JP6143737B2 - 化合物太陽電池および硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化合物太陽電池および硫化物単結晶(single crystal)ナノ粒子を有する薄膜の形成方法に関するものである。
近年、新興国の急速な発展により様々なエネルギー不足が発生し、世界的気候の変化、環境汚染、生態の激変も危機的な状況になってきている。そのため、長期的・世界的に使用することのできる無公害で無稀少な太陽エネルギーが各業界で注目と期待を集めている。現状において、太陽エネルギーで生成される電気は、費用が高く、電力供給の回数が不安定であるという理由から、依然として現在の化石エネルギーに取って代わることができない。しかしながら、長期的な目で見ると、温室効果をもたらす二酸化炭素の量を減らすことは必要不可欠であり、化石燃料を完全に消耗してしまう日が来ることも考えられるため、世界各国は、太陽エネルギーの製造技術の進歩によって、将来的に、太陽エネルギーを主流エネルギーにすることができるよう、太陽エネルギー産業の発展を推進する努力を図る必要がある。
現在、コスト削減は、太陽電池の重要な課題の1つであるため、近年、低コストのVI族化合物太陽電池が普及している。
VI族化合物太陽電池は、文字通りに解釈すると、周期表のVIA族元素を含む材料であり、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)またはテルル(Te)等の元素を含む。II族材料は、IIB族材料の亜鉛(Zn)およびカドミウム(Cd)を主とする。そのうち、化合物テルル化カドミウム(CdTe)が最も代表的なII‐VI族太陽電池材料とみなされ、結晶構造は、閃亜鉛鉱(zinc blende)である。I‐III‐VI族材料は、II‐VI族の変形で、II‐VI族化合物から派生したものであり、IIB族元素の代わりにIB族元素(CuまたはAg)およびIIIA族元素(In、GaまたはAl)を使用して、いわゆる黄銅鉱(chalcopyrite)結晶構造を形成する。ここ数十年間で、代表的な電池材料として、銅・インジウム・セレン(CuInSe2)、銅・インジウム・ガリウム・セレン(CuInGaSe2)および銅・亜鉛・錫・硫黄・セレン(Cu2ZnSn(S,Se)4)の化合物等が発展し、その結果、VI族太陽電池材料の研究が比較的進んでいる。
このような薄膜太陽電池の吸収層は、通常、n型のCdS層またはZnS層を半導体の接合界面として含み、その製造プロセスは、例えば、近接昇華法(close-spaced sublimation, CSS)、蒸気蒸着法または化学浴析出法(chemical bath deposition, CBD)を含む。しかしながら、最も一般的に使用される化学浴析出法(CBD)の温度は、通常、65℃〜75℃に制御されるため、後続のプロセスで温度が高くなりすぎた場合、デバイスに重度の劣化が生じ、接合界面に損傷を与える。その結果、後続のプロセス(例えば、透明電極の形成等)が全て高温で行えなくなる。また、化学浴析出法(CBD)は、さらに廃液の問題を有するため、非常に高額で複雑な排水処理が発生し、環境汚染や生態的影響の懸念も増加する。
CBDプロセスだけでなく、真空法等の多くのプロセス技術によりn型のCdS層またはZnS層を製造することができる。しかしながら、真空設備はコストが高く、作製歩留が低く、技術的なボトルネックが高いため、真空法を市販製品に適用することは難しく、市場開拓に制限を与える。
本発明は、全体的なデバイス特性を向上させることのできる化合物太陽電池を提供する。
本発明は、さらに、硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の形成方法を提供する。この方法は、単結晶ナノ粒子からなる薄膜を形成して高被覆率を有することができ、厚さを正確にナノスケールに制御することができるとともに、材料ロスがない、低化学廃液、単純なプロセス等の効果を達成することができる。
本発明の化合物太陽電池は、基板と、基板の上に配置された第1電極と、第1電極の上に配置されたVI族吸収層と、VI族吸収層の上に配置された第2電極とを含む。さらに、第2電極とVI族吸収層の間に第1バッファ層があり、第1バッファ層は、硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜である。
本発明の硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の形成方法は、VI族吸収層の表面に硫化物前駆体溶液を滴下することと、その後、硫化物前駆体溶液に対して設定温度で熱分解を行い、VI族吸収層の表面に硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜を形成することとを含む。
以上のように、硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜を化合物太陽電池の第1バッファ層として使用することにより、低プロセスコストを達成することができる。さらに、本発明によりプロセス時間を短縮し、生産性を上げ、廃液の発生を減らすことができる。また、第1バッファ層は単結晶構造であるため、後続のプロセスの温度を上げることができ、それにより、全体的なデバイス特性を向上させることができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
本発明の1つの実施形態に係る化合物太陽電池の3次元概略図である。 (a)〜(c)は、本発明の別の実施形態に係る硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の製造プロセスのフローチャートである。 製造例1のCIGS薄膜の3段階共蒸着のグラフである。 製造例2のZnSのSEM画像である。 実例1のZnSのSEM画像である。 実例1のZnSのTEM画像である。 比較例の太陽電池の断面のSEM画像である。 比較例の太陽電池の光電変換効率のグラフである。 実例2‐1のCIGS太陽電池の概略図である。 実例2‐1の太陽電池の断面のSEM画像である。 比較例および実例2‐1の太陽電池の光電変換効率のグラフである。 実例2‐1の太陽電池のI‐Vグラフである。 実例2‐3の太陽電池のI‐Vグラフである。
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態について包括的に説明する。本発明の各実施形態は、多くの異なる形態で実施することができるため、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈するべきではない。具体的に言うと、これらの実施形態は、本開示内容をより充分かつ完全にするように提供され、各実施形態の概念を当業者に完全に伝えるものである。図面においては、明確にするため、各層または各領域の厚さを拡大する。
図1は、本発明の1つの実施形態に係る化合物太陽電池の3次元概略図である。
図1を参照すると、本実施形態の化合物太陽電池は、基板100と、第1電極102と、VI族吸収層104と、第2電極106とを含む。VI族吸収層104は、銅・インジウム・ガリウム・セレン(CIGS)、銅・亜鉛・錫・硫黄(CZTS)またはカドミウム・テルル(CdTe)等のI‐III‐VI族化合物またはII‐VI族化合物であってもよい。第1電極102は、例えば、金属電極を含む。第2電極106は、透明電極110と、金属格子線112とを含んでもよい。さらに、第1バッファ層108は、第2電極106とVI族吸収層104の間にあり、第1バッファ層108は、硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜である。第1バッファ層108は、硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜であるため、第1バッファ層108は、高温に対して耐性である。そのため、後に第2電極106が形成された時、スパッタリングや堆積等のプロセスを高温で行うことができ、より優れた導電性および透明性を有する透明電極を得ることができる。第1バッファ層108の厚さは、例えば、1つの実施形態において、約1nm〜約150nmであり;別の実施形態において、2nm〜30nmである。第1バッファ層108の厚さが1nmまたはそれより大きい時、第1バッファ層108は、後続の電池のプロセスにおいてVI族吸収層104の表面を保護する役割を果たし、プラズマからの損傷を防ぐことができる;第1バッファ層108の厚さが150nmまたはそれより小さい時、過度の直列抵抗による電池効果の低下を防ぐことができる。第1バッファ層108の厚さが1nmよりも小さい時、不完全被覆により電池の漏洩電流が生じ、第1バッファ層108の厚さが150nmよりも大きい時、電池の直列抵抗が上がり、光の透過率が減少する。第1バッファ層108の硫化物単結晶ナノ粒子を形成する材料は、例えば、ZnS、CdS、InS、PbS、FeS、CoS2、Cu2S、MoS2等である。硫化物単結晶ナノ粒子の粒子サイズは、例えば、1nm〜20nmである。1つの実施形態において、第2バッファ層(図示せず)をさらに含んでもよい。第2バッファ層は、例えば、i‐ZnO層であり、第1バッファ層108と透明電極110の間に配置され、第2バッファ層の厚さは、例えば、約0.1nm〜約100nmである。
図2(a)〜図2(c)は、本発明の本発明の別の実施形態に係る硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の製造プロセスのフローチャートである。
本実施形態は、化合物太陽電池によって示される;つまり、形成したい硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜を第1バッファ層として使用する。そのため、図2(a)を参照すると、まず、基板200、第1電極202およびVI族吸収層204を含む構造を準備し、その後、VI族吸収層204の上に硫化物前駆体溶液206を滴下する。硫化物前駆体溶液206は、溶媒および硫化物前駆体を含み、硫化物前駆体は、例えば、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛(zinc diethyldithiocarbamate、化学式:[(C252NCS22Zn)、ジエチルジチオカルバミン酸カドミウム、ジエチルジチオカルバミン酸インジウム、ジエチルジチオカルバミン酸鉛、ジエチルジチオカルバミン酸鉄、ジエチルジチオカルバミン酸コバルト、ジエチルジチオカルバミン酸銅等である。硫化物前駆体溶液206の溶媒の沸点は、例えば、220℃またはそれよりも高く;例えば、220℃〜350℃であり、高温処理に対して耐性がある。溶媒は、例えば、トリオクチルホスフィン(trioctylphosphine, TOP)または他の適切な溶媒である。硫化物前駆体溶液206の濃度は、例えば、0.01M〜0.6Mであり、濃度が0.01Mまたはそれよりも大きい時、硫化物単結晶ナノ粒子の形成速度は遅すぎず;濃度が0.6Mまたはそれよりも小さい時、形成された薄膜に過度の粒子サイズによる斑が生じない。
そして、図2(b)を参照すると、硫化物前駆体溶液206に対して第1設定温度で熱分解を行い、その間に、硫化物単結晶ナノ粒子208が徐々に形成される。熱分解は、不活性ガス(窒素またはアルゴン等)または真空内で行われるのが好ましく、第1設定温度は、例えば、220℃と350℃の間である。
その後、図2(c)を参照すると、VI族吸収層204の表面に硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜210を形成する。
上記ステップの他に、図2(a)のステップの前に、まず、100℃〜200℃等の第2設定温度に予熱し、VI族吸収層204の表面に硫化物前駆体溶液206を滴下した後に、第1設定温度まで加熱してもよい。薄膜210を形成した後、残った硫化物前駆体をアセトンまたはアルコールで選択的に洗浄し、温度が室温まで下がった後に、不活性ガス(窒素等)で乾燥する。その後、必要であれば、150℃〜300℃等の高温でベーキングを行い、硫化物前駆体溶液206中の溶媒を完全に除去してもよい。
以下、いくつかの実験例を記載して、本発明の効果を証明する。しかしながら、以下の実験例は、本発明の範囲を限定するものではない。
製造例1
固体石灰ガラス(solid lime glass, SLG)の上にモリブデン金属層(厚さ:約800nm〜約1μm)をスパッタリングして、第1電極とし、その後、モリブデン金属の上に厚さが約2μm〜約2.5μmのCIGS薄膜を堆積して、VI族吸収層とする。本製造例では、NREL3段階共蒸着法(co-evaporation)によりCIGS薄膜を形成する。第1段階において、まず、In2Se3化合物およびGa2Se3化合物を蒸着し、その後、第2段階において、CuおよびSeのみの存在下で、Cuリッチ(Cu-rich)CIGS薄膜を形成する。この時、CuXSe1-X化合物が形成され、薄膜結晶粒子の成長を助長する。最後に、第3段階において、In、GaおよびSeを蒸着し、その薄膜をInリッチ(In-rich)に戻す。3段階共蒸着のグラフは、図3に示した通りである。
製造例2
化学浴析出法(CBD)により製造例1のCIGS薄膜の上にZnS第1バッファ層(厚さ:約50nm)を形成する。
本製造例の化学浴析出法(CBD)のステップは、以下の通りである。
1.2Mのチオ尿素溶液および0.16Mの硫酸亜鉛溶液を準備する。
2.チオ尿素溶液をポットに注入した後、70℃〜80℃に加熱する。
3.必要に応じ、CIGSの表面のCu2-XSeを5%のKCN溶液で除去してもよい。その後、脱イオン水でKCNを洗浄する。
4.150mlの7Mアンモニア溶液と硫酸亜鉛溶液をガラスポットの中で混合する。
5.ガラス基板全体を約20分間浸漬し、反応温度を80℃〜85℃に維持する。
6.堆積が完了した後、ガラス基板を除去して、CIGS表面の反応液を脱イオン水で洗浄し、その後、圧縮空気によりガラス基板を乾燥させ、第1バッファ層の堆積が完了する。
実例1
本発明の方法で製造例1のCIGS薄膜の上にZnS単結晶ナノ粒子からなる第1バッファ層を形成する。
窒素環境の下で本実例の第1バッファ層の製造を行う。まず、ホットプレートを用いて100℃で3分間予熱し、ガラス基板を均一に加熱する。そして、CIGS層の上に0.28mlの0.1Mジエチルジチオカルバミン酸亜鉛([(C252NCS22Zn)のナノ結晶前駆体(溶媒:TOP)を滴下し、熱分解を行う。この時、加熱温度は290℃まで上昇し、加熱時間は約5〜7分である。
そして、温度を約10分間で約25℃の室温まで下げる。熱分解が完了した後、試験片を除去する。そして、アセトンおよびアルコールで洗浄した後、試験片の表面を窒素で乾燥させ、残った有機物質を除去する。
最後に、大気環境の下で、ホットプレートを用いて試験片を約10分間150℃〜200℃に加熱するか、あるいは、1SUNの光度を有するソーラーシミュレータ(solar simulator)の下に試験片を置いて、約1時間〜約2時間照射し、第1バッファ層の製造が完了する。本実施形態において、第1バッファ層の厚さは、約50nmである。
分析1
SEMにより得た製造例2および実例1のZnSの表面画像は、それぞれ図4および図5に示した通りである。
比較するとわかるように、図4において、化学浴析出法(CBD)で作製したZnS表面は、積み重ねた結晶粒子でできた薄膜であるが、図5において、熱分解により形成されたZnS表面は、積み重ねたナノ粒子でできており、図4で成長したZnS薄膜と異なる。
その後、TEM(JOEL2100F)を用いて実例1のZnS結晶を分析し、試験片から溶液の一部を取り出す。そして、遠心分離と洗浄を行った後、粒子サイズが約1nm〜3nmのZnSナノ粒子を観察し、高解像度のTEMを用いて単結晶粒子であることを確認した。図6はいくつかの円しか示していないが、理解すべきこととして、高解像度TEMで撮影した画像において、比較的暗い点は単結晶粒子構造である。例えば、図6の右上は、単結晶粒子の結晶格子を示す。
比較例
スパッタリング法により、製造例2のZnS第1バッファ層の上に約50nmのi‐ZnOを室温で成長させ、第2バッファ層とする。そして、約500nmのAZOを室温で成長させ、透明電極とする。SEMで観察した後、図7が得られる。最後に、スパッタリング法により、Ni‐Alの製造を完了させ、上部電極とする。
CBDプロセスのコーティング膜は、温度安定性が悪いため、後続のプロセスの温度が150℃を超えた時、期待される素子特性が悪化する。そのため、2つの異なるAZOプロセス温度の太陽電池の光電変換効率を測定し、その結果を図8に示す。
図8からわかるように、AZOプロセス温度が上昇すると、CBDプロセスで作成されたZnSバッファ層を有するCIGS太陽電池の光電変換効率は、大幅に低下する。
実例2‐1
図9に示したCIGS太陽電池を製造するため、スパッタリング法により、実例1のZnS第1バッファ層の上に約50nmのi‐ZnO層を室温で成長させ、第2バッファ層とする。そして、約500nmのAZOを約150℃の高温環境で成長させ、透明電極とする。SEMで観察した後、図10が得られる。図10からわかるように、ZnS第1バッファ層(ZnS)は、粒子からなる薄膜である。最後に、AZO透明電極の上にNi/Al金属電極を形成する。
本実例2‐1のCIGS太陽電池と比較例のCIGS太陽電池(AZOプロセス温度は同様に150℃である)の変換効率特性を測定し、その結果を図11に示す。
図11からわかるように、実例2‐1のZnS単結晶ナノ粒子および高温プロセス(150℃)で形成されたAZOからなる薄膜を有する太陽電池は、変換効率に大きな変化はなく、約10.9%である。比較例(図8)と比較して、後続のAZOプロセス温度が150℃まで上昇すると、変換効率はわずか6.3%まで下がっている。したがって、CBDプロセスにより作成されたバッファ層とは対照的に、実例2‐1の構造および方法は、変換効率が6.3%から10.9%に上がるため、装置効率を上げる効果があることを示している。
図12を同時に参照すると、実例2‐1のCIGS太陽電池の各層の厚さを調整して、約12.2%の高効率を達成することもできる。
実例2‐2
CIGSをCZTSに変更する以外は、実例2‐1と同じ方法で化合物太陽電池を製造する。CZTS吸収層の厚さは約2μmであり、組成比は、Cu/(Zn+Sn)が約0.8であり、Zn/Snが約1.05である。測定後、現在の装置の変換効率は、ライトソーキング(light soaking)の後で、2.46%(Voc:0.35V、Jsc:25.51mA/cm2、F.F.:28%)に達することができる。
実例2‐3
ZnS単結晶ナノ粒子を硫化カドミウム(CdS)に変更して第1バッファ層を形成する以外は、実例2‐1と同じ方法により化合物太陽電池を製造する。実例2‐1の製造との相違点は、ジエチルジチオカルバミン酸カドミウム([(C252NCS22Cd)をナノ結晶前駆体として使用し、150℃でAZOプロセスを行った後に、化合物太陽電池の製造が完了することである。図13に示したように、CdS第1バッファ層の厚さは、約88nmであり、装置効率は、約9.6%である。
以上のように、本発明は、硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜を化合物太陽電池の第1バッファ層として使用するため、低プロセスコストを達成できるだけでなく、生産性を上げ、廃液の発生を減らすこともできる。さらに、第1バッファ層は単結晶構造であるため、後続のプロセスの温度を上げることができ、それにより、全体的なデバイス特性を向上させることができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
100、200 基板
102、202 第1電極
104、204 VI族吸収層
106 第2電極
108 第1バッファ層
110 透明電極
112 金属格子線
206 硫化物前駆体溶液
208 硫化物単結晶ナノ粒子
210 薄膜

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板の上に配置された第1電極と、
    前記第1電極の上に配置されたVI族吸収層と、
    前記VI族吸収層の上に配置された第2電極と、
    前記VI族吸収層と前記第2電極の間に配置された第1バッファと
    を含み、前記第1バッファが、複数の硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜である化合物太陽電池。
  2. 前記第1バッファの厚さが、1nm〜150nmである請求項1に記載の化合物太陽電池。
  3. 前記硫化物単結晶ナノ粒子の材料が、ZnS、CdS、InS、PbS、FeS、CoS2、Cu2SまたはMoS2を含む請求項1または2に記載の化合物太陽電池。
  4. 前記VI族吸収層が、I‐III‐VI族化合物またはII‐VI族化合物を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物太陽電池。
  5. 前記VI族吸収層が、銅・インジウム・ガリウム・セレン(CIGS)、銅・亜鉛・錫・硫黄(CZTS)またはカドミウム・テルル(CdTe)を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の化合物太陽電池。
  6. 前記第1バッファと前記第2電極の間に配置された第2バッファをさらに含み、前記第2バッファの厚さが、約0.1nm〜約100nmである請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物太陽電池。
  7. 前記第1電極が、金属電極を含み、前記第2電極が、透明電極を含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の化合物太陽電池。
  8. VI族吸収層の表面に硫化物前駆体溶液を滴下することと、
    前記硫化物前駆体溶液に対して第1設定温度で熱分解を行い、前記VI族吸収層の前記表面に硫化物単結晶ナノ粒子からなる薄膜を形成することと
    を含む硫化物単結晶ナノ粒子を有する薄膜の形成方法。
  9. 前記硫化物前駆体溶液が、溶媒および硫化物前駆体を含む請求項8に記載の方法。
  10. 前記硫化物前駆体が、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛、ジエチルジチオカルバミン酸カドミウム、ジエチルジチオカルバミン酸インジウム、ジエチルジチオカルバミン酸鉛、ジエチルジチオカルバミン酸鉄、ジエチルジチオカルバミン酸コバルトまたはジエチルジチオカルバミン酸銅を含む請求項9に記載の方法。
  11. 前記溶媒の沸点が、220℃またはそれよりも高い請求項9または10に記載の方法。
  12. 前記溶媒が、トリオクチルホスフィン(TOP)を含む請求項9〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記硫化物前駆体溶液の濃度が、0.01M〜0.6Mである請求項8〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記熱分解が、不活性ガスまたは真空内で行われる請求項8〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記第1設定温度が、220℃〜350℃である請求項8〜14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記VI族吸収層の前記表面に前記硫化物前駆体溶液を滴下する前に、100℃〜200℃第2設定温度に予熱することと、前記VI族吸収層の前記表面に前記硫化物前駆体溶液を滴下した後に、約220℃〜約350℃の前記第1設定温度に加熱することとをさらに含む請求項8〜15のいずれか1項に記載の方法。
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