JP2022031990A - 太陽電池素子および太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池素子および太陽電池モジュールにおける優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させる。【解決手段】太陽電池素子は、基板１と、該基板上に位置している光電変換素子２０と、を備える。該光電変換素子は、電極２１と、電子輸送層２２と、保護層２３と、光吸収層２４と、を有する。電極は、基板上に位置している。電子輸送層は、電極上に位置し、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む。保護層は、電子輸送層上に位置し、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料を含むとともに、キャリア密度および厚さが、電子輸送層よりも小さい。光吸収層は、保護層上に位置し、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体を含む。【選択図】図１
Description
本開示は、太陽電池素子および太陽電池モジュールに関する。
太陽光発電には、太陽光を電気エネルギーに変換するための太陽電池素子を有する太陽電池モジュールが用いられる。この太陽電池モジュールは、太陽光が照射される建造物の屋根および壁面などの屋外に設置されることが多い。
ところで、太陽電池素子には、例えば、第１電極、電子輸送層、光吸収層、ホール輸送層および第２電極が、この記載の順に積層された構造を有するものがある（例えば、特許文献１から特許文献３の記載を参照）。電子輸送層は、例えば、光吸収層における光電変換で生じた電子を輸送する役割と、光吸収層における光電変換で生じた正孔をブロックする役割と、を有する。
太陽電池素子および太陽電池モジュールについては、優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させる点で改善の余地がある。
太陽電池素子および太陽電池モジュールが開示される。
太陽電池素子の一態様は、基板と、該基板上に位置している光電変換素子と、を備える。該光電変換素子は、電極と、電子輸送層と、保護層と、光吸収層と、を有する。前記電極は、前記基板上に位置している。前記電子輸送層は、前記電極上に位置し、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む。前記保護層は、前記電子輸送層上に位置し、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料を含むとともに、キャリア密度および厚さが、前記電子輸送層よりも小さい。前記光吸収層は、前記保護層上に位置し、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体を含む。
太陽電池モジュールの一態様は、前記太陽電池素子の一態様に係る前記光電変換素子を含む第１太陽電池部と、第２太陽電池部と、を備える。該第２太陽電池部は、前記第１太陽電池部を平面透視した場合に、前記第１太陽電池部のうちの前記電極よりも前記光吸収層に近い位置において、前記第１太陽電池部に重なるように位置し、太陽光のうちの前記第１太陽電池部よりも長波長の範囲の光を吸収して光電変換を行うことが可能である。
例えば、太陽電池素子および太陽電池モジュールにおける優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させることができる。
再生可能エネルギーの１つである太陽光を利用した太陽光発電が知られている。この太陽光発電には、例えば、太陽光を電気エネルギーに変換するための太陽電池素子を有する太陽電池パネルが用いられる。この太陽電池パネルは、太陽光が照射されやすい建造物の屋根および壁面などの屋外に設置されることが多い。
太陽電池素子には、例えば、第１電極、電子輸送層、光吸収層、ホール輸送層および第２電極が、この記載の順に積層された構造を有するものがある。電子輸送層は、例えば、光吸収層における光電変換で生じた電子を輸送する役割と、光吸収層における光電変換で生じた正孔をブロックする役割と、を有する。
ところで、例えば、建造物の屋根材および壁材などの建材に太陽電池パネルを適用する際には、建造物の意匠性を向上させる目的で、太陽電池素子の外観上の色を適宜変化させることが考えられる。この場合には、例えば、光吸収層における禁制帯の幅（バンドギャップ）を変化させることで、光吸収層で吸収される光の波長の範囲を変化させて、太陽電池素子の外観上の色を適宜変化させることが考えられる。例えば、光吸収層のバンドギャップが狭い場合には、光吸収層が可視光線のほぼ全ての波長域の光を吸収し、太陽電池素子の外観上の色は黒色に近い色となる。これに対して、例えば、光吸収層のバンドギャップを拡大する程、光吸収層が、可視光線の波長域のうちの長波長側の波長域の光から吸収しにくくなる。そして、太陽電池素子の外観上の色を、例えば、黄色に近い色まで変化させることが考えられる。
例えば、光吸収層のバンドギャップを拡大する場合には、光吸収層における伝導帯のエネルギー準位の下端（Conduction Band minimum：ＣＢｍ）が上昇する。例えば、光吸収層の材料が－３．９ｅＶのＣＢｍを有するハロゲン化ペロブスカイト半導体であり、電子輸送層の材料が－４．０ｅＶのＣＢｍを有する酸化チタンである一般的な太陽電池素子では、光吸収層のＣＢｍが－３．９ｅＶから上昇することが考えられる。このように光吸収層のＣＢｍを上昇させた場合には、電子輸送層のＣＢｍおよびフェルミ準位にも上昇の余地が生じるため、開放電圧を上昇させることができ得ることで、光電変換効率を向上させる可能性がある。ただし、そのためには、光吸収層のＣＢｍを上昇させたことに合わせて、電子輸送層のＣＢｍおよびフェルミ準位も上昇させるように調整する必要がある。そうしないと、光吸収層と電子輸送層との間でＣＢｍの差が大きくなる一方で、電子輸送層とホール輸送層との間でフェルミ準位の差を広げることができない。その場合には、太陽電池素子の開放電圧（Ｖｏｃ）が本来得られるべき値よりも小さくなり得る。その結果、太陽電池素子における出力電圧が低下して、太陽電池素子における光電変換効率の低下を招く。
このため、例えば、太陽電池素子の外観上の色を変更するために光吸収層のバンドギャップを拡大する際には、光吸収層のＣＢｍの上昇に合わせて、電子輸送層のＣＢｍも上昇させることが考えられる。例えば、電子輸送層の材料に酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を適用して、電子輸送層のＣＢｍを上昇させることが考えられる。これにより、光吸収層と電子輸送層との間でＣＢｍの差が縮小して、太陽電池素子の光電変換効率が向上し得る。
しかしながら、太陽電池素子の製造時に、光吸収層の材料と電子輸送層の材料との間で反応が生じて、光吸収層の結晶性が低下する場合がある。この場合には、光吸収層における光電変換の能力が低下し、太陽電池素子の光電変換効率の低下を招く。
このため、例えば、太陽電池素子および太陽電池モジュールについては、優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させる点で改善の余地がある。
そこで、本発明者らは、太陽電池素子および太陽電池モジュールについて、優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させることができる技術を創出した。
これについて、以下、各種実施形態を図面に基づいて説明する。図面においては同様な構成および機能を有する部分に同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。図面は模式的に示されたものである。図１、図３（ａ）および図３（ｂ）には、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の第１面１０ｆの法線方向が＋Ｚ方向とされ、第１面１０ｆに沿った一方向が＋Ｘ方向とされ、第１面１０ｆ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＞
第１実施形態に係る太陽電池素子１０を、図１および図２に基づいて説明する。
＜１－１．太陽電池素子＞
第１実施形態に係る太陽電池素子１０を、図１および図２に基づいて説明する。
図１で示されるように、太陽電池素子１０は、主に光が入射する受光面（第１面ともいう）１０ｆと、この第１面１０ｆの逆側に位置する第２面１０ｂと、を有する。第１実施形態では、第１面１０ｆが、＋Ｚ方向を向いている。第２面１０ｂが、－Ｚ方向を向いている。＋Ｚ方向は、例えば、南中している太陽に向く方向に設定される。
図１で示されるように、太陽電池素子１０は、例えば、基板１と、光電変換素子２０と、を備えている。光電変換素子２０は、基板１上に位置している。光電変換素子２０は、例えば、第１電極２１と、電子輸送層（ブロッキング層ともいう）２２と、保護層２３と、光吸収層２４と、ホール輸送層２５と、第２電極２６と、を備えている。第１実施形態では、基板１の上に、電極２１と、電子輸送層２２と、保護層２３と、光吸収層２４と、ホール輸送層２５と、第２電極２６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。
基板１は、例えば、透光性を有する絶縁性の基板である。この基板１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、光吸収層２４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、４００ｎｍ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面１０ｆに照射される光が、基板１を光吸収層２４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の光電変換効率が向上し得る。基板１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１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１の厚さは、例えば、０．０１ｍｍから５ｍｍ程度とされる。
第１電極２１は、基板１上に位置している。第１電極２１は、例えば、光吸収層２４に対する光の照射に応じた光電変換で生じたキャリアを集めることができる。第１電極２１は、例えば、透光性を有する。第１電極２１が、基板１と同様に、特定波長域の光に対する透光性を有していれば、特定波長域の光が基板１と第１電極２１とを透過して電子輸送層２２に入射し得る。第１電極２１の材料には、例えば、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（ＴＣＯ）が採用される。ＴＣＯには、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（IV）（ＳｎＯ２）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが含まれる。第１電極２１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。この第１電極２１の厚さは、例えば、１０ｎｍから１０００ｎｍ程度とされる。第１電極２１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１上に形成され得る。
電子輸送層２２は、第１電極２１上に位置している。電子輸送層２２は、例えば、光吸収層２４に対する光の照射に応じた光電変換で生じたキャリアとしての電子を収集して出力するためのものである。電子輸送層２２は、例えば、ホール（正孔）の侵入をブロックするホールブロッキング層としての機能も有する。電子輸送層２２には、例えば、透明な無機材料のｎ型の半導体の層が適用される。この無機材料は、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む。
酸化亜鉛系の材料は、主成分としての酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、キャリアを導入するための元素（ドーパントともいう）と、を含む。ドーパントには、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）などのIII族元素が含まれる。酸化インジウム系の材料は、主成分としての酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）と、ドーパントと、を含む。主成分は、含有成分のうち含有される比率（含有率ともいう）が最も大きい（高い）成分を意味する。酸化亜鉛系の材料は、さらに、含有率に応じて伝導帯のエネルギー準位の下端（ＣＢｍ）を変化させることが可能な特定の元素（特定元素ともいう）としてのマグネシウム（Ｍｇ）を含んでいてもよい。酸化インジウム系の材料は、さらに、含有率に応じてＣＢｍを変化させることが可能な特定元素としてのガリウム（Ｇａ）を含んでいてもよい。特定元素には、例えば、カドニウム（Ｃｄ）などの１２族（II－Ｂ族）の元素あるいは硫黄（Ｓ）およびセレン（Ｓｅ）などの１６族（VI－Ａ族）の元素などが適用されてもよい。ここでは、例えば、主成分としての酸化亜鉛（ＺｎＯ）あるいは酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）に、特定元素が混合されても、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化スズ（ＳｎＯ）に特定元素が混合される際に生じる相分離が発生しにくい。このため、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）あるいは酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）に対する特定元素の含有量を増加させて、電子輸送層２２におけるＣＢｍを大幅に上昇させることができる。例えば、電子輸送層２２における特定元素の比率が０質量％から数十質量％程度の範囲で増加すれば、電子輸送層２２におけるＣＢｍが－４．２ｅＶから－３．０ｅＶ程度の範囲で上昇し得る。このとき、例えば、電子輸送層２２における特定元素の比率にかかわらず、電子輸送層２２における価電子帯のエネルギー準位の上端（ＶＢＭ）は、ほとんど変わらない。
電子輸送層２２は、例えば、基板１および第１電極２１と同様に、特定波長域の光に対する透光性を有する。これにより、特定波長域の光が基板１と第１電極２１と電子輸送層２２とを透過して保護層２３および光吸収層２４に入射し得る。電子輸送層２２は、第１電極２１上に、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスで形成され得る。電子輸送層２２の厚さは、例えば、１０ｎｍから５０ｎｍ程度とされる。
保護層２３は、例えば、電子輸送層２２上に位置している。保護層２３が、例えば、基板１と同様に、特定波長域の光に対する透光性を有していれば、特定波長域の光が基板１と第１電極２１と電子輸送層２２と保護層２３とを透過して光吸収層２４に入射し得る。保護層２３の材料には、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料が適用される。具体的には、保護層２３の材料には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）あるいは酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）が適用される。このような保護層２３の存在により、例えば、電子輸送層２２上に光吸収層２４を直接成膜する場合に生じる電子輸送層２２の材料と光吸収層２４の材料との間における反応を低減することができる。ここで、例えば、保護層２３の厚さが電子輸送層２２の厚さよりも小さければ、保護層２３の存在による電気抵抗が上昇しにくい。保護層２３は、電子輸送層２２上に、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスで形成され得る。保護層２３の厚さは、例えば、５ｎｍ程度以下とされる。また、保護層２３のキャリア密度が、電子輸送層２２のキャリア密度よりも低ければ、保護層２３と光吸収層２４との界面近傍において、光吸収層２４における光電変換で生じたキャリアの再結合が生じにくい。これにより、太陽電池素子１０における光電変換効率が上昇し得る。
光吸収層２４は、保護層２３上に位置している。光吸収層２４は、基板１、第１電極２１、電子輸送層２２および保護層２３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、光吸収層２４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）が適用される。ペロブスカイト半導体として、例えば、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体が採用されれば、光吸収層２４における光電変換効率が上昇し得る。これにより、太陽電池素子１０における光電変換効率が向上し得る。ここで、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体には、例えば、ＡイオンとＢイオンとＸイオンとが結合したＡＢＸ３の組成を有するハロゲン化ペロブスカイト半導体が適用される。ここで、Ａイオンには、例えば、メチルアンモニウムイオン（ＭＡ＋）、ホルムアミジニウムイオン）ＦＡ＋およびグアジニウムイオン（ＧＡ＋）などのアミン基を有する有機カチオンが適用される。Ｂイオンには、例えば、鉛イオン（Ｐｂ２＋）および錫イオン（Ｓｎ２＋）など１４族（IV－Ａ族）の元素の金属イオンが適用される。Ｘイオンには、例えば、ヨウ素イオン（Ｉ－）、臭素イオン（Ｂｒ－）および塩素イオン（Ｃｌ－）などのハロゲン化物イオンが適用される。
ここで、例えば、光吸収層２４を構成するハロゲン化ペロブスカイト半導体の材料に、メチルアンモニウムイオン（ＭＡ＋）と鉛イオン（Ｐｂ２＋）とハロゲン化物イオン（Ｉ－，Ｂｒ－）とが結合したＭＡＰｂ（Ｉ，Ｂｒ）３の組成を有する材料を適用する場合を想定する。この場合に、例えば、Ｂｒの含有量を、Ｉの含有量とＢｒの含有量との合計で除した値（Ｂｒの含有比率ともいう）を増加させると、ハロゲン化ペロブスカイト半導体におけるバンドギャップを、１．５ｅＶから２．３ｅＶまで増加させることができる。これにより、例えば、太陽電池素子１０を第１面１０ｆ側から見たときに、太陽電池素子１０の外観上の色を、黒色に近い色から黄色に近い色まで変化させることができる。このとき、ハロゲン化ペロブスカイト半導体では、ＣＢｍは、ＶＢＭにバンドギャップの値を加算したものである。このため、例えば、このバンドギャップが２．３ｅＶの際には、ＣＢｍは－３ｅＶ程度となる。
光吸収層２４は、例えば、保護層２３の上に第１原料液を塗布した後に、塗布後の第１原料液にアニールを施すことで、形成され得る。このとき、ハロゲン化ペロブスカイト半導体は、結晶性を有する薄膜である。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。光吸収層２４の厚さは、例えば、１００ｎｍから２０００ｎｍ程度とされる。
ホール輸送層２５は、光吸収層２４上に位置している。第１実施形態では、ホール輸送層２５は、例えば、正孔（ホール）を収集して出力するためのものである。ホール輸送層２５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）が適用される。ホール輸送層２５の材料には、例えば、可溶性ジアミン誘導体であるｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤなどが適用される。ホール輸送層２５は、例えば、光吸収層２４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生成され得る。ホール輸送層２５の厚さは、例えば、５０ｎｍから２００ｎｍ程度とされる。
第１実施形態では、ｐ型半導体としてのホール輸送層２５と、ｉ型半導体としての光吸収層２４と、ｎ型半導体としての電子輸送層２２とが、ＰＩＮ接合領域を形成している状態にある。ＰＩＮ接合領域により、光の照射に応じた光電変換によって発電が行われ得る。
第２電極２６は、ホール輸送層２５の上に位置している。この第２電極２６は、光吸収層２４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２電極２６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２電極２６には、例えば、層状の電極（第２電極層ともいう）などが適用される。第２電極２６の厚さは、例えば、１０ｎｍから１０００ｎｍ程度とされる。第２電極２６は、例えば、スパッタリングなどの真空プロセスによって、ホール輸送層２５上に形成され得る。ここで、例えば、第２電極２６の材料にＴＣＯが適用される場合には、第２電極２６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面１０ｂに照射される光が、第２電極２６を光吸収層２４に向けて透過し得る。これにより、太陽電池素子１０は、第１面１０ｆだけでなく第２面１０ｂも含めた両面が受光面となり得る。
第１電極２１および第２電極２６のそれぞれには、例えば、リード線などの配線１９が電気的に接続され得る。具体的には、例えば、第１電極２１に第１配線１９ａが電気的に接続され、第２電極２６に第２配線１９ｂが接続され得る。各配線１９は、例えば、半田付けなどによって、第１電極２１および第２電極２６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１９ａおよび第２配線１９ｂ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．エネルギーバンドの調整＞
図２（ａ）で示されるように、例えば、光吸収層２４の禁制帯Ｂ２４の幅（バンドギャップ）が、比較的小さな値Ｅｇ４ａ（１．５ｅＶ程度）である場合には、光吸収層２４が可視光線のほぼ全ての波長域の光を吸収し得る。このため、太陽電池素子１０を基板１側から見た外観上の色は黒色に近い色である。ここで、例えば、太陽電池素子１０の基板１側から見た外観上の色を変更するために、光吸収層２４のバンドギャップを、比較的大きな値Ｅｇ４ｂまで増大させる場合を想定する。値Ｅｇ４ｂは、例えば、１．５ｅＶ程度よりも大きく２．３ｅＶ程度以下とされる。光吸収層２４のバンドギャップの増大は、上述したように、例えば、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体において、ハロゲン化物イオンとしてのヨウ素イオン、臭素イオンおよび塩素イオンの含有比率を変化させることで、実現され得る。この場合には、例えば、光吸収層２４におけるＶＢＭは、値Ｅ４１程度で殆ど変化することなく、光吸収層２４のＣＢｍは、値Ｅ４２ａから値Ｅ４２ｂまで上昇し得る。このとき、光吸収層２４と電子輸送層２２との間におけるＣＢｍの差は、値Ｄ１ａから値Ｄ１ｂまで増大し得る。電子輸送層２２のＣＢｍは、光吸収層２４のＣＢｍ以下であればよい。換言すれば、値Ｄ１ａは、０以上に設定される。ここでは、値Ｄ１ａが、０．１ｅＶ以下に設定されれば、電子輸送層２２のフェルミ準位が高く、太陽電池素子１０における光電変換効率が向上し得る。
図２（ａ）で示されるように、例えば、光吸収層２４の禁制帯Ｂ２４の幅（バンドギャップ）が、比較的小さな値Ｅｇ４ａ（１．５ｅＶ程度）である場合には、光吸収層２４が可視光線のほぼ全ての波長域の光を吸収し得る。このため、太陽電池素子１０を基板１側から見た外観上の色は黒色に近い色である。ここで、例えば、太陽電池素子１０の基板１側から見た外観上の色を変更するために、光吸収層２４のバンドギャップを、比較的大きな値Ｅｇ４ｂまで増大させる場合を想定する。値Ｅｇ４ｂは、例えば、１．５ｅＶ程度よりも大きく２．３ｅＶ程度以下とされる。光吸収層２４のバンドギャップの増大は、上述したように、例えば、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体において、ハロゲン化物イオンとしてのヨウ素イオン、臭素イオンおよび塩素イオンの含有比率を変化させることで、実現され得る。この場合には、例えば、光吸収層２４におけるＶＢＭは、値Ｅ４１程度で殆ど変化することなく、光吸収層２４のＣＢｍは、値Ｅ４２ａから値Ｅ４２ｂまで上昇し得る。このとき、光吸収層２４と電子輸送層２２との間におけるＣＢｍの差は、値Ｄ１ａから値Ｄ１ｂまで増大し得る。電子輸送層２２のＣＢｍは、光吸収層２４のＣＢｍ以下であればよい。換言すれば、値Ｄ１ａは、０以上に設定される。ここでは、値Ｄ１ａが、０．１ｅＶ以下に設定されれば、電子輸送層２２のフェルミ準位が高く、太陽電池素子１０における光電変換効率が向上し得る。
ここで、例えば、太陽電池素子１０における光電変換効率を上昇させるために、電子輸送層２２のＣＢｍを、光吸収層２４のＣＢｍの値Ｅ４２ｂに近付けるように、電子輸送層２２のＣＢｍを、値Ｅ２２ａから値Ｅ２２ｂまで上昇させる場合を想定する。電子輸送層２２のＣＢｍの上昇は、上述したように、例えば、酸化亜鉛系の材料におけるマグネシウム（Ｍｇ）などの特定元素の含有率の上昇、あるいは酸化インジウム系の材料におけるガリウム（Ｇａ）などの特定元素の含有率の上昇によって、実現され得る。この場合には、例えば、電子輸送層２２におけるＶＢＭは、値Ｅ２１程度で殆ど変化することなく、電子輸送層２２における禁制帯Ｂ２２の幅（バンドギャップ）は、値Ｅｇ２ａから値Ｅｇ２ｂまで上昇し得る。このとき、図２（ｂ）で示されるように、光吸収層２４と電子輸送層２２との間におけるＣＢｍの差は、値Ｄ１ｂから値Ｄ１ｃまで減少し得る。電子輸送層２２のＣＢｍは、光吸収層２４のＣＢｍ以下であればよい。換言すれば、値Ｄ１ｃは、０以上に設定される。ここでは、値Ｄ１ｃが、０．１ｅＶ以下に設定されれば、電子輸送層２２のフェルミ準位が高く、太陽電池素子１０における光電変換効率が向上し得る。
ところで、仮に、電子輸送層２２上に光吸収層２４を直接形成する場合を想定する。この場合には、電子輸送層２２を構成する酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料（具体的には、鉛またはインジウム）と、アミン基を有する有機カチオンと、がアニールの際に反応する。これにより、例えば、異相が発生して、ハロゲン化ペロブスカイト半導体の結晶性が高まらず、光吸収層２４における光電変換効率が低下し得る。
そこで、第１実施形態では、上述したように、電子輸送層２２上に保護層２３を形成した後に、この保護層２３上に光吸収層２４を形成する。この場合には、保護層２３の存在によって、電子輸送層２２を構成する酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料（具体的には、鉛もしくはインジウム）と、アミン基を有する有機カチオンと、の反応が生じにくい。その結果、光吸収層２４における光電変換効率が向上し得る。
ここで、保護層２３のＣＢｍおよび禁制帯Ｂ２３の幅（バンドギャップ）は、例えば、光吸収層２４および電子輸送層２２のＣＢｍおよびバンドギャップに合わせた適切な値に設定されればよい。例えば、保護層２３のＣＢｍが、電子輸送層２２のＣＢｍ以上に設定されれば、光吸収層２４において光電変換に応じて発生した電子の光吸収層２４から電子輸送層２２に向けた移動が、保護層２３によって阻害されにくい。また、保護層２３のＣＢｍは、例えば、電子輸送層２２のＣＢｍから、光吸収層２４のＣＢｍに０．４ｅＶ加算した値までの値域に設定されれば、光吸収層２４から電子輸送層２２に向けた電子の移動が、保護層２３によって阻害されにくい。ただし、例えば、保護層２３の厚さが十分に小さければ、保護層２３のＣＢｍは、光吸収層２４のＣＢｍに０．４ｅＶ加算した値を超えてもよい。ここでは、例えば、電子輸送層２２のＣＢｍと光吸収層２４のＣＢｍとが略同一である場合に、保護層２３のＣＢｍが電子輸送層２２のＣＢｍに０ｅＶから０．２ｅＶを加算した程度の値であり、保護層２３のＣＢｍが光吸収層２４のＣＢｍに０ｅＶから０．２ｅＶを加算した程度の値であれば、太陽電池素子１０の光電変換効率が高まり得る。
保護層２３のＣＢｍは、例えば、保護層２３の材料によって適宜設定され得る。例えば、保護層２３の材料に、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５あるいはＴａ２Ｏ５を適用すれば、保護層２３のＣＢｍを、１．０ｅＶから－４．４ｅＶの範囲で設定することができる。ここで、ＭｇＯのＣＢｍは－１．０ｅＶである。Ａｌ２Ｏ３のＣＢｍは－１．６ｅＶである。Ｇａ２Ｏ３のＣＢｍは－２．１ｅＶである。ＺｒＯ２のＣＢｍは－３．４ｅＶである。Ｔａ２Ｏ５のＣＢｍは－３．７ｅＶである。Ｎｂ２Ｏ５のＣＢｍは－４．４ｅＶである。
＜１－３．第１実施形態のまとめ＞
第１実施形態に係る太陽電池素子１０では、例えば、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む電子輸送層２２上に、保護層２３が位置し、この保護層２３上に、アミン基を有するペロブスカイト半導体を含む光吸収層２４が位置している。この保護層２３は、電子輸送層２２よりも小さなキャリア密度および厚さを有し、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料を含む。
第１実施形態に係る太陽電池素子１０では、例えば、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む電子輸送層２２上に、保護層２３が位置し、この保護層２３上に、アミン基を有するペロブスカイト半導体を含む光吸収層２４が位置している。この保護層２３は、電子輸送層２２よりも小さなキャリア密度および厚さを有し、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料を含む。
このため、例えば、アミン基を有するペロブスカイト半導体のバンドギャップの増大によって上昇した光吸収層２４のＣＢｍに合わせて、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料における特定元素の含有率を増加させることで、電子輸送層２２のＣＢｍを上昇させることができる。これにより、例えば、太陽電池素子１０の出力電圧を向上させることができる。そして、例えば、保護層２３の存在によって、電子輸送層２２の上に光吸収層２４を形成する際に、電子輸送層２２を構成する酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料と、光吸収層２４のアミン基を有する有機カチオンと、が反応を生じにくい。よって、例えば、光吸収層２４のバンドギャップの増大による太陽電池素子１０の外観上の色の調整と、太陽電池素子１０の光電変換効率の向上と、を実現させることができる。したがって、例えば、太陽電池素子１０における優れた外観と光電変換効率の向上とを両立させることができる。
＜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るものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、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るものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
＜２－１．第２実施形態＞
例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）で示されるように、第１太陽電池部Ｓｐ１と第２太陽電池部Ｓｐ２とを備えるいわゆるタンデム構造の太陽電池モジュール１００において、第１太陽電池部Ｓｐ１に上記第１実施形態に係る光電変換素子２０が適用されてもよい。
例えば、図３（ａ）および図３（ｂ）で示されるように、第１太陽電池部Ｓｐ１と第２太陽電池部Ｓｐ２とを備えるいわゆるタンデム構造の太陽電池モジュール１００において、第１太陽電池部Ｓｐ１に上記第１実施形態に係る光電変換素子２０が適用されてもよい。
図３（ａ）および図３（ｂ）で示されるように、太陽電池モジュール１００は、主に光が入射する受光面（前面ともいう）Ｓｆ１と、この前面Ｓｆ１の逆側に位置する裏面Ｓｂ１と、を有する。第２実施形態では、前面Ｓｆ１が、＋Ｚ方向を向いている。裏面Ｓｂ１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く方向に設定される。図３（ａ）および図３（ｂ）の例では、前面Ｓｆ１および裏面Ｓｂ１が、長方形状の形状を有する。
図３（ａ）および図３（ｂ）で示されるように、太陽電池モジュール１００は、例えば、太陽電池パネルＰｎ１を備えている。太陽電池モジュール１００は、例えば、端子ボックスおよびフレームなどを備えていてもよい。端子ボックスは、例えば、太陽電池パネルＰｎ１の裏面Ｓｂ１上などに位置し、太陽電池パネルＰｎ１における発電で得られた電気を外部に出力することができる。フレームは、例えば、太陽電池パネルＰｎ１の外周部に沿って位置し、太陽電池パネルＰｎ１の外周部を保護することができる。
太陽電池パネルＰｎ１は、例えば、第１保護部材Ｐｒ１と、第２保護部材Ｐｒ２と、第１太陽電池部Ｓｐ１と、第２太陽電池部Ｓｐ２と、封止材Ｆ１と、を備えている。第１保護部材Ｐｒ１は、例えば、太陽電池パネルＰｎ１の前面Ｓｆ１を構成する。第２保護部材Ｐｒ２は、例えば、太陽電池パネルＰｎ１の裏面Ｓｂ１を構成する。封止材Ｆ１は、前面Ｓｆ１側の封止材（第１封止材ともいう）Ｆ１ｕと、裏面Ｓｂ１側の封止材（第２封止材ともいう）Ｆ１ｂと、を含む。
図３（ｂ）の例では、前面Ｓｆ１から裏面Ｓｂ１に向けて、第１保護部材Ｐｒ１、第１太陽電池部Ｓｐ１、第１封止材Ｆ１ｕ、第２太陽電池部Ｓｐ２、第２封止材Ｆ１ｂおよび第２保護部材Ｐｒ２が、この記載順に積層されている状態で位置している。
第１保護部材Ｐｒ１は、透光性を有する部材である。第１保護部材Ｐｒ１には、例えば、第１実施形態に係る太陽電池素子（第１太陽電池素子ともいう）１０における基板１が適用される。このとき、第１保護部材Ｐｒ１の前面Ｓｆ１は、基板１の第１面１０ｆに相当する。ここでは、第１保護部材Ｐｒ１は、例えば、複数の太陽電池素子１０に共通する基板１であってもよいし、１つ以上の太陽電池素子１０の基板１であってもよい。換言すれば、１つの基板１としての第１保護部材Ｐｒ１上に２つ以上の光電変換素子２０が位置していてもよい。第１保護部材Ｐｒ１には、例えば、厚さが１ｍｍから５ｍｍ程度の平板状のものが適用される。この場合には、第１保護部材Ｐｒ１は、例えば、剛性と低い透湿度とによって、第１太陽電池部Ｓｐ１および第２太陽電池部Ｓｐ２を前面Ｓｆ１側から保護することができる。図３（ａ）および図３（ｂ）の例では、第１保護部材Ｐｒ１は、前面Ｓｆ１側から平面視した場合に、長方形状の外形を有する。
第１太陽電池部Ｓｐ１は、例えば、第１保護部材Ｐｒ１と第２保護部材Ｐｒ２との間において、第２太陽電池部Ｓｐ２よりも第１保護部材Ｐｒ１に近い側に位置している。第１太陽電池部Ｓｐ１は、例えば、少なくとも１つの光電変換素子２０を含む。例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１が、電気的に直列に接続されている状態にある複数の光電変換素子２０を有していれば、第１太陽電池部Ｓｐ１の出力電圧が向上し得る。この場合には、例えば、第１保護部材Ｐｒ１上において、第１保護部材Ｐｒ１の前面Ｓｆ１とは逆の面に沿った第１方向としての＋Ｘ方向において、複数の光電変換素子２０が並んでいる状態にある態様が考えられる。複数の光電変換素子２０のそれぞれの形状には、例えば、短冊状の形状が適用される。そして、例えば、複数の光電変換素子２０のうちの隣り合う第１の光電変換素子２０と第２の光電変換素子２０との間で、第１の光電変換素子２０の第２電極２６と、第２の光電変換素子２０の第１電極２１と、が電気的に接続されている状態にあれば、複数の光電変換素子２０は、電気的に直列に接続されている状態にある。そして、例えば、最も－Ｘ方向の側に位置する光電変換素子２０の第１電極２１に接続された状態にある配線１９と、最も＋Ｘ方向の側に位置する光電変換素子２０の第２電極２６に接続された配線１９と、によって、第１太陽電池部Ｓｐ１から出力が取り出され得る。
第１封止材Ｆ１ｕは、例えば、第１保護部材Ｐｒ１と第２太陽電池部Ｓｐ２との間の第１領域Ａｒ１において第１太陽電池部Ｓｐ１を覆っている状態で位置している。第２実施形態では、例えば、第１封止材Ｆ１ｕは、第１保護部材Ｐｒ１上に位置している第１太陽電池部Ｓｐ１の第２太陽電池部Ｓｐ２側の全面を覆っている状態にある。これにより、第１封止材Ｆ１ｕは、例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１を封止することができる。また、第１封止材Ｆ１ｕは、例えば、第２太陽電池部Ｓｐ２の第１保護部材Ｐｒ１側の全面を覆っている状態にある。第１封止材Ｆ１ｕは、透光性を有する。これにより、例えば、第１保護部材Ｐｒ１を透過して入射される光のうち、第１太陽電池部Ｓｐ１で吸収されずに、第１太陽電池部Ｓｐ１を透過した光が、第２太陽電池部Ｓｐ２に向けて第１封止材Ｆ１ｕを透過し得る。第１封止材Ｆ１ｕの素材としては、例えば、特定波長域の光に対する透光性が優れたエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）あるいはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などのポリエステル樹脂などが採用され得る。第１封止材Ｆ１ｕは、例えば、２種類以上の素材によって構成されていてもよい。
第２太陽電池部Ｓｐ２は、例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１と第２保護部材Ｐｒ２との間に位置している。換言すれば、例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１を第１保護部材Ｐｒ１側から平面透視した場合に、第２太陽電池部Ｓｐ２は、第１太陽電池部Ｓｐ１のうちの第１電極２１よりも光吸収層２４に近い位置において、第１太陽電池部Ｓｐ１に重なるように位置している。図３（ａ）および図３（ｂ）の例では、第１太陽電池部Ｓｐ１および第２太陽電池部Ｓｐ２は、それぞれＸＹ平面に沿って平面的に位置している。そして、－Ｚ方向において、第１太陽電池部Ｓｐ１と、第２太陽電池部Ｓｐ２と、がこの記載の順に並んでいる状態にある。
第２太陽電池部Ｓｐ２は、例えば、太陽光のうちの第１太陽電池部Ｓｐ１よりも長波長の範囲の光を吸収して光電変換を行うことが可能である。これにより、例えば、太陽光のうち、第１太陽電池素子１０の外観上の色を調整したことで第１太陽電池部Ｓｐ１を透過するようになった長波長側の光を、第２太陽電池部Ｓｐ２で光電変換に利用することができる。その結果、太陽電池モジュール１００における単位面積当たりの発電効率が向上し得る。
第２太陽電池部Ｓｐ２は、例えば、複数の太陽電池素子（第２太陽電池素子ともいう）Ｃ２を有する。第２太陽電池部Ｓｐ２では、例えば、平面的に配列された状態にある複数の第２太陽電池素子Ｃ２が複数の配線材Ｗｒ２によって電気的に直列に接続されている状態にある。各第２太陽電池素子Ｃ２としては、例えば、結晶系の半導体（結晶系半導体ともいう）を用いた太陽電池素子（結晶系の太陽電池素子ともいう）または薄膜系の半導体（薄膜系半導体ともいう）を用いた太陽電池素子（薄膜系の太陽電池素子）などが採用され得る。結晶系半導体としては、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたはヘテロ接合型などのシリコン系の半導体あるいはIII－Ｖ族系などの化合物系の半導体が採用され得る。また、薄膜系半導体としては、例えば、シリコン系、化合物系またはその他のタイプの半導体が採用され得る。シリコン系の薄膜系半導体には、例えば、アモルファスシリコンまたは薄膜多結晶シリコンなどを用いた半導体が適用される。化合物系の薄膜系半導体には、例えば、ＣＩＳ半導体またはＣＩＧＳ半導体などのカルコパライト構造を有する化合物半導体、ペロブスカイト構造を有する化合物などの化合物半導体、ケステライト構造を有する化合物半導体あるいはカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）半導体が適用される。
第２封止材Ｆ１ｂは、第２太陽電池部Ｓｐ２と第２保護部材Ｐｒ２との間の領域（第２領域ともいう）Ａｒ２において、第２太陽電池部Ｓｐ２の第２保護部材Ｐｒ２側の全面を覆っている状態で位置している。このため、第２太陽電池部Ｓｐ２は、例えば、第１封止材Ｆ１ｕと第２封止材Ｆ１ｂとによって挟み込まれるように囲まれている状態にある。その結果、第２太陽電池部Ｓｐ２は、例えば、封止材Ｆ１によって封止され得る。第２封止材Ｆ１ｂは、例えば、特定波長域の光に対する透光性を有していても、有していなくてもよい。第２封止材Ｆ１ｂの素材には、例えば、第１封止材Ｆ１ｕの素材と同様な素材が適用され得る。
第２保護部材Ｐｒ２は、例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１および第２太陽電池部Ｓｐ２を裏面Ｓｂ１側から保護することができる。図３（ｂ）の例では、第２保護部材Ｐｒ２は、裏面Ｓｂ１を構成するバックシートである。バックシートは、例えば、０．３ｍｍから０．５ｍｍ程度の厚さを有する。バックシートの素材には、例えば、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびＰＥＮのうちの１種以上の樹脂が適用される。また、図３（ｂ）の例では、第２保護部材Ｐｒ２は、第２太陽電池部Ｓｐ２および封止材Ｆ１を、裏面Ｓｂ１側および側方の外周部側から包み込むように位置している。そして、第２保護部材Ｐｒ２が、第１保護部材Ｐｒ１の外周部に接着している。ここで、第２保護部材Ｐｒ２は、例えば、第１保護部材Ｐｒ１と同様な平板状の部材であってもよい。この場合には、例えば、第１保護部材Ｐｒ１と第２保護部材Ｐｒ２との間の外周部に、封止用のパッキング部材が位置している態様が考えられる。
ところで、ここで、例えば、第１太陽電池部Ｓｐ１が光電変換に利用する光の波長の範囲を第１波長範囲とする。第１太陽電池部Ｓｐ１を透過して第２太陽電池部Ｓｐ２が光電変換に利用する光の波長の範囲を第２波長範囲とする。第２実施形態では、例えば、第２波長範囲は、第１波長範囲よりも長波長側の領域である。また、ここで、例えば、第１波長範囲と第２波長範囲との境界（境界波長ともいう）を適宜変化させて、太陽電池モジュール１００の出力を増大させてもよい。ここでは、例えば、太陽電池の出力は、一般に、短絡電流（Ｉｓｃ）と開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（ＦＦ）との積で決まる。このため、第１太陽電池部Ｓｐ１における短絡電流（Ｉｓｃ）および開放電圧（Ｖｏｃ）と、第２太陽電池部Ｓｐ２における短絡電流（Ｉｓｃ）と、の兼ね合いで、太陽電池モジュール１００の出力を増大させることができる。ここでは、例えば、第１光電変換素子２０の光吸収層２４におけるバンドギャップを１．８ｅＶ程度として、境界波長を７００ｎｍ程度に設定すれば、太陽電池モジュール１００の出力が増大し得る。
＜３．その他＞
上記第１実施形態では、例えば、基板１上において、相互に電気的に直列に接続された状態で複数の光電変換素子２０が並ぶように位置していてもよい。この場合には、太陽電池素子１０における出力が向上し得る。
上記第１実施形態では、例えば、基板１上において、相互に電気的に直列に接続された状態で複数の光電変換素子２０が並ぶように位置していてもよい。この場合には、太陽電池素子１０における出力が向上し得る。
上記各実施形態および各種変形例をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１ 基板
１０ 太陽電池素子（第１太陽電池素子）
２０ 光電変換素子
２１ 第１電極
２２ 電子輸送層
２３ 保護層
２４ 光吸収層
２５ ホール輸送層
２６ 第２電極
１００ 太陽電池モジュール
Ｃ２ 第２太陽電池素子
Ｐｎ１ 太陽電池パネル
Ｓｐ１ 第１太陽電池部
Ｓｐ２ 第２太陽電池部
１０ 太陽電池素子（第１太陽電池素子）
２０ 光電変換素子
２１ 第１電極
２２ 電子輸送層
２３ 保護層
２４ 光吸収層
２５ ホール輸送層
２６ 第２電極
１００ 太陽電池モジュール
Ｃ２ 第２太陽電池素子
Ｐｎ１ 太陽電池パネル
Ｓｐ１ 第１太陽電池部
Ｓｐ２ 第２太陽電池部
Claims (2)
- 基板と、該基板上に位置している光電変換素子と、を備え、
該光電変換素子は、
前記基板上に位置している電極と、
該電極上に位置し、酸化亜鉛系または酸化インジウム系の材料を含む電子輸送層と、
該電子輸送層上に位置し、酸化亜鉛系および酸化インジウム系とは異なる材料を含むとともに、キャリア密度および厚さが、前記電子輸送層よりも小さい保護層と、
該保護層上に位置し、アミン基を有するペロブスカイト構造を有する半導体を含む光吸収層と、を有する太陽電池素子。 - 請求項１に記載の前記光電変換素子を含む第１太陽電池部と、
該第１太陽電池部を平面透視した場合に、該第１太陽電池部のうちの前記電極よりも前記光吸収層に近い位置において、該第１太陽電池部に重なるように位置し、太陽光のうちの前記第１太陽電池部よりも長波長の範囲の光を吸収して光電変換を行うことが可能な第２太陽電池部と、を備える太陽電池モジュール。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2018221964A JP2022031990A (ja) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 太陽電池素子および太陽電池モジュール |
| PCT/JP2019/045740 WO2020110927A1 (ja) | 2018-11-28 | 2019-11-22 | 太陽電池素子および太陽電池モジュール |
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|---|---|---|---|
| JP2018221964A JP2022031990A (ja) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 太陽電池素子および太陽電池モジュール |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2018221964A Pending JP2022031990A (ja) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 太陽電池素子および太陽電池モジュール |
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- 2018-11-28 JP JP2018221964A patent/JP2022031990A/ja active Pending
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2019
- 2019-11-22 WO PCT/JP2019/045740 patent/WO2020110927A1/ja active Application Filing
Also Published As
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| WO2020110927A1 (ja) | 2020-06-04 |
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