JP2006066550A - Photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換層の吸収係数が低い波長帯における光電変換の効率を向上させて、光エネルギを効率よく電気エネルギに変換する光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element that improves the efficiency of photoelectric conversion in a wavelength band where the absorption coefficient of a photoelectric conversion layer is low and efficiently converts light energy into electric energy.
光電変換素子の光電変換材料として広く用いられるシリコンの結晶体は、バンドギャップが約1.1eVであり、このバンドギャップのエネルギを光の波長に換算すると約1100nmであるため、理論的には1100nmよりも短い波長の光を電気エネルギに変換することができる。以後、シリコンの結晶体を結晶シリコンと記載する。 A silicon crystal widely used as a photoelectric conversion material of a photoelectric conversion element has a band gap of about 1.1 eV, and the energy of this band gap is about 1100 nm when converted to the wavelength of light. Shorter wavelength light can be converted into electrical energy. Hereinafter, the crystalline silicon is referred to as crystalline silicon.
しかしながら結晶シリコンは、間接遷移半導体であるため、800nm〜1100nmの範囲の波長の光に対して吸収係数が小さく、この波長帯の光は多くが電気エネルギに変換されることなく結晶シリコンによって形成される光電変換層を透過してしまう。 However, since crystalline silicon is an indirect transition semiconductor, its absorption coefficient is small for light with a wavelength in the range of 800 nm to 1100 nm, and most of this wavelength band is formed by crystalline silicon without being converted into electrical energy. It passes through the photoelectric conversion layer.
このため結晶シリコンを用いて形成される光電変換素子は、光電変換層の厚みを、たとえば200μm〜300μmに設定することによって、赤外光の透過による損失を防いでいるが、この波長帯の光エネルギの電気エネルギへの変換効率は低い。また特に、太陽光から電気エネルギを生成する太陽電池においては、光電変換素子の表面積が大きいため、光電変換層を前述したような厚みに形成する場合、太陽電池の重量が重くなり、建築物の屋根などへの設置が困難となったり、光電変換素子を形成するための材料が余分に必要になり、製造コストが増加したりするなどの問題が生じる。 For this reason, the photoelectric conversion element formed using crystalline silicon prevents loss due to transmission of infrared light by setting the thickness of the photoelectric conversion layer to, for example, 200 μm to 300 μm. The conversion efficiency of energy into electrical energy is low. In particular, in a solar cell that generates electric energy from sunlight, the surface area of the photoelectric conversion element is large. Therefore, when the photoelectric conversion layer is formed in the thickness as described above, the weight of the solar cell increases, Problems arise such as difficulty in installation on the roof or the like, and the need for extra materials for forming the photoelectric conversion elements, resulting in increased manufacturing costs.
第1の従来の技術では、P型半導体基板の光入射側にN型層が形成され、P型シリコン基板の光入射側とは反対側に、P型半導体基板よりもキャリア濃度が大きな微結晶シリコンから成る裏面電界層、および裏面電極がこの順番で積層される太陽電池が開示されている。裏面電界層および裏面電極との間には、絶縁膜層が設けられている。裏面電界層は、光電変換層に含まれる半導体基板よりも高濃度のキャリアを有し、裏面電界層の内部電界の作用によって、半導体基板によって発生した少数キャリアが、半導体基板と裏面電界層との接触面に流れないような障壁を形成しており、絶縁膜層は、半導体基板内に反射する光量を増加させる。これによって、光電変換効率を高めている(たとえば特許文献1参照)。 In the first conventional technique, an N-type layer is formed on the light incident side of a P-type semiconductor substrate, and a microcrystal having a carrier concentration higher than that of the P-type semiconductor substrate on the side opposite to the light incident side of the P-type silicon substrate. A solar cell in which a back surface electric field layer made of silicon and a back surface electrode are stacked in this order is disclosed. An insulating film layer is provided between the back surface electric field layer and the back surface electrode. The back surface field layer has a higher concentration of carriers than the semiconductor substrate included in the photoelectric conversion layer, and minority carriers generated by the semiconductor substrate due to the action of the internal electric field of the back surface field layer are generated between the semiconductor substrate and the back surface field layer. A barrier that does not flow on the contact surface is formed, and the insulating film layer increases the amount of light reflected in the semiconductor substrate. This increases the photoelectric conversion efficiency (see, for example, Patent Document 1).
第2の従来の技術では、光起電力素子に、赤外光を受けて可視光の発光を示す材料から成る層を設け、外層から発生する可視光を太陽電池に照射することによって、発電効率を高めている(たとえば特許文献2参照)。 In the second conventional technique, a photovoltaic element is provided with a layer made of a material that emits visible light upon receiving infrared light, and the solar cell is irradiated with visible light generated from the outer layer, thereby generating power generation efficiency. (For example, refer to Patent Document 2).
第3の従来の技術では、光電変換層に、紫外線を受けて可視光の発光を示す材料から成る層と、赤外線を受けて可視光の発光を示す材料から成る層とを設け、各層において発生する可視光を光電変換層に照射することによって、発電効率を高める方法が提案されている(たとえば特許文献3参照)。 In the third conventional technique, the photoelectric conversion layer is provided with a layer made of a material that emits visible light when receiving ultraviolet light and a layer made of a material that shows visible light emitted when receiving infrared light. There has been proposed a method for increasing the power generation efficiency by irradiating the photoelectric conversion layer with visible light (see, for example, Patent Document 3).
第1の従来の技術では、内部電界層は、N型層およびP型半導体基板を透過する光を透過し、絶縁膜層によって前記透過した光を反射して、再びP型半導体基板に入射させているが、絶縁膜によって反射する光は、再びN型およびP型半導体基板を透過しやすいので、このような波長帯における光エネルギの電気エネルギへの変換効率の向上はわずかである。また第1の従来の技術では、絶縁膜層および裏面電界層を形成する必要があるので、光電変換素子の製造工程が増加する。またこれらの層を基板に積層するためには、隣り合う層との適合や電気特性などの要請から、各層を形成するための全ての工程において真空堆積装置を用いる必要があり、このための高度な技術が求められるので、製造は容易ではなく、製造コスト、タクトタイムが増大するという問題がある。 In the first conventional technique, the internal electric field layer transmits the light transmitted through the N-type layer and the P-type semiconductor substrate, reflects the transmitted light through the insulating film layer, and makes it incident on the P-type semiconductor substrate again. However, since the light reflected by the insulating film is likely to pass through the N-type and P-type semiconductor substrates again, the improvement in conversion efficiency of light energy into electrical energy in such a wavelength band is slight. Further, in the first conventional technique, it is necessary to form an insulating film layer and a back surface electric field layer, which increases the manufacturing process of the photoelectric conversion element. In addition, in order to stack these layers on a substrate, it is necessary to use a vacuum deposition apparatus in all the processes for forming each layer because of the compatibility with the adjacent layers and the electrical characteristics, etc. Therefore, there is a problem that manufacturing is not easy and manufacturing cost and tact time are increased.
第2および第3の従来の技術では、複数の長波長のフォトンから一つの可視光のフォトンを取り出すため、本来一つのフォトンで光電変換可能な波長800〜1100nmの光に対して変換効率が低いという問題がある。 In the second and third conventional techniques, one visible light photon is extracted from a plurality of long wavelength photons, so that the conversion efficiency is low with respect to light having a wavelength of 800 to 1100 nm that can be photoelectrically converted by one photon. There is a problem.
本発明の目的は、簡単な構成で、光電変換層を透過してしまう光を、有効利用して変換効率を向上させることができる光電変換素子を提供することである。 The objective of this invention is providing the photoelectric conversion element which can improve the conversion efficiency by using effectively the light which permeate | transmits a photoelectric converting layer with simple structure.
本発明は、厚み方向一表面側から光を入射し、光エネルギを電気エネルギに変換する光電変換層と、
光電変換層を透過し、光電変換層のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する予め定める波長帯の光が与えられることによって、光電変換層内に電場を形成する電場形成物質とを含むことを特徴とする光電変換素子である。
The present invention comprises a photoelectric conversion layer that receives light from one surface side in the thickness direction and converts light energy into electrical energy;
And an electric field forming material that forms an electric field in the photoelectric conversion layer by being given light of a predetermined wavelength band that is transmitted through the photoelectric conversion layer and has energy larger than the band gap of the photoelectric conversion layer. It is a photoelectric conversion element.
また本発明は、前記電場形成物質は、局在表面プラズモンを形成する微粒子を含み、
前記微粒子は、該微粒子の表面と、光電変換層の厚み方向他表面との間の最小距離が、前記微粒子の粒径以下となるように配置されることを特徴とする。
Further, in the present invention, the electric field forming substance includes fine particles that form localized surface plasmons,
The fine particles are arranged such that the minimum distance between the surface of the fine particles and the other surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer is equal to or smaller than the particle size of the fine particles.
また本発明は、前記光電変換層は、シリコンの結晶体を含んで形成され、
前記予め定める波長帯は、800nm以上1100nm以下の範囲であることを特徴とする特徴とする。
Further, in the present invention, the photoelectric conversion layer is formed including a silicon crystal,
The predetermined wavelength band is in a range of 800 nm to 1100 nm.
また本発明は、前記微粒子は、金属から成り、棒形状を有し、光電変換層の厚み方向他表面に長手方向がほぼ平行に配置され、光電変換層のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、前記微粒子の短手方向の寸法は、N/10nm以下であり、10nm以上に選ばれ、前記微粒子の長手方向の寸法は、前記短手方向の寸法の1倍を超え、20倍以下に選ばれることを特徴とする。 According to the present invention, the fine particles are made of metal, have a rod shape, are arranged in parallel in the longitudinal direction on the other surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer, and have an energy equal to the band gap of the photoelectric conversion layer. When the wavelength is N (nm), the dimension in the short direction of the fine particles is N / 10 nm or less, and is selected to be 10 nm or more, and the dimension in the long direction of the fine particles is one time the dimension in the short direction. And 20 times or less.
また本発明は、前記微粒子は、誘電体から成る内層部分と、金属から成り、内層部分の外部に形成される外層部分とを有し、略球形状に形成され、光電変換層に臨んで前記外層部分から内層部分の一部が露出し、光電変換層のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、前記外層部分の厚みは、N/10nm以下であり、かつ10nm以上に選ばれ、微粒子の粒径は、Nnm以下であり、かつ20nm以上に選ばれることを特徴とする。 In the present invention, the fine particles have an inner layer portion made of a dielectric and an outer layer portion made of a metal and formed outside the inner layer portion. The fine particles are formed in a substantially spherical shape and face the photoelectric conversion layer. When the wavelength of light having energy equal to the band gap of the photoelectric conversion layer is N (nm), a part of the inner layer portion is exposed from the outer layer portion, the thickness of the outer layer portion is N / 10 nm or less and 10 nm The particle size of the fine particles selected above is N nm or less and is selected to be 20 nm or more.
また本発明は、前記微粒子は、金属から成り、環形状を有し、光電変換層の厚み方向他表面に、軸線がほぼ垂直に配置され、光電変換層のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、微粒子の内径および外径間の厚みは、N/10nm以下であり、かつ10nm以上に形成され、外径がNnm以下であり、かつ20nm以上に選ばれることを特徴とする。 Further, according to the present invention, the fine particles are made of metal, have a ring shape, have an axis line disposed substantially perpendicularly on the other surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer, and have energy equal to the band gap of the photoelectric conversion layer. When the wavelength is N (nm), the thickness between the inner diameter and the outer diameter of the fine particles is N / 10 nm or less, is formed to be 10 nm or more, the outer diameter is Nnm or less, and is selected to be 20 nm or more. Features.
本発明によれば、光電変換層に厚み方向一表面側から光が入射すると、光電変換層では入射した光のエネルギを、電気エネルギに変換することによって、電気エネルギを生成することができる。 According to the present invention, when light is incident on the photoelectric conversion layer from the one surface side in the thickness direction, the photoelectric conversion layer can generate electric energy by converting the energy of the incident light into electric energy.
光電変換層に入射した光の一部は、この光電変換層を透過する。光電変換層を透過する光には、光電変換層において、電気エネルギに変換することが理論上可能な光、言い換えれば、光電変換層のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する光が含まれている。 A part of the light incident on the photoelectric conversion layer is transmitted through the photoelectric conversion layer. The light transmitted through the photoelectric conversion layer includes light that can theoretically be converted into electric energy in the photoelectric conversion layer, in other words, light having energy larger than the band gap of the photoelectric conversion layer.
電場形成物質は、光電変換層を透過した光のうち、光電変換層のバンドギャップよりも大きな波長帯の光が与えられることによって、光電変換層内に電場を形成することができる。電場が形成された光電変換層内では、この電場によって励起が起こり、電子および正孔が生成される。これによって、光電変換層によって生成される電子および正孔の数を増加させることができ、光電変換層では、より多くの電気エネルギを生成することができる。 The electric field forming substance can form an electric field in the photoelectric conversion layer by being given light having a wavelength band larger than the band gap of the photoelectric conversion layer among the light transmitted through the photoelectric conversion layer. In the photoelectric conversion layer in which the electric field is formed, excitation is generated by this electric field, and electrons and holes are generated. Accordingly, the number of electrons and holes generated by the photoelectric conversion layer can be increased, and more electric energy can be generated in the photoelectric conversion layer.
このように、光電変換層で電気エネルギへの変換に寄与しなかった光を、電場に変換して、光電変換層における電気エネルギの生成に寄与させることができるので、光を有効に利用することができ、光エネルギを電気エネルギに変換する変換効率を向上させることができる。 In this way, light that has not contributed to the conversion to electric energy in the photoelectric conversion layer can be converted into an electric field and contribute to the generation of electric energy in the photoelectric conversion layer, so that light can be used effectively. Thus, the conversion efficiency for converting light energy into electrical energy can be improved.
また本発明によれば、電場形成物質は、局在表面プラズモンを形成する微粒子を含む。光の波長と同程度か、それ以下の直径を有する微粒子の光学特性は、Mieの理論によって説明され、材料の物性、および微粒子の形状によって、特定の波長の光を強く吸収、または散乱することが知られている。特に金属などの誘電率が負となる材料から成る微粒子は、前記の光の強い吸収の際に、光と、微粒子との共鳴現象によって、微粒子の表面に局在表面プラズモンと呼ばれる電場を発生させる。この局在表面プラズモンの電場の強度は、入射光の電場に対して2,3桁程、大きな値となることが知られている。局在表面プラズモンは、光増強電場と同義である。このような光と、金属から成る微粒子との共鳴現象をプラズモン共鳴という。この局在表面プラズモンは、通常微粒子の表面近傍にのみ存在し、表面から離れるに従い急激にその強度が減少する。微粒子の表面と、光電変換層の厚み方向他表面との間の最小距離が、微粒子の寸法以下となるように、微粒子を配置することによって、局在プラズモンによる強い電場を、光電変換層に与えることができ、これによって変換効率をさらに向上させることができる。微粒子の粒径は、複数の微粒子の粒径分布のピーク値としたものであり、1つの微粒子の粒径は、この微粒子の長手方向と短手方法の寸法を平均化したものである。 According to the invention, the electric field forming substance includes fine particles that form localized surface plasmons. The optical properties of microparticles with a diameter comparable to or smaller than the wavelength of light are explained by Mie's theory, which strongly absorbs or scatters light of a specific wavelength, depending on the physical properties of the material and the shape of the microparticles. It has been known. In particular, fine particles made of a material having a negative dielectric constant, such as a metal, generate an electric field called localized surface plasmon on the surface of the fine particles due to the resonance phenomenon between the light and the fine particles during the strong light absorption described above. . It is known that the electric field intensity of this localized surface plasmon is about two to three orders of magnitude greater than the electric field of incident light. Localized surface plasmons are synonymous with light-enhanced electric fields. The resonance phenomenon between such light and fine particles made of metal is called plasmon resonance. This localized surface plasmon usually exists only in the vicinity of the surface of the fine particle, and its intensity decreases rapidly as the distance from the surface increases. By arranging the fine particles so that the minimum distance between the surface of the fine particles and the other surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer is less than the size of the fine particles, a strong electric field due to localized plasmons is given to the photoelectric conversion layer. This can further improve the conversion efficiency. The particle size of the fine particles is a peak value of the particle size distribution of a plurality of fine particles, and the particle size of one fine particle is obtained by averaging the longitudinal direction of the fine particles and the dimensions of the short method.
また本発明によれば、光電変換層がシリコンの結晶体によって形成され、電場形成物質は、800nm以上1100nm以下の範囲の波長帯の光によって、電場を生成する。シリコンの結晶体は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび微結晶シリコンを含む。シリコンの結晶体では、前記800nm以上1100nm以下の波長帯の吸収係数が低いので、この波長帯の光が透過しやすい。このような光電変換層において透過しやすい波長の光によって、電場を形成することによって、この波長帯の光を有効に利用して、変換効率を向上させることができる。 According to the invention, the photoelectric conversion layer is formed of a silicon crystal, and the electric field forming substance generates an electric field with light having a wavelength band in the range of 800 nm to 1100 nm. Silicon crystal includes single crystal silicon, polycrystalline silicon, and microcrystalline silicon. Since the crystalline body of silicon has a low absorption coefficient in the wavelength band of 800 nm to 1100 nm, light in this wavelength band is easily transmitted. By forming an electric field with light having a wavelength that easily passes through such a photoelectric conversion layer, light in this wavelength band can be effectively used to improve conversion efficiency.
また本発明によれば、金属から成り、棒形状を有する微粒子を、前述のような大きさに選んで形成することによって、特に長波長の光、言い換えれば赤外線の微粒子による吸収効率を向上させることができ、これによって微粒子は、その表面に強い電場を形成することができる。棒形状は、略円柱形状および略回転楕円形状などを含む。 Further, according to the present invention, the efficiency of absorption by long-wavelength light, in other words, infrared fine particles, is improved by selecting and forming fine particles made of metal and having a rod shape as described above. As a result, the fine particles can form a strong electric field on the surface thereof. The rod shape includes a substantially cylindrical shape and a substantially spheroid shape.
プラズモンの共鳴ピークは、主に棒形状を有する微粒子の長手方向の寸法と短手方向の寸法との比によって決まり、長手方向の寸法が短手方向の寸法の1倍を超え、20倍以下の範囲でプラズモン共鳴の効果が得られる。また光電変換層にシリコンの結晶体を用いる場合、微粒子の長手方向の寸法が短手方向の寸法の3倍から5倍の範囲では、共鳴のピークが波長800nmから1100nmの範囲に入るためより好ましい。 The plasmon resonance peak is mainly determined by the ratio between the longitudinal dimension and the lateral dimension of the fine particles having a rod shape, and the longitudinal dimension is more than 1 time and less than 20 times the lateral dimension. The effect of plasmon resonance is obtained in the range. In the case where a silicon crystal is used for the photoelectric conversion layer, it is more preferable that the longitudinal dimension of the fine particle is in the range of 3 to 5 times the lateral dimension, since the resonance peak falls within the wavelength range of 800 nm to 1100 nm. .
微粒子の短手方向の寸法は、光の波長の1/10以下にすることでプラズモン共鳴が発生するが、10nm未満になると、プラズモン共鳴のピークは鋭くなるものの、共鳴が極端に弱くなるため十分な効果を得ることができない。したがって前記光の波長をN(Nは正数)nmとすると、微粒子の短手方向の寸法は、N/10以下であり、かつ10nm以上に選ばれ、15nmから30nmがより望ましい。 Plasmon resonance occurs when the dimension in the short direction of the fine particle is 1/10 or less of the wavelength of the light. However, if it is less than 10 nm, the peak of the plasmon resonance becomes sharp, but the resonance becomes extremely weak, which is sufficient. Can not get a good effect. Therefore, when the wavelength of the light is N (N is a positive number) nm, the dimension in the short direction of the fine particles is N / 10 or less, and is selected to be 10 nm or more, and more preferably 15 nm to 30 nm.
また本発明によれば、誘電体から成る内層部分と、金属から成り、内層部の外部に形成される外層部分とを有し、略球形状に形成され、光電変換層に臨んで前記外層部分から内層部部分の一部が露出する微粒子を、前述のような大きさに選んで形成することによって、長波長の光、言い換えれば赤外線の微粒子による吸収効率を向上させることができ、これによって微粒子は、その表面に強い電場を形成することができる。 According to the invention, the inner layer portion made of a dielectric and the outer layer portion made of metal and formed outside the inner layer portion are formed in a substantially spherical shape, facing the photoelectric conversion layer, and the outer layer portion. By selecting and forming the fine particles from which a part of the inner layer portion is exposed to a size as described above, it is possible to improve the absorption efficiency of long-wavelength light, in other words, infrared fine particles. Can form a strong electric field on its surface.
前記外層部分の厚みを、N/10nmとすると、プラズモンが発生しない。また外層部分の厚みを、10nm未満とすると、共鳴のピークは鋭くなるものの、強度自体が非常に弱くなるため効果が得られない。また粒子の粒径を小さくするほど、プラズモンの共鳴ピークは短波長にシフトし、20nm未満では、800〜1100nmの波長に対して効果を示さない。また粒子の粒径が波長の1倍であるNnmを超える場合には、プラズモンが発生しない。したがって、光電変換層のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)(Nは正数)とすると、前記外層部分の厚みは、N/10nm以下であり、10nm以上に選ばれ、微粒子の粒径は、Nnm以下であり、20nm以上に選ばれる。前記粒子径は、800〜1100nmの範囲の光に共鳴ピークを示す150nm〜300nm程度とするのがより好ましい。 When the thickness of the outer layer portion is N / 10 nm, no plasmon is generated. On the other hand, if the thickness of the outer layer portion is less than 10 nm, the resonance peak becomes sharp, but the strength itself becomes very weak, so that an effect cannot be obtained. Further, as the particle size of the particles is reduced, the plasmon resonance peak shifts to a shorter wavelength, and if it is less than 20 nm, there is no effect on wavelengths of 800 to 1100 nm. In addition, when the particle diameter exceeds Nnm, which is 1 times the wavelength, plasmon is not generated. Therefore, when the wavelength of light having energy equal to the band gap of the photoelectric conversion layer is N (nm) (N is a positive number), the thickness of the outer layer portion is N / 10 nm or less, and is selected to be 10 nm or more, The particle diameter of the fine particles is Nnm or less and is selected to be 20 nm or more. The particle diameter is more preferably about 150 nm to 300 nm, which shows a resonance peak in light in the range of 800 to 1100 nm.
また本発明によれば、金属から成り、略環形状を有する粒子を、光電変換層の厚み方向他表面に、環の軸線がほぼ垂直に配置される。これによって光電変換層に臨む微粒子の表面積を大きくして、光電変換層に臨む領域に、微粒子によるプラズモン共鳴効果を集中させることによって、光電変換層内形成される電場の強い領域を、より大きくすることができる。また微粒子を、前述のような大きさに選んで形成することによって、長波長の光、言い換えれば赤外線の微粒子による吸収効率を向上させることができ、これによって微粒子は、その表面に強い電場を形成することができる。 Further, according to the present invention, particles made of a metal and having a substantially ring shape are arranged on the other surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer so that the axis of the ring is substantially vertical. This increases the surface area of the fine particles facing the photoelectric conversion layer, and concentrates the plasmon resonance effect by the fine particles on the region facing the photoelectric conversion layer, thereby increasing the region with a strong electric field formed in the photoelectric conversion layer. be able to. In addition, by selecting and forming fine particles of the size described above, the absorption efficiency of long-wavelength light, in other words, infrared fine particles can be improved, thereby forming a strong electric field on the surface of the fine particles. can do.
微粒子の内径および外形間の厚みを、N/10nmとすると、プラズモンが発生しない。また微粒子の内径および外形間の厚みを、10nm未満とすると、共鳴のピークは鋭くなるものの、強度自体が非常に弱くなるため効果が得られない。また粒子の粒径を小さくするほど、プラズモンの共鳴ピークは短波長にシフトし、20nm未満では、800〜1100nmの波長に対して効果を示さない。また粒子の外形が波長の1倍であるNnmを超える場合には、プラズモンが発生しない。 If the thickness between the inner diameter and the outer shape of the fine particles is N / 10 nm, plasmons are not generated. On the other hand, when the thickness between the inner diameter and the outer shape of the fine particles is less than 10 nm, the resonance peak becomes sharp, but the strength itself becomes very weak, so the effect cannot be obtained. Further, as the particle size of the particles is reduced, the plasmon resonance peak shifts to a shorter wavelength, and if it is less than 20 nm, there is no effect on wavelengths of 800 to 1100 nm. In addition, when the outer shape of the particle exceeds Nnm, which is one time the wavelength, plasmon is not generated.
したがって、光電変換層のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(Nは正数)(nm)とすると、微粒子の内径および外径間の厚みは、N/10nm以下であり、かつ10nm以上に形成され、外径がNnm以下であり、20nm以上に選ばれる。 Therefore, when the wavelength of light having energy equal to the band gap of the photoelectric conversion layer is N (N is a positive number) (nm), the thickness between the inner diameter and the outer diameter of the fine particles is N / 10 nm or less and 10 nm. The outer diameter is Nnm or less and is selected to be 20 nm or more.
図1は、本発明の実施の一形態の光電変換素子1の構成を示す断面図である。本実施の形態では、光電変換素子1は、太陽光を受光して、光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池である。本明細書において、用語「光」は、可視光、赤外線および紫外線を含む。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a
光電変換素子1は、光電変換層2と、透明電極3と、電場形成物質4と、裏面電極5とを含む。
The
光電変換層2は、厚み方向一表面6側から光を入射し、光エネルギを電気エネルギに変換する。光電変換層2は、第1の導電型半導体層と、第2の導電型半導体層とが積層されて形成される。第1の導電型半導体層は、PおよびN型半導体のうちいずれか一方によって形成され、第2の導電型半導体層は、PおよびN型半導体のうちいずれか他方によって形成される。光電変換層2の第1および第2の導電型半導体層は、シリコン(Si)の結晶体、言い換えると結晶シリコンを含んで形成される。結晶シリコンは、たとえば多結晶シリコン、単結晶シリコンおよび微結晶シリコンのいずれかによって実現される。本実施の形態では、結晶シリコンは、多結晶シリコンによって実現される。第1の導電型半導体層は、結晶シリコンに、III族またはV族の元素のいずれか一方を拡散させることによって形成され、第2の導電型半導体層は、結晶シリコンに、III族またはV族の元素のいずれか一方を拡散させることによって形成される。本実施の形態では、第1の導電型半導体層は、板状であり、P型の結晶シリコン基板によって形成され、第2の導電型半導体層は、P型の結晶シリコン基板の厚み方向一表面部に、V族の元素を拡散させることによって形成される。光電変換層2の厚みT1は、200μm未満に選ばれ、たとえば0.1μm〜5μmに選ばれる。また光電変換層2の厚み方向一表面6および他表面13は、略平面に形成される。本実施の形態において略平面は、平面を含む。
The
透明電極3は、光電変換層2の厚み方向一表面6上、つまり第2の導電型半導体層上に積層して、予め定める層厚T2に形成される。透明電極3は、予め定める波長の光、具体的には紫外線、可視光線および赤外線に対して透明である。言い換えれば、紫外線、可視光線および赤外線は、透明電極3を透過する。透明電極3は、導電性を有し、光電変換層2の厚み方向一表面6の全領域を覆う。透明電極3は、たとえば酸化錫(SnO2)または酸化亜鉛(ZnO)によって形成される。透明電極3は、たとえば化学気相堆積法(
Chemical Vapor Deposition法:略称CVD法)によって形成される。前記予め定める層厚T2は、たとえば数μm程度に選ばれる。
The
Chemical Vapor Deposition method: abbreviated CVD method). The predetermined layer thickness T2 is selected to be about several μm, for example.
電場形成物質4は、透明電極3および光電変換層2を透過し、光電変換層2のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する予め定める波長帯の光が与えられることによって、光電変換層2内に電場を形成する。電場形成物質4は、複数の微粒子11を含む。微粒子11は、予め定める波長帯の光が与えられることによって、電場を形成する。前記予め定める波長帯は、800nm(ナノメートル)以上1100nm(ナノメートル)以下の範囲である。光電変換層2に入射した光の一部は、この光電変換層2を透過する。光電変換層2を透過する光には、光電変換層2において、電気エネルギに変換することが理論上可能な光、言い換えれば、光電変換層2のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する光が含まれている。本実施の形態では、光電変換層2は、結晶シリコンによって形成される。結晶シリコンでは、800nm以上1100nm以下の範囲の波長帯の吸収係数が低いので、この波長帯の光が、光電変換層2を透過しやすい。微粒子11は、光電変換層2を透過した光のうち、光電変換層2のバンドギャップよりも大きな波長帯の光が与えられることによって、光電変換層2内に電場を形成することができる。電場が形成された光電変換層2内では、この電場によって励起が起こり、電子および正孔が生成される。これによって、光電変換層2によって生成される電子および正孔の数を増加させることができ、光電変換層2では、より多くの電気エネルギを生成することができる。
The electric
このように電場形成物質4によって、光電変換層2で電気エネルギへの変換に寄与しなかった光を、電場に変換して、光電変換層2における電気エネルギの生成に寄与させることができるので、光を有効に利用することができ、光電変換素子1において、光エネルギを電気エネルギに変換する変換効率を向上させることができる。前記微粒子11は、該微粒子11の表面12と、光電変換層2の厚み方向他表面13との間の最小距離W1が、前記微粒子11の粒径D1以下となるように配置される。
Thus, the electric
微粒子11は、誘電率が負となる材料から成り、本実施の形態では金属から成る。微粒子11の誘電率は、その材料、微粒子11に照射される光の波長、および微粒子の形状によって変化する。微粒子11は、光電変換層13の厚み方向他表面13上、および厚み方向他表面13側に設けられる。微粒子11は、光の波長と同程度か、それ以下の粒径D1を有する。このような微粒子11の光学特性は、Mieの理論によって説明され、材料の物性、および形状によって、特定の波長の光を強く吸収、または散乱することが知られている。金属などの誘電率が負となる材料から成る微粒子11は、前記の光の強い吸収の際に、微粒子11の表面12に局在表面プラズモンと呼ばれる電場を発生させ、その電場の強度は入射光の電場に対して2,3桁程、大きな値となることが知られている。この局在表面プラズモンは、通常微粒子11の表面12近傍にのみ存在し、表面12から離れるに従い急激にその強度が減少する。
The
図2は、微粒子11の表面12からの距離と、電場強度とを表すグラフである。微粒子11の表面12およびその近傍に形成される電場は、図2に示すように微粒子11の表面12から離れるに従い急激に強度が減少する。局在表面プラズモンによって強い電場の発生する領域は、粒子の表面から粒子の粒径D1と同程度の距離の範囲である。微粒子11の表面12と、光電変換層2の厚み方向他表面13との間の最小距離W1が、微粒子11の粒径D1以下となるように、微粒子11を配置することによって、局在表面プラズモンの強い電場を、光電変換層2に与えることができ、これによって変換効率をさらに向上させることができる。微粒子11の粒径D1は、微粒子11の粒径D1は、複数の微粒子11の粒径分布のピーク値としたものであり、1つの微粒子11の粒径D1は、この微粒子11の長手方向と短手方法の寸法を平均化したものである。
FIG. 2 is a graph showing the distance from the
図3は、微粒子11を拡大して示す平面図であり、図4は微粒子11を示す斜視図であり、図5は微粒子11の断面図である。微粒子11は、棒形状を有し、本実施の形態では略円柱形状を有する。微粒子11は、光電変換層2の厚み方向他表面13に長手方向がほぼ平行に配置される。本明細書において略円柱形状は、円柱形状および円柱形状に近似される形状を含む。
3 is an enlarged plan view showing the
微粒子11におけるプラズモン共鳴は、粒子の誘電率、形状、粒子を取り囲む材料の誘電率などに依存する。たとえば球形状を有する粒子の場合、直径を大きくすることによって吸収ピークを示す共鳴波長は変化するが、この場合、粒子の光散乱の効果が大きくなり共鳴効果の強度自体が小さくなる。これに対し、粒子の大きさではなく形状を変化させ、球形以外の形状を有し、金属から成る微粒子を用いることで、長波長の光、すなわち赤外光に対して強い共鳴効果を示すことが報告されている(たとえばPhysical Review
Letters Vol. 88(7), p77402-1(2002))。以後、球形状を有する粒子を球状粒子と記載し、円柱形状を有する粒子を円柱状粒子と記載する場合がある。
Plasmon resonance in the
Letters Vol. 88 (7), p77402-1 (2002)). Hereinafter, a particle having a spherical shape may be referred to as a spherical particle, and a particle having a cylindrical shape may be referred to as a cylindrical particle.
図6は、微粒子の材料に金を用いた場合の光吸収の波長依存性を、球状粒子および円柱状粒子のそれぞれについてプロットしたグラフである。図6において、横軸は光の波長を示し、縦軸は吸収係数を示す。ここでは、円柱状粒子の短手方向と長手方向との長さの比を、1:4としている。ここで円柱状粒子の長手方向は、円柱の軸線方向であって、短手方向は、円柱の半径方向である。円柱状粒子では、球状粒子と比較して、吸収係数のピークが球状粒子よりも長波長、具体的には赤外光の波長帯域で生じ、かつ球状粒子と比較して、強い吸収を示していることが分かる。球状粒子の直径は、たとえば光の波長程度に選ばれている。局在表面プラズモンを発生させる微粒子として、一般に用いられる球形粒子は、比較的長波長で強いプラズモン共鳴を示す銀および金でも、そのプラズモン共鳴が最も強い波長は、それぞれ320nmおよび530nm程度であり、本実施の形態の光電変換層2を透過してしまう波長800〜1100nmの光に対しては大きな効果が得られない。
FIG. 6 is a graph in which the wavelength dependence of light absorption when gold is used as the material of the fine particles is plotted for each of the spherical particles and the cylindrical particles. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the absorption coefficient. Here, the ratio of the length of the columnar particles in the short side direction and the long side direction is set to 1: 4. Here, the longitudinal direction of the cylindrical particles is the axial direction of the cylinder, and the short direction is the radial direction of the cylinder. In the case of cylindrical particles, the peak of the absorption coefficient occurs in a longer wavelength than spherical particles, specifically in the wavelength band of infrared light compared to spherical particles, and shows strong absorption compared to spherical particles. I understand that. The diameter of the spherical particles is selected to be, for example, about the wavelength of light. Spherical particles that are generally used as fine particles for generating localized surface plasmons are silver and gold that exhibit strong plasmon resonance at relatively long wavelengths, but the wavelengths having the strongest plasmon resonance are about 320 nm and 530 nm, respectively. A large effect cannot be obtained for light having a wavelength of 800 to 1100 nm that is transmitted through the
本実施の形態では、光電変換層2のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(Nは正数)(nm)とすると、微粒子11の短手方向の寸法D2が、前記光の波長Nの10分の1以下であるN/10nm以下であり、かつ10nm以上に選ばれる。また、微粒子11の長手方向の寸法D3が、前記短手方向の寸法D2の1倍を超え、かつ20倍以下に選ばれる。プラズモンの共鳴ピークは、主に棒形状を有する微粒子11の長手方向の寸法D3と短手方向の寸法D2との比によって決まり、長手方向の寸法D3が短手方向の寸法D2の1倍を超え、20倍以下の範囲でプラズモン共鳴の効果が得られる。また光電変換層2にシリコンの結晶体を用いる場合、微粒子11の長手方向の寸法D3が短手方向の寸法D2の3倍から5倍の範囲では、共鳴のピークが波長800nmから1100nmの範囲に入るためより好ましい。
In the present embodiment, when the wavelength of light having energy equal to the band gap of the
微粒子11の短手方向の寸法D2は、光の波長の1/10以下にすることでプラズモン共鳴が発生するが、10nm未満になると、プラズモン共鳴のピークは鋭くなるものの、共鳴が極端に弱くなるため十分な効果を得ることができない。したがって、短手方向の寸法D2は、N/10nm以下であり、かつ10nm以上に選ばれ、15nmから30nmがより望ましい。
Plasmon resonance occurs when the dimension D2 in the short direction of the
前記図6に示すような吸収係数を示す微粒子11の短手方向の寸法D2は、吸収する光の波長より十分小さい必要があり、吸収する光の波長のうち、最も波長が短い光の0.1倍である80nm以下であることが望ましい。また微粒子11の長手方向の寸法D3は、短手方向の寸法D2の1〜20倍の範囲で強いプラズモン共鳴を示すことができる。このような微粒子11を光電変換層2の光入射面と反対側の面上に設けることによって、光電変換層2を透過した光は、微粒子11に強く吸収され、微粒子11の表面12には強い電場が発生する。この電場によって、光電変換層2内の電子を励起することで、光電変換層2における光エネルギを電気エネルギに変換する発電効率を高めることができる。
The dimension D2 in the short direction of the
微粒子11の材料として用いる金属は、たとえば金、銀および白金が好ましい。微粒子11は、たとえば塩化金属に紫外光を照射しながら還元して合成する光化学法、および直径数nmの金属から成る球形粒子を種として、塩化金属と反応させることによって合成するシード法などを用いて形成される。これらの方法によって得られる微粒子11は、溶液中に分散しているので、この溶液を光電変換層2の厚み方向他表面13に塗布し、溶媒を乾燥させて除去することによって、光電変換層2の厚み方向他表面13上に当接させて、微粒子11を配置することができる。前記溶液を光電変換層2の厚み方向他表面13に塗布する方法としては、たとえばスピンコート法、およびやLB法(Lagmuir Blodgett法)などを用いることができる。
The metal used as the material of the
微粒子11の長手方向に平行な軸線L1は、それぞれが光電変換層2の厚み方向他表面13に沿う仮想一表面内で、図3に示すように、ランダムな方向に向いていることが望ましい。このように微粒子11を配置することによって、光電変換層2を透過して到来する光の入射角度に、複数の微粒子11による電場の形成状態が依存しないので、光電変換素子1の配置に拘らず、複数の微粒子11による電場の形成状態を均一化させることができ、光電変換素子1の設置の自由度を向上させることができる。また全ての微粒子11は、光電変換層2に当接していることが望ましい。このような分散状態は、溶液を塗布するときの、溶液の濃度、および乾燥方法の調節などによって実現される。また隣接する微粒子11同士は、接していないことが望ましい。微粒子11を離反させて配置するためには、たとえば微粒子11を含む溶液の濃度を、十分に薄くして塗布することで実現することができる。また微粒子11の表面を予めポリアクリルまたはドデカンチオールなどによって形成される高分子層によって外囲してもよく、この場合、高分子層が接触したとしても高分子層の厚みだけ微粒子11を離して配置することができる。
Each axis L1 parallel to the longitudinal direction of the
光電変換層2の厚み方向他表面13には、微粒子配置領域15と、隣接する微粒子配置領域15との間に形成される第1電極接続領域16、および微粒子配置領域15と光電変換層2の周縁17との間に形成される第2電極接続領域18とが形成される。以後、第1および第2電極接続領域16,18を、まとめて電極接続領域19と記載する場合がある。微粒子配置領域15は、厚み方向に垂直な予め定める第1方向A1に予め定める幅W2を有し、厚み方向および第1方向A1に垂直な第2方向A2で、光電変換層2の第2方向A2の一方から他方にわたって延びる。隣接する微粒子配置領域15は、第1方向A1に予め定める距離W3をあけて配置される。微粒子配置領域15には、微粒子11が、前述のように配置される。また電極接続領域19には、微粒子11が配置されない。
On the
微粒子配置領域15の面積が大きいほど微粒子11による効果が得られる面積は広がるが、逆に電極接続領域19の面積が小さくなることによって、電気抵抗が大きくなり電気的な損失が大きくなる。このため微粒子配置領域15の面積と電極接続領域19の面積は、たとえば等しくなるように選ばれる。また微粒子配置領域15の幅W2が、隣接する微粒子配置領域15間の距離よりも小さいほど電気的損失は小さくなる。微粒子配置領域15の幅W2は、たとえば20μm程度に選ばれる。
As the area of the fine
裏面電極5は、光電変換層2の厚み方向他表面13側から、電場形成物質4および露出する光電変換層2の厚み方向他表面13を覆って形成される。裏面電極5は、光電変換層2と電気的に接続される。裏面電極5は、微粒子11の材質とは異なる金属から成り、たとえばアルミニウム(Al)などから成る。裏面電極5は、微粒子11と導電率の異なる材料によって形成される。これによって、微粒子11と裏面電極5とが一体となってしまうことが防止され、微粒子11の形状が維持される。
The back electrode 5 is formed from the thickness direction
裏面電極5は、たとえば真空蒸着法によって形成され、光電変換層2の厚み方向他表面13の全領域を覆う導電膜によって形成される。裏面電極5を形成する導電膜の、厚み方向他表面は、光電変換層2の厚み方向に垂直な平面に形成され、裏面電極5の厚み方向の最大寸法T3は、たとえば5μmに選ばれる。
The back electrode 5 is formed by, for example, a vacuum deposition method, and is formed by a conductive film that covers the entire region of the
裏面電極5は、電極接続領域19で光電変換層2に当接する。裏面電極5は、光電変換層2によって生成される電気エネルギを、外部に取り出すための端子として機能と、光電変換層2を透過した光を、再び光電変換層2に反射する反射板としての機能とを有する。裏面電極5を設けることによって、光電変換層2を透過した光を、光電変換層2へと反射させて、再び光電変換層2へと入射させることができ、これによって変換効率を向上させることができる。また裏面電極5は、電場形成物質4と電気的に接続され、微粒子11を介して光電変換層2に電気的に接続することが可能であるが、前述したように電極接続領域19において、光電変換層2に接続されることによって、微粒子11を介して光電変換層2に接続するよりも、光電変換層2との接触抵抗を低減することができる。これによって、光電変換層2で生成された電気エネルギを、外部に取り出すときのエネルギの損失を、可及的低減することができる。
The back electrode 5 contacts the
図7は、光電変換素子1の形成工程を示すフローチャートである。ステップS0からステップS1に移り、光電変換層2の厚み方向一表面6に透明電極3を形成して、ステップS2に移る。ステップS2では、光電変換層2の厚み方向他表面13上の微粒子配置領域15に微粒子11を配置して、ステップS3に移る。微粒子11を特定の領域である微粒子配置領域15のみに選択的に配置するには、たとえば基板上の微粒子配置領域15以外の領域を撥水処理した状態で、微粒子11の分散した溶液を塗布して微粒子11を配置することによって実現することができる。
FIG. 7 is a flowchart showing a process for forming the
ステップS3では、裏面電極5を成する。微粒子11置した後、裏面電極5を形成することによって、配置された微粒子11を、裏面電極5によって覆い、微粒子11を光電変換層2の厚み方向他表面13上に固定することができる。
In step S3, the back electrode 5 is formed. After the
本実施の形態の光電変換素子1では、電場形成物質4を設けることによって、電場形成物質4を設けない光電変換素子と比較して、光エネルギを電気エネルギに変換する変換効率を、約2%〜5%向上させることができる。これによって光電変換層2の厚みを前述のように0.1μm〜5μmに選んでも変換効率の向上された太陽電池を得ることができる。電場形成物質4は、微粒子11によって形成され、このような微粒子11の粒径D1は、前述したように数μmであって、その重量は微小である。したがって、電場形成物質4を光電変換層2に設けても、この電場形成物質4による光電変換素子1の重量の増加は、微小である。つまり光電変換素子1の重量を大きくすることなく、変換効率を向上させることができるので、光電変換素子1を、建物の屋根などに設置しやすくすることができ、また光電変換層を形成するための半導体材料を少なくして、一定量の半導体材料から、より多くの光電変換素子を形成することができるので、製造コストを低減することができる。
In the
また本発明の光電変換素子1では、電場形成物質4を設ける工程は、真空堆積装置を用いる必要がないので、製造が容易となり、これによって光電変換素子の製造コストおよび製造時間を短くすることができる。
Moreover, in the
本発明の実施の他の形態では、前述した光電変素子1の光電変換層2の透明電極3と接する厚み方向一表面部にテクスチャ構造を形成して、厚み方向一表面6側から光電変換層2に入射する光の前記一表面6での反射を防止してもよい。この構成によって、さらに光電変換効率を向上させることができる。
In another embodiment of the present invention, a texture structure is formed on one surface portion in the thickness direction in contact with the
図8は、本実施の他の形態の光電変換素子における微粒子21の形状を示す斜視図であり、図9は図8の微粒子21を、長軸を含む仮想一平面で切断した断面図である。本実施の形態の光電変換素子と、前述の実施の形態の光電変換素子1とは、微粒子11の形状のみが異なり、他の部分は同様に形成される。前述した微粒子11は、略円柱形状を有しているが、本実施の形態の微粒子21は、略回転楕円形状に形成される。略回転楕円形状は、回転楕円形状および回転楕円形状に近似される形状を含む。略回転楕円形状の微粒子21は、長軸が、光電変換層2の厚み方向他表面13に沿うように配置される。本実施の形態において、微粒子11の長手方向の寸法D3は、長径であり、短手方向の寸法D2は、短径である。微粒子11の長径および短径の寸法D2,D3は、前述の実施の形態の微粒子11と同様に選ばれる。これによって、前述の実施の形態の光電変換素子1と同様に、変換効率を向上させることができる。
FIG. 8 is a perspective view showing the shape of the
図10は、本実施のさらに他の形態における光電変換素子における電場形成物質24を示す斜視図であり、図11は電場形成物質24の形成工程を表す断面図である。図10および図11では、微粒子配置領域16に配置される電場形成物質24を拡大して示している。本実施の形態の光電変換素子と、前述の実施の形態の光電変換素子1とは、電場形成物質4の構成、具体的には電場形成物質4に含まれる微粒子11の形状のみが異なり、他の部分は同様に形成される。したがって、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
FIG. 10 is a perspective view showing an electric
本実施の形態において電場形成物質24は微粒子31を含む。微粒子31は、誘電体から成る内層部分32と、金属から成り、内層部分32の外部に形成される外層部分33とを有する。微粒子31は、略球形状に形成され、前記外層部分32から内層部分32の一部が露出する。本実施の形態では、内層部分32は、光電変換層2に臨む部分が、外層部分33から露出する。本実施の形態において、略球形状は、球形状および球形状に近似される形状を含む。言い換えると、微粒子31の外表面34は、外方に突の湾曲面を有する形状、または外方に突の複数の湾曲面によって近似できる形状を有する。
In the present embodiment, the electric
光電変換層2のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、外層部分33の厚みT4は、前記光の波長Nの10分の1以下であるN/10以下であり、10nm以上に選ばれる。外層部分33の厚みT4は、微粒子31の半径方向における外層部分33の厚みである。また微粒子31のD1は、前記光の波長の1倍以下であるNnm以下であり、20nm以上に選ばれる。微粒子31の粒径D1は、複数の微粒子31の粒径分布のピーク値としたものであり、1つの微粒子31の粒径D1は、この微粒子31の長手方向と短手方法の寸法を平均化したものである。
When the wavelength of light having energy equal to the band gap of the
外層部分33の厚みT4が、波長の1/10である80nm以下であり、内層部分32部が誘電体で満たされた粒径D1が予め定める波長以下、具体的には800nm以下である微粒子31においても、長波長、すなわち赤外線の波長帯域でプラズモン共鳴を発生させることができる。前記外層部分33の厚みT4を、N/10nmとすると、プラズモンが発生しない。また外層部分33の厚みT4を、10nm未満とすると、共鳴のピークは鋭くなるものの、強度自体が非常に弱くなるため効果が得られない。また微粒子31の粒径D1を小さくするほど、プラズモンの共鳴ピークは短波長にシフトし、20nm未満では、800〜1100nmの波長に対して効果を示さない。また微粒子31の粒径D1が波長の1倍であるNnmを超える場合には、プラズモンが発生しない。したがって、光電変換層2のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、前記外層部分33の厚みT4は、N/10nm以下であり、かつ10nm以上に選ばれ、微粒子31の粒径D1は、Nnm以下であり、かつ20nm以上に選ばれる。前記粒径D1は、800〜1100nmの範囲の光に共鳴ピークを示す150nm〜300nm程度とするのがより好ましい。
The
本実施の形態では各微粒子31は、光電変換層2の厚み方向他表面13寄りで相互に連結されている。各微粒子31が相互に連結される連結部35は、光電変換層2に密着し、予め定める厚みT4を有する。微粒子の連結部分35を設けることによって、微粒子31が光電変換層2から脱落することを防止することができる。前記外層部分33を形成することによって、前述した実施の形態と効果を得ることができ、本発明の他の実施の形態においては、前記内層部分32および連結部35を取り除いても同様な効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
前述した微粒子31は、以下のように工程によって形成することができる。まず光電変換層2の厚み方向他表面13上に、内層部分32を配置する。
The
図11(1)は、光電変換層2の厚み方向他表面13上に内層部分32を配置して示す断面図である。内層部分32は、略球形状を有する。本明細書において、略球形状は、球形状および球形状に近似される形状を含む。内層部分32は、光に対して透明である誘電体材料によって形成される。誘電体材料は、たとえばポリスチレンなどが選ばれる。内層部分32は、相互に予め定める間隔W5をあけて配置される。前記予め定める間隔W5は、内層部分32の粒径に略等しく選ばれる。
FIG. 11 (1) is a cross-sectional view showing the
図11(2)は、光電変換層2の厚み方向他表面13上に微粒子31を配置して示す断面図である。内層部分32を配置した後、内層部分32、および光電変換層32の厚み方向他表面13を覆うように、金属から成る被覆膜36を形成する。被覆膜36は、たとえば内層部分32を、化学的に表面修飾する、または真空蒸着法によって形成される。被腹膜36は、たとえば金、銀および白金のうちいずれか1つによって形成されるのが好ましい。被腹膜36は、微粒子31の外層部分33となる。
FIG. 11 (2) is a cross-sectional view showing the
微粒子31は内層部分32が光学的に透明であるため、プラズモンは微粒子31の外側表面だけでなく内側表面、すなわち外層部分33の内層部分32側の表面にも発生し、互いに強めあう。このため長波長の光に対応する高次のモードのプラズモンを効率よく発生することができる。
Since the
このような微粒子31は、形状が対称的な構造を取るため、偏光依存性がない。対称的な構造とは、光電変換層2の厚み方向に平行であり、かつ微粒子31の中心を通る軸線に関して、回転対称となる構造である。偏光依存性がないことによって、光電変換層2を透過して入射する光の向きによって、微粒子31の周りに形成される電場に影響を与えにくい。したがって、光電変換素子1の配置する際に、光電変換素子1の向きを気にすることなく配置することができるので、設置の自由度を向上させることができる。
Since such a
また電界形成物質を微粒子31によって形成する場合、前述の実施の形態の円柱状の微粒子11と比較して、光電変換層2の厚み方向他表面13上に高密度に、微粒子31を配置することができる。また、直径が数100nm程度のポリスチレンから成る球状粒子である内層部分32は、金属から成る球状粒子および円柱状粒子と比較して、サイズの制御が容易で、目的の大きさに揃った粒子を容易に形成することができるので、プラズモン共鳴の特性を容易に制御できる。すなわち、内層部分32の直径を偏光するだけで、微粒子31がプラズモン共鳴によって電場を形成すべき波長帯を、容易に選択することができる。これによって、設計の自由度を向上させることができる。
Further, when the electric field forming substance is formed by the
本発明の実施のさらに他の形態において、前記微粒子31の内層部分32は、空気によって形成されてもよい。このような形状は、外層部分33を中空に形成することによって実現することができる。また微粒子31の内層部分32、言い換えると微粒子31の核となる粒子は、材料が誘電体などの光を透過する材料であればよい。
In still another embodiment of the present invention, the
図12は、本実施のさらに他の形態の光電変換素子における電場形成物質44に含まれる微粒子51の構成を示す斜視図であり、図13は図12の切断面線XIII−XIIIから見た断面図である。本実施の形態の光電変換素子と、前述の図1に示す実施の形態の光電変換素子1とは、微粒子11の形状のみが異なり、他の部分は同様に形成される。本実施の形態における微粒子51は、金属から成り、環形状を有する。具体的には、微粒子51は、円環形状を有する。以後、本実施の形態の微粒子51を、環状微粒子51と記載する場合がある。本実施の形態において、環形状は、略環形状および環形状に近似することができる形状を含む。
FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the
環状微粒子51は、光電変換層2の厚み方向他表面13に、軸線L2がほぼ垂直になるように配置される。光電変換層2のバンドギャップに等しいエネルギを有する光の波長をN(nm)とすると、環状微粒子51の内径D4および外径D5間の厚みT6は、光の波長Nの10分の1以下であるN/10nm以下であり、かつ10nm以上に形成され、外径D5が光の波長Nの1倍以下であるNnm以下であり、かつ20nm以上に選ばれる。環状微粒子51の内径D4は、最大内径と最小内径との平均化したものであり、外径D5は、最大外径と最小内径とを平均化したものである。
The annular
本実施の形態のように微粒子51を、略環状にすることによって、一つの環状微粒子31が光電変換層2に接する面積を、球形状に形成される微粒子と比較して、より大きくすることができる。微粒子51の共鳴によって増強される電場は、微粒子51の表面52近傍にのみ存在するので、一つの微粒子51の表面52が光電変換層2に接している面積が広いほど、微粒子51の表面52に発生する光増強電場を、光電変換層2内における光電変換に寄与させることができる。これによって、光電変換層2における変換効率を向上させることができる。
By making the
図14は、環状微粒子51の形成工程を示す断面図である。図14(1)は、光電変換層2の厚み方向他表面13に、環状形成補助粒子53を配置して示す断面図である。まず、光電変換層2の厚み方向他表面13上の微粒子配置領域15に、環状形成補助粒子53を配置する。環状形成補助粒子53は、たとえばポリスチレンから成る。隣接する環状形成補助粒子53は、相互に予め定める間隔W6をあけて設けられる。予め定める間隔W6は、環状形成補助粒子53の粒径に略等しく選ばれる。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a process for forming the annular
図14(2)は、環状形成補助粒子35と、光電変換層2の厚み方向他表面13とを、導電膜54によって被覆して示す断面図である。環状形成補助粒子53を配置した後、この環状形成補助粒子53および光電変換層2の厚み方向他表面13を覆うように、導電膜54を形成する。導電膜54は、たとえば金、銀および白金などの金属から成る。導電膜54は、たとえば蒸着法によって形成される。
FIG. 14 (2) is a cross-sectional view showing the annular formation
図14(3)は、導電膜54の一部を取り除いて、環状形成補助粒子53を露出させた状態を示す断面図である。図14(2)に示す導電膜54の一部を、イオンビーム55によるエッチングによって除去する。導電膜54の環状形成補助粒子53および光電変換素子2とは反対側から、イオンビームを照射する。これによって、導電膜54のうち、各環状形成補助粒子53の光電変換層2とは反対側の表面を覆う部分、具体的に言うと、光電変換層2の厚み方向において、導電膜54のうち、環状形成補助粒子53の中央部から、光電変換層2とは反対側の部分を覆う部分56が除去される。また導電膜54のうち、各環状形成補助粒子53間で、光電変換層2の厚み方向他表面13に沿って形成される部分57が除去される。
FIG. 14 (3) is a cross-sectional view showing a state where a part of the
図14(4)は、光電変換層2の厚み方向他表面13上に環状微粒子51が形成された状態を示す断面図である。前述の工程が終了すると、環状形成補助粒子53を除去する。これによって、光電変換層2の厚み方向他表面13には、環状微粒子51が形成される。環状微粒子53の直径D5は、環状形成補助粒子53の直径、および導電膜54の厚みによって決定される。環状微粒子51の、軸線L2方向の寸法H1は、環状形成補助粒子53の半径に略等しく選ばれる。
FIG. 14 (4) is a cross-sectional view showing a state where the annular
環状微粒子51では表面52に発生する強い電場は、環に沿って発生するが、上記のように光電変換層の表面に直接形成された環状微粒子51は、リング面、すなわち軸線L2に垂直な面が、光電変換層2の厚み方向他表面13に接するため、発生する強い電場をより多く光電変換層2内に形成することができる。
In the annular
本発明の各実施の形態では、光電変換素子を太陽電池に適用して示したが、光電変換素子は、たとえばフォトダイオードなど他の光電変換素子に適用されてもよい。この場合であっても、同様な効果を得ることができる。 In each embodiment of the present invention, the photoelectric conversion element is shown applied to a solar cell, but the photoelectric conversion element may be applied to another photoelectric conversion element such as a photodiode, for example. Even in this case, the same effect can be obtained.
1 光電変換素子
2 光電変換層
4,24,44 電場形成物質
11,21,31,51 微粒子
32 内層部分
33 外層部分
DESCRIPTION OF
Claims (6)
光電変換層を透過し、光電変換層のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する予め定める波長帯の光が与えられることによって、光電変換層内に電場を形成する電場形成物質とを含むことを特徴とする光電変換素子。 A photoelectric conversion layer that receives light from one surface side in the thickness direction and converts light energy into electrical energy;
And an electric field forming material that forms an electric field in the photoelectric conversion layer by being given light of a predetermined wavelength band that is transmitted through the photoelectric conversion layer and has energy larger than the band gap of the photoelectric conversion layer. A photoelectric conversion element.
前記微粒子は、該微粒子の表面と、光電変換層の厚み方向他表面との間の最小距離が、前記微粒子の粒径以下となるように配置されることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。 The electric field forming substance includes fine particles that form localized surface plasmons,
2. The photoelectric device according to claim 1, wherein the fine particles are arranged such that a minimum distance between a surface of the fine particles and another surface in the thickness direction of the photoelectric conversion layer is equal to or smaller than a particle size of the fine particles. Conversion element.
前記予め定める波長帯は、800nm以上1100nm以下の範囲であることを特徴とする特徴とする請求項1または2記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion layer is formed including a silicon crystal,
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the predetermined wavelength band is in a range of 800 nm to 1100 nm.
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