JP5070720B2 - Solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池に係り、特にｐｎ接合型太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell, and more particularly to a pn junction solar cell.
Ｉ． 従来、太陽電池に用いられている材料としては、シリコン（単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ及びアモルファスＳｉ）、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＳｅ及びＣｄＴｅを挙げることができる。このうち、シリコン系太陽電池やＧａＡＳ系太陽電池は変換効率が高いものの、材料が高価である。一方、ＣｕＩｎＳｅ系やＣｄＴｅ系の太陽電池は、材料は比較的安価であるもののセレンやカドミウムといった材料が有毒であることから、大量生産されて広範に普及した場合に環境上問題が生じる。 I. Conventional materials used for solar cells include silicon (single crystal Si, polycrystalline Si and amorphous Si), GaAs, CuInSe, and CdTe. Among these, silicon solar cells and GaAS solar cells have high conversion efficiency but are expensive. On the other hand, although CuInSe-based and CdTe-based solar cells are relatively inexpensive, materials such as selenium and cadmium are toxic. Therefore, environmental problems arise when they are mass-produced and widely spread.
II． 二酸化チタンを利用した色素増感型太陽電池が、安価でクリーンな太陽電池として注目され、種々の提案がなされている（例えば特開２００３−１２３８５３号）。二酸化チタンはバンドギャップが３．２ｅＶ程度であるために可視光には殆ど応答を示さず、紫外光に対してのみ応答を示す材料である。そこで色素増感型太陽電池では、可視光を吸収する有機色素を二酸化チタン表面に吸着させることによって可視光応答性を向上させ、最高で約１０％という高い変換効率を実現している。但し、色素増感型太陽電池の有する根本的な問題点として、色素の吸着量によって変換効率が大きく変化してしまうこと、電解質溶液を用いる必要があることから、パッケージングが困難であること、等が挙げられる。 II. Dye-sensitized solar cells using titanium dioxide have attracted attention as inexpensive and clean solar cells, and various proposals have been made (for example, JP-A-2003-123853). Titanium dioxide has a band gap of about 3.2 eV, so it hardly shows any response to visible light and is a material showing only response to ultraviolet light. Therefore, in the dye-sensitized solar cell, visible light response is improved by adsorbing an organic dye that absorbs visible light on the surface of titanium dioxide, and high conversion efficiency of about 10% at the maximum is realized. However, as a fundamental problem that the dye-sensitized solar cell has, the conversion efficiency greatly changes depending on the amount of dye adsorption, and it is necessary to use an electrolyte solution, so that packaging is difficult, Etc.
III． ＣｕＡｌＯ２／ＺｎＯという組合せからなる紫外光対応の透明なｐｎ接合型太陽電池が提案されている。また、Ｃｕ２Ｏ／ＺｎＯという組合せからなるｐｎ接合型太陽電池も提案されている。ＣｕＡｌＯ２又はＣｕ２Ｏがｐ層かつ光吸収層として機能し、ＺｎＯがｎ層として機能する。光照射の際、光励起によってｐｎ界面に電子及び正孔を生じさせることによって太陽電池特性が発現する。
従来のｐｎ接合型太陽電池の問題点としては、大きな変換効率が得られない点が挙げられる。その理由としては、結晶性のＣｕＡｌＯ２及びＣｕ２Ｏに対して同じく結晶性のＺｎＯを積層することによりこれらの接合界面が粗くなり、該界面に不連続性やボイド等が発生することによって不良な界面が形成されるためであると考えられる。 A problem with conventional pn junction solar cells is that large conversion efficiency cannot be obtained. The reason for this is that by laminating crystalline ZnO to crystalline CuAlO 2 and Cu 2 O, the bonding interface becomes rough, and discontinuities, voids, etc. are generated at the interface. It is thought that this is because a new interface is formed.
他の問題点として、低コスト化が困難である点が挙げられる。その理由は、これらの太陽電池の成膜時又は成膜後に熱処理を行う必要があり、このため、安価な高分子基板へのｎ層及びｐ層の成膜が不可能なためである。なお、高分子基板を用いるためにｎ層であるＺｎＯを低温でスパッタ成膜すると、ＺｎＯ膜の結晶性が悪化して電子移動度が低下し、変換効率が極めて悪化する。 Another problem is that it is difficult to reduce the cost. This is because it is necessary to perform a heat treatment during or after the formation of these solar cells, and thus it is impossible to form an n layer and a p layer on an inexpensive polymer substrate. Note that when ZnO as an n layer is formed by sputtering at a low temperature because a polymer substrate is used, the crystallinity of the ZnO film is deteriorated, the electron mobility is lowered, and the conversion efficiency is extremely deteriorated.
本発明は変換効率の高い太陽電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the solar cell with high conversion efficiency.
本発明（請求項１）の太陽電池は、ｐ層とｎ層とを積層したｐｎ接合型太陽電池において、該ｐ層が結晶性のＣｕ２Ｏよりなり、該ｎ層がアモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなる太陽電池であって、前記ｎ層中のＩｎ，Ｇａ及びＺｎの合計を１００ａｔ％とすると、
Ｉｎは８〜６７ａｔ％、
Ｇａは１〜５５ａｔ％、
Ｚｎは８〜６７ａｔ％
であることを特徴とする。
The solar cell of the present invention (Claim 1) is a pn junction solar cell in which a p layer and an n layer are stacked, the p layer is made of crystalline Cu 2 O, and the n layer is an In— a Ga-Zn-O Ru solar cell name than, in of the n layer, when 100 atomic% of the sum of Ga and Zn,
In is 8 to 67 at%,
Ga is 1 to 55 at%,
Zn is 8 to 67 at%
It is characterized by being.
請求項２の太陽電池は、請求項１において、インジウム錫酸化物基板と、該インジウム錫酸化物基板上に形成された前記ｐ層と、該ｐ層上に形成された前記ｎ層と、該ｎ層上に形成された電極とを有することを特徴とする。 The solar cell according to claim 2 is the solar cell according to claim 1, wherein the indium tin oxide substrate, the p layer formed on the indium tin oxide substrate, the n layer formed on the p layer, and an electrode formed on the n layer.
請求項３の太陽電池は、請求項１において、Ｃｕ板と、該Ｃｕ板の表面を酸化して形成された前記ｐ層と、該ｐ層上に形成された前記ｎ層と、該ｎ層上に形成されたインジウム錫酸化物よりなる電極膜と、該電極膜上に形成された電極とを有することを特徴とする。 A solar cell according to claim 3 is the solar cell according to claim 1, wherein the Cu plate, the p layer formed by oxidizing the surface of the Cu plate, the n layer formed on the p layer, and the n layer It has an electrode film made of indium tin oxide formed thereon and an electrode formed on the electrode film.
請求項４の太陽電池は、請求項１において、前記ｐ層又は前記ｎ層は高分子基板上に形成されていることを特徴とする。 The solar cell of claim 4 is characterized in that, in claim 1, the p layer or the n layer is formed on a polymer substrate.
請求項５の太陽電池は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記ｐ層及びｎ層はスパッタ法、反応性スパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法によって形成されたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the solar cell according to any one of the first to fourth aspects, the p layer and the n layer are formed by a sputtering method, a reactive sputtering method, a CVD method, or an evaporation method.
請求項６の太陽電池は、請求項１ないし５のいずれか１項において、該太陽電池の変換効率が０．６７％以上であることを特徴とする。
The solar cell according to
請求項７の太陽電池は、請求項１ないし６のいずれか１項において、前記ｐ層の平均粒径が１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする。
請求項８の太陽電池の製造方法は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽電池を製造する方法であって、前記ｐ層を形成した後、該ｐ層上に前記前記ｎ層を形成することを特徴とするものである。
A solar cell according to a seventh aspect is characterized in that, in any one of the first to sixth aspects, the p layer has an average particle diameter of 10 nm to 10 μm.
A method for manufacturing a solar cell according to claim 8 is a method for manufacturing the solar cell according to any one of claims 1 to 7 , wherein the n layer is formed on the p layer after the p layer is formed. A layer is formed.
本発明（請求項１）の太陽電池にあっては、ｎ層としてアモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを用いることから、ｎ層とｐ層との接合界面に不連続性やボイド等が発生することが防止されて良好な接合界面が形成され、これにより大きな変換効率を得ることができる。 In the solar cell of the present invention (invention 1), since amorphous In—Ga—Zn—O is used as the n layer, discontinuities, voids, and the like are present at the junction interface between the n layer and the p layer. Occurrence is prevented and a good bonding interface is formed, whereby a large conversion efficiency can be obtained.
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏはアモルファス状態でも大きな電子移動度を有することから電力を取り出し易く、この点からも大きな変換効率を得ることができる。 Further, In—Ga—Zn—O has a large electron mobility even in an amorphous state, so that electric power can be easily taken out, and high conversion efficiency can be obtained from this point.
さらに、アモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを形成すればよいことから、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを低温にてｐ層上に形成することができる。このため、ｎ層を形成するときの加熱によってｐ層のＣｕ２Ｏに粒成長等の著しい変性が生じることがなく、ｐ層とｎ層との接合界面が劣化することが防止され、これにより大きな変換効率を得ることができる。 Furthermore, since it is only necessary to form amorphous In—Ga—Zn—O, In—Ga—Zn—O can be formed over the p-layer at a low temperature. Therefore, without causing significant denaturation of grain growth such as Cu 2 O in the p layer by heat when forming the n layer, the bonding interface between the p layer and the n layer is prevented from deteriorating, thereby A large conversion efficiency can be obtained.
かかる本発明の太陽電池は、インジウム錫酸化物基板よりなる第１の電極と、該インジウム錫酸化物基板上に形成されたＣｕ２Ｏよりなる前記ｐ層と、該ｐ層上に形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなる前記ｎ層と、該ｎ層上に形成された第２の電極とを有していてもよい（請求項２）。 Such a solar cell of the present invention was formed on the first electrode made of an indium tin oxide substrate, the p layer made of Cu 2 O formed on the indium tin oxide substrate, and the p layer. You may have the said n layer which consists of In-Ga-Zn-O, and the 2nd electrode formed on this n layer (Claim 2).
また、かかる本発明の太陽電池は、Ｃｕ板よりなる第１の電極と、該Ｃｕ板の表面を酸化して形成されたＣｕ２Ｏよりなる前記ｐ層と、該ｐ層上に形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなる前記ｎ層と、該ｎ層上に形成されたインジウム錫酸化物よりなる電極膜と、該電極膜上に形成された第２の電極とを有していてもよい（請求項３）。このように、Ｃｕ板を酸化することにより、第１の電極とＣｕ２Ｏよりなるｐ層とを容易に形成することができる。また、ｎ層と第２の電極との間にインジウム錫酸化物よりなる電極膜を形成することにより、直列抵抗成分を大幅に減少させることが出来、その結果、変換効率の向上を得ることが出来る。 Further, the solar cell of the present invention is formed on the first electrode made of a Cu plate, the p layer made of Cu 2 O formed by oxidizing the surface of the Cu plate, and the p layer. An n-layer made of In-Ga-Zn-O; an electrode film made of indium tin oxide formed on the n-layer; and a second electrode formed on the electrode film. (Claim 3). As described above, by oxidizing the Cu plate, the first electrode and the p layer made of Cu 2 O can be easily formed. Further, by forming an electrode film made of indium tin oxide between the n layer and the second electrode, the series resistance component can be greatly reduced, and as a result, conversion efficiency can be improved. I can do it.
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏはアモルファス状態であり、低温にてｐ層上に形成することができることから、ｐ層又はｎ層を安価な高分子基板上に形成してもよい（請求項４）。この場合、太陽電池の低コスト化が図られる。 Further, since In—Ga—Zn—O is in an amorphous state and can be formed on the p layer at a low temperature, the p layer or the n layer may be formed on an inexpensive polymer substrate. 4). In this case, the cost of the solar cell can be reduced.
この太陽電池のｐ層及びｎ層は、スパッタ法、反応性スパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法によって容易に形成することができる（請求項５）。 The p layer and the n layer of this solar cell can be easily formed by sputtering, reactive sputtering, CVD, or vapor deposition.
ｎ層の組成としては、ｎ層中のＩｎ，Ｇａ及びＺｎの合計を１００ａｔ％とすると、Ｉｎは８〜６７ａｔ％、Ｇａは１〜５０ａｔ％、Ｚｎは８〜６７ａｔ％であると、電子移動度が高く、またアモルファス状態を容易に得ることが出来る。また、可視光の透過性も十分あり、光吸収層であるＣｕ２Ｏ層への光の入射をさまたげないものとなる（請求項１）。 As the composition of the n layer, if the total of In, Ga and Zn in the n layer is 100 at % , In is 8 to 67 at % , Ga is 1 to 50 at % , and Zn is 8 to 67 at % . Therefore, the electron mobility is high and an amorphous state can be easily obtained. Further, it has a sufficient visible light transmission property and does not obstruct the incidence of light on the Cu 2 O layer that is the light absorption layer (claim 1 ).
この太陽電池は、変換効率が０．６７％以上であることが好ましい（請求項６）。 The solar cell is preferably conversion efficiency is 0.67% or more (claim 6).
このｐ層の平均粒径が１０ｎｍ〜１０μｍである場合、さらにホール移動度が高く、かつｐ層とｎ層との界面接合性も良好なものとなる（請求項７）。 When the average particle diameter of the p layer is 10 nm to 10 μm, the hole mobility is higher and the interfacial bondability between the p layer and the n layer is also good (claim 7 ).
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は実施の形態に係る太陽電池の模式的な断面図である。太陽電池１０は、透明導電性基板１と、この透明導電性基板１上にスパッタリングによって形成されたｐ層２及びｎ層３と、このｎ層３上に設けられた金属電極４とからなる。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment. The solar cell 10 includes a transparent conductive substrate 1, a p layer 2 and an n layer 3 formed on the transparent conductive substrate 1 by sputtering, and a metal electrode 4 provided on the n layer 3.
透明導電性基板１及び電極４の表面には導線６が接合されている。
透明導電性基板１としては、導電性金属酸化物薄膜や金属等の導電性材料からなる基板が用いられる。導電性金属酸化物の好ましい例としては、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ（ＩＴＯ）、ＳｎＯ２：Ｓｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｆ、ＣｄＳｎＯ４を挙げることができる。 As the transparent conductive substrate 1, a substrate made of a conductive material such as a conductive metal oxide thin film or metal is used. Preferable examples of the conductive metal oxide include In 2 O 3 : Sn (ITO), SnO 2 : Sb, SnO 2 : F, ZnO: Al, ZnO: F, and CdSnO 4 .
透明導電性基板１の厚さは０．１〜１０ｍｍが一般的であり、０．３〜５ｍｍが好ましい。 The thickness of the transparent conductive substrate 1 is generally 0.1 to 10 mm, and preferably 0.3 to 5 mm.
なお、この透明導電性基板１の代わりに、透明基板上に上記透明導電性基板１を形成したものを用いてもよい。この場合、透明基板としては、例えばケイ酸アルカリ系ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラスを使用することができる。また、アクリルやＰＥＴなどの高分子フィルム基材も用いることができる。これら高分子基板を用いる場合、低コスト化が図られる。基板の厚さは０．１〜１０ｍｍが一般的であり、０．３〜５ｍｍが好ましい。ガラス板は、化学的に、或いは熱的に強化させたものが好ましい。 Instead of the transparent conductive substrate 1, a substrate obtained by forming the transparent conductive substrate 1 on a transparent substrate may be used. In this case, as the transparent substrate, for example, glass such as alkali silicate glass, non-alkali glass, or quartz glass can be used. A polymer film substrate such as acrylic or PET can also be used. When these polymer substrates are used, the cost can be reduced. The thickness of the substrate is generally 0.1 to 10 mm, preferably 0.3 to 5 mm. The glass plate is preferably chemically or thermally strengthened.
ｐ層２はＣｕ２Ｏである。このＣｕ２Ｏは、ｐ層としての機能と共に光吸収層としての機能も有する。 The p layer 2 is Cu 2 O. This Cu 2 O has a function as a light absorption layer as well as a function as a p layer.
成膜されたＣｕ２Ｏの平均粒径は１０ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい。１０ｎｍより小さいとＣｕ２Ｏが十分に粒成長することができずに結晶性が悪くなり、このためｐ層におけるホール移動度が小さくなる。一方、１０μｍより大きいとｐ層の表面が粗くなりすぎてｐ層とｎ層との接合性が悪くなり、変換効率が低下する。また、リーク電流成分も大幅に増大する。 The average particle diameter of the deposited Cu 2 O is preferably 10 nm to 10 μm. If the thickness is smaller than 10 nm, Cu 2 O cannot sufficiently grow and crystallinity is deteriorated, so that the hole mobility in the p layer is reduced. On the other hand, if it is larger than 10 μm, the surface of the p layer becomes too rough, the bonding property between the p layer and the n layer is deteriorated, and the conversion efficiency is lowered. In addition, the leakage current component is also greatly increased.
ｐ層の厚さは例えば１００ｎｍ〜３μｍ好ましくは３００ｎｍ〜１μｍである。ｐ層の電子移動度は０．０１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ特に１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであることが好ましい。 The thickness of the p layer is, for example, 100 nm to 3 μm, preferably 300 nm to 1 μm. electron mobility of the p-layer is preferably 0.01~100cm 2 / V · sec particular 1~100cm 2 / V · sec.
ｎ層３はアモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏである。このアモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏは粒界を形成することがなく均一であることから、結晶性のＣｕ２Ｏ表面を一様におおう様に形成され、その結果、ｎ層とｐ層との接合界面に不連続性やボイド等が発生することが防止され、良好な接合界面が形成される。これにより大きな変換効率を得ることができる。 The n layer 3 is In—Ga—Zn—O in an amorphous state. Since this amorphous In—Ga—Zn—O is uniform without forming grain boundaries, it is formed so as to uniformly cover the crystalline Cu 2 O surface. As a result, the n layer and the p layer are formed. It is possible to prevent discontinuity, voids, and the like from occurring at the bonding interface with the layer, thereby forming a good bonding interface. Thereby, a large conversion efficiency can be obtained.
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏはアモルファス状態でも大きな電子移動度を有することから電力を取り出し易く、この点からも大きな変換効率を得ることができる。 Further, In—Ga—Zn—O has a large electron mobility even in an amorphous state, so that electric power can be easily taken out, and high conversion efficiency can be obtained from this point.
さらに、アモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを形成すればよいことから、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを低温にてｐ層上に形成することができる。このため、ｎ層を形成するときの加熱によってｐ層のＣｕ２Ｏに粒成長等の著しい変性が生じることがなく、ｐ層とｎ層との接合界面が劣化することが防止され、これにより大きな変換効率を得ることができる。 Furthermore, since it is only necessary to form amorphous In—Ga—Zn—O, In—Ga—Zn—O can be formed over the p-layer at a low temperature. Therefore, without causing significant denaturation of grain growth such as Cu 2 O in the p layer by heat when forming the n layer, the bonding interface between the p layer and the n layer is prevented from deteriorating, thereby A large conversion efficiency can be obtained.
ｎ層中のＩｎ，Ｇａ及びＺｎの合計を１００ａｔ％とすると、Ｉｎは８〜６７ａｔ％、Ｇａは１〜５５ａｔ％、Ｚｎは８〜６７ａｔ％であることが好ましい。かかる組成のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏは、電子の十分な移動度と、可視光の透過性、Ｃｕ２Ｏ層との接合性の全てを満たすことが出来る。 In the n layer, when the 100a t% of the total of Ga and Zn, In the 8~67a t%, Ga is 1~55a t%, Zn is preferably 8~67a t%. In—Ga—Zn—O having such a composition can satisfy all of sufficient mobility of electrons, transparency of visible light, and bonding with a Cu 2 O layer.
ｎ層の厚さは例えば１００ｎｍ〜５μｍ好ましくは３００ｎｍ〜１μｍである。 The thickness of the n layer is, for example, 100 nm to 5 μm, preferably 300 nm to 1 μm.
ｎ層は、成膜面の温度が室温〜２００℃の範囲となる条件で成膜することが好ましい。この場合、ｎ層とｐ層との接合性が良好になると共に、ｐ層内のＣｕ２Ｏに粒成長等の変性が生じることを抑制することができる。また、基板として高分子基板を用いることができる。 The n layer is preferably formed under the condition that the temperature of the film formation surface is in the range of room temperature to 200 ° C. In this case, the bonding property between the n layer and the p layer is improved, and it is possible to prevent the Cu 2 O in the p layer from being modified such as grain growth. A polymer substrate can be used as the substrate.
金属電極４としては、白金、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ等が使用できる。 As the metal electrode 4, platinum, Al, Cu, Ti, Ni or the like can be used.
本実施の形態では、ＤＣ電源を用い、酸素とアルゴンの混合ガス雰囲気中に透明導電性基板１を設置し、Ｃｕターゲットに電圧を印加してスパッタする。スパッタされたＣｕは透明導電性基板１の表面等で酸化され、透明導電性基板１上にＣｕ２Ｏ層が形成される。次いでＩｎ−Ｇａ−Ｚｎよりなるターゲットに電圧を印加してスパッタする。スパッタされたＩｎ，Ｇａ及びＺｎはＣｕ２Ｏ層の表面等で酸化され、Ｃｕ２Ｏ層上にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層が形成される。 In the present embodiment, a DC power source is used, the transparent conductive substrate 1 is placed in a mixed gas atmosphere of oxygen and argon, and sputtering is performed by applying a voltage to a Cu target. The sputtered Cu is oxidized on the surface of the transparent conductive substrate 1 or the like, and a Cu 2 O layer is formed on the transparent conductive substrate 1. Next, sputtering is performed by applying a voltage to a target made of In—Ga—Zn. The sputtered In, Ga, and Zn are oxidized on the surface of the Cu 2 O layer and the like, and an In—Ga—Zn—O layer is formed on the Cu 2 O layer.
なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎよりなる１種類のターゲットを用いる代わりに、Ｉｎ，Ｇａ及びＺｎの少なくとも１種類よりなる異なる組成を有する複数種類のターゲットを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を形成してもよい。 Note that an In—Ga—Zn—O layer is formed using a plurality of types of targets having different compositions of at least one of In, Ga, and Zn instead of using one type of target composed of In—Ga—Zn. May be.
次いで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層上に電極を形成することにより、太陽電池１０が得られる。 Subsequently, the solar cell 10 is obtained by forming an electrode on the n layer made of In—Ga—Zn—O.
このようにして得られた太陽電池１０は、変換効率が０．６７％以上の機能性の高いものであることが好ましい。 The solar cell 10 thus obtained is preferably highly functional with a conversion efficiency of 0.67% or more.
本実施の形態では反応性スパッタ法によってｐ層及びｎ層の成膜を行ったが、Ｃｕ２Ｏターゲット及びＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用い、スパッタ法によってｐ層及びｎ層の成膜を行ってもよい。また、ＣＶＤ法、蒸着法等によってｐ層及びｎ層の成膜を行ってもよい。 In this embodiment mode, the p layer and the n layer are formed by reactive sputtering, but the p layer and the n layer are formed by sputtering using a Cu 2 O target and an In—Ga—Zn—O target. May be performed. Alternatively, the p layer and the n layer may be formed by a CVD method, a vapor deposition method, or the like.
図２は異なる実施の形態に係る太陽電池の模式的な断面図である。太陽電池２０は、Ｃｕ板２１と、このＣｕ板２１の表面を酸化させることによって形成されたＣｕ２Ｏよりなるｐ層２２と、このｐ層２２上にスパッタリングによって形成されたＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層２３及びＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層２５と、このＩＴＯ層２５上に設けられた金属電極２４とからなる。Ｃｕ２Ｏよりなるｐ層２２は、Ｃｕ板２１を大気中にて熱処理することにより形成する。この太陽電池２０も変換効率の高いものとなる。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of solar cells according to different embodiments. The solar cell 20 includes a Cu plate 21, a p layer 22 made of Cu 2 O formed by oxidizing the surface of the Cu plate 21, and In—Ga—Zn formed on the p layer 22 by sputtering. The n layer 23 and the ITO (indium tin oxide) layer 25 made of -O and the metal electrode 24 provided on the ITO layer 25 are formed. The p layer 22 made of Cu 2 O is formed by heat-treating the Cu plate 21 in the atmosphere. This solar cell 20 also has a high conversion efficiency.
以下、実施例１〜４及び比較例１，２について説明するが、本発明は実施例１〜４に限定されるものではない。 Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 will be described below, but the present invention is not limited to Examples 1 to 4.
＜実施例１＞
ＩＴＯガラス基板上に、反応性スパッタ法を用いてＣｕ２Ｏよりなるｐ層とＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層をこの順に成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
［ｐ層］
ターゲット：Ｃｕ、到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝９５／５ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：３５０ｎｍ
［ｎ層］
ターゲット：ＩｎＧａＺｎ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（ａｔ％））、
到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝８０／２０ｓｃｃｍ、
印加電力：ＤＣ５０Ｗ、成膜時間：３０分、膜厚：３００ｎｍ
<Example 1>
A p-layer made of Cu 2 O and an n-layer made of In—Ga—Zn—O were formed in this order on the ITO glass substrate by reactive sputtering. The film forming conditions were as follows.
[P layer]
Target: Cu, ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 95/5 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 350 nm
[N layers]
Target: InGaZn (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (at % )),
Ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 80/20 sccm,
Applied power: DC 50 W, film formation time: 30 minutes, film thickness: 300 nm
このｎ層上にＡｌ（厚さ１００ｎｍ）を形成して電極とした。
得られた太陽電池について、ＩＴＯガラス基板及びＡｌ電極に導線を接合し、ソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。なお、測定はＡＭ１．５の条件下、３０℃、大気中という環境下で行った。なお、素子のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。
その結果、変換効率ηは１．９％であった。
Al (thickness 100 nm) was formed on this n layer to form an electrode.
About the obtained solar cell, the conducting wire was joined to the ITO glass substrate and the Al electrode, and the conversion efficiency was measured using a solar simulator. The measurement was performed under the conditions of AM1.5 in an environment of 30 ° C. and in the atmosphere. The element size is 10 mm × 10 mm.
As a result, the conversion efficiency η was 1.9%.
＜実施例２＞
厚み０．３ｍｍのＣｕ板を大気中、４５０℃にて６時間熱処理して、Ｃｕ板表面にＣｕ２Ｏよりなるｐ層（厚み３５０ｎｍ）を形成した。次いで、このＣｕ２Ｏよりなるｐ層上に、反応性スパッタ法を用いてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層及びＩＴＯ層をこの順に形成し、このＩＴＯ層上にＡｌよりなる電極を形成した。ｎ層及びＡｌ電極は実施例１と同様にして形成した。ＩＴＯ層は以下の条件による反応性スパッタによって形成した。
［ＩＴＯ層］
ターゲット：インジウム錫酸化物（Ｉｎ：Ｓｎ＝９７：３ａｔ％）、
到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝９５／５ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：１００ｎｍ
<Example 2>
A 0.3 mm thick Cu plate was heat-treated at 450 ° C. for 6 hours in the atmosphere to form a p layer (thickness 350 nm) made of Cu 2 O on the Cu plate surface. Next, an n layer and an ITO layer made of In-Ga-Zn-O are formed in this order on the p layer made of Cu 2 O by using a reactive sputtering method, and an electrode made of Al is formed on the ITO layer. Formed. The n layer and the Al electrode were formed in the same manner as in Example 1. The ITO layer was formed by reactive sputtering under the following conditions.
[ITO layer]
Target: Indium tin oxide (In: Sn = 97: 3 at % ),
Ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 95/5 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 100 nm
得られた太陽電池について、Ｃｕ板及びＡｌ電極に導線を接合し、実施例１と同様、ソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。
その結果、変換効率ηは２．１％であった。
About the obtained solar cell, the conducting wire was joined to Cu board and Al electrode, and the conversion efficiency was measured using the solar simulator similarly to Example 1. FIG.
As a result, the conversion efficiency η was 2.1%.
＜比較例１＞
ｎ層をＺｎＯとしたこと以外は実施例１と同様にして太陽電池を得た。なお、ＺｎＯは以下の条件による反応性スパッタによって形成した。
［ｎ層（ＺｎＯ）］
ターゲット：Ｚｎ、到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝８０／２０ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：２８０ｎｍ
<Comparative Example 1>
A solar cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the n layer was ZnO. ZnO was formed by reactive sputtering under the following conditions.
[N layer (ZnO)]
Target: Zn, ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 80/20 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 280 nm
得られた太陽電池について、実施例１と同様にソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。
その結果、変換効率ηは０．２％であった。
About the obtained solar cell, the conversion efficiency was measured using the solar simulator similarly to Example 1. FIG.
As a result, the conversion efficiency η was 0.2%.
＜実施例３＞
ＩＴＯガラス基板上に、反応性スパッタ法を用いてＣｕ２Ｏよりなるｐ層とＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層をこの順に成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
［ｐ層］
ターゲット：Ｃｕ、到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝９５／５ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：３５０ｎｍ
［ｎ層］
ターゲット：ＩｎＧａＺｎＯ（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４−ｘ（ａｔ％））、
到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝８０／２０ｓｃｃｍ、
印加電力：ＤＣ５０Ｗ、成膜時間：３０分、膜厚：３００ｎｍ
<Example 3>
A p-layer made of Cu 2 O and an n-layer made of In—Ga—Zn—O were formed in this order on the ITO glass substrate by reactive sputtering. The film forming conditions were as follows.
[P layer]
Target: Cu, ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 95/5 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 350 nm
[N layers]
Target: InGaZnO (In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4-x (at % )),
Ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 80/20 sccm,
Applied power: DC 50 W, film formation time: 30 minutes, film thickness: 300 nm
このｎ層上にＡｌ（厚さ１００ｎｍ）を形成して電極とした。
得られた太陽電池について、ＩＴＯガラス基板及びＡｌ電極に導線を接合し、ソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。なお、測定はＡＭ１．５の条件下、３０℃、大気中という環境下で行った。なお、素子のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。
その結果、変換効率ηは１．９％であった。
Al (thickness 100 nm) was formed on this n layer to form an electrode.
About the obtained solar cell, the conducting wire was joined to the ITO glass substrate and the Al electrode, and the conversion efficiency was measured using a solar simulator. The measurement was performed under the conditions of AM1.5 in an environment of 30 ° C. and in the atmosphere. The element size is 10 mm × 10 mm.
As a result, the conversion efficiency η was 1.9%.
＜実施例４＞
厚み０．３ｍｍのＣｕ板を大気中、４５０℃にて６時間熱処理して、Ｃｕ板表面にＣｕ２Ｏよりなるｐ層（厚み３５０ｎｍ）を形成した。次いで、このＣｕ２Ｏよりなるｐ層上に、反応性スパッタ法を用いてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなるｎ層及びＩＴＯ層をこの順に形成し、このＩＴＯ層上にＡｌよりなる電極を形成した。ｎ層及びＡｌ電極は実施例３と同様にして形成した。ＩＴＯ層は以下の条件による反応性スパッタによって形成した。
［ＩＴＯ層］
ターゲット：インジウム錫酸化物（Ｉｎ：Ｓｎ＝９７：３ａｔ％）、
到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝９５／５ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：１００ｎｍ
<Example 4>
A 0.3 mm thick Cu plate was heat-treated at 450 ° C. for 6 hours in the atmosphere to form a p layer (thickness 350 nm) made of Cu 2 O on the Cu plate surface. Next, an n layer and an ITO layer made of In-Ga-Zn-O are formed in this order on the p layer made of Cu 2 O by using a reactive sputtering method, and an electrode made of Al is formed on the ITO layer. Formed. The n layer and the Al electrode were formed in the same manner as in Example 3. The ITO layer was formed by reactive sputtering under the following conditions.
[ITO layer]
Target: Indium tin oxide (In: Sn = 97: 3 at % ),
Ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 95/5 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 100 nm
得られた太陽電池について、Ｃｕ板及びＡｌ電極に導線を接合し、実施例３と同様、ソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。
その結果、変換効率ηは２．１％であった。
About the obtained solar cell, the conducting wire was joined to Cu board and Al electrode, and the conversion efficiency was measured using the solar simulator similarly to Example 3. FIG.
As a result, the conversion efficiency η was 2.1%.
＜比較例２＞
ｎ層をＺｎＯとしたこと以外は実施例３と同様にして太陽電池を得た。なお、ＺｎＯは以下の条件による反応性スパッタによって形成した。
［ｎ層（ＺｎＯ）］
ターゲット：Ｚｎ酸化物（Ｚｎ：Ｏ＝１：１−ｘ（ａｔ％））、
到達真空度：５．０×１０−４Ｐａ、成膜時圧力：０．７Ｐａ、
成膜時ガス流量：Ａｒ／Ｏ２＝８０／２０ｓｃｃｍ、印加電力：ＤＣ５０Ｗ、
成膜時間：３０分、膜厚：２８０ｎｍ
<Comparative example 2>
A solar cell was obtained in the same manner as in Example 3 except that the n layer was ZnO. ZnO was formed by reactive sputtering under the following conditions.
[N layer (ZnO)]
Target: Zn oxide (Zn: O = 1: 1-x (at % )),
Ultimate vacuum: 5.0 × 10 −4 Pa, film forming pressure: 0.7 Pa,
Gas flow rate during film formation: Ar / O 2 = 80/20 sccm, applied power: DC 50 W,
Deposition time: 30 minutes, film thickness: 280 nm
得られた太陽電池について、実施例１と同様にソーラーシミュレーターを用いて変換効率の測定を行った。
その結果、変換効率ηは０．２％であった。
About the obtained solar cell, the conversion efficiency was measured using the solar simulator similarly to Example 1. FIG.
As a result, the conversion efficiency η was 0.2%.
１ 透明導電性基板
２，２２ ｐ層
３，２３ ｎ層
４，２４ 電極
６ 導線
１０，２０ 太陽電池
２１ Ｃｕ板
２５ ＩＴＯ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent conductive substrate 2,22 p layer 3,23 n layer 4,24
Claims (8)
該ｐ層が結晶性のＣｕ２Ｏよりなり、
該ｎ層がアモルファス状態のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏよりなる太陽電池であって、
前記ｎ層中のＩｎ，Ｇａ及びＺｎの合計を１００ａｔ％とすると、
Ｉｎは８〜６７ａｔ％、
Ｇａは１〜５５ａｔ％、
Ｚｎは８〜６７ａｔ％
であることを特徴とする太陽電池。 In a pn junction solar cell in which a p layer and an n layer are stacked,
The p layer is made of crystalline Cu 2 O;
The n layer is a Ru solar cell name from In-Ga-Zn-O amorphous state,
When the total of In, Ga and Zn in the n layer is 100 at%,
In is 8 to 67 at%,
Ga is 1 to 55 at%,
Zn is 8 to 67 at%
A solar cell characterized by being
該インジウム錫酸化物基板上に形成された前記ｐ層と、
該ｐ層上に形成された前記ｎ層と、
該ｎ層上に形成された電極とを有することを特徴とする太陽電池。 The indium tin oxide substrate according to claim 1,
The p-layer formed on the indium tin oxide substrate;
The n layer formed on the p layer;
A solar cell comprising an electrode formed on the n layer.
該Ｃｕ板の表面を酸化して形成された前記ｐ層と、
該ｐ層上に形成された前記ｎ層と、
該ｎ層上に形成されたインジウム錫酸化物よりなる電極膜と、
該電極膜上に形成された電極とを有することを特徴とする太陽電池。 In claim 1, Cu plate;
The p layer formed by oxidizing the surface of the Cu plate;
The n layer formed on the p layer;
An electrode film made of indium tin oxide formed on the n layer;
A solar cell comprising an electrode formed on the electrode film.
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