JP2013149729A - Quantum dot structure, wavelength conversion element, and photoelectric conversion device - Google Patents

Quantum dot structure, wavelength conversion element, and photoelectric conversion device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum dot structure, excellent in utilization efficiency of an incident light and excellent in light emission characteristics.SOLUTION: The quantum dot structure comprises in a matrix: a quantum dot composed of a semiconductor or a metal element; and a hollow quantum dot having a hollow, where utilization efficiency of incident light or emitted light from a quantum dot is improved by a scattering function of the hollow quantum dot.

Description

本発明は、マトリクス層中に中空状の中空量子ドットと量子ドットが配置された量子ドット構造体、波長変換素子および光電変換装置に関し、特に、太陽電池(光電変換装置)、LED等の発光デバイス、赤外領域等の受光センサー、波長変換素子、および光光変換装置等に利用可能な量子ドット構造体に関する。   The present invention relates to a quantum dot structure in which hollow hollow quantum dots and quantum dots are arranged in a matrix layer, a wavelength conversion element, and a photoelectric conversion device, and in particular, a light emitting device such as a solar cell (photoelectric conversion device) or an LED. The present invention relates to a quantum dot structure that can be used for a light receiving sensor in the infrared region, a wavelength conversion element, a light-light conversion device, and the like.

現在、太陽電池について研究が盛んに行われている。太陽電池のうち、P型半導体およびN型半導体を接合して構成されるPN接合型太陽電池、ならびにP型半導体、I型半導体およびN型半導体を接合して構成されるPIN接合型太陽電池は、構成している半導体の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップ(Eg)以上のエネルギーをもつ太陽光を吸収し、価電子帯から伝導体へ電子が励起されて、価電子帯に正孔が生成し、太陽電池に起電力が発生するものである。
PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池は、バンドギャップが単一であり、単接合型太陽電池と呼ばれる。
Currently, research is actively conducted on solar cells. Among solar cells, a PN junction solar cell configured by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and a PIN junction solar cell configured by bonding a P-type semiconductor, an I-type semiconductor, and an N-type semiconductor, , Absorbs sunlight having energy greater than the band gap (Eg) between the conduction band and the valence band of the constituting semiconductor, and excites electrons from the valence band to the conductor to enter the valence band. Holes are generated and an electromotive force is generated in the solar cell.
A PN junction solar cell and a PIN junction solar cell have a single band gap and are called single junction solar cells.

PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池においては、バンドギャップより小さいエネルギーの光は吸収されることなく透過してしまう。一方、バンドギャップより大きなエネルギーは吸収されるが、吸収されたエネルギーのうち、バンドギャップより大きいエネルギー分はフォノンとして熱エネルギーとして消費される。このため、PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池のような単一バンドギャップの単接合型太陽電池は、エネルギー変換効率が悪いという問題点がある。   In the PN junction solar cell and the PIN junction solar cell, light having energy smaller than the band gap is transmitted without being absorbed. On the other hand, energy larger than the band gap is absorbed, but of the absorbed energy, the energy larger than the band gap is consumed as thermal energy as phonons. For this reason, single band gap single junction solar cells such as PN junction solar cells and PIN junction solar cells have a problem of poor energy conversion efficiency.

上述のエネルギー変換効率の問題点を改善するために、バンドギャップの異なる複数のPN接合、PIN接合を積層し、エネルギーの大きな光から順次吸収されるような構造の多接合太陽電池が開発さされている。しかし、多接合太陽電池は、複数のPN、PIN接合を電気的に直列接合しているため、出力電流は各接合で生成されている最小の電流となる。このため、太陽光スペクトル分布に偏りが生じ、一つのPN接合、PIN接合の出力が低下すると、太陽光スペクトル分布の偏りに影響されない残りのPN接合、PIN接合の出力も低下し、太陽電池全体として出力が大幅に低下するという問題点がある。
また、上述のエネルギー変換効率の問題点を改善するために、非特許文献1には、0.7〜1.4eV、1.4〜2.1eVのバンドギャップを有する量子ドットを利用し、規則配列をさせることにより量子ドット間の波動関数を重なり合わせ、中間バンドを形成することにより、広帯域の太陽エネルギーを吸収できる量子ドット太陽電池が提案されている。
In order to improve the above-mentioned problem of energy conversion efficiency, a multi-junction solar cell having a structure in which a plurality of PN junctions and PIN junctions having different band gaps are stacked and light is sequentially absorbed from a large energy is developed. ing. However, since the multi-junction solar cell has a plurality of PN and PIN junctions electrically connected in series, the output current is the minimum current generated at each junction. For this reason, when the solar spectrum distribution is biased and the output of one PN junction or PIN junction is reduced, the outputs of the remaining PN junction and PIN junction that are not affected by the bias of the solar spectrum distribution are also reduced, and the entire solar cell As a result, there is a problem that the output is greatly reduced.
Moreover, in order to improve the above-mentioned problem of energy conversion efficiency, Non-Patent Document 1 uses quantum dots having band gaps of 0.7 to 1.4 eV and 1.4 to 2.1 eV. Quantum dot solar cells that can absorb broadband solar energy by forming an intermediate band by overlapping wave functions between quantum dots by arranging them have been proposed.

さらには、従来の太陽電池で有効利用できていない紫外領域や赤外領域の太陽光線を従来の太陽電池で吸収できる光線に変換する波長変換膜と太陽電池を複合化し、変換効率40%以上を目指すことが提案されている(非特許文献2、3)。   Furthermore, by combining a solar cell with a wavelength conversion film that converts sunlight in the ultraviolet region and infrared region, which cannot be effectively used by conventional solar cells, into light that can be absorbed by conventional solar cells, a conversion efficiency of 40% or more is achieved. It has been proposed to aim (Non-Patent Documents 2 and 3).

非特許文献2においては、Si結晶太陽電池のようなシングルジャンクション太陽電池に、高エネルギーを低エネルギーに変換(ダウンコンバージョン)するパッシブな発光デバイスを付加させた時、または低エネルギーを高エネルギーに変換(アップコンバージョン)するパッシブな発光デバイスを付加させた時、擬似太陽光の照射条件により発電効率が25%から36%に改善されることを理論的に提案している。非特許文献2では、ポリマーに直径5μmのNaY0.8:Er0.2 3+粒子を導入したシートを用いて実験を行っている。 In Non-Patent Document 2, when a passive light-emitting device that converts high energy to low energy (down conversion) is added to a single junction solar cell such as a Si crystal solar cell, or low energy is converted to high energy. It is theoretically proposed that when a passive light-emitting device (up-conversion) is added, the power generation efficiency is improved from 25% to 36% depending on the irradiation condition of the pseudo-sunlight. In Non-Patent Document 2, an experiment is performed using a sheet in which NaY 0.8 F 4 : Er 0.2 3+ particles having a diameter of 5 μm are introduced into a polymer.

非特許文献3においては、NaYF:Er等の希土類の外部量子効率を改善するために、1個のフォトンをエネルギー半分以下のフォトンに2個以上に変換させるQuantum−cutting効果(MEG(Multiple Exciton Generation)効果)を利用して外部量子効率を改善することが提案されている。また、非特許文献3には、NozikらのPbSeQDでの実験で、外部量子効率を218%にすることが紹介されている。 In Non-Patent Document 3, in order to improve the external quantum efficiency of rare earth such as NaYF: Er, a Quantum-cutting effect (MEG (Multiple Excitation Generation) that converts one photon into two or more photons with half energy or less is used. It has been proposed to improve the external quantum efficiency by using () effect). Non-Patent Document 3 introduces an external quantum efficiency of 218% in an experiment with PbSe QD by Nozik et al.

このように、太陽光のうち波長500nm以下の光を1000nm程度の光に波長変換すると共に、1個のフォトンをエネルギー半分以下のフォトン2個以上に変換させる光−光変換フィルターを、Si結晶太陽電池のようなシングルジャンクション太陽電池に、取付けることにより変換効率改善が行われている。
このためには、少なくとも1.0eV以下の比較的低バンドギャップ材料を用いることが必要になる。例えば、1.0eV以下の比較的低バンドギャップとして、Ge、SiGe、InN、InAs、FeSi、PbS、PbSe等がある。
In this way, the light-light conversion filter that converts the wavelength of light having a wavelength of 500 nm or less in sunlight into light having a wavelength of about 1000 nm and converts one photon into two or more photons having energy half or less is used as a Si crystal solar. Conversion efficiency is improved by attaching to a single junction solar cell such as a battery.
For this purpose, it is necessary to use a relatively low band gap material of at least 1.0 eV or less. For example, as a relatively low band gap of 1.0 eV or less, there are Ge, SiGe, InN, InAs, FeSi, PbS, PbSe, and the like.

また、発光強度を向上させることもなされている。例えば、非特許文献4には、厚さが50nmのAu、Ag等金属ナノ薄膜をInGaN/GaN系単量子井戸(光電変換層)に形成することにより、ブラズモンにより発光効率が改善することが報告されている。   In addition, the emission intensity is also improved. For example, Non-Patent Document 4 reports that plasmon improves luminous efficiency by forming a metal nanofilm such as Au and Ag with a thickness of 50 nm on an InGaN / GaN single quantum well (photoelectric conversion layer). Has been.

PHYSICAL REVIEW LETTERS,78,5014(1997)PHYSICAL REVIEW LETTERS, 78,5014 (1997) Solar Energy Materials and Solar Cell 90 (2006) 2329-2337Solar Energy Materials and Solar Cell 90 (2006) 2329-2337 Solar Energy Materials and Solar Cell 91 (2007) 238-249Solar Energy Materials and Solar Cell 91 (2007) 238-249 表面科学 Vol29, No6, pp344-349 (2008) 「プラズモニクス/バイオMEMS」Surface Science Vol29, No6, pp344-349 (2008) "Plasmonics / Bio MEMS"

上述のように、十分な光光変換及び光電変換する機能を有するようになっても、光光変換及び光電変換する機能を有する層から光が入射して出射するまでの光路長にてフレネル反射ロス等の光学的ロスが生じることによる光エネルギー損失が大きい。このため、光光変換層及び光電変換層に対して、何らかの方法で光エネルギー損失が抑制する必要がある。
上述の非特許文献2、3のように波長変換膜を用いたり、非特許文献4のように発光強度を向上させても、光光変換層及び光電変換層に設けられた量子ドットは等方的に光を出射するために、波長変換膜等から再照射した光のうち、光電変換層で光吸収できる有効な立体角光しか利用できない。このため、垂直方法に機能設計されて積層されたデバイスにおいては、量子ドットからの出射光のうち少なくとも約半分は、光電変換層と逆方向に照射されてしまい、光損失してしまうという問題点がある。
As described above, even if it has sufficient light-to-light conversion and photoelectric conversion functions, Fresnel reflection is performed with the optical path length from the incident light to the light output from the layer having the light-light conversion and photoelectric conversion functions. Optical energy loss due to optical loss such as loss is large. For this reason, it is necessary to suppress a light energy loss with a certain method with respect to the light-light conversion layer and the photoelectric conversion layer.
Even if a wavelength conversion film is used as described in Non-Patent Documents 2 and 3 above, or the light emission intensity is improved as in Non-Patent Document 4, the quantum dots provided in the light-light conversion layer and the photoelectric conversion layer are isotropic. In order to emit light, only effective solid-angle light that can be absorbed by the photoelectric conversion layer among the light re-irradiated from the wavelength conversion film or the like can be used. For this reason, in a device that is functionally designed in a vertical manner and stacked, at least about half of the light emitted from the quantum dots is irradiated in the opposite direction to the photoelectric conversion layer, resulting in light loss. There is.

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、入射光の利用効率が高い量子ドット構造体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、発光特性が優れた量子ドット構造体を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、量子ドット構造体を利用した波長変換素子、および光電変換装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a quantum dot structure that solves the problems associated with the prior art and has high utilization efficiency of incident light. Another object of the present invention is to provide a quantum dot structure having excellent light emission characteristics.
Furthermore, the other object of this invention is to provide the wavelength conversion element and photoelectric conversion apparatus using a quantum dot structure.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、中空量子ドットの散乱機能により入射光や量子ドットからの出射光の光利用効率を改善する形態であり、マトリクス層と、前記マトリクス層中に形成された、半導体または金属元素で構成された量子ドットと、前記マトリクス層中に形成された、中空状の中空量子ドットとを有することを特徴とする量子ドット構造体を提供するものである。   In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a mode in which the light use efficiency of incident light or emitted light from quantum dots is improved by a scattering function of hollow quantum dots, and a matrix layer and the matrix Provided is a quantum dot structure comprising quantum dots composed of a semiconductor or a metal element formed in a layer and hollow hollow quantum dots formed in the matrix layer It is.

例えば、前記量子ドットは、それぞれ吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物で構成される。
例えば、前記マトリクス層は、バンドギャップが3.0eV以上の無機誘電体、またはJIS K7361−1:1997による透過率が70%以上の有機材で構成される。
前記量子ドットおよび前記中空量子ドットにおいて、最隣接粒子の間隔が20nm以下であることが好ましく、より好ましくは5nm以下である。
前記量子ドットおよび前記中空量子ドットは、粒径が2nm〜10nmであることが好ましい。
例えば、前記中空量子ドットを形成する中空形成材料と前記マトリクス層とは組成が同じである。
前記中空量子ドットおよび前記量子ドットの少なくとも一方は、層状に配置されていることが好ましい。
For example, the quantum dot is composed of a wavelength conversion composition that converts the wavelength of light into energy having lower energy than the absorbed light with respect to a specific wavelength region of the absorbed light.
For example, the matrix layer is made of an inorganic dielectric having a band gap of 3.0 eV or more, or an organic material having a transmittance of 70% or more according to JIS K7361-1: 1997.
In the quantum dots and the hollow quantum dots, the interval between the nearest neighbor particles is preferably 20 nm or less, more preferably 5 nm or less.
The quantum dots and the hollow quantum dots preferably have a particle size of 2 nm to 10 nm.
For example, the hollow forming material forming the hollow quantum dots and the matrix layer have the same composition.
At least one of the hollow quantum dots and the quantum dots is preferably arranged in a layered manner.

前記層状に配置された中空量子ドットで構成された中空量子ドット層の累積膜厚は、50nm以上であり、前記中空量子ドット層の中空量子ドットに隣接する、前記量子ドットで構成された量子ドット層と、前記中空量子ドット層との距離は20nm以下であることが好ましい。
例えば、前記中空量子ドットおよび前記量子ドットがランダムに配置されていてもよい。この場合、前記中空量子ドットおよび前記量子ドットがランダムに配置された層の厚さが100nm以下であることが好ましい。
前記層状に配置された中空量子ドットで構成された中空量子ドット層の累積膜厚は、中空量子ドットの散乱機能により入射光や量子ドットからの出射光の光利用効率を改善するため、50nm以上の累積膜厚が必要である。また、中空量子ドットと量子ドットがランダムに配置されている場合、膜厚が入射光波長(λ/(4n))より十分大きいと光学膜として機能するため、100nm以下にすることが好ましい。前記第1の層の中空量子ドットに隣接する前記量子ドットと、前記第1の層の中空量子ドットとの距離は20nm以下であることが好ましい。
The cumulative film thickness of the hollow quantum dot layer composed of the hollow quantum dots arranged in the layered form is 50 nm or more, and the quantum dot composed of the quantum dots adjacent to the hollow quantum dot of the hollow quantum dot layer The distance between the layer and the hollow quantum dot layer is preferably 20 nm or less.
For example, the hollow quantum dots and the quantum dots may be randomly arranged. In this case, it is preferable that the thickness of the hollow quantum dots and the layer in which the quantum dots are randomly arranged is 100 nm or less.
The cumulative film thickness of the hollow quantum dot layer composed of the hollow quantum dots arranged in a layered manner is 50 nm or more in order to improve the light utilization efficiency of incident light and light emitted from the quantum dot by the scattering function of the hollow quantum dots. The accumulated film thickness is required. Further, when the hollow quantum dots and the quantum dots are randomly arranged, the film functions as an optical film if the film thickness is sufficiently larger than the incident light wavelength (λ / (4n)). The distance between the quantum dots adjacent to the hollow quantum dots of the first layer and the hollow quantum dots of the first layer is preferably 20 nm or less.

例えば、前記量子ドットは、蛍光体、SiGe(1−x)、InGa(1−x)N、InAs、FeSi、PbSもしくはPbSe、またはフラーレン、有機系蛍光性色素もしくは有機系蛍光性色素分子で構成される。
例えば、前記中空量子ドットは、SiO、Si、GaN、GaNもしくはAlN、またはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂、シリコーン樹脂、飽和ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート(PET)系樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、架橋フマル酸ジエステル系樹脂、ポリカーボネート(PC)系樹脂、セルロース系樹脂もしくは透明ポリイミド(PI)で構成される。
For example, the quantum dots may be phosphors, Si x Ge (1-x) , In x Ga (1-x) N, InAs, FeSi, PbS or PbSe, or fullerenes, organic fluorescent dyes or organic fluorescent substances. Consists of dye molecules.
For example, the hollow quantum dots include SiO 2 , Si 2 N 3 , GaN, GaN or AlN, or acrylic resin, epoxy resin, ethylene vinyl acetate (EVA) resin, silicone resin, saturated polyester / polyethylene terephthalate (PET) resin. , Polyethylene naphthalate (PEN) resin, cross-linked fumaric acid diester resin, polycarbonate (PC) resin, cellulose resin, or transparent polyimide (PI).

本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様の量子ドット構造体を有し、量子ドットは、それぞれ吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなり、中空量子ドットの散乱機能により入射光や前記量子ドットからの出射光の光利用効率を改善するとともに、任意の波長領域の透過率を改善させる機能を有する波長変換層を有することを特徴とする波長変換素子を提供するものである。
本発明の第3の態様は、本発明の第2の態様の波長変換素子が光電変換層の入射光側に設けられたことを特徴とする光電変換装置を提供するものである。
A second aspect of the present invention includes the quantum dot structure according to the first aspect of the present invention, and each quantum dot has a lower energy than the absorbed light with respect to a specific wavelength region of the absorbed light. It consists of a wavelength conversion composition that converts the wavelength to light, and improves the light utilization efficiency of incident light and emitted light from the quantum dot by the scattering function of the hollow quantum dot, and also improves the transmittance of any wavelength region The wavelength conversion element characterized by having the wavelength conversion layer which has is provided.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a photoelectric conversion device characterized in that the wavelength conversion element according to the second aspect of the present invention is provided on the incident light side of the photoelectric conversion layer.

前記波長変換素子は、積層構成にて透過率を改善させることができる。この場合、波長変換層の屈折率を、空気の屈折率から段階的に光電変換層の屈折率に近づける方法が望まれる。
マトリクス層中の量子ドットと中空量子ドットの含有密度を変化させると屈折率は任意に変化させることが可能となる。ただし、膜強度等により中空量子ドットの含有量の上限は1/3程度であると推測される。
また、積層構成にて透過率を改善させるために、波長変換素子の屈折率を、空気の屈折率から連続的に変化させて光電変換層の屈折率に近づける方法も選択することが可能である。
The wavelength conversion element can improve the transmittance in a laminated configuration. In this case, a method is desired in which the refractive index of the wavelength conversion layer gradually approaches the refractive index of the photoelectric conversion layer from the refractive index of air.
When the density of the quantum dots and the hollow quantum dots in the matrix layer is changed, the refractive index can be arbitrarily changed. However, the upper limit of the content of the hollow quantum dots is estimated to be about 1/3 due to film strength and the like.
In addition, in order to improve the transmittance in the laminated structure, it is also possible to select a method in which the refractive index of the wavelength conversion element is continuously changed from the refractive index of air to approach the refractive index of the photoelectric conversion layer. .

積層構成にて透過率を改善させる場合、前記波長変換素子は、入射光側から順に、前記中空量子ドットだけが配置された第1の層と、前記中空量子ドットと前記量子ドットとが混在して配置された第2の層と、前記量子ドットだけが配置された第3の層とが設けられていることが好ましい。   When the transmittance is improved in a stacked configuration, the wavelength conversion element includes, in order from the incident light side, the first layer in which only the hollow quantum dots are arranged, and the hollow quantum dots and the quantum dots are mixed. It is preferable that a second layer disposed in a row and a third layer in which only the quantum dots are disposed are provided.

これに加え、太陽光は300nm〜1800nmを広帯域の光を照射しており、例えば、結晶Si太陽電池用の波長変換素子では、太陽光は300nm〜1200nmの広帯域の光に対してARコートされていることが望まれる。このためには、前記第1の層の屈折率を極力空気に近づける必要があるが、中空量子ドットを用いることにより、SiOフッ素ポリマー等の市販の低屈折率光学材料より低屈折率を実現できる。
この場合、前記第1の層の厚さをd1a、屈折率n1a、前記第2の層の厚さをd1b、屈折率n1aとし、前記第2の層と前記第3の層との合計の厚さをd1c、屈折率n1cするとき、λ/(4n1a)≒d1a、λ/(4n1b)≒d1b、λ/(4n1c)≒d1cであることが好ましく、かつ、n1a≪n1c、n1a<n1b<n1cの関係を有することが好ましい。
また、前記中空量子ドットと前記量子ドットとが混在して配置された第2の層は、積層状に前記中空量子ドットと前記量子ドットを構成する方法と、ランダム状に前記中空量子ドットと前記量子ドットを構成する方法で形成できる。
積層状の構成において、前記中空量子ドット層厚をd2aとし、前記量子ドット層厚をd2bとするとき、d1a、d1b、d1c≪d2a、d2bの関係であることが好ましい。なぜなら、光波長オーダの膜厚になると中空量子ドットと前記量子ドットとが混在した膜としてではなく、前記中空量子ドット層および前記量子ドット層が単層にて光学的特徴を示すようになり、本来の光学設計の寄与を示さなくなるためである。
In addition to this, sunlight irradiates broadband light of 300 nm to 1800 nm. For example, in a wavelength conversion element for a crystalline Si solar cell, sunlight is AR-coated with respect to broadband light of 300 nm to 1200 nm. It is hoped that For this purpose, it is necessary to make the refractive index of the first layer as close to air as possible, but by using hollow quantum dots, a lower refractive index is achieved than commercially available low refractive index optical materials such as SiO 2 fluoropolymer. it can.
In this case, the thickness of the first layer is d 1a , the refractive index n 1a , the thickness of the second layer is d 1b , and the refractive index n 1a, and the second layer, the third layer, the total thickness of the d 1c of, when the refractive index n 1c, λ / (4n 1a ) ≒ d 1a, λ / (4n 1b) ≒ d 1b, is preferably λ / (4n 1c) ≒ d 1c and, n 1a << n 1c, preferably has a relation of n 1a <n 1b <n 1c .
In addition, the second layer in which the hollow quantum dots and the quantum dots are mixedly disposed includes a method of configuring the hollow quantum dots and the quantum dots in a stacked shape, and the hollow quantum dots and the random in a random shape. It can be formed by a method of forming quantum dots.
In the laminated configuration, when the hollow quantum dot layer thickness is d 2a and the quantum dot layer thickness is d 2b , it is preferable that d 1a , d 1b , d 1c << d 2a , d 2b . Because, when the film thickness is of the order of the optical wavelength, the hollow quantum dot layer and the quantum dot layer become optical characteristics in a single layer rather than as a film in which hollow quantum dots and the quantum dots are mixed, This is because the contribution of the original optical design is not shown.

連続的に屈折率を変化させる前記波長変換素子は、前記中空量子ドットの配置密度が異なる第1の表面層と第1の裏面層とを有し、前記第1の表面層の方が前記第1の裏面層よりも前記中空量子ドットの配置密度が高く、さらに前記量子ドットの配置密度が異なる第2の表面層と第2の裏面層とを有し、前記第2の表面層の方が前記第2の裏面層よりも前記量子ドットの配置密度を低くすることにより連続的に屈折率を変化させることを特徴とする。   The wavelength conversion element that continuously changes the refractive index has a first surface layer and a first back surface layer having different arrangement densities of the hollow quantum dots, and the first surface layer is the first surface layer. The arrangement density of the hollow quantum dots is higher than that of the first back surface layer, and the second front surface layer and the second back surface layer have different arrangement density of the quantum dots, and the second surface layer is more The refractive index is continuously changed by making the arrangement density of the quantum dots lower than that of the second back surface layer.

前記波長変換素子は、入射光側から順に、前記量子ドットと前記中空量子ドットがランダムに配置されて配置密度勾配が形成された第1の配置密度勾配層と、前記量子ドットと前記中空量子ドットが層状に積層されて配置され、配置密度勾配が形成された第2の配置密度勾配層とを有する。
前記第1の配置密度勾配層において、前記中空量子ドットが局地的に配置された領域の積層方向の厚さをdとするとき、1/4λ≫dであることが好ましい。
前記波長変換素子は、入射光側から順に、低屈折率層と、屈折率勾配層と、高屈折率層と有するものであってもよい。
The wavelength conversion element includes, in order from the incident light side, a first arrangement density gradient layer in which the quantum dots and the hollow quantum dots are arranged randomly and an arrangement density gradient is formed, the quantum dots, and the hollow quantum dots Are arranged in layers and have a second arrangement density gradient layer in which an arrangement density gradient is formed.
In the first arrangement density gradient layer, it is preferable that 1 / 4λ >> d, where d is the thickness in the stacking direction of the region where the hollow quantum dots are locally arranged.
The wavelength conversion element may have a low refractive index layer, a refractive index gradient layer, and a high refractive index layer in order from the incident light side.

本発明の量子ドット構造体によれば、入射光の利用効率を高くすることができる。さらには、高い発光強度を得ることができ、発光特性が優れる。なお、本発明の量子ドット構造体は、太陽電池(光電変換装置)、LED等の発光デバイス、赤外領域等の受光センサー、波長変換素子、および光光変換装置に適用することができる。   According to the quantum dot structure of the present invention, the utilization efficiency of incident light can be increased. Furthermore, high light emission intensity can be obtained and the light emission characteristics are excellent. The quantum dot structure of the present invention can be applied to a solar cell (photoelectric conversion device), a light emitting device such as an LED, a light receiving sensor such as an infrared region, a wavelength conversion element, and a light-light conversion device.

(a)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第1の変形例を示す模式的断面図であり、(c)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第2の変形例を示す模式的断面図であり、(d)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第3の変形例を示す模式的断面図である。(A) is typical sectional drawing which shows the quantum dot structure of embodiment of this invention, (b) is typical sectional which shows the 1st modification of the quantum dot structure of embodiment of this invention. It is a figure, (c) is typical sectional drawing which shows the 2nd modification of the quantum dot structure of embodiment of this invention, (d) is the quantum dot structure of embodiment of this invention. It is a typical sectional view showing the 3rd modification. 本発明の実施形態の量子ドット構造体の作用を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the effect | action of the quantum dot structure of embodiment of this invention. (a)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体のTEM像を示す図面代用写真であり、(b)は、比較のための他の量子ドット構造体のTEM像を示す図面代用写真である。(A) is drawing substitute photograph which shows the TEM image of the quantum dot structure of embodiment of this invention, (b) is drawing substitute photograph which shows the TEM image of the other quantum dot structure for a comparison. is there. (a)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の発光強度と従来の量子ドット構造体の発光強度の時間変化を示すグラフであり、(b)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の発光スペクトルを示すグラフである。(A) is a graph which shows the time change of the light emission intensity of the quantum dot structure of embodiment of this invention, and the light emission intensity of the conventional quantum dot structure, (b) is the quantum dot of embodiment of this invention It is a graph which shows the emission spectrum of a structure. 本発明の実施形態の第3の変形例の量子ドット構造体の作用を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the effect | action of the quantum dot structure of the 3rd modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の第3の変形例の量子ドット構造体の発光スペクトルと従来の量子ドット構造体の発光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum of the quantum dot structure of the 3rd modification of embodiment of this invention, and the emission spectrum of the conventional quantum dot structure. (a)〜(c)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。(A)-(c) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the quantum dot structure of embodiment of this invention in order of a process. (a)〜(c)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図であって、図7(c)の次工程を示すものである。(A)-(c) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the quantum dot structure of embodiment of this invention in order of a process, Comprising: The next process of FIG.7 (c) is shown. (a)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体のTEM像を示す図面代用写真であり、(b)は、図9(a)に示す量子ドット構造体のGe分布を示すグラフである。(A) is drawing substitute photograph which shows the TEM image of the quantum dot structure of embodiment of this invention, (b) is a graph which shows Ge distribution of the quantum dot structure shown to Fig.9 (a). . (a)、(b)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の他の構成の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。(A), (b) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the other structure of the quantum dot structure of embodiment of this invention in order of a process. (a)〜(c)は、本発明の実施形態の第2の変形例の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。(A)-(c) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the quantum dot structure of the 2nd modification of embodiment of this invention in order of a process. 本発明の実施形態の波長変換素子を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the wavelength conversion element of embodiment of this invention. マルチエキシトン効果を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the multi exciton effect. 太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a sunlight spectrum and the spectral sensitivity curve of crystalline Si. 反射防止膜の構成の違いによる反射率の違いを示すグラフである。It is a graph which shows the difference in the reflectance by the difference in the structure of an antireflection film. (a)は、マトリクス層中の量子ドットの含有量と屈折率との関係を示すグラフであり、(b)は、マトリクス層中の量子ドットの間隔と屈折率との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between content of the quantum dot in a matrix layer, and a refractive index, (b) is a graph which shows the relationship between the space | interval of the quantum dot in a matrix layer, and a refractive index. . マトリクス層中のマトリクス材充填率による屈折率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the refractive index by the matrix material filling rate in a matrix layer. (a)は、SiO膜/波長変換素子(Si量子ドット/SiO2Mat)/Si基板の反射率を示すグラフであり、波長変換素子の屈折率が1.80であり、(b)は、SiO膜/波長変換素子(Si量子ドット/SiO2Mat)/Si基板の反射率を示すグラフであり、波長変換素子の屈折率が2.35である。(A) is a graph showing the SiO 2 film / wavelength converting element (Si quantum dots / SiO 2Mat) / Si substrate reflectivity, refractive index of the wavelength conversion element is 1.80, (b), the is a graph showing the SiO 2 film / wavelength converting element (Si quantum dots / SiO 2Mat) / Si substrate reflectivity, refractive index of the wavelength conversion element is 2.35. 波長変換素子における実効屈折率の違いと発光強度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the difference in the effective refractive index in a wavelength conversion element, and emitted light intensity. (a)は、波長変換素子における量子ドットの均一さと発光強度の関係を示すグラフであり、(b)は、量子ドットが不均一なもののTEM像を示す図面代用写真であり、(c)は、量子ドットが均一なもののTEM像を示す図面代用写真である。(A) is a graph showing the relationship between the uniformity of the quantum dots and the emission intensity in the wavelength conversion element, (b) is a drawing-substituting photograph showing a TEM image of the quantum dots that are not uniform, and (c) It is a drawing substitute photograph which shows the TEM image of a thing with a uniform quantum dot. 本発明の実施形態の第3の変形例の量子ドット構造体の反射特性と、従来の量子ドット構造体の反射特性を示すグラフである。It is a graph which shows the reflective characteristic of the quantum dot structure of the 3rd modification of embodiment of this invention, and the reflective characteristic of the conventional quantum dot structure. (a)は、本発明の実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置を示す模式的断面図であり、(b)は、波長変換素子の第1の例を示す模式図である。(A) is typical sectional drawing which shows the photoelectric conversion apparatus which has a wavelength conversion element of embodiment of this invention, (b) is a schematic diagram which shows the 1st example of a wavelength conversion element. (a)は、波長変換素子の第2の例を示す模式図であり、(b)は、波長変換素子の第2の例における屈折率分布を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the 2nd example of a wavelength conversion element, (b) is a schematic diagram which shows the refractive index distribution in the 2nd example of a wavelength conversion element. (a)は、波長変換素子の第3の例を示す模式図であり、(b)は、波長変換素子の第3の例における屈折率分布を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the 3rd example of a wavelength conversion element, (b) is a schematic diagram which shows the refractive index distribution in the 3rd example of a wavelength conversion element. 波長変換素子の第4の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 4th example of a wavelength conversion element. 本発明の実施形態の光電変換装置を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the photoelectric conversion apparatus of embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の光電変換装置を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the photoelectric conversion apparatus of other embodiment of this invention.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の量子ドット構造体、波長変換素子および光電変換装置を詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第1の変形例を示す模式的断面図であり、(c)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第2の変形例を示す模式的断面図であり、(d)は、本発明の実施形態の量子ドット構造体の第3の変形例を示す模式的断面図である。
Hereinafter, a quantum dot structure, a wavelength conversion element, and a photoelectric conversion device of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a quantum dot structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic diagram showing a first modification of the quantum dot structure according to the embodiment of the present invention. It is typical sectional drawing, (c) is typical sectional drawing which shows the 2nd modification of the quantum dot structure of embodiment of this invention, (d) is the quantum dot structure of embodiment of this invention It is typical sectional drawing which shows the 3rd modification of a body.

図1(a)に示す量子ドット構造体10は、マトリクス層12中に、量子ドット14と、中空状の中空量子ドット16が配置されたものである。
量子ドット構造体10においては、量子ドット14および中空量子ドット16は、それぞれ層状に配置されており、例えば、2列ずつ配置されている。
量子ドット14により量子ドット層18aが構成され、中空量子ドット16により中空量子ドット層18bが構成される。
量子ドット構造体10において、例えば、光は量子ドット14側から入射される。なお、量子ドット14および中空量子ドット16の列数は、特に限定されるものではない。
A quantum dot structure 10 shown in FIG. 1A is obtained by arranging quantum dots 14 and hollow hollow quantum dots 16 in a matrix layer 12.
In the quantum dot structure 10, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are arranged in layers, for example, two rows.
A quantum dot layer 18 a is configured by the quantum dots 14, and a hollow quantum dot layer 18 b is configured by the hollow quantum dots 16.
In the quantum dot structure 10, for example, light is incident from the quantum dot 14 side. The number of columns of the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 is not particularly limited.

マトリクス層12は、例えば、バンドギャップが3.0eV以上の無機誘電体で構成されるものである。マトリクス層12は、バンドギャップが3.0eV以上の無機誘電体であれば、特に限定されるものではないが、例えば、SiO、Si、GaN、GaNまたはAlNで構成される。
また、マトリクス層12は、例えば、バンドギャップが3.0eV以上の、透過率が70%以上の有機材で構成される。この透過率は、JIS K7361−1:1997で規定される全光線透過率の試験方法で計測される全光線透過率のことである。
The matrix layer 12 is made of, for example, an inorganic dielectric having a band gap of 3.0 eV or more. The matrix layer 12 is not particularly limited as long as it is an inorganic dielectric having a band gap of 3.0 eV or more. For example, the matrix layer 12 is made of SiO 2 , Si 2 N 3 , GaN, GaN, or AlN.
The matrix layer 12 is made of, for example, an organic material having a band gap of 3.0 eV or more and a transmittance of 70% or more. This transmittance is the total light transmittance measured by the total light transmittance test method defined in JIS K7361-1: 1997.

量子ドット14は、ナノサイズの粒子であり、例えば、それぞれ吸収した光の特定の波長領域に対して、その吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物で構成される。量子ドット14の組成は特に限定されるものではないが、量子ドット14を、例えば、無機材料で構成する場合には、SiGe(1−x)またはInGa(1−x)N、InAs、FeSi、PbSもしくはPbSe等の半導体が用いられる。また、量子ドット14を、例えば、有機材料で構成する場合には、フラーレン、有機系蛍光性色素または有機系蛍光性色素分子が用いられる。 The quantum dots 14 are nano-sized particles, and are composed of, for example, a wavelength conversion composition that converts the wavelength of light of a specific wavelength region of absorbed light into light having energy lower than that of the absorbed light. The composition of the quantum dots 14 is not particularly limited. For example, when the quantum dots 14 are made of an inorganic material, Si x Ge (1-x) or In x Ga (1-x) N, A semiconductor such as InAs, FeSi, PbS, or PbSe is used. Further, when the quantum dots 14 are made of, for example, an organic material, fullerene, an organic fluorescent dye, or an organic fluorescent dye molecule is used.

中空量子ドット16は、マトリクス層12内に形成された略球状のナノサイズの空間である。この場合、中空量子ドット16を形成する中空形成材料とマトリクス層12と組成が同じである。このため、中空量子ドット16も、例えば、SiO、Si、GaN、GaNまたはAlN等の無機材料で構成される。中空量子ドット16は、その構成材料がマトリクス層12と同じ方が屈折率差による散乱等が抑制され透過率が改善されるため、好ましい。
なお、中空量子ドット16は、マトリクス層12内に形成された略球状の空間に限定されるものではなく、外面が薄い殻の中空構造であってもよい。この場合、殻の組成と、マトリクス層12の組成は同じであっても、また異なっていてもよい。
中空量子ドット16は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂、シリコーン樹脂、飽和ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート(PET)系樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、架橋フマル酸ジエステル系樹脂、ポリカーボネート(PC)系樹脂、セルロース系樹脂または透明ポリイミド(PI)等の有機材料で構成することもできる。
The hollow quantum dots 16 are substantially spherical nano-sized spaces formed in the matrix layer 12. In this case, the composition of the hollow forming material forming the hollow quantum dots 16 and the matrix layer 12 are the same. Therefore, hollow quantum dots 16 may, for example, SiO 2, Si 2 N 3 , GaN, composed of an inorganic material such as GaN or AlN. The hollow quantum dot 16 is preferably the same material as the matrix layer 12 because scattering due to a difference in refractive index is suppressed and the transmittance is improved.
The hollow quantum dots 16 are not limited to the substantially spherical space formed in the matrix layer 12, and may have a hollow structure with a thin outer surface. In this case, the composition of the shell and the composition of the matrix layer 12 may be the same or different.
The hollow quantum dots 16 are, for example, acrylic resin, epoxy resin, ethylene vinyl acetate (EVA) resin, silicone resin, saturated polyester / polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene naphthalate (PEN) resin, cross-linked fumaric acid diester resin. , Polycarbonate (PC) -based resin, cellulose-based resin, or transparent polyimide (PI) and other organic materials.

量子ドット14および中空量子ドット16は、粒径が2nm〜10nmであることが好ましい。量子ドット14と中空量子ドット16とは、同じ大きさであっても、大きさが異なってもよい。更には、量子ドット14および中空量子ドット16は、いずれもその大きさは均一であっても、不均一であってもよい。
また、量子ドット14および中空量子ドット16は、いずれも最隣接粒子の間隔δが20nm以下であることが好ましく、より好ましくは10nm以下、更に好ましくは5nm以下である。
The quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 preferably have a particle size of 2 nm to 10 nm. The quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 may have the same size or different sizes. Furthermore, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 may be either uniform or non-uniform in size.
Further, in each of the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16, the distance δ between the nearest neighbor particles is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less, and further preferably 5 nm or less.

量子ドット14は、粒径を2nm未満とすると、バンドギャップが大きくなりすぎて、所望の波長変換効果が得られない。このため、量子ドットの粒径は2nm以上が望まれる。一方、例えば、ジルコニア粒子(屈折率2.5)/SiO(屈折率1.45)マトリックスを用い、屈折率の異なる透明材料にて混合体を形成した場合、その透過率は、粒子の大きさが大きいと、低い充填率で透過率が低下することを確認している。特に、粒子の屈折率が2.5より大きい場合、充填率を上げるには、粒径を10nm以下にすることが好ましい。 When the particle size of the quantum dots 14 is less than 2 nm, the band gap becomes too large and a desired wavelength conversion effect cannot be obtained. For this reason, the particle size of quantum dots is desired to be 2 nm or more. On the other hand, for example, when a zirconia particle (refractive index 2.5) / SiO 2 (refractive index 1.45) matrix is used and a mixture is formed of transparent materials having different refractive indexes, the transmittance is the size of the particles. It is confirmed that when the thickness is large, the transmittance decreases at a low filling rate. In particular, when the refractive index of the particles is larger than 2.5, the particle size is preferably 10 nm or less in order to increase the filling rate.

ここで、量子ドット14または中空量子ドット16が層状に配置されているとは、積層方向に対して垂直に交差する平面に量子ドット14または中空量子ドット16が、1粒子分一列に並んでいる状態のことである。この場合、中空量子ドット16または量子ドット14が1粒子分、一列に並んでいる集合体層が最小層単位となる。累積膜厚tとは、この最小層が単層であれば単層の厚さのことであり、複数層であれば、その積層分の合計の厚さのことである。
例えば、図1(a)に示すように、中空量子ドット層18bが、中空量子ドット16単位で2層配置されている場合には、累積膜厚tとは、その2層分の厚さのことである。
中空量子ドットの散乱機能により入射光や量子ドットからの出射光の光利用効率を改善するため、中空量子ドット層18bは、累積膜厚tに関して50nm以上の累積膜厚が必要である。このため、中空量子ドット層18bの累積膜厚tは、50nm以上であることが好ましい。この場合、中空量子ドット層18bの中空量子ドット16に隣接する量子ドット14で構成される量子ドット層と、中空量子ドット層18bとの距離は20nm以下であることが好ましい。
Here, the quantum dots 14 or the hollow quantum dots 16 are arranged in a layer form that the quantum dots 14 or the hollow quantum dots 16 are arranged in a line for one particle on a plane perpendicular to the stacking direction. It is a state. In this case, the aggregate layer in which the hollow quantum dots 16 or the quantum dots 14 are arranged in a row for one particle is a minimum layer unit. The cumulative film thickness t is the thickness of a single layer if this minimum layer is a single layer, and the total thickness of the stacked layers if it is a plurality of layers.
For example, as shown in FIG. 1A, when two hollow quantum dot layers 18b are arranged in units of 16 hollow quantum dots, the cumulative film thickness t is the thickness of the two layers. That is.
In order to improve the light use efficiency of incident light and light emitted from the quantum dots by the scattering function of the hollow quantum dots, the hollow quantum dot layer 18b needs a cumulative film thickness of 50 nm or more with respect to the cumulative film thickness t. For this reason, it is preferable that the cumulative film thickness t of the hollow quantum dot layer 18b is 50 nm or more. In this case, the distance between the quantum dot layer composed of the quantum dots 14 adjacent to the hollow quantum dots 16 of the hollow quantum dot layer 18b and the hollow quantum dot layer 18b is preferably 20 nm or less.

本実施形態においては、量子ドット14および中空量子ドット16が配置されていれば、その配置形態は、特に限定されるものではない。このため、例えば、図1(b)に示す量子ドット構造体10aのように、量子ドット14および中空量子ドット16は、それぞれ千鳥状に層状に配置されてもよい。さらには、図1(c)に示す量子ドット構造体10bのように、量子ドット14および中空量子ドット16が、交互に1粒子分ずつ層状に配置されたものであってもよい。
図16(b)に示す量子ドット構造体10a、および図1(c)に示す量子ドット構造体10bのいずれにおいても、中空量子ドット16は層状に配置されている。
図16(b)に示す量子ドット構造体10aの場合では、中空量子ドット16の集合体層が4層積層されており、この合計の厚さが累積膜厚tとなる。この場合でも、中空量子ドット16の集合体層の累積膜厚tは、50nm以上であることが好ましい。
また、図16(c)に示す量子ドット構造体10bの場合では、中空量子ドット16が1粒子分、一列に並んでいる集合体層が、2層あり、この2層の合計の厚さ、すなわち、2d2aが累積膜厚tとなる。この場合でも、中空量子ドット16の集合体層の累積膜厚tは、50nm以上であることが好ましい。
In this embodiment, if the quantum dot 14 and the hollow quantum dot 16 are arrange | positioned, the arrangement | positioning form will not be specifically limited. For this reason, for example, like the quantum dot structure 10a shown in FIG. 1B, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 may be arranged in a staggered manner in layers. Furthermore, as in the quantum dot structure 10b shown in FIG. 1C, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 may be alternately arranged in layers for each particle.
In both the quantum dot structure 10a shown in FIG. 16 (b) and the quantum dot structure 10b shown in FIG. 1 (c), the hollow quantum dots 16 are arranged in layers.
In the case of the quantum dot structure 10a shown in FIG. 16B, four aggregate layers of the hollow quantum dots 16 are laminated, and the total thickness is the accumulated film thickness t. Even in this case, the accumulated film thickness t of the aggregate layer of the hollow quantum dots 16 is preferably 50 nm or more.
In the case of the quantum dot structure 10b shown in FIG. 16 (c), there are two aggregate layers in which the hollow quantum dots 16 are arranged in a row for one particle, and the total thickness of these two layers, That is, 2d 2a is the accumulated film thickness t. Even in this case, the accumulated film thickness t of the aggregate layer of the hollow quantum dots 16 is preferably 50 nm or more.

また、図1(d)に示す量子ドット構造体10cのように、量子ドット14および中空量子ドット16は、ランダムに配置されるものであってもよい。
量子ドット14および中空量子ドット16がランダムに配置された場合には、中空量子ドット16と量子ドット14とが同様な分布形態を有する集合体層の厚さを、累積膜厚tとする。例えば、図1(d)に示すように、中空量子ドット16と量子ドット14とがランダムに配置されたマトリクス層12の厚さが累積膜厚tとなる。ランダム配置の場合、累積膜厚tが入射光波長(λ/(4n))より十分大きいと光学膜として機能するため、累積膜厚tは、100nm以下であることが好ましい。また、ランダム配置の累積膜厚tは、量子ドット構造体に入射する入射光Lの波長λに対して、t≦λ/4nであってもよい。但し、nは、ランダム配置の集合体層の屈折率である。
一方、ランダム配置において、光学膜として機能させる場合には、累積膜厚tを100nm超とする。
Moreover, the quantum dot 14 and the hollow quantum dot 16 may be arrange | positioned at random like the quantum dot structure 10c shown in FIG.1 (d).
When the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged, the thickness of the aggregate layer in which the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 have similar distribution forms is defined as a cumulative film thickness t. For example, as shown in FIG. 1D, the thickness of the matrix layer 12 in which the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 are arranged at random is the accumulated film thickness t. In the case of random arrangement, the cumulative film thickness t is preferably 100 nm or less because it functions as an optical film if the cumulative film thickness t is sufficiently larger than the incident light wavelength (λ / (4n)). Further, the cumulative film thickness t of the random arrangement may be t ≦ λ / 4n with respect to the wavelength λ of the incident light L incident on the quantum dot structure. Here, n is the refractive index of the randomly arranged aggregate layer.
On the other hand, when functioning as an optical film in a random arrangement, the cumulative film thickness t is set to more than 100 nm.

図1(b)〜図1(d)に示す量子ドット構造体10a〜10cにおいても、量子ドット14および中空量子ドット16は、いずれも最隣接粒子の間隔δが20nm以下であることが好ましく、より好ましくは10nm以下、更に好ましくは5nm以下である。   Also in the quantum dot structures 10a to 10c shown in FIGS. 1B to 1D, it is preferable that the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 both have an interval δ of the nearest neighbor particles of 20 nm or less. More preferably, it is 10 nm or less, More preferably, it is 5 nm or less.

上述の量子ドット構造体10、10a〜10cの構成のように、中空量子ドット16を有するものとすることにより、量子ドット構造体10、10a〜10cの透過率を高くすることができる。   By having the hollow quantum dots 16 as in the configuration of the quantum dot structures 10, 10a to 10c described above, the transmittance of the quantum dot structures 10, 10a to 10c can be increased.

本実施形態の量子ドット構造体においては、図2に示すように、入射光Lが量子ドット14側から入射されると、量子ドット14により入射光Lは四方八方に反射される。しかし、量子ドット14の反射光Lr(散乱光)の一部が、中空量子ドット16の表面または内部で反射されて量子ドット構造体10の外部に、例えば、入射光L側に、光Lbとして取り出され、量子ドット構造体の反射光量が多くなる。このように、量子ドット14による反射光Lr(散乱光)は中空量子ドット16により外部に反射される。なお、後述するように、本実施形態の量子ドット構造体は、高い発光強度が得られる。
一方、量子ドット構造体は、量子ドット14に加えて中空量子ドット16を備えており量子ドット構造体自体、透過率が高い。このため、量子ドット構造体に対して垂直に入射した入射光Lの量子ドット構造体を透過する透過光量を増やすことができ、光エネルギー損失を抑制することができる。これにより、例えば、量子ドット構造体の中空量子ドット16側に光電変換層を配置した場合、入射光Lの利用効率を高めることができ、光電変換層の光電変換量を多くすることができる。
In the quantum dot structure of the present embodiment, as shown in FIG. 2, when the incident light L is incident from the quantum dot 14 side, the incident light L is reflected in all directions by the quantum dots 14. However, a part of the reflected light Lr (scattered light) of the quantum dots 14 is reflected on the surface or inside of the hollow quantum dots 16 to the outside of the quantum dot structure 10, for example, as the light Lb on the incident light L side. As a result, the amount of reflected light of the quantum dot structure increases. Thus, the reflected light Lr (scattered light) from the quantum dots 14 is reflected to the outside by the hollow quantum dots 16. As will be described later, the quantum dot structure of the present embodiment can provide high emission intensity.
On the other hand, the quantum dot structure includes the hollow quantum dots 16 in addition to the quantum dots 14, and the quantum dot structure itself has high transmittance. For this reason, the transmitted light amount which permeate | transmits the quantum dot structure of the incident light L which injected perpendicularly | vertically with respect to the quantum dot structure can be increased, and a light energy loss can be suppressed. Thereby, for example, when the photoelectric conversion layer is disposed on the hollow quantum dot 16 side of the quantum dot structure, the utilization efficiency of the incident light L can be increased, and the photoelectric conversion amount of the photoelectric conversion layer can be increased.

本出願人は、図1(a)に示す構成の量子ドット構造体10が、PL発光することを確認している。例えば、図3(a)に示すように、中空量子ドット16が球状である場合には、PL発光する。一方、図3(b)に示すように、中空量子ドット17が平板状に扁平したものである場合には、PL発光しないことを確認している。
図1(a)に示す構成の量子ドット構造体10に対して、励起波長533nmの光をパルス状の照射したところ、図4(a)に符号αで示すような発光波形が得られた。また、中空量子ドット16を有する量子ドット構造体10の発光スペクトルは、図4(b)に示すようなものであった。
比較のために、量子ドットだけの量子ドット構造体に対して、励起波長533nmの光をパルス状に照射したところ、図4(a)に符号αで示すような発光波形が得られた。このように、中空量子ドット16を有する量子ドット構造体10は、量子ドットだけの量子ドット構造体に比して高い発光強度が得られ、発光特性が優れる。
The present applicant has confirmed that the quantum dot structure 10 having the configuration shown in FIG. For example, as shown in FIG. 3A, when the hollow quantum dots 16 are spherical, PL light is emitted. On the other hand, as shown in FIG.3 (b), when the hollow quantum dot 17 is flat and flat, it is confirmed that PL light emission is not carried out.
The configuration quantum dot structure 10 shown in FIG. 1 (a), where a light having an excitation wavelength of 533nm was irradiated in pulsed emission waveform as shown at alpha 1 was obtained in FIGS. 4 (a) . Further, the emission spectrum of the quantum dot structure 10 having the hollow quantum dots 16 was as shown in FIG.
For comparison, with respect to the quantum dot structure only quantum dots was irradiated with light having an excitation wavelength of 533nm in a pulse shape, the light emission waveform such as indicated at alpha 2 was obtained in Figure 4 (a). As described above, the quantum dot structure 10 having the hollow quantum dots 16 has higher emission intensity than the quantum dot structure having only the quantum dots, and has excellent emission characteristics.

また、図1(d)に示す量子ドット構造体10cのように、量子ドット14および中空量子ドット16がランダムに配置されている場合、図5に示すように、入射光Lが入射されると、量子ドット14で四方八方に反射される。反射した反射光Lr(散乱光)の一部が中空量子ドット16で反射し、量子ドット14の反射光Lrの一部が、中空量子ドット16の表面または内部で反射されて量子ドット構造体10cの外部に、例えば、入射光L側に、光Lbとして取り出され、ランダム配置でも量子ドット構造体の反射光量が多くなる。このように、量子ドット14による反射光Lr(散乱光)は中空量子ドット16により外部に反射される。なお、後述するように、ランダム配置の量子ドット構造体も高い発光強度が得られる。
一方、ランダム配置の量子ドット構造体も、量子ドット14に加えて中空量子ドット16を備えており量子ドット構造体自体、透過率が高い。この点については後述の図21に示される。このようなことから、ランダム配置の量子ドット構造体も、例えば、量子ドット構造体の中空量子ドット16側に光電変換層を配置した場合、入射光Lの利用効率を高めることができ、光電変換層の光電変換量を多くすることができる。
Further, when the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged as in the quantum dot structure 10c shown in FIG. 1D, when the incident light L is incident as shown in FIG. The quantum dots 14 are reflected in all directions. A part of the reflected light Lr (scattered light) reflected is reflected by the hollow quantum dots 16, and a part of the reflected light Lr of the quantum dots 14 is reflected on the surface or inside of the hollow quantum dots 16 so that the quantum dot structure 10c. For example, the light Lb is extracted on the incident light L side, and the amount of reflected light of the quantum dot structure is increased even in a random arrangement. Thus, the reflected light Lr (scattered light) from the quantum dots 14 is reflected to the outside by the hollow quantum dots 16. In addition, as will be described later, a random arrangement of quantum dot structures also provides high emission intensity.
On the other hand, the randomly arranged quantum dot structure also includes the hollow quantum dots 16 in addition to the quantum dots 14, and the quantum dot structure itself has high transmittance. This point is shown in FIG. 21 described later. For this reason, the quantum dot structure of random arrangement can also increase the utilization efficiency of incident light L when the photoelectric conversion layer is arranged on the hollow quantum dot 16 side of the quantum dot structure, for example. The photoelectric conversion amount of the layer can be increased.

図1(d)に示す量子ドット構造体10cについて、励起波長を600nmとして発光スペクトルを調べたところ、図6に符号βで示すような発光スペクトルが得られた。比較のために量子ドットだけの量子ドット構造体ついて、同様にして発光スペクトルを調べたところ、図6に符号βで示すような発光スペクトルが得られた。
図6に示すように、量子ドット14および中空量子ドット16がランダムに配置された量子ドット構造体10cであっても、量子ドットだけの量子ドット構造体に比して、約6倍の発光強度が得られており、ランダムに配置された量子ドット構造体でも高い発光強度が得られ、発光特性が優れる。
The quantum dot structure 10c shown in FIG. 1 (d), were examined emission spectrum with excitation wavelengths as 600 nm, emission spectrum as shown by reference numeral beta 1 in FIG. 6 were obtained. For quantum dot structure only quantum dots for comparison, were examined emission spectrum in the same manner, the emission spectrum as indicated at beta 2 in FIG. 6 were obtained.
As shown in FIG. 6, even in the quantum dot structure 10c in which the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged, the emission intensity is about 6 times that of the quantum dot structure having only the quantum dots. Thus, even with a randomly arranged quantum dot structure, high emission intensity is obtained and the emission characteristics are excellent.

以上のように、本実施形態の量子ドット構造体によれば、散乱光に対しては反射し、垂直に入射した入射光Lは透過させて入射光Lの利用効率を高めることができる。更には、本実施形態の量子ドット構造体によれば、高い発光強度を得ることができる。また、量子ドットの組成、および量子ドットのサイズを変えることにより、バンドギャップを変えられることが知られており、本実施形態の量子ドット構造体においても、量子ドット14の組成および量子ドットのサイズを変えることにより、バンドギャップを変えることができる。なお、量子ドット構造体を用いた各種の装置等については、後に詳細に説明する。   As described above, according to the quantum dot structure of the present embodiment, it is possible to improve the utilization efficiency of the incident light L by reflecting the scattered light and transmitting the incident light L incident vertically. Furthermore, according to the quantum dot structure of the present embodiment, high emission intensity can be obtained. Further, it is known that the band gap can be changed by changing the composition of the quantum dots and the size of the quantum dots. In the quantum dot structure of the present embodiment, the composition of the quantum dots 14 and the size of the quantum dots are also known. By changing the band gap, the band gap can be changed. Various devices using the quantum dot structure will be described in detail later.

次に、図1に示す量子ドット構造体10の形成方法について説明する。
図7(a)〜(c)および図8(a)〜(c)は、図1に示す量子ドット構造体10の形成方法を工程順に示す模式的断面図である。
まず、図7(a)に示すように、基板20の表面20aにSiO層22、SiGeO層24を交互に積層して積層体25を得る。SiO層22およびSiGeO層24の厚さは、例えば、3〜6nmである。基板20には、例えば、Si基板が用いられる。
Next, a method for forming the quantum dot structure 10 shown in FIG. 1 will be described.
FIGS. 7A to 7C and FIGS. 8A to 8C are schematic cross-sectional views showing the method of forming the quantum dot structure 10 shown in FIG. 1 in the order of steps.
First, as shown in FIG. 7A, the laminated body 25 is obtained by alternately laminating the SiO 2 layers 22 and the SiGeO layers 24 on the surface 20 a of the substrate 20. The thicknesses of the SiO 2 layer 22 and the SiGeO layer 24 are, for example, 3 to 6 nm. For example, a Si substrate is used as the substrate 20.

SiO層22は、例えば、到達真空度を3×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにSiを用い、投入電力を100W、成膜圧力を0.3Paとし、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが1sccmの成膜条件で成膜する。
SiGeO層24は、例えば、アモルファス状のものであり、到達真空度を、3×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにGeおよびSiを用い、投入電力をGeは50W、Siは100W、成膜圧力を0.3Paとし、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが0.5sccmの成膜条件で成膜する。
For example, the SiO 2 layer 22 has an ultimate vacuum of 3 × 10 −4 Pa or less, a substrate temperature of room temperature (RT), Si as a target, an input power of 100 W, a deposition pressure of 0.3 Pa, and a gas flow rate. As for film formation, the film is formed under the film formation conditions of Ar gas of 15 sccm and O 2 gas of 1 sccm.
The SiGeO layer 24 is, for example, amorphous. The ultimate vacuum is 3 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Ge and Si are used as targets, the input power is 50 W for Ge, Si is 100 W, the film formation pressure is 0.3 Pa, and the gas flow rate is formed under the film formation conditions of Ar gas of 15 sccm and O 2 gas of 0.5 sccm.

次に、積層体25に対して、例えば、窒素雰囲気で650℃、10分アニールを行う。これにより、図7(b)に示すように、マトリクス層12中にGe量子ドット26が形成された積層体27が得られる。
次に、積層体27に対して、例えば、温度1000℃で、1時間アニールを行い、Ge量子ドット26を拡散させる。これにより、Ge量子ドット26の大きさに応じた空孔がマトリクス層12中に形成されて中空量子ドット16が形成される。このようにして中空量子ドット16が形成された積層体29が得られる。
Next, the stacked body 25 is annealed at, for example, 650 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. As a result, as shown in FIG. 7B, a stacked body 27 in which Ge quantum dots 26 are formed in the matrix layer 12 is obtained.
Next, the stacked body 27 is annealed, for example, at a temperature of 1000 ° C. for 1 hour to diffuse the Ge quantum dots 26. As a result, holes corresponding to the size of the Ge quantum dots 26 are formed in the matrix layer 12 to form the hollow quantum dots 16. In this way, a laminate 29 in which the hollow quantum dots 16 are formed is obtained.

次に、図8(a)の積層体29の表面29aに、SiO層30、SiGeO層32(アモルファス層)、SiO層30、SiOx層34(0<X<2)、SiO層30、SiGeO層32、SiO層30、SiOx層34(アモルファス層)、SiO層30、SiGeO層32、SiO層30を、この順で積層して形成し積層体33を得る。
SiO層30、SiGeO層32およびSiOx層34の厚さは、例えば、3〜6nmである。
Next, the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32 (amorphous layer), the SiO 2 layer 30, the SiOx layer 34 (0 <X <2), the SiO 2 layer 30 are formed on the surface 29a of the stacked body 29 in FIG. The SiGeO layer 32, the SiO 2 layer 30, the SiOx layer 34 (amorphous layer), the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32, and the SiO 2 layer 30 are stacked in this order to obtain a stacked body 33.
The thicknesses of the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32, and the SiOx layer 34 are, for example, 3 to 6 nm.

SiO層30は、例えば、SiOをターゲットに用いたRFスパッタにより形成される。SiGeO層32は、例えば、SiとGeとの共リアクティブスパッタにより形成される。SiOx層34は、例えば、Siをリアクティブスパッタにより酸化させることにより形成される。SiO層30、SiGeO層32およびSiOx層34は、より具体的には、以下のようにして形成される。 The SiO 2 layer 30 is formed by, for example, RF sputtering using SiO 2 as a target. The SiGeO layer 32 is formed by, for example, co-reactive sputtering of Si and Ge. The SiOx layer 34 is formed, for example, by oxidizing Si by reactive sputtering. More specifically, the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32, and the SiOx layer 34 are formed as follows.

SiO層30は、例えば、到達真空度を1×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにSiOを用い、投入電力を100W、成膜圧力を0.3Paとし、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが1sccmの成膜条件で成膜する。
SiGeO層32は、例えば、アモルファス状のものであり、到達真空度を、1×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにGeおよびSiを用い、投入電力をGeは80W、Siは100W、成膜圧力を0.3Paとし、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが0.6sccmの成膜条件で成膜する。
SiOx層34は、例えば、到達真空度を、1×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにSiを用い、投入電力を100W、成膜圧力を0.1Paとし、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが0.5sccmの成膜条件で成膜する。
The SiO 2 layer 30 is, for example, an ultimate vacuum of 1 × 10 −4 Pa or less, a substrate temperature of room temperature (RT), a target of SiO 2 , an input power of 100 W, a film forming pressure of 0.3 Pa, and a gas Regarding the flow rate, the film is formed under the film forming conditions of Ar gas of 15 sccm and O 2 gas of 1 sccm.
The SiGeO layer 32 is, for example, amorphous. The ultimate vacuum is 1 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Ge and Si are used as targets, and the input power is 80 W for Ge. Si is 100 W, the deposition pressure is 0.3 Pa, and the gas flow rate is such that the Ar gas is 15 sccm and the O 2 gas is 0.6 sccm.
For example, the SiOx layer 34 has an ultimate vacuum of 1 × 10 −4 Pa or less, a substrate temperature of room temperature (RT), Si as a target, an input power of 100 W, a deposition pressure of 0.1 Pa, and a gas flow rate. As for film formation, the film is formed under the film formation conditions of Ar gas of 15 sccm and O 2 gas of 0.5 sccm.

積層体33においては、SiGe(1−x−y)とSiOの層をSiO層中に交互もしくは、周期的に配列させればよい。
また、積層体33においては、SiGeO層32またはSiOx層34に隣接して、SiO層30が形成され、かつSiGeO層32と隣接するSiGeO層32の間に、少なくともSiOx層34が1層以上配置されたものであってもよい。
In the stacked body 33, layers of Si x Ge y O (1-xy) and SiO z may be alternately or periodically arranged in the SiO 2 layer.
In the stacked body 33, the SiO 2 layer 30 is formed adjacent to the SiGeO layer 32 or the SiOx layer 34, and at least one SiOx layer 34 is interposed between the SiGeO layer 32 and the adjacent SiGeO layer 32. It may be arranged.

次に、積層体33に、例えば、窒素ガスをフローした雰囲気にて、例えば、900℃、1分の加熱処理(アニール処理)を施すことにより、窒化及び結晶化を行う。この場合、図8(b)に示すように、SiGeO層32中にGe量子ドット(量子ドット14)が形成される(SiGe(1−x−y)→Ge+GeOz1+SiOz2)。このとき、SiGeO層32(アモルファス層)からGeOx35(GeOz1)がSiOx層34(アモルファス層)に拡散する。拡散したGeOx37が、SiOx層34にて反応してGe量子ドット(量子ドット14)が形成される。この際、拡散したGeOz1をSiがGeより酸化しやすい特性を生かし、SiOz2+GeOz1→SiO+Geと反応させることにより、GeOの発生が抑制され、経時的にGeOが拡散し、Ge/GeO界面での欠陥膜質変化を抑制することができる。
この加熱処理により、SiO層30、SiGeO層32およびSiOx層34により、例えば、非結晶質のSiOx(x≒2)のマトリクス層12が形成される。
Next, nitriding and crystallization are performed on the stacked body 33 by performing a heat treatment (annealing treatment), for example, at 900 ° C. for 1 minute in an atmosphere in which a nitrogen gas is flowed. In this case, as shown in FIG. 8B, Ge quantum dots (quantum dots 14) are formed in the SiGeO layer 32 (Si x Ge y O (1-xy) → Ge + GeO z1 + SiO z2 ). At this time, GeOx 35 (GeO z1 ) diffuses from the SiGeO layer 32 (amorphous layer) to the SiOx layer 34 (amorphous layer). The diffused GeOx 37 reacts with the SiOx layer 34 to form Ge quantum dots (quantum dots 14). At this time, taking advantage of the property that Si is more easily oxidized than Ge by making the diffused GeO z1 react with SiO z2 + GeO z1 → SiO 2 + Ge, the generation of GeO z is suppressed, and GeO z diffuses over time, It is possible to suppress the defect film quality change at the Ge / GeO 2 interface.
By this heat treatment, for example, the amorphous SiOx (x≈2) matrix layer 12 is formed by the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32 and the SiOx layer 34.

なお、SiO層30、SiGeO層32およびSiOx層34を相互に積層し、加熱処理することにより、特表2007−535806号公報に開示されているように、結晶質の量子ドット14がマトリクス層12内に3次元的に均一分布される。本実施形態においては、さらに量子ドット14が、高密度に形成される。生成される量子ドット14は、マトリクス層12内に3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に分布される。
このようにして、図8(c)に示すような、マトリクス層12中に量子ドット14が3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に配列された量子ドット構造体39を得ることができる。
Note that the SiO 2 layer 30, the SiGeO layer 32, and the SiOx layer 34 are stacked on each other and subjected to heat treatment, whereby the crystalline quantum dots 14 are converted into a matrix layer as disclosed in JP-T-2007-535806. 12 is uniformly distributed three-dimensionally. In the present embodiment, the quantum dots 14 are further formed with high density. The generated quantum dots 14 have a three-dimensional periodicity in the matrix layer 12 and are uniformly distributed at a high density.
In this way, a quantum dot structure 39 in which the quantum dots 14 have a three-dimensional periodicity and are uniformly arranged at high density in the matrix layer 12 as shown in FIG. 8C is obtained. be able to.

なお、量子ドット構造体39において、量子ドット14とマトリクス層12との界面、およびマトリクス層12の欠陥の発生を防止するため、その製造工程においてパッシベーション工程を有することが好ましい。
このパッシベーション工程としては、例えば、プラズマ水素処理がなされる。このプラズマ水素処理により、窒素/水素終端を実施する。プラズマ水素処理条件は、例えば、Hガス流量が300l/分、真空度が0.9Torr(120Pa)、マイクロ波の出力が2.5KW、基板温度が300℃、処理時間が30分である。
このようにして、量子ドット14および中空量子ドット16がそれぞれ層状に配置された量子ドット構造体10を形成することができる。形成された量子ドット構造体10は、具体的には、図9(a)に示すように、量子ドット14と中空量子ドット16とがマトリクス層12中に層状に配置されたものとなる。
図9(a)に示す量子ドット構造体10について、線分G−GにおけるGe濃度を調べたところ、図9(b)に示すように、中空量子ドット16の形成領域と、量子ドット14の形成領域とではGe濃度が明らかに異なっており、中空量子ドット16の形成領域ではGe濃度が低く、Geは殆どない。これにより、中空量子ドット16は、Ge量子ドット26が拡散して形成された中空状であることは明らかである。
In addition, in the quantum dot structure 39, in order to prevent generation | occurrence | production of the defect of the interface of the quantum dot 14 and the matrix layer 12, and the matrix layer 12, it is preferable to have a passivation process in the manufacturing process.
As this passivation step, for example, plasma hydrogen treatment is performed. Nitrogen / hydrogen termination is performed by this plasma hydrogen treatment. The plasma hydrogen treatment conditions are, for example, an H 2 gas flow rate of 300 l / min, a degree of vacuum of 0.9 Torr (120 Pa), a microwave output of 2.5 KW, a substrate temperature of 300 ° C., and a treatment time of 30 minutes.
Thus, the quantum dot structure 10 in which the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are respectively arranged in layers can be formed. Specifically, as shown in FIG. 9A, the formed quantum dot structure 10 has quantum dots 14 and hollow quantum dots 16 arranged in layers in the matrix layer 12.
For the quantum dot structure 10 shown in FIG. 9A, the Ge concentration in the line segment G 1 -G 2 was examined. As shown in FIG. 9B, the formation region of the quantum dots 16 and the quantum dots The Ge concentration is clearly different from the 14 formation region, and the Ge concentration is low and almost no Ge in the formation region of the hollow quantum dots 16. Thus, it is clear that the hollow quantum dots 16 are hollow formed by diffusing Ge quantum dots 26.

また、本発明においては、図10(b)に示すように、中空量子ドット16に加えて大きさが異なる量子ドット14a〜14cを有する量子ドット構造体11であってもよい。
この量子ドット構造体11においては、図1(a)の量子ドット構造体10に比して、大きさが異なる量子ドット14a〜14cが形成されている点が異なり、それ以外の構成は、量子ドット構造体10と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。量子ドット構造体11は、量子ドット構造体11の厚さ方向(上下方向)の両端の量子ドット14aが一番大きく、量子ドット構造体11の中心にいくにつれて量子ドット14b、量子ドット14cとその大きさは小さくなる。
Moreover, in this invention, as shown in FIG.10 (b), in addition to the hollow quantum dot 16, the quantum dot structure 11 which has the quantum dots 14a-14c from which a magnitude | size differs may be sufficient.
The quantum dot structure 11 is different from the quantum dot structure 10 in FIG. 1A in that quantum dots 14a to 14c having different sizes are formed. Since the configuration is the same as that of the dot structure 10, detailed description thereof is omitted. In the quantum dot structure 11, the quantum dots 14a at both ends in the thickness direction (vertical direction) of the quantum dot structure 11 are the largest, and the quantum dots 14b and 14c and the quantum dots 14c increase toward the center of the quantum dot structure 11. The size becomes smaller.

なお、本実施形態においては、大きさが異なる量子ドットが配置されるものであれば、大きさが異なる量子ドットの配置は特に限定されるものではない。例えば、量子ドット構造体の厚さ方向の両端の量子ドットが一番小さく、量子ドット構造体の中心にいくにつれて量子ドットの大きさが大きくなるものであってもよい。
さらには、量子ドット構造体の厚さ方向において、小さい粒子径の量子ドット層L1に大きい粒子径の量子ドット層L2が挟まれるように、L1−L2−L1、L1−L1−L2−L1というような周期配置されたものであってもよい。
この量子ドット構造体11においても、上述の累積膜厚tは50nm以上であることが好ましい。
In the present embodiment, as long as quantum dots having different sizes are arranged, the arrangement of quantum dots having different sizes is not particularly limited. For example, the quantum dots at both ends in the thickness direction of the quantum dot structure may be the smallest, and the size of the quantum dots may be increased toward the center of the quantum dot structure.
Furthermore, in the thickness direction of the quantum dot structure, L1-L2-L1 and L1-L1-L2-L1 are set such that the quantum dot layer L2 having a large particle diameter is sandwiched between the quantum dot layers L1 having a small particle diameter. Such a periodic arrangement may be used.
Also in this quantum dot structure 11, it is preferable that the above-mentioned cumulative film thickness t is 50 nm or more.

次に、図10(b)に示す量子ドット構造体11の製造方法について説明する。
本実施形態においては、図10(a)に示す積層体33aが、図8(a)に示す積層体33に比して、中央にSiGeO層32に代えて、SiOx層34(0<X<2)が形成されている点が異なり、それ以外の構成は、図8(a)に示す積層体33と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
Next, the manufacturing method of the quantum dot structure 11 shown in FIG.10 (b) is demonstrated.
In the present embodiment, the laminated body 33a shown in FIG. 10A is different from the laminated body 33 shown in FIG. 8A in place of the SiGeO layer 32 at the center, and the SiOx layer 34 (0 <X < 2) is different, and the other configuration is the same as that of the stacked body 33 shown in FIG. 8A, and thus detailed description thereof is omitted.

SiGeO層32(SiGe(1−x−y)膜)、SiO層30、SiOx層34の周期配列において、図10(a)に示すように、SiGe(1−x−y)層間に、SiOx層34を複数層挿入する構成とすることにより、挿入したSiOx層34の層数に対応してSiGe粒子径を段階的に変化させることが可能となる。このため、積層体33aに対して、例えば、窒素ガスをフローした雰囲気にて、900℃、1分の加熱処理を実施することにより、大きさが異なる量子ドット14a〜14cを形成することができる。 In the periodic arrangement of the SiGeO layer 32 (Si x Ge y O (1-xy) film), the SiO 2 layer 30, and the SiO x layer 34, as shown in FIG. 10A, Si x Ge y O (1- xy) By adopting a configuration in which a plurality of SiOx layers 34 are inserted between layers, the SiGe particle diameter can be changed stepwise in accordance with the number of inserted SiOx layers 34. For this reason, the quantum dot 14a-14c from which a magnitude | size can differ can be formed by implementing heat processing with respect to the laminated body 33a at 900 degreeC and 1 minute in the atmosphere which flowed nitrogen gas, for example. .

次に、図1(c)に示す量子ドット構造体10bの製造方法について説明する。
図11(a)〜(c)は、図1(c)に示す量子ドット構造体10bの製造方法を工程順に示す模式的断面図である。
Next, the manufacturing method of the quantum dot structure 10b shown in FIG.1 (c) is demonstrated.
FIGS. 11A to 11C are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the quantum dot structure 10b shown in FIG.

まず、図11(a)に示すように、基板20の表面20aにSiO層40(アモルファス層)、SiGeO層32(アモルファス層)、SiO層40、Si/SiO層42(拡散ストップ層)、SiO層40、SiGeO層32(アモルファス層)、SiO層40、Si/SiO層42、SiO層40を、この順で積層して積層体44を形成する。
積層体44においては、SiO層40、SiGeO層32およびSi/SiO層42を交互もしくは、周期的に配列させればよい。
なお、SiO層40は、SiGeO層32よりも電気陰性度が大きい。
First, as shown in FIG. 11A, a SiO 2 layer 40 (amorphous layer), a SiGeO layer 32 (amorphous layer), a SiO 2 layer 40, a Si / SiO 2 layer 42 (diffusion stop layer) are formed on the surface 20a of the substrate 20. ), The SiO 2 layer 40, the SiGeO layer 32 (amorphous layer), the SiO 2 layer 40, the Si / SiO 2 layer 42, and the SiO 2 layer 40 are laminated in this order to form a laminated body 44.
In the stacked body 44, the SiO 2 layer 40, the SiGeO layer 32, and the Si / SiO 2 layer 42 may be arranged alternately or periodically.
The SiO 2 layer 40 has a higher electronegativity than the SiGeO layer 32.

SiO層40、SiGeO層32およびSi/SiO層42の厚さは、例えば、3〜6nmである。SiGeO層32は、SiGe(1−x−y)の組成を有するものである。
SiO層40は、例えば、SiOをターゲットに用いたRFスパッタにより形成される。成膜条件としては、例えば、到達真空度が3×10−4Pa以下、基板温度が室温(RT)、ターゲットにSiが用いられ、投入電力が100W、成膜圧力が0.3Pa、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが1sccmである。
The thicknesses of the SiO 2 layer 40, the SiGeO layer 32, and the Si / SiO 2 layer 42 are, for example, 3 to 6 nm. The SiGeO layer 32 has a composition of Si x Ge y O (1-xy) .
The SiO 2 layer 40 is formed by, for example, RF sputtering using SiO 2 as a target. As film formation conditions, for example, the ultimate vacuum is 3 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Si is used as the target, the input power is 100 W, the film formation pressure is 0.3 Pa, and the gas flow rate. Is about 15 sccm for Ar gas and 1 sccm for O 2 gas.

SiGeO層32は、例えば、SiとGeとの共リアクティブスパッタにより形成される。成膜条件としては、例えば、到達真空度が3×10−4Pa以下、基板温度が室温(RT)、ターゲットにGeおよびSiが用いられ、投入電力がGeは50W、Siは100W、成膜圧力が0.3Pa、ガス流量についてはArガスが15sccm、Oガスが0.5sccmである。
Si/SiO層42は、SiとSiOを共スパッタにより形成される。成膜条件としては、例えば、到達真空度が3×10−4Pa以下、基板温度が室温(RT)、ターゲットにSiおよびSiOが用いられ、投入電力がSiは10W、SiOは100W、成膜圧力が0.3Paであり、ガス流量についてはArガスが15sccmであり、Oガスが0sccmである。
The SiGeO layer 32 is formed by, for example, co-reactive sputtering of Si and Ge. As the film formation conditions, for example, the ultimate vacuum is 3 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Ge and Si are used as targets, the input power is 50 W for Ge, and 100 W for Si. The pressure is 0.3 Pa, and the gas flow rate is 15 sccm for Ar gas and 0.5 sccm for O 2 gas.
The Si / SiO 2 layer 42 is formed by co-sputtering Si and SiO 2 . As film formation conditions, for example, the ultimate vacuum is 3 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Si and SiO 2 are used as targets, the input power is 10 W for Si, 100 W for SiO 2 , The film forming pressure is 0.3 Pa, the gas flow rate is 15 sccm for Ar gas, and 0 sccm for O 2 gas.

Si/SiO層42は、熱処理時に、SiGeO層32からSiO層40に、GeOx等が拡散することを防止するためのものである。SiGeO層32からGeOx等がSi/SiO層42に拡散すると、前述のようにSiの方が、Geよりも酸化され易い。このため、GeOxの酸化度が低下し、しかもGeOxは、酸化が低い方が拡散しにくい性質を有するため、GeOxの拡散が抑制される。
熱処理により、Si/SiO層42では量子ドット14が形成され、SiO層40およびSi/SiO層42等によりマトリクス層12が構成される。
The Si / SiO 2 layer 42 is for preventing GeOx and the like from diffusing from the SiGeO layer 32 to the SiO 2 layer 40 during heat treatment. When GeOx or the like diffuses from the SiGeO layer 32 into the Si / SiO 2 layer 42, Si is more easily oxidized than Ge as described above. For this reason, the degree of oxidation of GeOx is reduced, and GeOx has a property that it is difficult to diffuse when the oxidation is lower, so that the diffusion of GeOx is suppressed.
By heat treatment, Si / quantum dots 14 in the SiO 2 layer 42 is formed, the matrix layer 12 is formed of SiO 2 layer 40 and Si / SiO 2 layer 42 and the like.

次に、積層体44に、例えば、窒素ガスをフローした雰囲気にて、900℃、1分の加熱処理をし、窒化及び結晶化を行う。これにより、図11(b)に示すように、マトリクス層12中に量子ドット48および量子ドット14が形成された積層体46が得られる。なお、量子ドット48は、SiGeO層32で生成される。
積層体44の熱処理時において、電気陰性度が大きいSiO層40の半導体が選択的に酸化されて、量子ドット14が形成されるとともに、電気陰性度が小さいSiGeO層32の半導体が、選択的に還元が促進され、量子ドット48が形成される。このとき、電気陰性度が小さいSiGeO層32の半導体が選択的に還元が促進されるため、SiGeO層32からSiO層40に、量子ドット48の構成材料、例えば、GeOx等の拡散が抑制される。
Next, the laminated body 44 is subjected to heat treatment at 900 ° C. for 1 minute, for example, in an atmosphere in which nitrogen gas is flowed to perform nitriding and crystallization. Thereby, as shown in FIG. 11B, a stacked body 46 in which the quantum dots 48 and the quantum dots 14 are formed in the matrix layer 12 is obtained. Note that the quantum dots 48 are generated by the SiGeO layer 32.
During the heat treatment of the stacked body 44, the semiconductor of the SiO 2 layer 40 having a high electronegativity is selectively oxidized to form the quantum dots 14, and the semiconductor of the SiGeO layer 32 having a low electronegativity is selectively used. Reduction is promoted and quantum dots 48 are formed. At this time, since the reduction of the semiconductor of the SiGeO layer 32 having a low electronegativity is selectively promoted, diffusion of the constituent material of the quantum dots 48 such as GeOx from the SiGeO layer 32 to the SiO 2 layer 40 is suppressed. The

量子ドット48および量子ドット14については、積層体46についてラマン分光分析したところ、量子ドット48および量子ドット14として、Si(1−x)Ge(X>0.7)とSi(1−x)Ge(X<0.7)とを混合したものであることが推測される。量子ドット48と量子ドット14とは融点が異なり、量子ドット14の方が量子ドット48よりもは融点が高い。 When the quantum dot 48 and the quantum dot 14 were subjected to Raman spectroscopic analysis of the stacked body 46, Si (1-x) Ge x (X> 0.7) and Si (1-x ) were obtained as the quantum dot 48 and the quantum dot 14. ) It is presumed that this is a mixture of Ge x (X <0.7). The quantum dots 48 and the quantum dots 14 have different melting points, and the quantum dots 14 have a higher melting point than the quantum dots 48.

次に、積層体46に対して、量子ドット48が拡散し、量子ドット14が拡散しない温度にてアニール処理を施す。これにより、図11(c)に示すように、量子ドット14と中空量子ドット16とが交互に配置された量子ドット構造体10bが形成される。
なお、中空量子ドット16を形成するためのアニール処理後に、上述のプラズマ水素処理をしてもよい。
Next, the multilayer body 46 is annealed at a temperature at which the quantum dots 48 diffuse and the quantum dots 14 do not diffuse. Thereby, as shown in FIG.11 (c), the quantum dot structure 10b in which the quantum dot 14 and the hollow quantum dot 16 are arrange | positioned alternately is formed.
The plasma hydrogen treatment described above may be performed after the annealing treatment for forming the hollow quantum dots 16.

また、図1(d)に示す量子ドット構造体10cのようにランダムに量子ドット14および中空量子ドット16が配置されているものについては、例えば、マトリクス層となる層を構成する誘電体と、融点が異なる2種類のナノサイズの粒子となる半導体の3種を一緒に、基板上に堆積させて、マトリクス層となる層中に融点が異なる2種類のナノサイズの粒子をランダムに形成する。そして、2種類のナノサイズの粒子の融点の差を利用して、融点が低い方が拡散し、かつ融点が高い方が拡散しない温度で熱処理する。これにより、一方のナノサイズの粒子を拡散させて中空量子ドットを形成するとともに、融点が高い方を残して量子ドットとする。このようにして、図1(d)に示す量子ドット構造体10cを形成することができる。
なお、ランダム配置の量子ドット構造体10cの形成する際に、マトリクス層となる層に、融点が異なる2種類のナノサイズの粒子をランダムに形成したが、これに限定されるものではない。例えば、2種類のナノサイズの粒子がランダムに形成されたマトリクス層となる層を何層か積層して積層体を形成し、2種類のナノサイズの粒子の融点の差を利用した熱処理により、上述のように中空量子ドットおよび量子ドットを形成することもできる。
図1(a)〜(d)に示す量子ドット構造体10、10a〜10cの製造方法は、上述のものに限定されるものではなく、例えば、塗布法を用いることもできる。
For the case where the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged as in the quantum dot structure 10c shown in FIG. 1D, for example, a dielectric that constitutes a layer serving as a matrix layer; Three types of semiconductors, which are two types of nano-sized particles having different melting points, are deposited together on a substrate, and two types of nano-sized particles having different melting points are randomly formed in a layer serving as a matrix layer. Then, using the difference between the melting points of the two types of nano-sized particles, heat treatment is performed at a temperature at which the lower melting point diffuses and the higher melting point does not diffuse. As a result, one of the nano-sized particles is diffused to form a hollow quantum dot, and the quantum dot is left with the higher melting point. In this way, the quantum dot structure 10c shown in FIG. 1D can be formed.
In addition, when forming the randomly arranged quantum dot structure 10c, two types of nano-sized particles having different melting points were randomly formed in the layer serving as the matrix layer, but the present invention is not limited to this. For example, by laminating several layers that form a matrix layer in which two types of nano-sized particles are randomly formed to form a laminate, by heat treatment using the difference in melting point between the two types of nano-sized particles, Hollow quantum dots and quantum dots can also be formed as described above.
The manufacturing method of the quantum dot structure 10, 10a-10c shown to Fig.1 (a)-(d) is not limited to the above-mentioned thing, For example, the apply | coating method can also be used.

以上説明した量子ドット構造体は、いずれの形態においても波長変換機能を有しており、単体で波長変換膜として用いることができる。更には、量子ドット構造体は、例えば、いずれも波長変換素子、波長変換装置および太陽電池に利用することができる。
図12に示す波長変換素子50は、上述の実施形態の量子ドット構造体10、10a〜10cと同様の構成であり、波長変換素子50においては、マトリクス層12内に量子ドット14および中空量子ドット16が、それぞれ層状に配置されている。このため、その詳細な説明は省略する。
なお、波長変換素子50において、量子ドット14および中空量子ドット16の積層数は、特に限定されるものではない。波長変換素子50においても、量子ドット14および中空量子ドット16の大きさは、均一であっても不均一であってもよい。
The quantum dot structure described above has a wavelength conversion function in any form, and can be used alone as a wavelength conversion film. Furthermore, any of the quantum dot structures can be used for, for example, a wavelength conversion element, a wavelength conversion device, and a solar cell.
The wavelength conversion element 50 shown in FIG. 12 has the same configuration as the quantum dot structures 10, 10 a to 10 c of the above-described embodiment. In the wavelength conversion element 50, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots are included in the matrix layer 12. 16 are arranged in layers. For this reason, the detailed description is abbreviate | omitted.
In the wavelength conversion element 50, the number of stacked quantum dots 14 and hollow quantum dots 16 is not particularly limited. Also in the wavelength conversion element 50, the size of the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 may be uniform or non-uniform.

波長変換素子50は、入射した入射光Lを吸収し、この吸収した光の特定の波長領域に対して、吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する機能(以下、波長変換機能という)を備えるとともに、および入射した入射光Lを閉じ込める機能(以下、光閉込め機能という)を備えるものである。   The wavelength conversion element 50 absorbs incident incident light L and converts the wavelength of the absorbed light into a light having a lower energy than the absorbed light (hereinafter referred to as a wavelength conversion function). And a function of confining incident incident light L (hereinafter referred to as a light confinement function).

波長変換素子50において、波長変換機能とは、具体的には、ダウンコンバージョン機能のことである。このダウンコンバージョン機能は、マルチエキシトン効果を呼ばれる、吸収された光子当たり1個以上の光子を生成する効果により発揮される。例えば、図13に示すように、量子ドットにより量子井戸が構成され、EgQD(量子ドットのバンドギャップ)以上のエネルギーをもつ光子(フォトン)が量子ドットに入射された場合、低いエネルギー準位(E1)にある電子が上位のエネルギー準位(E4)に励起され、その後、下位のエネルギー準位(E3)に落ちる際に、入射された光子よりも低いエネルギーの光子が放出される。また、低いエネルギー準位(E2)にある電子が上位のエネルギー準位(E3)に励起された際に、入射された光子よりも低いエネルギーの光子が放出される。このように、1つの光子に対して、光子よりも低いエネルギーの電子を2つ放出させることにより、波長変換がなされる。1つの光子に対して、光子よりも低いエネルギーの電子を2つ放出させる場合、光光変換ともいう。波長変換素子50は、光光変換機能を備える。 In the wavelength conversion element 50, the wavelength conversion function specifically refers to a down conversion function. This down-conversion function is exhibited by the effect of generating one or more photons per absorbed photon, called the multi-exciton effect. For example, as shown in FIG. 13, when a quantum well is constituted by quantum dots, and a photon (photon) having energy equal to or higher than Eg QD (band gap of the quantum dot) is incident on the quantum dot, a low energy level ( When electrons in E1) are excited to the upper energy level (E4) and then fall to the lower energy level (E3), photons with lower energy than the incident photons are emitted. Further, when an electron at a lower energy level (E2) is excited to an upper energy level (E3), a photon having a lower energy than the incident photon is emitted. Thus, wavelength conversion is performed by emitting two electrons having energy lower than that of a photon to one photon. When two electrons having energy lower than that of a photon are emitted for one photon, this is also referred to as light-light conversion. The wavelength conversion element 50 has a light-light conversion function.

波長変換素子50の波長変換機能については、波長変換素子50の用途により、適宜その変換する波長域および変換後の波長が選択される。
波長変換素子50が、例えば、Eg(バンドギャップ)が1.2eVのシリコン太陽電池の光電変換層上に配置された場合、この1.2eVの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、バンドギャップに相当するエネルギーの波長の光に波長変換する機能を有するものが好ましい。
About the wavelength conversion function of the wavelength conversion element 50, the wavelength range and the wavelength after conversion are suitably selected according to the use of the wavelength conversion element 50.
For example, when the wavelength conversion element 50 is disposed on a photoelectric conversion layer of a silicon solar cell having an Eg (band gap) of 1.2 eV, a wavelength of energy (2.4 eV or more) that is twice or more of 1.2 eV. A region having a function of performing wavelength conversion to light having a wavelength of energy corresponding to a band gap is preferable.

図14に示すように、太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを比べると、太陽スペクトルには結晶Siのバンドギャップの波長域の強度が低い。このため、太陽光のうち、結晶Siのバンドギャップの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、低いエネルギーの光子、例えば、1.2eVの光(波長約1100nm)に波長変換することにより、光電変換に有効な光を、結晶Siからなる光電変換層に供給することができる。これにより、太陽電池の変換効率を高くすることができる。
なぜなら、図14に示すように、太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを比べると、太陽スペクトルに比較して、結晶Siバンドギャップの波長帯域が狭く、比較的高エネルギーの光の分光感度強度が低ため、太陽光を有効利用できていない。このため、比較的高エネルギーの光を結晶Siの分光感度に適した光に変換することに、太陽光を有効利用することができる。さらには、結晶Siのバンドギャップの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、1.2eVの光(波長約1100nm)の光に変換する際に、2光子以上(2.4(eV)×1(光子)≒1.2(eV)×2(光子))の光に変換可能であれば、太陽光をさらに有効に利用することができ、太陽電池の変換効率を高くすることができる。なお、量子ドット構造体10においては、上述の図4(b)に示すように、波長1100nm付近での発光(赤外発光)が確認されている。
As shown in FIG. 14, when the solar spectrum is compared with the spectral sensitivity curve of crystalline Si, the solar spectrum has a low intensity in the wavelength range of the band gap of crystalline Si. For this reason, photons of low energy, for example, light of 1.2 eV (wavelength of about 1100 nm) with respect to a wavelength region of energy (2.4 eV or more) twice or more of the band gap of crystalline Si in sunlight. By converting the wavelength, light effective for photoelectric conversion can be supplied to the photoelectric conversion layer made of crystalline Si. Thereby, the conversion efficiency of a solar cell can be made high.
This is because, as shown in FIG. 14, when the solar spectrum and the spectral sensitivity curve of crystalline Si are compared, the wavelength band of the crystalline Si band gap is narrower than that of the solar spectrum, and the spectral sensitivity of relatively high energy light. Sunlight cannot be used effectively due to its low intensity. For this reason, sunlight can be used effectively for converting relatively high energy light into light suitable for the spectral sensitivity of crystalline Si. Further, when the wavelength region of energy (2.4 eV or more) twice as large as the band gap of crystalline Si is converted into light of 1.2 eV light (wavelength of about 1100 nm), two photons or more (2 .4 (eV) × 1 (photon) ≈1.2 (eV) × 2 (photon)), sunlight can be used more effectively, and the conversion efficiency of the solar cell can be improved. Can be high. In the quantum dot structure 10, light emission (infrared light emission) near a wavelength of 1100 nm has been confirmed as shown in FIG.

波長変換素子50において、光閉込め機能とは、反射防止機能のことである。
波長変換素子50が配置される光電変換層が、結晶Siの場合には屈折率nPVは3.6である。また、これらが配置される空間の空気の屈折率nairは1.0である。
ここで、波長変換素子50を反射防止膜として考えた場合、例えば、図15に示すように、屈折率が1.9の単層膜(符号A)、屈折率が1.46/2.35の2層膜(符号A)、屈折率が1.36/1.46/2.35の3層膜(符号A)を比較すると、屈折率が2.35のものがあると、反射率を低減することができる。
このように、波長変換素子50において、反射防止機能を発揮するためには、波長変換素子50の実効屈折率nが、光電変換層の屈折率nPV(結晶シリコンで3.6)と、空気の屈折率とのほぼ中間の屈折率とすることができれば、反射防止機能を発揮することができる。
本実施形態では、波長変換素子50(量子ドット構造体10)の用途等を考慮して、波長変換素子50(量子ドット構造体10)の実効屈折率nは、例えば、波長533nmにおいて、1.7<n<3.0とする。実効屈折率nは、好ましくは、波長533nmにおいて1.7<n<2.5である。
In the wavelength conversion element 50, the light confinement function is an antireflection function.
When the photoelectric conversion layer in which the wavelength conversion element 50 is disposed is crystalline Si, the refractive index n PV is 3.6. The refractive index n air of the air in which these are arranged is 1.0.
Here, when the wavelength conversion element 50 is considered as an antireflection film, for example, as shown in FIG. 15, a single layer film (reference A 1 ) having a refractive index of 1.9 and a refractive index of 1.46 / 2. 35 two-layer film (reference A 2 ) and three-layer film (reference A 3 ) having a refractive index of 1.36 / 1.46 / 2.35 The reflectance can be reduced.
Thus, in order to exhibit the antireflection function in the wavelength conversion element 50, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 50 is the refractive index n PV of the photoelectric conversion layer (3.6 for crystalline silicon) and air. If the refractive index can be set to a substantially intermediate refractive index, the antireflection function can be exhibited.
In the present embodiment, considering the use of the wavelength conversion element 50 (quantum dot structure 10) and the like, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 50 (quantum dot structure 10) is, for example, 1. 7 <n <3.0. The effective refractive index n is preferably 1.7 <n <2.5 at a wavelength of 533 nm.

量子ドット構造体10の各量子ドットが、吸収した光の特定の波長領域に対して吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなるものである。各量子ドットが、波長変換素子50の波長変換機能を担う。
また、量子ドット構造体10の各中空量子ドットの散乱機能により、入射光や量子ドットからの出射光の光利用効率が改善される。
Each quantum dot of quantum dot structure 10 consists of a wavelength conversion composition which carries out wavelength conversion to light of energy lower than light absorbed with respect to a specific wavelength field of light absorbed. Each quantum dot bears the wavelength conversion function of the wavelength conversion element 50.
Moreover, the light use efficiency of incident light and the emitted light from a quantum dot is improved by the scattering function of each hollow quantum dot of the quantum dot structure 10.

波長変換素子50において、量子ドットは、バンドギャップが、波長変換素子50が設けられる光電変換装置の光電変換層のバンドギャップより大きいもので構成される。
上述のように、量子ドットは、例えば、波長変換素子50が設けられる光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーの波長領域に対して、光電変換層のEgの光に波長変換する機能を有する。このため、量子ドットを構成する材料としては、光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーを吸収し、かつ光電変換バンドキャップの2倍以上に、光吸収のためのエネルギー準位が存在している材料が選択される。
In the wavelength conversion element 50, the quantum dot is configured to have a band gap larger than the band gap of the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion device in which the wavelength conversion element 50 is provided.
As described above, for example, the quantum dot has a function of performing wavelength conversion to light of Eg of the photoelectric conversion layer with respect to a wavelength region having energy twice or more Eg of the photoelectric conversion layer in which the wavelength conversion element 50 is provided. . For this reason, as a material constituting the quantum dots, energy levels more than twice Eg of the photoelectric conversion layer are absorbed, and energy levels for light absorption exist in more than twice the photoelectric conversion band caps. Material is selected.

このため、量子ドットには、光電変換層のEgより高いエネルギーで発光する材料が選択され、光電変換層のEg以上に量子ドットの基底準位が存在し、かつ、離散化したエネルギー準位において、光電変換層のEgの2倍以上のエネルギー準位が存在している。   For this reason, a material that emits light with energy higher than Eg of the photoelectric conversion layer is selected for the quantum dot, the ground level of the quantum dot exists above Eg of the photoelectric conversion layer, and the energy level is discretized. In addition, an energy level more than twice the Eg of the photoelectric conversion layer exists.

また、光電変換層で利用可能な光に変換するには、基底準位より励起された励起状態のフォトンの存在確率が高くなる反転分布状態を形成するように、量子ドットが配列される必要がある。そこで、量子ドットを上述の如く、千鳥状に配列する。このように、3次元空間での粒子密度の偏りを有するものとすることにより、空間的なエネルギーの偏りを形成し反転分布状態を形成することが可能である。また、エネルギーの局在を生じさせるために、量子ドットの粒径を異ならせてもよく、この場合、量子ドットの粒径バラツキσ(標準偏差)が、1<σ<d/5nmの範囲で異なること、好ましくは、1<σ<d/10nmである。 In addition, in order to convert the light into usable light in the photoelectric conversion layer, it is necessary to arrange the quantum dots so as to form an inversion distribution state in which the existence probability of excited photons excited from the ground level is increased. is there. Therefore, quantum dots are arranged in a staggered manner as described above. Thus, by having a particle density bias in a three-dimensional space, it is possible to form a spatial energy bias and form an inverted distribution state. Further, in order to cause the localization of energy, the particle diameter of the quantum dots may be varied. In this case, the particle diameter variation σ d (standard deviation) of the quantum dots is 1 <σ d <d / 5 nm. It is different in the range, preferably 1 <σ d <d / 10 nm.

ここで、上述のように、反射防止機能を得るために、波長変換素子50の実効屈折率nを、例えば、光電変換層と空気との中間の値の2.4にする必要がある。そこで、量子ドットの含有量と屈折率との関係をシミュレーション計算により調べ、さらに量子ドットの間隔と屈折率との関係をシミュレーション計算により調べた。その結果、図16(a)に示すように、屈折率を高くするには量子ドットの含有量を高くする必要があり、図16(b)に示すように屈折率を高くするには、量子ドットの間隔を狭くする必要がある。
図16(a)、(b)に示すように、例えば、波長変換素子50の実効屈折率nを2.4にするには、量子ドットの間隔を狭く、かつ高い密度でマトリクス層内に配置する必要がある。このため、量子ドット構造体10bのように量子ドット14を千鳥状に配置することは有効である。
また、図17に示すように、SiO、Siを用いたマトリクス層中のマトリクス材充填率による屈折率の変化を調べた。すなわち、マトリクス層内にある空孔の割合による屈折率の変化を求めた。この結果から、屈折率を高くするにはマトリクス層中の量子ドットの含有量を多くする必要がある。
Here, as described above, in order to obtain the antireflection function, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 50 needs to be 2.4, which is an intermediate value between the photoelectric conversion layer and air, for example. Therefore, the relationship between the quantum dot content and the refractive index was examined by simulation calculation, and the relationship between the quantum dot interval and the refractive index was examined by simulation calculation. As a result, as shown in FIG. 16A, it is necessary to increase the content of quantum dots in order to increase the refractive index, and in order to increase the refractive index as shown in FIG. It is necessary to narrow the dot interval.
As shown in FIGS. 16A and 16B, for example, in order to set the effective refractive index n of the wavelength conversion element 50 to 2.4, the intervals between the quantum dots are narrowly arranged in the matrix layer with high density. There is a need to. For this reason, it is effective to arrange the quantum dots 14 in a staggered manner like the quantum dot structure 10b.
Further, as shown in FIG. 17, the change in the refractive index due to the matrix material filling rate in the matrix layer using SiO 2 and Si 3 N 4 was examined. That is, the change in the refractive index according to the ratio of vacancies in the matrix layer was determined. From this result, it is necessary to increase the content of quantum dots in the matrix layer in order to increase the refractive index.

さらに、反射率について以下のような検討をした。具体的には、Si基板上に波長変換素子50を形成し、この波長変換素子50上にSiO膜を形成したものについて反射率を求めた。波長変換素子50は、SiOのマトリクス層にSiの量子ドットが設けられたもの(Si量子ドット/SiO2Mat)であり、量子ドットの粒径が均一である。このとき、波長変換素子50の屈折率は1.80である。この場合、図18(a)に示すように、反射率を約10%にすることができる。なお、反射率は、分光反射測定器(日立製U4000)を用いて測定した。 Furthermore, the following examination was made about the reflectance. Specifically, the reflectance was determined for the wavelength conversion element 50 formed on the Si substrate and the SiO 2 film formed on the wavelength conversion element 50. The wavelength conversion element 50 is a device in which Si quantum dots are provided in a SiO 2 matrix layer (Si quantum dots / SiO 2 Mat ), and the quantum dot has a uniform particle size. At this time, the refractive index of the wavelength conversion element 50 is 1.80. In this case, as shown in FIG. 18A, the reflectance can be about 10%. In addition, the reflectance was measured using the spectral reflection measuring device (Hitachi U4000).

また、量子ドットの粒径を不均一にすることにより、充填率を高くし、波長変換素子50の屈折率を2.35と高くした。この場合、波長変換素子50としては、SiOのマトリクス層にSiの量子ドットが設けられたもの(Si量子ドット/SiO2Mat)とした。その結果を図18(b)に示す。なお、反射率は、分光反射測定器(日立製U4000)を用いて測定した。
このように、量子ドットの充填率を高くすることにより、屈折率が高くなり、その結果、反射率を低くすることができる。このため、波長変換素子50に入射した光Lの利用効率を高くすることができる。
Further, by making the particle size of the quantum dots non-uniform, the filling rate was increased and the refractive index of the wavelength conversion element 50 was increased to 2.35. In this case, the wavelength conversion element 50 was a Si quantum dot provided on a SiO 2 matrix layer (Si quantum dot / SiO 2 Mat ). The result is shown in FIG. In addition, the reflectance was measured using the spectral reflection measuring device (Hitachi U4000).
Thus, by increasing the filling rate of the quantum dots, the refractive index is increased, and as a result, the reflectance can be decreased. For this reason, the utilization efficiency of the light L incident on the wavelength conversion element 50 can be increased.

本実施形態の波長変換素子50は、例えば、後述するように太陽電池に利用することができる。また、波長変換素子50は、上述のように、波長1200nmの光に波長変換することができるため、赤外線光源として利用可能である。しかも、上述のように発光強度が高いため、波長変換された光の発光強度が高い。すなわち、赤外線の発光強度が高い。
また、量子ドット、中空量子ドットの配置、大きさを適宜変えることにより、例えば、波長350nmの光を波長800nmの光に波長変換することができ、紫外線防止膜としても利用可能である。
The wavelength conversion element 50 of this embodiment can be used for a solar cell as described later, for example. Further, as described above, the wavelength conversion element 50 can be converted into light having a wavelength of 1200 nm, and thus can be used as an infrared light source. Moreover, since the emission intensity is high as described above, the emission intensity of the wavelength-converted light is high. That is, the infrared emission intensity is high.
Further, by appropriately changing the arrangement and size of the quantum dots and the hollow quantum dots, for example, light having a wavelength of 350 nm can be wavelength-converted to light having a wavelength of 800 nm, and can be used as an ultraviolet protection film.

また、量子ドット14の粒径を均一にしたままで、充填率を高くし、波長変換素子50の実効屈折率を2.4と高くした。粒径が均一である波長変換素子50の実効屈折率は1.80である。上述の実効屈折率が2.4の波長変換素子50と、実効屈折率が1.8の波長変換素子50について、励起波長350nmの光を照射したところ、図19に示す発光スペクトルが得られた。図19において、符号Bは実効屈折率が1.8の波長変換素子50であり、符号Bは実効屈折率が2.4の波長変換素子50である。 Further, the packing ratio was increased while the particle diameter of the quantum dots 14 was kept uniform, and the effective refractive index of the wavelength conversion element 50 was increased to 2.4. The effective refractive index of the wavelength conversion element 50 having a uniform particle diameter is 1.80. When the wavelength conversion element 50 having an effective refractive index of 2.4 and the wavelength conversion element 50 having an effective refractive index of 1.8 were irradiated with light having an excitation wavelength of 350 nm, an emission spectrum shown in FIG. 19 was obtained. . 19, reference numeral B 1 represents a wavelength conversion element 50 of the effective refractive index is 1.8, the code B 2 is the wavelength conversion element 50 of the effective refractive index is 2.4.

波長変換素子50においては、図19に示すように、発光強度については、量子ドット14の粒径を均一にしたままで単に屈折率を高くすると、屈折率が低いものよりも小さくなる。これは、量子ドット14を高密度充填した場合、例えば、量子間が5nm以下の非常に近い間隔になると、量子ドット14間でエネルギー移動しやすくなり、かつ量子ドット14の粒径が均一な場合、エネルギーの偏りが起こりにくいため、発光せずにエネルギーの移動を繰り返す。このため、量子ドット14が均一であると発光効率が低下する。   In the wavelength conversion element 50, as shown in FIG. 19, the emission intensity becomes smaller than that with a low refractive index when the refractive index is simply increased while the particle diameter of the quantum dots 14 is kept uniform. This is because, when the quantum dots 14 are packed at a high density, for example, when the distance between the quantum is very close to 5 nm or less, energy transfer between the quantum dots 14 is easy, and the particle diameter of the quantum dots 14 is uniform. Because energy bias hardly occurs, energy transfer is repeated without emitting light. For this reason, if the quantum dots 14 are uniform, the light emission efficiency decreases.

そこで、量子ドットの均一、不均一による波長変換の影響を調べた。量子ドットが均一なものとして、量子ドット14をGeで構成し、マトリクス層をSiOで構成して、量子ドット14の粒径を、約5nmに均一にした波長変換素子50を形成した。また、量子ドット14の粒径を不均一にした波長変換素子50を形成した。
各波長変換素子50について、励起波長533nmの光を照射したところ、図20(a)に示す発光スペクトルが得られた。図20(a)において、符号Cは、量子ドットが不均一なものであり、符号Cは量子ドットが均一なものである。なお、図20(b)は、量子ドットが不均一なもののTEM像を示す図面代用写真であり、図20(c)は、量子ドットが一なもののTEM像を示す図面代用写真である。
図20(a)に示すように、量子ドットの粒径が不均一なものの方が、均一なものよりも高い発光強度が得られている。このことからも、図19および図20(a)に示すように、量子ドットの粒径が不均一なものの方が高い発光強度が得られることがわかる。
Therefore, the influence of wavelength conversion due to uniform and non-uniform quantum dots was investigated. Assuming that the quantum dots are uniform, the quantum dot 14 is made of Ge, the matrix layer is made of SiO 2 , and the wavelength conversion element 50 is formed in which the particle size of the quantum dots 14 is uniform to about 5 nm. Moreover, the wavelength conversion element 50 in which the particle size of the quantum dots 14 was nonuniform was formed.
When each wavelength conversion element 50 was irradiated with light having an excitation wavelength of 533 nm, an emission spectrum shown in FIG. 20A was obtained. In FIG. 20 (a), the codes C 1 are those quantum dots is uneven, code C 2 is one quantum dots is uniform. 20B is a drawing-substituting photograph showing a TEM image of the quantum dots that are not uniform, and FIG. 20C is a drawing-substituting photograph showing a TEM image of the one having the quantum dots.
As shown in FIG. 20 (a), when the quantum dots have non-uniform particle sizes, higher emission intensity is obtained than when the quantum dots are uniform. Also from this, as shown in FIG. 19 and FIG. 20A, it can be seen that higher emission intensity can be obtained when the quantum dots have non-uniform particle sizes.

なお、本実施形態においては、量子ドットと中空量子ドットとをランダムに配置した量子ドット構造体と、量子ドットだけが配置されてなる量子ドット構造体との透過率を測定して、反射特性の違いについて調べた。その結果を図21に示す。なお、図21において、符号γが量子ドットと中空量子ドットとをランダムに配置した量子ドット構造体の結果を示し、符号γが量子ドットだけが配置されてなる量子ドット構造体の結果を示す。
図21に示されるように、量子ドットと中空量子ドットとをランダムに配置した量子ドット構造体の方が、量子ドットだけが配置された量子ドット構造体に比して、広い波長域において透過率が高く、透過率の波長依存性が小さく、反射特性が優れている。
このように、波長変換素子において、積層構成にて透過率を改善させる場合、波長変換素子の屈折率を空気の屈折率から段階的に光電変換素子の屈折率に近づける方法がある。また、マトリックス層中の量子ドットと中空量子ドットの含有密度を変化させることにより、屈折率を任意に変化させることが可能となる。このことから、波長変換素子の屈折率を空気の屈折率から連続的に変化させて光電変換素子の屈折率に近づける方法がある。
In this embodiment, the transmittance of the quantum dot structure in which quantum dots and hollow quantum dots are randomly arranged and the quantum dot structure in which only the quantum dots are arranged is measured, and the reflection characteristics are measured. I investigated the difference. The result is shown in FIG. In FIG. 21, reference numeral γ 1 shows the result of a quantum dot structure in which quantum dots and hollow quantum dots are randomly arranged, and reference numeral γ 2 shows the result of a quantum dot structure in which only quantum dots are arranged. Show.
As shown in FIG. 21, a quantum dot structure in which quantum dots and hollow quantum dots are randomly arranged has a transmittance in a wider wavelength range than a quantum dot structure in which only quantum dots are arranged. The wavelength dependency of the transmittance is small, and the reflection characteristics are excellent.
As described above, in the wavelength conversion element, when the transmittance is improved in the laminated configuration, there is a method in which the refractive index of the wavelength conversion element gradually approaches the refractive index of the photoelectric conversion element from the refractive index of air. In addition, the refractive index can be arbitrarily changed by changing the density of the quantum dots and the hollow quantum dots in the matrix layer. For this reason, there is a method in which the refractive index of the wavelength conversion element is continuously changed from the refractive index of air so as to approach the refractive index of the photoelectric conversion element.

以下、本実施形態の波長変換素子を用いた光電変換装置について説明する。
なお、波長変換素子を用いた光電変換装置は、光光変換装置としても機能するものである。図22(a)は、本発明の実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置を示す模式的断面図であり、(b)は、波長変換素子の第1の例を示す模式図である。
図22(a)に示す光電変換装置80は、基板82の表面82aに光電変換素子90が設けられている。光電変換素子90は、基板82側から電極層92とP型半導体層(光電変換層)94とN型半導体層96と透明電極層98とが積層されてなるものである。
このP型半導体層94は、例えば、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンにより構成される。
Hereinafter, a photoelectric conversion apparatus using the wavelength conversion element of the present embodiment will be described.
Note that a photoelectric conversion device using a wavelength conversion element also functions as a light-to-light conversion device. FIG. 22A is a schematic cross-sectional view showing a photoelectric conversion device having a wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 22B is a schematic view showing a first example of the wavelength conversion element.
In the photoelectric conversion device 80 illustrated in FIG. 22A, the photoelectric conversion element 90 is provided on the surface 82 a of the substrate 82. The photoelectric conversion element 90 is formed by laminating an electrode layer 92, a P-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) 94, an N-type semiconductor layer 96, and a transparent electrode layer 98 from the substrate 82 side.
The P-type semiconductor layer 94 is made of, for example, polycrystalline silicon or single crystal silicon.

本実施形態においては、光電変換素子90の表面90a(透明電極層98の表面)に波長変換素子50aが設けられている。
波長変換素子50aは、例えば、図22(b)に示すように、中空量子ドット16だけが配置された第1の層52と、中空量子ドット16と量子ドット14とが混在してランダムに配置された第2の層54と、量子ドットだけが配置された第3の層56とを有する。透明電極層98上、すなわち、光電変換素子90の表面90aに第3の層56から順に第2の層54および第1の層52が形成されている。
In the present embodiment, the wavelength conversion element 50a is provided on the surface 90a of the photoelectric conversion element 90 (the surface of the transparent electrode layer 98).
For example, as illustrated in FIG. 22B, the wavelength conversion element 50 a is randomly arranged by mixing the first layer 52 in which only the hollow quantum dots 16 are arranged, and the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14. And a third layer 56 in which only quantum dots are arranged. The second layer 54 and the first layer 52 are formed in order from the third layer 56 on the transparent electrode layer 98, that is, on the surface 90 a of the photoelectric conversion element 90.

第1の層52が反射率改善層として機能し、第2の層54および第3の層56が波長変換層として機能する。波長変換素子50aにおいては、その屈折率が空気の値から段階的に光電変換素子の値に近づけられている。
第1の層52に入射した入射光Lは、例えば、中空量子ドット16で反射し、その反射した光Lbは、再度中空量子ドット16で反射し、外部への出射が抑制される。また、反射した光Lbは、量子ドット14で反射され、その反射光Lrが中空量子ドット16で再度反射され、また、量子ドット14による発光光も中空量子ドット16で反射される。このようにして、外部に光が出射されることが抑制される。
The first layer 52 functions as a reflectance improvement layer, and the second layer 54 and the third layer 56 function as wavelength conversion layers. In the wavelength conversion element 50a, the refractive index is gradually brought closer to the value of the photoelectric conversion element from the value of air.
The incident light L incident on the first layer 52 is reflected by, for example, the hollow quantum dots 16, and the reflected light Lb is reflected again by the hollow quantum dots 16, and emission to the outside is suppressed. The reflected light Lb is reflected by the quantum dots 14, the reflected light Lr is reflected again by the hollow quantum dots 16, and the light emitted by the quantum dots 14 is also reflected by the hollow quantum dots 16. In this way, light is suppressed from being emitted to the outside.

ここで、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンで構成された光電変換層(Si太陽電池)へのダウンコンバージョンの応用を考えると、太陽光帯域(図14に示す太陽スペクトル)の範囲、300nm(4.1eV)〜1150nm(1.1eV)を利用するため、波長変換素子50aは、300〜1150nmの広範囲でAR特性(反射防止特性)を示すことが望まれる。しかし、AR特性を示す帯域と平均反射率はトレードオフの関係にあるため、帯域を広げるとAR特性が悪くなる。これを改善するには、波長変換素子50aの表面層(第1の層52)の屈折率を空気の屈折率の値に近づける必要がある。しかしながら、屈折率が1.4以下の材料は少ない。本発明においては、図17に示すように、例えば、マトリクス層をSiOとした場合、中空量子ドットの割合を20%以下とすることにより、市販の低屈折率光学材料よりも低い屈折率、具体的には、屈折率1.4以下を実現することができる。このように、波長変換素子50aは、表面層(第1の層52)の実効屈折率をSiの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率にすることができる。なお、膜強度等により中空量子ドットの含有量(割合)の上限は1/3程度と推測される。 Here, considering the application of down-conversion to a photoelectric conversion layer (Si solar cell) made of polycrystalline silicon or single crystal silicon, the range of the solar band (solar spectrum shown in FIG. 14), 300 nm (4. In order to use 1 eV) to 1150 nm (1.1 eV), the wavelength conversion element 50a is desired to exhibit AR characteristics (antireflection characteristics) in a wide range of 300 to 1150 nm. However, since the band indicating the AR characteristic and the average reflectance are in a trade-off relationship, the AR characteristic becomes worse when the band is widened. In order to improve this, it is necessary to make the refractive index of the surface layer (first layer 52) of the wavelength conversion element 50a closer to the value of the refractive index of air. However, few materials have a refractive index of 1.4 or less. In the present invention, as shown in FIG. 17, for example, when the matrix layer is made of SiO 2 , the refractive index is lower than that of a commercially available low refractive index optical material by setting the ratio of hollow quantum dots to 20% or less. Specifically, a refractive index of 1.4 or less can be realized. Thus, the wavelength conversion element 50a can set the effective refractive index of the surface layer (first layer 52) to an intermediate refractive index between the refractive index of Si and the refractive index of air. Note that the upper limit of the content (ratio) of the hollow quantum dots is estimated to be about 1/3 due to the film strength and the like.

また、第1の層52の厚さをd1a、屈折率n1aとし、第2の層54の厚さをd1b、屈折率n1aとし、第2の層54と第3の層56との合計の厚さをd1c、屈折率n1cするとき、λ/(4n1a)≒d1a、λ/(4n1b)≒d1b、λ/(4n1c)≒d1cであることが好ましく、かつ、n1a≪n1c、n1a<n1b<n1cの関係を有することが好ましい。
中空量子ドット16と量子ドット14とが混在している第2の層54の構成については、例えば、図1(c)に示すように、積層状に中空量子ドット16と量子ドット14を配置する構成と、図1(d)に示すように、ランダムに中空量子ドット16と量子ドット14を配置する構成がある。
この場合、図1(c)に示す構成では、中空量子ドット16の層の厚さ、すなわち、中空量子ドット層厚d2aと、量子ドット14の層の厚さ、すなわち、量子ドット層厚d2bは、第1の層52の厚さd1a、第2の層54の厚さd1b、第2の層54と第3の層56との合計の厚さd1cに対して、d1a、d1b、d1c≪d2a、d2bの関係にあることが好ましい。なぜなら、光波長オーダの膜厚になると中空量子ドット16と量子ドット14とが混在した膜としてではなく、中空量子ドット層と量子ドット層が単層にて光学的特徴を示すようになり、本来の光学設計の寄与を示さなくなるためである。
The thickness of the first layer 52 is d 1a and the refractive index n 1a , the thickness of the second layer 54 is d 1b and the refractive index n 1a, and the second layer 54 and the third layer 56 are the total thickness of the d 1c of, when the refractive index n 1c, λ / (4n 1a ) ≒ d 1a, λ / (4n 1b) ≒ d 1b, is preferably λ / (4n 1c) ≒ d 1c and, n 1a << n 1c, preferably has a relation of n 1a <n 1b <n 1c .
Regarding the configuration of the second layer 54 in which the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 are mixed, for example, as shown in FIG. 1C, the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 are arranged in a stacked form. As shown in FIG. 1D, there are a configuration in which hollow quantum dots 16 and quantum dots 14 are randomly arranged.
In this case, in the configuration shown in FIG. 1C, the layer thickness of the hollow quantum dots 16, that is, the hollow quantum dot layer thickness d2a, and the layer thickness of the quantum dots 14, that is, the quantum dot layer thickness d. 2b, the thickness d 1a of the first layer 52, the thickness d 1b of the second layer 54, with respect to the total thickness d 1c of the second layer 54 and third layer 56, d 1a , D 1b , d 1c << d 2a , d 2b are preferable. This is because when the film thickness is of the order of the optical wavelength, the hollow quantum dot layer and the quantum dot layer have optical characteristics in a single layer rather than as a film in which the hollow quantum dots 16 and 14 are mixed. This is because the contribution of the optical design is not shown.

上述の構成の波長変換素子50は、P型半導体層94を構成するSiのバンドギャップ1.2eVの2倍以上のエネルギーの波長域に対して、その半分のSiのバンドギャップに相当する1.2eVのエネルギーの光(波長533nm)に波長変換する波長変換機能を有する。
以上のように、波長変換素子50aにおいては、入射光Lの利用効率を高くすることができ、更には第1の層52を最上層に設けることにより、反射率の改善と散乱機能とによる光閉じ込め機能を発揮することができる。これにより、反射光が少なくなり、更には光電変換に寄与しない特定の波長領域の光を波長変換し、光電変換に利用可能な波長の光量が多くなるため、光電変換素子90の変換効率を改善し、光電変換装置80全体の発電効率を改善することができる。
The wavelength conversion element 50 having the above-described configuration corresponds to a half of the Si band gap with respect to a wavelength region of energy more than twice the Si band gap of 1.2 eV constituting the P-type semiconductor layer 94. It has a wavelength conversion function of converting the wavelength of light into energy of 2 eV (wavelength 533 nm).
As described above, in the wavelength conversion element 50a, the utilization efficiency of the incident light L can be increased. Furthermore, by providing the first layer 52 as the uppermost layer, the light with improved reflectance and scattering function can be obtained. The confinement function can be demonstrated. As a result, the reflected light is reduced, and light in a specific wavelength region that does not contribute to photoelectric conversion is wavelength-converted, and the amount of light having a wavelength that can be used for photoelectric conversion increases, thereby improving the conversion efficiency of the photoelectric conversion element 90. Thus, the power generation efficiency of the entire photoelectric conversion device 80 can be improved.

なお、光電変換素子90のP型半導体層(光電変換層)94に多結晶シリコンを用いた場合、様々な面方位が出現するため、反射率が均一ではない。このため、ある面方位に有効な反射防止膜を形成しても、光電変換層全体では有効ではない。しかしながら、波長変換素子50は、特定の波長領域の透過特性を改善し、反射ロスを低く抑えることができる。この点からも、光電変換装置80全体の発電効率を改善することができる。
また、波長変換素子50を設ける場合、光電変換素子90の表面90aに単に配置すればよく、エッチング等が不要である。このため、光電変換装置にエッチング等によるダメージを与えることもない。これにより、製造不良の発生を抑制することができる。
Note that when polycrystalline silicon is used for the P-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) 94 of the photoelectric conversion element 90, the reflectance is not uniform because various plane orientations appear. For this reason, even if an antireflection film effective in a certain plane orientation is formed, the entire photoelectric conversion layer is not effective. However, the wavelength conversion element 50 can improve the transmission characteristics in a specific wavelength region and suppress reflection loss. Also from this point, the power generation efficiency of the entire photoelectric conversion device 80 can be improved.
Further, when the wavelength conversion element 50 is provided, it may be simply disposed on the surface 90a of the photoelectric conversion element 90, and etching or the like is unnecessary. For this reason, the photoelectric conversion device is not damaged by etching or the like. Thereby, generation | occurrence | production of a manufacturing defect can be suppressed.

次に、本実施形態の波長変換素子の第2の例について説明する。
図23(a)は、波長変換素子の第2の例を示す模式図であり、(b)は、波長変換素子の第2の例における屈折率分布を示す模式図である。
図23(a)に示す波長変換素子50bは、マトリクス層12中の中空量子ドット16と量子ドット14との配置により、図23(b)に示す各層の積層方向における屈折率分布Fにおいて、屈折率を連続的に変化させたものである(図23(b)符号F11参照)。
Next, a second example of the wavelength conversion element of this embodiment will be described.
FIG. 23A is a schematic diagram illustrating a second example of the wavelength conversion element, and FIG. 23B is a schematic diagram illustrating a refractive index distribution in the second example of the wavelength conversion element.
The wavelength conversion element 50b shown in FIG. 23 (a), the arrangement of the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 in the matrix layer 12, the refractive index distribution F 1 in the stacking direction of the layers shown in FIG. 23 (b), in which the refractive index is continuously changed (FIG. 23 (b) reference numeral F 11).

図23(a)に示す波長変換素子50bは、図22(b)に示す波長変換素子50aに比して、第1の層52が2層である点、第2の層54が2層である点、第3の層56が2層である点以外は、波長変換素子50aと同様に構成であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、図23(b)において、符号Jは第1の層52に対応し、符号Jは第2の層54に対応し、符号Jは第3の層56に対応する。
The wavelength conversion element 50b shown in FIG. 23A is different from the wavelength conversion element 50a shown in FIG. 22B in that the first layer 52 has two layers, and the second layer 54 has two layers. Except for the point that the third layer 56 is composed of two layers, the configuration is the same as that of the wavelength conversion element 50a, and a detailed description thereof will be omitted.
In FIG. 23B, the symbol J 1 corresponds to the first layer 52, the symbol J 2 corresponds to the second layer 54, and the symbol J 3 corresponds to the third layer 56.

波長変換素子50bにおいて、第1の層52は、中空量子ドット16が、表面層53aと裏面層53bとを有し、その表面近傍に局地的に、すなわち、入射光側に局地的に配置されており、低屈折率層を構成する。表面層53aは中空量子ドット16だけが配置されており、裏面層53bは中空量子ドット16が配置されておらずマトリクス層12だけである。裏面層53bが第3の層56側に配置されている。波長変換素子50bでは、例えば、第1の層52は、屈折率が空気の値となるように、表面層53aにおける中空量子ドット16の配置密度等が設定されている。   In the wavelength conversion element 50b, the first layer 52 includes a hollow quantum dot 16 having a front surface layer 53a and a back surface layer 53b, which are locally near the surface, that is, locally on the incident light side. The low refractive index layer is arranged. Only the hollow quantum dots 16 are disposed on the front surface layer 53a, and only the matrix layer 12 is not disposed on the back surface layer 53b. The back layer 53b is disposed on the third layer 56 side. In the wavelength conversion element 50b, for example, the arrangement density of the hollow quantum dots 16 in the surface layer 53a is set so that the first layer 52 has a refractive index of air.

第2の層54は、量子ドット14だけが配置された量子ドット層55aと、中空量子ドット16だけが配置された中空量子ドット層55bとを有し、屈折率勾配層を構成するものである。第2の層54は、中空量子ドット層55bが第4の層58側に配置される。
また、第3の層56は、量子ドット14だけが配置された量子ドット層が2層積層されたものである。この第3の層56により高屈折率層が構成され、第3の層56が波長変換層として機能する。なお、第3の層56の量子ドット層の層数は、2に限定されるものではなく、1層でも、3以上の複数層であってもよい。
後述するように、波長変換素子50bの屈折率を空気の値から連続的に光電変換素子の値に近づけるために、第2の層54において、量子ドット層55aと中空量子ドット層55bとの積層比率を、例えば、積層数、各層の厚さの少なくとも一方を、積層方向において適宜変える。また、量子ドット層55aと中空量子ドット層55bとの積層順も、特に限定されるものではなく、波長変換素子50bの屈折率を空気の値から連続的に光電変換素子の値に近づけるために適宜設定される。
The second layer 54 includes a quantum dot layer 55a in which only the quantum dots 14 are arranged, and a hollow quantum dot layer 55b in which only the hollow quantum dots 16 are arranged, and constitutes a refractive index gradient layer. . In the second layer 54, the hollow quantum dot layer 55b is disposed on the fourth layer 58 side.
The third layer 56 is a stack of two quantum dot layers in which only the quantum dots 14 are arranged. The third layer 56 constitutes a high refractive index layer, and the third layer 56 functions as a wavelength conversion layer. Note that the number of quantum dot layers in the third layer 56 is not limited to two, and may be one or more than two.
As will be described later, in order to make the refractive index of the wavelength conversion element 50b approach the value of the photoelectric conversion element continuously from the air value, in the second layer 54, the quantum dot layer 55a and the hollow quantum dot layer 55b are stacked. For example, at least one of the number of layers and the thickness of each layer is appropriately changed in the stacking direction. Further, the stacking order of the quantum dot layer 55a and the hollow quantum dot layer 55b is not particularly limited, so that the refractive index of the wavelength conversion element 50b is continuously made close to the value of the photoelectric conversion element from the air value. Set as appropriate.

波長変換素子50bも、入射光L側から順に、低屈折率層、屈折率勾配層、および高屈折率層の構成となっている。波長変換素子50bは、中空量子ドットおよび量子ドットの積層方向における配置密度を変えることにより、波長変換素子の屈折率を空気の値から連続的に光電変換素子の値に近づけることができる。   The wavelength conversion element 50b also has a low refractive index layer, a refractive index gradient layer, and a high refractive index layer in order from the incident light L side. The wavelength conversion element 50b can make the refractive index of the wavelength conversion element continuously approach the value of the photoelectric conversion element from the air value by changing the arrangement density of the hollow quantum dots and the quantum dots in the stacking direction.

具体的には、波長変換素子50bにおいては、第3の層56における量子ドット層55aと中空量子ドット層55bとの積層比率を、その積層方向に対して変更することにより、屈折率を、図23(b)に示す領域F11のように屈折率が緩やかに変化させることができる。
また、波長変換素子50bにおいては、中空量子ドット16だけが配置された表面層53aの厚さをdとするとき、この表面層53aの厚さdは、入射光Lの波長λに対して1/4λ≫dであることが好ましい。
なお、表面層53aの厚さdとは、中空量子ドット16が局地的に配置された領域の積層方向の厚さと同義である。
Specifically, in the wavelength conversion element 50b, the refractive index is changed by changing the stacking ratio of the quantum dot layer 55a and the hollow quantum dot layer 55b in the third layer 56 with respect to the stacking direction. refractive index as a region F 11 shown in 23 (b) can be varied gradually.
In the wavelength conversion element 50b, when the thickness of the surface layer 53a on which only the hollow quantum dots 16 are arranged is d, the thickness d of the surface layer 53a is 1 with respect to the wavelength λ of the incident light L. It is preferable that / 4λ >> d.
In addition, the thickness d of the surface layer 53a is synonymous with the thickness in the stacking direction of the region where the hollow quantum dots 16 are locally arranged.

波長変換素子50bにおいても、第1の層52について、中空量子ドット16の配置密度等を変えることにより、屈折率が空気の値となるように設定することができ、更には、例えば、量子ドット層55aと中空量子ドット層55bとの積層比率を、その積層方向に対して変更することにより、図23(b)に示す領域F11のように屈折率が緩やかに変化させることができる。これにより、透過率を改善することができ、入射光Lの利用効率を高くすることができる。
以上のように、波長変換素子50bにおいても、入射光Lの利用効率を高くすることができ、更には波長変換素子50aと同様に反射率の改善と散乱機能とによる光閉じ込め機能を発揮することができ、波長変換素子50aと同様の効果を得ることができる。
Also in the wavelength conversion element 50b, the first layer 52 can be set so that the refractive index becomes the value of air by changing the arrangement density of the hollow quantum dots 16 or the like. the lamination ratio between the layer 55a and the hollow quantum dot layer 55b, by changing to its stacking direction, the refractive index is varied gradually as area F 11 shown in FIG. 23 (b). Thereby, the transmittance can be improved and the utilization efficiency of the incident light L can be increased.
As described above, also in the wavelength conversion element 50b, the utilization efficiency of the incident light L can be increased, and furthermore, similarly to the wavelength conversion element 50a, the light confinement function by the improvement of the reflectance and the scattering function can be exhibited. And the same effect as the wavelength conversion element 50a can be obtained.

波長変換素子50bの構成に限定されるものではなく、例えば、第1の層52を、中空量子ドット16の配置密度が異なる第1の表面層と第1の裏面層とを有するものとしてもよい。この場合、第1の層52は、第1の表面層の方が第1の裏面層よりも中空量子ドットの配置密度を高くする。さらには、第2の層を、量子ドットの配置密度が異なる第2の表面層と第2の裏面層とを有するものとする。この場合、第2の表面層の方が第2の裏面層よりも量子ドットの配置密度を低くすることにより連続的に屈折率を変化させる。   For example, the first layer 52 may include a first surface layer and a first back surface layer in which the arrangement density of the hollow quantum dots 16 is different. . In this case, in the first layer 52, the arrangement density of the hollow quantum dots is higher in the first surface layer than in the first back surface layer. Furthermore, the second layer has a second front surface layer and a second back surface layer having different quantum dot arrangement densities. In this case, the refractive index is continuously changed by lowering the arrangement density of the quantum dots in the second surface layer than in the second back layer.

次に、本実施形態の波長変換素子の第3の例について説明する。
図24(a)は、波長変換素子の第3の例を示す模式図であり、(b)は、波長変換素子の第3の例における屈折率分布を示す模式図である。
図24(a)に示す波長変換素子50cは、マトリクス層12中の中空量子ドット16と量子ドット14との配置により、図24(b)に示すように各層の積層射方向における屈折率分布Fにおいて、屈折率を連続的に変化させたものである(図24(b)符号F21参照)。
図24(a)に示す波長変換素子50cは、図22(b)に示す波長変換素子50aに比して、第1の層52が2層である点、第2の層54aの構成が異なる点以外は、波長変換素子50aと同様に構成であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、図24(b)において、符号Jは第1の層52に対応し、符号Jは第2の層54aに対応し、符号Jは第3の層56に対応する。
Next, a third example of the wavelength conversion element of this embodiment will be described.
FIG. 24A is a schematic diagram illustrating a third example of the wavelength conversion element, and FIG. 24B is a schematic diagram illustrating a refractive index distribution in the third example of the wavelength conversion element.
The wavelength conversion element 50c shown in FIG. 24A has a refractive index distribution F in the stacking direction of each layer as shown in FIG. 24B due to the arrangement of the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 in the matrix layer 12. in 2, in which continuously changes the refractive index (see FIG. 24 (b) code F 21).
The wavelength conversion element 50c shown in FIG. 24A is different from the wavelength conversion element 50a shown in FIG. 22B in that the first layer 52 has two layers and the configuration of the second layer 54a is different. Except for this point, the configuration is the same as that of the wavelength conversion element 50a, and a detailed description thereof will be omitted.
In FIG. 24B, the symbol J 1 corresponds to the first layer 52, the symbol J 2 corresponds to the second layer 54 a, and the symbol J 3 corresponds to the third layer 56.

波長変換素子50cにおいて、第1の層52は、表面層52aと裏面層52bとを有し、低屈折率層を構成する。表面層52aと裏面層52bとは中空量子ドット16の配置密度が異なり、表面層52aの方が裏面層52bよりも中空量子ドット16の配置密度が高い。例えば、第1の層52は、屈折率が空気の値となるように、表面層52aと裏面層52bとにおける中空量子ドット16の配置密度等が設定されている。
第2の層54aは、中空量子ドット16と量子ドット14とが混在してランダムに配置されたものであり、屈折率勾配層を構成する。なお、第3の層56により高屈折率層が構成される。波長変換素子50cは、入射光L側から順に、低屈折率層、屈折率勾配層、および高屈折率層の構成となっている。波長変換素子50cにおいては、中空量子ドットおよび量子ドットの積層方向における配置密度を変えることにより、波長変換素子の屈折率が空気の値から連続的に光電変換素子の値に近づけることができる。
In the wavelength conversion element 50c, the first layer 52 has a front surface layer 52a and a back surface layer 52b, and constitutes a low refractive index layer. The surface layer 52a and the back surface layer 52b have different arrangement densities of the hollow quantum dots 16, and the surface layer 52a has a higher arrangement density of the hollow quantum dots 16 than the back surface layer 52b. For example, in the first layer 52, the arrangement density of the hollow quantum dots 16 in the front surface layer 52a and the back surface layer 52b is set so that the refractive index becomes the value of air.
The second layer 54a is a layer in which the hollow quantum dots 16 and the quantum dots 14 are mixed and randomly arranged, and constitutes a refractive index gradient layer. The third layer 56 constitutes a high refractive index layer. The wavelength conversion element 50c has a low refractive index layer, a refractive index gradient layer, and a high refractive index layer in order from the incident light L side. In the wavelength conversion element 50c, the refractive index of the wavelength conversion element can be made close to the value of the photoelectric conversion element continuously from the air value by changing the arrangement density of the hollow quantum dots and the quantum dots in the stacking direction.

具体的には、第2の層54aは、量子ドット14と中空量子ドット16とが、それぞれランダムに配置されており、屈折率勾配層が構成される。この第2の層54aは、図24(b)に示す領域F21のように屈折率が緩やかに変化している。
また、波長変換素子50cに入射した入射光Lは、例えば、第2の層54aで、量子ドット14で反射し、その反射光Lrは、中空量子ドット16で、第3の層56側に反射される。これにより、入射光Lが閉じ込められる。
以上のように、波長変換素子50cにおいても、入射光Lの利用効率を高くすることができ、更には波長変換素子50aと同様に反射率の改善と散乱機能とによる光閉じ込め機能を発揮することができ、波長変換素子50aと同様の効果を得ることができる。
Specifically, in the second layer 54a, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged, and a refractive index gradient layer is configured. The second layer 54a has a refractive index as a region F 21 shown in FIG. 24 (b) is changing slowly.
In addition, the incident light L incident on the wavelength conversion element 50c is reflected by the quantum dots 14 by the second layer 54a, for example, and the reflected light Lr is reflected by the hollow quantum dots 16 to the third layer 56 side. Is done. Thereby, the incident light L is confined.
As described above, also in the wavelength conversion element 50c, the utilization efficiency of the incident light L can be increased, and furthermore, similarly to the wavelength conversion element 50a, the light confinement function by the improvement of the reflectance and the scattering function can be exhibited. And the same effect as the wavelength conversion element 50a can be obtained.

次に、本実施形態の波長変換素子の第4の例について説明する。
図25は、波長変換素子の第4の例を示す模式図である。
図25に示す波長変換素子50dは、図22(b)に示す波長変換素子50aに比して、第1の層52aが量子ドット14と中空量子ドット16とがランダムに配置されたものである点、および第2の層54が2層である点以外は、波長変換素子50aと同様に構成であるため、その詳細な説明は省略する。
Next, a fourth example of the wavelength conversion element of this embodiment will be described.
FIG. 25 is a schematic diagram illustrating a fourth example of the wavelength conversion element.
In the wavelength conversion element 50d shown in FIG. 25, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged in the first layer 52a as compared with the wavelength conversion element 50a shown in FIG. Except for the point and the point that the second layer 54 has two layers, the configuration is the same as that of the wavelength conversion element 50a, and thus detailed description thereof is omitted.

波長変換素子50dにおいては、第1の層52aは、量子ドット14と中空量子ドット16とが、それぞれランダムに配置されており、配置密度勾配が形成されている。この第1の層52aにより、第1の配置密度勾配層が構成される。
第2の層54は、量子ドット14だけが配置された量子ドット層55aと、中空量子ドット16だけが配置された中空量子ドット層55bとが積層されて配置され、配置密度勾配が形成されている。この第2の層54により、第2の配置密度勾配層が構成されており、連続的に屈折率が変化されたものである。
波長変換素子50dは、入射光L側から順に、第1の配置密度勾配層および第2の配置密度勾配層の構成となっている。波長変換素子50dにおいても、中空量子ドットおよび量子ドットの積層方向における配置密度を変えることにより、波長変換素子の屈折率が空気の値から連続的に光電変換素子の値に近づけることができる。
In the wavelength conversion element 50d, in the first layer 52a, the quantum dots 14 and the hollow quantum dots 16 are randomly arranged, and an arrangement density gradient is formed. The first layer 52a constitutes a first arrangement density gradient layer.
The second layer 54 is formed by laminating a quantum dot layer 55a in which only the quantum dots 14 are arranged and a hollow quantum dot layer 55b in which only the hollow quantum dots 16 are arranged, and an arrangement density gradient is formed. Yes. The second layer 54 constitutes a second arrangement density gradient layer, and the refractive index is continuously changed.
The wavelength conversion element 50d has a configuration of a first arrangement density gradient layer and a second arrangement density gradient layer in order from the incident light L side. Also in the wavelength conversion element 50d, the refractive index of the wavelength conversion element can be made close to the value of the photoelectric conversion element continuously from the air value by changing the arrangement density of the hollow quantum dots and the quantum dots in the stacking direction.

波長変換素子50dにおいて、第1の層52aに入射した入射光は、例えば、量子ドット14で反射し、その反射光は、中空量子ドット16で、第2の層54側に反射される。これにより、入射光が閉じ込められる。さらに、第2の層54においては、連続的に屈折率が変化させており、第1の層52aから入射される光を、第2の層54での反射を抑制しつつ、第3の層56に透過させることができる。
以上のように、波長変換素子50dにおいても、入射光の利用効率を高くすることができ、波長変換素子50aと同様の効果を得ることができる。
In the wavelength conversion element 50d, incident light that has entered the first layer 52a is reflected by, for example, the quantum dots 14, and the reflected light is reflected by the hollow quantum dots 16 to the second layer 54 side. Thereby, incident light is confined. Further, in the second layer 54, the refractive index is continuously changed, and the light incident from the first layer 52 a is suppressed from being reflected by the second layer 54, while the third layer 54. 56 can be transmitted.
As described above, also in the wavelength conversion element 50d, the utilization efficiency of incident light can be increased, and the same effect as that of the wavelength conversion element 50a can be obtained.

また、上述のいずれの波長変換素子を有する光電変換装置においても、光電変換層は、シリコンを用いるものに限定されるものではなく、CIGS系光電変換層、CIS系光電変換層、CdTe系光電変換層、色素増感系光電変換層、または有機系光電変換層であってもよい。   Moreover, in the photoelectric conversion device having any of the wavelength conversion elements described above, the photoelectric conversion layer is not limited to one using silicon, but a CIGS photoelectric conversion layer, a CIS photoelectric conversion layer, and a CdTe photoelectric conversion. It may be a layer, a dye-sensitized photoelectric conversion layer, or an organic photoelectric conversion layer.

基板82は、比較的耐熱性のあるものが用いられる。基板82としては、例えば、青板ガラス等のガラス基板、耐熱性ガラス、石英基板、ステンレス基板、ステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板、または表面に酸化処理、例えば、陽極酸化処理を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化被膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。   The substrate 82 is relatively heat resistant. As the substrate 82, for example, a glass substrate such as blue plate glass, heat resistant glass, quartz substrate, stainless steel substrate, metal multilayer substrate in which stainless steel and different metals are laminated, an aluminum substrate, or an oxidation treatment, for example, anodization treatment on the surface. By applying this, an aluminum substrate with an oxide film whose surface insulation is improved can be used.

次に、本実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置について説明する。
図26は、本発明の実施形態の光電変換装置を示す模式的断面図である。
図26に示す光電変換装置120は、基材122上に反射層124が形成されており、この反射層124上に波長変換層126が設けられている。波長変換層126は、上述の図12に示す波長変換素子50と同様の構成である。この波長変換層126上に第1の透明電極層128が設けられている。
第1の透明電極層128上に光電変換層130が設けられており、この光電変換層130上に第2の透明電極層132が設けられている。さらに、第2の透明電極層132上に光閉込め層134が設けられている。
なお、光電変換層130は、図22に示す光電変換装置80のP型半導体層(光電変換層)94と同様の構成とすることができる。このため、その詳細な説明は省略する。
Next, a photoelectric conversion device having the wavelength conversion element of this embodiment will be described.
FIG. 26 is a schematic cross-sectional view illustrating a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
In the photoelectric conversion device 120 illustrated in FIG. 26, a reflective layer 124 is formed on a base material 122, and a wavelength conversion layer 126 is provided on the reflective layer 124. The wavelength conversion layer 126 has the same configuration as the wavelength conversion element 50 shown in FIG. A first transparent electrode layer 128 is provided on the wavelength conversion layer 126.
A photoelectric conversion layer 130 is provided on the first transparent electrode layer 128, and a second transparent electrode layer 132 is provided on the photoelectric conversion layer 130. Furthermore, a light confinement layer 134 is provided on the second transparent electrode layer 132.
Note that the photoelectric conversion layer 130 can have a configuration similar to that of the P-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) 94 of the photoelectric conversion device 80 illustrated in FIG. For this reason, the detailed description is abbreviate | omitted.

本実施形態の光電変換装置120においては、光閉込め層134の表面134a側から入射された入射光Lのうち、光電変換層130で光電変換に利用されることなく通り抜けた、例えば、赤外線及び近赤外線の長波長光Luを反射層124で反射させて、波長変換層126に入射させる。この波長変換層126では、利用されなかった長波長光Lu、例えば、波長1300nmの光をアップコンバージョン機能により、光電変換層130で光電変換に利用可能な短波長光Ls、例えば、1000nm程度に変換する。また、波長変換層126は、透過率が高いため、長波長光Luを有効に利用することができる。これにより、入射光Lを有効に利用することができるとともに、光電変換層130での入射光Lの利用効率を高くすることができる。   In the photoelectric conversion device 120 of the present embodiment, out of the incident light L incident from the surface 134a side of the light confinement layer 134, the photoelectric conversion layer 130 passes through without being used for photoelectric conversion, for example, infrared rays and Near infrared long-wavelength light Lu is reflected by the reflective layer 124 and is incident on the wavelength conversion layer 126. In this wavelength conversion layer 126, long wavelength light Lu that has not been used, for example, light having a wavelength of 1300 nm, is converted into short wavelength light Ls that can be used for photoelectric conversion by the photoelectric conversion layer 130, for example, about 1000 nm by the up-conversion function To do. Moreover, since the wavelength conversion layer 126 has a high transmittance, the long wavelength light Lu can be used effectively. Thereby, the incident light L can be used effectively, and the utilization efficiency of the incident light L in the photoelectric conversion layer 130 can be increased.

基材122は、直接熱プロセスを実施する場合には、比較的耐熱性のある支持基板材料が用いられる。例えば、耐熱性ガラス、石英基板、ステンレス基板、もしくはステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板、または表面に酸化処理(例えば、陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上してある酸化被膜付きのアルミニウム基板等が使用される。   When the substrate 122 is directly subjected to a thermal process, a support substrate material having a relatively heat resistance is used. For example, surface insulation can be improved by applying oxidation treatment (for example, anodizing treatment) to heat-resistant glass, quartz substrate, stainless steel substrate, metal multilayer substrate laminated with dissimilar metals with stainless steel, or aluminum substrate. An aluminum substrate with an oxide film is used.

低温プロセスにて形成できる方法では、有機支持基板材料等を使用できる。具体的には、飽和ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート(PET)系樹脂基板、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂基板、架橋フマル酸ジエステル系樹脂基板、ポリカーボネート(PC)系樹脂基板、ポリエーテルスルフォン(PES)樹脂基板、ポリスルフォン(PSF、PSU)樹脂基板、ポリアリレート(PAR)樹脂基板、環状ポリオレフィン(COP、COC)樹脂基板、セルロース系樹脂基板、ポリイミド(PI)樹脂基板、ポリアミドイミド(PAI)樹脂基板、マレイミド−オレフィン樹脂基板、ポリアミド(PA)樹脂基板、アクリル系樹脂基板、フッ素系樹脂基板、エポキシ系樹脂基板、シリコーン系樹脂フィルム基板、ポリベンズアゾール系樹脂基板、エピスルフィド化合物による基板液晶ポリマー(LCP)基板、シアネート系樹脂基板、芳香族エーテル系樹脂基板、酸化ケイ素粒子との複合プラスチック材料、金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子、無機窒化物ナノ粒子などとの複合プラスチック材料、金属系・無機系のナノファイバー&マイクロファイバーとの複合プラスチック材料、カーボン繊維、カーボンナノチューブとの複合プラスチック材料、ガラスフェレーク、ガラスファイバー、ガラスビーズとの複合プラスチック材料、粘土鉱物と雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料、薄いガラスと上記単独有機材料との間に少なくとも1つの接合界面を有する積層プラスチック材料、無機層(例えば、SiO、Al、SiOxNy)と上記有機層を交互に積層することで、少なくとも1つの接合界面を有するバリア性能を有する複合材料等を使用することができる。 In a method that can be formed by a low temperature process, an organic support substrate material or the like can be used. Specifically, saturated polyester / polyethylene terephthalate (PET) resin substrate, polyethylene naphthalate (PEN) resin substrate, cross-linked fumaric acid diester resin substrate, polycarbonate (PC) resin substrate, polyethersulfone (PES) resin substrate , Polysulfone (PSF, PSU) resin substrate, polyarylate (PAR) resin substrate, cyclic polyolefin (COP, COC) resin substrate, cellulose resin substrate, polyimide (PI) resin substrate, polyamideimide (PAI) resin substrate, maleimide -Olefin resin substrate, polyamide (PA) resin substrate, acrylic resin substrate, fluorine resin substrate, epoxy resin substrate, silicone resin film substrate, polybenzazole resin substrate, substrate liquid crystal polymer with episulfide compound (L P) Substrate, cyanate resin substrate, aromatic ether resin substrate, composite plastic material with silicon oxide particles, composite plastic material with metal nanoparticles, inorganic oxide nanoparticles, inorganic nitride nanoparticles, metal / Composite plastic materials with inorganic nanofibers & microfibers, carbon fibers, composite plastic materials with carbon nanotubes, glass ferkes, glass fibers, composite plastic materials with glass beads, particles with clay mineral and mica derived crystal structure Composite plastic material, laminated plastic material having at least one bonding interface between thin glass and the above-mentioned single organic material, inorganic layer (for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , SiOxNy) and the above organic layer alternately By laminating, it has at least one joint interface. It can be used composite materials having that barrier performance.

反射層124は、光電変換層130、第1の透明電極層128および波長変換層126を透過した光を反射させて波長変換層126に再度入射させるものであり、光電変換層130で光電変換利用されなかった、例えば、赤外線及び近赤外線を反射させる。
この反射層124は、例えば、厚さが500nmのAl膜により構成される。このAl膜は、例えば、蒸着にて形成される。なお、反射層124は、Au、Ag及び誘電体積層膜で構成することもできる。
The reflective layer 124 reflects the light that has passed through the photoelectric conversion layer 130, the first transparent electrode layer 128, and the wavelength conversion layer 126, and re-enters the wavelength conversion layer 126. The photoelectric conversion layer 130 uses photoelectric conversion. Reflected, for example, infrared and near infrared.
The reflective layer 124 is made of, for example, an Al film having a thickness of 500 nm. This Al film is formed by vapor deposition, for example. The reflective layer 124 can also be composed of Au, Ag, and a dielectric laminated film.

第1の透明電極層128は、P型透明電極層で構成される。この第1の透明電極層128(P型透明電極層)としては、例えば、CuAlO、CuGaO、CuInO等の組成:ABOと表記する時、AがCu、Agであり、BがAl、Ga、In、Sb、Biとなる合金である。また、このABOで表わされる合金、その固溶系の材料、およびDelafossite型微結晶体、ならびにこれらの材料の2種または3種の合金が用いられる。なお、第1の透明電極層128には、CuAlS、CuGaS、BドープSiC等を用いることができる。 The first transparent electrode layer 128 is composed of a P-type transparent electrode layer. As this first transparent electrode layer 128 (P-type transparent electrode layer), for example, a composition of CuAlO 2 , CuGaO 2 , CuInO 2, etc .: when expressed as ABO 2 , A is Cu, Ag, and B is Al , Ga, In, Sb, Bi. In addition, an alloy represented by ABO 2 , a solid solution material thereof, and a Delaphosite type microcrystalline body, and two or three kinds of alloys of these materials are used. Note that CuAlS 2 , CuGaS, B-doped SiC, or the like can be used for the first transparent electrode layer 128.

第2の透明電極層132は、N型透明電極層で構成される。この第2の透明電電極層(N型透明電極層)としては、例えば、IGZO、a−IGZO(アモルファスIGZO)のバンドギャップと等しいか大きい、Ga、SnO系(ATO、FTO)、ZnO系(AZO、GZO)、In系(ITO、)、Zn(O、S)CdO、もしくは、これらの材料の2種もしくは3種の合金を用いることができる。更に、第2の透明電極層132としては、MgIn、GaInO、CdSb等を用いることもできる。 The second transparent electrode layer 132 is composed of an N-type transparent electrode layer. The second transparent electrode layer as the (N-type transparent electrode layer), for example, IGZO, greater than or equal to the band gap of a-IGZO (amorphous IGZO), Ga 2 O 3, SnO 2 system (ATO, FTO) ZnO-based (AZO, GZO), In 2 O 3 -based (ITO,), Zn (O, S) CdO, or two or three alloys of these materials can be used. Furthermore, as the second transparent electrode layer 132, MgIn 2 O 4 , GaInO 3 , CdSb 3 O 6, or the like can be used.

光閉込め層134は、光閉込め機能、例えば、反射防止機能を有するものである。この光閉込め層134は、公知の反射防止膜を用いることができる。   The light confinement layer 134 has a light confinement function, for example, an antireflection function. A known antireflection film can be used for the light confinement layer 134.

次に、本実施形態の他の光電変換装置について説明する。
図27(a)は、本発明の他の実施形態の光電変換装置を示す模式的断面図であり、(b)は、波長変換層の他の構成の要部を示す模式的斜視図である。
図27に示す光電変換装置120aは、図26に示す光電変換装置120に比して、波長変換層136の構成が異なり、それ以外の構成は、図26に示す光電変換装置120と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
Next, another photoelectric conversion device of this embodiment will be described.
FIG. 27A is a schematic cross-sectional view showing a photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 27B is a schematic perspective view showing the main part of another configuration of the wavelength conversion layer. .
The photoelectric conversion device 120a illustrated in FIG. 27 is different in the configuration of the wavelength conversion layer 136 from the photoelectric conversion device 120 illustrated in FIG. 26, and other configurations are the same as those of the photoelectric conversion device 120 illustrated in FIG. Therefore, detailed description thereof is omitted.

図27に示す光電変換装置120aの波長変換層136は、波長変換層138aと、樹脂部138bとが積層された積層構造を有するものである。
波長変換層138aと樹脂部138bとは、それぞれ厚さが光学波長オーダ(数百nm)である。
波長変換層136は、光電変換層130、第1の透明電極層128を透過した光電変換層130で光電変換に利用されていない長波長光Luを、波長変換層136の表面136aから出射させないようにするものである。すなわち、波長変換層136は、光電変換層130で光電変換に利用されていない長波長光Luを閉じ込めるものである。
なお、長波長光Luを閉じ込める構成としては、例えば、上述の図15に示すように反射防止膜の構成を利用したものとすることができるため、その詳細な説明は省略する。
波長変換層136において、波長変換層138aには、例えば、マトリクス層(図示せず)に、量子ドットおよび中空量子ドットが複数周期的に配置されたものを用いることができる。この場合、例えば、図17(a)、(b)に示すように、量子ドットの含有量、量子ドットの大きさ、量子ドットの間隔と屈折率の関係を用いて、屈折率を調整し、樹脂部138bと組み合わせて、例えば、波長変換層136内に長波長光Luを閉じ込めるようにしてもよい。
A wavelength conversion layer 136 of the photoelectric conversion device 120a illustrated in FIG. 27 has a stacked structure in which a wavelength conversion layer 138a and a resin portion 138b are stacked.
Each of the wavelength conversion layer 138a and the resin portion 138b has an optical wavelength order (several hundred nm).
The wavelength conversion layer 136 prevents the long wavelength light Lu that is not used for photoelectric conversion by the photoelectric conversion layer 130 that has passed through the photoelectric conversion layer 130 and the first transparent electrode layer 128 from being emitted from the surface 136 a of the wavelength conversion layer 136. It is to make. That is, the wavelength conversion layer 136 confines the long wavelength light Lu that is not used for photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer 130.
As a configuration for confining the long-wavelength light Lu, for example, the configuration of the antireflection film can be used as shown in FIG.
In the wavelength conversion layer 136, for the wavelength conversion layer 138a, for example, a matrix layer (not shown) in which a plurality of quantum dots and hollow quantum dots are periodically arranged can be used. In this case, for example, as shown in FIGS. 17A and 17B, the refractive index is adjusted by using the relationship between the content of the quantum dots, the size of the quantum dots, the interval between the quantum dots and the refractive index, For example, the long wavelength light Lu may be confined in the wavelength conversion layer 136 in combination with the resin portion 138b.

樹脂部138bとしては、誘電体または有機物からなるものであり、例えば、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が用いられ、光を透過するものであれば特に限定されるものではない。
光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂等を用いることができる。
シリコーン樹脂としては、市販のLED用シリコーン樹脂等が挙げられる。エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂としては、例えば、三井化学ファブロ株式会社のソーラーエバ(商標)等を用いることができる。さらには、アイオノマー樹脂なども使用することができる。
The resin portion 138b is made of a dielectric material or an organic material, and is not particularly limited as long as, for example, a photocurable resin or a thermosetting resin is used and transmits light.
As a photocurable resin or a thermosetting resin, for example, an acrylic resin, an epoxy resin, a silicone resin, an ethylene vinyl acetate (EVA) resin, or the like can be used.
Examples of the silicone resin include commercially available silicone resins for LEDs. As the ethylene vinyl acetate (EVA) resin, for example, Solar EVA (trademark) manufactured by Mitsui Chemicals Fabro Co., Ltd. can be used. Furthermore, an ionomer resin or the like can be used.

エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂またはこれらの水添化物、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート骨格を有するエポキシ樹脂、カルド骨格を有するエポキシ樹脂、ポリシロキサン構造を有するエポキシ樹脂が挙げられる。   The epoxy resin has a bisphenol A type epoxy resin, a bisphenol F type epoxy resin, a bisphenol S type epoxy resin, a naphthalene type epoxy resin or a hydrogenated product thereof, an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton, and a triglycidyl isocyanurate skeleton. Examples thereof include an epoxy resin, an epoxy resin having a cardo skeleton, and an epoxy resin having a polysiloxane structure.

アクリル樹脂としては、2つ以上の官能基を有する(メタ)アクリレートを用いることができる。また、アクリル樹脂として水分散型アクリル樹脂を用いることができる。この水分散型アクリル樹脂とは、水を主成分とする分散媒に分散したアクリルモノマー、オリゴマー、またはポリマーで、水分散液のような希薄な状態では架橋反応がほとんど進行しないが、水を蒸発させると常温でも架橋反応が進行し固化するタイプ、または自己架橋可能な官能基を有し、触媒や重合開始剤、反応促進剤などの添加剤を用いなくとも加熱のみで架橋し固化するタイプのアクリル樹脂である。   As the acrylic resin, (meth) acrylate having two or more functional groups can be used. A water-dispersed acrylic resin can be used as the acrylic resin. This water-dispersed acrylic resin is an acrylic monomer, oligomer or polymer dispersed in a dispersion medium containing water as the main component. In a dilute state like an aqueous dispersion, the crosslinking reaction hardly proceeds, but the water is evaporated. If this is done, the crosslinking reaction will proceed and solidify even at room temperature, or it will have a functional group capable of self-crosslinking and will be crosslinked and solidified only by heating without using additives such as catalysts, polymerization initiators, and reaction accelerators. Acrylic resin.

光電変換装置120aにおいては、光電変換層130を透過した、光電変換層130で光電変換に利用されていない長波長光Luを、波長変換層136の表面136aから出射されることがなく、光電変換層130に再度入射されることがない。しかも、長波長光Luを、波長変換層136の表面136aから発熱させることなく出射させないため、光電変換層130に悪影響を与えることがない。このように、光電変換装置120aにおいては、光電変換層130で光電変換に利用されない長波長光Luの再入射を抑制し、光電変換に利用されない長波長光Luの悪影響を抑制することができる。   In the photoelectric conversion device 120a, the long-wavelength light Lu that has passed through the photoelectric conversion layer 130 and is not used for photoelectric conversion by the photoelectric conversion layer 130 is not emitted from the surface 136a of the wavelength conversion layer 136, and thus photoelectric conversion is performed. It is not incident on the layer 130 again. In addition, since the long wavelength light Lu is not emitted from the surface 136a of the wavelength conversion layer 136 without generating heat, the photoelectric conversion layer 130 is not adversely affected. Thus, in the photoelectric conversion device 120a, re-incidence of the long wavelength light Lu that is not used for photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer 130 can be suppressed, and adverse effects of the long wavelength light Lu that is not used for photoelectric conversion can be suppressed.

なお、光電変換装置120aにおいて、樹脂部138bの実効屈折率をnaとし、波長変換層138aの屈折率をnbとするとき、0.3<|nb−na|であることが好ましい。この場合、波長変換層138aの屈折率nbは、例えば、波長533nmにおいて、1.8≦n≦4.0であり、好ましくは、波長533nmにおいて1.8≦n≦2.5である。
樹脂部138bの実効屈折率naと波長変換層138aの屈折率nbの屈折率差が大きいほど、同じ反射を得るのに層数を少なくすることができる。しかしながら、屈折率差を大きくすると材料選択範囲が狭くなる。波長変換層136の積層数が、例えば、10層程度で、所定の反射率が得られるようにするには、屈折率差は0.3程度である。このため、樹脂部138bの実効屈折率naと波長変換層138aの屈折率nbの屈折率差は、0.3<|nb−na|であることが好ましい。
In the photoelectric conversion device 120a, when the effective refractive index of the resin portion 138b is na and the refractive index of the wavelength conversion layer 138a is nb, it is preferable that 0.3 <| nb−na |. In this case, the refractive index nb of the wavelength conversion layer 138a is, for example, 1.8 ≦ n ≦ 4.0 at a wavelength of 533 nm, and preferably 1.8 ≦ n ≦ 2.5 at a wavelength of 533 nm.
The larger the refractive index difference between the effective refractive index na of the resin portion 138b and the refractive index nb of the wavelength conversion layer 138a, the smaller the number of layers for obtaining the same reflection. However, increasing the refractive index difference narrows the material selection range. In order to obtain a predetermined reflectance when the number of wavelength conversion layers 136 is about 10 layers, for example, the refractive index difference is about 0.3. Therefore, the difference in refractive index between the effective refractive index na of the resin portion 138b and the refractive index nb of the wavelength conversion layer 138a is preferably 0.3 <| nb−na |.

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の量子ドット構造体、波長変換素子および光電変換装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。   The present invention is basically configured as described above. As described above, the quantum dot structure, the wavelength conversion element, and the photoelectric conversion device of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements or modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course, you may do it.

10、10a〜10c、11 量子ドット積層体
12 マトリクス層
14、14a〜14c 量子ドット
16 中空量子ドット
15 第2の化合物半導体層
16 量子ドット
17 第3の化合物半導体層
18 第2のマトリクス層
18a 量子ドット層
18b 中空量子ドット層
20 基板
22、30、40 SiO
24、32 SiGeO層
25、27、29、33 積層体
34 SiOx層
50、50a、50b 波長変換素子
52 第1の層
54 第2の層
56 第3の層
58 第4の層
80、120、120a 光電変換装置
90 光電変換素子
10, 10a to 10c, 11 Quantum dot stack 12 Matrix layer 14, 14a to 14c Quantum dot 16 Hollow quantum dot 15 Second compound semiconductor layer 16 Quantum dot 17 Third compound semiconductor layer 18 Second matrix layer 18a Quantum Dot layer 18b Hollow quantum dot layer 20 Substrate 22, 30, 40 SiO 2 layer 24, 32 SiGeO layer 25, 27, 29, 33 Laminate 34 SiOx layer 50, 50a, 50b Wavelength conversion element 52 First layer 54 Second Layer 56 third layer 58 fourth layer 80, 120, 120a photoelectric conversion device 90 photoelectric conversion element

Claims (18)

マトリクス層と、
前記マトリクス層中に形成された、半導体または金属元素で構成された量子ドットと、
前記マトリクス層中に形成された、中空状の中空量子ドットとを有することを特徴とする量子ドット構造体。
A matrix layer;
Quantum dots made of a semiconductor or metal element formed in the matrix layer;
A quantum dot structure having hollow hollow quantum dots formed in the matrix layer.
前記量子ドットは、それぞれ吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物で構成される請求項1に記載の量子ドット構造体。   2. The quantum dot structure according to claim 1, wherein each of the quantum dots is composed of a wavelength conversion composition that converts a wavelength of light into energy having lower energy than the absorbed light with respect to a specific wavelength region of the absorbed light. 前記マトリクス層は、バンドギャップが3.0eV以上の無機誘電体、またはJIS K7361−1:1997による透過率が70%以上の有機材で構成される請求項1または2に記載の量子ドット構造体。   3. The quantum dot structure according to claim 1, wherein the matrix layer is made of an inorganic dielectric having a band gap of 3.0 eV or more, or an organic material having a transmittance of 70% or more according to JIS K7361-1: 1997. . 前記量子ドットおよび前記中空量子ドットにおいて、最隣接粒子の間隔が20nm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 3, wherein in the quantum dots and the hollow quantum dots, an interval between nearest neighbor particles is 20 nm or less. 前記中空量子ドットを形成する中空形成材料と前記マトリクス層とは組成が同じである請求項1〜4のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to claim 1, wherein the hollow forming material forming the hollow quantum dots and the matrix layer have the same composition. 前記中空量子ドットおよび前記量子ドットの少なくとも一方は、層状に配置されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of the hollow quantum dots and the quantum dots is arranged in a layered manner. 前記層状に配置された中空量子ドットで構成された中空量子ドット層の累積膜厚は、50nm以上であり、
前記中空量子ドット層の中空量子ドットに隣接する、前記量子ドットで構成された量子ドット層と、前記中空量子ドット層との距離は20nm以下である請求項6に記載の量子ドット構造体。
The cumulative film thickness of the hollow quantum dot layer composed of hollow quantum dots arranged in a layered manner is 50 nm or more,
The quantum dot structure according to claim 6, wherein a distance between the quantum dot layer composed of the quantum dots adjacent to the hollow quantum dot of the hollow quantum dot layer and the hollow quantum dot layer is 20 nm or less.
前記中空量子ドットおよび前記量子ドットがランダムに配置されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the hollow quantum dots and the quantum dots are randomly arranged. 前記中空量子ドットおよび前記量子ドットがランダムに配置された層の厚さが100nm以下である請求項8に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to claim 8, wherein a thickness of the hollow quantum dots and a layer in which the quantum dots are randomly arranged is 100 nm or less. 前記量子ドットおよび前記中空量子ドットにおいて、最隣接粒子の間隔が5nm以下である請求項1〜9のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 9, wherein in the quantum dots and the hollow quantum dots, an interval between nearest neighbor particles is 5 nm or less. 前記量子ドットおよび前記中空量子ドットは、粒径が2nm〜10nmである請求項1〜10のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。   The quantum dot structure according to claim 1, wherein the quantum dots and the hollow quantum dots have a particle diameter of 2 nm to 10 nm. 前記量子ドットは、蛍光体、SiGe(1−x)、InGa(1−x)N、InAs、FeSi、PbSもしくはPbSe、またはフラーレン、有機系蛍光性色素もしくは有機系蛍光性色素分子で構成される請求項1〜11のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。 The quantum dots are phosphor, Si x Ge (1-x) , In x Ga (1-x) N, InAs, FeSi, PbS or PbSe, or fullerene, an organic fluorescent dye, or an organic fluorescent dye molecule. The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 11, comprising: 前記中空量子ドットは、SiO、Si、GaN、GaNもしくはAlN、またはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、エチレンビニルアセテート樹脂、シリコーン樹脂、飽和ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、架橋フマル酸ジエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、セルロース系樹脂もしくは透明ポリイミドで構成される請求項1〜12のいずれか1項に記載の量子ドット構造体。 The hollow quantum dots are made of SiO 2 , Si 2 N 3 , GaN, GaN or AlN, or acrylic resin, epoxy resin, ethylene vinyl acetate resin, silicone resin, saturated polyester / polyethylene terephthalate resin, polyethylene naphthalate resin, cross-linked fumarate. The quantum dot structure according to any one of claims 1 to 12, comprising an acid diester resin, a polycarbonate resin, a cellulose resin, or a transparent polyimide. 請求項1に記載の量子ドット構造体を有し、
量子ドットは、それぞれ吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなり、中空量子ドットの散乱機能により入射光や前記量子ドットからの出射光の光利用効率を改善するとともに、任意の波長領域の透過率を改善させる機能を有する波長変換層を有することを特徴とする波長変換素子。
The quantum dot structure according to claim 1,
Each quantum dot is composed of a wavelength conversion composition that converts the wavelength of light into a light having a lower energy than the absorbed light with respect to a specific wavelength region of the absorbed light. A wavelength conversion element comprising a wavelength conversion layer having a function of improving the light utilization efficiency of light emitted from the light source and improving the transmittance in an arbitrary wavelength region.
請求項14に記載の波長変換素子が光電変換層の入射光側に設けられたことを特徴とする光電変換装置。   The photoelectric conversion apparatus characterized by the wavelength conversion element of Claim 14 provided in the incident light side of the photoelectric converting layer. 前記波長変換素子は、入射光側から順に、前記中空量子ドットだけが配置された第1の層と、前記中空量子ドットと前記量子ドットとが混在して配置された第2の層と、前記量子ドットだけが配置された第3の層とが設けられている請求項15に記載の光電変換装置。   The wavelength conversion element includes, in order from the incident light side, a first layer in which only the hollow quantum dots are arranged, a second layer in which the hollow quantum dots and the quantum dots are mixed, The photoelectric conversion device according to claim 15, further comprising a third layer in which only quantum dots are arranged. 前記波長変換素子は、前記中空量子ドットの配置密度が異なる第1の表面層と第1の裏面層とを有し、前記第1の表面層の方が前記第1の裏面層よりも前記中空量子ドットの配置密度が高く、さらに前記量子ドットの配置密度が異なる第2の表面層と第2の裏面層とを有し、前記第2の表面層の方が前記第2の裏面層よりも前記量子ドットの配置密度を低くすることにより連続的に屈折率を変化させる請求項15に記載の光電変換装置。   The wavelength conversion element has a first surface layer and a first back surface layer having different arrangement densities of the hollow quantum dots, and the first surface layer is more hollow than the first back surface layer. It has a second surface layer and a second back surface layer having a high quantum dot arrangement density and different quantum dot arrangement density, and the second surface layer is more than the second back layer. The photoelectric conversion device according to claim 15, wherein the refractive index is continuously changed by lowering the arrangement density of the quantum dots. 前記波長変換素子は、入射光側から順に、前記量子ドットと前記中空量子ドットがランダムに配置されて配置密度勾配が形成された第1の配置密度勾配層と、前記量子ドットと前記中空量子ドットが層状に積層されて配置され、配置密度勾配が形成された第2の配置密度勾配層とを有する請求項15に記載の光電変換装置。   The wavelength conversion element includes, in order from the incident light side, a first arrangement density gradient layer in which the quantum dots and the hollow quantum dots are arranged randomly and an arrangement density gradient is formed, the quantum dots, and the hollow quantum dots The photoelectric conversion device according to claim 15, further comprising: a second arrangement density gradient layer that is arranged in a layered manner and has an arrangement density gradient.
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