JP2015179863A - 光電変換素子および太陽電池 - Google Patents
光電変換素子および太陽電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015179863A JP2015179863A JP2015101056A JP2015101056A JP2015179863A JP 2015179863 A JP2015179863 A JP 2015179863A JP 2015101056 A JP2015101056 A JP 2015101056A JP 2015101056 A JP2015101056 A JP 2015101056A JP 2015179863 A JP2015179863 A JP 2015179863A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- buffer layer
- light absorption
- layer
- absorption layer
- photoelectric conversion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
【課題】高い変換効率の光電変換素子および太陽電池を提供する。
【解決手段】光電変換素子10は、Cuと、Al、In及びGaからなる群より選ばれる少なくとも一つのIIIb族元素と、S或いはSeとを含みカルコパイライト型構造を有する光吸収層14と、Znと、O或いはSから成るバッファー層15aを具備し、前記光吸収層と前記バッファー層の界面から10nmにおける前記バッファー層のS/(S+O)比が0.7以上1.0以下である。
【選択図】図1
【解決手段】光電変換素子10は、Cuと、Al、In及びGaからなる群より選ばれる少なくとも一つのIIIb族元素と、S或いはSeとを含みカルコパイライト型構造を有する光吸収層14と、Znと、O或いはSから成るバッファー層15aを具備し、前記光吸収層と前記バッファー層の界面から10nmにおける前記バッファー層のS/(S+O)比が0.7以上1.0以下である。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、光電変換素子および太陽電池に関する。
例えば、太陽電池において、半導体薄膜を光吸収層として用いる化合物薄膜光電変換素子の開発が進んできており、Ib族、IIIb族とVIb族から構成されカルコパイライト構造をもつ化合物半導体の中で、Cu、In、Ga及びSeから成るCu(In,Ga)Se2、いわゆるCIGSを光吸収層とした薄膜太陽電池等の光電変換素子が注目されている。CIGS薄膜太陽電池は、p型化合物半導体層(光吸収層)とn型化合物半導体層(バッファー層)が異なる材料系で構成されたヘテロ接合太陽電池であるため、そのヘテロ接合界面が太陽電池特性に大きく影響する。現状、高い変換効率を得ているCIGS薄膜太陽電池では、n型化合物半導体層としてCdSが用いられている。CdSの利点としては、Cd拡散によるCIGS表面のn型化、CIGSとの格子整合及び伝導帯オフセット(CBO:Conduction Band Offset)の整合などが挙げられる。
例えば、CuIn0.7Ga0.3Se2とCdSとの間では、電気的に良好なヘテロ接合界面が形成されるが、太陽光スペクトルとの整合を図るためには、CIGS光吸収層のバンドギャップを1.4eV程度、Ga量を70%まで増大させることが必要となる。しかしながら、Ga濃度の高いCIGSにおいて、CdSではCBOを整合することが困難となり、期待されるような高い変換効率は得られない。また、CdSは、人体に悪影響を及ぼす恐れがあることから代替材料が望まれている。
高い変換効率の光電変換素子および太陽電池を提供することを目的とする。
実施形態の光電変換素子は、Cuと、Al、In及びGaからなる群より選ばれる少なくとも一つのIIIb族元素と、S或いはSeとを含みカルコパイライト型構造を有する光吸収層と、Znと、O或いはSから成るバッファー層を具備し、前記光吸収層と前記バッファー層の界面から10nmにおける前記バッファー層のS/(S+O)比が0.7以上1.0以下であることを特徴とする。
また、他の実施形態の太陽電池は、前記実施形態の光電変換素子を用いてなることを特徴とする。
また、他の実施形態の太陽電池は、前記実施形態の光電変換素子を用いてなることを特徴とする。
以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1の概念図に示す光電変換素子10は、基板11と、前記基板上に設けられた裏面電極12と、前記裏面電極12上に設けられた第1の取り出し電極13と、前記裏面電極12上に設けられた光吸収層14と、前記光吸収層14上に設けられたバッファー層15(15a、15b)と、前記バッファー層15上に設けられた透明電極層16と、前記透明電極層16上に設けられた第2の取り出し電極17と、前記透明電極層16上に設けられた反射防止膜18とを少なくとも備えている。
図1の概念図に示す光電変換素子10は、基板11と、前記基板上に設けられた裏面電極12と、前記裏面電極12上に設けられた第1の取り出し電極13と、前記裏面電極12上に設けられた光吸収層14と、前記光吸収層14上に設けられたバッファー層15(15a、15b)と、前記バッファー層15上に設けられた透明電極層16と、前記透明電極層16上に設けられた第2の取り出し電極17と、前記透明電極層16上に設けられた反射防止膜18とを少なくとも備えている。
実施形態の光吸収層14は、Cuと、Al、In及びGaからなる群より選ばれる少なくとも一つのIIIb族元素と、S或いはSeとを含みカルコパイライト型構造を有する化合物半導体層(光吸収層)であることが好ましい。IIIb族元素の中からはInを用いることがGaとの組み合わせによりバンドギャップの大きさを目的とする値にしやすいことからより望ましい。具体的には、光吸収層3として、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In,Ga)3Se5、又はCu(Al,Ga,In)Se2等(以下、CIGSと言う)を使用することができる。
その光吸収層のGa/IIIb族元素のモル比が、0.5以上、1.0以下であることが、さらに好ましい。
その光吸収層のGa/IIIb族元素のモル比が、0.5以上、1.0以下であることが、さらに好ましい。
またバッファー層15は、Znと、O或いはSから成るものが使用され、具体的には、後述するZnO1−xSxで表される化合物を使用することができる。
ここで、バッファー層は、光吸収層とバッファー層の界面から10nmにおけるS/(S+O)で表されるモル比が0.7以上、1.0以下であることが好ましい。このモル比が0.7より小さいと2相分離することがある。
pn接合界面は、光吸収層14とバッファー層15aとの間でのヘテロ接合により形成されるが、バッファー層15aの構成元素であるZnの一部光吸収層14への拡散や光吸収層14表面のCu欠損による空孔配列カルコパイライト(OVC:Ordered Vacancy Compound or Ordered Vacancy Chalcopyrite)形成より、光吸収層14表面がn型化することで、光吸収層14内部でpn接合界面を形成することもある。
なお、実施形態において、カルコパイライト構造と空孔配列型カルコパイライト構造は、それぞれを別に説明している場合を除き、両者をカルコパイライト構造として記載する。
ここで、バッファー層は、光吸収層とバッファー層の界面から10nmにおけるS/(S+O)で表されるモル比が0.7以上、1.0以下であることが好ましい。このモル比が0.7より小さいと2相分離することがある。
pn接合界面は、光吸収層14とバッファー層15aとの間でのヘテロ接合により形成されるが、バッファー層15aの構成元素であるZnの一部光吸収層14への拡散や光吸収層14表面のCu欠損による空孔配列カルコパイライト(OVC:Ordered Vacancy Compound or Ordered Vacancy Chalcopyrite)形成より、光吸収層14表面がn型化することで、光吸収層14内部でpn接合界面を形成することもある。
なお、実施形態において、カルコパイライト構造と空孔配列型カルコパイライト構造は、それぞれを別に説明している場合を除き、両者をカルコパイライト構造として記載する。
pn接合界面での伝導帯オフセット(CBO)について説明する。
光電変換素子のpn接合に光を照射すると電子−正孔対が発生し、伝導帯に励起された電子は空乏層内の電界によって加速され、バッファー層を通り、透明電極へ移動する。光吸収層14のCBMの位置Ecp(eV)、バッファー層15aのCBMの位置Ecn(eV)とした時、pn層間での伝導帯下端の位置(CBM:Conduction Band Minimum)の差ΔEc(CBO)(=Ecn−Ecp)が、ΔEc>0eVで、図2(a)のような場合はスパイク(Spike)と呼ばれる。この不連続量が大きくなると、光生成電子の障壁となり、光生成電子は、界面欠陥を介して価電子帯の正孔と再結合し、透明電極に到達できなくなる。一方、ΔEc<0eVで、図2(b)のように落ち込む場合をクリフ(Cliff)と呼び、光生成電子は障壁がないため、クリフの大きさに係らず透明電極に流れる。しかしながら、この時、空乏層の曲がりが穏やかになり、界面付近において正孔と透明電極側からの注入電子との再結合が増加する。その結果、クリフの場合はリーク電流が増加し、開放端電圧Vocが低下する。即ち、バッファー層15a光吸収層14のpn接合界面では伝導帯不連続がない(ΔEc=0)又は伝導帯不連続がスパイク(ΔEc>0)を形成することが好ましく、その不連続量(ΔEc)は、光生成電子の障壁とならない程度の高さ(ΔEc≦0.4eV)となることが望ましい。よって、伝導帯下端の位置の差ΔEcは、0≦ΔEc≦0.4であることが好ましい。
光電変換素子のpn接合に光を照射すると電子−正孔対が発生し、伝導帯に励起された電子は空乏層内の電界によって加速され、バッファー層を通り、透明電極へ移動する。光吸収層14のCBMの位置Ecp(eV)、バッファー層15aのCBMの位置Ecn(eV)とした時、pn層間での伝導帯下端の位置(CBM:Conduction Band Minimum)の差ΔEc(CBO)(=Ecn−Ecp)が、ΔEc>0eVで、図2(a)のような場合はスパイク(Spike)と呼ばれる。この不連続量が大きくなると、光生成電子の障壁となり、光生成電子は、界面欠陥を介して価電子帯の正孔と再結合し、透明電極に到達できなくなる。一方、ΔEc<0eVで、図2(b)のように落ち込む場合をクリフ(Cliff)と呼び、光生成電子は障壁がないため、クリフの大きさに係らず透明電極に流れる。しかしながら、この時、空乏層の曲がりが穏やかになり、界面付近において正孔と透明電極側からの注入電子との再結合が増加する。その結果、クリフの場合はリーク電流が増加し、開放端電圧Vocが低下する。即ち、バッファー層15a光吸収層14のpn接合界面では伝導帯不連続がない(ΔEc=0)又は伝導帯不連続がスパイク(ΔEc>0)を形成することが好ましく、その不連続量(ΔEc)は、光生成電子の障壁とならない程度の高さ(ΔEc≦0.4eV)となることが望ましい。よって、伝導帯下端の位置の差ΔEcは、0≦ΔEc≦0.4であることが好ましい。
CBMの位置は、以下の手法を用いて見積もることができる。電子占有準位の評価法である光電子分光により価電子帯上端(VBM:Valence Band Maximum)を実測し、続いて既知のバンドギャップを仮定してCBMを算出する。しかしながら、実際のpn接合界面では、相互拡散や陽イオンの空孔発生など理想的な界面を維持していないため、バンドギャップが変化する可能性が高い。このため、CBMも直接的に光電子放出の逆過程を利用する逆光電子分光により評価することが好ましい。具体的には、光電変換素子表面を低エネルギーイオンエッチングと正・逆光電子分光測定の繰り返しにより、pn接合界面の電子状態を評価できる。
次に、CIGSとバッファー層としてのZnO1−xSxのバンドの位置関係について説明する。
図3は、xを0から1の間で変化させた場合の、ZnO1−xSxのCBM(*)、yを0から1の間で変化させ場合の、CIGSとしてのCuIn1−yGaySe2のCBM(◆)、yを0から1の間で変化させ場合の、CuIn1−yGaySe2のVBM(■)、Cu(In1−yGay)3Se5のCBM(△)、yを0から1の間で変化させ場合の、Cu(In1−yGay)3Se5のVBM(○)をまとめたものである。図3に示すように、CuIn1−yGaySe2は、yが大きくなる(Ga濃度増大)と、VBMは変化せず、CBMのみが単調に増大する。一方、ZnO1−xSxは、xが大きくなる(S濃度増大)と、x=0.5程度までは、CBMはほとんど変化せず、さらに、S濃度が増大すると、CBMは急激に増大する(このとき、VBMは、0≦x≦0.5で増大し、0.5≦x≦1.0でほぼ変化なし)。したがって、y=0のCIGSと、x=0.7のZnO1−xSxとでpn接合を形成すると、ΔEc=+0.4eVとなり、y=1.0のCIGSとは、x=1.0のZnO1−xSxとのpn接合形成でΔEc=+0.4eVが得られる。すなわち、n型バッファー層としては、ZnO1−xSx(0.7≦x≦1.0)が好ましい。
また、0≦ΔEc≦0.4を満たすように、Seの一部をSで置換し、InとGaの一部をAlで置換してもよい。
図3は、xを0から1の間で変化させた場合の、ZnO1−xSxのCBM(*)、yを0から1の間で変化させ場合の、CIGSとしてのCuIn1−yGaySe2のCBM(◆)、yを0から1の間で変化させ場合の、CuIn1−yGaySe2のVBM(■)、Cu(In1−yGay)3Se5のCBM(△)、yを0から1の間で変化させ場合の、Cu(In1−yGay)3Se5のVBM(○)をまとめたものである。図3に示すように、CuIn1−yGaySe2は、yが大きくなる(Ga濃度増大)と、VBMは変化せず、CBMのみが単調に増大する。一方、ZnO1−xSxは、xが大きくなる(S濃度増大)と、x=0.5程度までは、CBMはほとんど変化せず、さらに、S濃度が増大すると、CBMは急激に増大する(このとき、VBMは、0≦x≦0.5で増大し、0.5≦x≦1.0でほぼ変化なし)。したがって、y=0のCIGSと、x=0.7のZnO1−xSxとでpn接合を形成すると、ΔEc=+0.4eVとなり、y=1.0のCIGSとは、x=1.0のZnO1−xSxとのpn接合形成でΔEc=+0.4eVが得られる。すなわち、n型バッファー層としては、ZnO1−xSx(0.7≦x≦1.0)が好ましい。
また、0≦ΔEc≦0.4を満たすように、Seの一部をSで置換し、InとGaの一部をAlで置換してもよい。
また、光吸収層表面のCIGSがOVCの時、VBMは0.2eV程度下がるが、CBMはほとんど変化しないため、この場合でも、ZnO1−xSx(0.7≦x≦1.0)を用いることができる。
バッファー層ZnO1−xSxの組成は、あらかじめ組成の判明している試料を測定することにより校正したエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)により測定する。EDX測定は、光電変換素子10の中心部分をイオンミリングにより、バッファー層15a上部の積層膜を削り取り、500,000倍で断面TEM観察すると共に、5点の平均組成から組成を調べることができる。なお、5点の定め方は、50万倍のTEM断面像を膜厚方向と直交する方向に5等分割し、分割された領域において、光吸収層14とバッファー層15aの界面からバッファー層15a膜厚方向に10nmの距離の任意の5点の平均値とする。なお、断面TEM像には、光電変換素子10の中心点を含むものとする。
バッファー層ZnO1−xSxと接する光吸収層の構成成分が含まれない位置をpn接合界面と定義し、少なくともpn接合界面でバッファー層であるZnO1−xSxが所望の組成比であることが好ましい。さらには、n型バッファー層ZnO1−xSxの全領域で所望の組成比であることがより好ましい。
バッファー層ZnO1−xSxの組成は、あらかじめ組成の判明している試料を測定することにより校正したエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)により測定する。EDX測定は、光電変換素子10の中心部分をイオンミリングにより、バッファー層15a上部の積層膜を削り取り、500,000倍で断面TEM観察すると共に、5点の平均組成から組成を調べることができる。なお、5点の定め方は、50万倍のTEM断面像を膜厚方向と直交する方向に5等分割し、分割された領域において、光吸収層14とバッファー層15aの界面からバッファー層15a膜厚方向に10nmの距離の任意の5点の平均値とする。なお、断面TEM像には、光電変換素子10の中心点を含むものとする。
バッファー層ZnO1−xSxと接する光吸収層の構成成分が含まれない位置をpn接合界面と定義し、少なくともpn接合界面でバッファー層であるZnO1−xSxが所望の組成比であることが好ましい。さらには、n型バッファー層ZnO1−xSxの全領域で所望の組成比であることがより好ましい。
光吸収層であるCIGSは、太陽光スペクトルとの整合を図るためには、バンドギャップを1.4eV程度とすることが望ましく、図3から、Ga/(In+Ga)比を0.5以上1.0以下とすることで、バンドギャップが1.28eV以上1.68eV以下となるため、好ましく、Ga/(In+Ga)比を0.6以上0.9以下とすることで、バンドギャップが1.35eV以上1.59eV以下となるため、より好ましく、Ga/(In+Ga)比を0.65以上0.85以下とすることで、バンドギャップが1.39eV以上1.55eV以下となるため、さらに好ましい。
なお、実施形態のn型バッファー層15aは、2相であると、n型バッファー層15aのバンドギャップが一義的的に定まらず、発電効率が低下することが好ましくない。バッファー層15aの相は、XRDのピークの数によって、知ることができる。
以下、光電変換素子に用いる光吸収層14及びn型バッファー層15a以外の構成について説明する。
基板11としては、青板ガラスを用いることが望ましく、ステンレス、Ti又はCr等の金属板あるいはポリイミド等の樹脂を用いることもできる。
基板11としては、青板ガラスを用いることが望ましく、ステンレス、Ti又はCr等の金属板あるいはポリイミド等の樹脂を用いることもできる。
裏面電極12としては、MoやW等の導電性の金属膜を用いることができる。その中でも、Mo膜を用いることが望ましい。
取り出し電極13,17としては、例えば、Al、Ag或いはAu等の導電性金属を用いることができる。さらに、透明電極15との密着性を向上させるために、Ni或いはCrを堆積させた後、Al、Ag或いはAuを堆積させてもよい。
取り出し電極13,17としては、例えば、Al、Ag或いはAu等の導電性金属を用いることができる。さらに、透明電極15との密着性を向上させるために、Ni或いはCrを堆積させた後、Al、Ag或いはAuを堆積させてもよい。
バッファー層15bはn+型層として機能すると考えられ、例えばZnOを用いることが望ましい。
透明電極層16は太陽光等の光を透過し、尚且つ導電性を有することが必要であり、例えば、アルミナ(Al2O3)を2wt%含有したZnO:Al或いはジボランからのBをドーパントとしたZnO:Bを用いることができる。
反射防止膜18としては、例えば、MgF2を用いることが望ましい。
反射防止膜18としては、例えば、MgF2を用いることが望ましい。
図1の光電変換素子10の製造方法としては、以下の方法を例として挙げる。
なお、下記の製造方法の一例であり、適宜変更しても構わない。従って、工程の順序を変更してもよいし、複数の工程を併合してもよい。
なお、下記の製造方法の一例であり、適宜変更しても構わない。従って、工程の順序を変更してもよいし、複数の工程を併合してもよい。
[基板に裏面電極を成膜する工程]
基板11上に、裏面電極12を成膜する。成膜方法としては、例えば、導電性金属よりなるスパッタターゲットを用いたスパッタ法等の薄膜形成方法が挙げられる。
基板11上に、裏面電極12を成膜する。成膜方法としては、例えば、導電性金属よりなるスパッタターゲットを用いたスパッタ法等の薄膜形成方法が挙げられる。
[裏面電極上に光吸収層を成膜する工程]
裏面電極12を堆積後、光吸収層14となる化合物半導体薄膜を堆積する。なお、裏面電極12には光吸収層14と第1の取り出し電極13を堆積するため、第1の取り出し電極13を堆積する部位を少なくとも除く裏面電極12上の一部に光吸収層14を堆積する。成膜方法としては、スパッタ法或いは真空蒸着法が挙げられる。スパッタ法は、すべての構成元素をスパッタターゲットから供給する方法と、Cu及びIIIb族元素をスパッタ法で堆積した後、H2Seガス雰囲気中で加熱処理を行うセレン化法が挙げられる。また、真空蒸着法では、3段階法を用いることで、高品質の光吸収層を得ることができる。3段階法は、始めにIIIb族元素であるIn及びGaとVIb族元素であるSeを真空蒸着し、その後、Ib族元素であるCuと、Seを蒸着し、最後に再びIn及びGaと、Seを蒸着する手法である。
裏面電極12を堆積後、光吸収層14となる化合物半導体薄膜を堆積する。なお、裏面電極12には光吸収層14と第1の取り出し電極13を堆積するため、第1の取り出し電極13を堆積する部位を少なくとも除く裏面電極12上の一部に光吸収層14を堆積する。成膜方法としては、スパッタ法或いは真空蒸着法が挙げられる。スパッタ法は、すべての構成元素をスパッタターゲットから供給する方法と、Cu及びIIIb族元素をスパッタ法で堆積した後、H2Seガス雰囲気中で加熱処理を行うセレン化法が挙げられる。また、真空蒸着法では、3段階法を用いることで、高品質の光吸収層を得ることができる。3段階法は、始めにIIIb族元素であるIn及びGaとVIb族元素であるSeを真空蒸着し、その後、Ib族元素であるCuと、Seを蒸着し、最後に再びIn及びGaと、Seを蒸着する手法である。
[光吸収層上にバッファー層を成膜する工程]
得られた光吸収層14の上にバッファー層15a,bを堆積する。
バッファー層15aの成膜方法としては、真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)、液相プロセスの化学析出(CBD)法などが挙げられる。n型バッファー層となるZnO1−xSxの組成を精密に制御するためには、スパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)の真空プロセスを用いることが好ましい。例えば300℃といった高温プロセスは、実施形態のバッファー層15aが2相分離してしまうことがあるため好ましくない。そこで、バッファー層15aの成膜において、成膜時の基板11温度は室温以上250℃以下であることが好ましい。
得られた光吸収層14の上にバッファー層15a,bを堆積する。
バッファー層15aの成膜方法としては、真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)、液相プロセスの化学析出(CBD)法などが挙げられる。n型バッファー層となるZnO1−xSxの組成を精密に制御するためには、スパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)の真空プロセスを用いることが好ましい。例えば300℃といった高温プロセスは、実施形態のバッファー層15aが2相分離してしまうことがあるため好ましくない。そこで、バッファー層15aの成膜において、成膜時の基板11温度は室温以上250℃以下であることが好ましい。
結晶性を上げるためには、低温での成膜後、50℃以上280℃以下、より好ましくは100℃以上250℃の範囲で加熱処理を行うことも効果がある。これらの範囲で加熱処理を行うと、バッファー層15aの結晶が成長し、粒径を10nm以上100nm以下にすることができる。なお、この加熱処理の際は、成膜時と同様のArガス雰囲気が好ましい。
バッファー層15bの成膜方法としては、真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)などが挙げられる。
[バッファー層上に透明電極を成膜する工程]
続いて、バッファー層15b上に、透明電極16を堆積する。
成膜方法としては真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)などが挙げられる。
続いて、バッファー層15b上に、透明電極16を堆積する。
成膜方法としては真空プロセスのスパッタ法、真空蒸着法或いは有機金属気相成長(MOCVD)などが挙げられる。
[裏面電極上と透明電極上に取り出し電極を成膜する工程]
第1の取り出し電極13を裏面電極12上の光吸収層が成膜された部位を少なくとも除く部位に堆積する。
第2の取り出し電極17を透明電極16上の反射防止膜が成膜される部位を少なくとも除く部位に堆積する。
成膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
第1と第2の取り出し電極の成膜は、1工程で行ってもよいし、それぞれ、別の工程として、任意の工程の後に行ってもよい。
第1の取り出し電極13を裏面電極12上の光吸収層が成膜された部位を少なくとも除く部位に堆積する。
第2の取り出し電極17を透明電極16上の反射防止膜が成膜される部位を少なくとも除く部位に堆積する。
成膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
第1と第2の取り出し電極の成膜は、1工程で行ってもよいし、それぞれ、別の工程として、任意の工程の後に行ってもよい。
[透明電極上に反射防止膜を成膜する工程]
最後に透明電極16上の第2の取り出し電極17が成膜された部位を少なくとも除く部位に反射防止膜18を堆積する。
成膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
上記の工程を経て、図1の概念図に示した薄膜太陽電池を作製する。
化合物薄膜太陽電池のモジュールを作製する場合、基板に裏面電極を成膜する工程の後、レーザーにより裏面電極を分断する工程、さらには光吸収層上にバッファー層を成膜する工程及びバッファー層上に透明電極を成膜する工程の後、それぞれメカニカルスクライブにより試料を分割する工程を挟むことにより集積化が可能となる。
最後に透明電極16上の第2の取り出し電極17が成膜された部位を少なくとも除く部位に反射防止膜18を堆積する。
成膜方法としてはスパッタ法、真空蒸着法などが挙げられる。
上記の工程を経て、図1の概念図に示した薄膜太陽電池を作製する。
化合物薄膜太陽電池のモジュールを作製する場合、基板に裏面電極を成膜する工程の後、レーザーにより裏面電極を分断する工程、さらには光吸収層上にバッファー層を成膜する工程及びバッファー層上に透明電極を成膜する工程の後、それぞれメカニカルスクライブにより試料を分割する工程を挟むことにより集積化が可能となる。
以下、実施例により、本発明を詳細に説明する。
(実施例1)
基板11として青板ガラス基板を用い、スパッタ法により裏面電極12となるMo薄膜を700nm程度堆積する。スパッタは、Moをターゲットとし、Arガス雰囲気中でRFで200W印加することにより行う。
裏面電極12となるMo薄膜堆積後、光吸収層14となるCuIn0.3Ga0.7Se2薄膜を2μm程度堆積する。成膜はセレン化法で行う。まず、CuIn0.3Ga0.7の合金膜をスパッタ法で堆積し、その後、H2Se雰囲気、500℃で加熱処理を行う。
得られた光吸収層14の上にバッファー層15aとしてn型バッファー層ZnO0.3S0.7を50nm程度堆積する。成膜はRF(高周波)スパッタを用いたが、界面でのプラズマダメージを考慮して、50Wの出力で行う。このバッファー層15a上にバッファー層15bとして、ZnO薄膜を堆積し、続いて、透明電極16となるアルミナ(Al2O3)を2wt%含有するZnO:Alを1μm程度堆積する。取り出し電極13、17として、Alを蒸着法にて堆積する。膜厚はそれぞれ100nm及び300nmとする。最後に反射防止膜18としてMgF2をスパッタ法により堆積することにより、実施形態の光電変換素子を得ることができる。
(実施例1)
基板11として青板ガラス基板を用い、スパッタ法により裏面電極12となるMo薄膜を700nm程度堆積する。スパッタは、Moをターゲットとし、Arガス雰囲気中でRFで200W印加することにより行う。
裏面電極12となるMo薄膜堆積後、光吸収層14となるCuIn0.3Ga0.7Se2薄膜を2μm程度堆積する。成膜はセレン化法で行う。まず、CuIn0.3Ga0.7の合金膜をスパッタ法で堆積し、その後、H2Se雰囲気、500℃で加熱処理を行う。
得られた光吸収層14の上にバッファー層15aとしてn型バッファー層ZnO0.3S0.7を50nm程度堆積する。成膜はRF(高周波)スパッタを用いたが、界面でのプラズマダメージを考慮して、50Wの出力で行う。このバッファー層15a上にバッファー層15bとして、ZnO薄膜を堆積し、続いて、透明電極16となるアルミナ(Al2O3)を2wt%含有するZnO:Alを1μm程度堆積する。取り出し電極13、17として、Alを蒸着法にて堆積する。膜厚はそれぞれ100nm及び300nmとする。最後に反射防止膜18としてMgF2をスパッタ法により堆積することにより、実施形態の光電変換素子を得ることができる。
得られた光電変換素子のバッファー層のS量(x)および光吸収層のGa量(y)、結晶粒径、伝導帯オフセット(ΔEc(eV))、バッファー層のバンドギャップ(Egn(eV))、光吸収層のバンドギャップ(Egp(eV))、開放端電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)および剥離耐性を測定した。
照射損傷の少ない低エネルギーでのイオンエッチングと正・逆光電子分光測定の繰り返しにより、バッファー層15aから光吸収層14までの電子状態を評価できる。紫外線光電子分光により、VBMを、逆光電子分光法により、CBMを見積もり、その差からバンドギャップ(バッファー層でのバンドギャップ(Egn(eV))、光吸収層でのバンドギャップ(Egp(eV)))を算出することができる。また、上述の繰り返し測定から、VBM及びCBMをエッチング時間に対してプロットすることで、pn接合を横切る膜厚方向での電子状態の変化を評価でき、光吸収層14とバッファー層15aでのCBMの差から、伝導体オフセットΔEc(eV)を見積もることができる。
ソーラーシミュレータによりAM1.5の擬似太陽光照射下で、電圧源とマルチメータを用い、電圧源の電圧を変化させ、擬似太陽光照射下での電流が0mAとなる電圧を測定して開放端電圧(Voc)を得て、電圧を印加しない時の電流を測定して短絡電流密度(Jsc)を得た。
照射損傷の少ない低エネルギーでのイオンエッチングと正・逆光電子分光測定の繰り返しにより、バッファー層15aから光吸収層14までの電子状態を評価できる。紫外線光電子分光により、VBMを、逆光電子分光法により、CBMを見積もり、その差からバンドギャップ(バッファー層でのバンドギャップ(Egn(eV))、光吸収層でのバンドギャップ(Egp(eV)))を算出することができる。また、上述の繰り返し測定から、VBM及びCBMをエッチング時間に対してプロットすることで、pn接合を横切る膜厚方向での電子状態の変化を評価でき、光吸収層14とバッファー層15aでのCBMの差から、伝導体オフセットΔEc(eV)を見積もることができる。
ソーラーシミュレータによりAM1.5の擬似太陽光照射下で、電圧源とマルチメータを用い、電圧源の電圧を変化させ、擬似太陽光照射下での電流が0mAとなる電圧を測定して開放端電圧(Voc)を得て、電圧を印加しない時の電流を測定して短絡電流密度(Jsc)を得た。
(実施例2)
光吸収層14にCuIn0.5Ga0.5Se2薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuIn0.5Ga0.5Se2薄膜を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(実施例3)
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(実施例4)
光吸収層14にCuInSe2薄膜を用いることと以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuInSe2薄膜を用いることと以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(実施例5)
バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.1S0.9を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.1S0.9を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(実施例6)
光吸収層14にCuGaSe2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnSを用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuGaSe2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnSを用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(比較例1)
光吸収層14にCuInSe2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnOを用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuInSe2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnOを用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(比較例2)
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.7S0.3を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.7S0.3を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(比較例3)
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.5S0.5を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuIn0.7Ga0.3Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.5S0.5を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
(比較例4)
光吸収層14にCuIn0.5Ga0.5Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.5S0.5を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
光吸収層14にCuIn0.5Ga0.5Se2薄膜を用いることと、バッファー層15aとしてn型化合物半導体層ZnO0.5S0.5を用いること以外は実施例1と同じ方法で薄膜太陽電池を製造する。
表1に実施例1から6と比較例1から4で得られる薄膜太陽電池の性能比較を示す。
上述したように、ΔEcは0eV以上+0.4eV以下であることが好ましく、開放端電圧Vocの性能に効果がある。また、n型バッファー層のバンドギャップ(Egn)は、バッファー層での短波長の光吸収を抑制できるため、大きい方が好ましい。さらに、光吸収層のバンドギャップ(Egp)は、1.4eVに近い方が好ましい。このバンドギャップの大きさは短絡電流密度Jscの性能に効果がある。VocとJscから、変換効率ηの性能比較ができる。
本発明の光電変換素子を太陽電池に用いることにより、変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
本発明の光電変換素子を太陽電池に用いることにより、変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い
10…光電変換素子、11…基板、12…裏面電極、13…第1の取り出し電極、14…光吸収層、15a…バッファー層、15b…バッファー層、16…透明電極層、17…第2の取り出し電極、18…反射防止膜
Claims (4)
- Cuと、Al、In及びGaからなる群より選ばれる少なくとも一つのIIIb族元素と、S或いはSeとを含みカルコパイライト型構造を有する光吸収層と、Znと、O或いはSから成るバッファー層を具備し、前記光吸収層と前記バッファー層の界面から10nmにおける前記バッファー層のS/(S+O)比が0.7以上1.0以下であり、
前記バッファー層の伝導帯下端の差と前記光吸収層の伝導帯下端が、0以上0.4以下であり、
前記バッファー層はZn、OおよびSから成り、前記バッファー層の前記光吸収層とは反対側の面にZnとOから成る層を有することを特徴とする光電変換素子。 - 前記光吸収層のGa/IIIb族元素のモル比が、0.5以上1.0以下であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記バッファー層は、単相であることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 請求項1乃至請求項3いずれか1項記載の光電変換素子を用いてなることを特徴とする太陽電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015101056A JP2015179863A (ja) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | 光電変換素子および太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015101056A JP2015179863A (ja) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | 光電変換素子および太陽電池 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011103723A Division JP2012235024A (ja) | 2011-05-06 | 2011-05-06 | 光電変換素子および太陽電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015179863A true JP2015179863A (ja) | 2015-10-08 |
Family
ID=54263675
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015101056A Pending JP2015179863A (ja) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | 光電変換素子および太陽電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015179863A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108541349A (zh) * | 2016-01-13 | 2018-09-14 | 马卡罗有限公司 | 包括cigs光吸收层的太阳能电池及其制造方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000323733A (ja) * | 1999-03-05 | 2000-11-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
JP2004214300A (ja) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ヘテロ接合を有する太陽電池 |
JP2004342678A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Rikogaku Shinkokai | Cu(In1−xGax)Se2膜の製造方法及び太陽電池 |
JP2005228975A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
WO2009151396A1 (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-17 | Solibro Research Ab | Selective removal and contacting of thin film solar cells |
JP2010192689A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Tdk Corp | 太陽電池、及び太陽電池の製造方法 |
US20110065228A1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-17 | Xiao-Chang Charles Li | Manufacture of thin solar cells based on ink printing technology |
-
2015
- 2015-05-18 JP JP2015101056A patent/JP2015179863A/ja active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000323733A (ja) * | 1999-03-05 | 2000-11-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
JP2004214300A (ja) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ヘテロ接合を有する太陽電池 |
JP2004342678A (ja) * | 2003-05-13 | 2004-12-02 | Rikogaku Shinkokai | Cu(In1−xGax)Se2膜の製造方法及び太陽電池 |
JP2005228975A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
WO2009151396A1 (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-17 | Solibro Research Ab | Selective removal and contacting of thin film solar cells |
JP2010192689A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Tdk Corp | 太陽電池、及び太陽電池の製造方法 |
US20110065228A1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-17 | Xiao-Chang Charles Li | Manufacture of thin solar cells based on ink printing technology |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JPN6014029541; 峯元 高志,外2名: '18p-TK-16 ZnO1-xSx/Cu(In,Ga)Se2太陽電池におけるバンドオフセットの影響' 2010年春季第57回応用物理学関係連合講演会講演予稿集 , 20100303 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108541349A (zh) * | 2016-01-13 | 2018-09-14 | 马卡罗有限公司 | 包括cigs光吸收层的太阳能电池及其制造方法 |
CN108541349B (zh) * | 2016-01-13 | 2021-06-22 | 马卡罗能源有限公司 | 包括cigs光吸收层的太阳能电池及其制造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5229901B2 (ja) | 光電変換素子、及び太陽電池 | |
JP6096790B2 (ja) | 光電池のための導電性基材 | |
EP1492169A2 (en) | Solar cell | |
WO2007043219A1 (ja) | 太陽電池およびその製造方法 | |
JP2010192689A (ja) | 太陽電池、及び太陽電池の製造方法 | |
WO2012153641A1 (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
JP6338990B2 (ja) | 多接合型太陽電池 | |
JP6328018B2 (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
JP2007335625A (ja) | 太陽電池 | |
WO2019180988A1 (ja) | 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム | |
JP6377338B2 (ja) | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法及び太陽電池 | |
JP7273537B2 (ja) | 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム | |
JP2011181746A (ja) | 太陽電池モジュール及び太陽電池装置 | |
JP2012204617A (ja) | 光起電力素子、及び当該光起電力素子の製造方法 | |
JP5701673B2 (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
JP2017059828A (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
US20150087107A1 (en) | Method for manufacturing photoelectric conversion device | |
KR101300791B1 (ko) | 전자빔 조사를 이용한 몰리브덴 박막의 전도도 향상 방법 | |
JP2015179863A (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
KR101708282B1 (ko) | CZTSe계 박막을 이용한 태양전지 및 이의 제조 방법 | |
JP7378940B2 (ja) | 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム | |
JP2018056541A (ja) | 太陽電池、多接合型太陽電池、太陽電池モジュール及び太陽光発電システム | |
US20200091365A1 (en) | Solar cell, multi-junction solar cell, solar cell module, and solar power generation system | |
JP5784358B2 (ja) | 光電変換素子および太陽電池 | |
JP5783984B2 (ja) | 光電変換素子と太陽電池及びこれらの製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160204 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160216 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160809 |