(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1-XＳｅXよりなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1-XＳｅXよりなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1-XＧａXＳｅ2よりなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1-XＧａXＳｅ2よりなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1-XＳX）2よりなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1-XＳX）2よりなる請求項１に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い変換効率の得られる太陽電池に関する。さらに詳しくはバンドギャップの広い構造のヘテロ接合型の太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽電池の基本的な構造については、数多くの提案がなされている。通常のヘテロ接合型の太陽電池は、図２（ａ）に示したようなバンドギャップの広い半導体（窓層）４と、バンドギャップが約１．５ｅＶ程度（あるいはそれ以下）の半導体（光吸収層）３との異種・異伝導型接合を構成し、図２（ｂ）のようなバンドプロファイルしてなる。たとえば、ＣｄＳ／ＣｄＴｅやＣｄＳ／ＣｕＩｎＳｅ2 などである。さらに、高い変換効率を得るために傾斜組成層を太陽電池の構造に導入する提案がなされている。その多くの場合は、バンドギャップの大きい半導体（窓層）に導入されている。たとえば、ａ−ＳｉＣ／ａ−ＳｉやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓなどの構造がそうである。これらの構造は、バンドギャップの大きい半導体（窓層）に傾斜組成層を導入してより多くの光電流を獲得しようとする構造である。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら上記従来のヘテロ接合型の太陽電池でも光−電力の変換効率は１２．２〜１３．１％程度であった。
【０００４】
本発明の目的は従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、さらに性能のすぐれた太陽電池を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の太陽電池は、半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなることを特徴とする。
【０００６】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1ーXＳｅXよりなることが好ましい。
また、前記構成の太陽電池で、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1ーXＳｅXよりなることが好ましい。
【０００７】
また、前記構成の太陽電池で、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2よりなることが好ましい。
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2よりなることが好ましい。
【０００８】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 よりなることが好ましい。
【０００９】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 よりなることが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明の太陽電池は、半導体光吸収層と、前記半導体光吸収層に対する電極と、前記半導体光吸収層上に形成され、該半導体光吸収層のバンドギャップより広いバンドギャップ及び該半導体光吸収層と異なる伝導型を有する半導体窓層と、該半導体窓層に対する透明電極とを備える太陽電池であって、前記半導体光吸収層と前記半導体窓層の間に形成され、該半導体光吸収層と該半導体窓層とに接し、該半導体光吸収層と同じ伝導型であり、該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ該半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を更に有し、前記傾斜組成層の膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなっている。このように構成することにより、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、高い開放端電圧を得ることができる。
【００１１】
また、太陽電池の前記構成で、前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1ーXＳｅXよりなる好ましい構成によれば、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１２】
また、太陽電池の前記構成で、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｄＴｅ薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｄＴｅ1ーX ＳｅX よりなるので、ＣｄＳ薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１３】
また、前記構成の太陽電池において、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 よりなる好ましい形態によれば、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１４】
また、前記構成の太陽電池において、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ1ーX ＧａXＳｅ2よりなる好ましい形態によれば、ＣｄＳ薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１５】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 よりなるので、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１６】
また、前記構成の太陽電池であって、前記半導体窓層がＣｄＳ薄膜よりなり、前記半導体光吸収層がＣｕＩｎＳｅ2 薄膜よりなり、前記傾斜組成層がＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 よりなるので、ＣｄＳ薄膜を用いることでより高品質の接合部を保持し、かつ再結合電流を減少させ、従来の接合に比べてより高い開放端電圧を出力でき、従来の太陽電池よりすぐれた変換効率を得ることができる。
【００１７】
すなわち、本発明の太陽電池は、上記のように傾斜組成層を導入しているので、量子効率の波長依存性が影響されることなく、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できると同時に光電流は、従来構成のヘテロ接合型太陽電池と遜色はない。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の太陽電池の実施例を図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１は本発明の１実施例の概略を示す図である。図１（ａ）には、本発明の太陽電池の構造の断面図を示しており、（ｂ）にはヘテロ接合部（傾斜組成層を含む）のバンド図を示し、（ｂ）中の破線は、従来構造のヘテロ接合型太陽電池の場合（傾斜組成層のないもの）における接合のバンド図である。バンドベンディングを生じている領域ｐは、空乏層を示している。
【００１９】
図１において１はガラス基板などの絶縁基板であり、この基板１に下部電極２としてＭｏ薄膜が膜厚１μｍ程度に成膜され、この下部電極２の上に透明上部電極としてＩＴＯ薄膜５が膜厚０．５μｍ程度に成膜されている。本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層４／傾斜組成層６／半導体光吸収層３の構造は、ＣｄＳ半導体窓層４（膜厚０．１μｍ）／ＣｄＴｅ1ーXＳｅX傾斜組成層６／ＣｄＴｅ半導体光吸収層３（膜厚３μｍ）によって構成されている。この構造において、ＣｄＳ層に接するＣｄＴｅ1ーXＳｅX層のＸの値は０．２０であり、ＣｄＴｅ層に接するＣｄＴｅ1ーXＳｅX層のＸの値は０．０である。また、ＣｄＴｅ1ーXＳｅX層の膜厚は、空乏層幅ｐとほぼ同程度になるように、例えば０．２〜１．０μｍに最適設計する。
【００２０】
ＣｄＴｅ1ーXＳｅXの傾斜組成層６の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。以上のように、ＣｄＴｅ1ーXＳｅXの傾斜組成層６の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のＣｄＴｅ1ーXＳｅX傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。
【００２１】
ここで作製したＣｄＴｅ1ーXＳｅX傾斜組成層６はｐ型でそのホール濃度は、ＣｄＴｅ薄膜と同様に約１×１０15ｃｍ-3であったので、ＣｄＴｅ1ーXＳｅX傾斜組成層の膜厚は、０．７μｍ程度にした。
【００２２】
図３に本実施例による太陽電池の量子効率の波長依存性をＡ’で示し、比較のため従来例の太陽電池による量子効率の波長依存性をＡで示した。両者の量子効率には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が期待できる。
【００２３】
図４には、ＡＭ１．５、１００mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Ａに比べ、本発明の太陽電池の特性Ａ’の方が高い開放端電圧が得られた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来例の太陽電池で１２．２％（Jsc=22.5mA/cm2, Voc=0.750V,FF=0.720）、本実施例の太陽電池で１４．１％(Jsc=22.2mA/cm2,Voc=0.890V,FF=0.715）であった。
【００２４】
（実施例２）
前記実施例１の太陽電池の構造と同様に、ガラス基板などの絶縁基板１に下部電極２としてＭｏ薄膜が膜厚１μｍ程度に成膜され、この下部電極２の上に透明上部電極としてＩＴＯ薄膜５が膜厚０．５μｍ程度に成膜されている。この上に本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層４／傾斜組成層６／半導体光吸収層３の層が形成されている。本実施例でも上記実施例と同様に、半導体窓層４がＣｄＳにより膜厚０．１μｍに形成されている。
【００２５】
ただし、本実施例では、傾斜組成層６をＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 から形成し、半導体光吸収層３はＣｕＩｎＳｅ2 から膜厚２μｍに形成している点で上記実施例１とは異なっている。また、本実施例のＣｄＳ半導体窓層４に接するＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2傾斜組成層６のＸの値は０．１５であり、ＣｕＩｎＳｅ2層に接するＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2層のＸの値は０．０である。また、ＣｕＩｎ1ーXＧａX Ｓｅ2 層の膜厚は、空乏層幅ｐとほぼ同程度になるよう最適設計する必要がある。ＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 層の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。従って、この傾斜組成層６の膜厚は、例えば、０．２〜１．０μｍとする。
【００２６】
以上のように、ＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 傾斜組成層の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。ここで作製したＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 傾斜組成層はｐ型でそのホール濃度は、ＣｕＩｎＳｅ2薄膜と同様に約５×１０15ｃｍ-3であったのでＣｕＩｎ1ーXＧａXＳ2傾斜組成層の膜厚は、０．３μｍ程度にした。
【００２７】
本実施例の太陽電池と従来例とについて、量子効率の波長依存性のを図３のＢ、Ｂ’（Ｂ：従来構造、Ｂ’：本発明の構造）に示している。この両者には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が得られている。
【００２８】
図４には、ＡＭ１．５、１００mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Ｂに比べ、本発明の太陽電池の特性Ｂ’の方が高い開放端電圧を示していた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来構造の太陽電池で１３．１％（Jsc=40.5mA/cm2,Voc=0.455V,FF=0.710）、本実施例による太陽電池で  １５．３％（Jsc=40.4mA/cm2,Voc=0.528V,FF=0.715）であった。
【００２９】
（実施例３）
前記実施例１の太陽電池の構造と同様に、ガラス基板などの絶縁基板１に下部電極２としてＭｏ薄膜が膜厚１μｍ程度に成膜され、この下部電極２の上に透明上部電極としてＩＴＯ薄膜５が膜厚０．５μｍ程度に成膜されている。この上に、本発明の太陽電池の根幹をなす半導体窓層４／傾斜組成層６／半導体光吸収層３の層が形成されている。本実施例でも上記実施例と同様に、半導体窓層４がＣｄＳにより膜厚０．１μｍに形成されている。
【００３０】
ただし、本実施例では、傾斜組成層６をＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーX ＳX ）2 から形成し、半導体光吸収層３はＣｕＩｎＳｅ2 から膜厚２μｍに形成している点で上記実施例１および実施例２とは異なっている。また、本実施例のＣｄＳ層に接するＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーX ＳX ）2 傾斜組成層６のＸの値は０．２０であり、ＣｕＩｎＳｅ2 半導体光吸収層３に接するＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX ）2のＸの値は０．０である。また、ＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーX ＳX）2の膜厚は、空乏層幅ｐとほぼ同程度になるよう最適設計する必要がある。ＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーX ＳX ）2 層の膜厚が、空乏層領域に比べ薄い場合は、短絡光電流が充分獲得できなくなり、空乏層領域に比べ厚い場合は、開放端電圧が低下する傾向がある。従って、この傾斜組成層６の膜厚は、例えば、０．２〜１．０μｍとする。
【００３１】
以上のように、ＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 の傾斜組成層６の膜厚を最適化した本発明の構造の太陽電池を多元蒸着装置を用いて作製し、同様に多元蒸着で作製した従来のＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 傾斜組成層のない太陽電池と性能を比較した。ここで作製したＣｕＩｎ（Ｓｅ1ーXＳX）2 傾斜組成層６はｐ型でそのホール濃度は、ＣｕＩｎＳｅ2 薄膜と同様に約２×１０15ｃｍ-3であったので、ＣｕＩｎ1ーXＧａXＳｅ2 傾斜組成層６の膜厚は０．３μｍ程度にした。
【００３２】
本実施例の太陽電池と従来例とについて、量子効率の波長依存性のを図３のＣ、Ｃ’（Ｃ：従来構造、Ｃ’：本実施例の構造）に示している。この両者には差異がなく、ほとんど同程度の短絡光電流が得られている。
【００３３】
図４には、ＡＭ１．５、１００mW/cm2のソーラーシミュレーターのもとで測定した電流−電圧特性を示している。従来構造の太陽電池の特性Ｃに比べ、本実施例の太陽電池の特性Ｃ’の方が高い開放端電圧を示していた。この効果は、傾斜組成層を導入することによってヘテロ接合部の再結合電流が減少し、従来のヘテロ接合に比べてより高い開放端電圧を出力できる太陽電池が実現できたことを示している。得られた変換効率は、従来構造の太陽電池で１３．１％（Jsc=40.5mA/cm2,Voc=0.455V,FF=0.710）、本実施例による太陽電池で１５．１％（Jsc=40.2mA/cm2,Voc=0.555V,FF=0.675）であった。
【００３４】
【発明の効果】
上述のように、本発明の太陽電池によれば半導体光吸収層と半導体窓層の間に該半導体窓層との接合部より離れるに従ってバンドギャップが小さくなり、かつ前記半導体光吸収層に接する部分のバンドギャップが該半導体光吸収層のバンドギャップに比べて同等もしくは大きい傾斜組成層を有し、かつその膜厚が空乏層幅と同等の膜厚よりなっているので、ヘテロ接合部の再結合電流が減少し、高い解放電圧を得ることができ、エネルギー変換効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図２】従来の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図３】従来及び本発明の太陽電池の量子効率の波長依存性を示す図である。
【図４】従来及び本発明の太陽電池の太陽電池特性（電流−電圧特性）を示す図である。
【符号の説明】
１       絶縁基板
２       下部電極
３       半導体光吸収層
４       半導体窓層
５       透明導電層
６       傾斜組成層
【図１】
0003646940.tif 000002
【図２】
0003646940.tif 000003
【図３】
0003646940.tif 000004
【図４】
0003646940.tif 000005