[發明專利]光電轉換元件及太陽能電池

有效

• 申請號: 201280022016.1
• 申請日: 2012-04-25
• 公開（公告）號: CN103503160A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 芝崎聰一郎;山崎六月;中川直之;櫻田新哉;稻葉道彥
• 申請（專利權）人: 株式會社東芝
• 主分類號: H01L31/04
• 分類號: H01L31/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 王永紅

技術領域

本發明的實施方案涉及光電轉換元件及太陽能電池。

背景技術

例如,太陽能電池中,用半導體薄膜作光吸收層的化合物系薄膜光電轉換元件的開發正在進行,其中,Cu(In,Ga)Se₂、具有所謂CIGS等黃銅礦結構的p型半導體層,作為光吸收層的薄膜光電轉換元件顯示高的轉換效率,在應用上被期待。光電轉換元件的轉換效率η,采用開路電壓Voc、短路電流密度Jsc、輸出功率因子FF、入射能量密度P,用η=Voc·Jsc·FF/P·100的公式表示。由此可見,如開路電壓、短路電流、輸出功率因子分別加大,則轉換效率增大。

從理論上說,p型光吸收層與n型半導體層的帶隙（band?gap）愈大,開路電壓愈增大,但短路電流密度減少,當觀察作為帶隙函數的效率變化時,在約1.4～1.5eV處存在極大。Cu(In,Ga)Se₂的帶隙與Ga濃度一起增大,已知當Ga/(In+Ga)控制在約0.3左右時,可以得到轉換效率良好的光電轉換元件。

然而,在化合物系薄膜系光電變換材料中,開路電壓比從帶隙的值考慮的值低,在Ga濃度高的Cu(In,Ga)Se₂中更低,有必要解決。

當為Cu(In,Ga)Se₂等化合物系薄膜光電轉換元件時,由于p型半導體層與n型半導體層為不同的材料系(異質結構),p型半導體層、n型半導體層的各個傳導帶下端的CBM(Conduction?Band?Minimum：導帶能級減少)的位置關系以及p型半導體層與n型半導體層的費米能級（Fermi?level）的位置,對于提高開路電壓是重要的。

在Cu(In,Ga)Se₂光電轉換元件中,用CdS作為n型半導體層,CBM值幾乎相等,但伴隨著Ga濃度的增大,與n型半導體層的CBM值相比,p型半導體層(光吸收層)的CBM值小,費米能級的位置最佳化時的開路電壓的最大值下降。這主要是由于光照射量少時,開路電壓值變顯著。此外,由于n型半導體層的CdS中的Cd,擔心其對人體的不良影響,故優選采用代替材料。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1:特開2004-214300號公報

發明內容

發明要解決的課題

本實施方案的目的是提供一種使開路電壓增加的光電轉換元件及太陽能電池。

用于解決課題的手段

實施方案的光電轉換元件具有:p型光吸收層,該p型光吸收層含Cu、選自由Al、In及Ga構成的組的至少1種以上的IIIb族元素、與選自由O、S、Se及Te構成的組的至少1種以上的VIb族元素;以及,在p型光吸收層上形成的n型半導體層,該n型半導體層為Zn_1-yM_yO_1-XS_X、Zn_1-y-zMg_zM_yO(M為選自B、Al、In及Ga構成的組的至少1種元素)與由控制載流子濃度（carrier?density：或稱載流子密度）的GaP表示的任何一種；其特征在于,Zn_1-yM_yO_1-XS_X及Zn_1-y-zMg_zM_yO中的x、y、z滿足0.55≤x≤1.0、0.001≤y≤0.05及0.002≤y+z≤1.0的關系。

另外,另一實施方案的太陽能電池,其特征在于,采用上述實施方案的光電轉換元件所構成。

附圖說明

圖1為實施方案涉及的光電轉換元件的概念圖。

圖2為表示實施方案的p型光吸收層、n型半導體層的傳導帶下端位置與開路電壓關系的圖。

圖3為表示實施方案的GaP、MgO、ZnO、ZnS、CdS、CuInTe₂、CuIn₃Te₅、CuInSe₂、CuGaSe₂的各帶位置圖。

具體實施方式

以下邊參照附圖邊對本發明的一優選實施方案詳細說明。

(光電轉換元件)