JP2005228975A - Solar battery - Google Patents

Solar battery Download PDF

Info

Publication number
JP2005228975A
JP2005228975A JP2004037115A JP2004037115A JP2005228975A JP 2005228975 A JP2005228975 A JP 2005228975A JP 2004037115 A JP2004037115 A JP 2004037115A JP 2004037115 A JP2004037115 A JP 2004037115A JP 2005228975 A JP2005228975 A JP 2005228975A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
type
film
compound semiconductor
layer
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Withdrawn
Application number
JP2004037115A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuhito Takahashi
康仁 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2004037115A priority Critical patent/JP2005228975A/en
Publication of JP2005228975A publication Critical patent/JP2005228975A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the energy conversion efficiency of a solar battery constituted from a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer. <P>SOLUTION: The solar battery comprises: a p-type compound semiconductor layer 3 containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element; an n-type compound semiconductor layer 4 containing a group Ib element, a group IIIb group element, and a group VIb element; an n-type buffer layer 5; an n-type window layer 6; and an n-type transparent conductive layer 7. From a first energy difference (E<SB>C</SB>-E<SB>F</SB>) from a Fermi level E<SB>F</SB>to the bottom level E<SB>C</SB>of the conduction band in the n-type buffer layer 5, the difference reduced by the second energy difference (E<SB>C</SB>-E<SB>F</SB>) from a Fermi level E<SB>F</SB>to the bottom level E<SB>C</SB>of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer 4 is made between -0.1 eV or more and 0.1 eV or less. The sum of half the value of an offset energy difference ΔE<SB>C</SB>from the minimum level to the maximum level of the band offset in the junction of the n-type buffer layer 5 and the n-type compound semiconductor layer 4, and the first energy difference is made between 0.3 eV or more and 0.9 eV or less. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、太陽電池に関する。特に、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有する化合物半導体層を光吸収層として備えたエネルギー変換効率の高い太陽電池に関する。   The present invention relates to a solar cell. In particular, the present invention relates to a solar cell with high energy conversion efficiency provided with a compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element as a light absorption layer.

従来から、Cu(In,Ga)Se2膜のようなカルコパイライト構造を有する化合物半導体膜を光吸収層に用いた太陽電池としては、サブストレート型太陽電池とスーパーストレート型太陽電池とが知られている。 Conventionally, a substrate type solar cell and a super straight type solar cell are known as a solar cell using a compound semiconductor film having a chalcopyrite structure such as a Cu (In, Ga) Se 2 film as a light absorption layer. ing.

従来のサブストレート型太陽電池としては、ガラス基板上に、Mo膜等の金属層、p形Cu(In,Ga)Se2層、n形CuAl(S,Se)2層及びITO層を順次積層した構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。上記の従来のサブストレート型太陽電池におけるpn接合は、p形Cu(In,Ga)Se2層とn形CuAl(S,Se)2層とのヘテロ接合で構成されていた。 As a conventional substrate type solar cell, a metal layer such as a Mo film, a p-type Cu (In, Ga) Se 2 layer, an n-type CuAl (S, Se) 2 layer and an ITO layer are sequentially laminated on a glass substrate. The structure which did is known (for example, refer patent document 1). The pn junction in the above-mentioned conventional substrate type solar cell is composed of a heterojunction of a p-type Cu (In, Ga) Se 2 layer and an n-type CuAl (S, Se) 2 layer.

また、従来のスーパーストレート型太陽電池としては、ソーダライムガラス基板上に、透明導電層、ZnO:Al膜、n形窓層として溶液成長により形成されたCdS膜、p形光吸収層として、基板温度が450℃の条件で真空蒸着されたp形CIS膜(CuInSe2膜)、及び裏面電極としてのAu膜を備えた構成が知られている(例えば、特許文献2参照)。上記の従来のスーパーストレート型太陽電池におけるpn接合は、p形CIS膜とn形CdS膜とのヘテロ接合で構成されていた。
特開平11−298016号公報 特開平7−263735号公報
In addition, as a conventional super straight type solar cell, a transparent conductive layer, a ZnO: Al film, a CdS film formed by solution growth as an n-type window layer on a soda lime glass substrate, and a substrate as a p-type light absorption layer A configuration including a p-type CIS film (CuInSe 2 film) vacuum-deposited at a temperature of 450 ° C. and an Au film as a back electrode is known (see, for example, Patent Document 2). The pn junction in the conventional super straight type solar cell is composed of a heterojunction of a p-type CIS film and an n-type CdS film.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-298016 JP-A-7-263735

従来の典型的なサブストレート型太陽電池及びスーパーストレート型太陽電池におけるpn接合はヘテロ接合で構成されていたため、ヘテロ界面での界面再結合電流が無視できないほど大きく、エネルギー変換効率の低下に繋がっていた。また、p形光吸収層(p形化合物半導体層)のキャリア濃度、n形バッファー層のキャリア濃度等の最適化は行われていなかった。特にn形バッファー層に対しては、電気特性が高抵抗であることのみが注目され、どの程度の抵抗値なのか、また、どの程度のキャリア濃度なのかは不明なままであった。   Since the pn junction in the conventional typical substrate type solar cell and super straight type solar cell is composed of a heterojunction, the interface recombination current at the heterointerface is so large that it cannot be ignored, leading to a decrease in energy conversion efficiency. It was. Further, the carrier concentration of the p-type light absorption layer (p-type compound semiconductor layer), the carrier concentration of the n-type buffer layer, and the like have not been optimized. In particular, for the n-type buffer layer, only the high electrical resistance is noticed, and the resistance value and the carrier concentration remain unclear.

そこで、本発明では、太陽電池のpn接合をp形化合物半導体層(p形光吸収層)及びn形化合物半導体層とで構成されたホモ接合又は擬ホモ接合とし、かつn形化合物半導体層とn形バッファー層との組み合わせを最適化することによって、エネルギー変換効率を向上させる。   Therefore, in the present invention, the pn junction of the solar cell is a homojunction or a pseudo-homojunction composed of a p-type compound semiconductor layer (p-type light absorption layer) and an n-type compound semiconductor layer, and the n-type compound semiconductor layer The energy conversion efficiency is improved by optimizing the combination with the n-type buffer layer.

上記の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、基板と、基板上に形成された導電層と、導電層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するp形化合物半導体層と、p形化合物半導体層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するn形化合物半導体層と、n形化合物半導体層上に形成されたn形バッファー層と、n形バッファー層上に形成されたn形窓層と、n形窓層上に形成されたn形透明導電層とを含む太陽電池であって、フェルミ準位からn形バッファー層における伝導帯の底準位までの第1のエネルギー差から、フェルミ準位からn形化合物半導体層における伝導帯の底準位までの第2のエネルギー差を減じた差が、−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内であり、n形バッファー層とn形化合物半導体層との接合部におけるバンドオフセットの最小準位から最大準位までのオフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和が、0.3eV以上0.9eV以下の範囲内であることを特徴とする(以下においては、サブストレート型太陽電池とも称する)。ここで、「フェルミ準位」(EF)、「n形バッファー層における伝導帯の底準位」、「n形化合物半導体層における伝導帯の底準位」及び「n形化合物半導体層における伝導帯の底準位」の各々は、太陽電池の熱平衡状態又は短絡状態におけるエネルギー準位である。また、「伝導帯の底準位」とは、伝導帯において電子が占拠し得る最小のエネルギー準位ECを意味する。また、本明細書においては、各族の名称は、IUPACの短周期型周期表に従って命名する。なお、「Ib族」、「IIIb族」及び「VIb族」は、それぞれ、IUPACの推奨する長周期型周期表において、「11族」、「13族」及び「16族」を意味する。 In order to solve the above problems, a solar cell according to the present invention includes a substrate, a conductive layer formed on the substrate, and a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element formed on the conductive layer. A p-type compound semiconductor layer, an n-type compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element formed on the p-type compound semiconductor layer, and an n-type compound semiconductor layer A n-type buffer layer, an n-type window layer formed on the n-type buffer layer, and an n-type transparent conductive layer formed on the n-type window layer. The difference obtained by subtracting the second energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer from the first energy difference to the bottom level of the conduction band in the shaped buffer layer is −0. Within the range of 1 eV to 0.1 eV, the n-type battery The sum of the half value of the offset energy difference between the minimum level and the maximum level of the band offset at the junction between the fur layer and the n-type compound semiconductor layer and the first energy difference is 0.3 eV or more and 0.9 eV or less. It is within the range (hereinafter also referred to as a substrate type solar cell). Here, “Fermi level” (E F ), “bottom level of conduction band in n-type buffer layer”, “bottom level of conduction band in n-type compound semiconductor layer” and “conduction in n-type compound semiconductor layer” Each of the “bottom level of the band” is an energy level in a thermal equilibrium state or a short circuit state of the solar cell. The “bottom level of the conduction band” means the minimum energy level E C that can be occupied by electrons in the conduction band. In the present specification, the names of the groups are named according to the IUPAC short-period periodic table. “Group Ib”, “Group IIIb” and “Group VIb” mean “Group 11”, “Group 13” and “Group 16” in the long-period periodic table recommended by IUPAC, respectively.

また、上記の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、基板と、基板上に形成されたn形透明導電層と、n形透明導電層上に形成されたn形窓層と、n形窓層上に形成されたn形バッファー層と、n形バッファー層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するn形化合物半導体層と、n形化合物半導体層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するp形化合物半導体層と、p形化合物半導体層上に形成された導電層と、を含む太陽電池であって、フェルミ準位からn形バッファー層における伝導帯の底準位までの第1のエネルギー差から、フェルミ準位からn形化合物半導体層における伝導帯の底準位までの第2のエネルギー差を減じた差が、−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内であり、n形バッファー層とn形化合物半導体層との接合部におけるバンドオフセットの最小準位から最大準位までのオフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和が、0.3eV以上0.9eV以下の範囲内であることを特徴とする(以下においては、スーパーストレート型太陽電池とも称する)。ここで、フェルミ準位及び各層の伝導帯の底準位は、上記のサブストレート型太陽電池の場合と同様に、熱平衡状態又は短絡状態における準位であることに注意を要する。   In order to solve the above problems, a solar cell according to the present invention includes a substrate, an n-type transparent conductive layer formed on the substrate, and an n-type window layer formed on the n-type transparent conductive layer. An n-type buffer layer formed on the n-type window layer; an n-type compound semiconductor layer formed on the n-type buffer layer and containing an Ib group element, a IIIb group element, and a VIb group element; and an n-type compound A solar cell comprising a p-type compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element formed on the semiconductor layer, and a conductive layer formed on the p-type compound semiconductor layer. The first energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type buffer layer is subtracted from the second energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer. Within the range of -0.1 eV to 0.1 eV The sum of the half value of the offset energy difference from the minimum level to the maximum level of the band offset at the junction between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer and the first energy difference is 0.3 eV or more. It is characterized by being within a range of 0.9 eV or less (hereinafter also referred to as a super straight type solar cell). Here, it should be noted that the Fermi level and the bottom level of the conduction band of each layer are levels in a thermal equilibrium state or a short-circuit state, as in the case of the substrate type solar cell.

本発明の太陽電池であれば、pn接合を、p形化合物半導体層及びn形化合物半導体層で構成される擬ホモ接合又はホモ接合とすることによって、また、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)から第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)を減じた差を−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内とし、かつn形バッファー層とn形化合物半導体層との接合部におけるオフセットエネルギー差(バンドオフセットの最小準位から最大準位までの差)の半値と第1のエネルギー差との和を0.3eV以上0.9eV以下の範囲内とすることによって、エネルギー変換効率等の太陽電池特性を向上させることができる。 In the case of the solar cell of the present invention, the pn junction is a pseudo homojunction or a homojunction composed of a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer, and the first energy difference (n-type buffer) is also obtained. The difference obtained by subtracting the second energy difference (E C -E F in the n-type compound semiconductor layer) from E C -E F in the layer is in the range of −0.1 eV to 0.1 eV, and the n-type buffer The sum of the half value of the offset energy difference (difference from the minimum level of the band offset to the maximum level) and the first energy difference at the junction between the layer and the n-type compound semiconductor layer is 0.3 eV or more and 0.9 eV or less By making it within this range, solar cell characteristics such as energy conversion efficiency can be improved.

本実施の形態のサブストレート型太陽電池及びスーパーストレート型太陽電池は、上述のように、基板と、導電層と、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するp形化合物半導体層と、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するn形化合物半導体層と、n形バッファー層と、n形窓層と、n形透明導電層とを含む構成である。なお、これらの各層の積層の順序は、サブストレート型太陽電池とスーパーストレート型太陽電池とで異なることに注意を要する。以下において、単に「太陽電池」と称する場合、サブストレート型太陽電池及びスーパーストレート型太陽電池の双方を指すものとする。本実施の形態の太陽電池であれば、pn接合がp形化合物半導体層とn形化合物半導体層とで構成される擬ホモ接合又はホモ接合となる。これにより、pn接合界面における界面欠陥が低減され、その結果、エネルギー変換効率等の太陽電池特性が向上する。   As described above, the substrate type solar cell and superstrate type solar cell of the present embodiment include a substrate, a conductive layer, and a p-type compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element. , An n-type compound semiconductor layer containing an Ib group element, an IIIb group element, and a VIb group element, an n-type buffer layer, an n-type window layer, and an n-type transparent conductive layer. It should be noted that the stacking order of these layers differs between the substrate type solar cell and the superstrate type solar cell. Hereinafter, when simply referred to as a “solar cell”, both a substrate type solar cell and a super straight type solar cell are indicated. In the solar cell of the present embodiment, the pn junction is a pseudo-homojunction or a homojunction composed of a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer. Thereby, the interface defect in a pn junction interface is reduced, As a result, solar cell characteristics, such as energy conversion efficiency, improve.

更に、p形化合物半導体層のIb族元素とn形化合物半導体層のIb族元素とが同一種類の元素であり、p形化合物半導体層のIIIb族元素とn形化合物半導体層のIIIb族元素とが同一種類の元素であり、p形化合物半導体層のVIb族元素とn形化合物半導体層のVIb族元素とが同一種類の元素である場合には、pn接合はホモ接合となり、pn接合界面における界面欠陥を更に低減することができる。   Further, the group Ib element of the p-type compound semiconductor layer and the group Ib element of the n-type compound semiconductor layer are the same kind of element, and the group IIIb element of the p-type compound semiconductor layer and the group IIIb element of the n-type compound semiconductor layer Are the same kind of element, and the VIb group element of the p-type compound semiconductor layer and the VIb group element of the n-type compound semiconductor layer are the same kind of element, the pn junction is a homojunction, and at the pn junction interface. Interface defects can be further reduced.

また、本実施の形態の太陽電池であれば、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)から第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)を減じた差が−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内であるため、光照射によりp形化合物半導体層で発生した電子をn形バッファー層及びn形窓層を経由してn形透明導電層へ良好に転送することができる。これによって、エネルギー変換効率等の太陽電池特性が更に向上する。 In the solar cell of the present embodiment, the second energy difference (E C -E F in the n-type compound semiconductor layer) is changed from the first energy difference (E C -E F in the n-type buffer layer). Since the reduced difference is within the range of −0.1 eV to 0.1 eV, electrons generated in the p-type compound semiconductor layer by light irradiation pass through the n-type buffer layer and the n-type window layer, and the n-type transparent conductivity Can be transferred to the layer well. Thereby, solar cell characteristics such as energy conversion efficiency are further improved.

第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)は、n形バッファー層の組成、及びn形バッファー層のキャリア濃度によって変化する。また、第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)は、n形化合物半導体層の組成及びn形化合物半導体層のキャリア濃度によって変化する。したがって、n形バッファー層の組成及びキャリア濃度、並びに、n形化合物半導体層の組成及びキャリア濃度を調整することによって、第1のエネルギー差から第2のエネルギー差を減じた差を所望の値に制御することができる。 The first energy difference (E C -E F in the n-type buffer layer) varies depending on the composition of the n-type buffer layer and the carrier concentration of the n-type buffer layer. Further, the second energy difference (E C -E F in the n-type compound semiconductor layer) varies depending on the composition of the n-type compound semiconductor layer and the carrier concentration of the n-type compound semiconductor layer. Therefore, by adjusting the composition and carrier concentration of the n-type buffer layer and the composition and carrier concentration of the n-type compound semiconductor layer, the difference obtained by subtracting the second energy difference from the first energy difference to a desired value. Can be controlled.

また、本実施の形態の太陽電池であれば、更に、n形バッファー層とn形化合物半導体層との接合部におけるオフセットエネルギー差(バンドオフセットの最小準位から最大準位までの差)の半値と第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)との和が、0.3eV以上0.9eV以下であるため、n形透明導電層に転送された電子がn形化合物半導体層やp形化合物半導体層に逆戻りすることを良好に防止することができる。特に、オフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和は、p形化合物半導体層におけるEC−EF未満の範囲内であることが好ましい。 Further, in the case of the solar cell of the present embodiment, the half value of the offset energy difference (difference from the minimum level to the maximum level of the band offset) at the junction between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer is further provided. And the first energy difference (E C -E F in the n-type buffer layer) is not less than 0.3 eV and not more than 0.9 eV, so that the electrons transferred to the n-type transparent conductive layer are n-type compound semiconductors. It is possible to satisfactorily prevent the layer from returning to the p-type compound semiconductor layer. In particular, the sum of the half and the first energy difference of the offset energy difference is preferably in the range of less than E C -E F in p-type compound semiconductor layer.

ここで、電子の逆戻りを防止できることについて説明する。n形化合物半導体層とn形バッファー層との接合部におけるバンドオフセットを超えて一旦n形透明導電層に転送された電子は、太陽電池の外部に概ね取り出されるが、その一部は熱的作用により逆戻りしようとする。しかし、逆戻りする電子の運動エネルギーは通常0.3eV以下のエネルギーであるため、オフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和が0.3eV以上であれば、透明導電層に転送された電子が、n形化合物半導体層とn形バッファー層との接合部におけるバンドオフセットを越えてn形化合物半導体層やp形化合物半導体層に逆流する割合は、6.1×10-6以下であり、実質的にほとんど逆戻りできない。したがって、エネルギー変換効率等の太陽電池特性が更に向上する。 Here, it will be described that it is possible to prevent the return of electrons. The electrons once transferred to the n-type transparent conductive layer beyond the band offset at the junction between the n-type compound semiconductor layer and the n-type buffer layer are generally taken out of the solar cell, but some of them are thermally affected. Try to go back. However, since the kinetic energy of the returning electron is usually 0.3 eV or less, if the sum of the half value of the offset energy difference and the first energy difference is 0.3 eV or more, it is transferred to the transparent conductive layer. The ratio of electrons flowing back to the n-type compound semiconductor layer or the p-type compound semiconductor layer beyond the band offset at the junction between the n-type compound semiconductor layer and the n-type buffer layer is 6.1 × 10 −6 or less. , Practically irreversible. Therefore, solar cell characteristics such as energy conversion efficiency are further improved.

バンドオフセットは、n形バッファー層の組成とn形化合物半導体の組成により一意的に決定される。したがって、バンドオフセットは、n形バッファー層の組成とn形化合物半導体層の組成を調整することによって制御される。   The band offset is uniquely determined by the composition of the n-type buffer layer and the composition of the n-type compound semiconductor. Therefore, the band offset is controlled by adjusting the composition of the n-type buffer layer and the composition of the n-type compound semiconductor layer.

本実施の形態の太陽電池では、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)と第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)とが略同一である構成とすることが好ましい。n形バッファー層における伝導帯の底準位ECがn形化合物半導体層における伝導帯の底準位ECよりも低ければ、接合界面における界面再結合電流が非常に大きくなり、エネルギー変換効率等の太陽電池特性を大幅に低下させるからである。なお、n形バッファー層における伝導帯の底準位ECがn形化合物半導体層における伝導帯の底準位ECよりも低ければ低いほど、界面再結合電流が大きくなる。一方、n形バッファー層における伝導帯の底準位ECがn形化合物半導体層における伝導帯の底準位ECよりも高ければ高いほど、n形化合物半導体層からn形バッファー層への電子の転送効率が低下するからである。ここで、「略同一」とは、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)と第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)との差の絶対値が0.01eV以下であることを意味する。 In the solar cell of the present embodiment, the first energy difference (E C -E F in the n-type buffer layer) and the second energy difference (E C -E F in the n-type compound semiconductor layer) are substantially the same. A certain configuration is preferable. If the bottom level E C of the conduction band in the n-type buffer layer is lower than the bottom level E C of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer, the interface recombination current at the junction interface becomes very large, and energy conversion efficiency, etc. This is because the solar cell characteristics are greatly reduced. Incidentally, as the bottom level E C of the conduction band in n-type buffer layer is lower the than the bottom level E C of the conduction band in n-type compound semiconductor layer, the interface recombination current increases. On the other hand, as the bottom level E C of the conduction band in n-type buffer layer is higher the than the bottom level E C of the conduction band in n-type compound semiconductor layer, electrons from the n-type compound semiconductor layer on the n-type buffer layer This is because the transfer efficiency is reduced. Here, “substantially the same” means the difference between the first energy difference (E C −E F in the n-type buffer layer) and the second energy difference (E C −E F in the n-type compound semiconductor layer). It means that the absolute value is 0.01 eV or less.

更に、n形バッファー層における伝導帯の底準位ECがn形化合物半導体層における伝導帯の底準位ECよりも高い場合、n形バッファー層のキャリア濃度が低く高抵抗であればあるほどn形バッファー層の厚さを薄くする必要が生じる。しかし、厚さの薄いn形バッファー層を形成すると、下地層に対するn形バッファー層のカバレージが不十分となり、n形化合物半導体層とn形窓層との間のリーク電流を増加(等価回路におけるシャント抵抗を低抵抗化)させることとなる。ここで、下地層とは、サブストレート型太陽電池においてはn形化合物半導体層を意味し、スーパーストレート型太陽電池においてはn形窓層を意味する。特にサブストレート型太陽電池では、下地層であるn形化合物半導体層の表面が凹凸面となりやすいため、その影響が顕著に現れる。したがって、n形化合物半導体層とn形窓層との間のリーク電流の増加に起因するエネルギー変換効率等の太陽電池特性の低下を招かないためにも、第1のエネルギー差と第2のエネルギー差とを略同一とすることが好ましい。 Furthermore, when the bottom level E C of the conduction band in the n-type buffer layer is higher than the bottom level E C of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer, the carrier concentration of the n-type buffer layer is low and the resistance is high. As a result, it is necessary to reduce the thickness of the n-type buffer layer. However, when a thin n-type buffer layer is formed, the coverage of the n-type buffer layer with respect to the underlying layer becomes insufficient, and the leakage current between the n-type compound semiconductor layer and the n-type window layer increases (in the equivalent circuit). (Shunt resistance is reduced). Here, the underlayer means an n-type compound semiconductor layer in a substrate type solar cell, and an n-type window layer in a superstrate type solar cell. In particular, in a substrate type solar cell, the surface of the n-type compound semiconductor layer, which is a base layer, is likely to be an uneven surface, so that the influence appears remarkably. Accordingly, the first energy difference and the second energy are not reduced in order to prevent a decrease in solar cell characteristics such as energy conversion efficiency due to an increase in leakage current between the n-type compound semiconductor layer and the n-type window layer. It is preferable that the difference is substantially the same.

本実施の形態の太陽電池では、オフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和が、0.5eV以下である構成とすることが好ましい。この構成であれば、n形化合物半導体層及びp形化合物半導体層からn形窓層及びn形透明導電層への電子の転送効率を大幅に低減することなく、n形窓層及びn形透明導電層からn形化合物半導体層及びp形化合物半導体層への電子の逆戻りを良好に防止できるからである。なお、n形化合物半導体層とn形バッファー層との接合部におけるオフセットエネルギー差(バンドオフセットの最小準位から最大準位までの差)の半値と第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)との和が大きければ大きいほど、電子の逆戻りは良好に防止することができるが、電子の転送効率は低下する。したがって、オフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差との和を、0.3eV以上0.5eV以下の範囲内で最適化することが更に好ましい。 In the solar cell of the present embodiment, it is preferable that the sum of the half value of the offset energy difference and the first energy difference be 0.5 eV or less. With this configuration, the n-type window layer and the n-type transparent layer are not significantly reduced without significantly reducing the transfer efficiency of electrons from the n-type compound semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer to the n-type window layer and the n-type transparent conductive layer. This is because it is possible to satisfactorily prevent electrons from returning from the conductive layer to the n-type compound semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer. The half value of the offset energy difference (difference from the minimum level to the maximum level of the band offset) and the first energy difference (E in the n-type buffer layer) at the junction between the n-type compound semiconductor layer and the n-type buffer layer. The larger the sum of ( C− E F ), the better the prevention of electron reversion, but the lower the electron transfer efficiency. Therefore, it is more preferable to optimize the sum of the half value of the offset energy difference and the first energy difference within a range of 0.3 eV to 0.5 eV.

p形化合物半導体層は、少なくとも1種類のIb族元素と、少なくとも1種類のIIIb族元素と、少なくとも1種類のVIb族元素を含有し、p形伝導性を有する半導体層である。p形化合物半導体層としては、Ib族元素であるCu(銅)と、In(インジウム)及びGa(ガリウム)からなる群より選択される少なくとも1種類の元素と、S(硫黄)及びSe(セレン)からなる群より選択される少なくとも1種類の元素とを含有する構成が好ましい。更に好ましくは、p形化合物半導体層がp形Cu(In,Ga)Se2膜(p形CIGS膜)の場合である。他の構成に比べて本来的に高エネルギー変換効率の太陽電池を実現できるからである。なお、p形化合物半導体層には、更に、p形不純物が含まれていてもよい。 The p-type compound semiconductor layer is a semiconductor layer having at least one type Ib group element, at least one type IIIb group element, and at least one type VIb group element and having p-type conductivity. As the p-type compound semiconductor layer, Cu (copper) which is a group Ib element, at least one element selected from the group consisting of In (indium) and Ga (gallium), S (sulfur) and Se (selenium) And a structure containing at least one element selected from the group consisting of: More preferably, the p-type compound semiconductor layer is a p-type Cu (In, Ga) Se 2 film (p-type CIGS film). This is because a solar cell with high energy conversion efficiency can be realized inherently compared to other configurations. The p-type compound semiconductor layer may further contain a p-type impurity.

n形化合物半導体層は、少なくとも1種類のIb族元素と、少なくとも1種類のIIIb族元素と、少なくとも1種類のVIb族元素とを含有し、n形伝導性を有する半導体層である。n形化合物半導体層としては、Ib族元素であるCuと、In及びGaからなる群より選択される少なくとも1種類の元素と、S及びSeからなる群より選択される少なくとも1種類の元素とを含有する構成が好ましい。更に好ましくは、n形化合物半導体層がn形Cu(In,Ga)Se2膜(n形CIGS膜)の場合である。他の構成に比べて本来的に高エネルギー変換効率の太陽電池を実現できるからである。なお、n形化合物半導体層には、更に、n形不純物が含まれていてもよい。 The n-type compound semiconductor layer is a semiconductor layer having at least one type Ib group element, at least one type IIIb group element, and at least one type VIb group element and having n-type conductivity. As the n-type compound semiconductor layer, Cu that is a group Ib element, at least one element selected from the group consisting of In and Ga, and at least one element selected from the group consisting of S and Se are used. The structure to contain is preferable. More preferably, the n-type compound semiconductor layer is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film (n-type CIGS film). This is because a solar cell with high energy conversion efficiency can be realized inherently compared to other configurations. The n-type compound semiconductor layer may further contain an n-type impurity.

ここで、太陽電池におけるp形化合物半導体層及びn形化合物半導体層を形成する方法例について説明する。サブストレート型太陽電池におけるp形化合物半導体層及びn形化合物半導体層を形成する方法としては、例えば、p形化合物半導体層を形成した後にp形化合物半導体層とは別にn形化合物半導体層を形成する方法、及び、p形化合物半導体結晶を形成した後にn形不純物をp形化合物半導体結晶の表面層にドープしてその表面層をn形化合物半導体層に転換する方法が挙げられる。なお、n形不純物の拡散によりn形化合物半導体層が形成される場合、n形不純物の拡散の拡散しない部分のp形化合物半導体結晶がp形化合物半導体層となる。   Here, an example of a method for forming a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer in a solar cell will be described. As a method of forming a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer in a substrate type solar cell, for example, after forming a p-type compound semiconductor layer, an n-type compound semiconductor layer is formed separately from the p-type compound semiconductor layer And a method of forming a p-type compound semiconductor crystal and then doping an n-type impurity into the surface layer of the p-type compound semiconductor crystal to convert the surface layer into an n-type compound semiconductor layer. When the n-type compound semiconductor layer is formed by the diffusion of the n-type impurity, the portion of the p-type compound semiconductor crystal where the diffusion of the n-type impurity is not diffused becomes the p-type compound semiconductor layer.

一方、スーパーストレート型太陽電池におけるp形化合物半導体層及びn形化合物半導体層を形成する方法としては、例えば、n形化合物半導体層を形成した後にn形化合物半導体層とは別にp形化合物半導体層を形成する方法、n形化合物半導体結晶を成長させた後にn形化合物半導体結晶の表面層にp形不純物をドープしてp形化合物半導体に転換する方法、及び、n形不純物を含むn形バッファー層上にp形化合物半導体結晶を成長させると共に、n形バッファー層に含まれているn形不純物をp形化合物半導体結晶のバッファー層側の表面層に拡散させてn形化合物半導体に組成転換する方法が挙げられる。ここで、n形バッファー層に含まれるn形不純物とは、p形化合物半導体膜に拡散した際にドナーとして機能する元素を意味する。なお、p形不純物の拡散によりp形化合物半導体層が形成される場合、p形不純物の拡散の拡散しない部分のn形化合物半導体結晶がn形化合物半導体層となり、n形不純物の拡散によりn形化合物半導体層が形成される場合、n形不純物の拡散の拡散しない部分のp形化合物半導体結晶がp形化合物半導体層となる。   On the other hand, as a method of forming the p-type compound semiconductor layer and the n-type compound semiconductor layer in the super straight type solar cell, for example, after forming the n-type compound semiconductor layer, the p-type compound semiconductor layer is separated from the n-type compound semiconductor layer. , A method of growing a n-type compound semiconductor crystal and then doping the surface layer of the n-type compound semiconductor crystal with a p-type impurity to convert it to a p-type compound semiconductor, and an n-type buffer containing the n-type impurity A p-type compound semiconductor crystal is grown on the layer, and an n-type impurity contained in the n-type buffer layer is diffused into the surface layer on the buffer layer side of the p-type compound semiconductor crystal to change the composition to an n-type compound semiconductor. A method is mentioned. Here, the n-type impurity contained in the n-type buffer layer means an element that functions as a donor when diffused into the p-type compound semiconductor film. When the p-type compound semiconductor layer is formed by the diffusion of the p-type impurity, the n-type compound semiconductor crystal in the portion where the diffusion of the p-type impurity is not diffused becomes the n-type compound semiconductor layer, and the n-type impurity is diffused by the n-type impurity diffusion. When the compound semiconductor layer is formed, the p-type compound semiconductor crystal in the non-diffused portion of the n-type impurity diffusion becomes the p-type compound semiconductor layer.

n形バッファー層としては、Zn(亜鉛)を含有する化合物膜(以下において、Zn系化合物膜と称する)が好ましい。従来の太陽電池のn形バッファー層に含まれていたCdとは異なり、Znは有害ではないため、Zn系化合物膜の形成に用いる溶液の処理も容易であるからである。Zn系化合物膜としては、例えば、ZnO(酸化亜鉛)膜、ZnS(硫化亜鉛)膜及びZn(O,S)系化合物膜が挙げられる。ここで、Zn(O,S)系化合物膜としては、例えば、ZnOとZnSとの混晶で構成されたZn(O,S)膜及びZnOとZnSとZn(OH)2(水酸化亜鉛)との混晶で構成されたZn(O,S,OH)膜が挙げられる。なお、Zn系化合物膜には、キャリア濃度を増加させるためのn形不純物が含まれていてもよい。Zn系化合物膜に対するn形不純物としては、例えば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等の元素が挙げられる。 As the n-type buffer layer, a compound film containing Zn (zinc) (hereinafter referred to as a Zn-based compound film) is preferable. This is because, unlike Cd contained in an n-type buffer layer of a conventional solar cell, Zn is not harmful, and thus the solution used for forming the Zn-based compound film can be easily treated. Examples of the Zn-based compound film include a ZnO (zinc oxide) film, a ZnS (zinc sulfide) film, and a Zn (O, S) -based compound film. Here, as the Zn (O, S) -based compound film, for example, a Zn (O, S) film composed of a mixed crystal of ZnO and ZnS and ZnO, ZnS and Zn (OH) 2 (zinc hydroxide) are used. Zn (O, S, OH) films composed of mixed crystals of Note that the Zn-based compound film may contain an n-type impurity for increasing the carrier concentration. Examples of the n-type impurity for the Zn-based compound film include elements such as B (boron) and Al (aluminum).

n形窓層としては、例えば、ZnO膜、ZnMgO膜が挙げられる。n形窓層における伝導帯の底準位ECは、また、n形窓層にはキャリア濃度を増加させるためのn形不純物が更に含まれていることが好ましい。n形窓層にわずかにキャリアが含まれている場合、n形窓層は高抵抗とならず、つまり等価回路における直列抵抗の抵抗値を低減できるために、エネルギー変換効率を向上させることができるからである。 Examples of the n-type window layer include a ZnO film and a ZnMgO film. The bottom level E C of the conduction band in the n-type window layer and the n-type window layer preferably further include an n-type impurity for increasing the carrier concentration. When the n-type window layer contains a slight amount of carriers, the n-type window layer does not have high resistance, that is, the resistance value of the series resistance in the equivalent circuit can be reduced, so that the energy conversion efficiency can be improved. Because.

本実施の形態の太陽電池では、p形化合物半導体層がp形Cu(In,Ga)Se2膜であり、n形化合物半導体層がn形Cu(In,Ga)Se2膜であり、n形バッファー層がZn(O,S)系化合物膜であり、n形窓層がZnO膜である構成とすることが好ましい。この構成であれば、太陽電池のpn接合をホモ接合とすることができ、かつ、n形Cu(In,Ga)Se2膜とZn(O,S)系化合物膜との接合部におけるオフセットエネルギー差の半値と第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)との和を0.3eV以上とすることができるからである。更に、Zn(O,S)系化合物膜の組成及びキャリア濃度を調整することによって、第1のエネルギー差と第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)とを同一の値とすることもできるからである。 In the solar cell of the present embodiment, the p-type compound semiconductor layer is a p-type Cu (In, Ga) Se 2 film, the n-type compound semiconductor layer is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film, and n Preferably, the shape buffer layer is a Zn (O, S) -based compound film, and the n-type window layer is a ZnO film. With this configuration, the pn junction of the solar cell can be a homojunction, and the offset energy at the junction between the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film and the Zn (O, S) -based compound film This is because the sum of the half value of the difference and the first energy difference (E C −E F in the n-type buffer layer) can be 0.3 eV or more. Further, by adjusting the composition and carrier concentration of the Zn (O, S) -based compound film, the first energy difference and the second energy difference (E C -E F in the n-type compound semiconductor layer) can be made the same. This is because it can also be a value.

更に、n形Cu(In,Ga)Se2膜は、p形Cu(In,Ga)Se2膜を構成するCu(In,Ga)Se2結晶と同一の組成である半導体結晶と、その半導体結晶にドープされたn形不純物とを有する構成であることが好ましい。この場合、pn接合を確実にホモ接合とすることができるからであり、また、pn接合界面における界面欠陥を極めて良好に低減できるからである。 Further, the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film includes a semiconductor crystal having the same composition as the Cu (In, Ga) Se 2 crystal constituting the p-type Cu (In, Ga) Se 2 film and its semiconductor A structure having an n-type impurity doped in the crystal is preferable. In this case, the pn junction can be surely made a homojunction, and interface defects at the pn junction interface can be reduced extremely well.

n形化合物半導体層がn形Cu(In,Ga)Se2膜である場合、n形バッファー層としてZn(O,S)系化合物膜が好ましい。ここで、Zn(O,S)系化合物膜が好ましい理由について、図2(a)〜図2(c)を参照しながら説明する。図2は、本実施の形態の太陽電池におけるn形化合物半導体層とn形バッファー層とn形窓層とのバンド構造を表す説明図であり、それぞれの材料及び組成でのバンドギャップと伝導帯と荷電子帯の相対的なエネルギー準位を示したものである。n形化合物半導体層がバンドギャップ1.12eVのn形Cu(In,Ga)Se2(n形CIGS)膜であり、n形バッファー層がZn系化合物膜であり、n形窓層がZnO膜である場合が例示されている。なお、図2(a)がZn系化合物膜としてZnO膜を用いた場合を表し、図2(b)がZn系化合物膜としてZn(O0.780.22)膜を用いた場合を表し、図2(c)がZn系化合物膜としてZnS膜を用いた場合を表している。なお、図2(a)〜図2(c)中において、「EV」は、価電子帯において電子が占拠し得る最大のエネルギー準位を意味する。 When the n-type compound semiconductor layer is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film, a Zn (O, S) -based compound film is preferable as the n-type buffer layer. Here, the reason why the Zn (O, S) -based compound film is preferable will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c). FIG. 2 is an explanatory diagram showing the band structure of the n-type compound semiconductor layer, the n-type buffer layer, and the n-type window layer in the solar cell of the present embodiment, and the band gap and conduction band for each material and composition. And the relative energy levels of the valence band. The n-type compound semiconductor layer is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 (n-type CIGS) film having a band gap of 1.12 eV, the n-type buffer layer is a Zn-based compound film, and the n-type window layer is a ZnO film. The case of being is illustrated. 2A shows a case where a ZnO film is used as the Zn-based compound film, and FIG. 2B shows a case where a Zn (O 0.78 S 0.22 ) film is used as the Zn-based compound film. (C) shows the case where a ZnS film is used as the Zn-based compound film. 2A to 2C, “E V ” means the maximum energy level that can be occupied by electrons in the valence band.

図2(a)に示されたように、n形バッファー層がZnO膜であり、かつn形窓層がZnO膜である場合、n形バッファー層のZnO膜における伝導帯の底準位ECはn形化合物半導体(n形CIGS)層における伝導帯の底準位ECよりも0.2eVだけ低いため接合界面で再結合し易く、エネルギー変換効率が低下することとなる。 As shown in FIG. 2A, when the n-type buffer layer is a ZnO film and the n-type window layer is a ZnO film, the bottom level E C of the conduction band in the ZnO film of the n-type buffer layer. Is lower by 0.2 eV than the bottom level E C of the conduction band in the n-type compound semiconductor (n-type CIGS) layer, so that recombination is easy at the junction interface, and the energy conversion efficiency is lowered.

また、図2(c)に示されたように、n形バッファー層がZnS膜であり、かつn形窓層がZnO膜である場合、ZnS膜における伝導帯の底準位ECが、n形CIGS膜における伝導帯の底準位ECよりも1.4eVだけ高くなる。ZnS膜のキャリア濃度が低く高抵抗であるならば、ZnS膜の厚さを10nm以下にする必要が生じる。この場合、特にサブストレート型太陽電池においては、n形CIGS膜の表面が平坦な表面であればn形CIGS膜に対するZnS膜のカバレージが不十分となることも少ないが、n形CIGS膜の表面が少しでも凹凸を有する表面であればZnS膜のカバレージが不十分となる。その結果、n形CIGS膜とZnS膜との間のリーク電流の増加(等価回路のシャント抵抗の低抵抗化)により、エネルギー変換効率の低下をもたらすことになる。 As shown in FIG. 2C, when the n-type buffer layer is a ZnS film and the n-type window layer is a ZnO film, the bottom level E C of the conduction band in the ZnS film is n It becomes higher by 1.4 eV than the bottom level E C of the conduction band in the type CIGS film. If the carrier concentration of the ZnS film is low and the resistance is high, the thickness of the ZnS film needs to be 10 nm or less. In this case, particularly in a substrate type solar cell, if the surface of the n-type CIGS film is a flat surface, the coverage of the ZnS film with respect to the n-type CIGS film is rarely insufficient, but the surface of the n-type CIGS film If it is a surface with even irregularities, the coverage of the ZnS film will be insufficient. As a result, an increase in leakage current between the n-type CIGS film and the ZnS film (lowering of the shunt resistance of the equivalent circuit) causes a decrease in energy conversion efficiency.

Zn(O,S)膜を一般化学式Zn(O1-xx)膜で表すと、Xの増加と伴に、Zn(O1-xx)膜における伝導帯の底準位ECは高くなり、また、キャリア濃度の増加と共に、Zn(O1-xx)膜における伝導帯の底準位ECは低くなる。ここで、一般化学式Zn(O1-xx)中のXは0<X<1を満たす実数である。したがって、n形バッファー層にZn(O,S)膜、n形窓層にZnO膜を使用すると、Zn(O,S)膜における伝導帯の底準位ECを、少なくとも図2(a)に示されたZnO膜における伝導帯の底準位ECと図2(c)に示されたZnS膜における伝導帯の底準位ECとの間の任意のエネルギー準位に制御することができる。すなわち、n形バッファー層とn形化合物半導体層間のバンドオフセットを任意に制御することができる。 When the Zn (O, S) film is represented by a general chemical formula Zn (O 1-x S x ) film, the bottom level E C of the conduction band in the Zn (O 1-x S x ) film as X increases. As the carrier concentration increases, the bottom level E C of the conduction band in the Zn (O 1−x S x ) film decreases. Here, X in the general chemical formula Zn (O 1-x S x ) is a real number satisfying 0 <X <1. Therefore, when a Zn (O, S) film is used for the n-type buffer layer and a ZnO film is used for the n-type window layer, the bottom level E C of the conduction band in the Zn (O, S) film is at least shown in FIG. It is possible to control to an arbitrary energy level between the bottom level E C of the conduction band in the ZnO film shown in FIG. 2 and the bottom level E C of the conduction band in the ZnS film shown in FIG. it can. That is, the band offset between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer can be arbitrarily controlled.

例えば、図2(b)に示されたように、Zn(O0.780.22)膜を使用すると、n形CIGS膜とのバンドオフセットは0.2eV程度となる。 For example, as shown in FIG. 2B, when a Zn (O 0.78 S 0.22 ) film is used, the band offset with respect to the n-type CIGS film is about 0.2 eV.

図2(a)及び図2(c)より、ZnO膜における伝導帯の底準位ECがn形CIGS膜における伝導帯の底準位ECよりも低いエネルギー準位をとれ、かつZnO膜における伝導帯の底準位ECがn形CIGS膜における伝導帯の底準位ECよりも高いエネルギー準位をとれることがわかる。また、Zn(O,S)膜における伝導帯の底準位ECをZnO膜における伝導帯の底準位ECとZnS膜における伝導帯の底準位ECとの間の任意のエネルギー準位に調整できることを考慮すれば、図2(a)〜図2(c)は、Zn(O,S)膜の組成及びキャリア濃度を制御することによって、Zn(O,S)膜における伝導帯の底準位ECをn形CIGS膜における伝導帯の底準位ECと同一のエネルギー準位にできることを示している。したがって、ZnO膜とZnS膜との中間組成(混晶組成)のZn(O,S)膜によってn形バッファー層を形成することが好ましい。 2 (a) and 2 (c), the bottom level E C of the conduction band in the ZnO film can take an energy level lower than the bottom level E C of the conduction band in the n-type CIGS film, and the ZnO film bottom level E C of the conduction band in that it can be seen that take a higher energy level than the bottom level E C of the conduction band in n-type CIGS film. Further, the bottom level E C of the conduction band in the Zn (O, S) film is changed to an arbitrary energy level between the bottom level E C of the conduction band in the ZnO film and the bottom level E C of the conduction band in the ZnS film. 2 (a) to 2 (c) show that the conduction band in the Zn (O, S) film is controlled by controlling the composition and carrier concentration of the Zn (O, S) film. show that it is possible for the bottom level E C in the same energy level and the bottom level E C of the conduction band in n-type CIGS film. Therefore, it is preferable to form the n-type buffer layer with a Zn (O, S) film having an intermediate composition (mixed crystal composition) between the ZnO film and the ZnS film.

本実施の形態の太陽電池では、n形化合物半導体がCu(In,Ga)Se2膜である場合、Zn(O,S)系化合物膜が、Zn(O,S)膜又はZn(O,S,OH)膜である構成とすることが好ましい。上記において図2(a)〜図2(c)を参照して説明したように、Zn(O,S)系化合物膜の組成を調整することによって、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)を第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)と確実に同一にできるからである。 In the solar cell of the present embodiment, when the n-type compound semiconductor is a Cu (In, Ga) Se 2 film, the Zn (O, S) -based compound film is a Zn (O, S) film or Zn (O, S, OH) film is preferable. As described above with reference to FIGS. 2A to 2C, the first energy difference (in the n-type buffer layer) is adjusted by adjusting the composition of the Zn (O, S) -based compound film. E because C -E F) as possible to ensure the same E C -E F) and the second energy difference (n-type compound semiconductor layer.

また、n形化合物半導体がn形Cu(In,Ga)Se2膜であり、n形バッファー層がZn(O,S)系化合物膜である場合、n形窓層としてはZnO膜が好ましい。n形窓層がZnO膜であれば、図2(a)〜図2(c)からわかるように、ZnO膜における伝導帯の底準位ECがZn(O,S)系化合物膜における伝導帯の底準位ECよりも低くなるために、Zn(O,S)系化合物膜からの電子をZnO膜に良好に転送することができるからである。 When the n-type compound semiconductor is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film and the n-type buffer layer is a Zn (O, S) -based compound film, a ZnO film is preferable as the n-type window layer. If the n-type window layer is a ZnO film, as can be seen from FIGS. 2A to 2C, the bottom level E C of the conduction band in the ZnO film is the conduction in the Zn (O, S) -based compound film. This is because the electrons from the Zn (O, S) -based compound film can be transferred to the ZnO film satisfactorily because it is lower than the bottom level E C of the band.

ここで、n形Cu(In,Ga)Se2膜のキャリア濃度に対する好ましい範囲と、n形バッファー層のキャリア濃度に対する好ましい範囲について、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、本実施の形態の太陽電池のn形Cu(In,Ga)Se2膜(n形化合物半導体層)におけるキャリア濃度と第2のエネルギー差(EC−EF)との相関を表す相関図である。なお、図3には、n形Cu(In,Ga)Se2膜のバンドギャップ(Eg)が1.12eVである場合が表されている。また、図4は、Zn系化合物膜の組成とZn系化合物膜における第1のエネルギー差(EC−EF)との相関を表す相関図である。 Here, a preferable range for the carrier concentration of the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film and a preferable range for the carrier concentration of the n-type buffer layer will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows the correlation between the carrier concentration and the second energy difference (E C −E F ) in the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film (n-type compound semiconductor layer) of the solar cell of this embodiment. FIG. FIG. 3 shows the case where the band gap (E g ) of the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film is 1.12 eV. FIG. 4 is a correlation diagram showing the correlation between the composition of the Zn-based compound film and the first energy difference (E C -E F ) in the Zn-based compound film.

図3に示されたように、n形Cu(In,Ga)Se2膜(n形CIGS膜)のキャリア濃度が1×1014cm-3から1×1015cm-3まで変化すると、n形CIGS膜における第2のエネルギー差(EC−EF)は、0.22eVから0.17eVまで変化する。例えば、キャリア濃度が2×1014cm-3(図3中の黒丸点)のとき、n形CIGS膜における第2のエネルギー差(EC−EF)は、0.21eVとなる。 As shown in FIG. 3, when the carrier concentration of the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film (n-type CIGS film) changes from 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 15 cm −3 , n The second energy difference (E C -E F ) in the CIGS film varies from 0.22 eV to 0.17 eV. For example, when the carrier concentration is 2 × 10 14 cm −3 (black dot in FIG. 3), the second energy difference (E C −E F ) in the n-type CIGS film is 0.21 eV.

また、図4に示されたように、Zn(O1-xx)膜の組成がZnO膜(X=0)からZnS膜(X=1)まで変化したとき、Zn(O1-xx)膜の第1のエネルギー差(EC−EF)は、Zn(O1-xx)膜のキャリア濃度が1×1014cm-3の場合には0.26eVから0.27eVまで変化し、キャリア濃度が5×1014cm-3の場合には0.22eVから0.24eVまで変化し、キャリア濃度が1×1015cm-3の場合には0.21eVから0.22eVまで変化し、キャリア濃度が5×1015cm-3の場合には0.17eVから0.18eVまで変化し、キャリア濃度が1×1016cm-3の場合には0.15eVから0.17eVまで変化し、キャリア濃度が5×1016cm-3の場合には0.11eVから0.13eVまで変化する。図4からわかるように、同一の組成のZn(O1-xx)膜(X=一定)の場合には、Zn(O1-xx)膜のキャリア濃度が高いほど第1のエネルギー差(EC−EF)が小さくなり、また、Zn(O1-xx)膜のキャリア濃度が同一の場合には、Xの値が大きい(ZnS組成に近い)ほど、第1のエネルギー差(EC−EF)が大きくなる。なお、Zn(O1-xx)膜(X=一定)の場合におけるキャリア濃度は、Zn(O1-xx)膜にドープするn形不純物の含有率によって制御することができる。 Further, as shown in FIG. 4, when the composition of the Zn (O 1-x S x ) film changes from the ZnO film (X = 0) to the ZnS film (X = 1), Zn (O 1-x S x) first energy difference film (E C -E F) is, Zn (O 1-x S x) 0 from 0.26eV in the case of the carrier concentration of the membrane 1 × 10 14 cm -3. When the carrier concentration is 5 × 10 14 cm −3 , it changes from 0.22 eV to 0.24 eV, and when the carrier concentration is 1 × 10 15 cm −3 , it changes from 0.21 eV to 0.2 eV. When the carrier concentration is 5 × 10 15 cm −3 , it changes from 0.17 eV to 0.18 eV, and when the carrier concentration is 1 × 10 16 cm −3 , it changes from 0.15 eV to 0.1. It varies from 17EV, if the carrier concentration of 5 × 10 16 cm -3 is variable from 0.11eV to 0.13eV To. As can be seen from FIG. 4, in the case of a Zn (O 1-x S x ) film having the same composition (X = constant), the higher the carrier concentration of the Zn (O 1-x S x ) film, the first When the energy difference (E C -E F ) is small and the carrier concentration of the Zn (O 1-x S x ) film is the same, the larger the value of X (closer to the ZnS composition), the first Energy difference (E C −E F ) becomes larger. Note that the carrier concentration in the case of a Zn (O 1-x S x ) film (X = constant) can be controlled by the content of n-type impurities doped in the Zn (O 1-x S x ) film.

n形化合物半導体層が図3中の黒丸点に相当するn形CIGS膜である場合、第1のエネルギー差をn形化合物半導体層における第2のエネルギー差(EC−EF=0.21eV)とを同一の値とするためには、図4において第1のエネルギー差が0.21eVとなるZn(O1-xx)膜の組成(Xの値)とZn(O1-xx)膜のキャリア濃度とを選択する。具体的には、例えば、Zn(O1-xx)膜のキャリア濃度として1×1015cm-3を選択した場合には、図4中の黒丸点で示されたようにZn(O0.78 0.22)(1−X=0.78)を選択する。なお、第1のエネルギー差が0.21eVとなるZn(O1-xx)膜に対するキャリア濃度と組成の組み合わせは、複数存在していることに注意を要する。 When the n-type compound semiconductor layer is an n-type CIGS film corresponding to the black dot in FIG. 3, the first energy difference is the second energy difference (E C −E F = 0.21 eV in the n-type compound semiconductor layer). ) to the same value and the value of the first energy difference becomes 0.21eV Zn (O 1-x S x) composition of the membrane (X in FIG. 4) and Zn (O 1-x S x ) The carrier concentration of the film is selected. Specifically, for example, when 1 × 10 15 cm −3 is selected as the carrier concentration of the Zn (O 1-x S x ) film, Zn (O 1 ) as shown by the black circles in FIG. 0. 78 S 0.22) selecting (1-X = 0.78). Note that there are a plurality of combinations of carrier concentration and composition for a Zn (O 1-x S x ) film having a first energy difference of 0.21 eV.

上記で説明したように、第1のエネルギー差と第2のエネルギー差とが同一の値となるようにZn(O1-xx)膜のキャリア濃度とZn(O1-xx)膜の組成(Xの値)とを厳密に制御することが理想的ではあるが、実際にはそれらを厳密に制御することは難しい。しかし、Zn(O1-xx)膜のキャリア濃度の変化に対する第2のエネルギー差の変化及びZn(O1-xx)膜の組成の変化(Xの変化)に対する第2のエネルギー差の変化は、双方とも緩やかであるため、8×1014cm-3以上3×1015cm-3以下の範囲内のキャリア濃度であり、かつ0.75≦1−X≦0.8の範囲内の組成であれば、Zn(O1-xx)膜における第2のエネルギー差(EC−EF)は、0.21eVの近傍(±0.01eV)にあり、厳密に制御した場合と大差は生じない。なお、界面再結合電流を抑制することを考慮して、Zn(O1-xx)膜における第2のエネルギー差(EC−EF)を0.21eV以上0.23eV以下とすることが好ましい。 As described above, the carrier concentration of the Zn (O 1-x S x ) film and the Zn (O 1-x S x ) so that the first energy difference and the second energy difference have the same value. Although it is ideal to strictly control the composition (value of X) of the film, it is actually difficult to strictly control them. However, the second energy to the Zn (O 1-x S x ) changes in the second energy difference with respect to a change in the carrier density of the film and Zn (O 1-x S x ) changes in the composition of the membrane (change in X) Since the change in the difference is moderate in both cases, the carrier concentration is in the range of 8 × 10 14 cm −3 to 3 × 10 15 cm −3 and 0.75 ≦ 1-X ≦ 0.8. If the composition is within the range, the second energy difference (E C -E F ) in the Zn (O 1-x S x ) film is in the vicinity of 0.21 eV (± 0.01 eV) and is strictly controlled. There is no big difference from the case. In consideration of suppressing the interface recombination current, the second energy difference (E C −E F ) in the Zn (O 1-x S x ) film is set to 0.21 eV or more and 0.23 eV or less. Is preferred.

上記においては、Zn(O,S)膜について説明したが、Zn(O,S,OH)膜であっても、アニールすることで、OH基の含有量が減少し、OH基を僅かに含んだZn(O,S、OH)膜となるので、Zn(O,S)膜と定性的に同等である。   In the above description, the Zn (O, S) film has been described. However, even in the case of a Zn (O, S, OH) film, the content of OH groups is reduced by annealing, and a slight amount of OH groups is contained. Since it becomes a Zn (O, S, OH) film, it is qualitatively equivalent to a Zn (O, S) film.

本実施の形態の太陽電池では、n形化合物半導体がn形Cu(In,Ga)Se2膜であり、n形バッファー層がZn(O,S)系化合物膜である場合、n形Cu(In,Ga)Se2膜におけるn形バッファー層側の表面層近傍の平均キャリア濃度が1×1014cm-3以上3×1014cm-3以下の範囲内であり、Zn(O,S)系化合物膜におけるn形Cu(In,Ga)Se2膜側の表面層近傍の平均キャリア濃度が1×1015cm-3以上3×1015cm-3以下の範囲内である構成とすることが好ましい。この構成であれば、第1のエネルギー差(n形バッファー層におけるEC−EF)と第2のエネルギー差(n形化合物半導体層におけるEC−EF)とが確実に略同一となり、かつ第1のエネルギー差とオフセットエネルギー差(n形バッファー層とn形化合物半導体層の接合部におけるΔEC)の半値との和が確実に0.3eV以上となるからである。なお、「表面層近傍」とは、表面からの深さが0.05μmまでの層を意味する。 In the solar cell of the present embodiment, when the n-type compound semiconductor is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film and the n-type buffer layer is a Zn (O, S) -based compound film, the n-type Cu ( The average carrier concentration in the vicinity of the surface layer on the n-type buffer layer side in the In, Ga) Se 2 film is in the range of 1 × 10 14 cm −3 to 3 × 10 14 cm −3 and Zn (O, S) The average carrier concentration in the vicinity of the surface layer on the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film side in the system compound film is in the range of 1 × 10 15 cm −3 or more and 3 × 10 15 cm −3 or less. Is preferred. With this configuration, the first energy difference (E C −E F in the n-type buffer layer) and the second energy difference (E C −E F in the n-type compound semiconductor layer) are surely substantially the same, This is because the sum of the first energy difference and the half value of the offset energy difference (ΔE C at the junction between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer) is reliably 0.3 eV or more. Note that “in the vicinity of the surface layer” means a layer having a depth of 0.05 μm from the surface.

本実施の形態の太陽電池では、n形Cu(In,Ga)Se2膜の厚さが0.3μm以下の範囲内である構成とすることが好ましい。n形Cu(In,Ga)Se2膜で吸収された光によって発生した正孔の再結合を抑制するには、正孔の拡散長以内が好ましい。したがって、n形Cu(In,Ga)Se2膜の厚さが0.3μm以下の範囲内であれば、正孔の拡散長以内の条件を満たすために、正孔の再結合を抑制できるからである。 In the solar cell of the present embodiment, it is preferable that the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film has a thickness in the range of 0.3 μm or less. In order to suppress the recombination of holes generated by light absorbed by the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film, it is preferably within the hole diffusion length. Therefore, if the thickness of the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film is within a range of 0.3 μm or less, hole recombination can be suppressed in order to satisfy the condition within the hole diffusion length. It is.

本実施の形態の太陽電池では、n形バッファー層がZn(O,S)系化合物膜である場合、Zn(O,S)系化合物膜の厚さが0.08μm以上0.1μm以下の範囲内である構成とすることが好ましい。Zn(O,S)系化合物膜の膜厚がこの範囲内の厚さであれば、下地層に対するn形バッファー層のカバレージが十分となるため、n形バッファー層におけるピンホールの発生に起因するエネルギー変換効率の低下を抑制できるからである。特に、凹凸表面を有するn形化合物半導体層を備えたサブストレート型太陽電池の場合、Zn(O,S)系化合物膜の膜厚が0.08μm未満であれば、n形化合物半導体層に対してカバレージのよいn形バッファー層を形成することが困難となり、n形バッファー層にはピンホールが発生し易くなるからであり、また、スパッタ法を適用するn形窓層の形成においてn形化合物半導体層及びp形化合物半導体層がスパッタダメージを受けるからである。一方、膜厚が0.1μmを超えて大きければ、n形バッファー層における抵抗が高抵抗化し、つまり等価回路における直列抵抗が高抵抗化し、エネルギー変換効率等の太陽電池特性を低下させるからである。   In the solar cell of the present embodiment, when the n-type buffer layer is a Zn (O, S) compound film, the thickness of the Zn (O, S) compound film is in the range of 0.08 μm to 0.1 μm. It is preferable to set it as the structure which is inside. If the thickness of the Zn (O, S) -based compound film is within this range, the coverage of the n-type buffer layer with respect to the underlayer is sufficient, which is caused by the occurrence of pinholes in the n-type buffer layer. This is because a decrease in energy conversion efficiency can be suppressed. In particular, in the case of a substrate type solar cell including an n-type compound semiconductor layer having an uneven surface, if the thickness of the Zn (O, S) -based compound film is less than 0.08 μm, the n-type compound semiconductor layer This is because it is difficult to form an n-type buffer layer with good coverage and pinholes are easily generated in the n-type buffer layer, and in the formation of an n-type window layer to which a sputtering method is applied, an n-type compound is formed. This is because the semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer are sputter damaged. On the other hand, if the film thickness is larger than 0.1 μm, the resistance in the n-type buffer layer is increased, that is, the series resistance in the equivalent circuit is increased, and the solar cell characteristics such as energy conversion efficiency are lowered. .

したがって、サブストレート型太陽電池におけるn形バッファー層の膜厚は、n形化合物半導体層及びp形化合物半導体層を含むn形化合物半導体層の表面形状に応じて0.08μm以上0.1μm以下の範囲内から適宜選択されることが好ましい。具体的には、化合物半導体層の表面における凹凸が大きければn形バッファー層の膜厚を大きくし、凹凸が小さければn形バッファー層の膜厚を小さくする。   Therefore, the film thickness of the n-type buffer layer in the substrate type solar cell is 0.08 μm or more and 0.1 μm or less depending on the surface shape of the n-type compound semiconductor layer including the n-type compound semiconductor layer and the p-type compound semiconductor layer. It is preferable to select appropriately from the range. Specifically, the film thickness of the n-type buffer layer is increased if the unevenness on the surface of the compound semiconductor layer is large, and the film thickness of the n-type buffer layer is decreased if the unevenness is small.

一方、スーパーストレート型太陽電池の場合、n形バッファー層はn形化合物半導体層に比べて表面の平坦なn形窓層上に形成されるため、n形バッファー層の膜厚は、0.08μm以下であってもよい。   On the other hand, in the case of a super straight type solar cell, since the n-type buffer layer is formed on the n-type window layer having a flat surface compared to the n-type compound semiconductor layer, the thickness of the n-type buffer layer is 0.08 μm. It may be the following.

本実施の形態の太陽電池における基板は、公知のいかなる材料で構成されていてもよい。なお、スーパーストレート型太陽電池の基板としては、基板側から太陽光を受光するため、光透過性を有する基板を用いる必要がある。サブストレート型太陽電池における基板としては、Ia族元素(アルカリ金属元素)、特にNa(ナトリウム)、K(カリウム)及びLi(リチウム)からなる群より選択される少なくとも1種類のアルカリ金属元素を含有する基板が好ましい。「Ia族」は、IUPACの推奨する長周期型周期表において「1族」を意味する。基板にIa族元素が含まれていれば、導電層上にp形化合物半導体結晶を形成する際に、基板のIa族元素が導電層を通してp形化合物半導体結晶に拡散することによって、p形化合物半導体結晶の結晶性が向上するからである。   The substrate in the solar cell of the present embodiment may be made of any known material. In addition, as a board | substrate of a super straight type solar cell, in order to receive sunlight from the board | substrate side, it is necessary to use the board | substrate which has a light transmittance. The substrate of the substrate type solar cell contains at least one alkali metal element selected from the group consisting of group Ia elements (alkali metal elements), particularly Na (sodium), K (potassium) and Li (lithium) The substrate to be used is preferable. “Group Ia” means “Group 1” in the long-period periodic table recommended by IUPAC. If the substrate contains an Ia group element, when the p-type compound semiconductor crystal is formed on the conductive layer, the Ia group element of the substrate diffuses into the p-type compound semiconductor crystal through the conductive layer. This is because the crystallinity of the semiconductor crystal is improved.

本実施の形態の太陽電池における導電層は、公知のいかなる材料で構成されていてもよいが、Mo(モリブデン)膜、Cr(クロム)膜、Au(金)膜、Pt(白金)等の金属膜が好ましい。   The conductive layer in the solar cell of the present embodiment may be made of any known material, but a metal such as a Mo (molybdenum) film, a Cr (chromium) film, an Au (gold) film, or Pt (platinum). A membrane is preferred.

本実施の形態の太陽電池におけるn形透明導電層は、公知のいかなる材料で構成されていてもよいが、ITO膜、SnO2膜、In23膜、ZnO:Al膜、ZnO:B膜等が好ましい。また、n形透明導電層における伝導帯の底準位ECは、n形窓層における伝導帯の底準位ECより低いエネルギー準位であることが好ましい。n形窓層からn形透明導電層への電子の転送効率が向上するからである。 The n-type transparent conductive layer in the solar cell of the present embodiment may be made of any known material, but it is an ITO film, SnO 2 film, In 2 O 3 film, ZnO: Al film, ZnO: B film. Etc. are preferred. Further, the bottom level E C of the conduction band in the n-type transparent conductive layer is preferably an energy level lower than the bottom level E C of the conduction band in the n-type window layer. This is because the transfer efficiency of electrons from the n-type window layer to the n-type transparent conductive layer is improved.

(実施の形態1)
本実施の形態1のサブストレート型太陽電池について、図1及び図5を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態1に係る太陽電池の構造を表す模式的な断面図である。
(Embodiment 1)
The substrate type solar cell of the first embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to the first embodiment.

図1に示されたサブストレート型太陽電池は、基板1と、基板1上に形成された導電層2と、導電層2上に形成されたp形CIGS膜3(p形化合物半導体層)と、p形CIGS膜3上に形成されたn形CIGS膜4(n形化合物半導体層)と、n形CIGS膜4上に形成されたZn(O,S)膜5(n形バッファー層)と、Zn(O,S)膜5上に形成されたZnO膜6(n形窓層)と、ZnO膜6上に形成されたn形透明導電層7と、を含む構成である。なお、図1に示されたサブストレート型太陽電池において、n形CIGS膜4の厚さは0.3μm以下の範囲内とし、n形CIGS膜4の表面層近傍の平均キャリア濃度は1×1014cm-3以上3×1014cm-3以下の範囲内とし、Zn(O,S)膜5の厚さは0.08μm以上0.1μm以下の範囲内とし、Zn(O,S)膜5の表面層近傍の平均キャリア濃度は1×1015cm-3以上3×1015cm-3以下の範囲内とする。 A substrate type solar cell shown in FIG. 1 includes a substrate 1, a conductive layer 2 formed on the substrate 1, a p-type CIGS film 3 (p-type compound semiconductor layer) formed on the conductive layer 2, and An n-type CIGS film 4 (n-type compound semiconductor layer) formed on the p-type CIGS film 3, and a Zn (O, S) film 5 (n-type buffer layer) formed on the n-type CIGS film 4; , A ZnO film 6 (n-type window layer) formed on the Zn (O, S) film 5 and an n-type transparent conductive layer 7 formed on the ZnO film 6. In the substrate type solar cell shown in FIG. 1, the thickness of the n-type CIGS film 4 is within a range of 0.3 μm or less, and the average carrier concentration in the vicinity of the surface layer of the n-type CIGS film 4 is 1 × 10. 14 cm and -3 3 × 10 14 cm -3 in the range, Zn (O, S) the thickness of the film 5 was set within the following 0.1μm or 0.08μm, Zn (O, S) layer The average carrier concentration in the vicinity of the surface layer 5 is in the range of 1 × 10 15 cm −3 to 3 × 10 15 cm −3 .

図1に示されたサブストレート型太陽電池において、基板1、導電層2及びn形透明導電層7は、公知のいかなる材料で構成されていてもよい。   In the substrate type solar cell shown in FIG. 1, the substrate 1, the conductive layer 2, and the n-type transparent conductive layer 7 may be made of any known material.

図1に示されたサブストレート型太陽電池であれば、Zn(O,S)膜5におけるEC−EF(第1のエネルギー差)とn形CIGS膜4におけるEC−EF(第2のエネルギー差)との差が略同一となり、かつ、n形Zn(O,S)膜5とn形CIGS膜4との接合部におけるオフセットエネルギー差の半値とZn(O,S)膜5におけるEC−EF(第1のエネルギー差)との和が0.3eV以上0.5eV以下の範囲内となる。 If substrate type solar cell shown in FIG. 1, Zn (O, S) E in the membrane 5 C -E F (first energy difference) E in the n-type CIGS film 4 C -E F (No. 2) and the half value of the offset energy difference at the junction between the n-type Zn (O, S) film 5 and the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 E C −E F (first energy difference) in the range of 0.3 eV to 0.5 eV.

ここで、図1に示された構造の本実施の形態1に係る太陽電池のエネルギーバンド構造について、図5を参照しながら説明する。図5は、本実施の形態1に係る太陽電池の熱平衡状態又は短絡状態におけるエネルギーバンド構造を説明するための説明図である。なお、図5には、p形CIGS膜3、n形CIGS膜4、Zn(O,S)膜5、ZnO膜6及びn形透明導電層7のエネルギーバンド構造のみが表されており、図5の最下部にはそれらの各層の境界が表されている。また、図5の上部には、n形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との界面近傍におけるバンドオフセットの拡大図が表されている。   Here, the energy band structure of the solar cell according to Embodiment 1 having the structure shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an energy band structure in a thermal equilibrium state or a short-circuit state of the solar cell according to the first embodiment. FIG. 5 shows only the energy band structure of the p-type CIGS film 3, the n-type CIGS film 4, the Zn (O, S) film 5, the ZnO film 6 and the n-type transparent conductive layer 7. At the bottom of 5, the boundary between these layers is shown. Further, an enlarged view of the band offset in the vicinity of the interface between the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 is shown in the upper part of FIG.

図5に示されたように、n形CIGS膜4における底準位ECとZn(O,S)膜5における底準位ECとが略同一のエネルギー準位であり、Zn(O,S)膜5、ZnO膜6及びn形透明導電層7におけるそれぞれの底準位ECが順次に低いエネルギー準位となり、かつ、n形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との接合部において発生するバンドオフセットのオフセットエネルギー差ΔECと第1のエネルギー差(Zn(O,S)膜5におけるEC−EF)との和が第3のエネルギー差(p形CIGS膜3におけるEC−EF)以下であるため、太陽光の受光に伴ってp形CIGS膜3で発生する電子を、n形CIGS膜4、Zn(O,S)膜5及びZnO膜6を順次に経由してn形透明導電層7に良好に転送することができる。また、n形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との接合部におけるオフセットエネルギー差ΔECと第1のエネルギー差(Zn(O,S)膜5におけるEC−EF)との和が0.3eV以上であるため、ZnO膜6及びn形透明導電層7に一旦到達した電子がn形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との接合部におけるバンドオフセットを越えてn形CIGS膜4及びp形CIGS膜3に逆戻りすることを良好に抑制することができる。n形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との接合部におけるバンドオフセットが障壁として機能するからである。したがって、図1に示された本実施の形態1の太陽電池は、リーク電流が小さく、かつエネルギー変換効率が高い太陽電池となる。 As shown in FIG. 5, the bottom level E C and Zn (O, S) in n-type CIGS film 4 and the bottom level E C in the film 5 is substantially the same energy level, Zn (O, S) Each of the bottom levels E C in the film 5, the ZnO film 6 and the n-type transparent conductive layer 7 sequentially becomes a low energy level, and the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 The sum of the offset energy difference ΔE C of the band offset generated at the junction and the first energy difference (E C −E F in the Zn (O, S) film 5) is the third energy difference (p-type CIGS film 3). because it is E C -E F) or less, the electrons generated in the p-type CIGS film 3 with the light receiving sunlight, n-type CIGS film 4, Zn (O, S) the film 5 and ZnO film 6 sequentially in Can be transferred to the n-type transparent conductive layer 7 in a good manner. Further, the offset energy difference ΔE C at the junction between the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 and the first energy difference (E C −E F in the Zn (O, S) film 5) Since the sum is 0.3 eV or more, the electrons once reaching the ZnO film 6 and the n-type transparent conductive layer 7 exceed the band offset at the junction between the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5. Returning to the n-type CIGS film 4 and the p-type CIGS film 3 can be satisfactorily suppressed. This is because the band offset at the junction between the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 functions as a barrier. Therefore, the solar cell of the first embodiment shown in FIG. 1 is a solar cell with a small leakage current and high energy conversion efficiency.

また、本実施の形態1の太陽電池では、pn接合がp形CIGS膜3及びn形CIGS膜4からなるホモ接合であり、また、n形CIGS膜4に対するZn(O,S)膜5のカバレージが良好であるため、等価回路におけるシャント抵抗が1kΩ/cm2以上であり、かつダイオード指数(n値)が1.5程度である接合特性を実現することもできる。 In the solar cell of the first embodiment, the pn junction is a homojunction composed of the p-type CIGS film 3 and the n-type CIGS film 4, and the Zn (O, S) film 5 with respect to the n-type CIGS film 4 is used. Since the coverage is good, it is possible to realize a junction characteristic in which the shunt resistance in the equivalent circuit is 1 kΩ / cm 2 or more and the diode index (n value) is about 1.5.

図1に示されたサブストレート型太陽電池の製造方法について説明する。まず、基板1を準備する。基板1としては、Na等のIa族元素を含有する基板が好ましい。この構成であれば、p形CIGS膜3及びn形CIGS膜4の結晶性を向上させることができるからである。   A method for manufacturing the substrate type solar cell shown in FIG. 1 will be described. First, the substrate 1 is prepared. As the substrate 1, a substrate containing a group Ia element such as Na is preferable. This is because the crystallinity of the p-type CIGS film 3 and the n-type CIGS film 4 can be improved with this configuration.

次に、基板1上に導電層2を成膜する。導電層2の成膜には、スパッタ法等の公知のいかなる方法を用いてもよい。   Next, a conductive layer 2 is formed on the substrate 1. Any known method such as sputtering may be used for forming the conductive layer 2.

次に、導電層2上にp形CIGS結晶を成長させる。p形CIGS結晶の形成には、真空蒸着法、セレン化法等の公知のいかなる方法を用いてもよい。なお、最終的には、p形CIGS結晶の一部はn形CIGS膜4(n形化合物半導体層)に転換され、その他の部分がp形CIGS膜3(p形化合物半導体層)となる。   Next, a p-type CIGS crystal is grown on the conductive layer 2. For the formation of the p-type CIGS crystal, any known method such as a vacuum deposition method or a selenization method may be used. Finally, a part of the p-type CIGS crystal is converted into the n-type CIGS film 4 (n-type compound semiconductor layer), and the other part becomes the p-type CIGS film 3 (p-type compound semiconductor layer).

次に、p形CIGS結晶上に、Zn(O,S)膜5(n型バッファー層)を0.08μm以上0.1μm以下の膜厚で形成する。Zn(O,S)膜5の形成には、溶液成長法等の公知のいかなる方法を用いてもよいが、Zn(O,S)膜5のキャリア濃度が1×1015cm-3以上3×1015cm-3以下の範囲内となるように調整する。 Next, a Zn (O, S) film 5 (n-type buffer layer) is formed on the p-type CIGS crystal with a film thickness of 0.08 μm or more and 0.1 μm or less. Any known method such as a solution growth method may be used to form the Zn (O, S) film 5, but the carrier concentration of the Zn (O, S) film 5 is 1 × 10 15 cm −3 or more 3 It adjusts so that it may become in the range of * 10 < 15 > cm <-3> or less.

ここで、溶液成長法を適用してZn(O,S)膜5を形成する場合について、具体的に説明する。まず、水を溶媒として、Zn塩、硫化物、錯化剤及びZn(O,S)膜5においてドナーとして機能することとなるn形不純物を含有する物質を水等の溶媒に溶解させて、Zn(O,S)膜5を形成するためのアルカリ性の材料溶液を調製する。Zn塩としては、ZnSO4が例示でき、硫化物としてはSC(NH22が例示でき、錯化剤としてはNH3が例示できる。 Here, the case where the Zn (O, S) film 5 is formed by applying the solution growth method will be specifically described. First, using water as a solvent, a substance containing an n-type impurity that will function as a donor in the Zn salt, sulfide, complexing agent and Zn (O, S) film 5 is dissolved in a solvent such as water. An alkaline material solution for forming the Zn (O, S) film 5 is prepared. An example of the Zn salt is ZnSO 4 , an example of the sulfide is SC (NH 2 ) 2 , and an example of the complexing agent is NH 3 .

次に、所定の温度に保持された材料溶液に、基板1、導電層2及びp形CIGS結晶からなる積層体を浸漬して、p形CIGS結晶の表面にZn、O及びS等を析出させる。これにより、p形CIGS結晶上にZn(O,S,OH)膜が成膜される。なお、Zn(O,S,OH)膜の溶液成長は、アルカリ溶液中でのZn塩、硫化物及び錯化剤の反応に基づいて進行する。ここで、Zn(O,S,OH)膜におけるO及びHは、少なくとも材料溶液の溶媒である水(H2O)から供給されることに注意を要する。 Next, a laminate composed of the substrate 1, the conductive layer 2, and the p-type CIGS crystal is immersed in a material solution maintained at a predetermined temperature to deposit Zn, O, S, etc. on the surface of the p-type CIGS crystal. . Thereby, a Zn (O, S, OH) film is formed on the p-type CIGS crystal. The solution growth of the Zn (O, S, OH) film proceeds based on the reaction of Zn salt, sulfide and complexing agent in the alkaline solution. Here, it should be noted that O and H in the Zn (O, S, OH) film are supplied from at least water (H 2 O) which is a solvent of the material solution.

Zn(O,S,OH)膜を成膜した後、直ちに窒素ガス雰囲気中又は空気中でアニール処理(加熱処理)を行う。これにより、Zn(O,S,OH)膜からOH基をできる限り除去して、Zn(O,S)膜5(n形バッファー層)を形成する。また、このアニール処理によって、Zn(O,S,OH)膜に含まれていたZnがp形CIGS結晶の内部に拡散し、Zn(O,S)膜5側のp形CIGS結晶の表面層がn形CIGS膜4(n形化合物半導体層)となり、p形CIGS結晶のうちZnの拡散しなかった部分がp形CIGS膜3(p形化合物半導体層)となる。   After forming the Zn (O, S, OH) film, an annealing process (heating process) is immediately performed in a nitrogen gas atmosphere or in air. Thereby, OH groups are removed from the Zn (O, S, OH) film as much as possible, and the Zn (O, S) film 5 (n-type buffer layer) is formed. Further, by this annealing treatment, Zn contained in the Zn (O, S, OH) film is diffused into the p-type CIGS crystal, and the surface layer of the p-type CIGS crystal on the Zn (O, S) film 5 side. Becomes the n-type CIGS film 4 (n-type compound semiconductor layer), and the part of the p-type CIGS crystal where Zn has not diffused becomes the p-type CIGS film 3 (p-type compound semiconductor layer).

上記のように溶液成長法を適用した場合、最終的に形成されるZn(O,S)膜5の組成は、材料溶液に溶解させるZn塩の濃度や、材料溶液のpHや、Zn(O,S,OH)膜を析出させる際の材料溶液の温度を調整することにより制御される。また、Zn(O,S)膜5のキャリア濃度は、材料溶液に溶解させるn形不純物の濃度や、材料溶液のpHや、Zn(O,S,OH)膜を析出させる際の材料溶液の温度を調整することにより制御される。なお、Zn(O,S)膜5にn形不純物をドープしなくても所望のキャリア濃度を実現できる場合には材料溶液にn形不純物を溶解させなくともよいが、溶液成長法を適用して形成されるZn(O,S)膜5は電気抵抗が高抵抗化し易いので材料溶液にはn形不純物を溶解させることが好ましい。   When the solution growth method is applied as described above, the composition of the finally formed Zn (O, S) film 5 is such that the concentration of the Zn salt dissolved in the material solution, the pH of the material solution, Zn (O , S, OH) film is controlled by adjusting the temperature of the material solution when the film is deposited. The carrier concentration of the Zn (O, S) film 5 is such that the concentration of the n-type impurity dissolved in the material solution, the pH of the material solution, and the material solution when the Zn (O, S, OH) film is deposited. It is controlled by adjusting the temperature. If a desired carrier concentration can be realized without doping the Zn (O, S) film 5 with an n-type impurity, the n-type impurity does not have to be dissolved in the material solution, but a solution growth method is applied. Since the Zn (O, S) film 5 formed in this manner is likely to have high electric resistance, it is preferable to dissolve n-type impurities in the material solution.

また、上記のようにn形CIGS膜4をZnの拡散により形成する場合、n形CIGS膜4の厚さ及びキャリア濃度は、アニール処理における処理温度及び処理時間を調整することにより制御される。つまり、Zn拡散のプロファイルを制御して、n形CIGS膜4の厚さを0.3μm以下の範囲内とし、n形CIGS膜4の表面層近傍の平均キャリア濃度を1×1014cm-3以上3×1014cm-3以下の範囲内に調整する。なお、n形CIGS膜4の厚さ及びキャリア濃度は、Zn(O,S,OH)膜におけるZnの含有率にも依存することに注意を要する。 When the n-type CIGS film 4 is formed by Zn diffusion as described above, the thickness and carrier concentration of the n-type CIGS film 4 are controlled by adjusting the processing temperature and processing time in the annealing process. That is, the Zn diffusion profile is controlled so that the thickness of the n-type CIGS film 4 is within a range of 0.3 μm or less, and the average carrier concentration in the vicinity of the surface layer of the n-type CIGS film 4 is 1 × 10 14 cm −3. Adjust to the range of 3 × 10 14 cm −3 or less. Note that the thickness and carrier concentration of the n-type CIGS film 4 also depend on the Zn content in the Zn (O, S, OH) film.

溶液成長法を適用して形成されたZn(O,S,OH)膜は、他の方法を適用して形成した場合よりピンホールの発生が非常に少なく、凹凸を有するp形CIGS結晶の表面に対するカバレージもよい。これにより、最終的には、n形CIGS膜4に対するZn(O,S)膜5のカバレージもまた良好となる。また、100℃以下の温度でZn(O,S,OH)膜を成膜することができる。100℃以下の温度で製膜できるので溶液成長装置の構成が簡単でかつ温度制御が容易である利点がある。また、製膜時に、CIGS膜に与えるダメージが非常に小さくなる。また、材料溶液に積層体を浸漬した際に、材料溶液がアルカリ性であるために、p形CIGS結晶の表面がわずかにエッチングされることでその表面が改質される。表面の改質により、Zn(O,S,OH)膜の結晶性が向上し、かつp形CIGS結晶とZn(O,S,OH)膜との界面における界面欠陥が低減する。これにより、最終的には、n形CIGS膜4とZn(O,S)膜5との界面欠陥が低減する。   The Zn (O, S, OH) film formed by applying the solution growth method has much less pinholes than those formed by other methods, and the surface of the p-type CIGS crystal having irregularities. The coverage against is also good. Thereby, finally, the coverage of the Zn (O, S) film 5 with respect to the n-type CIGS film 4 is also improved. In addition, a Zn (O, S, OH) film can be formed at a temperature of 100 ° C. or lower. Since the film can be formed at a temperature of 100 ° C. or less, there is an advantage that the structure of the solution growth apparatus is simple and the temperature control is easy. Moreover, the damage given to the CIGS film at the time of film formation becomes very small. Further, when the laminate is immersed in the material solution, the surface of the p-type CIGS crystal is modified by slightly etching the surface of the p-type CIGS crystal because the material solution is alkaline. The surface modification improves the crystallinity of the Zn (O, S, OH) film and reduces interface defects at the interface between the p-type CIGS crystal and the Zn (O, S, OH) film. Thereby, finally, the interface defect between the n-type CIGS film 4 and the Zn (O, S) film 5 is reduced.

次に、Zn(O,S)膜5上に、ZnO膜6を成膜する。ZnO膜6の形成には、スパッタ法等の公知のいかなる方法を用いてもよい。なお、ZnO膜6は高抵抗膜でもよいが、わずかにn形キャリア(ドナー)を有する膜の方が好ましい。ZnO膜6が高抵抗膜であれば、太陽電池の等価回路における直列抵抗の抵抗値が増加するためにエネルギー変換効率等の太陽電池特性と低下させるからである。ZnO膜6のキャリア濃度を調整するためのn形不純物としては、Al、In等が好ましい。また、Zn(O,S)膜5を0.8μm以上0.1μm以下の膜厚で形成するため、スパッタ法を適用してZnO膜6を成膜してもp形CIGS膜3及びn形CIGS膜4にスパッタダメージはほとんど生じない。   Next, a ZnO film 6 is formed on the Zn (O, S) film 5. Any known method such as sputtering may be used to form the ZnO film 6. The ZnO film 6 may be a high resistance film, but a film having a slight n-type carrier (donor) is preferable. This is because if the ZnO film 6 is a high resistance film, the resistance value of the series resistance in the equivalent circuit of the solar cell is increased, and thus the solar cell characteristics such as energy conversion efficiency are lowered. As the n-type impurity for adjusting the carrier concentration of the ZnO film 6, Al, In, or the like is preferable. Further, since the Zn (O, S) film 5 is formed with a film thickness of 0.8 μm or more and 0.1 μm or less, the p-type CIGS film 3 and the n-type film are formed even if the ZnO film 6 is formed by applying the sputtering method. Sputter damage hardly occurs in the CIGS film 4.

次に、ZnO膜6上に、n形透明導電層7を成膜する。n形透明導電層7の形成には、スパッタ法等の公知のいかなる方法を用いてもよい。   Next, an n-type transparent conductive layer 7 is formed on the ZnO film 6. Any known method such as sputtering may be used to form the n-type transparent conductive layer 7.

本実施例1においては、上記の実施の形態1に係る太陽電池の一例について、より具体的に説明する。なお、図1を便宜的に参照する。   In Example 1, an example of the solar cell according to Embodiment 1 will be described more specifically. For convenience, FIG. 1 is referred to.

本実施例1の太陽電池は、基板1としてのソーダライムガラス基板と、導電層2としてのMo膜と、p形化合物半導体層としてのp形CIGS膜3と、n形化合物半導体層としてのn形CIGS膜4と、n形バッファー層としてのZn(O,S)膜5と、n形窓層としてのZnO膜6と、n形透明導電層7としてのITO膜とを含む構成である。   The solar cell of Example 1 includes a soda lime glass substrate as a substrate 1, a Mo film as a conductive layer 2, a p-type CIGS film 3 as a p-type compound semiconductor layer, and an n-type compound semiconductor layer. The structure includes a CIGS film 4, a Zn (O, S) film 5 as an n-type buffer layer, a ZnO film 6 as an n-type window layer, and an ITO film as an n-type transparent conductive layer 7.

本実施例1の太陽電池の製造方法を説明する。まず、基板1としてのソーダライムガラス基板上に、導電層2としてMo膜をスパッタ法により約0.4μmの膜厚まで成膜する。例えば、ソーダライムガラス基板は加熱しないで、投入電力は1.5kW、雰囲気圧力は1Paの製膜条件で製膜を行う。次に、Mo膜上に、p形CIGS結晶を蒸着法により約2μmの膜厚まで成膜する。蒸着源として、Cu蒸着源,In蒸着源,Ga蒸着源,Se蒸着源を備えた蒸着装置を用い、まず、Cu/(In+Ga)=0.85〜0.9、Ga/(In+Ga)=0.25の設定で、ソーダライムガラス基板温度350℃で形成し、次にソーダライムガラス基板温度を500℃にして、Cu/(In+Ga)=0.7、Ga/(In+Ga)=0.25の設定で製膜を行った。次に、n形バッファー層として、温度が80℃に保持された材料溶液に、ソーダライムガラス基板、Mo膜及びp形CIGS膜を有する積層体を浸漬してZn(O,S,OH)膜を約0.1μmの膜厚まで成膜した。材料溶液は、ZnSO4、SC(NH22、NH3の混合溶液であり、ZnSO4濃度は0.16M(モル)、SC(NH2)濃度は0.6M、NH3濃度は7.5Mとした。また、混合溶液にはドーパントとしてAlを0.01mg入れて、十分に溶かしたものを用いた。次に、Zn(O,S,OH)膜が更に形成された積層体に対して、窒素ガス雰囲気中において200℃で10分間アニール処理を行った。これにより、実質的にOH基を含有しないZn(O0.780.22)膜5が形成され、かつ、p形CIGS結晶の表面層にZnを含有するn型CIGS膜4(n形化合物半導体層)が形成された。次に、Zn(O,S)膜5上に、スパッタ法によりn形窓層としてZnO膜6を約0.1μmの膜厚まで成膜する。ソーダライムガラス基板を加熱しないで、投入電力200W、雰囲気圧力3Paの条件で製膜した。次に、ZnO膜6上に、スパッタ法によりn形透明導電層7としてITO膜を約0.4μmの膜厚まで成膜する。ソーダライムガラス基板を加熱しないで、投入電力1.5kW、雰囲気圧力0.3Paの条件で製膜した。これにより、図1に示された構造を有する本実施例1の太陽電池の製造が完了した。 A method for manufacturing the solar cell of Example 1 will be described. First, a Mo film is formed as a conductive layer 2 on a soda lime glass substrate as the substrate 1 to a film thickness of about 0.4 μm by sputtering. For example, the soda lime glass substrate is not heated, and the film is formed under the film forming conditions where the input power is 1.5 kW and the atmospheric pressure is 1 Pa. Next, a p-type CIGS crystal is deposited on the Mo film to a thickness of about 2 μm by vapor deposition. As a deposition source, a deposition apparatus including a Cu deposition source, an In deposition source, a Ga deposition source, and a Se deposition source is used. First, Cu / (In + Ga) = 0.85 to 0.9, Ga / (In + Ga) = 0. .25 at a soda lime glass substrate temperature of 350 ° C., then a soda lime glass substrate temperature of 500 ° C., Cu / (In + Ga) = 0.7, Ga / (In + Ga) = 0.25 Film formation was performed at the setting. Next, a Zn (O, S, OH) film is obtained by immersing a laminate having a soda lime glass substrate, a Mo film and a p-type CIGS film in a material solution maintained at a temperature of 80 ° C. as an n-type buffer layer. Was formed to a film thickness of about 0.1 μm. The material solution is a mixed solution of ZnSO 4 , SC (NH 2 ) 2 , and NH 3. The ZnSO 4 concentration is 0.16 M (mol), the SC (NH 2 ) concentration is 0.6 M, and the NH 3 concentration is 7. 5M. The mixed solution was 0.01 mg of Al as a dopant and sufficiently dissolved. Next, the laminated body on which the Zn (O, S, OH) film was further formed was annealed at 200 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere. As a result, a Zn (O 0.78 S 0.22 ) film 5 substantially free of OH groups is formed, and an n-type CIGS film 4 (n-type compound semiconductor layer) containing Zn in the surface layer of the p-type CIGS crystal Formed. Next, a ZnO film 6 is formed as an n-type window layer on the Zn (O, S) film 5 to a thickness of about 0.1 μm by sputtering. Without heating the soda lime glass substrate, a film was formed under the conditions of an input power of 200 W and an atmospheric pressure of 3 Pa. Next, an ITO film is formed as a n-type transparent conductive layer 7 on the ZnO film 6 to a thickness of about 0.4 μm by sputtering. Without heating the soda lime glass substrate, a film was formed under the conditions of an input power of 1.5 kW and an atmospheric pressure of 0.3 Pa. Thereby, the manufacture of the solar cell of Example 1 having the structure shown in FIG. 1 was completed.

本実施例1の太陽電池のp形CIGS膜3において、Cu、In、Ga及びSeの含有率は、それぞれ、25原子%、18原子%、7原子%及び50原子%であり、エネルギーギャップは1.12eVであり、キャリア濃度は、1×1016cm-3であった。また、本実施例1の太陽電池のn形CIGS膜4において、Cu、In、Ga、及びSeの含有率は、それぞれ、25原子%、18原子%、7原子%及び50原子%であり、エネルギーギャップは1.12eVであり、第2のエネルギー差(EC−EF)は0.21eVであり、表面層近傍の平均キャリア濃度は2×1014cm-3であり、膜厚は約0.3μmであった。また、本実施例1の太陽電池のZn(O,S)膜5において、Zn、O、及びSの含有率は、それぞれ、50原子%、39原子%、及び11原子%であり、第1のエネルギー差(EC−EF)は0.21eVであり、キャリア濃度は1×1015cm-3であった。また、ZnO膜6において、n形不純物によるキャリア濃度は1×1015cm-3であった。 In the p-type CIGS film 3 of the solar cell of Example 1, the contents of Cu, In, Ga, and Se are 25 atomic%, 18 atomic%, 7 atomic%, and 50 atomic%, respectively, and the energy gap is The carrier concentration was 1 × 10 16 cm −3 . In the n-type CIGS film 4 of the solar cell of Example 1, the contents of Cu, In, Ga, and Se are 25 atomic%, 18 atomic%, 7 atomic%, and 50 atomic%, respectively. The energy gap is 1.12 eV, the second energy difference (E C −E F ) is 0.21 eV, the average carrier concentration in the vicinity of the surface layer is 2 × 10 14 cm −3 , and the film thickness is about It was 0.3 μm. Moreover, in the Zn (O, S) film 5 of the solar cell of Example 1, the contents of Zn, O, and S are 50 atomic%, 39 atomic%, and 11 atomic%, respectively. The energy difference (E C −E F ) was 0.21 eV, and the carrier concentration was 1 × 10 15 cm −3 . In the ZnO film 6, the carrier concentration due to the n-type impurity was 1 × 10 15 cm −3 .

ここで、各組成(含有率)は、EDXによって測定した。各キャリア濃度は ホール測定あるいはCV測定によって求めた。n形化合物半導体層4の膜厚は、SIMS等によるZn拡散のプロファイルを分析することにより測定した。   Here, each composition (content rate) was measured by EDX. Each carrier concentration was obtained by Hall measurement or CV measurement. The film thickness of the n-type compound semiconductor layer 4 was measured by analyzing a Zn diffusion profile by SIMS or the like.

また、本実施例1の太陽電池では、第1のエネルギー差とオフセットエネルギー差との和が0.2eVであった。バンドオフセットは、XPS又はUPSによって求められる。   In the solar cell of Example 1, the sum of the first energy difference and the offset energy difference was 0.2 eV. The band offset is obtained by XPS or UPS.

本実施例1の太陽電池に対して、AM(エアマス)が1.5であり、強度が100mW/cm2である擬似太陽光下で太陽電池特性を測定したところ、解放端電圧(VOC)が0.67Vであり、短絡電流(JSC)が38mA/cm2であり、曲線因子(FF)が0.73であり、エネルギー変換効率が18.5%であり、ダイオード指数(n値)が1.5であった。これらの測定値からわかるように、本実施例1の太陽電池は、エネルギー変換効率等の太陽電池特性が非常に優れた太陽電池となった。 When the solar cell characteristics were measured under simulated sunlight with an AM (air mass) of 1.5 and an intensity of 100 mW / cm 2 with respect to the solar cell of Example 1, the open-circuit voltage (V OC ) Is 0.67V, the short-circuit current (J SC ) is 38 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.73, the energy conversion efficiency is 18.5%, and the diode index (n value) Was 1.5. As can be seen from these measured values, the solar cell of Example 1 was a solar cell with extremely excellent solar cell characteristics such as energy conversion efficiency.

本発明は、太陽電池のエネルギー変換効率等の特性を向上させるために利用できる。   The present invention can be used to improve characteristics such as energy conversion efficiency of solar cells.

本実施の形態1に係る太陽電池の構造を表す模式的な断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a solar cell according to Embodiment 1. FIG. 本実施の形態の太陽電池におけるn形化合物半導体とn形バッファー層とn形窓層とのエネルギーバンド構造を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the energy band structure of the n-type compound semiconductor, n-type buffer layer, and n-type window layer in the solar cell of this Embodiment. 本実施の形態の太陽電池のn形化合物半導体層(n形CIGS膜)におけるキャリア濃度と第1のエネルギー差(EC−EF)との相関を表す相関図である。It is a correlation diagram showing the correlation between the n-type compound semiconductor layer of the solar cell of this embodiment the energy difference carrier concentration and the first in the (n-type CIGS film) (E C -E F). 本実施の形態の太陽電池のn形バッファー層(Zn系化合物膜)における組成と第2のエネルギー差(EC−EF)との相関を表す相関図である。It is a correlation diagram showing the correlation between the n-type buffer layer of the solar cell of this embodiment (Zn compound layer) composition and second energy difference in (E C -E F). 実施の形態1に係る太陽電池の熱平衡状態又は短絡状態におけるエネルギーバンド構造を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the energy band structure in the thermal equilibrium state or short circuit state of the solar cell which concerns on Embodiment 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 導電層
3 p形CIGS膜(p形化合物半導体層)
4 n形CIGS膜(n形化合物半導体層)
5 Zn(O,S)膜(n形バッファー層)
6 ZnO膜(n形窓層)
7 n形透明導電層
1 substrate 2 conductive layer 3 p-type CIGS film (p-type compound semiconductor layer)
4 n-type CIGS film (n-type compound semiconductor layer)
5 Zn (O, S) film (n-type buffer layer)
6 ZnO film (n-type window layer)
7 n-type transparent conductive layer

Claims (9)

基板と、
前記基板上に形成された導電層と、
前記導電層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するp形化合物半導体層と、
前記p形化合物半導体層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するn形化合物半導体層と、
前記n形化合物半導体層上に形成されたn形バッファー層と、
前記n形バッファー層上に形成されたn形窓層と、
前記n形窓層上に形成されたn形透明導電層と、
を含む太陽電池であって、
フェルミ準位から前記n形バッファー層における伝導帯の底準位までの第1のエネルギー差から、前記フェルミ準位から前記n形化合物半導体層における伝導帯の底準位までの第2のエネルギー差を減じた差が、−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内であり、
前記n形バッファー層と前記n形化合物半導体層との接合部におけるバンドオフセットの最小準位から最大準位までのオフセットエネルギー差の半値と前記第1のエネルギー差との和が、0.3eV以上0.9eV以下の範囲内であることを特徴とする太陽電池。
A substrate,
A conductive layer formed on the substrate;
A p-type compound semiconductor layer formed on the conductive layer and containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element;
An n-type compound semiconductor layer formed on the p-type compound semiconductor layer and containing a group Ib element, a group IIIb element, and a group VIb element;
An n-type buffer layer formed on the n-type compound semiconductor layer;
An n-type window layer formed on the n-type buffer layer;
An n-type transparent conductive layer formed on the n-type window layer;
A solar cell comprising:
A second energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer from the first energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type buffer layer. Is within a range of −0.1 eV or more and 0.1 eV or less,
The sum of the half value of the offset energy difference from the minimum level to the maximum level of the band offset at the junction between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer and the first energy difference is 0.3 eV or more. A solar cell characterized by being in a range of 0.9 eV or less.
基板と、
前記基板上に形成されたn形透明導電層と、
前記n形透明導電層上に形成されたn形窓層と、
前記n形窓層上に形成されたn形バッファー層と、
前記n形バッファー層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するn形化合物半導体層と、
前記n形化合物半導体層上に形成された、Ib族元素、IIIb族元素及びVIb族元素を含有するp形化合物半導体層と、
前記p形化合物半導体層上に形成された導電層と、
を含む太陽電池であって、
フェルミ準位から前記n形バッファー層における伝導帯の底準位までの第1のエネルギー差から、前記フェルミ準位から前記n形化合物半導体層における伝導帯の底準位までの第2のエネルギー差を減じた差が、−0.1eV以上0.1eV以下の範囲内であり、
前記n形バッファー層と前記n形化合物半導体層との接合部におけるバンドオフセットの最小準位から最大準位までのオフセットエネルギー差の半値と前記第1のエネルギー差との和が、0.3eV以上0.9eV以下の範囲内であることを特徴とする太陽電池。
A substrate,
An n-type transparent conductive layer formed on the substrate;
An n-type window layer formed on the n-type transparent conductive layer;
An n-type buffer layer formed on the n-type window layer;
An n-type compound semiconductor layer containing an Ib group element, a IIIb group element, and a VIb group element formed on the n-type buffer layer;
A p-type compound semiconductor layer containing a group Ib element, a group IIIb element and a group VIb element formed on the n-type compound semiconductor layer;
A conductive layer formed on the p-type compound semiconductor layer;
A solar cell comprising:
A second energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type compound semiconductor layer from the first energy difference from the Fermi level to the bottom level of the conduction band in the n-type buffer layer. Is within a range of −0.1 eV or more and 0.1 eV or less,
The sum of the half value of the offset energy difference from the minimum level to the maximum level of the band offset at the junction between the n-type buffer layer and the n-type compound semiconductor layer and the first energy difference is 0.3 eV or more. A solar cell characterized by being in a range of 0.9 eV or less.
前記第1のエネルギー差と前記第2のエネルギー差とが略同一である請求項1又は2に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1 or 2, wherein the first energy difference and the second energy difference are substantially the same. 前記オフセットエネルギー差の半値と前記第1のエネルギー差との和が、0.5eV以下である請求項1又は2に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1 or 2, wherein a sum of a half value of the offset energy difference and the first energy difference is 0.5 eV or less. 前記p形化合物半導体層が、p形Cu(In,Ga)Se2膜であり、
前記n形化合物半導体層が、n形Cu(In,Ga)Se2膜であり、
前記n形バッファー層が、Zn(O,S)系化合物膜であり、
前記n形窓層が、ZnO膜である請求項1又は2に記載の太陽電池。
The p-type compound semiconductor layer is a p-type Cu (In, Ga) Se 2 film;
The n-type compound semiconductor layer is an n-type Cu (In, Ga) Se 2 film;
The n-type buffer layer is a Zn (O, S) -based compound film;
The solar cell according to claim 1, wherein the n-type window layer is a ZnO film.
前記Zn(O,S)系化合物膜が、Zn(O,S)膜又はZn(O,S,OH)膜である請求項5に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 5, wherein the Zn (O, S) -based compound film is a Zn (O, S) film or a Zn (O, S, OH) film. 前記n形Cu(In,Ga)Se2膜における前記n形バッファー層側の表面層近傍の平均キャリア濃度が、1×1014cm-3以上3×1014cm-3以下の範囲内であり、
前記Zn(O,S)系化合物膜における前記n形Cu(In,Ga)Se2膜側の表面層近傍の平均キャリア濃度が、1×1015cm-3以上3×1015cm-3以下の範囲内である請求項5に記載の太陽電池。
The average carrier concentration in the vicinity of the surface layer on the n-type buffer layer side in the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film is in the range of 1 × 10 14 cm −3 or more and 3 × 10 14 cm −3 or less. ,
The average carrier concentration in the vicinity of the surface layer on the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film side in the Zn (O, S) -based compound film is 1 × 10 15 cm −3 or more and 3 × 10 15 cm −3 or less. The solar cell according to claim 5, which falls within the range of
前記n形Cu(In,Ga)Se2膜の厚さが、0.3μm以下の範囲内である請求項5に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 5, wherein a thickness of the n-type Cu (In, Ga) Se 2 film is in a range of 0.3 μm or less. 前記Zn(O,S)系化合物膜の厚さが、0.08μm以上0.1μm以下の範囲内である請求項5に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 5, wherein a thickness of the Zn (O, S) -based compound film is in a range of 0.08 μm to 0.1 μm.
JP2004037115A 2004-02-13 2004-02-13 Solar battery Withdrawn JP2005228975A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004037115A JP2005228975A (en) 2004-02-13 2004-02-13 Solar battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004037115A JP2005228975A (en) 2004-02-13 2004-02-13 Solar battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005228975A true JP2005228975A (en) 2005-08-25

Family

ID=35003433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004037115A Withdrawn JP2005228975A (en) 2004-02-13 2004-02-13 Solar battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005228975A (en)

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008510310A (en) * 2004-08-18 2008-04-03 ハーン−マイトネル−インスチツート ベルリン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Method of applying a zinc sulfide buffer layer by chemical bath deposition on an absorption layer of a semiconductor substrate, in particular a chalcopyrite thin film solar cell
WO2009069582A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Showa Shell Sekiyu K.K. Laminated structure for cis-family solar cell, and integrated structure and manufacturing method for cis-family thin-film solar cell
JP2010192689A (en) * 2009-02-18 2010-09-02 Tdk Corp Solar cell, and method of manufacturing the same
WO2011072975A2 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 Sulfurcell Solartechnik Gmbh Chalcopyrite thin-film solar cell comprising cds/(zn(s,o) buffer layer and associated method of production
JP2011151160A (en) * 2010-01-21 2011-08-04 Ritsumeikan Thin film solar cell and method for manufacturing the same
JP2011210792A (en) * 2010-03-29 2011-10-20 Kyocera Corp Photoelectric converter and method for manufacturing photoelectric converter
JP2011210793A (en) * 2010-03-29 2011-10-20 Kyocera Corp Photoelectric converter and method for manufacturing photoelectric converter
WO2012153641A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
WO2012153640A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
WO2012153639A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2013089669A (en) * 2011-10-14 2013-05-13 Ritsumeikan Thin film solar cell, and manufacturing method therefor
WO2013073149A1 (en) * 2011-11-16 2013-05-23 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2013106012A (en) * 2011-11-16 2013-05-30 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
JP2013539242A (en) * 2010-10-11 2013-10-17 エルジー イノテック カンパニー リミテッド Solar cell and manufacturing method thereof
JP2014045000A (en) * 2012-08-24 2014-03-13 Nitto Denko Corp Compound solar cell and method for manufacturing the same
JP2014082456A (en) * 2012-09-26 2014-05-08 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
KR20150092991A (en) * 2014-02-06 2015-08-17 한국전자통신연구원 CIGS solar cell
JP2015179863A (en) * 2015-05-18 2015-10-08 株式会社東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2016012602A (en) * 2014-06-27 2016-01-21 京セラ株式会社 Photoelectric conversion device
KR101735498B1 (en) * 2015-11-06 2017-05-15 영남대학교 산학협력단 thin film solar cell and method of manufacturing the same
US9705018B2 (en) 2012-11-20 2017-07-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Photoelectric conversion element, method for manufacturing photoelectric conversion element, and solar cell

Cited By (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008510310A (en) * 2004-08-18 2008-04-03 ハーン−マイトネル−インスチツート ベルリン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Method of applying a zinc sulfide buffer layer by chemical bath deposition on an absorption layer of a semiconductor substrate, in particular a chalcopyrite thin film solar cell
US8691619B2 (en) 2007-11-30 2014-04-08 Showa Shell Sekiyu, K.K. Laminated structure for CIS based solar cell, and integrated structure and manufacturing method for CIS based thin-film solar cell
WO2009069582A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Showa Shell Sekiyu K.K. Laminated structure for cis-family solar cell, and integrated structure and manufacturing method for cis-family thin-film solar cell
JP2010192689A (en) * 2009-02-18 2010-09-02 Tdk Corp Solar cell, and method of manufacturing the same
WO2011072975A2 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 Sulfurcell Solartechnik Gmbh Chalcopyrite thin-film solar cell comprising cds/(zn(s,o) buffer layer and associated method of production
WO2011072975A3 (en) * 2009-12-18 2012-06-07 Sulfurcell Solartechnik Gmbh Chalcopyrite thin-film solar cell comprising cds/(zn(s,o) buffer layer and associated method of production
JP2011151160A (en) * 2010-01-21 2011-08-04 Ritsumeikan Thin film solar cell and method for manufacturing the same
JP2011210792A (en) * 2010-03-29 2011-10-20 Kyocera Corp Photoelectric converter and method for manufacturing photoelectric converter
JP2011210793A (en) * 2010-03-29 2011-10-20 Kyocera Corp Photoelectric converter and method for manufacturing photoelectric converter
EP2506313A4 (en) * 2010-10-11 2017-08-09 LG Innotek Co., Ltd. Solar cell and method for manufacturing same
JP2013539242A (en) * 2010-10-11 2013-10-17 エルジー イノテック カンパニー リミテッド Solar cell and manufacturing method thereof
WO2012153639A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2012235023A (en) * 2011-05-06 2012-11-29 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
JP2012235024A (en) * 2011-05-06 2012-11-29 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
JP2012235019A (en) * 2011-05-06 2012-11-29 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
WO2012153640A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
WO2012153641A1 (en) * 2011-05-06 2012-11-15 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
CN103503160B (en) * 2011-05-06 2016-07-27 株式会社东芝 Photo-electric conversion element and solaode
CN103503160A (en) * 2011-05-06 2014-01-08 株式会社东芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2013089669A (en) * 2011-10-14 2013-05-13 Ritsumeikan Thin film solar cell, and manufacturing method therefor
JP2013106012A (en) * 2011-11-16 2013-05-30 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
JP2013106013A (en) * 2011-11-16 2013-05-30 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
WO2013073149A1 (en) * 2011-11-16 2013-05-23 株式会社 東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
JP2014045000A (en) * 2012-08-24 2014-03-13 Nitto Denko Corp Compound solar cell and method for manufacturing the same
EP2889919A4 (en) * 2012-08-24 2016-04-20 Nitto Denko Corp Compound solar cell and method for manufacturing same
US10304978B2 (en) 2012-08-24 2019-05-28 Nitto Denko Corporation Compound solar cell and production method therefor
JP2014082456A (en) * 2012-09-26 2014-05-08 Toshiba Corp Photoelectric conversion element and solar cell
US9705018B2 (en) 2012-11-20 2017-07-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Photoelectric conversion element, method for manufacturing photoelectric conversion element, and solar cell
KR20150092991A (en) * 2014-02-06 2015-08-17 한국전자통신연구원 CIGS solar cell
KR102192943B1 (en) * 2014-02-06 2020-12-18 한국전자통신연구원 CIGS solar cell
JP2016012602A (en) * 2014-06-27 2016-01-21 京セラ株式会社 Photoelectric conversion device
JP2015179863A (en) * 2015-05-18 2015-10-08 株式会社東芝 Photoelectric conversion element and solar cell
KR101735498B1 (en) * 2015-11-06 2017-05-15 영남대학교 산학협력단 thin film solar cell and method of manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110240123A1 (en) Photovoltaic Cells With Improved Electrical Contact
JP2005228975A (en) Solar battery
US7557294B2 (en) Solar cell and production thereof
US20070257255A1 (en) Thin film solar cells by selenization sulfurization using diethyl selenium as a selenium precursor
KR101893411B1 (en) A preparation method of solar cell using ZnS buffer layer
US8044477B1 (en) Photovoltaic device and method for making
EP2530724A2 (en) Photovoltaic devices and method of making
EP1517378A2 (en) Semiconductor film, method for manufacturing the semiconductor film, solar cell using the semiconductor film and method for manufacturing the solar cell
KR20170036596A (en) A solar cell comprising CZTS Thin film with a oxide buffer layer and a method of manufacturing the same
KR20150051181A (en) PREPARATION METHOD OF CZTSSe-BASED THIN FILM SOLAR CELL AND CZTSSe-BASED THIN FILM SOLAR CELL PREPARED BY THE METHOD
JP2011129631A (en) Method of manufacturing cis thin film solar cell
KR101067295B1 (en) Photovoltaic Device And Manufacturing Method Thereof
WO2011123117A1 (en) Photovoltaic cells with improved electrical contact
KR101415251B1 (en) Multiple-Layered Buffer, and Its Fabrication Method, and Solor Cell with Multiple-Layered Buffer.
US9447489B2 (en) Methods of making photovoltaic devices and photovoltaic devices
KR100418379B1 (en) Thin Film Solar Cell Using a Surface Modified Indium Tin Oxide and Method for Preparing the Same
KR102015985B1 (en) Method for manufacturing CIGS thin film for solar cell
US20150249171A1 (en) Method of making photovoltaic device comprising i-iii-vi2 compound absorber having tailored atomic distribution
EP2437289A2 (en) Photovoltaic device and method for making
KR102513863B1 (en) Flexible CZTSSe thin film solar cells and manufacturing method thereof
JP2003179237A (en) Forming method of semiconductor thin film and solar battery
JP2019071342A (en) Method of manufacturing thin film solar cell
KR102596328B1 (en) Preparation method for CZTS thin film solar cell absorbing layer, CZTS thin film solar cell absorbing layer prepared therefrom
CN107735867B (en) Photovoltaic cell and manufacturing method thereof
JP2005117012A (en) Semiconductor film, its manufacturing method, solar cell using the same, and its manufacturing method

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: 20070501