JP6321490B2 - Quantum dot solar cell - Google Patents

Quantum dot solar cell Download PDF

Info

Publication number
JP6321490B2
JP6321490B2 JP2014172798A JP2014172798A JP6321490B2 JP 6321490 B2 JP6321490 B2 JP 6321490B2 JP 2014172798 A JP2014172798 A JP 2014172798A JP 2014172798 A JP2014172798 A JP 2014172798A JP 6321490 B2 JP6321490 B2 JP 6321490B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum dot
carrier
solar cell
unit
bonding layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014172798A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016048716A (en
Inventor
徹 仲山
徹 仲山
新太郎 久保
新太郎 久保
寿一 二宮
寿一 二宮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2014172798A priority Critical patent/JP6321490B2/en
Publication of JP2016048716A publication Critical patent/JP2016048716A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6321490B2 publication Critical patent/JP6321490B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

本発明は、量子ドット太陽電池に関する。   The present invention relates to a quantum dot solar cell.

量子ドットを備えた太陽電池(以下、「量子ドット太陽電池」と称する。)は、pn接合した2枚の半導体層間に、量子ドット集積部を光検知層として挿入したものである。   A solar cell provided with quantum dots (hereinafter referred to as “quantum dot solar cell”) has a quantum dot integrated portion inserted as a light detection layer between two pn-junction semiconductor layers.

量子ドット太陽電池は、量子ドットに特定波長の太陽光が当たり励起される電子と、その電子が価電子帯から伝導帯まで励起されたときに生じる正孔とをキャリアとして利用する。   A quantum dot solar cell uses, as carriers, electrons that are excited when sunlight of a specific wavelength hits the quantum dots and holes that are generated when the electrons are excited from the valence band to the conduction band.

この場合、量子ドット太陽電池の光電変換効率は、量子ドット集積部内に生成するキャリアの総量に関係することから、例えば、量子ドット集積部の厚みを厚くして量子ドットの集積度を増やすことが発電量の向上につながる。   In this case, since the photoelectric conversion efficiency of the quantum dot solar cell is related to the total amount of carriers generated in the quantum dot integrated part, for example, the quantum dot integrated part may be thickened to increase the degree of integration of the quantum dots. This will lead to an improvement in power generation.

量子ドットは、通常、その周囲を、量子ドット自身のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する障壁層によって囲まれている。このため、理論的には、電子のフォノン放出によるエネルギー緩和が起こりにくく消滅し難いと考えられている。   The quantum dot is usually surrounded by a barrier layer having a larger band gap than the quantum dot itself. Therefore, theoretically, it is considered that energy relaxation due to electron phonon emission hardly occurs and does not easily disappear.

しかしながら、量子ドットを集積させて量子ドット集積部を形成した場合には、量子ドット内に生成したキャリアは、障壁層を含む量子ドット集積部内に存在する欠陥と結合して消滅しやすく、これによりキャリアの密度が低下し、電極まで到達できる電荷量の低下が起こり、光電変換効率を高められないという問題がある。   However, when a quantum dot integrated part is formed by integrating quantum dots, carriers generated in the quantum dot are likely to disappear by combining with defects existing in the quantum dot integrated part including the barrier layer. There is a problem that the density of carriers decreases, the amount of charge that can reach the electrode decreases, and the photoelectric conversion efficiency cannot be increased.

このような問題に対し、近年、量子ドット集積部内において、キャリアの集電性を高めるための構造が種々提案されている。例えば、特許文献1には、図6に示すように、量子ドット集積部内に、ナノロッドと呼ばれる柱状のキャリア収集部101を配置させた例が示されている。   In recent years, various structures for improving the current collection performance of carriers in the quantum dot integrated portion have been proposed for such problems. For example, Patent Document 1 shows an example in which a columnar carrier collection unit 101 called a nanorod is arranged in a quantum dot integration unit as shown in FIG.

特表2009−537994号公報Special table 2009-537994

本発明の量子ドット太陽電池は、量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくと
も一方主面に配置された接合層と、該接合層から前記量子ドット集積部内に、前記接合層側の根元部から異なる方向に延伸し、前記量子ドット集積部内に開放端を有する複数のキャリア収集部とを有するとともに、前記キャリア収集部同士は、一部が接触または接合しており、前記キャリア収集部の径は、前記根元部側から前記開放端側に向かうに従って次第に小さくなっていることを特徴とする。
また、本発明の量子ドット太陽電池は、量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくとも一方主面に配置された接合層と、該接合層から前記量子ドット集積部内に延伸する柱状をした複数のキャリア収集部とを有するとともに、延伸方向の異なる前記キャリア収集部同士で一部が接触または接合しており、前記量子ドット集積部は、n型の量子ドットとp型の量子ドットとを有しており、前記キャリア収集部に近い側にn型の量子ドットが配置され、該n型の量子ドットの周囲にp型の量子ドットが配置されていることを特徴とする。
The quantum dot solar cell of the present invention includes a quantum dot integrated portion, a bonding layer disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion, and a root on the bonding layer side from the bonding layer into the quantum dot integrated portion. extend from parts in different directions, said and having a plurality of carrier collection section having an open end to the quantum dot integrated portion, before Symbol carrier collection portions are partially contact or bonding, the carrier collection unit The diameter is gradually reduced from the root side toward the open end side .
In addition, the quantum dot solar cell of the present invention has a quantum dot integrated portion, a bonding layer disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion, and a columnar shape extending from the bonding layer into the quantum dot integrated portion. A plurality of carrier collecting units, and part of the carrier collecting units having different stretching directions are in contact with or joined to each other, and the quantum dot integration unit includes an n-type quantum dot and a p-type quantum dot. And n-type quantum dots are arranged on the side close to the carrier collecting section, and p-type quantum dots are arranged around the n-type quantum dots.

従って本発明は、キャリアの接合層までの伝導性を高め、これにより光電変換効率を高めることのできる量子ドット太陽電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of this invention is to provide the quantum dot solar cell which can improve the conductivity to the joining layer of a carrier, and can improve photoelectric conversion efficiency by this.

本発明の量子ドット太陽電池は、量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくと
も一方主面に配置された接合層と、該接合層から前記量子ドット集積部内に延伸する柱状をした複数のキャリア収集部とを有するとともに、延伸方向の異なる前記キャリア収集部同士で一部が接触していることを特徴とする。
The quantum dot solar cell of the present invention includes a quantum dot integrated portion, a bonding layer disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion, and a plurality of columnar shapes extending from the bonding layer into the quantum dot integrated portion. And a carrier collecting part, and a part of the carrier collecting parts having different stretching directions are in contact with each other.

本発明によれば、キャリアの接合層までの伝導性を高め、これにより光電変換効率を高めることのできる量子ドット太陽電池を得ることできる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the quantum dot solar cell which can improve the electroconductivity to the joining layer of a carrier and can improve photoelectric conversion efficiency by this can be obtained.

(a)は、本発明の量子ドット太陽電池の一実施形態を部分的に示す断面模式図であり、(b)は、(a)における一点鎖線の円内を拡大した模式図である。(A) is a cross-sectional schematic diagram which partially shows one Embodiment of the quantum dot solar cell of this invention, (b) is the schematic diagram which expanded the inside of the dashed-dotted line in (a). (a)は、本発明の量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、(b)は、(a)における一点鎖線の円内を拡大した模式図である。(A) shows the other aspect of the quantum dot solar cell of this invention, (b) is the schematic diagram which expanded the inside of the dashed-dotted line circle | round | yen in (a). 本実施形態の他の態様を示すものであり、量子ドットがn型の量子ドットとp型の量子ドットとから構成されており、キャリア収集部側にn型の量子ドットが配置され、n型の量子ドットの周囲にp型の量子ドットが配置された状態を示す断面模式図である。The other aspect of this embodiment is shown, the quantum dot is comprised from the n-type quantum dot and the p-type quantum dot, the n-type quantum dot is arrange | positioned at the carrier collection part side, and an n-type It is a cross-sectional schematic diagram which shows the state by which the p-type quantum dot is arrange | positioned around the quantum dot. 本実施形態の他の態様の量子ドット太陽電池を示すものであり、量子ドット集積部と、これに備えられた接合層およびキャリア収集部を一体化した光電変換層を多層化した構成を示す断面模式図である。The quantum dot solar cell of the other aspect of this embodiment is shown, The cross section which shows the structure which multilayered the photoelectric conversion layer which integrated the quantum dot integration | stacking part, the junction layer with which this was equipped, and the carrier collection part It is a schematic diagram. 本実施形態の量子ドット太陽電池の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the quantum dot solar cell of this embodiment. 従来の量子ドット太陽電池を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the conventional quantum dot solar cell.

図1(a)に示すように、本実施形態の量子ドット太陽電池は、量子ドット集積部1と、量子ドット集積部1の少なくとも一方主面に配置された接合層3とを備えている。   As shown in FIG. 1A, the quantum dot solar cell of this embodiment includes a quantum dot integrated portion 1 and a bonding layer 3 disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion 1.

また、この量子ドット太陽電池は、接合層3から量子ドット集積部1内に延伸する柱状をした複数のキャリア収集部5を有している。   Further, this quantum dot solar cell has a plurality of columnar carrier collecting portions 5 extending from the bonding layer 3 into the quantum dot integrated portion 1.

さらに、これら複数のキャリア収集部5は延伸方向の異なるキャリア収集部5同士で一部が接触した状態となっている。図1(a)において、接触した部分はキャリア収集部5の先端部またはキャリア収集部5の中央部である。   Furthermore, the plurality of carrier collecting units 5 are in a state where a part of the carrier collecting units 5 in different extending directions are in contact with each other. In FIG. 1A, the contacted portion is the tip of the carrier collecting unit 5 or the center of the carrier collecting unit 5.

ここで、キャリア収集部5(5A、5B)同士で一部が接触した状態とは、図1(b)に示すように、キャリア収集部5A、5Bが互いに表面の一部で接しており、キャリア収集部5A、5Bの接触界面間で電気的に接続されている状態のことを言う。   Here, the state in which the carrier collection parts 5 (5A, 5B) are in contact with each other means that the carrier collection parts 5A, 5B are in contact with each other at a part of the surface, as shown in FIG. It means a state in which the contact surfaces of the carrier collecting units 5A and 5B are electrically connected.

図1(a)では、接合層3の下層側に透明導電膜7を介してガラス基板9が設けられ、一方の量子ドット集積部1の上面側には電極層11が配置されている。この場合、ガラス基板9側が光の入射側となり、電極層11側が光の出射側となる。   In FIG. 1A, a glass substrate 9 is provided on the lower layer side of the bonding layer 3 via a transparent conductive film 7, and an electrode layer 11 is disposed on the upper surface side of one quantum dot integrated portion 1. In this case, the glass substrate 9 side is the light incident side, and the electrode layer 11 side is the light emitting side.

量子ドット集積部1内に複数のキャリア収集部5が設けられている場合に、キャリア収集部5によっては他のキャリア収集部5よりも導電性が低いものが存在する場合がある。例えば、図1(a)においては、キャリア収集部5Aの導電性がキャリア収集部5Bの導電性よりも低くなっており、導電性の低いキャリア収集部5AにキャリアCを有する量子ドット13が接触した状態となっている。   When a plurality of carrier collection units 5 are provided in the quantum dot integration unit 1, some carrier collection units 5 may have lower conductivity than other carrier collection units 5. For example, in FIG. 1A, the conductivity of the carrier collecting unit 5A is lower than the conductivity of the carrier collecting unit 5B, and the quantum dot 13 having the carrier C is in contact with the carrier collecting unit 5A having low conductivity. It has become a state.

量子ドット13、キャリア収集部5A、5Bおよび接合層3が、図1(a)に示すような構造であると、キャリア収集部5Aおよびキャリア収集部5Bは、量子ドット13を起
点とし、接合層3を終端とする並列回路となる。
When the quantum dots 13, the carrier collecting units 5A and 5B, and the bonding layer 3 have a structure as shown in FIG. 1A, the carrier collecting unit 5A and the carrier collecting unit 5B start from the quantum dots 13 and the bonding layer The parallel circuit is terminated with 3.

複数のキャリア収集部5A、5Bが並列回路となって接合層3に接続される場合には、量子ドット13が接触した方のキャリア収集部(この場合、キャリア収集部5A)の導電性が低い場合でも、量子ドット13中に生成したキャリアCは、導電性の低いキャリア収集部5Aから導電性の高いキャリア収集部5Bを伝って接合層3へ速やかに移動させることができる。これにより量子ドット集積部1において生成するキャリアCの収集効率を高めることができ、量子ドット太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。   When the plurality of carrier collecting units 5A and 5B are connected to the bonding layer 3 in a parallel circuit, the conductivity of the carrier collecting unit (in this case, the carrier collecting unit 5A) in contact with the quantum dots 13 is low. Even in this case, the carrier C generated in the quantum dot 13 can be quickly moved from the carrier collecting unit 5A having low conductivity to the bonding layer 3 through the carrier collecting unit 5B having high conductivity. Thereby, the collection efficiency of the carrier C produced | generated in the quantum dot integration | stacking part 1 can be raised, and the photoelectric conversion efficiency of a quantum dot solar cell can be improved.

また、図2(a)(b)には、本実施形態の量子ドット太陽電池の他の態様として、キャリア収集部5Aとキャリア収集部5Bとが接合している状態の例を示している。図2(a)(b)に示す量子ドット太陽電池も、図1(a)(b)に示した量子ドット太陽電池と同様に、量子ドット集積部1と、量子ドット集積部1の少なくとも一方主面に配置された接合層3とを備えており、また、接合層3から量子ドット集積部1内に延伸する柱状をした複数のキャリア収集部5を有している。ここで、図1に示した量子ドット太陽電池と異なるのは、延伸方向の異なるキャリア収集部5同士で一部が接合した状態となっていることである。   2A and 2B show an example of a state in which the carrier collection unit 5A and the carrier collection unit 5B are joined as another aspect of the quantum dot solar cell of the present embodiment. Similarly to the quantum dot solar cell shown in FIGS. 1A and 1B, the quantum dot solar cell shown in FIGS. 2A and 2B is also at least one of the quantum dot integrated unit 1 and the quantum dot integrated unit 1. And a plurality of columnar carrier collecting units 5 extending from the bonding layer 3 into the quantum dot integration unit 1. Here, the difference from the quantum dot solar cell shown in FIG. 1 is that a part of the carrier collecting parts 5 having different stretching directions are joined.

図2(a)(b)に示す量子ドット太陽電池のように、キャリア収集部5(5A、5B)同士が一部で接合した状態にあると、2つのキャリア収集部5A、5B間は、これらのキャリア収集部5A、5Bの表面が接触することによって形成される界面抵抗が除かれた状態となる。これによりキャリア収集部5Aとキャリア収集部5Bとの間の界面抵抗が低下し、キャリア収集部5Aからキャリア収集部5BへのキャリアCの移動度を高めることができる。   Like the quantum dot solar cell shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), when the carrier collectors 5 (5A, 5B) are partially joined together, the two carrier collectors 5A, 5B are The interface resistance formed by the contact of the surfaces of these carrier collecting portions 5A and 5B is removed. Accordingly, the interface resistance between the carrier collecting unit 5A and the carrier collecting unit 5B is reduced, and the mobility of the carrier C from the carrier collecting unit 5A to the carrier collecting unit 5B can be increased.

また、キャリア収集部5(5A、5B)同士が一部で接合された状態にあると、キャリア収集部5が量子ドット集積部1内で連結された骨格に成り得ることから、キャリア収集部5(5A、5B)同士の結合によってキャリア収集部5およびこれを含む量子ドット集積部1の機械的強度を高めることができる。この場合、キャリア収集部5Aとキャリア収集部5Bとは、図2(b)に示すように、キャリア収集部5A、5B間にネック部15が形成された状態となっている。   In addition, when the carrier collection units 5 (5A, 5B) are in a partially joined state, the carrier collection unit 5 can be a skeleton connected in the quantum dot integration unit 1, and thus the carrier collection unit 5 The mechanical strength of the carrier collecting unit 5 and the quantum dot integrated unit 1 including the same can be increased by coupling (5A, 5B). In this case, the carrier collecting unit 5A and the carrier collecting unit 5B are in a state in which a neck portion 15 is formed between the carrier collecting units 5A and 5B, as shown in FIG.

ここで、キャリア収集部5(5A、5B)が接触した状態あるいは接合された状態は、キャリア収集部5(5A、5B)を有する量子ドット集積部1の断面を、例えば、透過電子顕微鏡により観察することによって判定する。この場合、キャリア収集部5(5A、5B)間にこれらの輪郭に起因する境界線が見られる場合を接触した状態であるものとし、キャリア収集部5A、5B間にこれらの輪郭が確認されず、ネック部15が形成されているような場合を接合された状態にあるものとする。   Here, when the carrier collection unit 5 (5A, 5B) is in contact with or joined, the cross section of the quantum dot integration unit 1 having the carrier collection unit 5 (5A, 5B) is observed by, for example, a transmission electron microscope. Determine by doing. In this case, it is assumed that the carrier collecting units 5 (5A, 5B) are in contact with each other when a boundary line due to these contours is seen, and these contours are not confirmed between the carrier collecting units 5A, 5B. The case where the neck portion 15 is formed is assumed to be in a joined state.

また、本実施形態の量子ドット太陽電池では、キャリア収集部5(5A、5B)は、接合層3側の根元部5aから延伸し、量子ドット集積部1内に放端5bを有しており、放端5b近傍で接触または接合していることが望ましい。キャリア収集部5の根元部5aの反対側が放端5bになっていると、その放端5bとなっている端面にまで量子ドット13を接触させることが可能となり、量子ドット13とキャリア収集部5との接触面積を大きくすることができる。これによりキャリア収集部5に集めることのできるキャリア数が増え、光電変換効率の向上を図ることができる。
Further, the quantum dot solar cell of the present embodiment, the carrier collection unit 5 (5A, 5B) is extending from the bonding layer 3 side of the root portion 5a, and has an open Hotan 5b to the quantum dot stacking section 1 cage, it is desirable in contact or joined with open Hotan 5b vicinity. If the opposite end of the base portion 5a of the carrier collection unit 5 is in the open Hotan 5b, it is possible to contact the quantum dots 13 to the end face on which it is open Hotan 5b, quantum dots 13 and the carrier collection The contact area with the part 5 can be increased. Thereby, the number of carriers that can be collected in the carrier collecting unit 5 is increased, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

また、少なくとも2つのキャリア収集部5(図1および図2における5A、5B)がその一部で接触しているかまたは接合している場合に、接触しているかまたは接合している部分が放端5b近傍にある場合には、キャリアCの生成した場所がキャリア収集部5の放端5b側であり、接合層3までの距離が遠い場合でも、キャリアCが導電性の低い方のキャリア収集部5(図1の場合、キャリア収集部5B)にいち早く移動できる。これによりキャリアCの消滅を抑制でき、収集効率を高めることができる。
Also, release when at least two carrier collection unit 5 (5A in Figure 1 and Figure 2, 5B) is or joined in contact with a portion, the portion is or joined in contact opens when in the vicinity of the end 5b is open Hotan 5b side locations carrier collection unit 5 that generates the carrier C, even when the distance to the bonding layer 3 is far, towards the carrier lower carrier C conductivity It is possible to move quickly to the collection unit 5 (the carrier collection unit 5B in the case of FIG. 1). Thereby, the disappearance of the carrier C can be suppressed, and the collection efficiency can be increased.

さらに、少なくとも2つのキャリア収集部5の先端が接触しているか、または接合している場合には、キャリア収集部5の根元部5a辺りの空間が広くなることから、この部分における量子ドット13の充填率が高まり、接合層3に近い領域に量子ドット13の集積密度の高い領域を形成することができる。これにより接合層3に近い領域に、より多くのキャリアを生成させることが可能となり、キャリアが消滅し難くなることから、接合層3に集められるキャリア量を高めることができ、光電変換効率をさらに高めることができる。   Furthermore, when the tips of at least two carrier collecting units 5 are in contact with each other or are joined, the space around the root portion 5a of the carrier collecting unit 5 is widened. The filling rate increases, and a region with a high integration density of the quantum dots 13 can be formed in a region close to the bonding layer 3. As a result, more carriers can be generated in a region close to the bonding layer 3 and carriers are difficult to disappear. Therefore, the amount of carriers collected in the bonding layer 3 can be increased, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased. Can be increased.

この場合、本実施形態の量子ドット太陽電池では、キャリア収集部5の径Dは、放端5b側が根元部5a側よりも小さくなっていることが望ましい。図1(a)では、D1>D2の関係となるように表している。キャリア収集部5の放端5b側の径D2が根元部5a側の径D1よりも細くなっていると、少なくとも2つのキャリア収集部5A、5Bが
接触するかまたは接合して、本来、量子ドット13の充填される領域が狭くなる場合でも、放端5b側に、より多くの量子ドット13を集積させることができる。その結果、光の吸収率が高まり、光電変換効率の向上を図ることが可能になる。
In this case, the quantum dot solar cell of the present embodiment, the diameter D of the carrier collection unit 5, it is desirable to open Hotan 5b side is smaller than the base portion 5a side. In FIG. 1A, the relation of D1> D2 is shown. If the diameter D2 of the opening Hotan 5b side of the carrier collection unit 5 is thinner than the diameter D1 of the base portion 5a side, at least two carrier collection unit 5A, or by joining 5B contacts originally Quantum even when filled the area of the dots 13 is narrowed, the open Hotan 5b side can be integrated more quantum dots 13. As a result, the light absorption rate is increased, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

また、根元部5a側のキャリア収集部5の径D1が、放端5b側の径D2よりも大きいことから、キャリア収集部5が接合層3上で強固に接続されたものとなり、耐久性の高い量子ドット集積部1を形成することができる。この場合、キャリア収集部5の径Dは、根元部5a側から放端5b側に向かうに従って次第に小さくなっていると、量子ドット13が量子ドット集積部1に充填されたときに、量子ドット13の数が厚み方向に次第に変化する構造体を形成することができる。これにより光電変換効率を量子ドット集積部1の厚みによって制御することが容易になる。 The diameter D1 of the carrier collection unit 5 of the base portion 5a side, which is larger than the diameter D2 of the opening Hotan 5b side, as the carrier collecting unit 5 is rigidly connected on the bonding layer 3, durability High quantum dot integrated portion 1 can be formed. In this case, the diameter D of the carrier collection unit 5, when gradually becomes smaller toward the root portion 5a side opening Hotan 5b side, when the quantum dots 13 is filled in the quantum dot stacking unit 1, the quantum dot A structure in which the number of 13 gradually changes in the thickness direction can be formed. Thereby, it becomes easy to control the photoelectric conversion efficiency by the thickness of the quantum dot integrated portion 1.

図3は、本実施形態の他の態様を示すものであり、量子ドット13がn型の量子ドット13nとp型の量子ドット13pとから構成されており、キャリア収集部5に近い側にn型の量子ドット13nが配置され、n型の量子ドット13nの周囲にp型の量子ドット13pが配置される構成となっていることを示す断面模式図である。   FIG. 3 shows another aspect of the present embodiment. The quantum dot 13 is composed of an n-type quantum dot 13n and a p-type quantum dot 13p, and n closer to the carrier collecting unit 5 is shown. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing that a type quantum dot 13n is arranged and a p-type quantum dot 13p is arranged around the n-type quantum dot 13n.

通常、量子ドット13は、光のエネルギーを受けることによって、量子ドット13内に存在していた電子が伝導性を有するレベルまで励起されると同時に、正孔が形成されて、これらがキャリアとなって光電変換が起こる。このとき、図3に示すように、量子ドット集積部1内を、キャリア収集部5側からn型の量子ドット13nにより構成される層とp型の量子ドット13pにより構成される層とを積層した構成にすると、n型の量子ドット13nおよびp型の量子ドット13pのそれぞれに移動できる電子および正孔が生成したときに、電子および正孔はそれぞれn型の量子ドット13nおよびp型の量子ドット13pの方により移動しやすくなり、これによりキャリアの集電性をさらに高めることができる。   Normally, the quantum dots 13 receive the energy of light, so that electrons existing in the quantum dots 13 are excited to a conductive level, and at the same time, holes are formed and these become carriers. Photoelectric conversion occurs. At this time, as shown in FIG. 3, a layer constituted by n-type quantum dots 13n and a layer constituted by p-type quantum dots 13p are stacked from the carrier collecting unit 5 side in the quantum dot integration unit 1. With this configuration, when electrons and holes that can move to each of the n-type quantum dot 13n and the p-type quantum dot 13p are generated, the electrons and holes are converted into the n-type quantum dot 13n and the p-type quantum dot, respectively. It becomes easier to move by the direction of the dot 13p, and this can further improve the current collecting property of the carrier.

なお、図3では、キャリア収集部5側にn型の量子ドット13nを配置した構成を示しているが、この場合、キャリア収集部5側にp型の量子ドット13pを配置した構成でも同様の光電変換特性を得ることができる。   FIG. 3 shows a configuration in which n-type quantum dots 13n are arranged on the carrier collecting unit 5 side. In this case, the configuration in which p-type quantum dots 13p are arranged on the carrier collecting unit 5 side is the same. Photoelectric conversion characteristics can be obtained.

上記した量子ドット集積部1を構成する量子ドット13、キャリア収集部5および接合層3の材料としては、種々の半導体材料が適用されるが、そのエネルギーギャップ(Eg)としては、0.15〜2.50evを有するものが好適である。具体的な半導体材料と
しては、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)、鉄(Fe)、硫黄(S)、鉛(Pb)、テルル(Te)およびセレン(Se)から選ばれるいずれか1種またはこれらの化合物半導体を用いることが望ましい。
Although various semiconductor materials are applied as the material of the quantum dots 13, the carrier collection unit 5, and the bonding layer 3 constituting the quantum dot integrated unit 1, the energy gap (Eg) is 0.15 to Those having 2.50 ev are preferred. Specific semiconductor materials include germanium (Ge), silicon (Si), gallium (Ga), indium (In), arsenic (As), antimony (Sb), copper (Cu), iron (Fe), sulfur ( It is desirable to use any one selected from S), lead (Pb), tellurium (Te), and selenium (Se), or a compound semiconductor thereof.

また、上記した量子ドット13においては、電子の閉じ込め効果を高められるという理由から量子ドット13の表面に障壁層(バリア層)を有していてもよい。障壁層は量子ドット13となる半導体材料に比較して2〜15倍のエネルギーギャップを有している材料が好ましく、エネルギーギャップ(Eg)が1.0〜10.0evを有するものが好ましい。なお、量子ドット13が表面に障壁層を有する場合には、障壁層の材料としては、Si、C、Ti、Cu、Ga、S、InおよびSeから選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物(半導体、炭化物、酸化物、窒化物)が好ましい。   The quantum dots 13 described above may have a barrier layer (barrier layer) on the surface of the quantum dots 13 because the electron confinement effect can be enhanced. The barrier layer is preferably a material having an energy gap 2 to 15 times that of the semiconductor material to be the quantum dots 13, and preferably has an energy gap (Eg) of 1.0 to 10.0 ev. In addition, when the quantum dot 13 has a barrier layer on the surface, as a material of the barrier layer, a compound containing at least one element selected from Si, C, Ti, Cu, Ga, S, In and Se ( Semiconductors, carbides, oxides, nitrides) are preferred.

図4は、本実施形態の他の態様の量子ドット太陽電池を示すものであり、量子ドット集積部と、これに備えられたキャリア収集部および接合層を一体化して多層化した構成を示す断面模式図である。   FIG. 4 shows a quantum dot solar cell according to another aspect of the present embodiment, and is a cross section showing a configuration in which a quantum dot integrated portion, a carrier collecting portion provided in the quantum dot integrated portion, and a bonding layer are integrated into a multilayer structure. It is a schematic diagram.

上述のように、本実施形態の量子ドット太陽電池について、図1〜図3を基に説明したが、本発明の量子ドット太陽電池は、キャリア収集部5を有する量子ドット集積部1と、これに備えられた接合層3とが一体化した光電変換層14が単層である構成に限らず、図4に示すように、複数の光電変換層14が多層化されても良い。この場合、さらに高い光電変換効率を示す量子ドット太陽電池を得ることができる。   As described above, the quantum dot solar cell of the present embodiment has been described based on FIGS. 1 to 3, but the quantum dot solar cell of the present invention includes the quantum dot integrated unit 1 having the carrier collecting unit 5, and this The photoelectric conversion layer 14 integrated with the bonding layer 3 provided in is not limited to a single layer, and a plurality of photoelectric conversion layers 14 may be multilayered as shown in FIG. In this case, a quantum dot solar cell exhibiting higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

また、光電変換層14を構成する量子ドット集積部1の厚みや量子ドット13のバンドギャップを変化させた構成にした場合には、吸収できる光の波長領域をより広くすることができ、さらに高い光電変換効率を示す量子ドット太陽電池を得ることができる。   In addition, when the thickness of the quantum dot integrated portion 1 constituting the photoelectric conversion layer 14 and the band gap of the quantum dots 13 are changed, the wavelength range of light that can be absorbed can be made wider and higher. A quantum dot solar cell exhibiting photoelectric conversion efficiency can be obtained.

次に、本実施形態の量子ドット太陽電池の製造方法について説明する。図5は、本実施形態の量子ドット太陽電池の製造方法を示す工程図である。まず、図5(a)に示すように、支持体となるガラス基板9を準備する。次に、このガラス基板9の一方主面にITOなどの導体材料を用いて透明導電膜7を形成する。このとき、ガラス基板9は表面が山形の凹凸を有する形状に加工されたものを用いるのが良い。表面が山形の凹凸を有する形状に加工されたガラス基板9を用いると、このガラス基板9の表面に透明導電膜7を形成した場合にも、その透明導電膜7の表面に山形の凹凸を残すことができる。   Next, the manufacturing method of the quantum dot solar cell of this embodiment is demonstrated. FIG. 5 is a process diagram showing a method for manufacturing the quantum dot solar cell of this embodiment. First, as shown to Fig.5 (a), the glass substrate 9 used as a support body is prepared. Next, the transparent conductive film 7 is formed on one main surface of the glass substrate 9 using a conductive material such as ITO. At this time, it is preferable to use a glass substrate 9 whose surface is processed into a shape having chevron irregularities. When the glass substrate 9 processed into a shape having a chevron-like unevenness on the surface is used, even when the transparent conductive film 7 is formed on the surface of the glass substrate 9, the chevron-like unevenness is left on the surface of the transparent conductive film 7. be able to.

次に、図5(b)に示すように、山形の凹凸を有する透明導電膜7の表面に酸化亜鉛のナノ粒子層21を形成する。ナノ粒子層21は酢酸亜鉛を含む溶液を透明導電膜7の表面に塗布した後、約350℃の温度に加熱することによって形成される。   Next, as shown in FIG. 5B, a zinc oxide nanoparticle layer 21 is formed on the surface of the transparent conductive film 7 having chevron irregularities. The nanoparticle layer 21 is formed by applying a solution containing zinc acetate to the surface of the transparent conductive film 7 and then heating to a temperature of about 350 ° C.

次に、透明導電膜7およびナノ粒子層21を形成したガラス基板9を硝酸亜鉛とヘキサメチレンテトラミンとの混合溶液中に浸漬し、約90℃の温度環境下に放置する。ナノ粒子層21をこのような環境下に置くことによって、図5(c)に示すように、酸化亜鉛からなるナノ粒子層21の上面にキャリア収集部5となる酸化亜鉛の柱状晶23を形成することができる。このとき、ナノ粒子層21の下層側は接合層3として残る。   Next, the glass substrate 9 on which the transparent conductive film 7 and the nanoparticle layer 21 are formed is immersed in a mixed solution of zinc nitrate and hexamethylenetetramine and left in a temperature environment of about 90 ° C. By placing the nanoparticle layer 21 in such an environment, as shown in FIG. 5 (c), a zinc oxide columnar crystal 23 serving as the carrier collecting portion 5 is formed on the upper surface of the nanoparticle layer 21 made of zinc oxide. can do. At this time, the lower layer side of the nanoparticle layer 21 remains as the bonding layer 3.

ここで、少なくとも2つの柱状晶23がその一部で接触した状態あるいは同柱状晶19が接合した状態は、ガラス基板9の表面に形成した山形の凹凸の高さを変えて、柱状晶23の成長する方向を変化させることによって調整する。この場合、山形の凹凸の高さをより高くすると、柱状晶23が立体的に交差するように成長するようになることから接合した柱状晶21の個数を増やすことができる。   Here, the state in which at least two columnar crystals 23 are in contact with each other or the state in which the columnar crystals 19 are joined changes the height of the mountain-shaped irregularities formed on the surface of the glass substrate 9, Adjust by changing the growth direction. In this case, if the height of the mountain-shaped irregularities is made higher, the columnar crystals 23 grow so as to cross three-dimensionally, and therefore the number of joined columnar crystals 21 can be increased.

本発明では、ナノ粒子層21を形成するガラス基板9の表面に予め山形の凹凸を形成していることから、得られる柱状晶23は、延伸方向が異なるものとなり、これにより延伸方向が異なり一部が接触または接合しているキャリア収集部5を形成することができる。ここで、キャリア収集部5となる酸化亜鉛の柱状晶23の接触(または接合)する位置も、ガラス基板9の表面に予め形成した山形の凹凸の高さによって調整できる。ガラス基板9の表面に形成する山形の凹凸およびその高さは、ガラス基板9の表面を研磨もしくはエッチングするときの条件によって調整する。なお、上記した本実施形態の量子ドット太陽電池では、キャリア収集部5が接触した状態のものと接合された状態のものとが混在していても良い。   In the present invention, since the mountain-shaped irregularities are formed in advance on the surface of the glass substrate 9 on which the nanoparticle layer 21 is to be formed, the obtained columnar crystals 23 have different stretching directions. The carrier collection part 5 in which the parts are in contact with or bonded to each other can be formed. Here, the position at which the zinc oxide columnar crystals 23 that serve as the carrier collecting portion 5 contact (or join) can also be adjusted by the height of the chevron-shaped irregularities formed in advance on the surface of the glass substrate 9. The chevron-shaped irregularities formed on the surface of the glass substrate 9 and the height thereof are adjusted according to the conditions for polishing or etching the surface of the glass substrate 9. In addition, in the quantum dot solar cell of this embodiment mentioned above, the thing in the state in which the carrier collection part 5 contacted, and the state in which it was joined may be mixed.

次に、図5(d)に示すように、形成したキャリア収集部5となる柱状晶23の周囲に量子ドット13となる半導体粒子25を充填し、緻密化処理を行うことによって量子ドット集積部1を形成する。半導体粒子25を充填する方法としては、半導体粒子25を含む溶液をスピンコート法や沈降法などが好適なものとして選ばれる。緻密化処理には、柱状晶23の周囲に半導体粒子25を充填した後に、加熱もしくは加圧、あるいはこれらを同時に行う方法が採られる。量子ドット集積部1の厚みは堆積させる半導体粒子25の量によって調整する。量子ドット集積部1を含む光電変換層14を多層化する場合には、図5(b)〜(d)の工程を繰り返す。   Next, as shown in FIG. 5 (d), the quantum dots are integrated by filling the semiconductor particles 25 that become the quantum dots 13 around the columnar crystals 23 that become the formed carrier collecting portions 5 and performing a densification process. 1 is formed. As a method for filling the semiconductor particles 25, a solution containing the semiconductor particles 25 is preferably selected from a spin coating method, a precipitation method, and the like. For the densification treatment, a method in which the semiconductor particles 25 are filled around the columnar crystals 23 and then heated or pressurized, or these are simultaneously performed. The thickness of the quantum dot integrated portion 1 is adjusted by the amount of semiconductor particles 25 to be deposited. When the photoelectric conversion layer 14 including the quantum dot integration unit 1 is multi-layered, the steps of FIGS. 5B to 5D are repeated.

最後に、量子ドット集積部1の上面側に金などの導体材料を蒸着して電極層11となる導体膜を形成し、次いで、必要に応じて、この導体膜の表面に保護層を形成した後、ガラス膜などで被覆する。   Finally, a conductive material such as gold is vapor-deposited on the upper surface side of the quantum dot integrated portion 1 to form a conductive film that becomes the electrode layer 11, and then a protective layer is formed on the surface of the conductive film as necessary. Thereafter, it is covered with a glass film or the like.

以上より得られる量子ドット太陽電池は、量子ドット集積部層1内に、延伸方向が異なるキャリア収集部5同士で一部が接触または接着しているキャリア収集部5を備えているために、キャリアの接合層3への伝導性が高まり、光電変換効率を高めることができる。   The quantum dot solar cell obtained as described above includes the carrier collection unit 5 in which the carrier collection units 5 having different stretching directions are partially in contact with or bonded to each other in the quantum dot integrated unit layer 1. The conductivity to the bonding layer 3 increases, and the photoelectric conversion efficiency can be increased.

1・・・・・・・・・・・量子ドット集積部
3・・・・・・・・・・・接合層
5、5A、5B・・・・・キャリア収集部
5a・・・・・・・・・・根元部
5b・・・・・・・・・・解放端
7・・・・・・・・・・・透明導電膜
9・・・・・・・・・・・ガラス基板
11・・・・・・・・・・電極層
13・・・・・・・・・・量子ドット
13n・・・・・・・・・n型の量子ドット
13p・・・・・・・・・p型の量子ドット
15・・・・・・・・・・ネック部
21・・・・・・・・・・ナノ粒子層
23・・・・・・・・・・柱状晶
25・・・・・・・・・・半導体粒子
C・・・・・・・・・・・キャリア

1 .... Quantum dot integration unit 3 ... Junction layers 5, 5A, 5B ... Carrier collection unit 5a ... ································································································ Glass substrate 11 ··········································································· n Type quantum dot 15 ... neck part 21 ... nanoparticle layer 23 ... columnar crystal 25 ...・ ・ ・ ・ ・ Semiconductor particle C ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Carrier

Claims (5)

量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくとも一方主面に配置された接合層と、該接合層から前記量子ドット集積部内に、前記接合層側の根元部から異なる方向に延伸し、前記量子ドット集積部内に開放端を有する複数のキャリア収集部とを有するとともに、前記キャリア収集部同士は、一部が接触または接合しており、前記キャリア収集部の径は、前記根元部側から前記開放端側に向かうに従って次第に小さくなっていることを特徴とする量子ドット太陽電池。 A quantum dot integrated portion, a bonding layer disposed on at least one main surface of the quantum dot integrated portion, and extending from the bonding layer into the quantum dot integrated portion in a different direction from a root portion on the bonding layer side, and having a plurality of carrier collection section having an open end to the quantum dot integrated portion, before Symbol carrier collection portions is partially in contact or joined, the diameter of the carrier collection unit, from the root portion The quantum dot solar cell, which gradually becomes smaller toward the open end side . 前記量子ドット集積部は、n型の量子ドットとp型の量子ドットとを有しており、前記キャリア収集部に近い側にn型の量子ドットが配置され、該n型の量子ドットの周囲にp型の量子ドットが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット太陽電池。 The quantum dot integration unit includes an n-type quantum dot and a p-type quantum dot, and an n-type quantum dot is disposed on a side closer to the carrier collection unit, and the periphery of the n-type quantum dot 2. The quantum dot solar cell according to claim 1, wherein p-type quantum dots are arranged on the first electrode. 量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の少なくとも一方主面に配置された接合層と、該接合層から前記量子ドット集積部内に延伸する柱状をした複数のキャリア収集部とを有するとともに、延伸方向の異なる前記キャリア収集部同士で一部が接触または接合しており、前記量子ドット集積部は、n型の量子ドットとp型の量子ドットとを有しており、前記キャリア収集部に近い側にn型の量子ドットが配置され、該n型の量子ドットの周囲にp型の量子ドットが配置されていることを特徴とする量子ドット太陽電池。  The quantum dot integration unit, a bonding layer disposed on at least one main surface of the quantum dot integration unit, and a plurality of columnar carrier collecting units extending from the bonding layer into the quantum dot integration unit, and extending A part of the carrier collecting units in different directions are in contact with or joined to each other, and the quantum dot integrated unit has n-type quantum dots and p-type quantum dots, and is close to the carrier collecting unit An n-type quantum dot is arranged on the side, and a p-type quantum dot is arranged around the n-type quantum dot. 前記キャリア収集部は、前記接合層側の根元部から延伸し、前記量子ドット集積部内に放端を有していることを特徴とする請求項に記載の量子ドット太陽電池。 The carrier collection unit, quantum dot solar cell of claim 3 which extends from the root portion of the bonding layer side, characterized by Tei Rukoto has an open Hotan to said quantum dot integrated portion. 前記キャリア収集部の径は、前記放端側が前記根元部側よりも小さくなっていることを特徴とする請求項に記載の量子ドット太陽電池。 Diameter of the carrier collection unit, quantum dot solar cell according to claim 4, wherein the opening Hotan side is smaller than said root portion.
JP2014172798A 2014-08-27 2014-08-27 Quantum dot solar cell Active JP6321490B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014172798A JP6321490B2 (en) 2014-08-27 2014-08-27 Quantum dot solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014172798A JP6321490B2 (en) 2014-08-27 2014-08-27 Quantum dot solar cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016048716A JP2016048716A (en) 2016-04-07
JP6321490B2 true JP6321490B2 (en) 2018-05-09

Family

ID=55649473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014172798A Active JP6321490B2 (en) 2014-08-27 2014-08-27 Quantum dot solar cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6321490B2 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8294025B2 (en) * 2002-06-08 2012-10-23 Solarity, Llc Lateral collection photovoltaics
JP2008297168A (en) * 2007-05-31 2008-12-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology ZnO WHISKER FILM AND ITS PREPARATION METHOD
JP5069163B2 (en) * 2008-03-28 2012-11-07 三菱電機株式会社 Solar cell and method for manufacturing the same
KR101086074B1 (en) * 2009-02-18 2011-11-23 한국생산기술연구원 Method for fabricating silicon nano wire, solar cell including silicon nano wire and method for fabricating solar cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016048716A (en) 2016-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI431784B (en) Method and structure for thin film photovoltaic materials using semiconductor materials
JP6049271B2 (en) Electric energy generator
JPWO2013030935A1 (en) Solar cell
JP2014063979A (en) Solar cell and method for manufacturing the same
JP6416262B2 (en) Quantum dot solar cell
JP6039215B2 (en) Solar cell
JP6321490B2 (en) Quantum dot solar cell
JP5734437B2 (en) Photovoltaic power generation apparatus and manufacturing method thereof
JP6441750B2 (en) Quantum dot solar cell
WO2015015694A1 (en) Photovoltaic device
JP6603116B2 (en) Photoelectric conversion device
JPWO2017038698A1 (en) Photoelectric conversion device
JP6144573B2 (en) Solar cell
JP6321487B2 (en) Quantum dot solar cell
JP6336731B2 (en) Solar cell
JP6616178B2 (en) Photoelectric conversion device
JP2016139735A (en) Photoelectric conversion layer and photoelectric conversion device
JP6321504B2 (en) Quantum dot solar cell
JP6239830B2 (en) Solar cell
JP6318259B2 (en) Photoelectric conversion device and photoelectric conversion module
JP6599729B2 (en) Photoelectric conversion device
JP2014165198A (en) Solar battery
JP6356597B2 (en) Photoelectric conversion layer and photoelectric conversion device
JP2014179368A (en) Solar cell
JP2017135282A (en) Photoelectric conversion film and photoelectric conversion device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170110

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20171018

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171107

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180306

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180405

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6321490

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150