JP2016154172A - Cigs solar cell and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、良好な特性を有するCIGS光吸収層を備えたCIGS太陽電池およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a CIGS solar cell including a CIGS light absorption layer having good characteristics and a method for manufacturing the same.
アモルファスシリコン太陽電池や化合物太陽電池に代表される薄型太陽電池は、従来の結晶型シリコン太陽電池と比較すると、材料コストや製造コストの大幅な削減が可能である。このため、近年、これらの研究開発が急速に進められている。なかでも、I族、III族、VI族の元素を構成物質とした化合物太陽電池であって、光吸収層が銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)合金からなるCIGS太陽電池は、シリコンを全く使用せず、しかも優れた光電変換効率(以下「変換効率」とする)を有するため、薄型太陽電池の中でも特に注目されている。 Thin solar cells typified by amorphous silicon solar cells and compound solar cells can significantly reduce material costs and manufacturing costs as compared to conventional crystalline silicon solar cells. For this reason, in recent years, these research and development have been advanced rapidly. Especially, it is a compound solar cell using Group I, III, and VI elements as constituents, and the light absorption layer is made of a copper (Cu), indium (In), gallium (Ga), or selenium (Se) alloy. Since the CIGS solar cell which does not use silicon at all and has excellent photoelectric conversion efficiency (hereinafter referred to as “conversion efficiency”), it is particularly attracting attention among thin solar cells.
このようなCIGS太陽電池は、通常、基板、裏面電極層、CIGS光吸収層、バッファ層、透明電極層が、この順で積層された構造を有しており、CIGS光吸収層とバッファ層との界面でpn接合が形成されるようになっている。そして、上記CIGS光吸収層における結晶を大粒径化し、質の良い結晶とすることが高変換効率を実現するために必要とされている(例えば、特許文献1参照)。 Such a CIGS solar cell usually has a structure in which a substrate, a back electrode layer, a CIGS light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode layer are laminated in this order, and the CIGS light absorption layer, the buffer layer, A pn junction is formed at the interface. In order to achieve high conversion efficiency, it is necessary to increase the grain size of the crystal in the CIGS light absorption layer to obtain a high-quality crystal (for example, see Patent Document 1).
また、特許文献2には、CIGS光吸収層の結晶成長工程において、Cu過剰組成(Cu/(Ga+In)>1)にし、金属プリカーサ層をSeフラックス雰囲気下で熱処理することで、カルコパイライト構造の結晶へ成長させることが開示されている。このとき、Cu-Se系の液相は、結晶化を促進する融剤として働いている。そして、充分に結晶が成長した後、In,Ga,Seフラックスを添加することで、層の最終組成を(In,Ga)過剰組成[Cu/(Ga+In)<1]にするが、このIn,Ga,Seフラックスを添加する工程において、Cu-Se系が不足し始めると、結晶の成長が不充分となり、平均粒径が50nm以上300nm以下の微小結晶粒が形成される(バルクの平均粒径は1000nm以上)。このような微小結晶粒がCIGS光吸収層に存在すると、太陽電池の変換効率は低下するとされている。 Patent Document 2 discloses that chalcopyrite is obtained by heat-treating a metal precursor layer in a Se flux atmosphere with a Cu excess composition (Cu / (Ga + In)> 1) in a crystal growth process of a CIGS light absorption layer. It is disclosed to grow into a crystal of structure. At this time, the Cu—Se-based liquid phase serves as a flux that promotes crystallization. After the crystal has grown sufficiently, the In, Ga, Se flux is added to make the final composition of the layer (In, Ga) excess composition [Cu / (Ga + In) <1]. In the process of adding In, Ga, Se flux, if the Cu—Se system starts to be insufficient, the crystal growth becomes insufficient, and fine crystal grains having an average grain size of 50 nm to 300 nm are formed (bulk average The particle size is 1000 nm or more). If such fine crystal grains are present in the CIGS light absorption layer, it is said that the conversion efficiency of the solar cell is lowered.
これに対し、CIGS光吸収層における結晶の大粒径化を図る、あるいは微小結晶粒が形成されないようにすることにより、ある程度の変換効率の改善がみられるものの、一般市場に普及させるためには、これらの改善策によって得られる変換効率では不充分であり、さらに高変換効率のCIGS太陽電池の開発が求められているのが現状である。 On the other hand, although the conversion efficiency is improved to some extent by increasing the crystal grain size in the CIGS light absorption layer or preventing the formation of fine crystal grains, in order to spread it to the general market However, the conversion efficiency obtained by these improvement measures is inadequate, and further development of a CIGS solar cell having a higher conversion efficiency is required.
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、より一層の高い変換効率を実現できるCIGS太陽電池およびその製造方法の提供をその目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, The objective is provision of the CIGS solar cell which can implement | achieve much higher conversion efficiency, and its manufacturing method.
上記目的を達成するため、本発明は、基板と、裏面電極層と、CIGS光吸収層と、バッファ層と、透明電極層とをこの順で有するCIGS太陽電池であって、上記CIGS光吸収層が、上記基板側に形成される第1の光吸収層と、この第1の光吸収層の上に形成される第2の光吸収層とを備え、上記第2の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N2が、第1の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N1より小さいとともに、上記第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率が40%以上90%以下の範囲に設定されているCIGS太陽電池を第1の要旨とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a CIGS solar cell having a substrate, a back electrode layer, a CIGS light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode layer in this order, and the CIGS light absorption layer Comprises a first light absorption layer formed on the substrate side and a second light absorption layer formed on the first light absorption layer, and constitutes the second light absorption layer the average particle size N 2 crystal grains, with grain of smaller average particle size N 1 constituting the first light-absorbing layer, the coverage for the first light-absorbing layer of the second light absorption layer 40 The first summary is a CIGS solar cell set in a range of not less than 90% and not more than 90%.
そして、基板と、裏面電極層と、CIGS光吸収層と、バッファ層と、透明電極層とをこの順で有するCIGS太陽電池であって、上記CIGS光吸収層が、上記基板側に形成される第1の光吸収層と、この第1の光吸収層の上に形成される第2の光吸収層とを備え、上記第2の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N2が、第1の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N1より小さいとともに、上記第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率が40%以上90%以下の範囲に設定されているCIGS太陽電池を製造する方法であって、上記基板の上に、インジウムとガリウムとセレンとを含む層(α)と、銅とセレンとを含む層(β)とを、固相状態でこの順に積層し、層(α)と層(β)とが積層された積層体を加熱することにより結晶の成長を行い、平均粒径N1の結晶粒からなる第1の光吸収層を形成する工程と、上記第1の光吸収層の上に、インジウムとガリウムとセレンとを気相状態で供給し、インジウムとガリウムとセレンの供給と結晶の成長を同時に行い、平均粒径N2の結晶粒からなり、この平均結晶粒N2が平均結晶粒N1より小さい第2の光吸収層を、上記第1の光吸収層に対し被覆率が40%以上90%以下の範囲となるよう形成する工程と、を経由させて上記CIGS光吸収層を形成するCIGS太陽電池の製造方法を第2の要旨とする。 And it is a CIGS solar cell which has a board | substrate, a back surface electrode layer, a CIGS light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode layer in this order, Comprising: The said CIGS light absorption layer is formed in the said substrate side. a first light-absorbing layer, and a second light absorption layer formed on the first light-absorbing layer, the average particle size of N 2 crystal grains constituting the second light-absorbing layer , set with the first crystal grains of a mean particle diameter smaller than N 1 constituting the light-absorbing layer, the first range coverage less 90% 40% with respect to the light absorbing layer of the second light absorbing layer A method of manufacturing a CIGS solar cell, wherein a layer (α) containing indium, gallium and selenium and a layer (β) containing copper and selenium are formed on the substrate in a solid state. In this order, and heating the laminated body in which the layer (α) and the layer (β) are laminated. Perform crystal growth, forming a first light-absorbing layer consisting of crystal grains having an average grain size of N 1, on the first light-absorbing layer, indium, gallium and selenium in the gas phase supplied performs growth and supply crystal of indium and gallium and selenium at the same time, consists of crystal grains having an average grain size of N 2, the average crystal grain N 2 is an average crystal grain N 1 is smaller than the second light-absorbing layer And a step of forming the CIGS light absorption layer via the step of forming the CIGS light absorption layer through the step of forming a coverage ratio in the range of 40% to 90% with respect to the first light absorption layer. The gist of
すなわち、本発明者らは、高い変換効率を達成するCIGS太陽電池を得るため、そのCIGS光吸収層を構成する結晶について検討を重ねた。その結果、従来、高変換効率達成のために検討されているCIGS光吸収層を構成する結晶の大粒径化および微小結晶粒排除の流れに反し、CIGS光吸収層内に微小結晶粒からなる層を設け、これよりも大きい粒径の結晶層の上に特定の被覆率となるよう配置すると、意外なことにCIGS太陽電池の高変換効率を達成することができることを見出し、本発明に想到した。 That is, the present inventors have repeatedly studied the crystals constituting the CIGS light absorption layer in order to obtain a CIGS solar cell that achieves high conversion efficiency. As a result, contrary to the trend of increasing the grain size of crystals constituting the CIGS light absorption layer and eliminating fine crystal grains that have been studied for achieving high conversion efficiency in the past, the CIGS light absorption layer is composed of fine crystal grains. It was found that a high conversion efficiency of the CIGS solar cell can be achieved unexpectedly by providing a layer and arranging it on a crystal layer having a larger grain size to achieve a specific coverage, and the present invention has been conceived. did.
なお、本発明において、固相とは、その温度において固体状態にある相のことをいい、液相とは、その温度において液体状態にある相のことをいう。また、気相とは、その温度において気体状態にある相のことを意味する。 In the present invention, a solid phase refers to a phase that is in a solid state at that temperature, and a liquid phase refers to a phase that is in a liquid state at that temperature. The gas phase means a phase that is in a gaseous state at that temperature.
そして、本発明において、光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径(N1,N2)は、第1および第2光吸収層の断面のそれぞれを、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)を用いてその中心部分を2万倍にして観察し、画面上で確認できる全結晶の粒径を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。上記結晶の粒径は、結晶が球状の場合にはその直径を測定し、その他の形状である場合には、その最大長を測定するものである。 In the present invention, the average grain size (N 1 , N 2 ) of the crystal grains constituting the light absorption layer is determined by measuring each of the cross sections of the first and second light absorption layers with a scanning electron microscope (SEM). It can be obtained by observing the central part at a magnification of 20,000 using a microscope, measuring the particle size of all crystals that can be confirmed on the screen, and calculating the average. The diameter of the crystal is measured when the crystal is spherical, and when the crystal is in other shapes, the maximum length is measured.
また、本発明において、第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率(%)は、つぎのようにして求めることができる。すなわち、まず、測定対象箇所を法線方向からSEMを用いて1万倍で観察し、観察写真(二次電子像または反射電子像)を撮影する。そして、上記電子像を画像処理ソフトにより2値化処理を行い、第2の光吸収層を構成する結晶粒が認められる面積と、第1の光吸収層を構成する結晶粒が認められる面積とをそれぞれ認定し、その面積の割合を求めることにより、第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率(%)を算出することができる。 Moreover, in this invention, the coverage (%) with respect to the 1st light absorption layer of a 2nd light absorption layer can be calculated | required as follows. That is, first, the measurement target portion is observed from the normal direction at a magnification of 10,000 using an SEM, and an observation photograph (secondary electron image or reflected electron image) is taken. Then, the electronic image is binarized by image processing software, and the area where the crystal grains constituting the second light absorption layer are recognized, and the area where the crystal grains constituting the first light absorption layer are recognized Is obtained, and the coverage ratio (%) of the second light absorption layer to the first light absorption layer can be calculated.
本発明のCIGS太陽電池は、基板と、裏面電極層と、CIGS光吸収層と、バッファ層と、透明電極層とをこの順で有するCIGS太陽電池であって、上記CIGS光吸収層が、上記基板側に形成される第1の光吸収層と、この第1の光吸収層の上に形成される第2の光吸収層とを備え、上記第2の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N2が、第1の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N1より小さくなっている。このため、基板側に配置される第1の光吸収層によって生成される電子を損失なく取り出すことができるだけでなく、比較的小さい結晶粒からなる第2の光吸収層がバッファ層側(CIGS光吸収層の表面側)に配置されることによって、CIGS結晶粒界に多く存在するNaをCIGS光吸収層全体からみてその表面(光が入射する側)近傍に多量に供給できるため、この付近でのアクセプタ濃度を向上させることができる。また、比較的小さい結晶粒からなる第2の光吸収層がCIGS光吸収層全体からみてその表面側(光が入射する側)に配置されることにより、表面(光が入射する)側に微細な凹凸が形成され、その凹凸の光閉じ込め効果が期待できる。 The CIGS solar cell of the present invention is a CIGS solar cell having a substrate, a back electrode layer, a CIGS light absorption layer, a buffer layer, and a transparent electrode layer in this order. A first light absorption layer formed on the substrate side, and a second light absorption layer formed on the first light absorption layer, the crystal grains constituting the second light absorption layer average particle diameter of N 2, is smaller than the average particle size N 1 crystal grains constituting the first light-absorbing layer. For this reason, not only can the electrons generated by the first light absorption layer disposed on the substrate side be extracted without loss, but the second light absorption layer made of relatively small crystal grains is also provided on the buffer layer side (CIGS light). By being arranged on the surface side of the absorption layer, a large amount of Na existing in the CIGS grain boundary can be supplied in the vicinity of the surface (light incident side) when viewed from the whole CIGS light absorption layer. The acceptor concentration can be improved. Further, the second light absorption layer made of relatively small crystal grains is arranged on the surface side (light incident side) when viewed from the whole CIGS light absorption layer, so that the surface (light incident) side is fine. The unevenness is formed, and the light confinement effect of the unevenness can be expected.
そして、上記第2の光吸収層の、第1の光吸収層に対する被覆率は、40%以上90%以下の範囲に設定されている。このため、より高い変換効率を実現できるようになっている。すなわち、第2の光吸収層の被覆率が高すぎると、電子と正孔の再結合が過剰に増加し、変換効率の低下を引き起こすおそれがあり、逆に被覆率が低すぎると、第2の光吸収層4bを設けた上記効果を充分に発揮することができないおそれがあるためである。
And the coverage with respect to the 1st light absorption layer of the said 2nd light absorption layer is set to the range of 40% or more and 90% or less. For this reason, higher conversion efficiency can be realized. That is, if the coverage of the second light absorption layer is too high, the recombination of electrons and holes may increase excessively, leading to a decrease in conversion efficiency. Conversely, if the coverage is too low, This is because the above-described effect of providing the
また、上記第1の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N1が1000nm以上2000nm以下であり、上記第2の光吸収層を構成する結晶粒の平均粒径N2が50nm以上300nm以下であると、より一層、電流値が向上し、高変換効率のCIGS太陽電池となる。 Further, the first average particle size N 1 of the crystal grains constituting the light-absorbing layer is at 1000nm or more 2000nm or less, an average particle size of N 2 crystal grains constituting the second light-absorbing layer is 50nm or more 300nm When it is below, the current value is further improved, and a CIGS solar cell with high conversion efficiency is obtained.
さらに、本発明のCIGS太陽電池を得る場合、上記基板の上に、インジウムとガリウムとセレンとを含む層(α)と、銅とセレンとを含む層(β)とを、固相状態でこの順に積層し、層(α)と層(β)とが積層された積層体を加熱することにより結晶の成長を行い、平均粒径N1の結晶粒からなる第1の光吸収層を形成する工程と、上記第1の光吸収層の上に、インジウムとガリウムとセレンとを気相状態で供給し、インジウムとガリウムとセレンの供給と結晶の成長を同時に行い、平均粒径N2の結晶粒からなり、この平均結晶粒N2が平均結晶粒N1より小さい第2の光吸収層を、上記第1の光吸収層に対し被覆率が40%以上90%以下の範囲となるよう形成する工程と、を経由させて上記CIGS光吸収層を形成するようにすると、温度等の条件を変更するだけで、CIGS光吸収層における結晶粒の大きさをコントロールすることができ、結晶粒の大きさの異なる第1の光吸収層と第2の光吸収層とを同一の装置で連続的に形成することができるため、製造の効率化と低コスト化を図ることができる。 Furthermore, when the CIGS solar cell of the present invention is obtained, a layer (α) containing indium, gallium and selenium and a layer (β) containing copper and selenium are formed on the substrate in a solid state. stacked in this order, perform the growth of the layer (alpha) and the layer (beta) and crystal by heating the laminate are stacked to form a first light-absorbing layer consisting of crystal grains having an average grain size of N 1 a step, on the first light-absorbing layer, indium, gallium and selenium supplied in gas phase, performed crystal growth with the supply of indium, gallium and selenium at the same time, the average particle size of N 2 crystals The second light absorption layer is made of grains, and the average crystal grain N 2 is smaller than the average crystal grain N 1. The second light absorption layer is formed so as to have a coverage of 40% to 90% with respect to the first light absorption layer. And forming the CIGS light absorption layer through the step of The size of the crystal grains in the CIGS light absorption layer can be controlled only by changing the conditions such as temperature, and the first light absorption layer and the second light absorption layer having different crystal grain sizes can be used. Since it can form continuously with the same apparatus, manufacturing efficiency and cost reduction can be achieved.
つぎに、本発明を実施するための形態について説明する。 Next, an embodiment for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の一実施の形態により得られるCIGS太陽電池を模式的に示す断面図である。このCIGS太陽電池は、基板1、不純物拡散防止層2、裏面電極層3、第1の光吸収層4aと第2の光吸収層4bとからなるCIGS光吸収層4、第1のバッファ層5aと第2のバッファ層5bとからなるバッファ層5、透明電極層6がこの順で積層されており、上記第2の光吸収層4bの、第1の光吸収層4aに対する被覆率が特定の範囲となるよう設定されている。そして、透明電極層6側から光を照射すると、CIGS光吸収層4とバッファ層5との界面で電流を発生させることができるようになっている。以下に、このCIGS太陽電池を詳しく説明する。なお、図1において、各部分は模式的に示したものであり、実際の厚み,大きさ等とは異なっている(図2においても同じ)。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a CIGS solar cell obtained by an embodiment of the present invention. This CIGS solar cell includes a
すなわち、このCIGS太陽電池は、基板1として、幅10mm、長さ100mm、厚み50μmのステンレス箔(SUS)が用いられ、基板1の上に、クロム(Cr)からなる厚み300nmの不純物拡散防止層2が設けられ、不純物拡散防止層2の上にモリブデン(Mo)からなる厚み500nmの裏面電極層3が設けられている。そして、図2に示すように、裏面電極層3の上に平均粒径N1=1000nmの結晶粒からなる厚み2000nmの第1の光吸収層4aと、平均粒径N2=200nmの結晶粒からなる厚み100nmの第2の光吸収層4bとがこの順で設けられ、第2の光吸収層4bの、第1の光吸収層4aに対する被覆率が70%に設定されている。また、第2の光吸収層4bの上に、CdSからなる厚み50nmの第1のバッファ層5aと、ZnOからなる厚み70nmの第2のバッファ層5bがこの順で設けられている(図1に戻る)。さらに、第2のバッファ層5bの上に、ITOからなる厚み200nmの透明電極層6が設けられている。
That is, in this CIGS solar cell, a stainless steel foil (SUS) having a width of 10 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 50 μm is used as the
上記構成のCIGS太陽電池によれば、CIGS光吸収層4が、第1の光吸収層4aと第2の光吸収層4bとからなる特殊な構成になっており、比較的大きい結晶粒(平均粒径N1)からなる第1の光吸収層4aが基板1側に配置されている。したがって、第1の光吸収層4aにおいて生成した電子を、損失することなく取り出すことができる。また、比較的小さい結晶粒(平均粒径N2)からなる第2の光吸収層4bがバッファ層5側(CIGS光吸収層4の表面側)に配置されており、結晶粒界に多く存在するNaを、CIGS光吸収層4の表面近傍に大量に供給できるようになっている。このため、CIGS光吸収層4の表面近傍でのアクセプタ濃度を向上させることができ、CIGS太陽電池の変換効率をより一層高めることができるようになっている。
According to the CIGS solar cell having the above-described configuration, the CIGS
また、比較的小さな結晶粒からなる第2の光吸収層4bが、CIGS光吸収層4の表面側に薄く形成されているため、CIGS光吸収層4の表面(光の入射面)に微細な凹凸が形成され、この微細な凹凸の光閉じ込め効果によって、CIGS太陽電池の電流値を向上させることが期待できる。さらに、第2の光吸収層4bの、第1の光吸収層4aに対する被覆率が70%に設定されており、第2の光吸収層4bの結晶粒が完全に隙間なく第1の光吸収層4a上に配置されるのではなく、ところどころ隙間を空けた状態で配置されているため、電子と正孔の再結合が過剰に増加することがなく、より高い変換効率を実現できるようになっている。
Further, since the second
上記基板1は、上記実施の形態で示したステンレス箔(SUS)の以外にも、ガラス基板、金属基板、樹脂基板等のなかから、目的や設計の必要に応じて適宜のものを用いることができる。上記ガラス基板としては青板ガラス、アルカリ金属元素の含有量が極めて低い低アルカリガラス(高歪点ガラス)、アルカリ金属元素を含まない無アルカリガラス等があげられる。
In addition to the stainless steel foil (SUS) shown in the above embodiment, the
また、このCIGS太陽電池を、ロールトゥロール方式またはステッピングロール方式で製造する場合、上記基板1は、長尺状で可撓性を有することが好適である。なお、上記「長尺状」とは長さ方向の長さが幅方向の長さの10倍以上あるものをいい、30倍以上あるものがより好ましく用いられる。
Moreover, when manufacturing this CIGS solar cell by a roll-to-roll system or a stepping roll system, it is suitable that the said board |
そして、上記基板1の厚みは、30μm以上200μm以下の範囲にあることが好ましく、より好ましくは50μm以上100μm以下の範囲である。すなわち、厚みが厚すぎると、CIGS太陽電池の屈曲性が失われ、曲げた際にかかる応力が大きくなってCIGS太陽電池の内部構造にダメージを与えるおそれがあり、逆に薄すぎると、CIGS太陽電池を製造する際に、基板1が座屈し、CIGS太陽電池の製品不良率が、上昇する傾向がみられるためである。
And it is preferable that the thickness of the said board |
上記基板1の上に形成される不純物拡散防止層2の形成材料としては、上記実施の形態で示したCr以外にも、SiO2、Al2O3、TiN、TiO2、Ni、NiCr、Co等を用いることができる。また、その厚みは、効果とコストとのバランスの観点から、50nm以上1000nm以下であることが好ましい。そして、不純物拡散防止層2は、基板1の上ではなく、裏面電極層3の上に形成することもできる。また、基板1由来の不純物がCIGS太陽電池に悪影響を及ぼすおそれが少ない等の場合には、不純物拡散防止層2をあえて設けなくてもよい。
The material for forming the impurity diffusion preventing layer 2 formed on the
上記不純物拡散防止層2の上に形成される裏面電極層3の形成材料としては、上記実施の形態で示したモリブデン(Mo)以外にも、W、Cr、Ti等を用いることができる。そして、裏面電極層3は、単層でなく、複層であってもよい。また、その厚み(複層の場合は、各層の厚みの合計)は、50nm以上1000nm以下であることが好ましい。
As a material for forming the
上記裏面電極層3の上に形成されるCIGS光吸収層4としては、上記実施の形態だけでなく、その他にも上記要件を満たすものを用いることができる。なかでも、上記第1の光吸収層4aは、生成した電子を損失することなく取り出すことができるとの観点から、平均粒径N1が1000nm以上2000nm以下の結晶粒によって構成されていることが好ましい。また、その厚みは、1000nm以上3000nm以下であることが好ましく、より好ましくは1500nm以上2500nm以下である。薄すぎると、太陽光を充分に吸収できないおそれがあり、逆に、厚すぎると材料費増加によるコストが増加する傾向がみられるためである。
As the CIGS
また、上記第2の光吸収層4bは、平均粒径N2が50nm以上300nm以下の結晶粒によって構成されていることが好ましい。小さすぎると、電子と正孔の再結合が増加するおそれがあり、逆に大きすぎると、結晶粒界にNaが充分に供給されない傾向がみられるためである。
Further, the second
そして、上記実施の形態では、第2の光吸収層4bの、第1の光吸収層4aに対する被覆率が70%に設定されているが、被覆率はこれに限らず40〜90%の範囲に設定されていればよい。被覆率をこの範囲に設定することにより、電子と正孔の再結合が過剰に増加することを効果的に防止でき、より高い変換効率を実現することができる。
And in the said embodiment, although the coverage with respect to the 1st
上記第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bは、いずれも、Cu、In、Ga、Seの4元素からなるカルコパイライト型結晶構造の化合物半導体で形成されている。そして、上記第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bの厚みの合計(CIGS光吸収層4の厚み)としても、1000nm以上3000nm以下の範囲にあることが好ましく、1500nm以上2500nm以下の範囲にあることがより好ましい。厚みが薄すぎると、光吸収量が少なくなり、CIGS太陽電池の性能が低下する傾向がみられ、逆に、厚すぎると、CIGS光吸収層4の形成にかかる時間が増加し、生産性に劣る傾向がみられるためである。
Each of the first
また、上記CIGS光吸収層4におけるCu、In、Gaの組成比は、0.7<Cu/(Ga+In)<0.95(モル比)の式を満たすことが好ましい。この式を満たすようになっていると、上記CIGS光吸収層4内にCu(2-x) Seが過剰に取り込まれることをより阻止でき、しかも層全体としてわずかにCuが不足した状態にできるためである。また、同属元素であるGaとInとの比は、0.10<Ga/(Ga+In)<0.60(モル比)の範囲にあることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the composition ratio of Cu, In, and Ga in the CIGS
上記CIGS光吸収層4の上に形成されるバッファ層5は、基板1側に形成される第1のバッファ層5aと、この第1のバッファ層5aの上に形成される第2のバッファ層5bとからなっており、それらの形成材料としては、上記実施の形態で示したCdS、ZnO以外にも、ZnMgO、Zn(OH)2、In2O3、In2S3、これらの混晶であるZn(O,S,OH)等を用いることができる。また、上記CIGS光吸収層4とpn結合できる高抵抗のn型半導体を用いる等の場合には、バッファ層5を単層とすることもできる。また、第1のバッファ層5aおよび第2のバッファ層5bの厚みは、それぞれ30nm以上200nm以下であることが好ましい。そして、バッファ層5を単層とした場合でも、その厚みは30nm以上200nm以下であることが好ましい。
The
上記バッファ層5の上に形成される透明電極層6は、光入射側に位置するため、入射光を妨げないようにできるだけ光の透過率が高い材料を用いることが好ましい。このような材料としては、上記実施の形態で示したITO以外にも、ZnO、In2O3、SnO2等をあげることができる。また、電気伝導性を高める目的で、あるいはバンドアライメントを調整する目的で、これらの材料に少量のドーピング材料を含ませたものも好適に用いることができる。このようなドーピング材料としては、例えば、Al:ZnO(AZO)、B:ZnO(BZO)、Ga:ZnO(GZO)、Sn:In2O3(ITO)、F:SnO2(FTO)、Zn:In2O3、Ti:In2Oe、Zr:In2O3、W:In2O3等があげられる。その厚みは、光透過性および電気伝導性の観点から、100nm以上2000nm以下であることが好ましい。
Since the
このようなCIGS太陽電池は、例えば、つぎのような方法で製造することができる。 Such a CIGS solar cell can be manufactured, for example, by the following method.
〔裏面電極層3の形成まで〕
長尺状のSUSからなる基板1を準備し、ロールトゥロール方式により、基板1を走行させながら、その表面に、スパッタリング法により厚み300nmのCrからなる不純物拡散防止層2およびスパッタリング法により厚み500nmのMoからなる裏面電極層3をこの順に形成する。
[Up to the formation of the back electrode layer 3]
A
〔CIGS光吸収層4の形成〕
上記裏面電極層3上に、基板1を420℃に保持した状態で、セレン化ガリウムとセレン化インジウムとを固相状態でこの順で積層し、インジウムとガリウムとセレンとを有する層(α)を形成する。そして、基板1の温度を420℃に保ったままの状態で、上記層(α)上にセレン化銅を積層し、銅とセレンとを有する層(β)を形成する。基板1上に、不純物拡散防止層2、裏面電極層3、層(α)および層(β)が積層された積層体に対し、微量のSe蒸気を供給しつつ、基板1の温度を650℃とし、その状態を15分間保持する。これにより、上記層(β)が液相状態となり、この層(β)中の銅が層(α)中に拡散し、結晶が成長する。ついで、基板1の温度を650℃に保った状態で、微量のSe蒸気を供給しつつ、Gaの蒸着量を徐々に増加させながら、In、Ga、Seを蒸着する。これにより、裏面電極層3上に、平均粒径N1=1000nmの結晶粒を有し、厚み2000nmの第1の光吸収層4aを形成する。
[Formation of CIGS light absorption layer 4]
On the
つぎに、基板1の温度を500℃まで冷却し、上記第1の光吸収層4a上に、セレン化インジウムとセレン化ガリウムとを同時に蒸着させることにより、平均粒径N2=200nmの結晶粒を有する第2の光吸収層4bを、第1の光吸収層4aに対し被覆率70%となるよう形成する。すなわち、InとGaとSeとを気相状態で供給し、その供給と結晶の成長とを同時に行うようにすると、結晶が充分に成長する前に新たな層堆積種が連続的に飛来して結晶の成長が阻害され、微小サイズの結晶粒となるため、好適である。なお、上記被覆率は、第2の光吸収層4bを形成する際の、In、GaおよびSeの供給量を増減することにより制御することができる。そして、上記第2の光吸収層4b上にNaFを蒸着し、その後、基板1の温度を420℃とし、その状態を10分間保持することにより、第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bの粒界面へNaを拡散させて、CIGS光吸収層4を形成する。
Next, the temperature of the
〔バッファ層5の形成〕
上記ロールトゥロール方式によって不純物拡散防止層2、裏面電極層3およびCIGS光吸収層4が形成され、ロール状に巻き取られた基板1を、再度巻き出しながら、切断装置を用いて、これを所定の長さごとに切断して、所定サイズの積層体(基板1+不純物拡散防止層2+裏面電極層3+CIGS光吸収層4)を得る。そして、この積層体のCIGS光吸収層4(第2の光吸収層4b)の上に、溶液成長法(CBD法)によりCdSからなる第1のバッファ層5a(厚み50nm)を形成し、さらにこの第1のバッファ層5aの上に、スパッタリング法によりZnOからなる第2のバッファ層5b(厚み70nm)を形成することにより、第1のバッファ層5aと第2のバッファ層5bとからなるバッファ層5を形成する。
[Formation of Buffer Layer 5]
The impurity diffusion prevention layer 2, the
〔透明電極層6の形成工程〕
上記バッファ層5(第2のバッファ層5b)の上に、スパッタリング法によりITOからなる透明電極層6(厚み200nm)を形成する。なお、この透明電極層6の上に、グリッド形状等の取り出し電極(図示せず)を、裏面電極層3と同様の手法を用いて形成するようにしてもよい。このようにして、本発明のCIGS太陽電池を得ることができる。
[Process for forming transparent electrode layer 6]
A transparent electrode layer 6 (thickness: 200 nm) made of ITO is formed on the buffer layer 5 (
この方法によれば、高変換効率を達成することのできる優れたCIGS光吸収層4を、温度等の条件を変更するだけで、汎用の蒸着装置(ロールトゥロール方式)を用いて連続的に形成することができるため、製造の効率化と低コスト化が図ることができる。
According to this method, the excellent CIGS
なお、上記実施の形態では、CIGS光吸収層4までをロールトゥロールにより形成するようにしているが、基板1サイズを調整する等して、枚葉ごとに形成するようにしてもよい。また、不純物拡散防止層2および裏面電極層3をいずれもスパッタリング法により形成しているが、これらの層を、蒸着法、インクジェット法、電解めっき法等を用いて形成するようにしてもよい。
In the above embodiment, the CIGS
さらに、上記の実施の形態では、CIGS光吸収層4に対するNaの添加を、NaFを用いて行うようにしているが、Na2Se、Na2S等の他のNa化合物を用いて行うようにしてもよい。また、上記の実施の形態では、CIGS光吸収層4に対するNaの添加を、第2の光吸収層4b形成まで行った後、NaFを蒸着しポストアニールする方法により行うようにしているが、CIGS光吸収層4の形成前に、NaFを裏面電極層3上に蒸着させる等の方法により行うようにしてもよい。
Furthermore, in the above embodiment, Na is added to the CIGS
そして、上記の実施の形態では、第1のバッファ層5aを溶液成長法(CBD法)により形成し、第2のバッファ層5bをスパッタリング法により形成しているが、これらの層は、それ以外の方法によっても形成することができ、また、真空中、大気中および水溶液中のいずれにおいても形成することができる。例えば、真空中で行う方法としては、スパッタリング法の他、分子線エピタキシー法、電子線蒸着法、抵抗加熱蒸着法、プラズマCVD法、有機金属蒸着法等があげられる。また、水溶液中で行う方法としては、CBD法、電解めっき法等があげられる。
In the above embodiment, the first buffer layer 5a is formed by a solution growth method (CBD method), and the
また、上記の実施の形態では、透明電極層6をスパッタリング法により形成しているが、それ以外にも、真空蒸着法、有機金属気相成長法等によって形成することができる。
Further, in the above embodiment, the
つぎに、実施例について、比較例と併せて説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, examples will be described together with comparative examples. However, the present invention is not limited to this.
〔実施例1〕
まず、ステンレス箔SUS430(大きさ10×100mm、厚み50μm)の基板1を用意し、この上に、Crからなる厚み300nmの不純物拡散防止層2と、Moからなる厚み500nmの裏面電極層3とをこの順に積層した。つぎに、裏面電極層3まで形成された基板1を、真空蒸着装置内に搬入し、基板温度を420℃に保持した状態で、裏面電極層3の上に、セレン化ガリウム(厚み400nm)、セレン化インジウム(厚み1000nm)をこの順で積層し、セレンとガリウムとインジウムとを有する層(α)を形成した。つづいて、基板温度を420℃に保ったままの状態で、上記層(α)上にセレン化銅(厚み600nm)を積層し、銅とセレンとを有する層(β)を形成した。これらの層(α)と層(β)とが積層された積層体を、微量のSe蒸気を供給しつつ加熱し、基板温度が650℃の状態を15分間保持し、結晶を成長させ、ついで、微量のSe蒸気を供給しつつ、基板温度を650℃に保った状態で、Gaの蒸着量を徐々に増加させながら、In、Ga、Seを蒸着し、平均粒径N1=1000nmの結晶粒を有する第1の光吸収層4a(厚み2000nm)を形成した。
[Example 1]
First, a
つぎに、上記第1の光吸収層4aが形成された積層体を冷却し、基板温度を500℃とした状態で、上記第1の光吸収層4a上に、セレン化インジウムとセレン化ガリウムを同時に蒸着するようにし、すなわち、In、Ga、Seの気相状態での供給と、結晶の成長とを同時に行うようにして、上記第1の光吸収層4aの上に、平均粒径N2=200nmの結晶粒を有する第2の光吸収層4bを被覆率50%となるように形成した。そして、基板温度を400℃に保持し、750℃に設定されたNaF蒸着源を用いて、上記第2の光吸収層4b上にNaFを真空蒸着し、その後、基板温度が420℃になるよう加熱し、その基板温度を10分間保持することにより、第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bの粒界にNaを拡散させて、CIGS光吸収層4を形成した。なお、このCIGS光吸収層4(第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率50%)のSEM二次電子像を模式的に表したものを図2(a)に示し、その反射電子像を模式的に表したものを図2(b)に示す。さらに、その反射電子像の2値化処理画像を模式的に表したものを図2(c)に示す。
Next, the stacked body on which the first
そして、上記CIGS光吸収層4(第2の光吸収層4b)の上に、CdSからなる第1のバッファ層5a(厚み50nm)、ZnOからなる第2のバッファ層5b(厚み70nm)、ITOからなる透明電極層6(厚み200nm)をこの順に積層することにより、目的のCIGS太陽電池を製造した。
Then, on the CIGS light absorption layer 4 (second
〔実施例2〜7〕
第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bの平均粒径、第2の光吸収層4bの第1の光吸収層4aに対する被覆率を、後記の表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして、CIGS太陽電池を製造した。なお、各光吸収層4a,4bを構成する結晶粒の粒径は、例えば、基板温度をコントロールすることにより、任意のサイズとすることができる。
[Examples 2 to 7]
The average particle diameter of the first
〔比較例1〕
第2の光吸収層4bを形成しなかった以外は、実施例1と同様にして、CIGS太陽電池を製造した。すなわち、比較例1のCIGS太陽電池は、CIGS光吸収層4が大粒径の結晶粒のみで構成される従来品そのものである。比較例1のCIGS光吸収層4(第2の光吸収層なし)のSEM二次電子像を模式的に表したものを図3(a)に示し、その反射電子像を模式的に表したものを図3(b)に示す。
[Comparative Example 1]
A CIGS solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the second
〔比較例2〜4〕
第2の光吸収層4bの第1の光吸収層4aに対する被覆率を、後記の表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてCIGS太陽電池を製造した。
[Comparative Examples 2 to 4]
A CIGS solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the coverage of the second
上記実施例1〜7および比較例1〜4のCIGS太陽電池をそれぞれ10個ずつ製造し、それらの変換効率と、第1の光吸収層4aおよび第2の光吸収層4bを構成する結晶粒の平均粒径、第2の光吸収層4bの第1の光吸収層4aに対する被覆率を、下記の手順に従って測定した。これらの結果を後記の表1に併せて示す。
10 CIGS solar cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 are manufactured, respectively, and their conversion efficiencies and crystal grains constituting the first
〔変換効率〕
擬似太陽光(AM1.5)を各実施例品および比較例品に照射し、その変換効率をソーラーシミュレーター(山下電装社製、セルテスターYSS150)によって測定した。そして、それぞれの値の平均を算出し、各実施例および比較例の変換効率(%)とした。
〔Conversion efficiency〕
Pseudo sunlight (AM1.5) was irradiated to each Example product and Comparative product, and the conversion efficiency was measured with a solar simulator (Yamashita Denso Co., Ltd., Cell Tester YSS150). And the average of each value was computed and it was set as the conversion efficiency (%) of each Example and the comparative example.
〔平均粒径〕
SEM(日立ハイテクノロジース社製、S−3400N)を用いて、実施例1〜7および比較例1〜4のCIGS太陽電池の、第1および第2光吸収層(比較例1においては第1の光吸収層のみ)の断面を2万倍に拡大して観察し、各光吸収層の中心付近における結晶粒径を測定した。そして、測定した粒径の平均をそれぞれ算出し、各光吸収層の平均粒径N1,N2とした。なお、上記粒径は、結晶が球状の場合にはその直径を測定し、その他の形状である場合には、その最大長を測定している。
[Average particle size]
First and second light-absorbing layers (first in Comparative Example 1) of the CIGS solar cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 using SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, S-3400N) The light-absorbing layer only) was observed at a magnification of 20,000 times, and the crystal grain size in the vicinity of the center of each light-absorbing layer was measured. Then, the average of the measured particle size was calculated, and the average particle size N 1, N 2 of each light absorbing layer. Note that the diameter is measured when the crystal is spherical, and the maximum length is measured when the crystal has other shapes.
〔被覆率〕
SEM〔日本電子社(JOEL)製、JSM−7001F〕を用いて、実施例1〜7および比較例1〜4のCIGS太陽電池の光吸収層の中央部分を、法線方向にバッファ層形成予定側から1万倍で観察し、二次電子像または反射電子像を撮影する。上記電子画像を目視にて第1光吸収層を構成する結晶粒と第2光吸収層を構成する結晶粒とに区分けし、画像処理ソフトにより2値化処理を行う。2値化処理が行われた画像において、第2の光吸収層を構成する結晶粒が認められる面積と、第1の光吸収層を構成する結晶粒が認められる面積とをそれぞれ求め、それらの面積の割合を求めることにより、第2の光吸収層の第1の光吸収層に対する被覆率(%)を算出した。なお、必要に応じ、二次電子像または反射電子像において、輪郭強調、明るさ、コントラストを調整すると、2値化処理前後の整合性を高めることができるので好適である。
[Coverage]
Using SEM (manufactured by JEOL Ltd., JSM-7001F), the buffer layer is scheduled to be formed in the normal direction at the central portion of the light absorption layer of the CIGS solar cells of Examples 1-7 and Comparative Examples 1-4. A secondary electron image or a backscattered electron image is photographed at a magnification of 10,000 from the side. The electronic image is visually divided into crystal grains constituting the first light absorption layer and crystal grains constituting the second light absorption layer, and binarization processing is performed by image processing software. In the binarized image, the area where the crystal grains constituting the second light absorption layer are recognized and the area where the crystal grains constituting the first light absorption layer are found, respectively, By calculating the area ratio, the coverage ratio (%) of the second light absorption layer to the first light absorption layer was calculated. Note that it is preferable to adjust the contour enhancement, brightness, and contrast in the secondary electron image or the reflected electron image as necessary, because the consistency before and after the binarization process can be improved.
上記の結果より、実施例1〜7は、変換効率が13%以上の高い値を示していることがわかる。一方、第2の光吸収層4bを形成しなかった比較例1は、変換効率が9.0%であった。また、第2の光吸収層4bの、第1の光吸収層4aに対する被覆率が本発明で規定する範囲外である比較例2〜4は、実施例品に比べて低い変換効率を示していた。
From the above results, it can be seen that Examples 1 to 7 show a high conversion efficiency of 13% or more. On the other hand, Comparative Example 1 in which the second
本発明のCIGS太陽電池は、薄型でありながら変換効率が極めて高いため、大面積化して設置するだけでなく、耐荷重が低いスペース、または曲面が必要なスペースに設置することにも適している。 Since the CIGS solar cell of the present invention is thin and has very high conversion efficiency, it is suitable not only for installation with a large area but also for installation in a space with a low load resistance or a curved surface. .
1 基板
3 裏面電極層
4 CIGS光吸収層
4a 第1の光吸収層
4b 第2の光吸収層
5 バッファ層
6 透明電極層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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---|---|---|---|---|
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2015
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