JP2016139735A - Photoelectric conversion layer and photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換層および光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion layer and a photoelectric conversion device.
量子ドット太陽電池として知られる光電変換装置は、量子ドットに特定波長の太陽光が当たり励起される電子と、その電子が価電子帯から伝導帯まで励起されたときに生じる正孔とをキャリアとして利用する。 A photoelectric conversion device known as a quantum dot solar cell uses, as carriers, electrons that are excited when sunlight of a specific wavelength hits the quantum dots and holes that are generated when the electrons are excited from the valence band to the conduction band. Use.
量子ドットは、通常、その周囲を、量子ドット自身のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する障壁層によって囲まれている。 The quantum dot is usually surrounded by a barrier layer having a larger band gap than the quantum dot itself.
このため、理論的には、電子のフォノン放出によるエネルギー緩和が起こりにくく消滅し難いと考えられているが、量子ドットを集積させて量子ドット集積部を形成した場合には、量子ドット内に生成したキャリア(電子、正孔)は、障壁層を含む量子ドット集積部内に存在する欠陥と結合して消滅しやすく、これによりキャリアの密度が低下し、電極まで到達できる電荷量の低下が起こり、光電変換効率を高められないという問題がある。 Therefore, theoretically, it is considered that energy relaxation due to electron phonon emission does not occur easily and it is difficult to disappear. However, when quantum dots are integrated to form quantum dot integrated parts, they are generated in quantum dots. The carriers (electrons, holes) easily bond with the defects existing in the quantum dot integrated portion including the barrier layer and disappear, thereby reducing the carrier density and reducing the amount of charge that can reach the electrode. There is a problem that the photoelectric conversion efficiency cannot be increased.
このような問題に対し、近年、光電変換層内において、キャリアの収集能力を高めるための構造が種々提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 In recent years, various structures for increasing the carrier collection capability in the photoelectric conversion layer have been proposed for such problems (see, for example, Patent Document 1).
図6(a)は、従来の光電変換層の一例を示す断面模式図であり、(b)は、(a)のバンド構造を模式的に示したものである。ここで、符号Ecはバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル、Evは価電子帯のエネルギーレベルを表している。また、符号Egはエネルギーギャップを表している。図6(a)に示した光電変換層100は、キャリアの収集能力を有するバルク体からなる集電部101を、複数の量子ドットを集積させた量子ドット集積部103の一方主面に重ね合わせた構成となっている。
FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional photoelectric conversion layer, and FIG. 6B schematically shows the band structure of FIG. Here, the symbol Ec represents the energy level of the conduction band in the band structure, and Ev represents the energy level of the valence band. A symbol Eg represents an energy gap. In the
上記した光電変換層の場合、集電部101は、その主体が、例えば、酸化亜鉛などの半導体によって形成されていることから、一定の導電性を有するものの、未だ、集電部101内におけるキャリアCの移動度が低いことから光電変換層の変換効率を高くできないという問題がある。
In the case of the photoelectric conversion layer described above, the
従って本発明は、集電部におけるキャリアの移動度が高く、光電変換効率を高めることのできる光電変換層および光電変換装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion layer and a photoelectric conversion device that have high carrier mobility in the current collector and can increase the photoelectric conversion efficiency.
本発明の光電変換層は、複数の量子ドットを有する量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくとも一方主面に配置された集電部と、を備えている光電変換層であって、前記集電部が、前記量子ドット集積部よりも導電率の高いバルク体からなる集電基部と、該集電基部と同じ材料からなり、前記集電基部よりもエネルギーギャップの大きいナノ構造層とを有しているとともに、該ナノ構造層が前記量子ドット集積部と前記集電基部との
間に配置されているものである。
The photoelectric conversion layer of the present invention is a photoelectric conversion layer comprising a quantum dot integrated portion having a plurality of quantum dots, and a current collector disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion, The current collector is a current collector base made of a bulk body having a higher conductivity than the quantum dot integrated part, and a nanostructure layer made of the same material as the current collector base and having a larger energy gap than the current collector base; And the nanostructure layer is disposed between the quantum dot integrated portion and the current collecting base portion.
本発明の光電変換装置は、上記の光電変換層が2つの導体層間に配置されているものである。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the above photoelectric conversion layer is disposed between two conductor layers.
本発明によれば、集電部におけるキャリアの移動度を高めることができ、光電変換効率を向上させることができる。 According to the present invention, the carrier mobility in the current collector can be increased, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
図1は、本発明の光電変換層の第1の実施形態を部分的に示す断面模式図であり、(a)はナノ構造層が量子ドットの場合、(b)はナノ構造層が量子細線の場合、(c)はナノ構造層が量子薄膜の場合である。ここで、(c)の量子薄膜については図面の奥行き側に2次元的に広がった構造を成している。また、図1には光電変換層1が1層の構成を示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、光電変換層1が2層以上となったものにも適用される。図2は、図1(a)の光電変換層のバンド構造の模式図である。ここで、符号Ecはバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル、Evは価電子帯のエネルギーレベルを表している。また、符号Egはエネルギーギャップを表している。実線のエネルギー線(L0)は集電部3にナノ構造層7が設けられていない場合、破線のエネルギー線(L1)は集電部3にナノ構造層7が設けられている場合を表す。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view partially showing a first embodiment of the photoelectric conversion layer of the present invention, where (a) is a quantum dot in the nanostructure layer, and (b) is a quantum wire in the nanostructure layer. In the case of (c), the nanostructure layer is a quantum thin film. Here, the quantum thin film (c) has a two-dimensionally expanded structure on the depth side of the drawing. Further, FIG. 1 shows a configuration in which the
図1に示す実施形態の光電変換層A1、A2およびA3は、複数の量子ドット1aが集積された量子ドット集積部1と、この量子ドット集積部1の少なくとも一方の主面に配置された膜状の集電部3とを備えている。この場合、集電部3は、量子ドット集積部1よりも導電率の高い材料のバルク体からなる集電基部5と、集電基部5と同じ材料からなり、集電基部5よりもエネルギーギャップの大きいナノ構造層7とを有している。この場合、ナノ構造層7は量子ドット集積部1と集電基部5との間に配置されている。ここで、量子ドット集積部1は太陽光など特定波長の光を吸収した際に電子やホールといった伝導性のキャリアCを生成する層であり、一方、集電部3は量子ドット集積部1にて生成したキャリアCを収集する機能を有する層である。
The photoelectric conversion layers A 1 , A 2, and A 3 of the embodiment shown in FIG. 1 are arranged on a quantum dot integrated
本実施形態の光電変換層A1、A2、A3によれば、量子ドット集積部1に隣接して設けられている集電部3に、同じ材料で量子効果を有するナノ構造層7を設け、これら量子効果を有するナノ構造層7が量子ドット集積部1側に隣接するように配置させることにより、集電部3内のバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル(Ec)が量子ドット集積部1側で高く、量子ドット集積部1とは反対側の集電基部5側で低くできることから、集電部3の厚み方向に向くエネルギー線(L1)に勾配を持たせることができる。これに
より集電部3におけるキャリアCの移動度を高めることができ、光電変換効率を向上させることができる。これは、集電部3を構成する材料のバルク体を量子効果を有するナノ構造層5に変化させたことにより、ナノ構造層7はエネルギーギャップ(Eg)の拡がりが起こり、これによりナノ構造層7における伝導帯のエネルギーレベル(Ec)が集電基部5側よりも高い準位に変化したためである。ここで、バルク体とは、結晶相もしくは非晶質相、あるいはこれらが複合された相が高い密度で膜状または板状を成しているものを言う。量子ドット集積部1およびバルク体からなる集電基部5の導電率は、例えば、光電変換層A1の切出し片を測定用試料として4端子法により求める。
According to the photoelectric conversion layers A 1 , A 2 , and A 3 of the present embodiment, the
この場合、ナノ構造層7としては、図1(a)(b)(c)にそれぞれ示しているように、量子粒7a、量子細線7bおよび量子薄膜7cのうちのいずれかであることが望ましい。ナノ構造層7が上記した構造体であると、電子などのキャリアCをバルク体(3次元)よりも確実に低い次元(量子薄膜は2次元、量子細線は1次元、量子粒は0次元)に拘束することができることから、集電基部5と量子ドット集積部1との間に、集電基部5と量子ドット集積部1との中間領域に位置する、伝導帯のエネルギーレベルを形成することができる。これにより量子ドット集積部1から集電基部5側に及ぶエネルギー線(L1)によって高い勾配を形成することができる。
In this case, the
また、この光電変換装置A1、A2、A3では、ナノ構造層5は、量子粒7aaの直径、量子細線7bbの線径、および量子薄膜7ccの厚みが、量子ドット集積膜1側で小さく、集電基部5側で大きいことが望ましい。ここで、量子細線7bbは集電基部5側から量子ドット集積部1側に向けて線径が小さくなっている。量子薄膜7ccは集電基部5側から量子ドット集積部1側に向けて厚みが薄くなっている。
In the photoelectric conversion devices A 1 , A 2 , and A 3 , the
例えば、図3(a)に示す量子粒7aaを例に説明すると、ナノ構造層7を構成する量子粒7aaの直径を量子ドット集積部1側が小さく、集電基部5側で大きくなるように配置した場合、ナノ構造層7を構成する量子粒7aaは量子ドット集積膜1側のエネルギーレベルを高くできるため、集電基部5側の量子粒7aaとの間で伝導帯のエネルギーレベル(Ec)により大きな差を持たせることができる。同様に、量子細線7bb、量子薄膜7ccにも同様に量子ドット集積部1側のサイズ(線径、厚み)を小さくしたものが良い。
For example, taking the quantum particle 7aa shown in FIG. 3A as an example, the diameter of the quantum particle 7aa constituting the
また、量子粒7aaの直径、量子細線7bbの線径、量子薄膜7ccの厚みが、量子ドット集積膜1側から集電基部5側へ向けて次第に大きくなっていることがより望ましい。量子粒7aaの直径、量子細線7bbの線径、量子薄膜7ccの厚みが、量子ドット集積膜1側から集電基部5側へ向けて次第に大きくなっていると、ナノ構造層7の厚み方向(図3におけるD0、D1の方向)の全体において伝導帯のエネルギーレベル(Ec)に勾配を形成することができるため、集電部3におけるキャリアCの移動度をさらに高めることができる。
In addition, it is more desirable that the diameter of the quantum grains 7aa, the diameter of the quantum wires 7bb, and the thickness of the quantum thin film 7cc gradually increase from the quantum dot integrated
量子粒7aa、量子細線7bbおよび量子薄膜7ccは、集電基部5との間で低い抵抗になるように当接されていれば良いが、ナノ構造層7と集電基部5との間がより低い抵抗になるという点で、ナノ構造層7は集電基部5と一体化しているかまたは集電基部5から成長した構造であることが望ましい。
The quantum grains 7aa, the quantum wires 7bb, and the quantum thin film 7cc may be in contact with the
集電部3(集電基部5およびナノ構造層7)の材料としては、Ti、Zn、Ga、Ge、As、Sb、SnおよびInの群から選ばれる少なくとも1種が好適なものとなるが、量子ドット集積部1を構成する量子ドット1aの材料にシリコン(Si)やPbS(イオウ化鉛)を適用したときに、これらよりもエネルギーギャップ(Eg)が大きくかつ導体抵抗を低くできるという点で、Zn、SnおよびTiがより好ましい。
As a material for the current collector 3 (the
図4は、本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に示す断面模式図である。図4には、光電変換装置Bとして、上記した光電変換層A1を備えた例を示している。光電変換装置Bは、光電変換層A1の下層側に透明導電膜9およびガラス基板11を有し、光電変換層A1の上層側に電極層13を有する。この場合、ガラス基板11の下面側が光の入射面15aとなり、電極層9の上面側が光の出射面15bとなる。なお、光の入射面15a側であるガラス基板7の表面や光の出射面15bである電極層9の上面には保護層や反射防止材などが設けられる場合がある。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view partially showing an embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. Figure 4 is a photoelectric conversion device B, and shows an example in which a photoelectric conversion layer A 1 described above. The photoelectric conversion device B includes a lower transparent
本実施形態の光電変換装置Bによれば、量子ドット集積部1に隣接して設けられている集電部3に、同じ材料で量子効果を有するナノ構造層7が設けられていることから、集電部3内のバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル(Ec)が量子ドット集積部1側で高く、量子ドット集積部1とは反対側の集電基部3側で低くできる。また、集電部3の厚み方向にエネルギー線に(L1)勾配を持たせることができる。これにより集電部3におけるキャリアCの移動度を高めることができ、光電変換効率を向上させることができる。
According to the photoelectric conversion device B of the present embodiment, the
上述のように、本実施形態の光電変換層A1および光電変換装置Bについて、図1〜図4を基に説明したが、本発明はこれに限らず、光電変換層A1の代わりに、ナノ構造層7に量子細線7bb、量子薄膜7ccを適用した光電変換層A2、A3についても同様の効果を得ることができる。
As described above, the photoelectric conversion layer A 1 and the photoelectric conversion device B of the present embodiment have been described based on FIGS. 1 to 4, but the present invention is not limited to this, and instead of the photoelectric
上記した光電変換層A1、A2、A3および光電変換装置Bを構成するナノ構造層7の成分分析、形状の判定やサイズの評価は電子顕微鏡およびこれに付設の分析器によって求める。
Component analysis, shape determination, and size evaluation of the
上記した量子ドット集積部1を構成する量子ドット1aの材料としては、種々の半導体材料が適用されるが、そのエネルギーギャップ(Eg)としては、0.15〜2.50evを有するものが好適である。具体的な半導体材料としては、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。
Various semiconductor materials are applied as the material of the
また、上記した量子ドット1aにおいては、電子の閉じ込め効果を高められるという理由から量子ドット1aの表面に障壁層(バリア層)を有していてもよい。障壁層は量子ドット1aとなる半導体材料に比較して2〜15倍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。なお、量子ドット1aが表面に障壁層を有する場合には、障壁層の材料としては、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。
In addition, the above-described
図5は、本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。まず、図5(a)に示すように、支持体となるガラス基板11を準備する。次に、このガラス基板11の一方主面にITOなどの導体材料を用いて透明導電膜9を形成する。
FIG. 5 is a process diagram showing the method for manufacturing the photoelectric conversion device of this embodiment. First, as shown to Fig.5 (a), the
次に、図5(b)に示すように、透明導電膜9の表面に集電基部5となる酸化亜鉛のバルク体をスパッタ法などにより膜状に形成する。次いで、この集電基部5の表面にナノ構造層7を形成する。ナノ構造層7を構成する量子粒7aaは、以下のようにして作製する。例えば、酢酸亜鉛のエタノール溶液中に水酸化リチウムを添加して、室温以下の温度(
例えば、−5〜5℃)にて混合することによってコロイド状の量子粒7aaを形成する。この混合液にヘキサンとヘプタンを混合させることでコロイド状の量子粒7aaのみを沈殿させリチウムと酢酸の残留物を取り除く。その後、コロイド状の量子粒7aaをエタノール溶液に再分散させる。
Next, as shown in FIG. 5 (b), a zinc oxide bulk body to be the
For example, colloidal quantum particles 7aa are formed by mixing at −5 to 5 ° C. By mixing hexane and heptane with this mixed solution, only colloidal quantum particles 7aa are precipitated, and the residue of lithium and acetic acid is removed. Thereafter, the colloidal quantum particles 7aa are redispersed in an ethanol solution.
次に、作製した量子粒7aaを集電基部5の表面にスピンコート等の成膜法により塗布し、乾燥処理や加圧加熱による緻密化処理を行うことによってナノ構造層7を有する集電部3を形成する。
Next, the produced quantum particles 7aa are applied to the surface of the current
集電部3内に量子細線7bbや量子薄膜7ccを形成する場合には、酢酸亜鉛を含む溶液を透明導電膜7の表面に塗布した後、約350℃の温度に加熱することによって形成する。量子薄膜7ccを形成する場合には、量子細線7bbを成長させる条件よりも温度、圧力、保持時間を高めに設定する。この場合、酢酸亜鉛を含む溶液は、例えば、硝酸亜鉛500mM(ミリモル)とヘキサメチレンテトラミン250mM(ミリモル)とを混合した溶液中に、副成分となる元素(陽イオン)を含む水溶液を加えることによって調製する。
When the quantum wire 7bb or the quantum thin film 7cc is formed in the
次に、図5(d)に示すように、形成した集電部3の上面に量子ドット1aとなる半導体粒子を充填し、緻密化処理を行うことによって量子ドット集積部1を形成する。半導体粒子を充填する方法としては、半導体粒子を含む溶液をスピンコート法や沈降法などが好適なものとして選ばれる。緻密化処理には加熱もしくは加圧、あるいはこれらを同時に行う方法が採られる。量子ドット集積部1の厚みは堆積させる半導体粒子の量によって調整する。量子ドット集積部1を含む光電変換層A1を多層化する場合には、図5(b)〜(d)の工程を繰り返す。
Next, as shown in FIG. 5D, the upper surface of the formed
最後に、量子ドット集積部1の上面側に金などの導体材料を蒸着して電極層13となる導体膜を形成し、次いで、必要に応じて、この導体膜の表面に保護層を形成した後、ガラス膜などで被覆する。
Finally, a conductive material such as gold is vapor-deposited on the upper surface side of the quantum dot integrated
A1、A2、A3・・・・・光電変換層
B・・・・・・・・・・・光電変換装置
C・・・・・・・・・・・キャリア
1・・・・・・・・・・・量子ドット集積部
1a・・・・・・・・・・量子ドット
3・・・・・・・・・・・集電部
5・・・・・・・・・・・集電基部
7(7a、7b、7c)・ナノ構造層
7aa・・・・・・・・・量子粒
7bb・・・・・・・・・量子細線
7cc・・・・・・・・・量子薄膜
9・・・・・・・・・・・透明導電膜
11・・・・・・・・・・ガラス基板
13・・・・・・・・・・電極層
A 1 , A 2 , A 3 ... photoelectric conversion layer B ... photoelectric conversion device C ...
Claims (6)
前記集電部が、前記量子ドット集積部よりも導電率の高いバルク体からなる集電基部と、該集電基部と同じ材料からなり、前記集電基部よりもエネルギーギャップの大きいナノ構造層とを有しているとともに、該ナノ構造層が前記量子ドット集積部と前記集電基部との間に配置されていることを特徴とする光電変換層。 A photoelectric conversion layer comprising: a quantum dot integrated portion having a plurality of quantum dots; and a current collector disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion,
The current collector is a current collector base made of a bulk body having a higher conductivity than the quantum dot integrated part, and a nanostructure layer made of the same material as the current collector base and having a larger energy gap than the current collector base; The photoelectric conversion layer is characterized in that the nanostructure layer is disposed between the quantum dot integrated portion and the current collecting base portion.
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JP2021530875A (en) * | 2018-07-19 | 2021-11-11 | 維沃移動通信有限公司Vivo Mobile Communication Co., Ltd. | Image sensor and mobile terminal |
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