JPH08501189A - 基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法 - Google Patents

基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法

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Abstract

(57)【要約】 黄銅鉱の形式ABC2多結晶単相化合物半導体の作成のために、基板に、成分を元素として、元素間化合物としてまたは合金として含んでいる、複数の層を有する多層構造を析出することが提案され、その際成分Cは化学量論に過剰にある。少なくとも毎秒10゜Cの加熱レートで少なくとも350゜Cのプロセス温度への迅速な熱処理プロセスにおいて、この多層構造は数秒後に既に化合物半導体ABC2へ移行し、その際層構造体のカプセル化によってガス交換が制限され、その結果最も迅速な成分の蒸発が妨げられる。この半導体から、高い効率の太陽電池が製造される。

Description

【発明の詳細な説明】 基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法 太陽光を電気エネルギーに変換することによって安価でかつ競争できるエネル ギーの発生のために、高い効率の太陽電池が必要とされる。これは、10%以上 、有利にはさらに15%以上の効率を有しかつ少なくとも20年の年月にわたっ て安定しているべきである。 太陽電池を目的として今日、黄銅鉱形式(Chalkopyrit-Typ)の化合物半導体 が熱心に研究されている。例えば銅−インジウム−ジセルニド(CIS)から成 る多結晶の薄膜太陽電池によって、既に、ほぼ15%の高くかつ安定した効率が 実現された。しかしこの種の太陽電池の大量生産のために、なお一層の電池およ び工程の開発が必要である。開発によって一方において、製造される太陽電池の 高い効率を実現するために煩雑な工程監視を必要とする製造工程を一層簡単にし たい。他方において、セレン化水素、硫化カドミニウムまたはテルル化カドミニ ウムのような毒性化合物を、製造工程ないし電池構造から取り除くようにしたい 。 黄銅鉱膜を製造するためにこれまで公知の成膜法は、実質的に1段ないし2段 階プロセスに応じて区別することができる。例えばヨーロッパ特許第67860 9号明細書(Mickelsen et al)から公知の1段階プロ セスでは、加熱された基板上に元素Cu,InまたはGaおよびSeまたはSを 同時に蒸着し、その際基板上に自発的に化合物半導体が形成される。しかしその 場合元素CuおよびInないしCuおよびGaの蒸着レート並びに殊にそれらの 相互比を非常に正確に制御しなければならない。この要求は、大面積の太陽電池 モジュールの製造の際に大きな問題になる。 これとは異なって、例えばヨーロッパ特許第195152号明細書から公知の 2段階プロセスではまず、室温において金属層(例えばCuおよびIn)が析出 される。第2段階において、そこから熱処理プロセスによって反応性のセレンま たは硫黄を含有する雰囲気内に所望の半導体化合物が形成される。確かにこの第 2段階プロセスは大面積の成膜装置において行われかつ個別成分の量比は良好に コントロールされるが、この場合しばしば半導体層の、金属裏面電極に対する接 着力が不足することがある。さらに、所望の層特性を得るために、試料の加熱の 際に正確な温度プロフィール並びに十分なセレン分圧を維持しなければならない 。さらに、この方法のために必要な猛毒性のプロセスガス、セレン化水素および 制限された形において硫化水素の問題もある。さらに、何時間にも及ぶ長時間の プロセスによって、不連続的な製造しか実現されず、量産を著しく妨げる。 2段階プロセスの別の変形例において、セレンない し硫黄成分は気体相を介して形成されず、直接元素の形において金属性の膜(層 )上に蒸着される。その際半導体形成は上述の場合におけるよりも迅速に行われ るが、このようにして製造される薄膜太陽電池は満足できないことが認められて おりかつ5%より小さい効率しかないことが示されている。当該層(膜)は、2 次相の残滓並びに基板の点状の剥離を呈する。 このプロセスの別の変形例において、CIS薄膜はレーザを用いてRTA(Ra pid Thermal Annealing)によってCu/In/Se膜(層)結合体から合成さ れる。しかしその際得られる半導体層は単一の相ではなく、粒径が著しく小さく しかもn導電形であった。 H. Oumous et al 著の論文(Proc. of the 9th ECPVSEC 1989 年、Freiburg /Breisgau、第153ないし156頁)から、9つの元素層In/Se/Cuか ら成る積層体を10゜/sで350ないし500゜Cに加熱することが公知であ る。このプロセスでも、黄銅鉱相の他に、x線回折検査では識別できない異相が 生じる。このために、使用不能な太陽電池が生じる。また、多層構造は、工程が 煩雑でありおよび/または大面積の基板上に実現することができない。著しく小 さな粒径および著しく僅かな層厚均一性が観察される。 したがって本発明の課題は、簡単に実施できかつ良好にコントロール可能であ りしかもそこから高い効率 を有する太陽電池が製造される単相および均質な半導体が形成される、黄銅鉱半 導体を形成するための改良された方法を提供することである。さらに、毒ガスの 回避によってプロセス実施を安全なものにしたい。 この課題は、本発明によれば、請求項1に記載の方法によって解決される。本 発明の別の実施例はその他の請求項に記載されている。 本発明の方法にとって最も重要なパラメータは、毎秒少なくとも10゜の高い 加熱レートでありかつ熱処理期間中に維持すべき、成分Cにおける過圧である。 過圧とは、出発材料A,BおよびCの化学量論的に正確な組成において比1:1 :2において形成されるはずの分圧より上にある分圧の意味である。 上述の高い加熱レートおよび十分高いプロセス温度Tpによって、数秒の熱処 理時間dt後に既に完成した化合物半導体が形成される。したがって少なくとも 1時間のセレン化を要求する公知の方法に比して、極めて迅速な方法である。 成分Cにおける過圧により、得られる化合物半導体の化学量論の自己制御作用 が生じる。出発成分A,BおよびCに関して正確に1:1:2の組成を有してい ない層構造でも、正確に正しい組成の均質な、すなわち単相の化合物半導体が得 られる。 層構造の高い加熱レートによって、出発成分の、所望の化合物半導体に対する 直接的な反応が実現される。 これまで生じてした安定しているが、電子的に障害となる、例えばCu2-dSe のような中間段が回避される。その理由は、所望の半導体が直接形成されるから である。生じた半導体層では、裏面電極を備えているかまたは裏面電極なしでも よい基板に対する高い接着性が得られる。個々の層剥離は、高い加熱レートAR によって多層構造SAの個別元素の局所的な塊化およびその2元中間層が回避さ れるので、発生しない。このことと結びついている、層湾曲の原因としてのラテ ラル、ひいては不均質な層成長は妨げられる。均質な層成長が観察され、これに より極めて僅かな層厚変動を有する極めて均質な化合物半導体が生じる。 黄銅鉱半導体の粒径は、形成された層厚の1ないし3倍の領域にあり、その結 果半導体層は、太陽電池を製造するための半導体層の有用性を損なうおそれがあ る、層平面に対して平行に延在する粒子境界を有していない。 そこから製造される太陽電池は、10%以上の効率を示す。 成分Cの過圧は最初化学量論的な過剰によっておよび熱処理プロセスの期間は 層構造のカプセル化によって保証される。その際カプセル化とは、層構造上の制 限されかつ“閉鎖された”気体空間である。この種のカプセル化に対する簡単な 解決法は、適当な、プロセスに対して不活性の材料を用いた被覆によって実現さ れる。別の実施例によれば、基板および層構造を熱処理のために閉鎖された容器 内に置く。その際有利にも、カプセルVによって閉鎖された容積の漏れレートは 僅かであり、これにより高められた流体抵抗との緩慢なガス交換が許容される。 その際被覆の材料ないし形式は、加熱の形式に合わせられる。例えば、多層構 造を備えた基板をカプセル化のために黒鉛ボックス内に置きかつそれからハロゲ ンランプを用いて照射するとき、迅速な加熱が実現される。黒鉛の高い吸収によ って、10s以内にプロセス温度Tpに達する程迅速な加熱が実現される。さら に、上述の構成によって、反応生成物における過圧が高い蒸気圧によって実現さ れるかないし熱処理期間におけるその高い蒸気圧に基づく成分Cの過剰な損失が 妨げられる。その際層被覆と多層構造の表面との間隔は、5cmより小さい、有 利には5mmより小さくすべきである。 基板の光学的な加熱の場合、被覆ないしカプセルは、別の吸収性の、非反射性 の材料または石英のような透明な材料から形成することもできる。 光学的な加熱の他に、例えば抵抗加熱または誘導加熱のような高い加熱レート が実現される別の方法も可能である。 加熱および熱処理プロセスは、例えば窒素またはアルゴンのような不活性ガス から成るプロセス雰囲気下 で実施される。その際熱処理の大部分の期間のプロセス圧力は1hpaより上に あるが、有利には雰囲気圧力近傍、すなわち丁度1000hpa以下にある。 次に、多層構造の製造およびその、化合物半導体ABC2への変換について、 第1図および第2図に基づいて説明し、一方第3図には、そこから製造される太 陽電池の横断面図が示されている。 基板Sとして通例、窓ガラスから成るガラス板1が用いられる。これは、接着 層、例えば薄いクロム層を備えることができ、この上に、半導体層から製造すべ き素子に対する裏面電極層1aが被着されている。しかしこの方法は、このよう な材料に制限されていないので、通例太陽電池に使用される数多くの基板/裏面 電極組み合わせSが可能である。すなわち、基板1は、任意の非導電性または導 電性の材料から、例えばセラミック、黒鉛または鋼から製造することができる。 裏面電極層1aは、任意の金属層とすることができるかまたは薄い導電性の酸化 物、例えばドーピングされた酸化錫または酸化亜鉛であってもよい。基板1およ び裏面電極層1aの材料に依存して、SAおよびS(第1図)の間に、例えば窒 化チタンまたは窒化タンタルシリコンのような拡散防止層が必要なことがある。 次いで基板Sに、通例の薄膜被膜方法で、多層構造SAの個別層が被着される 。適当な方法は例えば、スパッタリング、蒸着または電気メッキによる析出であ る。多層構造SAの全層厚は、完成した化合物半導体の所望の層厚に依存してお り、それは例えば0.1および5μmの間にあるべきある。CIS層は、1μm の層厚から既に太陽光を完全に吸収するので、太陽電池として適当なCIS層は 通例、少なくとも1μmの厚さにおいて形成される。 多層構造SAに対して、製造すべき化合物半導体ABC2の成分A,Bおよび Cは具体的な層においておよび成分相互の適当な比において被着される。成分B およびCを少なくとも部分的に元素間化合物として(例えばIn2Se3)析出す ることもできる。成分BおよびCの所望の比に対してなお余っている量のCは、 元素として付加される。成分BおよびCを合金として供給しかつ例えば蒸着する ことも可能である。 成分Aは第1の層2として元素として供給される。層3および4は、上述のよ うに、成分BおよびCを含んでいるかないし元素的に供給されるCの他にBC化 合物を含んでいる。層3および4の順序を交換するか、または成分A,Bおよび Cの総量を3層より多層の形においてマルチ層として供給することもできる。 成分A,BおよびCは、1:m:2nのモル比において析出され、その際mは 0.9ないし1.3の値をとすることができるが、通例1より大きい。指標nは 、1.0ないし1.8の任意の値をとることができるが、全体として常に、成分 Cが過剰に存在するように選択 され、その結果Cの成分は、Aおよび/またはBに関して化学量論的な正確な成 分について20ないし100%にあり、その際勿論不足状態にある成分が尺度と して採用される。 多層構造SAないし層2,3および4に対する被膜形成温度は200゜以下に ありかつ詳細には供給形式に依存している。 多層構造SAの変換のために、次にこの多層構造を温度プロセスにさらさなけ ればならない。このために、多層構造SAはまず、例えば多層構造の被覆によっ てまたは多層構造SAを備えた基板Sを閉じられた容器内に挿入することによっ てカプセル化される。被覆は、例えば金属、黒鉛または石英から成るシートまた は薄板を用いて行うことができる。第1図において、カプセル化は破線として示 されている。カプセルVによって、温度プロセスの間、高い蒸気圧によって反応 生成物または挿入された成分に対して過圧が形成され、その際同時に、外部との 緩慢なガス交換が可能になる。 例えばハロゲンランプを用いたビームEによるエネルギーの供給によって、十 分に高い加熱レートARを保証できなければならす、その結果このような観点で 適しているすべての加熱源および材料をカプセル化のために使用することができ る。 温度プロセスは、少なくとも350゜のプロセス温度Tpへの迅速な加熱フェ ーズを有する。その際この 加熱時間は、30s以下、有利には10s下にあるべきであり、その場合少なく とも毎秒10゜の加熱レートARが必要である。プロセス温度に達した後にさら に時間間隔dtの間引き続き熱処理され、その際dtは数秒ないし約1hである この時間間隔Tpに依存した値を有することができる。例えば500゜Cでは2 0sの熱処理時間で十分であるが、400゜Cのプロセス温度では5minの熱 処理時間が(CISに対してその都度)必要である。 第2図には、基板Sとその上に形成された半導体層HLとが示されている。半 導体層HLは単相であり、すなわち所望の化合物半導体ABC2の結晶粒子から のみ成っている。得られる粒径は、選択されたプロセス温度Tpまたは加熱レー トARおよび形成された半導体層HLの層厚dに依存しておりかつ1dないし3 dの範囲内にある。これにより、半導体層HLには、半導体層の高い電子的な品 質を保証する、層平面に対して垂直に延在する粒子境界のみが発生することが保 証されている。 次に、実施例として、CIS層並びその上に形成される太陽電池の製造につい て説明する。 実施例 基板Sに対して、ソーダ石灰ガラスが使用されかつモリブデン電極が付けられ る。そのために約1μmの厚さのモリブデンが噴霧される。多層構造SAのため に、成分A,BおよびCが元素Cu,InおよびSeの個別層の形において上述 の順序で供給され、その際Cuに対しては2μmol/cm2の総量が選択され 、Inに対しては2.15μmol/cm2の量が選択されかつSeに対しては 5.8μmol/cm2が選択され、このことは約1μmの完成したCIS層の 層厚dに対して申し分ない。別の層厚dに対しては、供給量を相応に補正するこ とができる。 次に、多層構造SAを備えた基板は、黒鉛ボックス内において毎秒50゜の加 熱レートによってハロゲンランプを使用して400゜まで窒素から成る雰囲気中 でかつ約800hpaの圧力下で加熱される。約5minの熱処理時間の後、x 線回折スペクトルが実証するように、申し分ない接着性の、多結晶の単相のCI S膜が黄銅鉱構造において生じた。粒径は1ないし3μmの範囲内にあり、膜は 約50ないし100Ωcmの固有抵抗を有するp導電性である。 太陽電池を完成するためにさらに、公知の方法により、10nm厚のn導電性 の硫化カドミニウム/酸化亜鉛−ウィンドウ層FSが発生される。前面電極層F E、例えば1μm厚のZnO並びに格子電極構造GEおよび場合により不活性な いし反射防止層によって構造が完全になる。 完成した太陽電池は、415mV以上の無負荷電圧において10%以上の効率 、65%以上の充填係数お よび38mA/cm2短絡電流を呈する。第3図には、完成した太陽電池が示さ れている。 本発明の方法は、太陽電池に対して実証されているセレン化カドミニウム銅の 他に、別の黄銅鉱材料の製造のためにも極めて良好に適している。従来のプロセ スに比して、この新しい方法によって著しく低減されたクロック時間が得られ、 その結果これにより殆ど連続的なコストの面で有利なインライン製造が実施され る。 CIS層を製造するための気体相セレン化に対して、半導体形成の工程に対す る本発明の方法によって、200倍までの加速が実現される。
【手続補正書】特許法第184条の8 【提出日】1994年6月9日 【補正内容】 このプロセスの別の変形例において、CIS薄膜はレーザを用いてRTA(Ra pid Thermal Annealing)によってCu/In/Se層ブロックから合成される 。しかしその際得られる半導体層は単相ではなく、粒径が著しく小さくしかもn 導電性であった。 H. Oumous et al 著の論文(Proc. of the 9th ECPVSEC 1989 年、Freiburg/ Breisgau、第153ないし156頁)から、9つの元素層In/Se/Cuから 成る積層体を10゜/sで350ないし500゜Cに加熱することが公知である 。このプロセスでも、黄銅鉱相の他に、x線回折検査では識別できない異相が生 じる。このために、使用不能な太陽電池が生じる。また、多層構造は、工程が煩 雑でありおよび/または大面積の基板上に実現することができない。著しく小さ な粒径および著しく僅かな層厚均一性が観察される。 20.IEEE Photovotaic Specialists Conference(Las Vegas,1988年9月 26日から30日)のための講演集(第1482ないし1486頁)から、ガラ ス基板上の出発成分の薄い元素層のサンドイッチ構造体をレーザ加工によって化 合物半導体に変換する、銅インジウムジセルニド薄膜に対する製造方法が公知で ある。不活性雰囲気中における熱処理がこれに続く。 Solar Cells (第30巻、 No.1/4,1991年5月、第69ないし77頁) から、多結晶基板に銅インジウ ムジセルニド薄層を製造するための方法が公知である。元素の出発化合物は、共 通の析出(コード位置)によって真空蒸着によって析出されかつ迅速な加熱プロ セスにおいて半導体に変換される。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第3822073号公報から、出発化合物の薄 い元素層の熱処理により薄い銅インジウムジセルニド薄膜を製造することが公知 である。 ヨーロッパ特許出願公開第318315号公報から、出発成分の元素積層体を 水素またはセレン化水素を含有している雰囲気中において化合物半導体に変換す る、黄銅鉱半導体層の製造方法が公知である。 したがって本発明の課題は、簡単に実施できかつ良好にコントロール可能であ りしかもそこから高い効率を有する太陽電池が製造される単相および均質な半導 体が製造される、黄銅鉱半導体を製造するための改良された方法を提供すること である。さらに、毒ガスの回避によってプロセス実施を安全なものにしたい。 この課題は、本発明によれば、請求項1に記載の方法によって解決される。本 発明の別の実施例はその他の請求項に記載されている。 成分A,BおよびCは、1:m:2nのモル比において析出され、その際mは 0.9ないし1.3の値をとすることができるが、通例1より大きい。指標nは 、1.0ないし1.8の任意の値をとることができるが、全体として常に、成分 Cが過剰に存在するように選択され、その結果Cの成分は、Aおよび/またはB に関して化学量論の正確な成分について20ないし100%にあり、その際勿論 不足状態にある成分が尺度として採用される。 本発明の実施例によれば、基板S上に、少なくとも2μmol/cm2の量の 成分AおよびBおよび少なくとも4.8μmol/cm2の成分Cが被着される 。 本発明の別の実施例によれば、それぞれ0ないし25原子パーセントの割合に おける成分Bおよび/またはCに代わって、それぞれ周期系の同じ主属の元素を 使用することができる。 多層構造SAないし層2,3および4に対する成膜温度は200゜以下にあり かつ詳細には被着形式に依存している。 請求の範囲 1.Aは銅であり、BはインジウムまたはガリウムでありかつCは硫黄またはセ レンである、形式ABC2の黄銅鉱半導体の作成方法であって、基板上に次のス テップを実施し、 成分A,BおよびCを元素の形または2元元素間化合物B23として被着するこ とによって基板(S)上に多層構造(SA)を形成し、ただし成分Cは、成分C における化学量論に正確な割合の2倍までになる過剰にあり、 前記多層構造(SA)を有する前記基板(S)を350゜より高いまたはそれに 等しいプロセス温度(Tp)に少なくとも10゜C/sの加熱レート(AR)で 迅速に加熱し、 前記基板を、10sの時間間隔dtの間前記温度Tpに保持し、 ここにおいて5mmより僅かな間隔をおいて前記多層構造(SA)上に被覆するこ とによって、カプセル化を行い、該カプセル化によって、アニールないし熱処理 プロセス全体の期間、化学量論の正確なABC2半導体に関して形成されるはず の、Cの分圧より上方にある分圧が、成分Cに対して維持されるようにする ことを特徴とする黄銅鉱半導体の製造方法。 2.前記多層構造(SA)を備えた前記基板(S)を、カプセル化のために閉鎖 された容器(V)内に置く 請求項1記載の方法。 3.黒鉛から成る容器を使用しかつ加熱(E)を加熱ランプによって行う 請求項2記載の方法。 4.成分Aを、前記層構造体(SA)の第1の層(1)として元素として供給す る 請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 5.前記加熱レートARを、前記プロセス温度Tpが10s以下の時間の間に達 するようにな高さに選択する 請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 6.前記プロセス温度Tpは、少なくとも500゜Cである 請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 7.前記熱処理を、1hpaと1000hpaとの間の総ガス圧力において実施 する 請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 8.前記層構造体SAに対して、前記成分A,BおよびCを1:m:2nの比お いて析出し、ただしmは0.9ないし1.3に等しくかつnは1.0ないし1. 8に等しい 請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 9.前記成分AおよびBを少なくとも約2μmol /cm2の量においてかつ成分Cを少なくとも約4.8μmol/cm2の量にお いて、前記基板Sに供給する 請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。 10.それぞれ0%ないし25%原子パーセントの割合の成分Bおよび/または Cの代わりにそれぞれ、周期(律表)系の同じ主属の元素を使用する 請求項1から19までのいずれか1項記載の方法。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.Aは銅または銀であり、Bはインジウム、ガリウムまたはアルミニウムであ りかつCは硫黄またはセレンである、形式ABC2の黄銅鉱半導体の作成方法で あって、基板上に次のステップを実施し、 成分A,BおよびCを元素の形または2元元素間化合物B23として被着するこ とによって基板(S)上に多層構造(SA)を生成し、 前記多層構造(SA)を有する前記基板(S)を所定の加熱レート(AR)でプ ロセス温度(Tp)に迅速に加熱し、 前記基板を、時間間隔dtの間、前記温度Tpに保持し、 ただし前記多層構造(SA)は成分Cを化学量論に過剰に含んでおり、前記加熱 レート(AR)は少なくとも10゜/sであり、前記プロセス温度Tpは350 ゜Cより大きいかまたはそれに等しく、前記時間間隔dtは10sないし1hで ありかつアニールないし熱処理期間全体の間、成分Cの、平衡圧力より上にある 分圧が維持されるようにする ことを特徴とする黄銅鉱半導体の製造方法。 2.熱処理期間の成分Cの過圧を、前記多層構造SAのカプセル化Vによって保 証する 請求項1記載の方法。 3.前記カプセル化Vを、前記多層構造SAの被覆によって行う 請求項2記載の方法。 4.前記多層構造(SA)を備えた前記基板(S)を、カプセル化のために閉鎖 された容器(V)内に置く 請求項3記載の方法。 5.黒鉛から成る容器を使用しかつ加熱(E)を加熱ランプによって行う 請求項4記載の方法。 6.成分Aを、前記多層構造(SA)の第1の層(1)として元素として供給す る 請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 7.前記加熱レートARを、前記プロセス温度Tpが10s以下の時間の間に達 するようにな高さに選択する 請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 8.前記プロセス温度Tpは、少なくとも500゜Cである 請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 9.前記熱処理を、1hpaと1000hpaとの間の圧力において実施する 請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。 10.前記多層構造SAに対して、前記成分A,BおよびCを1:m:2nの比 おいて析出堆積し、ただしmは0.9ないし1.3に等しくかつnは1.0 ないし1.8に等しい 請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。 11.前記成分AおよびBを少なくとも約2μmmol/cm2の量においてか つ成分Cを少なくとも約4.8μmmol/cm2の量において、前記基板Sに 供給する 請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。 12.それぞれ0%ないし25%(原子パーセント)の割合の成分Bおよび/ま たはCの代わりにそれぞれ、周期(律表)系の同じ主属の元素を使用する 請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
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