JP2013046000A - 量子ドット配列材料並びにこれを用いた光電変換素子及び波長変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】量子ドット、該量子ドットを挟む第1障壁層、及び、量子ドットと第1障壁層との間に配設された第2障壁層を備え、第1障壁層の価電子帯上端をVBM1、第2障壁層の価電子帯上端をVBM2、量子ドットの価電子帯上端をVBMD、第1障壁層の伝導帯下端をCBM1、第2障壁層の伝導帯下端をCBM2、量子ドットの伝導帯下端をCBMDとするとき、VBMD<VBM1、且つ、CBMD<CBM1、且つ、VBM2<VBM1である量子ドット配列材料とし、該量子ドット配列材料を用いた中間準位型光電変換素子、波長変換素子、及び、アップコンバージョン型光電変換素子とする。
【選択図】図2
Description
同様に、アップコンバージョン型太陽電池では、希土類元素を用いた波長変換層を光電変換素子に組み合わせたものがある。しかし、希土類を用いたアップコンバージョン型太陽電池の場合、吸収係数が小さく、吸収波長域が狭いため十分な性能向上がされないという課題がある。そこで、希土類に代えて中間準位型と同様に量子ドットの閉じ込め準位を利用することが考えられるが、中間準位型と同様の課題が生じる。
本発明の第1の態様は、量子ドット、該量子ドットを挟む第1障壁層、及び、量子ドットと第1障壁層との間に配設された第2障壁層を備え、第1障壁層の価電子帯上端をVBM1、第2障壁層の価電子帯上端をVBM2、量子ドットの価電子帯上端をVBMD、第1障壁層の伝導帯下端をCBM1、第2障壁層の伝導帯下端をCBM2、量子ドットの伝導帯下端をCBMDとするとき、VBMD<VBM1、且つ、CBMD<CBM1、且つ、VBM2<VBM1であることを特徴とする、量子ドット配列材料である。
一方、光電変換層である、n層34、i層35、及び、p層4は、公知の単接合太陽電池と同じ工程を経て作製することができる。例えば、n層34として、n型GaAs基板を用い、有機金属気相成長法(MOCVD)や、分子線エピタキシー法(MBE)等によって代表される気相成長法や、真空蒸着法等の公知の方法により、GaAs等の材料で構成されるi層35を形成する。さらに、i層35の上面にBeドープGaAs等の材料で構成されるp層4を形成することで、光電変換層を形成することができる。なお、光電変換層は他にも公知の技術で作製される、Si太陽電池、HIT太陽電池、CIGS太陽電池、色素増感太陽電池でも当然用いることができる。また、p層4とn層34とを入れ替えた構造であっても良い。
光電変換層作製後、p層4の上面に、蒸着法、リソグラフィ等の公知の方法により、Al、Au、Ag,In等によって構成される櫛型電極5を形成する。さらに、n層34の下面に、スパッタ蒸着等の公知の方法により、ITO(Indium Tin Oxide)等で構成される透明電極33を形成する。
以上で作製された光電変換層における透明電極33の下面と、波長変換層32における最上面の第3障壁層32aの上面を、公知の技術による樹脂接着剤によって接着し、以上の工程をもって太陽電池30を作製することができる。
InAs量子ドットがGaAs(第2障壁層及び第3障壁層)やGaAs1−xSbx(第1障壁層)に埋め込まれた構造の電子状態を計算し、その結果を用いて輻射再結合寿命及びトンネル伝導所要時間(透過にかかる時間)を求めた。計算で用いたモデルを図11に、計算で用いたモデルのエネルギーバンド構造を図12に、それぞれ示す。
分子線エピタキシー装置(以下において、「MBE装置」という。)を用いて、GaAs基板の上面に、厚さ15nmの第1障壁層(GaAs0.82Sb0.18)を作製した。次いで、この第1障壁層の上面に、MBE装置を用いて、厚さ2nmの第2障壁層(GaAs)を作製した。次いで、この第2障壁層の上面に、MBE装置を用いて、面密度5×1010cm−2且つ高さ10nmの量子ドット(InAs)を、Stranski-Kraxtanov(SK)モードによって作製した。次いで、この量子ドットの上面に、MBE装置を用いて、量子ドットの頂点の上に作製される第2障壁層の厚さが2nmとなるように、第2障壁層(GaAs)を作製した。次いで、この第2障壁層の上面に、MBE装置を用いて、厚さ15nmの第1障壁層(GaAs0.82Sb0.18)を作製した。次いで、この第1障壁層の上面に、MBE装置を用いて、厚さ50nmのGaAs層を形成した。以上の工程により、第2障壁層を有するサンプル1を作製した。また、第2障壁層を形成しないほかは上記工程と同様の工程により、第2障壁層を有しないサンプル2を作製した。サンプル1の断面図を図15に、サンプル2の断面図を図16に、それぞれ示す。
表面が第2障壁層(GaAs)によって覆われた粒状のInAs量子ドットが第1障壁層(GaAs1−xSbx)に埋め込まれ、さらに当該第1障壁層が第3障壁層(GaAs)に埋め込まれた場合を仮定した構造の電子状態を計算し、その結果を用いて輻射再結合寿命を求めた。計算で用いたモデルを図19に、計算で用いたモデルのエネルギーバンド構造を図20に、それぞれ示す。
光電変換効率の計算には、文献5(A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. lett., Vol.78, p.5014-5017 (1997))による方法を基本として用い、量子ドット内での二段階励起効率について計算した。文献5によると、すべての光を吸収する場合は、量子ドット内へのキャリア生成レートG0 1st、量子ドット内のキャリアがさらに励起される二段階目励起レートG0 2ndは次式で示される。
2…n型基板
3、23…光吸収層
3a、23a…第1障壁層
3b、23b…第2障壁層
3d、23d…量子ドット
4…p層
5…櫛形電極
10、20、30、40…太陽電池(光電変換素子)
31…反射板
32、41…波長変換層
32a、41a…第3障壁層
33…透明電極
34…n層
35…i層
50d、51d…粒子状物質
50a…第1障壁層
50b…第2障壁層
50x…量子ドット
51a…第3障壁層
51b…母材
92…波長変換素子
93…光電変換層
Claims (10)
- 量子ドット、該量子ドットを挟む第1障壁層、及び、前記量子ドットと前記第1障壁層との間に配設された第2障壁層を備え、
前記第1障壁層の価電子帯上端をVBM1、前記第2障壁層の価電子帯上端をVBM2、前記量子ドットの価電子帯上端をVBMD、前記第1障壁層の伝導帯下端をCBM1、前記第2障壁層の伝導帯下端をCBM2、前記量子ドットの伝導帯下端をCBMDとするとき、VBMD<VBM1、且つ、CBMD<CBM1、且つ、VBM2<VBM1であることを特徴とする、量子ドット配列材料。 - ボルツマン定数をkとし、使用時における光電変換素子の絶対温度をTとするとき、VBM1−VBMD、及び、VBM1−VBM2が、正孔の熱エネルギーkTよりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の量子ドット配列材料。
- 前記第1障壁層がGaAs(1−x)Sbxによって構成され、
前記第2障壁層がGaAsによって構成され、
0.14≦x<1であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の量子ドット配列材料。 - 前記第2障壁層の厚さが0.5nm以上4nm以下であることを特徴とする、請求項3に記載の量子ドット配列材料。
- 量子ドット、該量子ドットを挟む第1障壁層、及び、前記量子ドットと前記第1障壁層との間に配設された第2障壁層を備え、
前記第1障壁層の価電子帯上端をVBM1、前記第2障壁層の価電子帯上端をVBM2、前記量子ドットの価電子帯上端をVBMD、前記第1障壁層の伝導帯下端をCBM1、前記第2障壁層の伝導帯下端をCBM2、前記量子ドットの伝導帯下端をCBMDとするとき、VBM1<VBMD、且つ、CBM1<CBMD、且つ、CBM1<CBM2であることを特徴とする、量子ドット配列材料。 - ボルツマン定数をkとし、使用時における光電変換素子の絶対温度をTとするとき、CBMD−CBM1、及び、CBM2−CBM1が、電子の熱エネルギーkTよりも大きいことを特徴とする、請求項5に記載の量子ドット配列材料。
- 前記量子ドットが粒子状であり、
前記量子ドット、前記第2障壁層、及び、前記第1障壁層が、前記量子ドットを中心に同心円状に配置されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の量子ドット配列材料。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の量子ドット配列材料が用いられた中間準位型光電変換素子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の量子ドット配列材料が用いられた波長変換素子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の量子ドット配列材料を用いた波長変換層と、光電変換層とを備え、
前記第1障壁層の、前記量子ドットとは反対側に、第3障壁層が備えられ、
前記第3障壁層の価電子帯上端をVBM3、前記第3障壁層の伝導帯下端をCBM3とするとき、VBM3<VBM1、且つ、CBM1<CBM3であることを特徴とする、アップコンバージョン型光電変換素子。
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