JP4012957B2 - 化合物薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、裏面電極上に形成されたp型化合物半導体からなる光吸収層の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層を設けてなる化合物薄膜太陽電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1は、一般的な化合物半導体による薄膜太陽電池の基本構造を示している。それは、SLG(ソーダライムガラス)基板1上に裏面電極(プラス電極)となるMo電極2が成膜され、そのMo電極2上にp型の光吸収層5が成膜され、その光吸収層5上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層6を介して透明電極(マイナス電極)7が成膜されている。
【0003】
その化合物半導体による薄膜太陽電池における光吸収層5としては、現在18%を超す高いエネルギー変換効率が得られるものとして、Cu,(In,Ga),SeをベースとしたI−III−VI2族系のCu(In+Ga)Se2によるCIGS薄膜が用いられている。
【0004】
従来、この種の化合物薄膜太陽電池におけるバッファ層として、CBD(ケミカルバスデポジション)法によって、溶液から化学的にII−VI族化合物半導体であるCdS膜を成長させることにより、CIS光吸収層と最適なヘテロ接合を得ることができるようにしている(米国特許第4611091号明細書参照)。
【0005】
また、従来、有害物質であるCdを含まない高い変換効率のヘテロ結合を得ることができるバッファ層として、CBD法によってZnS膜を形成させるようにしたものがある(特開平8−330614号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の化合物薄膜太陽電池の製造方法では、CBD法によってバッファ層を成膜させるに際して、溶液に光吸収層を浸すと光吸収層へのZnまたはCd成分の拡散とZnSまたはCdSの成膜とが同時に進行するので、光吸収層の結晶性やその表面状態によって特性のバラツキを生じやすいものになってしまうという問題がある。
【0007】
また、CBD法によるのでは、形成されるバッファ層に不純物が混入して品質が低下してしまうという問題がある。
【0008】
そして、CBD法によるのでは、溶液槽の内部や基材を搬送するキャリアにもZnSが付着して無駄に消費されてしまうとともに、多量の廃液が生じてしまういう問題がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、裏面電極上に形成されたp型化合物半導体からなる光吸収層の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層を設けてなる化合物薄膜太陽電池の製造方法にあって、CBD法によることなく、接合性の良い特性の安定した高品質なpn接合を容易に得ることができるようにするべく、光吸収層をSe雰囲気中で積層プリカーサを熱処理することにより形成し、その光吸収層上にn型ドーパント元素を含むS化合物の粉体を撒積して、またはn型ドーパント元素を含むS化合物を有機溶媒に溶解させた溶液を光吸収層上に塗って、S化合物の融点以上でかつ前記積層プリカーサを熱処理するときの加熱温度以下の範囲内の温度により加熱溶融することによってバッファ層を形成するようにしている。
【0010】
【実施例】
図2および図3は、化合物薄膜太陽電池の製造過程を示している。
【0011】
まず、図2に示すように、SLG(ソーダライムガラス)基板1上に裏面電極としてのMo電極2をスパッタリングにより成膜する。次いで、そのMo電極2上にCIGS薄膜による光吸収層5を作製するに際して、先にIn単体ターゲットT1を用いた第1のスパッタ工程SPT−1によってIn層32を成膜したうえで、その上に、Cu−Gaの合金ターゲットT2を用いた第2のスパッタ工程SPT−2によってCu−Ga合金層31を成膜して、In層32およびCu−Ga合金層31からなる積層プリカーサ3を形成する。そして、熱処理工程HEATにおいて、その積層プリカーサ3をSe雰囲気中で熱処理することにより、CIGS薄膜による光吸収層5を作製する。
【0012】
このように、Mo電極2上にIn層32を設けたうえで、その上にCu−Ga合金層31を設けて積層プリカーサ3を形成するようにしているので、Mo電極2との界面における元素の固層拡散による合金化を抑制することができる。そして、その積層プリカーサ3をSe雰囲気中で熱処理してセレン化する際に、Mo電極2側にIn成分を充分に拡散させることができるとともに、拡散速度の遅いGaがMo電極2との界面に偏析して結晶性の悪いCu−Ga−Se層が形成されることがないようにして、均一な結晶による高品質なP型半導体のCu(In+Ga)Se2によるCIGSの光吸収層5を作製することができる。
【0013】
したがって、Mo電極2との界面に、結晶性が悪くて構造的に脆く、かつ導電性を有する異層(Cu−Ga−Se層)が偏析するようなことがなくなり、Mo電極2との密着性が高くて構造的に強固な、しかもセル間でリークをきたして電池特性が劣化することのない品質の良い光吸収層を得ることができるようになる。
【0014】
次に、図3に示すように、p型の光吸収層5とのヘテロ接合をとるためにn型のバッファ層6を形成する。そして、そのバッファ層6上にZnO:Al,ITOなどからなる透明電極7をスパッタリングにより成膜する。
【0015】
図4および図5は、化合物薄膜太陽電池の他の製造過程を示している。
【0016】
この場合には、積層プリカーサ3のセレン化の熱処理時に、Na成分が光吸収層5に拡散して光電変換効率を向上させることができるように、Mo電極2上にNa2Sからなるアルカリ層8を設けるようにしている。
【0017】
そのアルカリ層8は、例えばNa2S・9H2O(硫化ナトリウム9水和物)を重量濃度0.1〜5%で純水に溶かした水溶液にMo電極2の成膜基板を浸して、スピンドライ乾燥させたのち、膜中残留水分の調整のために、大気中150℃で60分間のベーク処理を行うことによって形成する。
【0018】
そして、SLG基板1とMo電極2との間に、SLG基板1に含まれるNa成分が光吸収層5に拡散するのを制御するSiO2,Al2O3などからなる拡散制御層9をCVD法またはスパッタ法によって形成するようにしている。
【0019】
本発明は、このような構成による化合物薄膜太陽電池にあって、特にバッファ層6を形成するに際して、図6に示すように、n型ドーパント元素Zn(またはCd)を含むS化合物の粉体10を光吸収層5上に撒積して、それを加熱溶融することによってバッファ層6を形成するようにしている。
【0020】
n型ドーパント元素Znを含むS化合物としては、例えば、ジ−n−ブチルジチオカルバミン酸亜鉛〔(C4H9)2NCS2〕2Zn、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛〔(C2H5)2NCS2〕2Znまたはジメチルジチオカルバミン酸亜鉛〔(CH3)2NCS2〕2Znが用いられる。
【0021】
加熱処理としては、使用するn型ドーパント元素Znを含むS化合物の融点以上で、光吸収層5を形成する際の積層プリカーサ3をSe雰囲気中で熱処理してセレン化するときの加熱温度(例えば500℃)以下の範囲内の温度で、30〜300分間加熱する。
【0022】
n型ドーパント元素Znを含むS化合物の粉体10を光吸収層5上に撒積する代わりに、n型ドーパント元素Znを含むS化合物を溶媒に溶かした液を光吸収層5上に塗って、それを加熱溶融することによってバッファ層6を形成するようにしてもよい。
【0023】
n型ドーパント元素Znを含むS化合物の溶液を塗る方法としては、さじ等で光吸収層5の表面に直接溶液をたらすようにする。その他、ディップ、噴霧、スピンコート、スクリーン印刷などが広く適用される。
【0024】
溶媒としては、トルエン、アセトンまたはエタノール等の有機溶媒が用いられる。その溶媒は、加熱することによって蒸発する。
【0025】
形成されるバッファ層6の膜厚は、光吸収層5上に撒積するn型ドーパント元素Znを含むS化合物の粉体10の質量によって、または溶媒に溶かすn型ドーパント元素Znを含むS化合物の濃度および塗布の方法などによって調整される。
【0026】
また、光吸収層5へのZn成分の拡散量は、加熱温度および加熱時間によって制御される。
【0027】
具体的には、ジ−n−ブチルジチオカルバミン酸亜鉛をアセトンまたはエタノールに溶かした0.4〜0.5g/ccの溶液を塗布したものを、250℃で3時間加熱することによって品質の良いバッファ層6が得られた。
【0028】
加熱処理終了後に、必要に応じて、バッファ層6の表面の余分な付着物を除去するべく、塩酸などを用いたエッチングによる表面処理を行う。
【0029】
このように、本発明によれば、何らCBD法によることなく、n型ドーパント元素Zn(またはCd)を含むS化合物による単一の物質を光吸収層5の表面に設けて、それを加熱溶融することによってZnS(またはCdS)の層を形成するようにしているので、不純物が混入することなく、純度の高いバッファ層6を形成することができるようになる。したがって、光吸収層5に対して接合性の良い特性の安定した高品質なpn接合を得ることができるようになる。そして、透明電極7との間の障壁をなくして、再結合による性能劣化を防止することができるようになる。
【0030】
【発明の効果】
以上、本発明は、裏面電極上に形成されたp型化合物半導体からなる光吸収層の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層を設けてなる化合物薄膜太陽電池の製造方法にあって、光吸収層をSe雰囲気中で積層プリカーサを熱処理することにより形成し、その光吸収層上にn型ドーパント元素を含むS化合物の粉体を撒積して、またはn型ドーパント元素を含むS化合物を有機溶媒に溶解させた溶液を光吸収層上に塗って、S化合物の融点以上でかつ前記積層プリカーサを熱処理するときの加熱温度以下の範囲内の温度により加熱溶融することによってバッファ層を形成するようにしたもので、光吸収層に対して接合性の良い特性の安定した高品質なpn接合を容易に得ることができるとともに、透明電極との間の障壁をなくして再結合による性能劣化を防止することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な化合物半導体による薄膜太陽電池の基本的な構造を示す正断面図である。
【図2】SLG基板上に裏面電極および光吸収層を形成するまでの製造過程の一例を示す図である。
【図3】光吸収層上にバッファ層および透明電極を形成するまでの製造過程を示す図である。
【図4】SLG基板上に拡散制御層、裏面電極、アルカリ層および積層プリカーサを形成するまでの製造過程を示す図である。
【図5】SLG基板上に拡散制御層を介して光吸収層、バッファ層および透明電極を形成するまでの製造過程を示す図である。
【図6】本発明によって光吸収層上にバッファ層を形成するまでの製造過程を示す図である。
【符号の説明】
1 SLG基板
2 Mo電極
5 光吸収層
6 バッファ層
7 透明電極
10 n型ドーパント元素Znを含むS化合物の粉体
Claims (3)
- 裏面電極上に形成されたp型化合物半導体からなる光吸収層の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層を設けてなる化合物薄膜太陽電池の製造方法であって、光吸収層をSe雰囲気中で積層プリカーサを熱処理することにより形成し、その光吸収層上にn型ドーパント元素を含むS化合物の粉体を撒積して、S化合物の融点以上でかつ前記積層プリカーサを熱処理するときの加熱温度以下の範囲内の温度により加熱溶融することによってバッファ層を形成したことを特徴とする化合物薄膜太陽電池の製造方法。
- 裏面電極上に形成されたp型化合物半導体からなる光吸収層の上にヘテロ接合のためのn型のバッファ層を設けてなる化合物薄膜太陽電池の製造方法であって、光吸収層をSe雰囲気中で積層プリカーサを熱処理することにより形成し、その光吸収層上にn型ドーパント元素を含むS化合物を有機溶媒に溶解させた溶液を塗って、S化合物の融点以上でかつ前記積層プリカーサを熱処理するときの加熱温度以下の範囲内の温度により加熱溶融することによってバッファ層を形成したことを特徴とする化合物薄膜太陽電池の製造方法。
- n型ドーパント元素を含むS化合物が、ジ−n−ブチルジチオカルバミン酸亜鉛、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛またはジメチルジチオカルバミン酸亜鉛であることを特徴とする請求項1または請求項2の記載による化合物薄膜太陽電池の製造方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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