JP3473255B2 - 薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents

薄膜太陽電池の製造方法

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JP3473255B2 JP05745096A JP5745096A JP3473255B2 JP 3473255 B2 JP3473255 B2 JP 3473255B2 JP 05745096 A JP05745096 A JP 05745096A JP 5745096 A JP5745096 A JP 5745096A JP 3473255 B2 JP3473255 B2 JP 3473255B2
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正治 寺内
隆博 和田
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Panasonic Holdings Corp
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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高効率な薄膜太陽
電池を製造する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】近い将来、エネルギー供給が次第に困難
になることが予想され、太陽電池の高効率化、低コスト
化が大きな課題となっている。なかでも、大面積化が容
易な薄膜系太陽電池は大幅な低コスト化が可能なので、
そのエネルギー変換効率の向上が強く望まれている。こ
の薄膜系太陽電池の中で、CuInSe2系薄膜を用い
た太陽電池が最も高い変換効率(17%以上)を示す可
能性が示されている。これらの技術については、たとえ
ば、Blossらによる解説(progress in photovoltaic, 3
(1995) p3)に詳しく述べられている。このCuInS
2系薄膜を用いた太陽電池の構成は、Mo薄膜を設け
たガラス基板上にp型CuInSe2系薄膜層を形成
し、次いで、化学析出法によってn型CdS層を、その
上にZnO層を、最後にITO(Indium Tin Oxide)等
の透明電極層を設けて太陽電池とする。この構成では太
陽光はガラス基板と反対側の透明電極層側から入射させ
る。
【0003】別の構成としては、ガラス基板上にITO
(Indium Tin Oxide)等の透明電極層、次いでZnO
層、その上にn型CdS層、p型CuInSe2系薄膜
層を形成し、最後に、電極としてAu膜等を形成して太
陽電池とする。この構成では太陽光はガラス基板側から
入射させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】太陽電池の光電変換
は、pn接合により生じた内部電界で、太陽光の吸収に
より発生したキャリア(電子と正孔)が分離されること
により生ずる。太陽光の吸収により発生したキャリア
が、有効に分離されることなく、再結合すると損失にな
り、太陽電池の効率は低下する。この再結合は主とし
て、半導体中の欠陥を介して生ずる。太陽電池の特性を
示す指標には、太陽光エネルギーから電気エネルギーへ
の変換効率η、pn接合の端子を開放した時に生ずる開
放端電圧Voc、pn接合の端子を短絡した時に流れる
短絡電流Jsc等がある。この指標のうちVocは、太
陽光を吸収して、発生したキャリア(電子と正孔)がp
n接合の内部電界により分離されて、空乏層内に蓄積さ
れることにより生ずる。この蓄積量が多いほどVocは
大きくなる。端子を開放した状態では、前記のように内
部電界で分離されたキャリアの蓄積が生じているため
に、キャリアの蓄積が生じない短絡した状態に比べて再
結合の確率は大きくなる。このために、半導体中の、再
結合の中心となる、欠陥の密度が同じでも、VocはJ
scに比べて、再結合の影響を受けやすい。CuInS
2系薄膜太陽電池では、欠陥を介した再結合が大き
く、例えば単結晶を用いた太陽電池に比べて、前記Vo
cが小さく、結果として太陽電池の効率が低下する。
【0005】
【課題を解決するための手段】以上に述べた課題は、基
板上に導電性薄膜を設ける工程とABC2(A=Cu,
Agのうちの少なくとも1元素、B=In,Ga,Al
のうちの少なくとも1元素、C=S,Se,Teのうち
の少なくとも1元素)薄膜を設ける工程と前記ABC2
薄膜を、前記導電性薄膜の反対側から深さ方向に部分的
に高抵抗層とする工程と電気的接合を形成できる窓層を
設ける工程と透明導電膜を設ける工程とからなることを
特徴とする太陽電池の製造方法、あるいは、基板上に透
明導電膜を設ける工程と窓層を形成する工程とABC2
(A=Cu,Agのうちの少なくとも1元素、B=I
n,Ga,Alのうちの少なくとも1元素、C=S,S
e,Teのうちの少なくとも1元素)薄膜を設ける工程
と前記ABC2薄膜を形成する初期に、ABC2薄膜を前
記窓層側から深さ方向に部分的に高抵抗化する工程と前
記ABC2薄膜の上に導電性薄膜を形成する工程とから
なることを特徴とする太陽電池の製造方法により解決す
ることができる。この時のエネルギーバンド図を従来例
とともに図1に示す。図1(a)が、従来例のエネルギ
ーバンド図で、ABC2薄膜1と窓層2で形成されるp
n接合により、太陽光の吸収により発生した電子4と正
孔5の分離、空乏層3への蓄積を示した図である。同じ
く図1(b)は本発明の太陽電池で、のエネルギーバン
ド図及び太陽光の吸収により発生したキャリアの分離、
空乏層への蓄積を示した図である。導入した高抵抗層4
のために内部電界が発生している領域が広くなり、図1
(a)に比べて、電子4及び正孔5が空間的により離れ
て蓄積されるために、再結合が小さくなり、蓄積量が増
え、Vocが大きくなる。また、内部電界が発生してい
る領域で、太陽光の吸収によるキャリアの発生が生ずる
ことが望ましいので、導入する高抵抗層6の幅は、少な
くともABC2薄膜1の光吸収係数の逆数程度以上であ
ることが望ましい。前記ABC2薄膜の1部分を高抵抗
化するのは、以下のプロセスである。ABC2薄膜1は
B族元素を導入することで高抵抗化することが知られて
いる。微量のB族元素を、ABC2系薄膜太陽電池のp
型ABC2薄膜の窓層2側から深さ方向に部分的に導入
することで、その部分を高品質な高抵抗層6とする。こ
の時、B族元素を過剰に導入すると高抵抗にはなるもの
の、組成ずれによる欠陥が発生し、再結合が大きくなる
ため望ましくない。また、B族元素の導入量が微量であ
っても、膜への高エネルギー粒子の飛び込み等、導入プ
ロセスにより、欠陥が発生することは望ましくないの
で、導入プロセスはできるだけソフトなプロセス、例え
ば、真空蒸着法等が望ましい。このようにABC2薄膜
に微量のB族元素を導入する場合には専用のB元素源を
備えた装置を使用することが望ましい。さらにB元素を
導入する場合には、ABC2薄膜1のへB元素の拡散が
生じ、且つABC2薄膜2の結晶性を変えない温度まで
基板を加熱することが望ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。
【0007】(実施の形態1)図3に示すようにガラス
基板7上に下部電極であるMo電極8を約1ミクロンの
厚さで蒸着する。光吸収層であるたとえば、Cu(I
n,Ga)Se2薄膜9は、基板温度550℃程度で蒸
着によって約2ミクロン程度の厚さで形成する。もちろ
ん プロセスは、蒸着に限ることはない。Cu(In,
Ga)Se2薄膜形成後、基板温度を300℃程度に下
げ、同一装置内で、専用の抵抗加熱In源を用いて、C
u(In,Ga)Se2薄膜にInを導入し、深さ方向
に数百nm程度高抵抗層10とする。さらに、光吸収層
との電気的接合を形成するために窓層を蒸着や化学的析
出法によって形成する。最も適した構成は、CdS膜1
1を化学析出法で形成(約0.05ミクロン厚)した後、蒸
着などのPVD法によってZnO薄膜12を形成(約0.
1-0.3ミクロン)することである。透明導電膜13は、
ITOあるいは、III族元素(たとえば、B,Al,G
aなど)をドープしたZnO薄膜をスパッター蒸着など
のPVD法によって形成する。シート抵抗として10オ
ーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を調整する。比較
のために、前記Cu(In,Ga)Se2薄膜を、深さ
方向に数百nm程度高抵抗化する工程を省いた太陽電池
も作製した。
【0008】表1にこれらの太陽電池のAM1.5(1
00mW/cm2)の照射光に対する特性を示す。
【0009】
【表1】
【0010】表1に見られるように本発明で得られた太
陽電池の特性は従来の構成で得られる太陽電池の特性よ
りはるかに優れている。
【0011】(実施の形態2)図4に示すようにガラス
基板7上に透明導電膜13を形成する。この導電膜はI
TOあるいは、III族元素(たとえば、B,Al,Ga
など)をドープしたZnO薄膜をスパッター蒸着などの
PVD法によって形成する。シート抵抗として10オー
ム程度になるようにぞれぞれの膜厚を調整する。その上
に蒸着などのPVD法によってZnO薄膜12を形成
(約0.1-0.3ミクロン)する。次いでCdS膜11を化
学析出法で形成(約0.05ミクロン厚)した後、光吸収層
であるたとえば、Cu(In,Ga)Se2薄膜9は、
基板温度400℃程度で蒸着によって約2ミクロン程度
の厚さで形成する。。この形成時に、専用の抵抗加熱I
n源を光吸収層の形成初期に用いて、Cu(In,G
a)Se2薄膜9の、CdS側から数百nm程度を高抵
抗層10とする。その上に電極としてAu膜14を形成
する。
【0012】表2にこれらの太陽電池のAM1.5(1
00mW/cm2)の照射光に対する特性を示す。
【0013】
【表2】
【0014】表2に見られるように本発明で得られた太
陽電池の特性は従来の構成で得られる太陽電池の特性よ
りはるかに優れている。
【0015】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高性能な
薄膜太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の製造方法による太陽電池のキャリアの分
離、蓄積を示すエネルギーバンド図
【図2】本発明の製造方法による太陽電池のキャリアの
分離、蓄積を示すエネルギーバンド図
【図3】本発明の製造方法による太陽電池の製造工程の
説明図
【図4】本発明の製造方法による太陽電池の製造工程の
説明図
【符号の説明】
1 ABC2膜ガラス基板 2 窓層 3 空乏層 4 電子 5 正孔 6 高抵抗層 7 ガラス基板 8 Mo電極 9 Cu(In,Ga)Se2薄膜 10 高抵抗層 11 CdS膜 12 ZnO薄膜 13 透明導電膜 14 Au電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に導電性薄膜を設ける工程と、A
    BC(A=Cu,Agのうちの少なくとも1元素、B
    =In,Ga,Alのうちの少なくとも1元素、C=
    S,Se,Teのうちの少なくとも1元素)薄膜を設け
    る工程と、前記ABC薄膜を、前記導電性薄膜の反対
    側から深さ方向に部分的に高抵抗化する工程と、電気的
    接合を形成できる窓層を設ける工程と、透明導電膜を設
    ける工程とを設けたことを特徴とする太陽電池の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 ABC薄膜の高抵抗部分の厚みが、A
    BC薄膜の光吸収係数の逆数より大きいことを特徴と
    する請求項1に記載の太陽電池の製造方法。
  3. 【請求項3】 ABC薄膜を深さ方向に部分的に高抵
    抗化する工程が、B元素をABC薄膜へ導入すること
    であることを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電
    池の製造方法。
  4. 【請求項4】 B元素をABC薄膜へ導入する工程に
    おいて、ABC2薄膜のへB元素の拡散が生じ、且つA
    BC薄膜の結晶性を変えない温度まで基板を加熱する
    ことを特徴とする請求項に記載の太陽電池の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 ABC薄膜へのB元素の導入の量がA
    BC2薄膜の結晶性を損なわない量であることを特徴と
    する請求項に記載の太陽電池の製造方法。
  6. 【請求項6】 B元素の導入方法が抵抗加熱蒸着である
    ことを特徴とする請求項に記載の太陽電池の製造方
    法。
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