JP2011023520A - P-type semiconductor film and solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は太陽電池の光吸収層として使用されるp型半導体膜及びこのp型半導体膜を備えた太陽電池に関する。 The present invention relates to a p-type semiconductor film used as a light absorption layer of a solar battery and a solar battery provided with the p-type semiconductor film.
従来、太陽電池の光吸収層内部の禁制帯幅或いは電子親和力を徐々に変化させることで太陽電池の光電変換効率を向上することが知られている。例えば、非特許文献1のデバイス・シミュレーションで開示されているように、光吸収層の禁制帯幅を光が入射する側から徐々に縮小する構造では、禁制帯幅の拡大によって注入キャリアの再結合が低減されることによって、禁制帯幅が均一分布する光吸収層を用いた場合よりも、太陽電池Aの開放電圧が増大する。また、光吸収層の禁制帯幅を、光が吸収する側から徐々に拡大するように分布させると、禁制帯幅の変化によって内部電界が生じることから、光励起された少数キャリアが内部電界でドリフト移動することで再結合が低減し、太陽電池の短絡電流密度が向上する。更に、前記二つの禁制帯幅の分布を組み合わせることにより、光吸収層内部の禁制帯幅を光入射側から徐々に縮小させ、一定深さを越えると逆に禁制帯幅を徐々に拡大させるように分布(ダブルグレーデッド分布)させた場合では、禁制帯幅が均一分布する光吸収層を用いた太陽電池より開放電圧と短絡電流密度の両方が増加し、高い変換効率を有する太陽電池が提供できる。
Conventionally, it is known that the photoelectric conversion efficiency of a solar cell is improved by gradually changing the forbidden band width or electron affinity inside the light absorption layer of the solar cell. For example, as disclosed in the device simulation of
また、pn接合を基本とする太陽電池においては、光励起される少数キャリアの寿命が長い電子となるp型半導体を光吸収層に用いる方が有利である。 Further, in a solar cell based on a pn junction, it is advantageous to use a p-type semiconductor, which is an electron having a long lifetime of photoexcited minority carriers, for the light absorption layer.
p型半導体で光吸収層を形成し、この光吸収層内部の禁制帯幅を変化させた従来技術として、特許文献1−3に開示されているものが提案されている。 As a conventional technique in which a light absorption layer is formed of a p-type semiconductor and the forbidden band width inside the light absorption layer is changed, a technique disclosed in Patent Documents 1-3 has been proposed.
特許文献1には、Cu(In,Ga)Se2薄膜中に禁制帯幅の変化を生じさせることが開示されている。この特許文献1に記載の技術では、初めの第1段階でInとGaとSeを蒸着して(In,Ga)2Se3膜を形成した後に、次の第2段階でCuとSeを蒸着してCuの組成過剰のCIGS膜を形成し、最後の第3段階でさらにInとGaとSeを蒸着してCu組成不足のCIGS膜を形成している。この方法では、第1段階と第3段階のInとGaの蒸着量を制御することで、InとGaが前記製膜工程において拡散することにより徐々にInとGaの比が深さ方向に変化し、これにより、禁制帯幅が徐々に変化する薄膜を形成している。
特許文献2には、Cu(In,Al)Se2膜中に禁制帯幅の変化を生じさせることが開示されている。この特許文献2に記載の技術では、基板にAlSe膜、Cu膜を蒸着した後、セレン雰囲気で加熱しながらCu過剰のCu(In,Al)Se2膜を蒸着し、更にセレン雰囲気で加熱するなどして、Al/(In+Al)比が連続的に変化するCu(In,Al)Se2膜を形成している。
特許文献3には、カルコパイライト型構造半導体膜を第1の半導体層と第2の半導体層とで構成し、第1の半導体層が、第2の半導体層側に向けてGa(In+Ga)比が連続的に小さくなることで第2の半導体層に近づくにつれて禁制帯幅が小さくなり、第2の半導体層は第1の半導体層における最小の禁制帯幅よりも大きい禁制帯幅を有するようにして、ダブルグレーデッド分布を形成することが開示されている。
In
しかし、上記従来技術では、p型半導体で光吸収層成膜を形成する際、膜中の元素を自然拡散したり材料供給量を調整したりすることで膜の組成を変化させて禁制帯幅を連続的に変化させているため、禁制帯幅の分布状態を制御することが難しく、禁制帯幅の分布を最適な状態にすることが難しいものであった。このため、太陽電池Aの変換効率は、禁制帯幅の設計から予測されるよりも大幅に低くなってしまうものであった。特に非特許文献2で開示されているように、Cu(In,Ga)S2半導体薄膜では、InとGaの拡散が不十分であるため、グレーデッド分布を制御することは困難である。
However, in the above prior art, when forming a light absorption layer film with a p-type semiconductor, the forbidden band width is changed by naturally diffusing elements in the film or adjusting the material supply amount. Therefore, it is difficult to control the distribution state of the forbidden bandwidth, and it is difficult to optimize the distribution of the forbidden bandwidth. For this reason, the conversion efficiency of the solar cell A is significantly lower than predicted from the design of the forbidden bandwidth. In particular, as disclosed in
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、p型半導体で構成され、太陽電池の光吸収層として使用されるp型半導体膜内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布を容易に制御することができ、変換効率の高い太陽電池を得ることができるp型半導体膜、並びにこのp型半導体膜を備える太陽電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and easily controls the forbidden band width or electron affinity distribution in a p-type semiconductor film made of a p-type semiconductor and used as a light absorption layer of a solar cell. An object of the present invention is to provide a p-type semiconductor film capable of obtaining a solar cell with high conversion efficiency and a solar cell including the p-type semiconductor film.
本発明に係るp型半導体膜1は、p型半導体で構成され、太陽電池Aの光吸収層として使用される。前記p型半導体膜1は、光入射方向に沿って積層されたN個(NはN≧2を満たす自然数)の層で構成される。前記N個の層のうち、最も光入射側に配置される層から第M番目(Mは2≦M≦Nを満たす自然数)の層までのM個の層では、互いに隣接する任意の二層のうち光入射側に配置された一方の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が階段状である。或いは光入射側に配置された一方の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が階段状である。変化が階段状であるとは、層間の界面において禁制帯幅或いは電子親和力の値が不連続に変化することを意味する。
The p-
このため、p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅或いは電子親和力を調整することで、このp型半導体膜1内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布を容易に制御することができ、このp型半導体膜1を太陽電池Aの光吸収層として使用すると、光吸収層内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布によって、この光吸収層におけるキャリアの再結合を低減すると共にこのキャリアの輸送が阻害されることを抑制することができる。
For this reason, by adjusting the forbidden band width or electron affinity of each layer constituting the p-
前記M個の層のうち、光入射側から任意の第n番目(但し1≦n≦M−1)の層の禁制帯幅(Eg(n))と第n+1番目の層の禁制帯幅(Eg(n+1))は、いずれも下記式(1)の関係を満足することが好ましい。 Of the M layers, the forbidden band width (Eg (n)) of an arbitrary nth (where 1 ≦ n ≦ M−1) layer from the light incident side and the forbidden bandwidth of the (n + 1) th layer ( Eg (n + 1)) preferably satisfies the relationship of the following formula (1).
0(eV)<Eg(n)−Eg(n+1)≦0.1(eV) …(1)
この場合、前記M個の層の各層間においてキャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
0 (eV) <Eg (n) −Eg (n + 1) ≦ 0.1 (eV) (1)
In this case, it is possible to further reliably prevent the carrier transport from being inhibited between the M layers.
前記M個の層のうち、光入射側から任意の第n番目(但し1≦n≦M−1)の層の電子親和力(χ(n))と第n+1番目の層の電子親和力(χ(n+1))が、いずれも下記式(2)の関係を満足することも好ましい。 Among the M layers, the electron affinity (χ (n)) of an arbitrary nth (where 1 ≦ n ≦ M−1) layer from the light incident side (χ (n)) and the electron affinity (χ (n) of the (n + 1) th layer. It is also preferable that n + 1)) satisfy the relationship of the following formula (2).
−0.1(eV)≦χ(n)−χ(n+1)<0(eV) …(2)
この場合も、前記M個の層の各層間においてキャリアの輸送が阻害されることを更に抑制することができる。
−0.1 (eV) ≦ χ (n) −χ (n + 1) <0 (eV) (2)
Also in this case, it is possible to further suppress the inhibition of carrier transport between each of the M layers.
前記N個の層のうち、最も光入射側に配置される層から第M−1番目の層までのM−1個の層の総厚みが150nm未満であることが好ましい。 Of the N layers, the total thickness of the M−1 layers from the layer disposed closest to the light incident side to the M−1st layer is preferably less than 150 nm.
この場合、p型半導体膜1における最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力が大きい層での、キャリアの滞留を抑制することができ、キャリアの再結合を更に低減することができる。
In this case, the retention of carriers in the layer having the smallest forbidden band width or the largest electron affinity in the p-
前記Mが2≦M<Nを満たす自然数である場合、前記N個の層のうち、光入射側から第M番目の層から第N番目の層までのN−M+1個の層では、互いに隣接する任意の二層のうち光入射側に配置された一方の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より小さいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が階段状であり、或いは光入射側に配置された一方の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より大きいと共に層間に生じる電子親和力の変化が階段状であることが好ましい。 When M is a natural number satisfying 2 ≦ M <N, among the N layers, N−M + 1 layers from the Mth layer to the Nth layer from the light incident side are adjacent to each other. The forbidden band width of one of the two layers arranged on the light incident side is smaller than the forbidden band width of the other layer and the change of the forbidden band width generated between the layers is stepped, or the light incident side It is preferable that the electron affinity of one layer disposed in the layer is larger than the electron affinity of the other layer, and the change in electron affinity generated between the layers is stepped.
この場合、p型半導体膜1における最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力が大きい第M番目の層で励起されたキャリアが、隣接する禁制帯幅の大きい第M+1番目の層或いは電子親和力の小さい第M+1番目の層で反射されることによりキャリアの輸送方向が一定になり、キャリアの収集効率を向上し、短絡電流密度を増大させることができる。
In this case, carriers excited in the Mth layer having the smallest forbidden band width or the largest electron affinity in the p-
また、光入射側から第M番目の層の厚みが150nm以上、450nm未満であることが好ましい。 The thickness of the Mth layer from the light incident side is preferably 150 nm or more and less than 450 nm.
この場合、p型半導体膜1における最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力が大きい層でのキャリアの滞留を低減し、キャリアの再結合を更に抑制することができる。
In this case, the retention of carriers in the layer having the smallest forbidden band width or the largest electron affinity in the p-
前記N個のいずれの層においても、キャリア濃度が1×1015/cm3より大きいことが好ましい。 In any of the N layers, the carrier concentration is preferably greater than 1 × 10 15 / cm 3 .
この場合、p型半導体膜1と、n型半導体からなる窓層とを接合してpn接合を形成することで、太陽電池Aに好適な拡散電位を生じさせることができると共に、太陽電池Aに好適な空乏層を生じさせることができるようになる。
In this case, the p-
前記N個の層の結晶構造が互いに同一であることが好ましい。結晶構造が同一とは、結晶同士が共に閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構造、塩化ナトリウム型構造、スピネル型構造、カルコパイライト型構造などの同一タイプの結晶構造であることを意味する。 The N layers preferably have the same crystal structure. The same crystal structure means that both crystals have the same type of crystal structure such as a zinc blende structure, a wurtzite structure, a sodium chloride structure, a spinel structure, a chalcopyrite structure, and the like.
この場合、p型半導体膜1を構成する層間の界面での構造欠陥を抑制することができ、キャリアの再結合を更に抑制することができる。
In this case, structural defects at the interface between the layers constituting the p-
特に、前記N個の層の結晶構造が、いずれもカルコパイライト型構造であることが好ましい。 In particular, the crystal structure of the N layers is preferably a chalcopyrite structure.
この場合、p型半導体膜1を構成する各層における、カルコパイライト型構造の結晶の構成元素の種類或いは組成比を変更することで、各層の禁制帯幅或いは電子親和力を所望の値に制御することができる。
In this case, the forbidden band width or the electron affinity of each layer is controlled to a desired value by changing the type or composition ratio of the constituent element of the chalcopyrite structure crystal in each layer constituting the p-
前記N個の層を構成する主元素が、同一元素群で構成されることが好ましい。主元素とは、各層の構成元素のうち、ドーパントとして含まれ得る少量の元素(Na,K等の1族元素など)及び不可避的不純物を除いた元素を意味する。また同一元素群で構成されているとは、各層を構成する元素の族の組み合わせが、各層間で同一であることを意味する。
The main elements constituting the N layers are preferably composed of the same element group. The main element means an element excluding a small amount of elements (such as
この場合、p型半導体膜1を構成する各層の構成元素の組成比を変更することで、各層の禁制帯幅或いは電子親和力を所望の値に制御することができる。
In this case, the forbidden band width or the electron affinity of each layer can be controlled to a desired value by changing the composition ratio of the constituent elements of each layer constituting the p-
前記N個の層を構成する主元素が11族元素、13族元素及び16族元素であることが好ましい。 The main elements constituting the N layers are preferably a group 11 element, a group 13 element, and a group 16 element.
この場合、p型半導体膜1を構成する各層の11族元素、13族元素、16族元素の組成比を変更することで、各層の禁制帯幅或いは電子親和力を所望の値に制御することができる。
In this case, the forbidden band width or electron affinity of each layer can be controlled to a desired value by changing the composition ratio of the Group 11 element, Group 13 element, and Group 16 element of each layer constituting the p-
前記N個の層を構成する主元素が11族元素、In、Ga及び16族元素であり、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるGa/(In+Ga)の比X(n)と、第n+1番目の層におけるGa/(In+Ga)の比X(n+1)とが、下記式(3)の関係を満足することが好ましい。 The main elements constituting the N layers are a group 11 element, In, Ga, and a group 16 element, and Ga / (In + Ga) in an arbitrary nth layer (where 1 ≦ n ≦ M) from the light incident side. ) Ratio X (n) and Ga / (In + Ga) ratio X (n + 1) in the (n + 1) th layer preferably satisfy the relationship of the following formula (3).
0<X(n)−X(n+1)≦0.2 …(3)
この場合、各層間における禁制帯幅の差或いは電子親和力の差が大きくなりすぎないようにして、キャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
0 <X (n) −X (n + 1) ≦ 0.2 (3)
In this case, it is possible to further reliably prevent the carrier transport from being inhibited by preventing the difference in the forbidden band width or the difference in electron affinity between the layers from becoming too large.
前記N個の層を構成する主元素が11族元素、In、Al及び第16族元素であり、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるAl/(In+Al)の比Y(n)と、第n+1番目の層のAl/(In+Al)の比Y(n+1)とが、下記式(4)の関係を満足することも好ましい。 The main elements constituting the N layers are a group 11 element, In, Al, and a group 16 element, and Al / (in an arbitrary nth layer (where 1 ≦ n ≦ M) from the light incident side. It is also preferable that the ratio Y (n) of In + Al) and the ratio Y (n + 1) of Al / (In + Al) of the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (4).
0<Y(n)−Y(n+1)≦0.1 …(4)
この場合、各層間における禁制帯幅の差或いは電子親和力の差が大きくなりすぎないようにして、キャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
0 <Y (n) −Y (n + 1) ≦ 0.1 (4)
In this case, it is possible to further reliably prevent the carrier transport from being inhibited by preventing the difference in the forbidden band width or the difference in electron affinity between the layers from becoming too large.
前記N個の層を構成する主元素が、Cu、Zn、13族元素及び16族元素であり、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるZn/(Cu+Zn)の比Z(n)と、第n+1番目の層におけるZn/(Cu+Zn)の比Zn(n+1)とが、下記式(5)の関係を満足することも好ましい。 The main elements constituting the N layers are Cu, Zn, a group 13 element and a group 16 element, and Zn / (in the nth (where 1 ≦ n ≦ M) layer is arbitrary from the light incident side. It is also preferable that the ratio Z (n) of Cu + Zn and the ratio Zn (n + 1) of Zn / (Cu + Zn) in the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (5).
0<Zn(n)−Zn(n+1)≦0.4 …(5)
この場合、各層間における禁制帯幅の差或いは電子親和力の差が大きくなりすぎないようにして、キャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
0 <Zn (n) −Zn (n + 1) ≦ 0.4 (5)
In this case, it is possible to further reliably prevent the carrier transport from being inhibited by preventing the difference in the forbidden band width or the difference in electron affinity between the layers from becoming too large.
本発明に係る太陽電池Aは、上記p型半導体膜1を、光吸収層として備えることを特徴とする。
The solar cell A according to the present invention includes the p-
このため、p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅或いは電子親和力を調整することで、このp型半導体膜1内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布を容易に制御することができ、光吸収層内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布によって、この光吸収層におけるキャリアの再結合を低減すると共にこのキャリアの輸送が阻害されることを抑制することができる。
For this reason, by adjusting the forbidden band width or electron affinity of each layer constituting the p-
本発明によれば、p型半導体膜内の禁制帯幅或いは電子親和力の分布の制御が容易となり、このp型半導体膜を太陽電池の光吸収層として使用することで、太陽電池の光電変換効率を向上することができる。 According to the present invention, it becomes easy to control the forbidden band width or electron affinity distribution in the p-type semiconductor film, and by using this p-type semiconductor film as the light absorption layer of the solar cell, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved. Can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はここで記述する実施の形態のみに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to only the embodiments described herein.
図1に示される実施形態では、基板2の一面側に透明電極膜3、n型半導体膜4、p型半導体膜1、裏面電極5が順次積層して形成されている。これにより太陽電池Aが構成されている。
In the embodiment shown in FIG. 1, a
基板2は光透過性の高い材質から形成され、例えばガラスや透光性樹脂等から形成される。
The
透明電極膜3は、例えば導電性の金属酸化物で形成される。前記導電性の金属酸化物としては、例えば、SnO2:F,ZnO:Al、ZnO:Ga、IXO(In2O3:X,XはSn,Mn,Mo,Ti,Zn等)等が挙げられる。透明電極膜3は前記のような一種類の導電性の金属酸化物のみから形成してもよく、また複数種の導電性の金属酸化物の層が積層して構成される複層膜として形成してもよい。
The
n型半導体膜4は太陽電池Aの窓層として機能し、p型半導体膜1との間でpn接合を構成する。n型半導体膜4は、例えばCdS、ZnO、Zn(O,S)、(Zn1−xMgx)O(0<x<1)、TiO2、ZnxIn2−2xS3−2x(0<x<1)、ZnxIn2−2xSe3−2x(0<x<1)、In2S3等のn型半導体から形成される。このn型半導体膜4は一種類のn型半導体のみから形成してもよく、また例えばZnOの層とCdSの層とを積層して形成するなどして、複数種のn型半導体の層が積層して構成される複層膜としてもよい。n型半導体膜4は例えばスパッタ法、熱化学気相堆積法などのCVD法などで形成される。
The n-
p型半導体膜1は光吸収層として機能する。このp型半導体膜1は組成の異なるN個(NはN≧2を満たす自然数)の層が積層した構成を有している。
The p-
p型半導体膜1におけるN個の層を構成するp型半導体は、互いに結晶構造が同一であることが好ましく、すなわち、N個の層が全て閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構造、塩化ナトリウム型構造、スピネル型構造、或いはカルコパイライト型構造であるなどのように、同一タイプの結晶構造であることが好ましい。この場合、p型半導体膜1を構成する層間の界面での構造欠陥を抑制することができ、キャリアの再結合を更に抑制することができる。特にN個の層が全てがカルコパイライト型構造を有する半導体で構成されていることが好ましい。
The p-type semiconductors constituting the N layers in the p-
また、p型半導体は、構成元素の組成比が変更されることで禁制帯幅又は電子親和力が容易に調整されるような半導体であることが好ましく、また構成元素の組成比が異なるp型半導体間での構成元素の相互拡散が小さいことが好ましい。 The p-type semiconductor is preferably a semiconductor whose band gap or electron affinity is easily adjusted by changing the composition ratio of the constituent elements, and the p-type semiconductor having a different constituent ratio of the constituent elements. It is preferable that the interdiffusion between the constituent elements is small.
特に、N個の各層を構成するp型半導体の主元素が、全て同一元素群で構成されることと、p型半導体膜1を構成する各層のp型半導体の構成元素の組成比を変更することで、各層の禁制帯幅或いは電子親和力を所望の値に制御することが容易となる。この場合、各層中に含まれる主元素以外の元素、すなわちドーパントとして含まれ得る少量の元素(Na,K等の1族元素など)及び不可避的不純物の含有量は、5原子%以下であることが好ましい。
In particular, the main elements of the p-type semiconductor constituting each of the N layers are all composed of the same element group, and the composition ratio of the constituent elements of the p-type semiconductor in each layer constituting the p-
p型半導体としては、特に主元素が11族元素、13族元素及び16族元素である半導体が好ましい。11族元素と13族元素と16族元素とからなるカルコパイライト型構造の半導体が好ましい。このようなp型半導体としては、(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(S1−zSez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(S1−zSez)2、(Cu1−xAgx)(Ga1−yAly)(S1−zSez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(S1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(S1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(Ga1−yAly)(S1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(Se1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(Se1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(Ga1−yAly)(Se1−zTez)2などが挙げられる。ここで、x、y、zは0以上1以下の数である。 As the p-type semiconductor, a semiconductor whose main element is a group 11 element, group 13 element or group 16 element is particularly preferable. A chalcopyrite type semiconductor composed of a group 11 element, a group 13 element and a group 16 element is preferred. Such p-type semiconductor, (Cu 1-x Ag x ) (In 1-y Ga y) (S 1-z Se z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Al y ) (S 1-z Se z ) 2, (Cu 1-x Ag x) (Ga 1-y Al y) (S 1-z Se z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Ga y) (S 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Al y) (S 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (Ga 1 -y Al y) (S 1- z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Ga y) (Se 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) ( In 1-y Al y) ( Se 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (Ga 1-y Al y) (Se 1-z T z) 2, and the like. Here, x, y, and z are numbers from 0 to 1.
このうち、特に(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(S1−zSez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(S1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yGay)(Se1−zTez)2などのような主元素が11族元素、In、Ga及び16族元素であるp型半導体、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(S1−zTez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(S1−zSez)2、(Cu1−xAgx)(In1−yAly)(Se1−zTez)2などのような主元素が11族元素、In、Al及び第16族元素であるp型半導体が好ましい。
Among them, particularly (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Ga y) (S 1-z Se z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Ga y) (S 1- z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (in 1-y Ga y) (Se 1-z Te z) 2 the main element 11 group element such as, in, with Ga, and group 16 elements there p-type semiconductor, (Cu 1-x Ag x ) (In 1-y Al y) (S 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Ag x) (In 1-y Al y) (
また、p型半導体としては、主元素が11族元素と12族元素と13族元素と16族元素とからなるカルコパイライト型構造の半導体も好ましく、特に主元素がCu、Zn、13族元素及び16族元素である半導体が好ましい。このようなp型半導体としては、(Cu1−xZnx)(In1−yGay)(S1−zSez)2、(Cu1−xZnx)(In1−yAly)(S1−zSez)2、(Cu1−xZnx)(Ga1−yAly)(S1−zSez)2、(Cu1−xZnx)(In1−yGay)(S1−zTez)2、(Cu1−xZnx)(In1−yAly)(S1−zTez)2、(Cu1−xZnx)(Ga1−yAly)(S1−zTez)2、(Cu1−xZnx)(In1−yGay)(Se1−zTez)2、(Cu1−xZnx)(In1−yAly)(Se1−zTez)2、(Cu1−xZnx)(Ga1−yAly)(Se1−zTez)2などが挙げられる。ここで、x、y、zは0以上1以下の数である。 As the p-type semiconductor, a chalcopyrite-type semiconductor in which the main element is composed of a group 11 element, a group 12 element, a group 13 element, and a group 16 element is also preferable. In particular, the main element is Cu, Zn, a group 13 element, and A semiconductor that is a group 16 element is preferred. As such a p-type semiconductor, (Cu 1-x Zn x ) (In 1-y Ga y ) (S 1-z Se z ) 2 , (Cu 1-x Zn x ) (In 1-y Al y) ) (S 1-z Se z ) 2, (Cu 1-x Zn x) (Ga 1-y Al y) (S 1-z Se z) 2, (Cu 1-x Zn x) (In 1-y Ga y) (S 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Zn x) (In 1-y Al y) (S 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Zn x) (Ga 1 -y Al y) (S 1- z Te z) 2, (Cu 1-x Zn x) (In 1-y Ga y) (Se 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Zn x) ( In 1-y Al y) ( Se 1-z Te z) 2, (Cu 1-x Zn x) (Ga 1-y Al y) (Se 1-z T z) 2, and the like. Here, x, y, and z are numbers from 0 to 1.
またp型半導体として、主元素が12族元素と16族元素からなるカルコパイライト型構造の半導体である(Cd1−xZnx)(Te1−ySey)、(Cd1−xZnx)(Te1−ySy)、(Cd1−xZnx)(Se1−ySy)等も挙げられる。ここで、x、yは0以上1以下の数である。 Further, as a p-type semiconductor, a main element is a semiconductor having a chalcopyrite structure composed of a group 12 element and a group 16 element (Cd 1-x Zn x ) (Te 1-y Se y ), (Cd 1-x Zn x ) (Te 1-y S y ), (Cd 1-x Zn x ) (Se 1-y S y ), and the like. Here, x and y are numbers from 0 to 1.
またp型半導体として、主元素が13族元素と15族元素とからなる閃亜鉛鉱型あるいはウルツ鉱型構造の半導体である(Ga1−xAlx)(As1−yPy)、(Ga1−xInx)(As1−yPy)、(Al1−xInx)(As1−yPy)、(Ga1−xInx)(P1−yNy)、(Ga1−xAlx)(P1−yNy)、(Al1−xInx)(P1−yNy)、(Ga1−xInx)(As1−yNy)、(Ga1−xAlx)(As1−yNy)、(Al1−xInx)(As1−yNy)なども挙げられる。ここで、x、yは0以上1以下の数である。 Further, as a p-type semiconductor, a main element is a zincblende type or wurtzite type semiconductor composed of a group 13 element and a group 15 element (Ga 1-x Al x ) (As 1-y Py), (Ga 1-x In x) (As 1-y P y), (Al 1-x In x) (As 1-y P y), (Ga 1-x In x) (P 1-y N y), ( Ga 1-x Al x) ( P 1-y N y), (Al 1-x In x) (P 1-y N y), (Ga 1-x In x) (As 1-y N y), (Ga 1-x Al x) (As 1-y N y), also include such (Al 1-x In x) (As 1-y N y). Here, x and y are numbers from 0 to 1.
p型半導体膜1を構成するN個の層のうち、最も光入射側に配置される層から第M番目(Mは2≦M≦Nを満たす自然数)の層までのM個の層では、禁制帯幅が最も光入射側の層から順次小さくなると共に、層間での禁制帯幅の変化が階段状に不連続になり、或いは電子親和力が最も光入射側の層から順次大きくなると共に、層間での電子親和力の変化が階段状に不連続になるようにする。尚、禁制帯幅は価電子帯と伝導帯との間のギャップであり、電子親和力は真空準位と伝導帯との間のギャップであるから、各層における真空準位に対する価電子帯の準位が同一であれば、禁制帯幅が最も光入射側の層から順次小さくなる場合、同時に電子親和力が最も光入射側の層から順次大きくなる。
Among the N layers constituting the p-
この場合、隣合う層間の禁制帯幅の差(Eg(n)−Eg(n+1))は、下記式(1)を満たすことが好ましい。 In this case, the difference in the forbidden bandwidth between adjacent layers (Eg (n) −Eg (n + 1)) preferably satisfies the following formula (1).
0(eV)<Eg(n)−Eg(n+1)≦0.1(eV) …(1)
また、隣合う層間の電子親和力の差(Eg(n)−Eg(n+1))は、下記式(2)を満たすことが好ましい。
0 (eV) <Eg (n) −Eg (n + 1) ≦ 0.1 (eV) (1)
Moreover, it is preferable that the difference in electron affinity (Eg (n) −Eg (n + 1)) between adjacent layers satisfies the following formula (2).
−0.1(eV)≦χ(n)−χ(n+1)<0(eV) …(2)
上記のようにM個の層が式(1)を満足し、或いは式(2)を満足する場合、M個の層の各層間における禁制帯幅の差、或いは電子親和力の差が大きくなりすぎないようにして、層間のキャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
−0.1 (eV) ≦ χ (n) −χ (n + 1) <0 (eV) (2)
As described above, when the M layers satisfy the formula (1) or the formula (2), the difference in the forbidden band width or the difference in electron affinity between the M layers is too large. In this way, it is possible to more reliably suppress the inhibition of carrier transport between layers.
p型半導体膜1を構成するN個の層のうち、最も光入射側に配置される層から第M−1番目の層までのM−1個の層の総厚みは、150nm未満であることが好ましい。この場合、p型半導体膜1における最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力が大きい層での、キャリアの滞留を抑制することができ、キャリアの再結合を更に低減することができる。
Of the N layers constituting the p-
また、光入射側から第M番目の層の厚みは150nm以上、450nm未満とすると、p型半導体膜1における最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力が大きい層でのキャリアの滞留を低減し、キャリアの再結合を更に抑制することができる。
Further, when the thickness of the Mth layer from the light incident side is 150 nm or more and less than 450 nm, the retention of carriers in the layer having the smallest forbidden band width or the largest electron affinity in the p-
M=Nの場合では、p型半導体膜1を構成する全ての層(N個の層)において、禁制帯幅が最も光入射側の層から順次小さくなると共に、層間での禁制帯幅の変化が階段状に不連続になり、或いは電子親和力が最も光入射側の層から順次大きくなると共に、層間での電子親和力の変化が階段状に不連続になる。
In the case of M = N, in all the layers (N layers) constituting the p-
また、M<Nである場合は、N個の層のうち、光入射側から第M番目の層から第N番目の層までのN−M+1個の層では、上記とは逆に、禁制帯幅が最も光入射側の層から順次大きくなると共に、層間での禁制帯幅の変化が階段状に不連続になり、或いは電子親和力が最も光入射側の層から順次小さくなると共に、層間での電子親和力の変化が階段状に不連続になるようにすることが好ましい。 If M <N, the N-M + 1 layers from the M-th layer to the N-th layer from the light incident side out of the N layers are forbidden, contrary to the above. The width gradually increases from the light incident side layer, and the change in the forbidden band width between layers becomes discontinuous stepwise, or the electron affinity gradually decreases from the light incident side layer, It is preferable to make the change in electron affinity discontinuous stepwise.
このような各層の禁制帯幅或いは電子親和力の調整は、各層の組成を調整することでおこなうことができる。特に各層を主元素が11族元素、In、Ga及び16族元素であるカルコパイライト型構造のp型半導体で形成する場合、各層間でIn、Gaの組成比を順次変更することで、各層間で禁制帯幅及び電子親和力を不連続に変化させることができる。また、各層を主元素が11族元素、In、Al及び第16族元素であるカルコパイライト型構造のp型半導体で形成する場合、各層間でIn、Alの組成比を順次変更することで、各層間で禁制帯幅及び電子親和力を不連続に変化させることができる。また、各層を主元素がCu、Zn、13族元素及び16族元素であるカルコパイライト型構造のp型半導体で形成する場合、各層間でCu、Znの組成比を順次変更することで、各層間で禁制帯幅及び電子親和力を不連続に変化させることができる。 Such adjustment of the forbidden band width or electron affinity of each layer can be performed by adjusting the composition of each layer. In particular, when each layer is formed of a p-type semiconductor having a chalcopyrite type structure in which the main elements are Group 11 elements, In, Ga, and Group 16 elements, the In and Ga composition ratios are sequentially changed between the layers. The forbidden bandwidth and electron affinity can be changed discontinuously. When each layer is formed of a p-type semiconductor having a chalcopyrite structure in which the main elements are Group 11 elements, In, Al, and Group 16 elements, by sequentially changing the composition ratio of In, Al between the layers, The forbidden band width and electron affinity can be changed discontinuously between the layers. In addition, when each layer is formed of a p-type semiconductor having a chalcopyrite structure in which the main elements are Cu, Zn, a group 13 element and a group 16 element, the composition ratio of Cu and Zn is sequentially changed between the layers. The forbidden band width and electron affinity can be changed discontinuously between the layers.
ここで、N個の層を構成するp型半導体の主元素が11族元素、In、Ga及び16族元素である場合は、最も光入射側に配置される層から第M番目(Mは2≦M≦Nを満たす自然数)の層までのM個の層では、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるGa/(In+Ga)の比X(n)と、第n+1番目の層におけるGa/(In+Ga)の比X(n+1)とが、下記式(3)の関係を満足することが好ましい。 Here, when the main elements of the p-type semiconductor constituting the N layers are a group 11 element, In, Ga, and a group 16 element, the Mth element (M is 2 from the layer arranged closest to the light incident side). In M layers up to ≦ M ≦ N, a Ga / (In + Ga) ratio X (n) in an arbitrary n-th (where 1 ≦ n ≦ M) layer from the light incident side And the Ga / (In + Ga) ratio X (n + 1) in the (n + 1) th layer preferably satisfy the relationship of the following formula (3).
0<X(n)−X(n+1)≦0.2 …(3)
また、N個の層を構成するp型半導体の主元素が11族元素、In、Al及び第16族元素である場合は、最も光入射側に配置される層から第M番目(Mは2≦M≦Nを満たす自然数)の層までのM個の層では、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるAl/(In+Al)の比Y(n)と、第n+1番目の層のAl/(In+Al)の比Y(n+1)とが、下記式(4)の関係を満足することが好ましい。
0 <X (n) −X (n + 1) ≦ 0.2 (3)
When the main elements of the p-type semiconductor constituting the N layers are a group 11 element, In, Al, and a group 16 element, the Mth element (M is 2 from the layer arranged closest to the light incident side). In M layers up to ≦ M ≦ N, a ratio of Al / (In + Al) in an arbitrary nth layer (where 1 ≦ n ≦ M) from the light incident side Y (n) And the Al / (In + Al) ratio Y (n + 1) of the (n + 1) th layer preferably satisfies the relationship of the following formula (4).
0<Y(n)−Y(n+1)≦0.1 …(4)
また、N個の層を構成するp型半導体の主元素がCu、Zn、13族元素及び16族元素である場合は、光入射側から任意の第n番目(但し、1≦n≦M)の層におけるZn/(Cu+Zn)の比Z(n)と、第n+1番目の層におけるZn/(Cu+Zn)の比Zn(n+1)とが、下記式(5)の関係を満足することが好ましい。
0 <Y (n) −Y (n + 1) ≦ 0.1 (4)
Further, when the main elements of the p-type semiconductor constituting the N layers are Cu, Zn, a group 13 element and a group 16 element, an arbitrary nth element from the light incident side (where 1 ≦ n ≦ M) It is preferable that the ratio Z (n) of Zn / (Cu + Zn) in this layer and the ratio Zn (n + 1) of Zn / (Cu + Zn) in the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (5).
0<Zn(n)−Zn(n+1)≦0.4 …(5)
上記式(3)〜(5)のように層間の組成比を調整すると、各層間における禁制帯幅の差或いは電子親和力の差が大きくなりすぎないようにして、キャリアの輸送が阻害されることを更に確実に抑制することができる。
0 <Zn (n) −Zn (n + 1) ≦ 0.4 (5)
When the composition ratio between layers is adjusted as in the above formulas (3) to (5), the difference in the forbidden band width or the difference in electron affinity between the layers does not become too large, and carrier transport is inhibited. Can be more reliably suppressed.
また、p型半導体膜1を構成するN個の層は、いずれもそのキャリア濃度が1×1015/cm3より大きいことが好ましい。この場合、p型半導体膜1と、n型半導体からなる窓層とを接合してpn接合を形成することで、太陽電池Aに好適な拡散電位を生じさせることができると共に、太陽電池Aに好適な空乏層を生じさせることができるようになる。
Further, it is preferable that the N layers constituting the p-
p型半導体膜1を構成する複数の層は、スプレー塗布熱分解法や原子層堆積法(ALD法)により順次形成することができる。中でもスプレー塗布熱分解法では溶液の組成に基づいて均一に組成比が制御されたp型半導体を順次成膜することができ、上記のような各層間の禁制帯幅或いは電子親和力の不連続な変化を容易に生じさせることができるようになる。
The plurality of layers constituting the p-
裏面電極5は、例えば金属膜で形成することができる。前記金属としてはAu、Pt、Ag等が挙げられる。また、裏面電極5をカーボンで形成することもできる。また、タンデム太陽電池Aにおける上部太陽電池Aの場合のように、光吸収層となるp型半導体膜1で吸収されない長波長の太陽光を裏面電極5で透過させる必要がある場合は、裏面電極5を透光性のある導電性の金属酸化物で形成することもできる。この導電性の金属酸化物としては、例えば透明電極膜3を形成する場合と同様の導電性の金属酸化物、Cu2O、CuSr2O4等の銅を含む酸化物、Ag2Oなどが挙げられる。裏面電極5はスパッタ法などの適宜の成膜法により形成することができる。
The
[実施形態1]
本実施形態では、上記N及びMが2=M=Nの関係にある。すなわち、p型半導体膜1を構成する第一層6aと第二層6bの二つの層を積層して構成し、且つこの二層のうち光入射側に配置された第一層6aの禁制帯幅が第二層6bの禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは第一層6aの電子親和力が第二層6bの電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。
[Embodiment 1]
In the present embodiment, N and M are in a relationship of 2 = M = N. That is, the forbidden band of the
本実施形態では、基板2をガラスで形成し、透明電極膜3をZnO:Alで形成し、n型半導体膜4をIn2S3で形成し、p型半導体膜1をCu(In1−xGax)S2で形成し、裏面電極5をAuで形成する。
In this embodiment, the
前記p型半導体膜1では、光の入射側(n型半導体膜4側)にある第一層6aの厚みは50nm、第一層6aに対して光が入射する側とは反対側(n型半導体膜4とは反対側)にある第二層6bの厚みは1950nmである。
In the p-
p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅及び電子親和力は、各層におけるInとGaとの比率を変更することで調整される。例えばp型半導体膜1を構成するCu(In1−xGax)S2においてx=0.2であれば禁制帯幅は約0.1eVとなる。尚、Cu(In1−xAlx)S2の場合はx=0.1、(Cu1−xZnx)InS2の場合はx=0.4であれば、禁制帯幅が約0.1eVとなる。
The forbidden band width and the electron affinity of each layer constituting the p-
Cu(In1−xGax)S2とCu(In1−xAlx)S2においては、主として13族元素によって伝導帯レベルが決定されることから、固溶率xが変化しても伝導帯レベルはほぼ一定となり、x増加に伴う禁制帯幅の拡大は電子親和力の低下とほぼ合致する。 In Cu (In 1-x Ga x ) S 2 and Cu (In 1-x Al x ) S 2 , the conduction band level is mainly determined by the group 13 element, so even if the solid solution ratio x changes. The conduction band level is almost constant, and the expansion of the forbidden band width accompanying an increase in x is almost consistent with a decrease in electron affinity.
このp型半導体膜1における第一層6a及び第二層6bの禁制帯幅をそれぞれEg(a)、Eg(b)とし、電子親和力をそれぞれχ(a)、χ(b)とすると、これらは次の関係を満たす。図2はこの関係を示すエネルギーバンド図である。
If the forbidden band widths of the
Eg(a)>Eg(b)
χ(a)<χ(b)
Eg(a)−Eg(b)=χ(b)−χ(a)
このように構成される太陽電池Aの特性をポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により計算する数値シミュレーションにより導出した結果を、図3に示す。図3は、第一層6aと第二層6bとの禁制帯幅差Eg(a)−Eg(b)に対する変換効率の変化を示している。禁制帯幅差0eVはp型半導体膜1が単層で形成されている場合に該当し、この場合の変換効率は14.1%である。この結果によると、禁制帯幅差が約0.05eVまでは、禁制帯幅差の増加に伴い変換効率は上昇する。これは、n型半導体膜4と接する第一層6aの禁制帯幅が拡大することによってn型半導体膜4側からの注入キャリアの再結合が低減し、開放電圧が増加するためである。
Eg (a)> Eg (b)
χ (a) <χ (b)
Eg (a) −Eg (b) = χ (b) −χ (a)
FIG. 3 shows the result of deriving the characteristics of the solar cell A configured as described above by numerical simulation in which the Poisson equation and the current continuity equation are calculated by the finite difference method. FIG. 3 shows a change in conversion efficiency with respect to the forbidden bandwidth difference Eg (a) −Eg (b) between the
一方、禁制帯幅差が0.05eV以上になると変換効率は低下してくる。これは、禁制帯幅差が拡大すると禁制帯幅差(電子親和力差)が大きすぎることで伝導帯に不連続障壁が生じ、これにより第二層6bで励起された光キャリアの輸送が阻害され、第二層6bで滞留したキャリアの再結合が生じて光電流が低下するためである。図3によると、禁制帯幅差が0.1eV以下の範囲、特に0.08eV以下の範囲であれば、p型半導体膜1が単層(禁制帯幅差0eV)である場合よりも変換効率が高くなる。
On the other hand, when the forbidden bandwidth difference is 0.05 eV or more, the conversion efficiency decreases. This is because if the forbidden band width difference is increased, the forbidden band width difference (electron affinity difference) is too large, thereby causing a discontinuous barrier in the conduction band, thereby inhibiting the transport of photocarriers excited in the
[実施形態2]
本実施形態では、上記N及びMが3=M=Nの関係にある。すなわち、光の入射側(n型半導体膜4側)から順に第一層、第二層、第三層を積層してp型半導体膜1を三つの層で形成し、且つこの三つの層では、隣合う二層のうち光入射側に配置された一方の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは光入射側に配置された一方の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。
[Embodiment 2]
In the present embodiment, N and M are in a relationship of 3 = M = N. That is, the first layer, the second layer, and the third layer are laminated in order from the light incident side (n-
本実施形態は、p型半導体膜1が第一層、第二層、第三層という三つの層が積層した構成を有している以外は、実施形態1と同じ構成を有している。p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅及び電子親和力は、各層におけるInとGaとの比率を変更することで調整される。
The present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the p-
このp型半導体膜1における第一層、第二層、及び第三層の禁制帯幅をそれぞれEg(a)、Eg(b)、Eg(c)とし、電子親和力をそれぞれχ(a)、χ(b)、χ(c)とすると、これらは次の関係を満たす。図4はこの関係を示すエネルギーバンド図である。
The forbidden band widths of the first layer, the second layer, and the third layer in the p-
Eg(a)>Eg(b)>Eg(c)
χ(a)<χ(b)<χ(c)
Eg(a)−Eg(b)=χ(b)−χ(a)
Eg(b)−Eg(c)=χ(c)−χ(b)
このように構成される太陽電池Aの特性をポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により計算する数値シミュレーションにより導出した結果を図5に示す。図5は、第一層と第二層との間の禁制帯幅差ΔEgに対する、変換効率の変化を示している。ここで、Eg(b)−Eg(c)や各層の膜厚はいくつかの組み合わせで計算している。従って、同じΔEgでも効率が異なる場合が生じる。禁制帯幅差0eVはp型半導体膜1が単層で形成されている場合に該当し、この場合のp型半導体膜1の構成は、実施形態1における禁制帯幅差0eVの場合と同じであるから、変換効率も実施形態1と同じ14.1%となる。図5によれば、禁制帯幅差が0.1eV以下の範囲、特に0.08eV以下の範囲であれば、p型半導体膜1が単層(禁制帯幅差0eV)である場合よりも変換効率が高くなる。
Eg (a)> Eg (b)> Eg (c)
χ (a) <χ (b) <χ (c)
Eg (a) −Eg (b) = χ (b) −χ (a)
Eg (b) −Eg (c) = χ (c) −χ (b)
FIG. 5 shows the result of deriving the characteristics of the solar cell A configured as described above by numerical simulation in which the Poisson equation and the current continuity equation are calculated by the finite difference method. FIG. 5 shows the change in conversion efficiency with respect to the forbidden bandwidth difference ΔEg between the first layer and the second layer. Here, Eg (b) -Eg (c) and the film thickness of each layer are calculated in several combinations. Therefore, the efficiency may be different even with the same ΔEg. The forbidden
[実施形態3]
本実施形態では、上記N及びMが、4=M=Nの関係にある。すなわち、p型半導体膜1を、光の入射側(n型半導体膜4側)から順に第一層、第二層、第三層、第四層を積層して四つの層で形成し、且つこの四つの層では、隣合う二層のうち光入射側に配置された一方の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは光入射側に配置された一方の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。
[Embodiment 3]
In the present embodiment, N and M are in a relationship of 4 = M = N. That is, the p-
本実施形態は、p型半導体膜1が第一層、第二層、第三層、第四層という四つの層が積層した構成を有している以外は、実施形態1と同じ構成を有している。p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅及び電子親和力は、各層におけるInとGaとの比率を変更することで調整される。
This embodiment has the same configuration as that of
このp型半導体膜1における第一層、第二層、第三層、及び第四層の禁制帯幅をそれぞれEg(a)、Eg(b)、Eg(c)、Eg(d)とし、電子親和力をそれぞれχ(a)、χ(b)、χ(c)、χ(d)とすると、これらは次の関係を満たす。図6はこの関係を示すエネルギーバンド図である。
The forbidden band widths of the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer in the p-
Eg(a)>Eg(b)>Eg(c)>Eg(d)
χ(a)<χ(b)<χ(c)<χ(d)
Eg(a)−Eg(b)=χ(b)−χ(a)
Eg(b)−Eg(c)=χ(c)−χ(b)
Eg(c)−Eg(d)=χ(d)−χ(c)
このように構成される太陽電池Aの特性をポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により計算する数値シミュレーションにより導出した結果を図7に示す。図7は、禁制帯幅が最小となる第四層よりも光入射側に存在する三つの層(第一層、第二層及び第三層)の全膜厚に対する変換効率の変化を示している。ここで、各層の禁制帯幅(電子親和力)や膜厚はいくつかの組み合わせで計算している。実施形態1,2と同様に、p型半導体膜1が単層で形成されている場合の変換効率は14.1%となるから、禁制帯幅が最小となる第四層よりも光入射側に存在する層の全膜厚が150nm以下であれば、単層の場合より高い変換効率が得られることがわかる。これは、禁制帯幅の大きな層を薄くすると空乏層内に禁制帯幅が大きな層が存在することになり、最も禁制帯幅が小さく或いは最も電子親和力の大きい第四層でのキャリアの滞留を防ぐことが可能となり、キャリア再結合を低減できることによる。なお、ここで、空乏層内に禁制帯幅が大きな層が存在するにはp型半導体膜1を構成する各層のキャリア濃度が1015/cm3以上であることが好ましい。
Eg (a)> Eg (b)> Eg (c)> Eg (d)
χ (a) <χ (b) <χ (c) <χ (d)
Eg (a) −Eg (b) = χ (b) −χ (a)
Eg (b) −Eg (c) = χ (c) −χ (b)
Eg (c) −Eg (d) = χ (d) −χ (c)
FIG. 7 shows the result of deriving the characteristics of the solar cell A configured as described above by numerical simulation in which the Poisson equation and the current continuity equation are calculated by the finite difference method. FIG. 7 shows the change in conversion efficiency with respect to the total film thickness of three layers (first layer, second layer, and third layer) existing on the light incident side from the fourth layer where the forbidden band width is minimum. Yes. Here, the forbidden band width (electron affinity) and film thickness of each layer are calculated in several combinations. As in the first and second embodiments, since the conversion efficiency when the p-
尚、上記実施形態1〜3においては、全て禁制帯幅の差と電子親和力の差は等しくなっているが、これは必ずしも一致する必要はなく、禁制帯幅と電子親和力のうちいずれか一方が所定の大小関係を満足すれば良い。 In the first to third embodiments, the difference in the forbidden band width and the difference in the electron affinity are all the same, but it is not always necessary to match, and either the forbidden band width or the electron affinity is What is necessary is just to satisfy predetermined magnitude relationship.
[実施形態4,5]
実施形態4では、上記N=3、M=2となっている。すなわち、p型半導体膜1を光の入射側(n型半導体膜4側)から順に第一層、第二層、第三層という三つの層を積層して形成し、且つこの三つの層のうち、光入射側の第一層及び第二層では、第一層の禁制帯幅が第二層の禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは第一層の電子親和力が第二層の電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。また、光入射側とは反対側の第二層及び第三層では、第二層の禁制帯幅が第三層の禁制帯幅より小さいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは第二層の電子親和力が第三層の電子親和力より大きいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。
[
In the fourth embodiment, N = 3 and M = 2. That is, the p-
実施形態4は、p型半導体膜1が第一層、第二層、第三層という三つの層が積層した構成を有している以外は、実施形態1と同じ構成を有している。p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅及び電子親和力は、各層におけるInとGaとの比率を変更することで調整される。
The fourth embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the p-
このp型半導体膜1における第一層、第二層、及び第三層の禁制帯幅をそれぞれEg(a)、Eg(b)、Eg(c)とすると、これらは次の関係を満たす。すなわち、第二層の禁制帯幅が最小となり、第一層及び第三層はそれよりも禁制帯幅が大きくなるようにp型半導体膜1を形成している。図8(a)はこの関係を示すエネルギーバンド図である。
When the forbidden band widths of the first layer, the second layer, and the third layer in the p-
Eg(a)=Eg(c)>Eg(b)
Eg(a)(=Eg(c))−Eg(b)=0.05eV
また、実施形態5では、上記N=4、M=2となっている。すなわち、p型半導体膜1を光の入射側(n型半導体膜4側)から順に第一層、第二層、第三層、第四層という四つ層を積層して形成し、且つこの四つの層のうち、光入射側の第一層及び第二層では、第一層の禁制帯幅が第二層の禁制帯幅より大きいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは第一層の電子親和力が第二層の電子親和力より小さいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。また、光入射側とは反対側の第二層から第四層では、隣合う二層において、光の入射側の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より小さいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が不連続となるようにし、或いは光の入射側の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より大きいと共に層間に生じる電子親和力の変化が不連続となるようにする。
Eg (a) = Eg (c)> Eg (b)
Eg (a) (= Eg (c)) − Eg (b) = 0.05 eV
In the fifth embodiment, N = 4 and M = 2. That is, the p-
実施形態5は、p型半導体膜1が第一層、第二層、第三層、第四層という四つの層が積層した構成を有している以外は、実施形態1と同じ構成を有している。p型半導体膜1を構成する各層の禁制帯幅及び電子親和力は、各層におけるInとGaとの比率を変更することで調整される。
The fifth embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the p-
このp型半導体膜1における第一層、第二層、第三層及び第四層の禁制帯幅をそれぞれEg(a)、Eg(b)、Eg(c)、E(d)とすると、これらは次の関係を満たす。すなわち、第二層の禁制帯幅が最小となり、第一層及び第三層はそれよりも禁制帯幅が大きくなり、第四層は第三層よりも更に禁制帯幅が大きくなるようにp型半導体膜1を形成している。図8(b)はこの関係を示すエネルギーバンド図である。
When the forbidden band widths of the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer in the p-
Eg(d)>Eg(a)=Eg(c)>Eg(b)
Eg(a)(=Eg(c))−Eg(b)=0.05eV
Eg(d)−Eg(c)=0.05eV
図9に、ポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により計算する数値シミュレーションにより導出された、実施形態1(但し、Eg(a)−Eg(b)=0.05eV)、実施形態4及び実施形態5における、太陽電池Aの変換効率を示す。これに示されるとおり、p型半導体膜1を二層構成とした実施形態1よりも、三層構成にすると共に禁制帯幅を最小とした第二層に積層してこの第二層よりも禁制帯幅が大きい第三層を形成した実施形態4の方が変換効率が大きい。また、更に実施形態5のように第三層にこの第三層よりも禁制帯幅が大きい第四層を形成した場合は、変換効率が更に大きくなる。これは、実施形態4,5では禁制帯幅を最小とした第二層で光励起されたキャリアが、これに隣接する禁制帯幅の大きい第三層との界面で反射されて、キャリア収集効率が向上し、短絡電流密度が増加するためである。同様に実施形態5では、第三層で光励起されたキャリアが、これに隣接する禁制帯幅の大きい第四層との界面で反射されることで、キャリア収集効率が更に向上し、短絡電流密度が更に増加する。
Eg (d)> Eg (a) = Eg (c)> Eg (b)
Eg (a) (= Eg (c)) − Eg (b) = 0.05 eV
Eg (d) -Eg (c) = 0.05 eV
FIG. 9 shows a first embodiment (where Eg (a) −Eg (b) = 0.05 eV), a fourth embodiment, and a fourth embodiment, which are derived by numerical simulation that calculates the Poisson equation and the current continuity equation by the finite difference method. The conversion efficiency of the solar cell A in the
また、図10に、実施形態5において、禁制帯幅が最小となる第二層の膜厚xを変化させた場合の、ポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により計算する数値シミュレーションにより導出された太陽電池Aの変換効率の変化を示す。実施形態1のようにp型半導体膜1が二層構成の場合は変換効率は14.6%(図9参照)であるのに対し、実施形態5では図10に示されるように、第二層6bの膜厚xが150〜450nmの範囲内で実施形態1の場合よりも高い変換効率が得られる。これは、最も禁制帯幅が小さい第二層の膜厚が適正化されることで、キャリアの滞留が低減し、キャリアの再結合が抑制されるためにである。
Also, FIG. 10 is derived by numerical simulation in
尚、図8においては、第一層と第三層の禁制帯幅を同一としているが、必ずしも同一である必要はない。図8(a)においては、Eg(a)>Eg(b)、Eg(b)<Eg(c)を満足すればよい。同様に図8(b)においては、Eg(a)>Eg(b)、Eg(b)<Eg(c)、Eg(c)<Eg(d)を満足すればよい。 In FIG. 8, the forbidden bandwidths of the first layer and the third layer are the same, but they are not necessarily the same. In FIG. 8A, it is only necessary to satisfy Eg (a)> Eg (b) and Eg (b) <Eg (c). Similarly, in FIG. 8B, Eg (a)> Eg (b), Eg (b) <Eg (c), and Eg (c) <Eg (d) may be satisfied.
また、各層において価電子帯レベルが全ての層で同一となっているが、必ずしも同一である必要はない。例えば、図8(a)の第一層から第三層の電子親和力χ(a)〜χ(c)が、χ(a)<χ(b)、χ(b)>χ(c)を満足すればよい。図8(b)の場合は、各層の電子親和力χ(a)〜χ(d)が、χ(a)<χ(b)、χ(b)>χ(c)、χ(c)>χ(d)を満足すればよい。 Moreover, although the valence band level is the same in all layers in each layer, it is not necessarily the same. For example, the electron affinity χ (a) to χ (c) of the first layer to the third layer in FIG. 8A satisfies χ (a) <χ (b), χ (b)> χ (c). do it. In the case of FIG. 8B, the electron affinity χ (a) to χ (d) of each layer is represented by χ (a) <χ (b), χ (b)> χ (c), χ (c)> χ What is necessary is just to satisfy (d).
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
(実施例1)
まず、ソーダライムガラス製の基板2の上に、熱化学気相堆積(CVD)法により、SnO2:Fを堆積させて、膜厚約0.4μmの透明電極膜3を形成した。
Example 1
First, SnO 2 : F was deposited on a soda-
この透明導電膜12の上にTiO2膜とIn2S3膜の二層構成の窓層(n型半導体膜4)を形成した。TiO2膜はスパッタ法で厚み約0.1μmに形成した。スパッタは、TiO2焼結体をターゲットに用い、Arの雰囲気中でRF400Wを印加することにより行った。In2S3膜はスプレー塗布熱分解法で厚み0.1μm形成した。前記スプレー塗布熱分解法においては、先に形成されたTiO2膜を370℃に加熱した状態で、このTiO2膜上に、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/l含有する水溶液を噴霧した。
A window layer (n-type semiconductor film 4) having a two-layer structure of a TiO 2 film and an In 2 S 3 film was formed on the transparent conductive film 12. The TiO 2 film was formed to a thickness of about 0.1 μm by sputtering. Sputtering was performed by applying RF 400 W in an Ar atmosphere using a TiO 2 sintered body as a target. The In 2 S 3 film was formed to a thickness of 0.1 μm by spray coating pyrolysis. In the spray coating thermal decomposition method, while heating the TiO 2 film formed previously 370 ° C., in the TiO 2 film, a
次に、Cu(In1−xGax)S2の組成を有する二層構造のp型半導体膜1を形成し、各層における固溶率xを変化させた。第一層6aの組成はCu(In0.8Ga0.2)S2、厚みは50nmであり、第二層6bの組成はCuInS2、厚み2000nm、である。このようなCu(In1−xGax)S2の組成を有するp型半導体ではGaの固溶率xを増加させると、禁制帯幅が増加すると共に電子親和力が低下する。
Next, a p-
第一層6a及び第二層6bはスプレー塗布熱分解法により成膜した。第一層6aは、CuCl2を2mmol/l、InCl3を1.6mmol/l、GaCl3を0.4mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を300℃に加熱したn型半導体膜4の表面にスプレー塗布することで成膜した。第二層6bは、CuCl2を2mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱した第一層6aの表面にスプレー塗布することにより成膜した。
The
このようにしてp型半導体膜1を形成すると、Cu(In1−xGax)S2の組成のp型半導体は、組成の異なる層間でのInとGaの相互拡散が小さいため、第一層6aと第二層6bとの間のInとGaの拡散が抑制され、第一層6aと第二層6bとの間では禁制帯幅及び電子親和力の変化は図2に示す場合と同様に階段状に不連続となる。
When the p-
次に、裏面電極5として、厚み約0.2μmのAu膜を蒸着法により形成した。
Next, an Au film having a thickness of about 0.2 μm was formed as the
以上により、好適な光吸収層となるCu(In1−xGax)S2の組成を有する二層構造のp型半導体膜1を有する太陽電池を得ることができた。
Thus, it was possible to obtain a solar cell having a p-
(実施例2)
まず、ソーダライムガラス製の基板2の上に、熱化学気相堆積(CVD)法によりZnO:Bを堆積させて、膜厚約1.0μmの透明電極膜3を形成した。この熱CVD法においては、Zn(C2H5)2とH2Oをキャリアガスで供給し、ドーパントとして希釈したB2H6ガスを供給し、基板2は200℃に加熱した。
(Example 2)
First, ZnO: B was deposited on a soda-
この透明導電膜12の上に、実施例1の場合と同様にして、TiO2膜とIn2S3膜の二層構成の窓層(n型半導体膜4)を形成した。 A window layer (n-type semiconductor film 4) having a two-layer structure of a TiO 2 film and an In 2 S 3 film was formed on the transparent conductive film 12 in the same manner as in Example 1.
次に、Cu(In1−xAlx)S2の組成を有する三層構造のp型半導体膜1を形成し、各層における固溶率xを変化させた。第一層の組成はCu(In0.94Al0.06)S2、厚みは50nmであり、第二層の組成はCu(In0.97Al0.03)S2、厚みは25nmであり、第三層の組成はCuInS2、厚みは2000nmである。このようなCu(In1−xAlx)S2の組成を有するp型半導体では、Alの固溶率xの増加に伴い禁制帯幅が増加すると共に電子親和力が低下する。
Next, a p-
第一層、第二層及び第三層は、スプレー塗布熱分解法により成膜した。第一層は、CuCl2を2mmol/l、InCl3を1.88mmol/l、AlCl3を0.12mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、350℃に加熱したn型半導体膜4の表面にスプレー塗布することにより成膜した。第二層は、CuCl2を2mmol/l、InCl3を1.94mmol/l、AlCl3を0.06mmol/lmmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、350℃に加熱した第一層の表面にスプレー塗布することにより成膜した。第三層は、CuCl2を2mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱した第二層の表面にスプレー塗布することにより成膜した。
The first layer, the second layer, and the third layer were formed by spray coating pyrolysis. In the first layer, an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 2 mmol / l, InCl 3 at 1.88 mmol / l, AlCl 3 at 0.12 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l was heated to 350 ° C. The film was formed by spray coating on the surface of the
このようにしてp型半導体膜1を形成すると、Cu(In1−xAlx)S2の組成のp型半導体は、組成の異なる層間でのInとAlの相互拡散が小さいため、第一層、第二層及び第三層の各層間のInとAlの拡散が抑制され、各層間では禁制帯幅及び電子親和力の変化は図4に示す場合と同様に階段状に不連続となる。
When the p-
次に、裏面電極5として、透光性を有する金属酸化物膜である厚み約0.8μmのZnO:Al膜をスパッタ法により形成した。スパッタは、Al2O3を2質量%含有したZnO:Al焼結体をターゲットに用い、Arの雰囲気中でRF400Wを印加することにより行った。
Next, a ZnO: Al film having a thickness of about 0.8 μm, which is a light-transmitting metal oxide film, was formed as the
以上により、好適な光吸収層となるCu(In1−xAlx)S2の組成を有する三層構造のp型半導体膜1を有する太陽電池を得ることができた。
As described above, a solar cell having a p-
(実施例3)
まず、実施例1と同じ方法で、ソーダライムガラス製の基板2の上にSnO2:Fを堆積させて、膜厚約0.4μmの透明電極膜3を形成すると共に、この透明導電膜12の上にTiO2膜とIn2S3膜の二層構成の窓層(n型半導体膜4)を形成した。
(Example 3)
First, SnO 2 : F is deposited on a soda-
次に、(Cu1−xZnx)InS2の組成を有する四層構造のp型半導体膜1を形成し、各層における固溶率xを変化させた。第一層の組成は(Cu0.7Zn0.3)InS2、厚みは50nmであり、第二層の組成はCuInS2、厚みは300nmであり、第三層の組成は(Cu0.7Zn0.3)InS2、厚みは100nmであり、第四層の組成は(Cu0.6Zn0.4)InS2、厚みは1500nmである。このような(Cu1−xZnx)InS2の組成を有するp型半導体では、Znの固溶率xの増加に伴い禁制帯幅が増加すると共に電子親和力が低下する。
Next, a p-
第一層、第二層、第三層及び第四層は、スプレー塗布熱分解法により成膜した。第一層は、CuCl2を1.4mmol/l、ZnCl2を0.6mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱したn型半導体膜4の表面にスプレー塗布することにより成膜した。第二層は、CuCl2を2mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱した第一層の表面にスプレー塗布することにより成膜した。第三層は、CuCl2を1.4mmol/l、ZnCl2を0.6mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱した第二層の表面にスプレー塗布することにより成膜した。第四層は、CuCl2を1.2mmol/l、ZnCl2を0.8mmol/l、InCl3を2mmol/l、チオ尿素を6mmol/lの濃度で含有する水溶液を、300℃に加熱した第三層の表面にスプレー塗布することにより成膜した。
The first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer were formed by spray coating pyrolysis. In the first layer, an aqueous solution containing CuCl 2 at 1.4 mmol / l, ZnCl 2 at 0.6 mmol / l, InCl 3 at 2 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l was heated to 300 ° C. n The film was formed by spray coating on the surface of the
このようにしてp型半導体膜1を形成すると、(Cu1−xZnx)InS2の組成のp型半導体は、組成の異なる層間でのCuとZnの相互拡散が小さいため、第一層から第四層までの各層間のCuとZnの拡散が抑制され、各層間では禁制帯幅及び電子親和力の変化は図8(b)に示す場合と同様に階段状に不連続となる。
When the p-
次に、裏面電極5として、厚み約10μmのカーボン膜をスクリーン印刷法により形成した
以上により、好適な光吸収層となる(Cu1−xZnx)InS2の組成を有する四層構造のp型半導体膜1を有する太陽電池を得ることができた。
Next, a carbon film having a thickness of about 10 μm was formed as the
1 p型半導体膜
A 太陽電池
1 p-type semiconductor film A solar cell
Claims (15)
0(eV)<Eg(n)−Eg(n+1)≦0.1(eV) …(1) Of the M layers, the forbidden band width (Eg (n)) of an arbitrary nth (where 1 ≦ n ≦ M−1) layer from the light incident side and the forbidden bandwidth of the (n + 1) th layer ( 2. The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein each of Eg (n + 1)) satisfies the relationship of the following formula (1).
0 (eV) <Eg (n) −Eg (n + 1) ≦ 0.1 (eV) (1)
−0.1(eV)≦χ(n)−χ(n+1)<0(eV) …(2) Among the M layers, the electron affinity (χ (n)) of an arbitrary nth (where 1 ≦ n ≦ M−1) layer from the light incident side (χ (n)) and the electron affinity (χ (n) of the (n + 1) th layer. 2. The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein n + 1)) satisfies the relationship of the following formula (2).
−0.1 (eV) ≦ χ (n) −χ (n + 1) <0 (eV) (2)
前記N個の層のうち、光入射側から第M番目の層から第N番目の層までのN−M+1個の層では、互いに隣接する任意の二層のうち光入射側に配置された一方の層の禁制帯幅が他方の層の禁制帯幅より小さいと共に層間に生じる禁制帯幅の変化が階段状であり、或いは光入射側に配置された一方の層の電子親和力が他方の層の電子親和力より大きいと共に層間に生じる電子親和力の変化が階段状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のp型半導体膜。 M is a natural number satisfying 2 ≦ M <N;
Of the N layers, N−M + 1 layers from the M-th layer to the N-th layer from the light incident side are arranged on the light incident side of any two adjacent layers. The forbidden band width of one layer is smaller than the forbidden band width of the other layer and the change of the forbidden band width occurring between the layers is stepped, or the electron affinity of one layer disposed on the light incident side is 4. The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein the p-type semiconductor film has a step-like change in electron affinity that is greater than the electron affinity and that occurs between layers. 5.
0<X(n)−X(n+1)≦0.2 …(3) The main elements constituting the N layers are a group 11 element, In, Ga, and a group 16 element, and Ga / (In + Ga) in an arbitrary nth layer (where 1 ≦ n ≦ M) from the light incident side. 12) and the ratio X (n + 1) of Ga / (In + Ga) in the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (3). p-type semiconductor film.
0 <X (n) −X (n + 1) ≦ 0.2 (3)
0<Y(n)−Y(n+1)≦0.1 …(4) The main elements constituting the N layers are a group 11 element, In, Al, and a group 16 element, and Al / (in an arbitrary nth layer (where 1 ≦ n ≦ M) from the light incident side. 12. The ratio Y (n) of In + Al) and the ratio Y (n + 1) of Al / (In + Al) of the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (4). P-type semiconductor film.
0 <Y (n) −Y (n + 1) ≦ 0.1 (4)
0<Zn(n)−Zn(n+1)≦0.4 …(5) The main elements constituting the N layers are Cu, Zn, a group 13 element and a group 16 element, and Zn / (in the nth (where 1 ≦ n ≦ M) layer is arbitrary from the light incident side. 11. The ratio Z (n) of Cu + Zn and the ratio Zn (n + 1) of Zn / (Cu + Zn) in the (n + 1) th layer satisfy the relationship of the following formula (5). P-type semiconductor film.
0 <Zn (n) −Zn (n + 1) ≦ 0.4 (5)
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