JP5783984B2 - Photoelectric conversion element, solar cell, and production method thereof - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、光電変換素子と太陽電池及びこれらの製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a photoelectric conversion element, a solar cell, and a method for manufacturing the same.

半導体薄膜を光吸収層として用いる化合物光電変換素子の開発が進んできており、中でもカルコパイライト構造を有するp型の半導体層を光吸収層とする薄膜光電変換素子は高い変換効率を示し、応用上期待されている。具体的にはCu−In−Ga−SeからなるCu(In,Ga)Seを光吸収層とする薄膜光電変換素子において、高い変換効率が得られている。一般的に、Cu−In−Ga−Seから構成されるp型半導体層を光吸収層とする薄膜光電変換素子は、基板となる青板ガラス上にモリブデン裏面電極、p型半導体層、n型半導体層、絶縁層、透明電極、上部電極、反射防止膜が積層した構造を有する。変換効率ηは開放電圧Voc、短絡電流密度Jsc、出力因子FF、入射パワー密度Pを用い、
η=Voc・Jsc・FF/P・100
で表される。
The development of compound photoelectric conversion devices using semiconductor thin films as light absorption layers has progressed. Among them, thin film photoelectric conversion devices using a p-type semiconductor layer having a chalcopyrite structure as a light absorption layer exhibit high conversion efficiency, Expected. Specifically, high conversion efficiency is obtained in a thin film photoelectric conversion element using Cu (In, Ga) Se 2 made of Cu—In—Ga—Se as a light absorption layer. In general, a thin film photoelectric conversion element using a p-type semiconductor layer composed of Cu—In—Ga—Se as a light absorption layer is formed of a molybdenum back electrode, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor on a blue plate glass serving as a substrate. A layer, an insulating layer, a transparent electrode, an upper electrode, and an antireflection film are stacked. The conversion efficiency η uses an open circuit voltage Voc, a short circuit current density Jsc, an output factor FF, and an incident power density P.
η = Voc · Jsc · FF / P · 100
It is represented by

現状、高い変換効率のCIGS薄膜太陽電池で、p型化合物半導体層(光吸収層)であるCIGS層は、例えば、CuIn0.7Ga0.3Seで示されるバンドギャップが1.2eV程度でGa量が30%程度の材料が用いられている。太陽光スペクトルとの整合を図り、より高い変換効率の薄膜太陽電池を得るには、CIGS光吸収層のバンドギャップを1.4eV程度、Ga量を70%まで増大させることが必要となる。また、更に高い変換効率の太陽電池を作製するためにはタンデム化が必要であり、そのトップ層となるCIGS光吸収層には、例えば、バンドギャップ1.7eV程度、Ga量100%のワイドギャップ層を用いる必要がある。しかしながら、Ga濃度の高いCIGSにおいて、高品質なCIGS薄膜を作製することは困難であり、期待されるような高い変換効率は得られていない。 At present, the CIGS layer which is a p-type compound semiconductor layer (light absorption layer) in a high conversion efficiency CIGS thin film solar cell has a band gap of about 1.2 eV, for example, represented by CuIn 0.7 Ga 0.3 Se 2. A material having a Ga content of about 30% is used. In order to achieve matching with the sunlight spectrum and to obtain a thin film solar cell with higher conversion efficiency, it is necessary to increase the band gap of the CIGS light absorption layer to about 1.4 eV and the Ga content to 70%. Moreover, tandemization is necessary to produce a solar cell with higher conversion efficiency, and the CIGS light absorption layer as the top layer has, for example, a wide gap with a band gap of about 1.7 eV and a Ga amount of 100%. It is necessary to use a layer. However, in CIGS with high Ga concentration, it is difficult to produce a high-quality CIGS thin film, and high conversion efficiency as expected is not obtained.

特開2005−228975JP2005-228975

実施形態は、高効率な光電変換素子および太陽電池とこれらの製造方法を提供することを目的とする。   An object of the embodiment is to provide a highly efficient photoelectric conversion element, a solar cell, and a method for manufacturing the same.

実施形態の光電変換素子は、バンドギャップが1.39eV以上1.68eV以下であるCu(InGa1−y)Se(前記yは0≦y≦0.35を満たす)を満たす化合物半導体層、又は、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下である(CuAg1−x)(InGa1−y)Se、xは0<x1を満たし、yは0≦y≦1を満たす化合物半導体層であって、化合物半導体層の厚さ方向のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.0以上1.5以下であるp型光吸収層と、p型光吸収層とpn接合するn型半導体層と、n型半導体層上に配置された透明電極とを有することを特徴とする。 The photoelectric conversion element of the embodiment is a compound semiconductor satisfying Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 (where y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.35 ) having a band gap of 1.39 eV or more and 1.68 eV or less. (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 having a layer or band gap of 1.28 eV or more and 1.68 eV or less, x satisfies 0 <x < 1, and y satisfies 0 ≦ p-type light absorption, which is a compound semiconductor layer satisfying y ≦ 1, wherein the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the thickness direction of the compound semiconductor layer is 1.0 or more and 1.5 or less And a transparent electrode disposed on the n-type semiconductor layer. The n-type semiconductor layer has a pn junction with the p-type light absorption layer.

実施形態の光電変換素子の製造方法は、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、化合物を融点以上に加熱し、GaとSeを堆積し、次いで、In、Ga及びSeを堆積し、次いで、Ga及びSeを堆積してp型光吸収層を形成し、p型光吸収層上にn型半導体層を形成し、n型半導体層上に透明電極を形成することを特徴とする。
p型光吸収層は、バンドギャップが1.39eV以上1.68eV以下であるCu(InGa1−y)Se(yは0≦y≦0.35を満たす)を満たす化合物半導体層、又は、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下である(CuAg1−x)(InGa1−y)Se(xは0<x1を、yは0≦y≦1を満たす)を満たす化合物半導体層であることが好ましい。
In the manufacturing method of the photoelectric conversion element according to the embodiment, a compound composed of Cu or Ag and Se is deposited on the back electrode, then the compound is heated to a melting point or higher, Ga and Se are deposited, and then In, Ga And Se, and then Ga and Se are deposited to form a p-type light absorption layer, an n-type semiconductor layer is formed on the p-type light absorption layer, and a transparent electrode is formed on the n-type semiconductor layer. It is characterized by that.
The p-type light absorption layer is a compound semiconductor layer satisfying Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 (y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.35 ) having a band gap of 1.39 eV or more and 1.68 eV or less, Alternatively, (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 (x is 0 <x < 1, y is 0 ≦ y ≦ 1) with a band gap of 1.28 eV or more and 1.68 eV or less. It is preferable that the compound semiconductor layer satisfy

別の実施形態の光電変換素子の製造方法は、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、化合物を融点以上に加熱し、次いで、GaとSeを堆積し、次いで、InとSeを堆積してp型光吸収層を形成し、p型光吸収層上にn型半導体層を形成し、n型半導体層上に透明電極を形成することを特徴とする。
p型光吸収層は、バンドギャップが1.39eV以上1.68eV以下であるCu(InGa1−y)Se(yは0≦y≦0.35を満たす)を満たす化合物半導体層、又は、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下である(CuAg1−x)(InGa1−y)Se(xは0<x1を、yは0≦y≦1を満たす)を満たす化合物半導体層であることが好ましい。
In another embodiment, a method for producing a photoelectric conversion element includes depositing a compound composed of Cu or Ag and Se on a back electrode, then heating the compound to a melting point or higher, then depositing Ga and Se, , In and Se are deposited to form a p-type light absorption layer, an n-type semiconductor layer is formed on the p-type light absorption layer, and a transparent electrode is formed on the n-type semiconductor layer.
The p-type light absorption layer is a compound semiconductor layer satisfying Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 (y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.35 ) having a band gap of 1.39 eV or more and 1.68 eV or less, Alternatively, (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 (x is 0 <x < 1, y is 0 ≦ y ≦ 1) with a band gap of 1.28 eV or more and 1.68 eV or less. It is preferable that the compound semiconductor layer satisfy

本発明の一実施形態にかかわる光電変換素子100の断面概念図である。1 is a conceptual cross-sectional view of a photoelectric conversion element 100 according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかわる光電変換素子200の断面概念図である。It is a section conceptual diagram of photoelectric conversion element 200 concerning one embodiment of the present invention. 実施形態の光電変換素子に用いるCIGSの三角相図である。It is a triangular phase diagram of CIGS used for the photoelectric conversion element of an embodiment. 実施形態の光電変換素子に用いるCIGSの2元相図である。It is a binary phase diagram of CIGS used for the photoelectric conversion element of an embodiment. 実施形態の光電変換素子に用いるAIGSの2元相図である。It is a binary phase diagram of AIGS used for the photoelectric conversion element of embodiment. 実施形態の光電変換素子に用いるCIGS層の厚さ方向でのGa/(In+Ga)組成分布の概念図である。It is a conceptual diagram of Ga / (In + Ga) composition distribution in the thickness direction of the CIGS layer used for the photoelectric conversion element of embodiment.

(実施形態1)
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明する。
(光電変換素子)
図1の概念図に示す本実施形態に係る光電変換素子100は、基板1と、基板1上に形成された裏面電極2と、裏面電極2上に形成されたp型光吸収層3と、p型光吸収層3上に形成されたn型半導体層4aと、n型半導体層4a上に配置された透明電極5と、透明電極5上に形成された上部電極6と反射防止膜7と、を備える薄膜型光電変換素子100である。光電変換素子100は具体的には、太陽電池が挙げられる。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Photoelectric conversion element)
A photoelectric conversion element 100 according to this embodiment shown in the conceptual diagram of FIG. 1 includes a substrate 1, a back electrode 2 formed on the substrate 1, a p-type light absorption layer 3 formed on the back electrode 2, an n-type semiconductor layer 4a formed on the p-type light absorption layer 3, a transparent electrode 5 disposed on the n-type semiconductor layer 4a, an upper electrode 6 and an antireflection film 7 formed on the transparent electrode 5, Are thin film photoelectric conversion elements 100. Specific examples of the photoelectric conversion element 100 include a solar battery.

(基板)
実施形態の基板1としては、青板ガラスを用いることが望ましく、ステンレス、Ti(チタン)又はCr(クロム)等の金属板やポリイミド等の樹脂を用いることもできる。
(substrate)
As the substrate 1 of the embodiment, blue plate glass is desirably used, and a metal plate such as stainless steel, Ti (titanium) or Cr (chromium), or a resin such as polyimide can also be used.

(裏面電極)
実施形態の裏面電極2は、光電変換素子の電極であって、基板1上に形成された金属膜である。裏面電極2としては、MoやW等の導電性の金属膜を用いることができる。その中でも、裏面電極2には、Mo膜を用いることが望ましい。裏面電極2の膜厚は、例えば、500nm以上1000nm以下である。
(Back electrode)
The back electrode 2 of the embodiment is an electrode of a photoelectric conversion element, and is a metal film formed on the substrate 1. As the back electrode 2, a conductive metal film such as Mo or W can be used. Among these, it is desirable to use a Mo film for the back electrode 2. The film thickness of the back electrode 2 is, for example, not less than 500 nm and not more than 1000 nm.

(p型光吸収層)
実施形態の光吸収層3aは、p型の化合物半導体層である。p型光吸収層3aは、裏面電極2上の基板1とは対向する主面に形成された層である。実施形態のp型光吸収層3aは、CuとAgのうち少なくとも1種のIb族元素と、InとGaのうち少なくとも一種のIIIb族元素と、Se、O、SとTeのうち少なくとも1種のVIb族元素とを含みカルコパイライト型構造を有する化合物半導体層であることが好ましい。具体的には、カルコパイライト型構造を有する化合物半導体層には、(CuAg1−x)(InGa1−y)Se、xは0≦x≦1を満たし、yは0≦y≦1を満たす化合物を用いることが好ましい。Cu(In,Ga)Seを以下、CIGSと記載し、Ag(In,Ga)Seを以下、AIGS、(Cu,Ag)(In,Ga)Seを以下、ACIGSと記載する。
(P-type light absorption layer)
The light absorption layer 3a of the embodiment is a p-type compound semiconductor layer. The p-type light absorption layer 3 a is a layer formed on the main surface facing the substrate 1 on the back electrode 2. The p-type light absorption layer 3a of the embodiment includes at least one type Ib group element of Cu and Ag, at least one type IIIb element of In and Ga, and at least one type of Se, O, S, and Te. And a compound semiconductor layer having a chalcopyrite type structure. Specifically, the compound semiconductor layer having a chalcopyrite structure has (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 , x satisfies 0 ≦ x ≦ 1, and y satisfies 0 ≦ It is preferable to use a compound satisfying y ≦ 1. Cu (In, Ga) and Se 2 or less, and wherein the CIGS, Ag (In, Ga) and Se 2 or less, AIGS, (Cu, Ag) (In, Ga) and Se 2 hereinafter referred to as ACIGS.

光吸収層3aのIIIb族元素は、層の厚さ方向に濃度分布を有する。単一傾斜の場合、濃度分布が単調に変化し、化合物半導体層の透明電極5側のIIIb族元素のGa/(In+Ga)モル比の値が、裏面電極2側のそれよりも小さくなる。二重傾斜の場合、濃度分布の谷(正と負の傾きによってできる谷)ができるような濃度傾斜が層中に存在する。   The group IIIb element of the light absorption layer 3a has a concentration distribution in the thickness direction of the layer. In the case of a single inclination, the concentration distribution changes monotonously, and the value of the Ga / (In + Ga) molar ratio of the group IIIb element on the transparent electrode 5 side of the compound semiconductor layer becomes smaller than that on the back electrode 2 side. In the case of a double gradient, there exists a concentration gradient in the layer so that a valley of the concentration distribution (a valley formed by positive and negative gradients) can be formed.

セレン化法、3段階法や5段階法などでGa比率の高い光吸収層を成膜した場合、大粒径化が困難であること、バンド二重傾斜の谷が深い、単一傾斜の傾斜量が多いといったことが変換効率を下げる要因となっていた。実施形態の光吸収層3aは、大粒径でありながら、表面近傍側でInの微量添加することで、Ga/(In+Ga)モル比が0.5以上といった高Ga含有の光吸収層であっても、その二重傾斜の谷は浅い。また、単一傾斜の場合、その傾斜量が少ない。二重傾斜の谷が浅い又は単一傾斜の傾斜量が少ない光吸収層3a中のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は、1.0以上1.5以下である。キャリア収集効率向上の観点から、光吸収層中のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は、1.1以上1.4以下が好ましい。Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.1より小さいと、バンド二重傾斜の谷が浅くなりすぎることで、キャリアの移動が困難となることが好ましくない。また、Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.1より小さいと、バンド単一傾斜の傾斜量が少なくなりすぎることでキャリアの移動が困難になることが好ましくない。Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.4より大きいと、キャリアがバンド二重傾斜の谷で再結合することが好ましくない。また、Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.4より大きい、バンド単一傾斜の傾斜量が多くなりすぎることでキャリアがpn接合界面で再結合しやすくなることが好ましくない。また、光吸収層3aを構成する化合物の大粒径化が可能であり、その平均結晶粒径(体積平均粒径)は、1000nm以上2500nm以下とすることができる。   When a light-absorbing layer with a high Ga ratio is formed by a selenization method, a three-step method, or a five-step method, it is difficult to increase the particle size, and a single-tilt slope with a deep band-double-slope valley The large amount was a factor that lowered the conversion efficiency. The light absorption layer 3a of the embodiment is a light absorption layer having a high Ga content such that the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.5 or more by adding a small amount of In near the surface while having a large particle diameter. But the double sloped valley is shallow. In the case of a single inclination, the amount of inclination is small. The (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the light absorption layer 3a in which the valley of the double inclination is shallow or the amount of inclination of the single inclination is small is 1.0 to 1.5. From the viewpoint of improving carrier collection efficiency, the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the light absorption layer is preferably 1.1 or more and 1.4 or less. If the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is smaller than 1.1, it is not preferable that the band double slope valley becomes too shallow, making it difficult for carriers to move. Further, if the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is smaller than 1.1, it is not preferable that the movement of carriers becomes difficult because the amount of inclination of the single band inclination becomes too small. When the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is larger than 1.4, it is not preferable that the carriers recombine at the valley of the band double slope. In addition, when the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is larger than 1.4, the amount of inclination of the band single inclination becomes too large, so that carriers can easily recombine at the pn junction interface. It is not preferable. Moreover, the particle size of the compound constituting the light absorption layer 3a can be increased, and the average crystal particle size (volume average particle size) can be 1000 nm or more and 2500 nm or less.

光電変換素子の中央部の断面をSIMS(二次イオン質量分析法:Secondary Ion−microprobe Mass Spectrometer)又はTEM−EDX(過電子顕微鏡−エネルギー分散X線分光分析:Transmission Electron Microscope −Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)で光吸収層3aの各組成の定量分析をすることで、Ga/(In+Ga)モル比を知ることができる。層の厚さ方向に連続して定量分析を行い、上記範囲を満たす光電変換素子であることを確認することができる。なお、Ga/(In+Ga)モル比の値とその最大値と最小値は、1つの測定点の層の厚さ方向の測定値だけでなく、近傍の複数の測定点の層の厚さ方向の測定値を平均した値から求めてもよい。   A cross section of the central portion of the photoelectric conversion element is obtained by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) or TEM-EDX (Over Electron Microscopy-Energy Dispersion X-ray Spectroscopy: Transmission Electron Microscope-Energy X-ray Energy Analysis). The Ga / (In + Ga) molar ratio can be obtained by quantitative analysis of each composition of the light absorption layer 3a by Spectroscopy). It is possible to confirm that the photoelectric conversion element satisfies the above range by performing quantitative analysis continuously in the thickness direction of the layer. Note that the value of the Ga / (In + Ga) molar ratio and its maximum and minimum values are not only measured in the thickness direction of the layer at one measurement point, but also in the thickness direction of the layers at a plurality of nearby measurement points. You may obtain | require from the value which averaged the measured value.

光電変換素子の中央部のSEM断面画像からp型光吸収層3aの平均結晶粒径を知ることができる。断面画像を得る際は、その断面SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)観察により確認できる。光吸収層3aの中心部分の2万倍の断面SEM観察で2μm幅の観察像での結晶粒径を測定し、平均結晶粒径を算出する。   The average crystal grain size of the p-type light absorption layer 3a can be known from the SEM cross-sectional image at the center of the photoelectric conversion element. When a cross-sectional image is obtained, it can be confirmed by observation of the cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope). The crystal grain size in an observation image having a width of 2 μm is measured by 20,000 times cross-sectional SEM observation of the central portion of the light absorption layer 3a, and the average crystal grain size is calculated.

光吸収層3aのInとGaの組み合わせによりバンドギャップの大きさを目的とする値に調整することができる。光吸収層3aにCIGSを用いた場合は、バンドギャップを1.04eV以上1.68eV以下にすることができる。光吸収層3aにAIGSを用いた場合は、バンドギャップを1.24eV以上1.83eV以下にすることができる。実施形態の光吸収層3aは単接合セルまたは、タンデム構造を有する多接合セルに用いることができる。ワイドギャップの光吸収層3aは、多接合セルのトップ層に用いることが好適である。   The band gap size can be adjusted to a target value by a combination of In and Ga in the light absorption layer 3a. When CIGS is used for the light absorption layer 3a, the band gap can be set to 1.04 eV or more and 1.68 eV or less. When AIGS is used for the light absorption layer 3a, the band gap can be set to 1.24 eV or more and 1.83 eV or less. The light absorption layer 3a of the embodiment can be used for a single junction cell or a multi-junction cell having a tandem structure. The wide gap light absorption layer 3a is preferably used for the top layer of the multi-junction cell.

光吸収層3aとしてCIGSを用いる場合のInとGaの好ましい組み合わせについて説明する。太陽光スペクトルとの整合を図るためには、単接合セルでバンドギャップを1.4eV程度とすることが望ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.5以上1.0以下とすることで、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下となるため好ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.6以上0.9以下とすることで、バンドギャップが1.35eV以上1.59eV以下となるためより好ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.65以上0.85以下とすることで、バンドギャップが1.39eV以上1.55eV以下となるためさらに好ましい。また、タンデム構造のトップ層としては、バンドギャップが1.68eVのCuGaSeを用いることが好ましい。 A preferred combination of In and Ga when CIGS is used as the light absorption layer 3a will be described. In order to match the solar spectrum, it is desirable that the band gap is about 1.4 eV in a single junction cell, and the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.5 or more and 1.0 or less, The band gap is preferably 1.28 eV or more and 1.68 eV or less, and the band gap is 1.35 eV or more and 1.59 eV or less by setting the Ga / (In + Ga) molar ratio to 0.6 or more and 0.9 or less. Therefore, it is more preferable to set the Ga / (In + Ga) molar ratio to 0.65 or more and 0.85 or less because the band gap becomes 1.39 eV or more and 1.55 eV or less. Further, it is preferable to use CuGaSe 2 having a band gap of 1.68 eV as the top layer of the tandem structure.

光吸収層3aとしてAIGSを用いる場合のInとGaの好ましい組み合わせについて説明する。太陽光スペクトルとの整合を図るためには、単接合セルでバンドギャップを1.4eV程度とすることが望ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.07以上0.75以下とすることで、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下となるため好ましく、Ga/(In+Gaモル)比を0.19以上0.6以下とすることで、バンドギャップが1.35eV以上1.59eV以下となるためより好ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.25以上0.53以下とすることで、バンドギャップが1.39eV以上1.55eV以下となるため、さらに好ましい。また、タンデム構造のトップ層としては、バンドギャップが1.68eVのAgIn0.25Ga0.75Seを用いることが好ましい。 A preferred combination of In and Ga when AIGS is used as the light absorption layer 3a will be described. In order to match with the solar spectrum, it is desirable that the band gap is about 1.4 eV in a single junction cell, and the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.07 or more and 0.75 or less, The band gap is preferably 1.28 eV or more and 1.68 eV or less, and is preferably set to a Ga / (In + Ga mole) ratio of 0.19 or more and 0.6 or less, whereby the band gap becomes 1.35 eV or more and 1.59 eV or less. Therefore, it is more preferable to set the Ga / (In + Ga) molar ratio to 0.25 or more and 0.53 or less because the band gap becomes 1.39 eV or more and 1.55 eV or less. In addition, it is preferable to use AgIn 0.25 Ga 0.75 Se 2 having a band gap of 1.68 eV as the top layer of the tandem structure.

光吸収層3aとしてACIGSを用いる場合のInとGaの好ましい組み合わせについて説明する。太陽光スペクトルとの整合を図るためには、単接合セルでバンドギャップを1.4eV程度とすることが望ましく、Ga/(In+Ga)モル比を0.07より大きく1.0より小さい値であれば、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下とすることができるため好ましい。   A preferred combination of In and Ga when ACIGS is used as the light absorption layer 3a will be described. In order to achieve matching with the solar spectrum, it is desirable that the band gap be about 1.4 eV in a single junction cell, and the Ga / (In + Ga) molar ratio should be a value larger than 0.07 and smaller than 1.0. For example, the band gap is preferably 1.28 eV or more and 1.68 eV or less.

上記のInとGaの好ましい組み合わせについてまとめると、p型光吸収層3aのバンドギャップを太陽スペクトルとの整合を図る好適な1.28eV以上1.68eV以下とするためには、(CuAg1−x)(InGa1−y)Seのx=0のとき(AIGS)、Ga/(In+Ga)モル比は、0.07以上0.53以下が好ましく、0<x<1のとき(ACIGS)、Ga/(In+Ga)モル比は、0.07より大きく1より小さい値が好ましく、x=1のとき(CIGS)、Ga/(In+Ga)モル比は、0.5以上1.0以下が好ましい。 Summarizing the preferable combinations of In and Ga described above, in order to set the band gap of the p-type light absorption layer 3a to 1.28 eV or more and 1.68 eV or less which is suitable for matching with the solar spectrum, (Cu x Ag 1 -x) (when the in y Ga 1-y) Se 2 of x = 0 (AIGS), Ga / (in + Ga) molar ratio is preferably 0.07 or more 0.53 or less, when 0 <x <1 (ACIGS), Ga / (In + Ga) molar ratio is preferably greater than 0.07 and smaller than 1, and when x = 1 (CIGS), the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.5 or more and 1.0. The following is preferred.

CIGS、AIGSやACIGSは、InとGaの組成比によりバンドギャップを制御することができる。即ち、これは、層の厚さ方向でのInとGaの組成分布を調整することでバンドギャップ分布に傾斜をつけることができることを意味する。p型光吸収層3とn型半導体層4aがヘテロ接合する場合、Mo裏面電極側のGa組成比を高く、n型半導体層4a側のGa組成比を低くした単一傾斜分布では、内部電界が生じるため、光励起されたキャリア(電子)は、裏面のMo側からpn接合面のCIGS界面側へと移動することで、キャリア収集効率が向上する。この単一傾斜分布でpn接合界面のGa組成比を少し高くしてノッチを形成した二重傾斜分布では、単一傾斜分布の内部電界によるキャリア収集効率の向上に加えて、pn接合界面のバンドギャップを高くすることにより、空乏層内での再結合が低減し、開放端電圧が向上する。   CIGS, AIGS, and ACIGS can control a band gap by the composition ratio of In and Ga. That is, this means that the band gap distribution can be inclined by adjusting the composition distribution of In and Ga in the thickness direction of the layer. When the p-type light absorption layer 3 and the n-type semiconductor layer 4a are heterojunction, in the single gradient distribution in which the Ga composition ratio on the Mo back electrode side is high and the Ga composition ratio on the n-type semiconductor layer 4a side is low, Therefore, photoexcited carriers (electrons) move from the Mo side on the back surface to the CIGS interface side of the pn junction surface, thereby improving carrier collection efficiency. In the double gradient distribution in which the Ga composition ratio of the pn junction interface is slightly increased to form a notch in this single gradient distribution, the band at the pn junction interface is improved in addition to the improvement of the carrier collection efficiency due to the internal electric field of the single gradient distribution. By increasing the gap, recombination in the depletion layer is reduced and the open-circuit voltage is improved.

(n型半導体層)
実施形態のn型半導体層4aは、p型光吸収層3a上の裏面電極2と対向する主面側に形成された光吸収層3aとpnヘテロ接合する層である。n型半導体層4aは、CdS、Zn(O,S,OH)、Mgを添加したZnOを用いることができる。n型半導体層4aは、光電変換素子のバッファー層として用いられ、高い開放電圧の光電変換素子を得ることのできるようにフェルミ準位が制御されたn型半導体が好ましい。n型半導体層4aの厚さは、30nm以上100nm以下であることが好ましく、40nm以上60nm以下とすることで、このn型半導体層4aでの短波長光吸収を抑制しながら、透明電極を堆積する際の成膜ダメージを回避できるためより好ましい。
(N-type semiconductor layer)
The n-type semiconductor layer 4a of the embodiment is a layer that is pn heterojunction with the light absorption layer 3a formed on the main surface side facing the back electrode 2 on the p-type light absorption layer 3a. For the n-type semiconductor layer 4a, ZnO added with CdS, Zn (O, S, OH), and Mg can be used. The n-type semiconductor layer 4a is used as a buffer layer of a photoelectric conversion element, and is preferably an n-type semiconductor whose Fermi level is controlled so that a photoelectric conversion element with a high open voltage can be obtained. The thickness of the n-type semiconductor layer 4a is preferably 30 nm or more and 100 nm or less, and by setting the thickness to 40 nm or more and 60 nm or less, a transparent electrode is deposited while suppressing short-wavelength light absorption in the n-type semiconductor layer 4a. This is more preferable because it can avoid film formation damage.

(透明電極)
実施形態の透明電極5は太陽光のような光を透過し尚且つ導電性を有する膜である。透明電極5は、例えば、アルミナ(Al)を2wt%含有したZnO:Al或いはジボランからのBをドーパントとしたZnO:Bを用いることができる。透明電極5とn型半導体層4aの間に半絶縁層として、例えば、(Zn,Mg)O層を設けることができる。
(Transparent electrode)
The transparent electrode 5 of the embodiment is a film that transmits light such as sunlight and has conductivity. For the transparent electrode 5, for example, ZnO: Al containing 2 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) or ZnO: B using B from diborane as a dopant can be used. For example, a (Zn, Mg) O layer can be provided as a semi-insulating layer between the transparent electrode 5 and the n-type semiconductor layer 4a.

(反射防止膜)
実施形態の反射防止膜6は、p型光吸収層3へ光を導入しやすくするための膜であって、透明電極5上に形成されている。反射防止膜6としては、例えば、MgFを用いることが望ましい。透明電極5上には取り出し電極等を形成するために、透明電極5の一部は、反射防止膜6で覆われていない領域があることが好ましい。
(Antireflection film)
The antireflection film 6 according to the embodiment is a film for easily introducing light into the p-type light absorption layer 3 and is formed on the transparent electrode 5. For example, MgF 2 is desirably used as the antireflection film 6. In order to form an extraction electrode or the like on the transparent electrode 5, it is preferable that a part of the transparent electrode 5 has a region not covered with the antireflection film 6.

(取り出し電極)
裏面電極2上及び透明電極5上に取り出し電極を設けてもよい。取り出し電極としては、Al、Ag又はAu等を用いることができる。さらに、透明電極5との密着性を向上させるために、Ni又はCrの堆積膜上に、取り出し電極を設けてもよい。
(Extraction electrode)
An extraction electrode may be provided on the back electrode 2 and the transparent electrode 5. As the extraction electrode, Al, Ag, Au, or the like can be used. Furthermore, in order to improve the adhesiveness with the transparent electrode 5, an extraction electrode may be provided on the deposited film of Ni or Cr.

(実施形態2)
図2の概念図に示す本実施形態に係る光電変換素子200は、基板1と、基板1上に形成された裏面電極2と、裏面電極2上に形成されたp型光吸収層3bと、p型光吸収層3b上に形成されたn型半導体層4bと、n型半導体層4b上に形成された透明電極5と、透明電極5上に形成された反射防止膜6と、を備える薄膜型光電変換素子200である。光電変換素子200は具体的には、太陽電池が挙げられる。
(Embodiment 2)
A photoelectric conversion element 200 according to this embodiment shown in the conceptual diagram of FIG. 2 includes a substrate 1, a back electrode 2 formed on the substrate 1, a p-type light absorption layer 3b formed on the back electrode 2, A thin film comprising an n-type semiconductor layer 4b formed on the p-type light absorption layer 3b, a transparent electrode 5 formed on the n-type semiconductor layer 4b, and an antireflection film 6 formed on the transparent electrode 5. Type photoelectric conversion element 200. A specific example of the photoelectric conversion element 200 is a solar cell.

実施形態2の光電変換素子は、p型光吸収層3bとn型半導体層4bがホモ接合によりpn接合を形成すること以外は、実施形態1と共通する。従って、光吸収層3とn型半導体層4b以外の構成については、実施形態1と共通するためその記載を省略する。   The photoelectric conversion element of Embodiment 2 is common to Embodiment 1 except that the p-type light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b form a pn junction by homojunction. Therefore, since the configuration other than the light absorption layer 3 and the n-type semiconductor layer 4b is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

(p型光吸収層 n型半導体層)
実施形態のp型光吸収層3bは、p型の化合物半導体層である。p型光吸収層3bは、裏面電極2上の基板1とは対向する主面に形成された層である。n型半導体層4bは、p型光吸収層の透明電極5側の一部がn型化することによってできた領域の層であって、p型光吸収層3bとホモ接合によりpn接合を形成する。n型半導体層4bは、p型光吸収層と導電型が異なり、p型光吸収層と同一元素を有する化合物半導体層である。実施形態のp型光吸収層3b及びn型半導体層4bは、p型光吸収層3aと同じく、CuとAgのうち少なくとも1種のIb族元素と、InとGaのうち少なくとも一種のIIIb族元素と、Se、O、SとTeのうち少なくとも1種のVIb族元素とを含みカルコパイライト型構造を有する化合物半導体層であることが好ましい。p型半導体層3bの厚さは、1500nm以上3000nm以下が好ましい。n型半導体層の厚さは、100nm以上500nm以下が好ましい。
(P-type light absorption layer n-type semiconductor layer)
The p-type light absorption layer 3b of the embodiment is a p-type compound semiconductor layer. The p-type light absorption layer 3 b is a layer formed on the main surface facing the substrate 1 on the back electrode 2. The n-type semiconductor layer 4b is a layer in a region formed by forming a part of the p-type light absorption layer on the transparent electrode 5 side into an n-type, and forms a pn junction by homojunction with the p-type light absorption layer 3b. To do. The n-type semiconductor layer 4b is a compound semiconductor layer having a conductivity type different from that of the p-type light absorption layer and having the same element as the p-type light absorption layer. The p-type light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b of the embodiment are similar to the p-type light absorption layer 3a in that at least one type Ib group element of Cu and Ag and at least one type IIIb group of In and Ga. A compound semiconductor layer having a chalcopyrite structure containing an element and at least one VIb group element of Se, O, S, and Te is preferable. The thickness of the p-type semiconductor layer 3b is preferably 1500 nm or more and 3000 nm or less. The thickness of the n-type semiconductor layer is preferably 100 nm or more and 500 nm or less.

ホモ接合素子構造は、バッファー層を省略することができるため、バッファー層による短波長光吸収を取り除くことができると共に、ヘテロ接合構造で生じる接合界面でのキャリア再結合を回避することができ、太陽電池の変換効率が向上する。   In the homojunction element structure, the buffer layer can be omitted, so that short-wavelength light absorption by the buffer layer can be eliminated, and carrier recombination at the junction interface that occurs in the heterojunction structure can be avoided. The conversion efficiency of the battery is improved.

光吸収層3bのIIIb族元素は、層の厚さ方向に単一傾斜或いは2重傾斜の濃度分布を有する。単一傾斜の場合、n型半導体層4bの透明電極5側のIIIb族元素のGa/(In+Ga)モル比の値が、p型光吸収層3bの裏面電極2側のそれよりも小さくなる。2重傾斜の場合、濃度分布の谷ができるような濃度傾斜が化合物半導体層に存在する。二重傾斜の谷の底は、光吸収層3b、光吸収層3bとn型半導体層4bの界面とn型半導体層4bのいずれかに存在する。   The group IIIb element of the light absorption layer 3b has a concentration distribution with a single gradient or a double gradient in the thickness direction of the layer. In the case of a single inclination, the value of the Ga / (In + Ga) molar ratio of the group IIIb element on the transparent electrode 5 side of the n-type semiconductor layer 4b is smaller than that on the back electrode 2 side of the p-type light absorption layer 3b. In the case of a double gradient, there exists a concentration gradient in the compound semiconductor layer so that a valley of the concentration distribution is generated. The bottom of the double inclined valley exists in either the light absorption layer 3b, the interface between the light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b, or the n-type semiconductor layer 4b.

セレン化法、3段階法や5段階法などでGa比率の高いp型光吸収層とn型半導体層の化合物半導体層を成膜した場合、大粒径化が困難であること、バンド二重傾斜の谷が深いといったことが変換効率を下げる要因となっていた。実施形態の光吸収層3bとn型半導体層4bではGa拡散されているため、Ga/(In+Ga)モル比が0.5以上といった高Ga含有の光吸収層であっても、その二重傾斜の谷は浅い。光吸収層3bとn型半導体層4b中のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は、1.0以上1.5以下である。キャリア収集効率向上の観点から、光吸収層3bとn型半導体層4b中のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は、1.1以上1.4以下が好ましい。Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.1より小さいと、バンド二重傾斜の谷が浅くなりすぎることで、キャリアの移動が困難となることが好ましくない。Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.4より大きいと、キャリアがバンド二重傾斜の谷で再結合することが好ましくない。また、光吸収層3bとn型半導体層4bを構成する化合物の大粒径化が可能であり、その平均結晶粒径は、1000nm以上2500nm以下とすることができる。
光吸収層3bのInとGaの好ましい組み合わせについては、実施形態1と同様である。
When a compound semiconductor layer of a p-type light absorption layer and an n-type semiconductor layer having a high Ga ratio is formed by a selenization method, a three-step method, or a five-step method, it is difficult to increase the particle size. The fact that the sloped valley is deep has been a factor in reducing the conversion efficiency. Since the light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b of the embodiment are Ga-diffused, even if the light absorption layer has a high Ga content such that the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.5 or more, the double gradient The valley is shallow. The (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b is 1.0 or more and 1.5 or less. From the viewpoint of improving carrier collection efficiency, the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b is preferably 1.1 or more and 1.4 or less. If the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is smaller than 1.1, it is not preferable that the band double slope valley becomes too shallow, making it difficult for carriers to move. When the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is larger than 1.4, it is not preferable that the carriers recombine at the valley of the band double slope. Further, it is possible to increase the particle size of the compound constituting the light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4b, and the average crystal particle size can be set to 1000 nm to 2500 nm.
The preferred combination of In and Ga in the light absorption layer 3b is the same as in the first embodiment.

CIGS、AIGSやACIGSは、InとGaの組成比によりバンドギャップを制御することができる。即ち、これは、層の厚さ方向でのInとGaの組成分布を調整することでバンドギャップ分布に傾斜をつけることができることを意味する。p型光吸収層3bとn型半導体層4aがヘテロ接合する場合、Mo裏面電極側のGa組成比を高く、n型半導体層4a側のGa組成比を低くした単一傾斜分布では、内部電界が生じるため、光励起されたキャリア(電子)は、裏面のMo側からpn接合面のCIGS界面側へと移動することで、キャリア収集効率が向上する。この単一傾斜分布でpn接合界面のGa組成比を少し高くしてノッチを形成した二重傾斜分布では、単一傾斜分布の内部電界によるキャリア収集効率の向上に加えて、pn接合界面のバンドギャップを高くすることにより、空乏層内での再結合が低減し、開放端電圧が向上する。バンド二重傾斜の谷はp層側とn層側いずれにあってもよいが、キャリア収集の点からn層側にあることがより好ましい。   CIGS, AIGS, and ACIGS can control a band gap by the composition ratio of In and Ga. That is, this means that the band gap distribution can be inclined by adjusting the composition distribution of In and Ga in the thickness direction of the layer. When the p-type light absorption layer 3b and the n-type semiconductor layer 4a are heterojunction, in the single gradient distribution in which the Ga composition ratio on the Mo back electrode side is high and the Ga composition ratio on the n-type semiconductor layer 4a side is low, Therefore, photoexcited carriers (electrons) move from the Mo side on the back surface to the CIGS interface side of the pn junction surface, thereby improving carrier collection efficiency. In the double gradient distribution in which the Ga composition ratio of the pn junction interface is slightly increased to form a notch in this single gradient distribution, the band at the pn junction interface is improved in addition to the improvement of the carrier collection efficiency due to the internal electric field of the single gradient distribution. By increasing the gap, recombination in the depletion layer is reduced and the open-circuit voltage is improved. The band double sloped valley may be on either the p-layer side or the n-layer side, but more preferably on the n-layer side in terms of carrier collection.

次いで、上記p型光吸収層3a、3bの製造方法を中心に実施形態の光電変換素子の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of the embodiment will be described focusing on the manufacturing method of the p-type light absorption layers 3a and 3b.

実施形態のバンド二重傾斜のp型光吸収層の製造方法は、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、化合物を融点以上に加熱し、GaとSeを堆積し、次いで、In、Ga及びSeを堆積し、次いで、Ga及びSeを堆積する。   In the method of manufacturing the band-double-tilted p-type light absorption layer according to the embodiment, a compound comprising Cu, Ag, and Se is deposited on the back electrode, and then the compound is heated to a melting point or more to deposit Ga and Se. Then, In, Ga, and Se are deposited, and then Ga and Se are deposited.

実施形態のバンド単一傾斜のp型光吸収層の製造方法は、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、化合物を融点以上に加熱し、次いで、GaとSeを堆積し、次いで、InとSeを堆積する。   In the manufacturing method of the band-single-gradient p-type light absorption layer of the embodiment, a compound composed of Cu or Ag and Se is deposited on the back electrode, and then the compound is heated to the melting point or higher, and then Ga and Se. And then deposit In and Se.

(実施形態3)
実施形態3は、実施形態1の光電変換素子100の製造方法を示す。
[基板に裏面電極を製膜する工程]
基板1上に、裏面電極2を製膜する。製膜方法としてはスパッタ法が挙げられる。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 shows the manufacturing method of the photoelectric conversion element 100 of Embodiment 1. FIG.
[Step of forming back electrode on substrate]
A back electrode 2 is formed on the substrate 1. Examples of the film forming method include a sputtering method.

[裏面電極上に光吸収層を製膜する工程]
光吸収層3aとなる化合物半導体薄膜を裏面電極2上に成膜する。
[Step of forming light absorption layer on back electrode]
A compound semiconductor thin film to be the light absorption layer 3 a is formed on the back electrode 2.

従来、光吸収層14の成膜方法としては、3段階法と呼ばれる真空蒸着法とセレン化法と呼ばれるスパッタ法が用いられてきた。3段階法は、始めにIIIb族元素であるIn及びGaとVIb族元素であるSeを真空蒸着し、その後、Ib族元素であるCuと、Seを蒸着し、最後に再びIn及びGaと、Seを蒸着する手法であり、セレン化法は、Cu及びIIIb族元素をスパッタ法で堆積した後、HSeガス雰囲気中で加熱処理を行う手法である。セレン化法は、大面積化には有利な成膜手法であるが、大粒径化は困難であり、バンドの2重傾斜形成にも不利な成膜手法である。3段階法は、従来のGa/(In+Ga)モル比が0.5より小さいCIGSの成膜手法として用いられているが、Ga/(In+Ga)モル比が0.5より大きくなると、Gaの拡散係数が小さいことから、大粒径化が困難となると共に、バンドの二重傾斜もGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.5より大きくなり、キャリア収集効率が低下することで、太陽電池の変換効率が低下する。 Conventionally, a vacuum deposition method called a three-stage method and a sputtering method called a selenization method have been used as a method for forming the light absorption layer 14. In the three-step method, first, In and Ga that are Group IIIb elements and Se that is a Group VIb element are vacuum-deposited, then Cu and Se that are Group Ib elements are vapor-deposited, and finally, In and Ga again. Se is a technique for evaporating Se, and the selenization method is a technique for performing heat treatment in an H 2 Se gas atmosphere after Cu and IIIb group elements are deposited by sputtering. The selenization method is an advantageous film formation method for increasing the area, but it is difficult to increase the particle size, and is also a disadvantageous film formation method for forming a double inclined band. The three-stage method is used as a conventional film formation method for CIGS having a Ga / (In + Ga) molar ratio of less than 0.5. However, when the Ga / (In + Ga) molar ratio is greater than 0.5, the diffusion of Ga Since the coefficient is small, it is difficult to increase the particle size, and the double tilt of the band also has a Ga / (In + Ga) molar ratio (maximum value / minimum value) of more than 1.5, which lowers the carrier collection efficiency. By doing so, the conversion efficiency of the solar cell is lowered.

図3に示したTri−phase法はGa/(In+Ga)モル比が0.5以上1.0以下であっても、大粒径化とGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.0以上1.5以下となるバンドの2重傾斜の双方を満足する成膜手法である。Tri−phase法は、始めにIb族元素であるCuとVIb族元素であるSeを真空蒸着し、その後、融点以上に加熱することにより、Cu−Se液層を形成する。液層の形成は、反射高速電子線回折(RHEED:Reflection High Energy Electron Diffraction)を用いての観察、或いは、基板温度を徐々に加熱していく際の温度変化が一定となる値の検出をもって確認する。このCu−Se液層上にIIIb族元素であるGaと、Seを真空蒸着する。融液を介して、結晶成長が進行するため、大粒径化が促進される。光吸収に必要な目的膜厚を得た時点で、バンドの二重傾斜を形成するため、一旦、In、GaとSeを真空蒸着し、最後に再びGaとSeを蒸着する。始めの液層を形成する原料としては、Cu−Seのみでも構わないが、図4に示したように共晶で融点が低下するため、Gaを3割程度、混合することがより好ましい。In、GaとSeを真空蒸着する工程で、Inの堆積量を多くし過ぎるとバンド二重傾斜の谷が深くなりすぎるため、ここでのGa/(In+Ga)モル比は0.8程度が好ましい。図5の2元相図からも分かるように、Cuの代わりにAgを用いてAIGSにおいても同様の成膜手法が適用できる。また、同様にACIGSの成膜方法にもTri−Phase法を採用することができる。Tri−Phase法、3段階法、5段階法の製法の違いによる光吸収層3aの層の厚さ方向のGa/(In+Ga)モル比の違いを図6のグラフに示す。このように、Tri−Phase法で光吸収層3aを成膜することで、Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は3段階法や5段階法のモル比の(最大値/最小値)と比べて小さな値であり、モル比の谷を浅くすることができる。これにより、バンド傾斜が良好で結晶性の良いワイドギャップな光吸収層を成膜することができる。   In the Tri-phase method shown in FIG. 3, even when the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.5 or more and 1.0 or less, the increase in the particle size and the Ga / (In + Ga) molar ratio (maximum value / minimum value). ) Is a film forming technique that satisfies both of the double slopes of the band of 1.0 to 1.5. In the Tri-phase method, first, Cu that is an Ib group element and Se that is a VIb group element are vacuum-deposited, and then heated to a melting point or higher to form a Cu-Se liquid layer. The formation of the liquid layer can be confirmed by observation using reflection high energy electron diffraction (RHEED) or detection of a value at which the temperature change when the substrate temperature is gradually heated is detected. To do. On this Cu-Se liquid layer, Ga and Se which are IIIb group elements are vacuum-deposited. Since crystal growth proceeds through the melt, an increase in particle size is promoted. When a target film thickness necessary for light absorption is obtained, in order to form a double slope of the band, In, Ga and Se are once vacuum-deposited, and finally Ga and Se are again evaporated. The raw material for forming the first liquid layer may be Cu-Se alone, but it is more preferable to mix about 30% of Ga because eutectic and melting point decrease as shown in FIG. In the process of vacuum evaporation of In, Ga, and Se, if the amount of In deposited is increased too much, the valley of the band double slope becomes too deep, so the Ga / (In + Ga) molar ratio here is preferably about 0.8. . As can be seen from the binary phase diagram of FIG. 5, the same film formation method can be applied to AIGS using Ag instead of Cu. Similarly, the Tri-Phase method can be employed for the ACIGS film forming method. The graph of FIG. 6 shows the difference in Ga / (In + Ga) molar ratio in the thickness direction of the light absorption layer 3a due to the difference in the Tri-Phase method, the three-step method, and the five-step method. Thus, by forming the light absorption layer 3a by the Tri-Phase method, the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is the (maximum value) of the molar ratio of the three-step method or the five-step method. / Minimum value), and the valley of the molar ratio can be made shallower. As a result, it is possible to form a wide-gap light absorption layer with good band inclination and good crystallinity.

単一傾斜の光吸収層は、CGSの二重傾斜形成の工程でCu−Se液層上にGaとSeを真空蒸着した後、InとSeを真空蒸着することで形成できる。また、CGSに僅かにInを添加することで容易に作製することができる。始めにCuとSeを真空蒸着し、その後、融点以上に加熱することにより、Cu−Se液層を形成する工程は二重傾斜形成の工程と同様である。液層の形成は、反射高速電子線回折(RHEED)を用いての観察、或いは、基板温度を徐々に加熱していく際の温度変化が一定となる値の検出をもって確認する。このCu−Se液層上にGaとSeを真空蒸着する。この場合も、融液を介して、結晶成長が進行するため、大粒径化が促進される。最後に傾斜を調節するために、Seと少量のInを真空蒸着する。GaとInの拡散係数の違いにより、バンドの単一傾斜が形成される。なお、単一傾斜のAIGS及びACIGSにおいても同様の方法を採用することができる。   The light absorption layer having a single inclination can be formed by vacuum-depositing In and Se after Ga and Se are vacuum-deposited on the Cu-Se liquid layer in the double inclination formation process of CGS. Further, it can be easily produced by adding a little In to CGS. The process of forming a Cu—Se liquid layer by first vacuum-depositing Cu and Se and then heating to the melting point or higher is the same as the process of forming the double gradient. The formation of the liquid layer is confirmed by observation using reflection high-energy electron diffraction (RHEED) or by detecting a value at which the temperature change becomes constant when the substrate temperature is gradually heated. Ga and Se are vacuum-deposited on this Cu-Se liquid layer. Also in this case, since the crystal growth proceeds via the melt, the increase in the particle size is promoted. Finally, in order to adjust the inclination, Se and a small amount of In are vacuum deposited. Due to the difference in the diffusion coefficient between Ga and In, a single slope of the band is formed. It should be noted that the same method can be adopted for single slope AIGS and ACIGS.

[光吸収層上にn型半導体層を製膜する工程]
得られた光吸収層3aの上にn型半導体層4aを堆積する。
n型半導体層4aの製膜方法としては、スパッタリング、蒸着法、化学気相蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition)、液層成長法(CBD:Chemical Bath Deposition)、分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)等が挙げられる。
[Step of forming an n-type semiconductor layer on the light absorption layer]
An n-type semiconductor layer 4a is deposited on the obtained light absorption layer 3a.
As a method for forming the n-type semiconductor layer 4a, sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), liquid layer deposition (CBD), molecular beam epitaxy (MBE), and molecular beam epitaxy (MBE) are used. (Beam Epitaxy) and the like.

n型半導体層4aをスパッタリングで形成する場合、基板温度は10℃以上300℃以下とすることが好ましく、200℃以上250℃以下で行うことがより好ましい。基板温度が低すぎると形成されるn型半導体層4の結晶性が悪くなり、逆にその温度が高すぎると目的とする結晶構造の材料が得られないため、目的のn型半導体層4aを形成することが難しくなる。   When the n-type semiconductor layer 4a is formed by sputtering, the substrate temperature is preferably 10 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and more preferably 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. If the substrate temperature is too low, the crystallinity of the n-type semiconductor layer 4 to be formed deteriorates. Conversely, if the temperature is too high, a material having a target crystal structure cannot be obtained. It becomes difficult to form.

[n型半導体層上に半絶縁層を製膜する工程]
得られたn型半導体層4aの上に半絶縁層を堆積する。
半絶縁層の製膜方法としては、目的原料と溶媒の混合溶液を塗布してスピンコート法などにより薄膜を形成する手法や、真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)法などが挙げられる。本工程は省略することができる。
[Step of forming semi-insulating layer on n-type semiconductor layer]
A semi-insulating layer is deposited on the obtained n-type semiconductor layer 4a.
As a method for forming a semi-insulating layer, a method of forming a thin film by spin coating or the like by applying a mixed solution of a target raw material and a solvent, a sputtering process of a vacuum process, a vacuum deposition method, or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) ) Method. This step can be omitted.

[半絶縁層上又はn型半導体層上に透明電極層を製膜する工程]
続いて、半絶縁層上又はn型半導体層4a上に、透明電極層5を堆積する。
製膜方法としては真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などが挙げられる。
[Step of forming transparent electrode layer on semi-insulating layer or n-type semiconductor layer]
Subsequently, the transparent electrode layer 5 is deposited on the semi-insulating layer or the n-type semiconductor layer 4a.
Examples of the film forming method include a sputtering method in a vacuum process, a vacuum deposition method, or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

[裏面電極上と透明電極層上に取り出し電極を製膜する工程]
取り出し電極を裏面電極2上の光吸収層3が製膜された部位を少なくとも除く部位に堆積する。
取り出し電極を透明電極層5上の反射防止膜6が製膜される部位を少なくとも除く部位に堆積する。
製膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
取り出し電極の製膜は、1工程で行ってもよいし、それぞれ、別の工程として、任意の工程の後に行ってもよい。
[Step of taking out electrode on back electrode and transparent electrode layer]
The take-out electrode is deposited on a portion excluding at least the portion where the light absorption layer 3 is formed on the back electrode 2.
The take-out electrode is deposited on a portion excluding at least a portion where the antireflection film 6 is formed on the transparent electrode layer 5.
Examples of the film forming method include a sputtering method and a vacuum deposition method.
The film formation of the extraction electrode may be performed in one step, or may be performed after any step as a separate step.

[透明電極層上に反射防止膜を製膜する工程]
最後に透明電極5上の取り出し電極が製膜された部位を少なくとも除く部位に反射防止膜6を堆積する。
製膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
上記の工程を経て、図1の概念図に示す光電変換素子100(化合物薄膜太陽電池)を作製する。
化合物薄膜太陽電池のモジュールを作製する場合、基板1に裏面電極2を製膜する工程の後、レーザーにより裏面電極2を分断する工程、さらには光吸収層3a上n型半導体層4aを製膜する工程及びn型半導体層4a上に透明電極5を製膜する工程の後、それぞれメカニカルスクライブにより試料を分割する工程を挟むことにより集積化が可能となる。
[Step of forming an antireflection film on the transparent electrode layer]
Finally, an antireflection film 6 is deposited on a portion excluding at least a portion where the extraction electrode is formed on the transparent electrode 5.
Examples of the film forming method include a sputtering method and a vacuum deposition method.
The photoelectric conversion element 100 (compound thin film solar cell) shown in the conceptual diagram of FIG. 1 is produced through the above steps.
When producing a module of a compound thin film solar cell, after the step of forming the back electrode 2 on the substrate 1, the step of dividing the back electrode 2 with a laser, and further forming the n-type semiconductor layer 4a on the light absorption layer 3a After the step of forming and the step of forming the transparent electrode 5 on the n-type semiconductor layer 4a, integration can be performed by sandwiching a step of dividing the sample by mechanical scribing.

(実施形態4)
実施形態4は実施形態1の光電変換素子200の製造方法を示す。実施形態4はn型半導体層4bの製造方法以外は実施形態3の製造方法と同様である。共通する製造方法の説明は省略する。
(Embodiment 4)
Embodiment 4 shows the manufacturing method of the photoelectric conversion element 200 of Embodiment 1. FIG. The fourth embodiment is the same as the manufacturing method of the third embodiment except for the manufacturing method of the n-type semiconductor layer 4b. Description of the common manufacturing method is omitted.

光吸収層3bであるCIGS・AIGS・ACIGSの透明電極5が形成される側の表面領域の一部をn型化することによりホモ接合素子構造とすることができる。光吸収層3bのn型化は、CIGS・AIGS・ACIGSのCu・Ag(Ib族元素)サイトをMg、Zn又はCdの少なくとも一つの元素により置換することにより行うことができる。Cdによる置換は環境負荷の観点から推奨されないが、原理的には可能である。また、Se(VIb族元素)サイトをSb或いはBiで置換することでも光吸収層3bのn型化によるn型半導体層4bの形成が可能である。   A homojunction element structure can be obtained by converting a part of the surface region on the side where the transparent electrode 5 of CIGS / AIGS / ACIGS which is the light absorption layer 3b is formed into an n-type. The light absorption layer 3b can be made to be n-type by replacing the Cu • Ag (Ib group element) site of CIGS • AIGS • ACIGS with at least one element of Mg, Zn, or Cd. Replacement with Cd is not recommended from the viewpoint of environmental load, but it is possible in principle. Further, the n-type semiconductor layer 4b can be formed by replacing the Se (VIb group element) site with Sb or Bi to make the light absorption layer 3b n-type.

Cu/Agサイトの置換は、nドーパントであるMg、Zn又はCd等のいずれかを含む60℃以上80℃以下の溶液(例えば、硫酸塩)に、p型光吸収層3bまで堆積した基板1(下部電極2)20分間程度浸す。処理した部材を溶液から取り出し、水洗いした後、処理した部材を乾燥させることが好ましい。   Substitution of the Cu / Ag site is a substrate 1 deposited up to a p-type light absorption layer 3b in a solution (for example, sulfate) of 60 ° C. or more and 80 ° C. or less containing any one of n dopants such as Mg, Zn, and Cd. (Lower electrode 2) Immerse for about 20 minutes. The treated member is preferably removed from the solution, washed with water and then dried.

Se(VIb族元素)サイトの置換は、蒸着原料としてBi或いはSbをCu、In、Ga及びSeと共に用い、n層を真空蒸着法により堆積することで形成できる。VIb族元素であるSeサイトをVb族元素である少量のBi或いはSbで置換することによりn型化が可能となる。
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。
The substitution of Se (VIb group element) site can be formed by using Bi or Sb as an evaporation source together with Cu, In, Ga and Se and depositing an n layer by a vacuum evaporation method. By replacing the Se site, which is a VIb group element, with a small amount of Bi or Sb, which is a Vb group element, n-type conversion is possible.
Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated more concretely.

(実施例1)
基板1として青板ガラス基板を用い、スパッタ法により裏面電極2となるMo薄膜を700nm程度堆積する。スパッタは、Moをターゲットとし、Arガス雰囲気中でRF200W印加することにより行う。
裏面電極2となるMo薄膜堆積後、光吸収層3bとなるCuGaSe薄膜をTri−Phase法により2μm程度堆積する。まず、CuSe膜を真空蒸着で堆積した後、RHEEDの反射像を確認しながら、液相化する温度まで基板加熱を行う。融液の形成を確認後、Ga及びSeを堆積し、その後、バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSe(Ga/(In+Ga)=0.8)を堆積し、最後に再びGa及びSeを堆積する。
Example 1
A blue glass substrate is used as the substrate 1, and a Mo thin film to be the back electrode 2 is deposited by about 700 nm by sputtering. Sputtering is performed by applying RF 200 W in an Ar gas atmosphere using Mo as a target.
After the Mo thin film to be the back electrode 2 is deposited, a CuGaSe 2 thin film to be the light absorption layer 3b is deposited by about 2 μm by the Tri-Phase method. First, after depositing a Cu 2 Se film by vacuum deposition, the substrate is heated to a temperature at which it becomes liquid phase while confirming a reflection image of RHEED. After confirming the formation of the melt, Ga and Se are deposited. Thereafter, In, Ga and Se (Ga / (In + Ga) = 0.8) are deposited for fine adjustment of the band inclination, and finally Ga and Se are again deposited. To deposit.

得られた光吸収層3bの一部をn型化するため、光吸収層3bまで堆積した部材を0.08mMの硫酸カドミウム溶液に浸し、80℃で22分反応させる。これにより光吸収層3bの表面側100nm程度にCdがドーピングされたn型半導体層4bが形成される。このn型半導体層4b上に保護膜5となる半絶縁層ZnO薄膜をスパッタ法により堆積する。成膜は界面でのプラズマダメージを考慮して、50WのRF(高周波)出力で行う。続いて、この保護膜5上に、透明電極6となるアルミナ(Al)を2wt%含有するZnO:Alを1μm程度堆積する。さらに、取り出し電極7として、Alを蒸着法にて堆積する。膜厚は300nmとする。最後に反射防止膜8としてMgFをスパッタ法により堆積することにより、実施形態の光電変換素子200を得ることができる。 In order to make a part of the obtained light absorption layer 3b n-type, the member deposited up to the light absorption layer 3b is immersed in a 0.08 mM cadmium sulfate solution and reacted at 80 ° C. for 22 minutes. As a result, an n-type semiconductor layer 4b doped with Cd on the surface side of the light absorption layer 3b of about 100 nm is formed. A semi-insulating layer ZnO thin film to be the protective film 5 is deposited on the n-type semiconductor layer 4b by sputtering. Film formation is performed with an RF (high frequency) output of 50 W in consideration of plasma damage at the interface. Subsequently, about 1 μm of ZnO: Al containing 2 wt% of alumina (Al 2 O 3 ) to be the transparent electrode 6 is deposited on the protective film 5. Further, Al is deposited as an extraction electrode 7 by an evaporation method. The film thickness is 300 nm. Finally, by depositing MgF 2 as the antireflection film 8 by sputtering, the photoelectric conversion element 200 of the embodiment can be obtained.

得られた光電変換素子200の層の厚さ方向のGa/(In+Ga)モル比分布、粒径、開放端電圧(Voc)及び短絡電流密度(Jsc)を測定した。   Ga / (In + Ga) molar ratio distribution, particle size, open-circuit voltage (Voc), and short-circuit current density (Jsc) in the thickness direction of the layer of the obtained photoelectric conversion element 200 were measured.

SEM分析から平均粒径は2μmであった。また、SIMS分析から光吸収層3bの層の厚さ方向でのGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)は1.25となった。   From the SEM analysis, the average particle size was 2 μm. Further, from the SIMS analysis, the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio in the thickness direction of the light absorption layer 3b was 1.25.

ソーラーシミュレータによりAM1.5の擬似太陽光照射下で、電圧源とマルチメータを用い、電圧源の電圧を変化させ、擬似太陽光照射下での電流が0mAとなる電圧を測定して開放端電圧(Voc)を得て、電圧を印加しない時の電流を測定して短絡電流密度(Jsc)を得た。   Using a solar simulator under a simulated sunlight irradiation of AM1.5, using a voltage source and a multimeter, changing the voltage of the voltage source, measuring the voltage at which the current under simulated sunlight irradiation is 0 mA, and measuring the open circuit voltage (Voc) was obtained, and the current when no voltage was applied was measured to obtain the short circuit current density (Jsc).

(実施例2)
光吸収層3bにCuIn0.2Ga0.8Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.6となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.8となるIn、GaとSeを堆積する。
(Example 2)
Except using CuIn 0.2 Ga 0.8 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. In order to finely adjust the band inclination, the composition of the deposition of In, Ga and Se is adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.6, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.8 again. And Se are deposited.

(実施例3)
光吸収層3bにCuIn0.5Ga0.5Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.4となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.5となるIn、GaとSeを堆積する。
(Example 3)
Except using CuIn 0.5 Ga 0.5 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. In order to finely adjust the band inclination, the composition of the deposition of In, Ga and Se is adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.4, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.5 again. And Se are deposited.

(実施例4)
光吸収層3bにAgIn0.5Ga0.5Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.4となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.5となるIn、GaとSeを堆積する。
Example 4
Except using AgIn 0.5 Ga 0.5 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. In order to finely adjust the band inclination, the composition of the deposition of In, Ga and Se is adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.4, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.5 again. And Se are deposited.

(実施例5)
光吸収層3bにAgIn0.75Ga0.25Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.2となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.25となるIn、GaとSeを堆積する。
(Example 5)
A thin film solar cell is manufactured in the same manner as in Example 1 except that an AgIn 0.75 Ga 0.25 Se 2 thin film is used for the light absorption layer 3b. In order to finely adjust the band inclination, the composition of the deposition of In, Ga and Se is adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.2, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.25 is obtained again. And Se are deposited.

(実施例6)
光吸収層3bにAgIn0.93Ga0.07Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.05となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.07となるIn、GaとSeを堆積する。
(Example 6)
Except using AgIn 0.93 Ga 0.07 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. In order to finely adjust the band tilt, the composition of In, Ga and Se is adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.05, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.07 is obtained again. And Se are deposited.

(実施例7)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
(Example 7)
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 1 is used except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a instead of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例8)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例2と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
(Example 8)
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 2 is applied except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a in place of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例9)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例3と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
Example 9
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 3 is applied except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a instead of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例10)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例4と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
(Example 10)
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 4 is applied except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a in place of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例11)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例5と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
(Example 11)
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 5 is applied except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a instead of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例12)
ヘテロ接合型とするために、n型半導体層4bを形成するためのn型ドーピング工程に変えて、n型半導体層4aを光吸収層3a上に堆積すること以外は実施例6と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。n型半導体層4aとしては、CdSを50nm堆積する。成膜法には、CBD法を用い、液相成長で行う。
(Example 12)
In order to obtain a heterojunction type, the same method as in Example 6 is used except that the n-type semiconductor layer 4a is deposited on the light absorption layer 3a instead of the n-type doping step for forming the n-type semiconductor layer 4b. A thin film solar cell is manufactured. As the n-type semiconductor layer 4a, 50 nm of CdS is deposited. As a film forming method, a CBD method is used and liquid phase growth is performed.

(実施例13)
光吸収層3bにCu0.3Ag0.7In0.5Ga0.5Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。CuSe膜の代わりにCu0.6Ag1.4Seを堆積し、結晶成長促進のための融液層とする。
(Example 13)
Except using Cu 0.3 Ag 0.7 In 0.5 Ga 0.5 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. Cu 0.6 Ag 1.4 Se is deposited instead of the Cu 2 Se film to form a melt layer for promoting crystal growth.

(実施例14)
光吸収層3bにCu0.3Ag0.7In0.7Ga0.3Se薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。CuSe膜の代わりにCu0.6Ag1.4Seを堆積し、結晶成長促進のための融液層とする。
(Example 14)
Except using Cu 0.3 Ag 0.7 In 0.7 Ga 0.3 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 1. Cu 0.6 Ag 1.4 Se is deposited instead of the Cu 2 Se film to form a melt layer for promoting crystal growth.

(実施例15)
光吸収層3bにGa/(In+Ga)が単一傾斜となる薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、最後に、InとSeのみを堆積する。
(Example 15)
A thin film solar cell is manufactured by the same method as in Example 1 except that a thin film having a single slope of Ga / (In + Ga) is used for the light absorption layer 3b. Finally, only In and Se are deposited for fine adjustment of the band inclination.

(比較例1)
光吸収層3bにCuIn0.6Ga0.4Se薄膜を用いること以外は実施例2と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.2となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.4となるIn、GaとSeを堆積する。バンドギャップが狭く、1.3eV程度になるため、Vocが低下する。
(Comparative Example 1)
Except using CuIn 0.6 Ga 0.4 Se 2 thin film in the light-absorbing layer 3b is prepared a thin film solar cell in the same manner as in Example 2. Due to the fine adjustment of the band tilt, the composition of the deposition of In, Ga and Se was adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.2, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.4 again. And Se are deposited. Since the band gap is narrow and becomes about 1.3 eV, Voc is lowered.

(比較例2)
光吸収層3bにAgIn0.95Ga0.05Se薄膜を用いること以外は実施例4と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In及びSeを堆積し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.05となるIn、GaとSeを堆積する。バンドギャップが狭くなり、Vocが低下する。
(Comparative Example 2)
A thin film solar cell is manufactured in the same manner as in Example 4 except that an AgIn 0.95 Ga 0.05 Se 2 thin film is used for the light absorption layer 3b. In order to finely adjust the band inclination, In and Se are deposited, and finally, In, Ga and Se are again deposited so that Ga / (In + Ga) = 0.05. A band gap becomes narrow and Voc falls.

(比較例3)
光吸収層3bにCuIn0.6Ga0.4Se薄膜を用いること以外は実施例8と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In、Ga及びSeの堆積はGa/(In+Ga)=0.2となるように組成を調整し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.4となるIn、GaとSeを堆積する。バンドギャップが狭く、1.3eV程度になるため、Vocが低下する。
(Comparative Example 3)
A thin-film solar cell is manufactured by the same method as in Example 8 except that a CuIn 0.6 Ga 0.4 Se 2 thin film is used for the light absorption layer 3b. Due to the fine adjustment of the band tilt, the composition of the deposition of In, Ga and Se was adjusted so that Ga / (In + Ga) = 0.2, and finally, In, Ga where Ga / (In + Ga) = 0.4 again. And Se are deposited. Since the band gap is narrow and becomes about 1.3 eV, Voc is lowered.

(比較例4)
光吸収層3bにAgIn0.95Ga0.05Se薄膜を用いること以外は実施例10と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。バンド傾斜の微調のため、In及びSeを堆積し、最後に再びGa/(In+Ga)=0.05となるIn、GaとSeを堆積する。バンドギャップが狭くなり、Vocが低下する。
(Comparative Example 4)
A thin film solar cell is manufactured in the same manner as in Example 10 except that an AgIn 0.95 Ga 0.05 Se 2 thin film is used for the light absorbing layer 3b. In order to finely adjust the band inclination, In and Se are deposited, and finally, In, Ga and Se are again deposited so that Ga / (In + Ga) = 0.05. A band gap becomes narrow and Voc falls.

(比較例5)
光吸収層3bの製造方法に3段階法を用いること以外は実施例2と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。粒径が1μm程度と小さく、バンドの二重傾斜は形成されるが、Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が2.25となり、キャリアの再結合が増大することでVoc、Jsc共に低下する。
表1に結果をまとめて示す。測定結果は、A:良い→B→C:悪いで表す。
(Comparative Example 5)
A thin-film solar cell is manufactured by the same method as in Example 2 except that a three-stage method is used for the manufacturing method of the light absorption layer 3b. Although the particle size is as small as about 1 μm and a double slope of the band is formed, the (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is 2.25, and the recombination of carriers is increased to increase Voc. , Jsc decreases.
Table 1 summarizes the results. The measurement result is expressed as A: good → B → C: bad.

モル比は、Ga/(In+Ga)のモル比を表す。
η=Voc・Jsc・FF/P・100
The molar ratio represents a molar ratio of Ga / (In + Ga).
η = Voc · Jsc · FF / P · 100

実施例の光電変換素子は、ホモ型、ヘテロ型のいずれであっても、Ga/(In+Ga)のモル比の最大値及び最小値が好適に制御された変換効率に優れたものが得られた。
組成範囲を逸脱し、バンドギャップが小さくなるとVocが低下するため好ましくない。また、Ga/(In+Ga)のモル比の最大値及び最小値が小さ過ぎるとキャリアが容易に移動できずにJscが低下し、逆に、大きすぎるとバンドの二重傾斜の谷やpn接合界面でキャリアの再結合が生じてJscが低下する。
Even if the photoelectric conversion element of an Example was either a homo-type or a hetero type, the thing excellent in the conversion efficiency by which the maximum value and minimum value of the molar ratio of Ga / (In + Ga) were controlled suitably was obtained. .
Deviating from the composition range and reducing the band gap is not preferable because Voc decreases. On the other hand, if the maximum value and the minimum value of the molar ratio of Ga / (In + Ga) are too small, the carrier cannot move easily and Jsc is lowered. Conversely, if it is too large, the double inclined valley of the band or the pn junction interface Thus, carrier recombination occurs and Jsc decreases.

明細書中、元素の一部は元素記号のみで表している。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
In the specification, some elements are represented only by element symbols.
The embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, you may combine suitably the component covering different embodiment like a modification.

1…基板、2…裏面電極、3…p型光吸収層、4…n型半導体層、5…透明電極、6…反射防止膜、100、200…光電変換素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Back electrode, 3 ... p-type light absorption layer, 4 ... n-type semiconductor layer, 5 ... Transparent electrode, 6 ... Antireflection film, 100, 200 ... Photoelectric conversion element

Claims (10)

バンドギャップが1.39eV以上1.68eV以下であるCu(InGa1−y)Se(前記yは0≦y≦0.35を満たす)を満たす化合物半導体層、又は、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下である(CuAg1−x)(InGa1−y)Se(前記xは0<x1を、前記yは0≦y≦1を満たす)を満たす化合物半導体層であって、前記化合物半導体層の厚さ方向のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.0以上1.5以下であるp型光吸収層と、
前記p型光吸収層とpn接合するn型半導体層と、
前記n型半導体層上に配置された透明電極とを有することを特徴とする光電変換素子。
A compound semiconductor layer satisfying Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 having a band gap of 1.39 eV or more and 1.68 eV or less (where y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.35 ), or a band gap of 1 (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 (in which x satisfies 0 <x < 1 and y satisfies 0 ≦ y ≦ 1) which is not less than .28 eV and not more than 1.68 eV. A p-type light absorption layer, which is a compound semiconductor layer to be satisfied, wherein (maximum value / minimum value) of Ga / (In + Ga) molar ratio in the thickness direction of the compound semiconductor layer is 1.0 or more and 1.5 or less;
An n-type semiconductor layer pn-junction with the p-type light absorption layer;
A photoelectric conversion element comprising a transparent electrode disposed on the n-type semiconductor layer.
前記Ga/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.1以上1.4以下であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。   2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein (maximum value / minimum value) of the Ga / (In + Ga) molar ratio is 1.1 or more and 1.4 or less. 前記p型光吸収層の平均結晶粒径は、1000nm以上2500nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。   3. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein an average crystal grain size of the p-type light absorption layer is 1000 nm or more and 2500 nm or less. 前記p型光吸収層の厚さ方向に、Ga/(In+Ga)モル比が濃度分布の谷を有する二重傾斜をすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換素子。   4. The photoelectric device according to claim 1, wherein a Ga / (In + Ga) molar ratio has a double slope having a valley of a concentration distribution in a thickness direction of the p-type light absorption layer. 5. Conversion element. 前記n型半導体層は前記p型光吸収層と同一元素を有する化合物半導体層であって、
前記p型光吸収層とn型半導体層のGa/(In+Ga)モル比の(最大値/最小値)が1.0以上1.5以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
The n-type semiconductor layer is a compound semiconductor layer having the same element as the p-type light absorption layer,
The Ga / (In + Ga) molar ratio (maximum value / minimum value) of the p-type light absorption layer and the n-type semiconductor layer is 1.0 or more and 1.5 or less. The photoelectric conversion element of Claim 1.
前記化合物半導体層はCu(InGa1−y)Seであって、Ga/(In+Ga)モル比は0.65以上1以下、又は、
前記xは0より大きく1より小さい値であって、Ga/(In+Ga)モル比は0.07より大きく1より小さい値であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
The compound semiconductor layer is Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 , and the Ga / (In + Ga) molar ratio is 0.65 or more and 1 or less , or
The x is a value larger than 0 and smaller than 1, and a Ga / (In + Ga) molar ratio is a value larger than 0.07 and smaller than 1. 6. Photoelectric conversion element.
前記請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光電変換素子を用いてなることを特徴とする太陽電池。   A solar cell comprising the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6. p型光吸収層を、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、前記化合物を融点以上に加熱し、次いで、GaとSeを堆積し、次いで、In、Ga及びSeを堆積し、次いで、Ga及びSeを堆積して形成し、又は、Cu又はAg、及びSeからなる化合物を裏面電極上に堆積し、次いで、前記化合物を融点以上に加熱し、次いで、GaとSeを堆積し、次いで、InとSeを堆積してp型光吸収層を形成し、
前記p型光吸収層上にn型半導体層を形成し、
前記n型半導体層上に透明電極を形成し、
前記p型光吸収層は、バンドギャップが1.39eV以上1.68eV以下であるCu(InGa1−y)Se(前記yは0≦y≦0.35を満たす)を満たす化合物半導体層、又は、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下である(CuAg1−x)(InGa1−y)Se(前記xは0<x1を、前記yは0≦y≦1を満たす)を満たす化合物半導体層であることを特徴とする光電変換素子の製造方法。
A p-type light absorbing layer is deposited on the back electrode with a compound comprising Cu or Ag and Se, then the compound is heated above its melting point, then Ga and Se are deposited, then In, Ga and Deposit Se, then form Ga and Se, or deposit a compound consisting of Cu or Ag, and Se on the back electrode, then heat the compound above the melting point, then Ga And Se, and then deposit In and Se to form a p-type absorber layer,
Forming an n-type semiconductor layer on the p-type absorber layer;
Forming a transparent electrode on the n-type semiconductor layer;
The p-type light absorption layer is a compound semiconductor satisfying Cu (In y Ga 1-y ) Se 2 (where y satisfies 0 ≦ y ≦ 0.35 ) having a band gap of 1.39 eV or more and 1.68 eV or less. (Cu x Ag 1-x ) (In y Ga 1-y ) Se 2 in which the layer or the band gap is 1.28 eV or more and 1.68 eV or less (where x is 0 <x < 1, and y is 0) A method of manufacturing a photoelectric conversion element, which is a compound semiconductor layer satisfying (≦ y ≦ 1).
前記n型半導体層は、化合物薄膜を堆積することによって形成する、又は、前記p型光吸収層をn型化することによって形成することを特徴とする請求項8に記載の光電変換素子の製造方法。   The said n-type semiconductor layer is formed by depositing a compound thin film, or formed by making the said p-type light absorption layer into n-type, The manufacture of the photoelectric conversion element of Claim 8 characterized by the above-mentioned. Method. 前記請求項8又は9に記載の製造方法によって光電変換素子を製造したことを特徴とする太陽電池の製造方法。   A method for producing a solar cell, wherein a photoelectric conversion element is produced by the production method according to claim 8 or 9.
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