(57)【要約】【課題】  光電変換装置における光電変換効率の向上を目的とする。【解決手段】  光電変換装置１１は、主面２ａを有する下部電極層２と、主面２ａ上に配された第１の導電型を有する第１の半導体層３と、第１の半導体層３上に配された第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層４と、第２の半導体層４上に配された透光性の上部電極層５とを具備する光電変換装置１１であって、第２の半導体層４は、主面２ａに対して垂直状に延びる複数の針状体が互いに接触して前記第１の半導体層の表面を覆っている。【選択図】  図３
2015012062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する下部電極層と、
前記主面上に配された第１の導電型を有する第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に配された前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、
該第２の半導体層上に配された透光性の上部電極層とを具備する光電変換装置であって、前記第２の半導体層は、前記主面に対して垂直状に延びる複数の針状体が互いに接触して前記第１の半導体層の表面を覆っている光電変換装置。
【請求項２】
前記複数の針状体の延伸方向は、前記主面の垂線とのなす角度が３０°以下である、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第２の半導体層は酸化亜鉛を含んでいる、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１の半導体層は金属カルコゲナイドを含んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる導電型の半導体層同士が接合された光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電等に使用される光電変換装置として、異なる導電型の複数の半導体層同士が接合されたものがある（例えば特許文献１参照）。このような光電変換装置は、複数の光電変換セルが平面的に並設された構成を有する。各光電変換セルは、ガラス等の基板の上に、金属電極等の下部電極と、ＣＩＧＳなどの金属カルコゲナイドを含む光吸収層と、この光吸収層にヘテロ接合した、硫化インジウムを含むバッファ層と、透明電極や金属電極等の上部電極とが、この順に積層されて構成されている。また、複数の光電変換セルは、隣り合う一方の光電変換セルの上部電極と他方の光電変換セルの下部電極とが接続導体によって電気的に接続されることで、電気的に直列に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８２９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光電変換装置には、光電変換効率の向上が常に要求される。この光電変換効率は、光電変換装置において太陽光のエネルギーが電気エネルギーに変換される割合を示し、例えば、光電変換装置から出力される電気エネルギーの値が、光電変換装置に入射される太陽光のエネルギーの値で除されて、１００が乗じられることで導出される。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光電変換装置における光電変換効率の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る光電変換装置は、主面を有する下部電極層と、前記主面上に配された第１の導電型を有する第１の半導体層と、該第１の半導体層上に配された前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第２の半導体層と、該第２の半導体層上に配された透光性の上部電極層とを具備する光電変換装置であって、前記第２の半導体層は、前記主面に対して垂直状に延びる複数の針状体が互いに接触して前記第１の半導体層の表面を覆っている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の上記実施形態によれば、光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電変換装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の光電変換装置の断面図である。
【図３】図１の光電変換装置の要部拡大断面図である。
【図４】第２の半導体層の断面のＳＥＭ写真である。
【図５】第２の半導体層を平面視したＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る光電変換装置について、図面を参照しながら説明する
。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。
【００１０】
＜（１）光電変換装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換装置の一例を示す斜視図である。図２は、図１の光電変換装置のＸＺ断面図である。また、図３は、図１の光電変換装置のＸＺ断面の要部拡大図である。なお、図１から図５には、光電変換セル１０の配列方向（図１の図面視左右方向）をＸ軸方向とする右手系のＸＹＺ座標系が付されている。
【００１１】
光電変換装置１１は、基板１の上に複数の光電変換セル１０が並設された構成を有している。図１では、図示の都合上、２つの光電変換セル１０のみが示されているが、実際の光電変換装置１１には、図面のＸ軸方向、或いは更に図面のＹ軸方向に、多数の光電変換セル１０が平面的に（二次元的に）配列されている。
【００１２】
各光電変換セル１０は、下部電極層２、第１の半導体層３、第２の半導体層４、上部電極層５、および集電電極７を主に備えている。光電変換装置１１では、上部電極層５および集電電極７が設けられた側の主面が受光面となっている。
【００１３】
基板１は、複数の光電変換セル１０を支持するものであり、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、または金属等の材料で構成されている。具体例として、例えば、基板１として、１〜３ｍｍ程度の厚さを有する青板ガラス（ソーダライムガラス）が用いられてもよい。
【００１４】
下部電極層２は、基板１の一主面の上に設けられた導電層であり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、または金（Ａｕ）等の金属、あるいはこれらの金属の積層構造体からなる。また、下部電極層２は、０．２〜１μｍ程度の厚さを有する。下部電極層２は、スパッタリング法または蒸着法等の公知の薄膜形成方法によって形成することができる。
【００１５】
第１の半導体層３は、光を吸収して光電変換を行なう半導体層であり、光吸収層として機能する。第１の半導体層３は、第１の導電型（ここではｐ型の導電型）を有しており、下部電極層２の＋Ｚ側の主面２ａの上に、例えば、１〜３μｍ程度の厚さで設けられている。第１の半導体層３はシリコンや化合物半導体等が採用され得る。特に、薄膜でも高い光電変換効率を得ることができるという観点からは、第１の半導体層３は、金属カルコゲナイドを主として含むものであってもよい。なお、金属カルコゲナイドを主として含むとは、金属カルコゲナイドを７０ｍｏｌ％以上含むことをいう。
【００１６】
また、金属カルコゲナイドとは、金属元素とカルコゲン元素との化合物である。また、カルコゲン元素とは１６族元素（VI−Ｂ族元素ともいう）のうちの硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）をいう。金属カルコゲナイドとしては、１１族元素（Ｉ−Ｂ族元素ともいう）と１３族元素（III−Ｂ族元素ともいう）と１６族元素との化合物であるＩ−III−VI族化合物、１１族元素と１２族元素（II−Ｂ族元素ともいう）と１４族元素（IV−Ｂ族元素ともいう）と１６族元素との化合物であるＩ−II−IV−VI族化合物および１２族元素と１６族元素との化合物であるII−VI族化合物等が採用され得る。
【００１７】
Ｉ−III−VI族化合物としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ２（二セレン化銅インジウム、
ＣＩＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（二セレン化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳともいう）、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２（二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム、ＣＩＧＳＳともいう）が挙げられる。あるいは、第１の半導体層３は、薄
膜の二セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム層を表面層として有する二セレン化銅インジウム・ガリウム等の多元化合物半導体薄膜にて構成されていてもよい。
【００１８】
Ｉ−II−IV−VI族化合物としては、例えば、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳともいう）、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）４（ＣＺＴＳＳｅともいう）、およびＣｕ２ＺｎＳｎＳｅ４（ＣＺＴＳｅともいう）が挙げられる。また、II−VI族化合物としては、例えば、ＣｄＴｅ等が挙げられる。
【００１９】
第１の半導体層３は、スパッタリング法、蒸着法などのいわゆる真空プロセスによって形成可能であるほか、いわゆる塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスによって形成することもできる。塗布法あるいは印刷法と称されるプロセスは、第１の半導体層３の構成元素の錯体溶液等を下部電極層２の上に塗布し、その後、乾燥・熱処理を行うプロセスである。
【００２０】
第２の半導体層４は、第１の導電型の第１の半導体層３とは異なる第２の導電型（ここではｎ型の導電型）を有する半導体層であり、第１の半導体層３と接合している。なお、第１の導電型および第２の導電型とは、ｐ型およびｎ型の一方および他方をいう。第１の導電型がｐ型であれば第２の導電型はｎ型であり、第１の導電型がｎ型であれば第２の導電型はｐ型である。第２の半導体層４は、図３に示すように、下部電極層２の主面２ａに対して垂直状に延びる複数の針状体４ａが互いに接触して第１の半導体層３の表面を覆っている。なお、下部電極層２の主面２ａに対して垂直状とは、下部電極層２の主面２ａの垂線に対して±４５°以内をいう。第２の半導体層４の主面２ａに垂直な断面をＳＥＭで観察したときに、第２の半導体層４を構成する複数の針状体４ａの過半数（６割以上）が主面２ａに対して垂直状であればよい。この針状体４ａは直線状に延びた細長い針状の結晶である。複数の針状体４ａは長軸に平行な側面同士を互いに接触させるようにして配置されており、第１の半導体層３の表面を実質的に隙間なく覆っている。
【００２１】
このような構成により、上部電極層５側から光電変換セル１０に入射した光が第２の半導体層４と上部電極層５との界面で反射されるのが有効に低減される。その結果、第１の半導体層３への入射効率が高まり、光電変換効率が向上する。
【００２２】
第２の半導体層４としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＺｎＯに若干のＳを含ませたＺｎ（Ｏ，ＯＨ，Ｓ）、α−Ｆｅ２Ｏ３等が挙げられる。特に金属カルコゲナイトを含む第１の半導体層３との良好な伝導帯の電位のずれの観点からは、ＺｎＯが用いられてもよい。
【００２３】
第２の半導体層４は、例えば、以下のようにして作製することができる。ＺｎＯの針状体４ａは、硝酸亜鉛６水和物、水酸化ナトリウムを溶解させた水溶液中に第１の半導体層３を成膜した基板１を含浸し、加熱することで形成できる。望ましくは、ＺｎＯの針状体４ａのシード（例えばナノ粒子）となる層を第１の半導体層３の表面に形成してから、ＺｎＯの針状体４ａを形成する。このようにすることで、下部電極層２の主面２ａの垂線に近い角度で成長させることができる。もしくは、硝酸亜鉛６水和物、水酸化ナトリウム水溶液にチオ尿素のような添加剤を添加しても良い。このようにすることで、第１の半導体層３の表面に均一にＺｎ（Ｏ、ＯＨ、Ｓ）針状体を形成することができる。
【００２４】
ここで第２の半導体層４の実施例を図４および図５に示す。図４は、ＣＩＧＳから成る第１の半導体層３上に、ＺｎＯを含む第２の半導体層４を作製した試料の断面のＳＥＭ写真を示す。また、図５は、この第２の半導体層４を平面視したときのＳＥＭ写真を示す。このように第２の半導体層４は複数の針状体４ａが同じ方向に配向して第１の半導体層３を実質的に覆っているものであることが分かる。
【００２５】
また、複数の針状体４ａの延伸方向は、主面２ａの垂線とのなす角度が３０°以下であってもよい。つまり、第２の半導体層４の主面２ａに垂直な断面をＳＥＭで観察したときに、第２の半導体層４を構成する複数の針状体４ａの過半数（６割以上）が主面２ａの垂線とのなす角度が３０°以下であればよい。この場合、第２の半導体層４上に上部電極層５が成膜される際、上部電極層５が針状体４ａの隙間を良好に埋めることができ、第２の半導体層４と上部電極層５との界面に空隙が生じるのが有効に低減される。その結果、光電変換セル１０に入射された光が反射されるのがさらに有効に低減される。
【００２６】
リーク電流が低減される観点から言えば、第２の半導体層４は、１Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有するものであってもよい。また、第２の半導体層４は、第１の半導体層３の一主面の法線方向に厚さを有する。この厚さは、例えば５〜２００ｎｍに設定される。
【００２７】
上部電極層５は、第２の半導体層４の上に設けられた透明導電膜であり、第１の半導体層３において生じた電荷を取り出す電極である。上部電極層５は、第２の半導体層４よりも低い抵抗率を有する物質によって構成されている。上部電極層５には、いわゆる窓層と呼ばれるものも含まれ、この窓層に加えて更に透明導電膜が設けられる場合には、これらが一体の上部電極層５とみなされても良い。
【００２８】
上部電極層５は、禁制帯幅が広く且つ透明で低抵抗の材料を主に含んでいる。このような材料としては、例えば、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３およびＳｎＯ２等の金属酸化物半導体等が採用され得る。これらの金属酸化物半導体には、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、ＩｎおよびＦ等のうちの何れかの元素が含まれても良い。このような元素が含まれた金属酸化物半導体の具体例としては、例えば、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）、
ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（Fluorine tin Oxide）等がある。
【００２９】
上部電極層５は、例えば０．０５〜３．０μｍの厚さを有するように形成される。ここで、第１の半導体層３から電荷が良好に取り出される観点から言えば、上部電極層５は、１Ω・ｃｍ未満の抵抗率と、５０Ω／□以下のシート抵抗とを有するものとすることができる。
【００３０】
上部電極層５は、スパッタリング法、蒸着法、または化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で形成することができる。
【００３１】
また、上部電極層５の上に集電電極７が設けられていてもよい。集電電極７は、Ｙ軸方向に離間して設けられ、それぞれがＸ軸方向に延在している。集電電極７は、導電性を有する電極であり、例えば、銀（Ａｇ）等の金属を含む。
【００３２】
集電電極７は、第１の半導体層３において発生して上部電極層５において取り出された電荷を集電する役割を担う。集電電極７が設けられれば、上部電極層５の薄層化が可能となる。
【００３３】
集電電極７および上部電極層５によって集電された電荷は、第１の半導体層３、第２の半導体層４および上部電極層５を分断する溝部Ｐに設けられた接続導体６を通じて、隣の光電変換セル１０に伝達される。接続導体６は、例えば、図２に示されるように集電電極７のＹ軸方向への延在部分によって構成されている。これにより、光電変換装置１１においては、隣り合う光電変換セル１０の一方の下部電極層２と、他方の集電電極７とが、溝部Ｐに設けられた接続導体６を介して電気的に直列に接続されている。なお、接続導体６は、これに限定されず、上部電極層５の延在部分によって構成されていてもよい。
【００３４】
集電電極７は、良好な導電性が確保されつつ、第１の半導体層３への光の入射量を左右する受光面積の低下が最小限にとどめられるように、５０〜４００μｍの幅を有するものとすることができる。
【００３５】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１：基板
２：下部電極層
３：第１の半導体層
４：第２の半導体層
４ａ：針状体
５：上部電極層
６：接続導体
７：集電電極
１０：光電変換セル
１１：光電変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015012062.tif 000006
【図５】
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