CN102227824A - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种可获得量子点的声子瓶颈效应并且可使载流子移动以取出电流的太阳能电池。太阳能电池包括：第一材料层，其具有润湿层以及生成在该润湿层上的量子点；第二材料层，第一材料层形成在所述第二材料层的表面上；负电极；以及正电极，其中，负电极或正电极与润湿层连接，当负电极与润湿层连接的情况下，负电极与润湿层被连接，以使得存在于润湿层中的电子能够向负电极移动，在正电极与润湿层连接的情况下，正电极与润湿层被连接，以使得存在于润湿层中的空穴能够向正电极移动。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其涉及利用润湿层以及量子点的太阳能电池。
背景技术
太阳能电池具有单位发电量的二氧化碳排放量少并且不需要用于发电的燃料的优点。因此，关于各种各样的太阳能电池的研究正在积极进行。在当前已实际应用的太阳能电池中，利用单晶硅或多晶硅并具有一组pn结的单结太阳能电池成为主流。然而，单结太阳能电池的光电转换效率的理论极限(以下，称作“理论极限效率”)停留在约30％，因此正在探讨进一步提高理论极限效率的新的方法。
作为迄今探讨的新的方法之一，有利用了半导体量子点的太阳能电池(以下，称作“量子点太阳能电池”)。用于量子点太阳能电池中的量子点是尺寸为约10nm左右的半导体纳米晶体，其能够三维地束缚通过照射光而产生的电子或空穴(以下，将这些统称为“载流子”)。通过将电子束缚在量子点中，能够利用电子作为量子力学波的性质，从而还可以吸收在现有的太阳能电池中无法吸收的频带的太阳光谱。并且，根据量子点太阳能电池，能够减少作为热量而损失的能量。因此，认为根据量子点太阳能电池，能够将理论极限效率提高至60％以上。
作为与量子点太阳能电池相关的技术，例如在专利文献1中公开了具有以下特点的太阳能电池：其以pin结构构成，在作为光检测层的i层中包含具有三维量子束缚作用的量子点，量子点以及包围量子点的势垒层的能量带结构为typeII。另外，作为与利用量子点的光半导体装置相关的技术，例如在专利文献2中公开了一种使用包括多层的生成有自组织生长量子点的层的层叠体的光半导体装置。另外，作为与利用量子点的半导体激光器相关的技术，例如在专利文献3中公开了一种量子点半导体激光器，其特征在于用于缩短量子点中的载流子驰豫时间的能势结构(energy potential structure)。
专利文献1：日本专利文献特开2006-114815号公报；
专利文献2：日本专利文献特开平11-330606号公报；
专利文献3：日本专利文献特开2006-295219号公报。
发明内容
在专利文献1公开的技术中，由于利用了量子点，因此能够强力地三维束缚载流子。其结果是，通过声子瓶颈效应能够降低载流子的能量损失。然而，在专利文献1公开的技术中，难以从量子点中取出(移出)载流子，因此存在难以提高太阳能电池的光电转换效率的问题。即使结合专利文献2以及专利文献3中公开的在润湿层中生成量子点的技术和专利文献1中公开的技术也难以解决该问题。
因此，本发明要解决的问题是提供一种获得量子点的声子瓶颈效应并能够使载流子移动来获得电流的太阳能电池。
为了解决上述问题，本发明采用以下手段。即：
本发明的第一方面是一种太阳能电池，其特征在于，包括：第一材料层，所述第一材料层具有润湿层以及生成在所述润湿层上的量子点；第二材料层，所述第一材料层形成在所述第二材料层的表面上；负电极；以及正电极；其中，负电极或正电极与润湿层连接，在负电极与润湿层连接的情况下，负电极与润湿层被连接，以使得存在于润湿层中的电子能够向负电极移动，在正电极与润湿层连接的情况下，正电极与润湿层被连接，以使得存在于润湿层中的空穴能够向正电极移动。
此外，在上述第一方面中，负电极或正电极也可以与润湿层直接连接。
这里，“直接连接”是指：负电极和润湿层以负电极和润湿层不经由其他层而接触的方式连接，或者，正电极和润湿层以正电极和润湿层不经由其他层而接触的方式连接。
此外，在上述第一方面中，优选如下：在负电极与润湿层连接的情况下，负电极与润湿层经由能够阻止空穴通过的电子传输层连接，在正电极与润湿层连接的情况下，正电极与润湿层经由能够阻止电子通过的空穴传输层连接。
此外，在上述第一方面中，优选如下：在电子传输层与润湿层连接的情况下，电子传输层与润湿层经由电子混合层连接，该电子混合层激活多个电子的相互作用，在空穴传输层与润湿层连接的情况下，空穴传输层与润湿层经由空穴混合层连接，该空穴混合层激活多个空穴的相互作用。
这里，在本发明中，“多个电子的相互作用”是指两个以上电子相互碰撞的作用。并且，在本发明中，“多个空穴的相互作用”是指两个以上空穴相互碰撞的作用。
此外，在上述第一方面中，优选如下：包括多个第一材料层以及多个第二材料层，并且第一材料层和第二材料层交替地层积，在负电极与润湿层连接的情况下，负电极与多个润湿层连接，以使得存在于多个润湿层的每一层中的电子能够向负电极移动，在正电极与润湿层连接的情况下，正电极与多个润湿层连接，以使得存在于多个润湿层的每一层中的空穴能够向正电极移动。
此外，在具有多个第一材料层以及多个第二材料层的上述第一方面中，可以采用以下方式：具有多个第一材料层以及多个第二材料层的层叠体具有凹部，在负电极与润湿层连接的情况下，多个润湿层与配置在凹部的负电极连接，以使得存在于多个润湿层的每一层中的电子能够向负电极移动，在正电极与润湿层连接的情况下，多个润湿层与配置在凹部的正电极连接，以使得存在于多个润湿层的每一层中的空穴能够向正电极移动。
本发明的第二方面是一种太阳能电池，其特征在于，包括：第一材料层，所述第一材料层具有润湿层以及生成在所述润湿层上的量子点；第二材料层，所述第一材料层形成在所述第二材料层的表面上；正电极；以及负电极；其中，负电极和润湿层经由能够阻止空穴通过的电子传输层连接，以使得存在于润湿层中的电子能够向负电极移动，并且正电极和润湿层经由能够阻止电子通过的空穴传输层连接，以使得存在于润湿层中的空穴能够向正电极移动。
此外，在上述第二方面中，优选如下：电子传输层和润湿层经由电子混合层连接，电子混合层激活多个电子的相互作用。
此外，在上述第二方面中，优选如下：空穴传输层和润湿层经由空穴混合层连接，空穴混合层激活多个空穴的相互作用。
此外，在上述第二方面中，优选如下：第一材料层和第二材料层相对于水平面倾斜地形成，相对于水平面倾斜地形成的润湿层和基本水平配置的负电极至少经由电子传输层连接，相对于水平面倾斜地形成的润湿层和基本水平配置的正电极至少经由空穴传输层连接。
此外，在上述第二方面中，优选如下：包括多个第一材料层以及多个第二材料层，并且第一材料层和第二材料层交替地层积，负电极和多个润湿层至少经由电子传输层连接，正电极和多个润湿层至少经由空穴传输层连接。
此外，在上述第二方面中，可以采用以下方式：具有多个第一材料层以及多个第二材料层的层叠体至少具有两个以上凹部，多个润湿层与配置在两个以上凹部中的至少一个中的负电极至少经由电子传输层连接，多个润湿层与配置在两个以上凹部中的至少一个中的正电极至少经由空穴传输层连接。
此外，在上述第一方面以及上述第二方面中，优选如下：第一材料层的带隙和第二材料层的带隙之差在1eV以上。
发明效果
根据本发明的第一方面，由于利用量子点，因此能够将通过照射光而产生的载流子束缚在量子点中，从而能够获得量子点的声子瓶颈效应。并且，在本发明的第一方面中，至少经由润湿层连接负电极或正电极与量子点。因此，能够使被束缚在量子点中的载流子向润湿层移动，能够使存在于润湿层中的载流子向负电极或正电极移动。这里，润湿层具有与1～2层分子的量相当的程度的厚度，因此能够仅存在具有特定能量的载流子。从而，根据本发明的第一方面，能够提供可获得量子点的声子瓶颈效应并且可使载流子移动以取出电流的太阳能电池。
此外，在本发明的第一方面中，润湿层还能够起电子传输层或空穴传输层的功能。因此，通过使负电极或正电极与润湿层直接连接，还能够提供可获得量子点的声子瓶颈效应并且可使载流子移动以取出电流的太阳能电池。
此外，在本发明的第一方面中，通过利用电子传输层或空穴传输层，除了上述效果之外，还能够可靠地选择到达负电极或正电极的载流子。
此外，在本发明的第一方面中，通过利用电子混合层或空穴混合层，除了上述效果之外，还能够使载流子容易地从润湿层向负电极或正电极移动。
此外，在本发明的第一方面中，通过连接相对于水平面倾斜形成的润湿层与基本水平配置的负电极或正电极，除了上述效果之外，还能够容易地制造太阳能电池。
此外，在本发明的第一方面中，通过连接多个润湿层与负电极或正电极，除了上述效果之外，还能够增加被第一材料层以及第二材料层吸收的光来容易地提高光电转换效率。
此外，在包括多个第一材料层以及多个第二材料层的本发明的第一方面中，通过使配置在凹部的负电极或正电极与多个润湿层连接，能够增加被第一材料层以及第二材料层吸收的光来容易提高光电转换效率。
在本发明的第二方面中，经由电子传输层连接润湿层和负电极，并且经由空穴传输层连接润湿层和正电极。由于利用量子点，因此根据本发明的第二方面也能够获得量子点的声子瓶颈效应。并且，根据本发明的第二方面，能够使从量子点移动到润湿层的电子向负电极移动，并能够使从量子点移动到润湿层的空穴向正电极移动。从而，根据本发明的第二方面，能够提供可获得量子点的声子瓶颈效应并且可使载流子移动以取出电流的太阳能电池。
此外，在本发明的第二方面中，通过电子传输层和润湿层经由电子混合层连接，除了上述效果之外，还能够使电子容易地从润湿层向负电极移动。
此外，在本发明的第二方面中，通过空穴传输层和润湿层经由空穴混合层连接，除了上述效果之外，还能够使空穴容易地从润湿层向正电极移动。
此外，在本发明的第二方面中，通过相对于水平面倾斜地形成的润湿层分别与基本水平配置的负电极以及正电极至少经由电子传输层以及空穴传输层连接，除了上述效果之外，还能够容易地制造太阳能电池。
此外，在本发明的第二方面中，通过多个润湿层分别与负电极以及正电极至少经由电子传输层以及空穴传输层连接，除了上述效果之外，还能够增加被第一材料层和第二材料层吸收的光来容易地提高光电转换效率。
此外，在具有多个第一材料层以及多个第二材料层的本发明的第二方面中，通过多个润湿层分别与配置在凹部的负电极以及配置在凹部的正电极至少经由电子传输层以及空穴传输层连接，能够增加被第一材料层以及第二材料层吸收的光来容易地提高光电转换效率。
此外，在本发明的第一方面以及第二方面中，通过第一材料层的带隙和第二材料层的带隙之差为1eV以上，除了上述效果之外，还能够使通过照射光而产生的载流子容易地被量子点束缚。
附图说明
图1是示出太阳能电池10的实施例的截面图；
图2是示出太阳能电池10的实施例的截面图；
图3是示出太阳能电池20的实施例的截面图；
图4是示出太阳能电池20的带结构的带图；
图5是示出太阳能电池30的实施例的截面图；
图6是示出太阳能电池40的实施例的截面图；
图7是示出太阳能电池40的制作工序中包含的一个工序的实施例的图。
附图标记说明
1…第一材料层
1a…润湿层
1b…量子点
2…第二材料层
3…层叠体
4…凹部
5…负电极
6…空穴传输层
6a…能量壁垒
6b…能量壁垒
7…正电极
8…电子传输层
8a…能量壁垒
8b…能量壁垒
10…太阳能电池
20…太阳能电池
30…太阳能电池
31…空穴传输层
32…正电极
40…太阳能电池
41…第一材料层
41a…润湿层
41b…量子点
42…第二材料层
43…层叠体
44…电子传输层
45…负电极
46…空穴传输层
47…正电极
48…层
49…层
50…层
具体实施方式
量子点太阳能电池例如将照射光而产生的电子束缚在量子点中来利用量子点的声子瓶颈效应。由此，为了能够增加可吸收的太阳光谱的频带，在量子点太阳能电池中需要将载流子束缚到量子点中。另一方面，如果载流子以被量子点束缚的状态被保持从而变成无法从量子点向电极移动的状态，则无法取出电流，其结果是，难以提高光电转换效率。因此，为了提高量子点太阳能电池的光电转换效率，需要在最大限度地维持将载流子束缚在量子点中的效果的同时还使得载流子可从量子点移动。为了解决该问题，认为有效的做法是限定从量子点被取出的载流子的能量范围。
另一方面，如果在带隙大的半导体X的表面上通过分子束外延法等来以nm级沉积与半导体X相比晶格常数稍大但带隙小的半导体Y，则能够在形成在半导体X的表面上的具有分子1～2层的厚度的半导体Y的层(润湿层)中制出nm级大小的粒子(量子点)。该制作方法被称作“SK模式(或者，SK成长模式)”，通过SK模式制作的量子点与润湿层连接。另外，如上所述，润湿层的厚度极薄，因此量子效应的作用强烈，能够只存在具有特定能量的载流子。
本发明的发明人经专心研究后得知：通过利用与量子点连接的润湿层，能够最大限度地维持通过将载流子束缚到量子点中来获得的效果(声子瓶颈效应)，并且还能够使得载流子从量子点移动。而且，本发明的发明人得知：通过连接与量子点连接的润湿层和电极(负电极和/或正电极)，能够使得移动到润湿层的载流子向负电极或正电极移动，从而可取出电流。
本发明就是基于上述见解而作出的。本发明的主要重点在于提供通过将与量子点连接的润湿层与负电极和/或正电极直接或间接连接来获得量子点的声子瓶颈效应、并可使载流子移动来取出电流的太阳能电池。
以下，参照附图，对本发明进行说明。以下示出的方式仅是本发明的例示，本发明不限定于以下所示的方式。
1.第一实施方式
图1是示出第一实施方式涉及的本发明的太阳能电池10的实施例的截面图。在图1中，只拿出太阳能电池10的一部分来放大示出。并且，在图1中，省略了一部分的附图标记。图2是放大示出在图1中用虚线包围的部位的图。如图1和图2所示，太阳能电池10包括：层叠体3，其具有多个第一材料层1、1、…以及多个第二材料层2、2、…；负电极5、5，其配置在层叠体3的凹部4、4中；空穴传输层6，其在层叠体3的下方以与第二材料层2接触的方式配置；正电极7，其在空穴传输层6的下方以与空穴传输层6接触的方式配置。在太阳能电池10中，第一材料层1、1、…由晶格常数比构成第二材料层2、2、…的半导体(相当于上述半导体X的半导体)稍大且带隙比该半导体小的半导体(相当于上述半导体Y的半导体)形成。第一材料层1具有润湿层1a以及与该润湿层1a连接的量子点1b、1b、…，多个润湿层1a、1a、…与负电极5、5直接连接。在太阳能电池10中，第一材料层1、1、…由InN构成，第二材料层2、2、…由p掺杂的GaN构成，空穴传输层6由强型p掺杂的AlGaN构成。即，在太阳能电池10中，第一材料层1、1、…相当于n层，第二材料层2、2、…相当于p层，空穴传输层6相当于p+层。在太阳能电池10中，量子点1b、1b、…的高度为1～10nm左右、直径为10～100nm左右。
根据太阳能电池10，能够将通过照射光而在层叠体3产生的电子束缚在量子点1b、1b、…中，从而能够获得量子点1b、1b、…的声子瓶颈效应。这里，与量子点1b、1b、…连接的润湿层1a、1a、…由于厚度很薄，因此量子效应强。因此，在润湿层1a、1a、…中，只能存在具有比半导体Y的传导带的底端的能量高的能量的电子。因此，在太阳能电池10中，在被量子点1b、1b、…束缚的电子中，能够仅使具有可向润湿层1a、1a、…移动的能量的电子向润湿层1a、1a、…移动。并且，在太阳能电池10中，润湿层1a、1a、…和负电极5、5直接连接。因此，根据太阳能电池10，能够使移动到润湿层1a、1a、…的电子向负电极5、5移动。即，根据太阳能电池10，能够经由润湿层1a、1a、…取出被量子点1b、1b、…束缚的电子。
另外，对太阳能电池10照射光而产生的空穴能够从第一材料层1、1、…向第二材料层2、2、…移动，并且也能够从第二材料层2、2、…向第一材料层1、1、…移动。通过由空穴传输层6的p掺杂所诱发的电场而作用向空穴传输层6加速的力。因此，存在于层叠体3中的空穴能够从图1的纸面上方向下方移动，能够经由可阻止电子通过的空穴传输层6而到达正电极7。
如此，根据太阳能电池10，能够使通过照射光而在层叠体3产生的电子获得量子点1b、1b、…的声子瓶颈效应并经由润湿层1a、1a、…向负电极5、5移动，并且能够使在层叠体3产生的空穴向正电极7移动。因此，根据本发明，能够提供一种获得量子点1b、1b、…的声子瓶颈效应并且使电子移动以取出电流的太阳能电池10。
在太阳能电池10中，层叠体3例如能够通过以下顺序制作。即，首先，在空穴传输层6的表面上形成第二材料层2，该第二材料层2由晶格常数比构成第一材料层1的半导体(相当于上述半导体Y的半导体)小并且带隙比该半导体大的半导体(相当于上述半导体X的半导体)构成。之后，在所形成的第二材料层2的表面上，通过SK模式将半导体(相当于上述半导体Y的半导体)以nm级进行沉积，由此形成具有润湿层1a以及生成在该润湿层1a中的量子点1b、1b、…的第一材料层1。在如此分别形成第二材料层2以及第一材料层1之后，重复进行在第一材料层1的表面形成第二材料层2并在第二材料层2的表面形成第一材料层1的过程，由此能够制作层叠体3。然后，在制作层叠体3之后，例如，对层叠体3的表面设置恰当的掩模并进行蚀刻，或者通过电子束或离子束加工或者其他方法进行研磨，由此来形成凹部4、4，将构成负电极5、5的材料(例如，可构成透明电极的材料等，下同)沉积在所形成的凹部4、4中。通过经过上述的工序制造太阳能电池10，能够直接连接多个润湿层1a、1a、…和负电极5、5。
2.第二实施方式
图3是示出第二实施方式涉及的本发明的太阳能电池20的实施例的截面图。在图3中，只拿出太阳能电池20的一部分来放大示出。并且，在图3中，省略了一部分的附图标记。在图3中，对于采用了与图1所示太阳能电池10同样的构成的部分，标注与在图1中使用的附图标记相同的附图标记，并适当省略其说明。
如图3所示，太阳能电池20包括：层叠体3，其具有多个第一材料层1、1、…以及多个第二材料层2、2、…；配置在层叠体3的凹部4、4中的电子传输层8、8和负电极5、5；空穴传输层6，其在层叠体3的下方以与第二材料层2接触的方式配置；正电极7，其在空穴传输层6的下方以与空穴传输层6接触的方式配置。第一材料层1具有润湿层1a以及与该润湿层1a连接的量子点1b、1b、…。并且，在多个润湿层1a、1a、…和负电极5、5之间配置有电子传输层8、8，多个润湿层1a、1a、…和负电极5、5经由电子传输层8、8连接。在太阳能电池20中，第一材料层1、1、…由InN构成，第二材料层2、2、…由p掺杂的GaN构成。并且在太阳能电池20中，电子传输层8、8由进行了n掺杂的GaN构成，空穴传输层6由强型p掺杂的AlGaN构成。即，在太阳能电池20中，第一材料层1、1、…相当于n层，第二材料层2、2、…相当于p层，电子传输层8、8相当于n+层，空穴传输层6相当于p+层。在太阳能电池20中，量子点1b、1b、…的高度为1～10nm左右、直径为10～100nm左右。
图4是简要示出太阳能电池20的带结构的概念图。图4的上下分别与能量的高低对应，图4的左右除了润湿层1a、1a、…之外与太阳能电池20的各构成要素的厚度对应。并且，图4的「●」为电子、「○」为空穴。
如图4所示，第二材料层2、2、…的传导带底端的能级高于量子点1b、1b、…的传导带底端的能级。并且，第二材料层2、2、…的价电子带顶端的能级低于量子点1b、1b、…的价电子带顶端的能级。并且，受太阳能电池20中产生的内部电场的影响，第二材料层2、2、…的传导带底端的能级以及价电子带顶端的能级是倾斜的，通过第二材料层2、2、…的p掺杂生成的空穴被量子点捕获，通过来自该空穴的正电荷的库伦能量，量子点1b、1b、…的传导带底端的能级以及价电子带顶端的能级以向下凸的方式弯曲。另外，如图4所示，润湿层1a、1a、…的传导带底端的能级低于第二材料层2、2、…的传导带底端的能级，并且高于量子点1b、1b、…的传导带底端的能级。因此，在存在于量子点1b、1b、…中的电子中，具有与量子点1b、1b、…的传导带底端的能级相同程度的能量的电子从存在于量子点1b、1b、…的高能量的电子接收能量而增加能量，由此能够向润湿层1a、1a、…移动。通过采用该方式，能够抑制被量子点1b、1b、…束缚的载流子(在太阳能电池20中为电子)的能量损失，因此，根据经由润湿层1a、1a、…取出载流子的本发明的太阳能电池20，能够抑制能量以热量的形式损失。
另外，如图4所示，电子传输层8的传导带底端的能级低于第二材料层2、2、…的传导带底端的能级，并且高于量子点1b、1b、…的传导带底端的能级。并且，电子传输层8的价电子带顶端的能级低于第二材料层2、2、…的价电子带顶端的能级。并且，受n掺杂的影响，电子传输层8的传导带底端的能级以及价电子带顶端的能级以向下凸的方式弯曲。对此，可以如下说明。即，电子传输层8的通过强型n掺杂生成的很多电子脱离电子传输层8并被润湿层1a、1a、…捕获，由此电子传输层8损失电子。其结果是，电子传输层8带正电，通过来自带电的库伦能量，传导带底端的能级以向下凸的方式弯曲，其最下部到达润湿层1a、1a、…的能级的底端。如此，在太阳能电池20中，通过使电子传输层8的价电子带顶端的能级以向下凸的方式弯曲，可具有存在于层叠体3的空穴无法通过电子传输层8的构成。并且，在太阳能电池20中，通过强型n掺杂制作电子传输层8，由此能够使存在于润湿层1a和电子传输层8的界面的能量壁垒8a以及存在于电子传输层8和负电极5的界面的能量壁垒8b的厚度变薄。通过采用该方式，太阳能电池20可具有通过隧道效应使得电子能够通过能量壁垒8a、8b的构成。
另外，如图4所示，空穴传输层6的传导带底端的能级高于第二材料层2、2、…的传导带底端的能级，并且空穴传输层6的价电子带顶端的能级低于第二材料层2、2、…的价电子带顶端的能级。并且，受p掺杂的影响，空穴传输层6的传导带底端的能级以及价电子带顶端的能级以向上凸的方式弯曲。在太阳能电池20中，通过使空穴传输层6的传导带底端的能级以向上凸的方式弯曲，可具有存在于层叠体3的电子无法通过空穴传输层6的构成。并且，在太阳能电池20中，通过强型p掺杂制作空穴传输层6，由此能够使存在于第二材料层2和空穴传输层6的界面的能量壁垒6a以及存在于空穴传输层6和正电极7的界面的能量壁垒6b的厚度变薄。通过采用该方式，太阳能电池20可具有通过由于能量壁垒6a、6b足够薄而容易引起的隧道效应使得空穴能够通过能量壁垒6a、6b的构成。
如上所述，根据太阳能电池20，能够使被束缚在量子点1b、1b、…中的电子经由润湿层1a、1a、…以及电子传输层8、8向负电极5、5移动。并且，通过包括电子传输层8、8、…的方式，能够可靠地防止空穴到达负电极5、5。因此，通过采用该方式，根据本发明，能够提供一种太阳能电池20，该太阳能电池20除了根据太阳能电池10所获得的效果之外，还能够获得可增加到达至负电极5、5的电子量的效果。
在太阳能电池20中，电子传输层8、8能够向凹部4、4的表面沉积n掺杂的GaN来制作，该凹部4、4例如通过与太阳能电池10同样的方法而形成。此外，太阳能电池20中的负电极5、5能够通过向如此制作的电子传输层8、8的表面沉积构成负电极5、5的材料来制作。通过经过上述工序制作太阳能电池20，能够经由电子传输层8、8连接多个润湿层1a、1a、…和负电极5、5。
在关于太阳能电池20的上述说明中，例示了电子传输层8、8和润湿层1a、1a、…直接连接的方式，但是本发明的太阳能电池不限于该方式。电子传输层和润湿层也可以经由电子混合层来连接，在该电子混合层中，多个电子的相互作用被激活。在电子混合层位于电子传输层和润湿层之间的情况下，电子混合层被设置，以使其传导带底端的能级低于第二材料层2、2、…的传导带底端的能级，高于量子点1b、1b、…的传导带底端的能级，并且稍低于润湿层1a、1a、…的传导带底端的能级。通过采用该方式，能够使从量子点1b、1b、…移动到润湿层1a、1a、…的电子进一步向电子混合层移动。并且，通过使移动到电子混合层的多个电子碰撞，能够激活电子的相互作用。此外可采用下述方式：使得电子混合层的价电子带顶端的能级例如与第二材料层2、2、…的价电子带顶端的能级相等，并且通过利用由于n掺杂而带正电的状态的电子混合层，能够使电子混合层的传导带底端的能级以及价电子带顶端的能级以向下凸的方式弯曲。这样的电子混合层能够通过例如InxGa1-xN(0.2≤x≤0.8)来构成。
在由于本发明的太阳能电池10、20的上述说明中，例示了润湿层1a、1a、…与负电极5连接且润湿层1a、1a、…不与正电极7连接的方式，但是本发明不限于该方式。本发明的太阳能电池也可以采用润湿层与正电极连接且润湿层不与负电极连接的方式。在此情况下，能够在润湿层和正电极之间配置可阻止电子通过的空穴传输层，优选在空穴传输层和润湿层之间配置激活多个空穴的相互作用的空穴混合层。
此外，本发明的太阳能电池不限于润湿层与负电极或正电极连接的方式，也可以采用润湿层与负电极以及正电极连接的方式。因此，以下对润湿层与负电极以及正电极连接的方式的本发明的太阳能电池进行具体说明。
3.第三实施方式
图5是示出第三实施方式涉及的本发明的太阳能电池30的实施例的截面图。在图5中，只拿出太阳能电池30的一部分来放大示出。并且，在图5中，省略了一部分的附图标记。在图5中，对于采用了与图1所示的太阳能电池10同样的构成的部分，标注与在图1中使用的附图标记相同的附图标记，并适当省略其说明。
如图5所示，太阳能电池30包括：层叠体3，其具有多个第一材料层1、1、…以及多个第二材料层2、2、…；配置在层叠体3的一侧的凹部4中的电子传输层8和负电极5；配置在层叠体3的另一侧的凹部4中的空穴传输层31和正电极32。第一材料层1具有润湿层1a以及与该润湿层1a连接的量子点1b、1b、…。此外，在多个润湿层1a、1a、…和负电极5之间配置有电子传输层8，并且在多个润湿层1a、1a、…和正电极32之间配置有空穴传输层31。因此，在太阳能电池30中，多个润湿层1a、1a、…和负电极5经由电子传输层8连接，多个润湿层1a、1a、…和正电极32经由空穴传输层31连接。在太阳能电池30中，第一材料层1、1、…由InN构成，第二材料层2、2、…由p掺杂的GaN构成。并且在太阳能电池30中，电子传输层8由n掺杂的GaN构成，空穴传输层31由强型p掺杂的AlGaN构成。即，在太阳能电池30中，第一材料层1、1、…相当于n层，第二材料层2、2、…相当于p层，电子传输层8相当于n+层，空穴传输层31相当于p+层。在太阳能电池30中，量子点1b、1b、…的高度为1～10nm左右、直径为10～100nm左右。
如此，在润湿层1a、1a、…与负电极5以及正电极32连接的方式中，通过在润湿层1a、1a、…和负电极5之间配置电子传输层8，并且在润湿层1a、1a、…和正电极32之间空穴传输层31，也能够仅使存在于层叠体3中的电子向负电极5移动，并仅使存在于层叠体3的空穴向正电极32移动。即，根据太阳能电池30，能够使被束缚在量子点1b、1b、…中的电子经由润湿层1a、1a、…向负电极5移动。并且，在太阳能电池30中，经由空穴传输层31连接润湿层1a、1a、…和正电极32。因此，根据太阳能电池30，能够使被束缚在量子点1b、1b、…中的空穴经由润湿层1a、1a、…向正电极32移动。从而，根据本发明，通过润湿层1a、1a、…分别与负电极5以及正电极32连接的方式，能够提供可获得量子点1b、1b、…的声子瓶颈效应、并且使电子和空穴分别向负电极5或正电极32移动从而可取出电流的太阳能电池30。
太阳能电池30在例如通过与太阳能电池10同样的顺序制作具有凹部4、4的层叠体3之后，在一侧的凹部4通过沉积n掺杂的GaN来形成电子传输层8，向所形成的电子传输层8的表面沉积构成负电极5的材料。通过该工序，能够经由电子传输层8连接负电极5和多个润湿层1a、1a、…。并且，在另一侧的凹部4通过沉积强型p掺杂的AlGaN来形成空穴传输层31，向所形成的空穴传输层31的表面沉积构成正电极32的材料(例如，可构成透明电极的材料等)，通过该工序，能够经由空穴传输层31连接正电极32和多个润湿层1a、1a、…。
在关于本发明的太阳能电池10、20、30的上述说明中，例示了空穴传输层6或空穴传输层31由强型p掺杂的AlGaN构成的方式，但是本发明的太阳能电池不限于该方式。本发明的太阳能电池所具有的空穴传输层也可以由强型p掺杂的GaN等其他材料构成。
另外，在关于本发明的太阳能电池10、20、30的上述说明中，图示了凹部4的开口部的间隔窄且深度深(例如，数百nm左右)的方式，但是本发明的太阳能电池不限于该方式。本发明的太阳能电池所具有的凹部也可以是开口部的间隔宽且深度浅(例如，数μm左右以上)的方式。
另外，在关于本发明的太阳能电池10、20、30的上述说明中，例示了包括基本水平配置的负电极5和正电极7或正电极32、以及具有基本水平形成的第一材料层1、1、…和第二材料层2、2、…的层叠体3的方式，但是本发明不限于该方式。因此，以下，对具有相对于水平面倾斜地形成的第一材料层和第二材料层、以及基本水平配置的负电极和正电极的方好似的本发明的太阳能电池进行具体说明。
4.第四实施方式
图6是示出第四实施方式涉及的本发明的太阳能电池40的实施例的截面图。在图6中，只拿出太阳能电池40的一部分来放大示出。并且，在图6中，省略了一部分的附图标记。
如图6所示，太阳能电池40包括：层叠体43，其具有相对于水平面倾斜地形成的多个第一材料层41、41、…以及多个第二材料层42、42、…；电子传输层44，其以与层叠体43接触的方式基本水平地配置在层叠体43的上表面；负电极45，其以与电子传输层44接触的方式基本水平地配置在电子传输层44的上表面；空穴传输层46，其以与层叠体43接触的方式基本水平地配置在层叠体43的下表面；以及正电极47，其以与空穴传输层46接触的方式基本水平地配置在空穴传输层46的下表面。第一材料层41具有相对于水平面倾斜形成的润湿层41a以及与该润湿层41a连接的量子点41b、41b、…。在太阳能电池40中，第一材料层41、41、…由InAs构成，第二材料层42、42、…由p掺杂的GaAs构成。并且在太阳能电池40中，电子传输层44由n掺杂的GaAs构成，空穴传输层46由强型p掺杂的GaAs构成。即，在太阳能电池40中，第一材料层41、41、…相当于n层，第二材料层42、42、…相当于p层，电子传输层44相当于n+层，空穴传输层46相当于p+层。在太阳能电池40中，量子点41b、41b、…的高度为1～10nm左右、直径为10～100nm左右。
如此，在太阳能电池40中，相对于水平面倾斜形成的多个润湿层41a、41a、…与基本水平配置的负电极45经由电子传输层44连接，并且相对于水平面倾斜形成的多个润湿层41a、41a、…与基本水平配置的正电极47经由空穴传输层46。通过该方式，根据太阳能电池40，不形成凹部，就能够将多个润湿层与负电极以及正电极连接起来。从而，通过采用该方式，能够提供除了可获得太阳能电池30所获得的效果之外还可获得能够提高生产率的效果的太阳能电池40。
图7是示出太阳能电池40的制造工序中包含的一个工序的实施例的图。图7简要示出了制作相对于水平面倾斜形成的层叠体43的工序以及在层叠体43的上表面形成电子传输层44的工序的一部分。另外，图7中省略了一部分的附图标记。
如图7所示，为了制作层叠体43，例如，首先，在预定的基板上制作由强型p掺杂的GaAs构成的层48(相当于空穴传输层46的层，下同)。然后，一边使载置有层48的工作台从图7的纸面左侧向右侧移动，一边沉积p掺杂的GaAs，由此制作上表面相对于水平面倾斜的层49(相当于第二材料层42的层，下同)。在如此制出上表面相对于水平面倾斜的层49之后，一边使载置有层49和层48等的工作台从图7的纸面左侧向右侧移动，一边沉积InAs，由此制作相对于水平面倾斜的层50(相当于第一材料层41的层，下同)。此后，通过重复在层50的表面上制作上表面相对于水平面倾斜的层49并在该层49的表面上制作上表面相对于水平面倾斜的层50的工序，能够制作具有多个层49和多个层50的层叠体(以下，称作“层叠体Z”)。在如上制作层叠体Z之后，将该层叠体Z切割成预定大小，由此能够制出层叠体43，该层叠体43分别具有多个第一材料层41以及第二材料层42，其中，第一材料层41由InAs构成并具有润湿层41a以及量子点41b、41b、…，第二材料层42由p掺杂的GaAs构成。另一方面，为了制作电子传输层44，如图7所示，也可以例如在完成层叠体Z的制作之前，对层叠体Z的上表面沉积n掺杂的GaAs。另外，负电极45能够通过向所制作的电子传输层44的上表面沉积构成负电极45的材料(例如，可构成透明电极的材料等)来制作。另外，正电极47能够通过向空穴传输层46的与应制作层叠体43的面相反侧的面沉积构成正电极47的材料(例如，可构成透明电极的材料等)来制作。通过经过上述工序制作太阳能电池40，能够将相对于水平面倾斜形成的多个润湿层41a、41a、…经由电子传输层44与负电极45连接，并经由空穴传输层46与正电极47连接。
在关于太阳能电池40的上述说明中，例示了具有由InAs构成的第一材料层41、41、…以及由p掺杂的GaAs构成的第二材料层42、42、…的方式，但是可构成第一材料层41以及第二材料层42的材料不限于这些。第一材料层41也可以例如由InN构成，在此情况下，第二材料层42能够由p掺杂的GaN构成。在第二材料层42由p掺杂的GaN构成的情况下，该第二材料层42例如能够通过如下制作：在蓝宝石基板的表面上形成由p掺杂的GaN构成的层之后，一边移动配置有该层的蓝宝石基板，一边沉积p掺杂的GaN，由此能够制作出相对于水平面倾斜的第二材料层42。
在关于本发明的太阳能电池30、40的上述说明中，例示了在润湿层1a或润湿层41a与负电极5或负电极45之间配置电子传输层8或电子传输层44，并在润湿层1a或润湿层41a和正电极32或正电极47之间配置空穴传输层31或空穴传输层46的方式，但是本发明不限于该方式。优选在润湿层和负电极之间还配置激活电子的相互作用的电子混合层。并且，优选在润湿层和正电极之间还配置激活空穴的相互作用的空穴混合层。
在关于本发明的太阳能电池10、20、30、40的上述说明中，例示了具有多个第一材料层1或第一材料层41以及多个第二材料层2或第二材料层42的方式，但是本发明不限于该方式。本发明的太阳能电池也可以采用第一材料层和第二材料层各具有一层的方式。但是，从使得光容易被具有第一材料层和第二材料层的层叠体吸收的观点等来说，优选采用具有多个第一材料层和多个第二材料层的方式。
在本发明的太阳能电池中，构成第一材料层的材料的带隙与构成第二材料层的材料的带隙之差能够在可获得上述效果的范围内适当选择。构成第一材料层的材料的带隙与构成第二材料层的材料的带隙之差优选较大。具体来说，优选在1eV以上，更优选在2.5eV以上。
本发明的太阳能电池能够利用在电动汽车的动力源或太阳能发电系统等中。

Claims (13)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
第一材料层，所述第一材料层具有润湿层以及生成在所述润湿层上的量子点；
第二材料层，所述第一材料层形成在所述第二材料层的表面上；
负电极；以及
正电极；
其中，所述负电极或所述正电极与所述润湿层连接，
在所述负电极与所述润湿层连接的情况下，所述负电极与所述润湿层被连接，以使得存在于所述润湿层中的电子能够向所述负电极移动，
在所述正电极与所述润湿层连接的情况下，所述正电极与所述润湿层被连接，以使得存在于所述润湿层中的空穴能够向所述正电极移动。
2.如权利要求1所述的量子点太阳能电池，其特征在于，
所述负电极或所述正电极与所述润湿层直接连接。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，
在所述负电极与所述润湿层连接的情况下，所述负电极与所述润湿层经由能够阻止空穴通过的电子传输层连接，
在所述正电极与所述润湿层连接的情况下，所述正电极与所述润湿层经由能够阻止电子通过的空穴传输层连接。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，
在所述电子传输层与所述润湿层连接的情况下，所述电子传输层与所述润湿层经由电子混合层连接，所述电子混合层激活多个所述电子的相互作用，
在所述空穴传输层与所述润湿层连接的情况下，所述空穴传输层与所述润湿层经由空穴混合层连接，所述空穴混合层激活多个所述空穴的相互作用。
5.如权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，
包括多个所述第一材料层以及多个所述第二材料层，并且所述第一材料层和所述第二材料层交替地层积，
在所述负电极与所述润湿层连接的情况下，所述负电极与多个所述润湿层连接，以使得存在于多个所述润湿层的每一层中的所述电子能够向所述负电极移动，
在所述正电极与所述润湿层连接的情况下，所述正电极与多个所述润湿层连接，以使得存在于多个所述润湿层的每一层中的所述空穴能够向所述正电极移动。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，
具有多个所述第一材料层以及多个所述第二材料层的层叠体具有凹部，
在所述负电极与所述润湿层连接的情况下，多个所述润湿层与配置在所述凹部的所述负电极连接，以使得存在于多个所述润湿层的每一层中的所述电子能够向所述负电极移动，
在所述正电极与所述润湿层连接的情况下，多个所述润湿层与配置在所述凹部的所述正电极连接，以使得存在于多个所述润湿层的每一层中的所述空穴能够向所述正电极移动。
7.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
第一材料层，所述第一材料层具有润湿层以及生成在所述润湿层上的量子点；
第二材料层，所述第一材料层形成在所述第二材料层的表面上；
正电极；以及
负电极；
其中，所述负电极和所述润湿层经由能够阻止空穴通过的电子传输层连接，以使得存在于所述润湿层中的电子能够向所述负电极移动，并且所述正电极和所述润湿层经由能够阻止电子通过的空穴传输层连接，以使得存在于所述润湿层中的空穴能够向所述正电极移动。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，
所述电子传输层和所述润湿层经由电子混合层连接，所述电子混合层激活多个所述电子的相互作用。
9.如权利要求7或8所述的太阳能电池，其特征在于，
所述空穴传输层和所述润湿层经由空穴混合层连接，所述空穴混合层激活多个所述空穴的相互作用。
10.如权利要求7至9中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，
所述第一材料层和所述第二材料层相对于水平面倾斜地形成，
相对于水平面倾斜地形成的所述润湿层和基本水平配置的所述负电极至少经由所述电子传输层连接，
相对于水平面倾斜地形成的所述润湿层和基本水平配置的所述正电极至少经由所述空穴传输层连接。
11.如权利要求7至10中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，
包括多个所述第一材料层以及多个所述第二材料层，并且所述第一材料层和所述第二材料层交替地层积，
所述负电极和多个所述润湿层至少经由所述电子传输层连接，
所述正电极和多个所述润湿层至少经由所述空穴传输层连接。
12.如权利要求11所述的太阳能电池，其特征在于，
具有多个所述第一材料层以及多个所述第二材料层的层叠体至少具有两个以上凹部，
多个所述润湿层与配置在两个以上所述凹部中的至少一个中的所述负电极至少经由所述电子传输层连接，
多个所述润湿层与配置在两个以上所述凹部中的至少一个中的所述正电极至少经由所述空穴传输层连接。
13.如权利要求1至12中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，
所述第一材料层的带隙与所述第二材料层的带隙之差在1eV以上。
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