(57)【要約】【課題】Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体を光吸収層に用いた特性が高い太陽電池を提供する。【解決手段】導電層（第１の電極層）１２と、光吸収層１３として機能する化合物半導体層と、窓層と、透明導電層（第２の電極層）１６とをこの順序で含む。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、上記化合物半導体はＩＩＩｂ族元素としてＧａを含む。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度は、それぞれ、上記窓層側の表面が最も高く、導電層１２側に向かって低下したのち、増大し、上記表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。【選択図】  図１
2004158556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、光吸収層として機能する化合物半導体層と、窓層と、第２の電極層とをこの順序で含む太陽電池であって、
前記化合物半導体層は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、
前記化合物半導体は前記ＩＩＩｂ族元素としてＧａを含み、
前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、それぞれ、前記窓層側の表面が最も高く、前記第１の電極層側に向かって低下したのち、増大し、前記表面における濃度よりも低い濃度で一定となることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、前記化合物半導体層の前記窓層側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
金属からなる基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記化合物半導体が、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｃｕとを含む請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記化合物半導体が、ＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素をさらに含む請求項４に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２（以下、ＣＩＧＳと記述する）に代表されるカルコパイライト構造を有する化合物半導体を光吸収層に用いた太陽電池が高い変換効率を示すことが知られている。特に、膜厚方向へのバンドギャップに２段階の傾斜を持たせたＣＩＧＳを用いることによって、特性が高い太陽電池が得られることが知られている。このＣＩＧＳ膜では、窓層側から裏面電極側に向かって最初はバンドギャップが減少しその後にバンドギャップが増加する、いわゆるダブルグレーデッドといわれる構造が用いられている（たとえば非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
ティー．ダルウィーバー（Ｔ．  Ｄｕｌｌｗｅｂｅｒ），  「ア  ニュー  アプローチ  トゥー  ハイ−イフィシャンシー  ソーラー  セル  バイ  バンドギャップ  グレーディング  イン  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２  カルコパイライト  セミコンダクターズ」（Ａ  ｎｅｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｂｙ  ｂａｎｄ  ｇａｐｇｒａｄｉｎｇ  ｉｎ  Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２  ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ），  「ソーラー  エナジー  マテリアル  アンド  ソーラー  セルズ」（Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ），  Ｖｏｌ．６７，  ｐ．１４５−１５０（２００１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カルコパイライト構造の化合物半導体を用いた太陽電池では、特性のさらなる向上が求められている。
【０００５】
このような状況に鑑み、本発明は、上記半導体を用いた特性が高い太陽電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池は、第１の電極層と、光吸収層として機能する化合物半導体層と、窓層と、第２の電極層とをこの順序で含む太陽電池であって、前記化合物半導体層は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなり、前記化合物半導体は前記ＩＩＩｂ族元素としてＧａを含み、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、それぞれ、前記窓層側の表面が最も高く、前記第１の電極層側に向かって低下したのち、増大し、前記表面における濃度よりも低い濃度で一定となることを特徴とする。この太陽電池によれば、変換効率などの特性が高い太陽電池が得られる。
【０００７】
上記太陽電池では、前記化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、前記化合物半導体層における前記Ｎａと前記Ｇａの濃度は、前記化合物半導体層の前記窓層側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【０００８】
上記太陽電池では、金属からなる基板上に形成されていてもよい。
【０００９】
上記太陽電池では、前記化合物半導体が、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｃｕとを含んでもよい。この場合、前記化合物半導体が、ＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素をさらに含んでもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の太陽電池の一例として、太陽電池１０の断面図を図１に示す。
【００１１】
図１を参照して、太陽電池１０は、少なくとも一方の表面が絶縁性である基板１１と、基板１１上に順に形成された導電層（第１の電極層）１２、光吸収層１３、第１の半導体層１４、第２の半導体層１５および透明導電層（第２の電極層）１６と、導電層１２上に形成された取り出し電極１７と、透明導電層１６上に形成された取り出し電極１８とを備える。第１の半導体層１４および第２の半導体層１５は、いわゆる窓層として機能し、光吸収層とともに接合を形成する。
【００１２】
基板１１は、絶縁性の材料で形成でき、たとえばガラス基板やポリイミド基板を用いることができる。また、基板１１には、表面が絶縁処理された導電性の基板、または表面に絶縁膜が形成された導電性の基板を用いることもできる。導電性の基板としては、たとえば、ステンレスの薄板や、デュラルミンなどのアルミニウム合金の薄板を用いることができる。絶縁処理としては、たとえば酸化処理を適用できる。また、表面に形成する絶縁膜としては、たとえばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２を用いることができる。
【００１３】
導電層１２は、裏面側の電極である。導電層１２は、金属で形成でき、たとえばＭｏを用いて形成できる。
【００１４】
光吸収層１３は、導電層１２の上方に配置される。光吸収層１３は、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とを含むカルコパイライト構造の半導体で且つＮａが添加された化合物半導体からなる。カルコパイライト構造の半導体とは、カルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）と同様の結晶構造を有する半導体を意味する。この化合物半導体は、ＩＩＩｂ族元素として少なくともＧａを含み、さらにＩｎおよびＡｌから選ばれる少なくとも１つの元素を含んでもよい。Ｉｂ属元素には、たとえばＣｕを用いることができ、ＶＩｂ属元素には、ＳｅおよびＳから選ばれる少なくとも１つの元素を用いることができる。たとえば、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ａｌ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２といった化合物半導体にさらにＮａを添加した化合物半導体を用いることができる。
【００１５】
光吸収層１３の厚さＤ（μｍ）は、たとえば０．５μｍ〜３．０μｍの範囲である。光吸収層１３におけるＮａとＧａの濃度（原子％）は、それぞれ、窓層１４側の表面が最も高く、導電層層１２側に向かって低下したのち、増大し、窓層１４側の表面における濃度よりも低い濃度で一定となる。ここで、一定とは、濃度が、±２原子％の範囲内にあることを意味する。Ｎａの濃度およびＧａの濃度は、それぞれ、光吸収層１３の厚さをＤとしたときに、光吸収層１３の窓層１４側の表面からＤ／６〜Ｄ／３の範囲において最も低くなることが好ましい。
【００１６】
ＮａおよびＧａのこのような濃度分布は、実施例に示す製造方法によって実現できる。この方法では、導電層１２と光吸収層１３との間に、Ｎａを含む層（たとえばＮａＦ）層を形成する。その後、Ｎａを含む層上に、Ｇａを含むＩＩＩｂ族元素と、Ｉｂ族元素と、ＶＩｂ族元素とを、それらの圧力を制御しながら蒸着する。各元素の圧力を一定に保ちながら一定の時間蒸着したのち、蒸着を続けながらＧａの圧力を徐々に減少させ、Ｉｎの圧力を徐々に増加させる。この蒸着によって、Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる化合物半導体を基本構造とし、さらにＮａが添加された化合物半導体層が形成される。Ｎａは、下地のＮａを含む層から供給される。この方法によれば、上述したようなＧａとＮａの濃度分布を実現できる。
【００１７】
第１の半導体層１４は、Ｚｎを含む化合物や、ＣｄＳで形成できる。Ｚｎを含む化合物としては、たとえば、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）や、ＺｎＭｇＯなどを用いることができる。第２の半導体層１５は、ＺｎＯ、またはＺｎＯを含む材料によって形成できる。透明導電層１６は、ＡｌなどのＩＩＩ族元素をドープしたＺｎＯや、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を用いて形成できる。取り出し電極１７および１８は、導電性が高い金属を用いて形成できる。
【００１８】
なお、太陽電池１０は、本発明の太陽電池の一例であり、本発明の太陽電池は太陽電池１０に限定されない。たとえば、第２の半導体層１５は省略してもよい。また、導電層１２と光吸収層１３との間に、光吸収層にＮａを供給するための層を備えてもよい。そのような層としては、ＮａＦ層やＮａ２Ｓ層などを用いることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
まず、基板１１として、Ａｌ２Ｏ３でコートされたステンレス基板（厚さ：０．１ｍｍ）を準備した。次に、このステンレス基板上に、ＲＦスパッタリングによってＭｏ層（導電層１２）を形成した。Ｍｏ層を形成する際には、スパッタ圧力を２．６Ｐａ（２×１０−２Ｔｏｒｒ）とした。Ｍｏ層の厚さは０．５μｍとした。
【００２１】
次に、ＲＦスパッタリングによって、Ｍｏ層上にＮａＦ層を堆積させた。ＮａＦ層の厚さは０．１μｍとした。
【００２２】
次に、以下に示す多元蒸着法によって、ＮａＦ層上にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層（光吸収層１３）を形成した。
【００２３】
まず、電離真空計で圧力を制御しながら、Ｓｅの圧力を２．６６×１０−３Ｐａ（２×１０−５Ｔｏｒｒ）とし、Ｉｎの圧力を１．０６×１０−４Ｐａ（８×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｇａの圧力を３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）とし、Ｃｕの圧力が３．９９×１０−５Ｐａ（３×１０−７Ｔｏｒｒ）として、ＮａＦ層上にＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを２５分間堆積させた。その後、Ｉｎの圧力が２．１３×１０−３Ｐａ（１．６×１０−６Ｔｏｒｒ）となるように、且つＧａの圧力を２．００×１０−５Ｐａ（１．５×１０−７Ｔｏｒｒ）となるように徐々にＩｎとＧａのフラックスを制御しながら、さらにＳｅとＩｎとＧａとＣｕとを１５分間堆積させた。このようにして、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２を基本構造とする化合物半導体層を４０分間で形成した。なお、基板温度は５００℃で一定に保った。
【００２４】
このようにして作製したサンプルについて、二次イオン質量分析装置によって分析した結果を図２に示す。図２の横軸は、分析時のスパッタリング時間を示し、化合物半導体層の厚さ方向の位置に対応する。すなわち、スパッタリング時間が０の部分は、化合物半導体層の最表面に対応し、スパッタリング時間が約３２０秒の部分は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２層とＮａＦ層との界面に対応する。図２に示すように、化合物半導体層には、下地のＮａＦ層からＮａが拡散していた。そして、ＮａとＧａの原子濃度は、化合物半導体層の最表面で最も高く、その後、基板側に向かって低下したのち、増大し、最表面における濃度よりも低い濃度で一定となった。このとき、濃度が最も低くなった箇所は、化合物半導体層の厚さをＤとしたときに、化合物半導体層の最表面から約０．２Ｄ程度の深さであった。また、化合物半導体層の最表面から約０．５Ｄの深さから１Ｄの深さ（化合物半導体層の基板側の表面に対応）までは、ＮａとＧａの原子濃度は、ほぼ一定であった。
【００２５】
次に、二次イオン質量分析を行ったものと同様のサンプルを作製し、化学浴析出法によって、化合物半導体層上にＣｄＳ層（第１の半導体層１４）を形成し、これによってｐｎ接合を形成した。次に、ＺｎＯ層（第２の半導体層１５）と、ＩＴＯ層（透明導電層１６）とをスパッタリング法で順次形成した。最後に、Ａｕからなる取り出し電極を形成した。このようにして、実施形態１の太陽電池を作製した。一方、比較例として、ＮａＦ層を形成しないことを除いては上記の実施例と全く同様の方法で太陽電池を作製した。この比較例の太陽電池では、化合物半導体層中にＮａが添加されていない。
【００２６】
作製した２つの太陽電池について、Ａｉｒ  Ｍａｓｓ（ＡＭ）＝１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光を用いて特性を測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
2004158556.tif 000003
【００２８】
表１から明らかなように、本発明の実施例の太陽電池は、良好な特性を示した。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の太陽電池によれば、特性が高い太陽電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の太陽電池の光吸収層について二次イオン質量分析法の測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０  太陽電池
１１  基板
１２  導電層（第１の電極層）
１３  光吸収層（化合物半導体層）
１４  第１の半導体層
１５  第２の半導体層
１６  透明導電層（第２の電極層）
１７、１８  取り出し電極
【図１】
2004158556.tif 000004
【図２】
2004158556.tif 000005