(57)【要約】  本発明は、電池効率を向上させかつ分子構造の欠陥を最小限に抑えるためのアルカリ含有混合相の半導体源層を用いた光起電力素子の製品及びそれを開発する方法を記載する。
2008520102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層とアルカリ材料を含み、該半導体層及びアルカリ材料が別々に合成され、次いで混合され、次いで基材上に堆積された、光起電力素子のための混合相の半導体源層。
【請求項２】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成された、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項４】
前記混合物が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積された、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項５】
前記混合物が４００℃〜６００℃の温度で熱処理された、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項６】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項７】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項１に記載の混合相の半導体源層。
【請求項８】
半導体層とアルカリ材料を含み、該半導体層及びアルカリ材料が別々に合成され、次いで基材上に共堆積された、光起電力素子のための混合相の半導体源層。
【請求項９】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成された、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１０】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１１】
前記半導体層及びアルカリ材料が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積された、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１２】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理された、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１３】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１４】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項８に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１５】
半導体層とアルカリ材料を含み、該半導体層及びアルカリ材料が基材上に共堆積され、次いで合金混合物に合成された、光起電力素子のための混合相の半導体源層。
【請求項１６】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成された、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１７】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１８】
前記半導体層及びアルカリ材料が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積された、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項１９】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理された、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２０】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２１】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項１５に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２２】
半導体層とアルカリ材料を含み、該半導体層及びアルカリ材料が逐次的に堆積され、次いで合金混合物に合成された、光起電力素子のための混合相の半導体源層。
【請求項２３】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成された、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２４】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２５】
前記半導体層及びアルカリ材料が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積された、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２６】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理された、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２７】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２８】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項２２に記載の混合相の半導体源層。
【請求項２９】
半導体層とアルカリ材料を含み、該半導体層及びアルカリ材料が別々に合成され、基材上に逐次的に堆積され、次いで熱処理によって合金化された、光起電力素子のための混合相の半導体源層。
【請求項３０】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成された、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３１】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３２】
前記半導体層及びアルカリ材料が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積された、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３３】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理された、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３４】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３５】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項２９に記載の混合相の半導体源層。
【請求項３６】
アルカリ材料と、Ｉ、ＩＩＩ及びＶＩ族金属の供給によって形成される半導体層とを含む化学合金層を堆積することによって形成される光起電力素子のための混合相の半導体源層の生成方法であって、前記アルカリ材料及び半導体層が基材上に堆積される方法。
【請求項３７】
前記基材が、金属、ステンレス鋼、プラスチック、ガラス及びポリマー材料を含む材料の群から選択される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基材が磁気透過性である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記基材がニッケルでメッキされたチタンである、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記基材がチタンでメッキされたステンレス鋼であり、さらにニッケルでメッキされる、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記基材がモリブデンコーティングを備えたプラスチックである、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
ステンレス鋼箔の基材を該基材を処理するための装置に提供することによって製造される光起電力素子であって、該処理が、バック接点層、混合相の半導体源層、前駆体ｐ型吸収体層、ｎ型接合層、真性透明酸化物層、及び導電性透明酸化物層から構成される複数の薄層の堆積である、光起電力素子。
【請求項４３】
前記混合相の半導体源層が、アルカリ材料と、Ｉ、ＩＩＩ及びＶＩ族金属の供給によって形成される半導体層とを含む化学合金層を堆積することによって形成される、請求項４２に記載の光起電力素子。
【請求項４４】
アルカリ材料と半導体層が別々に合成され、次いで混合され、次いで基材上に堆積される、混合相の半導体源層の生成方法。
【請求項４５】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記混合物が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
アルカリ材料と半導体層が別々に合成され、次いで基材上に共堆積される、混合相の半導体源層の生成方法。
【請求項５２】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記アルカリ材料及び半導体層が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項５１に記載の方法。
【請求項５７】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
アルカリ材料と半導体層が基材上に共堆積され、次いで合金混合物に合成される、混合相の半導体源層の生成方法。
【請求項５９】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成される、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
前記アルカリ材料及び半導体層が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積される、請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理される、請求項５８に記載の方法。
【請求項６３】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項５８に記載の方法。
【請求項６４】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
アルカリ材料と半導体層が逐次的に堆積され、次いで合金混合物に合成される、混合相の半導体源層の生成方法。
【請求項６６】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成される、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
前記アルカリ材料及び半導体層が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積される、請求項６５に記載の方法。
【請求項６９】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理される、請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項６５に記載の方法。
【請求項７１】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項６５に記載の方法。
【請求項７２】
アルカリ材料と半導体層が別々に合成され、基材上に逐次的に堆積され、次いで熱処理によって合金化される、混合相の半導体源層の生成方法。
【請求項７３】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属の供給によって形成される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
前記アルカリ材料及び半導体層が周囲温度及び１０-6〜１０-2ｔｏｒｒの圧力で堆積される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７６】
前記半導体層及びアルカリ材料が４００℃〜６００℃の温度で熱処理される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７７】
前記混合相の半導体源層の厚さが１５０〜５００ｎｍである、請求項７２に記載の方法。
【請求項７８】
前記混合相の半導体源層が、５．０〜約１５．０ｗｔ％のアルカリ金属含有率を有する、請求項７２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ含有混合相の半導体源層を用いた薄膜光起電力素子の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力（ＰＶ）の電池、モジュール及び電力系などの代替エネルギー源は、世界の拡大する電力の需要に対し、クリーンで信頼性が高く再生可能なエネルギーを提供する。しかしながら、大部分は、求められるよりも高い製品コストと、求められるよりも低い生産能力のために、光起電力技術は特定の市場にのみ追いやられている。エネルギーに関する需要が高まるにつれ、現在のエネルギー源に取って代わるものに対する世界の要求が増している。
【０００３】
ＰＶ技術は、従来の再生可能でないエネルギー源に対し、クリーンで非炭素系の代替物を提供する。ＰＶ電池の性能は、光パワーを電気出力に変換するときの効率において測定される。たとえ比較的高効率のＰＶ電池を実験室で製造できるとしても、商業化にとって重要な適切な原価基準において商業的な規模でＰＶ電池を製造することは困難であることがわかっている。この問題は幾つかの要因に端を発しており、中でも、電気出力を最適にし、一方で同時にコスト及び重量を最小限に抑えるものがないということがある。さらには、如何なるＰＶ製品も現実世界のエネルギー市場において適用できるよう十分有効でなければならない。
【０００４】
より低コストに対する試みにおいて、太陽電池の合計厚さの低減は２０年以上にわたって続けられている。今日の主要な太陽電池技術は、結晶シリコン（Ｓｉ）から作製されている。典型的なＳｉ電池の厚さは１５０μｍ〜３００μｍである。Ｓｉは「間接」遷移半導体であるため、その厚さを１５０μｍよりも大きく低減することができず、即ち、電池効率が低くなる。一方、「直接」遷移半導体であり、したがって有意により薄い厚さの太陽電池材料で太陽スペクトルを吸収できる太陽電池用途に適した他の半導体材料がある。この材料群はしばしば「薄膜」太陽電池と称される。薄膜太陽電池は典型的に１〜５μｍの厚さであり、したがってＳｉ太陽電池と比べて顕著な原材料節減の可能性を与える。
【０００５】
薄膜太陽電池では、ｐ−ｎ接合が異なる材料のｐ型吸収体とｎ型ウィンドウによって典型的に生成される。従来、このようなｐ型吸収体は、周期表のＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の元素からなる材料群から構成される。
【０００６】
これらの組成物の最も効果的なものの１つは、銅、インジウム、ガリウム及びセレンの元素を種々の割合で含む化合物から作製された吸収体である。この組成物の使用は非常に一般的になっており、この構成のＰＶ電池は、現在、ＣＩＧＳ（Ｃｕ：Ｉｎ：Ｇａ：Ｓｅ）光電池として知られている。
【０００７】
最良のＣＩＧＳ太陽電池はソーダ−ライムガラスで製作され、実験室の環境において１９％を超える変換効率を実証している。高い効率は、部分的には、堆積プロセスの際にガラスからＣＩＧＳ吸収体層に拡散するアルカリ金属、特にはナトリウムの結果であることが実験的に見出されている。ガラスからＣＩＧＳ吸収体層へのアルカリ金属の外部拡散の度合いは、堆積プロセスのサーマルバジェットに部分的に関係している。サーマルバジェットは、処理温度の大きさと期間の両方に関係している。ＣＩＧＳ吸収体中の最終的なアルカリ金属含有量と堆積の際の処理条件との結合は、所望の再現性と生産管理にはつながらない。それゆえ、ソーダ−ライムガラス基材上にＣＩＧＳ ＰＶ電池を製作する当業者は、まず基材と金属バック接点との間にアルカリバリヤー層を導入してアルカリ種の外部拡散を防ぎ、続いてバック接点とＣＩＧＳ半導体との間に公知厚さのアルカリ含有化合物を堆積することによりアルカリ含有量を制御することを学んだ。
【０００８】
選択される基材がアルカリ種、例えば、金属又はプラスチックを含有しない場合には、当業者は、可能な限り最大の太陽電池性能を達成するために、アルカリ金属の制御された量を添加することが必要であることを認識している。とりわけ、アルカリ金属を添加することで、ＣＩＧＳ膜は、より大きな粒子サイズ、より強く配向された組織、高いキャリヤー濃度及びより高い導電性を達成することができる。これらの特性のすべてが向上したＰＶ電池の生産にとって有利であるため、アルカリ金属、例えば、ナトリウムのＣＩＧＳ層への添加が当技術分野で望まれている。
【０００９】
これまで、ＣＩＧＳ吸収体へのアルカリ金属の導入は、堆積プロセスの幾つかの特殊性により実用的に達成することが困難であった。具体的な関心としては、金属バック接点へのＣＩＧＳ膜の付着に不利に影響を及ぼさないように、堆積プロセスのどの時点でアルカリ金属を添加すべきか；元素のアルカリ金属が非常に反応性であり、特別な取り扱いの考慮を要するので、アルカリ金属を供給するのにどの化合物を用いればよいか；及び堆積プロセスのどのような環境条件が半導体材料へのアルカリ金属の良好な導入レベルを達成するのに必要であるかということの決定が挙げられる。これらの関心に取り組むために、ＣＩＧＳ吸収体層中のアルカリ金属、例えば、ナトリウムの取り込みのための実行可能なプロセスが当技術分野で求められている。
【００１０】
ナトリウムの添加は他の文献においても検討されているが、ナトリウムに基づいたアルカリ材料を形成プロセスの際に添加する実用的な方法は未だ教示されていない。例えば、２００５年４月１９日にＳｔａｎｂｅｒｙに交付された米国特許第６，８８１，６４７号明細書（「Ｓｔａｎｂｅｒｙ」）は、ＣＩＧＳＳ（Ｃｕ：Ｉｎ：Ｇａ：Ｓ：Ｓｅ）素子の開発において２つの層を接着するための界面活性剤としてナトリウム前駆体層を使用することを開示している。しかしながら、Ｓｔａｎｂｅｒｙは、その後の熱処理によって半導体層を堆積する前に、アルカリ材料を堆積する原理を開示していない。
【００１１】
２００１年１１月２７日にＧｉｌｌｅｓｐｉｅらに交付された米国特許第６，３２３，４１７号明細書（「Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ」）は、堆積法を用いたＣＩＧＳ型ＰＶ電池の開発、及びナトリウムを添加して吸収体の特性を変化させることができるという認識を開示している。しかしながら、Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅは、このデザインを達成するための方法、及びナトリウムをドープしたＣＩＧＳ型吸収体を形成するためのプロセスを開示していない。それゆえ、ナトリウムをドープしたＣＩＧＳ型吸収体を形成するための実行可能なプロセスは、当技術分野において十分な利点を達成するのに必要である。
【００１２】
Ｎｅｇａｍｉらによる米国特許出願第１０／９４２，６８２号明細書（「Ｎｅｇａｍｉ」）は、前駆体を混合する前又は後にＮａＰ又はＮａＮをスパッタリングすることを開示している。しかしながら、Ｎｅｇａｍｉのプロセスは、製造を問題のあるもの及び難しいものにする最大８００℃の温度を必要とする。それゆえ、より安全でかつより低い製造コストを可能にする代替プロセスが当技術分野で必要とされている。
【００１３】
加えて、アルカリ材料をＣＩＧＳ吸収体層に導入し、一方で同時に金属バック接点へのＣＩＧＳ層の接着を改善する方法は現在の技術にはなく、また、ＣＩＧＳ吸収体において少数キャリヤーの再結合を低減し、向上した性能を得る電子「ミラー」を含む素子も存在しない。
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、光起電力素子（ＰＶ）においてアルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2化合物の混合物又は合金を含む混合相の半導体層又は半導体源層を含む。この層は、導電性バック接点層及び別のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2化合物吸収体層とともに用いられる。このような半導体のための最も一般に知られるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2化合物は、銅、インジウム、ガリウム及びセレンの幾つかの組み合わせを含み、ＣＩＧＳとして当業者に一般に知られる化合物を形成する。最も一般的なアルカリ材料は、ナトリウム、カリウム、フッ素、セレン及び硫黄の幾つかの組み合わせを含む。より具体的には、この目的のために用いられる最も一般的なアルカリ材料は、ＮａＦ、Ｎａ2Ｓｅ及びＮａ2Ｓである。しかしながら、他の文献とは異なり、本発明は、アルカリ材料をＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2半導体材料、好ましくはＣＩＧＳ吸収体層よりも高いバンドギャップを有するＩ−ＩＩＩ−ＶＩ2半導体材料と組み合わせて、導電性のバック接点層とＣＩＧＳ吸収体層の間に導入される混合相の半導体源材料を形成するプロセスを含む。
【００１５】
１つの形態では、本発明は、混合相の半導体源層を形成するためのアルカリ材料と予備反応Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体金属との混合物から構成される混合相の半導体源層である。
【００１６】
別の形態では、本発明は、アルカリ材料と未反応Ｉ、ＩＩＩ及びＶＩ前駆体金属との混合物から構成され、続いて反応してＩ−ＶＩＩ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ又は（Ｉ）２ＶＩ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ合金になる混合相の半導体源層である。この反応工程は、ＣＩＧＳ吸収体層を形成するのに用いられる反応工程とは別々であってもよいし又は同時に行われてもよい。
【００１７】
１つの形態では、本発明は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ半導体化合物とともにアルカリ金属を含む源材料から得られる混合相の半導体層又は合金を堆積することによって部分的に作製される光起電力素子のための混合相の半導体源層の生成方法である。
【００１８】
別の形態では、本発明は、一方がアルカリ金属から構成され、もう一方がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ元素から構成される反応したＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物若しくは未反応前駆体、又はそれらの合金若しくは反応した二元化合物から構成される２つの源材料の共堆積によって部分的に作製される光起電力素子のための混合相の半導体源層の生成方法である。
【００１９】
さらに別の形態では、本発明は、第１の材料がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ元素から構成される反応したＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物若しくは未反応前駆体、又はそれらの合金若しくは反応した二元化合物から構成され、第２の材料がアルカリ金属から構成される２つの源材料の逐次堆積によって部分的に作製される光起電力素子のための混合相の半導体源層の生成方法である。ＣＩＧＳ吸収体層の形成とは別に又はそれとともに２つの別々の層が逐次的に反応して、混合相の半導体源層を形成する。
【００２０】
層が堆積される基材は、金属、プラスチック、ガラス及び種々のポリマー材料を含む材料の群から選択することができる。
【００２１】
多くの文献で示されているように、ＣＩＧＳ半導体は、基材上に種々の組成のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ金属を逐次堆積又は共堆積することによって形成される。幾つかの例としては、ＣｕＧａＳ2、ＣｕＩｎＳ2、ＣｕＩｎＴｅ2、ＣｕＡｌＳ2、ＣｕＩｎＧａ、ＣｕＧａＳ2、ＡｇＩｎＳ2、ＡｇＧａＳｅ2、ＡｇＧａＴｅ2、ＡｇＩｎＳｅ2及びＡｇＩｎＴｅ2が挙げられる。しかしながら、上記のように、最も一般的な組成は、銅−インジウム−セレン（ＣｕＩｎＳｅ2）の変形態様又はＣＩＧＳである。堆積方法としては、スパッタリング、蒸発又は当業者に公知の他の方法が挙げられる。アルカリ材料は、ＣＩＧＳ半導体の形成前に同様に堆積される。半導体層へのアルカリ金属の取り込みを完了するために、約４００℃〜約６００℃の温度で堆積プロセスの際に又はその後のある時点で熱処理を行わなければならない。
【００２２】
混合相の半導体源層が典型的に約１５０ｎｍ〜約５００ｎｍの厚さに形成されると、アルカリ金属が５．０〜約１５．０ｗｔ％の構成要素となる。次いで、高温で熱処理したときのナトリウム及び他のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ元素の原子交換により、アルカリ含有混合相の半導体源層を別のｐ型Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ半導体層に組み入れる。
【００２３】
本発明の上記及び他の特徴及び利点並びにそれらを達成するための方法は、添付図面とともに以下の本発明の実施態様の説明を参照することで明らかとなりかつより良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、エネルギー効率を向上させかつ素子の製造を最大にすることを目的として、光起電力（ＰＶ）素子の製造の態様について詳しく説明される。より進んだＰＶ技術は、より進んだ光エネルギー吸収のために周期表のＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の元素から構成される合金を利用している。具体的には、本発明は、アルカリ金属、例えば、ナトリウムと半導体層の一体化により、光起電力素子におけるＣｕ：Ｉｎ：Ｇａ：Ｓｅのｐ型吸収体（ＣＩＧＳ）の品質を向上させる。多くの関連する実施態様と同様に、この実施態様におけるＰＶ電池は、別々の層の逐次的な堆積によって作られる。堆積方法としては、スパッタリング、蒸発又は当業者に公知の他の関連する堆積法などの技術を挙げることができる。
【００２５】
図１Ａを参照すると、すべての層が、複数の機能材料、例えば、ガラス、金属、セラミック又はプラスチックのうちの１つを含むことができる基材１０５の上に堆積される。基材１０５上には、バリヤー層１１０が直接堆積される。バリヤー層１１０は、薄い導体又は非常に薄い絶縁材料を含み、基材から電池の残りの部分までの望ましくない元素又は化合物の外部拡散をブロックする役目を果たす。このバリヤー層１１０は、クロム、チタン、酸化ケイ素、窒化チタン、及び必要な導電性と耐久性を有する関連する材料を含むことができる。次の堆積層は、非反応性金属、例えば、モリブデンを含むバック接点層１２０である。次の層はバック接点層１２０の上に堆積され、吸収体層とバック接点との間の接着を改善するための半導体層１３０である。この半導体層１３０は、Ｉ−ＩＩＩa,b−ＶＩイソタイプ半導体であることができるが、好ましい組成は、先の化合物のいずれかと合金されたＣｕ：Ｇａ：Ｓｅ、Ｃｕ：Ａｌ：Ｓｅ又はＣｕ：Ｉｎ：Ｓｅである。
【００２６】
この実施態様では、アルカリ含有混合相の半導体源層１５５は、幾つかの別々の層の相互拡散によって生成される。最終的には、図１Ａに見られるように、第１の半導体層１３０と第２の半導体層１５０が複合して、太陽エネルギーの主要な吸収体として作用する単一の複合ｐ型吸収体層１５５を形成する。しかしながら、他の実施態様とは異なり、アルカリ材料１４０は、以降の層の成長の種をまく目的で、並びにｐ型吸収体層１５５のキャリヤー濃度及び粒子サイズを増加させ、それによりＰＶ素子の変換効率を向上させる目的で加えられる。
【００２７】
アルカリ材料１４０は一般的にナトリウムに基づいており、通常はＮａ−ＶＩＩ（ＶＩＩ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）又はＮａ2−ＶＩ（ＶＩ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）の形態で堆積される。堆積されると、アルカリ材料１４０は、Ｎａ−Ａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ合金（Ａ＝ＶＩ又はＶＩＩ）の形態であることができ、半導体層１５０との元素交換を可能にする。
【００２８】
図１Ａによって示されるように、アルカリ材料１４０は別個のものであり、半導体層１５０がその上に堆積される。しかしながら、アルカリ材料は別個のままではなく、むしろ１５５において示されるように最終的なｐ型吸収体層の形成の一部として半導体層１３０及び１５０と一体化する。堆積される場合、アルカリ材料は、蒸発、スパッタリング又は当業者に公知の他の堆積法によって半導体層１３０又は他の予め存在する層の上に堆積される。好ましい実施態様では、アルカリ材料１４０は、周囲温度において穏やかな減圧下、好ましくは１０-6〜１０-2ｔｏｒｒでスパッタリングされる。
【００２９】
１つの実施態様では、いったん半導体層１３０とアルカリ材料１４０が堆積されると、層は約４００〜６００℃の温度で熱処理され、混合相の半導体源層が形成される。
【００３０】
熱処理の後、光電池製造プロセスでは、引き続いてｎ型接合バッファ層１６０が堆積される。この層１６０は最終的に半導体層１５０と相互作用し、必要なｐ−ｎ接合１６５を形成する。透明真性酸化物層１７０が堆積され、次にＣＩＧＳ吸収体とのヘテロ接合として作用する。最後に、導電性透明酸化物層１８０が電池の電極上部として作用するよう堆積される。この最後の層は、導電性であり、発生した電流を運ぶことができるグリッドキャリヤーに電流を運ぶことができる。
【００３１】
図１Ａに図示されるプロセスは、上記のプロセスとは異なる実施態様であってもよい。図１Ｂを参照すると、上記の混合相の半導体源層を生成する別の例が示される。図１Ｂでは、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ半導体１３１とアルカリ材料１４１が別々に合成され、次いで混合され、次いで基材上に堆積されて、Ｎａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ混合相の半導体源層１５１が形成される。上記のように、これらのアルカリ材料は、以降の層の成長の種をまく目的で加えられ、半導体層がまず堆積されてバック接点金属に対して優れた接着を作り出す。これらの実施態様においてＩ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体金属が堆積されてセレン化されると、アルカリ層が消費され、得られた混合相の半導体源層が反応して最終的なｐ型吸収体層が形成される。
【００３２】
図１Ｃを参照すると、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物１３１とアルカリ材料１４１が別々に合成され、次いで基材上に共堆積されてＮａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ層１５１が形成される。上記のように、アルカリ材料は、以降の層の成長の種をまく目的で、並びに吸収体層のキャリヤー濃度及び粒子サイズを増加させ、それにより太陽電池の変換効率を向上させる目的で加えられる。
【００３３】
図１Ｄを参照すると、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体材料１３２とアルカリ材料１４１が共堆積される。次に、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体材料１３２とアルカリ材料１４１が合金混合物に合成されてＮａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ混合相の半導体源層１５１が形成される。
【００３４】
図１Ｅを参照すると、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体材料１３２とアルカリ材料１４１が逐次的に堆積され、次いで合金混合物に合成されてＮａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ混合相の半導体源層１５１が形成される。アルカリ材料１４１は、前駆体材料１３２の１つ、すべて又は任意の組み合わせとともに、任意の順序で堆積され、Ｎａ：Ｉ−ＩＩ−ＶＩ層１５１を形成することができる。これらの可能性のある組み合わせのうち２つが図１Ｅに図示される。
【００３５】
図１Ｆを参照すると、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ前駆体材料１３１とアルカリ材料１４１がまず別々に合成される。次に、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ材料１３１とアルカリ材料１４１が基材上に逐次的に堆積される。次いで、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ材料１３１とアルカリ材料１４１が約４００℃〜６００℃の温度で熱処理することにより合金化され、Ｎａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ混合相の半導体源層１５１が形成される。
【００３６】
本発明は、特定の実施態様を参照して説明されたが、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更を行うことができかつそれらの要素を同等なもので置換できることは当業者であれば理解するであろう。加えて、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の状態又は材料を本発明の教示に適合するよう多くの改良を行うことができる。
【００３７】
それゆえ、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施態様に限定されず、本発明は、特許請求の範囲及びその趣旨の範囲内にあるすべての実施態様を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】本発明の製造技術によって製造された薄膜太陽電池の実施態様を示す。
【図１Ｂ】アルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物を合成して混合相の半導体層を形成する例を示す。
【図１Ｃ】アルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物を合成して混合相の半導体層を形成する別の例を示す。
【図１Ｄ】アルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物を合成して混合相の半導体層を形成する別の例を示す。
【図１Ｅ】アルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物を合成して混合相の半導体層を形成する別の例を示す。
【図１Ｆ】アルカリ材料とＩ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物を合成して混合相の半導体層を形成する別の例を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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