JP5246839B2 - 半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、光電変換素子の製造方法及び光電変換素子 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、光電変換素子の製造方法及び光電変換素子 Download PDF

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Description

本発明は、半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、光電変換素子の製造方法及び光電変換素子に係り、特にカルコパイライト構造の半導体薄膜を用いた半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、光電変換素子の製造方法及び光電変換素子に関する。
Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなる、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるCuInSeあるいは、これにGaやSを固溶したCu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を光吸収層に用いた薄膜太陽電池は、高いエネルギー変換効率を有し、光照射効果と呼ばれる変換効率の向上現象や優れた経年劣化耐性などの利点を有している。尚、これらの薄膜は元素の頭文字から、一般にCIS系薄膜又はCIGS系薄膜と呼ばれ、それらを用いた太陽電池はCIS系太陽電池、又はCIGS系太陽電池などと呼ばれる。
CIGS系太陽電池の一般的な構造を図1に示す。この太陽電池の基本的構成は、基板上に、裏面電極層、CIGS光吸収層、バッファ層、ZnO窓層、透明電極層及び反射防止層を順次積層したものである。裏面電極層と透明電極層とには、それぞれ光電変換電流を取り出すための電極が形成されている。基板にはガラスの他、金属箔やポリマーなどが用いられる。裏面電極はMoが一般的である。バッファ層はn型半導体薄膜が用いられる。透明電極には酸化インジウム系や酸化亜鉛系薄膜が用いられる。
CIGS系薄膜の蒸着製膜では、従来より図2に示すように、それぞれの原料を所定温度に加熱することで蒸発量を制御し、基板上に薄膜を形成している(非特許文献1参照)。
この手法において、セレン(Se)源の加熱により発生するセレン蒸気は、Cu、In、Ga等の金属原料よりも数十倍高い蒸気圧にしなければならない。そのため、蒸発源るつぼへの原料仕込み量に比べて、実際に薄膜形成に寄与するセレン量はごく僅かであり、ほとんどは製膜槽の内壁等への付着物となり利用されない。その結果、セレン原料の利用効率は、他の金属原料に比べ著しく低いという問題がある。
米国特許第5436204号明細書 米国特許第5441897号明細書 Thin Solid Films 403-404(2002) P197-203
本発明は、Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜半導体薄膜の製造及び光電変換素子の製造に際し、CIGS系薄膜等の半導体薄膜の製膜過程におけるセレン原料の浪費を防止することを課題とする。
上記課題は次の半導体薄膜の製造方法、半導体薄膜の製造装置、光電変換素子の製造方法及び光電変換素子により解決される。
(1)Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
(2)一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
(3)Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜を蒸着製膜する装置であって、ヒーターにより加熱溶融したセレンを保持するセレン原料タンクと、セレン蒸気をセレン原料タンクから放電室に導く配管手段と、配管手段に設けられたバルブと、プラズマガス及びRFパワーが導入され、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを生成する放電室とを含むセレン源を備えたことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
(4)一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄膜を蒸着製膜する装置であって、ヒーターにより加熱溶融したセレンを保持するセレン原料タンクと、セレン蒸気をセレン原料タンクから放電室に導く配管手段と、配管手段に設けられたバルブと、プラズマガス及びRFパワーが導入され、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを生成する放電室とを含むセレン源を備えたことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
(5)Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜を備えた光電変換素子の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
(6)一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄膜を備えた光電変換素子の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする光電変換素子の製造方法
本発明によれば、従来のるつぼ加熱によるセレン蒸気と異なり、非製膜時には完全に供給を止めることができるのでセレン原料の浪費を防げる。また、クラックドSeはセレン蒸気よりも低分子で反応効率が高く、製膜のためのSe原料消費量を格段に少なくすることが可能である。これらの効果からSe原料の大幅な節約が可能となり、またこの手法によって作製されたCIS系薄膜の表面は、従来のものと比べてフラットで滑らかである。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係るCIGS系薄膜は、従来の単純な加熱によるセレン蒸気の供給とは異なり、RFやDCなどによるプラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレン(本明細書では、「クラックドSe」という)をSe源として製膜するものである。
プラズマガスとしては、Arの他、H、He、Kr、Xe、Rn、N、O、H2Se、H2S又はこれらを含む混合ガスなどが利用できる。
図3は、本発明に係るCIGS系薄膜製造装置の製膜模式図である。
Se原料タンク中のセレン原料は、タンク周囲に設けられたヒーターにより加熱溶融される。発生したセレン蒸気はヒーターにより保温された配管手段を経て放電室に達する。
放電室には、プラズマガス及びRFパワーが導入され、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンが生成される。クラックドSeはその後、製膜槽に設けられた基板に到達しCu、In等の金属原料蒸気とともにCIGS系薄膜形成に寄与する。
次に図4を用いて本発明に係るCIGS系薄膜製造装置におけるSe源について詳細に説明する。
本実施例のSe源では、まずSe原料タンク中のセレンをヒーター加熱することでセレン蒸気を得る。セレン蒸気は、ヒーターにより保温された配管手段を経て放電室に導かれる。配管手段にはバルブが設けられている。そして製膜待機時は配管手段に設けられたバルブを全閉することでセレン蒸気を封止することができるので、原料の浪費をなくすことが可能である。また製膜時にはバルブを調節して、プラズマガス及びRFパワーを導入し放電させた放電室にセレン蒸気を導入する。
これによりセレン蒸気はクラッキングされ、高活性なクラックドセレンを得ることができる。クラックドセレンは放電室先端より製膜槽内に導入され、製膜槽に設けられた基板に到達し、Cu、In、Ga等の金属原料蒸気と共にCIGS系薄膜形成に寄与する。クラックドセレンはセレン蒸気よりも反応効率が高く、製膜のためのセレン原料消費量を格段に少なくすることが可能である。これらの効果からセレン原料の大幅な節約が可能となる。
有効製膜面積10×10cmの半導体薄膜製造装置を用い、Se源-基板距離:30cm、膜厚・製膜レート:1.8μm、0.7μm/hの条件でCIGS製膜1回当たり平均Se原料消費量を実測したところ、5.08gであった。これに対して上記と同一条件で従来のるつぼ加熱蒸発Se源を用いた場合は59.5gであった。したがって、本発明によれば、CIGS製膜1回当たり平均Se原料消費量は、従来のものに比べて10分の1と大幅な節約となっている。
またこの装置によって作製されたCIGS系薄膜は、従来のものと比べて大粒径であり、かつ表面はフラットで滑らかである。図5において、左図は、従来のるつぼ加熱によるセレン蒸気を用いて作製したCIGS系薄膜表面の電子顕微鏡写真であり、右図は、本発明によるクラックドSeを用いて作製したCIGS系薄膜表面の電子顕微鏡写真である。
図6に本発明による薄膜を用いて作製したCIGS系太陽電池の電流−電圧特性曲線を示す。AM1.5条件下における電流電圧曲線である。この太陽電池には反射防止膜は用いていないが、それにもかかわらず17%以上の高い変換効率を示していることがわかる。
図6に示すCIGS系太陽電池の性能から、この手法によって高性能・高効率デバイスの作製が可能であることがわかる。
さらに図7に、従来手法によるCIGS系太陽電池及び本発明によるCIGS系太陽電池について、変換効率、短絡電流密度、曲線因子の光照射の特性変化を示す。ここでη0、Jsc0、FF0、はそれぞれ、光(100mW/m2 AM1.5G)照射直後の短絡電流密度、曲線因子であり、η、Jsc、FF、はそれぞれ、光照射5分後の短絡電流密度、曲線因子である。
従来手法によるCIGS系太陽電池は一般に光照射によって性能が低下するのに対して、本発明によるCIGS系太陽電池では光照射後の特性が向上していることが分かる。
すなわち結果として変換効率が向上する現象が見られる。これはSeラジカル発生のパラメータであるRFクラッキングパワー制御によって、CIGS系薄膜中の結晶欠陥制御が行えるためである。
図8にRFクラッキングパワー制御による光照射効果発現度合いの制御例を示す。なお図8においてη0は、光(100mW/m2 AM1.5G)照射直後の変換効率であり、ηは、光照射5分後の変換効率である。
この手法によって作製されたCIGS系薄膜は太陽電池に限らず、光センサーやフォトダイオードなどの光電変換デバイスへの応用も可能である。
CIGS系太陽電池の基本構造図。 従来のるつぼ加熱によるSe蒸気を用いたCIGS系薄膜形成の模式図。 本発明によるクラックドSeを用いたCIGS系薄膜形成の模式図。 本発明によるCIGS系薄膜製造装置におけるSe源の詳細図。 CIGS系薄膜表面の電子顕微鏡写真。左図は、従来のるつぼ加熱によるセレン蒸気を用いて作製したもの、右図は、本発明によるクラックドSeを用いて作製したもの。 本発明の手法を用いて作製したCIGS系太陽電池の性能。 変換効率、短絡電流密度、曲線因子の光照射の特性変化図。 RFクラッキングパワー制御による光照射効果発現度合いの制御例。

Claims (6)

  1. Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄膜の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  3. Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜を蒸着製膜する装置であって、ヒーターにより加熱溶融したセレンを保持するセレン原料タンクと、セレン蒸気をセレン原料タンクから放電室に導く配管手段と、配管手段に設けられたバルブと、プラズマガス及びRFパワーが導入され、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを生成する放電室とを含むセレン源を備えたことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
  4. 一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄膜を蒸着製膜する装置であって、ヒーターにより加熱溶融したセレンを保持するセレン原料タンクと、セレン蒸気をセレン原料タンクから放電室に導く配管手段と、配管手段に設けられたバルブと、プラズマガス及びRFパワーが導入され、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを生成する放電室とを含むセレン源を備えたことを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
  5. Ib族元素とIIIb族元素とSeを含むVIb族元素とからなるカルコパイライト構造の半導体薄膜を備えた光電変換素子の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
  6. 一般式Cu(In1-xGax)(Sey1-y(0≦x≦1、0<y≦1)を有するカルコパイライト構造の半導体薄膜を備えた光電変換素子の製造方法であって、上記半導体薄膜は蒸着による製膜過程において、プラズマによってクラッキングされてラジカル化したセレンを用いたことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
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