JP5709662B2 - CZTS thin film solar cell manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換効率の高いCZTS系薄膜太陽電池を製造するための方法及びその方法によって製造されたCZTS系薄膜太陽電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a CZTS thin film solar cell with high photoelectric conversion efficiency and a CZTS thin film solar cell produced by the method.

近年、p型光吸収層として、一般にCZTSと呼ばれる、カルコゲナイド系の化合物半導体を用いた薄膜太陽電池が注目されている。このタイプの太陽電池は、材料が比較的安価で、また太陽光に適したバンドギャップエネルギーを有するので、高効率の太陽電池を安価に製造できるとの期待がある。CZTSは、Cu,Zn,Sn,Sを含む、I2−II−IV−VI4族化合物半導体であり、代表的なものとして、Cu2ZnSnS4等がある。 In recent years, a thin film solar cell using a chalcogenide-based compound semiconductor, generally called CZTS, has attracted attention as a p-type light absorption layer. Since this type of solar cell is relatively inexpensive and has a band gap energy suitable for sunlight, it is expected that a highly efficient solar cell can be manufactured at low cost. CZTS is an I 2 -II-IV-VI 4 group compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S. Typical examples include Cu 2 ZnSnS 4 .

CZTS系薄膜太陽電池は、基板上に金属の裏面電極層を形成し、その上にp型CZTS系光吸収層を形成し、さらにn型高抵抗バッファ層、n型透明導電膜を順次積層して形成される。金属の裏面電極層材料としては、モリブデン(Mo)またはチタン(Ti)、クロム(Cr)等の高耐蝕性でかつ高融点金属が用いられる。p型CZTS系光吸収層は、例えば、モリブデン(Mo)の金属裏面電極層を形成した基板上に、Cu−Zn−SnあるいはCu−Zn−Sn−Sのプリカーサ膜をスパッタ法等により形成し、これを硫化水素雰囲気中で硫化することにより、形成される(例えば特許文献1参照)。   In a CZTS thin film solar cell, a metal back electrode layer is formed on a substrate, a p-type CZTS light absorption layer is formed thereon, and an n-type high resistance buffer layer and an n-type transparent conductive film are sequentially laminated. Formed. As the metal back electrode layer material, high corrosion resistance and high melting point metal such as molybdenum (Mo), titanium (Ti), or chromium (Cr) is used. The p-type CZTS light absorption layer is formed by, for example, forming a Cu—Zn—Sn or Cu—Zn—Sn—S precursor film on a substrate on which a molybdenum (Mo) metal back electrode layer is formed by sputtering or the like. This is formed by sulfiding in a hydrogen sulfide atmosphere (see, for example, Patent Document 1).

特開2010−215497号公報JP 2010-215497 A

上述したように、CZTS系薄膜太陽電池はその潜在的な可能性は高いが、現在のところ実用に耐え得る高い光電変換効率を有する製品は得られておらず、製造技術の一層の進歩が求められている。本発明は係る点に関してなされたもので、高い光電変換効率を有するCZTS系薄膜太陽電池の製造方法及び、その方法によって製造されたCZTS系薄膜太陽電池を提供することを課題とする。   As described above, CZTS-based thin-film solar cells have high potential, but at present, products with high photoelectric conversion efficiency that can withstand practical use have not been obtained, and further progress in manufacturing technology is required. It has been. This invention is made | formed regarding the point which concerns, and makes it a subject to provide the manufacturing method of the CZTS type thin film solar cell which has high photoelectric conversion efficiency, and the CZTS type thin film solar cell manufactured by the method.

前記課題を解決するために、本発明の第一の態様では、基板上に金属裏面電極層を形成し、前記金属裏面電極層上に、少なくともCu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を形成し、前記金属プリカーサ膜が形成された前記基板をセレン含有ガスで充填された炉内で熱処理することにより、前記金属プリカーサ膜をセレン化し、前記セレン化後前記炉内に硫黄又は硫黄化合物を含むガスを導入して前記セレン化された金属プリカーサ膜を硫化することにより、セレンおよび硫黄を含むp型CZTS系光吸収層を形成し、前記p型CZTS系光吸収層上にn型透明導電膜を形成する、各ステップを備える、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法を提供する。   In order to solve the above-mentioned problems, in the first aspect of the present invention, a metal back electrode layer is formed on a substrate, and a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn is formed on the metal back electrode layer. The gas on which the metal precursor film is formed is heat treated in a furnace filled with a selenium-containing gas, thereby selenizing the metal precursor film, and after the selenization, a gas containing sulfur or a sulfur compound in the furnace To form a p-type CZTS light absorption layer containing selenium and sulfur, and to form an n-type transparent conductive film on the p-type CZTS light absorption layer. A method of manufacturing a CZTS-based thin film solar cell including each step to be formed is provided.

上記第一の態様において、前記硫化は、前記セレン化後のガスが存在する前記炉内に前記硫黄又は硫黄化合物を含むガスを導入して行っても良い。   In the first aspect, the sulfurization may be performed by introducing a gas containing sulfur or a sulfur compound into the furnace in which the gas after selenization is present.

また、前記金属裏面電極層上に形成される金属プリカーサ膜が、さらに硫黄を含む様にしても良い。   The metal precursor film formed on the metal back electrode layer may further contain sulfur.

また、前記金属裏面電極上に前記金属プリカーサ膜を形成した後であって前記セレン化の前に、前記金属プリカーサ膜が形成された前記基板を硫黄又は硫黄化合物を含むガスを充填した炉内で熱処理して硫化するようにしても良い。   Further, after the metal precursor film is formed on the metal back electrode and before the selenization, the substrate on which the metal precursor film is formed is placed in a furnace filled with a gas containing sulfur or a sulfur compound. It may be sulfurized by heat treatment.

上記本発明の課題を解決するために、本発明の第二の態様では、基板上に形成された金属裏面電極層と、前記金属裏面電極層上に形成されたp型CZTS系光吸収層と、前記p型CZTS系光吸収層上に形成されたn型透明導電膜と、を備え、前記p型CZTS系光吸収層の前記n型透明導電膜側上部の硫黄濃度が、前記CZTS系光吸収層の層厚方向の中央部分より高くされていることを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池を提供する。   In order to solve the above-described problems of the present invention, in the second aspect of the present invention, a metal back electrode layer formed on a substrate, and a p-type CZTS light absorbing layer formed on the metal back electrode layer, An n-type transparent conductive film formed on the p-type CZTS light absorption layer, and the sulfur concentration at the upper part of the p-type CZTS light absorption layer on the n-type transparent conductive film side is the CZTS-based light. Provided is a CZTS-based thin-film solar cell, characterized in that it is higher than the central portion of the absorption layer in the layer thickness direction.

上記態様のCZTS系薄膜太陽電池において、さらに、前記p型CZTS系光吸収層の前記金属裏面電極層側下部の硫黄濃度を、前記CZTS系光吸収層の層厚方向の中央部分よりも高くしても良い。   In the CZTS-based thin film solar cell of the above aspect, the sulfur concentration in the lower part on the metal back electrode layer side of the p-type CZTS-based light absorption layer is further made higher than the central portion in the layer thickness direction of the CZTS-based light absorption layer. May be.

本発明の方法では、金属プリカーサ膜のセレン化と硫化の両者を行っている。そのため、p型CZTS系光吸収層中におけるカルコゲン比(硫黄とセレンの割合)の制御が可能であり、この制御によって、p型CZTS系光吸収層のバンドギャップの制御が可能となる。従って、光電変換効率が高くなるようなバンドギャップを選択することが可能となる。   In the method of the present invention, both selenization and sulfidation of the metal precursor film are performed. Therefore, it is possible to control the chalcogen ratio (ratio of sulfur and selenium) in the p-type CZTS-based light absorption layer. By this control, it is possible to control the band gap of the p-type CZTS-based light absorption layer. Therefore, it is possible to select a band gap that increases the photoelectric conversion efficiency.

また、金属プリカーサ膜をセレン含有ガス中で熱処理してセレン化を行った後、さらに硫化を行うことによって、形成されたp型CZTS系光吸収層中での硫黄の濃度が、受光面側で高くp型CZTS系光吸収層の中央方向に向かって減少する濃度分布を形成するようになる。その結果、受光面側のp型CZTS系光吸収層のバンドギャップが大きくなって、太陽電池製品の開放電圧が向上する。さらに、受光面側の硫黄濃度が高くなることにより、相対的に受光面側以外の部分で硫黄濃度が低くなって、バンドギャップが小さくなり、太陽電池製品の短絡電流が増加する。   In addition, after the metal precursor film is heat-treated in a selenium-containing gas to be selenized, and further sulfurized, the sulfur concentration in the formed p-type CZTS-based light absorption layer is reduced on the light-receiving surface side. A concentration distribution is formed which increases and decreases toward the center of the p-type CZTS light absorption layer. As a result, the band gap of the p-type CZTS light absorption layer on the light receiving surface side is increased, and the open circuit voltage of the solar cell product is improved. Furthermore, when the sulfur concentration on the light-receiving surface side is increased, the sulfur concentration is relatively lowered at portions other than the light-receiving surface side, the band gap is reduced, and the short-circuit current of the solar cell product is increased.

このように、p型CZTS系光吸収層中で受光面側に高くなる硫黄濃度の勾配を形成することによって、高い開放電圧と大きな短絡電流との両立が可能となり、その結果、太陽電池製品の光電変換効率が向上する。また、セレン化後の硫化において、真空引きによって炉内のセレン含有ガスを排気すること無く、硫黄又は硫黄化合物を含むガスを導入することによって、セレン化されたp型プリカーサ膜からSnが抜け出すことが防止される。その結果、Snの抜けによる結晶欠陥の増加が抑制され、セレン化・硫化後のp型CZTS系光吸収層の結晶品質が向上し、光電変換効率が向上する。   Thus, by forming a gradient of the sulfur concentration that increases on the light-receiving surface side in the p-type CZTS-based light absorption layer, it is possible to achieve both a high open-circuit voltage and a large short-circuit current. Photoelectric conversion efficiency is improved. In addition, in sulfurization after selenization, Sn is released from the selenized p-type precursor film by introducing a gas containing sulfur or a sulfur compound without exhausting the selenium-containing gas in the furnace by evacuation. Is prevented. As a result, an increase in crystal defects due to Sn loss is suppressed, crystal quality of the p-type CZTS light absorption layer after selenization / sulfurization is improved, and photoelectric conversion efficiency is improved.

また、硫黄を含む金属プリカーサ膜を形成すること、或いは、金属プリカーサ膜をセレン化する以前に硫化すること等により、セレン化以前に金属プリカーサ膜中に硫黄を含有させておくと、その後のセレン化によって予め含まれる硫黄が受光面側から金属裏面電極側に押しやられ、硫黄濃度が金属裏面電極側で高くなる。これによって、p型CZTS系光吸収層における金属裏面電極との界面付近でバンドギャップが大きくなり、この部分でのキャリアの再結合が抑制されるので、短絡電流がより増加して光電変換効率が向上する。   Further, if sulfur is contained in the metal precursor film before selenization by forming a metal precursor film containing sulfur or by sulfidizing the metal precursor film before selenization, the subsequent selenium The sulfur contained in advance is pushed from the light receiving surface side to the metal back electrode side, and the sulfur concentration is increased on the metal back electrode side. This increases the band gap in the vicinity of the interface with the metal back electrode in the p-type CZTS-based light absorption layer, and suppresses carrier recombination in this portion, thereby increasing the short-circuit current and increasing the photoelectric conversion efficiency. improves.

本発明の一実施形態に係る製造方法によって形成された、CZTS系薄膜太陽電池の断面構造を示す概略図。Schematic which shows the cross-section of the CZTS type thin film solar cell formed by the manufacturing method concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る製造方法を説明するための工程図。Process drawing for demonstrating the manufacturing method which concerns on one Embodiment of this invention. p型CZTS系光吸収層中の硫黄の濃度分布を示す概略図。Schematic which shows the concentration distribution of the sulfur in a p-type CZTS type light absorption layer.

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。更に、図面は本発明の説明のみを目的としており、従って各層の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the following embodiments are merely examples and do not limit the present invention. Further, the drawings are only for the purpose of illustrating the present invention, so the size of each layer on the drawing does not correspond to the actual scale.

図1は、本発明の一実施形態に係るCZTS系薄膜太陽電池の構造を示す概略断面図であり、図2は、図1に示すCZTS系薄膜太陽電池を製造するための工程を説明するための図である。図1において、1はガラス等の基板、2はMo等の金属を材料とする金属裏面電極層、3はp型CZTS系光吸収層、4はn型高抵抗バッファ層、5はn型透明導電膜を示す。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a CZTS-based thin film solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining a process for manufacturing the CZTS-based thin film solar cell shown in FIG. FIG. In FIG. 1, 1 is a substrate such as glass, 2 is a metal back electrode layer made of a metal such as Mo, 3 is a p-type CZTS light absorption layer, 4 is an n-type high-resistance buffer layer, and 5 is n-type transparent. A conductive film is shown.

次に、図2を参照して本発明の一実施形態に係るCZTS系薄膜太陽電池の製造方法を説明する。先ず、ステップS1において、基板1上にMo等の金属裏面電極層2を、例えばDCスパッタ等によって形成する。膜厚は、例えば、200〜500nmとする。次のステップS2では、少なくともCu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を、電子ビーム蒸着法等によって金属裏面電極層2上に形成する。Moの金属裏面電極層2上に、電子ビーム蒸着法によりZnS,Sn,Cuを順次製膜し、金属プリカーサ膜としてもよい。この場合、金属プリカーサ膜は、Cu、Zn、Sn、Sを含むようになる。   Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the CZTS type thin film solar cell which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated. First, in step S1, a metal back electrode layer 2 such as Mo is formed on the substrate 1 by, for example, DC sputtering. The film thickness is, for example, 200 to 500 nm. In the next step S2, a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn is formed on the metal back electrode layer 2 by an electron beam evaporation method or the like. On the metal back electrode layer 2 of Mo, ZnS, Sn, and Cu may be sequentially formed by electron beam evaporation to form a metal precursor film. In this case, the metal precursor film contains Cu, Zn, Sn, and S.

このようにして、金属裏面電極層2上に金属プリカーサ膜が形成されると、ステップS3で、この基板1を、セレンを含むガスで充填された炉内に移して450℃〜600℃で熱処理することにより、金属プリカーサ膜のセレン化を行う。セレン化の時間は、30〜120分程度とする。その後、ステップS4において、炉内を排気して真空とすることなく、セレン化後のガスが存在する炉内に硫黄(S)又は硫黄化合物を含むガスを導入し、450℃〜600℃で、30〜120分程度の熱処理を行うことにより、セレン化された金属プリカーサ膜の硫化を行う。この結果、ステップS4において、Cu2ZnSn(S,Se)4のp型CZTS系光吸収層3が形成される。 When the metal precursor film is thus formed on the metal back electrode layer 2, in step S3, the substrate 1 is transferred into a furnace filled with a gas containing selenium and heat treated at 450 ° C. to 600 ° C. By doing so, the metal precursor film is selenized. The selenization time is about 30 to 120 minutes. Then, in step S4, without exhausting the inside of the furnace to make a vacuum, a gas containing sulfur (S) or a sulfur compound is introduced into the furnace in which the gas after selenization is present, and 450 ° C. to 600 ° C. By performing a heat treatment for about 30 to 120 minutes, the selenized metal precursor film is sulfided. As a result, in step S4, the p-type CZTS light absorption layer 3 of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 is formed.

次に、ステップS5およびS6で、p型CZTS系光吸収層3上にn型高抵抗バッファ層4及びn型透明導電膜5を形成して、CZTS系薄膜太陽電池を完成する。n型高抵抗バッファ層4は、例えば、Cd、Zn、Inを含む化合物の薄膜(膜厚3nm〜50nm程度)であり、代表的にはCdS、ZnO、ZnS、Zn(OH)2、In23、In23、あるいはこれらの混晶であるZn(O、S、OH)で形成される。この層は、一般的には溶液成長法(CBD法)により製膜されるが、ドライプロセスとして有機金属気相成長法(MOCVD法)、原子層堆積法(ALD法)も適用可能である。 Next, in steps S5 and S6, an n-type high-resistance buffer layer 4 and an n-type transparent conductive film 5 are formed on the p-type CZTS-based light absorption layer 3 to complete a CZTS-based thin film solar cell. The n-type high resistance buffer layer 4 is, for example, a thin film (thickness of about 3 nm to 50 nm) of a compound containing Cd, Zn, and In, typically CdS, ZnO, ZnS, Zn (OH) 2 , In 2. It is formed of O 3 , In 2 S 3 , or Zn (O, S, OH) which is a mixed crystal thereof. This layer is generally formed by a solution growth method (CBD method), but a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) or an atomic layer deposition method (ALD method) can also be applied as a dry process.

なお、CBD法とは、プリカーサとなる化学種を含む溶液に基材を浸し、溶液と基材表面との間で不均一反応を進行させることによって薄膜を基材上に析出させるものである。n型高抵抗バッファ層4は、CZTS系薄膜太陽電池を製造するに当たって必ずしも必須ではなく、この層を設けることなく太陽電池を製造することも可能である。   In the CBD method, a thin film is deposited on a base material by immersing the base material in a solution containing a chemical species that serves as a precursor and causing a heterogeneous reaction between the solution and the base material surface. The n-type high-resistance buffer layer 4 is not necessarily essential for producing a CZTS-based thin film solar cell, and a solar cell can be produced without providing this layer.

n型透明導電膜5としては、n型の導電性を有し、禁制帯幅が広く透明でかつ低抵抗の材料によって、膜厚0.05から2.5μm程度に形成される。代表的には酸化亜鉛系薄膜(ZnO)あるいはITO薄膜がある。ZnO膜の場合、III族元素(例えばAl、Ga、B)をドーパントとして添加することで低抵抗膜とすることができる。n型透明導電膜5は、MOCVD法以外に、スパッタ法(DC、RF)等で形成することもできる。   The n-type transparent conductive film 5 is formed with a film thickness of about 0.05 to 2.5 μm by a transparent material with n-type conductivity, wide forbidden band width, and low resistance. Typically, there is a zinc oxide thin film (ZnO) or an ITO thin film. In the case of a ZnO film, a low resistance film can be formed by adding a group III element (eg, Al, Ga, B) as a dopant. The n-type transparent conductive film 5 can also be formed by sputtering (DC, RF) or the like other than MOCVD.

本方法では、以上のように、金属プリカーサ膜に対してセレン化および硫化の両者を行う。この方法において、雰囲気ガスの濃度および/またはセレン化・硫化の時間等を制御することによって、形成されたp型CZTS系光吸収層3中の硫黄(S)とセレン(Se)の組成比(カルコゲン比)を任意に制御することが可能である。カルコゲン比を変化させると、p型CZTS系光吸収層3のバンドギャップが変化するので、p型CZTS系光吸収層3のバンドギャップの制御が可能となる。   In this method, as described above, both selenization and sulfidation are performed on the metal precursor film. In this method, the composition ratio of sulfur (S) and selenium (Se) in the p-type CZTS light absorption layer 3 formed by controlling the concentration of the atmospheric gas and / or the time for selenization / sulfurization ( The chalcogen ratio) can be arbitrarily controlled. When the chalcogen ratio is changed, the band gap of the p-type CZTS light absorption layer 3 is changed, so that the band gap of the p-type CZTS light absorption layer 3 can be controlled.

さらに、セレン化後に硫化を行うことによって、次に示すような効果が生じる。   Furthermore, by performing sulfurization after selenization, the following effects are produced.

図3(a)及び(b)は、上記のようにして形成されたp型CZTS系光吸収層3中の硫黄濃度の勾配を、概念的に示す図である。図3(a)は、Cu−Zn−Snの金属プリカーサ膜をセレン化後に硫化した場合の、硫黄濃度の勾配を示している。Cu−Zn−Snを含む金属プリカーサ膜をセレン化した後に硫化すると、硫化によってp型CZTS系光吸収層3中に導入される硫黄の濃度は、図3(a)に示すように、受光面側、即ち、n型高抵抗バッファ層3及びn型透明導電膜4側で高く、層厚方向の中心部に向かって低くなる。   FIGS. 3A and 3B are diagrams conceptually showing the gradient of the sulfur concentration in the p-type CZTS-based light absorption layer 3 formed as described above. FIG. 3A shows a gradient of sulfur concentration when a Cu—Zn—Sn metal precursor film is sulfided after selenization. When the metal precursor film containing Cu—Zn—Sn is sulfurized after being selenized, the concentration of sulfur introduced into the p-type CZTS-based light absorption layer 3 by sulfidation is as shown in FIG. Higher on the side, that is, on the n-type high resistance buffer layer 3 and n-type transparent conductive film 4 side, and lower toward the center in the layer thickness direction.

硫黄濃度が高いとバンドギャップが大きくなるため、セレン化しその後硫化したp型CZTS系光吸収層3では、受光面側、即ち、n型高抵抗バッファ層4及びn型透明導電膜5との間のpn接合界面における、p型CZTS系光吸収層3のバンドギャップが大きくなり、その結果、太陽電池製品の開放電圧が増大する。さらに、受光面側の硫黄濃度が高くなることによって、相対的に受光面以外の部分での硫黄濃度が低くなってその部分のバンドギャップが小さくなり、その結果、短絡電流が増大する。   When the sulfur concentration is high, the band gap becomes large. Therefore, in the p-type CZTS light absorbing layer 3 that is selenized and then sulfurized, the light receiving surface side, that is, between the n-type high-resistance buffer layer 4 and the n-type transparent conductive film 5 is used. The band gap of the p-type CZTS-based light absorption layer 3 at the pn junction interface increases, and as a result, the open circuit voltage of the solar cell product increases. Furthermore, when the sulfur concentration on the light-receiving surface side is increased, the sulfur concentration in the portion other than the light-receiving surface is relatively lowered, and the band gap of the portion is decreased. As a result, the short circuit current is increased.

このように、セレン化の後に硫化を行うことにより、p型CZTS系光吸収層3に図3(a)に示すような濃度勾配を持たせることによって、高い開放電圧と大きな短絡電流との両立が可能となり、その結果として、太陽電池製品の光電変換効率が向上する。   Thus, by performing sulfurization after selenization, the p-type CZTS-based light absorption layer 3 has a concentration gradient as shown in FIG. 3A, thereby achieving both a high open circuit voltage and a large short-circuit current. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell product is improved.

図3(b)は、金属プリカーサ膜をCu−Zn−Sn−Sで構成した場合、或いは、Cu−Zn−Snの金属プリカーサ膜を一旦硫化した後、セレン化及び硫化を行った場合の、p型CZTS系光吸収層3中の硫黄濃度勾配を示す。セレン化の以前に、硫黄(S)を含む金属プリカーサ膜を形成するか、或いは、硫化によって硫黄を含ませておくことにより、これらの硫黄は、その後のセレン化時のセレンの熱拡散により金属裏面電極側に押しやられるか、或いは受光面側から硫黄がセレンに置き換わって行くため、図3(b)に示すように、硫黄の濃度は金属裏面電極層側で高くなる。これによって、p型CZTS系光吸収層3における金属裏面電極側のバンドギャップが大きくなり、この部分でのキャリアの再結合が抑制される。その結果、短絡電流が増加して、光電変換効率が向上する。   FIG. 3B shows a case where the metal precursor film is made of Cu—Zn—Sn—S, or when the Cu—Zn—Sn metal precursor film is once sulfided and then selenized and sulfided. The sulfur concentration gradient in the p-type CZTS type light absorption layer 3 is shown. Prior to selenization, a metal precursor film containing sulfur (S) is formed, or sulfur is contained by sulfurization, so that these sulfur are converted into metal by thermal diffusion of selenium during the subsequent selenization. Since it is pushed to the back electrode side or sulfur is replaced by selenium from the light receiving surface side, the sulfur concentration is high on the metal back electrode layer side as shown in FIG. As a result, the band gap on the metal back electrode side in the p-type CZTS-based light absorption layer 3 is increased, and carrier recombination at this portion is suppressed. As a result, the short circuit current is increased and the photoelectric conversion efficiency is improved.

以下の表1に、本発明の一実施形態に係る方法によって製造されたCZTS系薄膜太陽電池(表1において、‘実施例’として記載する)と、従来の方法によって製造されたCZTS系薄膜太陽電池(‘比較例1’、‘比較例2’として記載する)の光電変換効率(Eff)と、開放電圧Voc及び短絡電流Jscを示す。‘実施例’の製造方法を、表2に要約する。‘比較例1’は、基本的に‘実施例’と同じ材料、工程で製造されるが、セレン化の工程を有さず、硫化工程のみを実施した。‘比較例2’は基本的に‘実施例’と同じ材料、工程で製造されるが、硫化工程を有さずセレン化工程のみを実施した。

Figure 0005709662
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Table 1 below shows a CZTS thin film solar cell manufactured by a method according to an embodiment of the present invention (described as “Example” in Table 1) and a CZTS thin film solar cell manufactured by a conventional method. The photoelectric conversion efficiency (Eff) of the battery (described as “Comparative Example 1” and “Comparative Example 2”), the open circuit voltage Voc, and the short circuit current Jsc are shown. The production methods of the “Examples” are summarized in Table 2. “Comparative Example 1” is basically manufactured using the same materials and processes as in “Example”, but does not have a selenization process, and only the sulfurization process is performed. “Comparative Example 2” is basically manufactured using the same materials and processes as those in “Example”, but only the selenization process was performed without the sulfurization process.
Figure 0005709662
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表1より明らかなように、本発明の方法に従って金属プリカーサ膜のセレン化後に硫化を行った‘実施例’の太陽電池は、硫化のみの‘比較例1’、セレン化のみの‘比較例2’に比べて優れた光電変換効率Effを有している。同様に、開放電圧Voc及び短絡電流Jscでも優れた値を示している。従って、この結果から、本発明の方法の有効性を確認することが出来る。   As can be seen from Table 1, the solar cell of “Example” in which sulfidation was performed after selenization of the metal precursor film according to the method of the present invention was “Comparative Example 1” with only sulfidation, and “Comparative Example 2 with only selenization”. It has a photoelectric conversion efficiency Eff superior to '. Similarly, the open circuit voltage Voc and the short circuit current Jsc show excellent values. Therefore, the effectiveness of the method of the present invention can be confirmed from this result.

なお、表1の‘実施例’の製造工程では、上述したように、セレン化後の硫化工程で、処理炉からセレン含有ガスを排気する炉の真空引き行わない状態で、硫黄又は硫黄化合物を含むガスを炉内に導入することによって、硫化を行っている。この場合、炉の真空引きによる金属プリカーサ膜からのSnの抜けが抑制され、製膜後のp型CZTS系光吸収層におけるI族元素、II族元素およびIV族元素間の組成比を所望の値、即ち、プリカーサ膜製膜後の値に維持する制御が可能となる。即ち、高い光電変換効率を達成するように予め選択された組成比を維持することが可能となる。   In addition, in the manufacturing process of the “Example” in Table 1, as described above, in the sulfurization process after selenization, sulfur or a sulfur compound is not used in a state where the furnace for exhausting selenium-containing gas from the processing furnace is not evacuated. Sulfurization is carried out by introducing a gas containing it into the furnace. In this case, the escape of Sn from the metal precursor film due to evacuation of the furnace is suppressed, and the composition ratio between the Group I element, Group II element and Group IV element in the p-type CZTS light absorption layer after film formation is desired. It is possible to control to maintain the value, that is, the value after forming the precursor film. That is, it becomes possible to maintain a composition ratio selected in advance so as to achieve high photoelectric conversion efficiency.

しかしながら、上記のような炉の真空化を行わない硫化工程は、本発明の必須の構成要素ではない。本発明では、金属プリカーサ膜のセレン化後に硫化工程を実行することによって、製膜されたp型CZTS系光吸収層中に硫黄の濃度勾配を形成し、それによって、高い光電変換効率を実現するものである。   However, the sulfidation step without vacuuming the furnace as described above is not an essential component of the present invention. In the present invention, a sulfur concentration gradient is formed in the formed p-type CZTS light absorption layer by performing a sulfurization step after selenization of the metal precursor film, thereby realizing high photoelectric conversion efficiency. Is.

表2に示したセレン化の時間、温度について特に制限はなく、例えば、時間を10〜150分とし、温度を400〜600℃の範囲内としても良い。さらに、セレン化水素の体積濃度、炉内圧力も表1に記載の値に限定されるものではない。同様に、硫化の時間を5〜150分とし、温度を500℃〜650℃の範囲内としても良い。硫化水素の体積濃度および炉内圧力についても、表2の値に限定されるものではない。   There are no particular restrictions on the selenization time and temperature shown in Table 2. For example, the time may be 10 to 150 minutes, and the temperature may be in the range of 400 to 600 ° C. Furthermore, the volume concentration of hydrogen selenide and the pressure in the furnace are not limited to the values shown in Table 1. Similarly, the sulfurization time may be 5 to 150 minutes, and the temperature may be in the range of 500 ° C to 650 ° C. The volume concentration of hydrogen sulfide and the pressure in the furnace are not limited to the values shown in Table 2.

p型CZTS系光吸収層3を形成するための金属プリカーサ膜も、表2に示すZnSの代わりにZnやZnSeを用いても良く、Snの代わりにSnSやSnSeであっても良い。さらに、Zn、Sn、Cuを順次製膜する以外に、ZnとSnを予め合金化した蒸着源を用いても良い。製膜方法として、EB蒸着以外にスパッタ法を用いても良い。   The metal precursor film for forming the p-type CZTS-based light absorption layer 3 may also use Zn or ZnSe instead of ZnS shown in Table 2, or SnS or SnSe instead of Sn. Further, in addition to the sequential deposition of Zn, Sn, and Cu, an evaporation source in which Zn and Sn are alloyed in advance may be used. As a film forming method, a sputtering method may be used in addition to EB vapor deposition.

基板1、金属裏面電極層2、n型高抵抗バッファ層4及びn型透明導電膜5も、表2に記載する事例に限定されない。例えば、基板1として、青板ガラス、低アルカリガラス等のガラス基板の他に、ステンレス板等の金属基板、ポリイミド樹脂基板等を用いることができる。金属裏面電極層2の形成方法としては、表2に記載するDCスパッタ法以外に、電子ビーム蒸着法、電子層堆積法(ALD法)等がある。金属裏面電極層2の材料としては、高耐蝕性でかつ高融点金属、例えばクロム(Cr)、チタン(Ti)等を用いても良い。   The substrate 1, the metal back electrode layer 2, the n-type high resistance buffer layer 4, and the n-type transparent conductive film 5 are not limited to the examples described in Table 2. For example, as the substrate 1, in addition to a glass substrate such as blue plate glass or low alkali glass, a metal substrate such as a stainless plate, a polyimide resin substrate, or the like can be used. As a method for forming the metal back electrode layer 2, there are an electron beam evaporation method, an electron layer deposition method (ALD method) and the like in addition to the DC sputtering method described in Table 2. As a material for the metal back electrode layer 2, a high corrosion resistance and high melting point metal such as chromium (Cr), titanium (Ti), or the like may be used.

n型透明導電膜5としては、n型の導電性を有し、禁制帯幅が広く透明でかつ低抵抗の材料を用いて、膜厚0.05〜2.5μmに形成される。代表的には酸化亜鉛系薄膜(ZnO)あるいはITO薄膜がある。ZnO膜の場合、III族元素(例えばAl、Ga、B)をドーパントとして添加することで低抵抗膜とする。n型透明導電膜5は、MOCVD法以外に、スパッタ法(DC、RF)等で形成することもできる。   The n-type transparent conductive film 5 is formed to a thickness of 0.05 to 2.5 μm using a transparent material with n-type conductivity, wide forbidden band width, and low resistance. Typically, there is a zinc oxide thin film (ZnO) or an ITO thin film. In the case of a ZnO film, a low resistance film is formed by adding a group III element (for example, Al, Ga, B) as a dopant. The n-type transparent conductive film 5 can also be formed by sputtering (DC, RF) or the like other than MOCVD.

1 ガラス基板
2 金属裏面電極層
3 p型CZTS系光吸収層
4 n型高抵抗バッファ層
5 n型透明導電膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Metal back electrode layer 3 p-type CZTS type light absorption layer 4 n-type high resistance buffer layer 5 n-type transparent conductive film

Claims (4)

基板上に金属裏面電極層を形成し、
前記金属裏面電極層上に、少なくともCu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を形成し、
前記金属プリカーサ膜が形成された前記基板をセレン含有ガスで充填された炉内で熱処理することにより、前記金属プリカーサ膜をセレン化し、
前記セレン化後前記炉内に硫黄又は硫黄化合物を含むガスを導入して前記セレン化された金属プリカーサ膜を硫化することにより、セレンおよび硫黄を含むp型CZTS系光吸収層を形成し、
前記p型CZTS系光吸収層上にn型透明導電膜を形成する、
各ステップを備え、前記硫化は、前記セレン化後のガスが存在する前記炉内に前記硫黄又は硫黄化合物を含むガスを導入して行うことを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。
Forming a metal back electrode layer on the substrate;
Forming a metal precursor film containing at least Cu, Zn, Sn on the metal back electrode layer;
By heat-treating the substrate on which the metal precursor film is formed in a furnace filled with a selenium-containing gas, the metal precursor film is selenized,
After the selenization, a gas containing sulfur or a sulfur compound is introduced into the furnace to sulfidize the selenized metal precursor film, thereby forming a p-type CZTS light absorption layer containing selenium and sulfur,
Forming an n-type transparent conductive film on the p-type CZTS-based light absorption layer;
A method for producing a CZTS-based thin-film solar cell , comprising each step , wherein the sulfurization is performed by introducing a gas containing the sulfur or a sulfur compound into the furnace in which the gas after selenization is present .
請求項に記載の方法において、前記金属裏面電極層上に形成される金属プリカーサ膜は、さらに硫黄を含むことを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。 The method according to claim 1 , wherein the metal precursor film formed on the metal back electrode layer further contains sulfur. 請求項に記載の方法において、前記金属裏面電極上に前記金属プリカーサ膜を形成した後であって前記セレン化の前に、前記金属プリカーサ膜が形成された前記基板を硫黄又は硫黄化合物を含むガスを充填した炉内で熱処理して硫化することを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。 2. The method according to claim 1 , wherein the substrate on which the metal precursor film is formed after the formation of the metal precursor film on the metal back electrode and before the selenization includes sulfur or a sulfur compound. A method for producing a CZTS-based thin-film solar cell, characterized by sulfiding by heat treatment in a furnace filled with gas. 請求項1に記載の方法において、前記硫化は、真空引きによって前記炉内のセレン含有ガスを排気すること無く行うことを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。The method according to claim 1, wherein the sulfidation is performed without evacuating the selenium-containing gas in the furnace by evacuation.
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