JP2023066887A - Tandem solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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剛輝 向井
Taketeru Mukai
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Abstract

To provide a tandem solar cell capable of being manufactured at a low cost with a simple configuration and realizing high photoelectric conversion efficiency, and a manufacturing method thereof.SOLUTION: In a tandem solar cell consisting of two or more light absorption layers with different absorption wavelength ranges, at least one of the plurality of light absorption layers is a quantum dot superlattice layer composed of quantum dots forming a superlattice structure, and a tunnel junction layer is not interposed between the adjacent light absorption layers.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数の光吸収層を有するタンデム型太陽電池、およびその製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a tandem solar cell having a plurality of light absorbing layers and a method for manufacturing the same.

太陽電池の発電効率を上げるために、互いに異なる波長域の光を光電変換する複数の光吸収層(光電変換層)を組み合わせたタンデム型太陽電池が知られている。従来のタンデム型太陽電池は、積層された複数の光吸収層から電極まで、ポテンシャル障壁を越えることなくキャリアが流れるようにするために、光吸収層どうしをトンネル接合層によって接続している(例えば、特許文献1)。 BACKGROUND ART In order to increase the power generation efficiency of a solar cell, a tandem solar cell is known that combines a plurality of light absorption layers (photoelectric conversion layers) that photoelectrically convert light in different wavelength ranges. In conventional tandem solar cells, the light absorption layers are connected by a tunnel junction layer (for example, a , Patent Document 1).

また、発電効率を更に上げるために、例えば、複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた中間バンドが形成されている中間バンド型太陽電池セルと、この中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池セルとを備え、電流調整用太陽電池セルはpn接合でなるトンネル層を備え、このトンネル層によって中間バンド型太陽電池セルに接合されているタンデム型太陽電池が開示されている(例えば、特許文献2)。 Further, in order to further increase the power generation efficiency, for example, an intermediate band type solar cell in which an intermediate band is formed by laminating a plurality of quantum dot layers in which a plurality of quantum dots are arranged in an embedded layer, and this a current adjusting solar cell formed on the light incident side of the intermediate band type solar cell, the current adjusting solar cell including a tunnel layer composed of a pn junction, and the tunnel layer forming the intermediate band type solar cell A tandem solar cell is disclosed (eg, Patent Document 2).

特開2004-111687号公報JP 2004-111687 A 特開2016-122752号公報JP 2016-122752 A

しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載されたタンデム型太陽電池は、いずれも互いに吸収波長域の異なる複数の光吸収層どうしをトンネル接合層によって接続しているために、それぞれの光吸収層で発生するキャリアの総量を一致させる必要があった。このため、タンデム化によって光吸収波長の拡大と開放電圧の上昇といった効果は得られるものの、開放電圧での短絡電流を上昇させることは困難であった。しかも、トンネル接合層の形成によって太陽電池の層構成が複雑になるため、製造コストが高くなるという課題もあった。 However, in the tandem solar cells described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, since a plurality of light absorption layers having different absorption wavelength ranges are connected to each other by a tunnel junction layer, each light absorption layer It was necessary to match the total amount of carriers generated at For this reason, although the tandem structure has the effects of expanding the light absorption wavelength and increasing the open-circuit voltage, it has been difficult to increase the short-circuit current at the open-circuit voltage. In addition, the formation of the tunnel junction layer complicates the layer structure of the solar cell, which raises the problem of increased manufacturing costs.

この発明は上記課題に鑑みて提案されたものであり、簡易な構成で、低コストに製造可能であり、高い光電変換効率を実現可能なタンデム型太陽電池、およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above problems, and aims to provide a tandem solar cell that has a simple configuration, can be manufactured at low cost, and can achieve high photoelectric conversion efficiency, and a method for manufacturing the same. aim.

上記課題を解決するために、本発明のタンデム型太陽電池は、 互いに吸収波長域が異なる2層以上の光吸収層を積層してなるタンデム型太陽電池であって、複数の前記光吸収層のうち、少なくとも1つの光吸収層は、超格子構造を成す量子ドットからなる量子ドット超格子層であり、互いに隣接する前記光吸収層どうしの間にトンネル接合層を介在させないことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the tandem solar cell of the present invention is a tandem solar cell formed by laminating two or more light absorbing layers having mutually different absorption wavelength ranges, Among them, at least one light absorption layer is a quantum dot superlattice layer composed of quantum dots forming a superlattice structure, and is characterized in that no tunnel junction layer is interposed between the adjacent light absorption layers.

また、本発明では、前記量子ドットはコロイド型量子ドットであって、金属硫化物、金属セレン化物、金属テルル化物、金属砒化物、金属リン化物、金属アンチモン化物のうち、少なくとも1種を含んでいてもよい。 Also, in the present invention, the quantum dots are colloidal quantum dots and contain at least one of metal sulfides, metal selenides, metal tellurides, metal arsenides, metal phosphides, and metal antimonides. You can

また、本発明では、複数の前記光吸収層は、積層方向に沿ってそれぞれの前記光吸収層のエネルギーバンドが、前記光吸収層の中を通過するキャリアのエネルギーが減少する方向に配列されていてもよい。 Further, in the present invention, the plurality of light absorption layers are arranged along the lamination direction such that the energy bands of the respective light absorption layers are arranged in a direction in which the energy of carriers passing through the light absorption layers decreases. may

また、本発明では、前記コロイド型量子ドットは、その表面に結晶面方位に依存したファセット面を持つ構成であってもよい。 Further, in the present invention, the colloidal quantum dots may have a facet plane depending on the crystal plane orientation on the surface thereof.

また、本発明のタンデム型太陽電池の製造方法は、前記各項に記載のタンデム型太陽電池の製造方法であって、溶媒に分散させたコロイド型量子ドットを基板に沈降させて、前記量子ドット超格子層を形成することを特徴とする。 Further, a method for producing a tandem solar cell of the present invention is a method for producing a tandem solar cell according to each of the above items, wherein colloidal quantum dots dispersed in a solvent are allowed to settle on a substrate, and the quantum dots are It is characterized by forming a superlattice layer.

また、本発明では、前記基板は、錐形のマイクロホールを複数配列したテンプレートであってもよい。 Further, in the present invention, the substrate may be a template in which a plurality of conical microholes are arranged.

本発明によれば、簡易な構成で、低コストに製造可能であり、高い光電変換効率を実現可能なタンデム型太陽電池、およびその製造方法を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the tandem-type solar cell which can be manufactured at low cost with a simple structure and can implement|achieve high photoelectric conversion efficiency, and its manufacturing method.

本発明の第1実施形態のタンデム型太陽電池を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a tandem solar cell according to a first embodiment of the invention; FIG. 第1実施形態のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a band diagram of the tandem solar cell of the first embodiment; 本発明の第2実施形態のタンデム型太陽電池を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a tandem solar cell according to a second embodiment of the invention; 第2実施形態のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a band diagram of a tandem solar cell of a second embodiment; タンデム型太陽電池の製造方法に用いる基板の一例としてのテンプレートを示すSEM写真である。4 is a SEM photograph showing a template as an example of a substrate used in a method for manufacturing a tandem solar cell; 検証例1のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。2 is a schematic diagram showing a band diagram of a tandem solar cell of Verification Example 1. FIG. 検証例2のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a band diagram of a tandem solar cell of Verification Example 2;

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のタンデム型太陽電池、およびその製造方法について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 A tandem solar cell according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments shown below are specifically described for better understanding of the gist of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make it easier to understand the features of the present invention, there are cases where the main parts are enlarged for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. not necessarily.

(タンデム型太陽電池:第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態のタンデム型太陽電池を示す断面図である。
本実施形態のタンデム型太陽電池(以下、単に太陽電池と称することがある)10は、表面電極11と、裏面電極12と、この2つの電極間に形成された光吸収積層体13と、から構成されている。
(Tandem solar cell: first embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a tandem solar cell according to a first embodiment of the invention.
A tandem solar cell (hereinafter sometimes simply referred to as a solar cell) 10 of the present embodiment comprises a front electrode 11, a back electrode 12, and a light absorbing laminate 13 formed between the two electrodes. It is configured.

こうした太陽電池10は、表面電極11側から太陽光を入射させ、光吸収積層体13において光電変換を行い、表面電極11と裏面電極12との間で発電した電力を取り出すことができる。 Such a solar cell 10 allows sunlight to enter from the front electrode 11 side, performs photoelectric conversion in the light absorption laminate 13 , and can take out electric power generated between the front electrode 11 and the back electrode 12 .

本実施形態の表面電極11は、金属膜を櫛形に形成し、櫛歯部分どうしの隙間から太陽光を透過可能な櫛歯電極にした。金属膜としてはAgを用いた。こうした櫛歯電極の場合、太陽光が不透過であっても透明導電性材料よりも導電率が高い金属膜によって構成することができる。 The surface electrode 11 of the present embodiment is a comb-teeth electrode formed by forming a metal film in a comb shape and allowing sunlight to pass through the gaps between the comb-teeth portions. Ag was used as the metal film. In the case of such a comb-teeth electrode, even if sunlight is impermeable, it can be composed of a metal film having a higher conductivity than that of a transparent conductive material.

なお、表面電極11は、太陽光を透過可能な透明導電性材料、例えば、酸素欠陥を制御した酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム等の電気伝導性酸化物の他、酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜であるAZO(AlドープZnO)、BZO(BドープZnO)、FZO(FドープZnO)、GZO(GaドープZnO)等、酸化スズを主成分とする透明導電膜であるATO(SbドープSnO)、FTO(FドープSnO)等、酸化インジウムを主成分とする透明導電膜であるITO(SbドープIn)、IFO(FドープIn)等を所定の厚みで成膜して構成することもできる。 Note that the surface electrode 11 is made of a transparent conductive material capable of transmitting sunlight, for example, an electrically conductive oxide such as zinc oxide, tin oxide, and indium oxide in which oxygen defects are controlled, and zinc oxide as a main component. ATO (Sb-doped SnO 2 ), FTO (F-doped SnO 2 ), ITO (Sb-doped In 2 O 3 ), IFO (F-doped In 2 O 3 ), etc., which are transparent conductive films containing indium oxide as a main component, are deposited to a predetermined thickness. It can also be configured by forming a film.

なお、表面電極11の外面側には、更に透明な硬質膜などの表面保護層(図示略)を形成することも好ましい。こうした表面保護層を形成することによって、表面電極11を物理的な応力から保護することができる。
また、光吸収積層体13と表面電極11との間には、更に反射防止膜(図示略)を形成することも好ましい。
It is also preferable to further form a surface protective layer (not shown) such as a transparent hard film on the outer surface side of the surface electrode 11 . By forming such a surface protective layer, the surface electrode 11 can be protected from physical stress.
It is also preferable to further form an antireflection film (not shown) between the light absorbing laminate 13 and the surface electrode 11 .

裏面電極12は、表面電極11と対を成す電極であると共に、光吸収積層体13を透過した太陽光を反射させて光吸収積層体13に再入射させる反射層の役割も果たす。このため、裏面電極12は、導電性でかつ光反射性の金属、例えば、AlやAlを含む合金、AgやAgを含む合金など、光反射性が高く、かつ導電性の高い金属を用いることが好ましい。 The back electrode 12 is an electrode paired with the front electrode 11 and also serves as a reflective layer that reflects the sunlight that has passed through the light absorbing laminate 13 and causes the sunlight to enter the light absorbing laminate 13 again. Therefore, for the back electrode 12, a conductive and light-reflecting metal, such as Al, an alloy containing Al, Ag, or an alloy containing Ag, should be used. is preferred.

本実施形態の光吸収積層体13は、複数の光吸収層、即ち、表面電極11側から順に、第1光吸収層14、第2光吸収層15、第3光吸収層16が積層されてなる。これら第1光吸収層14、第2光吸収層15、第3光吸収層16は、互いに吸収波長域が異なる材料から構成されている。そして、第1光吸収層14、第2光吸収層15、第3光吸収層16は、互いの間にトンネル接合層を介在させることなく積層されている。 The light-absorbing laminate 13 of this embodiment includes a plurality of light-absorbing layers, that is, a first light-absorbing layer 14, a second light-absorbing layer 15, and a third light-absorbing layer 16, which are stacked in order from the surface electrode 11 side. Become. The first light absorption layer 14, the second light absorption layer 15, and the third light absorption layer 16 are made of materials having absorption wavelength ranges different from each other. The first light absorption layer 14, the second light absorption layer 15, and the third light absorption layer 16 are laminated without interposing a tunnel junction layer therebetween.

第1光吸収層14は、セレン化錫(II)(SnSe)のナノシート(厚さ数十~数百ナノメートル)から構成されている。こうした第1光吸収層14は、複数の光吸収層14,15,16のうち、短波長側の波長域の太陽光を吸収し、光電変換を行う。 The first light absorption layer 14 is composed of nanosheets of tin (II) selenide (SnSe) (with a thickness of several tens to several hundred nanometers). Among the plurality of light absorption layers 14, 15, and 16, the first light absorption layer 14 absorbs sunlight in the wavelength region on the short wavelength side and performs photoelectric conversion.

第2光吸収層15は、超格子構造を成す半導体である硫化鉛(PbS)の量子ドットからなる量子ドット超格子層(バンド端吸収波長1800nm)である。こうした半導体量子ドットが規則的に配列した量子ドット超格子層は、隣接した量子ドット間の相互作用により、独立した個々の量子ドットとは異なる、量子ドット集合体としての物性を有している。 The second light absorption layer 15 is a quantum dot superlattice layer (band edge absorption wavelength: 1800 nm) composed of quantum dots of lead sulfide (PbS), which is a semiconductor that forms a superlattice structure. A quantum dot superlattice layer in which such semiconductor quantum dots are regularly arranged has physical properties as a quantum dot aggregate that are different from independent individual quantum dots due to interactions between adjacent quantum dots.

特に、量子ドット間の距離が5ナノメートル以下まで近接した場合には、量子共鳴と称される量子ドット間の波動関数(電子の広がり)の結合が生じる。こうした量子共鳴によって、電子状態は集合体全体に広がり、電荷移動度が大きく向上する。 In particular, when the distance between quantum dots is close to 5 nanometers or less, coupling of wave functions (spreading of electrons) between quantum dots occurs, which is called quantum resonance. These quantum resonances spread electronic states throughout the ensemble, greatly enhancing charge mobility.

例えば、量子ドットが周期的に配列している場合には、波動関数は定在波としての特定のエネルギー状態を量子ドットの集合体全体で保持するようになる。この特定のエネルギー状態を中間バンドと称する。また、このような量子ドットの集合体を量子ドット超格子と称する。中間バンド中の電子は極めて良好に超格子内を移動できる。このような中間バンドは、量子ドットが孤立していた場合の基底準位および励起準位を元にして複数形成される。 For example, when the quantum dots are arranged periodically, the wave function maintains a specific energy state as a standing wave in the entire quantum dot assembly. This particular energy state is called the intermediate band. Also, such an aggregate of quantum dots is called a quantum dot superlattice. Electrons in the intermediate band can move within the superlattice very well. A plurality of such intermediate bands are formed based on the ground level and the excited level when the quantum dot is isolated.

量子ドット超格子、およびその結果としての中間バンドを形成するためには、できるだけ均一な量子ドットを、できるだけ整った状態で3次元的に、かつ周期的に配列させる必要がある。例えば、上述した特許文献2には、量子ドット超格子をIII-V族半導体の気相エピタキシャル成長法によって作製する例が開示されている。 In order to form the quantum dot superlattice and the resulting intermediate band, it is necessary to arrange the quantum dots as uniformly as possible, three-dimensionally and periodically, as well as possible. For example, Patent Literature 2 mentioned above discloses an example of fabricating a quantum dot superlattice by vapor phase epitaxial growth of a III-V group semiconductor.

しかしながら、特許文献2のような気相エピタキシャル成長法における量子ドットは、基板との格子不整合に由来した成長中の結晶歪みをその形成原理としているため、成長中に時々刻々と変化する結晶歪みの制御が難しく、均一な量子ドットが周期的に配列された超格子層を形成することには限界があることが知られている。 However, the quantum dots in the vapor phase epitaxial growth method as in Patent Document 2 are based on the crystal strain during growth due to lattice mismatch with the substrate, so the crystal strain that changes every moment during growth. It is known that control is difficult and there is a limit to forming a superlattice layer in which uniform quantum dots are periodically arranged.

第3光吸収層16は、単結晶シリコン層から構成されている。こうした第3光吸収層16は、複数の光吸収層14,15,16のうち、長波長側の波長域の太陽光を吸収し、光電変換を行う。 The third light absorption layer 16 is composed of a single crystal silicon layer. Such a third light absorption layer 16 absorbs sunlight in the wavelength region on the long wavelength side among the plurality of light absorption layers 14, 15, and 16, and performs photoelectric conversion.

図2は、図1に示す本実施形態のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。
本実施形態の太陽電池10の光吸収積層体13は、それぞれのバンドギャップの上端が、第1光吸収層14から順に3.74eV、4.2eV、4.05eVとなっているが、第2光吸収層15を量子ドット超格子層としたために、この第2光吸収層15で4.2eVよりも高いエネルギー位置に中間バンドが形成されるため、光吸収積層体13のいずれにも電子にとってのポテンシャル障壁(キャリアが電極に向かって流れようとする場合にエネルギーを得ないと超えられない障壁)が形成されることがない。また、正孔にとっても同様のことが言える。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a band diagram of the tandem solar cell of this embodiment shown in FIG.
In the light-absorbing laminate 13 of the solar cell 10 of this embodiment, the upper end of each bandgap is 3.74 eV, 4.2 eV, and 4.05 eV in order from the first light-absorbing layer 14, but the second light-absorbing layer 14 Since the light-absorbing layer 15 is a quantum dot superlattice layer, an intermediate band is formed at an energy position higher than 4.2 eV in the second light-absorbing layer 15 . A potential barrier (a barrier that cannot be crossed without obtaining energy when carriers try to flow toward the electrode) is not formed. The same can be said for holes.

このように、積層方向に沿ってそれぞれの光吸収層14,15,16のエネルギーバンドが、光吸収層の中を通過するキャリアのエネルギーが減少する方向に配列されることによって、電子、及び正孔が裏面電極12、及び表面電極11に向かってスムーズに流れる。 In this way, the energy bands of the respective light absorption layers 14, 15, 16 along the lamination direction are aligned in the direction in which the energy of carriers passing through the light absorption layers decreases, thereby allowing electrons and positive electrons to pass through the light absorbing layers. The holes flow smoothly toward the back electrode 12 and the surface electrode 11 .

第2光吸収層15を構成する量子ドット超格子層は、単なる量子ドット光吸収層とは異なる。従来の量子ドット光吸収層は、単一量子ドット中には励起準位は存在するものの孤立しており、エネルギーバンド化していない。そのため、単なる励起準位はキャリアフローの助けにはなっていない。例えば、第2光吸収層15として量子ドットが超格子を形成していない量子ドット光吸収層とした場合、ポテンシャル障壁が生じるため、それぞれの光吸収層の間にトンネル接合層を挿入する必要が生じる。 The quantum dot superlattice layer forming the second light absorption layer 15 is different from a mere quantum dot light absorption layer. In a conventional quantum dot light absorption layer, although an excitation level exists in a single quantum dot, it is isolated and does not form an energy band. Therefore, mere excited levels do not help carrier flow. For example, when a quantum dot light absorption layer in which quantum dots do not form a superlattice is used as the second light absorption layer 15, a potential barrier is generated, so it is necessary to insert a tunnel junction layer between the light absorption layers. occur.

こうした量子ドット超格子層(本実施形態では第2光吸収層15)における中間バンドの形成位置は、量子ドットの材料やサイズによって、任意の位置に調整することが可能である。 The formation position of the intermediate band in such a quantum dot superlattice layer (the second light absorption layer 15 in this embodiment) can be adjusted to any position depending on the material and size of the quantum dots.

例えば、量子ドット超格子層の構成材料としては、金属硫化物、金属セレン化物、金属テルル化物、金属砒化物、金属リン化物、金属アンチモン化物のうち、少なくとも1種を含むものであればよい。より具体的には、例えば、PbS,CdS,CdSe,CdTe,GaAs,GaSb,HgSe,HgTe,InAs,InP,InSb,PbSe,PbTe,ZnS,ZnSe,ZnTe,AgS,SnSe,SnTe、あるいはこれらを混合したものから構成することができる。 For example, the constituent material of the quantum dot superlattice layer may contain at least one of metal sulfide, metal selenide, metal telluride, metal arsenide, metal phosphide, and metal antimonide. More specifically, for example, PbS, CdS, CdSe, CdTe, GaAs, GaSb, HgSe, HgTe, InAs, InP, InSb, PbSe, PbTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, Ag 2 S, SnSe, SnTe, or these can be composed of a mixture of

第2光吸収層15を構成する量子ドット超格子層は、上述した構成材料を用いて、例えば、気相エピタキシャル成長法によって量子ドット超格子を構成できる。また、より良好な超格子を実現するための量子ドットとして、コロイド型量子ドットを用いることもできる。コロイド型量子ドットは、液体中の化学反応によって作製することができる。コロイド型量子ドットは、気相エピタキシャル成長法のように基板に束縛されずに形成することができるので、高均一な量子ドットにすることができる。 The quantum dot superlattice layer forming the second light absorption layer 15 can form a quantum dot superlattice using the constituent materials described above, for example, by a vapor phase epitaxial growth method. Colloidal quantum dots can also be used as quantum dots for realizing a better superlattice. Colloidal quantum dots can be made by chemical reactions in liquids. Colloidal quantum dots can be formed without being bound by a substrate, unlike the vapor phase epitaxial growth method, so highly uniform quantum dots can be obtained.

更に、コロイド型量子ドットを取り囲む配位子の大きさを調整することによって、互いに隣接する量子ドットどうしの最近接距離を制御することもできる。また、安価に大量に製造することができる。コロイド型量子ドットを溶媒中で基板上に沈降、積層させると、量子ドットが最密充填されて、3次元的な周期構造としての量子ドット超格子層を形成することができる。 Furthermore, by adjusting the size of the ligands surrounding the colloidal quantum dots, it is possible to control the closest distance between adjacent quantum dots. Moreover, it can be manufactured in large quantities at low cost. When colloidal quantum dots are precipitated and laminated on a substrate in a solvent, the quantum dots are closely packed to form a quantum dot superlattice layer as a three-dimensional periodic structure.

コロイド型量子ドットの表面には、結晶面方位に依存したファセット面を持たせることもできる。ファセット面は、コロイド型量子ドットを溶媒中で沈降、積層させて量子ドット超格子層を形成させる際に、各量子ドットの結晶面方位を同一方向に揃える働きがある。各量子ドットの結晶面方位が揃っていると、量子ドット間の波動関数の結合が良好となり、電気的特性の優れた中間バンドが形成される。 The surface of colloidal quantum dots can also have facets depending on the crystal plane orientation. The facet plane has the function of aligning the crystal plane orientation of each quantum dot in the same direction when the colloidal quantum dots are sedimented and stacked in a solvent to form a quantum dot superlattice layer. When the crystal plane orientation of each quantum dot is aligned, the wave function coupling between the quantum dots becomes favorable, and an intermediate band with excellent electrical characteristics is formed.

一方、コロイド型量子ドットを溶媒中で沈降させて作製した3次元的な周期構造は、電子顕微鏡の視野程度の狭い領域では均一な周期構造ではあるものの、より広い領域で見た場合には配列方向が無秩序である。その理由は、コロイド型量子ドットの配列が局所的に無秩序に同時進行するからである。 On the other hand, the three-dimensional periodic structure produced by sedimenting colloidal quantum dots in a solvent is a uniform periodic structure in a narrow area of the field of view of an electron microscope, but when viewed in a wider area, it is arranged. The direction is chaotic. The reason for this is that the colloidal quantum dots are arranged randomly and simultaneously.

こうした課題を解決し、より広い領域で配列方向を揃えるために、コロイド型量子ドットが無秩序に移動できる平面基板ではなく、配列方向を強制的に整えるための加工を施した基板を用いることができる。このような加工基板は、エッチングレートが基板の結晶面方位に依存する異方性エッチングなどで作製できる。 In order to solve these problems and align the alignment direction in a wider area, it is possible to use a substrate processed to forcibly align the alignment direction instead of a planar substrate on which the colloidal quantum dots can move chaotically. . Such a processed substrate can be produced by anisotropic etching or the like in which the etching rate depends on the crystal plane orientation of the substrate.

気相エピタキシャル成長法によって、量子ドットではなくコロイド型量子ドットを用いることの別の利点として、材料選択の任意性が挙げられる。気相エピタキシャル成長法では、結晶成長に使用する基板とほとんど格子整合させる必要性のために、使用できる材料には自ずと制限があるが、コロイド型量子ドットを用いる場合にはそのようなことがない。その結果、タンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを設計する際、材料選択の制限を全くなくすことが可能になり、自由に構成材料が選択可能になる。 Another advantage of using colloidal quantum dots rather than quantum dots by vapor phase epitaxial growth is the flexibility of material selection. In the vapor phase epitaxial growth method, the materials that can be used are naturally limited due to the need to be nearly lattice-matched with the substrate used for crystal growth, but this is not the case when colloidal quantum dots are used. As a result, when designing the band diagram of the tandem solar cell, it becomes possible to completely eliminate the restriction on material selection, and the constituent materials can be freely selected.

以上のように、本実施形態の太陽電池10によれば、光吸収積層体13を構成する光吸収層14,15,16のうち、第2光吸収層15を量子ドット超格子層にすることによって任意の位置に中間バンドを形成し、ポテンシャル障壁をなくすことができる。これにより、トンネル接合層を形成しなくても、キャリアをスムーズに電極に向かって移動させることができる。その結果、太陽電池10の設計時に電流整合条件が不要となり、電極間電圧と生成電流を同時に向上させることができるようになった結果、高効率な太陽電池を実現することができる。また、任意の位置に中間バンドを形成することができるので、それぞれの光吸収層の設計自由度を大きく向上させることができる。 As described above, according to the solar cell 10 of the present embodiment, the second light absorbing layer 15 among the light absorbing layers 14, 15, and 16 constituting the light absorbing laminate 13 is a quantum dot superlattice layer. can form an intermediate band at an arbitrary position and eliminate the potential barrier. This allows carriers to move smoothly toward the electrode without forming a tunnel junction layer. As a result, a current matching condition is not required when designing the solar cell 10, and the voltage between the electrodes and the generated current can be improved at the same time. As a result, a highly efficient solar cell can be realized. Moreover, since the intermediate band can be formed at an arbitrary position, the degree of freedom in designing each light absorption layer can be greatly improved.

(タンデム型太陽電池:第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態のタンデム型太陽電池を示す断面図である。また、図4は、図3のタンデム型太陽電池のバンドダイヤグラムを示す模式図である。
本実施形態の太陽電池20は、太陽光の入射側から順に、表面電極21、正孔輸送層24、光吸収積層体23、裏面電極22が積層されてなる。光吸収積層体23は、第1光吸収層25、第2光吸収層26から構成されている。
(Tandem solar cell: Second embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a tandem solar cell according to a second embodiment of the invention. Moreover, FIG. 4 is a schematic diagram showing a band diagram of the tandem solar cell of FIG.
The solar cell 20 of the present embodiment is formed by stacking a front electrode 21, a hole transport layer 24, a light absorbing laminate 23, and a back electrode 22 in order from the sunlight incident side. The light-absorbing laminate 23 is composed of a first light-absorbing layer 25 and a second light-absorbing layer 26 .

本実施形態の裏面電極22は、アルミニウム基板とした。また、表面電極21は、太陽光を透過可能な透明導電性材料であるITOを所定の厚みで成膜して構成した。 The rear surface electrode 22 of this embodiment is an aluminum substrate. The surface electrode 21 is formed by forming a film of ITO, which is a transparent conductive material capable of transmitting sunlight, with a predetermined thickness.

正孔輸送層24は、正孔を表面電極21側へ円滑に流し、電子の流入をブロックする層であり、光吸収積層体23と表面電極21の界面での再結合を抑制している。本実施形態の正孔輸送層24は、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):(PEDOT)、ポリ(4-スチレンスルホン酸):(PSS)の混合物から構成されている。 The hole transport layer 24 is a layer that allows holes to flow smoothly toward the surface electrode 21 and blocks the inflow of electrons. The hole transport layer 24 of this embodiment is composed of a mixture of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):(PEDOT) and poly(4-styrenesulfonic acid):(PSS).

第1光吸収層25は、超格子構造を成す半導体である硫化鉛(PbS)の量子ドットからなる量子ドット超格子層(バンド端吸収波長1400nm)である。PbSの量子ドット超格子層からなる第1光吸収層25は、量子ドット内の電子が他の隣接する量子ドットへと移動できる中間バンドが形成される。こうした第1光吸収層25は、複数の光吸収層25,26のうち、短波長側の波長域の太陽光を吸収し、光電変換を行う。 The first light absorption layer 25 is a quantum dot superlattice layer (band edge absorption wavelength 1400 nm) composed of quantum dots of lead sulfide (PbS), which is a semiconductor forming a superlattice structure. The first light absorbing layer 25, which consists of a quantum dot superlattice layer of PbS, forms an intermediate band in which electrons in a quantum dot can move to other adjacent quantum dots. Among the plurality of light absorption layers 25 and 26, the first light absorption layer 25 absorbs sunlight in the wavelength region on the short wavelength side and performs photoelectric conversion.

第2光吸収層26は、超格子構造を成す半導体である硫化鉛(PbS)の量子ドットからなる量子ドット超格子層(バンド端吸収波長1800nm)である。PbSの量子ドット超格子層からなる第2光吸収層26は、量子ドット内の電子が他の隣接する量子ドットへと移動できる中間バンドが形成される。こうした第2光吸収層26は、複数の光吸収層25,26のうち、長波長側の波長域の太陽光を吸収し、光電変換を行う。 The second light absorption layer 26 is a quantum dot superlattice layer (band edge absorption wavelength 1800 nm) composed of quantum dots of lead sulfide (PbS), which is a semiconductor forming a superlattice structure. The second light absorbing layer 26, which consists of a quantum dot superlattice layer of PbS, forms an intermediate band in which electrons in a quantum dot can move to other adjacent quantum dots. Such a second light absorption layer 26 absorbs sunlight in the wavelength region on the longer wavelength side among the plurality of light absorption layers 25 and 26, and performs photoelectric conversion.

本実施形態の太陽電池20の光吸収積層体23は、それぞれのバンドギャップの上端が、第1光吸収層25から順に4.1eV、4.2eVとなっているが、第1光吸収層25および第2光吸収層26をいずれも量子ドット超格子層としたために、この第1光吸収層25および第2光吸収層26でそれぞれのエネルギーバンド端よりも高いエネルギー位置に中間バンドが形成される。これにより、光吸収積層体23のいずれにもポテンシャル障壁が形成されない。よって、電子が電極に向かってスムーズに流れる。また、正孔にとっても同様のことが言える。 In the light-absorbing laminate 23 of the solar cell 20 of this embodiment, the upper ends of the respective band gaps are 4.1 eV and 4.2 eV in order from the first light-absorbing layer 25, but the first light-absorbing layer 25 Since the quantum dot superlattice layer is used for both the light absorbing layer 26 and the second light absorbing layer 26, an intermediate band is formed at an energy position higher than the energy band edge of each of the first light absorbing layer 25 and the second light absorbing layer 26. be. Thereby, no potential barrier is formed in any of the light absorbing laminates 23 . Therefore, electrons smoothly flow toward the electrodes. The same can be said for holes.

(タンデム型太陽電池の製造方法)
タンデム型太陽電池の製造方法として、量子ドット超格子層を形成する際には、溶媒、例えばトルエンにコロイド型量子ドット分散させた量子ドット分散液(以下、QD(Quantum Dot)分散液と称する)を用いて、このQD分散液中の量子ドットを基板上に沈降させることで形成することができる。
(Manufacturing method of tandem solar cell)
As a method for producing a tandem solar cell, when forming a quantum dot superlattice layer, a quantum dot dispersion in which colloidal quantum dots are dispersed in a solvent such as toluene (hereinafter referred to as QD (Quantum Dot) dispersion) can be used to form the quantum dots in this QD dispersion by sedimentation onto the substrate.

こうした基板としては、図5に示すように、錐形のマイクロホール101,101…を複数配列したテンプレート100を用いることができる。テンプレート100は、例えば、シリコン基板を用い、レジストの露光、現像などの半導体プロセスによって、3μm四方、深さ3μmの四角錐形のマイクロホール101,101…を上下左右1μm間隔で配列形成したものを用いることができる。 As such a substrate, as shown in FIG. 5, a template 100 in which a plurality of conical microholes 101, 101 . . . are arranged can be used. The template 100 is formed by, for example, using a silicon substrate and forming 3 μm-square, 3 μm-deep, quadrangular pyramid-shaped microholes 101 , 101 , . . . can be used.

これらの錐形のマイクロホール101は、例えば、基板がシリコン単結晶であり、エッチング溶液として水酸化カリウム(KOH)溶液を用いることで、エッチング速度が面方位に依存して異なる結果、錐面に基板の面方位が現れた均一なマイクロホールとすることができる。 These conical microholes 101, for example, have a silicon single crystal substrate and use a potassium hydroxide (KOH) solution as an etching solution. It is possible to form uniform microholes in which the plane orientation of the substrate appears.

こうしたテンプレート100にQD分散液を滴下して、あるいはテンプレートをQD分散液に浸漬して、それぞれのマイクロホール101内に量子ドットを沈降させ、その後、あるいは同時に、溶媒を蒸発させることによって、量子ドット超格子層を形成することができる。 By dropping the QD dispersion onto such a template 100 or dipping the template into the QD dispersion to allow the quantum dots to settle within the respective microholes 101 and subsequently or simultaneously evaporating the solvent, the quantum dots A superlattice layer can be formed.

ここで、量子ドットの沈降に要する時間は、溶媒とQDの種類によって様々である。QDが基板上で力学的に最も安定な場所に落ち着くことによって、QDの最密充填が実現し、周期的な3次元配列が形成されるため、できるだけ時間をかけてQDを沈降させることが好ましい。また、必要とされる沈降時間と3次元配列の完全性は、基板と溶媒やQDとの親和性にも影響を受ける。すなわち、時間が短いほど低くなる製造コストと、時間をかけるほど向上する配列の完全性とを比較して、沈降時間を選べば良い。例えば、トルエンを溶媒とし配位子をオレイン酸とするPbS量子ドットを用いる場合、典型的な沈降時間は3日から1週間程度である。 Here, the time required for the sedimentation of quantum dots varies depending on the type of solvent and QDs. It is preferable to allow the QDs to settle for as long as possible because close packing of the QDs is achieved and a periodic three-dimensional array is formed by the QDs settling in the most mechanically stable location on the substrate. . The required settling time and 3D array integrity are also affected by the affinity of the substrate to the solvent and QDs. That is, the sedimentation time can be selected by weighing the cost of production, which is lower with shorter time, and the integrity of the sequence, which is improved with longer time. For example, when using PbS quantum dots with toluene as the solvent and oleic acid as the ligand, the typical settling time is about 3 days to 1 week.

以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although embodiments of the invention have been described above, such embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

(検証例1)
本発明の効果を検証した。
検証例1として、光吸収積層体を2層で構成した場合において、本発明例1、比較例1、2の太陽電池の性能を試算した。
(Verification example 1)
The effects of the present invention have been verified.
As Verification Example 1, the performances of the solar cells of Inventive Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were calculated in the case where the light-absorbing laminate was composed of two layers.

本発明例1として、表面電極(正極)としてAu膜、裏面電極(負極)としてAl膜、を用い、光吸収積層体として、セレン化錫(SnSe)ナノワイヤーからなる光吸収層と、超格子構造を成す半導体である硫化鉛(PbS)の量子ドットからなる量子ドット超格子層(バンド端吸収波長1400nm)とを、この順に積層したものを用いた。 As Example 1 of the present invention, an Au film was used as the front electrode (positive electrode) and an Al film was used as the back electrode (negative electrode). A quantum dot superlattice layer (band edge absorption wavelength: 1400 nm) composed of quantum dots of lead sulfide (PbS), which is a semiconductor constituting the structure, was laminated in this order.

比較例1として、本発明例1の量子ドット超格子層に代えて、超格子構造でない量子ドット光吸収層を用いた。
比較例2として、比較例1のナノワイヤーからなる光吸収層と量子ドット光吸収層との間にトンネル接合層を形成したものを用いた。
これら本発明例1、比較例1、2の太陽電池のバンドダイヤグラムを図6に示す。
As Comparative Example 1, instead of the quantum dot superlattice layer of Inventive Example 1, a quantum dot light absorption layer having no superlattice structure was used.
As Comparative Example 2, a device in which a tunnel junction layer was formed between the light absorbing layer made of nanowires of Comparative Example 1 and the quantum dot light absorbing layer was used.
FIG. 6 shows band diagrams of the solar cells of Inventive Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. In FIG.

図6(a)に示す本発明例1では、光吸収積層体として量子ドット超格子層を用いたことによって、中間バンドが形成され、キャリアである電子と正孔はそれぞれ2層の光吸収層から正極や負極に向かってスムーズに流れる。 In Example 1 of the present invention shown in FIG. 6A, a quantum dot superlattice layer is used as the light absorbing laminate, so that an intermediate band is formed, and electrons and holes, which are carriers, each have two layers of light absorbing layers. flows smoothly from the positive electrode to the negative electrode.

一方、比較例1では、ナノワイヤーからなる光吸収層と超格子構造でない量子ドット光吸収層との間で、電子については大きなエネルギー差のために多大な熱が発生し、正孔についてはポテンシャル障壁のために電流が流れず、タンデム型の太陽電池として機能しない。こうしたポテンシャル障壁を解消する比較例2では、トンネル接合層によってナノワイヤーからなる光吸収層の伝導体の電子と量子ドット光吸収層の価電子帯の正孔とを再結合させることにより、電流は流れて熱発生も抑制できるが、再結合によりキャリアの余剰が生じないように、電流整合条件を満たす設計を行うことが必要である。 On the other hand, in Comparative Example 1, between the light absorption layer made of nanowires and the quantum dot light absorption layer that does not have a superlattice structure, a large amount of heat is generated for electrons due to a large energy difference, and a large amount of heat is generated for holes. The barrier does not allow current to flow and does not function as a tandem solar cell. In Comparative Example 2, which eliminates such a potential barrier, the electrons in the conductor of the light absorption layer made of nanowires and the holes in the valence band of the quantum dot light absorption layer are recombined by the tunnel junction layer, whereby the current is Heat generation due to current flow can also be suppressed, but it is necessary to perform a design that satisfies the current matching condition so that recombination does not generate surplus carriers.

次に、実際にタンデム型太陽電池として機能する本発明例1と比較例2の太陽電池の出力を計算した。計算にあたって、本発明例1の量子ドット超格子層の電流生成能を中間バンドによる光吸収を考慮して40mA/cm、SnSeナノワイヤーからなる光吸収層の電流生成能を10mA/cm、比較例2の超格子構造でない量子ドット光吸収層の電流生成能を15mA/cmにそれぞれ設定した。 Next, the outputs of the solar cells of Inventive Example 1 and Comparative Example 2 that actually function as tandem solar cells were calculated. In the calculation, the current generation capacity of the quantum dot superlattice layer of Inventive Example 1 was set to 40 mA/cm 2 in consideration of the light absorption by the intermediate band, the current generation capacity of the light absorption layer made of SnSe nanowires was set to 10 mA/cm 2 , The current generation capacity of the quantum dot light absorption layer having no superlattice structure in Comparative Example 2 was set to 15 mA/cm 2 .

本発明例1では、開放電圧(V1)は正極と負極の仕事関数の差で決まり、1.04Vである。また、短絡電流密度(D1)は光吸収積層体全体で生じた電流の合計で決まるため、50mA/cmである。そして、フィルファクターを0.8に設定すると、本発明例1の太陽電池の出力は、V1×D1×0.8=41.06mA/cmである。 In Example 1 of the present invention, the open-circuit voltage (V1) is determined by the difference in work function between the positive electrode and the negative electrode, and is 1.04V. Also, the short-circuit current density (D1) is 50 mA/cm 2 because it is determined by the total current generated in the entire light-absorbing laminate. When the fill factor is set to 0.8, the output of the solar cell of Inventive Example 1 is V1×D1×0.8=41.06 mA/cm 2 .

一方、比較例2では、開放電圧(V1)は1.04Vである。また、短絡電流密度(D1)は電流整合条件を満たすために、電流生成能が小さい、SnSeナノワイヤー光吸収層の生成電流に整合するように、超格子構造でない量子ドット光吸収層の生成電流を調整する必要がある。その結果、短絡電流密度(D1)は10mA/cmとなる。フィルファクターを0.8に設定すると、比較例2の太陽電池の出力は、V1×D1×0.8=8.32mA/cmである。 On the other hand, in Comparative Example 2, the open circuit voltage (V1) is 1.04V. In addition, the short-circuit current density (D1) is the current matching condition, so that the current generated in the quantum dot light absorption layer without a superlattice structure is equal to the current generated in the SnSe nanowire light absorption layer, which has a small current generating ability. need to be adjusted. As a result, the short circuit current density (D1) is 10 mA/cm 2 . When the fill factor is set to 0.8, the output of the solar cell of Comparative Example 2 is V1×D1×0.8=8.32 mA/cm 2 .

以上の検証例1の結果から、光吸収層として量子ドット超格子層を用いた本発明例1の太陽電池は、同一構成で光吸収層として超格子構造でない量子ドット光吸収層を用いた比較例2の太陽電池と比較して、出力が約4.9倍に改善された。本発明の効果が確認された。 From the results of Verification Example 1 described above, the solar cell of Example 1 of the present invention using the quantum dot superlattice layer as the light absorption layer is a comparison using a quantum dot light absorption layer that has the same configuration but does not have a superlattice structure as the light absorption layer. Compared with the solar cell of Example 2, the output was improved by about 4.9 times. The effects of the present invention have been confirmed.

(検証例2)
検証例2として、光吸収積層体を3層で構成した場合において、本発明例2、比較例3、4の太陽電池の性能を試算した。
(Verification example 2)
As Verification Example 2, the performances of the solar cells of Invention Example 2 and Comparative Examples 3 and 4 were calculated in the case where the light-absorbing laminate was composed of three layers.

本発明例2として、表面電極(正極)としてAu膜、裏面電極(負極)としてAl膜、を用い、光吸収積層体として、超格子構造を成す半導体であるセレン化錫(SnSe)ナノワイヤーからなる光吸収層と、超格子構造を成す半導体である硫化鉛(PbS)の量子ドットからなる量子ドット超格子層(バンド端吸収波長1800nm)と、n型単結晶シリコン層とを、この順に積層したものを用いた。 As Example 2 of the present invention, an Au film was used as the front electrode (positive electrode) and an Al film was used as the back electrode (negative electrode). A light absorption layer, a quantum dot superlattice layer (band edge absorption wavelength 1800 nm) made of quantum dots of lead sulfide (PbS), which is a semiconductor forming a superlattice structure, and an n-type single crystal silicon layer are laminated in this order. I used what I did.

比較例3として、本発明例2の量子ドット超格子層に代えて、超格子構造でない量子ドット光吸収層を用いた。
比較例4として、比較例3のSnSeナノワイヤー光吸収層とPbS量子ドット光吸収層との間、およびPbS量子ドット光吸収層とn型単結晶シリコン層との間に、それぞれトンネル接合層を形成したものを用いた。
これら本発明例2、比較例3、4の太陽電池のバンドダイヤグラムを図7に示す。
As Comparative Example 3, instead of the quantum dot superlattice layer of Inventive Example 2, a quantum dot light absorption layer having no superlattice structure was used.
As Comparative Example 4, a tunnel junction layer was provided between the SnSe nanowire light absorbing layer and the PbS quantum dot light absorbing layer of Comparative Example 3 and between the PbS quantum dot light absorbing layer and the n-type single crystal silicon layer. The formed one was used.
FIG. 7 shows band diagrams of the solar cells of Inventive Example 2 and Comparative Examples 3 and 4. In FIG.

図7(a)に示す本発明例2では、光吸収積層体としてPbS量子ドット超格子層を用いたことによって中間バンドが形成され、キャリアである電子と正孔はそれぞれ3層の光吸収層から正極や負極に向かってスムーズに流れる。 In Example 2 of the present invention shown in FIG. 7( a ), an intermediate band is formed by using a PbS quantum dot superlattice layer as the light absorbing laminate, and electrons and holes, which are carriers, each have three layers of light absorbing layers. flows smoothly from the positive electrode to the negative electrode.

一方、比較例3では、超格子構造でないPbS量子ドット光吸収層とn型単結晶シリコン層との間に、電子に対しても正孔に対してもポテンシャル障壁が形成され、電流が流れず、タンデム型の太陽電池として機能しない。こうしたポテンシャル障壁を解消する比較例4では、トンネル接合層によって、SnSe量子ドット光吸収層とPbS量子ドット光吸収層との間、およびPbS量子ドット光吸収層とn型単結晶シリコン層との間で、それぞれ伝導体の電子と価電子帯の正孔とを再結合させることにより、電流は流れるが、再結合によりキャリアの余剰が生じないように、電流整合条件を満たす設計を行うことが必要である。 On the other hand, in Comparative Example 3, a potential barrier was formed against both electrons and holes between the PbS quantum dot light absorption layer, which does not have a superlattice structure, and the n-type single crystal silicon layer, and no current flowed. , does not work as a tandem solar cell. In Comparative Example 4, in which such potential barriers are eliminated, the tunnel junction layers provide a tunnel junction layer between the SnSe quantum dot light absorption layer and the PbS quantum dot light absorption layer, and between the PbS quantum dot light absorption layer and the n-type single crystal silicon layer. Therefore, it is necessary to design current matching conditions so that recombination of electrons in the conductor and holes in the valence band causes current to flow, but the recombination does not cause surplus of carriers. is.

次に、実際にタンデム型太陽電池として機能する本発明例2と比較例4の太陽電池の出力を計算した。計算にあたって、本発明例2のSnSeナノワイヤー光吸収層の電流生成能を10mA/cm、量子ドット超格子層の電流生成能を中間バンドによる光吸収を考慮して40mA/cm、比較例4の超格子構造でない量子ドット光吸収層の電流生成能を15mA/cm、n型単結晶シリコン層の電流生成能をシリコン太陽電池の性能として典型的に知られている値である25mA/cmにそれぞれ設定した。 Next, the outputs of the solar cells of Inventive Example 2 and Comparative Example 4, which actually function as tandem solar cells, were calculated. In the calculation, the current generation capacity of the SnSe nanowire light absorption layer of Inventive Example 2 is 10 mA/cm 2 , the current generation capacity of the quantum dot superlattice layer is 40 mA/cm 2 considering the light absorption by the intermediate band, and the comparative example. 4, the current generating capacity of the quantum dot light absorbing layer that does not have a superlattice structure is 15 mA/cm 2 , and the current generating capacity of the n-type single crystal silicon layer is 25 mA/cm 2 , which is a value typically known as the performance of silicon solar cells. cm 2 respectively.

本発明例2では、開放電圧(V1)は正極と負極の仕事関数の差で決まり、1.04Vである。また、短絡電流密度(D1)は光吸収積層体全体で生じた電流の合計で決まるため、75mA/cmである。そして、フィルファクターを0.8に設定すると、本発明例2の太陽電池の出力は、V1×D1×0.8=62.4mA/cmである In Example 2 of the present invention, the open-circuit voltage (V1) is determined by the difference in work function between the positive electrode and the negative electrode, and is 1.04V. Also, the short-circuit current density (D1) is 75 mA/cm 2 because it is determined by the total current generated in the entire light-absorbing laminate. Then, when the fill factor is set to 0.8, the output of the solar cell of Inventive Example 2 is V1×D1×0.8=62.4 mA/cm 2

一方、比較例4では、開放電圧(V1)は1.04Vである。また、短絡電流密度(D1)は電流整合条件を満たすために、電流生成能が最も小さいSnSeナノワイヤー光吸収層の生成電流に整合するように、PbS量子ドット光吸収層およびn型単結晶シリコン層の生成電流を調整する必要がある。その結果、短絡電流密度(D1)は10mA/cmとなる。フィルファクターを0.8に設定すると、比較例2の太陽電池の出力は、V1×D1×0.8=8.32mA/cmである。 On the other hand, in Comparative Example 4, the open circuit voltage (V1) is 1.04V. In addition, the short-circuit current density (D1) satisfies the current matching condition, so that the PbS quantum dot light absorption layer and the n-type single crystal silicon are matched to the generated current of the SnSe nanowire light absorption layer, which has the lowest current generating ability. It is necessary to adjust the layer generation current. As a result, the short circuit current density (D1) is 10 mA/cm 2 . When the fill factor is set to 0.8, the output of the solar cell of Comparative Example 2 is V1×D1×0.8=8.32 mA/cm 2 .

以上の検証例2の結果から、光吸収層として量子ドット超格子層を用いた本発明例2の太陽電池は、同一構成で光吸収層として超格子構造でない量子ドット光吸収層を用いた比較例4の太陽電池と比較して、出力が約7.5倍と大幅に改善された。本発明の効果が確認された。 From the results of Verification Example 2 described above, the solar cell of Example 2 of the present invention using the quantum dot superlattice layer as the light absorption layer is a comparison using a quantum dot light absorption layer that has the same configuration but does not have a superlattice structure as the light absorption layer. Compared with the solar cell of Example 4, the output was greatly improved by about 7.5 times. The effects of the present invention have been confirmed.

10,20… 太陽電池
11,21…表面電極
12,22…裏面電極
13,23…光吸収積層体
14…第1光吸収層
15,26…第2光吸収層(量子ドット超格子層)
16…第3光吸収層
24…正孔輸送層
25…第1光吸収層(量子ドット超格子層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20... Solar cell 11, 21... Surface electrode 12, 22... Back electrode 13, 23... Light absorption layered product 14... First light absorption layer 15, 26... Second light absorption layer (quantum dot superlattice layer)
16... Third light absorption layer 24... Hole transport layer 25... First light absorption layer (quantum dot superlattice layer)

Claims (6)

互いに吸収波長域が異なる2層以上の光吸収層を積層してなるタンデム型太陽電池であって、
複数の前記光吸収層のうち、少なくとも1つの光吸収層は、超格子構造を成す量子ドットからなる量子ドット超格子層であり、
互いに隣接する前記光吸収層どうしの間にトンネル接合層を介在させないことを特徴とするタンデム型太陽電池。
A tandem solar cell formed by laminating two or more light absorption layers having mutually different absorption wavelength ranges,
At least one of the plurality of light absorption layers is a quantum dot superlattice layer composed of quantum dots forming a superlattice structure,
A tandem solar cell, wherein no tunnel junction layer is interposed between the light absorption layers adjacent to each other.
前記量子ドットはコロイド型量子ドットであって、金属硫化物、金属セレン化物、金属テルル化物、金属砒化物、金属リン化物、金属アンチモン化物のうち、少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1に記載のタンデム型太陽電池。 4. The quantum dot is a colloidal quantum dot and contains at least one of metal sulfide, metal selenide, metal telluride, metal arsenide, metal phosphide, and metal antimonide. 2. The tandem solar cell according to 1. 複数の前記光吸収層は、積層方向に沿ってそれぞれの前記光吸収層のエネルギーバンドが、前記光吸収層の中を通過するキャリアのエネルギーが減少する方向に配列されることを特徴とする請求項1または2に記載のタンデム型太陽電池。 The plurality of light absorption layers are arranged along the lamination direction such that the energy bands of the respective light absorption layers are arranged in a direction in which the energy of carriers passing through the light absorption layers decreases. Item 3. The tandem solar cell according to Item 1 or 2. 前記コロイド型量子ドットは、その表面に結晶面方位に依存したファセット面を持つことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のタンデム型太陽電池。 4. The tandem solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the colloidal quantum dots have facet planes depending on the crystal plane orientation on their surfaces. 請求項1から4のいずれか一項に記載のタンデム型太陽電池の製造方法であって、
溶媒に分散させたコロイド型量子ドットを基板に沈降させて、前記量子ドット超格子層を形成することを特徴とするタンデム型太陽電池の製造方法。
A method for manufacturing the tandem solar cell according to any one of claims 1 to 4,
A method for producing a tandem solar cell, comprising precipitating colloidal quantum dots dispersed in a solvent onto a substrate to form the quantum dot superlattice layer.
前記基板は、錐形のマイクロホールを複数配列したテンプレートであることを特徴とする請求項5に記載のタンデム型太陽電池の製造方法。 6. The method of manufacturing a tandem solar cell according to claim 5, wherein the substrate is a template in which a plurality of conical microholes are arranged.
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