JP2011066210A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】光を照射することによって生成されたキャリアを量子ドットから効率良く移動させることが可能な太陽電池を提供する。
【解決手段】量子ドット、該量子ドットと接触したマトリクス層、並びに、正電極及び負電極を有し、マトリクス層と負電極とがホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して接続されるとともに、マトリクス層と正電極とが電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して接続され、量子ドットに存在し得る電子のエネルギー準位と一致する電子移動準位、及び／又は、量子ドットに存在し得るホールのエネルギー準位と一致するホール移動準位が、マトリクス層に形成されている、太陽電池とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池に関し、特に量子ドットを利用した太陽電池に関する。

太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。

これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子ドットを利用した太陽電池（以下において、「量子ドット太陽電池」という。）がある。量子ドット太陽電池で用いられる量子ドットは、寸法が約１０ｎｍ程度の半導体ナノ結晶であり、光を照射することにより発生した電子やホール（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を三次元的に閉じ込めることができる。量子ドットに電子を閉じ込めることにより、電子の量子力学的な波としての性質を使えるようになり、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になる。さらに、量子ドット太陽電池によれば、熱として失われるエネルギーを低減することが可能になる。そのため、量子ドット太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることが可能になると考えられている。

量子ドット太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩを成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、量子ドットを使用する太陽電池が開示されている。また、特許文献３には、量子ドットを有する人工アモルファス材料を用いた人工アモルファス材料光電池セルが開示されている。

特開２００６−１１４８１５号公報 特開２００６−３３２５４０号公報 特表２００７−５３５８０６号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、量子ドットを利用しているため、キャリアを三次元的に強力に閉じ込めることができる。その結果、キャリアのエネルギー損失を低減することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、量子ドットからキャリアを取り出す（移動させる）ことが困難であるため、太陽電池の効率を向上させることが困難であるという問題があった。かかる問題は、特許文献２や特許文献３に開示されている技術と、特許文献１に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。

そこで本発明は、光を照射することによって生成されたキャリアを量子ドットから効率良く移動させることが可能な太陽電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、量子ドット、該量子ドットと接触したマトリクス層、並びに、正電極及び負電極を有し、マトリクス層と負電極とが、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して接続されるとともに、マトリクス層と正電極とが、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して接続され、量子ドットに存在し得る電子のエネルギー準位と一致する電子移動準位、及び／又は、量子ドットに存在し得るホールのエネルギー準位と一致するホール移動準位が、マトリクス層に形成されていることを特徴とする、太陽電池である。

ここに、「電子移動準位及び／又はホール移動準位がマトリクス層に形成されている」とは、マトリクス層の作製方法や量子ドットの作製方法を制御することによって、量子ドットに存在し得る電子及び／又はホールのエネルギー準位と一致するエネルギー準位が、マトリクス層に形成されていることをいう。さらに、「マトリクス層に形成されている」とは、マトリクス層自体に形成されている形態のほか、マトリクス層に形成した量子ドットに形成されている形態をも含む概念である。

また、上記本発明において、少なくとも電子移動準位がマトリクス層に形成されていることが好ましい。

また、上記本発明において、マトリクス層に結晶構造の欠陥を形成することにより、電子移動準位及び／又はホール移動準位が形成されていても良い。

また、上記本発明において、さらに、上記量子ドットよりも小さい小粒量子ドットをマトリクス層へ形成することにより、電子移動準位及び／又はホール移動準位が形成されていても良い。

また、上記本発明において、電子移動層が、ｎドープされた半導体によって作製されていても良い。

ここに、本発明において、「ｎドープ」とは、半導体中に余剰の電子を発生させる処理をいう。すなわち、本発明におけるｎドープには、例えばＧａＮをｎ型半導体にする元素を添加する形態のように、余剰の電子を発生させ得る元素を半導体材料に添加する形態が含まれる。このほか、例えばＧａＮによって構成されるマトリクス層にＩｎＮによって構成される量子ドットを形成する形態のように、半導体に量子ドットを形成することによって量子ドットを形成された半導体中に余剰の電子を発生させる形態も含まれる。

また、上記本発明において、ホール移動層が、ｐドープされた半導体によって作製されていても良い。

ここに、本発明において、「ｐドープ」とは、半導体中に余剰のホールを発生させる処理をいう。すなわち、本発明におけるｐドープには、例えばＧａＮをｐ型半導体にする元素を添加する形態のように、余剰のホールを発生させ得る元素を半導体材料に添加する形態が含まれる。このほか、例えばＧａＮによって構成されるマトリクス層に少量のＭｇを添加する形態のように、発生させたホールの量が不十分である結果、半導体がｐ型にはならないものの、移動してきた電子を吸収する機能を担う余剰のホールを半導体中に発生させる形態も含まれる。

また、上記本発明において、電子移動準位のみがマトリクス層に形成される場合には、マトリクス層がｐドープされた半導体によって作製されていることが好ましい。

また、上記本発明において、電子移動準位のみがマトリクス層に形成される場合には、量子ドットがｎドープされた半導体によって作製されていることが好ましい。

また、上記本発明において、ホール移動準位のみがマトリクス層に形成される場合には、マトリクス層がｎドープされた半導体によって作製されていることが好ましい。

また、上記本発明において、ホール移動準位のみがマトリクス層に形成される場合には、量子ドットがｐドープされた半導体によって作製されていることが好ましい。

本発明では、マトリクス層に、電子移動準位及び／又はホール移動準位が形成されている。そのため、量子ドットに閉じ込められたキャリアを、マトリクス層へ効率良く移動させることができる。したがって、本発明によれば、光を照射することによって生成されたキャリアを量子ドットから効率良く移動させることが可能な太陽電池を提供することができる。

また、本発明において、少なくとも電子移動準位がマトリクス層に形成されていることにより、容易に光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池を提供することができる。

また、本発明において、マトリクス層に結晶構造の欠陥を形成し、当該欠陥のエネルギー準位を電子移動準位及び／又はホール移動準位として機能させることにより、量子ドットに存在するキャリアを、量子ドットからマトリクス層へ移動させることができる。

また、本発明において、小粒量子ドットを形成し、当該小粒量子ドットに存在するエネルギー準位を電子移動準位又はホール移動準位として機能させることにより、量子ドットに存在するキャリアを、量子ドットからマトリクス層へ移動させることが可能になる。

また、本発明において、ｎドープされた半導体によって電子移動層を作製することにより、上記効果に加えて、ホールが負電極へと達する事態を容易に防止することができる。

また、本発明において、ｐドープされた半導体によってホール移動層を作製することにより、上記効果に加えて、電子が正電極へと達する事態を容易に防止することができる。

また、本発明において、電子移動準位のみがマトリクス層に形成される場合に、ｐドープされた半導体でマトリクス層を作製することにより、電子のみならずホールも、量子ドットからマトリクス層へと移動しやすい形態の太陽電池を提供することが可能になる。

また、本発明において、電子移動準位のみがマトリクス層に形成される場合に、ｎドープされた半導体で量子ドットを作製することにより、電子のみならずホールも、量子ドットからマトリクス層へと移動しやすい形態の太陽電池を提供することが可能になる。

また、本発明において、ホール移動準位のみがマトリクス層に形成される場合に、ｎドープされた半導体でマトリクス層を作製することにより、ホールのみならず電子も、量子ドットからマトリクス層へと移動しやすい形態の太陽電池を提供することが可能になる。

また、本発明において、ホール移動準位のみがマトリクス層に形成される場合に、ｐドープされた半導体で量子ドットを作製することにより、ホールのみならず電子も、量子ドットからマトリクス層へと移動しやすい形態の太陽電池を提供することが可能になる。

太陽電池１０の形態例を示す図である。 太陽電池１０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。 太陽電池２０の形態例を示す断面図である。 太陽電池２０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。 太陽電池３０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。 太陽電池４０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。 太陽電池５０の形態例を示す図である。

量子ドット太陽電池は、光を照射することにより発生したキャリアを量子ドットへと閉じ込める。これによって、吸収可能な太陽光スペクトルの帯域を増大させることが可能になるため、量子ドット太陽電池では、キャリアを量子ドットへ閉じ込める必要がある。一方、キャリアが量子ドットに閉じ込められたまま保持され、量子ドットから電極へと移動できない状態になると、電流を取り出すことができず、結果として、太陽電池の効率を向上させることが困難になる。そのため、量子ドット太陽電池の効率を向上させるためには、キャリアを量子ドットへ閉じ込める効果を最大限に維持しつつ、量子ドットからキャリアを移動させることも可能にする必要がある。

本発明者は、鋭意研究の結果、電子が移動する準位（電子移動準位）やホールが移動する準位（ホール移動準位）を、量子ドットが形成されるマトリクス層へ形成することにより、キャリアを量子ドットへ閉じ込めることにより得られる効果を最大限に維持しつつ、量子ドットからキャリアを移動させることも可能になることを知見した。さらに、本発明者は、マトリクス層と負電極とを電子移動層を介して接続し、マトリクス層と正電極とをホール移動層を介して接続することにより、マトリクス層へと移動させた電子のみを負電極へと移動させ、マトリクス層へと移動させたホールのみを正電極へと移動させることが可能になり、電流を取り出すことが可能になることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、電子移動準位及び／又はホール移動準位をマトリクス層へ形成することにより、量子ドットからマトリクス層へ、キャリアを効率良く移動させることが可能な太陽電池を提供することを、主な要旨とする。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す図である。図１において、「●」は電子、「○」はホールを示している。図１では、太陽電池１０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図１では、一部符号の記載を省略している。図１に示すように、太陽電池１０は、複数の量子ドット１１、１１、…が形成されたマトリクス層１２と、負電極１３及び正電極１４と、を有し、マトリクス層１２と負電極１３との間には、ホールの通過を阻止する電子移動層１５が配置され、マトリクス層１２と正電極１４との間には、電子の通過を阻止するホール移動層１６が配置されている。

太陽電池１０において、マトリクス層１２は、当該マトリクス層１２に存在する結晶構造欠陥や不純物の一部のエネルギー準位が、量子ドット１１、１１、…に存在可能な電子のエネルギー準位と等しく、電子移動準位として機能する。加えて、マトリクス層１２は、当該マトリクス層１２に存在する結晶構造欠陥や不純物の他の一部のエネルギー準位が、量子ドット１１、１１、…に存在可能なホールのエネルギー準位と等しく、ホール移動準位として機能する。さらに、太陽電池１０においてｎ層として機能する電子移動層１５は、ホール移動準位を有しない。そのため、量子ドット１１、１１、…及びマトリクス層１２を移動可能なホールは、電子移動層１５を通過できない。太陽電池１０において、電子移動層１５に存在する刃状転位のエネルギー準位は、量子ドット１１、１１、…及びマトリクス層１２を移動可能な電子のエネルギー準位と等しく、当該刃状転位のエネルギー準位が電子移動準位として機能する。これに対し、太陽電池１０においてｐ層として機能するホール移動層１６は、電子移動準位を有しない。そのため、量子ドット１１、１１、…及びマトリクス層１２を移動可能な電子は、ホール移動層１６を通過できない。太陽電池１０において、ホール移動層１６に存在する刃状転位のエネルギー準位は、量子ドット１１、１１、…及びマトリクス層１２を移動可能なホールのエネルギー準位と等しく、当該刃状転位のエネルギー準位がホール移動準位として機能する。かかる形態とすることにより、太陽電池１０によれば、量子ドット１１、１１、…で発生、又は、量子ドット１１、１１、…へと移動したキャリア（電子及びホール）を、マトリクス層１２へと移動させることができる。そして、マトリクス層１２へと移動させたキャリアのうち、電子のみを負電極１３へと移動させ、ホールのみを正電極１４へと移動させることができる。したがって、太陽電池１０によれば、光を照射することによって生成されたキャリアを量子ドット１１、１１、…から効率良く移動させることができる。

図２は、太陽電池１０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。図２の上下は電子のエネルギーの高低とそれぞれ対応しており、図２の左右は、太陽電池１０の各構成要素の厚さと対応している。また、図２の「●」は電子、「○」はホールを示している。

図２に示すように、マトリクス層１２を構成する半導体の伝導帯の底のエネルギー準位は、量子ドット１１、１１、…を構成する半導体の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高い。さらに、マトリクス層１２を構成する半導体の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、量子ドット１１、１１、…を構成する半導体の価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。図２に示すように、マトリクス層１２及び電子移動層１５は電子移動準位Ｘ１を有し、マトリクス層１２及びホール移動層１６はホール移動準位Ｙ１を有する。そのため、太陽電池１０によれば、量子ドット１１、１１、…で発生、又は、量子ドット１１、１１、…へと移動した電子を、マトリクス層１２及び電子移動層１５を介して負電極１３へと移動させることができる。加えて、太陽電池１０によれば、量子ドット１１、１１、…で発生、又は、量子ドット１１、１１、…へと移動したホールを、マトリクス層１２及びホール移動層１６を介して正電極１４へと移動させることができる。

太陽電池１０において、量子ドット１１、１１、…は、例えば、ＩｎＮで構成することができる。また、マトリクス層１２は、例えば、刃状転位を多く（１０^１１ｃｍ^−２以上が好ましい）含み、且つ、Ｇａ空孔を含むＧａＮで構成することができる。また、負電極１３は、例えば、金、又は、金チタン合金で構成することができる。また、正電極１４は、例えば、金ニッケル合金で構成することができる。また、電子移動層１５は、例えば、刃状転位を多く（１０^１１ｃｍ^−２以上が好ましい）含むＧａＮで構成することができる。また、ホール移動層１６は、例えば、転位が少なく（１０^８ｃｍ^−２以下が好ましい）、Ｇａ空孔を含むＧａＮで構成することができる。ここに、「Ｇａ空孔」は、価電子帯の頂上から約１ｅＶ上に準位を形成することが知られている（Chris G. Van de Walle and J. Neugebauer, J. Appl. Phys. 95, 3851 (2004)）。Ｇａ空孔は、結晶生長時にＧａ及びＮを少なくして結晶生長を行うことにより、作製することができる。

太陽電池１０において、電子移動準位Ｘ１は、量子ドット１１、１１、…の伝導帯の底のエネルギー準位以上であれば特に限定されるものではない。ただし、いわゆるインパクトイオン化が生じ難い材料によって太陽電池１０を構成した場合には、量子ドット１１、１１、…に存在し得る電子の複数のエネルギー準位の平均値を、電子移動準位Ｘ１とすることが好ましい。これに対し、いわゆるインパクトイオン化が生じ易い材料によって太陽電池１０を構成した場合には、量子ドット１１、１１、…に存在し得る電子の複数のエネルギー準位の平均値よりも低いエネルギー準位を、電子移動準位Ｘ１とすることが好ましい。

また、太陽電池１０において、ホール移動準位Ｙ１は、量子ドット１１、１１、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位以下であれば特に限定されるものではない。ただし、いわゆるインパクトイオン化が生じ難い材料によって太陽電池１０を構成した場合には、量子ドット１１、１１、…に存在し得るホールの複数のエネルギー準位の平均値を、ホール移動準位Ｙ１とすることが好ましい。これに対し、いわゆるインパクトイオン化が生じ易い材料によって太陽電池１０を構成した場合には、量子ドット１１、１１、…に存在し得るホールの複数のエネルギー準位の平均値よりも低いエネルギー準位を、ホール移動準位Ｙ１とすることが好ましい。

２．第２実施形態
図３は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図３では、太陽電池２０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図３では、一部符号の記載を省略している。図３に示すように、太陽電池２０は、下地層２９の表面に形成されたホール移動層２６と、ホール移動層２６の表面に形成された量子ドット２１、２１、…と、ホール移動層２６及び量子ドット２１、２１、…の表面に形成されたマトリクス層２２、２２、…と、マトリクス層２２の表面に形成された電子移動層２５と、電子移動層２５の表面に配置された透明電極２７と、透明電極２７の表面に配置された負電極２３と、電子移動層２５からホール移動層２６の向きへ形成された凹部２８にホール移動層２６と接触するように配置された正電極２４と、を有し、下地層２９はサファイア等によって構成した基板２９ｓの表面に形成されている。図３に示すように、マトリクス層２２、２２、…及び電子移動層２５には、多数の刃状転位が形成されており、当該刃状転位のエネルギー準位が電子移動準位として機能している。太陽電池２０において、下地層２９は、結晶構造欠陥の少ないホール移動層２６を形成させるために基板２９ｓの表面に形成した、ＧａＮによって構成される層である。ホール移動層２６は、ｐ型半導体となるように強くｐドープされたＡｌＧａＮ又はＧａＮによって構成され、量子ドット２１、２１、…は、ＩｎＮによって構成されている。さらに、マトリクス層２２、２２、…はｐドープしたＧａＮによって構成され、電子移動層２５はＡｌＧａＮ又はＧａＮのｎ型層によって構成されている。そして、透明電極２７は金、又は、金チタン合金によって構成され、負電極２３は金によって構成され、正電極２４は金ニッケル合金によって構成されている。なお、ここで言う「強くｐドープされた」とは、ホールのキャリア密度が１０^１６ｃｍ^−３以上であることを言う。

図４は、太陽電池２０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。図４の上下は電子のエネルギーの高低とそれぞれ対応しており、図４の左右は、太陽電池２０の各構成要素の厚さと対応している。図４では、一部符号の記載を省略している。図４において、「●」は電子、「○」はホールを示している。

図４に示すように、太陽電池２０では、マトリクス層２２及び電子移動層２５に形成した刃状転位のエネルギー準位を電子移動準位Ｘ２として機能させている。かかる形態とすることにより、太陽電池２０によれば、量子ドット２１、２１、…に存在する電子を、マトリクス層２２へと移動させることができ、さらに、電子移動層２５を介して負電極２３へと移動させることができる。加えて、上述のように、マトリクス層２２は、ｐドープしたＧａＮによって構成されている。そのため、マトリクス層２２には、多数のホールが存在している。

図４に示すように、マトリクス層２２を構成するＧａＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位は、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。そのため、マトリクス層２２に存在するホールは、量子ドット２１、２１、…へと移動することができる。このようにしてホールが量子ドット２１、２１、…へと移動すると、量子ドット２１、２１、…は正に帯電する。量子ドット２１、２１、…が正に帯電すると、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮのバンドが下に凸の形態で曲がり、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位と、マトリクス層２２を構成するＧａＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位との段差（以下において、「価電子帯頂上の段差」という。）が小さくなる（図４参照）。価電子帯頂上の段差が小さくなると、量子ドット２１、２１、…へと移動したホールが、マトリクス層２２へと移動できるようになるので、太陽電池２０によれば、量子ドット２１、２１、…に存在するホールを、マトリクス層２２へと移動させることができる。

さらに、図４に示すように、電子移動層２５は、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮよりもバンドギャップが広いＡｌＧａＮ又はＧａＮのｎ型層によって構成されている。電子移動層２５を構成する当該材料の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。そのため、電子移動層２５によれば、負電極２３へと向かうホールの移動を阻止することができる。太陽電池２０において、ＡｌＧａＮ又はＧａＮのｎ型層（特に、転位密度が１×１０^９ｃｍ^−２以上、好ましくは１×１０^１１ｃｍ^−２以上の刃状転位を含み、且つ、弱くｎドープした層、又は、ドープしていない層）によって電子移動層２５を構成すると、さらに、次のような効果が期待できる。すなわち、電子が電子移動層２５の刃状転位による欠陥準位（電子移動準位）に落ち込み、刃状転位が十分な密度を有していることにより、欠陥準位に存在する電子が十分に高い密度になる。そうすると、透明電極２７のフェルミ準位と電子移動層２５の欠陥準位とが連続的に繋がり、その結果として、電子移動層２５と透明電極２７との接続を安定化させることが可能になる。したがって、太陽電池２０の電子移動層２５は、転位密度が１×１０^９ｃｍ^−２以上、好ましくは１×１０^１１ｃｍ^−２以上の刃状転位を含み、且つ、弱くｎドープされた、若しくは、ドープされていない、ＡｌＧａＮ又はＧａＮのｎ型層によって、構成することが好ましい。

一方、図４に示すように、ホール移動層２６は、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮよりもバンドギャップが広い、ＡｌＧａＮ又はＧａＮによって構成されている。太陽電池２０において、ホール移動層２６を構成するＡｌＧａＮ又はＧａＮの伝導帯の底のエネルギー準位は、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮの伝導帯の底のエネルギー準位よりも高い。そのため、ホール移動層２６によれば、正電極２４へと向かう電子の移動を阻止することができる。加えて、太陽電池２０において、ホール移動層２６は、ｐ型半導体となるように強くｐドープされたＡｌＧａＮ又はＧａＮによって構成されている。そのため、ホール移動層２６を構成するＡｌＧａＮ又はＧａＮのバンドは、上に凸の形態で曲がっている。かかる形態とすることにより、ｐドープをする前のＡｌＧａＮ又はＧａＮに、電子移動準位が存在していたとしても、強くｐドープをすることにより、電子移動準位も上に凸の形態で曲げることができる（図４のホール移動層２６に記載された点線を参照。）。そのため、太陽電池２０では、強くｐドープされたＡｌＧａＮ又はＧａＮによってホール移動層２６を構成することにより、正電極２４へと向かう電子の移動を容易に阻止可能な構成としている。他方、図４に示すように、ホール移動層２６は強くｐドープされたＡｌＧａＮ又はＧａＮによって構成されているので、ホール移動層２６を構成するＡｌＧａＮ又はＧａＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位は、上に凸の形態で曲がっている。かかる形態とすることにより、ホール移動層２６とマトリクス層２２との界面に存在するエネルギー障壁２６ａ、及び、ホール移動層２６と正電極２４との界面に存在するエネルギー障壁２６ｂの厚さを薄くすることができる。そのため、トンネル効果によるホールの移動が容易になり、マトリクス層２２から正電極２４へと向かうホールの移動を確保することができる。

太陽電池２０を上記のように構成することにより、マトリクス層２２を構成するｐドープされたＧａＮの価電子帯の頂上から約２ｅＶ上に、電子移動準位Ｘ２を形成することができる。なお、太陽電池２０において、マトリクス層２２及びホール移動層２６のｐドープは、Ｍｇをドープすることで実現することができる。さらに、ホール移動層２６の電子移動準位を予め除去する等の観点から、ホール移動層２６には、ホール移動層２６を構成するＡｌＧａＮ又はＧａＮとの質量比で１％〜３％程度のＭｇをドープすることにより、結構構造の欠陥を取り除くことが好ましい。

太陽電池２０において、凹部２８の形成方法は特に限定されるものではなく、公知の方法により形成することができる。凹部２８は、例えば、エッチングによって形成することができる。また、図３及び図４では記載を省略しているが、図３に示される凹部２８の露出した表面は、ＳｉＯ_２等の膜によって保護される。

太陽電池２０に関する上記説明では、ｐドープされた半導体によってマトリクス層２２を構成し、価電子帯頂上の段差を小さくすることによってホールの移動を確保する形態を例示したが、本発明の太陽電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池では、量子ドットをｎドープすることによって、量子ドットを構成する半導体のバンドを下に凸の形態で湾曲させることも可能である。かかる形態であっても、価電子帯頂上の段差を小さくすることが可能になるので、ホールを量子ドットからマトリクス層へと移動させることが可能になる。このほか、いわゆるタイプＩＩの量子ドットを形成する等、量子ドットを構成する半導体と、マトリクス層を構成する半導体との材料の組合せを適切に行うことにより、ホールが量子ドットに閉じ込められない形態とすることも可能である。

３．第３実施形態
図５は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。太陽電池３０は、太陽電池２０における電子移動層２５に代えて、ｎドープされたＩｎＧａＮによって構成される電子移動層３１を配置し、さらに、太陽電池２０におけるホール移動層２６に代えて、ｐドープされたＧａＮによって構成されるホール移動層３２を配置するほかは、太陽電池２０と同様の構成を有している。したがって、太陽電池３０に関しては、電子移動層３１及びホール移動層３２についてのみ説明し、その他の説明を省略する。図５は図４と対応する図である。図５の上下は電子のエネルギーの高低とそれぞれ対応しており、図５の左右は、太陽電池３０の各構成要素の厚さと対応している。図５では、一部符号の記載を省略しており、「●」は電子、「○」はホールを示している。

図５に示すように、太陽電池３０では、マトリクス層２２と透明電極２７（以下において、「透明負電極２７」ということがある。）との間に、電子移動層３１が配置されている。図５に示すように、電子移動層３１を構成する、ｎドープされたＩｎＧａＮのバンドギャップは、マトリクス層２２を構成するｐドープしたＧａＮのバンドギャップよりも小さく、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮのバンドギャップよりも大きい。さらに、電子移動層３１を構成する、ｎドープされたＩｎＧａＮの伝導帯の底のエネルギー準位は、電子移動準位Ｘ２と一致している。かかる形態とすることにより、太陽電池２０によって得られる効果に加え、さらに、透明負電極２７との電気的接続を容易に得ることが可能になる。

さらに、図５に示すように、太陽電池３０では、マトリクス層２２と正電極２４との間に、ホール移動層３２が配置されている。図５に示すように、ホール移動層３２を構成する、ｐドープされたＧａＮのバンドギャップは、マトリクス層２２を構成するＧａＮのバンドギャップと同一であり、量子ドット２１、２１、…を構成するＩｎＮのバンドギャップよりも大きい。さらに、ホール移動層３２を構成する、ｐドープされたＧａＮの伝導帯の底のエネルギー準位は、強いｐドープによって上に凸の形態で曲がっており、マトリクス層２２を構成するＧａＮの伝導帯の底のエネルギー準位よりも高く、ホール移動層３２には電子移動準位が存在しない。加えて、ホール移動層３２を構成する、ｐドープされたＧａＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位は、マトリクス層２２を構成するＧａＮの価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも高い。かかる形態とすることにより、太陽電池２０によって得られる効果に加え、さらに、正電極２４との電気的接続を容易に得ることが可能になる。

４．第４実施形態
図６は、第４実施形態にかかる本発明の太陽電池４０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。太陽電池４０は、太陽電池２０における電子移動層２５に代えて、ｎドープされた薄いＧａＮによって構成される電子移動層４１を配置するほかは、太陽電池２０と同様の構成を有している。したがって、太陽電池４０に関しては、電子移動層４１についてのみ説明し、その他の説明を省略する。図６は図４及び図５と対応する図である。図６の上下は電子のエネルギーの高低とそれぞれ対応しており、図６の左右は、太陽電池４０の各構成要素の厚さと対応している。図６では、一部符号及び透明電極２７の記載を省略しており、「●」は電子、「○」はホールを示している。

図６に示すように、太陽電池４０では、マトリクス層２２と負電極２３との間に、電子移動層４１が配置されている。かかる形態とすることによっても、太陽電池３０の場合と同様に、負電極２３との電気的接続を容易に得ることが可能になる。さらに、電子移動層４１はｎドープされたＧａＮによって構成されるので、容易に製造することができる。電子移動層４１の厚さは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。かかる厚さとすることにより、マトリクス層２２を通過した電子は、トンネル効果によって電子移動層４１を飛び越え、負電極２３へと達することが可能になる。

太陽電池２０、３０、４０に関する上記説明では、マトリクス層２２に電子移動準位のみが形成される形態を例示したが、本発明の太陽電池は、マトリクス層にホール移動準位のみを形成する形態とすることも可能である。かかる形態とする場合、量子ドットで発生又は量子ドットへと移動してきた電子をマトリクス層へと移動させやすい形態の太陽電池にする等の観点から、マトリクス層の伝導帯の底のエネルギー準位と量子ドットの伝導帯の底のエネルギー準位との段差（以下において、「伝導帯底の段差」という。）を小さくすることが好ましい。本発明の太陽電池では、ｎドープされた半導体材料によってマトリクス層を作製する、及び／又は、ｐドープされた半導体材料によって量子ドットを作製することによって、伝導帯底の段差を小さくすることができる。

５．第５実施形態
図７は、第５実施形態にかかる本発明の太陽電池５０の形態例を示す図である。図７において、「●」は電子、「○」はホールを示している。図５に示すように、太陽電池５０は、量子ドット５１、５１、…（以下において、「大粒量子ドット５１、５１、…」ということがある。）及び小粒量子ドット５２、５２、…が形成されたマトリクス層５３と、負電極５４及び正電極５５と、を有し、マトリクス層５３と負電極５４との間には、ホールの通過を阻止する電子移動層５６が配置され、マトリクス層５３と正電極５５との間には、電子の通過を阻止するホール移動層５７が配置されている。

太陽電池５０において、マトリクス層５３には、大粒量子ドット５１、５１、…及び小粒量子ドット５２、５２、…が分散されている。太陽電池５０において、大粒量子ドット５１、５１、…の大きさは数ｎｍ〜数十ｎｍ程度であり、小粒量子ドット５２、５２、…の大きさは１ｎｍ〜３ｎｍ程度である。かかる構成とすることにより、マトリクス層５３を構成する半導体材料の伝導帯の底のエネルギー準位と大粒量子ドット５１、５１、…を構成する半導体材料の伝導帯の底のエネルギー準位との間に、電子を存在させ得るエネルギー準位（電子移動準位）が形成された、小粒量子ドット５２、５２、…をマトリクス層５３に形成することができる。また、かかる形態とすることにより、マトリクス層５３を構成する半導体材料の価電子帯の頂上のエネルギー準位と大粒量子ドット５１、５１、…を構成する半導体材料の価電子帯の頂上のエネルギー準位との間に、ホールを存在させ得るエネルギー準位（ホール移動準位）が形成された、小粒量子ドット５２、５２、…を形成することができる。そして、大粒量子ドット５１、５１、…と小粒量子ドット５２、５２、…との間隔が、５ｎｍ〜４０ｎｍ程度となるように、大粒量子ドット５１、５１、…及び小粒量子ドット５２、５２、…を分散させることにより、大粒量子ドット５１、５１、…に閉じ込められたキャリア（電子及びホール）は、トンネル現象によって、小粒量子ドット５２、５２、…へと移動することができる。同様に、小粒量子ドット５２、５２、…へと移動したキャリアも、トンネル現象によって、大粒量子ドット５１、５１、…へと移動することができる。そのため、太陽電池５０によれば、大粒量子ドット５１、５１、…に閉じ込めた電子を、マトリクス層５３に形成した小粒量子ドット５２、５２、…へと移動させる過程を経て、負電極５４へと移動させることができ、大粒量子ドット５２、５２、…に閉じ込めたホールを、マトリクス層５３に形成した小粒量子ドット５２、５２、…へと移動させる過程を経て、正電極５５へと移動させることができる。したがって、かかる形態とすることにより、光を照射することによって生成されたキャリアを量子ドットから効率良く移動させることが可能な太陽電池５０を提供することができる。

このような太陽電池５０は、例えば、大粒量子ドット５１、５１、…及び小粒量子ドット５２、５２、…をＩｎＮで構成し、マトリクス層５３をＧａＮで構成し、負電極５４を金チタン合金で構成し、正電極５５を金ニッケル合金で構成し、電子移動層５６をｎドープされたＧａＮで構成し、ホール移動層５７を強くｐドープされたＡｌＧａＮで構成することによって、実現することができる。

本発明の太陽電池において、十分なオーミック接触が得られる形態とする等の観点から、電子移動層における電子密度及びホール移動層におけるホール密度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。それゆえ、１つの結晶格子に１つのキャリアが存在できると考えると、刃状転位のエネルギー準位を電子移動準位やホール移動準位として機能させる場合には、刃状転位の転位密度が１×１０^９ｃｍ^−２以上となるように、電子移動層やホール移動層を作製することが好ましい。電子移動層やホール移動層における刃状転位のより好ましい転位密度は、１×１０^１１ｃｍ^−２以上である。これに対し、らせん転位は、らせん転位に基づくエネルギー準位が数多く生じるため、電子移動層における電子移動準位やホール移動層におけるホール移動準位の機能を果たさないと考えられる。それゆえ、電子移動層やホール移動層におけるらせん転位の転位密度は小さくすることが必要であり、十分な光電変換効率を確保する等の観点からは、電子移動層やホール移動層におけるらせん転位の転位密度を１×１０^８ｃｍ^−２以下とすることが好ましい。電子移動層やホール移動層におけるらせん転位のより好ましい転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下である。

本発明の太陽電池は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。

Ｘ１…電子移動準位
Ｘ２…電子移動準位
Ｙ１…ホール移動準位
１０…太陽電池
１１…量子ドット
１２…マトリクス層
１３…負電極
１４…正電極
１５…電子移動層
１６…ホール移動層
２０…太陽電池
２１…量子ドット
２２…マトリクス層
２３…負電極
２４…正電極
２５…電子移動層
２６…ホール移動層
２６ａ…エネルギー障壁
２６ｂ…エネルギー障壁
２７…透明電極（透明負電極）
２８…凹部
２９…下地層
２９ｓ…基板
３０…太陽電池
３１…電子移動層
３２…ホール移動層
４０…太陽電池
４１…電子移動層
５０…太陽電池
５１…量子ドット（大粒量子ドット）
５２…小粒量子ドット
５３…マトリクス層
５４…負電極
５５…正電極
５６…電子移動層
５７…ホール移動層

Claims (10)

1. 量子ドット、前記量子ドットと接触したマトリクス層、並びに、正電極及び負電極を有し、
   前記マトリクス層と前記負電極とが、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して接続されるとともに、前記マトリクス層と前記正電極とが、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して接続され、
   前記量子ドットに存在し得る前記電子のエネルギー準位と一致する電子移動準位、及び／又は、前記量子ドットに存在し得る前記ホールのエネルギー準位と一致するホール移動準位が、前記マトリクス層に形成されていることを特徴とする、太陽電池。
2. 少なくとも前記電子移動準位が前記マトリクス層に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記マトリクス層に結晶構造の欠陥を形成することにより、前記電子移動準位及び／又は前記ホール移動準位が形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽電池。
4. さらに、前記量子ドットよりも小さい小粒量子ドットを前記マトリクス層へ形成することにより、前記電子移動準位及び／又は前記ホール移動準位が形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
5. 前記電子移動層が、ｎドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
6. 前記ホール移動層が、ｐドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
7. 前記電子移動準位のみが前記マトリクス層に形成される場合には、前記マトリクス層がｐドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
8. 前記電子移動準位のみが前記マトリクス層に形成される場合には、前記量子ドットがｎドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。
9. 前記ホール移動準位のみが前記マトリクス層に形成される場合には、前記マトリクス層がｎドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
10. 前記ホール移動準位のみが前記マトリクス層に形成される場合には、前記量子ドットがｐドープされた半導体によって作製されていることを特徴とする、請求項１〜６、９のいずれか１項に記載の太陽電池。

Images