JP2922796B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
太陽電池及びその製造方法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物を用いた太陽電
池及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、少なく
とも３種の半導体を積層した構成の太陽電池及びその製
造方法に関するものである。
池及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、少なく
とも３種の半導体を積層した構成の太陽電池及びその製
造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近い将来、エネルギー供給が次第に困難
になることが予想され、太陽電池の高効率化、低コスト
化が大きな課題になってきた。なかでも、大面積化が容
易な薄膜系太陽電池は大幅な低コスト化が可能なのでそ
のエネルギー変換効率の向上が強く望まれている。この
薄膜系太陽電池には化合物半導体（II-VI 族やI-III-VI
2 族）薄膜を用いたものが広く開発されつつある。化合
物半導体薄膜を用いた太陽電池の構成は、例えばバンド
ギャップが広くて光を透過する窓層としてのｎ型ＣｄＳ
系半導体層とバンドギャップが狭くて光吸収層として機
能するＣｄＴｅ系またはＣｕＩｎＳｅ2 系などのｐ型の
半導体層を積層したヘテロ接合が用いられる。もちろ
ん、窓層がｐ型半導体、光吸収層がｎ型半導体の組合せ
でも良い。構成としては、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を設けたガラス基板上にｎ型Ｃ
ｄＳ層を形成し、次いでｐ型ＣｄＴｅ層を蒸着法で積層
形成し、最後に金属電極を設けて太陽電池とする。また
は、Ｍｏ薄層を設けたガラス基板上にｐ型ＣｕＩｎＳｅ
2 層を蒸着法で形成し、次いで化学析出法によってｎ型
ＣｄＳ層を、最後にＺｎＯまたはＺｎＯ／ＩＴＯ透明電
極層を設けて太陽電池とする。これらの太陽電池で１５
％以上もの変換効率が得られるようになってきた。
になることが予想され、太陽電池の高効率化、低コスト
化が大きな課題になってきた。なかでも、大面積化が容
易な薄膜系太陽電池は大幅な低コスト化が可能なのでそ
のエネルギー変換効率の向上が強く望まれている。この
薄膜系太陽電池には化合物半導体（II-VI 族やI-III-VI
2 族）薄膜を用いたものが広く開発されつつある。化合
物半導体薄膜を用いた太陽電池の構成は、例えばバンド
ギャップが広くて光を透過する窓層としてのｎ型ＣｄＳ
系半導体層とバンドギャップが狭くて光吸収層として機
能するＣｄＴｅ系またはＣｕＩｎＳｅ2 系などのｐ型の
半導体層を積層したヘテロ接合が用いられる。もちろ
ん、窓層がｐ型半導体、光吸収層がｎ型半導体の組合せ
でも良い。構成としては、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を設けたガラス基板上にｎ型Ｃ
ｄＳ層を形成し、次いでｐ型ＣｄＴｅ層を蒸着法で積層
形成し、最後に金属電極を設けて太陽電池とする。また
は、Ｍｏ薄層を設けたガラス基板上にｐ型ＣｕＩｎＳｅ
2 層を蒸着法で形成し、次いで化学析出法によってｎ型
ＣｄＳ層を、最後にＺｎＯまたはＺｎＯ／ＩＴＯ透明電
極層を設けて太陽電池とする。これらの太陽電池で１５
％以上もの変換効率が得られるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この様に変換効率が著
しく向上してきたのは半導体薄膜形成の技術面の進歩に
よるところが大きい。ところで太陽電池の変換効率η
は、η＝Ｖoc（開放電圧）×Ｊsc（閉路電流）×ＦＦ
（曲線因子）の関係で表される。この中でＪscはほとん
ど理論的限界に近い値が得られるようになってきたが、
Ｖocおよびそれを反映するＦＦは、予想される値よりず
っと小さい。このＶocを大きくすることが変換効率向上
のための最大の鍵である。Ｖocが生じるのは、光発生し
たキャリアである電子と正孔がｐｎ接合層の内部電界に
従って分離し外部電圧として発生するが、外部電圧が発
生するとこれが内部電界を打ち消しこれを小さくするの
で、光発生した電子と正孔が分離し難くなりお互いに再
結合して死んでしまい、Ｖocに寄与しなくなる。実際の
太陽電池でこのＶocが大きくなり難いのは半導体の膜中
や特にｐｎ接合界面に再結合を促進する再結合中心が多
数できてしまい、この再結合中心を減らすことが困難で
あることによる。結局これらの再結合中心があると光発
生した電子・正孔の再結合をうながし、それらの寿命を
短くし、その結果Ｖ oc、ＦＦがいま一つ大きくならず変
換効率の向上を妨げている。
しく向上してきたのは半導体薄膜形成の技術面の進歩に
よるところが大きい。ところで太陽電池の変換効率η
は、η＝Ｖoc（開放電圧）×Ｊsc（閉路電流）×ＦＦ
（曲線因子）の関係で表される。この中でＪscはほとん
ど理論的限界に近い値が得られるようになってきたが、
Ｖocおよびそれを反映するＦＦは、予想される値よりず
っと小さい。このＶocを大きくすることが変換効率向上
のための最大の鍵である。Ｖocが生じるのは、光発生し
たキャリアである電子と正孔がｐｎ接合層の内部電界に
従って分離し外部電圧として発生するが、外部電圧が発
生するとこれが内部電界を打ち消しこれを小さくするの
で、光発生した電子と正孔が分離し難くなりお互いに再
結合して死んでしまい、Ｖocに寄与しなくなる。実際の
太陽電池でこのＶocが大きくなり難いのは半導体の膜中
や特にｐｎ接合界面に再結合を促進する再結合中心が多
数できてしまい、この再結合中心を減らすことが困難で
あることによる。結局これらの再結合中心があると光発
生した電子・正孔の再結合をうながし、それらの寿命を
短くし、その結果Ｖ oc、ＦＦがいま一つ大きくならず変
換効率の向上を妨げている。
【０００４】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、キャリアーの再結合の盛んな半導体接合部で一方の
キャリアーを極端に少なくすることにより、発生した電
子と正孔の再結合を大幅に抑制し開放電圧を増大させ変
換効率の高い太陽電池及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
め、キャリアーの再結合の盛んな半導体接合部で一方の
キャリアーを極端に少なくすることにより、発生した電
子と正孔の再結合を大幅に抑制し開放電圧を増大させ変
換効率の高い太陽電池及びその製造方法を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１番目の太陽電池は、電極層を設けた基
板または電極性を備えた金属基板上に、ｐ型の半導体１
の光吸収層と、半導体２の中間層と、ｎ型の半導体３の
窓層と、透明導電層とを順次積層した太陽電池であっ
て、前記ｐ型の半導体１の光吸収層の電子親和力を
χ1 、仕事関数をΦ1 、バンドギャップエネルギーをＥ
g1とし、前記半導体２の中間層の電子親和力をχ2 、仕
事関数をΦ2 、かつバンドギャップエネルギーをＥg2と
し、前記ｎ型の半導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕
事関数をΦ3 、バンドギャップエネルギーをＥg3とした
とき、χ1 とχ2 とχ3 とはほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞
Φ3 かつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3なる関係を満たすことを特徴
とする。
め、本発明の第１番目の太陽電池は、電極層を設けた基
板または電極性を備えた金属基板上に、ｐ型の半導体１
の光吸収層と、半導体２の中間層と、ｎ型の半導体３の
窓層と、透明導電層とを順次積層した太陽電池であっ
て、前記ｐ型の半導体１の光吸収層の電子親和力を
χ1 、仕事関数をΦ1 、バンドギャップエネルギーをＥ
g1とし、前記半導体２の中間層の電子親和力をχ2 、仕
事関数をΦ2 、かつバンドギャップエネルギーをＥg2と
し、前記ｎ型の半導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕
事関数をΦ3 、バンドギャップエネルギーをＥg3とした
とき、χ1 とχ2 とχ3 とはほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞
Φ3 かつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3なる関係を満たすことを特徴
とする。
【０００６】次に本発明の第２番目の太陽電池は、透光
性基板上に、透明導電層と、ｎ型の半導体３の窓層と、
半導体２の中間層と、ｐ型の半導体１の光吸収層と、電
極層とを順次積層した太陽電池であって、前記ｎ型の半
導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕事関数をΦ3 、バ
ンドギャップエネルギーをＥg3とし、前記半導体２の中
間層の電子親和力をχ2 、仕事関数をΦ2 、バンドギャ
ップエネルギーをＥg2とし、前記ｐ型の半導体１の光吸
収層の電子親和力をχ1 、仕事関数をΦ1 、バンドギャ
ップエネルギーをＥg1としたとき、χ1 とχ2 とχ3 と
はほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 かつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3
なる関係を満たすことを特徴とする。
性基板上に、透明導電層と、ｎ型の半導体３の窓層と、
半導体２の中間層と、ｐ型の半導体１の光吸収層と、電
極層とを順次積層した太陽電池であって、前記ｎ型の半
導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕事関数をΦ3 、バ
ンドギャップエネルギーをＥg3とし、前記半導体２の中
間層の電子親和力をχ2 、仕事関数をΦ2 、バンドギャ
ップエネルギーをＥg2とし、前記ｐ型の半導体１の光吸
収層の電子親和力をχ1 、仕事関数をΦ1 、バンドギャ
ップエネルギーをＥg1としたとき、χ1 とχ2 とχ3 と
はほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 かつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3
なる関係を満たすことを特徴とする。
【０００７】前記第１〜２番目の太陽電池の構成におい
ては、ｐ型の半導体１が、ＣｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳ
ｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 及びＣｄＴｅから選ばれる少なくと
も一つの化合物であることが好ましい。
ては、ｐ型の半導体１が、ＣｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳ
ｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 及びＣｄＴｅから選ばれる少なくと
も一つの化合物であることが好ましい。
【０００８】また前記構成においては、ｐ型の半導体１
が、固溶体のＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩ
ｎＳ2 −ＣｕＧａＳ2 、ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＩｎＳ2
及びＣｕＧａＳｅ2 −ＣｕＧａＳ2 から選ばれる少なく
とも一つの化合物であることが好ましい。
が、固溶体のＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩ
ｎＳ2 −ＣｕＧａＳ2 、ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＩｎＳ2
及びＣｕＧａＳｅ2 −ＣｕＧａＳ2 から選ばれる少なく
とも一つの化合物であることが好ましい。
【０００９】また前記構成においては、半導体２が、Ｃ
ｄＳｅ及び固溶体ＣｄＴｅ−ＭｇＴｅから選ばれる少な
くとも一つの化合物であることが好ましい。また前記構
成においては、ｎ型の半導体３が、ＣｄＳ、ＺｎＳｅま
たはＺｎＯから選ばれる少なくとも一つの化合物である
ことが好ましい。
ｄＳｅ及び固溶体ＣｄＴｅ−ＭｇＴｅから選ばれる少な
くとも一つの化合物であることが好ましい。また前記構
成においては、ｎ型の半導体３が、ＣｄＳ、ＺｎＳｅま
たはＺｎＯから選ばれる少なくとも一つの化合物である
ことが好ましい。
【００１０】また前記構成においては、ｎ型の半導体３
が、固溶体ＣｄＳ−ＺｎＳ、ＣｄＳ−ＭｎＳ、ＣｄＳｅ
−ＭｎＳｅ、ＺｎＳｅ−ＭｎＳｅ及びＣｄＴｅ−ＭｇＴ
ｅから選ばれる少なくとも一つの化合物であることが好
ましい。
が、固溶体ＣｄＳ−ＺｎＳ、ＣｄＳ−ＭｎＳ、ＣｄＳｅ
−ＭｎＳｅ、ＺｎＳｅ−ＭｎＳｅ及びＣｄＴｅ−ＭｇＴ
ｅから選ばれる少なくとも一つの化合物であることが好
ましい。
【００１１】次に本発明の第１番目の製造方法は、電極
層を設けた基板または電極性を備えた金属基板上に、電
子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層を形
成し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でか
つバンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2〜
χ1 、Φ2 ＜Φ1 でかつＥg2＞Ｅg1である半導体２の中
間層を形成し、その上に電子親和力がχ3 で仕事関数が
Φ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3であり、し
かもχ3 〜χ2 、Φ3 ＜Φ2 でかつＥg3＞Ｅg2であるｎ
型の半導体３の窓層を形成し、さらにその上に透明導電
層を形成することを特徴とする。
層を設けた基板または電極性を備えた金属基板上に、電
子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層を形
成し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でか
つバンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2〜
χ1 、Φ2 ＜Φ1 でかつＥg2＞Ｅg1である半導体２の中
間層を形成し、その上に電子親和力がχ3 で仕事関数が
Φ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3であり、し
かもχ3 〜χ2 、Φ3 ＜Φ2 でかつＥg3＞Ｅg2であるｎ
型の半導体３の窓層を形成し、さらにその上に透明導電
層を形成することを特徴とする。
【００１２】次に本発明の第２番目の製造方法は、透明
導電層を設けた透光性基板上に、電子親和力がχ3 で仕
事関数がΦ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3で
あるｎ型の半導体３の窓層を形成し、その上に電子親和
力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバンドギャップエネル
ギーがＥg2であり、しかもχ2 〜χ3 、Φ2 ＞Φ3 でか
つＥg2＜Ｅg3である半導体２の中間層を形成し、その上
に電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャ
ップエネルギーがＥg1であり、しかもχ1 〜χ 2 、Φ1
＞Φ2 でかつＥg1＜Ｅg2であるｐ型の半導体１の光吸収
層を形成し、さらにその上に電極層を形成することを特
徴とする。
導電層を設けた透光性基板上に、電子親和力がχ3 で仕
事関数がΦ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3で
あるｎ型の半導体３の窓層を形成し、その上に電子親和
力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバンドギャップエネル
ギーがＥg2であり、しかもχ2 〜χ3 、Φ2 ＞Φ3 でか
つＥg2＜Ｅg3である半導体２の中間層を形成し、その上
に電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャ
ップエネルギーがＥg1であり、しかもχ1 〜χ 2 、Φ1
＞Φ2 でかつＥg1＜Ｅg2であるｐ型の半導体１の光吸収
層を形成し、さらにその上に電極層を形成することを特
徴とする。
【００１３】本発明の太陽電池の構成は図１に示す様
に、電極層を設けた基板または電極性を備えた金属基板
上に、電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸
収層、電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥg2である半導体２の中間層、そ
の上に電子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥ g3であるｎ型の半導体３の窓
層、透明導電層を順次積層した構成で成り、しかもχ1
〜χ2 〜χ3 、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 でかつＥg1＜Ｅg2＜Ｅ
g3であるか、または図２に示す様に、透光性基板上に、
透明導電層、電子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg3であるｎ型の半導体３
の窓層、電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバン
ドギャップエネルギーがＥg2である半導体２の中間層、
電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャッ
プエネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層、
電極層を順次積層した構成で成り、しかもχ1 〜χ2 〜
χ3 、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 でかつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3であ
る。
に、電極層を設けた基板または電極性を備えた金属基板
上に、電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸
収層、電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥg2である半導体２の中間層、そ
の上に電子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンド
ギャップエネルギーがＥ g3であるｎ型の半導体３の窓
層、透明導電層を順次積層した構成で成り、しかもχ1
〜χ2 〜χ3 、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 でかつＥg1＜Ｅg2＜Ｅ
g3であるか、または図２に示す様に、透光性基板上に、
透明導電層、電子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg3であるｎ型の半導体３
の窓層、電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつバン
ドギャップエネルギーがＥg2である半導体２の中間層、
電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャッ
プエネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層、
電極層を順次積層した構成で成り、しかもχ1 〜χ2 〜
χ3 、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 でかつＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3であ
る。
【００１４】図３にこれら太陽電池のエネルギーバンド
構造を示す。図中χ1 、χ2 、χ3はそれぞれほぼ同じ
エネルギー値でありそれらの間の差異（（χ3 −χ2 ）
および（χ2 −χ1 ）はそれぞれキャリアのもつ運動エ
ネルギーの値（約０．０２５ｅＶ）程度の方が好まし
い。（Φ3 −Φ1 ）は拡散電位を与える。（Ｅg2−
Ｅg1）は少なくともキャリアのもつ運動エネルギーの値
（前記）の２倍程度以上、できれば０.１ｅＶ以上あっ
た方が好ましい。
構造を示す。図中χ1 、χ2 、χ3はそれぞれほぼ同じ
エネルギー値でありそれらの間の差異（（χ3 −χ2 ）
および（χ2 −χ1 ）はそれぞれキャリアのもつ運動エ
ネルギーの値（約０．０２５ｅＶ）程度の方が好まし
い。（Φ3 −Φ1 ）は拡散電位を与える。（Ｅg2−
Ｅg1）は少なくともキャリアのもつ運動エネルギーの値
（前記）の２倍程度以上、できれば０.１ｅＶ以上あっ
た方が好ましい。
【００１５】これら太陽電池の製造方法としては、電極
層を設けた基板または電極性を備えた金属基板上に、電
子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層を形
成し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でか
つバンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2〜
χ1 、Φ2 ＜Φ1 でかつＥg2＞Ｅg1である半導体２の中
間層を形成し、その上に電子親和力がχ3 で仕事関数が
Φ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3であり、し
かもχ3 〜χ2 、Φ3 ＜Φ2 でかつＥg3＞Ｅg2であるｎ
型の半導体３の窓層、さらにその上に透明導電層を形成
するか、または透明導電層を設けた透光性基板上に、電
子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg3であるｎ型の半導体３の窓層を形成
し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2 〜χ
3 、Φ2 ＞Φ3 でかつＥg2＜Ｅg3である半導体２の中間
層、その上に電子親和力がχ 1 で仕事関数がΦ1 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg1でありしかもχ1 〜χ
2 、Φ1 ＞Φ2 でかつＥg1＜Ｅg2であるｐ型の半導体１
の光吸収層を、さらにその上に電極層を形成する２種類
がある。
層を設けた基板または電極性を備えた金属基板上に、電
子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg1であるｐ型の半導体１の光吸収層を形
成し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でか
つバンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2〜
χ1 、Φ2 ＜Φ1 でかつＥg2＞Ｅg1である半導体２の中
間層を形成し、その上に電子親和力がχ3 で仕事関数が
Φ3 でかつバンドギャップエネルギーがＥg3であり、し
かもχ3 〜χ2 、Φ3 ＜Φ2 でかつＥg3＞Ｅg2であるｎ
型の半導体３の窓層、さらにその上に透明導電層を形成
するか、または透明導電層を設けた透光性基板上に、電
子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg3であるｎ型の半導体３の窓層を形成
し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg2でありしかもχ2 〜χ
3 、Φ2 ＞Φ3 でかつＥg2＜Ｅg3である半導体２の中間
層、その上に電子親和力がχ 1 で仕事関数がΦ1 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg1でありしかもχ1 〜χ
2 、Φ1 ＞Φ2 でかつＥg1＜Ｅg2であるｐ型の半導体１
の光吸収層を、さらにその上に電極層を形成する２種類
がある。
【００１６】ｐ型の半導体１としては単体の化合物Ｃｕ
ＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 またはＣｄ
Ｔｅや固溶体ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩ
ｎＳ 2 −ＣｕＧａＳ2 、ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＩｎＳ2
またはＣｕＧａＳｅ2 −ＣｕＧａＳ2 などが光吸収能の
点で好ましい。半導体２としては化合物ＣｄＳｅまたは
固溶体ＣｄＴｅ−ＭgＴｅが好ましい。ｎ型の半導体３
としては化合物ＣｄＳ、ＺｎＳｅまたはＺｎＯや固溶体
ＣｄＳ−ＺｎＳ、ＣｄＳ−ＭｎＳ、ＣｄＳｅ−ＭｎＳ
ｅ、ＺｎＳｅ−ＭｎＳｅまたはＣｄＴｅ−ＭｇＴｅが光
透過性の点で好ましい。半導体１、２または３に関して
は電子親和力、仕事関数およびバンドギャップエネルギ
ーが必要な条件を満たせば上に述べた化合物に限る訳で
はない。
ＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 またはＣｄ
Ｔｅや固溶体ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩ
ｎＳ 2 −ＣｕＧａＳ2 、ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＩｎＳ2
またはＣｕＧａＳｅ2 −ＣｕＧａＳ2 などが光吸収能の
点で好ましい。半導体２としては化合物ＣｄＳｅまたは
固溶体ＣｄＴｅ−ＭgＴｅが好ましい。ｎ型の半導体３
としては化合物ＣｄＳ、ＺｎＳｅまたはＺｎＯや固溶体
ＣｄＳ−ＺｎＳ、ＣｄＳ−ＭｎＳ、ＣｄＳｅ−ＭｎＳ
ｅ、ＺｎＳｅ−ＭｎＳｅまたはＣｄＴｅ−ＭｇＴｅが光
透過性の点で好ましい。半導体１、２または３に関して
は電子親和力、仕事関数およびバンドギャップエネルギ
ーが必要な条件を満たせば上に述べた化合物に限る訳で
はない。
【００１７】
【作用】本発明の太陽電池の構成によれば図３に示すよ
うなエネルギーバンド構造の３層で成る半導体ヘテロ接
合が形成されている。これを図４に示すようなエネルギ
ーバンド構造の通常の２層で成る半導体ヘテロ接合の場
合とその機能を比較する。図４に示すように従来の２層
ヘテロ接合では（Ｄ）で示す二種の半導体を接合させ、
（Ｅ）のようなｐｎ接合ができている。これに光を照射
すると光吸収層で発生した電子と正孔が内部電界に従っ
て分離し（Ｆ）で示すような光発生キャリアの分離を生
じる。ヘテロ界面には再結合中心Ｒが存在し、これを介
して電子と正孔が再結合し定常状態となる。この界面で
の再結合時、再結合の度合はこの部分での少ない方のキ
ャリアとその寿命τで決まる。通常の２層ヘテロ接合で
は電子と正孔の濃度ｎとｐはほぼ同じとなるので電子の
方で考えると再結合の度合はｎ/τで表せる。
うなエネルギーバンド構造の３層で成る半導体ヘテロ接
合が形成されている。これを図４に示すようなエネルギ
ーバンド構造の通常の２層で成る半導体ヘテロ接合の場
合とその機能を比較する。図４に示すように従来の２層
ヘテロ接合では（Ｄ）で示す二種の半導体を接合させ、
（Ｅ）のようなｐｎ接合ができている。これに光を照射
すると光吸収層で発生した電子と正孔が内部電界に従っ
て分離し（Ｆ）で示すような光発生キャリアの分離を生
じる。ヘテロ界面には再結合中心Ｒが存在し、これを介
して電子と正孔が再結合し定常状態となる。この界面で
の再結合時、再結合の度合はこの部分での少ない方のキ
ャリアとその寿命τで決まる。通常の２層ヘテロ接合で
は電子と正孔の濃度ｎとｐはほぼ同じとなるので電子の
方で考えると再結合の度合はｎ/τで表せる。
【００１８】一方、図３で示すように本発明の３層ヘテ
ロ接合では（Ａ）で示す三種の半導体を接合させ、
（Ｂ）のような一種のｐｉｎ接合ができている。これに
光を照射すると光吸収層で発生した電子と正孔が内部電
界に従って分離し（この場合は主として電子のみ移動）
（Ｃ）で示すような光発生キャリアの分離を生じる。こ
の場合、再結合の起こる界面は右方に移動しており、図
４の場合と違った再結合を示す。すなわち、光発生した
電子と正孔の分布が（Ｃ）の上方で示すように界面で正
孔の濃度は高いのに電子の濃度は図４の場合よりずっと
小さい。従って再結合の度合ｎ／τは小さくなる。電子
の寿命τは正孔濃度ｐの影響を多少は受けるが反比例す
る程ではない。再結合が減るので光発生した電子と正孔
の分離がより有効に起こり開放電圧Ｖocの増大をもたら
す。その結果ＦＦもまた増大し変換効率の大幅な向上が
可能となる。
ロ接合では（Ａ）で示す三種の半導体を接合させ、
（Ｂ）のような一種のｐｉｎ接合ができている。これに
光を照射すると光吸収層で発生した電子と正孔が内部電
界に従って分離し（この場合は主として電子のみ移動）
（Ｃ）で示すような光発生キャリアの分離を生じる。こ
の場合、再結合の起こる界面は右方に移動しており、図
４の場合と違った再結合を示す。すなわち、光発生した
電子と正孔の分布が（Ｃ）の上方で示すように界面で正
孔の濃度は高いのに電子の濃度は図４の場合よりずっと
小さい。従って再結合の度合ｎ／τは小さくなる。電子
の寿命τは正孔濃度ｐの影響を多少は受けるが反比例す
る程ではない。再結合が減るので光発生した電子と正孔
の分離がより有効に起こり開放電圧Ｖocの増大をもたら
す。その結果ＦＦもまた増大し変換効率の大幅な向上が
可能となる。
【００１９】中間層２の厚さは０．０１〜１μｍ程度で
あることが好ましい。これはこの中間層が薄すぎると図
３で示した再結合中心Ｒのある界面での光発生キャリア
（この場合電子）濃度の減少が充分でなく、逆に厚すぎ
るとｐ型の半導体１の光吸収層の内部にできる電界のか
かる部分（図３のバンドの図中で価電子帯の上にーの記
号で示している）の厚さが減少してＪscの減少を伴うよ
うになるからである。
あることが好ましい。これはこの中間層が薄すぎると図
３で示した再結合中心Ｒのある界面での光発生キャリア
（この場合電子）濃度の減少が充分でなく、逆に厚すぎ
るとｐ型の半導体１の光吸収層の内部にできる電界のか
かる部分（図３のバンドの図中で価電子帯の上にーの記
号で示している）の厚さが減少してＪscの減少を伴うよ
うになるからである。
【００２０】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。 （１）Ｐｔ電極層を設けたガラス基板上に、５μｍ厚の
ＣｄＴｅを主体とするｐ型半導体の光吸収層を蒸着形成
し、その上にＣｄＴｅとＭｇの同時蒸着によりＣｄＴｅ
とＭｇＴｅのモル比が８：２で、全体の厚さ０．５μｍ
のＣｄＴｅ−ＭｇＴｅ固溶体膜Ｃｄ0.8Ｍｇ0.2Ｔｅを形
成した。さらにその上にＣｄＳを主体とするｎ型半導体
の窓層を化学析出法により、厚さ０．０５μｍに形成
し、その上に透明電極層ＺｎＯ／ＩＴＯを形成した。比
較のため、中間のＣｄ0.8Ｍｇ0.2Ｔｅ層を設けないで、
他は上記と同様にした太陽電池の特性についても調べ
た。（２）透明導電層ＩＴＯ／ＺｎＯを設けたガラス基
板上に、ＣｄＳを主体とするｎ型半導体の窓層を、化学
析出法により厚さ０．１μｍに形成し、この上に厚さ
０．５μｍのＣｄＳｅ膜を蒸着法で形成した。さらにそ
の上に５μｍ厚のＣｄＴｅを主体とするｐ型半導体の光
吸収層を蒸着形成し、その上にＡｕ電極を形成した。比
較のため、中間のＣｄＳｅ層を設けない他は上記と同様
にした太陽電池の特性についても調べた。これら太陽電
池のＡＭ１（１００ ｍＷ／ｃｍ2 ）の照射光に対する
特性を、表１（上記（１）の太陽電池）および表２（上
記（２）の太陽電池）に示す。なおＶOC（Ｖ）は開放電
圧、ＪSC（ｍＡ／ｃｍ2 ）は閉路電流、η（％）は変換
効率、F.F.は曲線因子、Ａはダイオード因子を表す。
説明する。 （１）Ｐｔ電極層を設けたガラス基板上に、５μｍ厚の
ＣｄＴｅを主体とするｐ型半導体の光吸収層を蒸着形成
し、その上にＣｄＴｅとＭｇの同時蒸着によりＣｄＴｅ
とＭｇＴｅのモル比が８：２で、全体の厚さ０．５μｍ
のＣｄＴｅ−ＭｇＴｅ固溶体膜Ｃｄ0.8Ｍｇ0.2Ｔｅを形
成した。さらにその上にＣｄＳを主体とするｎ型半導体
の窓層を化学析出法により、厚さ０．０５μｍに形成
し、その上に透明電極層ＺｎＯ／ＩＴＯを形成した。比
較のため、中間のＣｄ0.8Ｍｇ0.2Ｔｅ層を設けないで、
他は上記と同様にした太陽電池の特性についても調べ
た。（２）透明導電層ＩＴＯ／ＺｎＯを設けたガラス基
板上に、ＣｄＳを主体とするｎ型半導体の窓層を、化学
析出法により厚さ０．１μｍに形成し、この上に厚さ
０．５μｍのＣｄＳｅ膜を蒸着法で形成した。さらにそ
の上に５μｍ厚のＣｄＴｅを主体とするｐ型半導体の光
吸収層を蒸着形成し、その上にＡｕ電極を形成した。比
較のため、中間のＣｄＳｅ層を設けない他は上記と同様
にした太陽電池の特性についても調べた。これら太陽電
池のＡＭ１（１００ ｍＷ／ｃｍ2 ）の照射光に対する
特性を、表１（上記（１）の太陽電池）および表２（上
記（２）の太陽電池）に示す。なおＶOC（Ｖ）は開放電
圧、ＪSC（ｍＡ／ｃｍ2 ）は閉路電流、η（％）は変換
効率、F.F.は曲線因子、Ａはダイオード因子を表す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】表１および表２に見られる様に本実施例の
太陽電池の特性は、従来の構成で得られた太陽電池の特
性よりはるかに優れている。本実施例の太陽電池におけ
る開放電圧（Ｖoc）の著しい向上は、ｐｎ両層の間に中
間層が存在し光発生した電子と正孔の再結合を抑制する
ためである。Ｖocの増大は曲線因子ＦＦも増大させ、変
換効率の大幅な向上をもたらす。ダイオード因子Ａの減
少は接合部分（特に界面）での再結合が減少しているこ
とを示す。
太陽電池の特性は、従来の構成で得られた太陽電池の特
性よりはるかに優れている。本実施例の太陽電池におけ
る開放電圧（Ｖoc）の著しい向上は、ｐｎ両層の間に中
間層が存在し光発生した電子と正孔の再結合を抑制する
ためである。Ｖocの増大は曲線因子ＦＦも増大させ、変
換効率の大幅な向上をもたらす。ダイオード因子Ａの減
少は接合部分（特に界面）での再結合が減少しているこ
とを示す。
【００２４】
【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、半導
体１の光吸収層/半導体２の中間層/半導体３の窓層の少
なくとも三層構成とすることにより、キャリアーの再結
合の盛んな半導体接合部で一方のキャリアーを極端に少
なくし、発生した電子と正孔の再結合を大幅に抑制し開
放電圧を増大させ太陽電池の変換効率の向上をはかる。
体１の光吸収層/半導体２の中間層/半導体３の窓層の少
なくとも三層構成とすることにより、キャリアーの再結
合の盛んな半導体接合部で一方のキャリアーを極端に少
なくし、発生した電子と正孔の再結合を大幅に抑制し開
放電圧を増大させ太陽電池の変換効率の向上をはかる。
【００２５】また本発明の製造方法によれば、変換効率
の高い優れた太陽電池を効率よく合理的に製造すること
が可能となる。さらにこの太陽電池は薄膜形成であるか
ら大幅なコストダウンもはかれる。
の高い優れた太陽電池を効率よく合理的に製造すること
が可能となる。さらにこの太陽電池は薄膜形成であるか
ら大幅なコストダウンもはかれる。
【図１】本発明の一実施例の太陽電池の構成断面図
【図２】本発明の一実施例の太陽電池の構成断面図
【図３】本発明の一実施例の太陽電池のエネルギーバン
ド構成図
ド構成図
【図４】従来の太陽電池のエネルギーバンド構成図
１ 電極層を設けた基板または電極性を備えた金属基板 ２ 半導体１の光吸収層 ３ 半導体２の中間層 ４ 半導体３の窓層 ５ 透明導電層 ６ 透光性基板 ７ 透明導電層 ８ 半導体３の窓層 ９ 半導体２の中間層 １０ 半導体１の光吸収層 １１ 電極層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−21427（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−199882（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−245963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−136276（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04
Claims (9)
- 【請求項１】 電極層を設けた基板または電極性を備え
た金属基板上に、ｐ型の半導体１の光吸収層と、半導体
２の中間層と、ｎ型の半導体３の窓層と、透明導電層と
を順次積層した太陽電池であって、 前記ｐ型の半導体１の光吸収層の電子親和力をχ1 、仕
事関数をΦ1 、バンドギャップエネルギーをＥg1とし、
前記半導体２の中間層の電子親和力をχ2 、仕事関数を
Φ2 、かつバンドギャップエネルギーをＥg2とし、前記
ｎ型の半導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕事関数を
Φ3 、バンドギャップエネルギーをＥg3としたとき、 χ1 とχ2 とχ3 とはほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 か
つＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3なる関係を満たすことを特徴とする
太陽電池。 - 【請求項２】 透光性基板上に、透明導電層と、ｎ型の
半導体３の窓層と、半導体２の中間層と、ｐ型の半導体
１の光吸収層と、電極層とを順次積層した太陽電池であ
って、 前記ｎ型の半導体３の窓層の電子親和力をχ3 、仕事関
数をΦ3 、バンドギャップエネルギーをＥg3とし、前記
半導体２の中間層の電子親和力をχ2 、仕事関数を
Φ2 、バンドギャップエネルギーをＥg2とし、前記ｐ型
の半導体１の光吸収層の電子親和力をχ1 、仕事関数を
Φ1 、バンドギャップエネルギーをＥg1としたとき、 χ1 とχ2 とχ3 とはほぼ等しく、Φ1 ＞Φ2 ＞Φ3 か
つＥg1＜Ｅg2＜Ｅg3なる関係を満たすことを特徴とする
太陽電池。 - 【請求項３】 ｐ型の半導体１が、ＣｕＩｎＳｅ2 、Ｃ
ｕＧａＳｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 及びＣｄＴｅから選ばれる
少なくとも一つの化合物である請求項１または２に記載
の太陽電池。 - 【請求項４】 ｐ型の半導体１が、固溶体のＣｕＩｎＳ
ｅ2 −ＣｕＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＳ2 −ＣｕＧａＳ2 、
ＣｕＩｎＳｅ2 −ＣｕＩｎＳ2 及びＣｕＧａＳｅ2 −Ｃ
ｕＧａＳ2 から選ばれる少なくとも一つの化合物である
請求項１または２に記載の太陽電池。 - 【請求項５】 半導体２が、ＣｄＳｅ及び固溶体ＣｄＴ
ｅ−ＭｇＴｅから選ばれる少なくとも一つの化合物であ
る請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項６】 ｎ型の半導体３が、ＣｄＳ、ＺｎＳｅま
たはＺｎＯから選ばれる少なくとも一つの化合物である
請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項７】 ｎ型の半導体３が、固溶体ＣｄＳ−Ｚｎ
Ｓ、ＣｄＳ−ＭｎＳ、ＣｄＳｅ−ＭｎＳｅ、ＺｎＳｅ−
ＭｎＳｅ及びＣｄＴｅ−ＭgＴｅから選ばれる少なくと
も一つの化合物である請求項１〜５のいずれかに記載の
太陽電池。 - 【請求項８】 電極層を設けた基板または電極性を備え
た金属基板上に、電子親和力がχ1 で仕事関数がΦ1 で
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｐ型の半導
体１の光吸収層を形成し、その上に電子親和力がχ2 で
仕事関数がΦ2でかつバンドギャップエネルギーがＥg2
でありしかもχ2 〜χ1 、Φ2 ＜Φ1 でかつＥg2＞Ｅg1
である半導体２の中間層を形成し、その上に電子親和力
がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンドギャップエネルギ
ーがＥg3であり、しかもχ3 〜χ 2 、Φ3 ＜Φ2 でかつ
Ｅg3＞Ｅg2であるｎ型の半導体３の窓層を形成し、さら
にその上に透明導電層を形成することを特徴とする太陽
電池の製造方法。 - 【請求項９】 透明導電層を設けた透光性基板上に、電
子親和力がχ3 で仕事関数がΦ3 でかつバンドギャップ
エネルギーがＥg3であるｎ型の半導体３の窓層を形成
し、その上に電子親和力がχ2 で仕事関数がΦ2 でかつ
バンドギャップエネルギーがＥg2であり、しかもχ2 〜
χ3 、Φ2 ＞Φ3 でかつＥg2＜Ｅg3である半導体２の中
間層を形成し、その上に電子親和力がχ1 で仕事関数が
Φ1 でかつバンドギャップエネルギーがＥg1であり、し
かもχ1 〜χ2 、Φ1 ＞Φ2 でかつＥg1＜Ｅg2であるｐ
型の半導体１の光吸収層を形成し、さらにその上に電極
層を形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6265082A JP2922796B2 (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 太陽電池及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6265082A JP2922796B2 (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 太陽電池及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08125207A JPH08125207A (ja) | 1996-05-17 |
| JP2922796B2 true JP2922796B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=17412353
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6265082A Expired - Fee Related JP2922796B2 (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 太陽電池及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2922796B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19956735B4 (de) * | 1999-11-25 | 2008-08-21 | Shell Erneuerbare Energien Gmbh | Dünnfilmsolarzelle mit einer Chalkopyritverbindung und einer Titan und Sauerstoff enthaltenden Verbindung |
| KR20110005444A (ko) | 2009-07-10 | 2011-01-18 | 삼성전자주식회사 | 적층형 태양 전지 |
| CN107819058B (zh) | 2017-11-28 | 2019-07-23 | 厦门三安光电有限公司 | 发光二极管 |
-
1994
- 1994-10-28 JP JP6265082A patent/JP2922796B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08125207A (ja) | 1996-05-17 |
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| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
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