JP2011181696A - Substrate rapid heating device - Google Patents
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Abstract
【課題】素子を急速に加熱することのできる装置を提供する。
【解決手段】内部に被加熱素子14を収容する加熱室12と、加熱室12の一部に接して設けられ加熱室12のその接している部分を一定温度に加熱する加熱部11と、被加熱素子14を保持するとともに、加熱室12が加熱部11に接して一定温度となっている加熱室12内の第1の場所と、加熱室12内で加熱部11から離れて第1の場所の温度よりも低温になっている第2の場所との間で移動可能に設置された基板ホルダー13とを備えている。
【選択図】図1An apparatus capable of rapidly heating an element is provided.
A heating chamber 12 that houses a heated element 14 therein, a heating section 11 that is provided in contact with a part of the heating chamber 12 and that heats the contacting portion of the heating chamber 12 to a constant temperature, A first place in the heating chamber 12 that holds the heating element 14 and the heating chamber 12 is in contact with the heating unit 11 and has a constant temperature, and a first place in the heating chamber 12 that is away from the heating unit 11 The substrate holder 13 is provided so as to be movable between the second place where the temperature is lower than the first temperature.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光電変換素子その他の素子の加熱装置に関し、特に急速に加熱することにより電気的又は光学的な特性に変化が生じるような素子の加熱装置に関する。 The present invention relates to a heating apparatus for photoelectric conversion elements and other elements, and more particularly, to a heating apparatus for elements whose electrical or optical characteristics change due to rapid heating.
地球温暖化や化石燃料の埋蔵量などからエネルギー資源が見直されるようになり、その一つとしてクリーンな発電技術である太陽光発電が注目を浴びている。太陽光は無尽蔵で、化石燃料のような枯渇の心配がなく、CO2を増やすこともない。しかし現在主流であるシリコン系の太陽電池には、製造コストが高い等の課題が依然として多く、より低コスト・高効率の太陽電池が求められている。 Energy resources have been reconsidered due to global warming and fossil fuel reserves, and as one of them, solar power generation, which is a clean power generation technology, has attracted attention. Sunlight is inexhaustible, there is no danger of exhaustion like fossil fuels, and there is no increase in CO 2 . However, silicon-based solar cells, which are currently mainstream, still have many problems such as high production costs, and solar cells with lower cost and higher efficiency are required.
そこでシリコンの利用量を減らした薄膜シリコン太陽電池や色素増感太陽電池などの有機系太陽電池の開発が進められている。その中で、シリコン太陽電池に替わる高いポテンシャルを秘めている太陽電池として、Cu(In,Ga)Se2、CuInS2(以下これらを総称してCISということがある。)などのカルコゲナイド系薄膜太陽電池が広く研究されている。 Therefore, development of organic solar cells such as thin-film silicon solar cells and dye-sensitized solar cells in which the amount of silicon used is reduced is underway. Among these, chalcogenide-based thin film solar cells such as Cu (In, Ga) Se 2 and CuInS 2 (hereinafter, these may be collectively referred to as CIS) as solar cells having high potential to replace silicon solar cells. Batteries are widely studied.
しかし、現在のCIS薄膜作製のほとんどは蒸着法、スパッタ法、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層成長)、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の真空プロセスを用いるため、設備及び生産効率面で低コスト化は困難である。そこで安価な製膜方法として、電着法、印刷法、スプレー熱分解法が挙げられる。この中の印刷技術は、大面積エリアの製膜方法として報告されており、CIS薄膜作製に応用できれば、発電コストを大幅に減らせる魅力的な製膜方法である。 However, most of the current CIS thin film fabrication uses vacuum processes such as vapor deposition, sputtering, ALD (Atomic Layer Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), etc., reducing costs in terms of equipment and production efficiency. It is difficult. Therefore, an inexpensive film forming method includes an electrodeposition method, a printing method, and a spray pyrolysis method. Among these, the printing technique has been reported as a film forming method for a large area, and if it can be applied to CIS thin film production, it is an attractive film forming method that can greatly reduce the power generation cost.
銅、インジウム、セレンからなる光電変換素子であるCuInSe2太陽電池の光電変換特性には、CuInSe2層形成後の加熱処理が影響を与える。その加熱処理としては、急速加熱処理が有効である。一般には、急速加熱法は電気的にヒーターの温度を上げて加熱するものであった。 The heat treatment after forming the CuInSe 2 layer affects the photoelectric conversion characteristics of the CuInSe 2 solar cell, which is a photoelectric conversion element made of copper, indium, and selenium. As the heat treatment, rapid heat treatment is effective. In general, the rapid heating method is one in which heating is performed by electrically increasing the temperature of the heater.
本発明者らは、CuInSe2層は従来のヒーターによる加熱法よりもさらに急速に加熱することにより一層の特性向上がみられることを見出した。この現象はCuInSe2太陽電池に限らず、他の素子においても同様に急速加熱により特性を向上させるものがありうる。 The present inventors have found that the CuInSe 2 layer is further improved in characteristics by heating more rapidly than the heating method using the conventional heater. This phenomenon is not limited to CuInSe 2 solar cells, and other elements may also improve characteristics by rapid heating.
そこで、本発明は、素子を急速に加熱することのできる装置を提供することを目的とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus capable of rapidly heating an element.
本発明の急速加熱装置は、内部に被加熱素子を収容する加熱室と、前記加熱室の一部に接して設けられ加熱室のその接している部分を一定温度に加熱する加熱部と、前記被加熱素子を保持するとともに、加熱室が前記加熱部に接して一定温度となっている加熱室内の第1の場所と、加熱室内で前記加熱部から離れて前記第1の場所の温度よりも低温になっている第2の場所との間で移動可能に設置された基板ホルダーと、を備えている。 The rapid heating apparatus of the present invention includes a heating chamber that accommodates an element to be heated therein, a heating unit that is provided in contact with a part of the heating chamber and that heats the contacting part of the heating chamber to a constant temperature, While holding a to-be-heated element, the 1st place in the heating chamber in which a heating chamber is in contact with the said heating part, and has become constant temperature, and it leaves | separates from the said heating part in a heating chamber, and is higher than the temperature of said 1st place And a substrate holder that is movably installed between the second place having a low temperature.
この急速加熱装置の好ましい用途の1つは光吸収CuInSe2層をもつ光電変換素子の光吸収CuInSe2層を加熱処理するものである。その場合の第1、第2の場所の好ましい温度としては、第1の場所の温度が200℃から800℃の範囲内の第1の温度に設定され、第2の場所の温度が10℃から250℃の範囲内の温度で第1の温度よりも低温の第2の温度に設定されるものである。光吸収CuInSe2層をもつ光電変換素子をこの急速加熱装置で熱処理すると光電変換素子の発電能力を高めることができる。 The One preferred use of the rapid heating device is for heating the light absorption CuInSe 2 layer of the photoelectric conversion element having a light-absorbing CuInSe 2 layer. In this case, the preferred temperature at the first and second locations is such that the temperature at the first location is set to a first temperature in the range of 200 ° C. to 800 ° C., and the temperature at the second location is from 10 ° C. The temperature is set to a second temperature lower than the first temperature at a temperature in the range of 250 ° C. When the photoelectric conversion element having the light absorbing CuInSe 2 layer is heat-treated with this rapid heating apparatus, the power generation capacity of the photoelectric conversion element can be increased.
また、第1の場所の温度が加熱用の一定温度に設定されている間は、加熱室内は不活性ガスで置換されることが好ましい。不活性ガスとしては、窒素又はアルゴンなどを用いることができる。 Further, while the temperature of the first place is set to a constant temperature for heating, it is preferable that the heating chamber is replaced with an inert gas. Nitrogen or argon can be used as the inert gas.
本発明の急速加熱装置では、被加熱素子を基板ホルダーにより第2の場所からそれより高温の第1の場所へ移動させることによりランプ等によるヒーター加熱に比べて急速に加熱することができ、その後、被加熱素子を基板ホルダーにより第1の場所から第2の場所へ移動させることによりランプ等によるヒーター加熱に比べて急速に冷却することができる。 In the rapid heating apparatus of the present invention, the heated element can be heated more rapidly than the heater heating by a lamp or the like by moving the element to be heated from the second place to the first place having a higher temperature by the substrate holder. By moving the element to be heated from the first place to the second place by the substrate holder, it is possible to cool the element more rapidly than the heater heating by a lamp or the like.
この急速加熱装置は急速加熱により特性の向上が期待できる素子であれば適用することができる。その一例として光吸収CuInSe2層をもつ光電変換素子の発電能力を高めるのに適用することができる。 This rapid heating apparatus can be applied to any element that can be expected to improve characteristics by rapid heating. As an example, it can be applied to increase the power generation capability of a photoelectric conversion element having a light absorbing CuInSe 2 layer.
一実施例の急速加熱装置を図1に示す。加熱室12は内部に被加熱素子14を収容することができる。加熱室12の一部に接して加熱部11が設けられており、加熱部11は加熱室12のその接している部分を一定温度に加熱することができる。加熱室12内には基板ホルダー13が設けられている。基板ホルダー13は被加熱素子14を保持するとともに、加熱室12が加熱部11に接して一定温度となっている加熱室12内の第1の場所と、加熱室12内で加熱部11から離れて第1の場所の温度よりも低温になっている第2の場所との間で移動可能に設置されている。 The rapid heating apparatus of one Example is shown in FIG. The heating chamber 12 can accommodate the element to be heated 14 inside. A heating unit 11 is provided in contact with a part of the heating chamber 12, and the heating unit 11 can heat a portion of the heating chamber 12 in contact with the heating chamber 12 at a constant temperature. A substrate holder 13 is provided in the heating chamber 12. The substrate holder 13 holds the heated element 14, and is separated from the first place in the heating chamber 12 where the heating chamber 12 is in contact with the heating unit 11 and at a constant temperature, and in the heating chamber 12 from the heating unit 11. It is installed so that it can move between the second place that is lower than the temperature of the first place.
加熱室2は耐熱性の高い材質で構成され、ガラス製、金属製又はセラミックス製である。加熱部1は、電気的に温度をコントロールできるヒーターからなる。基板ホルダー13は導電性のよい銅、アルミニウム又はステンレス等の金属製である。 The heating chamber 2 is made of a material having high heat resistance, and is made of glass, metal or ceramics. The heating unit 1 includes a heater that can electrically control the temperature. The substrate holder 13 is made of metal such as copper, aluminum or stainless steel having good conductivity.
この急速加熱装置の好ましい用途の1つは光吸収CuInSe2層をもつ光電変換素子の光吸収CuInSe2層を加熱処理するものである。その場合、第1の場所の温度が加熱部11により200℃から800℃の範囲内の第1の温度に設定され、第2の場所の温度が10℃から250℃の範囲内の温度で第1の温度よりも低温の第2の温度に設定される。第1の場所の温度が加熱用の一定温度に設定されている間は、加熱室内は不活性ガスで置換される。 The One preferred use of the rapid heating device is for heating the light absorption CuInSe 2 layer of the photoelectric conversion element having a light-absorbing CuInSe 2 layer. In that case, the temperature of the first place is set by the heating unit 11 to the first temperature within the range of 200 ° C. to 800 ° C., and the temperature of the second place is the temperature within the range of 10 ° C. to 250 ° C. The second temperature is set lower than the first temperature. While the temperature of the first place is set to a constant temperature for heating, the heating chamber is replaced with an inert gas.
次にこの急速加熱装置を適用するのに適する素子の一例として光吸収CuInSe2層をもつ光電変換素子を説明する。 Next, a photoelectric conversion element having a light absorbing CuInSe 2 layer will be described as an example of an element suitable for applying the rapid heating apparatus.
この光電変換素子は、透光性基板と、透光性基板上に積層させた透光性導電層と、透光性導電層上に積層させた金属酸化物半導体層と、金属酸化物半導体上に積層させたバッファーIn2S3層と、バッファーIn2S3層上に積層させた光吸収CuInSe2層と、光吸収CuInSe2層上に設けられた背面電極と、を具備している。そして、バッファーIn2S3層は空気中においてスプレー法により形成したものであり、光吸収CuInSe2層はスクリーン印刷法により形成されたものである。 The photoelectric conversion element includes a light-transmitting substrate, a light-transmitting conductive layer stacked on the light-transmitting substrate, a metal oxide semiconductor layer stacked on the light-transmitting conductive layer, and a metal oxide semiconductor A buffer In 2 S 3 layer, a light absorbing CuInSe 2 layer stacked on the buffer In 2 S 3 layer, and a back electrode provided on the light absorbing CuInSe 2 layer. The buffer In 2 S 3 layer is formed by a spray method in the air, and the light absorption CuInSe 2 layer is formed by a screen printing method.
本明細書において、「透光性」又は「透明」の語は、光吸収CuInSe2層が光電変換機能を発揮する波長範囲の少なくとも一部の波長の光を透過させることを意味する。すなわち、紫外、可視又は近赤外の波長光に対して透明であることを意味する。 In this specification, the term “translucent” or “transparent” means that the light-absorbing CuInSe 2 layer transmits light of at least a part of the wavelength range in which the photoelectric conversion function is exhibited. That is, it means that it is transparent to ultraviolet, visible or near infrared wavelength light.
透光性基板としては、ガラス又はプラスチックからからなるものが好ましい。基板として透光性基板を使用すれば、入射光を光吸収CuInSe2層に導入するための窓層とすることができる。 The translucent substrate is preferably made of glass or plastic. If a translucent substrate is used as the substrate, a window layer for introducing incident light into the light absorbing CuInSe 2 layer can be obtained.
透光性導電層は、フッ素ドープ錫酸化物、インジウム錫酸化物、ガリウムドープ亜鉛酸化物、アルミドープ亜鉛酸化物、二オブドープチタン酸化物又はその他の透明導電性酸化物であることが好ましい。 The translucent conductive layer is preferably fluorine-doped tin oxide, indium tin oxide, gallium-doped zinc oxide, aluminum-doped zinc oxide, niobium-doped titanium oxide, or other transparent conductive oxide.
金属酸化物半導体層は、TiO2、WO3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、SrTiO3又はその他の光触媒活性をもつ酸化物であることが好ましい。これらの金属酸化物半導体層は、透光性であるため光吸収CuInSe2層に光を導入するための窓層となり、かつ電子収集に優れている半導体層となる。 The metal oxide semiconductor layer is preferably TiO 2 , WO 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SrTiO 3 or other oxides having photocatalytic activity. Since these metal oxide semiconductor layers are translucent, they become window layers for introducing light into the light-absorbing CuInSe 2 layer and become semiconductor layers that are excellent in electron collection.
バッファーIn2S3層は、光吸収CuInSe2層に導入するための窓層になり、かつ電子とホールの再結合を抑制する役割を担う。バッファーIn2S3層を平坦に積層させた場合、バッファーIn2S3層の厚みを好ましくは0.2μm〜1.0μm、より好ましくは0.7μm程度にすることにより再現性向上の効果がある高抵抗n型半導体層となる。 The buffer In 2 S 3 layer serves as a window layer for introduction into the light absorbing CuInSe 2 layer and plays a role of suppressing recombination of electrons and holes. If it was flatly stacked buffer an In 2 S 3 layer, preferably the thickness of the buffer an In 2 S 3 layer 0.2Myuemu~1.0Myuemu, more preferably the effect of reproducibility increase by about 0.7μm It becomes a certain high resistance n-type semiconductor layer.
光吸収CuInSe2層は厚さが0.1〜10.0μmであることが好ましい。 The light absorbing CuInSe 2 layer preferably has a thickness of 0.1 to 10.0 μm.
背面電極は、モリブテン、金、銀、アルミニウム、カーボン、白金又はその他の導電性材料からなる薄膜であることが好ましい。背面電極は光吸収CuInSe2層の上部電極となる。 The back electrode is preferably a thin film made of molybdenum, gold, silver, aluminum, carbon, platinum or other conductive material. The back electrode becomes the upper electrode of the light absorbing CuInSe 2 layer.
この光電変換素子は新規な印刷法により形成した光吸収CuInSe2層を備えており、発電手段として用いてその発電電力を負荷へ供給することができる。 This photoelectric conversion element includes a light absorption CuInSe 2 layer formed by a novel printing method, and can be used as power generation means to supply the generated power to a load.
この光電変換素子の製造方法は、透光性基板上に透光性導電層を形成し、透光性導電層上に金属酸化物半導体層を形成し、金属酸化物半導体上にバッファーIn2S3層を形成し、バッファーIn2S3層上に光吸収CuInSe2層を形成し、光吸収CuInSe2層上に背面電極を形成する光電変換素子製造方法であって、バッファーIn2S3層は空気中で150℃〜350℃に加熱されたホットプレート上でスプレー法により空気中で原料溶液を噴霧して製膜し、光吸収CuInSe2層の形成工程はスクリーン印刷工程を含んでいる。 In this method of manufacturing a photoelectric conversion element, a light-transmitting conductive layer is formed on a light-transmitting substrate, a metal oxide semiconductor layer is formed on the light-transmitting conductive layer, and a buffer In 2 S is formed on the metal oxide semiconductor. 3 layers were formed, to form a light-absorbing CuInSe 2 layer on the buffer an in 2 S 3 layer on, a photoelectric conversion device manufacturing method for forming a back electrode on the light-absorbing CuInSe 2 layer on the buffer an in 2 S 3 layer Is formed by spraying a raw material solution in air on a hot plate heated to 150 ° C. to 350 ° C. in the air by a spraying method, and the formation process of the light absorbing CuInSe 2 layer includes a screen printing process.
光吸収CuInSe2層のスクリーン印刷工程は、好ましくは、スクリーン印刷用インクとしてCuInSe2粉末、テルピネオール、エチルセルロース、エタノール及びチオ尿素が混合されたものを使用する。このような印刷用インクは、スクリーン印刷に適した粘度のものとすることができる。 The screen printing step of the light absorbing CuInSe 2 layer preferably uses a mixture of CuInSe 2 powder, terpineol, ethyl cellulose, ethanol and thiourea as the screen printing ink. Such a printing ink can have a viscosity suitable for screen printing.
そのスクリーン印刷工程は、好ましくは、印刷用インクをバッファーIn2S3層上にスクリーン印刷法により塗布した後、加熱されたホットプレート上で溶媒であるテルピネオールとエタノールを大気中で除去することにより製膜する工程を含んでいる。 The screen printing step is preferably performed by applying a printing ink on the buffer In 2 S 3 layer by a screen printing method, and then removing terpineol and ethanol as solvents on a heated hot plate in the air. The process of forming a film is included.
光吸収CuInSe2層の形成工程は、スクリーン印刷工程により成膜した後、急速加熱法で熱処理する工程を含んでいることが好ましい。急速加熱法で熱処理すると、光吸収CuInSe2層から得られた電力を効率よく取り出すことができるようになる。 The step of forming the light-absorbing CuInSe 2 layer preferably includes a step of performing a heat treatment by a rapid heating method after being formed by a screen printing step. When the heat treatment is performed by the rapid heating method, the electric power obtained from the light absorbing CuInSe 2 layer can be efficiently taken out.
この製造方法では、光吸収CuInSe2層を形成するためにスクリーン印刷工程を用いるので、光吸収CuInSe2層を形成する個所を限定することができる。 In this manufacturing method, since using the screen printing process to form a light absorbing CuInSe 2 layer, it is possible to limit the positions for forming the light absorption CuInSe 2 layer.
さらに具体的に説明すると、好ましい形態の光電変換素子1は、図2に示すように、透明なガラス板やプラスチック板からなる透光性基板2上に、ITO(スズドープインジウム酸化物)層又はFTO(フッ素ドープスズ酸化物)層等からなる透光性導電層3が形成され、透光性導電層3上に緻密な金属酸化物半導体層4が形成され、金属酸化物半導体層4上に平坦なバッファーIn2S3層5が形成され、バッファーIn2S3層5上に光吸収CuInSe2層6が形成され、光吸収CuInSe2層6上に電極7が形成された構造をもっている。太い矢印は太陽光である。 More specifically, as shown in FIG. 2, the photoelectric conversion element 1 in a preferable form has an ITO (tin-doped indium oxide) layer or a transparent substrate 2 made of a transparent glass plate or plastic plate. A translucent conductive layer 3 made of an FTO (fluorine-doped tin oxide) layer or the like is formed, a dense metal oxide semiconductor layer 4 is formed on the translucent conductive layer 3, and a flat surface is formed on the metal oxide semiconductor layer 4. A buffer In 2 S 3 layer 5 is formed, a light absorbing CuInSe 2 layer 6 is formed on the buffer In 2 S 3 layer 5, and an electrode 7 is formed on the light absorbing CuInSe 2 layer 6. The thick arrow is sunlight.
図2に示す光電変換素子1はスーパーストレート構造である。 The photoelectric conversion element 1 shown in FIG. 2 has a superstrate structure.
透光性基板2は厚さが0.1mm〜5mm程度である。 The translucent substrate 2 has a thickness of about 0.1 mm to 5 mm.
透光性導電層3は厚みが0.3μm〜2μm程度がよい。0.3μm未満ではシート抵抗が高くなり、光電変換素子前提のシリーズ抵抗が高くなるため、FF特性(Fill Factor)が悪くなる傾向があるためである。透光性導電層3は、CVD法、スパッタリング法又はスプレー法等によって形成される。FF特性は太陽電池の1つの特性で、曲率因子と呼ばれ、電圧・電流曲線の曲がり具合を示す。 The translucent conductive layer 3 preferably has a thickness of about 0.3 μm to 2 μm. If the thickness is less than 0.3 μm, the sheet resistance becomes high and the series resistance on the premise of the photoelectric conversion element becomes high, so that the FF characteristic (Fill Factor) tends to be deteriorated. The translucent conductive layer 3 is formed by a CVD method, a sputtering method, a spray method, or the like. The FF characteristic is one characteristic of the solar cell, which is called a curvature factor, and indicates the degree of bending of the voltage / current curve.
金属酸化物半導体層4の材料としては、酸化チタン(TiO2)が最適であり、他の材料としては、チタン(Ti),亜鉛(Zn),スズ(Sn),ニオブ(Nb),インジウム(In),イットリウム(Y),ランタン(La),ジルコニウム(Zr),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),ストロンチウム(Sr),バリウム(Ba),カルシウム(Ca),バナジウム(V),タングステン(W)等の金属元素の少なくとも1種以上の金属酸化物半導体がよく、また窒素(N),炭素(C),弗素(F),硫黄(S),塩素(Cl),リン(P)等の非金属元素の1種以上を含有していてもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい2〜5eVの範囲にあり、好ましい。また、金属酸化物半導体層4は、電子エネルギー準位においてその伝導帯がバッファーIn2S3層5の伝導帯よりも低いn型半導体がよい。 Titanium oxide (TiO 2 ) is the most suitable material for the metal oxide semiconductor layer 4 and other materials include titanium (Ti), zinc (Zn), tin (Sn), niobium (Nb), indium ( In), yttrium (Y), lanthanum (La), zirconium (Zr), tantalum (Ta), hafnium (Hf), strontium (Sr), barium (Ba), calcium (Ca), vanadium (V), tungsten ( Metal oxide semiconductors of at least one metal element such as W) are preferable, and nitrogen (N), carbon (C), fluorine (F), sulfur (S), chlorine (Cl), phosphorus (P), etc. One or more of these nonmetallic elements may be contained. Titanium oxide or the like is preferable because it has an electron energy band gap in the range of 2 to 5 eV that is larger than the energy of visible light. The metal oxide semiconductor layer 4 is preferably an n-type semiconductor whose conduction band is lower than the conduction band of the buffer In 2 S 3 layer 5 in the electron energy level.
金属酸化物半導体層4は、厚さが200nm程度でよく、リーク電流を抑制し、かつバッファーIn2S3層5からの電子を収集する役割をもつ。金属酸化物半導体層4はCVD法、スパッタリング法又はスプレー法等によって形成することができる。 The metal oxide semiconductor layer 4 may have a thickness of about 200 nm, has a role of suppressing leakage current and collecting electrons from the buffer In 2 S 3 layer 5. The metal oxide semiconductor layer 4 can be formed by a CVD method, a sputtering method, a spray method, or the like.
バッファーIn2S3層5は多孔質の半導体層となっており、粒状体の他、針状体、チューブ状体もしくは柱状体等の線状体、又はこれら種々の線状体が集合してなるものであって、多孔質体であることにより光吸収CuInSe2層6の表面積が増加し、高い光電変換効率を得ることが期待できる。 The buffer In 2 S 3 layer 5 is a porous semiconductor layer, and in addition to the granular material, a linear body such as a needle-shaped body, a tubular body or a columnar body, or these various linear bodies are aggregated. Thus, the surface area of the light-absorbing CuInSe 2 layer 6 is increased by the porous body, and it can be expected that high photoelectric conversion efficiency is obtained.
バッファーIn2S3層5は、InCl3及びCS(NH2)2を混合した溶液を用い、空気中で表面温度が200℃程度の前記金属酸化物半導体層4に噴霧して積層するのが好ましい。表面温度が350℃以上で噴霧を行うと、ある程度の厚み以上からの積層が困難となるからである。 The buffer In 2 S 3 layer 5 is formed by spraying and laminating the metal oxide semiconductor layer 4 having a surface temperature of about 200 ° C. in air using a mixed solution of InCl 3 and CS (NH 2 ) 2. preferable. This is because if the spraying is carried out at a surface temperature of 350 ° C. or higher, it becomes difficult to laminate from a certain thickness.
バッファーIn2S3層5の厚さは0.2μm〜1.0μm程度が好ましく、0.7μm程度であれば、さらに好ましい。0.2μm未満では、再現性の高い光電変換装置を得ることが困難となる。 The thickness of the buffer In 2 S 3 layer 5 is preferably about 0.2 μm to 1.0 μm, and more preferably about 0.7 μm. If the thickness is less than 0.2 μm, it is difficult to obtain a highly reproducible photoelectric conversion device.
光吸収CuInSe2層6は、銅、インジウム及びセレンを原子数比で1:1:2の割合で混合した粉末を、遊星ボールミルで混合してCuInSe2結晶とし、そのCuInSe2結晶にチオ尿素、エタノール、テルピネオール及びエチルセルロースを混合したのちエタノールをエバポレーターで除去してCuInSe2印刷用ペーストとし、そのCuInSe2印刷用ペーストを塗布することで形成される。光吸収CuInSe2層6の形成後、本発明の急速加熱法で処理されることで光電特性が向上する。光吸収CuInSe2層6は厚さが1.0μm程度が適当である。 Light absorbing CuInSe 2 layer 6 is copper, indium and selenium in an atomic ratio 1: 1: mixed powder at a ratio of 2, and CuInSe 2 crystals were mixed with a planetary ball mill, thiourea its CuInSe 2 crystal, After mixing ethanol, terpineol and ethyl cellulose, ethanol is removed by an evaporator to form a CuInSe 2 printing paste, and the CuInSe 2 printing paste is applied. After the light absorbing CuInSe 2 layer 6 is formed, the photoelectric characteristics are improved by being processed by the rapid heating method of the present invention. The thickness of the light absorbing CuInSe 2 layer 6 is suitably about 1.0 μm.
電極7は、モリブテン、金、銀又はカーボン等からなり、CVD法、スパッタリング法又はスクリーン印刷法等、様々な方法により形成することができる。 The electrode 7 is made of molybdenum, gold, silver, carbon, or the like, and can be formed by various methods such as a CVD method, a sputtering method, or a screen printing method.
光電変換素子1を発電手段として用いて光発電装置を構成することができる。その光発電装置の発電電力を負荷へ供給することができる。具体的には、光発電装置は、光電変換素子1、光電変換素子1から出力された直流電流を交流電流に変換するインバータ装置、及び電気モータや照明装置等の負荷等を有する構成であり、建築物の屋根や壁面に設置される太陽電池等として使用することができる。 A photovoltaic device can be constructed using the photoelectric conversion element 1 as a power generation means. The generated power of the photovoltaic device can be supplied to the load. Specifically, the photovoltaic device is configured to include a photoelectric conversion element 1, an inverter device that converts a direct current output from the photoelectric conversion device 1 into an alternating current, and a load such as an electric motor or a lighting device. It can be used as a solar cell or the like installed on the roof or wall of a building.
以下、図2に示す光電変換素子1について製造方法とともにさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the photoelectric conversion element 1 shown in FIG. 2 will be described in more detail together with the manufacturing method.
透光性導電層3を具備した透光性基板2として、シート抵抗10Ω/□(スクエア)で厚さが0.5μm程度のSnO2:F層(フッ素ドープSnO2層)からなる透光性導電層3が一主面に形成されたガラス基板を準備した。 The translucent substrate 2 having the translucent conductive layer 3 has a translucency composed of a SnO 2 : F layer (fluorine-doped SnO 2 layer) having a sheet resistance of 10 Ω / □ (square) and a thickness of about 0.5 μm. A glass substrate having a conductive layer 3 formed on one main surface was prepared.
この透光性導電層3の上に、酸化チタンから成る金属酸化物半導体層4を膜厚200nm程度積層させた。その積層法としてはスプレー法を用い、透光性導電層3の表面温度を400℃〜450℃程度とし、プリカーサ溶液としてTAA溶液(チタン(IV)イソプロポキシドとアセチルアセトンをモル比1:2で混ぜた溶液)を10倍に希釈したエタノール溶液を50ml用い、50分間噴霧した。 On this translucent conductive layer 3, a metal oxide semiconductor layer 4 made of titanium oxide was laminated to a thickness of about 200 nm. As the lamination method, a spray method is used, the surface temperature of the translucent conductive layer 3 is set to about 400 ° C. to 450 ° C., and a TAA solution (titanium (IV) isopropoxide and acetylacetone in a molar ratio 1: 2 is used as a precursor solution. 50 ml of an ethanol solution diluted 10 times was mixed and sprayed for 50 minutes.
この金属酸化物半導体層4上に、スプレー法により膜圧が0.7μm程度のバッファー層5を形成した。その方法として、金属酸化物半導体層4の表面温度を200℃程度とし、プリカーサ溶液として10mMのInCl3と20mMのCS(NH2)2を混合した水溶液を50ml用い50分間噴霧した。 A buffer layer 5 having a film pressure of about 0.7 μm was formed on the metal oxide semiconductor layer 4 by a spray method. As the method, the surface temperature of the metal oxide semiconductor layer 4 was set to about 200 ° C., and 50 ml of an aqueous solution in which 10 mM InCl 3 and 20 mM CS (NH 2 ) 2 were mixed as a precursor solution was sprayed for 50 minutes.
次に、バッファー層5上に光吸収CuInSe2層6を形成した。その方法として、銅、インジウム及びセレンを原子数比で1:1:2の割合で混合した粉末を、遊星ボールミルで混合してCuInSe2結晶とし、そのCuInSe2結晶6gに対して、チオ尿素1mL、エタノール200mL、テルピネオール20mL及びエチルセルロース3gを混合したのちエタノールをエバポレーターで除去してCuInSe2印刷用ペーストとし、そのCuInSe2印刷用ペーストをスクリーン印刷法により塗布することで光吸収CuInSe2層6を形成した。その光吸収CuInSe2層6はさらに本発明の装置を用いた急速加熱法で熱処理した。急速加熱法による熱処理により光吸収CuInSe2層6の光電特性が向上する。 Next, a light absorbing CuInSe 2 layer 6 was formed on the buffer layer 5. As the method, copper, indium and selenium in an atomic ratio 1: 1: mixed powder at a ratio of 2, and CuInSe 2 crystals were mixed with a planetary ball mill, for the CuInSe 2 crystal 6 g, thiourea 1mL After mixing 200 mL of ethanol, 20 mL of terpineol and 3 g of ethyl cellulose, ethanol is removed by an evaporator to form a CuInSe 2 printing paste, and the CuInSe 2 printing paste is applied by a screen printing method to form a light absorbing CuInSe 2 layer 6 did. The light absorbing CuInSe 2 layer 6 was further heat-treated by a rapid heating method using the apparatus of the present invention. The photoelectric characteristics of the light absorbing CuInSe 2 layer 6 are improved by the heat treatment by the rapid heating method.
最後に、光吸収CuInSe2層6上に、電極7としてモリブデンをスパッタリング法で堆積させ、光電変換素子1を作製した。 Finally, molybdenum was deposited as an electrode 7 on the light-absorbing CuInSe 2 layer 6 by a sputtering method, and the photoelectric conversion element 1 was produced.
光電変換素子1は5mm角(=25mm2)で、同じ構造の光電変換素子1を6個作製し、光電変換特性を測定した。その得られた光電変換素子の光電変換特性の平均値は、短絡回路光電流密度が4.3mA/cm-2、開放起電力が0.35V、光電変換効率が0.6%であった。 The photoelectric conversion element 1 was 5 mm square (= 25 mm 2 ). Six photoelectric conversion elements 1 having the same structure were produced, and the photoelectric conversion characteristics were measured. The average value of the photoelectric conversion characteristics of the obtained photoelectric conversion elements was a short-circuit photocurrent density of 4.3 mA / cm −2 , an open electromotive force of 0.35 V, and a photoelectric conversion efficiency of 0.6%.
比較のために、光吸収CuInSe2層6を急速加熱法で熱処理するのに替えて、常温から徐々に温度を上げる一般的なランプ加熱方法による熱処理を行って、6個の光電変換素子を作製した。これを比較例とする。比較例の光電変換素子の光電変換特性の平均値は、短絡回路光電流密度が2.7mA/cm-2、開放起電力が0.22V、光電変換効率が0.18%であった。 For comparison, instead of heat-treating the light-absorbing CuInSe 2 layer 6 by a rapid heating method, heat treatment is performed by a general lamp heating method in which the temperature is gradually increased from room temperature to produce six photoelectric conversion elements. did. This is a comparative example. As for the average value of the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element of the comparative example, the short-circuit photocurrent density was 2.7 mA / cm −2 , the open electromotive force was 0.22 V, and the photoelectric conversion efficiency was 0.18%.
急速加熱法を適用した場合と比較例における光吸収CuInSe2層の表面のSEM画像を図3に示す。(A)は急速加熱法を適用した場合のもの、(B)は比較例によるものである。画像中の目盛の単位は1μmである。いずれの加熱も600℃で15分間である。比較例(B)の光吸収CuInSe2層では1.2μm程度の大きなクラックがみられ、直径が0.2〜0.6μm程度の粉末状の粒子間に直径が1μm程度の大きな粒子が埋まっている状態がみられる。それに対し、急速加熱法を適用(A)の光吸収CuInSe2層の表面は比較例のものよりも均質であり、銅、インジウム及びセレンを混合したプリカーサCuInSe2粉末がある程度溶融している状態がうかがえる。急速加熱によるこのような結晶状態の改善も光電変換特性の向上に寄与していることがうかがわれる。 FIG. 3 shows SEM images of the surface of the light absorbing CuInSe 2 layer in the case where the rapid heating method is applied and in the comparative example. (A) shows a case where the rapid heating method is applied, and (B) shows a comparative example. The unit of the scale in the image is 1 μm. Any heating is performed at 600 ° C. for 15 minutes. In the light absorbing CuInSe 2 layer of the comparative example (B), a large crack of about 1.2 μm is observed, and a large particle having a diameter of about 1 μm is buried between powdery particles having a diameter of about 0.2 to 0.6 μm. A state is seen. On the other hand, the surface of the light-absorbing CuInSe 2 layer applied with the rapid heating method (A) is more homogeneous than that of the comparative example, and the precursor CuInSe 2 powder in which copper, indium and selenium are mixed is melted to some extent. I can see. It can be seen that such improvement of the crystalline state by rapid heating also contributes to the improvement of photoelectric conversion characteristics.
この加熱装置において、基板ホルダー13が配置されている位置、すなわち加熱部11から離れた位置を低温部の位置とする。 In this heating apparatus, a position where the substrate holder 13 is arranged, that is, a position away from the heating unit 11 is a position of the low temperature part.
上の製造方法においては、加熱室12の各部の温度は、加熱部11と接している位置の温度を600℃、低温部での温度を40℃になるように調節しておく。急速加熱処理は、光電変換素子14を保持した基板ホルダー13を低温部の位置に設置し、その後、光電変換素子14を基板ホルダー13とともに加熱部11と接している位置に移動して急速に加熱し、その状態で15分間保持する。その後、光電変換素子14を基板ホルダー13とともに低温部の位置に戻して急速に冷却させる。 In the above manufacturing method, the temperature of each part of the heating chamber 12 is adjusted so that the temperature at the position in contact with the heating part 11 is 600 ° C. and the temperature at the low temperature part is 40 ° C. In the rapid heating process, the substrate holder 13 holding the photoelectric conversion element 14 is placed at a low temperature portion, and then the photoelectric conversion element 14 is moved to a position in contact with the heating portion 11 together with the substrate holder 13 to rapidly heat. And hold in that state for 15 minutes. Thereafter, the photoelectric conversion element 14 is returned to the position of the low temperature part together with the substrate holder 13 and rapidly cooled.
1:光電変換素子
2:透光性基板
3:透光性導電層
4:金属酸化物半導体層
5:バッファー層
6:光吸収CuInSe2層
7:電極
S:太陽光
11:加熱部
12:加熱室
13:基板ホルダー
14:光電変換素子
1: Photoelectric conversion element 2: Translucent substrate 3: Translucent conductive layer 4: Metal oxide semiconductor layer 5: Buffer layer 6: Light absorption CuInSe 2 layer 7: Electrode S: Sunlight 11: Heating unit 12: Heating Chamber 13: Substrate holder 14: Photoelectric conversion element
Claims (3)
前記加熱室の一部に接して設けられ加熱室のその接している部分を一定温度に加熱する加熱部と、
前記被加熱素子を保持するとともに、加熱室が前記加熱部に接して一定温度となっている加熱室内の第1の場所と、加熱室内で前記加熱部から離れて前記第1の場所の温度よりも低温になっている第2の場所との間で移動可能に設置された基板ホルダーと、
を備えた急速加熱装置。 A heating chamber that houses the element to be heated;
A heating section that is provided in contact with a part of the heating chamber and that heats the contacting portion of the heating chamber to a constant temperature;
While holding the said to-be-heated element, the heating chamber is in contact with the said heating part, the 1st place in the heating chamber which is constant temperature, and it leaves | separates from the said heating part in a heating chamber from the temperature of the said 1st place A substrate holder that is movably installed between a second location that is also cold,
Quick heating device with.
前記第1の場所の温度が200℃から800℃の範囲内の第1の温度に設定され、前記第2の場所の温度が10℃から250℃の範囲内の温度で前記第1の温度よりも低温の第2の温度に設定される請求項1に記載の急速加熱装置。 Said acute speed heating apparatus is intended to heat treatment a light absorbing CuInSe 2 layer of the photoelectric conversion element having a light-absorbing CuInSe 2 layer,
The temperature of the first place is set to a first temperature within a range of 200 ° C. to 800 ° C., and the temperature of the second place is a temperature within a range of 10 ° C. to 250 ° C. than the first temperature. The rapid heating apparatus according to claim 1, wherein the second heating temperature is set to a second temperature which is also low.
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