薄膜太陽電池、及びその製造方法
【課題】 光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができる生産性に優れた高効率な薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上２に、裏面電極３、光吸収層４、透明電極５が順次積層された薄膜太陽電池１であって、前記透明電極５の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である薄膜太陽電池１。
【解決手段】 基板上２に、裏面電極３、光吸収層４、透明電極５が順次積層された薄膜太陽電池１であって、前記透明電極５の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である薄膜太陽電池１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池、及びその製造方法に関し、特に光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、電気的損失を低減できる高効率な薄膜太陽電池、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率の薄膜太陽電池として、太陽光を吸収し発電する層である光吸収層を、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２（以下、ＣＩＧＳと記載する。尚、Ｃｕは銅、Ｉｎはインジウム、Ｇａはガリウム、Ｓｅはセレンである。）により構成されたものが知られている。
【０００３】
このような従来の薄膜太陽電池１０１は、例えば、図７に示すように、青板ガラスにより構成される基板１０２上に、Ｍｏ（モリブデン）により構成される裏面電極１０３を形成し、その上に光吸収層１０４としてＣＩＧＳ、バッファ層１０５ａ、１０５ｂとしてそれぞれＣｄＳ（Ｃｄはカドミウム、Ｓは硫黄である。）とＺｎＯ（Ｚｎは亜鉛、Ｏは酸素である。）の２層を順次積層させ、更にＺｎＯの上にＺｎＯ：Ａｌ等（Ａｌはアルミニウムである。）の透明電極１０６を積層させ、裏面電極１０３と透明電極１０６との上に、ＮｉＣｒ／Ａｌ（Ｎｉはニッケル、Ｃｒはクロムである。）から構成される取り出し電極１０７をそれぞれ設けた構造になっており、太陽光が照射されることにより発電し、発電した電力を取り出し電極１０７から取り出している。このように従来の薄膜太陽電池では、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失（再結合電流）を低減するために、透明電極と光吸収層の間にバッファ層が設けられている。透明電極１０６を構成するものとしては、上記のＺｎＯ：Ａｌ以外にもＺｎＯ：Ｂ（Ｂはホウ素である。）、ＺｎＯ：Ｇａ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｔｉ（Ｔｉはチタンである。）、Ｉｎ２Ｏ３：Ｍｏ等が知られている。
【０００４】
また、人体に有害なＣｄを用いないために、バッファ層をＩｎＳ、ＺｎＳ、又はＺｎＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウムである。）薄膜等により構成した薄膜太陽電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、本発明者らは、生産効率を向上させるために、バッファ層をウェットプロセスによる化学析出法ではなく、裏面電極、光吸収層、透明電極、及び取り出し電極と同様にドライプロセスを用いて成膜できるように、バッファ層をＺｎＯ１−ＸＳＸ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成した薄膜太陽電池を発明した（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２３１７４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５１１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のいずれの薄膜太陽電池も透明電極と光吸収層間の伝導帯不連続量が整合しないため、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させ、高効率な薄膜太陽電池を作製するためには、透明電極と光吸収層との間にバッファ層を設ける必要があった。そのため、工程数が増加し、歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができる生産性に優れた高効率な薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の薄膜太陽電池は、基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、前記透明電極の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下であることを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載の薄膜太陽電池は、前記透明電極がＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載の薄膜太陽電池では、前記透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌは、前記伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにＸの値が決定されることを特徴としている。
【００１２】
請求項４記載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、該光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である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、前記透明電極をスパッタリング法により成膜することを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載の薄膜太陽電池の製造方法は、前記透明電極がＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、前記透明電極の成膜を、ＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備えるスパッタリング装置にて行うことを特徴としている。
【００１４】
請求項６記載の薄膜太陽電池の製造方法は、前記透明電極がＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、前記透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備えるスパッタリング装置にて行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の薄膜太陽電池によれば、基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極を順次積層し、該透明電極と前記光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下としている。このように透明電極の伝導帯の不連続量を光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下とすることにより、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができ、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、高効率な薄膜太陽電池を構成することができる。また、バッファ層なしで薄膜太陽電池を構成しているので、バッファ層の成膜プロセスを省略し、生産効率を向上させることができるとともに、生産コストを軽減することができる。
【００１６】
請求項２記載の薄膜太陽電池によれば、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、透明電極がドライプロセスにより成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されているので、裏面電極、光吸収層と共に透明電極を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、バッファ層を設けることなく、透明電極をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成しているので、人体に有害なＣｄは使用されないため安全であり、Ｃｄを含む廃液処理に係る問題も発生しない。
【００１７】
請求項３記載の薄膜太陽電池によれば、透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：ＡｌのＸの値を制御することで、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させているので、高効率な薄膜太陽電池を得ることができる。
【００１８】
請求項４記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、バッファ層を設けることなく、光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である透明電極を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、光吸収層と共に透明電極を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とともに、生産コストを軽減することができる。また、廃液処理に係る問題も発生しない。
【００１９】
請求項５記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、透明電極の成膜をＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源を備えるスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を制御することができる。これにより、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができるので、高効率な薄膜太陽電池を製造することができる。
【００２０】
請求項６記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源を備えるスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：ＡｌのＸの値を制御することができる。これにより、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができるので、高効率な薄膜太陽電池を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池の一例を示す概略模式図である。
【図２】透明電極と光吸収層との間の伝導帯不連続量について説明するための概略説明図。
【図３】伝導帯不連続量と薄膜太陽電池の効率との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】透明電極を成膜するスパッタリング装置の概略断面模式図である。
【図６】薄膜太陽電池の効率を示すグラフである。
【図７】従来の薄膜太陽電池の一例を示す概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る薄膜太陽電池１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。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、該光吸収層４上の全域に透明電極５が積層されている。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５上の一部とには、それぞれ取り出し電極６が成膜されており、この取り出し電極６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。
【００２３】
薄膜太陽電池１では、透明電極５を例えばドライプロセスで成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成した場合には、裏面電極３、光吸収層４、取り出し電極６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。
【００２４】
また、薄膜太陽電池１は、図２に示すように、透明電極５の伝導帯の不連続量ΔＥｃを光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにしている。図２は、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃについて概念的に示すものであり、ここでは、光吸収層４としてＣＩＧＳ、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いた場合を示している。また、Ｅｇ１は光吸収層４の禁制帯幅、Ｅｃ１は光吸収層４の伝導帯の底、Ｅｖ１は光吸収層４の価電子帯の頂上をそれぞれ示しており、Ｅｇ２は透明電極５の禁制帯幅、Ｅｃ２は透明電極５の伝導帯の底、Ｅｖ２は透明電極の価電子帯の頂上をそれぞれ示している。
【００２５】
この透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌは、Ｘの値を０≦Ｘ≦１の範囲で任意の値に制御（ＯとＳの組成比を制御）することができ、これにより、図２に示すように、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲になるように制御することができる。具体的には、例えば、光吸収層４が禁制帯幅Ｅｇ１＝１．１ｅＶを有するＣＩＧＳにより構成されている場合には、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を０．１５〜０．２０になるように制御することにより、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを約０．１ｅＶに制御することができる。尚、図２における伝導帯不連続量ΔＥｃの値（０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下）は、図３に示すように、伝導帯不連続量ΔＥｃと薄膜太陽電池の効率との関係に基づいて定めている。
【００２６】
図３は、University of Illinois（イリノイ大学）で開発されたｗｘＡＭＰＳというソフトウェアを用いて、シミュレーションを行った結果を示すものである。このシミュレーション上でのデバイスの構造は、透明電極／ＣＩＧＳであり、界面再結合を考慮するために、界面の架空の再結合層を入れている。また、透明電極とＣＩＧＳ層の物性パラメータは、デフォルトの値と同一であり、透明電極の電子親和力の値を変えてΔＥｃを変化させている。この図３に示すように、薄膜太陽電池の効率は、伝導帯不連続量ΔＥｃが０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲において向上していることを示している。つまり、このように伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下にすることにより、光吸収層４と透明電極５の界面における再結合電流を低減して（光吸収層４と透明電極５間の電気的マッチングを行って）、光吸収層４と透明電極５の界面での電気的損失を低減させることができる。これにより、薄膜太陽電池１では、光吸収層４と透明電極５との間に従来のようにバッファ層を設けることなく、高い効率を実現することができる。尚、図３では、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いた場合を例として示しているが、透明電極５としてＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌを用いた場合も同様にＸの値を制御（ＭｇとＯの組成比を制御）し、光吸収層４とＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌにより構成される透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるように制御することができる。また、図３では、光吸収層４としてＣＩＧＳを用いた場合を例としているが、他の材料を用いて光吸収層４を構成した場合には、その材料に応じて、Ｘの値を決定することにより、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲になるようにすれば良い。
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池１の製造方法の一例について図４のフローチャートを参照しつつ説明する。薄膜太陽電池１は、図４に示す各工程により製造される。まず、Ｓ１０１において、基板２として用いられる青板ガラスを超音波洗浄法等により洗浄する。尚、基板２としては青板ガラスの他に白板ガラス等を用いることもできるが、青板ガラスを用いることにより薄膜太陽電池１の生産コストを軽減することができる。また、基板２には可塑性を有する材料として、例えば、ステンレス箔、チタン箔、ポリイミドフィルム、アルミ箔、銅箔等を使用することもできる。これにより、フレキシブル太陽電池を作製することもできる。
【００２８】
次に、Ｓ１０２において、基板２上に裏面電極３を成膜する。裏面電極３としては、例えば、Ｍｏを用いることができ、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うことができる。尚、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）等を用いても良い。また、これらを用いた場合も同様に、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。
【００２９】
次に、Ｓ１０３において、裏面電極３上に光吸収層４を成膜する。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。尚、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。また、光吸収層４を構成するＣＩＧＳは、禁制帯幅が１．１〜１．２ｅＶ程度で、典型的な組成比としては、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．２〜０．３程度、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．６〜１．０程度（但し、１．０は超えない）である。
【００３０】
次に、Ｓ１０４において、光吸収層４上に透明電極５を成膜する。薄膜太陽電池１では、透明電極５として、例えば、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いており、その膜厚は０．２μｍ程度である。この透明電極５の成膜は、二元同時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５に示すようなスパッタリング装置７を用いて行なうことができる。
【００３１】
このスパッタリング装置７は、図５に示すように、不図示の真空ポンプが接続される排気口８及び不図示のＡｒ（アルゴン）ガス供給源が接続されるガス導入口９が側面に形成されたチャンバー１０と、該チャンバー１０の内部に設けられ、基板２を支持すると共にシャフト１１に接続される基板ホルダー１２と、ＺｎＯを含有する第１スパッタリングターゲット１３とＺｎＳを含有する第２スパッタリングターゲット１４の上方にそれぞれ設けられるシャッター１５，１６と、第１スパッタリングターゲット１３に電気的マッチング調整用のキャパシタ１７を介して電力を供給するＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１８と、第２スパッタリングターゲット１４に電気的マッチング調整用のキャパシタ１９を介して電力を供給するＲＦ電源２０とを備えている。尚、第１スパッタリングターゲット１３と第２スパッタリングターゲット１４の２種類のいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加しており、具体的には、第１スパッタリングターゲット１３としてＺｎＯ：Ａｌ２Ｏ３、第２スパッタリングターゲット１４としてＺｎＳ：Ａｌ２Ｏ３のいずれか一方又は両方を用いている。
【００３２】
基板ホルダー１２は、チャンバー１０の上方に配置されており、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している。また、基板ホルダー１２は、不図示の回転駆動源にシャフト１１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１３上と、第２スパッタリングターゲット１４上とを交互に通過するように回転するようになっている。
【００３３】
シャッター１５、１６は、チャンバー１０内の下方に並べられた状態で配設されている第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方にそれぞれ配設されており、透明電極５を成膜する時以外に、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４からのスパッタが飛散するのを防止するためのものである。尚、シャッター１５、１６は、透明電極５を成膜する際には、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方から取り除かれる。
【００３４】
このようなスパッタリング装置７を用いて透明電極５を成膜する際には、所定流量のＡｒが、チャンバー１０内を流れるよう排気口８に接続されている真空ポンプとガス導入口９に接続されているＡｒガス供給源を調整すると共に、シャッター１５、１６を第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方から取り除く。そして、基板ホルダー１２をシャフト１１を介して接続されている回転駆動源により回転させると共に、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４にそれぞれＲＦ電源１８、２０から電力を供給することにより透明電極５を成膜する。また、ＲＦ電源１８、２０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１３及び第２スパッタリングターゲット１４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、透明電極５を成膜する際には、ＲＦ電源１８により第１スパッタリングターゲット１３に供給する電力、及びＲＦ電源２０により第２スパッタリングターゲット１４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、透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を任意に制御することができる。
【００３５】
次に、Ｓ１０５において、裏面電極３上及び透明電極５上に取り出し電極６を成膜する。取り出し電極６としては、例えば、ＮｉＣｒ／Ａｌを用いており、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。尚、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６が不要な場合は、本工程を省略することができる。
【００３６】
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るので、生産効率を向上させることができる。更に、薄膜太陽電池１では、バッファ層５を設ける必要がないので、その分の工程を省略することができ、より生産効率を向上させることができるとともに、生産コストを軽減することができる。また、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も生じないと共に、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。
【００３７】
尚、図５では、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを成膜する場合を例に説明しているが、透明電極５としてＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌを成膜しても良い。この場合には、ＭｇＯとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲット１３，１４を用いて成膜を行えば良い。
【００３８】
以下、透明電極５をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌにより構成した場合の薄膜太陽電池１の効率について図６を参照しつつ説明する。図６では、横軸に透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を、縦軸に薄膜太陽電池１の効率を示している。薄膜太陽電池１の効率は、図６に示すように、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値（ＯとＳの組成比）に依存する。これは、Ｘの値により光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量が変化するからである。透明電極５をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌにより構成した場合の薄膜太陽電池１では、図６に示すように、Ｘの値が０．１５〜０．２０付近の範囲で、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合がとれた状態（伝導帯不連続量ΔＥｃ≒０．１ｅＶ）となり、約８〜８．６％という良好な変換効率を得ることができる。今回の実験では、X＝０．２５で急激に効率が低下しているが、これはX=０．２５のＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ膜が高抵抗を示したためである。従って、Ａｌ量や酸素欠損量などの組成の最適化を行えば、X=０．２５でも低抵抗を示すＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌが作製可能である。
【００３９】
尚、図６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の禁制帯幅が１．１ｅＶで、組成比がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．３、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．９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。つまり、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成により、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合がとれるＸの値は変化することになる。従って、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、透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を制御して、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合をとり、それらの界面における電気的損失を低減させることができる。このことは、このような制御ができないＣｄＳ等から構成されるバッファ層を設けた従来の薄膜太陽電池に対する本薄膜太陽電池１の大きな利点の１つである。
【００４０】
尚、本実施形態では薄膜太陽電池１の光吸収層４としてＣＩＧＳを用いた場合について示しているが、光吸収層４を、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳｅ４、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓｅ，Ｓ）４、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣｕＩｎＳ２系材料やＣu２ZｎSｎS４系材料により構成した場合でも、透明電極５の伝導帯不連続量を、これらの材料から構成される光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。また、透明電極５は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ及びＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）以外でも、伝導帯不連続量を、光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に制御することができる材料であれば、透明電極５として用いることができる。
【００４１】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る薄膜太陽電池は、生産性に優れた高効率な薄膜太陽電池として有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 薄膜太陽電池
２ 基板
３ 裏面電極
４ 光吸収層
５ 透明電極
６ 取り出し電極
７ スパッタリング装置
１３ 第１スパッタリングターゲット
１４ 第２スパッタリングターゲット
１８、２０ ＲＦ電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜太陽電池、及びその製造方法に関し、特に光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、電気的損失を低減できる高効率な薄膜太陽電池、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率の薄膜太陽電池として、太陽光を吸収し発電する層である光吸収層を、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２（以下、ＣＩＧＳと記載する。尚、Ｃｕは銅、Ｉｎはインジウム、Ｇａはガリウム、Ｓｅはセレンである。）により構成されたものが知られている。
【０００３】
このような従来の薄膜太陽電池１０１は、例えば、図７に示すように、青板ガラスにより構成される基板１０２上に、Ｍｏ（モリブデン）により構成される裏面電極１０３を形成し、その上に光吸収層１０４としてＣＩＧＳ、バッファ層１０５ａ、１０５ｂとしてそれぞれＣｄＳ（Ｃｄはカドミウム、Ｓは硫黄である。）とＺｎＯ（Ｚｎは亜鉛、Ｏは酸素である。）の２層を順次積層させ、更にＺｎＯの上にＺｎＯ：Ａｌ等（Ａｌはアルミニウムである。）の透明電極１０６を積層させ、裏面電極１０３と透明電極１０６との上に、ＮｉＣｒ／Ａｌ（Ｎｉはニッケル、Ｃｒはクロムである。）から構成される取り出し電極１０７をそれぞれ設けた構造になっており、太陽光が照射されることにより発電し、発電した電力を取り出し電極１０７から取り出している。このように従来の薄膜太陽電池では、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失（再結合電流）を低減するために、透明電極と光吸収層の間にバッファ層が設けられている。透明電極１０６を構成するものとしては、上記のＺｎＯ：Ａｌ以外にもＺｎＯ：Ｂ（Ｂはホウ素である。）、ＺｎＯ：Ｇａ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ、Ｉｎ２Ｏ３：Ｔｉ（Ｔｉはチタンである。）、Ｉｎ２Ｏ３：Ｍｏ等が知られている。
【０００４】
また、人体に有害なＣｄを用いないために、バッファ層をＩｎＳ、ＺｎＳ、又はＺｎＭｇＯ（Ｍｇはマグネシウムである。）薄膜等により構成した薄膜太陽電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、本発明者らは、生産効率を向上させるために、バッファ層をウェットプロセスによる化学析出法ではなく、裏面電極、光吸収層、透明電極、及び取り出し電極と同様にドライプロセスを用いて成膜できるように、バッファ層をＺｎＯ１−ＸＳＸ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成した薄膜太陽電池を発明した（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２３１７４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５１１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のいずれの薄膜太陽電池も透明電極と光吸収層間の伝導帯不連続量が整合しないため、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させ、高効率な薄膜太陽電池を作製するためには、透明電極と光吸収層との間にバッファ層を設ける必要があった。そのため、工程数が増加し、歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができる生産性に優れた高効率な薄膜太陽電池、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の薄膜太陽電池は、基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、前記透明電極の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下であることを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載の薄膜太陽電池は、前記透明電極がＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されることを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載の薄膜太陽電池では、前記透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌは、前記伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにＸの値が決定されることを特徴としている。
【００１２】
請求項４記載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、該光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である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、前記透明電極をスパッタリング法により成膜することを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載の薄膜太陽電池の製造方法は、前記透明電極がＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、前記透明電極の成膜を、ＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備えるスパッタリング装置にて行うことを特徴としている。
【００１４】
請求項６記載の薄膜太陽電池の製造方法は、前記透明電極がＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、前記透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備えるスパッタリング装置にて行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の薄膜太陽電池によれば、基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極を順次積層し、該透明電極と前記光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下としている。このように透明電極の伝導帯の不連続量を光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下とすることにより、透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができ、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、高効率な薄膜太陽電池を構成することができる。また、バッファ層なしで薄膜太陽電池を構成しているので、バッファ層の成膜プロセスを省略し、生産効率を向上させることができるとともに、生産コストを軽減することができる。
【００１６】
請求項２記載の薄膜太陽電池によれば、光吸収層と透明電極との間にバッファ層を設けることなく、透明電極がドライプロセスにより成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されているので、裏面電極、光吸収層と共に透明電極を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、バッファ層を設けることなく、透明電極をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成しているので、人体に有害なＣｄは使用されないため安全であり、Ｃｄを含む廃液処理に係る問題も発生しない。
【００１７】
請求項３記載の薄膜太陽電池によれば、透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：ＡｌのＸの値を制御することで、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させているので、高効率な薄膜太陽電池を得ることができる。
【００１８】
請求項４記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、バッファ層を設けることなく、光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である透明電極を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、光吸収層と共に透明電極を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とともに、生産コストを軽減することができる。また、廃液処理に係る問題も発生しない。
【００１９】
請求項５記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、透明電極の成膜をＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源を備えるスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を制御することができる。これにより、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができるので、高効率な薄膜太陽電池を製造することができる。
【００２０】
請求項６記載の薄膜太陽電池の製造方法によれば、透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源を備えるスパッタリング装置にて行うので、成膜されるＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：ＡｌのＸの値を制御することができる。これにより、透明電極と光吸収層との間の伝導帯の不連続量を０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにして透明電極と光吸収層の界面での電気的損失を低減させることができるので、高効率な薄膜太陽電池を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池の一例を示す概略模式図である。
【図２】透明電極と光吸収層との間の伝導帯不連続量について説明するための概略説明図。
【図３】伝導帯不連続量と薄膜太陽電池の効率との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】透明電極を成膜するスパッタリング装置の概略断面模式図である。
【図６】薄膜太陽電池の効率を示すグラフである。
【図７】従来の薄膜太陽電池の一例を示す概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る薄膜太陽電池１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。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、該光吸収層４上の全域に透明電極５が積層されている。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５上の一部とには、それぞれ取り出し電極６が成膜されており、この取り出し電極６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。
【００２３】
薄膜太陽電池１では、透明電極５を例えばドライプロセスで成膜可能なＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成した場合には、裏面電極３、光吸収層４、取り出し電極６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。
【００２４】
また、薄膜太陽電池１は、図２に示すように、透明電極５の伝導帯の不連続量ΔＥｃを光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにしている。図２は、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃについて概念的に示すものであり、ここでは、光吸収層４としてＣＩＧＳ、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いた場合を示している。また、Ｅｇ１は光吸収層４の禁制帯幅、Ｅｃ１は光吸収層４の伝導帯の底、Ｅｖ１は光吸収層４の価電子帯の頂上をそれぞれ示しており、Ｅｇ２は透明電極５の禁制帯幅、Ｅｃ２は透明電極５の伝導帯の底、Ｅｖ２は透明電極の価電子帯の頂上をそれぞれ示している。
【００２５】
この透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌは、Ｘの値を０≦Ｘ≦１の範囲で任意の値に制御（ＯとＳの組成比を制御）することができ、これにより、図２に示すように、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲になるように制御することができる。具体的には、例えば、光吸収層４が禁制帯幅Ｅｇ１＝１．１ｅＶを有するＣＩＧＳにより構成されている場合には、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を０．１５〜０．２０になるように制御することにより、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを約０．１ｅＶに制御することができる。尚、図２における伝導帯不連続量ΔＥｃの値（０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下）は、図３に示すように、伝導帯不連続量ΔＥｃと薄膜太陽電池の効率との関係に基づいて定めている。
【００２６】
図３は、University of Illinois（イリノイ大学）で開発されたｗｘＡＭＰＳというソフトウェアを用いて、シミュレーションを行った結果を示すものである。このシミュレーション上でのデバイスの構造は、透明電極／ＣＩＧＳであり、界面再結合を考慮するために、界面の架空の再結合層を入れている。また、透明電極とＣＩＧＳ層の物性パラメータは、デフォルトの値と同一であり、透明電極の電子親和力の値を変えてΔＥｃを変化させている。この図３に示すように、薄膜太陽電池の効率は、伝導帯不連続量ΔＥｃが０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲において向上していることを示している。つまり、このように伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下にすることにより、光吸収層４と透明電極５の界面における再結合電流を低減して（光吸収層４と透明電極５間の電気的マッチングを行って）、光吸収層４と透明電極５の界面での電気的損失を低減させることができる。これにより、薄膜太陽電池１では、光吸収層４と透明電極５との間に従来のようにバッファ層を設けることなく、高い効率を実現することができる。尚、図３では、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いた場合を例として示しているが、透明電極５としてＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌを用いた場合も同様にＸの値を制御（ＭｇとＯの組成比を制御）し、光吸収層４とＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌにより構成される透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるように制御することができる。また、図３では、光吸収層４としてＣＩＧＳを用いた場合を例としているが、他の材料を用いて光吸収層４を構成した場合には、その材料に応じて、Ｘの値を決定することにより、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量ΔＥｃを０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下の範囲になるようにすれば良い。
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池１の製造方法の一例について図４のフローチャートを参照しつつ説明する。薄膜太陽電池１は、図４に示す各工程により製造される。まず、Ｓ１０１において、基板２として用いられる青板ガラスを超音波洗浄法等により洗浄する。尚、基板２としては青板ガラスの他に白板ガラス等を用いることもできるが、青板ガラスを用いることにより薄膜太陽電池１の生産コストを軽減することができる。また、基板２には可塑性を有する材料として、例えば、ステンレス箔、チタン箔、ポリイミドフィルム、アルミ箔、銅箔等を使用することもできる。これにより、フレキシブル太陽電池を作製することもできる。
【００２８】
次に、Ｓ１０２において、基板２上に裏面電極３を成膜する。裏面電極３としては、例えば、Ｍｏを用いることができ、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うことができる。尚、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）等を用いても良い。また、これらを用いた場合も同様に、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。
【００２９】
次に、Ｓ１０３において、裏面電極３上に光吸収層４を成膜する。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。尚、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。また、光吸収層４を構成するＣＩＧＳは、禁制帯幅が１．１〜１．２ｅＶ程度で、典型的な組成比としては、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．２〜０．３程度、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が０．６〜１．０程度（但し、１．０は超えない）である。
【００３０】
次に、Ｓ１０４において、光吸収層４上に透明電極５を成膜する。薄膜太陽電池１では、透明電極５として、例えば、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを用いており、その膜厚は０．２μｍ程度である。この透明電極５の成膜は、二元同時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５に示すようなスパッタリング装置７を用いて行なうことができる。
【００３１】
このスパッタリング装置７は、図５に示すように、不図示の真空ポンプが接続される排気口８及び不図示のＡｒ（アルゴン）ガス供給源が接続されるガス導入口９が側面に形成されたチャンバー１０と、該チャンバー１０の内部に設けられ、基板２を支持すると共にシャフト１１に接続される基板ホルダー１２と、ＺｎＯを含有する第１スパッタリングターゲット１３とＺｎＳを含有する第２スパッタリングターゲット１４の上方にそれぞれ設けられるシャッター１５，１６と、第１スパッタリングターゲット１３に電気的マッチング調整用のキャパシタ１７を介して電力を供給するＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源１８と、第２スパッタリングターゲット１４に電気的マッチング調整用のキャパシタ１９を介して電力を供給するＲＦ電源２０とを備えている。尚、第１スパッタリングターゲット１３と第２スパッタリングターゲット１４の２種類のいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加しており、具体的には、第１スパッタリングターゲット１３としてＺｎＯ：Ａｌ２Ｏ３、第２スパッタリングターゲット１４としてＺｎＳ：Ａｌ２Ｏ３のいずれか一方又は両方を用いている。
【００３２】
基板ホルダー１２は、チャンバー１０の上方に配置されており、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している。また、基板ホルダー１２は、不図示の回転駆動源にシャフト１１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１３上と、第２スパッタリングターゲット１４上とを交互に通過するように回転するようになっている。
【００３３】
シャッター１５、１６は、チャンバー１０内の下方に並べられた状態で配設されている第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方にそれぞれ配設されており、透明電極５を成膜する時以外に、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４からのスパッタが飛散するのを防止するためのものである。尚、シャッター１５、１６は、透明電極５を成膜する際には、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方から取り除かれる。
【００３４】
このようなスパッタリング装置７を用いて透明電極５を成膜する際には、所定流量のＡｒが、チャンバー１０内を流れるよう排気口８に接続されている真空ポンプとガス導入口９に接続されているＡｒガス供給源を調整すると共に、シャッター１５、１６を第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４の上方から取り除く。そして、基板ホルダー１２をシャフト１１を介して接続されている回転駆動源により回転させると共に、第１スパッタリングターゲット１３及び第２スパッタリングターゲット１４にそれぞれＲＦ電源１８、２０から電力を供給することにより透明電極５を成膜する。また、ＲＦ電源１８、２０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１３及び第２スパッタリングターゲット１４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、透明電極５を成膜する際には、ＲＦ電源１８により第１スパッタリングターゲット１３に供給する電力、及びＲＦ電源２０により第２スパッタリングターゲット１４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、透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を任意に制御することができる。
【００３５】
次に、Ｓ１０５において、裏面電極３上及び透明電極５上に取り出し電極６を成膜する。取り出し電極６としては、例えば、ＮｉＣｒ／Ａｌを用いており、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。尚、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６が不要な場合は、本工程を省略することができる。
【００３６】
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るので、生産効率を向上させることができる。更に、薄膜太陽電池１では、バッファ層５を設ける必要がないので、その分の工程を省略することができ、より生産効率を向上させることができるとともに、生産コストを軽減することができる。また、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も生じないと共に、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。
【００３７】
尚、図５では、透明電極５としてＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌを成膜する場合を例に説明しているが、透明電極５としてＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌを成膜しても良い。この場合には、ＭｇＯとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲット１３，１４を用いて成膜を行えば良い。
【００３８】
以下、透明電極５をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌにより構成した場合の薄膜太陽電池１の効率について図６を参照しつつ説明する。図６では、横軸に透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を、縦軸に薄膜太陽電池１の効率を示している。薄膜太陽電池１の効率は、図６に示すように、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値（ＯとＳの組成比）に依存する。これは、Ｘの値により光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量が変化するからである。透明電極５をＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌにより構成した場合の薄膜太陽電池１では、図６に示すように、Ｘの値が０．１５〜０．２０付近の範囲で、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合がとれた状態（伝導帯不連続量ΔＥｃ≒０．１ｅＶ）となり、約８〜８．６％という良好な変換効率を得ることができる。今回の実験では、X＝０．２５で急激に効率が低下しているが、これはX=０．２５のＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ膜が高抵抗を示したためである。従って、Ａｌ量や酸素欠損量などの組成の最適化を行えば、X=０．２５でも低抵抗を示すＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌが作製可能である。
【００３９】
尚、図６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の禁制帯幅が１．１ｅＶで、組成比がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．３、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）を０．９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。つまり、光吸収層４を構成するＣＩＧＳの組成により、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合がとれるＸの値は変化することになる。従って、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、透明電極５を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：ＡｌのＸの値を制御して、光吸収層４と透明電極５との間の伝導帯不連続量の整合をとり、それらの界面における電気的損失を低減させることができる。このことは、このような制御ができないＣｄＳ等から構成されるバッファ層を設けた従来の薄膜太陽電池に対する本薄膜太陽電池１の大きな利点の１つである。
【００４０】
尚、本実施形態では薄膜太陽電池１の光吸収層４としてＣＩＧＳを用いた場合について示しているが、光吸収層４を、例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎ（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ａｌ）Ｓ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳｅ４、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓｅ，Ｓ）４、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４等のＣｕＩｎＳ２系材料やＣu２ZｎSｎS４系材料により構成した場合でも、透明電極５の伝導帯不連続量を、これらの材料から構成される光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下とすることで、上記と同様の効果を得ることができる。また、透明電極５は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ及びＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）以外でも、伝導帯不連続量を、光吸収層４に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下に制御することができる材料であれば、透明電極５として用いることができる。
【００４１】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る薄膜太陽電池は、生産性に優れた高効率な薄膜太陽電池として有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 薄膜太陽電池
２ 基板
３ 裏面電極
４ 光吸収層
５ 透明電極
６ 取り出し電極
７ スパッタリング装置
１３ 第１スパッタリングターゲット
１４ 第２スパッタリングターゲット
１８、２０ ＲＦ電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、
前記透明電極の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】
前記透明電極は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成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。
【請求項３】
前記透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌは、前記伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにＸの値が決定されることを特徴とする請求項２記載の薄膜太陽電池。
【請求項４】
基板上に、裏面電極、光吸収層、該光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である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、
前記透明電極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。
【請求項５】
前記透明電極は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、
前記透明電極の成膜を、ＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備え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４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記透明電極は、Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、
前記透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備え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４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項１】
基板上に、裏面電極、光吸収層、透明電極が順次積層された薄膜太陽電池であって、
前記透明電極の伝導帯の不連続量は、前記光吸収層に対して０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】
前記透明電極は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成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。
【請求項３】
前記透明電極を構成するＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ又はＺｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌは、前記伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下となるようにＸの値が決定されることを特徴とする請求項２記載の薄膜太陽電池。
【請求項４】
基板上に、裏面電極、光吸収層、該光吸収層に対して伝導帯の不連続量が０ｅＶ以上０．５５ｅＶ以下である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、
前記透明電極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。
【請求項５】
前記透明電極は、ＺｎＯ１−ＸＳＸ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、
前記透明電極の成膜を、ＺｎＯとＺｎＳのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備え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４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記透明電極は、Ｚｎ１−ＸＭｇＸＯ：Ａｌ（但し、０≦Ｘ≦１）により構成されるものであって、
前記透明電極の成膜を、ＭｇOとＺｎＯのいずれか一方又は両方にＡｌ２Ｏ３を添加した２種類のスパッタリングターゲットと、該２種類のスパッタリングターゲットに加える電力をそれぞれ独立に制御できる電源と、を備え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４に記載の薄膜太陽電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８９６６９（Ｐ２０１３−８９６６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６７１５（Ｐ２０１１−２２６７１５）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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