JP2010021189A - Photoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光電デバイスに関し、具体的には多重量子井戸構造、量子ドット構造の太陽電池や光電センサなどの光電デバイスに関するものである。 The present invention relates to a photoelectric device, and specifically to a photoelectric device such as a solar cell or a photoelectric sensor having a multiple quantum well structure or a quantum dot structure.
太陽電池の構造としては、単接合太陽電池、多接合太陽電池、多重量子井戸構造の太陽電池などが知られている。 Known solar cell structures include single-junction solar cells, multi-junction solar cells, and multi-quantum well structure solar cells.
(単接合太陽電池)
もっとも簡単な構造の太陽電池は単接合型であって、一般にはpn接合やpin接合となっている。図1は一般的な単接合太陽電池の構造を示すエネルギーバンド図である。図1の太陽電池は、n型半導体層、i型半導体層、p型半導体層を接合して構成されており、伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップがEgとなっている。ここに光が入射すると、Eg以上のエネルギーを持つ光が吸収されて価電子帯から伝導帯へ電子11が励起され、価電子帯には正孔12が生成し、太陽電池に起電力が発生する。
(Single junction solar cell)
The solar cell having the simplest structure is a single junction type, and is generally a pn junction or a pin junction. FIG. 1 is an energy band diagram showing the structure of a general single-junction solar cell. The solar cell of FIG. 1 is configured by joining an n-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer, and the band gap between the conduction band and the valence band is Eg. When light enters here, light having an energy higher than Eg is absorbed, and
しかし、このような単接合太陽電池では、バンドギャップEgよりも小さなエネルギーの光は吸収されることなく透過してしまうので、光電変換効率が低い。一方、バンドギャップEgを小さくしても、伝導帯へ励起された電子11の持つエネルギー(hν:νは光の振動数)のうち伝導帯の底のエネルギーよりも大きなエネルギー(hν−Eg)はフォノンとしてただちに放出され熱エネルギーとして消耗してしまう。そのため、単接合太陽電池は光電変換効率が悪かった。
However, in such a single-junction solar cell, light with energy smaller than the band gap Eg is transmitted without being absorbed, so that the photoelectric conversion efficiency is low. On the other hand, even if the band gap Eg is reduced, the energy (hν−Eg) larger than the energy at the bottom of the conduction band in the energy (hν: ν is the frequency of light) of the
(多接合太陽電池)
図2は多接合太陽電池の構造を示すエネルギーバンド図である。この多接合太陽電池は、バンドギャップの異なるpn接合を積層したものである。図2では、バンドギャップがEg11のpn接合とバンドギャップがEg12のpn接合とバンドギャップがEg13のpn接合を積層している(ただし、Eg11>Eg12>Eg13とする)。このような多接合太陽電池では、入射した光のうちEg11よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップEg11のpn接合で吸収され、ついでバンドギャップEg11のpn接合で吸収されなかった光のうちEg12よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップEg12のpn接合で吸収され、ついでバンドギャップEg12のpn接合で吸収されなかった光のうちEg13よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップEg13のpn接合で吸収される。従って、多接合太陽電池では、広い波長域の光を吸収できるとともに、熱エネルギーロスも小さくなり、単接合太陽電池よりも高い光電変換効率を実現できる。多接合太陽電池としては、例えば特開平8−204215号公報(特許文献1)に開示されたものがある。
(Multi-junction solar cell)
FIG. 2 is an energy band diagram showing the structure of the multijunction solar cell. This multi-junction solar cell is formed by stacking pn junctions having different band gaps. In FIG. 2, a pn junction having a band gap of Eg11, a pn junction having a band gap of Eg12, and a pn junction having a band gap of Eg13 are stacked (where Eg11>Eg12> Eg13). In such a multi-junction solar cell, light having an energy larger than Eg11 is absorbed by the pn junction having the band gap Eg11, and then light Eg12 being not absorbed by the pn junction having the band gap Eg11. Light having a large energy is absorbed by the pn junction having the band gap Eg12, and then light having a higher energy than Eg13 is absorbed by the pn junction having the band gap Eg13. Therefore, the multi-junction solar cell can absorb light in a wide wavelength range, reduce thermal energy loss, and realize higher photoelectric conversion efficiency than the single-junction solar cell. An example of the multi-junction solar cell is disclosed in JP-A-8-204215 (Patent Document 1).
しかし、多接合太陽電池では、各層の格子定数を一致させることとバンドギャップを最適化することとの両立が難しく、理想的な構造を得ることができなかった。また、多接合太陽電池は層構造が複雑で、プロセス制御が難しい。さらに、隣接する層間はトンネル接合13を介して直列に接続されており、出力電流は各層の中で生成される最小の電流値となるため、太陽光のスペクトル変化により光電変換効率が左右されやすい。
However, in a multi-junction solar cell, it is difficult to achieve both the matching of the lattice constant of each layer and the optimization of the band gap, and an ideal structure cannot be obtained. In addition, the multi-junction solar cell has a complicated layer structure, and process control is difficult. Further, the adjacent layers are connected in series via the
(多重量子井戸構造)
そこで、図3に示すように、バンドギャップがEg1とEg2の半導体層を繰り返して積層した多重量子井戸構造が提案されている。ここで、Eg1は井戸層14におけるバンドギャップ、Eg2は障壁層15におけるバンドギャップである。このような構造としては、特開平11−220150号公報(特許文献2)に開示されたものがある。
(Multiple quantum well structure)
Therefore, as shown in FIG. 3, a multiple quantum well structure in which semiconductor layers having band gaps Eg1 and Eg2 are repeatedly stacked has been proposed. Here, Eg1 is a band gap in the
このような多重量子井戸太陽電池は、基本的にはバンドギャップエネルギーがEg2である半導体から構成された太陽電池として動作するが、バンドギャップエネルギーがEg2より小さなEg1である井戸層14の存在によって、吸収できる光の波長域が長波長側に拡大される。そのため、開放電圧を下げることなく電流を大きくすることができる。また、多接合型太陽電池と比べて、同じ材料系を使えるので作製しやすいことと、多重量子井戸のサイズにより吸収波長を制御できるというメリットがある。
Such a multiple quantum well solar cell basically operates as a solar cell composed of a semiconductor having a bandgap energy of Eg2, but due to the presence of the
このような多重量子井戸太陽電池では、井戸層14で励起された電子11をさらに井戸層14から脱出させなければならないが、そのためには熱エネルギーを利用する方法と、光エネルギーを利用する方法とがある。しかし、熱エネルギーを利用する方法では、図3のように量子井戸の深さを浅くしておく必要があるので、吸収できる光の波長の範囲が狭くなる。そのため、太陽電池の光電変換効率をそれほど大きくすることができない。
In such a multi-quantum well solar cell, the
また、光エネルギーを利用する方法では、量子井戸から電子11を脱出させるためにも光エネルギーを吸収するので、図4に示すように、障壁層15において価電子帯から伝導帯へ電子11を励起するためのエネルギーEg2、井戸層14において価電子帯から量子準位へ電子11を励起するためのエネルギーEg1、量子準位から伝導帯へ電子11を励起するためのエネルギーEg3のそれぞれに対応する3波長の光を吸収させることができる。よって、より広い範囲の波長の光を吸収させることができるので、光電変換効率を向上させることができ、大きな電流・電圧を得ることが期待できる。
Further, in the method using light energy, light energy is absorbed in order to escape the
また、図5に示すように、量子ドットを積層した量子ドット太陽電池も提案されている。量子ドット太陽電池では、障壁部16内に量子ドット17を配列させてあり、量子ドット17によって三次元量子井戸が形成されている。このような構造の太陽電池としては、特開2002−141531号公報(特許文献3)に開示されたものがある。量子ドット太陽電池も多重量子井戸太陽電池と同様な原理によって光エネルギーを吸収するが、量子ドットを用いることで量子準位をより離散化し、電子11が量子井戸内の低エネルギー準位へ緩和しにくくできるメリットがある。
As shown in FIG. 5, a quantum dot solar cell in which quantum dots are stacked has also been proposed. In the quantum dot solar cell,
しかし、量子井戸構造(多重量子井戸、量子ドット)の太陽電池では、異なる材料どうしが接する界面が多く存在する。例えば、多重量子井戸太陽電池において、光を十分に吸収するためには井戸層と障壁層がそれぞれ数十層も必要である。異なる材料どうしの界面では、材料や格子定数が異なるため、図6に示すように未結合手(ダングリングボンド)による界面準位Ed1、Ed2が生じやすい。そして、この界面準位Ed1、Ed2を介して電子11と正孔12が再結合(界面再結合)するため、キャリアが消滅し太陽電池の光電変換効率を低下させてしまうという問題がある。また、多重量子井戸のように厚さの薄い多層構造を作製する場合や、多数の量子ドットを作製する場合には、井戸層や量子ドットの数が多くなるほど作製プロセスが煩雑になる。
However, in a solar cell having a quantum well structure (multiple quantum wells, quantum dots), there are many interfaces where different materials contact each other. For example, in a multiple quantum well solar cell, several tens of well layers and barrier layers are required to sufficiently absorb light. Since the materials and lattice constants are different at the interface between different materials, interface states Ed1 and Ed2 due to dangling bonds (dangling bonds) are likely to occur as shown in FIG. Then, since the
(プラズモン共鳴を利用した太陽電池)
また、金属微粒子に発生するプラズモン共鳴を利用した太陽電池が提案されている。このような太陽電池としては、特開2006−66550号公報(特許文献4)に開示されたものがある。この太陽電池では、図7に示すように、光電変換層18の表面に透明電極19を形成し、裏面に裏面電極20を形成してあり、光電変換層18の裏面と裏面電極20との間に金属微粒子21を設けている。この太陽電池に光が入射すると、光電変換層18において光が吸収されて電気エネルギーに変換される。さらに、光電変換層18のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する波長帯の光が光電変換層18を透過して金属微粒子21に照射すると、金属微粒子21はプラズモン共鳴することにより、その周囲に増強された強い電界を発生させる。この電界により光電変換層18内の電子が伝導帯へ励起される。このとき形成される電界は入射光の光電界の数十倍に増強されているので、光が吸収される確率が増大して電気エネルギーへの変換効率が高くなる。
(Solar cell using plasmon resonance)
A solar cell using plasmon resonance generated in metal fine particles has been proposed. As such a solar cell, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-66550 (Patent Document 4). In this solar cell, as shown in FIG. 7, a
また、局在表面プラズモン共鳴を利用した太陽電池としては、US2007/0289623(特許文献5)に開示されたものがある。この太陽電池は、図8に示すように、基板22の表面に金属からなる表面プラズモン・ポラリトン・ガイド層(surface plasmon polariton guiding layer)23を設け、その表面に半導体の量子ドット配列からなる量子ドット・アクティブ層(quantum dot active layer)24と電極25を設けたものである。このような構造の太陽電池でも、局在表面プラズモン共鳴により光の吸収を増大させることができるので、量子ドット・アクティブ層24を薄くすることができる。また、これにより光電変換効率を向上させ、コストを低減させることができる。
Moreover, as a solar cell using localized surface plasmon resonance, there is one disclosed in US 2007/0289623 (Patent Document 5). As shown in FIG. 8, this solar cell is provided with a surface plasmon polariton guiding
しかしながら、従来より行われている金属微粒子による局在表面プラズモン共鳴では、図9に示すような吸収スペクトルを示す。図9は直径100nmのAu粒子の吸収スペクトルを計算した結果であり、波長が560nm付近に吸収のピークが現れている。よって、1つの波長(図9の最大ピークに対応する波長)の光しか吸収させることができなかった。なお、図9の吸収スペクトルでは、最大ピークの裾部分(波長950nmあたり)に小さく緩やかなピークが見られるが、この小さなピークでは吸収係数が小さいため光の吸収に寄与しない。このため特許文献4、5のような太陽電池では、局在表面プラズモン共鳴を利用していても一つの励起にしか対応させることができず、光電変換効率の改善や量子井戸構造の層数の減少には十分な効果がなかった。 However, localized surface plasmon resonance by metal fine particles, which has been performed conventionally, shows an absorption spectrum as shown in FIG. FIG. 9 shows the result of calculating the absorption spectrum of Au particles having a diameter of 100 nm, and an absorption peak appears in the vicinity of the wavelength of 560 nm. Therefore, only light of one wavelength (wavelength corresponding to the maximum peak in FIG. 9) could be absorbed. In the absorption spectrum of FIG. 9, a small and gentle peak is observed at the bottom of the maximum peak (around 950 nm), but this small peak does not contribute to light absorption because the absorption coefficient is small. For this reason, in solar cells such as Patent Documents 4 and 5, even if localized surface plasmon resonance is used, only one excitation can be handled, and improvement in photoelectric conversion efficiency and the number of layers in the quantum well structure can be achieved. The reduction was not effective enough.
具体的にいうと、金属微粒子を図4のような多重量子井戸構造と組み合わせた場合、金属微粒子の局在表面プラズモン共鳴を利用して電子を価電子帯から井戸層内の量子準位まで励起させたとしても、量子準位から伝導帯へ励起される電子の数がこれまでと同じであれば、全体としての光電変換効率の大幅な向上は期待できない。 More specifically, when metal fine particles are combined with a multiple quantum well structure as shown in FIG. 4, electrons are excited from the valence band to the quantum level in the well layer using localized surface plasmon resonance of the metal fine particles. Even so, if the number of electrons excited from the quantum level to the conduction band is the same as before, a significant improvement in the overall photoelectric conversion efficiency cannot be expected.
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、金属微粒子による局在表面プラズモン共鳴と量子井戸構造とを組み合わせることにより、エネルギー変換効率が高く、かつ製造プロセスも煩雑化することのない光電デバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of such technical problems, and the object of the present invention is to achieve high energy conversion efficiency by combining localized surface plasmon resonance by a metal fine particle and a quantum well structure. And it is providing the photoelectric device which does not complicate a manufacturing process.
本発明の第1の光電デバイスは、第1の半導体からなる障壁層と、第1の半導体よりもバンドギャップの小さな第2の半導体からなる井戸層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸構造の光電変換層を有する光電デバイスにおいて、少なくとも2つの波長帯域で局在表面プラズモン共鳴する微粒子を有することを特徴としている。 A first photoelectric device according to the present invention includes a multiple quantum well in which a plurality of barrier layers made of a first semiconductor and well layers made of a second semiconductor having a smaller band gap than the first semiconductor are alternately stacked. A photoelectric device having a photoelectric conversion layer having a structure is characterized by having fine particles that perform localized surface plasmon resonance in at least two wavelength bands.
本発明の第1の光電デバイスにあっては、入射した光のうち局在表面プラズモン共鳴した波長の光は、微粒子の周囲に増強された強い電界を発生させる。この増強された電界によって光電変換層内の電子が価電子帯から量子井戸内の準位へ、あるいは量子井戸内の準位から伝導帯へ、あるいは価電子帯から伝導帯へ励起されるので、入射光によって直接電子を励起するよりも高い効率で電子を励起することができる。しかも、微粒子の局在表面プラズモン共鳴と多重量子井戸構造とを組み合わせた光電デバイスにおいて、局在表面プラズモンの共鳴波長帯域を少なくとも2波長域にしているので、広い波長範囲の光を光電変換層において高効率で吸収させることができ、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率をさらに増大させることができる。 In the first photoelectric device of the present invention, light having a wavelength that has undergone localized surface plasmon resonance out of incident light generates an enhanced electric field around the fine particles. This enhanced electric field excites electrons in the photoelectric conversion layer from the valence band to the level in the quantum well, from the level in the quantum well to the conduction band, or from the valence band to the conduction band. Electrons can be excited with higher efficiency than directly exciting electrons with incident light. In addition, in the photoelectric device that combines the localized surface plasmon resonance of the fine particles and the multiple quantum well structure, the resonance wavelength band of the localized surface plasmon is at least two wavelength bands, so that light in a wide wavelength range is transmitted in the photoelectric conversion layer. It can be absorbed with high efficiency, and the efficiency of converting light energy into electric energy can be further increased.
また、本発明の第1の光電デバイスによれば、高効率で吸収させられる結果、多重量子井戸構造の層数を減らすことができる。しかも、微粒子の周囲に発生する電界は微粒子の直径程度あるいはその数倍程度の領域に発生するので、光電変換層の厚みはその電界の広がり程度に薄くすることが合理的である。よって、障壁層や井戸層の層数を少なくし、光電デバイスの製造プロセスを簡略化すると共にコストを低廉にできる。さらに、障壁層や井戸層の層数を減らすことができるので、界面の欠陥による電子収集効率の低下を抑制でき、光電バイスの光電変換効率をより向上させることができる。 Moreover, according to the 1st photoelectric device of this invention, as a result of making it absorb with high efficiency, the number of layers of a multiple quantum well structure can be reduced. In addition, since the electric field generated around the fine particles is generated in a region about the diameter of the fine particles or several times as much as that, it is reasonable to reduce the thickness of the photoelectric conversion layer to the extent of the electric field. Therefore, the number of barrier layers and well layers can be reduced, the manufacturing process of the photoelectric device can be simplified, and the cost can be reduced. Furthermore, since the number of barrier layers and well layers can be reduced, a decrease in electron collection efficiency due to interface defects can be suppressed, and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric device can be further improved.
本発明の第2の光電デバイスは、第1の半導体からなる障壁部内に、第1の半導体よりもバンドギャップの小さな第2の半導体からなる少なくとも1つの量子ドットが含まれた量子ドット構造の光電変換層を有する光電デバイスにおいて、少なくとも2つの波長帯域で局在表面プラズモン共鳴する微粒子を有することを特徴としている。 The second photoelectric device of the present invention is a photoelectric device having a quantum dot structure in which at least one quantum dot made of a second semiconductor having a smaller band gap than that of the first semiconductor is included in the barrier portion made of the first semiconductor. A photoelectric device having a conversion layer is characterized by having fine particles that perform localized surface plasmon resonance in at least two wavelength bands.
本発明の第2の光電デバイスにあっては、入射した光のうち局在表面プラズモン共鳴した波長の光は、微粒子の周囲に増強された強い電界を発生させる。この増強された電界によって光電変換層内の電子が価電子帯から量子井戸内の準位へ、あるいは量子井戸内の準位から伝導帯へ、あるいは価電子帯から伝導帯へ励起されるので、入射光によって直接電子を励起するよりも高い効率で電子を励起することができる。しかも、微粒子の局在表面プラズモン共鳴と量子ドット構造とを組み合わせた光電デバイスにおいて、局在表面プラズモンの共鳴波長帯域を少なくとも2波長域にしているので、広い波長範囲の光を光電変換層において高効率で吸収させることができ、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率をさらに増大させることができる。 In the second photoelectric device of the present invention, light having a wavelength that has undergone localized surface plasmon resonance out of incident light generates an enhanced electric field around the fine particles. This enhanced electric field excites electrons in the photoelectric conversion layer from the valence band to the level in the quantum well, from the level in the quantum well to the conduction band, or from the valence band to the conduction band. Electrons can be excited with higher efficiency than directly exciting electrons with incident light. In addition, in the photoelectric device that combines the localized surface plasmon resonance of fine particles and the quantum dot structure, the resonance wavelength band of the localized surface plasmon is at least two wavelength ranges, so that light in a wide wavelength range is high in the photoelectric conversion layer. It can be absorbed with efficiency, and the efficiency of converting light energy into electrical energy can be further increased.
また、本発明の第2の光電デバイスによれば、高効率で吸収させられる結果、量子ドットの積層数を減らすことができる。しかも、微粒子の周囲に発生する電界は微粒子の直径程度あるいはその数倍程度の領域に発生するので、光電変換層の厚みはその電界の広がり程度に薄くすることが合理的である。よって、量子ドットや障壁部の積層数を少なくし、光電デバイスの製造プロセスを簡略化すると共にコストを低廉にできる。さらに、量子ドットや障壁部の積層数を減らすことができるので、界面の欠陥による電子収集効率の低下を抑制でき、光電バイスの光電変換効率をより向上させることができる。 Moreover, according to the 2nd photoelectric device of this invention, as a result of making it absorb with high efficiency, the number of lamination | stacking of a quantum dot can be reduced. In addition, since the electric field generated around the fine particles is generated in a region about the diameter of the fine particles or several times as much as that, it is reasonable to reduce the thickness of the photoelectric conversion layer to the extent of the electric field. Therefore, the number of stacked quantum dots and barrier portions can be reduced, the manufacturing process of the photoelectric device can be simplified, and the cost can be reduced. Furthermore, since the number of stacked quantum dots and barrier portions can be reduced, a decrease in electron collection efficiency due to interface defects can be suppressed, and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric device can be further improved.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのある実施態様は、電子を価電子帯から量子井戸内の準位まで励起するエネルギーに相当する波長と電子を量子井戸内の準位から伝導帯へ脱出させるエネルギーに相当する波長を短い側から順にλa、λbとし、前記微粒子に生成する局在表面プラズモン共鳴の2つの共鳴波長を短い側から順にλ1、λ2とするとき、
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦λb
であることを特徴としている。
In an embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention, a wavelength corresponding to energy for exciting electrons from a valence band to a level in the quantum well and an electron from the level in the quantum well to the conduction band. When the wavelengths corresponding to the energy to escape are set to λa and λb in order from the short side, and the two resonance wavelengths of the localized surface plasmon resonance generated in the fine particles are set to λ1 and λ2 in order from the short side,
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦ λb
It is characterized by being.
かかる実施態様によれば、波長λ1(またはλ2)の局在表面プラズモン共鳴によって電子を価電子帯から量子井戸内の準位まで高効率で励起することができ、また波長λ2(またはλ1)の局在表面プラズモン共鳴によって電子を量子井戸内の準位から伝導帯へ高効率で励起することができるので、量子準位を経た2段階励起によって電子を価電子帯から伝導帯へ効率よく励起させることができる。 According to such an embodiment, electrons can be excited with high efficiency from the valence band to the level in the quantum well by localized surface plasmon resonance at the wavelength λ1 (or λ2), and at the wavelength λ2 (or λ1). Since electrons can be excited from the level in the quantum well to the conduction band by localized surface plasmon resonance, the electrons are efficiently excited from the valence band to the conduction band by two-stage excitation via the quantum level. be able to.
また、この実施態様においては、前記共鳴波長のλ1とλ2は、互いに400nm以上離れていることが望ましい。2つの共鳴波長λ1、λ2どうしを400nm程度離しておけば広い波長範囲の光を吸収することができ、エネルギー変換効率が向上する。 In this embodiment, it is desirable that the resonance wavelengths λ1 and λ2 are separated from each other by 400 nm or more. If the two resonance wavelengths λ1 and λ2 are separated from each other by about 400 nm, light in a wide wavelength range can be absorbed, and energy conversion efficiency is improved.
さらに、前記微粒子の吸収スペクトルにおいて、長波長側の共鳴波長λ2におけるピーク強度は、短波長側の共鳴波長λ1におけるピーク強度に対して0.7倍以上2.0倍以下であることが望ましい。長波長側の共鳴波長λ2におけるピーク強度を、短波長側の共鳴波長λ1におけるピーク強度に対して0.7倍以上2.0倍以下とすることで、プラズモン共鳴によって生成される電場強度が同程度になり、電子の2回励起を効率よく行うことができる。 Further, in the absorption spectrum of the fine particles, the peak intensity at the resonance wavelength λ2 on the long wavelength side is preferably 0.7 to 2.0 times the peak intensity at the resonance wavelength λ1 on the short wavelength side. By setting the peak intensity at the resonance wavelength λ2 on the long wavelength side to 0.7 times or more and 2.0 times or less than the peak intensity at the resonance wavelength λ1 on the short wavelength side, the electric field intensity generated by plasmon resonance is the same. Therefore, it is possible to efficiently excite electrons twice.
さらに、前記長波長側の共鳴波長λ2におけるピーク強度は、前記短波長側の共鳴波長λ1におけるピーク強度に対して1.0倍以上2.0倍以下であることが望ましい。電子を荷電子帯から量子井戸内の準位まで励起する確率と、量子井戸内の準位から伝導帯へ励起する確率が同程度であれば、電子の2回励起をより効率よく行うことができる。短波長側の光と比較して長波長側の光の方が電子を励起する確率が小さいので、長波長側の共鳴波長λ2におけるピーク強度を、短波長側の共鳴波長λ1におけるピーク強度に対して1.0倍以上2.0倍以下とすることで、電子を荷電子帯から量子井戸内の準位まで励起する確率と、量子井戸内の準位から伝導帯へ励起する確率をより近くすることができる。 Furthermore, the peak intensity at the resonance wavelength λ2 on the long wavelength side is preferably 1.0 to 2.0 times the peak intensity at the resonance wavelength λ1 on the short wavelength side. If the probability of exciting an electron from the valence band to the level in the quantum well is similar to the probability of exciting the level from the level in the quantum well to the conduction band, the electron can be excited twice more efficiently. it can. Compared with the light on the short wavelength side, the light on the long wavelength side is less likely to excite electrons, so the peak intensity at the resonance wavelength λ2 on the long wavelength side is less than the peak intensity at the resonance wavelength λ1 on the short wavelength side. The probability of exciting electrons from the valence band to the level in the quantum well and the probability to excite the level from the level in the quantum well to the conduction band are closer. can do.
本発明の第1又は第2の光電デバイスの別な実施態様は、前記微粒子の各サイズ毎の個数を表す分布が、2つ以上のピークを有することを特徴としている。かかる実施態様によれば、微粒子のサイズ設計によって2波長以上で局在表面プラズモン共鳴を発生させることができ、また微粒子の分布における最大個数やそのサイズを変更することで共鳴波長を調整することができる。 Another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is characterized in that a distribution representing the number of the fine particles for each size has two or more peaks. According to such an embodiment, localized surface plasmon resonance can be generated at two or more wavelengths by designing the size of the fine particles, and the resonance wavelength can be adjusted by changing the maximum number or size of the fine particle distribution. it can.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子が異なる金属からなる2種以上の微粒子を含んでいることを特徴としている。かかる実施態様によれば、金属微粒子の金属種を異ならせることによって2波長以上で局在表面プラズモン共鳴を発生させることができ、また微粒子の金属種を変更することで共鳴周波数を調整することができる。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is characterized in that the fine particles include two or more kinds of fine particles made of different metals. According to this embodiment, localized surface plasmon resonance can be generated at two or more wavelengths by changing the metal species of the metal fine particles, and the resonance frequency can be adjusted by changing the metal species of the fine particles. it can.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子が金属及び互いに異なる誘電体からなる2種以上の微粒子を含んでいることを特徴としている。かかる実施態様によれば、微粒子を構成する誘電体の種類を異ならせることによって2波長以上で局在表面プラズモン共鳴を発生させることができ、また誘電体の種類や組合せを変更することで共鳴周波数を調整することができる。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is characterized in that the fine particles include two or more kinds of fine particles composed of a metal and different dielectrics. According to such an embodiment, it is possible to generate localized surface plasmon resonance at two or more wavelengths by changing the types of dielectrics constituting the fine particles, and to change the resonance frequency by changing the types and combinations of the dielectrics. Can be adjusted.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子が互いに形状の異なる2種以上の微粒子を含んでいることを特徴としている。かかる実施態様によれば、微粒子の形状設計によって2波長以上で局在表面プラズモン共鳴を発生させることができ、また各微粒子の形状を変更することで共鳴周波数を調整することができる。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is characterized in that the fine particles include two or more kinds of fine particles having different shapes. According to this embodiment, localized surface plasmon resonance can be generated at two or more wavelengths by fine particle shape design, and the resonance frequency can be adjusted by changing the shape of each fine particle.
また、この実施態様においては、前記微粒子のうち1種の微粒子が、金属からなるロッド状の微粒子であり、その長手方向の寸法が短手方向の寸法の2倍以上の長さを有し、短手方向の寸法が10nm以上100nm以下であることを特徴としている。かかる寸法のロッド状をした金属微粒子を含んでいれば、2種以上の微粒子において長波長域における局在表面プラズモン共鳴を発生させることができる。 Further, in this embodiment, one kind of fine particles among the fine particles is a rod-shaped fine particle made of a metal, and the length in the longitudinal direction is twice or more the size in the short direction, The dimension in the short direction is 10 nm or more and 100 nm or less. If the rod-shaped metal fine particles having such dimensions are included, localized surface plasmon resonance in a long wavelength region can be generated in two or more types of fine particles.
また、この実施態様においては、前記微粒子のうち1種の微粒子が、誘電体からなる円柱状のコア部と前記コア部の周囲をリング状に囲んだ金属からなるリング部とによって構成された微粒子であり、前記コア部の円形断面の直径が40nm以上300nm以下であり、前記リング部の厚みが1nm以上20nm以下であり、前記リング部の高さが5nm以上で当該リング部の外径の0.5倍以下であることを特徴としている。かかる構造及び寸法の複合微粒子を含んでいれば、複数種類の微粒子において長波長域における局在表面プラズモン共鳴を発生させることができる。 Further, in this embodiment, one kind of fine particles is composed of a cylindrical core portion made of a dielectric and a ring portion made of a metal surrounding the core portion in a ring shape. The diameter of the circular cross section of the core part is 40 nm or more and 300 nm or less, the thickness of the ring part is 1 nm or more and 20 nm or less, the height of the ring part is 5 nm or more, and the outer diameter of the ring part is 0 It is characterized by being less than 5 times. If composite fine particles having such a structure and size are included, localized surface plasmon resonance in a long wavelength region can be generated in a plurality of types of fine particles.
また、この実施態様においては、前記微粒子のうち1種の微粒子が、誘電体からなるコア部と前記コア部の外面をシェル状に覆った金属からなるシェル部とによって構成された微粒子であり、前記コア部の外形寸法が40nm以上200nm以下であり、前記シェル部の厚みが1nm以上20nm以下であることを特徴としている。かかる構造及び寸法の複合微粒子を含んでいれば、複数種類の微粒子において長波長域における局在表面プラズモン共鳴を発生させることができる。 Further, in this embodiment, one kind of fine particles is a fine particle composed of a core portion made of a dielectric and a shell portion made of a metal covering the outer surface of the core portion in a shell shape, The outer dimension of the core part is 40 nm or more and 200 nm or less, and the thickness of the shell part is 1 nm or more and 20 nm or less. If composite fine particles having such a structure and size are included, localized surface plasmon resonance in a long wavelength region can be generated in a plurality of types of fine particles.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子が、誘電体からなるコア部と前記コア部の外面をシェル状に覆った金属からなるシェル部とによって構成され、前記コア部の外形寸法が150nm以上600nm以下であり、前記シェル部の厚みが1nm以上20nm以下であることを特徴としている。これは、シェル構造の微粒子により2波長で局在表面プラズモン共鳴を発生させるための条件である。すなわち、コア部の外径寸法が150nmよりも小さいと長波長側で吸収係数のピークが得られなくなり、またコア部の外径寸法が600nmよりも大きくなると、入射光の一部が散乱されて光電変換層に光が入射しにくくなるからである。また、シェル部の厚みが20nmよりも大きくなると長波長側ピークの吸収係数が小さくなり、またシェル部の膜厚が1nmよりも小さくなると、プラズモン共鳴が起こりにくくなって十分な電界強度を得られなくなるからである。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is configured such that the fine particles include a core portion made of a dielectric and a shell portion made of metal with an outer surface of the core portion covered in a shell shape. The outer dimension of the core part is 150 nm or more and 600 nm or less, and the thickness of the shell part is 1 nm or more and 20 nm or less. This is a condition for generating localized surface plasmon resonance at two wavelengths by fine particles having a shell structure. That is, if the outer diameter of the core is smaller than 150 nm, the peak of the absorption coefficient cannot be obtained on the long wavelength side, and if the outer diameter of the core is larger than 600 nm, a part of the incident light is scattered. This is because it becomes difficult for light to enter the photoelectric conversion layer. Further, when the thickness of the shell portion is larger than 20 nm, the absorption coefficient of the long wavelength side peak is decreased, and when the thickness of the shell portion is smaller than 1 nm, plasmon resonance is difficult to occur and sufficient electric field strength can be obtained. Because it disappears.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子がある面に分布しており、当該微粒子が当該面を覆う被覆率が1%以上30%以下であることを特徴としている。微粒子の被覆率が1%よりも小さいと、特定波長域の光を微粒子とプラズモン共鳴させることができず、また微粒子の被覆率が30%よりも大きいと、共鳴しない波長域の光が微粒子層を透過しにくくなるからである。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is such that the fine particles are distributed on a surface, and the coverage of the fine particles covering the surface is 1% or more and 30% or less. It is a feature. If the coverage of fine particles is less than 1%, light in a specific wavelength region cannot be plasmon-resonated with the fine particles, and if the coverage of fine particles is greater than 30%, light in a wavelength region that does not resonate is emitted from the particle layer. It is because it becomes difficult to permeate | transmit.
本発明の第1又は第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記微粒子がある面に分布しており、前記微粒子分布面と前記微粒子分布面から最も離れた前記第2の半導体との間の距離が、前記微粒子の外形寸法の平均値の2倍以下であることを特徴としている。微粒子の周囲に発生する電界は微粒子から離れるに従って次第に減衰しており、その広がりはほぼ微粒子の直径程度であると見積もられる。従って、微粒子から最も遠くにある第2の半導体までの距離が微粒子の外形寸法(例えば、球状の微粒子では直径)の2倍以上であると、光電変換層の全体に十分な強度の電界が届かなくなるので、最も遠くにある第2の半導体までの距離は微粒子の外形寸法直径の2倍以下であることが望ましい。 Still another embodiment of the first or second photoelectric device of the present invention is such that the fine particles are distributed on a certain surface, and the fine particle distribution surface and the second semiconductor most distant from the fine particle distribution surface. The distance between them is not more than twice the average value of the external dimensions of the fine particles. The electric field generated around the fine particles gradually attenuates as the distance from the fine particles increases, and the spread is estimated to be approximately the diameter of the fine particles. Therefore, if the distance from the fine particle to the farthest second semiconductor is more than twice the external dimension of the fine particle (for example, the diameter in the case of a spherical fine particle), an electric field with sufficient strength reaches the entire photoelectric conversion layer. Therefore, it is desirable that the distance to the farthest second semiconductor is not more than twice the outer diameter diameter of the fine particles.
本発明の第1の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記井戸層よりも大きなバンドギャップを有し、かつ前記障壁層の1層分の厚みよりも大きな厚みを有する第3の半導体層を備え、当該第3の半導体層を前記光電変換層の光入射側と反対側の隣接位置に設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子井戸構造によって吸収されなかった光を第3の半導体層で吸収させることができるので、変換効率をより向上させることができる。 According to still another embodiment of the first photoelectric device of the present invention, there is provided a third semiconductor layer having a larger band gap than the well layer and a thickness larger than the thickness of one layer of the barrier layer. And the third semiconductor layer is provided at an adjacent position on the opposite side to the light incident side of the photoelectric conversion layer. According to such an embodiment, light that has not been absorbed by the quantum well structure can be absorbed by the third semiconductor layer, so that the conversion efficiency can be further improved.
本発明の第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記量子ドットよりも大きなバンドギャップを有し、かつ前記量子ドットどうしの光透過方向における距離よりも大きな厚みを有する第3の半導体層を備え、当該第3の半導体層を前記光電変換層の光入射側と反対側の隣接位置に設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子ドットや障壁部で吸収されなかった光を第3の半導体層で吸収させることができるので、変換効率をより向上させることができる。 Still another embodiment of the second photoelectric device of the present invention is a third semiconductor layer having a band gap larger than that of the quantum dots and a thickness larger than a distance between the quantum dots in the light transmission direction. The third semiconductor layer is provided at an adjacent position on the opposite side to the light incident side of the photoelectric conversion layer. According to such an embodiment, light that has not been absorbed by the quantum dots or the barrier portion can be absorbed by the third semiconductor layer, so that the conversion efficiency can be further improved.
また、これらの実施態様においては、前記第3の半導体層が前記第1の半導体と同じ材料によって形成されていることが望ましい。第3の半導体層を第1の半導体と同じ材料によって形成すれば、太陽電池の作製プロセスを簡略にすることができる。 In these embodiments, it is desirable that the third semiconductor layer is formed of the same material as the first semiconductor. If the third semiconductor layer is formed using the same material as the first semiconductor, the manufacturing process of the solar cell can be simplified.
本発明の第1の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記井戸層の幅が10nm以下であり、前記障壁層の幅が10nm以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子井戸の準位を離散化させることができるので、キャリアが緩和しにくくすることができる。また、電子が井戸層間でトンネリングしやすくなるので、キャリアの再結合を抑制することができる。 Still another embodiment of the first photoelectric device of the present invention is characterized in that the well layer has a width of 10 nm or less and the barrier layer has a width of 10 nm or less. According to this embodiment, the level of the quantum well can be discretized, so that carriers can be made difficult to relax. Further, since electrons are easily tunneled between well layers, carrier recombination can be suppressed.
本発明の第2の光電デバイスのさらに別な実施態様は、前記量子ドットの高さ、幅、奥行きのうち、いずれか一辺の長さが10nm以下であり、残る2辺の長さが30nm以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子井戸の準位を離散化させることができるので、キャリアが緩和しにくくすることができる。 According to still another embodiment of the second photoelectric device of the present invention, one of the height, width, and depth of the quantum dots has a length of 10 nm or less, and the remaining two sides have a length of 30 nm or less. It is characterized by being. According to this embodiment, the level of the quantum well can be discretized, so that carriers can be made difficult to relax.
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。 The means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
図10は本発明の実施形態1による太陽電池の構造を示す概略断面図である。この太陽電池31にあっては、n+-GaAs基板32の上面にn-GaAsバッファ層33を積層し、その上にn-AlGaAs層34を積層している。さらに、n-AlGaAs層34の上には、i-AlGaAsからなる第3の半導体層35を積層し、その上面に多重量子井戸構造の光電変換層36を積層している。光電変換層36の上面には、電子を面方向に移動させるためのp-AlGaAsエミッタ層37を設けてあり、p-AlGaAsエミッタ層37の上面の一部にはp型電極39及びp型電極39にオーミック接触するp+-GaAsコンタクト層38を積層している。p-AlGaAsエミッタ層37の上面のうち、p型電極39から露出している領域には、微粒子40を分散させて付着させている。また、n+-GaAs基板32の下面にはn型電極41を作製している。
(First embodiment)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. In this
図11は、上記光電変換層36の構造を拡大して示す概略斜視図である。多重量子井戸構造の光電変換層36は、i-InGaAs層からなる井戸層42とi-AlGaAs層からなる障壁層43を複数層積層したものである。例えばこの実施形態では、厚さ200nmの第3の半導体層35の上に井戸層42が乗るようにして厚さ5nmのi-In0.9Ga0.1As層からなる井戸層42と厚さ5nmのi-Al0.4Ga0.6As層からなる障壁層43を5層ずつ交互に積層している。
FIG. 11 is an enlarged schematic perspective view showing the structure of the
図12は上記のような構造の太陽電池31のバンド構造を計算により求めたものである。計算によれば、価電子帯(Ev)と井戸層42の量子準位(Eq)の間のバンドギャップをEg1、井戸層42の量子準位(Eq)と伝導帯(Ec)の間のバンドギャップをEg3とすれば、
Eg1=1.32eV (換算波長943nm)
Eg3=0.61eV (換算波長2042nm)
である。また、量子準位を介することなく価電子帯(Ev)から伝導帯(Ec)へ直接遷移する際のバンドギャップEg2は、
Eg2=1.92eV (換算波長645nm)
である。第3の半導体層35は、障壁層43と同じ組成の材料としたので、第3の半導体層35における価電子帯(Ev)と伝導帯(Ec)との間のバンドギャップEg4も、Eg2と同じく、
Eg4=1.92eV (換算波長645nm)
となった。
FIG. 12 shows the band structure of the
Eg1 = 1.32 eV (converted wavelength 943 nm)
Eg3 = 0.61 eV (converted wavelength: 2042 nm)
It is. In addition, the band gap Eg2 at the time of direct transition from the valence band (Ev) to the conduction band (Ec) without going through the quantum level is
Eg2 = 1.92 eV (converted wavelength: 645 nm)
It is. Since the
Eg4 = 1.92 eV (converted wavelength: 645 nm)
It became.
また、上記微粒子40はシェル構造となっており、図13(a)に示すように、誘電体コア45を金属シェル46で覆った構造となっている。具体的にいうと、微粒子40は、直径が340nmのほぼ球状をしたシリカ(SiO2)からなる誘電体コア45の表面を、膜厚13nmのAuからなる金属シェル46で覆ったものである。微粒子40は、2×108cm−2程度の数密度となるように、光電変換層36の上面に付着させている。微粒子40は、規則的に配列されている必要はなく、巨視的にみてほぼ均一とみなせる程度でランダムに分布しており、また微粒子分布の被覆率はほぼ20%とした。なお、この被覆率とは、微粒子40の分布している面に垂直な方向から見て、微粒子40の分布している領域の面積(例えば、図13(b)の2点鎖線で囲んだ領域の面積)を分母とする、その領域に含まれる微粒子40の合計面積(例えば、図13(b)で斜線を施した微粒子の正射影面積の合計)の比である。
The
図14は上記のようなシェル構造のシリカ−Au微粒子40による吸収スペクトルを計算した結果を示す。この微粒子40の吸収スペクトルによれば、λ1=900nmとλ2=1520nmに吸収のピークが見られ、しかもこの共鳴波長を含む広範囲な波長域で局在表面プラズモン共鳴している。
FIG. 14 shows the result of calculating the absorption spectrum of the silica-Au
なお、微粒子40を構成する球状の誘電体コア45としては、シリカ以外にも、ポリスチレンやPMMA(ポリメチルメタクリレート)などを用いることもできる。また、誘電体コア45を球殻状に覆う金属シェル46としては、Au以外にも、Ag、Pt、Cu、Al、Pdなどを用いることもできる。
In addition, as the
誘電体コア45を金属シェル46で覆った1種の微粒子40により、吸収スペクトルに2つ以上のピークを生じさせるためには、
誘電体コア45の直径: 150nm以上600nm以下
金属シェル46の膜厚: 1nm以上20nm以下
とすることが望ましい。
In order to generate two or more peaks in the absorption spectrum by one kind of
Diameter of dielectric core 45: 150 nm or more and 600 nm or less Film thickness of metal shell 46: It is desirable that the thickness be 1 nm or more and 20 nm or less.
このような微粒子40においては、誘電体コア45の直径が大きいほど共鳴波長が長波長側へシフトし、誘電体コア45の直径が小さいほど共鳴波長が短波長側へシフトし、誘電体コア45の直径が150nmよりも小さい場合には長波長側で吸収係数のピークが得られなくなる。一方、誘電体コア45の直径が600nmよりも大きくなると、回折散乱により光の一部が散乱されてしまい、光電変換層36に光が入射しにくくなる。従って、誘電体コア45の直径は、150nm以上600nm以下が好ましい。なかでも、誘電体コア45の直径として260nm以上400nm以下とすれば、短波長側ピークと長波長側ピークの強度比を最適化できる。
In such
また、金属シェル46の膜厚が薄いほど共鳴波長が長波長側へシフトし、金属シェル46の膜厚が厚いほど共鳴波長が短波長側へシフトし、金属シェル46の膜厚が20nmよりも大きくなると長波長側ピークの吸収係数が小さくなってしまう。一方、金属シェル46の膜厚が1nmよりも小さくなると、プラズモン共鳴が起こりにくくなり、十分な電界強度を得られなくなる。従って、金属シェル46の膜厚は、1nm以上20nm以下が好ましい。なかでも、金属シェル46の膜厚として5nm以上15nm以下とすれば、短波長側ピークと長波長側ピークの強度比を最適化できる。
Further, the resonance wavelength shifts to the longer wavelength side as the
多重量子井戸構造の光電変換層36において効率よく電子を励起するためには、電子を価電子帯から井戸層42の量子準位Eqまで励起する確率と、電子を量子準位Eqから伝導帯へ脱出させる確率とが釣り合っていることが好ましい。そのために、短波長側の光によって生成される電場強度と長波長側の光によって生成される電場強度が同程度であればよく、局在表面プラズモン共鳴による吸収係数の比が短波長側のピーク値に対して長波長側のピーク値が0.7から2.0の範囲であることが好ましい。図14の吸収スペクトルでは、2つの吸収ピークのうち長波長側のピーク値が、短波長側のピーク値の0.85倍となっているから、電子を効率よく励起できる。また、多重量子井戸構造においては、短波長側の光と比較して長波長側の光の方が電子を励起する確率が小さい。電子を価電子帯から井戸層42の量子準位Eqまで励起する確率と、電子を量子準位Eqから伝導帯へ脱出させる確率を同程度にするためには、短波長側のピーク値に対して長波長側のピーク値が1.0倍から2.0倍の範囲内にあることが好ましい。
In order to efficiently excite electrons in the
このような構造の太陽電池31によれば、太陽電池31に入射した光のうち、特定の波長の光は局在表面プラズモン共鳴することにより微粒子40の近傍に強い電界を発生させる。この電界の強度は、図15に示すように、微粒子の表面からの距離が大きくなるとともに指数関数的に減少している。この電界強度が1/eとなる距離をしみ出し距離といい電界の広がりの大きさを示す指標とされる。微粒子40のしみ出し距離は微粒子直径Dにほぼ等しいとされるので、電界は微粒子40の周囲で距離Dないし2Dの領域まで広がっていると考えられる。この電界が光電変換層36に作用すると、電子を励起することができるため、最終的に光エネルギーを電子のエネルギーに変換することが可能となる。しかも、局所表面プラズモン共鳴により発生する電界強度は入射光に対して数十倍に増強されているので、微粒子40の近傍の非常に薄い領域で光のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換するとが可能となる。
According to the
実施形態1に即して言えば、図14のように微粒子40はλ1=900nmとλ2=1520nmに吸収のピークを有している。また、井戸層42において電子を価電子帯から量子井戸内の準位Eqまで励起するエネルギーE1[eV]と量子準位Eqから伝導帯へ電子を脱出させるエネルギーE3[eV]に相当する換算波長はλa=hc/(E1×1.602×10−19)=943nmとλb=hc/(E3×1.602×10−19)=2042nmである(hはプランク定数、cは光速度)。よって、
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦ λb
を満足している。そのため、波長λ1の光による電界で電子を量子井戸まで励起し、波長λ2の光による電界で電子を量子井戸から脱出させることが可能となる。その結果、局在表面プラズモン共鳴を利用した2回励起によって電子を価電子帯から伝導帯へ高効率で励起することができ、太陽電池31の光電変換効率を向上させることができる。また、共鳴波長λ1とλ2が400nm以上離れているので、広範囲な波長の光を吸収させることができる。さらに、微粒子の材料や寸法などを変えたり、後述のように微粒子の形状や構造、組合せなどを変えたりすることによって共鳴波長を変化させることができるので、光電変換層36のバンド構造に応じた共鳴波長が得られるように微粒子を設計することができる。
Speaking of the first embodiment, as shown in FIG. 14, the
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦ λb
Is satisfied. Therefore, it is possible to excite electrons to the quantum well with an electric field with light of wavelength λ1, and to escape electrons from the quantum well with an electric field with light of wavelength λ2. As a result, electrons can be excited from the valence band to the conduction band by high-efficiency by twice excitation using localized surface plasmon resonance, and the photoelectric conversion efficiency of the
一方、障壁層43での励起エネルギーEg3に相当する波長645nm付近の光は局在表面プラズモンによる吸収係数が小さいため(図14参照)、プラズモン共鳴せずに光電変換層36に到達しやすい。そのため、障壁層43における励起には局在表面プラズモン共鳴による電界をほとんど生かすことはできないが、一般的な多重量子井戸構造と同じように、障壁層43における光吸収によって電子を価電子帯から伝導帯まで励起することができる。
On the other hand, light in the vicinity of a wavelength of 645 nm corresponding to the excitation energy Eg3 in the
なお、微粒子40が密に分布していて微粒子分布の被覆率が30%よりも大きくなると、微粒子40とプラズモン共鳴しない光が微粒子40の分布している面を透過して光電変換層36に入射しにくくなる。反対に、微粒子分布の被覆率が1%よりも小さくなると、微粒子40と相互作用しない光が多くなるためプラズモン共鳴により十分な電界強度が獲られなくなる。特に、微粒子40の被覆率を15%以上25%以下とすれば、プラズモン共鳴により十分な電界強度が得られ、かつプラズモン共鳴しない波長の光を光電変換層36に入射させることが可能となる。従って、微粒子分布の被覆率は1%以上30%以下が好ましく、特に15%以上25%以下とすることが望ましい。実施形態1では、微粒子40の密度を2×108cm−2とし、微粒子40の被覆率を20%程度としているので、最適な範囲内に納まっている。
When the
さらに、障壁層43によって吸収されなかった波長645nm付近の光は、第3の半導体層35に達する。障壁層43で吸収されなかった波長645nm付近の光は、第3の半導体層35でさらに吸収され、第3の半導体層35において光エネルギーから電気エネルギーに変換される。そのため、第3の半導体層35はバンドギャップE4が局在表面プラズモン共鳴する波長のエネルギーと異なっていることが好ましい。さらには、光電変換層36で生成したキャリアをロス無く収集するためには、障壁層43と同程度のバンドギャップを有していることが好ましい。これらの条件を満たせば、第3の半導体層35は障壁層43と異なる材料であってもよい。ただし、実施形態1のように、第3の半導体層35と障壁層43で同じ材料を用いれば、太陽電池31の作製プロセスの簡略化を図ることができる。
Further, light having a wavelength of about 645 nm that has not been absorbed by the
ここで、井戸層42及び障壁層43の幅(厚み)を考えると、以下のような理由により、いずれも10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。井戸層42の幅が大きすぎると、井戸層42内には多くの量子準位が生成する。量子準位が多数ある場合には、障壁層43の伝導帯を流れてきた電子は井戸層42内の量子準位に落ち込みやすくなり、エネルギーを熱としてロスしてしまう。そのため、井戸層42内の準位を考えると、井戸層42の幅は10nm以下が好ましい。また、障壁層43の幅が小さくなると、キャリアが障壁層43をトンネリングして井戸層42から井戸層42へ移動できるようになる。井戸層42内の量子準位Eqへ励起された電子が隣接する井戸層42間をトンネリングして移動できるようになると、電子の移動度が大きくなり、電子が高速で移動すると、正孔と電子が空間的に分離されるために再結合しにくくなり、キャリアの収集効率が高くなる。このような有効なトンネリングを可能にするためには、障壁層43の幅は10nm以下とすることが好ましい。
Here, considering the width (thickness) of the
また、井戸層42と障壁層43を薄くして電子がトンネリングしやすくすると、井戸層42の量子準位Eqどうしの間にミニバンド44が形成される。ミニバンド44が形成されると、電子の遷移確率が高くなり電子を励起しやすくなる。このようなミニバンド44を形成するためには、井戸層42、障壁層43の幅を共に5nm以下にすることが好ましい。
Further, if the
実施形態1では、井戸層42と障壁層43の幅がそれぞれ5nmと小さいため、図14に示すように、量子準位Eqの近傍にミニバンドが生じていて電子がトンネリングしながらミニバンド内を移動できるようになる。このため電子と正孔の再結合を抑制して太陽電池31の効率をより向上させることができる。
In Embodiment 1, since the widths of the
なお、第3の半導体層35は無くても差し支えない。第3の半導体層35を無くす場合には、例えば障壁層43のバンドギャップE3に相当する波長の光と共鳴する微粒子を混合し、障壁層43における光吸収を高くするようにしてもよい。
Note that the
(作製プロセス)
つぎに、図10、図11、図16を参照して、太陽電池31の作製方法を説明する。太陽電池31を作製するには、分子線エピタキシー法(MBE)を用いて以下のように作製すればよい。まず、不純物としてSiを含むn+-GaAs基板32を準備し、当該基板32をアセトンやメタノール等の溶剤を用いて有機洗浄する。基板32の表面を硫酸系エッチング液でエッチングして酸化膜等を除去した後、基板32をMBE装置内に搬入してセットする。ついで、MBE装置内において、成長温度580℃、成長速度1.0μm/h、As4圧2×10−5Torrの減圧下で順次各層を下記の厚さとなるようにエピタキシャル成長させる(図10、図11参照)。
・n-GaAsバッファ層33 1μm
・n-Al0.4Ga0.6As層34 600nm
・第3の半導体層35 200nm
(i-Al0.4Ga0.6As層)
・光電変換層36(井戸層と障壁層を各5層)
井戸層42(i-In0.9Ga0.1As) 5nm
障壁層43(i-Al0.4Ga0.6As) 5nm
・p-Al0.4Ga0.6Asエミッタ層37 50nm
・p+-GaAsコンタクト層38 50nm
なお、n型ドーパントにはSi、p型ドーパントにはBeを用いればよい。
(Production process)
Next, a manufacturing method of the
N-
N-Al 0.4 Ga 0.6 As
(I-Al 0.4 Ga 0.6 As layer)
・ Photoelectric conversion layer 36 (5 layers each of well layer and barrier layer)
Well layer 42 (i-In 0.9 Ga 0.1 As) 5 nm
Barrier layer 43 (i-Al 0.4 Ga 0.6 As) 5 nm
P-Al 0.4 Ga 0.6 As
・ P + -
Si may be used for the n-type dopant and Be for the p-type dopant.
そして、最後にp型p+-GaAsコンタクト層38を一部残してエッチング除去し、p+-GaAsコンタクト層38の上にp型電極39を設け、またn+-GaAs基板32の下面にn型電極41を設ける。ついで、下記のようにして光電変換層36の上面に微粒子40を設ける。
Finally, the p-type p + -
なお、各結晶層を積み上げる方法としては、MBE法に限らず有機金属化学気相成長法(MOCVD)などを用いてもよい。 Note that the method of stacking the crystal layers is not limited to the MBE method, and a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD) or the like may be used.
図16は微粒子40の作製方法を表した概略図である。まず、図16(a)に示すようにシリカによって平均粒径が約340nmのナノ粒子を作製して誘電体コア45とする。ついで、図16(b)に示すように、この誘電体コア45にアミン47で終端したシランカップリング剤を付着させる。こうして処理された誘電体コア45を、HAuCl4液中に入れると、図16(c)に示すように、Auイオン48がアミン47により還元されて誘電体コア45の表面に引き付けられ、図16(d)のように誘電体コア45の表面にAu薄膜(金属シェル46)が成長する。
FIG. 16 is a schematic view showing a method for producing the
この微粒子40を含んだ溶液をスピンコートにより光電変換層36の表面に塗布し、溶媒を乾燥させて除去することにより、図10のように光電変換層36の表面に多数の微粒子40をほぼ均一に付着させることができる。
The solution containing the
(他の材料の組合せ)
なお、上記実施形態では、GaAs基板に対して、障壁層の材料にAlGaAs、井戸層の材料にInGaAsを用いたが、この組合せ以外も可能である。例えば、下記に挙げるような組合せでもよい。なお、各材料の組成比については、バンドギャップや格子歪を考慮して最適に調整すれば特に制限は無い。
(1) 基板材料: GaAs
障壁層材料: GaAs
井戸層材料: InGaAs
この材料の組合せによれば、量子井戸構造におけるバンドギャップを最適化でき、太陽光スペクトルにマッチングできる(この特徴は、上記実施形態1でも当てはまる)。
(2) 基板材料: GaAs
障壁層材料: AlGaAs
井戸層材料: GaAs
この材料の組合せによれば、AlGaAsとGaAsの格子定数がほぼ同じであり、格子歪が無いために結晶性を高くでき、再結合によるロスを小さくできる。
(3) 基板材料: GaAs
障壁層材料: GaAsP
井戸層材料: InGaAs
この材料の組合せによれば、GaAs基板よりも格子定数の小さなGaAsPと格子定数の大きなInGaAsを組み合わせることで歪補償し、転移の発生を抑制できるので、結晶性を高くできる。
(4) 基板材料: InP
障壁層材料: InxGa1−xAs
井戸層材料: InzGa1−zAs (x<z)
この材料の組合せによれば、InP基板よりも格子定数の小さなInxGa1−xAsと格子定数の大きなInzGa1−zAsを組み合わせることで歪補償し、転移の発生を抑制することができるので、結晶性を高くできる。
(5) 基板材料: Si
障壁層材料: SiO2
井戸層材料: Si
(6) 基板材料: Si
障壁層材料: Si3N4
井戸層材料: Si
(7) 基板材料: Si
障壁層材料: SiC
井戸層材料: Si
Si系は材料が豊富にあるので、(5)〜(7)の材料の組合せによれば、原料費を安価にできる。
(Combination of other materials)
In the above embodiment, AlGaAs is used for the material of the barrier layer and InGaAs is used for the material of the well layer for the GaAs substrate, but other combinations are possible. For example, the following combinations may be used. The composition ratio of each material is not particularly limited as long as it is optimally adjusted in consideration of the band gap and lattice strain.
(1) Substrate material: GaAs
Barrier layer material: GaAs
Well layer material: InGaAs
According to this combination of materials, the band gap in the quantum well structure can be optimized and matched to the sunlight spectrum (this feature also applies to the first embodiment).
(2) Substrate material: GaAs
Barrier layer material: AlGaAs
Well layer material: GaAs
According to this combination of materials, the lattice constants of AlGaAs and GaAs are almost the same, and since there is no lattice distortion, the crystallinity can be increased and the loss due to recombination can be reduced.
(3) Substrate material: GaAs
Barrier layer material: GaAsP
Well layer material: InGaAs
According to this combination of materials, distortion can be compensated by combining GaAsP having a lattice constant smaller than that of the GaAs substrate and InGaAs having a large lattice constant, and the occurrence of transition can be suppressed, so that the crystallinity can be increased.
(4) Substrate material: InP
Barrier layer material: In x Ga 1-x As
Well layer material: In z Ga 1-z As (x <z)
According to this combination of materials, distortion is compensated by combining In x Ga 1-x As, which has a smaller lattice constant than InP substrate, and In z Ga 1-z As, which has a larger lattice constant, thereby suppressing the occurrence of transition. Therefore, crystallinity can be increased.
(5) Substrate material: Si
Barrier layer material: SiO 2
Well layer material: Si
(6) Substrate material: Si
Barrier layer material: Si 3 N 4
Well layer material: Si
(7) Substrate material: Si
Barrier layer material: SiC
Well layer material: Si
Since Si-based materials are abundant, according to the combination of materials (5) to (7), the raw material costs can be reduced.
また、図17に実施形態1の変形例を示す。図17の変形例では、エミッタ層を設けず、多重量子井戸構造の光電変換層36の上面に微粒子40を分布させている。光電変換層36の上面に直接微粒子40を設けることで、微粒子40で発生した電界が光電変換層36に到達しやすいので、変換効率を高めることができる。この場合、キャリアの収集効率を高めるためにp型電極39およびコンタクト層38の周期を小さくすることが好ましい。
FIG. 17 shows a modification of the first embodiment. In the modification of FIG. 17, the emitter layer is not provided, and the
ただし、光電変換層36と微粒子40の間に他の半導体層が介在していると否とにかかわらず、微粒子40の近傍に発生する電界が光電変換層36の全体を覆うことが望ましい。すなわち、微粒子40の表面と微粒子40から最も離れた光電変換層36との距離が微粒子40の直径に対して大きすぎると、電界が増強された領域の外に量子井戸が形成されていることになり、光の吸収量が増えない割りに量子井戸による欠陥の影響を受けやすくなる。一方、微粒子40の表面と微粒子40から最も離れた量子井戸層との距離が微粒子40の直径に対して小さすぎると、局在表面プラズモン共鳴によって生じた強い電界のエネルギーを十分に吸収することができなくなる。そのため、微粒子40の分布している面から測って光電変換層36の下面までの距離が、微粒子40の直径の2倍以下(特に、2倍以下で2倍に近い値)となるようにすることが好ましい。
However, it is desirable that an electric field generated in the vicinity of the
このような点を考慮すると、光電変換層36と微粒子40の間に他の半導体層が介在している場合には、電界の及ぶ範囲内に形成できる井戸層42と障壁層43の層数が少なくなるので、微粒子40は光電変換層36の上面に設けることが望ましい。
In consideration of such points, when other semiconductor layers are interposed between the
(第2の実施形態)
実施形態1においては、1種類の微粒子40によって局所表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルに2つのピークを発生させる場合について説明したが、共鳴波長の異なる複数種類の微粒子を混在させることで複数の波長領域でプラズモン共鳴させることも可能である。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the case where two peaks are generated in the absorption spectrum of local surface plasmon resonance by one type of
このような用途に用いることのできる微粒子としては、例えば図18(a)〜(e)に示すような、球状の微粒子40a、ディスク状の微粒子40b、ロッド状の微粒子40c、リング状の微粒子40d、シェル状の微粒子40eなどがある。これらのうち球状の微粒子40a、ディスク状の微粒子40bは短波長側で共鳴させやすく、ロッド状の微粒子40c、リング状の微粒子40d、シェル状の微粒子40eは長波長側で共鳴させやすい。図20は特許文献4に記載されているものであるが、球状の微粒子とロッド状の微粒子との共鳴波長の違いを表している。
Examples of the fine particles that can be used for such applications include spherical
さらに、これらの微粒子の材料やサイズを変えることにより、プラズモン共鳴する波長を調整することができる。また、上記の形状に限るものでなく、立方体状の微粒子、四角柱状の微粒子、三角柱状の微粒子、三角錐状の微粒子、四角錐状の微粒子なども用いることができる。なお、以下において長波長(域)、短波長(域)という用語を用いているが、これは比較する波長との関係によって変わる相対的なものである。 Furthermore, the wavelength of plasmon resonance can be adjusted by changing the material and size of these fine particles. Further, the present invention is not limited to the above shape, and cubic fine particles, quadrangular prism-shaped fine particles, triangular prism-shaped fine particles, triangular pyramid-shaped fine particles, quadrangular pyramid-shaped fine particles, and the like can also be used. In the following, the terms long wavelength (range) and short wavelength (range) are used, but this is a relative one that changes depending on the relationship with the wavelength to be compared.
例えば短波長域で共鳴させるためには、つぎのようなサイズの球状をした金属の微粒子40a(全体が金属であるもの)を用いればよい(図18(a))。
金属球の(平均)直径D1: 10nm以上200nm以下
特に、直径100nmの球状のAu微粒子の場合には、図9のような吸収スペクトルが得られる。
For example, in order to resonate in the short wavelength region,
(Average) diameter D1 of metal sphere: 10 nm or more and 200 nm or less In particular, in the case of spherical Au fine particles having a diameter of 100 nm, an absorption spectrum as shown in FIG. 9 is obtained.
また、短波長域で共鳴させるためには、つぎのようなサイズのディスク状をした金属の微粒子40b(全体が金属であるもの)を用いてもよい(図18(b))。
底面の直径D2: 10nm以上300nm以下
ディスクの厚みH2: 5nm以上で、底面の直径D2の0.5倍以下
(5nm≦H2≦D2/2)
Further, in order to resonate in the short wavelength region, a disk-shaped metal
Bottom diameter D2: 10 nm or more and 300 nm or less Disc thickness H2: 5 nm or more and 0.5 times or less of bottom surface diameter D2
(5nm ≦ H2 ≦ D2 / 2)
例えば長波長域で共鳴させるためには、つぎのようなサイズの円柱や四角柱などのロッド状をした金属の微粒子40c(全体が金属であるもの)を用いればよい(図18(c))。
短手方向の長さD3: 10nm以上100nm以下
長手方向の長さH3: 短手方向の長さD3の2倍以上10倍以下
ここで、短手方向の長さD3とは底面の直径や一辺の長さを指し、長手方向の長さH3とは高さを指している。微粒子40cの短手方向の長さD3が10nmより短い場合には、プラズモン共鳴が起こりにくくなり、微粒子40cの近傍に十分な電界強度を得られなくなる。一方、短手方向の長さD3が100nm以上になると、光が微粒子40cによる回折等で散乱して光の一部が光電変換層36に到達しにくくなる。従って、短手方向の長さは、10nm≦D3≦100nmであることが好ましい。また、微粒子40cの短手方向の長さD3に対する長手方向の長さH3の比が2倍より小さいと、共鳴波長が長波長側へシフトしない。一方、この比が10倍より大きくなると、微粒子40cの作製が困難になる。よって、短手方向の長さD3に対する長手方向の長さH3の比は、2≦(H3/D3)≦10であることが好ましい。
For example, in order to resonate in the long wavelength region, rod-shaped metal
Length in the short direction D3: 10 nm or more and 100 nm or less Longitudinal length H3: 2 to 10 times the length D3 in the short direction Here, the length D3 in the short direction means the bottom diameter or one side The length H3 in the longitudinal direction indicates the height. When the length D3 in the short direction of the
さらに、ロッド状をした金属の微粒子40cの長手方向の長さが短手方向の長さの4倍以上10倍以下とすれば、長波長側で吸収スペクトルの強いピークが得られる。
Furthermore, if the length of the rod-shaped metal
長波長で共鳴させるための別な形態としては、円柱状の誘電体コア51の周囲に金属膜からなるリング部52を環状に形成した微粒子40dを用いてもよい(図18(d))。この微粒子40dを長波長域で共鳴させるためには、そのサイズを
誘電体コア51の直径d4: 40nm以上300nm以下
リング部52の厚さT4: 1nm以上20nm以下
微粒子40dの高さH4: 5nm以上で、外周部直径の0.5倍以下
とすることが望ましい。誘電体コア51の直径が40nmより小さいと、共鳴波長が長波長へシフトしない。一方、300nmより大きくなると、光が微粒子40dで散乱することにより光の一部が光電変換層36に到達しにくくなる。従って、誘電体コア51の直径は、40nm≦d4≦300nmであることが好ましい。また、リング部52の厚さT4が1nmよりも小さい場合には、プラズモン共鳴が起こりにくくなり、微粒子40dの近傍で十分な電界強度が得られなくなる。一方、厚さT4が20nmよりも厚くなると、長波長側での吸収係数が小さくなってしまう。従って、リング部52の厚さは、1nm≦T4≦20nmであることが好ましい。また、微粒子40dの高さH4が、5nmよりも小さい場合には、プラズモン共鳴が起こりにくくなって微粒子40dの近傍に十分な電界強度が得られなくなる。一方、高さH4が微粒子40dの外周部直径(d4+2×T4)の1/2よりも大きくなると、散乱により光の一部が光電変換層36に到達しにくくなる。従って、微粒子40dの高さは、5nm≦H4≦(d4+2×T4)/2であることが好ましい。
As another form for resonating at a long wavelength,
長波長で共鳴させるためのさらに別な形態としては、シェル状の誘電体コア45の周囲に金属薄膜からなる金属シェル46を環状に形成した微粒子40eを用いてもよい(図18(e))。この微粒子40eを長波長域で共鳴させるためには、そのサイズを、
誘電体コア45の直径D5: 40nm以上200nm以下
金属シェル46の膜厚T5: 1nm以上20nm以下
とすることが望ましい。誘電体コア45の直径D5が40nmよりも小さい場合には、共鳴波長が長波長側へシフトしない。一方、直径D5が200nmよりも大きい場合には、複数の波長領域で共鳴する。従って、誘電体コア45の直径は、40nm≦D5≦200nmであることが好ましい。また、金属シェル46の膜厚T5が1nmよりも小さい場合には、微粒子40eでプラズモン共鳴が起こりにくくなり、十分な電界強度が得られなくなる。一方、膜厚T5が20nmよりも大きくなると、光の吸収係数が小さくなってしまう。従って、金属シェル46の膜厚は、1nm≦T5≦20nmであることが好ましい。
As another form for resonating at a long wavelength,
The diameter D5 of the dielectric core 45: 40 nm or more and 200 nm or less The film thickness T5 of the metal shell 46: 1 nm or more and 20 nm or less is desirable. When the diameter D5 of the
なお、図18(a)〜(c)のような誘電体を含まない微粒子40a〜40cの作製方法としては、図19に示すように、光電変換層36の表面に形成した金属膜をパターニングする別方法も可能である。この方法では、光電変換層36の表面にレジスト49を形成し(図19(a))、電子ビーム露光法によってレジスト49をパターニングし(図19(b))、それによって微粒子を形成しようとする位置でレジスト49に微小開口を形成して光電変換層36をレジスト49から露出させる。この後、レジスト49の上から金属を蒸着させてレジスト49及び光電変換層36の上面に金属膜50を堆積させる(図19(c))。ついで、レジスト49を溶剤で溶かしてレジスト49の上の金属膜50をリフトオフすると、光電変換層36の上面に残った金属膜50によって微粒子40が形成される(図19(d))。このような方法によれば、微粒子の形状、サイズ、微粒子40間の距離などを制御することができ、サイズや形状の異なる微粒子40a〜40cなどを混在させることもできる。
In addition, as a manufacturing method of the
(第3の実施形態)
実施形態1においては、1種類の単一サイズの微粒子40によって局所表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルに2つのピークを発生させる場合について説明し、実施形態2に置いては、形状又は構造の異なる微粒子40a〜40e等を組み合わせることで複数の波長領域でプラズモン共鳴させる場合について説明したが、複数の波長域でプラズモン共鳴させる方法はこれら以外にもある。
(Third embodiment)
In the first embodiment, a case where two peaks are generated in the absorption spectrum of local surface plasmon resonance by one kind of
その一つは、図21(a)に示すように、微粒子53どうしを近接配置することによって複数の波長域でプラズモン共鳴させる方法である。金属の微粒子53どうしを接近させると、お互いの電界が相互作用するため、吸収スペクトルに2つのピークが発生するからである。近接させることで吸収スペクトルに2つ以上のピークを持たせるためには、微粒子53のサイズ及び粒子間距離をつぎのようにすることが好ましい。
微粒子53の直径D6: 10nm以上300nm以下
微粒子53間の距離W6: 直径D6の2倍以下
微粒子53の直径D6が10nmよりも小さいと、短波長側の共鳴波長が短すぎ、また300nmよりも大きいと、散乱によって光の一部が光電変換層36に入射しにくくなるからである。また、微粒子53間の距離W6が直径D6の2倍よりも大きくなると、電界のしみ出し距離(ほぼ直径D6に等しい)が重なり合わなくなるために相互作用しにくくなるので、微粒子53間の距離W6は直径D6の2倍以下であることが好ましく、さらには直径D6の1倍以下であることが好ましい。
One of them is a method of causing plasmon resonance in a plurality of wavelength regions by arranging
Diameter D6 of the fine particles 53: 10 nm to 300 nm or less Distance W6 between the fine particles 53: Less than twice the diameter D6 If the diameter D6 of the
別な方法は、図21(b)に示すように、サイズの異なる微粒子54a、54bを混在させる方法である。微粒子のサイズが大きくなるほど局在表面プラズモン共鳴する波長は長波長側へシフトする。よって、目的とする長波長側の共鳴波長が得られるようにサイズの大きな微粒子54aの直径Dlを決め、目的とする短波長側の共鳴波長が得られるようにサイズの小さな微粒子54bの直径Dsを決め、さらに長波長側の共鳴波長において目的とする吸収係数が得られるようにサイズの大きな微粒子54aの個数Nlを決め、短波長側の共鳴波長において目的とする吸収係数が得られるようにサイズの小さな微粒子54bの個数Nsを決めれば、図22に示すような微粒子の分布を設計することができる。そして、その分布に従って調整された微粒子を光電変換層36の表面に散布すれば、目的とする吸収スペクトルを得ることができる。
Another method is a method of mixing
さらに別な方法としては、異なる金属材料を2種類あるいは3種類以上混合して微粒子を作製する方法がある。プラズモン共鳴する波長は金属の誘電率を変えることで変化させることができるので、誘電率の異なる金属を混ぜることにより、複数の共鳴波長を持たせることができる。例えばAgの微粒子よりもAuの微粒子の方が共鳴波長が長波長側にあるので、AgとAuを混合して微粒子を作製すれば、短波長側と長波長側でプラズモン共鳴させることができる。 As another method, there is a method of preparing fine particles by mixing two or more different metal materials. Since the plasmon resonance wavelength can be changed by changing the dielectric constant of the metal, a plurality of resonance wavelengths can be provided by mixing metals having different dielectric constants. For example, since the fine particle of Au has a longer resonance wavelength than the fine particle of Ag, plasmon resonance can be performed on the short wavelength side and the long wavelength side by mixing Ag and Au to produce the fine particle.
さらに別な方法としては、異なる誘電体材料を2種類あるいは3種類以上混合して微粒子を作製する方法がある。微粒子内部の誘電体や周囲媒質の誘電率を高くすると、プラズモン共鳴の共鳴波長は長波長側へシフトするので、誘電率の異なる誘電体材料を混ぜることにより、複数の波長で共鳴させることができる。例えば、2種以上の誘電体材料を混合して球状の誘電体コア45を作製し、その表面を金属シェル46で覆ってシェル型の微粒子としたものである。
As another method, there is a method of producing fine particles by mixing two or more different dielectric materials. When the dielectric constant inside the fine particles and the dielectric constant of the surrounding medium are increased, the resonance wavelength of plasmon resonance shifts to the longer wavelength side, so it is possible to resonate at multiple wavelengths by mixing dielectric materials with different dielectric constants. . For example, two or more kinds of dielectric materials are mixed to produce a
(第4の実施形態)
図23は本発明の実施形態4による太陽電池61を模式的に示す斜視図である。この太陽電池61では、基板62の上方に形成された第3の半導体層63が形成され、第3の半導体層63の上に量子ドット構造の光電変換層64が形成され、光電変換層64の上面の一部に電極68が形成されている。また、光電変換層64の上面の電極68から露出した領域には、微粒子67が分布している。また、光電変換層64では、障壁部65内に離散的に複数の量子ドット66が分布している。量子ドット66は障壁部65よりもエネルギーギャップの小さな半導体材料によって形成されており、光透過方向(垂直方向)には各量子ドット66が整列している。また、基板62の下面には電極69が設けられている。障壁部65は実施形態1の障壁層43に相当するものであり、量子ドット66は実施形態1の井戸層42に相当するものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 23 is a perspective view schematically showing a
実施形態1で井戸層42が層状に設けられていたのに対し、実施形態2では量子ドット66がドット状(離散的な微小領域)に形成されている点を除けば、この太陽電池61も実施形態1と同様な材料により同様に構成される。
While the
そして、受光面側から光が入射すると、複数の共鳴波長の光が微粒子67でプラズモン共鳴して微粒子67の近傍に強い電界を発生させる。そして、量子ドット66では共鳴波長の光が吸収されて価電子帯から量子ドット内の準位へ電子が励起されると共に量子ドット内の準位から伝導帯へと電子が励起される。また、障壁部65では共鳴波長以外の光が吸収されて価電子帯から伝導帯へ電子が励起される。また、光電変換層64を透過した光のうち第3の半導体層63のバンドギャップよりも大きな光が第3の半導体層63で吸収される。しかも、この太陽電池61では、量子ドット構造となっているので、量子ドット66(3次元の量子井戸)内の量子準位がさらに離散化し、障壁部65の伝導帯を流れてきた電子が量子井戸内の量子準位に緩和しにくくなる。
When light is incident from the light receiving surface side, light having a plurality of resonance wavelengths is plasmon-resonated by the
量子ドット66の場合、その量子準位を離散化させるためには、量子ドット66の高さ、奥行き、幅のいずれか一辺が10nm以下であり、残りの2辺の長さが30nm以下であることが望ましい。特に、厚み(高さ)を5nm、奥行きおよび幅を20nmとすれば、量子準位を十分離散化させることができる。
In the case of the
また、量子ドット66どうしは高さ方向に位置が揃っている方が好ましく、高さ方向の量子ドット66間の距離(量子ドット66の表面間の最短距離)は10nm以下であることが好ましい。これによって電子が高さ方向にトンネリングして流れやすくなる。このとき、量子ドット66は水平面内(幅方向、奥行き方向)では揃って並んでいる必要はなく、規則的に配列していてもよく、ランダムに配列していてもよい。また、高さ方向の量子ドット66間の距離を5nm以下とすれば、ミニバンドが形成され、電子の励起確率を高めることが可能になる。
The
(第5の実施形態)
図24は実施形態5による太陽電池71の構造を示す斜視図である。この太陽電池71では、基板72の上方に位置する第3の半導体層73の上面において、格子歪を利用した自己組織化により障壁層75と井戸層76を交互に積層して多重量子井戸構造の光電変換層74を作製している。格子歪を利用した自己組織化で光電変換層74を作製すると、濡れ層77と島状部78ができるが、このような構造であっても量子ドットと同様の作用効果が得られる。このときも、島状部78の高さは10nm以下、島状部78の水平面内での直径(幅と奥行き)は30nm以下であることが望ましい。
(Fifth embodiment)
FIG. 24 is a perspective view showing the structure of the
また、光電変換層74の上面には2波長以上で局在表面プラズモン共鳴する微粒子79が分散しており、光電変換層74の上面の一部には電極80が設けられ、基板72の下面にも電極81が設けられている。
Further,
(第6の実施形態)
微粒子は、光入射方向に対して裏面側に設けてもよい。一般には、サブストレート型の太陽電池では光入射面側に微粒子を配置することが望ましく、スーパーストレート型の太陽電池では裏面側に微粒子を配置することが望ましい。
(Sixth embodiment)
The fine particles may be provided on the back surface side with respect to the light incident direction. In general, it is desirable to arrange fine particles on the light incident surface side in a substrate type solar cell, and it is desirable to arrange fine particles on the back side in a super straight type solar cell.
図25に示す実施形態6の太陽電池91では、透明基板92の裏面に透明電極93を設けてあり、透明電極93の裏面に第3の半導体層94を形成している。さらに、透明電極93の裏面には、障壁層と井戸層からなる多重量子井戸構造の光電変換層95を積層している。光電変換層95には、実施形態1と同様に、GaAs系などの2元または3元のIII-V族化合物半導体を用いることができるが、それ以外の材料を用いてもよい。例えば、結晶系として単結晶Siや多結晶Siのほか、a-SiやCIS、CIGS、CdTeなどの薄膜系を用いてもよい。
In the
光電変換層95の裏面には、複数の共鳴波長を有する微粒子97を含む誘電体96が塗布されており、また電極98が設けられている。微粒子97を含む誘電体96は、光電変換層95の成膜工程に影響を与えないために、光電変換層95の成膜後に塗布することが望ましい。
On the back surface of the
裏面に微粒子97を配置した構造では、透明基板92側から光が入射すると、第3の半導体層94で光が吸収され、第3の半導体層94及び光電変換層95を透過した光によって微粒子97が局在表面プラズモン共鳴する。そして、微粒子97の近傍に発生した強い電界によって光電変換層95の電子が励起され、光電変換層95で共鳴波長の光が吸収される。
In the structure in which the
なお、上記各実施形態においては、太陽電池において本発明を適用した場合について説明したが、本発明は光電センサなどにも適用することができる。また、色素増感型の太陽電池や有機太陽電池にも適用することができる。 In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a solar cell has been described. However, the present invention can also be applied to a photoelectric sensor or the like. The present invention can also be applied to dye-sensitized solar cells and organic solar cells.
31、61、71 太陽電池
32、62 基板
35、63 第3の半導体層
36、64 光電変換層
39 p型電極
40、40a、40b、40c、40d、40e 微粒子
41 n型電極
42 井戸層
43 障壁層
45 誘電体コア
46 金属シェル
51 誘電体コア
52 リング部
53、54a、54b、67、69 微粒子
65 障壁部
66 量子ドット
31, 61, 71
Claims (21)
少なくとも2つの波長帯域で局在表面プラズモン共鳴する微粒子を有することを特徴とする光電デバイス。 In a photoelectric device having a photoelectric conversion layer having a multiple quantum well structure in which a plurality of barrier layers made of a first semiconductor and well layers made of a second semiconductor having a smaller band gap than the first semiconductor are alternately stacked. ,
A photoelectric device comprising fine particles that perform localized surface plasmon resonance in at least two wavelength bands.
少なくとも2つの波長帯域で局在表面プラズモン共鳴する微粒子を有することを特徴とする光電デバイス。 In a photoelectric device having a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure in which at least one quantum dot made of a second semiconductor having a smaller band gap than the first semiconductor is included in the barrier portion made of the first semiconductor.
A photoelectric device comprising fine particles that perform localized surface plasmon resonance in at least two wavelength bands.
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦λb
であることを特徴とする、請求項1または2に記載の光電デバイス。 The wavelength corresponding to the energy that excites electrons from the valence band to the level in the quantum well and the wavelength that corresponds to the energy that escapes electrons from the level in the quantum well to the conduction band are set to λa and λb in order from the short side, When the two resonance wavelengths of localized surface plasmon resonance generated in the fine particles are λ1 and λ2 in order from the short side,
λ1 ≦ λa ≦ λ2 ≦ λb
The photoelectric device according to claim 1, wherein the photoelectric device is a device.
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