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光電変換素子及びその製造方法

国内特許コード P130009939
整理番号 23‐20/S2012-0451-N0
掲載日 2013年9月27日
出願番号 特願2012-037574
公開番号 特開2013-175507
登録番号 特許第5920818号
出願日 平成24年2月23日(2012.2.23)
公開日 平成25年9月5日(2013.9.5)
登録日 平成28年4月22日(2016.4.22)
発明者
  • 藤田 恭久
出願人
  • 国立大学法人島根大学
発明の名称 光電変換素子及びその製造方法
発明の概要 【課題】高い光電変換効率をもつ大面積の光電変換素子をZnOを用いて得る。
【解決手段】透明な基板11の上にZnO系透明導電膜12が形成され、その上にn型ZnO系薄膜13が順次形成されている。このn型ZnO系薄膜13の上に、微粒子層14が形成されている。微粒子層14は、微粒子141がn型ZnO系薄膜13上に塗布等の方法によって分散して配され、その後で焼成されることによって形成される。微粒子141には、少なくともZnO微粒子が含まれる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


可視光を電気エネルギーに変換する太陽電池の種類として、単結晶シリコン太陽電池、シリコン薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、有機太陽電池等が知られている。また、最近は、特に高効率である量子ドット型のものも知られている。こうした太陽電池においては、光電変換効率が高いことと、低コストで製造することができること、が共に要求されている。



ここで、低コストで製造することができることとは、大面積のものを低コストで製造できることを意味する。単結晶シリコン太陽電池や量子ドット型太陽電池においては高い光電変換効率が得られるものの、この点の実現が極めて困難である。シリコン薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、有機太陽電池等は、この点においては有利であるが、高い光電変換効率を得ることが原理的に困難である。このように、太陽電池における一般的な傾向として、エネルギー変換効率が高いことと低コストで製造できることはトレードオフの関係にある。



酸化亜鉛(ZnO)も、このような太陽電池の材料として知られている。ZnOは安価でありかつ人体に対する毒性が少ないという利点を有している。例えば、ZnOを使用した色素増感型太陽電池が知られているが、前記の通り、高い光電変換効率を得ることは困難である。また、導電性のZnOは太陽電池の透明電極として広く使用されているが、例えば非特許文献1に示されたように、pn接合を構成する半導体としてZnOを使用し、紫外光で発電をする高い光電変換効率をもった透明太陽電池も検討されている。ただし、ZnOの導電型制御はシリコン等と比べると非常に困難であり、一般的には、n型の形成は容易であるが、p型を形成することは非常に困難である。このため、ZnOのpn接合を形成することは容易ではなく、非特許文献1の構成においては、n型ZnO層と他のワイドギャップ半導体(CuAlO等)のp型層を積層した構成を使用している。

産業上の利用分野


本発明は、酸化亜鉛を用いた光電変換素子及びその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板上に、酸化亜鉛(ZnO)が含まれるn型層と、ZnOが含まれるp型層とが形成された構成を具備する光電変換素子であって、
前記p型層として、あるいは前記n型層と前記p型層の間に挿入された層として、
平均粒径が10~500nmの範囲でありZnOを主成分とするp型ZnO微粒子が少なくとも含まれる微粒子が結合されて構成され、光を吸収する微粒子層が形成されたことを特徴とする光電変換素子。

【請求項2】
前記微粒子層は前記p型層であり、前記p型ZnO微粒子は、窒素濃度1018~1020cm-3されたことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。

【請求項3】
前記微粒子層は、前記p型ZnO微粒子と、窒化ガリウム(GaN)又は酸化錫(SnO)を主成分とする微粒子が混合されて構成されたことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。

【請求項4】
前記微粒子層は、前記n型層と前記p型層の間に挿入された層であることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。

【請求項5】
前記微粒子層は、バインダーを介して前記微粒子が結合されて構成されたことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の光電変換素子。

【請求項6】
前記基板上に、導電層を介して、前記n型層と前記p型層とが形成されたことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の光電変換素子。

【請求項7】
前記基板及び前記導電層は前記微粒子層が吸収する光に対して透明であることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。

【請求項8】
基板上に、酸化亜鉛(ZnO)が含まれるn型層と、ZnOが含まれるp型層とが形成された構成を具備する光電変換素子の製造方法であって、
平均粒径が10~500nmの範囲でありZnOを主成分とするp型ZnO微粒子が少なくとも含まれる微粒子が混合された塗布液を塗布した後に焼成して、前記微粒子が焼結された微粒子層を、前記p型層として、あるいは前記n型層と前記p型層の間に挿入された層として形成する微粒子層形成工程、
を具備することを特徴とする光電変換素子の製造方法。

【請求項9】
前記微粒子層形成工程において、
前記塗布液に、窒化ガリウム(GaN)又は酸化錫(SnO)を主成分とする微粒子を混合してから前記塗布液を塗布することを特徴とする請求項に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項10】
前記微粒子層形成工程によって、前記微粒子層を前記n型層と前記p型層の間に挿入された層として形成することを特徴とする請求項に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項11】
前記微粒子層は前記p型層であり、前記p型ZnO微粒子は焼結後における窒素濃度が1018~1020cm-3されたことを特徴とする請求項に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項12】
減圧酸素雰囲気とされたチャンバー内において亜鉛材料をアーク放電によって蒸発させた状態から粒子化させることによって、前記p型ZnO微粒子を製造することを特徴とする請求項11に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項13】
前記基板上に、導電層及び前記n型層とをスパッタリング法によって順次形成する下地工程を具備し、
当該下地工程の後に、前記微粒子層形成工程によって前記p型層を前記n型層の上に形成することを特徴とする請求項11又は12に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項14】
前記微粒子層形成工程において、前記塗布液にはバインダーが混合されたことを特徴とする請求項から請求項13までのいずれか1項に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項15】
前記微粒子層形成工程において、焼成温度を300℃以下とすることを特徴とする請求項14に記載の光電変換素子の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2012037574thum.jpg
出願権利状態 登録
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