JP5904361B2 - Cis系薄膜太陽電池、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このCIS系薄膜太陽電池の変換効率を上げるためには、いかに透明導電膜の抵抗率を下げるかが大きな課題となっている。
特許文献1に、MOCVD法によって製膜される酸化亜鉛系の透明導電膜について、この抵抗率を下げる技術が提案されている。
具体的には、MOCVD法により基板上に酸化亜鉛系の透明導電膜を形成するに際し、チャンバー内に純水とジメチル亜鉛又はジエチル亜鉛の有機金属材料とをそれぞれキャリアガスにより供給すると共に、ジボラン又はホウ素、ガリウム、もしくはアルミニウムを含む有機化合物をチャンバー内に供給し、チャンバー内に配置された基板に254nm以下の波長の紫外光を照射すると共に、基板を所定の温度に加熱しながら上記ガス圧力下で製膜を行なうことが記載されている。
これは、紫外光の照射によって透明導電膜の抵抗率は下がったが、透明導電膜製膜の過程で照射された紫外光により、バッファ層とCIS系光吸収層とのpn接合(ジャンクション)が劣化してしまい、言い換えるならば、ダメージを受けてしまい、結果的に太陽電池の変換効率が落ちるためである。
また、上記紫外光の波長は、340nm以下としてもよい。
図1は、酸化亜鉛(ZnO)系の透明導電膜114を積層したCIS系薄膜太陽電池1を示しており、この透明導電膜114は、本発明の実施形態に係る透明導電膜の製造方法を用いて製膜されている。
本実施形態において、裏面電極層111はモリブデン(Mo)から構成される。なお、裏面電極層の材料として、モリブデン以外には、チタン(Ti)、クロム(Cr)等の金属から構成されてもよい。
p型CIS系光吸収層112は、p型の導電性を有するI−III−VI2族カルコパイライト構造の厚さ1〜3μmの薄膜であり、例えば、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、Cu(InGa)(SSe)2等の多元化合物半導体薄膜である。p型CIS系光吸収層としては、その他、セレン化合物系CIS系光吸収層、硫化物系CIS系光吸収層及びセレン化・硫化物系CIS系光吸収層があり、前記セレン化合物系CIS系光吸収層は、CuInSe2、Cu(InGa)Se2又はCuGaSe2からなり、前記硫化物系CIS系光吸収層は、CuInS2、Cu(InGa)S2、CuGaS2からなり、前記セレン化・硫化物系CIS系光吸収層は、CuIn(SSe)2、Cu(InGa)(SSe)2、CuGa(SSe)2からなる。
p型CIS系光吸収層112は、セレン化/硫化法や多元同時蒸着法により製膜される。
なお、本実施形態において、p型CIS系光吸収層112は、セレン化法よって製膜されたCu(InGa)Se2によって構成される。
さらに、CIS系光吸収層112の代わりに、Cu、Zn、Sn、S又はSeを含む、I2−II−IV−VI4族化合物半導体からなるCZTS系光吸収層を用いても、本発明は適用可能である。
また、n型バッファ層113の製膜方法としては、CBD法以外に、ALD(Atomic Layer Deposition)法や、その他の蒸着法であってもよい。
さらに、n型バッファ層113と透明導電膜114との間に、n型バッファ層113とは別に、ドーパントを含まない酸化亜鉛膜(ZnO膜)を備えてもよい。
第1の透明電極膜114aはMOCVD法に基づき製膜される際に、紫外光を照射しないで製膜されている。また第2の透明電極膜114bはMOCVD法に基づき製膜される際に、紫外光を照射して製膜されている。これら2層の透明電極膜114aおよび114bにより透明電極膜114が構成されている。
なお、本実施形態において、酸化亜鉛系の透明導電膜114のドーパントとしてボロンを用いたが、本発明はこれに限らず、ドーパントとしてアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、又はインジウム(In)も適用可能である。
MOCVD装置2は、図2に示されるように、有機金属材料のジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2、以下、「DEZ」という)、及び水(H2O)と、キャリアガスとをバブリングして混合ガスを生成するバブラー21a、21b、チャンバー26内に窒素(N2)又はアルゴン(Ar)等の不活性なキャリアガスを供給するキャリアガス供給源22a、n型ドーピングガスのトリエチルボラン(B(C2H5)3)(トリエチルボランに代えてトリメチルボラン((CH3)3B)やジボラン(B2H6)等でもよい)を供給するドーピングガス供給源22b、キャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラ23a、23b、ドーピングガスの流量を制御するマスフローコントローラ23c、DEZ、水(H2O)、及びトリエチルボラン(B(C2H5)3)からなる製膜原料をバブラー21a、21bないしはドーピングガス供給源22bからチャンバー26内へ供給する供給管24a、24b、製膜原料を基板に噴射するノズル25、製膜処理の処理炉となるチャンバー26、基板を載置するホットプレート27等から構成される。
そして、本MOCVD装置2には、チャンバー26内の基板載置部の上部に紫外光の照射源28となるエキシマランプが設けられており、装置上部に取り付けられたエキシマランプの紫外光を、ホットプレート27に載置された基板に照射できるように構成されている。この紫外光の照射源28としては、エキシマランプの他、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、あるいは重水素ランプなどを用いることができる。この紫外光の波長としては、340nm以下で、酸化亜鉛膜が吸収可能な波長を選択すればよい。
まず、基板10上に裏面電極層111、p型CIS系光吸収層112、及びn型バッファ層113を順次積層した太陽電池半製品基板12を、チャンバー26内のホットプレート27上に設置し、太陽電池半製品基板12を130〜250℃(後述の実施例では185℃)の温度範囲に加熱する。
そして、生成した混合ガスを、供給管24a、24bを介して、減圧したチャンバー26内に供給する。
なお、ボロン(B)は、抵抗率を調整するためのドーパントであり、このドーパントには、ボロン(B)の他に、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)のいずれか1つ又はこれらの組合せを用いることができる。
この第1の透明導電膜114aの製膜工程では、照射源28から紫外光が照射されない状態で、酸化亜鉛(ZnO)からなる第1の透明導電膜114aが形成される(第1の透明導電膜製膜工程)。
ホットプレート27上に戴置された上述の第1の透明導電膜114aを積層した基板に対して、照射源28から紫外光を照射する。
なおこの際も、ドーパントとして、ボロン(B)に代えて、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)のいずれか1つ又はこれらの組合せを用いることができる。
これにより、紫外線を照射した状態で、第2の透明導電膜114bが製膜され(第2の透明導電膜製膜工程)、CIS系薄膜太陽電池1が完成する。
結果、本実施形態に係る発明によれば、pn接合のダメージを抑えつつ、透明導電膜114の抵抗率を下げることが可能となり、結果、CIS系薄膜太陽電池1自体の変換効率を向上させることができる。
図3に示すサンプルA〜Cの例は、基板(図示せず)上に、裏面電極層(図示せず)、Cu(InGa)Se2からなるp型CIS系光吸収層112、膜厚120nmのZn(O、S、OH)Xからなるn型バッファ層113、ボロンがドープされた酸化亜鉛(BZO)からなる透明導電膜114が順に積層されたCIS系薄膜太陽電池である。
従来例となるサンプルBの透明導電膜1114Bは、紫外光が照射された状態でMOCVD法を用いて製膜された透明導電膜のみで構成されており、膜厚が1600nm、抵抗率が1.0×10−3Ω・cmである。
本発明の実施例となるサンプルCの透明導電膜114は、上述の本発明の実施形態を適用して、紫外光の照射なしにMOCVD法によって製膜された膜厚800nmの第1の透明導電膜114aと、紫外光が照射された状態でMOCVD法により製膜された膜厚800nmの第2の透明導電膜114bの2層構造で構成されたものである。
この結果から、本発明に係るサンプルCにおいては、紫外光によるpn接合のダメージを抑えつつ、透明導電膜の低抵抗化が可能となり、結果、変換効率の向上を達成できたことがわかる。
他の実施例として作製したサンプルDの変換効率は、15.6%であった。この結果から、n型バッファ層113の膜厚を変更したとしても、本発明の効果が十分に得られることが分かる。
11 太陽電池セル
111 裏面電極層
112 p型CIS系光吸収層
113 n型バッファ層
114 透明導電膜
114a 第1の透明導電膜
114b 第2の透明導電膜
21 バブラー、
22a キャリアガス供給源
22b ドーピングガス供給源
23a,b マスフローコントローラ
23c マスフローコントローラ
24a、24b 供給管
25 ノズル
26 チャンバー
27 ホットプレート
28 紫外光の照射源
Claims (1)
- 基板上に、裏面電極層、p型CIS系光吸収層、n型バッファ層、酸化亜鉛膜、酸化亜鉛系の透明導電膜を順次積層したCIS系薄膜太陽電池の製造方法であって、
上記p型CIS系光吸収層上に積層された上記n型バッファ層と酸化亜鉛系の透明導電膜の間に、ドーパントを含まない酸化亜鉛膜を製膜する工程と、
上記p型CIS系光吸収層とpn接合を形成する上記n型バッファ層上に、紫外光を照射せずに有機金属化学気相蒸着法により第一の酸化亜鉛系透明導電膜を製膜する工程と、
上記製膜された第一の透明導電膜上に、酸化亜鉛膜が吸収可能な340nm以下の波長からなる紫外光を照射しながら有機金属化学気相蒸着法により第二の酸化亜鉛系透明導電膜を製膜する工程と、
を有することを特徴とするCIS系薄膜太陽電池の製造方法。
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