JP6313428B2 - 光電池又は光電池モジュール用のバックコンタクト基材 - Google Patents
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Description
金属又は金属合金をベースとする金属薄膜を含む導電性コーティング、
当該導電性コーティングを保護するためのセレン化に対するバリア薄膜であって、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとするセレン化に対するバリア薄膜、
を含む、バックコンタクト基材に関する。
・上記導電性コーティングは支持基材上に形成される、
・上記セレン化に対するバリアは上記導電性コーティング上に形成される、
・上記セレン化に対するバリア薄膜は0GPaと−10GPaの間、好ましくは−1GPaと−5GPaの間の圧縮応力を有する、
・上記セレン化に対するバリア薄膜は最大10nmの粒子サイズを有するナノ結晶質又は非晶質である、
・上記セレン化に対するバリア薄膜は少なくとも1%及び最大50%、好ましくは少なくとも2%及び最大20%のO/(O+N)モル組成を有する、
・上記セレン化に対するバリア薄膜は少なくとも15%及び最大80%のM’/(M’+O+N)モル組成を有する、
・上記セレン化に対するバリア薄膜は少なくとも5nm及び最大100nm、好ましくは少なくとも10nm及び最大60nmの厚みを有する、
・上記電極は、上記導電性コーティングを保護するための、MoxOyNz、TixOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対する第2のバリア薄膜を含む、
・上記導電性コーティングは支持基材上に形成される、
・上記セレン化に対するバリアは上記導電性コーティング上に形成される、
・上記セレン化に対する第2のバリア薄膜は0GPaと−10GPaの間、好ましくは−1GPaと−5GPaの間の圧縮応力を有する、
・上記セレン化に対する第2のバリア薄膜は最大10nmの粒子サイズを有するナノ結晶質又は非晶質である、
・上記セレン化に対する第2のバリア薄膜は少なくとも1%及び最大50%、好ましくは少なくとも2%及び最大20%のO/(O+N)モル組成を有する、
・上記セレン化に対する第2のバリア薄膜(10)は少なくとも15%及び最大80%のM’/(M’+O+N)モル組成を有する、
・上記セレン化に対する第2のバリア薄膜は少なくとも2nm及び最大60nm、好ましくは少なくとも10nm及び最大40nmの厚みを有する、
・上記電極はさらに、上記導電性コーティングとセレン化に対する上記バリア薄膜との間に中間層薄膜を含み、この中間層薄膜はチタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、ニオブ(Nb)又はタンタル(Ta)のうちの少なくとも1種をベースとしている、
・上記中間層は10nm〜100nm、又は20nm〜50nmの厚みを有する、
・上記電極はさらに、少なくとも1種の金属Mをベースとしたオーミックコンタクト薄膜を含む、
・上記オーミックコンタクト薄膜は上記合金薄膜の上に、及び存在する場合セレン化に対する上記バリア薄膜の上に形成され、当該オーミックコンタクト薄膜は吸収体薄膜と接触するものである、
・上記金属Mは、光活性半導体材料とのオーミックコンタクトを形成することができるp型半導体の硫化物及び/又はセレン化物の化合物を作ることができる、
・上記オーミックコンタクト薄膜はモリブデン(Mo)及び/又はタングステン(W)をベースとする、
・上記バックコンタクト基材はさらに、支持基材と電極との間にアルカリに対するバリア薄膜を含む、
・上記バリア薄膜は支持基材上に形成される、
・アルカリに対する上記バリア薄膜は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、酸化アルミニウム及び酸窒化アルミニウムのうちの少なくとも1種をベースとする、
・上記金属薄膜は、銅(Cu)、銀(Ag)及び金(Au)のうちから選択される1種又は複数種の第1の元素MAと、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、炭素(C)及び鉛(Pb)のうちから選択される1種又は複数種の第2の元素MBの、少なくとも2種の元素をベースとする合金薄膜である、
・上記主要な金属薄膜は、
銅(Cu)及び銀(Ag)のうちの少なくとも一方と、
亜鉛(Zn)と、
をベースとしている、
・上記金属薄膜は、
銅(Cu)及び銀(Ag)のうちの少なくとも一方と、
亜鉛(Zn)及びチタン(Ti)と、
をベースとしている、
という特徴の1つ以上を、別個に又は技術的に可能なすべての組み合わせに応じて含む。
金属又は金属合金をベースとする金属薄膜(8)を含む導電性コーティング、
上記導電性コーティングを保護するための、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対する第2のバリア薄膜(10)、
を作製する工程を含む電極作製工程を含む、光電池用のバックコンタクト基材の製造方法である。
・当該方法は、光活性薄膜を形成する工程を含み、その間に電極の抵抗率が低下して、熱アニーリング後に得られるシート抵抗が2Ω/□未満、好ましくは1Ω/□未満となる、
・オーミックコンタクト薄膜を有する、光活性薄膜を形成する前記工程の間に、金属Mをベースとする当該オーミックコンタクト薄膜を当該金属Mの硫化物及び/又はセレン化物に変える、
という特徴のうちの1つ以上を、別個に又は技術的に可能なすべての組み合わせに応じて示す。
・ガラス製の支持基材2、
・基材2上に形成された、アルカリに対するバリア金属薄膜4、
・アルカリに対するバリア金属薄膜4上に形成された電極コーティング6、
を含む光電池のためのバックコンタクト基材1を図示している。
・アルカリに対するバリア薄膜4の上に直接形成された金属薄膜8、
・金属薄膜8の上に直接形成された、セレン化に対するバリア薄膜10、及び、
・金属Mをベースとし、セレン化に対するバリア薄膜10上に直接形成されたオーミックコンタクト薄膜12、
から構成される。
・支持基材2上に形成された金属薄膜8を含む導電性コーティング、
・導電性コーティング、すなわち金属薄膜を保護するための、金属薄膜8上に形成されたセレン化に対するバリア10であって、M’xNyO(式中のM’はMo、W、Ta、Nb又はReから選ばれる)をベースとする、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対するバリア10、及び、
・金属Mをベースとし、セレン化に対するバリア薄膜10上に形成されたオーミックコンタクト薄膜12、
を含む。
・支持基材2上に形成された金属薄膜、
・導電性コーティング、すなわち金属薄膜を保護するための、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対するバリア10、
を含む。
上記のようなセレン化に対するバリア10は、起こり得るセレン化及び/又は硫化から金属薄膜を保護するのに非常に有効であることが分かった。セレン化から保護する薄膜は硫化からも保護するということに注目すべきである。
意図的なナトリウムのドープを利用する製造方法は、より信頼性がある。制御されたナトリウムのドーピングは、例えば、例として米国特許第5626688号明細書に記載されるように、光活性材料を作るためアルカリ金属を加えることにより、例えばナトリウム又は他のアルカリ金属を含むターゲットを使用して、光活性材料の被着中にアルカリ金属を添加することにより、あるいは電極6の上にナトリウム化合物を被着することにより、行うことができる。
α原子%のTixOyNz(100−α)原子%の[MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNz](ここでのαは1と99の間である)、又は、
α原子%のTixOyNz(100−α)原子%のMoxOyNz(ここでのαは1と99の間である)、あるいはその他の任意の可能な混合物、
で作製してもよい。とは言え、簡単にするために、それは好ましくはTixOyNz、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの1種のみをベースとするのが好ましく、TixOyNz、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの1種のみで作製されるのが好ましい。
次に、金属薄膜8をより詳しく説明する。
・銅(Cu)及び銀(Ag)のうちの少なくとも一方と、
・亜鉛(Zn)と、
をベースとする。
・1種のみの第1の元素MAと1種のみの第2の元素のMB(例えばCuZn)、
・1種のみの第1の元素MAと数種の第2の元素MB(例えばCuZnTi)、
・数種の第1の元素MAと1種のみの第2の元素MB(例えばCuAgZn)、又は、
・数種の第1の元素MAと数種の第2の元素MB(例えばCuAgZnTi)、
をベースとすることができる。
オーミックコンタクト薄膜12のために使用される金属Mは、硫化及び/又はセレン化後に、光活性半導体材料と、特に銅とセレン及び/又は硫黄の黄銅鉱をベースとする光活性半導体材料、例えばCu(In,Ga)(S,Se)2タイプの光活性材料、特にCIS又はCIGS、CIGSSe、又はCu2(Zn,Sn)(S,Se)4タイプの材料、又はテルル化カドミウム(CdTe)もしくは硫化カドミウム(CdS)タイプの光活性材料と、オーミックコンタクト薄膜を形成することができる。
次に、合金薄膜8とセレン化に対するバリア薄膜10との間の可能性のある中間層薄膜を説明する。
次に、支持基材2とアルカリに対するバリア4を説明する。支持基材は剛性であっても柔軟性であってもよく、例えばソーダ石灰シリカガラス又はホウケイ酸ガラス、セラミックシート、金属フィルム、又はポリマーフィルムなどの様々な材料から作製することができる。
本発明のもう一つの対象は、上記したバックコンタクト基材1の製造方法である。
・支持基材2の上に合金薄膜8を被着させ、アルカリに対するバリア薄膜4を任意選択的にあらかじめ被着させ及び/又は接着性薄膜を任意選択的にあらかじめ被着させる段階、
・合金薄膜8の上にセレン化に対する任意選択的なバリア薄膜10を、例えば直接その上に又は中間薄膜を挟んで、被着させる段階、
・金属Mをベースとする任意選択的なオーミックコンタクト薄膜12をセレン化に対するバリア薄膜10上に被着させ、この場合には金属Mをベースとする当該薄膜を金属Mの硫化物又はセレン化物に変換させる段階、
を含む。この変換段階は、このセレン化及び/又は硫化が上記半導体薄膜の被着中に行われても、又は上記半導体薄膜の前駆体となる当該金属成分の被着後に行われても、CIS、CIGS又はCZTS半導体薄膜の形成前の別の段階であることができ、あるいはCIS、CIGS又はCZTS半導体薄膜のセレン化及び/又は硫化中に行われる段階であることができる。
・連続したCu/Zn又はZn/Cu金属薄膜、
・1つの金属薄膜/Znに富んだ1つの合金薄膜、すなわちCu/CuZnrich/Cu、
・1つの金属薄膜/Znの少ない1つの合金薄膜、すなわちZn/CuZpoor/Zn、
・2つの合金CuZnrichthin film/CuZnpoor薄膜又はCuZnpoor/CuZnrich、
であり、又はこれらの任意の組み合わせである。この例は、上記のいずれの合金にも置き換えることができる。
・第1の元素MAのうちの少なくとも1種を含有する薄膜を形成する工程、及び、
・第2の元素MBのうちの少なくとも1種を含有している、異なる材料の別の薄膜を形成する工程、
を含む理由である。
本発明の別の対象は、上述のバックコンタクト基材1を使用してその上に1つ以上の光活性薄膜22、24を形成する半導体装置20(図2)である。
・合金薄膜8、
・合金薄膜8上に形成されたセレン化に対する任意選択的なバリア薄膜10、及び、
・セレン化に対するバリア10上に形成された、M(S,Se)2をベースとする、任意選択的なオーミックコンタクト薄膜12’、
を含む。この半導体装置は、オーミックコンタクト薄膜12’上にこれと接触して、光活性半導体薄膜14、16を含む。
・薄膜8、10、12’、22及び24によって形成された半導体装置20、及び、
・第1の光活性薄膜22の上かつバッファ薄膜24の上に形成された、例えばZnO:Alで作製された透明電極32、
を含み、バッファ薄膜24が存在する場合、透明電極32と半導体装置20との間に、例えば本質的にZnO又は本質的にZnMgOの、抵抗性薄膜34が任意選択的に介在している。
一般に、それは任意の適切なタイプの透明な導電性材料(TCO)である。
これらの薄膜は、金属ターゲットからマグネトロンスパッタリングにより被着される。
表IIは、ガラス/Cu50Zn50(100nm)/TaON(80nm)/Mo(30nm)の積重体についての結果を示している。
一番上のMo薄膜が、意図的にMo(S,Se2)薄膜に変えられる。
Claims (14)
- 支持基材(2)と電極(6)とを含む光電池用のバックコンタクト基材(1)であって、上記電極(6)が、
・銅(Cu)、銀(Ag)及び金(Au)のうちから選択される少なくとも1種の第1の元素MAと、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、炭素(C)及び鉛(Pb)のうちから選択される少なくとも1種の第2の元素MBの、少なくとも2種の元素をベースとする合金薄膜である金属薄膜(8)を含む導電性コーティング、
・当該導電性コーティングを保護するためのセレン化に対するバリア薄膜(10)であって、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとするセレン化に対するバリア薄膜(10)、
を含む、光電池用のバックコンタクト基材(1)。 - セレン化に対する前記バリア薄膜が0GPaと−10GPaの間、好ましくは−1GPaと−5GPaの間の圧縮応力を有する、請求項1に記載のバックコンタクト基材(1)。
- セレン化に対する前記バリア薄膜が最大10nmの粒子サイズを有するナノ結晶質又は非晶質である、請求項1又は2に記載のバックコンタクト基材(1)。
- セレン化に対する前記バリア薄膜が少なくとも1%及び最大50%、好ましくは少なくとも2%及び最大20%のO/(O+N)モル組成を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- セレン化に対する前記バリア薄膜が少なくとも15%及び最大80%のM’/(M’+O+N)モル組成を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- セレン化に対する前記バリア薄膜が少なくとも5nm及び最大100nm、好ましくは少なくとも10nm及び最大60nmの厚みを有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- 前記電極が、前記導電性コーティングを保護するための、MoxOyNz、TixOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対する第2のバリア薄膜を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- 前記電極(6)がさらに、前記導電性コーティングとセレン化に対する前記バリア薄膜との間に中間層薄膜を含み、この中間層薄膜はチタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、レニウム(Re)、ニオブ(Nb)又はタンタル(Ta)のうちの少なくとも1種をベースとしている、請求項1〜7のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- 前記電極(6)がさらに、少なくとも1種の金属Mをベースとした、好ましくはモリブデン(Mo)及び/又はタングステン(W)をベースとした、オーミックコンタクト薄膜を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。
- 前記金属薄膜(8)が、
・銅(Cu)及び銀(Ag)のうちの少なくとも一方と、
・亜鉛(Zn)と、
をベースとしている、請求項1〜9のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。 - 前記金属薄膜が、
・銅(Cu)及び銀(Ag)のうちの少なくとも一方と、
・亜鉛(Zn)及びチタン(Ti)と、
をベースとしている、請求項1〜10のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)。 - 請求項1〜11のいずれか1項に記載のバックコンタクト基材(1)と、少なくとも光活性材料の薄膜とを含む、光電池(30)。
- 光電池(30)用のバックコンタクト基材(1)の製造方法であって、
・銅(Cu)、銀(Ag)及び金(Au)のうちから選択される少なくとも1種の第1の元素MAと、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、炭素(C)及び鉛(Pb)のうちから選択される少なくとも1種の第2の元素MBの、少なくとも2種の元素をベースとする合金薄膜である金属薄膜(8)を含む導電性コーティング、
・上記導電性コーティングを保護するための、MoxOyNz、WxOyNz、TaxOyNz、NbxOyNz、RexOyNzのうちの少なくとも1種をベースとする、セレン化に対する第2のバリア薄膜(10)、
を作製する工程を含む電極(6)の作製工程を含む、光電池(30)用のバックコンタクト基材(1)の製造方法。 - 光活性薄膜を形成する工程を含み、その間に前記電極の抵抗率が低下して、熱アニーリング後に得られるシート抵抗が2Ω/□未満、好ましくは1Ω/□未満となる、請求項13に記載の方法。
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