JP5509059B2 - Solar cell - Google Patents

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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

Description

本発明は、超格子構造を有する太陽電池に関する。   The present invention relates to a solar cell having a superlattice structure.

近年、CO2を排出しないクリーンなエネルギー源として光起電力素子が注目され、その普及が進みつつある。この光起電力素子のうち、現在最も普及している光起電力素子は、シリコンを用いた単接合太陽電池である。しかし、エネルギー変換効率がShockley−Quisserの理論限界値(以下、SQ理論限界という)に近づきつつある。このため、SQ理論限界を超える第3世代太陽電池の開発が行われている。 In recent years, photovoltaic devices have attracted attention as a clean energy source that does not emit CO 2 , and the spread thereof is progressing. Among these photovoltaic elements, the currently most popular photovoltaic element is a single-junction solar cell using silicon. However, the energy conversion efficiency is approaching the Shockley-Quisser theoretical limit value (hereinafter referred to as the SQ theoretical limit). For this reason, development of third generation solar cells exceeding the SQ theoretical limit has been carried out.

この第3世代太陽電池として、中間バンド又は局在準位(これらを量子構造の観点からミニバンドと呼ぶこともある)が禁制帯中に形成された中間バンド太陽電池(intermediate−band solar cells)が提案されている。中間バンド太陽電池は、母体となる半導体の禁制帯中に中間バンドが形成されることにより、価電子帯から中間バンドへの電子励起と中間バンドから伝導帯へ電子励起とが可能となり、母体の半導体の禁制帯幅よりも小さいエネルギーの光を吸収できる。このため、中間バンド太陽電池は、高いエネルギー変換効率が得られると期待されている。   As this third generation solar cell, intermediate-band solar cells in which intermediate bands or localized levels (which may be called minibands from the viewpoint of quantum structure) are formed in a forbidden band. Has been proposed. In the intermediate band solar cell, the intermediate band is formed in the forbidden band of the base semiconductor, thereby enabling the excitation of electrons from the valence band to the intermediate band and the excitation of electrons from the intermediate band to the conduction band. Light with energy smaller than the forbidden band width of semiconductors can be absorbed. For this reason, the intermediate band solar cell is expected to have high energy conversion efficiency.

例えば、中間バンド太陽電池のモデルにおいて、非集光のエネルギー変換効率が約46%であることが報告されている(非特許文献1参照)。
また、トンネル障壁を有し無機マトリックス内に埋め込まれた複数の量子ドットを備える中間バンド太陽電池やエネルギー囲み障壁に埋設された量子ドットを有する中間バンド太陽電池が知られている(特許文献1及び2参照)。
また、非特許文献2にはInGaAsで作製された中間バンド太陽電池の現象を説明するために複数の中間バンドを用いた中間バンド太陽電池のモデルが示されている。
For example, in an intermediate band solar cell model, it has been reported that the non-light-collecting energy conversion efficiency is about 46% (see Non-Patent Document 1).
Further, an intermediate band solar cell having a tunnel barrier and having a plurality of quantum dots embedded in an inorganic matrix and an intermediate band solar cell having a quantum dot embedded in an energy enclosure barrier are known (Patent Document 1 and 2).
Non-Patent Document 2 shows a model of an intermediate band solar cell using a plurality of intermediate bands in order to explain the phenomenon of an intermediate band solar cell made of InGaAs.

特表2009−520357号公報JP-T 2009-520357 特表2010−509772号公報Special table 2010-509772

PHYSICAL REVIEW LETTERS、97巻、247701ページ、2006年PHYSICAL REVIEW LETTERS, 97, 247701, 2006 APPLIED PHYSICS LETTERS、96巻、013501、2010年APPLIED PHYSICS LETTERS, 96, 013501, 2010 APPLIED PHYSICS LETTERS 96巻,203507,2010年APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 203507, 2010

しかし、中間バンド太陽電池において、そのエネルギー変換効率は必ずしも十分でない。このため、エネルギー変換効率がより高い太陽電池が望まれている。   However, the energy conversion efficiency of the intermediate band solar cell is not always sufficient. For this reason, a solar cell with higher energy conversion efficiency is desired.

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー変換効率がより高い太陽電池を提供するものである。   This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the solar cell with higher energy conversion efficiency.

この発明は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、前記光吸収半導体層は、少なくとも2つ以上のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に備えていることを特徴とする太陽電池を提供する。   The present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a light-absorbing semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and the number of the light-absorbing semiconductor layers is at least two. Provided is a solar cell comprising the above energy level in a forbidden band of the light absorbing semiconductor layer.

この発明の発明者らは、p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層において、複数のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に形成することを発案し、検討を重ねた。その結果、従来の単一のエネルギー準位を有する光吸収半導体層よりも、少なくとも2つ以上のエネルギー準位を有する超格子半導体層のほうが、よりエネルギー変換効率が高いことを見出した。
この発明によれば、エネルギー変換効率がより高い太陽電池が提供される。
The inventors of the present invention have proposed that a plurality of energy levels be formed in a forbidden band of the light absorbing semiconductor layer in the light absorbing semiconductor layer sandwiched between the p type semiconductor layer and the n type semiconductor layer. And we repeated examination. As a result, it has been found that a superlattice semiconductor layer having at least two energy levels has higher energy conversion efficiency than a conventional light-absorbing semiconductor layer having a single energy level.
According to this invention, a solar cell with higher energy conversion efficiency is provided.

この発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell which concerns on one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が4つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図2において、(1)は6準位の位置関係を説明するための図であり、(2)は各準位とその間のキャリア生成速度Gと発光再結合Rの関係を説明するための図である。It is a band figure in case the superlattice semiconductor layer concerning one Embodiment of this invention has four intermediate | middle bands. In FIG. 2, (1) is a diagram for explaining the positional relationship of the six levels, and (2) is a diagram for explaining the relationship between each level and the carrier generation rate G and the luminescence recombination R therebetween. It is. 比較例に係る超格子半導体層のバンド図である。図3において、(1)は比較例のエネルギー準位の位置関係を説明するための図であり、(2)はその準位とその間のキャリア生成速度Gと発光再結合Rの関係を説明するための図である。It is a band figure of the superlattice semiconductor layer concerning a comparative example. 3, (1) is a diagram for explaining the positional relationship between the energy levels of the comparative example, and (2) is a diagram for explaining the relationship between the level, the carrier generation rate G and the luminescence recombination R therebetween. FIG. 実験1のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing obtained by the simulation of Experiment 1. 実験1のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap at the time of condensing and the maximum energy conversion efficiency obtained by simulation of Experiment 1. FIG. この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が3つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図6において、(1)は5準位の位置関係を説明するための図であり、(2)は各準位とその間のキャリア生成速度Gと発光再結合Rの関係を説明するための図である。It is a band figure in case the superlattice semiconductor layer concerning one Embodiment of this invention has three intermediate | middle bands. In FIG. 6, (1) is a diagram for explaining the positional relationship of the five levels, and (2) is a diagram for explaining the relationship between each level and the carrier generation speed G and the luminescence recombination R therebetween. It is. 実験2のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing obtained by the simulation of Experiment 2. 実験2のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap at the time of condensing and the maximum energy conversion efficiency obtained by simulation of Experiment 2. FIG. この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が2つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図9において、(1)は4準位の位置関係を説明するための図であり、(2)は各準位とその間のキャリア生成速度Gと発光再結合Rの関係を説明するための図である。It is a band figure in case the superlattice semiconductor layer concerning one Embodiment of this invention has two intermediate | middle bands. In FIG. 9, (1) is a diagram for explaining the positional relationship between the four levels, and (2) is a diagram for explaining the relationship between each level and the carrier generation speed G and the luminescence recombination R therebetween. It is. 実験3のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing obtained by the simulation of Experiment 3. 実験3のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the band gap in the case of condensing and the maximum energy conversion efficiency obtained by simulation of Experiment 3. FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、4準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAs0.7Sb0.3とAlSbで構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 4 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset between the quantum dot layer and the barrier layer is zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs 0.7 Sb 0.3 and AlSb, respectively. 図12における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、5準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAs0.7Sb0.3とAlSbで構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 5 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset between the quantum dot layer and the barrier layer is zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs 0.7 Sb 0.3 and AlSb, respectively. 図14における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、6準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAs0.7Sb0.3とAlSbで構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 6 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset between the quantum dot layer and the barrier layer is zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs 0.7 Sb 0.3 and AlSb, respectively. 図16における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、4準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAsとAlSb0.5As0.5で構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 4 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset of the quantum dot layer and the barrier layer is not zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs and AlSb 0.5 As 0.5 , respectively. 図18における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、5準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAsとAlSb0.5As0.5で構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 5 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset of the quantum dot layer and the barrier layer is not zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs and AlSb 0.5 As 0.5 , respectively. 図20における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG. 実験4のシミュレーションにより得られた、6準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAsとAlSb0.5As0.5で構成されている。It is a figure which shows the band structure calculation result of the 6 level intermediate | middle band solar cell obtained by the simulation of Experiment 4. FIG. In this solar cell, the valence band offset of the quantum dot layer and the barrier layer is not zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs and AlSb 0.5 As 0.5 , respectively. 図22における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the relationship between a voltage and an electric current when light is irradiated to the solar cell in FIG.

この発明の太陽電池は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、前記光吸収半導体層は、少なくとも2つ以上のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に備えていることを特徴とする。
ここで、前記光吸収半導体層は、光を吸収する半導体で形成された層をいい、例えば、超格子半導体層がこれに該当する。また、前記エネルギー準位は、量子準位や中間バンドであってもよい。
The solar cell of the present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a light-absorbing semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, It is characterized in that at least two energy levels are provided in the forbidden band of the light absorbing semiconductor layer.
Here, the light absorbing semiconductor layer refers to a layer formed of a semiconductor that absorbs light, for example, a superlattice semiconductor layer. The energy level may be a quantum level or an intermediate band.

従って、この発明の実施形態において、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と量子層が交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、少なくとも2つ以上のエネルギー準位を超格子半導体層の禁制帯中に備えている太陽電池であってもよい。
また、この発明の実施形態において、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、前記量子ドットの量子準位が、前記量子ドットの伝導帯、価電子帯のいずれかと前記障壁層の禁制帯とに少なくとも2つ以上形成されている太陽電池であってもよい。
また、この発明の実施形態において、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、前記超格子構造により量子ドット間の波動関数が電子的に結合して、少なくとも2つ以上の中間バンドが前記量子ドットの伝導帯、価電子帯のいずれかと前記障壁層の禁制帯とに形成されていることを特徴とする太陽電池であってもよい。
以下、上記中間バンドが形成されている実施形態を例に説明する。
Therefore, in an embodiment of the present invention, the superlattice semiconductor layer includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. May be a solar cell having a superlattice structure in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked, and having at least two or more energy levels in the forbidden band of the superlattice semiconductor layer.
In another embodiment of the present invention, the superlattice semiconductor layer includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. Has a superlattice structure in which a barrier layer and a quantum dot layer made of quantum dots are alternately and repeatedly stacked, and the quantum level of the quantum dot is either the conduction band or the valence band of the quantum dot. At least two solar cells may be formed in the forbidden band of the barrier layer.
In another embodiment of the present invention, the superlattice semiconductor layer includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. Has a superlattice structure in which barrier layers and quantum dot layers composed of quantum dots are alternately and repeatedly stacked, and the superlattice structure electronically couples the wave function between the quantum dots, so that at least two The solar cell may be characterized in that the intermediate band described above is formed in either the conduction band or valence band of the quantum dot and the forbidden band of the barrier layer.
Hereinafter, an embodiment in which the intermediate band is formed will be described as an example.

この発明の実施形態において、太陽電池は、その超格子半導体層に、例えば、InAsxSb1-x量子ドット層、AlSb障壁層を用いることができる。また、InAs量子ドット層/AlSbyAs1-y障壁層を用いることができる。InAsxSb1-x量子ドット層、AlSb障壁層は、元素割合xを適宜変更することで、格子定数をAlSbに合わせたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット(量子ドット層と障壁層の価電子帯エネルギー差)をゼロにしたりすることができる点で好ましい。 In the embodiment of the present invention, for example, an InAs x Sb 1-x quantum dot layer or an AlSb barrier layer can be used for the superlattice semiconductor layer of the solar cell. Further, it is possible to use an InAs quantum dot layer / AlSb y As 1-y barrier layers. The InAs x Sb 1-x quantum dot layer and the AlSb barrier layer have the lattice constant adjusted to that of AlSb by appropriately changing the element ratio x, or the valence band energy offset (the valence band between the quantum dot layer and the barrier layer). This is preferable in that the (energy difference) can be reduced to zero.

ここで、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる障壁層と井戸層(量子井戸層または量子ドット層)とが繰り返し積層された構造であり、井戸層の電子の波動関数が隣接井戸の波動関数と大きく相互作用する構造をいう。また、井戸層のことを量子層ともいう。
量子ドットとは、100nm以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。
量子井戸とは、100nm以下の厚みを有する半導体薄膜であり、量子井戸を構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた薄膜である。
量子ドット層とは、複数の量子ドットで構成される層であり、超格子構造の井戸層となる。
量子準位とは、障壁層と量子ドットまたは量子井戸から形成される電子の離散的なエネルギー準位をいう。また、量子準位のことを量子エネルギー準位ともいう。
障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
中間バンドとは、前記障壁層を構成する半導体において、禁制帯の中間に形成される1つに繋がったバンドをいう。
なお、超格子構造の井戸層の電子の波動関数が隣接井戸層の電子の波動関数と相互作用し、量子井戸の量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ、量子準位が1つに繋がって形成される中間バンドをミニバンドともいう。
Here, the superlattice structure is a structure in which a barrier layer and a well layer (quantum well layer or quantum dot layer), both of which are made of semiconductors and having different band gaps, are repeatedly stacked, and the electron wave function of the well layer is adjacent. A structure that interacts with the wave function of a well. The well layer is also referred to as a quantum layer.
A quantum dot is a semiconductor fine particle having a particle size of 100 nm or less, and is a fine particle surrounded by a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dot.
A quantum well is a semiconductor thin film having a thickness of 100 nm or less, and is a thin film surrounded by a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum well.
The quantum dot layer is a layer composed of a plurality of quantum dots and is a well layer having a superlattice structure.
The quantum level refers to a discrete energy level of electrons formed from a barrier layer and quantum dots or quantum wells. The quantum level is also referred to as a quantum energy level.
The barrier layer is made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dots, and constitutes a superlattice structure.
The intermediate band refers to a band connected to one formed in the middle of the forbidden band in the semiconductor constituting the barrier layer.
Note that the electron wave function of the well layer of the superlattice structure interacts with the electron wave function of the adjacent well layer, and a resonant tunneling effect occurs between the quantum levels of the quantum wells, and the quantum levels are connected to one. The formed intermediate band is also called a mini band.

また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが2つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある2つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が2つの中間バンドを形成してもよい(以下、この明細書において、4準位中間バンド太陽電池と呼ぶ)。   Further, in the embodiment of the present invention, two intermediate bands may be provided in addition to the configuration of the invention. More specifically, the energy level that forms the bottom of the conduction band of the barrier layer, the energy level that forms the top of the valence band of the barrier layer, and two quantum levels between these levels. The superlattice semiconductor layer may have a level, and the quantum level may form two intermediate bands (hereinafter referred to as a four-level intermediate band solar cell in this specification).

この形態(4準位中間バンド太陽電池)において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅(エネルギーギャップ)が1.0eV以上、さらに好ましくは1.6eV以上3.5eV以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。   In this form (four-level intermediate band solar cell), the width of the forbidden band (energy gap) of the barrier layer is preferably 1.0 eV or more, more preferably 1.6 eV or more and 3.5 eV or less. A solar cell having such a forbidden band has higher energy conversion efficiency than a solar cell including a superlattice semiconductor layer having a single intermediate band.

また、この形態(4準位中間バンド太陽電池)において、前記障壁層の禁制帯の幅をEg、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔEvi2としたときに、好ましくは下記の式(1)を満たす。
ΔEvi2≧(Eg/2)(単位:eV)・・・(1)
また、より好ましくは、下記の式(2)を満たす。
ΔEvi2≧(Eg/2+0.125)(単位:eV)・・・(2)
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて2つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が1つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
Further, in this embodiment (four-level intermediate band solar cell), the width of the forbidden band of the barrier layer is Eg, and the energy level at the top of the valence band in the barrier layer and the intermediate band has the highest energy level. When the level difference from the low intermediate band is ΔEvi2, the following expression (1) is preferably satisfied.
ΔEvi2 ≧ (Eg / 2) (unit: eV) (1)
More preferably, the following formula (2) is satisfied.
ΔEvi2 ≧ (Eg / 2 + 0.125) (unit: eV) (2)
If the form satisfying such an expression is used to form two intermediate bands using the potential between the conduction band bottom of the quantum dot layer and the conduction band bottom of the barrier layer, the energy level of the lowest intermediate band is formed. Is close to the bottom of the conduction band of the barrier layer, the electron wave function of the quantum dot layer of the superlattice structure greatly interacts with the wave function of the adjacent quantum dot layer. For this reason, it becomes easy to form an intermediate band in which one quantum level is connected, and carrier movement is likely to occur.

また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが少なくとも3つ以上であってもよい。
例えば、前記中間バンドが3つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある3つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が3つの中間バンドを形成する太陽電池であってもよい(以下、この明細書において、5準位中間バンド太陽電池と呼ぶ)。
Further, in the embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the invention, the intermediate band may be at least three or more.
For example, there may be three intermediate bands. More specifically, the energy level that forms the bottom of the conduction band of the barrier layer, the energy level that forms the top of the valence band of the barrier layer, and three quantum levels between these levels. A solar cell in which the superlattice semiconductor layer has a level and the quantum level forms three intermediate bands may be used (hereinafter referred to as a five-level intermediate band solar cell in this specification).

この形態(5準位中間バンド太陽電池)において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅(エネルギーギャップ)が1.1eV以上、さらに好ましくは1.5eV以上3.8eV以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。   In this form (five-level intermediate band solar cell), the width of the forbidden band (energy gap) of the barrier layer is preferably 1.1 eV or more, more preferably 1.5 eV or more and 3.8 eV or less. A solar cell having such a forbidden band has higher energy conversion efficiency than a solar cell including a superlattice semiconductor layer having a single intermediate band.

また、この形態(5準位中間バンド太陽電池)において、前記障壁層の禁制帯の幅をEg、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔEvi13としたときに、好ましくは下記の式(3)を満たす。
ΔEvi13≧(Eg/2)(単位:eV)・・・(3)
また、より好ましくは、下記の式(4)を満たす。
ΔEvi13≧(Eg/2+0.075)(単位:eV)・・・(4)
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて3つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が1つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
Further, in this embodiment (five-level intermediate band solar cell), the forbidden band width of the barrier layer is Eg, and the energy level at the top of the valence band in the barrier layer and the intermediate band has the highest energy level. When the level difference from the low intermediate band is ΔEvi13, the following expression (3) is preferably satisfied.
ΔEvi13 ≧ (Eg / 2) (unit: eV) (3)
More preferably, the following formula (4) is satisfied.
ΔEvi13 ≧ (Eg / 2 + 0.075) (unit: eV) (4)
In the case of satisfying such a formula, when three intermediate bands are formed using the potential between the conduction band bottom of the quantum dot layer and the conduction band bottom of the barrier layer, the energy level of the lowest intermediate band is formed. Is close to the bottom of the conduction band of the barrier layer, the electron wave function of the quantum dot layer of the superlattice structure greatly interacts with the wave function of the adjacent quantum dot layer. For this reason, it becomes easy to form an intermediate band in which one quantum level is connected, and carrier movement is likely to occur.

また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが少なくとも4つ以上であってもよい。
例えば、前記中間バンドが4つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある4つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が4つの中間バンドを形成する太陽電池であってもよい(以下、この明細書において、6準位中間バンド太陽電池と呼ぶ)。
Further, in the embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the invention, the intermediate band may be at least four or more.
For example, there may be four intermediate bands. More specifically, the energy levels constituting the bottom of the conduction band of the barrier layer, the energy levels constituting the top of the valence band of the barrier layer, and four quantum levels between these levels. A solar cell in which the superlattice semiconductor layer has a level and the quantum level forms four intermediate bands (hereinafter referred to as a six-level intermediate band solar cell in this specification).

この形態(6準位中間バンド太陽電池)において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅(エネルギーギャップ)が1.3eV以上、さらに好ましくは1.5eV以上3.8eV以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。   In this form (six-level intermediate band solar cell), the width of the forbidden band (energy gap) of the barrier layer is preferably 1.3 eV or more, more preferably 1.5 eV or more and 3.8 eV or less. A solar cell having such a forbidden band has higher energy conversion efficiency than a solar cell including a superlattice semiconductor layer having a single intermediate band.

また、この形態(6準位中間バンド太陽電池)において、前記障壁層の禁制帯の幅をEg、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔEvi24としたときに、好ましくは下記の式(5)を満たす。
ΔEvi24≧(Eg/2)(単位:eV)・・・(5)
また、より好ましくは、下記の式(6)を満たす。
ΔEvi24≧(Eg/2+0.05)(単位:eV)・・・(6)
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて4つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が1つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
Further, in this form (six-level intermediate band solar cell), the width of the forbidden band of the barrier layer is Eg, and the energy level at the top of the valence band in the barrier layer and the intermediate band has the highest energy level. When the level difference from the low intermediate band is ΔEvi24, the following expression (5) is preferably satisfied.
ΔEvi24 ≧ (Eg / 2) (unit: eV) (5)
More preferably, the following expression (6) is satisfied.
ΔEvi24 ≧ (Eg / 2 + 0.05) (unit: eV) (6)
In the case of satisfying such an expression, when the four intermediate bands are formed using the potential between the conduction band bottom of the quantum dot layer and the conduction band bottom of the barrier layer, the energy level of the lowest intermediate band is formed. Is close to the bottom of the conduction band of the barrier layer, the electron wave function of the quantum dot layer of the superlattice structure greatly interacts with the wave function of the adjacent quantum dot layer. For this reason, it becomes easy to form an intermediate band in which one quantum level is connected, and carrier movement is likely to occur.

これらの形態(4準位中間バンド太陽電池、5準位中間バンド太陽電池及び6準位中間バンド太陽電池)において、量子エネルギー準位は、量子ドットの伝導帯側に形成される準位、価電子帯側に形成される準位の、いずれの準位でもあってもよいし、両準位を含んでもよい。   In these forms (4 level intermediate band solar cell, 5 level intermediate band solar cell and 6 level intermediate band solar cell), the quantum energy level is the level formed on the conduction band side of the quantum dot, the value Any level of the levels formed on the electron band side may be used, or both levels may be included.

また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記障壁層がAlSb、前記量子ドット層がInAs1-xSbx(0≦x≦1)からなってもよい。また、前記障壁層がAlSbyAs1-y(0≦y≦1)、前記量子ドット層がInAsからなってもよいし、前記障壁層がAlAsからなり、前記量子ドット層がInAsからなってもよい。また、前記障壁層がGaNからなり前記量子ドット層がInzGa1-zN(0<z≦1)からなってもよい。 In the embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the present invention, the barrier layer may be made of AlSb, and the quantum dot layer may be made of InAs 1-x Sb x (0 ≦ x ≦ 1). Further, the barrier layer is AlSb y As 1-y (0 ≦ y ≦ 1), wherein to the quantum dot layer may be made of InAs, the barrier layer is made of AlAs, the quantum dot layer consists of InAs Also good. The barrier layer may be made of GaN, and the quantum dot layer may be made of In z Ga 1 -zN (0 <z ≦ 1).

以上、量子ドットを用いた構造により形成される中間バンドを例に説明したが、これらの形態は、上記で説明したエネルギー準位を備えている光吸収半導体層の実施形態、量子準位が形成されている超格子半導体層の実施形態及び中間バンドが形成されている超格子半導体層の実施形態に適用してもよい。   As described above, the intermediate band formed by the structure using the quantum dots has been described as an example. However, these forms are the embodiments of the light absorption semiconductor layer having the energy level described above, and the quantum level is formed. The present invention may be applied to the superlattice semiconductor layer embodiment and the superlattice semiconductor layer embodiment in which the intermediate band is formed.

次に、図面に示す実施形態を用いて、この発明を詳述する。なお、以下に記述する実施形態および実施例はこの発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれらよって限定されるものではない。   Next, this invention is explained in full detail using embodiment shown in drawing. The embodiments and examples described below are merely specific examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

〔実施形態〕
図1は、この発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略断面図である。図1に示すように、この発明の実施形態に係る太陽電池20は、p型半導体層4と、n型半導体層12と、p型半導体層4とn型半導体層12とに挟まれた超格子半導体層10とを備え、超格子半導体層10は、量子ドット7からなる量子ドット層6と障壁層8とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有している。ここで、これらの構成のうち、p型半導体層4は、ベース層(またはp型ベース)とも言い、n型半導体層12は、エミッタ―層(またはn型エミッタ―)とも言う。このため、以下、p型半導体層4をベース層(p型半導体層)4と記載し、n型半導体層12をエミッタ―層(n型半導体層)12と記載する。
Embodiment
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a solar cell according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solar cell 20 according to an embodiment of the present invention includes a p-type semiconductor layer 4, an n-type semiconductor layer 12, a superstructure sandwiched between a p-type semiconductor layer 4 and an n-type semiconductor layer 12. The superlattice semiconductor layer 10 has a superlattice structure in which quantum dot layers 6 and barrier layers 8 composed of quantum dots 7 are alternately and repeatedly stacked. Of these configurations, the p-type semiconductor layer 4 is also referred to as a base layer (or p-type base), and the n-type semiconductor layer 12 is also referred to as an emitter layer (or n-type emitter). Therefore, hereinafter, the p-type semiconductor layer 4 is referred to as a base layer (p-type semiconductor layer) 4 and the n-type semiconductor layer 12 is referred to as an emitter-layer (n-type semiconductor layer) 12.

また、図1に示す本実施形態の太陽電池20は、p型半導体基板1、バッファー層3、窓層14、コンタクト層15、p型電極18、n型電極17をさらに備えている。これらは任意の構成要素であるので、太陽電池の利用態様に応じて適宜設けることができる。このため、以下、上記のベース層(p型半導体層)4、およびエミッタ―(n型半導体層)12、超格子半導体層10について説明する。   The solar cell 20 of the present embodiment shown in FIG. 1 further includes a p-type semiconductor substrate 1, a buffer layer 3, a window layer 14, a contact layer 15, a p-type electrode 18, and an n-type electrode 17. Since these are arbitrary constituent elements, they can be appropriately provided according to the usage mode of the solar cell. Therefore, the base layer (p-type semiconductor layer) 4, the emitter (n-type semiconductor layer) 12, and the superlattice semiconductor layer 10 will be described below.

1.p型半導体層およびn型半導体層(ベース層およびエミッタ―層)
ベース層(p型半導体層)4は、p型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層、エミッタ―層(n型半導体層)12とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。
エミッタ―層(n型半導体層)12は、n型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層、ベース層(p型半導体層)4とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。
このpin接合またはpn接合が受光することにより、起電力が生じる。また、このことにより、太陽電池20が電力を出力することができる。
1. p-type semiconductor layer and n-type semiconductor layer (base layer and emitter layer)
The base layer (p-type semiconductor layer) 4 is made of a semiconductor containing a p-type impurity, and can form a pin junction or a pn junction together with the i-type semiconductor layer and the emitter-layer (n-type semiconductor layer) 12.
The emitter layer (n-type semiconductor layer) 12 is made of a semiconductor containing an n-type impurity, and can form a pin junction or a pn junction together with the i-type semiconductor layer and the base layer (p-type semiconductor layer) 4.
When this pin junction or pn junction receives light, an electromotive force is generated. Moreover, the solar cell 20 can output electric power by this.

2.超格子半導体層
超格子半導体層10は、ベース層(p型半導体層)4とエミッタ―層(n型半導体層)12に挟まれ、pin接合またはpn接合を構成することができる。また、超格子半導体層10は、量子ドット層6と障壁層8とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層10は、i型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、p型不純物またはn型不純物を含む半導体層であってもよい。
2. Superlattice Semiconductor Layer The superlattice semiconductor layer 10 is sandwiched between a base layer (p-type semiconductor layer) 4 and an emitter-layer (n-type semiconductor layer) 12, and can constitute a pin junction or a pn junction. The superlattice semiconductor layer 10 has a superlattice structure in which quantum dot layers 6 and barrier layers 8 are alternately and repeatedly stacked. The superlattice semiconductor layer 10 may be an i-type semiconductor, and may be a semiconductor layer containing a p-type impurity or an n-type impurity if an electromotive force is generated by receiving light.

超格子半導体層10は、障壁層8の禁制帯(すなわち、障壁層8の伝導帯と価電子帯との間)に中間バンドを2つ持つことができる。この発明の実施形態に係る太陽電池は、その超格子半導体層10が障壁層8の禁制帯中に中間バンドを2つ以上持てばよく、中間バンドが形成される位置(エネルギー準位)は、特に制限されない。すなわち、どのような波長の光を太陽電池に変換させるかに応じて、その位置(エネルギー準位)を定めればよく、例えば宇宙用太陽電池と地上用太陽電池において位置(エネルギー準位)は異なっても良い。例えば、超格子半導体層10は、量子ドット層6の伝導帯側に2つの中間バンドを持っても良く、また伝導帯側、価電子帯側に各々1つの中間バンドを持っても良く、量子ドット層6の価電子帯側に2つの中間バンドを持っても良い。また、超格子半導体層10が持つ中間バンドは、3つであってもよいし、4つであってもよい。   The superlattice semiconductor layer 10 can have two intermediate bands in the forbidden band of the barrier layer 8 (that is, between the conduction band and the valence band of the barrier layer 8). In the solar cell according to the embodiment of the present invention, the superlattice semiconductor layer 10 may have two or more intermediate bands in the forbidden band of the barrier layer 8, and the position (energy level) where the intermediate band is formed is There is no particular limitation. That is, the position (energy level) may be determined depending on what wavelength light is converted into the solar cell. For example, the position (energy level) in the space solar cell and the ground solar cell is It may be different. For example, the superlattice semiconductor layer 10 may have two intermediate bands on the conduction band side of the quantum dot layer 6 and may have one intermediate band on each of the conduction band side and the valence band side. Two intermediate bands may be provided on the valence band side of the dot layer 6. The superlattice semiconductor layer 10 may have three intermediate bands or four intermediate bands.

ここで、量子ドットによって形成されるエネルギー準位が伝導帯もしくは価電子帯まで連続(ここで、連続とは例えば25meV以内のエネルギー間隔でエネルギー準位が形成されることを言う)する場合、それぞれエネルギー準位の始まりを伝導帯下端、価電子帯上端とみなすことができる。   Here, when the energy levels formed by the quantum dots are continuous up to the conduction band or valence band (where continuous means that the energy levels are formed at an energy interval within 25 meV, for example) The beginning of the energy level can be regarded as the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band.

このような中間バンドを2つ以上持つ超格子半導体層10は、例えば、量子ドット層6のサイズや超格子構造の井戸層である量子ドット層の厚さを調整することにより形成できる。後述する実験4で述べるように、例えば、層厚が3.0nmであるAlSbで形成された障壁層8に、(2.7,2.7,9.0)nmの直方体(ここで、括弧内の数値は、三辺の長さを(a,b,c)として記載している)の量子ドットをInAs0.7Sb0.3で形成することにより、超格子半導体層10に中間バンドを2つ形成できる。また、層厚が3.0nmであるAlSb0.5As0.5で形成された障壁層8に、(2.5,2.5,8.5)nmの直方体の量子ドットをInAsで形成することにより、超格子半導体層10に中間バンドを2つ形成できる。 The superlattice semiconductor layer 10 having two or more such intermediate bands can be formed, for example, by adjusting the size of the quantum dot layer 6 or the thickness of the quantum dot layer that is a well layer of a superlattice structure. As will be described later in Experiment 4, for example, a barrier layer 8 made of AlSb having a layer thickness of 3.0 nm is formed on a rectangular solid (2.7, 2.7, 9.0) nm (here, parentheses). The numerical value in the figure shows that two intermediate bands are formed in the superlattice semiconductor layer 10 by forming quantum dots having three side lengths of (a, b, c) with InAs 0.7 Sb 0.3. it can. In addition, by forming a rectangular dot of (2.5, 2.5, 8.5) nm in InAs on the barrier layer 8 formed of AlSb 0.5 As 0.5 having a layer thickness of 3.0 nm, Two intermediate bands can be formed in the superlattice semiconductor layer 10.

また、超格子半導体層10は、中間バンドを2つ持つ場合、その障壁層8の禁制帯幅(バンドギャップ)が1.6eV〜3.5eVであるとよい。このような禁制帯幅であれば、中間バンドを1つ持つ太陽電池よりも、エネルギー変換効率を高くできる。
ここで、中間バンドを1つ持つ太陽電池のエネルギー変換効率の最大値は、非集光の場合に46.7%(障壁層8の禁制帯幅が2.4eV)、1000倍集光の場合に57.3%(障壁層8の禁制帯幅が2.1eV)である。
Further, when the superlattice semiconductor layer 10 has two intermediate bands, the forbidden band width (band gap) of the barrier layer 8 is preferably 1.6 eV to 3.5 eV. With such a forbidden bandwidth, the energy conversion efficiency can be made higher than that of a solar cell having one intermediate band.
Here, the maximum value of the energy conversion efficiency of a solar cell having one intermediate band is 46.7% in the case of non-condensing (the forbidden band width of the barrier layer 8 is 2.4 eV), and in the case of 1000 times condensing And 57.3% (the forbidden band width of the barrier layer 8 is 2.1 eV).

このような禁制帯幅を持つ超格子半導体層10は、実験4で述べるように、例えば、InAs0.7Sb0.3を量子ドットとする場合、AlSbを障壁層8とすることにより形成できる。また、InAsを量子ドットとする場合、AlSb0.5As0.5を障壁層8とすることにより形成できる。このように、適切な物性値をもつ半導体材料を選択したり、超格子半導体層10を構成する半導体材料の混晶比を調整したりすることにより、所望の禁制帯幅を持つ超格子半導体層10が形成できる。また、超格子半導体層10を構成する井戸層である量子ドットのサイズや障壁層の厚みを調整することによっても、所望の禁制帯幅を持つ超格子半導体層10が形成できる。 As described in Experiment 4, the superlattice semiconductor layer 10 having such a forbidden band width can be formed by using AlSb as the barrier layer 8 when InAs 0.7 Sb 0.3 is a quantum dot, for example. Further, when InAs is a quantum dot, it can be formed by using AlSb 0.5 As 0.5 as the barrier layer 8. In this way, a superlattice semiconductor layer having a desired forbidden band width can be obtained by selecting a semiconductor material having an appropriate physical property value or adjusting a mixed crystal ratio of semiconductor materials constituting the superlattice semiconductor layer 10. 10 can be formed. The superlattice semiconductor layer 10 having a desired forbidden band width can also be formed by adjusting the size of the quantum dots that are the well layers constituting the superlattice semiconductor layer 10 and the thickness of the barrier layer.

超格子半導体層10を構成する障壁層8、量子ドット層6を構成する材料は、AlSb、InAsxSb1-x、AlSbxAs1-x、AlAs,GaAs、InxGa1-xAsを用いることができる。さらに、たとえば周期律表の第IV族半導体、第III族と第V族からなる化合物半導体、第II族と第VI族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材料としてもよい。また、カルコパイライト系材料を用いてもよく、これら以外の半導体を用いてもよい。例えば、障壁層8の材料にGaNAsで、量子ドット層6の材料にInAsや、障壁層8の材料にGaPで量子ドット層6の材料にInAs、障壁層8の材料にGaNで量子ドット層6の材料にGaxIn1-xN、障壁層8の材料にGaAsで量子ドット層6の材料にGaSb、障壁層8の材料にAlAsで量子ドット層6の材料にInAs、障壁層8の材料にCuGaS2で量子ドット層6の材料にCuInSe2等を用いても差し支えない。 The barrier layer 8 constituting the superlattice semiconductor layer 10 and the material constituting the quantum dot layer 6 are AlSb, InAs x Sb 1-x , AlSb x As 1-x , AlAs, GaAs, In x Ga 1-x As. Can be used. Furthermore, for example, a group IV semiconductor of the periodic table, a compound semiconductor composed of group III and group V, a compound semiconductor composed of group II and group VI, or a mixed crystal material thereof may be used. Further, a chalcopyrite-based material may be used, or a semiconductor other than these may be used. For example, the barrier layer 8 is made of GaNAs, the quantum dot layer 6 is made of InAs, the barrier layer 8 is made of GaP, the quantum dot layer 6 is made of InAs, and the barrier layer 8 is made of GaN. Ga x In 1-x N for the material, GaSb for the material of the quantum dot layer 6 for the material of the barrier layer 8, AlAs for the material of the barrier layer 8, InAs for the material of the quantum dot layer 6, and the material of the barrier layer 8 Alternatively, CuGaS 2 and CuInSe 2 or the like may be used as the material of the quantum dot layer 6.

なお、p型半導体基板1をGaAsで形成し、ベース層(p型半導体層)4をAlSb0.5As0.5で形成した場合、図1に示すように、超格子半導体層10とベース層(p型半導体層)4の界面、またはベース層(p型半導体層)4を露出させ(例えば、ベース層(p型半導体層)までエッチングする)、この露出面にp型電極18を形成する。これにより、p型半導体基板1にGaAsを用い、かつベース層(p型半導体層)4にAlSb0.5As0.5を用いて太陽電池20を形成ことができる。 When the p-type semiconductor substrate 1 is formed of GaAs and the base layer (p-type semiconductor layer) 4 is formed of AlSb 0.5 As 0.5 , as shown in FIG. 1, the superlattice semiconductor layer 10 and the base layer (p-type) are formed. The interface of the semiconductor layer 4 or the base layer (p-type semiconductor layer) 4 is exposed (for example, etching is performed up to the base layer (p-type semiconductor layer)), and the p-type electrode 18 is formed on the exposed surface. Thus, the solar cell 20 can be formed using GaAs for the p-type semiconductor substrate 1 and AlSb 0.5 As 0.5 for the base layer (p-type semiconductor layer) 4.

3.太陽電池の製造方法
量子ドット層または量子井戸層は、分子線エピタキシー(MBE)法や有機金属化学気相成長(MOCVD)法を用いたStranski―Krastanov(S―K)成長と呼ばれる方法や電子リソグラフィ技術、液滴エピタキシー法などを用いることで量子ドットを作製することができる。S−K成長法は上記手法の材料構成比を変えることで量子ドットまたは量子井戸層の混晶比を調整することができ、原材料・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドットのサイズまたは量子井戸層の厚さを調整することができる。
3. Manufacturing method of solar cell The quantum dot layer or the quantum well layer is formed by a method called electron-lithography or a method called Stranski-Krastanov (SK) growth using a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Quantum dots can be produced by using a technique, a droplet epitaxy method, or the like. The SK growth method can adjust the mixed crystal ratio of the quantum dot or quantum well layer by changing the material composition ratio of the above method, and can change the quantum dot of the quantum dot by changing the raw material, growth temperature, pressure, deposition time, etc. The size or the thickness of the quantum well layer can be adjusted.

本実施形態の太陽電池の製造においては、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー(MBE)法や有機金属化学気相成長法(MOCVD)等を用い、超格子構造を有する太陽電池を製造することができる。ここでは、上記で説明した図1の超格子構造を有する太陽電池の一形態について、図1を参照して、その製造方法について説明する。   In the production of the solar cell of the present embodiment, for example, a solar cell having a superlattice structure is produced by using a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD) excellent in film thickness control. can do. Here, with reference to FIG. 1, the manufacturing method is demonstrated about one form of the solar cell which has the superlattice structure of FIG. 1 demonstrated above.

例えばp−GaAs基板1を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに流水洗浄を施した後、MOCVD装置内に設置する。この基板の上にバッファー層3を形成する。バッファー層3は、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層である。続いてバッファー層3上に300nmAlSbxAs1-xベース層4および障壁層8となるAlSbxAs1-x層を結晶成長させた後、自己組織化機構を用いてInAsからなる量子ドット層を形成する。 For example, the p-GaAs substrate 1 is cleaned with an organic cleaning solution, then etched with a sulfuric acid-based etching solution, washed with running water, and then installed in the MOCVD apparatus. A buffer layer 3 is formed on this substrate. The buffer layer 3 is a layer for improving the crystallinity of the light absorption layer to be formed thereon. Subsequently, a 300 nm AlSb x As 1-x base layer 4 and an AlSb x As 1-x layer to be a barrier layer 8 are grown on the buffer layer 3, and then a quantum dot layer made of InAs is formed using a self-organization mechanism. Form.

この障壁層と量子ドット層との結晶成長の繰り返しを、p型半導体最近接の量子ドット層からn型半導体最近接の量子ドット層まで行う。   The crystal growth of the barrier layer and the quantum dot layer is repeated from the quantum dot layer closest to the p-type semiconductor to the quantum dot layer closest to the n-type semiconductor.

続いて、250nm AlSbxAs1-x層12を結晶成長させてpin構造を形成し、次いで、窓層14としてAlAs層を形成する。 Subsequently, a 250 nm AlSb x As 1-x layer 12 is crystal-grown to form a pin structure, and then an AlAs layer is formed as the window layer 14.

続いて、コンタクト層15上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層15を選択エッチングしてn型電極17を形成することで、超格子構造を有する太陽電池を形成することができる。p型電極18は、例えばベース層4に到達するまで一部エッチングし、ベース層4上に形成することができる。   Subsequently, a comb-shaped electrode is formed on the contact layer 15 by photolithography and lift-off technology, and the n-type electrode 17 is formed by selectively etching the contact layer 15 using the comb-shaped electrode as a mask. A solar cell can be formed. For example, the p-type electrode 18 can be formed on the base layer 4 by partially etching until reaching the base layer 4.

n型ドーパントとしてはSiを、p型ドーパントとしてはBeを用いることができる。電極材料としては例えば、Auを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。   Si can be used as the n-type dopant, and Be can be used as the p-type dopant. For example, Au can be used as the electrode material, and the electrode material can be formed by vacuum vapor deposition using a resistance heating vapor deposition method.

形成された太陽電池は、PL(フォトルミネセンス)測定でその発光スペクトルを測定することにより、例えば、中間バンドが2つ形成されているか否かを確認できる。例えば、励起光源にArレーザーを、検出器にGeフォトディテクターをそれぞれ用い、超格子半導体層10のフォトルミネセンスを11Kで測定する。測定された発光スペクトルの発光帯に対応するエネルギー(光子エネルギー)を求めることにより、どのような準位に中間バンドが形成されているかを確認できる。また障壁層8の禁制帯幅も確認できる。また、光吸収スペクトルを測定して、中間バンドの形成を確認してもよい。   The formed solar cell can confirm whether or not two intermediate bands are formed, for example, by measuring the emission spectrum by PL (photoluminescence) measurement. For example, an Ar laser is used as an excitation light source and a Ge photodetector is used as a detector, and the photoluminescence of the superlattice semiconductor layer 10 is measured at 11K. By obtaining energy (photon energy) corresponding to the emission band of the measured emission spectrum, it is possible to confirm at which level the intermediate band is formed. The forbidden bandwidth of the barrier layer 8 can also be confirmed. Further, the formation of an intermediate band may be confirmed by measuring a light absorption spectrum.

なお、ここで示した例は一例であり、本実施形態の超格子構造を有する太陽電池に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。   In addition, the example shown here is an example, each material such as a substrate, a buffer layer, a quantum dot, a dopant, and an electrode used for the solar cell having the superlattice structure of the present embodiment, a cleaning agent used in each process, The substrate processing temperature, manufacturing apparatus, and the like are not limited to the examples shown here.

シミュレーション実験
〔実験1〕
詳細平衡モデルを用いてシミュレーション実験を行い、エネルギー変換効率を算出した。この算出方法を説明するため、バンド図を図2に示す。
Simulation experiment [Experiment 1]
A simulation experiment was performed using a detailed equilibrium model to calculate the energy conversion efficiency. In order to explain this calculation method, a band diagram is shown in FIG.

図2は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が4つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、1つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部(底)と価電子帯の最上部(頂点)と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が6準位(以下、6準位半導体という)である場合のバンド図を示している。図2において、(1)は6準位の位置関係を説明するための図であり、(2)は各準位とその間のキャリア生成速度Gおよびキャリア発光再結合速度Rとの関係を説明するための図である。
なお、この明細書で用いるバンド図(エネルギーバンドダイヤグラム)は慣例的に用いられている通りに記載している。すなわち、電子のエネルギーを基準にエネルギー準位を表している。ここで、電子はより低いエネルギーへ移動することが安定であり、そのような状態のエネルギー準位をとる。さらに、正孔はより高いエネルギーへ移動することが安定であり、そのような状態のエネルギー準位をとる。
FIG. 2 is a band diagram in the case where the superlattice semiconductor layer according to one embodiment of the present invention has four intermediate bands. That is, this figure shows, as an example, a quasi-intermediate band formed from the lowest (bottom) conduction band, the highest (vertex) valence band, and quantum dots of the barrier layer constituting the superlattice semiconductor layer. A band diagram in the case where the total of the levels is 6 levels (hereinafter referred to as a 6 level semiconductor) is shown. In FIG. 2, (1) is a diagram for explaining the positional relationship of the six levels, and (2) explains the relationship between each level and the carrier generation rate G and the carrier emission recombination rate R between them. FIG.
In addition, the band diagram (energy band diagram) used in this specification is described as conventionally used. That is, the energy level is expressed based on the energy of electrons. Here, the electrons are stable to move to lower energy, and take the energy level of such a state. Furthermore, holes are stable to move to higher energy and take the energy level of such a state.

図2において、6準位半導体の母体となる半導体(障壁層)の伝導帯の最下部(底)のエネルギー準位をEcとし、価電子帯の最上部(頂上)のエネルギー準位をEvとする。また、Ecに近い側の中間エネルギー準位(中間バンド)をEi21とし、このEi21から続けてEv側に向かって順番にEi22,Ei23,Ei24の準位があるものとする。この状態において、フォトンを吸収しキャリアを生成するキャリア生成速度、電子とホールが再結合し発光する発光再結合を考える。ここで、これらバンド間においてフォトンを吸収しキャリアを生成するキャリア生成速度をG、電子とホールが再結合し発光する発光再結合をRと表し、GまたはRの下付き文字は遷移が生じるバンドを表す。   In FIG. 2, the energy level at the bottom (bottom) of the conduction band of the semiconductor (barrier layer) serving as the host of the six-level semiconductor is Ec, and the energy level at the top (top) of the valence band is Ev. To do. Further, assume that the intermediate energy level (intermediate band) on the side close to Ec is Ei21, and there are levels of Ei22, Ei23, and Ei24 sequentially from Ei21 toward the Ev side. In this state, let us consider a carrier generation rate for absorbing photons and generating carriers, and luminescence recombination in which electrons and holes recombine to emit light. Here, G represents a carrier generation rate for absorbing photons between these bands to generate carriers, and R represents emission recombination in which electrons and holes recombine to emit light, and a subscript of G or R represents a band where a transition occurs. Represents.

まず、EiniからEfinのエネルギー範囲(Eini<Efin)に含まれるフォトンフラックスは、以下の式(1)で表すことができる。   First, the photon flux included in the energy range from Eini to Efin (Eini <Efin) can be expressed by the following equation (1).

Figure 0005509059
Figure 0005509059

ここで、Nはプランクの放射則から得られるフォトンフラックスを表す。また、hはプランク定数、cは真空中の光速、μは電子‐正孔対の化学ポテンシャル、kはボルツマン定数、Tは物質の温度をそれぞれ表す。   Here, N represents a photon flux obtained from Planck's radiation law. Further, h represents the Planck constant, c represents the speed of light in vacuum, μ represents the chemical potential of the electron-hole pair, k represents the Boltzmann constant, and T represents the temperature of the substance.

次に、このフォトンフラックスを用いると、6準位(Ec、Ev、Ei21,Ei22,Ei23,Ei24の各準位)の内、ある2準位間におけるキャリア生成速度G及び発光再結合Rは、以下の式(2)、式(3)で表すことができる。   Next, when this photon flux is used, the carrier generation rate G and the luminescence recombination R between two levels among the six levels (Ec, Ev, Ei21, Ei22, Ei23, and Ei24 levels) are: It can represent with the following formula | equation (2) and Formula (3).

Figure 0005509059
Figure 0005509059

Figure 0005509059
Figure 0005509059

ここで、C0は集光倍率、Hは太陽と地球との距離から決まる幾何学的に決まる定数、Tsは太陽の表面温度、T0は太陽電池の温度をそれぞれ表している。また、EiniおよびEfinはEini<Efinを満たす任意のエネルギーを表している。 Here, C 0 is the light collection magnification, H is a geometrically determined constant determined by the distance between the sun and the earth, Ts is the surface temperature of the sun, and T 0 is the temperature of the solar cell. Eini and Efin represent arbitrary energy satisfying Eini <Efin.

これらの式を用いて6準位中間バンド太陽電池に接続された外部電極から外部に取り出される電流密度Jは以下の式(4)のように表すことができる。ただし、中間バンド幅は非常に狭く、中間バンド間の電子遷移可能なエネルギー範囲が狭いため(EiniおよびEfinの差が小さい)、中間バンド間(Ei21,Ei22,Ei23,Ei24の内、任意の2つの準位間のキャリア生成および発光再結合)の電子遷移は無視する。   The current density J taken out from the external electrode connected to the 6-level intermediate band solar cell using these equations can be expressed as the following equation (4). However, since the intermediate band width is very narrow and the energy range in which electrons can transition between the intermediate bands is narrow (the difference between Eini and Efin is small), between the intermediate bands (Ei21, Ei22, Ei23, Ei24, any 2 Electronic transitions between carrier generation and luminescence recombination between two levels are ignored.

Figure 0005509059
Figure 0005509059

ここで、qは電荷素量を表す。また、キャリア生成速度G及び発光再結合Rの下付き文字は、図2(2)に示すように、遷移が生じるバンド(電子の遷移が生じる2つのエネルギー準位)を表しているので、例えば、下付き文字のCVはエネルギー準位Ecとエネルギー準位Ev間の電子の遷移、下付き文字のCI1はエネルギー準位Ecとエネルギー準位Ei21間の電子の遷移を表し、下付き文字のVI2はエネルギー準位Evとエネルギー準位Ei22間の電子の遷移を表している。他の下付き文字も、同様のルールで、電子の遷移が生じる2つのエネルギー準位を示している。   Here, q represents the elementary charge amount. In addition, the subscripts of the carrier generation rate G and the light emission recombination R represent the bands where the transition occurs (two energy levels where the electron transition occurs) as shown in FIG. , The subscript CV represents the electron transition between the energy level Ec and the energy level Ev, the subscript CI1 represents the electron transition between the energy level Ec and the energy level Ei21, and the subscript VI2 Represents a transition of electrons between the energy level Ev and the energy level Ei22. The other subscripts also indicate two energy levels at which electron transitions occur according to similar rules.

中間バンド(上記中間エネルギー準位)と外部電極の間では電流が流れないので、中間バンド電流が0となり、以下の式(5)〜式(8)のように表すことができる。   Since no current flows between the intermediate band (the intermediate energy level) and the external electrode, the intermediate band current becomes 0, which can be expressed as the following formulas (5) to (8).

Figure 0005509059
Figure 0005509059

Figure 0005509059
Figure 0005509059
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Figure 0005509059
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ここで、キャリア生成速度G及び発光再結合Rの下付き文字は、式4と同様のルールで、電子の遷移が生じる2つのエネルギー準位を示している。   Here, the subscripts of the carrier generation rate G and the luminescence recombination R indicate two energy levels at which electron transition occurs according to the same rules as in Equation 4.

一方、太陽光エネルギーPinは、以下の式(9)のように表すことができる。 On the other hand, the solar energy Pin can be expressed as in the following formula (9).

Figure 0005509059
Figure 0005509059

このとき、出力電圧をV、出力電流をJとすると、エネルギー変換効率ηは、以下の(10)式となる。 At this time, when the output voltage is V and the output current is J, the energy conversion efficiency η is expressed by the following equation (10).

Figure 0005509059
Figure 0005509059

以上の式から、6準位中間バンド太陽電池について、その最大エネルギー変換効率を算出できる。6準位中間バンド太陽電池について説明したが、他の準位中間バンド太陽電池についても同様の式で最大エネルギー変換効率を算出できる。   From the above formula, the maximum energy conversion efficiency can be calculated for the 6-level intermediate band solar cell. Although the 6-level intermediate band solar cell has been described, the maximum energy conversion efficiency can be calculated using the same formula for other level intermediate-band solar cells.

実験1では、6準位中間バンド太陽電池と比較例に係る太陽電池について、障壁層のバンドギャップと中間バンドのエネルギー準位を変化させて、最大エネルギー変換効率を算出した。比較例である従来の中間バンド太陽電池のバンド図を図3に示し、実験1の結果を図4及び図5に示す。   In Experiment 1, the maximum energy conversion efficiency was calculated for the 6-level intermediate band solar cell and the solar cell according to the comparative example by changing the band gap of the barrier layer and the energy level of the intermediate band. FIG. 3 shows a band diagram of a conventional intermediate band solar cell as a comparative example, and FIGS. 4 and 5 show the results of Experiment 1. FIG.

図3は、比較例に係る超格子半導体層のバンド図である。すなわち、この図は、1つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部(底)と価電子帯の最上部(頂点)と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が3準位(中間バンド数は1)である場合のバンド図の一例を示している(ここで、障壁層と量子ドットが3準位である超格子半導体層により構成された太陽電池を以下、従来の中間バンド太陽電池という)。また、図4は、実験1のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに、図5は、実験1のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。   FIG. 3 is a band diagram of a superlattice semiconductor layer according to a comparative example. That is, this figure shows, as an example, a quasi-intermediate band formed from the lowest (bottom) conduction band, the highest (vertex) valence band, and quantum dots of the barrier layer constituting the superlattice semiconductor layer. 1 shows an example of a band diagram in the case where the total of the levels is 3 levels (the number of intermediate bands is 1) (here, the sun constituted by the superlattice semiconductor layer in which the barrier layer and the quantum dots are at the 3 levels) The battery is hereinafter referred to as a conventional intermediate band solar cell). FIG. 4 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing, obtained by the simulation of Experiment 1. Further, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency when the light is collected, obtained by simulation of Experiment 1.

ここで、実験1のシミュレーションでは、Ts=6000K、T0=300Kで計算し、集光倍率は、式(2)と(9)におけるC0について、C0=1の場合とC0=1000の場合の2パターンとした。これらは、C0=1の場合を「非集光」と表示し(図4)、C0=1000の場合を「1000倍集光」と表示した(図5)。 Here, in the simulation of Experiment 1, calculation is performed with T s = 6000K and T 0 = 300K, and the condensing magnification is calculated for C 0 in Equations (2) and (9) when C 0 = 1 and C 0 = Two patterns in the case of 1000 were used. When C 0 = 1, “non-condensing” is displayed (FIG. 4), and when C 0 = 1000 is displayed “1000 times condensing” (FIG. 5).

図4を参照すると、非集光の場合、6準位中間バンド太陽電池は、障壁層(母体半導体ともいう)のバンドギャップがEg<1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがEg≧1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも6準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位(以下、これらの組み合わせをバンドラインナップという)を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図4)。ここで、障壁層のバンドギャップがEg=1.2eVであるとき、6準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとEg≧1.3eVであることがより好ましい。
図4を参照すると、6準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがEg=1.8〜3.8eVの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約46.7%であったのに対し、6準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.6〜2.7のとき約56.6%である。
このように、図4の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を6準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。(なお、上記図4の結果は、後述する表1を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 4, in the case of non-condensing, the 6-level intermediate band solar cell is compared with the conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer (also referred to as a parent semiconductor) is Eg <1.2 eV. It can be seen that there is almost no difference in the energy conversion efficiency.
On the other hand, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.2 eV, the 6-level intermediate band solar cell has a band gap / intermediate band energy level (hereinafter referred to as a combination of these). By optimizing the band lineup, the energy conversion efficiency may be increased (FIG. 4). Here, when the band gap of the barrier layer is Eg = 1.2 eV, the energy level interval between each of the 6 levels and the nearest level can be as narrow as room temperature energy. Considering the ease of controlling the interval, it is more preferable that Eg ≧ 1.3 eV.
Referring to FIG. 4, a 6-level intermediate band solar cell has energy that cannot be obtained by a conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.8 to 3.8 eV. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of a conventional intermediate band solar cell is about 46.7%, whereas the maximum energy conversion efficiency of a 6-level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. When it is 6 to 2.7, it is about 56.6%.
Thus, it can be seen from the results of FIG. 4 that by selecting the optimum band lineup, the 6-level intermediate band solar cell achieves energy conversion efficiency that cannot be obtained with the conventional intermediate band solar cell. (The result of FIG. 4 can also be understood by referring to Table 1 described later.)

図5を参照すると、1000倍集光の場合、非集光の場合と同様に、6準位中間バンド太陽電池は、障壁層(母体半導体ともいう)のバンドギャップがEg<1.1eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較してそのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがEg≧1.1eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも6準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図5)。ここで、障壁層のバンドギャップが1.1≦Eg≦1.4eVであるとき、6準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとEg≧1.5eVであることがより好ましい。
図5を参照すると、6準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがEg=1.5〜3.5eVの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約57.3%であったのに対し、6準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.4〜2.5eVのとき約67.7%である。
このように、図5の結果から、1000倍集光の場合でも最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を6準位中間バンド太陽電池が達成することがわかった。(なお、上記図5の結果は、後述する表2を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 5, in the case of 1000 times condensing, similarly to the case of non-condensing, the 6-level intermediate band solar cell has a band gap of a barrier layer (also referred to as a parent semiconductor) of Eg <1.1 eV. It can be seen that there is almost no difference in the energy conversion efficiency compared to the conventional intermediate band solar cell.
On the other hand, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.1 eV, by optimizing the band gap and the intermediate band energy level of the 6 level intermediate band solar cell than the conventional intermediate band solar cell, Energy conversion efficiency may be increased (FIG. 5). Here, when the band gap of the barrier layer is 1.1 ≦ Eg ≦ 1.4 eV, the energy level interval between each of the six levels and the closest level can be as narrow as room temperature energy. Considering the ease of controlling the energy level interval, it is more preferable that Eg ≧ 1.5 eV.
Referring to FIG. 5, a 6-level intermediate band solar cell has energy that cannot be obtained by a conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.5 to 3.5 eV. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of a conventional intermediate band solar cell is about 57.3%, whereas the maximum energy conversion efficiency of a 6 level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. It is about 67.7% at 4 to 2.5 eV.
In this way, from the result of FIG. 5, by selecting the optimum band lineup even in the case of 1000 times condensing, the energy conversion efficiency that cannot be obtained by the conventional intermediate band solar cell is obtained by the 6 level intermediate band solar cell. Was found to achieve. (The results in FIG. 5 can also be understood by referring to Table 2 described later.)

また、実験1の結果を表1及び表2に示す。表1及び表2は、6準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験1の結果の一部を示す表である。表1は、集光条件が「非集光」の場合であり、表2は、集光条件が「1000倍集光」の場合である。   The results of Experiment 1 are shown in Tables 1 and 2. Tables 1 and 2 compare the energy conversion efficiency and energy levels of the 6-level intermediate band solar cell and the conventional intermediate band solar cell, and are a table showing a part of the results of Experiment 1. Table 1 shows the case where the condensing condition is “non-condensing”, and Table 2 shows the case where the condensing condition is “1000 times condensing”.

Figure 0005509059
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Figure 0005509059
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ここで、表1及び表2において、ΔEは、2つのエネルギー準位(バンド)の間のエネルギー差を表しており、例えば、ΔEci21は、Ecのエネルギー準位70とEi21のエネルギー準位61とのエネルギー差を表している(図2参照)。このように、ΔEに続いて記載されている英数字は、2つのエネルギー準位を示している。ΔEii212等の他の記載及び表3〜表6も同様のルールで記載している。   Here, in Tables 1 and 2, ΔE represents an energy difference between two energy levels (bands). For example, ΔEci21 represents an energy level 70 of Ec and an energy level 61 of Ei21. (See FIG. 2). As described above, the alphanumeric characters described after ΔE indicate two energy levels. Other descriptions such as ΔEii212 and Tables 3 to 6 are also described in the same rule.

表1及び表2を参照し、同じ大きさのEgで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える6準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔEci21≧0.05eV、またはΔEvi24≧0.05eVであることがわかる、また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci21−ΔEvi24)|≧0.65eVとなることもわかる。さらに、MIN(ΔEii212、ΔEii223、ΔEii234)≧0.10eVとなることもわかる。
ここで、MIN(A,B,C)とは、A,B,Cの数値のうち最も小さい数値を意味する。以下、この明細書では、MIN(A,B,・・・)は、括弧内の数値のうち最も小さい数値を意味するものとして使用する。
Referring to Tables 1 and 2, when compared with Eg of the same size, the optimum band lineup of the 6-level intermediate band solar cell exceeding the conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell is ΔEci21 ≧ 0.05 eV, or ΔEvi24 It can be seen that ≧ 0.05 eV, and that the optimum band lineup is | (ΔEci21−ΔEvi24) | ≧ 0.65 eV. Further, it can be seen that MIN (ΔEii212, ΔEii223, ΔEii234) ≧ 0.10 eV.
Here, MIN (A, B, C) means the smallest numerical value among the numerical values of A, B, and C. Hereinafter, in this specification, MIN (A, B,...) Is used to mean the smallest numerical value in parentheses.

また、表1及び表2を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率と比較すると、6準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔEci21≧0.05eV、またはΔEvi24≧0.05eVであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci21−ΔEvi24)|≧0.65eVとなることもわかる。さらに、MIN(ΔEii212、ΔEii223、ΔEii234)≧0.125eVとなることもわかる。   In addition, referring to Tables 1 and 2, when compared with the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell, the optimum band that exceeds the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell for the 6 level intermediate band solar cell. It can be seen that the lineup is ΔEci21 ≧ 0.05 eV or ΔEvi24 ≧ 0.05 eV. It can also be seen that this optimum band lineup satisfies | (ΔEci21−ΔEvi24) | ≧ 0.65 eV. Further, it can be seen that MIN (ΔEii212, ΔEii223, ΔEii234) ≧ 0.125 eV.

例えば、量子ドットにより6準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層のバンドオフセットが0の場合、または価電子帯に形成される量子準位が1つのバンドとみなすことができる場合(すなわち4つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合)、ΔEvi24が大きいほど(ΔEci21+ΔEii212+ΔEii223+ΔEii234が小さいほど)最も低い中間バンドのエネルギー準位Ei24が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ei21、Ei22,Ei23,Ei24の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点からΔEvi24≧(Eg/2)eVが好ましく、表1及び表2を検討すると、6準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔEvi24≧(Eg/2+0.05)eVとなっている。
例えば、1000倍集光下における6準位中間バンド太陽電池においてEg=2.5eVの場合、67.7%のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、すなわちΔEci21とΔEvi24の組み合わせは、(ΔEci21、ΔEvi24)=(1.325eV、0.575eV)(0.575eV、1.325eV)である。これらは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔEvi24≧(Eg/2+0.05)eVより好ましい組み合わせは(ΔEci21、ΔEvi24)=(0.575eV、1.325eV)である。
For example, when a 6-level intermediate band solar cell is configured by quantum dots and the band offset between the quantum dots and the barrier layer in the valence band is 0, or the quantum level formed in the valence band is one band. When it can be considered (that is, when the four intermediate band levels are produced using the potential due to the conduction band offset), the larger the ΔEvi24 (the smaller the ΔEci21 + ΔEii212 + ΔEii223 + ΔEii234), the lower the intermediate band energy level Ei24 is. Near the bottom of the conduction band of the layer, the electron wave function of the quantum dot layer is likely to interact greatly with the wave function of the adjacent quantum dot layer. Therefore, an intermediate band of Ei21, Ei22, Ei23, and Ei24 is easily formed, and carrier movement is more likely to occur. From this point of view, ΔEvi24 ≧ (Eg / 2) eV is preferable. When Table 1 and Table 2 are examined, the optimum band lineup of the 6-level intermediate band solar cell is ΔEvi24 ≧ (Eg / 2 + 0.05) eV. ing.
For example, in the case of Eg = 2.5 eV in a 6-level intermediate-band solar cell under 1000-fold concentration, the band lineup that provides 67.7% energy conversion efficiency, that is, the combination of ΔEci21 and ΔEvi24 is (ΔEci21, ΔEvi24) = (1.325 eV, 0.575 eV) (0.575 eV, 1.325 eV). These satisfy the above band lineup, and a more preferable combination than the above condition ΔEvi24 ≧ (Eg / 2 + 0.05) eV is (ΔEci21, ΔEvi24) = (0.575 eV, 1.325 eV).

〔実験2〕
次に、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部(底)と価電子帯の最上部(頂点)と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が5準位を有する太陽電池について、実験1と同様の算出方法でシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験では、上記5準位を有する太陽電池のいくつかの例を挙げて、そのエネルギー変換効率を算出した。この太陽電池の超格子半導体層のバンド図を図6に示し、実験結果を図7及び図8に示す。
[Experiment 2]
Next, the total of the level of the intermediate band formed from the lowest part (bottom) of the conduction band of the barrier layer constituting the superlattice semiconductor layer, the highest part (vertex) of the valence band, and the quantum dots is five levels. A simulation experiment was performed on the solar cell having the same calculation method as in Experiment 1. In this simulation experiment, several examples of the solar cell having the above five levels were given and the energy conversion efficiency was calculated. The band diagram of the superlattice semiconductor layer of this solar cell is shown in FIG. 6, and the experimental results are shown in FIGS.

図6は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が3つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、1つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層と量子ドットが5準位を有する場合のバンド図を示している。また、図7は、実験2のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに図8は、実験2のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。   FIG. 6 is a band diagram in the case where the superlattice semiconductor layer according to one embodiment of the present invention has three intermediate bands. That is, this figure shows, as one example, a band diagram in the case where the barrier layer and the quantum dots that constitute the superlattice semiconductor layer have five levels. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing obtained by the simulation of Experiment 2. Further, FIG. 8 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency when the light is collected, obtained by the simulation of Experiment 2.

実験2のシミュレーションでも、実験1のシミュレーションと同様に、Ts=6000K、T0=300Kで計算し、集光倍率は、式(2)と(9)におけるC0について、C0=1の場合とC0=1000の場合の2パターンとした。これらは、C0=1の場合を「非集光」と表示し(図7)、C0=1000の場合を「1000倍集光」と表示している(図8)。 In the simulation experiment 2, similarly to the simulation experiment 1, calculated at T s = 6000K, T 0 = 300K, condensing magnification, the C 0 in the formula (2) (9), the C 0 = 1 And two patterns of C 0 = 1000. These indicate “non-condensing” when C 0 = 1 (FIG. 7) and “1000 times condensing” when C 0 = 1000 (FIG. 8).

図7を参照すると、非集光の場合、5準位中間バンド太陽電池は、障壁層(母体半導体ともいう)のバンドギャップがEg<1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがEg≧1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも5準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図7)。ここで、障壁層のバンドギャップがEg=1.2eVであるとき、5準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとEg≧1.3eVであることがより好ましい。
図7を参照すると、5準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがEg=1.8〜3.8eVの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約46.7%であったのに対し、5準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.6〜2.7のとき約55.4%である。
このように、図7の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を5準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。(なお、上記図7の結果は、後述する表3を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 7, in the case of non-condensing, the five-level intermediate band solar cell is compared with the conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer (also referred to as a parent semiconductor) is Eg <1.2 eV. It can be seen that there is almost no difference in the energy conversion efficiency.
On the other hand, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.2 eV, by optimizing the band gap / intermediate band energy level of the 5-level intermediate band solar cell than the conventional intermediate band solar cell, The energy conversion efficiency may be increased (FIG. 7). Here, when the band gap of the barrier layer is Eg = 1.2 eV, the energy level interval between each of the five levels and the closest level can be as narrow as room temperature energy. Considering the ease of controlling the interval, it is more preferable that Eg ≧ 1.3 eV.
Referring to FIG. 7, the five-level intermediate band solar cell has energy that cannot be obtained by a conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.8 to 3.8 eV. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell is about 46.7%, whereas the maximum energy conversion efficiency of the five-level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. When it is 6 to 2.7, it is about 55.4%.
Thus, it can be seen from the results of FIG. 7 that by selecting the optimum band lineup, the five-level intermediate band solar cell achieves energy conversion efficiency that cannot be obtained with the conventional intermediate band solar cell. (The results shown in FIG. 7 can also be understood by referring to Table 3 described later.)

図8を参照すると、1000倍集光の場合、非集光の場合と同様に、5準位中間バンド太陽電池は、障壁層(母体半導体ともいう)のバンドギャップがEg<1.1eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較してそのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがEg≧1.1eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも5準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図8)。
図8を参照すると、5準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがEg=1.5〜3.4eVの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約57.3%であったのに対し、5準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.3〜2.4eVのとき約66.5%である。
このように、図8の結果から、1000倍集光の場合でも、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を5準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。(なお、上記図8の結果は、後述する表4を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 8, in the case of 1000 times condensing, as in the case of non-condensing, the five-level intermediate band solar cell has a band gap of a barrier layer (also referred to as a parent semiconductor) of Eg <1.1 eV. It can be seen that there is almost no difference in the energy conversion efficiency compared to the conventional intermediate band solar cell.
On the other hand, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.1 eV, the 5-level intermediate band solar cell is more optimized than the conventional intermediate band solar cell by optimizing the band gap and the intermediate band energy level. The energy conversion efficiency may increase (FIG. 8).
Referring to FIG. 8, when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.5 to 3.4 eV, the energy of the five level intermediate band solar cell cannot be obtained by the conventional intermediate band solar cell. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of a conventional intermediate band solar cell is about 57.3%, whereas the maximum energy conversion efficiency of a five-level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. It is about 66.5% at 3 to 2.4 eV.
Thus, from the result of FIG. 8, even in the case of 1000 times condensing, by selecting the optimum band lineup, the energy conversion efficiency that cannot be obtained by the conventional intermediate band solar cell is obtained by the five-level intermediate band solar. You can see that the battery achieves. (The result of FIG. 8 can also be understood by referring to Table 4 described later.)

また、実験2の結果を表3及び表4に示す。表3及び表4は、5準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験2の結果の一部を示す表である。表3は、集光条件が「非集光」の場合であり、表4は、集光条件が「1000倍集光」の場合である。   The results of Experiment 2 are shown in Tables 3 and 4. Tables 3 and 4 compare the energy conversion efficiency and energy levels of the five-level intermediate band solar cell and the conventional intermediate band solar cell, and are a table showing a part of the results of Experiment 2. Table 3 shows the case where the condensing condition is “non-condensing”, and Table 4 shows the case where the condensing condition is “1000 times condensing”.

Figure 0005509059
Figure 0005509059

Figure 0005509059
Figure 0005509059

表3及び表4を参照し、同じ大きさのEgで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える5準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔEci11≧0.05eV、またはΔEvi13≧0.05eVであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci11−ΔEvi13)|≧0.625eVとなることもわかる。さらに、MIN(ΔEii112、ΔEi113)≧0.15eVとなることもわかる。   Referring to Tables 3 and 4, when compared with Eg of the same size, the optimal band lineup of a five-level intermediate band solar cell that exceeds the conversion efficiency of a conventional intermediate band solar cell is ΔEci11 ≧ 0.05 eV, or ΔEvi13 It can be seen that ≧ 0.05 eV. It can also be seen that this optimum band lineup satisfies | (ΔEci11−ΔEvi13) | ≧ 0.625 eV. It can also be seen that MIN (ΔEii112, ΔEi113) ≧ 0.15 eV.

また、表3及び表4を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率と比較すると、5準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔEci11≧0.175eV、またはΔEvi13≧0.175eVであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci11−ΔEvi13)|≧0.625eVとなることもわかる。さらに、MIN(ΔEii112、ΔEii113)≧0.175eVとなることもわかる。   Also, referring to Tables 3 and 4, when compared with the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell, the optimum band that exceeds the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell for the five-level intermediate band solar cell It can be seen that the lineup is ΔEci11 ≧ 0.175 eV or ΔEvi13 ≧ 0.175 eV. It can also be seen that this optimum band lineup satisfies | (ΔEci11−ΔEvi13) | ≧ 0.625 eV. It can also be seen that MIN (ΔEii112, ΔEii113) ≧ 0.175 eV.

例えば、量子ドットにより5準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層のバンドオフセットが0の場合、または価電子帯に形成される量子準位が1つのバンドとみなすことができる場合(すなわち3つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合)、ΔEvi13が大きいほど(ΔEci11+ΔEii112+ΔEii113が小さいほど)最も低い中間バンドのエネルギー準位Ei13が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ei11、Ei12,Ei13の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点から表3及び表4を検討すると、5準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、好ましくはΔEvi13≧(Eg/2+0.075)eVである。
例えば、1000倍集光下における5準位中間バンド太陽電池においてEg=2.4eVの場合、63.5%のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、すなわちΔEci11とΔEvi13の組み合わせは、(ΔEci11、ΔEvi13)=(1.30eV、0.575eV)(0.575eV、1.30eV)である。これは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔEvi13≧(Eg/2+0.075)eVより好ましい組み合わせは(ΔEci11、ΔEvi13)=(0.575eV、1.30eV)である。
〔実験3〕
次に、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部(底)と価電子帯の最上部(頂点)と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が4準位を有する太陽電池について、実験1及び実験2と同様の算出方法でシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験では、上記5準位を有する太陽電池のいくつかの例を挙げて、そのエネルギー変換効率を算出した。この太陽電池の超格子半導体層のバンド図を図9に示し、実験結果を図10及び図11に示す。
For example, when a five-level intermediate band solar cell is configured by quantum dots and the band offset between the quantum dots and the barrier layer in the valence band is zero, or the quantum level formed in the valence band is one band. When it can be considered (that is, when three intermediate band levels are produced using the potential due to the conduction band offset), the larger the ΔEvi13 (the smaller the ΔEci11 + ΔEii112 + ΔEii113), the lower the intermediate band energy level Ei13 is. Near the bottom of the conduction band of the layer, the electron wave function of the quantum dot layer is likely to interact greatly with the wave function of the adjacent quantum dot layer. Therefore, an intermediate band of Ei11, Ei12, and Ei13 is easily formed, and carrier movement is more likely to occur. Examining Table 3 and Table 4 from such a viewpoint, the optimal band lineup of the five-level intermediate band solar cell is preferably ΔEvi13 ≧ (Eg / 2 + 0.075) eV.
For example, in the case of Eg = 2.4 eV in a five-level intermediate band solar cell under 1000 times focusing, the band lineup that provides 63.5% energy conversion efficiency, that is, the combination of ΔEci11 and ΔEvi13 is (ΔEci11, ΔEvi13) = (1.30 eV, 0.575 eV) (0.575 eV, 1.30 eV). This satisfies the band lineup, and a more preferable combination than the above condition ΔEvi13 ≧ (Eg / 2 + 0.075) eV is (ΔEci11, ΔEvi13) = (0.575 eV, 1.30 eV).
[Experiment 3]
Next, the total of the levels of the lowest band (bottom) of the conduction band of the barrier layer constituting the superlattice semiconductor layer, the top (vertex) of the valence band, and the intermediate band formed from the quantum dots is 4 levels. A simulation experiment was performed on the solar cell having the same calculation method as in Experiment 1 and Experiment 2. In this simulation experiment, several examples of the solar cell having the above five levels were given and the energy conversion efficiency was calculated. The band diagram of the superlattice semiconductor layer of this solar cell is shown in FIG. 9, and the experimental results are shown in FIGS.

図9は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が2つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、1つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層と量子ドットが4準位を有する場合のバンド図を示している。また、図10は、実験3のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに図11は、実験3のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。   FIG. 9 is a band diagram when the superlattice semiconductor layer according to one embodiment of the present invention has two intermediate bands. That is, this figure shows, as an example, a band diagram in the case where the barrier layer and the quantum dot constituting the superlattice semiconductor layer have four levels. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency in the case of non-condensing, obtained by the simulation of Experiment 3. Further, FIG. 11 is a graph showing the relationship between the band gap and the maximum energy conversion efficiency when the light is collected, obtained by the simulation of Experiment 3.

実験3のシミュレーションでも、実験1及び実験2のシミュレーションと同様に、Ts=6000K、T0=300Kで計算し、集光倍率は、式(7)におけるC0について、C0=1の場合とC0=1000の場合の2パターンとした。これらは、C0=1の場合を「非集光」と表示し(図10)、C0=1000の場合を「1000倍集光」と表示した(図11)。 In the simulation of Experiment 3, similarly to the simulation of Experiment 1 and Experiment 2, calculation is performed with Ts = 6000K and T0 = 300K, and the condensing magnification is C 0 = 1 for C 0 in Equation (7) and C 0 Two patterns were used when 0 = 1000. In these cases, “Non-condensing” is displayed when C 0 = 1 (FIG. 10), and “1000 times condensing” is displayed when C 0 = 1000 (FIG. 11).

図10を参照すると、非集光の場合、4準位中間バンド太陽電池は、障壁層(母体半導体ともいう)のバンドギャップがEg<1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがEg≧1.2eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも4準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図10)。
図10を参照すると、4準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがEg=1.8〜3.5eVの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約46.7%であったのに対し、4準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.6eVのとき約53.0%である。
このように、図10の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を4準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。(なお、上記図10の結果は、後述する表1を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 10, in the case of non-condensing, the four-level intermediate band solar cell is compared with the conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer (also referred to as a parent semiconductor) is Eg <1.2 eV. It can be seen that there is almost no difference in the energy conversion efficiency.
On the other hand, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.2 eV, the 4-level intermediate band solar cell is more optimized than the conventional intermediate band solar cell by optimizing the band gap and the intermediate band energy level. There is a possibility that the energy conversion efficiency is increased (FIG. 10).
Referring to FIG. 10, a four-level intermediate band solar cell has energy that cannot be obtained by a conventional intermediate band solar cell when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.8 to 3.5 eV. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell is about 46.7%, whereas the maximum energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. At 6 eV, it is about 53.0%.
Thus, it can be seen from the results of FIG. 10 that, by selecting the optimum band lineup, the 4-level intermediate band solar cell achieves energy conversion efficiency that cannot be obtained with the conventional intermediate band solar cell. (The result of FIG. 10 can also be understood by referring to Table 1 described later.)

図11を参照すると、1000倍集光の場合、障壁層のバンドギャップがEg≧1.0eVであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも4準位中間バンド太陽電池のほうが、中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある(図11)。
図11を参照すると、障壁層のバンドギャップがEg=1.6〜3.2eVの領域にあるとき、4準位中間バンド太陽電池は、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約57.3%であったのに対し、4準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがEg=2.3eVのとき約63.8%である。
このように、図11の結果から、1000倍集光の場合でも、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を4準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。(なお、上記図11の結果は、後述する表2を参照しても理解できる。)
Referring to FIG. 11, when the band gap of the barrier layer is Eg ≧ 1.0 eV in the case of 1000 times condensing, the intermediate band energy level of the 4-level intermediate band solar cell is higher than that of the conventional intermediate band solar cell. By optimizing the position, the energy conversion efficiency may be increased (FIG. 11).
Referring to FIG. 11, when the band gap of the barrier layer is in the region of Eg = 1.6 to 3.2 eV, the energy of a four level intermediate band solar cell cannot be obtained by a conventional intermediate band solar cell. It can be seen that the conversion efficiency is achieved. For example, the maximum energy conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell is about 57.3%, whereas the maximum energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell is that the band gap of the barrier layer is Eg = 2. At 3 eV, it is about 63.8%.
Thus, from the result of FIG. 11, even in the case of 1000 times condensing, by selecting the optimum band lineup, the energy conversion efficiency that cannot be obtained by the conventional intermediate band solar cell is obtained by the four-level intermediate band solar. You can see that the battery achieves. (The results in FIG. 11 can also be understood by referring to Table 2 described later.)

また、実験1の結果を表5及び表6に示す。表5及び表6は、4準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験1の結果の一部を示す表である。表5は、集光条件が「非集光」の場合であり、表6は、集光条件が「1000倍集光」の場合である。
なお、表5および表6にはΔEci1(ΔEvi2)の列とΔEvi2(ΔEci1)の列があるが、これらは一方がΔEci1の値であれば他方がΔEvi2の値であることを示し、一方がΔEvi2の値であれば他方がΔEci1の値であることを示している。
The results of Experiment 1 are shown in Tables 5 and 6. Tables 5 and 6 compare the energy conversion efficiency and energy levels of the 4-level intermediate band solar cell and the conventional intermediate band solar cell, and are a table showing a part of the results of Experiment 1. Table 5 shows the case where the condensing condition is “non-condensing”, and Table 6 shows the case where the condensing condition is “1000 times condensing”.
Tables 5 and 6 have a column of ΔEci1 (ΔEvi2) and a column of ΔEvi2 (ΔEci1), which indicates that if one is a value of ΔEci1, the other is a value of ΔEvi2, and one is ΔEvi2 Is the value of ΔEci1.

Figure 0005509059
Figure 0005509059

Figure 0005509059
Figure 0005509059

表5及び表6を参照し、同じ大きさのEgで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える4準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔEci1≧0.1eV、またはΔEvi2≧0.1eVであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci1−ΔEvi2)|≧0.25eVとなることもわかる。さらに、ΔEii≧0.25eVとなることもわかる。   Referring to Tables 5 and 6, when comparing Eg of the same size, the optimum band lineup of the four-level intermediate band solar cell exceeding the conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell is ΔEci1 ≧ 0.1 eV, or ΔEvi2 It can be seen that ≧ 0.1 eV. It can also be seen that this optimal band lineup satisfies | (ΔEci1−ΔEvi2) | ≧ 0.25 eV. It can also be seen that ΔEii ≧ 0.25 eV.

また、表5及び表6を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率とを比較すると、4準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔEci1≧0.325eV、またはΔEvi2≧0.325eVであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、|(ΔEci1−ΔEvi2)|≧0.325eVとなることもわかる。さらに、ΔEii≧0.325eVとなることがわかる。   In addition, referring to Tables 5 and 6, when comparing the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell, the four-level intermediate band solar cell is optimal so as to exceed the maximum conversion efficiency of the conventional intermediate band solar cell. It can be seen that the band lineup satisfies ΔEci1 ≧ 0.325 eV or ΔEvi2 ≧ 0.325 eV. It can also be seen that this optimal band lineup satisfies | (ΔEci1−ΔEvi2) | ≧ 0.325 eV. Further, it can be seen that ΔEii ≧ 0.325 eV.

例えば、量子ドットにより4準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層との間のバンドオフセットが0の場合、または価電子帯に形成される量子準位が1つのバンドとみなすことができる場合(すなわち2つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合)、ΔEvi2が大きいほど(ΔEci1+ΔEiiが小さいほど)最も低い中間バンドのエネルギー準位Ei2が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ei1、Ei2の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点から表1及び表2を検討すると、4準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、好ましくはΔEvi2≧(Eg/2+0.125)eVである。
例えば、1000倍集光下における4準位中間バンド太陽電池においてEg=2.3eVの場合、63.8%のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、ずなわちΔEci1とΔEvi2の組み合わせは、(ΔEci1、ΔEvi2)=(1.30eV、0.65eV)(0.65eV、1.30eV)、(1.00eV、0.65eV)、(0.65ev、1.00eV)である。これは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔEvi2≧(Eg/2+0.125)eVより好ましい組み合わせは(ΔEci1、ΔEvi2)=(0.65eV、1.30eV)である。
For example, when a four-level intermediate band solar cell is constituted by quantum dots and the band offset between the quantum dots and the barrier layer in the valence band is 0, or the quantum level formed in the valence band is 1 When it can be regarded as one band (that is, when two intermediate band levels are produced using the potential due to the conduction band offset), the higher the ΔEvi2 (the smaller the ΔEci1 + ΔEii), the lowest intermediate band energy level Ei2 Is close to the bottom of the conduction band of the barrier layer, and the electron wave function of the quantum dot layer is likely to interact greatly with the wave function of the adjacent quantum dot layer. Therefore, an intermediate band of Ei1 and Ei2 is easily formed, and carrier movement is more likely to occur. Examining Table 1 and Table 2 from such a viewpoint, the optimum band lineup of the four-level intermediate band solar cell is preferably ΔEvi2 ≧ (Eg / 2 + 0.125) eV.
For example, in the case of Eg = 2.3 eV in a 4-level intermediate band solar cell under 1000 times focusing, the band lineup that results in an energy conversion efficiency of 63.8%, that is, the combination of ΔEci1 and ΔEvi2 is (ΔEci1, ΔEvi2) = (1.30 eV, 0.65 eV) (0.65 eV, 1.30 eV), (1.00 eV, 0.65 eV), (0.65 ev, 1.00 eV). This satisfies the band lineup, and a more preferable combination than the above condition ΔEvi2 ≧ (Eg / 2 + 0.125) eV is (ΔEci1, ΔEvi2) = (0.65 eV, 1.30 eV).

以上の実験から、6準位中間バンド太陽電池、5準位中間バンド太陽電池、及び4準位中間バンド太陽電池は、エネルギー変換効率が高いことがわかる。   From the above experiment, it can be seen that the 6-level intermediate band solar cell, the 5-level intermediate band solar cell, and the 4-level intermediate band solar cell have high energy conversion efficiency.

なお、表1〜表6のEg以外のエネルギー準位は、あるEgに対するいくつかの例を示したに過ぎない。すなわち、あるEgに対して同じ効率を満たすEg以外のエネルギー準位はエネルギー間隔の対称性から他にも組み合わせが考えられる。また、表1〜6はあるEgに対して最大エネルギー変換効率を与える最適なエネルギー準位の組み合わせを示したに過ぎず、これら以外の組み合わせであっても従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率を越えうる。従って、この発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されない。   The energy levels other than Eg in Tables 1 to 6 only show some examples for a certain Eg. That is, other combinations of energy levels other than Eg satisfying the same efficiency for a certain Eg are conceivable from the symmetry of the energy interval. Moreover, Tables 1-6 only showed the combination of the optimal energy level which gives the maximum energy conversion efficiency with respect to a certain Eg, Even if it is a combination other than these, the energy conversion efficiency of the conventional intermediate | middle band solar cell Can be exceeded. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.

シミュレーション実験2
〔実験4〕
次に、実験1〜3で明らかとなったエネルギー準位(4〜6準位中間バンド太陽電池。多準位中間バンド太陽電池ともいう)を有する太陽電池について、特定の構造に着目してさらにシミュレーション実験を行った。
Simulation experiment 2
[Experiment 4]
Next, with respect to the solar cell having the energy level (4 to 6 level intermediate band solar cell, also referred to as multilevel intermediate band solar cell) clarified in Experiments 1 to 3, focusing on a specific structure, A simulation experiment was conducted.

MATLABソフトを用いシュレディンガー方程式を解き、バンド構造計算を行った。このシミュレーション実験では、多準位中間バンド太陽電池を実現できる構造として、「価電子帯バンドオフセットがゼロである構造」と「価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造」に着目した。また、量子ドットの形状は立方体であると考え、3辺の大きさを(a,b,c)nmとした。   The band structure calculation was performed by solving the Schrödinger equation using MATLAB software. In this simulation experiment, we focused on “a structure in which the valence band band offset is zero” and “a structure in which the valence band band offset is not zero” as structures that can realize a multilevel intermediate band solar cell. Further, the shape of the quantum dots was considered to be a cube, and the size of the three sides was set to (a, b, c) nm.

1.価電子帯バンドオフセットがゼロである構造
InAs1-xSbx/AlSbの組み合わせを用いれば価電子帯バンドオフセットをゼロにすることが可能である(ここでいう価電子帯バンドオフセットとは、InAsxSb1-xとAlSbの価電子帯頂点のエネルギー準位の差がゼロである関係をいう)。InAs1-xSbxはΓ点の伝導体下端とΓ点の価電子帯の上端とのエネルギー差が最も小さく(直接バンドギャップ)、AlSbはX点の伝導帯下端とΓ点の価電子帯上端のエネルギー差が最も小さい(間接バンドギャップ)。しかし、太陽電池においてはΓ点における吸収が最も重要かつ支配的であり、以下ではInAs1-xSbx、AlSb共にΓ点でのバンド構造を考える。ここでは、Vegard則からx=0.3として以下の計算を行った。AlSbのΓ点でのバンドギャップは2.3eVである。
1. Structure in which the valence band offset is zero If the combination of InAs 1-x Sb x / AlSb is used, the valence band offset can be made zero (the valence band offset here is InAs x Sb 1-x and AlSb valence band peak energy level difference is zero). InAs 1-x Sb x has the smallest energy difference between the lower end of the conductor at the Γ point and the upper end of the valence band at the Γ point (direct band gap), and AlSb has the lower end of the conduction band at the X point and the valence band at the Γ point. The energy difference at the top is the smallest (indirect band gap). However, in a solar cell, absorption at the Γ point is the most important and dominant, and the band structure at the Γ point is considered below for both InAs 1-x Sb x and AlSb. Here, the following calculation was performed with x = 0.3 from the Vegard rule. The band gap at the Γ point of AlSb is 2.3 eV.

価電子帯バンドオフセットがゼロである構造に関するバンド構造計算の結果を図12〜図17に示す。図12、図14及び図16は、中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。これらの図の多準位中間バンド太陽電池は、図12、図14、図16の順で、4準位中間バンド、5準位中間バンド、6準位中間バンドである。また、これらの図の太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAs0.7Sb0.3とAlSbで構成されている。また、図13、図15及び図17は、それぞれ図12、図14及び図16における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。 The results of the band structure calculation relating to the structure in which the valence band offset is zero are shown in FIGS. 12, FIG. 14 and FIG. 16 are diagrams showing the band structure calculation results of the intermediate band solar cell. The multilevel intermediate band solar cells in these figures are a four level intermediate band, a five level intermediate band, and a six level intermediate band in the order of FIGS. In the solar cells in these figures, the valence band offset between the quantum dot layer and the barrier layer is zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs 0.7 Sb 0.3 and AlSb, respectively. FIGS. 13, 15 and 17 are diagrams showing the results of simulating the relationship between voltage and current when the solar cells in FIGS. 12, 14 and 16 are irradiated with light, respectively.

なお、図12における「InAs0.7Sb0.3/AlSb=2.7+2.7+9/3nm」は、量子ドット層がInAs0.7Sb0.3、障壁層がAlSbであることを示し、「2.7+2.7+9」はInAs0.7Sb0.3で構成される量子ドットの大きさを示している(直方体の量子ドットの三辺の大きさを(a,b,c)としたとき、ここでは(a+b+c)と表示している)。また同図の「3nm」はAlSbの層厚を示している。このような表記法は、図14〜図22でも同様である。 In FIG. 12, “InAs 0.7 Sb 0.3 /AlSb=2.7+2.7+9/3 nm” indicates that the quantum dot layer is InAs 0.7 Sb 0.3 and the barrier layer is AlSb. + 2.7 + 9 ”indicates the size of a quantum dot composed of InAs 0.7 Sb 0.3 (when the size of three sides of a rectangular parallelepiped quantum dot is (a, b, c), (Shown as a + b + c)). Further, “3 nm” in the figure indicates the layer thickness of AlSb. Such a notation is the same in FIGS.

(1−1)4準位中間バンド太陽電池
InAs0.7Sb0.3/AlSb=(2.7、2.7、9)/3nm
図12に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei2、Ei1、Ec)=(0、1.29、1.64、2.32)eVとなった。これらのエネルギー準位を用いて、4準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合51.9%、1000倍集光で63.4%となった(図13参照)。
(1-1) 4-level intermediate band solar cell InAs 0.7 Sb 0.3 /AlSb=(2.7, 2.7, 9) / 3 nm
As shown in FIG. 12, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei2, Ei1, Ec) = (0, 1 .29, 1.64, 2.32) eV. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell was 51.9% in the case of non-condensing, and 63.4% in 1000 times condensing (see FIG. 13).

(1−2)5準位中間バンド太陽電池
InAs0.7Sb0.3/AlSb=(2.7、2.7、13)/3nm
図14に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei13、Ei12、Ei11、Ec)=(0、1.25、1.44、1.80、2.3)eVとなった。これらのエネルギー準位を用いて、5準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合52.1%、1000倍集光で63.6%となった(図15参照)。
(1-2) 5-level intermediate band solar cell InAs 0.7 Sb 0.3 /AlSb=(2.7, 2.7, 13) / 3 nm
As shown in FIG. 14, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei13, Ei12, Ei11, Ec) = (0 1.25, 1.44, 1.80, 2.3) eV. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the five-level intermediate band solar cell was 52.1% in the case of non-condensing, and 63.6% in 1000 times condensing (see FIG. 15).

(1−3)6準位中間バンド太陽電池
InAs0.7Sb0.3/AlSb=(2.7、2.7、17)/3nm
図16に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei24、Ei23、Ei22、Ei21、Ec)=(0、1.23、1.35、1.57、1.90、2.3)eVとなった。これらのエネルギー準位を用いて、6準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合53.2%、1000倍集光で65.0%となった(図17参照)。
(1-3) 6-level intermediate band solar cell InAs 0.7 Sb 0.3 /AlSb=(2.7, 2.7, 17) / 3 nm
As shown in FIG. 16, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei24, Ei23, Ei22, Ei21, Ec) = (0, 1.23, 1.35, 1.57, 1.90, 2.3) eV. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the 6-level intermediate band solar cell was 53.2% in the case of non-condensing, and 65.0% in 1000 times condensing (see FIG. 17).

2.価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造
InAs/AlSb1-xAsxの組み合わせは、価電子帯バンドオフセットをゼロにすることができない。しかし、価電子帯バンドオフセットが比較的小さいことと、価電子帯にはヘビーホールとライトホールが存在し、ヘビーホールの有効質量が比較的大きいため価電子帯には多数の量子エネルギー準位が形成され、これらの複数の準位をまとめて1つの価電子帯とみなすことが可能である。1つにみなされた価電子帯の上端から伝導帯下端までを実効的なバンドギャップと考えることが可能となり、多準位中間バンド太陽電池を実現することができる。
2. Structure in which valence band offset is not zero The combination of InAs / AlSb 1-x As x cannot make the valence band offset zero. However, the valence band offset is relatively small, and there are heavy holes and light holes in the valence band. Since the effective mass of the heavy holes is relatively large, the valence band has many quantum energy levels. These multiple levels are formed and can be regarded as one valence band. From the upper end of the valence band regarded as one to the lower end of the conduction band can be considered as an effective band gap, a multi-level intermediate band solar cell can be realized.

一方で、この組み合わせにおいても、先ほどと同様にInAsはΓ点の伝導体下端とΓ点の価電子帯の上端とのエネルギー差が最も小さく(直接バンドギャップ)、AlSb1-xAsxはX点の伝導帯下端とΓ点の価電子帯上端のエネルギー差が最も小さい(間接バンドギャップ)。しかし、太陽電池においてはΓ点における吸収が最も重要かつ支配的であり、以下ではInAs、AlSb1-xAsx共にΓ点でのバンド構造を考える。ここでは、Vegard則からx=0.5として以下の計算を行った。 On the other hand, in this combination as well, InAs has the smallest energy difference between the lower end of the conductor at the Γ point and the upper end of the valence band at the Γ point (direct band gap), and AlSb 1-x As x is X The energy difference between the lower end of the conduction band at the point and the upper end of the valence band at the Γ point is the smallest (indirect band gap). However, in solar cells, absorption at the Γ point is the most important and dominant, and the band structure at the Γ point is considered below for both InAs and AlSb 1-x As x . Here, the following calculation was performed with x = 0.5 from the Vegard rule.

価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造に関するバンド構造計算の結果を図18〜図23に示す。図18、図20及び図22は、中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。これらの図における太陽電池の中間バンドは、図18、図20、図22の順で、4準位中間バンド、5準位中間バンド、6準位中間バンドである。また、これらの図における太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロでなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれInAsとAlSb0.5As0.5で構成されている。また、図19、図21及び図23は、それぞれ図18、図20及び図22における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。 The results of the band structure calculation regarding the structure where the valence band offset is not zero are shown in FIGS. 18, FIG. 20 and FIG. 22 are diagrams showing the band structure calculation results of the intermediate band solar cell. The intermediate bands of the solar cell in these figures are a four-level intermediate band, a five-level intermediate band, and a six-level intermediate band in the order of FIGS. 18, 20, and 22. In the solar cells in these figures, the valence band offset of the quantum dot layer and the barrier layer is not zero, and the quantum dot layer and the barrier layer are composed of InAs and AlSb 0.5 As 0.5 , respectively. FIGS. 19, 21 and 23 are diagrams showing the results of simulating the relationship between voltage and current when the solar cells in FIGS. 18, 20 and 22 are irradiated with light, respectively.

(1−1)4準位中間バンド太陽電池
InAs/AlSb0.5As0.5=(2.5、2.5、8.5)/3nm
図18に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei2、Ei1、Ec)=(0、1.54、1.90、2.52)eVとなった。ここで、Evは1つにみなされた価電子帯の上端のエネルギー準位のことであり、Ecは障壁層の伝導体の下端であり、従って(Ec−Ev)は障壁層のバンドギャップではない。これらのエネルギー準位を用いて、4準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合47.7%、1000倍集光で56.8%となった(図19参照)。
(1-1) 4-level intermediate band solar cell InAs / AlSb 0.5 As 0.5 = (2.5, 2.5, 8.5) / 3 nm
As shown in FIG. 18, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei2, Ei1, Ec) = (0, 1 .54, 1.90, 2.52) eV. Here, Ev is the energy level at the upper end of the valence band considered as one, Ec is the lower end of the conductor of the barrier layer, and therefore (Ec−Ev) is the band gap of the barrier layer. Absent. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell was 47.7% in the case of non-condensing, and 56.8% in 1000 times condensing (see FIG. 19).

(2−2)5準位中間バンド太陽電池
InAs/AlSb0.5As0.5=(2.7、2.7、12)/3nm
図20に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei13、Ei12、Ei11、Ec)=(0、1.41、1.61、1.98、2.50)eVとなった。これらのエネルギー準位を用いて、4準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合51.3%、1000倍集光で61.4%となった(図21参照)。
(2-2) 5-level intermediate band solar cell InAs / AlSb 0.5 As 0.5 = (2.7, 2.7, 12) / 3 nm
As shown in FIG. 20, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei13, Ei12, Ei11, Ec) = (0 1.41, 1.61, 1.98, 2.50) eV. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell was 51.3% in the case of non-condensing and 61.4% in the case of 1000 times condensing (see FIG. 21).

(2−3)6準位中間バンド太陽電池
InAs/AlSb0.5As0.5=(3.0、3.0、15)/3nm
図22に示すように、このような量子ドットサイズである場合、3方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を0として、(Ev、Ei24、Ei23、Ei22、Ei21、Ec)=(0、1.28、1.42、1.67、2.03、2.49)eVとなった。これらのエネルギー準位を用いて、4準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合52.8%、1000倍集光で63.4%となった(図23参照)。
(2-3) 6-level intermediate band solar cell InAs / AlSb 0.5 As 0.5 = (3.0, 3.0, 15) / 3 nm
As shown in FIG. 22, in the case of such a quantum dot size, each energy level becomes 0 at the upper end of the valence band due to confinement from three directions, and (Ev, Ei24, Ei23, Ei22, Ei21, Ec) = (0, 1.28, 1.42, 1.67, 2.03, 2.49) eV. Using these energy levels, the energy conversion efficiency of the four-level intermediate band solar cell was 52.8% in the case of non-condensing, and 63.4% in the case of 1000 times condensing (see FIG. 23).

以上のように、実験4の結果からも、4〜6準位中間バンド太陽電池が高いエネルギー効率を示すことが理解できる。   As described above, it can be understood from the results of Experiment 4 that the 4-6 level intermediate band solar cell exhibits high energy efficiency.

以上、実施形態を挙げて、この発明を説明したが、この発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.

例えば、超格子構造中における量子ドット間の波動関数の電子的結合により量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ、量子準位が1つに繋がった中間バンドが形成されることはキャリア移動の観点からより好ましいが、必ずしも中間バンドが形成される必要があるわけではない。非特許文献3に示されるように、各々の量子ドットから形成される量子エネルギー準位が共鳴せずに各々独立に存在していても良く、そのような構成であっても中間バンド太陽電池として機能する。このため、上記の実施形態(及び実験1〜4)の中間バンドは、超格子半導体層に各々独立に存在したエネルギー準位であってもよい。   For example, a resonant tunneling effect between quantum levels is generated by electronic coupling of wave functions between quantum dots in a superlattice structure, and an intermediate band in which quantum levels are connected to one another is formed from the viewpoint of carrier movement. More preferably, an intermediate band need not necessarily be formed. As shown in Non-Patent Document 3, the quantum energy levels formed from each quantum dot may exist independently without resonating, and even in such a configuration, as an intermediate band solar cell Function. For this reason, the energy level which each existed independently in the superlattice semiconductor layer may be sufficient as the intermediate | middle band of said embodiment (and experiment 1-4).

また、上記の実施形態(及び実験1〜4)では、主に量子ドットで形成される超格子構造を説明したが、例えば、量子井戸構造により形成される中間バンドや化合物半導体材料に数種類の不純物をドープすることで形成される中間バンド(不純物を用いた中間バンド)などに適用してもよく、この発明は、量子ドットを用いた中間バンド太陽電池に限定されない。   In the above-described embodiments (and Experiments 1 to 4), the superlattice structure mainly formed of quantum dots has been described. For example, several kinds of impurities may be contained in an intermediate band or a compound semiconductor material formed by a quantum well structure. The present invention may be applied to an intermediate band (intermediate band using impurities) formed by doping and the present invention is not limited to an intermediate band solar cell using quantum dots.

このように、この発明は請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についてもこの発明の技術的範囲に含まれる。   As described above, the present invention can be variously modified within the scope of the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

1: p型半導体基板 3:バッファー層
4:ベース層(p型半導体層) 6:量子ドット層 7:量子ドット
8:障壁層 10:超格子半導体層 12:エミッタ−層(n型半導体層)
14:窓層 15:コンタクト層 17:n型電極 18:p型電極
20:太陽電池
50:価電子帯の頂上のエネルギー準位(Ev)
60,61,62,63,64:中間バンド(Ei21,Ei22,Ei23,Ei24,Ei11,Ei12,Ei13,Ei1,Ei2,Ei3)
70:伝導帯の底のエネルギー準位(Ec)
1: p-type semiconductor substrate 3: buffer layer 4: base layer (p-type semiconductor layer) 6: quantum dot layer 7: quantum dot 8: barrier layer 10: superlattice semiconductor layer 12: emitter-layer (n-type semiconductor layer)
14: window layer 15: contact layer 17: n-type electrode 18: p-type electrode 20: solar cell 50: energy level at the top of valence band (Ev)
60, 61, 62, 63, 64: Intermediate band (Ei21, Ei22, Ei23, Ei24, Ei11, Ei12, Ei13, Ei1, Ei2, Ei3)
70: Energy level at the bottom of the conduction band (Ec)

Claims (7)

p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、
前記光吸収半導体層は、少なくとも3つ以上の中間バンドを前記光吸収半導体層の禁制帯中に備え、
前記光吸収半導体層は、障壁層と量子層が交互に繰り返し積層された超格子構造を有する超格子半導体層であり
記中間バンドは、前記量子層の伝導帯底と前記障壁層の伝導帯底の間に形成され、
前記量子層は量子ドットからなる量子ドット層であり
記障壁層の禁制帯の幅をEg、障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と、前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとのエネルギー差をΔEviとしたときに下記の式(1)を満たすことを特徴とする太陽電池。
ΔEvi≧(Eg/2)(単位:eV)・・・(1)
a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a light-absorbing semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
The light absorption semiconductor layer includes at least three or more intermediate bands in the forbidden band of the light absorption semiconductor layer,
The light absorbing semiconductor layer is a superlattice semiconductor layer having a superlattice structure in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked .
Before Symbol intermediate band is formed between the conduction band of the barrier layer and the conduction band of the quantum layer,
The quantum layer is a quantum dot layer composed of quantum dots ,
Below the width of the forbidden band of the previous SL barrier layer Eg, a top energy level of the valence band in the barrier layer, the energy difference between the highest energy level is lower intermediate band of the intermediate band is taken as ΔEvi The solar cell characterized by satisfying the formula (1).
ΔEvi ≧ (Eg / 2) (unit: eV) (1)
Eg≧1.5eVを満たす請求項1に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 1, wherein Eg ≧ 1.5 eV is satisfied. 前記中間バンドが少なくとも4つ以上である請求項1または2に記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1 or 2, wherein there are at least four intermediate bands . 前記中間バンドが3つであり、
前記光吸収半導体層又は前記障壁層の禁制帯は、幅が1.1eV以上3.8eV以下である請求項1に記載の太陽電池。
There are three intermediate bands ,
2. The solar cell according to claim 1, wherein the forbidden band of the light absorbing semiconductor layer or the barrier layer has a width of 1.1 eV or more and 3.8 eV or less.
前記中間バンドが4つであり、
前記光吸収半導体層または前記障壁層の禁制帯は、幅が1.3eV以上3.8eV以下である請求項1に記載の太陽電池。
There are four intermediate bands ,
The solar cell according to claim 1, wherein the forbidden band of the light absorbing semiconductor layer or the barrier layer has a width of 1.3 eV or more and 3.8 eV or less.
前記中間バンドは、3つであり、
前記障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位Ecと最もEcに近い中間バンドEi11とのエネルギー差をΔEci11とし、価電子帯の上端のエネルギー準位Evと3番目にEcに近い中間バンドEi13とのエネルギー差をΔEvi13とし、Ei11と2番目にEcに近い中間バンドEi12とのエネルギー差をΔEii112とし、Ei12とEi13とのエネルギー差をΔEii123とし、ΔEii112、ΔEii123のうち最も小さい数値をMIN(ΔEii112、ΔEii123)としたとき、
ΔEci11≧0.05eV、またはΔEvi13≧0.05eVであり、
|(ΔEci11−ΔEvi13)|≧0.625eVであり、
MIN(ΔEii112、ΔEii123)≧0.15eVである請求項1に記載の太陽電池。
There are three intermediate bands ,
The energy difference between the energy level Ec at the lower end of the conduction band of the barrier layer and the intermediate band Ei11 closest to Ec is ΔEci11, and the energy level Ev at the upper end of the valence band and the intermediate band Ei13 third closest to Ec are The energy difference between Ei11 and the second intermediate band Ei12 closest to Ec is ΔEii112, the energy difference between Ei12 and Ei13 is ΔEii123, and the smallest value among ΔEii112 and ΔEii123 is MIN (ΔEii112, ΔEii123)
ΔEci11 ≧ 0.05 eV, or ΔEvi13 ≧ 0.05 eV,
| (ΔEci11−ΔEvi13) | ≧ 0.625 eV,
The solar cell according to claim 1, wherein MIN (ΔEii112, ΔEii123) ≧ 0.15 eV.
前記中間バンドは、4つであり、
前記障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位Ecと最もEcに近い中間バンドEi21とのエネルギー差をΔEci21とし、価電子帯の上端のエネルギー準位Evと4番目にEcに近い中間バンドEi24とのエネルギー差をΔEvi24とし、Ei21と2番目にEcに近い中間バンドEi22とのエネルギー差をΔEii212とし、Ei22と3番目にEcに近い中間バンドEi23とのエネルギー差をΔEii223とし、Ei23とEi24とのエネルギー差をΔEii234とし、ΔEii212、ΔEii223、ΔEii234のうち最も小さい数値をMIN(ΔEii212、ΔEii223、ΔEii234)としたとき、
ΔEci21≧0.05eV、またはΔEvi24≧0.05eVであり、
|(ΔEci21−ΔEvi24)|≧0.65eVであり、
MIN(ΔEii212、ΔEii223、ΔEii234)≧0.10eVである請求項1に記載の太陽電池。
There are four intermediate bands ,
The energy difference between the energy level Ec at the lower end of the conduction band of the barrier layer and the intermediate band Ei21 closest to Ec is ΔEci21, and the energy level Ev at the upper end of the valence band and the intermediate band Ei24 fourth closest to Ec are ΔEvi24, the energy difference between Ei21 and the second intermediate band Ei22 closest to Ec is ΔEii212, the energy difference between Ei22 and the third intermediate band Ei23 closest to Ec is ΔEii223, and Ei23 and Ei24 When the energy difference is ΔEii234 and the smallest numerical value among ΔEii212, ΔEii223, and ΔEii234 is MIN (ΔEii212, ΔEii223, ΔEii234),
ΔEci21 ≧ 0.05 eV, or ΔEvi24 ≧ 0.05 eV,
| (ΔEci21−ΔEvi24) | ≧ 0.65 eV,
The solar cell according to claim 1, wherein MIN (ΔEii212, ΔEii223, ΔEii234) ≧ 0.10 eV.
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