JP2011151160A - 薄膜太陽電池、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファ層をドライプロセスを用いて成膜できると共に、効率の高い薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板２上に、裏面電極３、光吸収層４、バッファ層５、透明電極６が順次積層された薄膜太陽電池１であって、バッファ層５が、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されていることを特徴とする。また、バッファ層５は、光吸収層４との間の電気的マッチングが取れるようにＸの値を決定されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜太陽電池、及びその製造方法に関し、特に高効率かつバッファ層をドライプロセスで成膜できる薄膜太陽電池、及びその製造方法に関する。

高効率の薄膜太陽電池１０１としては、太陽光を吸収し発電する層である光吸収層１０２を、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ_２（以下、「ＣＩＧＳ」と記載する。また、Ｃｕは銅、Ｉｎはインジウム、Ｇａはガリウム、Ｓｅはセレンである。）により構成したものが知られている。

薄膜太陽電池１０１は、図５に示すように、青板ガラスにより構成される基板１０３上に、Ｍｏ（モリブデン）により構成される裏面電極１０４、ＣＩＧＳにより構成される光吸収層１０２、ＣｄＳ（Ｃｄはカドミウム、Ｓは硫黄である。）により構成されるバッファ層１０５、ＺｎＯ（Ｚｎは亜鉛、Ｏは酸素である。）により構成される窓層１０６、酸化インジウムスズ（以下、「ＩＴＯ」と記載する。）により構成される透明電極１０７が順次積層されており、さらに裏面電極１０４と透明電極１０７との上には、夫々ＮｉＣｒ／Ａｌ（Ｎｉはニッケル、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウムである。）から構成される取り出し電極１０８が成膜されている。このように構成される薄膜太陽電池１０１は、太陽光が照射されることにより発電し、発電した電力は取り出し電極１０８より取り出すことができる。

ここで、バッファ層１０５は、ＣｄＳにより構成することで光吸収層１０２との界面における電気的損失を低減することができるが、一方でＣｄは人体にとって有害であることが知られている。また、裏面電極１０４、光吸収層１０２、窓層１０６、透明電極１０７、取り出し電極１０８がドライプロセスにより成膜できることに対し、ＣｄＳにより構成されるバッファ層１０５の成膜は、ウェットプロセスである化学析出法により行わなければならない。そのため、バッファ層１０５がＣｄＳにより構成される薄膜太陽電池１０１の製造においては、バッチ処理を行う必要が生じることにより、インライン製造を行うことが困難であり、それ故生産効率が低下してしまうという問題があった。さらに、Ｃｄを含む廃液が大量に生じるという問題もあった。

このような問題を鑑みてか、特許文献１には、バッファ層をＩｎＳ、ＺｎＳ、又はＺｎＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウムである。）により構成した薄膜太陽電池が開示されている。ＩｎＳ、ＺｎＳ、ＺｎＭｇＯは、Ｃｄを含まないため、人体へ悪影響が及ぶことを防止することができる。

特開２００９−２３１７４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるＩｎＳ、ＺｎＳによりバッファ層を構成する場合は、化学析出法により成膜を行う必要があり、依然としてウェットプロセスを用いなければならないという問題点が残されている。また、ＺｎＭｇＯによりバッファ層を構成する場合は、ドライプロセスであるスパッタリング法により成膜を行うことができるが、成膜時に光吸収層がダメージを受けること等により、薄膜太陽電池の効率が低下してしまうという問題点が生じる。

本発明は、上記のような課題を解決することを目的としてなされたものであり、バッファ層をドライプロセスを用いて成膜できると共に、効率の高い薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の薄膜太陽電池は、基板上に、裏面電極、光吸収層、バッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、前記バッファ層が、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴とする。

また、請求項２の薄膜太陽電池は、前記バッファ層を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘが、前記光吸収層との間の電気的マッチングが取れるようにＸの値を決定されることを特徴とする。

また、請求項３の薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に、裏面電極、光吸収層、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されるバッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池の製造方法であって、前記バッファ層をスパッタリング法により成膜することを特徴とする。

また、請求項４の薄膜太陽電池の製造方法は、前記バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットと、前記第１スパッタリングターゲットと前記第２スパッタリングターゲットとに加える電力を夫々独立に制御できる電源と、を有するスパッタリング装置にて行うことを特徴とする。

また、請求項５の薄膜太陽電池の製造方法は、前記バッファ層を成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の薄膜太陽電池は、バッファ層がドライプロセスにより成膜可能なＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘにより構成されている。これにより、本薄膜太陽電池は、裏面電極、光吸収層、透明電極と共に、前記バッファ層もドライプロセスで成膜することができるため、製造をインラインで行うことができ、生産効率を向上させることができる。また、人体に有害なＣｄを使用しないため安全であり、廃液に係る問題も発生しない。

請求項２に記載の薄膜太陽電池は、バッファ層を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＸの値を制御することで、光吸収層との間の電気的マッチングをとることができるので、バッファ層と光吸収層との界面における電気的損失を低減できる。これにより、本薄膜太陽電池では、高い効率を実現することができる。

請求項３に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘから構成されるバッファ層をドライプロセスであるスパッタリング法により成膜する。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法は、裏面電極、光吸収層、透明電極と共に、前記バッファ層もドライプロセスで成膜することができるので、薄膜太陽電池の生産効率を向上させることができる。また、廃液に係る問題も発生しない。

請求項４に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットとに加える電力を独立に制御できる電源を有するスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＸの値を制御することができ、もってバッファ層と光吸収層との間の電気的マッチングをとることができる。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法では、高い効率の薄膜太陽電池を製造することができる。

請求項５に記載の薄膜太陽電池の製造方法は、バッファ層の成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことで、バッファ層を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＺｎとＳを前記光吸収層に拡散させることができ、もって光吸収層とバッファ層との界面における電気的損失を低減させることができる。これにより、本薄膜太陽電池の製造方法では、製造される薄膜太陽電池の効率を向上させることができる。

本発明の実施形態の薄膜太陽電池の側面模式図。 薄膜太陽電池の製造方法を示すフローチャート。 バッファ層を成膜するスパッタリング装置の断面模式図。 薄膜太陽電池の効率を示すグラフ。 従来技術の薄膜太陽電池の側面模式図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。本発明の薄膜太陽電池１は、図１に示すように、基板２上の全域に裏面電極３が積層されている。裏面電極３上の所定の領域には太陽光を受けて発電を行う光吸収層４が積層されており、さらに光吸収層４の全域にバッファ層５が、バッファ層５の全域に透明電極６が夫々積層されている。また、裏面電極３上の光吸収層４が成膜されていない部分の一部と、透明電極６上の一部とには、夫々取り出し電極７が積層されており、この取り出し電極７から光吸収層４で発電した電力を取り出すことができる。

薄膜太陽電池１では、バッファ層５をドライプロセスで成膜可能なＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘにより構成しているため、裏面電極３、光吸収層４、透明電極６、取り出し電極７の成膜を含め全ての成膜をドライプロセスのみで行うことができる。また、バッファ層５を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘは、Ｘの値を０≦Ｘ≦１の範囲で任意の値に制御することができ、これにより、光吸収層４とバッファ層５との間の伝導帯の不連続量を制御して界面におけるキャリア再結合を低減して（以下、このことを、「光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングをとる」という。）、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失を低減することができる。これにより、薄膜太陽電池１では、図４に示すように、従来最も効率を高くできるとされるバッファ層５をＣｄＳにより構成した薄膜太陽電池と同程度の効率を得ることができる。

上記薄膜太陽電池１は、図２に示す各工程により製造される。まず、Ｓ１において、基板２として採用される青板ガラスを超音波洗浄法等により洗浄する。なお、基板２としては白板ガラスを採用することも可能であるが、青板ガラスを採用することにより薄膜太陽電池１のコストを低減できるというメリットがある。基板２には可塑性を持つ材料、たとえば、ステンレス箔、チタン箔、ポリイミドフィルム、アルミ箔、銅箔を使用することもできる。これによってフレキシブル太陽電池を作製することもできる。

次に、図２のＳ２において、基板２上に裏面電極３が成膜される。裏面電極３としてはＭｏを採用することができ、その膜厚は０．８μｍ程度である。基板２上への成膜はスパッタリング法、電子ビーム蒸着法等を用いて行われる。なお、裏面電極３としてはＭｏの他、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｗ（タングステン）等を採用してもよい。これらを採用した場合においても、裏面電極３は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法等を用いて成膜することができる。

次に、図２のＳ３において、裏面電極３上に光吸収層４が成膜される。光吸収層４は、太陽光を吸収して電力に変換する部分であり、薄膜太陽電池１では、高い効率で太陽光を電力に変換できる材料であるＣＩＧＳを採用しており、その膜厚は２μｍ程度である。この光吸収層４の成膜は蒸着法を用いて行う。なお、光吸収層４の成膜は、前記蒸着法の他、セレン化法、電着法、印刷法、スプレー法等により行っても良い。

次に、図２のＳ４において、光吸収層４上にバッファ層５が成膜される。薄膜太陽電池１では、バッファ層５としてＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘを採用しており、その膜厚は０．１μｍ程度である。このバッファ層５の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができ、具体的には図３に示すようなスパッタリング装置８を用いて行うことができる。

前記スパッタリング装置８は、内部にＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲット９、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲット１０、シャッター１１、１２、及び基板２を支持すると共にシャフト１３に接続された基板ホルダー１４が配設されると共に、側面に図外の真空ポンプが接続された排気口１５、及び図外のＡｒ（アルゴン）ガス源が接続されたガス導入口１６が設けられたチェンバー１７と、第１スパッタリングターゲット９に電気的マッチング調整用のキャパシタ１８を介して電力を供給するＲＦ（Ｒａｄｉｏ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１９と、第２スパッタリングターゲット１０に電気的マッチング調整用のキャパシタ２０を介して電力を供給するＲＦ電源２１とにより構成される。

前記第１スパッタリングターゲット９と、前記第２スパッタリングターゲット１０とは、チェンバー１７の下方に並べられた状態で配設される。また、前記ＲＦ電源１９、２１は、互いに独立して出力する電力を設定することができるよう構成されており、第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０には、互いに異なる電力を加えることができる。これにより、バッファ層５を成膜する際には、ＲＦ電源１９より第１スパッタリングターゲット９に供給する電力、及びＲＦ電源２１より第２スパッタリングターゲット１０に供給する電力を制御して、夫々のスパッタリングレートを調整し、バッファ層５を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＸの値を任意に制御することができる。

前記シャッター１１、１２は、第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方に配設されており、バッファ層５を成膜する時以外に、それらからのスパッタが飛散しないようにするためのものである。なおシャッター１１、１２は、バッファ層５を成膜する際に第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方から取り除かれる。

前記基板ホルダー１４は、チェンバー１７の上方に配設され、裏面電極３、光吸収層４が成膜された基板２を光吸収層４が下向きとなるように保持する。基板ホルダー１４は、図外の回転駆動源にシャフト１３を介して接続されており、保持している基板２が第１スパッタリングターゲット９上と、第２スパッタリングターゲット１０とを交互に通過するように回転する。

スパッタリング装置８を用いたバッファ層５の成膜は、所定流量のＡｒが、チェンバー１７内を流れるよう排気口１５に接続されている真空ポンプとガス導入口１６に接続されているＡｒガス源を調整すると共に、シャッター１１、１２を第１スパッタリングターゲット９、及び第２スパッタリングターゲット１０の上方から取り除く。その後、基板ホルダー１４をシャフト１３を介して接続されている回転駆動源により回転させつつ、第１スパッタリングターゲット９にＲＦ電源１９より、また第２スパッタリングターゲット１０にＲＦ電源２１より電力を供給することにより行われる。

このバッファ層５の成膜中あるいは成膜後において、基板２を加熱して熱処理してもよい。このことにより、バッファ層５を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＺｎ、及びＳが、光吸収層４を構成するＣＩＧＳ内へ拡散して、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失が低減するので、薄膜太陽電池１の効率は向上する。

次に、図２のＳ５において、バッファ層５上に透明電極６が成膜される。透明電極６としては、ＩＴＯを採用しており、その膜厚は０．１μｍ程度である。このＩＴＯの成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができる。なお、透明電極６としては、ＩＴＯの他、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｂ（Ｂは、ホウ素である。）を採用することができ、これらはスパッタリング法の他、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて成膜できる。

次に、図２のＳ６において、裏面電極３上、及び透明電極６上に取り出し電極７が成膜される。取り出し電極７としては、ＮｉＣｒ／Ａｌを採用しており、その膜厚はＮｉＣｒが０．０５μｍ、Ａｌが０．２μｍ程度である。このＮｉＣｒ／Ａｌの成膜は、抵抗加熱蒸着法を用いて行うことができる。なお、薄膜太陽電池１をパネルとする場合等において、取り出し電極７が不要な場合は、本工程を省略することができる。

以上のような工程を経て製造される薄膜太陽電池１は、全ての成膜プロセスがドライプロセスにて行うことができる。そのため、インライン作業にて製造を行うことができ、製造効率を高めることができる。さらに、薄膜太陽電池１では、バッファ層５をＣｄＳ等化学析出法を用いて成膜する従来の薄膜太陽電池のような廃液に係る問題が生じず、またＣｄを使用しないことにより人体へ悪影響が及ぶ危険性も生じない。

また、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘは、ＣｄＳに対して、禁制帯幅が大きいため、太陽光の短波長の吸収が少ない。即ち、バッファ層５にＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘを採用することで、ＣｄＳを採用する場合と比べて、太陽光の短波長成分をロスすることなく光吸収層４に到達させることができることになる。このことは、薄膜太陽電池１の効率を向上させることにつながる。

ここで、薄膜太陽電池１の効率は、横軸にバッファ層５を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＸの値を、縦軸に薄膜太陽電池１の効率を表した図４に示すようにＸの値に依存する。これは、Ｘの値により光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが変化するからである。薄膜太陽電池１の効率は、Ｘの値が０．１２から０．４３の範囲で高くなり、Ｘの値が０．１８の時に光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが最も取れた状態となってピークの値をとる。このピーク時の値は１１．１％であり、薄膜太陽電池１では、従来最も効率を高くできるとされるバッファ層５をＣｄＳにより構成した薄膜太陽電池と同程度の効率を実現できる。

なお、図４に示すＸの値に対する薄膜太陽電池１の効率の依存性は、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成をＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．２９、またＣｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．９１とした場合のものである。このＸの値に対する薄膜太陽電池１の効率の依存性は、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成によって変化する。即ち、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成により、光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングが取れるＸの値は変化することになる。このことより、薄膜太陽電池１では、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成に応じて、バッファ層５を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_ＸのＸの値を制御して、光吸収層４とバッファ層５との電気的マッチングを取り、それらの界面における電気的損失を低減させることもできる。このことは、このような制御ができないＣｄＳから構成されるバッファ層５を採用した薄膜太陽電池対する本薄膜太陽電池１の大きな利点である。

また、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘから構成されるバッファ層５の成膜は、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲット９、及びＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲット１０を用いて行う。この第１スパッタリングターゲット９に印加する電力は、ＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５の成膜時に使用するＭｇＯを含有する図外のスパッタリングターゲットに印加する電力に対して低い値でよい。従って、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘから構成されるバッファ層５の成膜時の光吸収層４が受けるスパッタリングダメージは、ＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５の成膜時の光吸収層４が受けるスパッタリングダメージより小さくなる。このスパッタリングダメージは、光吸収層４とバッファ層５との界面における電気的損失を増大させる要因となるため、薄膜太陽電池１ではＺｎＭｇＯから構成されるバッファ層５を有する薄膜太陽電池と比べて効率を高めることができる。

なお、本実施の形態で示した薄膜太陽電池１は、本発明に係る薄膜太陽電池の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、光吸収層４をＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）（Ｓｅ，Ｓ）_２、ＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）_２、ＣｕＩｎＳ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓ_２、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４等により構成した場合でも、バッファ層５をＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘにより構成することで、上記同様の効果を得ることができる。

本発明に係る薄膜太陽電池１は、効率の高い薄膜太陽電池として利用することができる。

１ 薄膜太陽電池
２ 基板
３ 裏面電極
４ 光吸収層
５ バッファ層
６ 透明電極
８ スパッタリング装置
９ 第１スパッタリングターゲット
１０ 第２スパッタリングターゲット
１９、２１ ＲＦ電源

Claims (5)

1. 基板上に、裏面電極、光吸収層、バッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、
   前記バッファ層が、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴とする薄膜太陽電池。
2. 前記バッファ層を構成するＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘが、前記光吸収層との間の電気的マッチングが取れるようにＸの値を決定されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜太陽電池。
3. 基板上に、裏面電極、光吸収層、ＺｎＯ_１−ＸＳ_Ｘ（ここで、０≦Ｘ≦１）により構成されるバッファ層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池の製造方法であって、
   前記バッファ層をスパッタリング法により成膜することを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
4. 前記バッファ層の成膜を、ＺｎＳを含有する第１スパッタリングターゲットと、ＺｎＯを含有する第２スパッタリングターゲットと、前記第１スパッタリングターゲットと前記第２スパッタリングターゲットとに加える電力を夫々独立に制御できる電源と、を有するスパッタリング装置にて行うことを特徴とする請求項３記載の薄膜太陽電池の製造方法。
5. 前記バッファ層を成膜中又は成膜後に、熱処理を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。

Images