JP2013149650A

JP2013149650A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2013149650A
Application number: JP2012006916A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kan; 紘己韓
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】光電変換装置における光電変換効率を高める。
【解決手段】光電変換装置１１は、基板１上に下部電極層２、第１の半導体層３、第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４、高抵抗層６および上部電極層５が順に積層されており、高抵抗層６は、第２の半導体層４側から、上部電極層５よりも電気抵抗率の高い第１の層６ａと、第１の層６ａよりも電気抵抗率の低い第２の層６ｂと、第２の層６ｂおよび上部電極層５よりも電気抵抗率の高い第３の層６ｃとが順に積層されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体層が積層されて成る光電変換装置に関する。

太陽光発電などに使用される光電変換装置として、基板の上に複数の半導体層が積層されたものがある。このような光電変換装置は、ガラスなどの基板の上に、下部電極層と、第１の半導体層と、第１の半導体層とは異なる導電型の第２の半導体層と、体積抵抗率が１０^４Ω・ｃｍ以上の高抵抗層と、上部電極層とが、この順に積層されて構成されている（例えば、特許文献１など）。

特開２００５−１２３２７２号公報

上記光電変換装置において、高抵抗層は第２の半導体層の欠陥部におけるリーク電流を低減する機能を有する。光電変換装置の光電変換効率を高めるためには、この高抵抗層を厚くしてリーク電流をさらに抑制することが考えられる。しかしながら、高抵抗層を厚くすると電気抵抗が高くなり、光電変換効率を十分に高めることが困難である。

本発明の目的は、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板上に下部電極層、第１の半導体層、該第１の半導体層とは異なる導電型の第２の半導体層、高抵抗層および上部電極層が順に積層された光電変換装置であって、前記高抵抗層は、前記第２の半導体層側から、前記上部電極層よりも電気抵抗率の高い第１の層と、該第１の層よりも電気抵抗率の低い第２の層と、該第２の層および前記上部電極層よりも電気抵抗率の高い第３の層とが順に積層されている。

本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を向上させることができる。

光電変換装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。図１の光電変換装置の断面図である。図１の光電変換装置の要部拡大断面図である。

以下に本発明の一実施形態に係る光電変換装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の一例を示す斜視図であり、図２はその断面図である。また、図３は図２をさらに拡大した要部拡大断面図である。光電変換装置１１は、基板１上に複数の光電変換セル１０が並べられて互いに電気的に接続されている。なお、図１においては図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみを示しているが、
実際の光電変換装置１１においては、図面左右方向、あるいはさらにこれに垂直な方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配設されていてもよい。

図１、図２において、基板１上に複数の下部電極層２が平面配置されている。図１、図２において、複数の下部電極層２は、一方向に間隔をあけて並べられた下部電極層２ａ〜２ｃを具備している。この下部電極層２ａ上から基板１上を経て下部電極層２ｂ上にかけて、第１の半導体層３が設けられている。また、第１の半導体層３上には、第１の半導体層３とは異なる導電型の第２の半導体層４、高抵抗層６および上部電極層５がこの順に設けられている。さらに、下部電極層２ｂ上において、接続導体７が、第１の半導体層３および第２の半導体層４の側面に沿って、または第１の半導体層３および第２の半導体層４を貫通して設けられている。この接続導体７は、上部電極層５と下部電極層２ｂとを電気的に接続している。これら、下部電極層２、第１の半導体層３、第２の半導体層４、高抵抗層６、上部電極層５および接続導体７によって、１つの光電変換セル１０を構成している。

このような構成によって、隣接する光電変換セル１０同士が直列接続された、高出力の光電変換装置１１となる。なお、本実施形態における光電変換装置１１は、上部電極層５側から光が入射されるものを想定しているが、これに限定されず、基板１側から光が入射されるものであってもよい。

基板１は、光電変換セル１０を支持するためのものである。基板１に用いられる材料としては、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂および金属等が挙げられる。基板１としては、例えば、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）を用いることができる。

下部電極層２（下部電極層２ａ、２ｂ、２ｃ）は、基板１上に設けられた、Ｍｏ、Ａｌ、ＴｉまたはＡｕ等の導電体である。下部電極層２は、スパッタリング法または蒸着法などの公知の薄膜形成手法を用いて、０．２μｍ〜１μｍ程度の厚みに形成される。

第１の半導体層３は第１導電型の半導体層であり、光吸収層として機能する。第１の半導体層３の材料は特に限定されないが、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みでも良好な光電変換効率が得られるという観点からは、例えば、第II−VI族化合物、Ｉ−III−VI族化合
物およびＩ−II−IV−VI族化合物等の金属カルコゲナイドや、非晶質シリコン等が好適に用いられ得る。

II−VI族化合物とは、II−Ｂ族（１２族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素（１６族元素ともいう）との化合物半導体である。II−VI族化合物としては、例えば、ＣｄＴｅ等が挙げられる。

Ｉ−III−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素（１１族元素ともいう）とIII−Ｂ族元素（１３族元素ともいう）とVI-Ｂ族元素との化合物である。Ｉ−III−VI族化合物としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ_２（二セレン化銅インジウム、ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（二セレン化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）_２（二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳＳともいう）が挙げられる。あるいは、第１の半導体層３は、薄膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜にて構成されていてもよい。

Ｉ−II−IV−VI族化合物とは、Ｉ−Ｂ族元素とII−Ｂ族元素とIV−Ｂ族元素（１４族元素ともいう）とVI−Ｂ族元素との化合物である。Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例え
ば、Ｃｕ_２ＺｎＳｎＳ_４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ_２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）_４（ＣＺＴＳＳｅともいう）、およびＣｕ_２ＺｎＳｎＳｅ_４（ＣＺＴＳｅともいう）が挙げられる。

第１の半導体層３は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第１の半導体層３の構成元素の錯体溶液を下部電極層２の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる第２導電型を有する半導体層である。第１の半導体層３および第２の半導体層４が電気的に接合することにより、電荷を良好に取り出すことが可能な光電変換層が形成される。例えば、第１の半導体層３がｐ型であれば、第２の半導体層４はｎ型である。第１の半導体層３がｎ型で、第２の半導体層４がｐ型であってもよい。なお、第１の半導体層３と第２の半導体層４との間に高抵抗のバッファ層が介在していてもよい。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる材料が第１の半導体層３上に積層されたものであってもよく、あるいは第１の半導体層３の表面部が他の元素のドーピングによって改質されたものであってもよい。

第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）、（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）、および（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ等が挙げられる。この場合、第２の半導体層４は例えば１０〜２００ｎｍの厚みで形成される。なお、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｚｎ（ＯＨ）_２とＺｎＳを含む混晶化合物をいう。Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｉｎ（ＯＨ）_３とＩｎ_２Ｓ_３とを含む混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、Ｚｎ（ＯＨ）_２、ＺｎＳ、Ｉｎ（ＯＨ）_３およびＩｎ_２Ｓ_３を含む混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎＯとＭｇＯとを含む混晶化合物をいう。第１の半導体層３と良好なヘテロ接合を形成するという観点からは、第２の半導体層４として、例えばＺｎ（ＯＨ，Ｓ）、Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）または（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）等のような、金属水酸化物および金属カルコゲナイドを含む混晶化合物が好適に用いられ得る。このような混晶化合物は、例えば水溶液中で半導体層を析出させる、いわゆるケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等によって形成され得る。

高抵抗層６は、第２の半導体層４側から、上部電極層５よりも電気抵抗率の高い第１の層６ａと、この第１の層６ａよりも電気抵抗率の低い第２の層６ｂと、この第２の層６ｂおよび上記上部電極層５よりも電気抵抗率の高い第３の層６ｃとが順に積層されている。なお、第１の層６ａ、第２の層６ｂおよび第３の層６ｃは、それぞれが単層であっても複数層から成るものであってもよい。このような構成により、高抵抗層６が第２の半導体層４の欠陥部におけるリーク電流を低減する機能を有するとともに、高抵抗層６中に電気抵抗率の比較的低い第２の層６ｂが存在することによって高抵抗層６の電気抵抗を低くすることができる。その結果、光電変換装置１１の光電変換効率が高められる。

第１の層６ａの電気抵抗率は上部電極層５の電気抵抗率の１０^４〜１０^１２倍程度とされ得る。また、第２の層６ｂの電気抵抗率は第１の層６ａの電気抵抗率の１０^−１２〜１０^−４倍程度とされ得る。また、第３の層６ｃの電気抵抗率は上部電極層５の電気抵抗率の１０^４〜１０^１２倍程度とされ得る。

また、第１の層６ａ、第２の層６ｂおよび第３の層６ｃの各層の厚みは５〜５０ｎｍ程度とされ得る。また、高抵抗層６の光透過率を高くして第１の半導体層３への光透過を良好にするという観点からは、第２の層６ｂは第１の層６ａおよび第３の層６ｃの各層より
も薄くてもよい。好適には、第２の層６ｂが、第１の層６ａまたは第３の層６ｃの厚みの０．２〜０．９倍程度とされ得る。

第１の層６ａ、第２の層６ｂおよび第３の層６ｃは、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ等の金属酸化物等が用いられ、スパッタリング法、蒸着法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、スピンコート法、スプレー法等で形成され得る。各層の電気抵抗率は、例えば酸素含有率を調整したり、他の元素をドーピングしたりすることで所望の値に調整され得る。

また、第２の半導体層４および上部電極層５がＩｎ元素を含む場合、第２の層６ｂはＩｎ元素を含み、第１の層６ａおよび第３の層６ｃはＺｎ元素を含んでいてもよい。このような具体例としては、例えば、第２の半導体層４がＩｎ_２Ｓ_３を含み、上部電極層５および第２の層６ｂがＩＴＯを含み、第１の層６ａおよび第３の層６ｃがＺｎＯを含む構成が挙げられる。このような構成であれば、上部電極層５のＩｎ元素が第２の半導体層４中へ拡散するのを、Ｉｎを含む第２の層６ｂが介在された高抵抗層６によって有効に抑制することができる。その結果、第１の半導体層３と第２の半導体層４とのｐｎ接合を良好に維持することができ、光電変換装置１１の高い光電変換効率を安定に維持することができる。

上部電極層５は、第２の半導体層４よりも電気抵抗率の低い層であり、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷を良好に取り出す機能を有する。光電変換効率をより高めるという観点からは、上部電極層５の抵抗率が１Ω・ｃｍ未満でシート抵抗が５０Ω／□以下であってもよい。

上部電極層５は、例えばＩＴＯ、Ａｌ元素を含むＺｎＯ、Ｂ元素を含むＺｎＯ等の０．０５〜３μｍの透明導電膜である。透光性および導電性を高めるため、上部電極層５は第２の半導体層４と同じ導電型の半導体で構成されてもよい。上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法またはＣＶＤ法等で形成され得る。

また、図１〜図３に示すように、上部電極層５上にさらに集電電極８が形成されていてもよい。集電電極８は、第１の半導体層３および第２の半導体層４で生じた電荷をさらに良好に取り出すためのものである。集電電極８は、例えば、図１に示すように、光電変換セル１０の一端から接続導体７にかけて線状に形成されている。これにより、第１の半導体層３および第４の半導体層４で生じた電流が上部電極層５を介して集電電極８に集電され、接続導体７を介して隣接する光電変換セル１０に良好に通電される。

集電電極８は、第１の半導体層３への光透過率を高めるとともに良好な導電性を有するという観点から、５０〜４００μｍの幅を有していてもよい。また、集電電極８は、枝分かれした複数の分岐部を有していてもよい。

集電電極８は、例えば、Ａｇ等の金属粉を樹脂バインダー等に分散させた金属ペーストがパターン状に印刷され、これが硬化されることによって形成される。

図１〜図３において、接続導体７は、第１の半導体層３、第２の半導体層４、高抵抗層６および上部電極層５を貫通する溝内に設けられた導体である。接続導体７は、金属や導電ペースト等が用いられ得る。図１〜図３においては、集電電極８を延伸して接続導体７が形成されているが、これに限定されない。例えば、上部電極層５が延伸したものであってもよい。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。

１：基板
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
５：上部電極層
６：高抵抗層
７：接続導体
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置

Claims

基板上に下部電極層、第１の半導体層、該第１の半導体層とは異なる導電型の第２の半導体層、高抵抗層および上部電極層が順に積層された光電変換装置であって、
前記高抵抗層は、前記第２の半導体層側から、前記上部電極層よりも電気抵抗率の高い第１の層と、該第１の層よりも電気抵抗率の低い第２の層と、該第２の層および前記上部電極層よりも電気抵抗率の高い第３の層とが順に積層されていることを特徴とする光電変換装置。
前記第２の層は前記第１の層および前記第３の層よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第２の半導体層、前記第２の層および前記上部電極層はインジウム元素を含み、前記第１の層および前記第３の層は亜鉛元素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。