JP6055619B2 - Solar cell - Google Patents
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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。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、従来のシリコン太陽電池は太陽光スペクトルの長波長領域の光を吸収できず、太陽光のエネルギーの多くが利用されていない。
この利用されていない太陽光エネルギーを有効利用しようと、超格子構造を用いた太陽電池が注目されている(例えば、非特許文献1参照)。超格子構造は数nm〜100nm程度の量子層(量子ドット層もしくは量子井戸層)と障壁層を交互に積層した構造を持つ。また量子層はサイズ制御により自由にバンドギャップを制御できる等の特徴を有する。
超格子構造を用いることで、新たなバンドギャップ(量子エネルギー準位)を形成でき、これまで太陽光スペクトルの中で利用することが難しかった長波長領域を吸収できるようになる。
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. The currently most popular photovoltaic element is a single-junction solar cell using silicon. However, conventional silicon solar cells cannot absorb light in the long wavelength region of the sunlight spectrum, and much of the energy of sunlight is not utilized.
In order to make effective use of this unused solar energy, solar cells using a superlattice structure have attracted attention (for example, see Non-Patent Document 1). The superlattice structure has a structure in which quantum layers (quantum dot layers or quantum well layers) of about several nm to 100 nm and barrier layers are alternately stacked. Further, the quantum layer has a feature that the band gap can be freely controlled by size control.
By using a superlattice structure, a new band gap (quantum energy level) can be formed, and a long wavelength region that has been difficult to use in the solar spectrum can be absorbed.
従来の超格子構造を用いた太陽電池では、太陽光スペクトルの短波長領域の吸収に加え、これまで利用することが難しかった長波長領域の光を吸収し、光電変換する。しかし、これまでの超格子構造太陽電池では、量子層のバンドギャップに相当するエネルギー、もしくは障壁層のバンドギャップと量子層のバンドギャップに相当するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光およびある程度大きいエネルギーを有する光が、ほとんど吸収されず光電変換に利用できないおそれがある(非特許文献1)。このため、従来の超格子構造を用いた太陽電池では、光電変換できる光の波長範囲が狭くなり、光電変換効率の増大がほとんど見られていない。また、量子層が吸収する光の量が十分でないことから、量子層中から取り出されるキャリアが少ないという課題があった。また、取り出されるキャリア数が少ないと太陽電池の電圧が低下するといった課題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光電変換できる光の波長範囲が広くなることにより光電変換効率が向上した太陽電池を提供する。
In a conventional solar cell using a superlattice structure, in addition to absorption in the short wavelength region of the sunlight spectrum, light in the long wavelength region that has been difficult to use is absorbed and photoelectrically converted. However, in conventional superlattice solar cells, the energy corresponding to the band gap of the quantum layer, or the light having energy smaller than the energy corresponding to the band gap of the barrier layer and the band gap of the quantum layer and a certain amount of energy are used. There is a possibility that the light it has is hardly absorbed and cannot be used for photoelectric conversion (Non-Patent Document 1). For this reason, in the solar cell using the conventional superlattice structure, the wavelength range of the light which can be photoelectrically converted becomes narrow, and the increase in photoelectric conversion efficiency is hardly seen. In addition, since the amount of light absorbed by the quantum layer is not sufficient, there is a problem that few carriers are extracted from the quantum layer. In addition, when the number of extracted carriers is small, there is a problem that the voltage of the solar cell decreases.
This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the solar cell which the photoelectric conversion efficiency improved by widening the wavelength range of the light which can be photoelectrically converted.
本発明は、光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第1吸光波長領域と第1吸光波長領域の長波長側にある第2吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、前記波長変換部は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする太陽電池を提供する。 The present invention includes a photoelectric conversion layer and a wavelength conversion unit including a wavelength conversion material that converts a wavelength of light incident on the photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion layer includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. And a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer has a superlattice structure in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked. And a light absorption spectrum having a first light absorption wavelength region and a second light absorption wavelength region on the long wavelength side of the first light absorption wavelength region, wherein the wavelength converter includes the first light absorption wavelength region and the second light absorption wavelength region. Provided is a solar cell characterized in that light having a wavelength within a wavelength region between the light absorption wavelength regions is converted into light having a wavelength within a second light absorption wavelength region.
本発明によれば、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有する光電変換層を備え、前記超格子半導体層は、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有するため、超格子半導体層への入射光を光電変換でき、光起電力を発生させることができる。
本発明によれば、超格子半導体層が第1吸光波長領域と第1吸光波長領域の長波長側にある第2吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有するため、第1および第2吸光波長領域の入射光を光電変換することができる。
本発明によれば、光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部を備え、波長変換部は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換するため、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換して光電変換層に入射させることができ、光電変換することができる。つまり、光電変換できなかった光を光電変換できる光に変換して光電変換層に入射させることができるため、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、量子層が吸収する光の量が多くなり、量子層から障壁層へキャリアが取り出しにくかったという単接合太陽電池に見られない、超格子構造太陽電池に特有の課題を解決することができる。
According to the present invention, the superlattice includes a photoelectric conversion layer having 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. Since the semiconductor layer has a superlattice structure in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked, light incident on the superlattice semiconductor layer can be photoelectrically converted and a photovoltaic force can be generated.
According to the present invention, since the superlattice semiconductor layer has a light absorption spectrum having a first absorption wavelength region and a second absorption wavelength region on the longer wavelength side of the first absorption wavelength region, the first and second absorption wavelengths The incident light in the region can be photoelectrically converted.
According to this invention, the wavelength conversion part containing the wavelength conversion material which converts the wavelength of the light which injects into a photoelectric converting layer is provided, and a wavelength conversion part is a wavelength between the 1st absorption wavelength area | region and a 2nd absorption wavelength area | region. In order to convert light having a wavelength within the region into light having a wavelength within the second absorption wavelength region, light having a wavelength within the wavelength region between the first absorption wavelength region and the second absorption wavelength region is converted to the second absorption wavelength region. The light can be converted into light having an inner wavelength and incident on the photoelectric conversion layer, and photoelectric conversion can be performed. That is, since the light that could not be photoelectrically converted can be converted into light that can be photoelectrically converted and incident on the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved. In addition, the amount of light absorbed by the quantum layer increases, and it is possible to solve a problem peculiar to a superlattice structure solar cell that is not seen in a single-junction solar cell in which it is difficult to extract carriers from the quantum layer to the barrier layer. .
本発明の太陽電池は、光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第1吸光波長領域と第1吸光波長領域の長波長側にある第2吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、前記波長変換部は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする。 The solar cell of the present invention includes a photoelectric conversion layer and a wavelength conversion unit including a wavelength conversion material that converts a wavelength of light incident on the photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion layer includes a p-type semiconductor layer, n And a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer is a superlattice in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked. A light absorption spectrum having a structure and having a first absorption wavelength region and a second absorption wavelength region on the longer wavelength side of the first absorption wavelength region, wherein the wavelength conversion unit includes a first absorption wavelength region; The light having a wavelength in the wavelength region between the first absorption wavelength region and the second absorption wavelength region is converted into light having a wavelength in the second absorption wavelength region.
本発明において、吸光波長領域とは、超格子半導体層が入射光の多くを吸収できる波長領域である。吸光波長領域は、超格子半導体層の光吸収スペクトルにより定めることができ、吸光ピークを有する領域である。吸光波長領域は、吸光ピークにおける光吸収スペクトルのベースラインの吸収率を0とし吸光ピークの頂点の吸収率を100としたとき、吸収率が10以上の領域をいう。
なお、超格子半導体層の光吸収スペクトルは、例えば、分光光度計により測定できる。
本発明において、第1吸光波長領域とは、超格子半導体層が有する複数の吸光波長領域のうちいずれか1つの吸光波長領域であり、第2吸光波長領域とは、超格子半導体層が有する複数の吸光波長領域のうち第1吸光波長領域の長波長側にある吸光波長領域である。
本発明において、p型半導体層とn型半導体層と超格子半導体層とは、光電変換層を構成する。
本発明において、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量子層とが繰り返し積層された構造である。量子層の電子の波動関数が隣接量子層の電子の波動関数と大きく相互作用しても良い。
本発明において、量子層とは量子ドット層もしくは量子井戸層のことである。
本発明において、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。
本発明において、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。
In the present invention, the light absorption wavelength region is a wavelength region in which the superlattice semiconductor layer can absorb most of incident light. The absorption wavelength region can be determined by the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer, and is a region having an absorption peak. The absorption wavelength region is a region where the absorption rate is 10 or more, where the absorption rate of the baseline of the light absorption spectrum at the absorption peak is 0 and the absorption rate at the top of the absorption peak is 100.
Note that the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer can be measured by, for example, a spectrophotometer.
In the present invention, the first absorption wavelength region is one of a plurality of absorption wavelength regions of the superlattice semiconductor layer, and the second absorption wavelength region is a plurality of the superlattice semiconductor layer. Is an absorption wavelength region on the long wavelength side of the first absorption wavelength region.
In the present invention, the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer constitute a photoelectric conversion layer.
In the present invention, the superlattice structure is a structure in which a barrier layer and a quantum layer, both of which are made of a semiconductor and have different band gaps, are repeatedly stacked. The electron wave function of the quantum layer may interact greatly with the electron wave function of the adjacent quantum layer.
In the present invention, the quantum layer is a quantum dot layer or a quantum well layer.
In the present invention, 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.
In the present invention, the 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.
本発明において、量子ドット層とは、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。
本発明において、量子井戸層とは、量子井戸で構成される層であり、超格子構造の井戸層となる。
本発明において、障壁層とは、量子層を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドットもしくは量子井戸の周りのポテンシャル障壁を形成する。
本発明において、中間エネルギー準位とは、障壁層の価電子帯の上端もしくは量子層の価電子帯の上端の内、エネルギーが低い方の上端と障壁層の伝導帯の下端もしくは量子層の伝導帯の上端の内、エネルギーが高い方の下端との間に、量子層または障壁層の価電子帯から光励起された電子が一定時間存在し得るエネルギー準位であり、量子層の1つまたは複数の量子準位から形成される。中間エネルギー準位とは、例えば、中間バンドや局在準位である。また、超格子半導体層が有する中間エネルギー準位は、すべて量子ドットの伝導帯側の1つまたは複数の量子準位から形成されてもよい。また、超格子半導体層が有する中間エネルギー準位のうち、1つの中間エネルギー準位は、量子ドットの価電子帯側の1つまたは複数の量子準位から形成され、他の中間エネルギー準位は、量子ドットの伝導帯側の1つまたは複数の量子準位から形成されてもよい。
In the present invention, the quantum dot layer is a layer composed of quantum dots and is a well layer having a superlattice structure.
In the present invention, the quantum well layer is a layer composed of quantum wells and a well layer having a superlattice structure.
In the present invention, the barrier layer is made of a semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor material constituting the quantum layer, and forms a potential barrier around the quantum dots or quantum wells.
In the present invention, the intermediate energy level means the upper end of the valence band of the barrier layer or the upper end of the valence band of the quantum layer and the lower end of the energy and the lower end of the conduction band of the barrier layer or the conduction of the quantum layer. An energy level in which electrons photoexcited from the valence band of the quantum layer or the barrier layer can exist for a certain period between the upper end of the band and the lower end of the higher energy, and one or more of the quantum layers Of quantum levels. The intermediate energy level is, for example, an intermediate band or a localized level. Further, all the intermediate energy levels of the superlattice semiconductor layer may be formed from one or a plurality of quantum levels on the conduction band side of the quantum dots. In addition, among the intermediate energy levels of the superlattice semiconductor layer, one intermediate energy level is formed from one or more quantum levels on the valence band side of the quantum dots, and the other intermediate energy levels are The quantum dots may be formed from one or more quantum levels on the conduction band side.
本発明において、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、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の電子の波動関数と相互作用し、量子ドット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。
本発明において、局在準位とは、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エネルギー準位であるが、1つに繋がっていないエネルギー準位をいう。なお、ポテンシャル障壁に囲まれた量子ドットに形成される電子の離散的なエネルギー準位を量子準位ともいう。また、量子準位のことを量子エネルギー準位ともいう。
In the present invention, 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. It should be noted that the electron wave function of the quantum dot layer of the superlattice structure interacts with the electron wave function of the adjacent quantum dot layer, resulting in a resonant tunneling effect between the quantum levels of the quantum dots, so that the quantum level becomes one. An intermediate band formed by connecting is also called a mini band.
In the present invention, the localized level is an energy level formed in the middle of the forbidden band in the semiconductor constituting the barrier layer, but is not connected to one. A discrete energy level of electrons formed in a quantum dot surrounded by a potential barrier is also referred to as a quantum level. The quantum level is also referred to as a quantum energy level.
本発明の太陽電池において、前記吸収スペクトルは、第2吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長の差が大きい程好ましい。例えば、超格子半導体層中において隣り合う量子層同士を近づけ、ミニバンドを形成することで第2吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長の差が大きくなり好ましい。効率的に光吸収を行う観点から、第2吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が50meV以上であることが好ましく、さらには100meV以上であることが好ましい。また効率的にキャリア輸送を行う観点からもミニバンドを形成することが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層が量子層の量子準位を通じて価電子帯の電子を伝導帯に励起することができる。
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、3つ以上の吸光波長領域を有し、第1および第2吸光波長領域は、前記3つ以上の吸光波長領域に含まれる2つの領域であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
In the solar cell of the present invention, it is preferable that the absorption spectrum has a larger difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the second absorption wavelength region. For example, it is preferable that adjacent quantum layers in the superlattice semiconductor layer are brought close to each other to form a miniband, so that the difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the second absorption wavelength region is increased. From the viewpoint of efficiently absorbing light, the energy difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the second absorption wavelength region is preferably 50 meV or more, and more preferably 100 meV or more. Further, it is preferable to form a miniband from the viewpoint of efficient carrier transportation.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can excite valence band electrons to the conduction band through the quantum level of the quantum layer.
In the solar cell of the present invention, the light absorption spectrum has three or more absorption wavelength regions, and the first and second absorption wavelength regions are two regions included in the three or more absorption wavelength regions. It is preferable.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can use more incident light for photoelectric conversion, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、2種類以上の波長変換材料を含み、前記光吸収スペクトルは、第2吸光波長領域の長波長側に第3吸光波長領域をさらに有し、前記波長変換部は、第2吸光波長領域と第3吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第3吸光波長領域内の波長の光に変換することが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、第3吸光波長領域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が50meV以上であることが好ましく、さらには100meV以上であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層が量子層の量子準位を通じて価電子帯の電子を伝導帯に励起することができる。
In the solar cell of the present invention, the wavelength conversion unit includes two or more types of wavelength conversion materials, and the light absorption spectrum further includes a third absorption wavelength region on the long wavelength side of the second absorption wavelength region, The wavelength conversion unit preferably converts light having a wavelength in a wavelength region between the second absorption wavelength region and the third absorption wavelength region into light having a wavelength in the third absorption wavelength region.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can use more incident light for photoelectric conversion, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
In the solar cell of the present invention, in the light absorption spectrum, the energy difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the third absorption wavelength region is preferably 50 meV or more, and more preferably 100 meV or more.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can excite valence band electrons to the conduction band through the quantum level of the quantum layer.
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、4つ以上の吸光波長領域を有し、第1、第2および第3吸光波長領域は、前記4つ以上の吸光波長領域に含まれる3つの領域であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、1000nm以上の波長を有する光の波長を変換する波長変換材料を含むことが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
In the solar cell of the present invention, the light absorption spectrum has four or more absorption wavelength regions, and the first, second, and third absorption wavelength regions are included in the three or more absorption wavelength regions. A region is preferred.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can use more incident light for photoelectric conversion, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
The solar cell of this invention WHEREIN: It is preferable that the said wavelength conversion part contains the wavelength conversion material which converts the wavelength of the light which has a wavelength of 1000 nm or more.
According to such a configuration, the superlattice semiconductor layer can use more incident light for photoelectric conversion, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、ミニバンドが形成されるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層の量子準位により形成されたミニバンドを電子が移動可能となり、ミニバンドに励起された電子が障壁層の価電子帯に励起される確率を高くすることができ、光電変換効率を高くすることができる。
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、波長変換材料を含む成型体であり、前記光電変換層は、前記波長変換部の表面上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、成型体内部で波長変換された光を光電変換層に入射させることができる。また、光電変換層の設ける範囲を狭くすることができ、太陽電池の製造コストを低減することができる。
本発明の太陽電池において、前記成型体は、1つの受光面を有する直方体であり、前記光電変換層は、少なくとも4つであり、かつ、前記直方体の受光面の周りの4つの側面上にそれぞれ設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、成型体内部で波長変換された光を光電変換層に入射させることができる。また、光電変換層の設ける範囲を狭くすることができ、太陽電池の製造コストを低減することができる。
In the solar cell of the present invention, the superlattice semiconductor layer is preferably provided so that a miniband is formed.
According to such a configuration, electrons can move in the miniband formed by the quantum levels of the superlattice semiconductor layer, and the probability that the electrons excited in the miniband are excited in the valence band of the barrier layer is increased. And the photoelectric conversion efficiency can be increased.
In the solar cell of the present invention, it is preferable that the wavelength conversion unit is a molded body including a wavelength conversion material, and the photoelectric conversion layer is provided on a surface of the wavelength conversion unit.
According to such a configuration, light whose wavelength is converted inside the molded body can be incident on the photoelectric conversion layer. Moreover, the range in which the photoelectric conversion layer is provided can be narrowed, and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
In the solar cell of the present invention, the molded body is a rectangular parallelepiped having one light receiving surface, the photoelectric conversion layers are at least four, and are respectively provided on four side surfaces around the light receiving surface of the rectangular parallelepiped. It is preferably provided.
According to such a configuration, light whose wavelength is converted inside the molded body can be incident on the photoelectric conversion layer. Moreover, the range in which the photoelectric conversion layer is provided can be narrowed, and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.
太陽電池の構成
図1〜11は本実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図または概略斜視図であり、図12〜14は、本実施形態の太陽電池に含まれる光電変換層の概略バンド図である。図15、16、20〜24は、本実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルなどであり、図17、25は、本実施形態の太陽電池に含まれる波長変換部により波長変換される光を説明するための説明図である。また、図18、19は、吸光ピークと吸光波長領域との関係を説明する説明図である。
Configuration of Solar Cell FIGS. 1 to 11 are schematic cross-sectional views or schematic perspective views showing the configuration of the solar cell of this embodiment, and FIGS. 12 to 14 are schematic bands of a photoelectric conversion layer included in the solar cell of this embodiment. FIG. 15, 16, and 20 to 24 are light absorption spectra of a superlattice semiconductor layer included in the solar cell of this embodiment, and FIGS. 17 and 25 are obtained by the wavelength conversion unit included in the solar cell of this embodiment. It is explanatory drawing for demonstrating the light by which wavelength conversion is carried out. 18 and 19 are explanatory diagrams for explaining the relationship between the absorption peak and the absorption wavelength region.
本実施形態の太陽電池20は、光電変換層2と、光電変換層2へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部30とを備え、光電変換層2は、p型半導体層12と、n型半導体層4と、p型半導体層12とn型半導体層4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、障壁層8と量子層5とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第1吸光波長領域と第1吸光波長領域の長波長側にある第2吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、波長変換部30は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする。
以下、本実施形態の太陽電池20について説明する。
The solar cell 20 of this embodiment includes a photoelectric conversion layer 2 and a wavelength conversion unit 30 that includes a wavelength conversion material that converts the wavelength of light incident on the photoelectric conversion layer 2, and the photoelectric conversion layer 2 is a p-type semiconductor. A layer 12, an n-type semiconductor layer 4, and a superlattice semiconductor layer 10 sandwiched between the p-type semiconductor layer 12 and the n-type semiconductor layer 4, and the superlattice semiconductor layer 10 includes the barrier layer 8 and the quantum layer 5 And a light absorption spectrum having a first absorption wavelength region and a second absorption wavelength region on the long wavelength side of the first absorption wavelength region, and a wavelength conversion The unit 30 is characterized by converting light having a wavelength in the wavelength region between the first absorption wavelength region and the second absorption wavelength region into light having a wavelength in the second absorption wavelength region.
Hereinafter, the solar cell 20 of the present embodiment will be described.
1.波長変換部
波長変換部30は、光電変換層2へ入射する光の波長を変換する部分であり、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む。波長変換部30は、例えば、受光面を有することができ、受光面から波長変換部30内部に入射した光の波長が波長変換材料により波長変換され、波長変換された光が波長変換部30から放出される。波長変換部30から放出された光は、光電変換層2に入射し光電変換に利用される。
また、波長変換部30は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換するように設けられる。ここで、第1吸光波長領域とは、超格子半導体層10が有する複数の吸光波長領域のうちいずれか1つの吸光波長領域であり、第2吸光波長領域とは、超格子半導体層10が有する複数の吸光波長領域のうち第1吸光波長領域の長波長側にある吸光波長領域である。
1. Wavelength Conversion Unit The wavelength conversion unit 30 is a part that converts the wavelength of light incident on the photoelectric conversion layer 2 and includes a wavelength conversion material that converts the wavelength of incident light. The wavelength conversion unit 30 can have, for example, a light receiving surface. The wavelength of light incident from the light receiving surface into the wavelength conversion unit 30 is converted by the wavelength conversion material, and the wavelength converted light is converted from the wavelength conversion unit 30. Released. The light emitted from the wavelength conversion unit 30 enters the photoelectric conversion layer 2 and is used for photoelectric conversion.
The wavelength conversion unit 30 is provided so as to convert light having a wavelength within the wavelength region between the first absorption wavelength region and the second absorption wavelength region into light having a wavelength within the second absorption wavelength region. Here, the first absorption wavelength region is one of a plurality of absorption wavelength regions included in the superlattice semiconductor layer 10, and the second absorption wavelength region is included in the superlattice semiconductor layer 10. It is an absorption wavelength region on the long wavelength side of the first absorption wavelength region among the plurality of absorption wavelength regions.
波長変換部30に含まれる波長変換材料は、太陽光の波長をシフトさせることができる材料であればどのような材料でもよいが、例えば、ZnO 、ZnS 、ZnSe、ZnTe 、CdS 、CdSe、CdTe、PbS 、PbSe 、PbTe 、CuInGaS、CuS、InGaZnO、InAs、GaAs、AlAs、InSb、GaSb、AlSb、InP、GaP、AlP、InN、GaN、AlN、Si、Geなどである。また、これらの混晶材料となる無機材料、錯体材料、希土類イオン(Er3+、Pr3+、Tm3+など)や遷移元素を含有したガラス、Erドープガーネット結晶(YAG)、有機材料などであってもよい。また、これらの材料をコアシェル構造、コアシェルシェル構造など複数個用いてもよい。さらにこれらの材料を数〜数十ナノメートルのサイズとしてもよく、その場合はサイズによりバンドギャップを自由に変えられるという特徴を持つ。
どのような波長変換材料を用いるかは、超格子半導体層10の光吸収スペクトルに応じて決められるが、半導体材料から成る蛍光体を用いる方が好ましいことが多い。これは希土類、遷移金属蛍光体と比べて、半導体蛍光体の方が吸光波長領域から発光波長領域への波長の差が小さく(すなわちストークスシフトが小さい)、効率的な波長変換を行うことができるためである。
また、これらの材料は量子効果が起こるサイズ(およその目安としてボーア半径程度)にして用いても良い。このようなサイズを持つ蛍光体半導体を用いることで、自由にバンドギャップを調節することができ、吸光波長領域および発光波長領域を自由に制御することができる。ボーア半径は例えばInNで7nm、CdSe5nm、GaAsで12.5nmである。
The wavelength conversion material included in the wavelength conversion unit 30 may be any material as long as it can shift the wavelength of sunlight. For example, ZnO 2, ZnS 3, ZnSe, ZnTe 2, CdS 1, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, CuInGaS, CuS, InGaZnO, InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, AlP, InN, GaN, AlN, Si, Ge, and the like. In addition, inorganic materials, complex materials, glass containing rare earth ions (such as Er 3+ , Pr 3+ , Tm 3+ ) and transition elements, Er-doped garnet crystals (YAG), organic materials, and the like that are mixed crystal materials of these It may be. A plurality of these materials such as a core-shell structure and a core-shell structure may be used. Furthermore, these materials may have a size of several to several tens of nanometers. In that case, the band gap can be freely changed depending on the size.
The type of wavelength conversion material to be used is determined according to the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10, but it is often preferable to use a phosphor made of a semiconductor material. Compared with rare earth and transition metal phosphors, the semiconductor phosphor has a smaller wavelength difference from the light absorption wavelength region to the light emission wavelength region (ie, a smaller Stokes shift) and can perform efficient wavelength conversion. Because.
Further, these materials may be used in a size that causes a quantum effect (approximately Bohr radius as a rough guide). By using a phosphor semiconductor having such a size, the band gap can be freely adjusted, and the absorption wavelength region and the emission wavelength region can be freely controlled. Bohr radii are, for example, 7 nm for InN, 5 nm for CdSe, and 12.5 nm for GaAs.
これらの波長変換材料は、太陽電池の超格子半導体層10の光吸収スペクトルに合わせて適宜材料や混晶比、サイズを選択すればよい。また、波長変換材料は超格子半導体層10の光吸収スペクトルに合わせて、複数種類用いると好ましい場合がある。
図15の下図は、二種類の波長変換材料を含む波長変換部30により波長変換される光を説明するためのグラフである。このグラフにおいて実線で示した2つのピークの光が、それぞれ波長変換部30により、点線で示した2つのピークの光に波長変換される。
波長変換部30により波長変換する光の波長は、超格子半導体層10の光吸収スペクトルに応じて決められるため、超格子半導体層10の説明と共に説明する。
These wavelength conversion materials may be appropriately selected from materials, mixed crystal ratios, and sizes in accordance with the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 of the solar cell. Further, it may be preferable to use a plurality of types of wavelength conversion materials according to the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10.
The lower diagram of FIG. 15 is a graph for explaining light that is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30 including two types of wavelength conversion materials. In this graph, the two peaks of light indicated by solid lines are respectively wavelength-converted by the wavelength converter 30 into two peaks of light indicated by dotted lines.
Since the wavelength of light that is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30 is determined according to the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10, it will be described together with the description of the superlattice semiconductor layer 10.
波長変換部30は、例えば、図1、4〜10に示した太陽電池20のように、光電変換層2の受光面の上部に設けることができる。このように波長変換部30を設けることにより波長変換部30を透過した太陽光を光電変換層2に入射させることができ、波長変換された光を光電変換することができる。また、波長変換部30は第1波長変換部30aおよび第2波長変換部30bからなってもよい。この場合、第1波長変換部30aは第1波長変換材料を含み、第2波長変換部30bは第2波長変換材料を含むことができる。このような構成により、第1および第2波長変換材料の両方で太陽光の波長を変換することができる。また、波長変換部30は、1つの波長変換部からなってもよく、それぞれ異なる波長変換材料を含む3つ以上の波長変換部からなってもよい。 The wavelength conversion part 30 can be provided in the upper part of the light-receiving surface of the photoelectric converting layer 2, for example like the solar cell 20 shown in FIGS. By providing the wavelength conversion unit 30 in this way, sunlight transmitted through the wavelength conversion unit 30 can be made incident on the photoelectric conversion layer 2, and the wavelength-converted light can be photoelectrically converted. In addition, the wavelength conversion unit 30 may include a first wavelength conversion unit 30a and a second wavelength conversion unit 30b. In this case, the first wavelength conversion unit 30a may include a first wavelength conversion material, and the second wavelength conversion unit 30b may include a second wavelength conversion material. With such a configuration, the wavelength of sunlight can be converted by both the first and second wavelength conversion materials. Moreover, the wavelength conversion part 30 may consist of one wavelength conversion part, and may consist of three or more wavelength conversion parts each containing a different wavelength conversion material.
また、波長変換部30は、例えば、図2に示した太陽電池20のように光電変換層2の上に成膜されてもよく、図3のように基板1の光電変換層2が形成された表面と反対側の表面上に成膜されてもよい。
また、波長変換部30は、樹脂に含有された波長変換材料を用いてもよく、波長変換材料を含む樹脂を光電変換層2の上に成膜してもよく、図3のように基板1の光電変換層2が形成された表面と反対側の表面上に成膜してもよい。なお、図3は、光電変換層2で吸収されなかった光を波長変換部30で波長変換し、再び光電変換層2に入射させる構造である。
このように太陽電池裏面に波長変換部30を設ける構造は、波長変換部30の吸光領域が短波長側に広く存在する場合(例えば図15において、波長変換部30の波長変換領域Dかつ/またはEが光電変換層の吸光波長領域Aの一部または全部に重なった場合)に特に好ましい。また、2種類以上の波長変換材料からなる波長変換部30を太陽電池裏面に設ける構造は、波長変換部30の波長変換領域Eが短波長側に広く存在する場合(例えば図15において、波長変換部30の波長変換領域Eが太陽電池の発光領域Fの一部または全部に重なった場合に望ましい)、光電変換層2に近い側から外側に向けて順に、短波長光を有する太陽光スペクトルを波長変換する層から長波長を有する太陽光スペクトルを波長変換する層を段階的に設けることが望ましい。例えば2種類の波長変換材料からなる波長変換部30を太陽電池裏面に設ける場合は図3の30bに、より短波長の太陽光スペクトル(例えば図15の波長変換領域D)を波長変換する層、30aに長波長の太陽光スペクトル(例えば図15の波長変換領域E)を波長変換する層を設けることが望ましい。
このような構造を図3、図15を用いてさらに詳細に説明する。ここでは、波長変換部30の波長変換領域Dかつ/またはEが光電変換層2の吸光波長領域Aの一部または全部に重なった場合、かつ波長変換領域Eが波長変換領域Dの一部または全部に重なった場合を考える。太陽光が光電変換層2に入射した後、まず始めに吸光波長領域A、B、Cの領域に存在する太陽光の多くが太陽電池2によって吸収され、吸収されなかった太陽光が波長変換部30に到達する。吸収されなかった太陽光の内、波長変換領域Dに存在する光の多くが図3の波長変換部30bによって図15の吸光波長領域Bに適した波長(発光領域Fのスペクトルを持つ光が放射)に変換され、波長変換された光の多くが光電変換層2に再び入射する。さらに波長変換部30bまでに吸収されなかった光、もしくは波長変換部30bで波長変換された光の一部が、波長変換部30aによって図15の吸光波長領域Cに適した波長に変換(発光領域Gのスペクトルを持つ光が放射)され、波長変換された光の多くが光電変換層2に再び入射する。
このような構造にすることで、図15の吸光ピークAの大部分が波長変換部30aもしくは30bによって波長変換される恐れがなくなる。また、波長変換領域Dの大部分かつ発光領域Fの大部分を、波長変換領域Eを有する波長変換部30aが波長変換してしまう恐れがなくなるため好ましい。さらに、発光領域Gの光が再度光電変換層2に入射する前に波長変換部30bを通過するが、波長変換部30bが発光領域Gの光を再度吸収する恐れがなくなるため好ましい。このように、超格子構造太陽電池においてこれまで無駄にされていた太陽光を効率的に利用することができ、量子層中から取り出されるキャリアを増大および太陽電池の電圧を増大させることができ、光電変換効率を大幅に向上させることができる。
Moreover, the wavelength conversion part 30 may be formed on the photoelectric conversion layer 2 like the solar cell 20 shown in FIG. 2, for example, and the photoelectric conversion layer 2 of the board | substrate 1 is formed like FIG. The film may be formed on the surface opposite to the surface.
Moreover, the wavelength conversion part 30 may use the wavelength conversion material contained in resin, and may form into a film | membrane the resin containing a wavelength conversion material on the photoelectric converting layer 2, as shown in FIG. You may form into a film on the surface on the opposite side to the surface in which the photoelectric converting layer 2 was formed. Note that FIG. 3 shows a structure in which light that has not been absorbed by the photoelectric conversion layer 2 is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30 and is incident on the photoelectric conversion layer 2 again.
As described above, the structure in which the wavelength conversion unit 30 is provided on the back surface of the solar cell has a structure in which the light absorption region of the wavelength conversion unit 30 is widely present on the short wavelength side (for example, in FIG. This is particularly preferable when E overlaps part or all of the absorption wavelength region A of the photoelectric conversion layer. Moreover, the structure which provides the wavelength conversion part 30 which consists of two or more types of wavelength conversion materials in a solar cell back surface is when the wavelength conversion area E of the wavelength conversion part 30 exists widely in the short wavelength side (for example, in FIG. 15, wavelength conversion). The wavelength conversion region E of the unit 30 is preferably overlapped with a part or all of the light emitting region F of the solar cell), and the solar spectrum having short wavelength light in order from the side closer to the photoelectric conversion layer 2 toward the outside. It is desirable to provide a layer for converting the wavelength of a sunlight spectrum having a long wavelength from the layer for wavelength conversion in a stepwise manner. For example, in the case where the wavelength conversion unit 30 made of two types of wavelength conversion materials is provided on the back surface of the solar cell, a layer that converts the wavelength of a shorter wavelength sunlight spectrum (for example, the wavelength conversion region D in FIG. 15) to 30b in FIG. It is desirable to provide a layer for converting the wavelength of a long-wavelength sunlight spectrum (for example, the wavelength conversion region E in FIG. 15) at 30a.
Such a structure will be described in more detail with reference to FIGS. Here, when the wavelength conversion region D and / or E of the wavelength conversion unit 30 overlaps part or all of the light absorption wavelength region A of the photoelectric conversion layer 2, the wavelength conversion region E is a part of the wavelength conversion region D or Consider the case where everything overlaps. After the sunlight is incident on the photoelectric conversion layer 2, first, most of the sunlight existing in the absorption wavelength regions A, B, and C is absorbed by the solar cell 2, and the sunlight that has not been absorbed is the wavelength conversion unit. Reach 30. Of the unabsorbed sunlight, most of the light existing in the wavelength conversion region D is emitted by the wavelength conversion unit 30b in FIG. 3 at a wavelength suitable for the absorption wavelength region B in FIG. ), And most of the wavelength-converted light is incident on the photoelectric conversion layer 2 again. Further, a part of the light that has not been absorbed by the wavelength converting unit 30b or the wavelength converted by the wavelength converting unit 30b is converted into a wavelength suitable for the absorption wavelength region C in FIG. 15 by the wavelength converting unit 30a (light emitting region). Light having a G spectrum is emitted), and most of the wavelength-converted light is incident on the photoelectric conversion layer 2 again.
By adopting such a structure, there is no possibility that most of the absorption peak A in FIG. 15 is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30a or 30b. In addition, it is preferable because most of the wavelength conversion region D and most of the light emitting region F are not converted by the wavelength conversion unit 30a having the wavelength conversion region E. Furthermore, although the light of the light emission area | region G passes the wavelength conversion part 30b before entering the photoelectric converting layer 2 again, since the possibility that the wavelength conversion part 30b will absorb the light of the light emission area | region G again is lost, it is preferable. In this way, sunlight that has been wasted in the superlattice structure solar cell can be used efficiently, the number of carriers extracted from the quantum layer can be increased, and the voltage of the solar cell can be increased. Photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.
さらに、図11に示した太陽電池のように、1つもしくは複数の波長変換材料からなる波長変換部30を内包したルミネッセンスコンバーターの側面51上に光電変換層2を設けることにより、波長変換部30に入射した太陽光が集光および波長変換された後光電変換層2に入射する。このことにより、太陽電池20の変換効率の向上が期待できる。ここでルミネッセンスコンバーターとは波長変換材料が含まれた構成のことを言い、波長変換材料を固定させるためにガラス、樹脂などを混ぜて成型体としたものである。さらにルミネッセンスコンバーターは表面50から太陽光が入射し、ルミネッセンスコンバーター内部で波長変換と光の放射を繰り返し、表面50とその裏面において光が全反射され、最終的には直方体の4つのエッジ面51から集光および波長変換された太陽光が出てくる装置のことである。このルミネッセンスコンバーターの4つのエッジ面51上にそれぞれ光電変換層2を設けることにより、太陽電池20の光電変換効率を向上させることができる。
また、ルミネッセントコンバーターを用いることで従来吸収できなかったスペクトル領域の太陽光を波長変換できることに加え、太陽光が集光されて超格子構造太陽電池に照射される効果がある。太陽光が集光されて超格子構造太陽電池に照射されると、超格子構造太陽電池における量子準位や中間バンドを介した2段階光吸収は大きく向上し、効率的にキャリアを取り出すことができる。このように、波長変換効果と集光効果の2つの効果により、ルミネッセントコンバーターの有無による超格子構造太陽電池の変換効率の上昇割合は、ルミネッセントコンバーターの有無による単接合太陽電池の変換効率の上昇割合に比べて大きく、超格子構造太陽電池をルミネッセントコンバーターに設置した構造は、従来の単接合太陽電池をルミネッセントコンバーターに設置した構造では見られなかったような、変換効率の大幅な上昇が見られる。
さらに、このような構造にすれば、超格子構造太陽電池20はエッジ面積程度の使用量で構成されるため、材料の使用量・コストが低減される。
また、太陽電池20が軽量化されることで、太陽電池20を窓、建材に貼り付けたり、屋根に搭載したり、場所を問わず使用することができる。
Furthermore, the wavelength conversion part 30 is provided by providing the photoelectric converting layer 2 on the side surface 51 of the luminescence converter including the wavelength conversion part 30 made of one or a plurality of wavelength conversion materials as in the solar cell shown in FIG. The sunlight incident on the light enters the photoelectric conversion layer 2 after being condensed and wavelength-converted. Thereby, the improvement of the conversion efficiency of the solar cell 20 can be expected. Here, the luminescence converter refers to a configuration including a wavelength conversion material, and is formed by mixing glass, resin, or the like in order to fix the wavelength conversion material. Further, the luminescence converter receives sunlight from the surface 50, repeats wavelength conversion and light emission inside the luminescence converter, and light is totally reflected on the surface 50 and its back surface, and finally from the four edge surfaces 51 of the rectangular parallelepiped. A device that emits sunlight that has been condensed and wavelength-converted. The photoelectric conversion efficiency of the solar cell 20 can be improved by providing the photoelectric conversion layers 2 on the four edge surfaces 51 of the luminescence converter.
Moreover, in addition to being able to wavelength-convert sunlight in a spectral region that could not be absorbed conventionally by using a luminescent converter, there is an effect that sunlight is condensed and applied to the superlattice structure solar cell. When sunlight is collected and applied to the superlattice solar cell, the two-stage light absorption through the quantum levels and the intermediate band in the superlattice solar cell is greatly improved, and carriers can be efficiently extracted. it can. Thus, due to the two effects of the wavelength conversion effect and the light condensing effect, the rate of increase in the conversion efficiency of the superlattice solar cell with or without the luminescent converter is the conversion of the single junction solar cell with or without the luminescent converter. Compared to the rate of increase in efficiency, the structure in which a superlattice solar cell is installed in a luminescent converter is a conversion efficiency that was not seen in the conventional structure in which a single-junction solar cell was installed in a luminescent converter. A significant increase is seen.
Furthermore, with such a structure, the superlattice structure solar cell 20 is configured with a usage amount of about the edge area, so that the usage amount and cost of the material are reduced.
Moreover, since the solar cell 20 is reduced in weight, the solar cell 20 can be attached to a window or a building material, mounted on a roof, or used regardless of location.
2.n型半導体層(ベース層)およびp型半導体層(エミッター層)
n型半導体層(ベース層)4は、n型不純物を含む半導体からなり、p型半導体層(エミッター層)12は、p型不純物を含む半導体からなる。
n型半導体層4およびp型半導体層12は、超格子半導体層10を挟み光電変換層2を構成し、これらの層に光が入射されることにより光起電力を発生させる。光電変換層2に入射する光は、波長変換部30により波長変換された光である。
n型半導体層4およびp型半導体層12は、例えばMOCVD法により形成することができる。
2. n-type semiconductor layer (base layer) and p-type semiconductor layer (emitter layer)
The n-type semiconductor layer (base layer) 4 is made of a semiconductor containing n-type impurities, and the p-type semiconductor layer (emitter layer) 12 is made of a semiconductor containing p-type impurities.
The n-type semiconductor layer 4 and the p-type semiconductor layer 12 constitute the photoelectric conversion layer 2 with the superlattice semiconductor layer 10 sandwiched therebetween, and light is incident on these layers to generate photovoltaic power. The light incident on the photoelectric conversion layer 2 is light that has been wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30.
The n-type semiconductor layer 4 and the p-type semiconductor layer 12 can be formed by, for example, the MOCVD method.
n型半導体層4は、n型電極18と電気的に接続することができ、p型半導体層12は、p型電極17と電気的に接続することができる。このことにより、n型半導体層4とp型半導体層12との間に生じる光起電力をn型電極18およびp型電極17を介して外部回路へ出力することができる。また、n型半導体層4とn型電極18との間またはp型半導体層12とp型電極17との間にコンタクト層15を設けてもよい。 The n-type semiconductor layer 4 can be electrically connected to the n-type electrode 18, and the p-type semiconductor layer 12 can be electrically connected to the p-type electrode 17. As a result, the photovoltaic force generated between the n-type semiconductor layer 4 and the p-type semiconductor layer 12 can be output to an external circuit via the n-type electrode 18 and the p-type electrode 17. Further, the contact layer 15 may be provided between the n-type semiconductor layer 4 and the n-type electrode 18 or between the p-type semiconductor layer 12 and the p-type electrode 17.
3.超格子半導体層
超格子半導体層10は、n型半導体層(ベース層)4とp型半導体層(エミッター層)12に挟まれ、光電変換層2を構成する。また、超格子半導体層10は、量子層5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。
3. Superlattice Semiconductor Layer The superlattice semiconductor layer 10 is sandwiched between an n-type semiconductor layer (base layer) 4 and a p-type semiconductor layer (emitter layer) 12 to constitute the photoelectric conversion layer 2. The superlattice semiconductor layer 10 has a superlattice structure in which the quantum layers 5 and the barrier layers 8 are alternately and repeatedly stacked.
超格子半導体層10は、例えば、図12〜14のバンド図のようなバンド構造を有する。これらのバンド図において横軸は、図1〜10に示したz方向の距離であり、縦軸は電子のエネルギーである。また、伝導帯下端、価電子帯上端および量子層の量子準位を実線で示している。また、図12のバンド図のようなバンド構造を有する超格子半導体層10は、図15の上図のような光吸収スペクトルを有する。また、この場合、波長変換部30は、図15の下図のように入射光を波長変換できるように設けられる。 The superlattice semiconductor layer 10 has a band structure as shown in the band diagrams of FIGS. In these band diagrams, the horizontal axis is the distance in the z direction shown in FIGS. 1 to 10, and the vertical axis is the energy of electrons. In addition, the lower end of the conduction band, the upper end of the valence band, and the quantum level of the quantum layer are indicated by solid lines. Further, the superlattice semiconductor layer 10 having a band structure as shown in the band diagram of FIG. 12 has a light absorption spectrum as shown in the upper diagram of FIG. In this case, the wavelength converter 30 is provided so as to convert the wavelength of incident light as shown in the lower diagram of FIG.
図12に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層10は、障壁層8の価電子帯上端と障壁層8の伝導帯下端とのエネルギー差(障壁層8のバンドギャップ)に相当するエネルギー(波長)を有する光を吸収し、図12の矢印200のように障壁層8の価電子帯の電子が障壁層8の伝導帯へ励起される。このような障壁層8のバンドギャップに起因する光吸収は、図15の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークAのように表れ、障壁層8のバンドギャップに相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光(吸光波長領域A内の光)の吸収となる。従って、超格子半導体層10は、障壁層8のバンドギャップにより吸光波長領域A内の光を吸収できる。 The superlattice semiconductor layer 10 having a band structure as shown in FIG. 12 has an energy corresponding to the energy difference between the upper end of the valence band of the barrier layer 8 and the lower end of the conduction band of the barrier layer 8 (the band gap of the barrier layer 8). Light having (wavelength) is absorbed, and electrons in the valence band of the barrier layer 8 are excited to the conduction band of the barrier layer 8 as indicated by an arrow 200 in FIG. Such light absorption due to the band gap of the barrier layer 8 appears as an absorption peak A in the light absorption spectrum shown in the upper diagram of FIG. It is absorption of light up to energy that is somewhat larger than energy (light within the absorption wavelength region A). Therefore, the superlattice semiconductor layer 10 can absorb light in the absorption wavelength region A due to the band gap of the barrier layer 8.
また、図12に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層10は、量子層5の価電子帯の量子準位(または障壁層8の価電子帯上端)と量子層5の伝導帯の量子準位とのエネルギー差(量子層のバンドギャップ)に相当するエネルギー(波長)を有する光を吸収し、図12の矢印201のように量子層5の価電子帯の量子準位の電子(または障壁層8の価電子帯の電子)が量子層5の伝導帯の量子準位へ励起される。このような量子層5のバンドギャップによる光吸収は、図15の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークBのように表れ、量子層5のバンドギャップに相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光(吸光波長領域B内の光)の吸収となる。従って、超格子半導体層10は、量子層5のバンドギャップにより吸光波長領域B内の光を吸収できる。ここで、吸光波長領域B内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が50meV以上であることが好ましく、さらには100meV以上であることが好ましい。 In addition, the superlattice semiconductor layer 10 having the band structure as shown in FIG. 12 has a quantum level of the valence band of the quantum layer 5 (or the valence band upper end of the barrier layer 8) and the conduction band of the quantum layer 5. Light having an energy (wavelength) corresponding to an energy difference from the quantum level (band gap of the quantum layer) is absorbed, and electrons in the quantum level of the valence band of the quantum layer 5 (arrow 201 in FIG. 12) Or electrons in the valence band of the barrier layer 8) are excited to the quantum level of the conduction band of the quantum layer 5. Such light absorption due to the band gap of the quantum layer 5 appears as an absorption peak B in the light absorption spectrum shown in the upper diagram of FIG. 15, and from the energy corresponding to the band gap of the quantum layer 5 from this energy. Absorption of light up to a certain large energy (light in the absorption wavelength region B) is obtained. Therefore, the superlattice semiconductor layer 10 can absorb light in the absorption wavelength region B due to the band gap of the quantum layer 5. Here, the energy difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the absorption wavelength region B is preferably 50 meV or more, and more preferably 100 meV or more.
さらに、図12に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層10は、量子層5の伝導帯の量子準位と障壁層8の伝導帯下端とのエネルギー差に相当するエネルギー(波長)を有する光を吸収し、図12の矢印202のように量子層5の伝導帯の量子準位の電子が障壁層8の伝導帯へ励起される。このような量子層5の伝導帯の量子準位と障壁層8の伝導帯下端とのエネルギー差による光吸収は、図15の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークCのように表れ、このエネルギー差に相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光(吸光波長領域C内の光)の吸収となる。従って、超格子半導体層10は、量子層5の伝導帯の量子準位と障壁層8の伝導帯下端とのエネルギー差により吸光波長領域C内の光を吸収できる。ここで、吸光波長領域C内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が50meV以上であることが好ましく、さらには100meV以上であることが好ましい。 Furthermore, the superlattice semiconductor layer 10 having the band structure as shown in FIG. 12 has energy (wavelength) corresponding to the energy difference between the quantum level of the conduction band of the quantum layer 5 and the lower end of the conduction band of the barrier layer 8. The electrons having the quantum level in the conduction band of the quantum layer 5 are excited to the conduction band of the barrier layer 8 as indicated by an arrow 202 in FIG. The light absorption due to the energy difference between the quantum level of the conduction band of the quantum layer 5 and the bottom of the conduction band of the barrier layer 8 is as shown by the absorption peak C in the light absorption spectrum shown in the upper diagram of FIG. Appearance is absorption of light (light in the light absorption wavelength region C) from energy corresponding to this energy difference to energy somewhat larger than this energy. Therefore, the superlattice semiconductor layer 10 can absorb light in the absorption wavelength region C due to the energy difference between the quantum level of the conduction band of the quantum layer 5 and the lower end of the conduction band of the barrier layer 8. Here, the energy difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the absorption wavelength region C is preferably 50 meV or more, and more preferably 100 meV or more.
なお、吸光波長領域とは、超格子半導体層10が入射光の多くを吸収できる波長領域である。吸光波長領域は、吸光ピークにおける光吸収スペクトルのベースラインの吸収率を0とし吸光ピークの頂点の吸収率を100としたとき、吸収率が10以上の領域をいう。光吸収スペクトルのベースラインが傾いている場合は、その平均を0とすることができる。
例えば、超格子半導体層10が図18のような吸光ピークを有する場合、この吸光ピークの吸光波長領域は、図18の2つの一点鎖線の間の領域となる。なお、2つの吸光ピークが吸光波長領域外で重なっているとき、ピーク分割を行いベースラインが引かれる。図19のように2つ以上に吸光ピークが吸光波長領域内で重なっている場合、重なっている吸光ピークにより1つの吸光波長領域が定められる。なお、この場合、吸光ピークの頂点は、重なっている吸光ピークのうち最も高い吸光ピークの頂点とする。
The absorption wavelength region is a wavelength region in which the superlattice semiconductor layer 10 can absorb most of incident light. The absorption wavelength region is a region where the absorption rate is 10 or more, where the absorption rate of the baseline of the light absorption spectrum at the absorption peak is 0 and the absorption rate at the top of the absorption peak is 100. When the baseline of the light absorption spectrum is inclined, the average can be set to zero.
For example, when the superlattice semiconductor layer 10 has an absorption peak as shown in FIG. 18, the absorption wavelength region of this absorption peak is a region between two alternate long and short dash lines in FIG. When two absorption peaks overlap outside the absorption wavelength region, the peak is divided and a baseline is drawn. When two or more absorption peaks overlap in the absorption wavelength region as shown in FIG. 19, one absorption wavelength region is defined by the overlapping absorption peaks. In this case, the peak of the absorption peak is the peak of the highest absorption peak among the overlapping absorption peaks.
超格子半導体層10が図15の上図のような光吸収スペクトルを有する場合、超格子半導体層10へ入射する光のうち、吸光波長領域A内、吸光波長領域B内および吸光波長領域C内の波長を有する光は、超格子半導体層10に吸収され光電変換に利用される。しかし、吸光波長領域Aと吸光波長領域Bとの間の波長領域内の波長の光、および吸光波長領域Bと吸光波長領域Cとの間の波長領域内の波長の光は、超格子半導体層10ではほとんど吸収されず光電変換にほとんど利用されない。 When the superlattice semiconductor layer 10 has a light absorption spectrum as shown in the upper diagram of FIG. 15, among the light incident on the superlattice semiconductor layer 10, within the absorption wavelength region A, within the absorption wavelength region B, and within the absorption wavelength region C Is absorbed by the superlattice semiconductor layer 10 and used for photoelectric conversion. However, the light having a wavelength in the wavelength region between the absorption wavelength region A and the absorption wavelength region B and the light having a wavelength in the wavelength region between the absorption wavelength region B and the absorption wavelength region C are superlattice semiconductor layers. 10 hardly absorbs and is hardly used for photoelectric conversion.
このような場合、図15の下図のように光の波長を変換できる第1および第2波長変換材料を含む波長変換部30を設ける。この場合、第1波長変換材料を、実線で示した吸光波長領域Aと吸光波長領域Bとの間の波長領域内の波長の光を点線で示した吸光波長領域B内の光に変換する波長変換材料とし、第2波長変換材料を、実線で示した吸光波長領域Bと吸光波長領域Cとの間の波長領域内の波長の光を点線で示した吸光波長領域C内の光に変換する波長変換材料とする。このような波長変換部30を設けることにより、超格子半導体層10に吸収され光電変換に利用される光の量を多くすることができ、太陽電池20の光電変換効率を向上させることができる。 In such a case, a wavelength conversion unit 30 including first and second wavelength conversion materials capable of converting the wavelength of light as shown in the lower diagram of FIG. 15 is provided. In this case, the wavelength at which the first wavelength conversion material converts light having a wavelength in the wavelength region between the absorption wavelength region A and the absorption wavelength region B indicated by the solid line into light in the absorption wavelength region B indicated by the dotted line. As the conversion material, the second wavelength conversion material converts light having a wavelength in the wavelength region between the absorption wavelength region B and the absorption wavelength region C indicated by the solid line into light in the absorption wavelength region C indicated by the dotted line. A wavelength conversion material is used. By providing such a wavelength conversion unit 30, the amount of light absorbed in the superlattice semiconductor layer 10 and used for photoelectric conversion can be increased, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell 20 can be improved.
以上のような場合、第1吸光波長領域は、吸光波長領域AまたはBである。第1吸光波長領域が吸光波長領域Aの場合、第2吸光波長領域は、吸光波長領域BまたはCである。第1吸光波長領域が吸光波長領域Bの場合、第2吸光波長領域は吸光波長領域Cである。従って、波長変換部30は、吸光波長領域Aと吸光波長領域Bとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域C内の波長の光に波長変換するものであってもよい。
また、第1吸光波長領域が吸光波長領域Aであり、第2吸光波長領域が吸光波長領域Bである場合、吸光波長領域Cは、第3吸光波長領域であってもよい。
In such a case, the first absorption wavelength region is the absorption wavelength region A or B. When the first absorption wavelength region is the absorption wavelength region A, the second absorption wavelength region is the absorption wavelength region B or C. When the first absorption wavelength region is the absorption wavelength region B, the second absorption wavelength region is the absorption wavelength region C. Therefore, the wavelength conversion unit 30 may convert the wavelength of light in the wavelength region between the absorption wavelength region A and the absorption wavelength region B into light of the wavelength in the absorption wavelength region C.
Further, when the first absorption wavelength region is the absorption wavelength region A and the second absorption wavelength region is the absorption wavelength region B, the absorption wavelength region C may be the third absorption wavelength region.
なお、図13は、量子層5の価電子帯の量子準位によりミニバンドが形成され、量子層5の伝導帯の量子準位によりミニバンドが形成された場合の超格子半導体層10のバンド図であり、この場合、図13の矢印300の光励起が図12の矢印200の光励起に対応し、図13の矢印301の光励起が図12の矢印301の光励起に対応し、図13の矢印302の光励起が図12の矢印202の光励起に対応する。このような場合、ミニバンドをキャリアが移動可能であるため、電子の二段階光励起の確率を高くすることができ、光電変換効率を高くすることができる。
また、ミニバンドを形成することで量子層に起因する吸光波長領域が広くなり好ましい。効率的に光吸収を行う観点から、量子層に起因する吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が50meV以上であることが好ましく、さらには100meV以上であることが好ましい。
FIG. 13 shows the band of the superlattice semiconductor layer 10 when a miniband is formed by the quantum level of the valence band of the quantum layer 5 and the miniband is formed by the quantum level of the conduction band of the quantum layer 5. In this case, the optical excitation indicated by the arrow 300 in FIG. 13 corresponds to the optical excitation indicated by the arrow 200 in FIG. 12, the optical excitation indicated by the arrow 301 in FIG. 13 corresponds to the optical excitation indicated by the arrow 301 in FIG. Corresponds to the optical excitation indicated by the arrow 202 in FIG. In such a case, since the carrier can move through the miniband, it is possible to increase the probability of the two-stage photoexcitation of electrons and to increase the photoelectric conversion efficiency.
In addition, it is preferable to form a miniband because an absorption wavelength region caused by the quantum layer is widened. From the viewpoint of efficient light absorption, the energy difference between the longest wavelength and the shortest wavelength in the absorption wavelength region due to the quantum layer is preferably 50 meV or more, and more preferably 100 meV or more.
量子層5は、図1〜3、6、7、9、10に示した太陽電池20のように複数の量子ドット7からなる量子ドット層6であってもよく、図4、8に示した太陽電池20のようにナノワイヤ中に形成された量子ドット7であってもよく、図5に示した太陽電池20のように量子井戸層9であってもよい。
量子ドット層6は、複数の量子ドット7を含む層であり、量子ドット7は、障壁層8を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子効果により、量子準位を有する。
超格子半導体層10に含まれる複数の量子ドット7は、すべて同じ材料から構成されてもよく、異なる材料から構成された量子ドット7を含んでもよい。また、超格子半導体層10に含まれる複数の量子ドット7が混晶からなる場合、複数の量子ドット7は、異なる混晶比からなる量子ドット7を複数種類含んでもよい。複数種類の材料、混晶比から成る量子ドット7を含めることで超格子構造太陽電池の量子エネルギー準位の数を変えることができる。このような量子ドット7は、例えば図7に示した太陽電池20に含まれる量子ドット7a、7bのように設けることができ、また、図10に示した太陽電池20に含まれる量子ドット7a〜7dのように設けることができる。
複数種類の量子ドットを有する太陽電池の変換効率は理論計算によると、1種類の量子ドットを用いた場合、最大効率は63%であるが、2種類の量子ドットを用いた場合、最大効率は70%、3種類の量子ドットを用いた場合、73%、また4種類の量子ドットを用いた場合、75%となる。一方、5種類以上の量子ドットを用いた場合は、効率の伸びが著しく鈍化するため、1〜4種類の量子ドットで高いポテンシャルが得られ、4種類の量子ドットで最も高いポテンシャルを得られる。
The quantum layer 5 may be a quantum dot layer 6 composed of a plurality of quantum dots 7 like the solar cell 20 shown in FIGS. 1 to 3, 6, 7, 9, and 10. It may be a quantum dot 7 formed in a nanowire as in the solar cell 20, or may be a quantum well layer 9 as in the solar cell 20 shown in FIG.
The quantum dot layer 6 is a layer including a plurality of quantum dots 7, and the quantum dots 7 are made of a semiconductor material having a narrower band gap than the semiconductor material constituting the barrier layer 8, and the quantum level is increased by the quantum effect. Have.
The plurality of quantum dots 7 included in the superlattice semiconductor layer 10 may be composed of the same material or may include quantum dots 7 composed of different materials. Further, when the plurality of quantum dots 7 included in the superlattice semiconductor layer 10 are composed of mixed crystals, the plurality of quantum dots 7 may include a plurality of types of quantum dots 7 having different mixed crystal ratios. The number of quantum energy levels of the superlattice solar cell can be changed by including the quantum dots 7 composed of a plurality of types of materials and mixed crystal ratios. Such quantum dots 7 can be provided, for example, like the quantum dots 7a and 7b included in the solar cell 20 illustrated in FIG. 7, and the quantum dots 7a to 7 included in the solar cell 20 illustrated in FIG. 7d can be provided.
According to theoretical calculations, the conversion efficiency of a solar cell having a plurality of types of quantum dots is 63% when one type of quantum dot is used, but when two types of quantum dots are used, the maximum efficiency is 70%, 73% when 3 types of quantum dots are used, and 75% when 4 types of quantum dots are used. On the other hand, when five or more types of quantum dots are used, the increase in efficiency is remarkably slowed down, so that a high potential is obtained with one to four types of quantum dots, and the highest potential is obtained with four types of quantum dots.
超格子半導体層10に含まれる複数の量子ドット7は、x方向のサイズ、y方向のサイズ、z方向のサイズが実質的にすべて同じサイズから構成されてもよく、異なるサイズから構成された量子ドット7を複数種類含んでもよい。複数種類のサイズを有する量子ドット7を含めることで超格子構造太陽電池の量子エネルギー準位の数を変えることができる。このような量子ドット7は、例えば図6に示した太陽電池20に含まれる量子ドット7a、7bのように設けることができ、また、図9に示した太陽電池20に含まれる量子ドット7a〜7dのように設けることができる。
量子ドット7を含む超格子半導体層10は、例えば、SK成長により作製することができる。
The plurality of quantum dots 7 included in the superlattice semiconductor layer 10 may be composed of substantially the same size in the x direction, the size in the y direction, and the size in the z direction. A plurality of types of dots 7 may be included. By including quantum dots 7 having a plurality of sizes, the number of quantum energy levels of the superlattice solar cell can be changed. Such quantum dots 7 can be provided, for example, like the quantum dots 7a and 7b included in the solar cell 20 shown in FIG. 6, and the quantum dots 7a to 7a included in the solar cell 20 shown in FIG. 7d can be provided.
The superlattice semiconductor layer 10 including the quantum dots 7 can be produced, for example, by SK growth.
障壁層8は、量子ドット7を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドット7の周りのポテンシャル障壁を形成する。
本実施形態において、太陽電池20は、その超格子半導体層10に、例えばInxGa1-xAsからなる量子ドット層6、AlxGa1-xAsからなる障壁層8を用いることができる。また、InxAs1-xSbからなる量子ドット層6、AlxAs1-xSbからなる障壁層8を用いることができる。他にInAs,GaAs,AlAs,InSb,GaSb,AlSb,InP,GaP,AlPの材料およびこれらの混晶材料を超格子半導体層10に用いてもよい。また、超格子半導体層10を構成する障壁層8、量子ドット層6を構成する材料として、AlxGayIn1-x-yAs、AlxGayIn1-x-ySbzAs1―z、AlxGayIn1-x―yP、AlxGayIn1-x-yNなどを用いることもできる。上記以外のIII−V族化合物半導体、カルコパイライト系材料、II−VI族化合物半導体、IV族半導体あるいはこれらの混晶材料を用いても良い。
The barrier layer 8 is made of a semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor material constituting the quantum dots 7, and forms a potential barrier around the quantum dots 7.
In this embodiment, the solar cell 20, the superlattice semiconductor layer 10, may be used, for example In x Ga 1-x quantum dot layer 6 made of As, Al x Ga 1-x As consisting barrier layer 8 . Further, it is possible to use a barrier layer 8 composed of In x As 1-x quantum dot layer 6 made of Sb, Al x As 1-x Sb. In addition, materials of InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, and AlP and mixed crystal materials thereof may be used for the superlattice semiconductor layer 10. Moreover, a barrier layer 8 constituting the superlattice semiconductor layer 10, as the material constituting the quantum dot layer 6, Al x Ga y In 1 -xy As, Al x Ga y In 1-xy Sb z As 1 - z, Al x Ga y In 1-xy P , or the like can be used Al x Ga y In 1-xy N. Other than those described above, III-V group compound semiconductors, chalcopyrite materials, II-VI group compound semiconductors, group IV semiconductors, or mixed crystal materials thereof may be used.
混晶からなる量子ドット層6、障壁層8は、混晶の元素割合を適宜変更することで、格子定数を所望の値や基板に合わせて変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット(量子ドット層6と障壁層8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。 The quantum dot layer 6 and the barrier layer 8 made of a mixed crystal change the element ratio of the mixed crystal appropriately to change the lattice constant according to a desired value or the substrate, or to change the valence band energy offset (quantum dot layer 6 and the barrier layer 8 can be made zero.
超格子半導体層10は、図4に示すように直径が100nm以下のナノワイヤ中に量子ドット7を積層し複数のナノワイヤを並べた構造(量子ドットナノワイヤ構造)を用いてもよい。図4で示す構造では1本のナノワイヤに含まれる量子ドット7のサイズは同じである。
このような構造は量子ドット7の歪みを可能な限り減らして積層することができ、その結果均一な量子ドット7を積層することができるという特徴がある。
また、複数のナノワイヤの空隙にBCBのような樹脂40を用いて埋めることができるが、代わりに波長変換材料を埋め込むこともできるという特徴を有する。この場合、複数のナノワイヤの空隙が波長変換部30となる。この場合、波長変換された光が太陽電池内部で複数回反射することが可能となり(実効的な光路長が増大する)より有効的に光を利用できるようになる。
また、図1〜3と同様に、超格子構造太陽電池20の直上や超格子構造太陽電池の表面側もしくは裏面側に波長変換部30を形成することもできる。
As shown in FIG. 4, the superlattice semiconductor layer 10 may have a structure (quantum dot nanowire structure) in which quantum dots 7 are stacked in a nanowire having a diameter of 100 nm or less and a plurality of nanowires are arranged. In the structure shown in FIG. 4, the size of the quantum dots 7 included in one nanowire is the same.
Such a structure is characterized in that the quantum dots 7 can be stacked with the strain reduced as much as possible, and as a result, uniform quantum dots 7 can be stacked.
Moreover, although it can be filled with the resin 40 like BCB in the space | gap of several nanowire, it has the characteristic that a wavelength conversion material can also be buried instead. In this case, the gaps of the plurality of nanowires become the wavelength conversion unit 30. In this case, the wavelength-converted light can be reflected a plurality of times inside the solar cell (the effective optical path length increases), and the light can be used more effectively.
Similarly to FIGS. 1 to 3, the wavelength conversion unit 30 can be formed immediately above the superlattice structure solar cell 20 or on the front side or the back side of the superlattice structure solar cell.
以上は量子ドット7を用いた超格子構造太陽電池20を説明してきたが、図5に示すように量子井戸層9を有する超格子構造太陽電池20においても本発明を適用することができる。すなわち、量子井戸を用いた超格子構造太陽電池においても、量子層5に起因する吸収スペクトル領域が狭いという問題がある。 Although the superlattice structure solar cell 20 using the quantum dots 7 has been described above, the present invention can also be applied to the superlattice structure solar cell 20 having the quantum well layer 9 as shown in FIG. That is, even in a superlattice structure solar cell using a quantum well, there is a problem that an absorption spectrum region caused by the quantum layer 5 is narrow.
量子井戸を用いた超格子構造太陽電池20においても、図1〜3と同様に、超格子構造太陽電池20の直上や超格子構造太陽電池20の表面側もしくは裏面側に波長変換部30を形成することができる。 Also in the superlattice structure solar cell 20 using the quantum well, the wavelength conversion unit 30 is formed immediately above the superlattice structure solar cell 20 or on the front surface side or the back surface side of the superlattice structure solar cell 20 as in FIGS. can do.
図6は同じ材料・混晶比であるが異なるサイズの量子ドット7a、7bを交互に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に2つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なるサイズの量子ドット7a、7bを交互に並べる手法ではなく、超格子構造を2つの部分に分け、超格子構造の下部でサイズの同じ量子ドット7を積層し、上部にサイズの異なる量子ドット7を積層してもよい。 FIG. 6 shows a structure in which quantum dots 7a and 7b having the same material / mixed crystal ratio but different sizes are alternately stacked. With such a structure, two different energy levels can be formed at the intermediate level. Such a structure is not a technique in which quantum dots 7a and 7b of different sizes are arranged alternately, but the superlattice structure is divided into two parts, the same size quantum dots 7 are stacked at the lower part of the superlattice structure, and the size is arranged at the upper part Different quantum dots 7 may be stacked.
図7は同じサイズであるが異なる材料・混晶比の量子ドット7a、7bを交互に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に2つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なる材料・混晶比の量子ドット7a、7bを交互に並べる手法ではなく、超格子構造の下部と上部に、それぞれ材料・混晶比の異なる量子ドット7a、7bを積層しても良い。 FIG. 7 shows a structure in which quantum dots 7a and 7b having the same size but different materials and mixed crystal ratios are alternately stacked. With such a structure, two different energy levels can be formed at the intermediate level. Such a structure is not a technique in which quantum dots 7a and 7b having different materials and mixed crystal ratios are arranged alternately, but quantum dots 7a and 7b having different materials and mixed crystal ratios are stacked on the lower and upper parts of the superlattice structure, respectively. May be.
図8は直径が100nm以下のナノワイヤ43中に量子ドット7を積層した構造(量子ドットナノワイヤ構造)である。図8では1本のナノワイヤ43に含まれる量子ドット7のサイズは同じである。
2つの異なるサイズの量子ドット7が含まれたナノワイヤ43を、1辺300nm(紫外領域の波長程度)以下の正方形の面積内に半分ずつ程度、高密度に形成することで、太陽光を余すことなく吸収する事ができる。2つの異なるサイズを有する量子ドットナノワイヤ構造は交互に配置されることが、効率的に太陽光を吸収できるため好ましい。
また、このような構造を用いれば歪みがx方向に緩和するため、サイズ(x方向、z方向いずれのサイズも含む)が異なる量子ドットを形成しやすい。また2種類以上の異なるサイズを有する量子ドットナノワイヤ構造を形成することも容易である。
このような量子ドットナノワイヤのナノワイヤ43間の空隙もしくは超格子構造太陽電池の上部に波長変換材料を設けることで、効率的に波長変換を行うことができる。
FIG. 8 shows a structure (quantum dot nanowire structure) in which quantum dots 7 are stacked in nanowires 43 having a diameter of 100 nm or less. In FIG. 8, the sizes of the quantum dots 7 included in one nanowire 43 are the same.
Forming nanowires 43 including quantum dots 7 of two different sizes in a high density, about half each within a square area of 300 nm or less per side (about the wavelength of the ultraviolet region), leaving excess sunlight It can absorb without. It is preferable that the quantum dot nanowire structures having two different sizes are alternately arranged because sunlight can be efficiently absorbed.
In addition, when such a structure is used, distortion is relaxed in the x direction, so that quantum dots having different sizes (including sizes in both the x direction and the z direction) can be easily formed. It is also easy to form quantum dot nanowire structures having two or more different sizes.
Wavelength conversion can be efficiently performed by providing a wavelength conversion material above the gap between the nanowires 43 of the quantum dot nanowires or the superlattice structure solar cell.
図9は同じ材料・混晶比のであるが異なるサイズの量子ドット7a、7b、7c、7dを周期的に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に4つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なるサイズの量子ドット7a、7b、7c、7dを周期的に並べる手法ではなく、超格子構造を4つの部分に分け、それぞれのパートに異なる量子ドット7a、7b、7c、7dを積層してもよい。 FIG. 9 shows a structure in which quantum dots 7a, 7b, 7c, and 7d having the same material / mixed crystal ratio but different sizes are periodically stacked. With such a structure, four different energy levels can be formed in the intermediate level. Such a structure is not a technique in which quantum dots 7a, 7b, 7c, and 7d having different sizes are periodically arranged, but the superlattice structure is divided into four parts, and different quantum dots 7a, 7b, 7c, and 7d are provided for the respective parts. May be laminated.
図10は同じサイズであるが異なる材料・混晶比の量子ドット7a、7b、7c、7dを周期的に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に4つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なる材料・混晶比の量子ドット7a、7b、7c、7dを周期的に並べる手法ではなく、超格子構造を4つの部分に分け、それぞれのパートに異なる量子ドット7a、7b、7c、7dを積層してもよい。 FIG. 10 shows a structure in which quantum dots 7a, 7b, 7c, and 7d having the same size but different materials and mixed crystal ratios are periodically stacked. With such a structure, four different energy levels can be formed in the intermediate level. Such a structure is not a technique of periodically arranging quantum dots 7a, 7b, 7c, 7d of different materials / mixed crystal ratios, but the superlattice structure is divided into four parts, and different quantum dots 7a, 7b are divided into respective parts. , 7c, 7d may be laminated.
例えば障壁層8にGaAs、量子層5にInGaAsを用いた超格子構造太陽電池20は、InGaAsの組成、サイズを適宜調節することで量子層5の量子エネルギー準位を自由に変えることができ、超格子半導体層10が図16のような光吸収スペクトルを持つ場合にエネルギー変換効率が高くなり得る。この場合、超格子半導体層10は、図12のようなバンド構造を有する。図16の吸光ピークAが障壁層材料のバンドギャップに起因する光吸収を示し、図16の吸光ピークBが図12の矢印201の光励起に対応する光吸収を示し、図16の吸光ピークCが図12の矢印202の光励起に対応する光吸収を示している。また、図16の吸光ピークBが図12の矢印202の光励起に対応し、図16の吸光ピークCが図12の矢印201の光励起に対応してもよい。図16における量子層5に起因する吸光ピークB、吸光ピークCのピーク幅や吸収波長は一例であり、この図に記載されたピーク幅や吸収波長でなくても、障壁層材料の吸光ピークAと量子層5に起因する吸光ピークB、Cとを有すればエネルギー変換効率は高くなり得る。 For example, the superlattice solar cell 20 using GaAs for the barrier layer 8 and InGaAs for the quantum layer 5 can freely change the quantum energy level of the quantum layer 5 by appropriately adjusting the composition and size of InGaAs. Energy conversion efficiency can be increased when the superlattice semiconductor layer 10 has a light absorption spectrum as shown in FIG. In this case, the superlattice semiconductor layer 10 has a band structure as shown in FIG. An absorption peak A in FIG. 16 indicates light absorption due to the band gap of the barrier layer material, an absorption peak B in FIG. 16 indicates light absorption corresponding to photoexcitation indicated by an arrow 201 in FIG. 12, and an absorption peak C in FIG. The light absorption corresponding to the optical excitation of the arrow 202 of FIG. 12 is shown. 16 may correspond to the photoexcitation indicated by the arrow 202 in FIG. 12, and the absorption peak C in FIG. 16 may correspond to the photoexcitation indicated by the arrow 201 in FIG. The peak width and absorption wavelength of the absorption peak B and absorption peak C due to the quantum layer 5 in FIG. 16 are examples, and the absorption peak A of the barrier layer material is not necessarily the peak width or absorption wavelength described in this figure. And the absorption peaks B and C resulting from the quantum layer 5 can increase the energy conversion efficiency.
超格子半導体層10が図16のような光吸収スペクトルを有する場合、図17のように波長変換部30により入射光が波長変換されると太陽電池20のエネルギー変換効率の高くなる。すなわち、波長890nm近傍から1300nm近傍の太陽光(403が波長変換される前のスペクトル領域)を1300nm程度の太陽光(404が波長変換された後のスペクトル領域)に波長変換する波長変換材料と、1400nm近傍から2700nm近傍の太陽光(405が波長変換される前のスペクトル領域)を2700nm程度の太陽光(406が波長変換された後のスペクトル領域)に波長変換する波長変換材料とを波長変換部が備えるとよい。
なお、この波長変換407、408はスペクトル領域403と405の全ての領域を必ずしも波長変換する必要はなく、少なくともスペクトル領域403と405のいずれか一方の、一部の領域を変換できればエネルギー変換効率が高くなり得る。
When the superlattice semiconductor layer 10 has a light absorption spectrum as shown in FIG. 16, the energy conversion efficiency of the solar cell 20 increases when incident light is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30 as shown in FIG. 17. That is, a wavelength conversion material that converts the wavelength of sunlight from a wavelength of about 890 nm to about 1300 nm (spectral region before 403 is wavelength-converted) into sunlight of about 1300 nm (spectral region after 404 is wavelength-converted); A wavelength conversion unit that converts the wavelength of sunlight from about 1400 nm to about 2700 nm (spectral region before 405 is wavelength-converted) into sunlight of about 2700 nm (spectral region after 406 is wavelength-converted) Should be prepared.
The wavelength conversions 407 and 408 do not necessarily require wavelength conversion of all the spectral regions 403 and 405. If at least a part of one of the spectral regions 403 and 405 can be converted, energy conversion efficiency can be improved. Can be expensive.
1300nm程度の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InN、InGaN、InSb、InGaSbなどがある。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長1300nmに合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。これらはコアシェル構造、混晶材料としてもよい。コアシェル構造としては、PbS/CdS、PbSe/CdSe、PbTe/CdTe、InAs/InGaAs、InN/InGaN、InSb/InGaSbなどがある。 Examples of the wavelength conversion material that converts the wavelength into light of about 1300 nm include PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InN, InGaN, InSb, and InGaSb. When the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength of 1300 nm after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm. These may be a core-shell structure or a mixed crystal material. Examples of the core-shell structure include PbS / CdS, PbSe / CdSe, PbTe / CdTe, InAs / InGaAs, InN / InGaN, and InSb / InGaSb.
2700nm程度の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InSb、InGaSbなどがある。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長2700nmに合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。これらはコアシェル構造、混晶材料としてもよい。コアシェル構造としては、PbS/CdS、PbSe/CdSe、PbTe/CdTe、InAs/InGaAs、InSb/InGaSbなどがある。 Examples of the wavelength conversion material that converts the wavelength of light to about 2700 nm include PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InSb, and InGaSb. When the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength of 2700 nm after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm. These may be a core-shell structure or a mixed crystal material. Examples of the core-shell structure include PbS / CdS, PbSe / CdSe, PbTe / CdTe, InAs / InGaAs, InSb / InGaSb, and the like.
以上のような構成は2種類(同じ材料でもサイズや混晶比が異なれば別の種類となる)の波長変換材料からなると好ましいが、波長変換407もしくは408のどちらか一方に、もしくは両者共に複数の波長変換材料を用い、吸収と発光を複数回繰り返した後、所望の波長に変換しても良い。
波長変換はできるだけ量子効率を高く行うことがより高いエネルギー変換効率の観点から好ましく、そのような材料としてフェルスター機構を利用できる有機材料の波長変換材料を用いることもできる。
The above configuration is preferably made of two types of wavelength conversion materials (even if the same material has different sizes and mixed crystal ratios, but different types), but either one of the wavelength conversions 407 or 408, or both of them are plural. The wavelength conversion material may be used, and absorption and emission may be repeated a plurality of times and then converted to a desired wavelength.
For wavelength conversion, it is preferable to perform quantum efficiency as high as possible from the viewpoint of higher energy conversion efficiency. As such a material, a wavelength conversion material of an organic material that can use the Forster mechanism can also be used.
図20は、障壁層8に例えばAlGaInAs、AlGaInP、AlSbの内いずれか1種類を用い、量子層5に例えばInGaAs,InPSb、InAsN、InAsSbの内いずれか1種類を用いて作製した超格子半導体層10の光吸収スペクトルである。この場合、吸光波長領域Aと吸光波長領域Bとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域B内の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InN、InGaN、InSb、InGaSb、CuInGaSe2、CuInTe2などを用いることができる。
また、吸光波長領域Bと吸光波長領域Cとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域C内の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InSb、InGaSbなどを用いることができる。
いずれの波長変換においても、波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
FIG. 20 shows a superlattice semiconductor layer formed using, for example, any one of AlGaInAs, AlGaInP, and AlSb for the barrier layer 8 and using any one of InGaAs, InPSb, InAsN, and InAsSb for the quantum layer 5. 10 is a light absorption spectrum. In this case, PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs are wavelength conversion materials for converting the wavelength of light in the wavelength region between the absorption wavelength region A and the absorption wavelength region B into light in the absorption wavelength region B. InN, InGaN, InSb, InGaSb, CuInGaSe 2 , CuInTe 2, or the like can be used.
Further, as a wavelength conversion material for converting the wavelength of light in the wavelength region between the absorption wavelength region B and the absorption wavelength region C into light in the absorption wavelength region C, PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InSb, InGaSb, or the like can be used.
In any wavelength conversion, when the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm.
図21は、障壁層8にCuIn(GaAl)Se2を用い、量子層5にCuInGaSe2を用いて作製した超格子半導体層10の光吸収スペクトルである。この場合、吸光波長領域Aと吸光波長領域Bとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域B内の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InN、InGaN、InSb、InGaSb、CuInGaSe2、CuInTe2などを用いることができる。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
また、吸光波長領域Bと吸光波長領域Cとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域C内の光に波長変換する波長変換材料としては、PbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InN、InGaN、InSb、InGaSb、CuInGaSe2、CuInTe2などを用いることができる。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
以上のような波長変換材料を備えることで、従来吸収が十分でなかったスペクトルを吸収できるだけでなく、量子層5から障壁層8へのキャリア取り出しを効率的に行える。
Figure 21 uses a CuIn (GaAl) Se 2 on the barrier layer 8, which is a light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 fabricated using a CuInGaSe 2 the quantum layer 5. In this case, PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs are wavelength conversion materials for converting the wavelength of light in the wavelength region between the absorption wavelength region A and the absorption wavelength region B into light in the absorption wavelength region B. InN, InGaN, InSb, InGaSb, CuInGaSe 2 , CuInTe 2, or the like can be used. When the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm.
Further, as a wavelength conversion material for converting the wavelength of light in the wavelength region between the absorption wavelength region B and the absorption wavelength region C into light in the absorption wavelength region C, PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InN, InGaN, InSb, InGaSb, CuInGaSe 2 , CuInTe 2 or the like can be used. When the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm.
By providing the wavelength conversion material as described above, it is possible not only to absorb a spectrum that has not been sufficiently absorbed, but also to efficiently extract carriers from the quantum layer 5 to the barrier layer 8.
以上のような構成は、図16、20、21のように超格子半導体層10の光吸収スペクトルが3つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池について主に説明したが、超格子半導体層10の光吸収スペクトルが4つ以上の吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池についても同様に適用できる。 The above-described configuration has been mainly described for the superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has three absorption wavelength regions as shown in FIGS. The present invention can be similarly applied to a superlattice structure solar cell having a light absorption spectrum of 4 or more.
超格子半導体層10の光吸収スペクトルが4つ以上の吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池については、波長変換されると好ましいスペクトル領域の数は増大する。しかし、後述するように光吸収スペクトルが密になれば波長変換されると好ましいスペクトル領域の数は逆に少ない方が好ましい場合もある。
以下では超格子半導体層10の光吸収スペクトルが5つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池について説明する。
For a superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has four or more absorption wavelength regions, the number of preferred spectral regions increases when the wavelength is converted. However, as will be described later, when the light absorption spectrum is dense, it is sometimes preferable that the number of preferable spectral regions is smaller when wavelength conversion is performed.
A superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has five absorption wavelength regions will be described below.
超格子半導体層10の光吸収スペクトルが5つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池は例えば、図6〜8に示すように2種類の量子ドットを有する構造を持ち、バンド図は図14のようになっている。
図22は、障壁層に例えばAlGaInAs、AlGaInP、AlSbの内1種類を用い、量子層に例えばInGaAs,InPSb、InAsN、InAsSbの内から少なくともサイズ、材料、混晶比のいずれか1つが異なる2種類を用いて作製された超格子半導体層10の光吸収スペクトルである。
A superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has five absorption wavelength regions has, for example, a structure having two types of quantum dots as shown in FIGS. It is like that.
In FIG. 22, for example, one of AlGaInAs, AlGaInP, and AlSb is used for the barrier layer, and at least one of the size, material, and mixed crystal ratio is different from at least one of InGaAs, InPSb, InAsN, and InAsSb for the quantum layer. It is the optical absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 produced using.
このような超格子半導体層10を有する超格子太陽電池では、波長変換部30により、例えば900nmから1200nm近傍にかけての波長領域の光が1200nm近傍の波長領域の光へ波長変換され、1200nmから1800nm近傍にかけての波長領域の光が1800nm近傍の波長領域の光へ波長変換され、1800nmから2800nm近傍にかけての波長領域の光を2800nm近傍の波長領域の光へ波長変換されればよい。 In the superlattice solar cell having such a superlattice semiconductor layer 10, for example, light in a wavelength region from 900 nm to near 1200 nm is wavelength-converted into light in a wavelength region near 1200 nm by the wavelength conversion unit 30, for example, from 1200 nm to near 1800 nm. The light in the wavelength region from 1800 nm to wavelength light in the vicinity of 1800 nm may be converted into light, and the light in the wavelength region from 1800 nm to near 2800 nm may be converted into light in the wavelength region near 2800 nm.
1200nm近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばPbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InN、InGaN、InSb、InGaSb、CuInGaSe2、CuInTe2などがあり、1800nm近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばPbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InSb、InGaSbなどがある。2800nm近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばPbS、PbSe、PbTe、InAs、InGaAs、InSb、InGaSbなどがある。いずれの波長変換においても、波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、nmオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
図22のような吸収スペクトルを有する超格子構造太陽電池の構成は例えば図6〜8のような太陽電池が考えられる。
Examples of wavelength conversion materials for wavelength conversion to light in the wavelength region near 1200 nm include PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InN, InGaN, InSb, InGaSb, CuInGaSe 2 , and CuInTe 2 . Examples of the wavelength conversion material that converts the wavelength into light include PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InSb, and InGaSb. Examples of the wavelength conversion material that converts the wavelength into light in the wavelength region near 2800 nm include PbS, PbSe, PbTe, InAs, InGaAs, InSb, and InGaSb. In any wavelength conversion, when the band gap of the bulk material for wavelength conversion does not match the desired wavelength after wavelength conversion, the size can be adjusted to the desired wavelength using the quantum effect by setting the size to the order of nm.
As the configuration of the superlattice structure solar cell having an absorption spectrum as shown in FIG. 22, for example, solar cells as shown in FIGS.
以下では超格子半導体層10の光吸収スペクトルが9つの波長吸収領域を有する超格子構造太陽電池について説明する。
超格子半導体層10の光吸収スペクトルが9つの波長吸収領域を有する超格子構造太陽電池は例えば、図9、10に示すように4つの異なる量子ドットを有する構造をしている。
図23は、障壁層8に例えばAlGaInAs、AlGaInP、AlSbの内から1種類を用い、量子層5に例えばInGaAs、InPSb、InAsN、InAsSbの内からサイズ、材料、混晶比のいずれかが異なる4種類を用いて作製された超格子半導体層10の光吸収スペクトルである。
この場合、光吸収スペクトルが密になるので波長変換材料の種類は少なくてもよい場合がある。例えば、図23の吸光波長領域A〜Eは密となるので、これらの間の光は波長変換部30により波長変換する必要はなく、例えば、吸光波長領域EとFとの間の波長領域の光、および吸光波長領域FとGとの間の波長領域の光について波長変換部30により波長変換すればよい。このように、複数種類の量子層5を用いると波長変換材料の種類も少なくすることも可能である。
図23のような吸収スペクトルを有する超格子構造太陽電池の構成は例えば図9、10のような太陽電池が考えられる。
Hereinafter, a superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has nine wavelength absorption regions will be described.
The superlattice structure solar cell in which the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 has nine wavelength absorption regions has, for example, a structure having four different quantum dots as shown in FIGS.
In FIG. 23, for example, one type of AlGaInAs, AlGaInP, and AlSb is used for the barrier layer 8, and any one of the size, material, and mixed crystal ratio is different for the quantum layer 5 from, for example, InGaAs, InPSb, InAsN, and InAsSb. It is the light absorption spectrum of the superlattice semiconductor layer 10 produced using the kind.
In this case, since the light absorption spectrum becomes dense, the number of wavelength conversion materials may be small. For example, since the absorption wavelength regions A to E in FIG. 23 are dense, it is not necessary to convert the wavelength of the light between them by the wavelength conversion unit 30, for example, in the wavelength region between the absorption wavelength regions E and F The wavelength conversion unit 30 may convert the wavelength of light and light in the wavelength region between the absorption wavelength regions F and G. As described above, when a plurality of types of quantum layers 5 are used, the types of wavelength conversion materials can be reduced.
As the configuration of the superlattice structure solar cell having the absorption spectrum as shown in FIG. 23, for example, solar cells as shown in FIGS.
4.超格子構造を有する太陽電池の製造方法
量子ドット層6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原材料の構成比を変えることで量子ドットの混晶比を調整することができ、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を調整することができる。
4). Manufacturing method of solar cell having superlattice structure Quantum dot layer 6 is formed by a method called Stranski-Krastanov (SK) growth using molecular beam epitaxy (MBE) method or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Quantum dots can be produced by using an electronic lithography technique, a droplet epitaxy method, or the like. In the SK growth method, the mixed crystal ratio of the quantum dots can be adjusted by changing the composition ratio of the raw materials in the above method, and the size of the quantum dots can be adjusted by changing the growth temperature, pressure, deposition time, etc. Can do.
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、超格子構造を有する太陽電池の一形態について、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, a manufacturing method of one embodiment of a solar cell having a superlattice structure will be described.
例えばn−GaAs基板(n型半導体基板)1を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系洗浄液によって洗浄し、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り、例えばGaAs層を形成する。続いてバッファー層3上に厚さ300nmのn型GaAsベース層(n型半導体層)4および障壁層8となるGaAs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6を形成する。このとき、堆積時間、温度、圧力、原材料の供給量、原材料の構成比などを適宜変更することで、量子ドットのサイズや組成比を所望の値に調節することができる。 For example, the n-GaAs substrate (n-type semiconductor substrate) 1 is cleaned with an organic cleaning solution, then cleaned with a sulfuric acid cleaning solution, further washed with running water, and then placed in an 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, and for example, a GaAs layer is formed. Subsequently, a 300 nm-thick n-type GaAs base layer (n-type semiconductor layer) 4 and a GaAs layer serving as a barrier layer 8 are crystal-grown on the buffer layer 3, and then a quantum dot made of InAs is used using a self-organization mechanism. Layer 6 is formed. At this time, the size and composition ratio of the quantum dots can be adjusted to desired values by appropriately changing the deposition time, temperature, pressure, raw material supply amount, raw material composition ratio, and the like.
この障壁層8と量子ドット層6との結晶成長の繰り返しを、n型半導体層4に最近接の量子ドット層6からp型半導体層12に最近接の量子ドット層まで行う。この時、量子ドット層をn型とする場合、例えば量子ドット層6は、シラン(SiH4)を導入しながら結晶成長を行い、障壁層8中にSiを導入する。量子ドット7中に直接Siを導入してもよい。
続いて、厚さ250nmのp型GaAs層(p型半導体層)12を結晶成長させ、次いで、窓層14としてAlAs層を形成する。
The crystal growth of the barrier layer 8 and the quantum dot layer 6 is repeated from the quantum dot layer 6 closest to the n-type semiconductor layer 4 to the quantum dot layer closest to the p-type semiconductor layer 12. At this time, when the quantum dot layer is n-type, for example, the quantum dot layer 6 performs crystal growth while introducing silane (SiH 4 ), and introduces Si into the barrier layer 8. Si may be directly introduced into the quantum dots 7.
Subsequently, a p-type GaAs layer (p-type semiconductor layer) 12 having a thickness of 250 nm is crystal-grown, and then an AlAs layer is formed as the window layer 14.
続いて、フォトリソグラフィー技術とリフトオフ技術とエッチング技術によりコンタクト層15上にp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。コンタクト層15はp型電極17の直下以外はエッチングにより除去することが好ましい。
n型ドーパントとしては例えばSiを、p型ドーパントとしてはZnを用いることができる。その他のn型ドーパントとしては例えばS,Se,Sn,Te,Cがあり、その他のp型ドーパントとしてはBe,Mgなどがある。電極材料としては例えば、n型GaAs層に対してはAuGeNi、AgSnを用い、p型GaAs層に対してはAuZn,AgInZnなどがある。これらは抵抗加熱蒸着法やEB蒸着法で形成することができる。
InAsSb量子ドット、AlSb障壁層を用いても同様に作製できる。これらの材料の場合は、基板をGaSbとすれば格子不整合が小さくなりより好ましい。
波長変換部30は、図1のように光電変換層2の受光面側に設けてもよく、図2のように光電変換層2の受光面上に設けてもよい。また、波長変換部30は、図3のように基板1上に設けられてもよく、図11に示すようにルミネッセンスコンバーターの内部にもう設けても良い。
また、波長変換部30は、波長変換材料をそのまま用いても良く、樹脂やガラスに封止して用いても良い。
Subsequently, a p-type electrode 17 is formed on the contact layer 15 by a photolithography technique, a lift-off technique, and an etching technique, whereby a solar cell having a superlattice structure can be formed. The contact layer 15 is preferably removed by etching except under the p-type electrode 17.
For example, Si can be used as the n-type dopant, and Zn can be used as the p-type dopant. Other n-type dopants include, for example, S, Se, Sn, Te, C, and other p-type dopants include Be, Mg, and the like. Examples of the electrode material include AuGeNi and AgSn for the n-type GaAs layer, and AuZn and AgInZn for the p-type GaAs layer. These can be formed by resistance heating vapor deposition or EB vapor deposition.
It can be similarly produced using InAsSb quantum dots and AlSb barrier layers. In the case of these materials, if the substrate is GaSb, the lattice mismatch is reduced, which is more preferable.
The wavelength conversion unit 30 may be provided on the light receiving surface side of the photoelectric conversion layer 2 as shown in FIG. 1 or may be provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion layer 2 as shown in FIG. Further, the wavelength conversion unit 30 may be provided on the substrate 1 as shown in FIG. 3, or may already be provided inside the luminescence converter as shown in FIG.
Moreover, the wavelength conversion part 30 may use wavelength conversion material as it is, and may seal and use it for resin or glass.
波長変換部30の吸光領域が短波長側に広く存在する場合は(例えば図15において、波長変換部30の波長変換領域Dかつ/またはEが光電変換層2の吸光波長領域Aの一部または全部に重なった場合)太陽電池裏面に波長変換部30を設ける構造が好ましい。また、2種類以上の波長変換材料からなる波長変換部30を太陽電池裏面に設ける場合は、太陽電池に近い側から外側に向けて順に、短波長光を有する太陽光スペクトルを波長変換する層から長波長を有する太陽光スペクトルを波長変換する層を段階的に設けることが望ましい(例えば図15において、波長変換部30の波長変換領域Eが太陽電池の吸光波長領域Bの一部または全部に重なった場合に望ましい)。例えば2種類の波長変換材料からなる波長変換部を太陽電池裏面に設ける場合は図3の30bに、より短波長の太陽光スペクトル(例えば図15の波長変換領域D)を波長変換する層、30aに長波長の太陽光スペクトル(例えば図15の波長変換領域E)を波長変換する層を設けることが望ましい。 When the light absorption region of the wavelength conversion unit 30 is widely present on the short wavelength side (for example, in FIG. 15, the wavelength conversion region D and / or E of the wavelength conversion unit 30 is a part of the light absorption wavelength region A of the photoelectric conversion layer 2 or A structure in which the wavelength conversion unit 30 is provided on the back surface of the solar cell is preferable. Moreover, when providing the wavelength conversion part 30 which consists of two or more types of wavelength conversion materials in a solar cell back surface, from the layer which wavelength-converts the solar spectrum which has short wavelength light in order toward the outer side from the side close | similar to a solar cell. It is desirable to provide a layer for wavelength-converting the sunlight spectrum having a long wavelength (for example, in FIG. 15, the wavelength conversion region E of the wavelength conversion unit 30 overlaps part or all of the absorption wavelength region B of the solar cell. Preferred if). For example, in the case where a wavelength conversion unit made of two kinds of wavelength conversion materials is provided on the back surface of the solar cell, a layer 30a for converting the wavelength of a shorter wavelength sunlight spectrum (for example, wavelength conversion region D in FIG. 15) is added to 30b in FIG. It is desirable to provide a layer for converting the wavelength of the long-wavelength sunlight spectrum (for example, the wavelength conversion region E in FIG. 15).
このような構造にすることで、図15の吸光ピークAの大部分が波長変換部30aもしくは30bによって波長変換される恐れがなくなる。また、波長変換領域Dの大部分かつ発光領域Fの大部分を(波長変換領域Eを有する)波長変換部30aが波長変換してしまう恐れがなくなるため好ましい。このように、超格子構造太陽電池においてこれまで無駄にされていた太陽光を効率的に利用することができ、量子層中から取り出されるキャリアを増大および太陽電池の電圧を増大させることができ、光電変換効率を大幅に向上させることができる。 By adopting such a structure, there is no possibility that most of the absorption peak A in FIG. 15 is wavelength-converted by the wavelength conversion unit 30a or 30b. In addition, it is preferable because the wavelength conversion unit 30a (having the wavelength conversion region E) most of the wavelength conversion region D and most of the light emission region F does not have a risk of wavelength conversion. In this way, sunlight that has been wasted in the superlattice structure solar cell can be used efficiently, the number of carriers extracted from the quantum layer can be increased, and the voltage of the solar cell can be increased. Photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.
1:n型半導体基板 2:光電変換層 3:バッファー層 4:ベース層(n型半導体層) 5:量子層 6:量子ドット層 7:量子ドット 8:障壁層 9:量子井戸層 10:超格子半導体層 12:エミッター層(p型半導体層) 14:窓層 15:コンタクト層 17:p型電極 18:n型電極 19:反射防止膜 20:太陽電池 30a、30b:波長変換部 40:樹脂 43:ナノワイヤ 47:SiO2膜 50:太陽光入射面 51:側面 1: n-type semiconductor substrate 2: photoelectric conversion layer 3: buffer layer 4: base layer (n-type semiconductor layer) 5: quantum layer 6: quantum dot layer 7: quantum dot 8: barrier layer 9: quantum well layer 10: super Lattice semiconductor layer 12: Emitter layer (p-type semiconductor layer) 14: Window layer 15: Contact layer 17: P-type electrode 18: N-type electrode 19: Antireflection film 20: Solar cell 30a, 30b: Wavelength conversion unit 40: Resin 43: Nanowire 47: SiO 2 film 50: Sunlight incident surface 51: Side surface
Claims (14)
前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第1吸光波長領域と第1吸光波長領域の長波長側にある第2吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、
前記波長変換部は、第1吸光波長領域と第2吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第2吸光波長領域内の波長の光に変換し、
前記波長変換部は、前記光電変換層の太陽光が入射する側と反対側に備えられていることを特徴とする太陽電池。 A photoelectric conversion layer, and a wavelength conversion unit including a wavelength conversion material that converts the wavelength of light incident on the photoelectric conversion layer,
The photoelectric conversion 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,
The superlattice semiconductor layer has a superlattice structure in which barrier layers and quantum layers are alternately and repeatedly stacked, and has a first absorption wavelength region and a second absorption wavelength region on the long wavelength side of the first absorption wavelength region Having a light absorption spectrum having
The wavelength conversion unit converts light having a wavelength in the wavelength region between the first absorption wavelength region and the second absorption wavelength region into light having a wavelength in the second absorption wavelength region ,
The solar cell according to claim 1, wherein the wavelength conversion unit is provided on a side of the photoelectric conversion layer opposite to a side on which sunlight is incident .
第1および第2吸光波長領域は、前記3つ以上の吸光波長領域に含まれる2つの領域である請求項1または2に記載の太陽電池。 The light absorption spectrum has three or more absorption wavelength regions,
The solar cell according to claim 1 or 2, wherein the first and second absorption wavelength regions are two regions included in the three or more absorption wavelength regions.
前記光吸収スペクトルは、第2吸光波長領域の長波長側に第3吸光波長領域をさらに有し、
前記波長変換部は、第2吸光波長領域と第3吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第3吸光波長領域内の波長の光に変換する請求項1〜3のいずれか1つに記載の太陽電池。 The wavelength conversion unit includes two or more types of wavelength conversion materials,
The light absorption spectrum further has a third absorption wavelength region on the long wavelength side of the second absorption wavelength region,
The wavelength conversion unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the wavelength conversion unit converts light having a wavelength in a wavelength region between a second absorption wavelength region and a third absorption wavelength region into light having a wavelength in the third absorption wavelength region. The solar cell according to one.
前記複数の波長変換層は、前記光電変換層から遠ざかる程、より長波長の光を波長変換できる波長変換材料からなる請求項1〜4のいずれか1つに記載の太陽電池。 The wavelength conversion unit has a plurality of wavelength conversion layers made of different types of wavelength conversion materials,
The solar cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of wavelength conversion layers are made of a wavelength conversion material capable of wavelength-converting longer wavelength light as the distance from the photoelectric conversion layer increases.
第1、第2および第3吸光波長領域は、前記4つ以上の吸光波長領域に含まれる3つの領域である請求項5に記載の太陽電池。 The light absorption spectrum has four or more absorption wavelength regions,
The solar cell according to claim 5 , wherein the first, second, and third absorption wavelength regions are three regions included in the four or more absorption wavelength regions.
前記光電変換層は、前記波長変換部の表面上に設けられた請求項1〜12のいずれか1つに記載の太陽電池。 The wavelength conversion part is a molded body containing a wavelength conversion material,
The photoelectric conversion layer, the solar cell according to any one of claims 1 to 12 provided on the surface of the wavelength converting part.
前記光電変換層は、少なくとも4つであり、かつ、前記直方体の受光面の周りの4つの側面上にそれぞれ設けられた請求項13に記載の太陽電池。 The molded body is a rectangular parallelepiped having one light receiving surface,
14. The solar cell according to claim 13 , wherein the number of the photoelectric conversion layers is at least four and provided on four side surfaces around the light receiving surface of the rectangular parallelepiped.
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