JP2014179368A - Solar cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solar cell to which a quantum dot is applied, capable of obtaining photoelectric conversion characteristics even if the size is large.SOLUTION: A solar cell has a quantum dot layer 5 having a plurality of quantum dots 5a on the main surface 3 of a semiconductor substrate 1. The quantum dots 5a are a columnar body whose aspect ratio is 2 or more and arranged in parallel in the same direction. As a result, since an intermediate band having wide width is formed in the quantum dot 5a and a wave function having large amplitude can be formed, the amount of electronic tunnel current between the quantum dots 5a can be increased. As a result, the photoelectric conversion efficiency becomes possible to be enhanced.

Description

本発明は、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 using quantum dots.

太陽電池は、二酸化炭素の排出が無く、発電時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 they do not emit carbon dioxide and do not require fuel during power generation. 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、従来の半導体構造では高いエネルギーを持った波長の短い光はpn接合領域のみで電子を励起するのではなく、p型あるいはn型の各半導体領域でも電子を励起する。これらの各半導体領域で発生したキャリアはp型あるいはn型の半導体領域に存在する不純物準位や熱エネルギー等に起因する少数キャリアとの相互作用により熱エネルギーとして散逸してしまうため、理論限界効率が30%に満たないものであった。このため、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, in a conventional semiconductor structure, light with a short wavelength having high energy does not excite electrons only in the pn junction region, but also excites electrons in each p-type or n-type semiconductor region. Since the carriers generated in each of these semiconductor regions are dissipated as thermal energy due to the interaction with minority carriers due to impurity levels, thermal energy, etc. existing in the p-type or n-type semiconductor region, the theoretical limit efficiency Was less than 30%. For this reason, new methods for further improving the theoretical limit efficiency are 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を有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 having a layer is disclosed.

図5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5では量子ドット層105の層数を単純化し1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. 5 is a schematic cross-sectional view showing a conventional quantum dot solar cell typified by the solar cell disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. In FIG. 5, the number of quantum dot layers 105 is simplified and only one is 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 is composed of semiconductor particles that are the quantum dots 105a and a matrix 105b that is a high resistance layer formed around the semiconductor particles.

量子ドット型太陽電池では、量子ドット105aに光106が照射されると、量子ドット105a内の電子は、量子ドット105aの閉じ込め効果により半導体が本来持つバンドギャップより高いエネルギーギャップの量子準位にまで励起される。その結果、従来の太陽電池では吸収することのできなかった短い波長領域の太陽光スペクトルを、p型の半導体とn型の半導体との境界に形成された量子ドット層105内で効率よく吸収させることが可能となり、これにより光電変換効率を高めることができると考えられている。   In the quantum dot type solar cell, when the light 106 is irradiated to the quantum dot 105a, the electrons in the quantum dot 105a reach the quantum level of the energy gap higher than the band gap inherent in the semiconductor due to the confinement effect of the quantum dot 105a. Excited. As a result, the solar spectrum in a short wavelength region that could not be absorbed by the conventional solar cell is efficiently absorbed in the quantum dot layer 105 formed at the boundary between the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. It is considered that this can increase the photoelectric conversion efficiency.

この場合、量子ドット105aとなる半導体粒子は、閉じ込められる電子が縦/横/高さのどちらの方向にも動けないような、いわゆる「0次元」の世界を実現することのできる形状として球状粒子が理想的であり、また、そのサイズは数nm程度が良いとされている。   In this case, the semiconductor particles to be the quantum dots 105a are spherical particles having a shape that can realize a so-called “0-dimensional” world in which the confined electrons cannot move in any of the vertical / horizontal / height directions. Is ideal, and the size is considered to be about several nanometers.

ところが、実際には、最大径が数nmしかない球状粒子により構成される量子ドットを集積させた量子ドット層を得ることは極めて難しく実現できていない。   However, in practice, it has been difficult to achieve a quantum dot layer in which quantum dots composed of spherical particles having a maximum diameter of only a few nm are integrated.

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、サイズが大きくても光電変換特性の得られる量子ドットと、それを適用した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 quantum dot from which a photoelectric conversion characteristic is acquired even if it is large, and a solar cell to which it is applied.

本発明の太陽電池は、半導体基板の主面上に複数の量子ドットを有する量子ドット層を備えている太陽電池であって、前記量子ドットはアスペクト比が2以上の柱状体であり、長手方向を同じ向きに並列に配置されていることを特徴とする。   The solar cell of the present invention is a solar cell comprising a quantum dot layer having a plurality of quantum dots on a main surface of a semiconductor substrate, wherein the quantum dots are columnar bodies having an aspect ratio of 2 or more, and the longitudinal direction Are arranged in parallel in the same direction.

本発明によれば、サイズが大きくても光電変換効率の高い量子ドットと、それを適用した太陽電池を得ることできる。   According to the present invention, it is possible to obtain quantum dots with high photoelectric conversion efficiency and a solar cell to which the quantum dots are applied even if the size is large.

本発明の太陽電池の一実施形態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically one Embodiment of the solar cell of this invention. (a)は、本実施形態の太陽電池を構成する量子ドットのバンド構造を示す模式図であり、(b)は量子ドットが球状粒子(0次元)の場合のバンド構造を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the band structure of the quantum dot which comprises the solar cell of this embodiment, (b) is a schematic diagram which shows the band structure in case a quantum dot is a spherical particle (0 dimension). . 本発明の太陽電池の第2の態様を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the 2nd aspect of the solar cell of this invention. 本発明の太陽電池の第3の態様を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the 3rd aspect of the solar cell of this 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は、本発明の太陽電池の一実施形態を模式的に示す斜視図である。本実施形態の太陽電池は、半導体基板1の光入射側の主面3上に複数の量子ドット5aを含む量子ドット層5が配置された構成となっており、その量子ドット5aはアスペクト比が2以上の柱状体であり、長手方向を同じ向きに並列に配置されている。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of a solar cell of the present invention. The solar cell of this embodiment has a configuration in which a quantum dot layer 5 including a plurality of quantum dots 5a is disposed on the main surface 3 on the light incident side of the semiconductor substrate 1, and the quantum dots 5a have an aspect ratio. Two or more columnar bodies are arranged in parallel in the same direction in the longitudinal direction.

図1では半導体基板1の主面3上の量子ドット層5内に量子ドット5aを1層並べた状態を示しているにすぎないが、実際には、量子ドット5aは量子ドット層5の厚み方向に数十層重なって集積された状態となっている。   Although FIG. 1 only shows a state in which one quantum dot 5 a is arranged in the quantum dot layer 5 on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, the quantum dot 5 a is actually the thickness of the quantum dot layer 5. Several tens of layers are stacked in the direction.

量子ドット型太陽電池に形成される量子ドットは、これまで電子の閉じ込め効果により、pn接合を有する単接合太陽電池の光電変換波長領域とは異なる波長における光電変換を効率的に発揮できる形状として、電子が縦/横/高さのどちらの方向にも動けなくなり、完全に閉じ込められたいわゆる0次元の状態にできる粒子状が好適であり、サイズとしても直径が6nm以下であるのが良いとされてきた。   The quantum dot formed in the quantum dot solar cell has a shape that can efficiently exhibit photoelectric conversion at a wavelength different from the photoelectric conversion wavelength region of the single junction solar cell having a pn junction so far due to the electron confinement effect. It is preferable that the particles be in a so-called zero-dimensional state in which electrons cannot move in any of the vertical / horizontal / height directions and are completely confined, and the size should be 6 nm or less. I came.

ところが、実際には、量子ドット層5を直径が6nm以下の粒子状の量子ドット5aを集積させて形成することは極めて難しいという問題がある。   However, in practice, it is extremely difficult to form the quantum dot layer 5 by accumulating particulate quantum dots 5a having a diameter of 6 nm or less.

そこで、本出願人は、量子ドット5aについて種々検討した結果、形状の異なる量子ドット5aを作製し、そのサイズとエネルギーギャップとの関係を調べたところ、従来、量子ドット5aとしては球状粒子が良いとされてきたことと異なり、量子ドット5aの形状が細長であっても同じ向きに並列に配列していれば球状粒子でなくても電子の閉じ込め効果を発揮することを見出した。   Therefore, as a result of various investigations on the quantum dots 5a, the present applicant has produced quantum dots 5a having different shapes and examined the relationship between the size and the energy gap. Conventionally, the quantum dots 5a are preferably spherical particles. It has been found that, even if the quantum dots 5a are elongated and arranged in parallel in the same direction, the electron confinement effect is exhibited even if they are not spherical particles.

図2(a)は、本実施形態の太陽電池を構成する量子ドットのバンド構造を示す模式図
であり、(b)は量子ドットが球状粒子(0次元)の場合のバンド構造を示す模式図である。図2(a)において量子ドット5aを丸い形状で示しているのは太陽電池の断面図を示しているためであり、実際には、量子ドット5aは図2(a)の紙面の奥の方に向けて細長い形状となっている。
FIG. 2A is a schematic diagram showing a band structure of quantum dots constituting the solar cell of the present embodiment, and FIG. 2B is a schematic diagram showing a band structure when the quantum dots are spherical particles (0-dimensional). It is. In FIG. 2 (a), the quantum dots 5a are shown in a round shape because they show a cross-sectional view of the solar cell. Actually, the quantum dots 5a are located at the back of the paper surface of FIG. 2 (a). It has a long and narrow shape.

本実施形態の太陽電池では、電子は量子ドット5aの内部において長手方向に動くことになるが、電子がこのように1方向のみに動きやすい状態の場合には、量子ドット5aが図2(b)に示されるような球状粒子の場合とは異なり、量子ドット5a内に形成される中間バンドは球状粒子の場合よりも幅の広いものとなり、振幅の大きい波動関数が形成される。これにより近接する量子ドット5a間に生じる波動関数の重なり幅を大きくすることができることから量子ドット5a間における電子のトンネル電流量を増やすことができ、その結果、光電変換効率を高めることが可能になる。   In the solar cell of the present embodiment, the electrons move in the longitudinal direction inside the quantum dots 5a. However, when the electrons are easy to move in only one direction, the quantum dots 5a are shown in FIG. Unlike the case of the spherical particles as shown in FIG. 9), the intermediate band formed in the quantum dot 5a is wider than that of the spherical particles, and a wave function having a large amplitude is formed. As a result, the overlapping width of wave functions generated between adjacent quantum dots 5a can be increased, so that the amount of electron tunneling current between the quantum dots 5a can be increased, and as a result, the photoelectric conversion efficiency can be increased. Become.

この場合、電子の波動関数の重なり幅を持たせられるという理由から、量子ドット5aはアスペクト比が2以上の柱状体であるのが良い。ここで、アスペクト比とは量子ドット5aの長手方向の長さをL、断面の最大径(直径)をSとしたとき比L/Sのことである。   In this case, the quantum dot 5a is preferably a columnar body having an aspect ratio of 2 or more because the overlapping width of the electron wave function is provided. Here, the aspect ratio is a ratio L / S where L is the length in the longitudinal direction of the quantum dots 5a and S is the maximum diameter (diameter) of the cross section.

また、量子ドット5aの長手方向の長さとしては、6nm以上、7nm以上、特には、10nm以上が好適であり、また、断面(端面)の最大径(直径)は1nm以上5nm以下であることが好ましい。   The length of the quantum dots 5a in the longitudinal direction is preferably 6 nm or more and 7 nm or more, particularly 10 nm or more, and the maximum diameter (diameter) of the cross section (end face) is 1 nm or more and 5 nm or less. Is preferred.

また、量子ドット5aは、図1に示すように、通常、この量子ドット5aよりもエネルギーギャップの大きい材料(マトリックス5b)によって周囲を囲まれている。   As shown in FIG. 1, the quantum dots 5a are usually surrounded by a material (matrix 5b) having a larger energy gap than the quantum dots 5a.

こうして、量子ドット層5に光6が照射された場合に、通常の400〜1100nmの波長である可視光などを変換できる機能を有する他に、例えば、通常では吸収できない長波長(1200〜1700nmの波長)の光6を吸収し、発電に有効利用することもできる。   Thus, when the quantum dot layer 5 is irradiated with the light 6, in addition to the function of converting visible light having a wavelength of 400 to 1100 nm, the long wavelength (1200 to 1700 nm of which cannot be normally absorbed) (Wavelength) light 6 can be absorbed and used effectively for power generation.

なお、同じ向きに配列しているとは、図1に示すように、量子ドット5aの長手方向の向きがほぼ平行となっている状態をいう。   Note that the arrangement in the same direction means a state in which the orientations of the quantum dots 5a in the longitudinal direction are substantially parallel as shown in FIG.

次に、本実施形態の太陽電池において、量子ドット5aの長手方向が半導体基板1の主面3に平行になるように配置されている場合には、広い幅で重なった電子の波動関数が光入射側から半導体基板1側に向いた方向となり、これにより量子ドット層5によって生成した電子が半導体基板1側に移動しやすくなり光電変換効率の高いものが得られる。   Next, in the solar cell of the present embodiment, when the quantum dots 5a are arranged so that the longitudinal direction of the quantum dots 5a is parallel to the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, the wave function of the electrons overlapped with a wide width is the light. The direction is directed from the incident side toward the semiconductor substrate 1, whereby electrons generated by the quantum dot layer 5 are easily moved toward the semiconductor substrate 1, and a high photoelectric conversion efficiency is obtained.

図3は、本発明の太陽電池の第2の態様を模式的に示す斜視図である。図3に示す太陽電池では、量子ドット5aは長手方向が半導体基板1の主面3に垂直になるように配置されている。   FIG. 3 is a perspective view schematically showing a second aspect of the solar cell of the present invention. In the solar cell shown in FIG. 3, the quantum dots 5 a are arranged so that the longitudinal direction is perpendicular to the main surface 3 of the semiconductor substrate 1.

図3の太陽電池のように、量子ドット5aの長手方向が半導体基板1の主面3に垂直に立つように配置されている場合には、量子ドット5a内に生成した電子の向きが、元々、半導体基板1の方向となっているために、量子ドット層5から半導体基板1側への電子の移動度が高く、より効率の高い発電をすることが可能になる。   When the quantum dots 5a are arranged so that the longitudinal direction of the quantum dots 5a stands perpendicular to the main surface 3 of the semiconductor substrate 1 as in the solar cell of FIG. 3, the direction of the electrons generated in the quantum dots 5a is originally Since it is in the direction of the semiconductor substrate 1, the electron mobility from the quantum dot layer 5 to the semiconductor substrate 1 is high, and it is possible to generate power more efficiently.

図4は、本発明の太陽電池の第3の態様を模式的に示す断面図である。図4では、量子ドット層5が2層積層されたときの各層における量子ドット5aのサイズの違いを示すために、便宜上、断面図で示し、各層に存在する量子ドット5aの直径の違いを示している
が、この場合も各量子ドット層5における量子ドット5aは柱状体となっている。なお、各層で柱状体の長手方向の長さが異なる場合もある。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a third aspect of the solar cell of the present invention. In FIG. 4, in order to show the difference in the size of the quantum dot 5a in each layer when the two quantum dot layers 5 are laminated, for convenience, it is shown in a sectional view and shows the difference in the diameter of the quantum dot 5a existing in each layer. However, also in this case, the quantum dots 5a in each quantum dot layer 5 are columnar bodies. In addition, the length of the longitudinal direction of a columnar body may differ in each layer.

本実施形態の太陽電池において、量子ドット層5が半導体基板1の主面3上に複数積層されたときには、量子ドット5aのサイズは各層毎に異なっていることが望ましい。   In the solar cell of the present embodiment, when a plurality of quantum dot layers 5 are stacked on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, the size of the quantum dots 5a is preferably different for each layer.

量子ドット5aはそのサイズ(例えば、体積、最大長さ)が異なっていると吸収できる光の波長が異なってくる。半導体基板1の主面3上に複数の量子ドット層5を形成したときに、量子ドット5aのサイズが各層毎に異なるようにすると、各量子ドット層5において異なる波長の光を吸収できることから、より広い範囲の波長で光電変換を行うことができ、これにより発電効率をさらに高めることができる。   If the quantum dots 5a have different sizes (for example, volume and maximum length), the wavelength of light that can be absorbed varies. When a plurality of quantum dot layers 5 are formed on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, if the size of the quantum dots 5 a is different for each layer, light of different wavelengths can be absorbed in each quantum dot layer 5. Photoelectric conversion can be performed in a wider range of wavelengths, thereby further increasing power generation efficiency.

この場合、各量子ドット層5内においては、存在する量子ドット5aのサイズはほぼ同じであることが望ましく、例えば、長手方向の最大長さの平均値をx、それらの標準偏差をσとしたときに、σ/xが20%以下であることが望ましい。   In this case, in each quantum dot layer 5, it is desirable that the sizes of the existing quantum dots 5a are substantially the same. For example, the average value of the maximum length in the longitudinal direction is x, and the standard deviation thereof is σ. Sometimes σ / x is desirably 20% or less.

また、量子ドット5aを構成する半導体粒子のエネルギーギャップとしては1.1eVよりも高いレベルであることが望ましく、例えば、1.3〜2.0eVであることが望ましい。   In addition, the energy gap of the semiconductor particles constituting the quantum dots 5a is preferably at a level higher than 1.1 eV, for example, 1.3 to 2.0 eV.

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)は用いる材料によって異なるが、0.15〜2.50ev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 mainly composed of semiconductor particles, and the energy gap (Eg) varies depending on the materials used, but those having 0.15 to 2.50 ev are preferable. It is. 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.

なお、量子ドット5aは、通常、この量子ドット5aよりもエネルギーギャップの大きい材料によって周囲を囲まれており、量子ドット5aを取り巻いている材料をマトリックス5bという場合がある。マトリックス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。   The quantum dots 5a are usually surrounded by a material having a larger energy gap than the quantum dots 5a, and the material surrounding the quantum dots 5a may be referred to as a matrix 5b. 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 preferably has an energy gap (Eg) of 1.0 to 10.0 ev. . The matrix material is preferably a compound (semiconductor, carbide, oxide, nitride) containing at least one element selected from Si, C, Ti, Cu, Ga, S, In and Se.

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、量子ドット層5の上面側にも半導体基板が設けられる。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 has the quantum dot layer 5 provided on the main surface 3 of the semiconductor substrate 1, but the semiconductor substrate is also provided on the upper surface side of the quantum dot layer 5. 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 disposed on the upper surface side of the quantum dot layer 5 is n-type. Note that the p-type and n-type may be reversed. The semiconductor substrate 1 may be either polycrystalline or single crystal, but is preferably polycrystalline in terms of high productivity and low cost.

次に、本実施形態の量子ドットおよび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 quantum dots and solar cells of the present embodiment will be described.

本実施形態における量子ドット5aは、上述した半導体材料を含む金属の溶液から金属成分を析出させる方法を用いて調製される。   The quantum dots 5a in the present embodiment are prepared using a method of depositing a metal component from a metal solution containing the semiconductor material described above.

まず、上述した半導体粒子を主成分とする金属として、例えば、シリコン粉末を準備す
る。一方、溶媒としては、フッ酸、酢酸、硝酸およびエタノールを準備し、これらの溶媒を所定の割合に混合した後に、シリコン粉末を加え溶解させて、シリコンの溶解した溶液を調製する。
First, for example, silicon powder is prepared as the metal containing the above-described semiconductor particles as a main component. On the other hand, hydrofluoric acid, acetic acid, nitric acid, and ethanol are prepared as solvents, and after mixing these solvents at a predetermined ratio, silicon powder is added and dissolved to prepare a solution in which silicon is dissolved.

次に、このシリコンを溶解させた溶液に超音波を印加する。超音波を印加する時間としては50〜100分程度が良い。シリコンを溶解させた溶液に超音波のエネルギーを与えることで溶液中にナノサイズで柱状体のシリコン粒子が形成される。   Next, an ultrasonic wave is applied to the solution in which the silicon is dissolved. The time for applying the ultrasonic waves is preferably about 50 to 100 minutes. By applying ultrasonic energy to a solution in which silicon is dissolved, nano-sized columnar silicon particles are formed in the solution.

次に、超音波を印加した溶液を濾過してシリコン粒子を抽出し、次いで、このシリコン粒子を純水を用いて洗浄する。洗浄したシリコン粒子は保管する場合にはエタノール中に分散させておく。   Next, the solution to which ultrasonic waves are applied is filtered to extract silicon particles, and then the silicon particles are washed with pure water. The cleaned silicon particles are dispersed in ethanol when stored.

この場合、超音波を印加する時間が上記した時間よりも短い場合や長い場合、あるいはシリコンを溶解させた溶液中に水を加えた場合には、形成されるシリコン粒子は球状になりやすく、柱状体のシリコン粒子を形成することが困難になる。   In this case, when the time for applying the ultrasonic wave is shorter or longer than the above time, or when water is added to the solution in which silicon is dissolved, the formed silicon particles tend to be spherical, and are columnar. It becomes difficult to form body silicon particles.

次に、得られたシリコン粒子(量子ドット)を溶剤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、シリコン粒子が半導体基板の表面に同じ向き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剤を選択する。具体的には、溶剤としては、フタル酸エステルやグリセリンなどが好適である。   Next, the obtained silicon particles (quantum dots) 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 considering viscosity and evaporability is selected so that the silicon particles are deposited in the same direction on the surface of the semiconductor substrate. Specifically, phthalate ester, glycerin and the like are suitable as the solvent.

なお、シリコン粒子を含むスラリー中に半導体基板1を浸漬させて引き上げる方法によっても半導体基板1の表面に半導体粒子(量子ドット)を同じ向きに整列させて堆積させることができる。   Note that the semiconductor particles (quantum dots) can also be deposited in the same direction on the surface of the semiconductor substrate 1 by a method of immersing and pulling up the semiconductor substrate 1 in a slurry containing silicon particles.

次に、半導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℃の温度に加熱して半導体粒子を焼結させる。この場合、半導体粒子の表面に形成された酸化膜がマトリックスとなる。   Next, the semiconductor substrate 1 on which the semiconductor 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 to sinter the semiconductor particles. . In this case, the oxide film formed on the surface of the semiconductor particles serves as a matrix.

以上より得られる太陽電池は、量子ドット層5を構成する量子ドット5aがアスペクト比が2以上の柱状体であり、同じ向きに並列に配列されているために、量子ドット5a内に幅の広い中間バンドが形成され、振幅の大きい波動関数を形成できることから、量子ドット5a間における電子のトンネル電流量を増やすことができ、その結果、光電変換効率を高めることが可能になる。   In the solar cell obtained as described above, the quantum dots 5a constituting the quantum dot layer 5 are columnar bodies having an aspect ratio of 2 or more, and are arranged in parallel in the same direction. Since an intermediate band is formed and a wave function having a large amplitude can be formed, the amount of electron tunneling current between the quantum dots 5a can be increased, and as a result, the photoelectric conversion efficiency can be increased.

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
6、106・・・・・・光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 7 ..... Semiconductor substrate 3 ..... Main surface 5, 105 ..... Quantum dot layer 5a, 105a ..... Quantum dot 5b, 105b .... Matrix 6, 106 ... ・ ・ ・ ・ ・ Light

Claims (4)

半導体基板の主面上に複数の量子ドットを有する量子ドット層を備えている太陽電池であって、前記量子ドットはアスペクト比が2以上の柱状体であり、長手方向を同じ向きに並列に配置されていることを特徴とする太陽電池。   A solar cell including a quantum dot layer having a plurality of quantum dots on a main surface of a semiconductor substrate, wherein the quantum dots are columnar bodies having an aspect ratio of 2 or more and are arranged in parallel in the same longitudinal direction A solar cell characterized by being made. 前記量子ドットは長手方向が前記半導体基板の前記主面に平行になるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1, wherein the quantum dots are arranged so that a longitudinal direction thereof is parallel to the main surface of the semiconductor substrate. 前記量子ドットは長手方向が前記半導体基板の前記主面に垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1, wherein the quantum dots are arranged so that a longitudinal direction thereof is perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. 前記量子ドット層が前記半導体基板の主面上に複数積層されているとともに、各層毎に前記量子ドットのサイズが異なっていることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の太陽電池。   4. The sun according to claim 1, wherein a plurality of the quantum dot layers are stacked on the main surface of the semiconductor substrate, and the size of the quantum dots is different for each layer. 5. battery.
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