JP5792129B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
(1)結晶シリコン太陽電池と比べて薄い膜厚で高い変換効率が得られる。例えば、化合物系太陽電池の膜厚が数μmであるのに対し、結晶シリコン太陽電池の膜厚は概ね100μm以上である。従って、フレキシブルな基板上に化合物系太陽電池を形成できる。
(2)スパッタ法のように真空を必要とせず、溶液成長法、スプレー熱分解法、、スクリーン印刷法など、大気圧下で製造が可能であるので、設備コスト及び製造コストが低い。また、低温での製造が可能なので、基板材料としてソーダライムガラスなどの安い材料を使用することができる。さらに結晶シリコン太陽電池と比べて、製造工程も簡単であることからも製造コストが低い。
(3)長期間の耐久性に優れている。
n型半導体層、中間層、及びカルコゲナイド化合物を主成分として含有するp型半導体層をこの順に有し、
上記中間層の主成分がスズ(Sn)−亜鉛(Zn)−硫黄(S)系化合物であり、このSn−Zn−S系化合物におけるZnとSnの合計原子数に対するZnの原子数(Zn/(Zn+Sn))が10%以上40%以下である太陽電池である。
図1の太陽電池10は、薄膜型の化合物系太陽電池である。当該太陽電池10は、透明基板1、透明電極膜2、n型半導体層3、中間層4、p型半導体層5及び電極膜6を備える。
(1)スプレー熱分解法により、透明電極膜2の表面にn型半導体層3を形成する工程、
(2)スプレー熱分解法により、n型半導体層3の表面に中間層4を形成する工程、及び
(3)スプレー熱分解法により、中間層4の表面にp型半導体層5を形成する工程
を有する製造方法により好適に得ることができる。以下、各工程について詳説する。
本工程においては、スプレー熱分解法により、透明基板1の表面に積層された透明電極膜2の表面にn型半導体層3を形成する。この際、透明基板1と透明電極膜2との積層体としては、市販の透明電極層(膜)付ガラス基板等を用いることができる。なお、透明電極膜2の表面は、中性洗剤等による洗浄、純水等による超音波洗浄等を予め施しておくことが好ましい。
本工程においては、上記工程(1)で得られたn型半導体層3の表面に、スプレー熱分解法により中間層4を形成する。
本工程においては、上記工程(2)で得られた中間層4の表面に、スプレー熱分解法によりp型半導体層5を形成する。
(n型半導体層の成膜)
ガラス基板上に透明導電膜SnO:F(FTO)が成膜された透明基板上に、n型半導体層としてTiO2をスプレー熱分解法により成膜した。n型半導体層の成膜条件は以下の通りである。原料溶液としては、チタンジイソプロポキシドビスアセチルアセトナート(イソプロパノール溶媒中に濃度75質量%)7mlとエタノール43mlとの混合溶液を用いた。空気をキャリアガスとして、透明基板上に原料溶液をスプレー(噴霧)した。噴霧器先端と基板の距離は30cmとし、30秒ごとに1秒間のスプレーを3回繰り返した。全体のスプレー時間は50分間であり、この結果、膜厚400nmのn型半導体層が成膜された。スプレー中の基板温度は500℃に設定したので、膜中に溶媒などの不純物は残留しなかった。
次に、この試料上にSn−Zn−S中間層を以下の条件でのスプレー熱分解法により成膜した。Zn(NO3)2とSnCl2とを合計で0.02Mとなるように、及びチオ尿素(SC(NH2)2)を0.05Mとなるように蒸留水15mlに溶かし、原料溶液とした。空気をキャリアガスとして、試料上にこの原料溶液をスプレーした。噴霧器先端と基板の距離は30cmで、30秒ごとに1秒間のスプレーを3回繰り返した。全体のスプレー時間は15分間であり、この結果、膜厚120nmの中間層が成膜された。但し、最適なZn:Sn比を探るために、原子数比Zn/(Zn+Sn)を0〜100%の間で変えた試料を複数個作成した。スプレー中の基板温度は350℃に設定したので、膜中に溶媒などの不純物は残留しなかった。なお、以下の製造例1によれば、この中間層はSnS、ZnS及びSnS2の混合体であることが分かっている。
次に、同じくスプレー熱分解法により、この試料上にp型半導体層としてCuInS2層を積層した。原料溶液としてCuCl2、InCl3及びSC(NH2)2を蒸留水30mlに溶かしたものを用いた。なお、CuCl2及びInCl3の濃度はそれぞれ0.03Mに、SC(NH2)2の濃度は0.15Mに調整した。空気をキャリアガスとして、試料上にこの原料溶液をスプレーした。噴霧器先端と基板の距離は30cmで、30秒ごとに1秒間のスプレーを3回繰り返した。全体のスプレー時間は15分間であり、この結果、膜厚1μmのp型半導体層が形成された。スプレー中の基板温度は350℃に設定したので、膜中に溶媒などの不純物は残留しなかった。
最後に、この試料上に電極層(集電電極)としてカーボン層をスクリーン印刷により塗布成膜し実施例1〜5及び比較例1〜3の各太陽電池を得た。
得られた各太陽電池(受光部:10×10mm)を用いて、大気中、室温、AM1.5の条件で変換効率の測定を行った。各太陽電池の中間層におけるZn比率(原子数比Zn/(Zn+Sn))と共に測定結果を表1に示す。Zn比率が10〜40%で変換効率が高いことが分かった。
中間層のZn比率Zn/(Zn+Sn)を25%とし、中間層の膜厚を変えて実施例6〜13及び比較例1の太陽電池を作製した。中間層の膜厚は、原料溶液の濃度は一定とし、スプレーする原料溶液量を変えることで調整した。その他の条件は、実施例1等と同じである。
得られた各太陽電池(受光部:10×10mm)を用いて、大気中、室温、AM1.5の条件で変換効率の測定を行った。測定結果を表2に示す。中間層の膜厚が30nm以上300nm以下で変換効率が高いことが分かった。
中間層のZn比率Zn/(Zn+Sn)を25%とし、p型半導体層としてCu−Zn−S層を積層した。p型半導体層の原料溶液はCuCl2、Zn(NO3)2及びSC(NH2)2の混合水溶液を用いた。CuCl2及びZn(NO3)2の濃度はそれぞれ0.03Mに、SC(NH2)2の濃度は0.15Mに調製した。その他の条件は実施例1等と同じとして、実施例14の太陽電池を得た。実施例1等と同様の条件で、変換効率を測定したところ、変換効率は0.8%であった。
Zn比率Zn/(Zn+Sn)を25%とし、実施例1と同じ方法によりガラス基板上にSn−Zn−S単層膜を成膜した。えられた成膜の薄膜X線回折パターンを図4に示す。この膜はSnS,ZnS及びSnS2の混合体となっていることがわかる。
2 透明電極膜
3 n型半導体層
4 短絡防止層
5 p型半導体層
11 基板
12 下部電極
13 p型化合物半導体層
14 バッファ層
15 透明電極膜
16 上部電極
10、20 太陽電池
Claims (4)
- n型半導体層、中間層、及びカルコゲナイド化合物を主成分として含有するp型半導体層をこの順に有し、
上記中間層の主成分がスズ(Sn)−亜鉛(Zn)−硫黄(S)系化合物であり、このSn−Zn−S系化合物におけるZnとSnの合計原子数に対するZnの原子数(Zn/(Zn+Sn))が10%以上40%以下であり、
上記カルコゲナイド化合物が、Sを含有し、かつセレン(Se)を含有しない太陽電池。 - 上記Sn−Zn−S系化合物が、硫化スズ及び硫化亜鉛を含む請求項1に記載の太陽電池。
- 上記中間層の膜厚が30nm以上300nm以下である請求項1又は請求項2に記載の太陽電池。
- 上記カルコゲナイド化合物が、Cu−Zn−S系化合物又はCuInS2である請求項1、請求項2又は請求項3に記載の太陽電池。
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