JP2015008218A - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属カルコゲナイドを含む半導体層を用いた光電変換装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device using a semiconductor layer containing a metal chalcogenide.
太陽電池等の光電変換装置として、I−III−VI族化合物等の金属カルコゲナイドを光
吸収層として用いたものがある。この光電変換装置は、例えば、ソーダライムガラスからなる基板上にMoからなる電極層が形成され、この電極層上に光吸収層が形成されている。さらに、その光吸収層上には、ZnS、CdS、In2S3などを含むバッファ層を介して、ZnO、ITOなどからなる透明の透明導電膜が形成されている。
As a photoelectric conversion device such as a solar cell, there is one using a metal chalcogenide such as an I-III-VI group compound as a light absorption layer. In this photoelectric conversion device, for example, an electrode layer made of Mo is formed on a substrate made of soda lime glass, and a light absorption layer is formed on the electrode layer. Further, a transparent transparent conductive film made of ZnO, ITO or the like is formed on the light absorption layer through a buffer layer containing ZnS, CdS, In 2 S 3 or the like.
光電変換装置は光電変換効率のさらなる向上が望まれている。よって、本発明の目的は、光電変換装置の光電変換効率を高めることである。 The photoelectric conversion device is desired to further improve the photoelectric conversion efficiency. Therefore, an object of the present invention is to increase the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device.
本発明の一態様に係る光電変換装置は、Moを含む電極層と、該電極層上に位置するMoO3を含む中間層と、該中間層上に位置する金属カルコゲナイドを含む第1の半導体層と、該第1の半導体層上に位置する該第1の半導体層とは異なる導電型の第2の半導体層とを具備する。 A photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention includes an electrode layer including Mo, an intermediate layer including MoO 3 positioned on the electrode layer, and a first semiconductor layer including a metal chalcogenide positioned on the intermediate layer And a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer located on the first semiconductor layer.
本発明によれば、光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion apparatus can be improved.
<(1)光電変換装置の構成>
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る。図2は、図1の光電変換装置のXZ断面図である。なお、図1〜図2には、光電変換セル10の配列方向(図1の図面視左右方向)をX軸方向とする右手系のXYZ座標系を付している。
<(1) Configuration of photoelectric conversion device>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a photoelectric conversion apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 is an XZ sectional view of the photoelectric conversion device of FIG. 1 to 2 are provided with a right-handed XYZ coordinate system in which the arrangement direction of photoelectric conversion cells 10 (the horizontal direction in the drawing in FIG. 1) is the X-axis direction.
光電変換装置11は、基板1の上に複数の光電変換セル10が並設された構成を有している。図1では、図示の都合上、2つの光電変換セル10のみが示されているが、実際の光電変換装置11には、図面のX軸方向、或いは更に図面のY軸方向に、多数の光電変換セル10が平面的に(二次元的に)配列されている。
The
各光電変換セル10は、下部電極層2、中間層3、第1の半導体層4、第2の半導体層5、上部電極層6、および集電電極7を主に備えている。光電変換装置11では、上部電極層6および集電電極7が設けられた側の主面が受光面となっている。
Each
基板1は、複数の光電変換セル10を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。具体例として、例えば、基板1として、1〜3mm程度の厚さを有する青板ガラス(ソーダライムガラス)が用いられてもよい。
The
下部電極層2は、基板1の一主面の上に設けられた導電層であり、モリブデン(Mo)を含んでいる。第1の半導体層4と下部電極層2との電気的な接合を高めるという観点からは、下部電極層2におけるMoの濃度は70〜100mol%であってもよい。また、下部電極層2は、0.1〜1μm程度の厚さを有する。下部電極層2は、スパッタリング法または蒸着法等の公知の薄膜形成方法によって形成することができる。
The
第1の半導体層4は、光を吸収して光電変換を行なう半導体層であり、光吸収層として機能する。第1の半導体層4は、第1の導電型(ここではp型の導電型)を有しており、下部電極層2の+Z側の主面2aの上に、例えば、1〜3μm程度の厚さで設けられている。第1の半導体層4は金属カルコゲナイドを含む半導体が採用され得る。
The
金属カルコゲナイドとは、金属元素とカルコゲン元素との化合物である。また、カルコゲン元素とは16族元素(VI−B族元素ともいう)のうちの硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)をいう。金属カルコゲナイドとしては、11族元素(I−B族元素ともいう)と13族元素(III−B族元素ともいう)と16族元素との化合物であるI−III−VI族化合物、11族元素と12族元素(II−B族元素ともいう)と14族元素(IV−B族元素ともいう)と16族元素との化合物であるI−II−IV−VI族化合物および12族元素と16族元素との化合物であるII−VI族化合物等が採用され得る。
A metal chalcogenide is a compound of a metal element and a chalcogen element. The chalcogen element refers to sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) among group 16 elements (also referred to as group VI-B elements). Metal chalcogenides include
I−III−VI族化合物としては、例えば、CuInSe2(二セレン化銅インジウム、
CISともいう)、Cu(In,Ga)Se2(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4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。
Examples of the I-III-VI group compound include CuInSe 2 (indium diselenide,
CIS), Cu (In, Ga) Se 2 (also called copper indium gallium selenide, CIGS), Cu (In, Ga) (Se, S) 2 (diselen copper indium gallium indium gallium, CIGSS). Alternatively, the
I−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Cu2ZnSnS4(CZTSともいう)、Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSeともいう)、およびCu2ZnSnSe4(CZTSeともいう)が挙げられる。また、II−VI族化合物としては、例えば、CdTe等が挙げられる。 Examples of the I-II-IV-VI group compound include Cu 2 ZnSnS 4 (also referred to as CZTS), Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 (also referred to as CZTSSe), and Cu 2 ZnSnSe 4 (also referred to as CZTSe). Can be mentioned. Moreover, as a II-VI group compound, CdTe etc. are mentioned, for example.
第1の半導体層4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4の構成元素の錯体溶液等を下部電極層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。
The
中間層3は、酸化モリブデン(VI)(MoO3)を含んだ半導体層であり、下部電極層2および第1の半導体層4の界面に位置している。このような構成によって、第1の半導体層4と中間層3との伝導帯のバンド不整合が形成される。その結果、第1の半導体層4の下部電極層2側の表面部においてキャリアが再結合するのが有効に低減され、光電変換装置11の光電変換効率が向上する。
The
下部電極2に含まれるMoは自然酸化によって、MoO2を生成しやすい傾向があるが
、このMoO2は上記のようなバンド不整合を形成するための半導体としては機能し難い。MoO3を含む中間層3は、下部電極層2を、例えば大気等の酸素を含む雰囲気中で、150〜500℃に加熱することによって、下部電極層2の表面をMoO3に化学変化させることによって作製できる。MoO3は、例えばX線光電子分光分析(XPS)を用いて分析することができる。
Mo contained in the
第1の半導体層4から中間層3を介して下部電極層2へキャリアをより良好に伝導するという観点からは、第1の半導体層4は金属カルコゲナイドを70〜100mol%含むとともに中間層3はMoO3を70〜100mol%含んでいてもよい。
From the viewpoint of better conduction of carriers from the
中間層3の厚みは、例えば、1〜30nmであってもよい。このような構成により、第1の半導体層4と下部電極層2との間での電荷移動が良好に行なわれ、光電変換装置11の光電変換効率がより向上する。
The thickness of the
また、第1の半導体層4は、中間層3との接合性を高めるという観点から、さらに酸素を含んでいてもよい。第1の半導体層4における酸素濃度は、例えば、0.01〜1原子%であってもよい。第1の半導体層4における酸素濃度は、例えば二次イオン質量分析法(SIMS)を用いて測定することができる。
Further, the
第2の半導体層5は、第1の導電型の第1の半導体層4とは異なる第2の導電型(ここではn型の導電型)を有する半導体層であり、第1の半導体層4と電気的に接合している。なお、第1の導電型および第2の導電型とは、p型およびn型の一方および他方をいう。第1の導電型がp型であれば第2の導電型はn型であり、第1の導電型がn型であれば第2の導電型はp型である。第1の半導体層4と第2の半導体層5とで光照射により生じた正負のキャリアの電荷分離を良好に行うことができる。
The
リーク電流が低減される観点から言えば、第2の半導体層5は、1Ω・cm以上の抵抗率を有するものであってもよい。また、第2の半導体層5は、第1の半導体層4の一主面の法線方向に厚さを有する。この厚さは、例えば5〜200nmに設定される。また、第2の半導体層5は複数層であってもよい。
From the viewpoint of reducing the leakage current, the
第2の半導体層5としては、CdS、ZnS、ZnO、In2Se3、In(OH,S)、(Zn,In)(Se,OH)、および(Zn,Mg)O等が挙げられる。第2の半導体層5は、例えばケミカルバスデポジション(CBD)法等で形成される。なお、In(OH,S)とは、InとOHとSとを主成分として含む化合物をいう。(Zn,In)(Se,OH)は、ZnとInとSeとOHとを主成分として含む化合物をいう。(Zn,Mg)Oは、ZnとMgとOとを主成分として含む化合物をいう。第2の半導体層5は、第1の半導体層4の吸収効率を高めるため、第1の半導体層4が吸収する光の波長領域に対して高い光透過性を有するものであってもよい。第2の半導体層5の厚みは、例えば5〜200nmである。
Examples of the
上部電極層6は、第2の半導体層5の上に設けられた透明導電膜であり、第1の半導体層4において生じた電荷を取り出す電極である。上部電極層6は、第2の半導体層5よりも低い抵抗率を有する物質によって構成されている。上部電極層6には、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれ、この窓層に加えて更に透明導電膜が設けられる場合には、これらが一体の上部電極層6とみなされても良い。
The
上部電極層6は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ZnO、In2O3およびSnO2等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Al、B、Ga、InおよびF等のうち
の何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、AZO(Aluminum Zinc Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)、
IZO(Indium Zinc Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine tin Oxide)等がある。
The
Examples include IZO (Indium Zinc Oxide), ITO (Indium Tin Oxide), and FTO (Fluorine tin Oxide).
上部電極層6は、例えば0.05〜3μmの厚さを有するように形成される。ここで、第1の半導体層4から電荷が良好に取り出される観点から言えば、上部電極層6は、1Ω・cm未満の抵抗率と、50Ω/□以下のシート抵抗とを有するものとすることができる。
The
上部電極層6は、スパッタリング法、蒸着法、または化学的気相成長(CVD)法等で形成することができる。
The
また、上部電極層6の上に集電電極7が設けられていてもよい。集電電極7は、Y軸方向に離間して設けられ、それぞれがX軸方向に延在している。集電電極7は、導電性を有する電極であり、例えば、銀(Ag)等の金属を含む。
A collecting
集電電極7は、第1の半導体層4において発生して上部電極層6において取り出された電荷を集電する役割を担う。集電電極7が設けられれば、上部電極層6の薄層化が可能となる。
The collecting
集電電極7および上部電極層6によって集電された電荷は、第1の半導体層4、第2の半導体層5および上部電極層6を分断する溝部P2に設けられた接続導体8を通じて、隣の光電変換セル10に伝達される。接続導体8は、例えば、図2に示されるように集電電極7のY軸方向への延在部分によって構成されている。これにより、光電変換装置11においては、隣り合う光電変換セル10の一方の下部電極層2と、他方の集電電極7とが、溝部P2に設けられた接続導体8を介して電気的に直列に接続されている。なお、接続導体8は、これに限定されず、上部電極層6の延在部分によって構成されていてもよい。
The electric charges collected by the
集電電極8は、良好な導電性が確保されつつ、第1の半導体層4への光の入射量を左右する受光面積の低下が最小限にとどめられるように、50〜400μmの幅を有するものとすることができる。
The current collecting electrode 8 has a width of 50 to 400 μm so that good conductivity is ensured and a decrease in the light receiving area that affects the amount of light incident on the
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
1:基板
2:下部電極層
3:中間層
4:第1の半導体層
5:第2の半導体層
6:上部電極層
7:集電電極
8:接続導体
10:光電変換セル
11:光電変換装置
1: Substrate 2: Lower electrode layer 3: Intermediate layer 4: First semiconductor layer 5: Second semiconductor layer 6: Upper electrode layer 7: Current collecting electrode 8: Connection conductor 10: Photoelectric conversion cell 11: Photoelectric conversion device
Claims (3)
該電極層上に位置するMoO3を含む中間層と、
該中間層上に位置する金属カルコゲナイドを含む第1の半導体層と、
該第1の半導体層上に位置する該第1の半導体層とは異なる導電型の第2の半導体層と
を具備する光電変換装置。 An electrode layer containing Mo;
An intermediate layer comprising MoO 3 located on the electrode layer;
A first semiconductor layer comprising a metal chalcogenide located on the intermediate layer;
A photoelectric conversion device comprising: a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer located on the first semiconductor layer.
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JP2013132806A JP2015008218A (en) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | Photoelectric conversion device |
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