JP2719039B2 - CuInSe▲下2▼系化合物薄膜の形成方法 - Google Patents

CuInSe▲下2▼系化合物薄膜の形成方法

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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541CuInSe2 material PV cells

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、I−III−VI2で表わされる組成を有し、I
族元素はCuであり、III族元素は主としてInであり、VI
族元素は主としてSeであるCuInSe2系化合物薄膜の形成
方法に関する。
〔従来の技術〕
CuInSe2系化合物薄膜は非晶質シリコン薄膜と共に低
コストで大面積の太陽電池用としての実用化が期待され
ている。特にCuInSe2膜の光学的バンドギャップEgが約
1.0eVと狭いのでEgが約1.7eVであるa−Si膜では利用で
きない長波長光を有効に取り込み光電変換できるため、
a−Si太陽電池とCuInSe2太陽電池を積み重ねることに
より、高効率のタンデム型薄膜太陽電池とする方式も有
望である。
第3図はCuInSe2太陽電池の代表的な構造を示す。図
において、表面平滑なものが入手しやすいガラス板1の
上に裏面電極としてのMo薄膜2が被着され、その上に1
〜3μm程度の厚さのp型のCuInSe2膜3,数百Åの厚さ
のn型のCdS膜4および約1.0μmの厚さの透明導電膜で
あるZnO膜5が積層されている。この積層構造に光21が
入射したときに生ずる起電力は、裏面電極2に設けられ
た端子61とZnO膜5に設けられた端子62から負荷22に供
給される。この太陽電池の製造においては、活性層であ
るCuInSe2膜3の形成は最も重要な工程である。このCuI
nSe2膜の形成方法としては、三源同時蒸着法,二段階セ
レン化法,スパッタ法,スプレー法など種々の方法が試
みられているが、このうち、良好な太陽電池特性が得ら
れているのは、例えば雑誌「材料科学」第25巻,P.168
(1988年)に中田らによって述べられている三源同時蒸
着法および、例えば雑誌“J.Appl.Phys"66巻,P.6077に
J.Szotらによって述べられている二段階セレン化法であ
る。
三源同時蒸着法は、第4図に示すように真空容器10の
中にCu蒸発源11,In蒸発源12,Se蒸発源13を備えた蒸着装
置を用い、ヒータ14によって350〜400℃に加熱した基板
1の上にCu,In,Seをそれぞれ別々の蒸発源11,12,13から
同時に蒸着する。基板1の蒸発源側にはシャッタ15が配
置されている。そして、Cu,In用膜厚モニタ16,Se用膜厚
モニタ17を用いて各元素の蒸着量を測定し、蒸発源11,1
2,13の温度にフィードバックすることによって膜組成の
精密制御を行っている。これに対し、二段階セレン化法
は第5図の工程図に示すような工程で行われる。すなわ
ち、第6図(a)に示すようにガラス基板1の上にMo膜
2を被着したのち室温でCu膜18,In膜19,Se膜20を順次蒸
着してCu/In/Se 3層を積層したのち、これをN2中で350
〜400℃の温度で熱処理し、第6図(b)に示すようなC
uInSe2膜3を形成する。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このような方法で得られるCuInSe2膜はミク
ロ的に見た時、非常に凹凸がはげしく、また不均一であ
り、そして異常な突起なども生成し易いため、CuInSe2
膜3と数百Åの非常に薄いCdS膜4でPN接合を形成し太
陽電池にした場合に良好な接合が形成されず、安定して
良い太陽電池特性が得られないということが明らかにな
った。すなわち、これらの方法により発明者らが形成し
た代表的なCuInSe2膜の破断面を走査型電子顕微鏡(SE
M)により観察した結果、両者共に凹凸のはげしい表面
形状であり、不均一であることがわかった。特に二段階
セレン化法によるCuInSe2膜は、表面の凹凸に対応してM
o膜との界面に空洞状のすき間が生じていた。これらの
現象について実験および解析を進めた結果、次のような
推定を行った。三源同時蒸着法の場合には、350〜400℃
に加熱した基板上にCu,In,Seが同時に飛来するため、蒸
着と同時に基板側からCuInSe2の結晶成長が進行し、そ
の結晶成長は基板表面での結晶核形成の影響を強く受
け、その結果として不均一な膜形成が起こり易いと考え
られる。一方、二段階セレン化法を行った場合のX線回
折パターンを第7図に示す。(a)はCu/In/Se三層積層
後、(b)はそのあとの400℃,1時間の熱処理後の回折
パターンである。図に示すように、Cu/In/Seを室温で積
層したとき、CuとInは金属間化合物CuInの結晶を形成し
ており、その上に非晶質のSe層がのっているため、これ
を350〜400℃で熱処理した時金属間化合物CuInの結晶が
Se原子を取り込みながらカルコパイライト型構造のCuIn
Se2の結晶に変化する。この時に体積膨張が起きる。そ
のためこの方法ではCuInSe2膜表面の凹凸に対応してMo
膜との界面に空洞状のすき間が形成されると考えられ
る。
本発明の目的は、上述の問題を解決し基板上に形成さ
れた膜と基板との間に空洞状のすき間を生じることのな
く、さらには表面が均一ではげしい凹凸のないCuInSe2
系化合物薄膜の形成方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために、本発明のCuInSe2系化
合物薄膜の形成方法は、基板上にCu,InおよびSeを含有
する少なくともほぼ非晶質である膜を形成したのち加熱
して結晶化するものとする。そのような少なくともほぼ
非晶質である膜は、Cu,InおよびSeをそれぞれ別個の蒸
発源から同時に蒸発させ、200℃以下の温度の基板上に
真空蒸着することにより形成する。あるいはCuInSe2
結体をターゲツトとしたスパッタ法で200℃以下の温度
の基板上に形成する。そして、少なくともほぼ非晶質で
ある膜の結晶化は300〜500℃の温度で加熱することによ
り行うことが有効である。また、CuInSe2のInの1/3以下
をGaで、あるいはSeの一部をSで置き換えたことも有効
である。さらに、基板の母材にセラミックス板あるいは
金属板を用いることができる。
〔作用〕
ほぼ非晶質ないし非晶質である膜を加熱して結晶化す
ると、体積は収縮するため、基板との界面に空洞状のす
き間を生じさせることがない。そして、Cu,InおよびSe
を真空蒸着法あるいはスパッタ法で気相からSeの融点よ
り低い200℃以下の温度の基板に付着させると、SeがCu
とInの結合を妨げる結果、結晶化せず、Cu,In,Seが原子
レベルで良く混じり合った均一な非晶質膜が形成され
る。この非晶質膜を300〜500℃で熱処理するとカルコパ
イライト構造のCuInSe2結晶の結晶核形成が膜全体で均
一に起こり、そのため結晶粒の大きさが均一となり異常
な突起状の成長や表面のはげしい凹凸は生じることな
く、均一なCuInSe2膜が得られる。
〔実施例〕
本発明の一実施例のCuInSe2膜の形成は第2図の工程
図に示す工程で行われる。第1図はこの工程を第3図と
共通の部分に同一の符号を付した断面図で示すものであ
る。すなわち、第1図(a)に示すようにガラス板1の
上にスパッタ法により約1μmの厚さのMo膜2を形成し
たものを基板とし、その上にCu,InおよびSeからなる非
晶質膜7を蒸着した。第8図はその蒸着に用いた蒸着装
置を示し、第4図と共通の部分には同一の符号が付され
ている。第4図の装置と異なりヒータ14を欠いている。
この装置を用い、基板1を加熱することなく室温のまま
とし、Cu蒸発源11,In蒸発源12およびSe蒸発源13からのC
u,InおよびSeの蒸着速度をそれぞれ膜厚モニタ16,17を
用いて制御し、Cu,InおよびSeが原子比でおよそ1:1:2.5
となるように制御した。このようにして室温で得られた
非晶質膜7を1気圧のN2中で400℃において1時間熱処
理した。第9図はこの400℃熱処理前後のX線回折測定
結果を示す。室温でCu,In,Seを同時に蒸着してできた膜
のX線回折パターン(a)には結晶ピークがほとんど見
られず、非晶質であることを示すゆるやかな曲線が見ら
れる。これを400℃で熱処理した後のX線回折パターン
(b)には第7図(b)と同様の結晶ピークが見られ、
カルコパイライト構造のCuInSe2結晶になっていること
を示している。このようにして第1図(b)に示すよう
に形成されたCuInSe2膜3の膜組成をICP発光分析で調べ
た結果、熱処理前はおよそCu:In:Se=1:1:2.5であった
のが400℃熱処理後はおよそCu:In:Se=1:1:2になってい
た。また400℃熱処理後の膜の破断面をSEMで観察した結
果、従来の方法によって作成したCuInSe2膜に比べ表面
が平滑であり、結晶粒の大きさが均一であり、またMo膜
との界面に空洞状のすき間もなく良く蒸着していること
が確認された。このようにして形成したCuInSe2膜3の
上に第3図に示したようなCdS膜4を電子ビーム蒸着法
で形成後、Alを含むZnO膜5をスパッタ法で形成して作
製したCuInSe2薄膜太陽電池は安定して良い特性が得ら
れた。なお、第4図に示した真空蒸着装置を用いて基板
を200℃以下の温度に保持した場合も、室温の場合と同
様に良質のCuInSe2膜を形成することができた。
このような新しい二段階法のCuInSe2膜の形成方法と
しては、他に室温付近での膜形成を蒸着ではなくスパッ
タ法などで行う方法も考えられる。その場合にはCuInSe
2の焼結体をターゲツトにする。この場合にも室温で形
成したスパッタ膜は非晶質に近いと考えられ、それを35
0〜400℃で熱処理すれば均一で良質な膜が得られると共
に、量産性も高い。
また、このようなCuInSe2膜形成法では一段階目で形
成する層がCu,In,Seを均一に含む少なくともほぼ非晶質
膜であるため、それを熱処理すると膜全体に均一な結晶
核形成が起こるので、結晶成長が基板の影響を受けにく
い。従ってガラスのような平滑な基板だけではなく第10
図のようにアルミナなどのセラミックスやステンレス鋼
などの金属などからなる板8を母材とし、その上にMo膜
2を被着した、凹凸面を有する基板上にも均一で良質な
CuInSe2膜を形成できる。凹凸のある基板は透過光の裏
面散乱を大きくするので、でき上がった太陽電池の変換
効率向上の効果も期待できる。
なお、CuInSe2膜のInの一部をGa/In≦0.5の範囲でGa
で置き換えたものや、Seの一部をSで置き換えたものに
も本発明は同様に有効に実施できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、基板上に結晶化時に収縮する少なく
ともほぼ非晶質ないし非晶質である膜を先ず形成し、そ
の後加熱して結晶化させることにより、基板との界面に
空洞状のすき間のないCuInSe2系化合物薄膜を形成する
ことができる。そしてそのようなほぼ非晶質ないし非晶
質の膜はCu,In,Seを別個の蒸発源から蒸発させるか、Cu
InSe2焼結体ターゲツトをスパッタして200℃以下の温度
の基板上に付着させることにより、容易に均一に形成で
き、結晶化によって生ずる膜も均一になる。また、結晶
化は300〜500℃の熱処理で有効に起こすことができる。
そのほか、Inの一部をGaで、Seの一部をSで置き換えて
特性を制御することも可能であり、さらに基板の母材に
セラミックス板あるいは金属板を用いて表面に凹凸を有
し、太陽電池に用いる場合にCuInSe2系薄膜を透過した
光の裏面散乱を大きくする基板上にも成膜することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のCuInSe2系薄膜形成工程を
(a),(b)の順に示す断面図、第2図はその工程
図、第3図はCuInSe2薄膜太陽電池の断面図、第4図は
従来の三源同時蒸着法によるCuInSe2膜形成に用いられ
る真空蒸着装置の断面図、第5図は従来の二段階セレン
化法によるCuInSe2膜形成の工程図、第6図はその工程
を(a),(b)の順に示す断面図、第7図は第5,第6
図に示した方法の熱処理前後のX線回折パターンを示す
図、第8図は本発明の一実施例に用いた真空蒸着装置の
断面図、第9図は本発明の一実施例における熱処理前後
のX線回折パターンを示す図、第10図は本発明の実施例
によるCuInSe2薄膜を用いた太陽電池の一例の断面図で
ある。 1:ガラス板、2:Mo膜、3:CuInSe2膜、4:CdS膜、5:ZnO
膜、7:非晶質膜、8:セラミックスまたは金属板、10:真
空容器、11:Cu蒸発源、12:In蒸発源、13:Se蒸発源。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に銅,インジウムおよびセレンを含
    有する少なくともほぼ非晶質である膜を形成したのち加
    熱して結晶化するCuInSe2系化合物薄膜の形成方法であ
    って、Cu,InおよびSeをそれぞれ別個の蒸発源から同時
    に蒸発させ、200℃以下の温度の基板上に少なくともほ
    ぼ非晶質である膜を真空蒸着することを特徴とするCuIn
    Se2系化合物薄膜の形成方法。
  2. 【請求項2】基板上に銅,インジウムおよびセレンを含
    有する少なくともほぼ非晶質である膜を形成したのち加
    熱して結晶化するCuInSe2系化合物薄膜の形成方法であ
    って、CuInSe2焼結体をターゲットとしたスパッタ法で2
    00℃以下の温度の基板上に少なくともほぼ非晶質である
    膜を形成することを特徴とするCuInSe2系化合物薄膜の
    形成方法。
  3. 【請求項3】請求項1もしくは2記載のCuInSe2系化合
    物薄膜の形成方法において、結晶化を300℃〜500℃の温
    度で加熱することにより行うCuInSe2系化合物薄膜の形
    成方法。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載のCuIn
    Se2系化合物薄膜の形成方法において、CuInSe2のInの1/
    3以下をGaで置き換えたCuInSe2系化合物薄膜の形成方
    法。
  5. 【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載のCuIn
    Se2系化合物薄膜の形成方法において、CuInSe2のSeの一
    部をSで置き換えたCuInSe2系化合物薄膜の形成方法。
  6. 【請求項6】請求項1ないし5のいずれかに記載のCuIn
    Se2系化合物薄膜の形成方法において、基板の母材にセ
    ラミックス板を用いるCuInSe2系化合物薄膜の形成方
    法。
  7. 【請求項7】請求項1ないし5のいずれかに記載のCuIn
    Se2系化合物薄膜の形成方法において、基板の母材に金
    属板を用いるCuInSe2系化合物薄膜の形成方法。
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