JPH10117005A - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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JPH10117005A
JPH10117005A JP8271960A JP27196096A JPH10117005A JP H10117005 A JPH10117005 A JP H10117005A JP 8271960 A JP8271960 A JP 8271960A JP 27196096 A JP27196096 A JP 27196096A JP H10117005 A JPH10117005 A JP H10117005A
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resistance
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幹彦 西谷
Takayuki Negami
卓之 根上
Naoki Obara
直樹 小原
Takahiro Wada
隆博 和田
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    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＡＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくと
も１元素、Ｂ＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１
元素、Ｃ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）
薄膜を用いた太陽電池において、高性能化のために接合
部の漏れ電流を減少させること。 【解決手段】 ＡＢＣ２薄膜と窓層の間に、局部的に好
ましくはＡＢＣ２薄膜の表面上の結晶粒界にそってある
いは表面を１００オングストローム以下の膜厚で表面を
覆うように高抵抗薄膜を形成することにより課題の解決
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高効率な薄膜太陽
電池の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜太陽電池の中でＣｕＩｎＳｅ2系薄
膜太陽電池を用いたものが最も高い変換効率（１７％以
上）を示す可能性が示されている。これらの技術につい
ては、たとえば、Blossらによる解説（progress in pho
tovoltaic, 3(1995) p3）に詳しく述べられている。通
常、ＣｕＩｎＳｅ2系薄膜太陽電池においては、サブス
トレイト型構造（光の入射がセル側のもの、図２参照）
においてより高い変換効率を得ることができる。この理
由としては、光吸収層の作製プロセス温度や接合の構造
に関係している。ＣｕＩｎＳｅ2薄膜太陽電池において
は、高品質なＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2やＣｕＩｎ
（Ｓ，Ｓｅ）2などのＣｕＩｎＳｅ2系薄膜を作製するた
めには、プロセス温度として５００℃以上の温度が必要
である。この温度での接合の相手であるＣｄＳ薄膜は、
ＣｕＩｎＳｅ2系薄膜からの主にＣｕの拡散が生じ、良
好な接合ができないのに対し、Ｍｏ電極との間において
はＣｕＩｎＳｅ2系薄膜とのオーミック性やＣｕＩｎＳ
ｅ2系薄膜の膜品質を損なわない。その結果、ＣｕＩｎ
Ｓｅ2系薄膜太陽電池では、ガラス／裏面電極（Ｍｏ）
／ＣｕＩｎＳｅ2系薄膜／ＣｄＳ／透明導電膜（たとえ
ば、ＺｎＯ／ＩＴＯあるいはＺｎＯ／ＺｎＯ：Ａｌな
ど）のようなサブストレイト型構造において高い変換効
率が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】すでに述べたように、
ＣｕＩｎＳｅ2系薄膜太陽電池は、サブストレイト型構
造で１７％以上の変換効率が実現されており、薄膜太陽
電池としては最も高性能な太陽電池である。しかし、さ
らにその太陽電池を高性能にするためには、図２に示し
たＣｕＩｎＳｅ２系薄膜の結晶粒界（図中Ｐ）の表面部
（図中Ｑ）付近においての接合特性が、結晶粒界のない
表面部（図中Ｒ）の接合特性に比べ悪く、変換効率が１
５％を越えるセルにおいての接合のもれ電流の主な原因
の一つである。また、結晶粒界以外の部分においても、
接合部の表面積は、薄膜表面の凹凸のため、通常平らな
場合の面積に比べ大きく、接合部の漏れ電流の増加する
主な原因のもう一つである。本発明の課題は、ＣｕＩｎ
Ｓｅ２系薄膜表面に露出している結晶粒界部などの漏れ
電流をより少なくすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】絶縁基板とその絶縁基板
上に形成された裏面電極と前記裏面電極上に電気伝導型
ＰタイプＡＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも
１元素、Ｂ＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元
素、Ｃ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型
カルコパイライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よ
りなるｐｎ接合を有し、その上に透明電極を設けてなる
太陽電池において、前記ＡＢＣ2型カルコパイライト半
導体薄膜とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を１
００オングストローム以下の膜厚で設けたり、ＡＢＣ2
薄膜の表面に局部的に設けたり、ＡＢＣ２薄膜の結晶粒
界にそって設けたりすることによって本発明の課題を解
決することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図を用
いて説明する。
【０００６】（実施の形態１）本発明の太陽電池の構造
を図１に示す。１はガラス基板である。２は、下部電極
であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３
は、光吸収層であるたとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ
2薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光
吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡ
ＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
イライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層
とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、
光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特
性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄
膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3
ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯ
あるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａな
ど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として
１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計す
る。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドー
プされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。６
は、前記光吸収層３の表面に現れている結晶粒界を覆う
ように形成された高抵抗な薄膜である。化学量論比組成
から少しＩｎ過剰なＣｕＩｎＳ２薄膜は、光吸収層４の
品質を損なわず結晶粒界にのみ選択的に形成するのに適
した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよい。
【０００７】図５には、高抵抗な薄膜６のない従来構造
の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の太陽電池特性
を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。変換効率
は、前者が、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm2,Voc=0.617V,F
F=0.696）であり、後者が１６.１％（Jsc=35.0mA/cm2,V
oc=0.648V,FF=0.696）であり、特にVocにおいて特性の
改善が見られた。図６には、高抵抗な薄膜６のない従来
構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の量子効率
の波長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示してい
る。図６より、高抵抗な薄膜６を形成することによって
光電流面での変化は両者に観測されなかった。すなわ
ち、本発明の構造に示したように高抵抗な薄膜６を設け
ることによって、接合特性の漏れ電流が減少し、VocとF
Fを改善することができたと考えられる。
【０００８】（実施の形態２）本発明の太陽電池の構造
を図３に示す。１はガラス基板である。２は、下部電極
であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３
は、光吸収層であるたとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ
2薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光
吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡ
ＢＣ２（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
イライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層
とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、
光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特
性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄
膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3
ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯ
あるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａな
ど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として
１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計す
る。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドー
プされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。７
は、前記光吸収層３の表面を覆うように薄く形成された
高抵抗な薄膜である。化学量論比組成から少しＩｎ過剰
なＣｕＩｎＳ２薄膜は、高抵抗な薄膜でかつ、光吸収層
４の品質を損なわないので、本発明の実現のためには適
した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよい。
【０００９】図５には、高抵抗な薄膜６のない従来構造
の太陽電池（ａ）及び本発明の構造の太陽電池の太陽電
池特性（ｂ）を示している。（ｂ）は、高抵抗薄膜６の
膜厚が１００オングストローム程度である。変換効率
は、（ａ）では、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm2,Voc=0.61
7V,FF=0.696）であり、（ｂ）では、１６.１％（Jsc=3
5.0mA/cm2,Voc=0.648V,FF=0.696）であった。特にVocに
おいて特性の改善が見られた。（ｃ）は、高抵抗薄膜６
が５００オングストロームの膜厚の場合の太陽電池特性
である。このデータは、本発明の構造において、高抵抗
薄膜６の膜の最適化が重要であることを示している。膜
厚として１００オングストローム以下の膜厚であること
が好ましい。図６には、高抵抗な薄膜６のない従来構造
の太陽電池及び本発明の構造の太陽電池の量子効率の波
長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示している。
（ｃ）は、図５の場合と同様に、高抵抗薄膜６が５００
オングストロームの膜厚の場合の量子効率の波長依存性
である。図６より、１００オングストロム程度の膜厚の
高抵抗な薄膜６を形成することによって光電流面での低
下は観測されなかった（図６（ｂ）参照）が、５００オ
ングストローム以上のものでは長波長の感度が著しく低
下することがわかった（図６（ｃ）参照）。すなわち、
本発明の構造図３に示したように高抵抗な薄膜６薄く設
けることによって、接合特性の漏れ電流が減少し、Voc
とFFを改善することができたと考えられる。
【００１０】（実施の形態３）本発明の太陽電池の構造
を図４に示す。１はガラス基板である。２は、下部電極
であるＭｏ電極である。膜厚は約１ミクロンである。３
は、光吸収層であるたとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ
2薄膜で約２ミクロン程度の厚さである。もちろん、光
吸収層の材料は、それに限ることことはなくＰタイプＡ
ＢＣ２（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
イライト半導体薄膜であればよい。窓層４は、光吸収層
とのｐｎ接合を形成するためのものである。できれば、
光吸収層に比べ充分バンドギャップが大きく接合界面特
性の良い材料が好ましい。最も適した構成は、ＣｄＳ薄
膜（約0.05ミクロン厚以下）／ＺｎＯ薄膜（約0.05-0.3
ミクロン）にすることである。透明導電膜５は、ＩＴＯ
あるいは、III族元素（たとえば、Ｂ，Ａｌ，Ｇａな
ど）をドープしたＺｎＯ薄膜がよい。シート抵抗として
１０オーム程度になるようにぞれぞれの膜厚を設計す
る。たとえば、ＩＴＯでは、０．１ミクロン程度、ドー
プされたＺｎＯ薄膜では、１ミクロン程度である。８
は、前記光吸収層３の表面を覆うように局部的に形成さ
れた高抵抗な薄膜である。化学量論比組成から少しＩｎ
過剰なＣｕＩｎＳ２薄膜は、高抵抗な薄膜でかつ、光吸
収層４の品質を損なわないので、本発明の実現のために
は適した材料でかつ高抵抗な薄膜であるので都合がよ
い。また、同様にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２あるいはＳｉ３
Ｎ４などの絶縁膜を光吸収層４の表面などの品質を保持
しつつ局部的に形成してもよい。
【００１１】図５には、高抵抗な薄膜６のない従来構造
の太陽電池（ａ）及び本発明の構造の太陽電池の太陽電
池特性（ｂ）を示している。（ｂ）は、高抵抗薄膜６と
してＡｌ２Ｏ３を局部的に設けたものである。変換効率
は、（ａ）では、１５.０％（Jsc=35.0mA/cm2,Voc=0.61
7V,FF=0.696）であり、（ｂ）では、１６.１％（Jsc=3
5.0mA/cm2,Voc=0.648V,FF=0.696）であった。特にVocに
おいて特性の改善が見られた。図６には、高抵抗な薄膜
６のない従来構造の太陽電池及び本発明の構造の太陽電
池の量子効率の波長依存性を（ａ）及び（ｂ）にそれぞ
れ示している。すなわち、本発明の構造図４に示したよ
うに高抵抗な薄膜６を局部的に設けることによって、接
合特性の漏れ電流が減少し、VocとFFを改善することが
できたと考えられる。
【００１２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高性能な
薄膜太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図２】従来の太陽電池の構造を示す図
【図３】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図４】本発明の太陽電池の構造の一例を示す図
【図５】本発明の太陽電池の特性を示す図
【図６】本発明の太陽電池の特性を示す図
【符号の説明】
１ 基板 ２ 下部電極 ３ 光吸収層 ４ 窓層 ５ 透明導電膜 ６ 高抵抗膜１ ７ 高抵抗膜２ ８ 高抵抗膜３
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 隆博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成され
    た裏面電極と、前記裏面電極上に電気伝導型ＰタイプＡ
    ＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
    ＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
    Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
    イライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よりなるｐ
    ｎ接合を有し、その上に透明電極を設けてなる太陽電池
    において、前記ＡＢＣ２型カルコパイライト半導体薄膜
    とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を１００オン
    グストローム以下の膜厚で設けたことを特徴とする太陽
    電池。
  2. 【請求項２】 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成され
    た裏面電極と、前記裏面電極上に電気伝導型ＰタイプＡ
    ＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
    ＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
    Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
    イライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よりなるｐ
    ｎ接合を有し、その上に透明電極を設けてなる太陽電池
    において、前記ＡＢＣ２型カルコパイライト半導体薄膜
    とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を局部的に設
    けたことを特徴とする太陽電池。
  3. 【請求項３】 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成され
    た裏面電極と、前記裏面電極上に電気伝導型ＰタイプＡ
    ＢＣ2（Ａ＝Ｃｕ，Ａｇのうちの少なくとも１元素、Ｂ
    ＝Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのうちの少なくとも１元素、Ｃ＝
    Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうちの少なくとも１元素）型カルコパ
    イライト半導体薄膜とｎタイプの半導体薄膜よりなるｐ
    ｎ接合を有し、その上に透明電極を設けてなる太陽電池
    において、前記ＡＢＣ2型カルコパイライト半導体薄膜
    とｎタイプ半導体薄膜の間に高抵抗な薄膜を前記ＡＢＣ
    2型カルコパイライト半導体薄膜表面に存在する結晶粒
    界にそって設けたことを特徴とする太陽電池。
  4. 【請求項４】 ＡＢＣ2型カルコパイライト型半導体薄
    膜が、ＣｕＩｎＳｅ2あるいはＣｕＧａＳｅ2あるいはそ
    れらの混晶系薄膜よりなり、この薄膜とｎタイプ半導体
    薄膜の間にもうける高抵抗な薄膜がＣｕＩｎＳ2よりな
    ることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の太陽電
    池。
  5. 【請求項５】 高抵抗な薄膜が、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2又
    はＳｉ3Ｎ4であることを特徴とする請求項２又は３記載
    の太陽電池。
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