JP6529326B2 - Compound semiconductor thin film solar cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体薄膜太陽電池及びその製造方法に関し、特に、新規な構造の窓層を提供することにより、光電変換効率の向上を図った化合物半導体薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor thin film solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a compound semiconductor thin film solar cell which improves photoelectric conversion efficiency by providing a window layer having a novel structure, and a method of manufacturing the same.
p型光吸収層として、Cu、In、Ga、Se、Sを含むカルコパイライト構造のI−III−VI2族化合物半導体を用いたCIS系薄膜太陽電池或いはCIGS系薄膜太陽電池は、一般に、ガラス基板と、ガラス基板に形成されたMo等を材料とする金属背面電極と、金属背面電極層上に形成されたp型光吸収層と、p型光吸収層上に形成された窓層と、窓層上に形成されたn型透明導電膜とによって構成される。p型光吸収層と窓層間に、非常に薄いn型高抵抗バッファ層(数十nm)が形成される場合もある。 A CIS-based thin film solar cell or a CIGS-based thin film solar cell using a chalcopyrite I-III-VI group 2 compound semiconductor containing Cu, In, Ga, Se, or S as a p-type light absorbing layer is generally a glass A substrate, a metal back electrode made of Mo or the like formed on a glass substrate, a p-type light absorbing layer formed on the metal back electrode layer, and a window layer formed on the p-type light absorbing layer It is comprised by the n-type transparent conductive film formed on the window layer. A very thin n-type high resistance buffer layer (tens of nm) may be formed between the p-type light absorbing layer and the window layer.
この構造において、CIS系或いはCIGS系(以下、共にCIS系と呼ぶ)の材料で形成されたp型光吸収層は狭いエネルギーバンドギャップを有し、広いエネルギーバンドギャップを有するn型の化合物材料で形成された窓層間にpnヘテロ接合を形成し、それによって太陽電池が構成される。このような太陽電池において、高い光電変換効率を得るためには、1)窓層、p型光吸収層等の光学設計を最適化して、より多くの光励起キャリアを発生させること、さらに、2)発生したキャリアの再結合を抑制するために、窓層、p型光吸収層の電気的な構造を最適化すること、が必要である。 In this structure, the p-type light absorbing layer formed of a CIS-based or CIGS-based (hereinafter referred to as CIS-based) material is an n-type compound material having a narrow energy band gap and a wide energy band gap. A pn hetero junction is formed between the formed window layers, whereby a solar cell is configured. In such a solar cell, in order to obtain high photoelectric conversion efficiency, 1) optimize the optical design of the window layer, p-type light absorption layer, etc. to generate more photoexcitation carriers, and 2) further In order to suppress recombination of generated carriers, it is necessary to optimize the electrical structure of the window layer and the p-type light absorbing layer.
ここで、窓層としてZnSとCdSの傾斜組成層(ZnCdS薄膜)を用いることで、窓層に内部電界を生じさせ、窓層で生じた光キャリアを窓層とp型光吸収層との界面の空乏層まで到達させることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させ得ることが知られている(特許文献1参照)。しかしながら、この場合、窓層に内部電界を生じさせるために、窓層のエネルギーバンドギャップが狭くなる領域を設ける必要があり、太陽電池の短波長感度がこの領域のエネルギーバンドギャップによって決められてしまうため、充分に大きな光電流が取り出せないという問題があった。 Here, by using a ZnS and CdS gradient composition layer (ZnCdS thin film) as the window layer, an internal electric field is generated in the window layer, and the photocarrier generated in the window layer is the interface between the window layer and the p-type light absorption layer It is known that the photoelectric conversion efficiency of a solar cell can be improved by reaching the depletion layer of (see Patent Document 1). However, in this case, it is necessary to provide a region where the energy band gap of the window layer narrows in order to generate an internal electric field in the window layer, and the short wavelength sensitivity of the solar cell is determined by the energy band gap of this region. Therefore, there is a problem that a sufficiently large photocurrent can not be extracted.
さらに、不純物濃度の異なる3個のZnO層を積層して窓層を形成することにより、窓層に内部電界を生じさせ、光電変換効率の向上を図った太陽電池も提案されている(特許文献2参照)。しかしながらこの太陽電池では、3個のZnO層のエネルギーバンドギャップはそれぞれ異なり、従って、その短波長感度は、3個のZnO層の内の最も狭いエネルギーバンドギャップを有するZnO層によって決められてしまう。その結果、窓層の受光面側表面近傍で光生成されたキャリアを光電流として効果的に取り出すことができない。また、多層の窓層を形成するために、製造工程が煩雑となる欠点をも有している。 Furthermore, a solar cell is proposed in which an internal electric field is generated in the window layer by laminating the three ZnO layers having different impurity concentrations to form the window layer, and the photoelectric conversion efficiency is improved (Patent Document 1) 2). However, in this solar cell, the energy band gaps of the three ZnO layers are different from one another, and hence the short wavelength sensitivity is determined by the ZnO layer having the narrowest energy band gap among the three ZnO layers. As a result, carriers generated in the vicinity of the light receiving surface side surface of the window layer can not be effectively extracted as a photocurrent. Moreover, in order to form a multilayer window layer, it also has the fault which a manufacturing process becomes complicated.
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、新規な構造の窓層とその製造方法を提供することにより、化合物半導体薄膜太陽電池の光電変換効率を向上させることを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the photoelectric conversion efficiency of a compound semiconductor thin film solar cell by providing a window layer of a novel structure and a method for producing the same. I assume.
本発明の第1の態様では、上述の課題を解決するために、基板と、前記基板上に形成された第1の電極層と、前記第1の電極層上に形成された化合物半導体のp型光吸収層と、前記p型光吸収層上に形成され当該p型光吸収層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し且つ当該p型光吸収層との界面にpnヘテロ接合を形成する窓層と、前記窓層上に形成された透明電極層と、を備える、化合物半導体薄膜太陽電池において、前記窓層は、前記エネルギーバンドギャップが前記窓層の膜厚方向において一定であり、フェルミ準位が前記界面から前記窓層の受光面側に向かって伝導帯下端に近づく方向に傾斜している、化合物半導体薄膜太陽電池、を提供する。 In a first aspect of the present invention, in order to solve the problems described above, a substrate, a first electrode layer formed on the substrate, and a p of a compound semiconductor formed on the first electrode layer Window layer formed on the p-type light absorption layer and having an energy band gap wider than the p-type light absorption layer and forming a pn hetero junction at the interface with the p-type light absorption layer And a transparent electrode layer formed on the window layer, wherein the energy band gap of the window layer is constant in the thickness direction of the window layer, and the window layer has a Fermi level. In the compound semiconductor thin film solar cell, the semiconductor device is inclined in a direction approaching the lower end of the conduction band from the interface toward the light receiving surface side of the window layer.
前記第1の態様において、前記窓層におけるフェルミ準位の傾斜は、前記窓層の受光側面近傍で前記p型光吸収層界面近傍よりも大きくても良い。 In the first aspect, the slope of the Fermi level in the window layer may be larger in the vicinity of the light receiving side surface of the window layer than in the vicinity of the interface of the p-type light absorption layer.
また、前記窓層におけるフェルミ準位の傾斜は、前記窓層の膜厚方向において前記窓層の受光面側表面から前記膜厚方向の1/2の部分までに形成されるようにしても良い。 Further, the inclination of the Fermi level in the window layer may be formed from a surface on the light receiving surface side of the window layer to a half of the film thickness direction in the film thickness direction of the window layer. .
また、前記p型光吸収層を、CIS系半導体またはCIGS系半導体で形成し、且つ、前記窓層をノンドープのZnOで形成しても良い。 Further, the p-type light absorption layer may be formed of a CIS-based semiconductor or a CIGS-based semiconductor, and the window layer may be formed of non-doped ZnO.
また、前記窓層と前記p型光吸収層間にn型高抵抗バッファ層を備えていても良い。 In addition, an n-type high resistance buffer layer may be provided between the window layer and the p-type light absorbing layer.
また、前記バッファ層を、Zn(S,O,OH)で構成しても良い。 Further, the buffer layer may be made of Zn (S, O, OH).
本発明の第2の態様では、上述の課題を解決するために、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Cu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、DEZと水を用いたMOCVD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、前記窓層の形成は、製膜時間の経過に伴ってDEZに対する水の比率を減少させて行うことを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法を提供する。 In a second aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, a metal back electrode layer is formed on a substrate, and a metal of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer. A precursor film is formed, the metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorption layer, and a buffer layer of Zn (S, O, OH) is formed on the p-type light absorption layer Forming a window layer of ZnO on the buffer layer by MOCVD using DEZ and water, and forming a transparent electrode on the window layer, wherein the window layer is formed The present invention provides a method for producing a compound semiconductor thin film solar cell, characterized in that the method is performed by reducing the ratio of water to DEZ with the passage of film forming time.
本発明の第3の態様では、上述の課題を解決するために、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Cu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、MOCVD法またはALD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、前記窓層の形成は、製膜時間の経過に伴って基板温度を上昇させて行うことを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法を提供する。 In the third aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, a metal back electrode layer is formed on a substrate, and a metal of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer. A precursor film is formed, the metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorption layer, and a buffer layer of Zn (S, O, OH) is formed on the p-type light absorption layer Forming a window layer of ZnO on the buffer layer by MOCVD method or ALD method, and forming a transparent electrode on the window layer, the window layer is formed by forming the window layer Provided is a method for producing a compound semiconductor thin film solar cell, characterized in that the substrate temperature is raised with the passage of time.
本発明の第4の態様では、上述の課題を解決するために、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Cu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、MOCVD法またはALD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、前記窓層の形成は、波長300nm以下の短波長光を前記基板に照射しながら行い、且つ、製膜時間の経過に伴って前記短波長光の照射強度を増大させることを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法を提供する。 In the fourth aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, a metal back electrode layer is formed on a substrate, and a metal of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer. A precursor film is formed, the metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorption layer, and a buffer layer of Zn (S, O, OH) is formed on the p-type light absorption layer Forming a window layer of ZnO on the buffer layer by MOCVD or ALD, and forming a transparent electrode on the window layer, wherein the window layer is formed at a wavelength of 300 nm. The method for producing a compound semiconductor thin film solar cell is characterized in that the irradiation is performed while irradiating the following short wavelength light to the substrate, and the irradiation intensity of the short wavelength light is increased with the passage of film forming time. Do.
本発明の化合物半導体薄膜太陽電池では、窓層のエネルギーバンドギャップが窓層の膜厚方向において一定であり、且つ、フェルミ準位が窓層の受光面側表面に向かって伝導帯下端に近づくように傾斜していることによって内部電界が形成されている。そのため、窓層の受光面側表面近傍で生成された光キャリアを効率よく光電流として取り出すことができ、高い光電変換効率を有する太陽電池を得ることができる。 In the compound semiconductor thin film solar cell of the present invention, the energy band gap of the window layer is constant in the film thickness direction of the window layer, and the Fermi level approaches the lower end of the conduction band toward the light receiving surface side surface of the window layer. The internal electric field is formed by the inclination. Therefore, the photocarriers generated near the surface on the light receiving surface side of the window layer can be efficiently extracted as photocurrent, and a solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
また、窓層の膜厚方向において、フェルミ準位が傾斜を有する部分と一定である部分とを設け、傾斜を有する部分を窓層のp型光吸収層側とは反対側、即ち窓層の受光面側に配置することによって、光キャリアをより効率よく光電流として取り出すことができる。 Further, in the film thickness direction of the window layer, a portion having a slope and a portion having a constant Fermi level are provided, and the portion having the slope is the side opposite to the p-type light absorbing layer side of the window layer, ie, the window layer By arranging on the light receiving surface side, the photocarrier can be extracted more efficiently as photocurrent.
窓層を、DEZ(ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2))と水を用いたMOCVD法(有機金属気相成長法)によって生成し、この時、製膜時間の経過に伴って水の導入量を減少させることにより、窓層の表面側で酸素欠陥の濃度が増大し、キャリア濃度が高くなる。その結果、窓層の表面側に向かってフェルミ準位が伝導帯下端に近づくように傾斜する。これによって窓層に内部電界が発生し、この内部電界によって、窓層の表面近傍で光吸収によって生成されたキャリアは、窓層とp型光吸収層との界面に形成される空乏領域までスムーズに移動し、結果として太陽電池の光電変換効率が向上する。 The window layer is formed by MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) using DEZ (diethyl zinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 )) and water, and at this time, water is formed along with the film forming time. The concentration of oxygen defects is increased on the surface side of the window layer, and the carrier concentration is increased. As a result, the Fermi level inclines toward the lower end of the conduction band toward the surface side of the window layer. As a result, an internal electric field is generated in the window layer, and carriers generated by light absorption near the surface of the window layer by the internal electric field are smooth to the depletion region formed at the interface between the window layer and the p-type light absorption layer. To improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
また、窓層のMOCVD法またはALD法による製膜の過程で、基板温度を上昇させることにより、エネルギーバンドギャップを一定に維持しながら、窓層にフェルミ準位の傾斜を設けることができる。高温で製膜されたZnO膜は、キャリア濃度が高く、フェルミ準位がより伝導帯下端に近づくためである。 Further, by raising the substrate temperature in the process of film formation by the MOCVD method or ALD method of the window layer, it is possible to provide the window layer with a slope of the Fermi level while maintaining the energy band gap constant. The ZnO film formed at high temperature has a high carrier concentration, and the Fermi level is closer to the lower end of the conduction band.
さらに、窓層のMOCVD法またはALD法による製膜の過程で、基板に短波長光(波長300nm以下)を強度を増大させながら照射することにより、窓層にフェルミ準位の傾斜を設けることができる。短波長光の照射下で製膜されたZnO膜は、キャリア濃度が高く、フェルミ準位がより伝導帯下端に近づくためである。 Furthermore, in the process of film formation by the MOCVD method or ALD method of the window layer, the window layer can be provided with a Fermi level inclination by irradiating the substrate with short wavelength light (wavelength 300 nm or less) while increasing the intensity. it can. The ZnO film formed under irradiation of short wavelength light has a high carrier concentration and the Fermi level is closer to the lower end of the conduction band.
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の図面では、理解を容易にするために各層の厚さを実際のものとは異なった関係で表している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, in order to facilitate understanding, the thickness of each layer is shown in a relation different from the actual one.
図1は、本発明の一実施形態に係る化合物半導体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CIS系光吸収層、4はバッファ層、5は窓層、6は透明電極であって、n型透明導電膜で形成されている。p型光吸収層3は、例えば、金属裏面電極層2上に、Cu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜をスパッタ法や真空蒸着法などにより形成した後、これをセレン化及び/または硫化することによって形成される。バッファ層4および窓層5は全体でn型の導電型を有し、p型光吸収層3との間でpnヘテロ接合が形成される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a compound semiconductor thin film solar cell according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a glass substrate, 2 is a metal back electrode layer made of metal such as Mo, 3 is a p-type CIS light absorbing layer, 4 is a buffer layer, 5 is a window layer, 6 is a transparent electrode And an n-type transparent conductive film. The p-type light absorption layer 3 is formed, for example, by forming a metal precursor film of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, and Ga on the metal back electrode layer 2 by a sputtering method, a vacuum evaporation method, etc. And / or sulfided. The buffer layer 4 and the window layer 5 have an n-type conductivity as a whole, and a pn hetero junction is formed with the p-type light absorption layer 3.
バッファ層4は、例えば組成がZn(S,O,OH)(混晶)である透明なn型の高抵抗層であって、非常に薄い膜厚(2nm−50nm)を有している。バッファ層4は、溶液成長法、MOCVD法等によって製膜することが可能である。 The buffer layer 4 is a transparent n-type high-resistance layer having a composition of, for example, Zn (S, O, OH) (mixed crystal), and has a very thin film thickness (2 nm to 50 nm). The buffer layer 4 can be deposited by a solution growth method, an MOCVD method, or the like.
窓層5は、全体が例えばノンドープのZnOによって形成されている。従って、窓層5のエネルギーバンドギャップは層厚方向に一定である。一方、本発明の窓層5は、フェルミ準位が膜厚方向に傾斜している。具体的には、フェルミ準位が、窓層5の膜厚方向において、p型CIS系光吸収層3側から離れるに従って、伝導帯下端に近づくような傾斜を有する。なお、フェルミ準位の傾斜は窓層の膜厚方向に向かって一定である必要は無く、受光面側で大きな傾斜を有し、一方、p型CIS系光吸収層3側で一定のフェルミ準位を維持するようにしても良い。 The window layer 5 is entirely formed of, for example, non-doped ZnO. Therefore, the energy band gap of the window layer 5 is constant in the layer thickness direction. On the other hand, in the window layer 5 of the present invention, the Fermi level is inclined in the film thickness direction. Specifically, the Fermi level has a slope which approaches the lower end of the conduction band in the film thickness direction of the window layer 5 as it goes away from the p-type CIS-based light absorption layer 3 side. The inclination of the Fermi level does not have to be constant in the film thickness direction of the window layer, and has a large inclination on the light receiving surface side, while the Fermi level is constant on the p-type CIS light absorption layer 3 side. You may keep the position.
図2に、本発明の一実施形態に係る太陽電池の窓層5およびp型CIS系光吸収層3の部分のエネルギーバンド構造を示し、図3に従来構造の窓層を備える太陽電池の窓層およびp型CIS系光吸収層部分のエネルギーバンド構造を示す。 FIG. 2 shows the energy band structure of the window layer 5 of the solar cell and the p-type CIS light absorbing layer 3 according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the window of the solar cell provided with the window layer of the conventional structure. The energy band structure of a layer and a p-type CIS type | system | group light absorption layer part is shown.
図2及び図3は、価電子帯上端(VBM)をPHI社製のVersaProbeを用いてUPS分析した結果を示す図であり、横軸のスパッタ時間は、スパッタの積算時間を表し、縦軸は、VBMとCBM(伝導帯下端)のエネルギーレベルを、フェルミ準位との差で表している。スパッタ条件はAr+イオン、3.0kVである。窓層の膜厚は150nm程度なので、スパッタレートは1nm/min弱と計算される。図2及び3において、プロットAおよびaは、価電子帯の上端(VBM)をPHI社製のVersaProbeを用いてUPS分析した結果のプロットである。 2 and 3 show UPS analysis results of the valence band upper end (VBM) using VersaProbe manufactured by PHI, and the sputtering time on the horizontal axis represents the integration time of sputtering, and the vertical axis is the vertical axis , VBM and CBM (the lower end of the conduction band) are represented by the difference from the Fermi level. The sputtering conditions are Ar + ion, 3.0 kV. Since the film thickness of the window layer is about 150 nm, the sputtering rate is calculated to be less than 1 nm / min. In FIGS. 2 and 3, plots A and a are plots of UPS analysis results of the top of the valence band (VBM) using a VersaProbe manufactured by PHI.
UPS分析時の紫外線源はHeのI(21.22eV)であり、UPS分析の検出領域は8mm角以下、検出深さは1nm程度である。1分間のスパッタエッチングとUPS測定を交互に行うことにより、VBMの深さ方向プロファイルを得ている。図2及び3において、プロットBおよびbは、伝導帯の下端(CBM)を表し、VBMにエネルギーバンドギャップの値を加算した計算値をプロットしてある。 The ultraviolet light source at the time of UPS analysis is I (21.22 eV) of He, the detection area of UPS analysis is 8 mm square or less, and the detection depth is about 1 nm. By alternately performing sputter etching for 1 minute and UPS measurement, a depth profile of VBM is obtained. In FIGS. 2 and 3, plots B and b represent the lower end of the conduction band (CBM), and the calculated values of VBM plus the value of the energy band gap are plotted.
図2に示すように、本発明の構造では窓層5が受光面側(透明電極6側、図2の窓層5の左端)から厚さ約60nm(スパッタ時間約50min)の領域にかけて、VBMに傾斜が存在する。窓層5全体の材料はノンドープのZnOであるため、エネルギーバンドギャップは膜厚方向において一定であり、その結果、CBMにも同様の傾斜が存在する。この傾斜、すなわち内部電界、が存在することにより、窓層5の表面近傍で光吸収によって生成したキャリアは、窓層5と光吸収層3との界面近傍に形成されている空乏層領域までスムーズに移動することができ、結果として、太陽電池から取り出される光電流が増大する。また、窓層5に内部電界が存在することで、窓層5における再結合が抑制される。そのため、より高い電圧を得ることができる。 As shown in FIG. 2, in the structure of the present invention, the window layer 5 extends from the light receiving surface side (the transparent electrode 6 side, the left end of the window layer 5 in FIG. 2) to a thickness of about 60 nm (sputtering time about 50 min) There is a slope to Since the material of the entire window layer 5 is non-doped ZnO, the energy band gap is constant in the film thickness direction, and as a result, the CBM has a similar slope. Due to the presence of this inclination, that is, the internal electric field, carriers generated by light absorption near the surface of the window layer 5 are smooth to the depletion layer region formed near the interface between the window layer 5 and the light absorption layer 3. And as a result, the photocurrent extracted from the solar cell is increased. Further, the presence of the internal electric field in the window layer 5 suppresses recombination in the window layer 5. Therefore, higher voltage can be obtained.
なお、窓層5の全領域においてVBMやCBMに傾斜があっても良いが、図2に示すように、表面側(光吸収層とは反対側、図2においてサークルで囲んだ部分、膜厚のほぼ1/2以下の領域)だけに傾斜を限定することで、さらに次のような効果が得られる。即ち、フェルミ準位が伝導帯から遠いエネルギーレベルに位置する場合、窓層5におけるキャリア濃度が低く、電気抵抗が高い。そのため、窓層5の全領域においてVBMやCBMに傾斜がある場合には、光吸収層3近傍において窓層5の電気抵抗が高くなる影響で、太陽電池の変換効率が低下してしまう場合がある。一方、傾斜領域を窓層の表面側から多くとも膜厚の1/2以下程度までとした、図2のエネルギーバンド構造であれば、光吸収層3側における窓層5の電気抵抗の増大をある一定レベルに抑制することができ、変換効率の低下を回避することが出来る。 The VBM or CBM may have a slope in the entire region of the window layer 5, but as shown in FIG. 2, the surface side (the opposite side to the light absorbing layer, the portion surrounded by the circle in FIG. Further, the following effects can be obtained by limiting the inclination to a region of approximately 1/2 or less of. That is, when the Fermi level is located at an energy level far from the conduction band, the carrier concentration in the window layer 5 is low and the electrical resistance is high. Therefore, when the VBM or CBM is inclined in the entire region of the window layer 5, the conversion efficiency of the solar cell may be reduced due to the increase in the electrical resistance of the window layer 5 in the vicinity of the light absorption layer 3. is there. On the other hand, in the case of the energy band structure of FIG. 2 in which the inclined region is at most about half the film thickness or less from the surface side of the window layer, the electrical resistance of the window layer 5 on the light absorption layer 3 side is increased. The level can be suppressed to a certain level, and a decrease in conversion efficiency can be avoided.
なお、窓層におけるフェルミ準位の傾斜の大きさは窓層の材料によっても異なるが、ノンドープZnO窓層の場合、厚さ60nmで0.5eV程度である。 The size of the slope of the Fermi level in the window layer varies depending on the material of the window layer, but in the case of a non-doped ZnO window layer, it is about 0.5 eV at a thickness of 60 nm.
図2の実験に用いた太陽電池は、p型CIS系光吸収層/Zn(S,O,OH)層/ノンドープZnO層の構造を有しており、ここで、Zn(S,O,OH)層はn型高抵抗バッファ層、ノンドープZnO層は窓層として機能する。一般にn型高抵抗バッファ層4は膜厚が非常に薄く、従って、UPS分析で正確な結果は得られない。しかしながら、n型高抵抗バッファ層4および窓層5全体でn型の導電型を有し且つ図2に示すエネルギーバンド構造を有していることは明らかである。 The solar cell used in the experiment of FIG. 2 has a structure of p-type CIS light absorbing layer / Zn (S, O, OH) layer / non-doped ZnO layer, where Zn (S, O, OH) The layer functions as an n-type high resistance buffer layer, and the non-doped ZnO layer functions as a window layer. In general, the n-type high-resistance buffer layer 4 has a very thin film thickness, and therefore, UPS analysis does not give accurate results. However, it is apparent that the entire n-type high resistance buffer layer 4 and the window layer 5 have n-type conductivity and have the energy band structure shown in FIG.
図3に、本発明に係る太陽電池との比較のために、従来技術による窓層とp型CIS系光吸収層のエネルギーバンド構造を示している。価電子帯の上端(VBM)の測定および伝導帯下端(CBM)の算出は、図2の測定及び算出と同様の手法で行われている。図3の測定に用いた太陽電池は、p型CIS系光吸収層/ノンドープZnO窓層の構造を有する。 FIG. 3 shows the energy band structure of the window layer and the p-type CIS based light absorbing layer according to the prior art for comparison with the solar cell according to the present invention. The measurement of the upper end (VBM) of the valence band and the calculation of the lower end of the conduction band (CBM) are performed in the same manner as the measurement and calculation of FIG. The solar cell used for the measurement of FIG. 3 has a structure of p-type CIS-based light absorption layer / non-doped ZnO window layer.
図3に示すように、従来構造の太陽電池では、窓層のエネルギーバンドギャップは膜厚方向に一定であり、且つ、本発明とは異なって、価電子帯上端(VBM)のプロットaは膜厚方向にほぼ一定のエネルギー値を維持している。従って、フェルミ準位に傾斜は存在せず、その結果、窓層内に内部電界は存在しない。そのため、窓層の受光面側表面近傍で光吸収によって生成したキャリアは、窓層と光吸収層との界面近傍に形成されている空乏層領域までスムーズに移動することができず、結果として、太陽電池の光電変換効率を向上させることはできない。 As shown in FIG. 3, in the solar cell of the conventional structure, the energy band gap of the window layer is constant in the film thickness direction, and unlike the present invention, the plot a of the valence band upper end (VBM) is a film An almost constant energy value is maintained in the thickness direction. Therefore, there is no slope in the Fermi level, and as a result there is no internal electric field in the window layer. Therefore, carriers generated by light absorption in the vicinity of the light receiving surface side surface of the window layer can not smoothly move to the depletion layer region formed in the vicinity of the interface between the window layer and the light absorption layer. The photoelectric conversion efficiency of the solar cell can not be improved.
以下に、図1及び図2に示す、本発明の一実施形態に係る化合物半導体薄膜太陽電池の、特に窓層の製造方法を、従来技術に係る化合物半導体薄膜太陽電池との比較において説明する。 Below, the manufacturing method of the window layer especially the compound semiconductor thin film solar cell which concerns on one Embodiment of this invention shown in FIG.1 and FIG.2 is demonstrated in comparison with the compound semiconductor thin film solar cell which concerns on a prior art.
従来技術では、例えば、窓層であるZnO膜を、水とジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2、以下DEZ)とを材料とするMOCVD法を用いて製膜している。即ち、ジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2、以下DEZ)と水を気相で反応させて、p型CIS系光吸収層或いは高抵抗バッファ層上に、ノンドープのZnO層を形成する。この気相反応において、従来技術では、DEZ:水の比率を一定として窓層を形成していた。 In the prior art, for example, a ZnO film which is a window layer is formed by MOCVD using water and diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 , hereinafter, DEZ) as materials. That is, diethyl zinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 , hereinafter DEZ) and water are reacted in the gas phase to form a non-doped ZnO layer on the p-type CIS light absorbing layer or the high resistance buffer layer. In this gas phase reaction, in the prior art, the window layer is formed at a constant DEZ: water ratio.
一方、本発明では、窓層5を以下の方法で製作する。
a)水とジエチル亜鉛(Zn(C2H5)2、以下DEZ)とを材料とするMOCVD法を用いてZnO窓層5を形成するにあたって、膜厚方向に、すなわち製膜時間が経過するに従って、DEZ:水の比率を変化させる。より詳細には、時間の経過に伴って水の導入量を減少させることにより、膜の表面側で酸素欠陥の濃度を増大させ、フェルミ準位を伝導帯に近付く方向に傾斜させる。
b)別の製法としては、製膜時間の経過に伴って基板温度を上昇させる方法が挙げられる。高温で製膜されたZnO膜はキャリア濃度が高く、フェルミ準位がより伝導帯に近くなるため、製膜中の温度変化によって膜厚方向にフェルミ準位の勾配を形成することができる。なお、この方法は、MOCVD法によるZnO窓層の形成だけではなく、ALD法によるZnO窓層の形成にも適用可能である。
On the other hand, in the present invention, the window layer 5 is manufactured by the following method.
a) When the ZnO window layer 5 is formed by MOCVD using water and diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 , hereinafter, DEZ) as a material, the film formation time elapses in the film thickness direction. Change the ratio of DEZ: water according to. More specifically, the concentration of oxygen defects is increased on the surface side of the film by decreasing the introduction amount of water with the passage of time, and the Fermi level is inclined toward the conduction band.
b) Another production method is a method of raising the substrate temperature with the passage of film forming time. The ZnO film formed at a high temperature has a high carrier concentration, and the Fermi level is closer to the conduction band, so that the gradient of the Fermi level can be formed in the film thickness direction by the temperature change during the film formation. This method is applicable not only to the formation of a ZnO window layer by MOCVD but also to the formation of a ZnO window layer by ALD.
c)さらに別の製法としては、製膜時間の経過に伴って基板への短波長光(波長300nm程度以下)の照射強度を増大させる方法が挙げられる。短波長光の照射下で製膜されたZnO膜はキャリア濃度が高く、フェルミ準位がより伝導帯に近くなるため、製膜中の短波長光照射強度の調整によって膜厚方向にフェルミ準位の勾配を形成することができる。この方法も、MOCVD法によるZnO窓層の形成だけではなく、ALD法によるZnO窓層の形成にも適用可能である。 c) Another production method is a method of increasing the irradiation intensity of short wavelength light (about 300 nm or less) to the substrate with the passage of film forming time. The ZnO film formed under irradiation of short wavelength light has a high carrier concentration, and the Fermi level is closer to the conduction band. Therefore, the Fermi level in the film thickness direction is adjusted by adjusting the irradiation intensity of short wavelength light in the film formation. Can form a gradient of This method is also applicable not only to the formation of a ZnO window layer by MOCVD but also to the formation of a ZnO window layer by ALD.
図4は、上述したa)の製造方法の効果を示すグラフであり、MOCVD法によるZnOの製膜に当たり、水とDEZのモル比を変化させて、その時のZnO膜におけるキャリア濃度を測定したグラフである。図の縦軸は、ZnO膜におけるキャリア濃度(/cm3)を示し、図の横軸はH2O/DEZをモル比で表している。このグラフから明らかなように、水の導入量を減らす(モル比を減少させる)と、ZnO膜のキャリア濃度が上昇することが分かる。 FIG. 4 is a graph showing the effects of the manufacturing method a) described above, in which the molar ratio of water to DEZ is changed in forming a ZnO film by MOCVD, and the carrier concentration in the ZnO film is measured at that time. It is. The vertical axis of the figure shows the carrier concentration (/ cm 3 ) in the ZnO film, and the horizontal axis of the figure shows H 2 O / DEZ in molar ratio. As is clear from this graph, it can be seen that the carrier concentration of the ZnO film increases as the amount of water introduced is reduced (the molar ratio is reduced).
表1に、図4に示した各測定点のH2O/DEZモル比およびキャリア濃度の詳細を示す。
キャリア濃度の上昇は、フェルミ準位が伝導帯下端に近づくことを意味している。従って、MOCVD法を用いてZnOの窓層5を製膜する場合に、DEZに対する水の比率を徐々に減少させていくことにより、窓層5の表面方向に向かってキャリア濃度を上昇させることができる。その結果、窓層5のエネルギーバンドギャップを一定に保ちながら、フェルミ準位を窓層5の表面方向に向かって伝導帯下端方向に傾斜させることができる。 An increase in carrier concentration means that the Fermi level approaches the lower end of the conduction band. Therefore, when depositing the window layer 5 of ZnO using the MOCVD method, the carrier concentration can be increased in the surface direction of the window layer 5 by gradually reducing the ratio of water to DEZ. it can. As a result, the Fermi level can be inclined toward the surface of the window layer 5 toward the lower end of the conduction band while keeping the energy band gap of the window layer 5 constant.
図5は、上述したb)の製造方法の効果を示すグラフであり、特に、ALD法(Atomic layer Deposition,原子層蒸着法)によってZnO膜を形成した場合の効果を示す。図の縦軸は、ALD法によって形成されたZnO膜のキャリア濃度を示し、横軸は製膜温度を示している。このグラフから明らかなように、ZnOの製膜温度が上昇すると、ZnO膜のキャリア濃度が上昇する。キャリア濃度が高いことは、フェルミ準位が伝導帯に近いことを意味している。従って、ZnO窓層5の製膜にあたって、製膜温度を徐々に上げて行くことによって、ZnO窓層5のエネルギーバンドギャップを一定に保ちながら、ZnO窓層5の表面方向に向かってフェルミ準位を伝導帯下端方向に傾斜させることができる。 FIG. 5 is a graph showing the effect of the above-mentioned production method b), particularly showing the effect of forming a ZnO film by ALD (Atomic layer Deposition, atomic layer deposition). The vertical axis of the figure indicates the carrier concentration of the ZnO film formed by the ALD method, and the horizontal axis indicates the film forming temperature. As apparent from this graph, when the film forming temperature of ZnO is increased, the carrier concentration of the ZnO film is increased. The high carrier concentration means that the Fermi level is close to the conduction band. Therefore, when forming the ZnO window layer 5, the film formation temperature is gradually increased to keep the energy band gap of the ZnO window layer 5 constant, while the Fermi level is directed toward the surface of the ZnO window layer 5. Can be inclined toward the lower end of the conduction band.
表2に、図5に示した各測定点の製膜温度とキャリア濃度の詳細を示す。
上述の実施形態では、窓層5をZnOで形成しているが、これは、ZnOのエネルギーバンドギャップが3.2eVと広く、比較的大きな光電流を取り出すことが可能なためである。太陽電池の光学設計に従って、窓層として種々の材料が考えられることは明らかであり、従って本発明は、窓層5の材料をノンドープのZnOに限定するものではない。 In the above embodiment, the window layer 5 is formed of ZnO because the energy band gap of ZnO is as wide as 3.2 eV, and a relatively large photocurrent can be extracted. According to the optical design of the solar cell, it is clear that various materials can be considered as the window layer, and therefore the present invention does not limit the material of the window layer 5 to non-doped ZnO.
図1に示す実施形態では基板1をガラス基板としているが、本発明はガラス基板に限定されることなく、金属基板等も使用可能であることは勿論である。さらに、層3をp型CIS系光吸収層として示しているが、この具体的な材料としては、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In、Ga)(Se、S)2、CuInS2等がある。透明電極6は、ITO、B、AlまたはGaドープのZnO等で形成しても良い。 Although the substrate 1 is a glass substrate in the embodiment shown in FIG. 1, the present invention is not limited to the glass substrate, and it goes without saying that a metal substrate or the like can also be used. Furthermore, although the layer 3 is shown as a p-type CIS-based light absorption layer, specific examples of this material include Cu (In, Ga) Se 2 , Cu (In, Ga) (Se, S) 2 , CuInS 2 Etc. The transparent electrode 6 may be formed of ITO, B, Al or ZnO doped with Ga or the like.
1 基板
2 第1の電極層(金属裏面電極層)
3 p型CIS系光吸収層
4 n型高抵抗バッファ層
5 ノンドープZnO層
6 透明電極
1 substrate 2 first electrode layer (metal back electrode layer)
3 p-type CIS light absorbing layer 4 n-type high-resistance buffer layer 5 non-doped ZnO layer 6 transparent electrode
Claims (8)
前記基板上に形成された第1の電極層と、
前記第1の電極層上に形成された化合物半導体のp型光吸収層と、
前記p型光吸収層上に形成され当該p型光吸収層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し且つ当該p型光吸収層との界面にpnヘテロ接合を形成する窓層と、
前記窓層上に形成された透明電極層と、を備える、化合物半導体薄膜太陽電池において、
前記窓層は、前記エネルギーバンドギャップが前記窓層の膜厚方向において一定であり、フェルミ準位が前記界面から前記窓層の受光面側に向かって伝導帯下端に近づく方向に傾斜しており、
前記窓層におけるフェルミ準位の傾斜は、前記窓層の受光面側で前記p型光吸収層側よりも大きい、化合物半導体薄膜太陽電池。 A substrate,
A first electrode layer formed on the substrate;
A p-type light absorption layer of a compound semiconductor formed on the first electrode layer;
A window layer formed on the p-type light absorption layer, having an energy band gap wider than the p-type light absorption layer, and forming a pn hetero junction at the interface with the p-type light absorption layer;
A transparent electrode layer formed on the window layer, in a compound semiconductor thin film solar cell,
The window layer, the energy band gap is constant in the thickness direction of the window layer is inclined in a direction in which the Fermi level is closer to the conduction band toward the light-receiving surface side of the window layer from the interface ,
The compound semiconductor thin film solar cell , wherein the slope of the Fermi level in the window layer is larger on the light receiving surface side of the window layer than on the p-type light absorption layer side .
前記基板上に形成された第1の電極層と、
前記第1の電極層上に形成された化合物半導体のp型光吸収層と、
前記p型光吸収層上に形成され当該p型光吸収層よりも広いエネルギーバンドギャップを有し且つ当該p型光吸収層との界面にpnヘテロ接合を形成する窓層と、
前記窓層上に形成された透明電極層と、を備える、化合物半導体薄膜太陽電池において、
前記窓層は、前記エネルギーバンドギャップが前記窓層の膜厚方向において一定であり、前記窓層の膜厚方向において前記窓層の受光面側表面から前記膜厚の1/2の部分では、フェルミ準位が前記界面から前記窓層の受光面側に向かって伝導帯下端に近づく方向に傾斜している、化合物半導体薄膜太陽電池。 A substrate,
A first electrode layer formed on the substrate;
A p-type light absorption layer of a compound semiconductor formed on the first electrode layer;
A window layer formed on the p-type light absorption layer, having an energy band gap wider than the p-type light absorption layer, and forming a pn hetero junction at the interface with the p-type light absorption layer;
A transparent electrode layer formed on the window layer, in a compound semiconductor thin film solar cell,
The window layer, the a constant energy band gap in the film thickness direction of the window layer, the half of the portion from the light-receiving surface side surface of the thickness of the window layer in the thickness direction before Kimadoso The compound semiconductor thin film solar cell whose Fermi level inclines in the direction which approaches a conduction band lower end toward the light-receiving surface side of the said window layer from the said interface .
前記金属裏面電極層上にCu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、
前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、
前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、
DEZと水を用いたMOCVD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、
前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、
前記窓層の形成は、製膜時間の経過に伴ってDEZに対する水の比率を減少させて行うことを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a metal back electrode layer on the substrate,
Forming a metal precursor film of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer,
The metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorbing layer,
Forming a buffer layer of Zn (S, O, OH) on the p-type light absorbing layer;
A window layer of ZnO is formed on the buffer layer by MOCVD using DEZ and water,
In the manufacturing method of the compound semiconductor thin film solar cell which forms a transparent electrode on the said window layer,
The method for manufacturing a compound semiconductor thin film solar cell, wherein the formation of the window layer is performed by decreasing the ratio of water to DEZ with the passage of film forming time.
前記金属裏面電極層上にCu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、
前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、
前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、
MOCVD法またはALD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、
前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、
前記窓層の形成は、製膜時間の経過に伴って製膜温度を上昇させて行うことを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a metal back electrode layer on the substrate,
Forming a metal precursor film of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer,
The metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorbing layer,
Forming a buffer layer of Zn (S, O, OH) on the p-type light absorbing layer;
Forming a window layer of ZnO on the buffer layer by MOCVD or ALD;
In the manufacturing method of the compound semiconductor thin film solar cell which forms a transparent electrode on the said window layer,
The method for manufacturing a compound semiconductor thin film solar cell, wherein the formation of the window layer is performed by raising the film formation temperature with the passage of a film formation time.
前記金属裏面電極層上にCu,In,Gaを含む積層構造または混晶の金属プリカーサ膜を形成し、
前記金属プリカーサ膜をセレン化及び/または硫化してp型光吸収層を形成し、
前記p型光吸収層上にZn(S,O,OH)のバッファ層を形成し、
MOCVD法またはALD法によって前記バッファ層上にZnOの窓層を形成し、
前記窓層上に透明電極を形成する、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法において、
前記窓層の形成は、波長300nm以下の短波長光を前記基板に照射しながら行い、且つ、製膜時間の経過に伴って前記短波長光の照射強度を増大させることを特徴とする、化合物半導体薄膜太陽電池の製造方法。 Forming a metal back electrode layer on the substrate,
Forming a metal precursor film of a laminated structure or mixed crystal containing Cu, In, Ga on the metal back electrode layer,
The metal precursor film is selenized and / or sulfurized to form a p-type light absorbing layer,
Forming a buffer layer of Zn (S, O, OH) on the p-type light absorbing layer;
Forming a window layer of ZnO on the buffer layer by MOCVD or ALD;
In the manufacturing method of the compound semiconductor thin film solar cell which forms a transparent electrode on the said window layer,
The compound is characterized in that the formation of the window layer is performed while irradiating the substrate with short wavelength light having a wavelength of 300 nm or less, and the irradiation intensity of the short wavelength light is increased with the lapse of film forming time. Method of manufacturing a semiconductor thin film solar cell
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