TWI539616B - 光電轉換裝置及光電轉換裝置用之能量轉換層 - Google Patents

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橫井智和
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半導體能源研究所股份有限公司
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Description

光電轉換裝置及光電轉換裝置用之能量轉換層
本發明之實施例相關於光電轉換裝置，諸如太陽能電池。
已主動地研究及發展光電轉換裝置，諸如太陽能電池。日光頻譜的範圍廣泛地從具有短波長的光(諸如紫外光)至具有長波長的光(諸如紅外光)。具有短波長之光的能量高於具有長波長之光的能量。因此，當可有效率地使用具有短波長之光的能量時，可改善太陽能電池的轉換效率。
例如，已試圖藉由使用波長轉換層改善太陽能電池的轉換效率(例如，專利文件1)。
[參考文件] [專利文件]
[專利文件1]日本已公告專利申請案案號第H7-142752號
然而，甚至在光電轉換層吸收其能量高於光電轉換層之能帶隙的能量之具有短波長的光時，將不在光電轉換層的能帶隙之能量範圍內的能量釋放為熱能，且不能作為太陽能電池的電力取出。
有鑑於上文，本發明的目的係提供可有效率地使用光能並可改善效能的新穎光電轉換裝置。此外，本發明的目的係提供可有效率地使用具有比紅外光更短之波長的可見光之能量的光電轉換裝置。此外，本發明的目的係提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
揭示包括光電轉換元件以及設置在包括在該光電轉換元件中之光電轉換層的光接收側上之能量轉換層的光電轉換裝置。此外，揭示用於光電轉換裝置的能量轉換層。
能量轉換層包括複數層第一層及複數層第二層，並具有將該第一層及該第二層交替地堆疊之結構。將該第一層夾於第二層之間。將第二層設置在能量轉換層的最上層及最下層。
複數層第一層各層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數層第一層可能具有相同厚度或不同厚度。
複數層第二層各層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。該等複數層第二層可能具有相同厚度或不同厚度。設置在能量轉換層之最上層及最下層的該等第二層可能具有大於或等於10nm的厚度。
能量轉換層的總厚度可大於或等於20nm並少於或等於10μm。
在以上結構中，第一層可使用與光電轉換層相同的材料形成。或者，第一層可使用具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層可使用矽形成。
在以上結構中，第二層可使用具有比第一層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第二層可使用係包含矽及氮之化合物的氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或係包含矽及氧之化合物的氧化矽形成。
能量轉換層具有從一光子產生複數個光子的功能。能量轉換層可從具有高能量的一光子(例如，與具有少於或等於553nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於2.24eV的能量)產生具有比該一光子的能量更低之能量的複數個光子(例如，與具有大於553nm並少於或等於1107nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於1.12eV且少於2.24eV的能量)。
能量轉換層可具有量子井結構，並可使用多量子井結構或包括複數個單量子井結構的結構。可將第一層使用為形成量子井的層，並將第二層使用為形成能量障壁的層。使用量子井結構，在一維方向(諸如厚度方向)上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。
此外，能量轉換層包括第一單元及第二單元。第一單元包括具有第一厚度的複數層第一層以及具有第二厚度之複數層第二層。交替地堆疊該第一層及該第二層。第二單元包括具有第三厚度的複數層第三層以及具有第四厚度之複數層第四層。交替地堆疊該第三層及該第四層。此外，該能量轉換層並未受限於具有第一單元及第二單元之二單元，並可能包括三個或多個單元。
在以上結構中，第一厚度及第三厚度各者均大於或等於0.5nm並少於或等於10nm，且第二厚度及第四厚度各者均大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。至少該第一厚度與該第三厚度彼此不同。
在以上結構中，可將第一層及第三層使用為形成量子井的層，並可將第二層及第四層使用為形成能量障壁的層。第一層及第三層可使用與該第一層相同的材料形成。例如，第一層及第三層可使用矽形成。第二層及第四層可使用與該第二層相同的材料形成。例如，第二層及第四層可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。
此外，能量轉換層可具有量子佈線結構。使用量子佈線結構，在二維方向上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。
在量子佈線結構的情形中，能量轉換層包括複數層第一層及第二層，各第一層具有縱向方向及橫向方向。複數層第一層各層在垂直於縱向方向的剖面上為第二層所包圍。在厚度方向(也稱為垂直於該層的方向)及橫向方向上以預定間距配置各者具有縱向方向及橫向方向的複數層第一層。將第二層使用為形成能量障壁的層。
複數層第一層各層在厚度方向上的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數層第一層各層在橫向方向上的寬度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。在第一層之間在厚度方向上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。在第一層之間在橫向方向上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。
配置在厚度方向(也稱為垂直於該層的方向)上的複數層第一層可能具有相同厚度或不同厚度。配置在厚度方向上的複數層第一層可能在橫向方向上具有相同寬度或不同寬度。配置在厚度方向上的複數層第一層可能以相等間距或不同間距設置。
配置在橫向方向上的複數層第一層可能具有相同厚度或不同厚度。配置在橫向方向上的複數層第一層可能在橫向方向上具有相同寬度或不同寬度。配置在橫向方向上的複數層第一層可能以相等間距或不同間距設置。
在以上結構中，第一層可使用與光電轉換層相同的材料形成。或者，第一層可使用具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層可使用矽形成。
在以上結構中，第二層可使用具有比第一層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第二層可使用係包含矽及氮之化合物的氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或係包含矽及氧之化合物的氧化矽形成。
能量轉換層具有從一光子產生複數個光子的功能。能量轉換層可從具有高能量的一光子(例如，與具有少於或等於553nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於2.24eV的能量)產生具有比該一光子的能量更低之能量的複數個光子(例如，與具有大於553nm並少於或等於1107nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於1.12eV且少於2.24eV的能量)。
此外，能量轉換層可包括量子點層。量子點層包括複數個量子點及第一層。該等複數個量子點在縱向方向、橫向方向、以及厚度方向上為第一層所包圍。此外，能量轉換層可能具有將複數個量子點堆疊於其中的結構。在此種情形中，量子點層中之複數個量子點的平均直徑在各量子點層中不同為佳。
在以上結構中，該等複數個量子點的平均直徑大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。在複數個量子點之間在縱向方向上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。此外，在複數個量子點之間在橫向方向上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。此外，在複數個量子點之間在厚度方向上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。
在以上結構中，該等複數個量子點及第一層形成量子點層，並可將該第一層使用為形成能量障壁的層。例如，第一層可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。該等複數個量子點可使用矽形成。
能量轉換層可具有量子點結構。使用量子點結構，在三維方向上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。
在量子點結構的情形中，能量轉換層包括配置在縱向方向、橫向方向、以及厚度方向上的複數個量子點。該等複數個量子點為第一層所包圍。須注意以預定間距將該等複數個量子點均勻地配置在縱向方向、橫向方向、以及厚度方向各者上。
在以上結構中，該等複數個量子點可使用與光電轉換層相同的材料形成。或者，該等複數個量子點可使用具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，該等複數個量子點可使用矽形成。
在以上結構中，第一層可使用具有比用於該等複數個量子點之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層可使用係包含矽及氮之化合物的氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或係包含矽及氧之化合物的氧化矽形成。
能量轉換層具有從一光子產生複數個光子的功能。能量轉換層可從具有高能量的一光子(例如，與具有少於或等於553nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於2.24eV的能量)產生具有比該一光子的能量更低之能量的複數個光子(例如，與具有大於553nm並少於或等於1107nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於1.12eV且少於2.24eV的能量)。
在以上結構中，可將光電轉換元件及能量轉換層設置在一基材上方。當將光電轉換元件及能量轉換層設置在一基材上方時，相較於將光電轉換元件及能量轉換層設置在不同基材上方的情形，可實現光電轉換裝置的成本降低、尺寸縮減、以及重量降低。此外，可降低由基材導致的光損耗，其可能發生在將光電轉換元件及能量轉換層設置在不同基材上方的情形中。
可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。特別係可能提供可增加具有比紅外光更短的波長之可見光的頻譜靈敏度及量子效率並可有效率地使用具有短波長之光的能量之光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
在下文中，將參考該等圖式描述本發明的實施例及範例。然而，本發明並未受限於以下描述。熟悉本發明之人士將輕易地領會其模式及細節可無須脫離本發明之精神及範圍而以各種方式修改。因此，不應將本發明理解為受待於下文提供之實施例及範例的描述所限制。須注意在描述本發明的結構時，將標示相同部位的參考數字共同地使用在不同圖式中。
(實施例1)
在此實施例中，將參考圖1A及1B以及圖2A至2C描述根據本揭示發明之實施例的光電轉換裝置之結構的範例以及能量轉換層之結構的範例。
圖1A係描繪光電轉換裝置之範例的概要橫剖面圖。光電轉換裝置包括光電轉換元件200及能量轉換層100。將能量轉換層100設置在光電轉換元件200的光接收側上。入射光400經由能量轉換層100進入包括在光電轉換元件200中的光電轉換層253。
光電轉換元件200包括第一電極206、光電轉換層253、以及第二電極218。此外，光電轉換元件200包括第一半導體層208及第二半導體層214，第一半導體層包含賦予一導電類型的雜質元素，第二半導體層包含賦予與包含在第一半導體層208中之雜質元素的導電類型不同之導電類型的雜質元素。在光電轉換元件200中，第一電極206、第一半導體層208、光電轉換層253、第二半導體層214、以及第二電極218以此次序堆疊。
光電轉換層253可使用矽形成。例如，可將晶態矽(諸如，單晶矽、多晶矽、或微晶矽)或非晶矽使用為光電轉換層253的材料。此外，可能使用包含晶態矽及非晶矽的材料、或包含氮或碳的矽材料等。
在將半導體基材使用為光電轉換層253的情形中，第一半導體層208及第二半導體層214係以藉由熱擴散、或離子摻雜法等將賦予個別導電類型之雜質元素加至該半導體基材的此種方式形成。或者，第一半導體層208及第二半導體層214各層可能藉由PECVD法、熱CVD法、或濺鍍法使用與光電轉換層253之材料不同的材料、或具有與光電轉換層253的結晶態不同之結晶態的材料形成。例如，可將p-型晶態矽晶圓使用為光電轉換層253、可將藉由摻雜有賦予n-型導電性之磷而得到的n-型晶態矽使用為第二半導體層214、並可將藉由摻雜有賦予p-型導電性之硼或鋁而得到的p-型晶態矽使用為第一半導體層208。
第二電極218形成有格狀形狀或梳狀形狀，使得光電轉換元件200的光接收面積可甚大，並可補償隨電極面積減少而增加的電阻。
雖然未描繪於圖1A中，可能將防止光反射的材料(諸如聚矽氧樹脂或有機樹脂)設置在能量轉換層100及光電轉換元件200之間。在該情形中，防止光反射的材料填充在能量轉換層100及光電轉換元件200之間的區域。此外，雖然在圖1A中將光電轉換元件200中的各層描繪成平的，可能使用使第二半導體層214的形狀及光電轉換層253之光接收側及第一半導體層208的形狀以及光電轉換層253之背側不平坦的紋路結構。使用紋路結構，可降低光接收側上的反射性且光電轉換層253中的光禁閉係可能的。因此，可增加光電電流並可將光電轉換層253薄化，使得成本可削減。
圖1B係藉由放大描繪包括在光電轉換裝置中的能量轉換層100之範例的概要橫剖面圖。能量轉換層100包括複數層第一層102及複數層第二層103，並將第一層102及第二層103交替地堆疊。在垂直方向上將第一層102夾於第二層103之間。
複數層第一層102各層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數層第一層102可能具有相同厚度或不同厚度。
複數層第二層103各層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數層第二層103可能具有相同厚度或不同厚度。設置在能量轉換層100之最上層及最下層的第二層103可能具有大於或等於10nm的厚度。
能量轉換層100的總厚度可大於或等於20nm並少於或等於10μm。
第一層102可使用與光電轉換層253相同的材料形成。或者，第一層102可使用具有比用於光電轉換層253之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層102可使用矽(晶態矽或非晶矽)形成。
第二層103可使用具有比用於第一層102之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第二層103可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。
可將能量轉換層100設置在未形成光電轉換元件200之基材或形成光電轉換元件200的基材上方。能量轉換層100可藉由PECVD法、熱CVD法、分子束磊晶(MBE)法、蒸鍍沈積法、或濺鍍法等形成。能量轉換層100係以將第二層103形成在最底層中、然後，在第二層103上方將第一層102形成至大於或等於0.5nm且少於或等於10nm的厚度、並在第一層102上方將第二層103形成至大於或等於0.5nm且少於或等於10nm的厚度之此種方式形成。另外，在第二層103上方，交替地形成第一層102及第二層103，並將第二層103形成在最上層。例如，較佳地，使用矽將第一層102形成至大於或等於1nm且少於或等於3nm的厚度，並使用氧化矽將第二層103形成至大於或等於0.5nm且少於或等於5nm的厚度。須注意第一層102及第二層103的較佳厚度係取決於所使用的材料、及能帶隙等。此外，在形成第一層102或第二層103之前，形成第一層102或第二層103的表面可能受表面處理，諸如電漿處理。可將N2O、N2、Ar、或O2等使用為表面處理的大氣。
此外，雖然未描繪於圖1A及1B中，為增加進入能量轉換層100的光量，將具有在第二層103之折射率及空氣的折射率之間的折射率之一或多層的材料設置在最上層之第二層103的光接收側上。以此種方式，可降低能量轉換層100之表面的反射性。
圖2A係藉由放大描繪包括在光電轉換裝置中的能量轉換層100之範例的概要橫剖面圖。此處，能量轉換層100的厚度方向(圖式中的z方向)對應於橫向方向。圖2A描繪能量轉換層100包括四層第一層102及五層第二層103，亦即，總共包括九層的範例。不消說，第一層102及第二層103的堆疊數並未受限於此範例中該等層，且該數量可能大於或等於20，大於或等於50為佳。將第一層102及第二層103交替地堆疊。在圖2A中，入射光400從能量轉換層100的左側進入。
圖2B描繪能量轉換層100之能帶結構的範例，其中垂直軸指示能量且水平軸指示能量轉換層100的厚度。
在第二層103中，以Ecb表示在傳導帶底部的能量並以Evb表示在共價帶頂部的能量。在第一層102中，以Ecw表示在傳導帶底部的能量並以Evw表示在共價帶頂部的能量。以Eg103表示第二層103之材料的特定能帶隙，並以Eg102表示第一層102之材料的特定能帶隙。第一層102的能帶隙Eg102小於第二層103的能帶隙Eg103。
如圖2A及2B所描繪的，能量轉換層100具有將第一層102夾於第二層103之間的結構，該第一層具有能帶隙Eg102甚小的薄膜形狀(諸如具有大於或等於0.5nm且少於或等於10nm之厚度的薄膜)，該等第二層各層具有能帶隙Eg103甚大的薄膜形狀(諸如具有大於或等於0.5nm且少於或等於10nm之厚度的薄膜)。亦即，能量轉換層100具有量子井結構。第一層102係形成量子井之層(也稱為量子井層)。電子在量子井中的能階係離散的，並分割為稱為次能帶的能量態(也稱為小能帶：Ee1、Ee2、Ee3、Eh1、Eh2、Eh3、以及Eh4)。第二層103係形成能量障壁的層(也稱為能量障壁層)。
使用量子井結構，在一維方向(諸如厚度方向或圖式中的z方向)上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。於本文說明設置次能帶Ee1至Ee3及Eh1至Eh4的範例，但本發明並未受限於此。次能帶的數量及能階的位置可依據形成量子井結構之量子井層及能量障壁層的尺寸及材料、量子井層及能量障壁層的堆疊數量、以及包括在量子井結構中的量子井層及能量障壁層之堆疊結構的週期性而改變。藉由充份地降低一量子井層及一能量障壁層的總厚度並均勻地配置量子井層及能量障壁層，得到多量子井結構並形成次能帶。使用薄量子井層，將量子井中的電子態量子化且能階係離散的；同時，使用該薄能量障壁層，相鄰量子井中的電子態相互干擾。藉由藉由量子井層及能量障壁層的堆疊數量，相鄰量子井層中的電子態在較大範圍內彼此干擾，並將在量子井中離散之能階形成為次能帶。藉由形成次能帶，擴展在次能帶之間用於光躍遷的波長範圍，並可增加能量轉換層中的光吸收機率。使用多量子井結構，可增加能量轉換層的效率，並可有效率地使用光能。使用厚能量障壁層，次能帶未形成，且在各量子井中，因為單量子井的量子效應，形成離散的能階。因此，離散能階之間光躍遷僅對具有特定波長的光發生，使得不容易得到能量轉換層的效果。在該情形中，藉由改變量子井層的厚度，可能改變量子井的能階，以改善能量轉換層中的光吸收機率。
圖2C描繪能量轉換層100的能帶結構，以及入射光400的行為。例如，將日光或從發光裝置，諸如螢光燈，發射之光使用為入射光400。在將日光使用為入射光400的情形中，入射光400包括具有從具有短波長之光(諸如紫外光)至具有長波長的光(諸如紅外光)之廣闊波長範圍的光。雖然未將次能帶Ee1至Ee3及Eh1至Eh4描繪於圖2C中，因為圖2B中的能帶結構與圖2C中的能帶結構相同，將藉由圖2B之Ee1至Ee3及Eh1至Eh4產生的描述用於次能帶。
包含在入射光400中之具有短波長的光之光子401具有高於能帶隙Eg102的能量(實際上，比與次能帶Ee1之底部及次能帶Eh1的頂部之間的能量差對應之量子井層的能帶隙之能量的更高之能量)，使得能量轉換層100的第一層102吸收該光並激發其中的電子。因為光躍遷的選擇規則係損失，當返回至原始階時，激發電子通過存在於該等能階之間的次能帶而以特定機率不受該選擇規則控制。此時，複數個電子的產生機率係由當激發電子返回至原始階時所通過的能階數決定。
例如，光子401具有對應於次能帶Ee3及次能帶Eh3之間的差之能量，且因此將在能量轉換層100的第一層102中之次能帶Eh3中的電子激發至次能帶Ee3。當返回至次能帶Eh3時，例如，激發電子通過存在於Ee3及Eh3之間的次能帶Ee1。此時，當電子從次能帶Ee3轉移至次能帶Ee1時，產生具有與次能帶Ee3及次能帶Ee1之間的差對應之能量的光子402。另外，當電子從次能帶Ee1轉移至次能帶Eh3時，在該轉移過程中，產生具有與次能帶Ee1及次能帶Eh3之間的差對應之能量的光子403。以此方式，在能量轉換層100中，從一光子401產生複數個光子(此處為二光子)，光子402及光子403。須注意所產生之光子402及光子403各者的能量低於與原始光子401的次能帶Ee3及Eh3之間的差對應之能量，且光子402及光子403分別具有對應於次能帶Ee3及次能帶Ee1之間的差之能量以及對應於次能帶Ee1及次能帶Eh3之間的差之能量。因為原始光子401的能量獲保存，複數個已產生光子(光子402及403)的能量和等於原始光子401的能量，或由於處理中的熱能損失而低於原始光子401的能量。因此，複數個已產生光子(光子402及403)的波長長於原始光子401之波長。在此實施例中，描述將在次能帶Eh3中的電子激發至次能帶Ee3的範例，但本發明的實施例並未受限於此。可能將在另一次能帶中的電子激發至次能帶Ee3，或可能將電子激發至另一次能帶。
包含在入射光400中之具有長波長的光之光子404具有低於能帶隙Eg103及能帶隙Eg102的能量(實際上，比與次能帶Ee1之底部及次能帶Eh1的頂部之間的能量差對應之量子井層的能帶隙之能量更低的能量)，使得光子404通過能量轉換層100而不為能量轉換層100所吸收。因此，具有長波長的光可到達置於能量轉換層之下層的光電轉換層而不由於光吸收而損失。
如上文所述，能量轉換層100具有從一光子產生複數個光子的功能。特別係能量轉換層100可從具有比紅外光更短之波長的可見光之具有高能量的一光子(例如，與具有少於或等於553nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於2.24eV的能量)產生具有低於該一光子的能量之能量的複數個光子(例如，與具有大於553nm並少於或等於1107nm之波長的光之能量對應的能量，亦即，大於或等於1.12eV且少於2.24eV的能量)。因此，可能提供可增加具有短波長之光，諸如，具有比紅外光更短之波長的可見光，的量子效率並可有效率地使用具有短波長的光之能量的光電轉換裝置，以及用於該光電轉換裝置的能量轉換層。
根據此實施例，可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
(實施例2)
在此實施例中，將參考圖3描述根據本揭示發明的實施例之用於光電轉換裝置的能量轉換層之結構的範例。
圖3係藉由放大描繪使用在光電轉換裝置中的能量轉換層100之範例的概要橫剖面圖。能量轉換層100包括第一單元104及第二單元105。第一單元104包括具有第一厚度的複數層第一層102a以及具有第二厚度的複數層第二層103a，並將第一層102a及第二層103a交替地堆疊。第二單元105包括具有第三厚度的複數層第三層102b以及具有第四厚度的複數層第四層103b，並將第三層102b及第四層103b交替地堆疊。在垂直方向上將複數層第一層102a各層夾於第二層103a之間。在垂直方向上將複數層第三層102b各層夾於第四層103b之間。此外，雖然未描繪於圖3中，為降低由於進入能量轉換層100之光的反射所導致的損失，將具有在第二層103a之折射率及空氣的折射率之間的折射率之一或多層的材料設置在係第一單元104之最上層的第二層103a之光接收側上。
第一層102a的厚度(第一厚度)及第三層102b之厚度(第三厚度)各者均大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。須注意第一層102a及第三層102b各者形成量子井層。該第一厚度與該第三厚度彼此不同。此外，第二層103a的厚度(第二厚度)及第四層103b之厚度(第四厚度)各者均大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。須注意第二層103a及第四層103b各者形成能量障壁層。第二厚度與第四厚度可能彼此不同或相同。
能量轉換層100的總厚度可大於或等於20nm並少於或等於10μm。
第一層102a或第三層102b可能使用與光電轉換層相同的材料形成。或者，第一層102a或第三層102b可能使用具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層102a及第三層102b可能使用描述於實施例1中之第一層102的材料形成。
第二層103a可使用具有比用於第一層102a之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成，且第四層103b可使用具有比用於第三層102b之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第二層103a及第四層103b可能使用描述於實施例1中之第二層103的材料形成。
當設置包括具有第一厚度之複數層第一層102a的第一單元104及包括具有第三厚度之複數層第三層102b的第二單元105時，可能形成具有不同次能帶結構之量子井層的複數個單元。因此，可增加從具有短波長的光之具有高能量的一光子產生具有長波長的光之複數個光子的機率。當設置單一單元時，如圖2B所描繪的，例如，由於該多量子井結構，形成次能帶Ee1至Ee3及Eh1至Eh4。藉由形成次能帶，擴展在次能帶之間用於光躍遷的波長範圍，並可增加能量轉換層中的光吸收機率。然而，將其能量在能量轉換層中轉換之光的波長範圍限制在具有與對應於該等次能帶之間的差之能量相同或實質相同的能量之光的波長範圍。因此，設置具有不同次能帶結構的複數個單元，增加能量轉換層中的光吸收機率，且因此加寬光的波長範圍，因此在能量轉換層中可更有效率地從具有高能量之具有短波長的光之一光子產生具有低能量之具有長波長的光之複數個光子。
描述於此實施例中的能量轉換層100可組合有描繪於圖1A中的光電轉換元件200。此外，本發明之實施例並未受限於此處描述的第一單元104及第二單元105之二單元，並可能包括三個或更多單元。
根據此實施例，可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。此外，根據此實施例，可能提供可有效率地使用其係具有高能量之具有比紅外光更短的波長之可見光的光之光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
此實施例可視情況與任何其他實施例組合。
(實施例3)
在此實施例中，將參考圖4描述根據本揭示發明的實施例之用於光電轉換裝置的能量轉換層之結構的範例。
圖4係描繪能量轉換層100之範例的透視圖。
能量轉換層100包括各者具有縱向方向(圖4中的y方向)及橫向方向(圖4中的x方向)的複數層第一層112及第二層113。複數層第一層112各層在橫向方向的剖面上為第二層113所包圍。在厚度方向(也稱為垂直方向或圖4中的z方向)上以預定間距配置各者具有縱向方向及橫向方向的複數層第一層112。在橫向方向上以預定間距配置各者具有縱向方向及橫向方向的複數層第一層112。將第一層112使用為形成量子佈線的層。將第二層113使用為形成能量障壁的層。
複數層第一層112各層在厚度方向(z方向)上的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數層第一層112各者在橫向方向(x方向)上的寬度大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。在第一層112之間在厚度方向(z方向)上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。在第一層112之間在橫向方向(x方向)上的間距大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。
配置在厚度方向(z方向)上的複數層第一層112可能具有相同厚度或不同厚度。配置在厚度方向(z方向)上的複數層第一層112可能在橫向方向(x方向)上具有相同寬度或不同寬度。配置在厚度方向(z方向)上的複數層第一層112可能以相等間距或不同間距配置。
配置在橫向方向(x方向)上的複數層第一層112可能具有相同厚度或不同厚度。配置在橫向方向(x方向)上的複數層第一層112可能在橫向方向(x方向)上具有相同寬度或不同寬度。配置在橫向方向(x方向)上的複數層第一層112可能以相等間距或不同間距配置。
第一層112可使用與光電轉換層相同的材料形成。或者，第一層112可使用具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層112可使用描述於實施例1中之第一層102的材料形成。
第二層113可使用具有比用於第一層112之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第二層113可使用描述於實施例1中之第二層103的材料形成。
可將具有上述結構的能量轉換層100設置成以來自厚度方向(z方向)上的入射光400照射。或者，可將具有上述結構的能量轉換層100設置成以來自橫向方向(x方向)上的入射光400照射。在此實施例中，入射光400在係厚度方向之一者的向下方向上行進。
此外，具有上述結構的能量轉換層100具有量子佈線結構。使用量子佈線結構，在二維方向上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。
具有上述結構的能量轉換層100具有從一光子產生複數個光子的功能。特別係能量轉換層100可從具有比紅外光更短之波長的可見光之具有高能量的一光子產生具有比該一光子的能量更低之能量的複數個光子。因此，可能提供可增加具有短波長之光，諸如，具有比紅外光更短之波長的可見光，的量子效率並可有效率地使用具有短波長的光之能量的光電轉換裝置，以及用於該光電轉換裝置的能量轉換層。用於從一光子產生複數個光子的機構與使用圖2B及2C描述的機構相似。量子佈線結構可在x方向及z方向上具有於圖2B中描繪的離散次能帶結構，並對能量轉換層有效。
雖然未描繪於圖4中，能量轉換層100可具有包括第一單元及第二單元的結構，其中第一單元包括配置在厚度方向(z方向)上具有第一厚度的複數層第一層以及設置成包圍第一層的第二層，且第二單元包括配置在厚度方向(z方向)上具有第三厚度的複數層第三層以及設置成包圍第三層的第四層。第一厚度及第三厚度可能彼此不同。在此情形中，在第一單元中配置在厚度方向(z方向)上的複數層第一層可能以與在第二單元中配置在厚度方向(z方向)上的複數層第三層之配置間距不同或相同的間距配置。此外，本發明之實施例並未受限於第一單元及第二單元之二單元，並可能包括三個或更多單元。
描述於此實施例中的能量轉換層100可組合有描繪於圖1A中的光電轉換元件200。
根據此實施例，可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
此實施例可視情況與任何其他實施例組合。
(實施例4)
在此實施例中，將參考圖5描述根據本揭示發明的實施例之用於光電轉換裝置的能量轉換層之結構的範例。圖5描繪將光電轉換元件及能量轉換層設置在一基材上方的範例。
圖5係描繪光電轉換裝置之範例的概要橫剖面圖。光電轉換裝置包括堆疊的光電轉換元件200及能量轉換層100。將能量轉換層100設置在包括在光電轉換元件200中之光電轉換層253的光接收側上。入射光400經由能量轉換層100進入包括在光電轉換元件200中的光電轉換層253。
可將描述於實施例1、2、以及3中之任何結構用於能量轉換層100。此外，雖然未描繪於圖5中，為降低由於進入能量轉換層100之光的反射所導致的損失，將具有在第二層103之折射率及空氣的折射率之間的折射率之一或多層的材料設置在能量轉換層100之光接收側上。
光電轉換元件200包括第一電極206、光電轉換層253、以及第二電極218。此外，光電轉換元件200包括第一半導體層208及第二半導體層214，第一半導體層包含賦予一導電類型的雜質元素，第二半導體層包含賦予與包含在第一半導體層208中之雜質元素的導電類型不同之導電類型的雜質元素。在光電轉換元件200中，第一電極206、第一半導體層208、光電轉換層253、第二半導體層214、以及第二電極218以此次序堆疊。在將半導體基材使用為光電轉換層253的情形中，第一半導體層208及第二半導體層214係以藉由熱擴散、或離子摻雜法等將賦予個別導電類型之雜質元素加至該半導體基材的此種方式形成。或者，第一半導體層208及第二半導體層214各層可能使用與光電轉換層253之材料不同的材料、或具有與光電轉換層253的結晶態不同之結晶態的材料形成。例如，可使用描述於實施例1中之光電轉換層253、第一半導體層208、以及第二半導體層214的結構。
此外，雖然在圖5中將光電轉換元件200中的各層描繪成平的，可能使用使第二半導體層214的形狀及光電轉換層253之光接收側及第一半導體層208的形狀以及光電轉換層253之背側不平坦的紋路結構。使用紋路結構，可降低光接收側上的反射性且光電轉換層253中的光禁閉係可能的。因此，可增加光電電流並可將光電轉換層253薄化，使得成本可削減。
將能量轉換層100設置在包括在光電轉換元件200中的第二半導體層214上方。將第二電極218設置在能量轉換層100上。經由設置在能量轉換層100中的開口將第二電極218電性連接至第二半導體層214。
根據此實施例，直接將能量轉換層100設置在光電轉換元件200上方，亦即，將光電轉換元件200及能量轉換層100設置在一基材上方，因此，相較於將能量轉換層100設置在另一基材上方的情形，可實現光電轉換裝置的成本降低、尺寸縮減、以及重量降低。此外，可降低能量轉換層及光電轉換層之間的光損失。
根據此實施例，可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。此外，根據此實施例，可能提供可有效率地使用具有短波長之光，諸如具有比紅外光更短之波長的可見光，的能量之光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
此實施例可視情況與任何其他實施例組合。
(實施例5)
在此實施例中，將參考圖7描述根據本揭示發明的實施例之用於光電轉換裝置的能量轉換層之結構的範例。
圖7係描繪能量轉換層100之範例的透視圖。
能量轉換層100包括複數個量子點114及第一層115。複數個量子點114在縱向方向(圖7的y方向)、橫向方向(圖7的x方向)、以及厚度方向(圖7的z方向)上為第一層115所包圍。量子點係指半導體的奈米粒子，其直徑小至數奈米。當奈米粒子在三維上為具有充分大的厚度及高能量障壁的層所包圍時，其變為量子點。將複數個量子點114均勻地配置在縱向方向(圖7的y方向)、橫向方向(圖7的x方向)、以及厚度方向(圖7的z方向)上。將第一層115使用為形成能量障壁的層。包括複數個量子點114及第一層115的能量轉換層100形成量子點層。
複數個量子點114的平均直徑大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。複數個量子點114在縱向方向(圖7的y方向)上的間距大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。此外，複數個量子點114在橫向方向(圖7的x方向)上的間距大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。此外，複數個量子點114在厚度方向(圖7的z方向)上的間距大於或等於0.5nm並少於或等於10nm。
在量子點層中，較佳地，複數個量子點114的直徑在縱向方向、橫向方向、以及厚度方向之各方向上不會彼此廣泛地不同。複數個量子點114之直徑間的變異少於或等於50%為佳。當直徑間的變異甚小並將在均勻度上優秀的量子點114配置在各方向上時，可能提供可更有效率地使用光能並可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。須注意量子點114可能週期地配置。藉由以三維方式週期地配置量子點114，在量子點114之間導致電子耦合，使得次能帶形成。當使用次能帶之間的光躍遷及複雜的吸收處理時，可增加轉換效率。
量子點114可使用矽形成。此外，量子點114可使用與光電轉換層相同的材料或具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，量子點114可使用與描述於實施例1中之第一層102相同的材料形成。
第一層115可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。此外，第一層115可使用具有比用於量子點114之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。例如，第一層115可使用與描述於實施例1中之第二層103相同的材料形成。
可將具有上述結構的能量轉換層100設置成以來自厚度方向(z方向)上的入射光400照射。或者，可將具有上述結構的能量轉換層100設置成以來自橫向方向(x方向)上的入射光400照射。在此實施例中，入射光400在係厚度方向之一者的向下方向上行進。
具有上述結構的能量轉換層100具有量子點層。使用量子點層，在三維方向上將共價帶及傳導帶周圍的電子態量子化，並可得到其中之能階離散的狀態。
具有上述結構的能量轉換層100具有從一光子產生複數個光子的功能。特別係能量轉換層100可從具有比紅外光更短之波長的可見光之具有高能量的一光子產生具有比該一光子的能量更低之能量的複數個光子。因此，可能提供可增加具有短波長之光，諸如，具有比紅外光更短之波長的可見光，的量子效率並可有效率地使用具有短波長的光之能量的光電轉換裝置，以及用於該光電轉換裝置的能量轉換層。用於從一光子產生複數個光子的機構與使用圖2B及2C描述的機構相似。量子點結構可在x方向及y方向以及z方向上具有於圖2B中描繪的離散次能帶結構，並對能量轉換層有效。
須注意，如圖8所描繪的，能量轉換層100可能包括堆疊的複數個量子點層。量子點層500包括複數個量子點116及第一層119。複數個量子點116為第一層119三維地包圍。量子點層510包括複數個量子點117及第二層120。複數個量子點117為第二層120三維地包圍。量子點層520包括複數個量子點118及第三層121。複數個量子點118為第三層121三維地包圍。
在此種情形中，複數層量子點層中之複數個量子點的平均直徑或之間的間距在各量子點層中不同為佳。包括在量子點層500中之量子點116的平均直徑、包括在量子點層510中之量子點117的平均直徑、以及包括在量子點層520中之量子點118的平均直徑各者均大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。例如，包括在量子點層500中之量子點116的平均直徑約為1.0nm，包括在量子點層510中之量子點117的平均直徑約為2.0nm，且包括在量子點層520中之量子點118的平均直徑約為3.0nm。在各量子點層500、510、以及520中，較佳地，複數個量子點的直徑不彼此廣泛地不同。包括在量子點層500中的複數個量子點116之直徑間的變異、包括在量子點層510中的複數個量子點117之直徑間的變異、以及包括在量子點層520中的複數個量子點118之直徑間的變異各者少於或等於50%。
藉由改變包括在量子點層中之量子點的平均直徑，可使用所謂的量子尺寸效應，可使用其控制吸收光的波長。因此，可能提供可增加具有短波長之光，諸如，具有比紅外光更短之波長的可見光，的量子效率並可有效率地使用具有短波長的光之能量的光電轉換裝置，以及用於該光電轉換裝置的能量轉換層。須注意可能週期地配置量子點116、量子點117、以及量子點118。
量子點116、量子點117、以及量子點118可使用矽形成。量子點116、量子點117、以及量子點118可使用與光電轉換層相同的材料或具有比用於光電轉換層之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。
第一層119可使用具有比用於量子點116之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。具體地說，第一層119可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。第二層120可使用具有比用於量子點117之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。具體地說，第二層120可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。第三層121可使用具有比用於量子點118之材料的能帶隙更大之能帶隙的材料形成。具體地說，第三層121可使用氮化矽、氧化氮化矽(SiNxOy，(x>y>0))、氮氧化矽(SiOxNy，(x>y>0))、或氧化矽形成。
描述於此實施例中的能量轉換層100可組合有描繪於圖1A中的光電轉換元件200。
根據此實施例，可能提供可有效率地使用光能且可改善效能，諸如轉換效率，的新穎光電轉換裝置。此外，可能提供可改善光電轉換裝置的效能之用於光電轉換裝置的能量轉換層。
此實施例可視情況與任何其他實施例組合。
[範例1]
在此範例中，形成描繪於圖1B中的能量轉換層100並觀察其橫剖面。
將玻璃基材製備為基材。在該玻璃基材上，藉由電漿CVD法將具有6.5nm之厚度的氮化矽(SiNx(x>0))層形成為第二層703。
然後，藉由電漿CVD法，在第二層703上方，將具有3nm之厚度的矽層形成為第一層702，然後，在第一層702上方，將具有6.5nm之厚度的另一氮化矽(SiNx(x>0))層形成為第二層703。將上述處理重複20次，因此形成具有量子井結構的能量轉換層。作為第一層702的矽層係藉由將質量流動率為SiH4:H2=8:400的單矽烷(SiH4)氣體及氫(H2)氣體使用為來源氣體的電漿CVD法形成。為將該矽層形成為第一層702，電漿係在高頻功率為15W(頻率：60MHz)、膜形成溫度(基材溫度)為300℃、處理室中的壓力為100帕、且電極之間的距離為20mm之條件下產生。作為第二層703的氮化矽(SiNx(x>0))層係藉由將質量流動率為SiH4:NH3:Ar=5:400:50的單矽烷(SiH4)氣體、氨(NH3)氣體、以及氬(Ar)氣體使用為來源氣體的電漿CVD法形成。為將該氮化矽(SiNx(x>0))層形成為第二層703，電漿係在高頻功率為500W(頻率：27MHz)、膜形成溫度(基材溫度)為300℃、處理室中的壓力為30帕、且電極之間的距離為20mm之條件下產生。
圖6係形成能量轉換層之處的橫剖面相片。從圖6觀察到將使用具有約3nm之厚度的矽形成之第一層702及使用具有約6.5nm之厚度的氮化矽形成之第二層703交替地堆疊的結構。
[範例2]
在此範例中，形成描繪於圖7中的能量轉換層100並觀察其橫剖面。
在製備為基材的玻璃基材上方，藉由電漿CVD法將矽沈積至5nm的厚度。在用於沈積矽之處理的初始級中，量子點係藉由成長為島狀形狀而形成。然後，藉由電漿CVD法，將具有5nm之厚度的氮化矽(SiNx(x>0))層形成為第一層並受1分鐘的N2O電漿處理。將此處理重複20次，因此形成具有量子點結構的能量轉換層。以矽形成的量子點係藉由將質量流動率為SiH4:H2=8:400的單矽烷(SiH4)氣體及氫(H2)氣體使用為來源氣體的電漿CVD法形成。為形成以矽形成的量子點，電漿係在高頻功率為15W(頻率：60MHz)、膜形成溫度(基材溫度)為300℃、處理室中的壓力為100帕、且電極之間的距離為20mm之條件下產生。作為第一層的氮化矽(SiNx(x>0))層係藉由將質量流動率為SiH4:NH3:Ar=5:400:50的單矽烷(SiH4)氣體、氨(NH3)氣體、以及氬(Ar)氣體使用為來源氣體的電漿CVD法形成。為將該氮化矽(SiNx(x>0))層形成為第一層，電漿係在高頻功率為500W(頻率：27MHz)、膜形成溫度(基材溫度)為300℃、處理室中的壓力為30帕、且電極之間的距離為20mm之條件下產生。此外，在氮化矽層形成之後實施的N2O電漿處理係在N2O的流動率為400sccm、高頻功率為300W(頻率：27MHz)、基材溫度為300℃、處理室中的壓力為60帕、且電極間的距離為30mm之條件下實施。
圖9係形成能量轉換層之處的橫剖面相片。從圖9觀察到設有約0.31nm的平面間距離，其對應於單晶矽的(111)平面，之具有約7nm的直徑之量子點。
本申請案基於2010年6月18日向日本特許廳申請的日本專利申請案編號第2010-139746號，該專利之教示全文以提及之方式併入本文中。
100．．．能量轉換層
102、102a、112、115、119、702．．．第一層
102b、121．．．第三層
103、103a、113、120、703．．．第二層
103b．．．第四層
104．．．第一單元
105．．．第二單元
114、116、117、118．．．量子點
200．．．光電轉換元件
206．．．第一電極
208．．．第一半導體層
214．．．第二半導體層
218．．．第二電極
253．．．光電轉換層
400．．．入射光
401、402、403、404．．．光子
500、510、520．．．量子點層
Ecb、Ecw、Evb、Evw．．．能量
Ee1、Ee2、Ee3、Eh1、Eh2、Eh3、Eh4．．．次能帶
Eg102、Eg103．．．能帶隙
圖1A及1B係描繪光電轉換裝置的範例及能量轉換層之範例的概要橫剖面圖。
圖2A係描繪能量轉換層之範例的概要橫剖面圖，且圖2B及2C係描繪能量轉換層的能帶結構之範例的圖。
圖3係描繪能量轉換層之範例的概要橫剖面圖。
圖4係描繪能量轉換層之範例的透視圖。
圖5係描繪光電轉換裝置之範例的概要橫剖面圖。
圖6係能量轉換層之剖面的相片。
圖7係描繪能量轉換層之範例的透視圖。
圖8係描繪能量轉換層之範例的概要橫剖面圖。
圖9係能量轉換層之剖面的相片。
100．．．能量轉換層
200．．．光電轉換元件
206．．．第一電極
208．．．第一半導體層
214．．．第二半導體層
218．．．第二電極
253．．．光電轉換層
400．．．入射光

Claims (29)

  1. 一種光電轉換裝置，包含：光電轉換元件，包含：第一電極；第一半導體層，在該第一電極上方；光電轉換層，在該第一半導體層上方；第二半導體層，在該光電轉換層上方；第二電極，在該第二半導體層上方且與該第二半導體層接觸；以及能量轉換層，在該光電轉換元件上方，其中該能量轉換層包含交替地堆疊之複數個第一層及複數個第二層，其中該第二電極穿過該能量轉換層。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該第一層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm，且其中該第二層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm的第二厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該第一層包含矽，且其中該第二層包含氮化矽、氧化氮化矽、氮氧化矽、或氧化矽。
  4. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層另外包含交替地堆疊之複數個第三 層及複數個第四層，其中該第三層包含矽，且其中該第四層包含氮化矽、氧化氮化矽、氮氧化矽、或氧化矽。
  5. 如申請專利範圍第4項之光電轉換裝置，其中該第一層的厚度及該第三層的厚度彼此不同。
  6. 如申請專利範圍第4項之光電轉換裝置，其中該第二層的厚度及該第四層的厚度彼此不同。
  7. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層具有量子井結構。
  8. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該等複數個第一層各層具有第一側及短於該第一側的第二側，且其中在垂直於該第一側及該第二側的第一方向及平行於該第二側的第二方向上以預定間距配置該等複數個第一層。
  9. 如申請專利範圍第8項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層具有量子佈線結構。
  10. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中將該光電轉換元件及該能量轉換層設置在一基材上方。
  11. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該第一半導體層和該第二半導體層包含具有不同導電類型的矽。
  12. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置， 其中該第二電極具有格狀形狀或梳狀形狀。
  13. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該光電轉換層包含矽及包含氮或碳之矽材料的其中任一個。
  14. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層的最上層和最下層各包含該第二層。
  15. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層的厚度大於或等於20nm且少於或等於10μm。
  16. 如申請專利範圍第1項之光電轉換裝置，其中該光電轉換元件與該能量轉換層接觸。
  17. 一種光電轉換裝置，包含：光電轉換元件，包含：第一電極；第一半導體層，在該第一電極上方；光電轉換層，在該第一半導體層上方；第二半導體層，在該光電轉換層上方；以及第二電極，在該第二半導體層上方且與該第二半導體層接觸；能量轉換層，在該光電轉換元件上方，以及交替地堆疊之複數個第一層及複數個第二層，其中該能量轉換層從一光子產生複數個光子，其中該第二電極穿過該能量轉換層。
  18. 如申請專利範圍第17項之光電轉換裝置，其中該第一層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm，且其中該第二層的厚度大於或等於0.5nm且少於或等於10nm。
  19. 如申請專利範圍第17項之光電轉換裝置，其中該第一層包含矽，且其中該第二層包含氮化矽、氧化氮化矽、氮氧化矽、或氧化矽。
  20. 如申請專利範圍第17項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層另外包含交替地堆疊之複數個第三層及複數個第四層，其中該第三層包含矽，且其中該第四層包含氮化矽、氧化氮化矽、氮氧化矽、或氧化矽。
  21. 如申請專利範圍第20項之光電轉換裝置，其中該第一層的厚度及該第三層的厚度彼此不同。
  22. 如申請專利範圍第20項之光電轉換裝置，其中該第二層的厚度及該第四層的厚度彼此不同。
  23. 如申請專利範圍第17項之光電轉換裝置，其具有量子井結構。
  24. 如申請專利範圍第17項之光電轉換裝置，其中該等複數個第一層各層具有第一側及短於該第一側的第二側，且 其中在垂直於該第一側及該第二側的第一方向及平行於該第二側的第二方向上以預定間距配置該等複數個第一層。
  25. 如申請專利範圍第24項之光電轉換裝置，其具有量子佈線結構。
  26. 一種光電轉換裝置，包含：光電轉換元件，在基材上方，包含：第一電極；第一半導體層，在該第一電極上方；光電轉換層，在該第一半導體層上方；第二半導體層，在該光電轉換層上方；第二電極，在該第二半導體層上方且與該第二半導體層接觸；以及能量轉換層，在該基材上方及在該光電轉換元件上方，其中該能量轉換層包括量子點層，其中該第二電極穿過該能量轉換層。
  27. 如申請專利範圍第26項之光電轉換裝置，其中該量子點層包含複數個量子點，其中該等複數個量子點的平均直徑大於或等於0.5nm且少於或等於10nm，且其中該等複數個量子點包含矽。
  28. 如申請專利範圍第26項之光電轉換裝置，其中該能量轉換層另外包含複數個量子點層， 其中該等複數個量子點層各層包含複數個量子點，其中包括在一量子點層中之複數個量子點的平均直徑與包括在另一量子點層中之複數個量子點的平均直徑不同，且其中在各量子點層中之該等複數個量子點的直徑之間的變異度少於或等於50%。
  29. 如申請專利範圍第26項之光電轉換裝置，其中以三維方式週期地配置包括在該量子點層中的複數個量子點。
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