JP2006210567A

JP2006210567A - 光起電力素子及び太陽電池

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Publication number: JP2006210567A
Application number: JP2005019447A
Authority: JP
Inventors: Haruki Eguchi; 晴樹江口; Kenji Fuchigami; 健児渕上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】光起電力素子の発電効率の向上。
【解決手段】ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間にエネルギ中間準位を有する中間層を設けた光起電力素子において、前記エネルギ中間準位は、フェルミ準位以下の禁制帯に存在する、という手段を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力素子及び太陽電池に関する。

従来より太陽電池の発電効率を向上させるために、エネルギバンドギャップの異なる半導体を組み合わせ、広範囲の太陽光スペクトルを利用する等の様々な方法が検討されてきた。例えば、特許文献１には半導体太陽電池において、空乏層中にエネルギバンドギャップ内のエネルギ準位（エネルギ中間準位）の電子トラップを導入し、その電子トラップを介した光励起プロセスと電子トラップを介さない光励起プロセスとの２段階光励起により太陽光の広範囲の波長光を利用して起電力を発生し、発電効率を向上させる技術が開示されている。
特開平８−２５０７５５号公報

しかしながら、上記のような特許文献１の技術では、価電子帯からエネルギ中間準位に光励起された電子が一度エネルギ中間準位を満たした後に伝導帯へ電子を励起する必要があり、それによる発電効率のロスが生じるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光起電力素子にエネルギ中間準位を導入して２段階の光励起によって起電力を発生させる場合において、発電効率のロスを低減し、高効率を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、光起電力素子に係わる第１の解決手段として、
ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間にエネルギ中間準位を有する中間層を設けた光起電力素子において、前記エネルギ中間準位は、フェルミ準位以下の禁制帯に存在する、という手段を採用する。

また、光起電力素子に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記中間層は、複数のエネルギ中間準位を有する、という手段を採用する。

また、光起電力素子に係わる第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記中間層を複数設ける、という手段を採用する。

また、光起電力素子に係わる第４の解決手段として、上記第１〜３の解決手段において、中間層は、周期表３族の元素と５族の元素との酸化物からなる酸化物半導体に酸素欠陥を導入したもの、もしくは前記酸化物半導体に１族、４族、５族、６族、７族または８族のいずれかの元素を混合したものであることを特徴とする。

また、光起電力素子に係わる第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、酸化物半導体はＩｎＴａＯ_４（酸化インジウムタンタル）であり、前記酸化物半導体に混合する元素は、１族元素がＣｕ（銅）またはＡｕ（金）、４族元素がＴｉ（チタン）またはＺｒ（ジルコニウム）、５族元素がＶ（バナジウム）またはＮｂ（ニオブ）、６族元素がＣｒ（クロム）、７族元素がＴｃ（テクネチウム）またはＲｅ（レニウム）、８族元素が
Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）またはＰｔ（白金）のいずれかであることを特徴とする。

一方、本発明では、太陽電池に係わる解決手段として、上記第１〜５いずれかの解決手段に係わる光起電力素子によって構成する、という手段を採用する。

本発明によれば、エネルギ中間準位を用いて２段階の光励起プロセスにより起電力を発生する光起電力素子において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間にフェルミ準位以下の禁制帯にエネルギ中間準位を有する中間層を設けるので、電子の光励起を促進し発電効率を上げることができる。

フェルミ準位以下の禁制帯にエネルギ中間準位が存在する場合、このエネルギ中間準位は電子で満たされているか、もしくは速やかに中間層の価電子帯から光励起された電子によって満たされる状態にある。従って、中間層の価電子帯から光励起された電子はエネルギ中間準位に存在し得ず、行き場所を失った電子はさらに光励起され、エネルギ中間準位から伝導帯へ遷移することになる。これが本発明の大きな特徴である。

従来技術（特許文献１）では、エネルギ中間準位の持つ電子状態について言及されておらず、専ら電子トラップとして利用されている。このようなエネルギ中間準位には電子が存在していないことが推測され、価電子帯から光励起された電子によってエネルギ中間準位が電子で満たされなければ、上記のような本発明の電子の遷移は発生しないことになる。

従って、同じ２段階の光励起プロセスを用いてはいるが、本発明では従来技術に比べて、上記のようにエネルギ中間準位に存在し得ない電子がさらに光励起され、エネルギ中間準位から伝導帯へ遷移するという光励起プロセスが加わるので、電子の光励起を促進し発電効率を上げることができるのである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係わる光起電力素子のエネルギバンドの模式図である。図１において、符号１はｐ型半導体層、２はｎ型半導体層、３は中間層、１ａはｐ型半導体層１の価電子帯、１ｂはｐ型半導体層１の伝導帯、２ａはｎ型半導体層２の価電子帯、２ｂはｎ型半導体層２の伝導帯、３ａは中間層３の価電子帯、３ｂは中間層３の伝導帯、４はエネルギ中間準位、４ａはエネルギ中間準位４に存在する電子、４ｂはエネルギ中間準位４の電子の空席、５はエネルギバンドギャップ（Ｅｇ）である。ここで、エネルギ中間準位４は、フェルミ準位Ｅ_Ｆに存在している。また、中間層３の価電子帯３ａの上端のエネルギ準位をＥ_Ｖ、中間層３の伝導帯３ｂの下端のエネルギ準位をＥ_Ｃとする。

このように、本光起電力素子はフェルミ準位Ｅ_Ｆにエネルギ中間準位４を有する中間層３をｐ型半導体層１とｎ型半導体層２の間に設けているものである。この中間層３は例えば、酸化物半導体であるＩｎＴａＯ_４（酸化インジウムタンタル）に約０．１５％の酸素欠陥を導入したものである。

上記のような中間層３の物質設計は第１原理分子動力学法を用いた計算機シミュレーションにより行った。図２はＩｎＴａＯ_４に約０．１５％の酸素欠陥を導入したものの電子状態密度を示すシミュレーション結果である。図２において、横軸は電子状態密度、縦軸はフェルミ準位Ｅ_Ｆのエネルギを基準（Ｅ＝０）とした相対的エネルギである。符号１０はエネルギ中間準位４の電子状態密度、１１は中間層３の価電子帯３ａの電子状態密度、１２は中間層３の伝導帯３ｂの電子状態密度である。

図２のエネルギ中間準位４の電子状態密度１０は、フェルミ準位Ｅ_Ｆにエネルギ中間準位４が存在すること及びエネルギ中間準位４の電子状態密度が小さいことを示している。また、このエネルギ中間準位４の電子状態密度１０の分布からエネルギ中間準位４の半分は電子が存在していることがわかる。
このようなシミュレーション結果から、ＩｎＴａＯ_４に約０．１５％の酸素欠陥を導入したものは、図１に示すようなエネルギ中間準位４を持つ中間層３として用いることができると確認できる。なお、図１は上記のシミュレーション結果をモデルとしている。

また、シミュレーション結果から価電子帯３ａからエネルギ中間準位４までは約２．４ｅＶ（太陽光の緑色の波長光に対応）、エネルギ中間準位４から伝導帯３ｂまでは約１．７５ｅＶ（太陽光の赤色の波長光に対応）、エネルギバンドギャップ５は４．２３ｅＶ（太陽光の紫外光に対応）となり、太陽光の広範囲の波長の光エネルギを利用して光励起が可能であることも確認できた。なお、このように太陽光の広範囲の波長の光エネルギを利用するために、エネルギバンドギャップ５は２．０ｅＶ以上になるように設計する必要がある。

次に、本実施形態の動作原理について説明する。
図３は、中間層３のエネルギバンド内での光励起プロセスを示す図である。まず、図３（ａ）のように、太陽光の中でエネルギｈν_１（＝Ｅ_Ｆ−Ｅ_Ｖ）を持つ波長の光によって価電子帯３ａに存在する電子２０がエネルギ中間準位４に光励起される（光励起プロセス３０）。光励起された電子２０は、エネルギ中間準位４の電子の空席４ｂを埋めていく。エネルギ中間準位４の電子状態密度は小さいため、このような光励起プロセス３０によって価電子帯３ａに存在する電子２０が光励起されるとエネルギ中間準位４は速やかに電子で満たされることになる。

そして、図３（ｂ）に示すように、継続して価電子帯３ａに存在する電子２０が光励起されるが、エネルギ中間準位４は電子で満たされているため、光励起された電子２０はエネルギ中間準位４に存在し得ずに行き場所を失う。この行き場所を失った電子は、太陽光の中でエネルギｈν_２（＝Ｅ_Ｃ−Ｅ_F）を持つ波長の光によってさらに光励起されて伝導帯３ｂへ遷移することになる（光励起プロセス３１）。

また、図３（ｃ）に示すようにエネルギｈν_２を持つ波長の光によって、エネルギ中間準位４に存在する電子４ａも伝導帯３ｂに光励起される（光励起プロセス３２）。光エネルギｈν_２によって光励起された電子４ａの空席は、価電子帯３ａから光励起された電子２０によって埋められ、常にエネルギ中間準位４は電子で満たされた状態となる。そして、光励起プロセス３０、３１及び３２の相互作用によって電子が次々と伝導帯３ｂに励起されることになる。

これらの光励起プロセス３０、３１及び３２に、図３（ｄ）に示すようにエネルギバンドギャップ５と同等の光エネルギｈν_３（＝Ｅ_Ｃ−Ｅ_Ｖ）を持つ波長の光によって、エネルギ中間準位４を介さずに価電子帯３ａに存在する電子２０が直接伝導帯３ｂへ光励起される光励起プロセス３３が加わる。

上記のような光励起プロセス３０、３１、３２及び３３によって伝導帯３ｂへ励起された電子はｎ型半導体層２の伝導帯２ｂに拡散し、価電子帯３ａの電子２０の光励起によって生じた正孔２１はｐ型半導体層１の価電子帯１ａに拡散して起電力発生に寄与することになる。

以上のように、本光起電力素子によると、電子状態密度が小さく、その半分は電子で埋まっているエネルギ中間準位４を導入することにより、すなわちエネルギ中間準位４の電子の空席４ｂを予め最小限にすることで光励起プロセス３１を効率良く発生させ、さらにエネルギ中間準位４を介した光励起プロセス３０及び３２とエネルギ中間準位６を介さない光励起プロセス３３との２段階の光励起プロセスによって価電子帯３ａの電子２０を伝導帯３ｂへ励起するので、太陽光の波長エネルギを広範囲に利用することができ、発電効率の向上が可能である。

なお、上記中間層３はフェルミ準位Ｅ_Fより低いエネルギの禁制帯にエネルギ中間準位４を有するものでも良い。このような場合では、エネルギ中間準位４は予め電子で満たされている状態にあるため、光励起プロセス３１が効率良く発生し、発電効率を上げることが可能である。

次に上記中間層３に用いるＩｎＴａＯ_４に約０．１５％の酸素欠陥を導入する方法について説明する。まず、酸化インジウムと酸化タンタルとを混合し、大気中で１１５０°Ｃ、４８時間焼成する。その後、その試料を水素ガス雰囲気で還元し、酸素欠陥を導入することで上記のようなエネルギ中間準位４を持つＩｎＴａＯ_４を生成できる。また、酸化インジウムと酸化タンタルとをターゲットとし、アルゴン雰囲気下でパルスイオンビームを照射することでＩｎＴａＯ_４を生成し、その後水素ガス雰囲気で還元して酸素欠陥を導入することも可能である。

また、ＩｎＴａＯ_４に酸素欠陥を導入することに変えて、ＩｎＴａＯ_４に１族元素のＣｕ（銅）またはＡｕ（金）、４族元素のＴｉ（チタン）またはＺｒ（ジルコニウム）、５族元素のＶ（バナジウム）またはＮｂ（ニオブ）、６族元素のＣｒ（クロム）、７族元素のＴｃ（テクネチウム）またはＲｅ（レニウム）もしくは８族元素のＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）またはＰｔ（白金）のいずれかの元素を混合させることによっても上記のようなエネルギ中間準位４を持たせることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）中間層に導入するエネルギ中間準位は一つだけでなく、複数導入しても良い。または、そのようなエネルギ中間準位を有する中間層をｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に複数設けても良い。このようにすることでさらに太陽光の広範囲の波長光を利用できることになり、発電効率を上げることが可能である。

（２）また、本発明の光起電力素子を太陽電池として利用することにより、高効率の太陽電池を実現できる。本発明の光起電力素子はｐｎ接合型太陽電池、ｐｉｎ型太陽電池及びショットキーバリア型太陽電池等のどのような半導体太陽電池でも適用可能である。

本発明の実施形態における光起電力素子のエネルギバンドの模式図である。本発明の実施形態における中間層の電子状態密度を示す図である。本発明の実施形態における中間層での動作原理を説明する図である

符号の説明

１‥ｐ型層、２‥ｎ型層、３‥中間層、１ａ‥ｐ型層の価電子帯、１ｂ‥ｐ型層の伝導帯、２ａ‥ｎ型層の価電子帯、２ｂ‥ｎ型層の伝導帯、３ａ‥中間層の価電子帯、３ｂ‥中間層の伝導帯、４‥エネルギ中間準位、５‥エネルギバンドギャップ

Claims

ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間にエネルギ中間準位を有する中間層を設けた光起電力素子であって、
前記エネルギ中間準位は、フェルミ準位以下の禁制帯に存在することを特徴とする光起電力素子。
前記中間層は、複数のエネルギ中間準位を有することを特徴とする請求項１記載の光起電力素子。
前記中間層を複数設けることを特徴とする請求項１または２記載の光起電力素子。
前記中間層は、周期表３族の元素と５族の元素との酸化物からなる酸化物半導体に酸素欠陥を導入したもの、もしくは前記酸化物半導体に１族、４族、５族、６族、７族または８族のいずれかの元素を混合したものであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光起電力素子。
酸化物半導体はＩｎＴａＯ_４（酸化インジウムタンタル）であり、前記酸化物半導体に混合する元素は、１族元素がＣｕ（銅）またはＡｕ（金）、４族元素がＴｉ（チタン）またはＺｒ（ジルコニウム）、５族元素がＶ（バナジウム）またはＮｂ（ニオブ）、６族元素がＣｒ（クロム）、７族元素がＴｃ（テクネチウム）またはＲｅ（レニウム）、８族元素が
Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）またはＰｔ（白金）のいずれかであることを特徴とする請求項４記載の光起電力素子。
請求項１〜５いずれかに記載の光起電力素子からなる太陽電池。