JP2012019021A - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換素子10は、キャリア輸送層12と硫化物半導体材料で構成される光吸収層14とが接合された構造体16を、第1電極18と第2電極20とで挟み込んだものである。ここで、第1電極18は透明導電性材料からなるものであり、第2電極20はCuからなるものである。
【選択図】図1
Description
・実施例1
作製した素子は、図4に示すように、ガラス基板(透明基板)上に、ITO(第1電極)、TiO2(キャリア輸送層)、SnS(光吸収層)、Cu(第2電極)が堆積されたものである。それぞれの膜厚は、ITO:145nm,TiO2:50nm,SnS:50nm,Cu:300nmである。以下に素子作製手順の詳細を示す。
(1)基板準備
有機溶媒中での超音波処理により,ITO基板(ITO薄膜を堆積したガラス基板)を洗浄した。
(2)TiO2薄膜形成
ITO基板の洗浄後、膜厚50nmのTiO2薄膜(キャリア輸送層)をRFマグネトロンスパッタ法により、表1の成膜条件Aで成膜した。成膜後、管状炉に試料を導入し、大気中にて500℃で30分間加熱した。
(3)SnS薄膜形成と後処理
その後、SnS薄膜(光吸収層)を表1の成膜条件Bで成膜した。成膜後、大気中で加熱処理を行った。具体的には、作製した試料を、あらかじめ230℃に保持した電気炉中央部へ挿入し、15分間放置した後(基板表面温度は200℃)、試料を取り出した。処理前後で試料の見た目(肉眼)は違いがなかったが、XPSによる表面の元素組成比を調べた結果、処理後は表面酸素濃度が増加していた。
(4)Cu電極形成
最後に、試料表面に膜厚300nmのCu薄膜電極(第2電極)を表1の成膜条件Cで形成した。電極形成後は、加熱処理などの後処理は行っていない。
上述した実施例1の(4)において、試料表面にAu薄膜(膜厚100nm)/CuI薄膜(膜厚100nm)の多層薄膜を表2の成膜条件Cで形成した以外は、実施例1と同様にして素子を作製した。多層薄膜の形成は、以下の手順で実施した。まず、CuI薄膜を真空蒸着により堆積させた。CuIはタングステンボートに設置し、ボートの通電加熱により薄膜を堆積させた。その後、Au線をタングステンワイヤーに巻きつけ、そのタングステンワイヤーを通電加熱することでAuを蒸発させて堆積させた。
上述した実施例1の(4)において、試料表面にAu薄膜(膜厚100nm)を表3の成膜条件Cで形成した以外は、実施例1と同様にして素子を作製した。具体的には、Au線をタングステンワイヤーに巻きつけ、そのタングステンワイヤーを通電加熱することでAuを蒸発させて堆積させた。
上述した実施例1の(4)において、試料表面にMo薄膜(膜厚300nm)を表4の成膜条件Cで形成した以外は、実施例1と同様にして素子を作製した。具体的には、Moターゲットを用い、RFスパッタリングによりMo薄膜を堆積させた。
実施例1及び比較例1,2,3で得られた素子の太陽電池特性をソーラーシミュレータで測定した。具体的には、各素子にソーラーシミュレーターで疑似太陽光(AM1.5,照度100mW/cm2)を照射しながら、JVの測定、入射光変換効率(IPCE,Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency)の測定、分光光度計による反射率の測定を行った。また、吸収光変換効率(APCE,Absorbed Photon-to-electron Conversion Efficiency)の見積もりも行った。なお、IPCEは、素子に入射する光子数に対する外部回路に取り出されるキャリア数の比を表し、APCEは、素子が吸収する光子数に対する外部回路に取り出されるキャリア数の比を表す。
実施例1及び比較例1,2の疑似太陽光照射時のJV特性を図5に示す。光吸収層側の電極にCu薄膜を用いた実施例1の場合、Au/CuI多層薄膜を用いた比較例1やAu薄膜を用いた比較例2やMo薄膜を用いた比較例3に比べて、高い短絡電流密度Jsc(電圧Vがゼロのときの電流密度J)と開放電圧Voc(電流密度Jがゼロのときの電圧V)が得られた。この結果から、光吸収層側の電極としてAu薄膜やMo薄膜やAu/CuI多層薄膜を用いた場合と比べて、Cu薄膜を用いた場合にはJV特性が向上することがわかる。なお、具体的な数値を表5に示す。表5中、「FF」は、フィルファクターであり、短絡電流密度Jscと開放電圧Vocとの積に対する最大電力の比である。
実施例1及び比較例1のIPCE特性を図6に示す。図6から明らかなように、光吸収側の電極にAu/CuI多層薄膜を用いた比較例1と比べて、Cu薄膜を用いた実施例1では全波長でIPCEが高いことがわかる。また、実施例1及び比較例1の両者とも380nm付近に共通したTiO2に起因するピークが観察されたが、580nm付近のピークは実施例1では観察されたのに対して比較例1では観察されなかった。更に、比較例1では、約870nmでIPCEがゼロとなったものの、実施例1では約1000nmでIPCEがゼロとなった。このことから、実施例1では、比較例1よりも130nmも長い長波長光を有効利用して光電変換しているといえる。
実施例1及び比較例1,2のAPCEを見積もるにあたり、まず、素子のITOガラス側から光照射したときの反射率Rを分光光度計により求め、この反射率Rを1から差し引いた値を素子内部に吸収された割合つまり吸収率A(=1−R)とした。IPCEを吸収率Aで除した値をAPCEとした。実施例1及び比較例1,2のAPCE特性を図7に示す。実施例1では、430〜700nmでAPCEはほぼ100%であった。このことは、この波長範囲では実施例1の素子は吸収した太陽光をほぼ100%電気出力として取り出せることを意味する。また、実施例1では、400〜800nmでAPCEは80%以上であったことから、幅広い波長領域で高い光電変換のポテンシャルを持っていることがわかる。一方、比較例1,2では、実施例1よりも全波長領域でAPCEが低かった。このように電極材料によってAPCEが異なるということは、電極材料が光吸収層(SnS)の電荷輸送に大きな影響を与えていることを意味している。すなわち、光吸収層とCu電極との部分的な反応により、電荷分離及びキャリア輸送のうち少なくとも一方に良好な影響を与える界面が形成されたと考えられる。具体的には、第1に、CuとSnSとが混ざった反応層が形成され、SnS表面に存在した再結合の原因となる欠陥が抑制された可能性がある。第2に、CuとSnSとが反応し、徐々にバンドギャップが変わるダイヤグラムを形成している可能性がある(なお、バンドダイヤグラムについては、図8及び発明の効果の欄を参照)。
Claims (3)
- キャリア輸送層と硫化物半導体材料で構成される光吸収層とが接合された構造体を一対の電極で挟み込んだ光電変換素子であって、
前記一対の電極のうち、キャリア輸送層側の電極は光透過性導電材料からなるものであり、光吸収層側の電極はCuからなるものである、
光電変換素子。 - 前記光吸収層は、硫化物半導体材料で構成され、
前記キャリア輸送層は、n型ワイドギャップ半導体材料又はp型ワイドギャップ半導体材料であって前記光吸収層とは異なる材料で構成される、
請求項1記載の光電変換素子。 - 前記光吸収層は、SnS,Sb2S3,CdS及びFeS2からなる群より選ばれた硫化物材料で構成され、
前記キャリア輸送層は、TiO2,ZnO,SnO2,ZnS及びCdSからなる群より選ばれたn型ワイドギャップ半導体材料で構成される、
請求項2記載の光電変換素子。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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