JP5733655B2 - Silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material, solar cell, light emitting device, and manufacturing method - Google Patents

Silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material, solar cell, light emitting device, and manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、バンドギャップ変調制御による発光機能や光吸収機能を有するシリコンナノ粒子とキャリア伝達機能を有するシリコンナノワイヤを複合機能的に融合化したシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料、この複合材料を利用した新規で高効率の太陽電池、発光デバイス及び製造法に関する。   The present invention uses a silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material in which silicon nanoparticles having a light-emitting function or a light absorption function by band gap modulation control and a silicon nanowire having a carrier transfer function are combined in a composite function, and this composite material is used. The present invention relates to a novel and highly efficient solar cell, a light emitting device, and a manufacturing method.

シリコンナノ粒子は、サイズ(直径)を変えることによりバンドギャップを自在に変調できるため、光励起法や電界励起法によるフォトルミネッセンス現象やエレクトロルミネッセンス現象を利用したフルカラー発光デバイスに適応できる。また、バンドギャップ変調により太陽光の全波長領域を効率よく吸収できるため、光吸収現象を利用した太陽電池としても適応させることができる。しかし、シリコンナノ粒子を用いた従来のフルカラー発光デバイスや太陽電池は、電極から粒子へのキャリア注入効率や粒子から電極へのキャリア取り出し効率(輸送効率)が低いため、発光効率や変換効率の低減を引き起こしていた。一方、シリコンナノワイヤは、高い導電性を得ることができるため、電子デバイスとして使用されている。そこで、発光機能や光吸収機能に優れたシリコンナノ粒子と導電性に優れたシリコンナノワイヤを複合化することで発光効率や変換効率を向上させることができる。   Since silicon nanoparticles can freely modulate the band gap by changing the size (diameter), they can be applied to a full-color light emitting device utilizing a photoluminescence phenomenon or an electroluminescence phenomenon by an optical excitation method or an electric field excitation method. In addition, since the entire wavelength region of sunlight can be efficiently absorbed by band gap modulation, it can be adapted as a solar cell utilizing a light absorption phenomenon. However, conventional full-color light-emitting devices and solar cells using silicon nanoparticles have low carrier injection efficiency from the electrode to the particle and carrier extraction efficiency (transport efficiency) from the particle to the electrode, thus reducing the light emission efficiency and conversion efficiency. Was causing. On the other hand, silicon nanowires are used as electronic devices because they can obtain high conductivity. Therefore, by combining silicon nanoparticles having excellent light emitting function and light absorbing function and silicon nanowires having excellent conductivity, light emitting efficiency and conversion efficiency can be improved.

本発明は、高発光効率型発光デバイスや高変換効率型太陽電池の活性層に使用するために、シリコンナノワイヤの周囲をシリコンナノ粒子で覆った新規の複合材料の製造法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for producing a novel composite material in which silicon nanowires are covered with silicon nanoparticles for use in an active layer of a high-light-emitting efficiency light-emitting device or a high-conversion-efficiency solar cell. And

本発明の一側面によれば、シリコンナノワイヤの周囲をシリコンナノ粒子で覆ったシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料が与えられる。   According to one aspect of the present invention, a silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material in which silicon nanowires are covered with silicon nanoparticles is provided.

前記シリコンナノワイヤはシリコン基板上に立設されていてよい。   The silicon nanowire may be erected on a silicon substrate.

前記シリコンナノワイヤは前記シリコン基板から成長したものであってよい。   The silicon nanowire may be grown from the silicon substrate.

前記シリコンナノワイヤはボロン、リンなどの不純物がドーピングされていてよい。   The silicon nanowire may be doped with impurities such as boron and phosphorus.

前記シリコンナノワイヤの直径が5〜100nmであり、長さが1000〜50000nmであってよい。   The silicon nanowire may have a diameter of 5 to 100 nm and a length of 1000 to 50000 nm.

前記シリコンナノワイヤ同士の間隔が20〜200nmであってよい。   An interval between the silicon nanowires may be 20 to 200 nm.

前記シリコンナノワイヤがテーパー構造を有してよい。   The silicon nanowire may have a tapered structure.

前記シリコンナノ粒子はボロン、リンなどの不純物がドーピングされていてよい。   The silicon nanoparticles may be doped with impurities such as boron and phosphorus.

前記シリコンナノ粒子の直径は1.5〜3.0nmの範囲であってよい。   The diameter of the silicon nanoparticles may be in the range of 1.5 to 3.0 nm.

本発明の他の側面によれば、前記シリコンナノワイヤの両端に駆動電圧を印加する第1の電極及び第2の電極を有する、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した発光デバイスが与えられる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a light emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material having a first electrode and a second electrode for applying a driving voltage to both ends of the silicon nanowire. .

本発明の他の側面によれば、前記シリコン基板に設けられた第1の電極と、前記シリコンナノワイヤの前記シリコン基板と反対側にある先端に設けられた第2の電極とを有し、前記第1の電極と前記第2の電極の間に駆動電圧を印加する、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した発光デバイスが与えられる。   According to another aspect of the present invention, the first electrode provided on the silicon substrate, and a second electrode provided on a tip of the silicon nanowire opposite to the silicon substrate, There is provided a light emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material, in which a driving voltage is applied between a first electrode and the second electrode.

前記発光デバイスにおいて、前記第2の電極は透明導電材料からなってよい。   In the light emitting device, the second electrode may be made of a transparent conductive material.

前記発光デバイスにおいて、前記シリコンナノ粒子の直径が1.5〜1.9nmであり、前記駆動電圧の印加によって青色に発光してよい。   In the light emitting device, the silicon nanoparticles may have a diameter of 1.5 to 1.9 nm, and may emit blue light when the driving voltage is applied.

前記発光デバイスにおいて、前記シリコンナノ粒子の直径が2.0〜2.4nmであり、前記駆動電圧の印加によって緑色に発光してよい。   In the light emitting device, the silicon nanoparticles may have a diameter of 2.0 to 2.4 nm, and may emit green light when the driving voltage is applied.

前記発光デバイスにおいて、前記シリコンナノ粒子の直径が2.5〜3.0nmであり、前記駆動電圧の印加によって赤色に発光してよい。   In the light emitting device, the silicon nanoparticles may have a diameter of 2.5 to 3.0 nm, and may emit red light when the driving voltage is applied.

本発明の更に他の側面によれば、前記シリコンナノワイヤの両端に夫々第1の電極及び第2の電極を設け、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料に光を照射することによって、前記第1の電極と前記第2の電極の間から出力を取り出す、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した太陽電池が与えられる。   According to still another aspect of the present invention, a first electrode and a second electrode are provided on both ends of the silicon nanowire, respectively, and the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material is irradiated with light, thereby providing the first electrode. A solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material is provided that extracts output from between the second electrode and the second electrode.

本発明の更に他の側面によれば、前記シリコン基板に設けられた第1の電極と、前記シリコンナノワイヤの前記シリコン基板と反対側にある先端に設けられた第2の電極とを有し、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料に光を照射することによって、前記第1の電極と前記第2の電極の間から出力を取り出す、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した太陽電池が与えられる。   According to still another aspect of the present invention, the first electrode provided on the silicon substrate, and a second electrode provided on the tip of the silicon nanowire on the opposite side of the silicon substrate, A solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material that takes out an output from between the first electrode and the second electrode by irradiating the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material with light. Given.

前記太陽電池において、前記シリコンナノワイヤ複合材料と前記第2の電極との間にアモルファスシリコン膜を設けてよい。   In the solar cell, an amorphous silicon film may be provided between the silicon nanowire composite material and the second electrode.

前記太陽電池において、前記第2の電極は透明導電材料からなってよい。   In the solar cell, the second electrode may be made of a transparent conductive material.

前記太陽電池において、前記シリコンナノワイヤはテーパー状構造を有してよい。   In the solar cell, the silicon nanowire may have a tapered structure.

本発明の更に他の側面によれば、以下の(ア)から(エ)のステップを設けた、前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料の製造方法が与えられる。
(ア)シリコン基板にシリコンナノワイヤを成長させる。
(イ)フッ酸を混入した有機溶媒にシリコンナノ粒子を分散した溶液を準備する。
(ウ)前記溶液を前記シリコンナノワイヤを成長させた前記シリコン基板に塗布する。
(エ)前記溶液を塗布した前記シリコン基板を熱処理して、前記シリコンナノ粒子を前記シリコンナノワイヤに吸着させる。
According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for producing the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material provided with the following steps (a) to (d).
(A) A silicon nanowire is grown on a silicon substrate.
(A) Prepare a solution in which silicon nanoparticles are dispersed in an organic solvent mixed with hydrofluoric acid.
(C) The solution is applied to the silicon substrate on which the silicon nanowires are grown.
(D) The silicon substrate coated with the solution is heat-treated to adsorb the silicon nanoparticles to the silicon nanowires.

前記方法において、前記有機溶媒は揮発性を有する有機溶媒であってよい。   In the method, the organic solvent may be a volatile organic solvent.

前記方法において、前記熱処理は不活性ガス雰囲気中で行ってよい。   In the method, the heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere.

前記方法において、前記熱処理の温度は100から500℃であり、時間は10から60分であってよい。   In the method, the temperature of the heat treatment may be 100 to 500 ° C., and the time may be 10 to 60 minutes.

本発明によれば、従来の手法では得ることが困難であったキャリア注入効率の増大による発光効率の向上やキャリア取り出し効率の増大による変換効率の向上を得ることができた。   According to the present invention, it has been possible to obtain an improvement in light emission efficiency due to an increase in carrier injection efficiency and an increase in conversion efficiency due to an increase in carrier extraction efficiency, which have been difficult to obtain with conventional techniques.

本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料の製造プロセス。The manufacturing process of the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of this invention. 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤおよびシリコンナノ粒子/テーパー構造を有するシリコンナノワイヤの熱処理による吸着プロセス。The adsorption process by the heat processing of the silicon nanowire which has the silicon nanoparticle / silicon nanowire of this invention, and a silicon nanoparticle / taper structure. 本発明のシリコンナノ粒子/テーパー構造を有するシリコンナノワイヤ複合材料の製造プロセス。3 is a process for producing a silicon nanowire composite material having a silicon nanoparticle / taper structure according to the present invention; 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いた発光デバイスの製造プロセス。A manufacturing process of a light emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of the present invention. 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いた発光デバイスの電流−電圧特性。The current-voltage characteristic of the light-emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of this invention. 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いた発光デバイスの発光スペクトル。The emission spectrum of the light-emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of this invention. 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いた太陽電池の製造プロセス。The manufacturing process of the solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of this invention. 本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いた太陽電池の疑似太陽光の照射前後の短絡電流−開放電圧特性。The short circuit current-open circuit voltage characteristic before and behind irradiation of the pseudo-sunlight of the solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of the present invention.

本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料およびシリコンナノ粒子/テーパー構造を有するシリコンナノワイヤの製造方法において、シリコンナノ粒子の生成は、特許文献1から8、及び非特許文献1から3に記載の従来方法の範疇にあるものを利用することができる。また、シリコンナノワイヤの生成は、非特許文献4及び5に記載の従来方法の範疇にあるものを利用することができる。   In the method for producing a silicon nanowire having a silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material and a silicon nanoparticle / taper structure according to the present invention, the generation of silicon nanoparticles is described in Patent Documents 1 to 8 and Non-Patent Documents 1 to 3. Those in the category of conventional methods can be used. Moreover, the production | generation of a silicon nanowire can utilize the thing in the category of the conventional method of a nonpatent literature 4 and 5.

まず、シリコン基板上にシリコンナノワイヤを立設する方法を例示する。   First, a method for erecting silicon nanowires on a silicon substrate is illustrated.

ステップ1 Step 1

方法A
p型もしくはn型シリコン基板(1)上に一定の間隔で空孔を設けたマスク(2)を設置し、(図1(A−1))電子線蒸着法により金属を前記マスク(2)の上方から蒸着して前記シリコン基板(1)の表面に前記空孔を通過して蒸着した金属ドット(3)を形成する。(図1(B))この金属ドットがシリコンナノワイヤの成長のための触媒となる。
Method A
A mask (2) provided with pores at regular intervals is placed on a p-type or n-type silicon substrate (1), and (FIG. 1 (A-1)) the mask (2) The metal dots (3) evaporated from above and deposited through the holes are formed on the surface of the silicon substrate (1). (FIG. 1B) This metal dot becomes a catalyst for the growth of silicon nanowires.

方法B
方法Aに代わり、前記p型もしくはn型シリコン基板(1)上に金属膜(4)を蒸着し、その上にマスク(2)を配置しておくことで、当該工程を完了することも可能である。(図1(A−2))
Method B
Instead of Method A, the step can be completed by depositing a metal film (4) on the p-type or n-type silicon substrate (1) and placing a mask (2) thereon. It is. (Fig. 1 (A-2))

更には、金属ナノコロイドもシリコンナノワイヤの成長に必要な金属ドットとして使用できる。   Furthermore, metal nanocolloids can also be used as metal dots necessary for the growth of silicon nanowires.

前記マスク(2)は、ステップ2で行うシリコンナノワイヤ(5)の直径及びシリコンワイヤ(5)間隔に対応した直径と間隔をもって多数の空孔が所定の間隔をもって形成してある。前記マスク(2)の厚さは、シリコンナノワイヤ(5)の長さが可変できるように設定する。具体的には、空孔の直径が50〜100nmとするのが好ましい。その間隔は、50〜200nmとするのが好ましい。その厚さは、1000〜5000nmとするのが好ましい。前記マスク(2)の材質は、蒸着時に変形したり、蒸着する金属と化学反応するようなものでなければ良く、一般にアルミナなどが用いられている。また、前記金属ドット(3)及び前記金属膜(4)の厚さは、1〜5nmとするのが好ましく、材質は、金、白金、ニッケル、チタン、鉄、銅、アルミニウム等の従来公知の熱CVD法によるシリコンナノワイヤの成長法に用いられるものが使用可能である。   In the mask (2), a plurality of holes are formed at predetermined intervals with a diameter and a distance corresponding to the diameter of the silicon nanowire (5) and the distance between the silicon wires (5) performed in step 2. The thickness of the mask (2) is set so that the length of the silicon nanowire (5) can be varied. Specifically, the pore diameter is preferably 50 to 100 nm. The interval is preferably 50 to 200 nm. The thickness is preferably 1000 to 5000 nm. The material of the mask (2) may be any material as long as it does not deform at the time of vapor deposition or does not chemically react with the metal to be vapor deposited, and alumina or the like is generally used. Moreover, it is preferable that the thickness of the said metal dot (3) and the said metal film (4) shall be 1-5 nm, and material is conventionally well-known, such as gold | metal | money, platinum, nickel, titanium, iron, copper, aluminum, etc. The thing used for the growth method of the silicon nanowire by a thermal CVD method can be used.

ステップ2
熱CVD法により前記金属ドット(3)あるいは前記金属膜(4)と前記シリコン基板(1)表面との間に基板と同じ導電タイプであるp型もしくはn型の不純物をドープしたシリコンナノワイヤ(5)を成長させ、前記シリコン基板(1)上に一定の間隔で立設された柱状の不純物ドープしたシリコンナノワイヤを形成した。具体的には、前記方法Aでは、金属ドット(3)と前記シリコン基板(1)との間に前記不純物ドープしたシリコンナノワイヤ(5)が成長した。(図1(C−1))前記方法Bでは、マスク(2)の空孔部分において、前記金属膜(4)と前記シリコン基板(1)との間に前記不純物ドープしたシリコンナノワイヤ(5)が成長した(図1(C−2))。
Step 2
Silicon nanowires (5) doped with p-type or n-type impurities having the same conductivity type as the substrate between the surface of the metal dots (3) or the metal film (4) and the silicon substrate (1) by thermal CVD. ) Was grown, and columnar impurity-doped silicon nanowires standing on the silicon substrate (1) at regular intervals were formed. Specifically, in the method A, the impurity-doped silicon nanowire (5) was grown between the metal dot (3) and the silicon substrate (1). (FIG. 1 (C-1)) In the method B, in the hole portion of the mask (2), the impurity-doped silicon nanowire (5) between the metal film (4) and the silicon substrate (1). Grew (FIG. 1 (C-2)).

不純物ドープしたシリコンナノワイヤ(5)は、発光デバイスや太陽電池に利用する際に、電極からシリコンナノ粒子(6)へのキャリア伝達や前記シリコンナノ粒子(6)から電極へのキャリア伝達に非常に重要な働きをする。そこで、シリコンナノワイヤ(5)にドーピングする不純物元素として、p型を形成する場合には、ボロン、n型を形成する場合には、リンを使用した。キャリア濃度は1017〜1020cm−3である。この不純物がドーピングされたシリコンナノワイヤ(5)からは高い導電性を得ることができる。 The impurity-doped silicon nanowire (5) is very useful for carrier transfer from the electrode to the silicon nanoparticle (6) and carrier transfer from the silicon nanoparticle (6) to the electrode when used in a light emitting device or a solar cell. It plays an important role. Therefore, as an impurity element to be doped into the silicon nanowire (5), boron is used when p-type is formed, and phosphorus is used when n-type is formed. The carrier concentration is 10 17 to 10 20 cm −3 . High conductivity can be obtained from the silicon nanowire (5) doped with this impurity.

不純物ドープしたシリコンナノワイヤの形成法には、金属との触媒反応によるVapor−Liquid−Solid(VLS)成長機構を用いた。具体的には、反応ガスとしてシリコンと水素が混ざり合ったシラン系ガス(モノシランガス、ジシランガス、テトラクロロシランガス)とp型不純物ガスとしてジボランガスもしくはn型不純物ガスとしてホスフィンガスを用いた。上記混合ガスの圧力は、1×10−2〜20torrであり、好ましくは5×10−2〜15torrであり、さらに好ましくは1〜10torrである。これらのガスは、熱により分解され、気体状態(V)のシリコン原子とボロン原子もしくはリン原子が前記シリコン基板(1)表面の触媒である前記金属ドット(3)(前記方法A)あるいはマスク(2)の空孔部分の金属膜(4)(前記方法B)と反応する。このとき、シリコン原子と金属触媒の反応温度が共晶温度以上のとき、前記金属ドット(3)(前記方法A)あるいは前記金属膜(4)(前記方法B)は液体状態(L)になり、その液状中に気体状態のシリコン原子とボロン原子もしくはリン原子が連続的に取り込まれていく。この過程において、金属触媒に対するシリコン原子の割合が共晶点以上に達すると金属触媒中の成分としてシリコン原子が増大し、過飽和状態になる。この状態によりボロン原子もしくはリン原子を取り込みながらシリコン原子は析出(S)し、一方向への継続的な析出の結果、前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)が生成される。前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の直径は5〜20nmであり、長さは1000〜5000nmである。 As a method for forming impurity-doped silicon nanowires, a Vapor-Liquid-Solid (VLS) growth mechanism based on a catalytic reaction with a metal was used. Specifically, a silane gas (monosilane gas, disilane gas, tetrachlorosilane gas) in which silicon and hydrogen are mixed as a reaction gas, and diborane gas or phosphine gas as an n-type impurity gas are used as a p-type impurity gas. The pressure of the mixed gas is 1 × 10 −2 to 20 torr, preferably 5 × 10 −2 to 15 torr, and more preferably 1 to 10 torr. These gases are decomposed by heat, and the metal dots (3) (the method A) or the mask (wherein the silicon atoms and boron atoms or phosphorus atoms in the gas state (V) are catalysts on the surface of the silicon substrate (1). It reacts with the metal film (4) in the hole part of 2) (the method B). At this time, when the reaction temperature of the silicon atom and the metal catalyst is equal to or higher than the eutectic temperature, the metal dot (3) (the method A) or the metal film (4) (the method B) is in a liquid state (L). In the liquid state, gaseous silicon atoms and boron atoms or phosphorus atoms are continuously taken in. In this process, when the ratio of silicon atoms to the metal catalyst reaches the eutectic point or more, the silicon atoms increase as a component in the metal catalyst and become supersaturated. In this state, silicon atoms are deposited (S) while taking in boron atoms or phosphorus atoms, and as a result of continuous deposition in one direction, the p-type or n-type silicon nanowire (5) is generated. The p-type or n-type silicon nanowire (5) has a diameter of 5 to 20 nm and a length of 1000 to 5000 nm.

ステップ3
別の基板に、高周波スパッタリング法によりp型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を生成した。具体的には、スパッタターゲット材料としてシリコンチップ/ボロンチップ(p型不純物材料)もしくは五酸化二リンチップ(n型不純物材料)/石英ディスクガラスの混合材料を同時にスパッタリングし、ボロン原子もしくはリン原子とシリコン原子が過剰に含有したアモルファス酸化ケイ素膜を作製した。このアモルファス酸化ケイ素膜を熱処理することで、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を生成した。熱処理の温度は900〜1200℃とするが、好ましくは、1000〜1100℃である。また、熱処理時間は15〜100分であるが、好ましくは、30〜80分、さらに好ましくは、50〜60分である。
Step 3
On another substrate, p-type or n-type silicon nanoparticles (6) were generated by a high-frequency sputtering method. Specifically, a silicon chip / boron chip (p-type impurity material) or a phosphorous pentoxide chip (n-type impurity material) / quartz disk glass mixed material is sputtered simultaneously as a sputtering target material, and boron atoms or phosphorus atoms and silicon are simultaneously sputtered. An amorphous silicon oxide film containing excess atoms was prepared. The amorphous silicon oxide film was heat-treated to produce the p-type or n-type silicon nanoparticles (6). Although the temperature of heat processing shall be 900-1200 degreeC, Preferably, it is 1000-1100 degreeC. The heat treatment time is 15 to 100 minutes, preferably 30 to 80 minutes, and more preferably 50 to 60 minutes.

前記シリコンナノ粒子(6)内にドーピングされる不純物濃度は10at%程度であり、キャリア濃度は1019〜1020cm−3である。また、粒子の直径は、スパッタターゲット材料のシリコンチップと石英ディスクガラスの面積比を変化させることで、1.5〜3.0nmの範囲で制御することができる。この面積比は、1〜50%である。また、スパッタリング条件である高周波電力やガス圧を変化させても、粒子の直径を制御することが可能である。このとき、高周波電力は10〜500Wの範囲内で変化させ、ガス圧は1×10-4〜1×10-1torrの範囲内で変化させる。 The impurity concentration doped in the silicon nanoparticles (6) is about 10 at%, and the carrier concentration is 10 19 to 10 20 cm −3 . The diameter of the particles can be controlled in the range of 1.5 to 3.0 nm by changing the area ratio of the silicon chip as the sputtering target material and the quartz disk glass. This area ratio is 1 to 50%. Further, the diameter of the particles can be controlled even by changing the high-frequency power and gas pressure, which are sputtering conditions. At this time, the high-frequency power is changed within a range of 10 to 500 W, and the gas pressure is changed within a range of 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 torr.

前記アモルファス酸化ケイ素膜内に生成された前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)は、フッ酸蒸気処理、超音波処理、超遠心処理を施すことでアモルファス酸化ケイ素を除去し、残った前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を、フッ酸を混入したエタノール、アセトンなどの有機溶媒(大気中での揮発性の高いものを使用する。)内に分散した。このとき、フッ酸蒸気処理の溶液濃度は20〜40%であり、処理温度は40℃であり、処理時間は30〜60分である。超音波処理の温度は、20℃であり、処理時間は30〜60分である。超遠心処理の回転数は10000rpmとし、時間は30〜60分である。   The p-type or n-type silicon nanoparticles (6) generated in the amorphous silicon oxide film are subjected to hydrofluoric acid vapor treatment, ultrasonic treatment, and ultracentrifugation to remove amorphous silicon oxide, and the remaining The p-type or n-type silicon nanoparticles (6) were dispersed in an organic solvent such as ethanol or acetone mixed with hydrofluoric acid (use a highly volatile substance in the atmosphere). At this time, the solution concentration of the hydrofluoric acid vapor treatment is 20 to 40%, the treatment temperature is 40 ° C., and the treatment time is 30 to 60 minutes. The temperature of ultrasonic treatment is 20 ° C., and the treatment time is 30 to 60 minutes. The number of rotations of the ultracentrifugation process is 10,000 rpm, and the time is 30 to 60 minutes.

ステップ4
前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)が分散された有機溶媒をマイクロピペットで抽出し、前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)を成長させた前記シリコン基板(1)に塗布し、前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)間に前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を浸透させた(図1(D−1)、(D−2)、図2(A))。
Step 4
An organic solvent in which the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) are dispersed is extracted with a micropipette and applied to the silicon substrate (1) on which the p-type or n-type silicon nanowire (5) is grown, The p-type or n-type silicon nanowires (6) are infiltrated between the p-type or n-type silicon nanowires (5) (FIGS. 1 (D-1), (D-2), and FIG. 2 (A)). .

このとき、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)が分散された有機溶媒内にはフッ酸が混入しているため、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)ならびに前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の表面酸化層は完全に除去され、その表面は水素で終端された状態になる(図2(B))。   At this time, since hydrofluoric acid is mixed in the organic solvent in which the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) are dispersed, the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or The surface oxide layer of the n-type silicon nanowire (5) is completely removed, and the surface thereof is terminated with hydrogen (FIG. 2B).

そして、水素終端された前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)をアルゴンガス雰囲気中にて熱処理することで、有機溶媒を蒸発させ、同時に前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の表面を終端していた水素も離脱させる(図2(C))。水素が離脱した部分には未結合手ができるため、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)あるいは前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)同士が自己組織的に化学反応することで、シリコンナノワイヤの周囲にシリコンナノ粒子が密集して一様に付着した形状で吸着される。このときの熱処理温度は100〜500℃であり、熱処理時間は10〜60分である。   Then, the organic solvent is evaporated by heat-treating the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) terminated with hydrogen and the p-type or n-type silicon nanowire (5) in an argon gas atmosphere, and at the same time, The hydrogen which terminated the surface of the p-type or n-type silicon nanoparticle (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) is also released (FIG. 2C). Since a dangling bond is formed in a portion where hydrogen is released, the p-type or n-type silicon nanoparticle (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) or the p-type or n-type silicon nanoparticle (6 ) Are chemically adsorbed in a self-organized manner, so that silicon nanoparticles are densely and uniformly adsorbed around the silicon nanowires. The heat treatment temperature at this time is 100 to 500 ° C., and the heat treatment time is 10 to 60 minutes.

ステップ5
前記シリコン基板(1)上に配置したマスク(2)は、リン酸等の薬品により完全に除去する。(図1(E)参照)また、前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の最上面の金属ドット(3)や前記シリコン基板(1)表面上に残留している前記金属ドット(3)(前記方法A)あるいは前記金属膜(4)(前記方法B)は、ヨウ化カリウムとヨウ素の混合溶液あるいは王水等の薬品により完全に除去する(図1(E)参照)。
Step 5
The mask (2) disposed on the silicon substrate (1) is completely removed with a chemical such as phosphoric acid. (See FIG. 1 (E)) Further, the uppermost metal dot (3) of the p-type or n-type silicon nanowire (5) or the metal dot (3) remaining on the surface of the silicon substrate (1). (Method A) or the metal film (4) (Method B) is completely removed with a chemical solution such as a mixed solution of potassium iodide and iodine or aqua regia (see FIG. 1E).

テーパー構造を有するシリコンナノワイヤ(7)を用いた複合材料も前記図1のプロセスで作製できる(図3)。異なる点は、シリコンナノワイヤが成長軸方向にテーパー構造を持つように、シリコンナノワイヤ成長時のドーパントガスの流量を前記の場合に比べて高くする。具体的には、キャリア濃度が1020cm−3に近くなると、シリコンナノワイヤの動径方向への成長が促進され、結果的に成長軸方向にテーパー構造を有したシリコンナノワイヤが成長する。キャリア濃度の上限は、シリコンナノワイヤ中へドープされる不純物原子それぞれの固溶度で決定される。テーパー構造を有するナノワイヤを利用したシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料は、例えば太陽電池に使用することによって、変換効率を更に向上させることができるが、詳細は実施例3で説明する。 A composite material using a silicon nanowire (7) having a tapered structure can also be produced by the process of FIG. 1 (FIG. 3). The difference is that the flow rate of the dopant gas during the growth of the silicon nanowire is higher than that in the above case so that the silicon nanowire has a tapered structure in the growth axis direction. Specifically, when the carrier concentration approaches 10 20 cm −3 , the growth of the silicon nanowire in the radial direction is promoted, and as a result, the silicon nanowire having a tapered structure in the growth axis direction grows. The upper limit of the carrier concentration is determined by the solid solubility of each impurity atom doped into the silicon nanowire. A silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material using a nanowire having a tapered structure can further improve the conversion efficiency, for example, by using it in a solar cell, and details will be described in Example 3.

このように製造された前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の複合材料は、従来技術で課題となっていた電極から前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)へのキャリア注入効率や前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)から電極へのキャリア取り出し効率を向上させるものである。   The composite material of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) produced in this way can be obtained from the electrode, which has been a problem in the prior art, from the p-type or n-type. Carrier injection efficiency into the p-type silicon nanoparticles (6) and carrier extraction efficiency from the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) to the electrode are improved.

前記実施例1で得られたシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いて、以下のようにして発光デバイスを製造した。図4に製造プロセスを示す。   Using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material obtained in Example 1, a light emitting device was manufactured as follows. FIG. 4 shows the manufacturing process.

ステップ1
前記製造プロセスにより前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の複合材料をシリコン基板(1)上に形成した。(図4(A))前記シリコン基板(1)の抵抗率は0.01Ωcm以下のものを使用し、タイプはp型もしくはn型を用いる。また、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)は、直径の違いによりバンドギャップ幅(目安として、直径が1.5〜1.9nmのときのバンドギャップ幅は4.3〜3.1eVであり、2.0〜2.4nmのときのバンドギャップ幅は2.9〜2.3eVであり、2.5〜3.0nmのときのバンドギャップ幅は2.25〜1.9eVである。)を変化させることができるため、直径の異なる前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を使用することで発光波長を制御することができる。
Step 1
A composite material of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) was formed on the silicon substrate (1) by the manufacturing process. (FIG. 4A) The silicon substrate (1) has a resistivity of 0.01 Ωcm or less, and the type is p-type or n-type. In addition, the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) have a band gap width (as a guide, the band gap width when the diameter is 1.5 to 1.9 nm is 4.3 to 3.1 eV) due to the difference in diameter. The band gap width at 2.0 to 2.4 nm is 2.9 to 2.3 eV, and the band gap width at 2.5 to 3.0 nm is 2.25 to 1.9 eV. .) Can be changed, the emission wavelength can be controlled by using the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) having different diameters.

ステップ2
高周波スパッタリング法により前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の複合材料の最表面上に表面電極と前記シリコン基板(1)の裏面に裏面電極をそれぞれ形成した(図4(B))。表面電極には、膜厚が100nmのITO膜(8)を用いる。裏面電極には、膜厚が100nmのアルミニウム膜(9)を用いる。そして、ITO膜(8)とアルミニウム膜(9)にそれぞれ銀ペーストでリード線を接着し、両電極間に低い駆動電圧を印加することで、電極側から前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)を経由して前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)内に高い注入効率でキャリアが注入されるため、高い発光効率を示す発光デバイスを製造することができる。
Step 2
A surface electrode is formed on the outermost surface of the composite material of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) by a high-frequency sputtering method, and a back electrode is formed on the rear surface of the silicon substrate (1). (FIG. 4B). An ITO film (8) having a thickness of 100 nm is used for the surface electrode. An aluminum film (9) having a thickness of 100 nm is used for the back electrode. Then, a lead wire is bonded to the ITO film (8) and the aluminum film (9) with a silver paste, and a low driving voltage is applied between both electrodes, whereby the p-type or n-type silicon nanowire (5 ), The carriers are injected with high injection efficiency into the p-type or n-type silicon nanoparticles (6), so that a light emitting device exhibiting high light emission efficiency can be manufactured.

このように製造された発光デバイスの電流−電圧特性を図5に示す。電流−電圧特性は、ITO膜(8)側を負、アルミニウム膜(9)側を正に駆動電圧を印加した場合を順方向とした。本発明の発光デバイスは、整流性を示し、順方向電圧が2.0V以上で前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)内へのキャリア注入が生じた。キャリア注入後、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)の直径に依存した青色、緑色、赤色の何れかの発光が確認できた。   FIG. 5 shows current-voltage characteristics of the light-emitting device manufactured as described above. The current-voltage characteristic was defined as a forward direction when a drive voltage was applied with the ITO film (8) side negative and the aluminum film (9) side positive. The light emitting device of the present invention exhibited rectifying properties, and carrier injection into the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) occurred when the forward voltage was 2.0 V or more. After carrier injection, light emission of any one of blue, green and red depending on the diameter of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) was confirmed.

図6に、発光デバイスから得られた発光スペクトルを示す。3.0V以上の順方向電圧の印加において、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)の直径が1.5〜1.9nmのものから発光波長が400nmの青色発光、2.0〜2.4nmのものから発光波長が560nmの緑色発光、2.5〜3.0nmのものから発光波長が670nmの赤色発光を得ることができる。発光色が違うことは、前述したように、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)の直径変化によるバンドギャップ幅が異なっていることに拠るものである。各発光色の輝度は、7.0Vの駆動電圧により室内照明下において肉眼ではっきりと確認することができるぐらい強く、しかも、その発光寿命は長時間の連続駆動が可能なほど安定していた。   FIG. 6 shows an emission spectrum obtained from the light-emitting device. When a forward voltage of 3.0 V or more is applied, the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) having a diameter of 1.5 to 1.9 nm to blue light having a light emission wavelength of 400 nm, 2.0 to 2 A green light emission having a light emission wavelength of 560 nm can be obtained from a light emission wavelength of 4 nm, and a red light emission having a light emission wavelength of 670 nm can be obtained from a light emission wavelength of 2.5 to 3.0 nm. The difference in emission color is due to the difference in the band gap width due to the diameter change of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) as described above. The luminance of each luminescent color was so strong that it could be clearly seen with the driving voltage of 7.0 V under room lighting, and the emission life was stable enough to enable continuous driving for a long time.

このような低い駆動電圧における高輝度でかつ安定的な青色、緑色、赤色の発光は、本発明の手法により初めて得られるものである。それは、両電極側から注入されたキャリアが前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)を経由して前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)内に効率よく伝達されたことで可能になっている。   High luminance and stable blue, green, and red light emission at such a low driving voltage can be obtained for the first time by the method of the present invention. This is possible because carriers injected from both electrode sides are efficiently transferred into the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) via the p-type or n-type silicon nanowire (5). ing.

前記実施例1で得られたシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を用いて、以下のようにして太陽電池を製造した。図7に製造プロセスを示す。   Using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material obtained in Example 1, a solar cell was manufactured as follows. FIG. 7 shows the manufacturing process.

ステップ1
前記製造プロセスにより前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の複合材料をシリコン基板(1)上に形成した(図7(A))。前記シリコン基板(1)の抵抗率は0.1Ωcm以下のものを使用し、タイプはp型もしくはn型を用いる。また、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)は、直径の違いによりバンドギャップ幅(目安として、直径が1.5〜1.9nmのときのバンドギャップ幅は4.3〜3.1eVであり、2.0〜2.4nmのときのバンドギャップ幅は2.9〜2.3eVであり、2.5〜3.0nmのときのバンドギャップ幅は2.25〜1.9eVである。)を変化させることができる。材料のバンドギャップ幅を変調することができれば、広い波長分布を持つ太陽光の光を無駄なく吸収できるようになる。そこで、直径の異なる(バンドギャップの異なる)前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)を複合化させることで全太陽光を無駄なく効果的に吸収させることができ、大容量の電気に変換することができる。
Step 1
A composite material of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or n-type silicon nanowire (5) was formed on the silicon substrate (1) by the manufacturing process (FIG. 7A). The silicon substrate (1) has a resistivity of 0.1 Ωcm or less, and the type is p-type or n-type. In addition, the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) have a band gap width (as a guide, the band gap width when the diameter is 1.5 to 1.9 nm is 4.3 to 3.1 eV) due to the difference in diameter. The band gap width at 2.0 to 2.4 nm is 2.9 to 2.3 eV, and the band gap width at 2.5 to 3.0 nm is 2.25 to 1.9 eV. .) Can be changed. If the band gap width of the material can be modulated, sunlight having a wide wavelength distribution can be absorbed without waste. Therefore, by combining the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) with different diameters (different band gaps), it is possible to effectively absorb all sunlight without waste and convert it into large-capacity electricity. can do.

ステップ2
プラズマCVD法により前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)と前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)の複合材料の最表面上に前記シリコンナノ粒子およびシリコンナノワイヤとは導電タイプの異なるn型もしくはp型アモルファスシリコン膜(10)を形成した。(図7(B))導電タイプの異なるアモルファスシリコン膜(10)を形成する理由は、太陽電池に必要なpn接合を形成するためである。このときのn型もしくはp型アモルファスシリコン膜(10)は、反応ガスとしてシラン系ガス(モノシランガス、ジシランガス、テトラクロロシランガス)と水素ガスとn型不純物ガスとしてホスフィンガスもしくはp型不純物ガスとしてジボランガスを用いて生成した。高周波電力は50〜400Wとするが、好ましくは100〜300Wであり、さらに好ましくは200Wである。また、ガス圧力は1×10−2〜1torrとするが、好ましくは5×10−2〜5×10−1torrであり、さらに好ましくは1.5×10−1torrである。さらに、堆積時間は1〜60分とするが、好ましくは5〜30分であり、さらに好ましくは10分である。この条件で形成したn型もしくはp型アモルファスシリコン膜(10)の膜厚は、100〜1000nmである。
Step 2
On the outermost surface of the composite material of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) and the p-type or n-type silicon nanowires (5) by plasma CVD, the silicon nanoparticles and the silicon nanowires have different conductivity types. A p-type amorphous silicon film (10) was formed. (FIG. 7B) The reason why the amorphous silicon films (10) having different conductivity types are formed is to form the pn junction necessary for the solar cell. At this time, the n-type or p-type amorphous silicon film (10) is formed by using silane-based gas (monosilane gas, disilane gas, tetrachlorosilane gas) as a reactive gas, hydrogen gas, phosphine gas as n-type impurity gas, or diborane gas as p-type impurity gas. Generated using. The high frequency power is 50 to 400 W, preferably 100 to 300 W, and more preferably 200 W. The gas pressure is 1 × 10 −2 to 1 torr, preferably 5 × 10 −2 to 5 × 10 −1 torr, and more preferably 1.5 × 10 −1 torr. Further, the deposition time is 1 to 60 minutes, preferably 5 to 30 minutes, and more preferably 10 minutes. The film thickness of the n-type or p-type amorphous silicon film (10) formed under these conditions is 100 to 1000 nm.

ステップ3
高周波スパッタリング法により前記n型もしくはp型アモルファスシリコン膜(10)の表面上に表面電極と前記シリコン基板(1)の裏面に裏面電極をそれぞれ形成した。(図7(C))表面電極には、膜厚が100nmのITO膜(8)を用いる。裏面電極には、膜厚が100nmのアルミニウム膜(9)を用いる。そして、表面電極側から疑似太陽光を照射することで、前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)側から前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)を経由して電極に高い効率でキャリアを取り出すことができるため、高い変換効率を示す太陽電池を製造することができる。
Step 3
A surface electrode and a back electrode were formed on the surface of the n-type or p-type amorphous silicon film (10) and the back surface of the silicon substrate (1) by high-frequency sputtering, respectively. (FIG. 7C) An ITO film (8) having a film thickness of 100 nm is used for the surface electrode. An aluminum film (9) having a thickness of 100 nm is used for the back electrode. Then, by irradiating pseudo sunlight from the surface electrode side, the carrier is transferred from the p-type or n-type silicon nanoparticle (6) side to the electrode via the p-type or n-type silicon nanowire (5) with high efficiency. Therefore, a solar cell exhibiting high conversion efficiency can be manufactured.

このように製造された太陽電池に対して、疑似太陽光(AM1.5G)照射前後の短絡電流−開放電圧特性を図8に示す。本発明の太陽電池は、疑似太陽光照射により高い変換効率(太陽電池に当たる光エネルギー(P)のうち、太陽電池によってどれだけ電気エネルギー(W)になるかの割合:変換効率=(出力電気エネルギー(W)/太陽光エネルギー(P))×100)を期待できる。   FIG. 8 shows short-circuit current-open-circuit voltage characteristics before and after irradiation with pseudo sunlight (AM1.5G) for the solar cell thus manufactured. The solar cell of the present invention has high conversion efficiency by pseudo-sunlight irradiation (the ratio of how much electric energy (W) is converted by the solar cell out of the light energy (P) hitting the solar cell: conversion efficiency = (output electric energy (W) / solar energy (P)) × 100).

このような高い変換効率は、本発明で提案するシリコンナノワイヤの周囲にシリコンナノ粒子が密集して一様に付着した新規機能性複合材料を利用することで初めて得られるものである。それは、全太陽光を無駄なく効果的に吸収させる前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)の使用と前記p型もしくはn型シリコンナノ粒子(6)内で発生したキャリアが前記p型もしくはn型シリコンナノワイヤ(5)を経由して両電極に効率よく伝達されることで可能になっている。   Such high conversion efficiency can be obtained for the first time by using a novel functional composite material in which silicon nanoparticles are densely and uniformly adhered around the silicon nanowire proposed in the present invention. The use of the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) that effectively absorbs all sunlight without waste and the carriers generated in the p-type or n-type silicon nanoparticles (6) are the p-type or It is possible by efficiently transmitting to both electrodes via the n-type silicon nanowire (5).

なお、図7のようにして製造される太陽電池において、n型シリコンナノワイヤ(5)として図3のようなテーパー構造を有するナノワイヤを使用することにより、入射した太陽光などの広いスペクトルを有する光の利用効率を更に向上させることができる。具体的には、テーパー構造を持たせることにより、光の入射面からナノワイヤ自体のバンドギャップを段階的に低下させることができ、ナノワイヤ自体でも太陽光の光を無駄なく吸収できるようになる。これにより、本実施例のステップ1においてシリコンナノ粒子の直径に幅を持たせることで実現したところのシリコンナノ粒子における光−電気エネルギー変換対象波長帯域の拡大がナノワイヤ側でも達成され、太陽電池の更なる高効率化に繋がる。すなわち、本発明のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を利用した太陽電池においては、シリコンナノワイヤに入射した光も電気エネルギーへ変換されるが、シリコンナノワイヤにテーパー構造を持たせて、このような光についても広い波長域を変換対象とすることで、入射光の広い波長域に渡って本発明の太陽電池の開口率を高くするという効果が得られる。   In the solar cell manufactured as shown in FIG. 7, light having a wide spectrum such as incident sunlight is obtained by using a nanowire having a tapered structure as shown in FIG. 3 as the n-type silicon nanowire (5). The utilization efficiency can be further improved. Specifically, by providing a tapered structure, the band gap of the nanowire itself can be lowered stepwise from the light incident surface, and the nanowire itself can absorb sunlight light without waste. Thereby, the expansion of the wavelength band of light-electrical energy conversion target in the silicon nanoparticles realized by giving the width of the diameter of the silicon nanoparticles in Step 1 of the present embodiment is also achieved on the nanowire side. This leads to higher efficiency. That is, in the solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material of the present invention, light incident on the silicon nanowire is also converted into electric energy. Also for the above, by converting a wide wavelength range to be converted, the effect of increasing the aperture ratio of the solar cell of the present invention over a wide wavelength range of incident light can be obtained.

本発明は、不純物ドープしたシリコンナノワイヤの周囲に不純物ドープしたシリコンナノ粒子が密集して一様に付着した形状で複合化された、海ぶどう形状とも形容できる新規な材料を使用することで、高発光効率ならびに高変換効率を実現できるので、新規の発光光源材料あるいは太陽光発電材料の開発基盤を築くものである。また、シリコンナノ粒子とシリコンナノワイヤは、地球環境に対して優しく、無害性材料であるため、新規の表示機器や太陽光発電などを製品化する技術に適用可能なものである。したがって、本発明は、工業分野、産業分野、さらにはその他の分野において、21世紀における革新的な発光光源ならびに太陽電池を製造する技術に利用される可能性が大きいものである。   The present invention uses a novel material that can be described as a sea grape shape, in which impurity-doped silicon nanoparticles are compounded in a densely and uniformly attached shape around the impurity-doped silicon nanowires. Since it is possible to realize luminous efficiency and high conversion efficiency, it is a foundation for developing new light-emitting light source materials or photovoltaic power generation materials. In addition, since silicon nanoparticles and silicon nanowires are harmless to the global environment and are harmless materials, they can be applied to technologies for commercializing new display devices and solar power generation. Therefore, the present invention is highly likely to be used in an innovative light-emitting light source and solar cell manufacturing technology in the 21st century in the industrial field, industrial field, and other fields.

1 シリコン基板
2 マスク
3 金属ドット
4 金属膜
5 シリコンナノワイヤ
6 シリコンナノ粒子
7 テーパー構造を有するシリコンナノワイヤ
8 ITO膜
9 アルミニウム膜
10 アモルファスシリコン膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Mask 3 Metal dot 4 Metal film 5 Silicon nanowire 6 Silicon nanoparticle 7 Silicon nanowire 8 which has a taper structure ITO film 9 Aluminum film 10 Amorphous silicon film

特許第4336133号Patent No. 4336133 特開2005−268337JP 2005-268337 特開2006−070089JP2006-070089 特開2006−071330JP 2006-071330 特開2007−063378JP2007-063378 特開2007−067104JP2007-067104 特開2007−246329JP2007-246329 WO2007/026533A1WO2007 / 026533A1

K. Sato, N. Fukata, K. Hirakuri, Appl. Phys. Lett. 94, 161902 (2009)K. Sato, N. Fukata, K. Hirakuri, Appl. Phys. Lett. 94, 161902 (2009) K. Sato, K. Niino, N. Fukata, K. Hirakuri, Y. Yamauchi, Nanotechnology 20, 365207 (2009)K. Sato, K. Niino, N. Fukata, K. Hirakuri, Y. Yamauchi, Nanotechnology 20, 365207 (2009) K. Sato, N. Fukata, K. Hirakuri, M. Murakami, T. Shimizu, Y. Yamauchi, Chem. Asia J. 5, 50-55 (2010)K. Sato, N. Fukata, K. Hirakuri, M. Murakami, T. Shimizu, Y. Yamauchi, Chem. Asia J. 5, 50-55 (2010) N. Fukata, J. Chen, T. Sekiguchi, S. Matsushita, T. Oshima, N. Uchida, K. Murakami, T. Tsurui, S. Ito, Appl. Phys. Lett. 90, 153117 (2007)N. Fukata, J. Chen, T. Sekiguchi, S. Matsushita, T. Oshima, N. Uchida, K. Murakami, T. Tsurui, S. Ito, Appl. Phys. Lett. 90, 153117 (2007) N. Fukata, M. Mitome, Y. Bando, M. Seoka, S. Matsushita, K. Murakami, J. Chen, T. Sekiguchi, Appl. Phys. Lett. 93, 203106 (2008)N. Fukata, M. Mitome, Y. Bando, M. Seoka, S. Matsushita, K. Murakami, J. Chen, T. Sekiguchi, Appl. Phys. Lett. 93, 203106 (2008)

Claims (24)

周囲に直径が1.5〜3.0nmの範囲であるシリコンナノ粒子を付着させたシリコンナノワイヤがシリコン基板上に立設されている、シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 A silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material in which silicon nanowires having silicon nanoparticles with a diameter in the range of 1.5 to 3.0 nm attached thereto are erected on a silicon substrate. 前記シリコンナノ粒子は発光機能を有する、請求項1に記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1, wherein the silicon nanoparticle has a light emitting function . 前記シリコンナノワイヤは前記シリコン基板から成長したものである、請求項1または2に記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1 , wherein the silicon nanowire is grown from the silicon substrate . 前記シリコンナノワイヤはボロン、リンなどの不純物がドーピングされている、請求項1から3の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanowire / silicon nanowire composite material according to claim 1 , wherein the silicon nanowire is doped with an impurity such as boron or phosphorus . 前記シリコンナノワイヤの直径が5〜100nmであり、長さが1000〜50000nmである、請求項1から4の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 5. The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1 , wherein the silicon nanowire has a diameter of 5 to 100 nm and a length of 1000 to 50000 nm . 前記シリコン基板上に前記シリコンナノワイヤが複数本立設された、請求項1から5の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1, wherein a plurality of the silicon nanowires are erected on the silicon substrate . 前記シリコンナノワイヤ同士の間隔が20〜200nmである、請求項5に記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 5 , wherein an interval between the silicon nanowires is 20 to 200 nm . 前記シリコンナノワイヤがテーパー構造を有する、請求項1から7の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1 , wherein the silicon nanowire has a tapered structure . 前記シリコンナノ粒子はボロン、リンなどの不純物がドーピングされている、請求項1から8の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料。 The silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1 , wherein the silicon nanoparticle is doped with an impurity such as boron or phosphorus . 前記シリコンナノワイヤの両端に駆動電圧を印加する第1の電極及び第2の電極を有する、請求項1から9の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した発光デバイス。   The light emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to any one of claims 1 to 9, comprising a first electrode and a second electrode for applying a driving voltage to both ends of the silicon nanowire. 前記シリコン基板に設けられた第1の電極と、前記シリコンナノワイヤの前記シリコン基板と反対側にある先端に設けられた第2の電極とを有し、
前記第1の電極と前記第2の電極の間に駆動電圧を印加する、
請求項2から9の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した発光デバイス。
A first electrode provided on the silicon substrate; and a second electrode provided on a tip of the silicon nanowire opposite to the silicon substrate;
Applying a driving voltage between the first electrode and the second electrode;
A light-emitting device using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 2.
前記第2の電極は透明導電材料からなる、請求項10または11に記載の発光デバイス。   The light emitting device according to claim 10 or 11, wherein the second electrode is made of a transparent conductive material. 前記シリコンナノ粒子の直径が1.5〜1.9nmであり、前記駆動電圧の印加によって青色に発光する、請求項10から12の何れかに記載の発光デバイス。   The light emitting device according to claim 10, wherein the silicon nanoparticles have a diameter of 1.5 to 1.9 nm and emit blue light when the driving voltage is applied. 前記シリコンナノ粒子の直径が2.0〜2.4nmであり、前記駆動電圧の印加によって緑色に発光する、請求項10から12の何れかに記載の発光デバイス。   The light-emitting device according to claim 10, wherein the silicon nanoparticles have a diameter of 2.0 to 2.4 nm and emit green light when the driving voltage is applied. 前記シリコンナノ粒子の直径が2.5〜3.0nmであり、前記駆動電圧の印加によって赤色に発光する、請求項10から12の何れかに記載の発光デバイス。   The light emitting device according to any one of claims 10 to 12, wherein the silicon nanoparticles have a diameter of 2.5 to 3.0 nm and emit red light when the driving voltage is applied. 前記シリコンナノワイヤの両端に夫々第1の電極及び第2の電極を設け、
前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料に光を照射することによって、前記第1の電極と前記第2の電極の間から出力を取り出す、
請求項1から9の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した太陽電池。
A first electrode and a second electrode are provided at both ends of the silicon nanowire,
By irradiating the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material with light, an output is extracted from between the first electrode and the second electrode.
A solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1.
前記シリコン基板に設けられた第1の電極と、前記シリコンナノワイヤの前記シリコン基板と反対側にある先端に設けられた第2の電極とを有し、
前記シリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料に光を照射することによって、前記第1の電極と前記第2の電極の間から出力を取り出す、
請求項1から9の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料を使用した太陽電池。
A first electrode provided on the silicon substrate; and a second electrode provided on a tip of the silicon nanowire opposite to the silicon substrate;
By irradiating the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material with light, an output is extracted from between the first electrode and the second electrode.
A solar cell using the silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to claim 1.
前記シリコンナノワイヤ複合材料と前記第2の電極との間にアモルファスシリコン膜を設けた、請求項16または17に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 16 or 17, wherein an amorphous silicon film is provided between the silicon nanowire composite material and the second electrode. 前記第2の電極は透明導電材料からなる、請求項16から18の何れかに記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 16, wherein the second electrode is made of a transparent conductive material. 前記シリコンナノワイヤはテーパー状構造を有する、請求項16から19の何れかに記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 16, wherein the silicon nanowire has a tapered structure. 以下の(ア)から(エ)のステップを設けた、請求項1から9の何れかに記載のシリコンナノ粒子/シリコンナノワイヤ複合材料の製造方法。
(ア)シリコン基板にシリコンナノワイヤを成長させる。
(イ)フッ酸を混入した有機溶媒にシリコンナノ粒子を分散した溶液を準備する。
(ウ)前記溶液を前記シリコンナノワイヤを成長させた前記シリコン基板に塗布する。
(エ)前記溶液を塗布した前記シリコン基板を熱処理して、前記シリコンナノ粒子を前記シリコンナノワイヤに吸着させる。
The method for producing a silicon nanoparticle / silicon nanowire composite material according to any one of claims 1 to 9, wherein the following steps (a) to (d) are provided.
(A) A silicon nanowire is grown on a silicon substrate.
(A) Prepare a solution in which silicon nanoparticles are dispersed in an organic solvent mixed with hydrofluoric acid.
(C) The solution is applied to the silicon substrate on which the silicon nanowires are grown.
(D) The silicon substrate coated with the solution is heat-treated to adsorb the silicon nanoparticles to the silicon nanowires.
前記有機溶媒は揮発性を有する有機溶媒である、請求項21に記載の方法。   The method according to claim 21, wherein the organic solvent is a volatile organic solvent. 前記熱処理は不活性ガス雰囲気中で行う、請求項21または22に記載の方法。   The method according to claim 21 or 22, wherein the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. 前記熱処理の温度は100から500℃であり、時間は10から60分である、請求項21から23の何れかに記載の方法。
The method according to any one of claims 21 to 23, wherein the temperature of the heat treatment is 100 to 500 ° C and the time is 10 to 60 minutes.
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