KR101758866B1 - 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층 - Google Patents

광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공한다.
광전 변환 소자와, 광전 변환 소자가 갖는 광전 변환층의 수광면 측에 위치하는 에너지 변환층을 갖는 광전 변환 장치이다. 에너지 변환층은 복수의 제 1 층과 복수의 제 2 층을 갖고, 제 1 층과 제 2 층이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 복수의 제 1 층의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 복수의 제 2 층의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 제 2 층은 제 1 층보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다.

Description

광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층{PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE AND ENERGY CONVERSION LAYER FOR PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE}
본 발명은 태양 전지 등의 광전 변환 장치에 관한 것이다.
태양 전지 등의 광전 변환 장치의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 태양광의 스펙트럼은 단파장광(예를 들어, 자외광) 내지 장파장광(예를 들어, 적외광)까지 널리 분포된다. 단파장광이 갖는 에너지는 장파장광이 갖는 에너지보다 크므로 단파장광이 갖는 에너지를 더 효율적으로 이용할 수 있으면 태양 전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 파장 변환층을 사용하여 태양 전지의 변환 효율을 향상시키려는 시도가 이루어지고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).
일본국 특개평7-142752호 공보
그러나, 광전 변환층이 갖는 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 갖는 단파장광을 흡수하여도 광전 변환층이 갖는 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지는 열 에너지로서 방출되고, 태양 전지의 전력으로서 추출할 수 없었다.
그래서, 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공하는 것을 과제 중의 하나로 한다. 자외광으로부터 단파장 측의 가시광이 갖는 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치를 제공하는 것을 과제 중의 하나로 한다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공하는 것을 과제 중의 하나로 한다.
광전 변환 소자와, 광전 변환 소자가 갖는 광전 변환층의 수광면 측에 위치하는 에너지 변환층을 갖는 광전 변환 장치이다. 또는, 광전 변환 장치용 에너지 변환층이다.
에너지 변환층은 복수의 제 1 층과 복수의 제 2 층을 갖고, 제 1 층과 제 2 층이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 제 1 층은 각각 상하를 제 2 층으로 끼워진 구조를 갖는다. 에너지 변환층의 가장 위에 위치하는 층 및 가장 아래에 위치하는 층으로서 제 2 층이 제공된다.
복수의 제 1 층의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 또한, 복수의 제 1 층은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 각각이 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다.
복수의 제 2 층의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 또한, 복수의 제 2 층은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 각각이 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 에너지 변환층의 가장 위에 위치하는 층 및 가장 아래에 위치하는 층으로서 제공되는 제 2 층의 두께는 10nm 이상으로 하여도 좋다.
에너지 변환층의 총 막 두께는 20nm 이상 10μm 이하로 할 수 있다.
상기에서 제 1 층은 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 제 1 층은 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층은 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
상기에서 제 2 층은 제 1 층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 층은 실리콘과 질소를 함유한 화합물인 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 실리콘과 산소를 함유한 화합물인 산화실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
에너지 변환층은 하나의 광양자(photon)로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 에너지 변환층은 높은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm 이하인 광 에너지, 즉, 2.24eV 이상의 에너지)를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm를 넘고 1107nm 이하인 광 에너지, 즉, 1.12eV 이상 2.24eV 미만의 에너지)를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다.
에너지 변환층은 양자 우물(quantum well) 구조를 갖는 구성으로 할 수 있고, 다중 양자 우물 구조 또는 복수의 단일 양자 우물 구조를 갖는 구성으로 할 수 있다. 제 1 층은 양자 우물을 형성하는 층으로서 사용할 수 있고, 제 2 층은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용할 수 있다. 양자 우물 구조는 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 1차원 방향(예를 들어, 두께 방향)으로 양자화되고, 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조이다.
또한, 에너지 변환층은 제 1 유닛과 제 2 유닛을 갖고, 제 1 유닛은 제 1 두께를 갖는 복수의 제 1 층과 제 2 두께를 갖는 복수의 제 2 층을 갖고, 제 1 층과 제 2 층이 교대로 적층된 구조를 갖고, 제 2 유닛은 제 3 두께를 갖는 복수의 제 3 층과 제 4 두께를 갖는 복수의 제 4 층을 갖고, 제 3 층과 제 4 층이 교대로 적층된 구조를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 제 1 유닛과 제 2 유닛의 2개의 유닛에 한정되지 않고, 3개 이상의 유닛을 갖는 구성으로 하여도 좋다.
상기에서 제 1 두께 및 제 3 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 제 2 두께 및 제 4 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 상기에서 적어도 제 1 두께와 제 3 두께는 상이한 두께가 되도록 제공한다.
상기에서 제 1 층 및 제 3 층은 양자 우물을 형성하는 층으로서 사용할 수 있고, 제 2 층 및 제 4층은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용할 수 있다. 제 1 층 및 제 3 층은 상기 제 1 층과 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층 및 제 3 층은 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다. 제 2 층 및 제 4 층은 상기 제 2 층과 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 2 층 및 제 4 층은 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
또한, 에너지 변환층은 양자 세선(quantum wire) 구조를 갖는 구성으로 할 수 있다. 양자 세선 구조는 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 2차원 방향으로 양자화되고, 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조이다.
이 양자 세선 구조의 경우에는, 에너지 변환층은 긴변 방향과 단변 방향을 갖는 복수의 제 1 층과, 제 2 층을 갖고, 복수의 제 1 층은 각각 긴변 방향으로 수직인 단면에서 주위를 제 2 층으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 또한, 긴변 방향과 단변 방향을 갖는 복수의 제 1 층은 두께 방향(상하 방향이라고도 함) 및 단변 방향으로 소정의 간격을 두고 나란한 구조를 갖는다. 제 2 층은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용된다.
복수의 제 1 층의 두께 방향에서의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 복수의 제 1 층의 단변 방향에서의 폭은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 두께 방향에서의 제 1 층과 제 1 층 사이의 간격은 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 그리고, 단변 방향에서의 제 1 층과 제 1 층 사이의 간격은 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다.
두께 방향(상하 방향이라고도 함)으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 두께 방향으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 단변 방향의 폭이 같은 구성, 또는 각각 단변 방향의 폭이 상이한 구성으로 할 수 있다. 두께 방향으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 같은 간격을 갖는 구성, 또는 각각 상이한 간격을 갖는 구성으로 할 수 있다.
단변 방향으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는, 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 단변 방향으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 단변 방향의 폭이 같은 구성, 또는 각각이 단변 방향의 폭이 상이한 구성으로 할 수 있다. 단변 방향으로 나란한 복수의 제 1 층은 각각 같은 간격을 갖는 구성, 또는 각각 상이한 간격을 갖는 구성으로 할 수 있다.
상기에서 제 1 층은 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 제 1 층은 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층은 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
상기에서 제 2 층은 제 1 층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 층은 실리콘과 질소를 함유한 화합물인 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 실리콘과 산소를 함유한 화합물인 산화실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
에너지 변환층은 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 에너지 변환층은 높은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm 이하인 광 에너지, 즉, 2.24eV 이상의 에너지)를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm를 넘고 1107nm 이하인 광 에너지, 즉, 1.12eV 이상 2.24eV 미만의 에너지)를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다.
또한, 에너지 변환층은 양자 도트(quantum dot)층을 갖는 구성으로 할 수 있다. 양자 도트층은 복수의 양자 도트와, 제 1 층을 갖고, 복수의 양자 도트는 긴변 방향과 단변 방향과 두께 방향에서 주위를 제 1 층으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 또한, 에너지 변환층은 복수의 양자 도트층이 적층된 구성으로 하여도 좋다. 또한, 이 경우에는, 양자 도트층에 포함되는 복수의 양자 도트의 평균 직경이 양자 도트층마다 상이한 것이 바람직하다.
상기에서 복수의 양자 도트의 평균 직경은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 복수의 양자 도트의 긴변 방향의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 또한, 복수의 양자 도트의 단변 방향의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다. 또한, 복수의 양자 도트의 두께 방향의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하로 구성한다.
상기에서 복수의 양자 도트 및 제 1 층은 양자 도트층을 형성하고, 제 1 층은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용할 수 있다. 제 1 층은, 예를 들어, 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다. 복수의 양자 도트는 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
또한, 에너지 변환층은 양자 도트 구조를 갖는 구성으로 할 수 있다. 양자 도트 구조는 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 3차원 방향으로 양자화되고, 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조이다.
이 양자 도트 구조의 경우에는, 에너지 변환층은 긴변 방향과 단변 방향과 두께 방향의 각 방향으로 배열된 복수의 양자 도트를 갖고, 복수의 양자 도트는 주위를 제 1 층으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 또한, 복수의 양자 도트는 긴변 방향으로 소정의 간격을 두고 균일하게 배열되고, 단변 방향으로 소정의 간격을 두고 균일하게 배열되고, 두께 방향으로 소정의 간격을 두고 균일하게 배열된 구조를 갖는다.
상기에서 복수의 양자 도트는 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 복수의 양자 도트는 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 복수의 양자 도트는 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
상기에서 제 1 층은 복수의 양자 도트에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층은 실리콘과 질소를 함유한 화합물인 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0), 또는 실리콘과 산소를 함유한 화합물인 산화실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다.
에너지 변환층은 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 에너지 변환층은 높은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm 이하인 광 에너지, 즉, 2.24eV 이상의 에너지)를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm를 넘고 1107nm 이하인 광 에너지, 즉 1.12eV 이상 2.24eV 미만의 에너지)를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다.
상기에서 광전 변환 소자와 에너지 변환층을 같은 기판에 제공할 수 있다. 광전 변환 소자와 에너지 변환층을 같은 기판에 제공함으로써 광전 변환 소자와 에너지 변환층을 상이한 기판에 제공하는 경우와 비교하여 광전 변환 장치를 저비용화, 소형화, 경량화할 수 있다. 또한, 상이한 기판에 제공할 때 생길 수 있는 기판으로 인한 광학 손실을 저감할 수 있다.
광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 특히, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광의 분광 감도, 양자 효율을 높일 수 있고, 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 광전 변환 장치의 단면 모식도의 예 및 에너지 변환층의 단면 모식도의 예.
도 2(A) 내지 도 2(C)는 에너지 변환층의 단면 모식도의 예 및 에너지 변환층의 에너지 밴드 구조의 예.
도 3은 에너지 변환층의 단면 모식도의 예.
도 4는 에너지 변환층의 사시도의 예.
도 5는 광전 변환 장치의 단면 모식도의 예.
도 6은 에너지 변환층의 단면 사진.
도 7은 에너지 변환층의 사시도의 예.
도 8은 에너지 변환층의 단면 모식도의 예.
도 9는 에너지 변환층의 단면 사진.
본 발명의 실시형태 및 실시예에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명은 이하에 기재하는 실시형태의 기재 내용에만 한정되어 해석되는 것이 아니다. 또한, 도면을 사용하여 본 발명의 구성을 설명함에 있어서 같은 것을 가리키는 부호는 상이한 도면간이라도 공통적으로 사용한다.
(실시형태 1)
본 실시형태는 개시하는 발명의 일 형태인 광전 변환 장치의 구성 및 에너지 변환층의 구성예에 대하여 도 1(A) 내지 도 2(C)를 참조하여 설명한다.
도 1(A)에는 광전 변환 장치의 단면 모식도의 예를 도시한다. 광전 변환층은 광전 변환 소자(200)와 에너지 변환층(100)을 갖는다. 에너지 변환층(100)은 광전 변환 소자(200)의 수광 면 측에 위치하도록 제공된다. 입사광(400)은 에너지 변환층(100)을 통과하여 광전 변환 소자(200)가 갖는 광전 변환층(253)에 입사된다.
광전 변환 소자(200)는 제 1 전극(206), 광전 변환층(253), 및 제 2 전극(218)을 갖는다. 광전 변환 소자(200)는 그 외 일 도전형을 부여하는 불순물 원소를 함유한 제 1 반도체층(208), 및 상기 불순물 원소와 상이한 도전형을 부여하는 불순물 원소를 함유한 제 2 반도체층(214)을 갖는다. 광전 변환 소자(200)는 제 1 전극(206), 제 1 반도체층(208), 광전 변환층(253), 제 2 반도체층(214), 및 제 2 전극(218)의 순서로 적층된 구조를 갖는다.
광전 변환층(253)은 실리콘을 함유한 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환층(253)의 재료로서 결정 실리콘(단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 미결정 실리콘 등), 또는 비정질 실리콘을 사용할 수 있다. 또는, 결정 실리콘과 비정질 실리콘을 함유한 재료, 또는 질소 또는 탄소를 함유한 실리콘 재료 등을 사용하여도 좋다.
광전 변환층(253)으로서 반도체 기판을 사용하는 경우에는, 제 1 반도체층(208), 제 2 반도체층(214)은 반도체 기판에 열 확산, 이온 도핑법 등에 의하여 도전형을 부여하는 불순물 원소를 첨가함으로써 형성하여도 좋다. 또는, 제 1 반도체층(208), 제 2 반도체층(214)은 PECVD법, 열 CVD법, 또는 스퍼터링법을 사용하여 광전 변환층(253)과 상이한 재료 또는 결정 상태를 갖는 재료를 사용하여 형성하여도 좋다. 예를 들어, 광전 변환층(253)으로서 p형 결정 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 제 2 반도체층(214)으로서 n형을 부여하는 인을 도핑한 n형 결정 실리콘을 사용하고, 제 1 반도체층(208)으로서 p형을 부여하는 붕소 또는 알루미늄을 도핑한 p형 결정 실리콘을 사용할 수 있다.
제 2 전극(218)은 광전 변환 소자(200)의 수광 면적을 늘리고 또 전극의 소면적화에 따른 저항 증가를 보충하도록 격자 형상 또는 빗 형상으로 형성된다.
또한, 도 1(A)에 도시하지 않았지만, 에너지 변환층(100)과 광전 변환 소자(200) 사이에 광학 반사를 방지하는 재료(예를 들어, 실리콘 수지, 유기 수지 등)를 갖는 구성으로 하여도 좋다. 그 경우에는, 에너지 변환층(100)과 광전 변환 소자(200) 사이의 영역이 광학 반사를 방지하는 재료로 채워지는 구조를 갖는다. 또한, 도 1(A)에는 광전 변환 소자(200)의 각 층을 평탄하게 그렸지만, 제 2 반도체층(214)과 광전 변환층(253)의 수광면 측, 및 제 1 반도체층(208)과 광전 변환층(253)의 이면 측의 형상을 요철 형상으로 한 텍스처 구조를 제공하여도 좋다. 텍스처 구조를 제공함으로써 수광면 측의 반사율을 저감할 수 있고, 또한, 광전 변환층(253) 내에 빛을 차폐할 수 있다. 이로써, 광 전류의 증가와 광전 변환층(253)의 박막화가 가능하므로 비용을 저감할 수 있다.
도 1(B)에 광전 변환 장치가 갖는 에너지 변환층(100)을 확대한 단면 모식도의 예를 도시한다. 에너지 변환층(100)은 복수의 제 1 층(102)과 복수의 제 2 층(103)을 갖고, 제 1 층(102)과 제 2 층(103)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 제 1 층(102)은 각각 상하를 제 2 층(103)으로 끼워진 구조를 갖는다.
복수의 제 1 층(102)의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 복수의 제 1 층(102)은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 복수의 제 1 층(102)은 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다.
복수의 제 2 층(103)의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 복수의 제 2 층(103)은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 복수의 제 2 층(103)은 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 에너지 변환층(100)의 가장 위에 위치하는 층 및 가장 아래에 위치하는 층에 제공되는 제 2 층(103)의 두께는 10nm 이상으로 하여도 좋다.
에너지 변환층(100)의 총 막 두께는 20nm 이상 10μm 이하로 할 수 있다.
제 1 층(102)은 광전 변환층(253)에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 제 1 층(102)은 광전 변환층(253)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층(102)은 실리콘(결정 실리콘 또는 비정질 실리콘)으로 구성할 수 있다.
제 2 층(103)은 제 1 층(102)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 층(103)은 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘으로 구성할 수 있다.
에너지 변환층(100)은 광전 변환 소자(200)와 상이한 기판 위, 또는 광전 변환 소자(200)가 제공되는 기판과 같은 기판에 제공할 수 있다. 에너지 변환층(100)은 PECVD법, 열 CVD법, MBE(Molecular-Beam-Epitaxy)법, 증착법, 스퍼터링법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 에너지 변환층(100)은 가장 아래에 위치하는 층에 제 2 층(103)을 형성하고, 그 후, 제 2 층(103) 위에 제 1 층(102)을 두께 0.5nm 이상 10nm 이하가 되도록 형성하고, 제 1 층(102) 위에 제 2 층(103)을 두께 0.5nm 이상 10nm 이하가 되도록 형성한다. 그 후, 제 2 층(103) 위에 제 1 층(102), 제 2 층(103)을 교대로 더 형성하고, 가장 위에 위치하는 층에 제 2 층(103)을 형성함으로써 제작할 수 있다. 예를 들어, 제 1 층(102)에 실리콘을 사용하고, 제 2 층(103)에 산화실리콘을 사용하고, 제 1 층(102)의 막 두께는 1nm 이상 3nm 이하가 되도록 형성하고, 제 2 층(103)의 막 두께는 0.5nm 이상 5nm 이하가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 층(102)의 바람직한 막 두께와 제 2 층(103)의 바람직한 막 두께는 각각 사용하는 재료, 에너지 밴드 갭 등에 따라 다르다. 또한, 제 1 층(102) 또는 제 2 층(103)을 형성하기 전에 피형성 면에 플라즈마 처리 등의 표면 처리를 실시하여도 좋다. 표면 처리의 분위기는 N2O, N2, Ar, O2 등을 사용할 수 있다.
또한, 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시하지 않았지만, 에너지 변환층(100)에 입사되는 빛의 양을 늘리기 위하여 가장 위에 위치하는 층인 제 2 층(103)의 수광면 측에 제 2 층(103)의 굴절률과 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료를 단층 또는 복수 층으로 제공하여도 좋다. 이로써, 에너지 변환층(100) 표면의 반사율을 저감할 수 있다.
도 2(A)에 광전 변환 장치가 갖는 에너지 변환층(100)을 확대한 단면 모식도의 예를 도시한다. 여기서는, 에너지 변환층(100)의 두께 방향(도면에 도시한 z방향)을 가로 방향으로 도시한다. 도 2(A)에서는 에너지 변환층(100)은 제 1 층(102)을 4층, 제 2 층(103)을 5 층의 총 9층 갖는 예를 도시한다. 물론, 제 1 층(102)과 제 2 층(103)의 적층 횟수는 이 예에 한정되지 않고, 적층 횟수 20회 이상, 바람직하게는 적층 횟수 50회 이상으로 하여도 좋다. 제 1 층(102)과 제 2 층(103)은 교대로 적층된다. 도 2(A)에서 입사광(400)은 에너지 변환층(100)의 왼쪽으로부터 입사된다.
도 2(B)에 에너지 변환층(100)의 에너지 밴드 구조의 예를 도시한다. 세로 축은 에너지, 가로 축은 에너지 변환층(100)의 두께를 도시한다.
제 2 층(103)에서의 전도 대역 하단의 에너지를 Ecb로 나타내고, 가전자 대역 상단의 에너지를 Evb로 나타낸다. 제 1 층(102)에서의 전도 대역 하단의 에너지를 Ecw로 나타내고, 가전자 대역 상단의 에너지를 Evw로 나타낸다. 제 2 층(103)에서의 재료 고유의 에너지 밴드 갭은 Eg103이고, 제 1 층(102)에서의 재료 고유의 에너지 밴드 갭은 Eg102다. 제 1 층(102)의 에너지 밴드 갭 Eg102는 제 2 층(103)의 에너지 밴드 갭 Eg103보다 작다.
도 2(A) 및 도 2(B)에 도시한 바와 같이, 에너지 변환층(100)은 에너지 밴드 갭 Eg102가 작은 박막(예를 들어, 0.5nm 이상 10nm 이하의 두께를 갖는 막) 형상의 제 1 층(102)을 에너지 밴드 갭 Eg103이 큰 박막(예를 들어, 0.5nm 이상 10nm 이하의 두께를 갖는 막) 형상의 제 2 층(103)으로 끼운 구조를 갖는다. 즉, 에너지 변환층(100)은 양자 우물 구조를 갖는다. 제 1 층(102)은 양자 우물을 형성하는 층(양자 우물층이라고도 함)이고, 양자 우물 내의 전자의 에너지 준위는 이산화되고, 서브 밴드라고 불리는 에너지 상태(예를 들어, Ee1, Ee2, Ee3, Eh1, Eh2, Eh3, Eh4)(미니 밴드라고도 함)로 나누어진다. 제 2 층(103)은 에너지 장벽을 형성하는 층(에너지 장벽층이라고도 함)이다.
양자 우물 구조는 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 1차원 방향(예를 들어, 두께 방향(도면에 도시한 z방향)으로 양자화되어 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조다. 여기서는, 서브 밴드가 Ee1 내지 Ee3, Eh1 내지 Eh4로 나누어진 예를 도시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 서브 밴드의 개수나 에너지 준위의 위치는 양자 우물 구조를 구성하는 양자 우물층 및 에너지 장벽층의 크기나 재료, 및 양자 우물층과 에너지 장벽층의 적층 횟수, 양자 우물층과 에너지 장벽층의 층 구조의 주기성에 따라 바꿀 수 있다. 단일의 양자 우물층의 두께와 에너지 장벽층의 두께의 합을 충분히 얇게 하고 균일하게 정렬시킴으로써 다중 양자 우물 구조가 되어 서브 밴드가 형성된다. 양자 우물층의 두께가 얇은 것에 기인하여 양자 우물 내의 전자 상태가 양자화되고, 에너지 준위가 이산화되고, 에너지 장벽층의 두께가 얇은 것에 기인하여 인접된 양자 우물 내의 전자 상태가 서로 간섭한다. 이 각 양자 우물 내의 전자 상태가 서로 간섭하는 범위가 양자 우물층과 에너지 장벽층의 적층 횟수를 늘림으로써 확대되고, 양자 우물 내의 이산화된 에너지 준위가 서브 밴드로서 형성된다. 서브 밴드가 형성됨으로써 각 서브 밴드간을 광학 천이하는 광 파장의 자유도가 늘어 에너지 변환층 내에서 광 흡수되는 확률을 높일 수 있다. 다중 양자 우물 구조를 사용함으로써 에너지 변환층의 효과를 더 높이고, 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있다. 에너지 장벽층의 두께가 두꺼운 경우에는, 서브 밴드는 형성되지 않고, 각 양자 우물은 단일 양자 우물의 양자 효과만으로 이산화된 에너지 준위가 형성될 뿐이다. 따라서, 이산화된 에너지 준위간의 광학 천이는 특정의 파장을 갖는 빛에 한정되고, 에너지 변환층의 효과를 얻기 어렵다. 이 경우에는, 각 양자 우물층의 두께를 각각 바꿈으로써 각 양자 우물 내의 에너지 준위를 각각 변화시켜 에너지 변환층에서 광 흡수되는 확률을 높여도 좋다.
도 2(C)에는 에너지 변환층(100)의 에너지 밴드 구조 및 입사광(400)을 도시한다. 입사광(400)으로서, 예를 들어, 태양광, 또는 형광등 등의 조명 기구로부터 발해지는 빛이 사용된다. 입사광(400)이 태양광인 경우에는, 단파장광(예를 들어, 자외광) 내지 장파장광(예를 들어, 적외광)까지 폭넓은 파장의 빛이 포함된다. 또한, 도 2(C)에는 서브 밴드 Ee 1 내지 Ee 3, Eh 1 내지 Eh 4를 도시하지 않았지만, 도 2(B)에 도시한 에너지 밴드 구조와 도 2(C)에 도시한 에너지 밴드 구조는 같으므로 도 2(B)에 도시한 서브 밴드 Ee 1 내지 Ee 3, Eh 1 내지 Eh 4의 기호를 사용하여 설명한다.
입사광(400)에 포함되는 빛 중 단파장광의 광양자(401)는 에너지 밴드 갭 Eg102보다 높은 에너지(실제로는 서브 밴드 Ee 1의 하단과 서브 밴드 Eh 1의 상단의 에너지 차이의 양자 우물층의 밴드 갭보다 높은 에너지)를 갖기 때문에, 에너지 변환층(100)의 제 1 층(102)에서 광 흡수되어 전자 여기가 일어난다. 여기된 전자는 광학 천이의 선택 규칙(selection rule)이 느슨하기 때문에 원래의 준위로 되돌아가는 과정에서 상기 선택 규칙에 얽매이지 않고 에너지 준위 사이에 존재하는 서브 밴드를 경유하는 확률이 있다. 이때, 복수의 광양자가 생성되는 확률은 여기된 전자가 원래의 준위로 되돌아가는 과정에서 경유한 에너지 준위 사이의 개수에 따라 정해진다.
예를 들어, 광양자(401)는 서브 밴드 Ee3과 서브 밴드 Eh3 사이의 차분의 에너지를 갖기 때문에 에너지 변환층(100)의 제 1 층(102)에서 서브 밴드 Eh3에 있는 전자를 서브 밴드 Ee3으로 여기한다. 여기된 전자는 원래의 서브 밴드 Eh3으로 되돌아가는 과정에서, 예를 들어, Ee3과 Eh3 사이에 존재하는 서브 밴드 Ee1을 경유한다. 이 때, 서브 밴드 Ee3으로부터 서브 밴드 Ee1로 전자가 천이하는 과정에서 서브 밴드 Ee3과 서브 밴드 Ee1 사이에서의 차분의 에너지를 갖는 광양자(402)가 생성된다. 또한, 서브 밴드 Ee1로부터 서브 밴드 Eh3으로 전자가 천이하면, 그 과정에서 서브 밴드 Ee1과 서브 밴드 Eh3 사이에서의 차분의 에너지를 갖는 광양자(403)가 생성된다. 이와 같이, 에너지 변환층(100)에 의하여 하나의 광양자(401)로부터 복수 개(여기서는, 2개)의 광양자(402), 광양자(403)가 생성된다. 또한, 생성되는 광양자(402), 생성되는 광양자(403)가 갖는 에너지는 원래의 광양자(401)가 갖는 서브 밴드 Ee3와 서브 밴드 Eh3 사이의 차이의 에너지보다 작고, 서브 밴드 Ee3과 서브 밴드 Ee1 사이의 차이의 에너지, 서브 밴드 Ee1과 서브 밴드 Eh3 사이의 차이의 에너지를 각각 갖는다. 원래의 광양자(401)가 갖는 에너지 자체는 유지되기 때문에 생성되는 복수 개의 광양자(광양자(402), 광양자(403))가 갖는 에너지의 합은 원래의 광양자(401)가 갖는 에너지와 같거나, 또는 도중에 열 에너지 손실 등이 생겨 원래의 광양자(401)가 갖는 에너지보다 작아진다. 따라서, 생성되는 복수 개의 광양자(광양자(402), 광양자(403))의 파장은 원래의 광양자(401)의 파장보다 길어진다. 여기서는, 서브 밴드 Eh3에 있는 전자를 서브 밴드 Ee3으로 여기하는 예를 기재하지만, 이것에 한정되지 않는다. 다른 서브 밴드에 있는 전자가 서브 밴드 Ee3으로 여기되어도 좋고, 서브 밴드 Ee3가 아니라도 다른 서브 밴드로 여기되어도 좋다.
한편, 입사광(400)에 포함되는 빛 중 밴드 갭 Eg103보다 낮은 에너지를 갖고 또 밴드 갭 Eg102보다 낮은 에너지(실제로는 서브 밴드 Ee1의 하단과 서브 밴드 Eh1의 상단의 에너지 차이에서의 양자 우물층의 밴드 갭보다 낮은 에너지)를 갖는 장파장광의 광양자(404)는 에너지 변환층(100)에서 광 흡수되지 않고, 에너지 변환층(100)을 그대로 통과한다. 따라서, 장파장광은 광 흡수로 인한 손실이 없고, 에너지 변화층의 아래 층에 위치하는 광전 변환층에 도달할 수 있다.
상기한 바와 같이, 에너지 변환층(100)은 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 특히, 에너지 변환층(100)은 자외광으로부터 단파장 측의 가시광이고 높은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm 이하인 광 에너지, 즉, 2.24eV 이상의 에너지)를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지(예를 들어, 파장이 553nm를 넘고 1107nm 이하인 광 에너지, 즉, 1.12eV 이상 2.24eV 미만의 에너지)를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다. 이로써, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광 등 단파장광의 양자 효율을 높일 수 있고, 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태는 개시하는 발명의 일 형태인 광전 변환 장치용 에너지 변환층의 구성예에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3에는 광전 변환 장치에 사용하는 에너지 변환층(100)을 확대한 단면 모식도의 예를 도시한다. 에너지 변환층(100)은 제 1 유닛(104)과 제 2 유닛(105)을 갖고, 제 1 유닛(104)은 제 1 두께를 갖는 복수의 제 1 층(102a)과, 제 2 두께를 갖는 복수의 제 2 층(103a)을 갖고, 제 1 층(102a)과 제 2 층(103a)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 제 2 유닛(105)은 제 3 두께를 갖는 복수의 제 3 층(102b)과, 제 4 두께를 갖는 복수의 제 4 층(103b)을 갖고, 제 3 층(102b)과 제 4 층(103b)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 복수의 제 1 층(102a)은 각각 상하를 제 2 층(103a)으로 끼워지고, 또한, 복수의 제 3 층(102b)은 각각 상하를 제 4 층(103b)으로 끼워진 구조를 갖는다. 또한, 도 3에는 도시하지 않았지만, 에너지 변환층(100)에 입사되는 빛의 반사로 인한 손실을 낮추기 위하여 제 1 유닛(104)의 가장 위에 위치하는 층인 제 2 층(103a)의 수광면 측에 제 2 층(103a)의 굴절률과 공기의 굴절율 사이의 굴절율을 갖는 재료를 단층 또는 복수 층 제공하여도 좋다.
양자 우물층을 형성하는 제 1 층(102a)의 두께(제 1 두께) 및 제 3 층(102b)의 두께(제 3 두께)는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 제 1 두께와 제 3 두께는 상이한 두께가 되도록 제공한다. 또한, 에너지 장벽층을 형성하는 제 2 층(103a)의 두께(제 2 두께) 및 제 4 층(103b)의 두께(제 4 두께)는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 제 2 두께와 제 4 두께는 상이한 두께가 되도록 제공하여도 좋고, 같은 두께가 되도록 제공하여도 좋다.
에너지 변환층(100)의 총 막 두께는 20nm 이상 10μm 이하로 할 수 있다.
제 1 층(102a) 또는 제 3 층(102b)은 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 제 1 층(102a) 또는 제 3 층(102b)은 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 1 층(102)과 같은 재료를 제 1 층(102a) 및 제 3 층(102b)도 사용할 수 있다.
제 2 층(103a) 및 제 4 층(103b)은 각각 제 1 층(102a) 및 제 3 층(102b)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 2 층(103)과 같은 재료를 제 2 층(103a) 및 제 4 층(103b)도 사용할 수 있다.
제 1 두께를 갖는 복수의 제 1 층(102a)이 제공된 제 1 유닛(104)과, 제 2 두께를 갖는 복수의 제 3 층(102b)이 제공된 제 2 유닛(105)을 갖는 구성으로 함으로써 양자 우물층에서 서브 밴드 구조의 구성이 상이한 복수의 유닛을 형성할 수 있게 된다. 이로써, 단파장광이고 고에너지를 갖는 하나의 광양자로부터 장파장광인 복수 개의 광양자를 생성하는 확률을 높일 수 있다. 단일의 유닛으로 구성할 때, 도 2(B)에 도시한 바와 같이, 다중 양자 우물 구조에 의하여, 예를 들어, 서브 밴드 Ee1 내지 Ee3, Eh1 내지 Eh4가 형성된다. 이 서브 밴드가 형성됨으로써 각 서브 밴드간을 광학 천이하는 빛의 파장의 자유도가 늘어 에너지 변환층 내에서 광 흡수되는 확률을 높일 수 있다. 그러나, 에너지 변환층에서 에너지를 변환하는 빛의 파장 범위는 각 서브 밴드간의 에너지 부근의 파장 범위에 한정된다. 따라서, 상이한 서브 밴드의 구성을 갖는 복수의 유닛을 제공하고 에너지 변환층 내에서 광 흡수되는 확률을 더 높이고 빛의 파장 범위를 확대함으로써 에너지 변환층 내에서 단파장광이며 높은 에너지를 갖는 하나의 광양자로부터 장파장광이며 낮은 에너지를 갖는 복수 개의 광양자를 생성하는 효과를 더 높일 수 있다.
본 실시형태에 기재한 에너지 변환층(100)을 도 1(A)에 도시한 바와 같은 광전 변환 소자(200)와 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 여기서 설명한 제 1 유닛(104)과 제 2 유닛(105)의 2개의 유닛에 한정되지 않고, 3개 이상의 유닛을 갖는 구성으로 하여도 좋다.
본 실시형태에 따르면, 빛의 에너지를 더 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 본 실시형태에 따르면, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광이며 높은 에너지를 갖는 빛을 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태는 개시하는 발명의 일 형태인 광전 변환 장치용 에너지 변환층의 구성예에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4에 에너지 변환층(100)의 사시도의 예를 도시한다.
에너지 변환층(100)은 긴변 방향(도 4에 도시한 y방향)과 단변 방향(도 4에 도시한 x방향)을 갖는 복수의 제 1 층(112)과, 제 2 층(113)을 갖고, 복수의 제 1 층(112)은 각각 단변 방향의 단면에서 주위를 제 2 층(113)으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 긴변 방향과 단변 방향을 갖는 복수의 제 1 층(112)은 두께 방향(상하 방향이라고도 함)(도면에 도시한 z방향)으로 소정의 간격을 두고 나란한 구조를 갖는다. 또한, 긴변 방향과 단변 방향을 갖는 제 1 층(112)은 단변 방향으로 소정의 간격을 두고 나란한 구조를 갖는다. 제 1 층(112)은 양자 세선을 형성하는 층으로서 사용된다. 제 2 층(113)은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용된다.
복수의 제 1 층(112)의 두께 방향(z방향)에서의 두께는 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 복수의 제 1 층(112)의 단변 방향(x방향)에서의 폭은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 두께 방향(z방향)에서의 제 1 층(112)과 제 1 층(112)의 간격은 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 단변 방향(x방향)에서의 제 1 층(112)과 제 1 층(112)의 간격은 0.5nm 이상 10nm 이하이다.
두께 방향(z방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 두께 방향(z방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 단변 방향(x방향)의 폭이 같은 폭을 갖는 구성, 또는 각각 단변 방향(x방향)의 폭이 상이한 폭을 갖는 구성으로 할 수 있다. 두께 방향(z방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 같은 간격을 갖는 구성, 또는 각각 상이한 간격을 갖는 구성으로 할 수 있다.
단변 방향(x방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 같은 두께를 갖는 구성, 또는 각각 상이한 두께를 갖는 구성으로 할 수 있다. 단변 방향(x방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 단변 방향(x방향)의 폭이 같은 폭을 갖는 구성, 또는 각각 단변 방향(x방향)의 폭이 상이한 폭을 갖는 구성으로 할 수 있다. 단변 방향(x방향)으로 나란한 복수의 제 1 층(112)은 각각 같은 간격을 갖는 구성, 또는 각각 상이한 간격을 갖는 구성으로 할 수 있다.
제 1 층(112)은 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또는, 제 1 층(112)은 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 1 층(102)과 같은 재료를 사용할 수 있다.
제 2 층(113)은 제 1 층(112)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 2 층(103)과 같은 재료를 사용할 수 있다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 입사광(400)이 두께 방향(z방향)으로부터 조사되도록 제공할 수 있다. 또는, 입사광(400)이 단변 방향(x방향)으로부터 조사되도록 제공할 수 있다. 여기서는, 입사광(400)이 두께 방향 중 하나인 아래 방향으로 조사된다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 양자 세선 구조를 갖는다. 양자 세선 구조는 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 2차원 방향으로 양자화되어 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조이다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 특히, 에너지 변환층(100)은 자외광으로부터 단파장 측의 가시광이고 높은 에너지를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다. 이로써, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광 등 단파장광의 양자 효율을 높일 수 있고, 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다. 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기구에 대해서는 도 2(B) 및 도 2(C)에서 설명한 기구와 마찬가지다. 양자 세선 구조는 도 2(B)에 도시한 이산화된 서브 밴드 구조를 z방향 외 x방향에도 가질 수 있고, 에너지 변환층으로서 효과적이다.
도 4에는 도시하지 않았지만, 에너지 변환층(100)은 두께 방향(z방향)으로 나란한 제 1 두께를 갖는 복수의 제 1 층과, 상기 제 1 층을 둘러싸도록 제공된 제 2 층을 갖는 제 1 유닛과, 두께 방향(z방향)으로 나란한 제 2 두께를 갖는 복수의 제 3 층과, 상기 제 3 층을 둘러싸도록 제공된 제 4 층을 갖는 제 2 유닛을 갖는 구성으로 할 수 있다. 제 1 두께와 제 2 두께는 서로 상이한 두께가 되도록 제공할 수 있다. 이 경우에는, 제 1 유닛에서 두께 방향(z방향)으로 나란한 제 1 층과 제 1 층의 간격은 제 2 유닛에서 두께 방향(z방향)으로 나란한 제 3 층과 제 3 층의 간격과 상이한 간격이 되도록 제공하여도 좋고, 같은 간격이 되도록 제공하여도 좋다. 또한, 제 1 유닛과 제 2 유닛의 2개의 유닛에 한정되지 않고, 3개 이상의 유닛을 갖는 구성으로 하여도 좋다.
본 실시형태에 기재한 에너지 변환층(100)을 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시한 바와 같은 광전 변환 소자(200)를 조합하여 사용할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태는 개시하는 발명의 일 형태인 광전 변환 장치의 구성예에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5에 광전 변환 소자와 에너지 변환층을 같은 기판에 제공한 예를 도시한다.
도 5에 광전 변환 장치의 단면 모식도의 예를 도시한다. 광전 변환 장치는 광전 변환 소자(200)와 에너지 변환층(100)을 갖고, 광전 변환 소자(200)와 에너지 변환층(100)이 적층된 구조를 갖는다. 에너지 변환층(100)은 광전 변환 소자(200)가 갖는 광전 변환층(253)의 수광면 측에 위치하도록 제공된다. 입사광(400)은 에너지 변환층(100)을 통과하여 광전 변환 소자(200)가 갖는 광전 변환층(253)에 입사된다.
에너지 변환층(100)은 실시형태 1 내지 실시형태 3에서 설명한 구성을 사용할 수 있다. 또한, 도 5에는 도시하지 않았지만, 에너지 변환층(100)에 입사되는 빛의 반사로 인한 손실을 낮추기 위하여 에너지 변환층(100)의 수광면 측에 제 2 층(103)의 굴절률과 공기의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 재료를 단층 또는 복수 층 제공하여도 좋다.
광전 변환 소자(200)는 제 1 전극(206), 광전 변환층(253), 및 제 2 전극(218)을 갖는다. 광전 변환 소자(200)는 그 외 일 도전형을 부여하는 불순물 원소를 갖는 제 1 반도체층(208), 및 상기 불순물 원소와 상이한 도전형을 부여하는 불순물 원소를 갖는 제 2 반도체층(214)을 갖는 구성으로 할 수 있다. 광전 변환 소자(200)는 제 1 전극(206), 제 1 반도체층(208), 광전 변환층(253), 제 2 반도체층(214), 제 2 전극(218)의 순서로 적층된 구조를 갖는다. 광전 변환층(253)으로서 반도체 기판을 사용하는 경우에는, 제 1 반도체층(208), 제 2 반도체층(214)은 반도체 기판에 열 확산, 이온 도핑법 등에 의하여 도전형을 부여하는 불순물 원소를 첨가함으로써 형성하여도 좋다. 또는, 제 1 반도체층(208), 제 2 반도체층(214)은 광전 변환층(253)과 상이한 재료 또는 상이한 결정 상태를 갖는 재료를 사용하여 형성하여도 좋다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 광전 변환층(253), 제 1 반도체층(208), 제 2 반도체층(214)과 같은 구성으로 형성할 수 있다.
또한, 도 5에 광전 변환 소자(200)의 각 층을 평탄하게 그렸지만, 제 2 반도체층(214)과 광전 변환층(253)의 수광면 측, 및 제 1 반도체층(208)과 광전 변환층(253)의 이면 측의 형상을 요철 형상으로 한 텍스처 구조를 제공하여도 좋다. 텍스처 구조를 제공함으로써 수광면 측의 반사율을 저감할 수 있고, 또한, 광전 변환층(253) 내에 빛을 차폐할 수 있다. 이로써, 광 전류의 증가와 광전 변환층(253)의 박막화가 가능하므로 비용을 저감할 수 있다.
광전 변환 소자(200)가 갖는 제 2 반도체층(214) 위에 에너지 변환층(100)이 제공된다. 그리고, 에너지 변환층(100) 위에 제 2 전극(218)이 제공된다. 제 2 전극(218)은 에너지 변환층(100)에 제공된 개구를 통하여 제 2 반도체층(214)과 전기적으로 접속되는 구성을 갖는다.
본 실시형태에 따르면, 에너지 변환층(100)을 광전 변환 소자(200) 위에 직접 제공하여 일체화시킴으로써, 즉, 광전 변환 소자(200)와 에너지 변환층(100)을 같은 기판에 제공함으로써 에너지 변환층(100)을 다른 기판에 제공하는 경우와 비교하여 광전 변환 장치를 저비용화, 소형화, 또는 경량화할 수 있다. 또한, 에너지 변환층과 광전 변환층 사이의 광학 손실을 저감할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 빛의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 본 실시형태에 따르면, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광 등 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태는 개시하는 발명의 일 형태인 광전 변환 장치용 에너지 변환층의 구성예에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7에 에너지 변환층(100)의 사시도의 예를 도시한다.
에너지 변환층(100)은 복수의 양자 도트(114)와 제 1 층(115)을 갖고, 복수의 양자 도트(114)는 긴변 방향(도 7에 도시한 y방향)과 단변 방향(도 7에 도시한 x방향)과 두께 방향(도 7에 도시한 z방향)에서 주위를 제 1 층(115)으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 양자 도트란, 직경이 수나노 미터 정도로 작은 반도체의 나노 입자를 가리킨다. 막 두께가 충분히 두껍고 높은 에너지 장벽을 갖는 층으로 3차원적으로 나노 입자가 둘러싸인 경우에는 양자 도트가 된다. 복수의 양자 도트(114)는 긴변 방향(도 7에 도시한 y방향)과 단변 방향(도 7에 도시한 x방향)과 두께 방향(도 7에 도시한 z방향)으로 균일하게 배열된다. 제 1 층(115)은 에너지 장벽을 형성하는 층으로서 사용된다. 복수의 양자 도트(114)와 제 1 층(115)을 갖는 에너지 변환층(100)은 양자 도트층을 형성한다.
복수의 양자 도트(114)의 평균 직경은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 복수의 양자 도트(114)의 긴변 방향(도 7에 도시한 y방향)의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 또한, 복수의 양자 도트(114)의 단변 방향(도 7에 도시한 x방향)의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다. 또한, 복수의 양자 도트(114)의 두께 방향(도 7에 도시한 z방향)의 간격은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하이다.
양자 도트층에서의 긴변 방향, 단변 방향, 두께 방향의 각 방향으로 배열된 복수의 양자 도트(114)의 직경은 변동이 작은 것이 바람직하다. 복수의 양자 도트(114)의 직경들의 변동은 50% 이하인 것이 바람직하다. 직경들의 변동이 적고, 균일성이 뛰어난 양자 도트(114)를 각 방향으로 배열함으로써 빛의 에너지를 더 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 양자 도트(114)는 주기적으로 배열되어도 좋다. 양자 도트(114)를 3차원적으로 주기 배열시킴으로써 양자 도트(114)와 양자 도트(114) 사이에 전자적 결합이 일어나 서브 밴드가 형성된다. 서브 밴드와 서브 밴드 사이의 광학 천이나 복잡한 흡수 과정을 이용함으로써 변환 효율을 높일 수 있다.
양자 도트(114)를 구성하는 재료로서는, 실리콘을 사용할 수 있다. 또한, 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료 또는 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 1 층(102)과 같은 재료를 사용할 수 있다.
제 1 층(115)을 구성하는 재료로서 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 사용할 수 있다. 제 1 층(115)은 양자 도트(114)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 실시형태 1에서 설명한 제 2 층(103)과 같은 재료를 사용할 수 있다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 입사광(400)이 두께 방향(z방향)으로부터 또는 단변 방향(x방향)으로부터 조사되도록 제공할 수 있다. 여기서는, 입사광(400)이 두께 방향 중 하나인 아래 방향으로 조사된다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 양자 도트층을 갖는다. 양자 도트층은 가전자 대역, 전도 대역 부근의 전자 상태가 3차원 방향으로 양자화되어 에너지 준위가 이산화된 상태를 얻을 수 있는 구조를 갖는다.
상기 구성을 갖는 에너지 변환층(100)은 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기능을 갖는다. 특히, 에너지 변환층(100)은 자외광으로부터 단파장 측의 가시광이고 높은 에너지를 갖는 하나의 광양자로부터 그것보다 낮은 에너지를 갖는 복수 개의 광양자를 생성할 수 있다. 이로써, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광 등 단파장광의 양자 효율을 높일 수 있고, 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다. 하나의 광양자로부터 복수 개의 광양자를 생성하는 기구에 대해서는 도 2(B) 및 도 2(C)에서 설명한 기구와 마찬가지이다. 양자 도트 구조는 도 2(B)에서 도시한 이산화된 서브 밴드 구조를 z방향 외 x방향 및 y방향에도 가질 수 있고, 에너지 변환층으로서 효과적이다.
또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 에너지 변환층(100)은 복수의 양자 도트층이 적층된 구성을 가져도 좋다. 양자 도트층(500)은 복수의 양자 도트(116)와 제 1 층(119)을 갖고, 복수의 양자 도트(116)는 3차원 방향에서 주위를 제 1 층(119)으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 양자 도트층(510)은 복수의 양자 도트(117)와 제 2 층(120)을 갖고, 복수의 양자 도트(117)는 3차원 방향에서 주위를 제 2 층(120)으로 둘러싸인 구조를 갖는다. 양자 도트층(520)은 복수의 양자 도트(118)와, 제 3 층(121)을 갖고, 복수의 양자 도트(118)는 3차원 방향에서 주위를 제 3 층(121)으로 둘러싸인 구조를 갖는다.
이 경우에는, 복수의 양자 도트층에 포함되는 복수의 양자 도트의 평균 직경 또는 간격이 양자 도트층마다 상이한 것이 바람직하다. 양자 도트층(500)에 포함되는 양자 도트(116), 양자 도트층(510)에 포함되는 양자 도트(117), 양자 도트층(520)에 포함되는 양자 도트(118)의 평균 직경은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하의 범위로 구성된다. 예를 들어, 양자 도트층(500)에 포함되는 양자 도트(116)의 평균 직경은 각각 약 1.0nm이다. 예를 들어, 양자 도트층(510)에 포함되는 양자 도트(117)의 평균 직경은 각각 약 2.0nm이다. 예를 들어, 양자 도트층(520)에 포함되는 양자 도트(118)의 평균 직경은 각각 약 3.0nm이다. 각 양자 도트층(500, 510, 520)에서 양자 도트의 직경은 변동이 적은 것이 바람직하다. 양자 도트층(500)에 포함되는 복수의 양자 도트(116)의 직경들의 변동, 및 양자 도트층(510)에 포함되는 복수의 양자 도트(117)의 직경들의 변동, 및 양자 도트층(520)에 포함되는 복수의 양자 도트(118)의 직경들의 변동은 50% 이하인 것이 바람직하다.
각 양자 도트층에 포함되는 양자 도트의 평균 직경을 바꿈으로써, 흡수하는 빛의 파장을 제어할 수 있는 소위 양자 사이즈 효과(quantum size effects)를 이용할 수 있으므로, 자외광으로부터 단파장 측의 가시광 등 단파장광의 양자 효율을 높일 수 있고, 단파장광의 에너지를 유효적으로 이용할 수 있는 광전 변환 장치 및 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다. 또한, 양자 도트(116), 양자 도트(117), 양자 도트(118)는 주기적으로 배열되어도 좋다.
양자 도트(116)를 구성하는 재료로서는 실리콘을 사용할 수 있다. 양자 도트(117)를 구성하는 재료로서는 실리콘을 사용할 수 있다. 양자 도트(118)를 구성하는 재료로서는 실리콘을 사용할 수 있다. 양자 도트(116, 117, 118)는 광전 변환층에 사용되는 재료와 같은 재료 또는 광전 변환층에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다.
제 1 층(119)은 양자 도트(116)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 구체적으로는, 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 사용할 수 있다. 제 2 층(120)은 양자 도트(117)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 구체적으로는, 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 사용할 수 있다. 제 3 층(121)은 양자 도트(118)에 사용되는 재료보다 에너지 밴드 갭이 큰 재료를 갖는 구성으로 할 수 있다. 구체적으로는, 질화실리콘, 질화산화실리콘(SiNxOy(x>y>0)), 산화질화실리콘(SiOxNy(x>y>0)), 또는 산화실리콘을 사용할 수 있다.
본 실시형태에 기재한 에너지 변환층(100)을 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시한 바와 같은 광전 변환 소자(200)와 조합하여 사용할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 광 에너지를 유효적으로 이용할 수 있고, 변환 효율 등의 성능을 향상시킬 수 있는 신규의 광전 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 광전 변환 장치용 에너지 변환층을 제공할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시예 1)
본 실시예에서는 도 1(B)에 도시한 에너지 변환층(100)을 제작하고, 그 단면을 관찰하였다.
기판으로서 유리 기판을 준비하였다. 유리 기판 위에 플라즈마 CVD법에 의하여 제 2 층(703)으로서 두께 6.5nm의 질화실리콘(SiNx(x>0))을 형성하였다.
다음에, 제 2 층(703) 위에 플라즈마 CVD법에 의하여 제 1 층(702)으로서 두께 3nm의 실리콘을 형성하고 제 1 층(702) 위에 제 2 층(703)으로서 두께 6.5nm의 질화실리콘(SiNx(x>0))을 형성하는 공정을 20번 반복함으로써 양자 우물 구조를 갖는 에너지 변환층을 형성하였다. 제 1 층(702)의 실리콘은 모노실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스를 원료로서 사용하고, 원료 가스의 질량 유량 비율을 SiH4:H2=8:400으로 하고, 플라즈마 CVD법에 의하여 형성하였다. 제 1 층(702)의 실리콘을 형성하는 플라즈마 여기의 조건은 고주파 전력 15W(주파수 60MHz), 성막 온도(기판 온도) 300℃, 처리실 내 압력 100Pa, 전극 간격 20mm로 하였다. 한편, 제 2 층(703)의 질화실리콘(SiNx(x>0))은 모노실란(SiH4) 가스와 암모니아(NH3) 가스와 아르곤(Ar) 가스를 원료로서 사용하고, 원료 가스의 질량 유량 비율을 SiH4: NH3:Ar=5:400:50으로 하고, 플라즈마 CVD법에 의하여 형성하였다. 제 2 층(703)의 질화실리콘(SiNx(x>0))을 형성하는 플라즈마 여기의 조건은 고주파 전력 500W(주파수 27MHz), 성막 온도(기판 온도) 300℃, 처리실 내 압력 30Pa, 전극 간격 20mm로 하였다.
제작한 에너지 변환층의 단면 사진을 도 6에 도시한다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두께 3nm 정도의 실리콘으로 이루어진 제 1 층(702)과, 두께 6.5nm 정도의 질화실리콘으로 이루어진 제 2 층(703)이 교대로 적층된 구조가 관찰되었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 도 7에 도시한 에너지 변환층(100)을 제작하고, 그 단면을 관찰하였다.
기판으로서 준비한 유리 기판 위에 플라즈마 CVD법에 의하여 두께 5nm의 실리콘을 성막하였다. 양자 도트는 실리콘을 성막하는 초기 과정에서 일어나는 섬 형상 성장에 의하여 형성하였다. 다음에, 플라즈마 CVD법에 의하여 제 1 층으로서 두께 5nm의 질화실리콘(SiNx(x>0))을 형성하고, N2O 플라즈마 처리를 1분 동안 실시하였다. 상기 공정을 20번 반복함으로써 양자 도트 구조를 갖는 에너지 변환층을 형성하였다. 양자 도트인 실리콘은 모노 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스를 원료로서 사용하고, 원료 가스의 질량 유량 비율을 SiH4:H2=8:400으로 하고, 플라즈마 CVD법에 의하여 형성하였다. 양자 도트의 실리콘을 형성하는 플라즈마 여기의 조건은 고주파 전력 15W(주파수 60MHz), 성막 온도(기판 온도) 300℃, 처리실 내 압력 100Pa, 전극 간격 20mm로 하였다. 한편, 제 1 층인 질화실리콘(SiNx(x>0))은 모노 실란(SiH4) 가스와 암모니아(NH3) 가스와 아르곤(Ar) 가스를 원료로서 사용하고, 원료 가스의 질량 유량 비율을 SiH4:NH3:Ar=5:400:50으로 하고, 플라즈마 CVD법에 의하여 형성하였다. 제 1 층인 질화실리콘(SiNx(x>0))을 형성하는 플라즈마 여기의 조건은 고주파 전력 500W(주파수 27MHz), 성막 온도(기판 온도) 300℃, 처리실 내 압력 30Pa, 전극 간격 20mm로 하였다. 또한, 질화실리콘을 형성한 후에 실시한 N2O 플라즈마 처리 조건은 N2O 가스 유량을 400sccm, 고주파 전력 300W(주파수 27MHz), 기판 온도 300℃, 처리실 내 압력 60Pa, 전극 간격 30mm로 하였다.
제작한 에너지 변환층의 단면 사진을 도 9에 도시한다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 단결정 실리콘의 (111)면에 상당하는 격자라면 간격 0.31nm 정도이고, 직경 7nm의 양자 도트가 관찰되었다.
100: 에너지 변환층 102: 제 1 층
103: 제 2 층 200: 광전 변환 소자
206: 제 1 전극 208: 제 1 반도체층
214: 제 2 반도체층 218: 제 2 전극
253: 광전 변환층 400: 입사광

Claims (30)

  1. 광전 변환 장치로서,
    제 1 전극;
    상기 제 1 전극 위의 제 1 반도체층;
    상기 제 1 전극 위의 광전 변환층;
    상기 광전 변환층 위의 제 2 반도체층; 및
    상기 제 2 반도체층 위에 있고 상기 제 2 반도체층과 전기적으로 접속된 제 2 전극
    을 포함하는 광전 변환 소자; 및
    상기 제 2 반도체층 위의 에너지 변환층을 포함하고,
    상기 에너지 변환층은 교대로 적층된 복수의 제 1 층과 복수의 제 2 층을 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 에너지 변환층 위에 제공되고,
    상기 에너지 변환층은 개구를 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 에너지 변환층의 상기 개구를 통해 상기 제 2 반도체층과 접촉하는, 광전 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 두께는 0.5nm 이상 10nm 이하이고,
    상기 제 2 층의 두께는 0.5nm 이상 10nm 이하인, 광전 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 실리콘을 포함하고,
    상기 제 2 층은 질화실리콘, 질화산화실리콘, 산화질화실리콘, 또는 산화실리콘을 포함하는, 광전 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층은 교대로 적층된 복수의 제 3 층과 복수의 제 4 층을 더 포함하고,
    상기 제 3 층은 실리콘을 포함하고,
    상기 제 4 층은 질화실리콘, 질화산화실리콘, 산화질화실리콘, 또는 산화실리콘을 포함하는, 광전 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 두께와 상기 제 3 층의 두께는 서로 다른, 광전 변환 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 두께와 상기 제 4 층의 두께는 서로 다른, 광전 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층은 양자 우물(quantum well) 구조를 갖는, 광전 변환 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 층 각각은 제 1 변과 상기 제 1 변보다 짧은 제 2 변을 갖고,
    상기 복수의 제 1 층은 상기 제 1 변과 상기 제 2 변에 수직인 제 1 방향과 상기 제 2 변에 평행한 제 2 방향으로 정해진 간격을 두고 배치되는, 광전 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층은 양자 세선(quantum wire) 구조를 갖는, 광전 변환 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자와 상기 에너지 변환층은 하나의 기판 위에 제공되는, 광전 변환 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층은 하나의 광양자로부터 복수의 광양자를 생성하는, 광전 변환 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 광전 변환 장치로서,
    기판 위의 광전 변환 소자; 및
    상기 기판 위, 그리고 제 2 반도체층 위의 에너지 변환층을 포함하고,
    상기 광전 변환 소자는
    제 1 전극;
    상기 제 1 전극 위의 제 1 반도체층;
    상기 제 1 전극 위의 광전 변환층;
    상기 광전 변환층 위의 상기 제 2 반도체층; 및
    상기 제 2 반도체층 위에 있고 상기 제 2 반도체층과 전기적으로 접속된 제 2 전극을 포함하고,
    상기 에너지 변환층은 양자 도트(quantum dot)층을 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 에너지 변환층 위에 제공되고,
    상기 에너지 변환층은 개구를 포함하고,
    상기 제 2 전극은 상기 에너지 변환층의 상기 개구를 통해 상기 제 2 반도체층과 접촉하는, 광전 변환 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 양자 도트층은 복수의 양자 도트를 포함하고,
    상기 복수의 양자 도트의 평균 직경은 0.5nm 이상 10nm 이하이고,
    상기 복수의 양자 도트는 실리콘을 포함하는, 광전 변환 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층은 복수의 양자 도트층을 더 포함하고,
    상기 복수의 양자 도트층 각각은 복수의 양자 도트를 포함하고,
    하나의 양자 도트층에 포함되는 복수의 양자 도트의 평균 직경은 다른 양자 도트층에 포함되는 복수의 양자 도트의 평균 직경과 다르고,
    각 양자 도트층의 상기 복수의 양자 도트의 직경의 변동(variation)은 50% 이하인, 광전 변환 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 양자 도트층에 포함되는 복수의 양자 도트는 3차원적으로 주기 배열되는, 광전 변환 장치.
  24. 삭제
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체층 및 상기 제 2 반도체층은 상이한 도전형을 가지는 실리콘을 포함하는, 광전 변환 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 격자 형상 또는 빗 형상을 가지는, 광전 변환 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환층은 질소 또는 탄소를 함유하는 실리콘 재료, 및 실리콘 중 어느 하나를 포함하는, 광전 변환 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층의 가장 위에 위치하는 층과 가장 아래에 위치하는 층은 각각 상기 제 2 층을 포함하는, 광전 변환 장치.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 변환층의 두께는 20nm 이상 10μm 이하인, 광전 변환 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 상기 에너지 변환층과 접촉하는, 광전 변환 장치.
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