JP6474618B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

特許文献1には、量子構造層を有する光電変換素子において、光電変換素子の受光面側とは反対側の積層体の主表面に光散乱性反射層を設けた構成が開示されている。光散乱性反射層を設けることにより、反射光の光路長を増大させて、太陽光スペクトルのうち、主に890〜1100nmの波長の光の吸収を向上させる構造が記載されている。   Patent Document 1 discloses a configuration in which, in a photoelectric conversion element having a quantum structure layer, a light-scattering reflective layer is provided on the main surface of a laminate opposite to the light receiving surface side of the photoelectric conversion element. A structure is described in which, by providing a light-scattering reflective layer, the optical path length of reflected light is increased to improve the absorption of light mainly having a wavelength of 890 to 1100 nm in the sunlight spectrum.

特開2013―219073号公報JP 2013-219073 A

しかしながら、量子ドットを有する光電変換素子では、量子ドットの光吸収を向上させるために、中間バンドを介した2段階光吸収を効率的に起こす必要がある。2段階光吸収には、1段階目の光吸収(価電子帯から中間バンドへの光学遷移であるインターバンド遷移)と2段階目の光吸収(中間バンドから伝導帯への遷移であるサブバンド間遷移)がある。発明者らの研究から、量子ドットを有する太陽電池(以下、量子ドット太陽電池と呼ぶ)を高効率化させる上で、1段階目の光吸収も十分ではないが、特に2段階目の光吸収が十分ではない事が明らかになってきた。2段階光吸収が十分ではない場合、量子ドットを挿入していない従来の単接合太陽電池(例えばSi太陽電池やGaAs太陽電池)と比べて付加的な光吸収がほとんど無い分、量子ドット太陽電池の変換効率が向上しないばかりか、むしろ量子ドットが再結合中心として働き、変換効率が大きく減少してしまう。従って、2段階光吸収を効率的に起こす事が非常に重要となる。量子ドット太陽電池の材料としてどのような材料を用いるにしても、太陽光スペクトルの1100nm以上の成分の光を2段階光吸収によって効率的に吸収する事が不可欠となる。   However, in a photoelectric conversion element having quantum dots, it is necessary to efficiently cause two-stage light absorption through an intermediate band in order to improve light absorption of the quantum dots. Two-stage light absorption includes first-stage light absorption (interband transition, which is an optical transition from a valence band to an intermediate band) and second-stage light absorption (subband, which is a transition from an intermediate band to a conduction band). Transition). From the inventors' research, the light absorption at the first stage is not sufficient for improving the efficiency of a solar cell having quantum dots (hereinafter referred to as a quantum dot solar cell). It has become clear that is not enough. When two-stage light absorption is not sufficient, quantum dot solar cells have little additional light absorption compared to conventional single-junction solar cells (for example, Si solar cells and GaAs solar cells) in which no quantum dots are inserted. In addition to improving the conversion efficiency, the quantum dots act as recombination centers and the conversion efficiency is greatly reduced. Therefore, it is very important to efficiently cause two-stage light absorption. Whatever material is used as the material of the quantum dot solar cell, it is essential to efficiently absorb light of a component of 1100 nm or more in the sunlight spectrum by two-stage light absorption.

本発明の実施形態では、量子ドットを有する光電変換素子において、量子ドットの光吸収を向上させる技術を提供することを目的とする。   In an embodiment of the present invention, it is an object to provide a technique for improving light absorption of a quantum dot in a photoelectric conversion element having quantum dots.

本発明の一実施形態における光電変換素子は、p型半導体層と、n型半導体層と、量子ドットが障壁層によって囲まれた構造からなる超格子半導体層と、前記量子ドットの伝導帯側の中間バンドから前記障壁層の伝導帯への遷移であるサブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させる光路長増大要素とを備える。   The photoelectric conversion element in one embodiment of the present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, a superlattice semiconductor layer having a structure in which quantum dots are surrounded by a barrier layer, and a conduction band side of the quantum dots. An optical path length increasing element that at least increases an optical path length of light absorbed by an intersubband transition that is a transition from the intermediate band to the conduction band of the barrier layer.

本願開示によれば、光路長増大要素によって、サブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させることができるので、量子ドットにおいて長波長の光の吸収を向上させることができる。   According to the present disclosure, since the optical path length of the light absorbed by the intersubband transition can be increased at least by the optical path length increasing element, it is possible to improve the absorption of long wavelength light in the quantum dot.

図1は、第1の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the first embodiment. 図2は、本実施形態における太陽電池のエネルギーバンドを模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing an energy band of the solar cell in the present embodiment. 図3は、図2のエネルギーバンドの模式図の一部を抜き出した図である。FIG. 3 is a diagram in which a part of the schematic diagram of the energy band in FIG. 2 is extracted. 図4は、テクスチャ構造の部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of the texture structure. 図5は、テクスチャの間隔d[μm]と、太陽電池の内部における光の電界強度との関係を演算により求めた結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a result obtained by calculating the relationship between the texture interval d [μm] and the electric field strength of light inside the solar cell. 図6Aは、量子ドット層をInAsにより形成し、障壁層をGaAsにより形成した量子ドット太陽電池において、理論的なエネルギー限界効率が、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴ってどの程度向上するかを示す図であり、非集光の条件下での結果を示している。FIG. 6A shows that in a quantum dot solar cell in which a quantum dot layer is formed of InAs and a barrier layer is formed of GaAs, the theoretical energy limit efficiency increases with the increase in the electric field strength of sunlight corresponding to the intersubband transition. It is a figure which shows how much it improves, and has shown the result under the non-condensing conditions. 図6Bは、量子ドット層をInAsにより形成し、障壁層をGaAsにより形成した量子ドット太陽電池において、理論的なエネルギー限界効率が、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴ってどの程度向上するかを示す図であり、1000倍集光の条件下での結果を示している。FIG. 6B shows that in a quantum dot solar cell in which a quantum dot layer is formed of InAs and a barrier layer is formed of GaAs, the theoretical energy limit efficiency increases with the increase in the electric field strength of sunlight corresponding to the intersubband transition. It is a figure which shows how much it improves, and has shown the result on the conditions of 1000 time condensing. 図7Aは、量子ドット層をInAsにより形成し、障壁層をInGaPにより形成した量子ドット太陽電池において、理論的なエネルギー限界効率が、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴ってどの程度向上するかを示す図であり、非集光の条件下での結果を示している。FIG. 7A shows that in a quantum dot solar cell in which a quantum dot layer is formed of InAs and a barrier layer is formed of InGaP, the theoretical energy limit efficiency increases as the electric field strength of sunlight corresponding to the intersubband transition increases. It is a figure which shows how much it improves, and has shown the result under the non-condensing conditions. 図7Bは、量子ドット層をInAsにより形成し、障壁層をInGaPにより形成した量子ドット太陽電池において、理論的なエネルギー限界効率が、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴ってどの程度向上するかを示す図であり、非集光の条件下での結果を示している。FIG. 7B shows that in a quantum dot solar cell in which a quantum dot layer is formed of InAs and a barrier layer is formed of InGaP, the theoretical energy limit efficiency increases with an increase in the electric field strength of sunlight corresponding to the transition between subbands. It is a figure which shows how much it improves, and has shown the result under the non-condensing conditions. 図8Aは、基板のテクスチャ構造の作製方法を説明するための図である。FIG. 8A is a diagram for explaining a method for producing a texture structure of a substrate. 図8Bは、基板のテクスチャ構造の作製方法を説明するための図である。FIG. 8B is a diagram for explaining a method for producing a texture structure of a substrate. 図8Cは、基板のテクスチャ構造の作製方法を説明するための図である。FIG. 8C is a diagram for explaining a method for producing a texture structure of a substrate. 図8Dは、基板のテクスチャ構造の作製方法を説明するための図である。FIG. 8D is a diagram for explaining a method for producing a texture structure of a substrate. 図9は、下部電極の裏面が平面になるように形成された太陽電池の構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a solar cell formed so that the back surface of the lower electrode is a flat surface. 図10は、第2の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the second embodiment. 図11は、基板のテクスチャ構造の部分拡大図である。FIG. 11 is a partially enlarged view of the texture structure of the substrate. 図12は、第3の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the third embodiment. 図13は、第4の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 13: is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell in 4th Embodiment. 図14は、第5の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the fifth embodiment. 図15は、第6の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 15: is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell in 6th Embodiment. 図16は、第7の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the seventh embodiment. 図17は、第7の実施形態におけるコロイド量子ドット太陽電池のエネルギーバンドを模式的に示す図である。FIG. 17 is a diagram schematically showing an energy band of the colloidal quantum dot solar cell according to the seventh embodiment. 図18は、第8の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the eighth embodiment. 図19は、波長変換粒子aと波長変換粒子bの2種類の波長変換粒子を基板に塗布した太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a solar cell in which two types of wavelength conversion particles, wavelength conversion particles a and wavelength conversion particles b, are applied to a substrate. 図20は、第9の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the ninth embodiment. 図21は、第10の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the tenth embodiment. 図22は、第11の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the eleventh embodiment. 図23は、第12の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the twelfth embodiment.

本発明の一実施形態における光電変換素子は、p型半導体層と、n型半導体層と、量子ドットが障壁層によって囲まれた構造からなる超格子半導体層と、前記量子ドットの伝導帯側の中間バンドから前記障壁層の伝導帯への遷移であるサブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させる光路長増大要素と、を備える。   The photoelectric conversion element in one embodiment of the present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, a superlattice semiconductor layer having a structure in which quantum dots are surrounded by a barrier layer, and a conduction band side of the quantum dots. An optical path length increasing element that at least increases an optical path length of light absorbed by an intersubband transition that is a transition from the intermediate band to the conduction band of the barrier layer.

この構成によれば、サブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させることができるので、量子ドットにおいて長波長の光の吸収を向上させることができる。   According to this configuration, the optical path length of the light absorbed by the intersubband transition can be increased at least, so that the absorption of light having a long wavelength can be improved in the quantum dots.

前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面とは反対側の裏面に形成されたテクスチャ構造とすることができる。この構成によれば、裏面に形成されたテクスチャ構造によって、反射光の光路長を増大させることができるので、量子ドットにおいて長波長の光の吸収を向上させることができる。   The optical path length increasing element may have a texture structure formed on the back surface opposite to the light receiving surface of the photoelectric conversion element. According to this configuration, the optical path length of the reflected light can be increased by the texture structure formed on the back surface, so that absorption of long-wavelength light can be improved in the quantum dots.

前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面に形成されたテクスチャ構造とすることもできる。この構成によれば、入射光が屈折して斜め方向に入射することにより、入射光の光路長を増大させることができるので、量子ドットにおいて長波長の光の吸収を向上させることができる。   The optical path length increasing element may have a texture structure formed on the light receiving surface of the photoelectric conversion element. According to this configuration, since the incident light is refracted and incident in an oblique direction, the optical path length of the incident light can be increased, so that absorption of long-wavelength light can be improved in the quantum dots.

前記テクスチャ構造のテクスチャの間隔dは、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEciとすると、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×3の関係を有する。この構成によれば、超格子半導体層の中間エネルギーバンドから伝導帯への光学遷移(サブバンド間遷移)による光吸収の度合を効果的に向上させることができる。   The texture interval d of the texture structure is 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24, where Eci is the energy from the ground level of the conduction band of the quantum dots to the lower level of the conduction band of the barrier layer. / Eci × 3 relationship. According to this configuration, the degree of light absorption due to the optical transition (intersubband transition) from the intermediate energy band to the conduction band of the superlattice semiconductor layer can be effectively improved.

前記テクスチャ構造のテクスチャの間隔には第1の間隔と第2の間隔が含まれており、前記第1の間隔と前記第2の間隔が交互に形成されている構成とすることもできる。この構成によれば、サブバンド間遷移の光吸収だけでなく、量子ドットにおける価電子帯から中間エネルギーバンドへの光学遷移(インターバンド遷移)の光吸収の度合も向上させることができる。   The texture interval of the texture structure includes a first interval and a second interval, and the first interval and the second interval may be alternately formed. According to this configuration, it is possible to improve not only the light absorption of the intersubband transition but also the degree of light absorption of the optical transition (interband transition) from the valence band to the intermediate energy band in the quantum dot.

前記第1の間隔をd1、前記第2の間隔をd2、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEci、前記量子ドットの価電子帯の基底準位から前記量子ドットの伝導帯の基底準位までのエネルギーをEQDとすると、1.24/EQD≦d2≦1.24/EQD×3、1.24/Eci≦d1≦1.24/Eci×3、d1>d2の関係を有する。この構成によれば、サブバンド間遷移の光吸収と、インターバンド遷移の光吸収との両方の度合をより効果的に向上させることができる。   The first interval is d1, the second interval is d2, the energy from the ground level of the conduction band of the quantum dot to the bottom level of the conduction band of the barrier layer is Eci, and the valence band of the quantum dot Assuming that the energy from the ground level to the ground level of the conduction band of the quantum dots is EQD, 1.24 / EQD ≦ d2 ≦ 1.24 / EQD × 3, 1.24 / Eci ≦ d1 ≦ 1.24 / Eci × 3, d1> d2. According to this configuration, it is possible to more effectively improve the degree of light absorption of intersubband transition and light absorption of interband transition.

前記裏面に形成されたテクスチャ構造の凹凸の凹部に配置され、入射した光を吸収して、前記サブバンド間遷移によって吸収される光を少なくとも放出する波長変換粒子をさらに備えるようにしてもよい。この構成によれば、裏面に形成されたテクスチャ構造で反射できなかった光を波長変換粒子で吸収し、吸収した光とは異なる波長の光を放出することにより、サブバンド間遷移による長波長光の吸収度合をさらに向上させることができる。   You may make it further arrange | position to the recessed part of the unevenness | corrugation of the texture structure formed in the said back surface, and to absorb the incident light and to further provide the wavelength conversion particle | grains which emit at least the light absorbed by the said intersubband transition. According to this configuration, light that could not be reflected by the texture structure formed on the back surface is absorbed by the wavelength conversion particles, and light having a wavelength different from that of the absorbed light is emitted. The degree of absorption can be further improved.

前記光路長増大要素を、前記p型半導体層及び前記n型半導体層のうち、受光面とは反対の裏面側に位置する層の光入射側の面に形成されたテクスチャ構造としてもよい。この構成によれば、光が光電変換素子の裏面、例えば基板に到達する前に光を反射させることができるので、より効率的に光閉じ込めが生じる。これにより、光吸収、特に長波長光の光吸収度合を向上させることができる。   The optical path length increasing element may be a texture structure formed on a light incident side surface of a layer located on the back side opposite to the light receiving surface of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. According to this configuration, light can be reflected before the light reaches the back surface of the photoelectric conversion element, for example, the substrate, so that light confinement occurs more efficiently. Thereby, light absorption, especially the light absorption degree of long wavelength light can be improved.

前記p型半導体層、前記n型半導体層、及び前記超格子半導体層を形成するための基板をさらに備え、前記光路長増大要素を、前記基板の光入射側の面に形成されたテクスチャ構造としてもよい。この構成によれば、光が基板の裏面に到達する前に反射させることができるので、より効率的に光閉じ込めが生じる。これにより、光吸収、特に長波長光の光吸収度合を向上させることができる。   The substrate further includes a substrate for forming the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer, and the optical path length increasing element is formed as a texture structure formed on a light incident side surface of the substrate. Also good. According to this configuration, since light can be reflected before reaching the back surface of the substrate, light confinement occurs more efficiently. Thereby, light absorption, especially the light absorption degree of long wavelength light can be improved.

前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面とは反対側の裏面に形成された反射膜であり、前記反射膜は、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEciとすると、1.24/Eci[μm]の波長の光を少なくとも反射する構成とすることもできる。この構成によれば、サブバンド間遷移の光吸収の度合を効果的に向上させることができる。   The optical path length increasing element is a reflective film formed on the back surface opposite to the light receiving surface of the photoelectric conversion element, and the reflective film is conductive from the ground level of the conduction band of the quantum dot to the barrier layer. If the energy up to the lower end level of the band is Eci, it can be configured to reflect at least light having a wavelength of 1.24 / Eci [μm]. According to this configuration, the degree of light absorption of intersubband transition can be effectively improved.

[実施の形態]
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated. In addition, in order to make the explanation easy to understand, in the drawings referred to below, the configuration is shown in a simplified or schematic manner, or some components are omitted. Further, the dimensional ratio between the constituent members shown in each drawing does not necessarily indicate an actual dimensional ratio.

本明細書において、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2つの層が繰り返し積層された構造である。   In this specification, the superlattice structure is a structure in which two layers made of a semiconductor and having different band gaps are repeatedly stacked.

また、量子ドットは、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。量子ドット層は、複数の量子ドットを含む層のことを指し、超格子構造の井戸層となる。量子準位は、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。障壁層は、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からなり、超格子構造を構成する。   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. The quantum dot layer refers to a layer including a plurality of quantum dots and becomes a well layer having a superlattice structure. The quantum level refers to the discrete energy level of the electrons of the quantum dot. The barrier layer is made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dots, and constitutes a superlattice structure.

以下の説明では、光電変換素子を太陽電池に適用した例について説明する。   In the following description, an example in which a photoelectric conversion element is applied to a solar cell will be described.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第1の実施形態における太陽電池100は、基板1と、ベース層2と、超格子半導体層6と、エミッタ層7と、窓層8と、コンタクト層9と、上部電極10と、下部電極11とを備える。具体的には、基板1の上にベース層2が形成されており、ベース層2の上に超格子半導体層6が形成されている。また、超格子半導体層6の上にエミッタ層7が形成されており、エミッタ層7の上に窓層8が形成されている。窓層8の上にはコンタクト層9を介して上部電極10が設けられている。上部電極10は、例えばグリッド電極である。基板1の下面(裏面)には下部電極11が設けられている。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the first embodiment. The solar cell 100 in the first embodiment includes a substrate 1, a base layer 2, a superlattice semiconductor layer 6, an emitter layer 7, a window layer 8, a contact layer 9, an upper electrode 10, and a lower electrode 11. With. Specifically, the base layer 2 is formed on the substrate 1, and the superlattice semiconductor layer 6 is formed on the base layer 2. An emitter layer 7 is formed on the superlattice semiconductor layer 6, and a window layer 8 is formed on the emitter layer 7. An upper electrode 10 is provided on the window layer 8 via a contact layer 9. The upper electrode 10 is, for example, a grid electrode. A lower electrode 11 is provided on the lower surface (back surface) of the substrate 1.

なお、図1に示す太陽電池100において、上部電極10が設けられている側が太陽光の受光面側である。従って、本明細書では、上部電極10が設けられている側の面を受光面、下部電極11が設けられている側の面を裏面と呼ぶ。   In the solar cell 100 shown in FIG. 1, the side on which the upper electrode 10 is provided is the sunlight receiving surface side. Therefore, in this specification, the surface on which the upper electrode 10 is provided is referred to as a light receiving surface, and the surface on which the lower electrode 11 is provided is referred to as a back surface.

基板1は、n型不純物を含む半導体であって、例えばGaAsにより形成されており、その厚さは例えば500μmである。   The substrate 1 is a semiconductor containing an n-type impurity and is made of, for example, GaAs, and has a thickness of, for example, 500 μm.

ベース層2は、n型不純物を含む半導体であって、例えばGaAsにより形成されており、その厚さは例えば300nmである。なお、基板1とベース層2の間に、バッファ層を設けてもよい。バッファ層は、n型不純物を含む半導体、例えばn−GaAsにより形成され、その厚さは例えば300nmとすることができる。この層は、裏面電界(BSF:Back Surface Field)効果としても機能する事ができる。 The base layer 2 is a semiconductor containing an n-type impurity, and is made of, for example, GaAs and has a thickness of, for example, 300 nm. Note that a buffer layer may be provided between the substrate 1 and the base layer 2. The buffer layer is formed of a semiconductor containing an n-type impurity, for example, n + -GaAs, and the thickness thereof can be, for example, 300 nm. This layer can also function as a back surface field (BSF) effect.

エミッタ層7は、p型不純物を含む半導体であって、例えばGaAsにより形成されており、その厚さは例えば250nmである。   The emitter layer 7 is a semiconductor containing a p-type impurity, and is made of, for example, GaAs and has a thickness of, for example, 250 nm.

窓層8は、p型不純物を含む半導体であって、例えばAl0.75Ga0.25Asにより形成されており、その厚さは例えば50nmである。 The window layer 8 is a semiconductor containing a p-type impurity, and is formed of, for example, Al 0.75 Ga 0.25 As and has a thickness of, for example, 50 nm.

コンタクト層9は、p型不純物を含む半導体、例えばp−GaAsにより形成されている。なお、図1に示すように、コンタクト層9の内、電極形成部分以外の領域を除去してもよい。この場合に、窓層8の上に反射防止膜(例えば、MgF/ZnS膜)を設けてもよい。 The contact layer 9 is made of a semiconductor containing p-type impurities, for example, p + -GaAs. In addition, as shown in FIG. 1, you may remove area | regions other than an electrode formation part among the contact layers 9. FIG. In this case, an antireflection film (for example, MgF 2 / ZnS film) may be provided on the window layer 8.

超格子半導体層6は、複数の量子ドット3からなる量子ドット層4と、障壁層5とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有しており、量子ドット3の価電子帯及び伝導帯にそれぞれ中間エネルギーバンド(中間エネルギー準位)を形成する。量子ドット3は、障壁層5によって囲まれた構造となっている。   The superlattice semiconductor layer 6 has a superlattice structure in which a quantum dot layer 4 composed of a plurality of quantum dots 3 and a barrier layer 5 are alternately and repeatedly stacked, and the valence band and the conduction band of the quantum dots 3 Each forms an intermediate energy band (intermediate energy level). The quantum dot 3 has a structure surrounded by the barrier layer 5.

量子ドット3は、障壁層5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。量子ドット3は、例えばInAsにより形成されており、幅は例えば25nmであり、高さは例えば8nmである。量子ドット3は、例えばSK成長により作製することができる。 SK成長では、例えばn−GaAs(100)基板に、n−GaAsバッファー層を300nm、n−GaAsを300nm、アンドープGaAsを300nm積層し、その上にInAs量子ドットを形成する。InAs量子ドットは、InAs薄膜層をGaAs膜の上に2.2ML積層させる事で形成される。このように量子ドット3が形成される理由は、InAs層がある一定の膜厚(臨界膜厚)を越えると量子ドット3を形成する事で、GaAs層とInAs層の格子定数の違いから生じる歪みエネルギーが小さくなるためである。InAs量子ドット層とGaAs障壁層5を任意の積層回数で繰り返し形成した後は、250nmのp−GaAs、50nmのp−Al0.75Ga0.25As窓層8、pGaAsコンタクト層9を形成する。 The quantum dots 3 are made of a semiconductor material having a narrower band gap than the semiconductor material constituting the barrier layer 5 and have quantum levels due to the quantum effect. The quantum dots 3 are made of, for example, InAs, have a width of, for example, 25 nm, and a height of, for example, 8 nm. The quantum dots 3 can be produced, for example, by SK growth. In the SK growth, for example, an n + -GaAs buffer layer of 300 nm, an n-GaAs of 300 nm, and an undoped GaAs of 300 nm are stacked on an n-GaAs (100) substrate, and an InAs quantum dot is formed thereon. InAs quantum dots are formed by laminating 2.2 ML of an InAs thin film layer on a GaAs film. The reason why the quantum dots 3 are formed in this way is that the quantum dots 3 are formed when the InAs layer exceeds a certain film thickness (critical film thickness), resulting from a difference in lattice constant between the GaAs layer and the InAs layer. This is because the strain energy is reduced. After the InAs quantum dot layer and the GaAs barrier layer 5 are repeatedly formed by an arbitrary number of laminations, 250 nm of p-GaAs, 50 nm of p-Al 0.75 Ga 0.25 As window layer 8 and p + GaAs contact layer 9. Form.

障壁層5は、量子ドット3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る。障壁層5は、量子ドット層4のまわりのポテンシャル障壁を形成する。障壁層5は、例えばGaAsにより形成されており、その厚さは例えば1層辺り40nmである。なお、量子ドット層4/障壁層5を複数回積層した後に、障壁層5を一度厚く積層すれば、量子ドットの多積層化をより容易に行う事ができる。また、歪み補償層などを障壁層5の途中に挿入する事によっても量子ドットの多積層化をより容易に行う事ができる。   The barrier layer 5 is made of a semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor material constituting the quantum dots 3. The barrier layer 5 forms a potential barrier around the quantum dot layer 4. The barrier layer 5 is made of, for example, GaAs and has a thickness of, for example, 40 nm per layer. If the barrier layer 5 is stacked once after the quantum dot layer 4 / barrier layer 5 is stacked a plurality of times, it is possible to more easily stack the quantum dots. In addition, by inserting a strain compensation layer or the like in the middle of the barrier layer 5, it is possible to more easily multi-layer quantum dots.

本実施形態において、超格子半導体層6に、例えばInGaAsからなる量子ドット3、AlGaAsからなる障壁層5を用いることができる。また、InAsSbからなる量子ドット3、AlAsSbからなる障壁層5を用いることができる。他にInAs、GaAs、AlAs、InSb、GaSb、AlSb、InP、GaP、AlPの材料、AlGaIn1−x−yAs、AlGaIn1−x−ySbAs1−z、AlGaIn1−x−yP、AlGaIn1−x−yNなどの混晶材料を超格子半導体層6に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族化合物半導体あるいはこれらの混晶材料を用いてもよい。 In the present embodiment, for example, quantum dots 3 made of InGaAs and barrier layers 5 made of AlGaAs can be used for the superlattice semiconductor layer 6. Moreover, the quantum dot 3 which consists of InAsSb, and the barrier layer 5 which consists of AlAsSb can be used. Other InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, material AlP, Al x Ga y In 1 -x-y As, Al x Ga y In 1-x-y Sb z As 1-z can also be used for Al x Ga y in 1-x -y P, Al x Ga y in 1-x-y N superlattice semiconductor layer 6 mixed crystal materials such as. Group III-V compound semiconductors, chalcopyrite materials, II-VI group compound semiconductors, group IV compound semiconductors, or mixed crystal materials thereof other than those described above may be used.

太陽光スペクトルの内、1600nm、2200nm付近の光をサブバンド間で効率良く吸収する構造とするためには、超格子半導体層6にワイドバンドギャップ材料(GaAsよりも大きなバンドギャップを有する材料)を用いることが好ましい。 これは、従来の量子ドット太陽電池で良く利用されているInAs/GaAs材料では、伝導帯のバンドオフセットが小さく、サブバンド間遷移による吸収波長帯域が4000nm程度以上になりやすいためである。従って、例えば、量子ドット3/障壁層5の組み合わせとして、InAs/AlAsSb、InGaN/GaN、InAs/InGaP材料などを用いるのが好ましい。   In order to obtain a structure in which light in the vicinity of 1600 nm and 2200 nm in the sunlight spectrum is efficiently absorbed between subbands, a wide band gap material (a material having a larger band gap than GaAs) is used for the superlattice semiconductor layer 6. It is preferable to use it. This is because the InAs / GaAs material often used in conventional quantum dot solar cells has a small band offset of the conduction band, and the absorption wavelength band due to intersubband transition tends to be about 4000 nm or more. Therefore, for example, it is preferable to use InAs / AlAsSb, InGaN / GaN, InAs / InGaP materials or the like as the combination of quantum dots 3 / barrier layers 5.

なお、量子ドット3及び障壁層5を混晶からなる材料で形成する場合、混晶の元素割合を適宜変更することにより、量子準位及び障壁層5のバンドギャップを変更したり、価電子帯バンドエネルギーオフセット(量子ドット3と障壁層5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。   In addition, when forming the quantum dot 3 and the barrier layer 5 with the material which consists of mixed crystals, the band gap of a quantum level and the barrier layer 5 can be changed by changing the element ratio of a mixed crystal suitably, or a valence band. The band energy offset (the valence band energy difference between the quantum dots 3 and the barrier layer 5) can be made zero.

また、量子ドット3がn型ドーパントで直接ドーピングされたり、障壁層5がn型ドーパントで変調ドーピングされると、量子ドット3のサブバンド間光吸収が効率的に起こって好ましい。 さらに、量子ドット3の密度と同程度のドーパント濃度でドーピングするとさらに好ましい。これは、もし量子ドット3もしくは障壁層5中にドーピングされておらず、電子が量子ドット3中に存在しないと、インターバンド吸収によって電子が励起されたときのみサブバンド間光吸収が起こる事になるが、量子ドット3もしくは障壁層5中にドーピングされていると、インターバンド吸収が起こる前にサブバンド吸収を起こす事ができるためである。すなわち、ドーピングしているとサブバンド間光吸収が起きる頻度が高くなる。   In addition, it is preferable that the quantum dots 3 are directly doped with an n-type dopant or that the barrier layer 5 is modulation-doped with an n-type dopant because the inter-subband light absorption of the quantum dots 3 occurs efficiently. Furthermore, it is more preferable to dope with a dopant concentration similar to the density of the quantum dots 3. This is because if there is no doping in the quantum dots 3 or the barrier layer 5 and no electrons are present in the quantum dots 3, intersubband light absorption occurs only when the electrons are excited by interband absorption. However, if the quantum dots 3 or the barrier layer 5 are doped, subband absorption can occur before interband absorption occurs. That is, when doped, the frequency of intersubband light absorption increases.

これまで、量子ドット太陽電池の構成材料として、主にInAs/GaAs等の直接遷移型半導体が用いられてきた。直接遷移型半導体は、間接遷移型半導体とは異なり、光吸収係数が大きく、直接遷移型半導体材料を用いた量子ドット3もまた光吸収係数が大きいと期待されてきた。しかしながら、量子ドット3自体の光吸収係数はそれほど大きくないということが発明者等の研究により分かってきた。特に、量子ドット3の伝導帯側の基底準位(中間バンド)から障壁層5の伝導帯の基底準位への光学遷移であるサブバンド間遷移による光吸収の度合が小さい。   Until now, direct transition type semiconductors such as InAs / GaAs have been mainly used as constituent materials of quantum dot solar cells. Direct transition type semiconductors, unlike indirect transition type semiconductors, have a large light absorption coefficient, and quantum dots 3 using a direct transition type semiconductor material have also been expected to have a large light absorption coefficient. However, the inventors have found that the light absorption coefficient of the quantum dot 3 itself is not so large. In particular, the degree of light absorption due to the intersubband transition which is an optical transition from the ground level (intermediate band) on the conduction band side of the quantum dots 3 to the ground level of the conduction band of the barrier layer 5 is small.

従って、本実施形態における太陽電池100では、光路長を長くすることによって、量子ドット3の伝導帯側の基底準位(中間バンド)から障壁層5の伝導帯の基底準位への光学遷移であるサブバンド間遷移による光吸収がされやすくなるようにしているサブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を増大させるために、光路長増大要素を設けた。ここでは、光路長増大要素として、太陽電池100の受光面とは反対の裏面側に、テクスチャ構造と呼ばれる微小な凹凸を複数形成する。図1に示す構成例では、裏面にテクスチャ構造1aを設けている。また、基板1のテクスチャ構造1aに合わせて、下部電極11にもテクスチャ構造が設けられている。   Therefore, in the solar cell 100 according to the present embodiment, the optical transition from the ground level (intermediate band) on the conduction band side of the quantum dots 3 to the ground level of the conduction band of the barrier layer 5 by increasing the optical path length. An optical path length increasing element is provided in order to increase the optical path length of the light absorbed by the intersubband transition that facilitates light absorption due to a certain intersubband transition. Here, as the optical path length increasing element, a plurality of minute irregularities called texture structures are formed on the back surface side opposite to the light receiving surface of the solar cell 100. In the configuration example shown in FIG. 1, the texture structure 1a is provided on the back surface. In addition, the lower electrode 11 is provided with a texture structure in accordance with the texture structure 1 a of the substrate 1.

基板1にテクスチャ構造1aを設けることにより、超格子半導体層6で吸収されなかった光が基板1の裏面側で反射する際に、拡散(散乱)される。斜め方向への反射は、平面反射と比べて、光路長が長くなるので、 インターバンド間遷移もしくはサブバンド間遷移で吸収される長波長帯域の光を効率的に吸収することができる。   By providing the texture structure 1 a on the substrate 1, light that has not been absorbed by the superlattice semiconductor layer 6 is diffused (scattered) when reflected on the back side of the substrate 1. Reflection in an oblique direction has a longer optical path length than planar reflection, so that light in a long wavelength band absorbed by inter-band transition or inter-subband transition can be efficiently absorbed.

テクスチャ構造1aは、量子ドット3の光吸収波長帯域に合わせて設計する。量子ドット3の光吸収波長帯域とは、量子ドット3の価電子帯の基底準位から量子ドット3の伝導帯の基底準位への光学遷移(以下、インターバンド遷移と呼ぶ)による光吸収波長帯域と、上述したサブバンド間遷移による光吸収波長帯域のことである。   The texture structure 1 a is designed according to the light absorption wavelength band of the quantum dots 3. The light absorption wavelength band of the quantum dot 3 is a light absorption wavelength due to an optical transition (hereinafter referred to as an interband transition) from the ground level of the valence band of the quantum dot 3 to the ground level of the conduction band of the quantum dot 3. The band and the light absorption wavelength band due to the above-described intersubband transition.

図2は、本実施形態における太陽電池100のエネルギーバンドを模式的に示す図である。図2では、上述したインターバンド遷移21、サブバンド間遷移22の他に、価電子帯から伝導帯への光学遷移であるバルク遷移23をそれぞれ示している。   FIG. 2 is a diagram schematically showing an energy band of the solar cell 100 in the present embodiment. In addition to the interband transition 21 and intersubband transition 22 described above, FIG. 2 shows a bulk transition 23 that is an optical transition from the valence band to the conduction band.

上述したように、量子ドット太陽電池では、特に、サブバンド間遷移22の光励起の強度が小さいことを発明者等は見出した。従って、基板1に設けるテクスチャ構造1aは、サブバンド間遷移22の光吸収波長帯域に応じて設計することが好ましい。   As described above, the inventors have found that in the quantum dot solar cell, in particular, the intensity of photoexcitation of the intersubband transition 22 is small. Therefore, the texture structure 1 a provided on the substrate 1 is preferably designed according to the light absorption wavelength band of the intersubband transition 22.

図3は、図2のエネルギーバンドの模式図の一部を抜き出した図である。障壁層5のバンドギャップをEg[eV]、量子ドット3のバンドギャップ(量子ドット3の伝導帯側の基底準位と価電子帯側の基底準位との間のエネルギー)をEQD[eV]、量子ドット3の伝導帯側の基底準位エネルギーをEib[eV]、障壁層5の伝導帯の下端のエネルギー準位をEcb[eV]、量子ドット層4の伝導帯の基底準位から障壁層5の伝導帯の下端のエネルギー準位までのエネルギーをEci[eV]とする。   FIG. 3 is a diagram in which a part of the schematic diagram of the energy band in FIG. 2 is extracted. The band gap of the barrier layer 5 is Eg [eV], and the band gap of the quantum dots 3 (the energy between the ground level on the conduction band side and the ground level on the valence band side) of the quantum dots 3 is EQD [eV]. The energy level at the conduction band side of the quantum dot 3 is Eib [eV], the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer 5 is Ecb [eV], and the barrier is from the ground level of the conduction band of the quantum dot layer 4. The energy up to the energy level at the lower end of the conduction band of the layer 5 is defined as Eci [eV].

量子ドット層4のバンドギャップEQDは、量子ドット層4のPLスペクトルから決定することができる。このとき、価電子帯側のバンドオフセットは一般的には小さく、Eci≒Eg−EQDと近似的にみなすことができる。従って、本実施形態でも、Eci≒Eg−EQDとみなしている。なお、一般的に、量子ドット太陽電池では、Eg>EQD>Eciという関係を有する。なお、価電子帯側のバンドオフセットが非常に大きい場合には、その値を差し引いて、Eciを算出すれば良い(価電子帯側はヘビーホールが存在するため、価電子帯側の量子ドットの基底準位から障壁層の価電子帯上端までのエネルギー差と価電子帯側のバンドオフセットはほぼ等しい)。量子構造計算からそれぞれの値を決定する事もできる。   The band gap EQD of the quantum dot layer 4 can be determined from the PL spectrum of the quantum dot layer 4. At this time, the band offset on the valence band side is generally small and can be regarded approximately as Eci≈Eg−EQD. Therefore, this embodiment also regards Eci≈Eg−EQD. In general, quantum dot solar cells have a relationship of Eg> EQD> Eci. If the band offset on the valence band side is very large, the value may be subtracted to calculate Eci (since there is a heavy hole on the valence band side, the quantum dot on the valence band side The energy difference from the ground level to the top of the valence band of the barrier layer is almost equal to the band offset on the valence band side). Each value can also be determined from the quantum structure calculation.

テクスチャ構造1aのテクスチャの間隔d[μm]は、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×3とすることが好ましい。テクスチャの間隔d[μm]は、テクスチャを構成する凹凸の隣り合う凸部の頂点の中心の間の間隔のことである。凸部の頂点の中心とは、凸部の面の重心の事である。なお、1.24/Eci[μm]は、Eci[eV]の電磁波のエネルギーを波長に換算した値に相当する。   The texture interval d [μm] of the texture structure 1a is preferably 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24 / Eci × 3. The texture interval d [μm] is the interval between the centers of the vertices of adjacent convex portions constituting the texture. The center of the vertex of the convex portion is the center of gravity of the surface of the convex portion. Note that 1.24 / Eci [μm] corresponds to a value obtained by converting the energy of the electromagnetic wave of Eci [eV] into a wavelength.

量子ドット太陽電池では、サブバンド間遷移に対応するEciのエネルギーを持つ光の吸収が最も効率的に起こることが望まれている。この波長帯域の光の吸収が起こらないと、量子ドット層4からのキャリア取り出しが効率的に起こらず、エネルギー変換効率の上昇が期待できない。Eciのエネルギーを持つ光の吸収を起こすということは、量子ドット層4中のサブバンド間遷移と、その後のキャリア取り出しの両方を効率的に起こすことができることを意味する。   In a quantum dot solar cell, it is desired that absorption of light having Eci energy corresponding to intersubband transition occurs most efficiently. If absorption of light in this wavelength band does not occur, carrier extraction from the quantum dot layer 4 does not occur efficiently, and an increase in energy conversion efficiency cannot be expected. The absorption of light having Eci energy means that both the intersubband transition in the quantum dot layer 4 and the subsequent carrier extraction can be efficiently generated.

また、Eciを太陽光スペクトル(AM1.5G)のピーク位置に合致させると、さらに効率的な光吸収を期待できる。例えば、Eci=0.56eV(波長では2200nm)、Eci=0.78eV(波長では1600nm)に近い量子ドット太陽電池材料と、それに最適なテクスチャ構造を用いることが好ましい。   Further, if Eci is matched with the peak position of the sunlight spectrum (AM1.5G), more efficient light absorption can be expected. For example, it is preferable to use a quantum dot solar cell material close to Eci = 0.56 eV (2200 nm at a wavelength), Eci = 0.78 eV (1600 nm at a wavelength), and a texture structure optimal for it.

ここで、Eciに相当する波長とテクスチャの間隔d[μm]の関係を1.24/Eci≦dとしたのは、この領域において、テクスチャ構造による光吸収増大効果が顕著になるためである。   Here, the relationship between the wavelength corresponding to Eci and the distance d [μm] between textures is 1.24 / Eci ≦ d because the effect of increasing light absorption by the texture structure becomes remarkable in this region.

また、d≦1.24/Eci×3としたのは、太陽電池作製プロセス時間の短縮化・コスト低減のためである。テクスチャの間隔dが大きい場合には、テクスチャ構造の断面角度(後述の図4のθ)が同じであるとすると、それだけ余分な半導体層膜が必要となるため、太陽電池作製プロセス時間及びコストの観点からは大きすぎない方がよい。   Further, d ≦ 1.24 / Eci × 3 is set for shortening the solar cell manufacturing process time and reducing the cost. When the texture interval d is large, if the cross-sectional angle of the texture structure (θ in FIG. 4 described later) is the same, an extra semiconductor layer film is required. It is better not to be too big from the viewpoint.

光吸収の効果が最も高いのは、図5を用いて後述するように、吸収したい光の波長とテクスチャの間隔dが同程度の場合である。従って、テクスチャの間隔dを1.24/Eciとすれば、サブバンド間遷移の光吸収と量子ドット層4からのキャリア取り出しの両方を効率的に起こすことができる。   As will be described later with reference to FIG. 5, the light absorption effect is the highest when the wavelength of light to be absorbed and the texture interval d are approximately the same. Therefore, if the texture interval d is 1.24 / Eci, both the absorption of light between subbands and the extraction of carriers from the quantum dot layer 4 can be efficiently caused.

上記観点から、テクスチャの間隔dは1.24/Eciに近ければ近い程よく、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×1.5であるとさらに好ましい。   From the above viewpoint, the texture interval d is preferably as close as possible to 1.24 / Eci, and more preferably 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24 / Eci × 1.5.

図4は、テクスチャ構造1aの部分拡大図である。テクスチャ構造1aは、例えばピラミッド構造である。図4に示す角度θは、テクスチャ形成時のウェットエッチングの条件によっては結晶面方位で決まる角度になる。θは、例えば15°<θ<60°であれば、光路長増大効果が大きいため好ましい。   FIG. 4 is a partially enlarged view of the texture structure 1a. The texture structure 1a is a pyramid structure, for example. The angle θ shown in FIG. 4 is an angle determined by the crystal plane orientation depending on wet etching conditions during texture formation. For example, if θ is 15 ° <θ <60 °, the effect of increasing the optical path length is large, which is preferable.

なお、ウェットエッチングを行う場合でも同じであるが、特にドライエッチングを行えば、テクスチャの形状をピラミッド形状とは異なる形状とすることができる。   Note that the same applies when wet etching is performed, but the shape of the texture can be made different from the pyramid shape, particularly when dry etching is performed.

図5は、テクスチャの間隔d[μm]と、太陽電池100の内部における電界強度との関係を演算により求めた結果を示す図である。光の波長は、1.2[μm]、1.5[μm]、2.2[μm]の3種類とした。縦軸に示す電界強度は、基板1にテクスチャ構造1aを設けない場合を1として、テクスチャ構造無しの場合に対する倍率を示している。なお、テクスチャ構造1aの断面の角度θは55°とした。   FIG. 5 is a diagram illustrating a result of calculating the relationship between the texture interval d [μm] and the electric field strength inside the solar cell 100. There were three types of light wavelengths: 1.2 [μm], 1.5 [μm], and 2.2 [μm]. The electric field strength shown on the vertical axis indicates the magnification with respect to the case without the texture structure, where 1 is the case where the substrate 1 is not provided with the texture structure 1a. The angle θ of the cross section of the texture structure 1a was 55 °.

図5に示すように、テクスチャの間隔dが光の波長と同程度の場合に、電界強度が最も高くなる。また、テクスチャの間隔dが光の波長より長くなった場合でも、一定の電界強度増大効果があることが分かる。例えば、波長1.2[μm]の光に対しては、テクスチャの間隔dが1.2[μm]の時に最も電界強度が大きくなる。また、テクスチャの間隔dが1.2[μm]より長くなっても、電界強度は1を超えており、電界強度増大効果がある。   As shown in FIG. 5, the electric field strength is highest when the texture interval d is approximately the same as the wavelength of light. It can also be seen that there is a certain effect of increasing the electric field strength even when the texture interval d is longer than the wavelength of light. For example, for light having a wavelength of 1.2 [μm], the electric field strength is greatest when the texture interval d is 1.2 [μm]. Further, even when the texture interval d is longer than 1.2 [μm], the electric field strength exceeds 1, and there is an effect of increasing the electric field strength.

図6A及び図6Bは、量子ドット層4をInAsにより形成し、障壁層5をGaAsにより形成した量子ドット太陽電池において、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴って、理論的なエネルギー限界効率がどの程度向上するかを示す図である。図6Aは、非集光の条件下、図6Bは1000倍集光の条件下での結果を示している。また、図6A及び図6Bにおいて、量子ドット太陽電池の結果を実線で示し、量子ドット層4を備えていない太陽電池(以下、バルク太陽電池と呼ぶ)の結果を点線で示している。   FIG. 6A and FIG. 6B show the theory that, in the quantum dot solar cell in which the quantum dot layer 4 is formed of InAs and the barrier layer 5 is formed of GaAs, as the electric field strength of sunlight corresponding to the intersubband transition increases. It is a figure which shows how much a typical energy marginal efficiency improves. FIG. 6A shows the results under non-condensing conditions, and FIG. 6B shows the results under 1000 times condensing conditions. Moreover, in FIG. 6A and 6B, the result of the quantum dot solar cell is shown with the continuous line, and the result of the solar cell (henceforth a bulk solar cell) which is not equipped with the quantum dot layer 4 is shown with the dotted line.

バルク遷移の光吸収係数を10000cm−1、インターバンド間遷移の光吸収係数を5000cm−1、サブバンド間の光吸収係数を500cm−1とした。また、ベース層2、エミッタ層7の厚みをそれぞれ0.5μm、量子ドット層4の厚みを3μmとした。図6A及び図6Bでは、基板1にテクスチャ構造1aが無い場合の電界強度を1倍とし、それに対してテクスチャ構造1aを設けて電界強度を増大させた場合のエネルギー変換効率を示している。 The optical absorption coefficient of the bulk transition 10000 cm -1, the optical absorption coefficient between interband transition 5000 cm -1, and the optical absorption coefficient of intersubband and 500 cm -1. The thickness of the base layer 2 and the emitter layer 7 was 0.5 μm, and the thickness of the quantum dot layer 4 was 3 μm. 6A and 6B show the energy conversion efficiency when the electric field strength is increased by a factor of 1 when the texture structure 1a is not present on the substrate 1 and the electric field strength is increased by providing the texture structure 1a.

図6Aに示すように、非集光条件下では、電界強度が低いと、量子ドット太陽電池のエネルギー変換効率がバルク太陽電池のエネルギー変換効率を下回ってしまう。一方、電界強度を3〜4倍程度にできれば、量子ドット太陽電池のエネルギー変換効率は、バルク太陽電池のエネルギー変換効率を十分に上回る。   As shown in FIG. 6A, under non-condensing conditions, if the electric field strength is low, the energy conversion efficiency of the quantum dot solar cell is lower than the energy conversion efficiency of the bulk solar cell. On the other hand, if the electric field intensity can be increased to about 3 to 4 times, the energy conversion efficiency of the quantum dot solar cell sufficiently exceeds the energy conversion efficiency of the bulk solar cell.

一方、図6Bに示すように、1000倍集光の条件下では、量子ドット太陽電池のエネルギー変換効率がバルク太陽電池のエネルギー変換効率を下回ることはない。特に、量子ドット太陽電池では、電界強度が3〜4倍程度になるまでは、電界強度の増大に伴ってエネルギー変換効率が上昇する。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, the energy conversion efficiency of the quantum dot solar cell does not fall below the energy conversion efficiency of the bulk solar cell under the condition of 1000 times condensing. In particular, in the quantum dot solar cell, the energy conversion efficiency increases as the electric field strength increases until the electric field strength becomes about 3 to 4 times.

図7A及び図7Bは、量子ドット層4をInAsにより形成し、障壁層5をIn0.48Ga0.52Pにより形成した量子ドット太陽電池において、サブバンド間遷移に相当する太陽光の電界強度の増大に伴って理論的なエネルギー限界効率がどの程度向上するかを示す図である。図7Aは、非集光の条件下、図7Bは1000倍集光の条件下での結果を示している。また、図7A及び図7Bにおいて、量子ドット太陽電池の結果を実線で示し、バルク太陽電池の結果を点線で示している。 7A and 7B show an increase in the electric field strength of sunlight corresponding to the transition between subbands in a quantum dot solar cell in which the quantum dot layer 4 is formed of InAs and the barrier layer 5 is formed of In 0.48 Ga 0.52 P. It is a figure which shows how much theoretical energy limit efficiency improves in connection. FIG. 7A shows the results under non-condensing conditions, and FIG. 7B shows the results under 1000 times condensing conditions. Moreover, in FIG. 7A and FIG. 7B, the result of the quantum dot solar cell is shown with the continuous line, and the result of the bulk solar cell is shown with the dotted line.

図7A及び図7Bに示すように、量子ドット層4をInAsにより形成し、障壁層5をIn0.48Ga0.52P により形成した量子ドット太陽電池では、非集光条件下及び1000倍集光条件下のいずれの条件下でも、量子ドット太陽電池のエネルギー変換効率がバルク太陽電池のエネルギー変換効率を下回ることはない。特に、量子ドット太陽電池では、非集光条件下及び1000倍集光条件下のいずれの条件下でも、電界強度が5倍程度までは、電界強度の増大に伴ってエネルギー変換効率が上昇する。 As shown in FIGS. 7A and 7B, in the quantum dot solar cell in which the quantum dot layer 4 is formed of InAs and the barrier layer 5 is formed of In 0.48 Ga 0.52 P, the non-condensing condition and the 1000 times condensing condition are used. Under any of the conditions, the energy conversion efficiency of the quantum dot solar cell does not fall below the energy conversion efficiency of the bulk solar cell. In particular, in a quantum dot solar cell, the energy conversion efficiency increases as the electric field strength increases up to about five times the electric field strength under both non-condensing conditions and 1000 times condensing conditions.

量子ドット層4をInAsにより形成し、障壁層5をIn0.48Ga0.52Pにより形成した量子ドット太陽電池では、障壁層5がワイドバンドギャップを有するため、電界強度の増強がより重要であることが分かる。 In the quantum dot solar cell in which the quantum dot layer 4 is formed of InAs and the barrier layer 5 is formed of In 0.48 Ga 0.52 P, the barrier layer 5 has a wide band gap, so that the enhancement of the electric field strength is more important. I understand.

本実施形態における太陽電池のうち、基板1のテクスチャ構造1a以外の部分は、既知の方法、例えば特許第5509059号に記載の方法により作製することができる。例えば、基板1を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、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1の上にベース層2及び障壁層5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4を形成する。この障壁層5と量子ドット層4との結晶成長の繰り返しを行い、超格子半導体層6を形成する。続いて、超格子半導体層6の上にエミッタ層7、エミッタ層7の上に窓層8、窓層8の上にコンタクト層9を形成する。続いて、コンタクト層9上に、フォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛形電極をマスクとして、もしくは新たにマスク層を形成して、コンタクト層9を選択エッチングして上部電極10を形成する。また、下部電極11は、後述する方法によって基板1の裏面にテクスチャ構造1aを形成した後に形成する。   Of the solar cell in the present embodiment, the part other than the texture structure 1a of the substrate 1 can be produced by a known method, for example, a method described in Japanese Patent No. 5509059. For example, the substrate 1 is cleaned with an organic cleaning solution, etched with a sulfuric acid-based etching solution, further washed with running water, and then installed in the MOCVD apparatus. After a GaAs layer to be a base layer 2 and a barrier layer 5 is grown on the substrate 1, a quantum dot layer 4 made of InAs is formed by using a self-organization mechanism. Crystal growth of the barrier layer 5 and the quantum dot layer 4 is repeated to form the superlattice semiconductor layer 6. Subsequently, an emitter layer 7 is formed on the superlattice semiconductor layer 6, a window layer 8 is formed on the emitter layer 7, and a contact layer 9 is formed on the window layer 8. Subsequently, a comb-shaped electrode is formed on the contact layer 9 by photolithography and lift-off technology, and this comb-shaped electrode is used as a mask or a new mask layer is formed, and the contact layer 9 is selectively etched to etch the upper electrode 10. Form. The lower electrode 11 is formed after the texture structure 1a is formed on the back surface of the substrate 1 by a method described later.

以下では、基板1のテクスチャ構造1aの作製方法について説明する。図8A〜図8Dは、基板1のテクスチャ構造1aの作製方法を説明するための図である。図8Aは、既知の方法により作製された量子ドット太陽電池を示している。この状態では、基板1にはテクスチャ構造1aは作製されていない。   Below, the preparation methods of the texture structure 1a of the board | substrate 1 are demonstrated. 8A to 8D are views for explaining a method for producing the texture structure 1 a of the substrate 1. FIG. 8A shows a quantum dot solar cell made by a known method. In this state, the texture structure 1 a is not formed on the substrate 1.

この状態で、太陽電池の受光面をレジスト等で保護し、基板1の裏面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー技術を用いる事で図8Bに示すように、レジスト80を形成する 。   In this state, the light-receiving surface of the solar cell is protected with a resist or the like, and after applying the resist to the back surface of the substrate 1, a resist 80 is formed as shown in FIG. 8B by using a photolithography technique.

続いて、図8Cに示すように、ウェットエッチングにより、基板1の裏面にテクスチャ構造1aを形成する。ウェットエッチングは、例えば硫酸と過酸化水素水との混合液や、リン酸と過酸化水素水との混合液を用いることができる。ウェットエッチングに用いる溶液の濃度や温度は、テクスチャ構造1aのサイズや形状に合わせて適宜選択することができる。   Subsequently, as shown in FIG. 8C, a texture structure 1a is formed on the back surface of the substrate 1 by wet etching. For the wet etching, for example, a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution or a mixed solution of phosphoric acid and hydrogen peroxide solution can be used. The concentration and temperature of the solution used for wet etching can be appropriately selected according to the size and shape of the texture structure 1a.

この後、図8Dに示すように、テクスチャ構造1aを形成した基板1の裏面に下部電極11 を形成する。下部電極11はオーミックを取れる材料であれば良いが、ITOなどの透明電極よりも、AuGe/Ni/Auなどの金属が良い。これは、金属の方が透明電極よりも長波長光に対する反射率がより高いためである。下部電極11の作製は、電子ビーム蒸着やスパッタなどを用いる。なお、下部電極11は、一部領域をリセスエッチングすることにより、ベース層2に直接形成してもよい。   Thereafter, as shown in FIG. 8D, a lower electrode 11 is formed on the back surface of the substrate 1 on which the texture structure 1a is formed. The lower electrode 11 may be any material that can take ohmic contact, but a metal such as AuGe / Ni / Au is better than a transparent electrode such as ITO. This is because the metal has a higher reflectivity for long-wavelength light than the transparent electrode. The lower electrode 11 is produced using electron beam evaporation or sputtering. The lower electrode 11 may be formed directly on the base layer 2 by recess etching a part of the region.

なお、下部電極11は、電極の裏面(基板1と接しない側の面)が平面になるように形成(積層)してもよい。図9は、下部電極11の裏面が平面になるように形成された太陽電池100の構成を示す図である。   The lower electrode 11 may be formed (laminated) so that the back surface of the electrode (the surface not in contact with the substrate 1) is a flat surface. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the solar cell 100 formed so that the back surface of the lower electrode 11 is a flat surface.

テクスチャ構造1aの作製プロセスの容易さの観点から、次のような作製方法を採用してもよい。すなわち、基板1上にコンタクト層9、窓層8、エミッタ層7、超格子半導体層6、ベース層2を順に形成し、その後、融着技術等により、別の支持基板(例えばシリコン基板やプラスチック基板)に転写する。そして、元の基板1を剥離した後で基板1にテクスチャ構造を形成する。テクスチャ構造が始めから形成されていた基板1に、量子ドット太陽電池素子を転写しても良い。このような手法を用いる別の利点として、薄い基板を用いられる事から、基板による光吸収(フリーキャリア吸収)を抑制する事ができる。   From the viewpoint of the ease of the production process of the texture structure 1a, the following production method may be employed. That is, the contact layer 9, the window layer 8, the emitter layer 7, the superlattice semiconductor layer 6, and the base layer 2 are formed in this order on the substrate 1, and then another supporting substrate (for example, a silicon substrate or plastic) is formed by a fusion technique or the like. Transfer to the substrate. Then, after peeling off the original substrate 1, a texture structure is formed on the substrate 1. You may transfer a quantum dot solar cell element to the board | substrate 1 from which the texture structure was formed from the beginning. As another advantage of using such a method, since a thin substrate is used, light absorption (free carrier absorption) by the substrate can be suppressed.

[第2の実施形態]
図10は、第2の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第2の実施形態における太陽電池では、基板1のテクスチャ構造1bが四角錐台により形成されている。
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the second embodiment. In the solar cell in the second embodiment, the texture structure 1b of the substrate 1 is formed by a quadrangular frustum.

テクスチャ構造1bのテクスチャの間隔d [μm]は、第1の実施形態における太陽電池と同様に、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×3とすることが好ましい。特に、第1の実施形態で説明したように、テクスチャの間隔dは1.24/Eciに近ければ近い程よく、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×1.5であるとさらに好ましい。   The texture interval d [μm] of the texture structure 1b is preferably 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24 / Eci × 3, as in the solar cell in the first embodiment. In particular, as described in the first embodiment, it is better that the texture interval d is closer to 1.24 / Eci, and further when 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24 / Eci × 1.5. preferable.

図11は、基板1のテクスチャ構造1bの部分拡大図である。図11に示すテクスチャ構造1bの断面の角度θは、例えば15°<θ<50°であれば、光路長増大効果が大きいため好ましい。また、図11に示す四角錐台の下面の一辺e[μm]は、あまり大きくない方が光路長増大効果が大きい。従って、e[μm]は、0<e<1.24/Eci/2とすることが好ましい。   FIG. 11 is a partially enlarged view of the texture structure 1 b of the substrate 1. For example, if the angle θ of the cross section of the texture structure 1b shown in FIG. 11 is 15 ° <θ <50 °, the effect of increasing the optical path length is great. Further, the effect of increasing the optical path length is greater when the side e [μm] of the lower surface of the quadrangular pyramid shown in FIG. 11 is not so large. Therefore, e [μm] is preferably 0 <e <1.24 / Eci / 2.

本実施形態における太陽電池の製造方法のうち、第1の実施形態における太陽電池の製造方法と異なる部分、すなわち、基板1のテクスチャ構造1bの製造方法について説明する。例えば、図8Bを用いて説明した、基板1の裏面に形成するレジスト80として、水平方向の幅が広いレジストを用いれば、凸部が平面状の四角錐台の構造であるテクスチャ構造1bを形成することができる。   Of the method for manufacturing a solar cell in the present embodiment, a part different from the method for manufacturing a solar cell in the first embodiment, that is, a method for manufacturing the texture structure 1b of the substrate 1 will be described. For example, if a resist having a wide horizontal width is used as the resist 80 to be formed on the back surface of the substrate 1 as described with reference to FIG. 8B, the texture structure 1b having the structure of a quadrangular pyramid with a flat projection is formed. can do.

[第3の実施形態]
図12は、第3の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第3の実施形態における太陽電池100では、太陽電池100の裏面ではなく、受光面にテクスチャ構造120aを設けている。
[Third Embodiment]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the third embodiment. In the solar cell 100 according to the third embodiment, the texture structure 120a is provided on the light receiving surface instead of the back surface of the solar cell 100.

第3の実施形態における太陽電池100では、受光面にテクスチャ構造120aを設けるために、窓層8の上に、テクスチャ形成用の半導体層120を形成している。すなわち、半導体層120の受光面側にテクスチャ構造120aを形成する。半導体層120は、例えば、エミッタ層7や窓層8と同じ材料を用いて形成することができる。   In the solar cell 100 in the third embodiment, the texture forming semiconductor layer 120 is formed on the window layer 8 in order to provide the texture structure 120 a on the light receiving surface. That is, the texture structure 120 a is formed on the light receiving surface side of the semiconductor layer 120. The semiconductor layer 120 can be formed using, for example, the same material as the emitter layer 7 and the window layer 8.

太陽電池100の受光面にテクスチャ構造120aを設けた場合でも、入射光が屈折して斜め方向に入射することにより、入射光の光路長が増大する。これにより、サブバンド間遷移による長波長光の吸収度合を向上させることができる。   Even when the texture structure 120a is provided on the light receiving surface of the solar cell 100, the incident light is refracted and incident in an oblique direction, so that the optical path length of the incident light is increased. Thereby, the absorption degree of the long wavelength light by intersubband transition can be improved.

本実施形態における太陽電池の製造方法のうち、第1の実施形態における太陽電池の製造方法と異なる部分について説明する。本実施形態における太陽電池では、基板1の裏面にテクスチャ構造を形成しない。また、窓層8の上に半導体層120を形成してから、半導体層120の上にコンタクト層9を形成する。この後、第1の実施形態で説明したように上部電極10を形成した後、第1の実施形態で説明した基板1のテクスチャ構造1aの形成方法と同じ方法により、半導体層120にテクスチャ構造120aを形成する。   Of the solar cell manufacturing method according to the present embodiment, parts different from the solar cell manufacturing method according to the first embodiment will be described. In the solar cell in the present embodiment, no texture structure is formed on the back surface of the substrate 1. Further, after forming the semiconductor layer 120 on the window layer 8, the contact layer 9 is formed on the semiconductor layer 120. Thereafter, after forming the upper electrode 10 as described in the first embodiment, the texture structure 120a is formed on the semiconductor layer 120 by the same method as the method for forming the texture structure 1a of the substrate 1 described in the first embodiment. Form.

[第4の実施形態]
図13は、第4の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第4の実施形態における太陽電池100では、太陽電池100の裏面だけでなく受光面にもテクスチャ構造を設けている。すなわち、基板1の裏面にテクスチャ構造1aを形成するとともに、窓層8の上に形成した半導体層120にもテクスチャ構造120aを形成する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 13: is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell in 4th Embodiment. In the solar cell 100 according to the fourth embodiment, not only the back surface of the solar cell 100 but also the light receiving surface is provided with a texture structure. That is, the texture structure 1 a is formed on the back surface of the substrate 1, and the texture structure 120 a is also formed on the semiconductor layer 120 formed on the window layer 8.

基板1に形成するテクスチャ構造1aは、第1の実施形態で説明したテクスチャ構造と同じ構造とすることができる。また、太陽電池100の受光面に形成するテクスチャ構造120aは、第3の実施形態で説明したテクスチャ構造と同じ構造とすることができる。第3の実施形態で説明したように、テクスチャ形成用の半導体層120は、例えば、エミッタ層7や窓層8と同じ材料を用いて形成することができる。   The texture structure 1a formed on the substrate 1 can be the same structure as the texture structure described in the first embodiment. Moreover, the texture structure 120a formed on the light receiving surface of the solar cell 100 can be the same as the texture structure described in the third embodiment. As described in the third embodiment, the texture-forming semiconductor layer 120 can be formed using, for example, the same material as the emitter layer 7 and the window layer 8.

第4の実施形態における太陽電池100によれば、太陽電池100の裏面だけでなく受光面にもテクスチャ構造を設けるので、裏面だけ、または受光面だけにテクスチャ構造を設けた構成と比べて、サブバンド間遷移による長波長光の吸収度合をさらに向上させることができる。   According to the solar cell 100 in the fourth embodiment, since the texture structure is provided not only on the back surface of the solar cell 100 but also on the light receiving surface, the substructure is compared with the configuration in which the texture structure is provided only on the back surface or only on the light receiving surface. The degree of absorption of long-wavelength light due to interband transition can be further improved.

第4の実施形態における太陽電池において、基板1のテクスチャ構造1aは第1の実施形態で説明した方法により形成することができ、半導体層120のテクスチャ構造120aは、第3の実施形態で説明した方法により形成することができる。   In the solar cell in the fourth embodiment, the texture structure 1a of the substrate 1 can be formed by the method described in the first embodiment, and the texture structure 120a of the semiconductor layer 120 has been described in the third embodiment. It can be formed by a method.

[第5の実施形態]
図14は、第5の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第5の実施形態における太陽電池では、下部電極11が上部電極10と同じくグリッド電極である。下部電極11以外の構造は、第4の実施形態における太陽電池の構成と同じである。
[Fifth Embodiment]
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the fifth embodiment. In the solar cell according to the fifth embodiment, the lower electrode 11 is a grid electrode like the upper electrode 10. The structure other than the lower electrode 11 is the same as the configuration of the solar cell in the fourth embodiment.

本実施形態における太陽電池のうち、第4の実施形態における太陽電池の製造方法と異なる部分について説明する。下部電極11は、上部電極10の形成方法と同じ方法によって基板1の裏面にグリッド電極を形成する。この後、第1の実施形態で説明したテクスチャ構造1aの形成方法と同じ方法によって、基板1にテクスチャ構造1aを形成する。   Of the solar cell in this embodiment, a part different from the solar cell manufacturing method in the fourth embodiment will be described. The lower electrode 11 forms a grid electrode on the back surface of the substrate 1 by the same method as the method for forming the upper electrode 10. Thereafter, the texture structure 1a is formed on the substrate 1 by the same method as that for forming the texture structure 1a described in the first embodiment.

[第6の実施形態]
図15は、第6の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第6の実施形態における太陽電池100では、基板1に設けられたテクスチャ構造1cのテクスチャの間隔dが均一ではない。具体的には、テクスチャの間隔d[μm]として、d1[μm]とd2[μm]の2種類の間隔を有するテクスチャ構造1cとなっている。
[Sixth Embodiment]
FIG. 15: is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell in 6th Embodiment. In the solar cell 100 in the sixth embodiment, the texture interval d of the texture structure 1 c provided on the substrate 1 is not uniform. Specifically, the texture structure 1c has two types of intervals, d1 [μm] and d2 [μm], as the texture interval d [μm].

2種類のテクスチャの間隔d1[μm]、d2[μm]は、次式(1)〜(3)の関係を満たすようにする。ただし、式(1)のEQD[eV]は、図3を用いて説明したように、量子ドット層4のバンドギャップである。
1.24/EQD≦d2≦1.24/EQD×3 …(1)
1.24/Eci≦d1≦1.24/Eci×3 …(2)
d1>d2 …(3)
The distances d1 [μm] and d2 [μm] between the two types of textures satisfy the relationships of the following expressions (1) to (3). However, EQD [eV] in the equation (1) is a band gap of the quantum dot layer 4 as described with reference to FIG.
1.24 / EQD ≦ d2 ≦ 1.24 / EQD × 3 (1)
1.24 / Eci ≦ d1 ≦ 1.24 / Eci × 3 (2)
d1> d2 (3)

2種類のテクスチャの間隔d1[μm]、d2[μm]は、交互に配列されている。ただし、2種類のテクスチャの間隔d1[μm]、d2[μm]をランダムに配列してもよい。   The distances d1 [μm] and d2 [μm] between the two types of textures are alternately arranged. However, the distances d1 [μm] and d2 [μm] between the two types of textures may be randomly arranged.

上述したように、間隔d1のテクスチャを設けることにより、サブバンド間遷移に対応するEciのエネルギーを持つ光の吸収度合を向上させることができる。また、間隔d2のテクスチャを設けることにより、インターバンド遷移に対応するEQDのエネルギーを持つ光の吸収度合を向上させることができる。従って、2種類のテクスチャ間隔d1[μm]、d2[μm]を有するテクスチャ構造1cを基板1に形成することにより、量子ドット層4におけるインターバンド間遷移の光吸収と、サブバンド間遷移の光吸収の両方を効率的に起こすことができる。   As described above, the degree of absorption of light having Eci energy corresponding to the intersubband transition can be improved by providing the texture of the interval d1. Further, by providing the texture with the interval d2, it is possible to improve the degree of absorption of light having EQD energy corresponding to the interband transition. Therefore, by forming the texture structure 1c having two types of texture intervals d1 [μm] and d2 [μm] on the substrate 1, light absorption of inter-band transition and light of inter-subband transition in the quantum dot layer 4 are obtained. Both absorptions can occur efficiently.

なお、2種類のテクスチャ間隔d1[μm]、d2[μm]を有するテクスチャ構造は、第3の実施形態で説明したように、太陽電池100の受光面に形成してもよいし、第4の実施形態で説明したように、太陽電池100の受光面と裏面の両面に形成してもよい。   The texture structure having two kinds of texture intervals d1 [μm] and d2 [μm] may be formed on the light receiving surface of the solar cell 100 as described in the third embodiment, or the fourth As described in the embodiment, the solar cell 100 may be formed on both the light receiving surface and the back surface.

本実施形態における太陽電池では、図8Bを用いて説明した、基板1の裏面に形成するレジスト80として、2種類の水平方向の幅を有するレジストを用いることにより、2種類のテクスチャ間隔dを有するテクスチャ構造を形成することができる。   In the solar cell according to the present embodiment, the resist 80 formed on the back surface of the substrate 1 described with reference to FIG. 8B has two types of texture intervals d by using two types of resists having horizontal widths. A texture structure can be formed.

[第7の実施形態 ]
第1〜第6の実施形態では、SK成長を用いた量子ドット太陽電池について説明した。しかしながら、量子ドット太陽電池は、コロイド量子ドット太陽電池であってもよい。
[Seventh Embodiment]
In the first to sixth embodiments, quantum dot solar cells using SK growth have been described. However, the quantum dot solar cell may be a colloidal quantum dot solar cell.

図16は、第7の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。この量子ドット太陽電池100は、コロイド量子ドット太陽電池であり、図16では、コア/シェル型の量子ドット太陽電池の構成の一例を示している。すなわち、量子ドット3Aは、コア/シェル型コロイド量子ドットである。   FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the seventh embodiment. This quantum dot solar cell 100 is a colloidal quantum dot solar cell, and FIG. 16 shows an example of the configuration of a core / shell type quantum dot solar cell. That is, the quantum dot 3A is a core / shell colloidal quantum dot.

図16に示すコア/シェル型の量子ドット太陽電池100では、基板1の上にスズドープ酸化インジウム(ITO)やフッ素ドープ酸化スズ(FTO)の層160が形成されており、さらにその上にTiO層161が形成されている。また、TiO層161の上には、量子ドット3Aを含む量子ドット層162が形成されており、さらにその上に上部電極10が設けられている。基板1の裏面にテクスチャ構造1aが設けられており、裏面に下部電極11が設けられているのは、図1に示す太陽電池100と同じである。 In the core / shell type quantum dot solar cell 100 shown in FIG. 16, a layer 160 of tin-doped indium oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO) is formed on the substrate 1, and TiO 2 is further formed thereon. A layer 161 is formed. Further, a quantum dot layer 162 including the quantum dots 3A is formed on the TiO 2 layer 161, and the upper electrode 10 is further provided thereon. The texture structure 1a is provided on the back surface of the substrate 1, and the lower electrode 11 is provided on the back surface, as in the solar cell 100 shown in FIG.

コロイド量子ドットは、コア/シェル型に限定されることはない。量子ドットの材料としては、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などを用いることができる。   The colloidal quantum dots are not limited to the core / shell type. Examples of the material of the quantum dot include 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, or the like can be used.

コア/シェル型量子ドットの材料としては、上述した材料を組み合わせて用いることができる。例えば、コア/シェルの材料の組み合わせとして、CdS/ZnSe、PbS/CdS、PbSe/CdSe、PbSe/PbS、PbTe/CdTe、InAs/InGaAs、InN/InGaN、InSb/GaSb、InGaP/GaPを用いることができる。   As materials for the core / shell type quantum dots, the above-mentioned materials can be used in combination. For example, CdS / ZnSe, PbS / CdS, PbSe / CdSe, PbSe / PbS, PbTe / CdTe, InAs / InGaAs, InN / InGaN, InSb / GaSb, InGaP / GaP may be used as the core / shell material combination. it can.

例えば、PbSe/CdTeコアシェル量子ドットは、以下のように作製できる。PbSe量子ドットは、PbO、オレイン酸、1−オクタデセンを混ぜ、トリオクチルフォスフィンセレン化物を加えて180度で加熱する。次に、カドミウムシクロヘキサブチレートをオレヤミン中で加熱して作製した溶液と、セレン粉末をオクタデセン中で加熱して作製した溶液を、交互にPbSe量子ドット溶液中に注ぐ事でPbSe量子ドットにCdTeシェル層を形成できる。量子ドット3Aとしてコロイド量子ドットを用いることにより、スピンコーティングやインクジェットプリンティング等、基板1上に塗布する簡易な製造プロセスを用いることができる。   For example, a PbSe / CdTe core-shell quantum dot can be produced as follows. PbSe quantum dots are mixed with PbO, oleic acid, and 1-octadecene, added with trioctylphosphine selenide, and heated at 180 degrees. Next, a solution prepared by heating cadmium cyclohexabutyrate in oleamine and a solution prepared by heating selenium powder in octadecene are alternately poured into a PbSe quantum dot solution to form a CdTe shell on a PbSe quantum dot. Layers can be formed. By using colloidal quantum dots as the quantum dots 3A, a simple manufacturing process such as spin coating or ink jet printing applied on the substrate 1 can be used.

また、基板1として、プラスチック等のフレキシブル基板やガラスを用いることができる。 基板1の上に、スズドープ酸化インジウム(ITO)やフッ素ドープ酸化スズ(FTO)の層160をスパッタ等で成膜し、その上にTiO層161をスパッタ等で成膜する。さらにその上に、コロイド量子ドット3Aが含まれる溶液をスピンコーティング等で積層する。厚膜を得たい場合は、複数回スピンコートを行う。その後、Au/Ag電極などを蒸着法を用いて形成すれば、太陽電池として機能する。溶液としては、例えば、PbSe/CdTe−QDオクタン溶液を用いればよい。このような太陽電池は、ホールが量子ドット層162側に、電子がTiO層161側に流れる。すなわち、量子ドット層162がp型層、TiO層161がn型層として機能する。コアシェル型量子ドット材料を用いた方が、量子効果を得やすく、より好ましい。 As the substrate 1, a flexible substrate such as plastic or glass can be used. A layer 160 of tin-doped indium oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO) is formed on the substrate 1 by sputtering or the like, and a TiO 2 layer 161 is formed thereon by sputtering or the like. Further thereon, a solution containing the colloidal quantum dots 3A is laminated by spin coating or the like. If a thick film is desired, spin coating is performed multiple times. Thereafter, if an Au / Ag electrode or the like is formed by vapor deposition, it functions as a solar cell. For example, a PbSe / CdTe-QD octane solution may be used as the solution. In such a solar cell, holes flow to the quantum dot layer 162 side and electrons flow to the TiO 2 layer 161 side. That is, the quantum dot layer 162 functions as a p-type layer, and the TiO 2 layer 161 functions as an n-type layer. The use of the core-shell type quantum dot material is more preferable because the quantum effect is easily obtained.

図17は、本実施形態におけるコロイド量子ドット太陽電池のエネルギーバンドを模式的に示す図である。図17では、インターバンド遷移21A、サブバンド間遷移22A、及びバルク遷移23Aをそれぞれ示している。   FIG. 17 is a diagram schematically showing an energy band of the colloidal quantum dot solar cell in the present embodiment. FIG. 17 illustrates an interband transition 21A, an intersubband transition 22A, and a bulk transition 23A.

[第8の実施形態]
図18は、第8の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第8の実施形態における太陽電池100は、第5の実施形態における太陽電池の構成に加えて、波長変換粒子170をさらに備える。波長変換粒子170は、光を吸収して、サブバンド間遷移によって吸収される光を放出する機能を有する。
[Eighth Embodiment]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the eighth embodiment. The solar cell 100 in the eighth embodiment further includes wavelength conversion particles 170 in addition to the configuration of the solar cell in the fifth embodiment. The wavelength converting particle 170 has a function of absorbing light and emitting light absorbed by intersubband transition.

基板1のテクスチャ構造1aは、吸収できなかった光を効果的に反射する構造であるが、理想的に全ての光を反射できるわけではない。従って、波長変換粒子170を設けて、基板1で反射できなかった光を波長変換粒子170で吸収し、サブバンド間遷移によって吸収される光を放出することにより、サブバンド間遷移による長波長光の吸収度合をさらに向上させるようにする。   Although the texture structure 1a of the substrate 1 is a structure that effectively reflects the light that could not be absorbed, it does not ideally reflect all the light. Therefore, by providing the wavelength conversion particle 170, the wavelength conversion particle 170 absorbs the light that could not be reflected by the substrate 1, and emits the light that is absorbed by the intersubband transition, whereby the long wavelength light due to the intersubband transition Further improve the degree of absorption.

波長変換粒子170は、基板1のテクスチャ構造1aの凹凸の凹部を埋めるように、基板1の裏面に成膜されている 。例えばオクタン溶液のような溶剤に含まれた波長変換粒子をスピンコート等で塗布し、その後例えば200℃で加熱する事により、溶剤が気化され波長変換粒子同士が密着し、成膜化できる。波長変換粒子170は、例えば1〜1000nm程度のナノ粒子蛍光体や半導体ナノ粒子からなる。粒子サイズは小さい程、テクスチャ構造1aの凹凸の凹部に隙間なく波長変換粒子を塗布することができ、1〜50nm程度の粒子がより好ましい。   The wavelength converting particles 170 are formed on the back surface of the substrate 1 so as to fill the concave and convex portions of the texture structure 1 a of the substrate 1. For example, when wavelength conversion particles contained in a solvent such as an octane solution are applied by spin coating or the like and then heated at, for example, 200 ° C., the solvent is vaporized and the wavelength conversion particles adhere to each other to form a film. The wavelength conversion particle 170 is made of, for example, a nanoparticle fluorescent material or semiconductor nanoparticle of about 1 to 1000 nm. As the particle size is smaller, the wavelength conversion particles can be applied to the concave and convex portions of the texture structure 1a without gaps, and particles of about 1 to 50 nm are more preferable.

波長変換粒子170は、フォトンエネルギーをEph[eV]とすると、Eci<Eph<EQDの帯域の太陽光エネルギーを吸収し、Eciのエネルギーを有する光に変換することが好ましい。これは、量子ドット3の光吸収スペクトル帯域が広くないからである。波長変換粒子170によって、サブバンド間遷移が可能な波長の光が放出されることにより、サブバンド間遷移によって長波長光の太陽光成分が効率的に吸収され、2段階光吸収が効率的に起こる。これにより、量子ドット3から効率的にキャリアが取り出され、電流が増大する。   When the photon energy is Eph [eV], the wavelength conversion particle 170 preferably absorbs sunlight energy in a band of Eci <Eph <EQD and converts it into light having Eci energy. This is because the light absorption spectrum band of the quantum dots 3 is not wide. The wavelength conversion particle 170 emits light having a wavelength capable of intersubband transition, so that the sunlight component of the long wavelength light is efficiently absorbed by the intersubband transition, and the two-stage light absorption is efficiently performed. Occur. Thereby, carriers are efficiently extracted from the quantum dots 3 and the current increases.

波長変換粒子170の材料は、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。例えば、PbS、PbSe、PbTe、CuInGaS、InAs、GaAs、AlAs、InSb、GaSb、AlSb、InP、GaP、AlP、InN、GaN、AlN、Si、Geや、これらの混晶材料を用いることができる。また、錯体材料、希土類イオン(Er3+、Pr3+、Tm3+等)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)、有機材料などを用いてもよい。   The material of the wavelength conversion particle 170 may be any material as long as it can shift the wavelength of sunlight. For example, PbS, PbSe, PbTe, CuInGaS, InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, AlP, InN, GaN, AlN, Si, Ge, and mixed crystal materials thereof can be used. Further, complex materials, rare earth ions (Er3 +, Pr3 +, Tm3 +, etc.), glass containing transition elements, Er-doped garnet crystals (YAG), organic materials, and the like may be used.

また、上述した材料をコアシェル構造、コアシェルシェル構造などに複数個用いてもよい。さらに、これらの材料を数ナノ〜数十ナノメートルのサイズとしてもよい。その場合には、サイズによりバンドギャップを自由に変えることができる。   A plurality of the above materials may be used for the core-shell structure, the core-shell structure, and the like. Furthermore, these materials may have a size of several nanometers to several tens of nanometers. In that case, the band gap can be freely changed depending on the size.

基板1に塗布する波長変換粒子170は、1種類だけでなく、2種類とする方が好ましい。これは、量子ドット3がサブバンド間遷移のみならず、インターバンド間遷移においても、光吸収スペクトル帯域が広くないためである。   The wavelength converting particles 170 applied to the substrate 1 are preferably not only one type but also two types. This is because the quantum dot 3 does not have a wide light absorption spectrum band not only in intersubband transition but also in interband transition.

図19は、波長変換粒子170aと波長変換粒子170bの2種類の波長変換粒子170を基板1に塗布した太陽電池100の構成を示す概略断面図である。波長変換粒子170aは、Eci<Eph<EQDの帯域の太陽光スペクトルをEciのエネルギーを有する光に変換し、波長変換粒子bは、EQD<Eph<Egの帯域の太陽光スペクトルをEQDのエネルギーを有する光に変換することが好ましい。これにより、サブバンド間遷移だけでなく、インターバンド遷移によって長波長光の太陽光成分を効率的に吸収することができる。   FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell 100 in which two types of wavelength conversion particles 170, wavelength conversion particles 170a and wavelength conversion particles 170b, are applied to the substrate 1. The wavelength converting particle 170a converts the sunlight spectrum in the band Eci <Eph <EQD into light having Eci energy, and the wavelength converting particle b converts the sunlight spectrum in the band EQD <Eph <Eg into the energy of EQD. It is preferable to convert it into the light which has. Thereby, the sunlight component of long wavelength light can be efficiently absorbed not only by the transition between subbands but by the interband transition.

ここで、波長変換粒子170aは、波長変換粒子170bが波長変換後に放出するフォトン(例えば、EQDのエネルギーを持つフォトン)、もしくは波長変換粒子170bが本来吸収すべきEQDよりも大きいエネルギーを持つフォトンを吸収してしまう可能性がある。従って、波長変換粒子170bに先に太陽光が入射するように、基板1の裏面にまず波長変換粒子170bを塗布し、その後に波長変換粒子170aを塗布することが好ましい。 なお、波長変換粒子170aの割合が、波長変換粒子170bよりも低い場合は、波長変換粒子170aと170bを混在して塗布しても良い。   Here, the wavelength conversion particle 170a is a photon emitted by the wavelength conversion particle 170b after wavelength conversion (for example, a photon having EQD energy) or a photon having an energy larger than the EQD that the wavelength conversion particle 170b should originally absorb. There is a possibility of absorption. Therefore, it is preferable that the wavelength conversion particle 170b is first applied to the back surface of the substrate 1 and then the wavelength conversion particle 170a is applied thereafter so that sunlight enters the wavelength conversion particle 170b first. In addition, when the ratio of the wavelength conversion particle 170a is lower than the wavelength conversion particle 170b, the wavelength conversion particles 170a and 170b may be mixed and applied.

本実施形態における太陽電池は、波長変換粒子以外の構成を、第5の実施形態における太陽電池と同じ方法により製造した後、下部電極11の裏面にレジストを配置して、基板1のテクスチャ構造1aの凹凸の凹部を埋めるように波長変換粒子を塗布することにより、製造することができる。   In the solar cell in this embodiment, the structure other than the wavelength conversion particles is manufactured by the same method as that in the solar cell in the fifth embodiment, and then a resist is disposed on the back surface of the lower electrode 11 to form the texture structure 1a of the substrate 1. It can manufacture by apply | coating a wavelength conversion particle | grain so that the recessed part of an unevenness | corrugation may be filled.

[第9の実施形態]
図20 は、第9の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第9の実施形態における太陽電池100では、ベース層2の上にバッファ層190を設け、ベース層2の両面のうち、バッファ層190と接する面にテクスチャ構造2aを設けている。超格子半導体層6は、バッファ層190の上に形成される。
[Ninth Embodiment]
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the ninth embodiment. In the solar cell 100 according to the ninth embodiment, the buffer layer 190 is provided on the base layer 2, and the texture structure 2 a is provided on the surface of the base layer 2 that is in contact with the buffer layer 190. Superlattice semiconductor layer 6 is formed on buffer layer 190.

第9の実施形態における太陽電池100によれば、太陽光が基板1に到達する前に、バッファ層190のテクスチャ構造2aで反射されるので、より効率的に光閉じ込めが生じる。これは基板自体が光吸収(フリーキャリア吸収)を起こす可能性があるためである。これにより、光吸収、特に長波長光の光吸収度合を向上させることができる。   According to the solar cell 100 in the ninth embodiment, since sunlight is reflected by the texture structure 2a of the buffer layer 190 before reaching the substrate 1, light confinement occurs more efficiently. This is because the substrate itself may cause light absorption (free carrier absorption). Thereby, light absorption, especially the light absorption degree of long wavelength light can be improved.

ベース層2に形成するテクスチャ構造2aは、第1の実施形態で説明した基板1のテクスチャ構造1aの形成方法と同じ方法により形成することができる。本実施形態における太陽電池の製造方法のうち、第1の実施形態で説明していない部分について説明すると、第1の実施形態において説明したように、パターニングされたレジストとエッチングとを用いてベース層2にテクスチャ構造2aを形成した後、ベース層2の上にバッファ層190を形成し、バッファ層190の上に、第1の実施形態で説明した方法と同じ方法によって超格子半導体層6を形成する。   The texture structure 2a formed on the base layer 2 can be formed by the same method as the formation method of the texture structure 1a of the substrate 1 described in the first embodiment. When the part which is not demonstrated in 1st Embodiment among the manufacturing methods of the solar cell in this embodiment is demonstrated, as demonstrated in 1st Embodiment, it is a base layer using the resist and etching which were patterned. After the texture structure 2a is formed on 2, the buffer layer 190 is formed on the base layer 2, and the superlattice semiconductor layer 6 is formed on the buffer layer 190 by the same method as described in the first embodiment. To do.

[第10の実施形態]
図21は、第10の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第10の実施形態における太陽電池100では、基板1とベース層2の間にバッファ層200を設け、基板1の両面のうち、バッファ層200と接する面にテクスチャ構造1dを設けている。この構造においても、太陽光が基板1の上面に設けられたテクスチャ構造1dで反射されるので、より効率的に光閉じ込めが生じ、光吸収、特に長波長光の光吸収度合を向上させることができる。
[Tenth embodiment]
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the tenth embodiment. In the solar cell 100 according to the tenth embodiment, the buffer layer 200 is provided between the substrate 1 and the base layer 2, and the texture structure 1 d is provided on the surface of the substrate 1 in contact with the buffer layer 200. Also in this structure, since sunlight is reflected by the texture structure 1d provided on the upper surface of the substrate 1, light confinement occurs more efficiently, and the light absorption, particularly the light absorption degree of long wavelength light, can be improved. it can.

基板1に形成するテクスチャ構造1dは、第1の実施形態で説明した基板1のテクスチャ構造1aの形成方法と同じ方法により形成することができる。本実施形態における太陽電池の製造方法のうち、第1の実施形態で説明していない部分について説明すると、基板1にテクスチャ構造1dを形成した後、基板1の上にバッファ層200を形成し、バッファ層200の上にベース層2を形成する。   The texture structure 1d formed on the substrate 1 can be formed by the same method as the formation method of the texture structure 1a of the substrate 1 described in the first embodiment. When the part which is not demonstrated in 1st Embodiment among the manufacturing methods of the solar cell in this embodiment is demonstrated, after forming the texture structure 1d in the board | substrate 1, the buffer layer 200 is formed on the board | substrate 1, Base layer 2 is formed on buffer layer 200.

[第11の実施形態]
第6の実施形態における太陽電池では、基板1に設けられたテクスチャ構造のテクスチャの間隔dが2種類であった。第11の実施形態における太陽電池では、基板1に設けられたテクスチャ構造のテクスチャの間隔dが3種類以上ある。
[Eleventh embodiment]
In the solar cell in the sixth embodiment, there are two kinds of texture intervals d of the texture structure provided on the substrate 1. In the solar cell in the eleventh embodiment, there are three or more kinds of texture intervals d of the texture structure provided on the substrate 1.

図22は、第11の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。図22に示す構成では、基板1に設けられたテクスチャ構造1eのテクスチャの間隔d[μm]として、d1[μm]、d2[μm]、d3[μm]の3種類ある。ただし、テクスチャの間隔d[μm]は、4種類以上であってもよい。また、3種類以上のテクスチャの間隔d[μm]は、規則的に並んでいてもよいし、不規則的に並んでいてもよい。   FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the eleventh embodiment. In the configuration shown in FIG. 22, there are three types of texture intervals d [μm] of the texture structure 1 e provided on the substrate 1, d1 [μm], d2 [μm], and d3 [μm]. However, the texture spacing d [μm] may be four or more. Further, the intervals d [μm] between the three or more types of textures may be regularly arranged or irregularly arranged.

3種類以上の間隔d[μm]のうち、最も短い間隔をdmin[μm]とすると、dmin[μm]は、1.24/EQD≦dminとなるように設定する。   If the shortest interval among the three or more types of intervals d [μm] is dmin [μm], dmin [μm] is set to satisfy 1.24 / EQD ≦ dmin.

第11の実施形態における太陽電池によれば、量子ドット層4におけるインターバンド間遷移の光吸収と、サブバンド間遷移の光吸収の両方が太陽光の広いスペクトル領域に渡って効率的に起こる。   According to the solar cell in the eleventh embodiment, both the inter-band transition light absorption and the inter-subband transition light absorption in the quantum dot layer 4 efficiently occur over a wide spectral region of sunlight.

なお、3種類のテクスチャ間隔d1[μm]、d2[μm]、d3[μm]を有するテクスチャ構造は、第3の実施形態で説明したように、太陽電池100の受光面に形成してもよいし、第4の実施形態で説明したように、太陽電池100の受光面と裏面の両面に形成してもよい。   The texture structure having three types of texture intervals d1 [μm], d2 [μm], and d3 [μm] may be formed on the light receiving surface of the solar cell 100 as described in the third embodiment. However, as described in the fourth embodiment, the solar cell 100 may be formed on both the light receiving surface and the back surface.

本実施形態における太陽電池では、図8Bを用いて説明した、基板1の裏面に形成するレジスト80として、3種類以上の水平方向の幅を有するレジストを用いることにより、3種類以上のテクスチャ間隔dを有するテクスチャ構造を形成することができる。   In the solar cell according to the present embodiment, as the resist 80 formed on the back surface of the substrate 1 described with reference to FIG. 8B, three or more types of texture intervals d are used by using a resist having three or more types of horizontal widths. A texture structure having can be formed.

[第12の実施形態]
第12の実施形態における太陽電池では、サブバンド間遷移によって吸収される光を少なくとも増大させるための光路長増大要素として、超格子半導体層6で吸収できなかった光を反射させるための反射膜を設ける。
[Twelfth embodiment]
In the solar cell in the twelfth embodiment, a reflection film for reflecting light that could not be absorbed by the superlattice semiconductor layer 6 was used as an optical path length increasing element for at least increasing light absorbed by the intersubband transition. Provide.

図23は、第12の実施形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。第12の実施形態における太陽電池100は、反射膜220を有する。反射膜220は、基板1の裏面に設けられており、1.24/Eci[μm]の波長の光を少なくとも反射する。   FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the twelfth embodiment. The solar cell 100 in the twelfth embodiment has a reflective film 220. The reflective film 220 is provided on the back surface of the substrate 1 and reflects at least light having a wavelength of 1.24 / Eci [μm].

サブバンド間遷移の光吸収の度合を向上させるため、反射膜220は、1.24/Eci[μm]の波長の光を最も効率的に反射することが好ましく、1.24/Eci[μm]の波長の光を90%以上反射させることが好ましい。反射膜220は、1.24/Eci[μm]の波長の光を効率的に反射できる膜であれば、多重積層膜であってもよいし、例えば銀を用いた金属膜でもよい。この反射膜220は、例えば真空蒸着法やスパッタ法を用いて形成することができる。   In order to improve the degree of light absorption of intersubband transition, the reflective film 220 preferably reflects light with a wavelength of 1.24 / Eci [μm] most efficiently, and 1.24 / Eci [μm]. It is preferable to reflect 90% or more of light having a wavelength of. The reflection film 220 may be a multi-layer film or a metal film using silver, for example, as long as it can efficiently reflect light having a wavelength of 1.24 / Eci [μm]. The reflective film 220 can be formed using, for example, a vacuum deposition method or a sputtering method.

基板1と反射膜220の間に、拡散板(散乱部材)を設けてもよい。拡散板を設けることにより、光を斜め方向に散乱させることができるので、反射光の光路長をさらに増大させることができる。   A diffusion plate (scattering member) may be provided between the substrate 1 and the reflective film 220. By providing the diffusion plate, light can be scattered in an oblique direction, so that the optical path length of the reflected light can be further increased.

以上、第1〜第12の実施形態における太陽電池によれば、各実施形態で説明したテクスチャ構造や反射膜等の光路長増大要素により、サブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させることができる。従って、この発明の実施形態による光電変換素子は、p型半導体層と、n型半導体層と、p型半導体層及びn型半導体層に挟まれ、量子ドットが障壁層によって囲まれた構造からなる超格子半導体層と、量子ドットの伝導帯側の中間バンドから障壁層の伝導帯への遷移であるサブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させる光路長増大要素とを備えていればよい。   As described above, according to the solar cell in the first to twelfth embodiments, at least the optical path length of the light absorbed by the intersubband transition is increased by the optical path length increasing element such as the texture structure and the reflective film described in each embodiment. Can be increased. Therefore, the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention has a structure in which a quantum dot is surrounded by a barrier layer, sandwiched between a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer. A superlattice semiconductor layer, and an optical path length increasing element that at least increases an optical path length of light absorbed by an intersubband transition that is a transition from the intermediate band on the conduction band side of the quantum dot to the conduction band of the barrier layer. Just do it.

本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、上述した実施形態では、光電変換素子を太陽電池に適用した例について説明したが、フォトディテクターとして使用することもできる。フォトディテクターとして使用する場合には、検出したい波長に合わせて設計すればよい。例えば、ECi=0.2eV(波長6μm)として、6μmの波長センシングデバイスとして使用することができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the above-described embodiment, an example in which the photoelectric conversion element is applied to a solar cell has been described. However, the photoelectric conversion element can also be used as a photodetector. When used as a photodetector, it may be designed according to the wavelength to be detected. For example, ECi = 0.2 eV (wavelength 6 μm) can be used as a 6 μm wavelength sensing device.

また、SK成長法で作製した量子ドット太陽電池をフレキシブル基板やプラスチック基板に転写しても良い。その場合は、予めテクスチャ構造を設けた基板に転写すれば良く、量子ドット太陽電池そのものがテクスチャ構造作製の際に用いるウェットエッチング工程やドライエッチング工程に晒されない。   Further, a quantum dot solar cell manufactured by the SK growth method may be transferred to a flexible substrate or a plastic substrate. In that case, it may be transferred to a substrate provided with a texture structure in advance, and the quantum dot solar cell itself is not exposed to the wet etching process or the dry etching process used in producing the texture structure.

上述した実施形態では、ベース層2をn型半導体層、エミッタ層7をp型半導体層として説明したが、ベース層2をp型半導体層、エミッタ層7をn型半導体層としてもよい。   In the above-described embodiment, the base layer 2 is described as an n-type semiconductor layer and the emitter layer 7 as a p-type semiconductor layer. However, the base layer 2 may be a p-type semiconductor layer and the emitter layer 7 may be an n-type semiconductor layer.

また、上述した実施形態で説明した特徴は、適宜組み合わせて用いることができる。   The features described in the above-described embodiments can be used in appropriate combination.

1 基板
1a、1b、1c、1d、1e、120a テクスチャ構造
2 ベース層
3、3A 量子ドット
4 量子ドット層
5 障壁層
6 超格子半導体層
7 エミッタ層
100 太陽電池110 半導体層
220 反射膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 120a Texture structure 2 Base layer 3, 3A Quantum dot 4 Quantum dot layer 5 Barrier layer 6 Superlattice semiconductor layer 7 Emitter layer 100 Solar cell 110 Semiconductor layer 220 Reflective film

Claims (10)

p型半導体層と、
n型半導体層と、
前記p型半導体層及び前記n型半導体層に挟まれ、量子ドットが障壁層によって囲まれた構造からなる超格子半導体層と、
前記量子ドットの伝導帯側の中間バンドから前記障壁層の伝導帯への遷移であるサブバンド間遷移によって吸収される光の光路長を少なくとも増大させる光路長増大要素と、
を備える光電変換素子。
a p-type semiconductor layer;
an n-type semiconductor layer;
A superlattice semiconductor layer having a structure in which a quantum dot is surrounded by a barrier layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer;
An optical path length increasing element that at least increases the optical path length of the light absorbed by the intersubband transition that is a transition from the intermediate band on the conduction band side of the quantum dot to the conduction band of the barrier layer;
A photoelectric conversion element comprising:
前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面とは反対の裏面に形成されたテクスチャ構造である、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the optical path length increasing element is a texture structure formed on a back surface opposite to a light receiving surface of the photoelectric conversion element. 前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面に形成されたテクスチャ構造である、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the optical path length increasing element is a texture structure formed on a light receiving surface of the photoelectric conversion element. 前記テクスチャ構造のテクスチャの間隔dは、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEciとすると、1.24/Eci≦d≦1.24/Eci×3の関係を有する、請求項2または3に記載の光電変換素子。   The texture interval d of the texture structure is 1.24 / Eci ≦ d ≦ 1.24, where Eci is the energy from the ground level of the conduction band of the quantum dots to the lower level of the conduction band of the barrier layer. The photoelectric conversion element of Claim 2 or 3 which has a relationship of / Ecix3. 前記テクスチャ構造のテクスチャの間隔には第1の間隔と第2の間隔が含まれている、請求項2から4のいずれか一項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to any one of claims 2 to 4, wherein the texture interval of the texture structure includes a first interval and a second interval. 前記第1の間隔をd1、前記第2の間隔をd2、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEci、前記量子ドットの価電子帯の基底準位から前記量子ドットの伝導帯の基底準位までのエネルギーをEQDとすると、1.24/EQD≦d2≦1.24/EQD×3、1.24/Eci≦d1≦1.24/Eci×3、d1>d2の関係を有する、請求項5に記載の光電変換素子。   The first interval is d1, the second interval is d2, the energy from the ground level of the conduction band of the quantum dot to the bottom level of the conduction band of the barrier layer is Eci, and the valence band of the quantum dot Assuming that the energy from the ground level to the ground level of the conduction band of the quantum dots is EQD, 1.24 / EQD ≦ d2 ≦ 1.24 / EQD × 3, 1.24 / Eci ≦ d1 ≦ 1.24 The photoelectric conversion element according to claim 5, having a relationship of / Eci × 3 and d1> d2. 前記裏面に形成されたテクスチャ構造の凹凸の凹部に配置され、入射した光を吸収して、前記サブバンド間遷移によって吸収される光を少なくとも放出する波長変換粒子をさらに備える、請求項2に記載の光電変換素子。   The wavelength conversion particles according to claim 2, further comprising wavelength conversion particles disposed in concave and convex portions of the texture structure formed on the back surface, which absorb incident light and emit at least light absorbed by the intersubband transition. Photoelectric conversion element. 前記光路長増大要素は、前記p型半導体層及び前記n型半導体層のうち、受光面とは反対の裏面側に位置する層の光入射側の面に形成されたテクスチャ構造である、請求項1に記載の光電変換素子。   The optical path length increasing element is a texture structure formed on a light incident side surface of a layer located on a back surface opposite to a light receiving surface of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. 1. The photoelectric conversion element according to 1. 前記p型半導体層、前記n型半導体層、及び前記超格子半導体層を形成するための基板をさらに備え、
前記光路長増大要素は、前記基板の光入射側の面に形成されたテクスチャ構造である、請求項1に記載の光電変換素子。
A substrate for forming the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer;
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the optical path length increasing element is a texture structure formed on a light incident side surface of the substrate.
前記光路長増大要素は、前記光電変換素子の受光面とは反対側の裏面に形成された反射膜であり、
前記反射膜は、前記量子ドットの伝導帯の基底準位から前記障壁層の伝導帯の下端準位までのエネルギーをEciとすると、1.24/Eci[μm]の波長の光を少なくとも反射する、請求項1に記載の光電変換素子。
The optical path length increasing element is a reflective film formed on the back surface opposite to the light receiving surface of the photoelectric conversion element,
The reflection film reflects at least light having a wavelength of 1.24 / Eci [μm], where Eci is energy from the ground level of the conduction band of the quantum dots to the lower level of the conduction band of the barrier layer. The photoelectric conversion element according to claim 1.
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