JP2014063873A - Compound thin-film solar cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound thin film solar cell and a method for producing the same.
近年、地球温暖化の防止または化石燃料の資源埋蔵量の有限性などの観点から、再生可能エネルギーが注目されている。再生可能エネルギーの有力な候補として太陽電池が注目を集めており、多くのメーカーが太陽電池産業に進出している。 In recent years, renewable energy has attracted attention from the viewpoint of prevention of global warming or the finiteness of resource reserves of fossil fuels. Solar cells are attracting attention as a promising candidate for renewable energy, and many manufacturers have entered the solar cell industry.
太陽電池の材料としては、主に、Si系(結晶系、薄膜系)が市場を占拠していた。しかし、アメリカのFirst Solar社がCdTe系の化合物薄膜太陽電池を市場に投入してから、CdTe系の化合物薄膜太陽電池は、世界でのシェアを急速に伸ばし、Si系に代わる次世代太陽電池として注目を集めるようになった。 As materials for solar cells, Si (crystal, thin film) mainly occupied the market. However, CdTe-based compound thin-film solar cells have rapidly expanded their global share since the first solar company in the United States introduced CdTe-based compound thin-film solar cells to the market. Attracted attention.
しかし、CdTe系の化合物薄膜太陽電池では、人体に有害とされるCdを使用することから、モジュールの回収まで含めたスキームを構築する必要があり、問題視されていた。日本のソーラーフロンティア社がCdを使わないCIS系の太陽電池を開発して市場に投入したため、化合物薄膜太陽電池はさらに注目を集めることとなった。 However, since CdTe-based compound thin film solar cells use Cd, which is harmful to the human body, it is necessary to construct a scheme that includes the collection of modules, which has been regarded as a problem. As the Japanese solar frontier company developed and put CIS solar cells that do not use Cd into the market, compound thin-film solar cells attracted more attention.
このような中、CIS系太陽電池に似た組成からなる化合物薄膜太陽電池として、光吸収層がCuとZnとSnとS(またはSe)とから構成されるCZTS太陽電池が報告されている(たとえば非特許文献1)。CZTS太陽電池では地殻中に豊富に存在する材料で光吸収層を構成することができるので、このCZTS太陽電池は非常に注目を集めており、盛んに検討されている(たとえば特許文献1)。 Under such circumstances, as a compound thin film solar cell having a composition similar to a CIS solar cell, a CZTS solar cell in which a light absorption layer is composed of Cu, Zn, Sn, and S (or Se) has been reported ( For example, Non-Patent Document 1). In the CZTS solar cell, since the light absorption layer can be composed of abundant materials in the earth's crust, this CZTS solar cell has attracted a great deal of attention and has been actively studied (for example, Patent Document 1).
ところが、CZTS太陽電池は、CIS太陽電池の光吸収層におけるInをZnとSnとに置き換えたことからスタートしており、基本的にはCIS太陽電池と同様の方法で製造可能である。そのため、CZTS太陽電池では、光吸収層以外の構成要素に関してはCIS太陽電池での検討結果を流用しており、CIS太陽電池で使用されている材料を用いてCIS太陽電池で用いられている方法により光吸収層以外の構成要素を形成している。よって、価電子準位または伝導帯準位などのバンドの連続性の観点からCZTS太陽電池における光吸収層以外の構成要素(たとえばバッファ層)の材料などが適正に選定されているとは言えない状況である。 However, the CZTS solar cell starts from replacing In in the light absorption layer of the CIS solar cell with Zn and Sn, and can basically be manufactured by the same method as the CIS solar cell. Therefore, in the CZTS solar cell, the investigation results of the CIS solar cell are diverted for the components other than the light absorption layer, and the method used in the CIS solar cell using the material used in the CIS solar cell. Thus, the components other than the light absorption layer are formed. Therefore, it cannot be said that materials of constituent elements (for example, a buffer layer) other than the light absorption layer in the CZTS solar cell are appropriately selected from the viewpoint of continuity of bands such as a valence level or a conduction band level. Is the situation.
バッファ層に含まれる材料の一部が光吸収層に拡散することにより光電変換効率が良くなると言われているが、この観点からも適正なバッファ層の材料が選定されているとは言えない状況である。たとえば特許文献2には、CIS太陽電池においてバッファ層としてZnS系を使用することが記載されている。CIS太陽電池では、CuとIn(またはGa)とS(またはSe)とで構成される光吸収層上にZnとSとで構成されるバッファ層を形成すれば、バッファ層に含まれる材料(ZnまたはS)の一部が光吸収層内に拡散することによりドーパントとなり、よって、光電変換効率が良くなると考えられている。しかし、CZTS太陽電池では、ZnS系のバッファ層を用いた場合、バッファ層に含まれる材料(ZnまたはS)の一部が光吸収層内に拡散しても、光吸収層に含まれる材料と光吸収層に拡散される材料とが同じである。そのため、バッファ層に含まれる材料が光吸収層内でドーパントとなり得ず、よって、光電変換効率の向上を図ることは難しい。
Although it is said that photoelectric conversion efficiency is improved by diffusing a part of the material contained in the buffer layer into the light absorption layer, it cannot be said that an appropriate buffer layer material is selected from this viewpoint. It is. For example,
また、特許文献3には、CBD法によりバッファ層を形成する方法が記載されている。しかし、CBD法により形成可能な材料には限りがある。また、原料液を何度も入れ替える必要があるため、バッファ層の製造コストの上昇を招く。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、その目的は、CZTS系の太陽電池に適した材料からなるバッファ層を提供することにより、光電変換効率に優れたCZTS系の化合物薄膜太陽電池を提供することである。また、他の目的は、安価で且つ材料選択性の高い形成方法によりバッファ層を形成することにより、光電変換効率に優れたCZTS系の化合物薄膜太陽電池を安価で提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a buffer layer made of a material suitable for a CZTS-based solar cell, thereby providing a CZTS-based compound thin film solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency. It is to provide a battery. Another object is to provide a CZTS-based compound thin-film solar cell with excellent photoelectric conversion efficiency at a low cost by forming a buffer layer by a low cost and high material selectivity forming method.
本発明の化合物薄膜太陽電池は、基板と、基板上に設けられた下部電極と、下部電極上に設けられた光吸収層と、光吸収層上に設けられたバッファ層と、バッファ層上に設けられた透明電極とを備える。光吸収層は、CuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含む化合物からなる。バッファ層は、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料からなる。ここで、「イオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差」とは、下記(式1)を用いて算出される。また、「イオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差」を「伝導帯準位」と記すことがある
「イオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差」
=(イオン化ポテンシャル)−(バンドギャップエネルギー)・・・(式1)。
The compound thin film solar cell of the present invention includes a substrate, a lower electrode provided on the substrate, a light absorption layer provided on the lower electrode, a buffer layer provided on the light absorption layer, and a buffer layer. A transparent electrode provided. The light absorption layer is made of a compound containing Cu, Zn, Sn, S, and Se. The buffer layer is made of an n-type semiconductor material having a difference between the ionization potential and the band gap energy of 3.2 eV or more and 3.6 eV or less. Here, the “difference between ionization potential and band gap energy” is calculated using the following (formula 1). In addition, “difference between ionization potential and band gap energy” is sometimes referred to as “conduction band level”. “Difference between ionization potential and band gap energy”
= (Ionization potential)-(band gap energy) (Formula 1).
バッファ層は、In2S3からなることが好ましい。バッファ層は、スプレー塗布法により形成されることが好ましく、基板の温度を300℃以上500℃以下に設定して形成されることが好ましく、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素とを含む溶液を用いて形成されることが好ましい。バッファ層の厚さは、50nm以上200nm以下であることが好ましい。 The buffer layer is preferably made of In 2 S 3 . The buffer layer is preferably formed by a spray coating method, preferably formed by setting the temperature of the substrate to 300 ° C. or more and 500 ° C. or less, and formed using a solution containing acetylacetone indium and thiourea. It is preferable. The thickness of the buffer layer is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.
バッファ層と透明電極との間には、ZnOを含む界面層が設けられていることが好ましい。 It is preferable that an interface layer containing ZnO is provided between the buffer layer and the transparent electrode.
本発明の化合物薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上にCuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含む化合物からなる光吸収層を形成する工程と、光吸収層上にn型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料からなるバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に透明電極を形成する工程とを備える。 In the method for producing a compound thin film solar cell of the present invention, a step of forming a lower electrode on a substrate and a light absorption layer made of a compound containing Cu, Zn, Sn, S and Se on the lower electrode are formed. Forming a buffer layer made of a material which is an n-type semiconductor material and has a difference between an ionization potential and a band gap energy of 3.2 eV or more and 3.6 eV or less on the light absorption layer, and on the buffer layer Forming a transparent electrode.
バッファ層を形成する工程は、スプレー塗布法によりバッファ層を形成する工程を含むことが好ましく、基板の温度を300℃以上500℃以下に設定する工程を含むことが好ましく、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素とを含む溶液を光吸収層上に塗布する工程を含むことが好ましい。 The step of forming the buffer layer preferably includes a step of forming the buffer layer by a spray coating method, preferably including a step of setting the temperature of the substrate to 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. It is preferable to include a step of applying a solution containing
バッファ層と透明電極との間に、ZnOを含む界面層を形成する工程をさらに備えることが好ましい。透明電極を形成する工程はドーパント材料を含むZnOからなる透明電極を形成する工程を含むことが好ましく、透明電極と界面層とを同一装置にて形成することが好ましい。 It is preferable to further include a step of forming an interface layer containing ZnO between the buffer layer and the transparent electrode. The step of forming the transparent electrode preferably includes a step of forming a transparent electrode made of ZnO containing a dopant material, and the transparent electrode and the interface layer are preferably formed in the same apparatus.
本発明に係る化合物薄膜太陽電池は、CZTS系の太陽電池に適した材料からなるバッファ層を備えているので、光電変換効率に優れている。また、本発明に係る化合物薄膜太陽電池の製造方法では、安価で且つ材料選択性の高い形成方法によりバッファ層を形成するので、光電変換効率に優れた化合物薄膜太陽電池を安価に提供することができる。 Since the compound thin film solar cell according to the present invention includes a buffer layer made of a material suitable for a CZTS solar cell, it has excellent photoelectric conversion efficiency. In addition, in the method for producing a compound thin film solar cell according to the present invention, the buffer layer is formed by a method that is inexpensive and has high material selectivity. Therefore, it is possible to provide a compound thin film solar cell excellent in photoelectric conversion efficiency at a low cost. it can.
以下、本発明の化合物薄膜太陽電池およびその製造方法について図面を用いて説明する。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 compound thin film solar cell and the manufacturing method thereof of the present invention will be described 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.
[化合物薄膜太陽電池の構成]
図1は、本発明に係る化合物薄膜太陽電池1の構成の一例を示す断面図である。図1に示す化合物薄膜太陽電池1は、基板11と、下部電極12と、光吸収層13と、バッファ層14と、透明電極15とを備える。
[Configuration of Compound Thin Film Solar Cell]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a compound thin film
(基板)
基板11は、化合物薄膜太陽電池1を製造するときに与えられる熱に対して耐性を有する材料からなることが好ましい。たとえば、基板11はソーダライムガラスまたは無アルカリガラスなどからなることが好ましく、基板11としてSUS板またはポリイミドフィルムなどを用いても良い。基板11の厚さは特に限定されず、たとえば100〜4000μmであることが好ましい。
(substrate)
The
(下部電極)
下部電極12は、基板11上に設けられている。下部電極12は、下部電極12上に形成される光吸収層13とオーミック接合可能な導電性材料からなることが好ましく、たとえばMo、NiSi、AuまたはPtなどからなることが好ましい。下部電極12の厚さは、導電性を確保できるとともにレーザースクライブなどのスクライブ手段によってスクライブできる厚さであることが好ましく、たとえば0.2〜1.5μmであることが好ましい。
(Lower electrode)
The
(光吸収層)
光吸収層13は、下部電極12上に設けられており、CuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含む化合物からなる。光吸収層13におけるCuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方との元素配合比(原子比)は特に限定されない。この元素配合比は、光吸収層13を形成するときに用いる溶液の配合量を変更することにより調整可能であり、具体的にはCu、Zn、SnおよびSおよびSeの少なくとも一方のそれぞれを含む溶液の配合量を変更することにより調整可能である。
(Light absorption layer)
The
光吸収層13の厚さは、光吸収層13に入射した太陽光の大部分が下部電極12に到達する前に吸収され且つキャリア再結合のロスが小さくなる程度の厚さであることが好ましく、たとえば0.5〜3μmであることが好ましい。光吸収層13の厚さは、光吸収層13を形成するときに使用する塗工液の濃度または光吸収層13を形成するときのコート条件などにより任意に調整可能である。
The thickness of the
(バッファ層)
バッファ層14は、光吸収層13上に設けられており、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料からなることが好ましい。これにより、バッファ層14の伝導帯準位は光吸収層13の伝導帯準位よりも0〜0.4eV高くなるので、光吸収層13およびバッファ層14のバンド構造はいわゆるスパイク型と呼ばれるバンド構造となる。よって、バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも低いことに起因して光吸収層13とバッファ層14との界面においてホール−キャリアが再結合することを防止できる。それだけでなく、光吸収層13とバッファ層14との界面において抵抗が高くなることに起因してキャリアの取り出しが不良となることも防止できる。これらのことから、キャリアを効率良く光吸収層13から取り出すことができるので、化合物薄膜太陽電池1の光電変換効率が高くなる。なお、「バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも高い」とは、バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも真空準位に近い位置に位置していることを意味する。逆に、「バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも低い」とは、バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも真空準位から遠い位置に位置していることを意味する。
(Buffer layer)
The
バッファ層14を構成する材料としては、一般に、CdS、ZnS、ZnO、SnO2、TiO2またはIn2S3などを挙げることができる。この中で、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料としては、In2S3などを挙げることができる。また、バッファ層14を構成する材料として、光吸収層13に含まれていない元素を含むことが好ましく、この点からもたとえばIn2S3などを用いることが好ましい。この場合、バッファ層14に含まれる元素のうち光吸収層13に含まれていない元素(たとえばIn)が光吸収層13に拡散してドーパントとして機能しうる。よって、化合物薄膜太陽電池1の光電変換効率がさらに高くなる。
In general, examples of the material constituting the
バッファ層14の厚さは、特に限定されないが、50nm以上200nm以下であることが好ましい。これにより、バッファ層14は光吸収層13上に均一に形成される。また、バッファ層14の抵抗増加を防ぐことができるので、化合物薄膜太陽電池1の光電変換効率がさらに高くなる。
The thickness of the
バッファ層14は、スプレー塗布法により形成されることが好ましく、基板11の温度を300℃以上500℃以下に設定した状態で形成されることが好ましく、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素とを含む溶液を用いて形成されることが好ましい。これらのことについては後述する。なお、イオン化ポテンシャルの求め方としては、バッファ層に電磁波(たとえば紫外線)を照射したときに放出される(光電子数)1/2を測定することによりイオン化ポテンシャルを算出するという方法を挙げることができる。バンドギャップエネルギーの求め方としては、次に示す方法を挙げることができる。まず、バッファ層の透過スペクトルを測定する。測定された透過スペクトルの横軸の波長を光エネルギー(光エネルギーの単位はeV)に変換し、当該透過スペクトルの縦軸の透過率を(αhν)1/2(αは光吸収係数であり、hνは光子エネルギー)に変換する。変換されたグラフにおいて吸収が立ち上がる部分を直線でフィッティングし、フィッティングされた直線がベースラインと交わる点の光エネルギー(単位はeV)を算出する。算出された光エネルギーがバッファ層のバンドギャップエネルギーである。
The
(透明電極)
透明電極15は、バッファ層14上に設けられている。透明電極15は、キャリア密度が高く且つ透光性を有するn型半導体材料からなることが好ましく、たとえば、透明電極15は、ITO、IGZO,ZnOまたはSnO2などからなることが好ましい。透明電極15の厚さは特に限定されず、10nm以上1000nm以下であることが好ましい。また、透明電極15のシート抵抗は特に限定されず、10000Ω/sq以下であることが好ましい。なお、シート抵抗は、たとえば、市販のシート抵抗測定装置を用いて測定されることが好ましい。
(Transparent electrode)
The
以上、図1を用いて本発明に係る化合物薄膜太陽電池の構成の一例を説明したが、本発明に係る化合物薄膜太陽電池は図2に示す構成を有していても良い。図2は、本発明に係る化合物薄膜太陽電池の構成の別の一例を示す断面図である。 As mentioned above, although an example of the structure of the compound thin film solar cell concerning this invention was demonstrated using FIG. 1, the compound thin film solar cell concerning this invention may have the structure shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of the configuration of the compound thin-film solar cell according to the present invention.
図2に示す化合物薄膜太陽電池2は、バッファ層14と透明電極15との間に界面層19を備えている。界面層19は、ZnOを含むことが好ましく、ZnOからなることがより好ましい。これにより、図2に示す化合物薄膜太陽電池2では、バッファ層14と透明電極15との間にはバッファ層14よりも高抵抗なバッファ層が設けられることとなるため、化合物薄膜太陽電池2の光電変換効率がさらに高くなる。界面層19の厚さは、特に限定されないが、10nm以上500nm以下であることが好ましい。これにより、界面層19を設けたことにより得られる効果を有効に得ることができる。
The compound thin film
ZnOを含む界面層19を設ける場合には、透明電極15はドーパント材料を含むZnOからなることが好ましい。これにより、透明電極15と界面層19とを同一の装置にて形成することができる。よって、製造時間の長期化を招くことなく、また、製造コストの上昇を招くことなく、図2に示す化合物薄膜太陽電池2を製造することができる。ドーパント材料としては、たとえばアルミニウム、ガリウムまたは硼素などを挙げることができ、透明電極15におけるドーパント材料の含有量は、たとえば、0.01質量%以上10質量%以下であることが好ましい。
When the interface layer 19 containing ZnO is provided, the
[化合物薄膜太陽電池の製造方法]
図3(a)〜(i)は、図1に示す化合物薄膜太陽電池が直列接続されてなる集積型化合物薄膜太陽電池の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
[Method for producing compound thin-film solar cell]
3A to 3I are cross-sectional views showing an example of a manufacturing method of an integrated compound thin film solar cell in which the compound thin film solar cells shown in FIG. 1 are connected in series in the order of steps.
まず、図3(a)に示すように、基板11上に下部電極12を形成する。たとえば、スパッタ法などによって、Moなどからなる下部電極12を基板11上に形成する。ここで、ガス圧、基板11の温度、成膜時間またはバイアス電圧などを調整すれば、下部電極12の厚さを調整することができる。
First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、下部電極12の一部分を除去する。たとえば、ナノ秒パルスレーザー光(たとえばYAGレーザーの第二高調波)を用いてレーザーアブレーションにより下部電極12の一部分を除去する。これにより、下部電極12には開口部21が形成される。このとき、アブレーション加工時に発生する金属バリなどによって隣り合う下部電極12同士が導通しないように、加工幅(開口部21の幅)を十分に確保することが好ましい。一方、加工幅が広すぎると、隣り合う下部電極12の間に設けられる光吸収層13からの光電流の取り出しが難しくなる。加工幅は、これらを考慮して設定されることが好ましく、たとえば100nm以上500nm以下であることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3B, a part of the
なお、レーザー光を用いて下部電極12の一部分を除去する場合には、レーザー光としては、基板11を透過するが下部電極12に吸収される光を使用することが好ましい。これにより、レーザー光の照射に起因する基板11へのダメージを最小限に抑えることができる。また、下部電極12の材料、下部電極12の厚さおよび加工幅などに応じて、レーザー光の強度およびレーザー光の照射時間などを設定することが好ましい。
When a part of the
次に、下部電極12上に光吸収層13を形成する。光吸収層13の形成方法としては、たとえば、スパッタ法、液体コート法、スプレー塗布法またはMEB法などの種々の方法を用いることができる。以下では、図3(c)〜(e)を用いて液体コート法により光吸収層13を形成する方法を説明する。
Next, the
まず、図3(c)に示す工程では、CuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含むプリカーサ原料液22を調製する。たとえば、酢酸銅と酢酸亜鉛と塩化スズとチオ尿素とをそれぞれ所定の割合で水に混ぜることにより、プリカーサ原料液22を得ることができる。なお、図3(e)に示す焼成工程において硫化またはセレン化を行なう場合には、SおよびSeの少なくとも一方を含む原料(たとえばチオ尿素)を添加することなくプリカーサ原料液22を調製することができる。そして、スリットコーターなどの塗布手段23により、開口部21が形成された下部電極12上にプリカーサ原料液22を塗布する。
First, in the step shown in FIG. 3C, a precursor
次に、図3(d)に示す工程では、下部電極12上に塗布されたプリカーサ原料液22から溶媒を蒸発させる(プリベーク)。これにより、下部電極12上にはプリカーサ層24が形成される。
Next, in the step shown in FIG. 3D, the solvent is evaporated from the precursor
プリベーク温度は、特に限定されない。しかし、プリベークの温度が高すぎると、クラックがプリカーサ層24に発生するおそれがあり、形成される光吸収層13のバンドギャップエネルギーが1.5eV(理想的な値)から外れるおそれがある。たとえば、プリベーク温度は、125℃以上200℃以下であることが好ましく、140℃以上175℃以下であることがより好ましい。本発明者らは、以下に示す方法にしたがってプリベーク温度とプリカーサ層24のバンドギャップエネルギーおよびプリカーサ層24におけるS/(S+O)との関係を検討したところ、プリベーク温度は上記範囲内にあることが好ましいという結果を得ている。
The pre-baking temperature is not particularly limited. However, if the prebaking temperature is too high, cracks may occur in the
具体的には、上面の面積が50mmsqであるソーダライムガラス基板上にプリカーサ原料液22をスピンコートした。スピンコートの回転数は2000rpmであり、スピンコートに要した時間は30秒であった。次に、プリカーサ原料液22が塗布されたソーダライムガラス基板を窒素雰囲気下で加熱した(プリベーク)。そして、プリベーク温度を図4の横軸に示す温度に変更して、プリベーク温度が異なる複数のプリカーサ層24を得た。そして、オプテル社製の分光感度測定装置を用いてプリカーサ層24のバンドギャップエネルギーを測定し、EDXを用いてプリカーサ層24におけるSおよびOの含有量を測定した。その結果を図4に示す。
Specifically, the precursor
図4は、プリベーク温度とプリカーサ層24のバンドギャップエネルギーおよびプリカーサ層24におけるS/(S+O)との関係を示すグラフである。CZTS太陽電池の光吸収層13の理想的なバンドギャップエネルギーは1.5eVであることと図4に示す結果とから、プリベーク温度は125℃以上200℃以下であることが好ましいことが分かる。しかし、図4に示すように、プリベーク温度が125℃または200℃であれば、プリカーサ層24におけるS/(S+O)が低下した。つまり、プリベーク温度が125℃または200℃であれば、酸素がプリカーサ層24へ混入している恐れがあり、その結果、光電変換効率の低下を招くことがある。そのため、プリベーク温度は140℃以上175℃以下であることがより好ましいことが分かる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the prebake temperature, the band gap energy of the
なお、プリベーク温度以外のプリベーク条件は特に限定されない。たとえば、下部電極12上に塗布されたプリカーサ原料液22の厚さなどに応じて、プリベーク時間を設定することが好ましい。また、プリカーサ層24への酸素混入を防止するためには、酸素を含まない雰囲気下(たとえば窒素雰囲気下または希ガス雰囲気下)においてプリベークを行なうことが好ましい。
In addition, prebaking conditions other than prebaking temperature are not specifically limited. For example, it is preferable to set the pre-bake time according to the thickness of the precursor
続いて、図3(e)に示す工程では、プリベーク温度よりも高い温度でプリカーサ層24を焼成する。これにより、光吸収層に不要な成分がプリカーサ層24内から除去され、よって、CZTSからなる光吸収層13が形成される。
Subsequently, in the step shown in FIG. 3E, the
焼成温度は、特に限定されないが、350℃以上500℃以下であることが好ましく、400℃以上500℃以下であることがより好ましい。本発明者らは、以下に示す方法にしたがって焼成温度と光吸収層13におけるS/(Cu+Zn+Sn)およびCl/(Cu+Zn+Sn)との関係を検討したところ、焼成温度は上記範囲内にあることが好ましいという結果を得ている。
Although a calcination temperature is not specifically limited, It is preferable that it is 350 to 500 degreeC, and it is more preferable that it is 400 to 500 degreeC. The present inventors examined the relationship between the firing temperature and S / (Cu + Zn + Sn) and Cl / (Cu + Zn + Sn) in the
具体的には、窒素パージにより酸素濃度が0.1質量%以下の雰囲気下で、プリカーサ層24が形成されたソーダライムガラス基板を焼成した。焼成温度を図5の横軸に示す温度に変更して、焼成温度が異なる複数の光吸収層13を得た。そして、EDXを用いて光吸収層13におけるCu、Zn、Sn、SおよびClの各含有量を測定した。なお、この焼成工程ではSの脱離が考えられるので、脱離し難いと考えられるCu、ZnおよびSnの合計含有量に対するSの含有量の割合およびClの含有量の割合を求めた。
Specifically, the soda lime glass substrate on which the
図5は、焼成温度と光吸収層13におけるS/(Cu+Zn+Sn)およびCl/(Cu+Zn+Sn)との関係を示すグラフである。図5から分かるように、焼成温度が高くなるほど、Clの含有率は低くなった。しかし、焼成温度が550℃であれば、Sが脱離し易くなり、その結果、光電変換効率の低下を招くことがある。よって、焼成温度は350℃以上500℃以下であることが好ましく400℃以上500℃以下であることがさらに好ましいということが分かる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the firing temperature and S / (Cu + Zn + Sn) and Cl / (Cu + Zn + Sn) in the
なお、焼成温度以外の焼成条件は特に限定されない。たとえば、プリカーサ層24の厚さなどに応じて、焼成時間を設定することが好ましい。また、光吸収層13への酸素混入を防止するためには、酸素を含まない雰囲気下(たとえば窒素雰囲気下または希ガス雰囲気下)において焼成を行なうことが好ましい。
The firing conditions other than the firing temperature are not particularly limited. For example, the firing time is preferably set according to the thickness of the
また、焼成を行なうオーブン内にSおよびSeの少なくとも一方の気体成分を混入させて、硫化処理またはセレン化処理を行っても良い。この場合、オーブン内に混入されたSおよびSeの少なくとも一方の気体成分と光吸収層13との反応を考慮して焼成温度を設定することが好ましい。
Further, at least one gas component of S and Se may be mixed in the baking oven to perform the sulfidation treatment or selenization treatment. In this case, it is preferable to set the firing temperature in consideration of the reaction between at least one gas component of S and Se mixed in the oven and the
次に、光吸収層13上にバッファ層14を形成する。バッファ層14の形成方法としては、たとえば、スパッタ法、CBD法またはガス吹き付け熱分解法などであっても良いが、スプレー塗布法であることが好ましい。これにより、バッファ層14を構成する材料が特定の材料に限定されることを防止できる。それだけでなく、原料液を何度も入れ替える必要がないため、バッファ層14を比較的安価に形成することができる。以下では、図3(f)を用いてスプレー塗布法によりバッファ層14を形成する方法を説明する。ここで、スプレー塗布法には、原料液をノズルなどから噴霧することにより当該原料液を塗布する方法、および、加熱された基板に対して原料液を噴霧することにより、原料液に存在する物質の熱分解または化学反応などによって目的物質の固相を基板上に堆積させる方法などが含まれる。
Next, the
まず、バッファ層原料液26を準備する。バッファ層原料液26に含まれる溶媒は特に限定されないが、水であることが好ましい。これにより、バッファ層原料液26の散布時に当該バッファ層原料液26に含まれる溶媒を容易に蒸発させることができるので、バッファ層14を容易に形成できる。バッファ層原料液26に含まれる溶質は、バッファ層14を構成する材料に応じて選択されることが好ましく、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料であることが好ましい。これにより、バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも0〜0.4eV高くなる。よって、バッファ層14の伝導帯準位が光吸収層13の伝導帯準位よりも低いことに起因して光吸収層13とバッファ層14との界面においてホール−キャリアが再結合することを防止できる。また、光吸収層13とバッファ層14との界面において抵抗が高くなることに起因してキャリアの取り出しが不良となることも防止できる。これらのことから、キャリアを効率良く光吸収層13から取り出すことができるので、光電変換効率が高い化合物薄膜太陽電池を製造することができる。
First, the buffer layer
バッファ層原料液26に含まれる溶質は、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素とであることが好ましい。これにより、In2S3からなるバッファ層14を形成することができる。よって、バッファ層14に含まれる元素のうち光吸収層13に含まれていない元素であるInが光吸収層13へ拡散してドーパントとして機能可能となる。よって、光電変換効率がさらに高い化合物薄膜太陽電池を製造することができる。なお、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素との混合割合としては、アセチルアセトンインジウムに含まれるインジウムとチオ尿素に含まれる硫黄とが原子比として1:1以上1:2以下となるように調整することが好ましい。
The solute contained in the buffer layer
次に、ノズル25により、調製されたバッファ層原料液26を光吸収層13の上面へ向かって散布させる。このとき、光吸収層13などが形成された基板11はヒーター27上に設置されており、光吸収層13の上面へ散布されたバッファ層原料液26はヒーター27からの熱により加熱されて蒸発および反応する。これにより、光吸収層13上にバッファ層14が形成される。
Next, the prepared buffer layer
基板11の温度、つまりヒーター27の温度は特に限定されないが、300℃以上500℃以下であることが好ましい。基板11の温度が300℃未満であれば、光吸収層13の上面へ散布されたバッファ層原料液26の蒸発または反応が起こり難い場合があり、よって、バッファ層14が形成され難いことがある。基板11の温度が500℃を超えると、図5に示すように光吸収層13からのSの脱離を招くことがあり、よって、光電変換効率の低下を招くことがある。
Although the temperature of the board |
バッファ層14の厚さは、50nm以上200nm以下であることが好ましい。本発明者らは、以下に示す方法にしたがってバッファ層14の厚さと開放電圧および短絡電流との関係を検討したところ、バッファ層14の厚さは上記範囲内にあることが好ましいという結果を得ている。厚さが上記範囲内にあるバッファ層14を形成するためには、バッファ層14の成膜に要する時間(バッファ層14の成膜時間)は0.5分以上2分以下であることが好ましいという結果も得ている。
The thickness of the
具体的には、ヒーター27の温度を350℃に設定した状態で、バッファ層14の成膜時間を図6の縦軸に示すように変更した。形成されたバッファ層14の厚さは、YAGレーザーの第四高調波によるアブレーションの後に、接触式段差計(DEKTAK)を用いて測定された。次に、それぞれのバッファ層14上に透明電極15を形成して化合物薄膜太陽電池を製造してから、開放電圧および短絡電流を測定した。
Specifically, the deposition time of the
図6はバッファ層14の成膜時間とバッファ層14の厚さとの関係を示すグラフであり、図7はバッファ層14の厚さと開放電圧および短絡電流との関係を示すグラフである。なお、図7の縦軸には、バッファ層14の厚さが100nmであるときの開放電圧の値および短絡電流の値をそれぞれ100%としたときの相対比を示している。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the film formation time of the
図7から分かるように、バッファ層14の厚さが200nmを超えると、短絡電流が低下した。この理由としては、バッファ層14の抵抗による光電流の取り出しロスの発生が考えられる。一方、バッファ層14の厚さが50nm未満であれば、開放電圧が低下した。この理由としては、バッファ層14が光吸収層13上に部分的にしか形成されないことが考えられる。これらのことから、バッファ層14の厚さは50nm以上200nm以下であることが好ましいことが分かる。また、図6から、バッファ層14の成膜時間の目安としては0.5分以上2分以下であることが好ましいことが分かる。
As can be seen from FIG. 7, when the thickness of the
このように、バッファ層14の厚さの適正範囲から考えると、スプレー塗布法によりバッファ層14を形成する場合には基板11を加熱できる時間は2分程度であることが分かる。加熱時間がこのように短ければ、たとえば塩化インジウムなどの塩化物をバッファ層原料液26に使うと、塩素などの不純物がバッファ層14内に残存し、よって、光電変換効率の低下の要因となる。このため、バッファ層原料液26は塩素を含まないことが好ましく、上述のようにアセチルアセトンインジウムとチオ尿素とを含む水溶液であることがさらに好ましい。
Thus, considering the appropriate range of the thickness of the
次に、図3(g)に示すように、スクライブノズル28により、バッファ層14および光吸収層13のそれぞれ一部分を物理的に除去する。これにより、開口部29が形成される。スクライブノズル28は、先端に金属からなる部材が装着されてなることが好ましく、下部電極12よりもやわらかい材料で構成されていることが好ましい。下部電極12、光吸収層13およびバッファ層14のそれぞれの硬度、下部電極12と光吸収層13との密着性または光吸収層13とバッファ層14との密着性などに起因して、バッファ層14および光吸収層13のそれぞれ一部分が物理的に除去される。開口部29の幅は、スクライブノズル28の大きさに依存するが、200μm程度であることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3G, a part of each of the
次に、バッファ層14上に透明電極15を形成する。透明電極15の形成方法としては、たとえば、スパッタ法、スプレー塗布法または液体コート法などの種々の方法を用いることができる。以下では、図3(h)を用いてスプレー塗布法により透明電極15を形成する方法を説明する。
Next, the
まず、透明電極用原料液31を調製する。透明電極用原料液31としては、特に限定されないが、たとえば亜鉛アセチルアセトナートとアルミニウムアセチルアセトナートとがメタノールと水との混合溶媒に溶解されたものを用いることができる。次に、ノズル30により、調製された透明電極用原料液31をバッファ層14の上面へ向かって散布させる。このとき、バッファ層14などが形成された基板11はヒーター32上に設置されており、バッファ層14の上面へ散布された透明電極用原料液31はヒーター32からの熱により加熱されて蒸発および反応する。これにより、バッファ層14上に透明電極15が形成される。
First, the transparent electrode
基板11の温度、つまりヒーター32の温度は特に限定されないが、300℃以上500℃以下であることが好ましい。基板11の温度が300℃未満であれば、バッファ層14の上面へ散布された透明電極用原料液31の蒸発または反応が起こり難い場合があり、よって、透明電極15が形成され難いことがある。基板11の温度が500℃を超えると、図5に示すように光吸収層13からのSの脱離を招くことがあり、よって、光電変換効率の低下を招くことがある。
Although the temperature of the board |
次に、図3(i)に示すように、透明電極15、バッファ層14および光吸収層13のそれぞれ一部分を物理的に除去して開口部33を形成する。開口部29の形成方法に準じて開口部33を形成することができる。このようにして、図1に示す化合物薄膜太陽電池が直列接続されてなる集積型化合物薄膜太陽電池を製造することができる。なお、図1に示す化合物薄膜太陽電池を製造する場合には、図3(b)、図3(g)および図3(i)に示すスクライブ工程を省略することができる。
Next, as shown in FIG. 3 (i), the
また、図2に示す化合物薄膜太陽電池2を製造する場合には、ドーパント材料を含まない透明電極材料液をバッファ層14上に塗布してから、ドーパント材料を含む透明電極材料液をその上に塗布すればよい。たとえばスプレー塗布法により界面層19と透明電極15とを形成する場合には、ドーパント材料を含まない透明電極材料液をノズル30からバッファ層14上に散布してから、ドーパント材料を含む透明電極材料液を同一のノズル30から散布すればよい。これにより、界面層19と透明電極15とがほぼ同時に形成されるので、界面層19の形成に起因する化合物薄膜太陽電池2の製造時間の長期化を防止することができる。また、界面層19を設けるにあたり化合物薄膜太陽電池の製造設備を大幅に変更しなくても良いため、化合物薄膜太陽電池2を低コストで製造することができる。なお、ドーパント材料および透明電極15におけるドーパント材料の含有量については、上記[化合物薄膜太陽電池の構成]で示したとおりである。
When manufacturing the compound thin film
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>
まず、厚さが3.9mmのソーダライムガラス板(AGC製)を準備した。次に、スパッタ法によりMoからなる下部電極(厚さ1μm)をソーダライムガラス板上に形成した。続いて、ナノ秒パルスレーザー光を用いてレーザーアブレーションにより下部電極の一部分を除去した。これにより、幅が100nmである開口部が下部電極に形成された。
<Example 1>
First, a soda lime glass plate (manufactured by AGC) having a thickness of 3.9 mm was prepared. Next, a lower electrode (
次に、Cu:Zn:Sn:S=2:1:1:4(原子比)となるように、酢酸銅、酢酸亜鉛、塩化スズおよびチオ尿素を水に溶解させた。このようにしてプリカーサ原料液を得た。スリットコーターを用いてプリカーサ原料液を下部電極上に塗布してから、150℃で5分間プリベークした。その後、500で30分間焼成した。これにより、下部電極上にCZTS光吸収層(厚さ1.5μm)を形成した。 Next, copper acetate, zinc acetate, tin chloride, and thiourea were dissolved in water so that Cu: Zn: Sn: S = 2: 1: 1: 4 (atomic ratio). In this way, a precursor raw material liquid was obtained. The precursor material solution was applied onto the lower electrode using a slit coater, and then prebaked at 150 ° C. for 5 minutes. Then, it baked at 500 for 30 minutes. Thereby, a CZTS light absorption layer (thickness: 1.5 μm) was formed on the lower electrode.
次に、CZTS光吸収層などが形成されたソーダライムガラス板を350℃に設定されたヒーター上に設置した。その後、アセチルアセトンインジウムとチオ尿素とを水に溶解して、バッファ層原料液を調製した。調製されたバッファ層原料液では、アセチルアセトンインジウムの濃度は0.05Mであり、チオ尿素の濃度は0.4Mであった。このバッファ層原料液をノズルからCZTS光吸収層上に1分間、散布した。これにより、In2S3からなるバッファ層(厚さ100nm)が形成された。 Next, a soda lime glass plate on which a CZTS light absorption layer and the like were formed was placed on a heater set at 350 ° C. Thereafter, indium acetylacetone and thiourea were dissolved in water to prepare a buffer layer raw material solution. In the prepared buffer layer raw material liquid, the concentration of indium acetylacetone was 0.05M and the concentration of thiourea was 0.4M. This buffer layer raw material solution was sprayed from the nozzle onto the CZTS light absorption layer for 1 minute. Thereby, a buffer layer (thickness: 100 nm) made of In 2 S 3 was formed.
次に、スクライブノズルにより、バッファ層およびCZTS光吸収層のそれぞれ一部分を物理的に除去した。これにより、幅が200nmである開口部が形成された。 Next, each part of the buffer layer and the CZTS light absorption layer was physically removed by a scribe nozzle. Thereby, an opening having a width of 200 nm was formed.
次に、バッファ層などが形成されたソーダライムガラス板を350℃に設定されたヒーター上に設置した。その後、亜鉛アセチルアセトナートとアルミニウムアセチルアセトナートとをメタノールと水との混合溶媒に溶解して、透明電極用原料液を調製した。調製された透明電極用原料液では、亜鉛アセチルアセトナートの濃度は0.05Mであり、アルミニウムアセチルアセトナートの濃度は0.0015Mであった。この透明電極用原料液をノズルからバッファ層上に散布した。これにより、ZnOからなる透明電極(厚さ300nm、シート抵抗10Ω/sq)が形成された。
Next, a soda lime glass plate on which a buffer layer and the like were formed was placed on a heater set at 350 ° C. Thereafter, zinc acetylacetonate and aluminum acetylacetonate were dissolved in a mixed solvent of methanol and water to prepare a raw material solution for a transparent electrode. In the prepared transparent electrode raw material liquid, the concentration of zinc acetylacetonate was 0.05M, and the concentration of aluminum acetylacetonate was 0.0015M. This raw material liquid for transparent electrode was sprayed on the buffer layer from the nozzle. Thereby, a transparent electrode (
次に、上記スクライブノズルにより、透明電極、バッファ層および光吸収層のそれぞれ一部分を物理的に除去した。これにより、実施例1の化合物薄膜太陽電池が製造された。 Next, a part of each of the transparent electrode, the buffer layer, and the light absorption layer was physically removed by the scribe nozzle. Thereby, the compound thin film solar cell of Example 1 was manufactured.
理研計器株式会社製の大気中光電子分光装置AC−3を用いて、CZTS光吸収層およびバッファ層のそれぞれのイオン化ポテンシャルを測定した。図8(a)には、CZTS光吸収層のイオン化ポテンシャルの測定結果を示し、図8(b)には、バッファ層のイオン化ポテンシャルの測定結果を示す。図8(a)より、本実施例のCZTS光吸収層のイオン化ポテンシャルは5.1eVであることが分かり、図8(b)より、本実施例のバッファ層のイオン化ポテンシャルは5.9eVであることが分かった。また、株式会社オプテル社製の分光感度測定装置を用いてCZTS光吸収層およびバッファ層のそれぞれのバンドギャップエネルギーを測定した。このようにして得られたイオン化ポテンシャルおよびバンドギャップエネルギーを用いて、CZTS光吸収層およびバッファ層のそれぞれの伝導帯準位を求めた。その結果を表1に示す。 The ionization potential of each of the CZTS light absorption layer and the buffer layer was measured using an atmospheric photoelectron spectrometer AC-3 manufactured by Riken Keiki Co., Ltd. FIG. 8A shows the measurement result of the ionization potential of the CZTS light absorption layer, and FIG. 8B shows the measurement result of the ionization potential of the buffer layer. FIG. 8A shows that the ionization potential of the CZTS light absorption layer of this example is 5.1 eV, and FIG. 8B shows that the ionization potential of the buffer layer of this example is 5.9 eV. I understood that. Moreover, each band gap energy of a CZTS light absorption layer and a buffer layer was measured using the spectral sensitivity measuring apparatus by an OPTEL company. Using the ionization potential and band gap energy thus obtained, the conduction band levels of the CZTS light absorption layer and the buffer layer were determined. The results are shown in Table 1.
製造された化合物薄膜太陽電池に対して1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。なお、表2には、比較例1での光電変換効率を100としたときの実施例1での光電変換効率の比率を示している。 The manufactured compound thin-film solar cell was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator) to measure the photoelectric conversion efficiency. The results are shown in Table 2. Table 2 shows the ratio of the photoelectric conversion efficiency in Example 1 when the photoelectric conversion efficiency in Comparative Example 1 is set to 100.
<比較例1>
ZnSからなるバッファ層を用いたことを除いては上記実施例1と同様の方法にしたがって比較例1の化合物薄膜太陽電池を製造した。具体的には、ZnSO4とアンモニアとチオ尿素とを水に溶解させてバッファ層原料液を調製した。得られたバッファ層原料液では、ZnSO4の濃度は0.16Mであり、アンモニアの濃度は7.5Mであり、チオ尿素の濃度は0.6Mであった。CZTS光吸収層などが形成されたソーダライムガラス板を、70℃に加熱されたバッファ層原料液に30分間浸漬させた(CBD法)。これにより、ZnSからなるバッファ層がCZTS光吸収層上に形成された。
<Comparative Example 1>
A compound thin-film solar cell of Comparative Example 1 was manufactured according to the same method as in Example 1 except that a buffer layer made of ZnS was used. Specifically, a buffer layer raw material solution was prepared by dissolving ZnSO 4 , ammonia, and thiourea in water. In the obtained buffer layer raw material liquid, the concentration of ZnSO 4 was 0.16M, the concentration of ammonia was 7.5M, and the concentration of thiourea was 0.6M. A soda lime glass plate on which a CZTS light absorption layer or the like was formed was immersed in a buffer layer raw material liquid heated to 70 ° C. for 30 minutes (CBD method). Thus, a buffer layer made of ZnS was formed on the CZTS light absorption layer.
理研計器株式会社製の大気中光電子分光装置AC−3を用いて比較例1のバッファ層のイオン化ポテンシャルを測定したところ、AC−3では測定範囲外であった。そのため、XPSによりバッファ層のイオン化ポテンシャルを測定した。また、上記実施例1に記載の方法にしたがってバッファ層のバンドギャップエネルギーを測定した。このようにして得られたイオン化ポテンシャルおよびバンドギャップエネルギーを用いて、バッファ層の伝導帯準位を求めた。その結果を表2に示す。また、上記実施例1に記載の方法にしたがって、光電変換効率を測定した。その結果を表2に示す。 When the ionization potential of the buffer layer of Comparative Example 1 was measured using an atmospheric photoelectron spectrometer AC-3 manufactured by Riken Keiki Co., Ltd., AC-3 was out of the measurement range. Therefore, the ionization potential of the buffer layer was measured by XPS. Further, the band gap energy of the buffer layer was measured according to the method described in Example 1 above. Using the ionization potential and the band gap energy thus obtained, the conduction band level of the buffer layer was obtained. The results are shown in Table 2. Moreover, the photoelectric conversion efficiency was measured according to the method described in Example 1 above. The results are shown in Table 2.
<考察>
表2に示すように、実施例1では、比較例1に比べて、光電変換効率が高かった。その理由としては、実施例1では、バッファ層の伝導帯準位はCZTS光吸収層の伝導帯準位よりも0.3eV高いのに対して、比較例1では、バッファ層の伝導帯準位はCZTS光吸収層の伝導帯準位よりも低いことが考えられる。つまり、実施例1では、バッファ層の材料としてn型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料であるIn2S3を用いているので、バッファ層の伝導帯準位はCZTS光吸収層の伝導帯準位よりも0〜0.4eV高くなる。よって、バッファ層の伝導帯準位が光吸収層の伝導帯準位よりも低いことに起因して光吸収層とバッファ層との界面においてホール−キャリアが再結合することを防止できる。それだけでなく、光吸収層とバッファ層との界面において抵抗が高くなることに起因してキャリアの取り出しが不良となることも防止できる。これらのことから、キャリアを効率良く光吸収層から取り出すことができるので、光電変換効率に優れた化合物薄膜太陽電池を提供することができる。
<Discussion>
As shown in Table 2, the photoelectric conversion efficiency in Example 1 was higher than that in Comparative Example 1. The reason is that in Example 1, the conduction band level of the buffer layer is 0.3 eV higher than the conduction band level of the CZTS light absorbing layer, whereas in Comparative Example 1, the conduction band level of the buffer layer is Is considered to be lower than the conduction band level of the CZTS light absorption layer. That is, in Example 1, In 2 S 3 , which is an n-type semiconductor material and has a difference between the ionization potential and the band gap energy of 3.2 eV or more and 3.6 eV or less, is used as the buffer layer material. The conduction band level of the buffer layer is 0 to 0.4 eV higher than the conduction band level of the CZTS light absorption layer. Therefore, it is possible to prevent recombination of hole-carriers at the interface between the light absorption layer and the buffer layer due to the fact that the conduction band level of the buffer layer is lower than the conduction band level of the light absorption layer. In addition, it is possible to prevent the carrier from being taken out poorly due to an increase in resistance at the interface between the light absorption layer and the buffer layer. From these things, since a carrier can be taken out from a light absorption layer efficiently, the compound thin film solar cell excellent in photoelectric conversion efficiency can be provided.
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.
1,2 化合物薄膜太陽電池、11 基板、12 下部電極、13 光吸収層、14 バッファ層、15 透明電極、19 界面層、21,29,33 開口部、22 プリカーサ原料液、23 塗布手段、24 プリカーサ層、25,30 ノズル、26 バッファ層原料液、27,32 ヒーター、28 スクライブノズル、30 透明電極用原料液。 1, 2 compound thin film solar cell, 11 substrate, 12 lower electrode, 13 light absorption layer, 14 buffer layer, 15 transparent electrode, 19 interface layer, 21, 29, 33 opening, 22 precursor raw material liquid, 23 coating means, 24 Precursor layer, 25, 30 nozzle, 26 buffer layer raw material liquid, 27, 32 heater, 28 scribe nozzle, 30 transparent electrode raw material liquid.
Claims (12)
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられた透明電極とを備え、
前記光吸収層は、CuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含む化合物からなり、
前記バッファ層は、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料からなる化合物薄膜太陽電池。 A substrate,
A lower electrode provided on the substrate;
A light absorption layer provided on the lower electrode;
A buffer layer provided on the light absorption layer;
A transparent electrode provided on the buffer layer,
The light absorption layer is made of a compound containing Cu, Zn, Sn, S and Se,
The buffer layer is a compound thin-film solar cell made of an n-type semiconductor material and having a difference between an ionization potential and a band gap energy of 3.2 eV or more and 3.6 eV or less.
前記下部電極上に、CuとZnとSnとSおよびSeの少なくとも一方とを含む化合物からなる光吸収層を形成する工程と、
前記光吸収層上に、n型半導体材料であってイオン化ポテンシャルとバンドギャップエネルギーとの差が3.2eV以上3.6eV以下の材料からなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、透明電極を形成する工程とを備える化合物薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a light absorption layer made of a compound containing at least one of Cu, Zn, Sn, S and Se on the lower electrode;
Forming a buffer layer made of an n-type semiconductor material having a difference between an ionization potential and a band gap energy of 3.2 eV or more and 3.6 eV or less on the light absorption layer;
The manufacturing method of a compound thin film solar cell provided with the process of forming a transparent electrode on the said buffer layer.
前記透明電極を形成する工程は、ドーパント材料を含むZnOからなる透明電極を形成する工程を含み、
前記透明電極と前記界面層とを同一装置にて形成する請求項8〜11のいずれかに記載の化合物薄膜太陽電池の製造方法。 A step of forming an interface layer containing ZnO between the buffer layer and the transparent electrode;
The step of forming the transparent electrode includes the step of forming a transparent electrode made of ZnO containing a dopant material,
The manufacturing method of the compound thin film solar cell in any one of Claims 8-11 which forms the said transparent electrode and the said interface layer with the same apparatus.
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- 2012-09-21 JP JP2012208009A patent/JP2014063873A/en active Pending
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