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JP2012114414A - 太陽電池サブモジュール及びその製造方法、電極付き基板 - Google Patents

太陽電池サブモジュール及びその製造方法、電極付き基板 Download PDF

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JP2012114414A JP2011217609A JP2011217609A JP2012114414A JP 2012114414 A JP2012114414 A JP 2012114414A JP 2011217609 A JP2011217609 A JP 2011217609A JP 2011217609 A JP2011217609 A JP 2011217609A JP 2012114414 A JP2012114414 A JP 2012114414A
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Abstract

【課題】遷移金属からなる導電層上に蒸着法により形成された光電変換層を備えた化合物半導体系光電変換素子において、密着性が高く、剥離が生じにくい電極付き基板及びそれを備えた太陽電池サブモジュールを提供する
【解決手段】
電極付き基板1は、カルコゲン含有化合物半導体系光電変換素子2に用いられる電極付き基板であって、基板10上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層20を備え、導電層20の少なくとも基板10と反対側の表層22が遷移金属の窒化物を含む層である。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽電池モジュールを構成する太陽電池サブモジュールとその製造方法、及び太陽電池サブモジュールに用いる電極付き基板に関するものである。
光電変換層とこれに導通する電極とを備えた光電変換素子が、太陽電池等の用途に使用されている。従来、太陽電池においては、バルクの単結晶Siまたは多結晶Si、あるいは薄膜のアモルファスSiを用いたSi系太陽電池が主流であったが、Siに依存しない化合物半導体系太陽電池の研究開発がなされている。化合物半導体系太陽電池としては、GaAs系等のバルク系と、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなるCIGS系等の薄膜系とが知られている。CIGSは、一般式Cu1−zIn1−xGaSe2−y(式中、0≦x≦1,0≦y≦2,0≦z≦1)で表される化合物半導体であり、x=0のときがCIS、x>0のときがCIGSである。本明細書では、CIGSはCISを含むものとする。
CIGS系光電変換素子を製造するにあたっては、積層された層間における剥離の問題が重要である。特に、ロール・トウ・ロール方式による製造を実施する際には、搬送の際に膜にかかる負荷のために、より剥離が生じ易い。剥離の軽減は製造の際の歩留まりを向上させることに貢献するほか、光電変換効率特性の向上にも貢献する。
基板上に裏面電極側から積層して積層方向上方が受光面となるように構成されるサブストレート型構造のCIGS系光電変換素子における剥離の原因は、主に光電変換層であるCIGSと裏面電極であるMo層との界面に形成されるMoSe2層は裏面電極に対してc軸配向した層状に形成されることにあると言われている。
非特許文献1には、層状に形成されたMoSe2層の層間の結合はファンデルワールス力による弱い結合であるため、層状にMoSe2層が形成されたMo層とCIGS膜との密着性が弱くなると言及されている。
図11に模式的に示すように、体心立方構造のMo層(左図)表面にCIGS層を形成する際、Mo層中にSeが侵入し六方晶のMoSe層が形成される(右図)。MoSe層は六方晶の層状の構造で、例えば仮想線で示すSe層間で層面に沿って滑り易く、結果として剥離が生じ易い。
Mo電極上にCIGS層を形成する際に、セレン化法を用いると、両層の界面に200nm程度以上のMoSe層が形成されることが知られている。このMoSe層による剥離の軽減を図るために、セレン化法を用いたCIGS層形成時におけるMoSe2層の生成を抑制する方法が、特許文献1、2、および3等において検討されている。
一方、Mo層とCIGS層との間にMoSe2層が存在することにより、Mo層とMoSe層との間にオーミック接触が形成され、太陽電池の効率向上を担っているとの報告がなされている。また、このMoSe2層の代わりに、ZnO等の半導体層をMo層上に形成して変換効率の向上を図ることも提案されている(特許文献4、5等)。
特開平6−188444号公報 特開平9−321326号公報 特開2009−289955号公報 特開2006−13028号公報 特開2007−335625号公報
Thin Sold Films Vol480-481 p.433-438
既述の通り特許文献1〜3においては、CIGS層をセレン化法により形成する場合における、MoSe2層の抑制方法が開示されている。一方、蒸着法によりCIGS層を形成する場合に、生成されるMoSe層は50nm程度とセレン化法の場合と比較して薄いため、従来あまり問題とされていなかった。ガラス基板等の非可撓性の基板上への素子形成では大きな問題にならなかったと考えられるが、取扱い性および生産性向上のため可撓性の基板を用いたロール・トウ・ロール方式での素子製造に適用する場合には、50nm程度の厚みであっても層状のMoSe層が形成されると、剥離の問題が顕著となることが分かってきた。現状では、蒸着法を用いたCIGS層形成時に生成されるMoSe2層の抑制方法は未だ確立されていない。
なお、裏面電極をMo以外の遷移金属により構成し、光電変換層として、Ib−IIIb−VIb化合物半導体やIIb−VIb化合物半導体等のカルコゲン含有化合物半導体により構成する場合には、遷移金属二カルコゲニド層が裏面電極と光電変換層との間に生成され、同様の問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、成膜される化合物半導体系光電変換層との密着性が高く、剥離が生じにくい電極付き基板、及び、それを用いて形成された光電変換素子を備えた太陽電池サブモジュールを提供することを目的とするものである。また、本発明は、光電変換層を蒸着法により形成する場合において、遷移金属二カルコゲニド層の形成を抑制することができる化合物半導体系太陽電池サブモジュールの製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明の電極付き基板は、カルコゲン含有化合物半導体系光電変換素子に用いられる電極付き基板であって、基板上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層を備え、
該導電層の少なくとも前記基板と反対側の表層が前記遷移金属の窒化物を含む層であることを特徴とするものである。
本明細書において、「単一の遷移金属を主成分とする導電層」とは、表層に含まれる窒素及び不可避不純物を含んでもよいことを意味する。
前記窒化物を含む層における前記遷移金属に対する前記窒素の含有量は、5at%以上であることが好ましい。かかる構成では、前記表層の所定の波長の光に対する反射率を、前記単一の遷移金属の前記反射率の95%以下とすることができる。前記表層の前記反射率は、前記単一の遷移金属の前記反射率の90%以下であることがより好ましい。
本明細書において、「単一の遷移金属の反射率」とは、遷移金属単体からなる(不可避不純物を含んでもよい)、表面の平滑性が良好な平板状の表面の反射率と定義する。
前記表層において、遷移金属中に含まれる窒素の量が少ない場合はXPS(X線光電子分光)やSIMS(二次イオン質量分析計)によって遷移金属中への含有を評価できる。さらに、窒素の含有量が20at.%程度以上になれば遷移金属中に遷移金属窒化物(M2N、ここでMは遷移金属)が形成されるようになり、X線回折による構造解析によっても窒素の%含有を確認することができる。
前記所定の波長は、532nm又は1064nmであることが好ましい。また、前記遷移金属がMoであることが好ましい。
本発明の太陽電池サブモジュールは、基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる太陽電池サブモジュールにおいて、上記本発明の電極付き基板上に、
カルコゲンを含有する化合物半導体からなる光電変換層と、透明電極との積層構造を有する光電変換素子を備えたことを特徴とするものである。
本発明の太陽電池サブモジュールにおいて、カルコゲン含有化合物半導体としては、Ib族元素、IIIb族元素およびVIb族元素を含有する化合物半導体が好ましい。
本発明の太陽電池サブモジュールにおいて、前記Ib族元素が、Cuであり、前記IIIb族元素が、Al,Ga及びInからなる群より選択された少なくとも1種であり、前記VIb族元素が、Se又はSであることが好ましい。
本発明の太陽電池サブモジュールの製造方法は、
基板上に、主として遷移金属元素から構成されてなる導電層と、カルコゲンを含有する化合物半導体からなる光電変換層と、透明導電層との積層構造を有する光電変換素子を備えた太陽電池サブモジュールの製造方法であって、
前記基板上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層を形成する導電層成膜工程と、
該導電層の表層に該遷移金属の窒化物を形成する導電層窒化工程と、
前記導電層の一部を、レーザを用いて除去して分離溝を有する電極付き基板を形成する導電層除去工程と、
該電極付き基板上に前記光電変換層を蒸着法により形成する光電変換層形成工程とを含むことを特徴とするものである。
前記導電層窒化工程において、前記遷移金属の窒化物の形成は、窒素プラズマ処理により実施してもよいし、スパッタガス中に窒素を混入させた条件下で、反応性スパッタリングにより実施してもよい。
導電層除去工程において、前記レーザの波長は、532nm又は1064nmであることが好ましい。また、前記遷移金属がMoであることが好ましい。
本発明の電極付き基板は、カルコゲン含有化合物半導体系光電変換素子に用いられる電極付き基板であって、基板上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層を備え、導電層の少なくとも基板と反対側の表層が遷移金属の窒化物を含む層となっている。かかる構成によれば、導電層上にカルコゲン含有化合物半導体系光電変換層を蒸着法により成膜する際に、導電層の成膜面付近において遷移金属二カルコゲニド薄膜が形成されるのを抑制することができる。
MoSe2層に代表される遷移金属二カルコゲニド薄膜が層状に裏面電極(導電層)上に一様に形成されることにより、光電変換素子における光電変換層の密着性が低下する。従って、本発明によれば、光電変換素子及びそれを用いた太陽電池サブモジュールにおいて、光電変換層の密着性を高め、密着性低下に起因する不良部分を減少させて変換効率を向上させることができ、更に歩留まりを向上させることができる。
また、基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる、集積化された太陽電池サブモジュールを形成する場合には、裏面電極に分離溝を形成するために、分離領域の裏面電極をレーザスクライブにより除去した後に、光電変換層を形成する。レーザスクライブでは、被加工物のレーザ光の吸収率が高いほど、より低出力のレーザを用いることができるが、金属層である裏面電極はレーザ光の吸収率が低い(反射率が高い)ため、裏面電極の下地へダメージの少ない低出力なレーザでは残渣なく良好に分離溝を形成することが難しい。
本発明の電極付き基板では、表層に窒化物を含んでいるため、レーザ(光)の反射率が含んでいない部分に比して低くなっている。従って、本発明によれば、裏面電極に分離溝を形成する必要がある上記集積化太陽電池サブモジュールを形成する際に、裏面電極の下地へのダメージの少ない低出力なレーザにて、残渣なく良好に裏面電極の分離溝の形成を実施することができる。
本発明の電極付き基板を備えた光電変換素子の一実施形態を示す概略構成断面図 本発明の設計変更例の光電変換素子のその他の実施形態を示す概略構成断面図 窒化モリブデン層にSeが侵入する様子を示す模式図 基板の具体的な例を示す概略断面図 本発明の電極付き基板と従来の金属電極付き基板におけるレーザスクライブの加工性を示す模式図 本発明にかかる一実施形態の太陽電池サブモジュールの構成を示す断面図 実施例及び比較例のモリブデン電極層表面の反射率の波長依存性を示す図 実施例及び比較例の密着性評価結果を示す図 実施例及び比較例のモリブデン電極層表面のX線結晶構造解析結果を示す図 反応性スパッタ法におけるArに対するN比と成膜された膜中のN量の関係を示す図(文献ShihのFig.9) モリブデン層にSeが侵入する様子を示す模式図
以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかる光電変換素子およびその製造方法について説明する。
図1は本実施形態の電極付き基板1及びそれを備えた光電変換素子2の概略構成を示す断面図である。また、図2は、電極付き基板1を備えた設計変更例の光電変換素子2’の模式断面図を示す視認しやすくするため、図中、各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
電極付き基板1は、基板10と、基板10上に形成された導電層20とから構成されてなるものである。導電層20は、単一の遷移金属Mを主成分とするものであり、基板10側に形成された金属層21と、遷移金属Mの窒化物を含む導電層20の表層22とから構成されている。
光電変換素子2は、電極付き基板1と、電極付き基板1の導電層20上に形成されたカルコゲン含有化合物半導体からなる光電変換層30と、光電変換層30上にバッファ層40、窓層50および透明電極60とが順次積層されてなるサブストレート型の光電変換素子であって、光電変換層30が導電層20に接するように形成されている。図1に示す例では透明電極60上にさらに取出し電極(グリッド電極)70をさらに備えている。
導電層20の表層22が遷移金属Mの窒化物を含んでいる、すなわち、導電層20の表層が窒化されていることによって、導電層20の上にカルコゲン含有化合物半導体からなる光電変換層30を蒸着形成する際に、その構成元素であるカルコゲン(VIb族元素)と遷移金属元素とからなる遷移金属二カルコゲニド薄膜が導電層20と光電変換層30との間に一様に形成されるのを抑制することができる。
導電層20の主成分である遷移金属Mは、電極として用いることができる遷移金属であれば特に限定されないが、特には、Mo,W,およびこれらの組合せが好ましく、Moが特に好ましい。導電層20の膜厚は制限されず、200〜1000nm程度が好ましい。
導電層20のうち、窒化物を含む表層22は、数nm〜200nm程度が好ましい。なお、表層22の厚みは、導電層20全体の層厚に対して20%程度以下の厚みとすることが望ましい。
表層22における窒素の含有量は、5at.%以上であることが好ましく、20at.%以上がより好ましい。但し、窒素の含有量が多すぎると電気抵抗が大きくなりすぎて、光電変換効率が低下する恐れがあるため、50at.%以下であることが好ましい。
なお、窒素は表層22に一様に含まれていることが好ましいが、表層22において部分的に窒素が含まれていない箇所があってもよい。窒素が含まれていない各箇所の大きさは100nm以下であることが好ましい。
表層に窒素が含まれていると、その部分における遷移金属二カルコゲニド薄膜の形成が抑制できることを本発明者は見出した。MoSe2層に代表される層状構造の遷移金属二カルコゲニド薄膜が裏面電極上に一様に形成されることにより、光電変換素子における密着性が低下するため、遷移金属二カルコゲニド薄膜の生成を抑制することにより、剥離抑制が実現できる。
導電層の表層22を遷移金属Mの窒化物を含む層とすることにより、単なる遷移金属層の場合と比較して、遷移金属の結晶格子に対してVIb族元素(カルコゲン)を入り込みにくくすることができるため、層状構造の遷移金属二カルコゲニド薄膜の生成を抑制することができると考えられる。
なお、窒素に代えて酸素を用い酸化遷移金属層にすることによっても、同様に、遷移金属二カルコゲニド薄膜の生成を抑制する効果が期待できるが、窒化遷移金属層と比較して酸化遷移金属層は抵抗率が高く、結果として光電変換率の向上を妨げることになるため好ましくない。
一方、例えば、Moが数十μΩ・cmであるのに対し、窒化の具合にもよって抵抗値は変化するが、窒化Moは数百μΩ・cm程度であり、窒化遷移金属層は、遷移金属層に対して低効率はさほど大きく増加せず、電極としての役割を維持することができる。
遷移金属Mの窒化物を含む表層22を備えることにより、光電変換層形成時に遷移金属二カルコゲニド層の生成を抑制することができるが、窒化度合いが小さく部分的に窒素が含まれていない箇所がある場合には、その割合によっては、表層22にカルコゲンが侵入して表層の一部に窒素を含む遷移金属二カルコゲニド含有層22aが形成される(図2)。
図3に、窒化物含有層22にカルコゲンが侵入する様子を、遷移金属MがMo,カルコゲンがSeである場合を例に模式的に示す。図3左図のような窒化モリブデン層上にCIGSを成膜する際、図3右図のようにSeが窒化モリブデン層中に侵入する。しかし、窒素が含まれているため、規則的な層状にSeは侵入せず、滑りが生じるような層構造が形成されないと考えられる。滑りが生じる構造が形成されないことから、密着性の低下を抑制することができる。
なお、密着性の観点からは、遷移金属二カルコゲニド層は10nm以下であることが好ましい。
光電変換素子2'において、遷移金属カルコゲニド含有層22aには、遷移金属Mとカルコゲンからなる遷移金属二カルコゲニド薄膜が、部分的に形成されている。既述の通り、遷移金属二カルコゲニド薄膜が層状に裏面電極上に一様に形成されることにより、光電変換素子における密着性が低下するため、遷移金属二カルコゲニド薄膜は、導電層20上の光電変換層30が形成される領域の面積に対して50%以下であれば形成されていてもよい。
遷移金属二カルコゲニド薄膜が形成されている領域が50%以下であれば、密着性の低下を抑制する効果を十分得ることができる。
一方、「背景技術」の項目において記載の通り、遷移金属二カルコゲニド層がオーミック接触により光電変換効率の向上に寄与することから、このオーミック接触の観点からすると、遷移金属二カルコゲニド薄膜がほとんど形成されていないよりは、10%程度以上形成していることが好ましい。
以上の密着性およびオーミック接触の両観点を鑑みると、遷移金属二カルコゲニド薄膜が形成されている領域のより好ましい範囲は20%〜30%である。
また、基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる、集積化太陽電池サブモジュール(構成については図6を参照)では、既に述べたように、裏面電極(導電層)に分離溝を形成するために、分離領域の裏面電極をレーザスクライブにより除去して分離溝を形成した後に、この分離溝付き裏面電極上に光電変換層を形成する必要がある。
特に絶縁層付の金属基板を用いる場合には、下地となる絶縁層にダメージを与えないようにその上方の裏面電極層(導電層)をレーザースクライブにより除去しなくてはならないので、スクライブに用いるレーザは、低エネルギーであることが好ましい。絶縁層にダメージが入ってしまったり、絶縁層までスクライブしてしまったりした場合には、CIGS層と金属基板が導通することになり基板上への集積化はできなくなってしまう。
電極付き基板1の導電層20は、表層22が遷移金属Mの窒化物を含んでいる、すなわち、導電層20の表層が窒化されているため、波長によってその低下率はさまざまではあるが、レーザ光に対する表層22の反射率が、含んでいない部分(金属層21)に比して低くなっている(後記実施例、図7を参照)。
図5にレーザスクライブの様子を模式的に示す。図5右図に示されるように、表面に窒化物を含む層を備えていない態様では、レーザ光の吸収率が低いため、導電層20の下地にダメージを与えない低出力のレーザによる加工が難しい。図5右図のように、電極層の分離溝にて導電層が残存すると、太陽電池モジュールにおいてセル間で電気的にリークを生じて性能不良の原因となりうる。
図5の左図は本実施形態の電極付き基板1の導電層20にレーザスクライブを施す様子を示した模式図である。このように、導電層20の表層22が窒化物を含む層であるので、レーザ光の吸収率が高く、従って、導電層20の下地にダメージを与えない低出力のレーザであっても、導電層20のレーザ照射部分を良好に除去することができる。
導電層20のレーザスクライブでは、表層22の吸収率が高くなっているだけでも、アブレーションを生じるため、より低出力のレーザにて、良好に分離溝形成領域の導電層20を除去できることを本発明者は確認している(後記実施例を参照)。
上記のように、電極付き基板1は、従来の裏面電極に比して分離溝の形成領域のレーザ光の吸収率が高いので、裏面電極に分離溝を形成する必要がある集積化太陽電池サブモジュールにおいて、電極付き基板10を用いることにより、導電層20の下地へのダメージの少ない低出力のレーザにて、残渣なく良好に導電層20の分離溝の形成を実施することができる。
以下に、上述の裏面電極(導電層20)以外の電極付き基板1及び光電変換層2,2’を構成する各層の詳細について説明する。
(基板)
基板10としては特に制限されず、例えばガラス基板や、陽極酸化アルミニウム基板、また樹脂基板等の可撓性基板等を用いることができる。
図4は基板10の好適な態様である陽極酸化基板の具体的な形態10Aおよび10Bの概略断面図を示すものである。基板10A,10Bは基材11の少なくとも一方の面側を陽極酸化して得られた基板である。基材11は、Alを主成分とするAl基材、Feを主成分とするFe材(例えば、SUS)の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl材が複合された複合基材、あるいはFeを主成分とするFe材の少なくとも一方の面側にAlを主成分とするAl膜が成膜された基材であることが好ましい。
図4の左図に示す基板10Aは、基材11の両面に陽極酸化膜12が形成されたものであり、図4の右図に示す基板10Bは、基材11の片面に陽極酸化膜12が形成されたものである。陽極酸化膜12はAl23を主成分とする膜である。デバイスの製造過程において、AlとAl23との熱膨張係数差に起因した基板の反り、およびこれによる膜剥がれ等を抑制するには、図4の左図に示すように基材11の両面に陽極酸化膜12が形成されたものがより好ましい。
陽極酸化は、必要に応じて洗浄処理・研磨平滑化処理等が施された基材11を陽極とし陰極と共に電解質に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加する周知の方法で行うことができる。
基材11および陽極酸化膜12の厚みは特に制限されない。基板10の機械的強度および薄型軽量化等を考慮すれば、陽極酸化前の基材11の厚みは例えば0.05〜0.6mmが好ましく、0.1〜0.3mmがより好ましい。基板の絶縁性、機械的強度、および薄型軽量化を考慮すれば、陽極酸化膜12の厚みは例えば0.1〜100μmが好ましい。
さらに、基板10は、陽極酸化膜12上にソーダライムガラス(SLG)層が設けられたものであってもよい。ソーダライムガラス層を備えることにより、光電変換層にNaを拡散させることができる。光電変換層がNaを含むことにより、光電変換効率をさらに向上させることができる。
(光電変換層)
光電変換層30の主成分は、カルコゲン含有化合物半導体であれば特に制限されない。カルコゲン含有化合物半導体としては、IIb族元素およびVIb族元素からなる少なくとも1種の化合物半導体(少なくとも1種のII−VI族半導体)、及び、Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体(少なくとも1種のI−III−VI族半導体)が挙げられ、少なくとも1種のI−III−VI族半導体であることが好ましい。
II−VI族半導体としては、CdTe等が挙げられる。
I−III−VI族半導体としては、CuおよびAgからなる群より選択された少なくとも1種のIb族元素と、
Al,GaおよびInからなる群より選択された少なくとも1種のIIIb族元素と、
S,Se,およびTeからなる群から選択された少なくとも1種のVIb族元素とからなる少なくとも1種の化合物半導体が挙げられる。
上記化合物半導体としては、
CuAlS2,CuGaS2,CuInS2
CuAlSe2,CuGaSe2
AgAlS2,AgGaS2,AgInS2
AgAlSe2,AgGaSe2,AgInSe2
AgAlTe2,AgGaTe2,AgInTe2
Cu(In,Al)Se2,Cu(In,Ga)(S,Se)2
Cu1-zIn1-xGaxSe2-yy(式中、0≦x≦1,0≦y≦2,0≦z≦1)(CI(G)S),
Ag(In,Ga)Se2,およびAg(In,Ga)(S,Se)2等が挙げられる。
特には、CuInGaSe2が好ましい。
光電変換層30の膜厚は特に制限されず、1.0〜3.0μmが好ましく、1.5〜2.5μmが特に好ましい。
(バッファ層)
バッファ層40は、CdS、ZnS、Zn(S,O)、Zn(S,O,OH)、を主成分とする層からなる。バッファ層40の膜厚は特に制限されず、10nm〜0.5μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。
(窓層)
窓層50は、光を取り込む中間層である。窓層50の組成としては特に制限されず、i−ZnO等が好ましい。窓層50の膜厚は特に制限されず、15〜200nmが好ましい。なお、窓層は任意の層であり、窓層50のない光電変換素子としてもよい。
(透明電極)
透明電極60は、光を取り込むと共に電極として機能する層である。透明電極60の組成としては特に制限されず、ZnO,ITO(インジウム錫酸化物),SnO,及びこれらの組み合わせが好ましい。かかる材料は、光透過性が高く、低抵抗であり好ましい。第2電極22は、これらの材料に所望の導電型となりうるドーパントが添加されたものである。ドーパントとしては、例えばGa,Al,B等の元素が挙げられ、ZnO:Al等のn−ZnO等が好ましい。透明電極60の膜厚は特に制限されず、50nm〜2μmが好ましい。
透明電極60は単層構造でもよいし、2層構造等の積層構造でもよい。第2の電極60は、バッファ層40側からi型の導電型を有するi層と、n型の導電型を有するn層(導電型は全体の層構成によってはp型)とが積層された2層構造であることが好ましい。
(取出し電極)
取出し電極70は、裏面電極20および透明電極60間に生じる電力を効率的に外部に取り出すための電極である。
取出し電極70の主成分としては特に制限されず、Al等が挙げられる。取出し電極70膜厚は特に制限されず、0.1〜3μmが好ましい。
(その他の構成)
光電変換素子2、2’は必要に応じて、上記で説明した以外の任意の層を備えることができる。例えば、基板として陽極酸化基板を用いた場合は、基板10と裏面電極20との間に、必要に応じて、層同士の密着性を高めるための密着層(緩衝層)やアルカリバリア層等を設けることができる。アルカリバリア層については、特開平8−222750号公報を参照されたい。
光電変換素子2,2’は、太陽電池として好ましく使用することができる。
例えば、上記の光電変換素子2、2’を多数集積化して太陽電池サブモジュールを形成し、必要に応じて、カバーガラス、保護フィルム等を取り付けて、太陽電池とすることができる。
なお、多数の光電変換素子(セル)が集積化された太陽電池(サブモジュール)においては、セル毎に取出し電極を設ける必要はなく、直列接続されたセルのうち、電力取出し端となるセルに設けられている。集積化太陽電池は、例えば、可撓性の長尺基板を用いてロール・トゥ・ロール方式にて、基板上に各層を形成する工程、集積化のためのパターニング(スクライブ)プロセスを含む光電変換素子形成工程、および素子形成された基板を1モジュールに切断する工程等を経て形成される。なお、ロール・トゥ・ロール方式による製造を行う場合には、スクライブ処理や、各処理工程での基板の巻き取り工程を伴うため、導電層と光電変換層との間の剥離の問題がより顕著となるので、導電層と光電変換層との高い密着性を有する本発明の光電変換素子が非常に有効である。
なお、本発明の電極付き基板1を用いた電変換素子は、太陽電池のみならずCCD等の他の用途にも適用可能である。
<太陽電池サブモジュール及びその製造方法>
本発明にかかる一実施形態の太陽電池サブモジュール及びその製造方法について、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態の太陽電池サブモジュール3の概略構成図である。視認しやすくするために各部の構成要素の縮尺は適宜変更して示してある。
図6に示される太陽電池サブモジュール3は、基板上に複数の太陽電池セルCが電気的に直列接続されて形成されてなるものであって、上記本発明の電極付き基板1上に、カルコゲンを含有する化合物半導体からなる光電変換層30と、透明電極60との積層構造を有する光電変換素子2(セルC)を備え、光電変換層30と透明電極60との間には、バッファ層40と、窓層50とを備えており、セルCに光が照射されることにより光電変換層30に生じる電流を透明電極60と裏面電極20によって取り出すものである。
太陽電池サブモジュール3は、基板10上に複数の太陽電池セルCが電気的に直列接続されて形成されてなる集積型太陽電池サブモジュールであり、図6において、裏面電極20のみを貫通する第1の開溝部71、光電変換層30とバッファ層40及び窓層50を貫通する第2の開溝部72、光電変換層30,バッファ層40,窓層50及び透明電極60を貫通する第3の開溝部73が形成されている。
上記構成では、第1〜第3の開溝部71〜73によって素子が多数のセルCに分離された構造が得られる。また、第2の開溝部72内に透明電極60が充填されることで、あるセルCの透明電極60が隣接するセルCの裏面電極20に直列接続した構造が得られる。
各構成要素の態様については、上記光電変換素子2及び2’の説明において述べたとおりである。
また、太陽電池サブモジュール3は、基板10上に、遷移金属を主成分とする導電層20(21)を形成する導電層成膜工程と、
導電層20の表層22に遷移金属Mの窒化物を形成する導電層窒化工程と、
導電層20の一部を、レーザを用いて除去して分離溝71を有する電極付き基板1’を形成する導電層除去工程と、
電極付き基板1’上に光電変換層30を蒸着法により形成する光電変換層形成工程とを含む。以下に、より具体的に、手順を説明する。
まず、基板10を用意し、基板10上に導電層20を形成する。
既に述べたように、導電層20は、表層に窒化物を含む層22を備えている。窒化物を含む層22の形成方法としては、大きく分けて、導電層20を成膜した後その表面を窒化して、金属層21と窒化物含有層22とを形成する方法と、金属層21を成膜した後、窒化物を含む層22を成膜する方法の2種類がある。
窒化物を含まない導電層20(金属層21)の製造方法は特に制限されないが、スパッタ法であることが好ましい。例えば、遷移金属としてMoを用い、スパッタ法により、Mo層(遷移金属層)を基板10上に形成する(導電層成膜工程)。
次に、表面を窒化することにより、金属層21と窒化物含有層22とを形成する場合は、窒化物を含まない導電層(Mo層)20の表面に、窒素プラズマ処理等を施すことにより、Mo層表層を窒化する。これにより、Mo層の表層に窒素を含む導電層20を形成することができる(導電層窒化工程)。かかる方法では、窒素の侵入深さは表面からせいぜい数nm〜10nm程度までであり、電子顕微鏡などの画像では、第1の導電層21と第2の導電層22との境界が目視できない。ただし、表面側から深さ方向へ組成分析を行えば、表層の数nm〜10nm程度の領域に窒素が含まれていることを確認することができる。
また、金属層21を成膜した後、窒化物を含む層22を成膜する場合は、金属層21上に、スパッタガス(Ar)中に窒素(N)を混入させた条件下で、反応性スパッタを行うことにより、窒化物含有層22(窒化モリブデン層22)を形成する(導電層窒化工程)。かかる方法では、スパッタの成膜時間等を調整することにより表層22の厚みを所望の厚みとすることができる。窒化モリブデン層22の厚みとしては100nm程度までが好ましい。
次に、導電層20の一部を、レーザスクライブにより除去して分離溝71を有する電極付き基板1’を形成する(導電層除去工程)。
レーザスクライブに用いるレーザとしては特に制限されず、紫外光〜赤外光までのレーザを利用することができる。特に、波長1064nm及びその第2次高調波である532nmのパルスレーザ等が、汎用性が高く好ましい。電極付き基板1は、既に述べたように、表層22が窒化物を含む層となっているため、レーザ光の吸収率が高い。後記する実施例に示されるように、電極付き基板1は、532nmのNd:YAGパルスレーザを用いて、スクライブ後に残渣を残すことなく分離溝71を形成することができる。
次に、電極付き基板1’(窒化物含有層22)の上に、カルコゲン含有化合物半導体系光電変換層30を蒸着法により形成する(光電変換層形成工程)。ここでは、CuInGaSe層を形成する場合を例に説明する。
蒸着法のうち、特に多源同時蒸着法が好適である。その代表的な方法としては、3段階法(J.R.Tuttle et.al, Mat.Res.Soc.Symp.Proc.,Vol.426(1996)p.143.等)と、ECグループの同時蒸着法(L.Stolt et al.:Proc.13th ECPVSEC(1995,Nice)1451.等)とが知られている。
3段階法は、高真空中で最初にIn、Ga、Seを基板温度400℃で同時蒸着し、次に500〜560℃に昇温してCu、Seを同時蒸着後、In、Ga、Seを更に同時蒸着する方法で、禁制帯幅が傾斜したグレーデッドバンドギャップCIGS膜が得られる。ECグループの方法は、蒸着初期にCu過剰CIGS、後半でIn過剰CIGSを蒸着するBoeing社の開発したバイレーヤー法をインラインプロセスに適用できるように改良したものである。バイレーヤー法は、W.E.Devaney,W.S.Chen,J.M.Stewart,and R.A.Mickelsen:IEEE Trans.Electron.Devices 37(1990)428.に記載されている。
3段階法及びECグループの同時蒸着法は共に、膜成長過程でCu過剰なCIGS膜組成とし、相分離した液相Cu2−xSe(x=0〜1)による液相焼結を利用するため、大粒径化が起こり、結晶性に優れたCIGS膜が形成されるという利点がある。更に、近年CIGS膜の結晶性を向上させるため、この方法に加えた種々の方法に関する検討が行われており、これらを用いてもよい。
CIGS膜の結晶性を向上させるため、上記方法に改良を加えた方法として、
a)イオン化したGaを使用する方法(H.Miyazaki, et.al, phys.stat.sol.(a),Vol.203(2006)p.2603.等)、
b)クラッキングしたSeを使用する方法(第68回応用物理学会学術講演会 講演予稿集(2007秋 北海道工業大学)7P−L−6等)、
c)ラジカル化したSeを用いる方法(第54回応用物理学会学術講演会 講演予稿集(2007春 青山学院大学)29P−ZW−10等)、
d)光励起プロセスを利用した方法(第54回応用物理学会学術講演会 講演予稿集(2007春 青山学院大学)29P−ZW−14等)等が知られている。
この光電変換層の形成の際に、CIGS層のVIb元素であるSeがMoと反応してMoSe2層25が部分的に形成される。
光電変換層30の形成後、光電変換層30の上にバッファ層40を形成する。バッファ層40としては、例えばCdSを、CBD法(化学浴析出法)等により形成する。
次いで、CdSバッファ層40の表面に窓層50として、たとえばZnO層を形成し、さらに、窓層50表面の所定の位置から、光電変換層30までの層(窓層50,バッファ層40,光電変換層30)を除去して分離溝72をパターン形成する。分離溝72の形成方法は特に制限されないが、メカニカルスクライブ等により形成することができる。
最後に、分離溝72及び窓層50の上面から、透明電極60として、例えばAl−ZnO層をスパッタ法により形成し、さらに、セルを分割する分離溝73をパターン形成して太陽電池サブモジュール3を得る。
基板として可撓性を有する基板を用いる場合、各成膜工程は、長尺な可撓性基板をロール状に巻回してなる供給ロール(巻出しロール)と、成膜済の基板をロール状に巻回する巻取りロールとを用いる、いわゆるロール・トゥ・ロール(Roll to Roll)方式を用いることが好ましい。
(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(電極付き基板の作製)
本発明の光電変換素子の実施例のサンプルを、以下の方法で作製した。
まず、3cm×3cm×1.1mmtのソーダライムガラス基板を用意し、アセトン,エタノール,純水にて各5分間超音波洗浄を施した。
その後スパッタ装置に基板を導入し、DCスパッタにて、DC電力1KW、Arガス圧0.5Pa、基板温度室温にて、基板上にMoをスパッタ成膜した。成膜時間は35minとした。その後一旦スパッタを中断し、成膜チャンバー内に窒素ガスを導入した。このとき成膜圧力を0.5Paに保ったまま、Arガスと窒素ガスの流量比を、各実施例毎に調整した(表1)。ガス圧と流量が調整できたらスパッタ(反応性スパッタ)を再開し、所定の時間放電させ(表1)、先に形成されているMo層の表面に窒化モリブデンを成膜して本発明の電極付き基板を得た。このとき、Mo層は450nmと窒化モリブデン層は50nmであった。
なお、上記手順において、反応性スパッタ時のArガスとNガスとの流量比は、Arガス1に対して、Nガスを0、0.1、0.3、1の各割合とした。ここで、Nガスが0のときが、Arガスのみの雰囲気中でスパッタをするものであり、窒化モリブデンを備えていない比較例となる。
ガスが0.1、0.3および1のそれぞれの条件下で作製した電極付き基板がそれぞれ実施例1〜3である。Nガスが1のとき、Ar:N=1:1の雰囲気である。
(評価)
<反射率及びシート抵抗の測定>
得られた各電極付き基板について、電極表面の反射率を、日立製U-4000形分光光度計を用いて測定した。測定は、波長532nm,1064nm,355nmの各波長に対して実施した。
また、各電極付き基板の電極表面のシート抵抗値を、三菱化学の抵抗率計ロレスタを用いて四探針法により測定した。
反射率及びシート抵抗値の測定結果を、各実施例のArガスと窒素ガスの流量比と及び放電時間と併せて表1に示す。また、反射率の波長依存性を示すグラフを図7に示す。
図7に示されるように、表面の窒素含有量(窒素導入量)が多くなるにつれて反射率が低くなることが確認され、更に、窒化度によって反射率(吸収率)を任意に決定できることが確認された。図7には、最も低下率の低いところでも、95%以下になっていることが示されている。特に、赤外域において、低下率が高く、高い効果が確認された。
更に、図7には、窒化度が高くなるにつれ、波長依存性のグラフがフラットになっていることが示されている。グラフがフラットになればなるほど、波長による反射率の急激な変化がなくなり、スクライブの加工性の安定性が高いものとなり好ましい。
また、表1には、表層に窒素を含有させても、素子に必要なシート抵抗は確保されることが示されている。
<クロスカット試験>
次に、光電変換層(半導体層)として、裏面電極上に、いわゆる3段階法によりCu(In0.7Ga0.3)Seを2μm成膜した。3段階法における2、3段階目の基板温度を550℃とした。なお、Kセル(knudsen-Cell:クヌーセンセル)を蒸発源として用いた。
次いで、光電変換層(CIGS層)の表面にCdSバッファ層を、50nmの厚さにCBD法(化学浴析出法)により成膜し、その上に、窓層としてZnO層を、50nmの厚さにスパッタ法により形成し、さらに、透明電極としてAl−ZnO層を、300nmの厚さにスパッタ法により形成した。最後に、Al−ZnO層の表面に、取出し電極として、Al層を蒸着法により形成した。
実施例と比較例の各方法で作製したサンプルについて、JIS規格(JIS−K5600)に基づきクロスカット試験を行った。カット間隔を1mmとし、付着力(密着力)試験後の25個の碁盤目およびカット交差部の剥がれ状況により密着性を判断した。剥がれたマスの個数をパーセントで評価し、剥離無し(100%)を10点、全面剥離(0%)を0点としてランク付けをした。
各実施例および比較例について、粘着力が0.5〜24.5N/25mmの複数の粘着テープを用いて密着力(テープ粘着力)とクロスカット試験評価値を図8に示す。
図8に示すように、モリブデン層のみの場合と比較して実施例のように、導電層の表層に窒化モリブデン層を備えることにより、密着力を向上させることができた。実施例1であっても、比較例に対し十分な効果があるが、特に実施例2のようにN=0.3では大幅に密着力が改善し、さらにNが増加するほど、密着力が向上することが分かった。
これは、窒化モリブデン中に含まれる窒素量が多いほど、MoSeが形成されにくくなっているためと考えられる。
なお、各例の窒化度の評価は、上記実施例と同様の条件で基板上に窒化モリブデンを成膜したもの(成膜時間は45min)に対して行った。評価方法は、窒化モリブデン膜に対して、管球としてCuを用いたX線構造解析を行い、X線回折による回折ピーク位置からASTMカードを用いて窒化度を見積もる方法を採用した。各実施例及び比較例のXRDスペクトルを図9に示す。
図9において、比較例のMoの(110)ピークが、実施例1(N=0.1)ではブロードになり左側にシフトしている。これは体心立方構造のMo結晶の格子間にNが入り込んで格子が歪んだことによると考えられる。一方、実施例2(N=0.3)、実施例3(N=1)では、MoNの(111)ピークが観察され、結晶構造が変化していた。
なお、スパッタ法におけるArとNガスの流量比と、成膜された膜中のN含有量については、”K.K. Shih and D.B. Dove, Properties of W-N and Mo-N films prepared by reactive sputtering, J. Vac. Sci. Technol. A 8(3), May/Jun 1990, pp.1359-1363.”に記載されている(fig. 9,本明細書図10に示す)。上記方法により得られた傾向と、この文献に記載されている傾向とは略同様のものであることが確認されており、今回の見積もり方法の妥当性が確認された。
<レーザスクライブ>
実施例及び比較例の電極付き基板に対して、レーザスクライブにより分離溝を形成してその加工性を評価した。レーザには、波長が532nmであるNd:YAGパルスレーザを用いた。パルス幅は25ns、走査速度は40mm/s、レーザ強度は0.3W/cmであった。
レーザスクライブにより形成された分離溝部分を光学顕微鏡で観察し、Moの残存の有無を評価した。評価において、少しでも残存がある場合には不適と判断した。実施例は全て残存無し、比較例は残存ありであった。
1 電極付き基板
1’ 分離溝付き電極付き基板
2,2’ 光電変換素子
3 太陽電池サブモジュール
10、10A、10B 基板
11 基材
12 陽極酸化膜
20 導電層(裏面電極)
21 金属層
22 窒化物を含む層(窒化物含有層、導電層の表層)
25 遷移金属二カルコゲニド層
30 光電変換層
40 バッファ層
50 窓層
60 透明電極
70 取出し電極(グリッド電極)
71,71,73 分離溝

Claims (15)

  1. カルコゲン含有化合物半導体系光電変換素子に用いられる電極付き基板であって、
    基板上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層を備え、
    該導電層の少なくとも前記基板と反対側の表層が前記遷移金属の窒化物を含む層であることを特徴とする電極付き基板。
  2. 前記窒化物を含む層における前記遷移金属に対する前記窒素の含有量が5at%以上であることを特徴とする請求項1に記載の電極付き基板。
  3. 前記表層の所定の波長の光に対する反射率が、前記単一の遷移金属の前記反射率の95%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電極付き基板。
  4. 前記表層の前記反射率が、前記単一の遷移金属の前記反射率の90%以下であることを特徴とする請求項3に記載の電極付き基板。
  5. 前記所定の波長が、532nm又は1064nmであることを特徴とする請求項3又は4に記載の電極付き基板。
  6. 前記遷移金属がMoであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電極付き基板。
  7. 基板上に複数の太陽電池セルが電気的に直列接続されて形成されてなる太陽電池サブモジュールにおいて、
    請求項1〜6のいずれかに記載の電極付き基板上に、
    カルコゲンを含有する化合物半導体からなる光電変換層と、
    透明電極との積層構造を有する光電変換素子を備えたことを特徴とする太陽電池サブモジュール。
  8. 前記化合物半導体が、Ib族元素、IIIb族元素およびVIb族元素を含有するものであることを特徴とする請求項7に記載の太陽電池サブモジュール。
  9. 前記Ib族元素が、Cuであり、
    前記IIIb族元素が、Al,Ga及びInからなる群より選択された少なくとも1種であり、
    前記VIb族元素が、Seであることを特徴とする請求項9に記載の太陽電池サブモジュール。
  10. 基板上に、単一の遷移金属を主成分とする導電層と、カルコゲンを含有する化合物半導体からなる光電変換層と、透明導電層との積層構造を有する光電変換素子を備えた太陽電池サブモジュールの製造方法であって、
    前記基板上に、前記導電層を形成する導電層成膜工程と、
    該導電層の表層に該遷移金属の窒化物を形成する導電層窒化工程と、
    前記導電層の一部を、レーザを用いて除去して分離溝を有する電極付き基板を形成する導電層除去工程と、
    該電極付き基板上に前記光電変換層を蒸着法により形成する光電変換層形成工程とを含むことを特徴とする太陽電池サブモジュールの製造方法。
  11. 前記化合物半導体が、Ib族元素、IIIb族元素およびVIb族元素を含有するものであることを特徴とする請求項10に記載の太陽電池サブモジュールの製造方法。
  12. 前記導電層窒化工程において、前記遷移金属の窒化物の形成を、窒素プラズマ処理により実施することを特徴とする請求項10又は11に記載の太陽電池サブモジュールの製造方法。
  13. 前記導電層窒化工程において、前記遷移金属の窒化物の形成を、スパッタガス中に窒素を混入させた条件下で、反応性スパッタリングにより実施することを特徴とする請求項10又は11に記載の太陽電池サブモジュールの製造方法。
  14. 前記レーザの波長が、532nm又は1064nmであることを特徴とする請求項10〜13のいずれかに記載の太陽電池サブモジュールの製造方法。
  15. 前記遷移金属がMoであることを特徴とする請求項10〜14のいずれかに記載の太陽電池サブモジュールの製造方法。
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