JP5450441B2 - モリブデン含有裏面電極層を有する薄膜太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも1つの基板と1つの裏面電極層と1つのカルコパイライト吸収層と1つの表面接触層とを含み、裏面電極層が1つ以上の膜層で構成されている薄膜太陽電池に関する。本発明はさらに、モリブデン含有量>50原子%の裏面電極層を製造するためのスパッタターゲットに関する。
薄膜太陽電池は、安価な製造方法と合せて著しい材料節約が可能となるので、従来のシリコン太陽電池に対する有望な代案である。薄膜太陽電池は普通、基板と裏電極と一般に陰極噴霧によって被着される約0.4〜1.2μm厚のモリブデン層と2〜5μm厚の吸収層とnドープ窓層と透明導電性表面接触層とを含む。光電活性吸収層は、関与する化学元素の化学量論的または非化学量論的割合を有する三元、四元または五元化合物の態様、例えばCu(Inx、Ga1-x)(Sey、S1-y2、簡略してCIGSの態様のカルコパイライトを基とする結晶構造または非晶質構造の化合物半導体層である。この層は入射可視光または非可視電磁放射を吸収してそれを電気エネルギーに変換する。CIGS太陽電池で19.5%までの効率を達成できることを示すことができた(非特許文献1)。工業的に製造されるモジュールは現在13.4%までの効率を有する(非特許文献1)。高い効率を達成するにはアルカリ金属をCIGS吸収層に添加する必要がある。ナトリウムが最大の効率向上をもたらし、それに続くのがカリウムとリチウムであるのに対して、セシウムは殆ど影響を及ぼさないことが研究で判明した(非特許文献2)。代表的ナトリウム濃度は0.1原子%のオーダーである。この効率改善は電子的効果にも構造的効果にも帰することができる。構造的効果と見做されるのは層成長および層モルフォロジに対するアルカリ金属の好ましい影響である。電子的効果は有効な電荷担体密度および導電率の上昇であり、これにより電池の開放電圧の上昇が達成される。CIGS層の堆積中または堆積後にアルカリ金属を添加しても効率が向上するので、おそらく粒界での電子的効果が支配的であるとみなすことができる。
CIGS層内でのナトリウムの溶解度はごく僅かであるので、好ましいことにナトリウムは粒界に存在する。吸収層へのアルカリ金属のドーピングは、アルカリ金属、好ましくはナトリウムをソーダ石灰ガラス基板からモリブデン裏面電極層を通り拡散させることによって行うことができる。この方法は剛性ガラス基板に限定されている。それに加えて、十分なプロセス安定性が保証されていない。
ナトリウムを含有しない別の例えば鋼、チタンまたはプラスチックフィルム等の基板材料を使用する場合でも吸収層のナトリウムドーピングを達成するために、そしてさらにプロセス安定性を改善するために、特許文献1はナトリウム、カリウムまたはリチウムまたはこれらの元素の化合物を吸収層の堆積中に調量添加する方法を提案している。アルカリ金属またはアルカリ金属と酸素、硫黄、セレンまたはハロゲン化物との化合物の添加は例えば噴散セルまたは線形蒸発器から蒸発させることによって行うことができる。アルカリ元素と混合した金属ターゲットから裏面電極層をスパッタリングする際にナトリウム、カリウムまたはリチウムを添加することについて言及されている。しかしアルカリ金属はきわめて反応性が高いので、酸素結合は避けることができない。酸素結合は結合されていない拡散性ナトリウムの部分にもモリブデン裏面電極層の気孔率および導電率にも影響する。さらに、酸素が裏面電極層/CIGS吸収層の界面でのMoSex/MoSx層の形成にも影響を及ぼすと考えられる。非特許文献3の推定によれば、数10nm厚のMoSex層がCIGS吸収層/裏面電極層の界面での有利なオーム接触の形成に必要である。高い一定した効率の薄膜太陽電池をプロセス上確実に製造するには酸素値の絶対値だけでなく、この値の安定性も決定的である。一定した酸素値は例えば、ナトリウムをイオン注入によってモリブデン裏面電極層に導入することによって調整可能である。しかしこの方法は非常に手間がかかり、現在学術的研究にのみ応用される。
モリブデン裏面電極層はPVD法によって、スパッタターゲットから基板上に堆積される。スパッタターゲットとは、高エネルギーイオンの照射によってそれから原子が分離されて気相となり、基板上に堆積されることになる固体のことである。このプロセスは陰極噴霧またはスパッタリングと称される。その方法は例えばDCスパッタリング、RFスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、反応性スパッタリング、イオンビームスパッタリングである。変形可能な基板を使用する場合、スパッタされたモリブデン層は、特許文献2に述べられたように圧延処理によって圧縮することができる。
モリブデン裏面電極層は2層に構成しておくこともできる。一方の膜層はナトリウムドーピングを含み、第2膜層は純モリブデンから成る。両方の膜層はDCスパッタリングによって製造することができる(非特許文献4)。この刊行物から、ナトリウム添加膜層の厚さ増加に伴ってCIGS吸収層の粒径が減少することが明らかである。さらに、ナトリウム添加膜層の厚さがナトリウムを含まない膜層の厚さを上まわると太陽電池の機能性が劣化することが明らかである。そのことから、CIGS吸収層内の過度に高いナトリウム含有量は太陽電池の効率に不都合に作用すると推論できる。特許文献3も、ナトリウム添加によるCIGS太陽電池の効率改善を扱っている。吸収層の遅い堆積段階においてはじめてナトリウム添加を行うことが重要であると強調されている。
太陽電池モジュールで経済的に発電できるようにするには、太陽電池モジュールが極力長い寿命を有しなければならない。しかし太陽電池のライフサイクル中に酸素の拡散浸入または水の透過を生じることがあり、モリブデン裏面電極層の酸化に対する抵抗力があまり大きくないので、モリブデン裏面電極層の腐食を生じることがある。既に太陽電池の製造プロセス中も、モリブデン層の腐食を生じることがある。それに加えて、モリブデン酸化物の形成はCIGS吸収層/裏面電極層の界面での薄いMoSxまたはMoSex層の形成にマイナスに影響することがあり、これによりオーム接触が劣化する。特許文献4では、1〜33原子%の窒素を含有したモリブデン裏面電極層を使用することが提案されている。このような層は部品の機械的構造化プロセス中に著しく高い耐食性とより大きな機械的損傷への耐性を有すべきである。部品構造化プロセスは、個々の電池をモノリシックに1つのモジュールへと相互接続するために不可欠である。
太陽電池の電気を将来安価にかつ競争力ある価格で発生するには、一方で太陽電池モジュールの製造費をさらに低下させ、他方でモジュールの有効寿命を延長しなければならない。これに本質的貢献をなすのが最適な裏面電極層である。
欧州特許出願公開第0715358号明細書 国際公開第2005/096395号パンフレット 独国特許発明第10259258号明細書 独国特許発明第10248927号明細書
Green, M.A. et al:Prog. Photovolt. Res. Appl.13(2005) 49 Rudmann, D:学位論文、連邦工業大学、チューリヒ、2004、viii頁 Kohara et al:Sol. Energy Mater. Sol. Cells 67 (2001) 209 Kim, M.S. et al:21st European Photo Voltaic Solar Energy Conference, 2006年9月4〜8日、ドレスデン、ドイツ、2011頁
そこで本発明の課題は、Mo含有裏面電極層を有し、
吸収層への一定した十分なNa導入によって一定した高い効率;
高い耐酸化性、耐食性による高い長期安定性;
裏面電極層/吸収層の界面に一定した層厚のMoSx/MoSex層を形成することによる規定されたオーム接触;
隣接材料との良好な層付着;
簡単なプロセス管理による低い製造費
以上の特性を有する薄膜太陽電池を提供することである。
本発明の課題はさらに、上記特性を有する裏面電極層を製造するためのスパッタターゲットを提供することである。それに加えてこのスパッタターゲットはスパッタ面にわたって均一な除去率を有し、局所的溶融傾向のないものでなければならない。
本発明によればこの課題は独立請求項の特徴によって解決される。
本発明によれば、裏面電極層の少なくとも1つの膜層が0.1〜45原子%のチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびタングステンの群の少なくとも1種の元素を含む。これらの元素の添加によって裏面電極層の長期耐久性、吸収層への結合、そして吸収層へのナトリウム添加の安定性を改善できることが判明した。含有量が0.1原子%未満であると十分な作用は達成されない。合金元素含有量が45原子%超であると電気伝導率は過度に低い値に低下する。好ましい含有量はチタンが1〜30原子%、ジルコニウムが0.5〜10原子%、ハフニウムが0.5〜10原子%、バナジウムが1〜20原子%、ニオブが1〜20原子%、タンタルが1〜15原子%、タングステンが1〜40原子%である。特別好ましい含有量はチタンが2〜20原子%、ジルコニウムが1〜5原子%、ハフニウムが1〜5原子%、バナジウムが2〜10原子%、ニオブが2〜10原子%、タンタルが2〜10原子%、タングステンが5〜35原子%である。
先行技術によればナトリウムの添加は、好ましくは吸収層の堆積中または堆積後に、ナトリウム含有化合物の熱蒸発によって行うことができる。しかし好ましくはナトリウムは裏面電極層の堆積時にスパッタリングによって裏面電極層に添加される。堆積プロセス中に裏面電極に導入されるナトリウムは、モリブデン母材に不溶であるため、引き続き高温(約500℃)で行われるプロセス中に裏面電極層から吸収層内に拡散する。そのことの利点として、ナトリウム堆積という付加的プロセス工程を節約することができ、その濃度をスパッタターゲット内のナトリウム添加含有量により非常に正確に調整することができる。最大ナトリウム含有量は7.5原子%である。というのも、それより上では層の十分な長期耐久性と構造的統合が保証されていないからである。最良の結果は0.01〜7.5原子%のナトリウム含有量で達成される。ナトリウム0.01原子%未満では吸収層がナトリウムの付加的添加を必要とする。最適なナトリウム含有量は裏面電極層の構成(単層/多層)、厚さ、組成および構造に依存している。単層構成の場合、最良の結果は0.5〜2.5原子%のナトリウム含有量で達成される。
高い1.5〜7.5原子%のナトリウム含有量が有利であるのは、裏面電極が2層構成または多層構成を有するときである。例えばまず基板上に薄い裏面電極層を高ナトリウム含有量でスパッタリングし、純モリブデン層または低ドープモリブデン層を続けることができる。ナトリウム含有膜層を薄く実施すればするほど、この膜層の有利なナトリウム含有量は一層多くなる。しかし、まず純モリブデン層を基板上に堆積させ、高ナトリウム添加層を続けることもできる。
純モリブデン層もしくはナトリウム添加モリブデン層内でのナトリウムの拡散係数は例えばスパッタリング条件を介して、実質的にはアルゴンガス圧力の変更と、ナトリウムとの間で化合物を形成する元素の含有量とによって調整することができる。プロセス技術上の理由から適しているのは500℃超の融点を有する化合物である。融点が500℃未満であると、製造条件に基づく熱処理時に層の局所的融解を生じ、その結果として、層応力と合せてヒルロック発生を生じることがある。融点500℃超のナトリウム化合物の例は酸化ナトリウム、混合酸化ナトリウム、セレン化ナトリウム、硫化ナトリウムである。酸素、セレンおよび/または硫黄の高含有量は裏面電極層内でのナトリウムの拡散率を高める。粒界での偏析が、好ましいナトリウム拡散経路であるとすることができる。十分な長期安定性、微細構造的統合、十分な電気伝導率、そして隣接素材への結合を保証するためには、ナトリウムとで化合物を形成する元素の総含有量は7.5原子%が限界である。さらに、酸素はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよび/またはタングステンと結合している。遊離酸素、すなわち拡散性酸素の含有量がこうして低減しているので、裏面電極層/CIGS吸収層の界面もしくはCIGS吸収層内への許容外に高い酸素拡散は防止される。裏面電極層/CIGS吸収層の界面にMoSex層またはMoSx層を生成することがこうして保証されている。隣接層の間でオーム接触がこうして可能となる。
裏面電極層の好ましい厚さは0.05〜2μmである。0.05μm未満の層厚では層の電流容量が小さすぎる。2μm超の層厚では層応力、層付着性およびプロセス費が不都合な影響を受ける。
層の高い長期安定性は層がタングステン、チタンまたはニオブを含むとき達成される。きわめて良好な結果は5〜35原子%のタングステン値で達成することができた。ナトリウムとチタンとの組合せ、もしくはナトリウムとタングステンとの組合せも、長期安定性に優れた裏面電極層をもたらす。
本発明によりナトリウムを裏面電極層に添加することによって、ナトリウムを含まない基板、例えば鋼またはチタンから成る金属基板もしくは高分子素材から成る基板等を使用することも可能になる。柔軟なカルコパイライト太陽電池モジュールを製造し、こうして応用範囲を著しく広げることが可能である。
既に触れたように、スパッタターゲットを用いて陰極噴霧(スパッタリング)によって裏面電極層を生成すると有利である。先に述べた性質を有する薄膜太陽電池の裏面電極層は、特別有利には、製造に起因した不純物の他に0.1〜45原子%のチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびタングステンの群の少なくとも1種の元素と0〜7.5原子%のナトリウムと0〜7.5原子%の、ナトリウムとで融点500℃超の化合物を形成する1種以上の元素と残り少なくとも50原子%のMoとから成るスパッタターゲットを用いて製造することができる。
ナトリウムの添加は吸収層の堆積中および/または堆積後および/または既に裏面電極層のスパッタリング時に行うことができる。後者は、高いプロセス確実性と合せて製造費がより少ないという利点を有する。ナトリウムを添加した裏面電極層を製造するための有利なスパッタターゲットは、少なくとも50原子%のMoと0.1〜45原子%のチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびタングステンの群の少なくとも1種の元素とさらに0.01〜7.5原子%のナトリウムと0.005〜15原子%の、ナトリウムとで融点500℃超の化合物を形成する1種以上の元素とから成る。また、この素材は通常の不純物を有することがあり、不純物含有量は製造ルートもしくは使用原料に左右される。好ましくは不純物含有量が<100μg/gである。非常に純粋な原料が利用可能である場合、不純物含有量はさらに低減することもでき、好ましくは<10μg/gである。
好ましい含有量はチタンが1〜30原子%、ジルコニウムが0.5〜10原子%、ハフニウムが0.5〜10原子%、バナジウムが1〜20原子%、ニオブが1〜20原子%、タンタルが1〜15原子%、タングステンが1〜40原子%である。特別有利な含有量はチタンが2〜20原子%、ジルコニウムが1〜5原子%、ハフニウムが1〜5原子%、バナジウムが2〜10原子%、ニオブが2〜10原子%、タンタルが2〜10原子%、タングステンが5〜35原子%である。これらの元素はナトリウム含有化合物の成分として、元素の態様で、および/またはモリブデン母材に溶解されて存在する。好ましくはさらに、ナトリウム含有量が0.1〜5原子%である。最良の結果は0.5〜2.5原子%で達成することができた。既に触れたように、その際に考慮すべき点として最適なナトリウム含有量は裏面電極層の構成、組成、厚さおよび構造に強く左右される。
次に被覆プロセスにおいて上記合金元素が裏面電極層に添加される。スパッタプロセス時に反応性ガスを使用しない場合、スパッタターゲット内と裏面電極層内の各合金元素含有量は概ね同じである。太陽電池の効率と寿命特性とに対する合金元素の作用は裏面電極層について既に述べたとおりである。反応性ガスを使用することによって、裏面電極層の組成をスパッタターゲットの組成とは違えて設計することが可能となる。例えば水素を使用することによって堆積層中の酸素含有量を減らすことができる。本発明に係るスパッタターゲットで堆積された層は制御下にナトリウムを遊離させ、これにより太陽電池の一定した効率向上が保証されている。その際、融点500℃超の特別有利なナトリウム含有化合物として酸化ナトリウム、混合酸化ナトリウム、セレン化ナトリウム、硫化ナトリウムおよびハロゲン化ナトリウムが結晶として析出した。ハロゲン化ナトリウムを使用する場合、各ハロゲンが完全に気化するようにプロセスを管理しなければならないことを考慮しなければならない。それゆえに、各プロセス温度において十分に高い蒸気圧力を有するハロゲンが有利である。NaFが有利である。というのも、遊離するフッ化物がセレン化工程/硫化工程中にSF6またはSeF6の態様で逃散するからである。CIGS吸収層へのセレンおよび硫黄の拡散は太陽電池の効率劣化を生じないので、セレン化ナトリウムおよび/または硫化ナトリウムを使用するのが有利である。
さらに、Na2Oおよび/またはNa2O混合酸化物を使用するとプロセス技術上有利である。混合酸化物において好ましい第2成分として挙げることができるのはチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデン、アルミニウム、ゲルマニウムおよびシリコンの群の酸化物である。これは例示的にxNa2O・yWO3、xNa2O・yTiO2、xNa2O・HfO2、xNa2O・yZrO2、xNa2O・yV25、xNa2O・yNb25、xNa2O・yTa25、xNa2O・yMoO3、xNa2O・yAl23、xNa2O・yGeO2、xNa2O・ySiO2である。最良の結果はxNa2O・yWO3(タングステン酸ナトリウム)、xNa2O・yNb25(ニオブ酸ナトリウム)およびxNa2O・yMoO3(モリブデン酸ナトリウム)で達成することができた。3種以上の酸化物で構成される混合酸化物も有利な性質を示す。アルミニウム、ゲルマニウムおよび/またはシリコン含有混合酸化物が使用される場合、アルミニウム、ゲルマニウムおよびシリコンの有利な含有量はそれぞれ0.1〜5原子%である。融点500℃超の化合物は、これらの製造条件において十分な安定性を有する。本発明に係るスパッタターゲットを例えば多孔質モリブデン構造のナトリウム含有化合物による溶浸によって製造することがこうして可能である。高温プレスまたは熱間静水圧プレス等のプロセス技術もきわめて好適な製造方法である。
ナトリウム含有量が約0.75原子%未満の場合には、プレス加工、焼結等の従来の製造方法に加えて選択的に例えば圧延加工による塑性加工を行うことが可能である。タングステン、ニオブ、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、タンタル、モリブデン、ゲルマニウム、シリコンおよびアルミニウムの群の少なくとも1種の元素とナトリウムとの化合物が使用される場合、ナトリウムと各元素との原子比が<0.3であると有利である。
堆積プロセス中、スパッタターゲットの成分は元素の態様で存在する。ところでタングステン、ニオブ、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、タンタル、モリブデン、ゲルマニウム、シリコンおよび/またはアルミニウムが供給過剰であると、熱力学的、運動学的効果に基づいて、拡散性を有する元素としてのナトリウムもこの層の中に存在することとなり、その結果、元素ナトリウムが吸収層に拡散浸入する。
さらに、スパッタターゲット素材がモリブデンまたはモリブデン混晶から成る骨格構造を有すると有利であると実証された。骨格構造の好ましい粒径は0.1〜50μmである。そのことから、局所的融解のない均一なスパッタプロセスが保証される。Mo含有母材相の容積含有量は有利には50%超である。骨格構造は、モリブデン粉末を使用することによって、またはチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タングステン、ニオブ、バナジウムおよび/またはタンタルとモリブデン粉末との混合物を使用することによって、好ましくは2〜20μmのフィッシャー粒径(フィッシャー法により計測された粒径)で製造することができる。この粉末は、蒸発可能なスペースホルダを使用することなくまたは使用して圧縮され、引き続き、代表的には1500℃(2μm粉末)〜2300℃(20μm粉末)範囲内の温度での焼結プロセスが施される。圧粉体の溶浸も可能である。粒径2μm未満の粉末を使用すると、既に過度に低い温度において、溶浸工程を不可能にする閉鎖気孔の発生がスタートする。良好な溶浸特性と溶浸プロセスによる安定した微細構造と合せて十分な骨格強度を有するモリブデン骨格構造を達成することがこれによっては可能でない。ナトリウム含有酸化化合物を粉末の態様で添加すると、加熱過程中に圧縮が活性化され、等温焼結領域で収縮が遅れる。
フィッシャー粒径4〜10μmのモリブデン粉末を使用すると好ましいことが実証された。そのことから、1600℃(4μm粉末用)〜2000℃(6μm粉末用)の焼結温度において開放気孔が粒子間の十分な焼結ネック形成と合せて保証される。粉末粒径が20μm超であると、きわめて大きな気孔を生じることになる。毛管力が気孔寸法に比例しているので、この大きな気孔の溶浸にとって駆動力はもはや十分でない。スパッタリング特性と堆積層の品質はモリブデン母材内でのナトリウム含有成分の分布に強く左右される。こうして制御下の均一な気孔率は、改善されたスパッタリング特性と好ましい層特性をもたらす。焼結工程後の気孔率は代表的には15〜25%の範囲内である。含有量を高くするためには、例えば蒸発可能な高分子の態様のスペースホルダを使用する必要がある。ナトリウム酸化物はきわめて吸湿性であるので、溶浸プロセス中に再び分解する炭酸塩を使用すると有利なことがある。
他のきわめて有利な方法として実証されたのは熱間静水圧プレス(HIP)である。その際、粉末混合物または粉末混合物から製造された圧粉体が知られている。Mo粉末のフィッシャー粒径は好ましくは2〜15μmである。例えばW等の比較的僅かな酸素親和性を有する合金粉末は、好ましくはやはり2〜15μmのフィッシャー粒径を有する。チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タングステン、ニオブ、バナジウム、タンタルの強反応性元素および一部ではやはりごく酸素親和力のあるナトリウム含有化合物の場合、好ましくはフィッシャー粒径5〜200μmの粉末が利用される。代表的缶材料として使用されるのは非合金鋼である。Na含有化合物と比べて鋼の耐食性が十分でない場合、または所要のHIP温度が1200℃超である場合、例えばチタン缶を使用することができる。吸着された酸素もしくは水分を除去するために、缶は好ましくは200〜750℃の温度範囲内で排気される。熱間静水圧プレスは好ましくは1100〜1400℃範囲内の温度と50〜300MPaの圧力とにおいて行われる。高温プレスも圧縮に適したプロセス技術であり、そこではキャニングプロセスを省くことができる。しかし、ここで有利には化合物の搾り出しを防止するために融点>1000℃のナトリウム含有化合物が使用されることを考慮しなければならない。プレス過程中に許容外に高いナトリウム損失が避けられるようにナトリウム含有化合物の蒸気圧力が十分に低いことも考慮しなければならない。
ナトリウム含有量が0.75原子%未満の場合、無圧焼結過程とすることもでき、選択的にそれに続く塑性加工工程を行うこともできる。その際、まず水溶性ナトリウム化合物、例えばNa2O・3SiO2が蒸留水に溶解され、この溶液が、好ましくは比表面積>5m2/gのMoO3粉末に混入される。しかしナトリウム含有固体化合物をMo酸化物に混加することもできる。次に、ドープされたMo酸化物粉末は2段階還元プロセスが施され、第1段階では約550〜650℃においてMoO3がMoO2へと還元され、第2段階では約900〜1100℃においてMoO2がMo金属粉末へと還元される。選択的に、ナトリウム含有溶液またはナトリウム含有固体化合物を最初にMoO2に添加することもできる。こうして製造された金属粉末はフィッシャー粒径が2〜6μmであり、篩分けし均質化し圧縮し、1600〜2200℃の温度で焼結される。その際考慮すべき点として、還元工程時にも焼結過程時にもナトリウム損失を生じることを考慮すべきであり、この損失は添加時に既に相応に考慮しなければならない。このナトリウム損失はナトリウム混合酸化物を使用すると減らすことができる。好ましい第2成分として挙げることができるのはやはりチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タングステン、ニオブ、バナジウム、タンタル、モリブデン、アルミニウム、ゲルマニウムおよびシリコンの群の酸化物である。
上記プロセス技術でもって、理論密度の97〜100%の密度のスパッタターゲットを達成することが可能である。さらに、巨視的に等方性組織構造を有するスパッタターゲットを製造することが可能である。巨視的等方性組織構造とは、約100μmの寸法範囲において3つの空間軸のすべてで各組織成分の割合が概ね同じである組織構造のことである。ナトリウム含有範囲は約20μmより大きくない。
さらに、本発明に係るスパッタターゲットは好ましくは管状ターゲットとして実施される。その際好ましくは、被覆設備が基板ガラス製造のフローティングプロセスに一体化され、フローティングの余熱は、温度を僅かに高めて被覆プロセスを実行するのに利用することができ、このことは層応力に好適な影響を及ぼす。しかし、本発明に係るスパッタターゲットは平面ターゲットの態様で設けることもできる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。
純度99.99原子%(金属純度。Wを除く)、フィッシャー粒径4.2μmのモリブデン粉末が、粉末(レーザ光学式に測定した粒径10〜70μm)状の相応する合金成分と拡散混合機内で30分間混合された。試料1〜38について各合金元素もしくはその含有量が表1に列記されている。こうして製造された粉末混合物はダイプレス法によって圧力270MPa、ダイ直径120mmで円形ブランクへとプレス加工された。円形ブランクはチタンカプセル内で位置決めされ、450℃の温度において真空排気された。次に、吸引管が密封溶接された。圧縮は熱間静水圧プレスにおいて温度1400℃、アルゴン圧力180MPaで行われた。こうして製造された円形ブランクの密度はすべての素材組合せにおいて理論密度の>99.5%であった。ナトリウムを含まない試料の酸素値はキャリアガス熱間抽出によって判定された。結果はやはり表1に示してある。
次に、スパッタリング実験設備用に相応するスパッタターゲットを製造するために円形ブランクは機械加工された。直径は72mm、厚さは6mmであった。5W/cm2に相当する200Wとアルゴン圧力0.2PaでのDCスパッタリングによって、寸法40mm×40mm×0.7mmのチタン基板上に、ターゲットの組成に相応する層を堆積させた。堆積速度は合金組成に応じて0.6〜0.8nm/秒であった。堆積層は層厚が0.8〜1.0μmの範囲内である。次に試料は85℃、相対空気湿度85%の低温酸化試験にかけられた。試験時間は200時間であった。純モリブデン層がここで既に明確な酸化を示し、SIMSデプスプロファイリング(二次イオン質量分析装置により計測された深さ方向分布)で測定されたモリブデン酸化物層厚が約20nmであるのに対して、本発明に係る試料は光学的に著しく少ない酸化を示す。変色に相応してこれらの試料は‐‐(強酸化)、‐、0(平均的酸化)、+、乃至++(ほぼ酸化なし)で分類された。結果はやはり表1から読み取ることができる。
選択された層系(表1参照)は500℃の真空中で15分間熱処理を施された。次に、XPS(X線光電子分光)によって表面のナトリウム濃度が定性的に測定され、ソーダ石灰ガラス基板上に堆積された純モリブデン層(比較試料)のナトリウム濃度と比較された。このモリブデン層はやはり500℃の真空中で15分間アニーリングされたものである。表1に示された定性評価のため以下の判定基準が引き合いに出される:‐‐(比較試料におけるよりも著しく少ないナトリウム濃度、0(比較試料におけると概ね同じナトリウム濃度、++(比較試料よりも著しく多いナトリウム濃度)。
Figure 0005450441
Figure 0005450441
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Claims (22)

  1. 少なくとも1つの基板と1つの裏面電極層と1つのカルコパイライト吸収層と1つの表面接触層とを備え、前記裏面電極層が1つ以上の膜層で構成されている薄膜太陽電池において、前記裏面電極層の少なくとも1つの膜層が、
    0.1〜45原子%のTi、Zr、Hf、V、Nb、TaおよびWの群の少なくとも1種の元素と、
    0.01〜7.5原子%のNaと、
    0〜7.5原子%の、Naとで融点500℃超の化合物を形成する1種以上の元素と、
    残り少なくとも50原子%のMoおよび不純物とから成る薄膜太陽電池。
  2. 含有量はTiが1〜30原子%、Zrが0.5〜10原子%、Hfが0.5〜10原子%、Vが1〜20原子%、Nbが1〜20原子%、Taが1〜15原子%、Wが1〜40原子%である請求項1記載の薄膜太陽電池。
  3. 含有量はTiが2〜20原子%、Zrが1〜5原子%、Hfが1〜5原子%、Vが2〜10原子%、Nbが2〜10原子%、Taが2〜10原子%、Wが5〜35原子%である請求項2記載の薄膜太陽電池。
  4. 前記裏面電極層が0.01〜7.5原子%のO、SeおよびSの群の少なくとも1種の元素を含む請求項1ないし3のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  5. 前記裏面電極層が0.05〜2μmの厚さを有する請求項1ないし4のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  6. 前記裏面電極層の少なくとも1つの膜層がNaとTiを含む請求項1ないし5のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  7. 前記裏面電極層の少なくとも1つの膜層がNaとWを含む請求項1ないし6のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  8. 前記裏面電極層が単層で実施されている請求項1ないし7のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  9. 前記裏面電極層が0.5〜2.5原子%のNaを含む請求項8記載の薄膜太陽電池。
  10. 前記裏面電極層が2層に実施されている請求項1ないし7のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池。
  11. 少なくとも1つの膜層が1.5〜7.5原子%のNaを含む請求項10記載の薄膜太陽電池。
  12. 製造に起因した不純物の他に0.1〜45原子%のTi、Zr、Hf、V、Nb、TaおよびWの群の少なくとも1種の元素と0.01〜7.5原子%のNaと0〜7.5原子%の、Naとで融点500℃超の化合物を形成する1種以上の元素と残り少なくとも50原子%のMoとから成るスパッタターゲットを用いた、請求項1ないし11のいずれか1つに記載の薄膜太陽電池の裏面電極層。
  13. 少なくとも50原子%のモリブデン含有量を有する薄膜太陽電池の裏面電極層を製造するためのスパッタターゲットにおいて、0.1〜45原子%のTi、Zr、Hf、V、Nb、TaおよびWの群の少なくとも1種の元素と0.01〜7.5原子%のNaと0.005〜15原子%の、Naとで融点500℃超の化合物を形成する1種以上の元素と残り通常の不純物とから成るスパッタターゲット。
  14. 前記含有量はTiが1〜30原子%、Zrが0.5〜10原子%、Hfが0.5〜10原子%、Vが1〜20原子%、Nbが1〜20原子%、Taが1〜15原子%、Wが1〜40原子%である請求項13記載のスパッタターゲット。
  15. 前記含有量はTiが2〜20原子%、Zrが1〜5原子%、Hfが1〜5原子%、Vが2〜10原子%、Nbが2〜10原子%、Taが2〜10原子%、Wが5〜35原子%である請求項14記載のスパッタターゲット。
  16. 前記Na含有量が0.1〜5原子%である請求項13ないし15のいずれか1つに記載のスパッタターゲット。
  17. 前記Na含有量が0.5〜2.5原子%である請求項16記載のスパッタターゲット。
  18. 前記ナトリウム化合物が酸化ナトリウム、混合酸化ナトリウム、セレン化ナトリウム、硫化ナトリウムおよびハロゲン化ナトリウムの群の少なくとも1種の化合物である請求項13ないし17のいずれか1つに記載のスパッタターゲット。
  19. Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Wの群の少なくとも1種の元素が元素としてMoに溶解されて混晶の態様で、またはNa含有化合物の成分として存在する請求項13ないし18のいずれか1つに記載のスパッタターゲット。
  20. 前記Na含有化合物が2成分系または多成分系混合酸化ナトリウムであり、1成分がNa2Oであり、他の1成分がTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、SiおよびGeの群の少なくとも1種の元素の酸化物である請求項13ないし19のいずれか1つに記載のスパッタターゲット。
  21. 前記Na含有化合物がタングステン酸ナトリウム、チタン酸ナトリウム、ニオブ酸ナトリウムおよびモリブデン酸ナトリウムの群の少なくとも1種の化合物である請求項20記載のスパッタターゲット。
  22. 前記スパッタターゲットがMoから成る母材相、またはTi、Zr、Hf、V、Nb、TaおよびWの群の1種以上の元素で形成されたMo混晶から成る母材相を有し、前記母材相の粒径が0.1〜50μmであり、NaまたはNa含有化合物が母材相の空隙に封入されている請求項13ないし21のいずれか1つに記載のスパッタターゲット。
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