JPH08195498A - 薄膜光電変換素子 - Google Patents
薄膜光電変換素子Info
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- JPH08195498A JPH08195498A JP7037472A JP3747295A JPH08195498A JP H08195498 A JPH08195498 A JP H08195498A JP 7037472 A JP7037472 A JP 7037472A JP 3747295 A JP3747295 A JP 3747295A JP H08195498 A JPH08195498 A JP H08195498A
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- Japan
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- thin film
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- film layer
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ＣｕＩｎＧａＳｅ２化合物半導体を光電変換
層とした薄膜光電変換素子における光電変換効率のバラ
ツキを同素子のガラス基板の組成に着目して減少させ
る。 【構成】 Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリお
よびアルカリ土類のそれぞれの元素の含有量が１％未満
であるガラス基板と、光電変換層としてＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２化合物半導体を用いて薄膜光電変換素子を作製す
る。
層とした薄膜光電変換素子における光電変換効率のバラ
ツキを同素子のガラス基板の組成に着目して減少させ
る。 【構成】 Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリお
よびアルカリ土類のそれぞれの元素の含有量が１％未満
であるガラス基板と、光電変換層としてＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２化合物半導体を用いて薄膜光電変換素子を作製す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、Ｉｂ族、ＩＩＩｂ族、
ＶＩｂ族元素を主成分とした光電変換層を用いた太陽電
池用光電変換素子に関する。
ＶＩｂ族元素を主成分とした光電変換層を用いた太陽電
池用光電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】カルコパイライト結晶構造を持つＣｕＩ
ｎＳｅ２に代表されるＩｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ族化合物
半導体は可視から近赤外域にかけての広い波長範囲の光
に対して大きな吸収係数を有しているため、薄膜でしか
も高効率の太陽電池を実現できる材料として期待されて
いる。１９７４年ベル研究所で単結晶ＣｕＩｎＳｅ２で
１２％の変換効率が発表され、１９７６年Ｌ．Ｌ．Ｋａ
ｚｍｅｒｓｋｙの薄膜タイプでの４〜５％の変換効率が
発表されて以来、多くの研究がなされ、年々変換効率は
大幅に改善され、１９９４年初頭には１７．６％にも及
ぶ変換効率が発表され、変換効率の高さではすでに十分
実用化レベルに達している。
ｎＳｅ２に代表されるＩｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ族化合物
半導体は可視から近赤外域にかけての広い波長範囲の光
に対して大きな吸収係数を有しているため、薄膜でしか
も高効率の太陽電池を実現できる材料として期待されて
いる。１９７４年ベル研究所で単結晶ＣｕＩｎＳｅ２で
１２％の変換効率が発表され、１９７６年Ｌ．Ｌ．Ｋａ
ｚｍｅｒｓｋｙの薄膜タイプでの４〜５％の変換効率が
発表されて以来、多くの研究がなされ、年々変換効率は
大幅に改善され、１９９４年初頭には１７．６％にも及
ぶ変換効率が発表され、変換効率の高さではすでに十分
実用化レベルに達している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に高い変換効率とミクロンオーダーの薄膜化による低コ
スト化の可能性がありながら、未だに本格的な工業的生
産が行われていない理由の最も大きなものの一つは、同
一基板内の太陽電池素子の光電変換特性、特に光電変換
効率の面内における不均一な分布であり、又、これは同
時に基板を異にする各太陽電池素子間の光電変換効率の
大きなばらつきの原因にもなっている。この大きな光電
変換特性のばらつきの根本的原因の解明は必ずしも十分
進んでいるわけではなく、対象療法的に「基板と光吸収
層の剥離強度の向上」、「ハンドギャップを１．５ｅＶ
に近づける組成元素の多元化及びその組成の傾斜化」、
「光電変換素子の回路の改良」等が検討されているが、
大きすぎるバラツキの根本的な解決は未だ困難な状態に
あり、この解決が本発明の課題である。
に高い変換効率とミクロンオーダーの薄膜化による低コ
スト化の可能性がありながら、未だに本格的な工業的生
産が行われていない理由の最も大きなものの一つは、同
一基板内の太陽電池素子の光電変換特性、特に光電変換
効率の面内における不均一な分布であり、又、これは同
時に基板を異にする各太陽電池素子間の光電変換効率の
大きなばらつきの原因にもなっている。この大きな光電
変換特性のばらつきの根本的原因の解明は必ずしも十分
進んでいるわけではなく、対象療法的に「基板と光吸収
層の剥離強度の向上」、「ハンドギャップを１．５ｅＶ
に近づける組成元素の多元化及びその組成の傾斜化」、
「光電変換素子の回路の改良」等が検討されているが、
大きすぎるバラツキの根本的な解決は未だ困難な状態に
あり、この解決が本発明の課題である。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】我々はこの光電
変換特性のバラツキの原因を究明すべく鋭意研究し、そ
の最も大きな原因の一つは吸収層であるＩｂ−ＩＩＩｂ
−ＶＩｂ族化合物半導体材料中の酸素、炭素、硅素、
（あるいは硫黄が主成分でない場合には硫黄）等の不純
物が広範にしかも不均一に存在することであると発見し
た。また、薄膜形成時、熱処理時等に基板から光電変換
層に染み出したある種の元素がこの不純物の不均一性を
助長し、光電変換特性に悪影響を及ぼすことも発見し
た。さらに、この酸素、炭素、硅素等の不純物をある範
囲の原子半径を持つ元素を添加して結晶粒界付近に局在
化させることにより、薄膜多結晶Ｉｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩ
ｂ族化合物半導体太陽電池の光電変換特性、特に光電変
換効率の面内分布の不均一性および基板を異にする太陽
電池素子間の光電変換特性の大きなばらつきを効率良く
抑制できることを発見した。
変換特性のバラツキの原因を究明すべく鋭意研究し、そ
の最も大きな原因の一つは吸収層であるＩｂ−ＩＩＩｂ
−ＶＩｂ族化合物半導体材料中の酸素、炭素、硅素、
（あるいは硫黄が主成分でない場合には硫黄）等の不純
物が広範にしかも不均一に存在することであると発見し
た。また、薄膜形成時、熱処理時等に基板から光電変換
層に染み出したある種の元素がこの不純物の不均一性を
助長し、光電変換特性に悪影響を及ぼすことも発見し
た。さらに、この酸素、炭素、硅素等の不純物をある範
囲の原子半径を持つ元素を添加して結晶粒界付近に局在
化させることにより、薄膜多結晶Ｉｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩ
ｂ族化合物半導体太陽電池の光電変換特性、特に光電変
換効率の面内分布の不均一性および基板を異にする太陽
電池素子間の光電変換特性の大きなばらつきを効率良く
抑制できることを発見した。
【０００５】前記の基板から化合物半導体薄膜に拡散
し、酸素、炭素、硅素、（あるいは硫黄が主成分でない
場合には硫黄）等の不純物の不均一分布を助長するのは
Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリ、アルカリ土
類元素である。これらが基板のガラス等に含まれる場
合、通常使われる基板と多結晶Ｉｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ
族化合物半導体薄膜の間の１〜２μｍのモリブデン電極
薄膜を経て、これらＮａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等の元
素が管理されない状態で化合物半導体薄膜中に拡散し、
これらの周りに酸素、炭素、硅素等の不純物が集まるた
め、同一基板内の光電変換効率等の光電変換特性の面内
分布の不均一を助長することが明らかになり、Ｎａ、
Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリ、アルカリ土類元素
を含まないガラス等の基板を使用することにより、基板
内、基板内の光電変換特性のバラツキを効率良く抑制で
きることを発見した。
し、酸素、炭素、硅素、（あるいは硫黄が主成分でない
場合には硫黄）等の不純物の不均一分布を助長するのは
Ｎａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリ、アルカリ土
類元素である。これらが基板のガラス等に含まれる場
合、通常使われる基板と多結晶Ｉｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ
族化合物半導体薄膜の間の１〜２μｍのモリブデン電極
薄膜を経て、これらＮａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等の元
素が管理されない状態で化合物半導体薄膜中に拡散し、
これらの周りに酸素、炭素、硅素等の不純物が集まるた
め、同一基板内の光電変換効率等の光電変換特性の面内
分布の不均一を助長することが明らかになり、Ｎａ、
Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等のアルカリ、アルカリ土類元素
を含まないガラス等の基板を使用することにより、基板
内、基板内の光電変換特性のバラツキを効率良く抑制で
きることを発見した。
【０００６】すなわちＮａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ等ア
ルカリ、アルカリ土類元素を基板重量に対しそれぞれ１
％以上含まないガラス基板とＩｂ族、ＩＩＩｂ族、ＶＩ
ｂ族の各々より選ばれる元素を主成分とした光電変換層
とを含んで構成される薄膜光電変換素子を用いることに
より光電変換特性の不均一性を大幅に改善できることと
なった。
ルカリ、アルカリ土類元素を基板重量に対しそれぞれ１
％以上含まないガラス基板とＩｂ族、ＩＩＩｂ族、ＶＩ
ｂ族の各々より選ばれる元素を主成分とした光電変換層
とを含んで構成される薄膜光電変換素子を用いることに
より光電変換特性の不均一性を大幅に改善できることと
なった。
【０００７】さらに前記光電変換層に原子半径が１．７
０オングストローム以上の元素の一種又は二種以上を重
量で５ｐｐｍ〜５％の割合で含有せしむるなら光電変換
層の均一性の向上はより安定的に得られる。
０オングストローム以上の元素の一種又は二種以上を重
量で５ｐｐｍ〜５％の割合で含有せしむるなら光電変換
層の均一性の向上はより安定的に得られる。
【０００８】添加元素の割合が５ｐｐｍより小さい場
合、実質上不純物が除去されず効果が発揮されず、また
５％を越えるとカルコパイライト構造の歪みが大きくな
り太陽電池特性に悪影響を及ぼす。
合、実質上不純物が除去されず効果が発揮されず、また
５％を越えるとカルコパイライト構造の歪みが大きくな
り太陽電池特性に悪影響を及ぼす。
【０００９】また結晶粒界に不純物を局在化するために
は添加元素の原子半径が化合物半導体主要構成元素の原
子半径より大きいことが必要で、このため添加元素の原
子半径はＩｎ原子の半径１．６８オングストロームより
十分大きくなければならない。
は添加元素の原子半径が化合物半導体主要構成元素の原
子半径より大きいことが必要で、このため添加元素の原
子半径はＩｎ原子の半径１．６８オングストロームより
十分大きくなければならない。
【００１０】本発明による光電変換特性の均一性向上は
前記光電変換層をＣｕ、Ｉｎ、Ｓｅに代表される三元素
系化合物半導体多結晶薄膜とした場合のみならず、Ｃ
ｕ、Ｉｎ、Ｓｅ及びＧａに代表される四元素系、さらに
はＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ及びＳに代表される五元素系
とした場合にも有効であることが明らかになった。
前記光電変換層をＣｕ、Ｉｎ、Ｓｅに代表される三元素
系化合物半導体多結晶薄膜とした場合のみならず、Ｃ
ｕ、Ｉｎ、Ｓｅ及びＧａに代表される四元素系、さらに
はＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ及びＳに代表される五元素系
とした場合にも有効であることが明らかになった。
【００１１】以下に一実施例を示し本願発明の方法を詳
細に開示する。
細に開示する。
【００１２】
【実施例１】図１は、本発明の一実施例により製造され
たＣｕＩｎＧａＳｅ２薄膜層を用いたヘテロ接合を含む
太陽電池の一部の断面を示すものである。図示するよう
に、厚さ１ｍｍ、面積４平方インチの方形ガラス基板１
の上には厚さ０．８μｍのモリブデン（Ｍｏ）からなる
金属電極層２を形成した。さらにその上に形成した半導
体層３は、Ｐ型半導体で厚みは１μｍのＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２薄膜層４、ｎ型半導体で厚みは０．５μｍのＣｄＳ
薄膜層５および電極層を兼ねる窓層としてのｎ型半導体
層である厚み３μｍの酸化亜鉛薄膜層６からなる。次に
酸化亜鉛薄膜層６の上にアルミニウムからなる条状金属
電極層７を形成した。
たＣｕＩｎＧａＳｅ２薄膜層を用いたヘテロ接合を含む
太陽電池の一部の断面を示すものである。図示するよう
に、厚さ１ｍｍ、面積４平方インチの方形ガラス基板１
の上には厚さ０．８μｍのモリブデン（Ｍｏ）からなる
金属電極層２を形成した。さらにその上に形成した半導
体層３は、Ｐ型半導体で厚みは１μｍのＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２薄膜層４、ｎ型半導体で厚みは０．５μｍのＣｄＳ
薄膜層５および電極層を兼ねる窓層としてのｎ型半導体
層である厚み３μｍの酸化亜鉛薄膜層６からなる。次に
酸化亜鉛薄膜層６の上にアルミニウムからなる条状金属
電極層７を形成した。
【００１３】ガラス基板１はＮａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａ等のアルカリ、アルカリ土類元素を各々１％以上含ま
ないものを用い、そのガラス基板１の上に厚さ０．８μ
ｍのＭｏ電極層２をスパッタリングで形成した後に、Ｃ
ｕ層、Ｉｎ層、Ｇａ層をそれぞれ２０５０オングストロ
ーム、３０００オングストローム、１４００オングスト
ロームの膜厚になるようスバッタリングして積層した。
ａ等のアルカリ、アルカリ土類元素を各々１％以上含ま
ないものを用い、そのガラス基板１の上に厚さ０．８μ
ｍのＭｏ電極層２をスパッタリングで形成した後に、Ｃ
ｕ層、Ｉｎ層、Ｇａ層をそれぞれ２０５０オングストロ
ーム、３０００オングストローム、１４００オングスト
ロームの膜厚になるようスバッタリングして積層した。
【００１４】次にセレン化法によってＣｕＩｎＧａＳｅ
２薄膜層４を形成した。すなわち、１２％Ｈ２Ｓｅを含
むアルゴンガス充満加熱炉内で前記積層したガラス基板
体を５００℃で３０分間加熱処理することによりＣｕＩ
ｎＧａＳｅ２薄膜層４が形成された。次いで厚さ０．５
μｍのＣｄＳ薄膜層５及び厚さ３μｍの酸化亜鉛薄膜層
６を蒸着法により積層した後、スパッタリング法により
アルミニウム層を被着し、条状のＡｌ電極７をパターニ
ングした。
２薄膜層４を形成した。すなわち、１２％Ｈ２Ｓｅを含
むアルゴンガス充満加熱炉内で前記積層したガラス基板
体を５００℃で３０分間加熱処理することによりＣｕＩ
ｎＧａＳｅ２薄膜層４が形成された。次いで厚さ０．５
μｍのＣｄＳ薄膜層５及び厚さ３μｍの酸化亜鉛薄膜層
６を蒸着法により積層した後、スパッタリング法により
アルミニウム層を被着し、条状のＡｌ電極７をパターニ
ングした。
【００１５】このようにして得られたガラス／Ｍｏ／Ｃ
ｕＩｎＧａＳｅ２／ＣｄＳ／ＺｎＯ／Ａｌの構造を有す
る光電変換素子の特性を測定し、以下のような結果を得
た。
ｕＩｎＧａＳｅ２／ＣｄＳ／ＺｎＯ／Ａｌの構造を有す
る光電変換素子の特性を測定し、以下のような結果を得
た。
【００１６】４平方インチのＮａ、Ｋ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃ
ａ等のアルカリ、アルカリ土類元素を各々１％以上含ま
ないガラス基板を使用した場合０．２ｃｍ２単位の変換
効率が最高で約６％であったが、変換効率０．５％以下
の部分が全活性面積の約１０％にまで改善された。
ａ等のアルカリ、アルカリ土類元素を各々１％以上含ま
ないガラス基板を使用した場合０．２ｃｍ２単位の変換
効率が最高で約６％であったが、変換効率０．５％以下
の部分が全活性面積の約１０％にまで改善された。
【００１７】
【比較例１】使用するガラス基板を、一般にソーダーラ
イムガラスと呼ばれているものを用いた以外は実施例１
と同様な材料、方法等でガラス／Ｍｏ／ＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２／ＣｄＳ／ＺｎＯ／Ａｌの構造を有する光電変換素
子を作製し、この特性を測定し、以下のような結果を得
た。
イムガラスと呼ばれているものを用いた以外は実施例１
と同様な材料、方法等でガラス／Ｍｏ／ＣｕＩｎＧａＳ
ｅ２／ＣｄＳ／ＺｎＯ／Ａｌの構造を有する光電変換素
子を作製し、この特性を測定し、以下のような結果を得
た。
【００１８】変換効率は最高で約７％であったが、変換
効率０．５％以下の部分が全活性面積の約６０％を占め
た。
効率０．５％以下の部分が全活性面積の約６０％を占め
た。
【００１９】
【発明の効果】本発明によって、最高変換効率は従来使
用されるガラス基板に比して約１％低くなったが、大面
積モジュールで見た場合には平均変換効率が大幅に向上
し、同一基板内の、また基板間のバラツキが大幅に減じ
られることとなった。
用されるガラス基板に比して約１％低くなったが、大面
積モジュールで見た場合には平均変換効率が大幅に向上
し、同一基板内の、また基板間のバラツキが大幅に減じ
られることとなった。
【００２０】
【図１】本発明による多結晶薄膜層を用いて作成したヘ
テロ接合の一部の断面図
テロ接合の一部の断面図
【００２１】
１ ガラス基板 ２ モリブデン電極層 ３ 半導体層 ４ ＣｕＩｎＧａＳｅ２薄膜層 ５ ＣｄＳ薄膜層 ６ 酸化亜鉛薄膜層 ７ アルミニウム電極層
フロントページの続き (72)発明者 阪口 新 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番１号 信越化学工業株式会社コーポレートリサ ーチセンター内
Claims (3)
- 【請求項１】 アルカリおよびアルカリ土類のそれぞれ
の元素の含有量が１％未満であるガラス基板とＩｂ族、
ＩＩＩｂ族、ＶＩｂ族の各々より選ばれる元素を主成分
とした光電変換層とを含んで構成される薄膜光電変換素
子。 - 【請求項２】 前記光電変換層が原子半径が１．７０オ
ングストローム以上の元素を重量で５ｐｐｍ〜５％の割
合で含有することを特徴とする請求項１の薄膜光電変換
素子。 - 【請求項３】 前記光電変換層がＣｕ、Ｉｎ、Ｓｅ及び
Ｇａを含んで成ることを特徴とする請求項１記載の薄膜
光電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7037472A JPH08195498A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 薄膜光電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7037472A JPH08195498A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 薄膜光電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08195498A true JPH08195498A (ja) | 1996-07-30 |
Family
ID=12498475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7037472A Pending JPH08195498A (ja) | 1995-01-18 | 1995-01-18 | 薄膜光電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08195498A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107424246A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-12-01 | 京东方科技集团股份有限公司 | 可见光通信密码解锁装置及方法 |
-
1995
- 1995-01-18 JP JP7037472A patent/JPH08195498A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107424246A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-12-01 | 京东方科技集团股份有限公司 | 可见光通信密码解锁装置及方法 |
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