JP2012089756A - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】p型半導体層1と、n型半導体層12と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層10とを備え、前記超格子半導体層10は、障壁層と量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い前記量子ドットのバンドギャップが徐々に広くなるように積層される。
【選択図】図1
Description
また、量子カスケードレーザ分野では、電圧が印加された状態でミニバンドが形成される超格子構造が提案されている(例えば、特許文献1)。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超格子構造中にミニバンドが形成され、p型およびn型半導体領域へ効率よくキャリアを取り出すことができる太陽電池を提供する。
本発明によれば、前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い前記量子ドットのバンドギャップが徐々に広くなるように積層されるため、超格子構造のバンド構造を適当変調することができる。超格子構造のバンド構造を適当変調させることで、超格子半導体層が受光することにより生じる内部電界下においてシュタルク効果を補償し、量子ドット間の電子的結合(波動関数の繋がり)によるミニバンドを形成することができる。また、本適当変調により、量子準位とn型領域側の障壁層とのエネルギー差が半導体p型領域から半導体n型領域の方向に向けて徐々に小さくすることができ、量子ドット内で生成されたキャリアの取り出しを容易とすることができる。
また、特定バンドギャップごとに十分光吸収できるよう、複数の量子ドット層ごとに適当変調させた構造を作製すれば、幅広い波長域の太陽光を十分に吸収させることが可能で、かつ容易にn型半導体領域からキャリア取り出し可能となる。以上により、従来の技術に比べてキャリア取り出しの効率を向上させ、短絡電流および開放電圧を飛躍的に改善することができ、高い変換効率を有する太陽電池を得ることが可能となる。
量子ドットとは、100nm以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。
量子ドット層とは、複数の量子ドットで構成される層であり、超格子構造の井戸層となる。
量子準位とは、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。
障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
ミニバンドとは、超格子構造の井戸層の電子の波動関数が隣接井戸の波動関数と相互作用し、量子井戸の量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ形成されるバンドをいう。
このような構成によれば、量子ドットの量子サイズ効果により、超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い量子ドットのバンドギャップが徐々に広くすることができる。
このような構成によれば、量子ドットの混晶比の変化により量子ドットのバンドギャップを変化させることができ、超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い量子ドットのバンドギャップが徐々に広くすることができる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記n型半導体層に最近接する前記量子ドット層とその量子ドット層のn型半導体層側に積層された前記障壁層との間のエネルギー障壁の大きさが室温300Kにおいて26meV以下になるように積層されたことが好ましい。
このような構成によれば、超格子構造に形成されたミニバンドの伝導帯に光励起された電子が熱励起により超格子構造の最もn型半導体側の障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位に励起されることができ、ミニバンドに光励起された電子を容易に取り出すことができる。
このような構成によれば、pin接合またはpn接合などが受光することにより生じる内部電界下においてシュタルク効果を補償し、量子ドット間の電子的結合(波動関数の繋がり)によるミニバンドを形成することができる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記pin接合またはpn接合などに光が照射された場合に形成される内部電界下において前記超格子構造にミニバンドが形成されるように積層されたことが好ましい。
このような構成によれば、通常の伝導帯−価電子帯間の遷移に加え、ミニバンドを介した電子遷移を利用することができ、より広い波長範囲の光を利用し光電変換効率を高めることができる。
このような構成によれば、通常の伝導帯−価電子帯間の遷移に加え、ミニバンドを介した電子遷移を利用することができ、より広い波長範囲の光を利用し光電変換効率を高めることができる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記ミニバンドの伝導帯において最もエネルギーの低い波動関数が前記超格子構造全体に渡って繋がるように積層されたことが好ましい。
このような構成によれば、通常の伝導帯−価電子帯間の遷移に加え、ミニバンドを介した電子遷移を利用することができ、より広い波長範囲の光を利用し光電変換効率を高めることができる。また、ミニバンドに光励起されたキャリアをミニバンド中で効率よく移動させることができる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記ミニバンドが伝導帯において1つのみ形成されるように積層されたことが好ましい。
このような構成によれば、ミニバンドに光励起されたキャリアをミニバンド中で効率よく移動させることができる。
本発明の太陽電池において、p型半導体層、n型半導体層および超格子半導体層は、pn接合(pn-n接合、pp-n接合、p+pn接合、pnn+接合を含む)またはpin接合を形成することが好ましい。
このような構成によれば、pin接合またはpn接合が受光することにより、起電力を生じさせることができる。
さらに、本発明の太陽電池において、n型半導体層面が太陽光入射側であって、p型半導体層は下面であることが望ましい。このような構造によれば、太陽光の長波長側の光がより底部にまで侵入するため、効率良く太陽光を吸収することができる。
このような構成によれば、量子ドットの粒子サイズを容易に変化させることができ、また、混晶のIII−V族化合物半導体とすることにより、混晶比を容易に変化させることができる。
本発明の太陽電池において、前記障壁層は、GaAsからなり、前記量子ドット層は、InxGa1-xAs(0<x≦1)からなることが好ましい。
このような構成によれば、量子ドットの粒子サイズを容易に変化させることができ、また、混晶比を容易に変化させることができる。
このような構成によれば、超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い量子ドットのバンドギャップが徐々に広くすることができる。
本発明の太陽電池において、前記量子ドットは、半導体混晶からなり、前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体層側に近づくに従い前記量子ドット層に含まれる前記量子ドットの混晶比を0.1以下の変化量で変化するように積層されたことが好ましい。また、隣接する2つの量子ドット層の混晶比の差が0.01以上0.1以下となるように積層されたことが好ましい。0.01以上0.1以下であれば制御が可能である。
このような構成によれば、超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い量子ドットのバンドギャップが徐々に広くすることができる。
図1は本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
本実施形態の太陽電池20は、p型半導体層1と、n型半導体層12と、p型半導体層1とn型半導体層12とに挟まれた超格子半導体層10とを備え、超格子半導体層10は、障壁層8と量子ドット7からなる量子ドット層6とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、超格子半導体層10は、超格子半導体層10のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い量子ドット7のバンドギャップが徐々に広くなるように積層されたことを特徴とする。
以下、本実施形態の太陽電池20について説明する。
p型半導体層1は、p型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層、n型半導体層12とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。
n型半導体層12は、n型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層、p型半導体層1とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。
このpin接合またはpn接合が受光することにより、起電力が生じる。また、このことにより、超格子半導体層10に内部電界が形成される。
p型半導体層1およびn型半導体層12は、図1のようにどちらか一方が基板であってもよく、両方ともCVD法などにより形成された薄膜であってもよい。
超格子半導体層10は、p型半導体層1とn型半導体層12に挟まれ、pin接合またはpn接合を構成することができる。また、超格子半導体層10は、障壁層8と量子ドット層6とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層10は、i型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、p型不純物またはn型不純物を含む半導体層であってもよい。
超格子半導体層10を構成する障壁層8と量子ドット層6を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、III―V族化合物半導体から構成することができる。量子ドット層6は、障壁層8よりもバンドギャップの狭い半導体材料で構成される。
なお、超格子構造全体に渡って繋がったミニバンドは、積層方向に積層した各量子ドットのそれぞれの波動関数が局在せずに波動関数が各量子ドット上に延びることにより形成される。つまり、各量子ドットがそれぞれ隣接する量子ドットと強く相互作用し合い波動関数が局在しないときに形成される。
量子ドット層・量子井戸層は、分子線エピタキシー(MBE)法や有機金属化学気相成長(MOCVD)法等の手法により形成することができる。一般的には、Stranski―Krastanov(S―K)成長と呼ばれる方法で量子ドットを成長させることができる。上記手法の材料構成比を変えることで量子ドットまたは量子井戸の混晶比を調整することができ、原材料・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドットのサイズまたは量子井戸幅を調整することができる。
また、n型ドーパントとして例えばSiを、p型ドーパントとしては例えばBeを用いることができる。電極材料としては例えば、Auを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。
MATLABソフトを用いシュレディンガー方程式を解くシミュレーション実験を行った。
[実験1]
実験1は、各量子ドットの混晶比を変えることによって量子準位を変調させた量子ドット太陽電池の例である。以下、図2〜4を参照してより具体的に説明する。
図2(b)に実験1により計算された各量子ドットで混晶比を変えることによって量子準位を変調させた超格子構造のバンド図を示し、図2(a)に超格子半導体層10の一部の概略断面図を示す。なお、図2(a)は、図1の一点鎖線で囲んだ範囲Aに対応している。また、図2(b)の横軸は、超格子半導体層のp型半導体層側の界面を0としたときの積層方向(図1のz方向)の距離を示し図2(a)の横方向と位置関係を一致させている。また、図2(b)の縦軸は、エネルギーを示している。
実験1では、障壁層21a〜c、n型半導体層、p型半導体層を構成する母体半導体材料にガリウムヒ素(GaAs)、量子ドット層22を構成する量子ドット材料にインジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)を用い、量子ドット層22が20層積層した超格子構造に内部電界15kV/cmが印加されたときのエネルギーバンドを計算するシミュレーションを行った。n型およびp型母体半導体の不純物濃度は超格子半導体層23よりも十分大きいため、内部電界は超格子半導体層23において均一にかかっていると考えている。
なお、15 kV/cmの内部電界とは、例えば400nmの超格子半導体層23に内部電界0.6Vがかかっていることに等しい。また、360nmの超格子半導体層23に内部電界0.54Vや、300nmの超格子半導体層23に内部電界0.45V等も同様の印加電界15kV/cmとなる。
各実験結果を示した図5〜7、図8〜10、図11〜13、図14〜16は、それぞれ図2〜4に対応している。
さらに、量子ドット層22の量子準位はn型半導体層に近づくに従い徐々に大きくなり、各量子ドット層22と障壁層21bとの間のエネルギー障壁の大きさが小さくなっていることがわかる。
また、図2のバンド図において、量子ドット層22の最低量子準位と隣接するn型半導体側の障壁層21bとのエネルギー差は、p型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21aとの間(図2(b)に示した差e)の547meVからn型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21cとの間(図2(b)に示した差d)の376meVと徐々に小さくなっている。つまり、ミニバンドを形成した状態でエネルギー障壁の大きさが徐々に小さくなっており、生成キャリアをn型半導体層から容易に取り出すことができることを示している。
実験2は、各量子ドット層の量子ドットサイズを変えることによって量子準位を変調させた量子ドット太陽電池の例である。以下、図5〜7を参照してより具体的に説明する。
図5(b)は、母体半導体材料にガリウムヒ素(GaAs)、量子ドット材料にインジウムヒ素(InAs)を用いた、積層数10層の量子ドット構造に内部電界15 kV/cmが印加されたときのバンド図を示しており、図5(a)は、超格子半導体層10の一部の概略断面図を示す。実験1と同様に、n型およびp型母体半導体の不純物濃度はi層よりも十分大きいため、内部電界はi層において均一にかかっていると考えている。
さらに、量子ドット層22の量子準位はn型半導体層に近づくに従い徐々に大きくなり、各量子ドット層22と障壁層21bとの間のエネルギー障壁の大きさが小さくなっていることがわかる。
図5のバンド図に関して、各量子ドットのサイズを、p型半導体側の界面からn型半導体側に近づくに従い、順に小さくしていくと、量子ドット層22の量子準位と隣接するn型半導体側の障壁層21bとのエネルギー差は、p型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21aとの間(図5に示した差g)の547meVからn型半導体最近接の量子ドット層22と障壁層21cとの間(図5に示した差f)の483meVと徐々に小さくなっている。つまり、ミニバンドを形成した状態で、エネルギー障壁の大きさが徐々に小さくなっており、生成キャリアをn型半導体領域から容易に取り出すことができることを示している。
実験3は、複数の量子ドット層毎に混晶比を変えることによって量子準位を変調させた量子ドット太陽電池の例である。以下、図8〜10を参照してより具体的に説明する。
図8(b)は、量子ドット層10層ごとに混晶比を変えることによって量子準位を変調させた合計積層数20層の超格子構造に内部電界5kV/cmが印加されたときのバンド図を示しており、図8(a)は、超格子半導体層10の一部の概略断面図を示す。なお、内部電界5 kV/cmとは、1200nmのi型半導体層に内部電界0.6Vがかかっていることに等しい。また、1000nmのi型半導体層に内部電界0.5Vや、800nmのi型半導体層に内部電界0.4V等も同様の印加電界5kV/cmとなる。
これまでと同様、母体半導体材料にガリウムヒ素(GaAs)、量子ドット材料にインジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)を用い、障壁層の厚みは1 nm、量子ドットのサイズは縦横(xy方向)20nm、高さ(z方向)5nmで、量子ドット層両端の障壁層21a、21cは十分な厚みとして20nmとした。ガリウムヒ素とインジウムヒ素との間の障壁高さは0.697eVとした。図9では、各エネルギー値の波動関数を示し、図10では、最小エネルギーの波動関数の拡大図を示している。図10から、最小エネルギーの波動関数が超格子構造全体(図10の横軸の距離20nm〜140nmの範囲)に渡って完全に繋がっている。また、量子ドット層22の最低量子準位と隣接するn型半導体側の障壁層21bとのエネルギー差は、p型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21aと間(図8(b)に示した差i)では564meVであったが、n型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21cとの間(図8(b)に示した差h)では507meVと、徐々に小さくなっている。つまり、ミニバンドを形成した状態でエネルギー障壁の大きさが徐々に小さくなっており、生成キャリアをn型半導体領域から容易に取り出すことができることを示している。
つまり、複数の量子ドット層ごとに材料変調させた量子ドット太陽電池は、量子ドット層の各バンドギャップに応じた光を十分に吸収させることが可能であり、幅広い波長の光を吸収させることが可能で、かつ容易にn型半導体領域からキャリア取り出しできる。
実験4は、各量子ドット層の混晶比を変えることによって量子準位を変調させ、n型半導体層に最近接する量子ドット層とそのn型半導体層側の障壁層との間のエネルギー障壁の大きさを26meV以下とした量子ドット太陽電池の例である。以下、図11〜13を参照してより具体的に説明する。
図11(b)は、母体半導体材料にガリウムヒ素(GaAs)、量子ドット材料にインジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)を用いた、積層数20層の量子ドット構造に内部電界15 kV/cmが印加されたときのバンド図を示しており、図11(a)は、超格子半導体層10の一部の概略断面図を示す。n型およびp型母体半導体の不純物濃度は超格子半導体層よりも十分大きいため、内部電界は超格子半導体層において均一にかかっていると考えている。
さらに、量子ドット層22の量子準位はn型半導体層に近づくに従い徐々に大きくなり、各量子ドット層22と障壁層21bとの間のエネルギー障壁の大きさが小さくなっていることがわかる。
また、図11のバンド図において、量子ドット層22の最低量子準位と隣接するn型半導体側の障壁層21bとのエネルギー差は、p型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21aとの間の147meVからn型半導体層に最近接する量子ドット層22と障壁層21cとの間の5meVと徐々に小さくなっている。つまり、ミニバンドを形成した状態でエネルギー障壁の大きさが徐々に小さくなっており、さらに、そのエネルギー障壁の大きさが室温300Kにおける熱エネルギーである26meV以下となることで、生成キャリアをn型半導体領域からより容易に取り出すことができることを示している。
なお、実験1〜4におけるすべての量子準位の変調において、量子ドットのサイズの変化量は1nm以下、量子ドットの混晶比の変化量は0.1以下とした。
比較実験では、混晶比や量子ドットサイズを変えず、即ち量子準位を変調しなかった量子ドット太陽電池の例を示す。以下、図14〜図16を参照してより具体的に説明する。
図14(b)には、材料変調や量子ドットサイズを変えず、量子準位の変調を行わない場合で、積層数20層の超格子構造に内部電界を15 kV/cm印加したバンド図を示しており、図14(a)には、超格子半導体層10の一部の概略断面図を示す。これまでと同様、母体半導体材料にガリウムヒ素(GaAs)、量子ドット材料にインジウムヒ素(InAs)を用い、障壁層の厚みは1nm、量子ドットのサイズは縦横(xy方向)20nm、高さ(z方向)5nmで、量子ドット層両端の障壁層21a、21cは十分な厚みとして20 nmとした。ガリウムヒ素とンジウムヒ素との間の障壁高さは0.697eVとした。
Claims (15)
- p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、
前記超格子半導体層は、障壁層と量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、
前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体側に近づくに従い前記量子ドットのバンドギャップが徐々に広くなるように積層されたことを特徴とする太陽電池。 - 前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体層側に近づくに従い前記量子ドットのサイズが徐々に小さくなるように積層された請求項1に記載の太陽電池。
- 前記量子ドットは、半導体混晶からなり、
前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体層側に近づくに従い前記量子ドット層に含まれる前記量子ドットの混晶比が変化するように積層された請求項1または2に記載の太陽電池。 - 前記超格子半導体層は、前記量子ドット層の1つに含まれる量子ドットの伝導帯下端の量子準位とこの量子ドットのn型半導体層側の障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位との差がp型半導体側からn型半導体側に近づくに従い徐々に小さくなるように積層された請求項1〜3のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記超格子半導体層は、前記n型半導体層に最も近接する前記量子ドット層とその量子ドット層のn型半導体層側に積層された前記障壁層との間のエネルギー障壁の大きさが室温300Kにおいて26meV以下になるように積層された請求項1〜4のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層に光が照射された場合に形成される内部電界下において前記超格子構造にミニバンドが形成されるように積層された請求項1〜5のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記超格子半導体層は、前記ミニバンドの伝導帯の波動関数が前記超格子構造全体に渡って繋がるように積層された請求項6に記載の太陽電池。
- 前記超格子半導体層は、前記ミニバンドの伝導帯において最もエネルギーの低い波動関数が前記超格子構造全体に渡って繋がるように積層された請求項6または7に記載の太陽電池。
- 前記超格子半導体層は、前記ミニバンドが伝導帯において1つのみ形成されるように積層された請求項6〜8のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記p型半導体層、前記n型半導体層および前記超格子半導体層は、pn接合またはpin接合を形成する請求項1〜9のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記n型半導体層、前記超格子半導体層および前記p型半導体層は、前記n型半導体層側から光が入射するように配置される請求項1〜10のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記障壁層または前記量子ドット層は、III−V族化合物半導体からなる請求項1〜11のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記障壁層は、GaAsからなり、
前記量子ドット層は、InxGa1-xAs(0<x≦1)からなる請求項1〜12のいずれか1つに記載の太陽電池。 - 前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体層側に近づくに従い前記量子ドットのサイズを1nm以下の変化量で徐々に小さくなるように積層された請求項1〜13のいずれか1つに記載の太陽電池。
- 前記量子ドットは、半導体混晶からなり、
前記超格子半導体層は、前記超格子半導体層のp型半導体層側からn型半導体層側に近づくに従い前記量子ドット層に含まれる前記量子ドットの混晶比を0.1以下の変化量で変化するように積層された請求項1〜14のいずれか1つに記載の太陽電池。
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