JP2017183549A - Light absorption layer, compound thin film solar cell, manufacturing method of light absorption layer, and manufacturing method of compound thin film solar cell - Google Patents

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薫 古田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light absorption layer capable of improving photoelectric conversion efficiency, a compound thin film solar cell, a manufacturing method of the light absorption layer, and a manufacturing method of the compound thin film solar cell.SOLUTION: The present invention relates to a light absorption layer 13 containing five elements of Cu, Zn, Sn, S and Se and used for a compound thin film solar cell 10. A rate of change of an S concentration in a film thickness direction of the light absorption layer 13 is 10% or less, and a rate of change of an Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is 10% or more and 30% or less. The Se concentration is increased from a surface directed to a back electrode 12 of the compound thin film solar cell 10 among surfaces that the light absorption layer 13 has, to a surface directed to a surface electrode 17 of the compound thin film solar cell 10, and a composition of the entire light absorption layer 13 satisfies 0.98≤(S+Se)/(Cu+Zn+Sn).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、CZTS系の化合物半導体からなる光吸収層、この光吸収層を備えた化合物薄膜太陽電池、光吸収層の製造方法、および、化合物薄膜太陽電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a light absorption layer made of a CZTS-based compound semiconductor, a compound thin film solar cell including the light absorption layer, a method for manufacturing the light absorption layer, and a method for manufacturing the compound thin film solar cell.

CZTS系化合物薄膜太陽電池は、CZTS系(CuZnSnS、CuZnSnSe、CuZnSn(S,Se)等)の化合物半導体層を光吸収層として備えている。光吸収層は、例えば、光吸収層の構成元素を含む前駆体層に対し、硫化やセレン化を伴う熱処理が行われることによって形成される。前駆体層は、例えば、スパッタリングや、CZTS系の化合物からなるナノサイズの微粒子を含むインクの塗工によって形成される(特許文献1,2参照)。 The CZTS-based compound thin film solar cell includes a CZTS-based compound semiconductor layer (Cu 2 ZnSnS 4 , Cu 2 ZnSnSe 4 , Cu 2 ZnSn (S, Se) 4, etc.) as a light absorption layer. The light absorption layer is formed, for example, by subjecting a precursor layer containing a constituent element of the light absorption layer to a heat treatment involving sulfidation or selenization. The precursor layer is formed by, for example, sputtering or coating of ink containing nano-sized fine particles made of a CZTS-based compound (see Patent Documents 1 and 2).

こうしたCZTS系化合物薄膜太陽電池は、工業生産が進められているCIGS系(CuInGaSe等)化合物薄膜太陽電池と比較して、光吸収層に希少金属を使用しないため、製造に要するコストの低減が可能である。それゆえ、次世代の太陽電池として、CZTS系化合物薄膜太陽電池の研究開発が活性化している。なかでも、CZTS系化合物薄膜太陽電池における光電変換効率の向上は、最も重要な課題である。例えば、特許文献1には、光吸収層における、Cu/(Zn+Sn)比、および、Zn/Sn比を制御することによって、光電変換効率の向上が可能であることが開示されている。 Such CZTS-based compound thin film solar cells do not use rare metals in the light absorption layer compared to CIGS-based (CuInGaSe 2 etc.) compound thin-film solar cells that are being industrially produced. Is possible. Therefore, research and development of CZTS-based compound thin film solar cells are being activated as next-generation solar cells. Especially, improvement of the photoelectric conversion efficiency in a CZTS type compound thin film solar cell is the most important subject. For example, Patent Document 1 discloses that the photoelectric conversion efficiency can be improved by controlling the Cu / (Zn + Sn) ratio and the Zn / Sn ratio in the light absorption layer.

特開2010−215497号公報JP 2010-215497 A 国際公開第2013/047461号International Publication No. 2013/047461

しかしながら、CZTS系化合物薄膜太陽電池の光電変換効率を変化させるメカニズムは完全には解明されておらず、光電変換効率に影響を与える因子について十分な知見が得られているとは言い難い。例えば、光吸収層には、Cu、Zn、Snといった金属元素に加えて、SやSeといったカルコゲン元素が含まれている。そして、これらのカルコゲン元素の組成分布が光電変換効率に与える影響も、解析が望まれる事項の1つである。   However, the mechanism of changing the photoelectric conversion efficiency of the CZTS-based compound thin film solar cell has not been completely elucidated, and it is difficult to say that sufficient knowledge about factors affecting the photoelectric conversion efficiency has been obtained. For example, the light absorption layer contains a chalcogen element such as S or Se in addition to a metal element such as Cu, Zn, or Sn. The influence of the composition distribution of these chalcogen elements on the photoelectric conversion efficiency is also one of the items that are desired to be analyzed.

本発明は、光電変換効率を高めることのできる光吸収層、化合物薄膜太陽電池、光吸収層の製造方法、および、化合物薄膜太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the light absorption layer which can improve a photoelectric conversion efficiency, a compound thin film solar cell, a light absorption layer, and a compound thin film solar cell.

上記課題を解決する光吸収層は、Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含み、化合物薄膜太陽電池に用いられる光吸収層であって、前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記光吸収層の有する面のうち、前記化合物薄膜太陽電池の裏面電極に向けられる面から、前記化合物薄膜太陽電池の表面電極に向けられる面に向けて大きくなり、前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。
The light absorption layer that solves the above-mentioned problem is a light absorption layer that includes five elements of Cu, Zn, Sn, S, and Se, and is used in a compound thin film solar cell, and the film thickness direction of the light absorption layer The change rate of each atomic concentration of S concentration and Se concentration in the film is represented by Rmax as the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction, Rmin as the minimum value of the atomic concentration in the film thickness direction, and Rr as the change rate of the atomic concentration. When expressed by the following formula (1):
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The change rate of the S concentration is 10% or less, the change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is the compound thin film among the surfaces of the light absorption layer. From the surface directed to the back electrode of the solar cell, the surface increases to the surface directed to the surface electrode of the compound thin film solar cell, and the composition of the entire light absorption layer is 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn). Fulfill.

上記課題を解決する化合物薄膜太陽電池は、裏面電極と、表面電極と、前記裏面電極と前記表面電極との間に位置する光吸収層であって、Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む前記光吸収層と、を備え、前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記裏面電極から前記表面電極に向かう方向に沿って大きくなり、前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。
The compound thin film solar cell that solves the above problems is a back electrode, a front electrode, and a light absorption layer located between the back electrode and the front electrode, and includes Cu, Zn, Sn, S, and Se. A light absorption layer containing the five elements, and a change rate of each atomic concentration of the S concentration and Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer, and a maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax. When the minimum value of atomic concentration in the film thickness direction is represented by Rmin and the change rate of the atomic concentration is represented by Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The change rate of the S concentration is 10% or less, the change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is along the direction from the back electrode to the front electrode. The composition of the entire light absorbing layer satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn).

上記課題を解決する光吸収層の製造方法は、Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む光吸収層であって、化合物薄膜太陽電池に用いられる前記光吸収層の前駆体層を、前記光吸収層に含まれる元素を含む化合物からなる微粒子を含むインクの塗工によって形成する前駆体層形成工程と、前記前駆体層を加熱することによって前記光吸収層を形成する熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程にて形成される前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記光吸収層の有する面のうち、前記化合物薄膜太陽電池の裏面電極に向けられる面から、前記化合物薄膜太陽電池の表面電極に向けられる面に向けて大きくなり、前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。
The manufacturing method of the light absorption layer which solves the said subject is a light absorption layer containing five elements, Cu, Zn, Sn, S, and Se, Comprising: The precursor of the said light absorption layer used for a compound thin film solar cell A precursor layer forming step of forming a body layer by applying an ink containing fine particles comprising a compound containing an element contained in the light absorbing layer; and heating the precursor layer to form the light absorbing layer. A change rate of each atomic concentration of S concentration and Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer formed in the heat treatment step, and a maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax. When the minimum value of atomic concentration in the film thickness direction is represented by Rmin and the change rate of the atomic concentration is represented by Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The change rate of the S concentration is 10% or less, the change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is the compound thin film among the surfaces of the light absorption layer. From the surface directed to the back electrode of the solar cell, the surface increases to the surface directed to the surface electrode of the compound thin film solar cell, and the composition of the entire light absorption layer is 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn). Fulfill.

上記課題を解決する化合物薄膜太陽電池の製造方法は、Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む光吸収層の前駆体層を、前記光吸収層に含まれる元素を含む化合物からなる微粒子を含むインクの塗工によって裏面電極上に形成する前駆体層形成工程と、前記前駆体層を加熱することによって前記光吸収層を形成する熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程にて形成される前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記裏面電極から離れる方向に沿って大きくなり、前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。
The manufacturing method of the compound thin film solar cell which solves the said subject contains the element contained in the said light absorption layer the precursor layer of the light absorption layer containing five elements, Cu, Zn, Sn, S, and Se A precursor layer forming step for forming on the back electrode by applying an ink containing fine particles of a compound, and a heat treatment step for forming the light absorption layer by heating the precursor layer, the heat treatment step The change rate of each atomic concentration of S concentration and Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer formed by the above, the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction is Rmax, and the atomic concentration minimum in the film thickness direction When the value is represented by Rmin and the change rate of the atomic concentration is represented by Rr, the following formula (1):
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The change rate of the S concentration is 10% or less, the change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration increases along a direction away from the back electrode, The composition of the entire light absorption layer satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn).

上記構成によれば、光吸収層のバンドギャップが、その膜厚方向に沿って、裏面電極から表面電極に向かう方向に徐々に小さくなるため、この光吸収層を備える化合物薄膜太陽電池では、光吸収層にて励起された電子の収集効率が高まる。また、光吸収層におけるカルコゲン元素の割合が十分に確保されるため、光吸収層がp型半導体として良好に機能する。それゆえ、化合物薄膜太陽電池における光電変換効率が高められる。   According to the above configuration, the band gap of the light absorption layer gradually decreases in the direction from the back electrode to the front electrode along the film thickness direction. The collection efficiency of the electrons excited in the absorption layer is increased. Moreover, since the ratio of the chalcogen element in the light absorption layer is sufficiently secured, the light absorption layer functions well as a p-type semiconductor. Therefore, the photoelectric conversion efficiency in the compound thin film solar cell is increased.

上記光吸収層において、前記光吸収層全体の組成は、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)≦1.15を満たすことが好ましい。   In the light absorption layer, the composition of the entire light absorption layer preferably satisfies (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ≦ 1.15.

上記構成によれば、光吸収層におけるバッファ層と接合する面にSやSeが偏析することが抑えられるため、光吸収層とバッファ層とによって良好なpn接合が形成される。したがって、この光吸収層を備える化合物薄膜太陽電池にて光電変換効率がより高められる。   According to the above configuration, since segregation of S and Se on the surface of the light absorption layer that joins the buffer layer is suppressed, a good pn junction is formed by the light absorption layer and the buffer layer. Therefore, the photoelectric conversion efficiency is further increased in the compound thin film solar cell including this light absorption layer.

上記光吸収層の製造方法において、前記熱処理工程では、硫黄とセレンとを含む雰囲気下で熱処理を行い、0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たすように、前記雰囲気に硫黄とセレンとを導入することが好ましい。   In the manufacturing method of the light absorption layer, in the heat treatment step, heat treatment is performed in an atmosphere containing sulfur and selenium, and sulfur and sulfur are contained in the atmosphere so as to satisfy 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦ 0.67. It is preferable to introduce selenium.

上記方法によれば、S濃度とSe濃度とについて上記条件を満たす光吸収層の形成を好適に行うことができる。 According to the above method, it is possible to suitably form a light absorption layer that satisfies the above conditions for the S concentration and the Se concentration.

本発明によれば、化合物薄膜太陽電池における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 in a compound thin film solar cell can be improved.

化合物薄膜太陽電池の一実施形態について、化合物薄膜太陽電池の全体構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the whole structure of a compound thin film solar cell about one Embodiment of a compound thin film solar cell. 一実施形態の化合物薄膜太陽電池および従来の化合物薄膜太陽電池について、バッファ層および光吸収層のエネルギーバンドの一例を示すバンド構造図。The band structure figure which shows an example of the energy band of a buffer layer and a light absorption layer about the compound thin film solar cell of one Embodiment, and the conventional compound thin film solar cell. 一実施形態の化合物薄膜太陽電池および参考例の化合物薄膜太陽電池について、バッファ層および光吸収層のエネルギーバンドの一例を示すバンド構造図。The band structure figure which shows an example of the energy band of a buffer layer and a light absorption layer about the compound thin film solar cell of one Embodiment and the compound thin film solar cell of a reference example. 実施例1の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of Example 1 with a composition analysis area | region. 実施例2の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of Example 2 with a composition analysis area | region. 実施例3の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of Example 3 with a composition analysis area | region. 比較例1の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of the comparative example 1 with a composition analysis area | region. 比較例2の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of the comparative example 2 with a composition analysis area | region. 比較例3の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を、組成分析領域とともに示す図。The figure which shows the SEM image of the cross section in the compound thin film solar cell of the comparative example 3 with a composition analysis area | region.

図1を参照して、光吸収層、化合物薄膜太陽電池、光吸収層の製造方法、および、化合物薄膜太陽電池の製造方法の一実施形態について説明する。   With reference to FIG. 1, one embodiment of a light absorption layer, a compound thin film solar cell, a method for manufacturing a light absorption layer, and a method for manufacturing a compound thin film solar cell will be described.

[化合物薄膜太陽電池の構成]
図1が示すように、化合物薄膜太陽電池10は、基板11、裏面電極12、光吸収層13、バッファ層14、半絶縁層15、窓層16、および、表面電極17を備えている。そして、基板11に近い位置から順に、裏面電極12、光吸収層13、バッファ層14、半絶縁層15、窓層16、および、表面電極17が、基板11の上に位置している。
[Configuration of Compound Thin Film Solar Cell]
As shown in FIG. 1, the compound thin-film solar cell 10 includes a substrate 11, a back electrode 12, a light absorption layer 13, a buffer layer 14, a semi-insulating layer 15, a window layer 16, and a surface electrode 17. The back electrode 12, the light absorption layer 13, the buffer layer 14, the semi-insulating layer 15, the window layer 16, and the surface electrode 17 are located on the substrate 11 in order from the position close to the substrate 11.

基板11としては、例えば、ガラス基板、金属板、プラスチックフィルム等が用いられる。   As the substrate 11, for example, a glass substrate, a metal plate, a plastic film, or the like is used.

裏面電極12は、例えば、Mo(モリブデン)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Ti(チタン)、Fe(鉄)、Al(アルミニウム)、チタニア、ステンレス等から構成される。あるいは、裏面電極12の構成材料は、カーボンやグラフェン等の炭素から構成される材料であってもよいし、ITO(Indium Tin Oxide)や、ZnO等の導電性を有する透明な金属酸化物であってもよい。   The back electrode 12 is made of, for example, Mo (molybdenum), Ni (nickel), Cu (copper), Ti (titanium), Fe (iron), Al (aluminum), titania, stainless steel, or the like. Alternatively, the constituent material of the back electrode 12 may be a material composed of carbon such as carbon or graphene, or may be a transparent metal oxide having conductivity such as ITO (Indium Tin Oxide) or ZnO. May be.

光吸収層13は、p型化合物半導体の1つであるCZTS系の化合物半導体、すなわちCZTS半導体から構成されている。CZTS半導体は、IB−(IIB−IVB)−VIB族の化合物半導体であり、光吸収層13は、IB族(11族)のCu、IIB族(12族)のZn(亜鉛)、IVB族(14族)のSn(スズ)、VIB族(16族)のS(硫黄)、および、VIB族(16族)のSe(セレン)の5つの元素を含む。 The light absorption layer 13 is composed of a CZTS-based compound semiconductor that is one of p-type compound semiconductors, that is, a CZTS semiconductor. The CZTS semiconductor is a IB 2- (IIB-IVB) -VIB group 4 compound semiconductor, and the light absorption layer 13 is composed of group IB (group 11) Cu, group IIB (group 12) Zn (zinc), IVB. It includes five elements of Sn (tin) of Group (Group 14), S (sulfur) of Group VIB (Group 16), and Se (selenium) of Group VIB (Group 16).

光吸収層13の膜厚方向におけるS濃度(原子%)の変化率RSrは、10%以下である。また、光吸収層13の膜厚方向におけるSe濃度(原子%)の変化率RSerは、10%以上30%以下である。   The rate of change RSr of the S concentration (atomic%) in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is 10% or less. Moreover, the change rate RSer of Se concentration (atomic%) in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is 10% or more and 30% or less.

S濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率は、光吸収層13の膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、光吸収層13の膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、変化率をRrとするとき、下記式(1)で表される。
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
As for the change rate of each atomic concentration of S concentration and Se concentration, the maximum value of atomic concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is Rmax, the minimum value of atomic concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is Rmin, and the change rate. Is represented by the following formula (1).
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)

すなわち、光吸収層13の膜厚方向におけるS濃度の変化率RSrは、光吸収層13の膜厚方向におけるS濃度の最大値をRSmx、光吸収層13の膜厚方向におけるS濃度の最小値をRSmnとして、下記式(2)で表される。なお、S濃度は、光吸収層13における組成分析の対象領域に含まれる元素の総原子数に対するS総原子数の割合を百分率で示した値である。
RSr=(RSmx÷RSmn−1)×100・・・式(2)
That is, the change rate RSr of the S concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is RSmx, the maximum value of the S concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13, and the minimum value of the S concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 Is represented by the following formula (2). The S concentration is a value indicating the ratio of the total number of S atoms to the total number of atoms of the elements included in the target region of the composition analysis in the light absorption layer 13 as a percentage.
RSr = (RSmx ÷ RSmn−1) × 100 (2)

光吸収層13の膜厚方向におけるS濃度の変化の方向は特に限定されず、S濃度は、裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなってもよいし、小さくなってもよいし、膜厚方向の中央部分で最大もしくは最小となってもよい。   The direction of change in the S concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is not particularly limited, and the S concentration may increase or decrease along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17. However, it may be maximum or minimum at the central portion in the film thickness direction.

また、光吸収層13の膜厚方向におけるSe濃度の変化率RSerは、光吸収層13の膜厚方向におけるSe濃度の最大値をRSemx、光吸収層13の膜厚方向におけるSe濃度の最小値をRSemnとして、下記式(3)で表される。なお、Se濃度は、光吸収層13における組成分析の対象領域に含まれる元素の総原子数に対するSe総原子数の割合を百分率で示した値である。
RSer=(RSemx÷RSemn−1)×100・・・式(3)
The Se concentration change rate RSer in the film thickness direction of the light absorption layer 13 is RSemx, which is the maximum value of Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13, and the minimum value of Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer 13. Is represented by the following formula (3). The Se concentration is a value indicating the percentage of the total number of Se atoms with respect to the total number of atoms of elements included in the composition analysis target region in the light absorption layer 13 as a percentage.
RSer = (RSemx ÷ RSem−1) × 100 (3)

Se濃度は、光吸収層13において、裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って、すなわち、裏面電極12から離れる方向に、バッファ層14に向けて大きくなる。換言すれば、Se濃度は、光吸収層13の有する面のうち、裏面電極12に向けられる面から、表面電極17に向けられる面に向けて大きくなる。   In the light absorption layer 13, the Se concentration increases toward the buffer layer 14 along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17, that is, in the direction away from the back electrode 12. In other words, the Se concentration increases from the surface of the light absorption layer 13 toward the surface electrode 17 from the surface directed toward the back electrode 12.

S濃度の最大値RSmxおよび最小値RSmnと、Se濃度の最大値RSemxおよび最小値RSemnとは、光吸収層13にて、膜厚方向の位置が異なる複数の領域について組成分析が行われることによって求められる。組成分析の結果、求められた各領域のS濃度のうちの最大値が最大値RSmxであり、最小値が最小値RSmnである。また、組成分析の結果、求められた各領域のSe濃度のうちの最大値が最大値RSemxであり、最小値が最小値RSemnである。   The maximum value RSmx and the minimum value RSmn of the S concentration and the maximum value RSemx and the minimum value RSemn of the Se concentration are obtained by performing composition analysis on a plurality of regions having different positions in the film thickness direction in the light absorption layer 13. Desired. As a result of the composition analysis, the maximum value of the obtained S concentrations in each region is the maximum value RSmx, and the minimum value is the minimum value RSmn. In addition, as a result of the composition analysis, the maximum value of the Se concentrations obtained in each region is the maximum value RSemx, and the minimum value is the minimum value RSemn.

組成分析は、研磨した光吸収層13の断面に対して、走査電子顕微鏡(SEM)を用いたエネルギー分散型X線分光法(EDS)によって行われる。組成分析の対象となる領域である組成分析領域は、光吸収層13の上記断面を膜厚方向に均等に分割した各領域の全部もしくは一部である。例えば、光吸収層13の上記断面が3分割され、これら3つの領域の各々が組成分析領域であるか、もしくは、これら3つの領域の各々の一部が組成分析領域であり、3つの領域の各々に対して1つずつの組成分析領域が設定される。具体的には、組成分析領域は、光吸収層13の上記断面と対向する方向から見て、膜厚方向に100nm以上の大きさを有する矩形領域であればよい。なお、Se濃度が裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなるとは、各組成分析領域におけるSe濃度が、組成分析領域の並ぶ順に、裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなることを指す。   The composition analysis is performed on the polished cross section of the light absorption layer 13 by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using a scanning electron microscope (SEM). The composition analysis region, which is a region to be subjected to composition analysis, is all or part of each region obtained by equally dividing the cross section of the light absorption layer 13 in the film thickness direction. For example, the cross section of the light absorption layer 13 is divided into three, and each of these three regions is a composition analysis region, or a part of each of these three regions is a composition analysis region, and the three regions One composition analysis region is set for each. Specifically, the composition analysis region may be a rectangular region having a size of 100 nm or more in the film thickness direction when viewed from the direction facing the cross section of the light absorption layer 13. The Se concentration increases along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17. The Se concentration in each composition analysis region is along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17 in the order in which the composition analysis regions are arranged. It means becoming bigger.

上述のように、光吸収層13の膜厚方向において、S濃度の変化率RSrは10%以下に低く抑えられる一方で、Se濃度は、その変化率RSerが10%以上30%以下となる範囲で変化し、かつ、裏面電極12からバッファ層14に向けて大きくなる。こうした構成によれば、下記の作用が生じる。   As described above, in the film thickness direction of the light absorption layer 13, the change rate RSr of S concentration is suppressed to 10% or less, while the Se concentration is a range in which the change rate RSer is 10% or more and 30% or less. And increases from the back electrode 12 toward the buffer layer 14. According to such a configuration, the following effects occur.

すなわち、図2のバンド構造図において破線で示すように、従来の光吸収層、すなわち、S濃度の変化率RSrとSe濃度の変化率RSerとが小さい光吸収層では、光吸収層のバンドギャップは、その膜厚方向に沿って、裏面電極からバッファ層に向けて一定の大きさで推移する。   That is, as shown by a broken line in the band structure diagram of FIG. 2, in the conventional light absorption layer, that is, in the light absorption layer having a small S concentration change rate RSr and a Se concentration change rate RSer, the band gap of the light absorption layer. Changes along the film thickness direction from the back electrode to the buffer layer with a certain size.

一方、本実施形態の光吸収層13では、図2のバンド構造図において実線で示すように、伝導帯下端のエネルギー準位Ecが、裏面電極12からバッファ層14に向けて、価電子帯上端のエネルギー準位Evよりも大きい変化率で低くなる。そのため、光吸収層13のバンドギャップは、その膜厚方向に沿って、裏面電極12からバッファ層14に向けて徐々に小さくなる。その結果、本実施形態の光吸収層13では、従来の光吸収層と比較して、光吸収層13で光励起された少数キャリアである電子が光吸収層13とバッファ層14とのpn接合界面に移動しやすく、光吸収層13と裏面電極12との界面におけるキャリアの再結合が抑えられるため、励起された電子の収集効率が高まる。   On the other hand, in the light absorption layer 13 of the present embodiment, as indicated by the solid line in the band structure diagram of FIG. 2, the energy level Ec at the lower end of the conduction band extends from the back electrode 12 toward the buffer layer 14 and the upper end of the valence band. It becomes low at the rate of change larger than the energy level Ev. Therefore, the band gap of the light absorption layer 13 gradually decreases from the back electrode 12 toward the buffer layer 14 along the film thickness direction. As a result, in the light absorption layer 13 of the present embodiment, electrons, which are minority carriers photoexcited in the light absorption layer 13, are compared with the conventional light absorption layer in the pn junction interface between the light absorption layer 13 and the buffer layer 14. Since the recombination of carriers at the interface between the light absorption layer 13 and the back electrode 12 is suppressed, the collection efficiency of excited electrons is increased.

また、光吸収層13全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。さらに、光吸収層13全体の組成は、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)≦1.15を満たすことが好ましい。   The composition of the entire light absorption layer 13 satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn). Furthermore, the composition of the entire light absorption layer 13 preferably satisfies (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ≦ 1.15.

(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比は原子比であり、光吸収層13におけるCuの原子%とZnの原子%とSnの原子%との総和に対するSの原子%とSeの原子%の総和の比を示す。光吸収層13全体における(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比は、研磨した光吸収層13の断面の全面に対してEDSによるマッピングを行ったデータから算出される。   The (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is an atomic ratio, and the ratio of the sum of atomic percent of S and atomic percent of Se to the sum of atomic percent of Cu, atomic percent of Zn and atomic percent of Sn in the light absorption layer 13 Indicates. The (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio in the entire light absorption layer 13 is calculated from data obtained by performing mapping by EDS on the entire cross section of the polished light absorption layer 13.

光吸収層13全体において(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が0.98以上であると、光吸収層13におけるカルコゲン元素の割合が過度に小さくならないため、光吸収層13にてドナーとなる空孔が増加することが抑えられ、p型半導体としての機能の低下が抑えられる。   If the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is 0.98 or more in the entire light absorption layer 13, the ratio of the chalcogen element in the light absorption layer 13 does not become excessively small. Is suppressed, and a decrease in function as a p-type semiconductor is suppressed.

また、光吸収層13における表面電極17に向けられる面、すなわち、バッファ層14と接合する面におけるSやSeの偏析が多いと、光吸収層13とバッファ層14とのヘテロ接合によるpn接合の形成が阻害される。これに対し、Se濃度の変化率RSerが30%以下に抑えられていることや、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が1.15以下に抑えられていることによって、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面にSeが偏析することが抑えられるため、良好なpn接合が形成される。   Further, if there is a large amount of segregation of S or Se on the surface facing the surface electrode 17 in the light absorption layer 13, that is, the surface bonded to the buffer layer 14, the pn junction due to the heterojunction between the light absorption layer 13 and the buffer layer 14 Formation is inhibited. On the other hand, the change rate RSer of Se concentration is suppressed to 30% or less, and the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is suppressed to 1.15 or less. Since segregation of Se on the surface to be bonded to 14 is suppressed, a good pn junction is formed.

また、S濃度の変化率RSrが10%以下に抑えられていることや、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が1.15以下に抑えられていることによって、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面にSが偏析することが抑えられる。さらに、Se濃度の変化率RSerが裏面電極12からバッファ層14に向けて大きくなることによって、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面の付近で相対的にS濃度が低くなるため、バッファ層14と接合する面にZnSの異相が形成されることが抑えられる。   Further, since the change rate RSr of the S concentration is suppressed to 10% or less, and the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is suppressed to 1.15 or less, the buffer layer 14 in the light absorption layer 13 and Segregation of S on the surfaces to be joined is suppressed. Furthermore, since the change rate RSer of Se concentration increases from the back electrode 12 toward the buffer layer 14, the S concentration is relatively lowered in the vicinity of the surface of the light absorption layer 13 that joins the buffer layer 14. Formation of a heterogeneous phase of ZnS on the surface bonded to the layer 14 is suppressed.

また、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面の付近でS濃度が高いと、図3のバンド構造図において破線で示すように、光吸収層13とバッファ層14とのpn接合部分で、バッファ層14の伝導帯下端のエネルギー準位Ecよりも光吸収層13の伝導帯下端のエネルギー準位Ecの方が高くなって、クリフ(Cliff)型のバンド構造が形成されやすくなる。この場合、光吸収層13とバッファ層14との界面部分で正孔と電子との再結合が生じやすくなり、pn接合部分でのリーク電流が増加するため、光電変換効率が低下する。それゆえ、図3のバンド構造図において実線で示すように、光吸収層13とバッファ層14とのpn接合部分では、バッファ層14の伝導帯下端のエネルギー準位Ecが、励起された電子の障壁とならない程度に、光吸収層13の伝導帯下端のエネルギー準位Ecよりも高い、スパイク(Spike)型のバンド構造が形成されることが好ましい。S濃度の変化率RSrが10%以下に抑えられていることや、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が1.15以下に抑えられていることによって、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面の付近でS濃度が高くなりすぎないため、こうしたバンド構造が実現されやすくなる。   Further, when the S concentration is high in the vicinity of the surface of the light absorption layer 13 where the buffer layer 14 is joined, as shown by the broken line in the band structure diagram of FIG. 3, the pn junction portion between the light absorption layer 13 and the buffer layer 14. The energy level Ec at the lower end of the conduction band of the light absorption layer 13 is higher than the energy level Ec at the lower end of the conduction band of the buffer layer 14, so that a Cliff type band structure is easily formed. In this case, recombination of holes and electrons is likely to occur at the interface portion between the light absorption layer 13 and the buffer layer 14, and the leakage current at the pn junction portion increases, so that the photoelectric conversion efficiency decreases. Therefore, as indicated by the solid line in the band structure diagram of FIG. 3, at the pn junction portion between the light absorption layer 13 and the buffer layer 14, the energy level Ec at the lower end of the conduction band of the buffer layer 14 is It is preferable to form a spike type band structure that is higher than the energy level Ec at the lower end of the conduction band of the light absorption layer 13 to the extent that it does not become a barrier. The S concentration change rate RSr is suppressed to 10% or less, and the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is suppressed to 1.15 or less, thereby joining the buffer layer 14 in the light absorption layer 13. Since the S concentration does not become too high in the vicinity of the surface, such a band structure is easily realized.

バッファ層14は、n型化合物半導体から構成されている。バッファ層14は、例えば、CdS、Zn(S,O,OH)、ZnS、ZnSe、In等から構成される。半絶縁層15は、i型化合物半導体から構成されている。半絶縁層15は、例えば、ZnO等の金属酸化物から構成される。窓層16は、n型化合物半導体から構成されている。窓層16は、例えば、Al、Ga(ガリウム)、B(ホウ素)等が添加されたZnO、あるいは、ITO等から構成される。 The buffer layer 14 is made of an n-type compound semiconductor. The buffer layer 14 is made of, for example, CdS, Zn (S, O, OH), ZnS, ZnSe, In 2 S 3 or the like. The semi-insulating layer 15 is made of an i-type compound semiconductor. The semi-insulating layer 15 is made of a metal oxide such as ZnO, for example. The window layer 16 is composed of an n-type compound semiconductor. The window layer 16 is made of, for example, ZnO to which Al, Ga (gallium), B (boron), or the like is added, or ITO.

表面電極17は、窓層16の上面のうちの一部に位置している。表面電極17は、例えば、AlやAg(銀)等の金属から構成される。あるいは、表面電極17の構成材料は、カーボンやグラフェン等の炭素から構成される材料であってもよいし、ITOやZnO等の導電性を有する透明な金属酸化物であってもよい。   The surface electrode 17 is located on a part of the upper surface of the window layer 16. The surface electrode 17 is comprised from metals, such as Al and Ag (silver), for example. Alternatively, the constituent material of the surface electrode 17 may be a material composed of carbon such as carbon or graphene, or may be a transparent metal oxide having conductivity such as ITO or ZnO.

なお、化合物薄膜太陽電池10は、上述した各層以外の層を有していてもよい。例えば、化合物薄膜太陽電池10は、窓層16の上に位置する反射防止層を備えていてもよい。反射防止層は、例えば、MgFから構成され、反射防止層の厚さは、100nm程度であることが好ましい。反射防止層は、化合物薄膜太陽電池10に入射する光の反射を抑えるため、化合物薄膜太陽電池10が反射防止層を備えることによって、光吸収層13は、より多くの光を吸収することができる。また、化合物薄膜太陽電池10は、裏面電極12と光吸収層13との間に、化合物薄膜太陽電池10の光電変換効率を高めるための組成を有する層である中間層を備えていてもよい。 In addition, the compound thin film solar cell 10 may have layers other than each layer mentioned above. For example, the compound thin-film solar cell 10 may include an antireflection layer positioned on the window layer 16. The antireflection layer is made of, for example, MgF 2, and the thickness of the antireflection layer is preferably about 100 nm. Since the antireflection layer suppresses reflection of light incident on the compound thin film solar cell 10, the light absorption layer 13 can absorb more light when the compound thin film solar cell 10 includes the antireflection layer. . In addition, the compound thin film solar cell 10 may include an intermediate layer that is a layer having a composition for increasing the photoelectric conversion efficiency of the compound thin film solar cell 10 between the back electrode 12 and the light absorption layer 13.

[化合物薄膜太陽電池の製造方法]
化合物薄膜太陽電池の製造方法の一例として、微粒子を含むインクの塗工によって光吸収層を形成する製造方法について説明する。
[Method for producing compound thin-film solar cell]
As an example of a method for producing a compound thin film solar cell, a method for producing a light absorption layer by applying ink containing fine particles will be described.

化合物薄膜太陽電池は、基板11の上に、裏面電極12、光吸収層13、バッファ層14、半絶縁層15、窓層16、表面電極17が、この順に積層されることによって形成される。   The compound thin film solar cell is formed by laminating a back electrode 12, a light absorption layer 13, a buffer layer 14, a semi-insulating layer 15, a window layer 16, and a surface electrode 17 on the substrate 11 in this order.

裏面電極12は、基板11の上面に、例えば、スパッタリング、蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等を用いて形成される。   The back electrode 12 is formed on the upper surface of the substrate 11 using, for example, sputtering, vapor deposition, CVD (Chemical Vapor Deposition), or the like.

光吸収層13を形成する工程は、裏面電極12の1つの面に光吸収層13の前駆体層を形成する前駆体層形成工程と、前駆体層を加熱して光吸収層13を形成する熱処理工程とを含んでいる。   The step of forming the light absorbing layer 13 includes a precursor layer forming step of forming a precursor layer of the light absorbing layer 13 on one surface of the back electrode 12, and the precursor layer is heated to form the light absorbing layer 13. Heat treatment step.

前駆体層は、光吸収層13の構成元素から構成される微粒子を含む光吸収層形成用インクを用いて形成される。微粒子は、ナノサイズの粒子である。微粒子は、金属塩または金属錯体を含む溶液と、カルコゲニド塩を含む溶液との反応によって生成される。微粒子は、例えば、Cu2−xZn1+ySnSSe4−z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦4)の組成式で表される化合物からなる粒子である。また、光吸収層形成用インクは、微粒子として、上記化合物からなる粒子に加えて、Cu2−xSe2−y(0≦x≦1、0≦y≦2)、Zn2−xSe2−y(0≦x≦1、0≦y≦2)、Sn2−xSe2−y(0≦x≦1、0≦y≦2)の組成式で表される化合物から構成される群から選択される少なくとも1つの化合物の粒子を含んでいてもよい。あるいは、光吸収層形成用インクは、微粒子として、Cu2−xZn1+ySnSSe4−z(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦4)の組成式で表される化合物からなる粒子に代えて、上記群に含まれる3種類の化合物の粒子を含んでいてもよい。 The precursor layer is formed using a light absorbing layer forming ink containing fine particles composed of the constituent elements of the light absorbing layer 13. The fine particles are nano-sized particles. The fine particles are generated by a reaction between a solution containing a metal salt or a metal complex and a solution containing a chalcogenide salt. The fine particles are, for example, particles made of a compound represented by a composition formula of Cu 2−x Zn 1 + y SnS z Se 4−z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 4). In addition, the light absorbing layer forming ink includes, as fine particles, Cu 2-x S y Se 2-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2), Zn 2-x S y Se 2-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2), Sn 2-x S y Se 2-y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 2) It may contain particles of at least one compound selected from the group consisting of compounds. Alternatively, the light absorption layer forming ink is represented by a composition formula of Cu 2−x Zn 1 + y SnS z Se 4−z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 4) as fine particles. Instead of particles made of the above compound, particles of three types of compounds included in the above group may be included.

微粒子としては、非晶質の粒子を用いることが好ましい。結晶性の粒子は、エネルギーについて安定な状態にあるため、粒子に含まれる各原子が一定の位置に固定されやすい、すなわち、拡散しにくいが、非晶質の粒子の各組成成分は、熱処理によって拡散しやすい。そのため、非晶質の粒子が用いられることによって、光吸収層13の緻密性が向上する。   As the fine particles, it is preferable to use amorphous particles. Since crystalline particles are in a stable state with respect to energy, each atom contained in the particles is likely to be fixed at a certain position, that is, difficult to diffuse. Easy to diffuse. Therefore, the use of amorphous particles improves the density of the light absorption layer 13.

光吸収層形成用インクは、溶媒に上記微粒子が分散されることによって調整される。光吸収層形成用インクにて微粒子を分散させる溶媒は、有機溶媒であれば、特に制限されない。有機溶媒は、例えば、アルコール、エーテル、エステル、脂肪族炭化水素、脂環族炭化水素、芳香族炭化水素等から選択することができる。有機溶媒としては、メタノール、エタノール、ブタノール等の炭素数10未満のアルコール、ピリジン、ジエチールエーテル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、および、トルエンが好ましく、メタノール、ピリジン、トルエン、および、ヘキサンが特に好ましい。   The light absorbing layer forming ink is prepared by dispersing the fine particles in a solvent. The solvent for dispersing the fine particles in the light absorbing layer forming ink is not particularly limited as long as it is an organic solvent. The organic solvent can be selected from, for example, alcohols, ethers, esters, aliphatic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and the like. As the organic solvent, alcohols having less than 10 carbon atoms such as methanol, ethanol, butanol, pyridine, diethyl ether, pentane, hexane, cyclohexane, and toluene are preferable, and methanol, pyridine, toluene, and hexane are particularly preferable.

光吸収層形成用インクは、塗工時のレベリング性を高めるために、バインダを含むことが好ましい。バインダの含有量は、光吸収層形成用インクが含む微粒子の5質量%以上70質量%以下であることが好ましく、20質量%以上60質量%以下であることがさらに好ましい。バインダの含有量が5質量%以上であることによって、熱処理後の塗膜に空洞が形成されることが抑えられる。バインダの含有量が70質量%以下であることによって、熱処理後の塗膜の表面粗さが大きくなることが抑えられる。   The light absorbing layer forming ink preferably contains a binder in order to improve leveling properties during coating. The content of the binder is preferably 5% by mass or more and 70% by mass or less, and more preferably 20% by mass or more and 60% by mass or less of the fine particles contained in the light absorbing layer forming ink. When the binder content is 5% by mass or more, formation of cavities in the coating film after heat treatment is suppressed. When the binder content is 70% by mass or less, an increase in the surface roughness of the coating film after the heat treatment is suppressed.

バインダとしては、チオール有機物、セレノール有機物、炭素数10以上のアルコール類等を用いることができる。また、バインダとして、Se粒子、S粒子、Se化合物、S化合物等が用いられてもよい。さらには、バインダとして、硫化ナトリウム、セレン化ナトリウム、セレン化カリウム、セレン酸ナトリウム、チオ硫酸塩等が用いられてもよい。これらの物質の中で、バインダとしては、チオール有機物を用いることが好ましく、チオ尿素を用いることがさらに好ましい。バインダとして有機化合物が用いられた場合、光吸収層形成用インクから形成された光吸収層13には、光吸収層13の全体に対して0.3原子%〜0.5原子%程度の微量の炭素が残留する。   As the binder, thiol organic substances, selenol organic substances, alcohols having 10 or more carbon atoms, and the like can be used. Moreover, Se particle | grains, S particle | grains, Se compound, S compound, etc. may be used as a binder. Furthermore, sodium sulfide, sodium selenide, potassium selenide, sodium selenate, thiosulfate, or the like may be used as the binder. Among these substances, it is preferable to use a thiol organic substance as the binder, and it is more preferable to use thiourea. When an organic compound is used as the binder, the light absorption layer 13 formed from the light absorption layer forming ink has a trace amount of about 0.3 atomic% to 0.5 atomic% with respect to the entire light absorption layer 13. Of carbon remains.

前駆体層形成工程では、光吸収層形成用インクが裏面電極12の上面に塗工されることによって、微粒子を含む膜が形成される。そして、微粒子を含む膜が乾燥されることで、塗工された膜に含まれる溶媒が除かれる。これにより、前駆体層としての塗膜が形成される。光吸収層形成用インクの塗工方法としては、例えば、ドクターブレード法、スピンコーティング法、スリットコーティング法、スプレー法等の塗布法や、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、反転オフセット印刷法、凸版印刷法等の印刷法が挙げられる。   In the precursor layer forming step, the light absorbing layer forming ink is applied to the upper surface of the back electrode 12 to form a film containing fine particles. Then, by drying the film containing fine particles, the solvent contained in the coated film is removed. Thereby, the coating film as a precursor layer is formed. Examples of the coating method of the light absorbing layer forming ink include a doctor blade method, a spin coating method, a slit coating method, a spraying method, a gravure printing method, a screen printing method, a reverse offset printing method, a relief printing method, and the like. And printing methods such as law.

次いで、熱処理工程が行われ、熱処理工程にて前駆体層が加熱されることによって、前駆体層に含まれる多数の微粒子の結晶化が進行し、微粒子が焼結する。これにより、光吸収層13が形成される。   Next, a heat treatment step is performed, and by heating the precursor layer in the heat treatment step, crystallization of a large number of fine particles contained in the precursor layer proceeds, and the fine particles are sintered. Thereby, the light absorption layer 13 is formed.

熱処理は、例えば、加熱炉を用いたアニール処理や、ラピッドサーマルアニール(RTA)によって行われる。熱処理の雰囲気は、HSガス、HSeガス、窒素ガス、Arガス、Se蒸気、S蒸気、水素ガス、および、水素と不活性ガスの混合ガスから構成される群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。熱処理の最高温度は250℃以上であることが好ましい。基板11としてガラス基板が用いられる場合には、熱処理の最高温度は、ガラスが耐え得る温度、具体的には、650℃以下であることが好ましく、600℃以下であることがより好ましい。また、熱処理工程にて最高温度で加熱される時間は、5分以上180分以下であることが好ましい。 The heat treatment is performed, for example, by annealing using a heating furnace or rapid thermal annealing (RTA). The atmosphere of the heat treatment is at least selected from the group consisting of H 2 S gas, H 2 Se gas, nitrogen gas, Ar gas, Se vapor, S vapor, hydrogen gas, and a mixed gas of hydrogen and an inert gas. Preferably one is included. The maximum temperature of the heat treatment is preferably 250 ° C. or higher. When a glass substrate is used as the substrate 11, the maximum temperature of the heat treatment is preferably a temperature that the glass can withstand, specifically, 650 ° C. or less, more preferably 600 ° C. or less. Moreover, it is preferable that the time heated at the maximum temperature in a heat treatment process is 5 minutes or more and 180 minutes or less.

熱処理の雰囲気に含まれるSやSeの濃度、熱処理の最高温度や加熱時間の調整によって、光吸収層13のS濃度やSe濃度を調整することができる。具体的には、上述の光吸収層13を得るためには、下記条件1〜条件3のいずれか1つが満たされることが好ましい。   The S concentration and Se concentration of the light absorption layer 13 can be adjusted by adjusting the concentration of S and Se contained in the atmosphere of the heat treatment, the maximum temperature of the heat treatment, and the heating time. Specifically, in order to obtain the light absorption layer 13 described above, it is preferable that any one of the following conditions 1 to 3 is satisfied.

条件1:前駆体層の加熱は、固体状の硫黄と固体状のセレンとが存在する環境に前駆体層がおかれた状態で開始され、かつ、加熱の開始時における固体状の硫黄と固体状のセレンとの比率は、モル比で表わして0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たす。   Condition 1: Heating of the precursor layer is started in a state where the precursor layer is placed in an environment where solid sulfur and solid selenium exist, and solid sulfur and solid at the start of heating The ratio with the selenium-like selenium satisfies 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦ 0.67 in terms of molar ratio.

条件2:熱処理の雰囲気が、HSとHSeとを同時に含み、かつ、雰囲気に導入されるSとSeとの比率は、モル比で表わして0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たす。
条件3:熱処理工程が、硫黄を含む雰囲気下で行われる第1段階の熱処理工程と、セレンを含む雰囲気下で行われる第2段階の熱処理工程とを含む。
Condition 2: The atmosphere of the heat treatment contains H 2 S and H 2 Se at the same time, and the ratio of S and Se introduced into the atmosphere is expressed as a molar ratio of 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦. It satisfies 0.67.
Condition 3: The heat treatment step includes a first-stage heat treatment step performed in an atmosphere containing sulfur and a second-stage heat treatment step performed in an atmosphere containing selenium.

すなわち、条件1および条件2においては、硫黄とセレンとを含む雰囲気下で熱処理が行われ、0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たすように、上記雰囲気に硫黄とセレンとが導入される。   That is, in conditions 1 and 2, heat treatment is performed in an atmosphere containing sulfur and selenium, and sulfur and selenium are contained in the atmosphere so as to satisfy 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦ 0.67. be introduced.

こうした条件を満たすことで、膜厚方向におけるS濃度の変化率RSrが10%以下であり、かつ、Se濃度の変化率RSerが10%以上30%以下であって、Se濃度がバッファ層14に向けて大きくなる光吸収層13が得られやすくなる。   By satisfying these conditions, the change rate RSr of S concentration in the film thickness direction is 10% or less, the change rate RSer of Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is in the buffer layer 14. It becomes easy to obtain the light absorption layer 13 which becomes large toward it.

なお、加熱後の光吸収層13の厚さは、0.3μm〜10μm程度であればよいが、例えば、1μm以上3μm以下であることが好ましい。形成された光吸収層13には、公知の無機酸、有機酸、アルカリ溶液、純水等による表面洗浄処理が行われてもよい。   In addition, although the thickness of the light absorption layer 13 after a heating should just be about 0.3 micrometer-10 micrometers, it is preferable that they are 1 micrometer or more and 3 micrometers or less, for example. The formed light absorption layer 13 may be subjected to a surface cleaning treatment with a known inorganic acid, organic acid, alkaline solution, pure water, or the like.

バッファ層14は、光吸収層13の上面に、例えば、CBD(Chemical Bath Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等を用いて形成される。   The buffer layer 14 is formed on the upper surface of the light absorption layer 13 by using, for example, a CBD (Chemical Bath Deposition) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like.

半絶縁層15は、バッファ層14の上面に、例えば、MOCVD法やスパッタリングを用いて形成される。窓層16は、半絶縁層15の上面に、例えば、MOCVD法やスパッタリングを用いて形成される。
表面電極17は、窓層16の上面の一部に、例えば、スパッタリング、蒸着法、CVD法等を用いて形成される。
The semi-insulating layer 15 is formed on the upper surface of the buffer layer 14 by using, for example, MOCVD or sputtering. The window layer 16 is formed on the upper surface of the semi-insulating layer 15 by using, for example, MOCVD or sputtering.
The surface electrode 17 is formed on a part of the upper surface of the window layer 16 by using, for example, sputtering, vapor deposition, CVD, or the like.

なお、光吸収層13は、スパッタリングを用いて形成された膜である前駆体層に対して熱処理を行うことによって形成することも可能である。ただし、スパッタリングによって形成された膜から光吸収層が形成される場合と、上述のように微粒子を含む塗膜から光吸収層が形成される場合とでは、熱処理時における膜の結晶化の過程が異なる。すなわち、スパッタリングが利用される場合、まず、前駆体層として、光吸収層を構成する金属ごとの層、あるいは、これらの金属を含む1つの層がスパッタリングによって形成される。そして、熱処理工程においては、これらの金属が、これらの金属の合金を形成した後に、熱処理の雰囲気に含まれる元素と反応し、結晶化が進行する。一方、微粒子を含む塗膜から光吸収層が形成される場合、こうした合金の形成をほとんど経ずに、結晶化が進行する。   In addition, the light absorption layer 13 can also be formed by performing heat processing with respect to the precursor layer which is a film | membrane formed using sputtering. However, in the case where the light absorption layer is formed from a film formed by sputtering and the case where the light absorption layer is formed from a coating film containing fine particles as described above, the crystallization process of the film during heat treatment is Different. That is, when sputtering is used, first, a layer for each metal constituting the light absorption layer or one layer containing these metals is formed by sputtering as a precursor layer. In the heat treatment step, after these metals form an alloy of these metals, they react with elements contained in the atmosphere of the heat treatment, and crystallization proceeds. On the other hand, when a light absorption layer is formed from a coating film containing fine particles, crystallization proceeds with little formation of such an alloy.

こうした結晶化の進行の違いに起因して、スパッタリングを利用して形成された光吸収層と、微粒子を含む塗膜から形成された光吸収層とでは、光吸収層中における各組成成分の分布の傾向が異なる。そのため、光吸収層が、S濃度とSe濃度とについて上述の条件を満たすことは、微粒子を含む塗膜から光吸収層が形成される場合において、特に高い光電変換効率をもたらす。   Due to the difference in the progress of crystallization, the distribution of each composition component in the light absorption layer between the light absorption layer formed by sputtering and the light absorption layer formed from a coating film containing fine particles. The tendency is different. Therefore, the light absorption layer satisfying the above-described conditions for the S concentration and the Se concentration brings particularly high photoelectric conversion efficiency when the light absorption layer is formed from a coating film containing fine particles.

ただし、製造方法に関わりなく、光吸収層13において、膜厚方向におけるS濃度の変化率RSrが10%以下であり、Se濃度の変化率RSerが10%以上30%以下であって、Se濃度が裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなり、光吸収層13全体の組成が0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たせば、光電変換効率の向上は可能である。   However, regardless of the manufacturing method, in the light absorption layer 13, the change rate RSr of the S concentration in the film thickness direction is 10% or less, the change rate RSer of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration Increases along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17 and the composition of the entire light absorption layer 13 satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn), the photoelectric conversion efficiency can be improved.

[実施例]
上述の光吸収層、化合物薄膜太陽電池、光吸収層の製造方法、および、化合物薄膜太陽電池の製造方法について、具体的な実施例および比較例を用いて説明する。
[Example]
The above-described light absorption layer, compound thin film solar cell, method for producing the light absorption layer, and method for producing the compound thin film solar cell will be described using specific examples and comparative examples.

(実施例1)
<光吸収層形成用インクの調整>
CuI、ZnI、および、SnIを、Cu:Zn:Snのモル比が1.8:1.1:1となるようにピリジンに溶解して、第1の溶液を調製した。また、NaSeをメタノールに溶解して、第2の溶液を調製した。
Example 1
<Adjustment of light absorbing layer forming ink>
CuI, ZnI 2 , and SnI 4 were dissolved in pyridine such that the molar ratio of Cu: Zn: Sn was 1.8: 1.1: 1 to prepare a first solution. In addition, a second solution was prepared by dissolving Na 2 Se in methanol.

第1の溶液と第2の溶液とを混合し、Cu:Zn:Sn:Seのモル比が1.8:1.1:1:4である混合液を得た。この混合液を不活性ガス雰囲気下、0℃で反応させてCu−Zn−Sn−Se微粒子を製造した。反応後の混合液を濾過してCu−Zn−Sn−Se微粒子を取り出し、Cu−Zn−Sn−Se微粒子をメタノールで洗浄した。洗浄後のCu−Zn−Sn−Se微粒子とチオ尿素とを、微粒子とチオ尿素との質量比が3:2となるように混合し、この混合物にピリジンとメタノールとをさらに加えて、Cu−Zn−Sn−Se微粒子を含む光吸収層形成用インクを調整した。光吸収層形成用インクに含まれる固形分は6.5質量%である。
<裏面電極の形成>
基板としてソーダライムガラス基板を用い、スパッタリングによってMoから構成される裏面電極を形成した。
The first solution and the second solution were mixed to obtain a mixed solution having a Cu: Zn: Sn: Se molar ratio of 1.8: 1.1: 1: 4. This mixed solution was reacted at 0 ° C. in an inert gas atmosphere to produce Cu—Zn—Sn—Se fine particles. The mixed liquid after the reaction was filtered to take out Cu—Zn—Sn—Se fine particles, and the Cu—Zn—Sn—Se fine particles were washed with methanol. The Cu—Zn—Sn—Se fine particles after washing and thiourea are mixed so that the mass ratio of the fine particles to thiourea is 3: 2, and pyridine and methanol are further added to the mixture to obtain Cu— A light absorbing layer forming ink containing Zn—Sn—Se fine particles was prepared. The solid content in the light absorbing layer forming ink is 6.5% by mass.
<Formation of back electrode>
A soda lime glass substrate was used as the substrate, and a back electrode composed of Mo was formed by sputtering.

<光吸収層の形成>
前駆体層形成工程として、裏面電極の上面にスプレー法によって光吸収層形成用インクを塗布し、250℃のオーブンで溶媒を蒸発させた後に、熱処理工程を行った。熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、固体状の硫黄32mgと固体状のセレン40mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、600℃で20分間の熱処理を行った。これにより、膜厚が約2μmのCZTS薄膜から構成される実施例1の光吸収層が得られた。実施例1において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.337である。
<Formation of light absorption layer>
As the precursor layer forming step, a light absorbing layer forming ink was applied to the upper surface of the back electrode by a spray method, and the solvent was evaporated in an oven at 250 ° C., followed by a heat treatment step. In the heat treatment step, a coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is placed in a case containing 32 mg of solid sulfur and 40 mg of solid selenium, and in an atmosphere into which nitrogen gas has been introduced. A heat treatment was performed at 600 ° C. for 20 minutes. Thereby, the light absorption layer of Example 1 comprised from the CZTS thin film with a film thickness of about 2 micrometers was obtained. In Example 1, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.337.

<バッファ層の形成>
0.0015Mの硫酸カドミウム(CdSO)、0.0075Mのチオ尿素(NHCSNH)、および、1.5Mのアンモニア水(NHOH)を含有する混合液を67℃に加熱した。この混合液中に、上述の光吸収層が形成された構造体を浸漬することによって、光吸収層上に膜厚が100nmのCdSから構成されるバッファ層が形成された。
<Formation of buffer layer>
A mixture containing 0.0015 M cadmium sulfate (CdSO 4 ), 0.0075 M thiourea (NH 2 CSNH 2 ), and 1.5 M aqueous ammonia (NH 4 OH) was heated to 67 ° C. A buffer layer made of CdS having a film thickness of 100 nm was formed on the light absorption layer by immersing the structure in which the above light absorption layer was formed in this mixed solution.

<半絶縁層の形成>
ジエチル亜鉛と水とを原料としたMOCVD法によって、膜厚が50nmのZnOから構成される半絶縁層をバッファ層の上に形成した。
<Formation of semi-insulating layer>
A semi-insulating layer made of ZnO having a thickness of 50 nm was formed on the buffer layer by MOCVD using diethyl zinc and water as raw materials.

<窓層の形成>
ジエチル亜鉛、水、および、ジボランを原料としたMOCVD法によって、膜厚が1μmのZnO:Bから構成される窓層を半絶縁層の上に形成した。
<表面電極の形成>
蒸着法を用いて、膜厚が0.3μmのAlから構成される表面電極を窓層の上に形成した。これによって、実施例1の化合物薄膜太陽電池が得られた。
<Formation of window layer>
A window layer made of ZnO: B having a thickness of 1 μm was formed on the semi-insulating layer by MOCVD using diethyl zinc, water, and diborane as raw materials.
<Formation of surface electrode>
A surface electrode made of Al having a film thickness of 0.3 μm was formed on the window layer by vapor deposition. Thereby, the compound thin film solar cell of Example 1 was obtained.

(実施例2)
光吸収層を形成する際の熱処理工程における条件を下記のように変更した以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例2の光吸収層および化合物薄膜太陽電池を得た。実施例2における熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、硫黄16mgとセレン40mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、600℃で20分間の熱処理を行った。実施例2において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.504である。
(Example 2)
A light absorbing layer and a compound thin-film solar cell of Example 2 were obtained by the same process as in Example 1 except that the conditions in the heat treatment step for forming the light absorbing layer were changed as follows. In the heat treatment step in Example 2, a coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is placed in a case containing 16 mg of sulfur and 40 mg of selenium, and 600 atmospheres in an atmosphere in which nitrogen gas is introduced. Heat treatment was carried out at 20 ° C. for 20 minutes. In Example 2, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.504.

(実施例3)
光吸収層を形成する際の熱処理工程における条件を下記のように変更した以外は、実施例1と同様の工程によって、実施例3の光吸収層および化合物薄膜太陽電池を得た。実施例3における熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、硫黄8mgとセレン40mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、600℃で20分間の熱処理を行った。実施例3において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.670である。
(Example 3)
A light absorption layer and a compound thin-film solar cell of Example 3 were obtained by the same process as in Example 1 except that the conditions in the heat treatment step for forming the light absorption layer were changed as follows. In the heat treatment step in Example 3, a coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is put in a case containing 8 mg of sulfur and 40 mg of selenium, and 600 atmospheres in an atmosphere introduced with nitrogen gas. Heat treatment was carried out at 20 ° C. for 20 minutes. In Example 3, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.670.

(比較例1)
光吸収層を形成する際の熱処理工程における条件を下記のように変更した以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例1の光吸収層および化合物薄膜太陽電池を得た。比較例1における熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、硫黄4mgとセレン40mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、600℃で20分間の熱処理を行った。比較例1において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.802である。
(Comparative Example 1)
A light-absorbing layer and a compound thin-film solar cell of Comparative Example 1 were obtained by the same steps as in Example 1 except that the conditions in the heat treatment step when forming the light-absorbing layer were changed as follows. In the heat treatment process in Comparative Example 1, a coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is placed in a case containing 4 mg of sulfur and 40 mg of selenium, and 600 atmospheres in an atmosphere in which nitrogen gas is introduced. Heat treatment was carried out at 20 ° C. for 20 minutes. In Comparative Example 1, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.802.

(比較例2)
光吸収層を形成する際の熱処理工程における条件を下記のように変更した以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例2の光吸収層および化合物薄膜太陽電池を得た。比較例2における熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、硫黄40mgとセレン10mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、580℃で20分間の熱処理を行った。比較例2において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.092である。
(Comparative Example 2)
A light-absorbing layer and a compound thin-film solar cell of Comparative Example 2 were obtained by the same steps as in Example 1 except that the conditions in the heat treatment step for forming the light-absorbing layer were changed as follows. In the heat treatment process in Comparative Example 2, a coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is placed in a case containing 40 mg of sulfur and 10 mg of selenium, and in an atmosphere in which nitrogen gas is introduced, 580 Heat treatment was carried out at 20 ° C. for 20 minutes. In Comparative Example 2, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.092.

(比較例3)
光吸収層を形成する際の熱処理工程における条件を下記のように変更した以外は、実施例1と同様の工程によって、比較例3の光吸収層および化合物薄膜太陽電池を得た。比較例3における熱処理工程では、裏面電極の上面に形成された前駆体層である塗膜を、硫黄32mgとセレン10mgとが入れられたケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、600℃で20分間の熱処理を行った後、硫黄とセレンとが入れられていないケースに入れて、窒素ガスが導入された雰囲気下、500℃で20分間の熱処理を行った。比較例1において、熱処理の雰囲気に導入されたSとSeとの比率は、モル比で表わしてSe/(S+Se)=0.113である。
(Comparative Example 3)
A light-absorbing layer and a compound thin-film solar cell of Comparative Example 3 were obtained by the same steps as in Example 1 except that the conditions in the heat treatment step for forming the light-absorbing layer were changed as follows. In the heat treatment step in Comparative Example 3, the coating film, which is a precursor layer formed on the upper surface of the back electrode, is placed in a case containing 32 mg of sulfur and 10 mg of selenium, and 600 atmosphere under an atmosphere in which nitrogen gas is introduced. After performing a heat treatment at 20 ° C. for 20 minutes, the heat treatment was performed at 500 ° C. for 20 minutes in an atmosphere into which nitrogen gas was introduced in a case where sulfur and selenium were not added. In Comparative Example 1, the ratio of S and Se introduced into the heat treatment atmosphere is expressed as a molar ratio, which is Se / (S + Se) = 0.113.

[評価方法]
(組成比)
各実施例および各比較例の化合物薄膜太陽電池について、Arイオンで光吸収層の断面を平らに研磨した後に、SEM−EDS(走査電子顕微鏡用エネルギー分散型X線分析)によって、光吸収層の上部、中部、下部の3つの領域におけるSおよびSeの各原子の原子濃度を求めた。上部は、光の入射される方向に向けられる部分、すなわち、光吸収層のなかで表面電極に近い部分である。下部は、光吸収層のなかで裏面電極に近い部分である。中部は、光吸収層における膜厚方向の中央部分であって、上部と下部との間の部分である。そして、上部、中部、下部の各々のS濃度およびSe濃度に基づいて、S濃度の変化率RSr、および、Se濃度の変化率RSerを算出した。
[Evaluation method]
(Composition ratio)
About the compound thin film solar cell of each Example and each comparative example, after polishing the cross section of a light absorption layer flatly with Ar ion, the light absorption layer of SEM-EDS (energy dispersive X-ray analysis for a scanning electron microscope) was carried out. The atomic concentrations of S and Se atoms in the upper, middle, and lower three regions were determined. The upper part is a part directed in the direction in which light is incident, that is, a part close to the surface electrode in the light absorption layer. A lower part is a part close | similar to a back surface electrode in a light absorption layer. The middle part is a central part of the light absorption layer in the film thickness direction, and is a part between the upper part and the lower part. Then, the S concentration change rate RSr and the Se concentration change rate RSer were calculated based on the S concentration and Se concentration of the upper, middle, and lower portions, respectively.

また、光吸収層の上記断面の全面に対するSEM−EDSによるマッピングに基づいて、光吸収層全体の(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比を算出した。組成分析の際のSEM−EDSにおける加速電圧は15kVとした。   Further, the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio of the entire light absorption layer was calculated based on mapping by SEM-EDS on the entire surface of the light absorption layer. The acceleration voltage in SEM-EDS at the time of composition analysis was 15 kV.

(光電変換効率)
各実施例および各比較例の化合物薄膜太陽電池について、標準太陽光シミュレータ(光強度:100mW/cm、エアマス:1.5)を用いて、光電変換効率を求めた。
(Photoelectric conversion efficiency)
About the compound thin film solar cell of each Example and each comparative example, the photoelectric conversion efficiency was calculated | required using the standard sunlight simulator (light intensity: 100 mW / cm < 2 >, air mass: 1.5).

[結果]
図4は、実施例1の化合物薄膜太陽電池における断面の走査電子顕微鏡(SEM)による画像を示す。図4におけるA1で示される領域は、上部の組成分析領域を示し、B1で示される領域は、中部の組成分析領域を示し、C1で示される領域は、下部の組成分析領域を示す。また、図4におけるD1で示される領域は、光吸収層全体の(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比の算出に用いた領域を示す。
[result]
FIG. 4 shows an image of a cross section of the compound thin film solar cell of Example 1 by a scanning electron microscope (SEM). The region indicated by A1 in FIG. 4 indicates the upper composition analysis region, the region indicated by B1 indicates the middle composition analysis region, and the region indicated by C1 indicates the lower composition analysis region. In addition, a region indicated by D1 in FIG. 4 indicates a region used for calculating the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio of the entire light absorption layer.

同様に、図5に実施例2、図6に実施例3、図7に比較例1、図8に比較例2、図9に比較例3の化合物薄膜太陽電池における断面のSEM画像を示す。図5のA2で示される領域、図6のA3で示される領域、図7のA4で示される領域、図8のA5で示される領域、および、図9のA6で示される領域の各々は、各実施例または各比較例における上部の組成分析領域を示す。図5のB2で示される領域、図6のB3で示される領域、図7のB4で示される領域、図8のB5で示される領域、および、図9のB6で示される領域の各々は、各実施例または各比較例における中部の組成分析領域を示す。図5のC2で示される領域、図6のC3で示される領域、図7のC4で示される領域、図8のC5で示される領域、および、図9のC6で示される領域の各々は、各実施例または各比較例における下部の組成分析領域を示す。図5のD2で示される領域、図6のD3で示される領域、図7のD4で示される領域、図8のD5で示される領域、および、図9のD6で示される領域の各々は、各実施例または各比較例における光吸収層全体の(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比の算出に用いた領域を示す。   Similarly, FIG. 5 shows an SEM image of a cross section of Example 2, FIG. 6 shows Example 3, FIG. 7 shows Comparative Example 1, FIG. 8 shows Comparative Example 2, and FIG. Each of the area indicated by A2 in FIG. 5, the area indicated by A3 in FIG. 6, the area indicated by A4 in FIG. 7, the area indicated by A5 in FIG. 8, and the area indicated by A6 in FIG. The composition analysis area | region of the upper part in each Example or each comparative example is shown. Each of the area indicated by B2 in FIG. 5, the area indicated by B3 in FIG. 6, the area indicated by B4 in FIG. 7, the area indicated by B5 in FIG. 8, and the area indicated by B6 in FIG. The composition analysis area | region of the center part in each Example or each comparative example is shown. Each of the area indicated by C2 in FIG. 5, the area indicated by C3 in FIG. 6, the area indicated by C4 in FIG. 7, the area indicated by C5 in FIG. 8, and the area indicated by C6 in FIG. The composition analysis area | region of the lower part in each Example or each comparative example is shown. Each of the area indicated by D2 in FIG. 5, the area indicated by D3 in FIG. 6, the area indicated by D4 in FIG. 7, the area indicated by D5 in FIG. 8, and the area indicated by D6 in FIG. The area | region used for calculation of (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio of the whole light absorption layer in each Example or each comparative example is shown.

表1は、各実施例および各比較例について、上部、中部、下部の各々の組成分析領域におけるS濃度およびSe濃度と、これらの原子濃度から算出したS濃度の変化率RSrおよびSe濃度の変化率RSerと、光吸収層全体の(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比と、光電変換効率とを示す。なお、表1にて、S濃度およびSe濃度の変化率は、小数第2位を四捨五入した値を示している。   Table 1 shows the S concentration and Se concentration in each of the upper, middle, and lower composition analysis regions for each example and each comparative example, and the change rate of the S concentration calculated from these atomic concentrations, RSr and Se concentration. The rate RSer, the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio of the entire light absorption layer, and the photoelectric conversion efficiency are shown. In Table 1, the change rates of the S concentration and the Se concentration show values rounded off to the second decimal place.

表1に示されるように、(a)光吸収層におけるS濃度の変化率RSrが10%以下である、(b)光吸収層におけるSe濃度の変化率RSerが10%以上30%以下であって、Se濃度が裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなる、(c)光吸収層全体の組成が0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす、の(a)〜(c)の3つの条件すべてが満たされている実施例1〜3では、これらの条件の少なくとも1つが満たされていない比較例1〜3と比較して、高い光電変換効率が得られることが確認された。   As shown in Table 1, (a) the change rate RSr of S concentration in the light absorption layer is 10% or less, and (b) the change rate RSer of Se concentration in the light absorption layer is 10% or more and 30% or less. The Se concentration increases along the direction from the back electrode 12 to the front electrode 17, and (c) the composition of the entire light absorption layer satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn). In Examples 1 to 3 in which all three conditions of (c) are satisfied, higher photoelectric conversion efficiency can be obtained as compared with Comparative Examples 1 to 3 in which at least one of these conditions is not satisfied. confirmed.

比較例1は、S濃度の変化率RSrが(a)の範囲よりも大きく、Se濃度の変化率RSerが(b)の範囲よりも大きい。また、S濃度とSe濃度とは、表面電極17に向かって大きくなり、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が1.15よりも大きい。したがって、光吸収層におけるバッファ層と接合する面にSやSeが多く偏析し、光吸収層とバッファ層との良好なpn接合の形成が阻害されていることが示唆される。   In Comparative Example 1, the S concentration change rate RSr is larger than the range (a), and the Se concentration change rate RSer is larger than the range (b). In addition, the S concentration and the Se concentration increase toward the surface electrode 17, and the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is larger than 1.15. Therefore, a large amount of S and Se is segregated on the surface of the light absorption layer that is bonded to the buffer layer, suggesting that formation of a good pn junction between the light absorption layer and the buffer layer is hindered.

比較例2は、Se濃度の変化率RSerが(b)の範囲よりも小さく、また、Se濃度は各組成分析領域でほぼ一定である。したがって、裏面電極からバッファ層に向けて、光吸収層のバンドギャップがほぼ一定であり、光吸収層で励起された電子の表面電極方向への移動が実施例と比較して妨げられていることが示唆される。また、比較例2は、Se濃度に対してS濃度が極端に高いため、光吸収層とバッファ層とのpn接合部分で、クリフ型のバンド構造が形成されていることも示唆される。   In Comparative Example 2, the Se concentration change rate RSer is smaller than the range (b), and the Se concentration is substantially constant in each composition analysis region. Therefore, the band gap of the light absorption layer is substantially constant from the back electrode to the buffer layer, and movement of electrons excited in the light absorption layer in the direction of the surface electrode is hindered compared to the example. Is suggested. Further, in Comparative Example 2, since the S concentration is extremely higher than the Se concentration, it is also suggested that a cliff-type band structure is formed at the pn junction portion between the light absorption layer and the buffer layer.

比較例3は、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)比が(c)の範囲よりも小さいため、光吸収層におけるカルコゲン元素の割合が過度に小さいことによって、光吸収層にてドナーとなる空孔が増加し、光吸収層のp型半導体としての機能が低下していることが示唆される。   In Comparative Example 3, since the (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ratio is smaller than the range of (c), the ratio of the chalcogen element in the light absorption layer is excessively small. This increases, suggesting that the function of the light absorption layer as a p-type semiconductor is reduced.

このように、本発明者らは、光吸収層におけるS濃度およびSe濃度と光電変換効率との関係を解析し、特に、光吸収層の膜厚方向におけるS濃度の変化の傾向とSe濃度の変化の傾向とが異なるようにこれらの原子濃度を制御することによって、光電変換効率の向上が可能であることを見出した。   Thus, the present inventors analyzed the relationship between the S concentration and Se concentration in the light absorption layer and the photoelectric conversion efficiency, and in particular, the tendency of the change in S concentration in the film thickness direction of the light absorption layer and the Se concentration. It has been found that the photoelectric conversion efficiency can be improved by controlling the concentration of these atoms so that the tendency of change differs.

以上、実施例を用いて説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)光吸収層13の膜厚方向において、S濃度の変化率RSrが10%以下であり、かつ、Se濃度の変化率RSerが10%以上30%以下であって、Se濃度は、裏面電極12から表面電極17に向かう方向に沿って大きくなり、かつ、光吸収層13全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす。こうした構成によれば、光吸収層13のバンドギャップが、裏面電極12からバッファ層14に向けて徐々に小さくなるため、励起された電子の収集効率が高まる。また、光吸収層13におけるカルコゲン元素の割合が十分に確保されるため、光吸収層13がp型半導体として良好に機能する。それゆえ、化合物薄膜太陽電池10における光電変換効率が高められる。
As described above, according to the embodiment, the effects listed below can be obtained as described with reference to the examples.
(1) In the film thickness direction of the light absorption layer 13, the change rate RSr of S concentration is 10% or less, and the change rate RSer of Se concentration is 10% or more and 30% or less. The composition increases in the direction from the electrode 12 toward the surface electrode 17 and the composition of the entire light absorption layer 13 satisfies 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn). According to such a configuration, the band gap of the light absorption layer 13 gradually decreases from the back electrode 12 toward the buffer layer 14, so that the collection efficiency of excited electrons increases. Moreover, since the ratio of the chalcogen element in the light absorption layer 13 is sufficiently ensured, the light absorption layer 13 functions well as a p-type semiconductor. Therefore, the photoelectric conversion efficiency in the compound thin film solar cell 10 is increased.

(2)光吸収層13全体の組成が(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)≦1.15を満たす。こうした構成によれば、光吸収層13におけるバッファ層14と接合する面にSやSeが偏析することが抑えられるため、光吸収層13とバッファ層14とによって良好なpn接合が形成される。   (2) The composition of the entire light absorption layer 13 satisfies (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ≦ 1.15. According to such a configuration, since segregation of S and Se on the surface of the light absorption layer 13 where the buffer layer 14 is bonded is suppressed, a good pn junction is formed by the light absorption layer 13 and the buffer layer 14.

(3)熱処理工程において、上述の条件1〜3のいずれかに従った条件で熱処理を行うことによって、S濃度とSe濃度とについて上記条件を満たす光吸収層13が得られやすくなる。特に、硫黄とセレンとを含む雰囲気下で熱処理が行われ、0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たすように、上記雰囲気に硫黄とセレンとが導入されることによって、S濃度とSe濃度とについて上記条件を満たす光吸収層13の形成を好適に行うことができる。   (3) In the heat treatment step, the light absorption layer 13 that satisfies the above conditions for the S concentration and the Se concentration can be easily obtained by performing the heat treatment under the condition according to any one of the above conditions 1 to 3. In particular, heat treatment is performed in an atmosphere containing sulfur and selenium, and sulfur and selenium are introduced into the atmosphere so as to satisfy 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦ 0.67. It is possible to suitably form the light absorption layer 13 that satisfies the above conditions for the Se concentration.

10…化合物薄膜太陽電池、11…基板、12…裏面電極、13…光吸収層、14…バッファ層、15…半絶縁層、16…窓層、17…表面電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Compound thin film solar cell, 11 ... Substrate, 12 ... Back electrode, 13 ... Light absorption layer, 14 ... Buffer layer, 15 ... Semi-insulating layer, 16 ... Window layer, 17 ... Surface electrode

Claims (6)

Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含み、化合物薄膜太陽電池に用いられる光吸収層であって、
前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、
前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記光吸収層の有する面のうち、前記化合物薄膜太陽電池の裏面電極に向けられる面から、前記化合物薄膜太陽電池の表面電極に向けられる面に向けて大きくなり、
前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす
光吸収層。
A light-absorbing layer containing five elements of Cu, Zn, Sn, S, and Se, and used for a compound thin film solar cell,
The rate of change of each atomic concentration of the S concentration and the Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer, the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax, the minimum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmin, When represented by the following formula (1) where the change rate of the atomic concentration is Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The rate of change of the S concentration is 10% or less,
The change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is reduced from the surface of the light absorption layer toward the back electrode of the compound thin film solar cell. It grows toward the surface facing the surface electrode of the solar cell,
The composition of the whole light absorption layer is a light absorption layer satisfying 0.98 ≦ (S + Se) / (Cu + Zn + Sn).
前記光吸収層全体の組成は、(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)≦1.15を満たす
請求項1に記載の光吸収層。
The light absorption layer according to claim 1, wherein the composition of the entire light absorption layer satisfies (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) ≦ 1.15.
裏面電極と、
表面電極と、
前記裏面電極と前記表面電極との間に位置する光吸収層であって、Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む前記光吸収層と、を備え、
前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、
前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記裏面電極から前記表面電極に向かう方向に沿って大きくなり、
前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす
化合物薄膜太陽電池。
A back electrode;
A surface electrode;
A light absorption layer located between the back electrode and the front electrode, the light absorption layer containing five elements of Cu, Zn, Sn, S, and Se, and
The rate of change of each atomic concentration of the S concentration and the Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer, the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax, the minimum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmin, When represented by the following formula (1) where the change rate of the atomic concentration is Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The rate of change of the S concentration is 10% or less,
The change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration increases along a direction from the back electrode to the front electrode,
The composition of the whole said light absorption layer is 0.98 <= (S + Se) / (Cu + Zn + Sn) The compound thin film solar cell.
Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む光吸収層であって、化合物薄膜太陽電池に用いられる前記光吸収層の前駆体層を、前記光吸収層に含まれる元素を含む化合物からなる微粒子を含むインクの塗工によって形成する前駆体層形成工程と、
前記前駆体層を加熱することによって前記光吸収層を形成する熱処理工程と、を含み、
前記熱処理工程にて形成される前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、
前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記光吸収層の有する面のうち、前記化合物薄膜太陽電池の裏面電極に向けられる面から、前記化合物薄膜太陽電池の表面電極に向けられる面に向けて大きくなり、
前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす
光吸収層の製造方法。
A light-absorbing layer containing five elements of Cu, Zn, Sn, S, and Se, and a precursor layer of the light-absorbing layer used in a compound thin film solar cell, and an element contained in the light-absorbing layer A precursor layer forming step formed by applying an ink containing fine particles comprising a compound containing;
A heat treatment step of forming the light absorption layer by heating the precursor layer,
The rate of change of each atomic concentration of the S concentration and Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer formed in the heat treatment step, the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax, and the atoms in the film thickness direction When the minimum value of concentration is represented by Rmin and the change rate of the atomic concentration is represented by Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The rate of change of the S concentration is 10% or less,
The change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration is reduced from the surface of the light absorption layer toward the back electrode of the compound thin film solar cell. It grows toward the surface facing the surface electrode of the solar cell,
The composition of the whole light absorption layer is a manufacturing method of the light absorption layer which satisfy | fills 0.98 <= (S + Se) / (Cu + Zn + Sn).
前記熱処理工程では、硫黄とセレンとを含む雰囲気下で熱処理を行い、0.33≦Se/(S+Se)≦0.67を満たすように、前記雰囲気に硫黄とセレンとを導入する
請求項4に記載の光吸収層の製造方法。
In the heat treatment step, heat treatment is performed in an atmosphere containing sulfur and selenium, and sulfur and selenium are introduced into the atmosphere so as to satisfy 0.33 ≦ Se / (S + Se) ≦ 0.67. The manufacturing method of the light absorption layer of description.
Cu、Zn、Sn、S、および、Seの5つの元素を含む光吸収層の前駆体層を、前記光吸収層に含まれる元素を含む化合物からなる微粒子を含むインクの塗工によって裏面電極上に形成する前駆体層形成工程と、
前記前駆体層を加熱することによって前記光吸収層を形成する熱処理工程と、を含み、
前記熱処理工程にて形成される前記光吸収層の膜厚方向におけるS濃度およびSe濃度の各原子濃度の変化率を、前記膜厚方向における原子濃度の最大値をRmax、前記膜厚方向における原子濃度の最小値をRmin、前記原子濃度の変化率をRrとして、下記式(1)で表すとき、
Rr=(Rmax÷Rmin−1)×100・・・式(1)
前記S濃度の変化率は、10%以下であり、
前記Se濃度の変化率は、10%以上30%以下であって、前記Se濃度は、前記裏面電極から離れる方向に沿って大きくなり、
前記光吸収層全体の組成は、0.98≦(S+Se)/(Cu+Zn+Sn)を満たす
化合物薄膜太陽電池の製造方法。
A precursor layer of a light absorption layer containing five elements of Cu, Zn, Sn, S, and Se is applied on the back electrode by applying ink containing fine particles made of a compound containing an element contained in the light absorption layer. A precursor layer forming step to be formed into,
A heat treatment step of forming the light absorption layer by heating the precursor layer,
The rate of change of each atomic concentration of the S concentration and Se concentration in the film thickness direction of the light absorption layer formed in the heat treatment step, the maximum value of the atomic concentration in the film thickness direction as Rmax, and the atoms in the film thickness direction When the minimum value of concentration is represented by Rmin and the change rate of the atomic concentration is represented by Rr,
Rr = (Rmax ÷ Rmin−1) × 100 (1)
The rate of change of the S concentration is 10% or less,
The change rate of the Se concentration is 10% or more and 30% or less, and the Se concentration increases along a direction away from the back electrode,
The composition of the whole light absorption layer is a manufacturing method of the compound thin film solar cell which satisfies 0.98 <= (S + Se) / (Cu + Zn + Sn).
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