JPH11284209A - カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽電池の製造方法 - Google Patents
カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽電池の製造方法Info
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- JPH11284209A JPH11284209A JP10082084A JP8208498A JPH11284209A JP H11284209 A JPH11284209 A JP H11284209A JP 10082084 A JP10082084 A JP 10082084A JP 8208498 A JP8208498 A JP 8208498A JP H11284209 A JPH11284209 A JP H11284209A
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Classifications
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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-
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- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 平面方向の組成の均一性がよく且つ表面粗度
が小さいカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を再現
性よく低コストで製造するための方法及びそれを有する
エネルギー変換効率の向上させた太陽電池の製造方法を
提供する。 【解決手段】 基板の上にInの酸化物膜、Gaの酸化
物膜及び金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、この積
層膜をセレン雰囲気中において例えば400〜550℃
に加熱してカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を製
造する。前記Inの酸化物は、例えば、In2O3であ
り、そして、Gaの酸化物は、例えば、Ga 2O3であ
る。前記Inの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu
膜は、好適には、スパッタリングにより成膜される。前
記セレン雰囲気は、セレン単体の加熱によってセレン蒸
発を発生させることによりつくられる。前記基板は、例
えば、Mo、Cr、Ta、W及びTiから選ばれる少な
くとも1種の金属により構成される単一膜又は積層膜を
表面に有するソーダライムガラス板である。
が小さいカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を再現
性よく低コストで製造するための方法及びそれを有する
エネルギー変換効率の向上させた太陽電池の製造方法を
提供する。 【解決手段】 基板の上にInの酸化物膜、Gaの酸化
物膜及び金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、この積
層膜をセレン雰囲気中において例えば400〜550℃
に加熱してカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を製
造する。前記Inの酸化物は、例えば、In2O3であ
り、そして、Gaの酸化物は、例えば、Ga 2O3であ
る。前記Inの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu
膜は、好適には、スパッタリングにより成膜される。前
記セレン雰囲気は、セレン単体の加熱によってセレン蒸
発を発生させることによりつくられる。前記基板は、例
えば、Mo、Cr、Ta、W及びTiから選ばれる少な
くとも1種の金属により構成される単一膜又は積層膜を
表面に有するソーダライムガラス板である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カルコパイライト
構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽
電池の製造方法に関する。
構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽
電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】周期律表のIb族元素、IIIb族元素
及びVIb族元素からなる化合物半導体薄膜は、カルコ
パイライト構造を有する化合物半導体薄膜として斯界で
知られている。このような化合物半導体薄膜は、例え
ば、CuInSe2 、CuInS 2、Cu(In1-xGa
x)Se2、CuIn(SxSe1-x)2 、Cu(In1-x
Gax)(SySe1-Y)2 等の化合物で構成されてい
る。これらの化合物により構成される化合物半導体薄膜
は、CIS系化合物半導体薄膜とよばれ、薄膜太陽電池
の光吸収層として用いられている。
及びVIb族元素からなる化合物半導体薄膜は、カルコ
パイライト構造を有する化合物半導体薄膜として斯界で
知られている。このような化合物半導体薄膜は、例え
ば、CuInSe2 、CuInS 2、Cu(In1-xGa
x)Se2、CuIn(SxSe1-x)2 、Cu(In1-x
Gax)(SySe1-Y)2 等の化合物で構成されてい
る。これらの化合物により構成される化合物半導体薄膜
は、CIS系化合物半導体薄膜とよばれ、薄膜太陽電池
の光吸収層として用いられている。
【0003】このようなCIS系化合物半導体薄膜の製
造方法(以下、「従来技術A」という)は、特開平1−
231313号公報に開示されている。図2は、このよ
うな従来のCIS系化合物半導体薄膜の断面説明図であ
る。図2に示されているように、Mo膜12を表面に有
する基板11の上に、マグネトロンスパッタリングによ
り、まず、Cu膜13を蒸着し、続いて、In膜14を
蒸着する。かかるマグネトロンスパッタリングにより、
Cu膜13及びIn膜14は、瞬時に合金化又は混合を
生じるので、Cu及びInの複合膜が形成されることと
なる。次に、この複合膜上にSe膜15を熱蒸着法によ
り蒸着し、得られた積層膜を水素含有ガスの存在下に加
熱して、p型のCuInSe2 16膜とする。
造方法(以下、「従来技術A」という)は、特開平1−
231313号公報に開示されている。図2は、このよ
うな従来のCIS系化合物半導体薄膜の断面説明図であ
る。図2に示されているように、Mo膜12を表面に有
する基板11の上に、マグネトロンスパッタリングによ
り、まず、Cu膜13を蒸着し、続いて、In膜14を
蒸着する。かかるマグネトロンスパッタリングにより、
Cu膜13及びIn膜14は、瞬時に合金化又は混合を
生じるので、Cu及びInの複合膜が形成されることと
なる。次に、この複合膜上にSe膜15を熱蒸着法によ
り蒸着し、得られた積層膜を水素含有ガスの存在下に加
熱して、p型のCuInSe2 16膜とする。
【0004】CuInSe2 よりなる半導体は、バンド
ギャップエネルギーが1.04eVと低いために、Ga
を添加することにより、バンドギャップエネルギーを太
陽電池として最適な1.4〜1.50eVまで大きくす
る試みがなされている。例えば、1994年12月5〜
9日に開催された1st WCPEC でMiguel A. Contrerasら
が発表した“HIGH EFFICIENCY Cu(In,Ga)Se2 -BASED SO
LAR CELLS:PROCESSINGOF NOVEL ABSORBER STRUCTURER
S”の第68〜75頁には、基板に近い方でバンドギャ
ップエネルギーが大きく、且つ、n型半導体と接触する
ことになる表面付近でバンドギャップエネルギーが小さ
くなるような、Cu(In,Ga)Se2よりなるカル
コパイライト構造化合物半導体薄膜とするために、該カ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜に含有されるGa
及びInの組成を変化させることが示されている。この
ようなバンドギャップ構造は、グレーデッドバンドギャ
ップ構造といわれ、バンド構造の伝導体に傾斜をつける
ことによりキャリヤの再結合を少なくし、電流を有効に
取り出そうと試みるものである。
ギャップエネルギーが1.04eVと低いために、Ga
を添加することにより、バンドギャップエネルギーを太
陽電池として最適な1.4〜1.50eVまで大きくす
る試みがなされている。例えば、1994年12月5〜
9日に開催された1st WCPEC でMiguel A. Contrerasら
が発表した“HIGH EFFICIENCY Cu(In,Ga)Se2 -BASED SO
LAR CELLS:PROCESSINGOF NOVEL ABSORBER STRUCTURER
S”の第68〜75頁には、基板に近い方でバンドギャ
ップエネルギーが大きく、且つ、n型半導体と接触する
ことになる表面付近でバンドギャップエネルギーが小さ
くなるような、Cu(In,Ga)Se2よりなるカル
コパイライト構造化合物半導体薄膜とするために、該カ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜に含有されるGa
及びInの組成を変化させることが示されている。この
ようなバンドギャップ構造は、グレーデッドバンドギャ
ップ構造といわれ、バンド構造の伝導体に傾斜をつける
ことによりキャリヤの再結合を少なくし、電流を有効に
取り出そうと試みるものである。
【0005】また、特開平6−37342号公報には、
Cu等のIb族元素とIn、Ga等のIIIb族元素と
を含むI−III族酸化物を、S、Se等のVIb族元
素を含む還元性雰囲気又はH2S、H2Se等の還元性V
Ib族化合物を含む雰囲気中で加熱処理することによ
り、前記酸化物をCuInS、CuInSe2 等のカル
コパイライト型化合物に転化して半導体薄膜を形成する
こと(以下、「従来技術B」という)が記載されてい
る。そして、このようにI−III族酸化物を用いるこ
とにより組成や微視的なばらつきのない均一なカルコパ
イライト型化合物得られることが記載されている。
Cu等のIb族元素とIn、Ga等のIIIb族元素と
を含むI−III族酸化物を、S、Se等のVIb族元
素を含む還元性雰囲気又はH2S、H2Se等の還元性V
Ib族化合物を含む雰囲気中で加熱処理することによ
り、前記酸化物をCuInS、CuInSe2 等のカル
コパイライト型化合物に転化して半導体薄膜を形成する
こと(以下、「従来技術B」という)が記載されてい
る。そして、このようにI−III族酸化物を用いるこ
とにより組成や微視的なばらつきのない均一なカルコパ
イライト型化合物得られることが記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術Aのよう
に金属のInを用いると、Inの表面粗度が大きいため
に、平面方向の組成のばらつきが大きくなり、そのため
に生成したCuInSe 2 薄膜の祖面も大きくなってし
まう。「平面方向の組成のばらつき」は、小さい太陽電
池セルを作成する場合には、それほど問題にならない
が、太陽電池モジュール等の大きなものを作成する場合
には、性能が悪いところに引っ張られてしまい、全体と
して悪い性能となってしまうという問題がある。また、
この種のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜は、主
として太陽電池の光吸収層として使用するが、その「表
面の粗度」が大きくなるとpn接合面で光起電力が発生
したとき、電界に対し弱い部分ができてしまい、太陽電
池の特性の1つである開放端電圧が小さくなり、その結
果、エネルギー変換効率が低下してしまうという問題が
ある。
に金属のInを用いると、Inの表面粗度が大きいため
に、平面方向の組成のばらつきが大きくなり、そのため
に生成したCuInSe 2 薄膜の祖面も大きくなってし
まう。「平面方向の組成のばらつき」は、小さい太陽電
池セルを作成する場合には、それほど問題にならない
が、太陽電池モジュール等の大きなものを作成する場合
には、性能が悪いところに引っ張られてしまい、全体と
して悪い性能となってしまうという問題がある。また、
この種のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜は、主
として太陽電池の光吸収層として使用するが、その「表
面の粗度」が大きくなるとpn接合面で光起電力が発生
したとき、電界に対し弱い部分ができてしまい、太陽電
池の特性の1つである開放端電圧が小さくなり、その結
果、エネルギー変換効率が低下してしまうという問題が
ある。
【0007】前記従来技術BのようにI族元素の金属酸
化物及びIII族元素の金属酸化物を用いると、最終的
に形成されるカルコパイライト膜の平面方向の均一性は
良くなるが、材料の価格の面で、I族元素の金属酸化物
がI族元素の金属より高価であるので、製造コストが高
くなるという問題がある。
化物及びIII族元素の金属酸化物を用いると、最終的
に形成されるカルコパイライト膜の平面方向の均一性は
良くなるが、材料の価格の面で、I族元素の金属酸化物
がI族元素の金属より高価であるので、製造コストが高
くなるという問題がある。
【0008】本発明は、かかる問題を解決することを目
的としている。即ち、本発明は、平面方向の組成の均一
性がよく且つ表面粗度が小さいカルコパイライト構造化
合物半導体薄膜を再現性よく低コストで製造するための
方法及びそれを有するエネルギー変換効率の向上させた
太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
的としている。即ち、本発明は、平面方向の組成の均一
性がよく且つ表面粗度が小さいカルコパイライト構造化
合物半導体薄膜を再現性よく低コストで製造するための
方法及びそれを有するエネルギー変換効率の向上させた
太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は、金属銅膜を
非金属膜である酸化インジウム膜及び酸化ガリウム膜の
上にそれぞれ成膜したところ、膜の表面粗度を小さくす
ることができ、そのために、膜の平面方向の組成のばら
つきを小さく抑えることができることを見出して、本願
発明を完成するに至った。
非金属膜である酸化インジウム膜及び酸化ガリウム膜の
上にそれぞれ成膜したところ、膜の表面粗度を小さくす
ることができ、そのために、膜の平面方向の組成のばら
つきを小さく抑えることができることを見出して、本願
発明を完成するに至った。
【0010】即ち、本第1発明は、上記目的を達成する
ために、基板上にInの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び
金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、この積層膜をセ
レン雰囲気中において加熱することを特徴とするカルコ
パイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法である。
ために、基板上にInの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び
金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、この積層膜をセ
レン雰囲気中において加熱することを特徴とするカルコ
パイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法である。
【0011】第2発明は、第1発明において、Inの酸
化物がIn2O3であり、そして、Gaの酸化物がGa2
O3であることを特徴とするものである。
化物がIn2O3であり、そして、Gaの酸化物がGa2
O3であることを特徴とするものである。
【0012】第3発明は、第1又は2発明において、I
nの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜をそれぞ
れスパッタリングにより成膜することを特徴とするもの
である。
nの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜をそれぞ
れスパッタリングにより成膜することを特徴とするもの
である。
【0013】第4発明は、第1,2又は3発明におい
て、セレン雰囲気をセレン単体の加熱によってセレン蒸
発を発生させることによりつくることを特徴とするもの
である。
て、セレン雰囲気をセレン単体の加熱によってセレン蒸
発を発生させることによりつくることを特徴とするもの
である。
【0014】第5発明は、第1,2,3又は4発明にお
いて、基板がMo、Cr、Ta、W及びTiから選ばれ
る少なくとも1種の金属により構成される単一膜又は積
層膜を表面に有するソーダライムガラス板であることを
特徴とするものである。
いて、基板がMo、Cr、Ta、W及びTiから選ばれ
る少なくとも1種の金属により構成される単一膜又は積
層膜を表面に有するソーダライムガラス板であることを
特徴とするものである。
【0015】第6発明は、第1,2,3,4又は5発明
において、積層膜の加熱を400〜550℃で行うこと
を特徴とするものである。
において、積層膜の加熱を400〜550℃で行うこと
を特徴とするものである。
【0016】第7発明は、第1〜6発明のいずれか1つ
の製造方法により得られたカルコパイライト構造化合物
半導体薄膜上に溶液成長法又は真空蒸着法により硫化カ
ドミウム層を成膜し、さらに、その上に酸化亜鉛層を成
膜することを特徴とする太陽電池の製造方法である。
の製造方法により得られたカルコパイライト構造化合物
半導体薄膜上に溶液成長法又は真空蒸着法により硫化カ
ドミウム層を成膜し、さらに、その上に酸化亜鉛層を成
膜することを特徴とする太陽電池の製造方法である。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明において用いられる基板
は、例えば、ソーダライムガラスであるが、本発明の目
的に反しないかぎり、従来太陽電池の製造において用い
られている、セラミック基板等の耐熱性の基板を用いる
ことができる。
は、例えば、ソーダライムガラスであるが、本発明の目
的に反しないかぎり、従来太陽電池の製造において用い
られている、セラミック基板等の耐熱性の基板を用いる
ことができる。
【0018】本発明において基板上に形成される積層膜
は、Inの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜か
ら構成されているが、かかる積層膜をセレン雰囲気中に
おいて加熱すると化学反応が進み、均一なカルコパイラ
イト構造化合物半導体薄膜が生成するので、Inの酸化
物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜は、任意の順序で
成膜して積層膜とすることができる。
は、Inの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜か
ら構成されているが、かかる積層膜をセレン雰囲気中に
おいて加熱すると化学反応が進み、均一なカルコパイラ
イト構造化合物半導体薄膜が生成するので、Inの酸化
物膜、Gaの酸化物膜及び金属Cu膜は、任意の順序で
成膜して積層膜とすることができる。
【0019】本発明におけるセレン雰囲気は、例えば、
Se単体を加熱してSe蒸気を発生させることによりつ
くることができる。前記Se蒸気におけるSeは、Se
の単原子を意味するものではなく、Se6 、Se2 、S
e及びその他のSe分子の総称を意味する。
Se単体を加熱してSe蒸気を発生させることによりつ
くることができる。前記Se蒸気におけるSeは、Se
の単原子を意味するものではなく、Se6 、Se2 、S
e及びその他のSe分子の総称を意味する。
【0020】本発明によって製造されるカルコパイライ
ト構造化合物半導体薄膜を太陽電池とするには、例え
ば、該カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の上に溶
液成長法又は真空蒸着法によりN型半導体として硫化カ
ドミウム層を形成し、さらに、その上に透明導電膜とし
て酸化亜鉛層を形成する。
ト構造化合物半導体薄膜を太陽電池とするには、例え
ば、該カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の上に溶
液成長法又は真空蒸着法によりN型半導体として硫化カ
ドミウム層を形成し、さらに、その上に透明導電膜とし
て酸化亜鉛層を形成する。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1は、
本発明の一実施例を説明するためのカルコパイライト構
造化合物半導体薄膜の製造工程及びそれを有する太陽電
池の製造工程の断面説明図である。
本発明の一実施例を説明するためのカルコパイライト構
造化合物半導体薄膜の製造工程及びそれを有する太陽電
池の製造工程の断面説明図である。
【0022】(実施例1)本実施例を図1に基づいて説
明する。ソーダライムガラスよりなる基板1の上に予め
Mo膜2を1μm程度の厚さにスパッタリングにより成
膜しておいた。Moは、太陽電池を作成した場合、p型
伝導のカルコパイライト半導体薄膜とオーミック接触を
得ることができ、さらに、Seと反応し難いために、こ
のように予めMoをソーダライムガラスよりなる基板の
上に成膜しておいた。このMo膜2が成膜された基板1
の上にGa2O3膜3及びIn2O3膜4をそれぞれ真空蒸
着法により基板加熱温度300℃で成膜した。次に、こ
の膜上にCu膜5をDCマグネトロンスパッタリングに
より基板加熱なしで成膜した。このようにして形成され
た積層膜の原子数比について調べたところ、Cu/(I
n+Ga)は、0.90であり、そして、Ga/(In
+Ga)は、0.20であった。[図1(a)]
明する。ソーダライムガラスよりなる基板1の上に予め
Mo膜2を1μm程度の厚さにスパッタリングにより成
膜しておいた。Moは、太陽電池を作成した場合、p型
伝導のカルコパイライト半導体薄膜とオーミック接触を
得ることができ、さらに、Seと反応し難いために、こ
のように予めMoをソーダライムガラスよりなる基板の
上に成膜しておいた。このMo膜2が成膜された基板1
の上にGa2O3膜3及びIn2O3膜4をそれぞれ真空蒸
着法により基板加熱温度300℃で成膜した。次に、こ
の膜上にCu膜5をDCマグネトロンスパッタリングに
より基板加熱なしで成膜した。このようにして形成され
た積層膜の原子数比について調べたところ、Cu/(I
n+Ga)は、0.90であり、そして、Ga/(In
+Ga)は、0.20であった。[図1(a)]
【0023】この積層膜をSe雰囲気中において500
℃で2時間加熱処理して、CuIn 0.8Ga0.2Se2 よ
りなる膜厚約2μmのカルコパイライト構造化合物半導
体薄膜6を形成した。[図1(b)]
℃で2時間加熱処理して、CuIn 0.8Ga0.2Se2 よ
りなる膜厚約2μmのカルコパイライト構造化合物半導
体薄膜6を形成した。[図1(b)]
【0024】このようにして得られたカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜6の表面粗度を測定したところ、
次の表1に示される結果を得た。前記「表面粗度」は、
カルコパイライト構造化合物半導体薄膜6の50mm×
50mmの正方形の表面内においてランダムに選ばれる
5ヶ所の中心線平均粗さ;Ra(Å)により測定した(以
下、本明細書においては、「表面粗度」は、同様に測定
したものを意味する)。また、その組成均一性を測定し
たところ、次の表2に示される結果を得た。前記「組成
均一性」は、蛍光X線分析によりカルコパイライト構造
化合物半導体薄膜6の50mm×50mmの正方形のラ
ンダムに選ばれる5点について5回測定した(以下、本
明細書においては、「組成均一性」は、同様に測定した
ものを意味する)。
構造化合物半導体薄膜6の表面粗度を測定したところ、
次の表1に示される結果を得た。前記「表面粗度」は、
カルコパイライト構造化合物半導体薄膜6の50mm×
50mmの正方形の表面内においてランダムに選ばれる
5ヶ所の中心線平均粗さ;Ra(Å)により測定した(以
下、本明細書においては、「表面粗度」は、同様に測定
したものを意味する)。また、その組成均一性を測定し
たところ、次の表2に示される結果を得た。前記「組成
均一性」は、蛍光X線分析によりカルコパイライト構造
化合物半導体薄膜6の50mm×50mmの正方形のラ
ンダムに選ばれる5点について5回測定した(以下、本
明細書においては、「組成均一性」は、同様に測定した
ものを意味する)。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】そして、このカルコパイライト構造化合物
半導体薄膜6の上にCdS膜7を真空蒸着法により基板
加熱温度200℃で0.3μm厚に成膜した。次に、こ
のCdS膜7の上にZnO膜8をRFマグネトロンスパ
ッタリングにより基板加熱温度200℃で0.1μm厚
に成膜し、続いて、AlがドーピングされたZnO膜
(以下、本明細書では「ZnO:Al膜」という)9を
DCマグネトロンスパッタリングにより基板加熱温度2
00℃で0.7μm厚に成膜して太陽電池とした。[図
1(c)]この太陽電池をソーラーシミュレータによる
0.1W/cm2 の光照射下で太陽電池のエネルギー変
換率を測定したところ、その測定結果は、開放電圧;4
50mV、短絡電流密度;32mA/cm2 、フィルフ
ァクター;55%、及び、エネルギー変換率;7.9%
であった。
半導体薄膜6の上にCdS膜7を真空蒸着法により基板
加熱温度200℃で0.3μm厚に成膜した。次に、こ
のCdS膜7の上にZnO膜8をRFマグネトロンスパ
ッタリングにより基板加熱温度200℃で0.1μm厚
に成膜し、続いて、AlがドーピングされたZnO膜
(以下、本明細書では「ZnO:Al膜」という)9を
DCマグネトロンスパッタリングにより基板加熱温度2
00℃で0.7μm厚に成膜して太陽電池とした。[図
1(c)]この太陽電池をソーラーシミュレータによる
0.1W/cm2 の光照射下で太陽電池のエネルギー変
換率を測定したところ、その測定結果は、開放電圧;4
50mV、短絡電流密度;32mA/cm2 、フィルフ
ァクター;55%、及び、エネルギー変換率;7.9%
であった。
【0028】(実施例2)実施例1と同様に、ソーダラ
イムガラスよりなる基板の上に予めMo膜を1μm程度
の厚さにスパッタリングにより成膜しておいた。このM
o膜が成膜された基板の上にGa2O3膜及びIn2O3膜
をそれぞれRFマグネトロンスパッタリングにより基板
加熱温度250℃で成膜した。次に、この膜上にCu膜
をDCマグネトロンスパッタリングにより基板加熱なし
で成膜した。このようにして形成された積層膜の原子数
比について調べたところ、Cu/(In+Ga)は、
0.95であり、そして、Ga/(In+Ga)は、
0.15であった。
イムガラスよりなる基板の上に予めMo膜を1μm程度
の厚さにスパッタリングにより成膜しておいた。このM
o膜が成膜された基板の上にGa2O3膜及びIn2O3膜
をそれぞれRFマグネトロンスパッタリングにより基板
加熱温度250℃で成膜した。次に、この膜上にCu膜
をDCマグネトロンスパッタリングにより基板加熱なし
で成膜した。このようにして形成された積層膜の原子数
比について調べたところ、Cu/(In+Ga)は、
0.95であり、そして、Ga/(In+Ga)は、
0.15であった。
【0029】この積層膜をSe雰囲気中において550
℃で2時間加熱処理して、CuIn 0.85Ga0.15Se2
よりなる膜厚約2μmのカルコパイライト構造化合物半
導体薄膜を形成した。
℃で2時間加熱処理して、CuIn 0.85Ga0.15Se2
よりなる膜厚約2μmのカルコパイライト構造化合物半
導体薄膜を形成した。
【0030】このようにして得られたカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜の表面粗度を測定したところ、次
の表3に示される結果を得た。
構造化合物半導体薄膜の表面粗度を測定したところ、次
の表3に示される結果を得た。
【0031】
【表3】
【0032】そして、このカルコパイライト構造化合物
半導体薄膜の上にCdS膜を真空蒸着法により基板加熱
温度200℃で0.3μm厚に成膜した。次に、このC
dS膜の上にZnO膜をRFマグネトロンスパッタリン
グにより基板加熱温度200℃で0.1μm厚に成膜
し、続いて、ZnO:Al膜をDCマグネトロンスパッ
タリングにより基板加熱温度200℃で0.7μm厚に
成膜して太陽電池とした。この太陽電池をソーラーシミ
ュレータによる0.1W/cm2 の光照射下で太陽電池
のエネルギー変換率を測定したところ、その測定結果
は、開放電圧;440mV、短絡電流密度;33.5m
A/cm2 、フィルファクター;56%、及び、エネル
ギー変換率;8.5%であった。
半導体薄膜の上にCdS膜を真空蒸着法により基板加熱
温度200℃で0.3μm厚に成膜した。次に、このC
dS膜の上にZnO膜をRFマグネトロンスパッタリン
グにより基板加熱温度200℃で0.1μm厚に成膜
し、続いて、ZnO:Al膜をDCマグネトロンスパッ
タリングにより基板加熱温度200℃で0.7μm厚に
成膜して太陽電池とした。この太陽電池をソーラーシミ
ュレータによる0.1W/cm2 の光照射下で太陽電池
のエネルギー変換率を測定したところ、その測定結果
は、開放電圧;440mV、短絡電流密度;33.5m
A/cm2 、フィルファクター;56%、及び、エネル
ギー変換率;8.5%であった。
【0033】(比較例1)ソーダライムガラスよりなる
基板の上に予めMo膜を1μm程度の厚さにスパッタリ
ングにより成膜しておいた。このMo膜が成膜された基
板の上にIn−Ga−Se膜をIn、G及びSeの3元
ソースから同時蒸着法により成膜した。次に、この膜上
にCu膜をスパッタリングにより成膜した。この積層膜
をSe雰囲気中において500℃で1時間加熱処理し
て、CuIn0.8Ga0.2Se2 よりなる膜厚約2μmの
従来のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を形成し
た。
基板の上に予めMo膜を1μm程度の厚さにスパッタリ
ングにより成膜しておいた。このMo膜が成膜された基
板の上にIn−Ga−Se膜をIn、G及びSeの3元
ソースから同時蒸着法により成膜した。次に、この膜上
にCu膜をスパッタリングにより成膜した。この積層膜
をSe雰囲気中において500℃で1時間加熱処理し
て、CuIn0.8Ga0.2Se2 よりなる膜厚約2μmの
従来のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を形成し
た。
【0034】このようにして得られた従来のカルコパイ
ライト構造化合物半導体薄膜の表面粗度を測定したとこ
ろ、次の表4に示される結果を得た。また、その組成均
一性を測定したところ、次の表5に示される結果を得
た。
ライト構造化合物半導体薄膜の表面粗度を測定したとこ
ろ、次の表4に示される結果を得た。また、その組成均
一性を測定したところ、次の表5に示される結果を得
た。
【0035】
【表4】
【0036】
【表5】
【0037】そして、この従来のカルコパイライト構造
化合物半導体薄膜の上にCdS膜を真空蒸着法により
0.3μm厚に成膜した。次に、このCdS膜の上にZ
nO膜をRFマグネトロンスパッタリングにより0.1
μm厚に成膜し、続いて、ZnO:Al膜をDCマグネ
トロンスパッタリングにより基板加熱温度200℃で
0.7μm厚に成膜して太陽電池とした。この太陽電池
をソーラーシミュレータによる0.1W/cm2 の光照
射下で太陽電池のエネルギー変換率を測定したところ、
その測定結果は、開放電圧;425mV、短絡電流密
度;31.5mA/cm2 、フィルファクター;54
%、及び、エネルギー変換率;7.23%であった。
化合物半導体薄膜の上にCdS膜を真空蒸着法により
0.3μm厚に成膜した。次に、このCdS膜の上にZ
nO膜をRFマグネトロンスパッタリングにより0.1
μm厚に成膜し、続いて、ZnO:Al膜をDCマグネ
トロンスパッタリングにより基板加熱温度200℃で
0.7μm厚に成膜して太陽電池とした。この太陽電池
をソーラーシミュレータによる0.1W/cm2 の光照
射下で太陽電池のエネルギー変換率を測定したところ、
その測定結果は、開放電圧;425mV、短絡電流密
度;31.5mA/cm2 、フィルファクター;54
%、及び、エネルギー変換率;7.23%であった。
【0038】以上、実施例1,2及び比較例1(従来
例)の結果からすると、実施例1,2では、従来技術の
比較例よりも、それらの開放端電圧が比較例1よりも向
上すると共にそれらの表面粗度が比較例1よりも著しく
良いことがわかる。そして、実施例1及び比較例1にお
けるカルコパイライト構造化合物半導体薄膜がほぼ同じ
組成及び膜厚のCuIn0.8Ga0.2Se2 で構成され、
しかも、それらのn型半導体がほぼ同じCdS、ZnO
及びZn:Alで構成されていることからすると、前記
実施例の開放端電圧の向上は、それらのカルコパイライ
ト構造化合物半導体薄膜の表面粗度が改善されたことに
よるものといえる。また、実施例2の開放端電圧が実施
例1のものより若干小さいのは、そのカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜のGa含有量が小さいため、光吸
収層のバンドギャップエネルギーが小さくなったことに
よるものと考えられる。
例)の結果からすると、実施例1,2では、従来技術の
比較例よりも、それらの開放端電圧が比較例1よりも向
上すると共にそれらの表面粗度が比較例1よりも著しく
良いことがわかる。そして、実施例1及び比較例1にお
けるカルコパイライト構造化合物半導体薄膜がほぼ同じ
組成及び膜厚のCuIn0.8Ga0.2Se2 で構成され、
しかも、それらのn型半導体がほぼ同じCdS、ZnO
及びZn:Alで構成されていることからすると、前記
実施例の開放端電圧の向上は、それらのカルコパイライ
ト構造化合物半導体薄膜の表面粗度が改善されたことに
よるものといえる。また、実施例2の開放端電圧が実施
例1のものより若干小さいのは、そのカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜のGa含有量が小さいため、光吸
収層のバンドギャップエネルギーが小さくなったことに
よるものと考えられる。
【0039】以下、本発明の作用を記載すると次のとお
りとなう。 (1)本第1,2発明について Inは融点が約157℃と低く、常温でも柔らかい金属
である。この材料で薄膜を作成すると、表面は非常に凹
凸のあるものになってしまう。例えば、ソーダライムガ
ラス上にInを基板温度100℃で真空蒸着すると、そ
の表面粗度は、中心線表面粗さ(Ra )で300Åとな
る。これをIn2O3に代えてみると、その表面粗度は、
30Å以下となり、極端に小さくなることがわかる。ま
た、Gaは、その単体の融点が約28℃であるので、3
0℃を越えると液体になってしまう。そうなると基板上
にGa液体のドロップレット(小滴)が出現し、平面方
向の組成の均一性が悪くなってしまう。これをGa2O3
に代えてみると、その表面粗度は、In2O3 と同程度
に小さくなってしまう。しかも、Ga2O3は、In 2O3
と同程度に高融点である。さらに、金属銅膜は、酸化イ
ンジウム膜及び酸化ガリウム膜に成膜しても、膜の表面
粗度を小さくすることができ、そのために、膜の平面方
向の組成のばらつきを小さく抑えることができる。
りとなう。 (1)本第1,2発明について Inは融点が約157℃と低く、常温でも柔らかい金属
である。この材料で薄膜を作成すると、表面は非常に凹
凸のあるものになってしまう。例えば、ソーダライムガ
ラス上にInを基板温度100℃で真空蒸着すると、そ
の表面粗度は、中心線表面粗さ(Ra )で300Åとな
る。これをIn2O3に代えてみると、その表面粗度は、
30Å以下となり、極端に小さくなることがわかる。ま
た、Gaは、その単体の融点が約28℃であるので、3
0℃を越えると液体になってしまう。そうなると基板上
にGa液体のドロップレット(小滴)が出現し、平面方
向の組成の均一性が悪くなってしまう。これをGa2O3
に代えてみると、その表面粗度は、In2O3 と同程度
に小さくなってしまう。しかも、Ga2O3は、In 2O3
と同程度に高融点である。さらに、金属銅膜は、酸化イ
ンジウム膜及び酸化ガリウム膜に成膜しても、膜の表面
粗度を小さくすることができ、そのために、膜の平面方
向の組成のばらつきを小さく抑えることができる。
【0040】それ故、基板上にInの酸化物膜、Gaの
酸化物膜及び金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、こ
の積層膜をセレン雰囲気中において加熱することによ
り、生成するカルコパイライト構造化合物半導体薄膜の
表面粗度を著しく改善することができ、そのために、こ
のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を太陽電池の
光吸収層に用いても、従来のように、開放端電圧が小さ
くなってしまうことがない。また、金属Cu膜を用いる
ので、製造コストを低く抑えることがえきる。
酸化物膜及び金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、こ
の積層膜をセレン雰囲気中において加熱することによ
り、生成するカルコパイライト構造化合物半導体薄膜の
表面粗度を著しく改善することができ、そのために、こ
のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を太陽電池の
光吸収層に用いても、従来のように、開放端電圧が小さ
くなってしまうことがない。また、金属Cu膜を用いる
ので、製造コストを低く抑えることがえきる。
【0041】(2)本第3発明について Inの酸化物膜及びGaの酸化物膜は、水素スパッタリ
ングにより成膜されるので、均一な膜を再現性良く容易
に成膜することができる。金属Cu膜は、スパッタリン
グでも真空蒸着でも均一な膜を再現性良く容易に成膜す
ることができるるので、Inの酸化物膜及びGaの酸化
物膜の成膜と同じスパッタリングにより成膜するのが効
率的である。
ングにより成膜されるので、均一な膜を再現性良く容易
に成膜することができる。金属Cu膜は、スパッタリン
グでも真空蒸着でも均一な膜を再現性良く容易に成膜す
ることができるるので、Inの酸化物膜及びGaの酸化
物膜の成膜と同じスパッタリングにより成膜するのが効
率的である。
【0042】(3)本回転体の下面第4発明について セレン雰囲気をセレン単体の加熱によってセレン蒸発を
発生させることによりつくるので、従来用いられていた
H2Se 等の毒性ガスを発生させることなく良質のカル
コパイライト構造化合物半導体薄膜を形成することが出
来る。
発生させることによりつくるので、従来用いられていた
H2Se 等の毒性ガスを発生させることなく良質のカル
コパイライト構造化合物半導体薄膜を形成することが出
来る。
【0043】(4)本第5発明について 基板上のMo、Cr、Ta、W及びTiから選ばれる少
なくとも1種の金属により構成される単一膜又は積層膜
は、それらの金属の仕事関数が比較的大きいので、その
上に形成されることになるp型伝導のカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜とオーミックコンタクトを取りや
すくなる。また、これらの金属膜は、Seと反応しにく
いため、セレン蒸気中で400〜450℃程度の高温に
さらされても、剥離してしまうことはない。
なくとも1種の金属により構成される単一膜又は積層膜
は、それらの金属の仕事関数が比較的大きいので、その
上に形成されることになるp型伝導のカルコパイライト
構造化合物半導体薄膜とオーミックコンタクトを取りや
すくなる。また、これらの金属膜は、Seと反応しにく
いため、セレン蒸気中で400〜450℃程度の高温に
さらされても、剥離してしまうことはない。
【0044】(5)本第6発明について 加熱温度が400℃より低いとカルコパイライト構造の
結晶が不完全となり、また、セレン化銅(Cu2-xSe
、CuSe等)、セレン化インジウム(InSe、I
n6Se7等)、セレン化ガリウム(GaSe、Ga2S
e3等)等が反応しきれずに残っているので、かかるカ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜を有する太陽電池
を作成した際にこれらの2元化合物はキャリアの再結合
中心となって、太陽電池特性に悪影響を与えることにな
る。また、この種のカルコパイライト構造化合物半導体
薄膜は、太陽電池の光吸収層として使用されるが、その
太陽電池の基板としては、ソーダライムガラスを使用す
るのがほとんどである。ソーダライムガラスよりなる基
板は、570℃で軟化し、これより若干低い温度の55
0℃を越える温度で反りを生じる。それ故、加熱温度を
400〜550℃とするとにより、基板を変形させるこ
となく、しかも、結晶性のよいカルコパイライト構造化
合物半導体薄膜を形成することができる。
結晶が不完全となり、また、セレン化銅(Cu2-xSe
、CuSe等)、セレン化インジウム(InSe、I
n6Se7等)、セレン化ガリウム(GaSe、Ga2S
e3等)等が反応しきれずに残っているので、かかるカ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜を有する太陽電池
を作成した際にこれらの2元化合物はキャリアの再結合
中心となって、太陽電池特性に悪影響を与えることにな
る。また、この種のカルコパイライト構造化合物半導体
薄膜は、太陽電池の光吸収層として使用されるが、その
太陽電池の基板としては、ソーダライムガラスを使用す
るのがほとんどである。ソーダライムガラスよりなる基
板は、570℃で軟化し、これより若干低い温度の55
0℃を越える温度で反りを生じる。それ故、加熱温度を
400〜550℃とするとにより、基板を変形させるこ
となく、しかも、結晶性のよいカルコパイライト構造化
合物半導体薄膜を形成することができる。
【0045】(6)本第7発明について 本第1〜6発明のいずれか1つの発明により得られたカ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜上に溶液成長法又
は真空蒸着法により硫化カドミウム層を成膜し、さら
に、その上にスパッタ法により酸化亜鉛層を成膜するこ
とによって、太陽電池特性の中で特に開放端電圧を向上
させるために、エネルギー変換効率の向上させた太陽電
池を提供することができる。
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜上に溶液成長法又
は真空蒸着法により硫化カドミウム層を成膜し、さら
に、その上にスパッタ法により酸化亜鉛層を成膜するこ
とによって、太陽電池特性の中で特に開放端電圧を向上
させるために、エネルギー変換効率の向上させた太陽電
池を提供することができる。
【0046】
【発明の効果】平面方向の組成の均一性がよく且つ表面
粗度が小さいカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を
再現性よく低コストで製造するための方法を提供するこ
とができ、そして、それを有するエネルギー変換効率の
向上させた太陽電池の製造方法を提供することができ
る。
粗度が小さいカルコパイライト構造化合物半導体薄膜を
再現性よく低コストで製造するための方法を提供するこ
とができ、そして、それを有するエネルギー変換効率の
向上させた太陽電池の製造方法を提供することができ
る。
【図1】本発明の一実施例を説明するためのカルコパイ
ライト構造化合物半導体薄膜の製造工程及びそれを有す
る太陽電池の製造工程の断面説明図である。
ライト構造化合物半導体薄膜の製造工程及びそれを有す
る太陽電池の製造工程の断面説明図である。
【図2】従来のCIS系化合物半導体薄膜の断面説明図
である。
である。
1 基板 2 Mo膜 3 Ga2O3膜 4 In2O3膜 5 Cu膜 6 カルコパイライト構造化合物半導体薄膜 7 CdS膜 8 ZnO膜 9 ZnO:Al膜
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上にInの酸化物膜、Gaの酸化物
膜及び金属Cu膜を成膜して積層膜を形成し、この積層
膜をセレン雰囲気中において加熱することを特徴とする
カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項2】 Inの酸化物がIn2O3であり、そし
て、Gaの酸化物がGa2O3であることを特徴とする請
求項1記載のカルコパイライト構造化合物半導体薄膜の
製造方法。 - 【請求項3】 Inの酸化物膜、Gaの酸化物膜及び金
属Cu膜をそれぞれスパッタリングにより成膜すること
を特徴とする請求項1又は2記載のカルコパイライト構
造化合物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項4】 セレン雰囲気をセレン単体の加熱によっ
てセレン蒸発を発生させることによりつくることを特徴
とする請求項1,2又は3記載のカルコパイライト構造
化合物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項5】 基板がMo、Cr、Ta、W及びTiか
ら選ばれる少なくとも1種の金属により構成される単一
膜又は積層膜を表面に有するソーダライムガラス板であ
ることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載のカル
コパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項6】 積層膜の加熱を400〜550℃で行う
ことを特徴とする請求項1,2,3,4又は5記載のカ
ルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1つに記載の製
造方法により得られたカルコパイライト構造化合物半導
体薄膜上に溶液成長法又は真空蒸着法により硫化カドミ
ウム層を成膜し、さらに、その上に酸化亜鉛層を成膜す
ることを特徴とする太陽電池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10082084A JPH11284209A (ja) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽電池の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10082084A JPH11284209A (ja) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽電池の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11284209A true JPH11284209A (ja) | 1999-10-15 |
Family
ID=13764590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10082084A Withdrawn JPH11284209A (ja) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | カルコパイライト構造化合物半導体薄膜の製造方法及びそれを有する太陽電池の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11284209A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6899954B2 (en) | 2001-08-22 | 2005-05-31 | Schott Ag | Cadmium-free optical steep edge filters |
| WO2006016577A1 (ja) * | 2004-08-09 | 2006-02-16 | Showa Shell Sekiyu K.K. | Cis系化合物半導体薄膜太陽電池及び該太陽電池の光吸収層の製造方法 |
| JP2006196798A (ja) * | 2005-01-17 | 2006-07-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 薄膜太陽電池の検査方法 |
| US7867636B2 (en) | 2006-01-11 | 2011-01-11 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Transparent conductive film and method for manufacturing the same |
| JP2011114109A (ja) * | 2009-11-26 | 2011-06-09 | Kyocera Corp | 半導体層の製造方法および光電変換装置の製造方法 |
| JP2012235020A (ja) * | 2011-05-06 | 2012-11-29 | Toshiba Corp | 光電変換素子および太陽電池 |
-
1998
- 1998-03-27 JP JP10082084A patent/JPH11284209A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6899954B2 (en) | 2001-08-22 | 2005-05-31 | Schott Ag | Cadmium-free optical steep edge filters |
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| JP2012235020A (ja) * | 2011-05-06 | 2012-11-29 | Toshiba Corp | 光電変換素子および太陽電池 |
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