JPH1088320A - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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JPH1088320A
JPH1088320A JP8239585A JP23958596A JPH1088320A JP H1088320 A JPH1088320 A JP H1088320A JP 8239585 A JP8239585 A JP 8239585A JP 23958596 A JP23958596 A JP 23958596A JP H1088320 A JPH1088320 A JP H1088320A
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JP8239585A
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Takayuki Negami
卓之 根上
Takahiro Wada
隆博 和田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積で均質かつ禁制帯幅を制御したカルコ
パイライト構造半導体薄膜を量産する方法を提供する。
特に、カルコパイライト構造半導体薄膜を用いた高いエ
ネルギー変換効率が得られる太陽電池を提供する。 【解決手段】 Mo膜を被覆したガラス基板1上にIb
族であるCu(2)とIIIb族であるIn(3)の金属
薄膜を順次堆積した金属前駆体を石英管4中に入れ、外
部ヒータ5を用いて熱処理する。恒温槽7により一定の
蒸気圧に保たれたVIb元素を含む有機物ジエチルセレン
(Se(C25)2)6に輸送ガス8を流入して石英管に
Se(C25)2を導入する。これとは別に雰囲気ガス9
を石英管に導入する。ガス流量制御器10で設定された
輸送ガスの流量で石英管中のSe(C25)2の濃度を制
御し、ガス流量制御器11で設定した雰囲気ガスの流量
にて反応圧力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の製造方
法に関するものであり、特にエネルギー変換効率の高い
太陽電池用に好適な半導体薄膜に関する。
【0002】
【従来の技術】Ib族、IIIb族とVIb族元素からなる化
合物半導体薄膜(カルコパイライト構造半導体薄膜)で
あるCuInSe2を光吸収層に用いた薄膜太陽電池が
高いエネルギー変換効率を示し、光照射等による効率の
劣化がないという利点を有していることが報告されてい
る。エネルギー源としての使用に必要となる大面積太陽
電池を作製するため比較的均一なCuInSe2薄膜が
得られる製造方法として、金属膜上に形成したCuとI
nの金属積層または合金薄膜あるいはカルコパイライト
構造ではないCu-In-Se膜(以下これらを前駆体と
記す)を、H2SeガスまたはSe蒸気を含む雰囲気中
で熱処理してカルコパイライト構造CuInSe2膜を
作製するセレン化という方法が報告されている。なかで
も、H2Seを用いたセレン化法で作製したCuInS
2系薄膜を用いて、面積938cm2で変換効率11.1
%の太陽電池モジュールが報告されている。このセレン
化法は、簡単なプロセスであり、CuInSe2薄膜の
製造コストを低減できるという利点を有している。
【0003】一方、CuInSe2膜の禁制帯幅は約1e
Vであり、太陽光を最も効率よく電気エネルギーに変換
する光吸収層の禁制帯幅約1.5eVよりも小さい。そこ
で、近年、CuInSe2にGaを固溶して禁制帯幅を
広げたCu(In,Ga)Se2(CIGS)膜を用いた太
陽電池が主に開発されている。しかし、現在のところ、
CIGS膜ではGaの含有率が30%(禁制帯幅約1.
2eV)を越えると変換効率が低下する。これは、Ga含
有率の増加によるCIGS膜の結晶性の低下に起因して
いると考えられている。そこで、結晶性を低下すること
なく禁制帯幅をより広げるためにCIGS膜にSを固溶
したCu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSS)膜がい
くつか報告されている。なかでも、1996年5月13
日〜17日に開催された第25回アイトリプルイ フォ
トボルタイク スペシャリスツ コンファレンス(25th I
EEE Photovoltaic Specialists Conference)にて櫛谷
(K.Kushiya)等は「ザ ロール オブ Cu(InGa)
(SeS)2 サーフェス レイヤー オン ア グレーデッド
バンドギャップ Cu(InGa)Se2 シン フィルム
ソーラ セル プレペアド バイ ツーステージ メソッ
ド」(THE ROLE OF Cu(InGa)(SeS)2 SURFACE LAYER ON
A GRADED BAND-GAP Cu(InGa)Se2 THIN-FILM SOLARCELL
PREPARED BY TWO-STAGE METHOD)という題でH2Seガ
スを用いたセレン化により作製したCu(In,Ga)S
2膜をH2Sガス雰囲気で硫化して表面にCu(In,G
a)(Se,S)2層を作製する方法を報告している。この
方法は、ガス雰囲気中でCIGSS膜を作製する方法で
あり、高効率太陽電池の量産化に適した方法である。し
かしながら、光吸収層全体を太陽光を最も効率よく電気
エネルギーに変換する禁制帯幅に制御しているわけでは
ない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】CuInSe2系の太
陽電池を量産するには、多量の前駆体を一度に熱処理す
る方法が最も適している。この時、セレンまたはInと
Seの化合物の蒸気圧が高いことから生じるセレンまた
はIn-Se化合物の膜中からの離脱を防ぐために製膜
中にセレンを多量に供給する必要がある。従って、多量
のセレンを個々の前駆体に均一に供給する方法が重要と
なる。セレン蒸気を用いるセレン化の場合は、真空中で
金属セレンを蒸発させ、前駆体に供給する方法とガスを
キャリアとして金属セレンを供給する方法がある。前者
の方法では、多量の前駆体を一度に処理するには、大型
の真空容器を必要とし、それを真空状態にするために消
費するエネルギーと時間が大きく、量産性に劣る。さら
に、この方法では、均一にセレンを供給するために必要
以上のセレンを蒸発させることになり、資源的な損失が
問題となる。また、ガス輸送によるセレンの供給法で
は、ガス中での金属セレン蒸気の不均一な分布のため、
前駆体に均一に多量のセレンを供給することが困難であ
る。これに対し、H2Seガスを用いたセレン化法で
は、熱処理する雰囲気中にH2Seがほぼ均一に分布す
る。また、高濃度(1〜5vol%)のH2Seガスを供給
することにより、CuInSe2膜を形成するには十分
なセレン量を供給できる。従って、CuInSe2膜の
大量生産にはH2Seガスを用いたセレン化が有効であ
る。しかし、H2Seガスは極めて毒性が強く、微量の
ガスを短時間吸入しただけでも生命に危険性を及ぼすこ
とがある。大面積の太陽電池を量産する場合は、H2
eガスの取り扱いまたは処理が問題となる。安全性の確
保のために要するエネルギーと時間が生産性を低下させ
ることになる。
【0005】また、カルコパイライト構造半導体からな
る光吸収層の禁制帯幅を最も太陽光を電気エネルギーに
効率よく変換する値にするには、GaとSを固溶したC
IGSS膜が有効であるが、量産性に適したガスを用い
たセレン化法で禁制帯幅を制御することは難しい。これ
は、前駆体に対するH2SとH2Seの反応性が異なるた
めである。同一温度では、H2Seの方がH2Sより反応
が速いと考えられる。従って、前述のようにH2Seガ
スでセレン化した後にH2Sガスで硫化する2段階の方
法を用いることになる。この場合は、表面のみにCIG
SS層が形成され、膜全体の禁制帯幅を制御することは
困難である。
【0006】以上から、大面積の太陽電池の量産化のプ
ロセスとしては、比較的安全なガス雰囲気中でのセレン
化が必要となる。さらに、高い変換効率が得られる太陽
電池を量産するには、ガス雰囲気でのカルコゲン化(セ
レン化及び硫化を含む)でカルコパイライト構造半導体
薄膜の禁制帯幅を制御する必要がある。
【0007】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、大面積で均質かつ禁制帯幅を制御したカルコパイラ
イト構造半導体薄膜を量産する方法を提供する。特に、
カルコパイライト構造半導体薄膜を用いた高いエネルギ
ー変換効率が得られる太陽電池の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の半導体薄膜の第1番目の製造方法は、Ib
族とIIIb族元素からなる金属薄膜を、VIb族元素を含
む有機物及びVIb族元素と炭素を含む無機物から選ばれ
る少なくとも一つを供給した雰囲気中で熱処理する工程
を含むという構成を備えたものである。
【0009】次に本発明の半導体薄膜の第2番目の製造
方法は、Ib族、IIIb族とVIb族元素からなる化合物薄
膜を、VIb族元素を含む有機物及びVIb族元素と炭素を
含む無機物から選ばれる少なくとも一つを供給した雰囲
気中で熱処理する工程を含むという構成を備えたもので
ある。
【0010】次に本発明の半導体薄膜の第3番目の製造
方法は、Ib族、IIIb族とVIIb族元素からなる化合物
薄膜を、VIb族元素を含む有機物及びVIb族元素と炭素
を含む無機物から選ばれる少なくとも一つを供給した雰
囲気中で熱処理する工程を含むという構成を備えたもの
である。
【0011】前記第1〜3番目の製造方法においては、
VIb族元素を含む有機物が、異なる少なくとも2種類以
上のVIb族元素を含む有機物であることが好ましい。ま
た前記第1〜3番目の製造方法においては、VIb族元素
を含むガス体を供給した雰囲気中で熱処理する工程を含
むことが好ましい。
【0012】また前記第1〜3番目の製造方法において
は、VIb族元素を含む有機物が、Se(Cn2n+1)2
(Cn2n+1)SeH、Se2(Cn2n+1)2、S(C
n2n+1)2、(Cn2n+1)SH、S2(Cn2n+1)2から選
ばれる一つの有機物(ただし、nは自然数である。)で
あることが好ましい。
【0013】また前記第1〜3番目の製造方法において
は、VIb族元素と炭素を含む無機物が、CS2であるこ
とが好ましい。また前記第1〜3番目の製造方法におい
ては、VIb族元素を含む有機物またはVIb族元素と炭素
を含む無機物を供給するための輸送ガス(キャリアガ
ス)として、H2、N2、He、Arから選ばれる少なく
とも一つのガスを用いることが好ましい。
【0014】また前記第1〜3番目の製造方法において
は、VIb族元素を含むガスが、H2S及びH2Seから選
ばれる少なくとも一つのガスであることがましい。前記
したとおり、本発明方法は、前駆体をVIb族元素を含む
有機物またはVIb族と炭素を含む無機物を供給した雰囲
気中で熱処理してIb族とIIIb族元素とVIb族元素から
なるカルコパイライト構造半導体薄膜を作製する製造方
法を提供する。VIb族元素を含む有機物またはVIb族元
素と炭素を含む無機物は毒性が極めて低く、取り扱いが
容易であるため半導体薄膜の製造に用いることに適して
いる。
【0015】以上の製造方法を用いることにより、比較
的安全に大面積で均一な組成及び結晶性を有するカルコ
パイライト構造半導体薄膜が提供でき、前記カルコパイ
ライト構造半導体薄膜を用いた太陽電池の生産性を向上
させることが可能となる。さらに、VIb族元素が異なる
複数の有機物または炭素との無機化合物またはガス体を
用いることにより製造された半導体薄膜の禁制帯幅の制
御が可能となり、高い変換効率を示す太陽電池が得られ
る。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明において用いられるIb族
元素としてはCu及びAgがあるが、特にCuがコスト
の面から一般的に好ましく用いられる。本発明において
用いられるIIIb族元素としてはGa、In、Alなど
が挙げられるが、Ga、Inが好ましく用いられる。ま
た、VIb族元素としてはS、Se、Teが用いられる
が、特にS、Seが太陽光の吸収に適した禁制帯幅を与
えることから好ましく用いられる。さらに、VIIb族元
素としては、F、Cl、Br、Iが用いられるが、安定
性や取り扱いの容易さの点からClが好ましく用いられ
る。
【0017】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照しながら説明するが、本発明はここで記述する実施
の形態のみに限定されるものではない。 (実施の形態1)図1は本発明の1実施の形態を示すカ
ルコパイライト構造半導体薄膜の製造工程の一部を示し
ている。基体1としてMo膜を被覆したガラス基板を用
いた。その上にIb族であるCu(2)とIIIb族である
In(3)の金属薄膜を順次スパッタ蒸着した。スパッ
タ蒸着は、真空度5PaのAr雰囲気中で、各々の金属
体をターゲットとしてDCマグネトロンスパッタ法によ
り行った。作製したCu膜とIn膜それぞれの膜厚は
0.25μmと0.57μmである。この金属膜前駆体を
石英管4中に入れ、外部ヒータ5を用いて熱処理した。
この時、Se(C25) 2(ジエチルセレン)6を入れた
恒温槽7を0℃に保ち、H2を輸送ガス8として石英管
にSe(C25)2を導入した。また、これとは別に雰囲
気ガス9としてH2を導入した。輸送ガスの流量で石英
管中のSe(C25)2の濃度を制御し、雰囲気ガスにて
反応圧力を制御している。輸送ガスH2の流量はガス流
量制御器10にて100sccmに設定し、雰囲気ガス圧力
はガス流量制御器11にて300Torrになるように
制御した。熱処理は450℃にて1時間行った。
【0018】熱処理後に得られたCuInSe2膜のX
線回折パターンを図2に示す。カルコパイライト構造C
uInSe2の回折ピークのみ観測されており、Cu-S
eやIn-Se等の異相2元化合物は観測されなかっ
た。また、エネルギー分散X線分析(EDX)で膜の組
成比を測定した結果、Cu:In:Se=24.4:24.
8:50.8であり、ほぼCuInSe2の化学量論比を
満足しており、さらに、Cu/In比は前駆体の金属膜
の膜厚比から計算される値を保存している。
【0019】次に、面積10×10cmのCuInSe2
膜を25個に分割してそれぞれのX線回折パターンと組
成比を分析した結果、全て同じパターンと組成比が得ら
れた。
【0020】以上から、Se(C25)2を用いたセレン
化法で大面積で均質な単相のCuInSe2膜が得られ
たことがわかる。本実施の形態では、セレンを供給する
方法として、Se(C25)2を用いているが、以下の化
学式で表されるセレンの有機化合物を用いても同様な結
果が得られる。 (1)ジアルキルセレン:Se(Cn2n+1)2 (nは自
然数) (2)同様の化学式で表されるジターシャリアルキルセ
レン:(Se(t-Cn2n +1)2)等も含む。 (3)アルキルセレノール:(Cn2n+1)SeH (n
は自然数) (3)ジアルキルジセレン:Se2(Cn2n+1)2 (n
は自然数) このセレンの有機化合物も毒性を有しているが、H2
eに比べると極めて弱く、また、常温で液体であるため
取り扱いが容易であり、大面積のカルコパイライト構造
半導体薄膜の量産化プロセスに適した材料である。
【0021】(実施の形態2)本発明の他の実施の形態
について述べる。実施の形態1と同じ方法と条件でCu
とInの積層プレカーサ(前駆体)12を作製した。こ
のプレカーサを図3に示す石英炉13に入れ、外部ヒー
タ14を用いて熱処理した。この時、Se(C25)
2(ジエチルセレン)15を入れた恒温槽16を0℃に
保ち、H2を輸送ガス17として石英管にSe(C25)2
を導入した。また、S(t-C49)2(ジターシャリブチ
ル硫黄)18を入れた恒温槽19を5℃に保ち、H2
輸送ガス20として石英管にS(t-C49)2を同時に導
入した。ここで、S(t-C49)2を用いた理由は、Se
(C25)2との組み合わせでCuIn(Se,S)2を成長
した場合にSの固相組成制御が分配係数1近くで行え、
SeとSの組成比が輸送ガス流量で精密に制御できるた
めである。また、実施の形態1と同様に雰囲気ガス21
としてH2を導入した。本実施の形態では、Se(C
25)2の輸送H2ガス17をガス流量制御器22にて1
00sccmに固定し、S(t-C49)2の輸送ガス流量20
をガス流量制御器23にて50、100、150、20
0sccmの4種類に変化させて熱処理を行った。雰囲気ガ
ス圧はガス流量制御器24で300〜350Torrに制御
した。熱処理は450℃にて1時間行った。
【0022】得られたCuIn(Se,S)2膜の組成比S
/SeのS(t-C49)2の輸送H2ガス流量に対する変化
を図4に示す。ここで、Cu/In比はH2ガス流量に依
らずほぼ一定であり、その値は約0.98であった。図
からH2流量の増加に従いS/Se比が大きくなっている
ことがわかる。従って、S(t-C49)2の導入量(輸送
2ガス流量)により、CuIn(Se,S)2膜のS含有
率が制御できることがわかる。また、図5にS(t-C4
9)2の輸送H2ガス流量が100sccmで作製した膜のオー
ジェ電子分光分析法で測定したSeとSの膜の深さ方向
の分布を示す。横軸は膜の深さであり、膜の深さ0が膜
表面を表している。また、2つの元素の組成比がほぼ等
しいので分布をわかりやすくするため、Seは2倍の値
を表示している。図5からSeとSが膜の深さ方向でほ
ぼ均一に分布していることがわかる。また、X線回折か
らはカルコパイライト構造半導体の回折ピークのみ観測
され、CuInSe2とCuInS2の混在によるピーク
の分離は観察されなかった。従って、この条件で作製し
た膜はSとSeが1:1で固溶したCuIn(Se0 .5
0.5)2であることが確認できた。他のH2ガス流量で作製
した膜においてもSeとSの膜の深さ方向の分布は均一
であり、異相化合物による回折ピークは観測されなかっ
た。
【0023】以上から、2つのカルコゲン有機物Se
(C25)2とS(t-C49)2を用いることにより、SとS
eの含有率が制御されたCuIn(Se,S)2固溶膜を作
製できることがわかる。
【0024】なお、ここでは、SeとSの供給源として
Se(C25)2とS(t-C49)2を用いたが、実施の形態
1に記したSeの有機物と以下の化学式で表されるSの
有機物の分解温度、反応性や蒸気圧等による組み合わせ
によっても同様にSeとSの含有率を制御したCuIn
(Se,S)2固溶膜が得られる。 化学式1 ジアルキル硫黄 S(Cn2n+1)2 (nは自然数) 同様の化学式で表されるジターシャリアルキル硫黄 (S(t-Cn2n+1)2)等も含む。 化学式2 アルキルメルカプタン (Cn2n+1)SH (nは自然数) 化学式3 ジアルキルジスルフィド Se2(Cn2n+1)2 (nは自然数) なお、実施の形態1と2において、プレカーサとしてC
uとInの積層金属膜を用いたが、この積層順を変えて
も同様な膜が得られる。また、CuとInとGaの積層
膜を用いてもカルコパイライト構造半導体薄膜が得られ
る。さらに、Cu-InやCu-In-Gaの合金膜を用
いても同様にカルコパイライト構造半導体薄膜が得られ
る。
【0025】(実施の形態3)本発明の他の実施の形態
について述べる。Ib族とIIIb族とVIb族からなるCu
InSe2の化合物粒を真空中にて蒸発させてガラス基
板上にCu-In-Se薄膜を堆積した。Cu-In-Se
の膜厚は1.2μmであった。このプレカーサを図1に
示す石英炉に入れて、熱処理を行った。本実施の形態で
は、セレン供給源としてジイソプロピルセレン(Se
[(CH3)2CH]2)を用い、それを入れた恒温槽7を2
0℃に保持し、輸送ガス8としてH2を用いた。また、
雰囲気ガス9としてH2SとArの混合ガス(体積比H2
S:Ar=1:9)を用いた。この時の輸送H2ガス流
量は200sccmであり、雰囲気H2S+Arガスの流量
は100sccmとした。また、この時の雰囲気圧力は20
0Torrであった。また、熱処理は550℃で1時間行っ
た。
【0026】図6に作製したCuIn(Se,S)2膜の光
透過特性から算出した光エネルギーhν(h:プランク
定数、ν:光の振動数)に対する(αhν)2(α:吸収
係数)の変化を示す。また、比較のため実施の形態1と
同じ方法でガラス上に作製したCuInSe2膜の(αh
ν)2の変化も示している。各々の膜の変化がほぼ直線上
に乗っていることから両膜とも直接遷移型の半導体であ
ることがわかる。また、本実施の形態のCuIn(Se,
S)2膜においては、外挿される直線において変曲点がな
いことからSeとSが一様に固溶した膜であることがわ
かる。この外挿線と横軸の交点が各々の膜の光学バンド
ギャップとなり、ぞれぞれの値は、CuIn(Se,S)2
では1.23eV、CuInSe2では1.04eVである。
従って、本実施の形態のCuIn(Se,S)2膜はSの固
溶により、光学ギャップが大きくなり、禁制帯幅が広が
ることがわかる。
【0027】以上からH2Sガスとセレン有機物を用い
てもCuIn(Se,S)2膜が形成できることがわかる。
また、H2Seガスと硫黄有機物を用いても同様にSe
とSが固溶したカルコパイライト構造半導体薄膜が形成
できる。Seの含有率が少ない場合は、H2Seガス濃
度を低くできるため危険性を少なくできる。
【0028】なお、本実施の形態では、Ib族とIIIb族
とVIb族元素からなるプレカーサとしてCu-In-Se
の混合物を用いたが、本発明はこれに限定されるわけで
はない。例えば、Cu-SeとIn-Seの積層膜やGa
-SとIn-SeとCu-Seの積層膜のようなIb族元素
とVIb族元素の化合物膜とIIIb族元素とVIb族元素の
化合物膜の積層膜のプレカーサを用いてもカルコパイラ
イト構造半導体薄膜が製造できる。
【0029】(実施の形態4)本発明の他の実施の形態
について述べる。まず、プレカーサの作製法について述
べる。CuClとInCl3のパウダーを混合して入れ
た長方形のルツボの上約2cmにルツボの開口面積とほぼ
同じ大きさの基板を置く。このルツボと基板を入れた容
器を200TorrのN2ガス雰囲気に保ち、ルツボを約6
00℃に熱してCuClとInCl3を昇華させ基板上
にIb族とIIIb族とVIIb族元素の化合物であるCu-I
n-Cl薄膜を堆積する。ここで、基板としてはMo膜
を被覆したガラスを用いた。このプレカーサを図1の石
英炉に入れて熱処理を行った。ここでは、硫黄源として
CS2を用い、恒温槽7を15℃に保持してArガスを
輸送ガス8として用いて石英炉1に導入した。ここで、
輸送Arガス流量は50sccmである。また、雰囲気ガス
9としてN2を用いた。熱処理は、雰囲気圧500Torr
で、500℃で1時間行った。
【0030】X線回折から得られた膜では、カルコパイ
ライト構造半導体のCuInS2の回折ピークのみ観測
され、Cu-S、In-SまたはCu-ClやIn-Cl等
の2元異相化合物は観測されなかった。従って、単相の
CuInS2膜となっていることが確認できた。また、
2次イオン質量分析法(SIMS)からプレカーサ中の
Clの値よりCuInS2膜中のClの値は約2桁減少
していることが観測された。このことから、熱処理によ
りプレカーサ中のClがほとんど離脱したことがわか
る。
【0031】本実施の形態からSとCの無機化合物であ
るCS2を用いてもカルコパイライト構造半導体薄膜が
形成できることがわかる。なお、Se(C25)2を同時
に供給するとCuIn(Se,S)2が形成できる。この
時、CS2とSe(C25)2の輸送ガス流量でSeとSの
組成比が制御できる。
【0032】なお、本実施の形態では、Ib族とIIIb族
とVIIb族元素からなるプレカーサとしてCu-In-C
lの混合物を用いたが、本発明はこれに限定されるわけ
ではない。例えば、CuClとInCl3の積層膜やG
aCl3とInCl3とCuClの積層膜のようなIb族
元素とVIIb族元素の化合物膜とIIIb族元素とVIIb族
元素の化合物膜の積層膜のプレカーサを用いてもカルコ
パイライト構造半導体薄膜が製造できる。
【0033】(実施の形態5)本発明の製造方法を用い
て作製したCu(In,Ga)(Se,S)2膜(CIGS
S)を光吸収層に用いた太陽電池の一実施の形態につい
て述べる。まず、プレカーサは実施の形態1とほぼ同様
な方法でMo膜を被覆したガラス基板上に形成した。本
実施の形態では、Gaを混入するためにCu-Ga合金
ターゲットをスパッタしてCu-Ga合金膜を形成して
いる。その上にIn金属ターゲットをスパッタしてIn
金属膜を形成している。ここで、Cu-Ga合金ターゲ
ットのGa含有率は20wt%である。このプレカーサを
実施の形態2と同様な方法で図3の石英炉を用いて熱処
理した。ここでは、実施の形態2と同様にセレン源と硫
黄源にそれぞれジエチルセレンSe(C25)2とジター
シャリブチル硫黄(S(t-C49)2)を用いた。両供給
源ともに輸送ガスとしてH2ガスを用い、流量は100s
ccmとした。熱処理温度は500℃で、時間は1時間で
ある。
【0034】熱処理後に得られたCIGSS膜の上にC
dS膜を約50nm堆積した。CdS膜は、約60℃に
温めたCdIとチオ尿素とアンモニアと水の混合液の中
にCIGSS膜を約10分浸すことにより形成した。C
dS膜の上に、高周波スパッタ法により透明導電膜Zn
OとITOを順次堆積した。スパッタは1PaのAr雰
囲気にて行った。作製したZnOとITO膜の膜厚は両
方とも0.1μmである。このITO膜の上に取り出し
電極としてNi/Alの2層金属膜を蒸着した。また、
反射防止膜としてMgF2膜を約0.12μm蒸着した。
【0035】作製した太陽電池の各波長に対する規格化
量子効率の変化を図7に示す。また、比較のため蒸着法
で作製したCu(In,Ga)Se2膜(CIGS)を用い
た太陽電池の量子効率の変化を破線で示している。CI
GS膜と本実施の形態で得られたCIGSS膜のGa濃
度はほぼ等しい。量子効率の立ち下がり波長は、CIG
SS膜の方がCIGS膜より短波長側に移動している。
これは、Sの固溶によりCIGSS膜の方が禁制帯幅が
広がっているためである。禁制帯幅の拡大によりCIG
SS膜太陽電池の方が吸収できる波長域が狭くなり、得
られる短絡光電流は減少するが、開放端電圧が増加す
る。この場合は、CIGSの開放端電圧の約1.2倍に
増加した。また、開放端電圧の増加に従い曲線因子も増
加した。これらの要素の増加によりCIGSSの変換効
率はCIGS太陽電池比べ増加した。従って、Sを固溶
させることは、太陽電池の変換効率の向上に有効である
ことがわかる。
【0036】なお、SとGaの固溶率を最適化して禁制
帯幅を約1.5eVに近づけると太陽光エネルギーを最も
効率良く電気エネルギーに変換できる。
【0037】
【発明の効果】本発明のVIb族元素であるセレンまたは
硫黄を含む有機化合物またはVIb族元素と炭素の無機化
合物を供給した雰囲気中での熱処理により、大面積で均
一な組成かつ膜質を有するIb族、IIIb族とVIb族から
なるカルコパイライト構造半導体薄膜を大量に再現性良
く製造することが可能となる。本発明では、熱処理する
前の前駆体(プレカーサ)として3つの構成がある。第
1はIb族とIIIb族元素からなる金属膜である。第2は
Ib族とIIIb族とVIb族元素からなる化合物薄膜であ
る。第3はIb族とIIIb族とVIIb族元素からなる化合
物薄膜である。全ての前駆体の構成において、本発明の
VIb族元素の有機化合物または無機化合物を用いた熱処
理法が適用できる。各前駆体の構成は所望とするカルコ
パイライト構造半導体薄膜の組成または生産規模等によ
り適用が選別できる。
【0038】また、本発明によって、複数のVIb族元素
が固溶したカルコパイライト構造半導体薄膜を製造でき
る。また、VIb族元素の供給源となる有機化合物または
ガス体を蒸気圧や分解温度等を考慮して組み合わせて用
いれば、VIb族元素の含有率を精密に制御することが可
能となる。複数のVIb族元素の含有率によりカルコパイ
ライト構造半導体薄膜の禁制帯幅を制御できることか
ら、太陽光エネルギーを最も効率よく電気エネルギーに
変換できる禁制帯幅を有するカルコパイライト構造半導
体薄膜を提供でき、太陽電池の変換効率の向上に寄与で
きる。
【0039】以上から、本発明は均質かつ禁制帯幅を制
御した大面積カルコパイライト構造半導体薄膜を多量に
製造する方法を提供できる。特に、本発明は高い変換効
率が得られる大面積太陽電池を量産する製造方法を提供
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体薄膜の製造
工程の一部を示す図。
【図2】本発明の製造法で作製したCuInSe2膜の
X線回折パターンを示す図。
【図3】本発明の一実施の形態である半導体薄膜の製造
工程の一部を示す図。
【図4】ジターシャリブチル硫黄(S(t-C49)2)の
輸送H2ガス流量に対するCuIn(Se,S)2膜の組成
比S/Seの変化を示す図。
【図5】オージェ電子分光分析法で測定したCuIn
(Se0.50.5)2膜のSeとSの膜の深さ方向の分布を
示す図。
【図6】光エネルギーhν(h:プランク定数、ν:光
の振動数)に対するCuIn(Se,S)2膜の(αhν)2
(α:吸収係数)の変化を示す図。
【図7】本発明で作製したCu(In,Ga)(Se,S)2
(CIGS)膜を用いた太陽電池の波長に対する規格化
量子効率の変化を示す図。
【符号の説明】 1 基体(Mo膜を被覆したガラス基板) 2 Ib族元素(Cu)薄膜 3 IIIb族元素(In)薄膜 4 石英管 5 ヒータ 6 VIb族元素を含む有機物(ジエチルセレン(Se
(C25)2)) 7 恒温槽 8 輸送ガス(H2) 9 雰囲気ガス(H2) 10 ガス流量制御器 11 ガス流量制御器 12 前駆体(Cu/In積層金属膜) 13 石英管 14 ヒータ 15 VIb族元素を含む有機物(ジエチルセレン(Se
(C25)2)) 16 恒温槽 17 輸送ガス(H2) 18 VIb族元素を含む有機物(ジエチルセレン(S(t
-C49)2)) 19 恒温槽 20 輸送ガス(H2) 21 雰囲気ガス(H2) 22 ガス流量制御器 23 ガス流量制御器 24 ガス流量制御器

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ib族とIIIb族元素からなる金属薄膜
    を、VIb族元素を含む有機物及びVIb族元素と炭素を含
    む無機物から選ばれる少なくとも一つを供給した雰囲気
    中で熱処理する工程を含む半導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 Ib族、IIIb族とVIb族元素からなる化
    合物薄膜を、VIb族元素を含む有機物及びVIb族元素と
    炭素を含む無機物から選ばれる少なくとも一つを供給し
    た雰囲気中で熱処理する工程を含む半導体薄膜の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 Ib族、IIIb族とVIIb族元素からなる
    化合物薄膜を、VIb族元素を含む有機物及びVIb族元素
    と炭素を含む無機物から選ばれる少なくとも一つを供給
    した雰囲気中で熱処理する工程を含む半導体薄膜の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 VIb族元素を含む有機物が、異なる少な
    くとも2種類以上のVIb族元素を含む有機物である請求
    項1〜3のいずれかに記載の半導体薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】 VIb族元素を含むガス体を供給した雰囲
    気中で熱処理する工程を含む請求項1〜3のいずれかに
    記載の半導体薄膜の製造方法。
  6. 【請求項6】 VIb族元素を含む有機物が、Se(Cn
    2n+1)2、(Cn2n+1)SeH、Se2(Cn2n+1)2、S
    (Cn2n+1)2、(Cn2n+1)SH、S2(Cn2n+ 1)2から
    選ばれる一つの有機物(ただし、nは自然数である。)
    である請求項1〜3のいずれかに記載の半導体薄膜の製
    造方法。
  7. 【請求項7】 VIb族元素と炭素を含む無機物が、CS
    2である請求項1〜3のいずれかに記載の半導体薄膜の
    製造方法。
  8. 【請求項8】 VIb族元素を含む有機物またはVIb族元
    素と炭素を含む無機物を供給するための輸送ガス(キャ
    リアガス)として、H2、N2、He、Arから選ばれる
    少なくとも一つのガスを用いる請求項1〜3のいずれか
    に記載の半導体薄膜の製造方法。
  9. 【請求項9】 VIb族元素を含むガスが、H2S及びH2
    Seから選ばれる少なくとも一つのガスである請求項5
    に記載の半導体薄膜の製造方法。
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