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JP2014231640A - 酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池 - Google Patents

酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池 Download PDF

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Abstract

【課題】ＤＣスパッタリングが可能であり、且つ光吸収層の組成変化による効率の低下を防止することができる保護層の蒸着が可能な酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池を提供する。【解決手段】酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープされている酸化亜鉛からなる焼結体；及び前記焼結体の裏面に接合され、前記焼結体を支持するバックキングプレートを含むことを特徴とする酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池に係り、より詳しくは、ＤＣスパッタリングが可能であり、且つ光吸収層の組成変化による効率の低下を防止することができる保護層の蒸着が可能な酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池に関する。
近年、エネルギー資源の不足や環境汚染の対策として高効率の光電池モジュール（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅ）の開発が大規模で進められている。該光電池モジュールは、光エネルギー、例えば太陽エネルギーを直接電気に変換させる光発電の核心素子である。この種の光電池モジュールの需要が爆発的に増加しつつある中で、大面積化への要望も高まっている実情である。
一方、この種の光電池モジュールは、一般に、カバーガラス／緩衝部材／電池セル／緩衝部材／バックシートの積層構造からなる。このとき、電池セルは、基板／共通電極／光吸収層／バッファー層／保護層／透明電極を含んでなる。ここで、基板はガラス製またはスチール製である。また、共通電極は基板上にＭｏを蒸着させて形成することができ、光吸収層は共通電極上にスパッタ、ＭＢＥ、エバポレーション（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）法にて、例えば、銅インジウムガリウムセレン（ＣＩＧＳ：ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｅｌｅｎｉｄｅ）化合物を蒸着させて形成することができ、バッファー層は光吸収層上にＣＢＤやＡＬＤ法にてＣｄＳ或いはＺｎＳを蒸着させて形成することができる。そして、保護層はバッファー層上にイントリンシック酸化亜鉛（ｉ−ＺＮＯ）を蒸着させて形成することができる。
ここで、電池セルの保護層に用いられるｉ−ＺＮＯは不導体であって、例えば、酸化亜鉛系薄膜からなる透明電極（特許文献１）とは電気的な特性が相反する。
また、ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層は、ガリウムの界面拡散現象が生じるなど、組成的に不安定な構造であって、このように、光吸収層の組成が変質すると、結局、光電池の効率の低下につながらざるを得ない。このため、光吸収層の組成の変質を防止可能な対策が切実に要求されている。
日本登録特許公報第４６７０８７７号（２０１１.０１.２８.）
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ＤＣスパッタリングが可能であり、且つ光吸収層の組成変化による効率の低下を防止することができる保護層の蒸着が可能な酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池を提供することである。
このために、本発明は、酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープされている酸化亜鉛からなる焼結体；及び前記焼結体の裏面に接合され、前記焼結体を支持するバックキングプレートを含むことを特徴とする酸化亜鉛系スパッタリングターゲットを提供する。
ここで、前記焼結体は、比抵抗が１００Ω・ｃｍ以下であってよい。
また、前記酸化亜鉛系スパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングが可能なターゲットであってよい。
そして、前記焼結体は、５０ＭＰａ以上の曲げ強度を有していてよい。
さらに、前記焼結体中に、直径１μｍ以上の前記酸化ガリウムの凝集体が該焼結体の体積に対し５％未満で分布されていてよい。
一方、本発明は、酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲で含まれた酸化亜鉛系薄膜を保護層として備えることを特徴とする光電池を提供する。
ここで、前記光電池は、銅インジウムガリウムセレン（ＣＩＧＳ）化合物からなる光吸収層を含んでいてよい。
また、前記保護層をなす結晶粒の大きさは、１０ｎｍ以上であってよい。
そして、前記保護層は、１００ｎｍ未満の厚さで形成されていてよい。
このとき、前記保護層は、５０ｎｍ未満の厚さで形成されていてよい。
さらに、前記保護層は、１０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有していてよい。
本発明によれば、酸化亜鉛に酸化ガリウムを１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープさせることで、安定したＤＣスパッタリングが可能になる。
また、本発明によれば、酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより、保護層として酸化亜鉛系薄膜を蒸着することで、不安定な光吸収層の組成変質を保護層中に含有された高濃度のガリウムにより防止することができ、その結果、光電池の効率の低下を防止することができる。
また、本発明によれば、酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着される保護層の組成均質度が高まり、大面積の光電池の製造が可能になる。
また、本発明によれば、スパッタリングターゲットにより、保護層として酸化ガリウムがドープされた酸化亜鉛系薄膜を蒸着することで、伝導性の保護層上に透明電極として酸化亜鉛系薄膜を蒸着した場合、透明電極の抵抗を下げることができ、その結果、光電池の光変換効率を向上することができる。
さらに、本発明によれば、酸化ガリウムが多量添加された酸化亜鉛系薄膜を保護層として用いることで、ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層にあるガリウムの界面拡散を抑制し、且つ保護層のガリウムが光吸収層に拡散していき、光電池の効率を向上することができる。
本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着された保護層を有する光電池を概略的に示す断面模式図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲット及びこれにより蒸着された保護層を有する光電池について詳しく説明する。
なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断された場合、その詳細な説明は省略することにする。
図１に示すように、本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットは、基板１１、共通電極１２、光吸収層１３、バッファー層１４、保護層１００、及び透明電極１５がこの順で積層されてなる光電池１０において、酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲で含まれた酸化亜鉛系薄膜からなる保護層１００を蒸着させるためのターゲットである。ここで、基板１１は、ガラス製またはスチール製であってよい。また、共通電極１２は、基板１１上に、例えば、Ｍｏ蒸着を通じて形成されていてよい。そして、光吸収層１３は、共通電極１２上にスパッタ、ＭＢＥ、エバポレーション（Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）法にて、銅インジウムガリウムセレン（ＣＩＧＳ）化合物を蒸着することで形成されていてよく、バッファー層１４は、光吸収層１３上にＣＢＤまたはＡＬＤ法にて、例えば、ＣｄＳまたはＺｎＳを蒸着することで形成されていてよく、また、透明電極１５は、本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着される保護層１００上に蒸着形成されていてよく、且つ保護層１００と同様に酸化亜鉛系薄膜からなるものであってよい。
このように、光電池１０の保護層１００の蒸着に用いられる本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットは、焼結体及びバックキングプレート（ｂａｃｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ）を含んでなる。
焼結体は、酸化ガリウムが該焼結体の重さの１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープされている酸化亜鉛からなる。これは、酸化亜鉛に酸化ガリウムがドープされると、酸化ガリウムのガリウムが酸化亜鉛の構造において亜鉛を置換固溶してｎ型半導体を形成させることで電気伝導度を付与するようになるが、熱力学的に平衡をなす状態でガリウムが酸化亜鉛に固溶する含量には限界があるため、その添加量を制御することで酸化亜鉛からなる焼結体に電気伝導度を呈させることにより、ＤＣスパッタリングが可能になるようにするためである。ここで、酸化ガリウムの添加量を１０ｗｔ％以上にすると、ＣＩＧＳ光吸収層１３の効率を向上するうえで有効である。しかし、酸化ガリウムの添加量が６０ｗｔ％を超えると、焼結体の比抵抗が急増するため、酸化ガリウムの添加量が６０ｗｔ％を越えないように制御することが望ましい。他方で、酸化ガリウムの添加量が１０ｗｔ％を越えないと、酸化亜鉛焼結体の比抵抗が低下して安定した放電が可能になるものの、ＣＩＧＳ光吸収層１３の効率向上に関する寄与度が低下するようになる。すなわち、組成的に不安定な光吸収層１３の組成変質を防ぐことができなくなる。
このように、酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープされている酸化亜鉛からなる焼結体を備えたスパッタリングターゲットにより、酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲で含まれた酸化亜鉛系薄膜を、光電池１０の保護層１００として蒸着することができる。
なお、前記のように酸化ガリウムの添加量が制御された酸化亜鉛焼結体は、スパッタリングの際に印加される高いパワーによってクラックなどが生じる恐れがあり、このため、５０ＭＰａ以上の曲げ強度を有し、且つ焼結体中に直径１μｍ以上の酸化ガリウムの凝集体が該焼結体の体積に対し５％未満で分布されているように制御することが好ましい。
バックキングプレートは、焼結体を支持する役割を果たす部材であって、導電性及び熱伝導性に優れる銅、好ましくは、無酸素銅、チタン、ステンレス鋼からなるものであってよい。このようなバックキングプレートは、例えば、インジウムからなるボンディング材を介して焼結体の裏面に接合され、酸化亜鉛系スパッタリングターゲットを構成するようになる。
このように、焼結体とバックキングプレートとからなる酸化亜鉛系スパッタリングターゲットは、高い蒸着速度を有する。また、焼結体は、１００Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有し、その結果、スパッタリングの際に印加される高いパワーでも異常放電をすることなく安定した放電が可能になり、これにより、蒸着される保護層１００の組成均質度が高まり、大面積の光電池１０の製造が可能になる。
一方、本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着された光電池１０の保護層１００は、１０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有していてよい。このように、保護層１００が抵抗特性に優れていると、その上部に形成される透明電極１５の抵抗も低くなり、従来、大面積パネルの適用時において透明電極の高い抵抗によりＣＩＧＳ層の効率が劣化するという現象を防止可能になる。
このような保護層１００は、１００ｎｍ未満の厚さ、好ましくは、５０ｎｍ未満の厚さで形成されていてよい。なぜならば、保護層１００がバッファー層１４と共に光を透過させる役割を果たすが、厚さが薄いほど透過率の向上に有利であるからである。
このように、酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着される酸化亜鉛系薄膜からなる保護層１００は、ガリウムの含有量に関係なく酸化亜鉛の六方晶結晶構造を保持し、主にｃ-軸に結晶成長をする。このとき、このような保護層１００をなす結晶粒の大きさ、即ち直径、は１０ｎｍ以上であってよい。
ここで、本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着された保護層１００は、酸化亜鉛基盤の結晶構造をなしている。このとき、このような保護層１００上に蒸着される透明電極１５は、保護層１００と同様に酸化亜鉛系薄膜からなるものであってよい。これにより、透明電極１５の蒸着初期から結晶配向が形成された保護層１００上に透明電極１５が蒸着されることで、透明電極１５の性能を極大化でき、その結果、光電池１０の光変換効率を一層向上することができる。
また、本発明の実施例に係る酸化亜鉛系スパッタリングターゲットにより蒸着された保護層１００は、その中に含有された高い濃度のガリウムによって組成的に不安定なＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層１３の組成変質を防止することができる。すなわち、ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層１３の保護層１００にて酸化ガリウムが多量添加された酸化亜鉛系薄膜が形成されると、光吸収層１３にあるガリウムの界面拡散を抑制することができ、且つ、保護層１００のガリウムが光吸収層１３に拡散していき、光電池１０の効率を向上することができるようになる。
[実施例１]
ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層上にＣｄＳを蒸着してバッファー層を形成し、バッファー層上に酸化ガリウムがドープされた酸化亜鉛ターゲット（ＧＺＯターゲット）によるＤＣスパッタリングにて保護層を形成し、保護層上にＧＡＺＯ（Ｇａ-Ａｌ-Ｚｎ-Ｏ）ターゲットによるＤＣスパッタリングにて透明電極（ＴＣＯ）を形成した後、これらに対する特性を評価した。
[比較例１]
ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層上にＣｄＳを蒸着してバッファー層を形成し、バッファー層上にイントリンシック酸化亜鉛（ｉ−ＺＮＯ）ターゲットによるＲＦスパッタリングにて保護層を形成し、保護層上にＡＺＯ（Ａｌ-Ｚｎ-Ｏ）ターゲットによるＲＦスパッタリングにて透明電極（ＴＣＯ）を形成した後、これらに対する特性を評価した。
[比較例２]
ＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層上にＣｄＳを蒸着してバッファー層を形成し、バッファー層上にｉ−ＺＮＯターゲットによるＲＦスパッタリングにて保護層を形成し、保護層上にＧＡＺＯ（Ｇａ-Ａｌ-Ｚｎ-Ｏ）ターゲットによるＲＦスパッタリングにて透明電極（ＴＣＯ）を形成した後、これらに対する特性を評価した。
Figure 2014231640
Figure 2014231640
前記表１は蒸着条件を表すものであり、前記表２はこれによる特性評価の結果を表すものである。
表２を見ると、透明電極がＧＡＺＯからなる比較例２は、透明電極がＡＺＯからなる比較例１よりも、開放電圧ＶｏｃやＦＦ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）値はいずれも高く、且つ短絡電流Ｊｓｃ値は低く、これにより、比較例２の効率（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が比較例１の効率よりも約１％程度向上することが確認された。すなわち、透明電極をＧＡＺＯで形成するのが、ＡＺＯで形成するよりも光電池の効率向上のうえでより好適であることが確認された。
また、比較例２と同様に透明電極としてＧＡＺＯを蒸着し、保護層としてＧＺＯを蒸着した実施例１は、保護層としてｉ−ＺＮＯを蒸着した比較例２よりも、開放電圧ＶｏｃやＦＦ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）値はいずれも高く、短絡電流Ｊｓｃ値はほぼ同じであり、これにより、実施例１の効率が比較例２の効率よりも約２．７％程度向上することが確認された。また、実施例１に係る光電池は、現在商用される比較例１の構造であるＡＺＯ／ｉ−ＺＮＯ構造からなる光電池に対して約３．７５％の効率向上効果が得られることが確認された。
このように、保護層としてｉ−ＺＮＯに代えてＧＺＯを蒸着したほうが、透明電極としてＡＺＯに代えてＧＡＺＯを蒸着することより、光電池の効率の面でより優れた効果を示すことが確認された。すなわち、保護層としてＧＺＯを蒸着すれば、ＧＡＺＯからなる透明電極の電気的特性を向上し、且つ、Ｇａの効果を極大化させることでＣＩＧＳ化合物からなる光吸収層の組成変質を防止することができることが確認された。
以上のように、限定された実施例と図面によって本発明が説明されたが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正および変形が可能である。
したがって、本発明の範囲は、説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
１００ 保護層
１０ 光電池
１１ 基板
１２ 共通電極
１３ 光吸収層
１４ バッファー層
１５ 透明電極

Claims (11)

  1. 酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲でドープされている酸化亜鉛からなる焼結体；及び
    前記焼結体の裏面に接合され、前記焼結体を支持するバックキングプレート;
    を含むことを特徴とする酸化亜鉛系スパッタリングターゲット。
  2. 前記焼結体は、比抵抗が１００Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系スパッタリングターゲット。
  3. ＤＣスパッタリングが可能なターゲットであることを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛系スパッタリングターゲット。
  4. 前記焼結体は、５０ＭＰａ以上の曲げ強度を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸化亜鉛系スパッタリングターゲット。
  5. 前記焼結体中に、直径１μｍ以上の前記酸化ガリウムの凝集体が該焼結体の体積に対し５％未満で分布されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸化亜鉛系スパッタリングターゲット。
  6. 酸化ガリウムが１０〜６０ｗｔ％の範囲で含まれた酸化亜鉛系薄膜を保護層として備えることを特徴とする光電池。
  7. 銅インジウムガリウムセレン（ＣＩＧＳ：ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｓｅｌｅｎｉｄｅ）化合物からなる光吸収層を含むことを特徴とする請求項６に記載の光電池。
  8. 前記保護層をなす結晶粒の大きさは、１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光電池。
  9. 前記保護層は、１００ｎｍ未満の厚さで形成されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の光電池。
  10. 前記保護層は、５０ｎｍ未満の厚さで形成されることを特徴とする請求項９に記載の光電池。
  11. 前記保護層は、１０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の光電池。
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