(57)【要約】【課題】発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができる化合物薄膜の光吸収層を用いた光電変換デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】透明なガラス基板１１上に酸化チタンの機能層１２を成膜し、その上にＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜する。光吸収層１３の一方面に負電極１５および正電極１６を形成する。機能層１２はパッシベーション膜として機能し、光吸収層１３のダングリングボンドを終端化する。光の入射によって光吸収層１３に生じたキャリアの再結合が抑制され、キャリアの寿命が延びるため、光吸収層１３の一方面に両電極を形成していてもキャリアが両電極にまで移動することができる。光吸収層１３の一方面に両電極が形成されているため、発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができ、発電量の低下を防止することができる。【選択図】図３
2015032772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、
前記透明基板上に成膜され、パッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層と、
前記機能層上に成膜された化合物薄膜の光吸収層と、
前記光吸収層の一方面の負極領域に成膜されたｎ層と、
前記ｎ層上に形成された負電極と、
前記光吸収層の前記一方面の正極領域に形成された正電極と、
を備えることを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光電変換デバイスにおいて、
前記機能層は、前記光吸収層以上の電気抵抗率を有することを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光電変換デバイスにおいて、
前記機能層は、前記透明基板の屈折率と前記光吸収層の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記機能層は、チタン、タンタル、シリコン、ニオブ、および、イットリウムからなる群から選択された１種以上の金属の酸化物、窒化物または窒素酸化物を含むことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記光吸収層と前記ｎ層と間に挟み込んでｉ層を備えることを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記光吸収層の前記正極領域にｐ＋層を形成することを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記光吸収層は、カルコパイライト系化合物の薄膜であることを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の光電変換デバイスにおいて、
前記光吸収層は、銅、インジウム、ガリウムおよびセレンを含むことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項９】
請求項７記載の光電変換デバイスにおいて、
前記光吸収層は、銅、亜鉛および錫を含むことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記正極領域と前記負極領域との間隔は、前記光吸収層の膜厚以上１５０μｍ以下であることを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光電変換デバイスにおいて、
前記透明基板の表面にテクスチャー構造を形成することを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項１２】
透明基板上に、パッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層を成膜する工程(a)と、
前記機能層上に化合物薄膜の光吸収層を成膜する工程(b)と、
前記光吸収層の一方面の負極領域にｎ層を成膜する工程(c)と、
前記ｎ層上に負電極を形成する工程(d)と、
前記光吸収層の前記一方面の正極領域に正電極を形成する工程(e)と、
を備えることを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記機能層は、前記光吸収層以上の電気抵抗率を有することを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記機能層は、前記透明基板の屈折率と前記光吸収層の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記機能層は、チタン、タンタル、シリコン、ニオブ、および、イットリウムからなる群から選択された１種以上の金属の酸化物、窒化物または窒素酸化物を含むことを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１６】
請求項１２から請求項１５のいずれかに記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記工程(a)から前記工程(b)へは減圧雰囲気を維持しつつ移行することを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１７】
請求項１２から請求項１６のいずれかに記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記光吸収層と前記ｎ層と間に挟み込んでｉ層を成膜する工程(f)をさらに備えることを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【請求項１８】
請求項１２から請求項１７のいずれかに記載の光電変換デバイスの製造方法において、
前記工程(a)および前記工程(b)は、スパッタリング法によって成膜を行うことを特徴とする光電変換デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物薄膜の光吸収層を備えた光電変換デバイスおよびその製造方法に関し、特にＣＩＧＳ系などのカルコパイライト構造を有する化合物薄膜の光吸収層を備えた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料や原子力等に代わる安全かつクリーンなエネルギー源として太陽電池が大きな期待を集めている。太陽電池は、光起電力効果を利用して光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する光電変換デバイスである。従来より、広く使用されてきたのは、シリコン系の太陽電池であり、現在の主流である結晶シリコン（単結晶シリコンまたは多結晶シリコン）の他にアモルファスシリコンも使用されている。また、シリコンを使用しない化合物系太陽電池も注目されている。
【０００３】
化合物系太陽電池は、化合物半導体を光吸収層として用いたものであり、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の単結晶やＣＩＧＳ（銅（Ｃｕ）−インジウム（Ｉｎ）−ガリウム（Ｇａ）−セレン（Ｓｅ））等の多結晶薄膜を用いたものが開発されている。これらのうち、ＣＩＧＳのカルコパイライト構造を有する化合物薄膜を光吸収層として用いた太陽電池（以下、ＣＩＧＳ系太陽電池と称する）は、結晶シリコンの太陽電池に迫る光電変換効率を備えており、各種分野への応用が期待される。また、ＣＩＧＳ系太陽電池は、結晶シリコンの太陽電池に比較して、材料の使用量が少なく、さらにはその製造に必要なエネルギー量も少なくて済むという特徴を有する。
【０００４】
一方、従来、ＣＩＧＳ系太陽電池は、光吸収層の表裏に正負の電極を配置した積層構造のものが製造されていた。このような構造の場合、例えば特許文献１に開示されるように、電極層や光吸収層の成膜工程の他に、裏面電極、光吸収層および表面の透明電極のそれぞれをスクライブして素子を分離する工程が必要となり、ＣＩＧＳ系太陽電池の製造には多くの工程を要することとなっていた。また、スクライブによって形成された分割溝や表面側（太陽光の入射面側）の透明電極を接続する部分のように発電に寄与しない部位が不可避的に存在するため、太陽電池パネルとしての総発電量が低下するという問題が生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６５８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる課題を解決するために、光吸収層の裏面側（入射面とは反対側の面）のみに正および負の双方の電極を形成するバックコンタクト型とすることが考えられる。バックコンタクト型の太陽電池であれば、光吸収層の入射面側に電極やその接続部分が存在しないため、発電に寄与しない部位の面積を最小限に抑制することができ、発電量の低下を防止することができる。
【０００７】
このようなバックコンタクト技術は、シリコン系の太陽電池では実現されていたのであるが、ＣＩＧＳ等の化合物薄膜の光吸収層を用いた化合物系太陽電池では不可能な技術とされていた。その理由は、キャリア（電子および正孔）の寿命であるキャリアライフタイムがシリコンに比較してＣＩＧＳ等の化合物では顕著に短く、電極から電荷を取り出す前に大半のキャリアが再結合によって消滅することによるものである。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができる化合物薄膜の光吸収層を用いた光電変換デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、光電変換デバイスであって、透明基板と、前記透明基板上に成膜され、パッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層と、前記機能層上に成膜された化合物薄膜の光吸収層と、前記光吸収層の一方面の負極領域に成膜されたｎ層と、前記ｎ層上に形成された負電極と、前記光吸収層の前記一方面の正極領域に形成された正電極と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記機能層は、前記光吸収層以上の電気抵抗率を有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記機能層は、前記透明基板の屈折率と前記光吸収層の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記機能層は、チタン、タンタル、シリコン、ニオブ、および、イットリウムからなる群から選択された１種以上の金属の酸化物、窒化物または窒素酸化物を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記光吸収層と前記ｎ層と間に挟み込んでｉ層を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記光吸収層の前記正極領域にｐ＋層を形成することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記光吸収層は、カルコパイライト系化合物の薄膜であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記光吸収層は、銅、インジウム、ガリウムおよびセレンを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９の発明は、請求項７の発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記光吸収層は、銅、亜鉛および錫を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０の発明は、請求項１から請求項９のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記正極領域と前記負極領域との間隔は、前記光吸収層の膜厚以上１５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１の発明は、請求項１から請求項１０のいずれかの発明に係る光電変換デバイスにおいて、前記透明基板の表面にテクスチャー構造を形成することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２の発明は、光電変換デバイスの製造方法であって、透明基板上に、パッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層を成膜する工程(a)と、前記機能層上に化合物薄膜の光吸収層を成膜する工程(b)と、前記光吸収層の一方面の負極領域にｎ層を成膜する工程(c)と、前記ｎ層上に負電極を形成する工程(d)と、前記光吸収層の前記一方面の正極領域に正電極を形成する工程(e)と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１３の発明は、請求項１２の発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記機能層は、前記光吸収層以上の電気抵抗率を有することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１４の発明は、請求項１２または請求項１３の発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記機能層は、前記透明基板の屈折率と前記光吸収層の屈折率との間の屈折率を有することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１５の発明は、請求項１２から請求項１４のいずれかの発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記機能層は、チタン、タンタル、シリコン、ニオブ、および、イットリウムからなる群から選択された１種以上の金属の酸化物、窒化物または窒素酸化物を含むことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１６の発明は、請求項１２から請求項１５のいずれかの発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記工程(a)から前記工程(b)へは減圧雰囲気を維持しつつ移行することを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１７の発明は、請求項１２から請求項１６のいずれかの発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記光吸収層と前記ｎ層と間に挟み込んでｉ層を成膜する工程(f)をさらに備えることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１８の発明は、請求項１２から請求項１７のいずれかの発明に係る光電変換デバイスの製造方法において、前記工程(a)および前記工程(b)は、スパッタリング法によって成膜を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１から請求項１１の発明によれば、透明基板と化合物薄膜の光吸収層との間にパッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層を成膜するため、機能層によって光吸収層のダングリングボンドが終端化されてキャリアの寿命が延び、光吸収層の一方面に負電極および正電極を形成していても電力を取り出すことが出来る。光吸収層の一方面に負電極および正電極を形成できれば、発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができ、発電量の低下を防止することができる。
【００２８】
特に、請求項２の発明によれば、機能層が光吸収層以上の電気抵抗率を有するため、リーク電流を低減することができる。
【００２９】
特に、請求項３の発明によれば、機能層が透明基板の屈折率と光吸収層の屈折率との間の屈折率を有するため、光電変換デバイスの入射面側の光の反射が低減されることとなり、光の利用効率を高めることができる。
【００３０】
特に、請求項５の発明によれば、光吸収層とｎ層と間にｉ層を挟み込んでいるため、キャリアの移動が円滑になる。
【００３１】
特に、請求項６の発明によれば、光吸収層の正極領域にｐ＋層を形成するため、キャリアの移動が円滑になる。
【００３２】
特に、請求項１０の発明によれば、正極領域と負極領域との間隔が光吸収層の膜厚以上１５０μｍ以下であるため、キャリアが再結合によって消滅することなく負電極および正電極まで移動することができる。
【００３３】
特に、請求項１１の発明によれば、透明基板の表面にテクスチャー構造を形成するため、透明基板の表面で入射光を散乱させてより多くの光を光吸収層に吸収させることができる。
【００３４】
また、請求項１２から請求項１８の発明によれば、透明基板と化合物薄膜の光吸収層との間にパッシベーション機能を有するｐ型またはｉ型の機能層を成膜するため、機能層によって光吸収層のダングリングボンドが終端化されてキャリアの寿命が延び、光吸収層の一方面に負電極および正電極を形成していても電力を取り出すことが出来る。光吸収層の一方面に負電極および正電極を形成できれば、発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができ、発電量の低下を防止することができる。
【００３５】
特に、請求項１３の発明によれば、機能層が光吸収層以上の電気抵抗率を有するため、リーク電流を低減することができる。
【００３６】
特に、請求項１４の発明によれば、機能層が透明基板の屈折率と光吸収層の屈折率との間の屈折率を有するため、光電変換デバイスの入射面側の光の反射が低減されることとなり、光の利用効率を高めることができる。
【００３７】
特に、請求項１６の発明によれば、機能層の成膜工程から光吸収層の成膜工程へは減圧雰囲気を維持しつつ移行するため、機能層および光吸収層の酸化を防止して膜質を向上させることができる。
【００３８】
特に、請求項１７の発明によれば、光吸収層とｎ層と間にｉ層を挟み込んでいるため、キャリアの移動が円滑になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る光電変換デバイスを模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の一部を拡大した図である。
【図３】光電変換デバイスの断面図である。
【図４】基本セルにおける負極領域および正極領域を模式的に示す図である。
【図５】光電変換デバイスの製造手順を示すフローチャートである。
【図６】光電変換デバイスの製造手順を示すフローチャートである。
【図７】図５の処理を実行する真空成膜装置を示す斜視図である。
【図８】ガラス基板上に機能層が成膜された状態を示す図である。
【図９】機能層上に光吸収層が成膜された状態を示す図である。
【図１０】光吸収層上にｉ層およびｎ層が成膜された状態を示す図である。
【図１１】負極領域にレジスト膜が残された状態を示す図である。
【図１２】ｉ層およびｎ層が負極領域の形状に形成された状態を示す図である。
【図１３】モリブデン膜が負極領域および正極領域の形状に形成された状態を示す図である。
【図１４】ガラス基板の入射面にテクスチャー構造を設けた図である。
【図１５】光電変換デバイスの構造の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
【００４１】
＜１．光電変換デバイスの構造＞
図１は、本発明に係る光電変換デバイス１０を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＣで示す部分を拡大した図である。また、図３は、光電変換デバイス１０の断面図である。この光電変換デバイス１０は、受光した光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池である。光電変換デバイス１０が太陽電池として使用されるときには、図１，３の矢印ＡＲ１，ＡＲ３にて示す向きから太陽光が入射する。なお、図１には、複数の太陽電池を接続して構成される太陽電池パネルの一部を切断して示す。
【００４２】
光電変換デバイス１０は、表面側から順に、ガラス基板１１と、機能層１２と、光吸収層１３と、負電極１５および正電極１６と、備える。また、図２，３に示すように、光吸収層１３と負電極１５との間には、ｉ層１７およびｎ層１８が挟み込まれるように設けられる。表面側とは、光電変換デバイス１０の光入射面側であり、図１，２では下側である。光電変換デバイス１０は、透明なガラス基板１１の上に光吸収層１３等を形成したいわゆるスーパーストレート構造を有する。
【００４３】
ガラス基板１１は、太陽光に対して透明なガラス（例えば、ソーダガラス）にて形成された平板状の透明基板である。ガラス基板１１のサイズは特に限定されるものではなく、製造する太陽電池パネルの大きさに応じた適宜のものとすることができるが、例えば長さ７５０ｍｍ、幅１１００ｍｍ、厚さ２ｍｍである。
【００４４】
ガラス基板１１上には、機能層１２が成膜されている。本実施形態において、機能層１２は酸化チタン（ＴｉＯ２）の薄膜である。機能層１２は、ガラス基板１１の入射面とは反対側の全面に成膜されており、その平面サイズはガラス基板１１と同じである。また、機能層１２の膜厚は、例えば５０ｎｍである。
【００４５】
本発明に係る光電変換デバイス１０において、酸化チタンの機能層１２は複数の重要な機能を有している。機能層１２は、主としてパッシベーション機能と減反射機能とを有しているのであるが、その詳細についてはさらに後述する。
【００４６】
機能層１２上には、化合物薄膜の光吸収層１３が成膜されている。光吸収層１３は、光起電力効果を生じさせるための層である。本実施形態の光吸収層１３は、ＣＩＧＳの多結晶薄膜である。ＣＩＧＳの光吸収層１３は機能層１２の全面に成膜されている。光吸収層１３の膜厚は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては２μｍである。
【００４７】
「ＣＩＧＳ」は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２の略称であり、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）およびセレン（Ｓｅ）を含むI-III-VI族化合物半導体の一種である。I-III-VI族化合物半導体とは、Ｉb族元素（本明細書では族の名称はいわゆる短周期型周期表に従う。Ｉb族元素は、ＩＵＰＡＣの長周期型周期表では１１族元素に相当する）とIIIb族元素（長周期型周期表では１３族元素）とVIb族元素（長周期型周期表では１６族元素）とが所定の組成比で合金化された化合物半導体である。ＣＩＧＳを含むI-III-VI族化合物半導体は、カルコパイライト型結晶構造を有しており、カルコパイライト系化合物半導体とも称される。I-III-VI族化合物半導体は、１０μｍ以下の薄膜であっても光電変換効率が高く、太陽電池の光吸収層として好適な素材である。
【００４８】
光吸収層１３の上には、ｉ層１７およびｎ層１８を挟み込んで負電極１５が形設されている。また、光吸収層１３の上には正電極１６が形設されている。すなわち、負電極１５および正電極１６が光吸収層１３の同じ側の面に設けられているのである。負電極１５および正電極１６は、光起電力効果によって光電変換デバイス１０に生じた電力を集電して外部に取り出すための電極である。負電極１５および正電極１６は、モリブデン（Ｍｏ）にて形成されている。
【００４９】
図１に示すように、光電変換デバイス１０には、複数の基本セルＵＣがマトリックス状に設けられている。基本セルＵＣは、太陽電池として発電機能する最小単位の構造体である。１つの基本セルＵＣの光吸収層１３に、１対の負電極１５および正電極１６が設けられている。
【００５０】
図４は、基本セルＵＣにおける負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲを模式的に示す図である。光吸収層１３の負極領域ＮＲに負電極１５が設けられ、正極領域ＰＲに正電極１６が設けられる。図４に示すように、負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲは、所定間隔で複数の歯を備えた櫛歯状に形成されている。負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲの櫛歯のピッチは等しく、双方の櫛歯が噛み合うように負極領域ＮＲと正極領域ＰＲとが相対向して形成される。
【００５１】
負極領域ＮＲと正極領域ＰＲとの間隔Ｓｄ、つまり負電極１５と正電極１６との間隔は、光吸収層１３の膜厚以上１５０μｍ以下である（本実施形態では１５μｍ）。上述のように、本実施形態の光吸収層１３の膜厚は２μｍである。近年の技術傾向として、化合物薄膜系太陽電池の光吸収層１３の膜厚は薄くなる傾向にあり、この膜厚が大きくても１０μｍを超えることは現実的には有り得ない。また、負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲのライン幅Ｌｄ、つまり負電極１５および正電極１６の電極幅は３５０μｍ以下であり、本実施形態では３０μｍである。
【００５２】
光吸収層１３の負極領域ＮＲにはｉ層１７が成膜され、そのｉ層１７上にｎ層１８が成膜される。ｉ層１７は、キャリア濃度の低い真性半導体としての性質を有する層であり、例えばＺｎＯの薄膜である。ｎ層１８は、多数キャリアが電子であるｎ型半導体としての性質を有する層であり、例えばＣｄＳの薄膜である。そして、ｎ層１８上にモリブデンの負電極１５が形成される。
【００５３】
一方、光吸収層１３の正極領域ＰＲには直接にモリブデンの正電極１６が形成される。ＣＩＧＳの光吸収層１３に直接モリブデンの正電極１６が形成されることによって、正電極１６直下の光吸収層１３の正極領域ＰＲ表層にキャリア濃度の高いｐ＋層１９が形成される（図３）。このｐ＋層１９が形成されることによって、ショットキー障壁が現れることなく光吸収層１３と正電極１６との間で電流が流れることとなる。
【００５４】
基本セルＵＣでは負極領域ＮＲの櫛歯と正極領域ＰＲの櫛歯とが互いに噛み合うように形成されているため、負電極１５および正電極１６は双方の櫛歯が噛み合うように相対向して設けられる。そして、負電極１５と正電極１６との間隔は、光吸収層１３の膜厚以上１５０μｍ以下である。
【００５５】
また、図１に示すように、光電変換デバイス１０の縦方向（負電極１５および正電極１６の櫛歯の長手方向）に沿って隣接する基本セルＵＣの負電極１５と正電極１６とが直列に接続されている。これにより、光電変換デバイス１０の出力する電圧を高めることができる。なお、１つの基本セルＵＣから出力される電圧は約０．７Ｖである。さらに、光電変換デバイス１０の横方向（負電極１５および正電極１６の櫛歯の幅方向）に沿って隣接する正電極１６が並列に接続されている。これにより、光電変換デバイス１０から出力される電力を高めることができる。
【００５６】
＜２．光電変換デバイスの製造＞
次に、上記の構造を有する光電変換デバイス１０の製造方法について説明する。図５および図６は、光電変換デバイス１０の製造手順を示すフローチャートである。また、図７は、図５のステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行する真空成膜装置５０を示す斜視図である。
【００５７】
真空成膜装置５０は、いわゆるマルチチャンバー型の真空装置であり、２つのクラスターツールを接続チャンバー５６によって接続した形態を備える。第１搬送チャンバー５２の周囲には、ロード側ロードロック５１、スパッタ処理部５３，５４、および、アニール処理部５５が接続されている。また、第２搬送チャンバー６１の周囲には、スパッタ処理部６２，６３、アニール処理部６４、および、アンロード側ロードロック６５が接続されている。第１搬送チャンバー５２と第２搬送チャンバー６１とは接続チャンバー５６によって接続されている。隣接するチャンバーはゲートバルブによって仕切られている。
【００５８】
ロード側ロードロック５１およびアンロード側ロードロック６５は、いわゆるロードロックチャンバーであり、真空成膜装置５０の内部全体を大気開放しない目的で設けられている。ロード側ロードロック５１は、装置外部からガラス基板１１を受け入れて所定圧にまで減圧した後に第１搬送チャンバー５２にガラス基板１１を渡す。アンロード側ロードロック６５は、第２搬送チャンバー６１から成膜後のガラス基板１１を受け入れて大気圧にまで復圧し、そのガラス基板１１を装置外部に搬出する。ロード側ロードロック５１およびアンロード側ロードロック６５を除く真空成膜装置５０の他のチャンバーは、原則として常時減圧雰囲気とされている。
【００５９】
第１搬送チャンバー５２および第２搬送チャンバー６１は、搬送機構を内蔵しており、接続された各チャンバーとの間でガラス基板１１の受け渡しを行う。すなわち、第１搬送チャンバー５２は、ロード側ロードロック５１、スパッタ処理部５３，５４、アニール処理部５５、および、接続チャンバー５６に対してガラス基板１１の受け渡しを行って循環搬送する。第２搬送チャンバー６１は、スパッタ処理部６２，６３、アニール処理部６４、アンロード側ロードロック６５、および、接続チャンバー５６に対してガラス基板１１の受け渡しを行って循環搬送する。
【００６０】
スパッタ処理部５３，５４，６２，６３は、真空チャンバー内に金属のターゲットを設置し、例えばアルゴン（Ａｒ）のプラズマを生成してターゲットに衝突させることによりターゲット表面の金属原子をはじき飛ばしてガラス基板１１に到達させて成膜する装置である。スパッタ処理部５３，５４，６２，６３は、機能層１２、光吸収層１３、ｉ層１７およびｎ層１８をそれぞれ成膜する。スパッタ処理部５３，５４，６２，６３としては、公知の種々のスパッタリング装置を採用することができ、特にＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜するスパッタ処理部５４としては、特許第３８３６６３６号公報、特許第３８３６８６６号公報、特許第４４５１３９２号公報、特許第４８５２１４０号公報に開示される装置を好適に用いることができる。
【００６１】
アニール処理部５５，６４は、真空チャンバー内に保持したガラス基板１１を所定の温度に加熱する装置である。加熱の方式は、ヒータによって加熱するものであっても良いし、光照射によって加熱するものであっても良く、アニール処理部５５，６４としては公知の種々のアニール装置を用いることができる。
【００６２】
接続チャンバー５６は、第１搬送チャンバー５２から第２搬送チャンバー６１にガラス基板１１を渡すために介在しており、両搬送チャンバーの搬送機構がガラス基板１１の受け渡しを行うための載置台を備える。第１搬送チャンバー５２の搬送機構が当該載置台に渡したガラス基板１１を第２搬送チャンバー６１の搬送機構が受け取る。
【００６３】
真空成膜装置５０に設けられた各チャンバー（ロードロック５１，６５および搬送チャンバー５２，６１を含む）は、いずれも真空チャンバーであり、真空排気機構によって個別に所定の真空度にまで排気することが可能とされている。特に、スパッタ処理部５３，５４，６２，６３は、真空成膜装置５０による処理を開始する前には１０−４Ｐａ程度にまで排気することが可能とされており、成膜処理中はアルゴン等のガスを供給するため０．５Ｐａ〜１Ｐａ程度の減圧雰囲気とされる。また、真空成膜装置５０の各チャンバーには、真空排気系の他に、プロセスガス供給系、電源供給系、冷却機構などが適宜設けられている。
【００６４】
まず、未処理のガラス基板１１は、ロード側ロードロック５１に搬入される。このときには、ロード側ロードロック５１の搬入口は開放されるとともに、ロード側ロードロック５１と第１搬送チャンバー５２とを仕切るゲートバルブは閉鎖されている。よって、ロード側ロードロック５１は大気開放されるものの、第１搬送チャンバー５２内は減圧雰囲気に維持される。
【００６５】
未処理のガラス基板１１がロード側ロードロック５１に搬入されると、ロード側ロードロック５１の搬入口が閉鎖されて内部空間が密閉空間とされ、その内部空間が真空排気される。そして、ロード側ロードロック５１の内部空間が所定の真空度にまで排気されると、第１搬送チャンバー５２との間のゲートバルブが開き、第１搬送チャンバー５２の搬送機構がロード側ロードロック５１からガラス基板１１を取り出してスパッタ処理部５３に搬入する。
【００６６】
スパッタ処理部５３にガラス基板１１が搬入されると、スパッタ処理部５３と第１搬送チャンバー５２とを仕切るゲートバルブが閉鎖され、スパッタ処理部５３内にてガラス基板１１上に機能層１２が成膜される（図５のステップＳ１）。スパッタ処理部５３は、例えばチタン（Ｔｉ）を含む材料をターゲットとし、酸素ガス（Ｏ２）をチャンバー内に導入しつつスパッタリングを行う反応性スパッタにより、ガラス基板１１上に酸化チタンの機能層１２を成膜する。
【００６７】
図８は、ガラス基板１１上に機能層１２が成膜された状態を示す図である。スパッタ処理部５３にて、ガラス基板１１の全面に酸化チタンの機能層１２が成膜される。ガラス基板１１上に成膜される機能層１２の膜厚は例えば５０ｎｍである。
【００６８】
次に、第１搬送チャンバー５２の搬送機構がスパッタ処理部５３からガラス基板１１を搬出してスパッタ処理部５４に搬入する。機能層１２が成膜されたガラス基板１１がスパッタ処理部５４に搬入されると、スパッタ処理部５４と第１搬送チャンバー５２とを仕切るゲートバルブが閉鎖され、スパッタ処理部５４内にて機能層１２上に光吸収層１３が成膜される（ステップＳ２）。
【００６９】
スパッタ処理部５４は、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅを含む合金のターゲットを使用してスパッタリングを行うことにより、機能層１２上に光吸収層１３を成膜している。すなわち、形成すべき光吸収層１３とほぼ同じ組成比のＣｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅを含む合金を予め作製しておき、その合金をターゲットとして使用する。そして、アルゴンのプラズマをそのターゲットに衝突させることにより、ターゲットの表面からスパッタ粒子（Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの原子）が飛び出して機能層１２の表面に到達して付着する。機能層１２の表面にスパッタ粒子が堆積することにより光吸収層１３の薄膜が形成される。なお、ＣＩＧＳの合金をターゲットとして使用するのに代えて、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅのそれぞれの単体金属をターゲットとして用いる多源スパッタリングを行うようにしても良い。
【００７０】
スパッタ処理部５４における所定時間のスパッタリングにより、機能層１２の表面には膜厚が約２μｍの光吸収層１３が成膜される。ただし、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの合金をターゲットとして用いたスパッタリングによって成膜された光吸収層１３は、組成比こそ目的とするＣＩＧＳとほぼ同じであるが、単にＣｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの原子がランダムに飛翔して堆積した堆積層に過ぎず、ＣＩＧＳ合金のプリカーサ（前駆体）というべきものである。すなわち、スパッタ処理部５４による成膜直後の光吸収層１３においては、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの原子が結合したＣＩＧＳの化合物が完全には形成されておらず、カルコパイライト型の結晶構造も十分には現出していない。このような状態の光吸収層１３では、光起電力効果を生じさせるための光吸収層として十分に機能せず、光電変換デバイス１０も太陽電池として機能しないこととなる。
【００７１】
そこで、本実施形態においては、スパッタリングによって成膜された光吸収層１３のプリカーサに加熱処理を行っている（ステップＳ３）。具体的には、第１搬送チャンバー５２の搬送機構が光吸収層１３のプリカーサが成膜されたガラス基板１１をスパッタ処理部５４から搬出してアニール処理部５５に搬入する。ガラス基板１１がアニール処理部５５に搬入されると、アニール処理部５５と第１搬送チャンバー５２とを仕切るゲートバルブが閉鎖される。そして、アニール処理部５５にて、光吸収層１３のプリカーサが成膜されたガラス基板１１が所定の処理温度に加熱される。
【００７２】
アニール処理部５５にて光吸収層１３のプリカーサが加熱されることにより、それに含まれているＣｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの原子の化合化が促進され、確実なＣＩＧＳの化合物が形成されることとなる。さらに、光吸収層１３が加熱されることによって、ＣＩＧＳの化合物の結晶化も促進され、光吸収層１３がカルコパイライト型の結晶構造を有するようになる。これにより、光吸収層１３に光起電力効果を生じさせる機能が付与されることとなる。なお、「化合化」とは、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの原子が結合してＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２の化合物を形成するものの、それが完全な結晶構造を有するまでには至らない状態変化である。「結晶化」とは、ＣＩＧＳの化合物がカルコパイライト型の結晶構造を呈するようになる状態変化である。
【００７３】
図９は、機能層１２上に光吸収層１３が成膜された状態を示す図である。スパッタ処理部５４におけるスパッタリングとアニール処理部５５での加熱処理によって、カルコパイライト型の結晶構造を有するＣＩＧＳの光吸収層１３が機能層１２の全面に成膜される。機能層１２上に成膜される光吸収層１３の膜厚は例えば２μｍである。
【００７４】
次に、第１搬送チャンバー５２の搬送機構がアニール処理部５５からガラス基板１１を搬出して接続チャンバー５６に渡す。接続チャンバー５６に渡された図９の状態のガラス基板１１は第２搬送チャンバー６１の搬送機構によって受け取られる。そして、第２搬送チャンバー６１の搬送機構はガラス基板１１をスパッタ処理部６２に搬入する。ガラス基板１１がスパッタ処理部６２に搬入されると、スパッタ処理部６２と第２搬送チャンバー６１とを仕切るゲートバルブが閉鎖され、スパッタ処理部６２内にて光吸収層１３上にｉ層１７が成膜される（ステップＳ４）。スパッタ処理部６２は、スパッタリングによって光吸収層１３上に例えばＺｎＯのｉ層１７を成膜する。
【００７５】
続いて、第２搬送チャンバー６１の搬送機構がスパッタ処理部６２からガラス基板１１を搬出してスパッタ処理部６３に搬入する。ｉ層１７が成膜されたガラス基板１１がスパッタ処理部６３に搬入されると、スパッタ処理部６３と第２搬送チャンバー６１とを仕切るゲートバルブが閉鎖され、スパッタ処理部６３内にてｉ層１７上にｎ層１８が成膜される（ステップＳ５）。スパッタ処理部６３は、スパッタリングによってｉ層１７上に例えばＣｄＳのｎ層１８を成膜する。
【００７６】
次に、第２搬送チャンバー６１の搬送機構がスパッタ処理部６３からガラス基板１１を搬出してアニール処理部６４搬入する。ガラス基板１１がアニール処理部６４に搬入されると、アニール処理部６４と第２搬送チャンバー６１とを仕切るゲートバルブが閉鎖される。そして、アニール処理部６４にて、ｉ層１７およびｎ層１８が成膜されたガラス基板１１が所定の処理温度に加熱される（ステップＳ６）。この加熱処理によって、スパッタリング直後のｉ層１７およびｎ層１８の緻密化が促進される。
【００７７】
図１０は、光吸収層１３上にｉ層１７およびｎ層１８が成膜された状態を示す図である。同図に示すように、成膜直後の段階では、光吸収層１３の全面にＺｎＯのｉ層１７が成膜され、そのｉ層１７の全面にＣｄＳのｎ層１８が成膜されている。
【００７８】
ｉ層１７およびｎ層１８の加熱処理が終了した後、第２搬送チャンバー６１の搬送機構がアニール処理部６４からガラス基板１１を搬出してアンロード側ロードロック６５に搬入する。ガラス基板１１がアンロード側ロードロック６５に搬入されると、アンロード側ロードロック６５と第２搬送チャンバー６１とを仕切るゲートバルブが閉鎖される。続いて、アンロード側ロードロック６５の内部空間に気体が供給されて大気圧にまで復圧される。このとき、アンロード側ロードロック６５と第２搬送チャンバー６１とを仕切るゲートバルブが閉鎖されているため、第２搬送チャンバー６１内の減圧雰囲気は維持される。その後、アンロード側ロードロック６５の搬出口が開放されて図１０の状態のガラス基板１１が真空成膜装置５０から搬出される。
【００７９】
図５のステップＳ１〜ステップＳ６の処理は全て真空成膜装置５０内にて実行される。真空成膜装置５０を構成するチャンバーは、処理中は常時大気圧よりも低い減圧雰囲気に維持されている（ロード側ロードロック５１およびアンロード側ロードロック６５を除く）。よって、ステップＳ１〜ステップＳ６の処理は、処理間の基板搬送も含めて常に減圧雰囲気中にて行われることとなり、機能層１２、光吸収層１３、ｉ層１７およびｎ層１８は大気雰囲気に曝されることなく連続して成膜される。
【００８０】
特に、機能層１２の成膜工程から光吸収層１３の成膜工程へは減圧雰囲気を維持しつつ移行することとなるため、機能層１２は大気に曝されない。また、光吸収層１３の成膜工程からｉ層１７およびｎ層１８の成膜工程へも減圧雰囲気を維持しつつ移行することとなるため、光吸収層１３も大気に曝されない。従って、機能層１２および光吸収層１３の表面の自然酸化を防止することができる。
【００８１】
図１０のガラス基板１１が真空成膜装置５０から搬出された後、フォトリソグラフィ技術によってｉ層１７およびｎ層１８のパターンを形成する（図６のステップＳ７）。具体的には、図１０に示すガラス基板１１のｎ層１８の全面にフォトレジストを塗布してレジスト膜を形成する。続いて、レジスト膜のパターン露光および現像を行うことにより、負極領域ＮＲの形状に沿ってレジスト膜を残すようなパターンを形成する。なお、レジスト塗布、パターン露光および現像等の一連のフォトリソグラフィ処理を行う装置としては公知の種々のものを使用することができる。パターン露光には、プロキシミティマスク露光機を用いても良いし、マスクレスの直接描画露光機を用いるようにしても良い。
【００８２】
図１１は、負極領域ＮＲにレジスト膜３１が残された状態を示す図である。パターン露光および現像処理によって、負極領域ＮＲの形状（図４参照）に沿ってｎ層１８上にレジスト膜３１が残される。負極領域ＮＲの除く他の領域については、現像処理時にレジスト膜３１が取り除かれている。
【００８３】
次に、エッチング処理によってｉ層１７およびｎ層１８を負極領域ＮＲの形状に形成する（ステップＳ８）。すなわち、図１１に示す状態の積層体にエッチング処理を施してレジスト膜３１が形成されていない領域のｉ層１７およびｎ層１８を除去するのである。このようなエッチング処理としては、公知のウェットエッチング処理またはドライエッチング処理を採用することができる。なお、エッチング処理時における光吸収層１３の腐食を防止する目的で、ｉ層１７を成膜する前に光吸収層１３上にエッチングストッパー膜を成膜しておくようにしても良い。このようなエッチングストッパー膜としては、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。
【００８４】
図１２は、ｉ層１７およびｎ層１８が負極領域ＮＲの形状に形成された状態を示す図である。エッチング処理によってレジスト膜３１が形成されていない領域（つまり、負極領域ＮＲを除く領域）のｉ層１７およびｎ層１８が除去され、負極領域ＮＲの形状にｉ層１７およびｎ層１８が形成される。その結果、負極領域ＮＲを除く他の領域については、光吸収層１３が露出することとなる。続いて、例えばアッシングによって負極領域ＮＲの形状に残っているレジスト膜３１をｎ層１８から剥離する。
【００８５】
次に、上記の積層体の上面に正負の電極となるモリブデンの膜を成膜する（ステップＳ９）。このモリブデンの成膜処理は、真空成膜装置５０とは別体に設けられたスパッタリング装置によって行えば良い。スパッタリングによって積層体の上面全面にモリブデン膜が成膜される。すなわち、負極領域ＮＲについてはｉ層１７およびｎ層１８の上側にモリブデン膜が成膜され、それ以外の領域については光吸収層１３の上に直接モリブデンの膜が成膜されることとなる。
【００８６】
次に、上記のようにしてモリブデン膜が成膜された積層体の加熱処理を行う（ステップＳ１０）。この加熱処理によってモリブデンの膜の歪が低減される。また、モリブデン膜と光吸収層１３との直接の接続、並びに、ｉ層１７およびｎ層１８を挟み込んでのモリブデン膜と光吸収層１３との接続が確立される。
【００８７】
その後、再びフォトリソグラフィ技術を用いて負電極１５および正電極１６のパターンを形成する（ステップＳ１１）。具体的には、上述のモリブデン膜の全面にフォトレジストを塗布してレジスト膜を形成する。続いて、レジスト膜のパターン露光および現像を行うことにより、負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲの形状（図４参照）に沿ってレジスト膜を残すようなパターンを形成する。ステップＳ７と同様に、レジスト塗布、パターン露光および現像等の一連のフォトリソグラフィ処理を行う装置としては公知の種々のものを使用することができる。また、パターン露光には、プロキシミティマスク露光機を用いても良いし、マスクレスの直接描画露光機を用いるようにしても良い。
【００８８】
次に、エッチング処理によってモリブデン膜を負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲの形状に形成する（ステップＳ１２）。すなわち、エッチング処理によってレジスト膜が形成されていない領域（つまり、負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲを除く領域）のモリブデン膜を除去する。ステップＳ８と同様に、エッチング処理としては、公知のウェットエッチング処理またはドライエッチング処理を採用することができる。また、エッチング処理時における光吸収層１３の腐食を防止する目的で、モリブデン膜を成膜する前に光吸収層１３上に例えばＩＴＯのエッチングストッパー膜を成膜しておくようにしても良い。
【００８９】
図１３は、モリブデン膜が負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲの形状に形成された状態を示す図である。エッチング処理によってレジスト膜３１が形成されていない領域のモリブデン膜が除去され、負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲの形状にモリブデン膜が形成される。その結果、光吸収層１３の負極領域ＮＲにはｉ層１７およびｎ層１８を挟み込んで負電極１５が形成され、光吸収層１３の正極領域ＰＲには直接に正電極１６が形成される。負極領域ＮＲおよび正極領域ＰＲを除く他の領域については、光吸収層１３が露出することとなる。続いて、例えばアッシングによって負電極１５および正電極１６上に残っているレジスト膜３１を剥離する。
【００９０】
以上のような工程を経て、図３に示すような構造を有する光電変換デバイス１０が製造される。光電変換デバイス１０は、透明なガラス基板１１上に機能層１２、光吸収層１３、負電極１５および正電極１６を形成していくスーパーストレート構造を有するものであり、光吸収層１３の一方面（光入射面とは反対側面）に負電極１５および正電極１６を形成している。
【００９１】
＜３．光電変換デバイスの動作＞
次に、光電変換デバイス１０の動作について説明する。本実施形態の光電変換デバイス１０においては、図１，３のそれぞれ矢印ＡＲ１，ＡＲ３にて示す向きから太陽光が入射する。太陽光はガラス基板１１および機能層１２を透過して光吸収層１３に入射する。入射した太陽光が光吸収層１３にて吸収されることにより、光起電力効果によって負電荷（電子）と正電荷（正孔）とが生じる。
【００９２】
これらのキャリアは電界に導かれて移動し、負電荷は負電極１５に集められ、正電荷は正電極１６に集められて電力として光電変換デバイス１０の外部に出力される。このようにして、光電変換デバイス１０は太陽電池として機能することとなる。
【００９３】
ところで、本実施形態の光電変換デバイス１０は、光吸収層１３の一方面に負電極１５および正電極１６が形成された、いわゆるバックコンタクト型とされている。既述したように、このようなバックコンタクト技術は、シリコン系の太陽電池では実現されていたのであるが、ＣＩＧＳ等の化合物薄膜の光吸収層を用いた化合物系太陽電池では不可能な技術とされていた。
【００９４】
その理由は、以下の通りである。光起電力効果によって生じたキャリア（電子および正孔）の寿命であるキャリアライフタイムは、シリコンではマイクロ秒で表されるのに対して、ＣＩＧＳの化合物薄膜ではナノ秒のオーダーである。すなわち、太陽光の入射によって生じたキャリアの寿命がＣＩＧＳではシリコンの１０００分の１程度と顕著に短く、生成されてから極めて短い時間でキャリアが再結合して消滅する。従って、ＣＩＧＳ系太陽電池では、負電極と正電極との間の間隔が大きいとキャリアが長距離を移動できずに再結合によって消滅するのである。
【００９５】
従来、ＣＩＧＳ系太陽電池では、光吸収層の厚さ方向の表裏に負電極と正電極とを配置した積層構造のものが実用化されていた。光吸収層の膜厚は数μｍ程度であり、この程度の距離であればキャリアが移動して正負の電極から電力として取り出すことが可能であった。
【００９６】
しかしながら、このような著しく短い間隔にて負電極と正電極とを光吸収層の一方面に設けることは容易ではなく、ある程度の間隔を隔てて両電極を設置せざるを得なかった。シリコン系の太陽電池であれば、キャリアの寿命が比較的長いため、ある程度の間隔を隔てて負電極と正電極とを設けたとしてもキャリアが両電極まで移動することができ、電力として取り出すことが可能である。ところが、ＣＩＧＳ系太陽電池では、キャリアの寿命が極めて短いため、負電極と正電極との間隔がある程度大きいと大半のキャリアが両電極に到達する前に再結合によって消滅することとなり、電力として取り出すことが不可能であったのである。このような理由から、太陽電池に関する技術分野では、バックコンタクト型のＣＩＧＳ系太陽電池は不可能であるというのが技術常識であった。
【００９７】
そこで、本発明に係る光電変換デバイス１０においては、ガラス基板１１上に酸化チタンの機能層１２を成膜し、その機能層１２上にＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜している。すなわち、ガラス基板１１上に直接光吸収層１３を成膜するのではなく、機能層１２を挟み込んで光吸収層１３を成膜しているのである。この機能層１２が幾つかの重要な機能を有している。
【００９８】
機能層１２の第１の機能はパッシベーション機能である。ガラス基板１１上に直接にＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜した場合には、それらの界面近傍において光吸収層１３内に多数のダングリングボンド（未結合手）が存在したままとなる。ダングリングボンドではキャリアがトラップされて再結合が生じやすく、多数のダングリングボンドが残留したままであるとキャリアの寿命が短くなる。
【００９９】
これに対して、ガラス基板１１上に成膜した機能層１２上にＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜した場合には、酸化チタンの機能層１２によって光吸収層１３のダングリングボンドが終端化され（パッシベーション機能）、未結合のままとなる原子が顕著に少なくなる。その結果、光の入射によってＣＩＧＳの光吸収層１３に生じたキャリアの再結合が抑制され、キャリアライフタイムを延ばすことができる。従って、負電極１５と正電極１６との間隔がある程度長かったとしてもキャリアが再結合によって消滅することなく両電極まで移動することができ、電力として取り出すことが可能となる。これにより、光吸収層１３の一方面に負電極１５および正電極１６が形成されたバックコンタクト型の光電変換デバイス１０を実現することができるのである。
【０１００】
機能層１２の第２の機能は減反射機能である。酸化チタンの機能層１２の屈折率はｎ＝２．３〜２．５である。一方、ガラス基板１１の屈折率はｎ＝１．５５であり、光吸収層１３の屈折率はｎ＝２．８〜３．５である。すなわち、機能層１２はガラス基板１１の屈折率と光吸収層１３の屈折率との間の屈折率を有する。一般に、異なる屈折率の媒質を進む光の反射率は、それらの屈折率の差が大きくなるほど大となる。よって、ガラス基板１１上に直接に光吸収層１３を成膜した場合には、それらの屈折率の差が比較的大きいために反射率も大きくなる。
【０１０１】
本実施形態においては、ガラス基板１１と光吸収層１３との間に機能層１２を挟み込んでおり、ガラス基板１１と機能層１２との屈折率の差および機能層１２と光吸収層１３との屈折率の差は、ガラス基板１１と光吸収層１３とのそれに比較すると小さい。従って、ガラス基板１１と機能層１２との界面での反射率および機能層１２と光吸収層１３との界面での反射率は比較的小さく、光電変換デバイス１０全体としての入射面側の光の反射が低減されることとなる（減反射機能）。これにより、光電変換デバイス１０に入射する光の利用効率を高めることができる。
【０１０２】
但し、本実施形態の機能層１２はｎ型であってはならない。その理由は、機能層１２がｎ型であると、機能層１２と光吸収層１３との界面でｐｎ接合が成立するため、負電極１５および正電極１６が設けられているのとは反対側の光吸収層１３の面で主としてキャリアが生成されるからである。よって、実質的には、機能層１２はｐ型またはｉ型である必要がある。
【０１０３】
また、機能層１２の電気抵抗率は光吸収層１３の電気抵抗率以上であることが好ましい。その理由は、機能層１２の電気抵抗率が光吸収層１３の電気抵抗率よりも小さいと、光吸収層１３から機能層１２に無視できない程度のリーク電流が流れて発電効率が低下するためである。なお、機能層１２に要求される他の特性として太陽光を透過するものであることは当然であり、光吸収層１３が吸収して光電変換を行う波長域の光を８０％以上透過することが好ましい。
【０１０４】
本実施形態においては、パッシベーション機能を有する機能層１２をガラス基板１１と光吸収層１３との間に設けるとともに、負電極１５と正電極１６との間隔を光吸収層１３の膜厚以上１５０μｍ以下としている。パッシベーション機能を有する機能層１２によって光吸収層１３のダングリングボンドを終端化してキャリアライフタイムを延ばすとともに、負電極１５と正電極１６との間隔を比較的短くすることにより、光入射によって光吸収層１３に生じたキャリアが再結合によって消滅することなく両電極まで移動することができる。その結果、ＣＩＧＳの光吸収層１３の一方面に負電極１５および正電極１６を形成した光電変換デバイス１０から電力を出力することが可能となる。ＣＩＧＳの光吸収層１３の一方面のみに負電極１５および正電極１６の双方が形成されていれば、発電に寄与しない部位を最小限に抑制することができ、発電量の低下を防止することができる。
【０１０５】
また、本実施形態においては、光吸収層１３の負極領域ＮＲにｉ層１７およびｎ層１８を挟み込んで負電極１５を形成している。このため、光吸収層１３の負極領域ＮＲにおいては、ｐｉｎ接合が確立されることとなる。ｐｉｎ接合では、ｐ層（ここでは光吸収層１３）とｎ層１８との間にｉ層１７が介在しているため、キャリアがスムーズに負電極１５に移動して再結合が生じにくくなる。従って、機能層１２によるパッシベーション機能に加えてキャリアライフタイムをさらに延ばすことが可能となる。
【０１０６】
さらに、本実施形態においては、光吸収層１３の正極領域ＰＲにモリブデン膜を成膜して加熱処理を行うことにより、正電極１６直下の光吸収層１３の正極領域ＰＲ表層にキャリア濃度の高いｐ＋層１９が形成される（図３参照）。このｐ＋層１９が形成されることによって、キャリアがスムーズに正電極１６に移動することができる。
【０１０７】
＜４．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記各実施形態においては、機能層１２を酸化チタン（ＴｉＯ２）の薄膜としていたが、これに限定されるものではなく、機能層１２を他の材料によって形成するようにしても良い。但し、機能層１２の材質としては、パッシベーション機能を有するとともに、ｎ型とならないものを使用する必要がある。また、機能層１２は、ガラス基板１１と光吸収層１３との間の屈折率を備えるとともに、光吸収層１３と同等以上の電気抵抗率を有するものであることが求められる。さらに、機能層１２は、太陽光を透過する性質を備えなければならないことは当然である。これらの要求特性を満たす材料として、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、および、イットリウム（Ｙ）からなる群から選択された１種以上の金属の酸化物、窒化物または窒素酸化物にて機能層１２を形成することが好ましい。例えば、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化ニオブ、酸化イットリウムの薄膜にて機能層１２を形成することが好ましい。
【０１０８】
また、上記実施形態においては、光吸収層１３をＣＩＧＳの薄膜としていたが、これに限定されるものではなく、光吸収層１３を他のカルコパイライト型結晶構造を有する化合物の薄膜によって形成するようにしても良い。例えば、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）およびセレン（Ｓｅ）を含むＣＩＳの薄膜を光吸収層１３としても良い。「ＣＩＳ」は、ＣｕＩｎＳｅ２の略称であり、ＣＩＧＳと同じくI-III-VI族化合物半導体の一種である。また、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）および錫（Ｓｎ）を含むＣＺＴＳの薄膜を光吸収層１３としても良い。「ＣＺＴＳ」は、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４の略称であり、I-II-IV-VI族化合物半導体の一種である。ＣＺＴＳは、ＣＩＧＳと形態が類似するものの、インジウム、ガリウム、セレンなどのレアメタルを使用しないため、より安価に製造することができる。
【０１０９】
また、光電変換デバイス１０の構造は図１４に示すようなものであっても良い。図１４に示す光電変換デバイス１０が図３と相違するのは、ガラス基板１１１の入射面にテクスチャー構造１１２を形成している点である。図１４の光電変換デバイス１０の残余の構成は上記実施形態と同じである。微細な凹凸であるテクスチャー構造１１２をガラス基板１１１の入射面に形成することによって、図１４に示すように、入射する太陽光をガラス基板１１１の入射面で散乱させてより多くの光を光吸収層１３に吸収させることができる。このようなテクスチャー構造１１２はガラス基板１１１のデバイス面（機能層１２を成膜する側の面）に形成するようにしても良い。但し、ガラス基板１１１のデバイス面にあまり急峻な凹凸を設けると光吸収層１３の結晶化が阻害されるおそれがあるため、図１４のようにガラス基板１１１の入射面にテクスチャー構造１１２を形成するのが好ましい。
【０１１０】
また、光電変換デバイス１０の構造は図１５に示すようなものであっても良い。図１５に示す光電変換デバイス１０が図３と相違するのは、ｉ層を設けていない点である。すなわち、光吸収層１３の負極領域ＮＲにはｎ層１８のみを挟み込んで負電極１５が形成されている。図１５の光電変換デバイス１０の残余の構成は上記実施形態と同じである。このような構造の光電変換デバイス１０であっても、ガラス基板１１と光吸収層１３との間に機能層１２を設けているため、概ね上記実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、上記実施形態におけるｉ層１７は必須の要素ではない。
【０１１１】
もっとも、上記実施形態のようにｉ層１７を設けるとｐｉｎ接合が確立されてキャリアがよりスムーズに移動できるものの、図１５のようにすればｉ層１７を成膜する工程を省略できるため光電変換デバイス１０の製造工程は簡素化される。さらに、形成する電極の線幅によっては、ｎ層１８のパターンを形成するためのレジストパターンをスクリーン印刷で転写したり、或いはｎ層１８自体をＣｄなどのドーパント材料を含むペーストをシルク印刷して焼成することにより形成することも可能であり、より製造工程を簡素化することができる。
【０１１２】
また、上記実施形態においては、機能層１２および光吸収層１３などをスパッタリング法によって成膜していたが、これに代えて塗布法によって成膜を行うようにしても良い。塗布法とは、成膜対象となる金属の粒子を含む塗布液を塗布し、その塗布液を乾燥させることによって成膜を行う技術である。塗布法としては、例えばノズルから塗布液を吐出しつつ当該ノズルを走査させる方法など公知の種々の技術を用いることができる。
【０１１３】
また、スパッタリング法と塗布法とを併せて行うようにしても良い。例えば、ＣＩＧＳの光吸収層１３を成膜するに際して、スパッタリング法によってＣｕ，Ｉｎ，Ｇａを含む堆積層を成膜し、その堆積層の上にＳｅを含む塗布液を塗布して乾燥させることによりＣＩＧＳの薄膜を成膜するようにしても良い。もっとも、塗布法を採用する場合には、減圧雰囲気を維持することが困難であるため、上記実施形態のように真空成膜装置５０を用いたスパッタリング法によって大気に曝すことなく連続して機能層１２や光吸収層１３を成膜する方がこれらの酸化を防止して膜質を向上させる観点からは好ましい。
【０１１４】
また、機能層１２や光吸収層１３を構成する物質を蒸発させて蒸着させる真空蒸着法などの他の物理蒸着（ＰＶＤ）によって成膜するようにしても良い。
【０１１５】
また、上記実施形態においては、真空成膜装置５０を搬送チャンバーの周囲に各種処理チャンバーを配置したクラスター型としていたが、これに代えて、複数の処理チャンバーを１列に配置してガラス基板１１をその列に沿って順次に搬送するインライン型としても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、ＣＩＧＳなどの化合物薄膜を光吸収層として用いた太陽電池に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１０  光電変換デバイス
１１，１１１  ガラス基板
１２  機能層
１３  光吸収層
１５  負電極
１６  正電極
１７  ｉ層
１８  ｎ層
１９  ｎ＋層
５０  真空成膜装置
５３，５４，６２，６３  スパッタ処理部
５５，６４  アニール処理部
１１２  テクスチャー構造
ＮＲ  負極領域
ＰＲ  正極領域
ＵＣ  基本セル
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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