JP2015142001A - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、I−III−VI族化合物を含む半導体層を具備する光電変換装置に関するもの
である。
The present invention relates to a photoelectric conversion device including a semiconductor layer containing an 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等といったカルコパイライト構造のI−III−VI族化合物を含む半導体層を用いたものがある(例えば、特許
文献1参照)。カルコパイライト構造のI−III−VI族化合物は、光吸収係数が高く、光
電変換装置の薄型化と大面積化と製造コストの抑制とに適しており、カルコパイライト構造のI−III−VI族化合物を含む半導体層を用いた次世代太陽電池の研究開発が進められ
ている。
As a photoelectric conversion device used for photovoltaic power generation or the like, there is one using a semiconductor layer containing a chalcopyrite-structured I-III-VI group compound such as CIS or CIGS (for example, see Patent Document 1). The chalcopyrite structure I-III-VI group compound has a high light absorption coefficient, and is suitable for reducing the thickness, area, and manufacturing cost of the photoelectric conversion device. The chalcopyrite structure group I-III-VI Research and development of next-generation solar cells using a semiconductor layer containing a compound is underway.
このような光電変換装置は、ガラス等の基板の上に、Mo等の下部電極と、CIGS層(I−III−VI族化合物を含む半導体層)と、イオウ含有亜鉛混晶化合物等のバッファ層
と、ZnO等の上部電極とが、この順に積層されて構成されている。このバッファ層は、光吸収層上にCBD(Chemical Bath Deposition)法によって結晶成長されることにより形成されている。
Such a photoelectric conversion device comprises a substrate such as glass, a lower electrode such as Mo, a CIGS layer (a semiconductor layer containing a I-III-VI group compound), and a buffer layer such as a sulfur-containing zinc mixed crystal compound. And an upper electrode such as ZnO are laminated in this order. This buffer layer is formed by crystal growth on the light absorption layer by a CBD (Chemical Bath Deposition) method.
近年、光電変換装置はさらなる光電変換効率の向上が要求されている。上記の光電変換装置の光電変換効率を高める方法として、非特許文献1には、下部電極上にアンチモンまたはビスマスを被着した後、この上にCIGS層を形成することが開示されている。これによってCIGS層の結晶粒径を大きくすることができる。
In recent years, photoelectric conversion devices are required to further improve photoelectric conversion efficiency. As a method for increasing the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device described above, Non-Patent
I−III−VI族化合物を含む光電変換装置には、光電変換効率の向上が常に要求される
。非特許文献1の方法では、I−III−VI族化合物を含む半導体層の光電変換効率はある
程度向上するものの、光電変換効率のさらなる向上には限界がある。
The photoelectric conversion device containing the I-III-VI group compound is always required to improve the photoelectric conversion efficiency. In the method of
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換効率の高い光電変換装置を提供す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 provide a photoelectric conversion device having high photoelectric conversion efficiency.
本発明の一態様に係る光電変換装置は、電極層と、該電極層上に配されており、I−III−VI族化合物を含むとともにビスマス元素およびアンチモン元素の少なくとも一方から
成る添加元素を含む第1導電型の第1の半導体層と、該第1の半導体層上に配された前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2の半導体層とを具備しており、前記第1の半導体層を厚み方向に3等分し、前記第2の半導体層側から順に第1領域、第2領域および第3
領域としたときに、前記第1の半導体層の厚み方向における前記添加元素の濃度の分布が前記第1領域または前記第2領域で極大値を有するとともに、該極大値を示す部位から前記第2の半導体層との界面に近づくほど前記添加元素の濃度が減少している。
The photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention includes an electrode layer and an additive element which is disposed on the electrode layer and includes an I-III-VI group compound and at least one of a bismuth element and an antimony element. A first semiconductor layer of a first conductivity type, and a second semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type disposed on the first semiconductor layer, One semiconductor layer is equally divided into three in the thickness direction, and the first region, the second region, and the third region are sequentially formed from the second semiconductor layer side.
When the region is a region, the distribution of the concentration of the additive element in the thickness direction of the first semiconductor layer has a maximum value in the first region or the second region, and the second region from the portion showing the maximum value. The concentration of the additive element decreases as it approaches the interface with the semiconductor layer.
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.
以下に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詳細に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<光電変換装置の構成>
図1は、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を示す斜視図であり、図2はこの光電変換装置の断面図である。光電変換装置11は、基板1と、第1の電極層2と、I−III−VI族化合物を含む第1の半導体層3と、第2の半導体
層4と、上部電極層5とを含んでいる。
<Configuration of photoelectric conversion device>
FIG. 1 is a perspective view illustrating a photoelectric conversion device manufactured using the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device. The
第1の半導体層3と第2の半導体層4は導電型が異なっており、第1の半導体層3と第2の半導体層4とで光照射により生じた正負のキャリアの電荷分離を良好に行うことができる。
The
また、本実施形態における光電変換装置11は上部電極層5側から光が入射されるものを示しているが、これに限定されず、基板1側から光が入射されるものであってもよい。
Moreover, although the
図1、図2において、基板1上に複数の下部電極層2が平面配置されている。図1、図2において、複数の下部電極層2は、一方向に間隔をあけて並べられた下部電極層2a〜2cを具備している。この下部電極層2a上から基板1上を経て下部電極層2b上にかけて、第1の半導体層3が設けられている。また、第1の半導体層3上には、第1の半導体層3とは異なる導電型の第2の半導体層4が設けられている。さらに、下部電極層2b上において、接続導体6が、第1の半導体層3の表面(側面)に沿って、または第1の半導体層3を貫通して設けられている。この接続導体6は、第2の半導体層4と下部電極層2bとを電気的に接続している。これら下部電極層2、第1の半導体層3および第2の半導体層4によって、1つの光電変換セル10が構成され、隣接する光電変換セル10同士が接続導体6を介して直列接続されることによって、高出力の光電変換装置11となる。
1 and 2, a plurality of
基板1は、光電変換セル10を支持するためのものである。基板1に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。基板1としては、例えば、厚さ1〜3mm程度の青板ガラス(ソーダライムガラス)を用いることがで
きる。
The
下部電極層2(下部電極層2a、2b、2c)は、基板1上に設けられた、Mo、Al、TiまたはAu等の導電体である。下部電極層2は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、0.2μm〜1μm程度の厚みに形成される。
The lower electrode layer 2 (
第1の半導体層3は、I−III−VI族化合物を主に含んだ半導体層である。I−III−VI族化合物を主に含むとはI−III−VI族化合物を70モル%以上含むことをいう。第1の
半導体層3は、例えば1μm〜3μm程度の厚みを有する。I−III−VI族化合物半導体
とは、11族元素(I−B族元素ともいう)と13族元素(III−B族元素ともいう)と
16族元素(VI−B族元素ともいう)との化合物半導体であり、カルコパイライト構造を有し、カルコパイライト系化合物半導体と呼ばれる。I−III−VI族化合物半導体として
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とは、CuとInとGaとSeとから主に構成された化合物をいう。また、Cu(In,Ga)(Se,S)2とは、CuとInとGaとSeとSとを主成分として含む化合物をいう。
The
また、第1の半導体層3はビスマス元素(Bi)およびアンチモン元素(Sb)の少なくとも一方から成る添加元素を含んでいる。第1の半導体層3に含まれる添加元素の平均モル濃度(第1の半導体層3にBiおよびSbの両方が含まれる場合はBiおよびSbの合計の平均モル濃度)は、第1の半導体層3に含まれる13族元素の平均モル濃度の0.001倍以上0.1倍以下程度である。なお、第1の半導体層3に含まれる添加元素の平均モル濃度は、例えば、第1の半導体層3を厚み方向(Z方向)にエッチングしながら2次イオン質量分析(SIMS)で元素分析を行なった結果から、厚み方向の平均値を算出することによって求めることができる。
The
また、図2に示すように、第1の半導体層3を厚み方向に3等分し、第2の半導体層4側から順に第1領域3a、第2領域3bおよび第3領域3cとしたときに、第1の半導体層3の厚み方向(Z方向)における添加元素の濃度の分布が第1領域3aまたは第2領域3bで極大値を有している。さらに、この極大値を示す部位から第2の半導体層4との界面に近づくほど添加元素の濃度が減少している。このような添加元素の濃度分布の一例を図9の実線(試料1)で示す。図9は、第1の半導体層3としてCIGSを用い、添加元素としてBiを用いた例である。図9において、横軸の深さは、第1の半導体層3の第2の半導体層4との界面からの距離を示している。ここで、濃度分布の極大値は、第1の半導体層3の厚み方向において、添加元素の濃度分布が増加から減少に変わる変曲点の濃度である。
In addition, as shown in FIG. 2, when the
このような構成によって、光電変換装置11の光電変換効率を高めることができる。これは以下の理由による。
With such a configuration, the photoelectric conversion efficiency of the
上記添加元素によって第1の半導体層3における結晶粒径が大きくなる傾向があるとともに11族元素の欠損も生じやすくなる傾向がある。このような11族元素の欠損を有する第1の半導体層3の表面(下部電極層2とは反対側の表面)に対して、11族元素よりも価数の高い12族元素や13族元素が接触すると、これらの12族元素や13族元素が第1の半導体層3の内部に良好に拡散して11族元素の欠損部を埋めることができる。その結果、第1の半導体層3内にpnホモ結合が形成され、光電変換効率をさらに高めることができる。
The additive element tends to increase the crystal grain size in the
ただし、このような11族元素の欠損を有する第1の半導体層3に対して過度に12族
元素や13族元素が含有されると、逆にpn接合の特性が低下する傾向がある。また、12族元素や13族元素が第1の半導体層3の厚み方向に過度に拡散して下部電極層2の近傍まで達する場合も第1の半導体層3のp型の特性が低下する傾向がある。
However, if the group 12 element or the group 13 element is excessively contained in the
よって、本実施形態では、添加元素の濃度の分布が、第1領域3aまたは第2領域3bで極大値を有していることによって、第1の半導体層3の表面(第2の半導体層4側の表面)から12族元素や13族元素を第1の半導体層3の上記極大値を示す部位の近傍へ良好に拡散させることができる。また、上記極大値を示す部位から下部電極層2側に向かって、添加元素の濃度分布が減少しているので、この極大値を示す部位から下部電極層2側への12族元素や13族元素の拡散を抑制し、12族元素や13族元素が下部電極層2側へ過度に拡散しないようにすることができる。さらに、この極大値を示す部位から第2の半導体層4との界面に近づくほど添加元素の濃度が減少しているので、12族元素や13族元素の拡散が容易に起こる第1の半導体層3の表面部(第1の半導体層3における第2の半導体層4の近傍部)に対しては、12族元素や13族元素が過度に含有されないようにすることができる。以上のことから、第1の半導体層3内に良好にpnホモ接合を形成することができ、光電変換装置11の光電変換効率が向上する。
Therefore, in this embodiment, the concentration distribution of the additive element has a maximum value in the
これに対し、非特許文献1のような従来の構成では、BiやSbを下部電極層上に被着した後、第1の半導体層を形成するため、BiやSbは下部電極層の近傍に多く存在するものの、第2の半導体層側の厚みの中央よりも表面側には存在し難くなる。そのため、12族元素や13族元素が第1の半導体層内に拡散し難く、上記のような第1の半導体層3内にpnホモ接合を形成するのは困難である。よって、従来の構成では光電変換効率を高めることは困難である。
On the other hand, in the conventional configuration such as
ここで、上記の第1の半導体層3に対して拡散する12族元素または13族元素の供給源としては、以下のような種々の供給源が有り得る。
Here, as a supply source of the group 12 element or the group 13 element diffused with respect to the
1つめの供給源としては、第2の半導体層4が12族元素および13族元素の少なくとも一方を含む場合、この第2の半導体層4が供給源と成り得る。第2の半導体層4が複数層から成る場合、いずれかの層が12族元素および13族元素の少なくとも一方を含めばよい。例えば、バッファ層4aとしてCdS、ZnSまたはIn2S3等を含んだものが挙げられる。あるいは、上部電極層4bとして、ZnOまたはIn2O3等を含んだものが挙げられる。このようなCdやZn等の12族元素やIn等の13族元素が、光電変換装置11を作製する工程における加熱工程や、光電変換装置を使用する際の光照射等で生じる熱による昇温等で、バッファ層4aから第1の半導体層3内へ、あるいは上部電極層4bからバッファ層4aを介して第1の半導体層3内へ拡散することとなる。
As a first supply source, when the
また、2つめの供給源としては、第1の半導体層4を作製した後に、第1の半導体層4の表面に別途12族元素や13族元素を含む物質を供給させたものが供給源と成り得る。つまり、第1の半導体層4を作製後に別途、第1の半導体層4内に12族元素や13族元素を拡散させるための工程を行なう。このような工程としては、例えば、12族元素や13族元素の化合物が溶解した液体に第1の半導体層3を接触させることによって、液体中の12族元素や13族元素を第1の半導体層3内に拡散させる方法がある。また、他の方法としては、第1の半導体層3の表面に12族元素や13族元素を、蒸着等で単体あるいは化合物として被着し、これを加熱して12族元素や13族元素を第1の半導体層3内に拡散させる方法がある。また、他の方法として、ジエチル亜鉛のような有機金属化合物を接触させながら加熱し、第1の半導体層3の表面に12族元素や13族元素を第1の半導体層3内に拡散させる方法がある。
As the second supply source, the
なお、添加元素の濃度の分布の第1領域3aまたは第2領域3bに有する極大値は、必
ずしも第1の半導体層3の厚み方向の全体における添加元素の濃度の最大値でなくてもよい。また、添加元素の濃度の分布は第3領域3cにも他の極大値を有していてもよい。これは、例えば、添加元素の濃度の分布が、第3領域3cに極大値や最大値を有していたとしても、上記のように第1領域3aまたは第2領域3bに極大値を有することによって、12族元素や13族元素がこの極大値を有する部位を越えて拡散しようとするのを抑制することができることによる。また、第3領域3cは第1の半導体層3の表面からの距離が大きいため、12族元素や13族元素の拡散がし難くなっていることも関係する。
Note that the maximum value in the
また、第1の半導体層3の厚み方向における添加元素の濃度分布は、第2の半導体層4との界面の近傍において最小値を示してもよい。このような構成であれば、この第1の半導体層3の第2の半導体層4との界面の近傍において、過度に12族元素や13族元素が含有されるのを低減でき、第1の半導体層3のより内部に良好なホモpn接合を形成できる。
Further, the concentration distribution of the additive element in the thickness direction of the
また、添加元素の濃度分布は、極大値を示す部位から第2の半導体層4側へ向かう方向における減少率が、極大値を示す部位から下部電極層2側へ向かう方向における減少率よりも大きくてもよい。このような構成であれば、第1の半導体層3の極大値を示す部位よりも第2の半導体層4側の部位において、過度に12族元素や13族元素が含有されるのを低減でき、第1の半導体層3のより内部に良好なホモpn接合を形成できる。
Further, in the concentration distribution of the additive element, the decrease rate in the direction from the portion showing the maximum value toward the
また、第1の半導体層3は極大値を示す部位の近傍に複数の空孔を有していてもよい。このように空孔を有していると、12族元素や13族元素が、第1の半導体層3を構成する結晶粒子と空孔との界面を通って拡散しやすくなり、第1の半導体層3のより内部に良好なpn接合を形成しやすくすることができる。
Further, the
第2の半導体層4は、第1の半導体層3とは異なる第2導電型を有する半導体層である。第1の半導体層3および第2の半導体層4が電気的に接合することにより、電荷を良好に取り出すことが可能な光電変換層が形成される。例えば、第1の半導体層3がp型であれば、第2の半導体層4はn型である。第1の半導体層3がn型で、第2の半導体層4がp型であってもよい。また、第2の半導体層4は、互いに異なる半導体材料から成る複数層の積層体であってもよい。この積層体のうちの一部が他よりも電気抵抗率の高い高抵抗層であってもよい。本実施形態では、第2の半導体層4が第1の半導体層3とヘテロ接合を行なうバッファ層4aとバッファ層4aよりも電気抵抗率の低い上部電極層4bとの積層体である例を示している。
The
バッファ層4aは、第1の半導体層3とヘテロ接合を行なう層であり、例えば5〜200nmの厚みを有する。バッファ層4aとしては、CdS、ZnS、ZnO、In2S3、In2Se3、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等が挙げられる。バッファ層4は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で10〜200nmの厚みで形成される。なお、In(OH,S)とは、Inが水酸化物および硫化物として含まれる混晶化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnおよびInがセレン化物およぶ水酸化物として含まれる混晶化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnおよびMgが酸化物として含まれる化合物をいう。
The
上部電極層4bは、第2の半導体層4よりも電気抵抗率の低い層であり、第1の半導体層3で生じた電荷を良好に取り出す電極層として機能する。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層4bの抵抗率が1Ω・cm未満でシート抵抗が50Ω/□以下であってもよい。
The
上部電極層4b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)、BZO(Boron Zinc Oxide)
、GZO(Gallium Zinc Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine tin Oxide)等がある。
For the
GZO (Gallium Zinc Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), ITO (Indium Tin Oxide), FTO (Fluorine tin Oxide), and the like.
上部電極層4b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。
The
また、図1、図2に示すように、上部電極層4b上にさらに集電電極7が形成されていてもよい。集電電極7は、第1の半導体層3で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極7は、例えば、図1に示すように、光電変換セル10の一端から接続導体6にかけて線状に形成されている。これにより、第1の半導体層3で生じた電流が上部電極層4bを介して集電電極7に集電され、接続導体6を介して隣接する光電変換セル10に良好に通電される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a
集電電極7は、第1の半導体層3への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、50〜400μmの幅を有していてもよい。また、集電電極7は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。
The
集電電極7は、例えば、Ag等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストがパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。
The
図1、図2において、接続導体6は、第1の半導体層3、バッファ層4aおよび上部電極層4bを貫通する溝内に設けられた導体である。接続導体6は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図1、図2においては、集電電極7を延伸して接続導体6が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層4bが延伸したものであってもよい。
1 and 2, the
<光電変換装置の製造方法>
図3から図8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8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。
<Method for Manufacturing Photoelectric Conversion Device>
3 to 8 are cross-sectional views 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、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11族元素および13族元素が有機錯体の状態で存在する錯体皮膜を作製する。そして、この錯体皮膜を加熱して上記の有機錯体の有機成分を熱分解除去することによって熱分解皮膜3aを作製する。
After forming the first groove portion P1, a complex film in which a
上記錯体皮膜は、11族元素および13族元素が有機錯体の状態で存在する原料溶液を塗布することによって作製することができる。原料溶液は、11族元素に有機配位子が配位した有機錯体、13族元素に有機配位子が配位した有機錯体等を用いることができる。有機錯体は、孤立電子対を持つ基を有した有機配位子が金属元素に配位した化合物である。このような有機配位子としては、カルボキシル基、アルコキシ基、チオール基またはセレノール基等を有する化合物や、アセチルアセトン系化合物等が挙げられる。
The complex film can be produced by applying a raw material solution in which a
I−III−VI族化合物の形成をより促進するという観点からは、上記有機配位子として
、有機カルコゲン化合物を用いてもよい。有機カルコゲン化合物とは、カルコゲン元素を含む有機化合物であり、炭素元素とカルコゲン元素との共有結合を有する有機化合物である。カルコゲン元素とは、16族元素のうち、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)である。有機カルコゲン化合物としては、例えば、チオール、スルフィド、ジスルフィド、セレノール、セレニド、ジセレニド、テルロール、テルリド、ジテルリド等がある。
From the viewpoint of further promoting the formation of the I-III-VI group compound, an organic chalcogen compound may be used as the organic ligand. An organic chalcogen compound is an organic compound containing a chalcogen element, and is an organic compound having a covalent bond between a carbon element and a chalcogen element. The chalcogen element is sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) among group 16 elements. Examples of the organic chalcogen compound include thiol, sulfide, disulfide, selenol, selenide, diselenide, tellurol, telluride, ditelluride and the like.
このような有機錯体としては、11族元素に有機カルコゲン化合物が結合した有機錯体(以下、11族錯体という)、13族元素に有機カルコゲン化合物が結合した有機錯体(以下、13族錯体という)、あるいは、11族元素と13族元素と有機カルコゲン化合物とが結合して1つの錯体分子を構成している有機錯体(以下、単一源錯体という。なお、単一源錯体については米国特許第6992202号明細書を参照することができる。)等がある。このように有機カルコゲン化合物が配位した有機錯体を用いることによって、各金属元素と有機カルコゲン化合物のカルコゲン元素とが接近した状態になるので、各金属元素のカルコゲン化反応がより進行しやすくなる。
As such an organic complex, an organic complex in which an organic chalcogen compound is bonded to a
また、原料溶液に用いられる溶媒は、上記有機錯体を溶解可能なものであればよく、例えば、アルコール類やアミン類等の極性溶媒を用いることができる。 Moreover, the solvent used for a raw material solution should just be a thing which can melt | dissolve the said organic complex, For example, polar solvents, such as alcohol and amines, can be used.
下部電極層2の上への原料溶液の塗布方法としては、例えばスピンコーティング、スクリーン印刷、ディッピング、スプレーコーティングまたはダイコーティング等を用いることができる。
As a method of applying the raw material solution onto the
このような錯体皮膜を加熱して熱分解皮膜3aを作製する際の雰囲気としては、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気等用いることができる。また、この熱分解皮膜3aを作製する際の加熱温度は、例えば、150〜430℃とすることができる。この工程によって、熱分解皮膜3aが多孔質の状態となる。図4は、熱分解皮膜3aを作製した後の状態を示す図である。
As an atmosphere at the time of producing such a
次に、この熱分解皮膜3aの表面に添加元素(BiおよびSbの少なくとも一方)を単体または化合物の状態で被着する。その後、この熱分解皮膜3aをカルコゲン元素を含む雰囲気中で加熱してI−III−VI族化合物を含む第1の半導体層3を作製する。このよう
に多孔質の状態である熱分解皮膜3aの表面に添加元素を被着することによって、添加元素が熱分解皮膜3a内部にまで良好に拡散しやすくなる。その結果、第1の半導体層3の厚み方向における添加元素の濃度の分布が第1領域3aまたは第2領域3bで極大値を有し、さらに、この極大値を示す部位から下部電極層2とは反対側の表面に近づくほど添加元素の濃度が減少している第1の半導体層3を作製することができる。なお、添加元素の濃度の分布の極大値を示す部位は、上記カルコゲン元素を含む雰囲気中での加熱工程の時間を調整することによって、第1の半導体層3の厚み方向の所望の位置となるようにすることができる。つまり、カルコゲン元素を含む雰囲気中での加熱工程の時間が長くなるほど、添加元素の濃度の分布の極大値を示す部位は、第1の半導体層3の下部電極層2とは反対側の表面から下部電極層2側へ移動する傾向があるため、この加熱時間を調整すればよい。
Next, an additive element (at least one of Bi and Sb) is deposited on the surface of the
熱分解皮膜3aの表面に被着される添加元素は、単体の状態であってもよく、有機錯体等の化合物の状態であってもよい。熱分解皮膜3aの表面に添加元素を単体または化合物の状態で被着する方法としては、例えば、蒸着等の成膜方法、あるいは、添加元素が有機錯体等の状態で含まれる錯体溶液を塗布する方法等を用いることができる。簡易な設備で
添加元素の被着を容易に行なうことができるという観点からは、熱分解皮膜3aの表面に添加元素が有機錯体の状態で存在する錯体溶液を塗布する方法を用いてもよい。
The additive element deposited on the surface of the
添加元素が有機錯体の状態で存在する錯体溶液としては、添加元素に有機配位子が配位した有機錯体等を用いることができる。有機錯体は、孤立電子対を持つ基を有した有機配位子が金属元素に配位した化合物である。このような有機配位子としては、カルボキシル基、アルコキシ基、チオール基またはセレノール基等を有する化合物や、アセチルアセトン系化合物等が挙げられる。 As the complex solution in which the additive element exists in the state of an organic complex, an organic complex in which an organic ligand is coordinated to the additive element can be used. An organic complex is a compound in which an organic ligand having a group having a lone pair of electrons is coordinated to a metal element. Examples of such an organic ligand include a compound having a carboxyl group, an alkoxy group, a thiol group, or a selenol group, and an acetylacetone compound.
I−III−VI族化合物の結晶性をさらに高めるという観点からは、上記有機配位子とし
て、有機カルコゲン化合物を用いてもよい。これにより、添加元素が良好にカルコゲン化され、それによって添加元素がI−III−VI族化合物中に良好に取り込まれることとなる
。
From the viewpoint of further improving the crystallinity of the I-III-VI group compound, an organic chalcogen compound may be used as the organic ligand. As a result, the additive element is favorably chalcogenized, whereby the additive element is favorably incorporated into the I-III-VI group compound.
このような添加元素に有機カルコゲン化合物が配位した有機錯体としては、例えば、構造式(1)のような錯体構造のものが挙げられる。構造式(1)において、MはBiまたはSbである。また、L1〜L3は有機カルコゲン化合物であり、これらは互いに異なる構造であってもよく、同じ構造であってもよい。構造式(1)の具体例としては、例えば、構造式(2)のようなジエチルジチオカルバミン酸が添加元素に配位した化合物がある。また、構造式(2)の化合物以外にもBi(SC6H5)3、Bi(SeC6H5)3、Sb(SC6H5)3、Sb(SeC6H5)3等がある。構造式(2)の化合物は有機溶媒に対する溶解性が比較的高く、取扱性が良好である。 Examples of the organic complex in which an organic chalcogen compound is coordinated to such an additive element include those having a complex structure such as the structural formula (1). In the structural formula (1), M is Bi or Sb. L 1 to L 3 are organic chalcogen compounds, and these may have different structures or the same structure. As a specific example of the structural formula (1), for example, there is a compound in which diethyldithiocarbamic acid is coordinated to an additive element as in the structural formula (2). In addition to the compound of the structural formula (2), there are Bi (SC 6 H 5 ) 3 , Bi (SeC 6 H 5 ) 3 , Sb (SC 6 H 5 ) 3 , Sb (SeC 6 H 5 ) 3 and the like. . The compound of the structural formula (2) has a relatively high solubility in an organic solvent and good handleability.
構造式(1)および構造式(2)の化合物は、例えば、以下のようにして作製される。ここでは構造式(2)のMがBiの場合の例を示すが、他の化合物も同様の方法で作製できる。まず、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウムをメタノールに溶解して溶液Aを作製する。また、BiCl3をメタノールに溶解して溶液Bを作製する。そして、溶液Aと溶液Bとを混合することによって、構造式(2)の化合物を含む沈殿が生じる。 The compounds of structural formula (1) and structural formula (2) are produced, for example, as follows. Here, an example in which M in the structural formula (2) is Bi is shown; however, other compounds can be manufactured by a similar method. First, a solution A is prepared by dissolving sodium diethyldithiocarbamate in methanol. Also, solution B is prepared by dissolving BiCl 3 in methanol. Then, by mixing the solution A and the solution B, a precipitate containing the compound of the structural formula (2) is generated.
熱分解皮膜3aの表面に塗布する錯体溶液の量は、熱分解皮膜3aに含まれるIII−B
族元素のモル濃度に対して、添加元素のモル濃度(添加元素がBiおよびSbを両方含む場合はその合計のモル濃度)が0.01〜10%程度となるような量であればよい。熱分解皮膜3aの上への錯体溶液の塗布方法としては、例えばスピンコーティング、スクリーン印刷、ディッピング、スプレーコーティングまたはダイコーティング等を用いることができる。
The amount of the complex solution applied to the surface of the
It is sufficient that the molar concentration of the additive element (the total molar concentration when the additive element contains both Bi and Sb) is about 0.01 to 10% with respect to the molar concentration of the group element. As a method for applying the complex solution onto the
上記錯体溶液を塗布した熱分解皮膜3aを加熱してI−III−VI族化合物を含む第1の
半導体層3を作製する際に用いるカルコゲン元素を含む雰囲気は、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ガス雰囲気であってもよく、あるいは、非酸化性ガス中に上記のようなカルコゲン元素の蒸気あるいはカルコゲン元素の水素化物を含む混合ガス雰囲気であってもよい。なお、非酸化性ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスや水素等の還元性ガスが挙げられる。特に有機成分の第1の半導体層3中への残存率をより低減するという観点からは、非酸化性ガスとして水素を用いてもよい。この場合、雰囲気中に含まれるカルコゲン元素の量としては、単位体積当たりの水素分子のモル数をGとしたときにカルコゲン元素が原子のモル数として、例えばGの10−6倍〜5×10−2倍程度、より好ましくはGの10−5倍〜5×10−3倍であればよい。
The atmosphere containing a chalcogen element used when producing the
また、カルコゲン元素を含む雰囲気における熱分解皮膜3aの加熱温度は、例えば400〜650℃であり、加熱時間は、例えば0.5〜5時間である。図5は、第1の半導体
層3を作製した後の状態を示す図である。
Moreover, the heating temperature of the
第1の半導体層3を形成した後、第1の半導体層3の上に、第2の半導体層4としてのバッファ層4aおよび上部電極層4bを順に形成する。
After forming the
バッファ層4a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を塩酸で酸性にした水に溶解し、これに第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を含むバッファ層4aを形成することができる。
The
上部電極層4bは、例えば、AZOやBZO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6は、バッファ層4aおよび上部電極層4bを形成した後の状態を示す図である。
The
上部電極層4bを形成した後、上部電極層4b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、40〜50μm程度のスクライブ幅のスクライブ針を用いたスクライビングを、ピッチをずらしながら連続して数回にわたって行なうことで形成できる。また、スクライブ針の先端形状が第2溝部P2の幅に近い程度にまで広げたうえでスクライブすることによって第2溝部P2を形成しても良い。あるいは、2本または2本を超えるスクライブ針を相互に当接または近接した状態で固定し、1回から数回のスクライブを行なうことによって第2溝部P2を形成しても良い。図7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 formation of 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、これを乾燥し、固化することで形成できる。図8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4b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
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が施されることは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
次に、光電変換装置の製造方法について、具体例を示して説明する。 Next, a method for manufacturing the photoelectric conversion device will be described with a specific example.
<試料1の作製>
まず、第1の半導体層を形成するための原料溶液を作製した。原料溶液としては、米国特許第6992202号明細書の記載に基づいて作製した単一源錯体をピリジンに溶解したものを用いた。なお、この単一源錯体としては、CuとInとフェニルセレノールとが
1つの錯体分子を形成したものと、CuとGaとフェニルセレノールとが1つの錯体分子を形成したものとの混合体を用い、原料溶液中のCuとInとGaのモル比がCu:In:Ga=1:0.6:0.4となるようにした。
<Preparation of
First, a raw material solution for forming the first semiconductor layer was prepared. As the raw material solution, a solution obtained by dissolving a single source complex prepared in accordance with the description of US Pat. No. 6,992,202 in pyridine was used. In addition, as this single source complex, Cu, In and phenyl selenol formed one complex molecule, and Cu, Ga and phenyl selenol formed one complex molecule. The molar ratio of Cu, In and Ga in the raw material solution was set to Cu: In: Ga = 1: 0.6: 0.4.
次に、ガラスによって構成される基板の表面にMoからなる下部電極層が成膜されたものを用意した。そして、この下部電極層の上に上記原料溶液をブレード法によって塗布して錯体皮膜を形成し、この錯体皮膜を300℃で加熱することによって熱分解皮膜を形成した。 Next, what prepared the lower electrode layer which consists of Mo on the surface of the board | substrate comprised with glass was prepared. And the said raw material solution was apply | coated by this blade method on this lower electrode layer, the complex membrane | film | coat was formed, and the thermal decomposition membrane | film | coat was formed by heating this complex membrane | film | coat at 300 degreeC.
次に、この熱分解皮膜の表面に蒸着法によってBiを蒸着した。蒸着したBiのモル数は、熱分解皮膜の13族元素の全モル数に対して1%となるようにした。 Next, Bi was vapor-deposited on the surface of the pyrolysis film by an evaporation method. The number of moles of Bi deposited was 1% with respect to the total number of moles of group 13 elements in the pyrolysis film.
そして、このビスマス錯体を被着した熱分解皮膜を550℃で1時間加熱することによってCIGSを含む第1の半導体層を形成した。なお、この加熱時の雰囲気としては、セレンを含む水素ガス雰囲気を用いた。このセレンを含む水素ガス雰囲気は、加熱した水素ガス中で金属セレンを気化させることによって調製したものである。このセレンを含む水素ガス雰囲気のセレンの含有量は、単位体積当たりにおけるセレン原子のモル数が水素分子のモル数の5×10−5倍となるようにした。 And the 1st semiconductor layer containing CIGS was formed by heating the thermal decomposition film which adhered this bismuth complex at 550 degreeC for 1 hour. Note that a hydrogen gas atmosphere containing selenium was used as the atmosphere during the heating. The hydrogen gas atmosphere containing selenium is prepared by vaporizing metal selenium in heated hydrogen gas. The selenium content in the hydrogen gas atmosphere containing selenium was such that the number of moles of selenium atoms per unit volume was 5 × 10 −5 times the number of moles of hydrogen molecules.
次に、この第1の半導体層までが形成された上記基板を、7mMのヨウ化カドミウムおよび0.3Mのチオ尿素を含む水溶液からなり、アンモニア水でpH12.2に調製したCBD溶液浸漬して、第1の半導体層上にCdSを含む第2の半導体層を形成した。 Next, the substrate on which the first semiconductor layer is formed is immersed in a CBD solution made of an aqueous solution containing 7 mM cadmium iodide and 0.3 M thiourea and adjusted to pH 12.2 with aqueous ammonia. A second semiconductor layer containing CdS was formed over the first semiconductor layer.
そして、この第2の半導体層上にスパッタリング法によってAlがドープされたZnOからなる上部電極層を形成することによって、試料1としての光電変換装置を得た。
Then, an upper electrode layer made of ZnO doped with Al was formed by sputtering on the second semiconductor layer, whereby a photoelectric conversion device as
<試料2の作製>
ガラスによって構成される基板の表面にMoからなる下部電極層が成膜されたものを用意した。そして、この下部電極層の上にBiを蒸着した。蒸着したBiのモル数は、この後作製する熱分解皮膜の13族元素の全モル数に対して1%となるようにした。
<Preparation of
What prepared the lower electrode layer which consists of Mo on the surface of the board | substrate comprised with glass was prepared. And Bi was vapor-deposited on this lower electrode layer. The number of moles of Bi deposited was set to 1% with respect to the total number of moles of group 13 elements in the pyrolysis film to be produced later.
次に、このBiを蒸着した下部電極層の上に、試料1の作製で用いた原料溶液をブレード法によって塗布して錯体皮膜を形成し、この錯体皮膜を300℃で加熱することによって熱分解皮膜を形成した。
Next, on the lower electrode layer on which this Bi is deposited, the raw material solution used in the preparation of
そして、この熱分解皮膜を上記試料1と同様の条件で加熱して第1の半導体層を作製し、上記試料1と同様の条件で第2の半導体層および上部電極層を作製することによって、試料2としての光電変換装置を得た。つまり、試料2は非特許文献1と類似構成の比較例である。
Then, the pyrolysis film is heated under the same conditions as the
<試料1および試料2の2次イオン質量分析>
上記試料1および試料2について、各試料の第1の半導体層をエッチングしながら深さ方向に2次イオン質量分析(SIMS)で元素分析を行なった結果を図9および図10に示す。
<Secondary ion mass spectrometry of
FIG. 9 and FIG. 10 show the results of elemental analysis performed on the
図9の結果より、試料2ではBiが下部電極層とは反対側の表面部にはほとんど存在せず、第1の半導体層の下部電極層側に偏在していた。一方、試料1では第1の半導体層の厚み方向の全体にわたってBiが含有されており、表面から0.7μm付近にBiの濃度分布の極大値を有していることがわかる。
From the result of FIG. 9, in
また、図10の結果より、試料2に比べ試料1ではCdが第1の半導体層の内部まで良好に拡散していることがわかる。
Further, from the result of FIG. 10, it can be seen that Cd diffuses better to the inside of the first semiconductor layer in
以上のことから、添加元素としてのBiが試料1のような濃度分布を有することによって、12族元素としてのCdを第1の半導体層の内部に良好に拡散できると考えられる。
From the above, it can be considered that Bi as an additive element has a concentration distribution as in
<光電変換特性>
試料1および試料2に対して光電変換効率の測定を行なった。光電変換効率の測定は、疑似太陽光としての定常光ソーラシミュレーターを用いて行ない、光電変換装置の受光面に対する光の照射強度が100mW/cm2であり且つAM(エアマス)が1.5である
条件とした。その結果、試料2の光電変換効率は12%であったのに対し、試料1は14%と光電変換効率が向上していることがわかった。
<Photoelectric conversion characteristics>
Photoelectric conversion efficiency was measured for
1:基板
2、2a、2b、2c:下部電極層
3:第1の半導体層
3a:熱分解皮膜
4:第2の半導体層
4a:バッファ層
4b:上部電極層
6:接続導体
7:集電電極
10:光電変換セル
11:光電変換装置
1:
Claims (4)
該電極層上に配されており、I−III−VI族化合物を含むとともにビスマス元素およびア
ンチモン元素の少なくとも一方から成る添加元素を含む第1導電型の第1の半導体層と、該第1の半導体層上に配された前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2の半導体層とを具備しており、
前記第1の半導体層を厚み方向に3等分し、前記第2の半導体層側から順に第1領域、第2領域および第3領域としたときに、前記第1の半導体層の厚み方向における前記添加元素の濃度の分布が前記第1領域または前記第2領域で極大値を有するとともに、該極大値を示す部位から前記第2の半導体層との界面に近づくほど前記添加元素の濃度が減少している光電変換装置。 An electrode layer;
A first semiconductor layer of a first conductivity type disposed on the electrode layer and including an I-III-VI group compound and an additive element comprising at least one of a bismuth element and an antimony element; A second semiconductor layer of a second conductivity type different from the first conductivity type disposed on the semiconductor layer,
When the first semiconductor layer is equally divided into three in the thickness direction, and the first region, the second region, and the third region are sequentially formed from the second semiconductor layer side, the first semiconductor layer in the thickness direction of the first semiconductor layer The concentration distribution of the additive element has a maximum value in the first region or the second region, and the concentration of the additive element decreases as it approaches the interface with the second semiconductor layer from a portion showing the maximum value. Photoelectric conversion device.
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2014
- 2014-01-29 JP JP2014013866A patent/JP2015142001A/en active Pending
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