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JP2009033071A - ＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法 - Google Patents

ＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法 Download PDF

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JP2009033071A
JP2009033071A JP2007198220A JP2007198220A JP2009033071A JP 2009033071 A JP2009033071 A JP 2009033071A JP 2007198220 A JP2007198220 A JP 2007198220A JP 2007198220 A JP2007198220 A JP 2007198220A JP 2009033071 A JP2009033071 A JP 2009033071A
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JP
Japan
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solar cell
cigsse
cadmium
film
buffer layer
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JP2007198220A
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Inventor
Akimasa Yamada
昭政 山田
Shogo Ishizuka
尚吾 石塚
Keiichiro Sakurai
啓一郎 櫻井
Hitoshi Tanpo
衆志 反保
Koji Matsubara
浩司 松原
Sakae Niki
栄 仁木
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

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Abstract

【課題】 本発明は、硫化カドミウム膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法において、アンモニア水の添加を必要としない硫化カドミウム膜を得るＣＩＧＳＳｅ太陽電池の作製方法及びＣＩＧＳＳｅ太陽電池を提供することを課題とする。
【解決手段】 カドミウム源として酢酸カドミウムを、硫黄源としてチオアセトアミド（CH3CSNH2）を用いた水溶液による硫化カドミウム膜をバッファ層とする工程を含むＣＩＧＳＳｅ（CuIn1-xGaxSySe2-y）太陽電池の作製方法である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＣＩＧＳＳｅ（CuIn1-xGaxSySe2-y）を光吸収層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法に関するものであり、特に硫化カドミウム膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法に関するものである。
ＣＩＧＳＳｅ太陽電池は元素記号でCuIn1-xGaxSySe2-y（0≦x≦1、0≦y≦2）なる化合物を光吸収層とする太陽電池である。
ＣＩＧＳＳｅは光吸収係数が大きいので薄膜太陽電池によく適する材料であって、ＣＩＧＳＳｅ太陽電池の光電変換効率は実験室では１９％を超えており、次世代型太陽電池と呼ばれながらすでに市販されており、省資源、温暖化抑止エネルギー源の一翼を担うものとして期待されている。
ＣＩＧＳＳｅ太陽電池の基本構造を図１に、また別のＣＩＧＳＳｅ太陽電池の基本構造を図２に示す。
図１の太陽電池は基板の反対側から光を入射するものであるが、図２に示す太陽電池は、基板を透明な材料にして基板側から光を入射するものである。
ＣＩＧＳＳｅ太陽電池の各要素は一般的に下記の材料から構成される。代表的な製膜法を括弧内に示す。
基板：ソーダライムガラス
裏面電極：Mo（マグネトロンスパッタ）
光吸収層：CIGSSe（三段階蒸着もしくは金属前駆体セレン化）
バッファ層：CdSあるいはZn(S,O,OH)（溶液成長）
窓層：高抵抗ZnO（マグネトロンスパッタ）
透明電極：Al、Ga、Bなどを添加したZnO（マグネトロンスパッタ）
反射防止膜：MgF2（蒸着もしくはマグネトロンスパッタ）
なお反射防止膜を設けることによって主として出力電流が増し、変換効率の利得が高くなるが、いずれの太陽電池においても反射防止膜は必須ではない。
ＣＩＧＳＳｅ太陽電池のバッファ層として、実験的には硫化カドミウム（CdS）膜を溶液成長法で作製したものが最も良い結果が得られている。従来使用されている溶液の組成は、例えば、カドミウム源として硫酸カドミウム（CdSO4）、硫黄源としてチオ尿素（NH2CSNH2）が用いられ、それにアンモニア水（NH4OH）を加えた混合水溶液で、それぞれのモル濃度はおよそ0.0008M、0.003M及び2Mである。（非特許文献１参照）
この水溶液中にＣＩＧＳＳｅ光吸収層製膜までの工程を終えた加工品を浸し、60〜80℃に加熱して10〜20分で必要な厚み（数十nm）のCdS膜が堆積する。
カドミウム源としては他に、酢酸カドミウム（Cd(CH3COO)2）、ヨウ化カドミウム（CdI2）、塩化カドミウム（CdCl2）などがあり、それぞれ適当な硫黄源との組み合わせで使用されるが、いずれもアンモニア水の添加を必要とする。（特許文献１、非特許文献２〜３参照）
アンモニア水は、他の薬品に比べて多く使用し、コスト、廃液処理、周辺機器へのアンモニアガスの影響が問題となっている。
特開２００１−１９６６１１号公報 K. Ramanathan et al., Prog. Photovolt: Res. Appl. 11 (2003) 225 Y. Hashimoto et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 50(1998) 71 S.N. Qiu et al., Applied Surface Science 113/l14 (1997) 764.
そこで本発明は、硫化カドミウム膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池の作製において、アンモニア水の添加を必要としない硫化カドミウム膜を得るＣＩＧＳＳｅ太陽電池の作製方法及びＣＩＧＳＳｅ太陽電池を提供することを課題とする。
課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）カドミウム源として酢酸カドミウムを、硫黄源としてチオアセトアミド（CH3CSNH2）を用いた水溶液による硫化カドミウム膜をバッファ層とする工程を含むＣＩＧＳＳｅ（CuIn1-xGaxSySe2-y）太陽電池の作製方法。
（２）六方晶の硫化カドミウムを含む膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ（CuIn1-xGaxSySe2-y）太陽電池。
本発明によれば硫化カドミウム膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池及びその作製方法において、アンモニア水の添加を必要としない硫化カドミウム膜を得ることができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明のカドミウム源として酢酸カドミウムを、硫黄源としてチオアセトアミドCH3CSNH2を用いた水溶液で、それ以外の薬品は使用しない。
実験では、酢酸カドミウムとチオアセトアミドの濃度をそれぞれ約0.002M、0.05Mとし、60〜80℃に加熱して、10〜20分で必要な厚み（数十nm）のCdS膜が得られた。
図３に従来の作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池（破線）と本発明による作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池（実線）の性能比較を示す。
この図は、標準太陽光シミュレータ（光強度：100mW/cm2、エアマス：1.5）の光を照射したときの両者の太陽電池の出力電圧と電流（J-V特性）である。
図３に示す結果のように、本発明によるアンモニア水を全く使わない作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池において、従来の作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池と同等のJ-V特性が得られている。
図４は従来の作製方法で作製したCdS膜のＸ線回折スペクトルであり、図５は本発明による作製方法で作製したCdS膜のＸ線回折スペクトルである。両図において(c)、(h)はそれぞれ、立方晶及び六方晶を意味する。
従来の作製方法によるCdS膜は立方晶に同定されるピークのみが見られるが、本発明による作製方法によるものは立方晶に加えて六方晶に同定されるピークが見られる。
したがって本発明による作製方法で作製したCdS膜は、従来の作製方法によるCdS膜とは異なり、六方晶の硫化カドミウムを含む構造を有しているということができる。
CdS膜の厚みは二種の薬品の濃度、溶液温度及び浸積時間の組み合わせで決まる。ＣＩＧＳＳｅ太陽電池の要素として必要な厚み（数十nm）を得るための製膜条件は、およそ以下の範囲である。
0.0002 M ≦ 酢酸カドミウム濃度 ≦ 0.02 M
0.005 M ≦ チオアセトアミド濃度 ≦ 0.5 M
50℃ ≦ 溶液温度 ≦ 90℃
5分 ≦ 浸積時間 ≦ 30分
ＣＩＧＳＳｅ太陽電池の基本構造模式図。 別のＣＩＧＳＳｅ太陽電池の基本構造模式図。 従来の作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池（破線）と本発明による作製方法で製膜したCdSバッファ層を用いた太陽電池（実線）の性能比較。 従来の作製方法で作製したCdS膜のＸ線回折スペクトル。 本発明による作製方法で作製したCdS膜のＸ線回折スペクトル。

Claims (2)

  1. カドミウム源として酢酸カドミウムを、硫黄源としてチオアセトアミドを用いた水溶液による硫化カドミウム膜をバッファ層とする工程を含むＣＩＧＳＳｅ太陽電池の作製方法。
  2. 六方晶の硫化カドミウムを含む膜をバッファ層とするＣＩＧＳＳｅ太陽電池。
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