(57)【要約】【課題】簡易なプロセスで製造可能であり、更には十分な光電変換効率を発現可能な太陽電池を提供すること。【解決手段】Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルから構成され、スパッタ法により形成されたｐ型半導体層７と、該ｐ型半導体層７と接合したｎ型酸化物半導体層３と、を備える太陽電池１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルから構成され、スパッタ法により形成されたｐ型半導体層と、
該ｐ型半導体層と接合したｎ型酸化物半導体層と、
を備える、太陽電池。
【請求項２】
前記ｐ型半導体層が、当該ｐ型半導体層全体を基準として０．１〜１０原子％のＬｉを含有する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記ｐ型半導体層又は前記ｎ型酸化物半導体層に接して設けられた透明導電膜を更に備える、請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記ｎ型酸化物半導体層が、酸化チタン及び／又は酸化亜鉛から構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型酸化物半導体層との界面が、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型酸化物半導体層の積層方向に波打つ凹凸面に沿って形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルから構成されたｐ型半導体層をスパッタ法により形成する工程と、
該ｐ型半導体層と接合するｎ型酸化物半導体層を形成する工程と、
を備える、太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化物半導体の薄膜から構成される固体太陽電池を製造する方法に関して、レーザーアブレーション法によりＬｉによりドープされた酸化ニッケルの単結晶薄膜を形成する工程を経る方法が報告されている（例えば、非特許文献１)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｈ．Ｏｈｔａ他、Ａｐｐｌ.  Ｌｅｔｔ．、２００３年、第８３巻、ｐ．１０２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザーアブレーションを採用し、酸化ニッケルをＬｉでドープする方法によれば、抵抗率がある程度低減された酸化ニッケル薄膜を形成することも可能である。
【０００５】
しかし、得られる太陽電池の光電変換効率の点では必ずしもまだ十分でなく、この点で更なる改善が求められている。また、レーザーアブレーションは大面積の薄膜形成が困難である、１３００℃程度の高温の加熱をともなうために周辺部材に使用可能な材料が限定されるなどの問題を有しており、工業的な実用化のためにはより簡易なプロセスで太陽電池を製造することが求められる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、簡易なプロセスで製造可能であり、更には十分な光電変換効率を発現可能な太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルから構成され、スパッタ法により形成されたｐ型半導体層と、該ｐ型半導体層と接合したｎ型酸化物半導体層とを備える太陽電池に関する。
【０００８】
ｐ型半導体層を形成する方法としてスパッタ法を採用したことにより、大面積の太陽電池を簡易なプロセスで製造することが可能となった。加えて、Ｌｉによってドープされた酸化ニッケル（以下場合により「ＮｉＯ：Ｌｉ」という。）をスパッタ法により成膜することにより、ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜の可視光域の吸収が大きくなり、その結果、太陽電池の光電変換効率の飛躍的な向上が図られる。
【０００９】
係る効果を特に顕著に得るためには、ｐ型半導体層が、当該ｐ型半導体層全体を基準として０．１〜１０原子％のＬｉを含有することが好ましい。
【００１０】
本発明に係る太陽電池は、ｐ型半導体層又はｎ型酸化物半導体層に接して設けられた透明導電膜を更に備えていてもよい。
【００１１】
ｎ型酸化物半導体層は、酸化チタン及び／又は酸化亜鉛から構成されることが好ましい。
【００１２】
ｐ型半導体層とｎ型酸化物半導体層との界面が、ｐ型半導体層及びｎ型酸化物半導体層の積層方向に波打つ凹凸面に沿って形成されていることが好ましい。これによりキャリアが生成する面積が大きくなって、更なる光電変換率向上の効果が得られる。
【００１３】
別の側面において、本発明は太陽電池の製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルから構成されたｐ型半導体層をスパッタ法により形成する工程と、該ｐ型半導体層と接合するｎ型酸化物半導体層を形成する工程とを備える。
【００１４】
上記本発明に係る製造方法によれば、高い光電変換効率を達成する太陽電池を簡易なプロセスで製造することが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易なプロセスで製造可能であり、更には十分な光電変換効率を発現可能な太陽電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】全固体酸化物太陽電池の一実施形態を示す断面図である。
【図２】全固体酸化物太陽電池の一実施形態を示す断面図である。
【図３】全固体酸化物太陽電池のＩＶ特性を示すグラフである。
【図４】ＬｉＯ薄膜の抵抗率とＬｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図５】吸光度と波長との関係を示すグラフである。
【図６】Ｌｉによってドープされた酸化ニッケル薄膜のＸＲＤパターンである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、太陽電池の一実施形態を示す断面図である。図１に示す太陽電池１００は、透明基板１０及び透明基板１０上に設けられた透明導電膜１１を有する透明導電性基板１と、透明導電性基板１の透明導電膜１１上に設けられたｎ型酸化物半導体層３と、ｎ型酸化物半導体層３の透明導電膜１１とは反対側の面に接して設けられたｐ型半導体層７と、ｐ型半導体層７上に設けられたＡｇ電極１２とを備える。ｎ型酸化物半導体層３とｐ型半導体層７とがＰＮ接合されている。ｐ型半導体層７は、光を吸収するとともに、正孔輸送層としても機能する。
【００１９】
ｎ型酸化物半導体層３は、酸化チタン又は酸化亜鉛を主成分として含む薄膜である。好ましくは、ｎ型酸化物半導体層３はアナターゼ型の酸化チタンから構成される。
【００２０】
ｐ型半導体層７は、Ｌｉによってドープされた酸化ニッケルを主成分として含む薄膜である。光電変換効率向上の観点から、Ｌｉの含有量は、ｐ型半導体層７全体を基準として好ましくは０．１〜１０原子％である。Ｌｉの含有量が小さくなると、ｐ型半導体層７の抵抗率が低下する傾向があることから、Ｌｉの含有量はより好ましくは１原子％以上である。ただし、Ｌｉの含有量が大きくなると酸化ニッケルの結晶性が低下する傾向があることから、Ｌｉの含有量は３原子％以下がより好ましい。
【００２１】
図２の断面図に示されるように、ｐ型半導体層７とｎ型酸化物半導体層３との界面が、ｐ型半導体層７及びｎ型酸化物半導体層３の積層方向に波打つ凹凸面に沿って形成されていてもよい。
【００２２】
透明導電性基板１は、ガラス基板等の透明基板１０と、これの受光面とは反対側の面上に設けられた透明導電膜１１とを有する。透明導電性基板１として、通常の色素増感型太陽電池若しくは無機固体型太陽電池に搭載される透明電極、又は液晶パネル等に用いられる透明電極を使用できる。透明導電膜１１は、例えばＩＴＯ膜であり得る。
【００２３】
透明導電性基板１の具体例として、フッ素ドープＳｎＯ２コートガラス、ＩＴＯコート
ガラス、ＺｎＯ：Ａｌコートガラス、及びアンチモンドープ酸化スズ（ＳｎＯ２−Ｓｂ）
がある。
【００２４】
Ａｇ電極１２はＡｇペーストを塗布する方法により形成され、その形状は特に限定されない。他の金属から構成されるオーミック電極を接続端子として設けてもよい。
【００２５】
太陽電池１００は、例えば、透明導電性基板１の透明導電膜１１上に酸化チタン及び／又は酸化亜鉛から構成される薄膜を形成する工程と、Ｌｉによってドープされた酸化ニッケル（ＮｉＯ：Ｌｉ）から構成される薄膜をスパッタ法により形成する工程と、形成された各薄膜を加熱する工程とを備える方法によって製造することができる。
【００２６】
スパッタ法によれば、大面積のＮｉＯ：Ｌｉの薄膜を容易に形成することができる。また、スパッタ法により成膜されたＮｉＯ：Ｌｉの薄膜は、その後の加熱により、低い抵抗率を有するとともに、可視光域に大きい吸収を有するｐ型半導体層を形成することができる。
【００２７】
スパッタ法により成膜されたＮｉＯ：Ｌｉ薄膜を加熱する温度は、好ましくは４００〜５００℃で、加熱時間は通常３０分〜３時間程度である。この程度の比較的低い温度であれば、ガラス基板等の安価な透明基板を用いて大面積の太陽電池を容易に製造することができる。
【００２８】
ｎ型酸化物半導体層３も、ｐ型半導体層７と同様に、スパッタ法による成膜及び成膜された薄膜の加熱を経て形成することができる。各薄膜を形成する毎にその薄膜を加熱してもよいし、各薄膜を形成した後、それらをまとめて加熱してもよい。
【００２９】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜変形が可能である。例えば、透明導電膜１１がｎ型酸化物半導体層３に接して設けられるのに代えて、透明導電膜１１がｐ型半導体層７に接して設けられていてもよい。この場合、例えば、透明導電性基板１の透明導電膜１１上にＬｉによってドープされた酸化ニッケル（ＮｉＯ：Ｌｉ）から構成される薄膜をスパッタ法により形成する工程と、酸化チタン又は酸化亜鉛から構成される薄膜を形成する工程と、形成された各薄膜を加熱する工程とを備える方法によって太陽電池を製造することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３１】
透明導電膜ＦＴＯがコーティングされたガラス基板（ＴＣＯガラス基板）を準備し、その透明導電膜上に、ＴｉＯ２薄膜（厚さ２００ｎｍ）、及びＬｉドープＮｉＯ（ＮｉＯ：Ｌｉ）薄膜（厚さ２００ｎｍ）を、スパッタ法により順に成膜した。スパッタはＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、室温で成膜を行った。各薄膜のスパッタ条件は下記の通りである。ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜におけるＬｉの濃度は２原子％とした。
【００３２】
ＴｉＯ２薄膜スパッタ条件
到達真空度：２×１０−６（Ｔｏｒｒ）
ガス：Ａｒ／Ｏ２（８：２）
成膜真空度：４×１０−３（Ｔｏｒｒ）
ターゲット：ＴｉＯ２
投入電力：６００Ｗ
【００３３】
ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜スパッタ条件
到達真空度：２×１０−５（Ｔｏｒｒ）
ガス：Ａｒ／Ｏ２（１：１）
ターゲット：ＮｉＯ：Ｌｉ（２％），ｕｎｄｏｐｅ−ＮｉＯ
投入電力：１５０Ｗ
自己バイアス：−４３０Ｗ
成膜時間：２時間
【００３４】
成膜後、Ｎ２／Ｏ２（８：２）混合ガス中、大気圧下で、４５０℃、２時間の熱処理を行い、各薄膜の結晶化を進行させた。ＴｉＯ２薄膜はアナターゼ型ＴｉＯ２から構成されることが確認された。次いで、ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜上にＡｇペーストを塗布して電極を形成させた。以上の手順により、ＴＣＯガラス基板上にＴｉＯ２薄膜／ＮiＯ:Ｌｉ薄膜がこの順で積層された積層構成を有する太陽電池を作製した。
【００３５】
さらに、上記と同様の条件のスパッタ法により、ＮｉＯ薄膜（アンドープ）及びＴｉＯ２薄膜をこの順に形成して、これらがＴＣＯガラス基板上に積層された太陽電池を作製した。
【００３６】
作製した太陽電池に対して１ｓｕｎの光を照射し、そのときのＩＶ特性を測定した。図３は、各太陽電池のＩＶ特性（電流密度（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）と電圧（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ）との関係）を示すグラフである。ＮｉＯ：Ｌｉ／ＴｉＯ２の開放電圧は０．２１Ｖ、短絡電流密度は８８μＡ／ｃｍ２であり、これらはＮｉＯがＬｉによってドープされていないＮｉＯ／ＴｉＯ２と比較して大きい値である。
【００３７】
さらに、ＬｉでドープされていないＮｉＯ薄膜、及び２原子％又は１０原子％の濃度のＬｉでドープされたＮｉＯ薄膜を石英基板上に作製し、それらに可視光を照射したときの抵抗率を測定した。図４は、ＬｉＯ薄膜の抵抗率（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）とＬｉ濃度（原子％）との関係を示すグラフである。図４に示されるように、２原子％のＬｉをドープすることにより抵抗率が二桁減少し、１０原子％のＬｉをドープすることにより抵抗率が四桁減少した。この抵抗率は太陽電池の等価回路における直列抵抗成分に一部に相当する。直列抵抗成分の増加は太陽電池の特性低下（電流低下、ファイルファクター低下）を招くことが知られている。
【００３８】
石英基板上に、ＬｉでドープされていないＮｉＯ薄膜、及び２原子％のＬｉでドープされたＮｉＯ：Ｌｉ薄膜を室温で石英基板上に成膜した。ＬｉでドープされていないＮｉＯ薄膜は４００℃又は７００℃で、ＮｉＯ：Ｌｉ薄膜は４００℃で熱処理した。熱処理後の薄膜の光吸収特性を測定した。図５は、各薄膜の吸光度（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）と波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）との関係を示すグラフである。図５に示されるように、Ｌｉをドープすることにより、アンドープの場合と比較してＮｉＯ薄膜の可視光域の吸光度が大きく向上した。
【００３９】
図６は、２原子％のＬｉでドープされたＮｉＯ：Ｌｉ薄膜のＸＲＤパターンを示すグラフである。図６に示されるように、ＬｉがドープされたときであってもＮｉＯ自体の結晶構造が維持されることが確認された。
【００４０】
以上の実験結果から、ＬｉでドープされたＮｉＯ薄膜をスパッタ法により形成することにより、太陽電池において優れた電池特性が得られることが確認された。係る電池特性の向上に対しては、Ｌｉのドープによって、ＮｉＯ薄膜の抵抗率減少ばかりでなく、可視光域の吸光度向上が大きく寄与していることが示唆された。
【符号の説明】
【００４１】
１…透明導電性基板、３…ｎ型酸化物半導体層、７…ｐ型半導体層、１０…透明基板、１１…透明導電膜、１２…Ａｇ電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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