JPWO2011158724A1 - Thin film solar cell - Google Patents

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Abstract

発電特性がさらに向上した薄膜太陽電池を提供することを課題とする。薄膜太陽電池10は、光入射側より、透明絶縁性基板1、透明電極層2、光電変換ユニット3、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層(A)4、及び裏面電極5がこの順番に配置された構造を有する。透明導電性酸化物層(A)4は、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素(アルミニウム等)を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)の、少なくとも2層を有する。透明導電性酸化物層(B)の膜厚は、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の30%〜80%を占める。It is an object to provide a thin film solar cell with further improved power generation characteristics. The thin film solar cell 10 includes a transparent insulating substrate 1, a transparent electrode layer 2, a photoelectric conversion unit 3, a transparent conductive oxide layer (A) 4 mainly composed of zinc oxide, and a back electrode 5 from the light incident side. It has a structure arranged in this order. The transparent conductive oxide layer (A) 4 is composed of a transparent conductive oxide layer (B) containing conductive impurities mainly composed of silicon, and a conductive material mainly composed of elements other than silicon (such as aluminum). It has at least two layers of the transparent conductive oxide layer (C) containing impurities. The film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) accounts for 30% to 80% of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (A).

Description

本発明は薄膜太陽電池に関する。本発明は、薄膜太陽電池に好適な透明導電性酸化物層、特に半導体層と裏面電極との電気的接合が良好となる透明導電性酸化物層を用いることで、薄膜太陽電池の特性向上を達成するものである。   The present invention relates to a thin film solar cell. The present invention improves the characteristics of a thin-film solar cell by using a transparent conductive oxide layer suitable for a thin-film solar cell, particularly a transparent conductive oxide layer that provides good electrical bonding between a semiconductor layer and a back electrode. To achieve.

薄膜太陽電池として、非晶質シリコンや薄膜多結晶シリコンのようなp型またはn型にドーピングしたシリコン半導体で真性シリコン(i型)半導体を挟んだp−i−n構造に形成された薄膜シリコン太陽電池や、銅−インジウム−セレン(CIS型)や銅−インジウム−ガリウム−セレン(CIGS型)のような化合物半導体を用いたカルコパライト型薄膜太陽電池が知られており、広く研究開発が行われている。また、ワイドギャップ半導体を用いた太陽電池や、有機薄膜太陽電池などに関する研究も、精力的に行われている。   As a thin film solar cell, a thin film silicon formed in a pin structure having an intrinsic silicon (i-type) semiconductor sandwiched between a p-type or n-type doped silicon semiconductor such as amorphous silicon or thin-film polycrystalline silicon. Solar cells and chalcopyrite thin film solar cells using compound semiconductors such as copper-indium-selenium (CIS type) and copper-indium-gallium-selenium (CIGS type) are known and widely researched and developed. ing. Research on solar cells using wide-gap semiconductors, organic thin-film solar cells, and the like has also been vigorously conducted.

このような薄膜太陽電池においては、光電変換ユニットに入射した光をより有効に利用するため、光反射率の高い金属材料により構成される裏面電極が形成される。光電変換ユニットに吸収されずに透過した光の大部分は、裏面電極により反射され、光電変換ユニットに再入射することにより、光電変換が行われる。   In such a thin film solar cell, in order to use light incident on the photoelectric conversion unit more effectively, a back electrode made of a metal material having a high light reflectance is formed. Most of the light that is transmitted without being absorbed by the photoelectric conversion unit is reflected by the back electrode, and is re-incident on the photoelectric conversion unit, whereby photoelectric conversion is performed.

裏面電極は、銀やアルミニウムなどの光反射率の高い金属材料により形成されることで、光電変換ユニットへの光の取り込み量を向上することが可能となる。裏面電極と光電変換ユニットとの間に金属酸化物層を設けることにより、光電変換ユニット上に裏面電極を直接形成した場合における裏面電極のナノ構造に由来する寄生吸収を低下させることが、一般的に知られている。   The back electrode is formed of a metal material having a high light reflectance such as silver or aluminum, whereby the amount of light taken into the photoelectric conversion unit can be improved. Generally, by providing a metal oxide layer between the back electrode and the photoelectric conversion unit, it is possible to reduce parasitic absorption derived from the nanostructure of the back electrode when the back electrode is directly formed on the photoelectric conversion unit. Known to.

また、裏面電極材料を構成する原子が光電変換ユニットに拡散することに起因する性能低下も懸念されている。これらの課題を解消するために、光電変換ユニットと裏面電極との間に金属酸化物層などを配置する技術が提案されている(例えば、特許文献1)。   In addition, there is a concern about performance deterioration caused by diffusion of atoms constituting the back electrode material into the photoelectric conversion unit. In order to solve these problems, a technique of arranging a metal oxide layer or the like between the photoelectric conversion unit and the back electrode has been proposed (for example, Patent Document 1).

上記金属酸化物などには、ITOなどの透明導電性酸化物や、酸化ケイ素のような無機誘電体化合物が用いられる。   As the metal oxide, a transparent conductive oxide such as ITO or an inorganic dielectric compound such as silicon oxide is used.

このような透明導電性酸化物層は、有機金属を用いた化学的気相堆積法(MOCVD法)やアニールによる原子拡散を利用したプロセスで形成されるため、製造設備が煩雑になりやすく、生産性とコストに課題がある。また当該透明導電性酸化物層は、ZnO中のドーパント濃度勾配のために、生産性に困難があることと、湿熱耐久性が悪いという課題がある。   Such a transparent conductive oxide layer is formed by a chemical vapor deposition method (MOCVD method) using an organic metal or a process using atomic diffusion by annealing, so that the manufacturing equipment tends to be complicated, and production There is a problem in sex and cost. In addition, the transparent conductive oxide layer has problems that productivity is difficult due to a dopant concentration gradient in ZnO and that wet heat durability is poor.

上記透明導電性酸化物は材料に吸収ロスがあり、発電特性の大きな向上は期待できない。一方、無機誘電体化合物では導電性に問題があり、電気的接合が悪くなり、発電特性が悪くなる可能性がある。特に、無機誘電体化合物として酸化ケイ素を用いた場合、酸化ケイ素は誘電体のため、太陽電池の直列抵抗が高くなり、太陽電池特性のうち曲線因子が悪くなることが懸念される。   The transparent conductive oxide has an absorption loss in the material, and a great improvement in power generation characteristics cannot be expected. On the other hand, an inorganic dielectric compound has a problem in electrical conductivity, and electrical bonding may be deteriorated and power generation characteristics may be deteriorated. In particular, when silicon oxide is used as the inorganic dielectric compound, since silicon oxide is a dielectric, there is a concern that the series resistance of the solar cell increases and the curve factor of the solar cell characteristics deteriorates.

特許文献2には、光入射側の透明電極として用いられるZnOにアルミニウム等の3価の原子とケイ素が同時ドーピングされる技術が記載されている。その実施例では、アルミニウムとケイ素がほぼ同量ドーピングされている。しかし、この複合酸化物を裏面電極側の透明導電性酸化物層として使用した場合には、複数のドーパントが共存することの影響により透明性が悪くなると考えられ、変換効率の向上にはつながり難い。   Patent Document 2 describes a technology in which ZnO used as a transparent electrode on the light incident side is simultaneously doped with a trivalent atom such as aluminum and silicon. In that example, aluminum and silicon are doped in approximately the same amount. However, when this composite oxide is used as a transparent conductive oxide layer on the back electrode side, it is considered that transparency deteriorates due to the coexistence of a plurality of dopants, and it is difficult to improve conversion efficiency. .

特許文献3には、金属酸化物材料などからなる2層の透光性導電膜を裏面電極側に有する薄膜太陽電池について記載されている。この薄膜太陽電池では、短絡電流の低下を解消し、光閉じ込め効果を向上させている。   Patent Document 3 describes a thin film solar cell having a two-layer translucent conductive film made of a metal oxide material or the like on the back electrode side. In this thin film solar cell, the short circuit current is reduced and the light confinement effect is improved.

また特許文献4には、第一の不純物を有する透明導電性酸化物層(酸化亜鉛)の表面に、第二の不純物を有するドーパントガスおよび炭化水素ガスを含む雰囲気中でプラズマ処理することで、実質2層の透明導電性酸化物層を形成し、これによって透明性と導電性が向上することが記載されている。   Patent Document 4 discloses that plasma treatment is performed on the surface of a transparent conductive oxide layer (zinc oxide) having a first impurity in an atmosphere containing a dopant gas having a second impurity and a hydrocarbon gas. It is described that a transparent conductive oxide layer of substantially two layers is formed, thereby improving transparency and conductivity.

特許文献5には、裏面金属電極と光電変換半導体層との間のZnOのドーパントが膜厚方向で濃度のプロファイルを示すことが記載されている。これはスパッタのキャリアガスにドーパント原子を含有するガスを用いてスパッタを行うものである。   Patent Document 5 describes that the ZnO dopant between the back metal electrode and the photoelectric conversion semiconductor layer exhibits a concentration profile in the film thickness direction. In this method, sputtering is performed using a gas containing dopant atoms as a carrier gas for sputtering.

特開2007−266095号公報JP 2007-266095 A 特開2002−217429号公報JP 2002-217429 A 特開2003−179241号公報JP 2003-179241 A 国際公開2009/116467号International Publication No. 2009/116467 特許第2962897号公報Japanese Patent No. 2962897

しかしながら特許文献3では、2層の透光性導電膜としてZnOを用い、必要に応じてドープ元素を用いる旨が記載されているものの、具体的なドープ元素やその量については明記されていない。   However, although Patent Document 3 describes that ZnO is used as the two-layer light-transmitting conductive film and a doping element is used as necessary, the specific doping element and the amount thereof are not specified.

また特許文献4では、透明性と導電性が向上しているものの、最表面(すなわち実質2層の透明導電性酸化物層のうち裏面側)に炭素が存在しており、直列抵抗の最適化という観点からはまだ改善の余地がある。   In Patent Document 4, although transparency and conductivity are improved, carbon is present on the outermost surface (that is, the back surface side of the two transparent conductive oxide layers), and the series resistance is optimized. From this point of view, there is still room for improvement.

上記現状に鑑み、本発明は、発電特性がさらに向上した薄膜太陽電池を提供することを目的とする。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a thin-film solar cell with further improved power generation characteristics.

上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた。その結果、薄膜太陽電池の光電変換層と裏面電極との間に、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層であってケイ素をドープした層を設けることで、裏面電極に起因する寄生吸収を抑制し、結果として光電変換層に取り込まれる光の量を増加することが可能となり、発生電流量を向上できることを見出した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made extensive studies. As a result, by providing a transparent conductive oxide layer mainly composed of zinc oxide and doped with silicon between the photoelectric conversion layer and the back electrode of the thin-film solar cell, the parasitic caused by the back electrode It was found that absorption can be suppressed, and as a result, the amount of light taken into the photoelectric conversion layer can be increased, and the amount of generated current can be improved.

また、前記したケイ素をドープした透明導電性酸化物層に加えて、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層であってアルミニウムをドープした層を裏面電極側に用いることで、高い透明性と導電性を高いレベルでバランスよくすることができ、結果として発電特性の向上が可能となることを見出した。さらに、この構成を採用することにより、透明導電性酸化物層と半導体層との電気的接合、及び透明導電性酸化物層と裏面電極との電気的接合が良好となり、太陽電池の性能を向上できることを見出した。   In addition to the transparent conductive oxide layer doped with silicon as described above, a transparent conductive oxide layer mainly composed of zinc oxide, which is doped with aluminum, is used on the back electrode side, thereby achieving high transparency. It has been found that the power and conductivity can be balanced at a high level, and as a result, the power generation characteristics can be improved. Furthermore, by adopting this configuration, the electrical connection between the transparent conductive oxide layer and the semiconductor layer and the electrical connection between the transparent conductive oxide layer and the back electrode are improved, improving the performance of the solar cell. I found out that I can do it.

すなわち本発明は、以下に関する。   That is, the present invention relates to the following.

本発明の1つの様相は、光入射側より、透明導電性酸化物からなる透明電極層、少なくとも1つの光電変換ユニット、及び裏面電極がこの順番に配置された薄膜太陽電池であって、
前記光電変換ユニットと前記裏面電極との間には、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層(A)が形成されており、
透明導電性酸化物層(A)は、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)とを有し、
透明導電性酸化物層(B)の膜厚が、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の30%〜80%を占めることを特徴とする薄膜太陽電池である。
One aspect of the present invention is a thin film solar cell in which a transparent electrode layer made of a transparent conductive oxide, at least one photoelectric conversion unit, and a back electrode are arranged in this order from the light incident side,
Between the photoelectric conversion unit and the back electrode, a transparent conductive oxide layer (A) mainly composed of zinc oxide is formed,
The transparent conductive oxide layer (A) includes a transparent conductive oxide layer (B) containing conductive impurities mainly composed of silicon and a transparent containing conductive impurities mainly composed of elements other than silicon. A conductive oxide layer (C),
The thin film solar cell is characterized in that the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) occupies 30% to 80% of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (A).

ここで、透明導電性酸化物層(A)における「酸化亜鉛を主成分とする」とは、透明導電性酸化物層を形成する成分のうち、酸化亜鉛を50%より多く含むことを意味する。   Here, “having zinc oxide as a main component” in the transparent conductive oxide layer (A) means that the component that forms the transparent conductive oxide layer contains more than 50% of zinc oxide. .

ここで、透明導電性酸化物層(B)の導電性不純物における「ケイ素を主成分とする」とは、導電性不純物の85%以上がケイ素原子であることを意味する。同様に、透明導電性酸化物層(C)の導電性不純物における「ケイ素以外の元素を主成分とする」とは、導電性不純物の85%以上がケイ素以外の原子であることを意味する。   Here, “having silicon as a main component” in the conductive impurities of the transparent conductive oxide layer (B) means that 85% or more of the conductive impurities are silicon atoms. Similarly, “having an element other than silicon as the main component” in the conductive impurity of the transparent conductive oxide layer (C) means that 85% or more of the conductive impurity is an atom other than silicon.

好ましくは、透明導電性酸化物層(B)におけるケイ素を主成分とする導電性不純物の含有量が1〜8重量%であり、かつ、透明導電性酸化物層(B)のX線光電子分光Si2P1/2ピークから見て、ケイ素が実質4価である。Preferably, the content of conductive impurities mainly composed of silicon in the transparent conductive oxide layer (B) is 1 to 8% by weight, and the X-ray photoelectron spectroscopy of the transparent conductive oxide layer (B) Silicon is substantially tetravalent as seen from the Si2P1 / 2 peak.

好ましくは、透明導電性酸化物層(A)の膜厚が、10〜120nmである。   Preferably, the transparent conductive oxide layer (A) has a thickness of 10 to 120 nm.

好ましくは、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物は、アルミニウムを主成分とするものである。   Preferably, the conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (C) is mainly composed of aluminum.

好ましくは、透明導電性酸化物層(B)が光電変換ユニットを構成する層のうちのn型半導体層に接して配置され、透明導電性酸化物層(C)が裏面電極に接して配置されている。   Preferably, the transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the n-type semiconductor layer of the layers constituting the photoelectric conversion unit, and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed in contact with the back electrode. ing.

かかる構成により、光電変換ユニットで生成した導電性キャリアをロスなく取り出すことが可能となる。   With this configuration, the conductive carrier generated by the photoelectric conversion unit can be taken out without loss.

好ましくは、透明導電性酸化物層(B)は、導電性不純物として酸化ケイ素を1〜5重量%含有し、透明導電性酸化物層(C)は、導電性不純物として酸化アルミニウムを1〜7重量%含有する。   Preferably, the transparent conductive oxide layer (B) contains 1 to 5% by weight of silicon oxide as a conductive impurity, and the transparent conductive oxide layer (C) contains 1 to 7 aluminum oxide as a conductive impurity. Contains by weight.

好ましくは、透明導電性酸化物層(B)の膜厚が、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の60%〜80%を占める。   Preferably, the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) accounts for 60% to 80% of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (A).

好ましくは、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物は、アルミニウム、ガリウム、及びホウ素からなる群より選ばれた1種以上を主成分とするものである。   Preferably, the conductive impurities in the transparent conductive oxide layer (C) are mainly composed of one or more selected from the group consisting of aluminum, gallium and boron.

好ましくは、前記光電変換ユニットが、p−i−n型接合からなる非単結晶シリコンにより構成されている。   Preferably, the photoelectric conversion unit is made of non-single crystal silicon made of a pin type junction.

好ましくは、85℃かつ相対湿度85%の環境で1000時間処理した場合における発電効率の保持率が90%以上である。   Preferably, the power generation efficiency retention rate is 90% or more when treated in an environment of 85 ° C. and 85% relative humidity for 1000 hours.

本発明によれば、光電変換ユニットと透明導電性酸化物層との電気的接合、及び、透明導電性酸化物層と裏面電極との電気的接合が良好なものとなり、結果として太陽電池の光電変換特性を向上することができる。   According to the present invention, the electrical junction between the photoelectric conversion unit and the transparent conductive oxide layer and the electrical junction between the transparent conductive oxide layer and the back electrode are good, and as a result, the photovoltaic Conversion characteristics can be improved.

本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の積層構造を模式的に表す断面図である。It is sectional drawing which represents typically the laminated structure of the thin film solar cell which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1−1および比較例1−4におけるX線光電子分光スペクトルである。It is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum in Example 1-1 and Comparative Example 1-4.

本発明の1つの様相は、「光入射側より、透明導電性酸化物からなる透明電極層、少なくとも1つの光電変換ユニット、及び裏面電極がこの順番に配置された薄膜太陽電池であって、前記光電変換ユニットと前記裏面電極との間には、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層(A)が形成されており、透明導電性酸化物層(A)は、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)とを有し、透明導電性酸化物層(B)の膜厚が、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の30%〜80%を占めることを特徴とする薄膜太陽電池」である。   One aspect of the present invention is “a thin film solar cell in which a transparent electrode layer made of a transparent conductive oxide, at least one photoelectric conversion unit, and a back electrode are arranged in this order from the light incident side, A transparent conductive oxide layer (A) mainly composed of zinc oxide is formed between the photoelectric conversion unit and the back electrode, and the transparent conductive oxide layer (A) is composed mainly of silicon. A transparent conductive oxide layer (B) containing a conductive impurity and a transparent conductive oxide layer (C) containing a conductive impurity containing an element other than silicon as a main component. The thin film solar cell is characterized in that the thickness of the conductive oxide layer (B) occupies 30% to 80% of the thickness of the transparent conductive oxide layer (A).

太陽電池は、光電変換ユニットに入った光により励起された導電性キャリアを、電極を介して取り出すことで発電体として機能する。しかし、導電性キャリアは積層体の界面で再結合を起こすことがあり、これが発電効率を低下させる一つの要因となる。また、導電性キャリアが界面準位に遷移することによって熱として消費されることによるロスがある。本発明では、上記した構成の透明導電性酸化物層を光電変換ユニットと裏面電極の間に配置する。このことにより、光電変換ユニット/透明導電性酸化物層の界面の接合、および透明導電性酸化物層/裏面電極の界面の接合が良好となり、界面における導電性キャリアの再結合の抑制と、熱によるロスを抑制することができると考えられる。   The solar cell functions as a power generator by taking out the conductive carrier excited by the light entering the photoelectric conversion unit through the electrode. However, conductive carriers may cause recombination at the interface of the laminate, which is one factor that reduces power generation efficiency. Further, there is a loss due to consumption of heat as the conductive carriers transition to the interface state. In this invention, the transparent conductive oxide layer of an above-described structure is arrange | positioned between a photoelectric conversion unit and a back surface electrode. As a result, the bonding at the interface of the photoelectric conversion unit / transparent conductive oxide layer and the bonding at the interface of the transparent conductive oxide layer / back surface electrode are improved, and recombination of conductive carriers at the interface is suppressed, It is thought that the loss due to can be suppressed.

以下、本発明に係る透明電極付き基板の代表的な態様を説明する。図1は本発明の一実施形態に係る薄膜太陽電池の断面構造の概略を表している。本実施形態の薄膜太陽電池10は、基板1上に、透明電極層2、光電変換ユニット3、透明導電性酸化物層(透明導電性酸化物層(A))4および裏面電極5がこの順に配置された構造を有している。さらに、光電変換ユニット3は、第1の光電変換ユニット3−1、透明導電性中間層3−2および第2の光電変換ユニット3−3により形成されている。   Hereinafter, typical embodiments of the substrate with a transparent electrode according to the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention. In the thin film solar cell 10 of the present embodiment, the transparent electrode layer 2, the photoelectric conversion unit 3, the transparent conductive oxide layer (transparent conductive oxide layer (A)) 4 and the back electrode 5 are arranged in this order on the substrate 1. It has an arranged structure. Furthermore, the photoelectric conversion unit 3 is formed by the first photoelectric conversion unit 3-1, the transparent conductive intermediate layer 3-2, and the second photoelectric conversion unit 3-3.

基板1については、公知の透明材料を用いることができる。例えば透明絶縁性の材料を用いることが好ましく、その中でもガラス、サファイヤなどを用いることがより好ましい。ガラスの具体例としては、アルカリガラスやホウ珪酸ガラス、無アルカリガラスなどがあげられる。   For the substrate 1, a known transparent material can be used. For example, it is preferable to use a transparent insulating material, and among these, it is more preferable to use glass, sapphire, or the like. Specific examples of the glass include alkali glass, borosilicate glass, and non-alkali glass.

基板1の厚みは、使用目的により任意に選択することができるが、取り扱いと重量のバランスを加味して、0.5mm〜10.0mmが好ましい範囲として例示できる。0.5mm以上の場合、強度不足による割れなどを防ぐことができる。また10.0mm以下の場合、軽量のためポータブル機器などへも利用でき、透明性とコストの面からも好ましい。   The thickness of the substrate 1 can be arbitrarily selected depending on the purpose of use, but 0.5 to 10.0 mm can be exemplified as a preferable range in consideration of the balance between handling and weight. In the case of 0.5 mm or more, cracks due to insufficient strength can be prevented. Moreover, when it is 10.0 mm or less, since it is lightweight, it can be used for portable devices and the like, which is preferable in terms of transparency and cost.

透明電極層2には、公知の透明電極材料を用いることができる。透明電極材料としては、例えば、酸化インジウムや酸化錫およびその複合酸化物、酸化亜鉛などの透明導電性酸化物が挙げられる。透明電極層2を、薄膜シリコン太陽電池用の透明電極として使用する場合には、水素プラズマに対する耐性から、上記の中でも特にフッ素化酸化錫や酸化亜鉛などが好ましく使用される。   A known transparent electrode material can be used for the transparent electrode layer 2. Examples of the transparent electrode material include transparent conductive oxides such as indium oxide, tin oxide and composite oxides thereof, and zinc oxide. When the transparent electrode layer 2 is used as a transparent electrode for a thin film silicon solar cell, fluorinated tin oxide, zinc oxide, or the like is preferably used among the above because of resistance to hydrogen plasma.

透明電極層2は、透明であることと高い導電性を有することが特に重要である。これらを両立する為に、透明電極材料は結晶性の高いことが好ましい。結晶性が高くなることにより、透明性が高い透明電極層2を得ることが可能となる。また、導電性が高い、すなわちシート抵抗は低いほど好ましいが、透明性とのバランス、その結果として性能の良い太陽電池を製造できるという面から、5〜30Ω/□が好ましい。   It is particularly important that the transparent electrode layer 2 is transparent and has high conductivity. In order to achieve both of these, the transparent electrode material preferably has high crystallinity. By increasing the crystallinity, the transparent electrode layer 2 having high transparency can be obtained. Further, the higher the electrical conductivity, that is, the lower the sheet resistance, the better. However, 5 to 30Ω / □ is preferable from the viewpoint of balance with transparency and as a result that a solar cell with good performance can be manufactured.

透明電極層2の製造方法は、透明性と導電性を達成可能な方法であればどのような手法でも構わない。好ましくは、ウェットプロセスやドライプロセスなどの手法を採用することができる。中でも、有機金属化合物と水との反応を利用した有機金属化学的気相堆積(MOCVD)などは、結晶性の良い透明電極層が形成できるのでより好ましい。   The manufacturing method of the transparent electrode layer 2 may be any method as long as it can achieve transparency and conductivity. Preferably, a technique such as a wet process or a dry process can be employed. Among these, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) using a reaction between an organometallic compound and water is more preferable because a transparent electrode layer with good crystallinity can be formed.

さらに、透明電極層2として透明導電性酸化物を用いる場合、透明導電性酸化物の結晶方位を制御して透明電極層表面にテクスチャを形成することが好ましい。このことにより、光電変換層内での光閉じ込め効率を上げることができ、結果として発電特性を向上することが可能となる。   Furthermore, when using a transparent conductive oxide as the transparent electrode layer 2, it is preferable to form a texture on the surface of the transparent electrode layer by controlling the crystal orientation of the transparent conductive oxide. As a result, the light confinement efficiency in the photoelectric conversion layer can be increased, and as a result, the power generation characteristics can be improved.

光電変換ユニット3は、例えば1ユニットがp−i−n接合からなるシリコン半導体積層構造体を少なくとも1つ配置して構成することができる。用いられるシリコンの構造は多結晶構造や非晶質構造のものが用いることができ、p/i/nで結晶構造が異なっても構わない。なお、非晶質あるいは結晶質のシリコン系材料としては、半導体を構成する主要元素としてシリコンのみを用いる場合だけでなく、炭素、酸素、窒素、ゲルマニウムなどの元素をも含む合金材料であってもよい。   For example, the photoelectric conversion unit 3 can be configured by arranging at least one silicon semiconductor laminated structure in which one unit is a pin junction. The silicon structure used may be a polycrystalline structure or an amorphous structure, and the crystal structure may be different depending on p / i / n. Note that the amorphous or crystalline silicon-based material is not only a case where only silicon is used as a main element constituting a semiconductor, but also an alloy material including elements such as carbon, oxygen, nitrogen, and germanium. Good.

各々の半導体層は、例えば、プラズマCVD法により好適に作製することができる。すなわち、シランガスをシリコン材料として用い、プラズマエネルギーを利用してシリコン半導体層を形成することができる。p型層やn型層を製膜する場合には、シランガスに、それぞれジボランやホスフィンなどの不純物ガスを適量添加すればよい。   Each semiconductor layer can be suitably produced by, for example, a plasma CVD method. That is, a silicon semiconductor layer can be formed using plasma energy by using silane gas as a silicon material. When a p-type layer or an n-type layer is formed, an appropriate amount of impurity gas such as diborane or phosphine may be added to the silane gas.

さらに、上記光電変換ユニットを複数積み重ねることで、発電性能を向上させることができる。光電変換ユニットを複数ユニット積層する場合、光入射側から順にバンドギャップが広い光電変換ユニットを設けると、入射光が有効に利用できるので、性能向上が期待できる。本実施形態における光電変換ユニット3は、2個の光電変換ユニット、すなわち、第1の光電変換ユニット3−1と第2の光電変換ユニット3−3を有している。   Furthermore, power generation performance can be improved by stacking a plurality of the photoelectric conversion units. When a plurality of photoelectric conversion units are stacked, if a photoelectric conversion unit having a wide band gap in order from the light incident side is provided, incident light can be used effectively, so that an improvement in performance can be expected. The photoelectric conversion unit 3 in the present embodiment has two photoelectric conversion units, that is, a first photoelectric conversion unit 3-1 and a second photoelectric conversion unit 3-3.

例えば、薄膜太陽電池10が薄膜シリコン太陽電池の場合には、ワイドバンドギャップの第1の光電変換ユニット3−1を光入射側に配置し、その上にナローバンドギャップの第2の光電変換ユニット3−3を配置すればよい。この場合、第1の光電変換ユニットとして非晶質シリコンからなる光電変換ユニットを、第2の光電変換ユニットとして微結晶シリコンからなる光電変換ユニットを配置することができる。さらに、3つ以上の光電変換ユニットを配置してもかまわない。   For example, when the thin film solar cell 10 is a thin film silicon solar cell, the first photoelectric conversion unit 3-1 with a wide band gap is arranged on the light incident side, and the second photoelectric conversion unit 3 with a narrow band gap is formed thereon. -3 may be arranged. In this case, a photoelectric conversion unit made of amorphous silicon can be arranged as the first photoelectric conversion unit, and a photoelectric conversion unit made of microcrystalline silicon can be arranged as the second photoelectric conversion unit. Further, three or more photoelectric conversion units may be arranged.

これら複数の光電変換ユニット間には、透明導電性中間層3−2を形成し、光の反射と透過を選択的に行う層を設けることができる。これにより、上記の例では第1の光電変換ユニット3−1に取り込まれる光をより多くすることができ、さらに透過した光で第2の光電変換ユニット3−3の発電に寄与することができる。透明導電性中間層3−2としては、例えば非酸化状態のシリコンを含有する酸化ケイ素などを用いることができる。   A transparent conductive intermediate layer 3-2 can be formed between the plurality of photoelectric conversion units, and a layer that selectively reflects and transmits light can be provided. Thereby, in the above example, more light can be taken into the first photoelectric conversion unit 3-1, and the transmitted light can contribute to the power generation of the second photoelectric conversion unit 3-3. . As the transparent conductive intermediate layer 3-2, for example, silicon oxide containing non-oxidized silicon can be used.

透明電極層2と光電変換ユニット3の間には、電気的なコンタクトの改善を目的とした層を設けることができる。この層としては、光電変換ユニットよりもバンドギャップの広い半導体層を用いることが好ましい。なぜなら、これにより、透明電極層と光電変換層との界面付近での電子−正孔の再結合を抑制されるので、光電変換層で生成した電子−正孔を電極に効率よく取り出すことができ、結果として変換効率を向上することが可能となるためである。この様な半導体としては、例えば、p型シリコンカーバイドなどが挙げられる。   Between the transparent electrode layer 2 and the photoelectric conversion unit 3, a layer for the purpose of improving electrical contact can be provided. As this layer, a semiconductor layer having a wider band gap than the photoelectric conversion unit is preferably used. Because this suppresses electron-hole recombination in the vicinity of the interface between the transparent electrode layer and the photoelectric conversion layer, the electron-hole generated in the photoelectric conversion layer can be efficiently extracted to the electrode. As a result, the conversion efficiency can be improved. An example of such a semiconductor is p-type silicon carbide.

裏面電極5としては、Al、Ag、Au、Cu、PtおよびCrから選ばれる少なくとも一つの材料からなる少なくとも一層の金属層をスパッタ法または蒸着法により形成することが好ましい。   As the back electrode 5, it is preferable to form at least one metal layer made of at least one material selected from Al, Ag, Au, Cu, Pt and Cr by sputtering or vapor deposition.

裏面電極5の膜厚は、特に制限されないが、200〜1000nm(2000〜10000Å)が好ましい。200nm(2000Å)以上の場合には、導電性が十分確保でき、また裏面電極として重要な光反射材料としての機能を十分に果たすことが可能となるため好ましい。一方、1000nm(10000Å)以下の場合には、コストなどの観点から好ましい。   The film thickness of the back electrode 5 is not particularly limited, but is preferably 200 to 1000 nm (2000 to 10,000 mm). A thickness of 200 nm (2000 mm) or more is preferable because sufficient conductivity can be secured and a function as a light reflecting material important as a back electrode can be sufficiently achieved. On the other hand, the case of 1000 nm (10000 mm) or less is preferable from the viewpoint of cost and the like.

本発明の薄膜太陽電池は、透明導電性酸化物層(A)の構成に特徴がある。以下、詳細に説明する。   The thin film solar cell of the present invention is characterized by the structure of the transparent conductive oxide layer (A). Details will be described below.

図1に示す透明導電性酸化物層(透明導電性酸化物層(A))4は、酸化亜鉛を主成分とする透明かつ導電性の層である。透明導電性酸化物層4は、不連続な組成を示す2つ以上の層により形成されている。具体的には、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)の、少なくとも2層を有している。すなわち、透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)とは、含まれる導電性不純物の主成分が異なる。導電性不純物は、透明導電性酸化物内でイオン化することで導電性を付与することができる。   The transparent conductive oxide layer (transparent conductive oxide layer (A)) 4 shown in FIG. 1 is a transparent and conductive layer mainly composed of zinc oxide. The transparent conductive oxide layer 4 is formed of two or more layers having a discontinuous composition. Specifically, a transparent conductive oxide layer (B) containing conductive impurities mainly composed of silicon, and a transparent conductive oxide layer containing conductive impurities mainly composed of elements other than silicon ( C) having at least two layers. That is, the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C) have different main components of the conductive impurities contained therein. The conductive impurities can be imparted with conductivity by being ionized in the transparent conductive oxide.

なお、これらの導電性不純物は「最低限の不純物」とは別に添加されたものである。ここで「最低限の不純物」とは、ターゲットの製造過程で意図せずに含有される原子や、スパッタリング製膜過程での装置由来による不純物原子や、薄膜太陽電池の光電変換ユニットや裏面電極からの微量の原子拡散などであって、濃度として0.1%以下のものを表す。上記最低限の不純物は、少ない方が好ましく、濃度が0%すなわち含まれないことがより好ましい。   These conductive impurities are added separately from “minimum impurities”. Here, “minimum impurities” refers to atoms that are unintentionally contained in the target manufacturing process, impurity atoms derived from equipment in the sputtering film forming process, and photoelectric conversion units and back electrodes of thin film solar cells. This represents a minute amount of atomic diffusion of 0.1% or less. The minimum amount of the above-mentioned minimum impurities is preferable, and the concentration is more preferably 0%, that is, not included.

前述のように、「酸化亜鉛を主成分とする」とは、透明導電性酸化物層4を形成する成分のうち、酸化亜鉛を50%より多く含むことを意味する。酸化亜鉛を70%以上含むことが特に好ましい。ここで、本発明の薄膜太陽電池の機能を損なわない限り、主成分たる酸化亜鉛以外に、例えば酸化インジウム・酸化錫・酸化チタンなどの透明導電性酸化物も含有した複合酸化物なども用いることができるが、導電性不純物以外は全て酸化亜鉛である透明導電性酸化物層を用いることがより好ましい。この場合、広い波長領域で透過率の高い透明導電性酸化物層4の形成が期待できる。   As described above, “having zinc oxide as a main component” means containing more than 50% of zinc oxide among the components forming the transparent conductive oxide layer 4. It is particularly preferable to contain 70% or more of zinc oxide. Here, as long as the function of the thin film solar cell of the present invention is not impaired, a composite oxide containing a transparent conductive oxide such as indium oxide, tin oxide and titanium oxide in addition to zinc oxide as a main component should be used. However, it is more preferable to use a transparent conductive oxide layer which is all zinc oxide except for conductive impurities. In this case, formation of the transparent conductive oxide layer 4 having a high transmittance in a wide wavelength region can be expected.

透明導電性酸化物層(B)は、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有している。前述のように「ケイ素を主成分とする」とは、導電性不純物の85%以上がケイ素原子であることを意味する。導電性不純物の、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上がケイ素原子であり、さらに好ましくは100%がケイ素原子、すなわち、透明導電性酸化物層(B)が実質的にケイ素原子のみを導電性不純物として含有する。これらの範囲のケイ素を含有する導電性不純物を用いることで、導電性と透明性に優れる透明導電性酸化物層4および湿熱耐久性に優れた薄膜太陽電池10を作製することができる。なお、導電性不純物におけるケイ素以外の成分(主成分以外の成分)としては、アルミニウムやガリウムが挙げられる。   The transparent conductive oxide layer (B) contains a conductive impurity mainly composed of silicon. As described above, “having silicon as a main component” means that 85% or more of the conductive impurities are silicon atoms. Preferably, 90% or more, more preferably 95% or more of the conductive impurities are silicon atoms, more preferably 100% are silicon atoms, that is, the transparent conductive oxide layer (B) is substantially only silicon atoms. Is contained as a conductive impurity. By using conductive impurities containing silicon in these ranges, the transparent conductive oxide layer 4 excellent in conductivity and transparency and the thin film solar cell 10 excellent in wet heat durability can be produced. In addition, aluminum and gallium are mentioned as components (components other than a main component) other than silicon in a conductive impurity.

透明導電性酸化物層(B)における、ケイ素を主成分とする導電性不純物の含有量は、特に限定されるものではないが、通常は酸化ケイ素が1.0〜8.0重量%、好ましくは1.5〜6.0重量%、より好ましくは1.5〜5.0重量%、さらに好ましくは2.0〜4.5重量%含有されている。酸化ケイ素を導入することで、実用時の湿熱耐久性を向上することが可能である。すなわち、酸化ケイ素を導入することで、結晶構造に適度な歪みを与え、残留応力のバランスをとることで、薄膜太陽電池の湿熱耐久性を向上することが可能となると考えられる。酸化ケイ素は酸化亜鉛に添加されることで、実質的に、ケイ素が導電性不純物としてドーピングされたものと同じ働きを示す。ケイ素原子のドーピング量が上記範囲より少ない場合は、湿熱耐久性向上の効果が低下し、一方、ケイ素原子のドーピング量が多い場合は、導電性が著しく低下し抵抗となるため、発電効率の低下の原因となるため好ましくない。   The content of conductive impurities mainly composed of silicon in the transparent conductive oxide layer (B) is not particularly limited, but usually silicon oxide is 1.0 to 8.0% by weight, preferably Is contained in an amount of 1.5 to 6.0% by weight, more preferably 1.5 to 5.0% by weight, and still more preferably 2.0 to 4.5% by weight. By introducing silicon oxide, it is possible to improve wet heat durability during practical use. That is, it is considered that by introducing silicon oxide, it is possible to improve the wet heat durability of the thin film solar cell by applying an appropriate strain to the crystal structure and balancing the residual stress. When silicon oxide is added to zinc oxide, it exhibits substantially the same function as that in which silicon is doped as a conductive impurity. When the doping amount of silicon atoms is less than the above range, the effect of improving wet heat durability is reduced. On the other hand, when the doping amount of silicon atoms is large, the conductivity is remarkably lowered and becomes resistance, so the power generation efficiency is lowered. This is not preferable.

ケイ素のドーピング量は各種元素分析法で検出することが可能であるが、例えば、二次イオン質量分析(SIMS)やX線光電子分光(XPS)などにより精度よく原子数をカウントすることができる。   The doping amount of silicon can be detected by various elemental analysis methods. For example, the number of atoms can be accurately counted by secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), or the like.

透明導電性酸化物層(B)の成膜において、スパッタターゲットの原子組成と成膜される透明導電性酸化物層(B)の原子組成が等しくなることが、エネルギー分散型X線分光測定装置(EDS)などの元素分析からわかっている。したがって、ケイ素原子のドーピング量は、スパッタターゲットの原子組成比により制御することができる。スパッタターゲットの原子組成比の制御は、焼結体作成時に酸化亜鉛とケイ素または酸化ケイ素とを組成比に従って混錬し、焼結することで実施可能である。   In the film formation of the transparent conductive oxide layer (B), the atomic composition of the sputter target is equal to the atomic composition of the transparent conductive oxide layer (B) to be formed. It is known from elemental analysis such as (EDS). Therefore, the doping amount of silicon atoms can be controlled by the atomic composition ratio of the sputter target. The atomic composition ratio of the sputter target can be controlled by kneading and sintering zinc oxide and silicon or silicon oxide according to the composition ratio at the time of producing the sintered body.

透明導電性酸化物層(B)中のケイ素は、実質4価であることが好ましい。4価のケイ素が特に耐久性に及ぼす影響についての詳細は不明であるが、ケイ素が4価となることで安定な導電性キャリアを供給すること、ケイ素の4価が安定酸化数であること、が有効となっていると推定される。また4価のケイ素では、価電子が全て導電性キャリアとなり、このため可視光領域での電子遷移が少なくなり、その結果、透明性に優れることとなる。   Silicon in the transparent conductive oxide layer (B) is preferably substantially tetravalent. Details about the effect of tetravalent silicon on durability in particular are unclear, but supply of a stable conductive carrier when silicon becomes tetravalent, the tetravalence of silicon being a stable oxidation number, Is estimated to be effective. In addition, in the case of tetravalent silicon, all valence electrons become conductive carriers, and therefore, electron transition in the visible light region is reduced, and as a result, transparency is excellent.

このようなケイ素の酸化数は、X線光電子分光(XPS)により検出可能である。X線源としては一般的なものを任意に使用することができるが、広いエネルギー範囲を高分解能で測定可能であることから、AlKαやMgKαを用いることが好ましい。XPSでは、通常の測定では入射X線により発生する光電子の運動エネルギーを検出するが、入射X線のエネルギー、例えばMgKαでは約1254eV、からの差をとり結合エネルギーで評価する。Si2P1/2のピークに注目すると、Si0価のピークは結合エネルギーが約100eVに検出されることが予想される。この場合Si3価は約103eVに、Si4価のピークは約104eVに検出される(図2)。Such oxidation number of silicon can be detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Although a general X-ray source can be arbitrarily used, it is preferable to use AlKα or MgKα because a wide energy range can be measured with high resolution. In XPS, the kinetic energy of photoelectrons generated by incident X-rays is detected in normal measurement, but the difference from incident X-ray energy, for example, about 1254 eV in MgKα, is evaluated by the binding energy. Focusing on the Si2P1 / 2 peak, it is expected that the Si0-valent peak is detected at a binding energy of about 100 eV. In this case, the Si 3 valence is detected at about 103 eV, and the Si 4 valence peak is detected at about 104 eV (FIG. 2).

ここでの「実質4価」とは、XPSで測定されるSi2P1/2の4価と3価のピーク比(Si4+/Si3+)が0.5以上であることを意味する。この値をとることでケイ素が安定酸化数となり、透明性と耐久性、特に湿熱耐久性に優れた透明導電性酸化物が得られる。このような比は、図2に示す様に、XPSで測定されるスペクトルの結合エネルギーが100〜108eV付近において直線のベースラインを引き、Si3+については103eVの、Si4+については104eVの、各々の測定値から各々のベースラインの値を引いた差分の値を各々のピークの値、即ち、Si4+、及びSi3+として、その比(Si4+/Si3+)を計算することで求めることができる。Here, “substantially tetravalent” means that the ratio of Si2P 1/2 tetravalent to trivalent (Si 4+ / Si 3+ ) measured by XPS is 0.5 or more. By taking this value, silicon has a stable oxidation number, and a transparent conductive oxide excellent in transparency and durability, particularly wet heat durability, can be obtained. As shown in FIG. 2, such a ratio draws a linear baseline when the spectrum binding energy measured by XPS is around 100 to 108 eV, and is 103 eV for Si 3+ and 104 eV for Si 4+ . The ratio (Si 4+ / Si 3+ ) is calculated by taking the difference value obtained by subtracting the baseline value from each measured value as the peak values, ie, Si 4+ and Si 3+. You can ask for it.

透明導電性酸化物層(透明導電性酸化物層(A))4は、透明導電性酸化物層(B)の他に、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)を有している。当該導電性不純物の主成分たる「ケイ素以外の元素」としては、アルミニウム、ガリウム、ホウ素などが挙げられる。具体的には、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ホウ素などが導電性不純物として添加された酸化亜鉛により、透明導電性酸化物層(C)を形成することができる。ケイ素以外の元素は、1種のみでもよいし、2種以上でもよい。透明導電性酸化物層(C)の存在により、透明導電性酸化物層4の導電性が高くなり、透明導電性酸化物層4と光電変換ユニット3や裏面電極5との電気的コンタクトが良好となることが考えられる。   The transparent conductive oxide layer (transparent conductive oxide layer (A)) 4 is a transparent conductive material containing conductive impurities mainly composed of elements other than silicon in addition to the transparent conductive oxide layer (B). The oxide layer (C) is included. Examples of the “element other than silicon” that is the main component of the conductive impurity include aluminum, gallium, and boron. Specifically, the transparent conductive oxide layer (C) can be formed from zinc oxide to which aluminum oxide, gallium oxide, boron oxide or the like is added as a conductive impurity. Only one element other than silicon may be used, or two or more elements may be used. Due to the presence of the transparent conductive oxide layer (C), the conductivity of the transparent conductive oxide layer 4 is increased, and the electrical contact between the transparent conductive oxide layer 4 and the photoelectric conversion unit 3 or the back electrode 5 is good. It is possible to become.

また前述のように、透明導電性酸化物(B)と透明導電性酸化物層(C)とは、不連続な組成により積層されることとなる。このような構成とすることで、導電性と透明性を両立し、特性の高い薄膜太陽電池を作製することができる。ここで「不連続な組成」とは、透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)との界面を境に、相互の導電性不純物や不純物の原子拡散を除いて、組成が異なることを意味する。このような構成の透明導電性酸化物層(A)は、透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)を、別々のターゲットを用いてスパッタリング製膜することで作製できる。   As described above, the transparent conductive oxide (B) and the transparent conductive oxide layer (C) are laminated with a discontinuous composition. By setting it as such a structure, the electrical conductivity and transparency are compatible and a thin film solar cell with a high characteristic can be produced. Here, the “discontinuous composition” means that the interface between the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C) is a boundary, excluding mutual conductive impurities and atomic diffusion of impurities. , Which means that the composition is different. The transparent conductive oxide layer (A) having such a structure is produced by sputtering the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C) using different targets. it can.

透明導電性酸化物層(B)の膜厚dBは、透明導電性酸化物層(透明導電性酸化物層(A))4の膜厚dAの30%〜80%を占める。より好ましくは、45〜80%である。これらの範囲とすることで、導電性と透明性を両立し、特性の高い薄膜太陽電池を作製することができる。Thickness d B of the transparent conductive oxide layer (B) accounts for 30% to 80% of the transparent conductive oxide layer (transparent conductive oxide layer (A)) 4 having a thickness d A. More preferably, it is 45 to 80%. By setting it as these ranges, the electroconductivity and transparency are compatible and a thin film solar cell with a high characteristic can be produced.

透明導電性酸化物層4の膜厚dAは、必要とする光学的効果や導電性に応じて自由に設計できるが、好ましくは10〜120nm(100〜1200Å)、より好ましくは25〜110nm(250〜1100Å)、さらに好ましくは30〜110nm(300〜1100Å)、特に好ましくは40〜110nm(400〜1100Å)である。The film thickness d A of the transparent conductive oxide layer 4 can be freely designed according to the required optical effect and conductivity, but is preferably 10 to 120 nm (100 to 1200 mm), more preferably 25 to 110 nm ( 250 to 1100 Å), more preferably 30 to 110 nm (300 to 1100 Å), and particularly preferably 40 to 110 nm (400 to 1100 Å).

膜厚dAが10nm(100Å)以上の場合には、光学的な特性が良好となり、また裏面電極を形成する金属材料が、光電変換ユニットへ拡散することなどが起こりにくくなり、結果として発電特性が良好となる。When the film thickness d A is 10 nm (100 mm) or more, the optical characteristics are good, and the metal material forming the back electrode is less likely to diffuse into the photoelectric conversion unit, resulting in power generation characteristics. Becomes better.

ここで、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層は、他を主成分とする透明導電性酸化物層に比べて透明性が高いことが特徴であるが、バンドギャップ付近(3.3eV付近以上)や自由電子反射・吸収の領域である1eV以下は光が吸収され、膜厚が厚くなるほど吸収量は大きくなる。従って、膜厚dAが120nm(1200Å)以下の場合には、透明導電性酸化物層4の吸収ロスなどが起こりにくく、光学的な特性および性能が良好となると考えられるため、好ましい。一方、膜厚dAが120nmより厚い場合には、光学的な特性だけでなく、透明導電性酸化物層4自体による光の吸収の影響が大きくなるため好ましくない。Here, the transparent conductive oxide layer containing zinc oxide as a main component is characterized by having higher transparency than the transparent conductive oxide layer containing other components as a main component. Light is absorbed in the region of 3 eV or more) and 1 eV or less which is a free electron reflection / absorption region, and the amount of absorption increases as the film thickness increases. Therefore, it is preferable that the film thickness d A is 120 nm (1200 mm) or less because absorption loss or the like of the transparent conductive oxide layer 4 hardly occurs and the optical characteristics and performance are considered to be good. On the other hand, when the film thickness d A is greater than 120 nm, not only the optical characteristics but also the effect of light absorption by the transparent conductive oxide layer 4 itself is increased, which is not preferable.

ここでいう「光学的な特性」とは、光電変換ユニット/透明導電性酸化物層の界面と透明導電性酸化物層/裏面電極の界面でそれぞれ反射される光の干渉であり、必要な波長の光を光電変換ユニットに取り入れるために必要な特性である。このような光の干渉は、必要な波長の光を光電変換ユニットに取り入れるために必要な特性である。   “Optical characteristics” as used herein refers to interference of light reflected at the interface of the photoelectric conversion unit / transparent conductive oxide layer and the interface of the transparent conductive oxide layer / back electrode, and the required wavelength. This is a characteristic necessary for incorporating the light into the photoelectric conversion unit. Such light interference is a characteristic necessary for incorporating light of a necessary wavelength into the photoelectric conversion unit.

各々の透明導電性酸化物層は、マグネトロンスパッタリング法や各種蒸着法などによる物理堆積の他、プラズマや熱を利用した化学気相堆積などにより製膜することができる。中でもマグネトロンスパッタリング法は、容易に製膜が可能であるため好ましい。マグネトロンスパッタリングに用いるターゲットは、成膜すべき透明導電性酸化物層と同組成の材料を用いることが好ましい。このとき、アルゴンガスなどのキャリアガスをイオン化し、ターゲットをスパッタすることで製膜することができる。キャリアガスには、アルゴンガスの他にも、酸素や水素などの反応性ガスや、窒素などの不活性ガスを使用することができ、これらの混合ガスを使用することもできる。   Each transparent conductive oxide layer can be formed by chemical vapor deposition using plasma or heat in addition to physical deposition by a magnetron sputtering method or various vapor deposition methods. Among these, the magnetron sputtering method is preferable because it can be easily formed into a film. The target used for magnetron sputtering is preferably a material having the same composition as the transparent conductive oxide layer to be deposited. At this time, the film can be formed by ionizing a carrier gas such as argon gas and sputtering the target. In addition to argon gas, a reactive gas such as oxygen or hydrogen, an inert gas such as nitrogen, or a mixed gas thereof can be used as the carrier gas.

上記のようにスパッタリング法により透明導電性酸化物層を製膜する場合、スパッタリングに用いる電源は、直流(DC)電源や低周波(AC)電源の他に高周波電源を用いることができる。高周波電源にはRFやVHFなどの周波数があるが、どの周波数においても透明導電性酸化物層4を好適に製膜することができる。   When the transparent conductive oxide layer is formed by sputtering as described above, the power source used for sputtering can be a high frequency power source in addition to a direct current (DC) power source or a low frequency (AC) power source. The high frequency power source has a frequency such as RF or VHF, and the transparent conductive oxide layer 4 can be suitably formed at any frequency.

製膜時のパワー密度は、特に透明導電性酸化物層(B)の場合、1.5〜15.0W/cm2が好ましく、さらには3.5〜12.0W/cm2、その中でも特に7.0〜12.0W/cm2が好ましい。透明導電性酸化物層(B)は製膜時のパワー密度により、本発明の太陽電池特性に影響を与える可能性があり、パワー密度が低い場合は製膜速度が向上せず、また結晶性の問題であると予想され、湿熱耐久性が良くないことがある。一方、パワー密度が大きすぎる場合には、プラズマ中で生成する酸素イオンによって透明導電性酸化物層が再スパッタされ、透明性・導電性の良くない透明電極付き基板となる可能性があるため好ましくない。
電源の印加方式は、連続波でもパルス波でもよく、製膜装置による最適条件により任意に決定できる。
In the case of the transparent conductive oxide layer (B), the power density at the time of film formation is preferably 1.5 to 15.0 W / cm 2 , more preferably 3.5 to 12.0 W / cm 2 , especially among them. 7.0-12.0 W / cm < 2 > is preferable. The transparent conductive oxide layer (B) may affect the solar cell characteristics of the present invention depending on the power density at the time of film formation. When the power density is low, the film formation speed is not improved and the crystallinity is increased. The wet heat durability may be poor. On the other hand, when the power density is too high, the transparent conductive oxide layer is re-sputtered by oxygen ions generated in the plasma, which may result in a substrate with a transparent electrode having poor transparency and conductivity. Absent.
The power application method may be a continuous wave or a pulse wave, and can be arbitrarily determined according to the optimum conditions of the film forming apparatus.

一方、透明導電性酸化物層(C)など、透明導電性酸化物層(B)以外の層は、任意のパワー密度で製膜することができる。この場合は、透明導電性酸化物層(B)のように太陽電池特性に影響を与える可能性は低い。   On the other hand, layers other than the transparent conductive oxide layer (B) such as the transparent conductive oxide layer (C) can be formed at an arbitrary power density. In this case, unlike the transparent conductive oxide layer (B), the possibility of affecting the solar cell characteristics is low.

スパッタリング時の製膜室内の圧力は、0.7Pa以下であることが好ましく、中でも0.1〜0.4Paであることがより好ましい。製膜室内の圧力は、製膜室内に存在するキャリアガス原子(原子団・イオン状態を含む)の数を表しており、これらはターゲットから飛来する透明導電性酸化物層の構成原子(原子団・イオン状態を含む)の散乱源となる。本発明においては、製膜室内の圧力を上記範囲とすることで基板に十分な運動エネルギーを持ったまま付着させ、本発明において有効な透明導電性酸化物層を形成することが可能となる。   The pressure in the film forming chamber during sputtering is preferably 0.7 Pa or less, and more preferably 0.1 to 0.4 Pa. The pressure in the film forming chamber represents the number of carrier gas atoms (including atomic groups and ion states) existing in the film forming chamber, and these are constituent atoms (atomic groups) of the transparent conductive oxide layer flying from the target. (Including ion state). In the present invention, by setting the pressure in the film forming chamber within the above range, the substrate can be adhered with sufficient kinetic energy, and a transparent conductive oxide layer effective in the present invention can be formed.

スパッタリング時の基板の温度は、基板の軟化温度以下であればどのような温度でも可能である。特には、25℃以下で製膜することが好ましい。基板温度を下げることで、スパッタ粒子の運動エネルギーを急激に低下させ、結晶粒を密にすること、組成によっては非晶質に近い状態にすることが可能となる。これにより湿熱耐久性の向上が可能となる。   The temperature of the substrate during sputtering can be any temperature as long as it is lower than the softening temperature of the substrate. In particular, it is preferable to form a film at 25 ° C. or lower. By lowering the substrate temperature, the kinetic energy of the sputtered particles can be drastically reduced, the crystal grains can be made dense, and depending on the composition, it can be brought into an amorphous state. This makes it possible to improve wet heat durability.

透明導電性酸化物層(A)中における透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)の配置の順序には特に制限はなく、光電変換ユニット3側から(B)−(C)の順番でも、(C)−(B)の順番でも構わない。換言すれば、「n型半導体層/透明導電性酸化物層(B)/透明導電性酸化物層(C)/裏面電極5」の順番でもよく、「n型半導体層/透明導電性酸化物層(C)/透明導電性酸化物層(B)/裏面電極5」の順番でもよい。さらに、透明導電性酸化物層(A)が3層以上からなる場合には、透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)を交互に積層してもよい。1つの例として、導電性の高い透明導電性酸化物層(C)が光電変換ユニット3(n型半導体層)と接する側に配置されると、電気的コンタクトが高くなり、太陽電池構造の直列抵抗が低減されることが期待される。   The order of arrangement of the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C) in the transparent conductive oxide layer (A) is not particularly limited, and from the photoelectric conversion unit 3 side (B) -The order of (C) or the order of (C)-(B) may be used. In other words, the order of “n-type semiconductor layer / transparent conductive oxide layer (B) / transparent conductive oxide layer (C) / back electrode 5” may be used. The order of “layer (C) / transparent conductive oxide layer (B) / back electrode 5” may be used. Furthermore, when the transparent conductive oxide layer (A) comprises three or more layers, the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C) may be alternately laminated. As one example, when the highly conductive transparent conductive oxide layer (C) is disposed on the side in contact with the photoelectric conversion unit 3 (n-type semiconductor layer), the electrical contact becomes high and the solar cell structure is connected in series. It is expected that the resistance will be reduced.

一方、透明導電性酸化物層(B)が光電変換ユニット3と接する側に配置され、透明導電性酸化物層(C)が裏面電極5と接する側に配置された実施形態においても、優れた性能を得ることができる。すなわち、好ましい実施形態では、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物がアルミニウムを主成分とするものであり、かつ透明導電性酸化物層(B)が光電変換ユニット3を構成する層のうちのn型半導体層に接して配置され、透明導電性酸化物層(C)が裏面電極5に接して配置されている。以下、この実施形態(第二実施形態)について説明する。すなわち、第二実施形態は「n型半導体層/透明導電性酸化物層(B)/透明導電性酸化物層(C)/裏面電極5」の順番に配置された薄膜太陽電池に係るものである。   On the other hand, in the embodiment in which the transparent conductive oxide layer (B) is disposed on the side in contact with the photoelectric conversion unit 3 and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed on the side in contact with the back electrode 5, excellent Performance can be obtained. That is, in a preferred embodiment, the conductive impurities in the transparent conductive oxide layer (C) are mainly composed of aluminum, and the transparent conductive oxide layer (B) constitutes the photoelectric conversion unit 3. The transparent conductive oxide layer (C) is disposed in contact with the back electrode 5. Hereinafter, this embodiment (second embodiment) will be described. That is, the second embodiment relates to a thin film solar cell arranged in the order of “n-type semiconductor layer / transparent conductive oxide layer (B) / transparent conductive oxide layer (C) / back electrode 5”. is there.

第二実施形態において、透明導電性酸化物層(B)は、導電性不純物として酸化ケイ素を1〜5重量%含有することが好ましく、1.5〜3重量%含有することがより好ましい。なお、透明導電性酸化物層(B)は、酸化ケイ素以外の導電性不純物を含有していてもよく、例えば、酸化アルミニウムを0〜0.5重量%程度含有していてもよいが、酸化アルミニウムの含有量は0重量%に近い方が好ましく、0重量%(含まれない)がより好ましい。透明導電性酸化物層(B)においては、導電性不純物たる酸化ケイ素の含有量を1〜5重量%とすることで、導電性と電気的接合性の両方の特性を良好なものとすることができる。また、酸化アルミニウム等の含有量をできる限り少なくすることにより、光電変換ユニットと透明導電性酸化物層(B)との電気的接合を良好なものとすることができる。   In 2nd embodiment, it is preferable that a transparent conductive oxide layer (B) contains 1 to 5 weight% of silicon oxide as a conductive impurity, and it is more preferable to contain 1.5 to 3 weight%. The transparent conductive oxide layer (B) may contain conductive impurities other than silicon oxide. For example, the transparent conductive oxide layer (B) may contain about 0 to 0.5% by weight of aluminum oxide. The aluminum content is preferably close to 0% by weight, more preferably 0% by weight (not included). In the transparent conductive oxide layer (B), by making the content of silicon oxide, which is a conductive impurity, 1 to 5% by weight, both the characteristics of conductivity and electrical bondability should be improved. Can do. Moreover, electrical junction of a photoelectric conversion unit and a transparent conductive oxide layer (B) can be made favorable by reducing content, such as aluminum oxide, as much as possible.

また透明導電性酸化物層(B)を、光電変換ユニット3を形成する半導体層のうちn型半導体層と接するようにすることで、電気的接合のさらなる向上が期待できる。   Further, when the transparent conductive oxide layer (B) is in contact with the n-type semiconductor layer among the semiconductor layers forming the photoelectric conversion unit 3, further improvement in electrical junction can be expected.

第二実施形態において、透明導電性酸化物層(C)は、導電性不純物として酸化アルミニウムを1〜7重量%含有していることが好ましく、1〜4重量%含有することがより好ましい。なお、透明導電性酸化物層(C)は、酸化アルミニウム以外の導電性不純物を含有していてもよく、例えば、酸化ケイ素を0〜0.5重量%程度含有していてもよいが、酸化ケイ素の含有量は0重量%に近い方が好ましく、0重量%(含まれない)がより好ましい。透明導電性酸化物層(C)においては、導電性不純物たる酸化アルミニウムを1〜7重量%とすることで、裏面電極との電気的接合を良好なものとすることができる。また酸化ケイ素等の含有量をできる限り少なくすることにより、裏面電極と透明導電性酸化物層(C)との電気的接合を良好なものとすることができる。   In 2nd embodiment, it is preferable that the transparent conductive oxide layer (C) contains 1 to 7 weight% of aluminum oxide as a conductive impurity, and it is more preferable to contain 1 to 4 weight%. The transparent conductive oxide layer (C) may contain conductive impurities other than aluminum oxide. For example, the transparent conductive oxide layer (C) may contain about 0 to 0.5% by weight of silicon oxide. The silicon content is preferably close to 0% by weight, more preferably 0% by weight (not included). In the transparent conductive oxide layer (C), by making 1 to 7% by weight of aluminum oxide, which is a conductive impurity, electrical connection with the back electrode can be improved. Further, by reducing the content of silicon oxide or the like as much as possible, the electrical connection between the back electrode and the transparent conductive oxide layer (C) can be improved.

また透明導電性酸化物層(C)を、裏面電極5と接するようにすることで、電気的接合のさらなる向上が期待できる。   Further, when the transparent conductive oxide layer (C) is in contact with the back electrode 5, further improvement in electrical bonding can be expected.

ここで、導電性不純物の含有量は、透明導電性酸化物層に対する含有量である。例えば、透明導電性酸化物層(B)について「酸化ケイ素を1〜5重量%含有する」とは、透明導電性酸化物層(B)を形成する全ての成分の重量のうち、酸化ケイ素を1〜5%含有することを意味する。透明導電性酸化物層(C)における酸化アルミニウムの含有量についても同様である。   Here, content of a conductive impurity is content with respect to a transparent conductive oxide layer. For example, “containing 1 to 5% by weight of silicon oxide” for the transparent conductive oxide layer (B) means that silicon oxide is included in the weight of all the components forming the transparent conductive oxide layer (B). It means containing 1 to 5%. The same applies to the content of aluminum oxide in the transparent conductive oxide layer (C).

第2実施形態において、透明導電性酸化物層(B)の膜厚dBが、透明導電性酸化物層(A)の膜厚dAの60%〜80%を占めることが好ましく、65%〜80%を占めることがさらに好ましい。In the second embodiment, the thickness d B of the transparent conductive oxide layer (B) is, it is preferable to account for 60% to 80% of the thickness d A of the transparent conductive oxide layer (A), 65% More preferably, it accounts for ~ 80%.

第2実施形態における透明導電性酸化物層(B)および(C)による電気的接合の向上に関する詳細については明確になっていないが、本実施形態の構成、すなわち「n型半導体層/透明導電性酸化物層(B)/透明導電性酸化物層(C)/裏面電極」の順番に配置することで、各界面の接合が良好となると推測される。また上記構成により、各層のフェルミ準位の関係によるバンドベンディングが少なくなる、また欠陥準位を補償する、などが起こるためと推測される。   Although details regarding the improvement of electrical junction by the transparent conductive oxide layers (B) and (C) in the second embodiment are not clear, the configuration of the present embodiment, that is, “n-type semiconductor layer / transparent conductive”. By arranging in the order of “conductive oxide layer (B) / transparent conductive oxide layer (C) / back surface electrode”, it is presumed that the bonding at each interface becomes good. In addition, it is presumed that the above configuration reduces band bending due to the Fermi level relationship of each layer and compensates for defect levels.

なお、本発明においては、透明導電性酸化物層(B)と(C)の配置順序は任意であり、透明導電性酸化物層(B)が裏面電極5側に、透明導電性酸化物層(C)が光電変換ユニット3側に配置された薄膜太陽電池も、本発明に含まれる。後述の実施例で示すように、この構成の薄膜太陽電池によれば、発電効率の保持率が向上する。ただし、後述の実施例で示すように、第2実施形態によれば曲線因子がさらに向上する。これは、光電変換ユニット3と透明導電性酸化物層(B)、及び、透明導電性酸化物層(C)と裏面電極5との電気的接合が、より良くなるためであると考えられる。   In the present invention, the arrangement order of the transparent conductive oxide layers (B) and (C) is arbitrary, and the transparent conductive oxide layer (B) is disposed on the back electrode 5 side. A thin film solar cell in which (C) is arranged on the photoelectric conversion unit 3 side is also included in the present invention. As shown in the examples described later, according to the thin-film solar cell having this configuration, the power generation efficiency retention rate is improved. However, as shown in the examples described later, according to the second embodiment, the fill factor is further improved. This is considered to be because the electrical connection between the photoelectric conversion unit 3 and the transparent conductive oxide layer (B), and between the transparent conductive oxide layer (C) and the back electrode 5 is improved.

上記した実施形態では、透明導電性酸化物層4が透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)を有するものであるが、これら以外の層をさらに有していてもよい。例えば、透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)との間に、他の透明導電性酸化物層を形成することができる。このような他の透明導電性酸化物層は、導電性の酸化物であれば、酸化インジウムや酸化錫、酸化亜鉛などを主成分とするものを用いることができるが、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層を用いることが透明性の観点から好ましい。この場合、他の透明導電性酸化物層には種々の導電性不純物などを添加することができる。導電性不純物としては、例えばアルミニウム、ガリウム、ホウ素、ケイ素、炭素、ニオブ、セレンなどの公知のものを採用することができる。なお、他の透明導電性酸化物層においても、透明導電性酸化物層(B)、(C)と同様、導電性不純物を添加する場合、1種類のみ添加することが好ましい。これは、複数種の導電性不純物を同時に添加する場合に比べてキャリア密度が小さい為、透過率が高くなることが期待できるからである。   In the above-described embodiment, the transparent conductive oxide layer 4 has the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C), but further includes layers other than these. Also good. For example, another transparent conductive oxide layer can be formed between the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C). As such another transparent conductive oxide layer, any conductive oxide can be used that contains indium oxide, tin oxide, zinc oxide, or the like as its main component. It is preferable from the viewpoint of transparency to use a transparent conductive oxide layer. In this case, various conductive impurities can be added to the other transparent conductive oxide layers. As a conductive impurity, well-known things, such as aluminum, gallium, boron, silicon, carbon, niobium, selenium, are employable, for example. In addition, also in another transparent conductive oxide layer, like a transparent conductive oxide layer (B) and (C), when adding a conductive impurity, it is preferable to add only 1 type. This is because the carrier density is smaller than when a plurality of types of conductive impurities are added at the same time, so that the transmittance can be expected to increase.

前述のように、ケイ素、アルミニウム、その他の導電性不純物の添加量は、各種元素分析法で検出することが可能である。例えば、エネルギー分散型測定装置(EDS)や二次イオン質量分析(SIMS)やX線光電子分光(XPS)などにより精度よく原子数をカウントすることができる。   As described above, the addition amount of silicon, aluminum, and other conductive impurities can be detected by various elemental analysis methods. For example, the number of atoms can be accurately counted by an energy dispersive measurement device (EDS), secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), or the like.

また前述のように、本発明における透明導電性酸化物層の成膜において、スパッタターゲットの原子組成と透明導電性酸化物層の原子組成が等しくなることが、エネルギー分散型測定装置(EDS)などの元素分析からわかっている。したがって、スパッタターゲットの原子組成を制御することにより、透明導電性酸化物層に含まれる導電性不純物の量を制御することができる。スパッタターゲットの原子組成比の制御は、導電性不純物として酸化ケイ素を含有する透明導電性酸化物層を作製する場合、焼結体作製時に、酸化亜鉛とケイ素または酸化ケイ素を組成比に従って混錬し、焼結することで実施可能である。また導電性不純物として酸化アルミニウムを含有する透明導電性酸化物層を作製する場合、焼結体作製時に、酸化亜鉛とアルミニウムまたは酸化アルミニウムを組成比に従って混錬し、焼結することで実施可能である。   As described above, in the formation of the transparent conductive oxide layer in the present invention, the atomic composition of the sputter target and the atomic composition of the transparent conductive oxide layer are equal to each other, such as an energy dispersive measuring device (EDS). It is known from elemental analysis. Therefore, the amount of conductive impurities contained in the transparent conductive oxide layer can be controlled by controlling the atomic composition of the sputter target. The control of the atomic composition ratio of the sputter target is achieved by preparing a transparent conductive oxide layer containing silicon oxide as a conductive impurity, and kneading zinc oxide and silicon or silicon oxide in accordance with the composition ratio when preparing the sintered body. It can be carried out by sintering. In addition, when producing a transparent conductive oxide layer containing aluminum oxide as a conductive impurity, it can be carried out by kneading and sintering zinc oxide and aluminum or aluminum oxide according to the composition ratio during the production of the sintered body. is there.

本発明における透明導電性酸化物層は、湿熱耐久性が高い。ここで「湿熱耐久性が高い」とは、湿熱耐久性試験前後、すなわち85℃かつ相対湿度85%の環境下で1000時間放置した場合における放置前後の導電性の変化が小さいことを示し、具体的な測定としては、透明導電性酸化物層のシート抵抗の湿熱耐久性試験前後の変化(比)が小さいことをいう。これは、太陽電池の想定される使用環境の中でも過酷な条件に対する加速試験として実施されるものである。薄膜シリコン系太陽電池を例にとると、湿熱耐久性試験で性能が低下する最も大きな原因は、光電変換ユニットと裏面電極間に設けられた透明導電性酸化物層である。   The transparent conductive oxide layer in the present invention has high wet heat durability. Here, “high wet heat durability” indicates that the change in conductivity before and after leaving the wet heat durability test before and after leaving for 1000 hours in an environment of 85 ° C. and 85% relative humidity is small. As a typical measurement, the change (ratio) before and after the wet heat durability test of the sheet resistance of the transparent conductive oxide layer is small. This is implemented as an accelerated test for harsh conditions in the assumed usage environment of the solar cell. Taking a thin film silicon solar cell as an example, the biggest cause of the performance degradation in the wet heat durability test is the transparent conductive oxide layer provided between the photoelectric conversion unit and the back electrode.

酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層4では、湿熱耐久性試験前後のシート抵抗の比、すなわち「(湿熱耐久性試験後のシート抵抗)/(湿熱耐久性試験前のシート抵抗)」の値が、好ましくは1.0〜3.0、より好ましくは1.01〜2.0、さらに好ましくは1.02〜1.8、特に好ましくは1.03〜1.40となる。   In the transparent conductive oxide layer 4 containing zinc oxide as a main component, the sheet resistance ratio before and after the wet heat durability test, that is, “(sheet resistance after the wet heat durability test) / (sheet resistance before the wet heat durability test)”. "Is preferably 1.0 to 3.0, more preferably 1.01 to 2.0, still more preferably 1.02 to 1.8, and particularly preferably 1.03 to 1.40.

また、透明導電性酸化物層が太陽電池特性に与える影響に「直列抵抗」があり、極度なシート抵抗上昇は直列抵抗の上昇を意味する。これにより太陽電池特性のうち曲線因子が低下する。従って、シート抵抗の比を上記範囲とすることで、長期間にわたり太陽電池の特性を良好に保つことができる。   In addition, the influence of the transparent conductive oxide layer on the solar cell characteristics has “series resistance”, and an extreme increase in sheet resistance means an increase in series resistance. Thereby, a curve factor falls among solar cell characteristics. Therefore, by setting the sheet resistance ratio within the above range, the characteristics of the solar cell can be kept good over a long period of time.

なお、シート抵抗の変化が大きくなると、透明導電性酸化物層が抵抗となり、光電変換ユニットで生成されたキャリアは透明導電性酸化物層で熱として消費されてしまい、発電に寄与しない。本発明で採用する透明導電性酸化物層は、これを抑制し、長時間にわたり安定して発電することを可能にする。   Note that when the change in sheet resistance increases, the transparent conductive oxide layer becomes resistance, and carriers generated in the photoelectric conversion unit are consumed as heat in the transparent conductive oxide layer, and do not contribute to power generation. The transparent conductive oxide layer employed in the present invention suppresses this and enables stable power generation over a long period of time.

湿熱耐久性試験は、太陽電池を裏面電極まで作製後に裏面電極のみ除去して実施したり、裏面電極作製前の状態で実施することも可能であるが、ガラスなどの基板上に透明導電性酸化物層4と同条件で製膜した、いわゆる単膜の状態でも実施可能である。   The wet heat durability test can be carried out by removing only the back electrode after the solar cell is made up to the back electrode, or can be carried out in the state before the back electrode production, but transparent conductive oxidation on a substrate such as glass. The present invention can also be implemented in a so-called single film state in which the film is formed under the same conditions as the physical layer 4.

上記した実施形態では、透明導電性酸化物層4が透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)を有するものであるが、これら以外の層をさらに有していてもよい。また、複数の透明導電性酸化物層(B)や、複数の透明導電性酸化物層(C)を有するものでもよい。   In the above-described embodiment, the transparent conductive oxide layer 4 has the transparent conductive oxide layer (B) and the transparent conductive oxide layer (C), but further includes layers other than these. Also good. Moreover, you may have a some transparent conductive oxide layer (B) and a some transparent conductive oxide layer (C).

本発明において、薄膜太陽電池の「発電効率の保持率」は、湿熱耐久性試験前後の発電効率の変化によって定義される。具体的には下記(1)式に示すとおりである。
(保持率)=[(湿熱耐久試験後の発電効率)/(湿熱耐久試験前の発電効率)]×100・・・(1)
In the present invention, the “generation efficiency retention ratio” of a thin-film solar cell is defined by a change in power generation efficiency before and after the wet heat durability test. Specifically, it is as shown in the following formula (1).
(Retention rate) = [(Power generation efficiency after wet heat durability test) / (Power generation efficiency before wet heat durability test)] × 100 (1)

本発明の薄膜太陽電池における発電効率の保持率は、90%以上であることが好ましく、94%以上であることがより好ましい。発電効率の保持率が高い薄膜太陽電池は、屋外の使用など、実際に太陽電池が使用される環境において、長期間の使用においても性能の低下が小さく、実用性が高いため、好ましい。   The retention rate of power generation efficiency in the thin-film solar cell of the present invention is preferably 90% or more, and more preferably 94% or more. A thin-film solar cell having a high power generation efficiency retention rate is preferable because it is less likely to deteriorate in performance for a long period of use in an environment where the solar cell is actually used, such as outdoor use, and is highly practical.

以下に、実施例をもって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

以下の実施例において、ドーピング量測定には、走査電子顕微鏡JSM−6390−LA(日本電子社製)を用いた。透明導電性酸化物層の膜厚は、分光エリプソメーターVASE(J.Aウーラム社製)を使用した測定結果につきChaucyモデルによりフィッティングすることにより算出した。X線光電子分光(XPS)は、X線源としてMgKα(1254eV)を用いて、Si2P1/2ピークの結合エネルギーを0価を約100eVとして算出した。光電変換特性は、AM1.5のスペクトル分布を有するソーラシミュレータを用いて、擬似太陽光を25℃の下で100mW/cm2のエネルギー密度で照射して出力特性を測定し、開放電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)、発電効率(Eff)、電圧−電流特性により評価した。In the following examples, a scanning electron microscope JSM-6390-LA (manufactured by JEOL Ltd.) was used for the doping amount measurement. The film thickness of the transparent conductive oxide layer was calculated by fitting a measurement result using a spectroscopic ellipsometer VASE (manufactured by JA Woollam Co., Ltd.) with a Chaucy model. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was calculated using MgKα (1254 eV) as the X-ray source and the binding energy of the Si 2 P 1/2 peak as 0 valence of about 100 eV. Photoelectric conversion characteristics were measured using solar simulator with AM1.5 spectral distribution and irradiated with simulated sunlight at an energy density of 100 mW / cm 2 at 25 ° C., and the output characteristics were measured, and the open circuit voltage (Voc) , Short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), power generation efficiency (Eff), and voltage-current characteristics.

湿熱耐久性試験は、作製した薄膜太陽電池を85℃かつ相対湿度85%の環境で1000時間放置し、その前後の発電効率を比較することで実施した。発電効率の保持率を上記式(1)にしたがって算出した。   The wet heat durability test was carried out by leaving the produced thin-film solar cell in an environment of 85 ° C. and a relative humidity of 85% for 1000 hours, and comparing the power generation efficiency before and after that. The retention rate of power generation efficiency was calculated according to the above formula (1).

基板1には、透光性の無アルカリガラス基板(厚み1.1mm、日本電気硝子社製)を使用した。透明電極層2には、熱CVD法により作製したフッ素化酸化錫(F:SnO2)を用いた。この際の透明電極層2の膜厚は800nm、シート抵抗は10Ω/□、ヘイズ値は15〜20%であった。As the substrate 1, a translucent non-alkali glass substrate (thickness 1.1 mm, manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd.) was used. The transparent electrode layer 2 was made of fluorinated tin oxide (F: SnO 2 ) produced by a thermal CVD method. The film thickness of the transparent electrode layer 2 at this time was 800 nm, the sheet resistance was 10Ω / □, and the haze value was 15 to 20%.

この上に、高周波プラズマCVD装置を用いて、ボロンドープのp型シリコンカーバイド(SiC)層を10nm、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を200nm、リンドープのn型μc−Si層を20nmの膜厚で製膜した。これにより、前方光電変換ユニットであるp−i−n接合の非晶質シリコンからなる第1の光電変換ユニット3−1(トップセル)を形成した。   On this, a boron-doped p-type silicon carbide (SiC) layer is 10 nm, a non-doped amorphous silicon photoelectric conversion layer is 200 nm, and a phosphorus-doped n-type μc-Si layer is 20 nm thick using a high-frequency plasma CVD apparatus. To form a film. As a result, a first photoelectric conversion unit 3-1 (top cell) made of amorphous silicon having a pin junction, which is a front photoelectric conversion unit, was formed.

上記第1の光電変換ユニット3−1を形成した基板を大気中に取り出すことなく、プラズマCVD装置にて、導電性酸素化シリコン層からなる導電性中間層3−2を形成した。このときの製膜条件については、プラズマの励起周波数を13.56MHz、基板温度を150℃、反応室内圧力を666Paとした。プラズマCVD反応室内に導入される原料ガスとしてSiH4、PH3、CO2、およびH2を用いた。以上の条件で60nm(600Å)の導電性酸素化シリコン層3−2を製膜した。The conductive intermediate layer 3-2 made of a conductive oxygenated silicon layer was formed by a plasma CVD apparatus without taking the substrate on which the first photoelectric conversion unit 3-1 was formed into the atmosphere. Regarding the film forming conditions at this time, the plasma excitation frequency was 13.56 MHz, the substrate temperature was 150 ° C., and the pressure in the reaction chamber was 666 Pa. SiH 4 , PH 3 , CO 2 , and H 2 were used as source gases introduced into the plasma CVD reaction chamber. A conductive oxygenated silicon layer 3-2 having a thickness of 60 nm (600 cm) was formed under the above conditions.

更に、ボロンドープのp型微結晶シリコン層を15nm、ノンドープの結晶質シリコン光電変換層を1500nm、リンドープのn型微結晶シリコン層を20nmの膜厚で、それぞれプラズマCVD法により製膜した。これにより、後方光電変換ユニットであるp−i−n接合の結晶質シリコンからなる第2の光電変換ユニット3−3(ボトムセル)を形成した。   Further, a boron-doped p-type microcrystalline silicon layer was formed to a thickness of 15 nm, a non-doped crystalline silicon photoelectric conversion layer was 1500 nm, and a phosphorus-doped n-type microcrystalline silicon layer was formed to a thickness of 20 nm by plasma CVD. Thereby, the 2nd photoelectric conversion unit 3-3 (bottom cell) which consists of crystalline silicon of a pin junction which is a back photoelectric conversion unit was formed.

上記結晶質シリコン光電変換ユニット形成済みの工程仕掛品を、高周波プラズマCVD装置から大気中に取り出した後、高周波マグネトロンスパッタリング装置の製膜室に導入し、第2の光電変換ユニット3−3上に、透明導電性酸化物層4を製膜した。   The work-in-process product in which the crystalline silicon photoelectric conversion unit has been formed is taken out from the high-frequency plasma CVD apparatus into the atmosphere, and then introduced into the film-forming chamber of the high-frequency magnetron sputtering apparatus, on the second photoelectric conversion unit 3-3. A transparent conductive oxide layer 4 was formed.

透明導電性酸化物層4の成膜は、表1に示すスパッタターゲット材料と製膜パワー密度を採用し、製膜圧力を0.2Pa、基板温度を150℃として、基板/ターゲット距離を60mmに設定して実施した。表1の膜厚欄における括弧書き(%)は、透明導電性酸化物層4の膜厚に対して透明導電性酸化物層(B)の膜厚が占める割合を示す。   The transparent conductive oxide layer 4 is formed by using the sputtering target material and the deposition power density shown in Table 1, the deposition pressure is 0.2 Pa, the substrate temperature is 150 ° C., and the substrate / target distance is 60 mm. Set and implemented. The parentheses (%) in the film thickness column of Table 1 indicate the ratio of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) to the film thickness of the transparent conductive oxide layer 4.

また、実施例1−1から1−11においては、透明導電性酸化物層4を導電性不純物の種類が異なる2以上の層で構成した。操作として、第2の光電変換ユニット3−3上に第1層を成膜し、その上に第2層を成膜した。実施例1−5では、第2層の上にさらに第3層を成膜した。また、第1層として「ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)」、第2層として「ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)」を採用した。さらに実施例1−5では、第3層として「ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)」を採用した。表1における1層目、2層目、3層目は、それぞれ透明導電性酸化物層4の第1層、第2層、第3層に対応する。   In Examples 1-1 to 1-11, the transparent conductive oxide layer 4 was composed of two or more layers having different types of conductive impurities. As an operation, a first layer was formed on the second photoelectric conversion unit 3-3, and a second layer was formed thereon. In Example 1-5, a third layer was further formed on the second layer. In addition, the first layer “transparent conductive oxide layer (C) containing conductive impurities mainly containing elements other than silicon” and the second layer “contains conductive impurities mainly containing silicon”. A transparent conductive oxide layer (B) ”was employed. Furthermore, in Example 1-5, the “transparent conductive oxide layer (C) containing conductive impurities whose main component is an element other than silicon” was adopted as the third layer. The first, second, and third layers in Table 1 correspond to the first, second, and third layers of the transparent conductive oxide layer 4, respectively.

具体的には、まず、実施例1−1から1−11において、透明導電性酸化物層(B)における導電性不純物として酸化ケイ素(SiO2)を用いた。
実施例1−6,1−9,1−10,1−11では、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物として酸化アルミニウム(Al23)を用いた。実施例1−5では、透明導電性酸化物層(C)を2つ設け、透明導電性酸化物層(B)を挟むように配置した。実施例1−7では、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物として酸化ガリウム(Ga23)を用いた。実施例1−8では、透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物として酸化ホウ素(B23)を用いた。
Specifically, first, in Examples 1-1 to 1-11, silicon oxide (SiO 2 ) was used as a conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (B).
In Examples 1-6, 1-9, 1-10, and 1-11, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was used as a conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (C). In Example 1-5, two transparent conductive oxide layers (C) were provided and arranged so as to sandwich the transparent conductive oxide layer (B). In Example 1-7, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) was used as a conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (C). In Example 1-8, boron oxide (B 2 O 3 ) was used as a conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (C).

実施例1−1,1−3,1−4,1−7,1−8,1−11では、透明導電性酸化物層(B)を裏面電極5に接して配置し、透明導電性酸化物層(C)を光電変換ユニット3に接して配置した。実施例1−2,1−6,1−9,1−10では、透明導電性酸化物層(B)を光電変換ユニット3に接して配置し、透明導電性酸化物層(C)を裏面電極5に接して配置した。実施例1−5では、一方の透明導電性酸化物層(C)を裏面電極5に接して配置し、他方の透明導電性酸化物層(C)を光電変換ユニット3に接して配置した。実施例1−5では、透明導電性酸化物層(B)は光電変換ユニット3と裏面電極5のいずれにも接していない。   In Examples 1-1, 1-3, 1-4, 1-7, 1-8, 1-11, the transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the back electrode 5, and transparent conductive oxidation is performed. The physical layer (C) was placed in contact with the photoelectric conversion unit 3. In Examples 1-2, 1-6, 1-9, and 1-10, the transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the photoelectric conversion unit 3, and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed on the back surface. Arranged in contact with the electrode 5. In Example 1-5, one transparent conductive oxide layer (C) was disposed in contact with the back electrode 5, and the other transparent conductive oxide layer (C) was disposed in contact with the photoelectric conversion unit 3. In Example 1-5, the transparent conductive oxide layer (B) is not in contact with either the photoelectric conversion unit 3 or the back electrode 5.

一方、比較例では、いずれも1層のみからなる透明導電性酸化物層4を用いた。具体的には、比較例1−1では、導電性不純物として酸化アルミニウム(Al23)を用いた。比較例1−2,1−3では、導電性不純物として酸化ケイ素(SiO2)を用いた。比較例1−4では、導電性不純物として酸化ケイ素(SiO2)と酸化アルミニウム(Al23)を併用した(同時ドーピング)。On the other hand, in the comparative examples, the transparent conductive oxide layer 4 consisting of only one layer was used. Specifically, in Comparative Example 1-1, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was used as the conductive impurity. In Comparative Examples 1-2 and 1-3, silicon oxide (SiO 2 ) was used as the conductive impurity. In Comparative Example 1-4, silicon oxide (SiO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) were used in combination as conductive impurities (simultaneous doping).

引き続き、真空蒸着装置を用いて、裏面電極5としてAg膜を250nmの膜厚で製膜した。製膜中の真空度は1×10-4Pa以下、製膜速度は0.2±0.02nm/秒とした。以上のようにして、計15種類(実施例11種、比較例4種)の薄膜太陽電池を作製した。Subsequently, an Ag film having a film thickness of 250 nm was formed as the back electrode 5 using a vacuum vapor deposition apparatus. The degree of vacuum during film formation was 1 × 10 −4 Pa or less, and the film formation rate was 0.2 ± 0.02 nm / second. As described above, a total of 15 types (11 types of Examples and 4 types of Comparative Examples) of thin film solar cells were produced.

作製した各薄膜太陽電池の光電変換特性を、表2に示す。すなわち、実施例の薄膜太陽電池は、いずれも高い保持率を示した。これは、酸化ケイ素をドーピングした酸化亜鉛透明導電性酸化物の湿熱耐久性が優れているためと考えられる。
また実施例の薄膜太陽電池では、短絡電流密度(Jsc)と開放電圧(Voc)も、それぞれ向上していることがわかった。これは、酸化アルミニウムをドーピングした酸化亜鉛に比べて、酸化ケイ素をドーピングした酸化亜鉛の方が、透過率が高くなる傾向があり、これにより、光電変換ユニットへの光の取り込み量が増加し、その結果、短絡電流密度が向上したものと考えられる。開放電圧の向上については、不純物としてドーピングしたケイ素とアルミニウムのイオン半径の差および電気陰性度の差によって生じる透明導電性酸化物層の内部応力への影響と、その内部応力により発生する欠陥準位が少なくなると考えることで、説明可能である。
なお、比較例1−3は薄膜太陽電池としての機能を示さなかった。これは、透明導電性酸化物層の抵抗が非常に大きいために電流が流れなかったためと考えられる。
Table 2 shows the photoelectric conversion characteristics of the produced thin-film solar cells. That is, the thin film solar cells of the examples all showed high retention rates. This is considered because the wet heat durability of the zinc oxide transparent conductive oxide doped with silicon oxide is excellent.
Moreover, in the thin film solar cell of the Example, it turned out that the short circuit current density (Jsc) and the open circuit voltage (Voc) are also improving, respectively. This is because zinc oxide doped with silicon oxide tends to have higher transmittance than zinc oxide doped with aluminum oxide, which increases the amount of light taken into the photoelectric conversion unit, As a result, it is considered that the short circuit current density is improved. Regarding the improvement of the open circuit voltage, the influence on the internal stress of the transparent conductive oxide layer caused by the difference in ionic radius and electronegativity of silicon and aluminum doped as impurities, and the defect level generated by the internal stress. Can be explained by thinking that there will be less.
In addition, Comparative Example 1-3 did not show the function as a thin film solar cell. This is considered because the current did not flow because the resistance of the transparent conductive oxide layer was very large.

図2に、実施例1−1および比較例1−4におけるX線光電子分光スペクトルを示す。図2中、実線は実施例1−1、破線は比較例1−4を示す。XPS測定の結果、表1と図2に示すように、実施例の条件で製膜した透明導電性酸化物層では、4価のケイ素を示す約104eVの結合エネルギーのピークが優先であった。一方、比較例の条件で製膜した透明導電性酸化物層では、3価のケイ素を示す約103eVの結合エネルギーのピークが優先であった。このことから、4価のケイ素を含有する透明導電性酸化物層を用いることで特性が良く、耐久性に優れた薄膜太陽電池を作製可能であることがわかった。   In FIG. 2, the X-ray photoelectron spectroscopy spectrum in Example 1-1 and Comparative Example 1-4 is shown. In FIG. 2, the solid line indicates Example 1-1 and the broken line indicates Comparative Example 1-4. As a result of XPS measurement, as shown in Table 1 and FIG. 2, in the transparent conductive oxide layer formed under the conditions of the example, the peak of the binding energy of about 104 eV indicating tetravalent silicon was preferential. On the other hand, in the transparent conductive oxide layer formed under the conditions of the comparative example, the peak of the binding energy of about 103 eV indicating trivalent silicon was preferential. From this, it was found that by using a transparent conductive oxide layer containing tetravalent silicon, a thin film solar cell having good characteristics and excellent durability can be produced.

以上の結果、光電変換ユニットと裏面電極との間に、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)を配置することで、発電効率に優れる薄膜太陽電池を作製できることがわかった。これは、透明導電性酸化物層の透過率が向上することで、光電変換ユニット内に取り込まれる光の量が多くなるためだと考えられる。透過率が向上した理由は、透明導電性酸化物中のキャリア濃度が低下したためであると考えられる。   As a result of the above, between the photoelectric conversion unit and the back electrode, a transparent conductive oxide layer (B) containing a conductive impurity mainly composed of silicon and a conductive impurity mainly composed of an element other than silicon. It turned out that the thin film solar cell which is excellent in electric power generation efficiency can be produced by arrange | positioning the transparent conductive oxide layer (C) containing this. This is considered to be because the amount of light taken into the photoelectric conversion unit is increased by improving the transmittance of the transparent conductive oxide layer. The reason why the transmittance is improved is considered to be that the carrier concentration in the transparent conductive oxide is lowered.

さらに、上記した透明導電性酸化物層(B)と透明導電性酸化物層(C)で透明導電性酸化物層4を構成することにより、高い保持率を実現できることが分かった。   Furthermore, it turned out that a high retention can be implement | achieved by comprising the transparent conductive oxide layer 4 with an above-described transparent conductive oxide layer (B) and a transparent conductive oxide layer (C).

なお、図2に示すように、比較例1−4ではケイ素が十分に酸化されていないことがわかった。これは、アルミニウムが優先して酸化されたためと考えられる。   In addition, as shown in FIG. 2, it turned out that silicon is not fully oxidized in Comparative Example 1-4. This is probably because aluminum was preferentially oxidized.

Figure 2011158724
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Figure 2011158724
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〔実施例2−1〕
上記の実施例1と同様にして、基板1上に透明電極層2を設けた。
[Example 2-1]
In the same manner as in Example 1 above, the transparent electrode layer 2 was provided on the substrate 1.

この上に、高周波プラズマCVD装置を用いて、ボロンドープのp型シリコンカーバイド(SiC)層を10nm、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を250nm、リンドープのn型μc−Si層を20nmの膜厚で製膜した。これにより、前方光電変換ユニットであるp−i−n接合の非晶質シリコンからなる第1の光電変換ユニット3−1(トップセル)を形成した。   On this, a boron-doped p-type silicon carbide (SiC) layer is 10 nm, a non-doped amorphous silicon photoelectric conversion layer is 250 nm, and a phosphorus-doped n-type μc-Si layer is 20 nm thick using a high-frequency plasma CVD apparatus. To form a film. As a result, a first photoelectric conversion unit 3-1 (top cell) made of amorphous silicon having a pin junction, which is a front photoelectric conversion unit, was formed.

続いて、上記の実施例1と同様にして、導電性酸素化シリコン層3−2を製膜した。   Subsequently, a conductive oxygenated silicon layer 3-2 was formed in the same manner as in Example 1 above.

更に、ボロンドープのp型微結晶シリコン層を15nm、ノンドープの結晶質シリコン光電変換層を1750nm、リンドープのn型微結晶シリコン層を20nmの膜厚でそれぞれプラズマCVD法により製膜した。これにより、後方光電変換ユニットであるp−i−n接合の結晶質シリコンからなる第2の光電変換ユニット3−3(ボトムセル)を形成した。   Further, a boron-doped p-type microcrystalline silicon layer was formed by plasma CVD at a thickness of 15 nm, a non-doped crystalline silicon photoelectric conversion layer was formed at 1750 nm, and a phosphorus-doped n-type microcrystalline silicon layer was formed at a thickness of 20 nm. Thereby, the 2nd photoelectric conversion unit 3-3 (bottom cell) which consists of crystalline silicon of a pin junction which is a back photoelectric conversion unit was formed.

続いて、上記の実施例1と同様にして、第2の光電変換ユニット3−3上に、透明導電性酸化物層4を製膜した。   Subsequently, in the same manner as in Example 1, the transparent conductive oxide layer 4 was formed on the second photoelectric conversion unit 3-3.

透明導電性酸化物層4として、透明導電性酸化物層(B)と(C)の2層を形成した。スパッタにより製膜圧力を0.2Pa、基板温度を150℃として、基板/ターゲット距離を60mmに設定して製膜を実施した。透明導電性酸化物層(B)として、酸化ケイ素を2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして10W/cm2のパワー密度で60nm(600Å)製膜し(第1層)、その上に透明導電性酸化物層(C)として、酸化アルミニウムを2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして1.5W/cm2のパワー密度で30nm(300Å)製膜した(第2層)。As the transparent conductive oxide layer 4, two layers of transparent conductive oxide layers (B) and (C) were formed. Film formation was performed by sputtering at a film forming pressure of 0.2 Pa, a substrate temperature of 150 ° C., and a substrate / target distance of 60 mm. As a transparent conductive oxide layer (B), a film of 60 nm (600 mm) was formed at a power density of 10 W / cm 2 using zinc oxide containing 2.0% of silicon oxide as a target (first layer), and transparent on it As the conductive oxide layer (C), 30 nm (300 mm) was formed at a power density of 1.5 W / cm 2 using zinc oxide containing 2.0% of aluminum oxide as a target (second layer).

引き続き、真空蒸着装置を用いて裏面電極5としてAg膜を250ナノメートルの膜厚で製膜した。製膜中の真空度は1×10-4Pa以下、製膜速度は0.2±0.02nm/秒とした。以上のように薄膜太陽電池を作製した。Subsequently, an Ag film having a film thickness of 250 nanometers was formed as the back electrode 5 using a vacuum evaporation apparatus. The degree of vacuum during film formation was 1 × 10 −4 Pa or less, and the film formation rate was 0.2 ± 0.02 nm / second. A thin film solar cell was produced as described above.

〔実施例2−2から2−6〕
透明導電性酸化物層(B)および(C)として、ターゲットに含有される酸化ケイ素あるいは酸化アルミニウムの含有量、または膜厚を変更した以外は、実施例2−1と同じ条件で、薄膜太陽電池を作製した。
[Examples 2-2 to 2-6]
As the transparent conductive oxide layers (B) and (C), a thin film solar cell under the same conditions as in Example 2-1, except that the content of silicon oxide or aluminum oxide contained in the target or the film thickness was changed. A battery was produced.

〔参考例2−1〕
第1層として、酸化アルミニウムを2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして1.5W/cm2のパワー密度で20nm(200Å)製膜し、その上に第2層として酸化ケイ素を2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして7.0W/cm2のパワー密度で60nm(600Å)製膜した。それ以外は、実施例2−1と同じ条件で、薄膜太陽電池を作製した。
[Reference Example 2-1]
As a first layer, a film of 20 nm (200 mm) is formed with a power density of 1.5 W / cm 2 using zinc oxide containing 2.0% of aluminum oxide as a target, and 2.0 nm of silicon oxide is formed thereon as a second layer. 60 nm (600 mm) was formed at a power density of 7.0 W / cm 2 using zinc oxide containing 1% as a target. Otherwise, a thin-film solar cell was produced under the same conditions as in Example 2-1.

〔参考例2−2〕
第1層として、酸化アルミニウムを2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして1.5W/cm2のパワー密度で60nm(600Å)製膜し、その上に第2層として酸化ケイ素を2.0%含有した酸化亜鉛をターゲットとして7.0W/cm2のパワー密度で30nm(300Å)製膜した。それ以外は、実施例2−1と同じ条件で、薄膜太陽電池を作製した。
[Reference Example 2-2]
As a first layer, a film having a power density of 1.5 W / cm 2 and a thickness of 60 nm (600 mm) was formed using zinc oxide containing 2.0% of aluminum oxide as a target, and silicon oxide was added as a second layer to a thickness of 2.0 nm. 30 nm (300 mm) was formed at a power density of 7.0 W / cm 2 using as a target zinc oxide containing 1%. Otherwise, a thin-film solar cell was produced under the same conditions as in Example 2-1.

つまり、実施例2−1から2−8では、透明導電性酸化物層(B)を光電変換ユニット3に接して配置し、透明導電性酸化物層(C)を裏面電極5に接して配置した。一方、参考例2−1と2−2では、透明導電性酸化物層(B)を裏面電極5に接して配置し、透明導電性酸化物層(C)を光電変換ユニット3に接して配置した。   That is, in Examples 2-1 to 2-8, the transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the photoelectric conversion unit 3, and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed in contact with the back electrode 5. did. On the other hand, in Reference Examples 2-1 and 2-2, the transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the back electrode 5, and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed in contact with the photoelectric conversion unit 3. did.

〔比較例2−1から2−3〕
透明導電性酸化物層4として、酸化アルミニウムを2.0%(比較例2−1)、酸化ケイ素を2.0%(比較例2−2)、又は酸化ケイ素を7.0%(比較例2−3)含有した酸化亜鉛ターゲットを用いて1層のみ製膜した。それ以外の条件は、実施例2−1と同じ条件で製膜した。
以上のようにして、計13種類(実施例8種、参考例2種、比較例3種)の薄膜太陽電池を作製した。各薄膜太陽電池について、透明導電性酸化物層4の成膜条件を表3に示す。表3における1層目と2層目は、それぞれ透明導電性酸化物層4の第1層と第2層に対応する。表3の膜厚欄における括弧書き(%)は、透明導電性酸化物層4の膜厚に対して透明導電性酸化物層(B)の膜厚が占める割合を示す。
[Comparative Examples 2-1 to 2-3]
As the transparent conductive oxide layer 4, 2.0% of aluminum oxide (Comparative Example 2-1), 2.0% of silicon oxide (Comparative Example 2-2), or 7.0% of silicon oxide (Comparative Example) 2-3) Only one layer was formed using the contained zinc oxide target. Other conditions were formed under the same conditions as in Example 2-1.
As described above, a total of 13 types of thin film solar cells (Example 8 type, Reference Example 2 type, Comparative Example 3 type) were produced. Table 3 shows the film forming conditions of the transparent conductive oxide layer 4 for each thin film solar cell. The first layer and the second layer in Table 3 correspond to the first layer and the second layer of the transparent conductive oxide layer 4, respectively. The parentheses (%) in the film thickness column of Table 3 indicate the ratio of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) to the film thickness of the transparent conductive oxide layer 4.

作製した各薄膜太陽電池の光電変換特性を、表4に示す。なお、比較例2−3では、透明導電性酸化物層4の導電性が著しく悪かった為、太陽電池を形成することができなかった。   Table 4 shows the photoelectric conversion characteristics of the produced thin-film solar cells. In Comparative Example 2-3, the solar cell could not be formed because the conductivity of the transparent conductive oxide layer 4 was extremely poor.

Figure 2011158724
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Figure 2011158724
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表4より、透明導電性酸化物層として1層のみを使用した比較例に対し、2層使用した実施例や参考例では、発電効率の保持率が向上していることがわかる。これは、透明導電性酸化物層の耐久性向上による導電性の保持と、電気的接合の保持の影響のためであると考えられる。   From Table 4, it can be seen that the retention rate of power generation efficiency is improved in Examples and Reference Examples in which two layers are used as compared with Comparative Examples in which only one layer is used as the transparent conductive oxide layer. This is considered to be due to the effect of maintaining the conductivity by maintaining the durability of the transparent conductive oxide layer and maintaining the electrical connection.

具体的には、比較例2−1と実施例2−1から2−8を比較すると、所定の量の酸化ケイ素を含有する透明導電性酸化物層(B)と光電変換ユニットのn型半導体層とを接するようにすることで、酸化アルミニウムを含有する透明導電性酸化物層のみを有する比較例2−1と比べて特に曲線因子の向上が明確となった。これは、上記したとおり、光電変換ユニットを形成するn型半導体層と透明導電性酸化物層との電気的接合が向上したためと考えられる。   Specifically, when Comparative Example 2-1 and Examples 2-1 to 2-8 are compared, the transparent conductive oxide layer (B) containing a predetermined amount of silicon oxide and the n-type semiconductor of the photoelectric conversion unit By making it contact | connect a layer, especially the improvement of a fill factor became clear compared with the comparative example 2-1 which has only the transparent conductive oxide layer containing an aluminum oxide. As described above, this is considered because the electrical junction between the n-type semiconductor layer forming the photoelectric conversion unit and the transparent conductive oxide layer was improved.

また比較例2−2,2−3と実施例2−1から2−8とを比較すると、所定の量の酸化アルミニウムを含有する透明導電性酸化物層(C)と、裏面電極5とを接するようにすることで、酸化ケイ素を含有する透明導電性酸化物層のみを有する比較例2−2,2−3と比べて特に曲線因子の向上が明確となった。これは、比較例2−2に対し、実施例2−1から2−8では透明導電性酸化物層4と裏面金属5との電気的接合が向上したためと考えられる。また酸化ケイ素のドープ量が多いことに起因する透明導電性酸化物層4の抵抗が高くなった比較例2−3に対し、実施例2−1から2−8では抵抗が低く、導電性に優れるためと考えられる。   Further, comparing Comparative Examples 2-2 and 2-3 with Examples 2-1 to 2-8, the transparent conductive oxide layer (C) containing a predetermined amount of aluminum oxide and the back electrode 5 were compared. By making it contact, especially the improvement of a fill factor became clear compared with Comparative Examples 2-2 and 2-3 which have only the transparent conductive oxide layer containing a silicon oxide. This is probably because the electrical connection between the transparent conductive oxide layer 4 and the back metal 5 was improved in Examples 2-1 to 2-8 as compared to Comparative Example 2-2. In contrast to Comparative Example 2-3 in which the resistance of the transparent conductive oxide layer 4 was increased due to the large amount of silicon oxide doped, in Examples 2-1 to 2-8, the resistance was low and the conductivity was reduced. It is thought to be superior.

また実施例2−1から2−8と参考例2−1,2−2とを比較すると、実施例2−1から2−8の方が曲線因子の値がより高かった。つまり、酸化ケイ素を含有する透明導電性酸化物層(B)を光電変換ユニット3に接して配置し、酸化アルミニウムを含有する透明導電性酸化物層(C)を裏面電極5に接して配置することにより、より高い曲線因子の値が得られた。   Moreover, when Examples 2-1 to 2-8 and Reference Examples 2-1 and 2-2 were compared, Examples 2-1 to 2-8 had higher values of the curve factor. That is, the transparent conductive oxide layer (B) containing silicon oxide is placed in contact with the photoelectric conversion unit 3, and the transparent conductive oxide layer (C) containing aluminum oxide is placed in contact with the back electrode 5. As a result, a higher value of the fill factor was obtained.

以上の結果より、光電変換ユニット3と裏面電極5との間に、ケイ素を含む酸化亜鉛透明導電性酸化物層を製膜し、且つ光電変換ユニット3に接する側にケイ素を含有する酸化亜鉛を、裏面電極5に接する側にアルミニウムを含有する酸化亜鉛を形成することで、発電効率に優れる薄膜太陽電池を作製できることがわかった。   From the above results, a zinc oxide transparent conductive oxide layer containing silicon is formed between the photoelectric conversion unit 3 and the back electrode 5, and zinc oxide containing silicon is formed on the side in contact with the photoelectric conversion unit 3. It was found that by forming zinc oxide containing aluminum on the side in contact with the back electrode 5, a thin film solar cell having excellent power generation efficiency can be produced.

これは、透明導電性酸化物層4と光電変換ユニット3を形成するn型半導体層との電気的接合、並びに、透明導電性酸化物層4と裏面電極5との電気的接合が、いずれも良好となり、光によって誘起されたキャリアを効率よく取り出すことができるためと考えられる。
さらに、湿熱耐久性試験後においても、高い保持率を示すことがわかった。
This is because the electrical junction between the transparent conductive oxide layer 4 and the n-type semiconductor layer forming the photoelectric conversion unit 3 and the electrical junction between the transparent conductive oxide layer 4 and the back electrode 5 are both This is considered to be due to the fact that carriers induced by light can be efficiently extracted.
Further, it was found that a high retention rate was exhibited even after the wet heat durability test.

また参考例2−1では、比較例2−1,2−2に対し、「保持率」が向上した。そして、実施例2−1から2−8では、この高い保持率を維持したまま、特に「曲線因子」の向上が可能となった。これは、所定の透明導電性酸化物層の積層順と膜厚等の条件を最適化したためであると考えられる。参考例2−2に対しても同様に、実施例2−1から2−8において「曲線因子」の向上が確認された。   In Reference Example 2-1, the “retention ratio” was improved as compared with Comparative Examples 2-1 and 2-2. In Examples 2-1 to 2-8, it was possible to improve the “curve factor” in particular while maintaining this high retention rate. This is considered to be because the conditions such as the order of lamination and film thickness of the predetermined transparent conductive oxide layer were optimized. Similarly to Reference Example 2-2, improvement of “curve factor” was confirmed in Examples 2-1 to 2-8.

以上より、本発明の構成とすることで、太陽電池の光電変換特性を向上することができたと考えられる。   From the above, it is considered that the photoelectric conversion characteristics of the solar cell could be improved by adopting the configuration of the present invention.

1 基板
2 透明電極層
3 光電変換ユニット
3−1 第1の光電変換ユニット
3−2 透明導電性中間層
3−3 第2の光電変換ユニット
4 透明導電性酸化物層
5 裏面電極
10 薄膜太陽電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Transparent electrode layer 3 Photoelectric conversion unit 3-1 1st photoelectric conversion unit 3-2 Transparent conductive intermediate layer 3-3 2nd photoelectric conversion unit 4 Transparent conductive oxide layer 5 Back electrode 10 Thin film solar cell

Claims (10)

光入射側より、透明導電性酸化物からなる透明電極層、少なくとも1つの光電変換ユニット、及び裏面電極がこの順番に配置された薄膜太陽電池であって、
前記光電変換ユニットと前記裏面電極との間には、酸化亜鉛を主成分とする透明導電性酸化物層(A)が形成されており、
透明導電性酸化物層(A)は、ケイ素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(B)と、ケイ素以外の元素を主成分とする導電性不純物を含有する透明導電性酸化物層(C)とを有し、
透明導電性酸化物層(B)の膜厚が、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の30%〜80%を占めることを特徴とする薄膜太陽電池。
From the light incident side, a transparent electrode layer made of a transparent conductive oxide, at least one photoelectric conversion unit, and a back surface electrode are thin film solar cells arranged in this order,
Between the photoelectric conversion unit and the back electrode, a transparent conductive oxide layer (A) mainly composed of zinc oxide is formed,
The transparent conductive oxide layer (A) includes a transparent conductive oxide layer (B) containing conductive impurities mainly composed of silicon and a transparent containing conductive impurities mainly composed of elements other than silicon. A conductive oxide layer (C),
The thin film solar cell, wherein the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) occupies 30% to 80% of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (A).
透明導電性酸化物層(B)におけるケイ素を主成分とする導電性不純物の含有量が1〜8重量%であり、かつ、透明導電性酸化物層(B)のX線光電子分光Si2P1/2ピークから見て、ケイ素が実質4価である請求項1に記載の薄膜太陽電池。In the transparent conductive oxide layer (B), the content of conductive impurities mainly composed of silicon is 1 to 8% by weight, and the X-ray photoelectron spectroscopy Si2P 1 / of the transparent conductive oxide layer (B) The thin film solar cell according to claim 1, wherein silicon is substantially tetravalent as viewed from the two peaks. 透明導電性酸化物層(A)の膜厚が、10〜120nmである請求項1又は2に記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the transparent conductive oxide layer (A) is 10 to 120 nm. 透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物は、アルミニウムを主成分とするものである請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to claim 1, wherein the conductive impurity in the transparent conductive oxide layer (C) is mainly composed of aluminum. 透明導電性酸化物層(B)が光電変換ユニットを構成する層のうちのn型半導体層に接して配置され、透明導電性酸化物層(C)が裏面電極に接して配置されている請求項4に記載の薄膜太陽電池。   The transparent conductive oxide layer (B) is disposed in contact with the n-type semiconductor layer of the layers constituting the photoelectric conversion unit, and the transparent conductive oxide layer (C) is disposed in contact with the back electrode. Item 5. The thin-film solar cell according to Item 4. 透明導電性酸化物層(B)は、導電性不純物として酸化ケイ素を1〜5重量%含有し、透明導電性酸化物層(C)は、導電性不純物として酸化アルミニウムを1〜7重量%含有する請求項4又は5に記載の薄膜太陽電池。   The transparent conductive oxide layer (B) contains 1 to 5% by weight of silicon oxide as a conductive impurity, and the transparent conductive oxide layer (C) contains 1 to 7% by weight of aluminum oxide as a conductive impurity. The thin film solar cell according to claim 4 or 5. 透明導電性酸化物層(B)の膜厚が、透明導電性酸化物層(A)の膜厚の60%〜80%を占める請求項4〜6のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to any one of claims 4 to 6, wherein the film thickness of the transparent conductive oxide layer (B) occupies 60% to 80% of the film thickness of the transparent conductive oxide layer (A). 透明導電性酸化物層(C)における導電性不純物は、アルミニウム、ガリウム、及びホウ素からなる群より選ばれた1種以上を主成分とするものである請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The conductive impurities in the transparent conductive oxide layer (C) are mainly composed of one or more selected from the group consisting of aluminum, gallium, and boron. Thin film solar cell. 前記光電変換ユニットが、p−i−n型接合からなる非単結晶シリコンにより構成されている請求項1〜8のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the photoelectric conversion unit is made of non-single crystal silicon composed of a pin type junction. 85℃かつ相対湿度85%の環境で1000時間処理した場合における発電効率の保持率が90%以上である請求項1〜9のいずれかに記載の薄膜太陽電池。   The thin film solar cell according to any one of claims 1 to 9, wherein a retention rate of power generation efficiency is 90% or more when treated in an environment of 85 ° C and a relative humidity of 85% for 1000 hours.
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