JPWO2016017763A1 - 量子ドット太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光吸収係数の高い量子ドット太陽電池を提供する。【解決手段】 複数の量子ドット１が集積された量子ドット層３を備えている量子ドット太陽電池であって、量子ドット層３は、量子ドット１の平均粒径をｘ、前記量子ドットの標準偏差をσとしたときに、粒径のばらつきを表す指標σ／ｘが５％以上である第１量子ドット層３Ａを有している。量子ドット層３は、第１量子ドット層３Ａの光の入射面３ｂ側および／または出射面３ｃ側に、第１量子ドット層３Ａよりも平均粒径およびσ／ｘの小さい第２量子ドット層３Ｂを備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、量子ドットを利用した太陽電池に関する。
近年、太陽電池や半導体レーザなどの光電変換装置に量子ドットを利用することが提案されている。量子ドットは、通常、サイズが１０ｎｍ程度の半導体材料を主成分とするナノ粒子であるが、半導体材料が微小化されることで、電子を３次元的に閉じ込められるようになり、状態密度がδ関数的な離散準位を持つようになってくる。このため、量子ドット内にキャリアが生成すると、キャリアはバンド構造的に離散したエネルギー準位に集中するようになることから、複数のバンドギャップに対応した波長の光（太陽光）を吸収できるようになる。その結果、太陽電池に量子ドットを用いると、より幅広い波長の光を吸収することが可能になることから、光電変換効率を高められると考えられている。
量子ドットのバンドギャップはこれを構成する材料組成やサイズに依存することが知られているが、本出願人は、以前、量子ドットの粒径のばらつきを小さくすると、量子ドット間の波動関数が重なり、キャリアの輸送効率を向上できることを知見した（例えば、特許文献１を参照）。
図８（ａ）は、特許文献１の量子ドット太陽電池を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の量子ドット太陽電池が示す光吸収特性の一例である。図８（ａ）において、符号１０１は量子ドット、１０３は量子ドット層、１０５は透明導電膜、１０７はガラス基板、１０９は金属電極である。
特開２０１３−２２９３７８号公報
しかしながら、特許文献１の量子ドットでは、図８（ａ）（ｂ）に示すように、量子ドット１０１を粒径の揃った状態にすると、隣接する光吸収ピークが離れた状態となり、吸収できる光の波長領域がより離散的になることから、光を吸収することのできない波長領域が増えてしまう。このため、離散したエネルギー準位を含む全波長領域における光吸収量が未だ低いという問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光吸収量の多い量子ドット太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の量子ドット太陽電池は、複数の量子ドットを含む量子ドット層を備えている量子ドット太陽電池であって、前記量子ドット層は、前記量子ドットの平均粒径をｘ、前記量子ドットの標準偏差をσとしたときに、粒径のばらつきを表す指標σ／ｘが５％以上である第１量子ドット層を有している。
本発明によれば、光吸収量の多い量子ドット太陽電池を得ることできる。
（ａ）は、量子ドット太陽電池の一実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、指標σ／ｘ＝１０％のときの量子ドット太陽電池の光吸収特性を示す一例である。 指標σ／ｘ＝２０％のときの量子ドット太陽電池の光吸収特性を示す一例である。 量子ドット太陽電池における電圧−電流特性を示す模式図である。 量子ドットの外観模式図であり、（ａ）は球形状、（ｂ）は多面体状、（ｃ）は柱状、（ｄ）は楕円球状および（ｅ）はテトラポッド状の場合である。 量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層の光の入射面側に、第１量子ドット層よりも量子ドットの平均粒径および粒径のばらつきの小さい量子ドットを含む第２量子ドット層を備えている量子ドット太陽電池を示す断面模式図である。 （ａ）は、量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層の光の出射面側に第２量子ドット層を備えている量子ドット太陽電池を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した量子ドット太陽電池のバンド構造を示す模式図である。 量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層の光の入射面側および出射面側に、第２量子ドット層を備えている量子ドット太陽電池を示す断面模式図である。 （ａ）は、従来の量子ドット太陽電池を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の量子ドット太陽電池が示す光吸収特性の一例である。
図１（ａ）は、量子ドット太陽電池の一実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、指標σ／ｘ＝１０％のときの量子ドット太陽電池の光吸収特性を示す一例である。図１（ｂ）における符号ａで示す光吸収係数の曲線は、種々のバンド間遷移に基づく光吸収係数の曲線であり、符号Ａで示した光吸収係数の曲線は、符号ａの光吸収曲線を累積させたときの光吸収曲線である。
本実施形態の量子ドット太陽電池は、複数の量子ドット１を含む量子ドット層３を備えている。図１（ａ）では、量子ドット層３の光の入射面３ｂ側に透明導電膜５とガラス基板７とを積層し、反対側の光の出射面３ｃ側に金属電極９を設けた構造を示しているが、これは一例として示したものである。
本実施形態における量子ドット層３は、量子ドット１の平均粒径をｘ、量子ドット１の標準偏差をσとしたときに、粒径のばらつきを表す指標σ／ｘが５％以上である第１量子ドット層３Ａを有している。
量子ドット層３に、上記したように特定以上の粒径のばらつきを有する第１量子ドット層３Ａを適用した場合には、光吸収特性が、図８に示した粒径の揃った量子ドット１０１を有する従来の量子ドット太陽電池の場合に比較して、光の波長に対する吸収ピークが離散的状態から緩和されて、図１（ｂ）に示すように、隣接する光吸収係数のピークと重なるほどブロードになる。その結果、光を吸収することのできない波長領域が減少することから、各光吸収係数のピークを足し合わせた全体の光吸収量を大きくすることができる。これにより、量子ドット太陽電池の短絡電流（Ｉｓｃ）を高めることができる。なお、光吸収係数の曲線Ａが符号ａの光吸収曲線が累積したものであることは、光吸収係数の曲線Ａの波長の異なる位置に複数のピークが存在することから判定できる。
図２は、指標σ／ｘ＝２０％のときの量子ドット太陽電池の光吸収特性を示す一例である。図３は、量子ドット太陽電池における電圧−電流特性を示す模式図である。これらは、量子ドット１を、ＰｂＳによって形成したときのものであり、形状が多面体状のときのものである。図３において、電圧が０Ｖのときに最大となる電流値のことを短絡電流（Ｉｓｃ）とし、電流値が０Ａのときに最大となる電圧のことを開放電圧（Ｖｏｃ）とする。また、電圧−電流特性を描く曲線の内側において、電圧と電流との積の最大値を最大出力（Ｐｍａｘ）とする。
この場合、指標σ／ｘを２０％まで大きくすると、図２に示すように、光を吸収する波長領域の中で、とりわけ、長波長側の光吸収係数を高めることが可能になることから、広い波長範囲にわたって高い光吸収係数を示す量子ドット太陽電池を得ることができる。このように長波長側の光吸収係数を高められるという点で、指標σ／ｘは２１％以上であるのが良い。図２の縦軸は対数表示であるが、波長が５００〜９００ｎｍの範囲における光吸収係数は、１００００〜１０００００の間に入っており、その光吸収係数の変化幅は少なくとも８００００以内に抑えられている。
なお、光吸収係数のピークを離散的状態から緩和しつつ、光を吸収することのできない波長領域を減少させるという点では、量子ドット１に粒径のばらつきを持たせるのが良いが、量子ドット１の粒径のばらつきが大きくなってくると、各波長における光吸収係数の絶対値が低下する傾向にあることから、短絡電流（Ｉｓｃ）の低下が大きくなる。この点で、指標σ／ｘとしては３５％以下であることが望ましい。
量子ドット１の平均粒径（ｘ）および粒径のばらつき（σ／ｘ）は、量子ドット層３の破断面を透過電子顕微鏡を用いて撮影した写真の画像解析によって求める。平均粒径（ｘ）は、写真において、量子ドット１が２０〜５０個入る円を描き、各量子ドット１の輪郭の面積を求めた後、直径に換算し、その平均値を求める。粒径のばらつき（σ／ｘ）は、平均粒径（ｘ）を求めたデータから標準偏差σを求め、σ／ｘを計算で求める。
ここで、本実施形態の量子ドット太陽電池では、量子ドット１として、例えば、外形形状の異なる種々の量子ドット１に適用することができる。図４に、量子ドット１の外形形状を示す。（ａ）は球形状、（ｂ）は多面体状、（ｃ）は柱状、（ｄ）は楕円球状および（ｅ）はテトラポッド状の場合である。この場合、量子ドット層３は、量子ドット１の外形形状を、例えば、球形状、多面体状、柱状、楕円球状およびテトラポッド状として区別したときに、上記した形状のうちの１つがほぼ統一された状態で量子ドット層３全体に亘って配置されていることが望ましい。また、この量子ドット太陽電池では、量子ドット１の一部として、輪郭の一部が異なる異形量子ドット１ａを含んでいることが望ましい。
量子ドット層３が、ほぼ統一された外形形状を有する量子ドット１をベースとして含んでいる場合には、量子ドット１の輪郭が揃った緻密な量子ドット層３を形成することが可能となり、キャリアが移動する伝導バンドの連続性の高い量子ドット層３を得ることができる。そして、量子ドット層３が、さらに輪郭の一部が異なる形状の異形量子ドット１ａを含んでいると、量子ドット層３中に、異形量子ドット１ａ以外の量子ドット１とは、粒径（表面積）の異なる異形量子ドット１ａを含むことになるため、膜全体で光を吸収することのできる波長の幅をより広くすることができる。こうして全体の光吸収量をさらに高めることが可能になる。
ここで、異形量子ドットについて説明すると、量子ドット１の外形形状が、図４（ａ）に示すような球形状である場合には、異形量子ドット１ａとして、表面に凹部ＤＳを有する球形状であるものを挙げることができる。この場合、凹部ＤＳの開口における最大長さＬＡＳが異なる異形量子ドット１ａを含んでいても良い。
例えば、量子ドット層３の破断面を撮影した写真において、量子ドット１（異形量子ドット１ａが含まれる場合にはこれを含む）が約５０個含まれる所定範囲の領域を指定し、この中で異形量子ドット１ａに形成されているそれぞれの凹部ＤＳの開口における最大長さＬＡＳを測定する。そして、凹部ＤＳの開口における最大長さＬＡＳが異なる異形量子ドット１ａを含んでいるとは、評価した最大長さＬＡＳのばらつきが１０％以上ある場合を言う。
なお、本実施形態の量子ドット太陽電池では、第１量子ドット層３Ａに含まれる量子ドット１が、表面に凹部ＤＳを有し、かつ凹部ＤＳの開口における最大長さＬＡＳが異なる球形状をした複数の量子ドット１からなるものでも良い。
量子ドット１の外形形状が、図４（ｂ）に示すような多面体状である場合には、異形量子ドット１ｂとして、表面に面積の異なる平坦面Ａｐｈを有する異形量子ドット１ｂを挙げることができる。
ここで、平坦面Ａｐｈの面積については、量子ドット層３を観察したときに、量子ドット１および異形量子ドット１ｂに見られる平坦面Ａｐｈの１辺の長さＬｐｈを測定することによって評価する。
例えば、量子ドット層３の破断面を撮影した写真において、量子ドット１（異形量子ドット１ｂを含む場合にはこれを含む）が約５０個含まれる所定範囲の領域を指定し、量子ドット１（異形量子ドット１ｂを含む）に形成されている平坦面Ａｐｈの一辺の長さＬｐｈを測定する。そして、多面体状の量子ドット１において、平坦面Ａｐｈの面積が異なるとは、評価した１辺の長さＬｐｈのばらつきが１０％以上ある場合を言う。
量子ドット１の外形形状が、図４（ｃ）に示すような柱状である場合には、異形量子ドット１ｃとして、軸方向の長さＬｐの異なる異形量子ドット１ｃを挙げることができる。この場合、柱状とは、長径／短径の比（アスペクト比（Ｌｐ／Ｄｐ））が１０以上もあるような、いわゆるナノワイヤと言われる形状のものも含む意味である。ここで、柱状の量子ドット１の長さＬｐについては、量子ドット層３を観察して、量子ドット１の長さＬｐを測定することによって評価する。例えば、量子ドット層３の破断面を撮影した写真において、量子ドット１が約５０個含まれる所定範囲の領域を指定し、各量子ドット１のそれぞれの長さＬｐを測定する。なお、量子ドット１が湾曲していた場合には、量子ドット１の両端間の直線距離をＬｐとして測定する。そして、柱状の量子ドット１において、長さＬｐが異なるとは、評価した長さＬｐのばらつきが１０％以上ある場合を言う。
量子ドット１の外形形状が、図４（ｄ）に示すような楕円球状である場合には、異形量子ドット１ｄとして、長径ＤＬの異なる異形量子ドット１ｄを挙げることができる。ここで、楕円球状の量子ドット１の長径ＤＬについては、量子ドット層３を観察して、量子ドット１について、その長径ＤＬを測定することによって評価する。例えば、量子ドット層３の破断面を撮影した写真において、量子ドット１が約５０個含まれる所定範囲の領域を指定し、量子ドット１のそれぞれの長径ＤＬを求める。そして、楕円球状の量子ドット１において、長径ＤＬが異なるとは、評価した長さＤＬのばらつきが１０％以上ある場合を言う。
量子ドット１の外形形状が、図４（ｅ）に示すようなテトラポッド状である場合には、異形量子ドット１ｅとして、最大径ＬＴの異なる異形量子ドット１ｅを挙げることができる。ここで、テトラポッド状の量子ドット１のＬＴについては、量子ドット層３を観察したときに、各テトラポッド状の量子ドット１について、最大となっている長さの箇所を最大径ＬＴとして測定することによって評価する。例えば、量子ドット層３の破断面を撮影した写真において、量子ドット１が約５０個含まれる所定範囲の領域を指定し、各量子ドット１において、最大となっている箇所の長さを測定して最大径ＬＴとする。そして、テトラポッド状の量子ドット１において、最大径ＬＴが異なるとは、評価した最大径ＬＴのばらつきが１０％以上ある場合を言う。
上記した量子ドット太陽電池を構成する量子ドット１（この場合、異形量子ドット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄおよび１ｅ（以下、１ａ〜１ｅと表記する場合がある。）を含む。）としては、半導体粒子を主体とするものからなり、バンドギャップ（Ｅｇ）が０．１５〜２．０ｅＶを有するものが好適である。具体的な量子ドット１の材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、硫黄（Ｓ）、鉛（Ｐｂ）、テルル（Ｔｅ）およびセレン（Ｓｅ）から選ばれるいずれか１種またはこれらの化合物半導体を用いることが望ましい。この中で、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡＳ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳ、ＣｕＺｎＧａＳｅおよびＣｕＺｎＧａＳの群から選ばれる１種が好適なものとなるが、これらの半導体材料の中で、量子ドット１および異形量子ドット１ａの形状が球状体となる例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＧｅＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳ、ＣｕＺｎＧａＳｅおよびＣｕＺｎＧａＳを挙げることができ、多面体状の量子ドット１の例としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅおよびＣｄＳｅを挙げることができる。また、柱状の量子ドット１の例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓおよびＩｎＡｓを、楕円球状の量子ドット１の例としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳ、ＣｕＺｎＧａＳｅおよびＣｕＺｎＧａＳを、さらに、形状がテトラポッド状の例としては、ＣｄＴｅを、それぞれ挙げることができる。
この場合、量子ドット１および異形量子ドット１ａ〜１ｅのサイズ（ここでは最大径とするが、ナノワイヤの場合は軸の方向に対して垂直な方向の長さ（直径）とする。）としては、例えば、最大径が２ｎｍ〜１０ｎｍであることが望ましい。
なお、量子ドット１の周囲に障壁層を有するものである場合、その材料としては、量子ドット１および異形量子ドット１ａ〜１ｅに比較して約２倍以上１５倍以下のバンドギャップを有している材料が好ましく、バンドギャップ（Ｅｇ）が１．０〜１０．０ｅｖを有するものが好ましい。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。
図５は、量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層３Ａの光の入射面３ｂ側に、第１量子ドット層３Ａの量子ドット１よりも平均粒径（ｘ）および粒径のばらつき（指標σ／ｘ）の小さい量子ドット１からなる第２量子ドット層３Ｂを備えていることを示す断面模式図である。
本実施形態の量子ドット太陽電池では、図１に示した量子ドット太陽電池を基本構造としたときに、粒径のばらつきの大きい量子ドット１の粒子群（ここでは、第１量子ドット層３Ａ）に対し、その光の入射面３ｂ側に、第１量子ドット層３Ａの量子ドット１よりも量子ドット１の平均粒径（ｘ）および粒径ばらつき（σ／ｘ）の小さい量子ドット１からなる第２量子ドット層３Ｂを配置した構造にすると、光の入射面３ｂ側に、バンドギャップのより大きい量子ドット層（ここでは、第２量子ドット層３Ｂ）が配置された構造となる。これにより、バンドギャップに支配される電圧−電流特性における開放電圧（Ｖｏｃ）を高めることができる。その結果、量子ドット太陽電池の最大出力（Ｐｍａｘ）を向上させることができる。この場合、粒径のばらつき（σ／ｘ）の大きい量子ドット１を有する第１量子ドット層３Ａと、粒径のばらつき（σ／ｘ）の小さい量子ドット１を有する第２量子ドット層３Ｂとの粒径のばらつきの差（ここでは、指標σ／ｘの差）としては３％以上を有することが望ましい。また、平均粒径の差は０．５ｎｍ以上を有することが好ましい。
図６（ａ）は、量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層３Ａの光の出射面３ｃ側に第２量子ドット層３Ｂを備えていることを示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した量子ドット太陽電池のバンド構造を示す模式図である。
図５に示した量子ドット太陽電池の場合とは異なり、第１量子ドット層３Ａの光の出射面３ｃ側に量子ドット１の粒径のばらつき（σ／ｘ）の小さい第２量子ドット層３Ｂを配置した場合には、図６（ｂ）に示すように、第２量子ドット層１１のバンドギャップ（Ｅｇ）が第１量子ドット層３Ａのバンドギャップ（Ｅｇ）よりも大きいことから、第２量子ドット層３Ｂは第１量子ドット層３Ａに比べてバンドギャップ（Ｅｇ）が大きくなる。このため第１量子ドット層３Ａ内において生成した電子ｅは、第２量子ドット層３Ｂがエネルギー的に障壁になることから、光の出射面３ｃ側への移動が妨げられる。これにより、第１量子ドット層３Ａにおいて生成した電子ｅを光の入射面３ｂ側に選択的に移動させることができ、量子ドット太陽電池の短絡電流（Ｉｓｃ）を高めることができる。
図７は、量子ドット太陽電池の他の態様を示すものであり、第１量子ドット層３Ａの光の入射面３ｂ側および光の出射面３ｃに、第２量子ドット層３Ｂを備えていることを示す断面模式図である。
図７に示すように、第１量子ドット層３Ａの光の入射面３ｂ側および出射面３ｃ側の両面に、第２量子ドット層３Ｂを配置した構造にすると、第２量子ドット層３Ｂを図５および図６にそれぞれ示した構造の効果を両立させることが可能になるため、開放電圧（Ｖｏｃ）および短絡電流（Ｊｓｃ）の両方が高い量子ドット太陽電池を得ることができる。この場合、曲線因子（ＦＦ）も高めることができる。
次に、本実施形態の太陽電池を製造する方法について説明する。
まず、ガラス基板７を用意し、この表面にＩＴＯを主成分とする透明導電膜５を形成しておく。量子ドット１は、例えば、上述した半導体材料に特定波長の光を照射することにより、半導体材料から微粒子を溶出させる方法を用いるのがよい。量子ドット１となる半導体微粒子の平均粒径（ｘ）や粒径のばらつき（σ／ｘ）は、照射する光の波長および出力によって調整する。輪郭の一部が異なる形状の異形量子ドット１ａ〜ｅを形成する場合には、照射する光の波長に幅を持たせて一定時間毎に波長が変化するように調整する。
次に、調製した半導体微粒子をガラス基板７の表面に形成した透明導電膜５の表面に塗布し、緻密化処理を行う。塗布する方法としては、半導体微粒子を含む溶液をスピンコート法や沈降法などが好適なものとして選ばれる。緻密化処理には、透明導電膜の表面に半導体微粒子を塗布した後に、加熱もしくは加圧、あるいはこれらを同時に行う方法が採られる。量子ドット層の厚みは堆積させる半導体微粒子の量によって調整する。量子ドット層３を多層化する場合には、平均粒径（ｘ）や粒径のばらつき（σ／ｘ）の異なる半導体微粒子を重ねるようにして塗布するのが良い。
最後に、量子ドット層１の上面側に金属電極９を形成し、必要に応じて基材を当接させ接着させることによって、図１（ａ）に示すような本実施形態の量子ドット太陽電池を得ることができる。以上、図１（ａ）に示した量子ドット太陽電池を例として述べたが、図５〜７に示す量子ドット太陽電池も同様の製法によって得ることができる。
以下、表１に示す種々の半導体材料を用いて、図１の構成の量子ドット太陽電池を具体的に作製し、評価を行った。
まず、ガラス基板を用意し、この表面にＩＴＯを主成分とする透明導電膜を形成しておいた。
次に、予め調製しておいた半導体微粒子をガラス基板の表面に形成した透明導電膜の表面にスピンコート法を用いて塗布し、加熱して緻密化処理を行って量子ドット層を作製した。このとき、量子ドット層の厚みは、約０．５μｍとなるように調整した。量子ドットは、各半導体材料に特定波長の光を照射することにより、半導体材料から微粒子を溶出させる方法を用いた。このとき照射する光の波長に幅を持たせて波長が一定時間毎に変化するように調整して輪郭の一部が異なる形状の異形量子ドット１ａ〜１ｅを含む量子ドット１を作製した。
最後に、量子ドット層の上面側に、蒸着法を用いてＡｕの金属電極を形成した。こうして、表面の面積が１０ｍｍ×１０ｍｍの量子ドット太陽電池を作製した。各試料の個数は３個とし、表１に示す評価を行った。
量子ドットの平均粒径（ｘ）およびそのばらつき（σ／ｘ）は、作製した量子ドット層の破断面を透過電子顕微鏡によって観察し、得られた写真から求めた。このとき量子ドットが約５０個入る円を描き、各量子ドットの輪郭から円相当径を求め、その平均値（ｘ）を導いた。また、同じ円相当径から標準偏差（σ）を求め、ばらつき（指標σ／ｘ）を算出した。
さらに、同じ観察写真から量子ドットの外形形状または輪郭の一部が異なる異形量子ドットを抽出した。球形状の量子ドットについては、異形量子ドットを有するか否かは、凹部ＤＳの最大長さＬＡＳを測定し、そのばらつきから求めた。また、多面体状の量子ドットについては平坦面Ａｐｈの１辺の長さＬｐｈを、柱状の量子ドットについては長さＬＰを、楕円球状の量子ドットについては長径ＤＬを、テトラポッド状の量子ドットについては、最大径ＬＴをそれぞれ測定し、ばらつきから異形量子ドットを有するか否かを求めた。
表１に示した試料のうち、粒径のばらつき（σ／ｘ）が５％以上の量子ドットを有する試料は、球形状の量子ドットについては凹部ＤＳの最大長さＬＡＳが、多面体状の量子ドットについては平坦面Ａｐｈの長さＬｐｈが、柱状の量子ドットについては長さＬｐが、楕円球状の量子ドットについては長径ＤＬが、さらにテトラポッド状の量子ドットについては、最大径ＬＴがいずれも１０〜１２％のばらつきを有するものとなっていた。
光吸収係数は分光器を用いて波長３００〜１１００ｎｍの範囲について評価し、光吸収係数の変化から波長幅を求めた。
短絡電流（Ｉｓｃ）は、ソーラーシミュレータを用いて短絡電流密度として測定した。
表１の結果から明らかなように、量子ドットの粒径のばらつき（指標σ／ｘ）が５％より小さい試料（試料Ｎｏ．１、３）に比較して、粒径のばらつき（指標σ／ｘ）が５％以上の量子ドットを有する試料（試料Ｎｏ．２、４〜１８）では、光吸収係数の波長幅がいずれも２７０ｎｍ以上となり、広い波長範囲に亘って高い光吸収特性を示した。
１・・・・・・・・・量子ドット
３・・・・・・・・・量子ドット層
３Ａ・・・・・・・・第１量子ドット層
３Ｂ・・・・・・・・第２量子ドット層
３ｂ・・・・・・・・光の入射面
３ｃ・・・・・・・・光の出射面
５・・・・・・・・・透明導電膜
７・・・・・・・・・ガラス基板
９・・・・・・・・・金属電極

Claims (17)

  1. 複数の量子ドットを含む量子ドット層を備えている量子ドット太陽電池であって、前記量子ドット層は、前記量子ドットの平均粒径をｘ、前記量子ドットの標準偏差をσとしたときに、粒径のばらつきを表す指標σ／ｘが５％以上である第１量子ドット層を有していることを特徴とする量子ドット太陽電池。
  2. 前記量子ドットの外形形状が、球形状、多面体状、柱状、楕円球状およびテトラポッド状の群から選ばれるいずれか１種であることを特徴とする請求項１に記載の量子ドット太陽電池。
  3. 前記第１量子ドット層における前記量子ドットは、輪郭の一部が異なる異形量子ドットを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の量子ドット太陽電池。
  4. 前記量子ドットの外形形状が球形状であり、前記異形量子ドットの外形形状が、表面に凹部を有する球形状であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット太陽電池。
  5. 前記異形量子ドットは、前記凹部の開口における最大長さが異なる異形量子ドットを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の量子ドット太陽電池。
  6. 前記量子ドットの外形形状が多面体状であり、前記異形量子ドットの外形形状が、表面に面積の異なる平坦面を有する多面体状であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット太陽電池。
  7. 前記異形量子ドットは、前記平坦面の一辺の長さが異なる異形量子ドットを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の量子ドット太陽電池。
  8. 前記量子ドットの外形形状が柱状であり、前記異形量子ドットの外形形状が、軸方向の長さが異なる柱状であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット太陽電池。
  9. 前記量子ドットの外形形状が楕円球状であり、前記異形量子ドットの外形形状が、長径の異なる楕円球状であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット太陽電池。
  10. 前記量子ドットの外形形状がテトラポッド状であり、前記異形量子ドットの外形形状が、最大径の異なるテトラポッド状であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット太陽電池。
  11. 前記第１量子ドット層の前記量子ドットは、表面に凹部を有し、かつ該凹部の開口における最大長さが異なる球形状をした複数の量子ドットからなることを特徴とする請求項１記載の量子ドット太陽電池。
  12. 前記量子ドットの主成分が、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡＳ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＧｅＳｅ、ＣｕＩｎＧｅＳ、ＣｕＺｎＧｅＳｅおよびＣｕＺｎＧｅＳの群から選ばれる１種であることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
  13. 前記量子ドット層は、前記第１量子ドット層の量子ドットよりも平均粒径ｘおよび前記指標σ／ｘの小さい量子ドットを含む第２量子ドット層を備え、該第２量子ドット層が前記第１量子ドット層の光の入射面側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
  14. 前記第２量子ドット層が、前記第１量子ドット層の光の出射面側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
  15. 光吸収係数の曲線に波長の異なる複数のピークが存在することを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
  16. 前記指標σ／ｘが２１％以上であることを特徴とする請求項１乃至１５のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
  17. 前記指標σ／ｘが３５％以下であることを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれかに記載の量子ドット太陽電池。
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