JPWO2011111821A1 - 光発電素子および多接合薄膜太陽電池 - Google Patents

光発電素子および多接合薄膜太陽電池 Download PDF

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Abstract

基板と、基板上に設けられた電極（１０）と、電極（１０）とショットキ接合するように電極（１０）上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層（１１）と、半導体ｉ層（１１）上に設けられた半導体ｎ層（１２）と、を備え、半導体ｉ層（１１）を構成する部材の仕事関数Φｉが電極（１０）を構成する部材の仕事関数Φｅよりも大きく、半導体ｉ層（１１）を構成する部材のイオン化ポテンシャルが仕事関数Φｅに−０．３ｅＶを加えた値よりも大きい光発電素子と、その光発電素子をトップセルに用いた多接合薄膜太陽電池である。

Description

本発明は、光発電素子および多接合薄膜太陽電池に関する。
近年、低コスト化および多接合化が容易であることから、薄膜太陽電池の高効率化に関する技術開発が活発になってきている。なかでも、薄膜太陽電池の技術開発においては、ｐｎ接合を有するセルが複数接合されてなる多接合薄膜太陽電池の光の入射側のトップセルにおける、開放電圧Ｖｏｃの増加に繋がるワイドバンドギャップ材料を用いたｐ層およびｉ層の開発が活発になっている。
図１２に、従来の一般的な光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す。ここで、図１２に示すエネルギバンドプロファイルを有する光発電素子においては、電極２０上に、半導体ｐ層２１、半導体ｉ層２２および半導体ｎ層２３がこの順序で積層されている。このような積層構造の光発電素子にワイドバンドギャップ材料を用いた場合の課題としては、光発電素子内においてバンドギャップの違いによるバンドオフセット（バンドノッチ）が半導体ｐ層２１に生じ、光発電素子の特性が悪化することが知られている。なお、図１２において、「Ｅｆ」はフェルミ準位を示している。
このバンドノッチの発生を抑えるために、たとえば、特許文献１（特開平３-１０１２７４号公報）には、ｐ層またはｎ層とｉ層との間にバッファ層を挿入し、かつグレーディッドバンドギャップ層を形成したセル構造が提案されている。
また、特許文献２（特開昭５９-１５１４７６号公報）、特許文献３（特開昭６２-３５６８１号公報）および特許文献４（実開平３−３６１５５号公報）には、ｐ層および／またはｎ層を用いずに、金属層もしくは透明導電膜上に真性半導体であるｉ層を形成したショットキ構造も考案されている。
特開平３-１０１２７４号公報 特開昭５９-１５１４７６号公報 特開昭６２-３５６８１号公報 実開平３−３６１５５号公報
しかしながら、図１２に示す光発電素子においては、半導体ｐ層２１にワイドバンドギャップ材料が用いられているため、半導体ｐ層２１におけるｐ層での活性化エネルギＥａが少なくとも０．４ｅＶもあり、この活性化エネルギＥａ分だけ光発電素子の開放電圧Ｖｏｃが低下するという問題があった。
また、特許文献１に記載された方法においては、バンドノッチを回避するために用いたバッファ層やグレーディッドバンドギャップ層における電圧降下により開放電圧Ｖｏｃがさらに低下するため、太陽電池の変換効率の大幅な改善に繋がらないといった問題があった。
また、特許文献２〜特許文献４に記載された方法においても、高変換効率の太陽電池を得ることができないという問題があった。これは、Ｓｉ系薄膜太陽電池のセル内におけるエネルギバンドプロファイルが未だ明確に把握されておらず、特に金属または透明導電膜とアモルファス系Ｓｉの接合界面の構造について、どのような構造が最適なのか明確な解決策すら得られていないためである。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、新規のエネルギバンドプロファイルを導入することによって特性を向上させた光発電素子および多接合薄膜太陽電池を提供することにある。
本発明は、基板と、基板上に設けられた電極と、電極とショットキ接合するように電極上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層と、半導体ｉ層上に設けられた半導体ｎ層と、を備え、半導体ｉ層を構成する部材の仕事関数Φｉが電極を構成する部材の仕事関数Φｅよりも大きく、半導体ｉ層を構成する部材のイオン化ポテンシャルが仕事関数Φｅに−０．３ｅＶを加えた値よりも大きい光発電素子である。
また、本発明の光発電素子において、半導体ｉ層は、電極側から、半導体ｉＡ層と、半導体ｉＡ層上に積層された半導体ｉＢ層と、をこの順序で有しており、半導体ｉＡ層のイオン化ポテンシャルＥｖａは半導体ｉＢ層のイオン化ポテンシャルＥｖｂよりも大きく、イオン化ポテンシャルＥｖｂは半導体ｎ層のイオン化ポテンシャルＥｖｎよりも大きいことが好ましい。
また、本発明の光発電素子において、基板は透光性基板であり、電極は透明導電膜であることが好ましい。
また、本発明の光発電素子において、透明導電膜は、ＳｎＯ2またはＧＺＯであることが好ましい。
また、本発明の光発電素子においては、透明導電膜と、半導体ｉ層との間にＰｔ層が備えられていることが好ましい。
また、本発明の光発電素子においては、基板は、ＳｉＯ2からなる柱構造を有しており、電極は、ＺｎＯであって、柱構造がＺｎＯで被覆されており、半導体ｉ層の厚さが１００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明の光発電素子においては、半導体ｉ層と半導体ｎ層との積層体の光入射側および光入射側と反対側のそれぞれにおいて、価電子帯のエネルギ準位差と伝導帯のエネルギ準位差とが同等の値になっていることが好ましい。
また、本発明の光発電素子において、半導体ｉ層は、光入射側のバンドギャップが大きく、光入射側とは反対側に進むにつれて連続的にバンドギャップが狭められるグラディエント構造を有していることが好ましい。
また、本発明の光発電素子においては、半導体ｎ層の厚さが３ｎｍ以下であって、半導体ｎ層上に導電性膜が設けられており、半導体ｎ層と導電性膜との間に、仕事関数Φｉよりも大きな仕事関数を有する金属膜を有することが好ましい。
さらに、本発明は、上記のいずれかの光発電素子をトップセルとして用いた多接合薄膜太陽電池である。
また、本発明は、電極と、電極上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体層と、を備え、電極と半導体層との一方の接合界面における価電子帯のエネルギ準位Ｅｖが、電極を構成する部材の仕事関数Φｅよりも大きい光発電素子である。
また、本発明は、電極と、電極上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体層と、を備え、電極と半導体層との一方の接合界面における伝導帯のエネルギ準位Ｅｃが、電極を構成する部材の仕事関数Φｅより小さい光発電素子である。
本発明によれば、新規のエネルギバンドプロファイルを導入することによって特性を向上させた光発電素子および多接合薄膜太陽電池を提供することができる。
実施の形態１の光発電素子のエネルギバンドプロファイルの一例を示す図である。 高周波電源を用いてプラズマＣＶＤ法により成膜したアモルファスシリコン薄膜の製造周波数に対するエネルギバンドプロファイルの変化を示す図である。 実施の形態１の光発電素子のエネルギバンドプロファイルの他の一例を示す図である。 実施の形態２の光発電素子を構成し得る部材の仕事関数、イオン化ポテンシャルおよび伝導帯のそれぞれのエネルギ準位（設定値）の位置関係を示す図である。 実施の形態２の光発電素子のエネルギバンドプロファイルとエネルギ準位（実測値）の位置との相関関係を示す図である。 （ａ）は、実施の形態２の変形例の光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の価電子帯と伝導帯からのそれぞれのエネルギ準位差（ΔＥｈ、ΔＥｅ）を、価電子帯と伝導帯からのそれぞれの内蔵電位（ΔＶｈ、ΔＶｅ）を直流電池のモデルに置き換えた図である。 実施の形態２のさらなる変形例の光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す図である。 実施の形態３の光発電素子の断面構造を示す図である。 実施の形態４の多接合薄膜太陽電池の一例のエネルギバンドプロファイルを示す図である。 実施の形態４の多接合薄膜太陽電池の他の一例のエネルギバンドプロファイルを示す図である。 実施の形態１の光発電素子の電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を示す図である。 従来の一般的な光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す図である。 実施の形態１の光発電素子の半導体ｎ層の厚さを１ｎｍとしたときの電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を示す図である。 （ａ）は実施の形態１の光発電素子の他の一例に含まれる電極と界面制御半導体層との接合前のエネルギバンドプロファイルを示す図であり、（ｂ）は実施の形態１の光発電素子の他の一例に含まれる電極と界面制御半導体層との接合後のエネルギバンドプロファイルを示す図である。 （ａ）は従来の光発電素子に含まれている電極と半導体ｐ層との接合前のエネルギバンドプロファイルを示す図であり、（ｂ）は従来の光発電素子に含まれている電極と半導体ｐ層との接合後のエネルギバンドプロファイルを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
＜実施の形態１＞
図１に、実施の形態１の光発電素子のエネルギバンドプロファイルの一例を示す。実施の形態１の光発電素子は、基板（図示せず）と、基板上に設けられた電極１０と、電極１０上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層１１と、半導体ｉ層１１上に設けられた半導体ｎ層１２と、半導体ｎ層１２上に設けられた導電性膜（図示せず）と、を備えている。
なお、図１においては、基板および導電性膜のそれぞれのエネルギバンドプロファイルは、説明の便宜のため省略されているが、基板のエネルギバンドプロファイルは電極１０の左側に位置しており、導電性膜のエネルギバンドプロファイルは半導体ｎ層１２の右側に位置している。
半導体ｉ層１１は、アモルファスＳｉ（アモルファスシリコン）を主成分（全体の５０質量％以上）とするｉ型のアモルファスＳｉ系材料から構成されており、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐ（リン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｓ（ヒ素）およびＨ（水素）から選択された少なくとも１種のＳｉ以外の元素などを含んでいてもよい。
電極１０と半導体ｉ層１１との界面においては、ショットキ接合が形成されている。電極１０と半導体ｉ層１１との界面のショットキ接合におけるショットキ障壁の高さｑΦＢは、半導体ｉ層１１のエネルギバンドギャップＥｇから０．３ｅＶを引いた値よりも大きく設定されている（ｑΦＢ＞Ｅｇ−０．３ｅＶ）。
また、図１４（ａ）に実施の形態１の光発電素子の他の一例に含まれる電極と界面制御半導体層との接合前のエネルギバンドプロファイルを示し、図１４（ｂ）に実施の形態１の光発電素子の他の一例に含まれる電極と界面制御半導体層との接合後のエネルギバンドプロファイルを示す。
図１４（ａ）に示すように、実施の形態１の光発電素子の他の一例に用いられる電極１０のエネルギバンドと界面制御半導体層１３のエネルギバンドとの関係は、電極１０のフェルミ準位Ｅｆが、界面制御半導体層１３のフェルミ準位Ｅｆと価電子帯のエネルギ準位Ｅｖとの間に位置する関係となっている。また、界面制御半導体層１３の伝導帯のエネルギ準位Ｅｃは、界面制御半導体層１３のフェルミ準位Ｅｆよりも高くなっている。また、図１４（ａ）とは異なり、界面制御半導体層１３の価電子帯のエネルギ準位Ｅｖは、電極１０のフェルミ準位Ｅｆより大きくても（上方に位置しても）よい。
そして、図１４（ｂ）に示すように、電極１０と界面制御半導体層１３とを接合することによって、電極１０のフェルミ準位Ｅｆと、界面制御半導体層１３とのフェルミ準位Ｅｆとが一致する。これにより、電極１０と界面制御半導体層１３との接合界面においては、電極１０側から界面制御半導体層１３側に向かって電界が生じる。すなわち、電極１０と界面制御半導体層１３との一方の接合界面における価電子帯のエネルギ準位Ｅｖが、電極１０を構成する部材の仕事関数Φｅに−０．３ｅＶ加えたものに近づく、あるいは大きくなる。
したがって、実施の形態１における電極１０と界面制御半導体層１３との接合界面は、電子にとっては電位障壁として機能し、正孔にとってはオーミック接合のように機能する。そのため、実施の形態１における電極１０と界面制御半導体層１３との接合界面においては、整流作用が生じ、電極１０と界面制御半導体層１３との接合界面付近における再結合電流を抑制することができることから、開放電圧が増加する傾向にある。
また、図１５（ａ）に従来の光発電素子に含まれている電極と半導体ｐ層との接合前のエネルギバンドプロファイルを示し、図１５（ｂ）に従来の光発電素子に含まれている電極と半導体ｐ層との接合後のエネルギバンドプロファイルを示す。
図１５（ａ）に示すように、従来の光発電素子に用いられている電極２０のエネルギバンドと半導体ｐ層２１のエネルギバンドとの関係は、電極２０のフェルミ準位Ｅｆが、半導体ｐ層２１のフェルミ準位Ｅｆと伝導帯のエネルギ準位Ｅｃとの間に位置する関係となっている。また、半導体ｐ層２１の価電子帯のエネルギ準位Ｅｖは、半導体ｐ層２１のフェルミ準位Ｅｆよりも低くなっている。
そして、図１５（ｂ）に示すように、電極２０と半導体ｐ層２１とを接合することによって、電極２０のフェルミ準位Ｅｆと、半導体ｐ層２１とのフェルミ準位Ｅｆとが一致する。これにより、電極２０と半導体ｐ層２１との接合界面においては、半導体ｐ層２１側から電極２０側に向かって電界が生じる。すなわち、電極２０と半導体ｐ層２１との一方の接合界面における価電子帯のエネルギ準位Ｅｖが、電極２０を構成する部材の仕事関数Φｅに−０．３ｅＶ加えたものよりも小さくなる（下方に位置する）。
したがって、従来における電極２０と半導体ｐ層２１との接合界面は、実施の形態１の接合界面と比べて、電子にとっての電位障壁としては機能しにくくなり、正孔にとってのオーミック接合としても機能しにくくなる。
そのため、実施の形態１の光発電素子は、従来の光発電素子と比較して、開放電圧などの特性が大きくなる。
なお、上記の図１４（ａ）および図１４（ｂ）の説明においては、表面電極である電極１０として透明導電膜を用い、従来技術での半導体ｐ層を用いている箇所に界面制御半導体層１３を導入した場合について説明してきたが、裏面電極側の導電性膜（たとえば、図６（ａ）に示す導電性膜６４）と半導体層（たとえば、図６（ａ）に示す半導体ｎ層１２）との接合界面において、当該半導体層に代えて新たな界面制御半導体層を導入し、導入した界面制御半導体層の伝導帯のエネルギ準位Ｅｃを裏面電極（たとえば、図６（ａ）に示す金属電極６５）を構成する部材の仕事関数Φｅよりも小さくすることで、電子にとってはオーミック接合、正孔にとっては電位障壁として機能する接合界面を形成することができる。これにより、従来技術での半導体ｎ層側での再結合電流を抑制し、開放電圧が増加した光発電素子を作製することができる。
また、図１４（ｂ）において、従来技術での半導体ｐ層を用いている箇所に界面制御半導体層１３を導入した場合に、電極１０に接合した状態での界面制御半導体層１３の仕事関数をΦｐ、イオン化ポテンシャルをＥｖｐとしている。また、図１５（ｂ）において、従来技術での電極２０と半導体ｐ層２１との接合界面の電子状態を示し、電極２０に接合した状態での半導体ｐ層２１の仕事関数をΦｐ、イオン化ポテンシャルをＥｖｐとしている。なお、図１２の電極２０と半導体ｐ層２１との接合界面のバンドプロファイル形状を拡大したものが、図１５（ｂ）となっている。
本明細書において、半導体ｉ層は、ショットキ接合が無いバルクの状態あるいはそれに近い状態で、フェルミ準位Ｅｆが、真空準位に対しての価電子帯のエネルギ準位Ｅｖに０．３ｅＶを加えた準位（Ｅｖ＋０．３ｅＶ）から、真空準位に対しての伝導帯のエネルギ準位Ｅｃから０．３ｅＶを減じた準位（Ｅｃ−０．３ｅＶ）までのエネルギ準位の範囲（Ｅｖ＋０．３ｅＶ＜Ｅｆ＜Ｅｃ−０．３ｅＶ）にある層とされる。
本明細書において、半導体ｐ層は、フェルミ準位Ｅｆが、価電子帯のエネルギ準位Ｅｖに０．３ｅＶ加えた準位と価電子帯のエネルギ準位Ｅｖとの間の範囲（Ｅｖ≦Ｅｆ≦Ｅｖ＋０．３ｅＶ）にある層とされる。半導体ｐ層は、たとえば、アモルファスＳｉを主成分とするｐ型のアモルファスＳｉ系材料から構成することができる。
本明細書において、半導体ｎ層は、フェルミ準位Ｅｆが、伝導帯のエネルギ準位Ｅｃから０．３ｅＶを減じた準位（Ｅｃ−０．３ｅＶ）と伝導帯のエネルギ準位Ｅｃとの間の範囲（Ｅｃ−０．３ｅＶ≦Ｅｆ≦Ｅｃ）にある層とされる。半導体ｎ層は、たとえば、アモルファスＳｉを主成分とするｎ型のアモルファスＳｉ系材料から構成することができる。
本明細書において、非縮退半導体と金属界面、もしくは、非縮退半導体と縮退半導体との界面で形成される接合を、広義のショットキ接合と定義する。
フェルミ準位Ｅｆ、価電子帯Ｅｖおよび伝導帯Ｅｃの評価手法を以下に示す。ここでの仕事関数は、真空準位（０．０ｅＶ）からフェルミ準位との準位差をｅＶ単位で負の値として定義する。イオン化ポテンシャルは、真空準位から金属のフェルミ準位もしくは半導体の価電子帯準位との準位差をｅＶ単位で負の値で定義する。ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ）などで光発電素子の断面のプロファイル測定をすること、あるいは、光発電素子の表面をＡｒガスなどでスパッタリングしながらそのときのエッチング深さに対してケルビンプローブフォース顕微鏡を用いて表面の仕事関数を測定することなどによって光発電素子の中のフェルミ準位のプロファイルを評価することができる。
また、光発電素子の表面をスパッタリングミリングしながら光電子分光スペクトル（ＸＰＳ、ＵＰＳ）測定を行なうことなどによって、光発電素子の厚さ方向のイオン化ポテンシャル（価電子帯）のプロファイルを評価することができる。
また、逆光電子分光スペクトル測定により、スパッタリングミリングしながら、光発電素子の厚さ方向の電子親和力（伝導帯）のプロファイルを評価することができる。
伝導帯のおおよその真空準位に対するエネルギ準位の位置は、イオン化ポテンシャルに半導体のバンドギャップＥｇを加えたもの（Ｅｃ＝Ｅｖ＋Ｅｇ）としても良い。半導体のバンドギャップＥｇの同定には光学バンドギャップ（タウツギャップ）などを用いてもよい。溶液中でのサイクリックボルタメトリ法（ＣＶ法）を用いた酸化・還元電位の測定から、イオン化ポテンシャルや電子親和力を求めることで、セル中での価電子帯・伝導帯のエネルギバンドプロファイルを決定することができる。
アモルファスＳｉ系材料を用いた半導体中では、プラズマＣＶＤなどの成膜手法での製膜条件を変えることで、伝導帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖおよびフェルミ準位Ｅｆのエネルギ準位の位置を制御することができる。
図２に、高周波電源を用いたプラズマＣＶＤ法により成膜したアモルファスシリコン薄膜の製造周波数に対するエネルギバンドプロファイルの変化を示す。図２の縦軸は真空準位からのエネルギ準位の位置（ｅＶ）を示し、図２の横軸が製造周波数（ＭＨｚ）を示している。
図２に示すように、成膜条件によっては製造周波数の増加に伴って、アモルファスシリコン薄膜のフェルミ準位Ｅｆの位置をあまり変えずに、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖのエネルギ準位の位置を共に真空準位に対して上昇させることができることがわかる。
したがって、半導体ｉ層１１の形成に高周波電源を用いたプラズマＣＶＤ法による成膜手法を用いることによって、伝導帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖおよびフェルミ準位Ｅｆの位置を制御して、電極１０と半導体ｉ層１１との界面において、所望のエネルギバンドプロファイルに設計されたショットキ接合を形成することができる。
電極１０が形成されている基板上に、アモルファスＳｉ系材料を用いた半導体ｉ層１１を成膜し、電極１０と半導体ｉ層１１との間にショットキ接合を形成する。このように、光発電素子の半導体ｉ層１１に内蔵電位を印加し、かつ光発電素子に半導体ｐ層を用いないことによって、半導体ｐ層の活性化エネルギＥａによる光発電素子の開放電圧Ｖｏｃの低下を抑制することができるため、高変換効率の光発電素子を得ることができる。
また、多接合薄膜太陽電池において、光の入射側のトップセルの構造に半導体ｐ層を用いない実施の形態１の光発電素子を用いることが好ましい。この場合には、赤外光の入射によるトップセルにおけるフリーキャリアの散乱を抑止することができるとともに、多接合薄膜太陽電池のボトムセルに効率よく赤外光を導くことができる傾向にある。これにより、高変換効率の多接合薄膜太陽電池を得ることができる。
電極１０を構成する部材の仕事関数Φｅよりも、半導体ｉ層１１を構成する部材の仕事関数Φｉが大きく（Φｅ＜Φｉ）かつ、電極１０を構成する部材の仕事関数Φｅに−０．３ｅＶを加えたもの（Φｅ−０．３ｅＶ）よりも、半導体ｉ層１１を構成する部材のイオン化ポテンシャル（Ｅｖ）が大きく（Φｅ−０．３ｅＶ＜Ｅｖ）設定される。
電極１０を構成する部材の仕事関数Φｅよりも半導体ｉ層１１を構成する部材の仕事関数Φｉを大きく（Φｅ＜Φｉ）することによって、電極１０上に半導体ｉ層１１を成膜してショットキ接合を形成した場合に、半導体ｉ層１１に内蔵電位を印加することができ、かつ、ショットキ接合の界面での電極１０のフェルミ準位（仕事関数Φｅ）と半導体ｉ層１１の価電子帯（Ｅｖ）とのバンドオフセットを０．３ｅＶ未満に低減することができる。これにより、高変換効率の光発電素子を得ることができる。
ショットキ接合によって、半導体ｉ層１１に印加される内蔵電位は、おおよそバルク状態の電極１０の仕事関数Φｅと半導体ｉ層１１を構成する部材の仕事関数Φｉの差（Φｉ−Φｅ）に対応する。また、電極１０のフェルミ準位（仕事関数Φｅ）と半導体ｉ層１１の価電子帯（Ｅｖ）とのバンドオフセットは、Φｅ−Ｅｖとなる（Φｅ＞Ｅｖ）。なお、Φｅ＜Ｅｖのとき界面でバンドオフセットを実質ゼロにすることができる。
半導体ｉ層１１の厚さは５００ｎｍ以下とされることが好ましい。半導体ｉ層１１の厚さが５００ｎｍ以下である場合には、実施の形態１の光発電素子を薄膜太陽電池に用いた場合に薄膜太陽電池の光劣化による影響を抑えることができる傾向にある。また、半導体ｉ層１１の厚さは、１００ｎｍ以上とされることが好ましい。半導体ｉ層１１の厚さが１００ｎｍ以上である場合には、実施の形態１の光発電素子をトップセルとする多接合薄膜太陽電池を作製した場合に、トップセルにおいて７ｍＡ／ｃｍ2以上の高い電流密度と０．９Ｖ以上の高い開放電圧を得ることができる傾向にある。
ＡＭ１．５の太陽光スペクトルを照射したときの電気伝導度が１０-6（Ｓ／ｍ）以上である半導体ｉ層１１を用いることが好ましい。この場合には、半導体ｉ層１１におけるキャリアの再結合割合を低減することができるため、実施の形態１の光発電素子の特性を改善することができる傾向にある。
半導体ｎ層１２の厚さは２０ｎｍ以下とされることが好ましい。半導体ｎ層１２の厚さが２０ｎｍ以下である場合には、半導体ｎ層１２におけるキャリアの再結合割合を低減することができるため、実施の形態１の光発電素子の特性を改善することができる傾向にある。また、半導体ｎ層１２の厚さは、１ｎｍ以上とされることが好ましい。半導体ｎ層１２の厚さが１ｎｍ以上である場合には、半導体ｎ層１２としてエネルギ準位を制御することができ、半導体ｉ層１１の内部に内臓電位を印加することができる傾向にある。半導体ｎ層１２も、たとえば、高周波電源を用いたプラズマＣＶＤ法によって、半導体ｉ層１１上に形成することができる。図１３に、実施の形態１の光発電素子の半導体ｎ層の厚さを１ｎｍとしたときの電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を示す。図１３に示すように、半導体ｎ層の厚さを１ｎｍとした場合には、１．４Ｖ以上の高い開放電圧が得られることが確認された。
基板としては、可視光領域から赤外領域までの光を透過する透光性基板を用いることが好ましい。アモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層でのホールキャリアの移動度が、電子キャリアに比べて低いので、電極１０と半導体ｉ層１１とのショットキ接合界面の半導体ｉ層１１側の反転領域に蓄積されるホールキャリアは再結合しやすくなっているため、このような透光性基板を用いた場合には、電極１０と半導体ｉ層１１とのショットキ接合界面において光照射量が実施の形態１の光発電素子中で最も大きくなるため、光照射によって多数発生したキャリアがショットキ接合界面での欠陥準位を補償することで実施の形態１の光発電素子の特性を改善することができる傾向にある。
電極１０としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などのＴＣＯ（Transparent Conductive Oxide）からなる透明導電膜を用いることが好ましい。光入射側に近い位置に電極１０と半導体ｉ層とのショットキ接合が位置しているため、多数発生する光励起キャリアをショットキ接合界面付近の欠陥準位に捕獲させることができる。これにより、ショットキ接合界面の半導体ｉ層１１側の反転領域に蓄積されるホールキャリアの半導体ｉ層１１での再結合割合を低減することができることから、ホールキャリアをショットキ接合界面から電極１０から効率良く取り出すことができる。その結果、光発電素子の開放電圧と短絡電流密度を増加できる傾向にある。
また、電極１０の透明導電膜としてはＳｎＯ2を用いることが好ましい。透明導電膜としてＳｎＯ2（仕事関数Φｅ＝−４．７ｅＶ）用いることによって、アモルファスＳｉ系材料を用いた半導体ｉ層１１と電極１０とのショットキ接合における価電子帯のバンドオフセットを０．３ｅＶ以下にすることができる。その結果、光発電素子の開放電圧と短絡電流密度を増加することができる傾向にある。なお、ＳｎＯ2透明導電膜にはＦなどの元素がドープされて電気伝導度が制御されている。また、透明導電膜の仕事関数Φｅ＜−４．７ｅＶである場合には開放電圧を改善することができる。また、電極１０と半導体ｉ層１１との接合界面付近における欠陥を減少させることによって開放電圧を改善することができる傾向にある。
電極１０の透明導電膜としてはＧＺＯを用いることが好ましい。透明導電膜としてＧＺＯ（ＧａＺｎＯ酸化物、仕事関数Φｅ＝−５．１ｅＶ）用いることによって、アモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層１１と電極１０とのショットキ接合における価電子帯のバンドオフセットを０．１ｅＶ以下にすることができる。その結果、光発電素子の開放電圧を増加することができる傾向にある。
なお、電極１０は、たとえば、ＣＶＤ法、スパッタリング法または塗布法などによって基板上に形成することができる。
導電性膜としては、たとえば、ＺｎＯなどの比較的仕事関数の大きな（Φｅ＞−４．３ｅＶ）透明の導電性膜などを用いることができる。導電性膜は、たとえばＣＶＤ法、スパッタリング法または塗布法などによって半導体ｎ層１２上に形成することができる。なお、ＺｎＯ透明導電膜には、Ｂ、Ａｌ、ＧａまたはＭｇなどの元素がドープされて電気伝導度が制御されている。
図１１に、実施の形態１の光発電素子の電流−電圧曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を示す。図１１の縦軸が電流密度（Ａ／ｃｍ2）を示しており、図１１の横軸が電圧（Ｖ）を示している。図１１に示すように、実施の形態１の光発電素子においては、短絡電流密度および開放電圧が大きく、優れた特性の光発電素子が得られていることがわかる。特に、図１１に示すように、実施の形態１の光発電素子の開放電圧は、従来の多接合薄膜太陽電池のトップセルの開放電圧０．８５Ｖを超えている。
図３に、実施の形態１の光発電素子のエネルギバンドプロファイルの他の一例を示す。図３に示すように、透明導電膜からなる電極１０と、半導体ｉ層１１との間にＰｔ層３３を形成することが好ましい。アモルファスＳｉ系材料を用いた半導体ｉ層１１と透明導電膜からなる電極１０とのショットキ接合の間にＰｔ層３３（仕事関数Φｅ＝−５．０ｅＶ）を形成することで、０．３ｅＶ未満の価電子帯のバンドオフセットの中間位置にＰｔ層３３の仕事関数に対応した中間準位が形成され、半導体ｉ層１１と電極１０との間におけるホールキャリアのトンネル確率が高くなる。これにより、光発電素子の短絡電流密度を増加させることができる傾向にある。
Ｐｔ層３３の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。Ｐｔ層３３の厚さが３ｎｍ以下である場合には、Ｐｔ層３３における光の吸収を抑えることができることから、光発電素子の短絡電流密度を増加させることができる傾向にある。
＜実施の形態２＞
図４に、実施の形態２の光発電素子を構成し得る部材の仕事関数、イオン化ポテンシャルおよび伝導帯のそれぞれのエネルギ準位（設定値）の位置関係を示す。図５に、実施の形態２の光発電素子のエネルギバンドプロファイルとエネルギ準位（実測値）の位置との相関関係を示す。
図４に示すように、Ｐｔ層、ＧＺＯ層およびＩＴＯ層の仕事関数Φｅは、それぞれ、−５．０ｅＶ、−５．１ｅＶおよび−４．７ｅＶに設定されている。また、アモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉＡ層５１の伝導帯Ｅｃａのエネルギ準位、仕事関数Φｉｅおよびイオン化ポテンシャルＥｖａは、それぞれ、−３．１２ｅＶ、−４．２０ｅＶおよび−４．８７ｅＶに設定されている。また、アモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉＢ層５２の伝導帯Ｅｃｂのエネルギ準位、仕事関数Φｉｂおよびイオン化ポテンシャルＥｖｂは、それぞれ、−３．７１ｅＶ、−４．１９ｅＶおよび−５．４６ｅＶに設定されている。
実施の形態２の光発電素子は、図５のエネルギバンドプロファイルに示すように、基板（図示せず）上に、図４に示す設定値を有するＩＴＯをＴＣＯとして用いた電極１０、図４に示す設定値を有する水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ａ））を用いた半導体ｉＡ層５１、図４に示す設定値を有する水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｂ））を用いた半導体ｉＢ層５２、半導体ｎ層１２、および導電性膜（図示せず）をこの順に積層して構成されている。なお、図５においても、基板および導電性膜のそれぞれのエネルギバンドプロファイルは、説明の便宜のため省略されているが、基板のエネルギバンドプロファイルは電極１０の左側に位置しており、導電性膜のエネルギバンドプロファイルは半導体ｎ層１２の右側に位置している。
実施の形態２の光発電素子は、半導体ｉ層１１として、イオン化ポテンシャルが互いに異なる二つの層の積層構造（半導体ｉＡ層５１、半導体ｉＢ層５２）を用いていることを特徴としている。
図５に示すように、半導体ｉＡ層５１の伝導帯Ｅｃａのエネルギ準位、仕事関数Φｉｅおよびイオン化ポテンシャルＥｖａの実測値は、それぞれ、−３．０８ｅＶ、−４．２０ｅＶおよび−４．８７ｅＶである。また、半導体ｉＢ層５２の伝導帯Ｅｃｂのエネルギ準位、仕事関数Φｉｂおよびイオン化ポテンシャルＥｖｂの実測値は、それぞれ、−３．７６ｅＶ、−４．２０ｅＶおよび−５．５５ｅＶである。さらに、半導体ｎ層の実測値の伝導帯Ｅｃｎのエネルギ準位、仕事関数Φｎおよびイオン化ポテンシャルＥｖｎは、それぞれ、−３．８８ｅＶ、−４．１８ｅＶおよび−５．７４ｅＶである。なお、これらの実測値は、実施の形態１に記載の方法により求めている。
図５に示すように、実施の形態２の光発電素子においては、電極１０側に近い半導体ｉＡ層５１のイオン化ポテンシャルＥｖａは、半導体ｉＡ層５１上に積層された半導体ｉＢ層５２のイオン化ポテンシャルＥｖｂよりも大きく（Ｅｖａ＞Ｅｖｂ）なっている。また、半導体ｉＢ層５２のイオン化ポテンシャルＥｖｂは、半導体ｎ層１２のイオン化ポテンシャルＥｖｎよりも大きく（Ｅｖｂ＞Ｅｖｎ）なっている。
図５に示すように、半導体層（半導体ｉＡ層５１、半導体ｉＢ層５２および半導体ｎ層１２）の内部の価電子帯のエネルギ準位差ΔＥｈ、および当該半導体層の内部の伝導帯のエネルギ準位差ΔＥｅは、それぞれ、１．３９ｅＶおよび１．３２ｅＶとされている。
エネルギ準位差ΔＥｈおよびΔＥｅは、それぞれ、半導体ｉＡ層５１および半導体ｉＢ層５２のそれぞれと、半導体ｎ層１２と、の間の価電子帯間と伝導帯間のそれぞれの準位差と、真性半導体層（半導体ｉＡ層５１、半導体ｉＢ層５２）と半導体ｎ層１２での半導体フェルミ準位シフト量と、真性半導体層のフェルミ準位と電極１０との間の仕事関数差と、の和として概ね求めることができる（ΔＥｈ＝Ｅｖａ−Ｅｖｎ＋半導体フェルミ準位シフト量＋仕事関数差、ΔＥｅ＝Ｅｃａ−Ｅｃｎ＋半導体フェルミ準位シフト量＋仕事関数差）。本実施の形態においては、フェルミ準位は−４．２ｅＶ付近に設定されていたが、他の値に設定されていてもよい。
電極１０と接続される半導体ｉＡ層５１と、半導体ｉＡ層５１上に積層された半導体ｉＢ層５２との二層によって半導体ｉ層が分離されている。半導体ｉＡ層５１については、電極１０とのバンドオフセット（Φｅ−Ｅｖ）が０．３ｅＶ未満となるエネルギバンドプロファイルを形成するために適したイオン化ポテンシャルＥｖａを設定することによって電極１０と半導体ｉＡ層５１との接続部における電圧降下を抑えることができる。
半導体ｉＡ層５１のイオン化ポテンシャルＥｖａを半導体ｉＢ層５２のイオン化ポテンシャルＥｖｂよりも大きく（Ｅｖａ＞Ｅｖｂ）することによって、半導体ｉ層（半導体ｉＡ層５１と半導体ｉＢ層５２との積層体）内に電位差を印加することができる。また、半導体ｉＢ層５２のイオン化ポテンシャルＥｖｂを半導体ｎ層１２のイオン化ポテンシャルＥｖｎよりも大きく（Ｅｖｂ＞Ｅｖｎ）することによって、半導体ｉＢ層５２と半導体ｎ層１２との間でも内蔵電位を印加することができる。これらにより、光発電素子の開放電圧が増加して、高変換効率の光発電素子を得ることができる。
半導体ｉＡ層５１の厚さは１０ｎｍ以下とされることが好ましい。半導体ｉＡ層５１の厚さを１０ｎｍ以下とした場合には、半導体ｉＡ層５１でのキャリアの再結合割合を低減することができるため、実施の形態２の光発電素子の特性を改善することができる傾向にある。半導体ｉＡ層５１の厚さが１ｎｍ以上である場合には、半導体ｉＡ層５１としてエネルギ準位を制御することができ、電極１０と半導体ｉＡ層５１との界面に内臓電位を印加することができる傾向にある。
ＡＭ１．５の太陽光スペクトルを照射したときの電気伝導度が１０-6（Ｓ／ｍ）以上である半導体ｉＢ層５２を用いることが好ましい。この場合には、半導体ｉＢ層５２でのキャリアの再結合割合を低減することができる傾向にある。
半導体ｉＢ層５２の厚さは５００ｎｍ以下であることが好ましい。半導体ｉＢ層５２の厚さが５００ｎｍ以下である場合には、実施の形態２の光発電素子を薄膜太陽電池に用いた場合に薄膜太陽電池の光劣化の影響を抑えることができる傾向にある。また、半導体ｉＢ層５２の厚さは、１００ｎｍ以上とされることが好ましい。半導体ｉＢ層５２の厚さが１００ｎｍ以上である場合には、実施の形態２の光発電素子をトップセルとする多接合薄膜太陽電池を作製した場合に、トップセルにおいて７ｍＡ／ｃｍ2以上の高い電流密度と０．９Ｖ以上の高い開放電圧を得ることができる傾向にある。
半導体ｉＡ層５１および半導体ｉＢ層５２は、それぞれ、たとえば、互いに成膜条件が異なるように設定された、高周波電源を用いたプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。この場合には、互いにイオン化ポテンシャルの異なる半導体ｉＡ層５１および半導体ｉＢ層５２を形成することができる。
＜実施の形態２の変形例＞
図６（ａ）に、実施の形態２の変形例の光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す。この例においては、半導体層（半導体ｉＡ層５１、半導体ｉＢ層５２および半導体ｎ層１２）の光入射側および光入射側と反対側のそれぞれにおいて、価電子帯のエネルギ準位差と伝導帯のエネルギ準位差とが同一の値（１．３１ｅＶ）になっており、半導体ｎ層１２上に導電性膜６４およびたとえばＡｇなどの高反射率を有する金属電極６５がこの順序で設置されていることを特徴としている。
図６（ｂ）に、図６（ａ）に示す価電子帯のエネルギ準位差ΔＥｈと、伝導帯のエネルギ準位差ΔＥｅとを、それぞれ、実施の形態２の変形例の光発電素子の半導体層の価電子帯と伝導帯のそれぞれの内蔵電位（ΔＶｈ、ΔＶｅ）として直流電池のモデルに置き換えた図を示す。ここで、実施の形態２の変形例の光発電素子において、最大の開放電圧を得るためには、ΔＶｈおよびΔＶｅがそれぞれ同じ値とされる必要がある。このように、半導体層の内部に印加された価電子帯と伝導帯の内蔵電位を同一に設定することで、光発電素子の開放電圧を最大にすることができ、高変換効率の光発電素子を得ることができる。
なお、最大の開放電圧を得るためには、ΔＥｈとΔＥｅとを同一の値にすることが最も好ましいが、高変換効率の光発電素子を得る観点からは、完全には同一でなくても、ΔＥｈとΔＥｅとの差の絶対値が０．３ｅＶ以下（価電子帯のエネルギ準位差ΔＥｈと伝導帯のエネルギ準位差ΔＥｅとが同等）となっていればよい。
＜実施の形態２のさらなる変形例＞
図７に、実施の形態２のさらなる変形例の光発電素子のエネルギバンドプロファイルを示す。
図７に示す光発電素子においては、半導体ｉ層１１の光の入射側（電極１０側）のバンドギャップが、光の入射側とは反対側のバンドギャップよりも大きく、光の入射側から反対側（半導体ｎ層１２側）に進行するにつれて連続的にバンドギャップが狭められるグラディエント構造が形成されている点を特徴としている。
このような図７に示す光発電素子においては、グラディエント構造によって半導体ｉ層１１の内部に内蔵電位を印加することができるため、半導体ｉ層１１の内部におけるキャリアの再結合の割合を低減することができる。これにより、短絡電流密度が大きい光発電素子を得ることができる。
＜実施の形態３＞
図８に、実施の形態３の光発電素子の断面構造を示す。ここで、実施の形態３の光発電素子においては、基板８０が複数本の円柱状の柱８１を有しており、柱８１の表面がＺｎＯ薄膜からなる電極１０によって覆われている。
柱８１は、たとえばＳｉＯ2からなり、直径がたとえば５０ｎｍ〜２００ｎｍ（特に１００ｎｍ）であって、高さがたとえば１μｍ〜２μｍ（特に１μｍ）であって、ピッチ間隔がたとえば４００ｎｍ〜６００ｎｍで配置されている。電極１０を構成するＺｎＯ薄膜の厚さは１００ｎｍ以下である。
さらに、電極１０上に厚さが１００ｎｍ以下の半導体ｉ層１１が積層され、半導体ｉ層１１上に半導体ｎ層１２が積層され、半導体ｎ層１２の表面上にたとえばＺｎＯなどの透明導電膜からなる導電性膜６４が積層され、導電性膜６４上にたとえばＡｇなどの高反射率を有する金属電極６５が積層されている。たとえば、導電性膜６４がＺｎＯ膜からなる場合には、ＺｎＯ膜中にＡｌ、ＮａまたはＭｇがドープされてもよい。
また、半導体ｎ層１２と、導電性膜６４との間には、Ａｌ、Ｎａ、Ｍｇなどの金属（仕事関数Φｅ≧−４．２ｅＶ）膜が形成されていることが好ましい。このような金属膜を半導体ｎ層１２および導電性膜６４のそれぞれと接するように形成することで、半導体ｎ層１２と導電性膜６４との界面におけるバンドオフセットを抑制することができる。
また、半導体ｉ層１１を構成する部材および半導体ｎ層１２を構成する部材のそれぞれよりも仕事関数が大きく設定されたＡｌ、Ｎａ、Ｍｇなどの金属膜を膜厚３ｎｍ以下で形成するとともに、半導体ｎ層１２を膜厚３ｎｍ以下で形成することが好ましい。この場合には、半導体ｎ層１２と、Ａｌ、Ｎａ、Ｍｇなどの金属膜とのショットキ接合を形成することによって、半導体ｎ層１２の活性化エネルギを低減することができる。
実施の形態３の光発電素子のように、柱８１を被覆するように電極１０を形成して膜厚１００ｎｍ以下の半導体ｉ層１１を形成することによって、半導体ｉ層１１を薄膜化した場合でも半導体ｉ層１１おいて十分な光吸収を実現することができる。そのため、アモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層１１の薄膜化による光劣化（Staebler-Wronski効果）を抑えることができる。
また、半導体ｉ層１１の厚さを１００ｎｍ以下に薄膜化することによって、半導体ｉ層１１においてキャリアが感受する内部電界を増加させ、半導体ｉ層１１の内部におけるキャリアの再結合を抑止して短絡電流密度の減少を抑えることにより、高変換効率の光発電素子を得ることができる。
なお、柱８１は、電子線フォログラフィ露光技術、ナノインプリント技術、陽極酸化による自己組織化ナノパターン形成技術を用いることによって形成することができる。
＜実施の形態４＞
図９に、実施の形態４の多接合薄膜太陽電池のエネルギバンドプロファイルを示す。実施の形態４の多接合薄膜太陽電池は、トップセル（基板（図示せず）、電極１０、半導体ｉ層１１および半導体ｎ層１２の積層体）、ミドルセル（半導体ｐ層９１、半導体ｉ層９２および半導体ｎ層９３の積層体）、ボトムセル（半導体ｐ層９４、半導体ｉ層９５および半導体ｎ層９６の積層体）、透明導電膜からなる導電性膜、および金属電極がこの順序で積層されているとともに、実施の形態１〜３の光発電素子をトップセルとして用いている点に特徴がある。
実施の形態４の多接合薄膜太陽電池においては、太陽光スペクトルに対応したバンドギャッププロファイルを実現することができ、かつ多接合薄膜太陽電池のトップセルにおける開放電圧などの特性を従来よりも改善できているため、高変換効率の多接合薄膜太陽電池を得ることができる。
実施の形態４の多接合薄膜太陽電池には図９の左側から太陽光が入射する。なお、図９には、説明の便宜のため、基板、導電性膜および金属電極のエネルギバンドプロファイルの記載が省略されている。なお、基板のエネルギバンドプロファイルは電極１０の左側に位置しており、導電性膜のエネルギバンドプロファイルは半導体ｎ層９６の右側に位置しており、金属電極のエネルギバンドプロファイルは導電性膜の右側に位置している。
ここで、トップセルの半導体ｉ層１１のバンドギャップエネルギＥｇは、１．７５ｅＶ以上２．２ｅＶ以下（特に１．８ｅＶ）であることが好ましい。この場合には、太陽光のうち短波長域の光を効率的に吸収することができる傾向にある。
ミドルセルの半導体ｉ層９２のバンドギャップＥｇは、１ｅＶ以上１．７ｅＶ以下（特に１．１ｅＶ）であることが好ましい。この場合には、太陽光のうち中波長域の光を効率的に吸収することができる傾向にある。また、ミドルセルの半導体ｉ層９２は微結晶Ｓｉから形成されることが、多接合薄膜太陽電池での各層の電流マッチングを容易にすることができる点で好ましい。
ボトムセルの半導体ｉ層９５のバンドギャップＥｇは、０．５ｅＶ以上１ｅＶ以下（特に０．７ｅＶ以下）であることが好ましい。この場合には、太陽光のうち長波長域の光を効率的に吸収することができる傾向にある。また、ボトムセルの半導体ｉ層９５は、微結晶ＳｉＧｅから形成されることが、多接合薄膜太陽電池での各層の電流マッチングを容易にすることができる点で好ましい。
実施の形態４においては、一例として、トップセル、ミドルセルおよびボトムセルの三つのセルを含む場合について説明したが、二つのセルから構成されていてもよく、三つのセルよりも多いセルから構成されていてもよい。
図１０に、実施の形態４の多接合薄膜太陽電池の他の一例のエネルギバンドプロファイルを示す。図１０に示すように、トップセルだけでなく、ミドルセル（半導体ｉ層９２と半導体ｎ層９３との積層体）およびボトムセル（半導体ｉ層９５と半導体ｎ層９６との積層体）に対してもショットキ接合を用いてもよい。
本発明は、光発電素子および多接合薄膜太陽電池に利用することができる。
１０ 電極、１１ 半導体ｉ層、１２ 半導体ｎ層、１３ 界面制御半導体層、２０ 電極、２１ 半導体ｐ層、２２ 半導体ｉ層、２３ 半導体ｎ層、３３ Ｐｔ層、５１ 半導体ｉＡ層、５２ 半導体ｉＢ層、６４ 導電性膜、６５ 金属電極、８０ 基板、８１ 柱、９１ 半導体ｐ層、９２ 半導体ｉ層、９３ 半導体ｎ層、９４ 半導体ｐ層、９５ 半導体ｉ層、９６ 半導体ｎ層。

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた電極（１０）と、
    前記電極（１０）とショットキ接合するように前記電極（１０）上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体ｉ層（２２）と、
    前記半導体ｉ層（２２）上に設けられた半導体ｎ層（１２）と、を備え、
    前記半導体ｉ層（２２）を構成する部材の仕事関数Φｉが、前記電極（１０）を構成する部材の仕事関数Φｅよりも大きく、
    前記半導体ｉ層（２２）を構成する部材のイオン化ポテンシャルが、前記仕事関数Φｅに−０．３ｅＶを加えた値よりも大きい、光発電素子。
  2. 前記半導体ｉ層（１１）は、前記電極（１０）側から、半導体ｉＡ層（５１）と、前記半導体ｉＡ層（５１）上に積層された半導体ｉＢ層（５２）と、をこの順序で有しており、
    前記半導体ｉＡ層（５１）のイオン化ポテンシャルＥｖａは、前記半導体ｉＢ層（５２）のイオン化ポテンシャルＥｖｂよりも大きく、
    前記イオン化ポテンシャルＥｖｂは、前記半導体ｎ層（１２）のイオン化ポテンシャルＥｖｎよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光発電素子。
  3. 前記基板は透光性基板であり、前記電極（１０）は透明導電膜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光発電素子。
  4. 前記透明導電膜は、ＳｎＯ2またはＧＺＯであることを特徴とする、請求項３に記載の光発電素子。
  5. 前記透明導電膜と、前記半導体ｉ層との間にＰｔ層を備えたことを特徴とする、請求項３または４に記載の光発電素子。
  6. 前記基板（８０）は、ＳｉＯ2からなる柱（８１）を有しており、
    前記電極（８０）は、ＺｎＯであって、
    前記柱（８１）が前記電極（８０）で被覆されており、
    前記半導体ｉ層（１１）の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の光発電素子。
  7. 前記半導体ｉ層（１１）と前記半導体ｎ層（１２）との積層体の光入射側および前記光入射側と反対側のそれぞれにおいて、価電子帯のエネルギ準位差と伝導帯のエネルギ準位差とが同等の値になっていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光発電素子。
  8. 前記半導体ｉ層（１１）は、前記光入射側のバンドギャップが大きく、前記光入射側とは反対側に進むにつれて連続的にバンドギャップが狭められるグラディエント構造を有していることを特徴する、請求項１から６のいずれかに記載の光発電素子。
  9. 前記半導体ｎ層（１２）の厚さが３ｎｍ以下であって、
    前記半導体ｎ層（１２）上に導電性膜（６４）が設けられており、
    前記半導体ｎ層（１２）と前記導電性膜（６４）との間に、前記仕事関数Φｉよりも大きな仕事関数を有する金属膜を有することを特徴する、請求項１から８のいずれかに記載の光発電素子。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載の光発電素子をトップセルとして用いたことを特徴とする、多接合薄膜太陽電池。
  11. 電極（１０）と、
    前記電極（１０）上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体層（１３）と、を備え、
    前記電極（１０）と前記半導体層（１３）との一方の接合界面における価電子帯のエネルギ準位Ｅｖが、前記電極（１０）を構成する部材の仕事関数Φｅよりも大きい、光発電素子。
  12. 電極（６４，６５）と、
    前記電極（６４，６５）上に設けられたアモルファスＳｉ系材料からなる半導体層（１２）と、を備え、
    前記電極（６４，６５）と前記半導体層（１２）との一方の接合界面における伝導帯のエネルギ準位Ｅｃが、前記電極（６４，６５）を構成する部材の仕事関数Φｅよりも小さい、光発電素子。
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