JP4829926B2 - Solar cell and method for manufacturing solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関し、例えばカルコパイライト型太陽電池に用いて好適な太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a method for manufacturing a solar cell, for example, a solar cell suitable for use in a chalcopyrite solar cell and a method for manufacturing the solar cell.
一般に、カルコパイライト型太陽電池は、ガラス基板上に、裏面電極となるMo(モリブデン)電極層が形成され、このMo電極層上に、Cu(In+Ga)Se2によるCIGS光吸収層が形成され、このCIGS光吸収層上に、ZnS、CdS等からなるバッファ層を介してZnO:Al等からなる透明電極層が形成されて構成されている(例えば特許文献1参照)。 In general, a chalcopyrite solar cell has a Mo (molybdenum) electrode layer to be a back electrode formed on a glass substrate, and a CIGS light absorption layer made of Cu (In + Ga) Se 2 is formed on the Mo electrode layer. A transparent electrode layer made of ZnO: Al or the like is formed on the CIGS light absorption layer via a buffer layer made of ZnS, CdS, or the like (see, for example, Patent Document 1).
CIGS光吸収層は、例えば金属プリカーサ(前駆体)膜を用いて、H2Seガス等のSeソースを用いた熱化学反応でSe化合物を生成するセレン化法によって形成されるが、このセレン化の際に、CIGS光吸収層とMo電極層との間にMoSe層が形成されることがわかっている。 The CIGS light absorption layer is formed by a selenization method in which a Se compound is generated by a thermochemical reaction using a Se source such as H2Se gas using a metal precursor (precursor) film, for example. Furthermore, it has been found that a MoSe layer is formed between the CIGS light absorption layer and the Mo electrode layer.
このMoSe膜は、CIGS光吸収層とMo電極層との界面のヘテロ接触をショットキー接合からオーミック接合に改善すると考えられており、カルコパイライト型太陽電池の開放電圧特性等の特性の改善に寄与する重要な界面層として機能している(例えば特許文献2参照)。 This MoSe film is thought to improve the heterocontact at the interface between the CIGS light absorption layer and the Mo electrode layer from a Schottky junction to an ohmic junction, and contributes to improvement of characteristics such as open-circuit voltage characteristics of chalcopyrite solar cells. It functions as an important interface layer (see, for example, Patent Document 2).
ところで、太陽電池の性能評価は、開放電圧(Voc)、短絡電流(Isc)、曲線因子(FF)並びに変換効率(η)をもってなされる。 By the way, the performance evaluation of the solar cell is performed with the open circuit voltage (Voc), the short circuit current (Isc), the fill factor (FF), and the conversion efficiency (η).
ここで、開放電圧は、太陽電池セル(モジュール)の出力端子を開放したときの両出力端子間の電圧をいう。曲線因子(FF)は、最大出力を開放電圧と短絡電流の積で除した値をいう。変換効率とは、最大出力を太陽電池セル(モジュール)の面と放射照度の積で除した値(%)をいう。 Here, the open circuit voltage refers to the voltage between the output terminals when the output terminal of the solar cell (module) is opened. The fill factor (FF) is a value obtained by dividing the maximum output by the product of the open circuit voltage and the short circuit current. The conversion efficiency is a value (%) obtained by dividing the maximum output by the product of the surface of the solar cell (module) and the irradiance.
上述したMoSe層は、電気抵抗が大きく、過剰に厚く成長した場合には、曲線因子(FF)を低下させるという問題がある。MoSe層は、副次的に自然生成されるものであるため、セレン化を短時間で終了させてMoSe層の成長を制限することが考えられるが、均一な組成のCIS単相からなるCIGS光吸収層を形成できないという問題や、CIGS光吸収層とMo電極層の界面で剥離(界面剥離)が生じるという新たな問題が生じる。このように、MoSe層の生成を任意に制御することは困難であった。 The MoSe layer described above has a problem that the electrical resistance is large, and when it grows excessively thick, the fill factor (FF) is lowered. Since the MoSe layer is naturally generated as a secondary, it is conceivable to terminate selenization in a short time to limit the growth of the MoSe layer. However, CIGS light composed of a CIS single phase with a uniform composition There arises a problem that the absorption layer cannot be formed and a new problem that peeling (interface peeling) occurs at the interface between the CIGS light absorption layer and the Mo electrode layer. Thus, it was difficult to arbitrarily control the generation of the MoSe layer.
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、カルコパイライト型太陽電池の開放電圧特性等の特性の改善に寄与する界面層を均一に、また、適切な膜厚で形成することができ、裏面電極の抵抗上昇の抑制、光吸収層との界面剥離の抑制を両立しながら光電変換効率を向上させることができる太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and an interface layer that contributes to improvement of characteristics such as open-circuit voltage characteristics of chalcopyrite solar cells is formed uniformly and with an appropriate film thickness. An object of the present invention is to provide a solar cell and a method for manufacturing the solar cell, which can improve the photoelectric conversion efficiency while simultaneously suppressing the increase in resistance of the back electrode and the suppression of the interface peeling with the light absorption layer.
第1の本発明に係る太陽電池は、
裏面電極層と、
前記裏面電極層上に形成されたCIGS光吸収層と、
前記CIGS光吸収層上に緩衝層を介して形成された透明電極とを有し、
前記裏面電極層は、第1電極層と、該第1電極層上に形成された酸素を含む第2電極層とを有し、
前記CIGS光吸収層と前記裏面電極層の前記第2電極層との間に、前記第2電極層を構成する金属と前記CIGS光吸収層を構成するセレンとの反応層が介在され、
前記裏面電極層の前記第2電極層を構成する金属は、Mo(モリブデン)であり、
前記反応層は、MoSe層であることを特徴とする。
The solar cell according to the first invention is
A back electrode layer;
A CIGS light absorbing layer formed on the back electrode layer;
A transparent electrode formed on the CIGS light absorption layer via a buffer layer;
The back electrode layer has a first electrode layer and a second electrode layer containing oxygen formed on the first electrode layer,
Between the CIGS light absorption layer and the second electrode layer of the back electrode layer, a reaction layer of a metal constituting the second electrode layer and selenium constituting the CIGS light absorption layer is interposed ,
The metal constituting the second electrode layer of the back electrode layer is Mo (molybdenum),
The reaction layer is characterized MoSe Sodea Rukoto.
これにより、カルコパイライト型太陽電池の特性の改善に寄与する界面層(反応層)を均一に、また、適切な膜厚で形成することができ、裏面電極の抵抗上昇の抑制、光吸収層との界面剥離の抑制を両立しながら光電変換効率を向上させることができる。 Thereby, the interface layer (reaction layer) contributing to the improvement of the characteristics of the chalcopyrite solar cell can be formed uniformly and with an appropriate film thickness, the resistance increase of the back electrode can be suppressed, the light absorption layer and The photoelectric conversion efficiency can be improved while simultaneously suppressing the interfacial peeling.
そして、第1の本発明において、前記裏面電極の前記第1電極層の構成材料としては、Moのほか、TiN(窒化チタン)、Fe(鉄)、Al(アルミニウム)等の導電性金属を用いることができる。
Then, in the first aspect of the present invention, as the material of the first electrode layer before Symbol back electrode, in addition to Mo, TiN (titanium nitride), Fe (iron), a conductive metal such as Al (aluminum) Can be used.
そして、第1の本発明において、前記裏面電極層の前記第1電極層を構成する金属と、前記第2電極層を構成する金属は、共にMo(モリブデン)であってもよい。
Then, in the first aspect of the present invention, the metal constituting the first electrode layer of the back electrode layer, the metal constituting the second electrode layer may be both Mo (molybdenum).
次に、第2の本発明に係る太陽電池の製造方法は、
基板上に第1電極層を形成する第1電極層形成工程と、
前記第1電極層上に酸素を含む第2電極層を形成する第2電極層形成工程と、
前記第2電極層の表面の一部を取り除く表面処理工程と、
前記第2電極層上にCIGS光吸収層の前駆体を形成する前駆体形成工程と、
セレン化処理して前記前駆体をCIGS光吸収層とするセレン化工程とを有し、
前記第2電極層を構成する金属は、Mo(モリブデン)であり、
前記表面処理工程は、アルカリ性溶液によって、前記第2電極層の表面から酸素を取り除き、
前記セレン化工程によって、前記前駆体が前記CIGS光吸収層となり、前記CIGS光吸収層と前記第2電極層との間に、前記第2電極層を構成する金属と前記CIGS光吸収層を構成するセレンとの反応層が形成されることを特徴とする。
Next, the manufacturing method of the solar cell according to the second aspect of the present invention is as follows.
A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on the substrate;
A second electrode layer forming step of forming a second electrode layer containing oxygen on the first electrode layer;
A surface treatment step of removing a part of the surface of the second electrode layer;
A precursor forming step of forming a CIGS light absorbing layer precursor on the second electrode layer;
The precursor was treated selenide to have a selenide step of the CIGS absorber layer,
The metal constituting the second electrode layer is Mo (molybdenum).
The surface treatment step removes oxygen from the surface of the second electrode layer with an alkaline solution,
By the selenization step, the precursor becomes the CIGS light absorption layer, and the metal constituting the second electrode layer and the CIGS light absorption layer are formed between the CIGS light absorption layer and the second electrode layer. the reaction layer of selenium which is formed, characterized in Rukoto.
この第2の本発明においては、カルコパイライト型太陽電池の特性の改善に寄与する界面層(反応層)を均一に、また、適切な膜厚で形成することができ、裏面電極の抵抗上昇の抑制、光吸収層との界面剥離の抑制を両立しながら光電変換効率を向上させることができる。 In the second aspect of the present invention, the interface layer (reaction layer) contributing to the improvement of the characteristics of the chalcopyrite solar cell can be formed uniformly and with an appropriate film thickness, which increases the resistance of the back electrode. Photoelectric conversion efficiency can be improved while achieving both suppression and suppression of interface peeling with the light absorption layer.
そして、第2の本発明において、前記第1電極層を構成する金属と、前記第2電極層を構成する金属は、共にMo(モリブデン)であってもよい。Moとすることで、裏面電極として、電気比抵抗の小さい電極層とすることができ、しかも、ガラス基板上に裏面電極層を形成する場合において、ガラス基板との熱膨張係数がほぼ同じであることから熱ストレスでの膜剥離等の抑制に有利である。また、Moは、セレンに対する耐蝕性が比較的高いが、その上層に、酸素を含む第2電極層が存在することから、セレンに対する耐蝕性がさらに向上することとなる。つまり、セレン化によるセレンとMoとの反応の進行を第2電極層にて停止させることができる。その結果、表面の一部が取り除かれた部分のみにセレンとMoとの反応層(MoSe層)を形成させることができる。つまり、表面処理工程において、セレンとMoとの反応層(MoSe層)の成長を任意に制御することが可能となる。
In the second aspect of the present invention, the metal constituting the pre-Symbol first electrode layer, the metal constituting the second electrode layer may be both Mo (molybdenum). By using Mo, an electrode layer having a low electrical resistivity can be formed as the back electrode, and when the back electrode layer is formed on the glass substrate, the thermal expansion coefficient is substantially the same as that of the glass substrate. Therefore, it is advantageous for suppressing film peeling and the like due to heat stress. Mo has a relatively high corrosion resistance against selenium, but since the second electrode layer containing oxygen is present on the upper layer, the corrosion resistance against selenium is further improved. That is, the progress of the reaction between selenium and Mo by selenization can be stopped at the second electrode layer. As a result, a reaction layer (MoSe layer) of selenium and Mo can be formed only in a portion where a part of the surface is removed. That is, in the surface treatment process, it is possible to arbitrarily control the growth of the reaction layer (MoSe layer) of selenium and Mo.
また、第2の本発明において、前記第2電極層形成工程は、スパッタ法を用い、スパッタガス中に酸素、もしくは水蒸気、もしくは酸素を含むエアーを混入させて前記第2電極層を形成するようにしてもよい。 In the second aspect of the present invention, the second electrode layer forming step uses a sputtering method to form the second electrode layer by mixing oxygen, water vapor, or air containing oxygen in a sputtering gas. It may be.
これにより、例えば第1電極層をスパッタにて形成した後に、スパッタチャンバーに導入するスパッタガス中に酸素、もしくは水蒸気、もしくは酸素を含むエアーを混入させることで、連続して第2電極層を形成することができる。これは、電極層の成膜時間の短縮化、製造設備の簡略化を図ることができる。 Thus, for example, after the first electrode layer is formed by sputtering, oxygen, water vapor, or air containing oxygen is mixed into the sputtering gas introduced into the sputtering chamber, thereby continuously forming the second electrode layer. can do. This can shorten the film formation time of the electrode layer and simplify the manufacturing equipment.
また、第2の本発明において、前記第2電極層形成工程は、前記第1電極層形成工程で使用されたスパッタチャンバーを用い、該スパッタチャンバー内に残留するエアーもしくは水蒸気をMo中に取り込ませる条件(例えばスパッタガスのガス圧を高くする)下でスパッタを行って前記第2電極層を形成するようにしてもよい。 In the second aspect of the present invention, in the second electrode layer forming step, the sputtering chamber used in the first electrode layer forming step is used, and air or water vapor remaining in the sputtering chamber is taken into Mo. The second electrode layer may be formed by performing sputtering under conditions (for example, increasing the gas pressure of the sputtering gas).
これにより、例えば第1電極層を形成したスパッタチャンバーに残存するエアーもしくは水蒸気をそのまま利用することができるため、電極層の成膜時間の短縮化、製造設備の簡略化をさらに図ることができる。 Thereby, for example, air or water vapor remaining in the sputtering chamber in which the first electrode layer is formed can be used as it is, so that it is possible to further shorten the time for forming the electrode layer and simplify the manufacturing equipment.
前記表面処理工程は、アルカリ性溶液によって、前記第2電極層の表面から酸素を取り除くようにしている。すなわち、アルカリ性溶液の還元反応によって、第2電極層の表面から酸素を取り除くことで、第2電極層の表面に金属元素の密度が疎である層を形成することができる。
Pre Symbol surface treatment step, with an alkaline solution, so that removal of oxygen from the surface of the second electrode layer. That is, by removing oxygen from the surface of the second electrode layer by a reduction reaction of the alkaline solution, a layer having a sparse metal element density can be formed on the surface of the second electrode layer.
従って、その後のセレン化工程において、金属元素の密度が疎である層の金属元素がセレンと結合し易くなり、第2電極層の表面にセレンとの反応層が形成されることになる。金属元素の密度が疎である層の下層には、酸素を含んだ第2電極層が存在することから、セレンの反応は第2電極層の表面部分で停止、あるいはそれよりも下層への反応がほとんど起こらない状態となる。その結果、酸素を含む第2電極層と光吸収層との間に極薄の反応層が形成されることとなる。 Accordingly, in the subsequent selenization step, the metal element in the layer having a low density of the metal element is easily bonded to selenium, and a reaction layer with selenium is formed on the surface of the second electrode layer. Since the second electrode layer containing oxygen exists in the lower layer of the layer having a low density of the metal element, the reaction of selenium stops at the surface portion of the second electrode layer, or the reaction to the lower layer than that. Will almost never happen. As a result, an extremely thin reaction layer is formed between the second electrode layer containing oxygen and the light absorption layer.
前記アルカリ性溶液は、四ホウ酸ナトリウム溶液、四ホウ酸アンモニウム溶液、又はアンモニア溶液を用いることができる。特に、前記アルカリ性溶液として、ナトリウム含有のアルカリ性溶液を使用した場合は、光電変換効率の向上のために、前記表面処理工程の後に、ナトリウムを洗い流す洗浄工程を有することが好ましい。 As the alkaline solution, a sodium tetraborate solution, an ammonium tetraborate solution, or an ammonia solution can be used. In particular, when a sodium-containing alkaline solution is used as the alkaline solution, it is preferable to have a washing step of washing away sodium after the surface treatment step in order to improve photoelectric conversion efficiency.
以上説明したように、本発明に係る太陽電池及び太陽電池の製造方法によれば、カルコパイライト型太陽電池の特性の改善に寄与する界面層を均一に、また、適切な膜厚で形成することができ、裏面電極の抵抗上昇の抑制、光吸収層との界面剥離の抑制を両立しながら光電変換効率を向上させることができる。 As described above, according to the solar cell and the method for manufacturing a solar cell according to the present invention, the interface layer contributing to the improvement of the characteristics of the chalcopyrite solar cell is formed uniformly and with an appropriate film thickness. Thus, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency while simultaneously suppressing the resistance increase of the back electrode and the interface peeling with the light absorption layer.
以下、本発明に係る太陽電池及び太陽電池の製造方法を例えばカルコパイライト型太陽電池に適用した実施の形態例を図1〜図11を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment in which a solar cell and a method for manufacturing a solar cell according to the present invention are applied to, for example, a chalcopyrite solar cell will be described with reference to FIGS.
本実施の形態に係る太陽電池10は、図1に示すように、例えばソーダライムガラス等のガラス基板12と、該ガラス基板12上に形成され、裏面電極(プラス電極)となる裏面電極層14と、該裏面電極層14上に形成されたCIGS光吸収層16と、該CIGS光吸収層16上に例えばInS等からなる緩衝層18を介して形成され、マイナス電極となるZnO:Al等からなる透明電極層20とを有する。
As shown in FIG. 1, a
そして、本実施の形態において、裏面電極層14は、第1電極層14aと、該第1電極層14a上に形成された酸素を含む第2電極層14bとを有する。さらに、CIGS光吸収層16と裏面電極層14の第2電極層14bとの間に、第2電極層14bを構成する金属とCIGS光吸収層16を構成するセレンとの反応層22が介在されている。特に、裏面電極層14の第1電極層14aを構成する金属と、第2電極層14bを構成する金属は、共にMo(モリブデン)であり、セレンとの反応層22は、MoSe層である。もちろん、第1電極層14aの構成材料としては、上述のMoのほか、TiN、Fe、Al等の導電性金属を用いることができる。
And in this Embodiment, the back
ここで、本実施の形態に係る太陽電池10の製造方法について図2〜図4Bを参照しながら説明する。
Here, a method for manufacturing
先ず、図2のステップS1(第1電極層形成工程)において、図3Aに示すように、ガラス基板12上に、裏面電極となる第1電極層14aを例えばスパッタ法にて形成する。第1電極層14aの金属材料としては、裏面電極として電気比抵抗の低い安価な材料を広範に選択可能であり、特に、熱膨張係数がガラス基板12の熱膨張係数とほぼ同じ金属材料を選択することで、熱ストレスでの膜剥離等の抑制に有利になる。本実施の形態は、これらの条件を満足する金属材料としてMo(モリブデン)を使用した。Moは上述の条件を満足するほか、セレンに対する耐蝕性も高いことから裏面電極の金属材料として好適である。
First, in step S1 (first electrode layer forming step) in FIG. 2, as shown in FIG. 3A, a
その後、図2のステップS2(第2電極層形成工程)において、図3Bに示すように、第1電極層14a上に酸素を含む第2電極層14bを形成する。第2電極層14bの金属材料として、第1電極層14aの金属材料と同じMoを選択することが好ましい。
Thereafter, in step S2 (second electrode layer forming step) in FIG. 2, as shown in FIG. 3B, a
第2電極層14bの金属材料としてMoを選択した場合、第2電極層14bは、酸素を含むMo層となるが、この酸素を含むMo層は、MoO2(二酸化モリブデン)層、MoO3(三酸化モリブデン層)のほか、MoOm(0<m<2)層や、MoOn(2<n<3)層等を含む。
When Mo is selected as the metal material of the
ここで、酸素を含む第2電極層14bを形成する方法としては、以下の2つの方法(第1方法及び第2方法)がある。
Here, as a method of forming the
第1方法は、スパッタ法を用い、スパッタガス中に酸素、もしくは水蒸気、もしくは酸素を含むエアーを混入させて、酸素を含む第2電極層14bを形成するという方法である。
The first method is a method in which oxygen, water vapor, or air containing oxygen is mixed in a sputtering gas to form the
例えば第1電極層14aをスパッタにて形成した後に、スパッタチャンバーに導入するスパッタガス(希ガス)中に酸素、もしくは水蒸気、もしくは酸素を含むエアーを混入させることで、連続して酸素を含む第2電極層14bを形成することができる。これは、第2電極層14bの成膜時間の短縮化、製造設備の簡略化を図ることができる。
For example, after the
第2方法は、第1電極層14aを形成したスパッタチャンバーを用い、該スパッタチャンバー内に残留するエアーもしくは水蒸気をMo中に取り込ませる条件(例えばスパッタガスのガス圧を高くする)下でスパッタを行って、酸素を含む第2電極層14bを形成するという方法である。例えばガス圧とターゲット・基板間の距離との積は30Pa・cm以上で第2電極層14bを成膜することが好ましい。この場合、例えば第1電極層14aを形成したスパッタチャンバーに残存するエアーもしくは水蒸気をそのまま利用することができるため、第2電極層14bの成膜時間の短縮化、製造設備の簡略化をさらに図ることができる。
The second method uses a sputtering chamber in which the
その後、第2電極層14bが形成されたガラス基板12をスパッタチャンバーから取り出し、図2のステップS3(表面処理工程)において、図3Cに示すように、第2電極層14bの表面の一部を取り除く(表面エッチング)。具体的には、第2電極層14bの表面にアルカリ性溶液と接触させることによって、第2電極層14bの表面から酸素を取り除く。すなわち、アルカリ性溶液の還元反応によって、第2電極層14bの表面から酸素を取り除くことで、第2電極層14bの表面にMoの密度が疎である層24が形成される。この表面処理工程では、第2電極層14bの表面から酸素のほか、一部の酸化モリブデンも取り除かれる。アルカリ性溶液としては、四ホウ酸ナトリウム溶液、四ホウ酸アンモニウム溶液、又はアンモニア溶液を用いることができる。特に、アルカリ性溶液として、ナトリウム含有のアルカリ性溶液(例えば四ホウ酸ナトリウム溶液)を使用した場合は、光電変換効率の向上のために、その後、ナトリウムを洗い流す洗浄工程(図2において括弧書きで示す)を有することが好ましい。
Thereafter, the
Moの密度が疎である層24の厚みとしては、アルカリ性溶液の種類、濃度、塗布時間等を適宜変更することよって1原子レベルの厚み(0.1nm)まで制御可能である。
The thickness of the
その後、図2のステップS4(前駆体形成工程)において、図4Aに示すように、第2電極層14b上に、先ず、In層をスパッタ法にて成膜し、その上に、Cu−Ga合金層をスパッタ法にて成膜して、In層及びCu−Ga合金層からなる積層プリカーサ26(前駆体)を形成する。
Thereafter, in step S4 (precursor forming step) in FIG. 2, as shown in FIG. 4A, an In layer is first formed by sputtering on the
その後、図2のステップS5(セレン化工程)において、図4Bに示すように、積層プリカーサ26をセレン化水素ガス雰囲気中で熱処理することによって、積層プリカーサ26を、CIGS薄膜による光吸収層(CIGS光吸収層16)とする。このとき、CIGS光吸収層16と酸素を含む第2電極層14bとの間に、Moの密度が疎である層24が存在していることから、このセレン化工程において、Moの密度が疎である層24のMoがセレンと結合し易くなり、CIGS光吸収層16と第2電極層14bとの間にMoとセレンとの反応層22(MoSe層)が形成されることになる。Moの密度が疎である層24の下層には、酸素を含んだ第2電極層14bが存在することから、セレンの反応は第2電極層14bの表面部分で停止、あるいはそれよりも下層への反応がほとんど起こらない状態となる。その結果、酸素を含む第2電極層14bとCIGS光吸収層16との間に極薄の反応層22(MoSe層)が形成されることとなる。
Thereafter, in step S5 (selenization step) of FIG. 2, as shown in FIG. 4B, the
その後、図2のステップS6(緩衝層形成工程)において、図1に示すように、CIGS光吸収層16上に、例えばInS等からなる緩衝層18を溶液成長法にて形成する。
Thereafter, in step S6 (buffer layer forming step) in FIG. 2, as shown in FIG. 1, a
その後、図2のステップS7(透明電極形成工程)において、図1に示すように、緩衝層18上に、例えばZnO:Al等からなる透明電極層20をスパッタ法にて形成して、本実施の形態に係る太陽電池10が完成する。
Thereafter, in step S7 (transparent electrode forming step) in FIG. 2, a
このように、本実施の形態に係る太陽電池10及びその製造方法においては、カルコパイライト型太陽電池の開放電圧特性等の特性の改善に寄与する界面層(反応層22)を均一に、また、適切な膜厚で形成することができ、裏面電極の抵抗上昇の抑制、CIGS光吸収層16との界面剥離の抑制を両立しながら光電変換効率を向上させることができる。
Thus, in the
ここで、各種実験例(第1実験例〜第4実験例)について図5A〜図11を参照しながら説明する。 Here, various experimental examples (first experimental example to fourth experimental example) will be described with reference to FIGS. 5A to 11.
第1実験例は、参考例1と参考例2について変換効率の違いを見たものである。 The first experimental example looks at the difference in conversion efficiency between Reference Example 1 and Reference Example 2.
参考例1は、図5Aに示すように、ガラス基板100と、単層の裏面電極層102と、CIGS光吸収層104と、緩衝層106と、透明電極層108とを積層させた構成を有する。参考例2は、図5Bに示すように、ガラス基板100と、単層の裏面電極層102と、酸化膜110と、CIGS光吸収層104と、緩衝層106と、透明電極層108とを積層させた構成を有する。酸化膜110は、下層の裏面電極層102の表面を強制的に酸化させたもので、その後、アルカリ性溶液での表面エッチングは行っていない。
5A, the reference example 1 has a configuration in which a
参考例1と参考例2の変換効率の測定結果を図6に示す。測定結果は各サンプルのばらつきを加味し、上限(最も良い値)と下限(最も悪い値)とを垂直線で結んで表示した。なお、極端にデータが悪いものは、測定装置や測定状態等に原因があると思われるため、図6には掲載していない(以下、同様である)。 The conversion efficiency measurement results of Reference Example 1 and Reference Example 2 are shown in FIG. The measurement results are displayed by connecting the upper limit (best value) and the lower limit (worst value) with a vertical line, taking into account the variation of each sample. It should be noted that the extremely bad data is not shown in FIG. 6 because it seems that there is a cause in the measuring device, the measurement state, etc. (the same applies hereinafter).
図6から、酸化膜110が存在する参考例2が、酸化膜110を有さない参考例1よりも悪い結果になっていることがわかる。これは、酸化膜110の存在によって開放電圧及び曲線因子が低下し、結果的に変換効率が低下したことによる。このように、裏面電極層102の表面を単純に酸化しただけでは、特性の向上を図ることはできない。
6 that the reference example 2 in which the
次に、第2実験例は、実施例1と比較例1について変換効率の違いを見たものである。 Next, the second experimental example looks at the difference in conversion efficiency between Example 1 and Comparative Example 1.
実施例1は、本実施の形態に係る製造方法を使用して作製したものであって、特に、図2に示すステップS3(表面処理工程)において、四ホウ酸ナトリウム溶液で、酸素を含む第2電極層14aの表面をエッチング(還元処理)したものである。比較例1は、上述した表面処理工程を省略したものである。
Example 1 was produced using the manufacturing method according to the present embodiment. In particular, in step S3 (surface treatment step) shown in FIG. 2, a sodium tetraborate solution containing oxygen was used. The surface of the two-
実施例1と比較例1の変換効率の測定結果を図7に示す。図7から、四ホウ酸ナトリウム溶液で表面処理を行った実施例1が、表面処理を省略した比較例1よりも変換効率が向上している。これは、表面処理を行うことによって、開放電圧及び曲線因子が向上し、結果的に変換効率が向上したことによる。このように、裏面電極層14の表面を酸化し、その後、アルカリ性溶液で表面処理(還元処理)を行うことで特性の向上を図ることができることがわかる。
The measurement results of the conversion efficiency of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. From FIG. 7, the conversion efficiency is improved in Example 1 in which the surface treatment was performed with the sodium tetraborate solution, compared with Comparative Example 1 in which the surface treatment was omitted. This is because the open circuit voltage and the fill factor are improved by performing the surface treatment, and as a result, the conversion efficiency is improved. Thus, it can be seen that the characteristics can be improved by oxidizing the surface of the
次に、第3実験例は、実施例2及び3について変換効率の違いを見たものである。 Next, the third experimental example looks at the difference in conversion efficiency between Examples 2 and 3.
実施例2及び3は共に、本実施の形態に係る製造方法を使用して作製したものであって、図2に示すステップS3(表面処理工程)において、四ホウ酸ナトリウム溶液(pH=12.8)で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものである。特に、実施例2は、表面処理工程後、洗浄工程において、純水を使用して60秒間洗浄した。なお、純水は循環させた。実施例3は、洗浄工程を省略した。
Examples 2 and 3 were both produced using the manufacturing method according to the present embodiment. In step S3 (surface treatment step) shown in FIG. 2, a sodium tetraborate solution (pH = 12. In 8), the surface of the
実施例2と実施例3の変換効率の測定結果を図8に示す。図8から、四ホウ酸ナトリウム溶液で表面処理を行った後、洗浄処理を行った実施例2が、洗浄処理を行わなかった実施例3よりも変換効率が向上していることがわかる。従って、アルカリ性溶液として、ナトリウム含有のアルカリ性溶液を使用した場合は、変換効率の向上のために、表面処理工程の後に、ナトリウムを洗い流す洗浄工程を有することが好ましい。 The measurement results of the conversion efficiencies of Example 2 and Example 3 are shown in FIG. FIG. 8 shows that the conversion efficiency is improved in Example 2 in which the cleaning treatment is performed after the surface treatment with the sodium tetraborate solution, compared to Example 3 in which the cleaning treatment is not performed. Therefore, when a sodium-containing alkaline solution is used as the alkaline solution, it is preferable to have a washing step of washing away sodium after the surface treatment step in order to improve conversion efficiency.
次に、第4実験例は、実施例4〜6について変換効率の違いを見たものである。 Next, the fourth experimental example looks at the difference in conversion efficiency for Examples 4 to 6.
実施例4〜6は共に、本実施の形態に係る製造方法を使用して作製したものであって、実施例4は、図2に示すステップS3(表面処理工程)において、体積モル濃度が0.02M(mol/リットル)の四ホウ酸ナトリウム溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものである。実施例5は、表面処理工程において、体積モル濃度が0.014Mの四ホウ酸アンモニウム溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものであり、実施例6は、表面処理工程において、体積モル濃度が0.007Mの四ホウ酸アンモニウム溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものである。
Each of Examples 4 to 6 was manufactured using the manufacturing method according to the present embodiment. Example 4 has a volume molarity of 0 in step S3 (surface treatment step) shown in FIG. The surface of the
実施例4〜6の変換効率の測定結果を図9に示す。図9から、アルカリ性溶液として、四ホウ酸アンモニウム溶液を用いることで、四ホウ酸ナトリウム溶液を使用した場合と同等もしくはそれを上回る結果を得た。しかも、四ホウ酸アンモニウム溶液の体積モル濃度を0.014Mとしても、0.007Mとしてもほぼ同等の結果を得られており、濃度を薄めても効果が得られていることがわかる。特に、四ホウ酸アンモニウム溶液を用いた場合は、四ホウ酸ナトリウム溶液と違い、洗浄工程を経る必要がないことから、製造工程の簡略化を促進させることができる。 The measurement results of the conversion efficiencies of Examples 4 to 6 are shown in FIG. From FIG. 9, by using an ammonium tetraborate solution as the alkaline solution, a result equal to or exceeding that obtained when using a sodium tetraborate solution was obtained. Moreover, even when the volume molar concentration of the ammonium tetraborate solution is 0.014M or 0.007M, almost the same result is obtained, and it can be seen that the effect is obtained even if the concentration is reduced. In particular, when an ammonium tetraborate solution is used, it is not necessary to go through a washing step, unlike a sodium tetraborate solution, so that simplification of the manufacturing process can be promoted.
次に、第5実験例は、実施例7及び8について変換効率の違いを見たものである。 Next, the fifth experimental example looks at the difference in conversion efficiency between Examples 7 and 8.
実施例7及び8は共に、本実施の形態に係る製造方法を使用して作製したものであって、実施例7は、図2に示すステップS3(表面処理工程)において、体積モル濃度が0.02M(mol/リットル)の四ホウ酸ナトリウム溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものである。実施例8は、表面処理工程において、体積モル濃度が7.5Mのアンモニア溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)したものである。
Examples 7 and 8 are both produced using the manufacturing method according to the present embodiment. Example 7 has a volume molarity of 0 in step S3 (surface treatment step) shown in FIG. The surface of the
実施例7及び8の変換効率の測定結果を図10に示す。図10から、アルカリ性溶液として、アンモニア溶液を用いることで、四ホウ酸ナトリウム溶液を使用した場合と同等もしくはそれを上回る結果を得た。 The measurement results of the conversion efficiencies of Examples 7 and 8 are shown in FIG. From FIG. 10, by using an ammonia solution as an alkaline solution, a result equal to or exceeding that obtained when a sodium tetraborate solution was used was obtained.
次に、第6実験例は、実施例9〜13について変換効率の違いを見たものである。 Next, the sixth experimental example looks at the difference in conversion efficiency for Examples 9 to 13.
実施例9〜13は共に、本実施の形態に係る製造方法を使用して作製したものであって、第1電極層14aをスパッタ法にて成膜した後、スパッタチャンバーに意図的に空気を導入して、真空度を変化させることによって、酸素を含む第2電極層14bを成膜したものである。なお、図2に示すステップS3(表面処理工程)では、体積モル濃度が0.02M(mol/リットル)の四ホウ酸ナトリウム溶液で、酸素を含む第2電極層14bの表面をエッチング(還元処理)した。
Each of Examples 9 to 13 was manufactured using the manufacturing method according to the present embodiment. After the
そして、実施例9は、到達真空度を1.0×10-5(Pa)にして酸素を含む第2電極層14bを成膜し、実施例10は、到達真空度を1.0×10-4(Pa)にして酸素を含む第2電極層14bを成膜し、実施例11は、到達真空度を1.0×10-3(Pa)にして酸素を含む第2電極層14bを成膜し、実施例12は、到達真空度を1.0×10-2(Pa)にして酸素を含む第2電極層14bを成膜し、実施例13は、到達真空度を5.0×10-2(Pa)にして酸素を含む第2電極層14bを成膜した。
In Example 9, the
実施例9〜13の変換効率の測定結果を図11に示す。図11から、いずれも図7の比較例1の変換効率を上回っており、到達真空度として、1.0×10-5(Pa)〜5.0×10-2(Pa)の範囲で酸素を含む第2電極層14bを成膜してもよいことがわかる。
The measurement results of the conversion efficiencies of Examples 9 to 13 are shown in FIG. From FIG. 11, all exceed the conversion efficiency of Comparative Example 1 in FIG. 7, and the ultimate vacuum is oxygen in the range of 1.0 × 10 −5 (Pa) to 5.0 × 10 −2 (Pa). It can be seen that the
なお、本発明に係る太陽電池及び太陽電池の製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 It should be noted that the solar cell and the method for manufacturing the solar cell according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
10…太陽電池
12…ガラス基板
14…裏面電極層
14a…第1電極層
14b…酸素を含む第2電極層
16…CIGS光吸収層
18…緩衝層
20…透明電極層
22…反応層(MoSe層)
24…Moの密度が疎である層
26…積層プリカーサ(前駆体)
DESCRIPTION OF
24 ... Layer with a low density of
Claims (8)
前記裏面電極層上に形成されたCIGS光吸収層と、
前記CIGS光吸収層上に緩衝層を介して形成された透明電極とを有し、
前記裏面電極層は、第1電極層と、該第1電極層上に形成された酸素を含む第2電極層とを有し、
前記CIGS光吸収層と前記裏面電極層の前記第2電極層との間に、前記第2電極層を構成する金属と前記CIGS光吸収層を構成するセレンとの反応層が介在され、
前記裏面電極層の前記第2電極層を構成する金属は、Mo(モリブデン)であり、
前記反応層は、MoSe層であることを特徴とする太陽電池。 A back electrode layer;
A CIGS light absorbing layer formed on the back electrode layer;
A transparent electrode formed on the CIGS light absorption layer via a buffer layer;
The back electrode layer has a first electrode layer and a second electrode layer containing oxygen formed on the first electrode layer,
Between the CIGS light absorption layer and the second electrode layer of the back electrode layer, a reaction layer of a metal constituting the second electrode layer and selenium constituting the CIGS light absorption layer is interposed ,
The metal constituting the second electrode layer of the back electrode layer is Mo (molybdenum),
The reaction layer, a solar cell characterized by MoSe Sodea Rukoto.
前記裏面電極層の前記第1電極層を構成する金属と、前記第2電極層を構成する金属は、共にMo(モリブデン)であることを特徴とする太陽電池。 The solar cell according to claim 1,
A metal constituting the first electrode layer of the back electrode layer, wherein the metal constituting the second electrode layer, a solar cell, which is a both Mo (molybdenum).
前記第1電極層上に酸素を含む第2電極層を形成する第2電極層形成工程と、
前記第2電極層の表面の一部を取り除く表面処理工程と、
前記第2電極層上にCIGS光吸収層の前駆体を形成する前駆体形成工程と、
セレン化処理して前記前駆体をCIGS光吸収層とするセレン化工程とを有し、
前記第2電極層を構成する金属は、Mo(モリブデン)であり、
前記表面処理工程は、アルカリ性溶液によって、前記第2電極層の表面から酸素を取り除き、
前記セレン化工程によって、前記前駆体が前記CIGS光吸収層となり、前記CIGS光吸収層と前記第2電極層との間に、前記第2電極層を構成する金属と前記CIGS光吸収層を構成するセレンとの反応層が形成されることを特徴とする太陽電池の製造方法。 A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on the substrate;
A second electrode layer forming step of forming a second electrode layer containing oxygen on the first electrode layer;
A surface treatment step of removing a part of the surface of the second electrode layer;
A precursor forming step of forming a CIGS light absorbing layer precursor on the second electrode layer;
The precursor was treated selenide to have a selenide step of the CIGS absorber layer,
The metal constituting the second electrode layer is Mo (molybdenum).
The surface treatment step removes oxygen from the surface of the second electrode layer with an alkaline solution,
By the selenization step, the precursor becomes the CIGS light absorption layer, and the metal constituting the second electrode layer and the CIGS light absorption layer are formed between the CIGS light absorption layer and the second electrode layer. method of manufacturing a solar cell characterized by Rukoto reaction layer is formed between the selenium to be.
前記第1電極層を構成する金属と、前記第2電極層を構成する金属は、共にMo(モリブデン)であることを特徴とする太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solar cell of Claim 3 ,
The metal constituting the first electrode layer and the metal constituting the second electrode layer are both Mo (molybdenum).
前記第2電極層形成工程は、
スパッタ法を用い、スパッタガス中に酸素、もしくは水蒸気、もしくは酸素を含むエアーを混入させて前記第2電極層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solar cell of Claim 3 or 4 ,
The second electrode layer forming step includes
A method for manufacturing a solar cell, characterized in that the second electrode layer is formed by sputtering, using oxygen, water vapor, or air containing oxygen in a sputtering gas.
前記第2電極層形成工程は、
前記第1電極層形成工程で使用されたスパッタチャンバーを用い、該スパッタチャンバー内に残留するエアーもしくは水蒸気をMo中に取り込ませる条件下でスパッタを行って前記第2電極層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solar cell of Claim 3 or 4 ,
The second electrode layer forming step includes
Using the sputter chamber used in the first electrode layer forming step, the second electrode layer is formed by performing sputtering under the condition that air or water vapor remaining in the sputter chamber is taken into Mo. A method for manufacturing a solar cell.
前記アルカリ性溶液は、四ホウ酸ナトリウム溶液、四ホウ酸アンモニウム溶液、又はアンモニア溶液であることを特徴とする太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solar cell of Claim 3 ,
The method for producing a solar cell, wherein the alkaline solution is a sodium tetraborate solution, an ammonium tetraborate solution, or an ammonia solution.
前記アルカリ性溶液として、ナトリウム含有のアルカリ性溶液を使用し、
前記表面処理工程の後に、ナトリウムを洗い流す洗浄工程を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solar cell of Claim 3 or 7 ,
As the alkaline solution, a sodium-containing alkaline solution is used,
A method of manufacturing a solar cell, comprising a washing step of washing away sodium after the surface treatment step.
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