JP2017152574A - 光電変換膜および光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光吸収量を高めることのできる光電変換膜および太陽電池を提供する。【解決手段】 光電変換膜７は、複数の量子細線７ａが束状に集積された複数の細線束７Ａがアレイ状に配列しているとともに、前記複数の細線束７Ａの直径Ｄは、可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在る。細線束７Ａの直径は７００〜１０００ｎｍであり、その直径以下の間隔で配置されている。また、量子細線７ａ間に金属酸化物膜７ｂを有している。光電変換装置は、２つの導体層間に光電変換膜７を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換膜および光電変換装置に関する。

近年、太陽電池の光電変換効率を向上させる目的で光電変換膜に量子細線を適用する試みが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

量子細線を用いた太陽電池の光電変換効率は、量子細線を集積した光電変換膜内に生成するキャリアの総量に関係する。

特開平６−２１４８６号公報

ところが、量子細線を半導体膜上に単純に立設させて膜状に集積した光電変換膜は、量子効果に基づくものであることから、吸収することのできる光としては、バンドギャップに対応するエネルギーの波長を有する光となるため、光吸収量を高めることができない場合がある。 これは量子化に必要な直径と光吸収に必要な直径とが異なることに因る。

従って本発明は、光吸収量を高めることのできる光電変換膜および光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換膜は、複数の量子細線が束状に集積された複数の細線束がアレイ状に配列しているとともに、前記複数の細線束の直径は、可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在るものである。

本発明の光電変換装置は、２つの導体層間に光電変換層を備えた光電変換装置であって、前記光電変換層が上記の光電変換膜であるものである。

本発明によれば、光吸収量を高めることができる。

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。 本実施形態の他の態様を示すもので、量子細線の間に金属酸化膜を有していることを示す拡大模式図である。 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。

図１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。次に紹介する実施形態および図面は当業者が本発明の思想を理解できるようにするための一例として挙げるものである。従って、本発明は以下に提示する実施形態および図面に限定されるものではなく、他の形態に具現化することができるのは言うまでもない。

図１に示す光電変換装置は、下面側に第１導体層３を有する シリコン基板５の上面に
、光電変換膜７、ホウ素ドープアモルファスシリコン膜９および第２導体層１１がこの順に積層された構成を有している。ここで、第１導体層３には、通常、銀（Ａｇ）などの貴金属を含む金属膜が適用される 。 シリコン基板５にはリンドープシリコン基板が適用される。第２導体層１１にはインジウム錫酸化物に代表される透明導電膜が用いられる。

光電変換膜７は、複数の量子細線７ａが集積された複数の細線束７Ａがｎ型シリコン膜５上にアレイ状に配置された構成を成している。ここで、アレイ状とは、図１に示しているように、同じ構成のもの（ここでは量子細線７ａ）が群（ここでは細線束７Ａ）を成して同じ方向に並んでいることを言う。

この場合、細線束７Ａの基本的な形状は柱状体であるが、その横断面は円に限らず、多角形状であっても良い。また、細線束７Ａは、基本的に、光電変換膜７の厚み方向にほぼ垂直に林立しているが、一部の細線束７Ａにおいては、斜めの方向に向いているものが含まれていても良い。

この細線束７Ａは、その直径Ｄが可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在る。ここで、可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲とは、４００ｎｍ〜２５００ｎｍである。

光電変換膜７によれば、細線束７Ａの直径Ｄが可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在るため、細線束７Ａに入射してきた太陽光のうち、細線束７Ａの直径Ｄに相当する波長の光が、細線束７Ａ内でミー散乱しやすくなるため、細線束７Ａで反射する太陽光の量が減り、これにより細線束７Ａでの光吸収量を高めることができる。

ここで、細線束７Ａの直径Ｄとは、光電変換膜７を断面視したときに、各細線束７Ａにおいて最大となる幅を言う。この場合、細線束７Ａの本数割合で１０％以下であれば、一部に、４００ｎｍ〜２５００ｎｍを外れる細線束７Ａが含まれていても良い。

また、この光電変換膜７において、細線束７Ａの直径を７００〜１０００ｎｍの範囲にしたときには、さらに光吸収量を向上させることができる。

量子細線７ａにシリコンを使用し、トップセルとして利用する場合、量子細線７ａを薄膜状にしたときのバンドギャップは、１．７〜１．９ｅＶ付近(波長で６５０〜７３０)が適したものとなる。

そこで、細線束７Ａの直径を７００〜１０００ｎｍにすると、量子細線７ａを膜状に形成したときに、光吸収係数の最も低い吸収端である７００ｎｍ付近の光吸収量を増やすことができる。

また、この光電変換膜では、細線束７Ａ同士がその直径Ｄよりも短い間隔で 配置され
ていることが望ましい。細線束７Ａが緻密化するように配列させると、光電変換膜７は細線束７Ａの占有面積の増加によって、太陽光の受光面が大きくなり、これにより光吸収量をさらに高めることができる。

なお、細線束７Ａ同士は短絡しない間隔、例えば、２０ｎｍ以上の間隔で配置されていれば良い。

なお、細線束７Ａ間の隙間には絶縁性の材料が介在されていることが望ましい。絶縁性の材料としては、有機物または金属酸化物が好適なものとなる。

細線束７Ａの長さとしては、例えば、１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であれば、高い光吸収量を維持することができる。

また、量子細線７ａは横断面の形状が多角形であっても良い。量子細線７ａは横断面の形状が多角形である場合には、量子細線７ａの表面積を大きくすることができるため、キャリアの回収効率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。形状としては、量子細線７ａ間の隙間の領域を狭くできるという点から四角形状などの矩形状が良い。

また、量子細線７ａの直径は、一方端が他方端よりも大きくなっていても良い。この場合、太陽光の入射光側の直径を小さくし、その反対側の直径を大きくすると、量子細線７ａの中で直径が大きい方である太陽光から遠い側においてもキャリアが導体層などの集電部材へ移動しやすくなり、光電変換効率を高めることができる。

図２は、本実施形態の他の態様を示すもので、量子細線の間に金属酸化膜を有していることを示す拡大模式図である。

また、この細線束７Ａは量子細線７ａ間に金属酸化物７ｂが介在していてもよい。この場合、金属酸化物７ｂは、図２に示すように、金属元素膜７ｂａと酸素膜７ｂｂとが原子オーダーで積層されて膜状となったものが良い。以下、膜状の金属酸化物のことを金属酸化物膜７ｂと表記する場合がある。金属酸化物膜７ｂとして金属元素と酸素とが原子オーダーで積層されている構造であると、量子細線７ａの表面および量子細線７ａ間に原子オーダーで障壁層を形成できるため、キャリアの染みだしが容易となり、これにより光電変換効率を高めることができる。このような金属酸化物膜７ｂは原子層堆積層（Atomic Layer Deposition、以下、ALD法と表記する。）によって形成することができる。

そして、金属酸化物膜７ｂの材料としては、量子細線７ａおよび細線束７Ａからのキャリアの収集効率を高められるという点で、酸化亜鉛または酸化アルミニウムを挙げることができるが、この中でバンドギャップが、後述の量子細線７ａの材料に近いという点から酸化亜鉛が良い。

上記した量子細線７ａ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、０．１５〜４．５０ｅｖ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）、亜鉛（Ｚｎ）、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もしくは酸化物を用いることが望ましい。

次に、本実施形態の光電変換装置の製造方法について説明する。図３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、リンドープシリコン基板を準備する。

次に、このリンドープシリコン膜５ の表面上に上記の光電変換膜７を形成する。この
場合、慣用のメタルアシストエッチング法を用いる。まず、図３（ａ）に示すように、第１導体層３とは反対側のリンドープシリコン基板５上に量子細線７ａを形成するための半導体膜８を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、半導体膜８の表面にＡｇなどの金属粒子１０を置いて、溶解液によって金属が置かれた部分を厚み方向に溶解させていく。このような処理の後
に残った部分が量子細線７ａとなる。この場合、エッチング溶液としては、過酸化水素とフッ化水素水との混合溶液を用いる。このとき、半導体膜８の下層側を残すようにする。

次に、図３（ｃ）に示すように、量子細線７ａを除く領域に、上記したＡＬＤ法を用いて、例えば、亜鉛のガスと酸素ガスとを交互に導入して、亜鉛膜と酸素膜とを交互に成膜していく。こうして本実施形態の光電変換膜７を形成できる。

次に、図１に示した光電変換装置となるように、以下の工程を実施する。光電変換膜７の表面にホウ素ドープアモルファスシリコン膜９を形成する。このホウ素ドープアモルファスシリコン膜９の形成にはプラズマＣＶＤ法を用いる。最後に、ホウ素ドープアモルファスシリコン膜９の表面に、第２導体層１１となるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜を形成する。一方、リンドープシリコン基板５の裏面に第１導体層３となる銀の膜を蒸着法によって形成する。 こうして本実施形態の光電変換装置が得られる。

以下、上記した方法によって光電変換装置を作製して光吸収量の評価を行った。この場合、光吸収量の評価として短絡電流密度を測定した。

まず、リンドープシリコン基板は厚みが０．５ｍｍ、第１導体層には銀（Ａｇ）を用いた。第２導体層にはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いた。量子細線および細線束を形成するための半導体膜として真性シリコンをプラズマＣＶＤ法を用いて作製した。絶縁材料としては酸化亜鉛をＡＬＤ法により形成した。

次に、作製した光電変換膜の横断面を電子顕微鏡によって観察し、量子細線および細線束のサイズを測定した。作製した光電変換装置は、量子細線の平均の直径が５ｎｍ、量子細線間の間隔が１０ｎｍ、細線束の平均の直径が９００ｎｍ、半導体膜の厚みに起因する量子細線および細線束の平均長さが１μｍ、細線束間の間隔は平均で１００ｎｍであった。第１導体層の平均厚みが０．１μｍ、第２導体層の平均厚みが０．３μｍであった。量子細線は横断面の形状が四角状であり、リンドープシリコン基板側の直径が上端側よりも大きくなっていた。

また、得られた光電変換膜の第１導体層と第２導体層間にリード線を接続し、１ＳＵＮの太陽光を照射してＩ−Ｖ特性を測定し、短絡電流密度を求めた。

比較例として、量子細線が孤立して配置された 試料を作製し、同様の評価を行った。

３・・・・・第１導体層
５・・・・・リンドープシリコン基板
７・・・・・光電変換膜
７Ａ・・・・細線束
７ａ・・・・量子細線
７ｂ・・・・金属酸化物膜
７ｂａ・・・金属元素膜
７ｂｂ・・・酸素膜
９・・・・・ホウ素ドープアモルファスシリコン膜
１１・・・・第２導体層

Claims (8)

1. 複数の量子細線が束状に集積された複数の細線束がアレイ状に配列しているとともに、前記複数の細線束の直径は、可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在ることを特徴とする光電変換膜。
2. 前記細線束は、直径が７００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜。
3. 前記量子細線は、横断面の形状が多角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換膜。
4. 前記量子細線の直径は、一方端が他方端よりも大きい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膜。
5. 前記複数の細線束は、前記細線束の直径以下の間隔で集積されている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膜。
6. 前記量子細線間に金属酸化物が介在していることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の光電変換膜。
7. 前記金属酸化物が、酸化亜鉛または酸化アルミニウムであることをを特徴とする請求項６に記載の光電変換膜。
8. ２つの導体層間に光電変換層を備えた太陽電池であって、前記光電変換層が請求項１乃至７のうちいずれかに記載の光電変換膜であることを特徴とする光電変換装置。

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