JP3397213B2 - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JP3397213B2 JP3397213B2 JP18124293A JP18124293A JP3397213B2 JP 3397213 B2 JP3397213 B2 JP 3397213B2 JP 18124293 A JP18124293 A JP 18124293A JP 18124293 A JP18124293 A JP 18124293A JP 3397213 B2 JP3397213 B2 JP 3397213B2
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- thin film
- semiconductor thin
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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
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はエネルギー変換効率の高
い太陽電池のに関する。
い太陽電池のに関する。
【０００２】
【従来の技術】I 族III 族VI族元素からなるカルコパイ
ライト構造半導体薄膜としてＣｕＩｎＳｅ2 を光吸収層
に用いた薄膜太陽電池が高いエネルギー変換効率を示
し、光照射等による特性劣化がないという利点を有して
いることが報告されている。
ライト構造半導体薄膜としてＣｕＩｎＳｅ2 を光吸収層
に用いた薄膜太陽電池が高いエネルギー変換効率を示
し、光照射等による特性劣化がないという利点を有して
いることが報告されている。
【０００３】現在までに報告されているＣｕＩｎＳｅ2
薄膜太陽電池は、そのほとんどが、ｐ形ＣｕＩｎＳｅ2
膜とｎ形ＣｄＳ膜によって形成されるｐｎ接合を利用し
ている。また、膜の堆積工程により以下の２つのタイプ
に分類される。
薄膜太陽電池は、そのほとんどが、ｐ形ＣｕＩｎＳｅ2
膜とｎ形ＣｄＳ膜によって形成されるｐｎ接合を利用し
ている。また、膜の堆積工程により以下の２つのタイプ
に分類される。
【０００４】一つは、絶縁体基板上に形成されたＭｏ金
属電極上にｐ形ＣｕＩｎＳｅ2 薄膜を堆積し、その上に
ｎ形窓層としてＣｄＳを、さらに透明電極層としてＺｎ
Ｏ薄膜を堆積した構成である。以下この構成をサブスト
レート形と記す。この構成の利点は、ＣｕＩｎＳｅ2 膜
を高温成膜できることから、結晶性の優れた膜が得ら
れ、高い変換効率を有する太陽電池を作製できる点であ
る。
属電極上にｐ形ＣｕＩｎＳｅ2 薄膜を堆積し、その上に
ｎ形窓層としてＣｄＳを、さらに透明電極層としてＺｎ
Ｏ薄膜を堆積した構成である。以下この構成をサブスト
レート形と記す。この構成の利点は、ＣｕＩｎＳｅ2 膜
を高温成膜できることから、結晶性の優れた膜が得ら
れ、高い変換効率を有する太陽電池を作製できる点であ
る。
【０００５】これに対し、ガラス等の透明絶縁体上に電
極としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化
物）等の透明導電膜を形成し、その上にＣｄＳ膜とＣｕ
ＩｎＳｅ2 膜を順に形成した後、ＡｕあるいはＰｔ等の
金属電極を形成する構成の太陽電池がいくつか報告され
ている。以下この構成をスーパストレート形と記す。こ
の構成の利点としては、光入射側が基板であることから
太陽電池モジュールへのパッケージが容易である点、基
板との密着性が良好である点、さらに、製造工程を簡単
化できる点が挙げられる。
極としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化
物）等の透明導電膜を形成し、その上にＣｄＳ膜とＣｕ
ＩｎＳｅ2 膜を順に形成した後、ＡｕあるいはＰｔ等の
金属電極を形成する構成の太陽電池がいくつか報告され
ている。以下この構成をスーパストレート形と記す。こ
の構成の利点としては、光入射側が基板であることから
太陽電池モジュールへのパッケージが容易である点、基
板との密着性が良好である点、さらに、製造工程を簡単
化できる点が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】サブストレート形とス
ーパストレート形に共通して、窓層にＣｄＳ膜を用いる
とＣｄＳの吸収端波長０．５２μｍ以下の短波長の太陽
光がＣｄＳ膜中で吸収される。この時、光により生成さ
れたキャリアはその多くがＣｄＳ膜の表面順位を介し再
結合するため光電流として有効に取り出せないという欠
点がある。
ーパストレート形に共通して、窓層にＣｄＳ膜を用いる
とＣｄＳの吸収端波長０．５２μｍ以下の短波長の太陽
光がＣｄＳ膜中で吸収される。この時、光により生成さ
れたキャリアはその多くがＣｄＳ膜の表面順位を介し再
結合するため光電流として有効に取り出せないという欠
点がある。
【０００７】また、ＣｄＳ膜を用いていることから、火
災等によるＣｄの放出あるいは廃棄された太陽電池から
のＣｄの流出等の公害性が問題となる。これとは別に、
スーパストレート形については、ＣｕＩｎＳｅ2 膜の結
晶性や膜質の向上を図るために高温で堆積すると、Ｃｄ
ＳとＣｕＩｎＳｅ2 膜との相互拡散が生じる。相互拡散
した元素によって生じる不純物準位を介して、光励起さ
れたキャリアが再結合するため特性が劣化するという問
題がある。また、低温で作製されたスーパストレート形
のＣｕＩｎＳｅ2 膜のキャリア寿命や拡散長は、高温成
膜が可能なサブストレート形のＣｕＩｎＳｅ2 膜のそれ
に比べ短いため、ＣｕＩｎＳｅ2 膜中の空乏層以外の領
域で生成されたキャリアの収集効率が劣っているという
問題がある。
災等によるＣｄの放出あるいは廃棄された太陽電池から
のＣｄの流出等の公害性が問題となる。これとは別に、
スーパストレート形については、ＣｕＩｎＳｅ2 膜の結
晶性や膜質の向上を図るために高温で堆積すると、Ｃｄ
ＳとＣｕＩｎＳｅ2 膜との相互拡散が生じる。相互拡散
した元素によって生じる不純物準位を介して、光励起さ
れたキャリアが再結合するため特性が劣化するという問
題がある。また、低温で作製されたスーパストレート形
のＣｕＩｎＳｅ2 膜のキャリア寿命や拡散長は、高温成
膜が可能なサブストレート形のＣｕＩｎＳｅ2 膜のそれ
に比べ短いため、ＣｕＩｎＳｅ2 膜中の空乏層以外の領
域で生成されたキャリアの収集効率が劣っているという
問題がある。
【０００８】本発明は、前記課題を解決し、短波長から
長波長にいたる広い範囲の波長の光によって生成された
キャリアを有効に取り出すことが可能で、エネルギー変
換効率の高いカルコパイライト構造半導体薄膜を用いた
太陽電池を提供することを目的とする。
長波長にいたる広い範囲の波長の光によって生成された
キャリアを有効に取り出すことが可能で、エネルギー変
換効率の高いカルコパイライト構造半導体薄膜を用いた
太陽電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１番目の太陽電池は、透明絶縁体基板上
に形成された下部電極となる透明導電膜上に、透明絶縁
体膜、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜、上部電極となる金属膜あるいは透明導電
膜を順に積層した構成を有する。
め、本発明の第１番目の太陽電池は、透明絶縁体基板上
に形成された下部電極となる透明導電膜上に、透明絶縁
体膜、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜、上部電極となる金属膜あるいは透明導電
膜を順に積層した構成を有する。
【００１０】
【００１１】本発明の第２番目の太陽電池は、透明絶縁
体基板上に形成された下部電極となる透明導電膜上に、
透明絶縁体膜、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイ
ライト構造半導体薄膜、前記カルコパイライト構造半導
体薄膜より高いキャリア濃度を有する半導体薄膜、上部
電極となる金属膜あるいは透明導電膜を順に積層した構
成を有する。
体基板上に形成された下部電極となる透明導電膜上に、
透明絶縁体膜、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイ
ライト構造半導体薄膜、前記カルコパイライト構造半導
体薄膜より高いキャリア濃度を有する半導体薄膜、上部
電極となる金属膜あるいは透明導電膜を順に積層した構
成を有する。
【００１２】
【００１３】また、前記本発明の第１〜２番目のいずれ
の太陽電池に於いても、透明導電膜が、酸化インジウ
ム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である事が好ましい。
の太陽電池に於いても、透明導電膜が、酸化インジウ
ム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である事が好ましい。
【００１４】また、前記本発明の第１または２番目の太
陽電池に於いては、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である事が好ましい。
陽電池に於いては、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である事が好ましい。
【００１５】また、前記本発明の第２番目の太陽電池に
於いては、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I
族元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元素から
なるカルコパイライト構造半導体薄膜である事が好まし
い。
於いては、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I
族元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元素から
なるカルコパイライト構造半導体薄膜である事が好まし
い。
【００１６】また、前記本発明の第２番目の太陽電池に
於いては、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I
族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造半導体
薄膜にV 族元素を混入させた半導体薄膜である事が好ま
しい。
於いては、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I
族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造半導体
薄膜にV 族元素を混入させた半導体薄膜である事が好ま
しい。
【００１７】
【作用】本発明の太陽電池の構成では、窓層として透明
導電膜あるいは透明絶縁体膜を用いている。この透明導
電膜や透明絶縁体膜の吸収端波長は紫外域であるため、
ＣｄＳ薄膜にて吸収される０．５２μｍ以下の可視域と
近紫外域の光をＣｕＩｎＳｅ2 膜などのカルコパイライ
ト構造半導体薄膜にて吸収することが可能となり、これ
らの光によって励起されたキャリアを光電流として有効
に取り出すことができる。従って、太陽電池の変換効率
の向上が可能となる。さらに、透明導電膜や透明絶縁体
膜は、その多くが酸化物薄膜であり、Ｃｄ等の公害性が
問題視される材料で構成されていないため、安全性が高
い。
導電膜あるいは透明絶縁体膜を用いている。この透明導
電膜や透明絶縁体膜の吸収端波長は紫外域であるため、
ＣｄＳ薄膜にて吸収される０．５２μｍ以下の可視域と
近紫外域の光をＣｕＩｎＳｅ2 膜などのカルコパイライ
ト構造半導体薄膜にて吸収することが可能となり、これ
らの光によって励起されたキャリアを光電流として有効
に取り出すことができる。従って、太陽電池の変換効率
の向上が可能となる。さらに、透明導電膜や透明絶縁体
膜は、その多くが酸化物薄膜であり、Ｃｄ等の公害性が
問題視される材料で構成されていないため、安全性が高
い。
【００１８】また、本発明の太陽電池は、基板から光が
入射するスーパストレート形であることから、前述した
ような特長を有し、かつＣｄＳ膜を用いていないため、
より高温の成膜でもＣｕＩｎＳｅ2 膜などのカルコパイ
ライト構造半導体薄膜との相互拡散が生じない。従っ
て、カルコパイライト構造半導体薄膜層の結晶性が向上
することから、キャリア寿命や拡散長が増し、太陽電池
の変換効率が向上する。本発明者らの検討では、カルコ
パイライト構造半導体薄膜層が柱状の結晶粒となってい
ることが観察された。
入射するスーパストレート形であることから、前述した
ような特長を有し、かつＣｄＳ膜を用いていないため、
より高温の成膜でもＣｕＩｎＳｅ2 膜などのカルコパイ
ライト構造半導体薄膜との相互拡散が生じない。従っ
て、カルコパイライト構造半導体薄膜層の結晶性が向上
することから、キャリア寿命や拡散長が増し、太陽電池
の変換効率が向上する。本発明者らの検討では、カルコ
パイライト構造半導体薄膜層が柱状の結晶粒となってい
ることが観察された。
【００１９】また、特に前記本発明の第１または２番目
の太陽電池の様に、下部電極となる透明導電膜上に更に
透明絶縁体膜を積層した構成とすることにより、曲線因
子を大きくすることができ好ましい。
の太陽電池の様に、下部電極となる透明導電膜上に更に
透明絶縁体膜を積層した構成とすることにより、曲線因
子を大きくすることができ好ましい。
【００２０】また、さらに前記本発明の第２番目の太陽
電池の様に、光吸収層であるカルコパイライト構造半導
体薄膜上に、より高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
を形成することにより両膜の界面付近にエネルギー障壁
を設けることができる。この障壁付近に内部電界が生じ
るため、障壁付近で生成されたキャリアは加速され、空
乏層へと移動する。従って、カルコパイライト構造半導
体膜中での再結合が減少し、光電流としてより有効に取
り出すことが可能となる。
電池の様に、光吸収層であるカルコパイライト構造半導
体薄膜上に、より高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
を形成することにより両膜の界面付近にエネルギー障壁
を設けることができる。この障壁付近に内部電界が生じ
るため、障壁付近で生成されたキャリアは加速され、空
乏層へと移動する。従って、カルコパイライト構造半導
体膜中での再結合が減少し、光電流としてより有効に取
り出すことが可能となる。
【００２１】以上により、光電流及び光起電力が増加
し、高いエネルギー変換効率が得られる。また、前記本
発明の第１〜２番目のいずれの太陽電池に於いても、透
明導電膜を、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいず
れかを主成分とする薄膜の少なくとも一種である好まし
い態様とすることにより、これらの透明導電膜は、透明
性に優れ、広い波長範囲の可視光線を透過できるので、
効率良く入射光を取り入れることができる。
し、高いエネルギー変換効率が得られる。また、前記本
発明の第１〜２番目のいずれの太陽電池に於いても、透
明導電膜を、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛のいず
れかを主成分とする薄膜の少なくとも一種である好まし
い態様とすることにより、これらの透明導電膜は、透明
性に優れ、広い波長範囲の可視光線を透過できるので、
効率良く入射光を取り入れることができる。
【００２２】また、前記本発明の第１または２番目の太
陽電池に於いて、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である好ましい態様とすることにより、
前述した透明絶縁体膜を設けることによる作用のほか、
これらの透明絶縁体膜は、透明性に優れ、広い波長範囲
の可視光線を透過できるので、効率良く入射光を取り入
れることができる。
陽電池に於いて、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である好ましい態様とすることにより、
前述した透明絶縁体膜を設けることによる作用のほか、
これらの透明絶縁体膜は、透明性に優れ、広い波長範囲
の可視光線を透過できるので、効率良く入射光を取り入
れることができる。
【００２３】また、前記本発明の第２番目の太陽電池に
於いて、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I 族
元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元素からな
るカルコパイライト構造半導体薄膜、あるいは、I 族II
I 族VI族元素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜
にV 族元素を混入させた半導体薄膜である好ましい態様
とすることにより、前述した高いキャリア濃度を有する
半導体薄膜を設けることによる作用のほか、これらのI
族元素あるいはV 族元素は、カルコパイライト構造半導
体の構成元素の１つでもあるので、製造が一貫したプロ
セスにまとめやすく、製造が容易になり、従って生産コ
ストの引き下げにも寄与でき好ましい。
於いて、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜が、I 族
元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元素からな
るカルコパイライト構造半導体薄膜、あるいは、I 族II
I 族VI族元素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜
にV 族元素を混入させた半導体薄膜である好ましい態様
とすることにより、前述した高いキャリア濃度を有する
半導体薄膜を設けることによる作用のほか、これらのI
族元素あるいはV 族元素は、カルコパイライト構造半導
体の構成元素の１つでもあるので、製造が一貫したプロ
セスにまとめやすく、製造が容易になり、従って生産コ
ストの引き下げにも寄与でき好ましい。
【００２４】
【実施例】本発明で用いるI 族III 族VI族元素からなる
カルコパイライト構造半導体薄膜としては、例えば、Ｃ
ｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 、あるいはＣｕＩｎ（Ｓ
0.25Ｓｅ0.75）2 などのようなこれらの混在系、Ｃｕ−
Ｇａ−Ｓｅ系等があげられる。この膜厚は特に限定する
ものではないが１〜４μｍ程度が効率の点などから好ま
しい。
カルコパイライト構造半導体薄膜としては、例えば、Ｃ
ｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＩｎＳ2 、あるいはＣｕＩｎ（Ｓ
0.25Ｓｅ0.75）2 などのようなこれらの混在系、Ｃｕ−
Ｇａ−Ｓｅ系等があげられる。この膜厚は特に限定する
ものではないが１〜４μｍ程度が効率の点などから好ま
しい。
【００２５】透明絶縁体基板としては透明性で耐熱性の
あるものが好ましく、例えばガラスや石英などがあげら
れる。また、特に限定するものではないが上部電極とし
て金属膜を用いる場合には、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉな
どが代表的である。
あるものが好ましく、例えばガラスや石英などがあげら
れる。また、特に限定するものではないが上部電極とし
て金属膜を用いる場合には、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉな
どが代表的である。
【００２６】以下、本発明の具体的な実施例について図
面を参照して説明する。尚、図１、図３〜５において各
図の下側の矢印は光の入射方向を示しているものであ
る。 実施例１ 図１は本発明の１実施例を示す太陽電池の略示断面図で
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
導電膜２としてＩＴＯ膜を０. ３μｍ被覆した。次に、
透明絶縁体膜３としてＺｎＯを０. ８μｍ形成した。そ
の上にI 族III族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてほぼ化学量論比組成となるＣｕＩ
ｎＳｅ2 膜を基板温度５２５℃で２. ０μｍ蒸着した。
この積層膜を空気中、３００℃で３時間熱処理した後、
金属電極５としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽電池を
作製した。
面を参照して説明する。尚、図１、図３〜５において各
図の下側の矢印は光の入射方向を示しているものであ
る。 実施例１ 図１は本発明の１実施例を示す太陽電池の略示断面図で
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
導電膜２としてＩＴＯ膜を０. ３μｍ被覆した。次に、
透明絶縁体膜３としてＺｎＯを０. ８μｍ形成した。そ
の上にI 族III族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてほぼ化学量論比組成となるＣｕＩ
ｎＳｅ2 膜を基板温度５２５℃で２. ０μｍ蒸着した。
この積層膜を空気中、３００℃で３時間熱処理した後、
金属電極５としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽電池を
作製した。
【００２７】比較のためにＺｎＯ膜上にＣｄＳ膜を０.
５μｍ蒸着した後に、３００℃でＣｕＩｎＳｅ2 膜を
２. ０μｍ形成し、同様な熱処理をした後、Ａｕ電極を
蒸着して従来の構成の太陽電池を作製した。ＡＭ１.
５、光強度１００mW/ cm2 の光を照射して得られた太陽
電池特性を比較した結果を表１に示す。
５μｍ蒸着した後に、３００℃でＣｕＩｎＳｅ2 膜を
２. ０μｍ形成し、同様な熱処理をした後、Ａｕ電極を
蒸着して従来の構成の太陽電池を作製した。ＡＭ１.
５、光強度１００mW/ cm2 の光を照射して得られた太陽
電池特性を比較した結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】表１からわかるように、本発明の太陽電池
は従来のものに比べ全ての特性が向上している。次に、
各波長での量子効率を測定した結果を図２に示す。図２
の破線６と実線７はそれぞれ従来の太陽電池ならびに本
発明の太陽電池の量子効率の波長変化を示している。一
点鎖線８については後術する。
は従来のものに比べ全ての特性が向上している。次に、
各波長での量子効率を測定した結果を図２に示す。図２
の破線６と実線７はそれぞれ従来の太陽電池ならびに本
発明の太陽電池の量子効率の波長変化を示している。一
点鎖線８については後術する。
【００３０】まず、０. ６μｍ以下の短波長の光に対す
る量子効率を見ると、従来の太陽電池では、ＣｄＳの吸
収端波長である０. ５２μｍ付近から急激に減少してい
る。これは、ＣｄＳでの光吸収によって生成されたキャ
リアが効率よく取り出せていないためである。これに対
し、本発明の太陽電池では、ＺｎＯの吸収端波長である
０. ４μｍ付近まで光励起されたキャリアが収集されて
いることがわかる。次に、０. ９μｍ以上の長波長領域
の量子効率を見ると、本発明の太陽電池の方が従来の太
陽電池より多くのキャリアを収集していることがわか
る。これは、本発明の太陽電池のＣｕＩｎＳｅ2 膜の成
膜温度が高温であるため、柱状結晶粒状の結晶性に優れ
た膜が得られ、キャリア寿命や拡散長が長くなるためと
考えられる。以上より、本発明の太陽電池は従来の太陽
電池に比べ、広い波長領域で量子効率が向上しており、
光電流が増加していることがわかる。
る量子効率を見ると、従来の太陽電池では、ＣｄＳの吸
収端波長である０. ５２μｍ付近から急激に減少してい
る。これは、ＣｄＳでの光吸収によって生成されたキャ
リアが効率よく取り出せていないためである。これに対
し、本発明の太陽電池では、ＺｎＯの吸収端波長である
０. ４μｍ付近まで光励起されたキャリアが収集されて
いることがわかる。次に、０. ９μｍ以上の長波長領域
の量子効率を見ると、本発明の太陽電池の方が従来の太
陽電池より多くのキャリアを収集していることがわか
る。これは、本発明の太陽電池のＣｕＩｎＳｅ2 膜の成
膜温度が高温であるため、柱状結晶粒状の結晶性に優れ
た膜が得られ、キャリア寿命や拡散長が長くなるためと
考えられる。以上より、本発明の太陽電池は従来の太陽
電池に比べ、広い波長領域で量子効率が向上しており、
光電流が増加していることがわかる。
【００３１】また、表１より開放端電圧も向上している
が、これも本発明の太陽電池のＣｕＩｎＳｅ2 膜の結晶
性が従来の太陽電池の膜に比べ優れているためと考えら
れる。
が、これも本発明の太陽電池のＣｕＩｎＳｅ2 膜の結晶
性が従来の太陽電池の膜に比べ優れているためと考えら
れる。
【００３２】なお、透明絶縁体膜にＡｌ2 Ｏ3 あるいは
ＴｉＯ2 膜を用いた場合も、同様に、従来の太陽電池と
比較して開放端電圧、短絡光電流ともに増加し、変換効
率が向上した。
ＴｉＯ2 膜を用いた場合も、同様に、従来の太陽電池と
比較して開放端電圧、短絡光電流ともに増加し、変換効
率が向上した。
【００３３】実施例２
図３は本発明の１実施例を示す太陽電池の略示断面図で
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＡｌ2 Ｏ3 を２. ５ｗｔ％混入させ
たＺｎＯ膜（ＺｎＯ：Ａｌ）を２. ０μｍ堆積した。そ
の上にI 族III族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてＣｕＩｎ（Ｓ0.25Ｓｅ0.75）2 膜
を基板温度５５０℃で２. ０μｍ蒸着した。この積層膜
を空気中・３００℃で３時間熱処理した後、金属電極５
としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽電池を作製した。
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＡｌ2 Ｏ3 を２. ５ｗｔ％混入させ
たＺｎＯ膜（ＺｎＯ：Ａｌ）を２. ０μｍ堆積した。そ
の上にI 族III族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてＣｕＩｎ（Ｓ0.25Ｓｅ0.75）2 膜
を基板温度５５０℃で２. ０μｍ蒸着した。この積層膜
を空気中・３００℃で３時間熱処理した後、金属電極５
としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽電池を作製した。
【００３４】比較のためにＺｎＯ：Ａｌ膜上にＣｄＳ膜
を０. ５μｍ蒸着した後に、３００℃でＣｕＩｎ（Ｓ
0.25Ｓｅ0.75）2 膜を２. ０μｍ形成し、同様な熱処理
をした後、Ａｕ電極を蒸着して従来の構成の太陽電池を
作製した。ＡＭ１. ５、光強度１００mW/cm2の光を照射
して得られた太陽電池特性を比較した結果を表２に示
す。
を０. ５μｍ蒸着した後に、３００℃でＣｕＩｎ（Ｓ
0.25Ｓｅ0.75）2 膜を２. ０μｍ形成し、同様な熱処理
をした後、Ａｕ電極を蒸着して従来の構成の太陽電池を
作製した。ＡＭ１. ５、光強度１００mW/cm2の光を照射
して得られた太陽電池特性を比較した結果を表２に示
す。
【００３５】
【表２】
【００３６】前記実施例１と同様に、本発明の太陽電池
は従来の太陽電池に比べ全ての特性において優れてい
る。短絡光電流の増加した理由は前記実施例と同様Ｚｎ
ＯとＣｄＳ膜の吸収端波長の違いと高温成膜によるキャ
リア寿命等の伸長によると考えられる。また、開放端電
圧の増加も同様に、高温成膜による結晶性の向上に起因
するが、特に、ＣｕＩｎ（ＳＳｅ）2 膜のような混晶膜
においては成膜温度による結晶性の依存性が顕著であ
り、柱状結晶粒状の優れた結晶性を有する膜を得るには
高温成膜が必要となる。従って、本発明の太陽電池の構
成の方が有利となる。
は従来の太陽電池に比べ全ての特性において優れてい
る。短絡光電流の増加した理由は前記実施例と同様Ｚｎ
ＯとＣｄＳ膜の吸収端波長の違いと高温成膜によるキャ
リア寿命等の伸長によると考えられる。また、開放端電
圧の増加も同様に、高温成膜による結晶性の向上に起因
するが、特に、ＣｕＩｎ（ＳＳｅ）2 膜のような混晶膜
においては成膜温度による結晶性の依存性が顕著であ
り、柱状結晶粒状の優れた結晶性を有する膜を得るには
高温成膜が必要となる。従って、本発明の太陽電池の構
成の方が有利となる。
【００３７】実施例３
図４は本発明の１実施例を示す太陽電池の略示断面図で
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＩＴＯ膜を０. ３μｍ被覆した。次
に、透明絶縁体膜３としてＺｎＯを０. ８μｍ形成し
た。その上にI 族III 族VI族元素からなるカルコパイラ
イト構造半導体薄膜４としてほぼ化学量論比組成となる
ＣｕＩｎＳｅ2 膜を基板温度５２５℃で２. ０μｍ蒸着
した。次に、化学量論比組成であるＣｕＩｎＳｅ2 膜よ
り高いキャリア濃度を有する半導体薄膜９としてＣｕの
組成比が過剰となるＣｕＩｎＳｅ2 膜を０. ２μｍ堆積
した。この積層膜を空気中・３００℃で３時間熱処理し
た後、金属電極５としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽
電池を作製した。ここで、各々のＣｕＩｎＳｅ2 膜を独
立にガラス基板上に作製し、空気中・３００℃で３時間
熱処理した後、電気特性を測定した。その結果、両膜と
もｐ形を示し、キャリア濃度は、化学量論比組成の膜で
は２×１０16/ cm3 、Ｃｕ過剰膜では１×１０20/ cm3
であった。ＡＭ１. ５、光強度１００mW/ cm2 の光を照
射して得られた太陽電池特性を表３に示す。
ある。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＩＴＯ膜を０. ３μｍ被覆した。次
に、透明絶縁体膜３としてＺｎＯを０. ８μｍ形成し
た。その上にI 族III 族VI族元素からなるカルコパイラ
イト構造半導体薄膜４としてほぼ化学量論比組成となる
ＣｕＩｎＳｅ2 膜を基板温度５２５℃で２. ０μｍ蒸着
した。次に、化学量論比組成であるＣｕＩｎＳｅ2 膜よ
り高いキャリア濃度を有する半導体薄膜９としてＣｕの
組成比が過剰となるＣｕＩｎＳｅ2 膜を０. ２μｍ堆積
した。この積層膜を空気中・３００℃で３時間熱処理し
た後、金属電極５としてＡｕを０. １μｍ蒸着して太陽
電池を作製した。ここで、各々のＣｕＩｎＳｅ2 膜を独
立にガラス基板上に作製し、空気中・３００℃で３時間
熱処理した後、電気特性を測定した。その結果、両膜と
もｐ形を示し、キャリア濃度は、化学量論比組成の膜で
は２×１０16/ cm3 、Ｃｕ過剰膜では１×１０20/ cm3
であった。ＡＭ１. ５、光強度１００mW/ cm2 の光を照
射して得られた太陽電池特性を表３に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】表１で示した実施例１の太陽電池と比較す
ると、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜を積層する
ことにより、短絡光電流と曲線因子が向上していること
がわかる。
ると、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜を積層する
ことにより、短絡光電流と曲線因子が向上していること
がわかる。
【００４０】まず、短絡光電流増加の原因を調べるた
め、量子効率を測定した。結果を図２の一点鎖線８に示
す。本実施例の太陽電池の特性である一点鎖線８と実施
例１の太陽電池の特性である直線７を比較すると、短波
長側では特性の違いはほとんどないが、１. ０μｍ以上
の長波長側で本実施例の太陽電池の特性が優れているこ
とがわかる。この理由は、低いキャリア濃度を有する化
学量論比組成のＣｕＩｎＳｅ2 膜と高いキャリア濃度を
有するＣｕ過剰組成のＣｕＩｎＳｅ2 膜の界面にエネル
ギー障壁が生じ、この界面付近で生成されたキャリア
（主に長波長の光で生成されたキャリア）が加速され、
ＺｎＯ膜とＣｕＩｎＳｅ2 膜で形成される空乏層へと移
動し、光電流として取り出されるためである。さらに、
エネルギー障壁の存在によりＡｕ電極界面でのキャリア
再結合を防止している効果も含まれていると考えられ
る。
め、量子効率を測定した。結果を図２の一点鎖線８に示
す。本実施例の太陽電池の特性である一点鎖線８と実施
例１の太陽電池の特性である直線７を比較すると、短波
長側では特性の違いはほとんどないが、１. ０μｍ以上
の長波長側で本実施例の太陽電池の特性が優れているこ
とがわかる。この理由は、低いキャリア濃度を有する化
学量論比組成のＣｕＩｎＳｅ2 膜と高いキャリア濃度を
有するＣｕ過剰組成のＣｕＩｎＳｅ2 膜の界面にエネル
ギー障壁が生じ、この界面付近で生成されたキャリア
（主に長波長の光で生成されたキャリア）が加速され、
ＺｎＯ膜とＣｕＩｎＳｅ2 膜で形成される空乏層へと移
動し、光電流として取り出されるためである。さらに、
エネルギー障壁の存在によりＡｕ電極界面でのキャリア
再結合を防止している効果も含まれていると考えられ
る。
【００４１】また、曲線因子が向上する理由としても、
エネルギー障壁と高キャリア濃度膜（低抵抗膜）の存在
によりＣｕＩｎＳｅ2 膜中の空乏層領域以外の直列抵抗
成分が減少するためと考えられる。
エネルギー障壁と高キャリア濃度膜（低抵抗膜）の存在
によりＣｕＩｎＳｅ2 膜中の空乏層領域以外の直列抵抗
成分が減少するためと考えられる。
【００４２】実施例４
図５に本発明の１実施例である太陽電池の略示断面図を
示す。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＳｎＯ2 を１. ０μｍ形成した。そ
の上にI 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてＣｕＧａＳｅ2 膜を基板温度５５
０℃で２. ０μｍ蒸着した。その上に、高キャリア濃度
半導体薄膜９としてＣｕ、Ｇａ、ＳｅとV 族元素である
Ｐを基板温度５５０℃で同時蒸着してＣｕＧａＳｅ2 ：
Ｐ膜を０. ２μｍ作製した。次に、この積層膜を空気中
・３００℃で３時間熱処理した後にＰｔ電極膜５を０.
１μｍ形成した。ＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ膜のＰの混入量を
２次イオン質量分析で測定した結果、０. ０１atomic％
であった。
示す。透明絶縁体基板１としてガラスを用い、その上に
透明導電膜２としてＳｎＯ2 を１. ０μｍ形成した。そ
の上にI 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構
造半導体薄膜４としてＣｕＧａＳｅ2 膜を基板温度５５
０℃で２. ０μｍ蒸着した。その上に、高キャリア濃度
半導体薄膜９としてＣｕ、Ｇａ、ＳｅとV 族元素である
Ｐを基板温度５５０℃で同時蒸着してＣｕＧａＳｅ2 ：
Ｐ膜を０. ２μｍ作製した。次に、この積層膜を空気中
・３００℃で３時間熱処理した後にＰｔ電極膜５を０.
１μｍ形成した。ＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ膜のＰの混入量を
２次イオン質量分析で測定した結果、０. ０１atomic％
であった。
【００４３】また、ガラス上に蒸着したＣｕＧａＳｅ2
膜とＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ膜を空気中で３００℃、３時間
熱処理した後キャリア濃度を測定したところ、各々１×
１０ 16/ cm3 、１×１０19/ cm3 であった。
膜とＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ膜を空気中で３００℃、３時間
熱処理した後キャリア濃度を測定したところ、各々１×
１０ 16/ cm3 、１×１０19/ cm3 であった。
【００４４】前記実施例と同様な条件の光照射下で太陽
電池特性を測定した結果を表４に示す。比較のため窓層
に（Ｃｄ0.9 Ｚｎ0.1 ）Ｓ膜を１. ０μｍ形成し、基板
温度３５０℃でＣｕＧａＳｅ2 膜のみを作製した従来の
太陽電池の結果も示す。
電池特性を測定した結果を表４に示す。比較のため窓層
に（Ｃｄ0.9 Ｚｎ0.1 ）Ｓ膜を１. ０μｍ形成し、基板
温度３５０℃でＣｕＧａＳｅ2 膜のみを作製した従来の
太陽電池の結果も示す。
【００４５】
【表４】
【００４６】表４より全ての特性が向上していることが
わかる。これは、前記実施例と同様に、ＣｕＧａＳｅ2
の高温成膜による結晶性の向上、窓層の吸収端波長の短
波長化及び高キャリア濃度層であるＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ
膜で形成されるエネルギー障壁の効果によると考えられ
る。
わかる。これは、前記実施例と同様に、ＣｕＧａＳｅ2
の高温成膜による結晶性の向上、窓層の吸収端波長の短
波長化及び高キャリア濃度層であるＣｕＧａＳｅ2 ：Ｐ
膜で形成されるエネルギー障壁の効果によると考えられ
る。
【００４７】
【発明の効果】本発明は、短波長から長波長にいたる広
い範囲の波長の光によって生成されたキャリアを有効に
取り出すことが可能となり、エネルギー変換効率の高い
カルコパイライト構造半導体薄膜を用いた太陽電池が提
供できる。また、公害問題が少なく安全性が高い太陽電
池が提供できる。
い範囲の波長の光によって生成されたキャリアを有効に
取り出すことが可能となり、エネルギー変換効率の高い
カルコパイライト構造半導体薄膜を用いた太陽電池が提
供できる。また、公害問題が少なく安全性が高い太陽電
池が提供できる。
【００４８】また前記本発明の第２番目の太陽電池によ
れば、よりエネルギー変換効率の改善された太陽電池が
提供できる。また前記本発明の第３番目の太陽電池によ
れば、更に高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が
提供できる。
れば、よりエネルギー変換効率の改善された太陽電池が
提供できる。また前記本発明の第３番目の太陽電池によ
れば、更に高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が
提供できる。
【００４９】また前記本発明の第４番目の太陽電池によ
れば、更により一層高いエネルギー変換効率を有する太
陽電池が提供できる。また、透明導電膜を、酸化インジ
ウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれかを主成分とする薄膜
の少なくとも一種である好ましい態様とすることによ
り、更に効率の改善された太陽電池が提供できる。
れば、更により一層高いエネルギー変換効率を有する太
陽電池が提供できる。また、透明導電膜を、酸化インジ
ウム、酸化錫、酸化亜鉛のいずれかを主成分とする薄膜
の少なくとも一種である好ましい態様とすることによ
り、更に効率の改善された太陽電池が提供できる。
【００５０】また、前記本発明の第２または４番目の太
陽電池に於いて、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である好ましい態様とすることにより、
更に効率の改善された太陽電池が提供できる。
陽電池に於いて、透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の
少なくとも一種である好ましい態様とすることにより、
更に効率の改善された太陽電池が提供できる。
【００５１】また、前記本発明の第３または４番目の太
陽電池に於いて、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
が、I 族元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元
素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜、あるい
は、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造
半導体薄膜にV 族元素を混入させた半導体薄膜である好
ましい態様とすることにより、製造がより容易な太陽電
池が提供できる。
陽電池に於いて、高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
が、I 族元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元
素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜、あるい
は、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造
半導体薄膜にV 族元素を混入させた半導体薄膜である好
ましい態様とすることにより、製造がより容易な太陽電
池が提供できる。
【図１】本発明の１実施例である太陽電池の構成を示す
概略断面図。
概略断面図。
【図２】光波長に対する量子効率の変化を示す図。
【図３】本発明の１実施例である太陽電池の構成を示す
概略断面図。
概略断面図。
【図４】本発明の１実施例である太陽電池の構成を示す
概略断面図。
概略断面図。
【図５】本発明の１実施例である太陽電池の構成を示す
概略断面図。
概略断面図。
１ 透明絶縁体基板
２ 透明導電膜
３ 透明絶縁体膜
４ I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造
半導体薄膜 ５ 金属電極膜 ６ 従来の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ７ 実施例１の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ８ 実施例３の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ９ 高キャリア濃度を有する半導体薄膜
半導体薄膜 ５ 金属電極膜 ６ 従来の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ７ 実施例１の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ８ 実施例３の太陽電池の波長に対する量子効率の変化 ９ 高キャリア濃度を有する半導体薄膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭64−28968（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−369871（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−29361（ＪＰ，Ａ)
特開 昭50−152684（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 31/04
Claims (6)
- 【請求項１】 透明絶縁体基板上に形成された下部電極
となる透明導電膜上に、透明絶縁体膜、I 族III 族VI族
元素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜、上部電
極となる金属膜あるいは透明導電膜を順に積層してなる
太陽電池。 - 【請求項２】 透明絶縁体基板上に形成された下部電極
となる透明導電膜上に、透明絶縁体膜、I 族III 族VI族
元素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜、前記カ
ルコパイライト構造半導体薄膜より高いキャリア濃度を
有する半導体薄膜、上部電極となる金属膜あるいは透明
導電膜を順に積層してなる太陽電池。 - 【請求項３】 透明導電膜が、酸化インジウム、酸化
錫、酸化亜鉛のいずれかを主成分とする薄膜の少なくと
も一種である請求項１または２に記載の太陽電池。 - 【請求項４】 透明絶縁体膜が酸化亜鉛、酸化チタン、
酸化アルミニウムのいずれかを主成分とする薄膜の少な
くとも一種である請求項１または２に記載の太陽電池。 - 【請求項５】 高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
が、I 族元素の組成比率が過剰であるI 族III 族VI族元
素からなるカルコパイライト構造半導体薄膜である請求
項２に記載の太陽電池。 - 【請求項６】 高いキャリア濃度を有する半導体薄膜
が、I 族III 族VI族元素からなるカルコパイライト構造
半導体薄膜にV 族元素を混入させた半導体薄膜である請
求項２に記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18124293A JP3397213B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18124293A JP3397213B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0738128A JPH0738128A (ja) | 1995-02-07 |
| JP3397213B2 true JP3397213B2 (ja) | 2003-04-14 |
Family
ID=16097285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18124293A Expired - Lifetime JP3397213B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3397213B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| 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 |
-
1993
- 1993-07-22 JP JP18124293A patent/JP3397213B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0738128A (ja) | 1995-02-07 |
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