JP2015228413A - Solar battery of high conversion efficiency and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel middle-band type solar battery arranged so that electrons (hot carriers) having a high temperature within a middle band are used.SOLUTION: A solar battery comprises: a substrate; a p-type semiconductor layer; a light absorption layer; an n-type semiconductor layer; and an electrode. The light absorption layer includes a quantum well, a quantum wire or a quantum dot, and it is formed from a compound semiconductor, a metal nitride, a sulfur compound, a selenide, a metallic arsenic compound or a metal phosphorus compound, or an alloy semiconductor composed of a combination thereof, which includes at least one element selected from Cu (copper), In (indium), Ga (gallium) and Al (aluminum). A quantum well, a quantum wire, a quantum dot or a doped impurity forms a middle level between an upper end energy level of a valence band, and a lower end energy level of a conduction band. Further, of carriers of the middle level, hot carriers having an energy higher than the lower end energy level of the conduction band are taken out from the electrode as a current.

Description

本発明は、透過損失及び熱損失を抑制して太陽光エネルギーの変換効率を向上させる太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a solar cell that suppresses transmission loss and heat loss to improve the conversion efficiency of solar energy.

昨今、CO2を排出しないクリーンなエネルギー源として太陽電池が注目され、その普及が進みつつある。現在、最も普及している太陽電池は、シリコンを用いた単接合型太陽電池である。単接合型太陽電池は、p型半導体とn型半導体を接合したp−n接合により構成される。価電子帯(Valence Band:VB)上端と伝導帯(Conduction Band:CB)下端のエネルギー差をバンドギャップエネルギー(E)という。半導体にEより高いエネルギーを持つ光が入射すると、その光は吸収される。光が吸収されると、VBに存在する電子はCBへ励起され、VBには正孔が生成される。生成された電子と正孔は、n型半導体のドナーイオンとp型半導体のアクセプタイオンによって発生している空乏層内の電界によって、それぞれn型半導体側とp型半導体側へ移動する。その後、電子が電極を通じて外部回路に流れ出ることで電流として取り出すことができる。 In recent years, solar cells have been attracting attention as a clean energy source that does not emit CO 2 , and the spread thereof is progressing. At present, the most popular solar cell is a single junction solar cell using silicon. A single-junction solar cell is composed of a pn junction in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined. The energy difference between the upper end of the valence band (VB) and the lower end of the conduction band (CB) is referred to as band gap energy (E g ). When light is incident having a higher energy E g in a semiconductor, the light is absorbed. When light is absorbed, electrons present in VB are excited to CB, and holes are generated in VB. The generated electrons and holes move to the n-type semiconductor side and the p-type semiconductor side by the electric field in the depletion layer generated by the donor ion of the n-type semiconductor and the acceptor ion of the p-type semiconductor, respectively. Thereafter, electrons can be taken out as a current by flowing out to an external circuit through the electrodes.

単接合型太陽電池(以下では、単に太陽電池と呼ぶ)は、いくつかの避けられない損失が存在するために、入射した光のエネルギーは100%、電気エネルギーに変換されない。主な損失としては、図1にしめすように、Eより小さなエネルギーを持つ光が入射した際は、光のフォトンは吸収されず透過損失となり、また 、Eより大きなエネルギーを持つ光が入射した際は、電子、正孔はそれぞれCB下端、VB上端よりも高いエネルギーで励起されるが、励起されたキャリアは電極へ到達する前に、過剰なエネルギーをフォノン散乱などにより熱損失となってしまう。 A single-junction solar cell (hereinafter simply referred to as a solar cell) has some inevitable losses, so that the incident light energy is not converted into electrical energy by 100%. The main loss, as shown in Figure 1, when the light having a smaller energy than E g is incident photons of light becomes a transmission loss not absorbed, also, the incident light having a larger energy than E g In this case, electrons and holes are excited with higher energy than the CB lower end and VB upper end, respectively, but before the excited carriers reach the electrode, excess energy is lost due to phonon scattering or the like. End up.

上記の如く、太陽電池のエネルギー変換効率は、主に熱損失と透過損失などの避け難い損失の存在によって、超えることが困難な変換効率の上限が存在する。通常、太陽電池のエネルギー変換効率は約30%がその上限とされている。上記の避け難い損失を仮に抑制することができるならば、変換効率の大幅な向上が期待できる。   As described above, the energy conversion efficiency of a solar cell has an upper limit of conversion efficiency that is difficult to exceed, mainly due to the existence of inevitable losses such as heat loss and transmission loss. Usually, the upper limit of the energy conversion efficiency of a solar cell is about 30%. If the above unavoidable loss can be suppressed, a great improvement in conversion efficiency can be expected.

ここで、太陽電池の変換効率を求める際に標準となる太陽光スペクトルが必要となる。太陽光スペクトルとは、太陽光がどれだけの距離の大気を通過したかを表したものでエアマス(air mass coefficient:AM)が使用される。地球表面の法線に対して角度θで入射する太陽光のAMは、1/cosθで与えられる。AM1.5は穏やかな気候における太陽光スペクトルであり、太陽電池の効率を決定するための標準スペクトルである。   Here, when obtaining the conversion efficiency of the solar cell, a standard sunlight spectrum is required. The sunlight spectrum represents how far the sunlight has passed through the atmosphere, and an air mass (AM) is used. The AM of sunlight incident at an angle θ with respect to the normal of the earth surface is given by 1 / cos θ. AM1.5 is the solar spectrum in a mild climate and is the standard spectrum for determining solar cell efficiency.

図2に、AM1.5非集光下における太陽電池のShockley-Queisserモデルにおける入射光エネルギーに対する太陽電池の出力と各損失の割合を示す。理論変換効率は、キャリアの再結合を考慮した詳細平衡時における理論計算により求めている。図に示されるように、太陽電池のAM1.5非集光下での理論変換効率の最大値、すなわち、Shockley-Quisserの理論限界値(SQ理論限界)は、Eが1.34eVのときで約33%となる。 FIG. 2 shows the output of the solar cell and the ratio of each loss to the incident light energy in the Shockley-Queisser model of the solar cell under AM1.5 non-condensing. The theoretical conversion efficiency is obtained by theoretical calculation at the time of detailed equilibrium in consideration of carrier recombination. As shown in the figure, the maximum theoretical conversion efficiency of the solar cell under AM1.5 non-condensing, that is, the Shockley-Quisser theoretical limit value (SQ theoretical limit) is when E g is 1.34 eV. About 33%.

SQ理論限界を超える構造をもった太陽電池を第3世代太陽電池と呼び、現在研究が進められている。第3世代太陽電池の例として、ホットキャリア型太陽電池(例えば、非特許文献1を参照)や中間バンド型太陽電池(例えば、特許文献1,2を参照)などが知られている。   A solar cell having a structure exceeding the SQ theoretical limit is called a third generation solar cell, and research is currently underway. Known examples of third generation solar cells include hot carrier solar cells (see, for example, Non-Patent Document 1) and intermediate band solar cells (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

ホットキャリア型太陽電池は、キャリア生成層とエネルギー選択電極(Selective Energy Contact:SEC)から構成される太陽電池である。SECとは、狭いEを持つ電子移動層と正孔移動層をキャリア生成層に隣接して形成することで、特定のエネルギーを持つキャリアが移動層を介して電流として取り出すことを実現するものである。Eよりも高いエネルギーをもった光を吸収したときに励起されたキャリアを、エネルギー緩和する前にSECを介して取り出すことで、熱損失を抑制し、高効率化を目指す太陽電池である。ホットキャリア型太陽電池の概念図を図3に示す。ホットキャリア型太陽電池のAM1.5非集光下の理論変換効率は約66%とされており、後述する中間バンド型太陽電池と同様に高効率化を次世代の実現する太陽電池として注目されている。しかし、キャリアがエネルギー緩和する前に電流として取り出せるようにデバイス化するには至っていないのが現状である。 A hot carrier type solar cell is a solar cell composed of a carrier generation layer and an energy selective electrode (SEC). The SEC, by forming adjacent the electron transport layer and the hole transport layer with a narrow E g the carrier generation layer, which is a carrier having a specific energy realizing be taken out as a current through the moving layer It is. In this solar cell, the carrier excited when absorbing light having an energy higher than E g is taken out via SEC before energy relaxation, thereby suppressing heat loss and increasing efficiency. A conceptual diagram of the hot carrier solar cell is shown in FIG. The theoretical conversion efficiency of the hot carrier solar cell under AM1.5 non-condensing is assumed to be about 66%, and it is attracting attention as a solar cell that realizes high efficiency next generation, similar to the intermediate band solar cell described later. ing. However, the present situation is that the device has not yet been made so that carriers can be taken out as current before energy relaxation.

非特許文献1には、量子井戸を有するキャリア生成層において、集光によるキャリア温度の上昇に関して、量子井戸のパラメータ(組成比、幅、数)依存性について開示されている。非特許文献1は、ホットキャリア型太陽電池に関するものであり、一般的に使われる共鳴トンネリング構造など非常に狭いエネルギー範囲のキャリアのみが通過できるエネルギー選択電極(非特許文献1のFig.1には“ESC”と記述されているが、“SEC”と同義である)の存在を前提としている(図4を参照)。   Non-Patent Document 1 discloses the dependence of quantum well parameters (composition ratio, width, number) on the carrier temperature increase due to light collection in a carrier generation layer having a quantum well. Non-Patent Document 1 relates to a hot carrier type solar cell, and an energy selection electrode that can pass only carriers in a very narrow energy range such as a commonly used resonant tunneling structure (see FIG. 1 of Non-Patent Document 1). “ESC” is described, but is synonymous with “SEC”) (see FIG. 4).

次に、中間バンド型太陽電池(Intermediate Band Solar Cell:IBSC)について説明する。中間バンド型太陽電池の概念図を図5に示す。
中間バンド型太陽電池は、図5のように、太陽電池のVBとCBの間に中間バンド(Intermediate Band:IB)と呼ばれる電子の許容帯を挿入した構造をもつ。中間バンドの形成には、半導体のホスト半導体に対して遷移金属を高濃度ドーピングする方法や、量子ナノ構造(量子井戸,量子ドットなど)を形成する方法が研究されている。中間バンドを挿入することで、従来の太陽電池の価電子帯から伝導帯への電子励起に加えて、価電子帯から中間バンド、そして中間バンドから伝導帯への新たな電子励起が可能となる。新たな電子励起が可能となることで、価電子帯−伝導帯間のエネルギーEVCよりも小さなエネルギーの光を吸収し光電変換することが可能になる。このため、中間バンド型太陽電池は、従来の太陽電池と比べて透過損失を抑制して、SQ限界を超える高いエネルギー変換効率が得られると期待されている。
Next, an intermediate band solar cell (IBSC) will be described. A conceptual diagram of the intermediate band solar cell is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, the intermediate band solar cell has a structure in which an allowable band of electrons called an intermediate band (IB) is inserted between VB and CB of the solar cell. In order to form the intermediate band, a method of doping a transition metal with a high concentration in a semiconductor host semiconductor and a method of forming a quantum nanostructure (quantum well, quantum dot, etc.) have been studied. By inserting the intermediate band, in addition to the electron excitation from the valence band to the conduction band of the conventional solar cell, new electron excitation from the valence band to the intermediate band and from the intermediate band to the conduction band becomes possible. . By enabling new electronic excitation, it becomes possible to absorb light having energy smaller than the energy EVC between the valence band and the conduction band and to perform photoelectric conversion. For this reason, the intermediate-band solar cell is expected to have a high energy conversion efficiency exceeding the SQ limit by suppressing transmission loss as compared with a conventional solar cell.

中間バンド型太陽電池は、AM1.5非集光下において、EVCが2.1eV、中間バンド(IB)−伝導帯(CB)間のエネルギーEICが0.75eVのときに理論変換効率の最大値が約48%となる。中間バンド型太陽電池は、太陽電池の理論変換効率の約33%を大きく上回ることから、注目を集めている。しかしながら、実験値での変換効率の最大値は非集光下で約18%となっており、Si系太陽電池の実験値での最大変換効率である約29%を超えることができていない。実際の中間バンド型太陽電池の変換効率が低い原因の1つとしては、中間バンド(IB)−伝導帯(CB)間の光によるキャリアの励起効率が悪いことが考えられる。実際のInAs/GaAs量子ドットを用いた中間バンド型太陽電池において、強度の強いレーザーを用いて中間バンド(IB)−伝導帯(CB)間のキャリアの励起を引き起こすことでの電流の増加が観測されているが、電流の増加が不十分である。中間バンド型太陽電池の高効率化に向けて、中間バンド(IB)−伝導帯(CB)間の光によるキャリアの励起を効率良く起こす、或は、光以外の方法で電流を増加させるような新しい太陽電池の構造が求められている。 Intermediate band solar cell, under AM1.5 non condensing, E VC is 2.1 eV, intermediate band (IB) - Energy E IC between the conduction band (CB) is the theoretical conversion efficiency when 0.75eV The maximum value is about 48%. Intermediate band solar cells are attracting attention because they greatly exceed approximately 33% of the theoretical conversion efficiency of solar cells. However, the maximum value of the conversion efficiency at the experimental value is about 18% under non-condensing, and cannot exceed about 29%, which is the maximum conversion efficiency at the experimental value of the Si solar cell. One of the reasons why the conversion efficiency of an actual intermediate band solar cell is low may be that carrier excitation efficiency by light between the intermediate band (IB) and the conduction band (CB) is poor. In an intermediate band solar cell using an actual InAs / GaAs quantum dot, an increase in current is observed by causing excitation of carriers between the intermediate band (IB) and the conduction band (CB) using a strong laser. However, the current increase is insufficient. In order to increase the efficiency of the intermediate band solar cell, the carrier between the intermediate band (IB) and the conduction band (CB) is efficiently excited by light, or the current is increased by a method other than light. New solar cell structures are required.

上記の通り、従来から透過損失を抑制する方法として、太陽電池の価電子帯(VB)と伝導帯(CB)の間に中間バンド(IB)を設ける中間バンド型太陽電池が検討されてきた。しかし、中間バンド(IB)から伝導帯(CB)への遷移は光吸収によって実現するとされているが、実際には、光吸収係数は非常に小さく、中間バンドによる透過損失の抑制効果を実現するには、もっと効率的に中間バンド(IB)から伝導帯(CB)に電子を汲み上げる仕組みが必要であった。   As described above, an intermediate band solar cell in which an intermediate band (IB) is provided between a valence band (VB) and a conduction band (CB) of a solar cell has been studied as a method for suppressing transmission loss. However, although the transition from the intermediate band (IB) to the conduction band (CB) is realized by light absorption, the light absorption coefficient is actually very small, and the effect of suppressing transmission loss by the intermediate band is realized. Required a mechanism for pumping electrons from the intermediate band (IB) to the conduction band (CB) more efficiently.

特開2012−195381号公報JP 2012-195381 A 特開2012−089756号公報JP 2012-089756 A

L. C. Hirst et al., Hot Carriers in Quantum Wells for Photovoltaic Efficiency Enhancement, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL.4, NO.1, pp.244-252, JAN. 2014.L. C. Hirst et al., Hot Carriers in Quantum Wells for Photovoltaic Efficiency Enhancement, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL.4, NO.1, pp.244-252, JAN. 2014.

上述の如く、現状の中間バンド型太陽電池は、光による中間バンド−伝導帯間の電子励起の効率が良くないといった問題があり、中間バンドによる透過損失の抑制効果を実現するには、もっと効率的に中間バンドから伝導帯に電子を汲み上げる仕組みが必要とされていた。
かかる状況に鑑みて、本発明は、中間バンド内の高い温度をもつ電子、すなわちホットキャリアを利用した新しい中間バンド型太陽電池を提供することを目的とする。
As described above, the current intermediate band type solar cell has a problem that the efficiency of electron excitation between the intermediate band and the conduction band by light is not good, and it is more efficient to realize the effect of suppressing the transmission loss by the intermediate band. A mechanism to pump electrons from the intermediate band to the conduction band was required.
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a new intermediate band solar cell using electrons having a high temperature in the intermediate band, that is, hot carriers.

本発明者らは、第3世代太陽電池における中間バンド型太陽電池の高効率化について鋭意検討した結果、従来は熱損失となっていたエネルギーを電子の温度上昇に利用することにより、光以外の方法で電流を増加できることを知見した。   As a result of earnestly examining the improvement in efficiency of the intermediate-band solar cell in the third generation solar cell, the present inventors have used energy other than light in the past to increase the temperature of the electrons, so that other than light can be obtained. It was found that the current can be increased by the method.

すなわち、本発明の太陽電池は、価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を備え、中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電流として取り出すことを特徴とする。
中間準位に存在するキャリアが高いキャリア温度をもつホットキャリアになることによって、キャリアの高エネルギーでの占有確率が上昇する。すなわち、中間準位内の電子が高い電子温度をもつホットキャリアとなることにより、中間準位内の電子は、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーに確率的に存在できるため、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーで確率的に存在する電子を電流として取り出すことができる。
中間バンド型太陽電池の場合、中間バンド(IB)内の電子がホットキャリアとなることで、電子の分布関数が高エネルギー側に広がり、中間バンド(IB)内の電子は、伝導帯(CB)下端のエネルギーよりも高いエネルギーで確率的に存在できるようになる。価電子帯(VB)−中間バンド(IB)間で励起された電子のうち、伝導帯(CB)下端のエネルギーよりも高いエネルギーに確率的に存在している電子は、電流として取り出せるのである。
That is, the solar cell of the present invention has an intermediate level between the energy level at the upper end of the valence band and the energy level at the lower end of the conduction band, and among the carriers of the intermediate level, the energy level at the lower end of the conduction band. Hot carriers having higher energy are taken out as current.
As carriers present in the intermediate level become hot carriers having a high carrier temperature, the occupation probability of carriers at high energy increases. In other words, since electrons in the intermediate level become hot carriers having a high electron temperature, electrons in the intermediate level can exist at a higher energy than the energy level at the lower end of the conduction band. Electrons that exist stochastically at an energy higher than the energy level can be taken out as a current.
In the case of an intermediate band solar cell, the electrons in the intermediate band (IB) become hot carriers, so that the electron distribution function spreads to the high energy side, and the electrons in the intermediate band (IB) have a conduction band (CB). It becomes possible to exist with higher energy than the energy at the lower end. Among the electrons excited between the valence band (VB) and the intermediate band (IB), electrons that are present stochastically at an energy higher than the energy at the lower end of the conduction band (CB) can be taken out as a current.

ここで、中間準位は、量子井戸,量子細線,量子ドットあるいは不純物ドープにより形成される。
ホスト半導体に対して、量子井戸(2次元構造),量子細線(1次元構造),量子ドット(0次元構造)といった微細な量子ナノ構造を形成することで、中間準位を形成できる。特に、量子ドット超格子によれば、多数の中間準位(ミニバンド)を形成できる。
不純物ドープにより形成される中間準位とは、不純物によるバンドギャップ内準位や、不純物の3次元的な配置に由来するバンドギャップ内準位をいう。
Here, the intermediate level is formed by quantum wells, quantum wires, quantum dots, or impurity doping.
An intermediate level can be formed by forming a fine quantum nanostructure such as a quantum well (two-dimensional structure), a quantum wire (one-dimensional structure), or a quantum dot (0-dimensional structure) on the host semiconductor. In particular, according to the quantum dot superlattice, a large number of intermediate levels (minibands) can be formed.
The intermediate level formed by impurity doping means an in-band gap level due to impurities or an in-band gap level derived from a three-dimensional arrangement of impurities.

より具体的には、本発明の太陽電池は、基板、p型半導体層、光吸収層、n型半導体層及び電極を有する太陽電池において、光吸収層が、量子井戸,量子細線あるいは量子ドットを含有し、Cu(銅),In(インジウム),Ga(ガリウム),Al(アルミニウム)から選択される少なくとも1つの元素を含む、化合物半導体、金属窒化物、硫黄化合物、セレン化物、金属砒素化合物もしくは金属リン化合物、あるいはこれらの組み合わせによる合金半導体から構成される。そして、量子井戸,量子細線,量子ドットあるいはドープされた不純物が、価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を形成する。そして、中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電極から電流として取り出すことを特徴とする。   More specifically, the solar cell of the present invention is a solar cell having a substrate, a p-type semiconductor layer, a light absorption layer, an n-type semiconductor layer, and an electrode, wherein the light absorption layer comprises quantum wells, quantum wires, or quantum dots. A compound semiconductor containing at least one element selected from Cu (copper), In (indium), Ga (gallium), and Al (aluminum), a metal nitride, a sulfur compound, a selenide, a metal arsenic compound, or It is comprised from the alloy semiconductor by a metal phosphorus compound or these combinations. The quantum well, quantum wire, quantum dot, or doped impurity forms an intermediate level between the energy level at the top of the valence band and the energy level at the bottom of the conduction band. Then, hot carriers having energy higher than the energy level at the lower end of the conduction band among the carriers at the intermediate level are extracted from the electrode as current.

上述の本発明の太陽電池において、ホットキャリアは、バンドギャップよりエネルギーの小さい波長の光が吸収され、中間準位のキャリアの温度が上昇したものであることが好ましい。
この中間準位のキャリアの温度の上昇は、集光によるものであることがさらに好ましい。集光されればされるほど、すなわち、集光倍率が高いほど、ホットキャリアになりやすいと考えられるからである。
In the above-described solar cell of the present invention, it is preferable that the hot carrier is one in which light having a wavelength smaller in energy than the band gap is absorbed and the temperature of the intermediate level carrier is increased.
More preferably, the increase in the temperature of the intermediate level carriers is due to light collection. This is because it is considered that the more the light is condensed, that is, the higher the light condensing magnification, the more likely it is to become a hot carrier.

次に、本発明の太陽電池の調製方法について説明する。
本発明の太陽電池の調製方法は、価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を備え、中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電流として取り出す太陽電池の調製方法であり、下記のステップを備える。
1)太陽電池のホスト半導体の組成を調製してバンドギャップを制御するバンドギャップ制御ステップ
2)光吸収層となる半導体の組成、量子効果が現れるサイズ、量子次元、ドープする不純物、不純物ドープ量、或は、不純物のドープ位置の少なくとも1つを調製して中間準位を形成し、該中間準位と伝導帯のエネルギー準位の差を所定値に制御する中間準位制御ステップ
Next, the preparation method of the solar cell of this invention is demonstrated.
The method for preparing a solar cell of the present invention comprises an intermediate level between the energy level at the upper end of the valence band and the energy level at the lower end of the conduction band, and among the carriers of the intermediate level, the energy level at the lower end of the conduction band. This is a method for preparing a solar cell in which hot carriers having an energy higher than that are taken out as current, and includes the following steps.
1) Band gap control step for adjusting the band gap by preparing the composition of the host semiconductor of the solar cell 2) Composition of the semiconductor to be the light absorption layer, size at which the quantum effect appears, quantum dimension, impurity to be doped, impurity doping amount, Alternatively, an intermediate level control step of preparing at least one impurity doping position to form an intermediate level, and controlling a difference between the energy level of the intermediate level and the conduction band to a predetermined value

上記1)のバンドギャップ制御は、例えば、砒化ガリウム(GaAs)基板上のInGa1−xAs薄膜では、薄膜の組成を制御して、バンドギャップエネルギーEを0.36〜1.42eVまで幅広く制御することである。 In the band gap control of 1), for example, in the case of an In x Ga 1-x As thin film on a gallium arsenide (GaAs) substrate, the composition of the thin film is controlled so that the band gap energy E g is 0.36 to 1.42 eV. Is to control widely.

上記2)の中間準位制御における半導体の組成を制御するとは、量子井戸層を形成するInGa1−xAs薄膜の組成を制御することである。また、量子効果が現れるサイズを制御するとは、量子井戸層の厚み方向の幅を制御することである。また、量子次元を制御するとは、量子井戸(2次元構造),量子細線(1次元構造),量子ドット(0次元構造)といった構造を制御することである。また、ドープする不純物を制御するとは、不純物である遷移金属の種別を制御することであり、不純物ドープ位置を制御するとは、ドープする3次元的な位置を制御することである。
また、中間準位と伝導帯のエネルギー準位の差を所定値に制御するとは、太陽電池の変換効率が極大値をとるように、中間準位と伝導帯のエネルギー準位の差を制御するのが好ましい。
Controlling the composition of the semiconductor in the intermediate level control of 2) means controlling the composition of the In x Ga 1-x As thin film forming the quantum well layer. Controlling the size at which the quantum effect appears is to control the width in the thickness direction of the quantum well layer. Controlling the quantum dimension means controlling the structure such as a quantum well (two-dimensional structure), a quantum wire (one-dimensional structure), and a quantum dot (0-dimensional structure). Controlling the impurity to be doped means controlling the type of the transition metal that is an impurity, and controlling the impurity doping position means controlling the three-dimensional position of doping.
Also, controlling the difference between the energy level of the intermediate level and the conduction band to a predetermined value means controlling the difference between the energy level of the intermediate level and the conduction band so that the conversion efficiency of the solar cell takes a maximum value. Is preferred.

本発明の太陽電池によれば、熱損失となっていたエネルギーを電子の温度上昇に利用し、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電流として取り出すことにより、光以外の方法で電流を増加させることができる。本来なら透過して損失となる光を中間バンドで吸収し、中間バンドに高密度にキャリアを生成することによって伝導帯までキャリアを汲み上げ、太陽電池で生成される電流を増加させてエネルギー変換効率を向上することができる。   According to the solar cell of the present invention, the energy other than heat is used by utilizing the energy that has been heat loss for increasing the temperature of the electrons and taking out hot carriers having energy higher than the energy level at the bottom of the conduction band as current. The current can be increased. By absorbing the light that would otherwise be transmitted and lost in the intermediate band, and generating carriers in the intermediate band with high density, the carrier is pumped up to the conduction band, and the current generated in the solar cell is increased to increase the energy conversion efficiency. Can be improved.

透過損失と熱損失の説明図Illustration of transmission loss and heat loss Shockley-Queisserモデルにおける入射光エネルギーに対する太陽電池の出力と各損失の割合を示すグラフGraph showing the output of each solar cell and the ratio of each loss to the incident light energy in the Shockley-Queisser model ホットキャリア型太陽電池の概念図Conceptual diagram of hot carrier solar cell 非特許文献1のFig1に開示されたホットキャリア型太陽電池の概念図Conceptual diagram of a hot carrier solar cell disclosed in FIG. 1 of Non-Patent Document 1. 中間バンド型太陽電池の概念図Conceptual diagram of an intermediate band solar cell 本発明の太陽電池における電流の説明図Explanatory drawing of the electric current in the solar cell of this invention 従来の中間バンド型太陽電池における電流の説明図Illustration of current in a conventional intermediate band solar cell 電子のフェルミ分布関数と電子温度の関係を示すグラフGraph showing the relationship between electron Fermi distribution function and electron temperature 本発明の太陽電池におけるホットキャリアを利用して電流を取り出す概念図Schematic drawing to extract current using hot carriers in solar cell of the present invention 本発明の太陽電池における電子−正孔の擬フェルミレベルの説明図Explanatory drawing of pseudo-Fermi level of electron-hole in solar cell of the present invention VC=1.42eVのときのVI間で吸収できるフォトン数の比較グラフComparison graph of the number of photons that can be absorbed between VIs when E VC = 1.42 eV 量子井戸型太陽電池の集光倍率とキャリア温度のグラフGraph of concentration factor and carrier temperature for quantum well solar cells VCモデルとEVIモデルの概念図Conceptual diagram of E VC model and E VI model VCモデルにおける変換効率ηのXとEIC依存性を示すグラフGraph showing X and E IC dependence of conversion efficiency η in E VC model フォトン数と電子の占有確率の間のトレードオフの関係を示すグラフGraph showing the trade-off relationship between the number of photons and the occupation probability of electrons VIモデルにおける変換効率ηのXとEVC依存性を示すグラフGraph showing X and E VC dependence of conversion efficiency η in E VI model 最大集光時の変換効率の理論値を示すグラフ(AM1.5,AM0)Graph (AM1.5, AM0) showing the theoretical value of conversion efficiency at maximum light concentration InGaAs量子井戸及びInAs/GaAs量子ドットのフォトルミネッセンス特性図Photoluminescence characteristics of InGaAs quantum well and InAs / GaAs quantum dots InGaAs量子井戸及びInAs/GaAs量子ドットのエネルギーバンドの説明図Explanatory drawing of energy bands of InGaAs quantum well and InAs / GaAs quantum dots キャリアの温度特性を示す図Diagram showing temperature characteristics of carrier 量子ドットによって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率の理論値を示すグラフGraph showing the theoretical value of energy conversion efficiency of single-junction solar cells with intermediate levels formed by quantum dots 量子井戸によって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率の理論値を示すグラフGraph showing theoretical values of energy conversion efficiency of single-junction solar cells with intermediate levels formed by quantum wells

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.

本発明の太陽電池における電流の様子を図6に示す。また、参考として、従来の中間バンド型太陽電池における電流の様子を図7に示す。従来の中間バンド型太陽電池における電子の励起は、価電子帯−伝導帯間(VC間)、価電子帯−中間バンド間(VI間)、中間バンド−伝導帯間(IC間)の全てにおいて、光によるものを想定していたが、これに対して本発明の太陽電池では、VC間とVI間の電子の励起を、従来の中間バンド型太陽電池と同様に光によるものとする一方、IC間は従来とは異なり、光によって電子の励起は起こらないとしている。   The state of current in the solar cell of the present invention is shown in FIG. For reference, FIG. 7 shows a current state in a conventional intermediate band solar cell. The excitation of electrons in a conventional intermediate band type solar cell is performed between the valence band and the conduction band (between VC), between the valence band and the intermediate band (between VI), and between the intermediate band and the conduction band (between ICs). On the other hand, in the solar cell of the present invention, the excitation of electrons between VC and VI is caused by light as in the conventional intermediate band solar cell, Unlike conventional ones, it is assumed that electrons are not excited by light between ICs.

本発明の太陽電池では、従来の中間バンド型太陽電池と同様に、電圧は、電子の擬フェルミレベルEfeと正孔の擬フェルミレベルEfhの差で決定される。また、従来の中間バンド型太陽電池と同様、EfeとEfhに加えて中間バンドの擬フェルミレベルEfiがあり、EfiはIB内に存在すると仮定できる。そのため、本発明の太陽電池では、VI間、IC間の擬フェルミレベルの差はそれぞれEfi−Efh、Efe−Efiと表すことができ、それらの和はEfe−Efhである。また、Efe−EfhはVC間の擬フェルミレベルの差と一致するため、VI間の電圧とIC間の電圧の和が、VC間の電圧に等しくなる。
ここで、電子はフェルミ粒子であり、フェルミ粒子である電子の占有確率はフェルミ分布関数に従うことになる。フェルミ分布関数は、下記式(1)で与えられる。式中においてTは電子の温度を表す。図8に電子のフェルミ分布関数と電子温度の関係を示す。
In the solar cell of the present invention, the voltage is determined by the difference between the electron pseudo-Fermi level E fe and the hole pseudo-Fermi level E fh , as in the conventional intermediate band solar cell. In addition to E fe and E fh , there is an intermediate band pseudo-Fermi level E fi as in the conventional intermediate band solar cell, and it can be assumed that E fi exists in IB. Therefore, in the solar cell of the present invention, the difference in pseudo-Fermi level between VI and IC can be expressed as E fi -E fh and E fe -E fi , respectively, and their sum is E fe -E fh . . Further, since E fe -E fh coincides with the difference in pseudo-Fermi level between VCs, the sum of the voltage between VI and the voltage between ICs becomes equal to the voltage between VCs.
Here, the electrons are Fermi particles, and the occupation probability of the electrons that are Fermi particles follows the Fermi distribution function. The Fermi distribution function is given by the following formula (1). T e in the equation represent the electron temperature. FIG. 8 shows the relationship between the electron Fermi distribution function and the electron temperature.

図8(a)(b)は、それぞれ上記式(1)にT=300K、T=1000Kを代入した様子を表したものである。横軸は電子の占有確率、縦軸はあるエネルギーEと電子の擬フェルミレベルEfeの差(E−Efe)を表す。E=Efeのときは電子の占有確率が0.5となる。上記式(1)のf(E)は、図8に示すように、Tの上昇に伴って高エネルギー側における電子の占有確率が増加する。VI間での光吸収で励起されてIBに存在する電子は、Tの上昇に伴って高エネルギー側での占有確率が増加し、IB内の電子は伝導帯下端のエネルギーEよりも高いエネルギーに確率的に存在できる。 FIGS. 8A and 8B show the state where T e = 300K and T e = 1000K are substituted into the above equation (1), respectively. The horizontal axis represents the occupancy probability of the electrons, and the vertical axis represents the difference (EE−E fe ) between a certain energy E and the quasi-Fermi level E fe of the electrons. When E = E fe , the electron occupation probability is 0.5. In f e (E) of the above formula (1), as shown in FIG. 8, the occupation probability of electrons on the high energy side increases as T e increases. Electrons present in the excited by IB in light absorption between the VI, occupancy probability at higher energy side increases with increasing T e, electrons in the IB is greater than the energy E c of the conduction band minimum Can exist in energy stochastically.

本発明の太陽電池では、あるエネルギーに確率的に存在する電子数は、VI間で励起された電子の数と分布関数の積で与えると定義している。そして、VI間で励起された電子のうち、Eよりも高いエネルギーで確率的に存在する電子は電流として取り出せるものとする。この過程によって取り出した電流を、ホットキャリアを利用して取り出せる電流と呼ぶことにする。図9に、本発明の太陽電池におけるホットキャリアを利用して電流を取り出す概念図を示す。 In the solar cell of the present invention, it is defined that the number of electrons that exist stochastically at a certain energy is given by the product of the number of electrons excited between VI and the distribution function. Of the excited electrons between VI, electrons present stochastically at a higher energy than E c is assumed to be extracted as a current. The current taken out by this process is called a current that can be taken out using hot carriers. In FIG. 9, the conceptual diagram which takes out an electric current using the hot carrier in the solar cell of this invention is shown.

本発明の太陽電池では、図10に示すように、VC間の電子−正孔の擬フェルミレベルとVI間の電子−正孔の擬フェルミレベルは別々に開くものであると定義する。つまり、本発明の太陽電池では、VC間とVI間の電子の擬フェルミレベルは一致しておらず、全体の電圧はVC間の電子−正孔の擬フェルミレベルの差で決まると定義する。本発明の太陽電池の構造を、以下では、ホットキャリア中間バンド型太陽電池モデル(HCIBSC)と呼ぶ。
HCIBSCでは、あるエネルギーEでホットキャリアを利用して取り出せる電子数nTe(E)は、電子の分布関数と、VI間で生成された電子数の積で表せる。HCIBSCにおける上記式(1)のEfeとTの設定方法について後述する。その後、ホットキャリアを利用して取り出せる電流をどのように求められるかを述べる。
In the solar cell of the present invention, as shown in FIG. 10, it is defined that the electron-hole pseudo-Fermi level between VC and the electron-hole pseudo-Fermi level between VI open separately. In other words, in the solar cell of the present invention, it is defined that the pseudo-Fermi level of electrons between VC and VI does not match, and the entire voltage is determined by the difference of the pseudo-Fermi level of electron-hole between VCs. Hereinafter, the structure of the solar cell of the present invention is referred to as a hot carrier intermediate band solar cell model (HCIBSC).
In HCIBSC, the number of electrons n Te (E) that can be extracted using hot carriers at a certain energy E can be expressed by the product of the electron distribution function and the number of electrons generated between VIs. Later method of setting the E fe and T e of the formula (1) in HCIBSC. After that, how to obtain the current that can be extracted using hot carriers will be described.

先ず、HCIBSCにおいて、Efeをどのように設定したのかを述べる。HCIBSCでは、上記式(1)のEfeはVI間の電子の擬フェルミレベルを表すとした。EfeはIB内に存在するものと仮定した。これはLuqueとMartiが提唱した中間バンド型太陽電池のモデルと同じ仮定であり、IBの途中まで電子が埋まっていることを意味する。EfeをIB内に存在すると仮定したことで、IB内の電子が抜け出したとしても、抜け出した分の電子はVBからの励起で補われる。そのためIB内の電子が空になることがあり、満たされることはなく、常にVI間およびIC間の電子の遷移を可能とする。 First, how E fe is set in HCIBSC will be described. In HCIBSC, E fe in the above formula (1) represents the pseudo-Fermi level of electrons between VI. E fe was assumed to be present in the IB. This is the same assumption as the model of the intermediate band solar cell proposed by Luque and Marti, and means that electrons are buried halfway through IB. Assuming that E fe exists in the IB, even if electrons in the IB escape, the escaped electrons are compensated by excitation from the VB. Therefore, the electrons in the IB may become empty and are not satisfied, and the transition of electrons between VI and IC is always possible.

次に、HCIBSCでは、Tをどのように設定していたのかを述べる。VI間で励起される電子数は、VI間で吸収するフォトン数に等しいので、EVIによって変化する。図11に、AM1.5非集光下におけるEVC=1.42eVのときのVI間で吸収できるフォトン数(FsVI)の比較を示す。図11(a)に示すEVI=0.80eVのときのフォトン数(FsVI)は、0.80eVから1.42eVのエネルギーを持つフォトンの数である。一方、図11(b)に示すEVI=1.10eVのときのフォトン数(FsVI)は、1.10eVから1.42eVのエネルギーを持つフォトンの数である。図11よりEVIが小さければフォトン数(FsVI)が増加し、VI間で励起される電子数も増加することがわかる。 Next, in HCIBSC, describe what has been set how the T e. Since the number of electrons excited between VIs is equal to the number of photons absorbed between VIs , it varies with EVI . FIG. 11 shows a comparison of the number of photons (F sVI ) that can be absorbed between VIs when E VC = 1.42 eV under AM1.5 non-condensing. The number of photons (F sVI ) when E VI = 0.80 eV shown in FIG. 11A is the number of photons having an energy of 0.80 eV to 1.42 eV. On the other hand, the number of photons (F sVI ) when E VI = 1.10 eV shown in FIG. 11B is the number of photons having energy from 1.10 eV to 1.42 eV. If is less E VI from FIG. 11 to increase the number of photons (F SVI) is the number of electrons excited between VI it can be seen that increased.

またVI間で励起される電子数は、集光倍率によっても変化する。集光倍率をXとすると、VI間で励起される電子数はXFsVIで表すことができる。
図12に、InGaAs/GaAsPの量子井戸型太陽電池の集光倍率と、キャリア温度(Teh)の関係を示す。ここで、図12の横軸は集光倍率(Suns equivalent)、縦軸はキャリア温度Tehを表す。“deep well”はIn0.2Ga0.8Asの試料、“shallow well”はIn0.11Ga0.89Asの試料をそれぞれ測定して見積られた値である。“deep well”のTehは、1.30eVの発光を観測することにより実験的に見積られている。
In addition, the number of electrons excited between VIs also varies depending on the light collection magnification. When the condensing magnification is X, the number of electrons excited between VIs can be expressed as XF sVI .
FIG. 12 shows the relationship between the condensing magnification of the InGaAs / GaAsP quantum well solar cell and the carrier temperature (T eh ). Here, the horizontal axis of FIG. 12 represents the light collection magnification (Suns equivalent), and the vertical axis represents the carrier temperature T eh . “Deep well” is a value estimated by measuring a sample of In 0.2 Ga 0.8 As, and “shallow well” is a value estimated by measuring a sample of In 0.11 Ga 0.89 As. T eh of “deep well” is experimentally estimated by observing light emission of 1.30 eV.

本発明の太陽電池では、図12から“deep well”の場合、集光倍率が300増加することで、キャリア温度が線形に約1℃上昇すると見做している。なお、これは計算上の単なるモデル化であって、キャリア温度の物理的な変化を限定するものではない。量子構造の状態密度のエネルギー分布によってはキャリア温度が集光倍率に非線形に応答することがある。
1.30eVの発光を観測しているので、非集光でのキャリア数は1.30eVから1.42eVのエネルギーに含まれるフォトンの数をFrefとすると、集光倍率300のときは300Frefとなる。ここからHCIBSCでは、XFsVIが300Fref増加すると、電子温度Tが1℃上昇すると仮定した。下記式(2)にHCIBSCでのTとXFsVIの関係を示す。式(2)において、Tは非集光時において、Frefの電子がVI間で励起されたときの電子の温度である。
In the solar cell of the present invention, in the case of “deep well” from FIG. 12, it is assumed that the carrier temperature increases linearly by about 1 ° C. by increasing the condensing magnification by 300. Note that this is a simple modeling, and does not limit the physical change in the carrier temperature. Depending on the energy distribution of the density of states of the quantum structure, the carrier temperature may respond nonlinearly to the focusing factor.
Since the observed emission 1.30EV, number of carriers in the non-condensing light when the number of photons contained in the energy 1.42eV from 1.30EV and F ref, 300F ref when the condensing magnification 300 It becomes. In HCIBSC From here, the XF SVI increases 300F ref, the electron temperature T e is assumed to rise 1 ° C.. The following formula (2) shows the relationship between T e and XF SVI at HCIBSC. In the equation (2), T 0 is the temperature of the electrons when the F ref electrons are excited between VIs during non-condensing.

HCIBSCでは、太陽電池の格子温度と同じであると仮定し、T=300Kとした。dT/d(XFsVI)はXFsVIが300Fref増加すると、電子温度Tが1℃上昇すると仮定したことから、dT/d(XFsVI)=1/300Frefとした。よって、HCIBSCでは下記式(3)を用いてTを求めた。 In HCIBSC, it was assumed that the lattice temperature of the solar cell was the same, and T 0 = 300K. If dT e / d (XF sVI) is XF SVI increases 300F ref, the electron temperature T e is because it is assumed that the rise 1 ° C., and a dT e / d (XF sVI) = 1 / 300F ref. Therefore, to determine the T e by using the following equation in HCIBSC the (3).

HCIBSCでは、あるエネルギーにおけるホットキャリアを利用して取り出せる電子数nTe(E)は、電子の分布関数f(E)とVI間で生成された電子数の積で表すことができるとした。VI間で生成された電子数は、VI間で吸収できるフォトン数XFsVIに等しい。よってnTe(E)は下記式(4)で表すことにした。ここで上述した式(1)より、E=Ffeのときf(E)=0.5となるが、E=FfeのときnTe(E)=XFsVIと書き表すため、式(4)に示すように2を乗算している。 In HCIBSC, the number of electrons n Te (E) that can be extracted using hot carriers at a certain energy can be expressed by the product of the electron distribution function f e (E) and the number of electrons generated between VI. The number of electrons generated between VIs is equal to the number of photons XF sVI that can be absorbed between VIs. Therefore, n Te (E) is represented by the following formula (4). From equation (1) described above, where, although the f e (E) = 0.5 when E = F fe, since be written as n Te (E) = XF sVI when E = F fe, equation (4 ) Is multiplied by 2.

また、単位エネルギーあたりに存在する電子数ΔnTe(E)は、nTe(E)を微分した下記式(5)で与えられる。 Further, the number of electrons Δn Te (E) existing per unit energy is given by the following formula (5) obtained by differentiating n Te (E).

ホットキャリアを利用して取り出せる電流ITeは、Eより高いエネルギーに確率的に存在している電子を取り出すものとした。よって、ITeは、Eから十分大きなエネルギーEまでのΔnTe(E)を積分した値に電荷素量をかけたものであるとし、下記式(6)で表すことができる。 The current I Te that can be extracted by using hot carriers is assumed to extract electrons that are present stochastically at an energy higher than E c . Therefore, I Te can be expressed by the following equation (6), assuming that the value obtained by integrating Δn Te (E) from E c to a sufficiently large energy E ∞ is multiplied by the elementary charge q .

また、系全体として取り出せる電流Itotalは、VC間で取り出せる電流IVCと、IBを介して取り出せる電流、すなわち、IC間で取り出せる電流IICの和であり、Itotal=IVC+IICと表せる。また、電圧Vtotalは、VC間の電子−正孔の擬フェルミレベルの差であるとしたので、Vtotal=VVCと表せる。また、IC間で取り出せる電流IICは、IBからCBへ取り出した電流なので、上記式(6)のITeと等しいので、IIC=ITeと表せる。ここで、IVCとVVCとの関係は、太陽電池の電流電圧特性を表す下記式(7)で表せる。ここで、Xは集光倍率、kはボルツマン定数、Tは太陽電池の格子温度である。 The current I total that can be taken out as the entire system is the sum of the current I VC that can be taken out between VC and the current that can be taken out through IB, that is, the current I IC that can be taken out between ICs, and can be expressed as I total = I VC + I IC. . Further, since the voltage V total is a difference in the electron-hole pseudo-Fermi level between VCs, it can be expressed as V total = V VC . Further, the current I IC that can be extracted between the ICs is the current extracted from IB to CB, and is therefore equal to I Te in the above formula (6), so that I IC = I Te can be expressed. Here, the relationship between I VC and V VC can be expressed by the following formula (7) representing the current-voltage characteristics of the solar cell. Here, X is the light collection magnification, k is the Boltzmann constant, and Tc is the lattice temperature of the solar cell.

また、下記式(8)に示すFc0は、太陽電池自体の温度による電子の励起数であり、プランクの黒体輻射の式を積分することで求めている。式中、νは振動数を表し、νはE分のエネルギーをもつフォトンの振動数を表し、2πは太陽電池から放出するフォトンの立体角を表す。 Further, F c0 shown in the following equation (8) is the number of electron excitations due to the temperature of the solar cell itself, and is obtained by integrating the Planck's black body radiation equation. In the equation, ν represents the frequency, ν g represents the frequency of a photon having an energy of E g , and 2π represents the solid angle of the photon emitted from the solar cell.

上述の如く、系全体として取り出せる電流Itotalは、Itotal=IVC+IICと表せることから、上記式(6)と式(8)を代入して下記式(9)が得られる。そして、上記式(9)において、VVC=Vtotalと書きかえると、下記式(10)が得られる。 As described above, since the current I total that can be taken out as the entire system can be expressed as I total = I VC + I IC , the following expression (9) is obtained by substituting the above expressions (6) and (8). Then, when the expression (9) is rewritten as V VC = V total , the following expression (10) is obtained.

上記式(10)から、ItotalとVtotalの積が最大となる電流と電圧をImaxとVmaxと表すと、HCIBSCの出力Pmaxは、Pmax=Imax×Vmaxで表せる。変換効率ηは、入射光エネルギーをPinとして、出力PmaxをPinで除算した下記式(11)で求めることができる。 From the above formula (10), when the current and voltage at which the product of I total and V total is maximized are expressed as I max and V max , the output P max of the HCIBSC can be expressed as P max = I max × V max . The conversion efficiency eta, the incident light energy as P in, the output P max can be calculated by the following formula divided by P in (11).

以下の実施例では、ホットキャリア中間バンド型太陽電池(HCIBSC)の一例として、単接合型太陽電池のバンドギャップ中に中間バンドを1つ設けたモデルで数値シミュレーションを行い、具体的な変換効率を計算した結果について説明する。
変換効率ηの計算は、IC間のエネルギーEICと集光倍率Xを変数として行った。入射光はAM1.5スペクトルを用いた。図13に示すように、EICを次の異なる2種類の方法で変化させて数値シミュレーションを行った。以下では、EVCを固定したうえでEICを変化させるモデルと、EVIを固定したうえでEICを変化させるモデルを、それぞれEVCモデル,EVIモデルと呼ぶことにする。
In the following examples, as an example of a hot carrier intermediate band solar cell (HCIBSC), a numerical simulation is performed using a model in which one intermediate band is provided in the band gap of a single junction solar cell, and a specific conversion efficiency is obtained. The calculated result will be described.
The conversion efficiency η was calculated using the energy E IC between ICs and the light condensing magnification X as variables. The incident light used AM1.5 spectrum. As shown in FIG. 13, the numerical simulation was performed by changing the EIC by the following two different methods. Hereinafter, it will be called a model for changing the E IC in terms of fixing the E VC, a model of changing the E IC in terms of fixing the E VI, respectively E VC model, and E VI model.

VCモデルでは、ホスト半導体をGaAsと仮定し、IB形成方法の変更を想定したモデルとした。GaAsのEは1.42eV程度なので、EVC=1.42eVと固定した。一方、EVCモデルはIBの形成方法は固定したうえで、ホスト半導体となる材料を変更することを想定したモデルとした。InAs/GaAs量子ドットを用いた中間バンド型太陽電池のIB形成方法での典型的なEVIは1.00eV程度である。よってEVCモデルはEVI=1.00eVと固定した。 In the EVC model, the host semiconductor is assumed to be GaAs, and the model is assumed to change the IB formation method. Since the E g of GaAs is a about 1.42eV, it was fixed with the E VC = 1.42eV. On the other hand, the EVC model is a model that assumes that the material used as the host semiconductor is changed while the IB formation method is fixed. Typical E VI in IB formation method of the intermediate band solar cell using InAs / GaAs quantum dots is about 1.00 eV. Therefore, the E VC model was fixed at E VI = 1.00 eV.

実施例1では、EVCモデルにおける集光倍率とIC間のエネルギーを変化させたときのエネルギー変換効率について説明する。
図14に、EVCモデルにおける変換効率ηのXとEIC依存性を示す。図の縦軸はEIC、横軸はXを表す。変換効率ηは、等高線およびプロットで表す。EIC=0eVのときは、Eが1.42eVの単接合型太陽電池の場合と等しい。
図14よりXの増加に伴って、変換効率ηが単調に上昇することがわかる。上述の式(7)を、VVCについて解いたものを下記式(12)で表す。
In the first embodiment, energy conversion efficiency when the light condensing magnification in the EVC model and the energy between the ICs are changed will be described.
FIG. 14 shows the dependence of the conversion efficiency η in the E VC model on X and E IC . In the figure, the vertical axis represents E IC and the horizontal axis represents X. The conversion efficiency η is represented by contour lines and plots. When E IC = 0 eV, it is equal to the case of a single junction solar cell with E g of 1.42 eV.
FIG. 14 shows that the conversion efficiency η increases monotonically as X increases. What the above equation (7), solving for V VC expressed by the following equation (12).

上記式(12)からXが増加するとVVCが増加することがわかる。また上述の式(3)からFsVIが増加すると電子温度Tが上昇し、上述の式(1)からTが上昇すると高エネルギー側におけるf(E)が増加することがわかる。上述の式(4),(5),(6)からf(E)が増加するとITeが増加する。以上から、Xの増加に伴って、VVCの増加と高エネルギー側におけるf(E)の増加を引き起こし、その結果、変換効率ηが上昇することがわかる。 From the above equation (12), it can be seen that V VC increases as X increases. The electron temperature T e rises when F SVI increases from the above equation (3), when T e from the equation (1) above is increased high f in energy side e (E) is understood to be increased. The above equation (4), (5), I Te increases when f e (E) increases from (6). From the above, it can be seen that as X increases, V VC increases and f e (E) increases on the high energy side, resulting in an increase in conversion efficiency η.

また、図14から、Xを固定し、EICを変化させるとEIC=0.03eVのときに変換効率が最大値をとることがわかる。非集光下、EIC=0.03eVのときηは約33.1%であり、単接合型太陽電池の約32.6%と比較すると、0.5%の高効率化が見積られた。また、X=45000、EIC=0.03eVのときは、変換効率ηは約42.1%であり、バンドギャップエネルギーが1.42eVの単接合型太陽電池の約41.1%と比較すると1.0%の高効率化が見積られた。EVCモデルにおいて、EICの変化が与える影響を考察する。 Further, FIG. 14 shows that when X is fixed and E IC is changed, the conversion efficiency takes the maximum value when E IC = 0.03 eV. When E IC = 0.03 eV under non-condensing, η is about 33.1%, and an increase in efficiency of 0.5% is estimated compared to about 32.6% of a single-junction solar cell. . When X = 45000 and E IC = 0.03 eV, the conversion efficiency η is about 42.1%, which is compared with about 41.1% of a single-junction solar cell having a band gap energy of 1.42 eV. An increase in efficiency of 1.0% was estimated. In the E VC model, consider the effect of changes in the E IC give.

図11に示すように、EICが小さい場合は、EVIが大きくなるためにフォトン数(FsVI)が減少する。またEfeとEの差が小さくなるために、Eより大きなエネルギーでの電子の占有確率は上昇する。反対に、EICが大きい場合は、EVIが小さくなるためにフォトン数(FsVI)が増加する。またEfeとEの差が大きくなるためにEより大きなエネルギーでの電子の占有確率は減少する。このようにEICの変化に応じて、フォトン数(FsVI)と電子の占有確率の間にはトレードオフの関係が存在することがわかる。 As shown in FIG. 11, when E IC is small, the number of photons (F SVI) is reduced to E VI is increased. Further, since the difference between E fe and E C becomes small, the probability of occupying electrons with energy larger than E C increases. Conversely, if E IC is large, the number of photons (F SVI) is increased to E VI is reduced. Further, since the difference between E fe and E C becomes large, the probability of occupying electrons with energy larger than E C decreases. Thus in accordance with a change in E IC, it can be seen that there is a tradeoff between the occupancy probability of the number of photons and (F SVI) electrons.

図15に、EICを変化させたときの電子の占有確率とフォトン数(FsVI)との間のトレードオフの関係を示す。ITeが最大となるのは、EIC=0.03eVのときであることがわかった。
以上から、HCIBSCは、ホスト半導体にGaAsを利用する場合、EIC=0.03eVとなるように中間バンド(IB)を形成することにより、高効率化を図れることがわかる。
15 shows a trade-off relationship between the electron occupancy probability and number of photons and (F SVI) when changing the E IC. It was found that I Te was maximized when E IC = 0.03 eV.
From the above, it can be seen that HCIBSC can achieve high efficiency by forming an intermediate band (IB) so that E IC = 0.03 eV when GaAs is used as a host semiconductor.

実施例2では、EVIモデルにおける集光倍率とIC間のエネルギーを変化させたときのエネルギー変換効率について説明する。
図16に、EVIモデルにおける変換効率ηのXとEVC依存性を示す。図の縦軸はEVC、横軸はXを表す。変換効率ηは、等高線およびプロットで表す。
VCモデルと同様にXの増加に伴って、変換効率ηが単調に上昇することがわかる。また、Xを固定し、EVCを変化させると、EVCがおおよそ1.05eV、1.16eV、1.34eVのときに、変換効率ηが極大値をもつことがわかる。EVCが約1.05eVのときはEICが約0.05eVとなり、EVCモデルで見積られたITeが最も大きくなる条件におおよそ一致する。よってEVCが約1.05eVのときはホットキャリアを利用した電流が増加することから、変換効率ηは極大値をとることが期待できる。
In the second embodiment, energy conversion efficiency when the magnification between the EVI model and the energy between the ICs is changed will be described.
FIG. 16 shows the dependence of the conversion efficiency η in the EVI model on X and EVC . In the figure, the vertical axis represents E VC and the horizontal axis represents X. The conversion efficiency η is represented by contour lines and plots.
As in the EVC model, it can be seen that the conversion efficiency η increases monotonically as X increases. In addition, when X is fixed and E VC is changed, it can be seen that the conversion efficiency η has a maximum value when E VC is approximately 1.05 eV, 1.16 eV, and 1.34 eV. E IC is about 0.05eV next when the E VC is about 1.05 eV, roughly match the conditions I Te as estimated by E VC model is maximized. Thus since the current using hot carriers is increased when E VC is about 1.05 eV, the conversion efficiency η can be expected to take a maximum value.

1.16eVと1.34eVにみられる変換効率ηの極値構造は、AM1.5のスペクトルの微細構造に起因する。図17にAM1.5における最大集光時(45900)の変換効率の理論値を示す。図17から、バンドギャップが凡そ1.16eV、1.34eVのときに、AM1.5のスペクトル構造に依存して単接合型太陽電池の変換効率は極大値をとることがわかる。これに伴ってEVCがおおよそ1.13eV、1.34eVのときの極大値は、VC間のキャリアの光遷移による影響が大きくなることによるものであることがわかる。 The extreme value structure of the conversion efficiency η seen at 1.16 eV and 1.34 eV is due to the fine structure of AM1.5 spectrum. FIG. 17 shows a theoretical value of conversion efficiency at the time of maximum condensing (45900) in AM1.5. FIG. 17 shows that when the band gap is about 1.16 eV and 1.34 eV, the conversion efficiency of the single-junction solar cell takes a maximum value depending on the spectral structure of AM1.5. Along with this, it can be seen that the maximum values when E VC is approximately 1.13 eV and 1.34 eV are due to the increased influence of optical transition of carriers between VCs.

以上の結果、HCIBSCは、ホスト半導体はEが1.05eV、1.13eV、1.34eVの条件に、凡そ該当するもので、かつ中間バンド(IB)を形成できる材料を利用する必要があることがわかる。この条件に該当する材料として、Eが1.42eVで、量子ドットを利用した中間バンド型太陽電池によく利用されているGaAsが挙げられる。
また、実施例1で説明したEVCモデルから、ホスト半導体にGaAsを利用する場合、高効率化のためには、EIC=0.03eVとなるように、中間バンド(IB)を形成すべきであることがわかっている。InAs/GaAsの量子ドットを用いた中間バンド型太陽電池の典型的なEVC,EICは、それぞれEVC=1.42eV,EIC=0.40eVとなっていることから、EIC=0.03eVとは、従来の中間バンド型太陽電池よりも遥かに低いエネルギーであることがわかる。
VCモデルとEVIモデルの2種類の数値シミュレーション結果から、ホットキャリアを利用した高効率の中間バンド型太陽電池を実現するためには、ホスト半導体となる材料は、Eが1.05eV、1.13eV、1.34eVの条件に凡そ該当するものを使用し、中間バンド(IB)はEIC=0.03eVとなるように形成する必要がある。
As a result, HCIBSC the host semiconductor E g is 1.05eV, 1.13eV, the condition of 1.34 eV, but corresponds approximately, and it is necessary to use a material capable of forming an intermediate band (IB) I understand that. As a material corresponding to this condition, E g is at 1.42 eV, include GaAs, which is often used in the intermediate band solar cell using quantum dots.
Moreover, the E VC model described in Example 1, when using a GaAs host semiconductor, for high efficiency, like the E IC = 0.03 eV, should the intermediate band (IB) I know that. Typical E VC and E IC of an intermediate band solar cell using InAs / GaAs quantum dots are E VC = 1.42 eV and E IC = 0.40 eV, respectively, so that E IC = 0 It can be seen that 0.03 eV is much lower energy than the conventional intermediate band solar cell.
From the two types of numerical simulation results of the E VC model and the E VI model, in order to realize a high-efficiency intermediate band solar cell using hot carriers, the material used as the host semiconductor is E g of 1.05 eV, It is necessary to use a band approximately corresponding to the conditions of 1.13 eV and 1.34 eV, and to form the intermediate band (IB) so that E IC = 0.03 eV.

実施例3では、光吸収層のホスト半導体にGaAsを用いた単接合型太陽電池において、InGaAs量子井戸またはInAs/GaAs量子ドットによって中間準位を設けた場合について、図18〜22を参照して説明する。
図18は、InGaAs量子井戸及びInAs/GaAs量子ドットのフォトルミネッセンス特性図を示している。InGaAs量子井戸の場合、1.35evに中間準位が形成される。また、InAs/GaAs量子ドットの場合、1.05evに中間準位が形成される。
GaAsのEは1.42eV程度であることから、InGaAs量子井戸により形成された中間準位との差、すなわち、EICは0.07eV程度となる(図19(1)を参照)。一方、InAs/GaAs量子ドットにより形成された中間準位との差であるEICは0.37eV程度となる(図19(2)を参照)。
In Example 3, in a single-junction solar cell using GaAs as the host semiconductor of the light absorption layer, an intermediate level is provided by an InGaAs quantum well or InAs / GaAs quantum dots, with reference to FIGS. explain.
FIG. 18 shows the photoluminescence characteristics of InGaAs quantum wells and InAs / GaAs quantum dots. In the case of an InGaAs quantum well, an intermediate level is formed at 1.35 ev. In the case of InAs / GaAs quantum dots, an intermediate level is formed at 1.05 ev.
Since the E g of GaAs is about 1.42 eV, the difference between the intermediate level formed by InGaAs quantum well, i.e., E IC is about 0.07 eV (see FIG. 19 (1)). On the other hand, the E IC that is the difference from the intermediate level formed by InAs / GaAs quantum dots is about 0.37 eV (see FIG. 19 (2)).

図20は、キャリアの温度特性を示している。図20に示すように、InGaAs量子井戸の場合、キャリア温度は100〜200(K)であり、InAs/GaAs量子ドットの場合、キャリア温度は800〜2000(K)であり、InAs/GaAs量子ドットの方が、InGaAs量子井戸よりも、8〜10倍程度、キャリア温度が高くなることがわかる。また、入射フォトン数が1021から1022に増加すると、キャリア温度が約2倍になることがわかる。
すなわち、InAs/GaAs量子ドットの方が、InGaAs量子井戸よりも、キャリア温度がより高くなることから、キャリアがホットキャリアになりやすく、キャリアの高エネルギーでの占有確率が上昇することになる。
FIG. 20 shows the temperature characteristics of the carrier. As shown in FIG. 20, in the case of InGaAs quantum wells, the carrier temperature is 100 to 200 (K), and in the case of InAs / GaAs quantum dots, the carrier temperature is 800 to 2000 (K), and InAs / GaAs quantum dots. It can be seen that the carrier temperature is about 8 to 10 times higher than that of the InGaAs quantum well. Further, it can be seen that when the number of incident photons is increased from 10 21 to 10 22 , the carrier temperature is approximately doubled.
That is, since the carrier temperature of InAs / GaAs quantum dots is higher than that of InGaAs quantum wells, carriers are likely to become hot carriers, and the occupation probability of carriers with high energy increases.

図21は、量子ドットによって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率の理論値を示している。また、図22は、量子井戸によって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率の理論値を示している。それぞれ、AM1.5における集光倍率が、1倍、10倍、100倍、1000倍、10000倍、45900倍のプロットを示している。プロットに付記している増分(%)は、それぞれのプロットにおける変換効率の極大値と、EIC=0eVの時のエネルギー効率の値との差分を表している。
図21に示すように、量子ドットによって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率は、集光倍率10倍以上で、EIC=0.3eV付近で極大値になる。また、集光倍率10000倍以上で、EIC=0.5eV付近で極大値になる。InAs/GaAs量子ドットの場合(EIC=0.37eV)、集光倍率10倍以上で、ほぼ極大値に近いエネルギー変換効率となることがわかる。特に、InAs/GaAs量子ドットの場合、AM1.5における最大集光時(45900)の変換効率は50%に達することがわかる。
また、図22に示すように、量子井戸によって中間準位が形成された単接合型太陽電池のエネルギー変換効率は、集光倍率によって極大値となるEICは変動するが、概ねEIC=0.04〜0.08eVで極大値になる。InGaAs量子井戸の場合(EIC=0.07eV)、集光倍率が増えるほど極大値に近いエネルギー変換効率となることがわかる。
FIG. 21 shows a theoretical value of energy conversion efficiency of a single junction solar cell in which an intermediate level is formed by quantum dots. FIG. 22 shows a theoretical value of energy conversion efficiency of a single junction solar cell in which an intermediate level is formed by a quantum well. The plots of the light collection magnification in AM1.5 are 1 ×, 10 ×, 100 ×, 1000 ×, 10000 ×, and 45900 ×, respectively. The increment (%) appended to the plot represents the difference between the maximum value of the conversion efficiency in each plot and the value of the energy efficiency when E IC = 0 eV.
As shown in FIG. 21, the energy conversion efficiency of a single-junction solar cell in which an intermediate level is formed by quantum dots reaches a maximum value near E IC = 0.3 eV when the condensing magnification is 10 times or more. Further, the maximum value is obtained near E IC = 0.5 eV when the condensing magnification is 10,000 times or more. In the case of InAs / GaAs quantum dots (E IC = 0.37 eV), it can be seen that the energy conversion efficiency is almost close to the maximum value when the condensing magnification is 10 times or more. In particular, in the case of InAs / GaAs quantum dots, it can be seen that the conversion efficiency at the time of maximum focusing (45900) in AM1.5 reaches 50%.
Further, as shown in FIG. 22, the energy conversion efficiency of the single-junction solar cell in which the intermediate level is formed by the quantum well varies in the E IC that becomes the maximum value depending on the concentration ratio, but is generally E IC = 0. A maximum value is reached at 0.04 to 0.08 eV. In the case of an InGaAs quantum well (E IC = 0.07 eV), it can be seen that the energy conversion efficiency approaches the maximum value as the concentration factor increases.

(その他の実施例)
(1)上記実施例では、太陽電池の光吸収層のホスト半導体にGaAsを用いたが、Cu(銅),In(インジウム),Al(アルミニウム)を含む、化合物半導体、金属窒化物、硫黄化合物、セレン化物、金属砒素化合物もしくは金属リン化合物、あるいはこれらの組み合わせによる合金半導体でもよい。例えば、AlGaAs、InGaAs,InGaN,InAlGaN,GaInPなどを用いても良い。
(2)上記実施例では、中間バンドを形成するのに、量子井戸、量子ドットを用いたが、量子細線、ホスト半導体に遷移金属のドーピングにより形成しても構わない。
(3)上記実施例では、InGaAsの量子井戸を用いているが、多重量子井戸を用いても構わない。
(Other examples)
(1) In the above embodiment, GaAs is used as the host semiconductor of the light absorption layer of the solar cell, but compound semiconductors, metal nitrides, sulfur compounds containing Cu (copper), In (indium), and Al (aluminum) are used. Further, it may be a selenide, a metal arsenic compound, a metal phosphorus compound, or an alloy semiconductor made of a combination thereof. For example, AlGaAs, InGaAs, InGaN, InAlGaN, GaInP, or the like may be used.
(2) In the above embodiment, the quantum well and the quantum dot are used to form the intermediate band. However, the quantum band and the host semiconductor may be formed by doping a transition metal.
(3) In the above embodiments, InGaAs quantum wells are used, but multiple quantum wells may be used.

本発明は、単接合型太陽電池に有用である。単接合型太陽電池のエネルギー変換効率は約30%が限界とされていたが、このエネルギー変換効率を、原理的には最大で10%以上引き上げることが可能である。高効率な太陽電池は、発電単価を引き下げることができ、現在のところ40円/KWhと言われている太陽電池の発電単価を、石油火力発電並みの30円/KWh以下まで引き下げる可能性がある。
The present invention is useful for single-junction solar cells. The energy conversion efficiency of single-junction solar cells is limited to about 30%, but in principle, the energy conversion efficiency can be increased by 10% or more at the maximum. High-efficiency solar cells can reduce the unit price of power generation, and there is a possibility that the unit price of solar cells, which is currently said to be 40 yen / KWh, may be reduced to 30 yen / KWh or less, which is equivalent to oil-fired power generation. .

Claims (7)

価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を備え、中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電流として取り出すことを特徴とする太陽電池。   It has an intermediate level between the energy level at the upper end of the valence band and the energy level at the lower end of the conduction band. Among the carriers in the intermediate level, the hot carriers having energy higher than the energy level at the lower end of the conduction band A solar cell characterized by being taken out as 中間準位が、量子井戸,量子細線,量子ドットあるいは不純物ドープにより形成された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 intermediate level is formed by a quantum well, a quantum wire, a quantum dot, or impurity doping. 基板、p型半導体層、光吸収層、n型半導体層及び電極を有する太陽電池において、
前記光吸収層が、量子井戸,量子細線あるいは量子ドットを含有し、Cu(銅),In(インジウム),Ga(ガリウム),Al(アルミニウム)から選択される少なくとも1つの元素を含む、化合物半導体、金属窒化物、硫黄化合物、セレン化物、金属砒素化合物もしくは金属リン化合物、あるいはこれらの組み合わせによる合金半導体から構成され、
前記量子井戸,量子細線,量子ドットあるいはドープされた不純物が、価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を形成し、
中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを前記電極から電流として取り出すことを特徴とする太陽電池。
In a solar cell having a substrate, a p-type semiconductor layer, a light absorption layer, an n-type semiconductor layer, and an electrode,
The light absorption layer contains a quantum well, a quantum wire or a quantum dot, and includes at least one element selected from Cu (copper), In (indium), Ga (gallium), and Al (aluminum). A metal nitride, a sulfur compound, a selenide, a metal arsenic compound or a metal phosphorus compound, or a combination thereof, and an alloy semiconductor,
The quantum well, quantum wire, quantum dot or doped impurity forms an intermediate level between the energy level at the top of the valence band and the energy level at the bottom of the conduction band;
A solar cell characterized in that hot carriers having energy higher than the energy level at the lower end of the conduction band among the intermediate level carriers are taken out as current from the electrode.
前記ホットキャリアは、バンドギャップよりエネルギーの小さい波長の光が吸収され、中間準位のキャリアの温度が上昇したものであることを特徴とする請求項1乃至3に記載の太陽電池。   The solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the hot carrier is one in which light having a wavelength smaller in energy than a band gap is absorbed, and a temperature of a carrier at an intermediate level is increased. 中間準位のキャリアの温度の上昇は、集光によるものであ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 increase in the temperature of the intermediate level carriers is caused by light collection. 価電子帯上端のエネルギー準位と伝導帯下端のエネルギー準位との間の中間準位を備え、中間準位のキャリアの内、伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギーを有するホットキャリアを電流として取り出す太陽電池の調製方法であって、
太陽電池のホスト半導体の組成を調製してバンドギャップを制御するバンドギャップ制御ステップと、
光吸収層となる半導体の組成、量子効果が現れるサイズ、量子次元、ドープする不純物、不純物ドープ量、或は、不純物のドープ位置の少なくとも1つを調製して中間準位を形成し、該中間準位と伝導帯のエネルギー準位の差を所定値に制御する中間準位制御ステップと、
を備えることを特徴とする太陽電池の調製方法。
It has an intermediate level between the energy level at the upper end of the valence band and the energy level at the lower end of the conduction band. Among the carriers in the intermediate level, the hot carriers having energy higher than the energy level at the lower end of the conduction band A method for preparing a solar cell to be taken out as
A band gap control step of adjusting the band gap by preparing a composition of the host semiconductor of the solar cell;
The intermediate level is formed by preparing at least one of the composition of the semiconductor to be the light absorption layer, the size at which the quantum effect appears, the quantum dimension, the impurity to be doped, the impurity doping amount, or the impurity doping position. An intermediate level control step for controlling the difference between the energy level of the level and the conduction band to a predetermined value;
A method for preparing a solar cell, comprising:
前記所定値は、太陽電池の変換効率が極大値となる値であることを特徴とする請求項6に記載の太陽電池の調製方法。   The said predetermined value is a value from which the conversion efficiency of a solar cell becomes a maximum value, The preparation method of the solar cell of Claim 6 characterized by the above-mentioned.
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