JP2021040117A

JP2021040117A - 光電変換素子

Info

Publication number: JP2021040117A
Application number: JP2019162471A
Authority: JP
Inventors: 小椋　厚志; Atsushi Ogura; 厚志小椋; 武文神岡; Takefumi Kamioka; 祥雄大下; Yoshio Oshita
Original assignee: Meiji University; Toyota Gauken
Current assignee: Meiji University; Toyota Gauken
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP7377477B2

Abstract

【課題】光の変換効率を高めることができる、光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換素子１０は、半導体層２０と、前記半導体層２０に積層された導電体層３０と、前記導電体層３０の表面に設けられた電極４０と、を備え、前記導電体層３０は、少なくとも金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を含む。この光電変換素子１０によれば、光の変換効率を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体層と、前記半導体層に積層された導電体層とを備える光電変換素子に関する。

太陽電池は、太陽光をエネルギー源として有効活用するという観点から、その活用が広く望まれている。活用のために、高効率化と低コスト化が求められている。

太陽電池に使われる光電変換素子の高効率化を図るためには、素子に入射された太陽光が効率よく電力に変換されることが重要である。

通常の太陽電池に使われる光電変換素子は、太陽光が入射されてキャリア（電子と正孔）を発生させる半導体層と、前記半導体層の表面に形成され前記半導体層で生成されたキャリアを捕獲し搬送する拡散層と、前記拡散層の表面又は裏面に設けられ、キャリアを収集して外部に取り出す電極を備える（特許文献１参照）。

この電極は通常、フィンガー電極と、バスバー電極とから構成される。フィンガー電極は、前記拡散層の表面に略平行に１．２〜１．３ｍｍ程度の間隔で形成される、その幅が０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の金属電極である。また、バスバー電極は、フィンガー電極に対して、略直交に５０ｍｍ程度の間隔で形成される、その幅が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の電極である。

特許第４９５３５６２号公報

Y. Ohshita et al., "Technology trend of high efficiency crystalline silicon solar cells," AAPPS Bulletin, vol. 27, no. 3, pp. 1-8, Jun. 2017.

特許文献１の光電変換素子では、光の変換効率が低いという問題があった。この効率を下げる原因として、電極による太陽光の遮断が挙げられる。電極により太陽光が遮断されると、素子に入射した太陽光が効率的にその下の半導体層に到達せず、生成されるキャリアが減ってしまうためである。前記光電変換素子では、フィンガー電極やバスバー電極が、太陽光をほとんど透過しない金属材料で形成されており、光電変換素子の受光面側の面内における受光面に対する電極の占める割合である電極面積率が１０％以上になっている。このため、受光面側の電極部分に入射した太陽光は半導体層に到達せず、効率が低下する。

また、他の効率を下げる原因として、半導体層で生成されたキャリアが電極に到達するまでの経路において再結合や直列抵抗損失により失われてしまうことが挙げられる。例えば、半導体層で生成されたキャリアを捕獲し、電極に効率的に搬送するために、半導体層に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明な導電体層を積層する技術が知られている（非特許文献１）。しかしながら、非特許文献１の光電変換素子では、導電体層の材料のキャリアの移動度が低く、多くのキャリアが電極に到達する前に半導体層と導電体層の界面等に存在する未結合手や欠陥における再結合や、材料の直列抵抗損失により失われる。また、導電体層の材料のキャリア密度が高いことで、この導電体層の自由電子に光が吸収されてしまい、素子に入射した太陽光がその下の半導体層に到達せず、生成されるキャリアが減ってしまうことにより効率が低下する。

さらに、効率を下げる原因として、生成されたキャリアのエネルギー損失が挙げられる。キャリアのエネルギーは、半導体層と導電体層でとりうるエネルギー状態が異なることから、導電体層の材料のとりうるエネルギー状態の中で最適な状態に遷移する過程で低下し、エネルギー損失となり、効率が低下する。

これらの結果として、効率を下げる問題は十分に解決されていない。

本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、光の変換効率を高めることができる、光電変換素子を提供することを目的とする。

本発明に係る光電変換素子は、半導体層と、前記半導体層に積層された導電体層と、前記導電体層の表面に設けられた電極と、を備え、前記導電体層は、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を含むことを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記半導体層と前記導電体層との間にパッシベーション層を備えることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記導電体層の表面積に対する電極の表面積の割合が２．５％以下であることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記導電体層は、厚みが０．６５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記導電体層は、電子を収集する電子収集導電体層と、正孔を収集する正孔収集導電体層から構成されることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記金属がＭｏ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｉｎ、又はＢｉの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記カルコゲンがＳ、Ｓｅ、又はＴｅの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記導電体層中の前記金属の化学量論的割合が０．３〜０．５であることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記導電体層中の前記カルコゲンの化学量論的割合が０．５〜０．７であることを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記半導体層が、単結晶、多結晶、非晶質のいずれかの結晶性を有することを特徴とする。

前記光電変換素子において、前記半導体層の一部又は全てが、シリコンであることを特徴とする。

本発明の光電変換素子によれば、半導体層と、前記半導体層に積層された導電体層と、前記導電体層の表面に設けられた電極と、を備え、前記導電体層は、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を含むことで、光の変換効率を高めることができる。

図１Ａは、本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子の斜視図であり、図１Ｂは光電変換素子の図１ＡにおけるＩＢ−ＩＢ線部分断面図である。酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンのキャリア密度と移動度の関係性を示す説明図である。本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子の導電体層の光の透過率と導電体層の厚さの関係性の説明図である。シリコン結晶基板の上にスパッタリングにより二硫化モリブデンを形成したサンプルの断面の透過電子顕微鏡像である。図５Ａは、本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子をモジュール化した光電変換素子モジュールの電極配置例の説明図であり、図５Ｂは、従来技術における光電変換素子モジュールの電極配置例の説明図である。シリコンのエネルギーバンド及び、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質のエネルギーバンドである。図７Ａは、本発明の第二の実施形態に係る光電変換素子の斜視図であり、図７Ｂは、図７ＡにおけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線部分断面図である。

＜第一の実施形態に係る光電変換素子１０の構成＞
以下、本発明の第一の実施形態について、図面を用いて説明する。図１Ａは、本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子１０の斜視図であり、図１Ｂは光電変換素子の図１ＡにおけるＩＢ−ＩＢ線部分断面図である。図１Ａ、１Ｂでは、上方を光電変換素子の表面とし、下方を裏面とし、上方から光が入射するとする。

光電変換素子１０は、半導体層２０、パッシベーション層２２、導電体層３０、及び電極４０を備える。

半導体層２０は、単結晶シリコンで形成される。半導体層２０の厚さは、例えば、０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍである。

パッシベーション層２２は、水素によって未結合手を終端したアモルファスシリコンで形成される。パッシベーション層２２は、半導体層２０の上に形成される。パッシベーション層２２の厚さは、例えば、５ｎｍ〜１０ｎｍである。

導電体層３０は、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質である二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）で形成される。導電体層３０は、パッシベーション層２２の上に形成される。導電体層３０の厚さは、例えば、０．６５ｎｍ〜１０ｎｍである。導電体層３０は、光を透過するとともに、半導体層２０で生成されたキャリアのうち、電子を選択的に電極４０に供給する。なお、二次元層状物質とは、例えば、金属やカルコゲンなどの共有結合やイオン結合により形成された単位層が、ファンデルワールス力を介して積層した、層状構造を持つ物質のことをいう。

電極４０は、銀で形成される。電極４０は、導電体層３０の表面であって、周辺に形成される。電極４０の線幅は、例えば、０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。また、電極４０の厚さは、例えば０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍである。

また、裏面電極５０は、銀で形成される。裏面電極５０の厚さは、例えば、０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍである。裏面電極５０は、半導体層２０の裏面に形成される。裏面電極５０は、半導体層２０に生成したキャリアのうち、正孔を収集し、外部に取り出す。

次に、光電変換素子１０の製造方法について説明する。

まず、シリコン結晶ウエハが用意される。前記シリコン結晶ウエハは希フッ化水素酸に浸漬されて、シリコン結晶ウエハの表面及び裏面に形成された自然酸化膜が除去される。

次に、前記シリコン結晶ウエハの裏面にスパッタリング又は蒸着により銀の裏面電極５０が積層される。

また、前記シリコン結晶ウエハの表面にプラズマＣＶＤの手法によって水素化アモルファスシリコンのパッシベーション層２２が積層される。

次に、前記パッシベーション層２２が形成された前記シリコン結晶ウエハの表面にスパッタリングにより二硫化モリブデンの導電体層３０が積層される。

さらに、前記導電体層３０の上にスクリーン印刷法により銀の電極４０が積層される。

以上の製造工程により、光電変換素子１０が得られる。

＜実施例１＞
以下に、光電変換素子１０の導電体層のシート抵抗と導電体層の厚さの関係性について説明する。図２は、酸化インジウムスズ(ＩＴＯ)及び二硫化モリブデン(ＭｏＳ_２)の、キャリア密度及び移動度を示す説明図である。左の縦軸はキャリア密度ｎ［ｃｍ^−３］を示し、また、右の縦軸は移動度μ［ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１］を示す。横軸は、材料（酸化インジウムスズ又は二硫化モリブデン）を示す。ここで、破線で示した２ａは酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンのキャリア密度の比較を表し、実線で示した２ｂは酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンの移動度の比較を表している。

酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンのキャリア密度の比較２ａを見ると、酸化インジウムスズのキャリア密度は５×１０^１９ｃｍ^−３であるのに対して、二硫化モリブデンのキャリア密度は４×１０^１７ｃｍ^−３である。従って、二硫化モリブデンのキャリア密度は、酸化インジウムスズのキャリア密度よりも二桁低い。このことは、導電体層３０を二硫化モリブデンで形成した際、導電体層３０の自由電子に光が吸収されて効率が低下する確率が二桁低いことを意味する。

酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンの移動度の比較２ｂを見ると、酸化インジウムスズの移動度は６０ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１であるのに対して、二硫化モリブデンの移動度は３００ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１である。従って、二硫化モリブデンの移動度は、酸化インジウムスズの移動度よりも一桁高い。さらに、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）やジターシャリーブチルジスルフィド（（ｔ−Ｃ_４Ｈ_９）_２Ｓ_２）雰囲気での熱処理によって結晶性を向上することで、二硫化モリブデン導電体層の移動度をさらに高くすることが可能である。

このことは、二硫化モリブデンを導電体層３０に活用することで、酸化インジウムスズを使う従来技術と比較して、キャリアを電極に搬送する効率が１０倍以上に高まることを意味する。導電体層の移動度は、生成されたキャリアの材料中の平均自由行程に比例するため、移動度が１０倍になると、キャリアが生成された位置から拡散によって到達できる距離が１０倍長くなるからである。すなわち、キャリア収集のための電極の間隔も１０倍以上に広げられる。具体的には、従来技術で１．２ｍｍ〜１．３ｍｍの間隔で設けられていた電極の間隔を、１２ｍｍ〜１３ｍｍにすることができる。これは、従来技術におけるフィンガー電極を省略し、バスバー電極のみの構成をとることができると言い換えることもできる。このことは、光電変換素子の受光面側の導電体層の表面積に対する電極の表面積の割合を減らし、電極による太陽光の遮断を減らすことで光の変換効率を高めることができる点で、従来技術よりも優れている。

以下に、光電変換素子１０の導電体層の光の透過率と導電体層の厚さの関係性について、説明する。

導電体層３０の厚さは、厚いほど抵抗率が低く、多くのキャリアが電極に到達することができるが、厚くすることで導電体層３０を透過できない光が増えるため、抵抗率と光の透過率のトレードオフの関係になる。

図３は、光電変換素子の導電体層３０の光の透過率と導電体層３０の厚さの関係性を示す説明図である。縦軸は、透過率を示し、横軸は膜厚を示す。３ａが二硫化モリブデン、３ｂが従来技術における酸化インジウムスズの光の透過率の下値、３ｃが従来技術における酸化インジウムスズの光の透過率の上値をそれぞれ示している。二硫化モリブデンの光の透過率は、０．６５ｎｍでは９７％、１．９５ｎｍでは９１％、３．２５ｎｍでは８５％、４．５５ｎｍでは８２％である。一方で、酸化インジウムスズの光の透過率の下値は、８０％、上値は９０％である。

酸化インジウムスズと同等以上の光の透過率を確保するためには、二硫化モリブデンの厚さは５ｎｍ以下におさえるとよい。

以下に、光電変換素子１０の導電体層３０の膜厚の特性について、説明する。

図４は、シリコン結晶基板の上にスパッタリングにより二硫化モリブデンを形成したサンプルの断面の透過電子顕微鏡像である。この透過電子顕微鏡像の下部に示されているスケールバーは５０ｎｍの長さに相当する。図４からわかるように、二硫化モリブデン層は、１０ｎｍの膜厚を境に成長が横方向から縦方向に変化しており、１０ｎｍ以上の膜厚では横方向に連続性のある膜が得られなくなることがわかる。図４中の白抜両矢印で示された、横方向に連続性を持った二硫化モリブデン層６０の膜厚は約１０ｎｍである。二硫化モリブデン層６０が図２で説明したような高い移動度を示すためには、その導電体層が連続性のある膜で構成されていることが条件となる。このため、二硫化モリブデン層６０の膜厚は１０ｎｍ以下とするのがよい。また、二次元層状物質である二硫化モリブデン層は単位層当たり０．６５ｎｍである。このため、二硫化モリブデン層６０が連続性のある膜で構成されるためには、二硫化モリブデン層６０の膜厚は最低でも０．６５ｎｍ以上が必要である。以上のことから、導電体層３０として所定の特性を得るためには、二硫化モリブデン層の膜厚は０．６５ｎｍ〜１０ｎｍとするのがよい。

なお、図３で説明した光の透過率を考慮すると、酸化インジウムスズを使う従来技術における導電体層の透過率の下値は８０％であるため、同等（８０％）の透過率を得ようとすると、図３より、二硫化モリブデン層６０の膜厚は５ｎｍより薄いほうがよい。また、酸化インジウムスズを使う従来技術における導電体層の透過率の上値は９０％であるため、同等（９０％）の透過率を得ようとすると、図３より、二硫化モリブデン層６０の膜厚は２ｎｍより薄いほうがよい。即ち、二硫化モリブデン層の膜厚は、好ましくは、０．６５ｎｍ〜５ｎｍとするのがよい。さらに好ましくは、０．６５ｎｍ〜２ｎｍとするのがよい。

以下に、本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子１０の電極の配置と、光電変換素子の受光面側の面内における受光面に対する電極の占める割合である電極面積率の関係性について、説明する。

図５Ａは、本発明の第一の実施形態に係る光電変換素子１０をモジュール化した光電変換素子モジュール２００の電極配置例の説明図であり、図５Ｂは従来技術における光電変換素子モジュール３００の電極配置例の説明図である。

図５Ａにおいて、光電変換素子モジュール２００の大きさは、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであり、電極２０１が１３ｍｍ間隔で形成されている。この電極２０１の幅は０．３ｍｍである。この構成によると、電極面積率は２．３％になる。

図５Ｂにおいて、従来技術の光電変換素子モジュール３００の大きさは、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであり、従来技術のバスバー電極３０１が５２ｍｍ間隔で形成され、それと直交する形でフィンガー電極３０２が１．３ｍｍ間隔で形成されている。従来技術のバスバー電極３０１の幅は１．３ｍｍであり、フィンガー電極３０２の幅は０．０１ｍｍである。この構成によると、電極面積率は１０．０％になる。

この図５Ａでは、光電変換素子の電極面積率が、図５Ｂの実施例に比較して１／４以下となっており、電極による太陽光の遮断を減らし、光の変換効率を高めることができる点で、従来技術よりも優れている。

以下に、光電変換素子１０の導電体層３０の導電特性について、説明する。

図６は、シリコンのエネルギーバンド９０及び、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質のエネルギーバンドである。縦軸は、真空準位とのエネルギー差を示し、横軸は材料を示す。いずれの材料のエネルギーにも上部と下部に分かれており、上部が伝導帯、下部が価電子帯であり、中間部が禁制帯（バンドギャップ）である。シリコンのエネルギーバンド９０を見ると、伝導帯下端７０は−４．０５ｅＶであり、価電子帯上端８０は−５．１７ｅＶである。

二硫化モリブデンのエネルギーバンド９１、セレン化モリブデンのエネルギーバンド９２、テルル化モリブデンのエネルギーバンド９３及び二硫化タングステンのエネルギーバンド９４では、その伝導帯下端がそれぞれ−４．２８ｅＶ、−３．９１ｅＶ、−３．８１ｅＶ及び−３．９３ｅＶであり、シリコンの伝導帯下端７０の−４．０５ｅＶと近いエネルギーになっている。このため、シリコンで構成された半導体層２０の伝導帯に励起された電子は、少ないエネルギー損失で、二硫化モリブデン、セレン化モリブデン、テルル化モリブデン又は二硫化タングステンで構成された導電体層３０に輸送される。

また、セレン化モリブデンのエネルギーバンド９２及びセレン化タングステンのエネルギーバンド９５では、その価電子帯上端がそれぞれ−５．２４ｅＶ及び−４．８６ｅＶであり、シリコンの価電子帯上端８０の−５．１７ｅＶと近いエネルギーになっている。このため、シリコンで構成された半導体層２０の価電子帯に励起された正孔は、少ないエネルギー損失で、セレン化モリブデンで構成された導電体層３０に輸送される。

さらに、二硫化ジルコニウムのエネルギーバンド９６、セレン化ジルコニウムのエネルギーバンド９７及び二硫化ハフニウムのエネルギーバンド９８は、その伝導帯下端がそれぞれ−５．３０ｅＶ、−５．１５ｅＶ及び−５．１０ｅＶであり、シリコンの価電子帯上端８０の−５．１７ｅＶと近いエネルギーになっている。このため、シリコンで構成された半導体層２０の価電子帯に励起された正孔は、量子トンネル効果により、少ないエネルギー損失で、セレン化ジルコニウムで構成された導電体層３０に輸送される。

二次元層状物質に含まれる金属とカルコゲンの組成、二次元層状物質の層数、二次元層状物質に加わる歪みや電界により、このエネルギーバンドは調整することができる。このため、導電体層３０は、その伝導帯下端や価電子帯上端を、半導体層２０の材料の伝導帯下端や価電子帯上端とより近くそろえることで、エネルギー損失はさらに低く抑えることができる。

以上より、導電体層３０に金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を用いることで、異なるエネルギーバンドを持った材料間の輸送によるキャリアのエネルギー損失を低く抑えることができ、半導体層２０から導電体層３０に輸送されるキャリアのエネルギーは失われにくい点で、従来技術よりも優れている。

さらに、導電体層３０は、層状物質で構成されるので半導体層２０との界面に未結合手や欠陥が生まれにくい。このため、導電体層３０にカルコゲンを有する二次元層状物質を用いることで、結合手や欠陥における再結合や、材料の直列抵抗損失により失われるキャリアを低く抑えることができ、半導体層２０から導電体層３０に輸送されるキャリアが途中で失われにくい点で、従来技術よりも優れている。

＜第二の実施形態に係る光電変換素子５００の構成＞
以下、本発明の第二の実施形態について、図面を用いて説明する。図７Ａは、本発明の第二の実施形態に係る光電変換素子５００の斜視図であり、図７Ｂは光電変換素子の図７ＡにおけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線部分断面図である。この図では、図７Ａ、図７Ｂでは、上方を光電変換素子の表面とし、下方を裏面とし、主に上方から光が入射するとする。

光電変換素子５００は、半導体層２０、パッシベーション層２２、電子収集導電体層５０１、正孔収集導電体層５０２及び電極４０を備える。

パッシベーション層２２は、水素によって未結合手を終端したアモルファスシリコンで形成される。パッシベーション層２２は、半導体層２０の裏面に形成される。パッシベーション層２２の厚さは、例えば、５ｎｍ〜１０ｎｍである。

電子収集導電体層５０１は、二硫化モリブデンで形成される。正孔収集導電体層５０２は、セレン化モリブデンで形成される。電子収集導電体層５０１と正孔収集導電体層５０２は、パッシベーション層２２の上にキャリアの拡散長程度の間隔で交互に形成される。電子収集導電体層の中心部と正孔収集導電体層中心部との間隔は、例えば、１３ｍｍである。電子収集導電体層５０１と正孔収集導電体層５０２の厚さは、例えば、０．６５ｎｍ〜１０ｎｍである。電子収集導電体層５０１は、半導体層２０で生成されたキャリアのうち、電子を選択的に電極４０に供給する。正孔収集導電体層５０２は、半導体層２０で生成されたキャリアのうち、正孔を選択的に電極４０に供給する。

電極４０は、銀で形成される。電極４０は、電子収集導電体層５０１と正孔収集導電体層５０２の裏面に形成される。電極４０の線幅は、例えば、０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。また、電極４０の厚さは、例えば０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍである。

電子収集導電体層５０１の裏面に形成された電極４０は、半導体層２０に生成したキャリアのうち、電子を収集し、外部に取り出す。

正孔収集導電体層５０２の裏面に形成された電極４０は、半導体層２０に生成したキャリアのうち、正孔を収集し、外部に取り出す。

次に、光電変換素子５００の製造方法について説明する。

次に、前記シリコン結晶ウエハの裏面にプラズマＣＶＤの手法によって水素化アモルファスシリコンのパッシベーション層２２が積層される。

次に、前記パッシベーション層２２が形成された前記シリコン結晶ウエハの裏面に、二硫化モリブデンの電子収集導電体層５０１とセレン化モリブデンの正孔収集導電体層５０２が、それぞれスパッタリングにより積層される。

さらに、前記電子収集導電体層及び前記正孔収集導電体層の上に銀の電極４０が、それぞれスクリーン印刷法により積層される。

以上の製造工程により、第二の実施形態に係る光電変換素子５００が得られる。

この図５の構成では、光電変換素子５００の表面に電極４０は存在せず、電極により太陽光が遮断されることはない。このため、光の変換効率を高めることができる点で、従来技術よりも優れている。

また、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を含む電子収集導電体層５０１や正孔収集導電体層５０２は、図６で説明したように、異なるエネルギーバンドを持った材料間の輸送によるキャリアのエネルギー損失を低く抑えることができ、半導体層２０から電子収集導電体層５０１又は正孔収集導電体層５０２に輸送されるキャリアのエネルギーは失われにくい点で、従来技術よりも優れている。

さらに、電子収集導電体層５０１や正孔収集導電体層５０２は、層状物質で構成されるので、半導体層２０との界面に未結合手や欠陥が生まれにくい。このため、電子収集導電体層５０１や正孔収集導電体層５０２に金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を用いることで、結合手や欠陥における再結合や直列抵抗により失われるキャリアを低く抑えることができ、半導体層２０から電子収集導電体層５０１や正孔収集導電体層５０２に輸送されるキャリアが途中で失われにくい点で、従来技術よりも優れている。

なお、本発明は、上述の実施形態、実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得ることはもちろんである。

例えば、上述した半導体層２０は、単結晶シリコンで形成されているが、太陽光を受光して、キャリアを生成できる半導体材料であれば、これに限定されるものではない。例えば、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素であってもよい。また、上述した単結晶シリコンには、添加物が含まれていても良い。添加物として、ｎ型の不純物、例えばリン（Ｐ）であってもよい。

また、上述したパッシベーション層２２は、アモルファスシリコンで形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、ｎ型の不純物を添加したアモルファスシリコン、ｐ形の不純物を添加したアモルファスシリコン、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）（ｘ＝１〜３／２）、アルミナ（ＡｌＯ_ｘ）（ｘ＝１〜３／２）であってもよい。電子収集導電体層５０１と半導体層２０の間に形成するパッシベーション層２２は、リンなどを添加したｎ型のアモルファスシリコンとし、正孔収集導電体層５０２と半導体２０の間に形成するパッシベーション層２２は、ボロンなどを添加したｐ形アモルファスシリコンとしてもよい。

さらに、上述した光電変換素子１０及び５００は、パッシベーション層２２を備えていたが、半導体層２０で生成されたキャリアが導電体層３０、電子収集導電体層５０１又は正孔収集導電体層５０２へ移動する途中の半導体層と導電体層の界面等に存在する未結合手や欠陥における再結合を抑制することができれば、パッシベーション層２２は省略してもよい。

さらに、上述した導電体層３０、電子収集導電体層５０１及び正孔収集導電体層５０２は、二硫化モリブデンで形成されているが、太陽光を透過し、導電性を有する金属とカルコゲンを有する二次元層状物質であれば、これに限定されるものではない。例えば、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）に代表される、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、レニウム（Ｒｅ）といった遷移金属と、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）のようなカルコゲンを１：２の化学量論的割合で含む遷移金属ダイカルコゲナイドであってもよい。また、ガリウムセレナイド（ＧａＳｅ）、セレン化インジウム（III）（Ｉｎ_２Ｓｅ_３）に代表される、ガリウム（Ｇａ）やインジウム（Ｉｎ）といった１３族金属と、カルコゲンを２：３の化学量論的割合で含む１３族カルコゲナイドであってもよい。さらに、テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）のような、ビスマスと、カルコゲンを２：３の化学量論的割合で含むビスマスカルコゲナイドであってもよい。

好ましくは、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質であり、前記金属の化学量論的割合が０．３〜０．５であり、前記カルコゲンの化学量論的割合が０．５〜０．７であるとよい。

なお、半導体層２０で生成されたキャリアのうち、電子を選択的に電極４０に供給する場合は、導電体層３０として、半導体層２０と伝導帯の下端が近いエネルギーになる材料が選択される。例えば、半導体層２０がシリコンである場合は、導電体層３０として、二硫化モリブデンの他に、セレン化モリブデン（ＭｏＳｅ_２）、二硫化タングステンおよびそれらの化合物であるＭｏＳ_ｘＳｅ_{（２−ｘ）}やＭｏ_ｘＷ_{（１−ｘ）}Ｓ_２などが選択できる。

また、半導体層２０で生成されたキャリアのうち、正孔を選択的に電極４０に供給する場合は、導電体層３０として、半導体層２０と価電子帯の上端が近いエネルギーになる材料が選択できる。例えば、半導体層２０がシリコンである場合は、導電体層３０として、セレン化モリブデン、セレンとタングステンと硫黄の化合物であるＷＳ_ｘＳｅ_{（２−ｘ）}が選択できる。また、導電体層３０として、セレン化ジルコニウム（ＺｒＳｅ_２）やジルコニウムとハフニウムと硫黄の化合物（Ｚｒ_ｘＨｆ_{（１−ｘ）}Ｓ_２）のように、半導体層２０の価電子帯の上端と伝導帯の下端が近い材料も選択できる。

また、上述した導電体層３０、電子収集導電体層５０１及び正孔収集導電体層５０２の厚さの上限は、横方向に連続性を持った層を形成することができれば、１０ｎｍ以上であってもよい。

また、上述した電極４０は銀で形成されているが、導電性を有する金属であれば、これに限定されるものではない。例えば、金、白金、アルミニウムであってもよい。

また、上述した電極４０は、導電体層３０の周辺に形成されていたが、導電体層３０の表面積に対する専有面積の割合が２．５％以下であれば、この形状に限定されるものではない。例えば、格子状、波形状であってもよい。

また、上述した裏面電極５０は、銀で形成されているが、導電性を有する金属であれば、これに限定されるものではない。例えば、金、白金、アルミニウムであってもよい。

１０…第一の実施形態に係る光電変換素子
２０…半導体層
２２…パッシベーション層
３０…導電体層
４０…電極
５０…裏面電極
２ａ…酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンのキャリア密度の比較
２ｂ…酸化インジウムスズ及び二硫化モリブデンの移動度の比較
３ａ…二硫化モリブデンの光の透過率
３ｂ…従来技術における酸化インジウムスズの光の透過率の下値
３ｃ…従来技術における酸化インジウムスズの光の透過率の上値
６０…横方向に連続性を持った二硫化モリブデン層
２００…本発明の実施形態に係る光電変換素子モジュール
２０１…本発明の実施形態に係るバスバー電極
３００…従来技術の光電変換素子モジュール
３０１…従来技術のバスバー電極
３０２…フィンガー電極
７０…シリコンの価電子帯上端
８０…シリコンの価電子帯上端
９０…シリコンのエネルギーバンド
９１…二硫化モリブデンのエネルギーバンド
９２…セレン化モリブデンのエネルギーバンド
９３…テルル化モリブデンのエネルギーバンド
９４…二硫化タングステンのエネルギーバンド
９５…セレン化タングステンのエネルギーバンド
９６…二硫化ジルコニウムのエネルギーバンド
９７…セレン化ジルコニウムのエネルギーバンド
９８…二硫化ハフニウムのエネルギーバンド
５００…第二の実施形態に係る光電変換素子
５０１…電子収集導電体層
５０２…正孔収集導電体層

Claims

半導体層と、前記半導体層に積層された導電体層と、前記導電体層の表面に設けられた電極と、を備え、
前記導電体層は、金属とカルコゲンを有する二次元層状物質を含むことを特徴とする光電変換素子。
請求項１に記載の光電変換素子において、
前記半導体層と前記導電体層との間にパッシベーション層を備えることを特徴とする光電変換素子。
請求項１又は２に記載の光電変換素子において、
前記導電体層の表面積に対する電極の表面積の割合が２．５％以下であることを特徴とする光電変換素子。
請求項１?３のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記導電体層は、厚みが０．６５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする光電変換素子。
請求項１又は２に記載の光電変換素子において、
前記導電体層は、電子を収集する電子収集導電体層と、正孔を収集する正孔収集導電体層から構成されることを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記金属が、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｇａ、Ｉｎ、又はＢｉの少なくとも一つを含むことを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記カルコゲンが、Ｓ、Ｓｅ、又はＴｅの少なくとも一つを含むことを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記導電体層中の前記金属の化学量論的割合が０．３〜０．５であることを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記導電体層中の前記カルコゲンの化学量論的割合が０．５〜０．７であることを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層が、単結晶、多結晶、非晶質のいずれかの結晶性を有することを特徴とする光電変換素子。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層の一部又は全てが、シリコンであることを特徴とする光電変換素子。