JP2015142001A - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents

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亜紀 北林
Aki Kitabayashi
亜紀 北林
紳之介 牛尾
Shinnosuke Ushio
紳之介 牛尾
浩充 小川
Hiromitsu Ogawa
浩充 小川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion device with high photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: A photoelectric conversion device 11 comprises an electrode layer 2, a first semiconductor layer 3 of a first conductivity type arranged on the electrode layer 2 and including a group I-III-VI compound and an additive element made of at least one of a bismuth element and an antimony element, and a second semiconductor layer 4 arranged on the first semiconductor layer 3 and having a second conductivity type different from the first conductivity type. When the first semiconductor layer 3 is trisected in a thickness direction and a first region 3a, a second region 3b, and a third region 3c are allocated in this order from the second semiconductor layer side, the concentration distribution of the additive element in the thickness direction of the first semiconductor layer 3 has a maximum value in the first region 3a or the second region 3b, and the concentration of the additive element decreases as the additive element approaches an interface with the second semiconductor layer 4 from the site indicating the maximum value.

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 Document 1 discloses that after depositing antimony or bismuth on a lower electrode, a CIGS layer is formed thereon. Thereby, the crystal grain size of the CIGS layer can be increased.

特開平8−330614号公報JP-A-8-330614

T. Nakada, Y. Honishi, Y. Yatsushiro, and H. Nakakoba “Impacts of Sb and Bi Incorporations on CIGS Thin Films and Solar Cells” Proc. 37th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. (Seattle, June 2011)T. Nakada, Y. Honishi, Y. Yatsushiro, and H. Nakakoba “Impacts of Sb and Bi Incorporations on CIGS Thin Films and Solar Cells” Proc. 37th IEEE Photovoltaic Specialist Conf. (Seattle, June 2011)

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 Non-Patent Document 1, although the photoelectric conversion efficiency of the semiconductor layer containing the I-III-VI group compound is improved to some extent, there is a limit to further improvement of the photoelectric conversion efficiency.

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.

光電変換装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a photoelectric conversion apparatus. 図1の光電変換装置の断面図である。It is sectional drawing of the photoelectric conversion apparatus of FIG. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the mode in the middle of manufacture of a photoelectric conversion apparatus. 第1の半導体層における添加元素の濃度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the density | concentration distribution of the additive element in a 1st semiconductor layer. 第1の半導体層に拡散したII族元素の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the II group element diffused in the 1st semiconductor layer.

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 photoelectric conversion device 11 includes a substrate 1, a first electrode layer 2, a first semiconductor layer 3 containing an I-III-VI group compound, a second semiconductor layer 4, and an upper electrode layer 5. It is out.

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 first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 have different conductivity types, and the charge separation of positive and negative carriers generated by light irradiation in the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 is excellent. It can be carried out.

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 photoelectric conversion apparatus 11 in this embodiment has shown what the light injects from the upper electrode layer 5 side, it is not limited to this, The light may inject from the board | substrate 1 side. .

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 lower electrode layers 2 are arranged in a plane on a substrate 1. 1 and 2, the plurality of lower electrode layers 2 include lower electrode layers 2 a to 2 c that are arranged at intervals in one direction. A first semiconductor layer 3 is provided from the lower electrode layer 2a through the substrate 1 to the lower electrode layer 2b. In addition, a second semiconductor layer 4 having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer 3 is provided on the first semiconductor layer 3. Further, the connection conductor 6 is provided on the lower electrode layer 2 b along the surface (side surface) of the first semiconductor layer 3 or penetrating the first semiconductor layer 3. The connection conductor 6 electrically connects the second semiconductor layer 4 and the lower electrode layer 2b. The lower electrode layer 2, the first semiconductor layer 3, and the second semiconductor layer 4 constitute one photoelectric conversion cell 10, and adjacent photoelectric conversion cells 10 are connected in series via the connection conductor 6. Thus, the photoelectric conversion device 11 with high output is obtained.

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 substrate 1 is for supporting the photoelectric conversion cell 10. Examples of the material used for the substrate 1 include glass, ceramics, resin, and metal. As the substrate 1, for example, blue plate glass (soda lime glass) having a thickness of about 1 to 3 mm can be used.

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 (lower electrode layers 2a, 2b and 2c) is a conductor such as Mo, Al, Ti or Au provided on the substrate 1. The lower electrode layer 2 is formed to a thickness of about 0.2 μm to 1 μm using a known thin film forming method such as sputtering or vapor deposition.

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)Se(CIGSともいう)、Cu(In,Ga)(Se,S)(CIGSSともいう)、およびCuInSe(CISともいう)等が挙げられる。なお、Cu(In,Ga)Se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)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 first semiconductor layer 3 is a semiconductor layer mainly containing an I-III-VI group compound. “Containing mainly an I-III-VI group compound” means containing 70 mol% or more of an I-III-VI group compound. The first semiconductor layer 3 has a thickness of about 1 μm to 3 μm, for example. I-III-VI group compound semiconductors are Group 11 elements (also referred to as Group I-B elements), Group 13 elements (also referred to as Group III-B elements), and Group 16 elements (also referred to as Group VI-B elements). This compound semiconductor has a chalcopyrite structure and is called a chalcopyrite compound semiconductor. Examples of the I-III-VI group compound semiconductor include Cu (In, Ga) Se 2 (also referred to as CIGS), Cu (In, Ga) (Se, S) 2 (also referred to as CIGSS), and CuInSe 2 (CIS). Also). Cu (In, Ga) Se 2 refers to a compound mainly composed of Cu, In, Ga, and Se. Cu (In, Ga) (Se, S) 2 refers to a compound containing Cu, In, Ga, Se, and S as main components.

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 first semiconductor layer 3 contains an additive element composed of at least one of a bismuth element (Bi) and an antimony element (Sb). The average molar concentration of the additive element contained in the first semiconductor layer 3 (when Bi and Sb are both included in the first semiconductor layer 3, the total average molar concentration of Bi and Sb) is the first semiconductor layer The average molar concentration of group 13 elements contained in 3 is about 0.001 to 0.1 times the average molar concentration. Note that the average molar concentration of the additive element contained in the first semiconductor layer 3 is, for example, an elemental analysis by secondary ion mass spectrometry (SIMS) while etching the first semiconductor layer 3 in the thickness direction (Z direction). It can obtain | require by calculating the average value of the thickness direction from the result performed.

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 first semiconductor layer 3 is equally divided into three in the thickness direction, the first region 3a, the second region 3b, and the third region 3c are sequentially formed from the second semiconductor layer 4 side. In addition, the concentration distribution of the additive element in the thickness direction (Z direction) of the first semiconductor layer 3 has a maximum value in the first region 3a or the second region 3b. Further, the concentration of the additive element decreases as the distance from the portion showing the maximum value approaches the interface with the second semiconductor layer 4. An example of the concentration distribution of such an additive element is shown by a solid line (sample 1) in FIG. FIG. 9 shows an example in which CIGS is used as the first semiconductor layer 3 and Bi is used as the additive element. In FIG. 9, the depth on the horizontal axis indicates the distance from the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. Here, the maximum value of the concentration distribution is the concentration at the inflection point at which the concentration distribution of the additive element changes from increasing to decreasing in the thickness direction of the first semiconductor layer 3.

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 photoelectric conversion device 11 can be increased. This is due to the following reason.

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 first semiconductor layer 3 and tends to cause defects of the group 11 element. A group 12 element or a group 13 element having a higher valence than the group 11 element with respect to the surface of the first semiconductor layer 3 having such a defect of the group 11 element (surface opposite to the lower electrode layer 2). Can contact these Group 12 elements and Group 13 elements well into the first semiconductor layer 3 to fill the defects of the Group 11 elements. As a result, a pn homo bond is formed in the first semiconductor layer 3, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased.

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 first semiconductor layer 3 having such a defect of the group 11 element, the characteristics of the pn junction tend to deteriorate. In addition, when the group 12 element or the group 13 element excessively diffuses in the thickness direction of the first semiconductor layer 3 and reaches the vicinity of the lower electrode layer 2, the p-type characteristics of the first semiconductor layer 3 tend to deteriorate. There is.

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 first region 3a or the second region 3b, so that the surface of the first semiconductor layer 3 (the second semiconductor layer 4). The group 12 element or the group 13 element can be favorably diffused from the surface of the first semiconductor layer 3 to the vicinity of the portion showing the maximum value. Further, since the concentration distribution of the additive element decreases from the portion showing the maximum value toward the lower electrode layer 2 side, the group 12 element or group 13 from the portion showing the maximum value to the lower electrode layer 2 side is reduced. It is possible to suppress the diffusion of the element and prevent the group 12 element or the group 13 element from excessively diffusing to the lower electrode layer 2 side. Furthermore, since the concentration of the additive element decreases as it approaches the interface with the second semiconductor layer 4 from the portion showing the maximum value, the diffusion of the group 12 element or the group 13 element easily occurs. It is possible to prevent the group 12 element or the group 13 element from being excessively contained in the surface portion 3 (the vicinity of the second semiconductor layer 4 in the first semiconductor layer 3). From the above, a pn homojunction can be satisfactorily formed in the first semiconductor layer 3, and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device 11 is improved.

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 Non-Patent Document 1, Bi and Sb are formed in the vicinity of the lower electrode layer in order to form the first semiconductor layer after depositing Bi and Sb on the lower electrode layer. Although many of them exist, they are less likely to be present on the surface side than the center of the thickness on the second semiconductor layer side. Therefore, the group 12 element or the group 13 element is difficult to diffuse into the first semiconductor layer, and it is difficult to form a pn homojunction in the first semiconductor layer 3 as described above. Therefore, it is difficult to increase the photoelectric conversion efficiency with the conventional configuration.

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 first semiconductor layer 3, there can be various supply sources as follows.

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In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In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 second semiconductor layer 4 includes at least one of a group 12 element and a group 13 element, the second semiconductor layer 4 can be a supply source. In the case where the second semiconductor layer 4 includes a plurality of layers, any one of the layers may include at least one of a group 12 element and a group 13 element. For example, the buffer layer 4a includes CdS, ZnS, In 2 S 3 or the like. Alternatively, the upper electrode layer 4b includes one containing ZnO, In 2 O 3 or the like. Such a group 12 element such as Cd or Zn or a group 13 element such as In is heated by a heating process in the process of manufacturing the photoelectric conversion device 11, or a temperature rise due to heat generated by light irradiation or the like when using the photoelectric conversion device. Thus, diffusion from the buffer layer 4a into the first semiconductor layer 3 or from the upper electrode layer 4b through the buffer layer 4a into the first semiconductor layer 3 is performed.

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 first semiconductor layer 4 is manufactured and then the surface of the first semiconductor layer 4 is separately supplied with a substance containing a group 12 element or a group 13 element. It can be done. That is, after the first semiconductor layer 4 is manufactured, a process for diffusing a group 12 element or a group 13 element in the first semiconductor layer 4 is performed. As such a process, for example, by bringing the first semiconductor layer 3 into contact with a liquid in which a compound of a group 12 element or a group 13 element is dissolved, the group 12 element or group 13 element in the liquid is converted into the first semiconductor. There is a method of diffusing in the layer 3. Further, as another method, a group 12 element or a group 13 element is deposited on the surface of the first semiconductor layer 3 as a simple substance or a compound by vapor deposition or the like, and this is heated so that the group 12 element or the group 13 element is deposited. There is a method of diffusing in the first semiconductor layer 3. As another method, heating is performed while bringing an organometallic compound such as diethyl zinc into contact, and a group 12 element or a group 13 element is diffused into the first semiconductor layer 3 on the surface of the first semiconductor layer 3. There is.

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 first region 3a or the second region 3b of the concentration distribution of the additive element does not necessarily have to be the maximum value of the concentration of the additive element in the entire thickness direction of the first semiconductor layer 3. Further, the concentration distribution of the additive element may also have other local maximum values in the third region 3c. This is because, for example, even if the concentration distribution of the additive element has a maximum value or a maximum value in the third region 3c, it has a maximum value in the first region 3a or the second region 3b as described above. Therefore, it is possible to prevent the group 12 element or the group 13 element from diffusing beyond the portion having the maximum value. In addition, since the third region 3c has a large distance from the surface of the first semiconductor layer 3, it is also related to the difficulty in diffusing group 12 elements or group 13 elements.

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 first semiconductor layer 3 may show a minimum value in the vicinity of the interface with the second semiconductor layer 4. With such a configuration, it is possible to reduce the excessive inclusion of the group 12 element or the group 13 element in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. A good homo pn junction can be formed inside the semiconductor layer 3.

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 second semiconductor layer 4 is larger than the decrease rate in the direction from the portion showing the maximum value toward the lower electrode layer 2 side. May be. With such a configuration, it is possible to reduce the excessive inclusion of a group 12 element or a group 13 element in a portion closer to the second semiconductor layer 4 than a portion showing the maximum value of the first semiconductor layer 3. A good homo pn junction can be formed inside the first semiconductor layer 3.

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 first semiconductor layer 3 may have a plurality of holes in the vicinity of the portion showing the maximum value. Thus, when it has a void | hole, it becomes easy for a 12th group element and a 13th group element to diffuse through the interface of the crystal grain and void | hole which comprise the 1st semiconductor layer 3, and a 1st semiconductor It is possible to easily form a good pn junction inside the layer 3.

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 second semiconductor layer 4 is a semiconductor layer having a second conductivity type different from that of the first semiconductor layer 3. When the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 are electrically joined to each other, a photoelectric conversion layer from which charges can be favorably extracted is formed. For example, if the first semiconductor layer 3 is p-type, the second semiconductor layer 4 is n-type. The first semiconductor layer 3 may be n-type and the second semiconductor layer 4 may be p-type. Further, the second semiconductor layer 4 may be a multi-layer stack made of different semiconductor materials. A part of the laminate may be a high resistance layer having a higher electrical resistivity than the others. In the present embodiment, an example is shown in which the second semiconductor layer 4 is a stacked body of a buffer layer 4a that forms a heterojunction with the first semiconductor layer 3 and an upper electrode layer 4b that has a lower electrical resistivity than the buffer layer 4a. ing.

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、In、InSe、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 buffer layer 4a is a layer that performs a heterojunction with the first semiconductor layer 3, and has a thickness of, for example, 5 to 200 nm. Examples of the buffer layer 4a include CdS, ZnS, ZnO, In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In (OH, S), (Zn, In) (Se, OH), and (Zn, Mg) O. It is done. The buffer layer 4 is formed with a thickness of 10 to 200 nm by, for example, a chemical bath deposition (CBD) method or the like. In (OH, S) refers to a mixed crystal compound containing In as a hydroxide and a sulfide. (Zn, In) (Se, OH) refers to a mixed crystal compound containing Zn and In as selenides and hydroxides. (Zn, Mg) O refers to a compound containing Zn and Mg as oxides.

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 upper electrode layer 4 b is a layer having a lower electrical resistivity than the second semiconductor layer 4, and functions as an electrode layer that favorably extracts charges generated in the first semiconductor layer 3. From the viewpoint of further increasing the photoelectric conversion efficiency, the resistivity of the upper electrode layer 4b may be less than 1 Ω · cm and the sheet resistance may be 50 Ω / □ or less.

上部電極層4bは、例えば、ZnO、InおよびSnO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 upper electrode layer 4b, for example, a metal oxide semiconductor such as ZnO, In 2 O 3 and SnO 2 can be adopted. These metal oxide semiconductors may contain any element of Al, B, Ga, In, F, and the like. Specific examples of the metal oxide semiconductor containing such an element include, for example, AZO (Aluminum Zinc Oxide) and BZO (Boron Zinc Oxide).
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 upper electrode layer 4b is formed to have a thickness of 0.05 to 3.0 [mu] m by sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or the like.

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 current collecting electrode 7 may be further formed on the upper electrode layer 4b. The collecting electrode 7 is for taking out charges generated in the first semiconductor layer 3 more satisfactorily. For example, as shown in FIG. 1, the collector electrode 7 is formed in a linear shape from one end of the photoelectric conversion cell 10 to the connection conductor 6. As a result, the current generated in the first semiconductor layer 3 is collected to the current collecting electrode 7 via the upper electrode layer 4 b, and the adjacent photoelectric conversion cell 10 is successfully energized via the connection conductor 6.

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 collector electrode 7 may have a width of 50 to 400 μm from the viewpoint of increasing the light transmittance to the first semiconductor layer 3 and having good conductivity. The current collecting electrode 7 may have a plurality of branched portions.

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 collector electrode 7 is formed, for example, by printing a metal paste in which a metal powder such as Ag is dispersed in a resin binder or the like in a pattern and curing it.

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 connection conductor 6 is a conductor provided in a groove that penetrates the first semiconductor layer 3, the buffer layer 4a, and the upper electrode layer 4b. The connection conductor 6 can be made of metal, conductive paste, or the like. In FIG. 1 and FIG. 2, the collector electrode 7 is extended to form the connection conductor 6, but the present invention is not limited to this. For example, the upper electrode layer 4b may be extended.

<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 photoelectric conversion device 11. Each of the cross-sectional views shown in FIGS. 3 to 8 shows a state in the middle of manufacturing a portion corresponding to the cross-section shown in FIG.

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 lower electrode layer 2 made of Mo or the like is formed on substantially the entire surface of the cleaned substrate 1 using a sputtering method or the like. Then, the first groove portion P1 is formed from the linear formation target position along the Y direction on the upper surface of the lower electrode layer 2 to the upper surface of the substrate 1 immediately below the formation position. The first groove portion P1 can be formed by, for example, a scribe process in which a groove process is performed by irradiating a formation target position while scanning with a laser beam such as a YAG laser. FIG. 3 is a diagram illustrating a state after the first groove portion P1 is formed.

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 group 11 element and a group 13 element are present in an organic complex state on the lower electrode layer 2 is produced. And this thermal decomposition film 3a is produced by heating this complex membrane | film | coat and carrying out the thermal decomposition removal of the organic component of said organic complex.

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 group 11 element and a group 13 element are present in an organic complex state. As the raw material solution, an organic complex in which an organic ligand is coordinated to a group 11 element, an organic complex in which an organic ligand is coordinated to a group 13 element, or the like 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 Group 11 element (hereinafter referred to as a Group 11 complex), an organic complex in which an organic chalcogen compound is bonded to a Group 13 element (hereinafter referred to as a Group 13 complex), Alternatively, an organic complex in which a group 11 element, a group 13 element, and an organic chalcogen compound are combined to form one complex molecule (hereinafter referred to as a single source complex. Note that the single source complex is described in US Pat. No. 6,992,202. No. specification can be referred to)). By using the organic complex in which the organic chalcogen compound is coordinated in this way, each metal element and the chalcogen element of the organic chalcogen compound are brought close to each other, so that the chalcogenization reaction of each metal element is more likely to proceed.

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 lower electrode layer 2, for example, spin coating, screen printing, dipping, spray coating, die coating, or the like can be used.

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 thermal decomposition film 3a by heating such a complex film, for example, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon can be used. Moreover, the heating temperature at the time of producing this thermal decomposition film 3a can be 150-430 degreeC, for example. By this step, the pyrolysis film 3a becomes porous. FIG. 4 is a diagram showing a state after the thermal decomposition film 3a is produced.

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 pyrolysis film 3a in the form of a simple substance or a compound. Thereafter, the pyrolytic film 3a is heated in an atmosphere containing a chalcogen element to produce a first semiconductor layer 3 containing an I-III-VI group compound. Thus, by adding an additional element to the surface of the pyrolysis film 3a which is a porous state, it becomes easy for the additive element to easily diffuse into the pyrolysis film 3a. As a result, the distribution of the concentration of the additive element in the thickness direction of the first semiconductor layer 3 has a maximum value in the first region 3a or the second region 3b. The first semiconductor layer 3 in which the concentration of the additive element decreases as it approaches the surface on the opposite side can be produced. Note that the portion showing the maximum value of the concentration distribution of the additive element becomes a desired position in the thickness direction of the first semiconductor layer 3 by adjusting the time of the heating step in the atmosphere containing the chalcogen element. Can be. That is, as the time of the heating process in the atmosphere containing the chalcogen element becomes longer, the portion showing the maximum value of the concentration distribution of the additive element is from the surface of the first semiconductor layer 3 opposite to the lower electrode layer 2. Since there is a tendency to move to the lower electrode layer 2 side, this heating time may be adjusted.

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 pyrolysis film 3a may be a single element or a compound such as an organic complex. Examples of a method for depositing the additive element on the surface of the pyrolysis film 3a in a simple substance or compound state include, for example, a film forming method such as vapor deposition or a complex solution containing the additive element in a state of an organic complex or the like. A method or the like can be used. From the viewpoint that the additive element can be easily deposited with simple equipment, a method of applying a complex solution in which the additive element exists in an organic complex state on the surface of the pyrolysis film 3a may be used.

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、L〜L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(SC、Bi(SeC、Sb(SC、Sb(SeC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.

Figure 2015142001
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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、BiCl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 pyrolysis film 3a is the amount of III-B contained in the pyrolysis film 3a.
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 pyrolysis film 3a, for example, spin coating, screen printing, dipping, spray coating or die coating can be used.

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 first semiconductor layer 3 containing the I-III-VI group compound by heating the pyrolysis film 3a coated with the complex solution is sulfur vapor, selenium vapor, tellurium vapor. May be a gas atmosphere such as hydrogen sulfide, hydrogen selenide or hydrogen telluride, or a mixed gas atmosphere containing a chalcogen element vapor or a chalcogen element hydride as described above in a non-oxidizing gas. May be. Examples of the non-oxidizing gas include inert gases such as nitrogen and argon, and reducing gases such as hydrogen. In particular, hydrogen may be used as the non-oxidizing gas from the viewpoint of further reducing the remaining rate of the organic component in the first semiconductor layer 3. In this case, the amount of the chalcogen element contained in the atmosphere is, for example, 10 −6 times to 5 × 10 5 times the number of moles of the chalcogen element as the number of moles of atoms when the number of moles of hydrogen molecules per unit volume is G. −2 times, more preferably 10 −5 times to 5 × 10 −3 times G.

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 pyrolysis film 3a in the atmosphere containing a chalcogen element is, for example, 400 to 650 ° C., and the heating time is, for example, 0.5 to 5 hours. FIG. 5 is a diagram illustrating a state after the first semiconductor layer 3 is manufactured.

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 first semiconductor layer 3, the buffer layer 4 a and the upper electrode layer 4 b as the second semiconductor layer 4 are sequentially formed on the first semiconductor layer 3.

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Inを含むバッファ層4aを形成することができる。 The buffer layer 4a can be formed by a solution growth method (also referred to as a CBD method). For example, indium chloride and thioacetamide are dissolved in water acidified with hydrochloric acid, and the substrate 1 that has been formed up to the formation of the first semiconductor layer 3 is immersed in this, whereby an In layer is formed on the first semiconductor layer 3. A buffer layer 4 a containing 2 S 3 can be formed.

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 upper electrode layer 4b is, for example, a transparent conductive film containing AZO, BZO, or the like as a main component, and can be formed by a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, or the like. FIG. 6 is a diagram showing a state after the buffer layer 4a and the upper electrode layer 4b are formed.

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 upper electrode layer 4b, the second groove portion P2 is formed from the linear formation target position along the Y direction on the upper surface of the upper electrode layer 4b to the upper surface of the lower electrode layer 2 immediately below it. The second groove portion P2 can be formed, for example, by performing scribing using a scribe needle having a scribe width of about 40 to 50 μm continuously several times while shifting the pitch. Alternatively, the second groove portion P2 may be formed by scribing after the tip shape of the scribe needle is expanded to an extent close to the width of the second groove portion P2. Alternatively, the second groove part P2 may be formed by fixing two or more than two scribe needles in contact with each other or in proximity to each other and performing scribing once to several times. FIG. 7 is a diagram illustrating a state after the second groove portion P2 is formed. The second groove portion P2 is formed at a position slightly deviated in the X direction (+ X direction in the drawing) from the first groove portion P1.

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 current collecting electrode 7 and the connection conductor 6 are formed. For the collector electrode 7 and the connection conductor 6, for example, a conductive paste (also referred to as a conductive paste) in which a metal powder such as Ag is dispersed in a resin binder or the like is printed so as to draw a desired pattern. It can be formed by drying and solidifying. FIG. 8 is a view showing a state after the current collecting electrode 7 and the connection conductor 6 are formed.

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 current collection electrode 7 and the connection conductor 6, the 3rd groove part P3 is formed from the linear formation object position of the upper surface of the upper electrode layer 4b to the upper surface of the lower electrode layer 2 just under it. The width | variety of the 3rd groove part P3 can be about 40-1000 micrometers, for example. Moreover, the 3rd groove part P3 can be formed by mechanical scribing similarly to the 2nd groove part P2. In this way, the photoelectric conversion device 11 shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured by forming the third groove portion P3.

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 Sample 1>
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 Sample 1 was obtained.

<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 Sample 2>
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 Sample 1 is applied by a blade method to form a complex film, and this complex film is heated at 300 ° C. for thermal decomposition. A film was formed.

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 sample 1 to produce the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer and the upper electrode layer are produced under the same conditions as the sample 1 A photoelectric conversion device as Sample 2 was obtained. That is, the sample 2 is a comparative example having a configuration similar to that of the non-patent document 1.

<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 sample 1 and sample 2>
FIG. 9 and FIG. 10 show the results of elemental analysis performed on the samples 1 and 2 by secondary ion mass spectrometry (SIMS) in the depth direction while etching the first semiconductor layer of each sample.

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 Sample 2, Bi was hardly present on the surface portion opposite to the lower electrode layer, and was unevenly distributed on the lower electrode layer side of the first semiconductor layer. On the other hand, Sample 1 contains Bi throughout the thickness direction of the first semiconductor layer, and it can be seen that there is a maximum value of the concentration distribution of Bi in the vicinity of 0.7 μm from the surface.

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 sample 1 than in sample 2.

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 Sample 1 so that Cd as a Group 12 element can be diffused well into the first semiconductor layer.

<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 Sample 1 and Sample 2. The photoelectric conversion efficiency is measured using a steady light solar simulator as pseudo-sunlight. The light irradiation intensity on the light receiving surface of the photoelectric conversion device is 100 mW / cm 2 and AM (air mass) is 1.5. Condition. As a result, it was found that the photoelectric conversion efficiency of sample 2 was 12%, whereas the photoelectric conversion efficiency of sample 1 was improved to 14%.

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: Substrate 2, 2a, 2b, 2c: Lower electrode layer 3: First semiconductor layer 3a: Pyrolysis film 4: Second semiconductor layer 4a: Buffer layer 4b: Upper electrode layer 6: Connection conductor 7: Current collector Electrode 10: Photoelectric conversion cell 11: Photoelectric conversion device

Claims (4)

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.
前記添加元素の濃度分布は、前記第2の半導体層との界面の近傍において最小値を示す、請求項1に記載の光電変換装置。   2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the concentration distribution of the additive element shows a minimum value in the vicinity of an interface with the second semiconductor layer. 前記添加元素の濃度分布は、前記極大値を示す部位から前記第2の半導体層側へ向かう方向における減少率が前記極大値を示す部位から前記電極層側へ向かう方向における減少率よりも大きい、請求項1または2に記載の光電変換装置。   The concentration distribution of the additive element is such that the reduction rate in the direction from the portion showing the maximum value toward the second semiconductor layer is larger than the reduction rate in the direction from the portion showing the maximum value toward the electrode layer. The photoelectric conversion device according to claim 1. 前記第1の半導体層は前記極大値を示す部位の近傍に複数の空孔を有している、請求項1乃至3のいずれかに記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a plurality of holes in the vicinity of a portion exhibiting the maximum value.
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