JP2017017047A - 酸化物透明導電膜積層体、光電変換素子、および光電変換素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】インライン式スパッタリング法により、酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなる、第1の酸化物透明導電膜8を光電変換層7側に形成し、その上に、酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなる、第2の酸化物透明導電膜9を光電変換層7とは異なる側に形成する。第1の酸化物透明導電膜8と第2の酸化物透明導電膜9とにより構成される、酸化物透明導電膜積層体10は、透明電極12として機能する。
【選択図】図2
Description
酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなり、前記光電変換層側に形成される、第1の酸化物透明導電膜と、
酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなり、第1の酸化物透明導電膜の上に積層され、かつ、前記光電変換層側とは異なる側に形成される、第2の酸化物透明導電膜と、
を備えることを特徴とする。
前記光電変換層を基板として搬送し、
基板として搬送中の前記光電変換層の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなる、第1の酸化物透明導電膜を形成し、
基板として搬送中の前記光電変換層の上に形成された第1の酸化物透明導電膜の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなる、第2の酸化物透明導電膜を形成して、
前記光電変換層の上に、該光電変換層側に形成された第1の酸化物透明導電膜と、第1の酸化物透明導電膜の上に形成された第2の酸化物透明導電膜とを備える酸化物透明導電膜積層体が、前記透明電極として形成された光電変換素子を得る、
工程を含むことを特徴とする。
前記透明基板を搬送し
搬送中の前記透明基板の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなる、第2の酸化物透明導電膜を形成し、
搬送中の前記透明基板の上に形成された第2の酸化物透明導電膜の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなる、第1の酸化物透明導電膜を形成し、
第1の酸化物透明導電膜の上に、前記光電変換層を形成して、
該光電変換層側に形成された第1の酸化物透明導電膜と、前記光電変換層と異なる側に形成された第2の酸化物透明導電膜とを備える酸化物透明導電膜積層体が前記透明電極として形成されている光電変換素子を得る、
工程を含むことを特徴とする。
最初に、本発明の酸化物透明導電膜積層体を形成するために好適に用いられるインライン式スパッタリング法と、このインライン式スパッタリング法を用いたチタン含有酸化インジウム(ITiO)膜の特性との関係について、本発明の前提として説明する。
以下、本発明に係る、酸化物透明導電膜積層体、太陽電池を含む光電変換素子、および光電変換素子の製造方法について、特に本発明を太陽電池に適用することを前提にして、順次詳細に説明する。ただし、本発明は、太陽電池に限られず、さまざまな光電変換素子に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る酸化物透明導電膜積層体の2つの例を、図2および図3に示す。
次に、本発明の光電変換素子について、代表例として太陽電池を中心に詳細に説明する。図4〜図6は、本発明の実施形態の太陽電池の3つの例を示す。本発明の実施形態の一例に係る太陽電池は、光電変換層7および透明電極12を少なくとも備え、透明電極12として、本発明の酸化物透明導電膜積層体10を用いていることを特徴としている。
次に、本発明の光電変換素子の製造方法について、代表例として太陽電池の製造方法を中心に詳細に説明する。本発明の光電変換層および透明電極を少なくとも備える太陽電池の製造方法は、この透明電極として、インライン式スパッタリング法を用いて、次述する工程によって、本発明の酸化物透明導電膜積層体を形成する点に特徴がある。
図7は、本発明の光電変換層7(図2参照)および酸化物透明導電膜積層体10を少なくとも備える光電変換素子(太陽電池)の製造方法の第1態様を示す。この第1態様においては、光電変換層7の上に透明電極12となる酸化物透明導電膜積層体10(図2参照)をインライン式スパッタリング法で形成する。この際、光電変換層7を基板1として搬送し、搬送中の基板1(光電変換層7)の表面に、第1の酸化物透明導電膜8と第2の酸化物透明導電膜9を順次積層する。
図8は、本発明の光電変換層7(図4参照)および透明電極12を少なくとも備える光電変換素子(太陽電池)の製造方法の第2態様を示す。この第2態様においては、光電変換層7に代替して透明基板11を基板1として搬送し、搬送中の基板1(透明基板11)の上に透明電極12となる酸化物透明導電膜積層体10(図4参照)をインライン式スパッタリング法で形成する。この際、基板1(透明基板11)の表面に、第2の酸化物透明導電膜9と第1の酸化物透明導電膜8を順次積層する。
「静止対抗成膜(基板加熱あり)によるITiO膜の作製と評価」
(1)ITiO膜の作製
本発明との比較を目的として、透明電極を構成する酸化物透明導電膜としてのITiO膜を、インライン式スパッタリング装置を用いて、ITiOターゲットの直上にガラス基板を配置し、ガラス基板を搬送することなく、静止対抗成膜によって作製した。
「静止対抗成膜(基板加熱なし)によるITiO膜の作製と評価」
表1の参考例1〜16において、成膜時の加熱を全く行わなかったこと以外は、すべて同様の条件および方法で透明導電膜を作製して評価を行った。
「静止対抗成膜(ロータリカソードを用いた場合)によるITiO膜の作製と評価」
参考例1〜16と同じ組成の円筒形ターゲットをロータリーカソードとして用いたこと以外は、すべて同じ条件にて、ITiO膜を作製して、その評価を行った。
「静止対抗成膜(基板加熱あり)によるITO膜の作製と評価」
ターゲットをITiO焼結体からITO焼結体(参考例19〜25、29〜37)もしくはIO焼結体(参考例26〜28)に変更したこと以外は、成膜中の酸素混合量の決め方も含めて、参考例1〜16と同様の方法で膜を作製し評価した。
「静止対抗成膜(基板加熱なし)によるITO膜の作製」
参考例19〜37において、成膜時の加熱をまったく行わなかったこと以外は、すべて同様の条件および方法で透明導電膜を作製して評価を行ったところ、参考例19〜37と同様の傾向を示した。
「静止対抗成膜(ロータリーカソードを用いた場合)によるITO膜の作製と評価」
参考例19〜37のそれぞれと同じ組成の焼結体の円筒形ターゲット(ロータリーカソード)を用いたこと以外は、すべて同じ条件にてITO膜を作製して、評価を行ったが、参考例19〜37と同様の傾向を示した。
本発明の酸化物透明導電膜積層体は、第1の酸化物透明導電膜として、参考例23のITO膜を用い、第2の酸化物透明導電膜として、参考例5のITiO膜を用いた。図10に示す構造の薄膜太陽電池を、本発明の酸化物透明導電膜積層体10を用いて形成した。
第1の酸化物透明導電膜を設けずに、光電変換層7の表面に、第2の酸化物透明導電膜のみを、膜厚の120nmだけ形成したこと以外は、実施例1とすべて同じ条件で薄膜太陽電池を作製した。
太陽電池特性の評価は、得られた太陽電池に、ソーラーシミュレーターでAM−1の光を照射したときの電圧−電流特性を測定し、短絡電流(Isc)、開放端電圧(Voc)、曲線因子(FF)、および光電変換効率(η)を測定し、相対比較することにより行なった。
実施例1における第1の酸化物透明導電膜8と第2の酸化物透明導電膜9の膜厚を変更した(実施例2:膜厚3nm、実施例3:膜厚40nm、実施例4:膜厚60nm)こと以外は、実施例1と同様に、薄膜太陽電池を作製し、評価した。同様に、それぞれの結果を、比較例1で得られた値を1.00として相対値に換算し、表3に示した。
本発明の酸化物透明導電膜積層体を用いた実施例2〜4の薄膜太陽電池は、光電変換層の表面に導電性の良好なITO膜からなる第1の酸化物透明導電膜が形成されており、比較例1と比べて曲線因子(FF)が増加して、変換効率(η)は高くなった。曲線因子(FF)の増加は、実施例2〜4において、比較例1との比較で、「光電変換層/透明電極」の抵抗損失が減少したことによるものと考えられる。
実施例5〜9として、実施例1における第1の酸化物透明導電膜8と第2の酸化物透明導電膜9の成膜条件(全圧、ターゲット基板間距離)、膜種類、および膜厚を変更したこと以外は、実施例1と同様に、薄膜太陽電池を作製した。なお、この際、第1の酸化物透明導電膜8を、光電変換層7側に形成した。
実施例5〜9の薄膜太陽電池は、比較例2〜6と比べて、それぞれ曲線因子(FF)が増加して、変換効率(η)が改善されていることが理解される。曲線因子(FF)の増加は「光電変換層/透明電極」の抵抗損失が減少したことによるものと考えられる。
比較例7として、第2の酸化物透明導電(ITiO)膜を用いずに、第1の酸化物透明導電(ITO)膜のみを、実施例1の総膜厚(120nm)と同じ膜厚だけ形成したこと以外は、実施例1と同様の方法で、薄膜太陽電池を作製した。
第1の酸化物透明導電(ITO)膜のみを形成した比較例7の薄膜太陽電池は、第2の酸化物透明導電(ITiO)膜のみを形成した比較例1と比べて、曲線因子(FF)が増加しているが、短絡電流(Isc)と開放電圧(Voc)の減少により変換効率(η)は低くなった。曲線因子(FF)の増加は「光電変換層/透明電極」の抵抗損失が減少したことによると考えられるが、短絡電流(Isc)と開放電圧(Voc)の減少は、光電変換層に入射する赤外光量が減少したためであると考えられる。また、比較例7の薄膜太陽電池は、実施例1〜4の薄膜太陽電池と比べても、短絡電流(Isc)と開放電圧(Voc)が減少しており、これによって変換効率(η)は低くなった。短絡電流(Isc)と開放電圧(Voc)が減少しているのは、同様に、光電変換層に入射する赤外光量が減少したからであると考えられる。
アモルファス薄膜シリコンと単結晶シリコンからなるハイブリッド系の光電変換層の上に、透明電極として、実施例1と同じ構成の酸化物透明導電膜積層体を、実施例1と同様に形成して、ハイブリッド太陽電池を作製した。
CuInSe2、GaAs、CdTeなどの化合物半導体からなる光電変換層の上に、透明電極として、実施例1と同じ構成の酸化物透明導電膜積層体を、実施例1と同様に形成して、化合物薄膜太陽電池を作製した。
2 ターゲット
3、3a スパッタ粒子
4 ターゲット基板間距離
5 ITOターゲット
6 ITiOターゲット
7 光電変換層
8 第1の酸化物透明導電膜(ITO膜・IO膜)
9 第2の酸化物透明導電膜(ITiO膜)
10 酸化物透明導電膜積層体(透明電極)
11 ガラス基板(透明基板)
12 表側(受光部側)透明電極
13 P層
14 I層
15 N層
16 裏側透明電極膜(接触改善層)
17 裏面電極
18 p型半導体の光吸収層
19 半導体の中間層
20 窓層
21 ターゲットの中心
22 基板表面のターゲットの中心の直上にある位置
23 基板表面のうちターゲットの中心の直上から15cm離れた位置
24 バリア層
Claims (9)
- 光電変換層および透明電極を少なくとも備える光電変換素子において、前記透明電極として用いられる酸化物透明導電膜積層体であって、
該酸化物透明導電膜積層体は、
酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなり、前記光電変換層側に形成される、第1の酸化物透明導電膜と、
酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなり、第1の酸化物透明導電膜の上に積層され、かつ、前記光電変換層とは異なる側に形成される、第2の酸化物透明導電膜と、
を備える、酸化物透明導電膜積層体。 - 第1の酸化物透明導電膜の膜厚が3nm〜60nmの範囲にあり、かつ、前記酸化物透明導電膜積層体の膜厚が70nm〜140nmの範囲にある、請求項1に記載の酸化物透明導電膜積層体。
- 第1の酸化物透明導電膜および第2の酸化物透明導電膜が、いずれも結晶膜である、請求項1または2に記載の酸化物透明導電膜積層体。
- 第1の酸化物透明導電膜および第2の酸化物透明導電膜が、スパッタリング法により形成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物透明導電膜積層体。
- 前記スパッタリング法が、インライン式スパッタリング法である、請求項4に記載の酸化物透明導電膜積層体。
- 光電変換層および透明電極を少なくとも備え、該透明電極として、請求項1〜5のいずれかに記載の酸化物透明導電膜積層体が用いられている、光電変換素子。
- 前記光電変換層に、シリコン系半導体もしくは化合物半導体が用いられている、請求項6に記載の光電変換素子。
- 光電変換層および透明電極を少なくとも備える光電変換素子の製造方法であって、
前記光電変換層を基板として搬送し、
基板として搬送中の前記光電変換層の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなる、第1の酸化物透明導電膜を形成し、
基板として搬送中の前記光電変換層の上に形成された第1の酸化物透明導電膜の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなる、第2の酸化物透明導電膜を形成して、
前記光電変換層の上に、該光電変換層側に形成された第1の酸化物透明導電膜と、第1の酸化物透明導電膜の上に形成された第2の酸化物透明導電膜とを備える酸化物透明導電膜積層体が、前記透明電極として形成された光電変換素子を得る、
工程を備える、光電変換素子の製造方法。 - 透明基板、光電変換層および透明電極を少なくとも備える光電変換素子の製造方法であって、
前記透明基板を搬送し
搬送中の前記透明基板の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウムを主成分として、チタンをTi/(In+Ti)の原子数比で0.5〜3.5原子%の割合で含む、チタン含有酸化インジウムからなる、第2の酸化物透明導電膜を形成し、
搬送中の前記透明基板の上に形成された第2の酸化物透明導電膜の上に、インライン式スパッタリング法により、酸化インジウム、または、酸化インジウムを主成分として、スズをSn/(In+Sn)の原子数比で19原子%以下の割合で含む、スズ含有酸化インジウムからなる、第1の酸化物透明導電膜を形成し、
第1の酸化物透明導電膜の上に、前記光電変換層を形成して、
該光電変換層側に形成された第1の酸化物透明導電膜と、前記光電変換層と異なる側に形成された第2の酸化物透明導電膜とを備える酸化物透明導電膜積層体が前記透明電極として形成されている光電変換素子を得る、
工程を備える、光電変換素子の製造方法。
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