WO2024053603A1 - 太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽電池素子の製造方法 - Google Patents
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- One embodiment of the solar cell element includes a first electrode section, a photoelectric conversion section, and a first carrier transport section located between the first electrode section and the photoelectric conversion section.
- the first carrier transport section has a first surface in contact with the photoelectric conversion section and a second surface in contact with the first electrode section.
- the first level which is the energy level of the highest occupied orbit in the first interface region along the first surface
- the second level which is the energy level of the orbital.
- One embodiment of the solar cell element includes a first electrode section, a photoelectric conversion section, and a first carrier transport section located between the first electrode section and the photoelectric conversion section.
- the first carrier transport section has a first surface in contact with the photoelectric conversion section and a second surface in contact with the first electrode section.
- the carrier density in the first interface region along the first surface is higher than the carrier density in the second interface region along the second surface.
- One aspect of the solar cell module includes a first electrode section, a photoelectric conversion section, and a first carrier transport section located between the first electrode section and the photoelectric conversion section.
- the first carrier transport section has a first surface in contact with the photoelectric conversion section and a second surface in contact with the first electrode section.
- the first level which is the energy level of the highest occupied orbit in the first interface region along the first surface
- the second level which is the energy level of the orbital.
- One aspect of the method for manufacturing a solar cell element includes a first step of forming a photoelectric conversion section, a second step of forming a first carrier transport section on the photoelectric conversion section, and a second step of forming a first carrier transport section on the first carrier transport section. and a third step of forming one electrode section.
- the second step includes a second A step, a second B step, and a second C step.
- a first layer is formed on the photoelectric conversion section.
- the second B step a second layer is formed on the first layer.
- the second C step by heating the first layer and the second layer, the dopant contained in the first layer is diffused into the second layer, thereby removing the dopant from the first layer and the second layer.
- the first layer has a higher concentration of dopants than the second layer.
- the second layer has a lower concentration of dopants than the first layer or does not contain dopants.
- the second layer includes a semiconductor material constituting the first carrier transport section.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a first example of a cross-sectional configuration of a solar cell element according to a first embodiment.
- FIG. 2 shows a first example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the first embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing a second example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the first embodiment.
- FIG. 4 shows a second example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the first embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a first example of a cross-sectional configuration of a solar cell element according to a first embodiment.
- FIG. 2 shows a first example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion
- FIG. 5 is a diagram schematically showing a third example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the first embodiment.
- FIG. 6 shows a third example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the first embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing a fourth example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the first embodiment.
- FIG. 8 shows a fourth example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the first embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 6 shows a third example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the first embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 9 is a flowchart showing an example of the flow of the method for manufacturing a solar cell element according to the first embodiment.
- FIG. 10 is a diagram schematically showing an example of the cross-sectional configuration of the solar cell module according to the first embodiment.
- FIG. 11 is a diagram schematically showing a first example of a cross-sectional configuration of a solar cell element according to a second embodiment.
- FIG. 12 shows a first example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the second embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 13 is a flowchart showing an example of the flow of the method for manufacturing a solar cell element according to the second embodiment.
- FIG. 13 is a flowchart showing an example of the flow of the method for manufacturing a solar cell element according to the second embodiment.
- FIG. 14 is a diagram schematically showing a second example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the second embodiment.
- FIG. 15 shows a second example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the second embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 16 is a diagram schematically showing a third example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the second embodiment.
- FIG. 17 shows a third example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the second embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 15 shows a second example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the second embodiment. It is a band diagram.
- FIG. 16 is a diagram schematically showing a
- FIG. 18 is a diagram schematically showing a fourth example of the cross-sectional configuration of the solar cell element according to the second embodiment.
- FIG. 19 shows a fourth example of the relationship of energy levels between the first electrode section, the first carrier transport section, the photoelectric conversion section, and the second carrier transport section of the solar cell element according to the second embodiment. It is a band diagram.
- a solar cell having a structure in which a first electrode part, a first carrier transport part for transporting holes, a photoelectric conversion part, a second carrier transport part for transporting electrons, and a second electrode part are laminated in the order described above.
- the Fermi level and the highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level (hereinafter also referred to as HOMO level) in the first carrier transporting part are constant or constant in the thickness direction of the first carrier transporting part. Almost constant.
- energy barriers energy barriers
- VBM Value Band Maximum
- the Fermi level and HOMO level in the first carrier transport section are set to be lower than the Fermi level in the first electrode section and higher than the VBM level or HOMO level in the photoelectric conversion section.
- the photovoltaic force is determined by the Fermi level in the material of the second carrier transport section, assuming that the second carrier transport section, the photoelectric conversion section, the first carrier transport section, and the first electrode section are not connected. It is determined by the difference between the Fermi level and the material of the first carrier transport section. Therefore, in order to increase the photovoltaic force in the solar cell element, by lowering the Fermi level and HOMO level in the material of the first carrier transport part, the VBM level or HOMO level in the material of the photoelectric conversion part is lowered. It is possible to bring it closer to the level.
- the Fermi level and HOMO level of the material of the first carrier transporting part are lowered, the Fermi level and HOMO level of the material of the first carrier transporting part and the Fermi level of the material of the first electrode part are lowered.
- the difference becomes larger. This can increase the energy barrier at the interface between the first carrier transport section and the first electrode section in the solar cell element. As a result, power generation efficiency in the solar cell element may decrease.
- the Fermi level and HOMO level of the material of the first carrier transporting part are set to the first electrode part. It is possible to approach the Fermi level in the material. In this case, the difference between the Fermi level in the material of the second carrier transporting part and the Fermi level in the material of the first carrier transporting part can be small. For this reason, the photovoltaic force in the solar cell element may decrease.
- the Fermi level and HOMO level in the first carrier transporting section usually have a constant or substantially constant distribution in the thickness direction of the first carrier transporting section. Therefore, it has not been easy to simultaneously increase the photovoltaic force of the solar cell element and reduce energy loss due to the energy barrier at the interface between the first carrier transport section and the first electrode section. Therefore, there is room for improvement in solar cell elements and solar cell modules in terms of increasing power generation efficiency.
- the inventor of the present disclosure has created a technology that can improve the power generation efficiency of a solar cell element and a solar cell module.
- the normal direction of the first element surface F1 of the solar cell elements 10, 40 is the +Z direction.
- One direction along the first element surface F1 is defined as the +X direction.
- the +Y direction is a direction along the first element surface F1 and perpendicular to both the +X direction and the +Z direction.
- the solar cell element 10 mainly includes a surface (also referred to as a first element surface) F1 on which light enters, and a surface (second surface) located on the opposite side of the first element surface F1. (also referred to as element surface) F2.
- the first element surface F1 faces the +Z direction.
- the second element surface F2 faces the ⁇ Z direction.
- the +Z direction may be set in a direction toward the sun, which is at its mid-south point.
- the solar cell element 10 includes a first electrode section 106, a first carrier transport section 105, a photoelectric conversion section 104, a second carrier transport section 103, a second electrode section 102, A substrate section 101 is provided.
- a second electrode section 102, a second carrier transport section 103, a photoelectric conversion section 104, a first carrier transport section 105, and a first electrode section 106 are provided on the substrate section 101. They are located in a stacked state in the order of this description. Therefore, the first carrier transport section 105 is located between the first electrode section 106 and the photoelectric conversion section 104.
- an antireflection film may be located on the surface of the solar cell element 10.
- an insulating film made of silicon nitride or the like is applied to the antireflection film.
- a passivation film may be located between the solar cell element 10 and the antireflection film.
- a thin film made of an oxide such as aluminum oxide or a nitride is used as the passivation film.
- the substrate portion 101 is, for example, an insulating substrate having light-transmitting properties. This substrate portion 101 has, for example, transparency for light in a specific wavelength range.
- the specific wavelength range includes, for example, a wavelength range of light that can be absorbed by the photoelectric conversion unit 104 to cause photoelectric conversion.
- the specific wavelength range may include, for example, a wavelength range of visible light from about 400 nanometers (nm) to 700 nm and a wavelength range of infrared light from about 700 nm to 1200 nm.
- light irradiated onto the first element surface F1 can be transmitted through the substrate section 101 toward the photoelectric conversion section 104.
- the specific wavelength range includes wavelengths of light with high irradiation intensity that constitute sunlight, the power generation efficiency of the solar cell element 10 can be improved.
- the material of the substrate portion 101 for example, glass, acrylic, polycarbonate, or the like is applied.
- the shape of the substrate portion 101 may be, for example, a flat plate, a sheet, or a film.
- the thickness of the substrate portion 101 is, for example, approximately 0.01 millimeter (mm) to 5 mm.
- Second electrode section 102 is located on the substrate section 101.
- the second electrode section 102 is located on the second element surface F2 side of the substrate section 101. In other words, the second electrode section 102 is located on the -Z direction side of the substrate section 101.
- the second electrode section 102 can collect carriers generated by photoelectric conversion in response to irradiation of light onto a photoelectric conversion section 104, which will be described later.
- the second electrode section 102 can serve, for example, as an electrode (also referred to as a negative electrode) that collects electrons as carriers.
- the second electrode section 102 may be formed on the substrate section 101 by, for example, a vacuum process such as sputtering.
- TCO transparent conductive oxide
- ITO indium tin oxide
- AZO aluminum-doped zinc oxide
- BZO boron-doped zinc oxide
- BZO gallium-doped zinc oxide
- Gallium-doped Zinc Oxide GZO
- Fluorine-doped Tin Oxide FTO
- Antimony-doped Tin Oxide ATO
- Titanium-doped Indium Oxide T
- Indium Zinc Oxide IZO
- Indium Gallium Zinc Oxide IGZO
- Tantalum-doped tin oxide SnO 2 :Ta
- Niobium-doped tin oxide SnO 2 :Nb
- Oxides such as tungsten-doped tin oxide (SnO 2 :W), molybdenum-doped tin oxide (SnO 2 :Mo), fluorine-doped tin oxide (SnO 2 :F), or hydrogen-doped indium oxide (IOH) May contain things.
- the second electrode section 102 may be made of a transparent conductive oxide film.
- the transparent conductive oxide film may be a laminated film having a plurality of films.
- the above oxide film may be applied to each of the plurality of films.
- a film of an oxide containing a dopant, such as tin oxide may be applied to the plurality of films.
- this dopant examples include indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), titanium (Ti), copper (Cu), antimony (Sb), niobium (Nb), fluorine (F), tantalum (Ta), One or more elements selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), bromine (Br), iodine (I), chlorine (Cl), etc. may be employed.
- Second carrier transport section 103 The second carrier transport section 103 is located above the second electrode section 102.
- the second carrier transport section 103 is located on the second element surface F2 side of the second electrode section 102. In other words, the second carrier transport section 103 is located on the -Z direction side of the second electrode section 102.
- a semiconductor made of an inorganic material (also referred to as an inorganic semiconductor) having a higher electrical resistance than the second electrode part 102 may be applied to the second carrier transporting part 103. This makes electrical contact between the second electrode section 102 and the photoelectric conversion section 104 less likely to occur.
- the second carrier transport section 103 has a function as, for example, a so-called hole blocking layer and an electron transport layer (ETL).
- the electron transport layer can collect and output electrons, for example.
- a metal oxide that is transparent to light in a specific wavelength range is used.
- the metal oxide for example, titanium dioxide (TiO 2 ), tin dioxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), or indium oxide (In 2 O 3 ) is applied.
- an n-type dopant may be added to this metal oxide.
- the metal oxide is ZnO, aluminum (Al), boron (B), or the like may be used as the n-type dopant.
- the thickness of the second electrode portion 102 may be, for example, approximately 10 nm to 50 nm.
- the second carrier transport unit 103 applies, for example, a raw material solution prepared by dissolving a raw material such as a metal chloride or a metal isopropoxide in a polar solution onto the second electrode unit 102, and hydrolyzes the raw material. It may be formed on the second electrode part 102 by generating a metal oxide.
- the metal chloride includes, for example, titanium chloride, tin chloride, zinc chloride, or indium chloride.
- Metal isopropoxides include, for example, titanium isopropoxide, tin isopropoxide, zinc isopropoxide, or indium isopropoxide.
- Photoelectric conversion unit 104 The photoelectric conversion section 104 is located above the second carrier transport section 103.
- the photoelectric conversion section 104 is located on the second element surface F2 side of the second carrier transport section 103. In other words, the photoelectric conversion section 104 is located on the -Z direction side of the second carrier transport section 103.
- This photoelectric conversion section 104 can absorb the light that has passed through the substrate section 101, the second electrode section 102, and the second carrier transport section 103.
- an intrinsic semiconductor also referred to as an i-type semiconductor
- a semiconductor having a perovskite structure also referred to as a perovskite semiconductor
- a perovskite semiconductor may be applied to the i-type semiconductor.
- Perovskite semiconductors can include, for example, halide-based organic-inorganic perovskite semiconductors.
- a halide-based organic-inorganic perovskite semiconductor is a semiconductor having a perovskite structure with a composition of ABX3 .
- a of ABX 3 above includes, for example, methylammonium (CH 3 NH 3 ), formamidinium (CH(NH 2 ) 2 ), cesium (Cs), rubidium (Rb), and potassium (K).
- One or more of these ions are applied.
- B in ABX 3 for example, one or more ions of lead (Pb) and tin (Sn) are applied.
- a semiconductor having a perovskite structure with a composition of ABX 3 is composed of an organic perovskite such as CH 3 NH 3 PbI 3 or (CH(NH 2 ) 2 ,Cs)Pb(I,Br) 3 . It's okay.
- the organic perovskite can be formed, for example, by applying the first raw material liquid onto the second carrier transporting portion 103 and then drying the applied first raw material liquid.
- the organic perovskite may be a thin film with crystallinity.
- the first raw material liquid can be produced, for example, by dissolving the raw materials, halogenated alkylamine and lead halide, in a solvent.
- the thickness of the photoelectric conversion section 104 may be, for example, about 100 nm to 2000 nm.
- VBM level the VBM energy level in the photoelectric conversion unit 104 will be referred to as a third level EL3.
- First carrier transport section 105 The first carrier transport section 105 is located above the photoelectric conversion section 104.
- the first carrier transport section 105 is located on the second element surface F2 side of the photoelectric conversion section 104. In other words, the first carrier transport section 105 is located on the -Z direction side of the photoelectric conversion section 104.
- a semiconductor having a p-type conductivity type may be applied to the first carrier transport section 105, for example.
- the first carrier transport section 105 has a function as, for example, a so-called electron blocking layer and a hole transport layer (HOLE Transport Layer: HTL).
- HTL can collect and output holes, for example.
- Examples of the material for the first carrier transport portion 105 include soluble diamine derivative [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-P-methoxyphenylamino)-9,9'- spirobifluorene] (2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene: spiro-OMeTAD), etc. may be applied.
- the first carrier transport portion 105 may be formed, for example, by applying the second raw material liquid onto the perovskite semiconductor layer serving as the photoelectric conversion portion 104 and then drying the second raw material liquid after being applied.
- the thickness of the carrier transport layer may be, for example, about 50 nm to 200 nm.
- first carrier transport section 105 examples include, for example, poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-triphenylmethyl)amine] (Poly[bis(4-phenyl)(2,4, 6-trimethylphenyl)amine]:PTAA), poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), or poly(3,4-ethylenedioxy thiophene)/poly(4-styrene sulfonate) (PEDOT/PSS), etc. may be applied.
- poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-triphenylmethyl)amine] Poly[bis(4-phenyl)(2,4, 6-trimethylphenyl)amine]:PTAA
- P3HT poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)
- P3HT poly(3,4-ethylenedioxy thiophene)/poly(4-styrene sulfonate)
- the first carrier transport section 105 has a surface (also referred to as a first surface) CF1 that is in contact with the photoelectric conversion section 104 and a surface (also referred to as a second surface) CF2 that is in contact with the first electrode section 106.
- the energy level (HOMO level) of the highest occupied orbital in the region (also referred to as first interface region) Ab1 along the first surface CF1 of the first carrier transporting portion 105 is referred to as the first level EL1. to be called.
- the energy level (HOMO level) of the highest occupied orbital in the region (also referred to as second interface region) Ab2 of the first carrier transport portion 105 along the second surface CF2 is referred to as a second level EL2. .
- the first interface region Ab1 may be a region forming the first surface CF1 along the first surface CF1 of the first carrier transport section 105.
- This first interface region Ab1 may have a predetermined thickness along the -Z direction, which is the first direction from the first surface CF1 to the second surface CF2.
- This predetermined thickness may be determined, for example, based on the spatial resolution of a device that measures the HOMO level.
- this predetermined thickness is determined by the etching rate when the device for measuring the HOMO level measures the HOMO level in the depth direction of the sample to be measured while performing a predetermined etching on the surface of the sample to be measured. It may be determined based on the error in the etching operation or the time resolution of the etching operation.
- the predetermined thickness may be, for example, 5 nm, 3 nm, 1 nm, 0.5 nm, 0.3 nm, or 0.1 nm.
- the second interface region Ab2 may be a region forming the second surface CF2 along the second surface CF2 of the first carrier transport section 105.
- This second interface region Ab2 may have a predetermined thickness along the +Z direction, which is the second direction opposite to the first direction.
- This predetermined thickness may be determined, for example, based on the spatial resolution of a device that measures the HOMO level.
- this predetermined thickness is determined by the etching rate when the device for measuring the HOMO level measures the HOMO level in the depth direction of the sample to be measured while performing a predetermined etching on the surface of the sample to be measured. It may be determined based on the error in the etching operation or the time resolution of the etching operation.
- the predetermined thickness may be, for example, 5 nm, 3 nm, 1 nm, 0.5 nm, 0.3 nm, or 0.1 nm.
- First electrode section 106 The first electrode section 106 is located above the first carrier transport section 105. The first electrode section 106 is located on the second element surface F2 side of the first carrier transport section 105. In other words, the first electrode section 106 is located on the -Z direction side of the first carrier transport section 105.
- This first electrode section 106 can collect carriers generated by photoelectric conversion in response to irradiation of light to the photoelectric conversion section 104.
- a metal with excellent conductivity such as gold (Au), or TCO is applied.
- TCO includes, for example, ITO, FTO, or ZnO.
- a layered electrode also referred to as a first electrode layer
- the thickness of the first electrode portion 106 is, for example, about 10 nm to 1000 nm.
- the first electrode section 106 may be formed on the first carrier transport section 105 by, for example, a vacuum process such as sputtering.
- the first electrode section 106 when TCO is applied to the material of the first electrode section 106, the first electrode section 106 has translucency to light in a specific wavelength range. At this time, for example, the light irradiated onto the second element surface F2 may pass through the first electrode section 106 and reach the photoelectric conversion section 104. Thereby, both surfaces of the solar cell element 10 including not only the first element surface F1 but also the second element surface F2 can serve as light-receiving surfaces.
- the Fermi level in the first electrode section 106 will be referred to as a fourth level EL4.
- a wiring 20 such as a lead wire may be electrically connected to each of the first electrode section 106 and the second electrode section 102.
- the first wiring 20a may be electrically connected to the first electrode section 106
- the second wiring 20b may be connected to the second electrode section 102.
- Each wiring 20 may be connected to each of the first electrode section 106 and the second electrode section 102 by soldering or the like, for example.
- the output obtained by photoelectric conversion can be taken out by the first wiring 20a and the second wiring 20b.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 2, for example.
- the horizontal axis indicates the position in the ⁇ Z direction
- the vertical axis indicates the energy level.
- the energy level of the forbidden band B103 in the second carrier transport section 103, the energy level of the forbidden band B104 in the photoelectric conversion section 104, and the energy level of the forbidden band B104 in the first carrier transport section The energy level of the forbidden band B105 at 105 and the Fermi level at the first electrode 106 are shown in the order of description.
- the first level EL1 which is the HOMO level in the first interface region Ab1 along the first surface CF1, which is the surface in contact with the photoelectric conversion section 104
- the first level EL1 which is the HOMO level, on the surface in contact with the first electrode section 106. is different from the second level EL2 which is the HOMO level in the second interface region Ab2 along the second surface CF2.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 is approximately constant in the thickness direction.
- the second carrier transport section 103, the photoelectric conversion section 104, the first carrier transport section 105, and the first electrode section 106 are not bonded.
- the HOMO level in the material of the first carrier transport section 105 approaches the VBM level in the material of the photoelectric conversion section 104
- the HOMO level in the material of the first carrier transport section 105 and the material of the first electrode section 106 are The difference from the Fermi level can become large.
- the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 may increase.
- the second carrier transport section 103, the photoelectric conversion section 104, and the first carrier transport section 105 are connected to each other. Assuming that the first carrier transporting part 106 is not bonded to the first carrier transporting part 106, if the HOMO level of the material of the first carrier transporting part 105 approaches the Fermi level of the first electrode part 106, the first carrier transporting part The difference between the HOMO level in the material of the second carrier transport section 105 and the Fermi level in the material of the second carrier transport section 103 can be reduced. In other words, the difference between the Fermi level in the material of the first carrier transport section 105 and the Fermi level in the material of the second carrier transport section 103 can be reduced. Thereby, the photovoltaic force of the solar cell element 10 may decrease.
- the first level EL1 and the second level EL2 are different.
- the second level EL2 can be changed without changing the first level EL1.
- the first level EL1 can be changed without changing the second level EL2.
- the first level EL1 is set to be the VBM level of the photoelectric conversion part 104. It can be brought close to the third level EL3.
- the second level EL2 is brought close to the fourth level EL2 which is the Fermi level of the first electrode section 106. It can be brought close to the level EL4.
- the photovoltaic force can be increased without increasing the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106.
- the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be lowered without reducing the photovoltaic force.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 can be measured using, for example, ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS).
- UPS ultraviolet photoelectron spectroscopy
- the VBM level in the photoelectric conversion unit 104 can also be measured using a UPS or the like, for example, like the HOMO level.
- the VBM level can be estimated from the position where the spectrum of the detected photoelectrons rises.
- the VBM level can be specified.
- the HOMO level and VBM level of each part may be measured by other measurement methods such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
- XPS X-ray photoelectron spectroscopy
- the distribution of HOMO levels in the depth direction of the sample can be measured by etching the surface of the sample with a gas cluster ion beam (GCIB) and performing measurement using UPS or XPS. obtain.
- GCIB gas cluster ion beam
- the Fermi level in the first electrode section 106 can be measured using, for example, a UPS.
- UPS the Fermi level can be estimated from the position where the spectrum of detected photoelectrons rises. This allows the Fermi level to be identified.
- the Fermi level in the first electrode section 106 may be measured by other measurement methods such as, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
- two energy levels being different means that the absolute value of the difference between the two energy levels is greater than or equal to a predetermined value.
- the absolute value of the difference between two energy levels is smaller than a predetermined value, it may be considered that the two energy levels are equal.
- the absolute value of the difference between two energy levels is smaller than a predetermined value, it may be considered that the two energy levels are substantially the same. It may be said that two energy levels are substantially the same as having the same meaning as two energy levels being substantially the same.
- the predetermined value may be determined, for example, based on a measurement error of a measurement device that measures energy levels, such as UPS or XPS.
- 0.1 eV electron volt
- two energy levels being substantially the same may mean, for example, that the absolute value of the difference between the two energy levels is less than a predetermined value of 0.1 eV.
- the HOMO level of the first carrier transport section 105 can be changed by changing the concentration of the dopant.
- the HOMO level of the first carrier transport section 105 can be changed by changing the carrier density.
- the carrier density of the first carrier transport section 105 may be changed by changing the concentration of the dopant in the first carrier transport section 105.
- the concentration of the dopant in the first carrier transport portion 105 may change, for example, in such a manner that the concentration of the dopant decreases from the first surface CF1 toward the second surface CF2.
- the concentration of the dopant in the first carrier transport section 105 is, for example, from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab2 along the second surface CF2. may vary in the form of decreasing concentrations of .
- the concentration of the dopant may be expressed, for example, in the number of atoms of the dopant per unit volume or the number of moles (mol) of the dopant per unit volume.
- the concentration of the dopant in the first carrier transport section 105 changes, for example, from the first surface CF1 to the second surface CF2. This can be achieved by spreading. Changes in the concentration of the dopant in the first carrier transport section 105 may be controlled, for example, by selecting the material of the dopant, or when forming the first carrier transport section 105, the dopant is added in a layer of a semiconductor material. It may be controlled by the conditions for diffusion. In other words, for example, the change in the concentration of the dopant in the first carrier transport section 105 can be controlled by the conditions for forming the first carrier transport section 105.
- the first level EL1 is smaller than the second level EL2.
- the third level EL3 of the photoelectric conversion section 104 is smaller than the fourth level EL4 of the first electrode section 106. Therefore, by making the first level EL1 of the first carrier transport section 105 smaller than the second level EL2, the difference between the first level EL1 and the third level EL3 is reduced, and the second level EL1 is made smaller than the second level EL2. The difference between the level EL2 and the fourth level EL4 can be reduced.
- the first level EL1 of the first carrier transport section 105 is made smaller than the second level EL2.
- the difference between the level EL1 and the third level EL3 can be reduced.
- the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be reduced while increasing the photovoltaic force in the solar cell element 10.
- the photovoltaic force in the solar cell element 10 can be increased while reducing the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106.
- the power generation efficiency in the solar cell element 10 can be improved.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 is set along the first direction from the first surface CF1 to the second surface CF2. It may be increasing. In other words, in the first carrier transport section 105, for example, the HOMO level is shifted from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab1 along the second surface CF2 along the first direction. It may increase towards Ab2.
- the HOMO level of the first carrier transport section 105 may increase continuously or discretely.
- the HOMO level of the first carrier transporting section 105 monotonically increases along the first direction. It's okay.
- the rate of change of the HOMO level in the first direction may or may not be constant.
- the rate of change in the HOMO level in the first direction may be a value obtained by dividing the amount of change in the HOMO level with respect to the amount of change in position in the first direction by the amount of change in position in the first direction.
- the HOMO level of the first carrier transporting section 105 when the distribution of the HOMO level of the first carrier transporting section 105 along the first direction is expressed in a graph, the HOMO level of the first carrier transporting section 105 is shown stepwise along the first direction. It may be increasing. If the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the first direction, the shape of the graph showing the distribution of the HOMO level in the first direction of the first carrier transport section 105 changes from the first surface CF1 to the first surface CF1. The shape does not become concave in the direction in which the energy level becomes higher on the way to the second plane CF2.
- the shape of the graph showing the distribution of HOMO levels in the first direction of the first carrier transport section 105 has a concave portion in the direction where the energy level becomes higher, the movement of carriers in this concave portion would be This may cause the power generation efficiency of the solar cell element 10 to decrease.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the first direction, holes, which are carriers, can move easily within the first carrier transport section 105. Thereby, a decrease in power generation efficiency in the solar cell element 10 can be reduced.
- the first level EL1 may be substantially the same as the third level EL3, for example. That is, the absolute value of the difference between the first level EL1 and the third level EL3 may be less than or equal to a predetermined value. As described above, this predetermined value may be determined, for example, based on the measurement error of a measurement device that measures energy levels, such as UPS or XPS. In this case, for example, 0.1 eV may be used as the predetermined value. If the first level EL1 and the third level EL3 are substantially the same, the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the photoelectric conversion section 104 can be reduced.
- the first level EL1 may be larger than the third level EL3 and substantially the same as the third level EL3. good.
- the first level EL1 is larger than the third level EL3. Therefore, holes, which are carriers, easily move from the photoelectric conversion section 104 to the first carrier transport section 105. This is because electrons with a negative charge tend to move toward a lower energy level, whereas holes with a positive charge, which is the opposite of the negative charge, move toward a higher energy level. This is because there is a tendency to
- the second level EL2 may be substantially the same as the fourth level EL4, for example. That is, the absolute value of the difference between the second level EL2 and the fourth level EL4 may be less than or equal to a predetermined value. As described above, this predetermined value may be determined, for example, based on the measurement error of a measurement device that measures energy levels, such as UPS or XPS. In this case, for example, 0.1 eV may be used as the predetermined value. If the second level EL2 and the fourth level EL4 are substantially the same, the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be reduced.
- the second level EL2 may be smaller than the fourth level EL4 and substantially the same as the fourth level EL4. good.
- the fourth level EL4 is larger than the second level EL2. Therefore, holes, which are carriers, easily move from the first carrier transport section 105 to the first electrode section 106. This is because electrons with a negative charge tend to move toward a lower energy level, whereas holes with a positive charge, which is the opposite of the negative charge, move toward a higher energy level. This is because there is a tendency to
- the area 1051 may also be included.
- the first region 1051 has a first predetermined thickness from the first surface CF1 along the ⁇ Z direction as the first direction.
- the first area 1051 is an area forming the first surface CF1.
- the first region 1051 is in contact with the photoelectric conversion unit 104 on the first surface CF1.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 4, for example.
- the energy band diagram of FIG. 4 is based on the energy band diagram of FIG.
- the energy level of the forbidden band B1051, the energy level of the forbidden band B1053 of the third region 1053, which will be described later, and the energy level of the forbidden band B1052 of the second region 1052, which will be described later, are the energies shown in the order of description. It is a band diagram.
- the HOMO level in the first region 1051 may be substantially the same as the third level EL3.
- the HOMO level is approximately the same as the third level EL3 by the first predetermined thickness along the first direction from the first surface CF1. good.
- the HOMO level in the first region 1051 can be said to be approximately the same as the third level EL3 along the -Z direction as the first direction.
- the first carrier transport section 105 has the first region 1051, even if the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the -Z direction as the first direction, Compared to the case where one region 1051 is not provided, the amount of decrease in the photovoltaic force of the solar cell element 10 may be smaller.
- the photovoltaic force of the solar cell element 10 is determined in proportion to the difference between the Fermi level of the material of the first carrier transporting section 105 and the Fermi level of the material of the second carrier transporting section 103.
- the The Fermi level in the material of the first carrier transporting section 105 is, for example, approximate to the average value of the Fermi level in the region of the first carrier transporting section 105 that is in contact with the photoelectric conversion section 104 (also referred to as the first contact region). It's fine.
- the thickness of the first contact region along the ⁇ Z direction as the first direction may be, for example, 1 nm or more and less than 100 nm. Therefore, for example, in the first contact region, if the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the -Z direction as the first direction, the Fermi level in the first carrier transport section 105 increases. Also, like the HOMO level, it can increase along the ⁇ Z direction as the first direction. As a result, the average value of the Fermi level in the region of the first carrier transport section 105 that is in contact with the photoelectric conversion section 104 (first contact region) can increase.
- the first carrier transport section 105 when it is assumed that the second carrier transport section 103, the photoelectric conversion section 104, the first carrier transport section 105, and the first electrode section 106 are not connected, the first The difference between the Fermi level in the first carrier transport section 105 and the Fermi level in the second carrier transport section 103 can be reduced. For this reason, the photovoltaic force of the solar cell element 10 may become small.
- the region of the first carrier transport section 105 that is in contact with the photoelectric conversion section 104 (first contact region)
- the average value of the Fermi level can be approximately the same as the third level EL3.
- the first carrier that contributes to the determination of photovoltaic force assuming a state in which the second carrier transport section 103, the photoelectric conversion section 104, the first carrier transport section 105, and the first electrode section 106 are not joined.
- the amount by which the difference between the Fermi level in the transport section 105 and the Fermi level in the second carrier transport section 103 decreases can be reduced. Therefore, the amount of decrease in the photovoltaic force of the solar cell element 10 can be reduced.
- the first predetermined thickness may be, for example, 10 nm or more. In this way, if the first predetermined thickness does not become too small, the average value of the Fermi level in the region of the first carrier transporting section 105 that is in contact with the photoelectric conversion section 104 (first contact region) It can be substantially the same as the third level EL3. Further, the first predetermined thickness may be, for example, 100 nm or less. In this way, as long as the first predetermined thickness does not become too large, when the first carrier transport section 105 has a second region 1052 described later, the thickness of the second region 1052 will not become too small and the first An increase in the energy barrier between the carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be reduced.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 may also include area 1052.
- the second region 1052 has a second predetermined thickness from the second surface CF2 along the +Z direction, which is the second direction opposite to the first direction.
- the second region 1052 is a region forming the second surface CF2.
- the second region 1052 is in contact with the first electrode section 106 on the second surface CF2.
- the HOMO level in the second region 1052 may be approximately the same as the fourth level EL4.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 is approximately the same as the fourth level EL4 by the second predetermined thickness along the second direction from the second surface CF2. good.
- the HOMO level in the second region 1052 can be said to be approximately the same as the fourth level EL4 along the +Z direction as the second direction.
- the first carrier transport section 105 has the second region 1052, even if the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the -Z direction as the first direction, the first carrier transport section 105 has the second region 1052.
- the size of the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be smaller than when the two regions 1052 are not provided.
- the magnitude of the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 is as follows: It is determined according to the difference between the HOMO level in the material of the first carrier transporting part 105 and the Fermi level in the material of the first electrode part 106, assuming that the first carrier transporting part 105 is not bonded to the part 106.
- the HOMO level in the material of the first carrier transporting part 105 which contributes to determining the size of the energy barrier between the first carrier transporting part 106 and the first carrier transporting part 106, is, for example, the region of the first carrier transporting part 105 that is in contact with the first electrode part 106. (also referred to as the second contact region) may be approximated to the average value of the HOMO level.
- the thickness of the second contact region along the +Z direction as the second direction may be, for example, 1 nm or more and less than 100 nm. Therefore, for example, in the second contact region, when the HOMO level in the first carrier transporting section 105 increases along the -Z direction as the first direction, the HOMO level of the first carrier transporting section 105 increases. The average value of can decrease. As a result, in the case where it is assumed that the second carrier transport section 103, the photoelectric conversion section 104, the first carrier transport section 105, and the first electrode section 106 are not bonded, The difference between the HOMO level in the region in contact with the first electrode section 106 (second contact region) and the Fermi level in the first electrode section 106 may become large. For this reason, the first The size of the energy barrier between the carrier transport section 105 and the first electrode section 106 may become large.
- the region of the first carrier transport section 105 that is in contact with the first electrode section 106 (second contact region)
- the average value of the HOMO level at can be approximately the same as the fourth level EL4.
- the relationship between the first carrier transport portions 105 and the first electrode portions 106 is The amount by which the difference between the HOMO level in the first carrier transport section 105 and the Fermi level in the first electrode section 106 increases, which contributes to determining the size of the energy barrier between the two, can be reduced. Therefore, in the solar cell element 10, the size of the energy barrier between the first carrier transport section 105 and the first electrode section 106 can be reduced.
- the second predetermined thickness may be, for example, 10 nm or more. In this way, if the second predetermined thickness does not become too small, the average value of the HOMO level in the region of the first carrier transporting section 105 that is in contact with the first electrode section 106 (second contact region) will be the fourth It can be approximately the same as the level EL4. Further, the second predetermined thickness may be, for example, 100 nm or less. In this way, if the second predetermined thickness does not become too large, when the first carrier transport section 105 has the first region 1051 described above, the thickness of the first region 1051 will not become too small and the solar cell The amount by which the photovoltaic force of the element 10 decreases can be reduced.
- the first carrier transport section 105 is located between the first region 1051 and the second region 1052, for example, as shown in FIG. It may also include a third region 1053.
- the HOMO level in the third region 1053 may increase along the -Z direction as the first direction.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 may increase continuously or discretely. For example, when the distribution of the HOMO level of the first carrier transporting section 105 along the first direction is expressed in a graph, the HOMO level of the first carrier transporting section 105 monotonically increases along the first direction. It's okay.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases in a stepwise manner along the first direction. You can leave it there. If the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases along the first direction, the shape of the graph showing the distribution of the HOMO level in the first direction of the first carrier transport section 105 changes from the first region 1051 side. The shape does not become concave in the direction in which the energy level becomes higher on the way toward the second region 1052 side.
- the shape of the graph showing the distribution of HOMO levels in the first direction of the first carrier transport section 105 has a concave portion in the direction where the energy level becomes higher, the movement of carriers in this concave portion would be This may cause the conversion efficiency of the solar cell element 10 to decrease.
- the HOMO level in the third region 1053 of the first carrier transport section 105 increases along the first direction, holes, which are carriers, move within the first carrier transport section 105. It becomes easier. Thereby, a decrease in conversion efficiency in the solar cell element 10 can be reduced.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment for example, as shown in FIG. It is not necessary to have the second region 1052 located between.
- the first carrier transport section 105 may include the third region 1053 located between the first region 1051 and the first electrode section 106.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 6, for example.
- the energy band diagram of FIG. 6 is based on the energy band diagram of FIG. 4, with the energy level of the forbidden band B1052 of the second region 1052 deleted.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment for example, as shown in FIG. It is not necessary to have the first region 1051 located in between.
- the first carrier transport section 105 may include the third region 1053 located between the second region 1052 and the photoelectric conversion section 104.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 10 according to the first embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 8, for example.
- the energy band diagram of FIG. 8 is based on the energy band diagram of FIG. 4, with the energy level of the forbidden band B1051 of the first region 1051 deleted.
- the explanation so far has been made using the HOMO level in the first carrier transport section 105, the explanation is not limited thereto.
- the fact that the HOMO level in the first carrier transport section 105 is relatively small may be translated into the fact that the carrier density in the first carrier transport section 105 is relatively high.
- the fact that the HOMO level in the first carrier transport section 105 is relatively high may be translated into the fact that the carrier density in the first carrier transport section 105 is relatively low.
- the difference between the first level EL1 and the second level EL2 in the first carrier transport section 105 means that the carrier density in the first interface region Ab1 along the first surface CF1 in the first carrier transport section 105 is This can also be expressed as a difference in the carrier density in the second interface region Ab2 along the second plane CF2.
- the fact that the first level EL1 in the first carrier transport section 105 is smaller than the second level EL2 means that the carrier density in the first interface region Ab1 along the first surface CF1 in the first carrier transport section 105 is lower than the second level EL2. This may be rephrased as being larger than the carrier density in the second interface region Ab2 along the second surface CF2.
- the fact that the HOMO level of the first carrier transport section 105 increases along the first direction can be translated into the fact that the carrier density of the first carrier transport section 105 decreases along the first direction. Good too. Further, the fact that the HOMO level of the first carrier transporting section 105 increases from the first interface region Ab1 to the second interface region Ab2 along the first direction means that the carrier density of the first carrier transporting section 105 increases. This may be rephrased as a decrease from the first interface area Ab1 to the second interface area Ab2 along the first direction.
- step S3 corresponds to the first step of the present disclosure
- step S4 corresponds to the second step of the present disclosure
- step S5 corresponds to the third step of the present disclosure.
- the second electrode section 102 is formed on the substrate section 101.
- the second electrode part 102 can be formed on the substrate part 101 by depositing the material of the second electrode part 102 on the substrate part 101, for example, by a vacuum process such as sputtering.
- As the material of the second electrode part 102 for example, TCO such as ITO, FTO, or ZnO is applied.
- the second electrode section 102 may be made of a metal with excellent conductivity, such as Au, for example.
- the second carrier transport section 103 is formed on the second electrode section 102.
- the material of the second carrier transport section 103 is, for example, a metal oxide such as TiO 2 , SnO 2 , ZnO, or In 2 O 3 .
- a raw material solution prepared by dissolving raw materials such as metal chlorides or metal isopropoxides in a polar solution is applied onto the second electrode part 102, and the raw materials are hydrolyzed to generate metal oxides.
- the second carrier transport section 103 may be formed on the second electrode section 102.
- Metal chlorides include, for example, titanium chloride, tin chloride, zinc chloride or indium chloride.
- Metal isopropoxides include, for example, titanium isopropoxide, tin isopropoxide, zinc isopropoxide, or indium isopropoxide.
- a titanium tetrachloride aqueous solution is applied onto the second electrode portion 102 by spin coating or the like and dried. Thereafter, for example, the titanium tetrachloride is hydrolyzed by heating at about 150° C. on a hot plate, thereby forming the second carrier transporting portion 103 of TiO 2 on the second electrode portion 102 .
- an n-type dopant may be added to the metal oxide.
- the metal oxide is ZnO
- an element such as Al or B may be applied as the n-type dopant. In this case, an n-type dopant may be added to the raw material liquid.
- an organic material may be applied to the material of the second carrier transport section 103.
- a fullerene derivative such as PCBM ([6,6]-Phenyl-C 61 -Butyric Acid Methyl Ester) may be applied to this organic material.
- a raw material solution prepared by dissolving a fullerene derivative in a chlorobenzene solvent may be used.
- 1 milliliter (1 ml) of the raw material liquid may contain, for example, about 5 milligrams (mg) to 20 mg of the fullerene derivative.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of the fullerene derivative is about 5 milligrams per milliliter (mg/ml) to 20 mg/ml.
- the second carrier transport section 103 of PCBM may be formed on the second electrode section 102 by drying and annealing the raw material liquid applied on the second electrode section 102.
- the organic material used as the material of the second carrier transport section 103 for example, the functional groups may be changed to change the solubility in the organic solvent and the physical properties. Also in this case, for example, an n-type dopant may be added to the organic material.
- the photoelectric conversion section 104 is formed on the second carrier transport section 103.
- the photoelectric conversion section 104 is formed.
- the photoelectric conversion unit 104 can be formed, for example, by applying a raw material liquid onto the second carrier transporting unit 103 and annealing the applied raw material liquid.
- the raw material liquid can be generated, for example, by dissolving a halogenated alkylamine and lead halide or tin halide, which are raw materials of the photoelectric conversion unit 104, in a solvent.
- the photoelectric conversion section 104 may be formed of a thin film of a halogenated perovskite semiconductor having crystallinity.
- step S4 the first carrier transport section 105 is formed on the photoelectric conversion section 104.
- the first carrier transport section 105 can be formed on the photoelectric conversion section 104 by performing the processes of step S4a, step S4b, and step S4c in the order described.
- step S4a corresponds to the second A step of the present disclosure
- step S4b corresponds to the second B step of the present disclosure
- step S4c corresponds to the second C step of the present disclosure.
- step S4a a first layer is formed on the photoelectric conversion section 104.
- step S4b a second layer is formed on the first layer.
- step S4c the first carrier transporting portion 105 is generated from the first layer and the second layer by heating the first layer and the second layer to diffuse the dopant contained in the first layer into the second layer. do.
- the first layer has a higher concentration of dopants than the second layer.
- the second layer has a lower concentration of dopant than the first layer or contains no dopant.
- the second layer includes a semiconductor material that constitutes the first carrier transport section 105 .
- the dopant may be a p-type dopant for making the semiconductor a p-type semiconductor.
- the first layer may be a layer containing a material or an element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105.
- the first layer may contain a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105, or may not contain a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105. It's okay.
- the second layer is a layer containing a semiconductor material for configuring the semiconductor of the first carrier transporting section 105, and may contain a material or an element that becomes a dopant in the first carrier transporting section 105. 1 carrier transporting portion 105 does not need to contain a material or element that becomes a dopant.
- a dopant layer as the first layer is formed on the photoelectric conversion section 104.
- the dopant layer may be a layer that does not contain a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105 but contains a material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105.
- a dopant layer can be formed on the photoelectric conversion part 104 by applying a raw material liquid onto the photoelectric conversion part 104 and drying or annealing the raw material liquid.
- LiTFSI lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
- TBP 4-tert-butylpyridine
- LiTFSI and TBP are materials that serve as dopants in the first carrier transport section 105.
- a highly doped layer as the first layer is formed on the photoelectric conversion section 104.
- the highly doped layer may be a layer containing a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105 and a material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105.
- a highly doped layer can be formed on the photoelectric conversion part 104 by applying a raw material liquid onto the photoelectric conversion part 104 and drying and annealing the raw material liquid.
- the semiconductor material for configuring the semiconductor of the first carrier transport section 105 includes, for example, an organic semiconductor material such as spiro-OMeTAD, P3HT, PTAA, or Poly-TPD (4-Butyl-N,N-diphenylaniline homopolymer). may be applied.
- a raw material liquid can be prepared by dissolving spiro-OMeTAD and LiTFSI or TBP as a dopant material in the first carrier transporting section 105 in chlorobenzene.
- 1 ml of the raw material liquid may contain about 10 mg to 85 mg of spiro-OMeTAD.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of spiro-OMeTAD is approximately 10 mg/ml to 85 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving P3HT and LiTFSI or TBP as a dopant material in the first carrier transporting section 105 in dichlorobenzene.
- 1 ml of the raw material liquid may contain about 5 mg to 20 mg of P3HT.
- a raw material solution in which the solvent is dichlorobenzene and the concentration of P3HT is about 5 mg/ml to 20 mg/ml may be used.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving PTAA and LiTFSI or TBP as a material to be a dopant in the first carrier transporting section 105 in toluene.
- 1 ml of the raw material liquid may contain about 5 mg to 20 mg of PTAA.
- a raw material solution may be used in which the solvent is toluene and the concentration of PTAA is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving Poly-TPD and LiTFSI or TBP as a material to be a dopant in the first carrier transport section 105 in chlorobenzene.
- 1 ml of the raw material liquid may contain about 5 mg to 20 mg of Poly-TPD.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of Poly-TPD is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- the second layer contains a material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105
- a lightly doped layer as the second layer is formed on the first layer in step S4b.
- the lightly doped layer may be a layer containing a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105 and a material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105.
- the lightly doped layer as the second layer is a layer in which the concentration of the material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105 is reduced based on the highly doped layer. It may be.
- a low dope layer can be formed on the first layer by applying a raw material liquid onto the first layer and drying the raw material liquid.
- a raw material liquid can be applied to the semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105.
- a raw material liquid can be prepared by dissolving spiro-OMeTAD and LiTFSI or TBP as a dopant material in the first carrier transporting section 105 in chlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of spiro-OMeTAD is about 10 mg/ml to 85 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving P3HT and LiTFSI or TBP as a dopant material in the first carrier transporting section 105 in dichlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is dichlorobenzene and the concentration of P3HT is about 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving PTAA and LiTFSI or TBP as a material to be a dopant in the first carrier transporting section 105 in toluene.
- a raw material liquid may be used in which the solvent is toluene and the concentration of PTAA is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving Poly-TPD and LiTFSI or TBP as a material to be a dopant in the first carrier transport section 105 in chlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of Poly-TPD is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- an undoped layer as the second layer is formed on the first layer.
- the undoped layer may be a layer that contains a semiconductor material for forming the semiconductor of the first carrier transport section 105 and does not contain a material or element that becomes a dopant in the first carrier transport section 105.
- the undoped layer as the second layer is a layer in which the material or element that becomes the dopant in the first carrier transport section 105 is removed from the highly doped layer. It's fine.
- an undoped layer can be formed on the first layer by applying a raw material liquid onto the first layer and drying the raw material liquid.
- a raw material liquid can be prepared by dissolving spiro-OMeTAD in chlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of spiro-OMeTAD is about 10 mg/ml to 85 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving P3HT in dichlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is dichlorobenzene and the concentration of P3HT is about 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- the raw material liquid may be prepared by dissolving PTAA in toluene.
- a raw material liquid may be used in which the solvent is toluene and the concentration of PTAA is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- a raw material liquid may be prepared by dissolving Poly-TPD in chlorobenzene.
- a raw material solution may be used in which the solvent is chlorobenzene and the concentration of Poly-TPD is 5 mg/ml to 20 mg/ml.
- step S4c the dopant contained in the first layer is diffused into the second layer by heating the first layer and the second layer.
- the heating of the first layer and the second layer may be annealing of the first layer and the second layer.
- the temperature and time for heating the first layer and the second layer may be appropriately set depending on, for example, the semiconductor material and the dopant material in the first layer and the second layer.
- the first layer is a dopant layer that does not contain a semiconductor material for configuring the semiconductor of the first carrier transporting part 105
- the first carrier transporting part Diffusion of the semiconductor material to constitute the semiconductor 105 may also occur.
- the first electrode section 106 is formed on the first carrier transport section 105.
- the first electrode part 106 can be formed by depositing the material of the first electrode part 106 on the first carrier transport part 105 by, for example, a vacuum process such as sputtering.
- a vacuum process such as sputtering.
- the material of the first electrode part 106 for example, a metal with excellent conductivity such as Au or a TCO such as ITO, FTO, or ZnO is used.
- the first electrode portion 106 may be formed by, for example, applying a metal paste as a coating liquid by screen printing or the like, and then drying the applied metal paste and solidifying the metal paste. good.
- step S4 for example, a dopant layer or a highly doped layer is employed as the first layer, a lightly doped layer or an undoped layer is employed as the second layer, and the thickness of each of the first layer and the second layer is and the temperature and time conditions for heating the first layer and the second layer may be set as appropriate.
- the concentration of the dopant changes from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab2 along the second surface CF2 along the -Z direction as the first direction.
- a lowered first carrier transport section 105 may be formed.
- the HOMO level is directed from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab2 along the second surface CF2 along the -Z direction as the first direction.
- the first carrier transport portion 105 may be formed to increase in number.
- the first carrier transport section 105 may have an energy band structure as shown in FIG. 2.
- the first level EL1 which is the HOMO level in the first interface region Ab1
- the second level EL2 which is the HOMO level in the second interface region Ab2. It can be small.
- the HOMO level may increase from the first interface region Ab1 to the second interface region Ab2 along the -Z direction as the first direction.
- the HOMO level in the first interface region Ab1 can be adjusted.
- the first level EL1 may be made substantially the same as the third level EL3, which is the VBM level of the photoelectric conversion unit 104.
- the HOMO level in the second interface region Ab2 can be adjusted.
- the second level EL2 which is the Fermi level, may be made substantially the same as the fourth level EL4, which is the Fermi level in the first electrode section 106.
- step S4 for example, a highly doped layer is adopted as the first layer, a lightly doped layer or an undoped layer is adopted as the second layer, and the thickness of each of the first layer and the second layer is determined.
- the temperature and time conditions for heating the first layer and the second layer may be set as appropriate.
- the first carrier transport section 105 including the first region 1051 may be formed.
- the HOMO level in the first region 1051 can be adjusted to the photoelectric conversion section. It may be substantially the same as the third level EL3 which is the VBM level in 104.
- the first region 1051, the second region 1052, and the third region 1053 can be heated as shown in FIG.
- a first carrier transporting section 105 including a first region 1051 and a third region 1053 may be formed.
- the first carrier transport section 105 including the first region 1051, the second region 1052, and the third region 1053 is formed, for example, the first carrier transport section 105 is It may have an energy band structure as shown in 4.
- the HOMO level in the second region 1052 can be adjusted.
- the level may be substantially the same as the fourth level EL4, which is the Fermi level in the first electrode section 106.
- the first carrier transport section 105 including the first region 1051 and the third region 1053 is formed as shown in FIG. 5, for example, the first carrier transport section 105 is formed as shown in FIG. It can have an energy band structure like this.
- the second level EL2 which is the HOMO level, may be made substantially the same as the fourth level EL4, which is the Fermi level in the first electrode section 106.
- step S4 for example, a dopant layer or a highly doped layer is employed as the first layer, a lightly doped layer or an undoped layer is employed as the second layer, and the thickness of each of the first layer and the second layer is
- the temperature and time conditions for heating the first layer and the second layer may be set as appropriate.
- the first carrier transport section 105 including the second region 1052 may be formed.
- the HOMO level in the second region 1052 can be adjusted by appropriately setting the semiconductor material in the first carrier transport section 105 and the dopant concentration in the lightly doped layer or undoped layer as the second layer.
- the fourth level EL4 which is the Fermi level in the first electrode section 106.
- the fourth level EL4 is the Fermi level in the first electrode section 106.
- the HOMO level in the first interface region Ab1 can be adjusted.
- a certain first level EL1 may be made substantially the same as the third level EL3, which is the VBM level of the photoelectric conversion unit 104.
- the solar cell module 1 includes a plurality of solar cell elements 10 and a current collector 30.
- the plurality of solar cell elements 10 share one substrate section 101.
- a plurality of second electrode parts 102 are formed on one substrate part 101.
- the current collector 30 functions as an extraction electrode.
- the current collector 30 may be, for example, aluminum or copper wiring.
- the current collector 30 is connected, for example, to a terminal from which electricity generated by the solar cell element 10 is taken out.
- Second embodiment> The second embodiment will be described below. In the following, differences from the first embodiment will be mainly explained.
- FIG. 11 is a diagram schematically showing a first example of the cross-sectional configuration of the solar cell element 40 according to the second embodiment.
- FIG. 12 shows the relationship of energy levels between the first electrode section 106, the first carrier transport section 105, the photoelectric conversion section 104, and the second carrier transport section 103 of the solar cell element 40 according to the second embodiment.
- FIG. 2 is an energy band diagram showing one example.
- the solar cell element 40 according to the second embodiment is based on the example of the solar cell element 10 according to the first embodiment shown in FIG. , has a configuration including a fourth region 1054 instead of the third region 1053.
- the fourth region 1054 is located between the first region 1051 and the second region 1052.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 according to the second embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 12, for example.
- the energy band diagram of FIG. 12 is based on the energy band diagram of FIG. 4, and the energy level of the forbidden band B1054 of the fourth region 1054 is shown instead of the energy level of the forbidden band B1053 of the third region 1053. It is an energy band diagram.
- the HOMO level in the fourth region 1054 is approximately the same as the fifth level EL5, which is an energy level between the first level EL1 and the second level EL2.
- the HOMO level of the fourth region 1054 of the first carrier transport section 105 is approximately the same as the fifth level EL5 by the fourth predetermined thickness from the first region 1051 to the second region 1052. It can be said that it is.
- the HOMO level in the fourth region 1054 is substantially the same as the fifth level EL5 along the -Z direction as the first direction.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases discretely from the first surface CF1 toward the second surface CF2.
- the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases discretely from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab2 along the second surface CF2. There is. More specifically, the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases stepwise from the first surface CF1 toward the second surface CF2. In other words, the HOMO level in the first carrier transport section 105 increases stepwise from the first interface region Ab1 along the first surface CF1 to the second interface region Ab2 along the second surface CF2. There is. Note that the difference between the first level EL1 and the fifth level EL5 and the difference between the second level EL2 and the fifth level EL5 may be the same or different.
- step S4A the solar cell element 40 according to the second embodiment illustrated in FIG. After that, the process of step S4A is performed, and then, as in the first embodiment, the process of step S5 described above can be performed.
- step S4A the processes of step S41, step S42, and step S43 are performed in the order described.
- the first region 1051 of the first carrier transport section 105 is formed on the photoelectric conversion section 104.
- the first region 1051 is formed on the photoelectric conversion unit 104 by applying the second A raw material liquid onto the photoelectric conversion unit 104 and drying and annealing the applied second A raw material liquid. Can be done.
- the material of the second A raw material liquid for example, a material obtained by adding a dopant to an organic semiconductor material such as spiro-OMeTAD, P3HT, PTAA, or Poly-TPD may be used.
- the concentration of the dopant in the 2A raw material liquid is higher than the dopant concentration in each of the 2B raw material liquid and the 2C raw material liquid, which will be described later.
- LiTFSI or TBP may be used as the dopant.
- the fourth region 1054 of the first carrier transport section 105 is formed on the first region 1051 of the first carrier transport section 105.
- the second B raw material solution is applied onto the first region 1051, and the second B raw material solution after application is dried and annealed to form the fourth region 1054 on the first region 1051.
- the material of the second B raw material liquid for example, a material obtained by adding a dopant to an organic semiconductor material such as spiro-OMeTAD, P3HT, PTAA, or Poly-TPD can be used.
- the concentration of the dopant in the 2B raw material liquid is higher than the dopant concentration in the 2C raw material liquid, which will be described later.
- LiTFSI or TBP may be used as the dopant.
- the second region 1052 of the first carrier transport section 105 is formed on the fourth region 1054 of the first carrier transport section 105.
- the second region 1052 is formed on the fourth region 1054 by applying the second C raw material liquid on the fourth region 1054 and drying and annealing the applied second C raw material liquid.
- the material of the second C raw material liquid for example, a material obtained by adding a dopant to an organic semiconductor material such as spiro-OMeTAD, P3HT, PTAA, or Poly-TPD may be used.
- the dopant LiTFSI, TBP, or the like may be employed.
- the thicknesses of the first region 1051 and the second region 1052 can be controlled without controlling the conditions for diffusing the dopant. This makes it possible to easily control the thicknesses of the first region 1051 and the second region 1052 even when the first carrier transport section 105 has a large thickness.
- the first carrier transport section 105 was composed of three regions: the first region 1051, the fourth region 1054, and the second region 1052, but the first carrier transport section 105 The structure is not limited to this type.
- the first carrier transport unit 105 includes a plurality of regions having mutually different HOMO levels between the first level EL1 and the second level EL2 between the first region 1051 and the second region 1052. may be provided.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 in the second embodiment has a first interface located between the first region 1051 and the fourth region 1054.
- Layer 1055 may also be included.
- the material of the first region 1051 and the material of the fourth region 1054 may be different due to the presence of the first interface layer 1055. Deterioration of one or more of the material of the first region 1051 and the material of the fourth region 1054 due to contact can be reduced.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 according to the second embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 15, for example.
- the HOMO level in the first interface layer 1055 may be higher than the HOMO level in the first region 1051 and lower than the HOMO level in the fourth region 1054.
- the HOMO level in the first interface layer 1055 is equal to or higher than the first level EL1, which is approximately the same as the HOMO level in the first region 1051, and is approximately the same as the HOMO level in the fourth region 1054. It may be lower than the fifth level EL5.
- the first interface layer 1055 may be made of, for example, a material that is transparent to light in a specific wavelength range.
- the material of the first interface layer 1055 may be, for example, a transparent conductive oxide (TCO) or a material used for a buffer layer of a tandem solar cell.
- the first interface layer 1055 may be formed, for example, by applying a raw material liquid containing the material of the first interface layer 1055 onto the first region 1051, and drying and annealing the applied raw material liquid. Further, the first interface layer 1055 may be formed by, for example, a vacuum process such as sputtering.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 in the second embodiment has a second interface located between the second region 1052 and the fourth region 1054.
- Layer 1056 may also be included.
- the material of the second region 1052 and the material of the fourth region 1054 may be different due to the presence of the second interface layer 1056. Deterioration of one or more of the material of the second region 1052 and the material of the fourth region 1054 due to contact between the two regions can be reduced.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 according to the second embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 17, for example.
- the energy band diagram in FIG. 17 is based on the energy band diagram in FIG. It is an energy band diagram to which the energy level of forbidden band B1056 of layer 1056 is added.
- the HOMO level in the second interface layer 1056 may be higher than the HOMO level in the fourth region 1054 and lower than the HOMO level in the second region 1052.
- the HOMO level in the second interface layer 1056 is equal to or higher than the fifth level EL5, which is approximately the same as the HOMO level in the fourth region 1054, and is approximately the same as the HOMO level in the second region 1052. It may be lower than the second level EL2.
- the second interface layer 1056 may be made of, for example, a material that is transparent to light in a specific wavelength range.
- the material of the second interface layer 1056 may be, for example, a transparent conductive oxide (TCO) or a material used for a buffer layer of a tandem solar cell.
- TCO transparent conductive oxide
- the second interface layer 1056 may be formed, for example, by applying a raw material liquid containing the material of the second interface layer 1056 onto the fourth region 1054, and drying and annealing the applied raw material liquid. Further, the second interface layer 1056 may be formed by, for example, a vacuum process such as sputtering.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 in the second embodiment includes the above first interface layer 1055 and the above second interface layer 1056. It's okay to stay.
- the first interface layer 1055 is located between the first region 1051 and the fourth region 1054.
- the second interface layer 1056 is located between the second region 1052 and the fourth region 1054.
- the first carrier transport section 105 of the solar cell element 40 according to the second embodiment may have an energy band structure as shown in FIG. 19, for example.
- the energy band diagram of FIG. 19 is based on the energy band diagram of FIG. 12, and is based on the energy band diagram of FIG.
- the energy level of the forbidden band B1055 of the layer 1055 is added, and the energy level of the forbidden band B1055 of the second region 1052 and the energy level of the forbidden band B1054 of the fourth region 1054 are added, and the energy level of the second interface layer 1056 is added. It is an energy band diagram to which the energy level of forbidden band B1056 is added.
- the HOMO level in the first interface layer 1055 may be higher than the HOMO level in the first region 1051 and lower than the HOMO level in the fourth region 1054.
- the HOMO level in the first interface layer 1055 is equal to or higher than the first level EL1, which is approximately the same as the HOMO level in the first region 1051, and is approximately the same as the HOMO level in the fourth region 1054. It may be lower than the fifth level EL5.
- the HOMO level in the second interface layer 1056 may be higher than the HOMO level in the fourth region 1054 and lower than the HOMO level in the second region 1052.
- the HOMO level in the second interface layer 1056 is equal to or higher than the fifth level EL5, which is approximately the same as the HOMO level in the fourth region 1054, and is approximately the same as the HOMO level in the second region 1052. It may be lower than the second level EL2.
- the third level EL3 is the VBM level in the photoelectric conversion unit 104, but the present invention is not limited to this.
- the third level EL3 is the energy level of the highest occupied orbit (HOMO level) in the photoelectric conversion unit 104. It's okay.
- a solar cell element includes a first electrode section, a photoelectric conversion section, and a first carrier transport section located between the first electrode section and the photoelectric conversion section.
- the first carrier transporting portion has a first level, which is the energy level of the highest occupied orbit, on the first surface, which is the surface in contact with the photoelectric conversion portion, and a second level, which is the energy level of the highest occupied orbit, on the second surface, which is the surface in contact with the first electrode portion. It is smaller than the second level, which is the energy level of the highest occupied orbital on the surface.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion is the energy level of the first carrier transporting portion along the first direction from the first surface to the second surface. It increases from the surface toward the second surface.
- the first level is approximately the same as the third level, which is the energy level at the top of the valence band of the photoelectric conversion section. be.
- the second level is substantially the same as the fourth level, which is the Fermi level of the first electrode portion.
- the first carrier transporting portion has a first predetermined thickness along the first direction from the first surface. Equipped with area. The energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the first region is substantially the same as the third level.
- the first carrier transport portion extends a second predetermined thickness from the second surface along a direction opposite to the first direction. further comprising a second region having The energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the second region is approximately the same as the fourth level.
- the first carrier transport section further includes a third region between the first region and the first electrode section.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the third region increases along the first direction.
- the first carrier transport section further includes a fourth region between the first region and the second region.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the fourth region is approximately the same as the fifth level, which is an energy level that is equal to or higher than the first level and equal to or lower than the second level. .
- the first carrier transporting section includes a first interface layer between the first region and the fourth region, and a first interface layer between the first region and the fourth region. and a second interface layer between the region and the fourth region.
- a solar cell module includes a first electrode section, a photoelectric conversion section, and a first carrier transport section located between the first electrode section and the photoelectric conversion section.
- the first carrier transporting portion has a first level, which is the energy level of the highest occupied orbit, on the first surface, which is the surface in contact with the photoelectric conversion portion, and a second level, which is the energy level of the highest occupied orbit, on the second surface, which is the surface in contact with the first electrode portion. It is smaller than the second level, which is the energy level of the highest occupied orbital on the surface.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion is the energy level of the first carrier transporting portion along the first direction from the first surface to the second surface. It increases from the surface toward the second surface.
- the first level is approximately the same as the third level, which is the energy level at the top of the valence band of the photoelectric conversion section. be.
- the second level is substantially the same as the fourth level, which is the Fermi level of the first electrode portion.
- the first carrier transport portion has a first predetermined thickness along the first direction from the first surface. Equipped with area. The energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the first region is substantially the same as the third level.
- the first carrier transport portion extends a second predetermined thickness from the second surface along a direction opposite to the first direction. further comprising a second region having a second area.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the second region is approximately the same as the fourth level.
- the first carrier transport section further includes a third region between the first region and the first electrode section.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the third region increases along the first direction.
- the first carrier transport section further includes a fourth region between the first region and the second region.
- the energy level of the highest occupied orbit of the first carrier transport portion in the fourth region is approximately the same as the fifth level, which is an energy level that is equal to or higher than the first level and equal to or lower than the second level. .
- the first carrier transport section includes a first interface layer between the first region and the fourth region, and a first interface layer between the first region and the fourth region. and a second interface layer between the region and the fourth region.
- a method for manufacturing a solar cell element includes a first step of forming a photoelectric conversion section, a second step of forming a dopant layer on the photoelectric conversion section, and a first carrier transport on the dopant layer. and a fourth step of forming a first electrode part on the first carrier transport part.
- Solar cell module 10 Solar cell element 101: Substrate section 102: Second electrode section 103: Second carrier transport section 104: Photoelectric conversion section 105: First carrier transport section 1051: First region 1052: Second region 1053 : Third region 1054 : Fourth region 1055 : First interface layer 1056 : Second interface layer 106 : First electrode part F1 : First element surface F2 : Second element surface CF1 : First surface CF2 : Second surface EL1 : 1st level EL2 : 2nd level EL3 : 3rd level EL4 : 4th level EL5 : 5th level 20 : Conducting wire 30 : Current collector 40 : Solar cell element
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Abstract
太陽電池素子の一態様は、第1電極部(106)と、光電変換部(104)と、第1キャリア輸送部(105)と、を備えている。第1キャリア輸送部(105)は、第1電極部(106)と光電変換部(104)との間に位置している。第1キャリア輸送部(105)は、光電変換部(104)と接している第1面(CF1)と、第1電極部(106)と接している第2面(CF2)と、を有する。第1キャリア輸送部(105)では、第1面(CF1)に沿った第1界面領域(Ab1)における最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位(EL1)が、第2面(CF2)に沿った第2界面領域(Ab2)における最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位(EL2)よりも小さい。
Description
本出願は、日本国出願2022-141521号(2022年9月6日出願)の優先権を主張する出願であり、当該日本国出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
本開示は、太陽電池素子、太陽電池モジュールおよび太陽電池素子の製造方法に関する。
特許文献1には、太陽電池素子における電子輸送層のエネルギー準位に関する技術が記載されている。近年、太陽電池素子ならびに太陽電池モジュールについては、発電効率を向上させる要求が高まっている。
太陽電池素子の一態様は、第1電極部と、光電変換部と、前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備えている。前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部と接している第2面と、を有する。前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第2面に沿った第2界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい。
太陽電池素子の一態様は、第1電極部と、光電変換部と、前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備えている。前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部に接している第2面と、を有する。前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域におけるキャリア密度が、前記第2面に沿った第2界面領域におけるキャリア密度よりも大きい。
太陽電池モジュールの一態様は、第1電極部と、光電変換部と、前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備えている。前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部と接している第2面と、を有する。前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第2面に沿った第2界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい。
太陽電池素子の製造方法の一態様は、光電変換部を形成する第1ステップと、前記光電変換部上に第1キャリア輸送部を形成する第2ステップと、前記第1キャリア輸送部上に第1電極部を形成する第3ステップと、を有する。前記第2ステップは、第2Aステップと、第2Bステップと、第2Cステップと、を含む。前記第2Aステップにおいて、前記光電変換部上に第1層を形成する。前記第2Bステップにおいて、前記第1層上に第2層を形成する。前記第2Cステップにおいて、前記第1層および前記第2層を加熱することで前記第1層に含まれているドーパントを前記第2層に拡散させることで前記第1層および前記第2層から前記第1キャリア輸送部を生成する。前記第1層は、前記第2層よりも高いドーパントの濃度を有する。前記第2層は、前記第1層よりも低いドーパントの濃度を有するか、またはドーパントを含まない。前記第2層は、前記第1キャリア輸送部を構成する半導体の材料を含む。
例えば、第1電極部、正孔を輸送する第1キャリア輸送部、光電変換部、電子を輸送する第2キャリア輸送部、および第2電極部が、この記載の順に積層された構造を有する太陽電池素子がある。通常、第1キャリア輸送部におけるフェルミ準位および最高被占軌道(Highest Occupied Molecule Orbital:HOMO)のエネルギー準位(以下、HOMO準位ともいう)は、第1キャリア輸送部の厚み方向において一定もしくは略一定である。
太陽電池素子については、例えば、半導体と金属などの電極との接触または半導体と半導体との接触で生じるエネルギーの障壁(以下、単にエネルギー障壁ともいう)によるエネルギーの損失を低減させる観点が考えられる。この観点から言えば、理想的には、第1電極部におけるフェルミ準位と、第1キャリア輸送部におけるフェルミ準位または最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)と、光電変換部における価電子帯の上端(Valence Band Maximum:VBM)のエネルギー準位(以下、VBM準位ともいう)もしくは最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)とを一致させることが考えられる。
しかし、これらのエネルギー準位を一致させることができない場合がある。この場合には、第1電極部と第1キャリア輸送部との界面におけるエネルギー準位の違いおよび第1キャリア輸送部と光電変換部との界面におけるエネルギー準位の違いを小さくすることが考えられる。ここでは、第1キャリア輸送部におけるフェルミ準位およびHOMO準位を、第1電極部におけるフェルミ準位以下であり、且つ光電変換部におけるVBM準位もしくはHOMO準位以上とする。
ここで、太陽電池素子の変換効率を向上させるためには、太陽電池素子における光起電力を大きくすることが考えられる。光起電力は、第2キャリア輸送部と光電変換部と第1キャリア輸送部と第1電極部とが接合されていない状態を仮定した場合における、第2キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位と第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位との差によって決定される。このため、太陽電池素子での光起電力を大きくするためには、第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位およびHOMO準位を低下させることで、光電変換部の材料におけるVBM準位もしくはHOMO準位に近付けることが考えられる。
ところが、第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位およびHOMO準位を低下させると、第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位およびHOMO準位と第1電極部の材料におけるフェルミ準位との差が大きくなる。これにより、太陽電池素子において、第1キャリア輸送部と第1電極部との界面におけるエネルギー障壁が大きくなり得る。その結果、太陽電池素子における発電効率が低下し得る。
また、太陽電池素子において、第1キャリア輸送部と第1電極部との界面におけるエネルギー障壁を小さくするために、第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位およびHOMO準位を、第1電極部の材料におけるフェルミ準位に近付けることが考えられる。この場合には、第2キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位と第1キャリア輸送部の材料におけるフェルミ準位との差が小さくなり得る。このため、太陽電池素子における光起電力が低下し得る。
以上をまとめると、通常は、第1キャリア輸送部におけるフェルミ準位およびHOMO準位が第1キャリア輸送部の厚み方向において一定もしくは略一定の分布を有する。このため、太陽電池素子の光起電力の増加と、第1キャリア輸送部と第1電極部との界面におけるエネルギー障壁によるエネルギーの損失の低減と、を両立することは容易ではなかった。したがって、太陽電池素子および太陽電池モジュールについては、発電効率を高める点で、改善の余地がある。
そこで、本開示の発明者は、太陽電池素子および太陽電池モジュールについて、太陽電池素子の発電効率を向上させることができる技術を創出した。
これについて、以下、各種の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図面においては同一もしくは略同一の構成および機能を有する部分に同じ符号が付されている。これにより、下記の説明では重複する説明が省略されている。図面は模式的に示されている。図1、図3、図5、図7、図10、図11、図14、図16および図18には、それぞれ右手系のXYZ座標系が付されている。このXYZ座標系では、太陽電池素子10,40の第1素子面F1の法線方向が+Z方向とされている。第1素子面F1に沿った一方向が+X方向とされている。第1素子面F1に沿った方向であって、+X方向と+Z方向との両方に直交する方向が+Y方向とされている。
<1.第1実施形態>
<1-1.太陽電池素子10>
第1実施形態に係る太陽電池素子10について、図1から図8を参照しつつ説明する。図1で示されるように、太陽電池素子10は、主に光が入射する面(第1素子面ともいう)F1と、この第1素子面F1の逆側に位置している面(第2素子面ともいう)F2と、を有する。第1実施形態では、第1素子面F1が、+Z方向を向いている。第2素子面F2が、-Z方向を向いている。例えば、+Z方向は、南中している太陽に向かう方向に設定されてよい。
<1-1.太陽電池素子10>
第1実施形態に係る太陽電池素子10について、図1から図8を参照しつつ説明する。図1で示されるように、太陽電池素子10は、主に光が入射する面(第1素子面ともいう)F1と、この第1素子面F1の逆側に位置している面(第2素子面ともいう)F2と、を有する。第1実施形態では、第1素子面F1が、+Z方向を向いている。第2素子面F2が、-Z方向を向いている。例えば、+Z方向は、南中している太陽に向かう方向に設定されてよい。
図1で示されるように、太陽電池素子10は、第1電極部106と、第1キャリア輸送部105と、光電変換部104と、第2キャリア輸送部103と、第2電極部102と、基板部101と、を備えている。第1実施形態では、基板部101の上に、第2電極部102と、第2キャリア輸送部103と、光電変換部104と、第1キャリア輸送部105と、第1電極部106と、がこの記載の順に積層されている状態で位置している。このため、第1キャリア輸送部105は、第1電極部106と光電変換部104との間に位置している。
なお、図示していないが、太陽電池素子10の表面上には反射防止膜が位置していてもよい。反射防止膜には、例えば、窒化シリコンなどで構成された絶縁膜が適用される。また、図示していないが、太陽電池素子10と反射防止膜との間に、パッシベーション膜が位置していてもよい。パッシベーション膜には、例えば、酸化アルミニウムなどの酸化物または窒化物などで構成された薄膜が適用される。
<1-1-1.基板部101>
基板部101は、例えば、透光性を有する絶縁性の基板である。この基板部101は、例えば、特定波長域の光に対する透光性を有する。特定波長域には、例えば、光電変換部104が吸収して光電変換を生じ得る光の波長域が含まれる。具体的には、特定波長域には、例えば、400ナノメートル(nm)から700nm程度の可視光の波長域および700nmから1200nm程度の赤外光の波長域が含まれ得る。これにより、例えば、第1素子面F1に照射される光が、基板部101を光電変換部104に向けて透過し得る。ここで、例えば、特定波長域に、太陽光を構成する照射強度の高い光の波長が含まれていれば、太陽電池素子10の発電効率が向上し得る。基板部101の材料には、例えば、ガラス、アクリルまたはポリカーボネートなどが適用される。基板部101の形状としては、例えば、平板状、シート状またはフィルム状などが採用される。基板部101の厚さは、例えば、0.01ミリメートル(mm)から5mm程度とされる。
基板部101は、例えば、透光性を有する絶縁性の基板である。この基板部101は、例えば、特定波長域の光に対する透光性を有する。特定波長域には、例えば、光電変換部104が吸収して光電変換を生じ得る光の波長域が含まれる。具体的には、特定波長域には、例えば、400ナノメートル(nm)から700nm程度の可視光の波長域および700nmから1200nm程度の赤外光の波長域が含まれ得る。これにより、例えば、第1素子面F1に照射される光が、基板部101を光電変換部104に向けて透過し得る。ここで、例えば、特定波長域に、太陽光を構成する照射強度の高い光の波長が含まれていれば、太陽電池素子10の発電効率が向上し得る。基板部101の材料には、例えば、ガラス、アクリルまたはポリカーボネートなどが適用される。基板部101の形状としては、例えば、平板状、シート状またはフィルム状などが採用される。基板部101の厚さは、例えば、0.01ミリメートル(mm)から5mm程度とされる。
<1-1-2.第2電極部102>
第2電極部102は、基板部101の上に位置している。第2電極部102は、基板部101の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第2電極部102は、基板部101の-Z方向の側に位置している。
第2電極部102は、基板部101の上に位置している。第2電極部102は、基板部101の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第2電極部102は、基板部101の-Z方向の側に位置している。
第2電極部102は、後述する光電変換部104に対する光の照射に応じて光電変換で生じたキャリアを集めることができる。第2電極部102は、例えば、キャリアとしての電子を集める電極(負電極ともいう)としての役割を果たすことができる。第2電極部102は、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって、基板部101上に形成されてよい。
第2電極部102の材料としては、特定波長域の光に対して透光性を有する透明導電性酸化物(Transparent Conductive Oxide:TCO)が適用される。TCOは、例えば、特に限定されないものの、酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide:ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(Al-doped Zinc Oxide:AZO)、ボロンドープ酸化亜鉛(Boron-doped Zinc Oxide:BZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(Gallium-doped Zinc Oxide:GZO)、フッ素ドープ酸化スズ(Fluorine-doped Tin Oxide:FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(Antimony-doped Tin Oxide:ATO)、チタンドープ酸化インジウム(Titanium-doped Indium Oxide:ITiO)、酸化インジウム酸化亜鉛(Indium Zinc Oxide:IZO)、酸化インジウムガリウム亜鉛(Indium Gallium Zinc Oxide:IGZO)、タンタルドープ酸化スズ(SnO2:Ta)、ニオブドープ酸化スズ(SnO2:Nb)、タングステンドープ酸化スズ(SnO2:W)、モリブデンドープ酸化スズ(SnO2:Mo)、フッ素ドープ酸化スズ(SnO2:F)、または水素ドープ酸化インジウム(Hydrogen-doped Indium Oxide:IOH)などの酸化物を含み得る。第2電極部102は、透明導電性酸化物の膜で構成されていてよい。透明導電性酸化物の膜は、複数の膜を有する積層膜であってもよい。複数の膜のそれぞれには、例えば、上記の酸化物の膜が適用されてもよい。また、複数の膜には、上記の酸化物の膜の他に、ドーパントを含む酸化スズなどの酸化物の膜が適用されてもよい。このドーパントとしては、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、チタン(Ti)、銅(Cu)、アンチモン(Sb)、ニオブ(Nb)、フッ素(F)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、臭素(Br)、ヨウ素(I)および塩素(Cl)などからなる群より選ばれる1種以上の元素が採用され得る。
<1-1-3.第2キャリア輸送部103>
第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の上に位置している。第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の-Z方向の側に位置している。
第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の上に位置している。第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第2キャリア輸送部103は、第2電極部102の-Z方向の側に位置している。
第2キャリア輸送部103には、例えば、第2電極部102よりも高い電気抵抗を有する無機材料の半導体(無機半導体ともいう)が適用されてよい。これにより、第2電極部102と光電変換部104との電気的なコンタクトが生じにくくなる。
第1実施形態では、無機半導体の材料には、例えば、n型の導電型を有する半導体(n型半導体ともいう)が適用されてよい。この場合には、第2キャリア輸送部103は、例えば、いわゆるホールブロッキング層および電子輸送層(Electron Transport Layer:ETL)としての機能を有する。電子輸送層は、例えば、電子を収集して出力することができる。
第2キャリア輸送部103の材料としては、特定波長域の光に対して透光性を有する金属酸化物が適用される。金属酸化物には、例えば、二酸化チタン(TiO2)、二酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)または酸化インジウム(In2O3)などが適用される。この金属酸化物には、例えば、n型のドーパントが添加されていてよい。例えば、金属酸化物がZnOであれば、n型のドーパントには、アルミニウム(Al)またはボロン(B)などが適用されてよい。第2電極部102の厚さは、例えば、10nmから50nm程度とされてもよい。第2キャリア輸送部103は、例えば、金属塩化物または金属イソプロポキシドなどの原料を極性溶液に溶解させることで調製した原料液を第2電極部102上に塗布し、原料を加水分解させて金属酸化物を生成することによって、第2電極部102上に形成されてよい。ここで、金属塩化物は、例えば、塩化チタン、塩化スズ、塩化亜鉛または塩化インジウムなどを含む。金属イソプロポキシドは、例えば、チタンイソプロポキシド、スズイソプロポキシド、亜鉛イソプロポキシドまたはインジウムイソプロポキシドなどを含む。
<1-1-4.光電変換部104>
光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の上に位置している。光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の-Z方向の側に位置している。
光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の上に位置している。光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、光電変換部104は、第2キャリア輸送部103の-Z方向の側に位置している。
この光電変換部104は、基板部101と第2電極部102と第2キャリア輸送部103とを透過した光を吸収することができる。第1実施形態では、光電変換部104には、例えば、真性半導体(i型半導体ともいう)が適用される。i型半導体には、例えば、ペロブスカイト構造を有する半導体(ペロブスカイト半導体ともいう)が適用されてよい。
ペロブスカイト半導体は、例えば、ハライド系有機-無機ペロブスカイト半導体を含み得る。ハライド系有機-無機ペロブスカイト半導体は、ABX3の組成のペロブスカイト構造を有する半導体である。ここで、上記ABX3のうちのAには、例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)、ホルムアミジニウム(CH(NH2)2)、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)およびカリウム(K)のうちの1種以上のイオンが適用される。また、上記ABX3のうちのBには、例えば、鉛(Pb)およびスズ(Sn)のうちの1種以上のイオンが適用される。また、上記ABX3のうちのXには、例えば、ヨウ素(I)、臭素(Br)および塩素(Cl)のうちの1種以上のイオンが適用される。具体的には、ABX3の組成のペロブスカイト構造を有する半導体は、例えば、CH3NH3PbI3または(CH(NH2)2,Cs)Pb(I,Br)3などの有機ペロブスカイトによって構成されてもよい。有機ペロブスカイトは、例えば、第2キャリア輸送部103の上に第1原料液が塗布された後に、塗布後の第1原料液が乾燥されることで形成され得る。ここでは、有機ペロブスカイトは、結晶性を有する薄膜であってよい。第1原料液は、例えば、原料であるハロゲン化アルキルアミンとハロゲン化鉛とが溶媒に溶かされることで生成され得る。光電変換部104の厚さは、例えば、100nmから2000nm程度であってよい。以下では、光電変換部104におけるVBMのエネルギー準位(VBM準位)を第3準位EL3と称する。
<1-1-5.第1キャリア輸送部105>
第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の上に位置している。第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の-Z方向の側に位置している。
第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の上に位置している。第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第1キャリア輸送部105は、光電変換部104の-Z方向の側に位置している。
第1実施形態では、第1キャリア輸送部105には、例えば、p型の導電型を有する半導体(p型半導体ともいう)が適用されてよい。この場合には、第1キャリア輸送部105は、例えば、いわゆる電子ブロッキング層および正孔輸送層(HOLE Transport Layer:HTL)としての機能を有する。HTLは、例えば、正孔を収集して出力することができる。
第1キャリア輸送部105の材料のとしては、例えば、可溶性ジアミン誘導体である[2,2',7,7'-テトラキス(N,N-ジ-P-メトキシフェニルアミノ)-9,9'-スピロビフルオレン](2,2’,7,7’-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9’-spirobifluorene:spiro-OMeTAD)などが適用されてよい。第1キャリア輸送部105は、例えば、光電変換部104としてのペロブスカイト半導体の層の上に第2原料液が塗布された後に、塗布後の第2原料液が乾燥されることで形成され得る。キャリア輸送層の厚さは、例えば、50nmから200nm程度であってよい。
第1キャリア輸送部105の他の材料としては、例えば、ポリ[ビス(4-フェニル)(2,4,6-トリフェニルメチル)アミン](Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine]:PTAA)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl):P3HT)、またはポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4-スチレンスルホン酸塩)(PEDOT/PSS)などが適用されてもよい。
第1キャリア輸送部105は、光電変換部104と接している面(第1面ともいう)CF1と、第1電極部106と接している面(第2面ともいう)CF2と、を有する。以下では、第1キャリア輸送部105のうちの第1面CF1に沿った領域(第1界面領域ともいう)Ab1における最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)を第1準位EL1と称する。また、第1キャリア輸送部105のうちの第2面CF2に沿った領域(第2界面領域ともいう)Ab2における最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)を第2準位EL2と称する。
ここで、第1界面領域Ab1は、第1キャリア輸送部105のうちの第1面CF1に沿って第1面CF1を成している領域であってよい。この第1界面領域Ab1は、第1面CF1から第2面CF2に向かう第1方向としての-Z方向に沿って所定の厚みを有していてよい。この所定の厚みは、例えば、HOMO準位を計測する装置の空間分解能に基づいて定められてよい。また、この所定の厚みは、HOMO準位を計測する装置が計測対象の試料の表面を所定のエッチングを行いつつ計測対象の試料の深さ方向におけるHOMO準位を計測する場合には、エッチングレートの誤差またはエッチング操作の時間分解能などに基づいて定められてもよい。所定の厚みは、例えば、5nm、3nm、1nm、0.5nm、0.3nm、または0.1nmなどであってよい。
第2界面領域Ab2は、第1キャリア輸送部105のうちの第2面CF2に沿って第2面CF2を成している領域であってよい。この第2界面領域Ab2は、第1方向とは逆の第2方向としての+Z方向に沿って所定の厚みを有していてよい。この所定の厚みは、例えば、HOMO準位を計測する装置の空間分解能に基づいて定められてよい。また、この所定の厚みは、HOMO準位を計測する装置が計測対象の試料の表面を所定のエッチングを行いつつ計測対象の試料の深さ方向におけるHOMO準位を計測する場合には、エッチングレートの誤差またはエッチング操作の時間分解能などに基づいて定められてもよい。所定の厚みは、例えば、5nm、3nm、1nm、0.5nm、0.3nm、または0.1nmなどであってよい。
<1-1-6.第1電極部106>
第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の上に位置している。第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の-Z方向の側に位置している。
第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の上に位置している。第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の第2素子面F2側に位置している。言い換えると、第1電極部106は、第1キャリア輸送部105の-Z方向の側に位置している。
この第1電極部106は、光電変換部104に対する光の照射に応じて光電変換で生じたキャリアを集めることができる。ここで、第1電極部106の材料には、例えば、金(Au)などの導電性に優れた金属、あるいはTCOが適用される。TCOには、例えば、ITO、FTOまたはZnOなどが含まれる。第1電極部106には、例えば、層状の電極(第1電極層ともいう)などが適用される。第1電極部106の厚さは、例えば、10nmから1000nm程度とされる。第1電極部106は、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって、第1キャリア輸送部105上に形成され得る。ここで、例えば、第1電極部106の材料にTCOが適用される場合には、第1電極部106は、特定波長域の光に対する透光性を有する。このとき、例えば、第2素子面F2に照射される光が、第1電極部106を透過して光電変換部104に到達し得る。これにより、太陽電池素子10は、第1素子面F1だけでなく第2素子面F2も含めた両面が受光面となり得る。以下では、第1電極部106におけるフェルミ準位を第4準位EL4と称する。
第1電極部106および第2電極部102のそれぞれには、例えば、リード線などの配線20が電気的に接続され得る。具体的には、例えば、第1電極部106に第1配線20aが電気的に接続され、第2電極部102に第2配線20bが接続され得る。各配線20は、例えば、半田付けなどによって第1電極部106および第2電極部102のそれぞれに接合され得る。太陽電池素子10では、例えば、第1配線20aおよび第2配線20bによって、光電変換で得られる出力が取り出され得る。
<1-2.第1キャリア輸送部105のエネルギーバンドの構造>
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105は、例えば、図2で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図2では、横軸が-Z方向における位置を示しており、縦軸がエネルギー準位を示している。また、図2では、左方から右方に向かって、第2キャリア輸送部103における禁制帯B103のエネルギー準位と、光電変換部104における禁制帯B104のエネルギー準位と、第1キャリア輸送部105における禁制帯B105のエネルギー準位と、第1電極106におけるフェルミ準位と、がこの記載の順に示されている。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105は、例えば、図2で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図2では、横軸が-Z方向における位置を示しており、縦軸がエネルギー準位を示している。また、図2では、左方から右方に向かって、第2キャリア輸送部103における禁制帯B103のエネルギー準位と、光電変換部104における禁制帯B104のエネルギー準位と、第1キャリア輸送部105における禁制帯B105のエネルギー準位と、第1電極106におけるフェルミ準位と、がこの記載の順に示されている。
第1キャリア輸送部105では、光電変換部104と接する面である第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1におけるHOMO準位である第1準位EL1と、第1電極部106と接する面である第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2におけるHOMO準位である第2準位EL2とが異なる。
ここで、仮に、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が厚み方向において略一定である場合を想定する。この場合には、光起電力を大きくするために、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合において、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位を、光電変換部104の材料におけるVBM準位に近づけると、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位と第1電極部106の材料におけるフェルミ準位との差が大きくなり得る。これにより、太陽電池素子10の状態では、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁が増加し得る。また、太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁を低減するために、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合において、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位を、第1電極部106におけるフェルミ準位に近づけると、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位と第2キャリア輸送部103の材料におけるフェルミ準位との差が小さくなり得る。換言すれば、第1キャリア輸送部105の材料におけるフェルミ準位と第2キャリア輸送部103の材料におけるフェルミ準位との差が小さくなり得る。これにより、太陽電池素子10の光起電力が低下し得る。
これに対して、上述したように、第1準位EL1と第2準位EL2とが異なる場合を想定する。この場合には、例えば、第1準位EL1を変化させることなく、第2準位EL2を変化させることができる。また、例えば、第2準位EL2を変化させることなく、第1準位EL1を変化させることができる。換言すれば、例えば、第2準位EL2を第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4に近づけた状態で、第1準位EL1を光電変換部104のVBM準位である第3準位EL3に近づけることができる。また、例えば、第1準位EL1を光電変換部104のVBM準位である第3準位EL3に近づけた状態で、第2準位EL2を第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4に近づけことができる。これにより、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁を増大させずに、光起電力を増加させることができる。別の見方をすると、光起電力を低下させずに、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁を低下させることができる。
第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、例えば、紫外光電子分光法(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy:UPS)などを用いて計測され得る。UPSを用いる場合には、検出される光電子のスペクトルが立ち上がる位置からHOMO準位が推定され得る。これにより、HOMO準位が特定され得る。光電変換部104におけるVBM準位も、例えば、HOMO準位と同じく、UPSなどを用いて計測され得る。この場合には、検出される光電子のスペクトルが立ち上がる位置からVBM準位が推定され得る。これにより、VBM準位が特定され得る。各部のHOMO準位およびVBM準位は、例えば、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)などの他の計測方法によって計測されてもよい。また、例えば、ガスクラスターイオンビーム(Gas Cluster Ion Beams:GCIB)によって試料の表面をエッチングしつつUPSまたはXPSを用いた計測を行うことで、試料の深さ方向におけるHOMO準位の分布が計測され得る。また、第1電極部106におけるフェルミ準位は、例えば、UPSなどを用いて計測され得る。UPSを用いる場合には、検出される光電子のスペクトルが立ち上がる位置からフェルミ準位が推定され得る。これにより、フェルミ準位が特定され得る。第1電極部106におけるフェルミ準位は、例えば、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)などの他の計測方法によって計測されてもよい。
本開示において、二つのエネルギー準位が異なるとは、二つのエネルギー準位の差の絶対値が所定値以上であることをいう。一方で、二つのエネルギー準位の差の絶対値が所定値よりも小さいことを、二つのエネルギー準位が等しいと考えてもよい。また、二つのエネルギー準位の差の絶対値が所定値よりも小さいことを、二つのエネルギー準位が略同一であると考えてもよい。二つのエネルギー準位が略同一であるとは、二つのエネルギー準位が実質的に同一であることと同義であると言ってもよい。所定値は、例えば、UPSまたはXPSなどのエネルギー準位を計測する計測装置の測定誤差に基づいて決定されてよい。この場合には、所定値として、例えば、0.1eV(electron Volt)が用いられ得る。換言すれば、二つのエネルギー準位が略同一であることは、例えば、二つのエネルギー準位の差の絶対値が、所定値である0.1eV未満であることと同義であってよい。
第1キャリア輸送部105においては、ドーパントの濃度を変化させることによって、第1キャリア輸送部105のHOMO準位を変化させることができる。言い換えると、第1キャリア輸送部105においては、キャリア密度を変化させることによって、第1キャリア輸送部105のHOMO準位を変化させることができる。別の観点から言えば、第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度を変化させることで、第1キャリア輸送部105のキャリア密度を変化させてもよい。第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度は、例えば、第1面CF1から第2面CF2に向けて、ドーパントの濃度が低下する形態で変化してよい。より具体的には、第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度は、例えば、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて、ドーパントの濃度が低下する形態で変化してよい。言い換えると、図1のように太陽電池素子10をX-Z断面で観察したときに、第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度は、例えば、-Z方向に沿って、ドーパントの濃度が低下する形態で変化してよい。ドーパントの濃度は、例えば、単位体積当たりのドーパントの原子数または単位体積当たりのドーパントのモル(mol)数で表されてよい。第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度の変化は、例えば、第1面CF1から第2面CF2に向けて、ドーパントが第1キャリア輸送部105を構成している半導体の材料の層の中を拡散することで実現されてよい。第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度の変化は、例えば、ドーパントの材料の選定によって制御されてもよいし、第1キャリア輸送部105を形成する際に半導体の材料の層の中においてドーパントを拡散させる条件によって制御されてもよい。換言すれば、例えば、第1キャリア輸送部105を形成する条件によって、第1キャリア輸送部105におけるドーパントの濃度の変化が制御され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、第1準位EL1は第2準位EL2よりも小さい。一般的に、光電変換部104の第3準位EL3は、第1電極部106の第4準位EL4よりも小さい。このため、第1キャリア輸送部105の第1準位EL1を第2準位EL2よりも小さくすることで、第1準位EL1と第3準位EL3との差を小さくしつつ、第2準位EL2と第4準位EL4との差を小さくすることができる。言い換えると、第1キャリア輸送部105の第1準位EL1を第2準位EL2よりも小さくすることで、第2準位EL2と第4準位EL4との差を小さくした状態で、第1準位EL1と第3準位EL3との差を小さくすることができる。これにより、太陽電池素子10における光起電力を増加させつつ、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁を低減することができる。別の見方をすると、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁を低減しつつ、太陽電池素子10における光起電力を増加させることができる。その結果、太陽電池素子10における発電効率を向上させることができる。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、第1面CF1から第2面CF2に向かう第1方向に沿って増加していてもよい。換言すれば、第1キャリア輸送部105において、例えば、HOMO準位は、第1方向に沿って、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて増加していてよい。ここで、第1キャリア輸送部105のHOMO準位は、連続的に増加してもよいし、離散的に増加してもよい。例えば、第1キャリア輸送部105の第1方向に沿ったHOMO準位の分布をグラフにあらわした場合に、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って単調に増加していてもよい。この場合には、第1方向におけるHOMO準位の変化率は、一定であっても、一定でなくてもよい。第1方向におけるHOMO準位の変化率は、第1方向における位置の変化量に対するHOMO準位の変化量を、その第1方向における位置の変化量で除した値であってよい。また、例えば、第1キャリア輸送部105の第1方向に沿ったHOMO準位の分布をグラフにあらわした場合に、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って階段状に増加していてもよい。第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って増加すれば、第1キャリア輸送部105の第1方向におけるHOMO準位の分布を示すグラフの形状は、第1面CF1から第2面CF2に向かう途中でエネルギー準位が高くなる方向に凹んだ形状とならない。仮に、第1キャリア輸送部105の第1方向におけるHOMO準位の分布を示すグラフの形状にエネルギー準位が高くなる方向に凹んだ部分がある場合には、この凹んだ部分においてキャリアの移動が阻害され、太陽電池素子10の発電効率が低下するおそれがある。これに対して、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って増加していることで、第1キャリア輸送部105内をキャリアである正孔が移動しやすくなる。これにより、太陽電池素子10における発電効率の低下が低減され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、第1準位EL1は、第3準位EL3と略同一であってもよい。つまり、第1準位EL1と第3準位EL3との差の絶対値が所定値以下であってもよい。この所定値は、上述したように、例えば、UPSまたはXPSなどのエネルギー準位を計測する計測装置の測定誤差に基づいて決定されてよい。この場合には、所定値としては、例えば、0.1eVが用いられてよい。第1準位EL1と第3準位EL3とが略同一であれば、第1キャリア輸送部105と光電変換部104との間におけるエネルギー障壁が低減され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、第1準位EL1は、第3準位EL3よりも大きく、かつ第3準位EL3と略同一であってもよい。この場合には、第3準位EL3よりも第1準位EL1の方が大きい。このため、光電変換部104から第1キャリア輸送部105にキャリアである正孔が移動しやすくなる。これは、負の電荷をもつ電子はエネルギー準位が小さい方に移動する性質があるのに対して、負の電荷とは逆の正の電荷を有する正孔はエネルギー準位が大きい方に移動する性質があるからである。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、第2準位EL2は、第4準位EL4と略同一であってもよい。つまり、第2準位EL2と第4準位EL4との差の絶対値が所定値以下であってもよい。この所定値は、上述したように、例えば、UPSまたはXPSなどのエネルギー準位を計測する計測装置の測定誤差に基づいて決定されてよい。この場合には、所定値としては、例えば、0.1eVが用いられてよい。第2準位EL2と第4準位EL4とが略同一であれば、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁が低減され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、第2準位EL2は、第4準位EL4よりも小さく、かつ第4準位EL4と略同一であってもよい。この場合には、第2準位EL2よりも第4準位EL4の方が大きい。このため、第1キャリア輸送部105から第1電極部106にキャリアである正孔が移動しやすくなる。これは、負の電荷をもつ電子はエネルギー準位が小さい方に移動する性質があるのに対して、負の電荷とは逆の正の電荷を有する正孔はエネルギー準位が大きい方に移動する性質があるからである。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、図3で示されるように、第1キャリア輸送部105は、第1面CF1に沿って位置している第1領域1051を含んでいてもよい。第1領域1051は、第1方向としての-Z方向に沿って第1面CF1から第1の所定の厚みを有する。第1領域1051は、第1面CF1を成している領域である。第1領域1051は、第1面CF1において光電変換部104に接している。この場合には、第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105は、例えば、図4で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図4のエネルギーバンド図は、図2のエネルギーバンド図を基礎として、第1キャリア輸送部105の禁制帯B105のエネルギー準位の代わりに、左方から右方に向かって、第1領域1051の禁制帯B1051のエネルギー準位と、後述する第3領域1053の禁制帯B1053のエネルギー準位と、後述する第2領域1052の禁制帯B1052のエネルギー準位と、がこの記載の順に示されたエネルギーバンド図である。ここで、第1領域1051におけるHOMO準位は、第3準位EL3と略同一であってよい。言い換えると、第1キャリア輸送部105では、第1面CF1から第1方向に沿った第1の所定の厚みの分だけ、HOMO準位が第3準位EL3と略同一であると言ってもよい。さらに言い換えると、第1領域1051におけるHOMO準位は、第1方向としての-Z方向に沿って、第3準位EL3と略同一であると言ってもよい。ここでは、例えば、第1キャリア輸送部105が第1領域1051を有することで、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加していても、第1領域1051がない場合と比べて、太陽電池素子10の光起電力の低下量が小さくなり得る。
太陽電池素子10の光起電力は、上述したように、第1キャリア輸送部105の材料におけるフェルミ準位と第2キャリア輸送部103の材料におけるフェルミ準位との差に比例して決まる。ここで、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合に、光起電力の決定に寄与する、第1キャリア輸送部105の材料におけるフェルミ準位は、例えば、第1キャリア輸送部105のうちの光電変換部104に接する領域(第1接触領域ともいう)におけるフェルミ準位の平均値と近似していてよい。第1接触領域の第1方向としての-Z方向に沿った厚みは、例えば、1nm以上でかつ100nm未満であってよい。したがって、例えば、第1接触領域において、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加している場合には、第1キャリア輸送部105におけるフェルミ準位もHOMO準位と同じく第1方向としての-Z方向に沿って増加し得る。これにより、第1キャリア輸送部105のうちの光電変換部104に接する領域(第1接触領域)におけるフェルミ準位の平均値が増加し得る。その結果、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合に、光起電力の決定に寄与する、第1キャリア輸送部105におけるフェルミ準位と第2キャリア輸送部103におけるフェルミ準位との差が小さくなり得る。このため、太陽電池素子10の光起電力が小さくなり得る。
これに対して、例えば、第1キャリア輸送部105が上記の第1領域1051を有していれば、第1キャリア輸送部105のうちの光電変換部104に接する領域(第1接触領域)におけるフェルミ準位の平均値が、第3準位EL3と略同一となり得る。これにより、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加していても、第1キャリア輸送部105が上記の第1領域1051を有していれば、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合に、光起電力の決定に寄与する、第1キャリア輸送部105におけるフェルミ準位と第2キャリア輸送部103におけるフェルミ準位との差が小さくなる量が低減され得る。よって、太陽電池素子10の光起電力の低下量が小さくなり得る。
第1の所定の厚みは、例えば、10nm以上であってよい。このように、第1の所定の厚みが小さくなり過ぎなければ、第1キャリア輸送部105のうちの光電変換部104に接している領域(第1接触領域)におけるフェルミ準位の平均値が第3準位EL3と略同一となり得る。また、第1の所定の厚みは、例えば、100nm以下であってもよい。このように、第1の所定の厚みが大きくなり過ぎなければ、第1キャリア輸送部105が後述する第2領域1052を有する場合には、第2領域1052の厚みが小さくなり過ぎず、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁の増大が低減され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、図3で示されるように、第1キャリア輸送部105は、第2面CF2に沿って位置している第2領域1052を含んでいてもよい。第2領域1052は、第1方向とは逆の第2方向としての+Z方向に沿って第2面CF2から第2の所定の厚みを有する。第2領域1052は、第2面CF2を成している領域である。第2領域1052は、第2面CF2において第1電極部106に接している。この場合には、例えば、図4で示されるように、第2領域1052におけるHOMO準位は、第4準位EL4と略同一であってよい。言い換えると、第1キャリア輸送部105では、第2面CF2から第2方向に沿った第2の所定の厚みの分だけ、HOMO準位が第4準位EL4と略同一であると言ってもよい。さらに言い換えると、第2領域1052におけるHOMO準位は、第2方向としての+Z方向に沿って、第4準位EL4と略同一であると言ってもよい。ここでは、例えば、第1キャリア輸送部105が第2領域1052を有することで、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加していても、第2領域1052がない場合と比べて、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁の大きさが小さくなり得る。
第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁の大きさは、上述したように、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合における、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位と第1電極部106の材料におけるフェルミ準位との差に応じて決まる。ここで、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合に、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間のエネルギー障壁の大きさの決定に寄与する、第1キャリア輸送部105の材料におけるHOMO準位は、例えば、第1キャリア輸送部105のうちの第1電極部106に接する領域(第2接触領域ともいう)におけるHOMO準位の平均値と近似していてよい。第2接触領域の第2方向としての+Z方向に沿った厚みは、例えば、1nm以上でかつ100nm未満であってよい。したがって、例えば、第2接触領域において、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加している場合には、第1キャリア輸送部105のHOMO準位の平均値は低下し得る。その結果、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合における、第1キャリア輸送部105のうちの第1電極部106と接する領域(第2接触領域)におけるHOMO準位と第1電極部106におけるフェルミ準位との差が大きくなり得る。このため、第1キャリア輸送部105のうちの第1電極部106と接する領域(第2接触領域)におけるHOMO準位と第1電極部106におけるフェルミ準位との差の増大に応じて第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間のエネルギー障壁の大きさが大きくなり得る。
これに対して、例えば、第1キャリア輸送部105が上記の第2領域1052を有していれば、第1キャリア輸送部105のうちの第1電極部106に接する領域(第2接触領域)におけるHOMO準位の平均値が、第4準位EL4と略同一となり得る。これにより、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向としての-Z方向に沿って増加していても、第1キャリア輸送部105が第2領域1052を有していれば、第2キャリア輸送部103と光電変換部104と第1キャリア輸送部105と第1電極部106とが接合されていない状態を仮定した場合に、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間のエネルギー障壁の大きさの決定に寄与する、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位と第1電極部106におけるフェルミ準位との差が大きくなる量が低減され得る。よって、太陽電池素子10において、第1キャリア輸送部105と第1電極部106との間におけるエネルギー障壁の大きさが小さくなり得る。
第2の所定の厚みは、例えば、10nm以上であってよい。このように、第2の所定の厚みが小さくなり過ぎなければ、第1キャリア輸送部105のうちの第1電極部106に接する領域(第2接触領域)におけるHOMO準位の平均値が第4準位EL4と略同一となり得る。また、第2の所定の厚みは、例えば、100nm以下であってもよい。このように、第2の所定の厚みが大きくなり過ぎなければ、第1キャリア輸送部105が上記の第1領域1051を有する場合には、第1領域1051の厚みが小さくなり過ぎず、太陽電池素子10の光起電力の低下量が低減され得る。
第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、図3で示されるように、第1キャリア輸送部105は、第1領域1051と第2領域1052の間に位置している第3領域1053を含んでいてもよい。この場合には、例えば、図4で示されるように、第3領域1053におけるHOMO準位は、第1方向としての-Z方向に沿って増加していてよい。第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、連続的に増加してもよいし、離散的に増加してもよい。例えば、第1キャリア輸送部105の第1方向に沿ったHOMO準位の分布をグラフにあらわした場合に、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って単調に増加していてもよい。また、例えば、第1キャリア輸送部105の第1方向におけるHOMO準位の分布をグラフにあらわした場合に、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って階段状に増加していてもよい。第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が第1方向に沿って増加すれば、第1キャリア輸送部105の第1方向におけるHOMO準位の分布を示すグラフの形状は、第1領域1051側から第2領域1052側に向かう途中でエネルギー準位が高くなる方向に凹んだ形状とはならない。仮に、第1キャリア輸送部105の第1方向におけるHOMO準位の分布を示すグラフの形状にエネルギー準位が高くなる方向に凹んだ部分がある場合には、この凹んだ部分においてキャリアの移動が阻害され、太陽電池素子10の変換効率が低下するおそれがある。これに対して、第1キャリア輸送部105の第3領域1053におけるHOMO準位が第1方向に沿って増加していることで、第1キャリア輸送部105内をキャリアである正孔が移動しやすくなる。これにより、太陽電池素子10における変換効率の低下が低減され得る。
なお、第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、図5で示されるように、第1キャリア輸送部105は、第3領域1053と第1電極部106との間に位置している第2領域1052を有していなくてもよい。換言すれば、例えば、第1キャリア輸送部105は、第1領域1051と第1電極部106との間に位置している第3領域1053を含んでいてもよい。この場合には、第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105は、例えば、図6で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図6のエネルギーバンド図は、図4のエネルギーバンド図を基礎として、第2領域1052の禁制帯B1052のエネルギー準位、が削除されたエネルギーバンド図である。
また、第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105において、例えば、図7で示されるように、第1キャリア輸送部105は、光電変換部104と第3領域1053との間に位置している第1領域1051を有していなくてもよい。換言すれば、例えば、第1キャリア輸送部105は、第2領域1052と光電変換部104との間に位置している第3領域1053を含んでいてもよい。この場合には、第1実施形態に係る太陽電池素子10の第1キャリア輸送部105は、例えば、図8で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図8のエネルギーバンド図は、図4のエネルギーバンド図を基礎として、第1領域1051の禁制帯B1051のエネルギー準位、が削除されたエネルギーバンド図である。
ここまでの説明では、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位を用いて説明したが、これに限られない。例えば、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が相対的に小さいことは、第1キャリア輸送部105におけるキャリア密度が相対的に大きいことと言い換えてもよい。また、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位が相対的に大きいことは、第1キャリア輸送部105におけるキャリア密度が相対的に小さいことと言い換えてもよい。
例えば、第1キャリア輸送部105における第1準位EL1と第2準位EL2とが異なることは、第1キャリア輸送部105において第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1におけるキャリア密度と第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2におけるキャリア密度とが異なることと言い換えてもよい。また、例えば、第1キャリア輸送部105における第1準位EL1が第2準位EL2よりも小さいことは、第1キャリア輸送部105において第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1におけるキャリア密度が第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2におけるキャリア密度よりも大きいことと言い換えてもよい。また、第1キャリア輸送部105のHOMO準位が第1方向に沿って増加していることは、第1キャリア輸送部105のキャリア密度が第1方向に沿って低下していることと言い換えてもよい。また、第1キャリア輸送部105のHOMO準位が第1方向に沿って第1界面領域Ab1から第2界面領域Ab2に向けて増加していることは、第1キャリア輸送部105のキャリア密度が第1方向に沿って第1界面領域Ab1から第2界面領域Ab2に向けて低下していることと言い換えてもよい。
<1-3.太陽電池素子10の製造方法>
例えば、図9で示されるように、ステップS1からステップS5の処理を、この記載の順に行うことで、図1などで例示された第1実施形態に係る太陽電池素子10を製造することができる。ここでは、例えば、ステップS3は、本開示の第1ステップに相当し、ステップS4は、本開示の第2ステップに相当し、ステップS5は、本開示の第3ステップに相当する。
例えば、図9で示されるように、ステップS1からステップS5の処理を、この記載の順に行うことで、図1などで例示された第1実施形態に係る太陽電池素子10を製造することができる。ここでは、例えば、ステップS3は、本開示の第1ステップに相当し、ステップS4は、本開示の第2ステップに相当し、ステップS5は、本開示の第3ステップに相当する。
ステップS1では、基板部101上に第2電極部102を形成する。ここでは、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって、基板部101上に第2電極部102の材料を堆積させることで、基板部101上に第2電極部102を形成することができる。第2電極部102の材料には、例えば、ITO、FTOまたはZnOなどのTCOが適用される。第1電極部106が特定波長域の光に対する透光性を有する場合には、第2電極部102の材料には、例えば、Auなどの導電性に優れた金属が適用されてもよい。
ステップS2では、第2電極部102上に第2キャリア輸送部103を形成する。第2キャリア輸送部103の材料には、例えば、TiO2、SnO2、ZnOまたはIn2O3などの金属酸化物が適用される。ここで、例えば、金属塩化物または金属イソプロポキシドなどの原料を極性溶液に溶解させることで調製した原料液を第2電極部102上に塗布し、原料を加水分解させて金属酸化物を生成することで、第2電極部102上に第2キャリア輸送部103を形成してよい。金属塩化物は、例えば、塩化チタン、塩化スズ、塩化亜鉛または塩化インジウムなどを含む。金属イソプロポキシドは、例えば、チタンイソプロポキシド、スズイソプロポキシド、亜鉛イソプロポキシドまたはインジウムイソプロポキシドなどを含む。具体的には、例えば、4塩化チタン水溶液をスピンコートなどで第2電極部102上に塗布して乾燥させる。その後、例えば、ホットプレートにおける約150℃の加熱によって4塩化チタンを加水分解させることで、第2電極部102上にTiO2の第2キャリア輸送部103を形成することができる。ここで、金属酸化物には、例えば、n型のドーパントが添加されていてもよい。例えば、金属酸化物がZnOであれば、n型のドーパントには、AlまたはBなどの元素が適用されてよい。この場合には、原料液に、n型のドーパントが添加されていてもよい。
また、ここでは、例えば、第2キャリア輸送部103の材料に、有機材料が適用されてもよい。この有機材料には、例えば、PCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)などのフラーレン誘導体を適用してもよい。この場合には、例えば、フラーレン誘導体をクロロベンゼン溶媒に溶解させることで調製した原料液を用いてよい。ここでは、1ミリリットル(1ml)の原料液は、例えば、5ミリグラム(mg)から20mg程度のフラーレン誘導体を含んでいてよい。換言すれば、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、フラーレン誘導体の濃度が5ミリグラム毎ミリリットル(mg/ml)から20mg/ml程度である原料液を用いてよい。そして、第2電極部102上に塗布した原料液に乾燥およびアニールを施すことで、第2電極部102上にPCBMの第2キャリア輸送部103を形成してもよい。また、第2キャリア輸送部103の材料に適用される有機材料については、例えば、官能基を変更して、有機溶媒に対する溶解性および物性を変えてもよい。この場合にも、有機材料には、例えば、n型のドーパントが添加されていてもよい。
ステップS3では、第2キャリア輸送部103上に光電変換部104を形成する。換言すれば、ステップS3では、光電変換部104を形成する。ここでは、光電変換部104は、例えば、第2キャリア輸送部103上に原料液を塗布し、この塗布後の原料液にアニールを施すことで、形成され得る。原料液は、例えば、光電変換部104の原料であるハロゲン化アルキルアミンとハロゲン化鉛もしくはハロゲン化錫とが溶媒に溶かされることで生成され得る。この場合、光電変換部104は、結晶性を有するハロゲン化ペロブスカイト半導体の薄膜によって構成され得る。
ステップS4では、光電変換部104上に第1キャリア輸送部105を形成する。ここでは、例えば、ステップS4a、ステップS4bおよびステップS4cの処理を、この記載の順に行うことで、光電変換部104上に第1キャリア輸送部105を形成することができる。ここでは、例えば、ステップS4aは、本開示の第2Aステップに相当し、ステップS4bは、本開示の第2Bステップに相当し、ステップS4cは、本開示の第2Cステップに相当する。
ステップS4aでは、光電変換部104上に第1層を形成する。ステップS4bでは、第1層上に第2層を形成する。ステップS4cでは、第1層および第2層を加熱することで第1層に含まれているドーパントを第2層に拡散させることで第1層および第2層から第1キャリア輸送部105を生成する。ここで、第1層は、第2層よりも高いドーパントの濃度を有する。第2層は、第1層よりも低いドーパントの濃度を有するか、またはドーパントを含んでいない。第2層は、第1キャリア輸送部105を構成する半導体の材料を含む。ここで、ドーパントは、半導体をp型の半導体とするためのp型のドーパントであってよい。第1層は、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含む層であってよい。第1層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含んでいてもよいし、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含んでいなくてもよい。第2層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含む層であって、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含んでいてもよいし、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含んでいなくてもよい。
例えば、第1層が、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含んでいない場合には、ステップS4aでは、光電変換部104上に第1層としてのドーパント層を形成する。ドーパント層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含まず、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含む層であってよい。ここでは、例えば、光電変換部104上に原料液を塗布し、この原料液に乾燥またはアニールなどを施すことで、光電変換部104上にドーパント層を形成することができる。例えば、クロロベンゼン溶液に、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide:LiTFSI)または4-tert-ブチルピリジン(4-tert-Butylpyridine:TBP)を溶解させることで生成された原料液を使用してよい。ここで、LiTFSIおよびTBPは、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料である。
例えば、第1層が、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含む場合には、ステップS4aでは、光電変換部104上に第1層としての高ドープ層を形成する。高ドープ層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料と、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素と、を含む層であってよい。ここでは、例えば、光電変換部104上に原料液を塗布し、この原料液に乾燥およびアニールを施すことで、光電変換部104上に高ドープ層を形成することができる。第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPD(4-Butyl-N,N-diphenylaniline homopolymer)などの有機半導体の材料が適用され得る。ここで、例えば、spiro-OMeTADと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製することができる。ここでは、例えば、1mlの原料液は、10mgから85mg程度のspiro-OMeTADを含んでいてよい。換言すれば、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、spiro-OMeTADの濃度が10mg/mlから85mg/ml程度である原料液を用いてよい。また、例えば、P3HTと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをジクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、1mlの原料液は、5mgから20mg程度のP3HTを含んでいてよい。換言すれば、例えば、溶媒がジクロロベンゼンであり、P3HTの濃度が5mg/mlから20mg/ml程度である原料液を用いてもよい。また、例えば、PTAAと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをトルエンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、1mlの原料液は、5mgから20mg程度のPTAAを含んでいてよい。換言すれば、例えば、溶媒がトルエンであり、PTAAの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。また、例えば、Poly-TPDと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、1mlの原料液は、5mgから20mg程度のPoly-TPDを含んでいてよい。換言すれば、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、Poly-TPDの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。
例えば、第2層が、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含んでいる場合には、ステップS4bでは、第1層上に第2層としての低ドープ層を形成する。低ドープ層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料と、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素と、を含む層であってよい。例えば、第1層が高ドープ層であれば、第2層としての低ドープ層は、高ドープ層を基礎として、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素の濃度が低減された層であってよい。ここでは、例えば、第1層上に原料液を塗布し、この原料液に乾燥を施すことで、第1層上に低ドープ層を形成することができる。第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPDなどの有機半導体の材料が適用され得る。ここで、例えば、spiro-OMeTADと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製することができる。ここでは、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、spiro-OMeTADの濃度が10mg/mlから85mg/ml程度である原料液を用いてよい。また、例えば、P3HTと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをジクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がジクロロベンゼンであり、P3HTの濃度が5mg/mlから20mg/ml程度である原料液を用いてもよい。また、例えば、PTAAと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをトルエンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がトルエンであり、PTAAの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。また、例えば、Poly-TPDと第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料としてのLiTFSIもしくはTBPとをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、Poly-TPDの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。
例えば、第2層が、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含んでいない場合には、ステップS4bでは、第1層上に第2層としての無ドープ層を形成する。無ドープ層は、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含んでいるとともに、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素を含んでいない層であってよい。例えば、第1層が高ドープ層であれば、第2層としての無ドープ層は、高ドープ層を基礎として、第1キャリア輸送部105においてドーパントとなる材料または元素が除かれた層であってよい。ここでは、例えば、第1層上に原料液を塗布し、この原料液に乾燥を施すことで、第1層上に無ドープ層を形成することができる。第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPDなどの有機半導体の材料が適用され得る。ここで、例えば、spiro-OMeTADをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製することができる。ここでは、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、spiro-OMeTADの濃度が10mg/mlから85mg/ml程度である原料液を用いてよい。また、例えば、P3HTをジクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がジクロロベンゼンであり、P3HTの濃度が5mg/mlから20mg/ml程度である原料液を用いてもよい。また、例えば、PTAAをトルエンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がトルエンであり、PTAAの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。また、例えば、Poly-TPDをクロロベンゼンに溶解させることで原料液を調製してもよい。ここでは、例えば、溶媒がクロロベンゼンであり、Poly-TPDの濃度が5mg/mlから20mg/mlである原料液を用いてもよい。
ステップS4cでは、第1層および第2層を加熱することで第1層に含まれているドーパントを第2層に拡散させる。これにより、第1層および第2層から第1キャリア輸送部105を生成する。ここでは、第1層および第2層の加熱は、第1層および第2層のアニールであってよい。第1層および第2層の加熱における温度および時間は、例えば、第1層および第2層における半導体の材料およびドーパントの材料などに応じて適宜設定されてよい。ここで、例えば、第1層が第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料を含まないドーパント層であれば、第2層から第1層に向けて、第1キャリア輸送部105の半導体を構成するための半導体の材料の拡散も生じ得る。
ステップS5では、第1キャリア輸送部105上に第1電極部106を形成する。ここでは、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって、第1キャリア輸送部105上に第1電極部106の材料を堆積させることで、第1電極部106を形成することができる。第1電極部106の材料には、例えば、Auなどの導電性に優れた金属あるいはITO、FTOまたはZnOなどのTCOが適用される。また、第1電極部106は、例えば、塗布液としての金属ペーストがスクリーン印刷などによって塗布された後に、この塗布後の金属ペーストが乾燥されて該金属ペーストが固化されることで形成されてもよい。
ここで、ステップS4については、例えば、第1層としてドーパント層もしくは高ドープ層を採用し、第2層として低ドープ層もしくは無ドープ層を採用し、第1層および第2層のそれぞれの厚みと、第1層および第2層の加熱における温度および時間の条件と、を適宜設定してよい。これにより、例えば、ドーパントの濃度が、第1方向としての-Z方向に沿って、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて低下している第1キャリア輸送部105が形成され得る。換言すれば、例えば、HOMO準位が、第1方向としての-Z方向に沿って、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて増加している第1キャリア輸送部105が形成され得る。この場合には、例えば、第1キャリア輸送部105は、図2で示されたようなエネルギーバンド構造を有し得る。換言すれば、第1キャリア輸送部105では、例えば、第1界面領域Ab1におけるHOMO準位である第1準位EL1が、第2界面領域Ab2におけるHOMO準位である第2準位EL2よりも小さくなり得る。さらに、第1キャリア輸送部105では、例えば、HOMO準位が、第1方向としての-Z方向に沿って、第1界面領域Ab1から第2界面領域Ab2に向けて増加し得る。ここで、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第1層としてのドーパント層もしくは高ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第1界面領域Ab1におけるHOMO準位である第1準位EL1を、光電変換部104のVBM準位である第3準位EL3と略同一にしてもよい。また、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第2層としての低ドープ層もしくは無ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第2界面領域Ab2におけるHOMO準位である第2準位EL2を、第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4と略同一にしてもよい。
ここで、ステップS4については、例えば、第1層として高ドープ層を採用し、第2層として低ドープ層もしくは無ドープ層を採用し、第1層および第2層のそれぞれの厚みと、第1層および第2層の加熱における温度および時間の条件と、を適宜設定してもよい。これにより、例えば、図3および図5で示されたように、第1領域1051を含む第1キャリア輸送部105が形成され得る。ここでは、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第1層として高ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第1領域1051におけるHOMO準位を、光電変換部104におけるVBM準位である第3準位EL3と略同一としてもよい。さらに、例えば、第1層および第2層の加熱における温度および時間の条件を適宜設定することで、図3で示されたように、第1領域1051、第2領域1052および第3領域1053を含む第1キャリア輸送部105が形成されてもよいし、図5で示されたように、第1領域1051および第3領域1053を含む第1キャリア輸送部105が形成されてもよい。図3で示されたように、第1領域1051、第2領域1052および第3領域1053を含む第1キャリア輸送部105が形成される場合には、例えば、第1キャリア輸送部105は、図4で示されたようなエネルギーバンド構造を有し得る。この場合には、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第2層として低ドープ層もしくは無ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第2領域1052におけるHOMO準位を、第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4と略同一としてもよい。図5で示されたように、第1領域1051および第3領域1053を含む第1キャリア輸送部105が形成される場合には、例えば、第1キャリア輸送部105は、図6で示されたようなエネルギーバンド構造を有し得る。この場合には、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第2層としての低ドープ層もしくは無ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第2界面領域Ab2におけるHOMO準位である第2準位EL2を、第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4と略同一にしてもよい。
ここで、ステップS4については、例えば、第1層としてドーパント層もしくは高ドープ層を採用し、第2層として低ドープ層もしくは無ドープ層を採用し、第1層および第2層のそれぞれの厚みと、第1層および第2層の加熱における温度および時間の条件と、を適宜設定してもよい。これにより、例えば、図7で示されたように、第2領域1052を含む第1キャリア輸送部105が形成され得る。ここでは、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第2層として低ドープ層もしくは無ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第2領域1052におけるHOMO準位を、第1電極部106におけるフェルミ準位である第4準位EL4と略同一としてもよい。また、例えば、第1キャリア輸送部105における半導体の材料と、第1層としてのドーパント層もしくは高ドープ層におけるドーパントの濃度と、を適宜設定することで、第1界面領域Ab1におけるHOMO準位である第1準位EL1を、光電変換部104のVBM準位である第3準位EL3と略同一にしてもよい。
<1-4.太陽電池モジュール1>
図10で示されるように、例えば、太陽電池モジュール1は、複数の太陽電池素子10と、集電部30とを備えている。第1実施形態に係る太陽電池モジュール1において、複数の太陽電池素子10は、1つの基板部101を共有している。言い換えると、第1実施形態に係る太陽電池モジュール1において、1つの基板部101の上に、複数の第2電極部102が形成されている。
図10で示されるように、例えば、太陽電池モジュール1は、複数の太陽電池素子10と、集電部30とを備えている。第1実施形態に係る太陽電池モジュール1において、複数の太陽電池素子10は、1つの基板部101を共有している。言い換えると、第1実施形態に係る太陽電池モジュール1において、1つの基板部101の上に、複数の第2電極部102が形成されている。
集電部30は、取出電極として機能する。集電部30は、例えば、アルミニウムまたは銅の配線であってよい。集電部30は、例えば、太陽電池素子10で発電した電気を取り出す端子と接続している。
<2.他の実施形態>
本開示は上述の第1実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更および改良などが可能である。
本開示は上述の第1実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更および改良などが可能である。
<2-1.第2実施形態>
以下において、第2実施形態について説明する。以下においては、第1実施形態に対する相違点について主として説明する。
以下において、第2実施形態について説明する。以下においては、第1実施形態に対する相違点について主として説明する。
図11は、第2実施形態に係る太陽電池素子40の断面構成の第1例を模式的に示す図である。図12は、第2実施形態に係る太陽電池素子40の第1電極部106、第1キャリア輸送部105、光電変換部104、および第2キャリア輸送部103の間におけるエネルギー準位の関係の第1例を示すエネルギーバンド図である。
図11で示されるように、第2実施形態に係る太陽電池素子40は、図3で示された上記第1実施形態に係る太陽電池素子10の一例を基礎として、第1キャリア輸送部105が、第3領域1053の代わりに第4領域1054を含んでいる構成を有する。第4領域1054は、第1領域1051と第2領域1052との間に位置している。この場合には、第2実施形態に係る太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、例えば、図12で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図12のエネルギーバンド図は、図4のエネルギーバンド図を基礎として、第3領域1053の禁制帯B1053のエネルギー準位の代わりに、第4領域1054の禁制帯B1054のエネルギー準位が示されたエネルギーバンド図である。第4領域1054におけるHOMO準位は、第1準位EL1と第2準位EL2との間のエネルギー準位である第5準位EL5と略同一である。換言すれば、第1キャリア輸送部105の第4領域1054は、第1領域1051から第2領域1052までの第4の所定の厚みの分だけ、HOMO準位が第5準位EL5と略同一となっていると言ってもよい。さらに換言すれば、第4領域1054におけるHOMO準位は、第1方向としての-Z方向に沿って、第5準位EL5と略同一であると言ってもよい。この場合、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、第1面CF1から第2面CF2に向けて離散的に増加している。換言すれば、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて離散的に増加している。より具体的には、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、第1面CF1から第2面CF2に向けて階段状に増加している。換言すれば、第1キャリア輸送部105におけるHOMO準位は、第1面CF1に沿った第1界面領域Ab1から第2面CF2に沿った第2界面領域Ab2に向けて階段状に増加している。なお、第1準位EL1と第5準位EL5との差と、第2準位EL2と第5準位EL5との差とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
図11で例示された第2実施形態に係る太陽電池素子40は、例えば、図13に示されるように、上記第1実施形態と同じく、上記のステップS1からステップS3の処理をこの記載の順に行った後に、ステップS4Aの処理を行い、さらに上記第1実施形態と同じく、上記のステップS5の処理を行うことで、製造され得る。ステップS4Aでは、ステップS41、ステップS42およびステップS43の処理をこの記載の順に行う。
ステップS41では、光電変換部104上に第1キャリア輸送部105の第1領域1051を形成する。ここでは、例えば、光電変換部104上に第2A原料液を塗布し、この塗布後の第2A原料液に乾燥およびアニールを施すことで、光電変換部104上に第1領域1051を形成することができる。第2A原料液の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPDなどの有機半導体の材料にドーパントが添加された材料が適用され得る。ここで、第2A原料液におけるドーパントの濃度は、後述する第2B原料液および第2C原料液のそれぞれにおけるドーパントの濃度よりも大きい。ドーパントとしては、例えば、LiTFSIまたはTBPなどが採用され得る。
ステップS42では、第1キャリア輸送部105の第1領域1051上に第1キャリア輸送部105の第4領域1054を形成する。ここでは、例えば、第1領域1051の上に第2B原料液を塗布し、この塗布後の第2B原料液に乾燥およびアニールを施すことで、第1領域1051上に第4領域1054を形成することができる。第2B原料液の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPDなどの有機半導体の材料にドーパントが添加された材料が適用され得る。ここで、第2B原料液におけるドーパントの濃度は、後述する第2C原料液におけるドーパントの濃度よりも大きい。ドーパントとしては、例えば、LiTFSIまたはTBPなどが採用され得る。
ステップS43では、第1キャリア輸送部105の第4領域1054上に第1キャリア輸送部105の第2領域1052を形成する。ここでは、例えば、第4領域1054の上に第2C原料液を塗布し、この塗布後の第2C原料液に乾燥およびアニールを施すことで、第4領域1054上に第2領域1052を形成することができる。第2C原料液の材料には、例えば、spiro-OMeTAD、P3HT、PTAAまたはPoly-TPDなどの有機半導体の材料にドーパントが添加された材料が適用され得る。ドーパントとしては、LiTFSIまたはTBPなどが採用され得る。
このような構造を有する第1キャリア輸送部105が採用されることで、ドーパントを拡散させる条件を制御することなく、第1領域1051および第2領域1052の厚みを制御することができる。これにより、第1キャリア輸送部105の厚みが大きい場合でも、第1領域1051と第2領域1052の厚みを制御しやすくすることができる。
なお、以上の第2実施形態の説明では、第1キャリア輸送部105が第1領域1051第4領域1054および第2領域1052の3つの領域で構成されていたが、第1キャリア輸送部105はこのような構造に限られない。例えば、第1キャリア輸送部105は、第1領域1051と第2領域1052との間に、第1準位EL1と第2準位EL2との間において相互に異なるHOMO準位を有する複数の領域を備えてもよい。
また、例えば、図14で示されるように、第2実施形態における太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、第1領域1051と第4領域1054との間に位置している第1界面層1055を含んでいてもよい。この場合には、例えば、第1領域1051の材料と第4領域1054の材料とが異なっていても、第1界面層1055の存在によって、第1領域1051の材料と第4領域1054の材料とが接触して第1領域1051の材料および第4領域1054の材料のうちの1つ以上の材料が劣化することが低減され得る。この場合には、第2実施形態に係る太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、例えば、図15で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図15のエネルギーバンド図は、図12のエネルギーバンド図を基礎として、第1領域1051の禁制帯B1051のエネルギー準位と第4領域1054の禁制帯B1054のエネルギー準位との間に第1界面層1055の禁制帯B1055のエネルギー準位が加えられたエネルギーバンド図である。例えば、図15で示されるように、第1界面層1055におけるHOMO準位は、第1領域1051におけるHOMO準位以上であり且つ第4領域1054におけるHOMO準位以下であってよい。換言すれば、第1界面層1055におけるHOMO準位は、第1領域1051におけるHOMO準位と略同一である第1準位EL1以上であり且つ第4領域1054におけるHOMO準位と略同一である第5準位EL5以下であってもよい。第1界面層1055の材料には、例えば、特定波長域の光に対する透光性を有する材料が用いられてよい。第1界面層1055の材料には、例えば、透明導電性酸化物(TCO)またはタンデム型太陽電池のバッファ層に用いられる材料などが適用されてよい。第1界面層1055は、例えば、この第1界面層1055の材料を含む原料液を第1領域1051上に塗布し、この塗布後の原料液に乾燥およびアニールを施すことで形成されてよい。また、第1界面層1055は、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって形成されてもよい。
また、例えば、図16で示されるように、第2実施形態における太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、第2領域1052と第4領域1054との間に位置している第2界面層1056を含んでいてもよい。この場合には、例えば、第2領域1052の材料と第4領域1054の材料とが異なっていても、第2界面層1056の存在によって、第2領域1052の材料と第4領域1054の材料とが接触して第2領域1052の材料および第4領域1054の材料のうちの1つ以上の材料が劣化することが低減され得る。この場合には、第2実施形態に係る太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、例えば、図17で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図17のエネルギーバンド図は、図12のエネルギーバンド図を基礎として、第2領域1052の禁制帯B1052のエネルギー準位と第4領域1054の禁制帯B1054のエネルギー準位との間に第2界面層1056の禁制帯B1056のエネルギー準位が加えられたエネルギーバンド図である。例えば、図17で示されるように、第2界面層1056におけるHOMO準位は、第4領域1054におけるHOMO準位以上であり且つ第2領域1052におけるHOMO準位以下であってよい。換言すれば、第2界面層1056におけるHOMO準位は、第4領域1054におけるHOMO準位と略同一である第5準位EL5以上であり且つ第2領域1052におけるHOMO準位と略同一である第2準位EL2以下であってもよい。第2界面層1056の材料には、例えば、特定波長域の光に対する透光性を有する材料が用いられてよい。第2界面層1056の材料には、例えば、透明導電性酸化物(TCO)またはタンデム型太陽電池のバッファ層に用いられる材料などが適用されてよい。第2界面層1056は、例えば、この第2界面層1056の材料を含む原料液を第4領域1054上に塗布し、この塗布後の原料液に乾燥およびアニールを施すことで形成されてよい。また、第2界面層1056は、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって形成されてもよい。
また、例えば、図18で示されるように、第2実施形態における太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、上記の第1界面層1055と、上記の第2界面層1056と、を含んでいてもよい。第1界面層1055は、第1領域1051と第4領域1054との間に位置している。第2界面層1056は、第2領域1052と第4領域1054との間に位置している。この場合には、第2実施形態に係る太陽電池素子40の第1キャリア輸送部105は、例えば、図19で示されるようなエネルギーバンド構造を有していてよい。図19のエネルギーバンド図は、図12のエネルギーバンド図を基礎として、第1領域1051の禁制帯B1051のエネルギー準位と第4領域1054の禁制帯B1054のエネルギー準位との間に第1界面層1055の禁制帯B1055のエネルギー準位が加えられ、かつ第2領域1052の禁制帯B1052のエネルギー準位と第4領域1054の禁制帯B1054のエネルギー準位との間に第2界面層1056の禁制帯B1056のエネルギー準位が加えられたエネルギーバンド図である。例えば、図19で示されるように、第1界面層1055におけるHOMO準位は、第1領域1051におけるHOMO準位以上であり且つ第4領域1054におけるHOMO準位以下であってよい。換言すれば、第1界面層1055におけるHOMO準位は、第1領域1051におけるHOMO準位と略同一である第1準位EL1以上であり且つ第4領域1054におけるHOMO準位と略同一である第5準位EL5以下であってもよい。また、例えば、図19で示されるように、第2界面層1056におけるHOMO準位は、第4領域1054におけるHOMO準位以上であり且つ第2領域1052におけるHOMO準位以下であってよい。換言すれば、第2界面層1056におけるHOMO準位は、第4領域1054におけるHOMO準位と略同一である第5準位EL5以上であり且つ第2領域1052におけるHOMO準位と略同一である第2準位EL2以下であってもよい。
<2-2.その他の実施形態>
上記第1実施形態および上記第2実施形態において、第3準位EL3が、光電変換部104におけるVBM準位であったが、これに限られない。例えば、光電変換部104に適用されるi型半導体が、有機半導体である場合には、第3準位EL3は、光電変換部104における最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)であってもよい。
上記第1実施形態および上記第2実施形態において、第3準位EL3が、光電変換部104におけるVBM準位であったが、これに限られない。例えば、光電変換部104に適用されるi型半導体が、有機半導体である場合には、第3準位EL3は、光電変換部104における最高被占軌道のエネルギー準位(HOMO準位)であってもよい。
本開示を各種の図面および各種の実施形態に基づいて説明してきたが、当業者であれば本開示に基づいた種々の変形および修正を行うことが可能である。したがって、これらの変形および修正は、本開示の範囲に含まれる。例えば、各機能部および各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しない形態で再配置を行うことが可能であり、複数の機能部およびステップなどを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、本開示は、上記の各実施形態を忠実に実施することに限定されない。適宜、各実施形態の一部の特徴を組み合わせてもよいし、各実施形態の一部を省略してもよい。
<2-3.本開示のまとめ>
本開示には、以下の内容が含まれる。
本開示には、以下の内容が含まれる。
一実施形態において、(1)太陽電池素子は、第1電極部と、光電変換部と、前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置する第1キャリア輸送部と、を備える。前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接する面である第1面での最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第1電極部と接する面である第2面での最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい。
(2)上記(1)の太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1面から前記第2面に向かう第1方向に沿って前記第1面から前記第2面に向けて増加する。
(3)上記(1)から(2)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1準位は、前記光電変換部の価電子帯上端のエネルギー準位である第3準位と略同一である。
(4)上記(1)から(3)のいずれかの太陽電池素子において、前記第2準位は、前記第1電極部のフェルミ準位である第4準位と略同一である。
(5)上記(1)から(4)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部は、前記第1面から前記第1方向に沿って第1の所定の厚みを有する第1領域を備える。前記第1領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第3準位と略同一である。
(6)上記(1)から(5)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部は、前記第1方向と逆方向に沿って前記第2面から第2の所定の厚みを有する第2領域をさらに備える。前記第2領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第4準位と略同一である。
(7)上記(1)から(6)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第1電極部との間に第3領域をさらに備える。前記第3領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1方向に沿って増加する。
(8)上記(1)から(7)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第2領域との間に第4領域をさらに備える。前記第4領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1準位以上かつ前記第2準位以下のエネルギー準位である第5準位と略同一である。
(9)上記(1)から(8)のいずれかの太陽電池素子において、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第4領域との間に第1界面層と、前記第2領域と前記第4領域との間に第2界面層と、を備える。
一実施形態において、(10)太陽電池モジュールは、第1電極部と、光電変換部と、前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置する第1キャリア輸送部と、を備える。前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接する面である第1面での最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第1電極部と接する面である第2面での最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい。
(11)上記(10)の太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1面から前記第2面に向かう第1方向に沿って前記第1面から前記第2面に向けて増加する。
(12)上記(10)から(11)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1準位は、前記光電変換部の価電子帯上端のエネルギー準位である第3準位と略同一である。
(13)上記(10)から(12)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第2準位は、前記第1電極部のフェルミ準位である第4準位と略同一である。
(14)上記(10)から(13)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部は、前記第1面から前記第1方向に沿って第1の所定の厚みを有する第1領域を備える。前記第1領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第3準位と略同一である。
(15)上記(10)から(14)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部は、前記第1方向と逆方向に沿って前記第2面から第2の所定の厚みを有する第2領域をさらに備える。前記第2領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第4準位と略同一である。
(16)上記(10)から(15)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第1電極部との間に第3領域をさらに備える。前記第3領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1方向に沿って増加する。
(17)上記(10)から(16)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第2領域との間に第4領域をさらに備える。前記第4領域における前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1準位以上かつ前記第2準位以下のエネルギー準位である第5準位と略同一である。
(18)上記(10)から(17)のいずれかの太陽電池モジュールにおいて、前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第4領域との間に第1界面層と、前記第2領域と前記第4領域との間に第2界面層と、を備える。
一実施形態において、(11)太陽電池素子の製造方法において、光電変換部を形成する第1ステップと、光電変換部上にドーパント層を形成する第2ステップと、ドーパント層上に第1キャリア輸送部を形成する第3ステップと、第1キャリア輸送部上に第1電極部を形成する第4ステップと、を備える。
1 :太陽電池モジュール
10 :太陽電池素子
101 :基板部
102 :第2電極部
103 :第2キャリア輸送部
104 :光電変換部
105 :第1キャリア輸送部
1051:第1領域
1052:第2領域
1053:第3領域
1054:第4領域
1055:第1界面層
1056:第2界面層
106 :第1電極部
F1 :第1素子面
F2 :第2素子面
CF1 :第1面
CF2 :第2面
EL1 :第1準位
EL2 :第2準位
EL3 :第3準位
EL4 :第4準位
EL5 :第5準位
20 :導線
30 :集電部
40 :太陽電池素子
10 :太陽電池素子
101 :基板部
102 :第2電極部
103 :第2キャリア輸送部
104 :光電変換部
105 :第1キャリア輸送部
1051:第1領域
1052:第2領域
1053:第3領域
1054:第4領域
1055:第1界面層
1056:第2界面層
106 :第1電極部
F1 :第1素子面
F2 :第2素子面
CF1 :第1面
CF2 :第2面
EL1 :第1準位
EL2 :第2準位
EL3 :第3準位
EL4 :第4準位
EL5 :第5準位
20 :導線
30 :集電部
40 :太陽電池素子
Claims (17)
- 第1電極部と、
光電変換部と、
前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備え、
前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部と接している第2面と、を有し、
前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第2面に沿った第2界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい、太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部の最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1面から前記第2面に向かう第1方向に沿って前記第1界面領域から前記第2界面領域に向けて増加している、請求項1に記載の太陽電池素子。
- 前記第1準位は、前記光電変換部における価電子帯上端のエネルギー準位である第3準位と略同一である、請求項1または請求項2に記載の太陽電池素子。
- 前記第1キャリア輸送部は、前記第1面に沿って位置している第1領域、を含み、
前記第1領域は、前記第1面から前記第2面に向かう第1方向に沿って前記第1面から第1の所定の厚みを有し、
前記第1領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第3準位と略同一である、請求項3に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第1電極部との間に位置している第3領域、を含み、
前記第3領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1方向に沿って増加している、請求項4に記載の太陽電池素子。 - 前記第2準位は、前記第1電極部におけるフェルミ準位である第4準位と略同一である、請求項1から請求項3の何れか1つの請求項に記載の太陽電池素子。
- 前記第1キャリア輸送部は、前記第2面に沿って位置している第2領域、を含み、
前記第2領域は、前記第1面から前記第2面に向かう第1方向とは逆の第2方向に沿って前記第2面から第2の所定の厚みを有し、
前記第2領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第4準位と略同一である、請求項6に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第2領域と前記光電変換部との間に第3領域、を含み、
前記第3領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1方向に沿って増加している、請求項7に記載の太陽電池素子。 - 前記第2準位は、前記第1電極部におけるフェルミ準位である第4準位と略同一である、請求項4に記載の太陽電池素子。
- 前記第1キャリア輸送部は、前記第2面に沿って位置している第2領域、を含み、
前記第2領域は、前記第1方向とは逆の第2方向に沿って前記第2面から第2の所定の厚みを有し、
前記第2領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第4準位と略同一である、請求項9に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第2領域との間に位置している第3領域、を含み、
前記第3領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1方向に沿って増加している、請求項10に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第2領域との間に位置している第4領域、をさらに含み、
前記第4領域における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1準位と前記第2準位との間のエネルギー準位である第5準位と略同一である、請求項10に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第1領域と前記第4領域との間に位置している第1界面層、を含み、
前記第1界面層における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第1領域における最高被占軌道のエネルギー準位以上であり、且つ前記第4領域における最高被占軌道のエネルギー準位以下である、請求項12に記載の太陽電池素子。 - 前記第1キャリア輸送部は、前記第2領域と前記第4領域との間に位置している第2界面層、を含み、
前記第2界面層における最高被占軌道のエネルギー準位は、前記第4領域における最高被占軌道のエネルギー準位以上であり、且つ前記第2領域における最高被占軌道エネルギー準位以下である、請求項12または請求項13に記載の太陽電池素子。 - 第1電極部と、
光電変換部と、
前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備え、
前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部と接している第2面と、を有し、
前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域におけるキャリア密度が、前記第2面に沿った第2界面領域におけるキャリア密度よりも大きい、太陽電池素子。 - 第1電極部と、
光電変換部と、
前記第1電極部と前記光電変換部との間に位置している第1キャリア輸送部と、を備え、
前記第1キャリア輸送部は、前記光電変換部と接している第1面と、前記第1電極部と接している第2面と、を有し、
前記第1キャリア輸送部では、前記第1面に沿った第1界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第1準位が、前記第2面に沿った第2界面領域における最高被占軌道のエネルギー準位である第2準位よりも小さい、太陽電池モジュール。 - 光電変換部を形成する第1ステップと、
前記光電変換部上に第1キャリア輸送部を形成する第2ステップと、
前記第1キャリア輸送部上に第1電極部を形成する第3ステップと、を有し、
前記第2ステップは、前記光電変換部上に第1層を形成する第2Aステップと、前記第1層上に第2層を形成する第2Bステップと、前記第1層および前記第2層を加熱することで前記第1層に含まれているドーパントを前記第2層に拡散させることで前記第1層および前記第2層から前記第1キャリア輸送部を生成する第2Cステップと、を含み、
前記第1層は、前記第2層よりも高いドーパントの濃度を有し、
前記第2層は、前記第1層よりも低いドーパントの濃度を有するか、またはドーパントを含まず、前記第1キャリア輸送部を構成する半導体の材料を含む、太陽電池素子の製造方法。
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2023
- 2023-09-04 WO PCT/JP2023/032232 patent/WO2024053603A1/ja unknown
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