JP2014127580A - Method of manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、I−III−VI族化合物を含む光電変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a photoelectric conversion device containing a I-III-VI group compound.
太陽光発電等に使用される光電変換装置として、CISやCIGS等のカルコパイライト系のI−III−VI族化合物によって半導体層が形成されたものがある。 As a photoelectric conversion device used for solar power generation or the like, there is one in which a semiconductor layer is formed of a chalcopyrite-based I-III-VI group compound such as CIS or CIGS.
このような光電変換装置の光電変換効率を高めるために、特許文献1では、I−III−VI族化合物を含む半導体層の表面にZnやCd等の12族元素(II−B族元素)をドープ
して半導体層の表面をn型化することにより、半導体層内にpn接合を形成している。半導体層への12族元素のドープ方法としては、12族元素の有機金属化合物をガス化し、このガスにより12族元素を半導体層中に熱拡散させる方法が用いられている。
In order to increase the photoelectric conversion efficiency of such a photoelectric conversion device, in
上記特許文献1のような方法では、十分な量の12族元素を半導体層内に十分に拡散させるために、半導体層を300〜400℃で加熱する必要がある。しかし、このように高温で拡散を行なうと、12族元素の拡散の程度を制御し難く、半導体層の表面だけでなく内部まで拡散が生じることとなり、光電変換効率のさらなる向上は困難である。
In the method as described in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光電変換装置の光電変換効率を高めることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to increase the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion device.
本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、11族元素、13族元素および16族元素を含むカルコパイライト系化合物を主として含むとともに一方主面側の表面部における13族元素に対する16族元素の原子濃度比が2よりも大きい光吸収層を用意する工程と、該光吸収層を12族元素の有機金属化合物を含む雰囲気中で加熱して12族元素を前記表面部に拡散させる工程とを具備する。
A method for manufacturing a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention mainly includes a chalcopyrite-based compound containing a
本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion apparatus can be improved.
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。 Hereinafter, a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, parts having similar configurations and functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted in the following description. Further, the drawings are schematically shown, and the sizes, positional relationships, and the like of various structures in the drawings are not accurately illustrated.
<(1)光電変換装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置11の一例を示す斜視図である。図2は、図1の光電変換装置11のXZ断面図である。なお、図1から図9には、光電変換セル10の配列方向(図1の図面視左右方向)をX軸方向とする右手系のXYZ座標系が付されている。
<(1) Configuration of photoelectric conversion device>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a
光電変換装置11は、基板1の上に複数の光電変換セル10が並設された構成を有している。図1では、図示の都合上、2つの光電変換セル10のみが示されているが、実際の光電変換装置11には、図面のX軸方向、或いは更に図面のY軸方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配列されている。
The
各光電変換セル10は、下部電極層2、第1の半導体層3、第2の半導体層4、上部電極層5、および集電電極7を主に備えている。光電変換装置11では、上部電極層5および集電電極7が設けられた側の主面が受光面となっている。また、光電変換装置11には、第1〜3溝部P1,P2,P3といった3種類の溝部が設けられている。
Each
基板1は、複数の光電変換セル10を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。例えば、基板1として、1〜3mm程度の厚さを有する青板ガラス(ソーダライムガラス)が用いられてもよい。
The
下部電極層2は、基板1の一主面の上に設けられた導電層であり、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、または金(Au)等の金属、あるいはこれらの金属の積層構造体からなる。また、下部電極層2は、0.2〜1μm程度の厚さを有し、例えば、スパッタリング法または蒸着法等の公知の薄膜形成方法によって形成される。
The
第1の半導体層3は、下部電極層2の+Z側の主面(一主面ともいう)の上に設けられた、第1の導電型(ここではp型の導電型)を有する半導体層であり、1〜3μm程度の厚さを有している。第1の半導体層3は、カルコパイライト系のI−III−VI族化合物を
含む半導体層であり、光吸収層として機能する。I−III−VI族化合物とは、I−B族元
素(11族元素ともいう)と、III−B族元素(13族元素ともいう)と、VI−B族元素
(16族元素ともいう)とを含んだ化合物である。I−III−VI族化合物としては、例え
ば、Cu(In,Ga)Se2(CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSSともいう)、およびCuInSe2(CISともいう)等が挙げられる。なお、Cu(In,Ga)Se2は、11族元素としてCuを含み、13族元素としてInおよびGaを含み、16族元素としてSeを含んでいる。また、Cu(In,Ga)(Se,S)2は、11族元素としてCuを含み、13族元素としてInおよびGaを含み、16族元素としてSeおよびSを含んでいる。
The
また、第1の半導体層3は、下部電極層2とは反対側(第2の半導体層4側)の表面部(以下、第1の半導体層3の下部電極層2とは反対側の表面部のことを単に第1の半導体層3の表面部ともいう)にII−B族元素(12族元素ともいう)がドープされている。これにより、第1の半導体層3の表面部においてキャリアの分離が良好に行なわれ、光電変換効率が高くなる。12族元素としては、ZnやCd等が用いられ、環境負荷を低減する
という観点からZnが用いられてもよい。
The
第1の半導体層3の表面部における12族元素の濃度は、例えば、0.01〜1原子%であってもよい。また、表面部3aの厚みは、例えば、第1の半導体層3の厚みの0.01〜0.3倍であってもよい。
The concentration of the group 12 element in the surface portion of the
第2の半導体層4は、第1の半導体層3の一主面の上に設けられた半導体層である。この第2の半導体層4は、第1の半導体層3の導電型とは異なる導電型(ここではn型の導電型)を有している。第1の半導体層3と第2の半導体層4との接合によって、第1の半導体層3で光電変換されて生じた正負キャリアが良好に電荷分離される。なお、導電型が異なる半導体とは、伝導担体(キャリア)が異なる半導体のことである。また、上記のように第1の半導体層3の導電型がp型である場合、第2の半導体層4の導電型は、n型でなく、i型であっても良い。
The
第2の半導体層4は、例えば、硫化カドミウム(CdS)、硫化インジウム(In2S3)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化亜鉛(ZnO)、セレン化インジウム(In2Se3)、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等の化合物半導体によって構成されている。そして、電流の損失が低減される観点から言えば、第2の半導体層4は、1Ω・cm以上の抵抗率を有するものとすることができる。なお、第2の半導体層4は、例えば溶液成長法(CBD法ともいう)等で形成される。
The
また、第2の半導体層4は、第1の半導体層3の一主面の法線方向に厚さを有する。この厚さは、例えば10〜200nmに設定される。
The
上部電極層5は、第2の半導体層4の上に設けられた透明導電膜であり、第1の半導体層3において生じた電荷を取り出す電極である。上部電極層5は、第2の半導体層4よりも低い抵抗率を有する物質によって構成されている。上部電極層5には、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれ、この窓層に加えて更に透明導電膜が設けられる場合には、これらが一体の上部電極層5とみなされても良い。
The
上部電極層5は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ZnO、In2O3およびSnO2等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Al、B、Ga、InおよびF等のうちの何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)、
IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine tin Oxide)等がある。
The
Examples include IZO (Indium Zinc Oxide), ITO (Indium Tin Oxide), and FTO (Fluorine tin Oxide).
上部電極層5は、スパッタリング法、蒸着法、または化学的気相成長(CVD)法等によって、0.05〜3.0μmの厚さを有するように形成される。ここで、第1の半導体層3から電荷が良好に取り出される観点から言えば、上部電極層5は、1Ω・cm未満の抵抗率と、50Ω/□以下のシート抵抗とを有するものとすることができる。
The
第2の半導体層4および上部電極層5は、第1の半導体層3が吸収する光の波長領域に対して光を透過させ易い性質(光透過性ともいう)を有する素材によって構成され得る。これにより、第2の半導体層4と上部電極層5とが設けられることで生じる、第1の半導体層3における光の吸収効率の低下が低減される。
The
また、光透過性が高められると同時に、光反射のロスが防止される効果と光散乱効果とが高められ、更に光電変換によって生じた電流が良好に伝送される観点から言えば、上部
電極層5は、0.05〜0.5μmの厚さとなるようにすることができる。更に、上部電極層5と第2の半導体層4との界面で光反射のロスが低減される観点から言えば、上部電極層5と第2の半導体層4との間で絶対屈折率が略同一となるようにすることができる。
In addition, from the viewpoint of improving the light transmittance, the effect of preventing loss of light reflection and the light scattering effect, and further transmitting the current generated by the photoelectric conversion, the
集電電極7は、Y軸方向に離間して設けられ、それぞれがX軸方向に延在している。集電電極7は、導電性を有する電極であり、例えば、銀(Ag)等の金属からなる。
The collecting
集電電極7は、第1の半導体層3において発生して上部電極層5において取り出された電荷を集電する役割を担う。集電電極7が設けられれば、上部電極層5の薄層化が可能となる。
The collecting
集電電極7および上部電極層5によって集電された電荷は、第2溝部P2に設けられた接続導体6を通じて、隣の光電変換セル10に伝達される。接続導体6は、例えば、図2に示されるように集電電極7のY軸方向への延在部分によって構成されている。これにより、光電変換装置11においては、隣り合う光電変換セル10の一方の下部電極層2と、他方の集電電極7とが、第2溝部P2に設けられた接続導体6を介して電気的に直列に接続されている。なお、接続導体6は、これに限定されず、上部電極層5の延在部分によって構成されていてもよい。
The charges collected by the
集電電極5は、良好な導電性が確保されつつ、第1の半導体層3への光の入射量を左右する受光面積の低下が最小限にとどめられるように、50〜400μmの幅を有するものとすることができる。
The
<(2)光電変換装置の製造方法>
図3から図7は、光電変換装置11の製造途中の様子をそれぞれ模式的に示す断面図である。なお、図3から図7で示される各断面図は、図2で示された断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。
<(2) Method for Manufacturing Photoelectric Conversion Device>
3 to 7 are cross-sectional views each schematically showing a state during the manufacture of the
まず、洗浄された基板1の略全面に、スパッタリング法等を用いて、Mo等からなる下部電極層2を成膜する。そして、下部電極層2の上面のうちのY方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の基板1の上面にかけて、第1溝部P1を形成する。第1溝部P1は、例えば、YAGレーザー等によるレーザー光を走査しつつ形成対象位置に照射することで溝加工を行なう、レーザースクライブ加工によって形成することができる。図3は、第1溝部P1を形成した後の状態を示す図である。
First, the
第1溝部P1を形成した後、下部電極層2の上に、表面部(下部電極層2とは反対側の表面部)における13族元素に対する16族元素の原子濃度比が2よりも大きい第1の半導体層3を形成する。なお、この第1の半導体層3における16族元素とは、酸素(O)元素を除く、硫黄(S)元素、セレン(Se)元素およびテルル(Te)元素のことである(以下、硫黄元素、セレン元素およびテルル元素をカルコゲン元素という)。
After forming the first groove P1, the atomic concentration ratio of the group 16 element to the group 13 element in the surface portion (surface portion opposite to the lower electrode layer 2) on the
第1の半導体層3の表面部における13族元素に対する16族元素の原子濃度比は、例えば2.1以上2.5以下とすることができる。このような範囲であれば、後述する12族元素の拡散をより良好にすることができる。
The atomic concentration ratio of the group 16 element to the group 13 element in the surface portion of the
このような第1の半導体層3は、例えば、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することができる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第1の半導体層3の構成元素を含む原料溶液を下部電極層2の上に塗布して皮膜を形成し、その後この皮膜の熱処理を行うプロセスである。図4は、第1の半導体層3を形成した後の状態を示す図である。
Such a
ここで、表面部における13族元素に対する16族元素(カルコゲン元素)の原子濃度比が2よりも大きい第1の半導体層3とするために、以下のような原料溶液を用いるとともに以下のような熱処理の条件を採用する。つまり、原料溶液としては、11族元素および13族元素に加えて、カルコゲン元素を、原子濃度が13族元素に対して2よりも大きくなる量で溶媒に溶解したものを用いる。また、このような原料溶液を用いて作製した皮膜を450〜600℃の温度で熱処理してI−III−VI族化合物にする際、熱処理時の雰
囲気中にもカルコゲン元素を、例えば、硫黄蒸気、セレン蒸気、テルル蒸気、硫化水素、セレン化水素またはテルル化水素等の状態で含ませる。以上のように原料溶液においても、熱処理条件においても、カルコゲン元素が過剰な状態となるため、作製された第1の半導体層3は、少なくとも表面部における13族元素に対する16族元素(カルコゲン元素)の原子濃度比が2よりも大きいものとなる。特に、第1の半導体層3の表面部においては、熱処理時に雰囲気中のカルコゲン元素との接触率が高いため、よりカルコゲン元素の比率が高くなりやすい。
Here, in order to obtain the
なお、後述する12族元素の第1の半導体層3の表面部への拡散工程において、第1の半導体層3の内部への12族元素の拡散を抑制しながら、主に表面部に12族元素をより多く拡散させるのが容易になるという観点からは、第1の半導体層3の表面部における13族元素に対する16族元素(カルコゲン元素)の原子濃度比が2.1以上2.5以下であり、残部における13族元素に対するカルコゲン元素の原子濃度比が2以下であってもよい。このような残部よりも表面部においてカルコゲン元素の濃度が高い第1の半導体層3は、以下のようにして作製することができる。つまり、原料溶液を用いて皮膜を形成する際、残部においては、カルコゲン元素濃度の低い原料溶液を用い、表面部においては上記のようにカルコゲン元素濃度が高いものを用いればよい。なお、カルコゲン元素の濃度が高い上記表面部の厚みは、第1の半導体層3全体の厚みの0.01〜0.3倍であればよい。
In the step of diffusing the group 12 element into the surface of the
第1の半導体層3を形成した後、この第1の半導体層3を、12族元素の有機金属化合物を含む雰囲気中で加熱して12族元素を、第1の半導体層3の表面部に拡散させる。12族元素の有機金属化合物とは、12族元素に有機化合物の炭素が結合した化合物である。このような12族元素の有機金属化合物としては、例えば、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、ジプロピル亜鉛、ジメチルカドミウム、ジエチルカドミウム、ジプロピルカドミウム等が挙げられる。環境負荷低減という観点からは、有機金属化合物の12族元素として亜鉛(Zn)を用いてもよい。
After forming the
上記雰囲気中で加熱する際の第1の半導体層3の温度としては、150〜250℃とすることができる。このような温度範囲であれば、第1の半導体層3のカルコゲン元素が過剰に存在する表面部に12族元素を良好に拡散させることができるとともに、12族元素が拡散し過ぎて第1の半導体層3の内部まで進行するのを低減できる。その結果、光電変換装置11の光電変換効率を向上することができる。
As temperature of the
また、第1の半導体層3として、表面部における13族元素に対する16族元素の原子濃度比が2.1以上2.5以下であり、残部における13族元素に対する16族元素の原子濃度比が2以下であるものを用いる場合は、第1の半導体層3の内部への12族元素の拡散をより抑制しながら、第1の半導体層3の表面部への12族元素の拡散量を高めることができる。このような第1の半導体層3を用いる場合、上記有機金属化合物を含む雰囲気中で加熱する際の第1の半導体層3の温度を、150〜400℃としてもよい。
Further, as the
次に、この12族元素が拡散された第1の半導体層3の上に、第2の半導体層4および上部電極層5を順に形成する。
Next, the
第2の半導体層4は、溶液成長法(CBD法ともいう)によって形成することができる。例えば、塩化インジウムとチオアセトアミドと希塩酸とを水に溶解して成膜液を形成し、この成膜液に第1の半導体層3の形成まで行なった基板1を浸漬することで、第1の半導体層3の上にIn2S3を含む第2の半導体層4を形成することができる。
The
第2の半導体層4をCBD法で形成する場合、このCBD法に用いる成膜液で上記酸化物層3aを溶解できる場合は、酸化物層3aの除去と第2の半導体層4とを同じ成膜液を用いて、同時に行なってもよい。その場合、製造工程を簡略化できる。
When the
また、上部電極層5は、例えば、Snが含まれた酸化インジウム(ITO)等を主成分とする透明導電膜であり、スパッタリング法、蒸着法、またはCVD法等で形成することができる。図5は、第2の半導体層4および上部電極層5を形成した後の状態を示す図である。
The
上部電極層5を形成した後、上部電極層5の上面のうちのY方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層2の上面にかけて、第2溝部P2を形成する。第2溝部P2は、例えば、スクライブ針を用いたメカニカルスクライビング加工によって形成することができる。図6は、第2溝部P2を形成した後の状態を示す図である。第2溝部P2は、第1溝部P1よりも若干X方向(図中では+X方向)にずれた位置に形成する。
After the
第2溝部P2を形成した後、集電電極7および接続導体6を形成する。集電電極7および接続導体6については、例えば、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散した導電性を有するペースト(導電ペーストともいう)を、所望のパターンを描くように印刷し、これを加熱することで形成できる。図7は、集電電極7および接続導体6を形成した後の状態を示す図である。
After forming the second groove P2, the
集電電極7および接続導体6を形成した後、上部電極層5の上面のうちの直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層2の上面にかけて、第3溝部P3を形成する。第3溝部P3の幅は、例えば、40〜1000μm程度とすることができる。また、第3溝部P3は、第2溝部P2と同様に、メカニカルスクライビング加工によって形成することができる。このようにして、第3溝部P3の形成によって、図1および図2で示された光電変換装置11を製作したことになる。
After forming the
1:基板
2:第1の電極層
3:第1の半導体層
4:第2の半導体層
5:第2の電極層
10:光電変換セル
11:光電変換装置
1: Substrate 2: First electrode layer 3: First semiconductor layer 4: Second semiconductor layer 5: Second electrode layer 10: Photoelectric conversion cell 11: Photoelectric conversion device
Claims (5)
該光吸収層を12族元素の有機金属化合物を含む雰囲気中で加熱して12族元素を前記表面部に拡散させる工程と
を具備する光電変換装置の製造方法。 A light-absorbing layer that mainly contains a chalcopyrite compound containing a group 11 element, a group 13 element, and a group 16 element and has an atomic concentration ratio of the group 16 element to the group 13 element in the surface portion on the main surface side larger than 2 is prepared. And a process of
Heating the light absorbing layer in an atmosphere containing an organometallic compound of a group 12 element and diffusing the group 12 element in the surface portion.
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