JP3646940B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、高い変換効率の得られる太陽電池に関する。さらに詳しくはバンドギャップの広い構造のヘテロ接合型の太陽電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、太陽電池の基本的な構造については、数多くの提案がなされている。通常のヘテロ接合型の太陽電池は、図2(a)に示したようなバンドギャップの広い半導体(窓層)4と、バンドギャップが約1.5eV程度(あるいはそれ以下)の半導体(光吸収層)3との異種・異伝導型接合を構成し、図2(b)のようなバンドプロファイルしてなる。たとえば、CdS/CdTeやCdS/CuInSe2 などである。さらに、高い変換効率を得るために傾斜組成層を太陽電池の構造に導入する提案がなされている。その多くの場合は、バンドギャップの大きい半導体(窓層)に導入されている。たとえば、a−SiC/a−SiやAlGaAs/GaAsなどの構造がそうである。これらの構造は、バンドギャップの大きい半導体(窓層)に傾斜組成層を導入してより多くの光電流を獲得しようとする構造である。
【0003】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら上記従来のヘテロ接合型の太陽電池でも光−電力の変換効率は12.2〜13.1%程度であった。
【0004】
本発明の目的は従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、さらに性能のすぐれた太陽電池を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の太陽電池は、半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなることを特徴とする。
【0006】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1ーXSeXよりなることが好ましい。
また、前記構成の太陽電池で、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1ーXSeXよりなることが好ましい。
【0007】
また、前記構成の太陽電池で、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1ーXGaXSe2よりなることが好ましい。
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1ーXGaXSe2よりなることが好ましい。
【0008】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1ーXSX)2 よりなることが好ましい。
【0009】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1ーXSX)2 よりなることが好ましい。
【0010】
【作用】
本発明の太陽電池は、半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなっている。このように構成することにより、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、高い開放端電圧を得ることができる。
【0011】
また、太陽電池の前記構成で、前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1ーXSeXよりなる好ましい構成によれば、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0012】
また、太陽電池の前記構成で、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1ーX SeX よりなるので、CdS薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0013】
また、前記構成の太陽電池において、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1ーXGaXSe2 よりなる好ましい形態によれば、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0014】
また、前記構成の太陽電池において、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1ーX GaXSe2よりなる好ましい形態によれば、CdS薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0015】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1ーXSX)2 よりなるので、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0016】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1ーXSX)2 よりなるので、CdS薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【0017】
すなわち、本発明の太陽電池は、上記のように傾斜組成層を導入しているので、量子効率の波長依存性が影響されることなく、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できると同時に光電流は、従来構成のヘテロ接合型太陽電池と遜色はない。
【0018】
【実施例】
以下に本発明の太陽電池の実施例を図面を参照しながら説明する。
(実施例1)
図1は本発明の1実施例の概略を示す図である。図1(a)には、本発明の太陽電池の構造の断面図を示しており、(b)にはヘテロ接合部(傾斜組成層を含む)のバンド図を示し、(b)中の破線は、従来構造のヘテロ接合型太陽電池の場合(傾斜組成層のないもの)における接合のバンド図である。バンドベンディングを生じている領域pは、空乏層を示している。
【0019】
図1において1はガラス基板などの絶縁基板であり、この基板1に下部電極2としてMo薄膜が膜厚1μm程度に成膜され、この下部電極2の上に透明上部電極としてITO薄膜5が膜厚0.5μm程度に成膜されている。本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層4/傾斜組成層6/半導体光吸収層3の構造は、CdS半導体窓層4(膜厚0.1μm)/CdTe1ーXSeX傾斜組成層6/CdTe半導体光吸収層3(膜厚3μm)によって構成されている。この構造において、CdS層に接するCdTe1ーXSeX層のXの値は0.20であり、CdTe層に接するCdTe1ーXSeX層のXの値は0.0である。また、CdTe1ーXSeX層の膜厚は、空乏層幅pとほぼ同程度になるように、例えば0.2〜1.0μmに最適設計する。
【0020】
CdTe1ーXSeXの傾斜組成層6の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。以上のように、CdTe1ーXSeXの傾斜組成層6の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のCdTe1ーXSeX傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。
【0021】
ここで作製したCdTe1ーXSeX傾斜組成層6はp型でそのホール濃度は、CdTe薄膜と同様に約1×1015cm-3であったので、CdTe1ーXSeX傾斜組成層の膜厚は、0.7μm程度にした。
【0022】
図3に本実施例による太陽電池の量子効率の波長依存性をA’で示し、比較のため従来例の太陽電池による量子効率の波長依存性をAで示した。両者の量子効率には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が期待できる。
【0023】
図4には、AM1.5、100mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Aに比べ、本発明の太陽電池の特性A’の方が高い開放端電圧が得られた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来例の太陽電池で12.2%(Jsc=22.5mA/cm2, Voc=0.750V,FF=0.720)、本実施例の太陽電池で14.1%(Jsc=22.2mA/cm2,Voc=0.890V,FF=0.715)であった。
【0024】
(実施例2)
前記実施例1の太陽電池の構造と同様に、ガラス基板などの絶縁基板1に下部電極2としてMo薄膜が膜厚1μm程度に成膜され、この下部電極2の上に透明上部電極としてITO薄膜5が膜厚0.5μm程度に成膜されている。この上に本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層4/傾斜組成層6/半導体光吸収層3の層が形成されている。本実施例でも上記実施例と同様に、半導体窓層4がCdSにより膜厚0.1μmに形成されている。
【0025】
ただし、本実施例では、傾斜組成層6をCuIn1ーXGaXSe2 から形成し、半導体光吸収層3はCuInSe2 から膜厚2μmに形成している点で上記実施例1とは異なっている。また、本実施例のCdS半導体窓層4に接するCuIn1ーXGaXSe2傾斜組成層6のXの値は0.15であり、CuInSe2層に接するCuIn1ーXGaXSe2層のXの値は0.0である。また、CuIn1ーXGaX Se2 層の膜厚は、空乏層幅pとほぼ同程度になるよう最適設計する必要がある。CuIn1ーXGaXSe2 層の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。従って、この傾斜組成層6の膜厚は、例えば、0.2〜1.0μmとする。
【0026】
以上のように、CuIn1ーXGaXSe2 傾斜組成層の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のCuIn1ーXGaXSe2 傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。ここで作製したCuIn1ーXGaXSe2 傾斜組成層はp型でそのホール濃度は、CuInSe2薄膜と同様に約5×1015cm-3であったのでCuIn1ーXGaXS2傾斜組成層の膜厚は、0.3μm程度にした。
【0027】
本実施例の太陽電池と従来例とについて、量子効率の波長依存性のを図3のB、B’(B:従来構造、B’:本発明の構造)に示している。この両者には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が得られている。
【0028】
図4には、AM1.5、100mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Bに比べ、本発明の太陽電池の特性B’の方が高い開放端電圧を示していた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来構造の太陽電池で13.1%(Jsc=40.5mA/cm2,Voc=0.455V,FF=0.710)、本実施例による太陽電池で 15.3%(Jsc=40.4mA/cm2,Voc=0.528V,FF=0.715)であった。
【0029】
(実施例3)
前記実施例1の太陽電池の構造と同様に、ガラス基板などの絶縁基板1に下部電極2としてMo薄膜が膜厚1μm程度に成膜され、この下部電極2の上に透明上部電極としてITO薄膜5が膜厚0.5μm程度に成膜されている。この上に、本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層4/傾斜組成層6/半導体光吸収層3の層が形成されている。本実施例でも上記実施例と同様に、半導体窓層4がCdSにより膜厚0.1μmに形成されている。
【0030】
ただし、本実施例では、傾斜組成層6をCuIn(Se1ーX SX )2 から形成し、半導体光吸収層3はCuInSe2 から膜厚2μmに形成している点で上記実施例1および実施例2とは異なっている。また、本実施例のCdS層に接するCuIn(Se1ーX SX )2 傾斜組成層6のXの値は0.20であり、CuInSe2 半導体光吸収層3に接するCuIn(Se1ーXSX )2のXの値は0.0である。また、CuIn(Se1ーX SX)2の膜厚は、空乏層幅pとほぼ同程度になるよう最適設計する必要がある。CuIn(Se1ーX SX )2 層の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。従って、この傾斜組成層6の膜厚は、例えば、0.2〜1.0μmとする。
【0031】
以上のように、CuIn(Se1ーXSX)2 の傾斜組成層6の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のCuIn(Se1ーXSX)2 傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。ここで作製したCuIn(Se1ーXSX)2 傾斜組成層6はp型でそのホール濃度は、CuInSe2 薄膜と同様に約2×1015cm-3であったので、CuIn1ーXGaXSe2 傾斜組成層6の膜厚は0.3μm程度にした。
【0032】
本実施例の太陽電池と従来例とについて、量子効率の波長依存性のを図3のC、C’(C:従来構造、C’:本実施例の構造)に示している。この両者には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が得られている。
【0033】
図4には、AM1.5、100mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Cに比べ、本実施例の太陽電池の特性C’の方が高い開放端電圧を示していた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来構造の太陽電池で13.1%(Jsc=40.5mA/cm2,Voc=0.455V,FF=0.710)、本実施例による太陽電池で15.1%(Jsc=40.2mA/cm2,Voc=0.555V,FF=0.675)であった。
【0034】
【発明の効果】
上述のように、本発明の太陽電池によれば半導体光吸収層と半導体窓層の間に該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ前記半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を有し、かつその膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなっているので、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、高い解放電圧を得ることができ、エネルギー変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図2】従来の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図3】従来及び本発明の太陽電池の量子効率の波長依存性を示す図である。
【図4】従来及び本発明の太陽電池の太陽電池特性(電流−電圧特性)を示す図である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 下部電極
3 半導体光吸収層
4 半導体窓層
5 透明導電層
6 傾斜組成層
Claims (7)
- 半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなることを特徴とする太陽電池。
- 前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1-XSeXよりなる請求項1に記載の太陽電池。
- 前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCdTe薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCdTe1-XSeXよりなる請求項1に記載の太陽電池。
- 前記半導体光吸収層がCuInSe2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1-XGaXSe2よりなる請求項1に記載の太陽電池。
- 前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn1-XGaXSe2よりなる請求項1に記載の太陽電池。
- 前記半導体光吸収層がCuInSe2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1-XSX)2よりなる請求項1に記載の太陽電池。
- 前記半導体窓層がCdS薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がCuInSe2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がCuIn(Se1-XSX)2よりなる請求項1に記載の太陽電池。
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