JP3444700B2 - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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JP3444700B2
JP3444700B2 JP20971495A JP20971495A JP3444700B2 JP 3444700 B2 JP3444700 B2 JP 3444700B2 JP 20971495 A JP20971495 A JP 20971495A JP 20971495 A JP20971495 A JP 20971495A JP 3444700 B2 JP3444700 B2 JP 3444700B2
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幹彦 西谷
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隆博 和田
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー変換効
率の高い太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の化合物薄膜を用いた太陽電池は、
図3に示すように広いバンドギャップを持つ化合物半導
体薄膜4(窓層として機能する)と狭いバンドギャップ
を持つ化合物薄膜3(吸収層として機能する)のヘテロ
接合で構成されている。通常は、太陽電池の窓層に適し
た広いバンドギャップ(>2.4eV)を持つp型半導
体薄膜があまり存在しないことや少数キャリアの拡散長
が電子のほうが長いことから窓層としてn型半導体を吸
収層としてp型半導体を用いる。
【0003】より高いエネルギー変換効率を得るために
必要とされる条件は、より多くの光電流を得るための光
学的な最適設計と、界面または特に吸収層においてキャ
リアの再結合のない高品質なヘテロ接合及び薄膜を作る
ことである。高品質なヘテロ界面は、窓層と吸収層の組
合せと関係が深く、従来CdS/CdTe系やCdS/
CuInSe2 系において有用なヘテロ接合が得られて
いる。また、太陽電池の高効率化の試みとして、より広
いバンドギャップをもつ半導体、たとえば、図3に示し
た窓層の半導体薄膜4としてCdZnS等の試みによっ
て、太陽光の短波長光の感度向上がはかられている。さ
らに、CdSやCdZnSの入射光側には、それらの薄
膜よりバンドギャップの大きな半導体5、たとえば、Z
nO薄膜などを配することより再現性の高い高性能な太
陽電池が得られる提案されている。なお、透明導電膜7
としては、ITO(インジウム−スズ−酸化物合金)ま
たは、ZnO:Alなどが好適である。
【0004】
【発明が解決すべき課題】従来技術の化合物薄膜ヘテロ
接合型太陽電池の場合の共通する1つの課題は、窓層の
バンドギャップによってその太陽電池における短波長感
度がほとんど決まることである。図4の(a)線は、図
3に示した構成の太陽電池において、CdSの窓層を用
いた場合のバンドギャップ付近における量子効率を示し
ている。また、図4の(a´)線は、CdZnSの窓層
を用いた場合のバンドギャップ付近における量子効率を
示している。(a´)線の場合においては、窓層の広バ
ンドギャップ化によって得られる光電流を向上させるこ
とができるが、窓層としてCdSを用いた場合に比べて
得られる開放端電圧が少し低下する傾向があり、結果と
して変換効率を大きく向上させることは達成できていな
い。この原因として、CdZnS薄膜と光吸収層半導体
で形成されたヘテロ接合の品質が、CdS薄膜とその光
吸収層半導体とのものに比べて、低下してしまうことに
よると考えられる。
【0005】さらに、SnO2、ITO及びZnOなど
の透明導電膜(バンドギャップ>3.0eV)と吸収層と
のショットキー接合の太陽電池も考えられる。この太陽
電池の場合は、短波長の感度が飛躍的に向上するが、C
dSを窓層に用いた場合に比べ、開放端電圧が若干低下
するのと同様に、製造プロセス上の再現性においても困
難がある。このことは、半導体薄膜の表面状態や幾何学
的形状に起因する。接合を作る半導体薄膜の相手が非常
に電気伝導性の高い膜であるために、表面状態が不均一
であったりゴミなどの付着等または激しい半導体薄膜表
面の凹凸に対して、ショットキー接合は、非常に敏感で
局部的な短絡が生じやすく、そのことが素子全体の特性
を大きく悪化させる原因となる。
【0006】本発明は、前記従来技術の問題を解決する
ため、光電流及び開放端電圧が共に大きくとれ、製造プ
ロセス上も安定した太陽電池の構成を提供し、結果とし
てエネルギー変換効率の高い太陽電池を提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の太陽電池は、絶縁基板と、下部電極と、伝
導型P型からなる第1の半導体薄膜と、その半導体薄膜
と接合を形成するための伝導型N型からなる第2の半導
体薄膜と、前記第2の半導体薄膜より大きなバンドギャ
ップを持ちかつ電子親和力が同程度の伝導型N型からな
る第3の半導体薄膜と、前記第3の半導体薄膜の電子親
和力と同程度またはそれ以上であってかつ価電子帯のト
ップのエネルギーレベルが前記半導体薄膜3のそれに比
べて低いレベルの伝導型N型からなる第4の半導体薄膜
と透明電極をこの順序に積層してなり、前記第2の半導
体薄膜がCdS、第3の半導体薄膜がZnOまたはIn
2 3 、第4の半導体薄膜がSnO 2 であるという構成を
備えたものである。
【0008】記構成においては、第3の半導体薄膜
が、厚さ50〜500nmの範囲のZnOであることが
好ましい。
【0009】また前記構成においては、第1の半導体薄
膜がP型CuInSe2 、CuInS2 、CuGaSe
2 薄膜、及びそれらの組み合わせによる混晶系薄膜から
選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
【0010】また前記構成においては、第4の半導体薄
膜がP型CdTe薄膜であることが好ましい。さらに本
発明の好ましい例は、前記絶縁基板上に形成された半導
体薄膜がP型のCuInSe2、CuInS2、CuGa
Se2薄膜またはそれらの組み合わせによる混晶系薄膜
もしくはP型CdTe薄膜からなりかつその半導体薄膜
と接合を形成するための半導体薄膜がCdSであり、そ
の上にZnOがあり、ホールブロッキング層としてSn
2 を配し、透明電極として低抵抗ZnOまたはITO
薄膜を設けてなるものである。
【0011】本発明は、従来構成の太陽電池の構造に加
えて、透明電極の内側にホールブロッキング層を挿入し
たことによって、窓層側で発生する少数キャリアである
ホールの透明電極層での再結合が抑制される。その結
果、p型半導体光吸収層と接合を形成している窓層で発
生するホールを光電流として獲得できるようになる。以
上の作用により、従来構成の太陽電池に比べ短波長光を
有効に取り込める構造を実現でき、高いエネルギー変換
効率を得ることが可能となった。
【0012】
【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)図1(a)には本発明の太陽電池の一構成
を示しており、図2にはその構成のバンド図を示してい
る。これらの構造が上下しても、太陽光の入射が上部電
極側から行なわれるか、または下部電極側から行なわれ
るかの相違だけで本質的な違いはない。以下に図1
(a)の構成について説明する。絶縁基板としてガラス
基板1の表面にMo電極2をスパッタ法により、厚さ1
μmに形成し、その上にp型のCuInSe2 薄膜3を
Cu,In,Seの三源蒸着法で2〜3μm程度の膜厚
で形成した。接合の形成のための半導体層4として、C
dS薄膜を溶液析出法によって、500オングストロー
ム(50nm)の厚さに形成した。そのあと、スパッタ
リングによって中間半導体5として高抵抗のZnO薄膜
を、厚さ0.3μmに形成した。さらに、ホールブロッ
キング層6として、SnO2 をスパッタリングによって
厚さ500オングストローム(50nm)に形成し、透
明導電膜7としてAlをドープした低抵抗ZnO薄膜ま
たはITO薄膜をスパッタリングで厚さ0.5μmに形
成した。ZnOの電子親和力はCuInSe2 と同程度
であり、本発明の構成を実現する中間層の材料としては
好適である。中間半導体5の高抵抗ZnO薄膜の厚さ
は、太陽電池の特性に敏感である。安定した太陽電池特
性を得るためには、その膜厚として500オングストロ
ーム(50nm)程度以上必要であり、500オングス
トローム(50nm)程度以上0.5μm(500n
m)以下の膜厚において最適な太陽電池特性を得ること
ができる。その膜厚がさらに厚くなると、太陽電池特性
における短絡光電流の低下と曲線因子の劣化が生じエネ
ルギー変換効率が低下する。
【0013】SnO2 の電子親和力は、CuInSe2
より若干深く中間層のZnOとSnO2 とのバンド構造
の接続状態は、図2の半導体層5と6に示したような関
係となる。SnO2 の価電子帯のトップがZnOのそれ
に比べて下のレベルにあることによって、ホールに対す
る障壁(ホールブロッキング層)となり、図2に示し
た、半導体層5(ここでは、ZnO層)で生じたホール
が透明電極に数多く存在している電子との再結合を阻止
できる。その結果、それらのホールは、光電流として獲
得できることになる。図4(b)に本発明の太陽電池の
量子効率の波長依存性を示している。従来構成における
太陽電池の量子効率に比べ、短波長域が優れている。こ
の効果は、ホールブロッキング層を設けたことによって
中間層のZnO薄膜がこの波長域の光吸収層の機能を果
たしているためである。図5(b)には本発明の太陽電
池の特性(AM1.5、100mW/cm2 照射時)を
従来構造の太陽電池の特性(図5(a))とともに示し
ている。前記したように、短波長域でのホールの獲得に
より、短絡光電流及び開放端電圧ともに優れた特性を示
している。同様にCuInS2 薄膜、Cu(In,G
a)Se2 薄膜、Cu(In,Ga)(Se,S)2
光吸収層とした場合においても、従来構造に比べホール
ブロッキング層を導入した本発明の構造において短波長
域でのホールの獲得により短絡光電流及び開放端電圧と
もに優れた特性を示した。
【0014】(実施例2)本発明の別の実施例を以下に
示す。図1(b)には本発明の太陽電池の一構成を示し
ており、図2にはその構成のバンド図を示している。こ
れらの構造が上下しても、太陽光の入射が上部電極側か
ら行なわれるか下部電極側から行なわれるかの相違だけ
で本質的な違いはない。以下に図1(b)の構成につい
て説明する。絶縁基板としてガラス基板1に形成したI
TOからなる透明電極7の上にホールブロッキング層6
としてSnO2 をスパッタリングによって厚さ500オ
ングストローム(50nm)に形成し、そのあと、スパ
ッタリングによって中間半導体5として高抵抗のZnO
薄膜を厚さ0.3μmに形成する。続いて接合形成のため
のN型半導体層4としてCdS薄膜を溶液析出法または
真空蒸着法によって、500オングストロームの膜厚に
形成し、さらにCdTe薄膜3を近接昇華法またはホッ
トウオール法などの550℃以上の基板温度で形成可能
な方法で形成し、PN接合を作製する。CdTe薄膜3
の表面の電極8としては、グラファイトまたはAuをも
ちいる。SnO2 の電子親和力は、中間層のZnOに比
べて若干深く、ZnOとSnO2 とのバンド構造の接続
状態は、図2の半導体層5と6に示したような関係とな
る。図2に示したようにSnO2 の価電子帯のトップが
ZnOのそれに比べて下のレベルにあることによって、
ホールに対する障壁(ホールブロッキング層)となり、
図2に示した、半導体層5(ここでは、ZnO層)で生
じたホールが透明電極に数多く存在している電子との再
結合を阻止できる。その結果、それらのホールは、光電
流として獲得できることになる。
【0015】図4の(b)線に本発明の太陽電池の量子
効率の波長依存性を示す。(b)線から明らかな通り、
従来構成における太陽電池の量子効率に比べ、短波長域
が優れている。この効果は、ホールブロッキング層を設
けたことによって中間層のZnO薄膜がこの波長域の光
吸収層の機能を果たしているためである。
【0016】図5(b)には本発明の太陽電池の特性
(AM1.5、100mW/cm2 照射時)を従来構造
の太陽電池の特性(図5(a))とともに示している。
すでに、述べたように短波長域でのホールの獲得により
短絡光電流及び開放端電圧ともに優れた特性を示してい
る。
【0017】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、絶
縁基板と、下部電極と、伝導型P型からなる第1の半導
体薄膜と、その半導体薄膜と接合を形成するための伝導
型N型からなる第2の半導体薄膜と、前記第2の半導体
薄膜より大きなバンドギャップを持ちかつ電子親和力が
同程度の伝導型N型からなる第3の半導体薄膜と、前記
第3の半導体薄膜の電子親和力と同程度またはそれ以上
であってかつ価電子帯のトップのエネルギーレベルが前
記半導体薄膜3のそれに比べて低いレベルの伝導型N型
からなる第4の半導体薄膜と透明電極をこの順序に積層
してなるという構成を備えたことにより、光電流及び開
放端電圧が共に大きくとれ、製造プロセス上も安定した
太陽電池の構成を提供し、結果としてエネルギー変換効
率の高い太陽電池を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の太陽電池の模式的断面図
で、(a)は実施例1の太陽電池の模式的断面図、
(b)は実施例2の太陽電池の模式的断面図。
【図2】 本発明の太陽電池のバンド図。
【図3】 従来の太陽電池のバンド図。
【図4】 本発明及び従来の太陽電池の量子効率の波長
依存性を示す図。
【図5】 本発明及び従来の太陽電池の電流−電圧特性
(AM1.5、100mW/cm2照射時)を示す図。
【符号の説明】
1 絶縁基板 2 下部電極 3 第1の半導体薄膜(CuInSe2 、CdTe) 4 第2の半導体薄膜(CdS) 5 第3の半導体薄膜(ZnO) 6 第4の半導体薄膜(ホールブロッキング層、SnO
2 ) 7 透明電極 8 透明電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 隆博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−232436(JP,A) 特開 平7−74376(JP,A) 特開 平5−218475(JP,A) 特開 平6−338624(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板と、下部電極と、伝導型P型か
    らなる第1の半導体薄膜と、その半導体薄膜と接合を形
    成するための伝導型N型からなる第2の半導体薄膜と、
    前記第2の半導体薄膜より大きなバンドギャップを持ち
    かつ電子親和力が同程度の伝導型N型からなる第3の半
    導体薄膜と、前記第3の半導体薄膜の電子親和力と同程
    度またはそれ以上であってかつ価電子帯のトップのエネ
    ルギーレベルが前記半導体薄膜3のそれに比べて低いレ
    ベルの伝導型N型からなる第4の半導体薄膜と透明電極
    をこの順序に積層してなり、前記第2の半導体薄膜がC
    dS、第3の半導体薄膜がZnOまたはIn 2 3 、第4
    の半導体薄膜がSnO 2 である太陽電池。
  2. 【請求項2】 第3の半導体薄膜が、厚さ50〜500
    nmの範囲のZnOである請求項1に記載の太陽電池。
  3. 【請求項3】 第1の半導体薄膜がP型CuInS
    2、CuInS2、CuGaSe2薄膜、及びそれらの
    組み合わせによる混晶系薄膜から選ばれる少なくとも一
    つである請求項に記載の太陽電池。
  4. 【請求項4】 第4の半導体薄膜がP型CdTe薄膜で
    ある請求項に記載の太陽電池。
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