JP5764016B2 - Ｃｉｇｓ膜の製法およびそれを用いるｃｉｇｓ太陽電池の製法 - Google Patents
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Description
本発明は、均一な銅拡散を引き起こし、結晶粒の均一化を図ることにより、良好な特性を有するＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層として用いるＣＩＧＳ膜の製法およびそれを用いるＣＩＧＳ太陽電池の製法に関する。
アモルファスシリコン太陽電池や化合物薄膜太陽電池に代表される薄膜型太陽電池は、従来の結晶型シリコン太陽電池と比較すると、材料コストや製造コストの大幅な削減が可能である。このため、近年、これらの研究開発が急速に進められている。なかでも、Ｉ族、III族、VI族の元素を構成物質とした化合物薄膜太陽電池であって、光吸収層が銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレン（Ｓｅ）合金からなるＣＩＧＳ太陽電池は、シリコンを全く使用せず、しかも優れた太陽光変換効率（以下「変換効率」とする）を有するため、薄膜太陽電池の中でも特に注目されている。
このようなＣＩＧＳ太陽電池における光吸収層は、セレン化法、非真空プロセス（ナノ粒子）法、真空蒸着法等により作製することができる。真空蒸着法は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを各々別の蒸着源にて加熱し、蒸着により製膜する製法であり、各元素の吐出量を制御しながら製膜できるため、厚み方向に組成制御が可能であるという利点を有している。
真空蒸着法のうち、最も高い変換効率が得られるのは、多源蒸着法の一種である３段階法と呼ばれる方法である。この方法は、〔図８（ｂ）〕に示すように、工程が３段階に分離されており、まず第１段階目で基板上にＩｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、（Ｉｎ，Ｇａ）2Ｓｅ3膜を形成する。つぎの２段階目で、この基板温度を５５０℃に上昇させ、さらにＣｕ、Ｓｅを蒸着し、Ｃｕ過剰組成のＣＩＧＳ膜を形成する。この段階におけるＣＩＧＳ膜は、液相Ｃｕ(2-x)Ｓｅと固相ＣＩＧＳの２相が共存しており、Ｃｕ(2-x)Ｓｅにより結晶の急激な大粒化が起きる。
一方、Ｃｕ(2-x)Ｓｅは低抵抗であるため、太陽電池特性に悪影響を与えることが知られている。したがって、３段階法では、その第３段階目で、Ｃｕ(2-x)Ｓｅを低減させるため、さらにＩｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、ＣＩＧＳ膜全体として、わずかにIII族が過剰な組成となるようにしている。３段階法で得られたＣＩＧＳ薄膜は、結晶が大粒径となり、しかも、従来の蒸着法で得られるものと比べ、結晶学的に高品質な薄膜結晶組織になるとされる（例えば、特許文献１。）。
このような３段階法で得られたＣＩＧＳ膜を太陽電池に適用すると、小面積素子の視点でみた場合には、確かに高い変換効率が得られ良好である。しかし、このＣＩＧＳ膜は、結晶成長を引き起こすための主成分であるＣｕ(2-x)Ｓｅをはじめから液相として供給していることから、膜内へのＣｕの拡散が必ずしも均一に行われておらず、その結晶粒は厳密には必ずしも均一ではない。したがって、このＣＩＧＳ膜を用いて大面積素子を作製する場合には、素子ごとの変換効率にばらつきが生じ、再現性に劣る。また、Ｃｕ(2-x)Ｓｅを液相として供給していることから、膜内にこれが過剰に取り込まれ易くなっており、素子の特性が低下するという問題も有している。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、大面積素子を作製する場合であっても、変換効率に優れるＣＩＧＳ膜を低コストで再現性よく製造できるＣＩＧＳ膜の製法およびそれを含むＣＩＧＳ太陽電池の製法の提供をその目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のＣＩＧＳ膜の製法は、ＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層として用いられるＣＩＧＳ膜の製法であって、インジウムとガリウムとセレンとを含む層（Ａ）と、銅とセレンとを含む層（Ｂ）を、固相状態でこの順で基板に積層する積層工程と、上記層（Ａ）および層（Ｂ）が積層された積層体を加熱し、上記層（Ｂ）を溶融させ液相状態とすることにより、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中の銅を拡散させ、結晶成長させてＣＩＧＳ膜を得る加熱工程とを有し、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜が、０．９５＜銅／（インジウム＋ガリウム）＜１．３０のモル比を満たすとともに、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにインジウムとガリウムとセレンとを蒸着させることにより、上記ＣＩＧＳ膜が、０．７０＜銅／（インジウム＋ガリウム）＜０．９５のモル比を満たすようにすることを第１の要旨とする。
そして、基板上に、裏面電極層を設ける工程と、光吸収層を設ける工程と、バッファ層を設ける工程と、透明導電層を設ける工程とを有するＣＩＧＳ太陽電池の製法であって、上記光吸収層を設ける工程として、上記第１の要旨であるＣＩＧＳ膜の製法を用いるＣＩＧＳ太陽電池の製法を第２の要旨とする。
すなわち、本発明者らは、光吸収係数が高く、省資源化に有効な太陽電池を得るため、化合物半導体系太陽電池の中でも、特にＣＩＧＳ太陽電池に着目し、研究を重ねた。その結果、ＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層であるＣＩＧＳ膜を、〔図８（ｂ）〕に示す従来法の３段階法で得るのではなく、〔図８（ａ）〕に示すように、まず、基板に、ＩｎとＧａとＳｅとを含む層（Ａ）と、ＣｕとＳｅとを含む層（Ｂ）をともに固相状態で、この順で積層し、つぎに、この２層（Ａ）、（Ｂ）が積層された積層体を加熱し、層（Ｂ）のＣｕとＳｅの化合物を溶融させ液相状態とすることにより、上記層（Ａ）の中に上記層（Ｂ）中のＣｕを拡散させ、結晶成長させてＣＩＧＳ膜を得るようにすると、膜内の結晶粒が均一な大型粒になるとともに、膜内に余剰なＣｕ(2-x)Ｓｅが取り込まれないこと、および上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜が、０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０のモル比を満たすと、層（Ａ）と層（Ｂ）との界面においても、Ｃｕ成分が充分に拡散され、結晶成長が起こるとともに、Ｃｕ(2-x)ＳｅがＣＩＧＳ膜内に過剰に取り込まれないこと、さらに上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにＩｎとＧａとＳｅとを蒸着し、上記ＣＩＧＳ膜の組成が、０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５のモル比を満たすようにすると、ＣＩＧＳ膜全体において、わずかにＣｕ不足の状態にできることを見い出し、本発明に到達した。そして、本発明のＣＩＧＳ膜製法をその一部に用いてＣＩＧＳ太陽電池を製造すると、光吸収層であるＣＩＧＳ膜の結晶粒が大粒でしかも均一になるため、変換効率が高くなるとともに、素子ごとの変換効率のばらつきが生じにくいＣＩＧＳ太陽電池を得ることができる。しかも、上記ＣＩＧＳ膜内に余剰なＣｕ(2-x)Ｓｅが形成されないため、電池特性に悪影響を及ぼさない。したがって、高効率のＣＩＧＳ太陽電池を再現性よく得ることができる。
なお、本発明において、「固相」とは、その温度において固体状態にある相のことをいい、「液相」とは、その温度において液体状態にある相のことを意味する。
また、本発明において、「基板に層（Ａ）と層（Ｂ）を積層する」とは、基板に直接これらを積層する場合だけでなく、基板に他の層を介してこれらを積層する場合を含むことを意味する。
このように、本発明のＣＩＧＳ膜の製法は、まず、基板上に、ＩｎとＧａとＳｅとを含む層（Ａ）と、ＣｕとＳｅとを含む層（Ｂ）をこの順で積層するようになっている。この
ため、層（Ｂ）を固相状態で、同じく固相状態の層（Ａ）上に均一な厚みで積層できる。なお、この段階では各層の相互拡散は抑制されている。つぎに、この２層（Ａ）、（Ｂ）が積層された積層体を加熱し、層（Ｂ）のＣｕとＳｅの化合物を溶融させ液相状態とすることにより、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中のＣｕが急速に拡散する。このとき、層（Ｂ）は、先の過程で、均一な厚みで層（Ａ）上に形成されているため、上記層（Ｂ）中のＣｕは、層（Ａ）中に均一的に拡散され、大粒で均一な結晶粒が形成される。また、層（Ｂ）を一旦、固相として用いるため、Ｃｕ(2-x)Ｓｅが過剰にＣＩＧＳ膜内に取り込まれることを抑制できる。さらに、本発明のＣＩＧＳ膜の製法は、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜が、０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０のモル比を満たすとともに、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにＩｎとＧａとＳｅとを蒸着させて、上記ＣＩＧＳ膜が、０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５のモル比を満たすようにしている。このため、まず、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜の組成が、０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０のモル比を満たすことにより、層（Ａ）と層（Ｂ）との界面においても、Ｃｕ成分が充分に拡散され、結晶成長が起こるとともに、Ｃｕ(2-x)ＳｅがＣＩＧＳ膜内に過剰に取り込まれず、このＣＩＧＳ膜を素子に用いた際の素子特性は低下しない。そして、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにＩｎとＧａとＳｅとを蒸着し、上記ＣＩＧＳ膜の組成が、０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５のモル比を満たすようにしているため、ＣＩＧＳ膜全体において、わずかにＣｕ不足の状態にすることができ、このＣＩＧＳ膜を素子に用いた際に、より高効率の光吸収層とすることができる。したがって、この製法により得られたＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池は、変換効率が高くなるとともに、素子ごとの変換効率のばらつきが生じにくい。しかも、膜内に余剰なＣｕ(2-x)Ｓｅが形成されないため、電池特性に悪影響を及ぼすこともない。
ため、層（Ｂ）を固相状態で、同じく固相状態の層（Ａ）上に均一な厚みで積層できる。なお、この段階では各層の相互拡散は抑制されている。つぎに、この２層（Ａ）、（Ｂ）が積層された積層体を加熱し、層（Ｂ）のＣｕとＳｅの化合物を溶融させ液相状態とすることにより、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中のＣｕが急速に拡散する。このとき、層（Ｂ）は、先の過程で、均一な厚みで層（Ａ）上に形成されているため、上記層（Ｂ）中のＣｕは、層（Ａ）中に均一的に拡散され、大粒で均一な結晶粒が形成される。また、層（Ｂ）を一旦、固相として用いるため、Ｃｕ(2-x)Ｓｅが過剰にＣＩＧＳ膜内に取り込まれることを抑制できる。さらに、本発明のＣＩＧＳ膜の製法は、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜が、０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０のモル比を満たすとともに、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにＩｎとＧａとＳｅとを蒸着させて、上記ＣＩＧＳ膜が、０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５のモル比を満たすようにしている。このため、まず、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜の組成が、０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０のモル比を満たすことにより、層（Ａ）と層（Ｂ）との界面においても、Ｃｕ成分が充分に拡散され、結晶成長が起こるとともに、Ｃｕ(2-x)ＳｅがＣＩＧＳ膜内に過剰に取り込まれず、このＣＩＧＳ膜を素子に用いた際の素子特性は低下しない。そして、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにＩｎとＧａとＳｅとを蒸着し、上記ＣＩＧＳ膜の組成が、０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５のモル比を満たすようにしているため、ＣＩＧＳ膜全体において、わずかにＣｕ不足の状態にすることができ、このＣＩＧＳ膜を素子に用いた際に、より高効率の光吸収層とすることができる。したがって、この製法により得られたＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池は、変換効率が高くなるとともに、素子ごとの変換効率のばらつきが生じにくい。しかも、膜内に余剰なＣｕ(2-x)Ｓｅが形成されないため、電池特性に悪影響を及ぼすこともない。
また、上記積層工程を、１００〜２５０℃の範囲の温度で行うと、層（Ａ）と層（Ｂ）の互いの界面における相互拡散を最小に抑制することができるため、後の工程でこの積層体を加熱することにより、より大粒で均一な結晶粒を形成することができる。
そして、上記加熱工程を、５２０℃以上の温度で行うと、層（Ｂ）のＣｕとＳｅの化合物のほとんどが溶融するため、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中のＣｕをより急速、かつ均一に拡散させることができ、より大粒で均一な結晶粒を形成することができる。
さらに、上記積層工程の温度から上記加熱工程の温度への昇温を、昇温速度１０℃／秒以上で行うと、層（Ｂ）の液相化が急速に進み、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中のＣｕがより急速に拡散することにより、膜内においてより大粒で均一な結晶が形成されるようになる。
そして、上記加熱工程において、Ｓｅ蒸気もしくはセレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を供給し、ＣＩＧＳ膜表面のＳｅ分圧が、内部のＳｅ分圧よりも高い状態で維持されるようにすると、加熱工程におけるＣＩＧＳ膜からのＳｅの放出を抑制でき、ＣＩＧＳ膜の組成をより好ましいものにできる。
さらに、基板上に、裏面電極層を設ける工程と、ＣＩＧＳ膜を設ける工程と、バッファ層を設ける工程と、透明導電層を設ける工程とを有するＣＩＧＳ太陽電池の製法であって、上記ＣＩＧＳ膜を設ける工程として、上記第１の要旨であるＣＩＧＳ膜の製法を用いると、得られたＣＩＧＳ太陽電池を、素子ごとの変換効率のばらつきが少ない、再現性の高いものとすることができ、しかも、その変換効率を充分に高くできる。
つぎに、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態により得られるＣＩＧＳ膜３の説明図である。図１において、上記ＣＩＧＳ膜３は、ＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層に用いられるもので、ソーダ石灰ガラス（ＳＬＧ）からなる基材１上にモリブデン（Ｍｏ）からなる裏面電極層２が設けられ、この裏面電極層２上に、上記ＣＩＧＳ膜３が積層されている。以下に、上記各構成を詳しく説明するとともに、上記ＣＩＧＳ膜３を得る方法を詳細に説明する。なお、図１において、各部分は模式的に示したものであり、実際の厚み，大きさ等とは異なっている（以下の図においても同じ）。
図１において、上記基板１は、支持基板として用いられるものであり、ＳＬＧの他にも、柔軟性のある金属箔等を基板として用いることができる。ただし、後の加熱工程での加熱に耐えられるように、５２０℃以上の温度に耐性のある材料を用いることが好ましい。
上記裏面電極層２は、スパッタリング法により形成されたものである。また、Ｍｏの他にも、タングステン、クロム、チタン等を用いることができ、単層のみならず複層に形成することもできる。そして、その厚みは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
上記ＣＩＧＳ膜３は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅの４元素を含む化合物半導体であり、その厚みは２．０μｍである。また、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａの組成比は、２２．１：２１．２：７．５であり、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≒０．７７（モル比）となっている。
このようなＣＩＧＳ膜３は、以下のようにして製造することができる。まず、裏面電極層２が設けられた基板１を準備し、図２に示すように、裏面電極層２が形成された側から、基板１の保持温度を２００℃とした状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、裏面電極層２上に層（Ａ）４を形成する。
そして、基板１の保持温度を２００℃に保ったままで、図３に示すように、上記層（Ａ）４側から、Ｃｕ、Ｓｅを蒸着し、上記層（Ａ）４上に層（Ｂ）５が積層された積層体６を形成する。このとき、上記層（Ａ）４および層（Ｂ）５は、いずれも固相状態であるため、両層間の拡散は最小レベルに抑えられている。したがって、この段階では、結晶成長は引き起こされない。
さらに、上記積層体６を加熱し、基板１の保持温度を５５０℃とし、加熱昇華させたＳｅ蒸気を供給した状態で、１５分間保持することにより、上記層（Ｂ）のＣｕとＳｅの化合物を溶融させ、液相状態とする。これにより、上記層（Ｂ）中のＣｕが上記層（Ａ）中に拡散し、このなかで結晶成長が起こる。このとき、結晶は基板と平行な方向に成長する。この加熱工程により、上記層（Ａ）と層（Ｂ）とが一体化し、ＣＩＧＳ膜３’となる（図４参照）。このとき、上記ＣＩＧＳ膜３’のＣｕ、Ｉｎ、Ｇａの組成比は、２５．１：１８．５：６．４であり、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≒１．００（モル比）となっている。
なお、上記積層工程（温度２００℃）から加熱工程（温度５５０℃）への昇温は、１０℃／秒で行っている。すなわち、昇温速度が遅すぎると、上記層（Ｂ）の液相化がゆっくりと進み、上記層（Ｂ）中のＣｕが層（Ａ）中に急速に拡散することができず、結晶が大粒化しない傾向がみられるため、上記昇温は１０℃／秒以上で行うことが好ましい。
そして、図５に示すように、上記層（Ａ）と層（Ｂ）とが一体化したＣＩＧＳ膜３’に対し、基板１の保持温度を加熱工程時と同じ５５０℃に保持し、加熱昇華させたＳｅ蒸気を供給した状態で、さらに、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着させることにより、上記ＣＩＧＳ膜３（図１参照）を得ることができる。これにより、上記ＣＩＧＳ膜３全体を、わずかにＣｕ不足の状態にできる。なお、上記実施の形態における基板１の保持温度のプロファイルを、図６に示す。
このＣＩＧＳ膜の製法によれば、先に述べたように、まず、温度２００℃において、基板１にＩｎとＧａとＳｅを含む層（Ａ）４と、ＣｕとＳｅとを含む層（Ｂ）５をこの順で積層し、つぎに、上位層（Ａ）４および層（Ｂ）５が積層された積層体６を加熱し、基板１の保持温度を５５０℃とした状態を、１５分間保持するようにして、層（Ｂ）５のＣｕとＳｅとの化合物を溶融させ液相状態とし、上記層（Ａ）４中に層（Ｂ）５中のＣｕを急速に拡散させるようにしている。このため、層（Ｂ）５に含まれるＣｕを均一的に層（Ａ）４中に拡散でき、大粒で均一な結晶粒が形成されたＣＩＧＳ膜３’を得ることができる。また、上記層（Ｂ）５に含まれるＣｕを、一旦、固相（層（Ｂ）５）として用いるため、膜内への過剰なＣｕ(2-x)Ｓｅの取り込みを抑制できる。そして、加熱工程時に、加熱昇華させたＳｅ蒸気が供給されているため、加熱によるＳｅの系外への放出を抑制でき、上記ＣＩＧＳ膜３’のＣｕ，Ｉｎ，Ｇａの組成比を所望どおりに調整することができる。さらに、上記ＣＩＧＳ膜３’に対し、加熱工程時と同等の温度（５５０℃以上）において、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅとをさらに蒸着して、ＣＩＧＳ膜３としているため、ＣＩＧＳ膜３全体を、わずかにＣｕ不足の状態にでき、このＣＩＧＳ膜３を素子に用いた際に、より高効率の光吸収層とすることができる。
なお、上記の実施の形態では、上記層（Ａ）４および層（Ｂ）５の形成を、基板１の保持温度を２００℃とした状態で行っているが、それぞれ１００〜２５０℃の範囲の温度にすることが好ましく、なかでも、１５０〜２００℃の範囲の温度にすることが好ましい。温度が高すぎると、層（Ｂ）５を固相として層（Ａ）４上に積層できないためであり、逆に温度が低すぎると、蒸着による各層の形成が困難になる傾向がみられるためである。
また、上記の実施の形態では、上記層（Ａ）４および層（Ｂ）５が積層された積層体６に対する加熱を、基板１の保持温度を５５０℃にした状態で１５分間行っているが、これに限らず加熱温度は５２０℃以上の温度で行うことが好ましい。また、その加熱時間は１〜３０分間とすることが好ましく、２〜１５分間とすることがより好ましい。これは、層（Ｂ）５に含まれるＣｕは、層（Ａ）４への拡散は極めて速いが、充分な結晶成長が起きるには、ある程度の時間が必要なためである。
さらに、上記の実施の形態では、加熱工程終了後のＣＩＧＳ膜３’に対し、基板１保持温度を５５０℃にした状態で、さらに、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着させている。このため、膜内にＣｕ−Ｓｅ系の相が形成されず、充分な結晶成長をさせることができ、しかも、膜全体としてわずかにＣｕ不足とすることが容易となる。
そして、上記実施の形態では、加熱工程終了後のＣＩＧＳ膜３’の、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａの組成比が２５．１：１８．５：６．４であり、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≒１．００（モル比）となっているが、これに限らず０．９５＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜１．３０（モル比）の式を満たす範囲内で任意の組成比とすることができる。Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の値が低すぎると、Ｃｕ成分が不足し、充分な結晶成長が起きない傾向がみられ、逆に、高すぎると、ＣＩＧＳ膜３’内に、Ｃｕ(2-x)Ｓｅが過剰に取り込まれ、上記ＣＩＧＳ膜３’を素子に用いた際の素子特性が低下する傾向がみられるためである。
さらに、上記実施の形態では、上記ＣＩＧＳ膜３のＣｕ、Ｉｎ、Ｇａの組成比が２２．１：２１．２：７．５であり、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）≒０．７７（モル比）になっているが、これに限らず０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５（モル比）の式を満たす任意の組成比とすることができる。０．７０＜Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．９５（モル比）の式を満たすようになっていると、上記ＣＩＧＳ膜３内にＣｕ(2-x)Ｓｅが過剰に取り込まれることをより阻止でき、しかも、膜全体としてわずかにＣｕ不足にできるためである。また、同族元素であるＧａとＩｎとの比は、０．１０＜Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．４０の範囲にあることが好ましい。
そして、上記実施の形態では、上記ＣＩＧＳ膜３の厚みは、２．０μｍに形成されているが、これに限らず任意の厚みとすることができる。しかし、上記ＣＩＧＳ膜３の厚みは、１．０〜３．０μｍの範囲にあることが好ましく、１．５〜２．５μｍの範囲にあることがより好ましい。厚みが薄すぎると、光吸収層として用いた際の光吸収量が少なくなり、素子の性能が低下する傾向がみられ、逆に、厚すぎると、膜の形成にかかる時間が増加し、生産性に劣る傾向がみられるためである。
また、上記実施の形態では、加熱工程時およびその後につづくＩｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着させる工程において、Ｓｅ蒸気を供給するようにしているが、これに代えてＨ2Ｓｅを供給するようにしてもよい。この場合も、Ｓｅ蒸気を供給するのと同様の効果が得られる。また、上記ＣＩＧＳ膜３’およびＣＩＧＳ膜３のＳｅの系外への放出が少ない等の場合には、これらを供給する必要はない。
つぎに、上記ＣＩＧＳ膜３を光吸収層として用いたＣＩＧＳ太陽電池Ｑの構成およびこれを得る方法を以下に示す。このＣＩＧＳ太陽電池Ｑは、図７に示すように、上記ＣＩＧＳ膜３の上に、バッファ層７、バッファ層８、透明導電層９がこの順に積層されている。
より詳しく説明すると、まず、上記得られたＣＩＧＳ膜３上に、化学浴堆積法（ＣＢＤ法）により、硫化カドミウム（ＣｄＳ）からなるバッファ層７（厚み５０ｎｍ）を形成し、さらにスパッタリング法により、ＺｎＯからなるバッファ層８（厚み５０ｎｍ）を形成する。これらのバッファ層（７、８）は、上記ＣＩＧＳ膜３とｐｎ接合できるよう、高抵抗のｎ型半導体が好ましく、上記ＣｄＳ、ＺｎＯのほか、単層で、ＺｎＭｇＯ、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）等を用いることができる。また、バッファ層（７、８）の厚みは、それぞれ３０〜２００ｎｍであることが好ましい。そして、バッファ層を単層にした場合でも３０〜２００ｎｍの範囲の厚みであることが好ましい。さらに、上記バッファ層７は溶液法である上記ＣＢＤ法等、上記バッファ層８は真空製膜法であるスパッタリング法等によって形成することもできる。なお、このようにバッファ層として複数種類の層を重ねて用いると、上記ＣＩＧＳ膜３とのｐｎ接合をより良好にすることができるが、ｐｎ接合が充分に良好である場合には、必ずしも複数層設けなくてもよい。
そして、上記バッファ層８上に、スパッタリング法により、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明導電層９（厚み２００ｎｍ）を形成する。この透明導電層９は、高透過率を有する材料を用いることが好ましく、上記ＩＴＯのほか、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛アルミニウム（Ａｌ：ＺｎＯ）等を用いることができる。また、その厚みは１００ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。このようにして、基板１上に、裏面電極層２、ＣＩＧＳ膜３、バッファ層７、バッファ層８、透明導電層９がこの順に積層されたＣＩＧＳ太陽電池Ｑを得ることができる。
上記ＣＩＧＳ太陽電池の製法によれば、すでに述べたように、光吸収層として、上記ＣＩＧＳ膜３を用いているため、変換効率が高くなるとともに、素子ごとの変換効率のばらつきが生じにくいＣＩＧＳ太陽電池Ｑを得ることができる。しかも、光吸収層であるＣＩＧＳ膜３内に余剰なＣｕ(2-x)Ｓｅが形成されないため、電池特性の低下が生じず、高効率となる。また、上記ＣＩＧＳ膜３全体として、わずかにＣｕ不足の状態になっているため、さらに高効率とすることができる。
なお、上記実施の形態では、太陽電池Ｑは、基板１、裏面電極層２、ＣＩＧＳ膜３、バッファ層７、バッファ層８、透明導電層９からなるが、必要であれば、上記透明導電層９上に、金属電極を形成してもよい。
つぎに、実施例について、比較例と併せて説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
〔実施例１〕
上記実施の形態と同様にして、ＣＩＧＳ太陽電池を製造した。すなわち、基板１として、ＳＬＧ（大きさ３０×３０ｍｍ、厚み０．５５ｍｍ）を用意し、この上に、Ｍｏ（厚み５００ｎｍ）を積層し、裏面電極層２を形成した。そして、基板１保持温度を２００℃にした状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、層（Ａ）を形成した。つづいて、基板１保持温度を２００℃に保ったままの状態で、上記層（Ａ）上にＣｕ、Ｓｅを蒸着し、層（Ｂ）を積層し、積層体６を形成した。この積層体６を、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ加熱し、基板１保持温度が５５０℃の状態を１５分間保持し、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜３’を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜３’に、微量のＳｅガスを供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜３（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜３を用いたＣＩＧＳ太陽電池を実施例１品とした。なお、実施例１品を得るための概略図を〔図８（ａ）〕に示す。
上記実施の形態と同様にして、ＣＩＧＳ太陽電池を製造した。すなわち、基板１として、ＳＬＧ（大きさ３０×３０ｍｍ、厚み０．５５ｍｍ）を用意し、この上に、Ｍｏ（厚み５００ｎｍ）を積層し、裏面電極層２を形成した。そして、基板１保持温度を２００℃にした状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、層（Ａ）を形成した。つづいて、基板１保持温度を２００℃に保ったままの状態で、上記層（Ａ）上にＣｕ、Ｓｅを蒸着し、層（Ｂ）を積層し、積層体６を形成した。この積層体６を、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ加熱し、基板１保持温度が５５０℃の状態を１５分間保持し、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜３’を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜３’に、微量のＳｅガスを供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜３（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜３を用いたＣＩＧＳ太陽電池を実施例１品とした。なお、実施例１品を得るための概略図を〔図８（ａ）〕に示す。
〔比較例１〕
実施例１と同様に、裏面電極層２が形成された基板１を準備した。そして、基板１の保持温度を２００℃にした状態で、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、わずかにＣｕ過剰となるＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅからなる層を形成した。これを微量のＳｅガスを供給しつつ加熱し、基板１保持温度が５５０℃の状態で１５分間保持し、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜’（図示せず）を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜’に、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池を比較例１品とした。なお、比較例１品を得るための概略図を〔図９〕に示す。
実施例１と同様に、裏面電極層２が形成された基板１を準備した。そして、基板１の保持温度を２００℃にした状態で、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、わずかにＣｕ過剰となるＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅからなる層を形成した。これを微量のＳｅガスを供給しつつ加熱し、基板１保持温度が５５０℃の状態で１５分間保持し、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜’（図示せず）を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜’に、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池を比較例１品とした。なお、比較例１品を得るための概略図を〔図９〕に示す。
〔比較例２〕
実施例１と同様に、裏面電極層２が形成された基板１を準備した。そして、基板１の保持温度を３５０℃にした状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅからなる層を形成した。つぎに、基板１の保持温度が５５０℃の状態となるよう加熱した状態で、この層の上に、Ｃｕ、Ｓｅを蒸着させ、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜''（図示せず）を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜''に、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池を比較例２品とした。なお、比較例２品を得るための概略図を〔図８（ｂ）〕に示す。
実施例１と同様に、裏面電極層２が形成された基板１を準備した。そして、基板１の保持温度を３５０℃にした状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着し、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅからなる層を形成した。つぎに、基板１の保持温度が５５０℃の状態となるよう加熱した状態で、この層の上に、Ｃｕ、Ｓｅを蒸着させ、結晶成長を行いＣＩＧＳ膜''（図示せず）を得た。さらに、このＣＩＧＳ膜''に、微量のＳｅ蒸気を供給しつつ、基板１保持温度を５５０℃に保った状態で、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅを蒸着することで、目的のＣＩＧＳ膜（厚み２．０μｍ）を得た。このＣＩＧＳ膜を用いたＣＩＧＳ太陽電池を比較例２品とした。なお、比較例２品を得るための概略図を〔図８（ｂ）〕に示す。
上記実施例品および比較例品をそれぞれ１０個製造し、それらの変換効率を下記の手順に従って測定するとともに、それらの実施例品および比較例品に用いたＣＩＧＳ膜のＣｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の組成比を下記の手順に従って測定し、算出した。測定および算出した結果を下記の〔表１〕に併せて示す。
〔変換効率の測定〕
擬似太陽光（ＡＭ１．５）を各実施例品および比較例品の表面面積以上の領域に照射し、その変換効率をソーラーシミュレーター（セルテスターＹＳＳ１５０、山下電装社）によって測定した。
擬似太陽光（ＡＭ１．５）を各実施例品および比較例品の表面面積以上の領域に照射し、その変換効率をソーラーシミュレーター（セルテスターＹＳＳ１５０、山下電装社）によって測定した。
〔Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の組成比の算出〕
各実施例品および比較例品に用いたＣＩＧＳ膜のＣｕ、Ｉｎ、Ｇａの含有量を、エネルギー分散型蛍光Ｘ線装置（ＥＸ−２５０、堀場製作所）を用いて測定し、これらの原子数濃度を元にＣｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の組成比を算出した。
各実施例品および比較例品に用いたＣＩＧＳ膜のＣｕ、Ｉｎ、Ｇａの含有量を、エネルギー分散型蛍光Ｘ線装置（ＥＸ−２５０、堀場製作所）を用いて測定し、これらの原子数濃度を元にＣｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）の組成比を算出した。
上記の結果より、実施例１品は平均変換効率が１４．７％と高い値を示し、しかも、各素子間における変換効率のばらつきは、わずか２．５と少なくなっており、本発明の製法によって、高効率の太陽電池を再現性よく得られることがわかった。一方、比較例１品は変換効率のばらつきは、３．０と比較的少ないものの、平均変換効率は９．５％と低いものであった。また、比較例２品は、平均変換効率は１３．６％と比較的高いものの、変換効率のばらつきは３．６と多いものであった。
本発明のＣＩＧＳ膜の製法は、ＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層として用いるＣＩＧＳ膜を、良好な特性を再現性よく製造するのに適している。また、本発明のＣＩＧＳ太陽電池の製法は、変換効率の高い太陽電池を、再現性よく製造するのに適している。
Claims (6)
- ＣＩＧＳ太陽電池の光吸収層として用いられるＣＩＧＳ膜の製法であって、インジウムとガリウムとセレンとを含む層（Ａ）と、銅とセレンとを含む層（Ｂ）を、固相状態でこの順で基板に積層する積層工程と、上記層（Ａ）および層（Ｂ）が積層された積層体を加熱し、上記層（Ｂ）を溶融させ液相状態とすることにより、上記層（Ａ）中に上記層（Ｂ）中の銅を拡散させ、結晶成長させてＣＩＧＳ膜を得る加熱工程とを有し、上記加熱工程終了時のＣＩＧＳ膜が、０．９５＜銅／（インジウム＋ガリウム）＜１．３０のモル比を満たすとともに、上記加熱工程時の温度を維持した状態で、上記加熱工程により得られたＣＩＧＳ膜に、さらにインジウムとガリウムとセレンとを蒸着させることにより、上記ＣＩＧＳ膜が、０．７０＜銅／（インジウム＋ガリウム）＜０．９５のモル比を満たすようにすることを特徴とするＣＩＧＳ膜の製法。
- 上記積層工程を、１００〜２５０℃の範囲の温度で行う請求項１記載のＣＩＧＳ膜の製法。
- 上記加熱工程を、５２０℃以上の温度で行う請求項１または２記載のＣＩＧＳ膜の製法。
- 上記積層工程の温度から上記加熱工程の温度への昇温を、昇温速度１０℃／秒以上で行う請求項１〜３のいずれか一項に記載のＣＩＧＳ膜の製法。
- 上記加熱工程において、セレン蒸気もしくはセレン化水素を供給し、ＣＩＧＳ膜表面のセレン分圧が、内部のセレン分圧よりも高い状態で維持されるようにする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＣＩＧＳ膜の製法。
- 基板上に、裏面電極層を設ける工程と、光吸収層を設ける工程と、バッファ層を設ける工程と、透明導電層を設ける工程とを有するＣＩＧＳ太陽電池の製法であって、上記光吸収層を設ける工程として、上記請求項１に記載のＣＩＧＳ膜の製法を用いることを特徴とするＣＩＧＳ太陽電池の製法。
Priority Applications (6)
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