JP5745958B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
本発明の第1の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、及び、キャリア発生部と発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、該キャリア選択移動部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させることを特徴とする、光電変換素子である。
フラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第1フラスコ」という。)に、溶媒となるフェニルエーテル、オレイン酸、及び、トリオクチルフォスフィンと、Pb源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で85℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、45℃程度に冷却する。次いで、第1フラスコに、Se源であるセレン化トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第1フラスコとは別のフラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第2フラスコ」という。)にフェニルエーテルを入れ、不活性ガス中で200℃程度に加熱する。その後、加熱された第2フラスコへ、Se源が加えられた第1フラスコ中の溶液を注入し、120℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、直径8nm程度のキャリア発生部61x(PbSe量子ドット)を生成することができる。なお、PbSeのバンドギャップはバルクでは0.27eVであるが、量子効果により0.7eV程度となる。
フラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第3フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Zn源であるジメチル亜鉛、及び、S源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、300℃程度に加熱する。その後、第3フラスコの溶液を、200℃程度に再加熱した第2フラスコへと加え、100℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部61xの周囲に、厚さ3nm程度の障壁層61ya(ZnS層)を形成することができる。このようにして形成したZnS層のバンドギャップは、3.58eVである。
フラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第4フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Cd源であるジメチルカドミウム、及び、Te源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、220℃程度に加熱して溶解する。その後、第4フラスコの溶液を、240℃程度に再加熱した第2フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層61yaの周囲に、厚さ5nm程度の量子井戸層61yb(CdTe層)を形成することができる。なお、CdTeのバンドギャップはバルクでは1.44eVであるが、量子効果により1.65eV程度となる。
フラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第5フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Zn源であるジメチル亜鉛、及び、S源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、300℃程度に加熱する。その後、第5フラスコの溶液を、200℃程度に再加熱した第2フラスコへと加え、100℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層61ybの周囲に、厚さ3nm程度の障壁層61ya(ZnS層)を形成することができる。このようにして形成したZnS層のバンドギャップは、3.58eVである。
フラスコ(波長変換粒子61bの作製法に関する以下の説明において、「第6フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Cd源であるジメチルカドミウム、及び、Te源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、220℃程度に加熱して溶解する。その後、第6フラスコの溶液を、240℃程度に再加熱した第2フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層61yaの周囲に、厚さ10nm程度の発光部61z(CdTe層)を形成することができる。こうして発光部61zを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、波長変換粒子61bを得ることができる。
フラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第1フラスコ」という。)に、溶媒となるフェニルエーテル、及び、オレイン酸と、Pb源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で150℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、60℃程度に冷却する。次いで、第1フラスコに、Se源であるセレン化トリオクチルフォスフィン及びトリオクチルフォスフィンを加える。一方、第1フラスコとは別のフラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第2フラスコ」という。)にフェニルエーテル及びテトラデシルフォスフィンを入れ、不活性ガス中で250℃程度(注入溶液の温度)に加熱する。その後、加熱された第2フラスコへ、Se源が加えられた第1フラスコ中の溶液を注入し、180℃程度(反応温度)に保持する。以上の過程を経ることにより、太さ6nm程度のキャリア発生部62x(PbSe細線)を生成することができる。ここで、注入溶液の温度及び反応温度が高くなるほど、溶液中の原料濃度比率Pb/Seが大きくなると、粒子ではなく細線を生成しやすくなる。なお、PbSeのバンドギャップはバルクでは0.27eVであるが、量子効果により0.7eV程度となる。
フラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第3フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Zn源であるジメチル亜鉛、及び、S源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、300℃程度に加熱する。その後、第3フラスコの溶液を、200℃程度に再加熱した第2フラスコへと加え、100℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部62xの周囲に、厚さ3nm程度の障壁層62ya(ZnS層)を形成することができる。このようにして形成したZnS層のバンドギャップは、3.58eVである。
フラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第4フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Cd源であるジメチルカドミウム、及び、Te源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、220℃程度に加熱して溶解する。その後、第4フラスコの溶液を、240℃程度に再加熱した第2フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層62yaの周囲に、厚さ5nm程度の量子井戸層62yb(CdTe層)を形成することができる。なお、CdTeのバンドギャップはバルクでは1.44eVであるが、量子効果により1.65eV程度となる。
フラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第5フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Zn源であるジメチル亜鉛、及び、S源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、300℃程度に加熱する。その後、第5フラスコの溶液を、200℃程度に再加熱した第2フラスコへと加え、100℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層62ybの周囲に、厚さ3nm程度の障壁層62ya(ZnS層)を形成することができる。このようにして形成したZnS層のバンドギャップは、3.58eVである。
フラスコ(波長変換細線62aの作製法に関する以下の説明において、「第6フラスコ」という。)に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Cd源であるジメチルカドミウム、及び、Te源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、220℃程度に加熱して溶解する。その後、第6フラスコの溶液を、240℃程度に再加熱した第2フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層62yaの周囲に、厚さ10nm程度の発光部62z(CdTe層)を形成することができる。こうして発光部62zを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、波長変換細線62aを得ることができる。
Eg1<Eg2≦Eg3
Ec1<Ec2≦Ec3
Ev3≦Ev2≦Ev1
Ec3−Ec2≒0.05eV
|Ev2−Ev3|≒0.05eV
Eg4<Eg5≦Eg6
Ec4<Ec5≦Ec6
Ev4≦Ev6≦Ev5
Ec6−Ec5≒0.05eV
|Ev5−Ev6|≒0.05eV
|Ev6−Ev4|≒0.05eV
Eg7<Eg8<Eg9
Ec7<Ec8<Ec9
Ev9<Ev8<Ev7
11、31…キャリア発生部
12、32…キャリア選択移動部
13、33…発光部
20、40…光電変換部
21、41、51、59、71…n層
22、42、53、57、72…p層
23、43…pn接合
24…表面電極
25、44…裏面電極
34…光反射部
52…i層
54…pin接合
56、58…混合pn接合層
56a…p型材料
56b…n型材料
61、62、63、65、66…波長変換部
61a…透明材料
61b、67…波長変換粒子
61x、62x、63x…キャリア発生部
61y、62y、63y…キャリア選択移動部
61ya、62ya、63ya、66za、67ya…障壁層
61yb、62yb、63yb、66zb、67yb…量子井戸層
61z、62z、63z、66z…発光部
62a…波長変換細線
64…波長変換物質
64x、67x…キャリア発生部
64y…キャリア選択移動部
64ya…障壁層
64yb…量子井戸層
64z、67y…発光部
65i…透明絶縁部
67s…外側材料部
73…積層体
100、200、300…太陽電池
301、302、303…太陽電池
Claims (14)
- 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の上流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の下流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部、及び、前記単色光を前記光電変換部側へと反射する光反射部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部内に配置され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 前記波長変換粒子は、前記波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、
前記透明材料は、絶縁性材料、及び/又は、前記波長変換粒子の前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の上流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の下流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部、及び、前記単色光を前記光電変換部側へと反射する光反射部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるpn接合又はpin接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部内に配置され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれEg1、Eg2、及び、Eg3とするとき、
Eg1<Eg2≦Eg3であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。 - 前記波長変換細線は、前記波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、
前記透明材料は、絶縁性材料、及び/又は、前記波長変換細線の前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記pn接合は、p型材料とn型材料とが三次元的に接合した部位を有することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記キャリア発生部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれEc1、及び、Ev1とし、
前記発光部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれEc2、及び、Ev2とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、前記波長変換部に組み込んだ形状における伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれEc3、及び、Ev3とするとき、
Ec1<Ec2≦Ec3、且つ、Ev3≦Ev2≦Ev1であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記キャリア発生部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれEc4、及び、Ev4とし、
前記発光部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれEc5、及び、Ev5とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、前記波長変換部に組み込んだ形状における伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれEc6、及び、Ev6とするとき、
Ec4<Ec5≦Ec6、且つ、Ev4≦Ev6≦Ev5であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記発光部の表面が、絶縁体又は前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記発光部は、第1半導体によって構成された第1半導体部と、一対の前記第1半導体部の間に配設された、前記第1半導体よりもバンドギャップが小さい第2半導体によって構成された第2半導体部と、を有することを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記キャリア選択移動部は、相対的にバンドギャップが大きい半導体によって構成された広幅半導体部と、一対の前記広幅半導体部の間に配設された、前記広幅半導体よりもバンドギャップが小さい狭幅半導体によって構成された狭幅半導体部と、を有することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載の光電変換素子。
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