JP2004158556A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004158556A JP2004158556A JP2002321380A JP2002321380A JP2004158556A JP 2004158556 A JP2004158556 A JP 2004158556A JP 2002321380 A JP2002321380 A JP 2002321380A JP 2002321380 A JP2002321380 A JP 2002321380A JP 2004158556 A JP2004158556 A JP 2004158556A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- compound semiconductor
- solar cell
- group
- semiconductor layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 64
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 46
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N chalcopyrite Chemical group [S-2].[S-2].[Fe+2].[Cu+2] DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 5
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052951 chalcopyrite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001122767 Theaceae Species 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003363 ZnMgO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000000224 chemical solution deposition Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
- H01L31/0323—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2 characterised by the doping material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
【課題】Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体を光吸収層に用いた特性が高い太陽電池を提供する。
【解決手段】導電層（第１の電極層）１２と、光吸収層１３として機能する化合物半導体層と、窓層と、透明導電層（第２の電極層）１６とをこの順序で含む。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、上記化合物半導体はＩＩＩｂ族元素としてＧａを含む。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度は、それぞれ、上記窓層側の表面が最も高く、導電層１２側に向かって低下したのち、増大し、上記表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。
【選択図】 図１
【解決手段】導電層（第１の電極層）１２と、光吸収層１３として機能する化合物半導体層と、窓層と、透明導電層（第２の電極層）１６とをこの順序で含む。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、上記化合物半導体はＩＩＩｂ族元素としてＧａを含む。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度は、それぞれ、上記窓層側の表面が最も高く、導電層１２側に向かって低下したのち、増大し、上記表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（以下、ＣＩＧＳと記述する）に代表されるカルコパイライト構造を有する化合物半導体を光吸収層に用いた太陽電池が高い変換効率を示すことが知られている。特に、膜厚方向へのバンドギャップに２段階の傾斜を持たせたＣＩＧＳを用いることによって、特性が高い太陽電池が得られることが知られている。このＣＩＧＳ膜では、窓層側から裏面電極側に向かって最初はバンドギャップが減少しその後にバンドギャップが増加する、いわゆるダブルグレーデッドといわれる構造が用いられている（たとえば非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
ティー．ダルウィーバー（Ｔ． Ｄｕｌｌｗｅｂｅｒ）， 「ア ニュー アプローチ トゥー ハイ−イフィシャンシー ソーラー セル バイ バンドギャップ グレーディング イン Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２ カルコパイライト セミコンダクターズ」（Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｂｙ ｂａｎｄ ｇａｐｇｒａｄｉｎｇ ｉｎ Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２ ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）， 「ソーラー エナジー マテリアル アンド ソーラー セルズ」（Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ）， Ｖｏｌ．６７， ｐ．１４５−１５０（２００１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カルコパイライト構造の化合物半導体を用いた太陽電池では、特性のさらなる向上が求められている。
【０００５】
このような状況に鑑み、本発明は、上記半導体を用いた特性が高い太陽電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、第１の電極層と、光吸収層として機能する化合物半導体層と、窓層と、第２の電極層とをこの順序で含む太陽電池であって、前記化合物半導体層は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、前記化合物半導体は前記ＩＩＩｂ族元素としてＧａを含み、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、それぞれ、前記窓層側の表面が最も高く、前記第１の電極層側に向かって低下したのち、増大し、前記表面における濃度よりも低い濃度で一定となることを特徴とする。この太陽電池によれば、変換効率などの特性が高い太陽電池が得られる。
【０００７】
上記太陽電池では、前記化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、前記化合物半導体層の前記窓層側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【０００８】
上記太陽電池では、金属からなる基板上に形成されていてもよい。
【０００９】
上記太陽電池では、前記化合物半導体が、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｃｕとを含んでもよい。この場合、前記化合物半導体が、ＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素をさらに含んでもよい。
【００１０】
【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。本発明の太陽電池の一例として、太陽電池１０の断面図を図１に示す。
【００１１】
図１を参照して、太陽電池１０は、少なくとも一方の表面が絶縁性である基板１１と、基板１１上に順に形成された導電層（第１の電極層）１２、光吸収層１３、第１の半導体層１４、第２の半導体層１５および透明導電層（第２の電極層）１６と、導電層１２上に形成された取り出し電極１７と、透明導電層１６上に形成された取り出し電極１８とを備える。第１の半導体層１４および第２の半導体層１５は、いわゆる窓層として機能し、光吸収層とともに接合を形成する。
【００１２】
基板１１は、絶縁性の材料で形成でき、たとえばガラス基板やポリイミド基板を用いることができる。また、基板１１には、表面が絶縁処理された導電性の基板、または表面に絶縁膜が形成された導電性の基板を用いることもできる。導電性の基板としては、たとえば、ステンレスの薄板や、デュラルミンなどのアルミニウム合金の薄板を用いることができる。絶縁処理としては、たとえば酸化処理を適用できる。また、表面に形成する絶縁膜としては、たとえばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２を用いることができる。
【００１３】
導電層１２は、裏面側の電極である。導電層１２は、金属で形成でき、たとえばＭｏを用いて形成できる。
【００１４】
光吸収層１３は、導電層１２の上方に配置される。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなる。カルコパイライト構造の半導体とは、カルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）と同様の結晶構造を有する半導体を意味する。この化合物半導体は、ＩＩＩｂ族元素として少なくともＧａを含み、さらにＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素を含んでもよい。Ｉｂ属元素には、たとえばＣｕを用いることができ、ＶＩｂ属元素には、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素を用いることができる。たとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ａｌ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２といった化合物半導体にさらにＮａを添加した化合物半導体を用いることができる。
【００１５】
光吸収層１３の厚さＤ（μｍ）は、たとえば０．５μｍ〜３．０μｍの範囲である。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度（原子％）は、それぞれ、窓層１４側の表面が最も高く、導電層層１２側に向かって低下したのち、増大し、窓層１４側の表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。ここで、一定とは、濃度が、±２原子％の範囲内にあることを意味する。Ｎａの濃度およびＧａの濃度は、それぞれ、光吸収層１３の厚さをＤとしたときに、光吸収層１３の窓層１４側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【００１６】
ＮａおよびＧａのこのような濃度分布は、実施例に示す製造方法によって実現できる。この方法では、導電層１２と光吸収層１３との間に、Ｎａを含む層（たとえばＮａＦ）層を形成する。その後、Ｎａを含む層上に、Ｇａを含むＩＩＩｂ族元素と、Ｉｂ族元素と、ＶＩｂ族元素とを、それらの圧力を制御しながら蒸着する。各元素の圧力を一定に保ちながら一定の時間蒸着したのち、蒸着を続けながらＧａの圧力を徐々に減少させ、Ｉｎの圧力を徐々に増加させる。この蒸着によって、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる化合物半導体を基本構造とし、さらにＮａが添加された化合物半導体層が形成される。Ｎａは、下地のＮａを含む層から供給される。この方法によれば、上述したようなＧａとＮａの濃度分布を実現できる。
【００１７】
第１の半導体層１４は、Ｚｎを含む化合物や、ＣｄＳで形成できる。Ｚｎを含む化合物としては、たとえば、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）や、ＺｎＭｇＯなどを用いることができる。第２の半導体層１５は、ＺｎＯ、またはＺｎＯを含む材料によって形成できる。透明導電層１６は、ＡｌなどのＩＩＩ族元素をドープしたＺｎＯや、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を用いて形成できる。取り出し電極１７および１８は、導電性が高い金属を用いて形成できる。
【００１８】
なお、太陽電池１０は、本発明の太陽電池の一例であり、本発明の太陽電池は太陽電池１０に限定されない。たとえば、第２の半導体層１５は省略してもよい。また、導電層１２と光吸収層１３との間に、光吸収層にＮａを供給するための層を備えてもよい。そのような層としては、ＮａＦ層やＮａ２Ｓ層などを用いることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
まず、基板１１として、Ａｌ２Ｏ３でコートされたステンレス基板（厚さ：０．１ｍｍ）を準備した。次に、このステンレス基板上に、ＲＦスパッタリングによってＭｏ層（導電層１２）を形成した。Ｍｏ層を形成する際には、スパッタ圧力を２．６Ｐａ（２×１０−２Ｔｏｒｒ）とした。Ｍｏ層の厚さは０．５μｍとした。
【００２１】
次に、ＲＦスパッタリングによって、Ｍｏ層上にＮａＦ層を堆積させた。ＮａＦ層の厚さは０．１μｍとした。
【００２２】
次に、以下に示す多元蒸着法によって、ＮａＦ層上にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層（光吸収層１３）を形成した。
【００２３】
まず、電離真空計で圧力を制御しながら、Ｓｅの圧力を２．６６×１０−３Ｐａ（２×１０−５Ｔｏｒｒ）とし、Ｉｎの圧力を１．０６×１０−４Ｐａ（８×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｇａの圧力を３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｃｕの圧力が３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）として、ＮａＦ層上にＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを２５分間堆積させた。その後、Ｉｎの圧力が２．１３×１０−３Ｐａ（１．６×１０−６Ｔｏｒｒ）となるように、且つＧａの圧力を２．００×１０−５Ｐａ（１．５×１０−７Ｔｏｒｒ）となるように徐々にＩｎとＧａのフラックスを制御しながら、さらにＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを１５分間堆積させた。このようにして、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層を４０分間で形成した。なお、基板温度は５００℃で一定に保った。
【００２４】
このようにして作製したサンプルについて、二次イオン質量分析装置によって分析した結果を図２に示す。図２の横軸は、分析時のスパッタリング時間を示し、化合物半導体層の厚さ方向の位置に対応する。すなわち、スパッタリング時間が０の部分は、化合物半導体層の最表面に対応し、スパッタリング時間が約３２０秒の部分は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２層とＮａＦ層との界面に対応する。図２に示すように、化合物半導体層には、下地のＮａＦ層からＮａが拡散していた。そして、ＮａとＧａの原子濃度は、化合物半導体層の最表面で最も高く、その後、基板側に向かって低下したのち、増大し、最表面における濃度よりも低い濃度で一定となった。このとき、濃度が最も低くなった箇所は、化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、化合物半導体層の最表面から約０．２Ｄ程度の深さであった。また、化合物半導体層の最表面から約０．５Ｄの深さから１Ｄの深さ（化合物半導体層の基板側の表面に対応）までは、ＮａとＧａの原子濃度は、ほぼ一定であった。
【００２５】
次に、二次イオン質量分析を行ったものと同様のサンプルを作製し、化学浴析出法によって、化合物半導体層上にＣｄＳ層（第１の半導体層１４）を形成し、これによってｐｎ接合を形成した。次に、ＺｎＯ層（第２の半導体層１５）と、ＩＴＯ層（透明導電層１６）とをスパッタリング法で順次形成した。最後に、Ａｕからなる取り出し電極を形成した。このようにして、実施形態１の太陽電池を作製した。一方、比較例として、ＮａＦ層を形成しないことを除いては上記の実施例と全く同様の方法で太陽電池を作製した。この比較例の太陽電池では、化合物半導体層中にＮａが添加されていない。
【００２６】
作製した２つの太陽電池について、Ａｉｒ Ｍａｓｓ（ＡＭ）＝１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を用いて特性を測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１から明らかなように、本発明の実施例の太陽電池は、良好な特性を示した。
【００２９】
以上、本発明の実施の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。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽電池によれば、特性が高い太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の光吸収層について二次イオン質量分析法の測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池
１１ 基板
１２ 導電層（第１の電極層）
１３ 光吸収層（化合物半導体層）
１４ 第１の半導体層
１５ 第２の半導体層
１６ 透明導電層（第２の電極層）
１７、１８ 取り出し電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（以下、ＣＩＧＳと記述する）に代表されるカルコパイライト構造を有する化合物半導体を光吸収層に用いた太陽電池が高い変換効率を示すことが知られている。特に、膜厚方向へのバンドギャップに２段階の傾斜を持たせたＣＩＧＳを用いることによって、特性が高い太陽電池が得られることが知られている。このＣＩＧＳ膜では、窓層側から裏面電極側に向かって最初はバンドギャップが減少しその後にバンドギャップが増加する、いわゆるダブルグレーデッドといわれる構造が用いられている（たとえば非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
ティー．ダルウィーバー（Ｔ． Ｄｕｌｌｗｅｂｅｒ）， 「ア ニュー アプローチ トゥー ハイ−イフィシャンシー ソーラー セル バイ バンドギャップ グレーディング イン Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２ カルコパイライト セミコンダクターズ」（Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｂｙ ｂａｎｄ ｇａｐｇｒａｄｉｎｇ ｉｎ Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２ ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）， 「ソーラー エナジー マテリアル アンド ソーラー セルズ」（Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ）， Ｖｏｌ．６７， ｐ．１４５−１５０（２００１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カルコパイライト構造の化合物半導体を用いた太陽電池では、特性のさらなる向上が求められている。
【０００５】
このような状況に鑑み、本発明は、上記半導体を用いた特性が高い太陽電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、第１の電極層と、光吸収層として機能する化合物半導体層と、窓層と、第２の電極層とをこの順序で含む太陽電池であって、前記化合物半導体層は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、前記化合物半導体は前記ＩＩＩｂ族元素としてＧａを含み、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、それぞれ、前記窓層側の表面が最も高く、前記第１の電極層側に向かって低下したのち、増大し、前記表面における濃度よりも低い濃度で一定となることを特徴とする。この太陽電池によれば、変換効率などの特性が高い太陽電池が得られる。
【０００７】
上記太陽電池では、前記化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、前記化合物半導体層の前記窓層側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【０００８】
上記太陽電池では、金属からなる基板上に形成されていてもよい。
【０００９】
上記太陽電池では、前記化合物半導体が、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｃｕとを含んでもよい。この場合、前記化合物半導体が、ＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素をさらに含んでもよい。
【００１０】
【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。本発明の太陽電池の一例として、太陽電池１０の断面図を図１に示す。
【００１１】
図１を参照して、太陽電池１０は、少なくとも一方の表面が絶縁性である基板１１と、基板１１上に順に形成された導電層（第１の電極層）１２、光吸収層１３、第１の半導体層１４、第２の半導体層１５および透明導電層（第２の電極層）１６と、導電層１２上に形成された取り出し電極１７と、透明導電層１６上に形成された取り出し電極１８とを備える。第１の半導体層１４および第２の半導体層１５は、いわゆる窓層として機能し、光吸収層とともに接合を形成する。
【００１２】
基板１１は、絶縁性の材料で形成でき、たとえばガラス基板やポリイミド基板を用いることができる。また、基板１１には、表面が絶縁処理された導電性の基板、または表面に絶縁膜が形成された導電性の基板を用いることもできる。導電性の基板としては、たとえば、ステンレスの薄板や、デュラルミンなどのアルミニウム合金の薄板を用いることができる。絶縁処理としては、たとえば酸化処理を適用できる。また、表面に形成する絶縁膜としては、たとえばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２を用いることができる。
【００１３】
導電層１２は、裏面側の電極である。導電層１２は、金属で形成でき、たとえばＭｏを用いて形成できる。
【００１４】
光吸収層１３は、導電層１２の上方に配置される。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなる。カルコパイライト構造の半導体とは、カルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）と同様の結晶構造を有する半導体を意味する。この化合物半導体は、ＩＩＩｂ族元素として少なくともＧａを含み、さらにＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素を含んでもよい。Ｉｂ属元素には、たとえばＣｕを用いることができ、ＶＩｂ属元素には、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素を用いることができる。たとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ａｌ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２といった化合物半導体にさらにＮａを添加した化合物半導体を用いることができる。
【００１５】
光吸収層１３の厚さＤ（μｍ）は、たとえば０．５μｍ〜３．０μｍの範囲である。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度（原子％）は、それぞれ、窓層１４側の表面が最も高く、導電層層１２側に向かって低下したのち、増大し、窓層１４側の表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。ここで、一定とは、濃度が、±２原子％の範囲内にあることを意味する。Ｎａの濃度およびＧａの濃度は、それぞれ、光吸収層１３の厚さをＤとしたときに、光吸収層１３の窓層１４側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【００１６】
ＮａおよびＧａのこのような濃度分布は、実施例に示す製造方法によって実現できる。この方法では、導電層１２と光吸収層１３との間に、Ｎａを含む層（たとえばＮａＦ）層を形成する。その後、Ｎａを含む層上に、Ｇａを含むＩＩＩｂ族元素と、Ｉｂ族元素と、ＶＩｂ族元素とを、それらの圧力を制御しながら蒸着する。各元素の圧力を一定に保ちながら一定の時間蒸着したのち、蒸着を続けながらＧａの圧力を徐々に減少させ、Ｉｎの圧力を徐々に増加させる。この蒸着によって、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる化合物半導体を基本構造とし、さらにＮａが添加された化合物半導体層が形成される。Ｎａは、下地のＮａを含む層から供給される。この方法によれば、上述したようなＧａとＮａの濃度分布を実現できる。
【００１７】
第１の半導体層１４は、Ｚｎを含む化合物や、ＣｄＳで形成できる。Ｚｎを含む化合物としては、たとえば、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）や、ＺｎＭｇＯなどを用いることができる。第２の半導体層１５は、ＺｎＯ、またはＺｎＯを含む材料によって形成できる。透明導電層１６は、ＡｌなどのＩＩＩ族元素をドープしたＺｎＯや、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を用いて形成できる。取り出し電極１７および１８は、導電性が高い金属を用いて形成できる。
【００１８】
なお、太陽電池１０は、本発明の太陽電池の一例であり、本発明の太陽電池は太陽電池１０に限定されない。たとえば、第２の半導体層１５は省略してもよい。また、導電層１２と光吸収層１３との間に、光吸収層にＮａを供給するための層を備えてもよい。そのような層としては、ＮａＦ層やＮａ２Ｓ層などを用いることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
まず、基板１１として、Ａｌ２Ｏ３でコートされたステンレス基板（厚さ：０．１ｍｍ）を準備した。次に、このステンレス基板上に、ＲＦスパッタリングによってＭｏ層（導電層１２）を形成した。Ｍｏ層を形成する際には、スパッタ圧力を２．６Ｐａ（２×１０−２Ｔｏｒｒ）とした。Ｍｏ層の厚さは０．５μｍとした。
【００２１】
次に、ＲＦスパッタリングによって、Ｍｏ層上にＮａＦ層を堆積させた。ＮａＦ層の厚さは０．１μｍとした。
【００２２】
次に、以下に示す多元蒸着法によって、ＮａＦ層上にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層（光吸収層１３）を形成した。
【００２３】
まず、電離真空計で圧力を制御しながら、Ｓｅの圧力を２．６６×１０−３Ｐａ（２×１０−５Ｔｏｒｒ）とし、Ｉｎの圧力を１．０６×１０−４Ｐａ（８×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｇａの圧力を３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｃｕの圧力が３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）として、ＮａＦ層上にＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを２５分間堆積させた。その後、Ｉｎの圧力が２．１３×１０−３Ｐａ（１．６×１０−６Ｔｏｒｒ）となるように、且つＧａの圧力を２．００×１０−５Ｐａ（１．５×１０−７Ｔｏｒｒ）となるように徐々にＩｎとＧａのフラックスを制御しながら、さらにＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを１５分間堆積させた。このようにして、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層を４０分間で形成した。なお、基板温度は５００℃で一定に保った。
【００２４】
このようにして作製したサンプルについて、二次イオン質量分析装置によって分析した結果を図２に示す。図２の横軸は、分析時のスパッタリング時間を示し、化合物半導体層の厚さ方向の位置に対応する。すなわち、スパッタリング時間が０の部分は、化合物半導体層の最表面に対応し、スパッタリング時間が約３２０秒の部分は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２層とＮａＦ層との界面に対応する。図２に示すように、化合物半導体層には、下地のＮａＦ層からＮａが拡散していた。そして、ＮａとＧａの原子濃度は、化合物半導体層の最表面で最も高く、その後、基板側に向かって低下したのち、増大し、最表面における濃度よりも低い濃度で一定となった。このとき、濃度が最も低くなった箇所は、化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、化合物半導体層の最表面から約０．２Ｄ程度の深さであった。また、化合物半導体層の最表面から約０．５Ｄの深さから１Ｄの深さ（化合物半導体層の基板側の表面に対応）までは、ＮａとＧａの原子濃度は、ほぼ一定であった。
【００２５】
次に、二次イオン質量分析を行ったものと同様のサンプルを作製し、化学浴析出法によって、化合物半導体層上にＣｄＳ層（第１の半導体層１４）を形成し、これによってｐｎ接合を形成した。次に、ＺｎＯ層（第２の半導体層１５）と、ＩＴＯ層（透明導電層１６）とをスパッタリング法で順次形成した。最後に、Ａｕからなる取り出し電極を形成した。このようにして、実施形態１の太陽電池を作製した。一方、比較例として、ＮａＦ層を形成しないことを除いては上記の実施例と全く同様の方法で太陽電池を作製した。この比較例の太陽電池では、化合物半導体層中にＮａが添加されていない。
【００２６】
作製した２つの太陽電池について、Ａｉｒ Ｍａｓｓ（ＡＭ）＝１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を用いて特性を測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
表１から明らかなように、本発明の実施例の太陽電池は、良好な特性を示した。
【００２９】
以上、本発明の実施の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。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽電池によれば、特性が高い太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の光吸収層について二次イオン質量分析法の測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池
１１ 基板
１２ 導電層（第１の電極層）
１３ 光吸収層（化合物半導体層）
１４ 第１の半導体層
１５ 第２の半導体層
１６ 透明導電層（第２の電極層）
１７、１８ 取り出し電極
Claims (5)
- 第１の電極層と、光吸収層として機能する化合物半導体層と、窓層と、第２の電極層とをこの順序で含む太陽電池であって、
前記化合物半導体層は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、
前記化合物半導体は前記ＩＩＩｂ族元素としてＧａを含み、
前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、それぞれ、前記窓層側の表面が最も高く、前記第１の電極層側に向かって低下したのち、増大し、前記表面における濃度よりも低い濃度で一定となることを特徴とする太陽電池。 - 前記化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、前記化合物半導体層の前記窓層側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなる請求項１に記載の太陽電池。
- 金属からなる基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
- 前記化合物半導体が、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｃｕとを含む請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池。
- 前記化合物半導体が、ＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素をさらに含む請求項４に記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002321380A JP2004158556A (ja) | 2002-11-05 | 2002-11-05 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002321380A JP2004158556A (ja) | 2002-11-05 | 2002-11-05 | 太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004158556A true JP2004158556A (ja) | 2004-06-03 |
Family
ID=32801952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002321380A Withdrawn JP2004158556A (ja) | 2002-11-05 | 2002-11-05 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004158556A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009041657A1 (ja) | 2007-09-28 | 2009-04-02 | Fujifilm Corporation | 太陽電池用基板および太陽電池 |
| WO2010114159A1 (en) * | 2009-03-30 | 2010-10-07 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof, solar cell, and target |
| WO2011040645A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-07 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device, method for producing the same, and solar battery |
| EP2309548A2 (en) | 2009-10-09 | 2011-04-13 | FUJIFILM Corporation | Photoelectric conversion device, method for producing the same and solar battery |
| US8415557B2 (en) | 2009-03-09 | 2013-04-09 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device and solar cell using the photoelectric conversion device |
-
2002
- 2002-11-05 JP JP2002321380A patent/JP2004158556A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009041657A1 (ja) | 2007-09-28 | 2009-04-02 | Fujifilm Corporation | 太陽電池用基板および太陽電池 |
| US8415557B2 (en) | 2009-03-09 | 2013-04-09 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device and solar cell using the photoelectric conversion device |
| WO2010114159A1 (en) * | 2009-03-30 | 2010-10-07 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof, solar cell, and target |
| JP2010258429A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-11-11 | Fujifilm Corp | 光電変換素子とその製造方法、太陽電池、及びターゲット |
| WO2011040645A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-07 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device, method for producing the same, and solar battery |
| EP2309548A2 (en) | 2009-10-09 | 2011-04-13 | FUJIFILM Corporation | Photoelectric conversion device, method for producing the same and solar battery |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6534704B2 (en) | Solar cell | |
| Tiwari et al. | CdTe solar cell in a novel configuration | |
| US7741560B2 (en) | Chalcopyrite solar cell | |
| JP6096790B2 (ja) | 光電池のための導電性基材 | |
| JPH08222750A (ja) | 基板上に太陽電池を製造する方法及びカルコパイライト吸収層を有する太陽電池 | |
| WO2004090995A1 (ja) | 太陽電池 | |
| AU2011226881B2 (en) | Photovoltaic device and method for making | |
| EP2485272A2 (en) | Solar power generation apparatus and manufacturing method thereof | |
| WO2011158841A1 (ja) | Ｃｉｇｓ型の太陽電池およびそのための電極付きガラス基板 | |
| JP2001339081A (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
| JP2006080370A (ja) | 太陽電池 | |
| JP2001044464A (ja) | Ｉｂ―ＩＩＩｂ―ＶＩｂ２族化合物半導体層の形成方法、薄膜太陽電池の製造方法 | |
| US9614111B2 (en) | CIGS film, and CIGS solar cell employing the same | |
| JP2007059484A (ja) | 太陽電池の製造方法および太陽電池 | |
| JP6015994B2 (ja) | 光学素子及びその製造方法 | |
| EP2383792A2 (en) | Cadmium Sulfide Layers for Use in Cadmium Telluride Based Thin Film Photovoltaic Devices and Methods of their Manufacture | |
| KR101734362B1 (ko) | Ａｃｉｇｓ 박막의 저온 형성방법과 이를 이용한 태양전지의 제조방법 | |
| Sood et al. | Electrical barriers and their elimination by tuning (Zn, Mg) O buffer composition in Cu (In, Ga) S2 solar cells: systematic approach to achieve over 14% power conversion efficiency | |
| JP2004158556A (ja) | 太陽電池 | |
| JP6297038B2 (ja) | 薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法 | |
| US9147794B2 (en) | Three terminal thin film photovoltaic module and their methods of manufacture | |
| JP2006080371A (ja) | 太陽電池及びその製造方法 | |
| EP2437289A2 (en) | Photovoltaic device and method for making | |
| WO2014080639A1 (ja) | 太陽電池 | |
| US20170373213A1 (en) | Photovoltaic devices with improved n-type partner and methods for making the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060110 |