JP2011023520A - P-type semiconductor film and solar cell - Google Patents

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Takayuki Negami
卓之 根上
Teruaki Yamamoto
輝明 山本
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    • Y02E10/541CuInSe2 material PV cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a p-type semiconductor film readily controlling a forbidden band width or an electron affinity distribution in the p-type semiconductor film constituted of a p-type semiconductor and used as a light absorbing layer of a solar cell, so as to provide a high conversion efficiency solar cell. <P>SOLUTION: The p-type semiconductor film 1 is constituted of the p-type semiconductor and is used as the light absorbing layer of the solar cell A. The p-type semiconductor film 1 is constituted of N (N is a natural number meeting N≥2) layers laminated in a light incident direction. Out of the N layers, in M layers counted from the layer disposed the closest to the light incident side to the M-th (M is a natural number meeting 2≤M≤N) layer, the forbidden band width of one of mutually adjacent optional two layers which is disposed on the light incident side is larger than that of the other layer and a change in forbidden band width generated between the layers is of a step-like form, or the electron affinity of one layer disposed on the light incident side is lower than that of the other layer and a change in electron affinity generated between the layers is of a step-like form. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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 Non-Patent Document 1, in a structure in which the forbidden band width of the light absorption layer is gradually reduced from the light incident side, recombination of injected carriers is performed by increasing the forbidden band width. Is reduced, the open circuit voltage of the solar cell A is increased as compared with the case where the light absorption layer in which the forbidden bandwidth is uniformly distributed is used. In addition, if the forbidden band width of the light absorption layer is distributed so as to gradually expand from the light absorbing side, an internal electric field is generated due to a change in the forbidden band width, so that photoexcited minority carriers drift in the internal electric field. By moving, recombination is reduced and the short-circuit current density of the solar cell is improved. Furthermore, by combining the two forbidden band width distributions, the forbidden band width inside the light absorption layer is gradually reduced from the light incident side, and the forbidden band width is gradually increased when a certain depth is exceeded. When distributed in a double-graded distribution, both open-circuit voltage and short-circuit current density increase compared to solar cells that use a light-absorbing layer with a uniform distribution of the forbidden bandwidth, providing solar cells with high conversion efficiency. it can.

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)Se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)Se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。 Patent Document 1 discloses that a forbidden band width is changed in a Cu (In, Ga) Se 2 thin film. In the technique described in Patent Document 1, In, Ga, and Se are vapor-deposited in the first first stage to form an (In, Ga) 2 Se 3 film, and then Cu and Se are vapor-deposited in the second stage. Then, a CIGS film with an excessive Cu composition is formed, and In, Ga, and Se are further evaporated in the final third stage to form a CIGS film with an insufficient Cu composition. In this method, by controlling the amounts of vapor deposition of In and Ga in the first stage and the third stage, the ratio of In and Ga gradually changes in the depth direction as In and Ga diffuse in the film forming process. Thus, a thin film in which the forbidden bandwidth gradually changes is formed.

特許文献2には、Cu(In,Al)Se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)Se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)Se膜を形成している。 Patent Document 2 discloses that a forbidden band width is changed in a Cu (In, Al) Se 2 film. In the technique described in Patent Document 2, an AlSe film and a Cu film are deposited on a substrate, and then a Cu-excess Cu (In, Al) Se 2 film is deposited while heating in a selenium atmosphere, followed by heating in a selenium atmosphere. Thus, a Cu (In, Al) Se 2 film in which the Al / (In + Al) ratio continuously changes is formed.

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 Patent Document 3, a chalcopyrite structure semiconductor film is configured by a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, and the first semiconductor layer has a Ga (In + Ga) ratio toward the second semiconductor layer side. The forbidden band width decreases as the distance from the second semiconductor layer approaches the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer has a forbidden band width larger than the minimum forbidden band width in the first semiconductor layer. Thus, it is disclosed to form a double graded distribution.

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)S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 Non-Patent Document 2, in a Cu (In, Ga) S 2 semiconductor thin film, since diffusion of In and Ga is insufficient, it is difficult to control the graded distribution.

特表平10−513606号公報Japanese National Patent Publication No. 10-513606 特開平11−274526号公報JP-A-11-274526 特開2007−335792号公報JP 2007-335792 A

C.H. Huang, Sheng S. Lia and, T. J. Anderson, “DEVICE MODELING AND SIMULATION OF CIS-BASED SOLAR CELLS”, Proceedings of 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, p.748 (2002).C.H. Huang, Sheng S. Lia and, T. J. Anderson, “DEVICE MODELING AND SIMULATION OF CIS-BASED SOLAR CELLS”, Proceedings of 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, p.748 (2002). 和田隆博 監修,「化合物薄膜太陽電池の最新技術」,シーエムシー出版,2007年,p.182Supervised by Takahiro Wada, “Latest Technology of Compound Thin Film Solar Cell”, CMC Publishing, 2007, p.182

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-type semiconductor film 1 according to the present invention is composed of a p-type semiconductor and is used as a light absorption layer of the solar cell A. The p-type semiconductor film 1 is composed of N layers (N is a natural number satisfying N ≧ 2) stacked along the light incident direction. Among the N layers, any two layers adjacent to each other in the M layers from the layer arranged closest to the light incident side to the Mth layer (M is a natural number satisfying 2 ≦ M ≦ N). Among them, the forbidden band width of one layer arranged on the light incident side is larger than the forbidden band width of the other layer, and the change of the forbidden band width generated between the layers is stepped. Alternatively, the electron affinity of one layer disposed on the light incident side is smaller than the electron affinity of the other layer, and the change in electron affinity generated between the layers is stepped. The step-like change means that the forbidden band width or the electron affinity value changes discontinuously at the interface between the layers.

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-type semiconductor film 1, the distribution of the forbidden band width or electron affinity in the p-type semiconductor film 1 can be easily controlled. When the p-type semiconductor film 1 is used as a light absorption layer of the solar cell A, the recombination of carriers in the light absorption layer is reduced and the carrier is transported by the forbidden band width or electron affinity distribution in the light absorption layer. Can be inhibited.

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-type semiconductor film 1 can be suppressed, and the recombination of carriers can be further reduced.

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-type semiconductor film 1 are adjacent to the (M + 1) th layer having the larger forbidden band width or the smallest electron affinity. Reflection by the (M + 1) th layer makes the carrier transport direction constant, improves the carrier collection efficiency, and increases the short-circuit current density.

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-type semiconductor film 1 can be reduced, and carrier recombination can be further suppressed.

前記N個のいずれの層においても、キャリア濃度が1×1015/cm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-type semiconductor film 1 and a window layer made of an n-type semiconductor are joined to form a pn junction, whereby a diffusion potential suitable for the solar cell A can be generated and A suitable depletion layer can be generated.

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-type semiconductor film 1 can be suppressed, and carrier recombination can be further suppressed.

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-type semiconductor film 1. Can do.

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 Group 1 elements such as Na and K) that can be included as dopants and unavoidable impurities among the constituent elements of each layer. Moreover, being comprised by the same element group means that the combination of the group of the elements which comprise each layer is the same between each layer.

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-type semiconductor film 1.

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-type semiconductor film 1. it can.

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-type semiconductor film 1 as a light absorption layer.

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-type semiconductor film 1, the distribution of the forbidden band width or electron affinity in the p-type semiconductor film 1 can be easily controlled. By the forbidden band width or electron affinity distribution in the light absorption layer, it is possible to reduce the recombination of carriers in the light absorption layer and to inhibit the carrier transport from being inhibited.

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.

本発明の実施形態1を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows Embodiment 1 of this invention. 上記実施形態1におけるp型半導体膜内のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure in the p-type semiconductor film in the said Embodiment 1. FIG. 上記実施形態1について、数値シミュレーションにより導出された、第一層と第二層との禁制帯幅差Eg(a)−Eg(b)に対する変換効率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the conversion efficiency with respect to the forbidden bandwidth difference Eg (a) -Eg (b) of the 1st layer and the 2nd layer which were derived | led-out about the said Embodiment 1. FIG. 本発明の実施形態2におけるp型半導体膜内のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure in the p-type semiconductor film in Embodiment 2 of this invention. 上記実施形態2について、数値シミュレーションにより導出された、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すグラフである。It is a graph which shows the change of the conversion efficiency with respect to the forbidden bandwidth difference (DELTA) Eg between the 1st layer and the 2nd layer derived | led-out by the numerical simulation about the said Embodiment 2. FIG. 本発明の実施形態3におけるp型半導体膜内のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure in the p-type semiconductor film in Embodiment 3 of this invention. 上記実施形態3について、数値シミュレーションにより導出された、禁制帯幅が最小となる層よりも光入射側に存在する三つの層の全膜厚に対する変換効率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the conversion efficiency with respect to the total film thickness of the three layers which were derived | led-out by the numerical simulation about the said Embodiment 3, and existed in the light incident side rather than the layer where the forbidden bandwidth becomes the minimum. (a)は本発明の実施形態4におけるp型半導体膜内のエネルギーバンド図、(b)は本発明の実施形態5におけるp型半導体膜内のエネルギーバンド図である。(A) is the energy band figure in the p-type semiconductor film in Embodiment 4 of this invention, (b) is the energy band figure in the p-type semiconductor film in Embodiment 5 of this invention. 実施形態1、実施形態4及び実施形態5についての、数値シミュレーションにより導出された太陽電池の変換効率を示すグラフである。である。It is a graph which shows the conversion efficiency of the solar cell derived | led-out by numerical simulation about Embodiment 1, Embodiment 4, and Embodiment 5. FIG. It is. 上記実施形態5について、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、数値シミュレーションにより導出された太陽電池の変換効率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the conversion efficiency of the solar cell derived | led-out by the numerical simulation at the time of changing the film thickness x of the 2nd layer from which the forbidden bandwidth becomes the minimum about the said Embodiment 5. FIG.

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 transparent electrode film 3, an n-type semiconductor film 4, a p-type semiconductor film 1, and a back electrode 5 are sequentially stacked on one surface side of a substrate 2. Thereby, the solar cell A is configured.

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 substrate 2 is made of a material having high light transmittance, for example, glass or light transmissive resin.

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、SnO:F,ZnO:Al、ZnO:Ga、IXO(In: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 transparent electrode film 3 is made of, for example, a conductive metal oxide. Examples of the conductive metal oxide include SnO 2 : F, ZnO: Al, ZnO: Ga, IXO (In 2 O 3 : X, where X is Sn, Mn, Mo, Ti, Zn, etc.). It is done. The transparent electrode film 3 may be formed of only one kind of conductive metal oxide as described above, or formed as a multilayer film formed by laminating a plurality of kinds of conductive metal oxide layers. May be.

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−xMg)O(0<x<1)、TiO、ZnIn2−2x3−2x(0<x<1)、ZnIn2−2xSe3−2x(0<x<1)、In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-type semiconductor film 4 functions as a window layer of the solar cell A and forms a pn junction with the p-type semiconductor film 1. The n-type semiconductor film 4 includes, for example, CdS, ZnO, Zn (O, S), (Zn 1-x Mg x ) O (0 <x <1), TiO 2 , Zn x In 2-2x S 3-2x ( It is formed from an n-type semiconductor such as 0 <x <1), Zn x In 2-2x Se 3-2x (0 <x <1), or In 2 S 3 . The n-type semiconductor film 4 may be formed of only one type of n-type semiconductor, or a plurality of types of n-type semiconductor layers may be formed by stacking, for example, a ZnO layer and a CdS layer. It is good also as a multilayer film constituted by laminating. The n-type semiconductor film 4 is formed by a CVD method such as a sputtering method or a thermal chemical vapor deposition method.

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-type semiconductor film 1 functions as a light absorption layer. The p-type semiconductor film 1 has a configuration in which N layers (N is a natural number satisfying N ≧ 2) having different compositions are stacked.

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-type semiconductor film 1 preferably have the same crystal structure, that is, all of the N layers have a zinc blende structure, a wurtzite structure, sodium chloride It is preferable that they have the same type of crystal structure, such as a mold structure, a spinel structure, or a chalcopyrite structure. In this case, structural defects at the interface between the layers constituting the p-type semiconductor film 1 can be suppressed, and carrier recombination can be further suppressed. In particular, it is preferable that all of the N layers are made of a semiconductor having a chalcopyrite structure.

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-type semiconductor film 1 is changed. This makes it easy to control the forbidden band width or electron affinity of each layer to a desired value. In this case, the content of elements other than the main element contained in each layer, that is, a small amount of elements that can be contained as dopants (Group 1 elements such as Na and K) and unavoidable impurities is 5 atomic% or less. Is preferred.

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−xAg)(In1−yGa)(S1−zSe、(Cu1−xAg)(In1−yAl)(S1−zSe、(Cu1−xAg)(Ga1−yAl)(S1−zSe、(Cu1−xAg)(In1−yGa)(S1−zTe、(Cu1−xAg)(In1−yAl)(S1−zTe、(Cu1−xAg)(Ga1−yAl)(S1−zTe、(Cu1−xAg)(In1−yGa)(Se1−zTe、(Cu1−xAg)(In1−yAl)(Se1−zTe、(Cu1−xAg)(Ga1−yAl)(Se1−zTe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−xAg)(In1−yGa)(S1−zSe、(Cu1−xAg)(In1−yGa)(S1−zTe、(Cu1−xAg)(In1−yGa)(Se1−zTe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−xAg)(In1−yAl)(S1−zTe、(Cu1−xAg)(In1−yAl)(S1−zSe、(Cu1−xAg)(In1−yAl)(Se1−zTe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) (S 1 -z Se z) 2, (Cu 1-x Ag x) (in 1-y Al y) (Se 1-z Te z) main element 11 group element such as 2, in, Al, and group 16 A p-type semiconductor which is an element is preferable.

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−xZn)(In1−yGa)(S1−zSe、(Cu1−xZn)(In1−yAl)(S1−zSe、(Cu1−xZn)(Ga1−yAl)(S1−zSe、(Cu1−xZn)(In1−yGa)(S1−zTe、(Cu1−xZn)(In1−yAl)(S1−zTe、(Cu1−xZn)(Ga1−yAl)(S1−zTe、(Cu1−xZn)(In1−yGa)(Se1−zTe、(Cu1−xZn)(In1−yAl)(Se1−zTe、(Cu1−xZn)(Ga1−yAl)(Se1−zTe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−xZn)(Te1−ySe)、(Cd1−xZn)(Te1−y)、(Cd1−xZn)(Se1−y)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−xAl)(As1−yPy)、(Ga1−xIn)(As1−y)、(Al1−xIn)(As1−y)、(Ga1−xIn)(P1−y)、(Ga1−xAl)(P1−y)、(Al1−xIn)(P1−y)、(Ga1−xIn)(As1−y)、(Ga1−xAl)(As1−y)、(Al1−xIn)(As1−y)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-type semiconductor film 1, in the M layers from the layer arranged closest to the light incident side to the Mth layer (M is a natural number satisfying 2 ≦ M ≦ N), While the forbidden band width is gradually reduced from the light incident side layer, the change in the forbidden band width between layers is discontinuous stepwise, or the electron affinity is sequentially increased from the light incident side layer. The change in electron affinity at is discontinuous stepwise. Since the forbidden band width is the gap between the valence band and the conduction band, and the electron affinity is the gap between the vacuum level and the conduction band, the valence band level relative to the vacuum level in each layer. If the forbidden band width is sequentially reduced from the light incident side layer, the electron affinity gradually increases from the light incident side layer at the same time.

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-type semiconductor film 1, the total thickness of the M−1 layers from the layer disposed closest to the light incident side to the M−1st layer is less than 150 nm. Is preferred. In this case, the retention of carriers in the layer having the smallest forbidden band width or the largest electron affinity in the p-type semiconductor film 1 can be suppressed, and the recombination of carriers can be further reduced.

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-type semiconductor film 1 is reduced. Carrier recombination can be further suppressed.

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-type semiconductor film 1, the forbidden band width sequentially decreases from the layer closest to the light incident side, and the forbidden band width changes between the layers. Becomes stepwise discontinuous, or the electron affinity gradually increases from the layer on the light incident side, and the change in electron affinity between layers becomes stepwise discontinuous.

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/cm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-type semiconductor film 1 have a carrier concentration higher than 1 × 10 15 / cm 3 . In this case, the p-type semiconductor film 1 and a window layer made of an n-type semiconductor are joined to form a pn junction, whereby a diffusion potential suitable for the solar cell A can be generated and A suitable depletion layer can be generated.

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-type semiconductor film 1 can be sequentially formed by spray coating pyrolysis or atomic layer deposition (ALD). In particular, in the spray coating pyrolysis method, a p-type semiconductor whose composition ratio is uniformly controlled based on the composition of the solution can be sequentially formed, and the forbidden band width or the electron affinity is discontinuous as described above. Changes can be made easily.

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、CuO、CuSr等の銅を含む酸化物、AgO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 back electrode 5 can be formed of a metal film, for example. Examples of the metal include Au, Pt, and Ag. Further, the back electrode 5 can be formed of carbon. Further, as in the case of the upper solar cell A in the tandem solar cell A, when it is necessary to transmit the long-wavelength sunlight that is not absorbed by the p-type semiconductor film 1 serving as the light absorption layer through the back electrode 5, the back electrode 5 can also be formed of a light-transmitting conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, for example, the same conductive metal oxide as in the case of forming the transparent electrode film 3, an oxide containing copper such as Cu 2 O and CuSr 2 O 4 , Ag 2 O, and the like are used. Can be mentioned. The back electrode 5 can be formed by an appropriate film forming method such as a sputtering method.

[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 first layer 6a which is formed by laminating two layers of the first layer 6a and the second layer 6b constituting the p-type semiconductor film 1 and is disposed on the light incident side of the two layers. The width is larger than the forbidden band width of the second layer 6b and the change in the forbidden band width generated between the layers is discontinuous, or the electron affinity of the first layer 6a is smaller than the electron affinity of the second layer 6b and between the layers. The resulting change in electron affinity is made discontinuous.

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Inで形成し、p型半導体膜1をCu(In1−xGa)Sで形成し、裏面電極5をAuで形成する。 In this embodiment, the substrate 2 is formed of glass, the transparent electrode film 3 is formed of ZnO: Al, the n-type semiconductor film 4 is formed of In 2 S 3 , and the p-type semiconductor film 1 is Cu (In 1− x Ga x ) S 2 and the back electrode 5 is made of Au.

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-type semiconductor film 1, the thickness of the first layer 6a on the light incident side (n-type semiconductor film 4 side) is 50 nm, and the side opposite to the light incident side with respect to the first layer 6a (n-type). The thickness of the second layer 6b on the opposite side of the semiconductor film 4 is 1950 nm.

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−xGa)S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−xAl)Sの場合はx=0.1、(Cu1−xZn)InS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-type semiconductor film 1 are adjusted by changing the ratio of In and Ga in each layer. For example, in Cu (In 1-x Ga x ) S 2 constituting the p-type semiconductor film 1, if x = 0.2, the forbidden band width is about 0.1 eV. In the case of Cu (In 1-x Al x ) S 2 , if x = 0.1 and in the case of (Cu 1-x Zn x ) InS 2 , x = 0.4, the forbidden band width is about 0. .1 eV.

Cu(In1−xGa)SとCu(In1−xAl)S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 first layer 6a and the second layer 6b in the p-type semiconductor film 1 are Eg (a) and Eg (b), respectively, and the electron affinity is χ (a) and χ (b), respectively, Satisfies the following relationship: FIG. 2 is an energy band diagram showing this relationship.

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 first layer 6a and the second layer 6b. The forbidden band difference 0 eV corresponds to the case where the p-type semiconductor film 1 is formed as a single layer, and the conversion efficiency in this case is 14.1%. According to this result, the conversion efficiency increases as the forbidden bandwidth difference increases until the forbidden bandwidth difference reaches about 0.05 eV. This is because the forbidden band width of the first layer 6a in contact with the n-type semiconductor film 4 is increased, so that recombination of injected carriers from the n-type semiconductor film 4 side is reduced and the open circuit voltage is increased.

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 second layer 6b. This is because recombination of carriers staying in the second layer 6b occurs and the photocurrent decreases. According to FIG. 3, when the forbidden band difference is in the range of 0.1 eV or less, particularly 0.08 eV or less, the conversion efficiency is higher than that in the case where the p-type semiconductor film 1 is a single layer (forbidden band difference of 0 eV). Becomes higher.

[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-type semiconductor film 4 side) to form the p-type semiconductor film 1 with three layers, and in these three layers, The forbidden band width of one of the two adjacent layers disposed on the light incident side is larger than the forbidden band width of the other layer and the change of the forbidden band width generated between the layers is discontinuous, or the light The electron affinity of one layer arranged on the incident side is smaller than the electron affinity of the other layer, and the change in electron affinity generated between the layers is made discontinuous.

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-type semiconductor film 1 has a configuration in which three layers of a first layer, a second layer, and a third layer are stacked. The forbidden band width and the electron affinity of each layer constituting the p-type semiconductor film 1 are adjusted by changing the ratio of In and Ga in each layer.

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-type semiconductor film 1 are Eg (a), Eg (b), and Eg (c), respectively, and the electron affinity is χ (a), Assuming that χ (b) and χ (c), these satisfy the following relationship. FIG. 4 is an energy band diagram showing this relationship.

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 band difference 0 eV corresponds to the case where the p-type semiconductor film 1 is formed of a single layer, and the configuration of the p-type semiconductor film 1 in this case is the same as the case of the forbidden band difference 0 eV in the first embodiment. Therefore, the conversion efficiency is 14.1%, which is the same as in the first embodiment. According to FIG. 5, if the forbidden band difference is in the range of 0.1 eV or less, particularly 0.08 eV or less, the conversion is more than in the case where the p-type semiconductor film 1 is a single layer (forbidden band difference of 0 eV). Increases efficiency.

[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-type semiconductor film 1 is formed of four layers by laminating a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer in order from the light incident side (n-type semiconductor film 4 side), and In these four layers, the forbidden band width of one layer arranged on the light incident side of the two adjacent layers is larger than the forbidden band width of the other layer, and the change of the forbidden band width generated between the layers becomes discontinuous. Alternatively, the electron affinity of one layer arranged on the light incident side is smaller than the electron affinity of the other layer and the change in electron affinity generated between the layers is discontinuous.

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 Embodiment 1 except that the p-type semiconductor film 1 has a configuration in which four layers of a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer are stacked. is doing. The forbidden band width and the electron affinity of each layer constituting the p-type semiconductor film 1 are adjusted by changing the ratio of In and Ga in each layer.

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-type semiconductor film 1 are Eg (a), Eg (b), Eg (c), and Eg (d), respectively. Assuming that the electron affinity is χ (a), χ (b), χ (c), and χ (d), these satisfy the following relationship. FIG. 6 is an energy band diagram showing this relationship.

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/cm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-type semiconductor film 1 is formed as a single layer is 14.1%, the light incident side is higher than the fourth layer where the forbidden band width is minimum. It can be seen that if the total thickness of the layers present in the layer is 150 nm or less, higher conversion efficiency can be obtained than in the case of a single layer. This is because when a layer with a large forbidden band is thinned, a layer with a large forbidden band exists in the depletion layer, and carriers stay in the fourth layer with the smallest forbidden band width or the largest electron affinity. This is because the carrier recombination can be reduced. Here, in order for a layer having a large forbidden band to exist in the depletion layer, the carrier concentration of each layer constituting the p-type semiconductor film 1 is preferably 10 15 / cm 3 or more.

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。
[Embodiments 4 and 5]
In the fourth embodiment, N = 3 and M = 2. That is, the p-type semiconductor film 1 is formed by laminating three layers of a first layer, a second layer, and a third layer in order from the light incident side (n-type semiconductor film 4 side). Among them, in the first layer and the second layer on the light incident side, the forbidden band width of the first layer is larger than the forbidden band width of the second layer and the change of the forbidden band width generated between the layers is discontinuous, or The electron affinity of the first layer is smaller than the electron affinity of the second layer, and the change in electron affinity generated between the layers is made discontinuous. Further, in the second layer and the third layer opposite to the light incident side, the forbidden band width of the second layer is smaller than the forbidden band width of the third layer, and the change of the forbidden band width generated between the layers is discontinuous. Alternatively, the electron affinity of the second layer is larger than the electron affinity of the third layer, and the change in electron affinity generated between the layers is made discontinuous.

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-type semiconductor film 1 has a configuration in which three layers of a first layer, a second layer, and a third layer are stacked. The forbidden band width and the electron affinity of each layer constituting the p-type semiconductor film 1 are adjusted by changing the ratio of In and Ga in each layer.

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-type semiconductor film 1 are Eg (a), Eg (b), and Eg (c), they satisfy the following relationship. That is, the p-type semiconductor film 1 is formed so that the forbidden band width of the second layer is minimized and the forbidden band width of the first layer and the third layer is larger than that. FIG. 8A is an energy band diagram showing this relationship.

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-type semiconductor film 1 is formed by laminating four layers of a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer in order from the light incident side (n-type semiconductor film 4 side). Of the four layers, in the first layer and the second layer on the light incident side, the forbidden band width of the first layer is larger than the forbidden band width of the second layer and the change of the forbidden band width generated between the layers is discontinuous. Alternatively, the electron affinity of the first layer is smaller than the electron affinity of the second layer, and the change in electron affinity generated between the layers is discontinuous. In the second to fourth layers opposite to the light incident side, in the two adjacent layers, the forbidden band width of the light incident side layer is smaller than the forbidden band width of the other layer, and is forbidden between the layers. The change in the bandwidth is made discontinuous, or the electron affinity of the layer on the light incident side is larger than the electron affinity of the other layer, and the change in the electron affinity generated between the layers is made discontinuous.

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-type semiconductor film 1 has a configuration in which four layers of a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer are stacked. is doing. The forbidden band width and the electron affinity of each layer constituting the p-type semiconductor film 1 are adjusted by changing the ratio of In and Ga in each layer.

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-type semiconductor film 1 are Eg (a), Eg (b), Eg (c), and E (d), respectively. These satisfy the following relationship. That is, the forbidden band width of the second layer is minimized, the forbidden band width is larger for the first layer and the third layer, and the forbidden band width is larger for the fourth layer than the third layer. A type semiconductor film 1 is formed. FIG. 8B is an energy band diagram showing this relationship.

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 form 5 is shown. As shown in this figure, the p-type semiconductor film 1 has a three-layer structure and a forbidden band width that is the smallest forbidden than the second layer, as compared with the first embodiment. The conversion efficiency is higher in the fourth embodiment in which the third layer having a larger band width is formed. Further, when the fourth layer having a larger forbidden band width than the third layer is formed in the third layer as in the fifth embodiment, the conversion efficiency is further increased. This is because, in the fourth and fifth embodiments, carriers photoexcited in the second layer having the smallest forbidden band width are reflected at the interface with the third layer adjacent to the second layer having a larger forbidden band width, so that the carrier collection efficiency is improved. This is because the short-circuit current density is increased. Similarly, in the fifth embodiment, the carriers photoexcited in the third layer are reflected at the interface with the fourth layer having a large forbidden band adjacent to the third layer, thereby further improving the carrier collection efficiency and the short-circuit current density. Will further increase.

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 Embodiment 5 in which the Poisson equation and the current continuity equation are calculated by the finite difference method when the thickness x of the second layer that minimizes the forbidden bandwidth is changed. The change of the conversion efficiency of the solar cell A is shown. When the p-type semiconductor film 1 has a two-layer structure as in the first embodiment, the conversion efficiency is 14.6% (see FIG. 9), whereas in the fifth embodiment, as shown in FIG. A higher conversion efficiency than that of the first embodiment can be obtained when the film thickness x of the layer 6b is in the range of 150 to 450 nm. This is because carrier retention is reduced and carrier recombination is suppressed by optimizing the thickness of the second layer having the smallest forbidden band width.

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、SnO: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-lime glass substrate 2 by a thermal chemical vapor deposition (CVD) method to form a transparent electrode film 3 having a thickness of about 0.4 μm.

この透明導電膜12の上にTiO膜とIn膜の二層構成の窓層(n型半導体膜4)を形成した。TiO膜はスパッタ法で厚み約0.1μmに形成した。スパッタは、TiO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。In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TiO膜を370℃に加熱した状態で、このTiO膜上に、InCl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 InCl 3 2 mmol / l, an aqueous solution containing 6 mmol / l thiourea Sprayed.

次に、Cu(In1−xGa)S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)S、厚みは50nmであり、第二層6bの組成はCuInS、厚み2000nm、である。このようなCu(In1−xGa)S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-type semiconductor film 1 of the two-layer structure having a composition of Cu (In 1-x Ga x ) S 2, changing the rate of solid solution x in each layer. The composition of the first layer 6a is Cu (In 0.8 Ga 0.2) S 2, the thickness is 50 nm, the composition of the second layer 6b is CuInS 2, a thickness of 2000 nm,. In a p-type semiconductor having such a composition of Cu (In 1-x Ga x ) S 2 , increasing the Ga solid solution ratio x increases the forbidden band width and decreases the electron affinity.

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、CuClを2mmol/l、InClを1.6mmol/l、GaCl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、CuClを2mmol/l、InCl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 first layer 6a and the second layer 6b were formed by spray coating pyrolysis. The first layer 6a is formed by heating an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 2 mmol / l, InCl 3 at 1.6 mmol / l, GaCl 3 at 0.4 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l to 300 ° C. The surface of the mold semiconductor film 4 was formed by spray coating. For the second layer 6b, an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 2 mmol / l, InCl 3 at a concentration of 2 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l is spray-coated on the surface of the first layer 6a heated to 300 ° C. Was formed.

このようにしてp型半導体膜1を形成すると、Cu(In1−xGa)S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-type semiconductor film 1 is formed in this manner, the p-type semiconductor having a composition of Cu (In 1-x Ga x ) S 2 has a small interdiffusion of In and Ga between layers having different compositions. The diffusion of In and Ga between the layer 6a and the second layer 6b is suppressed, and the change in the forbidden band width and the electron affinity between the first layer 6a and the second layer 6b is the same as shown in FIG. It becomes discontinuous in a staircase shape.

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 back electrode 5 by vapor deposition.

以上により、好適な光吸収層となるCu(In1−xGa)S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-type semiconductor film 1 of the two-layer structure having a composition of Cu (In 1-x Ga x ) S 2 as a suitable light-absorbing layer.

(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(CとHOをキャリアガスで供給し、ドーパントとして希釈したB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-lime glass substrate 2 by a thermal chemical vapor deposition (CVD) method to form a transparent electrode film 3 having a thickness of about 1.0 μm. In this thermal CVD method, Zn (C 2 H 5 ) 2 and H 2 O were supplied with a carrier gas, diluted B 2 H 6 gas was supplied as a dopant, and the substrate 2 was heated to 200 ° C.

この透明導電膜12の上に、実施例1の場合と同様にして、TiO膜とIn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−xAl)S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)S、厚みは50nmであり、第二層の組成はCu(In0.97Al0.03)S、厚みは25nmであり、第三層の組成はCuInS、厚みは2000nmである。このようなCu(In1−xAl)S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-type semiconductor film 1 of the three-layer structure having a composition of Cu (In 1-x Al x ) S 2, changing the rate of solid solution x in each layer. The composition of the first layer is Cu (In 0.94 Al 0.06 ) S 2 , the thickness is 50 nm, the composition of the second layer is Cu (In 0.97 Al 0.03 ) S 2 , and the thickness is 25 nm. The composition of the third layer is CuInS 2 and the thickness is 2000 nm. In a p-type semiconductor having such a composition of Cu (In 1-x Al x ) S 2 , the forbidden band width increases and the electron affinity decreases as the solid solution ratio x of Al increases.

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、CuClを2mmol/l、InClを1.88mmol/l、AlCl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、CuClを2mmol/l、InClを1.94mmol/l、AlCl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、CuClを2mmol/l、InCl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 mold semiconductor film 4. The second layer was heated to 350 ° C. with an aqueous solution containing CuCl 2 at 2 mmol / l, InCl 3 at 1.94 mmol / l, AlCl 3 at 0.06 mmol / l mmol / l, and thiourea at 6 mmol / l. A film was formed by spray coating on the surface of the first layer. The third layer is formed by spray-coating an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 2 mmol / l, InCl 3 at a concentration of 2 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l on the surface of the second layer heated to 300 ° C. Filmed.

このようにしてp型半導体膜1を形成すると、Cu(In1−xAl)S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-type semiconductor film 1 is formed in this way, the p-type semiconductor having a composition of Cu (In 1-x Al x ) S 2 has a small interdiffusion of In and Al between layers having different compositions. The diffusion of In and Al between the layers of the layer, the second layer, and the third layer is suppressed, and the change of the forbidden bandwidth and the electron affinity is discontinuous stepwise between the layers as in the case shown in FIG.

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、Al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 back electrode 5 by sputtering. Sputtering was performed by applying RF 400 W in an Ar atmosphere using a ZnO: Al sintered body containing 2% by mass of Al 2 O 3 as a target.

以上により、好適な光吸収層となるCu(In1−xAl)S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-type semiconductor film 1 having a three-layer structure having a composition of Cu (In 1-x Al x ) S 2 serving as a suitable light absorption layer could be obtained.

(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SnO: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TiO膜とIn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-lime glass substrate 2 by the same method as in Example 1 to form a transparent electrode film 3 having a film thickness of about 0.4 μm, and this transparent conductive film 12 is formed. 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 thereon.

次に、(Cu1−xZn)InS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)InS、厚みは50nmであり、第二層の組成はCuInS、厚みは300nmであり、第三層の組成は(Cu0.7Zn0.3)InS、厚みは100nmであり、第四層の組成は(Cu0.6Zn0.4)InS、厚みは1500nmである。このような(Cu1−xZn)InS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-type semiconductor film 1 having a four-layer structure having a composition of (Cu 1-x Zn x ) InS 2 was formed, and the solid solution ratio x in each layer was changed. The composition of the first layer is (Cu 0.7 Zn 0.3 ) InS 2 , the thickness is 50 nm, the composition of the second layer is CuInS 2 , the thickness is 300 nm, and the composition of the third layer is (Cu 0.3 . 7 Zn 0.3) InS 2, the thickness is 100 nm, the composition of the fourth layer is (Cu 0.6 Zn 0.4) InS 2 , a thickness of 1500 nm. In a p-type semiconductor having such a composition of (Cu 1-x Zn x ) InS 2 , the forbidden band width increases and the electron affinity decreases as the solid solution ratio x of Zn increases.

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、CuClを1.4mmol/l、ZnClを0.6mmol/l、InCl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、CuClを2mmol/l、InCl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、CuClを1.4mmol/l、ZnClを0.6mmol/l、InCl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、CuClを1.2mmol/l、ZnClを0.8mmol/l、InCl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 mold semiconductor film 4. The second layer is formed by spray coating an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 2 mmol / l, InCl 3 at a concentration of 2 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l on the surface of the first layer heated to 300 ° C. Filmed. The third layer is an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 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. A film was formed by spray coating on the surface of the two layers. The fourth layer is an aqueous solution containing CuCl 2 at a concentration of 1.2 mmol / l, ZnCl 2 at 0.8 mmol / l, InCl 3 at 2 mmol / l, and thiourea at a concentration of 6 mmol / l, heated to 300 ° C. A film was formed by spray coating on the surface of the three layers.

このようにしてp型半導体膜1を形成すると、(Cu1−xZn)InS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-type semiconductor film 1 is formed in this way, the p-type semiconductor having the composition of (Cu 1-x Zn x ) InS 2 has a small interdiffusion of Cu and Zn between layers having different compositions, and thus the first layer To the fourth layer, the diffusion of Cu and Zn between the layers is suppressed, and the change in the forbidden band width and the electron affinity is discontinuous in a stepped manner in the same manner as shown in FIG. 8B.

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−xZn)InS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 back electrode 5 by a screen printing method. As described above, a p-layer structure having a composition of (Cu 1-x Zn x ) InS 2 which becomes a suitable light absorption layer. A solar cell having the type semiconductor film 1 could be obtained.

1 p型半導体膜
A 太陽電池
1 p-type semiconductor film A solar cell

Claims (15)

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型半導体膜であって、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、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ことを特徴とするp型半導体膜。   A p-type semiconductor film composed of a p-type semiconductor and used as a light absorption layer of a solar cell, and composed of N layers (N is a natural number satisfying N ≧ 2) stacked in the light incident direction. Among the N layers, the M layers from the layer arranged closest to the light incident side to the Mth layer (M is a natural number satisfying 2 ≦ M ≦ N) are arbitrary adjacent to each other. Of the two layers, the forbidden band width of one layer arranged on the light incident side is larger than the forbidden band width of the other layer, and the change of the forbidden band width generated between the layers is stepped or arranged on the light incident side. A p-type semiconductor film characterized in that the electron affinity of one layer is smaller than the electron affinity of the other layer and the change in electron affinity generated between the layers is stepped. 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))が、いずれも下記式(1)の関係を満足することを特徴とする請求項1に記載のp型半導体膜。
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)
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を特徴とする請求項1に記載のp型半導体膜。
−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、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。   2. The total thickness of the M−1 layers from the layer disposed closest to the light incident side to the M−1th layer among the N layers is less than 150 nm. 4. The p-type semiconductor film according to any one of 3 above. 前記Mが2≦M<Nを満たす自然数であり、
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.
光入射側から第M番目の層の厚みが150nm以上、450nm未満であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のp型半導体膜。   6. The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein the thickness of the Mth layer from the light incident side is 150 nm or more and less than 450 nm. 前記N個のいずれの層においても、キャリア濃度が1×1015/cmより大きいことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のp型半導体膜。 7. The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein a carrier concentration is higher than 1 × 10 15 / cm 3 in any of the N layers. 前記N個の層の結晶構造がいずれも同一であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のp型半導体膜。   The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein the N layers have the same crystal structure. 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を特徴とする請求項8記載のp型半導体膜。   9. The p-type semiconductor film according to claim 8, wherein the crystal structure of the N layers is a chalcopyrite structure. 前記N個の層が同一元素群で構成されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のp型半導体膜。   The p-type semiconductor film according to claim 1, wherein the N layers are composed of the same element group. 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族元素であることを特徴とする請求項10に記載のp型半導体膜。   11. The p-type semiconductor film according to claim 10, wherein main elements constituting the N layers are a group 11 element, a group 13 element, and a group 16 element. 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を特徴とする請求項11に記載のp型半導体膜。
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)
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を特徴とする請求項11に記載のp型半導体膜。
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)
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を特徴とする請求項10に記載のp型半導体膜。
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)
請求項1乃至14のいずれかに記載のp型半導体膜を、光吸収層として備えることを特徴とする太陽電池。   A solar cell comprising the p-type semiconductor film according to claim 1 as a light absorption layer.
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