JP2016162886A

JP2016162886A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2016162886A
Application number: JP2015040286A
Authority: JP
Inventors: 浩平藤田; Kohei Fujita
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-05

Abstract

【課題】キャリアの移動度が高く、これにより光電変換効率を高めることのできる光電変換装置を提供する。【解決手段】ｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層１ａと、ｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層１ｂとが積層されている量子ドット集積部１を備えており、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多いものである。このとき、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおける前記ｐ型の成分の単位体積当たりのｐ型の成分の原子数の１０倍以上であるのが良い。【選択図】図１

Description

本発明は、量子ドットを利用した光電変換装置に関する。

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。

光電変換装置に量子ドットを用いる利点は、量子ドットが材料組成や粒径によってバンドギャップを変化させることができ、これにより吸収できる光の波長の範囲を広げることができることにあり、その結果、光電変換効率を高められる潜在能力を有している点にある。

近年、量子ドットを有する光電変換装置について、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、光電変換層をｐ型の量子ドット層とｎ型の量子ドット層との積層構造とするものが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−４２５１号公報

しかしながら、光電変換層を上述のようにｐ型およびｎ型の量子ドット層によって形成しても、キャリアの移動度が低く、未だ、光電変換効率が低いという問題がある。

従って本発明は、キャリアの移動度が高く、これにより光電変換効率を高めることのできる光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置は、ｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層と、ｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層とが積層されている量子ドット集積部を備えている光電変換装置であって、前記第１の量子ドット層におけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、前記第２の量子ドット層におけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多いものである。

本発明によれば、キャリアの移動度を高くでき、これにより光電変換効率を高めることができる。

（ａ）は、本発明の光電変換装置の一実施形態を表す断面構造とそのバンド構造の模式図であり、（ｂ）は、従来の光電変換装置を表す断面構造とそのバンド構造の模式図である。

図１（ａ）は、本発明の光電変換装置の一実施形態を表す断面構造とそのバンド構造の
模式図であり、（ｂ）は、従来の光電変換装置を表す断面構造とそのバンド構造の模式図である。

図１（ａ）（ｂ）において、１、１１は量子ドット集積部、１ａ、１１ａはｎ型の成分を含む第１の量子ドット層、１ｂ、１１ｂはｐ型の成分を含む第２の量子ドット層、３、５、１３および１５は導体層である。

また、図１（ａ）（ｂ）のバンド構造の模式図における符号Ｅ_Ｃは伝導帯のエネルギー準位、Ｅ_Ｆはフェルミ準位、Ｅ_Ｖは価電子帯のエネルギー準位、Ｖ_ｄは拡散電位、ｗ_ｄｎはｎ型の成分を含む第１の量子ドット層における空乏層の幅、ｗ_ｄｐはｐ型の成分を含む第２の量子ドット層における空乏層の幅、ｅ⁻はキャリアである電子、ｈ^＋はホールを、それぞれ表している。

ここで、図１（ａ）に示した本実施形態の光電変換装置を構成している量子ドット集積部１は、量子ドット集積部１を構成しているｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層１ａとｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層１ｂとの間で、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多くなっている点が、図１（ｂ）に示した従来の光電変換装置を構成している量子ドット集積部１と相違する。

従来の光電変換装置を構成している量子ドット集積部１１においては、第１の量子ドット層１１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数と、第２の量子ドット層１１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数とは実質的に同じになる。

一方、本実施形態の光電変換装置によれば、ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａとｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂとの間で、ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数をｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多くしたことにより、第１の量子ドット層１ａにおける伝導帯のエネルギー準位（Ｅ_Ｃ）と第２の量子ドット層１ｂにおける伝導帯のエネルギー準位（Ｅ_Ｃ）とのエネルギー差を従来の光電変換装置よりも大きくすることができる。

これは、ドープした成分の単位体積当たりの原子数が少ない方（この場合、ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂ）にｐ／ｎ接合界面に形成される空乏層Ｌｄの領域がドープした成分の単位体積当たりの原子数が多い方（この場合、ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａ）側よりも広がるためである。従って、図１（ａ）においては、ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂ側の空乏層Ｌｄの幅Ｗｄｐがｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａ側の空乏層Ｌｄの幅Ｗｄｎよりも大きくなっている。

これにより量子ドット集積部１における拡散電位（Ｖｄ）を従来の光電変換装置に比べて大きくすることができ、また、光電変換装置としての開放電圧Ｖ_ＯＣを大きくすることができる。その結果、第１の量子ドット層１ａと第２の量子ドット層１ｂとの間において、キャリア（電子ｅ⁻およびホールｈ^＋）の移動度が向上することから、光電変換効率を向上させることができる。

この場合、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数の１０倍以上であることが望ましい。第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数と第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数との差を１０倍以上に大きくすると、量子ドット集積部１における拡散電位（Ｖｄ）および開放電圧Ｖ_ＯＣをさらに向上させることができる。

さらには、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数を１×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３以上とするときに、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数を１×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３未満とするのが良い。また、ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数の好適な範囲としては、２×１０^１９〜９×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数の好適な範囲としては、１×１０^１６〜８×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^３が好ましい。

ここで、ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数、ｐ型の成分の単位体積当たりの原子数は、二次イオン質量分析法によって求めることができる。この場合、標準試料を用いた検量線法を利用してｎ型の成分およびｐ型の成分の原子数の定量を行う。

また、第１の量子ドット層１ａを構成する量子ドットＱＤは、第２の量子ドット層１ｂを構成する量子ドットＱＤよりも平均粒径が大きいことが望ましい。この場合、光の入射面側に平均粒径の小さい（すなわち、バンドギャップ（Ｅｇ）の大きい）量子ドットＱＤを配置させることで、光を吸収するときのエネルギー損失を小さくすることができる。

以上説明した量子ドット集積部１の材料としては、周期表の１２〜１６族の元素を主成分とするものが好ましい。この中で、第１の量子ドット層１ａおよび第２の量子ドット層１ｂを構成する量子ドットＱＤの材料としてはＳｉ（ケイ素）を主成分とするものが好適である。

また、ｎ型の成分としては、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）およびＳｂ（アンチモン）の群から選ばれる１種が好ましく、一方、ｐ型の成分としては、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）およびＩｎ（インジウム）の群から選ばれる１種が好ましい。

これらの材料を適用した場合、量子ドットＱＤのサイズ（平均粒径）は１〜１０ｎｍ、特に２〜７ｎｍであるのが良い。量子ドットＱＤの平均粒径を上記した範囲にすると、ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数の範囲を２×１０^１９〜９×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３に、一方、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数を１×１０^１６〜８×１０^１６ａｔｏｍ／ｃｍ^３にすることが容易となる。

また、上記した量子ドットＱＤ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ＱＤ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ＱＤ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。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。

導体層３、５、１３、１５の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および鉛（Ｐｂ）の群から選ばれる少なくとも１種が望ましい。

本実施形態の光電変換装置の製造方法について、量子ドットＱＤにＳｉを適用した例を基に説明する。まず、量子ドットＱＤは、ｎ型の成分（Ｐ：リン）を含むＳｉを主成分とする原料粉末およびｐ型の成分（Ｂ：ホウ素）を含むＳｉを主成分とする原料粉末をそれ
ぞれ用意し、これらを光エッチング法により微細化して調製する。ｎ型の成分（Ｐ：リン）またはｐ型の成分（Ｂ：ホウ素）の含有量は原料粉末の段階で調整しておくのが良い。

次に、ｎ型の成分（Ｐ：リン）を含むＳｉの量子ドットＱＤ、ｐ型の成分（Ｂ：ホウ素）を含むＳｉの量子ドットＱＤを非水性の溶媒中に分散させた後、スピンコート法などを用いて基板の導体層５側に成膜する。基板としては、ガラス基板の表面に透明な導体層５を形成したものを用いる。透明な導体層５の材料としては、例えば、ＩｎＳｎＯ化合物を用いる。

この場合、透明な導体層５側にｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂを形成し、次いで、この第２の量子ドット層１ｂの表面側にｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａを形成するようにすると良い。Ｓｉを主成分とする量子ドットＱＤの場合、ドープする成分の量が多くなると、量子ドットＱＤの粒径が大きくなる傾向にあることから、光の入射面側にバンドギャップの大きなｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂを配置することで、光吸収時のエネルギー損失を少なくすることが可能になる。

最後に、第１の量子ドット層１ａの表面に集電電極となる導体層３を形成する。集電電極となる導体層３としては、例えば、Ａｌを用いる。

このようにして作製した試料を二次イオン質量分析装置によって定量分析を行ったところ、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数は５．７×１０^１９［ａｔｏｍ／ｃｍ^３］、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数は５．６×１０^１６［ａｔｏｍ／ｃｍ^３］であった。また、第１の量子ドット層１ａを構成する量子ドットＱＤの平均粒径は６．５ｎｍ、第２の量子ドット層１ｂを構成する量子ドットＱＤの平均粒径５．６ｎｍであった。量子ドットＱＤの平均粒径は透過電子顕微鏡によって撮影した写真を用いて測定した。この場合、写真上に量子ドットＱＤが２０個ほど入る円を描き、この円内に存在する各量子ドットＱＤの輪郭からそれぞれの面積を求め、求めた円の面積から直径を算出して、その平均値を平均粒径とした。

以上より得られた光電変換装置は、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多いことから、量子ドット集積部１における拡散電位（Ｖｄ）を大きくすることができるため、開放電圧Ｖ_ＯＣが高くなり、光電変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。

１、１１・・・・・・・量子ドット集積部
１ａ、１１ａ・・・・・ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層
１ｂ、１１ｂ・・・・・ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層
３、５、１３、１５・・導体層

Claims

ｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層と、ｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層とが積層されている量子ドット集積部を備えている光電変換装置であって、前記第１の量子ドット層におけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、前記第２の量子ドット層におけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多いことを特徴とする光電変換装置。
前記第１の量子ドット層における前記ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、前記第２の量子ドット層における前記ｐ型の成分の単位体積当たりの原子数の１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第１の量子ドット層における前記ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が１×１０^１９ａｔｏｍ／ｃｍ^３以上であり、前記第２の量子ドット層における前記ｐ型の成分の単位体積当たりの原子数が１×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
前記第１の量子ドット層および前記第２の量子ドット層がＳｉを主成分とする量子ドットにより構成されているとともに、前記ｎ型の成分がＰ、ＡｓおよびＳｂの群から選ばれる１種であり、前記ｐ型の成分がＢ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎの群から選ばれる１種であ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光電変換装置。
前記第１の量子ドット層を構成する前記量子ドットは、前記第２の量子ドット層を構成する前記量子ドットよりも平均粒径が大きいことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の光電変換装置。