CN117121216A - 光电转换元件和光电转换元件的制造方法 - Google Patents

光电转换元件和光电转换元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

光电转换元件具备光电转换部；第1红外辐射层，其形成在光电转换部上且包含第1材料，所述第1材料选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种；以及第2红外辐射层，其形成在第1红外辐射层上且包含第2材料，所述第2材料选自SiO2或Al2O3。

Description

光电转换元件和光电转换元件的制造方法
技术领域
本发明涉及光电转换元件和光电转换元件的制造方法。
背景技术
一直以来，作为在宇宙空间中运用的卫星等的电力供给单元，使用作为光电转换元件之一的太阳能电池。关于宇宙用的太阳能电池，通常进行使用了特殊的盖板玻璃和树脂粘接剂的封装(例如，参照非专利文献1)。对于使用了特殊的盖板玻璃的太阳能电池的密封结构而言，由于盖板玻璃本身非常昂贵，并且盖板玻璃的贴合繁杂，因此成本变高。并且，由于太阳能电池变重，所以在抑制发射时的装载重量方面也有改善的余地。
另一方面，还提出了在宇宙用的太阳能电池中在太阳能电池的表面形成光学薄膜来提高红外辐射率的方案(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：松田纯夫“保护太阳能电池免受宇宙射线的盖板玻璃”New GLASSVo1.14 No.4 1999，P27-30，New Glass Forum公司
专利文献
专利文献1：日本专利第4565105号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1的光学薄膜由于不使用盖板玻璃，所以在抑制成本、抑制装载重量的方面是有利的。但是，在专利文献1的光学薄膜中，在利用红外辐射进行的太阳能电池的冷却中成为重要参数的辐射率停留在75％左右。因此，在宇宙空间中高效地进行太阳能电池的基于红外辐射的冷却这一点上存在改善的余地。
本发明是鉴于上述状况而完成的，提供一种能够比以往更有效地进行宇宙空间中的基于红外辐射的冷却的光电转换元件。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式的光电转换元件具备：光电转换部；第1红外辐射层，其形成在光电转换部上且包含第1材料，所述第1材料选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种；以及第2红外辐射层，其形成在第1红外辐射层上且包含第2材料，所述第2材料选自SiO2或Al2O3。
发明效果
根据本发明的一个方式，能够提供比以往更有效地进行宇宙空间中的基于红外辐射的冷却的光电转换元件。
附图说明
图1是表示本实施方式的太阳能电池的构成例的厚度方向截面图。
图2是表示本实施方式的太阳能电池的另一构成例的厚度方向截面图。
图3是表示实施例1中的CIS系太阳能电池中的辐射率的计算结果的图。
图4是表示实施例1中的使用了晶硅(Si)系的半导体基板的太阳能电池中的辐射率的计算结果的图。
图5是表示实施例2中的辐射率的计算结果的图。
图6是表示实施例3中的辐射率的计算结果的图。
图7是表示实施例4中的辐射率的计算结果的图。
图8是表示实施例5中的辐射率的计算结果的图。
图9是表示实施例7的模拟结果的图。
图10是表示实施例7的模拟结果的图。
图11是表示实施例7的模拟结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。
在实施方式中，为了使其说明容易理解，对本发明的主要部分以外的结构或要素简化或省略地进行说明。另外，在附图中，对相同的要素标注相同的符号。需要说明的是，在附图中，各要素的形状、尺寸等是示意性地示出的，并不表示实际的形状、尺寸等。
本实施方式的光电转换元件安装于在宇宙空间中运用的卫星等，在暴露于包含质子束的宇宙射线的环境下使用。在本实施方式中，作为光电转换元件的一个例子，对宇宙用的太阳能电池的情况进行说明。
首先，对宇宙用的太阳能电池中的散热进行概述。
<太阳能电池在宇宙空间中的散热>
通常，太阳能电池等半导体在被施加高热的状态下会发生性能降低、寿命降低，因此需要进行冷却。在宇宙中，与地面不同，没有大气，宇宙中的太阳能电池处于真空绝热状态。因此，宇宙中的太阳能电池不能进行基于大气的热交换，因此主要通过红外的辐射进行冷却。
基于红外辐射的冷却效率由式(1)所示的辐射率ε规定，辐射率越高则太阳能电池的冷却效率越高。
【数学式1】
在此，R为反射率，U为黑体的辐射强度，T为温度(K)，λ为波长(μm)。需要说明的是，由于太阳能电池那样的包含金属膜的基板不透射光，所以将透射率设为0。根据式(1)能够算出任意温度T时的辐射率。在实施方式和实施例中，作为其一个例子，由室温算出辐射率。
式(1)的分母表示黑体的辐射强度。式(1)的分子是黑体的辐射强度乘以(1-R)而得到的。并且，式(1)的分子相对于分母的大小相当于辐射率ε。因此，可知为了提高辐射率ε，减小反射率R而增大式(1)的分子的值即可。
积分的波长的范围为2.5μm至Yμm，Y根据使用的环境来任意选择。在实施方式和实施例中，作为其一个例子，在波长2.5μm至25μm的波长范围内算出辐射率ε。需要说明的是，也可以由更宽的波长范围即波长2.5μm至35μm的波长范围算出辐射率。
例如，形成有单层的薄膜的基板的反射率R根据菲涅耳的薄膜干涉的式子如以下那样算出。
【数学式2】
垂直入射的情况下，根据斯涅尔的公式
在此，Na为受光面的外侧(真空)的复折射率，Nα为薄膜α的复折射率，Ns为基板的复折射率。dα为薄膜α的膜厚，φα为薄膜α的光路差。另外，n为折射率(复折射率的实部)，k为消光系数(复折射率的虚部)。需要说明的是，在薄膜为单层的情况下，变量α为1。
另外，例如，形成有三层薄膜的基板的反射率R通过下式计算。在此，将基板侧的薄膜设为薄膜1(α＝1)，将面对薄膜1的薄膜设为薄膜2(α＝2)，将面对薄膜2的受光面侧的薄膜设为薄膜3(α＝3)。
【数学式3】
根据上述各式，反射率R根据薄膜的膜厚d、薄膜材料的折射率n和消光系数k求出。换言之，通过薄膜材料的参数n、k与薄膜的膜厚d的组合，能够得到适于宇宙环境下的散热的所期望的特性的薄膜。
<太阳能电池的构成例>
接下来，参照附图对本实施方式中的宇宙用的太阳能电池的构成进行说明。图1是表示本实施方式的太阳能电池的构成例的厚度方向截面图。在图1的例子中，对CIS系太阳能电池中的构成例进行说明。
太阳能电池10具有在导电性基板11上从下(基板侧)起依次层叠有光电转换部12、红外辐射层13的层叠结构。太阳光等光从与导电性基板11侧相反的一侧(图1的上侧)入射至光电转换部12。
(导电性基板11)
导电性基板11例如由钛(Ti)、不锈钢(SUS)、铜、铝或它们的合金等形成。导电性基板11可以是刚性的金属基板，也可以是柔性的金属基板。导电性基板11也可以是层叠了多个金属基材的层叠结构，例如，也可以在基板的表面形成不锈钢箔、钛箔、钼箔。
导电性基板11的形状和尺寸根据太阳能电池10的大小等适当确定。本实施方式中的导电性基板11的整体形状例如为矩形的平板状，但并不限于此。
在应用柔性的金属基板作为导电性基板11的情况下，能够使太阳能电池10弯曲，也能够抑制由弯曲引起的基板的破裂。此外，在上述的情况下，与玻璃基板、树脂基板相比，容易实现太阳能电池10的轻量化和薄型化。
需要说明的是，在宇宙用的太阳能电池中，从抑制发射时的装载重量和实现太阳能电池的高强度化的观点出发，优选由钛或包含钛的合金来形成导电性基板11。
(光电转换部12)
光电转换部12具有从下(基板侧)起依次层叠有第1电极层21、光电转换层22、缓冲层23、第2电极层24的层叠结构。
(第1电极层21)
第1电极层21例如为钼(Mo)等金属电极层，形成在导电性基板11上。第1电极层21并非面向光电转换层22的受光面侧而是面向背面侧(导电性基板11侧)，因此也被称为背面电极。虽然没有特别限定，但第1电极层21的厚度例如为50nm～1000nm。
(光电转换层22)
光电转换层22形成在第1电极层21上。光电转换层22也可以具有在受光面侧(图1的上侧)和背面侧(图1的下侧)带隙分别大、在光电转换层22的厚度方向内侧带隙小的双渐变结构。虽然没有特别限定，但光电转换层22的厚度例如为1.0μm～3.0μm。
光电转换层22作为多晶或微晶的p型化合物半导体层发挥功能。光电转换层22例如是使用了包含I族元素、III族元素和VI族元素(硫属元素)的黄铜矿结构的I-III-VI2族化合物半导体的CIS系光电转换元件。I族元素可以从铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)等中选择。III族元素可以从铟(In)、镓(Ga)、铝(Al)等中选择。另外，光电转换层22除了硒(Se)、硫(S)以外，还可以包含碲(Te)等作为VI族元素。另外，光电转换层22也可以包含Li、Na、K、Rb、Cs等碱金属。
(缓冲层23)
缓冲层23形成在光电转换层22上。虽然没有特别限定，但缓冲层23的厚度例如为10nm～100nm。
缓冲层23例如为n型或i(intrinsic)型高电阻导电层。在此，“高电阻”意味着具有比后述的第2电极层24的电阻值高的电阻值。
缓冲层23可以从包含锌(Zn)、镉(Cd)、铟(In)的化合物中选择。作为包含锌的化合物，例如有ZnO、ZnS、Zn(OH)2、或作为它们的混晶的Zn(O，S)、Zn(O，S，OH)、以及ZnMgO、ZnSnO等。作为包含镉的化合物，例如有CdS、CdO、或作为它们的混晶Cd(O，S)、Cd(O，S，OH)。作为包含铟的化合物，例如有InS、InO、或作为它们的混晶的In(O，S)、In(O，S，OH)，可以使用In2O3、In2S3、In(OH)x等。另外，缓冲层23也可以具有这些化合物的层叠结构。
需要说明的是，缓冲层23具有提高光电转换效率等特性的效果，但是可以省略缓冲层23。在省略缓冲层23的情况下，第2电极层24形成在光电转换层22上。
(第2电极层24)
第2电极层24形成在缓冲层23上。第2电极层24例如为n型导电层。虽然没有特别限定，但第2电极层24的厚度例如为0.5μm～2.5μm。
第2电极层24例如优选具备禁带宽度宽且电阻值充分低的材料。另外，第2电极层24成为太阳光等光的通道，因此优选具有透射光电转换层22能够吸收的波长的光的性质。从这一含义出发，第2电极层24也被称为透明电极层或窗层。
第2电极层24例如具备添加了III族元素(B、Al、Ga或In)作为掺杂剂的氧化金属。作为氧化金属的例子，有ZnO或SnO2。第2电极层24例如可以从In2O3(氧化铟)、ITO(氧化铟锡)、ITiO(氧化铟钛)、IZO(氧化铟锌)、ZTO(氧化锌锡)、FTO(氟掺杂氧化锡)、GZO(镓掺杂氧化锌)、BZO(硼掺杂氧化锌)、AZO(铝掺杂氧化锌)等中选择。
(红外辐射层13)
红外辐射层13是形成在光电转换部12的第2电极层24上的光学薄膜，承担促进太阳能电池10的辐射所引起的冷却的功能。本实施方式中的红外辐射层13的辐射率为0.8以上，与以往相比，能够实现利用红外的辐射的太阳能电池10的高效的冷却。
红外辐射层13具有形成在第2电极层24上的第1红外辐射层13a和形成在第1红外辐射层13a上的第2红外辐射层13b。从提高太阳能电池10的红外辐射率的观点出发，红外辐射层13优选使折射率和消光系数不同的材料层叠。
第1红外辐射层13a的材料由选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种的材料形成。第1红外辐射层13a的膜厚设定为110nm以上且5000nm以下。需要说明的是，第1红外辐射层13a也可以是将选自上述材料中的不同材料的层层叠而成的多层膜。
作为第2红外辐射层13b的材料，可举出作为具有高辐射率的材料的SiO2或Al2O3。第2红外辐射层13b可以是SiO2或Al2O3中的任一种材料的单层膜，也可以是将SiO2和Al2O3的薄膜层叠而成的层叠膜。
第2红外辐射层13b的膜厚优选为190nm以上的膜厚。另外，在第2红外辐射层13b为层叠膜的情况下，优选层叠膜中所含的任一层膜的膜厚为150nm以上。
需要说明的是，层叠于光电转换部12的薄膜理想的是，折射率在遍及从可见光到红外光的宽波长区域中在厚度方向上从受光面侧到透明电极层(TCO)单调增加的结构。然而，通常，在某一波长区域中折射率的厚度方向变化不单调增加的情况较多，作为薄膜整体，进行用于接近所期望的光学性能的光学设计。此时，通过将第1红外辐射层13a或第2红外辐射层13b中的至少一方设为多层膜来调整薄膜整体的光学性能，从而容易灵活地进行层叠于光电转换部12的薄膜的光学设计。
图2是表示本实施方式的太阳能电池的另一构成例的厚度方向截面图。在图2的例子中，对使用了晶硅(Si)系、GaAs系等半导体基板的太阳能电池中的构成例进行说明。需要说明的是，在图2的例子中，对与图1共同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。
图2所示的太阳能电池10a具有依次层叠有光电转换部12、红外辐射层13的层叠结构。太阳光等光从红外辐射层13侧(图2的上侧)入射到光电转换部12。
光电转换部12具有第1导电型的半导体基板11a、第1电极层31、第2导电型的半导体层32和第2电极层33。在此，第1导电型为p型和n型中的一者，第2导电型为p型和n型的另一者。
半导体基板11a例如是第1导电型的由单晶或多晶形成的硅基板。在第1导电型为p型的情况下，例如，半导体基板11a是通过掺杂微量的III族的元素(例如硼、铝等)而构成。在第1导电型为n型的情况下，例如，半导体基板11a是通过掺杂微量的V族的元素(例如磷、砷等)而构成的。
第1电极层31是形成于半导体基板11a的一面侧(图2的下侧)的背面电极。第1电极层31例如由银(Ag)、铝(Al)、钛(Ti)等导电性金属的薄膜构成。
第2导电型的半导体层32例如是第2导电型的由晶硅或多晶硅形成的层，与第1导电型的半导体基板11a构成pn结。半导体层32可以设置于半导体基板11a的另一面侧的整体，也可以设置于半导体基板11a的另一面侧的一部分。另外，在第2导电型为n型的情况下，例如，半导体层32是通过掺杂微量的V族的元素(例如磷、砷等)而构成的。在第2导电型为p型的情况下，例如，半导体层32是通过掺杂微量的III族的元素(例如硼、铝等)而构成的。
第2电极层33形成在半导体层32上。第2电极层33例如构成为具有透光性的透明电极层或梳齿状的母排电极。
图2所示的红外辐射层13具有形成在第2电极层33上的第1红外辐射层13a和形成在第1红外辐射层13a上的第2红外辐射层13b。第1红外辐射层13a和第2红外辐射层13b与图1的构成相同。
<太阳能电池的制造方法>
接下来，对上述实施方式的太阳能电池的制造方法进行说明。
在图1所示的太阳能电池10中的导电性基板11上形成光电转换部12的工序与通常的CIS系太阳能电池的制造工序相同。即，通过在形成有第1电极层21的导电性基板11的表面上形成前体层，并使前体层硫属化，从而形成光电转换层22。然后，通过在光电转换层22上依次层叠缓冲层23、第2电极层24而形成光电转换部12。
另一方面，在图2所示的太阳能电池10a的情况下，在通常的半导体层、电极层的形成工艺中，在半导体基板11a的一面侧形成第1电极层31，在半导体基板11a的另一面侧形成半导体层32和第2电极层33，由此形成光电转换部12。
接下来，在光电转换部12的第2电极层24(或第2电极层33)上依次形成第1红外辐射层13a和第2红外辐射层13b。第1红外辐射层13a和第2红外辐射层13b的成膜例如通过使用溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法、蒸镀法、光Mod(MetalOrganic Deposition：有机金属沉积)法、AD(Aerosol Deposition：气溶胶沉积)法等半导体薄膜的形成工艺来分别进行。
作为一个例子，将形成Y2O3薄膜作为第1红外辐射层13a、形成Al2O3薄膜和SiO2薄膜作为第2红外辐射层13b的情况下的成膜条件的例子示于以下的表1。在以下的例子中，通过电子束蒸镀分别形成第1红外辐射层13a和第2红外辐射层13b的薄膜。
【表1】
如上所述，本实施方式的太阳能电池10、10a在光电转换部12的第2电极层24(或第2电极层33)上形成包含选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种的材料的第1红外辐射层13a。另外，在第1红外辐射层13a上形成包含选自SiO2和Al2O3中的至少1种的材料的第2红外辐射层13b。
如上所述，通过将第1红外辐射层13a与第2红外辐射层13b层叠，能够在太阳能电池10中实现80％以上的高辐射率，能够比以往更高效地进行宇宙空间中的基于红外辐射的冷却。
另外，在本实施方式的太阳能电池10、10a中，应用半导体的薄膜形成工艺在光电转换部12上层叠第1红外辐射层13a和第2红外辐射层13b。在本实施方式中，能够将散热性高的红外辐射层的薄膜形成为比盖板玻璃轻量，并且，能够省略如盖板玻璃的贴合那样的繁杂的组装工序。因此，本实施方式的太阳能电池10、10a与具有盖板玻璃的太阳能电池相比，轻量且成本方面优异。
<实施例的说明>
以下，对关于本实施方式的太阳能电池的实施例进行说明。
(实施例1)
在实施例1中，在层叠有第1红外辐射层和第2红外辐射层的太阳能电池中，通过模拟计算出与合计膜厚对应的辐射率的变化。
在实施例1中，将第1红外辐射层分别为Y2O3、HfO2、ZrO2的薄膜、作为第2红外辐射层均依次层叠了Al2O3薄膜和SiO2薄膜的3种情况(Y2O3/Al2O3/SiO2的层叠结构、HfO2/Al2O3/SiO2的层叠结构、ZrO2/Al2O3/SiO2的层叠结构)作为模拟的对象。
图3表示实施例1中的CIS系太阳能电池中的辐射率的计算结果。图3的纵轴为辐射率(％)，图3的横轴为合计膜厚(μm)。另外，在图3中，作为比较例，还示出了Al2O3薄膜与SiO2薄膜的层叠结构中的辐射率。
如图3所示，比较例(Al2O3/SiO2的层叠结构)的辐射率在合计膜厚为2.0μm时小于0.8。与此相对，如实施例1那样，在形成Y2O3、HfO2、ZrO2中的任一种作为第1红外辐射层的情况下，至少在合计膜厚2.0μm以上的范围内，辐射率均为0.8以上。具体而言，认为通过利用第1红外辐射层的材料来抑制波长区域为8μm～9μm或12μm以上的光的反射，从而如上述那样改善辐射率。因此，可知在实施例1的CIS系太阳能电池的构成中，与比较例相比，辐射率得到改善。
图4表示实施例1中的使用了晶硅(Si)系的半导体基板的太阳能电池中的辐射率的计算结果。图4的纵轴为辐射率(％)，图4的横轴为合计膜厚(μm)。另外，在图4中，作为比较例，还示出了Al2O3薄膜与SiO2薄膜的层叠结构中的辐射率。
如图4所示，比较例(Al2O3/SiO2的层叠结构)的辐射率在合计膜厚为1.38μm时小于0.8。与此相对，如实施例1那样，在形成Y2O3、HfO2、ZrO2中的任一种作为第1红外辐射层的情况下，至少在合计膜厚1.38μm以上的范围内，辐射率均为0.8以上。具体而言，认为通过利用第1红外辐射层的材料来抑制波长区域为8μm～9μm或12μm以上的光的反射，从而如上述那样改善辐射率。因此，可知在实施例1的使用了晶硅(Si)系的半导体基板的太阳能电池的构成中，也与图3所示的CIS系太阳能电池的情况同样地，与比较例相比辐射率得到改善。
(实施例2)
在实施例2中，通过模拟计算出与第1红外辐射层的膜厚相应的辐射率的变化。需要说明的是，实施例2的太阳能电池的从导电性基板至透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。
在实施例2中，将与实施例1同样的3种情况(Y2O3/Al2O3/SiO2的层叠结构、HfO2/Al2O3/SiO2的层叠结构、ZrO2/Al2O3/SiO2的层叠结构)作为模拟的对象。在实施例2的各情况下，作为第2红外辐射层的Al2O3薄膜和SiO2薄膜的膜厚均设定为1μm。
图5(a)～(c)表示实施例2中的辐射率的计算结果。图5各图的纵轴为辐射率(％)，图5各图的横轴为第1红外辐射层的膜厚(μm)。
分别地，图5(a)与Y2O3/Al2O3/SiO2的层叠结构相对应，图5(b)与HfO2/Al2O3/SiO2的层叠结构相对应，图5(c)与ZrO2/Al2O3/SiO2的层叠结构相对应。
如图5(a)～(c)所示，可知在Y2O3、HfO2、ZrO2具有规定以上的膜厚的范围内，辐射率为0.8以上。具体而言，在图5(a)的例子中，在Y2O3薄膜的膜厚为130nm以上的范围内，辐射率为0.8以上。在图5(b)的例子中，在HfO2薄膜的膜厚为110nm以上的范围内，辐射率为0.8以上。在图5(c)的例子中，在ZrO2薄膜的膜厚为120nm以上的范围内，辐射率为0.8以上。
根据实施例2的结果可知，为了使辐射率为0.8以上，需要使第1红外辐射层的膜厚为110nm以上。另一方面，如果考虑到成膜成本，则第1红外辐射层的膜厚的上限优选设定为5000nm。因此，第1红外辐射层的膜厚范围为110nm以上且5000nm以下，更优选为130nm以上且5000nm以下，进一步优选为500nm以上且5000nm以下。
(实施例3)
在实施例3中，通过模拟算出了将第1红外辐射层设为多层膜的情况下的辐射率的变化。需要说明的是，实施例3的太阳能电池的从导电性基板到透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。
在实施例3中，作为第1红外辐射层，将HfO2和Y2O3层叠。另外，实施例3的第2红外辐射层为Al2O3薄膜。即，在实施例3中，将HfO2/Y2O3/Al2O3的层叠结构作为模拟的对象。在实施例3中，将Y2O3薄膜和Al2O3薄膜的膜厚设定为1.0μm，算出使HfO2薄膜变化时的辐射率的变化。
图6表示实施例3中的辐射率的计算结果。图6的纵轴为辐射率(％)，图5的横轴为合计膜厚(μm)。另外，在图6中，作为比较例，还示出了Al2O3薄膜与SiO2薄膜的层叠结构中的辐射率。
如图6所示，比较例(Al2O3/SiO2的层叠结构)的辐射率在合计膜厚2.0μm时小于0.8。与此相对，在实施例3的构成中，在合计膜厚为2.22μm、2.5μm、3.0μm的任一情况下，辐射率均为0.8以上。因此，可知即使第1红外辐射层为多层膜，也能够使辐射率为0.8以上。
(实施例4)
在实施例4中，在形成Y2O3、HfO2、ZrO2中的任一薄膜作为第1红外辐射层、形成Al2O3薄膜作为第2红外辐射层时，通过模拟计算出与第1红外辐射层的膜厚和第2红外辐射层的膜厚的组合相应的辐射率。需要说明的是，实施例4的太阳能电池的从导电性基板到透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。
图7(a)～(c)表示实施例4中的辐射率的计算结果。图7各图的纵轴为第2红外辐射层的膜厚(μm)，图7各图的横轴为第1红外辐射层的膜厚(μm)。另外，在图7各图中，分别示出了辐射率小于75％的区域、辐射率为75％以上且小于80％的区域和辐射率为80％以上的区域的分布。
图7(a)是第1红外辐射层为Y2O3薄膜的情况，在Al2O3薄膜的膜厚为610nm以上时确认到辐射率为80％以上的区域。另外，在实施例4中，将辐射率为80％时的Y2O3与Al2O3的膜厚的组合的一个例子示于表2。
【表2】
位点 Y2O3(nm) Al2O3(nm)
1 1150 1360
2 1150 1470
3 1180 1530
4 1220 1550
5 1240 1130
6 1320 1540
7 1370 970
8 1420 1490
9 1480 870
10 1660 760
11 1690 1300
12 1910 660
13 2080 1010
14 2140 610
15 2290 850
16 2360 610
17 2430 650
18 2430 700
图7(b)是第1红外辐射层为HfO2薄膜的情况，在Al2O3薄膜的膜厚为700nm以上时确认到辐射率为80％以上的区域。另外，在实施例4中，将辐射率为80％时HfO2与Al2O3的膜厚的组合的一个例子示于表3。
【表3】
位点 HfO2(nm) Al2O3(nm)
1 720 1700
2 720 1770
3 740 1860
4 750 1490
5 780 1890
6 830 1230
7 880 1800
8 930 1010
9 970 1680
10 1010 890
11 1140 760
12 1250 700
13 1350 700
14 1350 990
15 1400 770
16 1400 840
图7(c)是第1红外辐射层为ZrO2薄膜的情况，在Al2O3薄膜的膜厚为810nm以上至2500nm时确认到辐射率为80％以上的区域。另外，在实施例4中，将辐射率为80％时的ZrO2与Al2O3的膜厚的组合的一个例子示于表4。
【表4】
位点 ZrO2(nm) Al2O3(nm)
1 650 2080
2 650 2210
3 670 2350
4 690 1820
5 710 2450
6 770 2520
7 780 1550
8 830 2530
9 900 1320
10 910 2490
11 1000 2400
12 1130 1060
13 1140 2210
14 1280 950
15 1340 191.0
16 1500 850
17 1620 1500
18 1680 810
19 1810 810
20 1880 1120
21 1900 840
22 1920 1040
23 1940 890
24 1950 930
(实施例5)
在实施例5中，在形成Y2O3、ZrO2中的任一薄膜作为第1红外辐射层、形成SiO2薄膜作为第2红外辐射层时，通过模拟计算出与第1红外辐射层的膜厚和第2红外辐射层的膜厚的组合相应的辐射率。需要说明的是，实施例5的太阳能电池的从导电性基板至透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。
图8(a)、(b)表示实施例5中的辐射率的计算结果。图8各图的纵轴为第2红外辐射层的膜厚(μm)，图8各图的横轴为第1红外辐射层的膜厚(μm)。另外，在图8的各图中，分别示出了辐射率小于75％的区域、辐射率为75％以上且小于80％的区域和辐射率为80％以上的区域的分布。
图8(a)是第1红外辐射层为Y2O3薄膜的情况，在SiO2薄膜的膜厚为190nm以上时确认到辐射率为80％以上的区域。另外，在实施例5中，将辐射率为80％时的Y2O3与SiO2的膜厚的组合的一个例子示于表5。
【表5】
位点 Y2O3(nm) SiO2(nm)
1 2550 2950
2 2550 2990
3 2680 2550
4 2880 2160
5 3160 1660
6 3360 1260
7 3550 840
8 3690 570
9 3850 370
10 4030 270
11 4270 210
12 4500 190
13 4930 190
14 4990 200
图8(b)是第1红外辐射层为ZrO2薄膜的情况，在SiO2薄膜的膜厚为280nm以上时确认到辐射率为80％以上的区域。另外，在实施例5中，将辐射率为80％时的ZrO2与SiO2的膜厚的组合的一个例子示于表6。
【表6】
位点 ZrO2(nm) SiO2(nm)
1 2260 2990
2 2340 2680
3 2420 2460
4 2600 2060
5 2890 1570
6 3410 820
7 3550 640
8 3720 470
9 3970 330
10 4220 280
11 4360 280
12 4550 330
13 4660 430
14 4680 470
15 4690 860
16 4720 950
17 4790 1000
18 4860 1010
19 4930 1000
20 4990 990
因此，可知在采用SiO2薄膜作为第2红外辐射层的情况下，能够在膜厚190nm以上的范围内使辐射率为80％以上。
(实施例6)
在实施例6中，对形成在透明电极层上的薄膜不同的4个太阳能电池进行比较，通过模拟算出辐射率的差异。实施例6的太阳能电池的从导电性基板至透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。将实施例6的太阳能电池的构成示于以下。
·比较例1：在透明电极层上不具有薄膜的太阳能电池
·比较例2：在透明电极层上形成有Y2O3的1.2μm的薄膜的太阳能电池
·实施例6A：在透明电极层上从下起依次层叠形成有1.2μm的Y2O3薄膜和1.4μm的Al2O3薄膜的太阳能电池
·实施例6B：在透明电极层上从下起依次层叠形成有1.2μm的Y2O3薄膜、0.7μm的Al2O3薄膜、0.7μm的SiO2薄膜的太阳能电池
比较例1中的辐射率为31.3％，比较例2中的辐射率为49.0％。与此相对，实施例6A中的辐射率为80.1％，实施例6B中的辐射率为84.6％。因此，如实施例6A、6B那样，在将第2红外辐射层层叠于第1红外辐射层的构成中，与比较例1、2相比，辐射率提高，能够得到超过80％的辐射率。
另外，还可知在如实施例6B那样将第2红外辐射层设为Al2O3与SiO2的层叠结构的情况下，与如实施例6A那样由单层的SiO2薄膜形成第2红外辐射层的情况相比，辐射率提高。
(实施例7)
在实施例7中，在第1红外辐射层上层叠形成Al2O3薄膜和SiO2薄膜作为第2红外辐射层的情况下，通过模拟计算出用于使辐射率为80％以上的各膜厚。在实施例7中，对于第1红外辐射层的材料为Y2O3、ZrO2、HfO2的情况，分别计算Al2O3薄膜和SiO2薄膜的膜厚。需要说明的是，实施例7的太阳能电池的从导电性基板至透明电极层的构成均为CIS太阳能电池。
图9～图11表示实施例7中的模拟结果。图9～图11各图的纵轴为SiO2薄膜的膜厚(nm)，图9～图11各图的横轴为Al2O3薄膜的膜厚(nm)。另外，在图9～图11各图中，分别示出了辐射率小于75％的区域、辐射率为75％以上且小于80％的区域和辐射率为80％以上的区域的分布。
图9是表示第1红外辐射层的材料为Y2O3(膜厚4.5μm)时的Al2O3薄膜与SiO2薄膜的膜厚的关系的分布图。在图9的情况下，在Al2O3薄膜的膜厚和SiO2薄膜的膜厚均为0.15μm时，确认到辐射率为80％以上的区域。另外，将实施例7中第1红外辐射层的材料为Y2O3、辐射率为80％时的Al2O3与SiO2的膜厚的组合的一个例子示于表7。
【表7】
位点 Al2O3(nm) SiO2(nm)
1 0 190
2 180 140
3 380 140
4 640 190
5 870 280
6 1040 370
7 1180 450
8 1360 510
9 1490 510
图10是表示第1红外辐射层的材料为ZrO2(膜厚4.2μm)时的Al2O3薄膜与SiO2薄膜的膜厚的关系的分布图。在图10的情况下，在Al2O3薄膜的膜厚和SiO2薄膜的膜厚均为0.15μm时，确认到辐射率为80％以上的区域。另外，将实施例7中第1红外辐射层的材料为ZrO2、辐射率为80％时的Al2O3与SiO2的膜厚的组合的一个例子示于表8。
【表8】
位点 Al2O3(nm) SiO2(nm)
1 0 290
2 40 230
3 110 170
4 220 120
5 320 90
6 430 70
7 520 60
8 1020 60
9 1160 80
10 1270 90
11 1380 100
12 1490 100
图11是表示第1红外辐射层的材料为HfO2(膜厚1.25μm)时的Al2O3薄膜与SiO2薄膜的膜厚的关系的分布图。在图11的情况下，在Al2O3薄膜的膜厚和SiO2薄膜的膜厚均为0.36μm时，确认到辐射率为80％以上的区域。另外，将实施例7中第1红外辐射层的材料为HfO2、辐射率为80％时的Al2O3与SiO2的膜厚的组合的一个例子示于表9。
【表9】
位点 Al2O3(nm) SiO2(nm)
1 360 320
2 360 460
3 380 520
4 410 200
5 410 580
6 480 120
7 480 640
8 540 660
9 550 70
10 620 660
11 670 650
12 700 0
13 750 620
14 870 550
15 970 470
16 1090 340
17 1160 230
18 1190 0
19 1200 30
20 1200 120
如上述的实施例6所示，通过将第2红外辐射层设为层叠结构，从而辐射率改善。在将第2红外辐射层设为层叠结构的情况下，为了使辐射率为80％以上，如图9至图11所示，可知需要将Al2O3薄膜和SiO2薄膜中的至少任一膜的膜厚设定为150nm以上。
<实施方式的补充事项>
在上述实施方式中，作为宇宙用的光电转换元件的一个例子，对具备第1红外辐射层和第2红外辐射层的太阳能电池的构成例进行说明。但是，本发明的光电转换元件的构成并不限定于太阳能电池，还可以广泛应用于在宇宙空间中使用且具备光电转换层的其他半导体元件(例如，拍摄元件等)。
另外，本发明并不限定于CIS系太阳能电池、使用晶硅(Si)系的半导体基板的太阳能电池，还可以应用于CIS系以外的化合物系太阳能电池、其他通常的太阳能电池。作为一个例子，本发明的构成还可以应用于CZTS系太阳能电池、CIGS系太阳能电池、CdTe系太阳能电池、GaAs系太阳能电池等化合物系太阳能电池、有机系太阳能电池等。
另外，本发明中的第1红外辐射层或第2红外辐射层也可以分别构成为3层以上的层叠膜。
如上所述，对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式是作为一个例子而提示的，并不意图限定本发明的范围。实施方式能够以上述以外的各种方式实施，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更等。实施方式及其变形包含在本发明的范围和主旨中，并且技术方案所记载的发明及其等同物也包含在本发明的范围和主旨中。
本申请主张基于2021年3月30日申请的日本专利申请2021-057394号的优先权，将日本专利申请2021-057394号的全部内容援引于本申请。
附图标记说明
10、10a…太阳能电池，11…导电性基板，11a…半导体基板，12…光电转换部，13…红外辐射层，13a…第1红外辐射层，13b…第2红外辐射层，21…第1电极层，22…光电转换层，23…缓冲层，24…第2电极层，31…第1电极层，32…半导体层，33…第2电极层。

Claims (9)

1.一种光电转换元件，其特征在于，其具备：
光电转换部；
第1红外辐射层，其形成在所述光电转换部上且包含第1材料，所述第1材料选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种；以及
第2红外辐射层，其形成在所述第1红外辐射层上且包含第2材料，所述第2材料选自SiO2和Al2O3中的至少1种。
2.根据权利要求1所述的光电转换元件，其中，所述光电转换部形成在基板上。
3.根据权利要求1所述的光电转换元件，其中，所述光电转换部具有半导体基板。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中，所述第1红外辐射层的厚度为110nm以上且5000nm以下。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中，所述第1红外辐射层是层叠有两种以上的所述第1材料的层叠膜。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中，所述第2红外辐射层的厚度为190nm以上。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中，所述第2红外辐射层是层叠有两种包含所述第2材料的层的层叠膜。
8.根据权利要求7所述的光电转换元件，其中，所述第2红外辐射层的所述层叠膜中的任一层膜的膜厚为150nm以上。
9.一种光电转换元件的制造方法，其具有：
形成光电转换部的工序；
利用第1材料在所述光电转换部上形成第1红外辐射层的工序，所述第1材料选自Y2O3、HfO2、ZrO2中的1种或多种；以及
利用第2材料在所述第1红外辐射层上形成第2红外辐射层的工序，所述第2材料选自SiO2和Al2O3中的至少1种。
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