JP2015198211A - photoelectric element - Google Patents

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伸 田島
長谷川 正樹
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve sulfuration resistance of a lower electrode in a photoelectric element including a light-absorbing layer made of a sulfide-based compound semiconductor.SOLUTION: A photoelectric element includes: a substrate made of alkali glass; a lower electrode formed on a surface of the substrate; and a light-absorbing layer formed on a surface of the lower electrode and made of a sulfide-based compound semiconductor. The lower electrode includes: a first electrode layer formed on the substrate side and made of a metal material containing one or more elements selected from the group consisting of Mo, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb and W; and a second electrode layer formed on the light-absorbing layer side and made of crystalline ZrB.

Description

本発明は、光電素子に関し、さらに詳しくは、下部電極の硫化に起因する電気抵抗の増大を抑制することが可能な光電素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric element, and more particularly to a photoelectric element that can suppress an increase in electrical resistance due to sulfurization of a lower electrode.

光電素子とは、光量子のエネルギーを何らかの物理現象を介して電気的信号に変換(光電変換)することが可能な素子をいう。太陽電池は、光電素子の一種であり、太陽光線の光エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換することができる。   A photoelectric element refers to an element that can convert photon energy into an electrical signal (photoelectric conversion) through some physical phenomenon. A solar cell is a kind of photoelectric element, and can efficiently convert light energy of sunlight into electric energy.

太陽電池に用いられる半導体としては、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi、GaAs、InP、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)、Cu2ZnSnS4(CZTS)などが知られている。
これらの中でも、CIGSやCZTSに代表されるカルコゲナイト系の化合物は、光吸収係数が大きいので、低コスト化に有利な薄膜化が可能である。特に、CIGSを光吸収層に用いた太陽電池は、薄膜太陽電池中では変換効率が高く、多結晶Siを用いた太陽電池を超える変換効率も得られている。しかしながら、CIGSは、環境負荷元素及び希少元素を含んでいるという問題がある。
一方、CZTSは、太陽電池に適したバンドギャップエネルギー(1.4〜1.5eV)を持ち、しかも、環境負荷元素や希少元素を含まないという特徴がある。
The semiconductor used in solar cells, monocrystalline Si, polycrystalline Si, amorphous Si, GaAs, InP, CdTe, CuIn 1-x Ga x Se 2 (CIGS), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) such as is known Yes.
Among these, chalcogenite-based compounds represented by CIGS and CZTS have a large light absorption coefficient, so that a thin film advantageous for cost reduction is possible. In particular, a solar cell using CIGS as a light absorption layer has high conversion efficiency in a thin film solar cell, and conversion efficiency exceeding that of a solar cell using polycrystalline Si is also obtained. However, CIGS has a problem that it contains an environmental load element and a rare element.
On the other hand, CZTS has a band gap energy (1.4 to 1.5 eV) suitable for a solar cell and is characterized by not containing an environmental load element or a rare element.

化合物半導体を用いた薄膜太陽電池において、下部電極には、通常、Moが使用されている。Moは、電気比抵抗が低く、比較的安価で、耐硫化性も高い。そのため、Moは、特に、硫化物系化合物半導体を用いた薄膜太陽電池の下部電極材料として好適である。
しかしながら、耐硫化性の高いMoであっても、硫化雰囲気に曝されると、その表面には高電気抵抗なMo−Sが形成される。その結果、プリカーサを硫化させる方法を用いて硫化物系化合物半導体からなる光吸収層を製造する場合において、硫化条件が過酷になると、太陽電池特性を低下させる原因となる。
In a thin film solar cell using a compound semiconductor, Mo is usually used for the lower electrode. Mo has a low electrical specific resistance, is relatively inexpensive, and has a high resistance to sulfidation. Therefore, Mo is particularly suitable as a lower electrode material of a thin film solar cell using a sulfide compound semiconductor.
However, even Mo with high sulfidation resistance is formed with Mo-S having high electrical resistance on its surface when exposed to a sulfidation atmosphere. As a result, in the case of manufacturing a light absorption layer made of a sulfide-based compound semiconductor by using a method of sulfiding a precursor, if the sulfidation condition becomes severe, it causes a decrease in solar cell characteristics.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、少なくともSiを含有し、Moを70at%以上含む電極材料が開示されている。
同文献には、下部電極としてMo−Siを使用すると、硫化処理時又はセレン化処理時に電極表面において材料中のSiが選択的に硫化又はセレン化され、Moの硫化又はセレン化が抑制される点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses an electrode material containing at least Si and containing 70 at% or more of Mo.
In this document, when Mo-Si is used as the lower electrode, Si in the material is selectively sulfided or selenized on the electrode surface during sulfidation or selenization, and Mo sulfidation or selenization is suppressed. Points are listed.

また、特許文献2には、Mo−Al合金又はMo−Ga合金からなる耐硫化性電極材料が開示されている。
同文献には、
(1)硫化時に材料表面のAl又はGaが選択的に硫化され、生成した硫化物が保護膜として機能し、電極内部の硫化が抑制される点、及び、
(2)Al及びGaはいずれも金属元素であるため、Moと合金化させても電気抵抗の増分は小さい点
が記載されている。
Patent Document 2 discloses a sulfide-resistant electrode material made of a Mo—Al alloy or a Mo—Ga alloy.
In the same document,
(1) The point that Al or Ga on the surface of the material is selectively sulfided during sulfidation, the produced sulfide functions as a protective film, and sulfidation inside the electrode is suppressed, and
(2) Since Al and Ga are both metal elements, it is described that the increase in electrical resistance is small even when alloyed with Mo.

特許文献1、2に記載されているように、Moにある種の元素を添加すると、Moの耐硫化性が向上する。しかしながら、Mo−Si合金を下部電極として用いた場合、光吸収層との密着性が低下する場合がある。
一方、Mo−Al合金やMo−Ga合金を下部電極として用いた場合、密着性を低下させることなく、Moの耐硫化性が向上する。しかしながら、太陽電池特性を向上させるためには、下部電極の耐硫化性をさらに向上させることが望まれる。
As described in Patent Documents 1 and 2, when a certain element is added to Mo, the sulfidation resistance of Mo is improved. However, when a Mo—Si alloy is used as the lower electrode, the adhesion with the light absorption layer may be reduced.
On the other hand, when Mo—Al alloy or Mo—Ga alloy is used as the lower electrode, the sulfidation resistance of Mo is improved without lowering the adhesion. However, in order to improve the solar cell characteristics, it is desired to further improve the sulfidation resistance of the lower electrode.

特開2011−018464号公報JP 2011-018464 A 特開2013−112851号公報JP 2013-112851 A

本発明が解決しようとする課題は、硫化物系化合物半導体からなる光吸収層を備えた光電素子において、下部電極の耐硫化性を向上させることにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、硫化物系化合物半導体からなる光吸収層を備えた光電素子において、下部電極の硫化に起因する変換効率の低下を抑制することにある。
The problem to be solved by the present invention is to improve the sulfidation resistance of the lower electrode in a photoelectric device having a light absorption layer made of a sulfide compound semiconductor.
Another problem to be solved by the present invention is to suppress a decrease in conversion efficiency due to sulfidation of the lower electrode in a photoelectric device including a light absorption layer made of a sulfide-based compound semiconductor.

上記課題を解決するために本発明に係る光電素子は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記光電素子は、
アルカリガラスからなる基板と、
前記基板の表面に形成された下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された硫化物系化合物半導体からなる光吸収層と
を備えている。
(2)前記下部電極は、
前記基板側に形成された、Mo、Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、及びWからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む金属材料からなる第1電極層と、
前記光吸収層側に形成された結晶性ZrB2からなる第2電極層と、
を備えている。
In order to solve the above-described problems, the gist of the photoelectric device according to the present invention is as follows.
(1) The photoelectric element is
A substrate made of alkali glass;
A lower electrode formed on the surface of the substrate;
A light absorption layer made of a sulfide compound semiconductor formed on the surface of the lower electrode.
(2) The lower electrode is
A first electrode layer formed on the substrate side and made of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Mo, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and W;
A second electrode layer made of crystalline ZrB 2 formed on the light absorption layer side;
It has.

Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、Mo、及びWは、他の金属材料に比べて耐硫化性が高い。しかしながら、このような耐硫化性金属材料であっても、硫化雰囲気に曝されると、表面に高電気抵抗な硫化物が形成される。そのため、このような耐硫化性金属材料をそのまま光電素子の下部電極として用いると、下部電極の硫化により変換効率が低下する。   Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo, and W have higher sulfidation resistance than other metal materials. However, even with such a sulfidation-resistant metal material, when exposed to a sulfidation atmosphere, a sulfide with high electrical resistance is formed on the surface. Therefore, when such a sulfidation-resistant metal material is used as it is as the lower electrode of the photoelectric element, the conversion efficiency decreases due to the sulfidation of the lower electrode.

これに対し、基板/下部電極/光吸収層の積層構造を備えた光電素子において、下部電極を耐硫化性金属材料からなる第1電極層と、結晶性ZrB2からなる第2電極層の2層構造にすると、第1電極層の硫化に起因する変換効率の低下を抑制することができる。これは、結晶性ZrB2が第1電極層の硫化を抑制し、これによって光電素子の直流抵抗成分の増加が抑制されるためと考えられる。 In contrast, in the photoelectric device having a laminated structure of the substrate / lower electrode / light absorption layer, a first electrode layer made of the lower electrode from the sulfidation resistance metal material, 2 of the second electrode layer made of crystalline ZrB 2 With a layer structure, it is possible to suppress a decrease in conversion efficiency due to the sulfidation of the first electrode layer. This is presumably because crystalline ZrB 2 suppresses sulfidation of the first electrode layer, thereby suppressing an increase in the DC resistance component of the photoelectric element.

400℃(図1(a))又は室温(図1(b))で成膜したZrB2薄膜のXRDスペクトルである。 2 is an XRD spectrum of a ZrB 2 thin film formed at 400 ° C. (FIG. 1A) or room temperature (FIG. 1B). ZrB2層の厚さと変換効率との関係を示す図である。Is a graph showing the relationship between the thickness and the conversion efficiency of the ZrB 2 layers.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 光電素子]
本発明に係る光電素子は、以下の構成を備えている。
(1)前記光電素子は、
アルカリガラスからなる基板と、
前記基板の表面に形成された下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された硫化物系化合物半導体からなる光吸収層と
を備えている。
(2)前記下部電極は、
前記基板側に形成された、Mo、Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、及びWからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む金属材料からなる第1電極層と、
前記光吸収層側に形成された結晶性ZrB2からなる第2電極層と、
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Photoelectric element]
The photoelectric element according to the present invention has the following configuration.
(1) The photoelectric element is
A substrate made of alkali glass;
A lower electrode formed on the surface of the substrate;
A light absorption layer made of a sulfide compound semiconductor formed on the surface of the lower electrode.
(2) The lower electrode is
A first electrode layer formed on the substrate side and made of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Mo, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and W;
A second electrode layer made of crystalline ZrB 2 formed on the light absorption layer side;
It has.

[1.1. 基板]
本発明において、基板には、アルカリガラスからなる基板が用いられる。
アルカリガラスは、
(1)比較的安価である、
(2)耐硫化性金属材料との密着性が高い、
(3)ガラスに含まれるアルカリ成分が硫化物系化合物半導体の粒成長を促す、
等の利点がある。そのため、アルカリガラスは、基板の材料として好適である。
[1.1. substrate]
In the present invention, a substrate made of alkali glass is used as the substrate.
Alkaline glass
(1) is relatively inexpensive,
(2) High adhesion to sulfide-resistant metal materials,
(3) The alkali component contained in the glass promotes the grain growth of the sulfide compound semiconductor.
There are advantages such as. Therefore, alkali glass is suitable as a substrate material.

[1.2. 下部電極]
下部電極は、基板の表面に形成される。本発明において、下部電極は、耐硫化性金属元素を含む金属材料からなる第1電極層と、結晶性ZrB2からなる第2電極層の2層構造を取る。この点が従来とは異なる。第1電極層は、基板側に形成される。また、第2電極層は、光吸収層側に形成される。
[1.2. Lower electrode]
The lower electrode is formed on the surface of the substrate. In the present invention, the lower electrode has a two-layer structure of a first electrode layer made of a metal material containing a sulfide-resistant metal element and a second electrode layer made of crystalline ZrB 2 . This is different from the conventional one. The first electrode layer is formed on the substrate side. The second electrode layer is formed on the light absorption layer side.

[1.2.1. 第1電極層]
第1電極層は、耐硫化性金属元素を含む金属材料からなる。
本発明において、「耐硫化性金属元素」とは、Mo、Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、及びWからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を言う。これらの元素は、いずれも他の元素に比べて高電気抵抗の硫化物を形成しにくい。
[1.2.1. First electrode layer]
The first electrode layer is made of a metal material containing a sulfide-resistant metal element.
In the present invention, the “sulfur resistant metal element” means any one or more elements selected from the group consisting of Mo, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and W. All of these elements are less likely to form sulfides with higher electrical resistance than other elements.

第1電極層は、耐硫化性金属元素のみからなるものが好ましいが、他の金属元素が含まれていても良い。但し、第1電極層の耐硫化性や基板との密着性を低下させる金属元素の含有量は少ないほど良い。変換効率の低下を抑制するためには、第1電極層に含まれる耐硫化性金属元素の含有量は、80wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、90wt%以上である。   The first electrode layer is preferably made of only a sulfide-resistant metal element, but may contain other metal elements. However, the smaller the content of the metal element that lowers the sulfide resistance of the first electrode layer and the adhesion to the substrate, the better. In order to suppress a decrease in conversion efficiency, the content of the sulfide-resistant metal element contained in the first electrode layer is preferably 80 wt% or more, and more preferably 90 wt% or more.

第1電極層に含まれる各耐硫化性金属元素の比率は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。
耐硫化性金属元素の中でも、Moは、電気比抵抗が低く、比較的安価で、耐硫化性も高い。そのため、Moは、第1電極層の材料として好適である。
変換効率の高い光電素子を低コストで製造するためには、第1電極層に含まれるMoの含有量は、80wt%以上が好ましく、さらに好ましくは、90wt%である。第1電極層は、Moからなるもの(すなわち、Mo及び不可避的不純物からなるもの)が好ましい。
The ratio of each sulfide-resistant metal element contained in the first electrode layer is not particularly limited and can be arbitrarily selected according to the purpose.
Among sulfide-resistant metal elements, Mo has a low electrical resistivity, is relatively inexpensive, and has a high resistance to sulfide. Therefore, Mo is suitable as a material for the first electrode layer.
In order to produce a photoelectric device with high conversion efficiency at low cost, the content of Mo contained in the first electrode layer is preferably 80 wt% or more, and more preferably 90 wt%. The first electrode layer is preferably made of Mo (that is, made of Mo and inevitable impurities).

第1電極層の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。一般に、第1電極層の厚さが薄くなりすぎると、硫化により第1電極層の抵抗が増大し、あるいは、第1電極層が剥離しやすくなる。一方、第1電極層を必要以上に厚くしても、実益がない。第1電極層の厚さは、通常、200〜1000nm程度である。   The thickness of the first electrode layer is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose. In general, if the thickness of the first electrode layer becomes too thin, the resistance of the first electrode layer increases due to sulfidation, or the first electrode layer tends to peel off. On the other hand, there is no practical benefit even if the first electrode layer is made thicker than necessary. The thickness of the first electrode layer is usually about 200 to 1000 nm.

[1.2.2. 第2電極層]
第2電極層は、結晶性ZrB2からなる。
本発明において、「結晶性ZrB2」とは、X線や電子線を入射した際に回折現象が生じるような周期的な原子配列を有する固体をいう。より具体的には、粉末XRD測定により得られるθ−2θスペクトルにおいて、
(a)001ピークの半値幅が2°以下であり、かつ、
(b)001ピークの強度がアモルファスのハローパターンの強度の2倍以上であること
をいう。
[1.2.2. Second electrode layer]
The second electrode layer, a crystalline ZrB 2.
In the present invention, “crystalline ZrB 2 ” refers to a solid having a periodic atomic arrangement in which a diffraction phenomenon occurs when an X-ray or electron beam is incident. More specifically, in the θ-2θ spectrum obtained by powder XRD measurement,
(A) the half width of the 001 peak is 2 ° or less, and
(B) The intensity of the 001 peak is more than twice the intensity of the amorphous halo pattern.

ZrB2薄膜は、製造方法によってはアモルファス状となることがある。しかしながら、アモルファス状のZrB2薄膜を第2電極層として用いても、高い特性は得られない。これは、ZrB2中のBが光吸収層に拡散し、光吸収層と反応するためと考えられる。
これに対し、第2電極層として結晶性ZrB2を用いると、Bの光吸収層への拡散が抑制される。また、これと同時に結晶性ZrB2により、第1電極層の硫化を抑制することができる。
The ZrB 2 thin film may be amorphous depending on the manufacturing method. However, even if an amorphous ZrB 2 thin film is used as the second electrode layer, high characteristics cannot be obtained. This is presumably because B in ZrB 2 diffuses into the light absorption layer and reacts with the light absorption layer.
On the other hand, when crystalline ZrB 2 is used as the second electrode layer, diffusion of B into the light absorption layer is suppressed. At the same time, the crystalline ZrB 2 can suppress the sulfidation of the first electrode layer.

第2電極層の厚さは、光電素子の変換効率に影響を与える。第2電極層が薄くなりすぎると、第1電極層の硫化を抑制するのが困難となる。従って、第2電極層の厚さは、5nm以上が好ましい。第2電極層の厚さは、さらに好ましくは、7nm以上、さらに好ましくは、9nm以上である。
一方、基板に含まれるアルカリ成分は、光吸収層形成時に光吸収層まで拡散する。光吸収層に拡散したアルカリ成分は、硫化物系化合物半導体の結晶粒を成長させる作用がある。第2電極層の厚さが厚くなりすぎると、光吸収層へのアルカリ成分の拡散が阻害され、硫化物系化合物半導体の粒成長が不十分となる。従って、第2電極層の厚さは、100nm以下が好ましい。第2電極層の厚さは、さらに好ましくは、50nm以下、さらに好ましくは、30nm以下、さらに好ましくは、25nm以下、さらに好ましくは、20nm以下である。
The thickness of the second electrode layer affects the conversion efficiency of the photoelectric element. If the second electrode layer becomes too thin, it becomes difficult to suppress sulfidation of the first electrode layer. Therefore, the thickness of the second electrode layer is preferably 5 nm or more. The thickness of the second electrode layer is more preferably 7 nm or more, and further preferably 9 nm or more.
On the other hand, the alkali component contained in the substrate diffuses to the light absorption layer when the light absorption layer is formed. The alkali component diffused into the light absorption layer has an action of growing the crystal grains of the sulfide compound semiconductor. If the thickness of the second electrode layer becomes too thick, the diffusion of the alkali component into the light absorption layer is inhibited, and the grain growth of the sulfide-based compound semiconductor becomes insufficient. Therefore, the thickness of the second electrode layer is preferably 100 nm or less. The thickness of the second electrode layer is more preferably 50 nm or less, further preferably 30 nm or less, more preferably 25 nm or less, and still more preferably 20 nm or less.

このような結晶性ZrB2からなる第2電極層は、例えば、基板を所定の温度に加熱した状態で、基板表面にZrB2薄膜をスパッタすることにより製造することができる。結晶性ZrB2薄膜の製造方法の詳細については、後述する。 Such a second electrode layer made of crystalline ZrB 2 can be produced, for example, by sputtering a ZrB 2 thin film on the surface of the substrate while the substrate is heated to a predetermined temperature. Details of the method for producing the crystalline ZrB 2 thin film will be described later.

[1.3. 光吸収層]
光吸収層は、下部電極の表面(すなわち、第2電極層の表面)に形成される。本発明において、光吸収層は、硫化物系化合物半導体からなる。
硫化物系化合物半導体の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の組成を選択することができる。
[1.3. Light absorption layer]
The light absorption layer is formed on the surface of the lower electrode (that is, the surface of the second electrode layer). In the present invention, the light absorption layer is made of a sulfide compound semiconductor.
The composition of the sulfide compound semiconductor is not particularly limited, and various compositions can be selected according to the purpose.

硫化物系化合物半導体としては、例えば、
(a)Cu2ZnSnS4(CZTS)系化合物半導体、
(b)Cu2SnS3(CTS)系化合物半導体、
(c)CuInS2(CIS)系化合物半導体、
などがある。
これらの中でも、CZTS系化合物半導体は、相対的に高い変換効率を有し、かつ、希少元素や環境負荷元素を含まないので、光吸収層の材料として好適である。
Examples of sulfide compound semiconductors include:
(A) Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) based compound semiconductor,
(B) Cu 2 SnS 3 (CTS) compound semiconductor,
(C) CuInS 2 (CIS) compound semiconductor,
and so on.
Among these, the CZTS-based compound semiconductor has a relatively high conversion efficiency and does not contain a rare element or an environmental load element, and thus is suitable as a material for the light absorption layer.

ここで、「CZTS系化合物半導体」とは、Cu2ZnSnS4(CZTS)をベースとする半導体をいう。
本発明において、「CZTS系化合物半導体」というときは、化学量論組成の化合物だけでなく、すべての不定比化合物、あるいは、Cu、Zn、Sn、及びSを主成分とするすべての化合物が含まれる。
CZTS系化合物半導体は、Cu、Zn、Sn及びSのみからなるものでも良く、あるいは、これらに加えて、他のカルコゲン元素、各種のドーパント、不可避的不純物などがさらに含まれていても良い。
Here, the “CZTS compound semiconductor” refers to a semiconductor based on Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS).
In the present invention, “CZTS compound semiconductor” includes not only stoichiometric compounds but also all non-stoichiometric compounds, or all compounds containing Cu, Zn, Sn, and S as a main component. It is.
The CZTS-based compound semiconductor may be composed only of Cu, Zn, Sn, and S, or may further include other chalcogen elements, various dopants, unavoidable impurities, and the like in addition to these.

CZTS系化合物半導体の特性は、元素比(すなわち、Cu/Zn比、Cu/Sn比、及び(Cu+Zn+Sn)/S比)に依存することが知られている。光吸収層としてCZTS系化合物半導体を用いる場合、元素比は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な元素比を選択することができる。   It is known that the characteristics of CZTS-based compound semiconductors depend on element ratios (that is, Cu / Zn ratio, Cu / Sn ratio, and (Cu + Zn + Sn) / S ratio). When a CZTS compound semiconductor is used as the light absorption layer, the element ratio is not particularly limited, and an optimum element ratio can be selected according to the purpose.

光吸収層の厚さは、特に限定されるものではなく、光吸収層の組成に応じて、最適な厚さを選択することができる。通常、光吸収層の厚さは、500nm〜2000nm程度である。   The thickness of the light absorption layer is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the composition of the light absorption layer. Usually, the thickness of the light absorption layer is about 500 nm to 2000 nm.

[1.4. その他の構成要素]
光電素子は、上述した基板、下部電極、及び光吸収層以外の構成要素をさらに備えていても良い。光吸収層として硫化物系化合物半導体を用いた光電素子の場合、通常、バッファ層、透明電極層、及び表面電極をさらに備えている。
[1.4. Other components]
The photoelectric element may further include components other than the substrate, the lower electrode, and the light absorption layer described above. In the case of a photoelectric element using a sulfide-based compound semiconductor as the light absorption layer, it usually further includes a buffer layer, a transparent electrode layer, and a surface electrode.

[1.4.1. バッファ層]
バッファ層は、光吸収層の表面に形成される。本発明において、バッファ層の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の組成を選択することができる。バッファ層の材料としては、例えば、CdS、(Cd,Zn)S、(Zn,Mg)Oなどがある。
バッファ層の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。バッファ層の厚さは、通常、10nm〜150nmである。
[1.4.1. Buffer layer]
The buffer layer is formed on the surface of the light absorption layer. In the present invention, the composition of the buffer layer is not particularly limited, and various compositions can be selected according to the purpose. Examples of the material for the buffer layer include CdS, (Cd, Zn) S, and (Zn, Mg) O.
The thickness of the buffer layer is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose. The thickness of the buffer layer is usually 10 nm to 150 nm.

[1.4.2. 透明電極層]
透明電極層は、バッファ層の表面に形成される。本発明において、透明電極層の組成は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の組成を選択することができる。透明電極層の材料としては、例えば、ZnO:Al、ZnO:Ga(GZO)、ZnO:B、In−Sn−O、In−Zn−O、SnO2:Sb、TiO2:Nbなどがある。
透明電極層の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。透明電極層の厚さは、通常、100nm〜1000nmである。
[1.4.2. Transparent electrode layer]
The transparent electrode layer is formed on the surface of the buffer layer. In the present invention, the composition of the transparent electrode layer is not particularly limited, and various compositions can be selected according to the purpose. Examples of the material for the transparent electrode layer include ZnO: Al, ZnO: Ga (GZO), ZnO: B, In—Sn—O, In—Zn—O, SnO 2 : Sb, and TiO 2 : Nb.
The thickness of the transparent electrode layer is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose. The thickness of the transparent electrode layer is usually 100 nm to 1000 nm.

[1.4.3. 表面電極]
表面電極は、透明電極層の表面に形成される。表面電極の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
表面電極の材料としては、例えば、Al、Cu、Ag、Au、又は、これらのいずれか1以上を含む合金などがある。また、このような合金としては、具体的には、Al−Ti合金、Al−Mg合金、Al−Ni合金、Cu−Ti合金、Cu−Sn合金、Cu−Zn合金、Cu−Au合金、Ag−Ti合金、Ag−Sn合金、Ag−Zn合金、Ag−Au合金などがある。
[1.4.3. Surface electrode]
The surface electrode is formed on the surface of the transparent electrode layer. The material of the surface electrode is not particularly limited, and various materials can be used.
Examples of the material for the surface electrode include Al, Cu, Ag, Au, and alloys containing any one or more of these. Specific examples of such an alloy include an Al—Ti alloy, an Al—Mg alloy, an Al—Ni alloy, a Cu—Ti alloy, a Cu—Sn alloy, a Cu—Zn alloy, a Cu—Au alloy, and Ag. -Ti alloy, Ag-Sn alloy, Ag-Zn alloy, Ag-Au alloy, and the like.

[1.4.4. 付加的な層]
本発明に係る光電素子は、上述した層に加えて、付加的な層をさらに備えていても良い。
付加的な層としては、具体的には、
(1)基板と下部電極の接着性を高めるため接着層、
(2)入射した光を反射させ、光吸収層での光吸収効率を高めるため光散乱層であって、光吸収層の表面電極側に形成するもの、
(3)光吸収層の基板側に設けられる光散乱層、
(4)入射した光の透明電極層での反射量を低減し、光吸収層での光吸収効率を高めるための反射防止層、
などがある。
本発明において、付加的な層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[1.4.4. Additional layers]
The photoelectric element according to the present invention may further include an additional layer in addition to the above-described layers.
Specifically, as an additional layer,
(1) an adhesive layer for increasing the adhesion between the substrate and the lower electrode;
(2) a light scattering layer for reflecting incident light and increasing light absorption efficiency in the light absorption layer, which is formed on the surface electrode side of the light absorption layer;
(3) a light scattering layer provided on the substrate side of the light absorption layer;
(4) an antireflection layer for reducing the amount of incident light reflected by the transparent electrode layer and increasing the light absorption efficiency of the light absorption layer;
and so on.
In the present invention, the material of the additional layer is not particularly limited, and various materials can be used depending on the purpose.

[2. 光電素子の製造方法]
本発明に係る光電素子は、基板表面に、所定の組成及び厚さを有する薄膜を所定の順序で積層することにより製造することができる。
[2. Photoelectric element manufacturing method]
The photoelectric device according to the present invention can be manufactured by laminating thin films having a predetermined composition and thickness on a substrate surface in a predetermined order.

[2.1. 第1電極層形成工程]
本発明において、下部電極は、第1電極層と第2電極層の2層構造になっている。そのため、まず、基板の表面に第1電極層を形成する(第1電極層形成工程)。第1電極層の形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。
第1電極層の形成方法としては、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積(PLD)法、メッキ法、化学溶液析出(CBD)法、電気泳動成膜(EPD)法、化学気相成膜(CVD)法、スプレー熱分解成膜(SPD)法、スクリーン印刷法、スピンコート法、微粒子堆積法などがある。
[2.1. First electrode layer forming step]
In the present invention, the lower electrode has a two-layer structure of a first electrode layer and a second electrode layer. Therefore, first, a first electrode layer is formed on the surface of the substrate (first electrode layer forming step). The method for forming the first electrode layer is not particularly limited, and various methods can be used.
Examples of the method for forming the first electrode layer include sputtering, vacuum deposition, pulsed laser deposition (PLD), plating, chemical solution deposition (CBD), electrophoretic deposition (EPD), and chemical vapor. There are a film formation (CVD) method, a spray pyrolysis film formation (SPD) method, a screen printing method, a spin coating method, a fine particle deposition method, and the like.

[2.2. 第2電極層形成工程]
次に、第1電極層の表面に第2電極層を形成する(第2電極層形成工程)。本発明において、第2電極層は、結晶性ZrB2からなる。従って、第2電極層の形成方法は、結晶性ZrB2薄膜を形成可能な方法である必要がある。
[2.2. Second electrode layer forming step]
Next, a second electrode layer is formed on the surface of the first electrode layer (second electrode layer forming step). In the present invention, the second electrode layer is made of crystalline ZrB 2 . Therefore, the method for forming the second electrode layer needs to be a method capable of forming a crystalline ZrB 2 thin film.

第2電極層の形成方法としては、例えば、
(a)基板温度:300℃以上500℃以下の条件下において、ZrB2ターゲットを使用してスパッタする方法(高温スパッタ法)、
(b)基板温度:300℃以上500℃以下の条件下において、ZrB2ターゲットを使用するPLD法、
(c)基板温度:300℃以上500℃以下の条件下において、ZrB2ターゲットをBH3ガス中でスパッタする反応性スパッタ法、
などがある。
これらの中でも、高温スパッタ法は、比較的簡便に結晶性ZrB2薄膜を形成することができるので、第2電極層の形成方法として好適である。
As a method for forming the second electrode layer, for example,
(A) Substrate temperature: a method of sputtering using a ZrB 2 target under conditions of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less (high temperature sputtering method),
(B) Substrate temperature: PLD method using a ZrB 2 target under conditions of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less,
(C) Substrate temperature: a reactive sputtering method in which a ZrB 2 target is sputtered in BH 3 gas under conditions of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less,
and so on.
Among these, the high-temperature sputtering method is suitable as a method for forming the second electrode layer because the crystalline ZrB 2 thin film can be formed relatively easily.

[2.3. 光吸収層形成工程]
次に、第2電極の表面に硫化物系化合物半導体からなる光吸収層を形成する(光吸収層形成工程)。
硫化物系化合物半導体からなる光吸収層は、通常、
(a)基板表面に、硫化物系化合物半導体を構成する金属元素を含む前駆体膜(例えば、金属膜、硫化物膜、酸化物膜など)を形成し、
(b)前駆体膜を硫化させる
ことにより製造することができる。
[2.3. Light absorption layer forming step]
Next, a light absorption layer made of a sulfide compound semiconductor is formed on the surface of the second electrode (light absorption layer forming step).
The light absorbing layer made of a sulfide compound semiconductor is usually
(A) forming a precursor film (for example, a metal film, a sulfide film, an oxide film, etc.) containing a metal element constituting the sulfide-based compound semiconductor on the substrate surface;
(B) It can be produced by sulfiding the precursor film.

前駆体膜の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。前駆体膜の形成方法の詳細は、下部電極の形成方法と同様であるので、説明を省略する。   The method for forming the precursor film is not particularly limited, and various methods can be used depending on the purpose. The details of the method of forming the precursor film are the same as the method of forming the lower electrode, and thus the description thereof is omitted.

前駆体膜の硫化は、前駆体膜をイオウ雰囲気下(例えば、イオウ蒸気雰囲気、N2+20%H2S雰囲気など)において所定の温度で加熱することにより行う。
加熱温度は、前駆体膜の組成に応じて、最適な温度を選択するのが好ましい。例えば、CZTS系化合物半導体を製造する場合、硫化温度は、500℃〜600℃が好ましい。
The sulfidation of the precursor film is performed by heating the precursor film at a predetermined temperature in a sulfur atmosphere (for example, a sulfur vapor atmosphere, an N 2 + 20% H 2 S atmosphere, etc.).
It is preferable to select an optimum heating temperature according to the composition of the precursor film. For example, when a CZTS compound semiconductor is produced, the sulfiding temperature is preferably 500 ° C. to 600 ° C.

[2.4. その他の層の形成工程]
光吸収層を形成した後、必要に応じてその他の層(例えば、バッファ層、透明電極層、表面電極など)を形成する。また、各層の間に付加的な層を形成する場合には、次の層を形成する前に付加的な層を形成する。
その他の層の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。その他の層の形成方法の詳細は、下部電極の形成方法と同様であるので、説明を省略する。
[2.4. Other layer formation process]
After forming the light absorption layer, other layers (for example, a buffer layer, a transparent electrode layer, a surface electrode, etc.) are formed as necessary. When an additional layer is formed between the layers, the additional layer is formed before the next layer is formed.
The formation method of another layer is not specifically limited, A various method can be used according to the objective. The details of the method of forming other layers are the same as the method of forming the lower electrode, and thus the description thereof is omitted.

[3. 作用]
CZTS系太陽電池の下部電極としては、比較的安価で耐硫化性のあるMoが広く使用されている。しかしながら、硫化プロセス中にMo表面に高電気抵抗なMo−Sが形成され、太陽電池特性を劣化させてしまう。
一方、ZrB2は、Moより高い耐硫化性を有している。しかしながら、ZrB2を通常のスパッタ法で成膜すると、アモルファス状となる。アモルファスZrB2は、CZTSと反応しやすいため、太陽電池の変換効率を低下させる原因となる。
[3. Action]
As a lower electrode of a CZTS solar cell, Mo which is relatively inexpensive and has sulfur resistance is widely used. However, Mo-S having high electrical resistance is formed on the Mo surface during the sulfidation process, and the solar cell characteristics are deteriorated.
On the other hand, ZrB 2 has higher sulfidation resistance than Mo. However, when ZrB 2 is formed by a normal sputtering method, it becomes amorphous. Amorphous ZrB 2 easily reacts with CZTS, and thus causes a reduction in the conversion efficiency of the solar cell.

これに対し、ZrB2をスパッタ法などで成膜する場合において、成膜時の基板温度を300〜500℃とすると、結晶性のZrB2薄膜が得られる。この結晶性ZrB2薄膜をMo膜の表面に形成すると、高電気抵抗のMo−Sの形成が抑制されると同時に、ZrB2薄膜とCZTSとの反応が抑制される。その結果、太陽電池特性が向上する。 On the other hand, when ZrB 2 is formed by sputtering or the like, a crystalline ZrB 2 thin film can be obtained if the substrate temperature during film formation is 300 to 500 ° C. When this crystalline ZrB 2 thin film is formed on the surface of the Mo film, the formation of Mo—S having high electrical resistance is suppressed, and at the same time, the reaction between the ZrB 2 thin film and CZTS is suppressed. As a result, the solar cell characteristics are improved.

アモルファスZrB2自体は、耐硫化性が高い。しかしながら、アモルファスZrB2と無機化合物や金属間化合物とを隣接させると、Zr−Bの結合が強固でないため、Bが無機化合物や金属間化合物に拡散しやすいと考えられる。
一方、結晶性ZrB2は、耐硫化性が高いだけでなく、強固な結合・結晶構造を有しているために他の化合物とも反応しない。その結果、上記のような効果が得られたと推測される。
Amorphous ZrB 2 itself has high sulfidation resistance. However, it is considered that when amorphous ZrB 2 is adjacent to an inorganic compound or an intermetallic compound, the bond of Zr—B is not strong, so that B easily diffuses into the inorganic compound or the intermetallic compound.
On the other hand, crystalline ZrB 2 not only has high sulfidation resistance, but also does not react with other compounds because it has a strong bond / crystal structure. As a result, it is estimated that the above effects were obtained.

また、結晶性ZrB2には、適切な厚さがある。これは、ガラス基板からのアルカリ拡散の影響と推定される。すなわち、CZTS系太陽電池は、ガラス基板から拡散してくるアルカリの効果により特性が向上することが知られている。Mo膜は、柱状構造のため、比較的アルカリが拡散しやすい。一方、ZrB2は緻密な微細構造をしているため、アルカリが拡散しにくい。そのため、ZrB2が過度に厚いと、ZrB2がアルカリの拡散を抑制し、太陽電池の特性が低下すると考えられる。 Crystalline ZrB 2 has an appropriate thickness. This is presumed to be the influence of alkali diffusion from the glass substrate. That is, it is known that the characteristics of CZTS solar cells are improved by the effect of alkali diffused from the glass substrate. Since the Mo film has a columnar structure, alkali is relatively easily diffused. On the other hand, since ZrB 2 has a fine microstructure, alkali hardly diffuses. Therefore, when ZrB 2 is excessively thick, it is considered that ZrB 2 suppresses alkali diffusion and the characteristics of the solar cell are deteriorated.

CZTS以外の硫化物系化合物半導体を用いた光電素子の場合、及び、第1電極層として、Mo以外の耐硫化性金属元素を用いた場合も同様であり、第1電極層と光吸収層との間に第2電極層を介在させると、第1電極層の硫化が抑制され、かつ、第2電極層と光吸収層との反応に起因する特性劣化を抑制することができる。   The same applies to a photoelectric device using a sulfide compound semiconductor other than CZTS, and a case where a sulfide-resistant metal element other than Mo is used as the first electrode layer, and the first electrode layer, the light absorption layer, When the second electrode layer is interposed between the two, the sulfidation of the first electrode layer is suppressed, and the characteristic deterioration caused by the reaction between the second electrode layer and the light absorption layer can be suppressed.

(実施例1〜3、比較例1〜3)
[1. 試料の作製]
[1.1. 結晶構造評価用試料の作製]
RFスパッタにて、ZrB2ターゲットを用いて、アルカリガラス基板(以下、単に「ガラス基板」ともいう)上にZrB2を成膜した。スパッタ条件は、以下の通りである。
膜厚: 100nm
成膜時の基板温度: 室温(比較例2〜3)、又は400℃(実施例1〜3)
ベース圧力: 10-5〜10-6Pa
成膜条件: Ar 20sccm、1.2×10-1Pa
RF電源出力: 200W
(Examples 1-3, Comparative Examples 1-3)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of crystal structure evaluation sample]
By RF sputtering, using a ZrB 2 target and an alkali glass substrate (hereinafter, simply referred to as "glass substrate") was deposited ZrB 2 on. The sputtering conditions are as follows.
Film thickness: 100nm
Substrate temperature during film formation: room temperature (Comparative Examples 2-3) or 400 ° C. (Examples 1-3)
Base pressure: 10 -5 to 10 -6 Pa
Film formation conditions: Ar 20 sccm, 1.2 × 10 −1 Pa
RF power output: 200W

[1.2. 太陽電池の作製]
まず、Mo/ガラス基板の表面に、膜厚及び成膜温度の異なるZrB2を形成した。ZrB2の膜厚は、10nm、100nm、200nm、又は800nmとした。また、成膜温度は、室温(比較例2〜3)、又は400℃(実施例1〜3)とした。
次に、ZrB2/Mo/ガラス基板の表面に、Cu/Zn/ZnS積層プリカーサを成膜し、N2+20%H2S雰囲気下において、580℃で20minの硫化処理を行い、CZTS薄膜を形成した。
続いて、CdSバッファ層、透明電極層、表面電極層を成膜して、太陽電池を得た。
[1.2. Fabrication of solar cell]
First, ZrB 2 having a different film thickness and film formation temperature was formed on the surface of the Mo / glass substrate. The film thickness of ZrB 2 was 10 nm, 100 nm, 200 nm, or 800 nm. The film formation temperature was room temperature (Comparative Examples 2-3) or 400 ° C. (Examples 1-3).
Next, a Cu / Zn / ZnS laminated precursor is formed on the surface of the ZrB 2 / Mo / glass substrate, and is subjected to sulfidation treatment at 580 ° C. for 20 minutes in an N 2 + 20% H 2 S atmosphere. Formed.
Subsequently, a CdS buffer layer, a transparent electrode layer, and a surface electrode layer were formed to obtain a solar cell.

[2. 試験方法]
[2.1. XRD測定]
結晶構造評価用試料を用いて、XRD測定を行った。
[2.2. 太陽電池特性]
1sun、AM1.5の条件下で太陽電池特性を評価した。
[2. Test method]
[2.1. XRD measurement]
XRD measurement was performed using the sample for crystal structure evaluation.
[2.2. Solar cell characteristics]
The solar cell characteristics were evaluated under the conditions of 1 sun and AM1.5.

[3. 結果]
[3.1. 結晶構造]
図1に、ガラス基板上に成膜した試料のXRDスペクトルを示す。400℃加熱した試料(図1(a))では、2θ=25°付近に、ZrB2に対応する鋭いピークが観測され、52°付近にもZrB2に対応するピークが観測された。図1(a)より、このスパッタ条件で結晶性の良いZrB2薄膜が形成されたことがわかった。
一方、室温で成膜した試料(図1(b))では、明確なピークは観察されず、アモルファス状の膜が形成された。
[3. result]
[3.1. Crystal structure]
FIG. 1 shows an XRD spectrum of a sample formed on a glass substrate. In the sample heated at 400 ° C. (FIG. 1A), a sharp peak corresponding to ZrB 2 was observed near 2θ = 25 °, and a peak corresponding to ZrB 2 was also observed near 52 °. FIG. 1A shows that a ZrB 2 thin film having good crystallinity was formed under the sputtering conditions.
On the other hand, in the sample formed at room temperature (FIG. 1B), no clear peak was observed, and an amorphous film was formed.

[3.2. 太陽電池特性]
表1に、ZrB2膜の成膜条件を変えて作製した太陽電池の特性を示す。また、図2に、ZrB2層の厚さと変換効率との関係を示す。表1、及び図2より、以下のことがわかる。
[3.2. Solar cell characteristics]
Table 1 shows the characteristics of solar cells manufactured by changing the film formation conditions of the ZrB 2 film. FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the ZrB 2 layer and the conversion efficiency. From Table 1 and FIG. 2, the following can be understood.

(1)室温で成膜したZrB2膜を備えた太陽電池(比較例2、3)は、ZrB2膜のない太陽電池(比較例1)に比べて、太陽電池特性が大きく低下した。これは、膜の深さ分析から、ZrB2からCZTSにBが拡散したためであることがわかった。
(2)400℃で成膜した厚さ10nmのZrB2膜を備えた太陽電池(実施例1)は、比較例1に比べて、各特性が共に向上することがわかった。
(3)400℃でZrB2膜を成膜した場合であっても、ZrB2膜の膜厚が増大すると(実施例2、3)、IV特性は低下した。すなわち、厚さ10nm程度の結晶性ZrB2は、太陽電池性能向上に効果があるが、厚すぎる場合には逆に性能を低下させることがわかった。また、比較例1と同等以上の変換効率を得るためには、ZrB2膜の厚さは、30nm以下が好ましいことがわかった。
(1) The solar cell provided with the ZrB 2 film formed at room temperature (Comparative Examples 2 and 3) was greatly deteriorated in solar cell characteristics as compared with the solar cell without the ZrB 2 film (Comparative Example 1). From the depth analysis of the film, it was found that B was diffused from ZrB 2 to CZTS.
(2) The solar cell (Example 1) provided with a 10 nm thick ZrB 2 film formed at 400 ° C. was found to have improved characteristics as compared with Comparative Example 1.
(3) Even when the ZrB 2 film was formed at 400 ° C., when the film thickness of the ZrB 2 film increased (Examples 2 and 3), the IV characteristics deteriorated. That is, it has been found that crystalline ZrB 2 having a thickness of about 10 nm is effective in improving the solar cell performance, but conversely reduces the performance when it is too thick. Moreover, in order to obtain a conversion efficiency equal to or higher than that of Comparative Example 1, it was found that the thickness of the ZrB 2 film is preferably 30 nm or less.

Figure 2015198211
Figure 2015198211

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る光電素子は、薄膜太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、増感型太陽電池などに用いることができる。   The photoelectric element according to the present invention can be used for thin film solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors, sensitized solar cells and the like.

Claims (4)

以下の構成を備えた光電素子。
(1)前記光電素子は、
アルカリガラスからなる基板と、
前記基板の表面に形成された下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された硫化物系化合物半導体からなる光吸収層と
を備えている。
(2)前記下部電極は、
前記基板側に形成された、Mo、Ti、Zr、Hf、Ta、Nb、及びWからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む金属材料からなる第1電極層と、
前記光吸収層側に形成された結晶性ZrB2からなる第2電極層と、
を備えている。
A photoelectric device having the following configuration.
(1) The photoelectric element is
A substrate made of alkali glass;
A lower electrode formed on the surface of the substrate;
A light absorption layer made of a sulfide compound semiconductor formed on the surface of the lower electrode.
(2) The lower electrode is
A first electrode layer formed on the substrate side and made of a metal material containing at least one element selected from the group consisting of Mo, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and W;
A second electrode layer made of crystalline ZrB 2 formed on the light absorption layer side;
It has.
前記第2電極層の厚さは、5nm以上100nm以下である請求項1に記載の光電素子。   The photoelectric device according to claim 1, wherein the second electrode layer has a thickness of 5 nm to 100 nm. 前記第1電極層は、Moからなる請求項1又は2に記載の光電素子。   The photoelectric device according to claim 1, wherein the first electrode layer is made of Mo. 前記第2電極層は、基板温度:300℃以上500℃以下の条件下において、ZrB2ターゲットを使用してスパッタすることにより成膜されたものからなる請求項1から3までのいずれか1項に記載の光電素子。 4. The first electrode layer according to claim 1, wherein the second electrode layer is formed by sputtering using a ZrB 2 target under a substrate temperature of 300 ° C. to 500 ° C. 4. The photoelectric device described in 1.
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