JP2014086527A - Compound semiconductor thin film, manufacturing method of the same and solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体薄膜、その製造方法、およびその化合物半導体薄膜を備える太陽電池に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor thin film, a manufacturing method thereof, and a solar cell including the compound semiconductor thin film.
太陽電池は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子であり、地球温暖化防止および枯渇資源代替対策などの観点から近年注目されている。太陽電池には半導体が用いられており、例えば、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS化合物)、Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTS化合物)、GaAs、およびInPなどが知られている。CIGS太陽電池は、現在の市場で主流である結晶Si太陽電池に比較して光吸収係数が大きく、最高エネルギー変換効率が20%超えている。また、CIGS太陽電池は、製造工程が相対的に少なく、コストパフォーマンスが優れていることから、次世代太陽電池として注目されて既に商業量産が始まっている。CZTS太陽電池においては、主要な構成元素として希少金属を使用せず、環境負荷が少ないという利点もあり、未来型太陽電池として期待されている。 A solar cell is a photoelectric conversion element that converts light energy into electric energy by using the photovoltaic effect, and has recently been attracting attention from the viewpoints of prevention of global warming and replacement of exhausted resources. The solar cell is a semiconductor is used, for example, single crystal Si, polycrystalline Si, amorphous Si, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS compound), Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 (CZTS Compound), GaAs, InP, and the like are known. The CIGS solar cell has a large light absorption coefficient and a maximum energy conversion efficiency exceeding 20% as compared with the crystalline Si solar cell which is mainstream in the current market. In addition, CIGS solar cells have relatively few manufacturing processes and are excellent in cost performance. Therefore, commercial mass production has already begun as a next-generation solar cell. In CZTS solar cells, rare metals are not used as the main constituent elements, and there is also an advantage that the environmental load is small.
CIGS化合物やCZTS化合物を用いた太陽電池においては、光吸収層が最も重要な構成要素であり、光吸収層を作製するための種々の方法が提案されてきた。例えば、特許文献1および非特許文献1には、真空プロセスであるスパッタ法および蒸着法によりCZTS薄膜からなる光吸収層を作製する方法が提案されている。また、非特許文献2および3には、真空プロセスであるスパッタおよび蒸着法によって、CIGS薄膜からなる光吸収層を作製する方法が提案されている。
In a solar cell using a CIGS compound or a CZTS compound, the light absorption layer is the most important component, and various methods for producing the light absorption layer have been proposed. For example,
しかしながら、真空プロセスでは、高価な真空設備が必要となり、製造工程も煩雑となって発電コストが高い。また、大面積の製膜の際に、面内各元素の分布の均一性を保つことが難しいという欠点もある。 However, in the vacuum process, expensive vacuum equipment is required, the manufacturing process is complicated, and the power generation cost is high. In addition, there is also a drawback that it is difficult to maintain the uniformity of the distribution of each element in the plane when forming a film with a large area.
半導体微粒子を塗布して光吸収層を形成することによって、成膜コストの削減を図ることが、特許文献2に提案されている。微粒子を塗布する方法によると、高価な真空装置を必要とせず、工程もシンプルとなるため、発電コストが大幅に低下することが予測される。また、面内各元素の分布が均一となって、変換効率が向上することも見込まれる。しかしながら、微粒子が用いられるので、得られた化合物半導体薄膜の最表面の平坦性が不足する。光吸収層の表面粗さが大きくなって、漏れ電流が生じやすくなり変換効率の低下につながる。 Patent Document 2 proposes to reduce the film formation cost by applying a semiconductor fine particle to form a light absorption layer. According to the method of applying fine particles, an expensive vacuum device is not required and the process is simplified, so that the power generation cost is expected to be greatly reduced. It is also expected that the distribution of each element in the plane becomes uniform and the conversion efficiency is improved. However, since fine particles are used, the flatness of the outermost surface of the obtained compound semiconductor thin film is insufficient. As the surface roughness of the light absorption layer increases, leakage current tends to occur, leading to a decrease in conversion efficiency.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、表面粗さが低減された化合物半導体薄膜、その製造方法、およびかかる化合物半導体薄膜を用いた太陽電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the solar cell using the compound semiconductor thin film with which surface roughness was reduced, its manufacturing method, and this compound semiconductor thin film.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、I−II−IV−VI族化合物の微粒子を含有する下層と、前記下層の表面を平坦化する上層とを含む積層体を具備することを特徴とする化合物半導体薄膜を提供する。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention includes a laminate including a lower layer containing fine particles of a I-II-IV-VI group compound and an upper layer for flattening the surface of the lower layer. A compound semiconductor thin film is provided.
前記下層の禁制帯幅Eg(lower)と前記上層の禁制帯幅Eg(upper)とは、下記式(1)で表わされる関係を満たすことが好ましい。 It is preferable that the forbidden band width Eg (lower) of the lower layer and the forbidden band width Eg (upper) of the upper layer satisfy the relationship represented by the following formula (1).
0.00eV≦(Eg(upper)−Eg(lower))≦0.30eV (1)
前記下層の厚さT(upper)と前記上層の厚さT(lower)とは、下記式(2)で表わされる関係を満たすことが好ましい。
0.00eV ≦ (Eg (upper) −Eg (lower) ) ≦ 0.30 eV (1)
It is preferable that the thickness T (upper) of the lower layer and the thickness T (lower) of the upper layer satisfy the relationship represented by the following formula (2).
0.01≦T(upper)/T(lower)≦1.00 (2)
前記化合物半導体薄膜は、最表面の平均粗さRaが200nm以下であることが好ましい。
0.01 ≦ T (upper) / T (lower) ≦ 1.00 (2)
The compound semiconductor thin film preferably has an average roughness Ra on the outermost surface of 200 nm or less.
前記微粒子の平均粒径は、1nm以上2000nm以下であることが好ましい。 The average particle diameter of the fine particles is preferably 1 nm or more and 2000 nm or less.
前記微粒子は、Cu2-xZn1+ySnSzSe4-z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦4)で表わされる組成を有することができる。 The fine particles may have a composition represented by Cu 2-x Zn 1 + y SnS z Se 4-z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 4).
前記微粒子は、Cu2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる組成を有する第1の微粒子と、Zn2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる組成を有する第2の微粒子と、Sn2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる組成を有する第3の微粒子とを含むことができる。 The fine particles include first fine particles having a composition represented by Cu 2-x Sy Se 2-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2), Zn 2-x Sy Se 2-y ( Second fine particles having a composition represented by 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2), and Sn 2−x S y Se 2−y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2) And third fine particles having a composition.
本発明の第2の態様は、基板上に、I−II−IV−VI族化合物半導体の微粒子を含有する下層形成用インクを塗布し、熱処理して下層を形成する工程と、
前記下層の上に上層形成用インクを塗布し、熱処理して上層を形成して、微粒子を含有する下層とこの表面を覆う上層とを含む積層体を得る工程と
を具備することを特徴とする。
In a second aspect of the present invention, a step of applying a lower layer forming ink containing fine particles of a I-II-IV-VI group compound semiconductor on a substrate and heat-treating to form a lower layer;
A step of applying an upper layer forming ink on the lower layer and heat-treating to form an upper layer to obtain a laminate including a lower layer containing fine particles and an upper layer covering the surface. .
本発明の第3の態様は、基板上に、I−II−IV−VI族化合物半導体の微粒子を含有する下層形成用インクを塗布して、下層前駆体を形成する工程と、
前記下層前駆体の上に、上層形成用インクを塗布して上層前駆体を形成する工程と、
前記上層前駆体を前記下層前駆体とともに熱処理して、微粒子を含有する下層とこの表面を覆う上層とを含む積層体を得る工程と
を具備することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, a step of applying a lower layer forming ink containing fine particles of an I-II-IV-VI group compound semiconductor on a substrate to form a lower layer precursor;
A step of applying an upper layer forming ink on the lower layer precursor to form an upper layer precursor;
And heat-treating the upper layer precursor together with the lower layer precursor to obtain a laminate including a lower layer containing fine particles and an upper layer covering the surface.
本発明の第4の態様は、前述の化合物半導体薄膜を含む光吸収層を具備することを特徴とする太陽電池を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a solar cell comprising a light absorption layer including the above-described compound semiconductor thin film.
本発明によれば、表面粗さが低減された化合物半導体薄膜、その製造方法、およびかかる化合物半導体薄膜を用いた太陽電池が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the compound semiconductor thin film with which surface roughness was reduced, its manufacturing method, and the solar cell using this compound semiconductor thin film are provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
一実施形態にかかる化合物半導体薄膜は、太陽電池の光吸収層として好適に用いられる。図1には、一実施形態にかかる太陽電池の構成を表わす縦断側面図を示す。 The compound semiconductor thin film concerning one Embodiment is used suitably as a light absorption layer of a solar cell. FIG. 1 is a longitudinal side view showing a configuration of a solar cell according to an embodiment.
図示する太陽電池100は、基板101と、この上に順次設けられた裏面電極102、光吸収層105、バッファ層106、i層107、n層108、および表面電極109とを有する。
The illustrated
基板101としては、例えばソーダライムガラス、金属板、またはプラスチックフィルムなどを用いることができる。裏面電極102としては、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)などの金属を用いることができる。また、カーボンおよびグラフェンなどのカーボン系電極、またはITOおよびZnOなどの透明導電膜を、裏面電極101として用いてもよい。
As the
光吸収層105は、本実施形態の化合物半導体薄膜から構成され、微粒子を含有する下層103と、この下層103の表面を平坦にする上層104とを含む。下層103および上層104は、いずれもI−II-IV−VI族化合物の組成を有するものであり、こうした下層および上層については以下に詳細に説明する。
The
光吸収層105上には、バッファ層106、i層107、およびn層108が順次形成されている。バッファ層106としては、例えばCdS、Zn(S,O,OH)、またはIn2S3を用いることができる。i層107としては、例えばZnOなどの金属酸化物を用いることができる。また、n層108としては、例えばAl、Ga、Bなどを添加したZnOを用いることができる。
A
n層108上の表面電極109としては、例えばAl、Agなどの金属を用いることができる。あるいは、カーボンおよびグラフェンなどのカーボン系電極、またはITOおよびZnOなどの透明導電膜を用いてもよい。
As the
図示していないが、n層108上に反射防止膜を形成することもできる。反射防止膜は、光の反射を抑え、より多い光を光吸収層で吸収させる役割を有する。反射防止膜は、例えば、フッ化マグネシウム(MgF2)を用いて100nm程度の厚さで形成することができる。
Although not shown, an antireflection film can be formed on the
本実施形態においては、I−II-IV−VI族化合物とは、Cu2ZnSn(S,Se)4なる基本組成を有し、例えばCu2-xZn1+ySnSzSe4-z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦4)で表わされる組成を有する。Cu(IB族)、Zn(IIB族)、Sn(IVB族)、S(VIB族)および/またはSe(VIB族)を含有するこうした化合物は、一般にCZTS系化合物と称される。 In this embodiment, the I-II-IV-VI group compound has a basic composition of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 , for example, Cu 2−x Zn 1 + y SnS z Se 4−z ( 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 4). Such compounds containing Cu (Group IB), Zn (Group IIB), Sn (Group IVB), S (Group VIB) and / or Se (Group VIB) are generally referred to as CZTS compounds.
微粒子を含有する下層103は、I−II-IV−VI族化合物の組成を有する。下層103には、例えば、Cu2-xZn1+ySnSzSe4-z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦4)で表わされる組成を有する微粒子が含有される。こうした1種類の組成の微粒子が含有されることによって、I−II-IV−VI族化合物の組成を有する下層103を得ることができる。
The
あるいは、組成の異なる複数の微粒子を組み合わせて用いることによって、下層103全体としてI−II-IV−VI族化合物の組成としてもよい。例えば、Cu2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる組成を有する第1の微粒子と、Zn2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる組成を有する第2の微粒子と、Sn2-xSySe2-y(0≦x≦1、0≦y≦2)で表わされる第3の微粒子とを用いることができる。こうした3種類の組成の微粒子が含有されることによって、下層103全体としては、I−II-IV−VI族化合物半導体の組成となる。
Or it is good also as a composition of the I-II-IV-VI group compound as the whole
1種類の微粒子を用いる場合、および複数種の微粒子を用いる場合のいずれにおいても、下層103全体として、0.6≦Cu/(Zn+Sn)≦0.99を満たすような組成(モル数)で、これらの元素が含有されていることが好ましい。下層103中に含有されるCu,ZnおよびZnのモル数がこうした範囲内であれば、キャリア濃度は適切な値となり、半金属のCuSやCuSeが生成して化合物薄膜の抵抗が低くなりすぎることもない。このため、光電変換効率の低下は回避される。Cu/(Zn+Sn)の値は、0.8以上0.9以下であることがより好ましい。
In both cases of using one kind of fine particles and a plurality of kinds of fine particles, the
下層103に含有される微粒子の平均粒径は、1nm以上2000nm以下であることが望ましい。平均粒径がこうした範囲内にある微粒子であれば、下層103の表面の粗さが大きくなりすぎることはなく、微粒子の凝集も起こりにくい。微粒子の平均粒径の下限は、より好ましくは10nm以上であり、さらに好ましくは20nm以上である。一方、微粒子の平均粒径の上限は、500nm以下であることがより好ましい。微粒子の平均粒径は、SEM(走査型電子顕微鏡)またはTEM(透過型電子顕微鏡)を用いて観察した半導体微粒子の最短径を平均することによって得られる。
The average particle size of the fine particles contained in the
下層103は、所定の組成を有する微粒子を有機溶媒に分散させて調製された下層形成用インクを用いて形成することができる。有機溶媒は特に制限されず、例えば、アルコール、エーテル、エステル、脂肪族炭化水素、脂環族炭化水素、および芳香族炭化水素などから選択することができる。好ましい有機溶媒は、メタノール、エタノール、ブタノール等の炭素数10未満のアルコール、ジエチールエーテル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、およびトルエンであり、メタノール、ピリジン、トルエン、およびヘキサンが特に好ましい。
The
下層形成用インクには、有機溶媒中における微粒子の分散性を高めるために、分散剤が含有されていてもよい。分散剤としては、例えばチオール類、セレノール類、および炭素数10以上のアルコール類等を挙げることができる。 The lower layer forming ink may contain a dispersant in order to enhance the dispersibility of the fine particles in the organic solvent. Examples of the dispersant include thiols, selenols, and alcohols having 10 or more carbon atoms.
下層形成用インクにバインダが含有された場合には、より緻密な半導体薄膜を形成することができる。バインダとしては、例えばSe粒子、S粒子、Se化合物、およびS化合物などが挙げられる。また、硫化ナトリウム、セレン化ナトリウム、セレン化カリウム、セレン酸ナトリウム、およびチオ硫酸塩なども使用できる。S化合物のチオ尿素等の固形分の有機溶媒中における濃度は特に制限されないが、1〜20質量%程度であれば所望の効果が得られる。 When the binder is contained in the lower layer forming ink, a denser semiconductor thin film can be formed. Examples of the binder include Se particles, S particles, Se compounds, and S compounds. Also, sodium sulfide, sodium selenide, potassium selenide, sodium selenate, thiosulfate, and the like can be used. The concentration of the S compound in the solid organic solvent such as thiourea is not particularly limited, but a desired effect can be obtained if it is about 1 to 20% by mass.
化合物半導体積層の下層103を形成するに当たっては、まず、下層形成用インクを基体上に塗布または印刷して塗膜を形成する。インクの塗布方法としては、例えば、ドクタ法、スピンコーティング法、スリットコーティング法、およびスプレー法等が挙げられ、印刷方法としては、例えばグラビア印刷法、スクリーン印刷法、反転オフセット印刷法、および凸版印刷法等が挙げられる。
In forming the
微粒子を含む塗膜を乾燥して有機溶媒を除去して、下層前駆体が形成される。次いで、熱処理することによって、化合物半導体を結晶化させて下層103が形成される。熱処理は、加熱炉によるアニールのほか、ラピッドサーマルアニール(RTA)によっても行なってもよい。
The coating film containing the fine particles is dried to remove the organic solvent, thereby forming a lower layer precursor. Then, the
化合物半導体を結晶化させるために、ここでの熱処理温度は350℃以上が好ましい。基板としてガラス基板を用いる場合には、ガラス基板が耐え得る温度で熱処理する必要がある。具体的には、この場合の熱処理温度は、650℃以下が好ましく、550℃以下がより好ましい。 In order to crystallize the compound semiconductor, the heat treatment temperature here is preferably 350 ° C. or higher. In the case where a glass substrate is used as the substrate, it is necessary to perform heat treatment at a temperature that the glass substrate can withstand. Specifically, the heat treatment temperature in this case is preferably 650 ° C. or lower, and more preferably 550 ° C. or lower.
熱処理雰囲気は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、フォーミングガス雰囲気、水素雰囲気、Seガス雰囲気、Sガス雰囲気、H2Seガス雰囲気、およびH2Sガス雰囲気等から選択することができる。 The heat treatment atmosphere can be selected from a nitrogen atmosphere, argon atmosphere, forming gas atmosphere, hydrogen atmosphere, Se gas atmosphere, S gas atmosphere, H 2 Se gas atmosphere, H 2 S gas atmosphere, and the like.
こうして形成される下層103の厚さは、含有される微粒子の粒径にも依存して決定されるが、0.5〜10μm程度とすることができる。下層103は、例えば、2μm程度の厚さであることが好ましい。
The thickness of the
下層103は、高価な真空装置を使用することなく作製することができ、得られる面内各元素の分布も均一である。しかしながら、下層103には、上述したような微粒子が含有されているので、下層103の表面は平坦にはならず凹凸が生じる。本実施形態においては、表面を平坦化するための上層104が下層103の上に形成され、こうした下層103と上層104との積層体によって光吸収層105が構成される。光吸収層105と、この上に設けられるバッファ層106との界面の平坦性が高められる結果、漏れ電流が低減される。
The
上層104は、例えばI−II-IV−VI族化合物の組成を有することができる。この場合には、前述の上層103におけるI−II-IV−VI族化合物の組成と同一でも異なっていてもよい。下層103の表面の平坦性を高めることが目的であるので、上層104には微粒子は含有されないことが望まれるが、光吸収層105の表面粗さに実質的に影響を与えない範囲内であれば、微粒子の混入も許容される。
The
上層104は、例えば銅原料、亜鉛原料および錫原料と、有機溶媒とを含有する上層形成用インクを塗布した後、S/Se雰囲気で熱処理することにより形成することができる。銅原料は、例えば酢酸銅および酢酸銅水和物などの有機銅化合物、例えば塩化銅、ヨウ化銅、硫酸銅、および硝酸銅などの無機銅化合物から選択することができる。亜鉛原料は、例えば酢酸亜鉛および酢酸亜鉛水和物などの有機亜鉛化合物、例えば塩化亜鉛、ヨウ化亜鉛、硫酸亜鉛、および硝酸亜鉛などの無機亜鉛化合物から選択することができる。錫原料は、例えば酢酸錫および酢酸錫水和物などの有機錫化合物、例えば塩化錫、ヨウ化錫、硫酸錫、および硝酸錫などの無機錫化合物から選択することができる。
The
また、化合物半導体積層体の上層104は、硫化銅/セレン化銅、硫化錫/セレン化錫、亜鉛、および硫黄/セレンをヒドラジン、ヒドラジン水和物などの還元剤に直接溶解して、上層形成用インクを調製してもよい。
The
上層形成用インクは、下層形成用インクの場合と同様の方法によって塗布または印刷することができる。上層形成用インクを含む塗膜から有機溶媒を除去して、上層前駆体が得られる。さらに、CuSO4、ZnSO4、SnCl2、およびC6H5O7Na3を含有する溶液を用いて、金属めっき法により上層前駆体を形成することができる。金属めっき法で上層前駆体を形成してから、熱処理雰囲気でS/Se元素を添加することができる。 The upper layer forming ink can be applied or printed by the same method as in the case of the lower layer forming ink. The organic solvent is removed from the coating film containing the upper layer forming ink to obtain the upper layer precursor. Furthermore, an upper layer precursor can be formed by a metal plating method using a solution containing CuSO 4 , ZnSO 4 , SnCl 2 , and C 6 H 5 O 7 Na 3 . After forming the upper layer precursor by metal plating, the S / Se element can be added in a heat treatment atmosphere.
下層の場合と同様、上層の場合も、化合物半導体を結晶化させるために熱処理が行なわれる。熱処理は、上述したような温度および雰囲気で行なうことができる。 As in the case of the lower layer, in the case of the upper layer, heat treatment is performed to crystallize the compound semiconductor. The heat treatment can be performed at the temperature and atmosphere as described above.
場合によっては、下層前駆体を形成後、熱処理せずに上層前駆体を形成し、一度の熱処理で下層および上層の化合物半導体を結晶化させてもよい。 In some cases, after forming the lower layer precursor, the upper layer precursor may be formed without heat treatment, and the lower and upper compound semiconductors may be crystallized by a single heat treatment.
微粒子を含有する下層と、この上に設けられる上層とによって、本実施形態の化合物半導体薄膜が構成される。本実施形態においては、微粒子を含む下層103の禁制帯幅Fg(lower)と、その表面を平坦にする上層104の禁制帯幅Eg(upper)とは、下記式(1)で表わされる関係を満たすことが好ましい。
The compound semiconductor thin film of the present embodiment is constituted by the lower layer containing fine particles and the upper layer provided thereon. In the present embodiment, the forbidden band width Fg (lower) of the lower
0.00eV ≦ Eg(upper)−Eg(lower) ≦ 0.30eV (1)
例えば、CuZnSnSeのEgは1.0eV程度であり、CuZnSnSのEgは1.5eV程度であることが知られている。例えば、上層104がI−II-IV−VI族化合物からなり、その組成が下層103におけるI−II-IV−VI族化合物の組成と同一である場合には、Eg(upper)−Eg(lower)の値はゼロである。
0.00eV ≤ Eg (upper) -Eg (lower) ≤ 0.30 eV (1)
For example, it is known that the Eg of CuZnSnSe is about 1.0 eV, and the Eg of CuZnSnS is about 1.5 eV. For example, when the
例えば、上層104中のSの含有量を調整して、(Eg(upper)−Eg(lower))の値を制御することができる。表面側にEg傾斜を設けることにより開放電圧が向上し、エネルギー変換効率を高めるという効果がある。Eg(upper)−Eg(lower)が0.30eV以下であれば、Eg傾斜が大きくなり過ぎることもない。また、発生したキャリア収集の障壁となってエネルギー変換効率が低下するおそれもない。
For example, the content of S in the
下層103の厚さT(lower)と上層104の厚さT(upper)とは、下記式(2)で表わされる関係を満たすことが好ましい。下層103の厚さは、例えば、ドクタブレード法のブレードと基材との間隔の調整やスピンコーティングの回転数の調整によって制御することができる。上層104の厚さは、例えば、ドクタブレード法のブレードと基材との間隔の調整やスピンコーティングの回転数の調整によって制御することができる。
The thickness T (upper) thick T (lower) and the
各層の厚さは、例えば、触針式表面形状測定器DEK−TAKによって測定することができる。上層104中のI−II-IV−VI族化合物の組成が、下層103中のI−II-IV−VI族化合物の組成の組成と同一の場合であっても、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察することによって、下層103と上層104との境界を確認して、各層の厚さを求めることは可能である。
The thickness of each layer can be measured by, for example, a stylus type surface shape measuring device DEK-TAK. Even if the composition of the I-II-IV-VI group compound in the
0.01≦T(upper)/T(lower)≦1.00 (2)
(T(upper)/T(lower))の値がこうした範囲内であれば、Eg傾斜の距離が長くなって発生したキャリア収集の障壁となることは回避され、エネルギー変換効率が低下するおそれはない。しかも、上層104は、下層103表面の凹凸を十分に覆うことができるので、平坦な表面を有する光吸収層105が得られる。
0.01 ≦ T (upper) / T (lower) ≦ 1.00 (2)
If the value of (T (upper) / T (lower) ) is within such a range, it will be avoided that the Eg slope distance becomes a barrier to carrier collection that occurs, and the energy conversion efficiency may decrease. Absent. In addition, since the
光吸収層105は、原子間力顕微鏡AFMを用いて走査範囲5μmで測定した最表面の平均粗さRaが、200nm以下であることが好ましい。こうして測定された最表面の平均粗さが200nm以下の場合には、シャントパスは容易に生成されないので漏れ電流は生じ難い。したがって、エネルギー変換効率が低下するおそれは低減される。光吸収層105の最表面の平均粗さは、100nm以下であることがより好ましく、50nm以下であることが最も好ましい。
The
本実施形態の太陽電池においては、微粒子を含む下層と、この表面を平坦化する上層とに積層体よって光吸収層が構成されるので、光吸収層の表面粗さは低減される。こうした本実施形態の太陽電池においては、漏れ電流が減少して、エネルギー変換効率を高めることが可能となる。 In the solar cell of this embodiment, since the light absorption layer is constituted by the laminate including the lower layer containing fine particles and the upper layer for flattening the surface, the surface roughness of the light absorption layer is reduced. In such a solar cell of this embodiment, the leakage current is reduced and the energy conversion efficiency can be increased.
下層形成用インクと上層形成用インクとを用いる上述の方法は、一般的な組成の化合物半導体薄膜の製造に適用することもできる。目的の化合物半導体の組成に応じて、各インクを適切な組成に調製すればよい。例えば、CuxInyGa1-ySezS2-z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦2)で表わされる組成を有するCIGS化合物半導体、およびAgxInyGa1-ySezS2-z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦2)CuInTe2で表わされる組成を有するAIGS化合物半導体などが挙げられる。例えば、CIGS太陽電池の場合、CuInSe2(Eg=1.04eV)微粒子を含む下層と、下層の表面粗さを平坦化するCuIn0.7Ga0.3Se2(Eg=1.23eV)上層とによって、化合物半導体薄膜を構成することができる。 The above-described method using the lower layer forming ink and the upper layer forming ink can also be applied to the production of a compound semiconductor thin film having a general composition. Each ink may be prepared in an appropriate composition according to the composition of the target compound semiconductor. For example, Cu x In y Ga 1- y Se z S 2-z (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 2) CIGS compound having a composition represented by the semiconductor, and Ag x an In y Ga 1-y Se z S 2 -z (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 2) CuInTe such AIGS compound semiconductor having a composition represented by 2. For example, in the case of a CIGS solar cell, a compound including a lower layer containing CuInSe 2 (Eg = 1.04 eV) fine particles and an upper layer of CuIn 0.7 Ga 0.3 Se 2 (Eg = 1.23 eV) for flattening the surface roughness of the lower layer. A semiconductor thin film can be comprised.
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited to this Example.
(実施例1)
(Cu−Zn−Sn−Se−S微粒子の製造)
Cu:Zn:Snのモル比が1.5:1.5:1.25となるようにCuI、ZnI2、およびSnI2をピリジンに溶解して、第1の溶液を調製する。また、Se:Sのモル比が2:2となるようにNa2SeとNa2Sとをメタノールに溶解して、第2の溶液を調製する。
Example 1
(Production of Cu-Zn-Sn-Se-S fine particles)
A first solution is prepared by dissolving CuI, ZnI 2 , and SnI 2 in pyridine so that the molar ratio of Cu: Zn: Sn is 1.5: 1.5: 1.25. In addition, a second solution is prepared by dissolving Na 2 Se and Na 2 S in methanol so that the molar ratio of Se: S is 2: 2.
第1の溶液と第2の溶液とを混合して、Cu:Zn:Sn:Se:Sのモル比が2.5:1.5:1.25:2:2の混合液を得る。この混合液を不活性ガス雰囲気下、0℃で反応させてCu−Zn−Sn−Se−S微粒子を製造する。こうして得られるCu−Zn−Sn−Se−S微粒子の平均粒径は80nmであることが、走査型顕微鏡により観察される。反応溶液を濾過してメタノールで洗浄した後、得られたCu−Zn−Sn−Se−S微粒子をピリジンとメタノールとの混合液に分散させて、Cu−Zn−Sn−Se−S微粒子分散液を得る。 The first solution and the second solution are mixed to obtain a mixed solution having a Cu: Zn: Sn: Se: S molar ratio of 2.5: 1.5: 1.25: 2: 2. This mixed solution is reacted at 0 ° C. in an inert gas atmosphere to produce Cu—Zn—Sn—Se—S fine particles. It is observed with a scanning microscope that the average particle diameter of the Cu—Zn—Sn—Se—S fine particles thus obtained is 80 nm. The reaction solution is filtered and washed with methanol, and then the obtained Cu—Zn—Sn—Se—S fine particles are dispersed in a mixed solution of pyridine and methanol to obtain a Cu—Zn—Sn—Se—S fine particle dispersion. Get.
(下層形成用インクの作製)
Cu−Zn−Sn−Se−S微粒子とチオ尿素との質量比が3:2となるように、バインダとしてのチオ尿素をCu−Zn−Sn−Se−S微粒子分散液に加えて、混合物を得る。この混合物にメタノールをさらに加えて、固形分が5質量%の下層形成用インクを調製する。
(Preparation of lower layer forming ink)
Thiourea as a binder is added to the Cu-Zn-Sn-Se-S fine particle dispersion so that the mass ratio of Cu-Zn-Sn-Se-S fine particles and thiourea is 3: 2, and the mixture is added. obtain. Methanol is further added to this mixture to prepare a lower layer forming ink having a solid content of 5% by mass.
(上層形成用インクの作製)
酢酸銅水和物、酢酸亜鉛2水和物、および塩化錫二水和物を、体積比10:1である2−メトキシエタノールとモノエタノールアミンとの混合液に溶解して、上層形成用インクを調製する。上層形成用インク中においては、酢酸銅水和物の濃度は0.875Mであり、酢酸亜鉛2水和物の濃度は0.4375Mであり、塩化錫二水和物の濃度は0.4375Mである。S/Se元素は熱処理雰囲気から添加される。
(Preparation of upper layer forming ink)
An ink for forming an upper layer is prepared by dissolving copper acetate hydrate, zinc acetate dihydrate, and tin chloride dihydrate in a mixed solution of 2-methoxyethanol and monoethanolamine having a volume ratio of 10: 1. To prepare. In the upper layer forming ink, the concentration of copper acetate hydrate is 0.875M, the concentration of zinc acetate dihydrate is 0.4375M, and the concentration of tin chloride dihydrate is 0.4375M. is there. The S / Se element is added from the heat treatment atmosphere.
上述したように調製された下層形成用インクおよび上層形成用インクを用いて、図1に示す構造の太陽電池を製造する。 A solar cell having the structure shown in FIG. 1 is manufactured using the lower layer forming ink and the upper layer forming ink prepared as described above.
(裏面電極102の形成)
基板101としてソーダライムガラスを用意し、スパッタリング法によりMo層からなる裏面電極102を形成する。
(Formation of back electrode 102)
Soda lime glass is prepared as the
(光吸収層105の形成)
裏面電極102の上にドクタ法により下層形成用インクを塗布し、250℃のオーブンで溶剤を蒸発させて下層前駆体とする。さらに、セレン雰囲気中、500℃で30分間加熱することによって、膜厚2μmの化合物半導体薄膜の下層の103が得られる。下層103の表面は平坦ではなく、Cu−Zn−Sn−Se−S微粒子に起因した凹凸が存在する。
(Formation of the light absorption layer 105)
A lower layer forming ink is applied onto the
下層103の上に上層形成用インクをドクタ法により塗布し、250℃のオーブンで溶剤を蒸発させて下層前駆体を得る。セレンと硫黄とを含有する500℃の雰囲気中で30分間加熱することによって、膜厚0.2μmの化合物半導体薄膜の上層104が形成される。
An upper layer forming ink is applied onto the
下層103と、この上に設けられた上層104との積層体によって光吸収層105が構成される。上層104が存在しているので、光吸収層105の表面粗さは下層103より小さい。
A
(バッファ層106の形成)
0.0015Mの硫酸カドミウム(CdSO4)、0.0075Mのチオ尿素(NH2CSNH2)、および1.5Mのアンモニア水(NH4OH)を含有する混合液を70℃に加熱する。この混合液中に、前述の光吸収層105が形成された構造体を浸漬することによって、光吸収層105上に膜厚50nmのCdSからなるバッファ層106が形成される。
(Formation of buffer layer 106)
A mixture containing 0.0015 M cadmium sulfate (CdSO 4 ), 0.0075 M thiourea (NH 2 CSNH 2 ), and 1.5 M aqueous ammonia (NH 4 OH) is heated to 70 ° C. A
(i層107の形成)
ジエチル亜鉛と水とを原料としたMOCVD法により、バッファ層106の上に厚さ50nmのZnOからなるi層107を形成する。
(Formation of i layer 107)
An i layer 107 made of ZnO having a thickness of 50 nm is formed on the
(n層108の形成)
ジエチル亜鉛、水、およびジボランを原料としたMOCVD法により、厚さが1μmのZnO:Bからなるn層108をi層107の上に形成する。
(Formation of n layer 108)
An
(表面電極109の形成)
蒸着法を用いて、n層108上に厚さが0.3μmのAlからなる表面電極109を形成する。
(Formation of surface electrode 109)
A
以上により、実施例1のCZTS太陽電池が得られる。実施例1の太陽電池は、表面粗さが低減された化合物半導体薄膜を光吸収層105として有しているので、表面粗さに起因した性能の低下は回避される。
As described above, the CZTS solar cell of Example 1 is obtained. Since the solar cell of Example 1 has the compound semiconductor thin film whose surface roughness is reduced as the
(実施例2)
溶媒が除去された下層前駆体の上に上層形成用インクを塗布して下層前駆体を形成し、下層前駆体と上層前駆体とを一括して熱処理する以外は、実施例1と同様にして光吸収層105を形成する。ここでの熱処理は、500℃、セレン雰囲気で30分間加熱した後、硫黄雰囲気で10分間加熱する。
(Example 2)
Except that the upper layer forming ink is applied on the lower layer precursor from which the solvent has been removed to form the lower layer precursor, and the lower layer precursor and the upper layer precursor are collectively heat-treated, as in Example 1. The
さらに、実施例1と同様の手法によりバッファ層、i層、n層および表面電極を順次形成して、実施例2のCZTS太陽電池が得られる。実施例2の太陽電池は、表面粗さが低減された化合物半導体薄膜を光吸収層105として有しているので、表面粗さに起因した性能の低下は回避される。
Furthermore, the buffer layer, i layer, n layer, and surface electrode are sequentially formed in the same manner as in Example 1 to obtain the CZTS solar cell of Example 2. Since the solar cell of Example 2 has the compound semiconductor thin film with reduced surface roughness as the
(比較例)
上層104を形成しない以外は、実施例1と同様にして、比較例のCZTS太陽電池を得る。比較例の太陽電池においては、微粒子を含有する層(下層)によって、光吸収層が形成されているので、光吸収層の表面粗さは大きい。比較例の太陽電池においては、この表面粗さに起因した性能の低下が伴う。
(Comparative example)
Except not forming the
100…太陽電池; 101…ガラス基板; 102…裏面電極
103…化合物半導体下層; 104…化合物半導体上層; 105…光吸収層
106…バッファ層; 107…i層; 108…n層; 109…表面電極。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記下層の表面を平坦化する上層とを含む積層体を具備することを特徴とする化合物半導体薄膜。 A lower layer containing fine particles of an I-II-IV-VI group compound;
A compound semiconductor thin film comprising a laminate including an upper layer for planarizing a surface of the lower layer.
0.00eV≦(Eg(upper)−Eg(lower))≦0.30eV (1) 2. The compound semiconductor thin film according to claim 1, wherein the forbidden band width Eg (lower) of the lower layer and the forbidden band width Eg (upper) of the upper layer satisfy a relationship represented by the following formula (1).
0.00eV ≦ (Eg (upper) −Eg (lower) ) ≦ 0.30 eV (1)
0.01≦T(upper)/T(lower)≦1.00 (2) 3. The compound semiconductor thin film according to claim 1, wherein a thickness T (upper) of the lower layer and a thickness T (lower) of the upper layer satisfy a relationship represented by the following formula (2).
0.01 ≦ T (upper) / T (lower) ≦ 1.00 (2)
基板上に、I−II−IV−VI族化合物半導体の微粒子を含有する下層形成用インクを塗布し、熱処理して下層を形成する工程と、
前記下層の上に上層形成用インクを塗布し、熱処理して上層を形成して、微粒子を含有する下層とこの表面を覆う上層とを含む積層体を得る工程と
を具備することを特徴とする方法。 It is a manufacturing method of the compound semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6,
Applying a lower layer forming ink containing fine particles of an I-II-IV-VI group compound semiconductor on a substrate and heat-treating to form a lower layer;
A step of applying an upper layer forming ink on the lower layer and heat-treating to form an upper layer to obtain a laminate including a lower layer containing fine particles and an upper layer covering the surface. Method.
基板上に、I−II−IV−VI族化合物半導体の微粒子を含有する下層形成用インクを塗布して、下層前駆体を形成する工程と、
前記下層前駆体の上に、上層形成用インクを塗布して上層前駆体を形成する工程と、
前記上層前駆体を前記下層前駆体とともに熱処理して、微粒子を含有する下層とこの表面を覆う上層とを含む積層体を得る工程と
を具備することを特徴とする方法。 It is a manufacturing method of the compound semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6,
Applying a lower layer forming ink containing fine particles of an I-II-IV-VI group compound semiconductor on a substrate to form a lower layer precursor;
A step of applying an upper layer forming ink on the lower layer precursor to form an upper layer precursor;
And a step of heat-treating the upper layer precursor together with the lower layer precursor to obtain a laminate including a lower layer containing fine particles and an upper layer covering the surface.
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