JP2016219627A - 光電変換装置 - Google Patents

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】光電変換装置は、基板１と、基板１上に互いに離間して配置された第１の電極層２および第２の電極層３と、第１の電極層１上に配置された第１の半導体層４と、第１の半導体層４および第２の電極層３上に配置された、第１の半導体層４とは異なる導電型の第２の半導体層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、薄膜の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、該基板上に互いに離間して配置された第１の電極層および第２の電極層と、前記第１の電極層上に配置された第１の半導体層と、前記第１の半導体層および前記第２の電極層上に配置された、前記第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。

本発明によれば、光電変換を行なう第２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。

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２および１つの第２の電極層３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２および複数の第２の電極層３が配設されていてもよい。

基板１は、第１の電極層２、第２の電極層３、第１の半導体層４および第２の半導体層５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ガラス等が用いられ、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の電極層２および第２の電極層３は、基板１の上面にそれぞれが互いに離間して設けられている。つまり、第１の電極層２と第２の電極層３は互いに電気的に絶縁されている。第１の電極層２は、第２の半導体層５の光電変換によって生じた一方のキャリア（ここでは電子）を第１の半導体層４を介して取り出す電極である。また、第２の電極層３は、第２の半導体層５の光電変換によって生じた他方のキャリア（ここでは正孔）を取り出す電極である。

第１の電極層２および第２の電極層３の平面視形状は、例えば帯状体等であり、帯状体の短手方向の幅は、例えば、５０〜４００μｍである。

第１の電極層２および第２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２および第２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２および第２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２および第２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。また、第１の電極層２および第２の電極層３は、互いに同じ材料から成るものであってもよく、互いに異なる材料から成るものであってもよい。

第１の半導体層４は、第１の電極層２の上面に設けられており、例えば５〜１００ｎｍの厚みである。第１の半導体層４は、第２の半導体層５とは異なる導電型（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４と第２の半導体層５とでｐｎ接合を形成している。なお、第１の半導体層４は、複数の積層体であってもよく、第２の半導体層５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１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１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の半導体層５は、第１の半導体層４の上面および第２の電極層３の上面に位置している半導体層ある。第２の半導体層５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２の半導体層５は、例えば１〜３μｍ程度の厚みであり、第１の半導体層４とは異なる導電型（ここではｐ型の例を示す）を有している。第２の半導体層５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。

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２の半導体層５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２の半導体層５の構成元素の錯体等を含む溶液を基板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。

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２、第２の電極層３および第１の半導体層４が第２の半導体層５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とは反対側から第２の半導体層５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、光吸収層として機能する半導体層上に、異なる導電型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、これら異なる導電型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、光吸収層として機能する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１の電極層２、第２の電極層３および第１の半導体層４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２の半導体層５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２の半導体層５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が第２の半導体層５と基板１との密着性を高めるとともにパッシベーション効果によって第２の半導体層５の下面におけるキャリアの再結合を低減することができる。

また、上記第１の絶縁層６とともに、あるいは第１の絶縁層６の代わりに、第２の半導体層５上に第２の絶縁層７が配置されていてもよい。このような構成によって、第２の絶
縁層７のパッシベーション効果によって第２の半導体層５の上面におけるキャリアの再結合を低減することができる。

第１の絶縁層６および第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１の絶縁層６および第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１の絶縁層６および第２の絶縁層７の厚みは１５〜２００ｎｍ程度であればよい。

第１の絶縁層６および第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１の絶縁層６を所望のパターン形状にしてもよい。

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

Claims (4)

1. 基板と、
   該基板上に互いに離間して配置された第１の電極層および第２の電極層と、
   前記第１の電極層上に配置された第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層および前記第２の電極層上に配置された、前記第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。
2. 前記基板と前記第２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。
3. 前記第２の半導体層上に第２の絶縁層が配置されている、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記第２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３のいずれかに記載の光電変換装置。

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