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JP5709652B2 - CZTS thin film solar cell manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法に関し、特に、光電変換効率の高いCZTS系薄膜太陽電池を製造するための方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a CZTS-based thin film solar cell, and more particularly to a method for producing a CZTS-based thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency.

近年、p型光吸収層として、一般にCZTSと呼ばれる、カルコゲナイド系の化合物半導体を用いた薄膜太陽電池が注目されている。このタイプの太陽電池は、材料が比較的安価で、また太陽光に適したバンドギャップエネルギーを有するので、高効率の太陽電池を安価に製造できるとの期待がある。CZTSは、Cu,Zn,Sn,Sを含む、I2−II−IV−VI4族化合物半導体であり、代表的なものとして、Cu2ZnSnS4等がある。 In recent years, a thin film solar cell using a chalcogenide-based compound semiconductor, generally called CZTS, has attracted attention as a p-type light absorption layer. Since this type of solar cell is relatively inexpensive and has a band gap energy suitable for sunlight, it is expected that a highly efficient solar cell can be manufactured at low cost. CZTS is an I 2 -II-IV-VI 4 group compound semiconductor containing Cu, Zn, Sn, and S. Typical examples include Cu 2 ZnSnS 4 .

CZTS系薄膜太陽電池は、基板上に金属の裏面電極層を形成し、その上にp型CZTS系光吸収層を形成し、さらにn型高抵抗バッファ層、n型透明導電膜を順次積層して形成される。金属の裏面電極層材料としては、モリブデン(Mo)またはチタン(Ti)、クロム(Cr)等の高耐蝕性でかつ高融点金属が用いられる。p型CZTS系光吸収層は、例えば、モリブデン(Mo)の金属裏面電極層を形成した基板上に、Cu−Zn−SnあるいはCu−Zn−Sn−Sのプリカーサ膜をスパッタ法等により形成し、これを硫化水素雰囲気中で硫化することにより、形成される(例えば特許文献1参照)。   In a CZTS thin film solar cell, a metal back electrode layer is formed on a substrate, a p-type CZTS light absorption layer is formed thereon, and an n-type high resistance buffer layer and an n-type transparent conductive film are sequentially laminated. Formed. As the metal back electrode layer material, high corrosion resistance and high melting point metal such as molybdenum (Mo), titanium (Ti), or chromium (Cr) is used. The p-type CZTS light absorption layer is formed by, for example, forming a Cu—Zn—Sn or Cu—Zn—Sn—S precursor film on a substrate on which a molybdenum (Mo) metal back electrode layer is formed by sputtering or the like. This is formed by sulfiding in a hydrogen sulfide atmosphere (see, for example, Patent Document 1).

特開2010−215497号公報JP 2010-215497 A

上述したように、CZTS系薄膜太陽電池はその潜在的な可能性は高いが、現在のところ実用に耐え得る高い光電変換効率を有する製品は得られておらず、製造技術の一層の進歩が求められている。本発明は係る点に関してなされたもので、特に、優れた結晶品質を有するp型CZTS系光吸収層を形成することによって、高い光電変換効率を有するCZTS系薄膜太陽電池の製造を可能とすることを課題とする。   As described above, CZTS-based thin-film solar cells have high potential, but at present, products with high photoelectric conversion efficiency that can withstand practical use have not been obtained, and further progress in manufacturing technology is required. It has been. The present invention has been made with respect to this point, and in particular, by forming a p-type CZTS light absorption layer having excellent crystal quality, it is possible to manufacture a CZTS thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency. Is an issue.

前記課題を解決するために、本発明の態様では、基板上に金属裏面電極層を形成し、前記金属裏面電極層上にp型CZTS系光吸収層を形成し、前記p型CZTS系光吸収層上にn型透明導電被膜を形成し、前記n型透明導電被膜を形成した前記基板を気中において雰囲気温度100℃以上300℃未満で30分以上90分以下の間アニールする、各ステップを備える、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problem, in an aspect of the present invention, a metal back electrode layer is formed on a substrate, a p-type CZTS light absorption layer is formed on the metal back electrode layer, and the p-type CZTS light absorption is formed. the n-type transparent conductive film is formed on the layer, which during a 30 minute anneal over 90 minutes or less at less than ambient temperature 100 ° C. or higher 300 ° C. in the n-type transparent conductive coating atmosphere in the substrate formed with the respective steps A method for producing a CZTS-based thin film solar cell is provided.

さらに、200℃以上250℃以下に設定してアニールを行うようにしても良い。 Furthermore, annealing may be performed at a temperature set to 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower .

また、前記p型CZTS系光吸収層は、前記金属裏面電極層上に少なくともCu,Zn,Snを含む金属プリカーサ膜を形成し、該金属プリカーサ膜を硫化および/またはセレン化して形成しても良い。   The p-type CZTS light absorption layer may be formed by forming a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn on the metal back electrode layer, and sulfiding and / or selenizing the metal precursor film. good.

p型CZTS系光吸収層を含むCZTS系薄膜太陽電池では、p型CZTS系光吸収層中にVI族元素由来の多くの結晶欠陥が含まれ、これらが光吸収層としての機能を低下させ、結果としてCZTS系薄膜太陽電池の光電変換効率を低下させる。本発明では、金属裏面電極層上にp型CZTS系光吸収層を形成しその上にn型透明導電被膜を形成した太陽電池基板に対し、酸素含有雰囲気中でアニールを行うようにしている。   In the CZTS-based thin film solar cell including the p-type CZTS-based light absorption layer, the p-type CZTS-based light absorption layer includes many crystal defects derived from Group VI elements, which reduce the function as the light absorption layer, As a result, the photoelectric conversion efficiency of the CZTS thin film solar cell is lowered. In the present invention, a solar cell substrate having a p-type CZTS light absorption layer formed on a metal back electrode layer and an n-type transparent conductive film formed thereon is annealed in an oxygen-containing atmosphere.

このアニールによって、アニール雰囲気中に含まれる酸素がn型透明導電膜を透過しp型CZTS系光吸収層中に達して、該層中に存在する結晶欠陥に捕獲される。その結果、p型CZTS系光吸収層中のVI族元素に由来する結晶欠陥が不活性化され、光吸収層の結晶品質が向上するので、CZTS系薄膜太陽電池の光電変換効率が向上する。アニールを雰囲気温度200℃以上で行うことによって、雰囲気中の酸素がより効果的にp型CZTS系光吸収層中に取りこまれ、光電変換効率がさらに向上する。   By this annealing, oxygen contained in the annealing atmosphere passes through the n-type transparent conductive film, reaches the p-type CZTS light absorption layer, and is captured by crystal defects present in the layer. As a result, crystal defects derived from the group VI element in the p-type CZTS light absorption layer are inactivated and the crystal quality of the light absorption layer is improved, so that the photoelectric conversion efficiency of the CZTS thin film solar cell is improved. By performing the annealing at an atmospheric temperature of 200 ° C. or higher, oxygen in the atmosphere is more effectively taken into the p-type CZTS light absorption layer, and the photoelectric conversion efficiency is further improved.

本発明の一実施形態に係る製造方法によって形成された、CZTS系薄膜太陽電池の断面構造を示す概略図。Schematic which shows the cross-section of the CZTS type thin film solar cell formed by the manufacturing method concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るCZTS系薄膜太陽電池の製造方法を説明するための図。The figure for demonstrating the manufacturing method of the CZTS type thin film solar cell which concerns on one Embodiment of this invention.

以下に、図面を参照して本発明の種々の実施形態を説明するが、これらの実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。また、全図面を通して、同じ符号は同一または類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の説明のみを目的としており、従って各層の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。   Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but these embodiments are merely examples and do not limit the present invention. Moreover, since the same code | symbol shows the same or similar component through all the drawings, the overlapping description is not performed. Further, each drawing is for the purpose of illustrating the present invention only, and therefore the size of each layer on the drawing does not correspond to the actual scale.

図1は、本発明の方法で製造したCZTS系薄膜太陽電池の構造を示す概略断面図である。図1において、1はガラス基板、2はMo等の金属を材料とする金属裏面電極層、3はp型CZTS系光吸収層、4はn型高抵抗バッファ層、5はn型透明導電膜を示す。p型CZTS系光吸収層3は、Cu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を金属裏面電極層2上に形成した後、これを500℃〜650℃の硫化水素および/またはセレン化水素雰囲気中で硫化および/またはセレン化して形成される。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a CZTS-based thin film solar cell manufactured by the method of the present invention. In FIG. 1, 1 is a glass substrate, 2 is a metal back electrode layer made of a metal such as Mo, 3 is a p-type CZTS light absorption layer, 4 is an n-type high resistance buffer layer, and 5 is an n-type transparent conductive film. Indicates. The p-type CZTS light absorption layer 3 is formed in a hydrogen sulfide and / or hydrogen selenide atmosphere at 500 ° C. to 650 ° C. after a metal precursor film containing Cu, Zn, and Sn is formed on the metal back electrode layer 2. It is formed by sulfurization and / or selenization.

少なくともCu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を硫化水素雰囲気中で硫化することによって、Cu2ZnSnS4からなるp型CZTS系光吸収層3が形成される。一方、この金属プリカーサ膜をセレン化水素雰囲気中でセレン化することによって、Cu2ZnSnSe4からなるp型CZTS系光吸収層3が形成される。或いは、同じ金属プリカーサ膜をセレン化しかつ硫化することによって、Cu2ZnSn(S,Se)4からなるp型CZTS系光吸収層3が形成される。 By sulfiding a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn in a hydrogen sulfide atmosphere, the p-type CZTS light absorption layer 3 made of Cu 2 ZnSnS 4 is formed. On the other hand, the metal precursor film is selenized in a hydrogen selenide atmosphere to form a p-type CZTS light absorption layer 3 made of Cu 2 ZnSnSe 4 . Alternatively, the same metal precursor film is selenized and sulfided to form the p-type CZTS light absorption layer 3 made of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 .

このようにしてp型CZTS系光吸収層3が形成されると、その上にn型高抵抗バッファ層4及びn型透明導電膜5を形成して、CZTS系薄膜太陽電池を完成する。n型高抵抗バッファ層4は、例えば、Cd、Zn、Inを含む化合物の薄膜(膜厚3nm〜50nm程度)であり、代表的にはCdS、ZnO、ZnS、Zn(OH)2、In23、In23、あるいはこれらの混晶であるZn(O、S、OH)で形成される。この層は、一般的には溶液成長法(CBD法)により製膜されるが、ドライプロセスとして有機金属気相成長法(MOCVD法)、原子層堆積法(ALD法)も適用可能である。なお、CBD法とは、プリカーサとなる化学種を含む溶液に基材を浸し、溶液と基材表面との間で不均一反応を進行させることによって薄膜を基材上に析出させるものである。 When the p-type CZTS light absorption layer 3 is thus formed, the n-type high-resistance buffer layer 4 and the n-type transparent conductive film 5 are formed thereon, thereby completing the CZTS-based thin film solar cell. The n-type high resistance buffer layer 4 is, for example, a thin film (thickness of about 3 nm to 50 nm) of a compound containing Cd, Zn, and In, typically CdS, ZnO, ZnS, Zn (OH) 2 , In 2. It is formed of O 3 , In 2 S 3 , or Zn (O, S, OH) which is a mixed crystal thereof. This layer is generally formed by a solution growth method (CBD method), but a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) or an atomic layer deposition method (ALD method) can also be applied as a dry process. In the CBD method, a thin film is deposited on a base material by immersing the base material in a solution containing a chemical species that serves as a precursor and causing a heterogeneous reaction between the solution and the base material surface.

n型透明導電膜5としては、n型の導電性を有し、禁制帯幅が広く透明でかつ低抵抗の材料によって、膜厚0.05から2.5μm程度に形成される。代表的には酸化亜鉛系薄膜(ZnO)あるいはITO薄膜がある。ZnO膜の場合、III族元素(例えばAl、Ga、B)をドーパントとして添加することで低抵抗膜とすることができる。n型透明導電膜5は、MOCVD法以外に、スパッタ法(DC、RF)等で形成することもできる。   The n-type transparent conductive film 5 is formed with a film thickness of about 0.05 to 2.5 μm by a transparent material with n-type conductivity, wide forbidden band width, and low resistance. Typically, there is a zinc oxide thin film (ZnO) or an ITO thin film. In the case of a ZnO film, a low resistance film can be formed by adding a group III element (eg, Al, Ga, B) as a dopant. The n-type transparent conductive film 5 can also be formed by sputtering (DC, RF) or the like other than MOCVD.

以上の工程を経て完成されたCZTS系薄膜太陽電池では、通常、あまり高い光電変換効率を得ることが出来ない。本発明者等は、その原因がp型CZTS系光吸収層3の結晶品質にあるのではないかと考えた。p型CZTS系光吸収層3には、金属プリカーサ膜の硫化および/またはセレン化にともなって、VI族元素(S、Se等)に起因する多くの結晶欠陥が生成され、このような欠陥が光吸収層の結晶品質を低下させている。   In a CZTS-based thin film solar cell completed through the above steps, usually a very high photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. The present inventors considered that the cause may be the crystal quality of the p-type CZTS-based light absorption layer 3. In the p-type CZTS light absorption layer 3, many crystal defects due to group VI elements (S, Se, etc.) are generated due to sulfidation and / or selenization of the metal precursor film. The crystal quality of the light absorption layer is lowered.

光吸収層中に含まれるこのような結晶欠陥は、この層に入射した光によって生成される電子を捕獲し、その結果として光吸収層の発電性能を低下させる。そこで、p型CZTS系光吸収層3中に形成された、VI族元素起因の結晶欠陥を効果的に不活性化することが出来れば、p型CZTS系光吸収層3の結晶品質が改善して発電性能が向上し、太陽電池製品の光電変換効率が向上するものと考えられる。本発明は、このような知見に基づいて、以下のような方法を提案する。   Such crystal defects contained in the light absorption layer capture electrons generated by light incident on this layer, and as a result, reduce the power generation performance of the light absorption layer. Therefore, if the crystal defects due to the group VI element formed in the p-type CZTS light absorption layer 3 can be effectively deactivated, the crystal quality of the p-type CZTS light absorption layer 3 is improved. Therefore, it is considered that the power generation performance is improved and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell product is improved. The present invention proposes the following method based on such knowledge.

図2の(a)〜(c)は、本発明の一実施形態に係るCZTS系薄膜太陽電池の製造方法を示す図である。本実施形態では、先ず、図2(a)に示すように、基板1上に、例えばスパッタ法によってMoの金属裏面電極層2を形成し、その後、少なくともCu,Zn,Snを含む金属プリカーサ膜を形成し、これを硫化および/またはセレン化してp型CZTS系光吸収層3を形成する。このとき、p型CZTS系光吸収層3中には、硫化および/またはセレン化にともなって、VI族元素に由来する結晶欠陥が多く生成される。p型CZTS系光吸収層3上には、その後、n型高抵抗バッファ層4及び透明導電膜5を形成して、太陽電池半製品とする。   (A)-(c) of Drawing 2 is a figure showing the manufacturing method of the CZTS type thin film solar cell concerning one embodiment of the present invention. In this embodiment, first, as shown in FIG. 2A, a metal back electrode layer 2 of Mo is formed on a substrate 1 by, for example, sputtering, and then a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn. And p-type CZTS-based light absorption layer 3 is formed by sulfidation and / or selenization. At this time, in the p-type CZTS-based light absorption layer 3, many crystal defects derived from the group VI element are generated due to sulfurization and / or selenization. Thereafter, an n-type high-resistance buffer layer 4 and a transparent conductive film 5 are formed on the p-type CZTS-based light absorption layer 3 to form a solar cell semi-finished product.

このようにして、結晶欠陥を多く含むp型CZTS系光吸収層3を備えた太陽電池半製品が形成されると、図2(b)に示すように、これを酸素含有雰囲気中、例えば大気中でアニールする。このアニールによって、雰囲気中に含まれる酸素ガスが透明導電膜5及びn型高抵抗バッファ層4を透過し、p型CZTS系光吸収層3中に達して、VI族元素に起因する結晶欠陥に捕獲され、図2(c)に示すようにこれらの欠陥を不活性化する。   Thus, when the solar cell semi-finished product provided with the p-type CZTS light absorption layer 3 containing many crystal defects is formed, as shown in FIG. Annealing inside. By this annealing, oxygen gas contained in the atmosphere passes through the transparent conductive film 5 and the n-type high-resistance buffer layer 4 and reaches the p-type CZTS light absorption layer 3 to cause crystal defects caused by the VI group element. Captured and deactivates these defects as shown in FIG. 2 (c).

その結果、p型CZTS系光吸収層3の結晶品質が改善され、その発電機能が向上するため、結果として、高い光電変換効率を有するCZTS系薄膜太陽電池製品を得ることが出来る。アニール雰囲気の温度、アニール時間は、最終的な太陽電池製品の光電変換効率を最も向上させる値を選択すれば良い。なお、n型高抵抗バッファ層4は、CZTS系薄膜太陽電池を製造するために必須の構成要素ではなく、従って、層4を形成することなく、p型CZTS系光吸収層3上に直接n型透明導電膜5を形成するようにしても良い。   As a result, the crystal quality of the p-type CZTS light absorption layer 3 is improved and the power generation function is improved. As a result, a CZTS thin film solar cell product having high photoelectric conversion efficiency can be obtained. The annealing atmosphere temperature and annealing time may be selected so as to maximize the photoelectric conversion efficiency of the final solar cell product. Note that the n-type high-resistance buffer layer 4 is not an essential component for manufacturing a CZTS-based thin film solar cell. Therefore, the n-type high-resistance buffer layer 4 is directly formed on the p-type CZTS-based light absorption layer 3 without forming the layer 4. The type transparent conductive film 5 may be formed.

本発明者等は、上記製造方法の効果を明らかにするために、アニール温度及びアニール時間を種々変化させて複数のCZTS系薄膜太陽電池を製造し、その光電変換効率を測定する実験を行った。以下の表1に、実験結果1を示す。実験結果1は、同じ組成及び同じ製造工程を経て製造され(実験条件1)ているが、n型透明導電膜5の製膜後にアニール工程を実施しなかった従来例1サンプルと、アニールを行った実験1サンプル〜実験4サンプルについて、その光電変換効率(Eff)を測定したものである。

Figure 0005709652
In order to clarify the effect of the above manufacturing method, the present inventors conducted experiments to manufacture a plurality of CZTS-based thin film solar cells by varying the annealing temperature and annealing time and to measure the photoelectric conversion efficiency. . Table 1 below shows experimental result 1. Experimental result 1 was manufactured through the same composition and the same manufacturing process (experimental condition 1), but the sample was annealed with the conventional example 1 sample in which the annealing process was not performed after the n-type transparent conductive film 5 was formed. The photoelectric conversion efficiency (Eff) was measured for each of Experiment 1 sample to Experiment 4 sample.
Figure 0005709652

従来例1サンプル、実験1サンプル〜実験4サンプルの組成および製造方法は、後述する表2に要約している。さらに、実験1サンプル〜実験4サンプルでは、アニール温度を変化させてCZTS系薄膜太陽電池を製造した。アニールは何れも大気中で行っている。即ち、実験1サンプルでは雰囲気温度100℃で30分間のアニールを行い、実験2サンプルでは150℃、実験3サンプルでは200℃、実験4サンプルでは250℃で何れも30分間のアニールを行った。   The compositions and manufacturing methods of the conventional example 1 sample, the experiment 1 sample to the experiment 4 sample are summarized in Table 2 described later. Furthermore, in Experiment 1 Sample to Experiment 4 Sample, CZTS-based thin film solar cells were manufactured by changing the annealing temperature. Any annealing is performed in the atmosphere. That is, the sample of Experiment 1 was annealed at an ambient temperature of 100 ° C. for 30 minutes, the sample of Experiment 2 was annealed at 150 ° C., the sample of Experiment 3 was 200 ° C., and the sample of Experiment 4 was annealed at 250 ° C. for 30 minutes.

表1から明らかなように、アニールを行った実験1サンプル〜実験4サンプルでは、太陽電池製品の光電変換効率が、何れも、従来例1サンプルより増加している。この増加の割合を規格化するために、表1では、従来例1サンプルを100とした場合の各実験サンプルの光電変換効率の増加割合を示している。表1より、温度100℃で30分間のアニールを行った実験1サンプルでは、その光電変換効率が従来例1サンプルを100とした場合に比べて107となり、7%程度改善している。同様に、実験2サンプルでは13%程度改善しているが、アニール温度を200℃とした実験3サンプル、250℃とした実験4サンプルでは、従来例1サンプルに対し60%以上改善されていることが分かる。   As is clear from Table 1, in the experiment 1 sample to the experiment 4 sample in which the annealing was performed, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell product was increased as compared with the conventional example 1 sample. In order to normalize the rate of increase, Table 1 shows the rate of increase in photoelectric conversion efficiency of each experimental sample when the sample of the conventional example 1 is set to 100. As shown in Table 1, in the experiment 1 sample that was annealed at a temperature of 100 ° C. for 30 minutes, the photoelectric conversion efficiency was 107, which is an improvement of about 7%, compared to the case where the conventional example 1 sample was 100. Similarly, the experiment 2 sample shows an improvement of about 13%, but the experiment 3 sample with an annealing temperature of 200 ° C. and the experiment 4 sample with an annealing temperature of 250 ° C. show an improvement of 60% or more compared to the conventional example 1 sample. I understand.

このことから、比較的低温(100℃程度)であってもアニールによる光電変換効率の改善が確認され、さらに、温度200℃以上のアニールによって顕著な改善を確認することが出来る。   From this, even if it is comparatively low temperature (about 100 degreeC), the improvement of the photoelectric conversion efficiency by annealing is confirmed, and also remarkable improvement can be confirmed by annealing more than the temperature of 200 degreeC.

以下の表2に、従来例1サンプル及び実験1サンプル〜実験4サンプルの組成及び製造工程を要約する。

Figure 0005709652
Table 2 below summarizes the composition and manufacturing process of the conventional example 1 sample and the experiment 1 sample to the experiment 4 sample.
Figure 0005709652

以下の表3に、実験結果2を示す。実験結果2の各サンプルは、実験結果1と同じ材料でかつ同じ工程を経て形成された(即ち、表2に示すようにして形成された)CZTS系薄膜太陽電池の光電変換効率を示しているが、p型CZTS系光吸収層3を形成する場合のCu,Zn、Snの組成比を実験結果1の各サンプルとは異ならせている。その結果、各サンプルの光電変換効率は、実測値として実験結果1の各サンプルよりかなり改善されている。しかしながら、アニールを行った場合とアニールを行わない場合では30%程度の光電変換効率の改善が見られ、本発明の方法の効果を確認することが出来る。なお、実験結果2では、アニール温度と共にアニール時間も各サンプル間で変化させている。

Figure 0005709652
Table 3 below shows the experimental result 2. Each sample of the experimental result 2 shows the photoelectric conversion efficiency of a CZTS-based thin film solar cell formed of the same material and the same process as the experimental result 1 (that is, formed as shown in Table 2). However, the composition ratio of Cu, Zn, and Sn when forming the p-type CZTS-based light absorption layer 3 is different from that of each sample of the experimental result 1. As a result, the photoelectric conversion efficiency of each sample is considerably improved as compared with each sample of the experimental result 1 as an actual measurement value. However, when annealing is performed and when annealing is not performed, the photoelectric conversion efficiency is improved by about 30%, and the effect of the method of the present invention can be confirmed. In the experimental result 2, the annealing time as well as the annealing temperature is changed between the samples.
Figure 0005709652

表3より、温度150℃で90分間のアニールを行った実験5サンプルでは、アニールを行わない従来例2サンプルに対して、その光電変換効率が11%程度改善している。温度250℃で30分間のアニールを行った実験6サンプルでは、29%の改善が見られる。一方、温度250℃で60分間のアニールを行った実験7サンプル、温度250℃で90分間のアニールを行った実験8サンプルでは、30分間のアニールを行った実験6サンプルと同程度か幾分低い改善率である。また、温度300℃で30分間のアニールを行った実験9サンプルでは光電変換効率の改善率が19%となり、実験6サンプル〜実験8サンプルに比べて低下している。   According to Table 3, in the experiment 5 sample in which annealing was performed at a temperature of 150 ° C. for 90 minutes, the photoelectric conversion efficiency was improved by about 11% as compared with the conventional example 2 sample in which annealing was not performed. An improvement of 29% is seen in the 6 experimental samples that were annealed at a temperature of 250 ° C. for 30 minutes. On the other hand, the experimental 7 samples that were annealed at a temperature of 250 ° C. for 60 minutes and the experimental 8 samples that were annealed at a temperature of 250 ° C. for 90 minutes were the same or somewhat lower than the experimental 6 samples that were annealed for 30 minutes It is an improvement rate. Moreover, in the experiment 9 sample which annealed for 30 minutes at the temperature of 300 degreeC, the improvement rate of photoelectric conversion efficiency became 19%, and compared with the experiment 6 sample-experiment 8 sample, it has fallen.

表1に示すサンプル群と表3に示すサンプル群では、光電変換効率の測定値に大きな違いがある。従って各サンプル間の光電変換効率の単純な比較では、本発明に係るアニールの効果が明確でない。しかしながら、従来例サンプルに対して光電変換効率がどの程度改善されているかを表す、変換効率の増加割合を参照することによって、本発明の効果がより顕著となる。   There is a big difference in the measured value of photoelectric conversion efficiency between the sample group shown in Table 1 and the sample group shown in Table 3. Therefore, a simple comparison of the photoelectric conversion efficiency between the samples does not clearly show the effect of annealing according to the present invention. However, the effect of the present invention becomes more conspicuous by referring to the rate of increase in conversion efficiency that represents how much the photoelectric conversion efficiency is improved with respect to the conventional sample.

以下の表4に、実験結果1及び実験結果2の各サンプルを、光電変換効率の増加割合に基づいてソートした結果を示す。

Figure 0005709652
Table 4 below shows the results of sorting the samples of Experimental Result 1 and Experimental Result 2 based on the rate of increase in photoelectric conversion efficiency.
Figure 0005709652

表4より、アニールを行った実験1サンプル〜実験9サンプルにおいて、いずれも最終製品の光電変換効率に従来例サンプル(従来例1サンプル又は従来例2サンプル)からの改善が見られ、これによって、本発明にかかるアニールの効果を確認することが出来る。さらに、アニール温度が200℃以上で光電変換効率に大きな改善(20%以上の改善)が見られる一方、アニール時間については、例えば30分以上であればそれ程違いがないことが理解される。   From Table 4, in Experiment 1 sample to Experiment 9 sample in which annealing was performed, the photoelectric conversion efficiency of the final product was improved from the conventional example sample (Conventional example 1 sample or Conventional example 2 sample). The effect of annealing according to the present invention can be confirmed. Furthermore, it can be understood that a significant improvement in photoelectric conversion efficiency (an improvement of 20% or more) is observed when the annealing temperature is 200 ° C. or higher, and that the annealing time is not so different if it is, for example, 30 minutes or more.

なお、実験4サンプルと実験6サンプルでは何れも、雰囲気温度250℃で30分間のアニールを行っているが、光電変換効率の増加割合が大きく相違する。これは、p型CZTS系光吸収層の組成比によって、従来例1サンプルの光電変換効率が低かったために、アニールによって実験4サンプルの光電変換効率が大きく改善したことによるものと考えられる。実験3サンプルについても同様のことが言える。   It should be noted that although the experiment 4 sample and the experiment 6 sample are both annealed at an ambient temperature of 250 ° C. for 30 minutes, the rate of increase in photoelectric conversion efficiency is greatly different. This is considered to be due to the fact that the photoelectric conversion efficiency of the sample of Experiment 1 was greatly improved by annealing because the photoelectric conversion efficiency of the sample of Conventional Example 1 was low due to the composition ratio of the p-type CZTS light absorption layer. The same can be said for the experimental 3 samples.

なお、図2(b)では、アニールによって雰囲気中の酸素が直接p型光吸収層3中に導入される様子を示しているが、雰囲気中の酸素が、例えばZnOで構成されるn型高抵抗バッファ層5中の酸素と置換され、置換された酸素が薄いn型高抵抗バッファ層4を透過してp型光吸収層3に到達するメカニズムも考えられる。   Note that FIG. 2B shows a state in which oxygen in the atmosphere is directly introduced into the p-type light absorption layer 3 by annealing. A mechanism in which oxygen in the resistance buffer layer 5 is substituted and the substituted oxygen passes through the thin n-type high resistance buffer layer 4 and reaches the p-type light absorption layer 3 is also conceivable.

上記の各サンプルは、組成がCu2ZnSnS4のp型CZTS系光吸収層3を有するが、本発明はこの事例に限定されるものではなく、Cu2ZnSnSe4又はCu2ZnSn(S,Se)4であっても、同様の効果が得られることは明らかである。さらに、p型CZTS系光吸収層3を形成するための金属プリカーサ膜も、表3に示すZnSの代わりにZnを用いても良く、Snの代わりにSnSであっても良い。さらに、Zn、Sn、Cuを順次製膜する以外に、ZnとSnを予め合金化した蒸着源を用いても良い。製膜方法として、EB蒸着以外にスパッタ法を用いても良い。 Each of the above samples has the p-type CZTS light absorbing layer 3 having a composition of Cu 2 ZnSnS 4. However, the present invention is not limited to this example, and Cu 2 ZnSnSe 4 or Cu 2 ZnSn (S, Se It is clear that the same effect can be obtained even with 4 . Furthermore, the metal precursor film for forming the p-type CZTS light absorption layer 3 may also use Zn instead of ZnS shown in Table 3, or SnS instead of Sn. Further, in addition to the sequential deposition of Zn, Sn, and Cu, an evaporation source in which Zn and Sn are alloyed in advance may be used. As a film forming method, a sputtering method may be used in addition to EB vapor deposition.

さらに、基板1、金属裏面電極層2、n型高抵抗バッファ層4及びn型透明導電膜5も、表3に記載する事例に限定されない。例えば、基板1として、青板ガラス、低アルカリガラス等のガラス基板の他に、ステンレス板等の金属基板、ポリイミド樹脂基板等を用いることができる。金属裏面電極層2の形成方法としては、表2に記載するDCスパッタ法以外に、電子ビーム蒸着法、電子層堆積法(ALD法)等がある。金属裏面電極層2の材料としては、高耐蝕性でかつ高融点金属、例えばクロム(Cr)、チタン(Ti)等を用いても良い。   Further, the substrate 1, the metal back electrode layer 2, the n-type high resistance buffer layer 4 and the n-type transparent conductive film 5 are not limited to the examples described in Table 3. For example, as the substrate 1, in addition to a glass substrate such as blue plate glass or low alkali glass, a metal substrate such as a stainless plate, a polyimide resin substrate, or the like can be used. As a method for forming the metal back electrode layer 2, there are an electron beam evaporation method, an electron layer deposition method (ALD method) and the like in addition to the DC sputtering method described in Table 2. As a material for the metal back electrode layer 2, a high corrosion resistance and high melting point metal such as chromium (Cr), titanium (Ti), or the like may be used.

n型透明導電膜5としては、n型の導電性を有し、禁制帯幅が広く透明でかつ低抵抗の材料を用いて、膜厚0.05から2.5μm程度に形成される。代表的には酸化亜鉛系薄膜(ZnO)あるいはITO薄膜がある。ZnO膜の場合、III族元素(例えばAl、Ga、B)をドーパントとして添加することで低抵抗膜とする。n型透明導電膜5は、MOCVD法以外に、スパッタ法(DC、RF)等で形成することもできる。   The n-type transparent conductive film 5 is formed to have a film thickness of about 0.05 to 2.5 μm by using a material having n-type conductivity, wide forbidden band width, transparent and low resistance. Typically, there is a zinc oxide thin film (ZnO) or an ITO thin film. In the case of a ZnO film, a low resistance film is formed by adding a group III element (for example, Al, Ga, B) as a dopant. The n-type transparent conductive film 5 can also be formed by sputtering (DC, RF) or the like other than MOCVD.

1 ガラス基板
2 金属裏面電極層
3 p型CZTS系光吸収層
4 n型高抵抗バッファ層
5 n型透明導電膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Metal back electrode layer 3 p-type CZTS type light absorption layer 4 n-type high resistance buffer layer 5 n-type transparent conductive film

Claims (4)

基板上に金属裏面電極層を形成し、
前記金属裏面電極層上に、p型CZTS系光吸収層を形成し、
前記p型CZTS系光吸収層上にn型透明導電被膜を形成し、
前記n型透明導電被膜を形成した前記基板を気中において雰囲気温度100℃以上300℃未満で30分以上90分以下の間アニールする、
各ステップを備える、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。
Forming a metal back electrode layer on the substrate;
Forming a p-type CZTS-based light absorption layer on the metal back electrode layer;
Forming an n-type transparent conductive film on the p-type CZTS-based light absorption layer;
To During a 30 minute anneal over 90 minutes or less at less than ambient temperature 100 ° C. or higher 300 ° C. In the n-type transparent conductive coating atmosphere in the substrate formed with,
A method for producing a CZTS-based thin film solar cell, comprising each step.
請求項に記載の方法において、前記p型CZTS系光吸収層は、前記金属裏面電極層上に、少なくともCu、Zn、Snを含む金属プリカーサ膜を形成し、該金属プリカーサ膜を硫化および/またはセレン化してp型CZTS系光吸収層とすることを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。 2. The method according to claim 1 , wherein the p-type CZTS-based light absorption layer forms a metal precursor film containing at least Cu, Zn, and Sn on the metal back electrode layer, and the metal precursor film is sulfided and / or Alternatively, a method for producing a CZTS-based thin-film solar cell, wherein the p-type CZTS-based light absorption layer is formed by selenization. 請求項1又は2に記載の方法において、前記n型透明導電被膜は、III族元素がドープされたZnO膜であることを特徴とする、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。3. The method according to claim 1, wherein the n-type transparent conductive film is a ZnO film doped with a group III element. 請求項1乃至3の何れか1項に記載の方法において、前記アニール温度は200℃以上250℃以下である、CZTS系薄膜太陽電池の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the annealing temperature is 200 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. 5.
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