説明

バッファ層の製造方法および光電変換素子

【課題】組成の均一なバッファ層を製造する。
【解決手段】基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子におけるバッファ層の製造方法において、バッファ層がCBD法により形成され、このCBD法によるバッファ層の析出が進行している間のバッファ層を形成する反応液のpH変動が0.5以内に調整され、反応液がCdまたはZnの金属と硫黄源を含むものとする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光電変換素子をなすバッファ層の製造方法および光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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CISあるいはCIGS系等の薄膜系とが知られている。CI(G)Sは、一般式Cu1-zIn1-xGaxSe2-yy(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系、x>0のときがCIGS系である。以下、CISとCIGSとを合わせて「CI(G)S」と表記する。
【0003】
CI(G)S系等の従来の薄膜系光電変換素子においては一般に、光電変換層とその上に形成される透光性導電層(透明電極)との間にCdSバッファ層や、環境負荷を考慮してCdを含まないZnSバッファ層が設けられている。バッファ層は、(1)光生成キャリアの再結合の防止、(2)バンド不連続の整合、(3)格子整合、および(4)光電変換層の表面凹凸のカバレッジ等の役割を担っており、CI(G)S系等では光電変換層の表面凹凸が比較的大きく、特に上記(4)の条件を良好に充たす必要性から、液相法であるCBD(Chemical Bath Deposition)法による成膜が好ましい。
【0004】
CBD法によってバッファ層を成膜させる場合、ZnまたはCd成分の拡散とZnSまたはCdSの成膜とが同時に進行するため、光電変換層の結晶性やその表面状態によって特性のばらつきを生じやすいものになってしまうという問題がある。このような観点から従来より組成の均一なバッファ層の製造方法が検討されており、反応液の組成を時間的に一定に保つためにさまざまな方法が提案されている。
【0005】
例えば、特許文献1には反応槽を隣接して複数設置しておき、基板を反応槽の一つに浸漬させ所定時間にわたって成膜処理を行うと共に、この成膜処理と並行して、成膜処理が終了した反応槽については反応液の交換を行うことを、反応槽を変更しながら順次反復する方法が記載されている。しかし、この方法では基板上面の成膜領域に常に新鮮な反応液を接触させることはできないため、基板全面に対する組成の均一化を保つことは困難である。
【0006】
一方、特許文献2にはp型の光電変換層にn型のドーパントを拡散させた後に、二種類の反応温度でバッファ層を形成する方法が記載されている。また、特許文献3にはCBD法による成膜形成の際、時間の経過と共に、化学反応により強アルカリ性溶液中にコロイド状の物質が徐々に形成することに着目し、このコロイド状の物質によりバッファ層の膜質の劣化や被覆性の低下が発生するという観点からコロイド状物質の発生を抑制する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2002−118068号公報
【特許文献2】特許第4320529号公報
【特許文献3】特開2002−343987号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記特許文献2に記載されている方法は、反応の進行と共に反応液の状態が変化するため実質的に組成の均一なバッファ層の製造は困難である。また特許文献3に記載されている方法は反応液の状態はある程度一定に保たれているはずであるが、実際には組成の均一なバッファ層は得られない。本発明者らが鋭意検討を行ったところ、反応液の状態の変化はバッファ層の反応液中の硫黄源化合物の分解反応に起因しており、これによって成膜されたバッファ層の組成が膜厚方向で変化することを見出し本発明に至った。なお、特許文献3に記載されているようなpHを10〜13の範囲に維持するといったレベルでは硫黄源化合物の分解反応を抑制することはできない。
【0009】
すなわち、本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、組成の均一なバッファ層を製造することが可能な製造方法および組成の均一なバッファ層を備えた光電変換素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のバッファ層の製造方法は、基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子における前記バッファ層の製造方法において、前記バッファ層がCBD法により形成され、該CBD法による前記バッファ層の析出が進行している間の前記バッファ層を形成する反応液のpH変動が0.5以内に調整され、前記反応液がCdまたはZnの金属と硫黄源を含むことを特徴とするものである。
【0011】
前記反応液のpHは、アンモニアまたはアンモニウム塩の少なくとも1つを含有する水溶液を随時添加することにより調整されることが好ましい。
あるいは前記反応液のpHは、前記反応液を連続的に交換することにより調整してもよいし、さらには前記反応液を一定時間毎に交換することにより調整してもよい。
前記基板が可撓性基板である場合、前記バッファ層の形成をロール・トゥ・ロール方式で連続的に行う態様としてもよい。
【0012】
本発明の光電変換素子は、基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子において、前記バッファ層がCdまたはZnの金属(M)の硫化物を含み、前記バッファ層の厚み方向における前記硫化物の硫黄と金属(M)のモル比(S/M)の変動が、前記光電変換半導体層と前記バッファ層の界面におけるバッファ層のモル比を基準として±10%以内であることを特徴とするものである。
【0013】
前記バッファ層は、CdS、ZnS、Zn(S,O)、Zn(S,O,OH)の中から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
前記バッファ層と前記透光性導電層との間に窓層を有していることがより好ましい。
【0014】
前記光電変換半導体層の主成分は、少なくとも1種のカルコパイライト構造の化合物半導体であることが好ましい。ここで、主成分とは20質量%以上の成分を意味し、以下、主成分とはこの意味で用いるものとする。
【0015】
前記光電変換半導体層の主成分は、CuおよびAgからなる群より選択される少なくとも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る少なくとも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る少なくとも1種のVIb族元素と、からなる少なくとも1種の化合物半導体であることがより好ましい。
【0016】
前記基板は、Alを主成分とするAl基材の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、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材が複合された複合基材の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、および、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の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板からなる群より選ばれる陽極酸化基板であることが好ましい。
前記基板は可撓性基板であることが好ましい。
【発明の効果】
【0017】
本発明のバッファ層の製造方法は、基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子におけるバッファ層の製造方法において、バッファ層がCBD法により形成され、CBD法によるバッファ層の析出が進行している間のバッファ層を形成する反応液のpH変動が0.5以内に調整され、反応液がCdまたはZnの金属と硫黄源を含むことを特徴としており、反応液のpH変動が0.5以内に調整されているので、反応液中の硫黄源化合物の分解反応を抑制することが可能であり、バッファ層の厚み方向における組成変動を効果的に抑えることができる。
【0018】
本発明の光電変換素子は、基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子において、バッファ層がCdまたはZnの金属(M)の硫化物を含み、バッファ層の厚み方向における硫化物の硫黄と金属(M)のモル比(S/M)の変動が、光電変換半導体層とバッファ層の界面におけるバッファ層のモル比を基準として±10%以内であり、バッファ層の厚み方向における組成が均一であるため、光電変換素子の変換効率のばらつきを抑制することができる。変換効率にばらつきが生じると、完成品検査において不良品が大量に発生して歩留まりが低くなり、結果、製造コストが高くなるが、本発明の光電変換素子にあっては変換効率のばらつきが低減されるので、歩留りがよく、製造コストを抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の一実施形態を示す光電変換素子の概略断面図である。
【図2】陽極酸化基板の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明のバッファ層の製造方法は、基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子におけるバッファ層の製造方法において、バッファ層がCBD法により形成され、このCBD法によるバッファ層の析出が進行している間のバッファ層を形成する反応液のpH変動が0.5以内に調整され、反応液がCdまたはZnの金属と硫黄源を含むことを特徴とする。
【0021】
CBD法とは、一般式 [M(L)i] m+ ⇔Mn++iL(式中、本発明においてMはCdまたはZnの金属元素、Lは配位子、m,n,i:正数を各々示す。)で表されるような平衡によって過飽和条件となる濃度とpHを有する金属イオン溶液を反応液として用い、金属イオンMの錯体を形成させることで、安定した環境で適当な速度で基板上に結晶を析出させる方法である。
【0022】
反応液のpH変動を0.5以内に調整する方法としては、第一に反応液にpH調整剤を添加する方法、第二に反応液を連続的に交換する方法、第三に反応液を一定時間毎に交換する方法を好ましく挙げることができる。以下、それぞれについて説明する。なお、反応液のpH変動の調整は、バッファ層の析出が進行している間、すなわちバッファ層の析出が始まって終わるまでのpH変動を0.5以内に調整することを意味する。また、本発明においてバッファ層を形成する反応液はCdまたはZnの金属(M)を含む化合物と硫黄源とアンモニアあるいはアンモニウム塩の少なくとも一つを含有しており、通常この反応液のpHの範囲は11〜13程度であり、この範囲で反応液のpH変動を0.5以内とすることが好ましい。
【0023】
反応液にpH調整剤を添加する方法としては、pHコントローラーで反応液のpHを監視しながらpH調整剤として、例えばアンモニアあるいはアンモニウム塩の少なくとも1つを含有する水溶液を用い、これを反応液に適宜添加することにより調整することができる。添加するpH調整剤の濃度は反応液の総量や反応温度によっても異なるが、アンモニア水溶液を添加する場合であれば反応液中に含まれるアンモニア濃度が一定となるように添加することが好ましい。
【0024】
反応温度は70〜95℃の範囲とすることが好ましい。反応温度が70℃未満では反応速度が遅くなり、薄膜が成長しないか、あるいは薄膜成長しても実用的な反応速度で所望の厚み(例えば50nm以上)を得ることが難しくなる。一方、反応温度が95℃を超えると、反応液中で気泡等の発生が多くなり、それが膜表面に付着したりして平坦で均一な膜が成長しにくくなる。さらに、反応が開放系で実施される場合には、溶媒の蒸発等による濃度変化などが生じ、安定した薄膜析出条件を維持することが難しくなる。反応温度はより好ましくは80〜90℃の範囲である。
【0025】
反応液を連続的に交換する方法としては、反応液を入れた反応槽に光電変換半導体層が形成された基板(以下、単に基板ともいう)を浸漬し、pH変動が0.5以内になるように一定の流量で新たな反応液を供給するとともに、余剰の反応液を排出する方法が挙げられる。例えば、基板を浸漬する反応槽と、反応槽とは別に反応液を保持するリザーブタンクと、このリザーブタンクと反応槽とを繋ぐ反応液供給流路と、反応槽から余剰の反応液を排出できる排出流路とが設けられた装置を準備し、反応液を入れた反応槽に基板を浸漬し、リザーブタンクから一定の流量で新たな反応液を供給するとともに、余剰の反応液を排出すれば反応液を連続的に交換してpH変動を0.5以内に調整することが可能である。このとき供給される新た反応液は反応槽に浸漬されている基板の光電変換半導体層表面近傍に供給されることが好ましい。また、添加する新たな反応液は反応槽内の反応液の温度を下げないように、70〜95℃、より好ましくは80〜90℃に加熱されて供給されることが好ましい。
【0026】
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)の成膜装置の場合には、例えば反応槽の供給ロール側にpH、温度を調整した新たな反応液を添加するとともに、反応槽の巻取りロール側から余剰の反応液を排出するようにすればよい。また、ロール・トゥ・ロール方式成膜装置で搬送される基板をストップ・アンド・ゴー方式で移動して成膜する場合には、ストップしている際に新たな反応液を添加するとともに、反応槽の巻取りロール側から余剰の反応液を排出するようにすることがより好ましい。
【0027】
上記のように反応液を連続的に交換する方法によれば、基板上の成膜領域に新鮮な反応液を接触させることが可能となり、より組成の均一なバッファ層を形成することが可能となる。なお、上記のロール・トゥ・ロール成膜装置の場合には可能性基板を用いることができるため、より低コストで光電変換素子を製造することが可能であり、光電変換素子が大面積化した場合であっても容易に対応することが可能である。
【0028】
反応液を一定時間毎に交換する方法としては、基板が浸漬された反応槽のpHをモニターしておき、析出進行時の反応液pH変動が0.5に達する前に、反応槽を新しい反応液で満たされた新たな反応槽と交換し、析出した膜の厚みが所望の膜厚となるまでこれを繰り返す方法が挙げられる。このとき、新たな反応槽に満たされる反応液の温度は70〜95℃、より好ましくは80〜90℃に加熱調整されていることが好ましい。
【0029】
本発明の製造方法に用いられる反応液はCdまたはZnの金属(M)と硫黄源を含むものである。これによって、CdS、ZnS、Zn(S,O)、Zn(S,O,OH)のバッファ層を形成することができる。硫黄源としては硫黄を含有する化合物、例えばチオ尿素(CS(NH22、チオアセトアミド(C25NS)等を用いることができる。
【0030】
CdSバッファ層の場合には、上記硫黄源と、Cd化合物(例えば硫酸カドミウム、酢酸カドミウム、硝酸カドミウム、クエン酸カドミウムおよびこれらの水和物等)と、アンモニア水あるいはアンモニウム塩(例えばCH3COONH4、NH4Cl、NH4Iおよび(NH42SO4等)との混合溶液を反応液として用いることができる。ZnS、Zn(S,O)、Zn(S,O,OH)などのZn化合物層からなるバッファ層の場合には、上記硫黄源と、Zn化合物(例えば硫酸亜鉛、酢酸亜鉛、硝酸亜鉛、クエン酸亜鉛およびこれらの水和物等)と、アンモニア水あるいはアンモニウム塩(上記と同様)との混合溶液を反応液として用いることができる。
【0031】
なお、Zn化合物層からなるバッファ層を形成する場合には、反応液にはクエン酸化合物(クエン酸ナトリウムおよび/またはその水和物)を含有させることが好ましい。クエン酸化合物を含有させることによって錯体が形成されやすく、CBD反応による結晶成長が良好に制御され、膜を安定的に成膜することができる。
【0032】
上記のように反応液のpH変動を0.5以内に調整されて製造されたバッファ層は、バッファ層の厚み方向における硫黄と上記金属(M)とのモル比の変動(S/M)が、光電変換半導体層とバッファ層の界面におけるバッファ層のS/Mを基準として±10%の範囲とすることが可能となる。
【0033】
次に図面を参照して、本発明の光電変換素子について説明する。図1は本発明の光電変換素子の一実施の形態を示す概略断面図である。なお、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。図1に示すように本発明の光電変換素子1は、基板10上に、下部電極(裏面電極)20と光電変換層30とバッファ層40と窓層50と透光性導電層(透明電極)60と上部電極(グリッド電極)70とが順次積層されたものである。
【0034】
基板10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。
【0035】
基板10は、図2の左図に示すように、基材11の両面に陽極酸化膜12が形成されたものでもよいし、図2の右図に示すように、基材11の片面に陽極酸化膜12が形成されたものでもよい。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2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。
【0036】
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ことで実施できる。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。電解質としては制限されず、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、およびアミドスルホン酸等の酸を、1種又は2種以上含む酸性電解液が好ましく用いられる。
【0037】
陽極酸化条件は使用する電解質の種類にもより特に制限されない。条件としては例えば、電解質濃度1〜80質量%、液温5〜70℃、電流密度0.005〜0.60A/cm2、電圧1〜200V、電解時間3〜500分の範囲にあれば適当である。
電解質としては、硫酸、リン酸、シュウ酸、若しくはこれらの混合液が好ましい。かかる電解質を用いる場合、電解質濃度4〜30質量%、液温10〜30℃、電流密度0.05〜0.30A/cm2、および電圧30〜150Vが好ましい。
【0038】
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。
【0039】
下部電極(裏面電極)20の主成分としては特に制限されず、Mo,Cr,W,およびこれらの組合わせが好ましく、Mo等が特に好ましい。下部電極(裏面電極)20の膜厚は制限されず、200〜1000nm程度が好ましい。
【0040】
光電変換層30の主成分としては特に制限されず、高光光電変換効率が得られることから、少なくとも1種のカルコパイライト構造の化合物半導体であることが好ましく、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種の化合物半導体であることがより好ましい。
光電変換層30の主成分としては、
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種の化合物半導体であることが好ましい。
【0041】
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。
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、1.5〜2.0μmが特に好ましい。
【0042】
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り、上記の本発明のバッファ層の製造方法により製造された膜である。バッファ層40の導電型は特に制限されず、n型等が好ましい。バッファ層40の膜厚は特に制限されず、10nm〜2μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。
【0043】
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、10nm〜2μmが好ましく、15〜200nmがより好ましい。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。
【0044】
透光性導電層(透明電極)60は、光を取り込むと共に、下部電極20と対になって、光電変換層30で生成された電流が流れる電極として機能する層である。透光性導電層60の組成としては特に制限されず、ZnO:Al等のn−ZnO等が好ましい。透光性導電層60の膜厚は特に制限されず、50nm〜2μmが好ましい。
上部電極(グリッド電極)70の主成分としては特に制限されず、Al等が挙げられる。上部電極70膜厚は特に制限されず、0.1〜3μmが好ましい。
【0045】
本発明の光電変換素子は、太陽電池等に好ましく使用することができる。光電変換素子1に対して必要に応じて、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。
以下、本発明のバッファ層の製造方法および光電変換素子を実施例によりさらに詳細に説明する。
【実施例】
【0046】
(反応液1の調製)
水中にCdSO4が0.0001M、チオ尿素が0.10M、アンモニアが2Mとなるように添加・混合して反応液1を調製した。
【0047】
(反応液2の調製)
水中にZnSO4が0.03M、チオ尿素が0.05M、クエン酸ナトリウムが0.03M、アンモニアが0.15Mとなるように添加・混合して反応液2を調製した。
【0048】
(基板〜光電変換層の製造)
実施例1〜4、比較例1および2は、30mm×30mm角のソーダライムガラス(SLG)基板上に、スパッタ法によりMo下部電極を0.8μm厚で成膜した。この基板上にCIGS層の成膜法の一つとして知られている3段階法を用いて膜厚1.8μmのCu(In0.7Ga0.3)Se2層を成膜した。実施例5は、100μmのステンレス(SUS)基板上に、スパッタ法により30μm厚でAl層を形成し、その上にアルミニウム陽極酸化膜(AAO)を形成し、さらにその上にスパッタ法によりソーダライムガラス(SLG)層およびMo下部電極を成膜した。この基板上にCIGS層の成膜法の一つとして知られている3段階法を用いて膜厚1.8μmのCu(In0.7Ga0.3)Se2層を成膜した。
【0049】
(実施例1)
上記で製造した光電変換層が形成された基板を、80℃に調整した反応液1の入った反応槽に浸漬し、pHメーターでモニターしながら、析出反応進行時の反応液のpHが0.4以上低下したところで2.0Mのアンモニア水溶液を添加してpHを維持し、これを繰り返してCdSバッファ層を形成した。
【0050】
(実施例2)
上記で製造した光電変換層が形成された基板を、80℃に調整した反応液1の入った反応槽に浸漬し、反応液1を貯留するリザーブタンクからペリスタポンプを使用して、反応槽へ連続的に反応液1を供給し、余剰の反応液は反応槽からオーバーフローで排出することによりpHを維持してCdSバッファ層を形成した。
【0051】
(実施例3)
上記で製造した光電変換層が形成された基板を、80℃に調整した反応液1の入った反応槽に浸漬し、反応槽のpHをpHメーターでモニターしながら、析出反応進行時の液のpHが0.4を超えて低下したところで、80℃に調整した新たな反応液1に全交換してCdSバッファ層を形成した。
【0052】
(実施例4)
実施例1において反応液1を反応液2に変更した以外は実施例1と同様の手順により、Zn(S,O)バッファ層を形成した。
【0053】
(実施例5)
実施例1において、光電変換層が形成された基板の組成を変更した以外は実施例1と同様の手順によりCdSバッファ層を形成した。
【0054】
(比較例1)
実施例1においてpHをコントロールすることなくCdSバッファ層を形成した。
【0055】
(比較例2)
実施例3において反応液の交換を析出反応進行時の液のpHが1.0を超えて低下したところで80℃に調整した新たな反応液1に全交換した以外は実施例3と同様の手順でCdSバッファ層を形成した。
【0056】
(評価)
(膜の組成の分析)
実施例1〜5、比較例1および2のバッファ層をスパッタリングで膜をエッチングしながら、X線光電子分光法(X−Ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)で組成分析を行った。試料表面にX線を照射した際に得られるスペクトルで、硫黄(S)と金属(M:CdまたはZn)に対応するピークの面積を算出し、各ピークの面積比から試料表面の硫黄/金属のモル比を求めた。試料表面をエッチングしながらX線照射とスペクトル測定を繰り返し、光電変換半導体層に到達するまでこれを実施した。得られたS/M(モル比)を、光電変換半導体層とバッファ層との界面を基準として、バッファ層の厚み方向におけるS/Mの変動幅を%として求めた。
【0057】
(エネルギー変換効率の測定)
実施例1〜5、比較例1および2に記載した方法で基板上にバッファ層を形成し、その上にスパッタ法で窓層としてi−ZnO層および透明導電層としてAlをドープしたn−ZnO層を成膜した。さらにその上に蒸着法によりAl上部電極の成膜を行い、太陽電池特性を評価するためのセルとした。同一の構成のセルを10個作製し、変換効率のばらつきを評価した。作製したセルにAir Mass(AM)=1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を用いてエネルギー変換効率を測定した。
実施例1〜5、比較例1および2の反応液、pH変動等とともに評価結果を表1に示す。
【0058】
【表1】

【0059】
表に示すように、従来の方法(pHを調整しない製造方法)により製造した比較例1ではバッファ層の析出開始30分後にはpH値の下降が1.4となり、S/M比のばらつき(組成変動)も変換効率のばらつきも大きく、pH変動を調整したもののバッファ層の析出している間のpH変動が1である比較例2もまたS/M比、変換効率のばらつきが大きかった。これに対して、本発明の製造方法により製造したバッファ層では、バッファ層の層厚方向でのS/M比が±4.8%〜±6.7%とその組成変動が比較例に比べて1/3以下程度に低減されており、また変換効率のばらつきも±5%以内と比較例に比べて半分以下にまで低減することができた。
【0060】
なお、実施例では10個のセルにより評価を行ったが、実際の太陽電池は、実施例で用いたセルを直列に100〜200個接続した構成となっており、このような太陽電池モジュールにおいて、変換効率が低いセルが1つでもあると他のセルの性能が制限される。つまり、太陽電池モジュールの特性としては各セルの特性の累積となるため、上記実施例における各セルの変換効率のばらつきの低減は、太陽電池モジュールにすればセル数に乗じた飛躍的な特性向上となる。
【0061】
また、一般にバッファ層はp型化合物半導体である光電変換半導体層とn型半導体であるバッファ層の組成が全く異なるために、その接合に欠陥が生じやすく、接合の向上を図るために、バッファ層の組成を連続的に変化するようにする場合がある(例えば、特許第4264801号)。これはバッファ層の組成に傾斜を持たせることで、バッファ層の価電子帯と伝導帯のエネルギー準位を連続的に変化させ、光電変換半導体層と透明電極層とのエネルギー的な障壁をなくして接合性を良化させているものと考えられるが、実施例に記載したような窓層としてi−ZnO層を設けた場合にバッファ層の組成に傾斜を持たせると、光電変換半導体層とバッファ層の接合は良化しても、バッファ層内部の結晶構造に欠陥が生じやすくなり、そのために光電変換素子の特性が低下するという懸念がある。
【0062】
しかし、本実施例ではバッファ層の組成が均一であるために特性が低下するという懸念はなく、光電変換半導体層から透明電極層までのエネルギーバンド構造が階段状になっているため、窓層i−ZnO層を設けていれば、バッファ層の組成が均一であっても接合性は良くなると考えられ、組成の均一化と接合性の向上を両立させることができる。
【符号の説明】
【0063】
1 光電変換素子
10 陽極酸化基板
11 Al基材
12 陽極酸化膜
20 下部電極(裏面電極)
30 光電変換半導体層
40 バッファ層
50 窓層
60 透光性導電層(透明電極)
70 上部電極(グリッド電極)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子における前記バッファ層の製造方法において、
前記バッファ層がCBD法により形成され、該CBD法による前記バッファ層の析出が進行している間の前記バッファ層を形成する反応液のpH変動が0.5以内に調整され、前記反応液がCdまたはZnの金属と硫黄源を含むことを特徴とするバッファ層の製造方法。
【請求項2】
前記反応液のpHが、アンモニアまたはアンモニウム塩の少なくとも1つを含有する水溶液を随時添加することにより調整されることを特徴とする請求項1記載のバッファ層の製造方法。
【請求項3】
前記反応液のpHが前記反応液を連続的に交換することにより調整されることを特徴とする請求項1記載のバッファ層の製造方法。
【請求項4】
前記反応液のpHが前記反応液を一定時間毎に交換することにより調整されることを特徴とする請求項1記載のバッファ層の製造方法。
【請求項5】
前記基板が可撓性基板であって、前記バッファ層の形成をロール・トゥ・ロール方式で連続的に行うことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載のバッファ層の製造方法。
【請求項6】
基板上に下部電極と光吸収により電流を発生する光電変換半導体層とバッファ層と透光性導電層との積層構造を有する光電変換素子において、前記バッファ層がCdまたはZnの金属(M)の硫化物を含み、前記バッファ層の厚み方向における硫化物の硫黄と金属(M)のモル比の変動が、前記光電変換半導体層と前記バッファ層の界面におけるバッファ層のモル比を基準として±10%以内であることを特徴とする光電変換素子。
【請求項7】
前記バッファ層が、CdS、ZnS、Zn(S,O)、Zn(S,O,OH)の中から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項6記載の光電変換素子。
【請求項8】
前記バッファ層と前記透光性導電層との間に窓層を有していることを特徴とする請求項6または7記載の光電変換素子。
【請求項9】
前記光電変換半導体層の主成分が、少なくとも1種のカルコパイライト構造の化合物半導体であることを特徴とする請求項6、7または8記載の光電変換素子。
【請求項10】
前記光電変換半導体層の主成分が、
CuおよびAgからなる群より選択される少なくとも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る少なくとも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る少なくとも1種のVIb族元素と、
からなる少なくとも1種の化合物半導体であることを特徴とする請求項9記載の光電変換素子。
【請求項11】
前記基板が、
Alを主成分とするAl基材の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、
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材が複合された複合基材の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、
および、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の少なくとも一方の面側にAl23を主成分とする陽極酸化膜が形成された陽極酸化基板、
からなる群より選ばれる陽極酸化基板であることを特徴とする請求項6〜10いずれか1項記載の光電変換素子。
【請求項12】
前記基板が可撓性基板であることを特徴とする請求項6〜11いずれか1項記載の光電変換素子。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2011−151261(P2011−151261A)
【公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−12303(P2010−12303)
【出願日】平成22年1月22日(2010.1.22)
【出願人】(306037311)富士フイルム株式会社 (25,513)
【Fターム(参考)】