(57)【要約】      （修正有）【課題】裏面での光キャリアの再結合が抑制され、且つ光吸収層内での光キャリアの再結合も抑制された、エネルギー変換効率の高い太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池１０が、ｐ型の第１の半導体層とｐ型の第２の半導体層１６とを備える。前記第１の半導体層１５と前記第２の半導体層とが接している。前記第１の半導体層の電子親和力χ１（ｅＶ）、前記第１の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ１（ｅＶ）、前記第２の半導体層の電子親和力χ２（ｅＶ）、及び前記第２の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ２が、下記式（１）に示す関係を満たす。−０.４≦｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝≦０．１…（１）【選択図】図１
2012004384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の第１の半導体層とｐ型の第２の半導体層とを備え、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが接しており、前記第１の半導体層の電子親和力χ１（ｅＶ）、前記第１の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ１（ｅＶ）、前記第２の半導体層の電子親和力χ２（ｅＶ）、及び前記第２の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ２が、下記式（１）に示す関係を満たす太陽電池。
−０.４≦｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝≦０．１  …（１）
【請求項２】
前記第１の半導体層の電子親和力χ１（ｅＶ）と前記第２の半導体層の電子親和力χ２（ｅＶ）とが、下記式（２）に示す関係を満たす請求項１に記載の太陽電池。
（χ１−χ２）≧０  …（２）
【請求項３】
前記第１の半導体層の厚みが０．２〜１μｍの範囲である請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１の半導体層が、１１族元素、１３族元素、及び１６族元素を含む化合物を含有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記第２の半導体層の厚みが５ｎｍ以上である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第２の半導体層の抵抗率が１００Ωｃｍ以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第２の半導体層が、１１族元素、１３族元素、及び１６族元素を含む化合物を含有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第２の半導体層が有機物を含有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記第２の半導体層がポリチオフェン、ポリピロール、ポリジベンゾチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリフルオレン、ポリ−3-ヘキシルチオフェン、及びトリフェニルアミンからなる群から選ばれる有機物を含有する請求項８に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池には、光吸収層の、ｐｎ接合面とは反対側の電極（裏面電極）との間に、光キャリアの再結合抑制のために、光キャリアを反射する裏面電界層（バックサーフェスフィールド（Back Surface Field）層）が設けられることがある。
【０００３】
例えばシリコン系太陽電池では、光吸収層と裏面電極との間に、光吸収層よりキャリア濃度の高い層が設けられることで、キャリア濃度差による裏面電解（バックサーフェスフィールド）が形成される。光吸収層で励起された光キャリア（電子）は裏面電界によって裏面電極への輸送が妨げられ、ｐｎ接合面へ拡散することになる。
【０００４】
カルコパイライト構造半導体であるＣｕ(Ｉｎ,Ｇａ)Ｓｅ２から形成される光吸収層を備える太陽電池では、光吸収層中にＩｎとＧａの組成勾配が膜積層方向に形成されると、光吸収層全体に内部電界が生じ、これにより光キャリアの裏面電極への輸送が妨げられ、ｐｎ接合面へ拡散することになる。
【０００５】
特許文献１では、光吸収層とは結晶構造が異なる半導体から裏面電界層を形成することが開示されている。この特許文献１の記載によれば、Ｃｕ(Ｉｎ,Ｇａ)Ｓｅ２膜からなる光吸収層と、これよりもバンドギャップが大きく、キャリア濃度が高いＣｕ２Ｏ膜からなる裏面電界層とを接合することで、太陽電池の変換効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３３５６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で開示されているように光吸収層とは結晶構造が異なる半導体からから裏面電界層を形成することは、裏面電界層の抵抗率（キャリア濃度）や膜厚の制御が容易である点で、太陽電池の高効率化に適した層の設計や製造のために有効である。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術であっても、特に光吸収層内の欠陥による再結合の低減のために光吸収層が薄膜化される場合には、光キャリアの再結合が太陽電池特性に大きな影響を及ぼしてしまい、これが太陽電池の変換効率低下の要因となってしまう。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、裏面での光キャリアの再結合が抑制され、且つ光吸収層内での光キャリアの再結合も抑制された、エネルギー変換効率の高い太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る太陽電池は、ｐ型の第１の半導体層とｐ型の第２の半導体層とを備え、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが接しており、前記第１の半導体層の電子親和力χ１（ｅＶ）、前記第１の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ１（ｅＶ）、前記第２の半導体層の電子親和力χ２（ｅＶ）、及び前記第２の半導体層の禁制帯幅Ｅｇ２が、下記式（１）に示す関係を満たす。
【００１１】
−０.４≦｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝≦０．１  …（１）
本発明においては、前記第１の半導体層の電子親和力χ１（ｅＶ）と前記第２の半導体層の電子親和力χ２（ｅＶ）とが、下記式（２）に示す関係を満たしてもよい。
【００１２】
（χ１−χ２）≧０  …（２）
本発明においては、前記第１の半導体層の厚みが０．２〜１μｍの範囲であってもよい
前記第１の半導体層が、１１族元素、１３族元素、及び１６族元素を含む化合物を含有してもよい。
【００１３】
本発明においては、前記第２の半導体層の厚みが５ｎｍ以上であってもよい。
【００１４】
本発明においては、前記第２の半導体層の抵抗率が１００Ωｃｍ以下であってもよい。
【００１５】
本発明においては、前記第２の半導体層が有機物を含有してもよい。
【００１６】
本発明においては、前記第２の半導体層がポリチオフェン、ポリピロール、ポリジベンゾチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリフルオレン、ポリ−3-ヘキシルチオフェン、及びトリフェニルアミンからなる群から選ばれる有機物を含有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上に記載したように本発明の太陽電池を用いることにより、裏面での再結合が低減しかつ光吸収層での再結合も低減する、エネルギー変換効率の高い太陽電池が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略の断面図である。
【図２】前記実施形態の太陽電池の特性の数値シミュレーションにおける、透明電極、窓層、バッファ層、第１の半導体層、第２の半導体層、裏面電極のバンド構造の設定を示す図である。
【図３】前記シミュレーションにより導き出された、第１の半導体層の電子親和力χ１と第２の半導体層の電子親和力χ２との差（χ１−χ２）と、太陽電池の変換効率との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、前記数値シミュレーションにより導き出された、第１の半導体層の電子親和力χ１と禁制帯幅Ｅｇ１の和（χ１＋Ｅｇ１）と第２の半導体層の電子親和力χ２と禁制帯幅Ｅｇ２の和（χ２＋Ｅｇ２）の差［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］と、太陽電池の変換効率との関係を示すグラフである。
【図５】前記数値シミュレーションにより導き出された、［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］＝−０．２ｅＶの場合の第１の半導体層の厚みと変換効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００２０】
本実施形態に係る太陽電池１０では、基板１１、透明電極１２、窓層１３、バッファ層１４、第１の半導体層１５、第２の半導体層１６、及び裏面電極１７が、この順に積層されている。
【００２１】
基板１１は、例えばガラスや透光性樹脂から形成される。
【００２２】
透明電極１２は、例えば金属酸化物から形成される。透明電極１２を形成するための金属酸化物として、例えば、ＳｎＯ２：Ｆ，ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｇａ、ＩＸＯ（Ｉｎ２Ｏ３：Ｘ，Ｘとして、Ｓｎ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｎ）等が挙げられる。透明電極１２は複数種の金属酸化物が積層することで構成されてもよい。
【００２３】
窓層１３はｎ型或いはｉ型の半導体から形成される。窓層１３を形成するための半導体としては、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、（Ｔｉ１−ｘＺｒｘ）Ｏ２（ただし、０＜ｘ＜１）等が挙げられる。窓層１３は複数種の半導体が積層することで構成されてもよく、例えばＴｉＯ２とＮｂ２Ｏ５とが積層した構造を有していてもよい。
【００２４】
バッファ層１４は、ｎ型あるいはｉ型の半導体から形成される。バッファ層１４を形成するための半導体としては、Ｉｎ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｚｎ（Ｏ，Ｓ）、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯ（０≦ｘ＜１）、ＣｄＳ等が挙げられる。
【００２５】
第１の半導体層１５は、光吸収層として機能する。第１の半導体層１５はｐ型の半導体から形成される。
【００２６】
第１の半導体層１５を形成するためのｐ型の半導体としては、１１族元素と１３族元素と１６族元素とを含むカルコパオライト構造の半導体である（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＧａｙ）（Ｓ１−ｚＳｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＡｌｙ）（Ｓ１−ｚＳｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）（Ｓ１−ｚＳｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＧａｙ）（Ｓ１−ｚＴｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＡｌｙ）（Ｓ１−ｚＴｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）（Ｓ１−ｚＴｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＧａｙ）（Ｓｅ１−ｚＴｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｉｎ１−ｙＡｌｙ）（Ｓｅ１−ｚＴｅｚ）２、（Ｃｕ１−ｘＡｇｘ）（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）（Ｓｅ１−ｚＴｅｚ）２等が挙げられる。前記化学式中の組成比を示すｘ、ｙ及びｚは、それぞれ独立に０以上で１以下の数である。
【００２７】
第１の半導体層１５を形成するためのｐ型の半導体として、１２族元素と１６族元素とを含む半導体である（Ｃｄ１−ｘＺｎｘ）（Ｔｅ１−ｙＳｅｙ）、（Ｃｄ１−ｘＺｎｘ）（Ｔｅ１−ｙＳｙ）、（Ｃｄ１−ｘＺｎｘ）（Ｓｅ１−ｙＳｙ）等も挙げられる。前記化学式中の組成比を示すｘ及びｙは、それぞれ独立に０以上で１以下の数である。
【００２８】
第２の半導体層１６は、裏面電界層として機能する。第２の半導体層１６はｐ型の半導体から形成される。第２の半導体層１６を形成するためのｐ型の半導体としては、例えば第１の半導体層１５の場合と同様の、１１族元素と１３族元素と１６族元素とを含むカルコパオライト構造の半導体が挙げられる。第２の半導体層１６を形成するための半導体として、有機半導体も挙げられる。この有機半導体としては、リチオフェン、ポリピロール、ポリジベンゾチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、ポリフルオレン（ＰＦＯ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン等が挙げられる。第２の半導体層１６は、複数種の半導体が積層した構造を有してもよい。
【００２９】
第１の半導体層１５の電子親和力χ１（ｅＶ）、第１の半導体層１５の禁制帯幅Ｅｇ１（ｅＶ）、第２の半導体層１６の電子親和力χ２（ｅＶ）、及び第２の半導体層１６の禁制帯幅Ｅｇ２は下記の式（１）に示す関係を満たす必要がある。
【００３０】
−０.４≦｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝≦０．１  …（１）
（χ１＋Ｅｇ１）の値は第１の半導体層１５の価電子帯レベルに相当し、（χ２＋Ｅｇ２）の値は第２の半導体層１６の価電子帯レベルに相当する。
【００３１】
｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝の値が−０.４（ｅＶ）よりも小さい場合には、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６との価電子帯の違いにより生じる障壁によって、第１の半導体層１５から第２の半導体層１６への正孔の輸送が妨げられ、このため太陽電池１０の曲線因子（ＦＦ）が低下してしまい、太陽電池１０の変換効率が低下してしまう。また｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝の値が０．１（ｅＶ）よりも大きい場合には、太陽電池１０に電圧が印加されると第１の半導体層１５内部において第２の半導体層１６との界面付近の伝導体レベルが第１の半導体層１５の中間深さの伝導帯レベルより低くなるため、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６界面にキャリアが蓄積されたキャリアの再結合が増加してしまい、太陽電池１０の開放電圧と曲線因子が低下して変換効率が低下してしまう。
【００３２】
これに対して、｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝の値が式（１）に示すように−０.４〜０．１（ｅＶ）の範囲であると、太陽電池１０の変換効率が向上する。
【００３３】
更に、第１の半導体層１５の電子親和力χ１（ｅＶ）と第２の半導体層１６の電子親和力χ２（ｅＶ）とが、下記式（２）に示す関係を満たすことが好ましい。
【００３４】
（χ１−χ２）≧０  …（２）
このように第１の半導体層１５の電子親和力χ１が第２の半導体層１６の電子親和力χ２と同じかそれよりも大きいと、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６において伝導帯に障壁が生じる。この障壁によって、第１の半導体層１５で光励起されたキャリア（電子）の、第２の半導体層１６への拡散が抑制され、第２の半導体層１６とそれに接する裏面電極１７との界面で生じるキャリアの再結合が低減する。これにより、太陽電池１０の変換効率が更に向上する。
【００３５】
第１の半導体層１５を形成するためのｐ型の半導体と、第２の半導体１６を形成するための半導体との組み合わせは、上記関係を満たすように選択される。
【００３６】
裏面電極１７は例えば金属から形成される。裏面電極１７を形成するための金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ等が挙げられる。裏面電極１７はカーボンから形成されてもよい。タンデム太陽電池における上部太陽電池の場合のように、裏面電極１７に光透過性が要求される場合には、裏面電極１７が光透過性を有する導電性酸化物から形成されてもよい。このような導電性酸化物としては、例えば透明電極１２の場合と同様の金属酸化物；Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＳｒ２Ｏ４等の銅を含む酸化物；Ａｇ２Ｏ等が挙げられる。
【００３７】
以下に、本実施形態の構成を有する太陽電池１０の特性を、ポアソン方程式と電流連続方程式を有限差分法により数値シミュレーションした結果について説明する。
【００３８】
この数値シミュレーションにおいては、透明電極１２、窓層１３、バッファ層１４、第１の半導体層１５、第２の半導体層１６、裏面電極１７のバンド構造を、図２に示すとおりに設定した。第２の半導体層１６による光キャリアの再結合抑制作用を調べるため、透明電極１２の電子親和力χａ、窓層１３の電子親和力χｂ、バッファ層１４の電子親和力χｃを、第１の半導体層１５の電子親和力χ１と同じ値に設定した。尚、これらの電子親和力が互いに異なる値であっても、光キャリアの再結合抑制に与える影響はほとんどない。
【００３９】
裏面電極１７を構成する材料としては、第２の半導体層１６とオーミック接触する材料を仮定した。透明電極１２、窓層１３、バッファ層１４、第１の半導体層１５の禁制帯幅は、それぞれ３．６ｅＶ、３．２ｅＶ、２．３ｅＶ、１．５３ｅＶに固定した。
【００４０】
このような前提条件下で、第２の半導体層１６の電子親和力χ２と禁制帯幅Ｅｇ２を変化させた場合の太陽電池特性の変化をシミュレーションした。
【００４１】
図３に、当該シミュレーションにより導き出された、第１の半導体層１５の電子親和力χ１と第２の半導体層１６の電子親和力χ２との差（χ１−χ２）と、太陽電池１０の変換効率との関係を示す。図３には、第２の半導体層１６の厚みが５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの場合の結果をそれぞれ示す。尚、電子親和力が変化しても第１の半導体層１５と第２の半導体層１６の価電子帯レベルは同一であると仮定している。
【００４２】
図３によれば、（χ１−χ２）≧０である場合に変換効率が高くなることがわかる。これは、（χ１−χ２）＜０となる場合、つまり第２の半導体層１６の伝導帯レベルが第１の半導体層１５の伝導帯レベルより低くなる場合、第１の半導体層１５からの第２の半導体層１６への光キャリアの移動量が増加することで光キャリアの再結合が増加するためである。
【００４３】
図４に、当該シミュレーションにより導き出された、第１の半導体層１５の電子親和力χ１と禁制帯幅Ｅｇ１の和（χ１＋Ｅｇ１）と第２の半導体層１６の電子親和力χ２と禁制帯幅Ｅｇ２の和（χ２＋Ｅｇ２）の差［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］と、太陽電池１０の変換効率との関係を示す。図４（ａ）は第１の半導体層１５の電子親和力χ１と第２の半導体層１６の電子親和力χ２の差（χ１−χ２）を０ｅＶに固定した場合の結果を示し、図４（ｂ）はこの差（χ１−χ２）を０．４ｅＶに固定した場合の結果を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）には、第２の半導体層１６の厚みが５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの場合の結果をそれぞれ示す。尚、図４（ｂ）では第２の半導体層１６の厚みが５０ｎｍの場合の結果と１００ｎｍの場合の結果とが重なっている。
【００４４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）によれば、［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］の値が−０．４ｅＶより小さくなると、太陽電池１０の変換効率が急激に低下する。これは、［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］の値が−０．４ｅＶより小さくなると、価電子帯の障壁が大きくなり、第１の半導体層１５から第２の半導体層１６への正孔の輸送が阻害され、光キャリアの再結合が増加し、短絡光電流と曲線因子が低減するためである。
【００４５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）によれば、［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］の値が０．１ｅＶより大きくなっても、太陽電池１０の変換効率が低下する。これは、価電子帯レベルの不整合によって、太陽電池１０に電圧が印加されると第１の半導体層１５における第２の半導体層１６との界面付近の伝導帯レベルが第１の半導体層１５の内部の伝導帯レベルより低くなり、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６との界面に光キャリアが蓄積して再結合が増加し、太陽電池１０の開放電圧と曲線因子が低減するためである。
【００４６】
以上のシミュレーションの結果によると、第１の半導体層１５の電子親和力χ１と禁制帯幅Ｅｇ１との和（χ１＋Ｅｇ１）と、第２の半導体層１６の電子親和力χ２と禁制帯幅Ｅｇ２との和（χ２＋Ｅｇ２）との差｛（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）｝が、−０．４ｅＶから０．１ｅＶの範囲内となるような第２の半導体層１６が設けられることで、太陽電池１０の変換効率が向上する。
【００４７】
図５に、当該シミュレーションにより導き出された、［（χ１＋Ｅｇ１）−（χ２＋Ｅｇ２）］＝−０．２ｅＶの場合の第１の半導体層１５の厚みと変換効率との関係を示す。図５によれば、第１の半導体層１５の厚みが０．２〜１μｍの範囲で、太陽電池１０の変換効率が特に向上する。これは、第１の半導体層１５の裏面側での光キャリアの再結合がキャリア拡散長に依存し、第１の半導体層１５の厚みが前記拡散長以下まで薄くなる場合には第１の半導体層１５の裏面側での光キャリアの再結合の影響が大きくなるためである。
【００４８】
従って、第１の半導体層１５の厚みは０．２〜１μｍの範囲であることが好ましく、特に、０．２〜０．５μｍの範囲が好ましい。なお、第１の半導体層１５の厚みが０．２μｍ未満であると第１の半導体層１５での光の吸収量が低下してしまうため、変換効率が低下してしまう。
【００４９】
更に、第２の半導体層１６のキャリア密度が１０１８／ｃｍ３以上であることが好ましい。この場合、第１の半導体層１５の裏面側での光キャリアの再結合が更に抑制される。このキャリア濃度は少なくとも抵抗率１００Ωｃｍ以下に相当する。
【実施例】
【００５０】
［実施例１］
ソーダライムガラス製の基板１１を用意した。この基板１１上にＳｎＯ２：Ｆからなる厚み約０．８μｍの透明電極１２を熱化学気相堆積（ＣＶＤ）法により形成した。続いて、透明電極１２の上にＴｉＯ２からなる厚み０．１μｍの窓層１３をスパッタ法で形成した。このスパッタ法において、ターゲットとしてＴｉＯ２焼結体を用い、装置内の雰囲気をＡｒ雰囲気とし、印加電力をＲＦ４００Ｗとした。続いて、窓層１３の上にＩｎ２Ｓ３からなる厚み約０．１μｍのバッファ層１４をスプレー塗布熱分解法で形成した。このスプレー塗布熱分解法において、３７０℃まで加熱した窓層１３の上にＩｎＣｌ３濃度２ｍモル／ｌ、チオ尿素濃度６ｍモル／ｌの水溶液を噴霧した。
【００５１】
続いて、バッファ層１４の上にＣｕＩｎＳ２からなる厚み約０．３μｍの第１の半導体層１５をスプレー塗布熱分解法で形成した。このスプレー塗布熱分解法において、３７５℃まで加熱したバッファ層１４の上に、ＣｕＣｌ２濃度２ｍモル／ｌ、ＩｎＣｌ３濃度２ｍモル／ｌ、チオ尿素濃度６ｍモル／ｌの水溶液をスプレー法により塗布した。
【００５２】
続いて、第１の半導体層１５の上にＣｕＧａＳ２からなる厚み約０．１μｍの第２の半導体層１６をスプレー塗布熱分解法により形成した。このスプレー塗布熱分解法において、３２５℃まで加熱した第１の半導体層１５の上に、ＣｕＣｌ２濃度２ｍモル／ｌ、ＧａＣｌ３濃度２ｍモル／ｌ、チオ尿素濃度６ｍモル／ｌの水溶液を噴霧した。
【００５３】
尚、この第２の半導体層１６の場合と同じ方法でガラス板上に厚み約０．１μｍのＣｕＧａＳ２からなる膜を形成し、この膜の電気特性を調査したところ、この膜はｐ型伝導を示し、その抵抗率は約１００Ωｃｍであった。
【００５４】
続いて、第２の半導体層１６の上にＡｕからなる厚み約０．２μｍの裏面電極１７を蒸着法により形成した。
【００５５】
これにより、図１に示す構成を有する太陽電池１０を得た。
【００５６】
［比較例１］
第２の半導体層１６が存在しない以外は実施例１と同じ構成を有する太陽電池１０を実施例１と同じ方法で作製した。
【００５７】
［評価試験］
実施例１及び比較例１で得られた太陽電池１０の基板１１へ向けて疑似太陽光（１ｋＷ／ｍ２、エアマス１．５）を照射し、このときの太陽電池１０の電流−電圧特性を測定した。
【００５８】
その結果、比較例１で得られた太陽電池１０の変換効率が７．０％であるのに対し、実施例１で得られた太陽電池１０の変換効率は７．９％であった。
【００５９】
また実施例１で得られた太陽電池１０の短絡電流密度、開放電圧、及び曲線因子は、比較例１で得られた太陽電池１０よりも高くなり、特に短絡電流及び曲線因子の増加率が大きかった。
【００６０】
この結果によれば、ＣｕＧａＳ２からなる第２の半導体層１６の電子親和力がＣｕＩｎＳ２からなる第１の半導体層１５の電子親和力より小さいために、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６との界面に伝導帯の障壁が形成され、前記の障壁によって第１の半導体層１５で光励起された電子が反射されて第１の半導体層１５とバッファ層１４とのｐｎ接合面に輸送されることで、短絡電流密度が増加する。更に、第２の半導体層１６の電子親和力χ２と禁制帯幅Ｅｇ２との和が、第１の半導体層１５の電子親和力χ１と禁制帯幅Ｅｇ１との和とほぼ等しいため、電圧印加により第１の半導体層１５内部での光キャリアの再結合が抑制され、これにより曲線因子が増加する。
【００６１】
以上の結果から、本実施形態の構成が太陽電池１０の変換効率向上に有効であることがわかる。
【００６２】
実施例１での第１の半導体層１５の厚みは０．３μｍであるが、この第１の半導体層１５の厚みを膜厚０．２〜１μｍの範囲で変更した場合について上記と同様の評価試験をおこなったところ、太陽電池１０の変換効率の向上が確認できた。特に第１の半導体層１５の厚みが０．２〜０．５μｍの範囲で、太陽電池１０の変換効率が大きく向上した。
【００６３】
［実施例２］
実施例１の場合と同じ材料を用い、且つ実施例１の場合と同じ方法で、基板１１、透明電極１２、窓層１３を積層した。
【００６４】
続いて、窓層１３の上にＧａ２Ｓ３からなる厚み０．１μｍのバッファ層１４をスプレー塗布熱分解法で形成した。このスプレー塗布熱分解法において、３００℃に加熱した窓層１３の上に、ＧａＣｌ３濃度２ｍモル／ｌ、チオ尿素濃度６ｍモル／ｌの水溶液を噴霧した。
【００６５】
続いて、バッファ層１４の上にＣｕ（Ｉｎ０.８Ｇａ０.２）Ｓ２からなる厚み約０．３μｍの第１の半導体層１５をスプレー塗布熱分解法で形成した。このスプレー塗布熱分解法において、３００℃に加熱したバッファ層１４の上にＣｕＣｌ２濃度２ｍモル／ｌ、ＩｎＣｌ３濃度１．６ｍモル／ｌ、ＧａＣｌ３濃度０．４ｍモル／ｌ、チオ尿素濃度６ｍモル／ｌの水溶液を噴霧した。
【００６６】
続いて、第１の半導体層１５の上にポリスチレンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）からなる厚み５ｎｍの第２の半導体層１６をスピンコート法で形成した。前記スピンコート法において、第１の半導体層１５の上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスピンコーターで塗布した後、約１１０℃で２０分間加熱乾燥した。
【００６７】
続いて、第２の半導体層１６の上にＡｕからなる厚み約０．２μｍの裏面電極１７を蒸着法で形成した。
【００６８】
［実施例３］
実施例２において、第２の半導体層１６の厚みを５０ｎｍに変更した。
【００６９】
［比較例２］
第２の半導体層１６が存在しない以外は実施例２と同じ構成を有する太陽電池１０を実施例２と同じ方法で作製した。
【００７０】
［評価試験］
実施例２、実施例３及び比較例２で得られた太陽電池１０の基板１１へ向けて疑似太陽光（１ｋＷ／ｍ２、エアマス１．５）を照射し、このときの太陽電池１０の電流−電圧特性を測定した。
【００７１】
その結果、比較例２で得られた太陽電池１０の変換効率が５．２％であるのに対し、実施例２で得られた太陽電池１０の変換効率は５．７％、実施例３で得られた太陽電池１０の変換効率は６％であった。また実施例２，３で得られた太陽電池１０の短絡電流密度、開放電圧、及び曲線因子は、比較例２で得られた太陽電池１０よりも高くなり、特に短絡電流及び曲線因子の増加率が大きかった。
【００７２】
この結果によれば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる第２の半導体層１６によって太陽電池１０の変換効率が向上することが観測された。
【００７３】
この結果によれば、Ｃｕ（Ｉｎ０.８Ｇａ０.２）Ｓ２からなる第１の半導体層１５の伝導帯レベルよりもＰＥＤＯＴ：ＰＳＳからなる第２の半導体層１６のＬＵＭＯ（最低空軌道）が高くなるため、第１の半導体層１５と第２の半導体層１６との界面に伝導帯の障壁が形成され、前記の障壁によって第１の半導体層１５で光励起された電子が反射されて第１の半導体層１５とバッファ層１４とのｐｎ接合面に輸送されることで、短絡電流密度が増加する。更に、第２の半導体層１６のＨＯＭＯ（最高被占軌道）が第１の半導体層１５の価電子帯レベルより低いため、電圧印加により第１の半導体層１５内部での光キャリアの再結合が抑制され、これにより曲線因子が増加する。なお、有機半導体のＬＵＭＯ、ＨＯＭＯはそれぞれ無機半導体の伝導帯、価電子帯に相当する。従って、有機半導体においては、真空準位とＬＵＭＯのエネルギー差が電子親和力に相当し、真空準位とＨＯＭＯのエネルギー差が前記電子親和力と禁制帯幅の和に相当する。
【００７４】
第２の半導体層１６の厚みが５ｎｍである実施例２における太陽電池１０の変換効率が、第２の半導体層１６の厚みが５０ｎｍである実施例３における太陽電池１０の変換効率より低くなることの原因の一つとして、実施例２では第２の半導体層１６の厚みが薄いためにこの第２の半導体層１６で第１の半導体層１５が充分に被覆されないことが挙げられる。第２の半導体層１６の厚みが５ｎｍよりも小さくなると、比較例２と較べた変換効率の向上の程度は小さくなる。
【００７５】
実施例２，３では第２の半導体層１６はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳから形成されているが、例えば第２の半導体層１６が、ポリスチレンスルホン酸がドープされていないポリエチレンジオキシチオフェンから形成されていても、第２の半導体層１６の抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下であれば同様な効果が得られる。さらに、第２の半導体層１６が、有機半導体であるポリチオフェン、ポリピロール、ポリジベンゾチオフェン、ポリフルオレン、ポリ−３−ヘキシルチオフェンから選択される有機物から形成される場合にも、同様な効果が得られる。更に、第２の半導体層１６が、複数種の有機半導体が積層した構造を有していても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７６】
１０  太陽電池
１５  第１の半導体層
１６  第２の半導体層
【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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