JP3646953B2

JP3646953B2 - 太陽電池

Info

Publication number: JP3646953B2
Application number: JP27196096A
Authority: JP
Inventors: 幹彦西谷; 卓之根上; 直樹小原; 隆博和田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH10117005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率な薄膜太陽電池の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜太陽電池の中でＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜太陽電池を用いたものが最も高い変換効率（１７％以上）を示す可能性が示されている。これらの技術については、たとえば、Blossらによる解説（progress in photovoltaic, 3(1995) p3）に詳しく述べられている。通常、ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜太陽電池においては、サブストレイト型構造（光の入射がセル側のもの、図２参照）においてより高い変換効率を得ることができる。この理由としては、光吸収層の作製プロセス温度や接合の構造に関係している。ＣｕＩｎＳｅ₂薄膜太陽電池においては、高品質なＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂やＣｕＩｎ（Ｓ，Ｓｅ）₂などのＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜を作製するためには、プロセス温度として５００℃以上の温度が必要である。この温度での接合の相手であるＣｄＳ薄膜は、ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜からの主にＣｕの拡散が生じ、良好な接合ができないのに対し、Ｍｏ電極との間においてはＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜とのオーミック性やＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜の膜品質を損なわない。その結果、ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜太陽電池では、ガラス／裏面電極（Ｍｏ）／ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜／ＣｄＳ／透明導電膜（たとえば、ＺｎＯ／ＩＴＯあるいはＺｎＯ／ＺｎＯ：Ａｌなど）のようなサブストレイト型構造において高い変換効率が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
すでに述べたように、ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜太陽電池は、サブストレイト型構造で１７％以上の変換効率が実現されており、薄膜太陽電池としては最も高性能な太陽電池である。しかし、さらにその太陽電池を高性能にするためには、図２に示したＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜の結晶粒界（図中Ｐ）の表面部（図中Ｑ）付近においての接合特性が、結晶粒界のない表面部（図中Ｒ）の接合特性に比べ悪く、変換効率が１５％を越えるセルにおいての接合のもれ電流の主な原因の一つである。また、結晶粒界以外の部分においても、接合部の表面積は、薄膜表面の凹凸のため、通常平らな場合の面積に比べ大きく、接合部の漏れ電流の増加する主な原因のもう一つである。本発明の課題は、ＣｕＩｎＳｅ₂系薄膜表面に露出している結晶粒界部などの漏れ電流をより少なくすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の太陽電池は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された裏面電極と、前記裏面電極上に電気伝導型ＰタイプＡＢＣ₂（Ａ＝Ｃｕ、Ｂ＝Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１元素、Ｃ＝Ｓｅ）型カルコパイライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よりなるｐｎ接合を有し、その上に透明電極を設けてなる太陽電池において、前記ＡＢＣ₂型カルコパイライト半導体薄膜とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を１００オングストローム（１０ｎｍ）以下の膜厚で設け、前記高抵抗な薄膜がＣｕＩｎＳ₂であり、前記ＡＢＣ₂型カルコパイライト型半導体薄膜が、ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＧａＳｅ₂又はそれらの混晶系薄膜であることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【０００６】
（実施の形態１）
本発明の太陽電池の構造を図１に示す。１はガラス基板である。２は下部電極であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３は光吸収層であり、たとえばＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡＢＣ₂（Ａ＝Ｃｕ、Ｂ＝Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１元素、Ｃ＝Ｓｅ）型カルコパイライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯあるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａなど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計する。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドープされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。６は、前記光吸収層３の表面に現れている結晶粒界を覆うように形成された高抵抗な薄膜である。化学量論比組成から少しＩｎ過剰なＣｕＩｎＳ₂薄膜は、光吸収層４の品質を損なわず結晶粒界にのみ選択的に形成するのに適した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよい。
【０００７】
図５には、高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の太陽電池特性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。変換効率は、前者が、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.617V,FF=0.696）であり、後者が１６.１％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.648V,FF=0.696）であり、特にVocにおいて特性の改善が見られた。図６には、高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の量子効率の波長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。図６より、高抵抗な薄膜６を形成することによって光電流面での変化は両者に観測されなかった。すなわち、本発明の構造に示したように高抵抗な薄膜６を設けることによって、接合特性の漏れ電流が減少し、VocとFFを改善することができたと考えられる。
【０００８】
（実施の形態２）
本発明の太陽電池の構造を図３に示す。１はガラス基板である。２は、下部電極であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３は、光吸収層であるたとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡＢＣ₂（Ａ＝Ｃｕ、Ｂ＝Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１元素、Ｃ＝Ｓｅ）型カルコパイライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯあるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａなど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計する。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドープされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。７は、前記光吸収層３の表面を覆うように薄く形成された高抵抗な薄膜である。化学量論比組成から少しＩｎ過剰なＣｕＩｎＳ₂薄膜は、高抵抗な薄膜でかつ、光吸収層４の品質を損なわないので、本発明の実現のためには適した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよい。
【０００９】
図５には、高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池（ａ）及び本発明の構造の太陽電池の太陽電池特性（ｂ）を示している。（ｂ）は、高抵抗薄膜６の膜厚が１００オングストローム程度である。変換効率は、（ａ）では、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.617V,FF=0.696）であり、（ｂ）では、１６.１％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.648V,FF=0.696）であった。特にVocにおいて特性の改善が見られた。（ｃ）は、高抵抗薄膜６が５００オングストロームの膜厚の場合の太陽電池特性である。このデータは、本発明の構造において、高抵抗薄膜６の膜の最適化が重要であることを示している。膜厚として１００オングストローム以下の膜厚であることが好ましい。図６には、高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の量子効率の波長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。（ｃ）は、図５の場合と同様に、高抵抗薄膜６が５００オングストロームの膜厚の場合の量子効率の波長依存性である。図６より、１００オングストローム程度の膜厚の高抵抗な薄膜６を形成することによって光電流面での低下は観測されなかった（図６（ｂ）参照）が、５００オングストローム以上のものでは長波長の感度が著しく低下することがわかった（図６（ｃ）参照）。すなわち、本発明の構造図３に示したように高抵抗な薄膜６薄く設けることによって、接合特性の漏れ電流が減少し、VocとFFを改善することができたと考えられる。
【００１０】
（実施の形態３）
本発明の太陽電池の構造を図４に示す。１はガラス基板である。２は、下部電極であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３は、光吸収層であるたとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡＢＣ₂（Ａ＝Ｃｕ、Ｂ＝Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１元素、Ｃ＝Ｓｅ）型カルコパイライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯあるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａなど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計する。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドープされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。８は、前記光吸収層３の表面を覆うように局部的に形成された高抵抗な薄膜である。化学量論比組成から少しＩｎ過剰なＣｕＩｎＳ₂薄膜は、高抵抗な薄膜でかつ、光吸収層４の品質を損なわないので、本発明の実現のためには適した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよい。また、同様にＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＳｉＯ ₂あるいはＳｉ ₃ Ｎ ₄などの絶縁膜を光吸収層４の表面などの品質を保持しつつ局部的に形成してもよい。
【００１１】
図５には高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池（ａ）及び本発明の構造の太陽電池の太陽電池特性（ｂ）を示している。（ｂ）は、高抵抗薄膜６としてＡｌ ₂ Ｏ ₃を局部的に設けたものである。変換効率は、（ａ）では、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.617V,FF=0.696）であり、（ｂ）では、１６.１％（Jsc=35.0mA/cm²,Voc=0.648V,FF=0.696）であった。特にVocにおいて特性の改善が見られた。図６には、高抵抗な薄膜６のない従来構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の量子効率の波長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。すなわち、本発明の構造図４に示したように高抵抗な薄膜６を局部的に設けることによって、接合特性の漏れ電流が減少し、VocとFFを改善することができたと考えられる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高性能な薄膜太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図２】従来の太陽電池の構造を示す図
【図３】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図４】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図５】本発明の太陽電池の特性を示す図
【図６】本発明の太陽電池の特性を示す図
【符号の説明】
１基板
２下部電極
３光吸収層
４窓層
５透明導電膜
６高抵抗膜１
７高抵抗膜２
８高抵抗膜３

Claims

絶縁基板と、
前記絶縁基板上に形成された裏面電極と、
前記裏面電極上に電気伝導型ＰタイプＡＢＣ₂（Ａ＝Ｃｕ、Ｂ＝Ｉｎ及びＧａから選ばれる少なくとも１元素、Ｃ＝Ｓｅ）型カルコパイライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よりなるｐｎ接合を有し、
その上に透明電極を設けてなる太陽電池において、
前記ＡＢＣ₂型カルコパイライト半導体薄膜とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を１００オングストローム（１０ｎｍ）以下の膜厚で設け、
前記高抵抗な薄膜がＣｕＩｎＳ₂であり、
前記ＡＢＣ₂型カルコパイライト型半導体薄膜が、ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＧａＳｅ₂又はそれらの混晶系薄膜であることを特徴とする太陽電池。