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JP2010098061A - Sputtering method and method of manufacturing photovoltaic element - Google Patents

Sputtering method and method of manufacturing photovoltaic element Download PDF

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JP2010098061A JP2008266562A JP2008266562A JP2010098061A JP 2010098061 A JP2010098061 A JP 2010098061A JP 2008266562 A JP2008266562 A JP 2008266562A JP 2008266562 A JP2008266562 A JP 2008266562A JP 2010098061 A JP2010098061 A JP 2010098061A
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compound
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thin film
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JP2008266562A
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Akira Kashiwakura
章 柏倉
Makoto Miyamoto
真 宮本
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Maxell Ltd
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Hitachi Maxell Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering method and the like which can efficiently deposit a sputtering film having a desired composition by the sputtering method using elements in group-IB, group-IIIB, and group-VIB of the periodic table. <P>SOLUTION: In the sputtering method, composite targets 21, 22, and 23 which are respectively placed on target electrodes 21a, 22a, and 23a connected to a high-frequency power source II and comprise a plurality of elements selected from elements in group-IB, group-IIIB, and group-VIB of the periodic table, and a substrate 11 as a film deposition body are disposed in opposition to each other in the atmosphere of inert gas Ar, and a high voltage is applied to target electrodes 21a, 22a, and 23a to sputter surfaces of composite targets 21, 22, and 23, whereby a thin film is deposited on the substrate 11. The substrate 11 is moved in front of the plurality of composite targets 21, 22, and 23 to deposit the laminate of thin films on the substrate 11. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、スパッタリング方法等に関し、より詳しくは、複合ターゲットを用いるスパッタリング法等に関する。   The present invention relates to a sputtering method, and more particularly to a sputtering method using a composite target.

近年、太陽電池への期待が高まり、特にCuInSe系を中心としたカルコパイライト型化合物半導体を用いるCIS系太陽電池は、光電変換効率が高いことから注目されている。CIS系太陽電池の各層を構成する薄膜のうち、特に発電を担う半導体層の成膜方法の一つとしてスパッタリング法が知られている(特許文献1参照)。 In recent years, expectations for solar cells have increased, and in particular, CIS solar cells using chalcopyrite type compound semiconductors centered on CuInSe 2 are attracting attention because of their high photoelectric conversion efficiency. Among the thin films constituting each layer of the CIS solar cell, a sputtering method is known as one of the methods for forming a semiconductor layer particularly responsible for power generation (see Patent Document 1).

特開2000−087234号公報JP 2000-087234 A

ところで、工業的な観点から、CIS系太陽電池を低コストで製造可能なプロセスの開発が必要とされている。スパッタリング法を採用する場合、化合物半導体層の前駆体となる組成の薄膜を成膜し、その後、成膜された薄膜を溶融・再結晶化する必要がある。
しかし、本発明者等が検討した結果によれば、CIS系半導体材料を使用するスパッタリング操作において、成分の一つであるセレン(Se)元素については所望の組成が得られない場合があることが判明している。この場合、セレン(Se)元素の組成を調整するために、セレン(Se)元素単独のターゲットを用いるスパッタリング操作を行っても、セレン(Se)元素が比較的低温の融点を有することから、効率的に成膜されないという問題がある。
By the way, from an industrial viewpoint, development of a process capable of manufacturing a CIS solar cell at a low cost is required. When employing the sputtering method, it is necessary to form a thin film having a composition to be a precursor of the compound semiconductor layer, and then melt and recrystallize the formed thin film.
However, according to the results studied by the present inventors, in a sputtering operation using a CIS-based semiconductor material, a desired composition may not be obtained for selenium (Se) element which is one of the components. Is known. In this case, in order to adjust the composition of the selenium (Se) element, even if a sputtering operation using a selenium (Se) element single target is performed, the selenium (Se) element has a relatively low melting point, so that the efficiency is high. There is a problem that the film is not formed.

本発明の目的は、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素を用いるスパッタリング法により、所望の組成のスパッタリング膜が効率よく形成可能なスパッタリング方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、裏面電極層から表面電極層を、スパッタリング法により高速で一貫成膜できる光発電素子の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a sputtering method by which a sputtering film having a desired composition can be efficiently formed by a sputtering method using elements of Group IB, IIIB, and VIB of the periodic table.
Another object of the present invention is to provide a photovoltaic device manufacturing method capable of consistently forming a surface electrode layer from a back electrode layer at a high speed by a sputtering method.

本発明では、スパッタリング法により、化合物半導体材料の元素の組成が異なる複数の半導体前駆体層を成膜するために、化合物半導体材料に含まれる複数の元素から構成される複合ターゲットを用いている。また、光発電素子の製造方法において、複合ターゲットを用いるスパッタリングにより、元素の組成が異なる複数の半導体前駆体層が積層された薄膜積層体を成膜し、これを溶融拡散させる方法を採用している。   In the present invention, a composite target composed of a plurality of elements contained in a compound semiconductor material is used to form a plurality of semiconductor precursor layers having different elemental compositions of the compound semiconductor material by sputtering. In addition, in the photovoltaic device manufacturing method, a method of forming a thin film stack in which a plurality of semiconductor precursor layers having different elemental compositions are stacked by sputtering using a composite target and melting and diffusing the thin film stack is adopted. Yes.

かくして本発明によれば、不活性ガスの雰囲気下において、高周波電源に接続したターゲット電極上に載置した周期表IB族、IIIB族、VIB族から選ばれる複数の元素から構成される複合ターゲットと被成膜体としての基板とを対向配置し、ターゲット電極に高電圧を印加し複合ターゲットの表面をスパッタリングすることにより基板上に薄膜を成膜することを特徴とするスパッタリング方法が提供される。
ここで、本発明が適用されるスパッタリング方法において、複合ターゲットは、セレン(Se)とセレン(Se)化合物とから構成されることが好ましい。
さらに、セレン化合物が、銅(Cu)−セレン(Se)化合物又はインジウム(In)−セレン(Se)化合物であることが好ましい。
さらにまた、本発明が適用されるスパッタリング方法において、周期表IB族、IIIB族、VIB族から選ばれる複数の元素の組成比が異なる複数の複合ターゲットを基板と対向させて配置し、基板を複数の複合ターゲットの前を移動させることにより基板上に薄膜の積層体を成膜することが好ましい。
Thus, according to the present invention, in an inert gas atmosphere, a composite target composed of a plurality of elements selected from Group IB, Group IIIB, and Group VIB placed on a target electrode connected to a high-frequency power source; There is provided a sputtering method characterized in that a thin film is formed on a substrate by opposingly arranging a substrate as a deposition target, applying a high voltage to a target electrode, and sputtering the surface of the composite target.
Here, in the sputtering method to which the present invention is applied, the composite target is preferably composed of selenium (Se) and a selenium (Se) compound.
Furthermore, the selenium compound is preferably a copper (Cu) -selenium (Se) compound or an indium (In) -selenium (Se) compound.
Furthermore, in the sputtering method to which the present invention is applied, a plurality of composite targets having different composition ratios of a plurality of elements selected from Group IB, IIIB, and VIB of the periodic table are arranged to face the substrate, and a plurality of substrates are arranged. It is preferable to form a thin film stack on the substrate by moving in front of the composite target.

次に、本発明によれば、裏面電極層、化合物半導体層及び表面電極層を有する光発電素子の製造方法であって、基板上に、裏面電極層を成膜する裏面電極層成膜工程と、成膜された裏面電極層上に化合物半導体材料を構成する元素を含む複数の半導体前駆体層が積層された薄膜積層体を成膜する薄膜積層体成膜工程と、成膜された薄膜積層体上に表面電極層を成膜する表面電極層成膜工程と、表面電極を成膜した後、薄膜積層体の複数の半導体前駆体層を溶融拡散させpn接合が形成可能な化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、を有し、薄膜積層体の複数の半導体前駆体層は、化合物半導体材料に含まれる複数の元素から構成される複合ターゲットを用いるスパッタリングにより成膜されることを特徴とする光発電素子の製造方法が提供される。   Next, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a photovoltaic device having a back electrode layer, a compound semiconductor layer, and a surface electrode layer, wherein the back electrode layer is formed on the substrate. A thin film stack forming step of forming a thin film stack in which a plurality of semiconductor precursor layers containing elements constituting the compound semiconductor material are stacked on the formed back electrode layer, and the formed thin film stack A surface electrode layer forming step for forming a surface electrode layer on the body, and a compound semiconductor layer capable of forming a pn junction by melting and diffusing a plurality of semiconductor precursor layers of the thin film stack after forming the surface electrode A plurality of semiconductor precursor layers of the thin film stack are formed by sputtering using a composite target composed of a plurality of elements contained in a compound semiconductor material. Method for manufacturing photovoltaic device It is provided.

ここで、本発明が適用される光発電素子の製造方法において、裏面電極層、薄膜積層体及び表面電極層は、スパッタリングにより一貫成膜されることが好ましい。
また、化合物半導体層は、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素を含むカルコパイライト型化合物半導体材料から構成されることが好ましい。
さらに、化合物半導体層は、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)を含むカルコパイライト構造を有するCIS系半導体材料から構成されることが好ましい。
Here, in the method for manufacturing a photovoltaic device to which the present invention is applied, it is preferable that the back electrode layer, the thin film laminate, and the front electrode layer are formed in a consistent manner by sputtering.
Further, the compound semiconductor layer is preferably composed of a chalcopyrite compound semiconductor material containing an element of Group IB, IIIB, or VIB of the periodic table.
Furthermore, the compound semiconductor layer is preferably composed of a CIS-based semiconductor material having a chalcopyrite structure containing copper (Cu), indium (In), and selenium (Se).

本発明によれば、化合物半導体材料を構成する複数の元素を含む複合ターゲットを用いることにより、スパッタリングにより元素の組成が異なる複数の半導体前駆体層を効率よく成膜することが可能となる。
また、スパッタリングにより裏面電極層、半導体前駆体層、表面電極層等を連続的に成膜し、その後に加熱処理することにより、良好な結晶性を有しpn接合が形成可能な化合物半導体層を有する光発電素子を、高速で一貫した操作により製造することができる。
According to the present invention, by using a composite target including a plurality of elements constituting a compound semiconductor material, a plurality of semiconductor precursor layers having different element compositions can be efficiently formed by sputtering.
In addition, a compound semiconductor layer having good crystallinity and capable of forming a pn junction is formed by continuously forming a back electrode layer, a semiconductor precursor layer, a surface electrode layer, and the like by sputtering, followed by heat treatment. The photovoltaic device can be manufactured by high-speed and consistent operation.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary. Further, the drawings to be used are for explaining the present embodiment and do not represent the actual size.

本実施の形態が適用される光発電素子の製造方法では、先ず、所定のスパッタ装置を用い、基板上に裏面電極層、半導体前駆体層の薄膜積層体及び表面電極層をスパッタリング法により一貫成膜する。
半導体前駆体層の薄膜積層体は、化合物半導体材料に含まれる複数の元素から構成される複合ターゲットを用い、スパッタリング法により成膜される。このとき、複合ターゲットを構成する元素の組み合わせ等を適宜変更し、元素の組成が異なる複数の半導体前駆体層を成膜する。複合ターゲットについては後述する。
次に、裏面電極層、半導体前駆体層の薄膜積層体及び表面電極層を成膜した基板を、所定の加熱装置(例えば、ハロゲンランプ等による光照射)を使用し、半導体前駆体層を加熱する。この加熱操作により、複数の半導体前駆体層を溶融拡散させ、pn接合が形成可能な化合物半導体の結晶からなる化合物半導体層を形成する。
In the photovoltaic device manufacturing method to which the present embodiment is applied, first, a predetermined sputtering apparatus is used, and a back electrode layer, a thin film laminate of a semiconductor precursor layer, and a surface electrode layer are formed on a substrate by a sputtering method. Film.
The thin film stack of the semiconductor precursor layers is formed by sputtering using a composite target composed of a plurality of elements contained in the compound semiconductor material. At this time, a combination of elements constituting the composite target is appropriately changed, and a plurality of semiconductor precursor layers having different element compositions are formed. The composite target will be described later.
Next, the substrate on which the back electrode layer, the thin film stack of the semiconductor precursor layer, and the surface electrode layer are formed is heated using a predetermined heating device (for example, light irradiation with a halogen lamp or the like). To do. By this heating operation, a plurality of semiconductor precursor layers are melted and diffused to form a compound semiconductor layer made of a compound semiconductor crystal capable of forming a pn junction.

図1は、本実施の形態が適用される光発電素子の製造方法により形成される光発電素子の一例を説明するための図である。
図1(a)は、半導体前駆体層の薄膜積層体を成膜した光発電素子前駆体Iを示し、図1(b)は、化合物半導体層が形成された光発電素子Iを示す。
図1(a)に示すように、光発電素子前駆体Iの製造は、先ず、基板1上に、金属材料からなる裏面電極層2を成膜する(裏面電極層成膜工程)。次に、裏面電極層2上に、化合物半導体材料に含まれる元素から構成される複数の半導体前駆体層として、p型半導体形成用前駆体層8a、拡散制御用前駆体層8b及びn型半導体形成用前駆体層8cを順番に成膜し、半導体前駆体層の薄膜積層体8を成膜する(薄膜積層体成膜工程)。続いて、この上に透明電極材料からなる表面電極層5を成膜する(表面電極層成膜工程)。各層は、所定のスパッタ装置を使用し、スパッタリングにより行われる。
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a photovoltaic element formed by the photovoltaic element manufacturing method to which the present embodiment is applied.
Figure 1 (a) shows a photovoltaic device precursor I 0 depositing the thin film lamination of the semiconductor precursor layer, FIG. 1 (b) shows a photovoltaic element I to the compound semiconductor layer is formed.
As shown in FIG. 1 (a), the production of photovoltaic devices precursor I 0, first, on the substrate 1, forming the back surface electrode layer 2 made of a metal material (back electrode layer forming step). Next, on the back electrode layer 2, as a plurality of semiconductor precursor layers composed of elements contained in the compound semiconductor material, a p-type semiconductor forming precursor layer 8a, a diffusion control precursor layer 8b, and an n-type semiconductor are formed. The forming precursor layer 8c is formed in order, and the thin film stack 8 of the semiconductor precursor layer is formed (thin film stack forming step). Subsequently, a surface electrode layer 5 made of a transparent electrode material is formed thereon (surface electrode layer forming step). Each layer is formed by sputtering using a predetermined sputtering apparatus.

本実施の形態では、複数の半導体前駆体層の積層体としての薄膜積層体8は、化合物半導体材料に含まれる複数の元素から構成される複合ターゲットを用いて成膜される。ここで、化合物半導体材料としては、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素を含むカルコパイライト型化合物半導体材料が好ましい。特に、本実施の形態では、銅(Cu)、インジウム(In)及びセレン(Se)を含むカルコパイライト構造を有するCu−In−Se系半導体材料が好ましい。   In the present embodiment, the thin film stack 8 as a stack of a plurality of semiconductor precursor layers is formed using a composite target composed of a plurality of elements contained in a compound semiconductor material. Here, as the compound semiconductor material, a chalcopyrite type compound semiconductor material containing an element of Group IB, IIIB, or VIB of the periodic table is preferable. In particular, in this embodiment, a Cu—In—Se semiconductor material having a chalcopyrite structure including copper (Cu), indium (In), and selenium (Se) is preferable.

従って、半導体前駆体層から構成される薄膜積層体8を成膜する際に使用する複合ターゲットの元素は、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素から選ばれることが好ましい。具体的には、周期表IB族の元素としては、銅(Cu)が挙げられる。周期表IIIB族の元素としては、インジウム(In)、ガリウム(Ga)が挙げられる。周期表VIB族の元素としては、セレン(Se)、硫黄(S)が挙げられる。   Therefore, it is preferable that the element of the composite target used when forming the thin film laminate 8 composed of the semiconductor precursor layer is selected from elements of the IB group, IIIB group, and VIB group of the periodic table. Specifically, copper (Cu) is mentioned as an element of Periodic Table Group IB. Examples of Group IIIB elements of the periodic table include indium (In) and gallium (Ga). Examples of elements of the VIB group of the periodic table include selenium (Se) and sulfur (S).

ここで、図1(a)において、光発電素子前駆体Iのp型半導体形成用前駆体層8aは、後述する加熱操作によりp型半導体化合物が形成可能な元素の組成を有する薄膜である。本実施の形態では、具体的には、セレン(Se)濃度が33.3at%〜52.5at%の範囲で、セレン(Se)濃度が増加すると融点が低下するCu−Se系化合物を用いて成膜している。
また、n型半導体形成用前駆体層8cは、後述する加熱操作によりn型半導体化合物が形成可能な元素の組成を有する薄膜である。本実施の形態では、具体的には、セレン(Se)濃度が50at%〜60at%の範囲で、セレン(Se)濃度が増加すると融点が上昇するIn−Se系化合物を用いて成膜している。
さらに拡散制御用前駆体層8bは、p型半導体形成用前駆体層8aとn型半導体形成用前駆体層8cとが、溶融拡散により相互に拡散することを制御するために設けられている。
Here, in FIG. 1 (a), a p-type semiconductor forming the precursor layer 8a of the photovoltaic device precursor I 0 is a thin film having a composition of p-type semiconductor compound capable forming element by heating operations to be described later . In this embodiment, specifically, a Cu—Se compound is used in which the selenium (Se) concentration is in the range of 33.3 at% to 52.5 at%, and the melting point decreases as the selenium (Se) concentration increases. A film is being formed.
The n-type semiconductor forming precursor layer 8c is a thin film having a composition of elements that can form an n-type semiconductor compound by a heating operation described later. Specifically, in this embodiment, the selenium (Se) concentration is in the range of 50 at% to 60 at%, and the film is formed using an In—Se compound in which the melting point increases as the selenium (Se) concentration increases. Yes.
Furthermore, the diffusion control precursor layer 8b is provided to control the diffusion of the p-type semiconductor formation precursor layer 8a and the n-type semiconductor formation precursor layer 8c by melt diffusion.

本実施の形態において、スパッタ装置のターゲットとして、複合ターゲットを用いることにより、化合物半導体材料に含まれる元素の組成比が異なる複数の半導体前駆体層を容易に成膜することができる。
特に、本実施の形態では、複合ターゲットは、セレン(Se)とセレン(Se)化合物とから構成されることが好ましい。ここで、セレン(Se)化合物としては、例えば、InSe、InSe等のIn−Se系化合物;Cu−Se系化合物、Cu−Ga系化合物が挙げられる。
In this embodiment, by using a composite target as a target of a sputtering apparatus, a plurality of semiconductor precursor layers having different composition ratios of elements contained in a compound semiconductor material can be easily formed.
In particular, in the present embodiment, the composite target is preferably composed of selenium (Se) and a selenium (Se) compound. Here, examples of the selenium (Se) compound include In—Se based compounds such as InSe 4 and In 2 Se 3 ; Cu—Se based compounds, and Cu—Ga based compounds.

即ち、上述したように、半導体前駆体層に含まれるCu−Se系化合物又はIn−Se系化合物の融点は、これらの化合物中に含まれるセレン(Se)の濃度により調整することが可能であるため、セレン(Se)とセレン(Se)化合物とを適当な組成比で組み合わせた複合ターゲットを用いることにより、半導体前駆体層中のSe−In−Cuの組成を制御することが可能となる。また、このような複合ターゲットを用いることにより、スパッタリングに際し、特殊な組成の合金をターゲットとして使用する必要がない。
特に、セレン(Se)は、他の元素より比較的融点が低い性質を有しているため、セレン(Se)単独からなるターゲットを用いてもセレン(Se)元素が効率的に成膜されないという問題を解決することができる。
That is, as described above, the melting point of the Cu-Se compound or In-Se compound contained in the semiconductor precursor layer can be adjusted by the concentration of selenium (Se) contained in these compounds. Therefore, the composition of Se—In—Cu in the semiconductor precursor layer can be controlled by using a composite target in which selenium (Se) and a selenium (Se) compound are combined at an appropriate composition ratio. Further, by using such a composite target, it is not necessary to use an alloy having a special composition as a target during sputtering.
In particular, since selenium (Se) has a property of having a relatively low melting point compared to other elements, the selenium (Se) element is not efficiently formed even if a target made of selenium (Se) alone is used. The problem can be solved.

次に、図1(a)に示すように、表面電極層5側から電磁波としての赤外線9を一定時間照射し、前述した薄膜積層体8を構成するp型半導体形成用前駆体層8a、拡散制御用前駆体層8b及びn型半導体形成用前駆体層8cを加熱する。赤外線9の光源としてはハロゲンランプが好ましい。
赤外線9を照射されたp型半導体形成用前駆体層8a、拡散制御用前駆体層8b及びn型半導体形成用前駆体層8cの各層に含まれる化合物は、溶融拡散により拡散する。そして、図1(b)に示すように、p型半導体層3a及びn型半導体層3bから構成されるpn接合が形成可能な化合物半導体層3が形成され、光発電素子Iが製造される。
ここで、本実施の形態では、光発電素子Iの発電を担う化合物半導体層3は、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素を含むカルコパイライト型化合物半導体材料から構成されている。具体的には、化合物半導体層3は、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)を含むカルコパイライト構造を有するCIS系半導体材料から構成されている。
Next, as shown in FIG. 1 (a), the surface electrode layer 5 side is irradiated with infrared rays 9 as electromagnetic waves for a certain period of time to form a p-type semiconductor forming precursor layer 8a constituting the thin film laminate 8 described above, diffusion The control precursor layer 8b and the n-type semiconductor formation precursor layer 8c are heated. A halogen lamp is preferable as the light source of the infrared ray 9.
The compounds contained in each of the p-type semiconductor forming precursor layer 8a, the diffusion control precursor layer 8b, and the n-type semiconductor forming precursor layer 8c irradiated with the infrared rays 9 are diffused by melt diffusion. Then, as shown in FIG. 1B, the compound semiconductor layer 3 capable of forming a pn junction composed of the p-type semiconductor layer 3a and the n-type semiconductor layer 3b is formed, and the photovoltaic device I is manufactured.
Here, in the present embodiment, the compound semiconductor layer 3 responsible for power generation of the photovoltaic device I is composed of a chalcopyrite type compound semiconductor material containing elements of the IB group, IIIB group, and VIB group of the periodic table. Specifically, the compound semiconductor layer 3 is made of a CIS-based semiconductor material having a chalcopyrite structure containing copper (Cu), indium (In), and selenium (Se).

尚、基板1を構成する材料としては、例えば、ステンレス等の金属フィルム、有機フィルム、ガラス等が挙げられる。
裏面電極層2を構成する材料としては、金属が好ましく、例えば、Mo、Ti、Cr、Al、Ag、Au、CuおよびPtから選択された少なくとも1つの金属またはこれらの合金が挙げられる。
表面電極層5は、本実施の形態では、ITO(Indium Tin Oxide)、SiO、ZnOから選択された少なくとも1つを含む透明電極材料を用いている。
In addition, as a material which comprises the board | substrate 1, metal films, such as stainless steel, an organic film, glass etc. are mentioned, for example.
The material constituting the back electrode layer 2 is preferably a metal, and examples thereof include at least one metal selected from Mo, Ti, Cr, Al, Ag, Au, Cu, and Pt, or an alloy thereof.
In the present embodiment, the surface electrode layer 5 is made of a transparent electrode material containing at least one selected from ITO (Indium Tin Oxide), SiO 2 , and ZnO.

(スパッタ装置)
図2は、本実施の形態において使用するスパッタ装置の一例である。
図2に示すスパッタ装置Xは、所定の真空チャンバー10の内部に、化合物半導体材料に含まれる元素の組成が異なる3個の複合ターゲット21,22,23と、複合ターゲット21,22,23と対向して配置される基板11を保持可能に構成された基板ホルダ13と、基板ホルダ13を取り付けた成膜トレー12と、が配置されている。ここで、複合ターゲット21,22,23は、周期表IB族、IIIB族、VIB族から選ばれる複数の元素から構成されている。図1に示すように、複合ターゲット21,22,23と基板11とは互いに平行になるように設置されている。また、基板ホルダ13を取り付けた成膜トレー12は、所定の移動手段14により矢印Aの方向に移動可能となっている。
(Sputtering equipment)
FIG. 2 is an example of a sputtering apparatus used in this embodiment.
Sputtering apparatus X shown in FIG. 2 0, the inside of a predetermined vacuum chamber 10, a composite target 21, 22, 23 the composition of elements three different included in the compound semiconductor material, a composite target 21, 22, 23 A substrate holder 13 configured to be able to hold a substrate 11 disposed to face the substrate 11 and a film forming tray 12 to which the substrate holder 13 is attached are disposed. Here, the composite targets 21, 22, and 23 are composed of a plurality of elements selected from the IB group, IIIB group, and VIB group of the periodic table. As shown in FIG. 1, the composite targets 21, 22, 23 and the substrate 11 are installed so as to be parallel to each other. The film formation tray 12 to which the substrate holder 13 is attached can be moved in the direction of arrow A by a predetermined moving means 14.

複合ターゲット21,22,23は、それぞれ高周波電源IIに接続されたターゲット電極21a,22a,23aと一体的に接合されている。また、基板11の電極を兼ねる成膜トレー12は高周波電源IIIに接続されている。また、真空チャンバー10には、真空ポンプVaに接続された排気口が設けられていると共に、アルゴンガス等の不活性ガスAr(放電ガス)の導入口が設けられている。   The composite targets 21, 22, and 23 are integrally joined to target electrodes 21a, 22a, and 23a connected to the high-frequency power source II, respectively. The film forming tray 12 that also serves as an electrode of the substrate 11 is connected to a high frequency power source III. Further, the vacuum chamber 10 is provided with an exhaust port connected to the vacuum pump Va and an inlet for an inert gas Ar (discharge gas) such as argon gas.

本実施の形態では、例えば、複合ターゲット21は、光発電素子前駆体I(図1参照)のp型半導体形成用前駆体層8aを成膜するための複数の元素を組み合わせて構成される。また、複合ターゲット22は、拡散制御用前駆体層8bを成膜するための複数の元素を組み合わせて構成される。さらに、複合ターゲット23は、n型半導体形成用前駆体層8cを成膜するための複数の元素を組み合わせて構成される。
図2に示すように、本実施の形態では、基板11が矢印Aの方向に移動することにより、基板11の表面に、3つの複合ターゲット21,22,23の表面をそれぞれスパッタリングすることによる3つの半導体前駆体層の薄膜が連続的に積層され、薄膜積層体8(図1参照)が成膜される。
In the present embodiment, for example, the composite target 21 is configured by combining a plurality of elements for forming the p-type semiconductor forming precursor layer 8a of the photovoltaic element precursor I 0 (see FIG. 1). . The composite target 22 is configured by combining a plurality of elements for forming the diffusion control precursor layer 8b. Furthermore, the composite target 23 is configured by combining a plurality of elements for forming the n-type semiconductor forming precursor layer 8c.
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the substrate 11 is moved in the direction of the arrow A, so that the surfaces of the three composite targets 21, 22, and 23 are sputtered on the surface of the substrate 11. The thin films of the two semiconductor precursor layers are continuously stacked, and the thin film stack 8 (see FIG. 1) is formed.

(複合ターゲット)
図3は、複合ターゲットの例を説明する図である。図3(a)は、それぞれ短冊状に形成された2個のSe元素板と1個のIn−Se系化合物板とを用い、Se元素板の間にIn−Se系化合物板を挟むように組み合わせた複合ターゲットである。
図3(b)は、それぞれ短冊状に形成された3個のSe元素板と2個のCu−Se系化合物板とを用い、Se元素板によりCu−Se系化合物板を挟むようにSe元素板とCu−Se系化合物板とが交互に配置された複合ターゲットである。
図3(c)は、それぞれ短冊状に形成された4個のSe元素板と2個のCu−Se系化合物板と2個のIn−Se系化合物板とを用い、Se元素板とCu−Se系化合物板とIn−Se系化合物板とが所定の角度を有して交互に配置された複合ターゲットである。
(Composite target)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a composite target. In FIG. 3A, two Se element plates and one In-Se compound plate each formed in a strip shape are used, and the In-Se compound plate is sandwiched between Se element plates. It is a composite target.
FIG. 3B shows a Se element using three Se element plates and two Cu—Se based compound plates each formed in a strip shape, and sandwiching the Cu—Se based compound plate by the Se element plates. This is a composite target in which plates and Cu—Se based compound plates are alternately arranged.
FIG. 3C shows a case where four Se element plates, two Cu—Se based compound plates, and two In—Se based compound plates each formed in a strip shape are used. This is a composite target in which Se-based compound plates and In—Se-based compound plates are alternately arranged with a predetermined angle.

図3(d)は、四辺形に形成されたCu−Se系化合物板をマトリックスとし、このマトリックス中に部分的にSe元素が存在するように、所定の径で形成された4個の円形のSe元素板が配置された構造を有する複合ターゲットである。
図3(e)は、比較的縦長の四辺形の形状形成されたIn−Se系化合物板をマトリックスとし、このマトリックス中に部分的にSe元素が存在するように、所定の径で形成された3個の円形のSe元素板が配置された構造を有する複合ターゲットである。
図3(f)は、四辺形に形成されたIn−Se系化合物板をマトリックスとし、このマトリックス中に部分的にSe元素が存在するように、所定の幅と長さの短冊状に形成された2個のSe元素板が配置された構造を有する複合ターゲットである。
FIG. 3D shows a case in which four circular plates each having a predetermined diameter are formed so that a Cu—Se-based compound plate formed in a quadrilateral is used as a matrix and Se elements partially exist in the matrix. This is a composite target having a structure in which an Se element plate is arranged.
In FIG. 3 (e), an In—Se-based compound plate formed in a relatively vertically long quadrilateral shape is used as a matrix, and the matrix is formed with a predetermined diameter so that Se elements partially exist in the matrix. This is a composite target having a structure in which three circular Se element plates are arranged.
FIG. 3 (f) shows an In—Se compound plate formed in a quadrilateral as a matrix, and is formed in a strip shape having a predetermined width and length so that Se elements partially exist in the matrix. And a composite target having a structure in which two Se element plates are arranged.

図3(g)は、全体として円形の形状を有し、円の中心を通る4本の直線によって8個に等分割された領域に、4個のSe元素板と4個のIn−Se系化合物板とがそれぞれ交互に配置された構造を有する複合ターゲットである。
図3(h)は、同心円状に区画された領域を有する円形形状において、内側の領域にSe元素板が配置され、中央部と外周部とにCu−Se系化合物板とが配置された構造を有する複合ターゲットである。
FIG. 3 (g) has a circular shape as a whole, and is divided into eight equal parts by four straight lines passing through the center of the circle, and four Se element plates and four In-Se systems. It is a composite target having a structure in which compound plates are alternately arranged.
FIG. 3 (h) shows a structure in which a Se element plate is arranged in the inner region and a Cu—Se based compound plate is arranged in the center and the outer periphery in a circular shape having regions concentrically divided. Is a composite target.

図3(i)は、複合ターゲットの断面構造である。所定のプレート上に、2個のSe元素板と1個のIn−Se系化合物板とを用い、2個のSe元素板の間にIn−Se系化合物板を挟むように組み合わせて配置された複合ターゲットである。
図3(j)は、所定のプレート上に1個のIn−Se系化合物板を形成し、さらにその上に、2個のSe元素板を所定の間隔を設けて配置した構造を有する複合ターゲットである。
FIG. 3I shows a cross-sectional structure of the composite target. A composite target arranged using a combination of two Se element plates and one In-Se compound plate on a predetermined plate so that the In-Se compound plate is sandwiched between the two Se element plates. It is.
FIG. 3 (j) shows a composite target having a structure in which one In-Se compound plate is formed on a predetermined plate, and two Se element plates are further arranged on the predetermined plate at a predetermined interval. It is.

図3は、本実施の形態で使用する複合ターゲットの一例を示すものであり、これらに限定されるものではない。本実施の形態において、複合ターゲットを構成する元素の数、混合物や化合物の数、複合ターゲットの形状、複合ターゲットを構成する各元素板の厚さ・幅・長さ等の大きさ、各元素板の配置等は、成膜しようとする化合物半導体層の組成に応じ適宜選択することができ、特に限定されない。   FIG. 3 shows an example of the composite target used in the present embodiment, and the present invention is not limited to these. In the present embodiment, the number of elements constituting the composite target, the number of mixtures and compounds, the shape of the composite target, the thickness, width, length, etc. of each element plate constituting the composite target, each element plate The arrangement and the like can be appropriately selected according to the composition of the compound semiconductor layer to be formed, and are not particularly limited.

さらに、以上説明した実施の形態では、光発電素子Iの化合物半導体層3と表面電極層5の間に、必要に応じてバッファー層を設けることができる。化合物半導体層3と表面電極層5の間にバッファー層を設けることにより、化合物半導体層3と表面電極層5の界面で発生する欠陥を抑制すること等ができる。   Further, in the embodiment described above, a buffer layer can be provided between the compound semiconductor layer 3 and the surface electrode layer 5 of the photovoltaic device I as necessary. By providing a buffer layer between the compound semiconductor layer 3 and the surface electrode layer 5, defects generated at the interface between the compound semiconductor layer 3 and the surface electrode layer 5 can be suppressed.

尚、以上の説明は、本発明の実施の形態を説明するための一例に過ぎず、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。
本発明は複数の元素から構成される半導体層と、これを挟む二つの電極層を備える光発電素子や、このような構造を有する光発電素子の製造方法に応用することができる。例えば、Cd−Te系に代表されるII−VI族半導体、Cu−In−Se系に代表されるI−III−VI族半導体、Cu−Zn−Sn−S系化合物に代表されるI−II−IV−VI族半導体、II−IV−V族半導体、Si−Ge系等の2種類以上の元素からなるIV族半導体に適用することも可能である。
In addition, the above description is only an example for demonstrating embodiment of this invention, and this invention is not limited to this embodiment.
The present invention can be applied to a photovoltaic device comprising a semiconductor layer composed of a plurality of elements and two electrode layers sandwiching the semiconductor layer, and a method for producing a photovoltaic device having such a structure. For example, a II-VI group semiconductor typified by Cd-Te series, an I-III-VI group semiconductor typified by Cu-In-Se series, and an I-II typified by Cu-Zn-Sn-S series compounds. The present invention can also be applied to an IV group semiconductor composed of two or more elements such as an -IV-VI group semiconductor, an II-IV-V group semiconductor, and a Si-Ge group.

本実施の形態が適用される光発電素子の製造方法により形成される光発電素子の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the photovoltaic device formed with the manufacturing method of the photovoltaic device to which this Embodiment is applied. 本実施の形態において使用するスパッタ装置の一例である。It is an example of the sputtering device used in this Embodiment. 複合ターゲットの例を説明する図である。It is a figure explaining the example of a compound target.

符号の説明Explanation of symbols

1,11…基板、2…裏面電極層、3…化合物半導体層、3a…p型半導体層、3b…n型半導体層、5…表面電極層、8…薄膜積層体、8a…p型半導体形成用前駆体層、8b…拡散制御用前駆体層、8c…n型半導体形成用前駆体層、9…赤外線、10…真空チャンバー、12…成膜トレー、13…基板ホルダ、14…移動手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 ... Board | substrate, 2 ... Back electrode layer, 3 ... Compound semiconductor layer, 3a ... P-type semiconductor layer, 3b ... N-type semiconductor layer, 5 ... Surface electrode layer, 8 ... Thin-film laminated body, 8a ... P-type semiconductor formation Precursor layer, 8b ... diffusion control precursor layer, 8c ... n-type semiconductor forming precursor layer, 9 ... infrared ray, 10 ... vacuum chamber, 12 ... film forming tray, 13 ... substrate holder, 14 ... moving means

Claims (8)

不活性ガスの雰囲気下において、高周波電源に接続したターゲット電極上に載置した周期表IB族、IIIB族、VIB族から選ばれる複数の元素から構成される複合ターゲットと被成膜体としての基板とを対向配置し、
前記ターゲット電極に高電圧を印加し前記複合ターゲットの表面をスパッタリングすることにより前記基板上に薄膜を成膜することを特徴とするスパッタリング方法。
A composite target composed of a plurality of elements selected from Group IB, IIIB, and VIB of the periodic table placed on a target electrode connected to a high-frequency power source in an inert gas atmosphere and a substrate as a film formation target And facing each other,
A sputtering method, comprising: forming a thin film on the substrate by applying a high voltage to the target electrode and sputtering the surface of the composite target.
前記複合ターゲットは、セレン(Se)とセレン(Se)化合物とから構成されることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング方法。   The sputtering method according to claim 1, wherein the composite target is composed of selenium (Se) and a selenium (Se) compound. 前記セレン(Se)化合物が、銅(Cu)−セレン(Se)化合物又はインジウム(In)−セレン(Se)化合物であることを特徴とする請求項2に記載のスパッタリング方法。   The sputtering method according to claim 2, wherein the selenium (Se) compound is a copper (Cu) -selenium (Se) compound or an indium (In) -selenium (Se) compound. 周期表IB族、IIIB族、VIB族から選ばれる複数の元素の組成比が異なる複数の前記複合ターゲットを前記基板と対向させて配置し、当該基板を複数の当該複合ターゲットの前を移動させることにより当該基板上に薄膜の積層体を成膜することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスパッタリング方法。   Arranging a plurality of the composite targets having different composition ratios of a plurality of elements selected from Group IB, IIIB, and VIB of the periodic table to face the substrate, and moving the substrate in front of the plurality of the composite targets 4. The sputtering method according to claim 1, wherein a thin film stack is formed on the substrate. 裏面電極層、化合物半導体層及び表面電極層を有する光発電素子の製造方法であって、
基板上に、裏面電極層を成膜する裏面電極層成膜工程と、
成膜された前記裏面電極層上に化合物半導体材料を構成する元素を含む複数の半導体前駆体層が積層された薄膜積層体を成膜する薄膜積層体成膜工程と、
成膜された前記薄膜積層体上に表面電極層を成膜する表面電極層成膜工程と、
前記表面電極層を成膜した後、前記薄膜積層体の複数の前記半導体前駆体層を溶融拡散させpn接合が形成可能な化合物半導体層を形成する半導体層形成工程と、を有し、
前記薄膜積層体の前記複数の半導体前駆体層は、化合物半導体材料に含まれる複数の元素から構成される複合ターゲットを用いるスパッタリングにより成膜される
ことを特徴とする光発電素子の製造方法。
A method for producing a photovoltaic device having a back electrode layer, a compound semiconductor layer, and a surface electrode layer,
A back electrode layer film forming step for forming a back electrode layer on the substrate;
A thin film laminate film forming step of forming a thin film laminate in which a plurality of semiconductor precursor layers containing an element constituting a compound semiconductor material are laminated on the formed back electrode layer; and
A surface electrode layer forming step of forming a surface electrode layer on the thin film laminate formed;
A semiconductor layer forming step of forming a compound semiconductor layer capable of forming a pn junction by melting and diffusing the plurality of semiconductor precursor layers of the thin film stack after forming the surface electrode layer;
The method for manufacturing a photovoltaic device, wherein the plurality of semiconductor precursor layers of the thin film stack are formed by sputtering using a composite target composed of a plurality of elements contained in a compound semiconductor material.
前記裏面電極層、前記薄膜積層体及び前記表面電極層は、スパッタリングにより一貫成膜されることを特徴とする請求項5に記載の光発電素子の製造方法。   The method for manufacturing a photovoltaic device according to claim 5, wherein the back electrode layer, the thin film laminate, and the front electrode layer are formed by sputtering in a consistent manner. 前記化合物半導体層は、周期表IB族、IIIB族、VIB族の元素を含むカルコパイライト型化合物半導体材料から構成されることを特徴とする請求項5又は6に記載の光発電素子の製造方法。   The method for manufacturing a photovoltaic device according to claim 5 or 6, wherein the compound semiconductor layer is made of a chalcopyrite type compound semiconductor material containing an element of Group IB, IIIB, or VIB of the periodic table. 前記化合物半導体層は、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)を含むカルコパイライト構造を有するCIS系半導体材料から構成されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の光発電素子の製造方法。   The said compound semiconductor layer is comprised from the CIS type | system | group semiconductor material which has a chalcopyrite structure containing copper (Cu), indium (In), and selenium (Se). The manufacturing method of the photovoltaic device of description.
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