JP6603116B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents

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本発明は、光電変換装置に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device.

高効率の新たな光電変換装置として知られている量子ドット太陽電池は、量子ドットに特定波長の太陽光が当たり励起される電子と、その電子が価電子帯から伝導帯まで励起されたときに生じる正孔とをキャリアとして利用する。   A quantum dot solar cell, known as a new high-efficiency photoelectric conversion device, is an electron that is excited when sunlight of a specific wavelength hits the quantum dot, and when the electron is excited from the valence band to the conduction band. The generated holes are used as carriers.

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

量子ドット内においてキャリアは、理論的には、エネルギー緩和が起こりにくく消滅し難いと考えられている。   Theoretically, carriers in quantum dots are considered to be less susceptible to energy relaxation and disappear.

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

このような問題に対し、近年、量子ドット集積部内において、キャリアの集電性を高めるための構造が種々提案されている。例えば、特許文献1には、図6に示すように、複数の量子ドット101が集積された量子ドット集積部103内に、ナノロッドと呼ばれるキャリア収集部105を配置させた例が示されている。   In recent years, various structures for improving the current collection performance of carriers in the quantum dot integrated portion have been proposed for such problems. For example, Patent Document 1 shows an example in which a carrier collection unit 105 called a nanorod is arranged in a quantum dot integration unit 103 in which a plurality of quantum dots 101 are integrated as shown in FIG.

特表2009−536790号公報JP 2009-536790 Gazette

ところが、これまで開示されたキャリア収集部105は、その形状がシリンダー、カラムおよび線形構造といったいわゆる柱状体の形状が一般的であり、水平方向の断面(以下、横断面という場合がある。)が円に代表されるように等方的な形状である。このため、上記した従来のキャリア収集部105は単位体積に対する表面積がさほど大きくない形状となっている。その結果、従来のキャリア収集部105は表面に接触する量子ドット数が少ないことから電荷の収集効率が低く、未だ光電変換効率が低いという問題がある。   However, the carrier collecting unit 105 disclosed so far generally has a so-called columnar body shape such as a cylinder, a column, and a linear structure, and has a horizontal cross section (hereinafter sometimes referred to as a cross section). The shape is isotropic as represented by a circle. For this reason, the above-described conventional carrier collecting unit 105 has a shape in which the surface area per unit volume is not so large. As a result, the conventional carrier collection unit 105 has a problem that the charge collection efficiency is low because the number of quantum dots in contact with the surface is small, and the photoelectric conversion efficiency is still low.

従って本発明は、電荷の収集効率が高く、光電変換効率を向上することのできる光電変換装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that has high charge collection efficiency and can improve photoelectric conversion efficiency.

本発明の光電変換装置は、複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部は、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有しており、該凹部の底面が丸くなっている。
本発明の光電変換装置は、複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記柱状部を立設させるための基部層を備えており、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部が、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有している。
本発明の光電変換装置は、複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部は、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有しており、前記量子ドット集積部は、n型の量子ドット群とp型の量子ドット群とからなる2つの群を有しており、前記2つの群の各々が、前記キャリア収集部に近い側からその周囲に向けて層状に配置されている。
The photoelectric conversion device of the present invention is a photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit. And the carrier collection part has a columnar part extending in the thickness direction of the quantum dot accumulation part, and the columnar part has a concave part extending in a longitudinal direction of the columnar part on a side surface , the bottom surface of the recess is Ru Tei rounded.
The photoelectric conversion device of the present invention is a photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit. The carrier collecting unit includes a base layer for erecting the columnar part, and has a columnar part extending in the thickness direction of the quantum dot integrated part, and the columnar part is formed on the side surface. It has a recess extending in the longitudinal direction of the columnar part.
The photoelectric conversion device of the present invention is a photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit. The carrier collecting unit has a columnar part extending in the thickness direction of the quantum dot accumulation part, and the columnar part has a concave part extending in a longitudinal direction of the columnar part on a side surface, The quantum dot integration unit has two groups consisting of an n-type quantum dot group and a p-type quantum dot group. It is arranged in layers.

本発明によれば、電荷の収集効率が高く、光電変換効率を向上することのできる光電変換装置 を得ることできる。   According to the present invention, it is possible to obtain a photoelectric conversion device that has high charge collection efficiency and can improve photoelectric conversion efficiency.

本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically one Embodiment of the photoelectric conversion apparatus of this invention partially. 柱状部の幅方向における断面を示すもので、柱状部に形成された凹部の底面が丸くなっている状態を示す模式図である。It shows a cross section in the width direction of the columnar part, and is a schematic diagram showing a state where the bottom surface of the recess formed in the columnar part is rounded. 基部層側の幅が開放端側の幅よりも広い柱状部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the columnar part whose width | variety by the side of a base layer is wider than the width | variety by the side of an open end. (a)は、量子ドット集積部がn型の量子ドット群とp型の量子ドット群とから構成されており、柱状部側にn型の量子ドット群が配置され、n型の量子ドット群の周囲にp型の量子ドット群が配置された状態を示す断面模式図、(b)は、(a)のA−A線断面図である。In (a), the quantum dot integrated part is composed of an n-type quantum dot group and a p-type quantum dot group, the n-type quantum dot group is arranged on the columnar part side, and the n-type quantum dot group The cross-sectional schematic diagram which shows the state by which the p-type quantum dot group is arrange | positioned around (a), (b) is the sectional view on the AA line of (a). 本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of this embodiment. (a)は、従来の光電変換装置を示す断面模式図であり、(b)は、(a)のA−A線に沿った断面図である。(A) is a cross-sectional schematic diagram which shows the conventional photoelectric conversion apparatus, (b) is sectional drawing along the AA of (a).

図1は、本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に模式的に示す分解斜視図である。ここでは、キャリア収集部の形状を分かりやすくするために、量子ドットの充填量を少なくして描いている。また、ここに示した光電変換装置は、光電変換層1が1層の量子ドット太陽電池を例として示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、光電変換層1が2層以上となったものにも適用される。   FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a part of an embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in order to facilitate understanding of the shape of the carrier collection unit, the quantum dot filling amount is reduced. Moreover, although the photoelectric conversion apparatus shown here has shown the quantum dot solar cell with one photoelectric conversion layer 1 as an example, this invention is not limited to this, The photoelectric conversion layer 1 is two or more layers. It also applies to what has become.

図1に示すように、本実施形態の光電変換装置は、光電変換層1の上面側に透明導電膜3およびガラス基板5がこの順に設けられ、一方、光電変換層1の下面側には電極層7が設けられている。   As shown in FIG. 1, in the photoelectric conversion device of this embodiment, a transparent conductive film 3 and a glass substrate 5 are provided in this order on the upper surface side of the photoelectric conversion layer 1, while electrodes are provided on the lower surface side of the photoelectric conversion layer 1. Layer 7 is provided.

なお、この光電変換装置では、ガラス基板5の上面側が光の入射面16aとなり、電極層7の下面側が光の出射面16bとなる。この場合、光の入射面16a側であるガラス基板11の表面や光の出射面16bである電極層7の表面には保護層や反射防止材などが設けられる場合がある。   In this photoelectric conversion device, the upper surface side of the glass substrate 5 is the light incident surface 16a, and the lower surface side of the electrode layer 7 is the light emitting surface 16b. In this case, a protective layer, an antireflection material, or the like may be provided on the surface of the glass substrate 11 on the light incident surface 16a side or the surface of the electrode layer 7 on the light emitting surface 16b.

本実施形態の光電変換装置を構成する光電変換層1は、半導体基板9と量子ドット層11とを有する構成となっている。図1では、半導体基板9および半導体基板9とキャリア収集部15との間を簡略化して描いているが、より詳細には、半導体基板9はp/n接合されたものであり、また、この半導体基板9とキャリア収集部15との間には接合層が存在する。   The photoelectric conversion layer 1 constituting the photoelectric conversion device of the present embodiment has a configuration having a semiconductor substrate 9 and a quantum dot layer 11. In FIG. 1, the semiconductor substrate 9 and between the semiconductor substrate 9 and the carrier collecting unit 15 are illustrated in a simplified manner, but more specifically, the semiconductor substrate 9 is a p / n junction, A bonding layer exists between the semiconductor substrate 9 and the carrier collecting unit 15.

量子ドット層11は、複数の量子ドット13aが集積された量子ドット集積部13内にキャリア収集部15となる複数の柱状部15Aを有する構造である。   The quantum dot layer 11 has a structure having a plurality of columnar portions 15A serving as carrier collecting units 15 in a quantum dot integration unit 13 in which a plurality of quantum dots 13a are integrated.

ここで、キャリア収集部15を構成する柱状部15Aは、量子ドット層11を厚み方向に延伸する長尺状を成しており、一方端が解放端15aとなっている。この場合、柱状部15Aの一方が解放端15aとなっているため、図1には図示していないが、その開放端15aと透明導電膜3との間にも量子ドット13aが存在している。   Here, the columnar portion 15A constituting the carrier collecting portion 15 has a long shape that extends the quantum dot layer 11 in the thickness direction, and one end thereof is a release end 15a. In this case, since one of the columnar portions 15A is the open end 15a, the quantum dots 13a are also present between the open end 15a and the transparent conductive film 3 although not shown in FIG. .

ここで、量子ドット層11内に設けられた複数の柱状部15Aのうちの一部は、柱状部
15Aの側面15sに、その柱状部15Aの長手方向に延伸する凹部15Uを有している。
Here, a part of the plurality of columnar portions 15A provided in the quantum dot layer 11 has a concave portion 15U extending in the longitudinal direction of the columnar portion 15A on the side surface 15s of the columnar portion 15A.

側面15sに凹部15Uを有する柱状部15Aは、横断面が円のように等方的な形状の場合に比較して単位体積に対する表面積が大きくなる。これによりキャリア収集部15の体積が同じであっても比表面積が大きい分だけ量子ドット層11内に集積されている量子ドット13aをより多く柱状部15Aに接触させることができる。その結果、柱状部15AにおけるキャリアCの収集効率が向上することから、光電変換装置の開放電圧(Voc)が向上し、高い光電変換効率を有する量子ドット太陽電池を得ることが可能になる。これは、複数存在する柱状部15Aの中に、側面15sに凹部15Uを有する柱状部15Aが含まれていると、量子ドット層11内に存在する全ての柱状部15Aから見積もられる比表面積の合計が、横断面がいずれも等方形状である柱状部によって形成されている場合の比表面積の合計よりも大きくなるからである。   The columnar portion 15A having the concave portion 15U on the side surface 15s has a larger surface area relative to the unit volume as compared with a case where the cross section has an isotropic shape such as a circle. Thereby, even if the volume of the carrier collecting part 15 is the same, the quantum dots 13a accumulated in the quantum dot layer 11 can be brought into contact with the columnar part 15A by the amount corresponding to the large specific surface area. As a result, since the collection efficiency of the carrier C in the columnar part 15A is improved, the open-circuit voltage (Voc) of the photoelectric conversion device is improved, and a quantum dot solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be obtained. This is because, when the columnar portion 15A having the recess 15U on the side surface 15s is included in the plurality of columnar portions 15A, the total specific surface area estimated from all the columnar portions 15A existing in the quantum dot layer 11 However, this is because the cross section is larger than the total specific surface area when the cross section is formed by a columnar portion having an isotropic shape.

このような点から、側面15sに凹部15Uを有する柱状部15Aの割合は、量子ドット層11の中で多い方が良く、例えば、量子ドット層11の横断面を観察したときの柱状部15Aの総数に対する数の割合で、単位面積当たり50%以上、特に、90%以上であることが望ましい。ここで、柱状部15Aが、側面15sに2列以上の凹部15Aを有する、いわゆる横断面が歯車状の形状であると、柱状部15Aの側面15sの量子ドット13aとの接触面積をさらに増やすことができ、開放電圧(Voc)をさらに高めることができる。   From such a point, it is better that the ratio of the columnar portion 15A having the recess 15U on the side surface 15s is larger in the quantum dot layer 11, for example, the columnar portion 15A when the cross section of the quantum dot layer 11 is observed. The ratio of the number to the total number is desirably 50% or more, particularly 90% or more per unit area. Here, if the columnar portion 15A has two or more rows of recesses 15A on the side surface 15s, and the so-called cross section has a gear shape, the contact area between the side surface 15s of the columnar portion 15A and the quantum dots 13a is further increased. The open circuit voltage (Voc) can be further increased.

また、この柱状部15Aは、上述のように、凹部15Uが長手方向に沿って伸びた形状であるため、量子ドット13aが柱状部15Aの周囲に置かれたときに、量子ドット13aを柱状部15Aの長手方向、すなわち量子ドット層11の厚み方向に緻密化するように配置させることができる。これにより柱状部15Aの長手方向へ流れるキャリアCの連続性が高まり、キャリアCが消滅し難くなり、電流値の低下が抑えられる。   In addition, since the columnar portion 15A has a shape in which the concave portion 15U extends along the longitudinal direction as described above, when the quantum dot 13a is placed around the columnar portion 15A, the quantum dot 13a is replaced with the columnar portion. It can arrange | position so that it may densify in the longitudinal direction of 15A, ie, the thickness direction of the quantum dot layer 11. FIG. Thereby, the continuity of the carrier C flowing in the longitudinal direction of the columnar portion 15A is increased, the carrier C is difficult to disappear, and a decrease in current value is suppressed.

また、この光電変換装置は、光電変換層1が半導体基板9と量子ドット層11とを有する構成であることから、半導体基板9のバンドギャップに量子ドット層11のバンドギャップを加えたものとなるため、幅広い波長領域をカバーすることが可能になる。   Further, in this photoelectric conversion device, since the photoelectric conversion layer 1 has the semiconductor substrate 9 and the quantum dot layer 11, the band gap of the quantum dot layer 11 is added to the band gap of the semiconductor substrate 9. Therefore, it becomes possible to cover a wide wavelength range.

図2は、柱状部15Aの幅方向における断面を示すもので、柱状部15Aに形成された凹部15Uの底面15Usが丸くなっている状態を示す模式図である。柱状部15Aの側面15sに凹部15Uを有する形状であれば、凹部15Uの底面15Usの形状はさほど尖った形状でなくても良く、例えば、凹部15Uの底面15Usは丸くなっている方が良い。凹部15Uの底面15Usが丸くなっていると、通常、球状や多角形状と言った粒子状の量子ドット13aの輪郭形状に沿うようになり、柱状部15Aと量子ドット13aとの接触面積を大きくすることができる。これによりキャリアCの収集効率をさらに高めることができる。   FIG. 2 shows a cross section in the width direction of the columnar portion 15A, and is a schematic view showing a state where the bottom surface 15Us of the recess 15U formed in the columnar portion 15A is rounded. The shape of the bottom surface 15Us of the recess 15U does not have to be so sharp as long as the side surface 15s of the columnar portion 15A has the recess 15U. For example, the bottom surface 15Us of the recess 15U is preferably rounded. When the bottom surface 15Us of the recess 15U is rounded, it usually follows the contour shape of the particle-like quantum dots 13a such as a spherical shape or a polygonal shape, and the contact area between the columnar portion 15A and the quantum dots 13a is increased. be able to. Thereby, the collection efficiency of the carrier C can further be improved.

また、この光電変換装置では、図1に示すように、キャリア収集部15は、柱状部15Aを立設させるための基部層15Bを備えていることが望ましい。柱状部15Aが半導体基板9の主面に対してほぼ垂直に立つように設けられている場合に、キャリア収集能力を有する基部層15Bが半導体基板9の主面をカバーするように設けられていると、量子ドット層11とキャリア密度の高い透明導電膜3との接触による短絡を防止することができる。この場合、基部層15Bの表面にも量子ドット13aの輪郭形状に合うように凹部(凹部の形状は溝状であっても良い。)が形成されていることが望ましい。   Further, in this photoelectric conversion device, as shown in FIG. 1, it is desirable that the carrier collecting unit 15 includes a base layer 15B for standing the columnar portion 15A. When the columnar portion 15 </ b> A is provided so as to stand substantially perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 9, the base layer 15 </ b> B having carrier collection capability is provided so as to cover the main surface of the semiconductor substrate 9. And the short circuit by the contact with the quantum dot layer 11 and the transparent conductive film 3 with high carrier density can be prevented. In this case, it is desirable that a concave portion (the concave portion may be a groove shape) is formed on the surface of the base layer 15B so as to match the contour shape of the quantum dots 13a.

図3は、基部層側の幅が開放端側の幅よりも広い柱状部を示す斜視図である。図3は、
柱状部15Aの最大径を基部層15B側と開放端15a側とで測定したときに、基部層15B側の最大径Dの方が開放端15a側の最大径Dよりも大きい場合には、柱状部15Aは、基部層15B側における電流密度を高めることができることから、キャリアCの収集効率をさらに高めることができる。
FIG. 3 is a perspective view showing a columnar portion whose width on the base layer side is wider than that on the open end side. FIG.
The maximum diameter of the columnar portion 15A when measured in the base layer 15B side to the open end 15a side, when towards the maximum diameter D 2 of the base layer 15B side is larger than the maximum diameter D 1 of the open end 15a side Since the columnar portion 15A can increase the current density on the base layer 15B side, the collection efficiency of the carrier C can be further increased.

また、本実施形態の光電変換装置では、量子ドット集積部13が、n型の量子ドット群13anとp型の量子ドット群13apとからなる2つの群を有しており、2つの群の各々が、キャリア収集部15に近い側からその周囲に向けて層状に配置されていることが望ましい。   In the photoelectric conversion device of the present embodiment, the quantum dot integration unit 13 has two groups of an n-type quantum dot group 13an and a p-type quantum dot group 13ap, and each of the two groups. However, it is desirable that they are arranged in layers from the side close to the carrier collecting unit 15 toward the periphery thereof.

例えば、図4(a)(b)には、一例として、柱状部15A側にn型の量子ドット群13anが配置され、n型の量子ドット群13anの周囲にp型の量子ドット群13pが配置された状態を示している。   For example, in FIGS. 4A and 4B, as an example, an n-type quantum dot group 13an is disposed on the columnar portion 15A side, and a p-type quantum dot group 13p is disposed around the n-type quantum dot group 13an. The state of arrangement is shown.

通常、量子ドット13aは、光のエネルギーを受けることによって、量子ドット13a内に存在していた電子が伝導帯まで励起されると同時に、正孔が形成されて、これらがキャリアCとなって光電変換が起こる。このとき、図4に示すように、量子ドット層11内を、柱状部15A側からn型の量子ドット群13anにより構成される層とp型の量子ドット群13apにより構成される層とを積層した構成にすると、n型の量子ドット群13anおよびp型の量子ドット群13apのそれぞれに移動できる電子および正孔が生成したときに、電子および正孔はそれぞれn型の量子ドット群13anおよびp型の量子ドット群13apの方により移動しやすくなり、これによりキャリアCの集電性をさらに高めることができる。   Normally, the quantum dots 13a receive light energy, so that electrons existing in the quantum dots 13a are excited to the conduction band, and at the same time, holes are formed, which become carriers C and become photoelectric. Conversion happens. At this time, as shown in FIG. 4, in the quantum dot layer 11, a layer constituted by the n-type quantum dot group 13an and a layer constituted by the p-type quantum dot group 13ap are laminated from the columnar portion 15A side. With this configuration, when electrons and holes that can move to the n-type quantum dot group 13an and the p-type quantum dot group 13ap are generated, the electrons and holes are respectively converted into the n-type quantum dot group 13an and p. The type of quantum dot group 13ap becomes easier to move, and thereby the current collecting property of the carrier C can be further improved.

なお、図4(a)(b)では、柱状部15A側にn型の量子ドット群13anを配置した構成を示しているが、この場合、柱状部15A側にp型の量子ドット群13apを配置した構成でも同様の光電変換特性を得ることができる。   4A and 4B show a configuration in which the n-type quantum dot group 13an is arranged on the columnar portion 15A side. In this case, the p-type quantum dot group 13ap is arranged on the columnar portion 15A side. Similar photoelectric conversion characteristics can be obtained with the arrangement.

また、図4(a)(b)では、半導体基板9の表面上に直接、柱状部15Aを形成した構成となっているが、この場合も、図1の構成と同様に、柱状部15Aが半導体基板9上に配置された基部層15Bの表面に形成された構成とすることもできる。   4A and 4B, the columnar portion 15A is formed directly on the surface of the semiconductor substrate 9, but in this case as well, the columnar portion 15A is similar to the configuration of FIG. A configuration may also be adopted in which the base layer 15B disposed on the semiconductor substrate 9 is formed on the surface.

上記した量子ドット集積部13を構成する量子ドット13a、半導体基板9、柱状部15Aおよび基部層15Bの材料としては、種々の半導体材料が適用されるが、そのエネルギーギャップ(Eg)としては、0.15〜4.50evを有するものが好適である。具体的な半導体材料としては、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、硫黄(S)、鉛(Pb)、テルル(Te)およびセレン(Se)から選ばれるいずれか1種またはこれらの化合物もしくは酸化物を用いることが望ましい。   Although various semiconductor materials are applied as materials of the quantum dots 13a, the semiconductor substrate 9, the columnar portion 15A, and the base layer 15B constituting the quantum dot integrated portion 13, the energy gap (Eg) is 0. Those having .15 to 4.50 ev are preferred. Specific semiconductor materials include germanium (Ge), silicon (Si), gallium (Ga), indium (In), arsenic (As), antimony (Sb), copper (Cu), iron (Fe), zinc ( It is desirable to use any one selected from Zn), sulfur (S), lead (Pb), tellurium (Te) and selenium (Se), or a compound or oxide thereof.

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

上述のように、本実施形態の光電変換装置について、図1〜図4を基に説明したが、本発明の光電変換装置は、光電変換層1を構成する量子ドット層11の厚みや量子ドット1
3aのバンドギャップを変化させた構成にした場合には、吸収できる光の波長領域をより広くすることができ、さらに高い光電変換効率を示す量子ドット太陽電池を得ることができる。
As described above, the photoelectric conversion device according to the present embodiment has been described with reference to FIGS. 1 to 4. 1
When the configuration is such that the band gap of 3a is changed, the wavelength region of light that can be absorbed can be made wider, and a quantum dot solar cell exhibiting higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

次に、本実施形態の光電変換装置の製造方法について説明する。図5は、本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。   Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of this embodiment is demonstrated. FIG. 5 is a process diagram showing the method for manufacturing the photoelectric conversion device of this embodiment.

まず、図5(a)に示すように、一方の主面に電極層7を有する半導体基板9を準備する。次に、図5(b)に示すように、この半導体基板9の電極層7とは反対側の主面にキャリア収集部15となる半導体膜21を形成し、次いで、半導体膜21の表面にマスク23を設置する。マスク23にはキャリア収集部15を構成する柱状部15A以外の部分を開口させたものを用いる。   First, as shown in FIG. 5A, a semiconductor substrate 9 having an electrode layer 7 on one main surface is prepared. Next, as shown in FIG. 5B, a semiconductor film 21 to be the carrier collecting portion 15 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 9 opposite to the electrode layer 7, and then on the surface of the semiconductor film 21. A mask 23 is installed. As the mask 23, a mask 23 having a portion other than the columnar portion 15 </ b> A constituting the carrier collecting portion 15 is used.

次に、図5(c)に示すように、エッチング処理(反応性イオンエッチング(RIE))を行って半導体膜21から柱状部15Aを形成する。このとき、柱状部15Aとともに、半導体膜21の下層側を残すことにより基部層15Bを形成する。ここで、柱状部15Aを図3に示すような形状にする場合には、マスクの断面を裾広がり状の形状に加工したものを用いる。   Next, as illustrated in FIG. 5C, the columnar portion 15 </ b> A is formed from the semiconductor film 21 by performing an etching process (reactive ion etching (RIE)). At this time, the base layer 15B is formed by leaving the lower layer side of the semiconductor film 21 together with the columnar portion 15A. Here, when the columnar portion 15A has a shape as shown in FIG. 3, a shape obtained by processing the cross section of the mask into a flared shape is used.

次に、図5(d)に示すように、キャリア収集部15の周囲に量子ドット13aを充填して、量子ドット集積部13内にキャリア収集部15を有する量子ドット層11を形成する。次いで、量子ドット層1の上面に透明導電膜3を形成した後、この透明導電膜3の表面にガラス基板5を設置する。   Next, as shown in FIG. 5 (d), the quantum dots 13 a are filled around the carrier collection unit 15 to form the quantum dot layer 11 having the carrier collection unit 15 in the quantum dot accumulation unit 13. Next, after forming the transparent conductive film 3 on the upper surface of the quantum dot layer 1, the glass substrate 5 is placed on the surface of the transparent conductive film 3.

次に、このガラス基板5の表面に、必要に応じて保護層や反射防止材など形成する。   Next, a protective layer, an antireflection material, or the like is formed on the surface of the glass substrate 5 as necessary.

以上より得られる光電変換装置は、量子ドット層11内に、側面15sに凹部15Uを有する柱状部15Aを備えていることから、キャリア収集部15(柱状部15A)の表面積が大きくなり、キャリアCの収集効率が高まり、光電変換効率を高めることができる。   Since the photoelectric conversion device obtained as described above includes the columnar portion 15A having the concave portion 15U on the side surface 15s in the quantum dot layer 11, the surface area of the carrier collecting unit 15 (columnar portion 15A) increases, and the carrier C Thus, the collection efficiency can be increased and the photoelectric conversion efficiency can be increased.

以下、上記した柱状部を有する光電変換層を1層備えた光電変換装置を図5に示した方法により作製し、Vocを評価した。このとき、透明導電膜にはインジウム錫酸化物(ITO)を用い、電極層には金(Au)を用いた。量子ドットにはPbS粒子(平均粒径:5nm)を用いた。図4に示す光電変換装置を作製する際には、p型、n型に変成させたPbS粒子を用いた。キャリア収集部および基部層には酸化亜鉛を用いた。半導体基板としてはシリコン基板を用いた。   Hereinafter, a photoelectric conversion device provided with one photoelectric conversion layer having the above-described columnar part was produced by the method shown in FIG. 5, and Voc was evaluated. At this time, indium tin oxide (ITO) was used for the transparent conductive film, and gold (Au) was used for the electrode layer. PbS particles (average particle size: 5 nm) were used for the quantum dots. When the photoelectric conversion device shown in FIG. 4 was produced, PbS particles transformed into p-type and n-type were used. Zinc oxide was used for the carrier collection part and the base layer. A silicon substrate was used as the semiconductor substrate.

作製した光電変換装置は、シリコン基板の平均厚みが100μm、量子ドット集積膜の平均厚みが1.2μm、基部層の平均厚みが0.05μm、キャリア収集部の厚み方向の平均長さ(基部層の表面からキャリア収集部の開放端までの長さ)が1.0μm、電極層の平均厚みが0.1μm、透明導電膜の平均厚みが0.3μm、ガラス基板の平均厚みが100μmであった。   The produced photoelectric conversion device has an average thickness of the silicon substrate of 100 μm, an average thickness of the quantum dot integrated film of 1.2 μm, an average thickness of the base layer of 0.05 μm, and an average length in the thickness direction of the carrier collection unit (base layer) From the surface of the substrate to the open end of the carrier collecting part) was 1.0 μm, the average thickness of the electrode layer was 0.1 μm, the average thickness of the transparent conductive film was 0.3 μm, and the average thickness of the glass substrate was 100 μm. .

次に、作製した光電変換装置の横断面を走査電子顕微鏡によって観察し、キャリア収集部の形状を確認した。   Next, the cross section of the produced photoelectric conversion device was observed with a scanning electron microscope, and the shape of the carrier collecting part was confirmed.

次に、得られた光電変換装置の透明導電膜と電極層間にリード線を接続し、I−V特性を測定した。   Next, a lead wire was connected between the transparent conductive film and the electrode layer of the obtained photoelectric conversion device, and IV characteristics were measured.

開放電圧(Voc)は、従来構造の試料No.5が0.35Vであったのに対し、図1の構造の試料No.1は0.38V、図2の構造の試料No.2は0.40V 、図3の
構造の試料No.3は0.39Vおよび図4の構造の試料No.4は0.42Vであり、柱状部の側面に長手方向に延伸する凹部を有するようにした試料は、横断面の形状が円形状の試料より高い開放電圧を示し、電荷の収集効率が高かった 。
The open circuit voltage (Voc) is the same as the sample No. of the conventional structure. 5 was 0.35 V, whereas sample No. 5 having the structure of FIG. 1 is 0.38 V, and sample No. 1 having the structure of FIG. 2 is 0.40 V, sample No. 2 having the structure of FIG. 3 is 0.39 V and sample No. 3 having the structure of FIG. 4 was 0.42 V, and the sample having a recess extending in the longitudinal direction on the side surface of the columnar part showed a higher open-circuit voltage than the circular cross-sectional sample, and the charge collection efficiency was high. .

1・・・・・・・・・・・光電変換層
3・・・・・・・・・・・透明導電膜
5・・・・・・・・・・・ガラス基板
7・・・・・・・・・・・電極層
9・・・・・・・・・・・半導体基板
11・・・・・・・・・・量子ドット層
13・・・・・・・・・・量子ドット集積部
13a・・・・・・・・・量子ドット
13an・・・・・・・・n型の量子ドット群
13pn・・・・・・・・p型の量子ドット群
15・・・・・・・・・・キャリア収集部
15a・・・・・・・・・(キャリア収集部の)開放端
15s・・・・・・・・・(キャリア収集部の)側面
15A・・・・・・・・・柱状部
15B・・・・・・・・・基部層
16a・・・・・・・・・光の入射面
16b・・・・・・・・・光の出射面
21・・・・・・・・・・半導体膜
23・・・・・・・・・・マスク
C・・・・・・・・・・・キャリア
1 .... Photoelectric conversion layer 3 .... Transparent conductive film 5 .... Glass substrate 7 ...・ ・ ・ ・ ・ ・ Electrode layer 9 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Semiconductor substrate 11 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Quantum dot layer 13 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Quantum dot integration Portion 13a... Quantum dot 13an... N-type quantum dot group 13pn... P-type quantum dot group 15. ········································································· Open side 15s (of the carrier collector) ··· Columnar portion 15B ········· Base layer 16a ········ Light incident surface 16b ······· Light exit surface 21 ··· ... Semiconductor film 23 ... ...... mask C ··········· career

Claims (6)

複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部は、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有しており、該凹部の底面が丸くなっていることを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit, wherein the carrier collection unit The quantum dot integrated portion has a columnar portion extending in the thickness direction, the columnar portion has a concave portion extending in the longitudinal direction of the columnar portion on the side surface, and the bottom surface of the concave portion is rounded . A photoelectric conversion device characterized by that. 前記キャリア収集部は、前記柱状部を立設させるための基部層を備えていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the carrier collection unit includes a base layer for standing the columnar part. 複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記柱状部を立設させるための基部層を備えており、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部が、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有していることを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit, wherein the carrier collection unit And a base layer for erecting the columnar portion, the columnar portion extending in the thickness direction of the quantum dot integrated portion, and the columnar portion extending on the side surface in the longitudinal direction of the columnar portion. the photoelectric conversion device characterized by having a recess. 前記柱状部の幅は、前記基部層側が開放端側よりも広いことを特徴とする請求項2または3に記載の光電変換装置。 4. The photoelectric conversion device according to claim 2 , wherein a width of the columnar portion is wider on the base layer side than on an open end side. 前記量子ドット集積部は、n型の量子ドット群とp型の量子ドット群とからなる2つの群を有しており、前記2つの群の各々が、前記キャリア収集部に近い側からその周囲に向けて層状に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれかに記載の光電変換装置。   The quantum dot integration unit has two groups consisting of an n-type quantum dot group and a p-type quantum dot group, and each of the two groups is surrounded by a side closer to the carrier collection unit. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is arranged in a layered shape toward the surface. 複数の量子ドットが集積された量子ドット集積部と、該量子ドット集積部内に設けられた複数のキャリア収集部とを有する量子ドット層を備えている光電変換装置であって、前記キャリア収集部は、前記量子ドット集積部を厚み方向に延伸する柱状部を有するとともに、該柱状部は、側面に該柱状部の長手方向に延伸する凹部を有しており、前記量子ドット集積部は、n型の量子ドット群とp型の量子ドット群とからなる2つの群を有しており、前記2つの群の各々が、前記キャリア収集部に近い側からその周囲に向けて層状に配置されていることを特徴とする光電変換装置。A photoelectric conversion device including a quantum dot layer having a quantum dot integration unit in which a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of carrier collection units provided in the quantum dot integration unit, wherein the carrier collection unit The quantum dot integrated part has a columnar part extending in the thickness direction, the columnar part has a concave part extending in the longitudinal direction of the columnar part on the side surface, and the quantum dot integrated part is an n-type 2 and a p-type quantum dot group, and each of the two groups is arranged in layers from the side close to the carrier collecting portion toward the periphery thereof. A photoelectric conversion device characterized by that.
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