JP5902592B2

JP5902592B2 - 光電変換装置の製造方法

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Publication number: JP5902592B2
Application number: JP2012209845A
Authority: JP
Inventors: 宏治宮内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP2014067746A

Description

本発明は、複数の光電変換セルが電気的に接続された光電変換装置に関する。

太陽光発電などに使用される光電変換装置として、基板の上に複数の光電変換セルが設けられたものがある（例えば、特許文献１など）。

このような光電変換装置は、ガラスなどの基板の上に、金属電極などの下部電極層と、ＣＩＧＳ等の金属カルコゲナイドを含む光電変換層と、透明導電膜とを、この順に積層した光電変換セルが、平面的に複数併設されて構成されている。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの透明導電膜と他方の下部電極層とが接続導体で接続されることで、電気的に直列接続されている。

光電変換装置には光電変換効率の向上が常に要求されている。金属カルコゲナイドを含む光電変換層を用いた光電変換装置の光電変換効率を高めるため、ナトリウム等のアルカリ金属元素を含む基板を用い、この基板から光電変換層中にアルカリ金属元素を拡散させることが提案されている（例えば、特許文献２など）。

特開２０００−２９９４８６号公報特開２００４−０４７９１７号公報

基板からアルカリ金属元素を拡散させる場合、Ｍｏ等から成る下部電極層を介して光電変換層中に拡散するアルカリ金属元素の量と、下部電極層間の間隙を通り、下部電極層を介さずに光電変換層中に拡散するアルカリ金属元素の量とで違いが生じやすくなる。そのため、下部電極層上の光電変換層へのアルカリ金属元素の拡散量を高めようとすると、下部電極層間の間隙付近に位置する光電変換層におけるアルカリ金属元素の拡散量が過剰となり、光電変換層の剥離が生じやすくなる。そのため、光電変換効率を高めるのが困難である。

本発明の一つの目的は、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法は、第１濃度でアルカリ金属元素を含む基板上に第１の下部電極層および第２の下部電極層を間隙をあけて併設する工程と、前記間隙内に前記第１濃度よりも低い第２濃度でアルカリ金属元素を含む高抵抗層を形成する工程と、前記基板を加熱しながら前記第１の下部電極層上から前記高抵抗層上を経て前記第２の下部電極層上にかけて金属カルコゲナイドを含む半導体層を形成する工程とを具備する。そして、前記高抵抗層を形成する工程は、前記半導体層を形成する工程の際に
前記第１の下部電極層を介して前記半導体層へ拡散するアルカリ金属元素の量および前記高抵抗層を介して前記半導体層へ拡散するアルカリ金属の量が近似するように前記高抵抗層を形成する工程である。

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置の一例を示す斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。図１の光電変換装置の平面透視図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。光電変換装置の製造途中の様子を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。

＜（１）光電変換装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の製造方法を用いて作製した光電変換装置１１の一例を示す斜視図である。図２は、図１の光電変換装置１１のＸＺ断面図である。また、図３は図１の光電変換装置を上面側（＋Ｚ側）から見た透視図である。なお、図１から図９には、光電変換セル１０の配列方向（図１の図面視左右方向）をＸ軸方向とする右手系のＸＹＺ座標系が付されている。

光電変換装置１１は、基板１上に複数の光電変換セル１０が併設されている。なお、図１〜図３においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみを示しているが、実際の光電変換装置１１においては、図面のＸ軸方向、或いは更に図面のＹ軸方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されていてもよい。

図１〜３において、基板１上に複数の下部電極層２が平面配置されている。隣接する下部電極層２のうち、一方の下部電極層２ａ（以下、第１の下部電極層２ａともいう）上から他方の下部電極層２ｂ（以下、第２の下部電極層２ｂともいう）上にかけて、第１の半導体層３および第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４が設けられている。そして、第２の下部電極層２ｂ上において、接続導体７が第２の下部電極層２ｂと第２の半導体層４とを電気的に接続するように設けられている。これら、下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）、第１の半導体層３、第２の半導体層４および接続導体７を少なくとも含むことによって、１つの光電変換セル１０が構成される。そして、隣接する光電変換セル１０同士が第２の下部電極層２ｂによって電気的に接続されており、このような構成によって、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続された光電変換装置１１となる。

なお、本実施形態における光電変換装置１１は、第１の半導体層３に対して第２の半導体層４側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板１側から光が入射されるものであってもよい。

基板１は、複数の光電変換セル１０を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。例えば、基板１として、１〜３ｍｍ程度の厚さを有する青板ガラス（ソーダライムガラス）が用いられてもよい。

下部電極層２（第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂ）は、基板１上に設けられた、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体である。下部電極層２は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、０．２μｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。第１の下部電極層２ａおよび第２の下部電極層２ｂの間隙Ｐ１は、例えば、２０〜２００μｍとされ得る。

第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間の間隙Ｐ１には高抵抗層６が介在している。高抵抗層６は、後述する第１の半導体層３よりも電気抵抗率が１００倍以上高い材料である。これにより、第１の下部電極層２ａと第２の下部電極層２ｂとの間におけるリーク電流の発生が低減され、光電変換装置１１の光電変換効率が高められる。高抵抗層６としては、ケイ酸ガラスや石英ガラス等のガラス、シリカやアルミナ、チタニア等の無機化合物、ポリイミド等の有機樹脂等が挙げられる。

第１の半導体層３は第１導電型の半導体層であり、光吸収層として機能する。本実施形態では、第１の半導体層３は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有するｐ型半導体層を想定しているが、これに限定されない。また、第１の半導体層３は、金属カルコゲナイドを主として含んでいる。なお、金属カルコゲナイドを主として含むとは、金属カルコゲナイドを７０ｍｏｌ％以上含むことをいう。金属カルコゲナイドとは、金属元素とカルコゲン元素の化合物である。カルコゲン元素とは、VI−Ｂ族元素（１６族元素ともいう）のうち、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅをいう。金属カルコゲナイドとしては、例えば、Ｉ−III−VI族化合
物、Ｉ−II−IV−VI族化合物およびII−VI族化合物等が用いられてもよい。１μｍ〜３μｍ程度の薄膜でも高い光電変換効率が得られるという観点からは、金属カルコゲナイドとしてＩ−III−VI族化合物またはＩ−II−IV−VI族化合物が用いられてもよい。

Ｉ−III−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素（１１族元素ともいう）とIII−Ｂ族元素（１３族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素との化合物である。Ｉ−III−VI族化合物としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ_２（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（二セレン化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳＳともいう）等が挙げられる。あるいは、第１の半導体層３は、薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜にて構成されていてもよい。

Ｉ−II−IV−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素とII−Ｂ族元素（１２族元素ともいう）とIV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４−ｘＳｅ_ｘ（ＣＺＴＳＳｅともいう。なお、ｘは０より大きく４より小さい数である。）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、II−Ｂ族元素とVI−Ｂ族元素との化合物半導体である。II−VI族化合物としてはＣｄＴｅ等が挙げられる。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる第２導電型を有する半導体層である。第１の半導体層３および第２の半導体層４が電気的に接続されることにより、電荷を良好に取り出すことが可能な光電変換層が形成される。例えば、第１の半導体層３がｐ型であれば、第２の半導体層４はｎ型である。第１の半導体層３がｎ型で、第２の半導体層４がｐ型であってもよい。なお、第２の半導体層４は高抵抗層を含む複数層の積層体であってもよい。

第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｉ
ｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられる。この場合、第２の半導体層４は、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で１０〜２００ｎｍの厚みで形成される。なお、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、ＩｎとＯＨとＳとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎとＩｎとＳｅとＯＨとを主に含む化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎとＭｇとＯとを主に含む化合物をいう。

図１、図２のように、第２の半導体層４上にさらに上部電極層５が設けられていてもよい。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも抵抗率の低い層であり、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷を良好に取り出すことが可能となる。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層５の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であってもよい。

上部電極層５は、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ等の０．０５〜３μｍの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層５は第２の半導体層４と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成され得る。

また、図１〜３に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極８が形成されていてもよい。集電電極８は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極８は、例えば、図１〜３に示すように、光電変換セル１０の一端から接続導体７にかけて線状に形成されている。これにより、第１の半導体層３および第４の半導体層４で生じた電流が上部電極層５を介して集電電極８に集電され、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に導電される。

集電電極８は、第１の半導体層３への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、５０〜４００μｍの幅を有していてもよい。また、集電電極８は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。

集電電極８は、例えば、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストがパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。

図１、図２において、接続導体７は、第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を貫通（分断）する溝Ｐ２内に設けられた導体である。接続導体７は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図１、図２においては、集電電極８を延伸して接続導体７が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層５が延伸したものであってもよい。

＜（２）光電変換装置の製造方法＞
図４から図９は、光電変換装置１１の製造途中の様子をそれぞれ模式的に示す断面図である。なお、図４から図９で示される各断面図は、図２で示された断面に対応する部分の製造途中の様子を示す。

まず、ＮａやＫ等のアルカリ金属元素（アルカリ金属元素とは、水素を除く１族元素のことをいう）を第１濃度（基板１に含まれるアルカリ金属元素の合計濃度）で含有する基板１を用意する。第１濃度は、例えば０．８〜１６．５ａｔｏｍ％であればよい。このような濃度であれば、第１の半導体層３を形成する際、基板１中のアルカリ金属元素を良好に拡散させて第１の半導体層３の結晶成長を促進することができる。基板１としては、例えば、青板ガラス（ソーダライムガラス）を用いることができる。

そして、この基板１の略全面に、スパッタリング法等を用いて、Ｍｏ等からなる下部電極層２を成膜する。そして、下部電極層２の上面のうちのＹ方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の基板１の上面にかけて、溝状の間隙Ｐ１を形成する。間隙Ｐ１は、例えば、ＹＡＧレーザー等によるレーザー光を走査しつつ形成対象位置に照射することで溝加工を行なう、レーザースクライブ加工によって形成することができる。図４は、間隙Ｐ１を形成した後の状態を示す図である。

間隙Ｐ１を形成した後、この間隙Ｐ１内に、アルカリ金属元素の濃度が上記第１濃度よりも低い第２濃度でアルカリ金属元素を含む高抵抗層６を形成する。なお、この第２濃度はアルカリ金属元素を含んでいない場合をも含んでおり、第１濃度の０〜０．９倍程度、より好ましくは０〜０．５倍程度であればよい。このような高抵抗層６としては、例えば、無アルカリガラスペースト等を用いることができる。そして、この無アルカリガラスペーストをスクリーン印刷等の方法で間隙Ｐ１内に塗布することによって高抵抗層を作製できる。図５は、高抵抗層６を形成した後の状態を示す図である。

高抵抗層６を形成した後、下部電極層２および高抵抗層６の上に、基板１を加熱しながら金属カルコゲナイドを含む第１の半導体層３を形成する。なお、基板１を加熱しながら第１の半導体層３を形成する方法としては、例えば、以下に示されるような第１〜第３の方法を採用することができる。第１の方法は、基板１を例えば４００〜６００℃で加熱しながらスパッタリング法や蒸着法等で第１の半導体層３を形成する方法である。また、第２の方法は、スパッタリング法や蒸着法等で第１の半導体層３を形成した後、この第１の半導体層３および基板１を例えば４００〜６００℃で加熱する方法である。また、第３の方法は、第１の半導体層３と成る前駆体層を形成した後、この前駆体層および基板１を加熱して前駆体層を第１の半導体層３にする方法である。

このように基板１を加熱しながら第１の半導体層３を形成する際、基板１に含まれるアルカリ金属元素が下部電極層２あるいは高抵抗層６を介して第１の半導体層３中に熱拡散し、このアルカリ金属元素によって第１の半導体層３の結晶粒子の成長を促進させることができる。その際、アルカリ金属元素の濃度が基板１よりも低い高抵抗層６によって、下部電極層２を介して第１の半導体層３中へ拡散するアルカリ金属元素の量と、高抵抗層６を介して第１の半導体層３中へ拡散するアルカリ金属元素の量との差が小さくなるように調整することができる。その結果、第１の半導体層３が局所的（特に下部電極層２間の間隙付近）にアルカリ金属元素の拡散量が多くなって第１の半導体層３の剥離が生じやすくなるのを低減でき、高い光電変換効率を有する光電変換装置１１とすることができる。図６は、第１の半導体層３を形成した後の状態を示す図である。

なお、基板１から高抵抗層６を介して第１の半導体層３へ拡散するアルカリ金属元素の量は、高抵抗層６の厚みや高抵抗層６におけるアルカリ金属元素の濃度等を調整することによって変えることができる。そのため、基板１から下部電極層２を介して第１の半導体層３へ拡散するアルカリ金属元素の量、および、基板１から高抵抗層６を介して第１の半導体層３へ拡散するアルカリ金属元素の量が近似するように、これらの物理量を調整すればよい。

ここで上記第３の方法について以下に説明する。第３の方法における前駆体層は、例えば、スパッタリング法等を用いることによって、あるいは原料溶液を塗布することによって作製できる。前駆体層は第１の半導体層３を構成する金属カルコゲナイドの原料を含む層であってもよく、第１の半導体層３を構成する金属カルコゲナイドの微粒子を含む層であってもよい。前駆体層は、例えば、第１の半導体層３がＣＩＧＳであれば、前駆体層はＣｕ元素、Ｉｎ元素およびＧａ元素を単体あるいは化合物として含んでいてもよく、これらの金属元素に加えてさらにＳｅ元素も含んでいてもよい。あるいは、前駆体層がＣＩＧ
Ｓ粒子を含んでいてもよい。

前駆体層を形成した後、基板１および前記体層を例えば４００〜６００℃で加熱することによって、前駆体層３を結晶化して第１の半導体層３にする。この加熱の際の雰囲気としては、非酸化性ガス雰囲気（非酸化性ガスとしては、窒素やアルゴン等の不活性ガスや、水素等の還元性ガス等がある）、カルコゲンガス雰囲気（カルコゲンガスとしては、硫化水素や硫黄蒸気、セレン化水素、セレン蒸気、テルル化水素、テルル蒸気等がある）、あるいは非酸化性ガスとカルコゲンガスとの混合雰囲気等を用いることができる。

第１の半導体層３を形成した後、第１の半導体層３の上に、第２の半導体層４および上部電極層５を順に形成する。

第２の半導体層４は、溶液成長法（ＣＢＤ法ともいう）によって形成することができる。例えば、酢酸カドミウムとチオ尿素とをアンモニア水に溶解し、これに第１の半導体層３の形成まで行なった基板１を浸漬することで、第１の半導体層３の上にＣｄＳを含む第２の半導体層４を形成することができる。

上部電極層５は、例えば、Ｓｎが含まれた酸化インジウム（ＩＴＯ）等を主成分とする透明導電膜であり、スパッタリング法、蒸着法、またはＣＶＤ法等で形成することができる。図７は、第２の半導体層４および上部電極層５を形成した後の状態を示す図である。

上部電極層５を形成した後、上部電極層５の上面のうちのＹ方向に沿った直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層２の上面にかけて、接続導体６を形成するための溝部Ｐ２を形成する。第２溝部Ｐ２は、例えば、スクライブ針を用いたメカニカルスクライビング加工によって形成することができる。図８は、第２溝部Ｐ２を形成した後の状態を示す図である。第２溝部Ｐ２は、間隙Ｐ１よりも若干Ｘ方向（図中では＋Ｘ方向）にずれた位置に形成する。

溝部Ｐ２を形成した後、集電電極７および接続導体６を形成する。集電電極７および接続導体６については、例えば、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散した導電性を有するペースト（導電ペーストともいう）を、所望のパターンを描くように印刷し、これを加熱することで形成できる。図９は、集電電極７および接続導体６を形成した後の状態を示す図である。

集電電極７および接続導体６を形成した後、上部電極層５の上面のうちの直線状の形成対象位置からその直下の下部電極層２の上面にかけて、光電変換セル１０ごとに分割するための溝部Ｐ３を形成する。第３溝部Ｐ３の幅は、例えば、４０〜１０００μｍ程度とすることができる。また、第３溝部Ｐ３は、第２溝部Ｐ２と同様に、メカニカルスクライビング加工によって形成することができる。このようにして、第３溝部Ｐ３の形成によって、図１〜図３で示された光電変換装置１１を製作したことになる。

＜光電変換装置の他の例＞
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、高抵抗層６は複数の空孔を有していてもよい。このように空孔を有する場合、空孔によってアルカリ金属元素の拡散経路を狭めることでき、それによって基板１から第１の半導体層３へのアルカリ金属元素の制御をより容易にすることができる。また、このように高抵抗層６が空孔を有する場合、高抵抗層６の固体部と空孔との屈折率差によって光を良好に反射させることができる。よって、第１の半導体層３に吸収されずに透過してきた光を第１の半導体層３へ反射させることができ、さらに光電変換効率が高くなる。このような空孔を有する高抵抗層６は、例えばゾルゲル法を用いることによって、あるいはガラス粒子を含むペーストを用いて空孔が残存するようにペーストを固化することによって形成することができる。

１：基板
２：下部電極層
２ａ：第１の下部電極層
２ｂ：第２の下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
６：高抵抗層
７：接続導体
８：集電電極
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置

Claims

第１濃度でアルカリ金属元素を含む基板上に第１の下部電極層および第２の下部電極層を間隙をあけて併設する工程と、
前記間隙内に前記第１濃度よりも低い第２濃度でアルカリ金属元素を含む高抵抗層を形成する工程と、
前記基板を加熱しながら前記第１の下部電極層上から前記高抵抗層上を経て前記第２の下部電極層上にかけて金属カルコゲナイドを含む半導体層を形成する工程とを具備しており、
前記高抵抗層を形成する工程は、前記半導体層を形成する工程の際に前記第１の下部電極層を介して前記半導体層へ拡散するアルカリ金属元素の量および前記高抵抗層を介して前記半導体層へ拡散するアルカリ金属の量が近似するように前記高抵抗層を形成する工程である光電変換装置の製造方法。
前記高抵抗層として複数の気孔を有するものを用いる、請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
前記金属カルコゲナイドとしてＩ−III−VI族化合物またはＩ−II−IV−VI族化合物を
用いる、請求項１または２に記載の光電変換装置の製造方法。
前記第１の下部電極層および前記第２の下部電極層としてモリブデン元素を含むものを用いる、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。