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基本的なショットキー接合（ショットキー障壁）太陽電池では、金属と半導体の界面が電荷分離に必要なバンドベンディングを提供します。 [1]従来の太陽電池は、 p型およびn型の半導体層を挟み込んだ構造で、内蔵電圧源（pn接合）を形成します。[2]金属のフェルミ準位と半導体の伝導帯 のエネルギーレベルが異なるため、標準的な太陽電池のpn接合で観察される滑らかなバンド遷移の代わりに、急激な電位差が生じます。これがショットキー高さ障壁です。[3]熱電子放出率が高くなる傾向がありますが、ショットキー障壁太陽電池の製造はコスト効率が高く、産業的に拡張可能であることが証明されています。[4]
しかし、研究により、金属と半導体の間に薄い絶縁層を設けると太陽電池の性能が向上することが示されており、金属-絶縁体-半導体ショットキー接合太陽電池への関心が高まっています。二酸化ケイ素などの薄い絶縁層は、少数キャリアがこの層をトンネルする可能性を可能にすることで、電子-正孔対の再結合率と暗電流を減らすことができます。[5]
ショットキー接合は、バンドギャップに不純物エネルギーレベルを導入することで太陽電池の効率を高める試みです。この不純物はより低いエネルギーの光子をより多く吸収できるため、セルの電力変換効率が向上します。[6]このタイプの太陽電池は、従来の太陽電池と比較して、光の捕捉が強化され、キャリア輸送が高速化されます。[7]
素材の種類
ショットキー接合太陽電池は、さまざまな種類の材料を使用して構築できます。
セレン化カドミウム
1つの材料はセレン化カドミウムです。[8]直接バンドギャップ半導体であるCdSeは、現代の技術で多くの用途があります。太陽電池でCdSeを使用した以前の実験では、約0.72％の電力変換効率が得られました。[8] Liang Liらは、単一の電極上のセレン化カドミウムナノベルトの使用を提案しています。この方法は、電子ビームリソグラフィー（EBL）を使用し、ショットキー接合太陽電池の開発に効率的な合成方法を提供します。この材料はまだ大きな電力変換効率を提供していませんが、より簡単な製造方法の出現により、ナノエレクトロニクス用途に有望です。[8]セレン化カドミウムセルの効率を高めるためのさらなる研究が行われています。
酸化ニッケル
バルクヘテロ接合太陽電池を構築する場合、p型ニッケル(II)酸化物は効果的なアノード層です。ワイドバンドギャップ半導体としてのその機能は、アノード表面の平坦化に役立ち、最大の光子束が活性層に到達するのに役立ちます。この場合、NiOの厚さも測定され、厚さが増すとセル効率が低下します。これらのセルでは、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホン酸塩、またはPEDOT:PSSの代わりにニッケル酸化物が使用され、セルの安定性を維持しながらパフォーマンスが大幅に向上しました。セレン化カドミウムセルと比較して、二酸化ニッケルセルは5.2%の電力変換効率を提供します。[9]
ガリウムヒ素
適切な条件下では、ガリウムヒ素セルは約 22% の効率を生み出すことができます。これは MIS (金属-絶縁体-半導体)と見なされ、光電流の抑制を防ぐために薄い酸化物層が必要です。 [10] Sheng S. Li らは、p 層の厚さとドーパント密度、および n 基板のドーパント密度を適切に選択すると、バンドギャップエネルギーに等しい有効障壁高さを実現できることを初めて示しました。 [10]
参考文献
- ^ Tung, Raymond T. (2014). 「ショットキー障壁高さの物理と化学」.応用物理学レビュー. 1 (1): 011304. Bibcode :2014ApPRv...1a1304T. doi : 10.1063/1.4858400 .
- ^ パーティン、ラリー、フラース、ルイス (2010)。太陽電池とその応用。ニュージャージー州ホーボーケン：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社。
- ^ Landsberg, PT; Klimpe, C. (1977). 「ショットキー障壁セルの理論」(PDF) . Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences . 354 (1676): 101–118. doi :10.1098/rspa.1977.0058. S2CID 97366390.
- ^ Srivatava, S.; et al. (1980). 「ショットキーバリア太陽電池の効率」. Physica Status Solidi A. 58 ( 2): 343–348. Bibcode :1980PSSAR..58..343S. doi :10.1002/pssa.2210580203.
- ^ Pulfrey, David L. (1978). 「MIS 太陽電池: レビュー」. IEEE Transactions on Electron Devices . 25 (11): 1308–1317. Bibcode :1978ITED...25.1308P. doi :10.1109/t-ed.1978.19271. S2CID 47296128.
- ^ Luque, Antonio; Martí, Antonio (1997). 「中間レベルでの光子誘起遷移による理想的な太陽電池の効率向上」. Physical Review Letters . 78 (26): 5014–5017. Bibcode :1997PhRvL..78.5014L. doi :10.1103/physrevlett.78.5014.
- ^ ファン、ギフォン;朱紅偉。王崑林。魏、金泉。李新明。シュウ、チンケ。郭、寧。ウー、デハイ (2011)。 「光収集を強化するためのグラフェン/シリコン ナノワイヤ ショットキー接合」。ACS アプライド マテリアルズ & インターフェイス。3 (3): 721–725。土井：10.1021/am1010354。PMID 21323376。
- ^ abc Li, Liang; Lu, Hao; Deng, Kaimo (2012 年 12 月 3 日). 「単一 CdSe ナノベルトオン電極ショットキー接合太陽電池」. Journal of Materials Chemistry A. 1 ( 6): 2089–2093. doi :10.1039/C2TA00410K.
- ^ Irwin, Michael D.; Buchholz, Bruce; Hains, Alexander W.; Chang, Robert PH; Marks, Tobin J. (2008 年 2 月 26 日). 「ポリマーバルクヘテロ接合太陽電池の効率向上アノード界面層としての p 型半導体ニッケル酸化物」。米国科学アカデミー紀要。105 ( 8): 2783–2787。Bibcode :2008PNAS..105.2783I。doi : 10.1073 /pnas.0711990105。PMC 2268537。
- ^ ab Li, Sheng S. (1978年2月). 「新しいMPNガリウムヒ素ショットキー障壁太陽電池の理論分析」.固体エレクトロニクス. 21 (2): 435–438. Bibcode :1978SSEle..21..435L. doi :10.1016/0038-1101(78)90274-5.