專利名稱:太陽(yáng)電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池。特別地,本發(fā)明涉及基板型(substrate-type)太陽(yáng)電池。
背景技術(shù):
在現(xiàn)有技術(shù)中,為人所知的基板型太陽(yáng)電池包括基板,在基板上形成的下部電極,在導(dǎo)電膜上形成的光吸收層,在光吸收層上形成的窗層(window layer)以及在窗層上形成的上部電極。另外,為人所知的基板型太陽(yáng)電池還包括在光吸收層和窗層之間形成的緩沖層。
具體地說(shuō),作為以前的基板型太陽(yáng)電池,已經(jīng)提出了如下的構(gòu)成(例如,參照特開平10-74967號(hào)公報(bào)),該構(gòu)成包括玻璃基板,其含有Na等堿金屬;MO膜等金屬膜(下部電極),其在玻璃基板上采用濺射法等而形成;化合物半導(dǎo)體層(光吸收層),其在金屬膜上采用多元蒸鍍法等而形成,具有p型Cu(In,Ga)Se2層等p型傳導(dǎo)性,且具有黃銅礦型結(jié)構(gòu);CdS層(窗層),其在化合物半導(dǎo)體層上采用溶液法而形成;以及ZnO:Al膜等n型透明導(dǎo)電膜(上部電極)。在現(xiàn)有技術(shù)中,為制造高能量轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)電池,采用長(zhǎng)時(shí)間使p型Cu(In,Ga)Se2晶體緩慢生長(zhǎng)的方法,形成作為光吸收層的p型Cu(In,Ga)Se2層。這是因?yàn)槿绻咕w緩慢生長(zhǎng),則不僅降低p型Cu(In,Ga)Se2層中的晶體缺陷,而且即使是多晶,也使表面平坦性得以提高。進(jìn)而還因?yàn)槿绻诒砻嫫教沟膒型Cu(In,Ga)Se2層上形成CdS層,則可以形成覆蓋度良好的CdS層。
另外,作為以前的基板型太陽(yáng)電池,已經(jīng)提出了如下的構(gòu)成(例如,參照特開平10-135498號(hào)公報(bào)),該構(gòu)成包括玻璃基板;MO膜等金屬膜(下部電極),其在玻璃基板上采用濺射法等而形成;化合物半導(dǎo)體層(光吸收層),其在金屬膜上采用硒化法(selenidationmethod)而形成,具有p型Cu(In,Ga)Se2層等p型傳導(dǎo)性,且具有黃銅礦型結(jié)構(gòu);ZnO膜等緩沖層,其形成于化合物半導(dǎo)體上;ZnO:Al膜等窗層;以及上部電極。在硒化法中,形成CuGa/In/Se前驅(qū)體(precursor)(由CuGa膜、In膜和Se膜構(gòu)成的層疊膜)之后,采用加熱的方法使CuGa/In/Se前驅(qū)體進(jìn)行固相擴(kuò)散,由此形成p型Cu(In,Ga)Se2層,或者在形成CuGa/In前驅(qū)體后,于HSe2氣體中對(duì)CuGa/In前驅(qū)體進(jìn)行熱處理,由此形成p型Cu(In,Ga)Se2層。
另外,作為以前的基板型太陽(yáng)電池,還知道作為緩沖層,其構(gòu)成包括采用溶液法形成的Zn(O,H)膜和Zn(O,S,OH)膜等(例如,可參照Tokio Nakada et al.Thin Solid Film 431~432(2003)242~248)。
在采用多元蒸鍍法形成p型Cu(In,Ga)Se2層的情況下,如果像以前那樣使其緩慢生長(zhǎng),則即使只形成2μm厚的p型Cu(In,Ga)Se2層,也需要1小時(shí)左右的時(shí)間,所以批量生產(chǎn)率非常差。另一方面,如果在幾分鐘左右的時(shí)間內(nèi)快速生長(zhǎng)2μm厚的p型Cu(In,Ga)Se2層,則對(duì)于制作的太陽(yáng)電池,其作為二極管指數(shù)的n值超過(guò)2,能量轉(zhuǎn)換效率低于10%。這是因?yàn)楫?dāng)快速形成p型Cu(In,Ga)Se2層時(shí),則p型Cu(In,Ga)Se2層的結(jié)晶性發(fā)生退化。而且還因?yàn)閜型Cu(In,Ga)Se2層的表面將成為沒(méi)有平坦性的凹凸面。進(jìn)而還因?yàn)槿绻诒砻媸前纪姑娴膒型Cu(In,Ga)Se2層上形成n型CdS層,則n型CdS層的覆蓋度變得不充分,引起等效電路的分流電阻向低電阻值的方向發(fā)展。該分流電阻向低電阻值的方向發(fā)展的原因在于由于高濃度的n型ITO膜形成于覆蓋度并不充分的n型CdS層上,故而n型ITO膜的一部分沒(méi)有n型CdS層的分隔而直接與p型Cu(In,Ga)Se2層相接觸。分流電阻向低電阻值的方向發(fā)展的現(xiàn)象并不局限于p型Cu(In,Ga)Se2層的情況,在采用多元蒸鍍法并快速形成的其它光吸收層的情況下也發(fā)生過(guò)。
另外,在采用硒化法形成p型Cu(In,Ga)Se2層等光吸收層的情況下,如果也在幾分鐘左右的時(shí)間內(nèi)使CuGa/In/Se前驅(qū)體和CuGa/In前驅(qū)體的各層快速生長(zhǎng),則其表面將成為凹凸面,最終形成的p型Cu(In,Ga)Se2層等光吸收層的表面成為沒(méi)有平坦性的凹凸面。因此,對(duì)于在采用硒化法形成的光吸收層上形成n型緩沖層和n型窗層的情況,n型緩沖層和n型窗層的覆蓋度也變得不充分,從而導(dǎo)致等效電路的分流電阻向低電阻值的方向發(fā)展。分流電阻向低電阻值方向發(fā)展的原因在于由于n型透明導(dǎo)電膜形成于覆蓋度并不充分的n型緩沖層及n型窗層上,故而n型透明導(dǎo)電膜的一部分沒(méi)有n型緩沖層及n型窗層兩者的分隔而直接與光吸收層相接觸。
發(fā)明內(nèi)容
于是,本發(fā)明使太陽(yáng)電池的等效電路之分流電阻向高電阻值的方向發(fā)展,也就是降低太陽(yáng)電池的漏電流,藉此提高下述太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率等太陽(yáng)電池特性,其中所述太陽(yáng)電池包括高速形成從而具有凹凸表面的化合物半導(dǎo)體層(光吸收層),以及形成于化合物半導(dǎo)體層上從而覆蓋度并不充分的n型窗層。
為了解決上述的課題,本發(fā)明的太陽(yáng)電池包括基板;導(dǎo)電膜,其形成于基板上;化合物半導(dǎo)體層,其形成于導(dǎo)電膜上,并具有包含Ib族元素、IIIb族元素及VIb族元素的p型半導(dǎo)體晶體;n型窗層,其形成于化合物半導(dǎo)體層上,且具有開口;n型透明導(dǎo)電膜,其形成于n型窗層之上、以及形成于n型窗層的開口之下的化合物半導(dǎo)體層上;所述太陽(yáng)電池的特征在于化合物半導(dǎo)體層具有高電阻部,該高電阻部在化合物半導(dǎo)體層的與導(dǎo)電膜相反一側(cè)的表面附近的部分區(qū)域形成,含有摻雜在p型半導(dǎo)體晶體中的n型雜質(zhì);且所述高電阻部配置在n型窗層的開口之下。在本說(shuō)明書中,各族的名稱按照IUPAC的短周期型周期表命名。此外,“Ib族”、“IIIb族”及“VIb族”在IUPAC推薦的長(zhǎng)周期型周期表中,分別是指“11族”、“13族”及“16族”。另外,所謂n型雜質(zhì),是指在p型半導(dǎo)體晶體中摻雜時(shí)作為施主發(fā)揮作用的元素。
為解決上述的課題,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法包括在基板上形成導(dǎo)電膜的工序,在導(dǎo)電膜上生長(zhǎng)含有Ib族元素、IIIb族元素及IVb族元素的p型半導(dǎo)體晶體的工序,在p型半導(dǎo)體晶體上形成具有開口的n型窗層的工序,在n型窗層之上、以及在n型窗層的開口之下的p型半導(dǎo)體晶體上形成n型透明導(dǎo)電膜的工序,所述制造方法的特征在于在形成n型窗層的工序和形成n型透明導(dǎo)電膜的工序之間,進(jìn)一步包括在n型窗層的開口之下的p型半導(dǎo)體晶體的表面附近摻雜n型雜質(zhì)的工序。
圖1是電路圖,表示實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池的等效電路。
圖2是示意剖面圖,表示實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)實(shí)例。
圖3(A)~(D)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池中的第1制造方法的一個(gè)實(shí)例。
圖4(A)~(D)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池中的第2制造方法的一個(gè)實(shí)例。
圖5(A)~(C)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池中的第3制造方法的一個(gè)實(shí)例。
圖6是示意剖面圖,表示實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
如上所述,本發(fā)明的太陽(yáng)電池包括基板,導(dǎo)電膜,具有高電阻部的化合物半導(dǎo)體層,n型窗層以及n型透明導(dǎo)電膜。此外,化合物半導(dǎo)體層的n型窗層一側(cè)的表面為凹凸面。n型窗層有開口(以下也稱為“針孔pinhole”),高電阻部位于n型窗層的開口之下的p型半導(dǎo)體晶體的表面附近。
在化合物半導(dǎo)體層中,高電阻部是通過(guò)在p型半導(dǎo)體晶體表面附近的一部分摻雜n型雜質(zhì)而形成的。在此,所謂“表面附近”,是指距化合物半導(dǎo)體層表面的深度為500nm或以下的區(qū)域。高電阻部的電阻率在p型半導(dǎo)體晶體中,比沒(méi)有摻雜n型雜質(zhì)的高電阻部以外的部分(以下也稱該部分為“低電阻部”)的電阻率更大。這是因?yàn)橛捎趽诫s在p型半導(dǎo)體晶體中的n型雜質(zhì)作為施主發(fā)揮作用,所以高電阻部與低電阻部相比,其施主濃度得以增加,從而p型半導(dǎo)體晶體中由受主濃度和施主濃度決定的載流子濃度得以減少。
在此,參照?qǐng)D1就太陽(yáng)電池的等效電路進(jìn)行說(shuō)明。圖1是電路圖,表示本發(fā)明的太陽(yáng)電池的等效電路。此外,以前的太陽(yáng)電池的等效電路也以圖1所示的電路圖同樣的構(gòu)成來(lái)表示。正如圖1所示的那樣,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的等效電路可以用恒電流源4(短路電流JSC)、與恒電流源4并聯(lián)且由pn結(jié)構(gòu)成的二極管3、與二極管3并聯(lián)的分流電阻1(電阻值Rsh)、與二極管3串聯(lián)的串聯(lián)電阻2(電阻值Rs)來(lái)表示。為獲得特性優(yōu)良的太陽(yáng)電池,所優(yōu)選的是,分流電阻1的電阻值Rsh要大,串聯(lián)電阻2的電阻值Rs要小。分流電阻1的電阻值Rsh的降低是通過(guò)太陽(yáng)電池pn結(jié)上的漏電流、以及起因于pn結(jié)合附近的晶體缺陷和雜質(zhì)的析出等的漏電流而產(chǎn)生的。另外,串聯(lián)電阻2的電阻值R的增加是通過(guò)構(gòu)成太陽(yáng)電池各層的電阻的增加、歐姆接觸電阻的增加以及配線電阻的增加等而產(chǎn)生的。此外,分流電阻1通常優(yōu)選為2kΩ·cm2或以上。
對(duì)于本發(fā)明的太陽(yáng)電池,即使n型窗層的覆蓋度并不充分,也可以使低電阻部和n型透明導(dǎo)電膜直接接觸的面積得以減少,因而可以使分流電阻1向高電阻值的方向發(fā)展。因此,可以提高能量轉(zhuǎn)換效率等太陽(yáng)電池特性。另外,通過(guò)控制高電阻部的大小和高電阻部中n型雜質(zhì)的濃度,可以將分流電阻1設(shè)定為2kΩ·cm2或以上。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,高電阻部的電阻優(yōu)選比n型窗層的電阻更大。此時(shí),由于可以使n型透明導(dǎo)電膜和低電阻部通過(guò)高電阻部的分隔而接觸的部分的電阻,比通過(guò)n型窗層而接觸的部分的電阻更大,所以可以進(jìn)一步降低n型透明導(dǎo)電膜和化合物半導(dǎo)體層直接接觸的部分的漏電流,即可以進(jìn)一步增大分流電阻1。
本發(fā)明的太陽(yáng)電池可以設(shè)計(jì)為下述的結(jié)構(gòu),即化合物半導(dǎo)體層在與導(dǎo)電膜相反一側(cè)的表面上具有凹面,且高電阻部形成于凹面附近。通常,覆蓋度并不充分的n型窗層的開口,形成于具有凹凸表面的化合物半導(dǎo)體層的凹面上。因此,通過(guò)在凹面附近形成高電阻部,可以高效地使分流電阻1向高電阻值的方向發(fā)展。高電阻部既可以形成于凹面附近的一部分,也可以形成于包含凹面附近的更寬廣的區(qū)域。此外,在凹凸表面的凹凸較多的情況下,雖然可能導(dǎo)致大量的針孔產(chǎn)生,但借助于入射太陽(yáng)光的漫散射,也具有提高能量轉(zhuǎn)換效率的效果。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,優(yōu)選n型透明導(dǎo)電膜只通過(guò)n型窗層和高電阻部的至少一方的分隔而與化合物半導(dǎo)體層的高電阻部以外的部分(低電阻部)相連接。這是因?yàn)槿绻沁@種結(jié)構(gòu),則低電阻部和n型透明導(dǎo)電膜就不會(huì)直接接觸,從而可以極其良好地使分流電阻1向高電阻值的方向發(fā)展。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,高電阻部可以設(shè)計(jì)為具有選自IIa族元素以及IIb族元素之中的至少1種的元素作為n型雜質(zhì)的構(gòu)成。在此,“IIa族”以及“IIb族”在IUFAC推薦的長(zhǎng)周期型周期表中,分別是指“2族”以及“12族”。具體地說(shuō),作為高電阻部,可以列舉出具有1種IIa族元素的構(gòu)成、具有多種IIa族元素的構(gòu)成、具有1種IIb族元素的構(gòu)成、具有多種IIb族元素的構(gòu)成以及具有至少1種IIa族元素和至少1種IIb族元素的構(gòu)成。如果是這種構(gòu)成,則當(dāng)IIa族元素和IIb族元素?fù)诫s在p型半導(dǎo)體晶體中時(shí),將作為施主發(fā)揮作用。另外,IIa族元素和IIb族元素由于容易被p型半導(dǎo)體晶體的作為受主發(fā)揮作用的空穴等所俘獲,所以在降低受主濃度的同時(shí),也可以增加施主濃度。因此,相對(duì)于受主濃度,可以有效地增加高電阻部的施主濃度。此外,高電阻部因IIa族元素及IIb族元素?fù)诫s量的增加,即使出現(xiàn)電阻極高的n型傳導(dǎo)性,也不會(huì)出現(xiàn)低電阻的n型傳導(dǎo)性。在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,為使其被Ib族元素的空穴等所俘獲而作為施主發(fā)揮良好的作用,高電阻部的n型雜質(zhì)優(yōu)選為Zn、Mg或Ca。
作為化合物半導(dǎo)體層的p型半導(dǎo)體晶體,優(yōu)選的是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體晶體,其含有Cu作為Ib族元素,含有選自Ga以及In之中的至少1種的元素作為IIIb族元素,含有選自S以及Se之中的至少1種的元素作為VIb族元素。這是因?yàn)槿绻沁@樣的構(gòu)成,則太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率高,幾乎不會(huì)發(fā)生因光照射而引起的隨時(shí)間的退化。具體地說(shuō),在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,例如,化合物半導(dǎo)體層的p型半導(dǎo)體晶體優(yōu)選的是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的CuInSe2晶體、具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的Cu(Ga,In)Se2晶體或具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的CuIn(S,Se)2晶體。此外,在低電阻部及高電阻部,只要不損害本發(fā)明的效果,也可以根據(jù)需要含有其它的元素。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,優(yōu)選n型窗層為ZnO膜或ZnMgO膜。此外,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的n型窗層可以與公知的任何太陽(yáng)電池的n型窗層具有相同的構(gòu)成。
本發(fā)明的太陽(yáng)電池可以設(shè)計(jì)為進(jìn)一步含有n型緩沖層的構(gòu)成,其中n型緩沖層形成于化合物半導(dǎo)體層和n型窗層之間,且具有與n型窗層的開口相連通的開口。即便對(duì)于通過(guò)n型窗層與n型緩沖層相連通的連通口而使化合物半導(dǎo)體層和n型透明導(dǎo)電膜發(fā)生接觸的情況,也可以減少低電阻部和n型透明導(dǎo)電膜直接接觸的面積,因此可以使分流電阻1向高電阻值的方向發(fā)展。在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,優(yōu)選緩沖層為Zn(O,OH)膜或Zn(O,S,OH)膜。此外,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的n型緩沖層可以與公知的任何太陽(yáng)電池的n型緩沖層具有相同的構(gòu)成。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,n型透明導(dǎo)電膜優(yōu)選的是ITO膜、SnO2膜、In2O3膜、ZnO:Al膜或ZnO:B膜。此外,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的n型透明導(dǎo)電膜可以與公知的任何太陽(yáng)電池的n型透明導(dǎo)電膜具有相同的構(gòu)成。
作為基板,優(yōu)選的是含有Ia族元素(堿金屬元素)的基板。此外,“Ia族”是指在IUPAC推薦的長(zhǎng)周期型周期表中的“1族”。這是因?yàn)槿绻搴蠭a族元素,則在形成化合物半導(dǎo)體層的p型半導(dǎo)體晶體時(shí),基板的Ia族元素通過(guò)導(dǎo)電膜擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體晶體中,藉此使p型半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性得以提高。另外,優(yōu)選基板的線膨脹系數(shù)和p型半導(dǎo)體晶體的線膨脹系數(shù)之差值較小。這是因?yàn)槿绻摬钪递^小,則使p型半導(dǎo)體晶體的晶體缺陷得以減少。因此,在本發(fā)明的太陽(yáng)電池中,基板優(yōu)選的是含有選自Na(鈉)、K(鉀)以及Li(鋰)之中的至少1種堿金屬元素的玻璃基板,基板的線膨脹系數(shù)和p型半導(dǎo)體晶體的線膨脹系數(shù)之差值優(yōu)選在1×10-6/K(Kelvin)~3×10-6/K的范圍內(nèi)。
作為導(dǎo)電膜,優(yōu)選的是Mo(鉬)膜、Cr(鉻)膜、Au(金)膜、Pt(白金)等金屬膜。此外,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的導(dǎo)電膜可以與公知的任何太陽(yáng)電池的導(dǎo)電膜具有相同的構(gòu)成。
下面就本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。如上所述,本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法包括形成導(dǎo)電膜的工序,生長(zhǎng)p型半導(dǎo)體晶體的工序,形成具有開口的n型窗層的工序,在n型窗層的開口之下的p型半導(dǎo)體晶體的表面附近摻雜n型雜質(zhì)的工序,形成n型透明導(dǎo)電膜的工序。在形成具有開口的n型窗層之后,通過(guò)進(jìn)行向p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序,可以有選擇地在n型窗層的開口之下的p型半導(dǎo)體晶體的表面附近形成高電阻部。此外,p型半導(dǎo)體晶體中沒(méi)有摻雜n型雜質(zhì)的部分就成為低電阻部。
在p型半導(dǎo)體晶體的生長(zhǎng)中,對(duì)于p型半導(dǎo)體晶體是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的Cu(Ga,In)Se2晶體的情況,優(yōu)選使之以0.2μm/分~2μm/分范圍內(nèi)的成膜速度生長(zhǎng)。這是因?yàn)楫?dāng)成膜速度不足0.2μm/分時(shí),p型半導(dǎo)體晶體表面的凹凸變小,n型窗層的覆蓋度變得良好,然而,生長(zhǎng)p型半導(dǎo)體晶體的時(shí)間延長(zhǎng),從而批量生產(chǎn)率降低。此外,即使對(duì)于成膜速度不足0.2μm/分的情況,也由于可以補(bǔ)償偶然發(fā)生的n型窗層的覆蓋缺陷,所以可以使成品率得以提高。另一方面,當(dāng)成膜速度較大而超過(guò)2μm/分時(shí),就會(huì)由于p型半導(dǎo)體晶體的結(jié)晶性惡化而難以用作太陽(yáng)電池的光吸收層。更優(yōu)選的情況是,成膜速度在0.5μm/分~1.5μm/分的范圍內(nèi)。當(dāng)以該范圍內(nèi)的成膜速度形成p型半導(dǎo)體晶體時(shí),與以前那樣以低于0.2μm/分的成膜速度生長(zhǎng)p型半導(dǎo)體晶體的情況相比,不使能量轉(zhuǎn)換效率大幅度降低而可以明顯地提高批量生產(chǎn)率。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法中,在p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序可以采用如下的方法(以下也稱為“第1制造方法”),即在n型窗層上以及在因n型窗層的開口而露出的p型半導(dǎo)體晶體上,利用蒸鍍法或氣相沉積法,沉積n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)膜,并且通過(guò)加熱處理,使雜質(zhì)膜中的n型雜質(zhì)擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體晶體的一部分中。根據(jù)第1制造方法,可以切實(shí)地在p型半導(dǎo)體晶體的內(nèi)部形成高電阻部。另外,通過(guò)控制雜質(zhì)膜的膜厚、加熱處理的處理溫度及處理時(shí)間,可以簡(jiǎn)單地形成所希望大小的、含有所希望濃度的n型雜質(zhì)的高電阻部。
在第1制造方法中,當(dāng)沉積n型雜質(zhì)時(shí),也可以一邊相對(duì)于基板改變雜質(zhì)的沉積方向,一邊沉積n型雜質(zhì)。例如,在基板相對(duì)于n型雜質(zhì)的沉積方向傾斜預(yù)定角度的狀態(tài)下使基板旋轉(zhuǎn);或者移動(dòng)基板,從而使基板表面的垂直線描繪出以n型雜質(zhì)的沉積方向?yàn)橹行妮S的圓錐面;進(jìn)而在做這些運(yùn)動(dòng)的同時(shí),使基板表面的垂線方向和n型雜質(zhì)的沉積方向所成的角度發(fā)生變化。如果采用該方法,則因化合物半導(dǎo)體層的n型窗層的開口而露出的露出表面即使是呈彎狀的復(fù)雜凹面,也可以在其露出表面的寬廣的范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)地沉積n型雜質(zhì)。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法中,在p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序可以采用如下的方法(以下也稱為“第2制造方法”),即在因n型窗層的開口而露出的p型半導(dǎo)體晶體上,利用鍍覆法,沉積n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)膜,并且通過(guò)加熱處理,使雜質(zhì)膜中的n型雜質(zhì)擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體晶體的一部分中。根據(jù)第2制造方法,可以在p型半導(dǎo)體晶體的內(nèi)部切實(shí)地形成高電阻部。另外,由于可以有選擇地在因n型窗層的開口而露出的p型半導(dǎo)體晶體上形成雜質(zhì)膜,因而可以在有效部分高效地形成高電阻部。再者,因p型半導(dǎo)體晶體的n型窗層的開口而露出的露出表面即使是呈彎狀的復(fù)雜凹面,也可以將雜質(zhì)優(yōu)質(zhì)地沉積在呈彎狀的復(fù)雜凹面上。另外,通過(guò)控制雜質(zhì)膜的膜厚、加熱處理的處理溫度和處理時(shí)間,可以簡(jiǎn)單地形成所希望大小的、含有所希望濃度的n型雜質(zhì)的高電阻部。
在本發(fā)明的第1制造方法及第2制造方法中,優(yōu)選的方法是,在向p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序和形成n型透明導(dǎo)電膜的工序之間,進(jìn)一步包括除去雜質(zhì)膜的工序。這是因?yàn)槿绻s質(zhì)膜殘留,則在圖1所示的太陽(yáng)電池的等效電路中,串聯(lián)電阻2(Rs)便會(huì)增大,從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率和曲線因子等太陽(yáng)電池特性的降低。
在本發(fā)明的太陽(yáng)電池的制造方法中,在p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序采用如下的方法(以下也稱為“第3制造方法”),即利用離子注入法,通過(guò)n型窗層的開口向p型半導(dǎo)體晶體的一部分注入n型雜質(zhì)。根據(jù)第3制造方法,可以在p型半導(dǎo)體晶體的內(nèi)部切實(shí)形成高電阻部。另外,通過(guò)調(diào)整摻雜量,可以簡(jiǎn)單地形成具有所要求的n型雜質(zhì)濃度的高電阻部。
在第3制造方法中,當(dāng)進(jìn)行離子注入時(shí),也可以一邊相對(duì)于基板改變雜質(zhì)的沉積方向,一邊注入n型雜質(zhì)。例如,在基板相對(duì)于n型雜質(zhì)離子的注入方向傾斜預(yù)定角度的狀態(tài)下使基板旋轉(zhuǎn);或者移動(dòng)基板,從而使基板表面的垂直線描繪出以n型雜質(zhì)離子的注入方向?yàn)橹行妮S的圓錐面;進(jìn)而在做這些運(yùn)動(dòng)的同時(shí),使基板表面的垂線方向和n型雜質(zhì)離子的注入方向所成的角度發(fā)生變化。如果采用該方法,則因p型半導(dǎo)體晶體的n型窗層的開口而露出的露出表面即使是呈彎狀的復(fù)雜凹面,也可以在其露出表面的寬廣的范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)地注入n型雜質(zhì)。
在本發(fā)明的第3制造方法中,在p型半導(dǎo)體晶體中摻雜n型雜質(zhì)的工序優(yōu)選在注入n型雜質(zhì)后,進(jìn)一步進(jìn)行加熱處理。這是因?yàn)槿绻M(jìn)行加熱處理,則可以恢復(fù)注入n型雜質(zhì)離子時(shí)產(chǎn)生的損傷,同時(shí)可以使注入的n型雜質(zhì)離子在p型半導(dǎo)體晶體內(nèi)得以擴(kuò)散。另外,通過(guò)控制加熱處理的處理溫度及處理時(shí)間,可以簡(jiǎn)單地形成所希望大小的、含有所希望濃度的n型雜質(zhì)的高電阻部。
在本發(fā)明的第1制造方法、第2制造方法以及第3制造方法中,在生長(zhǎng)p型半導(dǎo)體晶體的工序和形成n型窗層的工序之間,也可以進(jìn)一步包括形成具有開口的n型緩沖層的工序。如果采用該方法,則可以制作具有在p型半導(dǎo)體晶體和n型窗層之間形成的n型緩沖層的太陽(yáng)電池。
對(duì)于導(dǎo)電膜、n型窗層、n型緩沖器層和n型透明導(dǎo)電膜的形成,可以分別采用公知的任何技術(shù)。
(實(shí)施方案1)本實(shí)施方案1參照?qǐng)D2以及圖3(A)~圖3(D),就采用上述第1制造方法所制作的本發(fā)明的太陽(yáng)電池的一個(gè)方案進(jìn)行說(shuō)明。圖2為示意剖面圖,表示本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)。圖3(A)~圖3(D)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明制造本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池的第1制造方法。此外,圖3(A)表示在基板上層疊導(dǎo)電膜、p型半導(dǎo)體晶體和n型窗層的工序,圖3(B)表示采用真空蒸鍍法形成雜質(zhì)膜的工序,圖3(C)表示使n型雜質(zhì)擴(kuò)散的工序,圖3(D)表示除去雜質(zhì)膜的工序。
圖2所示的太陽(yáng)電池包括基板21,在基板21上形成的導(dǎo)電膜22,在導(dǎo)電膜22上形成的化合物半導(dǎo)體層23,形成于化合物半導(dǎo)體層23上且具有針孔29(開口)的n型傳導(dǎo)性的n型窗層24,在n型窗層24上以及在因n型窗層24的針孔29而露出的化合物半導(dǎo)體23上形成的n型透明導(dǎo)電膜25。其中,化合物半導(dǎo)體層23具有在導(dǎo)電膜22上形成的p型傳導(dǎo)性的低電阻部23A,在低電阻部23A之上且在n型窗層24的針孔29之下形成的摻有n型雜質(zhì)的高電阻部23B。n型透明導(dǎo)電膜25優(yōu)選只通過(guò)高電阻部23B或n型窗層24的分隔而與低電阻部23A相連接。
在圖2所示的太陽(yáng)電池中,基板21優(yōu)選的是含有Na等Ia族元素(堿金屬)的基板,導(dǎo)電膜22優(yōu)選的是Mo膜等金屬膜,化合物半導(dǎo)體層23的p型半導(dǎo)體晶體優(yōu)選的是CulnSe2晶體、Cu(Ga,In)Se2晶體、CuIn(S,Se)2晶體等具有p型傳導(dǎo)性和黃銅礦型結(jié)構(gòu)的Ib-IIIb-VIb晶體,向高電阻部23B中摻雜的雜質(zhì)優(yōu)選的是Zn,n型窗層24優(yōu)選的是n型ZnMgO膜,n型透明導(dǎo)電膜25優(yōu)選的是ITO膜、SnO2膜、In2O3膜、ZnO:Al膜或ZnO:B膜。另外,基板21的線膨脹系數(shù)和p型半導(dǎo)體晶體的線膨脹系數(shù)之差優(yōu)選在1×10-6/K~3×10-6/K的范圍內(nèi)。
作為圖2所示的結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池按如下的方法進(jìn)行制作。首先,如圖3(A)所示,采用濺射法等,在基板21上形成導(dǎo)電膜22。此外,導(dǎo)電膜22的薄膜電阻優(yōu)選為0.5Ω/□或以下。例如,采用濺射法形成膜厚大約為0.4μm的Mo膜。
其次,如圖3(A)所示,采用多元蒸鍍法或硒化法,在導(dǎo)電膜22上形成p型半導(dǎo)體晶體33。例如,對(duì)于p型半導(dǎo)體晶體33是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的Cu(Ga,In)Se2晶體的情況,可以采用將Cu、Ga、In、Se用作蒸鍍?cè)吹亩嘣翦兎ā4藭r(shí),優(yōu)選以0.5μm/分~1.5μm/分范圍內(nèi)的成膜速度進(jìn)行生長(zhǎng)。另一方面,在采用硒化法的情況下,通過(guò)濺射法形成CuGa/In/Se前驅(qū)體后,將CuGa/In/Se前驅(qū)體加熱到大約450~550℃,從而通過(guò)固相擴(kuò)散形成Cu(Ga,In)Se2膜?;蛘?,通過(guò)濺射法形成CuGa/In前驅(qū)體后,在H2Se氣體中對(duì)CuGa/In前驅(qū)體進(jìn)行熱處理,藉此形成Cu(Ga,In)Se2膜。采用多元蒸鍍法或硒化法形成的p型半導(dǎo)體晶體33,在其上面具有凹凸表面。
接著如圖3(A)所示,采用濺射法或溶液法,在p型半導(dǎo)體晶體33的凹凸表面上形成n型窗層24。例如,作為n型窗層24,采用以ZnO和MgO為靶的濺射法,形成膜厚大約為100nm的ZnMgO。由于p型半導(dǎo)體晶體33的上面是凹凸表面,所以在n型窗層24上形成出針孔29(開口)。
繼而如圖3(B)所示,采用真空蒸鍍法或CVD法(化學(xué)氣相沉積法),從n型窗層24的上方沉積作為n型雜質(zhì)的Zn,在n型窗層24上以及在n型窗層24的針孔29的內(nèi)部形成雜質(zhì)膜36。例如,作為雜質(zhì)膜36,形成膜厚為20nm左右的Zn膜。
進(jìn)而對(duì)由基板21、導(dǎo)電膜22、p型半導(dǎo)體晶體33、n型窗層24以及雜質(zhì)膜36構(gòu)成的層疊體進(jìn)行退火(加熱處理)。例如,在氮?dú)鈿夥罩杏?70℃加熱20分鐘。由此,n型雜質(zhì)從與p型半導(dǎo)體晶體33直接接觸的部分雜質(zhì)膜36(針孔29內(nèi)部的雜質(zhì)膜)向p型半導(dǎo)體晶體33的內(nèi)部擴(kuò)散,正如圖3(C)所示的那樣,形成化合物半導(dǎo)體層23,其具有包含從雜質(zhì)膜36擴(kuò)散來(lái)的n型雜質(zhì)的高電阻部23B和不含有n型雜質(zhì)的低電阻部23A。
再者,如圖3(D)所示,采用蝕刻法,除去在化合物半導(dǎo)體層23上以及n型窗層24上殘留的雜質(zhì)膜36。為了除去雜質(zhì)膜36,也可以采用干式蝕刻技術(shù),但從實(shí)質(zhì)上說(shuō),為了簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確地只是除去雜質(zhì)膜36,優(yōu)選采用與鹽酸等蝕刻溶液接觸的濕式蝕刻法。例如,將層疊體在鹽酸中浸漬數(shù)秒鐘。除去雜質(zhì)膜36(參照?qǐng)D3(C))后,用純水等清洗液清洗由基板21、導(dǎo)電膜22、具有低電阻部23A和高電阻部23B的化合物半導(dǎo)體層23和n型窗層24構(gòu)成的層疊體。
如圖2所示,采用濺射法,在因n型窗層24的針孔29而露出的化合物半導(dǎo)體層23的表面上以及n型窗層24上,形成n型透明導(dǎo)電膜25。經(jīng)過(guò)以上的工序,便可以制作出具有圖2所示的結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池。
經(jīng)過(guò)圖3(A)~圖3(D)所示的工序制作的本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池,與不經(jīng)過(guò)圖3(B)~圖3(D)所示的工序制作的、在高電阻部23B不含有n型雜質(zhì)的比較例的太陽(yáng)電池相比,可以切實(shí)地使等效電路中的分流電阻1(參照?qǐng)D1)向高電阻值的方向發(fā)展。再者,對(duì)于與本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻1,可以將其設(shè)定為相對(duì)于本實(shí)施方案1的比較例的太陽(yáng)電池的5倍或以上,或者可以設(shè)定為太陽(yáng)電池所優(yōu)選的數(shù)值即2kΩ·cm2或以上。另外,本實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池可以將能量轉(zhuǎn)換效率設(shè)定為17%或以上,而且也可以將作為二極管指數(shù)的n值設(shè)定為1.5或以下。
上面就沒(méi)有形成緩沖層的構(gòu)成進(jìn)行了說(shuō)明,不過(guò)根據(jù)要求,也可以在化合物半導(dǎo)體層和n型窗層之間形成緩沖層。
(實(shí)施方案2)本實(shí)施方案2參照?qǐng)D4(A)~圖4(D),就采用上述第2制造方法制作的本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。圖4(A)~圖4(D)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明制造本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池的第2制造方法。此外,圖4(A)表示采用電鍍法形成雜質(zhì)膜的工序,圖4(B)表示形成雜質(zhì)膜的工序完成后的狀態(tài),圖4(C)表示使n型雜質(zhì)擴(kuò)散的工序,圖4(D)表示除去雜質(zhì)膜的工序。
本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池除形成高電阻部的方法以外,其余采用與上述實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池之制造方法相同的方法進(jìn)行制作。另外,本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu),與圖2所示的上述實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池大致相同。因此,僅就制作本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池的第2制造方法進(jìn)行說(shuō)明。此外,根據(jù)需要也參照了圖2。
本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。首先,如圖4(A)所示,采用與上述實(shí)施方案1相同的方法,在基板21上按順序?qū)盈B導(dǎo)電膜22、p型半導(dǎo)體晶體33以及具有針孔29的n型窗層24而形成層疊體。
其次,如圖4(A)所示,將層疊體浸漬在溶液槽中貯存的電鍍液42中,然后以由電鍍液42中設(shè)置的Zn金屬構(gòu)成的電極41為陽(yáng)極,以層疊體的導(dǎo)電膜22為陰極,施加電壓。通過(guò)施加電壓,離子化的n型雜質(zhì)(n型雜質(zhì)離子)從電極41上溶解而進(jìn)入電鍍液42中,從而溶出的n型雜質(zhì)離子有選擇性地析出在因n型窗層24的針孔29而露出的p型半導(dǎo)體晶體33的表面上。
在此,就n型雜質(zhì)離子的選擇性析出進(jìn)行說(shuō)明。由于n型窗層24的電阻大,同時(shí)n型窗層24和化合物半導(dǎo)體層23構(gòu)成以反向偏壓的狀態(tài)施加電壓的pn結(jié),所以通過(guò)具有n型傳導(dǎo)性的n型窗層24的分隔,幾乎沒(méi)有電流流過(guò),從而n型雜質(zhì)離子不會(huì)在n型窗層24上析出,或者即使析出也微乎其微。另一方面,p型半導(dǎo)體晶體33的表面因n型窗層24的針孔29而得以露出,以致通過(guò)所述表面而有電流的流過(guò),所以n型雜質(zhì)離子在其表面上依次析出。因此,可以有選擇性地使n型雜質(zhì)離子在因n型窗層24的針孔29而露出的p型半導(dǎo)體晶體33的表面上析出。由此,如圖4(B)所示,雜質(zhì)膜46有選擇性地在因n型窗層24的針孔29而露出的p型半導(dǎo)體晶體33上形成。例如,作為雜質(zhì)膜46,形成膜厚約為20nm的Zn膜。
接著對(duì)形成有雜質(zhì)膜46的層疊體進(jìn)行退火(加熱處理),使構(gòu)成雜質(zhì)膜46的n型雜質(zhì)擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體晶體33的內(nèi)部。例如,在氮?dú)鈿夥罩杏?70℃加熱20分鐘。由此,n型雜質(zhì)從與p型半導(dǎo)體晶體33直接接觸的部分雜質(zhì)膜36(針孔29內(nèi)部的雜質(zhì)膜)向p型半導(dǎo)體晶體33的內(nèi)部擴(kuò)散,正如圖4(C)所示的那樣,形成化合物半導(dǎo)體層23,其具有包含從雜質(zhì)膜36擴(kuò)散來(lái)的n型雜質(zhì)的高電阻部23B和不含有從雜質(zhì)膜36擴(kuò)散來(lái)的n型雜質(zhì)的低電阻部23A。
繼而如圖4(D)所示,采用與上述實(shí)施方案1的情況相同的方法,除去在化合物半導(dǎo)體層23上殘留的雜質(zhì)膜46,在除去雜質(zhì)膜46(參照?qǐng)D4(C))后,優(yōu)選清洗由基板21、導(dǎo)電膜22、具有低電阻部23A和高電阻部23B的化合物半導(dǎo)體層23、窗層24構(gòu)成的層疊體。
進(jìn)而如圖2所示,采用濺射法或CVD法,在因n型窗層24的針孔29而露出的化合物半導(dǎo)體層23的表面上以及在n型窗層24上形成n型透明導(dǎo)電膜25。經(jīng)過(guò)以上的工序,可以制作出本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池。
經(jīng)過(guò)圖4(A)~圖4(D)所示的工序制作的本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池,與不經(jīng)過(guò)圖4(B)~圖4(D)所示的工序制作的、在高電阻部23B不含有n型雜質(zhì)的比較例的太陽(yáng)電池相比,可以切實(shí)地使等效電路的分流電阻1(參照?qǐng)D1)向高電阻值的方向發(fā)展。再者,對(duì)于與本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻1,可以將其設(shè)定為相對(duì)于本實(shí)施方案2的比較例的太陽(yáng)電池的5倍或以上,或者可以設(shè)定為太陽(yáng)電池所優(yōu)選的數(shù)值即2kΩ·cm2或以上。另外,本實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池可以將能量轉(zhuǎn)換效率設(shè)定為17%或以上,而且也可以將作為二極管指數(shù)的n值設(shè)定為1.5或以下。
(實(shí)施方案3)本實(shí)施方案3參照?qǐng)D5(A)~(C),就采用上述第3制造方法制作的本發(fā)明的太陽(yáng)電池的一個(gè)方案進(jìn)行說(shuō)明。圖5(A)~(C)是另一工序的示意剖面圖,用于說(shuō)明制造本發(fā)明的太陽(yáng)電池的第2制造方法。此外,圖5(A)表示在基板上層疊導(dǎo)電膜、p型半導(dǎo)體晶體以及n型窗層的工序,圖5(B)表示采用離子注入法注入n型雜質(zhì)的工序,圖5(C)表示使注入的n型雜質(zhì)擴(kuò)散從而形成高電阻部的工序。
本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池除形成高電阻部的方法以外,其余采用與上述實(shí)施方案1以及上述實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池相同的制造方法進(jìn)行制作。另外,本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu),與圖2所示的上述實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池大致相同。因此,僅就制作本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池的第3制造方法進(jìn)行說(shuō)明。此外,根據(jù)需要也參照了圖2。
本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。首先,如圖5(A)所示,采用與上述實(shí)施方案1相同的方法,在基板21上按順序?qū)盈B導(dǎo)電膜22、p型半導(dǎo)體晶體33以及具有針孔29的n型窗層24而形成層疊體。
其次,如圖5(B)所示,從形成有p型半導(dǎo)體晶體33的側(cè)面,向?qū)盈B體的p型半導(dǎo)體晶體33中離子注入離子化的n型雜質(zhì)(n型雜質(zhì)離子)。由此,通過(guò)n型窗層24的針孔29向p型半導(dǎo)體晶體33中注入n型雜質(zhì)離子,從而在n型窗層24的針孔29之下的p型半導(dǎo)體晶體33的內(nèi)部,形成出離子注入部56B。作為n型雜質(zhì),優(yōu)選Zn、Mg或Ca。此外,在p型半導(dǎo)體晶體33中,沒(méi)有注入雜質(zhì)離子的部分是非離子注入部56A。例如,在n型雜質(zhì)離子為Zn離子的情況下,以直至5×1015~5×1016/cm2的劑量,注入被加速到能量約達(dá)50keV的Zn離子,由此形成離子注入部56B。此時(shí),Zn離子進(jìn)入的深度約為0.01μm~0.05μm。此外,加速能量和劑量應(yīng)根據(jù)用作雜質(zhì)離子的元素的種類、離子注入的p型半導(dǎo)體晶體33的種類等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
接著在形成離子注入部56B之后,對(duì)具備基板21、導(dǎo)電膜22、包括非離子注入部56A和離子注入部56B的p型半導(dǎo)體晶體33、n型窗層24的層疊體進(jìn)行退火(加熱處理),從而使離子注入部56B的n型雜質(zhì)擴(kuò)散到非離子注入部56A中。由此,正如圖5(C)所示的那樣,形成化合物半導(dǎo)體層23,其具有包含n型雜質(zhì)的高電阻部23B和不含有從離子注入部56B擴(kuò)散來(lái)的n型雜質(zhì)的低電阻部23A。另外,通過(guò)退火,可以使化合物半導(dǎo)體層23(p型半導(dǎo)體晶體33)在離子注入時(shí)受到的損傷得以恢復(fù)。
繼而如圖2所示,采用濺射法,在因n型窗層24的針孔29而露出的化合物半導(dǎo)體層23的表面上以及在n型窗層24上形成n型傳導(dǎo)性的n型透明導(dǎo)電膜25。經(jīng)過(guò)以上的工序,可以制作出本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池。
經(jīng)過(guò)圖5(A)~圖5(C)所示的工序制作的本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池,與不經(jīng)過(guò)圖5(B)以及圖5(C)制作的、在高電阻部23B不含有n型雜質(zhì)的比較例的太陽(yáng)電池相比,可以切實(shí)地使等效電路的分流電阻1(參照?qǐng)D1)向高電阻值的方向發(fā)展。再者,對(duì)于與本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻,可以將其設(shè)定為相對(duì)于本實(shí)施方案3的比較例的太陽(yáng)電池的5倍或以上,或者可以設(shè)定為太陽(yáng)電池所優(yōu)選的數(shù)值即2kΩ·cm2或以上。本實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池可以將能量轉(zhuǎn)換效率設(shè)定為17%或以上,而且也可以將作為二極管指數(shù)的n值設(shè)定為1.5或以下。
(實(shí)施方案4)本實(shí)施方案4參照?qǐng)D6,就具有n型緩沖層的太陽(yáng)電池的一個(gè)方案進(jìn)行說(shuō)明。此外,本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池除n型窗層為ZnO膜以及具有n型緩沖層以外,其余與上述實(shí)施方案1~3的太陽(yáng)電池具有相同的構(gòu)成。因此,相同的部件標(biāo)注相同的參照符號(hào),并省略其詳細(xì)的說(shuō)明。
圖6所示的太陽(yáng)電池包括基板21,導(dǎo)電膜22,化合物半導(dǎo)體層23,具有針孔29(開口)的n型傳導(dǎo)性的n型窗層24,n型透明導(dǎo)電膜25,在化合物半導(dǎo)體層23和n型窗層24之間形成的、具有與n型窗層24的針孔29連通的針孔39的n型緩沖層26。優(yōu)選的n型窗層24為ZnO膜,優(yōu)選的n型緩沖層26為Zn(O,OH)膜或Zn(O,S,OH)膜。
本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池的制造方法是在上述第1~第3的制造方法中,在使p型半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)之后,在形成n型窗層24的工序之前,采用溶液法形成n型緩沖層26。例如,形成膜厚約為100nm的n型緩沖層26。在n型緩沖層26為Zn(O,OH)膜的情況下,在使p型半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)后,對(duì)于具有基板21、導(dǎo)電膜22和p型半導(dǎo)體晶體的層疊體,使其與PH調(diào)整為7~12左右、液溫保持在50~80℃、且溶解了鋅鹽的氨水接觸,由此可以形成Zn(O,OH)膜。另外,在n型緩沖層26為Zn(O,S,OH)膜的情況下,對(duì)于具有基板21、導(dǎo)電膜22和p型半導(dǎo)體晶體的層疊體,使其與PH調(diào)整為7~12左右、液溫保持在50~80℃、且溶解了鋅鹽以及含硫鹽的氨水接觸,由此可以形成Zn(O,S,OH)膜。由于p型半導(dǎo)體晶體的上面是凹凸表面,所以在n型緩沖層26上形成有針孔39(開口)。
形成n型緩沖層26后,采用濺射法或溶液法,在n型緩沖層26的凹凸表面上,作為n型窗層24形成ZnO膜。例如,采用以ZnO為靶的濺射法,形成膜厚約為100nm的ZnO膜。由于p型半導(dǎo)體晶體和n型緩沖層26的上面是凹凸表面,所以在n型窗層上形成針孔29(開口)。此外,與上述第1~第3的制造方法同樣,制作出本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池。
本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池與高電阻部23B不含n型雜質(zhì)而其余構(gòu)成與之相同的比較例的太陽(yáng)電池相比,可以切實(shí)地使等效電路的分流電阻1(參照?qǐng)D1)向高電阻值的方向發(fā)展。再者,對(duì)于與本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻,可以將其設(shè)定為相對(duì)于本實(shí)施方案4的比較例的太陽(yáng)電池的5倍或以上,或者可以設(shè)定為太陽(yáng)電池所優(yōu)選的數(shù)值即2kΩ·cm2或以上。本實(shí)施方案4的太陽(yáng)電池可以將能量轉(zhuǎn)換效率設(shè)定為17%或以上,而且也可以將作為二極管指數(shù)的n值設(shè)定為1.5或以下。
實(shí)施例1在本實(shí)施例1中,就上述實(shí)施方案1的太陽(yáng)電池的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。此外,這里將參照?qǐng)D2以及圖3(A)~(D)進(jìn)行說(shuō)明。圖2所示的本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的構(gòu)成是基板21是堿石灰玻璃基板,導(dǎo)電膜22是Mo膜,化合物半導(dǎo)體層23的p型半導(dǎo)體晶體是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,高電阻部23B中摻雜的n型雜質(zhì)是Zn,n型窗層24是n型ZnMgO膜,n型透明導(dǎo)電膜25是ITO膜。高電阻部23B的電阻大于n型ZnMgO膜的電阻。另外,所形成的ITO膜實(shí)質(zhì)上僅通過(guò)n型ZnMgO膜和高電阻部23B的至少一方的分隔而與低電阻部23A相連接。
本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。首先,如圖3(A)所示,作為導(dǎo)電膜22,在作為基板21的堿石灰玻璃基板上采用濺射法等形成膜厚約為400nm的Mo膜。Mo膜的薄膜電阻約為0.5Ω/□。其次,如圖3(A)所示,作為p型半導(dǎo)體晶體33,在Mo膜上采用真空蒸鍍法,以大約1μm/分的成膜速度生長(zhǎng)具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,直到其平均膜厚達(dá)2μm左右。p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面成為凹凸面。接著如圖3(A)所示,作為n型窗層24,采用以ZnO和MgO為靶的濺射法,在p型Cu(Ga,In)Se2晶體上,形成膜厚約為100nm的n型ZnMgO膜。由于p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面是凹凸面,所以在n型ZnMgO膜上形成出針孔29(開口)。針孔29實(shí)質(zhì)上是在p型Cu(Ga,In)Se2晶體的凹凸表面的凹面附近形成的。
然后,如圖3(B)所示,采用真空蒸鍍法,在n型ZnMgO膜上以及在因n型ZnMgO膜的針孔29而露出的部分的p型Cu(Ga,In)Se2晶體上沉積Zn,作為雜質(zhì)膜36形成膜厚約為20nm的Zn膜。進(jìn)而如圖3(C)所示,將由堿石灰玻璃基板、Mo膜、p型Cu(Ga,In)Se2晶體以及Zn膜構(gòu)成的層疊體在170K退火20分鐘。由此,Zn從與p型Cu(Ga,In)Se2晶體直接接觸的部分Zn膜(針孔29內(nèi)部的Zn膜),擴(kuò)散到p型Cu(Ga,In)Se2晶體的內(nèi)部,從而形成下述的化合物半導(dǎo)體層23,其具有含Zn的高電阻部23B和不含從Zn膜擴(kuò)散來(lái)的Zn的低電阻部23A。隨后,將形成有高電阻部23B的層疊體在作為蝕刻溶液而準(zhǔn)備的鹽酸溶液中浸漬3分鐘,以除去在p型Cu(Ga,In)Se2晶體上以及在n型ZnMgO膜上殘留的Zn膜。接著從鹽酸溶液中取出被除去Zn膜的層疊體后,用純水清洗其表面。
繼而如圖2所示,采用濺射法,在n型ZnMgO膜上以及高電阻部23B上,形成作為n型透明導(dǎo)電膜25的ITO膜。由此,便完成了本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的制造。
本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的分流電阻約為3kΩ·cm2,該值為在高電阻部23B不含Zn的比較例1的太陽(yáng)電池的6倍左右,其中比較例1的太陽(yáng)電池除不進(jìn)行用于形成高電阻部23B的工序(雜質(zhì)膜)以外,其余用與本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池相同的制造方法進(jìn)行制作。另外,本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率為17.6%。另外,本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的n值(二極管指數(shù))為1.47,盡管本實(shí)施例1的太陽(yáng)電池的p型Cu(Ga,In)Se2晶體是多晶,但也與用單晶構(gòu)成的情況相同。
實(shí)施例2在本實(shí)施例2中,參照?qǐng)D2以及圖4(A)~(D)就上述實(shí)施方案2的太陽(yáng)電池的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。圖2所示的本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池的構(gòu)成是基板21是堿石灰玻璃基板,導(dǎo)電膜22是Mo膜,化合物半導(dǎo)體層23的p型半導(dǎo)體晶體是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,高電阻部23B中摻雜的n型雜質(zhì)是Zn,n型窗層24是n型ZnMgO膜,n型透明導(dǎo)電膜25是ITO膜。高電阻部23B的電阻大于n型ZnMgO膜的電阻。另外,所形成的ITO膜實(shí)質(zhì)上僅通過(guò)n型ZnMgO膜和高電阻部23B的至少一方的分隔而與低電阻部23A相連接。
本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。首先,如圖4(A)所示,在堿石灰玻璃基板上采用濺射法等形成膜厚約為400nm的Mo膜。Mo膜的薄膜電阻約為0.5Ω/□。其次,如圖4(A)所示,作為p型半導(dǎo)體晶體33,在Mo膜上采用真空蒸鍍法,以大約1μm/分的成膜速度生長(zhǎng)具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,直到其膜厚達(dá)2μm左右。p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面成為凹凸面。接著如圖4(A)所示,作為n型窗層24,采用以ZnO和MgO為靶的濺射法,在p型半導(dǎo)體晶體33上,形成膜厚約為100nm的n型ZnMgO膜。由于p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面是凹凸面,所以在n型ZnMgO膜上形成出針孔29(開口)。針孔29實(shí)質(zhì)上是在p型Cu(Ga,In)Se2晶體的凹凸表面的凹面附近形成的。
然后,如圖4(A)所示,對(duì)于包括堿石灰玻璃基板、Mo膜、p型Cu(Ga,In)Se2晶體以及n型ZnMgO膜的層疊體,將其浸漬在溶液槽中貯存的含有硫酸鋅的電鍍液42中。在浸漬層疊體之后,以由電鍍液42中設(shè)置的Zn(n型雜質(zhì))構(gòu)成的電極41為陽(yáng)極,以層疊體的Mo膜為陰極,施加0.5~0.6V范圍的電壓3分鐘。通過(guò)施加電壓,Zn+離子(n型雜質(zhì)離子)從Zn電極41上溶解而進(jìn)入到電鍍液42中,從而溶出的Zn+離子有選擇性地析出在因n型ZnMgO膜的針孔29而露出的p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面上。由此,如圖4(B)所示,作為雜質(zhì)膜46,形成出膜厚約為20nm的Zn膜。
接著將形成有Zn膜的層疊體在170℃的基板溫度下退火20分鐘。由此,如圖4(C)所示,Zn膜的Zn擴(kuò)散到p型Cu(Ga,In)Se2晶體的內(nèi)部,從而形成下述的化合物半導(dǎo)體層23,其具有含Zn的高電阻部23B和不含從Zn膜擴(kuò)散來(lái)的Zn的低電阻部23A。然后采用濕式蝕刻法,對(duì)于具有低電阻部23A和高電阻部23B的化合物半導(dǎo)體層23的層疊體,將其浸漬在鹽酸溶液中,以除去在n型ZnMgO膜上以及高電阻部23B上殘留的Zn膜。接著以純水清洗被除去Zn膜的層疊體。
繼而如圖2所示,在高電阻部23B和n型ZnMgO膜上采用濺射法,形成作為n型透明導(dǎo)電膜25的ITO膜。由此,便完成了本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池的制造。
與本實(shí)施2的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻1(參照?qǐng)D1)約為2kΩ·cm2,該值為在高電阻部23B不含Zn的比較例2的太陽(yáng)電池的5倍左右,其中比較例2的太陽(yáng)電池除不進(jìn)行用于形成高電阻部23B的工序以外,其余用與本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池相同的制造方法進(jìn)行制作。另外,本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率為17%。另外,本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池的n值(二極管指數(shù))為1.5,盡管本實(shí)施例2的太陽(yáng)電池的p型Cu(Ga,In)Se2晶體是多晶,但也與用單晶構(gòu)成的情況相同。
實(shí)施例3在本實(shí)施例3中,就上述實(shí)施方案3的太陽(yáng)電池的一個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。此外,這里將參照?qǐng)D2以及圖5(A)~(D)進(jìn)行說(shuō)明。圖2所示的本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池的構(gòu)成是基板21是堿石灰玻璃基板,導(dǎo)電膜22是Mo膜,化合物半導(dǎo)體層23的p型半導(dǎo)體晶體是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,高電阻部23B中摻雜的n型雜質(zhì)是Zn,n型窗層24是n型ZnMgO膜,n型透明導(dǎo)電膜25是ITO膜。高電阻部23B的電阻大于n型ZnMgO膜的電阻。另外,所形成的ITO膜實(shí)質(zhì)上僅通過(guò)n型ZnMgO膜和高電阻部23B的至少一方的分隔而與低電阻部23A相連接。
本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池按如下的方法制作。首先,如圖5(A)所示,作為導(dǎo)電膜22,在作為基板21的堿石灰玻璃基板上采用濺射法等形成膜厚約為400nm的Mo膜。Mo膜的薄膜電阻約為0.5Ω/□。其次,如圖5(A)所示,作為p型半導(dǎo)體晶體33,在Mo膜上采用真空蒸鍍法,以大約1μm/分的成膜速度生長(zhǎng)具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的p型Cu(Ga,In)Se2晶體,直到其平均膜厚達(dá)2μm左右。p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面成為凹凸面。接著如圖5(A)所示,作為n型窗層24,采用濺射法,在p型Cu(Ga,In)Se2晶體上,形成膜厚約為100nm的n型ZnMgO膜。由于p型Cu(Ga,In)Se2晶體的表面是凹凸面,所以在n型ZnMgO膜上形成出針孔29(開口)。針孔29實(shí)質(zhì)上是在p型Cu(Ga,In)Se2晶體的凹凸表面的凹面附近形成的。
然后,如圖5(B)所示,從形成有n型ZnMgO膜的側(cè)面,通過(guò)n型ZnMgO膜的針孔29,向p型Cu(Ga,In)Se2晶體離子注入Zn+離子(n型雜質(zhì)離子),直到劑量達(dá)5×1015~5×1016/cm2為止。由此,在p型Cu(Ga,In)Se2晶體的內(nèi)部便形成了含有Zn的離子注入部56B。
接著如圖5(C)所示,對(duì)于具有包含離子注入部56B以及沒(méi)有注入雜質(zhì)離子的非離子注入部56A的p型Cu(Ga,In)Se2晶體的層疊體,將其在170℃的基板溫度下進(jìn)行20分鐘的退火(加熱處理),從而使注入的Zn在p型Cu(Ga,In)Se2晶體的內(nèi)部擴(kuò)散。由此,形成出化合物半導(dǎo)體層23,其具有含Zn的高電阻部23B和不含有從Zn膜擴(kuò)散來(lái)的Zn的低電阻部23A。另外,通過(guò)這種退火,也可以使p型Cu(Ga,In)Se2晶體在離子注入時(shí)受到的損傷得以恢復(fù)。
繼而如圖2所示,采用濺射法,在n型ZnMgO膜上以及在高電阻部23B的表面上形成n型透明導(dǎo)電膜25。由此,便完成了本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池的制造。
與本實(shí)施3的太陽(yáng)電池相對(duì)應(yīng)的等效電路之分流電阻1(參照?qǐng)D1)約為2kΩ·cm2,該值為在高電阻部23B不含Zn的比較例的太陽(yáng)電池的5倍左右,其中比較例的太陽(yáng)電池除不進(jìn)行離子注入Zn的工序和退火的工序以外,其余用與本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池相同的制造方法進(jìn)行制作。另外,本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率為17%。另外,本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池的n值(二極管指數(shù))為1.5,盡管本實(shí)施例3的太陽(yáng)電池的p型Cu(Ga,In)Se2晶體是多晶,但也與用單晶構(gòu)成的情況相同。
本發(fā)明可以使對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)電池的等效電路的分流電阻向高電阻值的方向發(fā)展,而且可以用于提高太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率。另外,本發(fā)明還可以用于提高太陽(yáng)電池的批量生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)電池,其包括基板;導(dǎo)電膜,其形成于所述基板上;化合物半導(dǎo)體層,其形成于所述導(dǎo)電膜上,并具有包含Ib族元素、IIIb族元素及VIb族元素的p型半導(dǎo)體晶體;n型窗層,其形成于所述化合物半導(dǎo)體層上,且具有開口;以及n型透明導(dǎo)電膜,其形成于所述n型窗層之上、以及形成于所述n型窗層的所述開口之下的化合物半導(dǎo)體層上;所述太陽(yáng)電池的特征在于所述化合物半導(dǎo)體層具有高電阻部,該高電阻部在所述化合物半導(dǎo)體層的與導(dǎo)電膜相反一側(cè)的表面附近的部分區(qū)域形成,且含有摻雜在所述p型半導(dǎo)體晶體中的n型雜質(zhì);所述高電阻部配置在所述n型窗層的所述開口之下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述高電阻部的電阻大于所述n型窗層的電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述化合物半導(dǎo)體層在與所述導(dǎo)電膜相反一側(cè)的表面上具有凹面,所述高電阻部形成于所述凹面的附近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述n型透明導(dǎo)電膜只通過(guò)所述n型窗層和所述高電阻部的至少一方的分隔而與所述化合物半導(dǎo)體層的所述高電阻部以外的部分相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述高電阻部具有選自IIa族元素以及IIb族元素之中的至少1種元素作為所述n型雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述高電阻部的所述n型雜質(zhì)是Zn、Mg或Ca。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述化合物半導(dǎo)體層的所述p型半導(dǎo)體晶體是具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的CuInSe2晶體、具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的Cu(Ga,In)Se2晶體或具有黃銅礦型結(jié)構(gòu)的CuIn(S,Se)2晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述n型窗層是ZnO膜或ZnMgO膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其進(jìn)一步含有n型緩沖層,該n型緩沖層形成于所述化合物半導(dǎo)體層和所述n型窗層之間,且具有與所述n型窗層的所述開口相連通的開口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽(yáng)電池,其中所述n型緩沖層是Zn(O,OH)膜或Zn(O,S,OH)膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述n型透明導(dǎo)電膜是ITO膜、SnO2膜、In2O3膜、ZnO:Al膜或ZnO:B膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)電池,其中所述基板是含有選自Na、K以及Li之中的至少1種堿金屬元素的玻璃基板,所述基板的線膨脹系數(shù)和所述p型半導(dǎo)體晶體的線膨脹系數(shù)之差值在1×10-6/K~3×10-6/K的范圍內(nèi)。
13.一種太陽(yáng)電池的制造方法,其包括在基板上形成導(dǎo)電膜的工序;在所述導(dǎo)電膜上生長(zhǎng)含有Ib族元素、IIIb族元素及IVb族元素的p型半導(dǎo)體晶體的工序;在所述p型半導(dǎo)體晶體上形成具有開口的n型窗層的工序;在所述n型窗層之上、以及在所述n型窗層的所述開口之下的所述p型半導(dǎo)體晶體上形成n型透明導(dǎo)電膜的工序;所述制造方法的特征在于在形成所述n型窗層的工序和形成所述n型透明導(dǎo)電膜的工序之間,進(jìn)一步包括在所述n型窗層的所述開口之下的所述p型半導(dǎo)體晶體的表面附近摻雜n型雜質(zhì)的工序。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其中在所述p型半導(dǎo)體晶體中摻雜所述n型雜質(zhì)的工序是在所述n型窗層上以及在因所述n型窗層的所述開口而露出的所述p型半導(dǎo)體晶體上,利用蒸鍍法或氣相沉積法,沉積所述n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)膜,并且通過(guò)加熱處理,使所述雜質(zhì)膜中的所述n型雜質(zhì)擴(kuò)散到所述p型半導(dǎo)體晶體的一部分中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其中在所述p型半導(dǎo)體晶體中摻雜所述n型雜質(zhì)的工序是在因所述n型窗層的所述開口而露出的所述p型半導(dǎo)體晶體上,利用鍍覆法,沉積所述n型雜質(zhì)而形成雜質(zhì)膜,并且通過(guò)加熱處理,使所述雜質(zhì)膜中的所述n型雜質(zhì)擴(kuò)散到所述p型半導(dǎo)體晶體的一部分中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其在向所述p型半導(dǎo)體晶體中摻雜所述n型雜質(zhì)的工序和形成所述n型透明導(dǎo)電膜的工序之間,進(jìn)一步包括除去所述雜質(zhì)膜的工序。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其中在所述p型半導(dǎo)體晶體中摻雜所述n型雜質(zhì)的工序是利用離子注入法,通過(guò)所述n型窗層的所述開口向所述p型半導(dǎo)體晶體的一部分注入所述n型雜質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其中在所述p型半導(dǎo)體晶體中摻雜所述n型雜質(zhì)的工序在注入所述n型雜質(zhì)后,進(jìn)一步進(jìn)行加熱處理。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的太陽(yáng)電池的制造方法,其在生長(zhǎng)所述p型半導(dǎo)體晶體的工序和形成所述n型窗層的工序之間,進(jìn)一步包括形成具有開口的n型緩沖層的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽(yáng)電池,其包括基板(21),在基板(21)上形成的導(dǎo)電膜(22),形成于導(dǎo)電膜(22)上且具有包含Ib族元素、IIIb族元素及VIb族元素的p型半導(dǎo)體晶體的化合物半導(dǎo)體層(23),形成于化合物半導(dǎo)體層(23)上且具有開口(29)的n型窗層(24),在n型窗層(24)上以及在n型窗層(24)的開口之下的化合物半導(dǎo)體層(23)上形成的n型透明導(dǎo)電膜。其中,化合物半導(dǎo)體層(23)具有高電阻部(23B),高電阻部(23B)在與導(dǎo)電膜(22)相反一側(cè)的表面附近的部分區(qū)域形成,含有摻雜在p型半導(dǎo)體晶體中的n型雜質(zhì);且高電阻部(23B)配置在n型窗層(24)的開口(29)之下。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK1842920SQ20058000080
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2005年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者高橋康仁, 小野之良 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社