JP2014130858A - Photoelectric conversion element and process of manufacturing buffer layer of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池、CCDセンサ等に用いられる光電変換素子および光電変換素子のバッファ層の製造方法、ならびに光電変換素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element used for solar cells, CCD sensors, and the like, a method for manufacturing a buffer layer of the photoelectric conversion element, and a method for manufacturing the photoelectric conversion element.
光電変換層とこれに導通する電極とを備えた光電変換素子が、太陽電池等の用途に使用されている。従来、太陽電池においては、バルクの単結晶Siまたは多結晶Si、あるいは薄膜のアモルファスSiを用いたSi系太陽電池が主流であったが、Siに依存しない化合物半導体系太陽電池の研究開発がなされている。化合物半導体系太陽電池としては、GaAs系等のバルク系と、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなるCISあるいはCIGS系等の薄膜系とが知られている。CI(G)Sは、一般式Cu1−zIn1−xGaxSe2−ySy(式中、0≦x≦1,0≦y≦2,0≦z≦1)で表される化合物半導体であり、x=0のときがCIS系、x>0のときがCIGS系である。本明細書では、CISとCIGSとを合わせて「CI(G)S」と表記してある。 A photoelectric conversion element including a photoelectric conversion layer and an electrode connected to the photoelectric conversion layer is used for applications such as solar cells. Conventionally, in the case of solar cells, Si-based solar cells using bulk single crystal Si or polycrystalline Si, or thin-film amorphous Si have been mainstream, but research and development of Si-independent compound semiconductor solar cells has been made. ing. Known compound semiconductor solar cells include bulk systems such as GaAs systems and thin film systems such as CIS or CIGS systems composed of group Ib elements, group IIIb elements, and group VIb elements. CI (G) S is represented by the general formula Cu 1-z In 1-x Ga x Se 2-y S y ( where, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 2,0 ≦ z ≦ 1) When x = 0, it is a CIS system, and when x> 0, it is a CIGS system. In this specification, CIS and CIGS are collectively described as “CI (G) S”.
CI(G)S系等の従来の薄膜系光電変換素子においては一般に、光電変換層とその上に形成される透光性導電層との間にCdSバッファ層が設けられている。かかる系では通常、バッファ層は化学浴析出法(CBD法:Chemical Bath Deposition)により成膜されている。 In conventional thin film photoelectric conversion elements such as CI (G) S, a CdS buffer layer is generally provided between a photoelectric conversion layer and a translucent conductive layer formed thereon. In such a system, the buffer layer is usually formed by a chemical bath deposition method (CBD method).
バッファ層の役割としては、(1)光生成キャリアの再結合の防止、(2)バンド不連続の整合、(3)格子整合、(4)光電変換層の表面凹凸のカバレッジ、及び(5)バッファ層上に透明導電膜を成膜する際のダメージからの保護等が考えられる。CI(G)S系等では光電変換層の表面凹凸が比較的大きく、特に(4)や(5)の条件を良好に充たすために、液相法であるCBD法が好ましいと考えられる。 The role of the buffer layer includes (1) prevention of recombination of photogenerated carriers, (2) band discontinuous matching, (3) lattice matching, (4) coverage of surface irregularities of the photoelectric conversion layer, and (5) It is conceivable to protect from damage when forming a transparent conductive film on the buffer layer. In the CI (G) S system or the like, the surface irregularity of the photoelectric conversion layer is relatively large. In particular, in order to satisfy the conditions (4) and (5) well, the CBD method which is a liquid phase method is considered preferable.
また、近年、環境負荷を考慮してバッファ層のCdフリー化が検討されている。Cdフリーのバッファ層の主成分としては、Zn(S,O)等の亜鉛系が検討されている。 In recent years, the Cd-free buffer layer has been studied in consideration of environmental load. As the main component of the Cd-free buffer layer, zinc-based materials such as Zn (S, O) have been studied.
特許文献1、特許文献2には、Zn(S,O)系のバッファ層を備えた光電変換素子の製造方法が提案されている。
他方、特許文献3にはバッファ層を3層構造とし、直列抵抗を抑制することにより、フィルファクターを向上させる方法が開示されている。光電変換層CBD法により1〜3nmのZnS膜を形成し、さらにCBD法によりZnSからZnOに連続的に変化する層を形成し、3層目にMOCVD法によりAl、Ga、Bなどのドーピング不純物元素を含むZnO膜を100nm以上形成して3層構造のバッファ層を得ることが開示されている。
On the other hand, Patent Document 3 discloses a method for improving the fill factor by making the buffer layer into a three-layer structure and suppressing series resistance. Photoelectric conversion layer A ZnS film of 1 to 3 nm is formed by the CBD method, a layer that continuously changes from ZnS to ZnO is formed by the CBD method, and doping impurities such as Al, Ga, B, etc. are formed in the third layer by the MOCVD method It is disclosed that a ZnO film containing an element is formed to a thickness of 100 nm or more to obtain a buffer layer having a three-layer structure.
他方、非特許文献1は、CdS系バッファ層において、不純物をドープすることによりCdSの抵抗が変化することを示している。
On the other hand,
Zn(S,O)等の亜鉛系バッファ層を用いた光電変換素子では、CdSバッファ層を用いた光電変換素子と比べて、光電変換効率が低いという課題がある。発明者らの検討により、Zn(S,O)等の亜鉛系バッファ層を用いた光電変換素子では、光電変換特性のうち、とりわけ、フィルファクター(曲線因子)が低いために、光電変換効率が向上しないことが明らかになった。 A photoelectric conversion element using a zinc-based buffer layer such as Zn (S, O) has a problem that the photoelectric conversion efficiency is lower than that of a photoelectric conversion element using a CdS buffer layer. According to the study by the inventors, in a photoelectric conversion element using a zinc-based buffer layer such as Zn (S, O), among others, the photoelectric conversion efficiency is low because the fill factor (curve factor) is low. It became clear that it did not improve.
フィルファクターは、I−V特性カーブから、次のように導出される数値である。図4を参照して説明する。まず、I−V特性カーブと電圧軸との交点から開放電圧Vocを、電流軸との交点から短絡電流Iscを求める。また、I−V特性カーブに沿った電圧Vと電流Iの積(出力P)から最大出力Pmを得、そしてその最大出力Pmとなるときの電圧Vmと、電流Imを求める。フィルファクターFは以下の式から、求めることができる。
F=(Im×Vm)/(Isc×Voc)
The fill factor is a numerical value derived from the IV characteristic curve as follows. This will be described with reference to FIG. First, the open circuit voltage Voc is obtained from the intersection between the IV characteristic curve and the voltage axis, and the short circuit current Isc is obtained from the intersection with the current axis. Further, the maximum output Pm is obtained from the product (output P) of the voltage V and the current I along the IV characteristic curve, and the voltage Vm and the current Im when the maximum output Pm is obtained. The fill factor F can be obtained from the following equation.
F = (Im × Vm) / (Isc × Voc)
一方、I−V特性カーブのVoc近傍における傾きは、シリーズ抵抗に対応する。具体的には、Voc近傍における傾きの逆数からシリーズ抵抗を求めることができる。 On the other hand, the slope in the vicinity of Voc of the IV characteristic curve corresponds to the series resistance. Specifically, the series resistance can be obtained from the reciprocal of the slope near Voc.
フィルファクターを低下させる要因としては、シリーズ抵抗の増大、シャント抵抗の低下、ダイオード因子の増加、などが挙げられる。特許文献3では、これらのフィルファクター低下要因のうちシリーズ抵抗の増大を抑制するため、バッファ層の抵抗を低減させている。特許文献3に記載の方法を用いれば、バッファ層の抵抗を抑制することにより、結果としてシリーズ抵抗を抑制することができる。しかしながら、バッファ層を複数層形成する必要があり、またCBD法およびMCVD法の両成膜方法を用いる必要があることから、工程数の増加およびコストアップにつながっていた。 Factors that decrease the fill factor include an increase in series resistance, a decrease in shunt resistance, and an increase in diode factor. In Patent Document 3, the resistance of the buffer layer is reduced in order to suppress the increase in series resistance among these factors of lowering the fill factor. If the method described in Patent Literature 3 is used, the series resistance can be suppressed as a result by suppressing the resistance of the buffer layer. However, it is necessary to form a plurality of buffer layers, and it is necessary to use both the CBD method and the MCVD method, leading to an increase in the number of steps and an increase in cost.
また、バッファ層の抵抗を低減させる方法としては、バッファ層を薄膜にすることも考えられる。
しかしながら、シリーズ抵抗は、光電変換素子を構成する各層および界面が寄与する、直立接続と看做せる複数の抵抗成分の総和であるため、バッファ層の低抵抗化のみによりシリーズ抵抗低減には限界がある。
Further, as a method of reducing the resistance of the buffer layer, it is conceivable to make the buffer layer a thin film.
However, the series resistance is the sum of multiple resistance components that can be considered as an upright connection, and each layer and interface that make up the photoelectric conversion element contribute. Therefore, there is a limit to reducing the series resistance only by reducing the resistance of the buffer layer. is there.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、Zn系化合物からなるバッファ層を備えた光電変換素子であって、光電変換特性を向上させた光電変換素子を提供することを目的とするものである。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It is a photoelectric conversion element provided with the buffer layer which consists of Zn-type compounds, Comprising: It aims at providing the photoelectric conversion element which improved the photoelectric conversion characteristic. To do.
また本発明は、Zn系化合物からなるバッファ層を備えた光電変換素子の製造に適用可能な光電変換特性を向上し得る、工程数、コストを抑えたバッファ層の製造方法およびそのバッファ層の製造方法を適用した光電変換素子の製造方法を提供することを目的とするものである。 In addition, the present invention can improve the photoelectric conversion characteristics applicable to the production of a photoelectric conversion element provided with a buffer layer made of a Zn-based compound, and the method for producing the buffer layer with reduced number of steps and cost, and the production of the buffer layer It aims at providing the manufacturing method of the photoelectric conversion element to which the method is applied.
本発明の光電変換素子は、基板上に、下部電極層と、光電変換層と、バッファ層と、上部電極層が積層された光電変換素子であって、
バッファ層が、亜鉛および硫黄を含み、さらに、3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素を少なくとも1種含む化合物からなるものであることを特徴とする。
The photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are laminated on a substrate,
The buffer layer is composed of a compound containing zinc and sulfur and further containing at least one element having a valence higher than that of zinc among group 3 elements, group 7 elements and group 13 elements. .
ここで、3族元素は、ランタノイドおよびアクチノイドを含む。 Here, the Group 3 elements include lanthanoids and actinoids.
亜鉛よりも価数の大きい元素が、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、マンガン、イットリウム、ランタンまたはセリウムであることが好ましい。 The element having a higher valence than zinc is preferably boron, aluminum, gallium, indium, manganese, yttrium, lanthanum, or cerium.
バッファ層を構成する化合物中における、亜鉛よりも価数の大きい元素の含有率が、0.01at%以上、5at%以下であることが好ましい。
なお、本明細書において、亜鉛よりも価数の大きい元素の含有率は、バッファ層の厚み方向中心における含有率で定義するものとする。
It is preferable that the content of the element having a valence larger than that of zinc in the compound constituting the buffer layer is 0.01 at% or more and 5 at% or less.
In the present specification, the content of elements having a higher valence than zinc is defined as the content at the center in the thickness direction of the buffer layer.
バッファ層の上部電極層側の表面に、カルボニルイオンを備えてなることが好ましい。
カルボニルイオンとしては、特にクエン酸イオンであることが好ましい。
It is preferable that carbonyl ions are provided on the surface of the buffer layer on the upper electrode layer side.
The carbonyl ion is particularly preferably a citrate ion.
さらには、バッファ層がナトリウムを含有するものであることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the buffer layer contains sodium.
バッファ層の厚みは、5nm以上、200nm以下であることが好ましい。 The thickness of the buffer layer is preferably 5 nm or more and 200 nm or less.
バッファ層が、5nmより薄いと、[背景技術]の項で述べたバッファ層の役割のうち、特に(4)および(5)の効果が発揮できず、光電変換特性の低下につながるおそれがあり、好ましくない。また、バッファ層が200nmより厚いと、シリーズ抵抗の低減効果を得づらくなり、光電変換特性の低下につながるおそれがあり、好ましくない。
バッファ層の厚みは100nm以下であることがより好ましい。
さらには、バッファ層の厚みは、30nm以上であるとき、本発明の効果はより顕著であり好ましい。
If the buffer layer is thinner than 5 nm, the effects of (4) and (5) among the roles of the buffer layer described in the [Background Art] section may not be exhibited, and the photoelectric conversion characteristics may be deteriorated. Is not preferable. On the other hand, if the buffer layer is thicker than 200 nm, it is difficult to obtain the effect of reducing the series resistance, which may lead to deterioration in photoelectric conversion characteristics, which is not preferable.
The thickness of the buffer layer is more preferably 100 nm or less.
Furthermore, when the thickness of the buffer layer is 30 nm or more, the effect of the present invention is more remarkable and preferable.
光電変換層が、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなる少なくとも1種のカルコパイライト構造の化合物半導体を主成分とする光電変換層であり、上部電極層が、透光性導電層であることが好ましい。 The photoelectric conversion layer is a photoelectric conversion layer mainly composed of a compound semiconductor having at least one chalcopyrite structure composed of a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element, and the upper electrode layer is a translucent conductive layer It is preferable that
光電変換層の主成分が、
Cu及びAgからなる群より選択された少なくとも1種のIb族元素と、
Al,Ga及びInからなる群より選択された少なくとも1種のIIIb族元素と、S,Se,及びTeからなる群から選択された少なくとも1種のVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体であることが特に好ましい。
The main component of the photoelectric conversion layer is
At least one group Ib element selected from the group consisting of Cu and Ag;
At least one compound semiconductor comprising at least one IIIb group element selected from the group consisting of Al, Ga and In and at least one VIb group element selected from the group consisting of S, Se and Te It is particularly preferred that
本明細書において、特に明記しない限り、「主成分」とは、含量80質量%以上の成分を意味する。 In the present specification, unless otherwise specified, the “main component” means a component having a content of 80% by mass or more.
本発明の太陽電池は本発明の光電変換素子を備えたことを特徴とするものである。 The solar cell of the present invention comprises the photoelectric conversion element of the present invention.
本発明のバッファ層の製造方法は、基板上に、下部電極層と、光電変換層と、バッファ層と、上部電極層がこの順に積層されてなる積層構造を有する光電変換素子におけるバッファ層の製造方法であって、
亜鉛イオンおよび硫黄イオンを含み、さらに3族元素、7族元素、または13族元素(ホウ素を除く)のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素のイオン、またはホウ素を含むオキソ酸イオンを含む化学浴析出用の反応液を用意し、
前記基板上に前記下部電極層および前記光電変換層がこの順に積層されてなるバッファ成膜用基板の、少なくとも前記光電変換層の表面を前記反応液に接触させることにより、該光電変換層上にバッファ層を析出させることを特徴とする。
The method for producing a buffer layer of the present invention is the production of a buffer layer in a photoelectric conversion element having a laminated structure in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are laminated in this order on a substrate. A method,
Chemistry containing zinc ions and sulfur ions, and ions of elements having a higher valence than zinc among group 3, 7 or 13 elements (excluding boron) or oxo acid ions containing boron Prepare a reaction solution for bath deposition,
By bringing at least the surface of the photoelectric conversion layer into contact with the reaction solution of the buffer film forming substrate in which the lower electrode layer and the photoelectric conversion layer are laminated in this order on the substrate, the reaction liquid is formed on the photoelectric conversion layer. A buffer layer is deposited.
反応液に、チオ尿素をさらに含むことが好ましい。 It is preferable that the reaction solution further contains thiourea.
反応液に、ホウ酸、四ホウ酸、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、マンガンイオン、イットリウムイオン、ランタンイオンおよびセリウムイオンのうち1種類以上を含むことが好ましい。 The reaction solution preferably contains one or more of boric acid, tetraboric acid, aluminum ions, gallium ions, manganese ions, yttrium ions, lanthanum ions, and cerium ions.
また、反応液にカルボニルイオンを含むことが好ましく、カルボニルイオンとしては、クエン酸イオンが特に好ましい。 Moreover, it is preferable that a carbonyl ion is contained in a reaction liquid, and as a carbonyl ion, a citrate ion is especially preferable.
さらに、反応液にナトリウムイオンを含むことが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the reaction solution contains sodium ions.
本発明の光電変換素子の製造方法は、基板上に、下部電極層、光電変換層、バッファ層および上部電極層が積層してなる積層構造を有する光電変換素子の製造方法において、
バッファ層を、本発明のバッファ層の製造方法により形成することを特徴とする。
The method for producing a photoelectric conversion element of the present invention is a method for producing a photoelectric conversion element having a laminated structure in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are laminated on a substrate.
The buffer layer is formed by the buffer layer manufacturing method of the present invention.
本発明の光電変換素子は、基板上に、下部電極層と、光電変換層と、バッファ層と、上部電極層が積層された光電変換素子であって、バッファ層が、亜鉛および硫黄を含み、さらに、3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素を少なくとも1種含む化合物からなるものであり、化合物中に亜鉛よりも価数の高い元素を添加したことにより、フィルファクターを向上させることができ、光電変換効率を向上させることができる。 The photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are laminated on a substrate, and the buffer layer contains zinc and sulfur, Further, it is composed of a compound containing at least one element having a valence higher than that of zinc among the group 3 element, the group 7 element and the group 13 element, and an element having a higher valence than zinc is added to the compound. As a result, the fill factor can be improved and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
フィルファクターを向上させる作用機序は必ずしも明らかではないが、その要因の一つは、ダイオード因子の増大が抑制されたためであると考えられる。ダイオード因子が増大すると、フィルファクターが低下する。シリーズ抵抗およびシャント抵抗が変化せず、ダイオード因子のみが増加した場合、図4中の実線で示すI−V曲線が、同図中点線で示すI−V曲線のように変化する。ダイオード因子の増加によりI−Vカーブの凸形状が変化してPmaxが原点方向に移動することとなり、結果としてフィルファクターが低下するのである。化学浴析出法によって形成されたZn(S,O)バッファ層のバンドギャップ中には、不可避的に形成された不純物準位が存在すると考えられ、この準位を介したキャリア再結合がダイオード因子を増大させ、フィルファクターを低下させる要因になっていると推定される。3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素の添加により、バンドギャップ中の比較的伝導帯寄りに、多数のドナー準位が形成されると予想される。この準位の電子が、不純物準位を補償することによって、不純物準位を介したキャリア再結合を抑制し、フィルファクターを向上させていると考えられる。 Although the mechanism of action for improving the fill factor is not necessarily clear, one of the factors is considered to be an increase in the diode factor. As the diode factor increases, the fill factor decreases. When the series resistance and the shunt resistance do not change and only the diode factor increases, the IV curve indicated by the solid line in FIG. 4 changes as the IV curve indicated by the dotted line in FIG. As the diode factor increases, the convex shape of the IV curve changes and Pmax moves in the direction of the origin, resulting in a decrease in fill factor. In the band gap of the Zn (S, O) buffer layer formed by the chemical bath deposition method, it is considered that inevitably formed impurity levels exist, and carrier recombination through these levels is a diode factor. It is estimated that this is a factor that increases the fill factor. It is expected that a large number of donor levels are formed near the conduction band in the band gap by adding an element having a higher valence than zinc among the group 3 element, group 7 element and group 13 element. . This level of electrons compensates for the impurity level, thereby suppressing carrier recombination via the impurity level and improving the fill factor.
また、バッファ層の厚みをある程度大きくした場合であっても、化合物中に亜鉛よりも価数の高い元素を添加したことにより、バッファ層の厚膜化に伴う電気抵抗増加を抑制することができ、結果として素子のシリーズ抵抗の増加を抑制することができるので、特性の低下を抑制できる。すなわち、バッファ層が厚膜である場合、本発明の効果は顕著である。
上部電極をスパッタで成膜する際には、スパッタダメージによる性能低下があることが知られている(特開2012−204477号公報[0008]段落参照)。このスパッタダメージを抑制するため、バッファ層を比較的厚くする必要があるがバッファ層の厚膜化は、従来技術では、シリーズ抵抗の増加とのトレードオフの関係にあり、光電変換効率の向上が十分に図れなかった。本発明により、上部電極のスパッタ成膜時にCIGS層へのダメージを生じない程度にバッファ層を厚くした場合でもシリーズ抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、スパッタダメージを抑制可能な程度にバッファ層が厚膜である素子において、本発明を適用すると、上述のダイオード特性が向上する効果に、バッファ層の電気抵抗を低下させる効果が相乗的に加わり、さらにフィルファクターが向上し、高い変換効率を得ることができる。
Even when the thickness of the buffer layer is increased to some extent, the addition of an element having a higher valence than zinc to the compound can suppress an increase in electrical resistance associated with increasing the thickness of the buffer layer. As a result, an increase in the series resistance of the element can be suppressed, so that deterioration in characteristics can be suppressed. That is, when the buffer layer is a thick film, the effect of the present invention is remarkable.
It is known that when the upper electrode is formed by sputtering, there is a decrease in performance due to sputtering damage (see paragraph [0008] of Japanese Patent Laid-Open No. 2012-204477). In order to suppress this sputter damage, it is necessary to make the buffer layer relatively thick. However, increasing the thickness of the buffer layer has a trade-off relationship with the increase in series resistance in the conventional technology, and the photoelectric conversion efficiency is improved. I couldn't plan enough. According to the present invention, an increase in series resistance can be suppressed even when the buffer layer is thick enough to prevent damage to the CIGS layer during sputter deposition of the upper electrode. That is, when the present invention is applied to an element having a buffer layer that is thick enough to suppress sputter damage, the effect of reducing the electrical resistance of the buffer layer is synergistically added to the effect of improving the diode characteristics described above. Further, the fill factor is improved and high conversion efficiency can be obtained.
本発明のバッファ層の製造方法によれば、低い電気抵抗のバッファ層を得ることができるので、その厚みをある程度厚く形成することが可能となる。
本発明のバッファ層の製造方法を用いることにより、フィルファクターが大きい光電変換素子を得ることができ、バッファ層の厚みをある程度厚く形成することができるので上部電極の形成時のダメージ防止と素子特性の低下防止を両立可能な光電変換素子を得ることができる。
なお、バッファ層はCBD法で形成した1層構造でよいため、通常のバッファ層形成時と同一の工程数で、かつコストアップすることなく、高光電変換率の光電変換素子を得ることができる。
According to the method for manufacturing a buffer layer of the present invention, a buffer layer having a low electrical resistance can be obtained, so that the thickness can be increased to some extent.
By using the buffer layer manufacturing method of the present invention, a photoelectric conversion element having a large fill factor can be obtained, and the buffer layer can be formed to a certain degree of thickness, thereby preventing damage during formation of the upper electrode and element characteristics. It is possible to obtain a photoelectric conversion element that can achieve both prevention of deterioration.
Note that since the buffer layer may have a single-layer structure formed by the CBD method, a photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion rate can be obtained with the same number of steps as in the normal buffer layer formation and without increasing the cost. .
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の光電変換素子の構造およびその製造方法について説明する。図1Aは光電変換素子の概略構成を示す断面図である。視認しやすくするため、図中、各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。 With reference to drawings, the structure of the photoelectric conversion element of one Embodiment which concerns on this invention, and its manufacturing method are demonstrated. FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a photoelectric conversion element. In order to facilitate visual recognition, the scale of each component in the figure is appropriately different from the actual one.
光電変換素子1は、基板10上に、下部電極層(裏面電極)20と、化合物半導体を主成分とする光電変換層30と、バッファ層40と、上部電極層としての透光性導電層(透明電極)60と、グリッド電極70とが順次積層された素子であり、バッファ層40が、亜鉛および硫黄を含み、さらに、3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素を少なくとも1種含むことを特徴とする。
なお、バッファ層40と透光性導電層60との間に所謂窓層を備えていてもよい。
The
A so-called window layer may be provided between the
バッファ層40は、光生成キャリアの再結合の防止、バンド不連続の整合、格子整合、光電変換層の表面凹凸のカバレッジ、さらに透光性導電層成膜時のダメージ緩和等を目的として、設けられる層である。
The
本実施形態において、バッファ層40は、少なくとも亜鉛、硫黄を含み、さらに3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素(以下において、この元素を「D」と表記する。)を含む化合物からなる。このとき、亜鉛よりも価数の大きい元素Dはドーパントであり、フィルファクターを向上させる効果を奏する。亜鉛は2価(Zn2+)であり、Dは、3価以上であればよい。なお、亜鉛よりも価数の大きい元素がバッファ層中に2種以上に含まれていてもよい。
In the present embodiment, the
特には、Dとして、特にホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、マンガン、イットリウム、ランタンまたはセリウムのいずれかが、バッファ層40に含まれていることが好ましい。
In particular, it is preferable that any of boron, aluminum, gallium, indium, manganese, yttrium, lanthanum, or cerium is contained in the
バッファ層40を構成する主成分は、少なくともZnSを含む化合物であり、Zn(S,O)およびZn(S,O,OH)がより好ましい。Zn(S,O)およびZn(S,O,OH)との記載は、硫化亜鉛と酸化亜鉛の混晶及び硫化亜鉛と酸化亜鉛と水酸化亜鉛の混晶を意味するが、一部硫化亜鉛や酸化亜鉛、水酸化亜鉛がアモルファスである等で混晶を形成せずに存在していてもよいこととする。ここで、バッファ層に元素Dを含むとは、バッファ層が、主成分であるZnS、Zn(S,O)およびZn(S,O,OH)にそれぞれ元素Dが添加されてなる化合物から構成されることを意味する。
The main component constituting the
バッファ層40中におけるDの含有率は、0.01at%以上、5at%以下であることが好ましい。なお、バッファ層中に2種以上のDが含まれている場合には、総含有率が0.01at%以上、5at%以下であることが好ましい。0.01at%未満であれば、ドーパントとしての効果が低く、バッファ層の抵抗率の低抵抗化が図れない。他方、後述の化学浴析出法(CBD法)によりバッファ層を成膜する場合には、ドーパントの含有率を5at%超えとなるようにドープするのは困難である。
The D content in the
なお、バッファ層の組成は、例えば、X線光電子分光法(XPS)、二次イオン質量分析法(SIMS)、グロー放電分光分析法(GD−OES)、ラザフォード後方散乱法(RBS)、あるいはオージェ電子分光法(AES)による測定により特定することができ、その測定結果からドーパントの含有率を求めることができる。測定方法によって検出が可能な元素の含有率が異なる(検出限界が異なる)ため、ドーパントの含有率によって適宜これらの手法を使い分ける。
ここで、ドーパントの含有率は、バッファ層の厚み方向における中心位置での含有率で定義するものとする。
The composition of the buffer layer may be, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), secondary ion mass spectrometry (SIMS), glow discharge spectroscopy (GD-OES), Rutherford backscattering (RBS), or Auger It can identify by the measurement by electron spectroscopy (AES), and can determine the content rate of a dopant from the measurement result. Since the content of elements that can be detected varies depending on the measurement method (the detection limit varies), these methods are appropriately used depending on the content of the dopant.
Here, the content rate of a dopant shall be defined by the content rate in the center position in the thickness direction of a buffer layer.
なお、バッファ層40中には、さらにアルカリ金属イオンを含むことが好ましい。アルカリ金属イオンを含むことにより、バッファ層40の面内均一性が高まり、素子間の特性ばらつきを抑制することができる。添加されるアルカリ金属イオンとしては、リチウム、ナトリウムもしくはカリウムが好ましい。
The
バッファ層40の厚みは10nm以上、1μm以下であり、好ましくは10nm以上、100nm以下であり、さらには40nm以上、特に50nm以上であることが好ましい。
The thickness of the
また、バッファ層40は、結晶質部と非晶質部とを有することが好ましい。バッファ層40中の硫黄原子と酸素原子の合計モル数に対する硫黄原子のモル比は、0.2〜0.8であることが好ましい。
The
また、バッファ層40の導電型は特に制限されないが、n型であることが特に好ましい。
Further, the conductivity type of the
また、図1Bに図1Aの光電変換素子の一部拡大図に模式的に示すように、バッファ層40の透光性導電層60側の表面40sに、カルボニルイオンを備えてなることが好ましい。かかる構成によれば、カルボニルイオンの存在により、バッファ層の緻密性が高くなる。従って、下地層を略一様に被覆するバッファ層を備えた、光電変換効率の面内均一性の高い光電変換素子を提供することができる。
Further, as schematically shown in a partially enlarged view of the photoelectric conversion element of FIG. 1A in FIG. 1B, it is preferable that the
カルボニルイオンは、複数のカルボニル基を有するカルボニルイオンであることが好ましく、クエン酸イオンであることが特に好ましい。 The carbonyl ion is preferably a carbonyl ion having a plurality of carbonyl groups, and particularly preferably a citrate ion.
カルボニルイオンは、バッファ層40の表面40sに存在していることが好ましく、さらには表面40sに吸着されていることがより好ましい。カルボニルイオンが表面40sに吸着されている場合、その吸着態様は特に制限されないが、表面40sの荷電状態がプラスである場合は、表面40sとカルボニルイオンの酸素との相互作用によりカルボニルイオンが表面40s上に吸着される態様となる。かかる態様では、カルボニルイオンが表面40sに密に配列しやすいため、下地層である光電変換層30表面を略一様に被覆しやすいため、バッファ層40の緻密性もより高くなり好ましい。カルボニルイオンとしては、特に制限されないが、複数のカルボニル基を有するカルボニルイオンであることが好ましい。これは、バッファ層の成長が厚み方向に抑制されて面内方向の成長の方が進みやすくなる結果もたらされると考えている。かかるカルボニルイオンとしては、クエン酸イオン,酒石酸イオン,及びマレイン酸イオンからなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。クエン酸はトリアニオンであることから、表面40sと吸着可能な部位が3箇所存在することになるため、表面40sへの吸着はより密で、同時に強固となる。この結果、緻密な膜が得られる可能性があり好ましい。
The carbonyl ions are preferably present on the
以下に、ZnS、Zn(S,O)及び/又はZn(S,O,OH)を主成分とするZn化合物層からなるバッファ層40の製造方法について説明する。なお、化合物には不可避不純物が含まれうる。
Below, the manufacturing method of the
<成膜工程>
ZnS、Zn(S,O)及び/又はZn(S,O,OH)を主成分とするZn化合物層の成膜には、CBD法を用いる。
「CBD法」とは、一般式 [M(L)i] m+ ⇔ Mn++iL(式中、M:金属元素、L:配位子、m,n,i:正数を各々示す。)で表されるような平衡によって過飽和条件とさせることで、安定した環境で適度な速度で基板上に結晶を析出させる方法である。
<Film formation process>
A CBD method is used to form a Zn compound layer mainly composed of ZnS, Zn (S, O) and / or Zn (S, O, OH).
The “CBD method” is a general formula [M (L) i ] m + M M n + + iL (wherein, M: metal element, L: ligand, m, n, i: each represents a positive number). This is a method for precipitating crystals on a substrate at a moderate rate in a stable environment by setting the supersaturation condition by an equilibrium as expressed.
以下、化学浴析出用の反応液の好ましい組成について説明する。
Zn源である成分(Z)として、硫酸亜鉛、酢酸亜鉛、硝酸亜鉛、クエン酸亜鉛、及びこれらの水和物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含むことが好ましい。クエン酸亜鉛を用いる場合、クエン酸亜鉛は後記成分(C)も兼ねる。成分(Z)の濃度は特に制限されず、0.001〜0.5Mが好ましい。
S源である成分(S)として、チオ尿素を含むことが好ましい。成分(S)の濃度は特に制限されず、0.01〜1.0Mが好ましい。
Hereinafter, the preferable composition of the reaction solution for chemical bath deposition will be described.
The component (Z) which is a Zn source preferably contains at least one selected from the group consisting of zinc sulfate, zinc acetate, zinc nitrate, zinc citrate, and hydrates thereof. When using zinc citrate, the zinc citrate also serves as component (C) described later. The concentration of the component (Z) is not particularly limited and is preferably 0.001 to 0.5M.
It is preferable that thiourea is included as the component (S) as the S source. The concentration of the component (S) is not particularly limited and is preferably 0.01 to 1.0M.
pH調整剤等として機能する成分(N)としては、NH4OH等のアンモニウム塩が好適である。この成分(N)は、錯形成剤等として機能する成分でもある。成分(N)の濃度は0.001〜0.40Mが好ましい。成分(N)によってpHを調整して、金属イオンの溶解度や過飽和度を調整することができる。成分(N)の濃度が0.001〜0.40Mの範囲内であれば反応速度が速く、成膜工程の前に微粒子層形成工程を設けなくても実用的な生産速度で成膜を実施することができる。成分(N)の濃度が0.40M超では反応速度が遅くなる。成分(N)の濃度は好ましくは0.01〜0.30Mである。 As the component (N) that functions as a pH adjuster or the like, an ammonium salt such as NH 4 OH is preferable. This component (N) is also a component that functions as a complexing agent or the like. The concentration of component (N) is preferably 0.001 to 0.40M. The solubility and supersaturation degree of metal ions can be adjusted by adjusting the pH with the component (N). If the concentration of component (N) is in the range of 0.001 to 0.40M, the reaction rate is fast, and film formation is carried out at a practical production rate without providing a fine particle layer formation step before the film formation step. can do. When the concentration of the component (N) exceeds 0.40M, the reaction rate becomes slow. The concentration of component (N) is preferably 0.01 to 0.30M.
反応開始前の反応液のpHは9.0〜12.0とする。
反応液の反応開始前のpHが9.0未満では、チオ尿素等の成分(S)の分解反応が進行しないか、進行しても極めてゆっくりであるため、析出反応が進行しない。チオ尿素の分解反応は下記の通りである。チオ尿素の分解反応については、Journal of the Electrochemical Society, 141, 205-210 (1994)及びJournal of Crystal Growth 299, 136-141(2007) 等に記載されている。
SC(NH2)2 + OH− ⇔ SH− + CH2N2 + H2O
SH− + OH− ⇔S2− + H2O
反応液の反応開始前のpHが12.5超では、錯形成剤等としても機能する成分(N)が安定な溶液を作る効果が大きくなり、析出反応が進行しないか、あるいは進行しても極めて遅い進行となってしまう。
また、本発明で用いる、3族元素、7族元素、または13族元素(ホウ素を除く)のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素のイオンは、高pH領域では水酸化物として析出するため、反応液は弱塩基性であることが好ましい。反応液の反応開始前のpHは好ましくは9.5〜11.5である。
The pH of the reaction solution before starting the reaction is 9.0 to 12.0.
When the pH of the reaction solution before the start of reaction is less than 9.0, the decomposition reaction of the component (S) such as thiourea does not proceed, or even if it proceeds, the precipitation reaction does not proceed. The decomposition reaction of thiourea is as follows. The decomposition reaction of thiourea is described in Journal of the Electrochemical Society, 141, 205-210 (1994) and Journal of Crystal Growth 299, 136-141 (2007).
SC (NH 2 ) 2 + OH − ⇔ SH − + CH 2 N 2 + H 2 O
SH − + OH − ⇔ S 2 + + H 2 O
When the pH of the reaction solution before the start of the reaction exceeds 12.5, the effect that the component (N) that also functions as a complexing agent or the like forms a stable solution is increased, and the precipitation reaction does not proceed or proceeds. It will be very slow.
In addition, among the group 3 elements, group 7 elements, or group 13 elements (except boron) used in the present invention, ions of elements having a higher valence than zinc are precipitated as hydroxides in a high pH region. The reaction solution is preferably weakly basic. The pH of the reaction solution before starting the reaction is preferably 9.5 to 11.5.
反応液を弱塩基性とするために、クエン酸、酒石酸、マレイン酸等のカルボン酸を含むことが好ましい。これらのカルボン酸は、亜鉛の錯形成剤として作用するため、同じく錯形成剤として働くアンモニアの濃度を低くすることができる。すなわちクエン酸等のカルボン酸を含む反応液は、より低いpHでも安定に化学浴析出反応を起こすことができる。
また、反応液中のカルボン酸含有量が多くなるほど、低pHとすることができるうえ、ホウ素以外のドープ元素イオンについては、カルボン酸イオンと溶液中で錯体を形成して安定化するので、反応液中のドープ元素の含有限界を高くすることができ、結果としてバッファ層へのドープ量を増やすことができる。
In order to make the reaction solution weakly basic, a carboxylic acid such as citric acid, tartaric acid or maleic acid is preferably included. Since these carboxylic acids act as a complexing agent for zinc, the concentration of ammonia that also acts as a complexing agent can be lowered. That is, a reaction solution containing a carboxylic acid such as citric acid can cause a chemical bath precipitation reaction stably even at a lower pH.
In addition, as the carboxylic acid content in the reaction solution increases, the pH can be lowered, and the doping element ions other than boron are stabilized by forming a complex with the carboxylic acid ion in the solution. The content limit of the doping element in the liquid can be increased, and as a result, the doping amount into the buffer layer can be increased.
特に、カルボン酸であるクエン酸源の成分(C)として、クエン酸三ナトリウム及び/又はその水和物を含むことが好ましい。成分(C)の濃度は0.001〜1Mが好ましい。成分(C)の濃度がこの範囲内であれば錯体が良好に形成され、下地を良好に被覆する膜を安定的に成膜することができる。成分(C)の濃度が1M超では、錯体が良好に形成された安定な水溶液となるが、その反面、基板上への析出反応の進行が遅くなったり、反応が全く進行しなくなったりする場合がある。成分(C)の濃度は好ましくは0.001〜0.1Mである。
なお、クエン酸三ナトリウムを含む反応液を用いると、バッファ層にアルカリ金属であるナトリウムを同時に添加することができ、バッファ層の面内均一性向上の効果を得ることができる。
In particular, it is preferable to contain trisodium citrate and / or a hydrate thereof as the component (C) of the citric acid source which is a carboxylic acid. The concentration of component (C) is preferably 0.001 to 1M. If the concentration of the component (C) is within this range, the complex is formed satisfactorily, and a film that satisfactorily covers the base can be stably formed. When the concentration of component (C) exceeds 1M, a stable aqueous solution in which the complex is well formed is obtained. On the other hand, the progress of the precipitation reaction on the substrate is slow, or the reaction does not proceed at all. There is. The concentration of component (C) is preferably 0.001 to 0.1M.
When a reaction solution containing trisodium citrate is used, sodium that is an alkali metal can be added to the buffer layer at the same time, and the effect of improving the in-plane uniformity of the buffer layer can be obtained.
本発明で用いる反応液では、成分(N)の濃度を0.001〜10.0Mとしており、かかる濃度であれば、成分(N)以外のpH調整剤を用いるなどの特段のpH調整をしなくても、通常反応開始前の反応液のpHは9.0〜12.5の範囲内となる。 In the reaction solution used in the present invention, the concentration of the component (N) is 0.001 to 10.0 M, and if it is such a concentration, special pH adjustment such as using a pH adjusting agent other than the component (N) is performed. Even if not, the pH of the reaction solution before starting the reaction is usually in the range of 9.0 to 12.5.
反応液の反応終了後のpHは特に制限されない。反応液の反応終了後のpHは7.5〜12.0であることが好ましい。反応液の反応終了後のpHが7.5未満では、反応が進行しない期間を含んでいたことになり、効率的な製造を考えると無意味である。また、緩衝作用のあるアンモニアが入っていた系でこれだけのpH低下があった場合には、アンモニアが加熱工程で過剰に揮発している可能性が高く、製造上の改善が必要であると考えられる。反応液の反応終了後のpHが12.0超では、チオ尿素の分解は促進されるが、亜鉛イオンの多くがアンモニウム錯体として安定になるため、析出反応の進行が著しく遅くなる場合がある。反応液の反応終了後のpHはより好ましくは9.5〜11.5である。 The pH after completion of the reaction of the reaction solution is not particularly limited. The pH of the reaction solution after completion of the reaction is preferably 7.5 to 12.0. When the pH of the reaction solution after completion of the reaction is less than 7.5, it means that the reaction does not proceed, and it is meaningless when considering efficient production. In addition, if there is such a pH drop in a system containing ammonia that has a buffering effect, it is highly possible that ammonia has volatilized excessively in the heating process, and it is considered that manufacturing improvements are necessary. It is done. When the pH of the reaction solution after the reaction is over 12.0, the decomposition of thiourea is promoted, but since most of the zinc ions are stabilized as ammonium complexes, the progress of the precipitation reaction may be remarkably slowed. The pH of the reaction solution after completion of the reaction is more preferably 9.5 to 11.5.
反応温度は60〜95℃とする。反応温度が60℃未満では反応速度が遅くなり、薄膜が成長しない、あるいは薄膜成長しても実用的な反応速度で所望の厚み(例えば50nm以上)を得るのが難しくなる。反応温度が95℃超では、反応液中で気泡等の発生が多くなり、それが膜表面に付着したりして平坦で均一な膜が成長しにくくなる。さらに、反応が開放系で実施される場合には、溶媒の蒸発等による濃度変化などが生じ、安定した薄膜析出条件を維持することが難しくなる。反応温度は好ましくは70〜90℃である。 The reaction temperature is 60 to 95 ° C. If the reaction temperature is less than 60 ° C., the reaction rate becomes slow, and the thin film does not grow, or even if the thin film is grown, it becomes difficult to obtain a desired thickness (for example, 50 nm or more) at a practical reaction rate. When the reaction temperature exceeds 95 ° C., generation of bubbles and the like increases in the reaction solution, which adheres to the film surface and makes it difficult to grow a flat and uniform film. Furthermore, when the reaction is carried out in an open system, a concentration change due to evaporation of the solvent or the like occurs, making it difficult to maintain stable thin film deposition conditions. The reaction temperature is preferably 70 to 90 ° C.
反応時間は特に制限されない。本発明では、微粒子層を設けなくても実用的な反応速度で反応を実施することができる。反応時間は反応温度にもよるが、例えば10〜90分間で、下地を良好に被覆し、バッファ層として充分な厚みの層を成膜することができる。 The reaction time is not particularly limited. In the present invention, the reaction can be carried out at a practical reaction rate without providing a fine particle layer. Although the reaction time depends on the reaction temperature, for example, the base can be satisfactorily covered in 10 to 90 minutes, and a layer having a sufficient thickness as a buffer layer can be formed.
本発明で用いる反応液は水系であり、反応液のpHは強酸条件ではない。反応液のpHは11.0〜12.5でもよいが、11.0未満の穏やかなpH条件でも反応を実施することができるので、水酸化物イオンと錯イオンを形成しうる金属等、アルカリ性溶媒に溶解しやすい金属を含む基板、例えば、可撓性基板としての適用が可能な、Alを主成分とするAl基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、Feを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl材が複合された複合基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、Feを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl膜が成膜された基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板等の陽極酸化基板等を用いた場合にも、基板にダメージを与える恐れがない。 The reaction solution used in the present invention is aqueous, and the pH of the reaction solution is not a strong acid condition. Although the pH of the reaction solution may be 11.0 to 12.5, the reaction can be carried out even under a mild pH condition of less than 11.0. Therefore, alkali such as a metal capable of forming a complex ion with hydroxide ions. Anodization mainly composed of Al 2 O 3 on at least one surface side of an Al base material mainly composed of Al, which can be applied as a substrate including a metal that is easily dissolved in a solvent, for example, a flexible substrate An anodized substrate having a film formed thereon, Al 2 O 3 on at least one surface side of a composite base material in which an Al material containing Al as a main component is composited on at least one surface side of an Fe material containing Fe as a main component An anodized substrate having an anodic oxide film mainly composed of Fe, and at least one of a base material having an Al film mainly composed of Al formed on at least one surface side of an Fe material mainly composed of Fe to mainly composed of Al 2 O 3 on the side Even when using the electrode oxide film anodized substrate of the anodized substrate and the like are formed such, there is no possibility of damaging the substrate.
また、成膜工程後、基板の耐熱温度以下の温度で、少なくともバッファ層をアニール処理する。アニール処理の温度は、150℃以上とすることが光電変換効率を向上させるために効果的である。アニール処理の方法は特に制限されず、ヒーターや乾燥機中において熱してもよいし、レーザアニールやフラッシュランプアニールなどの光アニールとしてもよい。 In addition, after the film formation process, at least the buffer layer is annealed at a temperature lower than the heat resistant temperature of the substrate. An annealing treatment temperature of 150 ° C. or higher is effective for improving photoelectric conversion efficiency. The method for the annealing treatment is not particularly limited, and may be heated in a heater or a dryer, or may be light annealing such as laser annealing or flash lamp annealing.
本発明の光電変換素子は、バッファ層以外の構成については特に制限はない。以下に、バッファ層以外の各構成要素についての好ましい例について順に説明する。 The photoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited with respect to the configuration other than the buffer layer. Below, the preferable example about each component other than a buffer layer is demonstrated in order.
(基板)
基板10としては、特に制限されず、ガラス基板、表面に絶縁膜が成膜されたステンレス等の金属基板、Alを主成分とするAl基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、Feを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl材が複合された複合基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、Feを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl膜が成膜された基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、及びポリイミド等の樹脂基板等を用いることができる。
(substrate)
The
Roll to Roll(ロール・トゥ・ロール)工程による生産が可能であることから、表面に絶縁膜が成膜された金属基板、陽極酸化基板、及び樹脂基板等の可撓性基板が好ましい。 Since production by a roll-to-roll process is possible, a flexible substrate such as a metal substrate having an insulating film formed on the surface, an anodized substrate, and a resin substrate is preferable.
熱膨張係数、耐熱性、及び基板の絶縁性等を考慮すれば、Alを主成分とするAl基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、Feを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl材が複合された複合基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、及びFeを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl膜が成膜された基材の少なくとも一方の面側にAl2O3を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板からなる群より選ばれた陽極酸化基板が特に好ましい。 In consideration of thermal expansion coefficient, heat resistance, substrate insulation, etc., an anodized film mainly composed of Al 2 O 3 was formed on at least one surface side of an Al base composed mainly of Al. The main component is Al 2 O 3 on at least one surface side of a composite base material in which an Al material containing Al as a main component is combined with at least one surface side of an Fe material containing Fe as a main component. An anodized substrate on which an anodic oxide film is formed, and Al on at least one surface side of a base material on which an Al film mainly composed of Al is formed on at least one surface side of an Fe material containing Fe as a main component An anodized substrate selected from the group consisting of an anodized substrate on which an anodized film composed mainly of 2 O 3 is formed is particularly preferred.
図2左図は、Al基材11の両面側に陽極酸化膜12が形成された基板、図2の右図はAl基材11の片面側に陽極酸化膜12が形成された基板を模式的に示したものである。陽極酸化膜12はAl2O3を主成分とする膜である。
デバイスの製造過程において、AlとAl2O3との熱膨張係数差に起因した基板の反り、及びこれによる膜剥がれ等を抑制するには、図2の左図に示すようにAl基材11の両面側に陽極酸化膜12が形成されたものが好ましい。
The left figure of FIG. 2 is a board | substrate with which the
In order to suppress the warpage of the substrate due to the difference in thermal expansion coefficient between Al and Al 2 O 3 and the film peeling due to this in the device manufacturing process, as shown in the left diagram of FIG. It is preferable that the
さらに、陽極酸化基板の陽極酸化膜上にソーダライムガラス(SLG)層が設けられたものであってもよい。ソーダライムガラス層を備えることにより、光電変換層にNaを拡散させることができる。光電変換層がNaを含むことにより、光電変換効率をさらに向上させることができる。 Further, a soda lime glass (SLG) layer may be provided on the anodized film of the anodized substrate. By providing the soda lime glass layer, Na can be diffused in the photoelectric conversion layer. When the photoelectric conversion layer contains Na, the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
(下部電極)
下部電極(裏面電極)20の主成分としては特に制限されず、Mo,Cr,W,及びこれらの組合せが好ましく、Moが特に好ましい。下部電極(裏面電極)20の膜厚は制限されず、200〜1000nm程度が好ましい。下部電極20は、例えば、基板上にスパッタ法により成膜することができる。
(Lower electrode)
The main component of the lower electrode (back electrode) 20 is not particularly limited, and Mo, Cr, W, and combinations thereof are preferable, and Mo is particularly preferable. The film thickness of the lower electrode (back electrode) 20 is not limited and is preferably about 200 to 1000 nm. The
(光電変換層)
光電変換層30の主成分としては特に制限されず、高光電変換効率が得られることから、少なくとも1種のカルコパイライト構造の化合物半導体であることが好ましく、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体であることがより好ましい。
(Photoelectric conversion layer)
The main component of the
光電変換層30の主成分としては、Cu及びAgからなる群より選択された少なくとも1種のIb族元素と、Al,Ga及びInからなる群より選択された少なくとも1種のIIIb族元素と、S,Se,及びTeからなる群から選択された少なくとも1種のVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体であることが好ましい。
As a main component of the
上記化合物半導体としては、CuAlS2,CuGaS2,CuInS2,CuAlSe2,CuGaSe2,AgAlS2,AgGaS2,AgInS2,AgAlSe2,AgGaSe2,AgInSe2,AgAlTe2,AgGaTe2,AgInTe2,Cu(In,Al)Se2,Cu(In,Ga)(S,Se)2,Cu1−zIn1−xGaxSe2−ySy(式中、0≦x≦1,0≦y≦2,0≦z≦1)(CI(G)S),Ag(In,Ga)Se2,及びAg(In,Ga)(S,Se)2等が挙げられる。
Examples of the
また、Cu2ZnSnS4,Cu2ZnSnSe4,Cu2ZnSn(S,Se)4等であってもよい。
Further, Cu 2 ZnSnS 4, Cu 2 ZnSnSe 4,
光電変換層30の膜厚は特に制限されず、1.0〜4.0μmが好ましく、1.5〜3.5μmが特に好ましい。
The film thickness of the
光電変換層30の成膜方法も特に制限はなく、真空蒸着法、スパッタ法、MOCVD法等により成膜することができる。
The method for forming the
(窓層)
既述の通り、バッファ層40と透光性導電層60との間に窓層として絶縁層を備えていてもよい。この絶縁層は、光を取り込む中間層であり、光励起された電子、ホールの再結合を阻害し、発電効率向上に寄与するものである。絶縁層の組成も特に制限ないが、i−ZnO等が好ましい。その膜厚は特に制限されず、10nm〜2μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。成膜方法は、特に制限されないが、スパッタ法やMOCVD法が適している。一方で、バッファ層40を液相法により製造する場合、製造プロセスを簡易にするためには液相法を用いることも好ましい。
(Window layer)
As described above, an insulating layer may be provided as a window layer between the
(透光性導電層)
透光性導電層(透明電極)60は、光を取り込むと共に、下部電極20と対になって、光電変換層30で生成された電流が流れる上部電極として機能する層である。透光性導電層60の組成としては特に制限されず、ZnO:Al等のn−ZnO等が好ましい。透光性導電層60の膜厚は特に制限されず、50nm〜2μmが好ましい。透光性導電層60の成膜方法としては特に制限されないが、窓層と同様、スパッタ法やMOCVD法が適している。バッファ層をより薄膜で形成するためには、成膜ダメージが小さな、反応性プラズマ堆積(RPD)法、MOCVD法等が好ましい。一方で、製造プロセスを簡易にするためには液相法を用いることも好ましい。
(Translucent conductive layer)
The translucent conductive layer (transparent electrode) 60 is a layer that captures light and functions as an upper electrode that is paired with the
(グリッド電極)
グリッド電極70は、素子から電力を取り出すために用いられる電極であり、その主成分としては特に制限されず、Al等が挙げられる。グリッド電極70の膜厚も特に制限されず、0.1〜3μmが好ましい。
(Grid electrode)
The
本実施形態の光電変換素子1は、以上のように構成されている。
The
光電変換素子1の製造方法は、上記バッファ層の製造方法を用いてバッファ層を形成するものであれば、他の層についての形成方法は特に制限なく、上記各層の説明の箇所で説明した各種成膜方法を適用することができる。
If the manufacturing method of the
光電変換素子1は、太陽電池等に好ましく使用することができる。光電変換素子1を集積化すると共に必要に応じて、カバーガラス、保護フィルム等を取り付けて、太陽電池とすることができる。
The
上記の通り、光電変換素子1は、バッファ層40が、亜鉛及び硫黄を含み、かつ、亜鉛より価数の大きい元素を少なくとも1種含む化合物からなるものである。かかる構成によれば、光電変換素子は、高いフィルファクターを示し、光電変換特性を向上させることができる。さらに、バッファ層の電気抵抗を、上部電極と光電変換層間がショートしない程度、かつ、上下電極間のシリーズ抵抗を抑制することができる程度に低抵抗化することができ、CIGS層を上部電極層形成時のスパッタダメージから防護することができる厚みとした場合にも、光電変換効率を向上させることができる。
As described above, the
「設計変更」
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
"Design changes"
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。 Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
<基板〜光電変換層>
基板として、下記の基板1,2を用意した。
基板1:ソーダライムガラス(SLG)基板。
基板2:100μm厚ステンレス(SUS)−30μm厚Al複合基材上のAl表面にアルミニウム陽極酸化膜(AAO)が形成された陽極酸化基板のAAO表面にソーダライムガラス(SLG)層を備えた基板。ここでSUS(100μm),Al(30μm),AAO(20μm),SLG(0.2μm)である。
<Substrate to photoelectric conversion layer>
The following
Substrate 1: Soda lime glass (SLG) substrate.
Substrate 2: A substrate having a soda lime glass (SLG) layer on the AAO surface of an anodized substrate in which an aluminum anodic oxide film (AAO) is formed on an Al surface on a 100 μm thick stainless steel (SUS) -30 μm thick Al composite base material . Here, SUS (100 μm), Al (30 μm), AAO (20 μm), and SLG (0.2 μm).
上記基板1または基板2上に、スパッタ法によりMo下部電極を0.8μm厚で成膜し、Mo下部電極上に、3段階法を用いて光電変換層として膜厚1.8μmのCu(In0.7Ga0.3)Se2層を成膜した。なお、これをバッファ成膜用基板と称する。
A Mo lower electrode having a thickness of 0.8 μm is formed on the
<表面処理>
KCN10%水溶液の入った反応槽を用意し、バッファ成膜用基板の最表面であるCIGS層の表面を室温で3分間分浸漬させてCIGS層表面の不純物除去を行った。取り出した後に十分に水洗を行った。
<Surface treatment>
A reaction vessel containing a 10% aqueous solution of KCN was prepared, and the surface of the CIGS layer, which is the outermost surface of the buffer film formation substrate, was immersed at room temperature for 3 minutes to remove impurities from the CIGS layer surface. After taking out, it fully washed with water.
基板1もしくは基板2を用い、Mo電極、CIGS層の形成および表面処理をした後、次の実施例1〜7、11〜17及び比較例1、11の条件でCIGS層の表面にバッファ層を成膜した。
After the formation of the Mo electrode and CIGS layer and the surface treatment using the
(実施例1)
基板1を用いた。
水溶液(I)として硫酸亜鉛水溶液(0.18[M])、水溶液(II)としてチオ尿素水溶液(チオ尿素0.30[M])、水溶液(III)としてクエン酸三ナトリウム水溶液(0.18[M])、及び水溶液(IV)としてアンモニア水(0.3[M])をそれぞれ調製した。次に、これらの水溶液のうち、I,II,IIIを同体積ずつ混合して、硫酸亜鉛0.06[M],チオ尿素0.10[M],クエン酸三ナトリウム0.06[M]となる混合溶液を完成させ、この混合溶液と,0.3[M]のアンモニア水を同体積ずつ混合して反応液1を得た。水溶液(I)〜(IV)を混合する際には、水溶液(IV)を最後に添加するようにした。透明な反応液とするには、水溶液(IV)を最後に添加することが重要である。反応液1は硫酸亜鉛0.03[M],チオ尿素0.05[M],クエン酸三ナトリウム0.03[M]、アンモニア0.15[M]である。得られた反応液1のpHは10.3であった。上記反応液1にホウ酸を0.03Mとなるように添加した。このとき、成膜されるバッファ層中のドープ元素はホウ素である。
Example 1
Zinc sulfate aqueous solution (0.18 [M]) as aqueous solution (I), thiourea aqueous solution (thiourea 0.30 [M]) as aqueous solution (II), and trisodium citrate aqueous solution (0.18 as aqueous solution (III)) [M]) and aqueous ammonia (0.3 [M]) were prepared as an aqueous solution (IV). Next, among these aqueous solutions, I, II, and III are mixed in the same volume, zinc sulfate 0.06 [M], thiourea 0.10 [M], trisodium citrate 0.06 [M]. A mixed solution to be obtained was completed, and this mixed solution and 0.3 [M] aqueous ammonia were mixed in equal volumes to obtain a
次に、バッファ成膜用基板の最表面の光電変換層(CIGS)の表面に、ホウ酸を添加した反応液1を用いたCBD法により、Zn(S,O)及び/又はZn(S,O,OH)を主成分とするバッファ層を成膜した。具体的には、90℃に調温した反応液500mL中にバッファ成膜用基板を30分浸漬させた後に基板を取り出し、更に純水により表面を十分洗浄した後、これを室温乾燥させた。反応液中に基板を浸漬する工程においては、反応液の容器の底面に対して基板面が垂直になるように、基板を設置した。
上記のバッファ層成膜後に、200℃にて1時間アニール処理を行うことによりバッファ層を形成した。
Next, Zn (S, O) and / or Zn (S, S, O) is applied to the surface of the outermost photoelectric conversion layer (CIGS) of the buffer film-forming substrate by the CBD method using the
After the above buffer layer was formed, the buffer layer was formed by annealing at 200 ° C. for 1 hour.
(実施例2)
上記反応液1にホウ酸に代えて硝酸ガリウムを0.003Mとなるように添加した。このとき、ドープ元素はガリウムである。これらの点以外は実施例1と同様にしてバッファ層を形成した。
(Example 2)
Instead of boric acid, gallium nitrate was added to the
(実施例3)
上記反応液1にホウ酸に代えて硫酸イットリウムを0.003Mとなるように添加した。このとき、ドープ元素はイットリウムである。これらの点以外は実施例1と同様にしてバッファ層を形成した。
(Example 3)
Instead of boric acid, yttrium sulfate was added to the
(実施例4)
上記反応液1にホウ酸に代えて硫酸ランタンを0.003Mとなるように添加した。このとき、ドープ元素はランタンである。これらの点以外は実施例1と同様にしてバッファ層を形成した。
Example 4
In place of boric acid, lanthanum sulfate was added to the
(実施例5)
上記反応液1にホウ酸に代えて硫酸セリウムを0.003Mとなるように添加した。このとき、ドープ元素はセリウムである。これらの点以外は実施例1と同様にしてバッファ層を形成した。
(Example 5)
Instead of boric acid, cerium sulfate was added to the
(実施例6)
反応液2として、0.16[M]硫酸亜鉛、0.60[M]チオ尿素、7.5[M]アンモニアを含む水溶液を調製した。pHは12.2であった。
上記反応液2にホウ酸を0.003Mとなるように添加した。このとき、成膜されるバッファ層中のドープ元素はホウ素である。
次に、バッファ成膜用基板の最表面の光電変換層(CIGS)の表面に、ホウ酸を添加した反応液2を用いたCBD法により、Zn(S,O)及び/又はZn(S,O,OH)を主成分とするバッファ層を成膜した。具体的には、80℃に調温した反応液500mL中にバッファ成膜用基板を15分浸漬させた後に基板を取り出し、更に純水により表面を十分洗浄した後、これを室温乾燥させた。反応液中に基板を浸漬する工程においては、反応液の容器の底面に対して基板面が垂直になるように、基板を設置した。
(Example 6)
As
Boric acid was added to the
Next, Zn (S, O) and / or Zn (S, S, O) is applied to the surface of the outermost photoelectric conversion layer (CIGS) of the buffer film-forming substrate by the CBD method using the
(実施例7)
上記反応液2にホウ酸に代えて硝酸ガリウムを0.0003Mとなるように添加した。このとき、ドープ元素はガリウムである。これらの点以外は実施例6と同様にしてバッファ層を形成した。
(Example 7)
In place of boric acid, gallium nitrate was added to the
(比較例1)
反応液1を用い、ドープ元素源を添加しない点以外は実施例1と同様にしてバッファ層を形成した。
(Comparative Example 1)
Using the
実施例11から15と比較例11は、それぞれ実施例1から5と比較例1において、基板1に代えて基板2を用い、成膜時間を60分に変更したものである。
In Examples 11 to 15 and Comparative Example 11, the
実施例16、17は、それぞれ実施例6、7において、基板1に代えて基板2を用い、成膜時間を40分に変更したものである。
In Examples 16 and 17, the
<バッファ層表面の評価>
各実施例及び比較例について、バッファ層表面の評価を行った。評価は、赤外線分光分析(IR)により表面物質の同定を実施した。測定には、日本分光株式会社製赤外線分光分析装置、MFT−2000を使用した。
<Evaluation of buffer layer surface>
The buffer layer surface was evaluated for each example and comparative example. In the evaluation, the surface material was identified by infrared spectroscopic analysis (IR). For the measurement, an infrared spectroscopic analyzer manufactured by JASCO Corporation, MFT-2000 was used.
バッファ層表面のカルボニルイオンの有無は、第4615067号特許公報記載の手法にて特定した。すなわち、各実施例および比較例の各サンプルについてのバッファ層表面のIRスペクトルを取得し、ATR(attenuated total reflection)法により測定したバッファ層成膜前のCIGSのIRスペクトル、及びKBrディスク法により測定したクエン酸三ナトリウム二水和物原料粉末(和光純薬工業株式会社製)、チオ尿素原料粉末(和光純薬工業株式会社製)、硫酸亜鉛七水和物(関東化学株式会社製)、Zn(OH)2粒子(合成品)、ZnO粒子(高純度化学株式会社製)、ZnS粒子(関東化学株式会社製)のIRスペクトルとピークの比較をOなって、表面物質の同定を行った。 The presence or absence of carbonyl ions on the surface of the buffer layer was specified by the technique described in Japanese Patent No. 4615067. That is, the IR spectrum of the buffer layer surface for each sample of each example and comparative example was obtained, and measured by the IR spectrum of CIGS before the buffer layer deposition measured by the ATR (attenuated total reflection) method, and the KBr disk method Trisodium citrate dihydrate raw material powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), thiourea raw material powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), zinc sulfate heptahydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), Zn Comparison of IR spectra and peaks of (OH) 2 particles (synthetic product), ZnO particles (manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd.), and ZnS particles (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was performed to identify surface materials.
クエン酸三ナトリウムを含む反応液を用いて作製されたサンプルからはクエン酸イオンの存在が確認でき、クエン酸三ナトリウムを含まない反応液を用いて作製されサンプルからはクエン酸イオンは検出されなかった。各実施例および比較例についてのカルボニルイオン(ここでは、クエン酸イオン)の存在の有無については、表1および表2に示す。 The presence of citrate ions can be confirmed from samples prepared using a reaction solution containing trisodium citrate, and citrate ions are not detected from samples prepared using a reaction solution not containing trisodium citrate. It was. The presence or absence of a carbonyl ion (here, citrate ion) for each example and comparative example is shown in Tables 1 and 2.
<バッファ層の組成の評価>
予め1cm角にカットしたCIGS基板(基板上にCIGS層が形成されたもの)に、実施例1〜6、及び比較例1、2と同様の条件で、バッファ層まで成膜し、得られたサンプルの組成分析を実施した。測定には、バッファ層を成膜してX線光電子分光法(XPS)により、深さ方向の組成分析を実施した。一例として実施例11の結果を図3に示す。なお、ドープ元素の組成比(含有率)は非常に小さいため、図3には掲載していない。ドープ元素の同定および定量については後述する。
<Evaluation of composition of buffer layer>
A CIGS substrate cut in advance to a 1 cm square (with a CIGS layer formed on the substrate) was formed up to a buffer layer under the same conditions as in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. Sample composition analysis was performed. For the measurement, a buffer layer was formed, and composition analysis in the depth direction was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As an example, the results of Example 11 are shown in FIG. In addition, since the composition ratio (content rate) of dope element is very small, it does not publish in FIG. The identification and quantification of the dope element will be described later.
図3において、縦軸は各元素の組成比(含有率)、横軸はスパッタ時間(分)から求めたエッチング深さ(nm)を示している。スパッタ時間からエッチング深さへの換算は、標準試料として膜厚がわかっているSiO2膜(基板はSiウェハ)を用いて求めたエッチングレートを基準に算出することができる。なお、バッファ層の厚みは、Sの最大濃度に対して、濃度が半分になる位置を基準に算出した。 In FIG. 3, the vertical axis represents the composition ratio (content ratio) of each element, and the horizontal axis represents the etching depth (nm) obtained from the sputtering time (minutes). The conversion from the sputtering time to the etching depth can be calculated based on the etching rate obtained using a SiO 2 film (substrate is Si wafer) whose thickness is known as a standard sample. Note that the thickness of the buffer layer was calculated based on the position at which the concentration becomes half of the maximum concentration of S.
なお、エッチングを伴うXPS測定は下記の条件で行った。
XPS分析
装置名:X線光電子分光分析装置 PHI製 Quantum−2000
X線源:Monochromated−Al−Kα線(1486.6eV) 20W
光電子取り出し角度:45°(1測定点での測定深さ:約4nm)
測定エリア:φ100μm(楕円形)
Arイオンスパッタリング条件:
加速電圧:4kV
スパッタリングレート:19.0nm/min(SiO2換算値)
The XPS measurement with etching was performed under the following conditions.
XPS analysis apparatus name: X-ray photoelectron spectroscopy analyzer PHI Quantum-2000
X-ray source: Monochromated-Al-Kα ray (1486.6 eV) 20 W
Photoelectron extraction angle: 45 ° (measurement depth at one measurement point: about 4 nm)
Measurement area: φ100μm (oval)
Ar ion sputtering conditions:
Acceleration voltage: 4 kV
Sputtering rate: 19.0 nm / min (SiO 2 equivalent value)
図3に示すようなXPS測定によりバッファ層中にはSとOの両方が存在することが確認された。各実施例および比較例についての厚みはそれぞれ表1、2中に示している。
Sが検出されなくなった位置においてもZnが存在することも確認できた。これはCBD工程において、CIGS層にZn2+が拡散したためと考えられる。
It was confirmed by XPS measurement as shown in FIG. 3 that both S and O exist in the buffer layer. The thickness for each example and comparative example is shown in Tables 1 and 2, respectively.
It was also confirmed that Zn was present even at a position where S was no longer detected. This is probably because Zn 2+ diffused in the CIGS layer in the CBD process.
また、バッファ層中のS成分の割合を、S/(S+O)値で表1に示している。S/(S+O)値は、全ての実施例および比較例で0.42〜0.45の範囲であった。従って、各実施例及び比較例の条件で作製したバッファ層の組成はS,OもしくはS,O,OHを含むであると言える。 Further, the ratio of the S component in the buffer layer is shown in Table 1 as S / (S + O) value. S / (S + O) values ranged from 0.42 to 0.45 in all examples and comparative examples. Therefore, it can be said that the composition of the buffer layer produced under the conditions of the examples and comparative examples includes S, O or S, O, OH.
ドープ元素の定量およびドープ量の定量は、バッファ層の厚みに対して半分の厚さまでエッチングした位置(バッファ層厚の厚み方向中心位置)におけるX線光電子分光スペクトルを解析して行った。各実施例および比較例についての解析結果は、表1、2に示している。 The quantification of the dope element and the quantification of the dope amount were carried out by analyzing the X-ray photoelectron spectrum at the position etched to half the thickness of the buffer layer (the center position in the thickness direction of the buffer layer thickness). The analysis results for each example and comparative example are shown in Tables 1 and 2.
<光電変換素子の作製―続き>
実施例1〜7、及び比較例1で作製したバッファ層上に、反応性プラズマ堆積(RPD)法により、膜厚300nmのGaドープ導電性酸化亜鉛薄膜からなる透光性導電膜を成膜した。
実施例11〜17、及び比較例11で作製したバッファ層上に、スパッタリング法により膜厚300nmのAlドープ導電性酸化亜鉛薄膜からなる透光性導電膜を成膜した。
次いで、各実施例および比較例の透光性導電膜上にグリッド電極としてAl電極を蒸着法により形成して光電変換素子(単セルの太陽電池)を作製した。
なお、各実施例及び比較例について16個のセルを作製した。
<Preparation of photoelectric conversion element-continued>
A translucent conductive film made of a 300 nm-thick Ga-doped conductive zinc oxide thin film was formed on the buffer layers prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 by a reactive plasma deposition (RPD) method. .
On the buffer layers prepared in Examples 11 to 17 and Comparative Example 11, a translucent conductive film made of an Al-doped conductive zinc oxide thin film having a thickness of 300 nm was formed by sputtering.
Next, an Al electrode was formed as a grid electrode on the translucent conductive film of each Example and Comparative Example by vapor deposition to produce a photoelectric conversion element (single cell solar cell).
In addition, 16 cells were produced for each example and comparative example.
<光電変換効率の測定>
得られた実施例および比較例の光電変換素子(各16セル)について、ソーラーシミュレーターを用いて、Air Mass(AM)=1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いた条件下で、光電変換効率を測定した。なお、光電変換効率の測定は光照射を30分実施した後に行った。
<Measurement of photoelectric conversion efficiency>
About the photoelectric conversion element (each 16 cells) of the obtained Example and Comparative Example, using a solar simulator, under the conditions using the artificial sunlight of Air Mass (AM) = 1.5, 100 mW / cm 2 , The photoelectric conversion efficiency was measured. The photoelectric conversion efficiency was measured after 30 minutes of light irradiation.
<フィルファクターおよびシリーズ抵抗の測定>
I−V特性を測定して、フィルファクターおよびシリーズ抵抗を求めた。
各実施例および比較例について、図4に示したようなI―V特性を測定し、開放電圧Voc、短絡電流Isc、最大出力Pm時の電圧Vm、電流Imを求め、フィルファクターを算出した。
また、I−V特性カーブのVoc近傍における傾きからシリーズ抵抗を算出した。
<Measurement of fill factor and series resistance>
The IV characteristics were measured to determine the fill factor and series resistance.
For each of the examples and comparative examples, the IV characteristics as shown in FIG. 4 were measured, and the open circuit voltage Voc, the short circuit current Isc, the voltage Vm at the maximum output Pm, and the current Im were obtained, and the fill factor was calculated.
Further, the series resistance was calculated from the slope of the IV characteristic curve near Voc.
<分光感度特性の測定>
分光感度測定を実施した。分光感度スペクトルのうち、長波長側における量子効率の低下は、キャリア再結合に起因することから、以下に記載した定義の量子効率低下率を導入し、キャリア再結合の程度を評価した。図5に、一般的な量子変換効率曲線(QE曲線)を参考として示す。各実施例および比較例についてそれぞれQE曲線を取得して、量子効率低下率を求めた。
ここで、
量子効率低下率=1−(800〜900nmにおける量子効率の平均)/(500〜600nmにおける量子効率の平均)
である。量子効率低下率が小さいほどキャリア再結合が抑制されていることを示す。
<Measurement of spectral sensitivity characteristics>
Spectral sensitivity measurement was performed. In the spectral sensitivity spectrum, since the decrease in quantum efficiency on the long wavelength side is due to carrier recombination, the quantum efficiency decrease rate defined below was introduced to evaluate the degree of carrier recombination. FIG. 5 shows a general quantum conversion efficiency curve (QE curve) for reference. QE curves were obtained for each of the examples and comparative examples, and the quantum efficiency reduction rate was determined.
here,
Quantum efficiency reduction rate = 1− (average quantum efficiency at 800 to 900 nm) / (average quantum efficiency at 500 to 600 nm)
It is. It shows that carrier recombination is suppressed, so that a quantum efficiency fall rate is small.
表1に、実施例1〜7および比較例1の主な製造条件及び評価結果と纏めて示す。表1において、各実施例および比較例について、光電変換効率、フィルファクター、シリーズ抵抗、量子効率低下率は16個のセルのうちで得られた測定値のうちの最大値である。また、各実施例および比較例について、光電変換効率の変動係数は、16個のセルの光電変換効率の標準偏差を、16個のセルの光電変換効率の平均値で割った値(ここでは、百分率で示している。)である。
表1から、比較例1と比べ実施例1〜7の光電変換素子の光電変換効率は大きく、フィルファクターも大きいことが明らかである。また、実施例1〜7の量子効率低下率は、比較例1の量子効率低下率より小さい。量子効率低下率が小さいのは、キャリア再結合が抑制されたためと考えられ、これは、実施例1〜7は比較例1に比べ、ダイオード特性向上(ダイオード因子が減少)していることを意味するものである。すなわち、2価の亜鉛に対し、3価以上の元素を添加することによりバッファ層の電子状態が変化し、欠陥準位に由来するキャリア再結合が抑制されたことによりダイオード特性が向上したと考えられる。
ここで、比較例1および実施例1〜7のシリーズ抵抗は同等であることから、ダイオード特性が向上したことがフィルファクター増加に寄与していると考えられる。
From Table 1, it is clear that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 7 and the fill factor are large compared to Comparative Example 1. Moreover, the quantum efficiency fall rate of Examples 1-7 is smaller than the quantum efficiency fall rate of the comparative example 1. The reason why the rate of decrease in quantum efficiency is small is thought to be because carrier recombination is suppressed. This means that Examples 1 to 7 have improved diode characteristics (reduced diode factor) compared to Comparative Example 1. To do. In other words, the addition of trivalent or higher elements to divalent zinc changed the electronic state of the buffer layer, and it was considered that the diode characteristics were improved by suppressing carrier recombination originating from defect levels. It is done.
Here, since the series resistances of Comparative Example 1 and Examples 1 to 7 are equivalent, it is considered that the improvement of the diode characteristics contributes to the increase of the fill factor.
表2に、実施例11〜17および比較例11の主な製造条件及び評価結果と纏めて示す。表1において、各実施例および比較例についてのそれぞれの測定値は16個のセルの平均値である。
表2から、比較例11と比べ、実施例11〜17の光電変換素子の光電変換効率が大きく、フィルファクターも大きいことが明らかである。また、比較例11と比べ、実施例11〜17の光電変換素子のシリーズ抵抗が小さく、量子効率低下率が小さい。
表1について説明した通り、量子効率低下率が小さいことは、ダイオード特性が向上(ダイオード因子が減少)していることを意味する。一方、シリーズ抵抗が小さいことは、ドープによりバッファ層の電子伝導性を高めていることを示すものであり、厚みが50nmと比較的厚い実施例11〜17においては、ダイオード因子の減少とシリーズ抵抗の減少という効果が相乗され、フィルファクターが向上したことを示すものである。
From Table 2, it is clear that the photoelectric conversion efficiency and the fill factor of the photoelectric conversion elements of Examples 11 to 17 are large as compared with Comparative Example 11. Moreover, compared with the comparative example 11, the series resistance of the photoelectric conversion element of Examples 11-17 is small, and a quantum efficiency fall rate is small.
As described in Table 1, a small quantum efficiency reduction rate means that the diode characteristics are improved (the diode factor is reduced). On the other hand, a small series resistance indicates that the electron conductivity of the buffer layer is increased by doping, and in Examples 11 to 17 having a relatively thick thickness of 50 nm, the diode factor decreases and the series resistance increases. This shows that the effect of the decrease in the power is synergistic and the fill factor is improved.
表1に記載した実施例1〜7および比較例1と、表2に記載した実施例11〜17および比較例11は、光電変換素子の構成(基板種類、バッファ層の膜厚、上部電極の成膜方法および化合物)が異なるため、両者間で特性を単純に比較することはできない。
しかしながら、上述の通り、表1、表2のいずれにおいても、2価の亜鉛に対し、3価以上の元素を添加することによりバッファ層の電子状態が変化し、欠陥準位に由来するキャリア再結合が抑制されたことによりダイオード特性が向上し、フィルファクターが増加したことが示された。
Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 described in Table 1 and Examples 11 to 17 and Comparative Example 11 described in Table 2 are the configurations of the photoelectric conversion elements (substrate type, buffer layer thickness, upper electrode Since the film forming method and the compound) are different, the characteristics cannot be simply compared between the two.
However, as described above, in both Table 1 and Table 2, the addition of a trivalent or higher element to divalent zinc changes the electronic state of the buffer layer, resulting in carrier relocation from the defect level. It was shown that the diode characteristics were improved and the fill factor was increased by suppressing the coupling.
また、表2に示す厚膜の場合にのみ得られるシリーズ抵抗の低減効果は、2価の亜鉛に対し、3価以上の元素を添加することにより、バッファ層の電気抵抗を小さくすることができたことによる効果と考えられる。表1の実施例と比較例とでシリーズ抵抗が大きく変化しなかったのは、バッファ膜厚が薄いために、シリーズ抵抗に対するバッファ層の抵抗の寄与率が小さいためと考えられる。 In addition, the series resistance reduction effect obtained only in the case of the thick film shown in Table 2 can reduce the electric resistance of the buffer layer by adding a trivalent or higher element to divalent zinc. This is considered to be an effect. The reason why the series resistance did not change greatly between the example and the comparative example in Table 1 is considered that the contribution of the resistance of the buffer layer to the series resistance is small because the buffer film thickness is thin.
上述の本実施例では、ドーパントとしてホウ素、ガリウム、イットリウム、ランタンおよびセリウムを用いた場合について検証したが、これらと同族の3族、7族、13族元素のうち、亜鉛の価数よりも大きい価数の元素であれば、同様の効果を得られると考えられる。
特にガリウムもしくはランタンをドープした実施例2、7、12、17および実施例4、14の素子は変換効率およびフィルファクターと共に非常に大きく、ドープによる効果が高かった。
In the above-described embodiment, the case where boron, gallium, yttrium, lanthanum, and cerium are used as the dopant was verified, but among these group 3 element, group 7 element, and group 13 element, the valence of zinc is larger. It is considered that the same effect can be obtained if the element is a valence element.
In particular, the devices of Examples 2, 7, 12, 17 and Examples 4 and 14 doped with gallium or lanthanum were very large with conversion efficiency and fill factor, and the effect of doping was high.
また、実施例1と6、11と16、および2と7、12と17の比較から、反応液中のドープ源の濃度により、ドープ量を制御することができることがわかる。 Further, from comparison between Examples 1 and 6, 11 and 16, and 2 and 7, and 12 and 17, it can be seen that the dope amount can be controlled by the concentration of the dope source in the reaction solution.
既述の通り、反応液中にクエン酸が含まれる実施例1〜5、比較例1、実施例11〜15、比較例11のバッファ層の透光性導電膜側の表面からは、カルボニルイオンが検出された。実施例1〜5は、クエン酸を含まない反応液を用いて成膜した実施例6、7より光電変換効率の変動係数が小さく、面内均一性の高い光電変換素子を得ることができた。同様に、実施例11〜15は、クエン酸を含まない反応液を用いて成膜した実施例16、17より光電変換効率の変動係数が小さく、面内均一性の高い光電変換素子を得ることができた。 As described above, from the surface of the buffer layer of Examples 1 to 5, Comparative Example 1, Examples 11 to 15, and Comparative Example 11 in which citric acid is contained in the reaction solution, carbonyl ions Was detected. In Examples 1 to 5, a variation coefficient of photoelectric conversion efficiency was smaller than that of Examples 6 and 7 formed using a reaction solution not containing citric acid, and a photoelectric conversion element having high in-plane uniformity could be obtained. . Similarly, in Examples 11 to 15, a photoelectric conversion element having a smaller coefficient of variation in photoelectric conversion efficiency and higher in-plane uniformity than those in Examples 16 and 17 formed using a reaction solution not containing citric acid is obtained. I was able to.
1 光電変換素子
10 基板
11 基材
12 陽極酸化膜
20 下部電極(裏面電極)
30 光電変換層
40 バッファ層(Zn系化合物層)
60 上部電極(透光性導電層)
70 グリッド電極
DESCRIPTION OF
30
60 Upper electrode (translucent conductive layer)
70 Grid electrode
Claims (20)
前記バッファ層が、亜鉛および硫黄を含み、さらに、3族元素、7族元素および13族元素のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素を少なくとも1種含む化合物からなるものであることを特徴とする光電変換素子。 A photoelectric conversion element in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are stacked on a substrate,
The buffer layer is composed of a compound containing zinc and sulfur, and further comprising at least one element having a valence higher than that of zinc among group 3, element 7 and group 13 elements. A photoelectric conversion element.
Cu及びAgからなる群より選択された少なくとも1種のIb族元素と、
Al,Ga及びInからなる群より選択された少なくとも1種のIIIb族元素と、S,Se,及びTeからなる群から選択された少なくとも1種のVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体であることを特徴とする請求項10記載の光電変換素子。 The main component of the photoelectric conversion layer is
At least one group Ib element selected from the group consisting of Cu and Ag;
At least one compound semiconductor comprising at least one IIIb group element selected from the group consisting of Al, Ga and In and at least one VIb group element selected from the group consisting of S, Se and Te The photoelectric conversion element according to claim 10, wherein
亜鉛イオンおよび硫黄イオンを含み、さらに3族元素、7族元素、または13族元素(ホウ素を除く)のうち、亜鉛よりも価数の大きい元素のイオン、またはホウ素を含むオキソ酸イオンを含む化学浴析出用の反応液を用意し、
前記基板上に前記下部電極層および前記光電変換層がこの順に積層されてなるバッファ成膜用基板の、少なくとも前記光電変換層の表面を前記反応液に接触させることにより、該光電変換層上にバッファ層を析出させることを特徴とするバッファ層の製造方法。 A method for producing a buffer layer in a photoelectric conversion element having a stacked structure in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are stacked in this order on a substrate,
Chemistry containing zinc ions and sulfur ions, and ions of elements having a higher valence than zinc among group 3, 7 or 13 elements (excluding boron) or oxo acid ions containing boron Prepare a reaction solution for bath deposition,
By bringing at least the surface of the photoelectric conversion layer into contact with the reaction solution of the buffer film forming substrate in which the lower electrode layer and the photoelectric conversion layer are laminated in this order on the substrate, the reaction liquid is formed on the photoelectric conversion layer. A method for producing a buffer layer, comprising depositing the buffer layer.
前記バッファ層を、請求項13から19いずれか1項記載のバッファ層の製造方法により形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。 In the method for producing a photoelectric conversion element having a laminated structure in which a lower electrode layer, a photoelectric conversion layer, a buffer layer, and an upper electrode layer are laminated on a substrate,
The method for manufacturing a photoelectric conversion element, wherein the buffer layer is formed by the method for manufacturing a buffer layer according to any one of claims 13 to 19.
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