JP2014165198A - Solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微粒の半導体粒子を緻密に並べた量子ドット膜を量子ドット層として適用した太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell in which a quantum dot film in which fine semiconductor particles are closely arranged is applied as a quantum dot layer.
太陽電池は、二酸化炭素排出量が無く、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のpn接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。 Solar cells have the advantage that they do not emit carbon dioxide and do not require fuel for power generation. For this reason, research on various types of solar cells has been actively promoted. Currently, single-junction solar cells having a pair of pn junctions using single-crystal silicon or polycrystalline silicon are the mainstream among solar cells in practical use.
ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界(以下において、「理論限界効率」という。)は約30%に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。 However, since the theoretical limit of photoelectric conversion efficiency of single-junction solar cells (hereinafter referred to as “theoretical limit efficiency”) is only about 30%, a new method for further improving the theoretical limit efficiency is being studied. .
これまでに検討されている新たな方法の1つに、半導体の量子ドットを利用した太陽電池(以下において、「量子ドット型太陽電池」という。)がある。 One of the new methods studied so far is a solar cell using semiconductor quantum dots (hereinafter referred to as “quantum dot solar cell”).
量子ドット型太陽電池に関する技術として、例えば、特許文献1には、シリコン基板の主面上に3次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを含有して囲むバリア層(障壁層膜)からなる量子ドット層のエネルギ・バンド構造がtypeII(一方の半導体の伝導帯の下端と他方の半導体の価電子帯が重なる超格子構造系)を成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。
As a technique related to a quantum dot solar cell, for example,
量子ドット型太陽電池に形成される量子ドットは、サイズが約10nm程度の半導体ナノ結晶であり、この半導体量子ドットに対して光を照射することにより半導体量子ドット内に発生した電子やホール(以下、まとめて「キャリア」ということがある。)を3次元的に閉じ込めることができる。半導体量子ドットに、例えば、電子を閉じ込めることにより、電子の量子力学的な波としての性質を使えるようになり、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になる。さらに、量子ドット型太陽電池によれば、熱として失われるエネルギーを低減することが可能になるため、理論限界効率を60%以上にまで向上させることが可能になると考えられている。 Quantum dots formed in a quantum dot solar cell are semiconductor nanocrystals having a size of about 10 nm. Electrons and holes generated in the semiconductor quantum dots by irradiating the semiconductor quantum dots with light (hereinafter referred to as the quantum dots) , Sometimes collectively referred to as “carrier”)). For example, by confining electrons in a semiconductor quantum dot, it becomes possible to use the properties of electrons as a quantum mechanical wave, and also absorb the solar spectrum in a band that could not be absorbed by conventional solar cells. It becomes possible. Furthermore, according to the quantum dot solar cell, it is possible to reduce the energy lost as heat, and thus it is considered that the theoretical limit efficiency can be improved to 60% or more.
図4は、特許文献1に開示された太陽電池に代表される従来の量子ドット型太陽電池を示す縦断面模式図である。図4では半導体基板101の表面上に量子ドット膜105の層数を単純化し2層しか示していないが、量子ドット膜105は少なくとも数十層積層された構造となっている。この場合、量子ドット105aである半導体粒子はその周囲に形成された高抵抗層である障壁層105b中に形成された構造となっている。
FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view showing a conventional quantum dot solar cell represented by the solar cell disclosed in
この場合、半導体量子ドット105aが太陽電池の光電変換用の素子として適用される場合には、量子ドット105a間にキャリアを電子的に結合させるためのバンド(中間バンド)の形成が不可欠である。このため隣接する量子ドット105a間で波動関数の状態密度を高めるために、量子ドット105aを密に配列したものが良いとされている。
In this case, when the semiconductor
ところが、図4に示した構造の量子ドット膜105では、量子ドット105aの周囲に形成されているマトリックス105bの厚み(最近接している量子ドット105aの間隔に相当)が量子ドット105aの周囲において方向によっては異なっているため、キャリ
アの移動速度(量子ドット105aからの脱出速度)が遅くなる場合があり、電流として取り出すことが困難となり、光電変換効率を高めることができないという問題があった。
However, in the
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板上に量子ドット膜を有する構成において光電変換効率を高めることのできる太陽電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the solar cell which can improve a photoelectric conversion efficiency in the structure which has a quantum dot film | membrane on a semiconductor substrate.
半導体基板の主面上に、量子ドットおよび該量子ドットを囲む障壁層を有し、球形状をした量子ドット複合体により構成されている量子ドット膜を備えており、該量子ドット膜は、前記量子ドット複合体がネック部を介して連結されたものであることを特徴とする。 A quantum dot film having a quantum dot and a barrier layer surrounding the quantum dot on a main surface of the semiconductor substrate and including a spherical quantum dot composite is provided. The quantum dot composite is connected through a neck portion.
本発明によれば、光電変換効率の高い太陽電池を得ることができる。 According to the present invention, a solar cell with high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
図1は、(a)は本発明の太陽電池の一実施形態を示す縦断面模式図であり、(b)は(a)のA−A線断面図である。本実施形態の太陽電池は、半導体基板1の主面3上に量子ドット膜5が積層された構成となっている。図1(a)では量子ドット膜5を単純化して1層しか示していないが実際は数十層に及ぶものとなっている。
FIG. 1A is a schematic longitudinal sectional view showing an embodiment of the solar cell of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA in FIG. The solar cell of the present embodiment has a configuration in which a
量子ドット膜5は、量子ドット5aと、この量子ドット5aを囲む障壁層5bとを有し、外形が球形状をした量子ドット複合体5CSにより構成されている。また、この量子ドット膜5は、量子ドット複合体5CSがネック部Nを介して連結されたものとなっている。
The
この量子ドット複合体5CSは、いわゆるコア・シェル構造を有するものであり、この場合、量子ドット5aがコア部Cであり、コア部を取り巻くシェル部Sが障壁層5bである。このため本実施形態の量子ドット膜5においては、球形状の量子ドット複合体5CSがこれを構成している障壁層5bの厚みよりも薄い粒界5Bを介して相互に接した構造となっており、量子ドット膜5内においては互いに接した量子ドット複合体5CS内の量子ドット5aが、隣接する2つの障壁層5b間のネック部Nを介して結合している。ここで、ネック部Nは、例えば、障壁層5bの材料の拡散によって形成されるものであり、焼成されたセラミックのように粒界が認められる程度に焼結された構造を構成している。この
場合、量子ドット膜5の断面を電子顕微鏡等を用いて観察したときに、量子ドット複合体5CSの外縁を表す輪郭が部分的に認められる状態となっている。
The quantum dot composite 5CS has a so-called core-shell structure. In this case, the
例えば、2つの量子ドット複合体5CSが隣接している状態であれば、2つの量子ドット5aの間に量子ドット複合体5CSの障壁層5bが2層分だけの厚みで存在する状態であり、隣接する2つの量子ドット5aが障壁層5bの厚みの約2倍ほどの間隔で配置された構造となっている。このため、量子ドット5aの周囲に形成されている障壁層5bの厚み(最近接している量子ドット5aの間隔に相当)が量子ドット5aの周囲の全方向においてほぼ同等の間隔を有するものとなっている。
For example, if two quantum dot composites 5CS are adjacent to each other, the
これにより量子ドット膜5内の量子ドット5a間におけるキャリアの移動速度(量子ドット5aからの脱出速度)がどの方向においても同等となり、3次元的に連続したバンド構造を形成しやすいことから、量子ドット膜5から半導体基板1側へ電流が供給されやすくなり、その結果、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
As a result, the moving speed of carriers between the
この場合、量子ドット5aも球形状であるのが良く、また、量子ドット5aを取り巻いている障壁層5bは量子ドット5aの全面を被覆しているのが良い。また、この量子ドット複合体5CSは断面にて測定した最大径をLとし、最短径をSとしたときの比(L/S)が1〜1.2以であることが望ましく、また、量子ドット5aについても同様のL/S比を有するものであるのが良い。
In this case, the
また、この実施形態の量子ドット膜5は、図1(a)(b)に示すように、量子ドット複合体5CS間に3重点粒界5BCが形成されており、この三重点粒界5BCに気孔5Dを有していることが望ましい。量子ドット膜5において、三重点粒界5BCに気孔5Dが在ると、気孔5Dによって光6が散乱されるため、量子ドット膜5を透過して発電に寄与しない光6の量を低減することができ、これにより各量子ドット5aへの吸収効率を高めることができ、光電変換効率をさらに向上させることが可能となる。なお、三重点粒界5BCの気孔5Dは、例えば、量子ドット複合体5CSの焼結性を変えて、三重点粒界5BCの面積を変化させることによって形成することができる。
Further, in the
この実施形態における量子ドット膜5について、加えて説明すると、量子ドット複合体5CSが立方最密充填または六方最密充填構造に近いものとなっている場合には、後述するように、断面における2面間粒界5BWおよび3重点粒界5BCの個数和に対する三重点粒界5BCの個数割合が20%以上となる。
In addition, the
ここで、量子ドット複合体5CSが3個以上集まったときに、二面間粒界5BWではなく三重点粒界5BCを形成した状態というのは、量子ドット膜5の断面を光入射側から平面視したときに、3個の量子ドット複合体5CSがこれを構成する障壁層5bの厚みよりも幅の狭い間隔で接している状態をいい、2つの量子ドット複合体5BCの二面間粒界5BWの幅が量子ドット複合体5CSの直径の1/4以下となっているものであり、具体的には、二面間粒界5BWの幅が5nm以下である場合をいう。3個の量子ドット複合体5CSが隣接しても、2箇所ある二面間粒界5BWのうちの一方でもその幅が量子ドット複合体5CSの直径の1/4よりも広い箇所があるときは三重点粒界5BCが形成されていないものとなる。
Here, when three or more quantum dot composites 5CS are gathered, the state where the triple point grain boundary 5BC is formed instead of the inter-surface grain boundary 5BW is that the cross section of the
これに対し、量子ドット複合体5CS間にネック部Nが認められない程度に焼結した状態か、または量子ドット5aが障壁層5bの材料中に所定の間隔をおいて配置されたような場合には、量子ドット複合体5CS間にネック部Nが形成されていない状態であるため、量子ドット膜5内の量子ドット5a間におけるキャリアの移動速度(量子ドット5aからの脱出速度)が方向によって大きく異なってくることから、3次元的に連続したバンド
構造が形成し難くなり、このため量子ドット膜5から半導体基板1側へ電流が流れ難くなり、その結果、太陽電池の光電変換効率が低下してしまう。
On the other hand, in a state where the neck portion N is not recognized between the quantum dot composites 5CS, or when the
なお、量子ドット複合体5CS間にネック部Nが認められない程度に焼結した状態か、または量子ドット5aが障壁層5bの材料中に所定の間隔をおいて配置されたような状態では、断面における2面間粒界5BWおよび3重点粒界5BCの個数和に対する三重点粒界5BCの個数割合が20%よりも低くなり、このような状態の組織は量子ドット5aが密に充填された状態ではなくなるため、量子ドット5aが障壁層5bの厚みの2倍よりも大きい間隔で配置されたものが多くなる。また、量子ドット5aの周囲に形成されている障壁層5bの厚み(最近接している量子ドット5aの間隔に相当)が量子ドット5aの方向によっては大きく異なるものとなるため、上述のように、量子ドット膜5内に3次元的に連続したバンド構造が形成し難くなり、太陽電池の光電変換効率が低下するのである。
In a state where the neck portion N is not recognized between the quantum dot composites 5CS, or in a state where the
なお、この実施形態において、断面における2面間粒界5BWおよび3重点粒界5BCの個数和に対する三重点粒界5BCの個数の割合は以下のようにして求める。 In this embodiment, the ratio of the number of triple point boundaries 5BC with respect to the sum of the numbers of interfacial boundary 5BW and triple point boundary 5BC in the cross section is determined as follows.
図2は、量子ドット膜の断面における2面間粒界および3重点粒界の個数和に対する三重点粒界の個数の割合を求める方法を示す模式図であり、(a)は三重点粒界の個数割合が多い場合、(b)は三重点粒界の個数割合が少ない場合を示すものである。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a method for obtaining the ratio of the number of triple point grain boundaries to the sum of the numbers of interfacial grain boundaries and triple point grain boundaries in the cross section of the quantum dot film, and (a) is a triple point grain boundary. (B) shows the case where the number ratio of triple point grain boundaries is small.
この実施形態の量子ドット膜5を構成している複数の量子ドット複合体5CS間の二面間粒界5BWおよび三重点粒界5BCは、例えば、図2(a)に示すような箇所となる。図2(a)において白地に数字を付した箇所が三重点粒界5BCを示す箇所であり、黒地に数字を付した箇所が二面間粒界5BWである。
The inter-surface grain boundary 5BW and the triple point grain boundary 5BC between the plurality of quantum dot composites 5CS constituting the
図2(a)の例では、三重点粒界5BCが6箇所、二面間粒界5BWが13箇所となっていることから、断面における2面間粒界5BWの個数(13箇所)および3重点粒界5BCの個数(6箇所)との和(19箇所)に対する三重点粒界5BCの個数(6箇所)の割合は31.6%である。 In the example of FIG. 2 (a), there are 6 triple-point grain boundaries 5BC and 13 inter-surface grain boundaries 5BW, so the number of inter-surface grain boundaries 5BW in the cross section (13 places) and 3 The ratio of the number of triple-point grain boundaries 5BC (6 locations) to the sum (19 locations) of the number of important grain boundaries 5BC (6 locations) is 31.6%.
これに対し、図2(b)に示すように、量子ドット膜5内において量子ドット複合体5CSが緻密な状態で存在していない場合には、量子ドット膜5内の量子ドット複合体5CSにより構成される三重点粒界5BCの数が大きく低下する。図2(b)では、断面における2面間粒界5BWの個数(13箇所)および3重点粒界5BCの個数(1箇所)との和(14箇所)に対する三重点粒界5BCの個数(1箇所)の割合は7.1%となる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the quantum dot composite 5CS does not exist in a dense state in the
図3は、本発明の他の太陽電池の一実施形態を示すものであり、半導体基板の主面上に平均径の異なる量子ドットを含む量子ドット膜が多層に積層された構造を示す断面模式図である。 FIG. 3 shows an embodiment of another solar cell of the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing a structure in which quantum dot films including quantum dots having different average diameters are stacked in multiple layers on the main surface of a semiconductor substrate. FIG.
量子ドット膜5が多層化された構造の場合には、光入射側に配置された量子ドット膜5A中の量子ドット5aの平均径を半導体基板1側に配置された量子ドット膜5B中の量子ドット5aよりも小さくすることが望ましい。
In the case where the
量子ドット型太陽電池は、量子ドット5aの直径を変えることで、吸収する光6の波長を制御することができる。吸収波長の異なる複数の量子ドット膜5を積層することで、例えば、紫外光領域から近赤外光領域にわたって幅広い波長の光6を電力に変換できるために、トータルの光電変換効率を向上させることが可能となる。この場合、量子ドット5aの平均径は光入射側から半導体基板1側にかけて次第に大きくなっていることが好ましい。ここで、量子ドット5aの平均径が次第に大きくなるということは、半導体基板1側に
配置されている量子ドット膜5に含まれている量子ドット5aの平均径が必ず光入射側に隣接して配置されている量子ドット層5に含まれる量子ドット5aの平均径よりも大きいということだけではなく、光入射側から半導体基板1側にかけて全体を見たときに、量子ドット5aの平均径が大きくなっているように見えるという場合も含む意である。この場合、量子ドット5aのサイズとともに障壁層5bの厚みを変化させて量子ドット複合体5CSの大きさ(平均径)を同様の傾向で変化させても良い。
The quantum dot solar cell can control the wavelength of the light 6 to be absorbed by changing the diameter of the
上述した量子ドット膜5を構成する量子ドット5aとしては、半導体粒子を主体とするものからなり、エネルギーギャップ(Eg)が0.15〜1.20evを有するものが好適である。具体的な量子ドット5aの材料としては、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)、鉄(Fe)、硫黄(S)、鉛(Pb)、テルル(Te)およびセレン(Se)から選ばれるいずれか1種またはこれらの化合物半導体を用いることが望ましい。
As the
この場合、量子ドット5aの形状は、上述のように、隣接する量子ドット5aとの間で3次元的に連続したバンド構造を形成しやすいという理由から球形状が良い。また、量子ドット5aのサイズは、最大径が3nm〜20nmであることが望ましい。
In this case, the shape of the
また、量子ドット5aの周囲を取り巻いている障壁層5bの材料としてはエネルギーギャップ(Eg)が2.0〜10.0eVを有するものが好ましく、上記半導体材料の合金や金属間化合物、あるいは上記半導体材料の酸化物が好適である。この場合、障壁層5bの厚みは1〜10nmであることが望ましい。
In addition, the material of the
また、量子ドット5aおよび量子ドット複合体5CSの平均径のばらつきは、標準偏差をσ、平均径をxとしたときの比(σ/x)の表現で10%以下であることが望ましい。
In addition, the variation in the average diameter of the
本実施形態の太陽電池は、上述のように、量子ドット膜5が半導体基板1の主面3上に設けられたものであるが、図1(a)に示しているように、量子ドット膜5の上面側にも半導体基板7が設けられている場合がある。この場合、例えば、量子ドット膜5の下面側に配置されている半導体基板1がp型(キャリアがホール)の半導体である場合には、量子ドット膜5の上面側に配置される半導体基板7はn型となる。なお、p型とn型とを逆転させた構成にしてもよい。また、量子ドット膜5の両面に配置されている半導体基板1、7は、多結晶、単結晶のいずれでもよいが、量産性が高く、低コストという点で多結晶であるのがよい。
As described above, in the solar cell of this embodiment, the
次に、本実施形態における量子ドット膜5およびこれを適用した太陽電池の製造方法について説明する。
Next, the
本実施形態における量子ドット5aは、上述した半導体材料を含む金属化合物の溶液からバイオミネラリゼーションにより金属成分を析出させる方法を用いる。
The
まず、上述した半導体粒子を主成分とする金属化合物と溶媒とフェリチンとを準備し、加熱しながら混合して半導体粒子を合成する。金属化合物としては、Siを含む化合物の例として、例えば、ケイ酸ナトリウム、ヘキサフルオロケイ酸塩、有機シラン等から選ばれる1種を用いる。 First, a metal compound containing the above-described semiconductor particles as a main component, a solvent, and ferritin are prepared and mixed while heating to synthesize semiconductor particles. As an example of a compound containing Si, for example, one kind selected from sodium silicate, hexafluorosilicate, organosilane, and the like is used as the metal compound.
一方、フェリチンとしてはアポフェリチン(ウマ脾臓由来)溶液を準備し、これに上記のSiを含む化合物を添加する。ここでpHは7〜10程度であるのがよい。 On the other hand, an apoferritin (horse spleen-derived) solution is prepared as ferritin, and the above-mentioned compound containing Si is added thereto. Here, the pH is preferably about 7 to 10.
次に、アポフェリチン(ウマ脾臓由来)溶液にSiを含む化合物を分散させておいて、
フェリチンの内壁にSiを金属として付着させる。フェリチンはタンパク質であることからバイオ的なサイズの制御が可能となり、球形状に近い粒子の合成も可能であり、また、粒径のばらつきも小さいものを得ることができる。
Next, a compound containing Si is dispersed in an apoferritin (horse spleen derived) solution,
Si is adhered to the inner wall of ferritin as a metal. Since ferritin is a protein, it is possible to control the bio-size, and it is possible to synthesize particles that are close to a spherical shape, and it is possible to obtain particles with small variations in particle size.
次に、合成した半導体粒子を有するフェリチン内から半導体粒子を取り出す。この場合、例えば、フェリチン溶液にアルカリ水溶液を加えて、溶液のpHを10以上とし、フェリチンを溶解させることにより行う。 Next, the semiconductor particles are taken out from the ferritin having the synthesized semiconductor particles. In this case, for example, an alkaline aqueous solution is added to the ferritin solution so that the pH of the solution is 10 or more and ferritin is dissolved.
次に、得られた半導体粒子(量子ドット5a)を溶剤中に分散させてスラリーを作製し、このスラリーを半導体基板1の表面に塗布し、乾燥させる。
Next, the obtained semiconductor particles (
この場合、半導体粒子が半導体基板1上に整列して堆積するように、半導体粒子のゼータ電位を調整する。ゼータ電位は−90〜−110mVとするのがよい。また、半導体粒子を含むスラリーの粘度および蒸発性を考慮した溶剤を選択する。溶剤としては、フタル酸エステルやグリセリンなどを用いるのが良い。
In this case, the zeta potential of the semiconductor particles is adjusted so that the semiconductor particles are aligned and deposited on the
次に、半導体粒子を含むスラリー中に半導体基板1を一旦浸漬し、次に引き上げる方法によって半導体基板1の表面に半導体粒子を堆積させる。この場合、半導体基板1の表面は親水性に処理しておくのが良い。
Next, the
以上の製法により、半導体基板1の表面に量子ドット5aとなる半導体粒子がネック部Nを形成するように相互に接し、厚み方向に1層以上付着することとなり、これにより半導体粒子を半導体基板1の表面に均等に配置させた量子ドット膜5の前駆体を得ることができる。
By the above manufacturing method, the semiconductor particles to be the
次に、半導体粒子を堆積させた半導体基板1をアルゴンまたは窒素などの不活性ガス中、又は、水素を含む還元ガス中にて、300〜1000℃の温度に加熱して半導体粒子を焼結させる。このとき半導体粒子の表面に障壁層5bとなる酸化膜が形成されて量子ドット複合体5CSとなる。
Next, the
以上より得られる太陽電池は、量子ドット膜5を構成する量子ドット複合体5CSが球形状であり、量子ドット膜5は量子ドット複合体5CSがネック部Nを介して連結されたものとなるため、量子ドット膜5内に連続したバンド構造が形成されやすくなり、量子ドット5aによる光の吸収量を高めることが可能になることから、光電変換効率を向上させることができる。
In the solar cell obtained from the above, the quantum dot composite 5CS constituting the
1・・・・・・・・・・半導体基板
3・・・・・・・・・・主面
5、105・・・・・・量子ドット膜
5a・・・・・・・・・量子ドット
5b・・・・・・・・・障壁層
5B・・・・・・・・・粒界
5BW・・・・・・・・二面間粒界
5BC・・・・・・・・三重点粒界
6、106・・・・・・光
C・・・・・・・・・・コア部
N・・・・・・・・・・ネック部
S・・・・・・・・・・シェル部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
The plurality of quantum dot films are stacked, and the quantum dots have an average diameter that decreases from the semiconductor substrate side to a light incident side above the semiconductor substrate. The solar cell described.
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