JPH04212430A - カルコパイライト型化合物薄膜の製造方法 - Google Patents

カルコパイライト型化合物薄膜の製造方法

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JPH04212430A
JPH04212430A JP3013631A JP1363191A JPH04212430A JP H04212430 A JPH04212430 A JP H04212430A JP 3013631 A JP3013631 A JP 3013631A JP 1363191 A JP1363191 A JP 1363191A JP H04212430 A JPH04212430 A JP H04212430A
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541CuInSe2 material PV cells

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、例えばCdS膜との接
合よりなる薄膜太陽電池の材料として用いられる、XI
nY2 なる化学式をもち、XがAgあるいはCuであ
り、YがSeあるいはSであるカルコパイライト型化合
物薄膜の製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】I−III −VI 2 族の組成をも
つカルコパイライト型化合物、特にCuInSe2 ,
 CuInSe, AgInS2 は、光学バンドギャ
ップが1.0 〜1.8eV の範囲にあり、バンドギ
ャップ1.7 eVのシリコンと異なる光学バンドギャ
ップを有するものが得られるため、その利用が期待され
ている。近年、薄膜形成技術の進展により、薄膜太陽電
池素子材料としてのこれらの物質は一層注目されている
。例えばCuInSe2 は、その光学バンドギャップ
が約1eVであって直接遷移形の帯構造を持ち、pおよ
びn型の導電性を示す。また、バンドギャップ2.4 
eVのCdSとは格子の不整合も1%程度であり、従っ
てn型CdSを窓層材料として用いたp型CuInSe
2 のヘテロ接合で高効率太陽電池が得られる可能性が
あることから、近年その研究, 開発が盛んに進められ
ている。また、CuInS2 とCdS とのヘテロ接
合を用いた薄膜太陽電池も研究されており、さらにバン
ドギャップの広いAgInSe2 , AgInSも発
光素子用材料として注目されている。ここで、CuIn
Se2 を例にとりカルコパイライト系化合物薄膜の製
造方法の従来技術について説明する。一つの方法は、基
板上にスパッタリングによりCu, Inの順に積層し
、セレン含有雰囲気中で約 400℃に加熱してCuI
nSe2 薄膜を得る方法である。以下この方法を気相
セレン化方法と記す。あるいは、基板上に蒸着あるいは
スパッタリングによりCu, In, Seを積層し、
不活性気体中で約 400℃に加熱処理することによっ
てCuInSe2 薄膜を得る方法もある。以下この方
法を固相セレン化方法と記す。両方法とも、大面積化や
インライン化が容易で工業上注目されている。そのイン
ライン化の例として図2(a) 〜(f) に示される
ような気相セレン化方法を用いた特開昭62−2038
1 により公知のCuInSe2 薄膜太陽電池の作成
プロセスがある。すなわち、ガラス板上にCr, Mo
をコートした基板1 (同図(a))上に、DCマグネ
トロンスパッタリング法により同一真空中でCu膜2 
(同図(b)), In膜3 (同図(c))を順次室
温で形成した後、Arで希釈されたSe, 例えば3%
〜15%H2 Seを含有するガス中にて400 ℃数
時間加熱することにより、CuInSe2 薄膜4を形
成する (同図(d))。そして、その上にn型CdS
膜5 (同図(e))、ZnOからなる透明電極6 (
同図(f))を順次積層する。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】図2に示した気相セレ
ン化方法でも、また固相セレン化方法でも、蒸着法ある
いはスパッタリング法によってCu, In等の金属膜
の形成を行う場合、それぞれの膜が基板上に一様に形成
される必要がある。Cuについては室温で成膜を行って
も均一に膜が形成されるが、Inは融点が156.4 
℃と低いことから、室温で成膜を行うと、成膜時の温度
上昇により基板上に円形の島状の膜厚の厚い部分が生じ
、結果として形成されるCuInSe2 膜は粒径の不
揃いにより表面が凹凸になり、太陽電池にしたときの接
合面が十分に形成できず、短絡が大きくなり、またIn
組成も不均一になるので、良好な太陽電池特性が得られ
ないという問題があった。これに対し、基板を液体窒素
を用いて−173 ℃迄冷却する方法がH.Dittr
ichらによりProc. 9th E.C.Phot
ovoltaic Solar Energy Con
f (Freiburg, 1989年) pp.16
3〜166 に報告されている。しかし、蒸着装置ある
いはスパッタリング装置の基板支持体を液体窒素で冷却
することは、液体窒素の使用量や構造上の点で問題があ
り、工業化には適さない。   【0004】本発明の目的は、上記の問題を解決し、表
面に凹凸のないXInY2 化学式をもつ均一な特性の
カルコパイライト型化合物薄膜の工業化に適した製造方
法を提供することにある。 【0005】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、XInY2 なる化学式をもち、Xが
AgあるいはCuであり、YがSeあるいはSであるカ
ルコパイライト型化合物からなる薄膜を基板上にX元素
およびInの膜を積層後、Y元素を含む雰囲気中で加熱
して製造するに際し、Inの成膜時に基板を−100 
℃ないし−20℃の温度に保持するものとする。または
、Inの成膜時に基板をInの融点以上で600 ℃以
下の温度に保持するか、あるいはX元素およびInの膜
を積層後、基板をInの融点以上で600 ℃以下の温
度に加熱するものとする。さらに本発明は、上記のカル
コパイライト型化合物からなる薄膜を基板上に、X元素
, InおよびY元素の膜を積層後加熱して製造するに
際し、In成膜時に基板を−100 ℃ないし−20℃
の温度に保持するか、またはInの成膜時に基板をIn
の融点以上で600 ℃以下の温度に保持するか、ある
いは基板上に、X元素, Inの膜を積層後、Y元素の
膜の積層前に基板をInの融点以上で600 ℃以下の
温度に加熱するものとする。 【0006】 【作用】室温で基板上にIn膜を形成した場合は島状I
nの寸法は2〜5μm にも達し、このようなIn膜を
用いてカルコパイライト型化合物の膜を製造した場合は
、化合物粒径も2〜5μm と大きくなる。基板温度を
冷却していくと島状Inの寸法は次第に小さくなり、基
板温度−20〜−100 ℃の範囲で0.2 〜1μm
 程度となる。−100 ℃よりさらに低温にすると島
状Inの寸法はさらに小さくなるが、冷却手段の問題か
ら実用的でない。    【0007】一方、In膜形
成時の基板温度を、Inの融点 (156.4 ℃) 
以上で600 ℃以下の温度に保持するか、あるいは、
X膜およびIn膜を室温で積層した後、基板をInの融
点 (156.4 ℃) 以上で600 ℃以下の温度
に加熱することにより、Inが溶融するために不均一だ
ったIn膜が均一化される。また、X元素との相互拡散
が促進される。 このことによりX−In金属間化合物が完全に生成され
、In膜の不均一性を低減することが可能となり、これ
を用いて作成したカルコパイライト型化合物薄膜の均一
性の向上がみられる。 【0008】 【実施例】以下、図を引用して本発明の実施例について
説明する。図1(a) 〜(d) は気相セレン化法の
工程であり、ガラス基板1 (同図(a))あるいは表
面にMo層を被着したガラス基板の上に蒸着法あるいは
スパッタリング法により3000Åの厚さのCu膜2を
形成する (同図(b))。次いで冷媒を用いて基板温
度を−20〜−100 ℃に保ち、蒸着法あるいはスパ
ッタリング法で6600Åの厚さのIn膜3を積層する
 (同図(c))。このIn膜の島状Inの寸法は0.
2 〜1μmであった。そのあと、例えば3〜15%の
H2 SeをArにより希釈したようなセレン含有雰囲
気中で 400℃で1時間加熱することによりCuIn
Se2 膜4を形成する (同図(d))。あるいはC
u膜2, In膜3積層後、基板を 350℃に加熱し
ジメチルセレン尿素水溶液を噴霧状にしてその表面に吹
付けてCuInSe2 膜を形成してもよい。このよう
にして形成したp型CuInSe2膜の上に厚さ約0.
5 μmのn型CdS 膜を積層してpn接合を形成し
た。このpn接合を用いた太陽電池では効率8〜10%
が得られた。In膜3の成膜時の基板温度を−100 
℃よりさらに低くした場合、島状Inの寸法は0.2 
μmよりさらに小さくなるが、太陽電池の特性では大き
な改善はなかった。 【0009】図3は、本発明の別の実施例によって製造
されるCuInSe2 薄膜を用いた薄膜太陽電池の作
成プロセスを示すものであり、図2におけると同様にM
o等の金属膜をコートしたガラス基板1上に、蒸着法あ
るいはスパッタリング法によりCu膜2およびIn膜3
を順次形成した後 (同図(a),(b),(c))、
Arなどの不活性気体中で基板をInの融点 (156
.4 ℃) から600 ℃までの温度に加熱し、Cu
−In金属間化合物層40を生成する (同図(d))
。もしくは、蒸着法あるいはスパッタリング法によりC
u膜2を形成した後、In膜3を形成する際の基板をI
nの融点(156.4 ℃) から600℃の温度に保
持することにより、Cu−In金属間化合物40を生成
する (同図(d))。そのCu−In金属間化合物4
0をArなどの不活性気体で希釈されたSe, 例えば
3%〜18%H2 Seを含有するガス中にて400 
℃, 1時間加熱することにより、CuInSe2薄膜
4を形成する (同図(e))。あるいは、Cu−In
金属間化合物層40の表面にスプレー法等により噴霧状
Se含有溶液あるいはSe蒸気を吹きつけてCuInS
e2 薄膜4を形成する。本方法において、基板上に形
成されるIn膜3の島状寸法と基板温度との関係と、そ
のあと図2(e),(f) と同様の図3(f),(g
) の工程を経て作成した太陽電池の特性結果とについ
て、従来技術であるCu膜2, In膜3を室温で形成
した場合との比較検討を行った。図4の実線7は島状I
nの寸法を示し、室温でIn膜3を形成した場合の島状
の寸法は2〜5μmにも達し、このとき形成されるCu
InSe2 膜4の粒径も2〜5μmの大きなものが形
成され、CuInSe2膜4の表面の凹凸も大きく、太
陽電池にしたとき界面が十分に形成できずショートが大
きく特性はでなかった。基板温度を上げていくと、In
膜3の島状寸法は次第に減少し、Inの融点 (156
.4 ℃) 以上ではCu, Inの金属間化合物40
が生成され、粒径が0.2 〜1μm程度となり、これ
を用いた太陽電池では、図4の破線8に示すように変換
効率8〜10%が得られた。 【0010】600 ℃以上では、島状寸法はより小さ
くなるが、太陽電池の特性では大きな改善がなく、また
ガラス基板の耐熱性などから600 ℃が限界と考えら
れた。そして、Cu膜2, In膜3を積層したのち加
熱処理する方法においても、熱処理温度とIn膜表面粒
径および太陽電池変換効率との間に同様な関係が得られ
た。 【0011】図5(a) 〜(e) は固相セレン化法
の工程であり、図1〜図3と共通の部分には同一の符号
が付されており、同図(a) 〜(c) は図1(a)
 〜(c) について述べたと同様に行われる。すなわ
ち、In膜3成膜時の基板温度は本発明により−20〜
−100 ℃に保持される。次いで、In膜3の上に厚
さ1.5 μm 以上のSe膜9を蒸着法あるいはスパ
ッタリング法で形成する (同図(d))。このあと、
ArあるいはN2 等の不活性気体中で約400 ℃に
加熱処理することによってCuInSe2薄膜4を得る
 (同図(e))。このCuInSe2 膜を用いて作
製した太陽電池でも上記と同様の特性を得た。   【0012】同様な改善結果は、固相セレン化法のIn
膜3成膜時の基板温度を156.4 〜600℃に保持
した場合、あるいはCu膜2, In膜3積層後図5(
d) のSe膜9成膜前に156.4 〜600 ℃に
加熱した場合にも得ることができた。 【0013】このほか、Ag, In積層のセレン化に
よるAgInSe2 薄膜の形成、あるいはCu, I
n積層, Ag, In積層の硫黄化によるCuInS
2 , AgInS2 薄膜の形成の場合にも、−20
〜−100 ℃あるいは156.4 〜600 ℃の基
板上に成膜したIn膜を用いることにより、もしくはC
u, In積層, Ag, In積層後156.4 〜
600 ℃に加熱することにより均一性の良好なカルコ
パイライト型化合物薄膜を得ることができた。 【0014】 【発明の効果】本発明によれば、基板上のX金属膜上へ
のIn膜成膜時に生ずる島状Inの寸法を、In膜成膜
時の基板温度を冷媒の使用で容易に得られる−100 
〜−20℃にすることによって小さくするか、もしくは
X金属膜上へのIn成膜時の基板温度をInの融点 (
156.4 ℃) ないし600 ℃で加熱するかある
いはX膜, In膜を順次積層した後、156.4 〜
600 ℃で加熱処理することによってX−Inの金属
間化合物を生成してInの不均一性を改善することによ
り、均一なIn膜を形成することによってXInY2 
の化学式をもつカルコパイライト型化合物の薄膜を全面
均一な特性で製造することが可能になった。特にこれに
より得られるCuInSe2 膜を用いてCdS膜との
接合を形成することにより、太陽光スペクトルを長波長
側まで活用できる太陽電池の特性を向上させることがで
きた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の気相セレン化法によるCu
InSe2膜製造工程を(a) 〜(d) の順に示す
断面図
【図2】公知のCuInSe2 薄膜太陽電池の
製造プロセスを(a) 〜(f) の順に示す断面図
【図3】本発明の異なる実施例の気相セレン化法による
CuInSe2薄膜を用いた太陽電池の製造プロセスを
(a) 〜(g) の順に示す断面図
【図4】In成膜時の基板温度とIn膜表面粒径および
CuInSe2 薄膜太陽電池の変換効率との関係線図
【図5】本発明の一実施例の固相セレン化法によるCu
InSe2 薄膜製造工程を(a) 〜(e)の順に示
す断面図
【符号の説明】
1    ガラス基板 2    Cu膜 3    In膜 4    CuInSe2 金属間化合物層5    
CdS膜 9    Se膜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上にX元素およ
    びインジウムの膜を積層後、Y元素を含む雰囲気中で加
    熱して製造するに際し、インジウムの成膜時に基板を−
    100 ℃ないし−20℃の温度に保持することを特徴
    とするカルコパイライト型化合物薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上にX元素およ
    びインジウムの膜を積層後、Y元素を含む雰囲気中で加
    熱して製造するに際し、インジウムの成膜時に基板をイ
    ンジウムの融点以上で600 ℃以下の温度に保持する
    ことを特徴とするカルコパイライト型化合物薄膜の製造
    方法。
  3. 【請求項3】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上にX元素およ
    びインジウムの膜を積層後、Y元素を含む雰囲気中で加
    熱して製造するに際し、基板上にX元素およびインジウ
    ムの膜を積層後、基板をインジウムの融点以上で600
     ℃以下の温度に加熱することを特徴とするカルコパイ
    ライト型化合物薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上に、X元素,
     インジウムおよびY元素の膜を積層後加熱して製造す
    るに際し、インジウムの成膜時に基板を−100 ℃な
    いし−20℃の温度に保持することを特徴とするカルコ
    パイライト型化合物薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上に、X元素,
     インジウムおよびY元素の膜を積層後加熱して製造す
    るに際し、インジウムの成膜時に基板をインジウムの融
    点以上で600 ℃以下の温度に保持することを特徴と
    するカルコパイライト型化合物薄膜の製造方法。
  6. 【請求項6】XInY2 なる化学式をもち、Xが銀あ
    るいは銅であり、Yがセレンあるいは硫黄であるカルコ
    パイライト型化合物からなる薄膜を基板上に、X元素,
     インジウムおよびY元素の膜を積層後加熱して製造す
    るに際し、基板上にX元素およびインジウムの膜を積層
    後、Y元素の膜の積層前に基板をインジウムの融点以上
    で600 ℃以下の温度に加熱することを特徴とするカ
    ルコパイライト型化合物薄膜の製造方法。
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