JP2013211418A - Solar cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar cell which can improve power generation efficiency in a configuration having a quantum dot layer on a semiconductor substrate.SOLUTION: A solar cell has a quantum dot layer 5 which is formed on a principal surface 3 of a semiconductor substrate 1 and which is composed of quantum dots 5a and a matrix 5b including the quantum dots 5a. The quantum dot layer 5 has voids 5c together with the quantum dots 5a. Accordingly, when light 6 such as sunlight is incident in the quantum dot layer 5, light 6 which passes the matrix 5b other than the quantum dots 5a can be scattered by the voids 5c thereby to reduce an amount of light which penetrates the matrix 5b.

Description

本発明は、太陽電池に関し、特に量子ドットを利用した太陽電池に関する。   The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a solar cell using quantum dots.

太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。   Solar cells have the advantage that the amount of carbon dioxide emission per unit of power generation is small and fuel for power generation is unnecessary. For this reason, research on various types of solar cells has been actively promoted. Currently, single-junction solar cells having a pair of pn junctions using single-crystal silicon or polycrystalline silicon are the mainstream among solar cells in practical use.

ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。   However, since the theoretical limit of photoelectric conversion efficiency of single-junction solar cells (hereinafter referred to as “theoretical limit efficiency”) is only about 30%, a new method for further improving the theoretical limit efficiency is being studied. .

これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子ドットを利用した太陽電池（以下において、「量子ドット型太陽電池」という。）がある。   One of the new methods studied so far is a solar cell using semiconductor quantum dots (hereinafter referred to as “quantum dot solar cell”).

量子ドット型太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、シリコン基板の主面上に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを含有して囲むバリア層からなる量子ドット層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅII（一方の半導体の伝導帯の下端と他方の半導体の価電子帯が重なる超格子構造系）を成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。   As a technique related to a quantum dot solar cell, for example, Patent Document 1 includes a quantum dot having a three-dimensional quantum confinement action on a main surface of a silicon substrate, and a quantum dot including a quantum dot and a barrier layer containing the quantum dot A solar cell is disclosed in which the energy band structure of the layer forms type II (superlattice structure system in which the lower end of the conduction band of one semiconductor and the valence band of the other semiconductor overlap).

量子ドット型太陽電池に形成される量子ドットは、サイズが約１０ｎｍ程度の半導体ナノ結晶であり、この量子ドットに対して光を照射することにより量子ドット内に発生した電子やホール（以下、まとめて「キャリア」ということがある。）を３次元的に閉じ込めることができる。量子ドットに、例えば、電子を閉じ込めることにより、電子の量子力学的な波としての性質を使えるようになり、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になる。さらに、量子ドット型太陽電池によれば、熱として失われるエネルギーを低減することが可能になるため、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることが可能になると考えられている。   A quantum dot formed in a quantum dot solar cell is a semiconductor nanocrystal having a size of about 10 nm. Electrons and holes generated in the quantum dot by irradiating the quantum dot with light (hereinafter, summarized) Can be confined three-dimensionally. For example, by confining electrons in quantum dots, it becomes possible to use the properties of electrons as quantum mechanical waves, and to absorb the solar spectrum in a band that could not be absorbed by conventional solar cells. Is possible. Furthermore, according to the quantum dot solar cell, it is possible to reduce the energy lost as heat, and thus it is considered that the theoretical limit efficiency can be improved to 60% or more.

図３は、特許文献１に開示された太陽電池に代表される従来の量子ドット型太陽電池を示す断面模式図である。図３では量子ドット層１０５の層数を単純化し２層しか示していないが、量子ドット層１０５は少なくとも数十層積層された構造となっている。ここで、量子ドット層１０５は量子ドット１０５ａである半導体粒子とその周囲に形成された高抵抗層であるマトリクス１０５ｂとから構成されている。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a conventional quantum dot solar cell represented by the solar cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. In FIG. 3, the number of quantum dot layers 105 is simplified and only two layers are shown, but the quantum dot layer 105 has a structure in which at least several tens of layers are stacked. Here, the quantum dot layer 105 includes semiconductor particles that are the quantum dots 105a and a matrix 105b that is a high resistance layer formed around the semiconductor particles.

上述したように、特許文献１に開示されている技術によれば、量子ドット層１０５に光１０６を照射することにより、この量子ドット層１０５内に形成された量子ドット１０５ａにキャリアを閉じ込めることができる。   As described above, according to the technique disclosed in Patent Document 1, by irradiating the quantum dot layer 105 with light 106, carriers can be confined in the quantum dots 105a formed in the quantum dot layer 105. it can.

ところが、実際には、量子ドット層１０５に照射されたほとんどの光１０６は量子ドット１０５ａ以外のマトリックス１０５ｂを通過してしまい、キャリアの生成に寄与しないものとなっており、その結果、発電効率を高めることができないという問題があった。   However, in reality, most of the light 106 irradiated to the quantum dot layer 105 passes through the matrix 105b other than the quantum dots 105a and does not contribute to carrier generation. As a result, the power generation efficiency is reduced. There was a problem that it could not be raised.

特開２００６−１１４８１５号公報JP 2006-114815 A

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板上に量子ドット層を有する構成において発電効率を高めることのできる太陽電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the solar cell which can improve electric power generation efficiency in the structure which has a quantum dot layer on a semiconductor substrate.

本発明の太陽電池は、半導体基板の主面上に、量子ドットおよび該量子ドットを内包しているマトリックスにより構成されてなる量子ドット層を有する太陽電池であって、前記量子ドット層が、前記量子ドットとともに空隙を有していることを特徴とする。   The solar cell of the present invention is a solar cell having a quantum dot layer formed by a quantum dot and a matrix containing the quantum dot on a main surface of a semiconductor substrate, wherein the quantum dot layer is It has the space | gap with a quantum dot, It is characterized by the above-mentioned.

本発明によれば、発電効率の高い太陽電池を得ることできる。   According to the present invention, a solar cell with high power generation efficiency can be obtained.

本発明の太陽電池の一実施形態を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one Embodiment of the solar cell of this invention. 本発明の他の太陽電池の一実施形態を示すものであり、半導体基板の主面上に量子ドット複合体が複数個堆積された構造を示す断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a structure in which a plurality of quantum dot composites are deposited on the main surface of a semiconductor substrate, showing another embodiment of the solar cell of the present invention. 従来の量子ドット型太陽電池を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the conventional quantum dot type solar cell.

図１（ａ）は、本発明の太陽電池の一実施形態を示す断面模式図である。   Fig.1 (a) is a cross-sectional schematic diagram which shows one Embodiment of the solar cell of this invention.

本実施形態の太陽電池は、半導体基板１の主面３上に量子ドット層５を有する構成となっている。量子ドット層５は、量子ドット５ａと母体であるマトリックス５ｂとで構成されており、マトリックス５ｂ内に存在する量子ドット５ａとともに空隙５ｃを有している。   The solar cell of the present embodiment is configured to have a quantum dot layer 5 on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1. The quantum dot layer 5 is composed of quantum dots 5a and a matrix 5b as a base, and has a gap 5c together with the quantum dots 5a present in the matrix 5b.

本実施形態の太陽電池によれば、量子ドット層５内に量子ドット５ａとともに空隙５ｃを有しているため、量子ドット層５に太陽光などの光６が入射した場合に、量子ドット５ａ以外のマトリックス５ｂを通り抜けるようとする光６を空隙５ｃによって散乱させることができ、マトリックス５ｂを透過する光６の量を低減することができる。こうしてキャリアの生成に寄与する光６の量を増加させることができ、その結果、発電効率を向上させることができる。   According to the solar cell of this embodiment, since the quantum dot layer 5 has the gap 5c together with the quantum dot 5a, when light 6 such as sunlight is incident on the quantum dot layer 5, other than the quantum dot 5a The light 6 that attempts to pass through the matrix 5b can be scattered by the gap 5c, and the amount of the light 6 that passes through the matrix 5b can be reduced. Thus, the amount of light 6 contributing to carrier generation can be increased, and as a result, power generation efficiency can be improved.

量子ドット層５を有する太陽電池は、通常、電気的に変換されない特定波長帯の入射太陽光を吸収するとともに、その吸収した特定レベルのエネルギーを有する光、例えば、１２００〜１７００ｎｍの波長を持つ光を、例えば、４００〜８００ｎｍの波長である可視光などに変換できる機能を有している。   The solar cell having the quantum dot layer 5 normally absorbs incident sunlight in a specific wavelength band that is not electrically converted, and has the absorbed specific level of energy, for example, light having a wavelength of 1200 to 1700 nm. For example, visible light having a wavelength of 400 to 800 nm.

ところが、従来より提案されている量子ドット型太陽電池では、量子ドット層が緻密な状態で形成されているために、入射した太陽光が量子ドット以外のマトリックス中を透過しやすくなっており、このため入射した太陽光の多くを量子ドットに吸収させることが困難となっている。   However, in the conventionally proposed quantum dot solar cell, the quantum dot layer is formed in a dense state, so that incident sunlight is easily transmitted through a matrix other than the quantum dots. Therefore, it is difficult for the quantum dots to absorb most of the incident sunlight.

これに対し、本実施形態の太陽電池では、量子ドット層５に量子ドット５ａとともに空隙５ｃを有しているため、これにより量子ドット層５に入射した太陽光のうちマトリックス５ｂを透過しようする太陽光などの光６を空隙５ｃの内壁で反射させて量子ドット層５内に散乱させることができる。   On the other hand, in the solar cell of this embodiment, since the quantum dot layer 5 has the gaps 5c together with the quantum dots 5a, the sun transmitting through the matrix 5b out of the sunlight incident on the quantum dot layer 5 thereby. Light 6 such as light can be reflected by the inner wall of the gap 5 c and scattered in the quantum dot layer 5.

このような量子ドット層５を構成する量子ドット５ａとしては、半導体粒子を主体とするものからなり、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が０．１５〜１．２０ｅｖを有するものが好適である。具体的な量子ドット５ａの材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、硫黄（Ｓ）、鉛（Ｐｂ）、テルル（Ｔｅ）およびセレン（Ｓｅ）から選ばれるいずれか１種またはこれらの化合物半導体を用いることが望ましい。   The quantum dots 5a constituting the quantum dot layer 5 are preferably composed mainly of semiconductor particles and have an energy gap (Eg) of 0.15 to 1.20 ev. Specific materials for the quantum dots 5a include germanium (Ge), silicon (Si), gallium (Ga), indium (In), arsenic (As), antimony (Sb), copper (Cu), iron (Fe). It is desirable to use any one selected from sulfur (S), lead (Pb), tellurium (Te) and selenium (Se) or a compound semiconductor thereof.

この場合、量子ドット５ａの形状は、楕円体、球体などの球形状、立方体や直方体などを含む多角形状、薄膜形状およびワイヤー形状など、いずれの形状でもよいが、隣接する量子ドット５ａとの間で３次元的に連続したバンド構造を形成しやすいという理由から球形状が望ましい。   In this case, the shape of the quantum dot 5a may be any shape such as a spherical shape such as an ellipsoid or a sphere, a polygonal shape including a cube or a rectangular parallelepiped, a thin film shape, or a wire shape, but between the adjacent quantum dots 5a. A spherical shape is desirable because it is easy to form a three-dimensional continuous band structure.

また、量子ドット５ａのサイズは、例えば、球形状や薄膜形状においては最大径が３ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましく、ワイヤー形状の場合には、ワイヤーの直径が３〜２０ｎｍであることが望ましい。   Further, the size of the quantum dots 5a is preferably 3 nm to 20 nm in the maximum diameter in a spherical shape or a thin film shape, for example, and in the case of a wire shape, the diameter of the wire is preferably 3 to 20 nm.

一方、マトリクス５ｂの材料としては、半導体粒子に比較して約２倍以上１５倍以下のエネルギーギャップを有している材料が好ましく、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が１．０〜１０．０ｅｖを有するものが好ましい。マトリックス５ｂの材料としては、Ｓｉ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓ、ＩｎおよびＳｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物（半導体、炭化物、酸化物、窒化物）が好ましい。   On the other hand, the material of the matrix 5b is preferably a material having an energy gap of about 2 to 15 times that of the semiconductor particles, and has an energy gap (Eg) of 1.0 to 10.0 ev. Is preferred. As a material of the matrix 5b, a compound (semiconductor, carbide, oxide, nitride) containing at least one element selected from Si, C, Ti, Cu, Ga, S, In and Se is preferable.

空隙５ｃは、量子ドット層５内において、量子ドット５ａとの間にマトリックス５ｂを介して形成されているのがよい。量子ドット５ａの周囲にマトリックス５ｂが配されていると、量子ドット５ａ内で生成した電子の量子ドット５ａ内における閉じ込め効果を高めることができる。この場合、量子ドット５ａ内における電子の閉じ込め効果をさらに高められるという点で、マトリックス５ｂが量子ドット５ａの周囲の全面を取り囲み、空隙５ｃがそのマトリックス５ｂを介して隣接して形成されていることが望ましい。   The gap 5c is preferably formed in the quantum dot layer 5 between the quantum dots 5a via a matrix 5b. When the matrix 5b is arranged around the quantum dot 5a, the confinement effect of the electrons generated in the quantum dot 5a in the quantum dot 5a can be enhanced. In this case, the effect of confining electrons in the quantum dots 5a can be further enhanced, so that the matrix 5b surrounds the entire surface of the quantum dots 5a and the gaps 5c are formed adjacent to each other through the matrix 5b. Is desirable.

また、空隙５ｃは、量子ドット層５の光の出射側（図１の半導体基板１側）に多く存在することが望ましい。図１からわかるように、量子ドット層５内において、空隙５ｃが量子ドット層５の光６の出射側に多く存在すると、量子ドット層５に入射した太陽光が量子ドット５ａを通過しても、量子ドット層５の半導体基板１側に形成されている多くの空隙５ｃによって入射した太陽光がより散乱されやすくなる。こうして太陽光の量子ドット層５の透過を抑制でき、エネルギー変換効率をさらに高めることができる。   Further, it is desirable that a large number of voids 5c exist on the light emission side of the quantum dot layer 5 (the semiconductor substrate 1 side in FIG. 1). As can be seen from FIG. 1, if there are many voids 5c on the light emission side of the quantum dot layer 5 in the quantum dot layer 5, even if sunlight incident on the quantum dot layer 5 passes through the quantum dot 5a. The incident sunlight is more easily scattered by the many gaps 5 c formed on the semiconductor substrate 1 side of the quantum dot layer 5. Thus, the transmission of sunlight through the quantum dot layer 5 can be suppressed, and the energy conversion efficiency can be further increased.

なお、量子ドット層５内に存在する空隙５ｃの頻度は、空隙５ｃのサイズにもよるが、この層内に存在する量子ドット５ａの数と同等程度であるのがよい。   The frequency of the gaps 5c existing in the quantum dot layer 5 is preferably about the same as the number of quantum dots 5a present in this layer, although it depends on the size of the gaps 5c.

また、空隙５ｃのサイズは、量子ドット層５に上面側から入射した太陽光を散乱することが可能なサイズ以上であればよいが、好ましくは量子ドット５ａの直径の１／２〜５倍程度であるのがよい。   Further, the size of the gap 5c may be equal to or larger than the size capable of scattering sunlight incident on the quantum dot layer 5 from the upper surface side, but preferably about 1/2 to 5 times the diameter of the quantum dot 5a. It is good to be.

本実施形態の太陽電池は、上述のように、量子ドット層５が半導体基板１の主面３上に設けられたものであるが、図１に示しているように、量子ドット層５の上面側にも半導体基板７が設けられている。この場合、例えば、量子ドット層５の下面側に配置されている半導体基板１がｐ型（キャリアがホール）の半導体である場合には、量子ドット層５の上面側に配置される半導体基板７はｎ型となる。なお、ｐ型とｎ型とを逆転させた構成にしてもよい。また、半導体基板１、７は、多結晶、単結晶のいずれでもよいが、量産性が高
く、低コストという点で多結晶であるのがよい。 As described above, the solar cell of the present embodiment is such that the quantum dot layer 5 is provided on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, but as shown in FIG. A semiconductor substrate 7 is also provided on the side. In this case, for example, when the semiconductor substrate 1 disposed on the lower surface side of the quantum dot layer 5 is a p-type (carrier is a hole) semiconductor, the semiconductor substrate 7 disposed on the upper surface side of the quantum dot layer 5. Becomes n-type. Note that the p-type and n-type may be reversed. The semiconductor substrates 1 and 7 may be either polycrystalline or single crystal, but are preferably polycrystalline in terms of high productivity and low cost.

図２は、本発明の他の太陽電池の一実施形態を示すものであり、半導体基板の主面上に量子ドット複合体が複数個堆積された構造を示す断面模式図である。   FIG. 2 shows an embodiment of another solar cell of the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing a structure in which a plurality of quantum dot composites are deposited on the main surface of a semiconductor substrate.

図２に示す太陽電池は、量子ドット層５がコアシェル構造を有する量子ドット複合体５ＣＳを複数個堆積させた構成となっている。この量子ドット複合体５ＣＳは、量子ドット５ａからなるコア部Ｃと、コア部Ｃをマトリックス５ｂの成分で取り巻くシェル部Ｓとで構成されている。   The solar cell shown in FIG. 2 has a configuration in which a plurality of quantum dot composites 5CS in which the quantum dot layer 5 has a core-shell structure are deposited. The quantum dot composite 5CS is composed of a core portion C made up of quantum dots 5a and a shell portion S surrounding the core portion C with components of the matrix 5b.

量子ドット層５を上記のような量子ドット複合体５ＣＳによって形成すると、空隙５ｃを、堆積した量子ドット複合体５ＣＳ間に形成することが可能となり、空隙５ｃが各量子ドット複合体５ＣＳのシェル部Ｓに隣接して形成されることになる。また、各量子ドット５ａがそれぞれ所定の数の空隙５ｃを有するようになる。量子ドット層５をこのような構成にすると、各量子ドット５ａに対して、これに近接する所定の数の空隙５ｃが組み合わせられた構造にできる。これにより空隙５ｃによって散乱された光６を、その空隙５ｃが近接するそれぞれの量子ドット５ａに吸収させることが可能となり、これによって散乱された光６の吸収量が高まり、その結果、光６の変換効率を高めることができる。   When the quantum dot layer 5 is formed by the quantum dot composite 5CS as described above, it becomes possible to form the gap 5c between the deposited quantum dot composites 5CS, and the gap 5c is a shell portion of each quantum dot composite 5CS. S is formed adjacent to S. Further, each quantum dot 5a has a predetermined number of voids 5c. When the quantum dot layer 5 is configured as described above, a structure in which a predetermined number of gaps 5c adjacent to the quantum dots 5a are combined can be obtained. As a result, the light 6 scattered by the gap 5c can be absorbed by the respective quantum dots 5a adjacent to the gap 5c, thereby increasing the amount of absorption of the scattered light 6, and as a result, Conversion efficiency can be increased.

この場合、特に、量子ドット複合体５ＣＳは、コア部Ｃを構成している量子ドット５ａが球形状であり、これを取り巻くシェル部Ｓがコア部Ｃの表面の法線方向においてほぼ同じ厚みであり、さらに、コア部Ｃの表面の全面を被覆した構造であるので望ましい。量子ドット複合体５ＣＳが、いわゆる球形状のコアシェル構造を有するものであると、空隙５ｃを隣接する量子ドット複合体５ＣＳの三重点の位置に形成することができ、各量子ドット５ａに対して、空隙５ｃをより均等に配置させることができる。こうして空隙５ｃによって散乱された光６の各量子ドット５ａへの吸収効率をさらに高めることができる。   In this case, in particular, in the quantum dot composite 5CS, the quantum dots 5a constituting the core part C are spherical, and the shell part S surrounding the quantum dots 5a has substantially the same thickness in the normal direction of the surface of the core part C. In addition, it is desirable because the entire surface of the core portion C is covered. If the quantum dot composite 5CS has a so-called spherical core-shell structure, the void 5c can be formed at the position of the triple point of the adjacent quantum dot composite 5CS. For each quantum dot 5a, The gaps 5c can be arranged more evenly. Thus, the absorption efficiency of the light 6 scattered by the gap 5c into each quantum dot 5a can be further increased.

この場合、量子ドット５ａ同士の間隔、すなわち、量子ドット５ａ間に形成されているマトリックス５ａの幅は２〜１０ｎｍであることが望ましく、また、その間隔のばらつきは量子ドット５ａ同士の間隔（量子ドット５ａ間に形成されているマトリックス５ｂの幅）を平均した値の１０〜５０％であることが望ましい。   In this case, the interval between the quantum dots 5a, that is, the width of the matrix 5a formed between the quantum dots 5a is preferably 2 to 10 nm, and the variation in the interval is the interval between the quantum dots 5a (quantum It is desirable that it is 10 to 50% of the average value of the width of the matrix 5b formed between the dots 5a.

量子ドット５ａのサイズや量子ドット５ａ同士の間隔のばらつきが上記範囲であると、量子ドット層５内において、複数の量子ドット５ａ間に電子の規則的な長周期構造が形成されやすくなり、これにより連続したバンド構造を形成することが可能となる。なお、量子ドット５ａのサイズおよび各量子ドット５ａ間の間隔は、特定の応用および製造されるデバイスの条件に従って種々の条件を適合できる。   If the variation in the size of the quantum dots 5a and the interval between the quantum dots 5a is in the above range, a regular long-period structure of electrons is easily formed between the plurality of quantum dots 5a in the quantum dot layer 5, Thus, a continuous band structure can be formed. In addition, the size of the quantum dot 5a and the space | interval between each quantum dot 5a can adapt various conditions according to the conditions of a specific application and the device manufactured.

また、この量子ドット複合体５ＣＳは、量子ドット層５を構成する場合、各量子ドット５ａが積層方向に重なるように堆積していてもよいが、立方最密充填または六方最密充填構造を取るように堆積されていてもよい。量子ドット複合体５ＣＳの構造は、太陽光の入射角との関係で決定される。   In addition, when the quantum dot layer 5 is configured, the quantum dot composite 5CS may be deposited so that the quantum dots 5a overlap in the stacking direction, but has a cubic close-packed or hexagonal close-packed structure. It may be deposited as follows. The structure of the quantum dot composite 5CS is determined in relation to the incident angle of sunlight.

次に、本実施形態の太陽電池を製造する方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the solar cell of this embodiment will be described.

まず、上述した半導体粒子の材料を主成分とする金属化合物と還元剤とを準備し、これらを加熱しながら混合して半導体粒子を合成する。このとき用いる還元剤としては、化学式（Ｃ１０Ｈ８）Ａ（Ａ：Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ）で表されるアルカリ金属のナフタレニドが好適である。 First, a metal compound mainly composed of the above-described semiconductor particle material and a reducing agent are prepared and mixed while heating to synthesize semiconductor particles. The reducing agent used at this time is preferably an alkali metal naphthalenide represented by the chemical formula (C 10 H 8 ) A (A: K, Na, Li).

次に、合成した半導体粒子の表面に、有機官能基を付着させた上で半導体粒子を大気等の酸化性雰囲気中にて加熱して、半導体粒子の表面に酸化層を形成する。以下、この半導体粒子の表面に酸化層が形成された粒子のことを前駆体粒子という。有機官能基としてはヒドロキシル基、アミド基、イミド基から選ばれるいずれか一種の有機官能基が好適であり、具体的にはこれらを有するモノマーまたはポリマーを用いる。   Next, after attaching an organic functional group to the surface of the synthesized semiconductor particles, the semiconductor particles are heated in an oxidizing atmosphere such as the air to form an oxide layer on the surface of the semiconductor particles. Hereinafter, particles having an oxide layer formed on the surface of the semiconductor particles are referred to as precursor particles. As the organic functional group, any one of organic functional groups selected from a hydroxyl group, an amide group, and an imide group is preferable, and specifically, a monomer or polymer having these is used.

次に、表面に酸化層が形成された半導体粒子（前駆体粒子）を溶媒中に分散させてスラリーを作製し、このスラリーを半導体基板１の表面に塗布し、乾燥させる。この場合、前駆体粒子が半導体基板の表面に整列して堆積するように粘度および蒸発性を考慮した溶媒を選択する。具体的には、溶媒としては、フタル酸エステルやグリセリンなどが好適である。また、前駆体粒子を半導体基板の表面に堆積させるために、半導体基板１の表面にスラリーの塗布を複数回繰り返す工法を用いても良い。   Next, semiconductor particles (precursor particles) having an oxide layer formed on the surface are dispersed in a solvent to prepare a slurry, and this slurry is applied to the surface of the semiconductor substrate 1 and dried. In this case, a solvent is selected in consideration of viscosity and evaporability so that the precursor particles are deposited in alignment on the surface of the semiconductor substrate. Specifically, phthalate ester, glycerin, and the like are suitable as the solvent. Further, in order to deposit the precursor particles on the surface of the semiconductor substrate, a method of repeating slurry application on the surface of the semiconductor substrate 1 may be used.

次に、前駆体粒子を堆積させた半導体基板１をアルゴンまたは窒素などの不活性ガス中、又は、水素を含む還元ガス中にて、３００〜１０００℃の温度に加熱して前駆体粒子を焼結させる。こうして半導体基板１の表面上に量子ドット層５を形成できる。得られた量子ドット層５は、前駆体粒子を焼結させたものであるため、前駆体粒子の粒界に空隙を有するものとなっている。   Next, the semiconductor substrate 1 on which the precursor particles are deposited is heated to a temperature of 300 to 1000 ° C. in an inert gas such as argon or nitrogen or in a reducing gas containing hydrogen, thereby firing the precursor particles. Tie. Thus, the quantum dot layer 5 can be formed on the surface of the semiconductor substrate 1. Since the obtained quantum dot layer 5 is obtained by sintering precursor particles, it has voids at grain boundaries of the precursor particles.

本実施形態における量子ドット層５の製造する場合、作製した前駆体粒子を半導体基板１上に沈降させる方法を採用すると、サイズの大きい前駆体粒子が先に沈降し、サイズの小さい前駆体粒子が後から沈降するが、サイズの大きい前駆体粒子を半導体基板１側に堆積させることによって、半導体基板１側にサイズの大きい空隙５ｃが形成される。この後、前駆体粒子を堆積させた膜を加熱することによって、サイズの小さい空隙５ｃは無くなるが、サイズの大きい空隙５ｃは残ることになる。その結果、堆積した前駆体粒子を焼結させた後の量子ドット層５の、太陽光の入射側よりも出射側である半導体基板１側に多くの空隙５ｃを形成することができる。   When the quantum dot layer 5 in the present embodiment is manufactured, when a method of precipitating the prepared precursor particles on the semiconductor substrate 1 is adopted, the precursor particles having a large size settle first, and the precursor particles having a small size are obtained. Although settled later, by depositing large precursor particles on the semiconductor substrate 1 side, a large gap 5c is formed on the semiconductor substrate 1 side. Thereafter, by heating the film on which the precursor particles are deposited, the small size void 5c disappears, but the large size void 5c remains. As a result, many voids 5c can be formed on the semiconductor substrate 1 side, which is the emission side of the quantum dot layer 5 after sintering the deposited precursor particles, rather than the sunlight incidence side.

なお、量子ドット層５を、コアシェル型の量子ドット複合体５ＣＳがシェル部Ｓの輪郭を有するように積み重ねられた構造にする場合には、加熱する温度をあまり高くしないで量子ドット複合体５ＣＳ同士がネック部で結合した程度になるように制御する。このような条件で形成された量子ドット層５は量子ドット複合体５ＣＳ間または量子ドット複合体５ＣＳの三重点に空隙５ｃを有するものとなる。   When the quantum dot layer 5 has a structure in which the core-shell type quantum dot composites 5CS are stacked so as to have the outline of the shell portion S, the quantum dot composites 5CS can be connected to each other without increasing the heating temperature. Is controlled so as to be connected to the neck portion. The quantum dot layer 5 formed under such conditions has voids 5c between the quantum dot composites 5CS or at the triple point of the quantum dot composite 5CS.

次に、量子ドット層５の表面に半導体基板１の成分を含む薄膜を形成する。製法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法および蒸着法などから選ばれる１種の物理的な薄膜形成法やスピンコート法または印刷法などの化学的方法を採用することができる。   Next, a thin film containing the components of the semiconductor substrate 1 is formed on the surface of the quantum dot layer 5. As a manufacturing method, a chemical method such as a physical thin film forming method selected from a CVD method, a sputtering method, and a vapor deposition method, a spin coating method, or a printing method can be employed.

以上より得られる太陽電池は、量子ドット層５に空隙５ｃを有するものであるため、太陽光の透過を低減でき、量子ドット５ａによる光の吸収量を高めることが可能になることから、発電効率を向上させることができる。   Since the solar cell obtained as described above has the gap 5c in the quantum dot layer 5, it is possible to reduce the transmission of sunlight and increase the amount of light absorbed by the quantum dot 5a. Can be improved.

１、７・・・・・・・・半導体基板
３・・・・・・・・・・主面
５、１０５・・・・・・量子ドット層
５ａ、１０５ａ・・・・量子ドット
５ｂ、１０５ｂ・・・・マトリックス
５ｃ・・・・・・・・・空隙
５ＣＳ・・・・・・・・量子ドット複合体
Ｃ・・・・・・・・・・コア部
Ｓ・・・・・・・・・・シェル部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 7 ..... Semiconductor substrate 3 ..... Main surface 5, 105 ..... Quantum dot layer 5a, 105a ..... Quantum dot 5b, 105b・ ・ ・ ・ Matrix 5c ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Cavity 5CS ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Quantum dot composite C ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Core part S ・ ・ ・ ・ ・ ・... Shell part

Claims (6)

半導体基板の主面上に、量子ドットおよび該量子ドットを内包しているマトリックスにより構成されてなる量子ドット層を有する太陽電池であって、
前記量子ドット層が、前記量子ドットとともに空隙を有していることを特徴とする太陽電池。 A solar cell having a quantum dot layer formed on a main surface of a semiconductor substrate by a quantum dot and a matrix containing the quantum dot,
The said quantum dot layer has a space | gap with the said quantum dot, The solar cell characterized by the above-mentioned. 前記空隙と前記量子ドットとの間に前記マトリックスが介在していることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1, wherein the matrix is interposed between the gap and the quantum dot. 前記空隙が前記量子ドット層の光の出射側に多く存在することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。   3. The solar cell according to claim 1, wherein a large number of the voids exist on the light emission side of the quantum dot layer. 前記量子ドット層が、前記量子ドットからなるコア部と、該コア部を前記マトリックスの成分で取り巻くシェル部とで構成される量子ドット複合体を複数個堆積させたものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。   The quantum dot layer is formed by depositing a plurality of quantum dot composites composed of a core portion made of the quantum dots and a shell portion surrounding the core portion with a component of the matrix. The solar cell according to claim 1. 前記空隙が前記シェル部に隣接していることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 4, wherein the gap is adjacent to the shell portion. 前記空隙が前記量子ドット複合体の三重点に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 4, wherein the void is formed at a triple point of the quantum dot composite.
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