JP3386127B2 - 基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法 - Google Patents
基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法Info
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Description
でかつ競争できるエネルギーの発生のために、高い効率
の太陽電池が必要とされる。これは、10%以上、有利に
はさらに15%以上の効率を有しかつ少なくとも20年の年
月にわたって安定しているべきである。
t−Typ)の化合物半導体が熱心に研究されている。例え
ば銅−インジウム−ジセルニド(CIS)から成る多結晶
の薄膜太陽電池によって、既に、ほぼ15%の高くかつ安
定した効率が実現された。しかしこの種の太陽電池の大
量生産のために、なお一層の電池および工程の開発が必
要である。開発によって一方において、製造される太陽
電池の高い効率を実現するために煩雑な工程監視を必要
とする製造工程を一層簡単にしたい。他方において、セ
レン化水素、硫化カドミニウムまたはテルル化カドミニ
ウムのような毒性化合物を、製造工程ないし電池構造か
ら取り除くようにしたい。
実質的に1段ないし2段階プロセスに応じて区別するこ
とができる。例えばヨーロッパ特許第678609号明細書
(Mickelsen et al)から公知の1段階プロセスでは、
加熱された基板上に元素Cu,InまたはGaまたはSeまたは
Sを同時に蒸着し、その際基板上に自発的に化合物半導
体が形成される。しかしその場合元素CuおよびInないし
CuおよびGaの蒸着レート並びに殊にそれらの相互比を非
常に正確に制御しなければならない。この要求は、大面
積の太陽電池モジュールの製造の際に大きな問題にな
る。
明細書から公知の2段階プロセスではまず、室温におい
て金属層(例えばCuおよびIn)が析出される。第2段階
において、そこから熱処理プロセスによって反応性のセ
レンまたは硫黄を含有する雰囲気内に所望の半導体化合
物が形成される。確かにこの第2段階プロセスは大面積
の成膜装置において行われかつ個別成分の量比は良好に
コントロールされるが、この場合しばしば半導体層の、
金属裏面電極に対する接着力が不足することがある。さ
らに、所望の層特性を得るために、試料の加熱の際に正
確な温度プロフィール並びに十分なセレン分圧を維持し
なければならない。さらに、この方法のために必要な猛
毒性のプロセスガス、セレン化水素および制限された形
において硫化水素の問題もある。さらに、何時間にも及
ぶ長時間のプロセスによって、不連続的な製造しか実現
されず、量産を著しく妨げる。
硫黄成分は気体相を介して形成されず、直接元素の形に
おいて金属性の膜(層)上に蒸着される。その際半導体
形成は上述の場合におけるよりも迅速に行われるが、こ
のようにして製造される薄膜太陽電池は満足できないこ
とが認められておりかつ5%より小さい効率しかないこ
とが示されている。当該層(膜)は、2次相の残滓並び
に基板の点状の剥離を呈する。
ザを用いてRTA(Rapid Thermal Annealing)によってCu
/In/Se層ブロックから合成される。しかしその際得られ
る半導体層は単相ではなく、粒径が著しく小さくしかも
n導電性であった。
1989年、Freiburg/Breisgau、第153ないし156頁)か
ら、9つの元素層In/Se/Cuから成る積層体を10℃/sで35
0ないし500℃に加熱することが公知である。このプロセ
スでも、黄銅鉱相の他に、x線回折検査では識別できな
い異相が生じる。このために、使用不能な太陽電池が生
じる。また、多層構造は、工程が煩雑でありおよび/ま
たは大面積の基板上に実現することができない。著しく
小さな粒径および著しく僅かな層厚均一性が観察され
る。
Vegas,1988年9月26日から30日)のための講演集(第14
82ないし1486頁)から、ガラス基板上の出発成分の薄い
元素層のサンドイッチ構造体をレーザ加工によって化合
物半導体に変換する、銅インジウムジセルニド薄膜に対
する製造方法が公知である。不活性雰囲気中における熱
処理がこれに続く。
し77頁)から、多結晶基板に銅インジウムジセルニド薄
層を製造するための方法が公知である。元素の出発化合
物は、共通の析出(コード位置)によって真空蒸着によ
って析出されかつ迅速な加熱プロセスにおいて半導体に
変換される。
ら、出発化合物の薄い元素層の熱処理により薄い銅イン
ジウムジセルニド薄膜を製造することが公知である。
分の元素積層体を水素またはセレン化水素を含有してい
る雰囲気中において化合物半導体に変換する、黄銅鉱半
導体層の製造方法が公知である。
にコントロール可能でありしかもそこから高い効率を有
する太陽電池が製造される単相および均質な半導体が製
造される、黄銅鉱半導体を製造するための改良された方
法を提供することである。さらに、毒ガスの回避によっ
てプロセス実施を安全なものにしたい。
によって解決される。本発明の別の実施例はその他の請
求項に記載されている。
少なくとも10℃の高い加熱レートでありかつ熱処理期間
中に維持すべき、成分Cにおける過圧である。過圧と
は、出発材料A,BおよびCの化学量論的に正確な組成に
おいて比1:1:2において形成されるはずの分圧より上に
ある分圧の意味である。
によって、数秒の熱処理時間dt後に既に完成した化合物
半導体が形成される。したがって少なくとも1時間のセ
レン化を要求する公知の方法に比して、極めて迅速な方
法である。
化学量論の自己制御作用が生じる。出発成分A,Bおよび
Cに関して正確に1:1:2の組成を有していない層構造で
も、正確に正しい組成の均質な、すなわち単相の化合物
半導体が得られる。
の化合物半導体に対する直接的な反応が実現される。こ
れまで生じてした安定しているが、電子的に障害とな
る、例えばCu2-dSeのような中間段が回避される。その
理由は、所望の半導体が直接形成されるからである。生
じた半導体層では、裏面電極を備えているかまたは裏面
電極なしでもよい基板に対する高い接着性が得られる。
個々の層剥離は、高い加熱レートARによって多層構造SA
の個別元素の局所的な塊化およびその2元中間層が回避
されるので、発生しない。このことと結びついている、
層湾曲の原因としてのラテラル、ひいては不均質な層成
長は妨げられる。均質な層成長が観察され、これにより
極めて僅かな層厚変動を有する極めて均質な化合物半導
体が生じる。
倍の領域にあり、その結果半導体層は、太陽電池を製造
するための半導体層の有用性を損なうおそれがある、層
平面に対して平行に延在する粒子境界を有していない。
す。
熱処理プロセスの期間は層構造のカプセル化によって保
証される。その際カプセル化とは、層構造上の制限され
かつ“閉鎖された”気体空間である。この種のカプセル
化に対する簡単な解決法は、適当な、プロセスに対して
不活性の材料を用いた被覆によって実現される。別の実
施例によれば、基板および層構造を熱処理のために閉鎖
された容器内に置く。その際有利にも、カプセルVによ
って閉鎖された容積の漏れレートは僅かであり、これに
より高められた流体抵抗との緩慢なガス交換が許容され
る。
られる。例えば、多層構造を備えた基板をカプセル化の
ために黒鉛ボックス内に置きかつそれからハロゲンラン
プを用いて照射するとき、迅速な加熱が実現される。黒
鉛の高い吸収によって、10s以内にプロセス温度Tpに達
する程迅速な加熱が実現される。さらに、上述の構成に
よって、反応生成物における過圧が高い蒸気圧によって
実現されるかないし熱処理期間におけるその高い蒸気圧
に基づく成分Cの過剰な損失が妨げられる。その際層被
覆と多層構造の表面との間隔は、5cmより小さい、有利
には5mmより小さくすべきである。
別の吸収性の、非反射性の材料または石英のような透明
な材料から形成することもできる。
のような高い加熱レートが実現される別の方法も可能で
ある。
ゴンのような不活性ガスから成るプロセス雰囲気下で実
施される。その際熱処理の大部分の期間のプロセス圧力
は1hpaより上にあるが、有利には雰囲気圧力近傍、すな
わち丁度1000hpa以下にある。
への変換について、第1図および第2図に基づいて説明
し、一方第3図には、そこから製造される太陽電池の横
断面図が示されている。
いられる。これは、接着層、例えば薄いクロム層を備え
ることができ、この上に、半導体層から製造すべき素子
に対する裏面電極層1aが被着されている。しかしこの方
法は、このような材料に制限されていないので、通例太
陽電池に使用される数多くの基板/裏面電極組み合わせ
sが可能である。すなわち、基板1は、任意の非導電性
または導電性の材料から、例えばセラミック、黒鉛また
は鋼から製造することができる。裏面電極層1aは、任意
の金属層とすることができるかまたは薄い導電性の酸化
物、例えばドーピングされた酸化錫または酸化亜鉛であ
ってもよい。基板1および裏面電極層1aの材料に依存し
て、SAおよびS(第1図)の間に、例えば窒化チタンま
たは窒化タンタルシリコンのような拡散防止層が必要な
ことがある。
の個別層が被着される。適当な方法は例えば、スパッタ
リング、蒸着または電気メッキによる析出である。多層
構造SAの全層厚は、完成した化合物半導体の所望の層厚
に依存しており、それは例えば0.1および5μmの間に
あるべきある。CIS層は、1μmの層厚から既に太陽光
を完全に吸収するので、太陽電池として適当なCIS層は
通例、少なくとも1μmの厚さにおいて形成される。
成分A,BおよびCは具体的な層においておよび成分相互
の適当な比において被着される。成分BおよびCを少な
くとも部分的に元素間化合物として(例えばIn2Se3)析
出することもできる。成分BおよびCの所望の比に対し
てなお余っている量のCは、元素として付加される。成
分BおよびCを合金として供給しかつ例えば蒸着するこ
とも可能である。
3および4は、上述のように、成分BおよびCを含んで
いるかないし元素的に供給されるCの他にBC化合物を含
んでいる。層3および4の順序を交換するか、または成
分A,BおよびCの総量を3層より多層の形においてマル
チ層として供給することもできる。
れ、その際mは0.9ないし1.3の値をとすることができる
が、通例1より大きい。指標nは、1.0ないし1.8の任意
の値をとることができるが、全体として常に、成分Cが
過剰に存在するように選択され、その結果Cの成分は、
Aおよび/またはBに関して化学量論の正確な成分より
20ないし100%上にあり、その際勿論過少状態にある成
分が尺度として採用される。
μmol/cm2の量の成分AおよびBおよび少なくとも4.8μ
mol/cm2の成分Cが被着される。
子パーセントの割合における成分Bおよび/またはCに
代わって、それぞれ周期系の同じ主属の元素を使用する
ことができる。
00℃以下にありかつ詳細には被着形式に依存している。
プロセスにさらさなければならない。このために、多層
構造SAはまず、例えば多層構造の被覆によってまたは多
層構造SAを備えた基板Sを閉じられた容器内に挿入する
ことによってカプセル化される。被覆は、例えば金属、
黒鉛または石英から成るシートまたは薄板を用いて行う
ことができる。第1図において、カプセル化は破線とし
て示されている。カプセルVによって、温度プロセスの
間、高い蒸気圧によって反応生成物または挿入された成
分に対して過圧が形成され、その際同時に、外部との緩
慢なガス交換が可能になる。
ギーの供給によって、十分に高い加熱レートARを保証で
きなければならす、その結果このような観点で適してい
るすべての加熱源および材料をカプセル化のために使用
することができる。
への迅速な加熱フェーズを有する。その際この加熱時間
は、30s以下、有利には10s以下にあるべきであり、その
場合少なくとも毎秒10℃の加熱レートARが必要である。
プロセス温度に達した後にさらに時間間隔dtの間引き続
き熱処理され、その際dtは数秒ないし約1hであるこの時
間間隔Tpに依存した値を有することができる。例えば50
0℃では20sの熱処理時間で十分であるが、400℃のプロ
セス温度では5minの熱処理時間が(CISに対してその都
度)必要である。
とが示されている。半導体層HLは単相であり、すなわち
所望の化合物半導体ABC2の結晶粒子からのみ成ってい
る。得られる粒径は、選択されたプロセス温度Tpまたは
加熱レートARおよび形成された半導体相HLの層厚dに依
存しておりかつ1dないし3dの範囲内にある。これによ
り、半導体層HLには、半導体層の高い電子的な品質を保
証する、層平面に対して垂直に延在する粒子境界のみが
発生することが保証されている。
る太陽電池の製造について説明する。
リブデン電極が付けられる。そのために約1μmの厚さ
のモリブデンが噴霧される。多層構造SAのために、成分
A,BおよびCが元素Cu,InおよびSeの個別層の形において
上述の順序で供給され、その際Cuに対しては2μmol/cm
2の総量が選択され、Inに対しては2.15μmol/cm2の量が
選択されかつSeに対しては5.8μmol/cm2が選択され、こ
のことは約1μmの完成したCIS層の層厚dに対して申
し分ない。別の層厚dに対しては、供給量を相応に補正
することができる。
おいて毎秒50℃の加熱レートによってハロゲンランプを
使用して400℃まで窒素から成る雰囲気中でかつ約800hp
aの圧力下で加熱される。約5minの熱処理時間の後、x
線回折スペクトルが実証するように、申し分ない接着性
の、多結晶の単相のCIS膜が黄銅鉱構造において生じ
た。粒径は1ないし3μmの範囲内にあり、膜は約50な
いし100Ωcmの固有抵抗を有するp導電性である。
り、10nm厚のn導電性の硫化カドミニウム/酸化亜鉛−
ウィンドウ相FSが発生される。前面電極相FE、例えば1
μm厚のZnO並びに格子電極構造GEおよび場合により不
活性ないし反射防止層によって構造が完全になる。
て10%以上の効率、65%以上の充填係数および38mA/cm2
の短絡電流を呈する。第3図には、完成した太陽電池が
示されている。
レン化カドミニウム銅の他に、別の黄銅鉱材料の製造の
ためにも極めて良好に適している。従来のプロセスに比
して、この新しい方法によって著しく低減されたクロッ
ク時間が得られ、その結果これにより殆ど連続的なコス
トの面で有利なインライン製造が実施される。
導体形成の工程に対する本発明の方法によって、200倍
までの加速が実現される。
Claims (10)
- 【請求項1】Aは銅であり、Bはインジウムまたはガリ
ウムでありかつCは硫黄またはセレンである、形式ABC2
の黄銅鉱半導体の作成方法であって、基板上に次のステ
ップを実施する、即ち 成分A,BおよびCを元素の形または2元元素間化合物B2C
3として被着することによって基板(S)上に多層構造
(SA)を形成し、ただし成分Cは、過少に存在している
成分Aおよび/またはBに関連して、成分Cにおける化
学量論に正確な割合の2倍までになる過剰にあり、 前記多層構造(SA)を有する前記基板(S)を不活性ガ
スから成るプロセス雰囲気下で350℃より高いまたはそ
れに等しいプロセス温度(Tp)に少なくとも10℃/sの加
熱レート(AR)で迅速に加熱し、 前記基板を、10sないし1hの時間間隔dtの間前記温度Tp
に保持し、 ここにおいて5mmより僅かな間隔をおいて前記多層構造
(SA)上に被覆することによって、カプセル化を行い、
該カプセル化によって、アニールないし熱処理プロセス
全体の期間、化学量論の正確なABC2半導体に関して形成
されるはずの、Cの分圧より上方にある分圧が、成分C
に対して維持されるようにする ことを特徴とする黄銅鉱半導体の製造方法。 - 【請求項2】前記多層構造(SA)を備えた前記基板
(S)をカプセル化のために、閉鎖された容器(V)内
に置く請求項1記載の方法。 - 【請求項3】黒鉛から成る容器を使用しかつ加熱(E)
を加熱ランプによって行う 請求項2記載の方法。 - 【請求項4】成分Aを、前記多層構造(SA)の第1の層
(1)として元素として供給する 請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項5】前記加熱レートARを、前記プロセス温度Tp
が10s以下の時間の間に達するような高さに選択する 請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項6】前記プロセス温度Tpは、少なくとも500℃
である 請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項7】前記熱処理を、1hpaと1000hpaとの間の総
ガス圧力において実施する 請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項8】前記多層構造体SAに対して、前記成分A,B
およびCを1:m:2nの比おいて析出し、ただしmは0.9な
いし1.3に等しくかつnは1.0ないし1.8に等しい 請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項9】前記成分AおよびBを少なくとも2μmol/
cm2の量においてかつ成分Cを少なくとも約4.8μmol/cm
2の量において、前記基板Sに供給する 請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。 - 【請求項10】それぞれ0%ないし25%原子パーセント
の割合の成分Bおよび/またはCの代わりにそれぞれ、
周期(律表)系の同じ主属の元素を使用する 請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
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