JP5944262B2 - 光電変換素子、光電変換素子アレイ及び太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
n型半導体層とp型半導体層とを備える光電変換素子であって、
上記n型半導体層がBi2S3を含有することを特徴とする。
図1の光電変換素子1は、透明基板2、透明電極膜3、n型半導体層4、p型半導体層5及び電極膜6を備え、これらがこの順に積層されてなる層構造体である。
1/ρ=qnμ ・・・(1)
(ρ;抵抗率、q;電荷、n;キャリア数、μ;移動度)
n=Nv・exp{−(Ef−Ev)/k・T} ・・・(2)
(n;キャリア密度、Nv;価電子帯の実効キャリア密度、Ef;フェルミレベル、Ev;価電子帯の上部ポテンシャルエネルギー、k;ボルツマン乗数、T;測定温度)
当該光電変換素子1は、
(1)スプレー熱分解法により、透明電極膜3の表面にn型半導体層4を成膜する工程、及び
(2)スパッタ法により、n型半導体層4の表面にp型半導体層5を成膜する工程
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2の表面に積層された透明電極膜3の表面にBi2S3を含有するn型半導体層4を成膜する。この際、透明基板2と透明電極膜3との積層体としては、市販の透明電極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3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4の表面に、スパッタ法によりp型半導体層5を形成する。
本発明の光電変換素子アレイは、複数の当該光電変換素子を備える。各光電変換素子は直列又は並列に電気的に接続されてなる。また、各光電変換素子は同一構造であってもよいし、異なった構造であってもよい。また、当該光電変換素子アレイは、本発明の光電変換素子以外の光電変換素子をさらに備えていてもよい。当該光電変換素子アレイは、複数の当該光電変換素子を備えるため優れた光電変換効率を有し、製造も容易である。
本発明の太陽電池モジュールは、当該光電変換素子又は当該光電変換素子アレイを備える。当該太陽電池モジュールの具体的構造としては、ガラス等からなる透光性基板と、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)等の熱可塑性樹脂からなる充填剤層と、当該光電変換素子又は光電変換素子アレイと、上記充填剤層と同様の充填剤層と、太陽電池モジュール用バックシートとが表面側からこの順に積層されてなるものが挙げられる。これらは、通常、真空加熱ラミネーション法等により一体成形されている。また、当該光電変換素子又は光電変換素子アレイの配線(両端子)は、通常、裏面(バックシート)側に設けられるジャンクションボックスを通じて外部配線の端子と接続される。
下記手順にて、透明基板、透明電極膜、n型半導体層、p型半導体層及び電極膜がこの順に積層されてなる光電変換素子を作製した。
市販の透明導電膜付ガラス基板(Solaronix社のFTO透明導電膜付きガラスTCO22−15)を用いた。
上記透明電極膜付きガラス基板の表面に以下のスプレー熱分解法でBi2S3からなるn型半導体層を成膜した。Bi(NO3)3・5H2Oを10wt%の酢酸水溶液に溶解し、Bi(NO3)3・5H2Oの0.1M溶液を調製した。上記Bi(NO3)3・5H2Oを溶解した酢酸水溶液に対して、1.5倍量のチオ尿素水溶液(0.1M)を混合し、前駆体溶液とした。300℃に加熱したホットプレート上の基板にこの前駆体溶液50mlをガス圧1.25kPaの空気で1ショット0.5秒毎に5秒のインターバルで噴霧し、目的のn型半導体層(Bi2S3膜)を成膜した。得られたn型半導体層の平均厚みは1μmであった。
次いで、上記n型半導体層の表面にp型半導体層を以下のスパッタ法で成膜した。スパッタリングターゲットとしては、NiOターゲット、Al−12at%Li合金ターゲット、及びAlターゲットを用いた。NiOターゲットを必須とし、ドープのためにAl−12at%Li合金ターゲット及びAlターゲットを適宜用いた。ガス圧2mTorrでO2分圧30%とし、成膜時の各ターゲットの放電電力を変化させることで、目的とする組成の薄膜を得た。成膜後サンプルは、結晶成長及び欠陥の除去を目的として、真空中300℃で1時間加熱させた。得られたp型半導体層の平均厚みは0.7μmであった。
Bi2S3膜‥4.53eV
NiO膜 ‥4.80eV
得られた光電変換素子に対して、透明基板側からナリカ社製ランプ D20−1269−11を用いて光照射を行い、光照射時の開放電圧を測定した。測定結果を図2に示す。
製造例1として、ガラス基板の表面に、上記実施例1の(2)の手順に沿って、成膜温度200℃にてBi2S3膜を成膜した。
成膜温度を300℃としたこと以外は製造例1と同様にして、製造例2のBi2S3膜を成膜した。
成膜温度を400℃としたこと以外は製造例1と同様にして、製造例3のBi2S3膜を成膜した。
得られた製造例1〜3各Bi2S3膜の結晶粒径及び抵抗値を測定した。結晶粒径(平均結晶粒径)は、以下の方法にて測定した。各方位((020)面、(200)面、(120)面、(130)面、(310)面及び(211)面)の結晶性をリガク社製X線回折装置Smart labを用いて測定した。各方位の結晶粒径の平均値を(平均)結晶粒径とした。成膜温度と結晶粒径又は抵抗値とをプロットしたグラフを図4と図5にそれぞれ示す。また、結晶粒径と抵抗値との相関を図6に示す。
2 透明基板
3 透明電極膜
4 n型半導体層
5 p型半導体層
6 電極膜
Claims (3)
- n型半導体層とp型半導体層とを備える光電変換素子であって、
上記n型半導体層が、Bi2S3を含有し、かつ平均厚さが0.5μm以上2μm以下の層であり、
上記p型半導体層が主成分としてNiOを含有し、
上記p型半導体層が、アルミニウム及びリチウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属元素をさらに含有し、上記p型半導体層における上記金属元素の含有量が10原子%以上40原子%以下であることを特徴とする光電変換素子。 - 請求項1に記載の複数の光電変換素子を備える光電変換素子アレイ。
- 請求項1に記載の光電変換素子又は請求項2に記載の光電変換素子アレイを備える太陽電池モジュール。
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