(57)【要約】【課題】ＳｎＳを含む太陽電池の発電特性をより向上する。【解決手段】本発明の太陽電池１０は、導電性を有する透明導電性基板１４と透明導電性基板１４に隣接し電子を輸送するバッファ層１６とＳｎＳを含みバッファ層１６に隣接し光を吸収する光吸収層１８とを有する光電極１２と、対極２０と、光電極１２と対極２０との間に形成された正孔輸送層２２と、を備えている。このバッファ層１６は、厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲で形成されている。また、バッファ層１６は、厚さが９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の範囲で形成されていることがより好ましい。このバッファ層１６は、ＴｉＯ2からなることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する透明導電性基板と、前記透明導電性基板に隣接し電子を輸送するバッファ層と、ＳｎＳを含み前記バッファ層に隣接し光を吸収する光吸収層と、を有する光電極と、
対極と、
前記光電極と対極との間に形成された正孔輸送層と、を備え、
前記バッファ層は、厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲で形成されている、
太陽電池。
【請求項２】
前記バッファ層は、厚さが９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の範囲で形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記バッファ層は、ＴｉＯ2からなる、請求項１又は２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】
従来、太陽電池としては、光吸収層で被覆されたバッファ層（電子輸送層）を透明導電性基板上に備えた光電極と、この光電極に向かい合うように配置される対極との間に、正孔輸送層が介在するものが提案されている。なかでも、光吸収層にＳｎＳを用いたものが提案されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。ＳｎＳは光吸収係数が１０5ｃｍ-1、バンドギャップが１．１〜１．４ｅＶであり、光吸収層に用いるのに好適な光電子特性を有している。このようなＳｎＳ太陽電池は、バッファ層としてｎ型半導体を用いて作製されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍ  ５１５（２００７）５７７１
【非特許文献２】Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ  ９１（２００７）７７４
【非特許文献３】Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ  １１４（２０１０）３２５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｃｄ系半導体であるＣｄＳやＣｄＺｎＳと、ＳｎＳとを組み合わせた太陽電池では、短絡電流密度Ｊｓｃの最高値は、それぞれ６ｍＡ／ｃｍ2（非特許文献１）と９．６ｍＡ／ｃｍ2（非特許文献２）である。非Ｃｄ系半導体であるＴｉＯ2では、短絡電流密度Ｊｓｃが０．３ｍＡ／ｃｍ2（非特許文献３）と低い。産業応用上、Ｃｄの使用は好ましくなく、また、現状では非Ｃｄのバッファ層では変換効率が低いことが問題であった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ＳｎＳを含むものにおいて、発電特性をより向上することができる太陽電池を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、光吸収層であるＳｎＳを光吸収層に用いた太陽電池において、バッファ層の厚さを好適な範囲とすると、ＳｎＳを含む太陽電池の発電特性をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の太陽電池は、
導電性を有する透明導電性基板と、前記透明導電性基板に隣接し電子を輸送するバッファ層と、ＳｎＳを含み前記バッファ層に隣接し光を吸収する光吸収層と、を有する光電極と、
対極と、
前記光電極と対極との間に形成された正孔輸送層と、を備え、
前記バッファ層は、厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲で形成されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の太陽電池は、発電特性をより高めることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、この太陽電池では、バッファ層を用いることによって、透明導電性基板における電子と光吸収層であるＳｎＳのホールとの再結合を防ぐことができると考えられる。ＳｎＳで光励起された電子が、バッファ層を介して透明導電性基板に輸送される際に、バッファ層の膜厚が薄すぎると電子と正孔とが再結合しやすく特性が悪化するものと考えられる。一方、バッファ層の膜厚が厚すぎるとＳｎＳから透明導電性基板へ電子が輸送されにくくなり、特性が悪化するものと考えられる。本発明では、バッファ層を最適な膜厚の範囲とすることにより、例えば、短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ2）や変換効率η（％）などの発電特性をより向上することができるものと推察される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】太陽電池１０の構成を示す概略断面図。
【図２】電池モジュール１００の構成を示す概略断面図。
【図３】各実験例のＪＶ特性の測定結果。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の太陽電池１０の構成を示す概略断面図である。本発明の太陽電池１０は、導電性を有する透明導電性基板１４と、透明導電性基板１４に隣接し電子を輸送するバッファ層１６と、ＳｎＳを含みバッファ層１６に隣接し光を吸収する光吸収層１８と、を有する光電極１２と、対極２０と、光電極１２と対極２０との間に形成された正孔輸送層２２と、を備えている。この太陽電池１０のうち、透明導電性基板１４と対極２０との間の領域の外周は、シール材２４によって被覆されている。
【００１１】
透明導電性基板１４は、ガラス基板などの透明基板１４ａのうちバッファ層１６側に透明導電膜１４ｂを積層した構成となっている。この透明導電性基板１４の材質としては、例えば、フッ素ドープＳｎＯ2コートガラス（ＦＴＯ）、ＩＴＯコートガラス、ＺｎＯ：Ａｌコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ（ＳｎＯ2−Ｓｂ）コートガラス、ガリウムドープ酸化亜鉛コートガラス（ＧＺＯ）等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン又は陰イオンをドープしたものや、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板上に設けたものも透明導電性基板１４として使用できる。なお、透明基板１４ａとしては、透明なガラス基板のほか、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したものやすりガラス状の半透明のガラス基板などの光を透過する基板、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などを用いることもできるが、透明なガラス基板が好ましい。
【００１２】
バッファ層１６は、光吸収層１８で発生した電子を透明導電性基板１４へ輸送する層である。このバッファ層１６の材料としては、例えば、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＳｎＯ2及びＺｎ(1-X)ＭｇXＯ（ＺＭＯ，但し、０＜Ｘ＜１を満たす）などに代表されるｎ型半導体材料が挙げられ、これらのうちＴｉＯ2が好ましい。バッファ層１６は、厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲で形成されている。厚さが６５ｎｍ以上では、光吸収層１８で生じた電子と正孔とが再結合してしまうのをより抑制することができ好ましい。また、１２０ｎｍ以下では、光吸収層１８であるＳｎＳから透明導電性基板１４へ電子が輸送されやすく、好ましい。このバッファ層１６は、厚さが９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の範囲で形成されていることがより好ましい。
【００１３】
光吸収層１８は、バッファ層１６を被覆する層であり、可視光領域および／または赤外光領域に吸収を持つ金属硫化物であるＳｎＳを含んでいる。ＳｎＳは、光吸収係数が１０5ｃｍ-1、バンドギャップが１．１〜１．４ｅＶであり、太陽電池に用いる光吸収剤として好適な光電子特性を有している。
【００１４】
対極２０は、電子が通過可能な導電層であり、例えばＡｕ、Ｐｔなどの金属薄膜や多孔質の炭素薄膜などを使用することができるほか、上述した透明導電性基板１４と同じ構成のもの（この場合、透明導電膜が正孔輸送層２２と接触するように配置する）を使用することもできる。
【００１５】
正孔輸送層２２は、太陽電池１０の両極に負荷を接続した状態で対極２０から電子を受け取る一方、光を吸収することにより光吸収層１８で発生した正孔を輸送する層である。この正孔輸送層２２の材料としては、例えば、ＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ及びＣｕなどの銅化合物や、ＬｉドープしたＮｉＯなどに代表されるｐ型半導体材料が挙げられる。
【００１６】
シール材２４は、バッファ層１６や光吸収層１８、正孔輸送層２２が外気と接触するのを防止するためのものである。このシール材２４としては、例えば、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂フィルム、あるいはエポキシ系接着剤を使用することができる。
【００１７】
次に、太陽電池１０の作用について説明する。太陽電池１０の両極に負荷を接続した状態で光を透明導電性基板１４へ照射すると、光吸収層１８では、電子と正孔とが生成し、バッファ層１６へ電子が伝導すると共に、正孔輸送層２２へ正孔が伝導する。放出された電子はバッファ層１６を経由して透明導電性基板１４の透明導電膜１４ｂに移動し、負荷へ流れていく。正孔輸送層２２は、電子を対極２０から受け取る。このような一連の反応が起こることにより、太陽電池１０に太陽光を照射すると負荷に電流が流れる。
【００１８】
次に、太陽電池１０の製法について説明する。まず、スプレーコート法などの公知の薄膜製造技術を用いてガラス基板などの透明基板１４ａに透明導電膜１４ｂを形成することにより透明導電性基板１４を得る。続いて、透明導電性基板１４の透明導電膜１４ｂ上にバッファ層１６を形成する。具体的には、所定の大きさ（例えば粒子径が２０〜４００ｎｍ程度）のｎ型半導体粒子を分散させた分散液を調製し、この分散液を透明導電膜１４ｂ上にバーコーター法や印刷法などにより塗布し、乾燥後焼成することによりバッファ層１６を形成してもよい。あるいは、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の化学蒸着法により透明導電膜１４ｂ上にｎ型半導体からなる薄膜状のバッファ層１６を形成してもよい。このバッファ層１６は、厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲となるよう形成するものとする。
【００１９】
次に、バッファ層１６上に光吸収層１８を形成する。具体的には、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はＣＶＤやＣＢＤ（Chemical Bath Deposition）等の化学蒸着法によりバッファ層１６上にＳｎＳからなる薄膜を形成し、その後、１８０〜２１０℃の条件下で加熱することにより光吸収層１８を形成する。なお、蒸着は複数回繰り返してもよい。続いて、光吸収層１８上に正孔輸送層２２を形成する。具体的には、所定の大きさ（例えば粒子径が２０〜４００ｎｍ程度）のｐ型半導体粒子を分散させた分散液を調製し、この分散液を光吸収層１８上にバーコーター法や印刷法などにより塗布し、乾燥後焼成することにより正孔輸送層２２を形成してもよい。あるいは、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はＣＶＤ等の化学蒸着法により光吸収層１８上にｐ型半導体からなる薄膜状の正孔輸送層２２を形成してもよい。その後、対極２０を正孔輸送層２２上に形成する。具体的には、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はＣＶＤ等の化学蒸着法により正孔輸送層２２上にＡｕやＰｔなどの金属薄膜からなる対極２０を形成してもよい。あるいは、上述した透明導電性基板１４と同じ基板を用意し、透明導電膜１４ｂが正孔輸送層２２と接触するように積層してもよい。そして、最後にバッファ層１６、光吸収層１８及び正孔輸送層２２のそれぞれの側面をシール材２４で被覆し、太陽電池１０が完成する。
【００２０】
以上詳述した本実施形態の太陽電池１０は、バッファ層の厚さが６５ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲で形成されているため、発電特性をより高めることができる。このような効果が得られる理由は、例えば、バッファ層１６の厚さが好適な範囲であり、光吸収層１８で生じた電子と正孔とが再結合してしまうのをより抑制することができ、光吸収層１８であるＳｎＳから透明導電性基板１４へ電子が輸送されやすいためであると推察される。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００２２】
例えば、上述した実施形態では、一つの太陽電池１０について説明したが、図２に示すように複数の太陽電池（以下、単セルという）１１０を直列に接続した電池モジュール１００としてもよい。単セル１１０は、図２で一点鎖線で囲まれた部分である。この単セル１１０は、透明導電性基板１１４の透明導電膜１１４ｂと対極１２０との間に、上述した実施形態の太陽電池１０のバッファ層１６、光吸収層１８及び正孔輸送層２２と同様のバッファ層１１６、光吸収層１１８及び正孔輸送層１２２を有するものである。一つの単セル１１０の対極１２０は、セルの厚み方向に屈曲されて隣接する一方の単セル１１０の透明導電膜１１４ｂと電気的に接続されているが、隣接する他方の単セル１１０の透明導電膜１１４ｂや隣接する両方の単セル１１０の対極１２０とはシール材１２４により電気的に絶縁されている。透明導電性基板１１４のうち、透明基板１１４ａはすべての単セル１１０に共通の部材であるが、透明導電膜１１４ｂは各単セル１１０ごとに形成されている。この電池モジュール１００は、高出力が要求される場合に有効である。また、平面的なスペースに配置することが可能である。なお、電池を配置するスペースによっては、複数の太陽電池１０を縦方向に積み上げて直列接続してもよい。もちろん並列接続することも可能である。
【実施例】
【００２３】
以下には本発明の太陽電池（以下、素子ともいう）を具体的に作製した例を実験例として説明する。ここでは、光吸収層をＳｎＳとし、バッファ層をＴｉＯ2とし、正孔輸送層２２をＣｕとした素子を作製し、その特性について検討した。なお、実験例３〜５が実施例に相当し、実験例１、２、６、７が比較例に相当する。
【００２４】
図１に示す積層型の素子を以下の手順にしたがって作製した。透明導電性基板１４としてのＩＴＯ薄膜（１４０ｎｍ）／ガラス基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により、バッファ層１６としてのＴｉＯ2の薄膜、光吸収層１８としてのＳｎＳの薄膜、正孔輸送層２２としてのＣｕの薄膜をそれぞれ順に成膜した。バッファ層１６、光吸収層１８、正孔輸送層２２の成膜条件を表１に示す。バッファ層１６であるＴｉＯ2成膜は、ＴｉＯ2ターゲットを用いたスパッタにより行い、その膜厚は、スパッタ時間を制御することにより２０〜２５０ｎｍの範囲とした。バッファ層１６の成膜条件は、到達真空度を３×１０-5Ｐａ未満、成膜ガスを２０％Ｏ2ガス＋８０％Ａｒガス、成膜ガス圧を０．５Ｐａ、印加電力を６００Ｗ、成膜温度を室温（２０℃）とした。光吸収層１８の成膜条件は、到達真空度を４×１０-4Ｐａ未満、成膜ガスをＡｒガス、成膜ガス圧を０．４Ｐａ、印加電力を２０Ｗ、成膜温度を室温（２０℃）とした。正孔輸送層２２の成膜条件は、到達真空度を４×１０-4Ｐａ未満、成膜ガスをＡｒガス、成膜ガス圧を０．４Ｐａ、印加電力を３０Ｗ、成膜温度を室温（２０℃）とした。また、バッファ層１６の成膜後にＡｒ雰囲気中、５００℃で熱処理を施し、光吸収層１８の成膜後に大気雰囲気中、２００℃で熱処理を施し、表面改質を行った。バッファ層１６の厚さを２０ｎｍ、５０ｎｍ、６５ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、１４０ｎｍ、２５０ｎｍとしたものをそれぞれ実験例１〜７の素子とした。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
（評価）
作製した実験例１〜７の素子は、ソーラーシミュレーターで擬似太陽光（ＡＭ１．５、照度１００ｍＷ／ｃｍ2）を照射しながら、電流密度−電圧（ＪＶ）測定及び、外部量子効率（ＩＰＣＥ）測定を行った。
【００２７】
（結果と考察）
図３は、実験例１〜７のＪＶ特性の測定結果である。また、表２に各実験例のＴｉＯ2膜厚（ｎｍ）、短絡電流密度Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ2）、開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、フィルファクターＦＦ、変換効率η（％）をまとめて示す。図３及び表２に示すように、ＴｉＯ2薄膜の膜厚によって、ＪＶ特性が変化することがわかった。ＴｉＯ2の膜厚が６５ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲では、短絡電流密度Ｊｓｃ及び変換効率ηが高く、特に１００ｎｍのときに変換効率が最も高いことがわかった。また、膜厚が薄いと急激に特性が悪化する傾向がわかった。膜厚１００ｎｍのセルは、短絡電流密度Ｊｓｃが１４．３ｍＡ／ｃｍ2を示した。この値は、これまで報告されているＳｎＳ太陽電池の中で最も高い。
【００２８】
以下に、最適な膜厚の必要性について考察する。ＴｉＯ2は、化合物太陽電池におけるバッファ層として機能していると考えられる（例えば、ＣＩＧＳ太陽電池の場合、ＣｄＳがバッファ層として働く）。ＳｎＳにおいて光励起された電子は、バッファ層ＴｉＯ2を介してＩＴＯへ輸送され、バッファ層はＩＴＯの電子とＳｎＳのホールの再結合を抑制する役割をもつと考えられる。バッファ層が薄い場合は、ＩＴＯへ輸送した電子とＳｎＳのホールとが再結合しやすく、短絡電流密度Ｊｓｃ及びＦＦの低下を招くと考えられる。一方、バッファ層の膜厚が厚い場合は、ＳｎＳからＩＴＯへ電子を輸送する過程において、バッファ層で電子が再結合する可能性が高くなる。したがって、ＳｎＳからＩＴＯへの輸送と、ＩＴＯの電子とＳｎＳのホールとの再結合抑制のバランスがとれた最適なバッファ層の膜厚が１００ｎｍ近傍であるものと推察された。
【００２９】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の太陽電池は、例えば家庭用、オフィス用、工場用の各種電化製品の電源や電気自動車、ハイブリッド自動車、電動自転車などのバッテリのほか、ソーラーパネルなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  太陽電池、１２  光電極、１４  透明導電性基板、１４ａ  透明基板、１４ｂ  透明導電膜、１６  バッファ層、１８  光吸収層、２０  対極、２２  正孔輸送層、２４  シール材、１００  電池モジュール、１１０  単セル、１１４  透明導電性基板、１１４ａ  透明基板、１１４ｂ  透明導電膜、１１６  バッファ層、１１８  光吸収層、１２０  対極、１２２  正孔輸送層、１２４  シール材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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