JP5125169B2 - Photovoltaic device - Google Patents

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Description

本発明は光電池デバイスに関する。   The present invention relates to a photovoltaic device.

伝統的な光電池デバイスは2つの半導体層の接合に基づいている。1つはp型(主キャリアが正孔)であり、もう1つはn型(主キャリアが電子)である。最も広く用いられている光電池デバイスはSi(シリコン)からなるものである。これは2つのSi層によるホモ接合になっており、2つの層のうち1層はn型となるように不純物をドーピングしてあり、もう1層はp型となるように不純物をドーピングしてある。他の周知の光電池デバイスは、2つの層が異なる半導体材料からなるヘテロ接合になっている。例えば、CdTe/CdSあるいはCuInSe/CdSの層を含む光電池デバイスがこれに該当する。これらの光電池デバイスに共通する特徴は、半導体が、平坦な層が積み重ねられて製造されているという点である。最終製品としての光電池デバイスには、このような2つの半導体層以外に、例えばフロントコンタクトおよび対向電極用の接点層、バッファー層等のような他の付加的な層が設けられることがある。しかし、平坦な積み重ね層に基づく形態は常に保たれている。この光電池デバイスの作動原理は次のようである。すなわち、太陽の日射が接合に侵入すると、光子が両方の半導体層に吸収されて電子/正孔の対に変わる。即ち、電荷の分離が生じ、電子はn型半導体側の電極に、正孔はp型半導体側の電極に移動する、という機構である。
この光電池デバイスの問題点の1つは、高純度の半導体が必要なことと、高純度な半導体に精度よく管理された不純物ドーピング量を有する材料を使用しなければならない点である。これは、電荷の再結合による光電池デバイスの性能低下を避けるためである。異なる電荷のキャリア(電子と正孔)は同じ材料に沿って移動し、不純物、格子欠陥、結晶粒または結晶の粒界その他のような再結合中心が存在すると電気に変換されないで再結合してしまう。この再結合現象は、光電池デバイスの性能に影響を及ぼす重要な損失因子である。高純度および正確な不純物ドーピングに関するプロセスは複雑精巧な製造技術が必要であり製造コストを大幅に増大させる。この種の光電池デバイスを、住宅用太陽電池として家屋の屋根に用いる大面積パネルに使用するように設計する場合、コストはきわめて重要な制約条件である。かかる装置の代表的な公称出力は1〜5キロワット程度(最大出力点において)で、これは10%オーダーの一般的な公称変換効率の場合、10〜30m程度のパネル面積に相当する。
Traditional photovoltaic devices are based on the joining of two semiconductor layers. One is p-type (main carriers are holes), and the other is n-type (main carriers are electrons). The most widely used photovoltaic device is made of Si (silicon). This is a homojunction by two Si layers, one of the two layers is doped with an impurity so as to be n-type, and the other layer is doped with an impurity so as to be p-type. is there. Other known photovoltaic devices are heterojunctions in which the two layers are made of different semiconductor materials. For example, this corresponds to a photovoltaic device including a layer of CdTe / CdS or CuInSe 2 / CdS. A feature common to these photovoltaic devices is that the semiconductor is manufactured by stacking flat layers. In addition to the two semiconductor layers, the photovoltaic device as the final product may be provided with other additional layers such as a contact layer for a front contact and a counter electrode, a buffer layer, and the like. However, a form based on a flat stack is always maintained. The operation principle of this photovoltaic device is as follows. That is, when solar radiation enters the junction, photons are absorbed by both semiconductor layers and turned into electron / hole pairs. That is, the charge is separated, and the electrons move to the n-type semiconductor side electrode and the holes move to the p-type semiconductor side electrode.
One of the problems of this photovoltaic device is that a high-purity semiconductor is required and a material having an impurity doping amount that is accurately controlled in the high-purity semiconductor must be used. This is to avoid performance degradation of the photovoltaic device due to charge recombination. Carriers of different charges (electrons and holes) move along the same material and recombine without being converted to electricity if there are recombination centers such as impurities, lattice defects, crystal grains or crystal grain boundaries, etc. End up. This recombination phenomenon is an important loss factor that affects the performance of photovoltaic devices. Processes relating to high purity and precise impurity doping require complex and sophisticated manufacturing techniques and greatly increase manufacturing costs. Cost is a very important constraint when designing this type of photovoltaic device for use in large-area panels used on residential roofs as residential solar cells. The typical nominal output of such a device is on the order of 1-5 kilowatts (at the maximum power point), which corresponds to a panel area of the order of 10-30 m 2 for a typical nominal conversion efficiency of the order of 10%.

p−nヘテロ接合からなる光電池デバイスの他の問題点としては、毒性化合物の使用にある。毒性化合物とは、例えば、Cd、SeやTeなどの元素を含む化合物である。またInなどの元素は埋蔵量の少ないという問題点もある。   Another problem with photovoltaic devices consisting of pn heterojunctions is the use of toxic compounds. A toxic compound is a compound containing elements, such as Cd, Se, and Te, for example. Another problem is that elements such as In have a small reserve.

硫化アンチモン(とりわけ)からなる量子ドット(数nmサイズ程度の微細な粒子)を用いる貫入セルは、例えば、文献「Vogel et al., J. Phys. Chem. 93, 3183 (1994)」に開示されている。しかし、これは不安定な液体電解質を用いるという欠点がある。米国特許出願番号2002/017656には、量子ドットを用いる他の例が開示されている。その中で、PbS(硫化鉛)からなる組成やSb(硫化アンチモン)などの考えられうる組成を請求している。しかし、それら光電池デバイスは、有機分子からなり空孔を充填する空孔導体物質を使用するという欠点があるため不安定である。いずれにおいても、充分な光電変換効率は得られていない。 An interstitial cell using quantum dots (fine particles of a few nm size) made of antimony sulfide (especially) is disclosed in, for example, the document “Vogel et al., J. Phys. Chem. 93, 3183 (1994)”. ing. However, this has the disadvantage of using an unstable liquid electrolyte. US Patent Application No. 2002/017656 discloses another example using quantum dots. Among them, a composition composed of PbS (lead sulfide) and a possible composition such as Sb 2 S 3 (antimony sulfide) are claimed. However, these photovoltaic devices are unstable due to the drawback of using a hole conductor material made of organic molecules and filling the holes. In any case, sufficient photoelectric conversion efficiency is not obtained.

非特許文献1および非特許文献2に示すように、光を電気に変える他の技術として、製造コストの低さを利点とする新しいタイプの光電池デバイスの形態が提案されている。それは、貫入形態に配置された3種類の固体無機材料に主として基づいており、平坦な積み重ね層の形態とは異なっている。この光電池デバイスは、透光性のあるn型半導体を用いている。この半導体は多孔質膜の形になっていて、この膜の空孔の表面が光吸収体の半導体材料の薄膜で被膜処理され、この膜の空孔は最終的に透光性のあるp型半導体で充填されている。   As shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, as another technique for converting light into electricity, a new type of photovoltaic device that has an advantage of low manufacturing cost has been proposed. It is mainly based on three kinds of solid inorganic materials arranged in an intrusive form and is different from the form of a flat stack layer. This photovoltaic device uses a light-transmitting n-type semiconductor. This semiconductor is in the form of a porous film, and the surface of the pores of this film is coated with a thin film of a semiconductor material of a light absorber. Filled with semiconductor.

この光電池デバイスの作動原理は次のようなものである。太陽光(光子)は光吸収体材料だけに吸収され電子/正孔対が生成する。次いで、電子が透光性のあるn型半導体の方に移動し、一方、正孔はp型半導体の方に移動するという機構である。この原理によれば、反対の符号をもつ電荷キャリアの輸送は別々の物質で行われる。これは、理論的に、電荷の再結合による光電池性能の損失を大きく低減する。半導体の多孔質のナノ結晶膜またはマイクロ結晶膜を用いるのは、入射面積に対して膜の内部に十分な量の光吸収体材料を含むように、十分な内部面積を設けるためである。   The operation principle of this photovoltaic device is as follows. Sunlight (photons) is absorbed only by the light absorber material to generate electron / hole pairs. Next, this is a mechanism in which electrons move toward a light-transmitting n-type semiconductor, while holes move toward a p-type semiconductor. According to this principle, the transport of charge carriers with opposite signs takes place in separate materials. This theoretically greatly reduces the loss of photovoltaic cell performance due to charge recombination. The reason for using the porous nanocrystalline film or microcrystalline film of the semiconductor is to provide a sufficient internal area so that a sufficient amount of light absorber material is included in the film with respect to the incident area.

平坦な積み重ねられた層からなる光電池デバイスに関するこのタイプの貫入形態の基本的な利点は、次の点である。第1に、高純度でなくてもよい安価な材料を用いるので、低製造コストで光電池デバイスを製造可能である(特に、シリコンベースのデバイスの製造に用いられる技術とは対照的に高真空技術を使用する必要がない)。このタイプの貫入形態は、貫入形態のほかのタイプの光電池デバイスに比べて、他にも以下のような利点がある。第1に、分子(文献「Desilvestro et al., J. Amer. Chem. Soc. 107, 2988 (1985)」および米国特許第5,084,365号に開示された周知の色素増感型太陽電池における分子)よりもむしろ光吸収体材料の薄い層を用いるということによって、あるいは量子ドット(数nmサイズ程度の微細な粒子)を用いるということによって、より大きな光電流と光電変換効率とを得ることが可能になっている点である(より多量の光吸収体材料を使用することが可能であること、および、n型およびp型の2つの半導体間の直接接触がないために界面における再結合がないという理由からである)。第2は、固体の無機材料を使用するという事実によって、長期の安定性を得ることが可能になっている点である。他の技術は、液体の電解質を使用しているか、あるいは固体方式の場合でも有機材料の正孔伝導体材料を用いており、これらの電解質や伝導体材料は、高温と太陽の強い放射照度(屋外および屋根上設置の典型的な条件)とに敏感であり、それによって劣化する。   The basic advantages of this type of penetration configuration for photovoltaic devices consisting of flat stacked layers are: First, because inexpensive materials that do not have to be highly pure are used, photovoltaic devices can be manufactured at low manufacturing costs (especially high vacuum technology as opposed to technology used in the manufacture of silicon-based devices). No need to use). This type of penetration configuration has the following other advantages over other types of photovoltaic cell devices. First, the well-known dye-sensitized solar cell disclosed in the molecule (document “Desilvestro et al., J. Amer. Chem. Soc. 107, 2988 (1985)” and US Pat. No. 5,084,365. To obtain a larger photocurrent and photoelectric conversion efficiency by using a thin layer of light absorber material rather than a molecule) or by using quantum dots (fine particles of a few nm size) (Recombination at the interface due to the fact that a larger amount of light absorber material can be used and because there is no direct contact between the two semiconductors, n-type and p-type) Because there is no). Second, the fact that a solid inorganic material is used makes it possible to obtain long-term stability. Other technologies use liquid electrolytes or use organic hole conductor materials, even in the solid state, where these electrolytes and conductor materials have high temperatures and strong solar irradiance ( And typical conditions of outdoor and rooftop installation) and thereby deteriorate.

しかし、全て固体の無機材料を有し貫入形態を用いてこれまでに作られた光電池デバイスはきわめて低い光電変換効率しか得られていない。この概念に基づく事例がいくつかの文献に紹介されている(文献「Tennakone et al., J. Phys. D Appl. Phys. 31, 2326 (1998)」や文献「Kaiser, Koenenkamp et al., Solar Energy Materials & Solar Cells 67, 89 (2001))」。これらの事例では、結晶または結晶粒からなるTiOの多孔質膜を作り、次に、それぞれ電析法またはILGAR法(CuおよびIn前駆体を含浸させ、次いで高温HSガスで処理する)によって析出させたSeまたはCuInSからなる光吸収体を被膜処理し、さらに、CuSCNからなる透光性のあるp型半導体を用いて充填または被覆している。分光感度特性または光吸収効率が明らかにされたが、短絡光電流が非常に低く(10−3または10−4mA/cmより低い)あるいは電流電圧曲線のフィルファクターが非常に低い(0.1より下)ために、光電変換効率は極端に低かった。しかし、光電池デバイスは、大きな光電流がない場合には、少なくとも容認し得る形(つまり、1に近いフィルファクター)の電流電圧曲線を呈するべきである。これは、光電池デバイスの良好な整流ダイオード挙動、内部の電荷輸送に対する低抵抗の良き兆候となるものである。 However, photovoltaic devices that have all been made of solid inorganic materials and have been made using an intrusion form have only achieved very low photoelectric conversion efficiency. Examples based on this concept have been introduced in several literatures (literature "Tennakone et al., J. Phys. D Appl. Phys. 31, 2326 (1998)") and literature "Kaiser, Koenenkamp et al., Solar Energy Materials & Solar Cells 67, 89 (2001)). In these cases, a porous film of TiO 2 made of crystals or crystal grains is made, and then electrodeposition or ILGAR, respectively (impregnated with Cu and In precursors and then treated with high temperature H 2 S gas) The light absorber made of Se or CuInS 2 deposited by the above is coated, and further filled or covered with a light-transmitting p-type semiconductor made of CuSCN. Spectral sensitivity characteristics or light absorption efficiency were revealed, but the short circuit photocurrent is very low (less than 10 −3 or 10 −4 mA / cm 2 ) or the fill factor of the current voltage curve is very low (0. (Below 1), the photoelectric conversion efficiency was extremely low. However, the photovoltaic device should exhibit a current-voltage curve of at least an acceptable form (ie, a fill factor close to 1) in the absence of large photocurrent. This is a good sign of good rectifier diode behavior for photovoltaic devices, low resistance to internal charge transport.

類似のタイプの光電池デバイスが報告されている(文献「Levy-Clement et al., 205th Electrochemical Society Meeting, San Antonio, USA (2004) Abstract 402; Adv Mater. 17, 1512 (2005)」)。これは、ZnO/CdSe/CuSCN材料から作られている。この場合、多孔質のn型半導体ZnOは、幅が100nmより大きく長さが1〜2μmのプリズム形状の結晶から作られている。報告者らは、360W/mの照度において、約2%の光電変換効率であったと記述している。このように改善できた理由を、非常に目の粗い(かつ大きな)空孔サイズの多孔質層を使用した点に帰している。しかし、この構造は、粗さ係数(粗さ係数は多孔質層の内部表面積と入射面積との間の比である)が小さく、10より低いという問題を有している。これは、得ることができる最大光電流を制限し(最大光電流は層内に存在する光吸収体の量と直接関連しているからである)、従って、得ることができる最大光電変換効率を制限する。この問題を解決するには、光吸収体層の厚さを25〜30nm以上厚くする必要がある。しかし、光吸収体層の厚さが厚くなりすぎることで不純物ドーピングが充分に管理されなくなることにより光吸収体層の内部で生じる電荷の再結合によって光電池デバイス性能を劣化させる。 Similar types of photovoltaic devices have been reported (literature "Levy-Clement et al., 205th Electrochemical Society Meeting, San Antonio, USA (2004) Abstract 402; Adv Mater. 17, 1512 (2005)"). It is made from a ZnO / CdSe / CuSCN material. In this case, the porous n-type semiconductor ZnO is made of a prism-shaped crystal having a width larger than 100 nm and a length of 1 to 2 μm. The reporters describe that the photoelectric conversion efficiency was about 2% at an illuminance of 360 W / m 2 . The reason for this improvement can be attributed to the use of a porous layer having a very coarse (and large) pore size. However, this structure has a problem that the roughness coefficient (roughness coefficient is a ratio between the internal surface area and the incident area of the porous layer) is small and lower than 10. This limits the maximum photocurrent that can be obtained (since the maximum photocurrent is directly related to the amount of photoabsorber present in the layer) and thus the maximum photoelectric conversion efficiency that can be obtained. Restrict. In order to solve this problem, it is necessary to increase the thickness of the light absorber layer to 25 to 30 nm or more. However, if the thickness of the light absorber layer becomes too thick, impurity doping is not sufficiently managed, and the recombination of charges generated inside the light absorber layer degrades the photovoltaic device performance.

太陽電池、ショットキー接合や光電気化学セルのような、硫化アンチモンからなる他の光電池デバイスも開示されているが、いずれも2つの主な要素を有する形態である。   Other photovoltaic devices made of antimony sulfide, such as solar cells, Schottky junctions and photoelectrochemical cells, have been disclosed, but all have two main elements.

文献「Deshmukh et al. J. Electrochem. Soc. 141, 1779 (1994)」では、Sbと液体電解質の層からなる半導体/電解質接合を用いる太陽電池が報告されている。これは光電変換効率がとても低いという欠点を持つ。 In the document “Deshmukh et al. J. Electrochem. Soc. 141, 1779 (1994)”, a solar cell using a semiconductor / electrolyte junction composed of a layer of Sb 2 S 3 and a liquid electrolyte is reported. This has the disadvantage that the photoelectric conversion efficiency is very low.

文献「Savadogo et al. J. Phys. D Appl. Phys. 27, 1070 (1994)」や文献「Savadogo et al. Appl. Phys. Lett. 63, 228 (1993)」では、Sb(n型)とSi(p型)もしくはGe(p型)といった純粋な単結晶からなるp−nヘテロ接合に基づく太陽電池が報告されている。この太陽電池は、p型層が大変厚く(500μm)、光吸収体として機能している。この結果、大面積タイプに応用する場合、高額な太陽電池となる問題点がある。 In the literature “Savadogo et al. J. Phys. D Appl. Phys. 27, 1070 (1994)” and literature “Savadogo et al. Appl. Phys. Lett. 63, 228 (1993)”, Sb 2 S 3 (n Type) and a solar cell based on a pn heterojunction composed of a pure single crystal such as Si (p-type) or Ge (p-type) has been reported. This solar cell has a very thick p-type layer (500 μm) and functions as a light absorber. As a result, when applying to a large area type, there exists a problem which becomes an expensive solar cell.

文献「Savadogo et al. J. Electrochem. Soc. 141, 2871 (1994)」では、Sbからなるn型半導体の層を用いる半導体/金属接合(ショットキー接合として知られている)が報告されている。ここで、n型半導体層にWOを含有していても、含有していなくても良い。その層の上には白金や金のような高純度な貴金属の層が析出している。純粋なSb組成の変換効率は0.7%未満で、SbとWOの混合物の変換効率は約5%だった。いずれにおいても、白金層を使用しており、大変低い活性表面積(0.1cm未満)の光電池デバイスである。この種の光電池デバイスは、エレクトロニクス応用には適用できるが、大面積太陽電池には適用できない。接合に貴金属層を使用する必要があるので、光電池デバイスそのものが高価となる。 In the document “Savadogo et al. J. Electrochem. Soc. 141, 2871 (1994)”, a semiconductor / metal junction (known as a Schottky junction) using an n-type semiconductor layer composed of Sb 2 S 3 is reported. Has been. Here, the n-type semiconductor layer may or may not contain WO 3 . A layer of a high purity noble metal such as platinum or gold is deposited on the layer. The conversion efficiency of the pure Sb 2 S 3 composition was less than 0.7% and the conversion efficiency of the mixture of Sb 2 S 3 and WO 3 was about 5%. In any case, a platinum layer is used, which is a photovoltaic device having a very low active surface area (less than 0.1 cm 2 ). This type of photovoltaic device can be applied to electronics applications, but not large area solar cells. Since it is necessary to use a noble metal layer for bonding, the photovoltaic device itself is expensive.

最後に、文献「Rodriguez-Lazcano et al. J. Electrochem. Soc. 152, G635 (2005)」では、Sb層を有する平坦な形態の太陽電池を報告している。しかし、そのSb層は光吸収体としては機能していない。それは、異なる組成からなる層によって実現されている。また、光電変換効率も大変低い結果が示されている(0.01%未満)。 Finally, the document “Rodriguez-Lazcano et al. J. Electrochem. Soc. 152, G635 (2005)” reports a flat solar cell having an Sb 2 S 3 layer. However, the Sb 2 S 3 layer does not function as a light absorber. It is realized by layers of different composition. Moreover, the result of very low photoelectric conversion efficiency is shown (less than 0.01%).

要約すれば、Sbの平坦な層からなるこれら光電池デバイスは、高効率を示しておらず、液体電解質(不安定な)を使用するか、もしくは大変高価な材料(ゲルマニウム単結晶、シリコン単結晶、白金、金)の層を必要とするので、大面積用の太陽電池には使用できない。
Siebentritt, Koenenkamp et al., 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference & Exhibition Proceedings, p. 1823, Barcelona 1997 Rost, Koenenkamp et al., 2nd World Conference & Exhibition Photovoltaic Solar Energy Conversion Proceedings, p 212, Vienna 1998
In summary, these photovoltaic devices consisting of a flat layer of Sb 2 S 3 do not show high efficiency and use liquid electrolytes (unstable) or very expensive materials (germanium single crystal, silicon Since a single crystal, platinum, and gold) layer is required, it cannot be used for a large area solar cell.
Siebentritt, Koenenkamp et al., 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference & Exhibition Proceedings, p. 1823, Barcelona 1997 Rost, Koenenkamp et al., 2nd World Conference & Exhibition Photovoltaic Solar Energy Conversion Proceedings, p 212, Vienna 1998

本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、低コストで、かつ高い光電変換効率を有する光電池デバイスを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a photovoltaic device having low cost and high photoelectric conversion efficiency.

上記した課題を解決するため、本発明の光電池デバイスは、n型半導体としての多孔質な空孔を有するTiO 層と、前記空孔の内部表面に層として形成され前記TiO 層と接触する、硫化アンチモンを含む光吸収体と、前記空孔の内部に貫入し、前記光吸収体に接触するp型半導体としてのCu(I)系化合物を備え、前記TiO 層の粗さ係数が100より大きい構成とした。ここで、前記TiO層の粗さ係数とは、TiO層に接触する光吸収体に入射する入射光の投影面積に対する、TiO層の内部表面積の比を示す。この構成によれば、低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。 In order to solve the above-described problems, the photovoltaic device of the present invention includes a TiO 2 layer having porous vacancies as an n-type semiconductor, and a layer formed on the inner surface of the vacancies and in contact with the TiO 2 layer , A light absorber containing antimony sulfide, and a Cu (I) -based compound as a p-type semiconductor that penetrates into the pores and contacts the light absorber, and the roughness coefficient of the TiO 2 layer is 100 Larger configuration. Here, the roughness factor of the TiO 2 layer, to the projected area of the light incident on the light absorber in contact with the TiO 2 layer, indicating the ratio of internal surface area of the TiO 2 layer. According to this configuration, it is possible to provide a photovoltaic device that has an advantage of being manufactured at low cost and is excellent in photoelectric conversion efficiency.

光吸収体は熱アニール処理されていることが望ましい。熱アニール処理することにより光電変換効率を向上できる。   The light absorber is preferably subjected to thermal annealing. Photoelectric conversion efficiency can be improved by thermal annealing.

n型半導体・光吸収体・p型半導体の3層構造であり、光吸収体に硫化アンチモンを含んでいるので、低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。   A three-layer structure consisting of an n-type semiconductor, a light absorber, and a p-type semiconductor. Since the light absorber contains antimony sulfide, it has an advantage that it can be manufactured at a low cost, and a photovoltaic device that has excellent photoelectric conversion efficiency. Can be provided.

本発明の最良の光電池デバイスは3つの構成要素すなわちn型半導体、光吸収体、p型半導体を持つ。3つの構成要素は、いずれも固体の無機構成要素である。光吸収体はn型半導体に接触し、p型半導体は光吸収体に接触している。すなわちn型半導体とp型半導体の間に光吸収体が介在しており、n型半導体とp型半導体は非接触状態とされている。光吸収体には硫化アンチモンが含まれている。n型半導体は透光性のあることが望ましい。p型半導体は透光性のあることが望ましい。すなわち、n型半導体もp型半導体も透光性のある材料であることが望ましい。   The best photovoltaic device of the present invention has three components: an n-type semiconductor, a light absorber, and a p-type semiconductor. All three components are solid inorganic components. The light absorber is in contact with the n-type semiconductor, and the p-type semiconductor is in contact with the light absorber. That is, a light absorber is interposed between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, and the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are in a non-contact state. The light absorber contains antimony sulfide. The n-type semiconductor is preferably light-transmitting. The p-type semiconductor is preferably translucent. That is, it is desirable that both the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are light-transmitting materials.

硫化アンチモン(Sb)は、化学式ではSb(アンチモン)、S(硫黄)の化学量論比は2対3であるが、本発明ではSbまたはSの元素のうち、一方をある比率で余分に含んだものも、あるいは硫化物イオンに置換する酸素イオンおよび/または水酸化イオンをある比率で含んだものも硫化アンチモン(Sb)と称する。 In the chemical formula, antimony sulfide (Sb 2 S 3 ) has a stoichiometric ratio of Sb (antimony) and S (sulfur) of 2 to 3, but in the present invention, one of the elements of Sb or S is a certain ratio. Those that contain excess or those that contain oxygen ions and / or hydroxide ions substituted for sulfide ions in a certain ratio are also called antimony sulfide (Sb 2 S 3 ).

透光性のあるとは、顕著に光を吸収しないことを意味する。つまり、400〜1200nmの波長の平均光吸収率が35%未満であることが望ましい。光吸収率が10%未満であることが、より望ましい。   Translucency means that it does not absorb light significantly. That is, it is desirable that the average light absorptance at a wavelength of 400 to 1200 nm is less than 35%. It is more desirable that the light absorption rate is less than 10%.

光吸収体は光吸収機能があればよいが、光吸収率が高い方が望ましい。400nmの波長の光吸収率が50%以上であることが望ましい。また光吸収体の吸収端(長波長側)は600〜1200nm間にあることが望ましい。   The light absorber only needs to have a light absorption function, but a higher light absorption rate is desirable. It is desirable that the light absorption rate at a wavelength of 400 nm is 50% or more. In addition, the absorption edge (long wavelength side) of the light absorber is preferably between 600 and 1200 nm.

光吸収体は熱アニール処理されていることが望ましい。熱アニールは、n型半導体またはp型半導体に接触させた後に行うことが望ましい。熱アニール処理する場合は、窒素ガス雰囲気の下で、約300℃で熱処理することが望ましい。   The light absorber is preferably subjected to thermal annealing. The thermal annealing is desirably performed after contacting the n-type semiconductor or the p-type semiconductor. When thermal annealing is performed, it is desirable to perform heat treatment at about 300 ° C. in a nitrogen gas atmosphere.

3つの固体構成要素(n型半導体、p型半導体および光吸収体)からなる本発明の光電池デバイスは、光電変換効率が優れた例でさえ、製造コストが低いという利点を有している。   The photovoltaic device of the present invention comprising three solid components (n-type semiconductor, p-type semiconductor and light absorber) has the advantage of low manufacturing cost even in an example where the photoelectric conversion efficiency is excellent.

n型半導体は、TiO、ZnO、SnOのような金属酸化物であることが望ましく、TiOであることがさらに望ましい。p型半導体は、CuSCN、CuI、CuAlOのようなCu(I)系化合物か、酸化ニッケルのような金属酸化物が望ましい。このうち金属化合物としては酸化ニッケルがより望ましい。 The n-type semiconductor is preferably a metal oxide such as TiO 2 , ZnO, or SnO 2 , and more preferably TiO 2 . The p-type semiconductor is preferably a Cu (I) -based compound such as CuSCN, CuI, or CuAlO 2 or a metal oxide such as nickel oxide. Of these, nickel oxide is more preferable as the metal compound.

本発明の第1実施形態では、n型半導体もしくはp型半導体(第1の導電型を有する半導体)が10〜100nmサイズの空孔を有する多孔質層(半導体多孔質層)である。その空孔の内部表面積は光吸収体からなる薄膜および連続吸収体層によって完全に被膜処理されている(半導体多孔質層と光吸収体は接触している)。空孔は、p型半導体もしくはn型半導体(多孔質層とは反対の導電型:第2の導電型を有する半導体)の固体の透光性のある半導体からなる充填層(半導体層)によって、少なくとも全容積の10%、好ましくは少なくとも15%が充填される(光吸収体と充填層は接触している)。この種の光電池デバイスは、貫入形態もしくは貫入構造を有している。ここで空孔のサイズとは、空孔の孔径の大きさ、つまり、光吸収体の厚さ方向での長さや深さではなく、空孔の横断面での平均寸法を意味する。   In the first embodiment of the present invention, the n-type semiconductor or p-type semiconductor (semiconductor having the first conductivity type) is a porous layer (semiconductor porous layer) having pores with a size of 10 to 100 nm. The internal surface area of the pores is completely coated with a thin film made of a light absorber and a continuous absorber layer (the semiconductor porous layer and the light absorber are in contact). The void is formed by a filling layer (semiconductor layer) made of a solid translucent semiconductor of a p-type semiconductor or an n-type semiconductor (conductivity type opposite to the porous layer: semiconductor having the second conductivity type). At least 10%, preferably at least 15% of the total volume is filled (the light absorber and the packed layer are in contact). This type of photovoltaic device has a penetration form or a penetration structure. Here, the size of the hole means not the size of the hole diameter, that is, the length or depth in the thickness direction of the light absorber, but the average dimension in the cross section of the hole.

好ましくは、本発明の第1実施形態による光電池デバイスは以下の特徴を有する。光吸収体で被膜される前の多孔質層の粗さ係数は、50より大きく、好ましくは100より大きい。粗さ係数とは、多孔質層の内部表面積(多孔質層内に存在する空孔の内部表面積に相当)と多孔質層上の光吸収体の入射面積(投影面積)との間の比を意味する。この多孔質層は、光吸収体を粒子または結晶の集合体で膜を形成することによって実現できる。また、空孔を有する多孔質層として、結晶粒界のないモノリシックな材料に直接細孔を形成することによっても実現できる。前者の場合、粒子または結晶の集合体を形成したとき、粒子間や結晶間に残されるすき間空間によって細孔が形成される。その粗さ係数は、多孔性(および空孔サイズの分布)を測定することによって、(2nmを超える空孔サイズで球形に近い空孔の場合に)近似的に推定することができる。測定には、BET比表面積測定装置により窒素吸着/脱着法を利用する。   Preferably, the photovoltaic device according to the first embodiment of the present invention has the following characteristics. The roughness coefficient of the porous layer before being coated with the light absorber is greater than 50, preferably greater than 100. The roughness coefficient is the ratio between the internal surface area of the porous layer (corresponding to the internal surface area of the pores existing in the porous layer) and the incident area (projected area) of the light absorber on the porous layer. means. This porous layer can be realized by forming a film of a light absorber with aggregates of particles or crystals. It can also be realized by forming pores directly in a monolithic material without crystal grain boundaries as a porous layer having pores. In the former case, when particles or crystal aggregates are formed, pores are formed by gap spaces left between the particles or between the crystals. The roughness factor can be approximately estimated (for vacancies close to a sphere with a pore size greater than 2 nm) by measuring the porosity (and the pore size distribution). For the measurement, a nitrogen adsorption / desorption method is used with a BET specific surface area measuring device.

多孔質層は粒子もしくは結晶から作られる場合、空孔の内部表面積が粒子もしくは結晶の表面からなることを意味する。第1実施形態では、粒子もしくは結晶の平均サイズは30〜50nmであり、平均空孔サイズは20〜50nmである。   When the porous layer is made of particles or crystals, it means that the internal surface area of the pores consists of the surfaces of the particles or crystals. In the first embodiment, the average size of the particles or crystals is 30 to 50 nm, and the average pore size is 20 to 50 nm.

第1実施形態において、多孔質層はn型半導体金属酸化物の多孔質膜(半導体多孔質膜)から作られ、充填層はp型半導体から作られることが好ましい。また、n型半導体金属酸化物は30〜50nmの平均粒径と20〜50nmの平均空孔サイズを有するTiO層から作られることが好ましい。TiOの場合、粒径は、光吸収体で被膜される前の多孔質層のBET比表面積で表した場合、25m/gより大きく、好ましくは25〜50m/gの大きさである。 In the first embodiment, the porous layer is preferably made of an n-type semiconductor metal oxide porous film (semiconductor porous film), and the filling layer is preferably made of a p-type semiconductor. The n-type semiconductor metal oxide is preferably made of a TiO 2 layer having an average particle size of 30 to 50 nm and an average pore size of 20 to 50 nm. For TiO 2, particle size, when expressed in a BET specific surface area before the porous layer is coated with light absorbing material, larger than 25 m 2 / g, is the size of preferably 25~50m 2 / g .

第1実施形態において、充填層は少なくとも厚さ10nmの被覆層を形成することが好ましい。この被覆層は、多孔質層の一方の表面上にあり、特に、後述する導電基板と接点のない多孔質層の表面上にある。第1実施形態において、充填層はCuSCNもしくは酸化ニッケルから作られることが好ましい。   In the first embodiment, the filling layer preferably forms a coating layer having a thickness of at least 10 nm. This covering layer is on one surface of the porous layer, in particular, on the surface of the porous layer having no contact with the conductive substrate described later. In the first embodiment, the filling layer is preferably made of CuSCN or nickel oxide.

本発明の第1実施形態では、光電池デバイスが透光性のある半導体の非多孔質性の第1緻密層を有している。第1緻密層は、半導体多孔質層と透明電極(フロントコンタクト)として作用する導電基板の間に介在する。第1緻密層は厚さの非常に薄い層として形成される。第1緻密層の厚さは10nm以下であることが好ましい。第1緻密層は半導体多孔質層と同じ導電型の半導体材料から形成されている。第1緻密層は遮蔽層と呼ばれ、空孔を充填している半導体と透明電極との間の電気的な短絡を防止することができる。透明電極は市販の透明な導電性ガラスから作ることができる。   In the first embodiment of the present invention, the photovoltaic device has a light-transmitting semiconductor non-porous first dense layer. The first dense layer is interposed between the semiconductor porous layer and the conductive substrate acting as a transparent electrode (front contact). The first dense layer is formed as a very thin layer. The thickness of the first dense layer is preferably 10 nm or less. The first dense layer is formed of a semiconductor material having the same conductivity type as the semiconductor porous layer. The first dense layer is called a shielding layer and can prevent an electrical short circuit between the semiconductor filling the holes and the transparent electrode. The transparent electrode can be made from a commercially available transparent conductive glass.

本発明の第1実施形態では、第2緻密層が半導体多孔質層と対向電極として作用する導電基板層の間に設けられている(充填層がごく薄い形態)。第2緻密層は厚さの非常に薄い層として形成される。第2緻密層の厚さは10nm以下であることが好ましい。第2緻密層は、半導体多孔質層または充填層と同じ導電型の半導体材料から形成されている。第2緻密層は半導体多孔質層と対向電極との間の電気的な短絡を防止することができる。対向電極は、炭素や金属などのような導電性材料から作ることができる。   In the first embodiment of the present invention, the second dense layer is provided between the semiconductor porous layer and the conductive substrate layer that acts as the counter electrode (the filling layer is very thin). The second dense layer is formed as a very thin layer. The thickness of the second dense layer is preferably 10 nm or less. The second dense layer is made of a semiconductor material having the same conductivity type as the semiconductor porous layer or the filling layer. The second dense layer can prevent an electrical short circuit between the semiconductor porous layer and the counter electrode. The counter electrode can be made of a conductive material such as carbon or metal.

さらに具体的には、本発明の第1実施形態による光電池デバイスは以下の特徴を有する。   More specifically, the photovoltaic device according to the first embodiment of the present invention has the following features.

・例えば導電性ガラスのような透明で導電性の透明電極は、緻密で、非多孔性の透光性のある遮蔽層によって被覆されている。この遮蔽層は好ましくはn型半導体金属酸化物から作られるものであること
・透明電極に形成された遮蔽層の上に、半導体多孔質層が形成されている。半導体多孔質層の一方面が遮蔽層に当接している。
A transparent and conductive transparent electrode such as conductive glass is covered with a dense and non-porous light-transmitting shielding layer. The shielding layer is preferably made of an n-type semiconductor metal oxide. A semiconductor porous layer is formed on the shielding layer formed on the transparent electrode. One surface of the semiconductor porous layer is in contact with the shielding layer.

・半導体多孔質層は、1μmを越える厚さ、好ましくは2〜10μmの厚さの薄膜を構成していること
・光吸収体層は、1〜25nmの厚さ、好ましくは2〜10nmの厚さを有していること
・充填層は、空孔容積の少なくとも10%、好ましくは15%よりも多くの空孔容積を充填していること、
・半導体多孔質層の他方面は対向電極によって覆われていること
・充填層が、半導体多孔質層と対向電極との間に設けられていることが好ましい。充填層は、少なくとも厚さ10nmの被覆層を構成していること
・半導体多孔質層と光吸収体層と充填層とが、透明電極および対向電極として作用する2つの導電基板の間に閉じ込められている。対向電極として作用する第2の導電基板は、透明であってもなくてもよく、特に金属または炭素から作られていること。
The semiconductor porous layer constitutes a thin film having a thickness exceeding 1 μm, preferably 2 to 10 μm. The light absorber layer has a thickness of 1 to 25 nm, preferably 2 to 10 nm. The packing layer is filled with at least 10% of the pore volume, preferably more than 15% of the pore volume;
-The other surface of the semiconductor porous layer is covered with a counter electrode.-The filling layer is preferably provided between the semiconductor porous layer and the counter electrode. The filling layer constitutes a coating layer having a thickness of at least 10 nm. The semiconductor porous layer, the light absorber layer and the filling layer are confined between two conductive substrates acting as a transparent electrode and a counter electrode. ing. The second conductive substrate acting as a counter electrode may or may not be transparent and is made in particular of metal or carbon.

TiOのような半導体金属酸化物からなるナノ結晶の多孔質膜は、TiOのような金属酸化物のコロイド分散を使用するドクターブレード法(またはテープ成形法)やTiO金属酸化物からなるペーストを使用するスクリーン印刷のような低コストの製造技術を用いて作製できる。 The porous membrane of nanocrystals of a semiconductor metal oxide such as TiO 2 consists of a doctor blade method using a colloidal dispersion of a metal oxide such as TiO 2 (or tape molding method) or TiO 2 metal oxide It can be produced using low-cost manufacturing techniques such as screen printing using paste.

光吸収体層は、化学浴析出法または電気化学析出法のような低コストの製造技術を用いて作製できる。充填層を形成する半導体による空孔の充填は、溶解させた材料の溶液を含浸させてその後溶媒を蒸発させる方法、あるいはスピンコート法を利用して半導体の前駆体溶液を含浸させて処理する方法、あるいは、電気化学的析出法などの低コストの製造技術を用いることによって行なうことができる。   The light absorber layer can be produced using a low-cost manufacturing technique such as chemical bath deposition or electrochemical deposition. The filling of the vacancies with the semiconductor forming the filling layer is performed by impregnating the solution of the dissolved material and then evaporating the solvent, or by impregnating the precursor solution of the semiconductor using the spin coating method. Alternatively, it can be performed by using a low-cost manufacturing technique such as electrochemical deposition.

本発明の光電池デバイスは、低コストな製造技術(特に、シリコン系装置に使用されるような高真空技法を用いない)と、高純度である必要のない材料を使用するので、製造コストが低いという利点を保持した上で、高い光電変換効率を得ることができる点にある。   The photovoltaic device of the present invention uses low-cost manufacturing technology (especially not using high-vacuum techniques such as those used in silicon-based equipment) and materials that do not need to be high-purity, so the manufacturing cost is low It is in the point that high photoelectric conversion efficiency can be obtained while maintaining the advantage.

本発明の第1実施形態による貫入形態を有する光電池デバイスは、同じコンセプトを用いた従来の光電池デバイスよりも優れた光電池性能を示す。特に、より大きい短絡光電流と光電変換効率を得ることができる。さらに詳細には、本発明によると、半導体多孔質層の粗さ係数が50よりも大きく、好ましくは100よりも大きいとき、1000W/mの光照度の場合に、10mA/cm以上の短絡光電流、0.60Vより大きい開放電圧Voc(電流I=0の場合)および3%より大きい光電変換効率を得ることが可能になる。 The photovoltaic device having the penetration configuration according to the first embodiment of the present invention exhibits a photovoltaic cell performance superior to that of a conventional photovoltaic device using the same concept. In particular, a larger short-circuit photocurrent and photoelectric conversion efficiency can be obtained. More specifically, according to the present invention, when the roughness coefficient of the semiconductor porous layer is greater than 50, preferably greater than 100, the short-circuit light of 10 mA / cm 2 or more in the case of 1000 W / m 2 illuminance. It becomes possible to obtain a current, an open-circuit voltage Voc greater than 0.60 V (when current I = 0) and a photoelectric conversion efficiency greater than 3%.

本発明の第1実施形態の3つの構成要素は、それぞれのエネルギーバンドの整合条件を満足している。光吸収体の伝導帯は、n型半導体の伝導帯よりもエネルギー準位はより小さな値を示し(用いられているほとんどの従来型タイプでは、エネルギー準位は、真空準位をゼロとすると負の値を有している)、光吸収体の価電子帯はp型半導体の価電子帯より負の大きな値の方が望ましい。これはすべて、電子および正孔それぞれの注入を可能にするためのものである。   The three components of the first embodiment of the present invention satisfy the matching conditions of the respective energy bands. The conduction band of the light absorber shows a smaller energy level than that of the n-type semiconductor (in most conventional types used, the energy level is negative when the vacuum level is zero). The valence band of the light absorber is preferably a negative value larger than the valence band of the p-type semiconductor. All this is to allow the injection of electrons and holes respectively.

3つの構成要素は固体の無機材料であり、屋外用途、特に家屋の屋根に設置する用途の場合により長い耐久性をもたらすことができる。   The three components are solid inorganic materials that can provide longer durability for outdoor applications, particularly for installation on the roof of a house.

本発明は、光電池デバイスに有用な半導体多孔質層をも提供する。第1実施形態では、半導体多孔質層は、n型またはp型の透光性のある半導体から構成され、好ましくは、空孔の内部表面積が硫化アンチモンからなる光吸収体の薄い光吸収体層によって被覆されているn型半導体金属酸化物から構成されている。空孔のサイズは10〜100nmで、半導体多孔質層の粗さ係数は50より大きく、好ましくは100より大きく、光吸収体層は硫化アンチモンからなる化合物を有する。   The present invention also provides a semiconductor porous layer useful for photovoltaic devices. In the first embodiment, the semiconductor porous layer is made of an n-type or p-type translucent semiconductor, and preferably a thin light absorber layer of a light absorber whose pores have an internal surface area made of antimony sulfide. It is comprised from the n-type semiconductor metal oxide coat | covered with. The pore size is 10 to 100 nm, the roughness coefficient of the semiconductor porous layer is larger than 50, preferably larger than 100, and the light absorber layer has a compound made of antimony sulfide.

本発明の半導体多孔質層は、400nmより大きい波長の下で最大70%より大きい吸収特性を示し、吸収端は少なくとも700nmである。これは、粗さ係数が50より大きく、好ましくは100より大きい薄膜に関するものである。吸収端という表現は、材料が顕著に光を吸収できる長波長側の端の波長値を指す。   The semiconductor porous layer of the present invention exhibits an absorption property of greater than 70% at a wavelength greater than 400 nm and an absorption edge of at least 700 nm. This relates to thin films having a roughness coefficient greater than 50, preferably greater than 100. The expression “absorption edge” refers to the wavelength value at the end on the long wavelength side where the material can absorb light remarkably.

この種の半導体多孔質層は、光吸収体層での光励起された電荷分離に基づく、空孔が流体(液体または気体)で充填された他のデバイスにも適用できる。空孔が流体で充填されているので、たとえば光触媒デバイス(化学反応)や光―電解デバイス(電気化学反応)のような光で誘起した酸化還元反応によって流体中の化合物をきちんと変態させることができる。   This type of semiconductor porous layer can also be applied to other devices based on photoexcited charge separation in the light absorber layer and in which the pores are filled with a fluid (liquid or gas). Since the pores are filled with fluid, compounds in the fluid can be transformed properly by light-induced redox reactions such as photocatalytic devices (chemical reactions) and photo-electrolytic devices (electrochemical reactions). .

本発明の第2実施形態では、光電池デバイスは、それぞれ3つの無機質の固体材料から作られた3つの平坦な積み重ねられた層からなる構造を有する。3つの層は、n型およびp型の透光性のある半導体の2つの緻密層と光吸収体の層であり、n型およびp型の透光性のある半導体の層は光吸収体の層によって切り離されている。n型半導体は光吸収体と接触している。光吸収体はp型半導体と接触している。   In a second embodiment of the invention, the photovoltaic device has a structure consisting of three flat stacked layers, each made from three inorganic solid materials. The three layers are two dense layers of an n-type and p-type translucent semiconductor and a light absorber layer, and the n-type and p-type translucent semiconductor layer is an optical absorber layer. Separated by layers. The n-type semiconductor is in contact with the light absorber. The light absorber is in contact with the p-type semiconductor.

この光電池デバイスの各層の厚さは以下の通りである。n型半導体層の厚さは、10nmより大きく、好ましくは1μmより小さい。光吸収体層の厚さは、50nmより大きく、好ましくは100nmより大きく3μmより小さい。p型半導体層の厚さは、10nmより大きく、好ましくは1μmより小さい。   The thickness of each layer of this photovoltaic device is as follows. The thickness of the n-type semiconductor layer is larger than 10 nm, preferably smaller than 1 μm. The thickness of the light absorber layer is larger than 50 nm, preferably larger than 100 nm and smaller than 3 μm. The thickness of the p-type semiconductor layer is larger than 10 nm, preferably smaller than 1 μm.

緻密層という表現は、結晶粒界を有しないので空孔を含まないモノリシック層、あるいは粒子または結晶の集合体であり、粒子または結晶間に隙間空間が残らない層、あるいは粒子や結晶の間の隙間が5nmより小さい直径、好ましくは2nmより小さい直径の空孔を有する層を意味する。光吸収体層は必ずしも緻密でなくても良いが、光吸収体層がある多孔性を示す場合も、両半導体層間は非接触である。   The expression dense layer is a monolithic layer that does not have crystal grain boundaries and therefore does not include voids, or an aggregate of particles or crystals, and a layer in which no gap space remains between particles or crystals, or between particles or crystals. By a gap is meant a layer having pores with a diameter smaller than 5 nm, preferably smaller than 2 nm. The light absorber layer does not necessarily have to be dense, but even when the light absorber layer exhibits a certain porosity, the two semiconductor layers are not in contact with each other.

本発明の第2実施形態は、n型半導体層とp型半導体層のうち一方の透光性のある半導体層の一方面が、例えば導電性ガラスのような透明で導電性の透明電極上に形成され、他方の透光性のある半導体層の他方面が対向電極(導電基板)によって被覆されている。すなわち、n型半導体層とp型半導体層と光吸収体層は、フロントコンタクトとして作用する透明電極と対向電極として作用するの間に閉じ込められている。   In the second embodiment of the present invention, one surface of one of the light-transmitting semiconductor layers of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is formed on a transparent and conductive transparent electrode such as conductive glass. The other surface of the other light-transmitting semiconductor layer is covered with a counter electrode (conductive substrate). That is, the n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the light absorber layer are confined between the transparent electrode that acts as a front contact and the counter electrode.

第2実施形態では、3つの構成要素(透光性のあるn型半導体、透光性のあるp型半導体および光吸収体)から作られる平坦な層形状での固体型光電池デバイスを提供する。本光電池デバイスは貫入形態に似た組成を有する。これら異なる層は、貫入形態の層に用いられた手順に似た手順にて製造されるが、多孔質の半導体薄膜は有しない。この平坦な層形状は貫入形態と比べて低コストで製造できるという利点(製造工程が少ない)があるだけでなく、約3mA/cm2の短絡光電流にて約0.7%という顕著な光電変換効率を示す。この形態は、硫化アンチモンの平坦な層から作られる平坦な層形態を有する従来の光電池デバイスに比べて低コストで製造されるという利点も有している。従来の光電池デバイスでは、硫化アンチモン層の接合用に高価な材料、例えば、高純度貴金属や高純度でよく管理されたドーパント(不純物)を有するシリコンやゲルマニウムといった単結晶のような高価な材料を使用する必要がある。   In the second embodiment, a solid-state photovoltaic device in a flat layer shape made of three components (a light-transmitting n-type semiconductor, a light-transmitting p-type semiconductor, and a light absorber) is provided. The photovoltaic device has a composition resembling an intrusion configuration. These different layers are manufactured in a procedure similar to that used for the intrusive layer, but do not have a porous semiconductor film. This flat layer shape not only has the advantage that it can be manufactured at a lower cost than the penetration mode (less manufacturing process), but also has a remarkable photoelectric conversion of about 0.7% at a short-circuit photocurrent of about 3 mA / cm 2. Shows efficiency. This configuration also has the advantage of being manufactured at a lower cost compared to conventional photovoltaic devices having a flat layer configuration made from a flat layer of antimony sulfide. Conventional photovoltaic devices use expensive materials for bonding antimony sulfide layers, such as high-purity precious metals and high-purity, well-controlled dopants (impurities) such as silicon and germanium single crystals There is a need to.

平坦な光吸収体層の組成は、主に、硫化アンチモン(Sb)である。硫化アンチモン(Sb)は、化学式ではSb(アンチモン)、S(硫黄)の化学量論比は2対3であるが、本発明ではSbまたはSの元素のうち、一方をある比率で余分に含んだものも、あるいは硫化物イオンに置換する酸素イオンおよび/または水酸化イオンをある比率で含んだものも硫化アンチモン(Sb)と称する。光吸収体層の組成は、硫化アンチモンのみであることが好ましい。 The composition of the flat light absorber layer is mainly antimony sulfide (Sb 2 S 3 ). In the chemical formula, antimony sulfide (Sb 2 S 3 ) has a stoichiometric ratio of Sb (antimony) and S (sulfur) of 2 to 3, but in the present invention, one of the elements of Sb or S is a certain ratio. Those that contain excess or those that contain oxygen ions and / or hydroxide ions substituted for sulfide ions in a certain ratio are also called antimony sulfide (Sb 2 S 3 ). The composition of the light absorber layer is preferably only antimony sulfide.

本発明の特徴と利点を以下のいくつかの実施形態にもとづいて図1〜5を参照に説明する。   The features and advantages of the present invention will be described with reference to FIGS. 1-5 based on the following several embodiments.

図1は、以下の手順に従って組みつけられた以下の構成要素を有する本発明の第1実施形態による光電池デバイスの概略図を示す図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a photovoltaic device according to a first embodiment of the present invention having the following components assembled according to the following procedure.

透明電極4は、市販されている導電基板であり、ガラスのような透明基板の一方面上にITOのような透明導電性酸化物の薄膜が形成されたものである。透明電極4は光透過性を有している。透明電極4の透明導電性酸化物の薄膜が形成された面は、TiOから形成される薄く(数10nm)緻密な非多孔性の遮蔽層5によって被膜処理されている。TiOのような透光性のあるn型半導体から作られる多孔質のナノ結晶薄膜であるn型半導体層1が遮蔽層5上に形成されている。ここでは、TiOの多孔質層(n型半導体層1)が白色か半透明かは問題ではない。化合物が透明であっても、光吸収特性とは関係のない光散乱特性に応じて白や半透明といった色に見える。 The transparent electrode 4 is a commercially available conductive substrate in which a transparent conductive oxide thin film such as ITO is formed on one surface of a transparent substrate such as glass. The transparent electrode 4 is light transmissive. The surface of the transparent electrode 4 on which the transparent conductive oxide thin film is formed is coated with a thin (several tens of nm) dense non-porous shielding layer 5 formed of TiO 2 . An n-type semiconductor layer 1, which is a porous nanocrystalline thin film made of a light-transmitting n-type semiconductor such as TiO 2 , is formed on the shielding layer 5. Here, it does not matter whether the porous layer of TiO 2 (n-type semiconductor layer 1) is white or translucent. Even if the compound is transparent, it appears to be white or translucent depending on the light scattering properties unrelated to the light absorption properties.

厚さ1nm以上の光吸収体材料からなる光吸収体層2は、n型半導体層1のTiOナノ結晶12の表面に析出される。CuSCNや酸化ニッケルのような透光性のあるp型半導体からなる充填剤3は、n型半導体層1内にある光吸収体層2を被膜するように形成される。空孔11の容積の少なくとも10%、好ましくは15%以上(100%が理想)を充填剤3で充填するように充填処理されることが好ましい。n型半導体層1の上側部分(透明電極4側の反対側)に、厚さ10nmより大きい薄い被覆層が残るように充填処理されることが好ましい。 The light absorber layer 2 made of a light absorber material having a thickness of 1 nm or more is deposited on the surface of the TiO 2 nanocrystal 12 of the n-type semiconductor layer 1. A filler 3 made of a translucent p-type semiconductor such as CuSCN or nickel oxide is formed so as to coat the light absorber layer 2 in the n-type semiconductor layer 1. Filling treatment is preferably performed so that at least 10%, preferably 15% or more (100% is ideal) of the volume of the pores 11 is filled with the filler 3. Filling treatment is preferably performed so that a thin coating layer having a thickness of more than 10 nm remains on the upper portion of the n-type semiconductor layer 1 (opposite the transparent electrode 4 side).

充填剤3の上に、炭素または金属のような導電材料からなる層が形成されている。この層は、p型半導体からなる充填剤3からの電荷を集める対向電極6として作用する。最終製品は、湿気や大気汚染物質による劣化から保護されるようにシール材7によって密封される。   A layer made of a conductive material such as carbon or metal is formed on the filler 3. This layer acts as a counter electrode 6 that collects charges from the filler 3 made of a p-type semiconductor. The final product is sealed with a sealing material 7 so as to be protected from deterioration due to moisture and air pollutants.

多孔質のTiO薄膜(n型半導体層1)を被膜する光吸収体層2の形成は、平坦な基板上に平坦層を製造するための従来から知られている化学浴析出法を用いて行なうことができる。文献「Nair et al. J. Electrochem. Soc. 145, 2113 (1998)」で報告されているような、硫化アンチモンからなる平坦な層を析出する方法は、多孔質膜内部を光吸収体が被膜できるように改良されている。つまり、空孔を充填したり遮ったりしない薄い被膜を作ることで、多孔質のTiO薄膜の内部表面積を光吸収体が充分被膜できるように改良されている。本文献に開示されている硫化アンチモンからなる平坦層の他の析出方法に関しては、吸収剤として充分であるが、均質に被膜できるようなTiOでの被膜の生成には至らなかった。 Formation of the light absorber layer 2 that coats the porous TiO 2 thin film (n-type semiconductor layer 1) is performed using a conventionally known chemical bath deposition method for producing a flat layer on a flat substrate. Can be done. As reported in the literature “Nair et al. J. Electrochem. Soc. 145, 2113 (1998)”, a method of depositing a flat layer made of antimony sulfide uses a light absorber coated inside the porous film. It has been improved to be able to. That is, by making a thin coating that does not fill or block the pores, the inner surface area of the porous TiO 2 thin film is improved so that the light absorber can sufficiently coat. Regarding other deposition methods of the flat layer made of antimony sulfide disclosed in this document, it was sufficient as an absorbent, but it did not lead to the formation of a coating with TiO 2 that could be coated uniformly.

さらに、下に示す例1の方法では、所定時間、所定温度で、アンチモンおよび硫化物の前駆体を有する溶液に基板を含浸させる化学浴析出法という現行の技術を適用している。本発明では、厚さ6μm未満のTiOからなる多孔質のTiO2薄膜のあらゆる方向に沿って一様な被膜厚さを有する光吸収体層2の被膜を得ることができた。これは、SEM(走査電子顕微鏡)とEDX(エネルギー分散型X線分光法)を用いて、膜の断面における原子の分布形状を測定することによって、光吸収体の分布状況を推定したものである。膜内の光吸収体の全量は、全断面においてEDXによってSb/Tiの原子比を測定することにより推定した結果、2〜20%程度、平均的には約10%であった。光吸収体層の厚さは、TEM(透過電子顕微鏡)によって推定した結果、1〜5nmほどであった。 Furthermore, in the method of Example 1 shown below, a current technique called chemical bath deposition is used in which a substrate is impregnated with a solution having an antimony and sulfide precursor at a predetermined temperature for a predetermined time. In the present invention, a film of the light absorber layer 2 having a uniform film thickness along all directions of a porous TiO 2 thin film made of TiO 2 having a thickness of less than 6 μm could be obtained. This is an estimation of the distribution state of the light absorber by measuring the distribution shape of atoms in the cross section of the film using SEM (scanning electron microscope) and EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy). . The total amount of the light absorber in the film was estimated by measuring the atomic ratio of Sb / Ti by EDX over the entire cross section. As a result, it was about 2 to 20%, and on average about 10%. The thickness of the light absorber layer was estimated by TEM (transmission electron microscope), and was about 1 to 5 nm.

光吸収体層2の組成は、EDX(Sb/S比測定)とX線回折(XRD)によって推定したが、この推定は、多孔質膜内で光吸収体が占める密度の低さやEDXの精度とのために、やや近似的である。EDXで測定されたSb/S原子比率とXRDで得たピーク値は、大部分を占める硫化アンチモン以外に、おそらく酸化アンチモンとしての酸素の存在を示している。以上の結果、本光吸収体の組成は硫化アンチモンと認められた。   The composition of the light absorber layer 2 was estimated by EDX (Sb / S ratio measurement) and X-ray diffraction (XRD). This estimation is based on the low density occupied by the light absorber in the porous film and the accuracy of EDX. And is somewhat approximate. The Sb / S atomic ratio measured by EDX and the peak value obtained by XRD probably indicate the presence of oxygen as antimony oxide in addition to antimony sulfide, which accounts for the majority. As a result, the composition of the present light absorber was recognized as antimony sulfide.

この光吸収体膜2の有利な点は、400nmから700nm(吸収端)の間の広い波長範囲において、最大光吸収率が70%より大きいという大きな光吸収率を備えている点である。しかも、これがすべて、最終膜の大きな多孔性を保持して実現されている(空孔が閉塞も充填もされていない)。このような膜のこれらの吸収特性を図3(特性線a)に示す。可視線および近赤外線における吸収スペクトルは、拡散光を測定する積分球の付いた市販の分光光度計で測定した。光吸収体層2で被膜処理したナノ結晶のTiOに基づく多孔質膜は、良好な吸収特性を示し、かつ大きな多孔性を保持している。これは、この2つの特性が同時に要求される用途、すなわち、例えば光電池デバイス用途だけでなく、光学デバイス、光触媒デバイス、あるいは水から水素を生成する場合のような光電解発生器、といった他のいくつかの可能な用途に対しても利点である。 The advantage of this light absorber film 2 is that it has a large light absorption rate that the maximum light absorption rate is larger than 70% in a wide wavelength range between 400 nm and 700 nm (absorption edge). Moreover, all this is achieved while maintaining the large porosity of the final membrane (the pores are not blocked or filled). These absorption characteristics of such a film are shown in FIG. 3 (characteristic line a). Absorption spectra in the visible and near infrared were measured with a commercial spectrophotometer equipped with an integrating sphere for measuring diffuse light. A porous film based on nanocrystalline TiO 2 coated with the light absorber layer 2 exhibits good absorption characteristics and retains a large porosity. This is not limited to applications where these two characteristics are required simultaneously, ie, for example, photovoltaic device applications, but also optical devices, photocatalytic devices, or photoelectrolytic generators such as those that generate hydrogen from water. This is also an advantage for possible applications.

上記の多孔質TiO膜(n型半導体層1)と、上記の光吸収体層2と、より好ましくはCuSCNベースの透光性のあるp型半導体の充填剤3による空孔の充填とによって光電池デバイスを製作した。CuSCN充填剤の生成手順は、公知技術(文献「Kumara et al., Solar Energy Materials Solar Cells 69, 195 (2001)」と文献「O'Regan et al. Chem. Mater. 14, 5023 (2002)」)から知られる手順であり、基板にCuSCNの溶液を含浸させ、溶媒蒸発を行なう方法によった。この手順を例1で後述する。本発明の光電池デバイスの対向電極は金または炭素層の析出によって作製した。これらの光電池デバイスの活性表面積は0.54cmであった。 By filling the pores with the porous TiO 2 film (n-type semiconductor layer 1), the light absorber layer 2 and more preferably a CuSCN-based translucent p-type semiconductor filler 3. A photovoltaic device was made. The procedure for producing the CuSCN filler is described in known techniques (literature "Kumara et al., Solar Energy Materials Solar Cells 69, 195 (2001)" and literature "O'Regan et al. Chem. Mater. 14, 5023 (2002)". ), And a method of impregnating the substrate with a CuSCN solution and performing solvent evaporation. This procedure is described later in Example 1. The counter electrode of the photovoltaic device of the present invention was prepared by depositing a gold or carbon layer. The active surface area of these photovoltaic devices was 0.54 cm 2 .

光電池デバイスの評価は、最も広く使用されている2つの方法によって行った。1つは、nm単位の波長λの関数としての量子効率(QE)(分光感度特性あるいはIPCE(光電変換効率)としても知られている)である。これは入射光子(放射)が電子(電気)に変換される比率で、次式:
QE(λ)=(短絡電子流れ)/(入射光子の流れ)
=(短絡光電流)/(入射放射の出力)×(1240/λ)
で表現される。
The evaluation of the photovoltaic device was performed by the two most widely used methods. One is quantum efficiency (QE) (also known as spectral sensitivity characteristics or IPCE (photoelectric conversion efficiency)) as a function of wavelength λ in nm. This is the rate at which incident photons (radiation) are converted to electrons (electricity), with the following formula:
QE (λ) = (short-circuit electron flow) / (incident photon flow)
= (Short-circuit photocurrent) / (Output of incident radiation) × (1240 / λ)
It is expressed by

理想的な量子効率スペクトルは、不活性な構成要素(例えば導電性ガラス基板)の吸収によって変更されたスペクトルと同じものであるべきである。   The ideal quantum efficiency spectrum should be the same as the spectrum modified by absorption of inert components (eg, conductive glass substrate).

もう1つの方法は、光照射の下における光電池デバイスの電流電圧(IV)曲線から計算される光電変換効率ηという尺度である。これは、光電池デバイスが最大出力点において発生する電気的出力の入射光の出力に対する比率であり、次式:
η=(最大出力点における電気的出力)/(入射放射の出力)
で表現される。
Another method is a measure of the photoelectric conversion efficiency η calculated from the current-voltage (IV) curve of the photovoltaic device under light irradiation. This is the ratio of the electrical output generated by the photovoltaic device at the maximum output point to the output of the incident light.
η = (Electrical output at maximum output point) / (Output of incident radiation)
It is expressed by

この効率は、ソーラーシミュレータおよび他の装置から構成されるベンチ試験装置で測定した。光電池デバイスの応答は、基準太陽光AM1.5Gに相当する1000W/mの照度の下で評価した。ベンチ試験装置は公認の各公的機関において一般的に用いられている光電池デバイス用の標準的手順に従って校正した。この効率は、光電池デバイスの性能をさらによく解釈できる3つの因子の積としても表現できる。すなわち、
η[%]=Isc×Voc×ff(1000W/mの基準照度に対して)
である。ただし、式中、Iscは短絡光電流(すなわち電圧V=0における電流)で単位はmA/cmであり、Vocは開放電圧(すなわち電流I=0における電圧)で単位はV(ボルト)であり、ffはフィルファクター(単位なし)で、このフィルファクターは、曲線が理想的な矩形形状(ff=1)にどの程度近いかを表し、電流電圧曲線の最大出力点における電気的出力と理論最大出力との間を比を取ることで演算される(Isc×Vocと同じ)。
This efficiency was measured with a bench test apparatus consisting of a solar simulator and other equipment. The response of the photovoltaic device was evaluated under an illuminance of 1000 W / m 2 corresponding to the reference sunlight AM1.5G. The bench test apparatus was calibrated according to standard procedures for photovoltaic devices commonly used in each authorized public authority. This efficiency can also be expressed as the product of three factors that can better interpret the performance of the photovoltaic device. That is,
η [%] = I sc × V oc × ff (with reference illuminance of 1000 W / m 2 )
It is. Where I sc is the short circuit photocurrent (ie current at voltage V = 0) in units of mA / cm 2 , V oc is the open circuit voltage (ie voltage at current I = 0) and the unit is V (volts). ) And ff is a fill factor (no unit), which represents how close the curve is to the ideal rectangular shape (ff = 1) and is the electrical output at the maximum output point of the current-voltage curve. And the theoretical maximum output is calculated (same as I sc × V oc ).

硫化アンチモンの光吸収体層を使用して得た結果(後述する例2参照)は、このタイプの光電池デバイスが高い光電池性能を発揮する優れた可能性を有していることを確実に示している。つまり、量子効率が最大値を達成(導電性ガラス基体の吸収による20%ロスを考慮して)したこと、10mA/cmという大きな短絡光電流を達成(400〜700nm間(基準太陽光AM1・5Gに相当)での最大理論電流値が20mA/cmであることを考慮すると、可視線および近赤外線にて80%の光透過率を有する導電性ガラス基体を使用するため、20mA/cmは16mA/cmへ下がるはずである)したこと、3%より大きい光電変換効率を達成したこと、良好なフィルタファクターffと高い開放電圧Vocと良好な光電流Iscによって特徴付けられる光電池性能を示している。 The results obtained using an antimony sulfide light absorber layer (see Example 2 below) reliably show that this type of photovoltaic device has an excellent potential to exhibit high photovoltaic performance. Yes. That is, the quantum efficiency reached the maximum value (considering 20% loss due to absorption of the conductive glass substrate), and a large short-circuit photocurrent of 10 mA / cm 2 was achieved (between 400 and 700 nm (reference sunlight AM1 · When the maximum theoretical current value at corresponding to 5G) is considered to be a 20 mA / cm 2, for the use of a conductive glass substrate having a light transmittance of 80% in the visible ray and near infrared, 20 mA / cm 2 That should have fallen to 16 mA / cm 2 ), achieving a photoelectric conversion efficiency greater than 3%, good filter factor ff, high open circuit voltage V oc and good photocurrent I sc Is shown.

また、本発明の光電池デバイスの光電変換効率における更なる改善は、光吸収体被膜の調製条件の最適化、層間接触の改善、p型半導体からなる良好な充填によって依然可能であり、光電変換効率の式に用いられている3つの因子が増えることになる。   Further, further improvement in the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic device of the present invention can still be achieved by optimizing the preparation conditions of the light absorber coating, improving the interlayer contact, and good filling of the p-type semiconductor. The three factors used in this equation will increase.

図2および例5に示す通り、本発明の第2実施形態では、貫入形態の組成と似ている組成を備え、3つの構成要素(透光性のあるn型半導体、透光性のあるp型半導体および光吸収体)からなる平坦な層を用いる他の固体型光電池デバイスを供給する。   As shown in FIG. 2 and Example 5, the second embodiment of the present invention has a composition similar to that of the penetrating form and includes three components (a light-transmitting n-type semiconductor and a light-transmitting p). Other solid-state photovoltaic devices that use flat layers of type semiconductors and light absorbers are provided.

半導体層と光吸収体層の形成は、スプレー熱分解法、化学浴析出法、溶解させた材料の溶液を使って含浸させ溶媒蒸発させる方法、前駆体の溶液を使ったスピンコート法、または電気化学的析出法といった低コストでの製造技術を用いて行なうことができる。   The semiconductor layer and the light absorber layer can be formed by spray pyrolysis, chemical bath deposition, impregnation using a solution of dissolved material, solvent evaporation, spin coating using a precursor solution, or electric It can be performed using low-cost manufacturing techniques such as chemical precipitation.

図2は、第2実施形態の光電池デバイスの概略図を示し、以下の構成要素および手順を有する。図1と同一の構成要素は同一符号で表わし、説明を簡略化する。   FIG. 2 shows a schematic diagram of the photovoltaic device of the second embodiment, which has the following components and procedures. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description will be simplified.

透明電極4の導電性酸化物が形成されている面は、平坦な非多孔性のn型半導体層10(緻密層)によって被膜処理されている。n型半導体層10は10nmよりも厚く、TiOのような透明n型半導体から形成されている。光吸収体層20は厚さが50nm以上であり、n型半導体層10上に形成されている。光吸収体層20は硫化アンチモンで形成されている。例えばCuSCNや金属酸化物からなる透光性のあるp型半導体層30は、厚さが10nmより厚く、光吸収体層2上に形成されている。p型半導体層30上には、炭素あるいは金属のような導電性材料から作られる対向電極60が形成されている。対向電極60は、p型半導体層30(緻密層)からの電荷を収集する作用を有する。光電池デバイスは最終的には、湿気や空気中の汚染物質によるあらゆる劣化の可能性から保護されるためにシール材7により密閉される。 The surface of the transparent electrode 4 on which the conductive oxide is formed is coated with a flat non-porous n-type semiconductor layer 10 (dense layer). The n-type semiconductor layer 10 is thicker than 10 nm and is made of a transparent n-type semiconductor such as TiO 2 . The light absorber layer 20 has a thickness of 50 nm or more and is formed on the n-type semiconductor layer 10. The light absorber layer 20 is made of antimony sulfide. For example, the translucent p-type semiconductor layer 30 made of CuSCN or metal oxide has a thickness of more than 10 nm and is formed on the light absorber layer 2. On the p-type semiconductor layer 30, a counter electrode 60 made of a conductive material such as carbon or metal is formed. The counter electrode 60 has a function of collecting charges from the p-type semiconductor layer 30 (dense layer). The photovoltaic device is finally sealed with a sealing material 7 in order to be protected from any possibility of deterioration due to moisture and air pollutants.

緻密層であるn型半導体層10は、電子(負の電荷)の集電体として作用し、光吸収体層20から透明電極4へ移動する正の電荷(正孔)の短絡を防ぐように作用する。緻密層であるp型半導体層30は、正孔(正の電荷)の集電体として作用し、光吸収体層から導電基板対向電極へ移動する電子(負の電荷)の短絡を防ぐように作用する。光吸収体層20は光吸収体として作用し、光子を電子と正孔(それぞれ負と正の電荷)へ変換しその電荷をそれぞれn型半導体層10側とp型半導体層30側へ輸送する。その電荷がn型半導体層10側またはp型半導体層30との境界面に到達する前に起こりうる電荷の再結合による損失を回避するために、光吸収体層20は再結合中心を極力少なくすることが望ましい。このため光吸収体層20を構成する材料は純度が高い方が望ましい。この特性は、第1実施形態の貫入形態に存在する光吸収体層2のケースには必要ない。しかし、この平坦な層の第2実施形態は、貫入形態の製造に必要な手順よりも少ない手順にて製造できるため、貫入形態よりも低コストで製造できるという利点を有している。このコストにおける利点は、シリコンベースのデバイスに使用するような高価な技術、例えば高真空技術によって製造される他の光電池デバイスに対しても明らかである。   The n-type semiconductor layer 10, which is a dense layer, acts as a current collector for electrons (negative charges) so as to prevent a short circuit of positive charges (holes) moving from the light absorber layer 20 to the transparent electrode 4. Works. The p-type semiconductor layer 30, which is a dense layer, acts as a collector for positive holes (positive charges) and prevents short-circuiting of electrons (negative charges) moving from the light absorber layer to the conductive substrate counter electrode. Works. The light absorber layer 20 acts as a light absorber, converts photons into electrons and holes (negative and positive charges, respectively), and transports the charges to the n-type semiconductor layer 10 side and the p-type semiconductor layer 30 side, respectively. . In order to avoid loss due to charge recombination that may occur before the charge reaches the n-type semiconductor layer 10 side or the interface with the p-type semiconductor layer 30, the light absorber layer 20 has as few recombination centers as possible. It is desirable to do. Therefore, it is desirable that the material constituting the light absorber layer 20 has a higher purity. This characteristic is not necessary for the case of the light absorber layer 2 existing in the penetration form of the first embodiment. However, the second embodiment of this flat layer has the advantage that it can be manufactured at a lower cost than the penetrating form because it can be manufactured with fewer steps than necessary for manufacturing the penetrating form. This cost advantage is also evident for other photovoltaic devices manufactured by expensive technologies such as those used for silicon-based devices, such as high vacuum technology.

本発明の第1実施形態の3つの構成要素は、それぞれのエネルギーバンドの整合条件を満足している。光吸収体の伝導帯は、n型半導体の伝導帯よりもエネルギー準位はより小さな値を示し(用いられているほとんどの従来型タイプでは、エネルギー準位は、真空準位をゼロとすると負の値を有している)、光吸収体の価電子帯はp型半導体の価電子帯より負の大きな値でなければならない。これはすべて、電子および正孔それぞれの注入を可能にするためのものである。   The three components of the first embodiment of the present invention satisfy the matching conditions of the respective energy bands. The conduction band of the light absorber shows a smaller energy level than that of the n-type semiconductor (in most conventional types used, the energy level is negative when the vacuum level is zero). The valence band of the light absorber must be negative and larger than the valence band of the p-type semiconductor. All this is to allow the injection of electrons and holes respectively.

3つの構成要素は無機材料であり、これは、屋外用途、特に家屋の屋根に設置する用途の場合に長い耐久性をもたらす潜在的な利点を与える。3つの構成要素は、カドミウム(Cd)やセレニウム(Se)のような有毒物質や、インジウム(In)のような天然賦存量(含有量、埋蔵量)が少ない元素を含んでいないので、CdS/CdTeやCdS/CuInSeのようなヘテロ接合に基く他の光電池デバイスと比べて、大面積用、特に家屋の屋根用に用いることができるという利点を有している。 The three components are inorganic materials, which offer the potential advantage of providing long durability for outdoor applications, particularly for installations on house roofs. The three components do not contain toxic substances such as cadmium (Cd) and selenium (Se) and elements with low natural abundance (content and reserves) such as indium (In). Compared to other photovoltaic devices based on heterojunctions such as CdTe and CdS / CuInSe 2 , it has the advantage that it can be used for large areas, especially for roofs of houses.

したがって、この形態では、今のところ、約3mA/cmの短絡光電流そして低いVocとフィルファクターのために、約0.7%という低い光電変換効率を示しているが、貫入形態に比べると低コストで製造できるという利点を有している(製造ステップが少ない)。とは言うものの、優れた半導体特性を有する平坦な光吸収体層を製造できる安価な製造方法が見つかれば、さらに低コストという利点を有した上でこの効率も改善されうる。また第2実施形態は、硫化アンチモンからなる平坦な層を用いる平坦な層形態からなる他の光電池デバイスに比べて低コストで製造できるという利点を有している。他の光電池デバイスでは、大変高純度な貴金属、高純度そして非常によく管理されたドーパント(不純物)とを有するシリコンやゲルマニウム単結晶のような、硫化アンチモン層での接合を作るために高価な材料を用いなければならなかった。 Therefore, this form currently shows a low photoelectric conversion efficiency of about 0.7% due to a short circuit photocurrent of about 3 mA / cm 2 and a low V oc and fill factor, but compared to the penetration form. It has the advantage that it can be manufactured at low cost (the number of manufacturing steps is small). Nevertheless, if an inexpensive manufacturing method capable of manufacturing a flat light absorber layer having excellent semiconductor characteristics is found, this efficiency can be improved while having the advantage of lower cost. In addition, the second embodiment has an advantage that it can be manufactured at a lower cost than other photovoltaic cell devices having a flat layer form using a flat layer made of antimony sulfide. In other photovoltaic devices, expensive materials for making junctions with antimony sulfide layers, such as silicon and germanium single crystals with very high purity noble metals, high purity and very well controlled dopants (impurities) Had to be used.

以下、例を用いて説明する。例1〜3と例5において、光吸収体層の組成は主に硫化アンチモン(Sb)であるが、元素(SbまたはS)をある比率で化学量論比より余分に含んでもよいし、および/または、Sに置換する酸素イオンおよび/または水酸化イオンをある比率で含んでもよい。それらは、いずれも一般的に硫化アンチモンと称する。 Hereinafter, an example will be described. In Examples 1 to 3 and Example 5, the composition of the light absorber layer is mainly antimony sulfide (Sb 2 S 3 ), but may contain an element (Sb or S) in a certain ratio in excess of the stoichiometric ratio. And / or oxygen ions and / or hydroxide ions substituted for S in a certain ratio. They are generally referred to as antimony sulfide.

例1:多孔質ナノ結晶TiO膜(平均粒径40nm)内のオレンジ色の硫化アンチモン層、およびこの膜とCuSCNからなる充填剤で製造された、貫入形態を有する固体型光電池デバイスの製造。 Example 1: Porous Nanocrystalline TiO 2 film (average particle size 40 nm) orange antimony sulfide layer in, and produced by the filler made of the film and CuSCN, preparation of the solid type photovoltaic device having a penetration form.

市販の透明な導電性ガラス(例えばフッ素ドープされたSnO層を備えたもの)を2.5cm四方の小片にカットし、エタノールおよび蒸留水で清拭する。厚さが約50nmの緻密な(非多孔性)TiO層をこの基板上(SnO層側)にスプレー熱分解法によって析出させる。すなわち、チタン(IV)ビス(アセチルアセトナト)ジイソプロポキシドをエタノールに容積で10%溶解させた溶液を、約450℃の高温に保持したガラス基板の表面上に10分間噴霧し、文献「Kavan et al. Electrochim. Acta 40, 643 (1995)」に記載されている方法に従って遮蔽層を形成した。この遮蔽層は、電子を集める接点に向かって正孔または正の電荷が移動することを防ぐ遮蔽として作用する。遮蔽層を析出した後、「欧州特許出願公開第1271580号明細書」の記述に従って調製された、平均粒径約40nmのTiOのコロイド状分散液を用いて、多孔質ナノ結晶TiO膜をドクターブレード法(またはテープ成形法)によって析出させた。その後、450℃で30分間加熱して焼結した。これにより、多孔質ナノ結晶TiO膜から有機物が除去され、ナノ結晶間のみならず、ナノ結晶と基板間の良い接点が確保される。多孔質ナノ結晶TiO膜の厚さは約3μmであった。 A commercially available transparent conductive glass (for example, with a fluorine-doped SnO 2 layer) is cut into 2.5 cm square pieces and wiped with ethanol and distilled water. A dense (non-porous) TiO 2 layer having a thickness of about 50 nm is deposited on this substrate (SnO 2 layer side) by spray pyrolysis. That is, a solution in which 10% by volume of titanium (IV) bis (acetylacetonato) diisopropoxide was dissolved in ethanol was sprayed on the surface of a glass substrate held at a high temperature of about 450 ° C. for 10 minutes. A shielding layer was formed according to the method described in Kavan et al. Electrochim. Acta 40, 643 (1995). This shielding layer acts as a shield that prevents migration of holes or positive charges towards the contacts that collect the electrons. After depositing the shielding layer, a porous nanocrystalline TiO 2 film is formed using a colloidal dispersion of TiO 2 with an average particle size of about 40 nm, prepared according to the description of “European Patent Application No. 1271580”. Precipitation was performed by the doctor blade method (or tape molding method). Then, it heated and sintered at 450 degreeC for 30 minutes. This removes organics from the porous nanocrystalline TiO 2 film, ensuring good contact not only between the nanocrystals but also between the nanocrystals and the substrate. The thickness of the porous nanocrystalline TiO 2 film was about 3 μm.

硫化アンチモンの光吸収体層は化学浴析出法を用いて析出された。35ml(ミリリットル)の前駆体溶液を含む容器を1個使用した。この溶液は、0.025M(モル)濃度のSbClと、0.25M濃度のチオ硫酸ナトリウム(Na)とを含むアセトン/水(容積比で20:80)が混ざり合った水溶液からなる。基板をこの溶液に浸漬し、基板を含む容器を10℃の冷却器の中に置いて、2時間その状態のままにした。その後、基板を引き出し、蒸留水で洗浄して、最後に乾燥窒素で乾かした。基板上の多孔質ナノ結晶TiO膜はオレンジ色になった。次いで、光吸収体膜を最終仕上げし、特性を測定した。光吸収体層の吸収スペクトルは図3の特性線bによって示されている。 The antimony sulfide light absorber layer was deposited using chemical bath deposition. One container containing 35 ml (milliliter) of precursor solution was used. This solution was mixed with acetone / water (20:80 by volume) containing 0.025 M (molar) SbCl 3 and 0.25 M sodium thiosulfate (Na 2 S 2 O 3 ). It consists of an aqueous solution. The substrate was immersed in this solution and the container containing the substrate was placed in a 10 ° C. cooler and left in that state for 2 hours. Thereafter, the substrate was pulled out, washed with distilled water, and finally dried with dry nitrogen. The porous nanocrystalline TiO 2 film on the substrate turned orange. The light absorber film was then finished and the properties were measured. The absorption spectrum of the light absorber layer is shown by the characteristic line b in FIG.

充填剤としてはCuSCNを用いた。CuSCNの析出は、文献「Kumara et al., Solar Energy Materials Solar Cells 69, 195 (2001)」や文献「O'Regan et al. Chem. Mater. 14, 5023 (2002)」に記述された方法と類似の方法で行った。ディプロピル硫化物(S(CHCHCH))の中に15mg/mlの濃度のCuSCNを含む溶液(CuSCN溶液)を、80℃の熱板上に置いてある前記試料の上部を含浸させるために使用した。試料の上に注ぎ掛けたCuSCN溶液の全量は100μlであった。析出終了後、すべての余剰な溶媒を完全に蒸発させるために、試料をさらに追加的に3分間同じ温度で加熱した。次いで、厚さが約25nmの金の薄い層を、金属蒸着装置(例えばエドワーズ306型)を使用して、試料の上面に析出させた。他例(金より安価な代替品)では、炭素からなる市販の導電性インクを使用して、炭素層が試料上に塗られた。なお、ここでいう試料の上面とは導電性ガラスの多孔質ナノ結晶TiO膜を形成する側である。 CuSCN was used as the filler. The precipitation of CuSCN is performed by the method described in the literature “Kumara et al., Solar Energy Materials Solar Cells 69, 195 (2001)” and the literature “O'Regan et al. Chem. Mater. 14, 5023 (2002)”. A similar method was used. A solution containing CuSCN at a concentration of 15 mg / ml in dipropyl sulfide (S (CH 2 CH 2 CH 3 ) 2 ) (CuSCN solution) is placed on the hot plate at 80 ° C. Used for impregnation. The total amount of CuSCN solution poured onto the sample was 100 μl. After the precipitation was complete, the sample was heated for an additional 3 minutes at the same temperature in order to completely evaporate all excess solvent. A thin layer of gold having a thickness of about 25 nm was then deposited on the top surface of the sample using a metal deposition apparatus (eg Edwards 306 type). In another example (a cheaper alternative than gold), a carbon layer was applied over the sample using a commercially available conductive ink made of carbon. The upper surface of the sample here is the side on which the porous nanocrystalline TiO 2 film of conductive glass is formed.

光電池性能は、前述のように、量子効率と電流電圧曲線を測定して評価した。量子効率(図4の特性線d)と電流電圧曲線はきわめて低い値を示した。   Photocell performance was evaluated by measuring quantum efficiency and current-voltage curves as described above. The quantum efficiency (characteristic line d in FIG. 4) and the current-voltage curve showed extremely low values.

例2:多孔質ナノ結晶TiO膜(平均粒径40nm)内の暗褐色の硫化アンチモン層、およびこの膜とCuSCNからなる充填剤で製造された、貫入形態を有する固体型光電池デバイスの製造。 Example 2: Porous Nanocrystalline TiO 2 film (average particle size 40 nm) dark brown antimony sulfide layer in, and produced by the filler made of the film and CuSCN, preparation of the solid type photovoltaic device having a penetration form.

硫化アンチモンから作られる光吸収体層の製造は、例1と同じ手順で行われた。しかし、被膜が完了し、薄膜が洗浄され乾かされると、この膜は、窒素ガス雰囲気の下、300℃で30分間加熱して熱アニールされた。この膜は、オレンジ色から暗褐色へ変わった。次いで、光吸収体膜を最終仕上げし、特性を測定した。光吸収体層の吸収スペクトルは図3の特性線aに示されている。図3から明らかなとおり、熱アニール処理された薄膜の吸収スペクトルは、熱アニール処理されていない薄膜よりも幅がある。   The production of a light absorber layer made from antimony sulfide was carried out in the same procedure as in Example 1. However, once the coating was complete and the thin film was cleaned and dried, the film was heat annealed at 300 ° C. for 30 minutes under a nitrogen gas atmosphere. The membrane turned from orange to dark brown. The light absorber film was then finished and the properties were measured. The absorption spectrum of the light absorber layer is shown by the characteristic line a in FIG. As is clear from FIG. 3, the absorption spectrum of the thin film subjected to the thermal annealing treatment is wider than that of the thin film not subjected to the thermal annealing treatment.

固体型光電池デバイスの製造に関して、特に、CuSCN半導体からなる充填剤と接点層(例1における金の薄い層や炭素層のこと)は、例1と同様の方法で行なわれた。   Regarding the production of the solid-state photovoltaic device, in particular, the filler and the contact layer made of CuSCN semiconductor (the thin gold layer and the carbon layer in Example 1) were performed in the same manner as in Example 1.

光電池性能は前述のように評価された。量子効率(図4の特性線a)は80%という値を示す。特に、(導電性ガラス基板による光吸収による損失を考慮すると)400〜700nmという波長範囲にて最大値を達成しうる。電流電圧曲線(図5の特性線a)は、基準太陽光AM1.5Gに相当する1000W/mの照度の下で、10mA/cmの光電流Isc、0.63Vの開放電圧Voc、3.4%光電変換効率を示した。 Photovoltaic cell performance was evaluated as described above. The quantum efficiency (characteristic line a in FIG. 4) shows a value of 80%. In particular, the maximum value can be achieved in the wavelength range of 400 to 700 nm (considering loss due to light absorption by the conductive glass substrate). The current-voltage curve (characteristic line a in FIG. 5) shows a photocurrent I sc of 10 mA / cm 2 and an open circuit voltage V oc of 0.63 V under an illuminance of 1000 W / m 2 corresponding to the reference sunlight AM1.5G. It showed 3.4% photoelectric conversion efficiency.

例3:多孔質ナノ結晶TiO膜(平均粒径40nm)内の暗褐色で被膜がより厚い硫化アンチモン層、およびこの膜とCuSCNからなる充填剤で製造された、貫入形態を有する固体型光電池デバイスの製造。 Example 3: Porous Nanocrystalline TiO 2 film (average particle size 40 nm) thicker antimony sulfide layer is coated with a dark brown in and produced by the filler consisting of the membrane and CuSCN, solid-type photovoltaic cell having a penetration form Device manufacturing.

硫化アンチモンから作られる光吸収体層の製造は、例1と似た手順で行われたが、化学浴析出法が析出毎に同一組成の新しい溶液を用いて、連続3回繰り返された点が異なる。3回目の析出が完了し、薄膜は洗浄され乾かされ、その後、例2と似た方法で、窒素ガス雰囲気の下、300℃で30分間加熱して熱アニールされた膜は、暗褐色へ変わった。EDXによると、光吸収体の量は、例1や例2の薄膜の約3倍であった。SEMによると、薄膜の上側(導電性ガラス基板側の反対側)の空孔は、ほぼ閉鎖していた。   The production of the light absorber layer made from antimony sulfide was carried out in a procedure similar to that in Example 1, except that the chemical bath deposition method was repeated three times in succession using a new solution having the same composition for each deposition. Different. The third deposition is complete, the thin film is washed and dried, and then the film annealed by heating at 300 ° C. for 30 minutes under a nitrogen gas atmosphere in a manner similar to Example 2 turns dark brown. It was. According to EDX, the amount of light absorber was about three times that of the thin films of Examples 1 and 2. According to SEM, the vacancies on the upper side of the thin film (opposite side of the conductive glass substrate side) were almost closed.

固体型光電池デバイスの製造に関して、特に、CuSCN半導体からなる充填剤と接点層(例1における金の薄い層や炭素層のこと)は、例1と同様の方法で行なわれた。   Regarding the production of the solid-state photovoltaic device, in particular, the filler and the contact layer made of CuSCN semiconductor (the thin gold layer and the carbon layer in Example 1) were performed in the same manner as in Example 1.

固体型光電池デバイスの製造に関して、特に、CuSCN半導体からなる充填剤と接点層は、例1、2と同様の方法で行なわれた。   Regarding the manufacture of the solid-state photovoltaic device, in particular, the filler and the contact layer made of CuSCN semiconductor were performed in the same manner as in Examples 1 and 2.

光電池性能は前述のように評価された。量子効率と電流電圧曲線は大変低い値を示した。これは、CuSCNを用いて空孔をうまく充填できなくなることにつながる、厚過ぎる光吸収体による被膜(再結合による損失を増やす)、もしくは、空孔の閉鎖(特に薄膜の上側)に起因する。   Photovoltaic cell performance was evaluated as described above. The quantum efficiency and current-voltage curves showed very low values. This is due to coatings with light absorbers that are too thick (increasing losses due to recombination) or vacancy closure (especially on the top side of the film), which can lead to poor filling of the vacancies with CuSCN.

例4: 多孔質ナノ結晶TiO膜(平均粒径40nm)内の硫化ビスマス層、およびこの膜とCuSCNからなる充填剤で製造された、貫入形態を有する固体型光電池デバイスの製造。 Example 4: Porous Nanocrystalline TiO 2 film (average particle size 40 nm) bismuth sulfide layer in, and produced by the filler made of the film and CuSCN, preparation of the solid type photovoltaic device having a penetration form.

基板と多孔質ナノ結晶のTiO薄膜は、例1と同一である。硫化ビスマスで形成された光吸収体層は、化学浴析出法を用いて析出された。50mlの前駆体溶液を含む容器を1個使用した。溶液は、0.025M濃度のBi(NOと、0.12M濃度のトリエタノールアミン(OHCHCHN)と、0.04M濃度のチオアセトアミド(CHCSNH)を有する水溶性溶液からなる。試料をこの溶液に浸漬し、試料を含む容器を35℃のサーモスタット式浴槽の中に置いて、30秒間その状態のままにした。その後、試料を引き出し、蒸留水で洗浄して、最後に乾燥空気で乾燥した。光吸収体層は、窒素ガス雰囲気の下、300℃で30分間加熱して熱アニールされた。 The substrate and porous nanocrystalline TiO 2 thin film are the same as in Example 1. The light absorber layer formed of bismuth sulfide was deposited using a chemical bath deposition method. One container containing 50 ml of precursor solution was used. The solution has 0.025M concentration of Bi (NO 3 ) 3 , 0.12M concentration of triethanolamine (OHCH 2 CH 2 ) 3 N), and 0.04M concentration of thioacetamide (CH 3 CSNH 2 ). It consists of an aqueous solution. The sample was immersed in this solution and the container containing the sample was placed in a thermostat bath at 35 ° C. and left in that state for 30 seconds. Thereafter, the sample was drawn out, washed with distilled water, and finally dried with dry air. The light absorber layer was thermally annealed by heating at 300 ° C. for 30 minutes under a nitrogen gas atmosphere.

この層を有する固体型光電池デバイスの製造に関して、例1と同一の方法を用いた。光電池性能は前述のように評価された。量子効率は、400〜600nmという波長範囲にて斜め形状で最大値30%という値を示す(図4の特性線c)。電流電圧曲線(図5の特性線c)は、基準太陽光AM1.5Gに相当する1000W/mの放射照度の下で、0.9mA/cmの光電流Iscと0.3%の光電変換効率を示した。 The same method as in Example 1 was used for the production of the solid photovoltaic device having this layer. Photovoltaic cell performance was evaluated as described above. The quantum efficiency is a slanted shape in the wavelength range of 400 to 600 nm and has a maximum value of 30% (characteristic line c in FIG. 4). The current-voltage curve (characteristic line c in FIG. 5) shows a photocurrent I sc of 0.9 mA / cm 2 and 0.3% under an irradiance of 1000 W / m 2 corresponding to the reference sunlight AM1.5G. The photoelectric conversion efficiency was shown.

例5: TiOからなる平坦な緻密層、暗褐色の硫化アンチモンからなる平坦層、およびCuSCNからなる平坦層から作られる平坦な層形態を有する固体型光電池デバイスの製造。 Example 5: flat consists TiO 2 dense layer, planarization layer made of dark brown antimony sulfide, and preparation of the solid type photovoltaic device having a flat layer forms made from a flat layer consisting of CuSCN.

TiOからなる平坦な緻密層は、例1で説明された方法と似た方法に従って、導電性カラス基体上に析出された。その層の厚さは約50nm(SEMで測定)であった。 A flat dense layer of TiO 2 was deposited on a conductive crow substrate according to a method similar to that described in Example 1. The thickness of the layer was about 50 nm (measured with SEM).

硫化アンチモンからなる平坦層は、化学浴析出法を用いて、例1と似た手順に従って、TiOからなる平坦な緻密層上に析出された。光吸収体層はオレンジ色であった。その後、硫化アンチモンからなる平坦層は、窒素ガス雰囲気の下、30分間300℃で熱せられ熱アニール処理された。薄膜は暗褐色となった。硫化アンチモンからなる平坦層は、緻密で平坦で約150nmの厚さ(SEMを用いて横断面で測定)であった。 A flat layer made of antimony sulfide was deposited on a flat dense layer made of TiO 2 according to a procedure similar to Example 1 using chemical bath deposition. The light absorber layer was orange. Thereafter, the flat layer made of antimony sulfide was heated at 300 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere and subjected to thermal annealing. The thin film became dark brown. The flat layer made of antimony sulfide was dense and flat with a thickness of about 150 nm (measured in cross section using SEM).

CuSCNからなる平坦層は、蒸発法を用いて、硫化アンチモンからなる平坦層の上側に析出された。例1と似た方法で行なわれたが、CuSCN溶液を50μl使用した。析出が完了すると、試料は、余分な溶媒を完全に蒸発させるために、同じ温度で更に3分間熱せられた。CuSNC層の厚さ(SEMを用いて横断面で測定)は約500nmであった。   A flat layer made of CuSCN was deposited on the upper side of the flat layer made of antimony sulfide using an evaporation method. The procedure was similar to Example 1, but 50 μl of CuSCN solution was used. When precipitation was complete, the sample was heated for an additional 3 minutes at the same temperature to completely evaporate excess solvent. The thickness of the CuSNC layer (measured in cross section using SEM) was about 500 nm.

次いで、金属蒸発機(例えばエドワーズ306型)を用いて、CuSCN層の上側に約25nm厚さの金の層を析出させた。他例(金より安価な代替品)では、炭素からなる市販の導電性インクを使用して、炭素層が試料上に塗られた。   Next, using a metal evaporator (for example, Edwards 306 type), a gold layer having a thickness of about 25 nm was deposited on the upper side of the CuSCN layer. In another example (a cheaper alternative than gold), a carbon layer was applied over the sample using a commercially available conductive ink made of carbon.

光電池性能は、前述のように評価された。量子効率(図4の特性線b)は、貫入形態を有する装置よりも小さい25%の最大値を示すが、大きな波長幅(400〜700nm)にて似た形状を示す。電流電圧曲線(図5の特性線b)は、基準太陽光AM1.5Gに相当する1000W/mの照度の下で、2.9mA/cmの光電流Isc、0.54Vの開放電圧Voc、0.7%光電変換効率を示した。 Photocell performance was evaluated as described above. The quantum efficiency (characteristic line b in FIG. 4) shows a maximum value of 25% smaller than that of the device having the penetrating form, but shows a similar shape with a large wavelength width (400 to 700 nm). The current-voltage curve (characteristic line b in FIG. 5) shows a photocurrent I sc of 2.9 mA / cm 2 and an open circuit voltage of 0.54 V under an illuminance of 1000 W / m 2 corresponding to the reference sunlight AM1.5G. V oc showed 0.7% photoelectric conversion efficiency.

以上のように、本発明は、n型半導体・光吸収体・p型半導体の3層構造を用い、光吸収体に硫化アンチモンを含んでいるので、低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。本発明の光電池デバイスは、好ましくは改良されており、とりわけ、1000W/cmの太陽放射で照射した場合に2mA/cmよりも大きい、好ましくは5mA/cmよりも大きい短絡光電流を得ることが可能になり、これによって0.5%よりも大きい、特に1%よりも大きい光電変換効率を得ることができる。また、本発明の光電池デバイスは、毒性が高くなく、環境に対してマイナス影響がなく、安価で安定した材料を使用して製造することができる。 As described above, the present invention uses a three-layer structure of an n-type semiconductor, a light absorber, and a p-type semiconductor, and has an advantage that it can be manufactured at low cost because the light absorber contains antimony sulfide. A photovoltaic device excellent in photoelectric conversion efficiency can be provided. The photovoltaic device of the present invention is preferably improved, and in particular obtains a short circuit photocurrent greater than 2 mA / cm 2 , preferably greater than 5 mA / cm 2 when illuminated with 1000 W / cm 2 solar radiation. This makes it possible to obtain a photoelectric conversion efficiency greater than 0.5%, in particular greater than 1%. In addition, the photovoltaic device of the present invention is not highly toxic, has no negative impact on the environment, and can be manufactured using an inexpensive and stable material.

以上の記述には下記の技術思想を認識することができる。   The following technical idea can be recognized in the above description.

(1) 透明性と導電性を有する透明電極と、前記透明電極と電気的接触状態で設けられ第1の導電型を有する第1半導体層と、前記第1半導体層の表面に設けられた光吸収体層と、前記光吸収体層にと電気的接触状態で設けられ前記第1半導体層とは異なる第2の導電型を有する第2半導体層と、前記第2半導体層と電気的接触状態で設けられた対向電極とが設けられ、前記光吸収体層に硫化アンチモンが含まれていることを特徴とする光電池デバイス。低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。 (1) A transparent electrode having transparency and conductivity, a first semiconductor layer having a first conductivity type provided in electrical contact with the transparent electrode, and light provided on the surface of the first semiconductor layer An absorber layer, a second semiconductor layer provided in electrical contact with the light absorber layer and having a second conductivity type different from the first semiconductor layer, and electrical contact with the second semiconductor layer And a counter electrode provided in step (b), and the light absorber layer contains antimony sulfide. It is possible to provide a photovoltaic device that has the advantage of being manufactured at low cost and is excellent in photoelectric conversion efficiency.

(2) 透明性と導電性を有する透明電極と、前記透明電極と電気的接触状態で設けられ第1の導電型を有する緻密質の第1半導体緻密層(第1遮蔽層)と、前記第1半導体緻密層と電気的接触状態で設けられ第1の導電型を有する多孔質の第1半導体多孔質層と、前記第1半導体多孔質層の表面に設けられた光吸収体層と、前記光吸収体層にと電気的接触状態で設けられ前記第1半導体層とは異なる第2の導電型を有する多孔質の第2半導体層と、前記第2半導体と電気的接触状態で設けられた対向電極とが設けられ、前記光吸収体層に硫化アンチモンが含まれていることを特徴とする光電池デバイス。低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。 (2) a transparent electrode having transparency and conductivity; a dense first semiconductor dense layer (first shielding layer) having a first conductivity type provided in electrical contact with the transparent electrode; A porous first semiconductor porous layer having a first conductivity type provided in electrical contact with a semiconductor dense layer, a light absorber layer provided on a surface of the first semiconductor porous layer, A porous second semiconductor layer having a second conductivity type different from that of the first semiconductor layer, provided in electrical contact with the light absorber layer, and provided in electrical contact with the second semiconductor. And a counter electrode, and the light absorber layer contains antimony sulfide. It is possible to provide a photovoltaic device that has the advantage of being manufactured at low cost and is excellent in photoelectric conversion efficiency.

(3) (1)において、第1半導体層、第2半導体層の少なくとも一方は非多孔性であることを特徴とする光電池デバイス。 (3) The photovoltaic device according to (1), wherein at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is non-porous.

(4) 透明性と導電性を有する透明電極上に第1の導電型を有する第1半導体層を形成する第1工程と、
前記第1半導体層の表面に、硫化アンチモンが含まれる光吸収体層を形成する第2工程と、
前記光吸収体層の表面に、設けられ前記第1半導体層とは異なる第2の導電型を有する第2半導体層を形成する第3工程とが設けられていることを特徴とする光電池デバイスの製造方法。
(4) a first step of forming a first semiconductor layer having a first conductivity type on a transparent electrode having transparency and conductivity;
A second step of forming a light absorber layer containing antimony sulfide on the surface of the first semiconductor layer;
And a third step of forming a second semiconductor layer provided on the surface of the light absorber layer and having a second conductivity type different from that of the first semiconductor layer. Production method.

低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。   It is possible to provide a photovoltaic device that has the advantage of being manufactured at low cost and is excellent in photoelectric conversion efficiency.

(5) 透明性と導電性を有する透明電極上に第1の導電型を有する多孔質の第1半導体層を形成する第1工程と、
前記第1半導体層の空孔内表面を含む表面に、硫化アンチモンが含まれる光吸収体層を形成する第2工程と、
前記第1半導体層の空孔内部に前記第1半導体層とは異なる第2の導電型を有する第2半導体層を充填する第3工程とが設けられていることを特徴とする光電池デバイスの製造方法。
(5) a first step of forming a porous first semiconductor layer having a first conductivity type on a transparent electrode having transparency and conductivity;
A second step of forming a light absorber layer containing antimony sulfide on the surface of the first semiconductor layer including the inner surface of vacancies;
And a third step of filling a second semiconductor layer having a second conductivity type different from that of the first semiconductor layer into the voids of the first semiconductor layer. Method.

低コストに製造できる利点を有した上で光電変換効率に優れた光電池デバイスを提供できる。   It is possible to provide a photovoltaic device that has the advantage of being manufactured at low cost and is excellent in photoelectric conversion efficiency.

(6) (5)において、前記透明電極と前記第1半導体層との間に、前記透明電極と前記第2半導体層との間の電気的な短絡を防止する遮蔽層が設けられていることを特徴とする光電池デバイスの製造方法。 (6) In (5), a shielding layer for preventing an electrical short circuit between the transparent electrode and the second semiconductor layer is provided between the transparent electrode and the first semiconductor layer. A method of manufacturing a photovoltaic device characterized by the above.

本発明に基づく貫入ナノ結晶構造を備えた、3つの主要な構成要素からなる固体型光電池デバイスの模式図である。1 is a schematic diagram of a solid-state photovoltaic cell device comprising three main components with an intrusive nanocrystal structure according to the present invention. FIG. 本発明に基づく3つの主要な構成要素からなる平坦な積み重ねられた層の形態からなる固体型光電池デバイスの模式図である。1 is a schematic diagram of a solid state photovoltaic device in the form of a flat stacked layer of three main components according to the present invention. 例1、2の光吸収体層の吸収スペクトルを示す(導電性ガラスに対応する吸収は差し引いている)。特性線aは例2の吸収スペクトルを示し、特性線bは例1の吸収スペクトルを示す。The absorption spectrum of the light absorber layer of Examples 1 and 2 is shown (absorption corresponding to conductive glass is subtracted). Characteristic line a shows the absorption spectrum of Example 2, and characteristic line b shows the absorption spectrum of Example 1. 例1、2、4、5の光電池デバイスの波長−量子効率(%)曲線を示す。特性線aは例2、特性線bは例5、特性線cは例4、特性線dは例1を示す。The wavelength-quantum efficiency (%) curve of the photovoltaic device of Examples 1, 2, 4, and 5 is shown. The characteristic line a is Example 2, the characteristic line b is Example 5, the characteristic line c is Example 4, and the characteristic line d is Example 1. 例2、4、5の電流電圧曲線を示す。特性線aは例2、特性線bは例5、特性線cは例4を示す。The current-voltage curve of Example 2, 4, 5 is shown. Characteristic line a shows Example 2, characteristic line b shows Example 5, and characteristic line c shows Example 4.

符号の説明Explanation of symbols

1…n型半導体(透明n型半導体から作られる多孔質のナノ結晶薄膜)
2…光吸収体
3…p型半導体(透明p型半導体から作られる空孔充填剤)
4…透明電極(フロントコンタクトとして作用する透明な導電基板)
5…遮蔽層(n型半導体から作られる薄く緻密な遮蔽層)
6…対向電極(p型半導体から電荷を集める導電基板)
7…シール材
10…n型半導体層(緻密層)
11…空孔
12…TiOナノ結晶(透明n型半導体の結晶または粒子)
20…光吸収体層
30…p型半導体層(緻密層)
1 ... n-type semiconductor (porous nanocrystal thin film made from transparent n-type semiconductor)
2 ... light absorber 3 ... p-type semiconductor (hole filling material made of transparent p-type semiconductor)
4 ... Transparent electrode (transparent conductive substrate acting as a front contact)
5 ... Shielding layer (thin and dense shielding layer made from n-type semiconductor)
6 ... Counter electrode (conductive substrate collecting charges from p-type semiconductor)
7: Sealing material 10: n-type semiconductor layer (dense layer)
11 ... hole 12 ... TiO 2 nanocrystal (crystal or particle of transparent n-type semiconductor)
20 ... light absorber layer 30 ... p-type semiconductor layer (dense layer)

Claims (2)

n型半導体としての多孔質な空孔を有するTiO層と、
前記空孔の内部表面に層として形成され前記TiO層と接触する、硫化アンチモンを含む光吸収体と、
前記空孔の内部に貫入し、前記光吸収体に接触するp型半導体としてのCu(I)系化合物を備え、
前記TiO層の粗さ係数が100より大きいことを特徴とする光電池デバイス。
ここで、前記TiO層の粗さ係数とは、TiO層に接触する光吸収体に入射する入射光の投影面積に対する、TiO層の内部表面積の比を示す。
a TiO 2 layer having porous pores as an n-type semiconductor;
A light absorber comprising antimony sulfide formed as a layer on the inner surface of the pores and in contact with the TiO 2 layer;
A Cu (I) -based compound as a p-type semiconductor that penetrates into the pores and contacts the light absorber;
A photovoltaic device, wherein the TiO 2 layer has a roughness coefficient greater than 100.
Here, the roughness factor of the TiO 2 layer, to the projected area of the light incident on the light absorber in contact with the TiO 2 layer, indicating the ratio of internal surface area of the TiO 2 layer.
請求項1において、
前記光吸収体が熱アニール処理されていることを特徴とする光電池デバイス。
In claim 1,
A photovoltaic device, wherein the light absorber is subjected to a thermal annealing treatment.
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