nm)とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層(厚さが25nm)とITOからなる透明電極(厚さが100nm)とを順次形成した。その後、透明電極上に、Alからなる表面電極を形成した。 Specifically, an Mo back electrode and a CIGS photoelectric conversion layer were sequentially formed on an SLG (soda-lime glass) substrate. On the CIGS photoelectric conversion layer, an amorphous oxide semiconductor layer with a low carrier concentration (thickness: 18 nm), an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration (thickness: 25 nm), and a transparent electrode (thickness) made of ITO Were formed in order. Thereafter, a surface electrode made of Al was formed on the transparent electrode.
ナノ粒子塗布法によりCIGS光電変換層を形成した。具体的には、まず、CuInGaSe2からなる核部分と、その核部分の周囲を取り囲み且つn−オクタンセレノールからなる配位子部分とからなるナノ粒子(直径が約10nmである)を準備した。 A CIGS photoelectric conversion layer was formed by a nanoparticle coating method. Specifically, first, a nanoparticle (having a diameter of about 10 nm) consisting of a core part made of CuInGaSe 2 and a ligand part surrounding the core part and made of n-octane selenol was prepared. .
次に、このナノ粒子を無水トルエン溶媒に加えて30分間撹拌した。これにより、ナノ粒子の濃度が10質量%である無水トルエン溶液を調製した。 Next, the nanoparticles were added to anhydrous toluene solvent and stirred for 30 minutes. This prepared the anhydrous toluene solution whose nanoparticle density | concentration is 10 mass%.
続いて、塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを順に行った。まず、調製された無水トルエン溶液をSLG基板上に滴下した後に、窒素雰囲気下で15分静置させた。これにより、無水トルエン溶媒を簡易的に乾燥させた。次に、ホットプレート上でSLG基板を120℃で15分加熱することにより、無水トルエン溶媒が完全に除去された(無水トルエン溶媒を完全に乾燥させた)。その後、窒素雰囲気下において、ホットプレート上でSLG基板を300℃で15分加熱し、仮焼成処理を行なった。この塗布プロセスおよび仮焼成プロセスを複数回繰り返し行なった後、本塗布−仮焼成プロセスを複数回繰り返し、最後に450℃で30分加熱した。これにより、焼成処理が終了し、厚さが約2μmであるCIGS光電変換層を得た。二次イオン質量分析法によりCIGS光電変換層におけるGa/(In+Ga)を求めると、0.31であった。 Subsequently, a coating process and a temporary baking process were sequentially performed. First, the prepared anhydrous toluene solution was dropped on the SLG substrate, and then allowed to stand for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, the anhydrous toluene solvent was simply dried. Next, the anhydrous toluene solvent was completely removed by heating the SLG substrate on a hot plate at 120 ° C. for 15 minutes (the anhydrous toluene solvent was completely dried). Thereafter, in a nitrogen atmosphere, the SLG substrate was heated at 300 ° C. for 15 minutes on a hot plate to carry out a temporary baking treatment. After repeating this coating process and temporary baking process a plurality of times, this coating-temporary baking process was repeated a plurality of times, and finally, heating was performed at 450 ° C. for 30 minutes. Thereby, the baking process was complete | finished and the CIGS photoelectric converting layer whose thickness is about 2 micrometers was obtained. When Ga / (In + Ga) in the CIGS photoelectric conversion layer was determined by secondary ion mass spectrometry, it was 0.31.
DCマグネトロンスパッタリング法によりキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層およびキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成した。ターゲットとしてInGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を使用し、成膜時のガスとしてはArおよびO2を用いた。 An amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration and an amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration were formed by DC magnetron sputtering. InGaZnO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio)) was used as a target, and Ar and O 2 were used as gases during film formation.
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を44sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を6sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は4×1015cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was set to 44 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 6 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration was 4 × 10 15 cm −3 .
キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成するときには、アルゴン(Ar)ガスの流量を49sccmとし、酸素(O2)ガスの流量を1sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は2×1019cm-3であった。 When forming an amorphous oxide semiconductor layer with a high carrier concentration, the flow rate of argon (Ar) gas was 49 sccm, and the flow rate of oxygen (O 2 ) gas was adjusted to 1 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration was 2 × 10 19 cm −3 .
このようにして製造された太陽電池に対してAM1.5Gの擬似太陽光を照射してセル特性を測定したところ、光電変換効率は0.51%であった。 When the cell characteristics were measured by irradiating the solar cell thus manufactured with AM1.5G pseudo-sunlight, the photoelectric conversion efficiency was 0.51%.
<比較例1>
キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層を形成することなく太陽電池を製造したことを除いては上記実施例1と同様にして、比較例1の太陽電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A solar cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the solar cell was produced without forming an amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration.
具体的には、SLG基板上に、Mo裏面電極とCIGS光電変換層とを順次形成した。CIGS光電変換層上にキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層(厚さが25nm)とITOからなる透明電極(厚さが100nm)とを順次形成した。その後、透明電極上に、Alからなる表面電極を形成した。 Specifically, a Mo back electrode and a CIGS photoelectric conversion layer were sequentially formed on the SLG substrate. On the CIGS photoelectric conversion layer, an amorphous oxide semiconductor layer (thickness: 25 nm) having a high carrier concentration and a transparent electrode (thickness: 100 nm) made of ITO were sequentially formed. Thereafter, a surface electrode made of Al was formed on the transparent electrode.
DCマグネトロンスパッタリング法によりキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層を形成した。ターゲットとしてInGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1(原子比))を使用し、成膜時のガスとしてはArおよびO2を用いた。アルゴンガスの流量を49sccmとし、酸素ガスの流量を1sccmに調整した。形成された非晶質酸化物半導体層に関してホール効果を測定したところ、キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は2×1019cm-3であった。 An amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration was formed by DC magnetron sputtering. InGaZnO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (atomic ratio)) was used as a target, and Ar and O 2 were used as gases during film formation. The flow rate of argon gas was 49 sccm, and the flow rate of oxygen gas was adjusted to 1 sccm. When the Hall effect was measured for the formed amorphous oxide semiconductor layer, the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration was 2 × 10 19 cm −3 .
このようにして製造された太陽電池に対してAM1.5Gの擬似太陽光を照射してセル特性を測定したところ、光電変換効率は0.30%であった。 When the cell characteristics were measured by irradiating the solar cell thus manufactured with AM1.5G pseudo-sunlight, the photoelectric conversion efficiency was 0.30%.
<考察>
実施例1〜3の太陽電池の光電変換効率は、比較例1の太陽電池の光電変換効率よりも高かった。その理由として次に示すことが考えられる。実施例1〜3の太陽電池では、CIGS光電変換層とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層との間にキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層が設けられているので、ヘテロ界面におけるキャリア再結合が抑制される。一方、比較例1の太陽電池では、CIGS光電変換層とキャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層との間にキャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層が設けられていないので、ヘテロ界面におけるキャリア再結合が抑制されず、よって、光電変換効率が低下した。
<Discussion>
The photoelectric conversion efficiency of the solar cells of Examples 1 to 3 was higher than the photoelectric conversion efficiency of the solar cell of Comparative Example 1. The following can be considered as the reason. In the solar cells of Examples 1 to 3, since the amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration is provided between the CIGS photoelectric conversion layer and the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration, the heterointerface Carrier recombination in is suppressed. On the other hand, in the solar cell of Comparative Example 1, since the amorphous oxide semiconductor layer having a low carrier concentration is not provided between the CIGS photoelectric conversion layer and the amorphous oxide semiconductor layer having a high carrier concentration, the heterointerface The carrier recombination in was not suppressed, and thus the photoelectric conversion efficiency was lowered.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 太陽電池、11 基板、12 裏面電極、13 光電変換層、14 キャリア濃度の低い非晶質酸化物半導体層、15 キャリア濃度の高い非晶質酸化物半導体層、16 表面電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記光電変換層上に設けられ、InとGaとZnとを含み、キャリア濃度が異なる2以上の非晶質酸化物半導体層とを備えた太陽電池であって、
前記光電変換層側に設けられた非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度は、前記光電変換層から遠い位置に設けられた非晶質酸化物半導体層におけるキャリア濃度よりも低い太陽電池。 A photoelectric conversion layer including a p-type compound semiconductor material having a chalcopyrite type crystal structure composed of Cu, Ga, In, and at least one of S and Se;
A solar cell provided on the photoelectric conversion layer, comprising two or more amorphous oxide semiconductor layers including In, Ga, and Zn and having different carrier concentrations,
The solar cell in which the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer provided on the photoelectric conversion layer side is lower than the carrier concentration in the amorphous oxide semiconductor layer provided at a position far from the photoelectric conversion layer.
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