(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜光起電力装置（１００）の少なくとも１つの吸収層（１３０）の製作方法において、前記吸収層（１３０）は、ＡＢＣカルコゲナイド材料の四元、五元、または多元バリエーションを含む、ＡＢＣカルコゲナイド材料から成り、Ａは、ＣｕおよびＡｇを含む国際純正応用化学連合によって定義される化学元素の周期表の第１１族の元素を表し、Ｂは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＡｌを含む前記周期表の第１３族の元素を表し、Ｃは、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅを含む前記周期表の第１６族の元素を表し、前記吸収層（１３０）は、基板（１１０）によって支えられるバックコンタクト層（１２０）上に堆積され、前記方法は、以下の逐次ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）を含み、前記２つのステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）は、少なくとも一度実行され、０から最大Ｒ回数連続して繰り返されてもよく、ｒは、前記連続ステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）を特定する０からＲまでの値を持つ繰り返しカウントインデックスであり、ステップ（ｓ２）〜（ｓ５）の基板（１１０）の温度は、３５０℃を超え、
ｓ１：堆積プロセスの終了時に必要とされるＢ元素の総量の１０％を超え、かつ９０％未満の量で、前記基板（１１０）の前記バックコンタクト層（１２０）上に少なくとも１つのＢ元素を堆積するステップであって、この堆積は、少なくとも１つのＣ元素の存在下で行われるステップと、
ｓ２：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素の初期量を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒ＞１であり、
ステップ（ｓ２）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（１／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１．０
であるステップと、
ｓ３，ｒ：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒが前のステップにおけるＡｒ／Ｂｒの比の１．２分の１未満であり、
ステップ（ｓ３，ｒ）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（（２＋２ｒ）／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１＋３（（１＋２ｒ）／（２＋２Ｒ））１／２
であるステップと、
ｓ４，ｒ：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒが前のステップにおけるＡｒ／Ｂｒの比よりも少なくとも１．２倍大きく、
ステップ（ｓ４，ｒ）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（（３＋２ｒ）／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１＋３（（１＋ｒ）／（１＋Ｒ））１／２
であるステップと、
ｓ５：前記部分的に完成した吸収層（１３０）上に、少なくとも１つのＣ元素の存在下で少なくとも１つのＢ元素の追加量を堆積することにより、ステップ（ｓ５）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂが、
０．６＜Ａ／Ｂ＜０．９９
に変更されるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、少なくとも１つのＣ元素は、ステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、および（ｓ５）の何れかの前、間、または後に前記吸収層（１３０）に添加されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記基板温度は、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、および（ｓ５）に関して、３５０℃を超え、かつ５５０℃未満であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ｓ１）で材料が堆積される際の前記基板温度は２００℃を超え、かつ４５０℃未満であり、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、および（ｓ４，ｒ）の何れかまたはそれらの組み合わせの期間中に上昇し、３５０℃を超え、かつ５５０℃未満の温度に達することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ｓ１）で材料が堆積される際の前記基板温度は、約３５０℃であり、ステップ（ｓ２）で上昇し、ｒ＝０であるステップ（ｓ３，ｒ）で約４５０℃の温度に達し、ｒ＝Ｒであるステップ（ｓ４，ｒ）および（ｓ５）の終了時まで実質的に一定に維持されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法において、Ａが元素Ｃｕを表し、Ｂが元素Ｉｎおよび／またはＧａを表し、Ｃが元素Ｓｅを表すＡＢＣ材料を製作することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記堆積された１つまたは複数のＢ元素は、Ｇａを含み、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、および（ｓ４，ｒ）にわたって堆積されるＧａの総量が、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜５０％を構成することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法において、前記堆積された１つまたは複数のＢ元素は、Ｇａを含み、ステップ（ｓ３，ｒ）にわたって堆積されるＧａの総量が、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜２５％を構成することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法において、請求項１の堆積ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）が、±２０％誤差の範囲内の材料堆積速度を持つ以下の各ステップシーケンス：
ｓ１  Ｉｎを３．５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａの堆積は、１．１Å／ｓの速度で開始し、０．９５Å／ｓにまで徐々に低下させる；
ｓ２  Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．１５Å／ｓの速度で堆積する；
ｓ３，０  Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．６Å／ｓの速度で堆積する；
ｓ４，０  Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．１５Å／ｓの速度で堆積する；
ｓ５  Ｉｎを０．９Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａの堆積は、０．３５Å／ｓの速度で開始し、０．４５Å／ｓにまで徐々に増加させる；
に対応することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法において、前記逐次ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）の後に、３５０℃未満の温度で少なくとも１つのＣ元素の存在下で少なくとも１つのＢ元素を堆積し、１００ｎｍ未満の厚さの補足層が堆積されるさらなるステップが続くことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法において、前記基板（１１０）、前記バックコンタクト層（１２０）、および／または前記吸収層（１３０）の堆積中および／または後に堆積されるアルカリ含有前駆体の何れかによってアルカリ元素が前記吸収層（１３０）に与えられることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法において、前記基板（１１０）は、ロール・ツー・ロール製造装置の繰り出しロールと巻き取りロールとの間に取り付けられることを特徴とする方法。
【請求項１３】
薄膜光起電力装置の製造方法であって、前記薄膜光起電力装置が、基板（１１０）によって支えられるバックコンタクト層（１２０）上に堆積される少なくとも１つの吸収層（１３０）を備え、前記少なくとも１つの吸収層が、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法によって製造されることを特徴とする薄膜光起電力装置の製造方法。
【請求項１４】
可撓性基板（１１０）および吸収層（１３０）を含む薄膜光起電力装置（１００）において、前記吸収層（１３０）は、ＡＢＣカルコゲナイド材料の四元、五元、または多元バリエーションを含む、ＡＢＣカルコゲナイド材料から成り、Ａは、ＣｕおよびＡｇを含む国際純正応用化学連合によって定義される化学元素の周期表の第１１族の元素を表し、Ｂは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＡｌを含む前記周期表の第１３族の元素を表し、Ｃは、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅを含む前記周期表の第１６族の元素を表し、前記ＡＢＣカルコゲナイド材料は、元素ＩｎおよびＧａを含み、前記吸収層の厚さにわたる実質的に平滑化したＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比データの組成分析は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線（５００）を形成し、前記Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線（５００）は、前記吸収層の光暴露側から開始して、
ａ：Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が減少する前部傾斜領域（５０１）であって、前記前部傾斜領域の光暴露側は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値が０．５未満であり、前記前部傾斜領域における前記Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値の較差は、０．２５未満であり、かつ０．１を超える、前部傾斜領域（５０１）と、
ｂ：Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が全体的に増加する、前記前部傾斜領域（５０１）に隣接し、前記前部傾斜領域（５０１）と、前記光暴露側とは反対側の前記吸収層の裏側との間に位置する後部傾斜領域（５０２）であって、
（ｉ）前記後部傾斜領域（５０２）の半分の前記光暴露側にわたって、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値が０．２０未満分増加し、
（ｉｉ）前記後部傾斜領域（５０２）の前記半分の光暴露側は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が局所的に増加または減少する少なくとも１つのハンプ（５０５）を含み、前記ハンプは、前記Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線（５００）で２つの変曲点によって囲まれる、
後部傾斜領域（５０２）と、
を含む少なくとも２つの領域（５０１、５０２）を含むことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、前記吸収層（１３０）は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を含むことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の装置において、前記吸収層（１３０）の厚さは、０．５μｍ〜４．０μｍであることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６の何れか１項に記載の装置において、最大出力点における電圧および電流の積を開放電圧および短絡電流の積で除算したものとして定義される曲線因子が、１２０Ｋ〜３００Ｋの温度範囲で、０．６０を超える曲線因子値で基本的に一定であることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７の何れか１項に記載の装置において、反射（２２０）／（２４０）のＸ線回折強度対散乱角２θの曲線（９００）の基部から測定したＦＷＱＭ（９０５）が、０．６°未満の幅を持つことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８の何れか１項に記載の装置において、放射照度１，０００Ｗ／ｍ２、太陽スペクトルＡＭ１．５Ｇ、およびセル温度２５℃によって定義される試験条件下で１６％を超える光起電力変換効率を持つアクティブ領域を備えた少なくとも１つの光起電力セル（１００）を含むことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９の何れか１項に記載の装置において、前記基板（１１０）は、ポリイミド、被覆ポリイミド、ステンレス鋼、被覆ステンレス鋼、軟鋼、被覆軟鋼、アルミニウム、被覆アルミニウム、ガラス、またはセラミック材料の何れかであることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の堆積によって製造される太陽電池および／または光起電力装置に関し、特に、カルコゲナイド半導体またはＡＢＣ半導体化合物から成る吸収層における元素の深さ分布に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力装置は、一般的に、光起電力セルまたは光起電力モジュールとして理解される。光起電力モジュールは、通常、相互接続された光起電力セルのアレイから成る。
【０００３】
光起電力装置および／または光起電力セルの製造方法は、例えば、半導体材料をウエハーにスライスすることを含む。光起電力装置の別の製造方法は、基板上に半導体材料を薄膜として堆積することを含む。薄膜光起電力装置の製造は、ウエハーから光起電力装置を製造することと比較して、費用効率がより高くなり得る。費用効率の向上は、材料および製造中のエネルギー節減のおかげのみならず、装置の光起電力変換効率を向上させる技術的進歩のおかげで達成される。本開示は、比較的低コストの低い基板温度の方法を用いた薄膜光起電力装置の製造に関し、前記装置は、同様の基板温度レベルで製造された先行技術の薄膜装置の光起電力効率よりも高い光起電力効率を持つ。所定の電気出力の光起電力装置のコストの低減は、それらの商業化を拡大するための主な推進力であり、化石燃料燃焼によって生じる排出量の減少に役立つ。さらに、光起電力装置の変換効率の向上により、単位面積当たりの電気出力を高くし、その結果、所定の出力のための材料および設置のコストを低下させることが可能となる。
【０００４】
薄膜光起電力装置は、通常、基板上に材料層を堆積することによって製造される。単純化した機能的観点から、材料層は、場合によりバッファ層によって被覆された光起電力吸収層として表すことができ、この組み合わせは、少なくとも２つの導電層間に挟持される。本開示は、一般的にＡＢＣ２黄銅鉱材料等のＡＢＣカルコゲナイド材料をベースとする吸収層を含む光起電力装置に関し、Ａは、ＣｕまたはＡｇを含む国際純正応用化学連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって定義される化学元素の周期表の第１１族の元素を表し、Ｂは、Ｉｎ、Ｇａ、またはＡｌを含む周期表の第１３族の元素を表し、Ｃは、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅを含む周期表の第１６族の元素を表す。ＡＢＣ２材料の一例は、ＣＩＧＳとしても知られるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２半導体である。本開示は、Ｃｕｘ（Ｉｎ，Ｇａ）ｙ（Ｓｅ，Ｓ）ｚ、Ｃｕｘ（Ｉｎ，Ａｌ）ｙＳｅｚ、Ｃｕｘ（Ｚｎ，Ｓｎ）ｙＳｅｚ、Ｃｕｘ（Ｚｎ，Ｓｎ）ｙ（Ｓｅ，Ｓ）ｚ、または（Ａｇ，Ｃｕ）ｘ（Ｉｎ，Ｇａ）ｙＳｅｚ等の四元、五元、または多元材料の形の、ＣｕｘＩｎｙＳｅｚまたはＣｕｘＧａｙＳｅｚ等の通常の三元ＡＢＣ組成のバリエーションにも関する。
【０００５】
本開示は、比較的低い基板温度（６００℃未満）での光起電力装置の製造方法を提示する。これは特に、プラスチック基板または金属箔をベースとした可撓性のある光起電力装置の製造に有利である。本開示は、吸収層における半導体元素の新規の特徴を備えた深さ分布を持つ装置も提示する。
【０００６】
薄膜ＡＢＣまたはＡＢＣ２光起電力装置の光起電力吸収層は、蒸着、スパッタリング、印刷、イオンビーム、または電気めっき等の様々な方法を用いて製造することができる。最も一般的な方法は、通常複数の材料蒸着源を用いた、真空チャンバ内での蒸着または共蒸着に基づいたものである。米国特許第４，３３５，２６６号明細書には、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ２黄銅鉱化合物から薄膜太陽電池を形成する方法が記載され、一般的に、ＡＢＣ２光起電力装置の製造分野における大きな進歩と見なされている。より最近の先行技術は、２つまたは３つのステップでＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２薄膜太陽電池を製作する方法を提示する米国特許第５，４４１，８９７号明細書に提示されている。米国特許第６，２５８，６２０号明細書は、堆積プロセスの最初に異なる材料原子比率を用いることによって、上記の３つのステップの方法にさらに関与し、場合により、実質的に高い基板温度で堆積した材料を加熱することによって後に吸収層に変換される前駆体層を構成するためのさらなる材料堆積ステップに関与する。
【０００７】
一部の先行技術は、より従来的なシリコンウエハーの技術と肩を並べ得る変換効率を持つ光起電力装置の製作を可能にしたが、薄膜の高い効率性は、これまで、一般的に６００℃前後の高温堆積プロセスを用いて得られてきた。従って、本開示は、一般的に３５０℃〜５５０℃の実質的に低い堆積温度での高効率光起電力装置の製造も可能にする利点を持つ方法を記載する。本開示は、このような光起電力装置の特徴も記載する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、高効率薄膜光起電力装置、特に可撓性のある光起電力装置、より正確には、６００℃未満等の比較的低い基板温度で製造される装置の製造に関する問題点への解決策を提示する。以下では、ＡＢＣを用いて、三元、四元、五元、または多元材料の形のＡＢＣまたはＡＢＣ２半導体化合物を表す。
【０００９】
本発明の目的は、以下の段落に示すように、光起電力装置の製造並びに前記装置の光起電力変換効率を向上させる方法と、それに基づいて製造された光起電力装置の特徴を提供することである。
【００１０】
基板上にＡＢＣ半導体化合物を堆積することによって製造される薄膜光起電力装置の分野における一般的な問題点は、シリコンウエハーをベースとした装置の光起電力変換効率に匹敵するほど十分に高い光起電力変換効率を持つ装置を製造するために、６００℃前後の高温が必要である点である。薄膜堆積中の基板温度が高いほど、より多くのエネルギーが必要となる。従って、本発明の目的は、より低い温度およびエネルギーレベルでＡＢＣ光起電力装置を製造する方法を提供することであり、前記装置は、前記高温で製造された薄膜装置のみならず、シリコンウエハーをベースとした装置にも匹敵する光起電力変換効率を持つ。
【００１１】
薄膜光起電力装置製造の分野、より具体的には、ＡＢＣ薄膜光起電力装置製造の分野における別の問題点は、高温堆積プロセスが、上にＡＢＣ半導体が堆積可能な基板材料の種類を限定する点である。従って、堆積プロセスは、プロセスの継続時間にわたって、前記高温で劣化しない材料に制限される。従って、本発明のさらなる目的は、可撓性のあるプラスチック基板等の、より幅広い種類の基板上に高効率ＡＢＣ薄膜光起電力装置を製造する方法を提供することである。これは、本発明方法を用いて、３５０℃〜５５０℃の低いＡＢＣ半導体堆積温度のおかげで可能となる。
【００１２】
薄膜光起電力装置製造の分野におけるさらなる問題点は、金属基板等の一部の基板からの材料が、堆積された半導体薄膜を基板元素および不純物で汚染し得る点である。この汚染を回避する方法は、ＡｌｘＯｙ、ＳｉｘＮｙ、またはＳｉｘＯｙ等のバリア層で基板を被覆することである。
【００１３】
とはいえ、前記バリア層は、半導体薄膜の多少の残留汚染を誘発するピンホールを含み得る。バリア層におけるピンホールの発生は、基板の粗さに関係する。金属基板は、通常、バリア層による被覆前に、平滑化または研磨等の表面処理を受ける必要がある。さらに、堆積中の本発明方法の比較的低い温度は、不純物の望ましくない拡散の低減につながり、光起電力吸収層の堆積前のプロセスからバリア層の堆積ステップを除外することを可能にし得る。従って、本発明のさらなる目的は、プラスチック等の極めて平滑な非汚染基板材料の使用を可能にする比較的低温（５５０℃未満）の堆積方法により、金属基板に関連する汚染、粗さの問題、および処理のコストを回避することである。
【００１４】
高効率光起電力モジュール製造の分野におけるさらに別の問題点は、シリコンセルまたはガラスセル上の薄膜等の個々の光起電力セルからモジュールが組み立てられる点である。この組み立ては、ロール・ツー・ロール製造技術と比較してより費用のかかる製造ラインの幾つかの段階でバッチ処理を必要とする。さらに、最も効率の高い薄膜装置は、大抵硬質のガラス基板上に高温で製造されるので、これらは、ロール・ツー・ロール製造にあまり適さない。ロール・ツー・ロール製造において連続ウェブとして使用される金属基板の利点は、材料堆積中の比較的高い基板温度（５５０℃を超える）を許容する点であるが、上記の表面処理が負担となる。従って、本発明の別の目的は、低コストおよび低エネルギーで、高効率光起電力装置のロール・ツー・ロール製造を可能にする方法を提供することである。
【００１５】
本発明のある特定の目的は、以下の段落に示すように、光起電力吸収層の品質および変換特性の向上による高効率太陽装置を提供することである。
【００１６】
黄銅鉱またはカルコゲナイド半導体吸収層を基板上に堆積することによって製造される薄膜光起電力装置の分野における一般的な問題点は、光起電力半導体層における結晶粒度およびパターンによって表される結晶構造の欠陥および不規則性が光起電力変換を低下させ得る点である。光暴露側における半導体層厚さの最初の１マイクロメートル以内の前記結晶構造は、高い光起電力変換効率のためには特に重要である。前記欠陥および不規則性は、低い温度で半導体層を形成する結果、より頻繁に生じる。従って、本発明の目的は、比較的低い温度（５５０℃未満）での製造にもかかわらず、高い光起電力変換効率に望ましい、光暴露側における半導体層厚さの最初の約１マイクロメートル中の結晶構造を持つ太陽装置を提供することである。
【００１７】
上述の問題点に起因する前記分野における別の問題点は、電気キャリアが半導体層内で再結合し、その結果、光起電力装置の光起電力変換効率を低下させ得る点である。従って、本発明の別の目的は、電荷キャリアの再結合が少なく、その結果、実質的に高い温度、すなわち６００℃で製造された光起電力装置の曲線因子および開放電圧に匹敵する曲線因子および開放電圧を持つ、低温で製造される太陽電池を提供することである。
【００１８】
前記分野におけるさらなる問題点は、生成される電流と電圧との間のトレードオフを最適化することによって変換効率を最大にできるように、吸収層における元素の深さ分布または傾斜を設計することである。従って、本発明方法のさらなる目的は、低温（３５０℃〜５５０℃）で製造される高効率太陽装置が得られる吸収層における元素の深さ分布または傾斜を提供することである。
【００１９】
前記分野におけるさらに別の問題点は、続いて堆積される層に適合する吸収層表面を得ることである。従って、本発明方法の別の目的は、平滑性およびバンドギャップアライメント等の表面および界面特性が続いて堆積される層のものと適合する吸収層を提供することである。
【００２０】
前記分野における、またさらなる問題点は、適合した熱膨張係数を持つ薄膜光起電力装置の層を設計することである。熱膨張係数の適合は、特に可撓性のある光起電力装置の製造の場合に、良好な層接着、寿命、および持続的な長期にわたる光起電力変換効率にとって重要な要素である。さらに、低い製造温度は、光起電力装置の層にわたる熱膨張係数の変動に関連する問題を減らし得る。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
要約すれば、本発明は、バックコンタクト層上に堆積された光起電力Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２または同等のＡＢＣまたはＡＢＣ２吸収層を含む薄膜光起電力装置の製作方法に関し、前記方法は、１つまたは複数のステップにわたって少なくとも１つのＣ元素が存在する、少なくとも５つの堆積ステップを含み、第３および第４のステップのペアは、連続して繰り返し可能であることを特徴とする。第１のステップでは、少なくとも１つのＢ元素を堆積し、第２のステップでは、堆積速度比Ａｒ／Ｂｒでの、第３のステップでは、前のステップの比よりも低いＡｒ／Ｂｒ比での、第４のステップでは、前のステップの比よりも高いＡｒ／Ｂｒ比でのＡおよびＢ元素の堆積が続き、第５のステップでは、堆積元素の総量の最終比Ａ／Ｂを達成するようにＢ元素のみを堆積する。その結果得られる光起電力装置は、光暴露側から開始して、光起電力装置（１００）の吸収層（１３０）が、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が低下する第１の領域（５０１）と、それに続く、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が増加する第２の領域（５０２）とを含み、第２の領域（５０２）の半分の光暴露側にわたって、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値が０．２０未満分増加し、少なくとも１つのハンプを含むことを特徴とする。
【００２２】
より詳細には、本発明は、薄膜光起電力装置の少なくとも１つの吸収層の製作方法に関し、この吸収層は、ＡＢＣカルコゲナイド材料の四元、五元、または多元バリエーションを含む、ＡＢＣカルコゲナイド材料から成り、Ａは、ＣｕおよびＡｇを含む国際純正応用化学連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって定義される化学元素の周期表の第１１族の元素を表し、Ｂは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＡｌを含む周期表の第１３族の元素を表し、Ｃは、Ｓ、Ｓｅ、およびＴｅを含む周期表の第１６族の元素を表す。
【００２３】
前記吸収層は、基板によって支えられるバックコンタクト層上に堆積される。
【００２４】
本発明方法は、以下の逐次ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）を含み、２つのステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）は、少なくとも一度実行され、０から最大Ｒ回数連続して繰り返されてもよく、ｒは、連続ステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）を特定する０からＲまでの値を持つ繰り返しカウントインデックスであり、ステップ（ｓ２）〜（ｓ５）の基板の温度は、３５０℃を超える。逐次ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）は、
ｓ１：堆積プロセスの終了時に必要とされるＢ元素の総量の１０％を超え、かつ９０％未満の量で、前記基板のバックコンタクト層上に少なくとも１つのＢ元素を堆積するステップであって、１つまたは複数のＢ元素のこの堆積は、少なくとも１つのＣ元素の存在下で行われるステップと、
ｓ２：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素の初期量を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒ＞１であり、
ステップ（ｓ２）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（１／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１．０
であるステップと、
ｓ３，ｒ：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒが前のステップにおけるＡｒ／Ｂｒの比の１．２分の１未満であり、
ステップ（ｓ３，ｒ）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（（２＋２ｒ）／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１＋３（（１＋２ｒ）／（２＋２Ｒ））１／２
であるステップと、
ｓ４，ｒ：少なくとも１つのＢ元素と組み合わせて、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＡ元素を堆積するステップであって、元素ＡおよびＢの原子堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒは、
Ａｒ／Ｂｒが前のステップにおけるＡｒ／Ｂｒの比よりも少なくとも１．２倍大きく、
ステップ（ｓ４，ｒ）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂは、
（（３＋２ｒ）／（３＋２Ｒ））２＜Ａ／Ｂ＜１＋３（（１＋ｒ）／（１＋Ｒ））１／２
であるステップと、
ｓ５：部分的に完成した吸収層上に、少なくとも１つのＣ元素の存在下で少なくとも１つのＢ元素の追加量を堆積することにより、ステップ（ｓ５）の終了時における堆積元素ＡおよびＢの総量の原子比率Ａ／Ｂが、
０．６＜Ａ／Ｂ＜０．９９
に変更されるステップとである。
【００２５】
場合によっては、少なくとも１つのＣ元素が、ステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、および（ｓ５）の何れかの前、間、または後に吸収層に添加される。
【００２６】
ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、および（ｓ５）に関して、基板温度は、好ましくは、３５０℃を超え、かつ５５０℃未満である。さらに、ステップ（ｓ１）において材料が堆積される際の基板温度は、好ましくは２００℃を超え、かつ４５０℃未満であり、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、および（ｓ４，ｒ）の何れかまたはそれらの組み合わせの期間中に上昇し、３５０℃を超え、かつ５５０℃未満の温度に達する。さらに好ましくは、ステップ（ｓ１）において材料が堆積される際の基板温度は、約３５０℃であり、ステップ（ｓ２）において上昇し、ｒ＝０であるステップ（ｓ３，ｒ）において約４５０℃の温度に達し、ｒ＝Ｒであるステップ（ｓ４，ｒ）および（ｓ５）の終了時まで実質的に一定に維持される。
【００２７】
本方法を用いて、Ａが元素Ｃｕを表し、Ｂが元素Ｉｎおよび／またはＧａを表し、Ｃが元素Ｓｅを表すＡＢＣ材料を製作することができる。
【００２８】
堆積された１つまたは複数のＢ元素がＧａを含む場合、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、および（ｓ４，ｒ）にわたって堆積されたＧａの総量は、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜５０％を有利に構成し、ステップ（ｓ３，ｒ）にわたって堆積されたＧａの総量は、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜２５％を構成する。
【００２９】
一部の実施形態では、堆積ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）は、±２０％誤差の範囲内の材料堆積速度を持つ以下の各ステップシーケンスに対応する。
ｓ１：Ｉｎを３．５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａの堆積は、１．１Å／ｓの速度で開始し、０．９５Å／ｓにまで徐々に低下させ、
ｓ２：Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、
ｓ３，０：Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．６Å／ｓの速度で堆積し、
ｓ４，０：Ｃｕを２．１Å／ｓの速度で堆積し、Ｉｎを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａを０．１５Å／ｓの速度で堆積し、
ｓ５：Ｉｎを０．９Å／ｓの速度で堆積し、Ｇａの堆積は、０．３５Å／ｓの速度で開始し、０．４５Å／ｓにまで徐々に増加させる。
【００３０】
逐次ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）の後に、３５０℃未満の温度で少なくとも１つのＣ元素の存在下で少なくとも１つのＢ元素を堆積し、１００ｎｍ未満の厚さの補足層が堆積されるさらなるステップが続いてもよい。
【００３１】
前記基板、前記バックコンタクト層、および／または前記吸収層の堆積中および／または後に堆積されるアルカリ含有前駆体の何れかによって、アルカリ元素が前記吸収層に与えられてもよい。
【００３２】
本発明の別の局面は、上記の方法によって得られる少なくとも１つの吸収層を含む薄膜光起電力装置である。
【００３３】
本発明は、可撓性基板および吸収層を含む薄膜光起電力装置にも関し、この装置は、前記吸収層が上記で定義したようなＡＢＣカルコゲナイド材料から成り、前記ＡＢＣカルコゲナイド材料は、元素ＩｎおよびＧａを含み、前記吸収層の厚さにわたる実質的に平滑化したＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比データの組成分析がＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線を形成し、この曲線においては、前記吸収層の光暴露側から開始して、前記Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線は、
ａ：Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が減少する前部傾斜領域であって、前記前部傾斜領域の光暴露側は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値が０．５未満であり、前記前部傾斜領域におけるＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値の較差が０．２５未満であり、かつ０．１を超える、前部傾斜領域と、
ｂ：全体的にＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が増加する、前記前部傾斜領域に隣接し、前記前部傾斜領域と、光暴露側とは反対側の吸収層の裏側との間に位置する後部傾斜領域であって、
（ｉ）前記後部傾斜領域の半分の光暴露側にわたって、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値が０．２０未満分増加し、
（ｉｉ）前記後部傾斜領域の半分の光暴露側は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が局所的に増加または減少する少なくとも１つのハンプを含み、前記ハンプは、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線（５００）において２つの変曲点によって囲まれる、
後部傾斜領域と、
を含む少なくとも２つの領域を含む。
【００３４】
このような装置において、吸収層は、一般的に、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を含む。
【００３５】
また、吸収層の厚さは、好ましくは、０．５μｍ〜４．０μｍである。
【００３６】
この装置において、最大出力点における電圧および電流の積を開放電圧および短絡電流の積で除算したものとして定義される曲線因子は、１２０Ｋ〜３００Ｋの温度範囲において、０．６０を超える曲線因子値で基本的に一定である。
【００３７】
さらに、反射（２２０）／（２４０）のＸ線回折強度対散乱角２θの曲線の基部から測定したＦＷＱＭ（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｑｕａｒｔｅｒ  ｍａｘｉｍｕｍ）が、０．６°未満の幅を持つ。ここで、および後続の実施例において使用したＸ線回折システムは、ステップサイズ０．０２°、ステップ時間３０秒、スリット幅１ｍｍ、電圧４０ｋＶ、および電流３７ｍＡのＢｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏモードに設定されたＳｉｅｍｅｎｓ  Ｄ−５０００である。使用したラインは、それぞれ１．５４０６０Åおよび１．５４４３９Åの波長のＣｕ  Ｋ−ａｌｐｈａ−１およびＣｕ  Ｋ−ａｌｐｈａ−２である。
【００３８】
本装置は、放射照度１，０００Ｗ／ｍ２、太陽スペクトルＡＭ１．５Ｇ、および動作セル温度２５℃によって定義される標準試験条件として当業者に公知の試験条件下で、１６％を超える光起電力変換効率を持つ光起電力セルを含み得る。
【００３９】
本装置の基板は、ポリイミド、被覆ポリイミド、ステンレス鋼、被覆ステンレス鋼、軟鋼、被覆軟鋼、アルミニウム、被覆アルミニウム、ガラス、またはセラミック材料の何れかでもよい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の特徴により、薄膜光起電力装置の製造分野、より具体的には、このような装置の吸収層の製造分野における幾つかの問題点が有利に解決される。すなわち：
・少なくとも５つの段階を含む多段階方法により、高効率光起電力装置に必要な、有利な前部および後部傾斜ＡＢＣ吸収層組成を作り出すことが可能となる。前記方法は、必要な組成比の詳述および範囲の確定を有利に行い、本方法の微調整を有利に導く２つの繰り返し可能なステップを提供する。
・前記方法は、より厳密に言えば、３５０℃〜５５０℃の比較的低い堆積温度用に設計されており、従って、プラスチックまたは可撓性のある箔等の材料上への堆積に特に有利である。
・前記方法は、高効率光起電力装置の製造に必要な所要組成傾斜を有利に生じさせるために、堆積されたＢ元素中のＧａの量をＩｎの量に対して増加させるステップを含む。
・前記方法は、前記比較的低い堆積温度で高効率光起電力装置を製作することを目的とした堆積シーケンス例の材料フラックス速度の詳述および範囲の確定を有利に行う。
・前記方法により、厚さが１００ｎｍ未満のさらなるＢ材料層の堆積も有利に可能となる。
・前記方法は、通常、結果的に得られる装置の光起電力変換効率を有利に増加させるために、基板、バックコンタクト層、またはアルカリ前駆体等の様々なソースに由来するアルカリ材料の添加で補完される。
・前記方法は、前記基板が、繰り出しロールと巻き取りロールとの間に取り付けられ、多くの有利な生産性の恩恵を伴って堆積用に配置されるロール・ツー・ロール製造装置内において有利に実施することもできる。
・結果的に得られる薄膜光起電力装置は、可撓性基板と、元素ＩｎおよびＧａを含むＡＢＣカルコゲナイド材料から成る吸収層とを含む。前記吸収層の厚さにわたる組成分析は、所定の限界値間で展開される有利な前部および後部傾斜領域を含み、後部傾斜領域は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が局所的に増加または減少する少なくとも１つのハンプを含む点で、光起電力変換効率にとって有利なＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比曲線を示す。
・前記装置は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２から成る吸収層を有利に含み得る。
・前記装置は、装置が前記方法に従って製造されたか否かを決定するために、吸収層の組成の侵襲的測定に進む前に、１２０Ｋ〜３００Ｋの様々な動作温度に関する曲線因子測定およびＸ線回折強度等の１組の非侵襲的分析によって有利にテストすることができる。
・前記装置は、放射照度１，０００Ｗ／ｍ２、太陽スペクトルＡＭ１．５Ｇ、およびセル温度２５℃によって定義される試験条件下で１６％を超える光起電力変換効率を持つ少なくとも１つの光起電力セルを含む点で特に有利である。
・前記装置は、ポリイミド、被覆ポリイミド、ステンレス鋼、被覆ステンレス鋼、軟鋼、被覆軟鋼、アルミニウム、被覆アルミニウム、ガラス、またはセラミック材料等の多様な可撓性または硬質基板上に有利に製造される。
【００４１】
これより、以下の添付の図面を参照して本発明の実施形態を例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、基板上に堆積された層を描写する光起電力セルの概略断面図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の基板温度の概念グラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の相対的堆積速度の概念グラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の相対的堆積速度の概念グラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、ある光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の基板温度のグラフ例である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ある光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の材料堆積速度のグラフ例である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、ある光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の材料堆積速度のグラフ例である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の光起電力セル実施形態例を製造するための材料堆積プロセス中の基板温度の第２のグラフ例である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１の光起電力セル実施形態例を製造するための材料堆積プロセス中の材料堆積速度の第２のグラフ例である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明方法を用いて製造された吸収層実施形態と比較した、先行技術に基づく堆積方法から得られた吸収層のスパッタ深さの関数として材料比を示す生データのグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明方法を用いて製造された吸収層実施形態と比較した、先行技術に基づく堆積方法から得られた吸収層のスパッタ深さの関数として材料比を示す平滑化データのグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明方法の変形例を用いて製造された吸収層実施形態と比較した、スパッタ深さの関数として材料比を示すデータ例のグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、光起電力効率が約１６％の光起電力セルに関する様々な温度での電流密度対電圧を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、光起電力効率が１８．７％の光起電力セルに関する様々な温度での電流密度対電圧を示すグラフである。
【図７】図７は、曲線因子対動作温度の２つの光起電力セル（効率が約１６％および１８．７％）間の比較を可能にするグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、温度２９８Ｋで動作する効率が１８．７％および約１６％の光起電力セルに関する電流密度対電圧を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、温度２９８Ｋで動作する効率が１８．７％および約１６％の光起電力セルに関して、照明波長の関数として外部量子効率（ＥＱＥ）を示すグラフである。
【図９】図９は、２つの光起電力セル（効率が約１６％および１８．７％）に関する主反射のＸ線回折強度対散乱角を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１に示される断面と類似した断面を持つ光起電力セルの実施形態例は、図２〜４に示される方法を用いて製造される。記載した発明方法を用いて製造した光起電力セルの実施形態例は、いわゆる材料分布特徴を示す。材料分布特徴は、図１に示される光起電力セルの光起電力吸収層に存在する材料の深さ分布をサンプリングすることによって得られる。材料分布特徴の例を図５Ａ〜５Ｃに示す。さらなる光起電力特性を図６〜９に示す。
【００４４】
図１は、光起電力セルまたはモジュール１００の一実施形態の断面を示す。一連の材料層が基板１１０上に堆積される。基板１１０は、硬質なもの、または可撓性のあるものでもよく、ガラス、被覆金属、プラスチック被覆金属、プラスチック、または金属被覆プラスチック等の被覆プラスチック等の様々な材料または被覆材料でもよい。記載した本発明方法は、プラスチック等の比較的低いガラス転移温度を示す材料にとって特に有利である。従って、好ましい可撓性基板材料は、約３５０〜５５０℃の温度を維持できることからポリイミドでもよい。工業的に入手可能なポリイミド基板は、通常、７μｍ〜１５０μｍの範囲の厚さで入手できる。材料層堆積のシーケンス例が以下に続く。このシーケンスの順序は、反転してもよく、セルまたはモジュールの構成要素の輪郭を描くスクライビング作業も含み得る。この記載の目的は、本発明の主題である吸収層１３０が内部に堆積される前後関係を明確にすることである。
【００４５】
基板１１０は、通常、少なくとも１つの導電層１２０で被覆される。前記導電層または導電層のスタック（バックコンタクトとしても知られる）は、好ましくは、それが上に堆積される前記基板１１０の熱膨張係数（ＣＴＥ）と、その上に続いて堆積される他の材料の熱膨張係数との両方に近い熱膨張係数を持つ様々な導電性材料から成り得る。前記導電層は、好ましくは、高い光反射率を持つ。前記導電層は、好ましくは、その上に続いて堆積される他の材料と化学破壊的に反応しない。通常の実施では、層１２０は、スパッタリング、電着、化学蒸着、物理蒸着、電子ビーム蒸着、またはスプレー法等のプロセスで堆積され、金属カルコゲナイド、モリブデンカルコゲナイド、ＭｏＳｅｘ、遷移金属カルコゲナイド、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＩｎｘＯｙ、ＺｎＯｘ、ＺｒＮｘ、ＳｎＯｘ、ＴｉＮｘ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、およびＮｂ等の幾つかの他の材料も有利に使用または包含され得るが、一般的にＭｏから成る。
【００４６】
次のステップでは、吸収層としても知られる、少なくとも１つの半導体光起電力層１３０が前記バックコンタクト上に堆積される。半導体光起電力層１３０の方法、組成、および構造は、本発明の主目的である。層１３０は、ＡＢＣ材料から成り、Ａは、ＣｕまたはＡｇを含む国際純正応用化学連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって定義される化学元素の周期表の第１１族の元素を表し、Ｂは、Ｉｎ、Ｇａ、またはＡｌを含む周期表の第１３族の元素を表し、Ｃは、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅを含む周期表の第１６族の元素を表す。ＡＢＣ２材料の一例は、ＣＩＧＳとしても知られるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２半導体である。層１３０は、スパッタリング、電着、印刷、または好ましい技術として蒸着等の様々な技術を用いて堆積することができる。層１３０は、通常１μｍ〜４μｍの厚さがあるが、０．５μｍ程の薄さでもよい。
【００４７】
後続のステップは、通常、実質的に透明な層から成る２層スタックの堆積を含む。第１の層スタックは、通常、例えばＣｄＳ、ＩｎｘＳｙ、ＺｎＳｘ、ＧａＳｅｘ、ＩｎｘＳｅｙ、ＳｎＯｘ、ＺｎＯｘ、またはＺｎ（Ｏ，Ｓ）材料から成る、通常１．７ｅＶを超えるエネルギーバンドギャップを持つ、少なくとも１つのいわゆる半導体バッファ層１４０を含む。第２の層スタックは通常、例えばドープした酸化インジウム、ドープした酸化ガリウム、またはドープした酸化亜鉛等の材料から成る、フロントコンタクト導電性酸化物（ＴＣＯ）層１５０を含む。さらなる任意選択的なステップは、堆積層として、または封入膜として通常設けられる反射防止膜が後に続く、フロントコンタクトの導電率を有利に増加させるためのフロントコンタクト金属化グリッド配線１６０の堆積を含む。
【００４８】
図２Ａ〜４Ｂは、光起電力セルの４つの実施形態を製造するための光起電力吸収層の堆積段階における基板温度および材料堆積速度のグラフである。図２Ａ〜２Ｃは、堆積プロセスの各ステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、（ｓ５）における継続時間を規定しない概念グラフである。実際には、特に工業プロセスの面では、当業者は、例えば材料堆積速度を増加させる、または光起電力吸収層１３０の全体の厚さを減少させることによって、プロセスの継続時間を実質的に短くし得ることを察するであろう。従って、各堆積ステップに関する図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂに示されたタイミングは、堆積システムによって達成可能な、または方法の指定に対応する光起電力吸収層を製造するための堆積速度に応じて、短くまたは長くすることができる。図４Ａおよび４Ｂは、当業者が適切な設備を用いて、１６％を超え得る光起電力変換効率を持つ太陽電池またはモジュールを製造できるようにする基準プロセスの一例である。
【００４９】
層１３０のＡＢＣ材料を形成する一連の温度および相対的材料堆積速度を図２Ａ〜２Ｃに示す。図２Ａは、様々な光起電力セル実施形態の半導体光起電力吸収層１３０を製造するための材料堆積プロセス中の基板温度のグラフである。図２Ｂは、様々な光起電力セル実施形態を製造するための材料堆積プロセス中の相対的堆積速度の対応グラフである。基板温度は通常、連続プロット２００の好ましい値によって示される温度近くに維持され、プロセスのある部分では、破線セグメント２１２および２１４によって示される低値よりも高い温度に維持される。セクション（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、（ｓ５）により、図２Ａのタイミングを図２Ｂの基準プロセスのステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，０）、（ｓ４，０）、（ｓ５）および図２Ｃのステップ（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）が一度繰り返される（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，０）、（ｓ４，０）、（ｓ３，１）、（ｓ４，１）、（ｓ５）と比較することが可能となる。半導体光起電力層１３０の堆積に先立って、基板１１０は通常、バックコンタクト層１２０で被覆されている。バックコンタクト層１２０を備えた基板１１０は次に、好ましくは、半導体光起電力層１３０の堆積を開始するために加熱される。
【００５０】
図２Ｂおよび２Ｃの堆積速度値は、速度１で堆積期間Ｔにわたって堆積された材料ＡおよびＢに関してＡ／Ｂ＝１の定比の原子比率が得られるような任意の単位（ａ．ｕ．）を持つ。例えば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）の堆積の場合、Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＝１が得られる。図２Ｂ、２Ｃ、および３Ｂに不図示であるのは、材料Ｃの堆積速度であり、これは、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）の堆積の場合、好ましくはＳｅ材料であろう。材料Ｃのフラックス速度は、前記任意の単位で、通常２を超え、好ましくは約５であり、通常１００未満の速度で、全堆積プロセスの間、通常一定に維持される。図２Ｂおよび２Ｃに不図示であるのは、ＮａＦ、ＮａＣｌ、ＮａＳｅ、ＫＦ、ＫＣｌ、ＣｓＦ、およびＬｉＦ等の１つまたは複数のいわゆるドーパントアルカリ前駆体材料の堆積速度である。この省略は、前記ドーパントが連続的または段階的に添加され得る、あるいは基板、前駆体層、または別の堆積源に由来し得るという事実によるものである。
【００５１】
堆積は、連続ステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、（ｓ５）において行われ、ステップ（ｓ３）および（ｓ４）は、最大Ｒ回数繰り返され、ｒは、各ステップ（ｓ３）および（ｓ４）をその数字で特定する０からＲまでの数のインデックスである。図２Ｂでは、Ｒ＝０であり、図２Ｃでは、Ｒ＝１である。一部の詳細を省略すると、堆積ステップは、以下のように要約することができる。
ｓ１：半導体光起電力層１３０の堆積は、少なくとも１つのＢ材料の堆積で開始される。このステップにおける堆積は、約３５０℃の最も好ましい温度以下の温度で行われ得る。開始温度が３５０℃の最も好ましい温度未満である場合には、開始最小値は、約１５０℃、好ましくは２００℃であり、例えばセグメント２１２に従って直線的に増加し、点２１３によって印を付けられたステップ（ｓ１）の終了時に３５０℃に達する必要がある。
ｓ２：材料Ａが加えられ、材料Ｂの堆積速度が低下する。ステップ（ｓ２）は、点２１３から開始され、温度が上昇して、約４５０℃および少なくとも直線セグメント２１４に沿った温度に達する。セグメント２１４は、点２１３から温度が約４５０℃である点２１５まで伸びる。点２１５の横座標は、図２Ｂ中ではステップ（ｓ４，０）、あるいは図２Ｃ中では（ｓ４，１）に割り当てられた時間内に位置付けられる。当業者は、材料が反応し、所望の結晶相を形成するのに十分な時間を持てるように、ステップ（ｓ４，０）または（ｓ４，１）の終了前に点２１５が位置付けられることを決定するであろう。
ｓ３，ｒ：材料ＡおよびＢは、他にも制約はあるが、前のステップが（ｓ２）または（ｓ４，ｒ）のいずれであろうと、元素ＡおよびＢの堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒが、前のステップのＡｒ／Ｂｒの１．２分の１（約０．８３倍）未満であるようなＡｒ／Ｂｒを用いて堆積される。
ｓ４，ｒ：材料ＡおよびＢは、他にも上記の制約はあるが、元素ＡおよびＢの堆積速度の比Ａｒ／Ｂｒが、前のステップの１．２倍を超え、１を超えるような比Ａｒ／Ｂｒを用いて堆積される。
ｓ５：材料Ｂは、堆積されたＢ元素に対する堆積されたＡ元素の原子比率が０．６＜Ａ／Ｂ＜０．９９となるまで堆積される。
ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）は、これらのステップの前、間、および後にも存在し得る少なくとも１つのＣ元素の存在下で行われる。
【００５２】
ステップ（ｓ５）に続いて、温度が３５０℃に達する点２１７にまで温度が減少する。点２１７から２つの可能性が存在する：１）ステップ（ｓ１）、（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、（ｓ４，ｒ）、（ｓ５）の何れかの間に、基板１１０、バックコンタクト層１２０、および／または吸収層１３０の堆積中および／または後に堆積されるアルカリ含有前駆体を介する等の様々な方法を用いて、十分な量のアルカリ元素が吸収層１３０に供給された場合には、温度は、２００℃以下にまで減少し続け得る、あるいは、２）吸収層１３０に対してアルカリ元素が全く供給されない、または十分な量のアルカリ元素が供給されなかった場合には、当業者が十分な量のアルカリ元素を吸収層１３０に供給することが可能であると推定する期間の間は温度を３５０℃に維持し、その後、温度が２００℃以下にまで低下し得る。
【００５３】
従って、本開示は、比較的低い基板温度（５５０℃未満）で、高効率光起電力装置１００の吸収層１３０を製造するための少なくとも５つのステップを含む有利な方法を当業者に提示する。前記方法は、ある程度の堆積プロセスおよび絶対堆積速度に依存せず、従って、より長い、または短い堆積プロセスを可能にするガイドラインを提供する点で特に有利である。
【００５４】
表１および２は、それぞれ図２Ｂおよび２Ｃに示された連続的段階例の一連の材料原子堆積速度（任意の単位）を記載する。
0005904563.tif 000002
0005904563.tif 000003
【００５５】
図２Ａ〜２Ｂおよびそれに続く図３Ａ〜４Ｂに示されていないのは、この堆積の後に、３５０℃未満の温度で、少なくとも１つのＣ元素の存在下で、少なくとも１つのＢ元素の補足層の堆積が任意選択で続いてもよく、堆積される補足層は、１００ｎｍ未満の厚さである。この補足層は、前記半導体バッファ層１４０として機能してもよく、（Ｉｎ１−ｘ，Ｇａｘ）２Ｓｅ３（ｘは、通常約０．３）として構成されてもよい。
【００５６】
図３Ａ〜３Ｃは、２つの堆積例を示し、ある特定の堆積プロセスにわたる温度および材料堆積ステップのタイミングの比較を可能にする。ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）の継続時間は、図３Ｂおよび３Ｃのグラフの一番上に示す。
【００５７】
図３Ａは、半導体光起電力層１３０の別の例を製造するための材料堆積プロセス中の基板温度３００のグラフである。横軸は、分あるいは数秒または数分の期間等の任意の時間単位（ａ．ｔ．ｕ．）としている。任意の時間単位である理由は、当業者が例えば材料のフラックス速度を変更することによって、プロセスステップの継続時間を変更し得るからである。図２Ａ〜２Ｃの説明と同様に、基板１１０は、通常バックコンタクト層１２０で被覆されており、その後、半導体層１３０の堆積を開始するために、この実施形態の場合は約３５０℃にまで加熱される。図２Ａ〜２Ｃの説明と同様に、温度は通常、セグメント３１２および３１４によって印を付けられた下極限を有し、ステップ（ｓ１）の終了時において中間地点３１３が３５０℃であり、ステップ（ｓ４，０）の終了前において、中間地点３１５が４５０℃であり、約４０ａ．ｔ．ｕ．である。
【００５８】
図３Ｂは、任意の時間単位（ａ．ｔ．ｕ．）で示された時間の関数として、層１３０のＡＢＣ材料を形成し得る一連のＡおよびＢ材料の速度の第１の例を示す。材料Ｃおよび追加のドーパント材料は示されていない。この例では、材料Ａは、Ｃｕに関する曲線３２０で示し、材料Ｂは、Ｉｎ（曲線３１０）およびＧａ（曲線３３０）の組み合わせによって示す。表３は、図３Ａおよび３Ｂの温度および堆積データを合わせたものである。
0005904563.tif 000004
【００５９】
図３Ｃは、分単位の時間の関数として、層１３０のＡＢＣ材料を形成し得る一連のＡおよびＢ材料の速度の第２の例を示す。ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）の継続時間は、グラフの一番上に示す。材料Ｃは示されていないが、少なくともステップ（ｓ５）の終了時まで、通常は全堆積プロセスの間、約３０Å／ｓの速度で供給されるＳｅ元素として供給される。この例では、材料Ａは、Ｃｕに関する曲線３２０で示し、材料Ｂは、Ｉｎ（曲線３１０）およびＧａ（曲線３３０）の組み合わせによって示す。ステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）が最大Ｒ回数繰り返され、ｒは、各ステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）を特定する０からＲまでの数である、より一般的な記載では、ステップ（ｓ２）、（ｓ３，ｒ）、および（ｓ４，ｒ）にわたって堆積されるＧａの総量は通常、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜５０％を構成する。さらに、ステップ（ｓ３，ｒ）中に堆積されるＧａの総量は通常、プロセス全体にわたって堆積されるＧａの総量の１０％〜２５％を構成する。曲線３５０は、この例では、堆積プロセスの終了近くで、約Ｔ０＋６８〜約Ｔ０＋８８まで、約０．３Å／ｓの速度であるアルカリＮａＦ材料の堆積速度を示し、Ｔ０は、プロセスの開始時間であり、時間は、分単位である。表４は、堆積シーケンスの第２の例における中間地点を記載する。ステップ（ｓ１）〜（ｓ５）のタイミングは、指標であり、当業者は、材料堆積に用いられるソース温度の調整に必要とされる時間によって生じるステップ間の多少の重複部分が存在することを察するであろう。
0005904563.tif 000005
【００６０】
図４Ａおよび４Ｂは、第１の実施形態例を製造するための第３の堆積例を示す。図３Ａと同様に、図４Ａは、約１００分間続く材料堆積プロセス中の基板温度４００のグラフである。図４Ａおよび４Ｂの基準堆積プロセスを用いて、当業者は、１７％を超える独立して認定を受けた光起電力変換効率を持つＣＩＧＳ光起電力セルを製造することができる。材料堆積速度の増加および低下は、図４Ｂにおいて、直線傾斜として示されるが、当業者は、材料堆積の成功にとって、小さな差異や、より急な勾配遷移も可能であることを察するであろう。さらに、図４Ｂに示される急な直線遷移傾斜は、使用された材料堆積システムのハードウェアによる制約に起因し、当業者は、このような制約により、描写したプロセスが開示の方法の範囲内にとどまることが可能となることを察するであろう。曲線４２０、４１０、および４３０は、それぞれ、Ｃｕ、Ｉｎ、およびＧａの堆積速度を描く。曲線４３０は、中央のノッチまたはハンプ（以下、「ハンプ」４０５と呼ぶ）によって特徴付けられ、ハンプ４０５では、最初の低下に続いて、Ｇａの堆積速度が一時期増加する。従って、図４Ｂは、材料ＡおよびＢ並びにアルカリＮａＦドーパント材料の堆積シーケンスのみを示す。図４Ｂに示されていないのは、全プロセス継続時間にわたる、速度約３０Å／ｓでのＳｅ（Ｃ材料）の堆積である。曲線４５０は、この例では、堆積プロセスの終了近くで、約Ｔ０＋６８〜約Ｔ０＋８８まで、約０．３Å／ｓの速度であるアルカリＮａＦ材料の堆積速度を示し、Ｔ０は、プロセスの開始時間であり、時間は、分単位である。表５は、図４Ａおよび４Ｂに描写された方法による前記第１の実施形態例を製造するための堆積シーケンスの中間地点を記載する。
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【００６１】
図５Ａ〜５Ｃ、６Ａ〜６Ｂ、および７は、図２Ａ〜４Ｂに描写した方法を用いて製造された光起電力装置と、先行技術に記載の方法を用いて製造された光起電力装置との区別を可能にする２つの方法に関連するデータを示す。図５Ａ〜５Ｃは、通常侵襲的である方法に対応し、吸収層１３０の厚さに沿った材料の相対的組成の分析に基づく。図６Ａ、６Ｂ、および７は、様々な温度に関する光起電力セルの光起電力変換の分析に基づく非侵襲的方法に対応する。
【００６２】
図５Ａおよび５Ｂは、２種類の光起電力セルに関する、Ｇａ＋Ｉｎに対するＧａの相対量（すなわちＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ））対スパッタ深さを示すスパッタ深さプロファイルグラフである。図５Ａのグラフは、イオン銃を用いた光起電力セルの吸収層１３０、すなわちＣＩＧＳ層の表面における物質の進行性の浸食、および二次イオン質量分析を用いてスパッタリングされた材料の組成を測定することによって得られる。曲線５１８は、図４Ａ〜４Ｂに関連して記載した方法に従って堆積した約２．８μｍのＣＩＧＳ吸収層厚さを持つ、効率が１８．７％の光起電力セルの生データを示す。曲線５１６は、米国特許第５，４４１，８９７号明細書および米国特許第６，２５８，６２０号明細書で先行技術に記載の方法と類似した方法を用いて堆積したＣＩＧＳ吸収層を備えた効率が約１６％（反射防止膜なしでは１５．１％）の光起電力セルの生データを示す。曲線５１８および５１６に関する二次イオン質量分析による深さプロファイルデータは、Ｏ２＋一次イオンを用いて、Ａｔｏｍｉｋａ６５００イオンマイクロプローブシステムを用いて得られた。曲線５１８に関しては、１２ｋＶのイオンエネルギー、２．０μＡ、５００×５００μｍ２のスポットサイズ、各クレータ座標の２０％×２０％ブランキングに相当するクレータ中心の４％の監視エリアにシステムを設定した。曲線５１６に関しては、１４ｋＶのイオンエネルギー、２．３μＡ、６００×６００μｍ２のスポットサイズ、各クレータ座標の２０％×２０％ブランキングに相当するクレータ中心の４％の監視エリアにシステムを設定した。
【００６３】
図５Ｂは、図５Ａに類似し、曲線５００は、曲線５１８の生データを平滑化することによって得られ、曲線５１０は、曲線５１６の生データを平滑化することによって得られる。生データの平滑化は、ＬＯＥＳＳ法（平滑化パラメータα＝０．７）を用いて行った。従って、曲線５００は、光起電力変換効率が１８．７％のセルの曲線に対応し、曲線５１０は、先行技術の方法を用いて製造された効率が約１６％のセルの曲線に対応する。
【００６４】
２つの曲線領域５０１および５０２を考察することによって、曲線５００を説明する。第１の曲線領域５０１は、吸収層１３０の光暴露側（スパッタ深さ＝０）から始まり、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が第１の最小値に減少するまでの間続く。領域５０１は、曲線５００の前部傾斜領域と呼ばれる。第２の曲線領域５０２は、前記第１の最小値から始まり、裏側にまで伸びる。領域５０２は、曲線５００の後部傾斜領域と呼ばれる。光暴露面の値（スパッタ深さ＝０）は、約０．４３のＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）の最大値に対応する。スパッタ深さプロファイル５００で明らかとなる固有の特徴は、プロファイル５００が吸収層１３０の表面下で第１の最小値に達する、約０．２７の比較的高いＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）値である。従って、最大値と第１の最小値との間に、０．１６の差が存在する。一方、スパッタ深さプロファイル５１０は、約０．５２のＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）の最大値に対応する、光暴露面の値を持つが、スパッタ深さプロファイル５１０で明らかとなる固有の特徴は、吸収層１３０の表面下約０．５μｍの深さにおいて、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）が約０．１４の第１の最小値（これは、ここでは、曲線の絶対最小値である）に達することを示す。従って、最大値と第１の最小値との間に、０．３８の差が存在する。曲線５００および５１０に関する最大値と第１の最小値とのギャップ、すなわち０．１６および０．３８を比較すると、０．３８−０．１６＝０．２２の前記曲線間の絶対最大値−最小値ギャップ差（すなわち、曲線５００と５１０との間で５８％近くのギャップ差）が存在する。曲線５１０のギャップと比較した曲線５００のギャップの減少は、光起電力変換効率の向上にとって有利であり、図２Ａ〜２Ｂ、３Ａ〜３Ｂに示し、プロセス全体にわたる注意深いＩｎおよびＧａの投与量によってより最適なバンドギャップ傾斜が生み出された図４Ａ〜４Ｂに明示した有利な堆積方法の結果である。
【００６５】
図２Ａ〜４Ｂの有利な方法を用いて製造されたセルに見られる固有の特徴における別の肝心な点は、近似座標（０，０．４３）から（０．４，０．２６５）までの曲線５００の最初の激しく下降する部分（前部傾斜セグメントまたは領域としても知られる）の勾配である。曲線５００の前部傾斜セグメントのおおよそ直線のセグメントは、約０．６４×１０−６ｍ−１の下り勾配を持つ。比較として、曲線５１０の前部傾斜セグメントのおおよそ直線のセグメントは、約１．１８×１０−６ｍ−１のより急な下り勾配を持つ。曲線５００の上述のギャップの減少と相まった前部傾斜セグメント５０１のより緩やかな勾配は、光起電力変換効率の向上に有益である。
【００６６】
図２Ａ〜４Ｂの有利な方法を用いて製造されたセルに見られる固有の特徴におけるさらなる肝心な点は、曲線５００における領域５０２内、より正確には、第１の最小値から吸収層の裏側までのほぼ中間にまで伸びる、後部傾斜セグメントまたは領域と呼ばれる部分内に位置するハンプ５０５の存在である。ハンプ５０５の幅は、ハンプの光暴露側の曲線の第１の変曲点と、ハンプの後側の曲線の第２の変曲点の存在によって特徴付けられる。ハンプ５０５は、近似座標（０．２３５，０．２８）から（１．１，０．２８）までの顕著に低い広範な低レベル部分により、曲線５００において特に明白である。ハンプ５０５は、図４Ｂのハンプ４０５から生じる。曲線５００は、前記第１の最小値から裏側最大値までの一般的に広範で、比較的低レベルのセグメントも示す。近似座標（０．４，０．２６５）から約（２．０，０．３５）まで伸びるいわゆる後部傾斜セグメントは、最小値から裏側最大値までのかなり幅のある緩やかな勾配を形成する。最小値から裏側最大値までの幅のある緩やかな勾配は、光起電力変換効率の向上に有益である。曲線５００と比較して、曲線５１０の後部傾斜セグメントは、はるかに急で、はるかに高く、その結果、狭い最小値を形成する。
【００６７】
図５Ｃは、本発明方法に変形例を適用することによって得られるＳｉｇ１に関する特徴曲線５００、Ｓｉｇ２に関する特徴曲線５２０、Ｓｉｇ３に関する特徴曲線５３０を比較するスパッタ深さプロファイルグラフである。図５Ｃの曲線５００は、図４Ｂの曲線５００と同じである。曲線５００、５２０、５３０は全て、吸収層１３０の光暴露側から始まって、前部傾斜領域、その後に、第１の最小値自体、その後に、後部傾斜領域に含まれる特性ハンプ５０５を含む。ハンプ５０５は、図２Ａ〜４Ｂに例示される本開示の堆積プロセス方法によって生じる。曲線５００は、効率が１８．７％の光起電力セルをもたらす図４Ａ〜４Ｂの方法に対応する。ハンプ５０５は、曲線５００、５２０、および５３０に見られる。ハンプ５０５は、図４Ｂに見られるハンプ４０５に起因する。曲線５２０は、曲線５００と似ているが、曲線５００と比較すると、ハンプ５０５の後側の僅かに高い第２の最小値により、ハンプ５０５の顕著さに欠ける。曲線５００、５２０、５３０におけるハンプ５０５の共通する特徴は、曲線５００、５２０、５３０の何れも光暴露側から始まって、前記第１の最小値と、曲線５００、５２０、５３０の後部傾斜領域の半分の光暴露側との間にハンプが位置する点である。曲線５２０は、図２Ａ〜４Ｂの方法を適用することによって得られるが、例えば図４Ｂを参照して、Ｔ０＋２５とＴ０＋４１との間で、堆積中のＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比を僅かに増加させる。曲線５３０は、プロファイルの最小値から裏側の最大値までの均一に徐々に上昇する後部傾斜セグメントを設計するための図４Ａ〜４Ｂの方法に対するさらなる変形例によって得られるプロファイルを表す。曲線５３０は、例えば図４Ｂを参照して、Ｔ０＋２５とＴ０＋４１との間の堆積段階中（前記堆積段階は、ステップｓ３，０を含む）に、曲線５２０の場合よりもＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）比が増加する点が異なる図４Ａ〜４Ｂの方法を適用することによって得られる。
【００６８】
本発明の基礎を成す理論は、当業者が本方法およびその実施例を用いて向上した光起電力特性を備えた装置を設計することを可能にする点で有利である。当業者は、５つ以上のステップを用いて、向上した前部傾斜および後部傾斜領域５０１および５０２をそれぞれ有する吸収層１３０を生成することができる。従って、ステップ（ｓ３，ｒ）および（ｓ４，ｒ）を使用および繰り返して１つまたは複数のハンプ５０５を生成することによって、曲線５００によって示される後部傾斜領域に似た向上した後部傾斜領域５０２、または曲線５２０および５３０の前記後部傾斜領域によって示される後部傾斜領域に似たさらに向上した後部傾斜領域５０２を設計することができる。特にステップ（ｓ２）〜（ｓ５）を注意深く用いることによっても、当業者が必要とされる前部傾斜領域５０１を備えた装置を製造することができる。
【００６９】
本発明は、スパッタプロファイル分析により、当業者が、本発明方法を用いて製造された装置と、別の方法を用いて製造された装置とを区別することが可能になる点でも有利であり、スパッタプロファイルグラフにおける少なくとも１つのハンプ５０５の存在は、本開示の方法の考えられる特徴である。
【００７０】
図６Ａおよび６Ｂにより、様々な温度で動作する２つの光起電力装置間の光起電力変換性能の比較が可能となる。図６Ａは、図５Ａ〜５Ｂに示され、先行技術に記載の方法に類似した方法を用いて製造された、効率が約１６％の光起電力セルを用いて行われた試験を要約する。曲線１６２８３、１６２４３、１６２０３、１６１６３、および１６１２３は、電圧の関数として、それぞれ２８３Ｋ、２４３Ｋ、２０３Ｋ、１６３Ｋ、および１２３Ｋの装置温度における正規化電流密度を描く。図６Ｂは、図５Ａ〜５Ｃに示され、図４Ａ〜４Ｂを参照して記載した本発明方法を用いて製造された、効率が１８．７％の光起電力セルを用いて行われた試験を要約する。曲線１８２８３、１８２４３、１８２０３、１８１６３、および１８１２３は、電圧の関数として、それぞれ２８３Ｋ、２４３Ｋ、２０３Ｋ、１６３Ｋ、および１２３Ｋの装置温度における正規化電流密度を描く。図６Ａは、効率が１６％の装置の温度が２８３Ｋから１２３Ｋまで低下するにつれて、正規化電流密度対電圧曲線が、２４３Ｋを下回る温度に関して、変曲点の存在によって形状の変形を受けることを示す。この変形の結果は、温度が２４３Ｋから１２３Ｋまで低下するにつれての、最大出力点における光起電力の低下である。逆に、図６Ｂは、効率が１８．７％の装置の温度が２８３Ｋから１２３Ｋまで低下するにつれて、正規化電流密度対電圧曲線が変形を受けることが全くないことを示す。この均一性の結果は、温度が２８３Ｋから１２３Ｋまで低下するにつれての、最大出力点における光起電力の増加である。
【００７１】
図７は、図６Ａおよび６Ｂにおいてそれぞれ調べた効率が１６％および１８．７％のセルに関して、温度の関数として曲線因子を示すグラフである。曲線因子（ＦＦ）は、
ＦＦ＝（ＶＭＰ×ＩＭＰ）／（ＶＯＣ×ＩＳＣ）
として定義され、ＶＭＰは最大出力点における電圧であり、ＩＭＰは最大出力点における電流であり、ＶＯＣは開放電圧であり、ＩＳＣは短絡電流である。効率が約１６％のセルに関する曲線７１０は、どのように、２８３Ｋから１２３Ｋへの装置温度の低下が０．７２から０．３４へのＦＦの低下を引き起こすかを示す。効率が１８．７％のセルに関する曲線７００は、どのように、２９８Ｋから１２３Ｋへの装置温度の低下が約０．７６のエンドポイント値および０．７８の最大中間値を持つＦＦにほとんど全く変動を生じさせないかを示す。
【００７２】
従って、様々な装置温度に関する光起電力変換性能の分析は、特に装置１００が可撓性を備え、５５０℃未満の比較的低い堆積温度を必要とする基板上に製造される場合に、装置１００が本発明方法を用いておそらく製造された吸収層１３０を含むか否かに関する予備的評価を当業者が行うことを有利に可能にし得る。
【００７３】
図８Ａおよび８Ｂは、図４Ａ〜４Ｂに描写した方法を用いて本発明に従って製造された効率が１８．７％の光起電力セルに関する装置温度が２９８Ｋの場合の光起電力性能特性を、先行技術の方法を用いて製造された効率が約１６％の装置のものと比較することを可能にするグラフである。図８Ａおよび８Ｂの曲線８００および８０５は、前記効率が１８．７％の光起電力セルのフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）（ＩＳＥ）によって行われた独立して認定を受けた測定値に基づく。Ｉ−Ｖ曲線またはＪ−Ｖ曲線として知られる、図８Ａの曲線８００は、電圧の関数として電流密度を描く。これは、７１１．９ｍＶの開放電圧ＶＯＣ、３４．７５ｍＡ／ｃｍ２の短絡電流密度、７５．７５％の曲線因子ＦＦ、１０．９１ｍＷの最大出力点電力ＰＭＰＰ、６０１．５ｍＶの最大出力点電圧ＶＭＰＰ、３１．１５ｍＡ／ｃｍ２の最大出力点電流密度ＪＭＰＰ、および０．５８２４ｃｍ２の総面積Ａによって特徴付けられる。これにより、６０１．５ｍＶおよび３１．１５ｍＡ／ｃｍ２で１８．７４ｍＷ／ｃｍ２の最大出力点が生じる。曲線８１０は、先行技術の方法を用いて製造された効率が約１６％の装置を表す。曲線８１０は、曲線８００と比較して、同様の電流密度範囲にわたってより低い電圧を示し、約０．６Ｖの開放電圧を持つ。図８Ｂの曲線８０５は、照明波長の関数として、光起電力セル外部量子効率（ＥＱＥ）を描く。肝心な点は、曲線８０５の頂部が比較的平坦で、約５４０ｎｍ〜約８８０ｎｍに及ぶ波長範囲で、約９０％のＥＱＥレベルで伸びていることである。曲線８０５の前記波長範囲が９０％のＥＱＥレベルを超えるという事実は、この範囲にわたる損失が合計で１０％未満になることを示す。別の肝心な点は、１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長の曲線８０５の伸びた急な下り勾配であり、前記勾配は、約−０．６８８％／ｎｍである。一方、曲線８１５は、先行技術のＥＱＥ対波長特徴曲線であり、１０５０ｎｍ〜１１５０ｎｍに含まれる波長に関して比較的浅い下り勾配を持ち、前記勾配は、約−０．４３３％／ｎｍである。
【００７４】
光起電力装置、特に、５５０℃未満の比較的低い堆積温度を必要とする基板上に製造された可撓性光起電力装置が与えられると、図８Ａおよび８Ｂにより、本開示の本発明方法を用いて装置が製造されたか否かを決定しようとしている当業者が、図６Ａ、６Ｂ、７、および９に関連し、より侵襲的には図５Ａおよび５Ｂに関連する特性化試験等のさらなる特性化試験を行うか否かを有利に決定することが可能となり得る。
【００７５】
図９は、２つの光起電力セルに関する主反射（２２０）／（２４０）のＸ線回折強度対散乱角を示すグラフである。曲線９００は、図４Ａおよび４Ｂに描写した方法を用いて本発明に従って製造された効率が１８．７％の光起電力セルのＸ線回折を示す。曲線９１０は、同じ非侵襲的方法を用いて、図５Ａにおいて曲線５１６を用いて示され、かつ先行技術に記載の方法に類似した方法を用いて製造された効率が約１６％の光起電力セルを分析する。ＣｕＩｎＳｅ２およびＣｕＧａＳｅ２は、異なる格子定数を持ち、曲線９００および９１０は、図５Ｂにおける曲線５００および５１０で示される傾斜Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）プロファイルに対応する。曲線９００は、曲線９１０のものと比較して、その基部において実質的に狭いピークを示す。これは、効率が約１６％の先行技術のセルの場合と比較して、効率が１８．７％の本発明のセルの場合、吸収層の厚さにわたるＧａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）の傾斜の範囲が狭いことを示す。さらに、曲線９１０は、約０．３μｍ〜０．８μｍのスパッタ深さにおける図５Ｂの曲線５１０に見られるＧａが比較的乏しい領域に対応する約４４．４〜４４．８の２θに関して比較的広い肩を示す。効率が１８．７％の本発明の光起電力セルの場合、主反射（２２０）／（２４０）のＸ線回折強度対散乱角２θの曲線９００の基部から測定したＦＷＱＭ９０５は、約０．５４°の幅を持つ。効率が約１６％の先行技術の光起電力セルの場合、主反射（２２０）／（２４０）のＸ線回折強度対散乱角２θの曲線９１０の基部から測定したＦＷＱＭ９１５は、約０．７８°の幅を持つ。
【００７６】
従って、図９に示されるＸ線回折分析方法は、約６００℃未満の温度で製造された光起電力装置が、本開示に記載の本発明方法を用いて製造されたか否かを非侵襲的に示唆する有利な方法を提示する。従って、このＸ線回折分析方法は、図５Ａ〜５Ｃに示されるようなスパッタ深さプロファイル分析等のより侵襲的な方法の前に、有利に用いることができる。
【００７７】
要約すれば、開示した方法は、実質的に高い温度で製造された薄膜装置またはより従来的なシリコンウエハー技術に基づいた装置に匹敵する変換効率を持つように、５５０℃未満の基板温度で薄膜光起電力装置を製造する際に直面する幾つかの問題に対する解決策を提示する。この方法は、１）高い効率性のために必要な組成を生成するために反復され得るステップを含むプロセスによって、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）特徴曲線の設計を可能にすること、２）先行技術において必要とされるよりも低いエネルギーを必要とすること、３）先行技術において可能な光起電力効率よりも高い光起電力効率を持つ装置を製造するために、プラスチック等の可能な基板の範囲を広げること、４）金属基板を使用する必要性およびそれらに関連する事前の表面処理を回避すること、５）ポリイミド等のプラスチックの使用を可能にすること（プラスチックの平滑性は、高効率の光起電力薄膜の製造に有益である）、および６）高効率の光起電力装置の低コストかつ低エネルギーのロール・ツー・ロール製造を可能にする可撓性基板の使用によって、先行技術をしのぐ利点を持つ光起電力装置を製造するための解決策を提供する。
【００７８】
本発明の別の局面は、本方法を用いて製造された光起電力装置である。前記光起電力装置は、１）吸収層の光暴露側の最初の１マイクロメートル以内の吸収層前部傾斜および光起電力特性の向上、２）同様の温度で製造された先行技術の装置と比較して高い曲線因子および開放電圧ＶＯＣ、３）層界面特性の向上によって特徴付けられる、先行技術と比較して光起電力変換効率が著しく向上した光起電力特性を示す。本開示に記載の方法を用いた装置の分析は、１）装置が本方法に従って製造されたか否かを示す、２）装置が先行技術とどのように異なるかを特定する、および３）同等または高い光起電力変換効率を持つ装置の製造方法の使用法を提案することへの解決策を提示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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