JP2013120878A - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】可視光を多く含む太陽光を対して発電効率の良いショットキー型の太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る太陽電池１は、第１電極層１Ｃと半導体層１Ａと第２電極層１Ｄとが積層されて構成されており、第１電極層１Ｃは、半導体層１Ａの光照射面側に配置されており、第１電極層１Ｃ及び半導体層Ａは、ショットキー接合界面を介して接合するように構成されており、第２電極層１Ｄは、半導体層１Ａの光照射面の反対側に配置されており、第２電極層１Ｄ及び半導体層１Ａは、オーミック接触を介して接合するように構成されており、第１電極層１Ｃは、可視光吸収材料を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
従来、ショットキー型の太陽電池の構成が知られている（特許文献１及び非特許文献１を参照）。
例えば、図３に示すショットキー型の太陽電池１０の構成が知られている。 かかる太陽電池１０は、具体的には、図３に示すように、半導体層１０Ａと、表面電極層１０Ｂと、第１電極層１０Ｃと、第２電極層１０Ｄと、裏面電極層１０Ｅとが積層されて構成されている。
図３の例では、半導体層１０Ａは、１ｍｍｔの厚さのＺｎＯ基板（面方位０００１）によって構成されており、表面電極１０Ｂは、１００ｎｍの厚さのＡｕによって構成されている。
また、第１電極層１０Ｃは、１００ｎｍの厚さのＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ（スタルク社製導電性高分子）によって構成されている。
第２電極層１０Ｄは、４０ｎｍの厚さのＴｉによって構成されておりオーミック接触用金属電極層であり、裏面電極層１０Ｅは、１００ｎｍの厚さのＡｕによって構成されている。
なお、第１電極層１０Ｃ及び半導体層１０Ａは、ショットキー接合界面を介して接合されるように構成されており、第２電極層１０Ｄ及び半導体層１０Ａは、オーミック接触を介して接合されるように構成されている。
かかる太陽電池１０によれば、入射光が、表面電極層１０Ｂ及び第１電極層１０Ｃを介して、半導体層１０Ａにあたると、半導体層１０Ａにおいて、価電子帯の電子が伝導帯に飛び移ることによって、光キャリア（電子及びホール）が生成され、ショットキー接合界面付近の半導体層１０Ａ側に存在する内蔵電位差（拡散電位差）によって光キャリアの分離が発生し、光起電力効果が生じるように構成されている。
なお、入射光の光エネルギーが、半導体層１０Ａにおける伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップよりも小さい場合、半導体層１０Ａにおいて、価電子帯の電子が、伝導帯に飛び移ることができず、半導体層１０Ａが、かかる入射光を吸収することができないため、かかる光起電力効果は生じない。
特開２０１０-２１９３９９号公報
ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９３，１２３０９（２００８）
ここで、図３に示すショットキー型の太陽電子１０の構成では、可視光の光エネルギーが、ＺｎＯ基板によって構成されている半導体層１０Ａにおける伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップよりも小さいため、可視光が入射された場合には、上述の光起電力効果は生じない。
したがって、図３に示すショットキー型の太陽電子１０は、可視光を多く含む太陽光を対して発電効率が悪いという問題点があった。
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、可視光を多く含む太陽光を対して発電効率の良いショットキー型の太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の特徴は、第１電極層と半導体層と第２電極層とが積層されて構成されている太陽電池であって、前記第１電極層は、前記半導体層の光照射面側に配置されており、前記第１電極層及び前記半導体層は、ショットキー接合界面を介して接合するように構成されており、前記第２電極層は、前記半導体層の光照射面の反対側に配置されており、前記第２電極層及び前記半導体層は、オーミック接触を介して接合するように構成されており、前記第１電極層は、可視光吸収材料を含むことを要旨とする。
本発明の第１の特徴において、前記可視光吸収材料は、ケイ素微粒子であってもよい。
本発明の第１の特徴において、前記ケイ素微粒子に対して終端処理が施されていてもよい。
本発明の第１の特徴において、前記第１電極層は、導電性高分子によって構成されていてもよい。
本発明の第２の特徴は、太陽電池の製造方法であって、半導体層の光照射面側に、可視光吸収材料を含む第１導電性高分子を塗布する工程と、前記第１導電性高分子の光照射面側に、第２導電性高分子を塗布する工程と、前記半導体層の光照射面の反対側に、電極層を形成する工程とを有することを要旨とする。
以上説明したように、本発明によれば、可視光を多く含む太陽光を対して発電効率の良いショットキー型の太陽電池及び太陽電池の製造方法を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。 従来技術に係る太陽電池の構成を示す図である。
（本発明の第１の実施形態）
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池１及び太陽電池１の製造方法について説明する。
具体的には、図１に示すように、本実施形態に係る太陽電池１０は、半導体層１Ａと、表面電極層１Ｂと、第１電極層１Ｃ/１Ｆと、第２電極層１Ｄと、裏面電極層１Ｅとが積層されて構成されている。
半導体層１Ａは、例えば、１ｍｍｔの厚さのＺｎＯ基板（面方位０００１）によって構成されている。
表面電極１Ｂは、例えば、１００ｎｍの厚さのＡｕによって構成されており、裏面電極層１Ｅは、例えば、１００ｎｍの厚さのＡｕによって構成されている。
第２電極層１Ｄは、例えば、４０ｎｍの厚さのＴｉによって構成されておりオーミック接触用金属電極層である。すなわち、第２電極層１Ｄは、半導体層１０Ａの光照射面の反対側に配置されており、半導体層１Ａとの間でオーミック接触を有するように構成されている。
第１電極層１Ｃ/１Ｆは、半導体層１０Ａの光照射面側に配置されており、半導体層１０Ａとの間でショットキー障壁を有するように構成されている。
例えば、第１電極層１Ｃ/１Ｆは、１００ｎｍの厚さのＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ（スタルク社製導電性高分子）の層１Ｃと、４０ｎｍの厚さのＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ（スタルク社製導電性高分子）の層１Ｆとを含む。
ここで、層１Ｆは、可視光吸収材料を含むように構成されている。例えば、層１Ｆは、可視光吸収材料として、ケイ素微粒子（ナノシリコン）を含むように構成されている。
なお、ケイ素微粒子は、「伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップが自身の粒径によって変化する」という性質を有している。例えば、粒径が「５ｎｍ」である場合、バンドギャップは「２.０ｅＶ」となり、粒径が「３ｎｍ」である場合、バンドギャップは「２.５ｅＶ」となる。
したがって、層１に対して可視光吸収材料として含めるケイ素微粒子の粒径を変えることによって、層１において吸収可能な入射光の波長（光エネルギー）の範囲を調整することができる。
かかる太陽電池１０によれば、入射光が、表面電極層１０Ｂ及び第１電極層１０Ｃを介して、半導体層１０Ａにあたると、半導体層１０Ａにおいて、価電子帯の電子が伝導帯に飛び移ることによって、光キャリア（電子及びホール）が生成され、ショットキー接合界面付近の半導体層１０Ａ側に存在する内蔵電位差（拡散電位差）によって光キャリアの分離が発生し、光起電力効果が生じるように構成されている。
同様に、かかる入射光が、表面電極層１０Ｂ及び第１電極層１０Ｃを介して、層１Ｃ内のケイ素微粒子にあたると、ケイ素微粒子において、価電子帯の電子が伝導帯に飛び移ることによって、光キャリア（電子及びホール）が生成され、ショットキー接合界面付近の半導体層１０Ａ側に存在する内蔵電位差（拡散電位差）によって光キャリアの分離が発生し、光起電力効果が生じるように構成されている。
ここで、かかるケイ素微粒子に対して終端処理が施されていることが好ましい。かかる構成によれば、かかる終端処理によって、かかるケイ素微粒子のＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ溶液への溶解性が大幅に改善され、均一性の高いケイ素微粒子を含むＰＥＤＯＴ-ＰＳＳの層１Ｆを形成することができる。また、かかる構成によれば、かかる終端処理によって、大気安定性が大幅に高まり、本実施形態に係る太陽電池１の寿命を延ばすことができる。
以下、図２を参照して、かかる太陽電池１の製造方法の一例について説明する。
図２に示すように、ステップＳ１０１において、上述の半導体層１Ａを構成する半導体基板を洗浄する。
例えば、面方位０００１の東京電波社製のＺｎＯ基板（酸化亜鉛単結晶基板）を、１０分間エタノールで超音波洗浄した後、１０分間アセトンで超音波洗浄する。その後、１０分間、かかるＺｎＯ基板に対するＵＶオゾンクリーナーを用いた洗浄処理を行う。
ステップＳ１０２において、かかるＺｎＯ基板に対して、可視光吸収材料を含む第１導電性高分子を塗布する。
例えば、スタルク社製の導電性高分子であるＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ及びデセン終端ナノシリコンのトルエン溶液を、質量百分率３０：７０の比率で混合した溶液を調整し、スピンコート法によって、かかる溶液を、上述のＺｎＯ基板に塗布する。
ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２で塗布した第１導電性高分子の光照射面側に、第２導電性高分子を塗布する。
例えば、ステップＳ１０２で塗布した溶液の光照射面側に、スピンコート法によって、スタルク社製の導電性高分子であるＰＥＤＯＴ-ＰＳＳを塗布する。ここで、スピン条件は、５０００ｒｐｍ/３０秒とする。
ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３が終了後、直ちに、大気中で焼成処理を行う。ここで、温度プロファイルは、例えば、５０℃（１０分間）→８０℃（１０分間）→１５０℃（１０分間）→１９０℃（１０分間）とした後、常温となるまでゆっくり冷却するものとする。
ステップ１０５において、半導体層（ＺｎＯ基板）の光照射面の反対側に、第２電極層１Ｄ及び裏面電極層１Ｅを形成する。例えば、スパッタ法によって、かかる第２電極層１Ｄ及び裏面電極層１Ｅを形成する。
ステップＳ１０６において、ステップ１０３において塗布した第２導電性高分子の光照射面側に、表面電極層１Ｂを形成する。
例えば、ステップＳ１０５の終了後に、ＺｎＯ基板を大気中に取り出した後、０.２ｍｍφの円形パターンを抜いたメタルマスクを、ステップＳ１０３において塗布したＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ上に貼り付け、かかるメタルマスクの上から、スパッタ法を用いて表面電極層１Ｂを形成する。
その後、メタルマスクを取り外し、ピンセットで、表面電極層１Ｂの周辺の約０.３ｍｍ四方のＰＥＤＯＴ-ＰＳＳを機械的に取り除く。
本発明の第１の実施形態に係る太陽電池１によれば、可視光吸収材料を含む第１導電性高分子（例えば、ナノシリコンを含むＰＥＤＯＴ-ＰＳＳ）が、可視光に対して透明ではないため、可視光に対する起電力を得ることができ、可視光を多く含む太陽光に対する発電効果を向上させることができる。
（実験例）
次に、本発明の効果を更に明確にするために、比較例１に係る太陽電池１０及び実施明１に係る太陽電池１を用いて、赤（６６０ｎｍ）、緑（５２５ｎｍ）、青（４７０ｎｍ）及び紫外線（３６５ｎｍ）の各波長のＬＥＤ証明を照射した場合の起電力を測定した。
なお、実施明１に係る太陽電池１は、図１に示す構成を有しており、図２に示す製造方法によって製造されたものを用いた。一方、従来例１に係る太陽電池１０は、図３に示す構成を有しており、図２に示す製造方法のうち、ステップＳ１０２の処理を除く方法によって製造されたものを用いた。
ここで、かかる実験によって得られた起電力について、表１に示す。
Figure 2013120878
表１に示すように、可視光吸収材料を含む導電性高分子を用いた実施例１に係る太陽電池１によれば、可視光における起電力を得ることができることが分かる。
以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。
１、１０…太陽電池

Claims (5)

  1. 第１電極層と半導体層と第２電極層とが積層されて構成されている太陽電池であって、
    前記第１電極層は、前記半導体層の光照射面側に配置されており、前記第１電極層及び前記半導体層は、ショットキー接合界面を介して接合するように構成されており、
    前記第２電極層は、前記半導体層の光照射面の反対側に配置されており、前記第２電極層及び前記半導体層は、オーミック接触を介して接合するように構成されており、
    前記第１電極層は、可視光吸収材料を含むことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記可視光吸収材料は、ケイ素微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記ケイ素微粒子に対して終端処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第１電極層は、導電性高分子によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  5. 太陽電池の製造方法であって、
    半導体層の光照射面側に、可視光吸収材料を含む第１導電性高分子を塗布する工程と、
    前記第１導電性高分子の光照射面側に、第２導電性高分子を塗布する工程と、
    前記半導体層の光照射面の反対側に、電極層を形成する工程とを有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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