JP2016184652A

JP2016184652A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2016184652A
Application number: JP2015063893A
Authority: JP
Inventors: 浩孝佐野; Hirotaka Sano; 順次荒浪; Junji Aranami
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-10-20

Abstract

【課題】光電変換を行なう光吸収層への光の入射効率を高め、光電変換装置の光電変換効率を向上させる。【解決手段】光電変換装置１０は、基板１と、基板１上に位置する第１導電型の第１の半導体層２と、第１の半導体層２の上面の一部である第１領域を被覆する第１の電極層３と、第１の半導体層２の上面の第１領域とは異なる第２領域を被覆する、第１導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層４と、第２の半導体層４上に位置する第２の電極層５とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の半導体層を具備する光電変換装置に関する。

太陽光発電等に使用される光電変換装置として、カルコパイライト系化合物から成る半導体層を光吸収層として用いたものがある（例えば特許文献１参照）。このような光電変換装置は、ガラス等の基板の上に、金属電極等の下部電極と、ＣＩＧＳなどの金属カルコゲナイドを含む光吸収層と、この光吸収層にヘテロ接合した、硫化インジウムを含むバッファ層と、透明導電膜等の上部電極とが、この順に積層されて構成されている。

そして、上部電極側から入射した光が光吸収層で光電変換されることによって電力が得られる。

特開２００３−２８２９０９号公報

光電変換装置には、光電変換効率の向上が常に要求される。光電変換装置の光電変換効率を高めるためには、光電変換を行なう光吸収層への光の入射効率を高めることが有効である。本発明の一つの目的は、光電変換を行なう光吸収層への光の入射効率を高め、光電変換装置の光電変換効率を向上させることにある。

本発明の一態様に係る光電変換装置は、基板と、該基板上に位置する第１導電型の第１の半導体層と、該第１の半導体層の上面の一部である第１領域を被覆する第１の電極層と、前記第１の半導体層の上面の前記第１領域とは異なる第２領域を被覆する、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層と、該第２の半導体層上に位置する第２の電極層とを具備する。

本発明によれば、光電変換を行なう第１の半導体層への光の入射効率を高め、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。

第１実施形態の光電変換装置を示す断面図である。第２実施形態の光電変換装置を示す断面図である。第３実施形態の光電変換装置を示す断面図である。

以下に本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１実施形態の光電変換装置＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置を示す断面図である。なお、図１においては図示の都合上、１つの第１の電極層３、１つの第２の半導体層４および第２の電極層５が設けられている例を示しているが、実際の光電変換装置１０においては、図面左
右方向に複数の第１の電極層３、複数の第２の半導体層４および第２の電極層５が配設されていてもよい。

基板１は、第１の半導体層２を支持するためのものであり、第１の半導体層２が光電変換可能な波長の光を透過可能な透光性を有している。基板１に用いられる材料としてはガラス等の透光性部材が用いられ、例えば、厚さ１〜３ｍｍ程度の青板ガラス（ソーダライムガラス）が挙げられる。

第１の半導体層２は基板１の主面上に位置している半導体層である。第１の半導体層２は、光を吸収してキャリア（電子および正孔）を発生させる機能を有する、いわゆる光吸収層である。第１の半導体層２は、例えば１μｍ〜３μｍ程度の厚みであり、第１導電型（ここではｐ型の例を示す）を有している。第１の半導体層２としては、II−VI族化合物、Ｉ−III−VI族化合物およびＩ−II−IV−VI族化合物等の化合物半導体等が挙げられる。

II−VI族化合物とは、１２族元素（II−Ｂ族元素ともいう）と１６族元素（VI−Ｂ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、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、光吸収層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、１１族元素と１２族元素と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２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２の構成元素の錯体溶液を基板１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１の電極層３は、第１の半導体層２の上面の一部である第１領域を被覆している。第１の電極層３は、第１の半導体層２でキャリア分離した一方のキャリア（ここでは正孔）を取り出す電極である。

第１の電極層３の平面視形状は、円形状や多角形状等の島状体であってもよく、直線や曲線等の線状体であってもよい。島状体の幅あるいは線状体の短手方向の幅は、例えば、５０〜４００μｍである。

第１の電極層３としては、例えば、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属、あるいはＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の半導体が用いられる。第１の電極層３として上記半導体が用いられる場合、電気抵抗率を低くするために、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ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半導体の
具体例としては、例えば、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＢＺＯ（Boron Zinc Oxide
）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（Fluorine tin Oxide）等がある。

第１の電極層３は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、めっき法等の各種薄膜形成方法や、スクリーン印刷法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等の導電ペーストを用いた塗布法で形成され得る。また、第１の電極層３は、複数の導電層が積層されたものであってもよい。

第２の半導体層４は、第１の半導体層２の上面の上記第１領域とは異なる第２領域を被覆している。第２の半導体層４は、上記第１導電型とは異なる第２導電型（ここではｎ型の例を示す）の半導体層であり、第１の半導体層２と第２の半導体層４とでｐｎ接合を形成している。なお、第２の半導体層４は、複数の積層体であってもよく、第１の半導体層２との界面に高電気抵抗率を有する層を含んでいてもよい。

第２の半導体層４の平面視形状は、円形状や多角形状等の島状体であってもよく、直線や曲線等の線状体であってもよい。島状体の幅あるいは線状体の短手方向の幅は、例えば、５０〜４００μｍである。第２の半導体層４は、第１の電極層３と離間しており、その間隔は、例えば、５０〜４００μｍである。

第２の半導体層４としては、ＣｄＳ、ＺｎＳ、Ｉｎ_２Ｓ_３、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等の化合物半導体やシリコン（Ｓｉ）等の半導体が用いられる。これらの半導体には、不純物元素がドーピングされていてもよい。

第２の半導体層４は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、めっき法、スクリーン印刷法、塗布法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法、ゾルゲル法、または、溶液析出法（ＣＢＤ法）等で作製され得る。

第２の電極層５は、第２の半導体層４の上面を被覆している。第２の電極層５は、第２の半導体層４からキャリア（ここでは電子）を取り出す電極である。

第２の電極層５としては、例えば、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属、あるいはＺｎＯやＩｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２等の半導体が用いられる。第２の電極層５として上記半導体が用いられる場合、電気抵抗率を低くするために、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、ＳｎおよびＦ等のうちの何れかの元素が含まれても良い。

第２の電極層５は、例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、めっき法等の各種薄膜形成方法や、スクリーン印刷法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等の導電ペーストを用いた塗布法で形成され得る。また、第２の電極層５は、複数の導電層が積層されたものであってもよい。

以上のように、第１実施形態に係る光電変換装置１０は、第１の電極層３、第２の半導体層４および第２の電極層５が第１の半導体層２の一方主面側に設けられている。このような構成によって、基板１側から光電変換を行なう第１の半導体層２への光の入射効率を高めることができる。その結果、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。つまり、従来の特許文献１のような構成では、第１の半導体層上に第２の半導体層および透明導電膜から成る上部電極層が設けられており、これら第２の半導体層や上部電極層で光が吸収されたり、反射されたりし、第１の半導体層へ到達する光の入射効率は低かった。これに対し、上記第１実施形態に係る光電変換装置１０では、第２の半導体層４や第１の電極層３および第２の電極層５をすべて光が入射される側とは反対側に設けることができ、第１の半導体層２への光の入射効率が高くなる。

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。以下に種々の変形例を示す。

＜第２実施形態の光電変換装置＞
図２は、第２実施形態の光電変換層２０の断面図である。第２実施形態の光電変換装置２０において、第１実施形態の光電変換装置１０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

第２実施形態の光電変換装置２０は、基板１と第１の半導体層２との界面に第１の絶縁層６が介在している。このような構成によって、第１の絶縁層６がパッシベーション膜として機能し、バンドベンディングによる電界効果を生じさせることによって第１の半導体層２の表面でのキャリアの再結合を低減できる。また、第１の絶縁層６が基板１と第１の半導体層２との接着性を高めることができる。その結果、光電変換装置２０の光電変換効率をさらに向上させることができる。

第１の絶縁層６は電気抵抗率が１Ω・ｍ以上のものが用いられ得る。このような第１の絶縁層６としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の等の金属酸化物またはポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂が挙げられる。また、第１の絶縁層６の厚みは１５〜２００ｎｍ程度であればよい。

第１の絶縁層６は、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、スクリーン印刷法、塗布法、めっき法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等の成膜方法を用いて作製することができる。また、必要に応じて、フォトリソグラフィー法、リフトオフ法、ディスペンサーを用いた塗布法、レーザスクライブ等のパターン形成法を組み合わせることによって、第１の絶縁層６を所望のパターン形状にしてもよい。

＜第３実施形態の光電変換装置＞
図３は、第３実施形態の光電変換層３０の断面図である。第３実施形態の光電変換装置３０において、第１実施形態の光電変換装置１０および第２実施形態の光電変換装置２０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

第３実施形態の光電変換装置３０は、第１の半導体層２と第１の電極層３との界面の一部および第１の半導体層２と第２の半導体層４との界面の一部に第２の絶縁層７が介在している。このような構成によって、第２の絶縁層７がパッシベーション膜として機能し、バンドベンディングによる電界効果を生じさせることによって第１の半導体層２の表面でのキャリアの再結合を低減できる。その結果、光電変換装置２０の光電変換効率をさらに向上させることができる。

第２の絶縁層７は電気抵抗率が１Ω・ｍ以上のものが用いられ得る。このような第２の絶縁層７としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯおよびＴｉＯ_２の等の金属酸化物またはポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂が挙げられる。また、第２の絶縁層７の厚みは１５〜２００ｎｍ程度であればよい。

第２の絶縁層７は、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、スクリーン印刷法、塗布法、めっき法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等の成膜方法を用いて作製することができる。また、必要に応じて、フォトリソグラフィー法、リフトオフ法、ディスペンサーを用いた塗布法、レーザスクライブ等のパターン形成法を組み合わせることによって、第２の絶縁層７を所望のパターン形状にしてもよい。

第２の絶縁層７によるパッシベーション機能とキャリアの取り出しとを良好に行なって光電変換効率をさらに高めるという観点からは、第１の半導体層２と第１の電極層３との界面における第２の絶縁層７の占有面積率は、１０〜９０％、好ましくは５０〜９０％であってもよい。同様に、第２の絶縁層７によるパッシベーション機能とキャリアの取り出しとを良好に行なって光電変換効率をさらに高めるという観点からは、第１の半導体層２と第２の半導体層４との界面における第２の絶縁層７の占有面積率は、１０〜９０％、好ましくは５０〜９０％であってもよい。

１：基板
２：第１の半導体層
３：第１の電極層
４：第２の半導体層
５：第２の電極層
６：第１の絶縁層
７：第２の絶縁層
１０、２０、３０：光電変換装置

Claims

基板と、
該基板上に位置する第１導電型の第１の半導体層と、
該第１の半導体層の上面の一部である第１領域を被覆する第１の電極層と、
前記第１の半導体層の上面の前記第１領域とは異なる第２領域を被覆する、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２の半導体層と、
該第２の半導体層上に位置する第２の電極層と
を具備する光電変換装置。
前記基板と前記第１の半導体層との界面に第１の絶縁層が介在している、請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の絶縁層の電気抵抗率が１Ω・ｍ以上である、請求項２に記載の光電変換装置。
前記第１の半導体層と前記第１の電極層との界面の一部および前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面の一部に第２の絶縁層が介在している、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
前記第２の絶縁層の電気抵抗率が１Ω・ｍ以上である、請求項４に記載の光電変換装置。
前記第１の半導体層は、Ｉ−III−VI族化合物またはＩ−II−IV−VI族化合物を主とし
て含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換装置。