JP5635430B2 - Substrate with transparent conductive film, solar cell, and production method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、透明導電膜付き基板、太陽電池及びそれらの製造方法に係り、より詳細には、ZnO系材料からなる透明導電膜において微細テクスチャーを可能とする太陽電池用透明導電膜付き基板、太陽電池及びそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate with a transparent conductive film, a solar cell, and a method for producing them, and more specifically, a substrate with a transparent conductive film for a solar cell that enables fine texture in a transparent conductive film made of a ZnO-based material, The present invention relates to batteries and methods for manufacturing them.
太陽光に含まれる光子というエネルギー粒子がi層に当たると光起電力効果により、電子と正孔(hole)が発生し、電子はn層、正孔はp層に向かって移動する。この光起電力効果により発生した電子を上部電極と裏面電極により取り出して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子が太陽電池である。 When energetic particles called photons contained in sunlight hit the i layer, electrons and holes are generated by the photovoltaic effect, and the electrons move toward the n layer and the holes move toward the p layer. A solar cell is an element that takes out electrons generated by the photovoltaic effect with the upper electrode and the back electrode and converts light energy into electric energy.
図20は、アモルファスシリコン太陽電池の概略断面図である。太陽電池100は、表面を構成するガラス基板101と、ガラス基板101上に設けられた酸化亜鉛系の透明導電膜からなる上部電極103と、アモルファスシリコンで構成されたトップセル105と、トップセル105と後述するボトムセル109との間に設けられた透明導電膜からなる中間電極107と、微結晶シリコンで構成されたボトムセル109と、透明導電膜からなるバッファ層110と、金属膜からなる裏面電極111とが積層されている。 FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of an amorphous silicon solar cell. The solar cell 100 includes a glass substrate 101 constituting the surface, an upper electrode 103 made of a zinc oxide-based transparent conductive film provided on the glass substrate 101, a top cell 105 made of amorphous silicon, and a top cell 105 And an intermediate electrode 107 made of a transparent conductive film, a bottom cell 109 made of microcrystalline silicon, a buffer layer 110 made of a transparent conductive film, and a back electrode 111 made of a metal film. And are stacked.
トップセル105は、p層(105p)、i層(105i)、n層(105n)の3層構造で構成されており、このうちi層(105i)がアモルファスシリコンで形成されている。また、ボトムセル109もトップセル105と同様にp層(109p)、i層(109i)、n層(109n)の3層構造で構成されており、このうちi層(109i)が微結晶シリコンで構成されている。 The top cell 105 has a three-layer structure of a p layer (105p), an i layer (105i), and an n layer (105n), of which the i layer (105i) is formed of amorphous silicon. Similarly to the top cell 105, the bottom cell 109 has a three-layer structure of a p layer (109p), an i layer (109i), and an n layer (109n), of which the i layer (109i) is made of microcrystalline silicon. It is configured.
このような太陽電池100において、ガラス基板101側から入射した太陽光は、上部電極103、トップセル105(p-i-n層)、バッファ層110を通って、裏面電極111で反射される。太陽電池には光エネルギーの変換効率を向上させるために、裏面電極111で太陽光を反射させたり、上部電極103には入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を目的としたテクスチャーと呼ばれる構造を設けるなどの工夫がなされている。バッファ層110は裏面電極111に用いられている金属膜の拡散防止などを目的としている。 In such a solar cell 100, sunlight incident from the glass substrate 101 side is reflected by the back electrode 111 through the upper electrode 103, the top cell 105 (p-i-n layer), and the buffer layer 110. In order to improve the conversion efficiency of light energy in the solar cell, the purpose is to reflect the sunlight by the back electrode 111 or to extend the optical path of the incident sunlight to the upper electrode 103 and to confine the light. Ingenuity such as providing a structure called texture has been made. The buffer layer 110 is intended to prevent diffusion of the metal film used for the back electrode 111.
太陽電池のデバイス構造により、光起電力効果に使用する波長帯域は異なるが、いずれにしても、上部電極を構成する透明導電膜には、i層で吸収するための光を透過する性質と光起電力で発生した電子を取り出す電気伝導性が要求され、SnO2にフッ素を不純物として添加したFTOやZnO系酸化物半導体薄膜が用いられている。バッファ層においても、i層で吸収するために裏面電極で反射する光及び裏面電極で反射された光を透過する性質と、裏面電極に正孔を移動するための電気伝導性が要求される。 Although the wavelength band used for the photovoltaic effect varies depending on the device structure of the solar cell, in any case, the transparent conductive film constituting the upper electrode transmits light for absorption by the i layer and light. Electrical conductivity for extracting electrons generated by electromotive force is required, and FTO or ZnO-based oxide semiconductor thin films in which fluorine is added as an impurity to SnO 2 are used. The buffer layer is also required to have the property of transmitting the light reflected by the back electrode and the light reflected by the back electrode in order to absorb the i layer and the electrical conductivity for transferring holes to the back electrode.
太陽電池に用いられる透明導電膜に要求される特性は大きく分けて、導電性、光学特性、テクスチャー構造の3要素である。1つめの導電性においては、発電した電気を取り出すため低い電気抵抗が要求される。一般的に太陽電池用透明導電膜に使用されているFTOは、CVDにより作成される透明導電膜でSnO2にFを添加することにより、FがOを置換し導電性を得ている。また、ポストITOとして注目の高いZnO系材料はスパッタによる成膜が可能で、酸素欠損とAlやGaを含む材料をZnOに添加することにより導電性を得ている。 The characteristics required for the transparent conductive film used for solar cells are roughly divided into three elements: conductivity, optical characteristics, and texture structure. In the first conductivity, a low electric resistance is required to take out the generated electricity. FTO generally used for a transparent conductive film for solar cells is obtained by adding F to SnO 2 with a transparent conductive film formed by CVD, whereby F substitutes O to obtain conductivity. Further, a ZnO-based material that is attracting attention as post-ITO can be formed by sputtering, and conductivity is obtained by adding a material containing oxygen deficiency and Al or Ga to ZnO.
2つめに、太陽電池用透明導電膜は主に入射光側で使用されるため、発電層で吸収される波長帯域を透過する光学特性が要求される。
3つめに、太陽光を効率的に発電層で吸収するために光を散乱させるテクスチャー構造が必要となり、通常、スパッタプロセスで作成したZnO系薄膜は平坦な表面状態となるため、ウェットエッチング等によるテクスチャー形成処理が必要となる。
Secondly, since the transparent conductive film for solar cells is mainly used on the incident light side, optical characteristics that transmit the wavelength band absorbed by the power generation layer are required.
Third, a texture structure that scatters light is necessary to efficiently absorb sunlight in the power generation layer, and a ZnO-based thin film created by a sputtering process usually has a flat surface state. A texture forming process is required.
このようなテクスチャーが形成された透明導電膜が、透明基板上に配されてなる、透明導電膜付き基板が、各種ガラスメーカー等により開発されている(例えば、特許文献1,2参照)。
従来は、ガラスメーカーから市販されている所定のテクスチャーが事前に付与されている透明導電膜付き基板を購入し、太陽電池メーカーはこの上に所望の光電変換ユニットなどを形成して太陽電池を製造する必要があった。
Substrates with a transparent conductive film in which a transparent conductive film having such a texture is arranged on a transparent substrate have been developed by various glass manufacturers and the like (for example, see Patent Documents 1 and 2).
Conventionally, a substrate with a transparent conductive film with a predetermined texture commercially available from a glass maker is purchased, and a solar cell manufacturer manufactures a solar cell by forming a desired photoelectric conversion unit or the like on the substrate. There was a need to do.
しかしながら、このような一般に販売されている透明導電膜付き基板は、透明導電膜表面のテクスチャー形状が予め規定されており、選択の自由度が低く、所望の荒さや形状の微細テクスチャーを有する透明導電膜付き基板を入手するのは困難であった。このため、太陽電池メーカーは、たとえ特色ある積層構造からなる光電変換ユニットを開発しても、その積層構造に適したテクスチャーを有する透明導電膜付き基板を臨機応変には入手することができないので、その積層構造がもたらす最高の発電特性を示す太陽電池を製造することは困難であった。
このため、選択の自由度が高く、表面に所望の荒さや形状を備えた微細テクスチャーを有する透明導電膜付き基板及びその製造方法の開発が期待されていた。
However, in such a substrate with a transparent conductive film that is generally sold, the texture shape of the surface of the transparent conductive film is defined in advance, the degree of freedom of selection is low, and the transparent conductive film having a fine texture with a desired roughness and shape. Obtaining a substrate with a film has been difficult. For this reason, even if a solar cell manufacturer develops a photoelectric conversion unit having a unique laminated structure, a substrate with a transparent conductive film having a texture suitable for the laminated structure cannot be obtained flexibly. It has been difficult to produce a solar cell that exhibits the best power generation characteristics provided by the laminated structure.
For this reason, the development of a substrate with a transparent conductive film having a fine texture having a high degree of freedom and a desired roughness and shape on the surface and a method for producing the same has been expected.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、太陽電池を構成する各種積層構造からなる光電変換ユニットごとに、適切な凹凸(テクスチャー構造)を付与した透明導電膜付き基板を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、透明導電膜の表面に、自由度が高く所望の荒さや形状を有する微細な凹凸(テクスチャー構造)を有し、このテクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができる、透明導電膜付き基板の製造方法を提供することを第二の目的とする。
さらに、本発明は、特色ある積層構造に適した凹凸(テクスチャー構造)を付与した透明導電膜付き基板を利用し、その上に(太陽電池メーカーごとに)特色ある積層構造からなる光電変換ユニットなどを設けた際に、前記積層構造によってもたらされる最高の発電特性を実現する太陽電池を提供することを第三の目的とする。
さらにまた、本発明は、透明導電膜の表面に、特色ある積層構造に適した微細な凹凸(テクスチャー構造)を、選択の自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができ、ひいてはテクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができ、変換効率の高い太陽電池の製造方法を提供することを第四の目的とする。
The present invention has been devised in view of such a conventional situation, with a transparent conductive film provided with appropriate unevenness (texture structure) for each photoelectric conversion unit comprising various laminated structures constituting a solar cell. The first object is to provide a substrate.
Further, the present invention has fine irregularities (texture structure) having a desired degree of roughness and shape on the surface of the transparent conductive film, and sufficiently obtains the prism effect and the light confinement effect by this texture structure. A second object of the present invention is to provide a method for producing a substrate with a transparent conductive film.
Furthermore, the present invention utilizes a substrate with a transparent conductive film provided with irregularities (texture structure) suitable for a characteristic laminated structure, and a photoelectric conversion unit having a characteristic laminated structure (for each solar cell manufacturer) on the substrate. A third object of the present invention is to provide a solar cell that achieves the best power generation characteristics provided by the laminated structure.
Furthermore, according to the present invention, fine irregularities (texture structure) suitable for a characteristic laminated structure can be formed on the surface of the transparent conductive film with a desired roughness and shape with a high degree of freedom of selection. A fourth object is to provide a method of manufacturing a solar cell that can sufficiently obtain a prism effect and a light confinement effect due to the structure and has high conversion efficiency.
本発明の請求項1に記載の透明導電膜付き基板は、絶縁性の透明基板と接するように、ZnOを基本構成とする透明導電膜が配されてなる透明導電膜付き基板であって、前記透明導電膜は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸を有すると共に、その膜厚方向において、前記透明基板から離れるほど結晶粒径の大きな結晶粒を含むことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の透明導電膜付き基板は、請求項1において、前記透明導電膜は、水素を含むことを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の透明導電膜付き基板の製造方法は、絶縁性の透明基板と接するように、ZnOを基本構成とする透明導電膜が配されてなる透明導電膜付き基板の製造方法であって、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板上に前記透明導電膜を成膜するステップα1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲とし、前記プロセスガスとして不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いて、該水素ガスの添加量を1〜6[%]としたことを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の透明導電膜付き基板の製造方法は、請求項3において、前記ステップα1の前記プロセスガスとして、不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いたことを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の透明導電膜付き基板の製造方法は、請求項3又は4において、前記ステップα1における前記透明基板の温度[℃]を、150〜400の範囲としたことを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の透明導電膜付き基板の製造方法は、請求項3乃至5のいずれか1項において、前記ステップα1の後に、大気中にて後加熱処理するステップα2を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項7に記載の太陽電池は、透明導電膜付き基板を用い、p型半導体層(p層)、実質的に真性なi型半導体層(i層)、n型半導体層(n層)を積層したpin型の光電変換ユニットを、前記透明導電膜に順に重ねて設けてなり、前記透明導電膜が、絶縁性の透明基板に接して配置され、ZnOを基本構成とし、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有すると共に、その膜厚方向において、前記透明基板から離れるほど結晶粒径の大きな結晶粒を含み、前記光電変換ユニットを構成するp層、i層及びn層がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、前記透明導電膜と、前記光電変換ユニットを構成する前記p層との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項8に記載の太陽電池の製造方法は、透明導電膜付き基板を用い、p型半導体層(p層)、実質的に真性なi型半導体層(i層)、n型半導体層(n層)を積層したpin型の光電変換ユニットを、バッファ層を介して、前記透明導電膜に順に重ねて設けてなる太陽電池の製造方法であって、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた絶縁性の透明基板と接するように前記透明導電膜を成膜するステップβ1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲とし、前記プロセスガスとして不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いて、該水素ガスの添加量を1〜6[%]としたことを特徴とする。
本発明の請求項9に記載の太陽電池の製造方法は、請求項8において、前記ステップβ1の前記プロセスガスとして、不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いたことを特徴とする。
本発明の請求項10に記載の太陽電池の製造方法は、請求項8又は9において、前記ステップβ1における前記透明基板の温度[℃]を、150〜400の範囲としたことを特徴とする。
本発明の請求項11に記載の太陽電池の製造方法は、請求項10において、前記ステップβ1の後であって、前記バッファ層を形成するステップβ2の前に、大気中にて後加熱処理するステップβ4を備えたことを特徴とする。
The substrate with a transparent conductive film according to claim 1 of the present invention is a substrate with a transparent conductive film in which a transparent conductive film based on ZnO is arranged so as to be in contact with an insulating transparent substrate, the transparent conductive film is a crystal grain aggregate having a shape extending in a thickness direction, wherein the intergranular grain, there is an interface at least in the thickness direction, with on the surface having fine irregularities In the film thickness direction, the crystal grains include crystal grains having a crystal grain size that increases with distance from the transparent substrate .
A substrate with a transparent conductive film according to a second aspect of the present invention is the substrate according to the first aspect , wherein the transparent conductive film contains hydrogen.
The method for manufacturing a substrate with a transparent conductive film according to claim 3 of the present invention is a method for manufacturing a substrate with a transparent conductive film in which a transparent conductive film based on ZnO is arranged so as to be in contact with an insulating transparent substrate. a method, in a film forming space was set to the desired process gas atmosphere, subjected to sputtering by applying a sputtering voltage to the coater g e t preparative constituting the base material of the transparent conductive film, the transparent substrate having a predetermined temperature At least a step α1 for forming the transparent conductive film thereon, a material mainly composed of ZnO is used as the base material, and the pressure [Pa] in the film formation space is in the range of 1 to 10. The mixed gas comprising an inert gas and hydrogen gas is used as the process gas, and the addition amount of the hydrogen gas is set to 1 to 6 [%] .
The method for producing a substrate with a transparent conductive film according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in claim 3 , a mixed gas composed of an inert gas and hydrogen gas is used as the process gas in the step α1. To do.
The method for producing a substrate with a transparent conductive film according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in claim 3 or 4 , the temperature [° C.] of the transparent substrate in the step α1 is in the range of 150 to 400 . And
The method for manufacturing a substrate with a transparent conductive film according to claim 6 of the present invention includes, in any one of claims 3 to 5 , a step α2 of post-heating treatment in the atmosphere after the step α1. It is characterized by that.
The solar cell according to claim 7 of the present invention uses a substrate with a transparent conductive film, a p-type semiconductor layer (p layer), a substantially intrinsic i-type semiconductor layer (i layer), and an n-type semiconductor layer (n A pin-type photoelectric conversion unit laminated in order on the transparent conductive film, the transparent conductive film is disposed in contact with an insulating transparent substrate, and has a basic structure of ZnO. the thickness is a grain aggregate having a shape extending in a direction, said between crystal grains of the grain, there is an interface at least in the thickness direction, with the surface thereof to have a fine uneven (texture structure), its In the film thickness direction, the p-layer, the i-layer, and the n-layer that include crystal grains having a larger crystal grain size as they move away from the transparent substrate and are included in the photoelectric conversion unit are made of an amorphous silicon-based thin film, , Constituting the photoelectric conversion unit A buffer layer made of a silicon-based thin film is disposed between the p layer and the p layer.
The method for manufacturing a solar cell according to claim 8 of the present invention uses a substrate with a transparent conductive film, a p-type semiconductor layer (p layer), a substantially intrinsic i-type semiconductor layer (i layer), and an n-type semiconductor. A solar cell manufacturing method in which a pin-type photoelectric conversion unit in which layers (n layers) are stacked is provided on a transparent conductive film in this order via a buffer layer. In the film space, a sputtering voltage is applied to the target that forms the base material of the transparent conductive film to perform sputtering, and the transparent conductive film is formed in contact with an insulating transparent substrate at a predetermined temperature β1 And using a material mainly composed of ZnO as the base material, the pressure [Pa] in the film formation space is in the range of 1 to 10, and an inert gas and a hydrogen gas are used as the process gas. Mixed ga Using, characterized in that the amount of hydrogen gas was 1-6%.
The method for manufacturing a solar cell according to claim 9 of the present invention is characterized in that, in claim 8 , a mixed gas comprising an inert gas and hydrogen gas is used as the process gas in the step β1.
The method for producing a solar cell according to claim 10 of the present invention is characterized in that, in claim 8 or 9 , the temperature [° C.] of the transparent substrate in the step β1 is in the range of 150 to 400.
According to Claim 11 of the present invention, in the method for manufacturing a solar cell according to Claim 10 , after the step β1 and before the step β2 of forming the buffer layer, post-heating treatment is performed in the atmosphere. Step β4 is provided.
本発明の透明導電膜付き基板は、前記透明導電膜は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有しているので、テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができる。 In the substrate with a transparent conductive film of the present invention, the transparent conductive film is an aggregate of crystal grains having a shape extending in the film thickness direction, and there is at least an interface in the film thickness direction between the crystal grains. Since the surface has fine irregularities (texture structure), the prism effect and the light confinement effect due to the texture structure can be sufficiently obtained.
本発明の透明導電膜付き基板の製造方法では、透明導電膜を形成するに際し、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板上に前記透明導電膜を成膜するステップα1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲としている。これにより得られる透明導電膜は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有するものとなる。その結果、本発明の製造方法では、特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができ、ひいてはテクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができる、透明導電膜付き基板を作製することが可能となる。 The transparent conductive film-coated substrate manufacturing method of the present invention, when forming the transparent conductive film, in the film formation space a desired process gas atmosphere, the sputtering voltage to terpolymers g e t preparative forming the base material of the transparent conductive film At least a step α1 for forming the transparent conductive film on the transparent substrate at a predetermined temperature by applying and sputtering, using a material mainly composed of ZnO as the base material, and The pressure [Pa] in the membrane space is in the range of 1-10. The transparent conductive film obtained by this is an aggregate of crystal grains having a shape extending in the film thickness direction, and there is an interface at least in the film thickness direction between the crystal grains, and the surface is fine. It has unevenness (texture structure). As a result, in the manufacturing method of the present invention, a fine texture suitable for a characteristic laminated structure can be formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape, and the prism effect and light confinement effect due to the texture structure are sufficiently obtained. It becomes possible to produce the board | substrate with a transparent conductive film which can be obtained to this.
本発明の太陽電池は、前記透明導電膜が、ZnOを基本構成とし、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有している。これにより、テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果が得られ、その結果、本発明の太陽電池は変換効率の高いものとなる。
また、本発明の太陽電池では、前記光電変換ユニットを構成するp層、i層及びn層がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、前記透明導電膜と、前記光電変換ユニットを構成する前記p層との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層が配されているので、透明導電膜と、アモルファスのシリコン系薄膜からなるp層との界面における不整合を緩和することができる。これにより、光電変換ユニットの曲線因子(FF)を向上させることができる。その結果、本発明の太陽電池明は、高い変換効率を有するものとなる。
In the solar cell of the present invention, the transparent conductive film is an aggregate of crystal grains having a basic configuration of ZnO and extending in the film thickness direction, and at least between the crystal grains in the film thickness direction. There is an interface, and the surface has fine irregularities (texture structure). Thereby, the prism effect and the light confinement effect due to the texture structure are obtained, and as a result, the solar cell of the present invention has a high conversion efficiency.
Moreover, in the solar cell of this invention, p layer, i layer, and n layer which comprise the said photoelectric conversion unit consist of an amorphous silicon-type thin film, The said transparent conductive film, The said p layer which comprises the said photoelectric conversion unit, Since a buffer layer made of a silicon-based thin film is disposed between the layers, mismatch at the interface between the transparent conductive film and the p-layer made of an amorphous silicon-based thin film can be alleviated. Thereby, the fill factor (FF) of a photoelectric conversion unit can be improved. As a result, the solar cell light of the present invention has high conversion efficiency.
本発明の太陽電池の製造方法では、透明導電膜を形成するに際し、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板上に前記透明導電膜を成膜するステップα1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲としている。これにより得られる透明導電膜は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有するものとなる。その結果、本発明の製造方法では、特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができ、ひいてはテクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができ、変換効率の高い太陽電池を作製することが可能となる。 In the method of manufacturing the solar cell of the present invention, when forming the transparent conductive film, in the film formation space a desired process gas atmosphere by applying a sputtering voltage to the coater g e t preparative forming the base material of the transparent conductive film At least a step α1 for performing sputtering to form the transparent conductive film on the transparent substrate at a predetermined temperature, and using a material mainly composed of ZnO as the base material, The pressure [Pa] is in the range of 1-10. The transparent conductive film obtained by this is an aggregate of crystal grains having a shape extending in the film thickness direction, and there is an interface at least in the film thickness direction between the crystal grains, and the surface is fine. It has unevenness (texture structure). As a result, in the manufacturing method of the present invention, a fine texture suitable for a characteristic laminated structure can be formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape, and the prism effect and light confinement effect due to the texture structure are sufficiently obtained. Thus, a solar cell with high conversion efficiency can be manufactured.
以下、本発明に係る太陽電池及びその製造方法の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the best mode of a solar cell and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the invention unless otherwise specified.
<第一実施形態>
(太陽電池)
本実施形態では、本発明に係る太陽電池1の一実施形態を、第一光電変換ユニット6(トップセル)としてアモルファスシリコン型の太陽電池、第二光電変換ユニット7(ボトムセル)として微結晶シリコン型の太陽電池として積層したタンデム構造の太陽電池の場合を例に図面に基づいて説明する。
まず、本発明の太陽電池について、図1に基づいて説明する。図1は太陽電池1A(1)の構成の一例を示す断面図である。
太陽電池1A(1)は、表面を構成するガラス基板等からなる絶縁性の透明基板2と、透明基板2上に設けられた酸化亜鉛系の透明導電膜4からなる上部電極3と、アモルファスシリコンで構成された第一光電変換ユニット6と、微結晶シリコンで構成された第二光電変換ユニット7と、透明導電膜からなるバッファ層11と、金属膜からなる裏面電極12とが積層されている。透明基板2と、該透明基板2上に設けられた透明導電膜4とは、本発明の透明導電膜付き基板10を構成する。
<First embodiment>
(Solar cell)
In the present embodiment, one embodiment of the solar cell 1 according to the present invention is an amorphous silicon type solar cell as the first photoelectric conversion unit 6 (top cell), and a microcrystalline silicon type as the second photoelectric conversion unit 7 (bottom cell). A case of a tandem solar cell stacked as a solar cell will be described with reference to the drawings.
First, the solar cell of this invention is demonstrated based on FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the solar cell 1A (1).
The solar cell 1A (1) includes an insulating transparent substrate 2 made of a glass substrate or the like constituting the surface, an upper electrode 3 made of a zinc oxide-based transparent conductive film 4 provided on the transparent substrate 2, and amorphous silicon. Are stacked, a first photoelectric conversion unit 6 made of (2), a second photoelectric conversion unit 7 made of microcrystalline silicon, a buffer layer 11 made of a transparent conductive film, and a back electrode 12 made of a metal film. . The transparent substrate 2 and the transparent conductive film 4 provided on the transparent substrate 2 constitute the substrate 10 with a transparent conductive film of the present invention.
この透明導電膜4は、後述する製造方法により成膜されていることで、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーが、自由度が高く所望の荒さや形状で形成されたものとなる。
ここで、図2は、本発明の太陽電池1A(1)において、透明導電膜4を拡大して模式的に示す断面図である。具体的に、透明導電膜4は、ZnOを基本構成とし、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒4aの集合体であり、前記結晶粒4aの粒間には、少なくとも膜厚方向に界面4bがあり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有する。これにより、本発明の太陽電池1A(1)は、テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に有し、変換効率の高いものとなる。
Since the transparent conductive film 4 is formed by a manufacturing method described later, a fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic of a solar cell is formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape. .
Here, FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged transparent conductive film 4 in the solar cell 1A (1) of the present invention. Specifically, the transparent conductive film 4 is an aggregate of crystal grains 4a having a basic configuration of ZnO and extending in the film thickness direction, and at least an interface is formed between the crystal grains 4a in the film thickness direction. 4b, and the surface has fine irregularities (texture structure). Thereby, solar cell 1A (1) of the present invention has sufficient prism effect and light confinement effect due to the texture structure, and has high conversion efficiency.
また、太陽電池1は、a−Si/微結晶Siタンデム型太陽電池となっている。このようなタンデム構造の太陽電池1では、短波長光を第一光電変換ユニット6で、長波長光を第二光電変換ユニット7でそれぞれ吸収することで発電効率の向上を図ることができる。なお、上部電極3の膜厚は、2000Å〜10000Åの膜厚で形成されている。 The solar cell 1 is an a-Si / microcrystalline Si tandem solar cell. In the solar cell 1 having such a tandem structure, power generation efficiency can be improved by absorbing short wavelength light with the first photoelectric conversion unit 6 and long wavelength light with the second photoelectric conversion unit 7. The upper electrode 3 is formed with a thickness of 2000 to 10,000 mm.
第一光電変換ユニット6は、p層(6p)、i層(6i)、n層(6n)の3層構造で構成されており、これらp層(6p)、i層(6i)及びn層(6n)はアモルファスシリコンで形成されている。また、第二光電変換ユニット7も、第一光電変換ユニット6と同様にp層(7p)、i層(7i)、n層(7n)の3層構造で構成されており、これらp層(7p)、i層(7i)及びn層(7n)は微結晶シリコンで構成されている。 The 1st photoelectric conversion unit 6 is comprised by the 3 layer structure of p layer (6p), i layer (6i), and n layer (6n), These p layer (6p), i layer (6i), and n layer (6n) is formed of amorphous silicon. Similarly to the first photoelectric conversion unit 6, the second photoelectric conversion unit 7 has a three-layer structure of a p layer (7p), an i layer (7i), and an n layer (7n). 7p), i layer (7i) and n layer (7n) are made of microcrystalline silicon.
また、本発明の太陽電池1A(1)は、前記透明導電膜4と、前記光電変換ユニットを構成する前記p層(6p)との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層5が配されている。
前記透明導電膜4と、第一光電変換ユニット6を構成するp層(6p)の間に、結晶質のシリコン系薄膜からなるバッファ層5が配されているので、透明導電膜4と、アモルファスのシリコン系薄膜からなるp層(6p)との界面における不整合を緩和することができる。これにより、第一光電変換ユニットの曲線因子(FF)を向上させることができる。その結果、本発明の太陽電池1A(1)は、高い変換効率を有するものとなる。
In the solar cell 1A (1) of the present invention, a buffer layer 5 made of a silicon thin film is disposed between the transparent conductive film 4 and the p layer (6p) constituting the photoelectric conversion unit. Yes.
Since the buffer layer 5 made of a crystalline silicon-based thin film is disposed between the transparent conductive film 4 and the p layer (6p) constituting the first photoelectric conversion unit 6, the transparent conductive film 4 and the amorphous The mismatch at the interface with the p layer (6p) made of the silicon-based thin film can be alleviated. Thereby, the fill factor (FF) of a 1st photoelectric conversion unit can be improved. As a result, the solar cell 1A (1) of the present invention has high conversion efficiency.
このような構成の太陽電池1A(1)は、太陽光に含まれる光子というエネルギー粒子がi層に当たると光起電力効果により、電子と正孔(hole)が発生し、電子はn層、正孔はp層に向かって移動する。この光起電力効果により発生した電子を上部電極3と裏面電極63により取り出して、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。 In the solar cell 1A (1) having such a configuration, when energetic particles called photons contained in sunlight hit the i layer, electrons and holes are generated due to the photovoltaic effect, and the electrons are in the n layer. The hole moves toward the p-layer. Electrons generated by the photovoltaic effect can be taken out by the upper electrode 3 and the back electrode 63 to convert light energy into electric energy.
また、透明基板2側から入射した太陽光は、各層を通過して裏面電極12で反射される。太陽電池1には光エネルギーの変換効率を向上させるために、上部電極3に入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を目的としたテクスチャー構造を採用している。 Moreover, the sunlight which entered from the transparent substrate 2 side passes through each layer, and is reflected by the back surface electrode 12. In order to improve the conversion efficiency of light energy, the solar cell 1 employs a texture structure for the purpose of a prism effect for extending the optical path of sunlight incident on the upper electrode 3 and a light confinement effect.
後述するように、本発明では、上部電極3を構成する透明導電膜4の形成において、ZnOを主成分とした材料を母材として用いてスパッタを行うことにより透明基板2上に透明導電膜4を成膜している。このとき、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜4の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板2上に前記透明導電膜4を成膜するステップα1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲としている。 As will be described later, in the present invention, in the formation of the transparent conductive film 4 constituting the upper electrode 3, the transparent conductive film 4 is formed on the transparent substrate 2 by performing sputtering using a material mainly composed of ZnO as a base material. Is deposited. At this time, in the film formation space a desired process gas atmosphere, the perform sputtering by applying a sputtering voltage to the coater g e t preparative constituting the base material of the transparent conductive film 4, the transparent substrate is a predetermined temperature 2 Steps α1 for forming the transparent conductive film 4 thereon are provided, and a material mainly composed of ZnO is used as the base material, and the pressure [Pa] in the film formation space is in the range of 1 to 10. It is said.
これにより透明導電膜4は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒4aの集合体であり、前記結晶粒4aの粒間には、少なくとも膜厚方向に界面4bがあり、その表面には微細な凹凸(以下、「テクスチャー構造」とも呼ぶ。)を有するものとなる(図2参照)。
その結果、このようにして得られた本発明の太陽電池用透明導電膜付き基板10は、透明導電膜4の表面に、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーが、自由度が高く所望の荒さや形状で形成されたものとなる。これにより本発明の太陽電池用透明導電膜付き基板10は、テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができる。
Thereby, the transparent conductive film 4 is an aggregate of crystal grains 4a extending in the film thickness direction, and there is at least an interface 4b in the film thickness direction between the crystal grains 4a. It has fine unevenness (hereinafter also referred to as “texture structure”) (see FIG. 2).
As a result, the substrate 10 with the transparent conductive film for solar cell of the present invention thus obtained has a high degree of freedom on the surface of the transparent conductive film 4 with a fine texture suitable for the characteristic laminated structure of the solar cell. It is formed with a desired roughness and shape. Thereby, the board | substrate 10 with a transparent conductive film for solar cells of this invention can fully acquire the prism effect and light confinement effect by a texture structure.
また、前記透明導電膜4は、その膜厚方向において、前記透明基板2から離れるほど結晶粒径の大きな結晶粒4aを含むことが好ましい。これにより、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーが、自由度が高く所望の荒さや形状で形成されたものとなる。 Moreover, it is preferable that the transparent conductive film 4 includes crystal grains 4 a having a crystal grain size that increases with distance from the transparent substrate 2 in the film thickness direction. Thereby, the fine texture suitable for the laminated structure with the characteristic of a solar cell will be formed with the desired roughness and shape with a high freedom degree.
また、前記透明導電膜4は、水素を含むことが好ましい。詳しくは後述するように、透明導電膜4を形成する際に、プロセスガスとして、不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いることにより、太陽電池1A(1)の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。また、後述する実施例にも示されるように、このようにして形成された透明導電膜4は、膜中に水素を含むものとなる。 The transparent conductive film 4 preferably contains hydrogen. As will be described in detail later, when forming the transparent conductive film 4, a mixed gas composed of an inert gas and hydrogen gas is used as a process gas, which is suitable for a unique laminated structure of the solar cell 1A (1). A fine texture can be formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape. Further, as shown in Examples described later, the transparent conductive film 4 formed in this way includes hydrogen in the film.
なお、第一光電変換ユニット6と第二光電変換ユニット7との間に中間電極8を設けてもよい。第一光電変換ユニット6と第二光電変換ユニット7との間に中間電極8を設けることにより、第一光電変換ユニット6を通過して第二光電変換ユニット7に到達する光の一部が中間電極8で反射して再び第一光電変換ユニット6側に入射するため、セルの感度特性が向上し、発電効率の向上に寄与する。 An intermediate electrode 8 may be provided between the first photoelectric conversion unit 6 and the second photoelectric conversion unit 7. By providing the intermediate electrode 8 between the first photoelectric conversion unit 6 and the second photoelectric conversion unit 7, a part of the light that passes through the first photoelectric conversion unit 6 and reaches the second photoelectric conversion unit 7 is intermediate. Since the light is reflected by the electrode 8 and is incident again on the first photoelectric conversion unit 6 side, the sensitivity characteristic of the cell is improved and the power generation efficiency is improved.
(太陽電池の製造方法)
次に、このような太陽電池1A(1)の製造方法について説明する。
本発明の太陽電池の製造方法は、前記透明導電膜4を形成するに際し、所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜4の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板2上に前記透明導電膜4を成膜するステップα1を少なくとも備え、前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲としたことを特徴とする。
(Method for manufacturing solar cell)
Next, a method for manufacturing such a solar cell 1A (1) will be described.
The method of manufacturing a solar cell of the present invention, when forming the transparent conductive film 4, the film-forming space was desired process gas atmosphere, the sputtering voltage to terpolymers g e t preparative forming the base material of the transparent conductive film 4 At least a step α1 for forming the transparent conductive film 4 on the transparent substrate 2 that is applied and sputtered to a predetermined temperature is used, and a material mainly composed of ZnO is used as the base material, The pressure [Pa] in the film formation space is in the range of 1 to 10.
本発明の製造方法により得られる透明導電膜4は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒4aの集合体であり、前記結晶粒4aの粒間には、少なくとも膜厚方向に界面4bがあり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有するものとなる。その結果、本発明の製造方法では、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができ、ひいては、該テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができる、透明導電膜付き基板10を作製することが可能となる。 The transparent conductive film 4 obtained by the production method of the present invention is an aggregate of crystal grains 4a having a shape extending in the film thickness direction, and at least an interface 4b is provided between the crystal grains 4a in the film thickness direction. And the surface has fine irregularities (texture structure). As a result, in the manufacturing method of the present invention, it is possible to form a fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic of a solar cell with a desired degree of roughness and shape with a high degree of freedom. It becomes possible to produce the substrate 10 with a transparent conductive film that can sufficiently obtain the confinement effect.
また、本発明では、透明導電膜4と、第一光電変換ユニット6を構成するp層(6p)との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層5を形成している。
本発明では、透明導電膜4と、第一光電変換ユニット6を構成しアモルファスのシリコン系薄膜からなるp層(6p)との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層5を形成しているので、透明導電膜4と、アモルファスのシリコン系薄膜からなるp層(6p)との界面における不整合を緩和することができる。これにより、第一光電変換ユニット6の曲線因子(FF)を向上させることができる。このように本発明の太陽電池1A(1)では、バッファ層5を挿入することにより、FFを向上することができ、第一光電変換ユニット6の発電効率を向上することができ、ひいては装置全体としての光電変換効率を向上することが可能である。
その結果、本発明の製造方法では、テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることができ、変換効率の高い太陽電池1A(1)を作製することが可能となる。
In the present invention, the buffer layer 5 made of a silicon-based thin film is formed between the transparent conductive film 4 and the p layer (6p) constituting the first photoelectric conversion unit 6.
In the present invention, since the buffer layer 5 made of a silicon-based thin film is formed between the transparent conductive film 4 and the p layer (6p) that forms the first photoelectric conversion unit 6 and is made of an amorphous silicon-based thin film. The mismatch at the interface between the transparent conductive film 4 and the p layer (6p) made of an amorphous silicon thin film can be alleviated. Thereby, the fill factor (FF) of the first photoelectric conversion unit 6 can be improved. As described above, in the solar cell 1A (1) of the present invention, the FF can be improved by inserting the buffer layer 5, and the power generation efficiency of the first photoelectric conversion unit 6 can be improved. As a result, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency.
As a result, in the manufacturing method of the present invention, the prism effect and the light confinement effect due to the texture structure can be sufficiently obtained, and the solar cell 1A (1) with high conversion efficiency can be manufactured.
バッファ層5の厚さは、例えば50〜10nmの範囲であることが好ましい。例えば50Åとすることができる。バッファ層5の厚さが50〜10nmの範囲において、曲線因子(FF)と電圧(Voc)が増大し、光電変換効率が増大する効果が認められる。 The thickness of the buffer layer 5 is preferably in the range of 50 to 10 nm, for example. For example, it can be 50 mm. When the thickness of the buffer layer 5 is in the range of 50 to 10 nm, the fill factor (FF) and voltage (Voc) increase, and the effect of increasing the photoelectric conversion efficiency is recognized.
まず、本発明の太陽電池の製造方法において、上部電極3をなす酸化亜鉛系の透明導電膜4を形成するのに好適なスパッタ装置(成膜装置)の一例を説明する。
(スパッタ装置1)
図3は、本発明の太陽電池1の製造方法に用いられるスパッタ装置(成膜装置)の一例を示す概略構成図であり、(a)は上面図、(b)は断面図である。また、図4は同スパッタ装置の成膜室の主要部を示す断面図である。スパッタ装置20は、インターバック式のスパッタ装置であり、例えば、無アルカリガラス基板(図示せず)等の基板を搬入/搬出する仕込み/取出し室22と、基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜4を成膜する成膜室(真空容器)23とを備えている。
First, an example of a sputtering apparatus (film forming apparatus) suitable for forming the zinc oxide-based transparent conductive film 4 forming the upper electrode 3 in the solar cell manufacturing method of the present invention will be described.
(Sputtering device 1)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a sputtering apparatus (film forming apparatus) used in the method for manufacturing the solar cell 1 of the present invention, where (a) is a top view and (b) is a cross-sectional view. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the main part of the film forming chamber of the sputtering apparatus. The sputtering apparatus 20 is an inter-back type sputtering apparatus. For example, a loading / unloading chamber 22 for loading / unloading a substrate such as an alkali-free glass substrate (not shown), and a zinc oxide-based transparent conductive film on the substrate. 4 and a film forming chamber (vacuum vessel) 23 for forming a film.
仕込み/取出し室22には、この室内を粗真空引きするロータリーポンプ等の粗引き排気手段24が設けられ、この室内には、基板を保持・搬送するための基板トレイ25が移動可能に配置されている。 The preparation / removal chamber 22 is provided with a roughing exhaust means 24 such as a rotary pump for roughly evacuating the chamber, and a substrate tray 25 for holding and transporting the substrate is movably disposed in the chamber. ing.
一方、成膜室23の一方の側面23aには、基板26を加熱するヒータ31が縦型に設けられ、他方の側面23bには、酸化亜鉛系材料のターゲット27を保持し所望のスパッタ電圧を印加するスパッタカソード機構(ターゲット保持手段)32が縦型に設けられ、さらに、この室内を高真空引きするターボ分子ポンプ等の高真空排気手段33、ターゲット7にスパッタ電圧を印加する電源34、この室内にガスを導入するガス導入手段35が設けられている。
特に、このスパッタ装置では、ヒータ31、及びスパッタカソード機構32が、複数(図では4つ)設けられている。ヒータ31、及びスパッタカソード機構32を複数設け、基板26を移動させながらスパッタを行うことで、厚みのある透明導電膜であっても、ムラなく形成することができる。
On the other hand, a heater 31 for heating the substrate 26 is vertically provided on one side surface 23a of the film forming chamber 23, and a target 27 of a zinc oxide-based material is held on the other side surface 23b to provide a desired sputtering voltage. A sputtering cathode mechanism (target holding means) 32 to be applied is provided in a vertical type, and further, a high vacuum evacuation means 33 such as a turbo molecular pump for evacuating the interior of the chamber, a power supply 34 for applying a sputtering voltage to the target 7, Gas introduction means 35 for introducing gas into the room is provided.
In particular, in this sputtering apparatus, a plurality (four in the figure) of heaters 31 and sputtering cathode mechanisms 32 are provided. By providing a plurality of heaters 31 and sputtering cathode mechanisms 32 and performing sputtering while moving the substrate 26, even a thick transparent conductive film can be formed without unevenness.
スパッタカソード機構32は、板状の金属プレートからなるもので、ターゲット7を口ウ材等でボンディング(固定)により固定するためのものである。
電源34は、ターゲット27に直流電圧に高周波電圧が重畳されたスパッタ電圧を印加するためのもので、直流電源と高周波電源(図示略)とを備えている。
The sputter cathode mechanism 32 is made of a plate-like metal plate, and is used for fixing the target 7 by bonding (fixing) with a mouth material or the like.
The power source 34 is for applying a sputtering voltage in which a high frequency voltage is superimposed on a DC voltage to the target 27, and includes a DC power source and a high frequency power source (not shown).
ガス導入手段35は、Ar等のスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段35aと、水素ガスを導入する水素ガス導入手段35bと、酸素ガスを導入する酸素ガス導入手段35cと、水蒸気を導入する水蒸気導入手段35dとを備えている。 Gas introduction means 35 introduces a Supattaga scan introducing means 35a for introducing a sputtering gas such as Ar, a hydrogen gas introduction means 35b for introducing the hydrogen gas, and oxygen gas introducing means 35c for introducing the oxygen gas, water vapor steam And introducing means 35d.
なお、このガス導入手段35では、水素ガス導入手段35b〜水蒸気導入手段35dについては、必要に応じて選択使用すればよく、例えば、水素ガス導入手段35bと酸素ガス導入手段35c、水素ガス導入手段35bと水蒸気導入手段35d、のように2つの手段により構成してもよい。 In the gas introduction means 35, the hydrogen gas introduction means 35b to the water vapor introduction means 35d may be selectively used as necessary. For example, the hydrogen gas introduction means 35b, the oxygen gas introduction means 35c, and the hydrogen gas introduction means You may comprise by two means like 35b and the water vapor introducing means 35d.
(スパッタ装置)
図5は、本発明の太陽電池の製造方法に用いられる別なスパッタ装置の一例、即ちインターバック式のマグネトロンスパッタ装置の成膜室の主要部を示す断面図である。図5に示すマグネトロンスパッタ装置40が、図3、4に示すスパッタ装置20と異なる点は、成膜室23の―方の側面23aに酸化亜鉛系材料のターゲット27を保持し所望の磁界を発生するスパッタカソード機構(ターゲット保持手段)42を縦型に設けた点てある。
(Sputtering equipment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of another sputtering apparatus used in the method for manufacturing a solar cell of the present invention, that is, the main part of a film forming chamber of an inter-back type magnetron sputtering apparatus. The magnetron sputtering apparatus 40 shown in FIG. 5 differs from the sputtering apparatus 20 shown in FIGS. 3 and 4 in that a target 27 made of zinc oxide material is held on the negative side surface 23a of the film forming chamber 23 to generate a desired magnetic field. A sputter cathode mechanism (target holding means) 42 is provided in a vertical shape.
スパッタカソード機構42は、ターゲット27をロウ材等でボンディング(固定)した背面プレート43と、背面プレート43の裏面に沿って配置された磁気回路44とを備えている。この磁気回路44は、ターゲット27の表面に水平磁界を発生させるもので、複数の磁気回路ユニット(図5では2つ)44a、44bがブラケット45により連結されて一体化され、磁気回路ユニット44a、44bそれぞれは、背面プレート43側の表面の極性が相互に異なる第1磁石46および第2磁石47とこれらを装着するヨーク48とを備えている。 The sputter cathode mechanism 42 includes a back plate 43 in which the target 27 is bonded (fixed) with a brazing material or the like, and a magnetic circuit 44 disposed along the back surface of the back plate 43. The magnetic circuit 44 generates a horizontal magnetic field on the surface of the target 27. A plurality of magnetic circuit units (two in FIG. 5) 44a and 44b are connected and integrated by a bracket 45, and the magnetic circuit unit 44a, Each of 44b includes a first magnet 46 and a second magnet 47 having different polarities on the surface on the back plate 43 side, and a yoke 48 for mounting them.
この磁気回路44では、背面プレート43側の極性が異なる第1磁石46および第2磁石47により、磁力線49で表される磁界が発生する。これにより、第1磁石46と第2磁石47との間におけるターゲット7の表面においては、垂直磁界が0(水平磁界が最大)となる位置50が発生する。この位置50に高密度プラズマが生成することで、成膜速度を向上しうるようになっている。 In the magnetic circuit 44, a magnetic field represented by a magnetic force line 49 is generated by the first magnet 46 and the second magnet 47 having different polarities on the back plate 43 side. Thereby, on the surface of the target 7 between the first magnet 46 and the second magnet 47, a position 50 where the vertical magnetic field is 0 (the horizontal magnetic field is maximum) is generated. The high-density plasma is generated at the position 50, so that the film forming speed can be improved.
こうした図5に示す成膜装置においては、成膜室23の一方の側面23aに所望の磁界を発生するスパッタカソード機構42を縦型に設けたので、スパッタ電圧を340V以下とし、ターゲット27表面における水平磁界強度の最大値を600ガウス以上とすることにより、結晶格子の整った酸化亜鉛系の透明導電膜4を成膜することができる。この酸化亜鉛系の透明導電膜4は、成膜後に高温でアニール処理を行っても酸化され難く、比抵抗の増加を抑制することができ、太陽電池1の上部電極をなす酸化亜鉛系の透明導電膜4を耐熱性に優れたものにすることができる。 In the film forming apparatus shown in FIG. 5, since the sputtering cathode mechanism 42 that generates a desired magnetic field is provided on the one side surface 23 a of the film forming chamber 23 in the vertical type, the sputtering voltage is set to 340 V or less and the surface of the target 27 is By setting the maximum value of the horizontal magnetic field strength to 600 gauss or more, it is possible to form the zinc oxide-based transparent conductive film 4 in which the crystal lattice is arranged. This zinc oxide-based transparent conductive film 4 is not easily oxidized even if annealing is performed at a high temperature after film formation, and can suppress an increase in specific resistance, and the zinc oxide-based transparent conductive film that forms the upper electrode of the solar cell 1. The conductive film 4 can be made excellent in heat resistance.
次に、本発明の太陽電池の製造方法の一例として、図3、4に示すスパッタ装置1を用いて、太陽電池1の上部電極3をなす酸化亜鉛系の透明導電膜4を透明基板2上に成膜する方法について例示する。
まず、ターゲット27をスパッタカソード機構32にロウ材等でボンディングして固定する。ここで、ターゲット材としては、酸化亜鉛系材料、例えば、アルミニウム(Al)を0.1〜10質量%添加したアルミニウム添加酸化亜鉛(AZO)、ガリウム(Ga)を0.1〜10質量%添加したガリウム添加酸化亜鉛(GZO)等が挙げられ、中でも、比抵抗の低い薄膜を成膜することができる点て、アルミニウム添加酸化亜鉛(AZO)が好ましい。
Next, as an example of the manufacturing method of the solar cell of the present invention, a zinc oxide-based transparent conductive film 4 forming the upper electrode 3 of the solar cell 1 is formed on the transparent substrate 2 by using the sputtering apparatus 1 shown in FIGS. A method for forming a film is illustrated.
First, the target 27 is bonded and fixed to the sputtering cathode mechanism 32 with a brazing material or the like. Here, as the target material, zinc oxide-based material, for example, aluminum added zinc oxide (AZO) added with 0.1 to 10% by mass of aluminum (Al), 0.1 to 10% by mass of gallium (Ga) added. Gallium-added zinc oxide (GZO) and the like. Among them, aluminum-added zinc oxide (AZO) is preferable because a thin film having a low specific resistance can be formed.
次いで、例えばガラスからなる太陽電池1の基板26(透明基板2)を仕込み/取出し室22の基板トレイ25に収納した状態で、仕込み/取出し室22及び成膜室23を粗引き排気手段4で粗真空引きし、仕込み/取出し室22及び成膜室23が所定の真空度、例えば0.27Pa(2.0mTorr)となった後に、基板26を仕込み/取出し室22から成膜室23に搬入し、この基板26を、設定がオフになった状態のヒータ31の前に配置し、この基板26をターゲット27に対向させ、この基板26をヒータ31により加熱して、100℃〜600℃の温度範囲内とする。 Next, with the substrate 26 (transparent substrate 2) of the solar cell 1 made of glass, for example, stored in the substrate tray 25 of the preparation / removal chamber 22, the roughing exhaust means 4 moves the preparation / removal chamber 22 and the film formation chamber 23. After rough vacuuming, the substrate 26 is transferred from the preparation / removal chamber 22 to the deposition chamber 23 after the preparation / removal chamber 22 and the film formation chamber 23 reach a predetermined degree of vacuum, for example, 0.27 Pa (2.0 mTorr). Then, this substrate 26 is disposed in front of the heater 31 in a state in which the setting is turned off, the substrate 26 is opposed to the target 27, and the substrate 26 is heated by the heater 31, so that the temperature of 100 to 600 ° C. Within the temperature range.
次いで、成膜室23を高真空排気手段33で高真空引きし、成膜室23が所定の高真空度、例えば2.7×10−4Pa(2.0×10−3mTorr)となった後に、成膜室23に、スパッタガス導入手段35 によりAr等のスパッタガスを導入し、成膜室23内を所定の圧力(スパッタ圧力)とする。 Next, the film forming chamber 23 is evacuated by the high vacuum exhaust means 33, and the film forming chamber 23 has a predetermined high vacuum, for example, 2.7 × 10 −4 Pa (2.0 × 10 −3 mTorr). After that, a sputtering gas such as Ar is introduced into the film forming chamber 23 by the sputtering gas introducing means 35 to set the inside of the film forming chamber 23 to a predetermined pressure (sputtering pressure).
次いで、電源34によりターゲット27にスパッタ電圧、例えば、直流電圧に高周波電圧を重畳したスパッタ電圧を印加する。スパッタ電圧印加により、基板26上にプラズマが発生し、このプラズマにより励起されたAr等のスパッタガスのイオンがターゲット27に衝突し、このターゲット7からアルミニウム添加酸化亜鉛(AZO)、ガリウム添加酸化亜鉛(GZO)等の酸化亜鉛系材料を構成する原子を飛び出させ、基板26上に酸化亜鉛系材料からなる透明導電膜4を成膜する。 Next, a sputtering voltage, for example, a sputtering voltage obtained by superimposing a high frequency voltage on a DC voltage is applied to the target 27 by the power supply 34. When a sputtering voltage is applied, plasma is generated on the substrate 26, and ions of sputtering gas such as Ar excited by the plasma collide with the target 27. From the target 7, aluminum-added zinc oxide (AZO), gallium-added zinc oxide The atoms constituting the zinc oxide-based material such as (GZO) are ejected, and the transparent conductive film 4 made of the zinc oxide-based material is formed on the substrate 26.
このとき、本発明では、スパッタ時の前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲とする。後述する実施例にも示されるように、成膜圧力を前記範囲とすることで、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。ひいては、入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を最大限に得ることができ、太陽電池の特色ある積層構造によってもたらされる最高の発電特性を実現する太陽電池1A(1)を作製することができる。 At this time, in the present invention, the pressure [Pa] in the film formation space during sputtering is set to a range of 1 to 10. As shown in Examples described later, by setting the film forming pressure within the above range, it is possible to form a fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic of a solar cell with a high degree of freedom and a desired roughness and shape. it can. As a result, the solar cell 1A (1) which can obtain the maximum prismatic effect of extending the optical path of incident sunlight and the light confinement effect, and realizes the highest power generation characteristics brought about by the characteristic laminated structure of the solar cell. Can be produced.
また、スパッタ時のプロセスガスとして、不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いることが好ましい。このときの水素ガスの割合[%]は、特に限定されるものではないが、例えば、0.5〜7の範囲とする。太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。 Further, it is preferable to use a mixed gas composed of an inert gas and hydrogen gas as a process gas at the time of sputtering. The ratio [%] of hydrogen gas at this time is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.5 to 7. A fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic solar cell can be formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape.
また、スパッタ時の透明基板2の温度[℃]を、200〜500の範囲とすることが好ましい。基板の温度を前記範囲とすることで、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。
このように、本発明では、スパッタにより酸化亜鉛系材料からなる透明導電膜4を成膜する際に、圧力その他の条件を制御することで、膜厚方向に延びた形状の結晶粒4aの集合体からなり、前記結晶粒4aの粒間には、少なくとも膜厚方向に界面4bがあり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有する透明導電膜4が得られる(図2参照)。
Moreover, it is preferable that the temperature [° C.] of the transparent substrate 2 during sputtering is in the range of 200 to 500. By setting the temperature of the substrate in the above range, a fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic solar cell can be formed with a high degree of freedom and a desired roughness and shape.
Thus, in the present invention, when the transparent conductive film 4 made of a zinc oxide-based material is formed by sputtering, the aggregate of crystal grains 4a having a shape extending in the film thickness direction is controlled by controlling the pressure and other conditions. A transparent conductive film 4 is obtained which has an interface 4b at least in the film thickness direction between the crystal grains 4a and has fine irregularities (texture structure) on the surface thereof (see FIG. 2).
ここで、スパッタ時における成膜圧力と成膜速度との関係について説明する。
ターゲット材料やプロセスガスの種類にも依存するが、マグネトロンスパッタ法で成膜を行う場合、一般的に2mTorrから10mTorrの間の成膜圧力が選択される。成膜圧力が低い場合、プラズマのインピーダンスが高く放電できなかったり、放電できてもプラズマが不安定になる。逆に成膜圧力が高い場合は、プロセスガスとスパッタされたターゲット材料がスキャッタリングすることにより、基板への付着効率(成膜速度)が低下したり、カソード周辺部品にスパッタされたターゲット材料が着膜することで、カソードとアースが短絡したりと生産性が低下する。
Here, the relationship between the film forming pressure and the film forming speed during sputtering will be described.
Although depending on the type of the target material and the process gas, when the film is formed by the magnetron sputtering method, a film formation pressure between 2 mTorr and 10 mTorr is generally selected. When the film forming pressure is low, the plasma impedance is high and cannot be discharged, or the plasma becomes unstable even if it can be discharged. On the other hand, when the deposition pressure is high, the process gas and the sputtered target material are scattered, so that the deposition efficiency (deposition rate) on the substrate is reduced or the target material sputtered on the cathode peripheral component is reduced. By depositing the film, the cathode and the ground are short-circuited, and the productivity is lowered.
以上のようにして基板26上に酸化亜鉛系材料からなる透明導電膜4を成膜した後、この基板26(透明基板2)を成膜室23から仕込み/取出し室2に搬送し、この仕込み/取出し室2の真空を破り、この酸化亜鉛系の透明導電膜4が形成された基板26(透明基板2)を取り出す。 After the transparent conductive film 4 made of a zinc oxide-based material is formed on the substrate 26 as described above, the substrate 26 (transparent substrate 2) is transferred from the film formation chamber 23 to the preparation / removal chamber 2, and this preparation is performed. / The vacuum in the take-out chamber 2 is broken, and the substrate 26 (transparent substrate 2) on which the zinc oxide-based transparent conductive film 4 is formed is taken out.
このようにして、透明基板2上に酸化亜鉛系の透明導電膜4が形成されてなる透明導電膜付き基板10が得られる。この透明導電膜4は、太陽電池の特色ある積層構造に適した微細テクスチャーが、自由度が高く所望の荒さや形状で形成されたものとなる。ひいては、該テクスチャー構造によるプリズム効果と光の閉じ込め効果を十分に得ることがきる、透明導電膜付き基板10を作製することが可能となる。
また、形成された透明導電膜4に対して、大気中にて後加熱処理するステップを備えることが好ましい。これにより透明導電膜4の透明度を高めることができる。
こうした透明導電膜付き基板10を太陽電池1A(1)に用いることで、入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を最大限に得ることができ、太陽電池の特色ある積層構造によってもたらされる最高の発電特性を実現する太陽電池1A(1)を作製することができる。
Thus, the substrate 10 with a transparent conductive film in which the zinc oxide-based transparent conductive film 4 is formed on the transparent substrate 2 is obtained. The transparent conductive film 4 has a fine texture suitable for a laminated structure having a characteristic of a solar cell and has a high degree of freedom and a desired roughness and shape. As a result, it becomes possible to produce the substrate 10 with a transparent conductive film that can sufficiently obtain the prism effect and the light confinement effect by the texture structure.
Moreover, it is preferable to provide the step of post-heat-treating in air | atmosphere with respect to the formed transparent conductive film 4. Thereby, the transparency of the transparent conductive film 4 can be increased.
By using such a substrate 10 with a transparent conductive film for the solar cell 1A (1), the prism effect for extending the optical path of incident sunlight and the light confinement effect can be obtained to the maximum. The solar cell 1A (1) that realizes the best power generation characteristics brought about by can be produced.
次に、このような透明導電膜付き基板10を用いた、タンデム構造の太陽電池1A(1)の製造方法について工程順に説明する。
まず、透明導電膜付き基板10の透明導電膜4上に、バッファ層5、第一光電変換ユニット6のp型半導体層6p、i型半導体層6i、n型半導体層6nと、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7pを各々別々のプラズマCVD反応室内で形成する。すなわち、第一光電変換ユニット6のn型半導体層6n上に、第二光電変換ユニット7を構成するp型半導体層7pが設けられた太陽電池第一中間品が形成される。
Next, a method for manufacturing a tandem solar cell 1A (1) using such a substrate 10 with a transparent conductive film will be described in the order of steps.
First, on the transparent conductive film 4 of the substrate 10 with a transparent conductive film, the buffer layer 5, the p-type semiconductor layer 6p of the first photoelectric conversion unit 6, the i-type semiconductor layer 6i, the n-type semiconductor layer 6n, and the second photoelectric conversion. The p-type semiconductor layer 7p of the unit 7 is formed in a separate plasma CVD reaction chamber. That is, the solar cell first intermediate product in which the p-type semiconductor layer 7 p constituting the second photoelectric conversion unit 7 is provided on the n-type semiconductor layer 6 n of the first photoelectric conversion unit 6 is formed.
引き続き、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7pを大気中に露呈させた後、大気中に露呈されたp型半導体層7p上に、第二光電変換ユニット7を構成するi型シリコン層(結晶質シリコン層)7i、n型半導体層7nを同一のプラズマCVD反応室内で形成する。すなわち、第一光電変換ユニット6上に、第二光電変換ユニット7が設けられた太陽電池第二中間品が形成される。 Subsequently, after the p-type semiconductor layer 7p of the second photoelectric conversion unit 7 is exposed to the atmosphere, the i-type silicon layer constituting the second photoelectric conversion unit 7 is formed on the p-type semiconductor layer 7p exposed to the atmosphere. (Crystalline silicon layer) 7i and n-type semiconductor layer 7n are formed in the same plasma CVD reaction chamber. That is, the second intermediate product of the solar cell provided with the second photoelectric conversion unit 7 is formed on the first photoelectric conversion unit 6.
そして、第二光電変換ユニット7のn型半導体層7n上に、バッファ層11、裏面電極12を形成することにより、図1に示すような太陽電池1A(10)とする。
特に本発明では、透明導電膜4と第一光電変換ユニット6のp層6pとの間に、個別の成膜室でバッファ層5、を形成することで、良好な特性を有する太陽電池1A(10)を得ることができる。
Then, by forming the buffer layer 11 and the back electrode 12 on the n-type semiconductor layer 7n of the second photoelectric conversion unit 7, a solar cell 1A (10) as shown in FIG. 1 is obtained.
In particular, in the present invention, by forming the buffer layer 5 in a separate film forming chamber between the transparent conductive film 4 and the p layer 6p of the first photoelectric conversion unit 6, the solar cell 1A having good characteristics ( 10) can be obtained.
次に、この太陽電池1A(10)の製造システムを図面に基づいて説明する。
本発明に係る太陽電池1の製造システムは、第一光電変換ユニット6におけるp型半導体層6p、i型シリコン層(非晶質シリコン層)6i、n型半導体層6nと、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7pの各層を各々別々に形成するチャンバーと呼ばれる成膜反応室を複数直線状に連結して配置した、いわゆるインライン型の第一成膜装置60と、第二光電変換ユニット7のp層を大気中に露呈させる暴露装置と、第二光電変換ユニット7におけるi型シリコン層(結晶質シリコン層)7i、n型半導体層7n、を同一の成膜反応室内で、複数の基板を同時に処理して形成する、いわゆるバッチ型の第二成膜装置70とを順に配置したものである。
Next, the manufacturing system of this solar cell 1A (10) is demonstrated based on drawing.
The solar cell 1 manufacturing system according to the present invention includes a p-type semiconductor layer 6p, an i-type silicon layer (amorphous silicon layer) 6i, an n-type semiconductor layer 6n, and a second photoelectric conversion unit in the first photoelectric conversion unit 6. A so-called in-line type first film-forming device 60 in which a plurality of film-forming reaction chambers called chambers for forming each of the seven p-type semiconductor layers 7p are connected in a straight line, and a second photoelectric conversion unit 7 in the same film formation reaction chamber, the exposure device for exposing the p layer of 7 to the atmosphere, the i-type silicon layer (crystalline silicon layer) 7i, and the n-type semiconductor layer 7n in the second photoelectric conversion unit 7. A so-called batch-type second film forming apparatus 70 is formed by sequentially processing and forming the substrates at the same time.
この太陽電池の製造システムを図6に示す。
製造システムは、図6に示すように、第一成膜装置60と、第二成膜装置70と、第一成膜装置60で処理した基板を大気に曝した後、第二成膜装置70へ移動する暴露装置80とから構成される。
製造システムにおける第一成膜装置60は、最初に基板を搬入し減圧雰囲気下とする仕込(L:Lord)室61が配置されている。なお、L室の後段に、プロセスに応じて、基板温度を一定温度まで加熱する加熱チャンバーを設けても良い。引き続き、透明導電膜4上に結晶質のシリコン系薄膜からなるバッファ層5を形成するp層成膜反応室62、第一光電変換ユニット6のp型半導体層6pを形成するp層成膜反応室63、同i型シリコン層(非晶質シリコン層)6iを形成するi層成膜反応室64、同n型半導体層6nを形成するn層成膜反応室65、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7pを形成するp層成膜反応室66、が連続して直線状に配置されている。そして最後に、減圧状態を大気雰囲気に戻し基板を搬出する取出(UL:Unlord)室67を配置して構成されている。
この際、図6中A地点において、透明基板2上に透明導電膜4が成膜された透明導電膜付き基板10が準備される。また、図6中B地点において、透明基板2の上に成膜された透明導電膜4上に、バッファ層5、第一光電変換ユニット6のp型半導体層6p、i型シリコン層(非晶質シリコン層)6i、n型半導体層6nと、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7pの各層が設けられた太陽電池第一中間品が形成される。
This solar cell manufacturing system is shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the manufacturing system exposes the first film forming apparatus 60, the second film forming apparatus 70, and the substrate processed by the first film forming apparatus 60 to the atmosphere, and then the second film forming apparatus 70. And an exposure device 80 that moves to
The first film forming apparatus 60 in the manufacturing system is provided with a charging (L) chamber 61 in which a substrate is first loaded and placed in a reduced pressure atmosphere. Note that a heating chamber for heating the substrate temperature to a certain temperature may be provided in the subsequent stage of the L chamber according to the process. Subsequently, a p-layer film-forming reaction chamber 62 for forming a buffer layer 5 made of a crystalline silicon-based thin film on the transparent conductive film 4, and a p-layer film-forming reaction for forming a p-type semiconductor layer 6p of the first photoelectric conversion unit 6 Chamber 63, i-layer deposition reaction chamber 64 for forming i-type silicon layer (amorphous silicon layer) 6i, n-layer deposition reaction chamber 65 for forming n-type semiconductor layer 6n, second photoelectric conversion unit 7 The p-layer film formation reaction chamber 66 for forming the p-type semiconductor layer 7p is continuously arranged linearly. Finally, a decompression state is returned to the air atmosphere, and an unload (UL) chamber 67 for unloading the substrate is arranged.
At this time, a substrate 10 with a transparent conductive film in which the transparent conductive film 4 is formed on the transparent substrate 2 is prepared at a point A in FIG. In addition, at point B in FIG. 6, the buffer layer 5, the p-type semiconductor layer 6 p of the first photoelectric conversion unit 6, and the i-type silicon layer (non-crystalline) are formed on the transparent conductive film 4 formed on the transparent substrate 2. The first intermediate product of the solar cell provided with each of the silicon layer 6i, the n-type semiconductor layer 6n, and the p-type semiconductor layer 7p of the second photoelectric conversion unit 7 is formed.
また、製造システムにおける第二成膜装置70は、最初に第一成膜装置60で処理された太陽電池1第一中間品10aを搬入して減圧雰囲気下としたり、あるいは減圧下にある基板を大気雰囲気として基板を搬出するための仕込・取出(L/UL)室71が配置されている。引き続き、この仕込・取出(L/UL)室71を介して、第二光電変換ユニット7のp型半導体層7p上に、第二光電変換ユニット7のi型シリコン層(結晶質シリコン層)7i、n型半導体層7n、を同一の反応室内で順次形成する、複数の基板を同時に処理することが可能な成膜反応室72を配置して構成されている。
この際、図6中C地点において、第一光電変換ユニット6上に、第二光電変換ユニット7が設けられた太陽電池第二中間品が形成される。
The second film forming apparatus 70 in the manufacturing system carries in the first intermediate product 10a of the solar cell 1 first processed by the first film forming apparatus 60 and puts it under a reduced pressure atmosphere or a substrate under reduced pressure. A loading / unloading (L / UL) chamber 71 for unloading the substrate as an atmospheric atmosphere is arranged. Subsequently, the i-type silicon layer (crystalline silicon layer) 7i of the second photoelectric conversion unit 7 is formed on the p-type semiconductor layer 7p of the second photoelectric conversion unit 7 through the preparation / removal (L / UL) chamber 71. The n-type semiconductor layer 7n is sequentially formed in the same reaction chamber, and a film formation reaction chamber 72 capable of simultaneously processing a plurality of substrates is arranged.
At this time, a solar cell second intermediate product in which the second photoelectric conversion unit 7 is provided is formed on the first photoelectric conversion unit 6 at a point C in FIG.
また、図6において、インライン型の第一成膜装置60は、2つの基板が同時に処理されるように示され、i層成膜反応室64は4つの反応室64a,64b,64c,64dによって構成されたものとして示されている。また、図6において、バッチ型の第二成膜装置70は、6つの基板が同時に処理されるように示されている。 In FIG. 6, the in-line type first film forming apparatus 60 is shown so that two substrates are processed simultaneously, and the i-layer film forming reaction chamber 64 is constituted by four reaction chambers 64a, 64b, 64c, and 64d. Shown as configured. In FIG. 6, the batch-type second film forming apparatus 70 is shown so that six substrates are processed simultaneously.
<第二実施形態>
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
なお、以下の説明においては、上述した第一実施形態と異なる部分について主に説明し、第一実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
図7は、本実施形態にかかる太陽電池1B(1)の層構成を示す構造断面図である。
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the following description, portions different from the above-described first embodiment will be mainly described, and descriptions of portions similar to the first embodiment will be omitted.
FIG. 7 is a structural cross-sectional view showing the layer configuration of the solar cell 1B (1) according to this embodiment.
上述した第一実施形態では、タンデム構造の太陽電池について説明したが、本発明は、タンデム構造に限定されず、シングル構造の太陽電池についても適用可能である。
この太陽電池1B(10)は、透明導電膜付き基板10を用い、p型半導体層(p層)9p、実質的に真性なi型半導体層(i層)9i、n型半導体層(n層)9nを積層したpin型の第三光電変換ユニット9を、前記透明導電膜4に順に重ねて設けてなる。
In the first embodiment described above, the solar cell having the tandem structure has been described. However, the present invention is not limited to the tandem structure, and can be applied to a solar cell having a single structure.
This solar cell 1B (10) uses a substrate 10 with a transparent conductive film, a p-type semiconductor layer (p layer) 9p, a substantially intrinsic i-type semiconductor layer (i layer) 9i, an n-type semiconductor layer (n layer) ) A pin type third photoelectric conversion unit 9 in which 9n is stacked is provided on the transparent conductive film 4 in order.
そして本発明の太陽電池1B(10)は、前記透明導電膜4は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒4aの集合体であり、前記結晶粒4aの粒間には、少なくとも膜厚方向に界面4bがあり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有することを特徴とする(図2参照)。
この太陽電池1B(10)についても、透明導電膜4の表面に自由度が高く所望の荒さや形状を有する微細テクスチャーが形成されている。このテクスチャー構造は、プリズム効果と光の閉じ込め効果をもたらすので、本発明に係る太陽電池1B(10)は変換効率の高いものとなる。
In the solar cell 1B (10) of the present invention, the transparent conductive film 4 is an aggregate of crystal grains 4a having a shape extending in the film thickness direction, and at least the film thickness is between the crystal grains 4a. There is an interface 4b in the direction, and the surface has fine unevenness (texture structure) (see FIG. 2).
Also in this solar cell 1B (10), a fine texture having a high degree of freedom and a desired roughness and shape is formed on the surface of the transparent conductive film 4. Since this texture structure brings about a prism effect and a light confinement effect, the solar cell 1B (10) according to the present invention has high conversion efficiency.
また、この太陽電池1B(10)において、前記第三光電変換ユニット9を構成する、p層9p、i層9i、n層9nがアモルファスシリコン系薄膜からなり、透明導電膜4と前記p層9pとの間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層5が配されている。 Further, in this solar cell 1B (10), the p layer 9p, i layer 9i, and n layer 9n constituting the third photoelectric conversion unit 9 are made of an amorphous silicon thin film, and the transparent conductive film 4 and the p layer 9p are formed. In between, a buffer layer 5 made of a silicon thin film is disposed.
この太陽電池1B(10)についても、透明導電膜4と前記p層9pとの間に、結晶質のシリコン系薄膜からなるバッファ層5が配されているので、透明導電膜4と、アモルファスのシリコン系薄膜からなるp層(9p)との界面における不整合を緩和することができる。これにより、第三光電変換ユニット9の曲線因子(FF)を向上させることができる。その結果、本発明の太陽電池1B(1)は、高い変換効率を有するものとなる。 Also in this solar cell 1B (10), since the buffer layer 5 made of a crystalline silicon thin film is disposed between the transparent conductive film 4 and the p layer 9p, the transparent conductive film 4 and the amorphous The mismatch at the interface with the p layer (9p) made of a silicon-based thin film can be alleviated. Thereby, the fill factor (FF) of the 3rd photoelectric conversion unit 9 can be improved. As a result, the solar cell 1B (1) of the present invention has high conversion efficiency.
太陽電池1B(10)を構成する透明導電膜付き基板10、バッファ層5、p層9p、i層9i、及びn層9nは、いずれも、上述した第一実施形態における、透明導電膜付き基板10、バッファ層5、p層6p、i層6i、及びn層6nと同様にして形成することができる。 The substrate 10 with a transparent conductive film, the buffer layer 5, the p layer 9p, the i layer 9i, and the n layer 9n constituting the solar cell 1B (10) are all substrates with a transparent conductive film in the first embodiment described above. 10, the buffer layer 5, the p layer 6p, the i layer 6i, and the n layer 6n.
以上、本発明の太陽電池用透明導電膜付き基板、太陽電池及びそれらの製造方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。 As mentioned above, although the board | substrate with a transparent conductive film for solar cells of this invention, a solar cell, and those manufacturing methods have been demonstrated, this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it changes suitably. Is possible.
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図3及び図4に示したような成膜装置(スパッタ装置)を用いて、基板上に透明導電膜を成膜した。
サンプル1〜サンプル6では、膜厚を変えて透明導電膜を成膜した。
(サンプル1)
まず、スパッタカソード機構32に、300mm×610mmのターゲット27を取り付けた。ターゲット27には、ZnOに不純物としてAl2O3を2質量%添加した材料を用いた。その後、仕込み/取出し室22に無アルカリガラス基板(基板26)を入れ、粗引き排気手段24で排気後、成膜室23に搬送した。このとき、成膜室23は高真空排気手段33により所定の真空度に保たれている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A transparent conductive film was formed on the substrate using a film forming apparatus (sputtering apparatus) as shown in FIGS.
In Samples 1 to 6, transparent conductive films were formed by changing the film thickness.
(Sample 1)
First, a 300 mm × 610 mm target 27 was attached to the sputter cathode mechanism 32. For the target 27, a material in which 2% by mass of Al 2 O 3 was added as an impurity to ZnO was used. Thereafter, an alkali-free glass substrate (substrate 26) was placed in the charging / unloading chamber 22, exhausted by the roughing exhaust unit 24, and then transferred to the film forming chamber 23. At this time, the film forming chamber 23 is maintained at a predetermined degree of vacuum by the high vacuum exhaust means 33.
スパッタガス導入手段35から、Arガスをプロセスガスとして導入後、コンダクタンスバルブにより所望のスパッタ圧力(5.0Pa)に調圧後、スパッタカソード機構32にDC電源により8.4kWの電力を印加することにより、スパッタカソード機構32に取り付けたZnO系ターゲットをスパッタした。なお、このときの基板温度は300℃とした。
これらの作業を一連のフローとして、無アルカリガラス基板上にZnO系透明導電膜を400nmの厚さに形成した。その後、仕込み/取出し室22から基板を取り出した。
After Ar gas is introduced as a process gas from the sputtering gas introducing means 35, the pressure is adjusted to a desired sputtering pressure (5.0 Pa) by a conductance valve, and then a power of 8.4 kW is applied to the sputtering cathode mechanism 32 by a DC power source. Thus, the ZnO-based target attached to the sputtering cathode mechanism 32 was sputtered. The substrate temperature at this time was set to 300 ° C.
As a series of these operations, a ZnO-based transparent conductive film was formed to a thickness of 400 nm on an alkali-free glass substrate. Thereafter, the substrate was taken out from the preparation / removal chamber 22.
表面に微細テクスチャーが形成された透明導電膜を上部電極として用いて、pin型の光電変換ユニットを構成するp層、i層及びn層がアモルファスのシリコン系薄膜からなる太陽電池を作製した。
このとき、透明導電膜と、光電変換ユニットを構成する前記p層との間に、結晶質のシリコン系薄膜からなるバッファ層を形成した。
Using a transparent conductive film with a fine texture formed on the surface as an upper electrode, a solar cell in which the p-layer, i-layer and n-layer constituting the pin-type photoelectric conversion unit were made of an amorphous silicon-based thin film was produced.
At this time, a buffer layer made of a crystalline silicon-based thin film was formed between the transparent conductive film and the p layer constituting the photoelectric conversion unit.
(サンプル2)
透明導電膜の厚さを600nmとしたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル3)
透明導電膜の厚さを900nmとしたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 2)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1, except that the thickness of the transparent conductive film was 600 nm. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 3)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that the thickness of the transparent conductive film was set to 900 nm. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(サンプル4)
透明導電膜の厚さを1300nmとしたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル5)
透明導電膜の厚さを1500nmとしたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル6)
透明導電膜の厚さを1800nmとしたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 4)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1, except that the thickness of the transparent conductive film was 1300 nm. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 5)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1, except that the thickness of the transparent conductive film was 1500 nm. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 6)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that the thickness of the transparent conductive film was 1800 nm. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
サンプル1(膜厚400nm)、サンプル2(膜厚600nm)、サンプル3(膜厚900nm)の透明導電膜についてのSEM写真を、図8〜図10にそれぞれ示す。
図8〜図10から明らかなように、前記透明導電膜が、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体からなることがわかる。そして、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)が形成されている。また、膜厚が薄いと凹凸が小さく、膜厚が厚くあると、凹凸が大きくなることが分かる。すなわち、本発明の方法によれば、成膜条件を変えることにより、微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。
SEM photographs of the transparent conductive films of Sample 1 (film thickness 400 nm), Sample 2 (film thickness 600 nm), and Sample 3 (film thickness 900 nm) are shown in FIGS.
As is apparent from FIGS. 8 to 10, it can be seen that the transparent conductive film is composed of an aggregate of crystal grains having a shape extending in the film thickness direction. And there exists an interface at least in the film thickness direction between the crystal grains, and fine irregularities (texture structure) are formed on the surface. Further, it can be seen that the unevenness is small when the film thickness is thin, and the unevenness is large when the film thickness is thick. That is, according to the method of the present invention, the fine texture can be formed in a desired roughness and shape with a high degree of freedom by changing the film forming conditions.
また、サンプル1〜サンプル6で作製した透明導電膜について、テクスチャー形状の効果を検証するため、HAZE METER HM−150(株式会社村上色彩技術研究所製)により単膜の光学特性としてヘイズ率[%]を測定した。
また、サンプル1〜サンプル6で作製した太陽電池について、ソーラーシミュレーターYSS−50A(山下電装株式会社製)により太陽電池性能として、発電効率[%] をそれぞれ評価した。
Moreover, in order to verify the effect of a texture shape about the transparent conductive film produced in Sample 1 to Sample 6, the haze ratio [%] was obtained as an optical characteristic of a single film by HAZE METER HM-150 (manufactured by Murakami Color Research Laboratory Co., Ltd.). ] Was measured.
Moreover, about the solar cell produced by the sample 1-the sample 6, the electric power generation efficiency [%] was evaluated as solar cell performance with the solar simulator YSS-50A (made by Yamashita Denso Co., Ltd.), respectively.
サンプル1〜サンプル6で作製した透明導電膜について、膜厚と、ヘイズ率及び太陽電池の発電効率との関係を、まとめて図11に示す。なお、図11では、市販の透明導電膜(FTO膜)付き基板を比較サンプルとして示している。
図11から明らかなように、透明導電膜の膜厚が厚くなるにしたがって、ヘイズ率も大きくなることがわかる。また、膜厚をある範囲とした場合に、優れた光電変換効率が得られていることがわかる。この範囲は、作製した太陽電池の積層構造にも依存するが、例えば図11に示す例では、透明導電膜の膜厚を600〜1800nm程度とした場合に、優れた発電効率が得られていることがわかる。
About the transparent conductive film produced by Sample 1 to Sample 6, the relationship between the film thickness, the haze ratio, and the power generation efficiency of the solar cell is shown together in FIG. In FIG. 11, a commercially available substrate with a transparent conductive film (FTO film) is shown as a comparative sample.
As can be seen from FIG. 11, the haze ratio increases as the film thickness of the transparent conductive film increases. It can also be seen that excellent photoelectric conversion efficiency is obtained when the film thickness is in a certain range. Although this range depends on the laminated structure of the produced solar cell, for example, in the example shown in FIG. 11, when the film thickness of the transparent conductive film is about 600 to 1800 nm, excellent power generation efficiency is obtained. I understand that.
つぎに、サンプル7〜サンプル13では、プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが混合されてなるガスを用いて、透明導電膜を成膜した。なお、サンプル7〜サンプル13でにおいて、透明導電膜の厚さは800nmとした。
(サンプル7)
プロセスガスとしてArガス(H2 ガス無添加)を用い、成膜時の基板温度を220℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル8)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが1%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
Next, in samples 7 to 13, a transparent conductive film was formed using a gas obtained by mixing H 2 gas with Ar gas as a process gas. In Samples 7 to 13, the thickness of the transparent conductive film was 800 nm.
(Sample 7)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that Ar gas (without H 2 gas) was used as the process gas and the substrate temperature during film formation was 220 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 8)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1, except that Ar gas was mixed with H 2 gas at a rate of 1% as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(サンプル9)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが2%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル10)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが3%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル11)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが4%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 9)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that a gas obtained by mixing H 2 gas with Ar gas at a ratio of 2% was used as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 10)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that Ar gas was mixed with H 2 gas at a ratio of 3% as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 11)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that a gas obtained by mixing 4% of H 2 gas with Ar gas was used as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(サンプル12)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが5%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル13)
プロセスガスとしてArガスにH2 ガスが8%の割合で混合されてなるガスを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 12)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1 except that a gas obtained by mixing H 2 gas with Ar gas at a ratio of 5% was used as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 13)
A transparent conductive film was formed in the same manner as Sample 1, except that Ar gas was mixed with H 2 gas at a rate of 8% as the process gas. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
サンプル7(H2 :0%)サンプル8(H2 :1%)、サンプル9(H2 :2%)、サンプル10(H2 :3%)の透明導電膜についてのSEM写真を、図12〜図15にそれぞれ示す。
図12〜図15から明らかなように、成膜時のプロセスガスにH2ガスを添加することで、凹凸の形状を変えることができることがわかる。具体的には、H2ガスの添加量を多くすることで、凹凸が大きくなることが分かる。すなわち、本発明の方法によれば、成膜条件を変えることにより、微細テクスチャーを、自由度が高く所望の荒さや形状で形成することができる。
SEM photographs of the transparent conductive films of Sample 7 (H 2 : 0%), Sample 8 (H 2 : 1%), Sample 9 (H 2 : 2%), and Sample 10 (H 2 : 3%) are shown in FIG. To FIG.
As is apparent from FIGS. 12 to 15, it can be seen that the shape of the unevenness can be changed by adding H 2 gas to the process gas at the time of film formation. Specifically, it can be seen that the unevenness is increased by increasing the amount of H 2 gas added. That is, according to the method of the present invention, the fine texture can be formed in a desired roughness and shape with a high degree of freedom by changing the film forming conditions.
また、プロセスガスにH2 ガスを添加しなかったサンプル7の透明導電膜と、プロセスガスにH2 ガスを添加したサンプル8の透明導電膜について、二次イオン質量分析(SIMS)を行った。
サンプル7についての結果を図16に、サンプル8についての結果を図17に示す。ここで、図中、グラフ横軸の右側が基板表面に相当し、Si組成が立ちあがっているところが透明導電膜と基板との界面となる。
図16と図17とを比較して明らかなように、図16では透明導電膜中にHの存在はみられないが、図17では透明導電膜中にHの存在が認められる。また、Hは膜の深さ方向に一定に存在していることがわかる。
このように、透明導電膜を形成する際に、プロセスガスとして、不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いることにより、形成された透明導電膜は、膜中にHが存在することが確認された。なお、プロセスガス中のH2 ガス濃度に関わらず、同様の結果が得られることが確認されている。
Further, secondary ion mass spectrometry (SIMS) was performed on the transparent conductive film of Sample 7 in which H 2 gas was not added to the process gas and the transparent conductive film of Sample 8 in which H 2 gas was added to the process gas.
The results for sample 7 are shown in FIG. 16, and the results for sample 8 are shown in FIG. Here, in the figure, the right side of the horizontal axis of the graph corresponds to the substrate surface, and the portion where the Si composition rises is the interface between the transparent conductive film and the substrate.
As is clear from comparison between FIG. 16 and FIG. 17, the presence of H is not observed in the transparent conductive film in FIG. 16, but the presence of H is recognized in the transparent conductive film in FIG. 17. It can also be seen that H is present uniformly in the depth direction of the film.
Thus, when forming a transparent conductive film, by using a mixed gas consisting of an inert gas and hydrogen gas as a process gas, it is confirmed that the formed transparent conductive film has H in the film. It was done. It has been confirmed that similar results can be obtained regardless of the H 2 gas concentration in the process gas.
また、サンプル7〜サンプル13で作製した透明導電膜について、成膜時のH2 ガスの添加量と、ヘイズ率及び太陽電池の発電効率との関係を、まとめて図18に示す。なお、図18では、市販の透明導電膜(FTO膜)付き基板を比較サンプルとして示している。
図18から、以下の点が明らかとなった。
(A1)H2 ガスの添加量が多くなるにしたがって、ヘイズ率も大きくなる。
(A2)H2 ガスの添加量をある範囲とした場合に、優れた光電変換効率が得られる。
(A3)この範囲は、作製した太陽電池の積層構造にも依存するが、例えば図に示す例では、H2 ガスの添加量を1〜6%程度とした場合に、優れた発電効率が得られる。
Further, the transparent conductive film produced in Sample 7 Sample 13, the amount of H 2 gas at the time of film formation, the relationship between the power generation efficiency of the haze and solar cells, summarized in Figure 18. In FIG. 18, a commercially available substrate with a transparent conductive film (FTO film) is shown as a comparative sample.
The following points became clear from FIG.
(A1) The haze ratio increases as the amount of H 2 gas added increases.
(A2) Excellent photoelectric conversion efficiency is obtained when the amount of H 2 gas added is within a certain range.
(A3) This range depends on the laminated structure of the produced solar cell. For example, in the example shown in the figure, when the amount of H 2 gas added is about 1 to 6%, excellent power generation efficiency is obtained. It is done.
つぎに、サンプル14〜サンプル19では、成膜時の基板温度を変えて、透明導電膜を成膜した。なお、サンプル14〜サンプル19において、透明導電膜の厚さは800nmとした。
(サンプル14)
成膜時の基板温度を100℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル15)
成膜時の基板温度を220℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
Next, in Samples 14 to 19, a transparent conductive film was formed by changing the substrate temperature during film formation. In Samples 14 to 19, the thickness of the transparent conductive film was 800 nm.
(Sample 14)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 100 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 15)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 220 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(サンプル16)
成膜時の基板温度を250℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル17)
成膜時の基板温度を300℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 16)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 250 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 17)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 300 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(サンプル18)
成膜時の基板温度を350℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(サンプル19)
成膜時の基板温度を400℃としたこと以外は、サンプル1と同様にして透明導電膜を成膜した。また、この透明導電膜を上部電極として用いて太陽電池を作製した。
(Sample 18)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 350 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
(Sample 19)
A transparent conductive film was formed in the same manner as in Sample 1 except that the substrate temperature during film formation was 400 ° C. Moreover, a solar cell was produced using this transparent conductive film as an upper electrode.
サンプル14〜サンプル19で作製した透明導電膜について、成膜時の基板温度と、ヘイズ率及び太陽電池の発電効率との関係を、まとめて図19に示す。なお、図19では、市販の透明導電膜(FTO膜)付き基板を比較サンプルとして示している。
図19から、以下の点が明らかとなった。
(B1)基板温度が高くなるにしたがって、ヘイズ率も大きくなる。
(B2)基板温度をある範囲とした場合に、優れた光電変換効率が得られる。
(B3)この範囲は、作製した太陽電池の積層構造にも依存するが、例えば図19に示す例では、基板温度を200〜400℃程度とした場合に、優れた発電効率が得られる。
About the transparent conductive film produced by the samples 14-19, the relationship between the substrate temperature at the time of film-forming, a haze rate, and the power generation efficiency of a solar cell is collectively shown in FIG. In FIG. 19, a commercially available substrate with a transparent conductive film (FTO film) is shown as a comparative sample.
The following points became clear from FIG.
(B1) The haze rate increases as the substrate temperature increases.
(B2) Excellent photoelectric conversion efficiency is obtained when the substrate temperature is in a certain range.
(B3) Although this range depends on the laminated structure of the produced solar cell, for example, in the example shown in FIG. 19, when the substrate temperature is about 200 to 400 ° C., excellent power generation efficiency is obtained.
本発明は、光入射側の電力取り出し電極として機能する上部電極が、ZnOを基本構成元素とする透明導電膜を備えた、太陽電池用透明導電膜付き基板、太陽電池及びそれらの製造方法に広く適用可能である。 The present invention is widely applied to a substrate with a transparent conductive film for solar cells, a solar cell, and a method for manufacturing the same, in which the upper electrode functioning as a power extraction electrode on the light incident side includes a transparent conductive film containing ZnO as a basic constituent element. Applicable.
1 太陽電池、2 ガラス基板(透明基板)、3 上部電極、4 透明導電膜、4a 結晶粒、4b 界面、5 バッファ層、6 第一光電変換ユニット、7 第二光電変換ユニット、10 透明導電膜付き基板、11 バッファ層、12 裏面電極。 1 solar cell, 2 glass substrate (transparent substrate), 3 upper electrode, 4 transparent conductive film, 4a crystal grain, 4b interface, 5 buffer layer, 6 first photoelectric conversion unit, 7 second photoelectric conversion unit, 10 transparent conductive film Attached substrate, 11 buffer layer, 12 back electrode.
Claims (11)
前記透明導電膜は、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸を有すると共に、その膜厚方向において、前記透明基板から離れるほど結晶粒径の大きな結晶粒を含むことを特徴とする透明導電膜付き基板。 A substrate with a transparent conductive film in which a transparent conductive film based on ZnO is arranged so as to be in contact with an insulating transparent substrate,
The transparent conductive film is an aggregate of crystal grains having a shape extending in the film thickness direction, and there is an interface in the film thickness direction at least between the crystal grains, and the surface has fine irregularities. And the board | substrate with a transparent conductive film characterized by including a crystal grain with a crystal grain size so large that it leaves | separates from the said transparent substrate in the film thickness direction.
所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた前記透明基板上に前記透明導電膜を成膜するステップα1を少なくとも備え、
前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、
前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲とし、前記プロセスガスとして不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いて、該水素ガスの添加量を1〜6[%]としたことを特徴とする透明導電膜付き基板の製造方法。 A method for producing a substrate with a transparent conductive film in which a transparent conductive film based on ZnO is arranged so as to be in contact with an insulating transparent substrate,
Sputtering is performed by applying a sputtering voltage to a target that forms the base material of the transparent conductive film in a film formation space in a desired process gas atmosphere, and the transparent conductive film is formed on the transparent substrate at a predetermined temperature. At least a film forming step α1,
As the base material, a material mainly composed of ZnO is used,
The pressure [Pa] in the film-forming space is in the range of 1 to 10, and a mixed gas composed of an inert gas and hydrogen gas is used as the process gas, and the amount of hydrogen gas added is 1 to 6 [%]. The manufacturing method of the board | substrate with a transparent conductive film characterized by the above-mentioned.
前記透明導電膜が、絶縁性の透明基板に接して配置され、ZnOを基本構成とし、その膜厚方向に延びた形状の結晶粒の集合体であり、前記結晶粒の粒間には、少なくとも膜厚方向に界面があり、その表面には微細な凹凸(テクスチャー構造)を有すると共に、その膜厚方向において、前記透明基板から離れるほど結晶粒径の大きな結晶粒を含み、
前記光電変換ユニットを構成するp層、i層及びn層がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、
前記透明導電膜と、前記光電変換ユニットを構成する前記p層との間に、シリコン系薄膜からなるバッファ層が配されていることを特徴とする太陽電池。 Using a substrate with a transparent conductive film, a pin-type photoelectric conversion unit in which a p-type semiconductor layer (p layer), a substantially intrinsic i-type semiconductor layer (i layer), and an n-type semiconductor layer (n layer) are stacked, Provided in order on the transparent conductive film,
The transparent conductive film is disposed in contact with an insulating transparent substrate, and is an aggregate of crystal grains having a basic configuration of ZnO and extending in the film thickness direction, and at least between the crystal grains. There is an interface in the film thickness direction, and the surface has fine irregularities (texture structure), and in the film thickness direction, the crystal grain has a large crystal grain size as the distance from the transparent substrate increases.
The p layer, i layer and n layer constituting the photoelectric conversion unit are composed of amorphous silicon-based thin films,
A solar cell, wherein a buffer layer made of a silicon-based thin film is disposed between the transparent conductive film and the p layer constituting the photoelectric conversion unit.
所望のプロセスガス雰囲気とした成膜空間において、前記透明導電膜の母材をなすターゲットにスパッタ電圧を印加してスパッタを行い、所定の温度とされた絶縁性の透明基板と接するように前記透明導電膜を成膜するステップβ1を少なくとも備え、
前記母材として、ZnOを主成分とした材料を用いるとともに、
前記成膜空間内の圧力[Pa]を、1〜10の範囲とし、前記プロセスガスとして不活性ガスと水素ガスからなる混合ガスを用いて、該水素ガスの添加量を1〜6[%]としたことを特徴とする太陽電池の製造方法。 Using a substrate with a transparent conductive film, a pin-type photoelectric conversion unit in which a p-type semiconductor layer (p layer), a substantially intrinsic i-type semiconductor layer (i layer), and an n-type semiconductor layer (n layer) are stacked, A method for producing a solar cell, wherein the transparent conductive film is stacked in order through a buffer layer,
Sputtering is performed by applying a sputtering voltage to a target that forms the base material of the transparent conductive film in a film formation space in a desired process gas atmosphere, and the transparent film is in contact with an insulating transparent substrate at a predetermined temperature. Comprising at least a step β1 of forming a conductive film;
As the base material, a material mainly composed of ZnO is used,
Pressure [Pa] of the film-forming space, a range of 1 to 10, using a mixed gas consisting of inert gas and hydrogen gas as the process gas, the amount of hydrogen gas 6 [%] A method for producing a solar cell, wherein
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