JP6321504B2

JP6321504B2 - 量子ドット太陽電池

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Publication number: JP6321504B2
Application number: JP2014191460A
Authority: JP
Inventors: 和也村本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: JP2016063143A

Description

本発明は、量子ドット太陽電池に関する。

図６は、従来の量子ドット太陽電池を示す断面模式図である。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（以下、ｐ型半導体層１０１ａ、ｎ型半導体層１０１ｂとする。）間に、量子ドット層１０３が光検知層として挿入され、ｐ型半導体層１０１ａ、ｎ型半導体層１０１ｂの最表面に電極層（透明電極層１０５ａ、下部電極層１０５ｂ）が設けられた構成となっている（例えば、特許文献１を参照）。

量子ドット太陽電池は、量子ドット１０７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。

この場合、量子ドット太陽電池の光電変換効率は、量子ドット層１０３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、量子ドット層１０３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。

量子ドット１０７は、通常、その周囲を、量子ドット１０７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。

特開２０１２−８９７５６号公報

しかしながら、量子ドット１０７を集積させて量子ドット層１０３を形成した場合には、量子ドット１０７内に生成したキャリアは、量子ドット層１０３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。

従って本発明は、量子ドット層内に生成したキャリアが消滅するのを抑制し、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。

本発明の量子ドット太陽電池は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれるように配置された、複数の量子ドットを有する量子ドット層とを備えており、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうち、少なくとも一方は、平板状の基部と、該基部上に設けられた複数の凸部とを有しており、該凸部が、前記基部から突出方向における断面形状が逆台形状であり、前記量子ドット層は、前記量子ドットが前記凸部間を満たすように配置され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、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれるように配置された、複数の量子ドットを有する量子ドット層とを備えており、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうち、少なくとも一方は、平板状の基部と、該基部上に設けられた複数の凸部とを有しており、前記量子ドット層は、前記量子ドットが前記凸部間を満たすように配置されているとともに、前記量子ドットが、ｎ型の量子ドットとｐ型の量子ドットとを有しており、前記凸部の周囲に前記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前記ｐ型の量子ドットが配置されていることを特徴とする。

本発明の量子ドット太陽電池によれば、量子ドット層内に生成したキャリアが消滅するのを抑制し、光電変換効率を高めることができる。

本発明の量子ドット太陽電池の一実施形態を示す断面模式図である。（ａ）は、図１に示した量子ドット太陽電池おける量子ドット層とｐ型半導体層との層間を積層方向に離した形態を示したものである。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施形態の量子ドット太陽電池の他の態様におけるｐ型半導体層およびその近傍を示すものであり、凸部の断面形状が逆台形状である形態を示す断面模式図である。本実施形態の量子ドット太陽電池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、ｐ型半導体層側に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。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。従来の量子ドット太陽電池を示す断面模式図である。

本実施形態の量子ドット太陽電池は、図１および図２（ａ）に示すように、ｐ型半導体層１、量子ドット層３およびｎ型半導体層５が、この順に積層された構成となっている。

この場合、量子ドット層３はｐ型半導体層１に接する配置となっている。一方、ｎ型半導体層５とはバッファ層などを介して接する場合がある。

ここで、ｐ型半導体層１は、平板状の基部１Ｂと、基部１Ｂ上に設けられた複数の凸部１ｂとを有している。

そして、量子ドット層３は、量子ドット３ａが凸部１ｂ間を満たす構成となっている。

つまり、本実施形態の量子ドット太陽電池を構成する量子ドット層３は、図１および図２（ａ）に示すように、当該量子ドット層３が接している半導体層（ｐ型半導体層１）の凹部１ａおよび凸部１ｂの形状とは逆の形状で互いに噛み合った状態となっている。

なお、ｐ型半導体層１の下層側には電極膜７が設けられ、一方のｎ型半導体層５の上面には透明導電膜９が配置されている。この場合、透明導電膜９側が光の入射側となり、電極層７側が光の出射側となる。

本実施形態の量子ドット太陽電池によれば、ｐ型半導体層１を、平板状の基部１Ｂと、この基部１Ｂ上に突出する複数の凸部１ｂとを有する形状とし、量子ドット３ａがこの凸部１ｂ間の凹部１ａを満たすようにしたことから、量子ドット３ａとｐ型半導体層１との接触面積が大きくなり、しかも、量子ドット層３が、ｐ型半導体層１とは異なる材質である集電層などを介することなく、ｐ型半導体層１に接するように配置されている。これにより、量子ドット層３において生成したキャリアＣがｐ型半導体層１へ移動しやくなり、キャリアＣのｐ型半導体層１への収集効率を高めることができる。その結果、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。

また、本実施形態の量子ドット太陽電池では、量子ドット３ａは、凸部１ｂを覆うように配置されていることが望ましい。図１に示すように、量子ドット３ａが、ｐ型半導体層１の凸部１ｂ間である凹部１ａを満たすことに加えて、凸部１ｂの表面上を含むｐ型半導体層１の全面を所定の厚みｔで覆うようにすると、量子ドット層３の体積を増やすことができることから量子ドット３ａの数量の増加に伴い生成するキャリア数を増加させること
ができる。これにより、単位面積当たりの光電変換効率を高めることができる。

また、この量子ドット太陽電池の場合、凸部１ｂは柱状であることが望ましい。凸部１ｂの形状が柱状であると、凸部１ｂの側面１ｂｓ（凹部１ａの内壁１ａａ）の全周囲にわたって量子ドット３ａを接触させることが可能となる。これにより凸部１ｂの側面１ｂｓ（凹部１ａの内壁１ａａ）に接触する量子ドット３ａの数量を増やすことができることから、多くの量子ドット３ａからキャリアＣを凸部１ｂの側面１ｂｓ（凹部１ａの内壁１ａａ）に移動させることができるようになる。その結果、キャリアＣが量子ドット層３内に存在する間に消滅する割合を減らすことが可能になる。

また、このような量子ドット太陽電池に設けられる凸部１ｂとしては、高さｈが量子ドット３ａの径Ｄよりも大きいことが望ましい。ｐ型半導体層に設けられる凸部１ｂが量子ドット３ａの径Ｄよりも大きい構造であると、凸部１ｂ間（凹部１ａ）を満たすように量子ドット３ａが充填されたときに、凸部１ｂの側面１ｂｓ（凹部１ａの内壁１ａａ）に接触する量子ドット３ａの数をさらに増やすことができるため量子ドット層３からｐ型半導体層１側へ移動するキャリアＣを増やすことができる。ここで、量子ドット３ａの径Ｄとは、断面視したときの最大径のことである。

さらには、凸部１ｂ間の幅をｗ_１（凹部１ａが開口している部分（開口部１ａｏ）の幅）、凸部１ｂの高さをｈとしたときに、凸部１ｂの高さｈが凸部１ｂ間の幅ｗ_１よりも大きいことが望ましい。さらには、凸部１ｂ間の幅ｗ_１が、隣接する凸部１ｂの開放端１ｂｂにおける幅ｗ_２と同等かまたは幅ｗ_２よりも広くなっていることが望ましい。

このように、凹部１ａおよび凸部１ｂの形状や幅を上記のような関係にすると、凸部１ｂの側面１ｂｓ（凹部１ａの内壁１ａａ）に接触する量子ドット３ａの数を増やすことができることから、量子ドット層３からｐ型半導体層１へ移動できるキャリアＣの数をさらに増やすことができる。その結果、量子ドット層３の単位面積当たりの光電変換効率をさらに高めることが可能になる。

また、本実施形態の量子ドット太陽電池では、凸部１ｂは、基部１Ｂから光の入射側に向けて突出していることが望ましい。図１（ａ）に示すように、凸部１ｂが光の入射側に向いた構成の場合には、凸部１ｂの上面側を含む量子ドット層３の全面に量子ドット３ａが配置される構成となる。量子ドット層３がこのような構造であると、光が入射する透明導電膜９やｎ型半導体層５側に、これらと直列に量子ドット３ａだけで光を受けることのできる層（量子ドット層３）を形成できることから、量子ドット層３による光の吸収特性をさらに高めることができる。

図３は、量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、ｐ型半導体層１における凸部１ｂの断面形状が逆台形状であることを示す断面模式図である。この場合、凸部１ｂの側面１ｂｓは傾斜している分だけ、その側面１ｂｓが垂直である場合よりも長くなる。これにより凸部１ｂの側面１ｂｓの面積が大きくなることから、凸部１ｂの側面１ｂｓに接触する量子ドット３ａの数をさらに増やすことができる。その結果、量子ドット層３からｐ型半導体層１へ移動が可能なキャリアＣを増やすことができる。

図４は、本実施形態の量子ドット太陽電池のさらに他の態様を示すものであり、量子ドット３ａがｎ型の量子ドット３ａｎとｐ型の量子ドット３ａｐとから構成されており、ｐ型半導体層１側にｎ型の量子ドット３ａｎが配置され、ｎ型の量子ドット３ａｎの周囲にｐ型の量子ドット３ａｐが配置された状態を示す断面模式図である。

通常、量子ドット３ａは、光のエネルギーを受けることによって、量子ドット３ａ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４に示すように、量子ドット層３内を、ｐ型半導体層１側からｎ型の量子ドット３ａｎにより構成される層とｐ型の量子ドット３ａｐ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３ａｎおよびｐ型の量子ドット３ａｐ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３ａｎおよびｐ型の量子ドット３ａｐの方により移動しやすくなり、これにより量子ドット層３からｐ型半導体層１へのキャリアＣの集電性をさらに高めることができる。

図４では、ｐ型半導体層１側にｎ型の量子ドット３ａｎを配置した構成を示しているが、ｐ型半導体層１側にｐ型の量子ドット３ａｐ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。

上記した量子ドット層３を構成する量子ドット３ａ、ｐ型半導体層１およびｎ型半導体層５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。

また、上記した量子ドット３ａ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３ａ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３ａ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。

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、ｐ型半導体層１となるｐ型半導体基板２１を準備する。

次に、このｐ型半導体基板２１の一方側の主面にマスクパターン２３を形成し、この後、ｐ型半導体基板をエッチング処理することによって、図５（ｃ）に示すような凹部１ａおよび凸部１ｂを有するｐ型半導体層２５（１）を形成する。この場合、マスクパターン２３の材料としては、エッチング処理剤に対する耐薬品性が高く、かつｐ型半導体基板２１に対して腐食などを発生させにくいという点でエポキシ樹脂が好適である。この場合、エッチング処理剤としてはフッ化水素を含むガスを用いるのが良い。これによりｐ型半導体層１に同じ組成で基部１Ｂと凸部１ｂとが一体化したものを得ることができる。

次に、図５（ｄ）に示すように、ｐ型半導体層２５（１）の凸部１ｂ間（凹部１ａ）を満たすように量子ドット３ａを充填する。このとき、量子ドット３ａは凹部１ａとともに凸部１ｂの上面１ｓを含むｐ型半導体層２５（１）の全面を覆うように配置させても良い。

この後、量子ドット３ａ同士を強固に接着させるために、量子ドット３ａの特性が損なわれない程度の条件で緻密化処理を行う。

次に、図５（ｅ）に示すように、ｐ型半導体層２５（１）の上面に配置させた量子ドッ
ト３ａの上面にｎ型半導体層２７（５）を形成する。ｎ型半導体層２７（５）の形成には、スパッタ法やＣＶＤ法などの物理的あるいは化学的成膜法を用いる。

次に、ｎ型半導体層２７（５）の表面に、ＩＴＯなどの導体材料を用いて透明導電膜２９（９）を形成する。

最後に、ｐ型半導体層２５（１）側の表面に金や銀などの導体材料を蒸着して電極層３１（７）を形成し、次いで、必要に応じて、この導体膜３１および透明導電膜２９（９）の表面に保護層を形成した後、ガラス膜などで被覆する。

以上より得られる量子ドット太陽電池は、ｐ型半導体層１に凹部１ａおよび凸部１ｂを形成し、この表面上に量子ドット３ａが充填された構造であるために、キャリアＣのｐ型半導体層１への集電性が高まり、光電変換効率を高めることができる。

本実施形態の量子ドット太陽電池は、上述のようなｐ型半導体層１に凹部１ａおよび１ｂを設けた構成に限らず、ｎ型半導体層５に量子ドット層３が接し、ｎ型半導体層５に凹部１ａおよび凸部１ｂが設けられる構成でも同様の効果を得ることができる。

１、２５・・・・・・・・Ｐ型半導体層
１ａ・・・・・・・・・・凹部
１ａａ・・・・・・・・・（凹部の）内壁
１ａｏ・・・・・・・・・（凹部の）開口部
１ａｓ・・・・・・・・・（凹部の）底
１ｂ・・・・・・・・・・凸部
１ｂｓ・・・・・・・・・（凸部の）側面
３・・・・・・・・・・・量子ドット層
３ａ・・・・・・・・・・量子ドット
３ａｐ・・・・・・・・・ｐ型の量子ドット
３ａｎ・・・・・・・・・ｎ型の量子ドット
５、２７・・・・・・・・ｎ型半導体層
７、３１・・・・・・・・電極層
９、２９・・・・・・・・透明導電膜
Ｃ・・・・・・・・・・・キャリア

Claims

ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれるように配置された、複数の量子ドットを有する量子ドット層とを備えており、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうち、少なくとも一方は、平板状の基部と、該基部上に設けられた複数の凸部とを有しており、該凸部が、前記基部から突出方向における断面形状が逆台形状であり、前記量子ドット層は、前記量子ドットが前記凸部間を満たすように配置されていることを特徴とする量子ドット太陽電池。
前記量子ドットが、ｎ型の量子ドットとｐ型の量子ドットとを有しており、前記凸部の周囲に前記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前記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。
ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれるように配置された、複数の量子ドットを有する量子ドット層とを備えており、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層のうち、少なくとも一方は、平板状の基部と、該基部上に設けられた複数の凸部とを有しており、前記量子ドット層は、前記量子ドットが前記凸部間を満たすように配置されているとともに、前記量子ドットが、ｎ型の量子ドットとｐ型の量子ドットとを有しており、前記凸部の周囲に前記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前記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。
前記量子ドットは、前記凸部を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
前記凸部が柱状であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
前記凸部の高さが前記量子ドットの径よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
前記凸部は、前記基部から光の入射側に向けて突出していることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。