JP2013149764A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換効率を高く維持することが可能な信頼性の高い光電変換装置を提供する。
【解決手段】 光電変換装置１１は、多環芳香族炭化水素を含む金属カルコゲナイド多結晶体を光吸収層３として具備している。
また、多環芳香族炭化水素としてテトラセンおよびペンタセンの少なくとも一方を含んでもよい。
また、光吸収層３上にヘテロ接合された、金属カルコゲナイドおよび金属水酸化物を少なくとも含む混晶化合物層４をさらに具備していてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属カルコゲナイド多結晶体を用いた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、ＣＩＧＳ等の金属カルコゲナイド多結晶体を光吸収層として用いたものがある（例えば、特許文献１など）。

このような光電変換装置は、ガラスなどの基板の上に、金属電極などの下部電極層と、光吸収層と、バッファ層と、透明導電膜とを、この順に積層した光電変換セルが、平面的に複数並設されて構成されている。複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの透明導電膜と他方の下部電極層とが接続導体で接続されることで、電気的に直列接続されている。

特開２０００−２９９４８６号公報

光電変換装置は長期信頼性が要求される。しかしながら、上記光電変換装置において、水分が光吸収層内に浸入し、光電変換効率が低下しやすくなる傾向がある。

本発明の一つの目的は、光電変換効率を高く維持することが可能な信頼性の高い光電変換装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、多環芳香族炭化水素を含む金属カルコゲナイド多結晶体を光吸収層として具備することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換効率を高く維持することが可能な信頼性の高い光電変換装置となる。

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。

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。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が設けられている。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の表面（側面）に沿って、または第１の半導体層３を貫通して設けられている。この接続導体７は、第２の半導体層４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および第２の半導体層４によって１つの光電変換セル１０が構成され、隣接する光電変換セル１０同士が接続導体７を介して直列接続されることによって、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、第２の半導体層４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、光吸収層として機能する半導体層であり、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みを有する。第１の半導体層３は、金属カルコゲナイド多結晶体を主に含んでおり、さらに多環芳香族炭化水素を含んでいる。このような構成により、光電変換装置１１中に水分が浸入してきたとしても、疎水性の高い多環芳香族炭化水素によって水分が第１の半導体層３中に浸入するのを有効に低減できる。その結果、光電変換装置１１の光電変換機能を良好に維持でき、高い光電変換効率を長期にわたって維持することができる。

多環芳香族炭化水素は、芳香環が縮合した炭化水素のことであり、例えば、アントラセン、ナフタセン、フェナントレン、テトラセン、ペンタセン、ベンゾピレン、クリセン、ピレン、トリフェニレン、コランヌレン、コロネンおよびオバレン等が挙げられる。第１の半導体層３の内部抵抗を低減して電荷の移動度を高めるという観点から、多環芳香族炭化水素は導電性の比較的高いテトラセンやペンタセンが用いられても良い。

金属カルコゲナイド多結晶体は、金属元素とカルコゲン元素との化合物である金属カルコゲナイドの多結晶体である。カルコゲン元素とは、VI−Ｂ族元素（１６族元素ともいう）のうち、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅをいう。金属カルコゲナイドとしては、II−VI族化合物、Ｉ−III−VI族化合物およびＩ−II−IV−VI族化合物等が挙げられる。

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に含まれる多環芳香族炭化水素は、第１の半導体層３における金属カルコゲナイドの重量に対して、例えば０．１％〜１．０％程度含まれている。

第１の半導体層３は、例えば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ができる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、金属カルコゲナイドの構成元素の錯体および多環芳香族炭化水素が有機溶剤に溶解された原料溶液を下部電極層２の上に塗布して皮膜を形成し、その後、この皮膜を熱処理して多結晶化させるプロセスである。熱処理は、例えば４００〜６００℃で行なわれる。この熱処理の雰囲気として、窒素等の不活性ガスおよび水素等の還元性ガスを単独であるいは混合して用いることにより、多環芳香族炭化水素の第１の半導体層３中の濃度を制御することができる。つまり、熱処理の雰囲気において、不活性ガスの比率が高いと第１の半導体層３中の多環芳香族炭化水素の含有率が高くなり、還元性ガスの比率が高いと多環芳香族炭化水素の含有率が低くなる。

第２の半導体層４は、第１の半導体層３とは異なる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。

第２の半導体層４としては、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）、Ｉｎ_２Ｓ_３、Ｉｎ_２Ｓｅ_３、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、例えばケミカルバスデポジション（ＣＢＤ）法等で１０〜２００ｎｍの厚みで形成される。なお、Ｚｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｚｎが水酸化物および硫化物として含まれる混晶化合物をいう。Ｉｎ（ＯＨ，Ｓ）とは、Ｉｎが水酸化物および硫化物として含まれる混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｉｎ）（Ｓｅ，ＯＨ）は、ＺｎおよびＩｎがセレン化物およぶ水酸化物として含まれる混晶化合物をいう。（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏは、ＺｎおよびＭｇが酸化物として含まれる化合物をいう。

第２の半導体層４が第１の半導体層３上にヘテロ接合された、金属カルコゲナイドおよび金属水酸化物を少なくとも含む混晶化合物層である場合、第２の半導体層４は水溶液を用いたＣＢＤ法によって形成されると、良好な接合が形成され得る。この場合、第２の半導体層４の形成中に第１の半導体層３内に水溶液が浸入し、残存する結果、第１の半導体層３のクラック等の原因となる可能性があるが、上述したように第１の半導体層３内に多環芳香族炭化水素が含まれることによって、水溶液が第１の半導体層３内に浸入するのが有効に低減される。その結果、第１の半導体層３のクラック等の破損が低減され得る。具体的には、第１の半導体層３がＣＩＧＳ等のＩ−III−VI族化合物を含み、第２の半導体
層４がＺｎ（ＯＨ，Ｓ）またはＩｎ（ＯＨ，Ｓ）等の混晶化合物を含んだものが挙げられる。

図１、図２のように、第２の半導体層４上にさらに上部電極層５が設けられていてもよい。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも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ことが可能となる。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、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、蒸着法または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成され得る。

また、図１、図２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２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および第２の電極層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２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
７：接続導体
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置

Claims (4)

1. 多環芳香族炭化水素を含む金属カルコゲナイド多結晶体を光吸収層として具備することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記多環芳香族炭化水素はテトラセンおよびペンタセンの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記光吸収層上にヘテロ接合された、金属カルコゲナイドおよび金属水酸化物を少なくとも含む混晶化合物層をさらに具備する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。
4. 前記光吸収層はＩ−III−VI族化合物を含み、前記混晶化合物層は亜鉛元素またはイン
   ジウム元素を含むことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。

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