JP2003197935A - Solar battery - Google Patents

Solar battery

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JP2003197935A
JP2003197935A JP2003008726A JP2003008726A JP2003197935A JP 2003197935 A JP2003197935 A JP 2003197935A JP 2003008726 A JP2003008726 A JP 2003008726A JP 2003008726 A JP2003008726 A JP 2003008726A JP 2003197935 A JP2003197935 A JP 2003197935A
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卓之 根上
Yasuhiro Hashimoto
泰宏 橋本
Shigeo Hayashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar battery capable of reducing any defect in a semiconductor layer functioning as a window layer, and freely changing the forbidden band width of the window layer. <P>SOLUTION: This solar battery is provided with a p-type light absorbing semiconductor layer 13 and an n-type semiconductor layer 14 laminated on the semiconductor layer 13, and the semiconductor layer 14 is constituted of oxide expressed by a general formula; Zn<SB>1-</SB>ZCZO (in this case, the element C is at least one element selected from among Be, Mg, Ca, Sr, and Ba) as main components. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池に関し、
特にたとえば、Ib族とIIIb族とVIb族とを含む化合
物半導体層を光吸収層とする太陽電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solar cell,
In particular, for example, it relates to a solar cell in which a compound semiconductor layer containing a group Ib, a group IIIb, and a group VIb is used as a light absorption layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】Ib族元素、IIIb族元素およびVIb族
元素からなる化合物半導体薄膜(カルコパイライト構造
半導体薄膜)であるCuInSe2膜(以下、CIS膜
という場合がある)あるいはCu(In,Ga)Se2
膜(以下、CIGS膜という場合がある)を光吸収層に
用いた薄膜太陽電池は、高いエネルギー変換効率を示
し、光照射等による効率の劣化がないため、注目されて
いる。
2. Description of the Related Art CuInSe 2 film (hereinafter sometimes referred to as CIS film) or Cu (In, Ga) which is a compound semiconductor thin film (chalcopyrite structure semiconductor thin film) made of Ib group element, IIIb group element and VIb group element Se 2
A thin film solar cell using a film (hereinafter, sometimes referred to as a CIGS film) as a light absorption layer exhibits high energy conversion efficiency and does not deteriorate in efficiency due to light irradiation or the like, and thus has attracted attention.

【0003】太陽電池では、理論的に、光吸収層の禁制
帯幅が1.4eV〜1.5eVの範囲内であるときに、
最も高い変換効率が得られるとされている。CIGS膜
を用いた太陽電池の場合は、GaとInの比率を変える
ことによって禁制帯幅を制御することが可能であり、G
a/(In+Ga)の原子数比が0.5〜0.8のとき
に、禁制帯幅が1.4eV〜1.5eVとなる。
In a solar cell, theoretically, when the forbidden band width of the light absorption layer is within the range of 1.4 eV to 1.5 eV,
It is said that the highest conversion efficiency can be obtained. In the case of a solar cell using a CIGS film, it is possible to control the forbidden band width by changing the ratio of Ga and In.
When the atomic ratio of a / (In + Ga) is 0.5 to 0.8, the forbidden band width is 1.4 eV to 1.5 eV.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
CIGS太陽電池では、CIGS膜の禁制帯幅が1.2
eV〜1.3eVの範囲(これは、Ga/(In+G
a)の原子数比が0.2〜0.3であるCIGS膜に対
応する)で最も高い変換効率が得られる。現在のCIG
S太陽電池では、Ga濃度を増加させてCIGS膜の禁
制帯幅を広げても、理論とは逆に変換効率が低下すると
いう問題がある。
However, in the current CIGS solar cells, the forbidden band width of the CIGS film is 1.2.
eV to 1.3 eV range (this is Ga / (In + G
The highest conversion efficiency is obtained in (a) corresponding to a CIGS film having an atomic ratio of 0.2 to 0.3). Current CIG
In the S solar cell, even if the Ga concentration is increased to widen the forbidden band width of the CIGS film, there is a problem that the conversion efficiency is lowered contrary to the theory.

【0005】また、現在報告されている高変換効率のC
IGS太陽電池は、窓層であるCdS膜と光吸収層であ
るCIGS膜とのヘテロ接合を備える。一方、近年、環
境汚染等の観点からCdSを用いないCIGS太陽電池
が注目されており、CdSの代わりに窓層としてZnO
系半導体を用いるCIGS太陽電池が幾つか報告されて
いる。しかしながら、変換効率はCdS膜を用いた場合
よりも低いという問題がある。ZnO系半導体を窓層に
用いた場合には、特に、開放電圧が低い値となる。
In addition, the high conversion efficiency C currently reported
The IGS solar cell has a heterojunction between a CdS film that is a window layer and a CIGS film that is a light absorption layer. On the other hand, in recent years, a CIGS solar cell that does not use CdS has been drawing attention from the viewpoint of environmental pollution, and ZnO is used as a window layer instead of CdS.
Some CIGS solar cells using a system semiconductor have been reported. However, there is a problem that the conversion efficiency is lower than that when the CdS film is used. When a ZnO-based semiconductor is used for the window layer, the open circuit voltage is particularly low.

【0006】上記問題を解決するため、本発明は、窓層
として機能する半導体層中の欠陥が少なく、窓層の禁制
帯幅を自由に変えることができる太陽電池を提供するこ
とを目的とする。
In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a solar cell which has few defects in a semiconductor layer which functions as a window layer and which can freely change the forbidden band width of the window layer. .

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の太陽電池は、p形の光吸収層と前記光吸収
層に積層されたn形の半導体層とを備える太陽電池であ
って、前記半導体層が、一般式Zn1-ZZO(ただし、
元素CはBe、Mg、Ca、SrおよびBaから選ばれ
る少なくとも一つであり、0<Z<1である。)で表さ
れる酸化物を主成分とすることを特徴とする。上記第2
の太陽電池では、窓層として機能する半導体層中の欠陥
が少なく、窓層の禁制帯幅を自由に変えることができる
ため、変換効率が高い太陽電池が得られる。
In order to achieve the above object, the solar cell of the present invention is a solar cell comprising a p-type light absorption layer and an n-type semiconductor layer laminated on the light absorption layer. And the semiconductor layer has the general formula Zn 1-Z C Z O
The element C is at least one selected from Be, Mg, Ca, Sr and Ba, and 0 <Z <1. ) Is a main component of an oxide represented by. Second above
In the above solar cell, since there are few defects in the semiconductor layer functioning as the window layer and the band gap of the window layer can be freely changed, a solar cell with high conversion efficiency can be obtained.

【0008】上記太陽電池では、前記元素CがMgであ
り、前記Zが0<Z<0.5の関係を満たすことが好ま
しい。
In the above solar cell, it is preferable that the element C is Mg and the Z satisfies the relation of 0 <Z <0.5.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0010】(実施形態1)実施形態1では、本発明の
太陽電池について、一例を説明する。実施形態1では、
基板とは反対側から入射した光によって起電力を生じる
太陽電池について、一例を説明する。
(Embodiment 1) In Embodiment 1, an example of the solar cell of the present invention will be described. In the first embodiment,
An example of a solar cell that generates an electromotive force by light incident from the side opposite to the substrate will be described.

【0011】実施形態1の太陽電池について、図1に断
面図を示す。図1を参照して、実施形態1の太陽電池1
0は、基板11と、基板11上に順次積層された下部電
極膜12、半導体層13(第2の半導体層)、半導体層
14(第1の半導体層)、上部電極膜15および反射防
止膜16と、上部電極膜15上に形成された取り出し電
極17とを含む。すなわち、半導体層14は、半導体層
13よりも光入射側に配置されている。
FIG. 1 shows a sectional view of the solar cell of the first embodiment. With reference to FIG. 1, the solar cell 1 of Embodiment 1
Reference numeral 0 denotes the substrate 11, the lower electrode film 12, the semiconductor layer 13 (second semiconductor layer), the semiconductor layer 14 (first semiconductor layer), the upper electrode film 15, and the antireflection film, which are sequentially stacked on the substrate 11. 16 and an extraction electrode 17 formed on the upper electrode film 15. That is, the semiconductor layer 14 is arranged on the light incident side of the semiconductor layer 13.

【0012】基板11には、たとえばガラス、ステンレ
ス、ポリイミド膜などを用いることができる。
For the substrate 11, for example, glass, stainless steel, a polyimide film or the like can be used.

【0013】下部電極膜12には、たとえばMoからな
る金属膜を用いることができる。
The lower electrode film 12 may be a metal film made of Mo, for example.

【0014】半導体層13(第2の半導体層)は、光吸
収層として機能する半導体層であり、p形の半導体層で
ある。半導体層13は、半導体層14よりも裏面側に配
置されている。半導体層13には、たとえば、Ib族元
素、IIIb族元素およびVIb族元素を含む化合物半導体
層を用いることができ、たとえば、CuInSe2、C
u(In,Ga)Se2、CuInS2、Cu(In,G
a)S2などを用いることができる。なお、半導体層1
3は、半導体層14側の表面に、表面半導体層13aを
備えていてもよい(以下の実施形態において同様であ
る)。表面半導体層13aを備える太陽電池10aの断
面図を、図2に示す。表面半導体層13aは、n形半導
体層または高抵抗(抵抗率が104Ωcm以上)の半導
体層である。高抵抗の半導体層としては、たとえばCu
In3Se5やCu(In,Ga)3Se5が挙げられる。
The semiconductor layer 13 (second semiconductor layer) is a semiconductor layer that functions as a light absorption layer, and is a p-type semiconductor layer. The semiconductor layer 13 is arranged on the back surface side of the semiconductor layer 14. For the semiconductor layer 13, for example, a compound semiconductor layer containing an Ib group element, a IIIb group element and a VIb group element can be used. For example, CuInSe 2 , C
u (In, Ga) Se 2 , CuInS 2 , Cu (In, G
a) S 2 or the like can be used. The semiconductor layer 1
3 may have a surface semiconductor layer 13a on the surface on the side of the semiconductor layer 14 (the same applies in the following embodiments). A cross-sectional view of the solar cell 10a including the surface semiconductor layer 13a is shown in FIG. The surface semiconductor layer 13a is an n-type semiconductor layer or a semiconductor layer having a high resistance (resistivity of 10 4 Ωcm or more). As the high resistance semiconductor layer, for example, Cu
An In 3 Se 5 and Cu (In, Ga) 3 Se 5 and the like.

【0015】半導体層14(第1の半導体層)は、半導
体層13とともにpn接合を形成する層であり、窓層と
して機能する。半導体層14は、n形の半導体層であ
る。半導体層14はCdを含まない(構成元素またはド
ーパントとして含まない)。半導体層14には、たとえ
ば、Znを含む化合物を用いることができる。Znを含
む化合物としては、たとえば、ZnとIIa族元素とを含
む酸化物またはカルコゲン化合物、あるいは、ZnとII
Ib族元素とを含む酸化物あるいはカルコゲン化合物を
用いることができる。具体的には、たとえば、一般式Z
1-XXO(ただし、元素AはBe、Mg、Ca、Sr
およびBaから選ばれる少なくとも一つであり、0<X
<1である。)で表される酸化物を主成分(含有率が9
0wt%以上)とする化合物を用いることができる。こ
の場合、元素Aの含有率は、0.1at%以上であるこ
とが好ましい。また、一般式ZnY2-2Y3-2Y(ただ
し、元素BはAl、GaおよびInから選ばれる少なく
とも一つであり、0<Y<1である。)で表される酸化
物を主成分(含有率が90wt%以上)とする化合物を
用いてもよい。この場合、元素Bの含有率は、5at%
以上であることが好ましい。
The semiconductor layer 14 (first semiconductor layer) is a layer that forms a pn junction with the semiconductor layer 13, and functions as a window layer. The semiconductor layer 14 is an n-type semiconductor layer. The semiconductor layer 14 does not include Cd (does not include as a constituent element or a dopant). For the semiconductor layer 14, for example, a compound containing Zn can be used. Examples of the compound containing Zn include oxides or chalcogen compounds containing Zn and a group IIa element, or Zn and II.
An oxide containing a group Ib element or a chalcogen compound can be used. Specifically, for example, the general formula Z
n 1-X A X O (provided that the element A is Be, Mg, Ca, Sr
And at least one selected from Ba and 0 <X
<1. ) Is the main component (containing 9
0 wt% or more) can be used. In this case, the content of the element A is preferably 0.1 at% or more. Further, an oxide represented by the general formula Zn Y B 2-2Y O 3-2Y (where the element B is at least one selected from Al, Ga and In, and 0 <Y <1) is used. A compound having a main component (content of 90 wt% or more) may be used. In this case, the content rate of the element B is 5 at%
The above is preferable.

【0016】実施形態1の太陽電池10では、半導体層
13の禁制帯幅Eg2と半導体層14の禁制帯幅Eg1
が、Eg1>Eg2の関係を満たす。また、半導体層13
の電子親和力χ2(eV)と半導体層14の電子親和力
χ1(eV)とが、0≦(χ 2−χ1)<0.5の関係を
満たす。
In the solar cell 10 of Embodiment 1, the semiconductor layer
13 forbidden band width Eg2And the forbidden band width Eg of the semiconductor layer 141When
But Eg1> Eg2Meet the relationship. In addition, the semiconductor layer 13
Electron affinity χ2(EV) and electron affinity of the semiconductor layer 14
χ1(EV) is 0 ≦ (χ 2−χ1) <0.5 relationship
Fulfill.

【0017】上部電極膜15は、透明導電膜であり、た
とえば、ZnOにAlがドープされたZnO:Alや、
ITO(Indium Tin Oxide)を用いる
ことができる。
The upper electrode film 15 is a transparent conductive film, such as ZnO: Al in which ZnO is doped with Al, or
ITO (Indium Tin Oxide) can be used.

【0018】反射防止膜16は、上部電極膜15の界面
で入射光が反射することを防止する膜であり、上部電極
膜15がITOやZnO:Alである場合には、たとえ
ばMgF2を用いることができる。
The antireflection film 16 is a film that prevents incident light from being reflected at the interface of the upper electrode film 15. When the upper electrode film 15 is ITO or ZnO: Al, for example, MgF 2 is used. be able to.

【0019】取り出し電極17には、たとえばNiCr
膜とAu膜とを積層した金属膜を用いることができる。
For the take-out electrode 17, for example, NiCr is used.
A metal film in which a film and an Au film are stacked can be used.

【0020】次に、太陽電池10の製造方法の一例につ
いて説明する。
Next, an example of a method of manufacturing the solar cell 10 will be described.

【0021】まず、たとえばスパッタリング法や蒸着法
によって、基板11上に下部電極膜12を形成する。そ
の後、たとえば蒸着法やスパッタリング法によって、下
部電極膜12上に半導体層13を形成する。その後、た
とえば化学析出法やスパッタリング法によって、半導体
層13上に半導体層14を形成する。その後、たとえば
スパッタリング法によって、半導体層14上に上部電極
膜15を形成する。その後、たとえば電子ビーム蒸着法
によって、上部電極膜15上の一部に取り出し電極17
を形成する。その後、たとえば蒸着法によって、上部電
極膜15上に反射防止膜16を形成する。このようにし
て、太陽電池10を形成できる。なお、半導体層13の
表面にn形半導体層または高抵抗の半導体層を形成する
場合には、たとえば溶液浸漬法、蒸着法または気相拡散
法で形成できる。
First, the lower electrode film 12 is formed on the substrate 11 by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method. After that, the semiconductor layer 13 is formed on the lower electrode film 12 by, for example, a vapor deposition method or a sputtering method. After that, the semiconductor layer 14 is formed on the semiconductor layer 13 by, for example, a chemical deposition method or a sputtering method. After that, the upper electrode film 15 is formed on the semiconductor layer 14 by, for example, a sputtering method. After that, the extraction electrode 17 is partially formed on the upper electrode film 15 by, for example, an electron beam evaporation method.
To form. After that, the antireflection film 16 is formed on the upper electrode film 15 by, for example, a vapor deposition method. In this way, the solar cell 10 can be formed. When an n-type semiconductor layer or a high resistance semiconductor layer is formed on the surface of the semiconductor layer 13, it can be formed by, for example, a solution dipping method, a vapor deposition method or a vapor phase diffusion method.

【0022】太陽電池10の一例について、バンド図
を、図3に模式的に示す。なお、図3では、半導体層1
3がCu(In,Ga)Se2であり、半導体層13の
表面に、表面半導体層13aであるCu(In,Ga)
3Se5が形成されている場合について示している。
A band diagram of an example of the solar cell 10 is schematically shown in FIG. In FIG. 3, the semiconductor layer 1
3 is Cu (In, Ga) Se 2 , and Cu (In, Ga) which is the surface semiconductor layer 13a is formed on the surface of the semiconductor layer 13.
It shows the case where 3 Se 5 is formed.

【0023】次に、光吸収層である半導体層13にCI
GS膜を用いた太陽電池を例にとって、太陽電池10の
機能について説明する。
Next, CI is applied to the semiconductor layer 13 which is a light absorption layer.
The function of the solar cell 10 will be described by taking a solar cell using a GS film as an example.

【0024】光吸収層にCIGS膜を用いた太陽電池の
効率の向上にはCIGS膜の禁制帯幅の拡大が有効な方
法であるが、CdSからなる窓層を備える従来の太陽電
池において、CIGS膜の禁制帯幅を1.3eV以上に
広げると、理論とは逆に効率が低下する。この原因の一
つとして、光吸収層であるCIGS膜と窓層であるCd
S膜とのヘテロ接合における伝導帯のエネルギー差(オ
フセット)が指摘されている。ヘルベルホルツ(E.H
erberholz)等は、CIGS膜中の原子数比
{Ga/(In+Ga)}<0.5の場合には、CdS
の伝導帯とCIGSの伝導帯とのオフセットによるバン
ドの不連続がCdSの伝導帯が持ち上がって接合近傍で
伝導帯が突出するスパイク状となり、原子数比{Ga/
(In+Ga)}>0.5ではCIGS膜の伝導帯が持
ち上がってCdSの伝導帯とCIGSの伝導帯とで段差
(とび)が生じるクリフ状となるモデルを提唱している
(ソーラ エナジー マテリアルズ アンド ソーラ
セルズ、Solar Energy Material
s and Solar Cells、1997年発刊
49巻3号227頁)。CdSとCIGSとのオフセッ
トがスパイク状となるときのバンド図を図4(a)に、
CdSとCIGSとのオフセットがクリフ状となるとき
のバンド図を図4(b)に示す。このモデルでは、伝導
帯のバンド不連続がクリフ状となることによってヘテロ
接合界面および界面近傍での再結合が増加し、変換効率
が低下することが示唆されている。この現象と同様にC
IGS膜の禁制帯幅が1.2eV〜1.3eVである場
合を考えると、窓層であるCdS膜をZnO膜に代えた
場合には、ZnO膜とCIGS膜との伝導帯のバンド不
連続は、CIGS膜の伝導帯が持ち上がるクリフ状とな
ることが予想される。
A method of increasing the forbidden band width of the CIGS film is an effective method for improving the efficiency of the solar cell using the CIGS film as the light absorption layer. However, in a conventional solar cell having a window layer made of CdS, When the band gap of the film is increased to 1.3 eV or more, the efficiency is lowered contrary to the theory. As one of the causes of this, a CIGS film which is a light absorption layer and a Cd which is a window layer
It has been pointed out that the energy difference (offset) of the conduction band at the heterojunction with the S film. Herberholtz (EH
erberholz) and the like are CdS when the atomic number ratio in the CIGS film is {Ga / (In + Ga)} <0.5.
The discontinuity of the band due to the offset between the conduction band of CGS and the conduction band of CIGS becomes a spike shape in which the conduction band of CdS rises and the conduction band protrudes near the junction, and the atomic number ratio {Ga /
For (In + Ga)}> 0.5, we have proposed a cliff-shaped model in which the conduction band of the CIGS film rises and a step is formed between the conduction band of CdS and the conduction band of CIGS (Solar Energy Materials and Solar
CELLS, Solar Energy Material
s and Solar Cells, 1997, 49, No. 3, 227). FIG. 4A shows a band diagram when the offset between CdS and CIGS has a spike shape.
FIG. 4B shows a band diagram when the offset between CdS and CIGS has a cliff shape. In this model, it is suggested that the band discontinuity of the conduction band becomes cliff-like, which increases the recombination at the heterojunction interface and in the vicinity of the interface, and decreases the conversion efficiency. C like this phenomenon
Considering the case where the forbidden band width of the IGS film is 1.2 eV to 1.3 eV, when the CdS film that is the window layer is replaced with the ZnO film, the band discontinuity of the conduction band between the ZnO film and the CIGS film is considered. Is expected to have a cliff shape in which the conduction band of the CIGS film is lifted.

【0025】このようなヘテロ接合の伝導帯のバンド不
連続は、窓層の電子親和力と光吸収層であるCIGS膜
との電子親和力との違いに起因する。一般に、禁制帯幅
が異なるn形半導体とp形半導体について、それぞれの
電子親和力をχnおよびχpとすると、χn<χpでは、伝
導帯の不連続はスパイク状となる。一方、χn>χpの場
合は、伝導帯の不連続はクリフ状となる。ここで、Ga
を含有しないCuInSe2膜とCdS膜の電子親和力
の関係は、CdSの方が約0.2eV〜0.3eV小さ
い値となっている。したがって、ヘテロ接合を形成する
とCdS側にスパイクが生じる。しかしながら、Ga濃
度が増加するにつれCIGSの電子親和力は小さくな
る。したがって、あるGa濃度以上では、CdSの電子
親和力より小さな値となり、ヘテロ接合を形成するとC
IGS側にクリフが生じる。
Such band discontinuity in the conduction band of the heterojunction is caused by the difference between the electron affinity of the window layer and the electron affinity of the CIGS film which is the light absorption layer. In general, the band gap is different from n-type semiconductor and the p-type semiconductor, when the respective electron affinity and chi n and chi p, the chi n <chi p, the discontinuity of the conduction bands is spiky. On the other hand, when χ n > χ p , the conduction band discontinuity becomes a cliff shape. Where Ga
The relationship of electron affinity between the CuInSe 2 film not containing CdS and the CdS film is such that CdS is smaller by about 0.2 eV to 0.3 eV. Therefore, when a heterojunction is formed, a spike occurs on the CdS side. However, as the Ga concentration increases, the electron affinity of CIGS decreases. Therefore, above a certain Ga concentration, the value becomes smaller than the electron affinity of CdS, and when a heterojunction is formed, C
Cliffs occur on the IGS side.

【0026】また、窓層とCIGS膜のバンド不連続の
形態も窓層とCIGS膜の電子親和力に支配される。こ
こで、窓層としてCdS膜とZnO膜を比較すると、Z
nOの方がCdSより電子親和力が約0.4eV大きい
ために、GaのないCuInSe2膜でもヘテロ接合を
形成した場合には、クリフが生じて損失となる可能性が
ある。
The band discontinuity between the window layer and the CIGS film is also governed by the electron affinity between the window layer and the CIGS film. Here, comparing the CdS film and the ZnO film as the window layer, Z
Since nO has an electron affinity larger than that of CdS by about 0.4 eV, when a heterojunction is formed even in a GaIn-free CuInSe 2 film, a cliff may occur and a loss may occur.

【0027】さらに、窓層の電子親和力が光吸収層のそ
れより小さく、伝導帯にスパイクが生ずる場合は、伝導
帯のエネルギー差が大きいため太陽電池の変換効率に影
響を与える。CdSとCIGSのエネルギー差は約0.
2eV〜0.3eVであり、キャリア輸送の障壁にはほ
とんどならないが、たとえば、ZnSを窓層に用いると
CIGSとのエネルギー差は約1.6eVあり、光励起
されたキャリアの障壁となる。この場合はキャリアの輸
送が妨げられるため、光電流がほとんど外部に取り出せ
なくなる。したがって、変換効率は低下する。このよう
に、窓層と光吸収層の伝導帯にスパイクが生じる場合
は、高効率が得られるエネルギー差(オフセット)の最
適範囲があることがわかる。実施形態1の太陽電池は、
上記最適範囲を考慮して半導体層13(光吸収層)およ
び半導体層14(窓層)の電子親和力および禁制帯幅を
規定している。したがって、実施形態1の太陽電池10
では、半導体層13と半導体層14との接合界面におけ
るキャリアの再結合が少なくなる。
Furthermore, when the electron affinity of the window layer is smaller than that of the light absorption layer and a spike occurs in the conduction band, the energy difference in the conduction band is large, which affects the conversion efficiency of the solar cell. The energy difference between CdS and CIGS is about 0.
Although it is 2 eV to 0.3 eV and hardly becomes a barrier for carrier transport, for example, when ZnS is used for the window layer, the energy difference from CIGS is about 1.6 eV, which is a barrier for photoexcited carriers. In this case, carrier transportation is hindered, and photocurrent cannot be taken out to the outside. Therefore, the conversion efficiency is reduced. As described above, when spikes occur in the conduction band of the window layer and the light absorption layer, it can be seen that there is an optimum range of energy difference (offset) with which high efficiency can be obtained. The solar cell of Embodiment 1 is
The electron affinity and the forbidden band width of the semiconductor layer 13 (light absorbing layer) and the semiconductor layer 14 (window layer) are defined in consideration of the optimum range. Therefore, the solar cell 10 of the first embodiment
Then, recombination of carriers at the junction interface between the semiconductor layer 13 and the semiconductor layer 14 is reduced.

【0028】以上説明したように、上記実施形態1の太
陽電池10によれば、窓層にCdSを用いず、かつ高効
率である太陽電池が得られる。なお、上記実施形態で
は、第1の半導体層が第2の半導体層よりも光入射側に
配置されている場合について説明したが、第1の半導体
層が第2の半導体層よりも裏面側に配置されていてもよ
い。
As described above, according to the solar cell 10 of the first embodiment, a solar cell which does not use CdS in the window layer and has high efficiency can be obtained. In the above embodiment, the case where the first semiconductor layer is arranged on the light incident side of the second semiconductor layer has been described, but the first semiconductor layer is arranged on the back surface side of the second semiconductor layer. It may be arranged.

【0029】(実施形態2)実施形態2では、本発明の
太陽電池について、他の一例を説明する。
(Embodiment 2) In Embodiment 2, another example of the solar cell of the present invention will be described.

【0030】実施形態2の太陽電池20について、断面
図を図5に示す。実施形態2の太陽電池20は、実施形
態1の太陽電池10と比較して、半導体層21を備える
点のみが異なるため重複する説明は省略する。
A sectional view of the solar cell 20 of the second embodiment is shown in FIG. The solar cell 20 according to the second embodiment is different from the solar cell 10 according to the first embodiment only in that the semiconductor layer 21 is provided, and thus the duplicate description will be omitted.

【0031】半導体層21(第3の半導体層)は、半導
体層13と半導体層14との間に配置されている。半導
体層21の禁制帯幅Eg3と半導体層13の禁制帯幅E
2とは、Eg3>Eg2の関係を満たす。第3の半導体
層としては、たとえば、ZnおよびIIIb族元素から選
ばれる少なくとも一つの元素を含む酸化物、またはZn
およびIIIb族元素から選ばれる少なくとも一つの元素
を含むカルコゲン化合物を用いることができる。また、
半導体層21として、SnO2を用いてもよい。
The semiconductor layer 21 (third semiconductor layer) is arranged between the semiconductor layer 13 and the semiconductor layer 14. The forbidden band width Eg 3 of the semiconductor layer 21 and the forbidden band width E of the semiconductor layer 13
With g 2 , the relationship of Eg 3 > Eg 2 is satisfied. As the third semiconductor layer, for example, an oxide containing at least one element selected from Zn and Group IIIb elements, or Zn
And a chalcogen compound containing at least one element selected from Group IIIb elements can be used. Also,
SnO 2 may be used as the semiconductor layer 21.

【0032】なお、半導体層21の電子親和力χ3(e
V)と半導体層13の電子親和力χ2とが、(χ2
χ3)≧0.5の関係を満たすことが好ましい。また、
半導体層21の膜厚は、50nm以下であることが好ま
しい。半導体層21としては、たとえば、Zn(O,
S)膜を用いることができる。ここで、Zn(O,S)
とは、ZnとOとSからなる化合物であって、Zn−O
結合とZn−S結合とを含む化合物を意味する。
The electron affinity of the semiconductor layer 21, χ 3 (e
V) and the electron affinity χ 2 of the semiconductor layer 13 are (χ 2
It is preferable to satisfy the relationship of χ 3 ) ≧ 0.5. Also,
The thickness of the semiconductor layer 21 is preferably 50 nm or less. As the semiconductor layer 21, for example, Zn (O,
S) membranes can be used. Where Zn (O, S)
Is a compound consisting of Zn, O and S, and is Zn-O
It means a compound containing a bond and a Zn-S bond.

【0033】太陽電池20は、実施形態1で説明した太
陽電池10と同様の方法で製造できる。なお、半導体層
21は、たとえば化学析出法や蒸着法によって形成でき
る。
The solar cell 20 can be manufactured by the same method as the solar cell 10 described in the first embodiment. The semiconductor layer 21 can be formed by, for example, a chemical deposition method or a vapor deposition method.

【0034】上記実施形態2の太陽電池20によれば、
窓層としてCdSを用いず、高効率な太陽電池が得られ
る。
According to the solar cell 20 of the second embodiment,
A highly efficient solar cell can be obtained without using CdS as the window layer.

【0035】(実施形態3)実施形態3では、本発明の
太陽電池について、その他の一例を説明する。
(Embodiment 3) In Embodiment 3, another example of the solar cell of the present invention will be described.

【0036】実施形態3の太陽電池30について、断面
図を図6に示す。実施形態3の太陽電池30は、実施形
態1の太陽電池10と比較して、絶縁層31を備える点
のみが異なるため重複する説明は省略する。
A cross-sectional view of the solar cell 30 of the third embodiment is shown in FIG. The solar cell 30 according to the third embodiment is different from the solar cell 10 according to the first embodiment only in that an insulating layer 31 is provided, and thus redundant description will be omitted.

【0037】絶縁層31の禁制帯幅EgINSと半導体層
13の禁制帯幅Eg2は、EgINS>Eg2の関係を満た
す。絶縁層31としては、たとえば、Al23、Ga2
3、Si34、SiO2、MgF2およびMgOから選
ばれる少なくとも一つの絶縁物からなる絶縁層を用いる
ことができる。
The forbidden band width Eg INS of the insulating layer 31 and the forbidden band width Eg 2 of the semiconductor layer 13 satisfy the relationship of Eg INS > Eg 2 . Examples of the insulating layer 31 include Al 2 O 3 and Ga 2
An insulating layer made of at least one insulator selected from O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2 , MgF 2 and MgO can be used.

【0038】なお、絶縁層31の電子親和力χINSと半
導体層13の電子親和力χ2とは、(χ2―χINS)≧
0.5の関係を満たすことが好ましい。また、絶縁層3
1の膜厚は50nm以下であることが好ましい。
Note that the electron affinity χ INS of the insulating layer 31 and the electron affinity χ 2 of the semiconductor layer 13 are (χ 2 −χ INS ) ≧
It is preferable to satisfy the relationship of 0.5. Also, the insulating layer 3
The film thickness of 1 is preferably 50 nm or less.

【0039】太陽電池30は、実施形態1で説明した太
陽電池10と同様の方法で製造できる。なお、絶縁層3
1は、たとえばスパッタリング法や蒸着法によって形成
できる。
The solar cell 30 can be manufactured by the same method as the solar cell 10 described in the first embodiment. The insulating layer 3
1 can be formed by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method.

【0040】上記実施形態3の太陽電池30によれば、
窓層としてCdSを用いず、高効率な太陽電池が得られ
る。
According to the solar cell 30 of the third embodiment,
A highly efficient solar cell can be obtained without using CdS as the window layer.

【0041】[0041]

【実施例】(実施例1)実施例1では、実施形態1で説
明した太陽電池10aについて、半導体層13の伝導帯
と半導体層14の伝導帯とのオフセットを変化させたと
きの太陽電池特性を計算した一例を示す。計算に用いた
太陽電池のバンド構造は、図3と同様である。
EXAMPLES Example 1 In Example 1, the solar cell characteristics of the solar cell 10a described in Embodiment 1 when the offset between the conduction band of the semiconductor layer 13 and the conduction band of the semiconductor layer 14 was changed. An example of calculating The band structure of the solar cell used for the calculation is the same as that of FIG.

【0042】実施例1の計算では、光吸収層である半導
体層13に禁制帯幅Eg2が1.2eVで電子親和力が
χ2のCu(In,Ga)Se2膜(CIGS膜)を用い
た。このCIGS膜の表面には、表面半導体層13aで
あるCu(In,Ga)3Se5層が形成されているとし
て計算した。また、窓層である半導体層14には、Zn
Oと略等しい禁制帯幅(約3.2eV)を有し、電子親
和力がχ1である半導体層を用いた。各々の膜厚はCI
GSが2μm、表面半導体層であるCu(In,Ga)
3Se5層が20nm、窓層が0.1μmである。
In the calculation of Example 1, a Cu (In, Ga) Se 2 film (CIGS film) having a forbidden band width Eg 2 of 1.2 eV and an electron affinity of χ 2 is used for the semiconductor layer 13 which is a light absorption layer. I was there. It was calculated that a Cu (In, Ga) 3 Se 5 layer as the surface semiconductor layer 13a was formed on the surface of this CIGS film. In addition, Zn
A semiconductor layer having a band gap (approximately 3.2 eV) substantially equal to O and an electron affinity of χ 1 was used. Each film thickness is CI
Cu (In, Ga) that is a surface semiconductor layer with GS of 2 μm
The 3 Se 5 layer has a thickness of 20 nm and the window layer has a thickness of 0.1 μm.

【0043】そして、半導体層13の伝導帯と半導体層
14の伝導帯とのオフセット(χ2−χ1)の影響を調べ
るため、半導体層13と半導体層14の電子親和力の差
を変化させて太陽電池特性の計算を行った。なお、計算
では、表面半導体層13aであるCu(In,Ga)3
Se5層と半導体層14との界面に、欠陥を仮定し、欠
陥において再結合が生じるようにした。
Then, in order to investigate the influence of the offset (χ 2 −χ 1 ) between the conduction band of the semiconductor layer 13 and the conduction band of the semiconductor layer 14, the difference in electron affinity between the semiconductor layer 13 and the semiconductor layer 14 is changed. The solar cell characteristics were calculated. In the calculation, Cu (In, Ga) 3 which is the surface semiconductor layer 13a is used.
A defect is assumed at the interface between the Se 5 layer and the semiconductor layer 14, and recombination occurs at the defect.

【0044】計算結果を図7および図8に示す。図7の
(a)は短絡電流密度(JSC)、(b)は開放端電圧
(VOC)、図8の(a)は曲線因子(FF)、(b)は
変換効率(Efficiency)を示している。
The calculation results are shown in FIGS. 7 and 8. 7A is a short-circuit current density (J SC ), (b) is an open circuit voltage (V OC ), FIG. 8A is a fill factor (FF), and (b) is a conversion efficiency (Efficiency). Shows.

【0045】まず、伝導帯のオフセット(Conduc
tion Band Offset)が負、つまり、窓
層の電子親和力がCIGS膜の電子親和力よりも大きい
場合に注目すると、JSCはオフセットが負に大きくなる
につれ徐々に減少するが、その減少率は小さい。これに
対して、VOCとFFはオフセットが負に大きくなると急
激に減少する。これは、オフセットが負になると、注入
されたキャリアが窓層と光吸収層との界面に留まる時間
が長くなり、界面に存在する欠陥を介した再結合が増大
するためである。次に、オフセットが正、つまり窓層の
電子親和力が光吸収層の電子親和力よりも小さい場合で
は、オフセットの増加に伴いVOCは若干減少する。これ
に対し、JSCとFFはオフセットが0.5eV以上にな
ると急激に減少する。これは、オフセットが0.5eV
以上になると、窓層が光励起された電子輸送の障壁とな
り、電子が流れなくなるためである。以上のことから、
窓層の伝導帯と光吸収層の伝導帯とのオフセットを0.
5eV以下とすることによって、特性が高い太陽電池が
得られることがわかる。
First, the conduction band offset (Conduc)
When the band affinity is negative, that is, the electron affinity of the window layer is larger than the electron affinity of the CIGS film, J SC gradually decreases as the offset increases negatively, but the decrease rate is small. On the other hand, V OC and FF sharply decrease when the offset becomes negatively large. This is because when the offset becomes negative, the injected carriers stay longer at the interface between the window layer and the light absorption layer, and recombination via defects existing at the interface increases. Next, when the offset is positive, that is, when the electron affinity of the window layer is smaller than the electron affinity of the light absorption layer, V OC decreases slightly as the offset increases. On the other hand, J SC and FF sharply decrease when the offset becomes 0.5 eV or more. This has an offset of 0.5 eV
This is because, in the above case, the window layer becomes a barrier for photoexcited electron transport and electrons do not flow. From the above,
The offset between the conduction band of the window layer and the conduction band of the light absorption layer is set to 0.
It can be seen that a solar cell having excellent characteristics can be obtained by setting the voltage to 5 eV or less.

【0046】ここで、実際の窓層材料とCIGS膜の伝
導帯のオフセットを検討する。窓層にCdS膜を用いた
場合は、オフセットは0.2eV〜0.3eVであり、
高い変換効率が得られる範囲内である。これに対し、窓
層にZnOを用いた場合は、オフセットは約−0.2e
Vとなり、CdSを用いた場合の約70%に低下するこ
とがわかる。
Here, the offset of the conduction band between the actual window layer material and the CIGS film will be examined. When the CdS film is used for the window layer, the offset is 0.2 eV to 0.3 eV,
It is within the range where high conversion efficiency is obtained. On the other hand, when ZnO is used for the window layer, the offset is about -0.2e.
It can be seen that the value becomes V, which is reduced to about 70% when CdS is used.

【0047】ここで、重要となるのは、光吸収層の電子
親和力や窓層の電子親和力の絶対値ではなくて、その差
である。したがって、高い変換効率の太陽電池を構成す
るには、電子親和力がχ2(eV)である光吸収層に対
しては、0≦(χ2−χ1)<0.5(好ましくは、0≦
(χ2−χ1)<0.4)の関係を満たす電子親和力χ 1
を有する窓層を選択する必要がある。たとえば、CIG
S膜のGa濃度を変化させると禁制帯幅が増大し、かつ
電子親和力が減少する。したがって、太陽光を最も効率
的に電気エネルギーに変換する禁制帯幅を有するCIG
S膜に対しても電子親和力差が0eV〜0.5eV以内
である窓層を用いることによって高効率の太陽電池が得
られる。
Here, it is important that the electrons in the light absorption layer are
The absolute value of the affinity or electron affinity of the window layer, not the difference
Is. Therefore, a solar cell with high conversion efficiency is constructed.
The electron affinity is χ2(EV) to the light absorption layer
Then 0 ≦ (χ2−χ1) <0.5 (preferably 0 ≦
2−χ1) <0.4) satisfying the electron affinity χ 1
It is necessary to select a window layer having For example, CIG
Changing the Ga concentration of the S film increases the forbidden band width, and
The electron affinity is reduced. Therefore, the sunlight is most efficient
CIG having a forbidden band width that is converted into electrical energy
Electron affinity difference is 0 eV to 0.5 eV or less for S film
A highly efficient solar cell can be obtained by using a window layer that is
To be

【0048】なお、ここでは、光吸収層となるp形半導
体として、表面にn形Cu(In,Ga)3Se5が薄く
形成されたCIGS膜を仮定したが、n形CIGS膜に
よって被覆されたp形CIGS膜、または表面が高抵抗
Cu(In,Ga)S2層で覆われたp形CIGS膜を
用いた場合でも同様な結果が得られた。
Although a CIGS film having n-type Cu (In, Ga) 3 Se 5 thinly formed on the surface is assumed here as the p-type semiconductor serving as the light absorption layer, it is covered with the n-type CIGS film. Similar results were obtained when a p-type CIGS film or a p-type CIGS film whose surface was covered with a high resistance Cu (In, Ga) S 2 layer was used.

【0049】(実施例2)実施例2では、まず、半導体
層14(窓層)となるZn1-XMgXO膜の作製法および
特性について述べる。Zn1-XMgXO膜はZnOターゲ
ットとMgOターゲットの2元同時スパッタで形成し
た。ZnとMgの組成比は、2つのターゲットへ印加す
る高周波パワーを変化させることによって制御した。作
製したZn1- XMgXO膜のX線回折測定から、Xが0.
3(Zn0.7Mg0.3O)まではc軸に強く配向した単一
相であり、Xが0.5(Zn0.5Mg0.5O)までは、Z
nOの構造を基本とした回折が強く観測された。電子デ
バイスを構成する場合、一般に、単一相の半導体あるい
は誘電体を用いた方が、電流あるいは電圧ロスが少ない
ため有利である。したがって、電子デバイスにZn1-X
MgXO膜を用いる場合の組成比としては、0<X<
0.5の範囲が好ましい。
Example 2 In Example 2, first, a method of manufacturing a Zn 1 -X Mg X O film to be the semiconductor layer 14 (window layer) and its characteristics will be described. The Zn 1-X Mg X O film was formed by binary co-sputtering of a ZnO target and a MgO target. The composition ratio of Zn and Mg was controlled by changing the high frequency power applied to the two targets. From the X-ray diffraction measurement of the prepared Zn 1- X Mg X O film, X was 0.
3 (Zn 0.7 Mg 0.3 O) is a single phase strongly oriented along the c-axis, and X is 0.5 (Zn 0.5 Mg 0.5 O) up to Z.
Diffraction based on the structure of nO was strongly observed. When constructing an electronic device, it is generally advantageous to use a single-phase semiconductor or a dielectric because the loss of current or voltage is small. Therefore, Zn 1 -X is used in electronic devices.
The composition ratio when using the Mg x O film is 0 <X <
A range of 0.5 is preferred.

【0050】次に、組成比の異なるZn1-XMgXO膜の
透過率を測定することによって、光吸収係数とフォトン
エネルギーとの関係を算出した。算出した結果を、図9
に示す。図9において、υは入射光の振動数を表し、α
は光吸収係数を表す。各組成比における膜についてプロ
ットしたデータの外挿線から、光学バンドギャップを求
めることができる。ZnOの光学バンドギャップは約
3.24eVであり、Mgの含有率が増加するにつれ光
学バンドギャップが拡大する。バンドギャップの拡大に
より電子親和力が小さくなることから、Mgの含有率を
変化させることによって電子親和力を制御できることが
わかる。
Next, the relationship between the light absorption coefficient and the photon energy was calculated by measuring the transmittance of the Zn 1 -X Mg X O films having different composition ratios. The calculated result is shown in FIG.
Shown in. In FIG. 9, υ represents the frequency of incident light, and α
Represents the light absorption coefficient. The optical band gap can be obtained from the extrapolation line of the data plotted for the film at each composition ratio. The optical bandgap of ZnO is about 3.24 eV, and the optical bandgap increases as the Mg content increases. Since the electron affinity decreases as the band gap increases, it can be seen that the electron affinity can be controlled by changing the Mg content.

【0051】そこで、Zn1-XMgXO膜のMg含有率を
変化させたときの、CIGS膜の電子親和力とZn1-X
MgXO膜の電子親和力との差の変化を計算した。計算
結果を図10に示す。計算は、以下のように行った。ま
ず、光電子分光分析法(XPS)を用いて、Zn1-X
XO膜とCIGS膜のそれぞれについて、膜のコアレ
ベルと価電子帯の最大(Valence Band M
aximum)との差(E VBM CL)を測定した。次に、
測定結果から、Zn1-XMgXO膜とCIGS膜とのコア
レベルの差(△ECL)を求めた。これらの値を以下の式
(1)に適用することよって、Zn1-XMgXO膜とCI
GS膜との価電子帯のレベル差△EV(Valence
Band Offset)が求められる。次に、以下
の式(2)によって、Zn1-XMgXO膜とCIGS膜と
の電子親和力の差△ECが求められる。なお、Zn1-X
XO膜のバンドギャップEg(ZnMgO)とCIG
S膜のバンドギャップEg(CIGS)とは、光透過特
性または反射特性や、入射光の波長に対する太陽電池の
量子効率の変化から測定できる。(1) △EV=EVBM
CL(CIGS)−EVBM CL(ZnMgO)−△E
CL(2) △EC=Eg(ZnMgO)−Eg(CIG
S)−△EVなお、ここでは、XPS測定を用いた電子
親和力の差の計算方法を示したが、紫外線による光電子
分光分析法(UPS)を用いても計算することができ
る。UPS法を用いる場合には、伝導帯レベルを測定で
きるため、電子親和力の差を直接計算することができ
る。
Therefore, Zn1-XMgXThe Mg content of the O film
Electron affinity of the CIGS film and Zn when changed1-X
MgXThe change in the difference from the electron affinity of the O film was calculated. Calculation
The results are shown in Fig. 10. The calculation was performed as follows. Well
First, using photoelectron spectroscopy (XPS), Zn1-XM
gXFor each of the O film and the CIGS film, the film core
Bell and valence band maximum (Valence Band M
Aximum) difference (E VBM CL) Was measured. next,
From the measurement results, Zn1-XMgXCore of O film and CIGS film
Level difference (△ ECL) Was asked. These values are
By applying to (1), Zn1-XMgXO film and CI
Level difference of valence band from GS film ΔEV(Valence
  Band Offset) is required. Then the following
According to the equation (2)1-XMgXO film and CIGS film
Electron affinity difference ΔECIs required. Note that Zn1-XM
gXBand gap Eg (ZnMgO) of the O film and CIG
The band gap Eg (CIGS) of the S film is a light transmission characteristic.
Of the solar cell depending on
It can be measured from the change in quantum efficiency. (1) △ EV= EVBM
CL(CIGS) -EVBM CL(ZnMgO) -ΔE
CL(2) △ EC= Eg (ZnMgO) -Eg (CIG
S)-△ EVIn addition, here, an electron using XPS measurement is used.
I showed how to calculate the difference in affinity.
It can also be calculated using spectroscopy (UPS)
It When using the UPS method, the conduction band level can be measured.
Therefore, the difference in electron affinity can be calculated directly.
It

【0052】次に、Mgの含有率を変化させた時の太陽
電池の特性を調べた。
Next, the characteristics of the solar cell were examined when the Mg content was changed.

【0053】実施例2では、実施形態2の太陽電池20
を実際に作製した一例について述べる。なお、実施例2
の太陽電池は、半導体層13の表面に、表面半導体層1
3aとして、Cdを含有させたCu(In,Ga)Se
2層を有する。また、実施例2の太陽電池では、半導体
層14(窓層)としてZn1-XMgXO膜を用いた。
In Example 2, the solar cell 20 of Embodiment 2 was used.
An example of the actual fabrication of will be described. In addition, Example 2
In the solar cell of, the surface semiconductor layer 1 is formed on the surface of the semiconductor layer 13.
Cu (In, Ga) Se containing Cd as 3a
Has two layers. In addition, in the solar cell of Example 2, a Zn 1-X Mg X O film was used as the semiconductor layer 14 (window layer).

【0054】実施例2では、まず、ガラス基板上にMo
電極膜を形成し、その上に半導体層13(光吸収層)と
なるCu(In0.8Ga0.2)Se2(CIGS)膜を形
成した。Mo膜およびCu(In,Ga)Se2膜は、
以下の方法で作成した(Japanese Journ
al of Applied Physics、199
5年、34巻、L1141参照)。まず、Mo膜はAr
ガス雰囲気中のスパッタリング法で形成した。膜厚は約
1μmであった。次に、Cu(In,Ga)Se2
は、3段階蒸着法で形成した。まず、第1段階として、
Mo膜の上に基板温度350℃にて(In,Ga)2
3膜を形成し、次に、第2段階として、基板温度50
0℃以上に昇温してCu、Seを蒸着してCu過剰組成
のCu(In,Ga)Se2膜を形成した。最後に、第
3段階として、基板温度を保持したまま、In、Gaお
よびSeを同時に蒸着して少し(In,Ga)が過剰な
組成のCu(In,Ga)Se2膜を形成した。Cu
(In,Ga)Se2膜の膜厚は約2μmであった。
In Example 2, first, Mo was formed on the glass substrate.
An electrode film was formed, and a Cu (In 0.8 Ga 0.2 ) Se 2 (CIGS) film to be the semiconductor layer 13 (light absorption layer) was formed thereon. The Mo film and the Cu (In, Ga) Se 2 film are
It was created by the following method (Japanese Journal)
al of Applied Physics, 199
5 years, 34 volumes, see L1141). First, the Mo film is Ar
It was formed by a sputtering method in a gas atmosphere. The film thickness was about 1 μm. Next, a Cu (In, Ga) Se 2 film was formed by a three-step evaporation method. First, as the first stage,
(In, Ga) 2 S on the Mo film at a substrate temperature of 350 ° C.
e 3 film is formed, and then, as the second step, the substrate temperature is set to 50
The temperature was raised to 0 ° C. or higher and Cu and Se were vapor-deposited to form a Cu (In, Ga) Se 2 film having an excessive Cu composition. Finally, in the third step, while maintaining the substrate temperature, In, Ga, and Se were simultaneously vapor-deposited to form a Cu (In, Ga) Se 2 film having a slight excess of (In, Ga). Cu
The thickness of the (In, Ga) Se 2 film was about 2 μm.

【0055】次に、上記CIGS膜を硝酸カドミウムと
アンモニアの水溶液中に浸して、CIGS膜の表面に、
CdをドープしたCu(In,Ga)Se2からなる表
面半導体層を形成した。次に、半導体層13上に、半導
体層21(バッファー層)となるZn(O,S)膜(膜
厚10nm)を化学析出法によって形成した。このZn
(O,S)バッファー層の電子親和力はCIGS膜の電
子親和力より0.5eV以上小さく、Zn(O,S)膜
の伝導帯レベルがCIGS膜の伝導帯レベルより高いエ
ネルギー位置にある。
Next, the CIGS film is dipped in an aqueous solution of cadmium nitrate and ammonia to form a film on the surface of the CIGS film.
A surface semiconductor layer made of Cu (In, Ga) Se 2 doped with Cd was formed. Next, a Zn (O, S) film (film thickness 10 nm) to be the semiconductor layer 21 (buffer layer) was formed on the semiconductor layer 13 by the chemical deposition method. This Zn
The electron affinity of the (O, S) buffer layer is smaller than the electron affinity of the CIGS film by 0.5 eV or more, and the conduction band level of the Zn (O, S) film is at an energy position higher than the conduction band level of the CIGS film.

【0056】その後、Zn(O,S)膜の上に半導体層
14(窓層)として、Mgの含有率が異なるZn1-X
XO膜(膜厚0.1μm)を形成した。Zn1-XMgX
O膜は、前述の方法で形成した。その後、半導体層14
上に、上部電極膜15としてITO膜(膜厚0.1μ
m)をスパッタリング法によって形成した。さらに、上
部電極膜15上に、取り出し電極17と反射防止膜16
であるMgF2(膜厚0.12μm)を電子ビーム蒸着
によって形成した。このようにして、太陽電池20を作
製した。
After that, Zn 1 -X M having different Mg contents is formed as a semiconductor layer 14 (window layer) on the Zn (O, S) film.
A g x O film (film thickness 0.1 μm) was formed. Zn 1-X Mg X
The O film was formed by the method described above. Then, the semiconductor layer 14
An ITO film (having a film thickness of 0.1 μm) is formed on the upper electrode film 15 as an upper electrode film 15.
m) was formed by the sputtering method. Further, the extraction electrode 17 and the antireflection film 16 are formed on the upper electrode film 15.
Of MgF 2 (film thickness 0.12 μm) was formed by electron beam evaporation. In this way, the solar cell 20 was manufactured.

【0057】Xが0.03であるZn0.97Mg0.03O膜
を窓層に用いたときの電流−電圧特性を図11に示す。
このとき、変換効率として16.0%が得られた。この
値はCdS膜を窓層に用いた太陽電池の効率と同程度で
ある。次に、Mgの含有率に対する変換効率の変化を図
12に示す。Mgを添加すると、ZnOのみを用いた太
陽電池の効率より約30%向上している。ここで用いた
ZnO膜の電子親和力χ1(eV)とCIGS膜の電子
親和力χ2(eV)との差(χ2−χ1)は約−0.1
(eV)であり、窓層ZnOの伝導帯レベルが低いた
め、ZnO/Zn(O,S)の界面において再結合が増
大する。したがって、太陽電池の変換効率は低下してい
る。これに対し、Mgを添加すると図9に示すようにバ
ンドギャップが増大し、かつ電子親和力が減少するた
め、CIGS膜とのオフセット(χ2−χ1)が正とな
り、界面再結合速度が減少し、変換効率が向上する。実
施例2の太陽電池では、Mgの含有率を0.2付近まで
増加させても効率はほとんど変わらない。これは、オフ
セット(χ2−χ1)の値が0.5eV以下の範囲内であ
るためと考えられる。このように、電子親和力を制御で
きるZn1-XMgXO膜を窓層に用いることによって、太
陽電池の変換効率を向上できることがわかった。
FIG. 11 shows current-voltage characteristics when a Zn 0.97 Mg 0.03 O film having X of 0.03 is used as the window layer.
At this time, a conversion efficiency of 16.0% was obtained. This value is comparable to the efficiency of a solar cell using a CdS film for the window layer. Next, FIG. 12 shows the change in conversion efficiency with respect to the Mg content. The addition of Mg improves the efficiency of the solar cell using only ZnO by about 30%. The difference (χ 2 −χ 1 ) between the electron affinity χ 1 (eV) of the ZnO film used here and the electron affinity χ 2 (eV) of the CIGS film is about −0.1.
(EV), and since the conduction band level of the window layer ZnO is low, recombination increases at the ZnO / Zn (O, S) interface. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell is reduced. On the other hand, when Mg is added, the band gap increases and the electron affinity decreases as shown in FIG. 9, so the offset (χ 2 −χ 1 ) with the CIGS film becomes positive and the interface recombination rate decreases. And the conversion efficiency is improved. In the solar cell of Example 2, the efficiency hardly changed even if the Mg content was increased to around 0.2. It is considered that this is because the value of the offset (χ 2 −χ 1 ) is within the range of 0.5 eV or less. As described above, it was found that the conversion efficiency of the solar cell can be improved by using the Zn 1-X Mg X O film capable of controlling the electron affinity in the window layer.

【0058】なお、実施例2では、Zn1-XMgXO膜を
ZnOとMgOの2元同時スパッタリング法によって形
成したが、あらかじめ任意のMgOを添加した(ZnO
+MgO)の焼結体ターゲットを用いてもZn1-XMgX
O膜が形成できる。さらに、Zn1-XMgXOにZnOの
結晶構造を変化させない少量のAl23等の不純物を添
加しても同様な効果が得られる。また、ここでは、電子
親和力の小さい半導体層21(バッファー層)として、
高抵抗n形半導体であるZn(O,S)膜を用いたが、
CIGS膜とのオフセットが1.3eV以上のZnS膜
等を用いても同様な効果が得られる。また、ここでは、
Cdをドープしてp形CIGS膜表面に極薄いn形の表
面半導体層を形成しているが、この表面半導体層を形成
していない場合でも、ZnO膜を用いる従来の太陽電池
よりも、窓層としてZn1-XMgXO膜を用いる本実施例
の太陽電池の方が、高効率となる。
In Example 2, the Zn 1-x Mg x O film was formed by the binary simultaneous sputtering method of ZnO and MgO, but any MgO was added in advance (ZnO
+ MgO) sintered body target, Zn 1-X Mg X
An O film can be formed. Further, the same effect can be obtained by adding a small amount of impurities such as Al 2 O 3 which do not change the crystal structure of ZnO to Zn 1-X Mg X O. Further, here, as the semiconductor layer 21 (buffer layer) having a small electron affinity,
A Zn (O, S) film, which is a high resistance n-type semiconductor, is used.
The same effect can be obtained by using a ZnS film having an offset of 1.3 eV or more with respect to the CIGS film. Also here
Although an extremely thin n-type surface semiconductor layer is formed on the surface of the p-type CIGS film by doping with Cd, even when this surface semiconductor layer is not formed, the window is larger than that of a conventional solar cell using a ZnO film. The solar cell of this example using the Zn 1-x Mg x 0 film as the layer has higher efficiency.

【0059】(実施例3)実施例3では、実施形態1の
太陽電池10aについて作製した一例について述べる。
実施例3では、基板11としてガラス基板、下部電極膜
12としてMo膜、半導体層13(光吸収層)としてC
u(In,Ga)Se2、半導体層14(窓層)とし
て、電子親和力が異なるZnYAl2-2Y3-2Y膜(0<
Y<1)、上部電極膜15としてITO、反射防止膜1
6としてMgF2を用いた。なお、半導体層13の表面
には、表面半導体層13aとして、Cu(In,Ga)
Se2を形成した。
Example 3 In Example 3, an example of producing the solar cell 10a of the first embodiment will be described.
In Example 3, the substrate 11 is a glass substrate, the lower electrode film 12 is a Mo film, and the semiconductor layer 13 (light absorbing layer) is C.
u (In, Ga) Se 2 , a semiconductor layer 14 (window layer) as a Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film (0 <
Y <1), ITO as the upper electrode film 15, antireflection film 1
MgF 2 was used as 6. In addition, on the surface of the semiconductor layer 13, as the surface semiconductor layer 13a, Cu (In, Ga)
Se 2 was formed.

【0060】実施例3の太陽電池では、Al23の方が
ZnOよりも電子親和力が小さいことから、ZnO膜に
Al23を添加することによって電子親和力を制御でき
ることが予想できる。ZnYAl2-2Y3-2Y膜はZnO
ターゲットとAl23ターゲットの2元同時スパッタで
形成した。ZnとAlとの組成比は、2つのターゲット
へ印加する高周波パワーによって制御した。Al含有率
に対する太陽電池の変換効率の変化を、図13に示す。
図の縦軸の変換効率は、ZnOを用いた時の変換効率で
規格化してある。ZnYAl2-2Y3-2Y膜中の原子数比
{Al/(Zn+Al)}の値が0.1までのときは、
Alを添加していないZnO膜を用いた場合よりも変換
効率が低下している。これは、少量のAlを添加するこ
とによりZnYAl2-2Y3-2Y膜が低抵抗化して、漏れ
電流が流れるためと考えられる。次に、Al/(Zn+
Al)の値が0.2から0.7までは効率が向上し、ほ
ほ一定の値となっている。これは、Al23の添加量が
増加することにより膜の電子親和力がCIGS膜のそれ
より小さくなるためである。次に、Al/(Zn+A
l)の値が0.7以上では、効率が急激に低下してい
る。これは、ZnYAl2 -2Y3-2Y膜の電子親和力χ1
CIGS膜の電子親和力χ2との差(χ2−χ1)が0.
5eV以上となり、ZnYAl2-2Y3-2Y膜が障壁とな
るため、CIGS膜で光励起されたキャリアが流れなく
なることによると考えられる。このように、Alの含有
率を変化させることによって、ZnYAl2-2Y3-2Y
の電子親和力が制御でき、Al/(Zn+Al)の値が
0.2〜0.7の範囲内で変換効率が改善できることが
わかった。
In the solar cell of Example 3, since Al 2 O 3 has a smaller electron affinity than ZnO, it can be expected that the electron affinity can be controlled by adding Al 2 O 3 to the ZnO film. Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film is ZnO
The target and the Al 2 O 3 target were formed by two-source simultaneous sputtering. The composition ratio of Zn and Al was controlled by the high frequency power applied to the two targets. The change in conversion efficiency of the solar cell with respect to the Al content is shown in FIG.
The conversion efficiency on the vertical axis of the figure is standardized by the conversion efficiency when ZnO is used. When the value of the atomic number ratio {Al / (Zn + Al)} in the Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film is up to 0.1,
The conversion efficiency is lower than that when a ZnO film not added with Al is used. This is presumably because the Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film has a low resistance due to the addition of a small amount of Al, and a leakage current flows. Next, Al / (Zn +
When the value of Al) is from 0.2 to 0.7, the efficiency is improved, and the value is almost constant. This is because the electron affinity of the film becomes smaller than that of the CIGS film as the added amount of Al 2 O 3 increases. Next, Al / (Zn + A
When the value of l) is 0.7 or more, the efficiency drops sharply. This, Zn Y Al 2 -2Y O difference between the electron affinity chi 2 of 3-2Y film electron affinity chi 1 and the CIGS film (χ 21) is 0.
It is considered that 5 eV or more and the Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film serves as a barrier, and the carriers optically excited in the CIGS film stop flowing. Thus, by changing the Al content, the electron affinity of the Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film can be controlled, and the value of Al / (Zn + Al) is within the range of 0.2 to 0.7. It was found that the conversion efficiency can be improved by.

【0061】なお、CIGS膜中の原子数比(Ga/
(In+Ga))を変化させることによってCIGS膜
の電子親和力が変化することから、変換効率が向上する
Alの組成比の範囲は変化する。また、実施例3では、
窓層としてZnYAl2-2Y3-2 Y膜を用いたが、Alの
代わりにIIIb族元素を用いたZnYGa2-2Y3-2Y(0
<Y<1)等でも同様な効果が得られる。ただし、変換
効率の向上に最適なIIIb族元素の組成比の範囲は、用
いる元素によって異なる。
The ratio of the number of atoms in the CIGS film (Ga /
Since the electron affinity of the CIGS film is changed by changing (In + Ga)), the range of the Al composition ratio in which the conversion efficiency is improved is changed. In addition, in Example 3,
Although a Zn Y Al 2-2Y O 3-2 Y film was used as the window layer, Zn Y Ga 2-2Y O 3-2Y (0
The same effect can be obtained even with <Y <1). However, the optimum range of the composition ratio of the group IIIb element for improving the conversion efficiency depends on the element used.

【0062】(実施例4)実施例4では、実施形態3の
太陽電池30について作製した一例について説明する。
実施例4の太陽電池では、基板11としてガラス基板、
下部電極膜12としてMo膜、半導体層13としてCu
(In,Ga)Se2、半導体層14(窓層)としてZ
0.9Mg0.1O膜、上部電極膜15としてITO、反射
防止膜16としてMgF2、絶縁層31(バッファー
層)としてAl23膜を用いた。なお、半導体層13の
表面には、表面半導体層13aとして、Cdを含有させ
たCu(In,Ga)Se2を形成した。
Example 4 In Example 4, an example of manufacturing the solar cell 30 of Embodiment 3 will be described.
In the solar cell of Example 4, a glass substrate as the substrate 11,
Mo film as the lower electrode film 12, Cu as the semiconductor layer 13
(In, Ga) Se 2 , Z as the semiconductor layer 14 (window layer)
An n 0.9 Mg 0.1 O film, an ITO film as the upper electrode film 15, a MgF 2 film as the antireflection film 16, and an Al 2 O 3 film as the insulating layer 31 (buffer layer) were used. On the surface of the semiconductor layer 13, Cu (In, Ga) Se 2 containing Cd was formed as the surface semiconductor layer 13a.

【0063】ここで、半導体層14(窓層)の電子親和
力χ1と半導体層13(光吸収層)の電子親和力χ2との
差(χ2−χ1)は、0〜0.5eVの範囲内である。ま
た、絶縁層31の電子親和力χINS(eV)と電子親和
力χ2(eV)とは、(χ2−χINS)≧0.5(eV)
の関係を満たす。各々の作製法は実施例2と同様であ
る。なお、Al23膜は電子ビーム蒸着によってCIG
S膜上に形成した。
[0063] Here, the semiconductor layer 14 the difference between the electron affinity chi 2 electron affinity chi 1 and the semiconductor layer 13 of the (window layer) (light absorbing layer) (χ 21) is the 0~0.5eV It is within the range. Further, the electron affinity χ INS (eV) and the electron affinity χ 2 (eV) of the insulating layer 31 are (χ 2 −χ INS ) ≧ 0.5 (eV)
Meet the relationship. Each manufacturing method is the same as that of the second embodiment. In addition, the Al 2 O 3 film is formed by CIG by electron beam evaporation.
It was formed on the S film.

【0064】Al23の膜厚を変えた時の、太陽電池の
変換効率の変化について、図14に示す。ここで、縦軸
の効率は、Al23の膜厚が0の時(Al23膜がない
時)の効率で規格化してある。Al23の膜厚が10n
m程度で効率が最高となり、膜厚の増加により効率が減
少し、50nm以上では出力が大きく低下した。この理
由について以下に述べる。まず、Al23の膜厚が10
nmよりも小さくなるときは、CIGS膜を覆うAl2
3膜の被覆率が低く、部分的にCIGS膜表面にZn
1-XMgXO膜を形成する際の飛翔加速粒子あるいはイオ
ン化したガス分子の衝突によるスパッタリングダメージ
が生じ、CIGS膜界面の欠陥密度が増加し、変換効率
が減少すると考えられる。
FIG. 14 shows changes in conversion efficiency of the solar cell when the film thickness of Al 2 O 3 was changed. Here, the efficiency on the vertical axis is normalized by the efficiency when the film thickness of Al 2 O 3 is 0 (when there is no Al 2 O 3 film). The film thickness of Al 2 O 3 is 10n
The efficiency became the highest at about m, the efficiency decreased as the film thickness increased, and the output significantly decreased at 50 nm or more. The reason for this will be described below. First, the film thickness of Al 2 O 3 is 10
When it becomes smaller than nm, Al 2 which covers the CIGS film
The coverage of the O 3 film is low and Zn is partially formed on the surface of the CIGS film.
It is considered that sputtering damage occurs due to collision of flying acceleration particles or ionized gas molecules when forming the 1-X Mg X O film, the defect density at the CIGS film interface increases, and the conversion efficiency decreases.

【0065】次に、絶縁層の膜厚が10nmよりも大き
くなると変換効率が低下し、50nm以上で急激に低下
する理由について述べる。電子親和力が小さい絶縁体層
Al 23はCIGS膜とZn1-XMgXO膜とで形成され
るpn接合の障壁となる。しかし、膜厚が薄いと光キャ
リアはこの障壁をトンネルしてn形の窓層へと流れる。
これに対し、膜厚が増加すると障壁の厚さが増すことに
よりトンネル電流が極端に減少し、効率が低下する。し
たがって、電子親和力がCIGSの電子親和力よりも
0.5eV以上小さい絶縁層をバッファー層として用い
る場合は、膜厚は50nm以下が好ましく、また、最適
な膜厚範囲が存在する。
Next, the thickness of the insulating layer is larger than 10 nm.
Conversion efficiency decreases, and sharply decreases above 50 nm
Describe the reason for doing so. Insulator layer with low electron affinity
Al 2O3Is CIGS film and Zn1-XMgXFormed with O film
It becomes a barrier of the pn junction. However, if the film thickness is thin,
The rear tunnels through this barrier to the n-type window layer.
On the other hand, as the film thickness increases, the barrier thickness also increases.
Further, the tunnel current is extremely reduced and the efficiency is reduced. Shi
Therefore, the electron affinity is higher than that of CIGS.
Use an insulating layer smaller than 0.5 eV as a buffer layer
If it is, the film thickness is preferably 50 nm or less, and it is optimal.
There is a wide range of film thickness.

【0066】なお、絶縁層の代わりに、実施例2で述べ
た高抵抗の半導体層(電子親和力が光吸収層の電子親和
力よりも0.5eV以上大きい半導体層)を用いても、
同様の結果が得られる。また、絶縁層として、Al23
の代わりにGa23、Si34、SiO2、MgF2等を
用いても同様な結果が得られる。
In place of the insulating layer, the high-resistance semiconductor layer described in Example 2 (a semiconductor layer having an electron affinity larger than the electron affinity of the light absorption layer by 0.5 eV or more) may be used.
Similar results are obtained. In addition, as an insulating layer, Al 2 O 3
Similar results can be obtained by using Ga 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2 , MgF 2 or the like instead of.

【0067】(実施例5)実施例5では、実施形態2で
説明した太陽電池20について、その他の一例を説明す
る。実施例5では、半導体層14(窓層)を固定し、半
導体層13(光吸収層)の電子親和力を変化させた場合
の、太陽電池の変換効率の変化について測定した。実施
例5の太陽電池では、基板11としてガラス基板、下部
電極膜12としてMo膜、半導体層13としてSを固溶
させたCuIn(Se1-XX2膜(0≦X≦1)、半
導体層14(窓層)として、Zn0.8Mg0.2O膜、上部
電極膜15としてITO、反射防止膜16としてMgF
2、半導体層21(バッファー層)としてZnS膜(膜
厚10nm)を用いた。なお、半導体層13の表面に
は、表面半導体層13aとして、Cdを含有させたCu
In(Se1-XX2膜を形成した。
Example 5 In Example 5, another example of the solar cell 20 described in Embodiment 2 will be described. In Example 5, the change in conversion efficiency of the solar cell was measured when the semiconductor layer 14 (window layer) was fixed and the electron affinity of the semiconductor layer 13 (light absorption layer) was changed. In the solar cell of Example 5, a glass substrate as the substrate 11, a Mo film as the lower electrode film 12, and a CuIn (Se 1-X S X ) 2 film (0 ≦ X ≦ 1) in which S is solid-solved as the semiconductor layer 13. Zn 0.8 Mg 0.2 O film as the semiconductor layer 14 (window layer), ITO as the upper electrode film 15, and MgF as the antireflection film 16.
2. A ZnS film (film thickness 10 nm) was used as the semiconductor layer 21 (buffer layer). In addition, on the surface of the semiconductor layer 13, Cu containing Cd was used as the surface semiconductor layer 13a.
An In (Se 1-X S X ) 2 film was formed.

【0068】CuInS2はCuInSe2に比べ電子親
和力が約0.4eVほど小さい。したがって、Sの固溶
率Xを変化させることによって、半導体層13の電子親
和力が変化する。Sの固溶率Xに対する変換効率の変化
を、図15に示す。縦軸の変換効率は、CuInSe2
膜(X=0)を用いた時の変換効率で規格化した値であ
る。
CuInS 2 has an electron affinity smaller than that of CuInSe 2 by about 0.4 eV. Therefore, by changing the solid solution rate X of S, the electron affinity of the semiconductor layer 13 changes. The change in conversion efficiency with respect to the solid solution rate X of S is shown in FIG. The conversion efficiency on the vertical axis is CuInSe 2
It is a value normalized by the conversion efficiency when a film (X = 0) is used.

【0069】図15に示すように、Sの固溶率Xが0〜
0.8である間は、変換効率はほとんど変化しないが、
X>0.8以上では効率が減少する。これは以下の理由
による。CuInSe2に対して窓層Zn0.8Mg0.2
膜の電子親和力は約0.3eV小さい。したがって、X
が0.8以下の場合には、窓層の電子親和力と光吸収層
の電子親和力とは、高い変換効率が得られる本発明の太
陽電池の条件を満たす。一方、Sの固溶率Xが大きくな
ると、CuIn(Se1-XX2膜の電子親和力が減少
する。この時、Zn0.8Mg0.2Oの電子親和力χ1(e
V)とCuIn(Se1-XX2の電子親和力χ2(e
V)とが、0≦χ2−χ1<0.5の関係を満たす範囲で
は効率は変化しない。しかし、Sの固溶率Xがさらに増
加すると、(χ2−χ1)<0(eV)となり、界面再結
合の影響を強く受けて効率が低下する。実施例1および
2からもわかるように、光吸収層の電子親和力が小さく
なった場合には、それに適した電子親和力を有する窓層
を形成する必要がある。このように、窓層として、電子
親和力が制御できるZn1-XMgXO膜を用いることが好
ましい。
As shown in FIG. 15, the solid solution rate X of S is 0 to 0.
While it is 0.8, the conversion efficiency hardly changes,
If X> 0.8 or more, the efficiency decreases. This is for the following reason. Window layer Zn 0.8 Mg 0.2 O for CuInSe 2
The electron affinity of the film is smaller by about 0.3 eV. Therefore, X
When 0.8 is 0.8 or less, the electron affinity of the window layer and the electron affinity of the light absorption layer satisfy the condition of the solar cell of the present invention that can obtain high conversion efficiency. On the other hand, when the solid solution rate X of S increases, the electron affinity of the CuIn (Se 1-X S X ) 2 film decreases. At this time, the electron affinity of Zn 0.8 Mg 0.2 O χ 1 (e
V) and CuIn (Se 1-X S X ) 2 electron affinity χ 2 (e
The efficiency does not change in a range where V) and 0 ≦ χ 2 −χ 1 <0.5. However, when the solid solution rate X of S is further increased, (χ 2 −χ 1 ) <0 (eV), which is strongly influenced by the interfacial recombination and the efficiency is reduced. As can be seen from Examples 1 and 2, when the electron affinity of the light absorption layer becomes small, it is necessary to form a window layer having an electron affinity suitable for it. Thus, as the window layer, it is preferable to use the Zn 1 -X Mg X O film whose electron affinity can be controlled.

【0070】なお、ここでは、光吸収層としてCuIn
(Se1-XX2膜を用いたが、Cu(In1-XGaX
Se2膜(0≦X≦1)でも同様な結果が得られる。こ
の場合、CuGaSe2の電子親和力はCuInSe2
それより約0.6eV小さいことから、Ga固溶率Xに
より電子親和力は大きく変化する。ただし、Cu(In
1-XGaX)Se2膜のXが変化しても、それに適した電
子親和力を有する窓層を適用することにより高い変換効
率が得られる。また、同様にCu(In1-XGaX)(S
1-YY2膜において、電子親和力は、Gaの固溶率
XとSの固溶率Yとによって変化するが、それに適した
電子親和力を有する窓層を用意することによって変換効
率が高い太陽電池が得られる。さらに、Gaの固溶率や
Sの固溶率が膜厚方向に変化しているグレーデッド形の
光吸収層においても、空乏層内にある光吸収層の電子親
和力と比較して、電子親和力が0.5eV小さい窓層を
用いることによって、同様に高い変換効率が得られる。
Here, CuIn is used as the light absorption layer.
A (Se 1-X S X ) 2 film was used, but Cu (In 1-X Ga X ) 2 was used.
Similar results are obtained with a Se 2 film (0 ≦ X ≦ 1). In this case, since the electron affinity of CuGaSe 2 is smaller than that of CuInSe 2 by about 0.6 eV, the electron affinity greatly changes depending on the Ga solid solution rate X. However, Cu (In
Even if X of the 1-X Ga X ) Se 2 film changes, high conversion efficiency can be obtained by applying a window layer having an electron affinity suitable for it. Similarly, Cu (In 1-X Ga X ) (S
In the e 1-Y S Y ) 2 film, the electron affinity changes depending on the solid solution rate X of Ga and the solid solution rate Y of S, but the conversion efficiency can be improved by preparing a window layer having an electron affinity suitable for it. A solar cell with high efficiency can be obtained. Further, even in the graded type light absorption layer in which the solid solution rate of Ga and the solid solution rate of S are changed in the film thickness direction, the electron affinity is higher than that of the light absorption layer in the depletion layer. Similarly, high conversion efficiency is obtained by using a window layer having a small value of 0.5 eV.

【0071】以上、本発明の実施形態について例を挙げ
て説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず
本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用するこ
とができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.

【0072】たとえば、上記実施形態では、基板と反対
側から入射した光によって発電する太陽電池を示した
が、基板側から入射した光によって発電する太陽電池で
もよい。
For example, in the above-described embodiment, the solar cell that generates electric power by the light incident from the side opposite to the substrate is shown, but the solar cell that generates electric power by the light incident from the substrate side may be used.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の太
陽電池によれば、第1の半導体層(窓層)と第2の半導
体層(光吸収層)について禁制帯幅および電子親和力の
関係を規定することによって、高い変換効率の太陽電池
が得られる。これは、前記範囲内の電子親和力を有する
窓層を用いることにより、接合界面での再結合を抑制で
き、かつ光キャリアの障壁とならない窓層及び光吸収層
を提供できることによる。さらに、上記第1の太陽電池
によれば、窓層としてCdSを用いず、かつ変換効率が
高い太陽電池が得られる。
As described above, according to the first solar cell of the present invention, the forbidden band width and the electron affinity of the first semiconductor layer (window layer) and the second semiconductor layer (light absorption layer). By defining the relationship of, a solar cell with high conversion efficiency can be obtained. This is because by using a window layer having an electron affinity within the above range, it is possible to suppress recombination at the junction interface and to provide a window layer and a light absorption layer that do not serve as a barrier for photocarriers. Furthermore, according to the said 1st solar cell, the solar cell which does not use CdS as a window layer and has high conversion efficiency is obtained.

【0074】また、本発明の第2の太陽電池では、窓層
が一般式Zn1-ZzO(ただし、元素CはBe、Mg、
Ca、SrおよびBaから選ばれる少なくとも一つであ
り、0<Z<1である。)で表される酸化物を主成分と
しているため、窓層の欠陥が少なく、窓層のバンドギャ
ップおよび電子親和力を自由に変えることができる。し
たがって、変換効率が高い太陽電池が得られる。
In the second solar cell of the present invention, the window layer has the general formula Zn 1 -Z C z O (where element C is Be, Mg,
At least one selected from Ca, Sr, and Ba, and 0 <Z <1. Since the oxide represented by () is the main component, the window layer has few defects, and the band gap and electron affinity of the window layer can be freely changed. Therefore, a solar cell with high conversion efficiency can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の太陽電池について、一例を示す断面
図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell of the present invention.

【図2】 本発明の太陽電池について、他の一例を示す
断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of the solar cell of the present invention.

【図3】 図1に示した太陽電池について、バンド図の
一例を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a band diagram of the solar cell shown in FIG.

【図4】 従来の太陽電池について、バンド図の一例を
示す模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a band diagram of a conventional solar cell.

【図5】 本発明の太陽電池について、その他の一例を
示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the solar cell of the present invention.

【図6】 本発明の太陽電池について、さらにその他の
一例を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing still another example of the solar cell of the present invention.

【図7】 本発明の太陽電池の一例について、(a)短
絡電流密度、および(b)開放電圧を示すグラフであ
る。
FIG. 7 is a graph showing (a) short-circuit current density and (b) open circuit voltage for an example of the solar cell of the present invention.

【図8】 本発明の太陽電池の一例について、(a)曲
線因子、および(b)変換効率を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing (a) fill factor and (b) conversion efficiency of an example of the solar cell of the present invention.

【図9】 組成比の異なるZn1-XMgXO膜について、
光吸収係数とフォトンエネルギーとの関係を示すグラフ
である。
FIG. 9 shows Zn 1-X Mg X O films with different composition ratios.
It is a graph which shows the relationship between a light absorption coefficient and photon energy.

【図10】 Zn1-XMgXO膜のMg含有率を変化させ
たときの、Zn1-XMgXO膜の電子親和力とCIGS膜
の電子親和力との差の変化を示すグラフである。
Is a graph showing the change in the difference between the electron affinity of the electron affinity and the CIGS film of Zn 1-X Mg X O film when [10] varying Mg content of Zn 1-X Mg X O film .

【図11】 本発明の太陽電池の一例について、電流−
電圧特性を示すグラフである。
FIG. 11 shows an example of the current for an example of the solar cell of the present invention.
It is a graph which shows a voltage characteristic.

【図12】 Zn1-XMgXO膜のMg含有率の変化に対
する変換効率の変化を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing a change in conversion efficiency with respect to a change in Mg content of a Zn 1 -X Mg X O film.

【図13】 ZnYAl2-2Y3-2Y膜中のYの値を変化
させたときの、規格化変換効率の変化を示すグラフであ
る。
FIG. 13 is a graph showing changes in normalized conversion efficiency when the value of Y in the Zn Y Al 2-2Y O 3-2Y film is changed.

【図14】 バッファー層であるAl23膜の膜厚を変
化させたときの、規格化変換効率の変化を示すグラフで
ある。
FIG. 14 is a graph showing changes in normalized conversion efficiency when the film thickness of an Al 2 O 3 film that is a buffer layer is changed.

【図15】 光吸収層であるCuIn(Se1-XX2
膜の固溶率Xを変化させたときの、規格化変換効率の変
化を示すグラフである。
FIG. 15 is a light absorption layer of CuIn (Se 1-X S X ) 2
It is a graph which shows the change of standardization conversion efficiency when changing the solid-solution rate X of a film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、10a、20、30 太陽電池 11 基板 12 下部電極膜 13 半導体層(第2の半導体層) 13a 表面半導体層 14 半導体層(第1の半導体層) 15 上部電極膜 16 反射防止膜 17 取り出し電極 21 半導体層 31 絶縁層 10, 10a, 20, 30 Solar cells 11 board 12 Lower electrode film 13 semiconductor layer (second semiconductor layer) 13a Surface semiconductor layer 14 semiconductor layer (first semiconductor layer) 15 Upper electrode film 16 Antireflection film 17 Extraction electrode 21 semiconductor layer 31 insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 茂生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F051 AA10 CB15 DA20 FA04 FA06 GA03 HA02 HA19    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Shigeo Hayashi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 5F051 AA10 CB15 DA20 FA04 FA06                       GA03 HA02 HA19

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 p形の光吸収層と前記光吸収層に積層さ
れたn形の半導体層とを備える太陽電池であって、 前記半導体層が、一般式Zn1-ZZO(ただし、元素C
はBe、Mg、Ca、SrおよびBaから選ばれる少な
くとも一つであり、0<Z<1である。)で表される酸
化物を主成分とすることを特徴とする太陽電池。
1. A solar cell comprising a p-type light absorbing layer and an n-type semiconductor layer laminated on the light absorbing layer, wherein the semiconductor layer has the general formula Zn 1 -Z C Z O , Element C
Is at least one selected from Be, Mg, Ca, Sr and Ba, and 0 <Z <1. ) A solar cell comprising an oxide represented by the following as a main component.
【請求項2】 前記元素CがMgであり、前記Zが0<
Z<0.5の関係を満たす請求項1に記載の太陽電池。
2. The element C is Mg and the Z is 0 <
The solar cell according to claim 1, wherein the relationship of Z <0.5 is satisfied.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004304175A (en) * 2003-03-18 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solar cell and manufacturing method therefor
JP2009071034A (en) * 2007-09-13 2009-04-02 Kaneka Corp Thin film photoelectric converion device and its manufacturing method
JP2012059609A (en) * 2010-09-10 2012-03-22 Konica Minolta Holdings Inc Transparent electrode with auxiliary electrode, light-emitting element, and solar cell
JP2012074671A (en) * 2010-08-31 2012-04-12 Kyocera Corp Photoelectric conversion device, manufacturing method therefor, and photoelectric conversion module
WO2012172999A1 (en) * 2011-06-16 2012-12-20 昭和シェル石油株式会社 Czts thin film solar cell and manufacturing method thereof
JPWO2011090134A1 (en) * 2010-01-21 2013-05-23 パナソニック株式会社 Solar cell
WO2014077395A1 (en) 2012-11-19 2014-05-22 東ソー株式会社 Oxide sinter, sputtering target using same, and oxide film
JPWO2015177899A1 (en) * 2014-05-22 2017-04-20 東芝三菱電機産業システム株式会社 Method for forming buffer layer and buffer layer
WO2020089999A1 (en) * 2018-10-30 2020-05-07 シャープ株式会社 Light-emitting element, method for manufacturing light-emitting element
JP7389457B2 (en) 2019-09-12 2023-11-30 国立研究開発法人産業技術総合研究所 solar cells

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5003698B2 (en) 2009-02-18 2012-08-15 Tdk株式会社 Solar cell and method for manufacturing solar cell
JP6265362B2 (en) * 2012-02-27 2018-01-24 日東電工株式会社 CIGS compound solar cell

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004304175A (en) * 2003-03-18 2004-10-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solar cell and manufacturing method therefor
JP2009071034A (en) * 2007-09-13 2009-04-02 Kaneka Corp Thin film photoelectric converion device and its manufacturing method
JPWO2011090134A1 (en) * 2010-01-21 2013-05-23 パナソニック株式会社 Solar cell
JP2012074671A (en) * 2010-08-31 2012-04-12 Kyocera Corp Photoelectric conversion device, manufacturing method therefor, and photoelectric conversion module
JP2012059609A (en) * 2010-09-10 2012-03-22 Konica Minolta Holdings Inc Transparent electrode with auxiliary electrode, light-emitting element, and solar cell
WO2012172999A1 (en) * 2011-06-16 2012-12-20 昭和シェル石油株式会社 Czts thin film solar cell and manufacturing method thereof
WO2014077395A1 (en) 2012-11-19 2014-05-22 東ソー株式会社 Oxide sinter, sputtering target using same, and oxide film
JPWO2015177899A1 (en) * 2014-05-22 2017-04-20 東芝三菱電機産業システム株式会社 Method for forming buffer layer and buffer layer
US11075318B2 (en) 2014-05-22 2021-07-27 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Buffer layer film-forming method and buffer layer
WO2020089999A1 (en) * 2018-10-30 2020-05-07 シャープ株式会社 Light-emitting element, method for manufacturing light-emitting element
JP7389457B2 (en) 2019-09-12 2023-11-30 国立研究開発法人産業技術総合研究所 solar cells

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