JP2922825B2 - 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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- 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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも３種の
半導体を積層した構成の太陽電池とその製造方法に関す
るものである。
半導体を積層した構成の太陽電池と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
-VI2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Ｃd
Ｓ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ＣdＳ層を、次いでｐ型Ｃd
Ｔe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ＣuＩnＳe2層を蒸着法で形成し、次いで化学析
出法によってｎ型ＣdＳ層を形成し、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
-VI2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Ｃd
Ｓ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ＣdＳ層を、次いでｐ型Ｃd
Ｔe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ＣuＩnＳe2層を蒸着法で形成し、次いで化学析
出法によってｎ型ＣdＳ層を形成し、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】このように変換効率が
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。そもそも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ことによる。し
かし、外部電圧が発生すると、これが内部電界を打ち消
して小さくするので、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消滅してしまい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・正孔の再結合を促進
し、それらの寿命を短くし、その結果Ｖoc、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。
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。そもそも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ことによる。し
かし、外部電圧が発生すると、これが内部電界を打ち消
して小さくするので、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消滅してしまい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・正孔の再結合を促進
し、それらの寿命を短くし、その結果Ｖoc、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し、再結合を大幅に抑制して
開放電圧を増大させ変換効率が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し、再結合を大幅に抑制して
開放電圧を増大させ変換効率が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、電子親和力がχ
1 、仕事関数がΦ1 、かつバンドギャップエネルギーが
Ｅg1であるｎ型の半導体１の光吸収層と、電子親和力が
χ2 、仕事関数がΦ2 、かつバンドギャップエネルギー
がＥg2である半導体２の中間層と、その上に電子親和力
がχ3 で仕事関数がΦ3 、かつバンドギャップエネルギ
ーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層と、透明導電層を
順次積層し、しかもχ1 ＞χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜Φ
3 、かつ（χ1 ＋Ｅg1）〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅ
g3）であることを特徴とする。
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、電子親和力がχ
1 、仕事関数がΦ1 、かつバンドギャップエネルギーが
Ｅg1であるｎ型の半導体１の光吸収層と、電子親和力が
χ2 、仕事関数がΦ2 、かつバンドギャップエネルギー
がＥg2である半導体２の中間層と、その上に電子親和力
がχ3 で仕事関数がΦ3 、かつバンドギャップエネルギ
ーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層と、透明導電層を
順次積層し、しかもχ1 ＞χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜Φ
3 、かつ（χ1 ＋Ｅg1）〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅ
g3）であることを特徴とする。
【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、電子親和力がχ3 、仕事関数
がΦ3 、かつバンドギャップエネルギーがＥg3であるｐ
型の半導体３の窓層と、電子親和力がχ2 、仕事関数が
Φ2 、かつバンドギャップエネルギーがＥg2である半導
体２の中間層と、電子親和力がχ1 、仕事関数がΦ1、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ型の半導
体１の光吸収層と、電極層を順次積層し、しかもχ1 ＞
χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜Φ3 、でかつ（χ1＋Ｅg1）
〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）であることを特徴と
する。
性基板上に、透明導電層、電子親和力がχ3 、仕事関数
がΦ3 、かつバンドギャップエネルギーがＥg3であるｐ
型の半導体３の窓層と、電子親和力がχ2 、仕事関数が
Φ2 、かつバンドギャップエネルギーがＥg2である半導
体２の中間層と、電子親和力がχ1 、仕事関数がΦ1、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ型の半導
体１の光吸収層と、電極層を順次積層し、しかもχ1 ＞
χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜Φ3 、でかつ（χ1＋Ｅg1）
〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）であることを特徴と
する。
【０００７】前記第１〜２番目の太陽電池においては、
ｎ型の半導体１が、ＣｄＳｅ及びＣｕＩｎＳｅ2 から選
ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また前記
第１〜２番目の太陽電池においては、ｎ型の半導体１
が、固溶体ＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＧａＳe2及びＣｕＩｎＳ
ｅ2-ＣｕＩｎＳ2 から選ばれる少なくとも一つであるこ
とが好ましい。
ｎ型の半導体１が、ＣｄＳｅ及びＣｕＩｎＳｅ2 から選
ばれる少なくとも一つであることが好ましい。また前記
第１〜２番目の太陽電池においては、ｎ型の半導体１
が、固溶体ＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＧａＳe2及びＣｕＩｎＳ
ｅ2-ＣｕＩｎＳ2 から選ばれる少なくとも一つであるこ
とが好ましい。
【０００８】また前記第１〜２番目の太陽電池において
は、半導体２が、ＣｄＳｅ及びＣｄＴｅから選ばれる少
なくとも一つであることが好ましい。また前記第１〜２
番目の太陽電池においては、半導体２が、固溶体ＣｄＳ
ｅ-ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ-ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅ-ＭｇＴ
ｅ、ＣｄＴｅ-ＭｎＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＧａＳｅ2
及びＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＩｎＳ2から選ばれる少なくと
も一つであることが好ましい。
は、半導体２が、ＣｄＳｅ及びＣｄＴｅから選ばれる少
なくとも一つであることが好ましい。また前記第１〜２
番目の太陽電池においては、半導体２が、固溶体ＣｄＳ
ｅ-ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ-ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅ-ＭｇＴ
ｅ、ＣｄＴｅ-ＭｎＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＧａＳｅ2
及びＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＩｎＳ2から選ばれる少なくと
も一つであることが好ましい。
【０００９】また前記第１〜２番目の太陽電池において
は、ｐ型の半導体３が、ＺｎＴｅであることが好まし
い。また前記第１〜２番目の太陽電池においては、ｐ型
の半導体３が、固溶体ＣｄＴｅ-ＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ-Ｍ
ｎＴｅ、ＺｎＴｅ-ＭｇＴｅ、ＺｎＴｅ-ＭｎＴｅ、Ｃｕ
ＩｎＳ2-ＣｕＧａＳ2 及びＣｕＧａＳｅ2-ＣｕＧａＳ2
から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
は、ｐ型の半導体３が、ＺｎＴｅであることが好まし
い。また前記第１〜２番目の太陽電池においては、ｐ型
の半導体３が、固溶体ＣｄＴｅ-ＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ-Ｍ
ｎＴｅ、ＺｎＴｅ-ＭｇＴｅ、ＺｎＴｅ-ＭｎＴｅ、Ｃｕ
ＩｎＳ2-ＣｕＧａＳ2 及びＣｕＧａＳｅ2-ＣｕＧａＳ2
から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
【００１０】次に本発明の第１番目の太陽電池の製造方
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 、仕事関数がΦ1 、かつバン
ドギャップエネルギーがＥg1であるｎ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 、仕事関数
がΦ2 、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 、かつ（χ2 ＋Ｅg2）〜
（χ1 ＋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 、仕事関数がΦ3 、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 、かつ（χ3 ＋Ｅg3）〜（χ2 ＋Ｅg2）であるｐ
型の半導体３の窓層と、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。
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 、仕事関数がΦ1 、かつバン
ドギャップエネルギーがＥg1であるｎ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 、仕事関数
がΦ2 、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 、かつ（χ2 ＋Ｅg2）〜
（χ1 ＋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 、仕事関数がΦ3 、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 、かつ（χ3 ＋Ｅg3）〜（χ2 ＋Ｅg2）であるｐ
型の半導体３の窓層と、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。
【００１１】次に本発明の第２番目の太陽電池の製造方
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 、仕事関数がΦ3 、かつバンドギャップエネルギ
ーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層を形成し、その上
に電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、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 、かつ（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）である半導
体２の中間層、その上に電子親和力がχ1 、仕事関数が
Φ1 、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 、かつ（χ1 ＋Ｅg1）〜（χ
2 ＋Ｅg2）であるｎ型の半導体１の光吸収層と、さらに
その上に電極層を形成することを特徴とする。
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 、仕事関数がΦ3 、かつバンドギャップエネルギ
ーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層を形成し、その上
に電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、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 、かつ（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）である半導
体２の中間層、その上に電子親和力がχ1 、仕事関数が
Φ1 、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 、かつ（χ1 ＋Ｅg1）〜（χ
2 ＋Ｅg2）であるｎ型の半導体１の光吸収層と、さらに
その上に電極層を形成することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の太陽電池の構成は図１に
示す様に（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、電子親和力がχ1 、仕事関数がΦ1 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ型の半導
体１の光吸収層、電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、
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 、仕事関数がΦ3 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg3であるｐ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、かつ（χ1＋
Ｅg1）〜（χ2＋Ｅg2）〜（χ 3＋Ｅg3）であるか、また
は図２に示す様に（２）透光性基板上に、透明導電層、
電子親和力がχ3 、仕事関数がΦ3 、かつバンドギャッ
プエネルギーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層、電子
親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、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 、仕事関数がΦ1 、かつバンドギャップエネルギー
がＥg1であるｎ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、かつ（χ1＋Ｅg1）〜（χ2＋Ｅg2）〜（χ3＋Ｅ
g3）である。
示す様に（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、電子親和力がχ1 、仕事関数がΦ1 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ型の半導
体１の光吸収層、電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、
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 、仕事関数がΦ3 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg3であるｐ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、かつ（χ1＋
Ｅg1）〜（χ2＋Ｅg2）〜（χ 3＋Ｅg3）であるか、また
は図２に示す様に（２）透光性基板上に、透明導電層、
電子親和力がχ3 、仕事関数がΦ3 、かつバンドギャッ
プエネルギーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層、電子
親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、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 、仕事関数がΦ1 、かつバンドギャップエネルギー
がＥg1であるｎ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、かつ（χ1＋Ｅg1）〜（χ2＋Ｅg2）〜（χ3＋Ｅ
g3）である。
【００１３】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＋Ｅg1）、（χ2＋Ｅg2）、（χ
3＋Ｅg3）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〔（χ2＋Ｅg2）−（χ1＋Ｅg1）〕および
〔（χ3＋Ｅg3）−（χ2＋Ｅ g2）〕はそれぞれキャリア
のもつ運動エネルギーの値（約０.０２５eＶ）程度まで
に限られる。（Φ3−Φ1）は拡散電位を与える。（χ1
−χ2）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以上ある
方が好ましい。
構造を示す。図中（χ1＋Ｅg1）、（χ2＋Ｅg2）、（χ
3＋Ｅg3）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〔（χ2＋Ｅg2）−（χ1＋Ｅg1）〕および
〔（χ3＋Ｅg3）−（χ2＋Ｅ g2）〕はそれぞれキャリア
のもつ運動エネルギーの値（約０.０２５eＶ）程度まで
に限られる。（Φ3−Φ1）は拡散電位を与える。（χ1
−χ2）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以上ある
方が好ましい。
【００１４】これら太陽電池の製造方法としては（３）
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ｎ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χ 2
＜χ1、Φ2＞Φ1でかつ（χ2＋Ｅg2）〜（χ1＋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（χ3＋
Ｅg3）〜（χ2＋Ｅ g2）であるｐ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、あるいは
（４）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ｐ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（χ2＋Ｅg2）〜（χ3＋Ｅg3）である半導体２の中間
層、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（χ1＋Ｅg 1）〜（χ2＋Ｅg2）であるｎ
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。
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ｎ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χ 2
＜χ1、Φ2＞Φ1でかつ（χ2＋Ｅg2）〜（χ1＋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（χ3＋
Ｅg3）〜（χ2＋Ｅ g2）であるｐ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、あるいは
（４）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ｐ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（χ2＋Ｅg2）〜（χ3＋Ｅg3）である半導体２の中間
層、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（χ1＋Ｅg 1）〜（χ2＋Ｅg2）であるｎ
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。
【００１５】ｎ型の半導体１としては化合物ＣdＳeまた
はＣuＩnＳe2や固溶体ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2またはＣu
ＩnＳe2-ＣuＩnＳ2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ＣdＴeや固溶体ＣdＳe-
ＺnＳe、ＣdＳe-ＣdＴe,ＣdＴe-ＭgＴe、ＣdＴe-ＭnＴ
e、ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2またはＣuＩnＳe2-ＣuＩnＳ2
が好ましい。ｐ型の半導体１としては化合物ＺnＴeや固
溶体ＣdＴe-ＭgＴe、ＣdＴe-ＭnＴe、ＺnＴe-ＭgＴe、
ＺnＴe-ＭnＴe、ＣuＩnＳ2-ＣuＧaＳ2またはＣuＧaＳe2
-ＣuＧaＳ2など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前記した
化合物に限る訳ではない。
はＣuＩnＳe2や固溶体ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2またはＣu
ＩnＳe2-ＣuＩnＳ2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ＣdＴeや固溶体ＣdＳe-
ＺnＳe、ＣdＳe-ＣdＴe,ＣdＴe-ＭgＴe、ＣdＴe-ＭnＴ
e、ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2またはＣuＩnＳe2-ＣuＩnＳ2
が好ましい。ｐ型の半導体１としては化合物ＺnＴeや固
溶体ＣdＴe-ＭgＴe、ＣdＴe-ＭnＴe、ＺnＴe-ＭgＴe、
ＺnＴe-ＭnＴe、ＣuＩnＳ2-ＣuＧaＳ2またはＣuＧaＳe2
-ＣuＧaＳ2など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前記した
化合物に限る訳ではない。
【００１６】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ｎｐ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濃度とその寿命τで決まる。通常
の２層ヘテロ接合では電子の濃度ｎと正孔の濃度ｐはほ
ぼ同じとなるので正孔の方で考えると再結合の度合はｐ
/τで表せる。
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ｎｐ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濃度とその寿命τで決まる。通常
の２層ヘテロ接合では電子の濃度ｎと正孔の濃度ｐはほ
ぼ同じとなるので正孔の方で考えると再結合の度合はｐ
/τで表せる。
【００１７】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ｎｉｐ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正孔のみ移
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左方に移動してお
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）の上方左寄りに示すよ
うに界面で電子の濃度は高いのに、正孔の濃度は図４の
場合よりずっと小さい。従って、再結合の度合ｐ/τは
小さくなるのである。正孔の寿命τは電子濃度ｎ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のであ
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ｎｉｐ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正孔のみ移
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左方に移動してお
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）の上方左寄りに示すよ
うに界面で電子の濃度は高いのに、正孔の濃度は図４の
場合よりずっと小さい。従って、再結合の度合ｐ/τは
小さくなるのである。正孔の寿命τは電子濃度ｎ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のであ
る。
【００１８】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
（この場合正孔）濃度の減少が充分でなく、逆に厚すぎ
るとｎ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のバンドの図中で伝導帯の上に＋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
（この場合正孔）濃度の減少が充分でなく、逆に厚すぎ
るとｎ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のバンドの図中で伝導帯の上に＋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。
【００１９】
【実施例】以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に
説明する。 （実施例１）ＮiＣr電極層を設けたガラス基板上に、２
μｍ厚のＣuＩnＳe2を主体とするｎ型半導体の光吸収層
を蒸着形成し、その上にＣdＳeとＺn の同時蒸着により
ＣdＳeとＺnＳeのモル比が８：２で、全体の厚さ０.２
μmのＣdＳe-ＺnＳe 固溶体膜Ｃd0.8Ｚn0.2Ｓeで成る中
間層を形成し、さらにその上にＣdＴeとＭgの同時蒸着
によりＣdＴeとＭgＴeのモル比が６：４で、全体の厚さ
０.２μmのＣdＴe-ＭgＴe固溶体膜Ｃd0.6Ｍg0.4Ｔeを主
体とするｐ型半導体の窓層を形成し、その上に透明電極
層ＩＴＯ（インジウム−錫−酸化物合金）を形成した。
説明する。 （実施例１）ＮiＣr電極層を設けたガラス基板上に、２
μｍ厚のＣuＩnＳe2を主体とするｎ型半導体の光吸収層
を蒸着形成し、その上にＣdＳeとＺn の同時蒸着により
ＣdＳeとＺnＳeのモル比が８：２で、全体の厚さ０.２
μmのＣdＳe-ＺnＳe 固溶体膜Ｃd0.8Ｚn0.2Ｓeで成る中
間層を形成し、さらにその上にＣdＴeとＭgの同時蒸着
によりＣdＴeとＭgＴeのモル比が６：４で、全体の厚さ
０.２μmのＣdＴe-ＭgＴe固溶体膜Ｃd0.6Ｍg0.4Ｔeを主
体とするｐ型半導体の窓層を形成し、その上に透明電極
層ＩＴＯ（インジウム−錫−酸化物合金）を形成した。
【００２０】（比較例１）比較のため、中間のＣd0.8Ｚ
n0.2Ｓe層を設けないで、他は実施例１と同様にした太
陽電池の特性についても調べた。
n0.2Ｓe層を設けないで、他は実施例１と同様にした太
陽電池の特性についても調べた。
【００２１】以上の実施例１と比較例１の太陽電池のＡ
Ｍ１（100 mW/cm2）の照射光に対する特性を表１に示
す。なお表１中、ＶOC（Ｖ）は開放電圧、ＪSC（mA/c
m2）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。
Ｍ１（100 mW/cm2）の照射光に対する特性を表１に示
す。なお表１中、ＶOC（Ｖ）は開放電圧、ＪSC（mA/c
m2）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。
【００２２】
【表１】
【００２３】（実施例２）透明導電層ＩＴＯを設けたガ
ラス基板上に、ＺnＴeを主体とするｐ型半導体の窓層を
化学析出法により厚さ０.２μｍ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Ｃu、Ｉn、ＧaおよびＳeの同時蒸着により２μｍ厚の
ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2固溶体Ｃu(Ｉn0.7,Ｇa0.3)Ｓe2
を主体とするｎ型半導体の光吸収層を蒸着形成し、その
上にＮｉＣｒ／Ａｕ電極を形成した。
ラス基板上に、ＺnＴeを主体とするｐ型半導体の窓層を
化学析出法により厚さ０.２μｍ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Ｃu、Ｉn、ＧaおよびＳeの同時蒸着により２μｍ厚の
ＣuＩnＳe2-ＣuＧaＳe2固溶体Ｃu(Ｉn0.7,Ｇa0.3)Ｓe2
を主体とするｎ型半導体の光吸収層を蒸着形成し、その
上にＮｉＣｒ／Ａｕ電極を形成した。
【００２４】（比較例２）比較のため、中間のＣdＳe層
を設けない他は実施例２と同様にした太陽電池の特性に
ついても調べた。
を設けない他は実施例２と同様にした太陽電池の特性に
ついても調べた。
【００２５】以上の実施例２と比較例２の太陽電池のＡ
Ｍ１（100 mW/cm2）の照射光に対する特性を表２に示
す。なお表２中の記号は表１と同様である。
Ｍ１（100 mW/cm2）の照射光に対する特性を表２に示
す。なお表２中の記号は表１と同様である。
【００２６】
【表２】
【００２７】表１および表２に見られる様に、本発明の
構成で得られた太陽電池の特性は従来の構成で得られる
太陽電池の特性よりはるかに優れている。本発明の太陽
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ものである。
構成で得られた太陽電池の特性は従来の構成で得られる
太陽電池の特性よりはるかに優れている。本発明の太陽
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ものである。
【００２８】
【発明の効果】以上説明した通り、半導体１の光吸収層
/半導体２の中間層/半導体３の窓層の三層とすることに
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、再結合を大幅に抑制し
て開放電圧を増大させることにより、変換効率が高い太
陽電池及びその製造方法を実現できる。また、本発明の
構成と製造方法により変換効率の非常に高い優れた太陽
電池を容易に得ることが可能となる。この太陽電池は薄
膜で形成されているので大幅なコストダウンもはかれ
る。
/半導体２の中間層/半導体３の窓層の三層とすることに
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、再結合を大幅に抑制し
て開放電圧を増大させることにより、変換効率が高い太
陽電池及びその製造方法を実現できる。また、本発明の
構成と製造方法により変換効率の非常に高い優れた太陽
電池を容易に得ることが可能となる。この太陽電池は薄
膜で形成されているので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】 本発明の別の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
ンド構成図
【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 (10)
- 【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、電子親和力がχ1 、仕事関数がΦ1 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ型の半導
体１の光吸収層と、電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ
2 、かつバンドギャップエネルギーがＥg2である半導体
２の中間層と、その上に電子親和力がχ3で仕事関数が
Φ3 、かつバンドギャップエネルギーがＥg3であるｐ型
の半導体３の窓層と、透明導電層を順次積層し、しかも
χ1 ＞χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜Φ 3 、かつ（χ1 ＋Ｅ
g1）〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）であることを特
徴とする太陽電池。 - 【請求項２】 透光性基板上に、透明導電層、電子親和
力がχ3 で仕事関数がΦ3 、かつバンドギャップエネル
ギーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層と、電子親和力
がχ2 、仕事関数がΦ2 、かつバンドギャップエネルギ
ーがＥg2である半導体２の中間層と、電子親和力が
χ1 、仕事関数がΦ1 、かつバンドギャップエネルギー
がＥg1であるｎ型の半導体１の光吸収層と、電極層を順
次積層し、しかもχ1 ＞χ2 ＞χ3 、Φ1 ＜Φ2 ＜
Φ3 、かつ（χ1 ＋Ｅg1）〜（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋
Ｅg3）であることを特徴とする太陽電池。 - 【請求項３】 ｎ型の半導体１が、ＣｄＳｅ及びＣｕＩ
ｎＳｅ2 から選ばれる少なくとも一つである請求項１ま
たは２に記載の太陽電池。 - 【請求項４】 ｎ型の半導体１が、固溶体ＣｕＩｎＳｅ
2-ＣｕＧａＳe2及びＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＩｎＳ2 から選
ばれる少なくとも一つである請求項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ＣｄＴｅから
選ばれる少なくとも一つである請求項１〜４のいずれか
に記載の太陽電池。 - 【請求項６】 半導体２が、固溶体ＣｄＳｅ-ＺｎＳ
ｅ、ＣｄＳｅ-ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅ-ＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ
-ＭｎＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ2-ＣｕＧａＳｅ2 及びＣｕＩ
ｎＳｅ2-ＣｕＩｎＳ2から選ばれる少なくとも一つであ
る請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項７】 ｐ型の半導体３が、ＺｎＴｅである請求
項１〜６のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項８】 ｐ型の半導体３が、固溶体ＣｄＴｅ-Ｍ
ｇＴｅ、ＣｄＴｅ-ＭｎＴｅ、ＺｎＴｅ-ＭｇＴｅ、Ｚｎ
Ｔｅ-ＭｎＴｅ、ＣｕＩｎＳ2-ＣｕＧａＳ2 及びＣｕＧ
ａＳｅ2-ＣｕＧａＳ2から選ばれる少なくとも一つであ
る請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項９】 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 、仕事関数がΦ1 、
かつバンドギャップエネルギーがＥg1であるｎ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 、
仕事関数がΦ2、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、かつ（χ2 ＋
Ｅg2）〜（χ1 ＋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 、仕事関数がΦ3 、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 、かつ（χ3 ＋Ｅg3）〜（χ2 ＋Ｅg2）
であるｐ型の半導体３の窓層と、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１０】 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 、かつバンドギャッ
プエネルギーがＥg3であるｐ型の半導体３の窓層を形成
し、その上に電子親和力がχ2 、仕事関数がΦ2 、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 、かつ（χ2 ＋Ｅg2）〜（χ3 ＋Ｅg3）
である半導体２の中間層、その上に電子親和力がχ1 、
仕事関数がΦ1 、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 、かつ（χ1 ＋Ｅ
g1）〜（χ2 ＋Ｅg2）であるｎ型の半導体１の光吸収層
と、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 |
|---|---|---|---|
| JP7207251A JP2922825B2 (ja) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | 太陽電池及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7207251A JP2922825B2 (ja) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | 太陽電池及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0955519A JPH0955519A (ja) | 1997-02-25 |
| JP2922825B2 true JP2922825B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=16536720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7207251A Expired - Fee Related JP2922825B2 (ja) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | 太陽電池及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2922825B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6451415B1 (en) * | 1998-08-19 | 2002-09-17 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer |
| CN101853889B (zh) * | 2003-12-01 | 2012-07-04 | 加利福尼亚大学董事会 | 用于光伏器件的多频带半导体组合物 |
| US20120285523A1 (en) * | 2010-01-21 | 2012-11-15 | Takayuki Negami | Solar cell |
-
1995
- 1995-08-14 JP JP7207251A patent/JP2922825B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0955519A (ja) | 1997-02-25 |
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Legal Events
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