JP2012244065A - 薄膜光電変換装置およびその製造方法、薄膜光電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】透明導電膜と光電変換層との間に良好な電気的接合特性を有し、光電変換効率に優れた光電変換装置を得ること。
【解決手段】透光性絶縁基板１上に、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜２と、ｐ型半導体層４ａとｉ型半導体層４ｂとｎ型半導体層４ｃとが前記透明導電膜２側から順次積層されてなり光電変換を行う光電変換層４と、導電膜からなる裏面電極層６とをこの順で有し、前記透明導電膜２と前記ｐ型半導体層４ａとの間に、前記透明電極層２よりも電子の感じるポテンシャルエネルギーが高いポテンシャル制御層３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜光電変換装置およびその製造方法、薄膜光電変換モジュールに関する。

従来、薄膜光電変換装置の光電変換効率の向上に関する技術として、特許文献１には、基板における光入射面と反対側に、凹凸形状を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）から成る透明導電膜を具備し、入射した光が該凹凸形状により散乱されることにより光閉じ込め効果が向上して、光電変換装置の高光電変換効率化が図れることが述べられている。

このようなＺｎＯから成る透明導電膜を有する薄膜光電変換装置は、酸化錫（ＳｎＯ_２）から成る透明導電膜を有する薄膜光電変換装置と比較して、優れた光散乱特性を得やすい、という利点がある。

特許第３８０１３４２号明細書

A. Alkaya, R. Kaplan, H. Canbolat, S.S. Hegedus, "A comparison of fill factor and recombination losses in amorphous silicon solar cells on ZnO and SnO2", Renewable Energy 2009 Vol.34 No.6 p.1595 F. Smole, M. Topic, J. Furlan, "Analysis of TCO/p(a-Si:C:H) heterojunction and its influence on p-i-n a-Si:H solar cell performance", Journal of Non-Crystalline Solids 1996 Vol.194 No3 p.312

しかしながら、ＺｎＯから成る透明導電膜を有する薄膜光電変換装置は、透明導電膜とｐ型半導体層との間のポテンシャル障壁が高くなり、透明導電膜とｐ型半導体層との電気的接合特性が悪化するため、光電変換装置の開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）、フィルファクタ（ＦＦ）が低下するという問題があった（たとえば、非特許文献１、非特許文献２参照）。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、透明導電膜と光電変換層との間に良好な電気的接合特性を有し、光電変換効率に優れた薄膜光電変換装置およびその製造方法、薄膜光電変換モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、透光性絶縁基板上に、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜と、ｐ型半導体層とｉ型半導体層とｎ型半導体層とが前記透明導電膜側から順次積層されてなり光電変換を行う光電変換層と、導電膜からなる裏面電極層とをこの順で有し、前記透明導電膜と前記ｐ型半導体層との間に、前記透明電極層よりも電子の感じるポテンシャルエネルギーが高いポテンシャル制御層を備えること、を特徴とする。

本発明によれば、透明電極層とｐ型半導体層との間にポテンシャル制御層を備えることにより、透明電極層とｐ型半導体層との間の界面でのポテンシャル障壁を低下させることができるため、透明電極層とｐ型半導体層との間の電気的接合特性を向上でき、光電変換効率を向上させることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の概略構成を示す断面図である。 図２−１は、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための断面図である。 図２−２は、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための断面図である。 図２−３は、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための断面図である。 図２−４は、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための断面図である。

以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置およびその製造方法、薄膜光電変換モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述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適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置は、透光性絶縁基板１上に、第１電極層となる透明電極層２、ポテンシャル制御層３、薄膜半導体層である光電変換層４、裏面透明導電層５、第２電極層となる裏面電極層６がこの順で積層されている。

透光性絶縁基板１は、ガラスや透明樹脂、プラスチック、石英などの種々の透光性を有する絶縁基板が用いられる。

透明電極層２は、ＺｎＯを主成分とする透明導電性材料（ＴＣＯ）によって構成される。また、ＺｎＯを主成分とするＴＣＯはＡｌ、Ｇａ、Ｂ、Ｓｂ、Ｆ等から選択した少なくとも１種類以上の元素を添加した透光性膜によって構成されてもよい。また、透明電極層２は、表面に凹凸が形成された表面テクスチャ構造を有していてもよいが必須ではない。この表面テクスチャ構造は、入射した太陽光を散乱させ、光電変換層４での光利用効率を高める機能を有する。

このような透明電極層２は、スパッタリング法、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ゾルゲル法、電子ビーム堆積法、原子層堆積法、印刷法、スプレー法等の種々の方法により作製することができる。透明電極層２は、製膜条件によっては自己組織的に凹凸構造が形成される場合もあるが、製膜後に希釈塩酸（ＨＣｌ）等の酸もしくはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより凹凸構造を形成してもよい。

光電変換層４は、ｐｉｎ接合を有するシリコン系薄膜半導体層からなり、透光性絶縁基板１の主面に略平行なｐ型半導体層４ａ、ｉ型半導体層４ｂおよびｎ型半導体層４ｃが順次積層されたｐｉｎ半導体接合を含んでいる。ここで、シリコン系薄膜半導体層は、シリコン半導体、または炭素、ゲルマニウム、酸素またはその他の元素の少なくとも１つが添加された薄膜から構成することができる。この光電変換層４は、たとえばプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等を用いて堆積形成される。

また、ｉ型半導体層４ｂは、非晶質シリコン、非晶質酸化シリコン、非晶質炭化シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶酸化シリコン、微結晶炭化シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、単結晶半導体、多結晶半導体のうちのいずれか１つからなる半導体層を有することが好ましい。ｉ型半導体層４ｂが、これらの材料からなる半導体層を有することで、効率の良い光電変換を行うことができる。

また、光電変換層４における各層の接合特性を改善するために、ｐ型半導体層４ａとｉ型半導体層４ｂとの間、ｉ型半導体層４ｂとｎ型半導体層４ｃとの間に、各接合層のバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶シリコン（Ｓｉ）層、非単結晶炭化シリコン（Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ）層、非単結晶酸化シリコン（Ｓｉ_ｘＯ_１−ｘ）層、非単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）層等の半導体層を介在させてもよい。

すなわち、ｐ型半導体層４ａとｉ型半導体層４ｂとの間には、ｐ型半導体層４ａとｉ型半導体層４ｂのバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶シリコン（Ｓｉ）層、非単結晶炭化シリコン（Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ）層、非単結晶酸化シリコン（Ｓｉ_ｘＯ_１−ｘ）層、非単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）層等の半導体層を介在させてもよい。同様に、ｉ型半導体層４ｂとｎ型半導体層４ｃとの間には、ｉ型半導体層４ｂとｎ型半導体層４ｃのバンドギャップの中間、または同等の大きさのバンドギャップを有する非単結晶シリコン（Ｓｉ）層、非単結晶炭化シリコン（Ｓｉ_ｘＣ_１−ｘ）層、非単結晶酸化シリコン（Ｓｉ_ｘＯ_１−ｘ）層、非単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）層等の半導体層を介在させてもよい。

ポテンシャル制御層３は、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間に挟まれた層であり、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとが直接接合された場合よりも、界面でのポテンシャル障壁を低下させる機能を有する。このようなポテンシャル制御層３は、透明電極層２よりも電子の感じるポテンシャルエネルギー（以下、ポテンシャルエネルギーと呼ぶ場合がある）が大きい。ここで、たとえば金属のように荷電子帯の最上端のエネルギーとフェルミ準位が一致している場合には、電子の感じるポテンシャルエネルギーは、仕事関数ということになる。また、たとえば半導体のように荷電子帯の最上端のエネルギーとフェルミ準位が異なる場合には、電子の感じるポテンシャルエネルギーは、イオン化ポテンシャルということになる。すなわち、本実施の形態では、透明電極層２よりも大きいポテンシャルエネルギーを有するポテンシャル制御層３を透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間に備えることにより、ｐ型半導体層４ａのフェルミ準位は電子エネルギーの低い側に曲げられ、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間のポテンシャル障壁が低下する。これにより、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間の電気的接合特性を向上させることができ、また、光電変換層４の内蔵電位が増大する。その結果、薄膜光電変換装置の開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）とフィルファクタ（ＦＦ）とを向上させることができるため、薄膜光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。

ポテンシャル制御層３は、透明電極層２と同様にＺｎＯを主成分とし、ＺｎＯ（ポテンシャル制御層３）の電子の感じるポテンシャルエネルギー（仕事関数またはイオン化ポテンシャル）を高める（大きくする）効果を有する１種類以上の元素を添加した材料によって構成されることが好ましい。このように、透明電極層２と同様にＺｎＯを主成分とすることにより、透明電極層２とポテンシャル制御層３との間の接合特性が良好となるため、透明電極層２、ポテンシャル制御層３、およびｐ型半導体層４ａの間の電気的接合特性がより高まる。このような材料としては、たとえばＧａをドープしたマグネシウム添加ＺｎＯ（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（０．１≦ｘ≦０．５））が挙げられる。ポテンシャル制御層３の材料としてＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（０．１≦ｘ≦０．５）を用いることにより、透明電極層２とポテンシャル制御層３との間の接合特性の改善効果が確実に得られる。また、Ｍｇ組成比（ｘ）を上記の範囲とすることにより、上記の改善効果がより確実に得られる。Ｍｇ組成比（ｘ）をｘ＞０．５とすると、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯがＺｎＭｇＯとＭｇＯとに分離してしまい、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯの導電率が著しく低下するため、透明電極層２とポテンシャル制御層３との間の接合特性が悪化する。

しかしながら、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとを直接接合させるよりも界面のポテンシャル障壁を低下させることが重要であるため、これを達成する材料であれば例えばＳｎＯ_２、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_ｘ）、酸化ニオビウム（Ｎｂ_２Ｏ_５）の少なくとも１つ以上を主成分とする材料であってもよい。以下では、ポテンシャル障壁を低下させるために特に有望であると考える、ＺｎＯを主成分とするポテンシャル制御層３について述べる。

ポテンシャル制御層３（ＺｎＯ）の電子の感じるポテンシャルエネルギー（仕事関数またはイオン化ポテンシャル）を高めるための添加元素としては、たとえばマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マンガン（Ｍｎ）等から１種類以上が選択される。その中でも、ＭｇはＺｎとイオン半径がほぼ同じ（Ｍｇ^２＋イオン半径：０．５７Å、Ｚｎ^２＋イオン半径：０．６０Å）であり、比較的高いキャリア移動度を有する膜が得られるため、好ましい。

また、ポテンシャル制御層３は、膜中にキャリアを発生させ導電率を低下させるため、ポテンシャル制御層３（ＺｎＯ）の電子の感じるポテンシャルエネルギーを高める上記の元素に加え、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ホウ素（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）等から選択した少なくとも１種類以上の元素も添加した材料によって構成されてもよい。ただし、ポテンシャル制御層３は、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間の電気伝導に寄与し、その電気伝導は膜厚方向（基板に垂直な方向）である。膜面方向（基板に平行な方向）の電気伝導は主に透明電極層２が担っているため、ポテンシャル制御層３は膜厚方向に十分な導電性を有していればよく、膜面方向には必ずしも導電性を持たなくてもよい。

ポテンシャル制御層３の電子の感じるポテンシャルエネルギー（仕事関数またはイオン化ポテンシャル）は、ポテンシャル増大材料の添加量が多いほど高くなる。ポテンシャル制御層３の電子の感じるポテンシャルエネルギー（仕事関数またはイオン化ポテンシャル）が高いほど、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間のポテンシャル障壁は低下し、電気的接合特性は良好となる傾向があるため、薄膜光電変換装置の開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）とフィルファクタ（ＦＦ）とが向上する。

ただし、ポテンシャル増大材料の添加量を多くしすぎると、ポテンシャル制御層３の膜厚方向の導電率が低下し、薄膜光電変換装置のフィルファクタ（ＦＦ）を低下させる可能性がある。この導電率低下によるフィルファクタ（ＦＦ）の低下量が、ポテンシャル障壁低下によるフィルファクタ（ＦＦ）の向上量を上回ると、薄膜光電変換装置のフィルファクタ（ＦＦ）が低下することになる。実際には、ポテンシャル制御層３の膜厚方向の導電率を同定することは難しく、最適なポテンシャル増大材料の添加量はｐ型半導体層４ａにより異なる。このため、薄膜光電変換装置の光電変換効率が最大となるように添加量と膜厚とを調整する必要がある。

このようなポテンシャル制御層３は、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、電子ビーム堆積法、原子層堆積法、印刷法、スプレー法等の種々の方法により作製することができる。例えば、スパッタリング法を用いて、ＧａドープＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（０．１≦ｘ≦０．５）を作製する場合は、ＧａドープＺｎＯターゲットと酸化マグネシウム（ＭｇＯ）ターゲットとを用いた同時スパッタリング法を用い、各ターゲットに印加する電力を制御することにより所望のＺｎ：Ｍｇ組成比を有するＧａドープＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ膜を成膜することができる。

また、ＭＯＣＶＤ法であれば、Ｚｎ系材料の成膜ガスとＭｇ系材料の成膜ガスとのガス流量比を制御することにより、所望のＺｎ：Ｍｇ組成比を有する膜を成膜することができる。このとき、上記透明電極層２と同様に、製膜条件によっては自己組織的に凹凸構造が形成される場合もあるが、製膜後に希釈塩酸（ＨＣｌ）等の酸もしくはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより凹凸構造を形成してもよい。この凹凸構造は、透明電極層２またはポテンシャル制御層３のどちらか一方、もしくは透明電極層２とポテンシャル制御層３の両方に形成されていることが好ましい。

裏面透明導電層５は、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種を含むＴＣＯによって構成される。また、これらのＴＣＯにＡｌ、Ｇａ、Ｂ等から選択した少なくとも１種類以上の元素を添加した膜などの透光性膜によって構成されてもよい。裏面透明導電層５は、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法、ＣＶＤ法、低圧ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法、印刷法、塗布法等により形成される。

裏面電極層６は、高反射率および導電性を有する、銀（Ａｇ）、Ａｌ、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｒ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）等から選択した少なくとも１種類以上の元素または合金からなる層により構成される。なお、これらの裏面電極層６の高反射率および導電性材料としての具体的材料は特に限定されるものではなく、周知の材料から適宜選択して用いることができる。

次に、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法について図２−１〜図２−４を参照して説明する。図２−１〜図２−４は、本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置の製造方法を説明するための断面図である。まず、透光性絶縁基板１を用意する。透光性絶縁基板１は、例えば、ガラスや透明樹脂、プラスチック、石英などの種々の透光性を有する絶縁物で形成されたものを用いる。

つぎに、透光性絶縁基板１上に透明電極層２を公知の方法で形成する。たとえば、透光性絶縁基板１上にＴＣＯからなる透明電極層２をスパッタリング法により形成する。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。そして、透明電極層２の製膜後に、希釈塩酸（ＨＣｌ）等の酸もしくはアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより透明電極層２の表面に凹凸構造を形成する（図２−１）。

次に、透明電極層２上にポテンシャル制御層３として、たとえばＡｌ原子をドープしたＺｎＯターゲットとＭｇＯターゲットを用いた同時スパッタリング法により、ＺｎＯを主成分としたＡｌドープＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ膜を形成する（図２−２）。ここで、ポテンシャル制御層３の表面も、透明電極層２の表面の凹凸構造に沿った凹凸構造とされる。また、これ以降に形成される各層の表面も透明電極層２の表面の凹凸構造に沿った凹凸構造とされる。

この場合は、透明電極層２の表面に凹凸構造を形成することで、ポテンシャル制御層３の形成工程においては特に凹凸構造の形成を行わなくても光電変換層４での光利用効率を高める表面テクスチャ構造が得られる。また、透明電極層２の表面には凹凸構造を形成せずに、ポテンシャル制御層３の表面に凹凸構造の形成を行ってもよい。この場合も、光電変換層４での光利用効率を高める表面テクスチャ構造が得られる。また、透明電極層２の形成工程およびポテンシャル制御層３の形成工程のそれぞれにおいて、各表面に凹凸構造を形成してもよい。

次に、ポテンシャル制御層３上に光電変換層４としてｐ型半導体層４ａ、ｉ型半導体層４ｂ、およびｎ型半導体層４ｃをプラズマＣＶＤ法により順次積層形成する（図２−３）。

次に、光電変換層４上に裏面透明導電層５を公知の方法で形成する。たとえば光電変換層４上にＴＣＯからなる裏面透明導電層５をスパッタリング法により形成する（図２−４）。また、成膜方法として、ＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いてもよい。

次に、裏面透明導電層５上に裏面電極層６を公知の方法で形成する。例えば、裏面透明導電層５上に高反射率を有するＡｇ膜からなる裏面電極層６をスパッタリング法により形成する（図２−４）。以上の処理により、図１に示す本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置が得られる。

上述した本実施の形態にかかる薄膜光電変換装置においては、透明電極層２と光電変換層４との間に、透明電極層２よりも電子の感じるポテンシャルエネルギー（仕事関数またはイオン化ポテンシャル）が高く、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとが直接接合された場合よりも界面でのポテンシャル障壁を低下させる機能を有するポテンシャル制御層３を備える。これにより、透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間の電気的接合特性を向上させることができ、薄膜光電変換装置の開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）とフィルファクタ（ＦＦ）とを向上させることができるため、薄膜光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。

したがって、本実施の形態によれば透明電極層２とｐ型半導体層４ａとの間に良好な電気的接合特性を有し、光電変換効率に優れた薄膜光電変換装置を実現することができる。

なお、上記においては１つの光電変換層４を備える薄膜光電変換装置について説明したが、光電変換層４が２つ以上積層されたタンデム型の薄膜光電変換装置にも適用可能である。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はその趣旨を越えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

（比較例）
比較例では、ポテンシャル制御層３を備えていない従来の薄膜光電変換セルを作製した。まず、透光性絶縁基板１として、厚さ５ｍｍのガラス基板を使用した。ガラス基板上に、不純物としてＡｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯ膜をスパッタリング法により膜厚１μｍで成膜し、薬液として０．５ｗｔ％に希釈された塩酸を用いてエッチング処理を６０秒間実施することにより、表面に凹凸構造を有する透明電極層２を形成した。

次に、透明電極層２上に、光電変換層４として、膜厚２０ｎｍのｐ型微結晶Ｓｉ膜、膜厚３μｍのｉ型微結晶Ｓｉ膜、膜厚３０ｎｍのｎ型微結晶Ｓｉ膜をプラズマＣＶＤ法により積層した。

次に、裏面透明導電層５として、不純物としてＡｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍで成膜した。次に、裏面透明導電層５上に、Ａｇ膜をスパッタリング法で膜厚５００ｎｍに成膜して裏面電極層６を形成した。以上により、ポテンシャル制御層３を備えていない比較例の薄膜光電変換セルを作製した。

作製した比較例の薄膜光電変換セルのセル特性を評価した結果、光電変換効率（η）は６．６％、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は２１．１ｍＡ／ｃｍ^２、開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）は０．４８Ｖ、フィルファクター（ＦＦ）は０．６５であった。

（実施例）
実施例では、上述した実施の形態にかかる薄膜光電変換装置としてポテンシャル制御層３を備えた薄膜光電変換セルを作製した。実施例の薄膜光電変換セルは、比較例の薄膜光電変換セルと比較して、Ａｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯにＭｇを添加したＡｌドープＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ膜からなるポテンシャル制御層３が透明電極層２と光電変換層４との間に存在するという点のみが異なる。

まず、透光性絶縁基板１として、厚さ５ｍｍのガラス基板を使用した。ガラス基板上に、不純物としてＡｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯ膜をスパッタリング法により膜厚１μｍで成膜し、薬液として０．５ｗｔ％に希釈された塩酸を用いてエッチング処理を６０秒間実施することにより、表面に凹凸構造を有する透明電極層２を形成した。

次に、透明電極層２上にポテンシャル制御層３として、Ａｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯターゲットとＭｇＯターゲットを用いた同時スパッタリング法により、膜厚１００ｎｍのＡｌドープＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯを形成した。このとき、ポテンシャル制御層３のＺｎ：Ｍｇの組成比が０．８：０．２となるように、スパッタリング時の各ターゲットへの投入電力比を調整した。

次に、ポテンシャル制御層３上に光電変換層４として、膜厚２０ｎｍのｐ型微結晶Ｓｉ膜、膜厚３μｍのｉ型微結晶Ｓｉ膜、膜厚３０ｎｍのｎ型微結晶Ｓｉ膜をプラズマＣＶＤ法により積層した。

次に、裏面透明導電層５として、不純物としてＡｌ原子を２×１０^２１ｃｍ^−３程度ドープしたＺｎＯ膜をスパッタリング法により膜厚１００ｎｍで成膜した。次に、裏面透明導電層５上に、Ａｇ膜をスパッタリング法で膜厚５００ｎｍに成膜して裏面電極層６を形成した。以上により、ポテンシャル制御層３を備える実施例の薄膜光電変換セルを作製した。

作製した実施例の薄膜光電変換セルのセル特性を評価した結果、変換効率（η）は７．６％、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は２１．３ｍＡ／ｃｍ^２、開放端電圧（Ｖｏｃ）は０．５１Ｖ、フィルファクター（ＦＦ）は０．７０であった。

実施例と比較例とのセル特性を比較することにより、実施例の薄膜光電変換セルは主に開放端電圧（Ｖ_ｏｃ）とフィルファクター（ＦＦ）が増大したことにより、光電変換効率（η）が向上したことがわかる。したがって、透明電極層２と光電変換層４との間にポテンシャル制御層３を備えることにより、薄膜光電変換セルの光電変換効率（η）の向上を図ることができる、といえる。

なお、上記の実施の形態で説明した構成を有する薄膜光電変換セルを透光性絶縁基板上に複数形成し、隣接する薄膜光電変換セル同士を電気的に直列または並列に接続することにより、透明導電膜とｐ型半導体層との間に良好な電気的接合特性を有し、光電変換効率に優れた薄膜光電変換モジュールが実現できる。この場合は、たとえば隣接する薄膜光電変換セルの一方の透明導電膜と他方の裏面電極層とを電気的に接続すればよい。

以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置は、透明導電膜と光電変換層との間に良好な電気的接合特性を有する光電変換効率に優れた薄膜光電変換装置の実現に有用である。

１ 透光性絶縁基板
２ 透明電極層
３ ポテンシャル制御層
４ 光電変換層
４ａ ｐ型半導体層
４ｂ ｉ型半導体層
４ｃ ｎ型半導体層
５ 裏面透明導電層
６ 裏面電極層

Claims (15)

1. 透光性絶縁基板上に、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜と、ｐ型半導体層とｉ型半導体層とｎ型半導体層とが前記透明導電膜側から順次積層されてなり光電変換を行う光電変換層と、導電膜からなる裏面電極層とをこの順で有し、
   前記透明導電膜と前記ｐ型半導体層との間に、前記透明電極層よりも電子の感じるポテンシャルエネルギーが高いポテンシャル制御層を備えること、
   を特徴とする薄膜光電変換装置。
2. 前記ポテンシャル制御層は、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化チタン、酸化モリブデンおよび酸化ニオビウムのうちのいずれか１つ以上を主成分とすること、
   を特徴とする請求項１に記載の薄膜光電変換装置。
3. 前記ポテンシャル制御層は、マグネシウムが添加された酸化亜鉛（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）を主成分とすること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の薄膜光電変換装置。
4. 前記ポテンシャル制御層は、マグネシウムが添加された酸化亜鉛（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）を主成分とし、Ｍｇ組成比（ｘ）が０．１以上であること、
   を特徴とする請求項３に記載の薄膜光電変換装置。
5. 前記ｉ型半導体層が、非晶質シリコン、非晶質酸化シリコン、非晶質炭化シリコン、非晶質シリコンゲルマニウム、微結晶シリコン、微結晶酸化シリコン、微結晶炭化シリコン、微結晶シリコンゲルマニウム、単結晶半導体、多結晶半導体のうちのいずれか１つからなる半導体層を有すること、
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜光電変換装置。
6. 透光性絶縁基板上に、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜と、ｐ型半導体層とｉ型半導体層とｎ型半導体層とが前記透明導電膜側から順次積層されてなり光電変換を行う光電変換層と、導電膜からなる裏面電極層とをこの順で積層する薄膜光電変換装置の製造方法であって、
   前記透明導電膜と前記ｐ型半導体層との間に、前記透明電極層よりも電子の感じるポテンシャルエネルギーが大きいポテンシャル制御層を形成する工程を有すること、
   を特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。
7. 前記ポテンシャル制御層は、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化チタン、酸化モリブデンおよび酸化ニオビウムのうちのいずれか１つ以上を主成分とすること、
   を特徴とする請求項６に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
8. 前記ポテンシャル制御層は、マグネシウムが添加された酸化亜鉛（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）を主成分とすること、
   を特徴とする請求項６または７に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
9. 前記ポテンシャル制御層は、マグネシウムが添加された酸化亜鉛（Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ）を主成分とし、Ｍｇ組成比（ｘ）が０．１以上であること、
   を特徴とする請求項８に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
10. 前記ポテンシャル制御層は、スパッタリング法または化学気相成長法により形成されること、
    を特徴とする請求項６〜９のいずれか１つに記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
11. 前記ポテンシャル制御層は、材料の異なる２つ以上のスパッタリングターゲットを用いた同時スパッタリング法により形成されること、
    を特徴とする請求項１０に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
12. 前記透明電極層を形成する工程では、前記透明電極層の表面に凹凸を形成する工程を含まず、
    前記ポテンシャル制御層を形成する工程では、前記ポテンシャル制御層の表面に凹凸を形成する工程を含むこと、
    を特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
13. 前記透明電極層を形成する工程では、前記透明電極層の表面に凹凸を形成する工程を含み、
    前記ポテンシャル制御層を形成する工程では、前記ポテンシャル制御層の表面に凹凸を形成する工程を含まないこと、
    を特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
14. 前記透明電極層を形成する工程および前記ポテンシャル制御層を形成する工程は、それぞれ表面に凹凸を形成する工程を含むこと、
    を特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の薄膜光電変換装置の製造方法。
15. 請求項１〜５に記載の薄膜光電変換装置の少なくとも２つ以上が電気的に接続されていること、
    を特徴とする薄膜光電変換モジュール。

Images