DE10010177B4

DE10010177B4 - Solarzelle mit einer p-Typ Lichtabsorptionsschicht und einer Cd-freien n-Typ Schicht, die einen größeren Bandabstand und eine größere Elektronenaffinität aufweist

Info

Publication number: DE10010177B4
Application number: DE10010177A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Hirakata Negami; Yasuhiro Hashimoto; Shigeo Hayashi
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: US6259016B1; DE10066271B8; DE10010177A1; DE10066271B4

Abstract

Solarzelle mit einer ersten Halbleiterschicht (14), die vom n-Typ ist, und einer zweiten Halbleiterschicht (13), die vom p-Typ ist, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht einen pn-Übergang bilden, wobei
die erste Halbleiterschicht (14) frei von Cd ist,
die zweite Halbleiterschicht (13) eine Lichtabsorptionsschicht ist,
ein Bandabstand Eg₁ der ersten Halbleiterschicht (14) und ein Bandabstand Eg₂ der zweiten Halbleiterschicht (13) einer Beziehung: Eg₁ > Eg₂ genügen, und
eine Elektronenaffinität χ₁ der ersten Halbleiterschicht (14) und eine Elektronenaffinität χ₂ der zweiten Halbleiterschicht (13) einer Beziehung: 0 ≤ (χ₂ – χ₁) < 0,5 eV genügen,
wobei die zweite Halbleiterschicht (13) eine Verbindungshalbleiterschicht ist, welche mindestens ein Element aus jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb aufweist,
die erste Halbleiterschicht (14) aus einer Zn aufweisenden Verbindung besteht,
und die Verbindung ein durch eine allgemeine Formel Zn_1-XA_XO, wobei das Element A mindestens ein aus Be, Mg,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle, insbesondere eine Solarzelle, welche eine Verbindungshalbleiterschicht enthält, die mindestens ein Element von jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb als Lichtabsorptionsschicht aufweist.
CuInSe₂ und Cu(In, Ga)Se₂ sind Verbindungshalbleiter (mit einer Chalkopyritstruktur) welche mindestens ein Element von jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb aufweisen. Dünnfilm-Solarzellen, welche einen CuInSe₂-Film (nachstehend auch als CIS-Film bezeichnet) oder einen Cu(In, Ga)Se₂-Film (nachstehend auch als CIGS-Film bezeichnet) verwenden, besitzen einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad, welcher sich durch Bestrahlung oder dergleichen nicht verschlechtert. Daher hat ein derartiger Dünnfilm Aufmerksamkeit gefunden.
In der Solarzelle kann theoretisch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden, wenn der Bandabstand der Lichtabsorptionsschicht in dem Bereich von 1,4 bis 1,5 eV liegt. Im Falle der einen CIGS-Film enthaltenden Solarzelle ist eine Steuerung des Bandabstandes durch Veränderung des Verhältnisses von Ga zu In möglich. Wenn das Verhältnis Ga/(Ga + In) in Anzahl der Atome in dem Bereich von 0,5 bis 0,8 liegt, beträgt der Bandabstand 1,4 bis 1,5 eV.
In den derzeitigen CIGS-Solarzellen kann jedoch der höchste Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden, wenn der Bandabstand des CIGS-Films in dem Bereich von 1,2 bis 1,3 eV liegt (was dem Bereich des Verhältnisse Ga/(Ga + In) in Anzahl der Atome in dem Bereich von 0,2 bis 0,3 entspricht). In der derzeitigen Solarzelle wird im Gegensatz zur Theorie sogar dann, wenn der Bandabstand durch Erhöhung der Ga-Konzentration verbreitert wird, der Umwandlungswirkungsgrad verringert.
Die CIGS-Solarzelle mit hohem Umwandlungswirkungsgrad, von der berichtet wurde, weist einen Heteroübergang aus einem CdS-Film als Fensterschicht und einen CIGS-Film als Lichtabsorptionsschicht auf. Andererseits hat in den letzten Jahren eine CIGS-Solarzelle ohne CdS aus Umweltgründen Beachtung gefunden. Demzufolge wurde von mehreren CIGS-Solarzellen berichtet, welche auf ZnO basierende Halbleiter als Fensterschicht anstelle von CdS verwenden. Diese Zellen weisen jedoch einen niedrigeren Umwandlungswirkungsgrad als den von Zellen auf, die den CdS-Film aufweisen. Wenn ein auf ZnO basierender Halbleiter als Fensterschicht verwendet wird, ist insbesondere die Leerlaufspannung niedrig.
Daher ist in Erinnerung an das Vorstehende eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Solarzelle bereitzustellen, die keinen CdS-Film in der einen pn-Übergang ausbildenden Halbleiterschicht aufweist und einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
US 4 612 411 A beschreibt eine photovoltaische Dünnfilmvorrichtung mit einer ersten Kupferindiumdiselenid-Halbleiterschicht des p-Typs und einer zweiten Zinkoxid-Halbleiterschicht des n-Typs.
JP 06-283746 A beschreibt ein Element mit auf einer unteren Mo-Elektrode aufgebrachten CuInSe₂ und ZnO-Dünnfilmen.
DE 25 12 898 A1 beschreibt ein Photoelement mit einem zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines Typs von Elektronenleitfähigkeit (N bzw. P) und einer zweiten Schicht eines anders zusammengesetzten Materials des anderen Typs von Elektronenleitfähigkeit (P bzw. N) gebildeten Übergang, wobei die zweite Schicht eine relativ größere Energiebandlücke als die des Halbleitermaterials, und eine Elektronenaffinität aufweist, die kleiner oder gleich der Elektronenaffinität des Halbleiters ist.
Ein Artikel von Nayar (”Properties of zinc phophide/zinc oxide heterojunctions”, J. Appl. Phys. 53 (2), Februar 1982, Seiten 1069–1075) beschreibt eine Untersuchung der Eigenschaften von durch Kathodenzerstäubung von ZnO auf Zn₃P₂-Substrate gebildeten Zinkphosphid-/Zinkoxid-Heteroübergängen.
Ein Artikel von Vishwakarma u. a. (”Low cost SnO₂:P/SiO₂/n-Si (textured) heterojunction solar cells”, J. Appl. Phys. 26, 1993, Seiten 959–962) beschreibt durch Gasphasenabscheidung von Phosphor-dotierten Zinnoxidfilmen auf erhitzte n-Si-Einkristallen gebildete SnO₂:P/SiO₂/n-Si (texturierte) Heteroübergänge.
Ein Artikel von Hariskos u. a. (”A novel cadmium free buffer layer for Cu(In, Ga)Se₂ based solar cells”, Proceedings of the first World Conference of Photovoltaic Energy Conversion, 1994, Seiten 91–94), beschreibt Cadmiumfreie Pufferschichten für Solarzellen auf Cu(In, Ga)Se₂-Basis.
EP 0 837 511 A2 beschreibt eine Solarzelle mit einem Chalkopyrit-Halbleiter, wobei die Solarzelle einen Chalkopyrit-Halbleiterdünnfilm des P-Typs und einen Halbleiterdünnfilm des n-Typs aufweist.
US 5 843 341 A beschreibt elektrisch leitende Oxidelektroden.
Ein Artikel von Kessler u. a. (”Interface engineering between CuInSe₂ and ZnO”, IEEE 1993, Seiten 447–452) beschreibt Materialien für Cd-freie Schnittstellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Solarzelle gemäß Anspruch 1. Die Solarzelle der vorliegenden Erfindung weist auf: eine erste Halbleiterschicht, die ein n-Typ ist, und eine zweite Halbleiter schicht, die ein p-Typ ist, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht einen pn-Übergang bilden, wobei die erste Halbleiterschicht frei von Cd ist, die zweite Halbleiterschicht eine Lichtabsorptionsschicht ist, der Bandabstand Eg₁ der ersten Halbleiterschicht und der Bandabstand der zweiten Halbleiterschicht Eg₂ der Beziehung: Eg₁ > Eg₂ genügt, und die Elektronenaffinität bzw. Austrittsarbeit χ₁ (eV) der ersten Halbleiterschicht und die Elektronenaffinität χ₂ (eV) der zweiten Halbleiterschicht der Beziehung 0 ≤ (χ₂ – χ₁) < 0,5 genügen. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle bereit, die keinen CdS-Film in der einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschicht aufweist und einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Die zweite Halbleiterschicht ist eine Verbindungshalbleiterschicht, welche mindestens ein Element aus jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb enthält. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle bereit, welche einen Verbindungshalbleiter mit einer Chalkopyritstruktur mit geringerer lichtinduzierter Verschlechterung als Lichtabsorptionsschicht enthält. Durchgängig durch diese Beschreibung werden die ”Gruppen Ib, IIIb, VIb und IIa” als ”Gruppen 1B, 3B, 6B und 2A des Periodensystems der Elemente gemäß der alten IUPAC-Empfehlung vor 1985 bezeichnet. Die erste Halbleiterschicht besteht aus einer Zn aufweisenden Verbindung. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle bereit, die in der pn-Übergang bildenden Halbleiterschicht frei von CdS ist, und einen besonders hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweist. Die erste Halbleiterschicht weist ein durch eine allgemeine Formel Zn_1-XA_XO (wobei das Element A mindestens eines aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba ausgewähltes ist, und 0 < x < 1 ist) ausgedrücktes Oxid als Hauptkomponente auf. Diese Ausführungsform ermöglicht die Änderung der Elektronenaffinität, indem die Elemente A und X in Abhängigkeit von der zweiten Halbleiterschicht geändert werden, und stellt somit eine Solarzelle mit einem besonders hohen Umwandlungswirkungsgrad bereit.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die erste Halbleiterschicht näher an der Seite ausgebildet ist, von welcher Licht einfällt, als es die zweite Halbleiterschicht ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Verringerung des Verlustes des einfallenden Lichts.
Die Solarzelle der vorliegenden Erfindung enthält ferner bevorzugt eine dritte Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht, und es ist vorzuziehen, daß der Bandabstand Eg₃ der dritten Halbleiterschicht der Beziehung Eg₃ > Eg₂ genügt. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle mit besonders hohem Wirkungsgrad bereit.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die dritte Halbleiterschicht aus einem Halbleiter besteht, der aus der aus einem n-Halbleiter und hochohmigen Halbleiter bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Diese Ausführungsform kann die Beschädigung an der zweiten Halbleiterschicht bei dem Herstellungsprozeß der ersten Halbleiterschicht verringern und liefert einen zufriedenstellenden pn-Übergang, so daß eine Solarzelle mit einem besonders hohen Wirkungsgrad erhalten werden kann.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Elektronenaffinität χ₃ der dritten Halbleiterschicht und die Elektronenaffinität χ₂ der zweiten Halbleiterschicht der Beziehung: (χ₂ – χ₃) ≥ 0,5 eV genügen, und die Dicke der dritten Halbleiterschicht nicht mehr als 50 nm beträgt. Diese Ausführungsform stellte eine Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad bereit, da Träger durch die dritte Halbleiterschicht hindurchtunneln und transportiert werden.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die dritte Halbleiterschicht ein Zn und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Oxid oder ein Zink und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Chalkogenid aufweist.
Die Solarzelle der vorliegenden Erfindung enthält ferner bevorzugt eine Isolationsschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht, und es ist vorzuziehen, daß der Bandabstand Eg_INS der Isolationsschicht und der Bandabstand Eg₂ der Beziehung: Eg_INS > Eg₂ genügt. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle mit einem besonders hohen Wirkungsgrad bereit.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Elektronenaffinität χ_INS der Isolationsschicht und die Elektronenaffinität χ₂ der Beziehung: (χ₂ – χ_INS) ≥ 0,5 eV genügt, und die Dicke der Isolationsschicht nicht mehr als 50 nm beträgt. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad bereit, da Träger durch die dritte Halbleiterschicht hindurchtunneln und transportiert werden.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Isolationsschicht aus mindestens einem Isolator besteht, der aus Al₂O₃, Ga₂O₃, Si₃N₄, SiO₂, MgF₂ und MgO ausgewählt wird.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß die zweite Halbleiterschicht ferner eine n-Halbleiterschicht oder eine hochohmige Halbleiterschicht auf deren Oberfläche auf der Seite der ersten Halbleiterschicht enthält. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad bereit, da der pn-Übergang in der zweiten Halbleiterschicht so ausgebildet wird, daß die Defektdichte an der Übergangsschnittstelle verringert werden kann.
In der Solarzelle der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, daß das Element A Mg ist, und X der Beziehung: 0 < X < 0,5 genügt. Diese Ausführungsform stellt eine Solarzelle mit sogar noch besseren Eigenschaften bereit.
Eine zweite Solarzelle, die nicht erfindungsgemäß ist, enthält eine p-Lichtabsorptionsschicht und eine über der Lichtabsorptionsschicht angeordnete n-Halbleiterschicht, wobei die Halbleiterschicht ein durch eine allgemeine Formel Zn_1-ZC_ZO (wobei das Element C mindestens eines aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba ist, und 0 < Z < 1 ist) ausgedrücktes Oxid als Hauptkomponente aufweist. In der zweiten Solarzelle gibt es nur wenige Defekte in der als Fensterschicht funktionierenden Halbleiterschicht, und der Bandabstand der Fensterschicht kann nach Belieben verändert werden, so daß eine Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden kann.
In der zweiten Solarzelle ist es vorzuziehen, daß das Element C Mg ist, und daß Z der Beziehung: 0 < Z < 0,5 genügt.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Solarzelle der vorliegenden Erfindung mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad bereitgestellt werden, indem die Beziehung bezüglich des Bandabstands und der Elektronenaffinität zwischen der ersten Halbleiterschicht (Fensterschicht) und der zweiten Halbleiterschicht (Lichtabsorptionsschicht) definiert wird. Durch Verwenden einer Fensterschicht mit einer Elektronenaffinität in dem vorgenannten Bereich kann die Rekombination an der Übergangsschnittstelle unterdrückt werden, und die Fensterschicht und die Lichtabsorptionsschicht werden nicht zu Barrieren gegenüber photoangeregten Trägern. Ferner wird die erste Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad ohne Verwendung von CdS als Fensterschicht bereitgestellt.
Die zweite Solarzelle weist eine durch eine allgemeine Formel Zn_1-ZC_ZO (wobei das Element C mindestens ein aus der aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, und 0 < Z < 1 ist) ausge drücktes Oxid als Hauptkomponente auf. Daher gibt es nur wenige Defekte in der Fensterschicht und der Bandabstand und die Elektronenaffinität der Fensterschicht können nach Wunsch verändert werden. Demzufolge kann eine Solarzelle mit hohem Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet beim Lesen und verstehen der nachstehenden detaillierten Beschreibung unter Be zugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht, welche ein Beispiel einer Solarzelle der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 eine Querschnittsansicht, welche ein weiteres Beispiel einer Solarzelle der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 eine schematische Banddarstellung eines Beispiels der in 1 dargestellten Solarzelle.
4A und 4B schematische Banddarstellungen von Beispielen herkömmlicher Solarzellen.
5 eine Querschnittsansicht, welche ein weiteres Beispiel einer Solarzelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 eine Querschnittsansicht, welche ein weiteres Beispiel einer Solarzelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
7A einen Graphen, welcher die Kurzschlußstromdichte eines Beispiels der Solarzelle der vorliegenden Erfindung darstellt, und 7B einen Graphen, welcher deren Leerlaufspannung darstellt.
8A einen Graphen, welcher den Füllfaktor eines Beispiels der Solarzelle der vorliegenden Erfindung darstellt, und 8B, einen Graphen, welcher dessen Umwandlungswirkungsgrad darstellt.
9 einen Graphen, welcher die Beziehung des lichtoptischen Absorptionskoeffizienten und der Photonenenergie in Bezug auf Zn_1-XMg_XO-Filme mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen darstellt.
10 einen Graphen, welcher Änderungen in der Differenz zwischen der Elektronenaffinität eines Zn_1-XMg_XO-Films und der Elektronenaffinität eines CIGS-Films darstellt, wenn das Anteilsverhältnis von Mg in dem Zn_1-XMg_XO-Film verändert wird.
11 einen Graphen, welcher die Strom/Spannungs-Kennlinie eines Beispiels der Solarzelle der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 einen Graphen, welcher Änderungen in dem Umwandlungswirkungsgrad gegenüber Änderungen in dem Mg-Anteilsverhältnis in dem Zn_1-XMg_XO-Film darstellt.
13 einen Graphen, welcher Veränderungen in dem normierten Umwandlungswirkungsgrad darstellt, wenn ein Wert Y in dem Zn_YB_2-2YO_3-2Y-Film geändert wird.
14 einen Graphen, welcher Veränderungen in dem normierten Umwandlungswirkungsgrad darstellt, wenn die Dicke eines Al₂O₃Films welcher eine Pufferschicht ist, geändert wird.
15 einen Graphen, welcher Änderungen in dem normierten Umwandlungswirkungsgrad darstellt, wenn das Festlösungsverhältnis X eines CuIn(Se_1-XS_X)₂-Films, welcher eine Lichtabsorptionsschicht ist, verändert wird.
Hierin nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
In der Ausführungsform 1 wird ein Beispiel einer Solarzelle der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Beispiel der Solarzelle in der Ausführungsform 1 erzeugt photovoltaische Energie durch Licht, das von der dem Substrat gegenüberliegenden Seite aus einfällt.
1 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der Ausführungsform 1. Gemäß 1 enthält eine Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 ein Substrat 11, einen unteren Elektro denfilm 12, eine Halbleiterschicht 13 (eine zweite Halbleiterschicht), eine Halbleiterschicht 14 (eine erste Halbleiterschicht), einen oberen Elektrodenfilm 15 und einen Antireflexionsfilm 16, welche nacheinander auf dem Substrat 11 in dieser Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind, und eine Verbindungselektrode 17, die auf dem oberen Elektrodenfilm 15 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Halbleiterschicht 14 ist näher an der Seite vorgesehen, von welcher Licht einfällt, als es die Halbleiterschicht 13 ist.
Für das Substrat 11 kann beispielsweise Glas, rostfreier Stahl oder ein Polyimidfilm verwendet werden. Für den unteren Elektrodenfilm 12 kann beispielsweise ein Mo aufweisender Metallfilm verwendet werden.
Die Halbleiterschicht 13 (zweite Halbleiterschicht) ist eine p-Halbleiterschicht, die als eine Lichtabsorptionsschicht funktioniert. Die Halbleiterschicht 13 ist näher an der Rückseite angeordnet als es die Halbleiterschicht 14 ist. Für die Halbleiterschicht 13 kann beispielsweise eine Verbindungshalbleiterschicht verwendet werden, welche mindestens ein Element von jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb aufweist. Beispielsweise kann CuInSe₂, Cu(In, Ga)Se₂, CuInS₂, Cu(In, Ga)S₂ oder dergleichen verwendet werden. Die Halbleiterschicht 13 kann mit einer Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Oberfläche auf der Seite der Halbleiterschicht 14 versehen sein, (was auch für die nachstehenden Ausführungsformen zutrifft). 2 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle 10a, welche die Oberflächenhalbleiterschicht 13a aufweist. Die Oberflächenhalbleiterschicht 13a ist eine n-Halbleiterschicht oder eine hochohmige Halbleiterschicht mit (mit einem spezifischen Widerstand von 10⁴ Ωcm oder mehr). Zu Beispielen von hochohmigen Halbleiterschichten zählen CuIn₃S₅ und Cu(In, Ga)₃Se₅.
Die Halbleiterschicht 14 (erste Halbleiterschicht) bildet einen pn-Übergang mit der Halbleiterschicht 13 und hat die Funktion einer Fensterschicht. Die Halbleiterschicht 14 ist eine n-Halbleiterschicht. Die Halbleiterschicht 14 ist im wesentlichen frei von Cd (Cd ist nicht als Bestandteilselement oder Dotierungsmittel enthalten). Eine Zn aufweisende Verbindung kann beispielsweise für die Halbleiterschicht 14 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Zn und mindestens eine aus der Gruppe IIa ausgewähltes Element aufweisendes Oxid oder Chalkogenid, oder ein Zn und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Oxid oder ein Chalkogenid, als die Zn aufweisende Verbindung verwendet werden. Insbesondere kann eine ein durch eine allgemeine Formel Zn_1-XA_XO (wobei das Element A mindestens eines aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba ausgewähltes ist, und 0 < x < 1 ist) ausgedrücktes Oxid aufweisende Verbindung als Hauptkomponente (mit einem Anteil von 90 Gew.-% oder mehr) verwendet werden. In diesem Falle ist es vorzuziehen, daß der Anteil des Elements A bei 0,1 at% oder mehr liegt. Alternativ kann eine ein durch eine allgemeine Formel Zn_YB_2-2YO_3-2Y (wobei das Element B mindestens eines aus Al, Ga, und In ausgewähltes ist, und 0 < Y < 1 ist) ausgedrücktes Oxid aufweisende (nicht erfindungsgemäße) Verbindung als Hauptkomponente (in einem Anteil von 90 Gew.-% oder mehr) verwendet werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, daß der Anteil des Elements B bei 5 at% oder höher liegt.
In der Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 genügt der Bandabstand Eg₂ der Halbleiterschicht 13 und der Bandabstand Eg₁ der Halbleiterschicht 14 der Beziehung Eg₁ > Eg₂. Die Elektronenaffinität χ₂ (eV) der Halbleiterschicht 13 und die Elektronenaffinität χ₁ (eV) der Halbleiterschicht 14 genügen der Beziehung 0 ≤ (χ₂ – χ₁) < 0,5.
Der obere Elektrodenfilm 15 ist ein transparenter leitender Film, und es kann beispielsweise ZnO:Al, wobei ZnO mit Al dotiert ist, oder ITO (Indiumzinnoxid) als oberer Elektrodenfilm verwendet werden.
Der Antireflexionsfilm 16 ist ein Film, welcher verhindert, daß einfallendes Licht an der Schnittstelle des oberen Elektrodenfilms reflektiert wird. In dem Falle, in welchem der obere Elektrodenfilm 15 ITO oder ZnO:Al ist, kann beispielsweise MgF₂ für den Antireflexionsfilm 16 verwendet werden.
Für die Verbindungselektrode 17 kann ein ein Laminat aus einem NiCr-Film und einem Au-Film aufweisender Metallfilm verwendet werden.
Anschließend wird ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Solarzelle 10 beschrieben.
Zuerst wird der untere Elektrodenfilm 12 auf dem Substrat 11 beispielsweise durch Sputtern oder Dampfabscheiden erzeugt. Daher wird auch die Halbleiterschicht 13 auf dem unteren Elektrodenfilm 12 beispielsweise durch Sputtern oder Dampfabscheiden erzeugt. Dann wird die Halbleiterschicht 14 auf der Halbleiterschicht 13 beispielsweise durch eine Abscheidung in einem chemischen Bad oder durch Sputtern erzeugt. Dann wird der obere Elektrodenfilm 15 auf der Halbleiterschicht 14 beispielsweise durch Sputtern erzeugt. Dann wird die Verbindungselektrode 17 auf einem Teilbereich des oberen Elektrodenfilms 15 beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung erzeugt. Dann wird der Antireflexionsfilm 16 auf dem oberen Elektrodenfilm 15 beispielsweise durch Dampfabscheiden erzeugt. In dieser Weise kann die Solarzelle 10 hergestellt werden. In dem Falle, in welchem eine n-Halbleiterschicht oder eine hochohmige Halbleiterschicht auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 13 ausgebildet wird, können diese beispielsweise durch Eintauchen in eine Lösung, Dampfabscheiden oder ein durch ein Gasdiffusionsverfahren erzeugt werden.
3 ist eine schematische Banddarstellung eines Beispiels der Solarzelle 10. In dem Beispiel von 3 besteht die Halbleiterschicht 13 aus Cu(In, Ga)Se₂, und die aus Cu(In, Ga)₃Se₅ bestehende Oberflächenhalbleiterschicht 13a ist auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 13 ausgebildet.
Nachstehend werden die Funktionen der Solarzelle 10 beschrieben, wobei eine Solarzelle, welche einen CIGS-Film für die Halbleiterschicht 13, welche eine Lichtabsorptionsschicht ist, verwendet wird.
Um den Wirkungsgrad der einen CIGS-Film für die Lichtabsorptionsschicht verwendenden Solarzelle zu verbessern, ist es wirkungsvoll, den Bandabstand des CIGS-Films zu vergrößern. Jedoch wird in einer mit einer aus CdS bestehenden Fensterschicht versehenen herkömmlichen Solarzelle, wenn der Bandabstand des CIGS-Films auf 1,3 eV oder mehr erweitert wird, im Gegensatz zur Theorie der Wirkungsgrad verringert. Dieses kann teilweise durch den Energieunterschied (Offset) in dem Leitungsband an dem Heteroübergang zwischen den CIGS-Film als der Lichtabsorptionsschicht und dem CdS-Film als Fensterschicht bewirkt werden. E. Herberholz et al. hat das nachstehende Modell vorgeschlagen (Solar Energy Materials and Solar Cells, p. 227, vol. 49, no 3., veröffentlicht in 1997). In dem Falle, in welchem das Verhältnis {Ga/(In + Ga)} in Anzahl der Atome in dem CIGS-Film niedriger als 0,5 ist, liegt die aufgrund des Offsets des Leitungsbands zwischen dem CdS-Film und dem CIGS-Film bewirkte Banddiskontinuität in einer spitzenartigen Form vor, wo das Leitungsband des CdS-Films angehoben und in die Nähe des Übergangs projiziert wird. In dem Falle, in welchem das Verhältnis {Ga/(In + Ga)} in Anzahl der Atome in dem CIGS-Film höher als 0,5 ist, liegt die Banddiskontinuität in einer Klippenform vor, wobei das Leitungsband des CIGS-Films angehoben ist, und eine Stufe zwischen dem CdS-Leitungsband und dem CIGS-Leitungsband erzeugt ist. 4A ist eine Banddarstellung, wenn der Offset zwischen CdS und CIGS spitzenartig ist, und 4B ist das Banddiagramm, wenn der Offset zwischen CdS und CIGS klipppenartig ist. Dieses Modell legt nahe, daß, wenn die Banddiskontinuität des Leitungsbands klippenartig ist, die Rekombination an der Heteroübergangsschnittstelle und in der Nähe der Schnittstelle ansteigt, und somit den Umwandlungswirkungsgrad verringert. Ebenso wird in dem Falle, bei dem der Bandabstand des CIGS-Films 1,2 bis 1,3 eV beträgt, erwartet, daß, wenn der CdS-Film als Fensterschicht durch einen ZnO-Film ersetzt wird, die Banddiskontinuität des Leitungsbandes des ZnO-Films und des CIGS-Films dort klippenartig ist, wo das Leitungsband des CIGS-Films angehoben ist.
Eine derartige Banddiskontinuität des Leitungsbandes des Heteroübergangs ergibt sich aus dem Unterschied in der Elektronenaffinität zwischen der Fensterschicht und dem CIGS-Film als der Lichtabsorptionsschicht. Im allgemeinen ist im Hinblick auf einen n-Halbleiter und einen p-Halbleiter mit unterschiedlichen Bandabständen in dem Falle von χ_n < χ_p, wobei χ_n die Elektronenaffinität des n-Halbleiters und χ_p die Elektronenaffinität des p-Halbleiters ist, die Diskontinuität der Leitungsbänder spitzenartig. Andererseits ist im Falle von χ_n > χ_p die Diskontinuität der Leitungsbänder klippenförmig. Wenn die Elektronenaffinität zwischen einem Ga-freien CuInSe₂ und dem CdS-Film verglichen wird, ist die Elektronenaffinität des CdS-Films um etwa 0,2 bis 0,3 eV kleiner. Daher wird dann, wenn ein Heteroübergang ausgebildet wird, eine Spitze auf der Seite des CdS erzeugt. Die Elektronenaffinität des CIGS nimmt jedoch bei größer werdender Ga-Konzentration ab. Demzufolge wird dann, wenn die Ga-Konzentration einen bestimmten Pegel überschreitet, die Elektronenaffinität von CIGS kleiner als die von CdS, so daß, wenn ein Heteroübergang ausgebildet wird, eine Klippe auf der Seite von CIGS erzeugt wird.
Ferner wird die Form der Banddiskontinuität der Fensterschicht und des CIGS-Films ebenfalls durch die Elektronenaffinitäten der Fensterschicht und des CIGS-Films bestimmt. Wenn der CdS und der ZnO-Film als Fensterschicht verglichen werden, wird, da die Elektronenaffinität von ZnO etwa 0,4 eV größer als die von CdS ist, auch dann eine Klippe erzeugt, wenn ein Heteroübergang mit einem Ga-freien CuInSe₂-Film ausgebildet wird, welcher zu einem Verlust führen kann.
In dem Falle, bei dem die Elektronenaffinität der Fensterschicht kleiner als die der Lichtabsorptionsschicht ist, so daß eine Spitze in dem Leitungsband erzeugt wird, ist der Energieunterschied in den Leitungsbändern so groß, daß er den Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigt. Der Energieunterschied zwischen CdS und CIGS beträgt etwa 0,2 bis 0,3 eV, was im wesentlichen keine Barriere gegen den Trägertransport bildet. Wenn jedoch beispielsweise ZnS als die Fensterschicht verwendet wird, ist der Energieunterschied zu CIGS 1,6 eV, welches eine Barriere für photoangeregte Träger darstellt. In diesem Falle wird ein Trägertransport verhindert, so daß der Photostrom im wesentlichen von außen nicht zugänglich ist. Daher wird der Umwandlungswirkungsgrad verringert. Somit gibt es, wenn eine Spitze in den Leitungsbändern der Fensterschicht und der Lichtabsorptionsschicht erzeugt wird, einen optimalen Bereich des Energieunterschieds (Offsets), welcher einen hohen Wirkungsgrad bereitstellen kann. In Anbetracht der vorstehend beschriebenen optimalen Bereiche werden die Elektronenaffinitäten der Bandabstände der Halbleiterschicht 13 (Lichtabsorptionsschicht) und der Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) für die Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 definiert. Daher weist die Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 eine geringe Rekombination von Trägern an der Übergangsschnittstelle zwischen der Halbleiterschicht 13 und der Halbleiterschicht 14 auf.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad ohne Verwendung von CdS für die Fensterschicht erzielt werden. In dieser Ausführungsform ist die erste Halbleiterschicht näher an der Seite angeordnet von welcher Licht einfällt, als es die zweite Halbleiterschicht ist. Die erste Halbleiterschicht kann jedoch näher an der Rückseite vorgesehen werden, als es die zweite Halbleiterschicht ist.
Ausführungsform 2
Ein weiteres Beispiel der Solarzelle der vorliegenden Erfindung wird in der Ausführungsform 2 beschrieben.
5 ist ein Querschnittsansicht einer Solarzelle 20 der Ausführungsform 2. Die Solarzelle 20 der Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 dahingehend, daß eine Halbleiterschicht 21 in Ausführungsform 2 vorgesehen ist. Eine doppelte Beschreibung wird unterlassen.
Die Halbleiterschicht 21 (dritte Halbleiterschicht) ist zwischen der Halbleiterschicht 13 und der Halbleiterschicht 14 vorgesehen. Der Bandabstand Eg₃ der Halbleiterschicht 21 und der Bandabstand Eg₂ der Halbleiterschicht 13 genügen der Beziehung: Eg₃ > Eg₂.
Ein Zn und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Oxid oder ein Zn und ein mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Chalkogenid kann beispielsweise als die dritte Halbleiterschicht verwendet werden. Alternativ kann SnO₂ als Halbleiterschicht 21 verwendet werden.
Es ist zu bevorzugen, daß die Elektronenaffinität χ₃ (eV) der Halbleiterschicht 21 und die Elektronenaffinität χ₂ der Halbleiterschicht 13 der Beziehung: (χ₂ – χ₃) ≥ 0,5 genügt. Ferner ist es zu bevorzugen, daß die Dicke der Halbleiterschicht 21 50 nm oder kleiner ist. Ein Zn(O, S)-Film kann als Halbleiterschicht 21 verwendet werden. Hierin bezeichnet Zn(O, S) eine Verbindung, die im wesentlichen Zn, O und S enthält und Zn-O-Verbindungen und Zn-S-Verbindungen aufweist.
Die Solarzelle 20 kann durch dasselbe Verfahren erzeugt werden, wie die Solarzelle 10 der Ausführungsform 1. Die Halbleiterschicht 21 kann beispielsweise durch eine Abscheidung in einem chemischen Bad oder durch Dampfabscheidung erzeugt werden.
Gemäß der Solarzelle 20 der Ausführungsform 2 kann eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad ohne Verwendung von CdS für die Fensterschicht erzielt werden.
Ausführungsform 3 (nicht erfindungsgemäß)
Ein weiteres Beispiel der Solarzelle der vorliegenden Erfindung wird in Ausführungsform 3 beschrieben.
6 ist eine Querschnittsansicht einer Solarzelle 30 der Ausführungsform 3. Die Solarzelle 30 der Ausführungsform 3 unterscheidet sich von der Solarzelle 10 der Ausführungsform 1 dahingehend, daß eine Isolationsschicht 31 in der Ausführungsform 3 vorgesehen ist. Eine doppelte Beschreibung wird unterlassen.
Der Bandabstand Eg_INS der Isolationsschicht 31 und der Bandabstand Eg₂ der Halbleiterschicht 13 genügen der Beziehung: Eg_INS > Eg₂. Eine Isolationsschicht aus einem von Al₂O₃, Ga₂O₃, Si₃N₄, SiO₂, MgF₂ und MgO ausgewählten Isolator kann beispielsweise als Isolationsschicht 31 verwendet werden.
Es ist vorzuziehen, daß die Elektronenaffinität χ_INS der Isolationsschicht 31 und die Elektronenaffinität χ₂ der Halbleiterschicht 13 der Beziehung: (χ₂ – χ_INS) ≥ 0,5 genügen. Ferner ist es vorzuziehen, daß die Dicke der Isolationsschicht 31 50 nm oder kleiner ist.
Die Solarzelle 30 kann durch dasselbe Verfahren hergestellt werden, wie die Solarzelle 10 der Ausführungsform 1. Die Isolationsschicht 31 kann beispielsweise durch Sputtern oder Dampfabscheidung erzeugt werden.
Gemäß der Solarzelle 30 der Ausführungsform 3 kann eine Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad ohne Verwendung von CdS für die Fensterschicht erzielt werden.
Beispiele
Beispiel 1
In Beispiel 1 wird ein mit veränderten Offsets des Leitungsbandes zwischen den Halbleiterschicht 13 und 14 berechnetes Beispiel der Solarzelleneigenschaften der Solarzelle 10a von Ausführungsform 1 beschrieben. Die Bandstruktur der für die Berechnung verwendeten Solarzelle ist dieselbe wie die in 3 dargestellte.
In der Berechnung von Beispiel 1 wurde ein Cu(In, Ga)Se₂-Film (CIGS-Film) mit einem Bandabstand Eg₂ von 1,2 eV und einer Elektronenaffinität χ₂ als Halbleiterschicht 13 verwen det, welche die Lichtabsorptionsschicht ist. Die Berechnung wurde für den Fall ausgeführt, in welchem eine Cu(In, Ga)₃Se₅-Schicht als die Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Oberfläche des CIGS-Films ausgebildet wurde. Eine Halbleiterschicht mit einem Bandabstand (etwa 3,2 eV) im wesentlichen gleich dem von ZnO und einer Elektronenaffinität von χ₁ wurde als Halbleiterschicht 14 verwendet, welche die Fensterschicht ist. Die Dicke des CIGS-Films ist 2 μm, die Cu(In, Ga)₃Se₅-Schicht, welche die Oberflächenhalbleiterschicht ist, ist 20 nm dick, und die Fensterschicht ist 0,1 μm dick.
Um den Einfluß des Offsets (χ₂ – χ₁) zwischen dem Leitungsband der Halbleiterschicht 13 und dem Leitungsband der Halbleiterschicht 14 zu prüfen, wurden die Solarzelleneigenschaften unter Veränderung des Unterschieds in der Elektronenaffinität zwischen der Halbleiterschicht 13 und er Halbleiterschicht 14 berechnet. In der Berechnung wird angenommen, daß Defekte an der Schnittstelle zwischen der Schicht eine Cu(In, Ga)₃Se₅-Schicht, welche die Oberflächenhalbleiterschicht 13a ist, und der Halbleiterschicht 14 vorhanden sind, und eine Rekombination in den Defekten auftritt.
7 und 8 zeigen die Ergebnisse der Berechnung. 7A zeigt die Kurzschlußstromdichte (I_SC), 7B zeigt die Leerlaufspannung (V_OC), 8A zeigt den Füllfaktor (FF) und 8B zeigt den Umwandlungswirkungsgrad (Eff.).
Wenn zuerst der Leitungsbandoffset negativ ist, nämlich die Elektronenaffinität der Fensterschicht größer als die des CIGS-Films ist, nimmt I_SC mit steigendem Offset in der negativen Richtung allmählich ab, wobei aber die Abnahmerate klein ist. Andererseits fallen V_OC und FF steil mit einem steigenden Offset in der negativen Richtung ab. Dieses beruht darauf, weil dann, wenn der Offset negativ ist, injizierte Träger an der Schnittstelle zwischen der Fensterschicht und der Lichtabsorptionsschicht für eine längere Zeit anstehen, so daß die Rekombination über die an der Schnittstelle vorhandenen Defekte ansteigt. Wenn der Offset positiv ist, nämlich die Elektronenaffinität der Fensterschicht kleiner als die der Lichtabsorptionsschicht ist, nimmt V_OC leicht mit steigendem Offset ab. Andererseits fallen I_SC und FF steil ab, wenn der Offset 0,5 eV oder größer ist. Dieses beruht darauf, weil dann, wenn der Offset 0,5 eV oder größer ist, die Fensterschicht zu einer Barriere gegen den Transport photoangeregter Elektronen wird, so daß der Elektronenfluß stoppt. Demzufolge kann eine Solarzelle mit sehr guten Eigenschaften erzielt werden, indem der Offset zwischen dem Leitungsband der Fensterschicht und dem Leitungsband der Lichtabsorptionsschicht auf 0,5 eV oder kleiner eingestellt wird.
Hier wird der Offset des Leitungsbands zwischen einem tatsächlich verwendbaren Material für die Fensterschicht und dem CIGS-Film untersucht. In dem Falle, in welchem ein CdS-Film für die Fensterschicht verwendet wird, ist der Offset 0,2 bis 0,3 eV, welcher in dem Bereich liegt, der einen hohen Umwandlungswirkungsgrad erzielt. Andererseits ist der Offset in dem Falle, in welchem ZnO für die Fensterschicht verwendet wird, etwa –0,2 eV. In diesem Falle ist der Umwandlungswirkungsgrad auf etwa 70% des Falls reduziert, in welchem CdS verwendet wird.
Was hier wichtig ist, ist nicht der absolute Wert der Elektronenaffinität der Lichtabsorptionsschicht oder der Elektronenaffinität der Fensterschicht, sondern der Unterschied zwischen diesen. Daher ist es zum Herstellen einer Solarzelle mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad notwendig, eine Fensterschicht mit einer Elektronenaffinität χ₁ zu wählen, welche 0 ≤ (χ₂ – χ₁) kleiner 0,5 (bevorzugt 0 ≤ (χ₂ – χ₁) ≤ 0,4) in Bezug auf die Lichtabsorptionsschicht mit einer Elektronenaffinität von χ₂ (eV) genügt. Wenn beispielsweise die Ga-Konzentration des CIGS-Films verändert wird, steigt der Bandabstand an, und die Elektronenaffinität sinkt ab. Daher kann eine Solarzelle mit hohem Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden, indem eine Fensterschicht mit einem Elektronenaffinitätsunterschied innerhalb des Bereichs von 0 bis 0,5 eV in Bezug auf den CIGS-Film mit einem Bandabstand verwendet werden, der die effizienteste Umwandlung von Solarlicht in elektrische Energie erlaubt.
In diesem Beispiel wurde der CIGS-Film, auf dessen Oberfläche eine dünne n-Cu(In, Ga)₃Se₅-Schicht ausgebildet wurde, als der p-Halbleiter für die Lichtabsorptionsschicht verwendet. Dieselben Ergebnisse wurden jedoch mit einem p-CIGS-Film erzielt, der mit einem n-CIGS-Film oder mit einem p-CIGS-Film beschichtet war, dessen Oberfläche mit einer hochohmigen Cu(In, Ga)S₂-Schicht abgedeckt war.
Beispiel 2
In Beispiel 2 wird zuerst ein Verfahren zur Herstellung des Zn_1-XMg_XO-Films, welcher als die Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) ausgebildet wird, und dessen Eigenschaften beschrieben. Der Zn_1-XMg_XO-Film wurde durch gleichzeitiges Sputtern von zwei Targets aus ZnO und MgO erzeugt. Das Zusammensetzungsverhältnis von Zn und Mg wurde durch Veränderung der an die zwei Targets angelegten Hochfrequenzenergie gesteuert. Die Messung des erzeugten Zn_1-XMg_XO-Films mittels Röntgenbeugung zeigte, daß die Kristalle deutlich in der c-Achse orientiert waren, und in Monophase vorlagen, solange gleich 0,3(Zn_0,7Mg_0,3O) war, und eine Beugung basierend auf der Struktur von ZnO wurde deutlich beobachtet, solange X gleich 0,5(Zn_0,5Mg_0,5O) war. In dem Falle, in welchem ein elektronisches Bauteil erzeugt werden soll, ist es im allgemeinen vorteilhaft, einen Monophasenhalbleiter oder Dielektrikum zu verwenden, da der Stromverlust oder Spannungsverlust klein ist. Daher liegt ein bevorzugter Bereich von X bei 0 < X < 0,5 in dem Zusammensetzungsverhältnis, wenn der Zn_1-XMg_XO-Film in einem elektronischen Bauteil verwendet wird.
Anschließend wurde die Beziehung zwischen dem optischen Absorptionskoeffizienten und der Photonenenergie berechnet, indem die Transmittanz des Zn_1-XMg_XO-Films mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen gemessen wurde. 9 stellt die Ergebnisse der Berechnung dar. In 9 stellt ν die Frequenz des einfallenden Lichts dar, und α stellt den optischen Absorptionskoeffizienten dar. Der optische Bandabstand kann aus der extrapolierten Linie der in Bezug auf jeden Film mit einem spezifischen Zusammensetzungsverhältnis aufgetragenen Daten erhalten werden. Der optische Bandabstand von ZnO ist etwa 3,24 eV und der optische Bandabstand steigt mit zunehmenden Mg-Anteil an. Mit ansteigenden Bandabstand wird die Elektronenaffinität klein, so daß die Elektronenaffinität durch Veränderung des Anteilsverhältnisses von Mg gesteuert werden kann.
Eine Berechnung wurde im Hinblick auf die Änderungen in dem Unterschied zwischen der Elektronenaffinität des CIGS-Films und der Elektronenaffinität des Zn_1-XMg_XO-Films durchgeführt, wenn das Anteilsverhältnis von Mg in dem Zn_1-XMg_XO-Film verändert wurde. 10 stellt die Ergebnisse der Berechnung dar. Die Berechnung wurde in der folgenden Art ausgeführt: Zuerst wurde sowohl bezüglich des Zn_1-XMg_XO-Films als auch des CIGS-Films der Unterschied (E^VBM _CL) zwischen dem Kernniveau des Films und dem Valenzbandmaximum mittels Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen. Dann wurde der Unterschied (ΔE_CL) in dem Kernniveau zwischen dem Zn_1-XMg_XO-Film und dem CIGS-Film aus den Ergebnissen der Messung berechnet. Dann ergibt das Einsetzen dieser Ergebnisse in die nachstehende Gleichung (1) die Differenz ΔE_V (Valenzbandoffset) in dem Niveau des Valenzbands zwischen dem Zn_1-XMg_XO-Film und dem CIGS-Film. Anschließend liefert die Gleichung (2) die Differenz ΔE_C in der Elektronenaffinität zwischen dem Zn_1-XMg_XO-Film und dem CIGS-Film. Der Bandabstand Eg(ZnMgO) des Zn_1-XMg_XO-Films und der Bandabstand Eg(CIGS) des CIGS-Films kann aus den Lichtdurchlässigkeitseigenschaften oder Reflexionseigenschaften und den Veränderungen in dem Quantenwirkungsgrad der Solarzelle in Bezug auf die Wellenlänge des einfallenden Lichts gemessen werden. ΔE_V = E^VMB _CL(CIGS) – E^VBM _CL(ZnMgO) – ΔE_CL (1) ΔE_C = Eg(ZnMgO) – Eg(CIGS) – ΔE_V (2)
Hierin wurde ein Verfahren zur Berechnung der Elektronenaffinität mittels einer XPS-Messung beschrieben. Sie kann jedoch auch mittels einer Ultraviolettstrahlen-Photoelektronenspektroskopie (UPS) berechnet werden. In dem Falle, bei dem das UPS-Verfahren angewendet wird, kann, weil das Leitungsbandniveau gemessen werden kann, der Unterschied in der Elektronenaffinität direkt berechnet werden.
Anschließend werden die Eigenschaften der Solarzelle mit variierten Anteilsverhältnissen von Mg überprüft.
Im Beispiel 2 wird ein tatsächlich hergestelltes Beispiel der Solarzelle 20 der Ausführungsform 2 beschrieben. Die Solarzelle der Ausführungsform 2 beinhaltet eine Cu(In, Ga)Se₂-Schicht, welche Cd als die Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Halbleiterschicht 13 enthält. Ferner wurde in der So larzelle von Beispiel 2 ein Zn_1-XMg_XO-Film als Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) verwendet.
In Beispiel 2 wird zuerst ein Mo-Elektrodenfilm auf einem Glassubstrat erzeugt, und ein Cu(In_0,8, Ga_0,2)Se₂(CIGS)-Film als die Halbleiterschicht 13 (Lichtabsorptionsschicht) darauf erzeugt. Der Mo-Film und der Cu(In, Ga)Se₂-Film wurden in der folgenden Weise (siehe Japanese Journal of Applied Physics, vol. 34, L 1141, 1995) erzeugt. Zuerst wurde der Mo-Film durch Sputtern in einer Ar-Gasatmosphäre erzeugt. Die Dicke des Films war etwa 1 μm. Dann wurde der Cu(In, Ga)Se₂-Film durch Abscheidung in drei Stufen erzeugt. In der ersten Stufe wurde eine (In, Ga)₂Se₃-Film bei einer Substrattemperatur von 350°C erzeugt. Dann wurde in der zweiten Stufe die Substrattemperatur auf 500°C oder darüber erhöht, so daß Cu und Se zur Ausbildung des Cu(In, Ga)Se₂-Films abgeschieden wurden, in welchem das Zusammensetzungsverhältnis von Cu überwiegt. In der letzten Stufe wurden In, Ga und Se gleichzeitig abgeschieden um so einen Cu(In, Ga)Se₂-Film zu erzeugen, in welchem das Zusammensetzungsverhältnis (In, Ga) leicht überwiegt. Die Dicke des Cu(In, Ga)Se₂-Films betrug etwa 2 μm.
Anschließend wurde eine mit Cd dotierte aus Cu(In, Ga)Se₂ bestehende Oberflächenhalbleiterschicht auf der Oberfläche des CIGS-Films erzeugt, indem der CIGS-Film in eine wässrige Lösung aus Cadmiumnitrat und Ammoniak eingetaucht wurde. Dann wurde ein Zn(O, S)-Film (10 nm dick) als die Halbleiterschicht 21 (Pufferschicht) auf der Halbleiterschicht 13 durch Abscheidung in einem chemischen Bad erzeugt. Die Elektronenaffinität des Zn(O, S)-Pufferfilms ist mindestens 0,5 eV kleiner als die des CIGS-Films und das Leitungsbandniveau des Zn(O, S)-Films ist in der Energieposition höher als die des CIGS-Films.
Daher wurden Zn_1-XMg_XO-Filme (0,1 μm dick) mit variierten Anteilsverhältnissen von Mg als Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) auf dem Zn(O, S)-Film ausgebildet. Der Zn_1-XMg_XO-Filme wurde in der vorstehenden Weise erzeugt. Anschließend wurde ein ITO-Film (0,1 μm dick) als der obere Elektrodenfilm 15 auf der Halbleiterschicht 14 durch Sputtern erzeugt. Ferner wurden die Verbindungselektrode 17 und ein MgF₂-Film (0,12 μm dick) als Antireflexionsfilm 16 auf dem oberen Elektrodenfilm 15 ausgebildet. Auf diese Weise wurde die Solarzelle 20 hergestellt.
11 stellt die Strom/Spannungs-Kennlinie dar, wenn X = 0,03 ist, d. h., ein Zn_0,97Mg_0,03-Film als Fensterschicht verwendet wurde. In diesem Falle betrug der Umwandlungswirkungsgrad 16,0%. Dieser im wesentlichen dasselbe wie der Wirkungsgrad der einen CdS-Film als Fensterschicht verwendenden Solarzelle. Anschließend stellt 12 die Veränderungen im Umwandlungswirkungsgrad im Bezug auf das Anteilsverhältnis von Mg dar. Wenn Mg hinzugefügt wird, verbessert sich der Wirkungsgrad um etwa 30% gegenüber dem der Solarzelle, welche nur ZnO verwendet. Der Unterschied (χ₂ – χ₁) zwischen der Elektronenaffinität χ₁ (eV) des hierin verwendeten ZnO-Films und der Elektronenaffinität χ₂ (eV) des CIGS-Films beträgt etwa –0,1 (eV). Da das Leitungsbandniveau der ZnO-Fensterschicht niedrig ist, erhöht sich somit die Rekombination an der Schnittstelle zwischen ZnO und Zn(O, S). Daher wird der Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle verringert. Andererseits steigt, wenn Mg hinzugefügt wird, wie es in 9 dargestellt ist, der Bandabstand an, und die Elektronenaffinität sinkt, so daß der Offset mit dem CIGS-Film (χ₂ – χ₁) positiv wird, und die Rekombinationsrate an der Schnittstelle verringert wird. Somit verbessert sich der Umwandlungswirkungsgrad. In der Solarzelle von Beispiel 2 wird der Wirkungsgrad auch dann nicht wesentlich geändert, wenn das Anteilsverhältnis von Mg in die Nähe von 0,2 ansteigt. Dieses glaubt man, beruht darauf, daß der Offset (χ₂ – χ₁) in dem Bereich von 0,5 eV oder darunter liegt. Somit kann der Umwandlungswirkungsgrad durch Verwendung des Zn_1-XMg_XO-Films, mit welchem die Elektronenaffinität gesteuert werden kann, verbessert werden.
In Beispiel 2 wurde der Zn_1-XMg_XO-Film durch gleichzeitiges Sputtern von zwei Targets aus ZnO und MgO erzeugt. Der Zn_1-XMg_XO-Film kann jedoch durch ein Verwenden eines gesinterten Targets (ZnO + MgO), das einen beliebigen zuvor zugesetzten Anteil MgO aufweist, erzeugt werden. Ferner können dieselbe Effekte auch bei Vorhandensein von Verunreinigungen wie z. B. Al₂O₃ in kleinen Mengen, welche nicht die Kristallstruktur von ZnO in dem Zn_1-XMg_XO-Film ändern können, erzielt werden. In diesem Beispiel wurde der Zn(O, S)-Film, welcher ein hochohmiger n-Halbleiter ist, als die Halbleiterschicht 21 (Pufferschicht) mit einer kleinen Elektronenaffinität verwendet, wobei aber die gleichen Effekte mit einem ZnS-Film oder dergleichen, welcher einen Offset mit den CIGS-Film von 1,3 eV oder mehr aufweist, erzielt werden. Ferner wird in diesem Beispiel die sehr dünne n-Oberflächenhalbleiterschicht, die mit Cd dotiert ist, auf der Oberfläche des p-CIGS-Films erzeugt. Auch wenn diese Oberflächenhalbleiterschicht nicht ausgebildet ist, erreicht jedoch die Solarzelle dieses den Zn_1-XMg_XO-Film als Fensterschicht verwendenden Beispiels, einen höheren Wirkungsgrad als eine einen ZnO-Film verwendende herkömmliche Solarzelle.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wird ein tatsächlich hergestelltes Beispiel der Solarzelle 10a der Ausführungsform 1 beschrieben. Im Bei spiel 3 wurden ein Glassubstrat als das Substrat 11, ein Mo-Film als der untere Elektrodenfilm 12, Cu(In, Ga)Se₂ als die Halbleiterschicht 13 (Lichtabsorptionsschicht), ein Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film (0 < Y < 1) mit einer anderen Elektronenaffinität als die Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht), ITO als der obere Elektrodenfilm 15, und MgF₂ als der Antireflexionsfilm 16 verwendet. Ein Cu(In, Ga)Se₂-Film wurde als die Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 13 ausgebildet.
Da in der Solarzelle von Beispiel 3 die Elektronenaffinität von Al₂O₃ kleiner als die von ZnO ist, wird erwartet, daß die Elektronenaffinität durch Hinzufügen von Al₂O₃ zu dem ZnO-Film gesteuert werden kann. Der Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film wurde mittels gemeinsamen Sputtern von zwei Targets aus ZnO und Al₂O₃ erzeugt. Das Zusammensetzungsverhältnis von Zn und Al wurde mittels der an die zwei Targets angelegten Hochfrequenzenergie gesteuert. 13 stellt die Änderungen im Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle in Bezug auf das Al-Anteilsverhältnis dar. Der Umwandlungswirkungsgrad in der vertikalen Achse in 13 ist im Bezug auf den Umwandlungswirkungsgrad normiert, wenn ZnO verwendet wird. Der Umwandlungswirkungsgrad einer den Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film verwendenden Zelle ist niedriger als der einer den ZnO-Film ohne Al verwendenden Zelle bis das Verhältnis {Al/(Zn + Al)} in Anzahl der Atome in dem Zn_1-XMg_XO-Film 0,1 erreicht. Dieses glaubt man, beruht darauf, daß die Hinzufügung einer kleinen Menge von Al den Widerstand des Zn_YAl_2-YO_3-Y-Films verringert, so daß ein Leckstrom fließt. Wenn dann {Al/(Zn + Al)} zwischen 0,2 und 0,7 liegt, verbessert sich der Wirkungsgrad und ist im wesentlichen konstant. Dieses beruht darauf weil dann, wenn der Anteil des hinzugefügten Al₂O₃ ansteigt, die Elektronenaffini tät des Films kleiner als die des CIGS-Films wird. Wenn dann {Al/(Zn + Al)} 0,7 oder größer ist, nimmt der Wirkungsgrad steil ab. Dieses glaubt man, beruht darauf, daß der Unterschied zwischen der Elektronenaffinität χ₁ des Zn_YAl_2-YO_3-Y-Films und der Elektronenaffinität χ₂ des CIGS-Films größer als 0,5 eV oder mehr wird, so daß der Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film eine Barriere wird, und somit keine photoangeregten Träger in dem Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film fließen können. Somit hat sich herausgestellt, daß die Elektronenaffinität des Zn_YAl_2-YO_3-Y-Films durch Veränderung des Anteilsverhältnisses von Al gesteuert werden kann, und sich der Umwandlungswirkungsgrad verbessern kann, wenn {Al/(Zn + Al)} in dem Bereich von 0,2 bis 0,7 liegt.
Da ferner die Elektronenaffinität des CIGS-Films durch Veränderung des Verhältnisses (Ga/(In + Ga)) in Anzahl der Atomen in den CIGS-Film geändert wird, wird der Bereich des Zusammensetzungsverhältnisses von Al, der den Umwandlungswirkungsgrad verbessert, verändert. Im Beispiel 3 wurde der Zn_YAl_2-YO_3-Y-Film als Fensterschicht verwendet. Dieselben Effekte können jedoch mit einem Material wie z. B. Zn_YAl_2-YO_3-Y (0 < Y < 1) erzielt werden, wenn ein Element der Gruppe IIIb anstelle von Al verwendet wird. Der optimale Bereich für das Zusammensetzungsverhältnis des Elements der Gruppe IIIb für die Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads ändert sich mit dem verwendeten Element.
Beispiel 4
Im Beispiel 4 wird ein tatsächlich hergestelltes Beispiel der Solarzelle 30 der Ausführungsform 3 beschrieben. Für die Solarzelle von Beispiel 4 werden ein Glassubstrat als das Substrat 11, ein Mo-Film als der untere Elektrodenfilm 12 Cu(In, Ga)Se₂ als die Halbleiterschicht 13, ein Zn_0,9Mg_0,1O Film als die Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht), ITO als der obere Elektrodenfilm 15, und MgF₂ als der Antireflexionsfilm 16 und ein Al₂O₃-Film als die Isolationsschicht 31 (Pufferschicht) verwendet. Ein Cd enthaltender Cu(In, Ga)Se₂-Film wurde als die Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 13 ausgebildet.
In diesem Beispiel liegt der Unterschied (χ₂ – χ₁) zwischen der Elektronenaffinität χ₁ der Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) und der Elektronenaffinität χ₂ der Halbleiterschicht 13 (Lichtabsorptionsschicht) in dem Bereich von 0 bis 0,5 eV. Ferner genügt die Elektronenaffinität χ_INS (eV) der Isolationsschicht 31 und die Elektronenaffinität χ₂ (eV) der Beziehung: (χ₂ – χ_INS) ≥ 0,5. Die Schichten wurden in derselben wie im Beispiel 2 ausgebildet. Der Al₂O₃-Film wurde auf dem CIGS-Film durch Elektronenstrahlverdampfung erzeugt. 14 zeigt die Änderungen des Umwandlungswirkungsgrads der Solarzelle, wenn die Dicke des Al₂O₃-Films verändert wird. Der Umwandlungswirkungsgrad in der vertikalen Achse ist im Bezug auf den Umwandlungswirkungsgrad normiert, wenn die Dicke des Al₂O₃-Films 0 ist (der Al₂O₃-Film nicht vorgesehen ist). Der Umwandlungswirkungsgrad ist bei einer Dicke des Al₂O₃-Films von 10 nm am höchsten und fällt dann mit zunehmender Dicke ab. Bei einer Dicke von 50 nm oder mehr war die Abgabeleistung erheblich reduziert. Der Grund dafür ist wie folgt: Zuerst glaubt man, daß, wenn die Dicke des Al₂O₃-Films kleiner als 10 nm ist, das Beschichtungsverhältnis des Al₂O₃-Films, welcher den CIGS-Film beschichtet, niedrig ist, so daß eine Sputterbeschädigung an einem Teil der Oberfläche des CIGS-Films durch Kollision gestreuter beschleunigter Partikel oder ionisierter Gasmoleküle während der Herstellung des Zn_1-XMg_XO-Films bewirkt wird. Somit glaubt man, daß die De fektdichte an der Schnittstelle des CIGS-Films ansteigt, so daß der Umwandlungswirkungsgrad sinkt.
Der Umwandlungswirkungsgrad sinkt bei einer Dicke der Isolationsschicht größer als 10 nm und fällt steil bei 50 nm oder darüber aufgrund der nachstehenden Überlegungen ab. Die eine kleine Elektronenaffinität aufweisende Al₂O₃-Isolationsschicht wird zu einer Barriere des durch den CIGS-Film und den Zn_1-XMg_XO-Film ausgebildeten pn-Übergangs. Wenn der Film dünn ist, durchtunneln jedoch optische Träger diese Barriere und fließen zu der n-Fensterschicht. Andererseits wird, wenn die Dicke des Films größer wird, auch die Dicke der Barriere, so, daß der Tunnelstrom drastisch reduziert wird, und dadurch der Wirkungsgrad fällt. Daher ist es in dem Falle, in welchem die Isolationsschicht, deren Elektronenaffinität um 0,5 eV oder mehr kleiner als die Elektronenaffinität des CIGS-Films ist, als die Pufferschicht verwendet wird, vorzuziehen, daß dessen Dicke 50 nm oder kleiner ist, und daher in dem optimalen dicken Bereich liegt.
Ferner können dieselben Effekte auch dann erzielt werden, wenn die im Beispiel 2 beschriebene hochohmige Halbleiterschicht (die Halbleiterschicht, deren Elektronenaffinität um 0,5 eV oder mehr größer als die Elektronenaffinität der Lichtabsorptionsschicht ist) anstelle der Isolationsschicht verwendet wird. Ferner können dieselben Effekte erzielt werden, wenn Ga₂O₃, Si₃N₄, SiO₂, MgF₂ oder dergleichen anstelle von Al₂O₃ für die Isolationsschicht verwendet wird.
Beispiel 5
Im Beispiel 5 wird ein weiteres Beispiel der Solarzelle 20 der Ausführungsform 2 beschrieben. In der Solarzelle von Beispiel 5 werden die Veränderungen der Umwandlungswirkungsgrads der Solarzellen gemessen, wenn die Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht) festgelegt ist und die Elektronenaffinität der Halbleiterschicht 13 (Lichtabsorptionsschicht) verändert wird. Für die Solarzelle vom Beispiel 5 wird ein Glassubstrat als das Substrat 11, ein Mo-Film als der untere Elektrodenfilm 12, ein S in der Form einer Festlösung enthaltendes CuIn(Se_1-XS_X)₂ (0 ≤ X ≤ 1) als die Halbleiterschicht 13, ein Zn_0,8Mg_0,2O-Film als die Halbleiterschicht 14 (Fensterschicht), ITO als der obere Elektrodenfilm 15, MgF₂ als der Antireflexionsfilm 16 und ein ZnS-Film (10 nm dick) als die Halbleiterschicht 21 (Pufferschicht) verwendet. Ein CuIn(Se_1-XS_X)₂-Film wurde als die Oberflächenhalbleiterschicht 13a auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 13 ausgebildet.
CuInS₂ weist eine etwa um 0,4 eV niedrigere Elektronenaffinität als die von CuInSe₂ auf. Daher wird die Elektronenaffinität der Halbleiterschicht 13 durch Veränderung des Festlösungsverhältnisses X von S verändert. 15 stellt die Veränderungen des Umwandlungswirkungsgrads in Bezug auf das Festlösungsverhältnis X von S dar. Der Umwandlungswirkungsgrad in der vertikalen Achse ist im Bezug auf den Umwandlungswirkungsgrad normiert, wenn der CuInSe₂-Film verwendet wird (X = 0).
Wie in 15 dargestellt, ändert sich der Umwandlungswirkungsgrad nicht wesentlich, wenn das Festlösungsverhältnis X von S zwischen 0 und 0,8 liegt, während der Wirkungsgrad absinkt, wenn X 0,8 überschreitet. Dieses glaubt man, wird durch die nachstehenden Gründe bewirkt. Die Elektronenaffinität der Fensterschicht, des Zn_0,8Mg_0,20-Films ist etwa 0,3 eV kleiner als die von CuInSe₂. Wenn daher X = 0,8 oder kleiner ist, erfüllt die Elektronenaffinität der Fensterschicht und die Elektronenaffinität der Lichtabsorptionsschicht die Anforderungen der Solarzelle der vorliegenden Erfindung, die einen hohen Wirkungsgrad erzielt. Andererseits sinkt, wenn das Festlösungsverhältnis X von S groß wird, die Elektronen affinität des Cu(Se_1-XS_X)₂-Films. An diesem Punkt ändert sich der Wirkungsgrad nicht in dem Bereich, in dem die Elektronenaffinität χ₁ (eV) des Zn_0,8Mg_0,2O-Films und die Elektronenaffinität χ₂ (eV) des Cu(Se_1-XS_X)₂-Films der Beziehung: 0 ≤ (χ₂ – χ₁) < 0,5 genügt. Wenn jedoch das Festlösungsverhältnis X von S weiter ansteigt, wird (χ₂ – χ₁) kleiner 0 eV, so daß der Wirkungsgrad stark von der Rekombination an der Schnittstelle beeinträchtigt wird und abfällt. Wie es aus den Beispielen 1 und 2 ersichtlich ist, ist es in dem Falle, in dem die Elektronenaffinität der Lichtabsorptionsschicht klein wird, eine Fensterschicht mit einer dafür geeigneten Elektronenaffinität auszubilden. Somit ist es zu bevorzugen, den Zn_1-XMg_XO-Film zu verwenden, der die Elektronenaffinität der Fensterschicht steuern kann.
In diesem Beispiel wird der CuIn(Se_1-XS_X)₂-Film als die Lichtabsorptionsschicht verwendet. Dieselben Ergebnisse können jedoch mit einem Cu(In_1-X, Ga_X)Se₂-Film (0 ≤ X ≤ 1) erzielt werden. Da in diesem Falle die Elektronenaffinität des CuGaSe₂-Films etwa 0,6 eV kleiner als die des CuInSe₂-Films ist, wird die Elektronenaffinität deutlich mit dem Festlösungsverhältnis X von Ga verändert. Sogar dann, wenn das X des Cu(In_1-X, Ga_X)Se₂-Films verändert wird, kann ein hoher Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden, indem eine Fensterschicht mit einer dafür geeigneten Elektronenaffinität verwendet wird. Ferner wird in dem Cu(In_1-XGa_X)(Se_1-YS_Y)₂-Film die Elektronenaffinität durch das Festlösungsverhältnis X von Ga und das Festlösungsverhältnis S von X verändert. Es kann jedoch ein hoher Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden, indem eine Fensterschicht mit einer dafür geeigneten Elektronenaffinität vorgesehen wird. Ferner kann sogar in einer stufenartigen Lichtabsorptionsschicht, in welcher das Festlö sungsverhältnis von Ga oder das Festlösungsverhältnis von S in der Dickenrichtung verändert wird, ein Umwandlungswirkungsgrad so hoch wie der Vorstehende erzielt werden, indem eine Fensterschicht mit einer um 0,5 eV kleineren Elektronenaffinität als diejenige der Lichtabsorptionsschicht in der Verarmungsschicht verwendet wird.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden vorstehend beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in anderen Formen ausgeführt werden, ohne von deren Idee oder wesentlichen Kennzeichen abzuweichen. Beispielsweise wurde in den vorstehenden Ausführungsformen eine Solarzelle dargestellt, die Elektrizität durch Licht erzeugt, das von der dem Substrat gegenüberliegenden Seite aus einfällt. Die Solarzelle kann jedoch auch Elektrizität durch Licht erzeugen, das von der Seite des Substrats aus einfällt.

Claims

Solarzelle mit einer ersten Halbleiterschicht (14), die vom n-Typ ist, und einer zweiten Halbleiterschicht (13), die vom p-Typ ist, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht einen pn-Übergang bilden, wobei die erste Halbleiterschicht (14) frei von Cd ist, die zweite Halbleiterschicht (13) eine Lichtabsorptionsschicht ist, ein Bandabstand Eg₁ der ersten Halbleiterschicht (14) und ein Bandabstand Eg₂ der zweiten Halbleiterschicht (13) einer Beziehung: Eg₁ > Eg₂ genügen, und eine Elektronenaffinität χ₁ der ersten Halbleiterschicht (14) und eine Elektronenaffinität χ₂ der zweiten Halbleiterschicht (13) einer Beziehung: 0 ≤ (χ₂ – χ₁) < 0,5 eV genügen, wobei die zweite Halbleiterschicht (13) eine Verbindungshalbleiterschicht ist, welche mindestens ein Element aus jeder von den Gruppen Ib, IIIb und VIb aufweist, die erste Halbleiterschicht (14) aus einer Zn aufweisenden Verbindung besteht, und die Verbindung ein durch eine allgemeine Formel Zn_1-XA_XO, wobei das Element A mindestens ein aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba ausgewähltes ist, und 0 < X < 1 ist, ausgedrücktes Oxid als eine Hauptkomponente mit einem Anteil von 90 Gew.-% oder mehr aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Halbleiterschicht (14) näher an einer Seite ausgebildet ist, von welcher Licht einfällt, als es die zweite Halbleiterschicht (13) ist.
Solarzelle nach Anspruch 1, welche ferner eine dritte Halbleiterschicht (13a) zwischen der ersten Halbleiterschicht (14) und der zweiten Halbleiterschicht (13) aufweist, wobei der Bandabstand Eg₃ der dritten Halbleiterschicht (13a) und der Bandabstand Eg₂ einer Beziehung: Eg₃ > Eg₂ genügen.
Solarzelle nach Anspruch 3, wobei die dritte Halbleiterschicht (13a) aus einem Halbleiter besteht, der aus der aus n-Halbleiter und einem hochohmigen Halbleiter bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Solarzelle nach Anspruch 3, wobei eine Elektronenaffinität χ₃ der dritten Halbleiterschicht (13a) und die Elektronenaffinität χ₂ einer Beziehung: (χ₂ – χ₃) > 0,5 eV genügen und eine Dicke der dritten Halbleiterschicht (13a) nicht größer als 50 nm ist.
Solarzelle nach Anspruch 5, wobei die dritte Halbleiterschicht (13a) ein Zn und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Oxid oder ein Zn und mindestens ein aus der Gruppe IIIb ausgewähltes Element aufweisendes Chalkogenid aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 1, ferner mit einer Isolationsschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht (14) und der zweiten Halbleiterschicht (13), wobei ein Bandabstand Eg_INS der Isolationsschicht und der Bandabstand Eg₂ einer Beziehung: Eg_INS > Eg₂ genügen.
Solarzelle nach Anspruch 7, wobei eine Elektronenaffinität χ_INS der Isolationsschicht und die Elektronenaffinität χ₂ einer Beziehung: (χ₂ – χ_INS) ≥ 0,5 eV genügen, und eine Dicke der Isolationsschicht nicht größer als 50 nm ist.
Solarzelle nach Anspruch 8, wobei die Isolationsschicht aus mindestens einem aus Al₂O₃, Ga₂O₃, Si₃N₄, SiO₂, MgF₂ und MgO ausgewählten Isolator besteht.
Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Halbleiterschicht (13) ferner eine n-Halbleiterschicht oder eine hochohmige Halbleiterschicht auf ihrer Oberfläche auf einer Seite der ersten Halbleiterschicht aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 1, wobei das Element A Mg ist und X einer Beziehung: 0 < X < 0,5 genügt.