JP2012004251A

JP2012004251A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2012004251A
Application number: JP2010136599A
Authority: JP
Inventors: Kuniyuki Hamano; 邦幸濱野; Koichi Kajiyama; 康一梶山; Kunio Fujii; 邦夫藤井; Isao Sumita; 勲勇住田
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: JP5586049B2

Abstract

【課題】ｉ層にて太陽光により励起された電子の流れを、ｐ層又はｎ層に移行する際の障壁を小さくして、電流をミニバンドから取り出しやすくした太陽電池を提供する。
【解決手段】ｎ層１２と、このｎ層１２の上に形成されたｉ層１３と、このｉ層１３の上に形成されたｐ層１４に対し、太陽光が入射する。ｉ層１３は真性半導体層であり、ｎ層１２及びｐ層１３は夫々ｎ型及びｐ型の半導体層であるが、いずれも、量子ドット層である。従って、ｉ層１３で励起された電子は、ｎ層１２も含めて、量子ドット層のミニバンドを伝導して、電極に流れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、量子ドットを利用した半導体層をもつ太陽電池に関する。

量子ドットは、約１０ｎｍ以下の領域に電子を閉じ込めることにより、電子の量子力学的な波としての性質を使用するものである。近時、この量子ドットの性質を利用した太陽電池の開発が試みられている。量子ドットは、その大きさを変えることにより、サイズに応じて吸収する光の波長が変化し（量子サイズ効果）、小さい量子ドットは短波長の光（青色光）を吸収し、大きな量子ドットは長波長の光（赤色光）を吸収する。量子ドットを並べるとその相互作用により新しい光吸収帯が形成されて光を吸収する波長の幅を広げることができる。これにより、理論的には、極めて高い変換効率の太陽電池を得ることができる。このような量子ドットの効果を十分発揮させるためには、均一な大きさの量子ドットを３次元的に規則正しく、高密度で並べる必要がある。

太陽電池用のセルとして、所謂第１世代においては、結晶シリコンが使用されていたが、第２世代においては、アモルファスシリコン及び微結晶シリコンの薄膜シリコンセルが使用されている。この第２世代の薄膜シリコンセルにおいては、その変換効率の向上が種々研究開発されてきたが、近時、上記従前の材料の変換効率の理論限界（最高で２８％程度）を大きく超える理論変換効率（６０％超）が得られる可能性がある太陽電池セルとして、量子ドット太陽電池が注目されている（非特許文献１）。この量子ドットは、非特許文献１では、数ｎｍ〜数１０ｎｍのナノ結晶構造を、基板結晶上にエピタキシャル成長させる方法で作成されている。

図５は、非特許文献１に記載された量子ドット太陽電池の構造を示し、図６は、そのエネルギバンド図を示す。図５に示すように、半導体基板１００の裏面に裏面電極１０１が形成されており、半導体基板１００上にｎ（ｎ型半導体）層１０２が形成されている。そして、このｎ層１０２の上に、ｉ（真性半導体）層１０３が形成されており、更に、このｉ層１０３の上に、ｐ（ｐ型半導体）層１０４が形成されている。このｐ層１０４の上に格子状のグリッド電極１０６が形成されており、このグリッド電極１０６の開口部に透明な反射防止膜１０５が形成されている。太陽光は、このグリッド電極１０６の開口部の反射防止膜１０５を透過してｐ層１０４、ｉ層１０３及びｎ層１０２に入射する。

ｉ層１０３は、量子ドット層１０７と中間層１０８とを交互に積層したものであり、この量子ドット層１０７の間に挿入される中間層１０８の厚さが厚いと、エネルギバンド構造は、図６（ａ）に示すようになる。太陽光の吸収により励起された電子は、光励起又は熱励起により量子ドットの井戸から抜け出し、電流として取り出される。このとき、電子の非発光再結合及び発光再結合が生じ、エネルギの損失が生じる。

一方、中間層の厚さを数ｎｍ程度まで薄くすると、図６（ｂ）に示すように、量子ドット間にミニバンドが形成され、太陽光の吸収により励起した電子及び正孔は少ないエネルギ損失で移動することができ、このｉ層で生成する電流は多い。

Science & Technology Trends January 2008 feature article 02(http://www.nistep.go.jp/achiev/ftx/jpn/stfc/stt082j/0801_03_featurearticles/0801fa02/200801_fa02.html

上述のように、量子ドット層１０７によりｉ層１０３を構成することにより、ミニバンドが形成されるので、太陽光により電子及び正孔を励起するのに必要なエネルギは小さくてよく、少ない吸収エネルギで電子及び正孔を励起するので、効率よく電流が生成し、変換効率が高い。そして、励起した電子は、ミニバンドを伝導して、ｎ層１０２に至る。

しかしながら、上述の如くして励起した電子は、ｎ層１０２に移る際に、ミニバンドから伝導帯まで障壁を乗り越える必要がある。このため、従来の量子ドット太陽電池は、取り出せる電流に限界があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ｉ層にて太陽光により励起された電子又は正孔の流れを、ｎ層又はｐ層に移行する際の障壁を小さくして、電流をミニバンドから取り出しやすくした太陽電池を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽電池は、裏面電極と、この裏面電極上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に形成された真性半導体層と、この真性半導体層の上に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に形成され太陽光を透過して前記真性半導体層に入射させる電極とを有し、前記真性半導体層並びに前記ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、いずれも、量子ドット層であり、いずれも伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドを有する層であることを特徴とする。

本発明に係る他の太陽電池は、裏面電極と、この裏面電極上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に形成された真性半導体層と、この真性半導体層の上に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に形成され太陽光を透過して前記真性半導体層に入射させる電極とを有し、前記真性半導体層並びに前記ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、いずれも、粒子径が５乃至１０００ｎｍのナノ粒子からなる量子ドット層であり、いずれも伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドを有する層であることを特徴とする。

この太陽電池において、例えば、前記真性半導体層は、Ｓｉ粒子とＡｇ粒子とが規則的に配置されたものであり、前記Ｐ型半導体層は、Ｐ型不純物をドープしたＳｉ粒子と、Ａｇ粒子とが規則的に配置されたものであり、前記Ｎ型半導体層は、Ｎ型不純物をドープしたＳｉ粒子と、Ａｇ粒子とが規則的に配置されたものである。

本発明によれば、ｎ型半導体層（ｎ層）及びｐ型半導体層（ｐ層）も量子ドット層で構成するので、電子がｉ層からｎ層へ移行する際の障壁が小さく、大きな電流を高速で取り出すことができる。

本発明の実施形態に係る太陽電池のセルの層構成を示す断面図である。上記太陽電池の各層のバンド構造を示す図である。量子ドット層の粒子構造を示す模式図である。量子ドット層の製造方法を示す模式図である。従来の量子ドット太陽電池の層構成を示す断面図である。上記従来の太陽電池の各層のバンド構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係る太陽電池の薄膜構造を示す断面図、図２はそのエネルギバンドギャップ図である。図１に示すように、本実施形態の太陽電池は、裏面電極１１の上には、ｎ型半導体層（ｎ層）１２、真性半導体層（ｉ層）１３、ｐ型半導体層（ｐ層）１４が積層されている。そして、ｐ層１４の上に格子状のグリッド電極１６が形成されており、このグリッド電極１６の開口部に反射防止膜１５が形成されている。太陽光は、グリッド電極１６の開口部の反射防止膜１５を透過してｐ層１４、ｉ層１３及びｎ層１２に入射する。なお、反射防止膜１５は太陽光が反射してしまうことを防止して効率よく太陽光を薄膜構造の中に取り込むための層である。また、ｎ層１２、ｉ層１３及びｐ層１４の積層体にて励起した電子は、ｎ層１２から裏面電極１１に流れる。一方、ｐ層１４からの正孔は、グリッド電極１６に流れる。

図３に示すように、例えば、ｉ層１３は、粒子径が５乃至１０００ｎｍの多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５乃至１０００ｎｍのＡｇ（銀）粒子とからなるベース構造を有し、これらのＳｉ粒子とＡｇ粒子とが規則的に配置されている。また、ｐ層１４は、同様に、粒子径が５乃至１０００ｎｍの多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５乃至１０００ｎｍのＡｇ（銀）粒子とが規則的に配置されているが、ｐ層１４においては、Ｓｉ粒子にＢ（ボロン）等のｐ型不純物がドープされている。更に、ｎ層１２は、同様に、粒子径が５乃至１０００ｎｍの多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５乃至１０００ｎｍのＡｇ（銀）粒子とが規則的に配置されているが、ｎ層１２においては、Ｓｉ粒子にＡｓ（砒素）等のｎ型不純物がドープされている。なお、これらのドープ元素は、上記各元素に限らず、公知のｐ型ドープ元素及びｎ型ドープ元素を使用することができる。また、各ドープ元素の量を調整することにより、ｐ層１４及びｎ層１２のフェルミ準位をコントロールすることができる。

ベース構造のＡｇ粒子は、その間隔が一定になるように規則的に配列されている。次に、このベース構造の量子ドット層の形成方法の一例について、説明する。図３に示す粒子構造は、ナノ粒子のＳｉ粒子が面心立方格子の格子点の位置に存在し、面心立方格子の一面において、その３軸が直交する位置にある４個のＳｉ粒子が面心の位置にあるＡｇ粒子に接触している。

Ａｇ粒子は、導電体粒子であり、ナノ粒子である。しかし、例えば、インジウム（Ｉｎ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等のレア・メタルのナノ粒子、金（Ａｕ）等の貴金属のナノ粒子も使用することもできる。インジウム、タンタル、タングステンは不定形であるが、市販のものの平均粒子径は、夫々２５μｍ、０．８μｍ、０．６μｍである。金及び銀は球状であるが、その市販のものの平均粒子径は０．５μｍ、０．２μｍである。また、金（Ａｕ）のナノ粒子を溶液で供給する市販のＡｕ粒子源としては、粒径が３．５〜５．５ｎｍ、３〜５ｎｍ及び２〜４ｎｍのものがある。また、銀（Ａｇ）のナノ粒子を溶液で供給する市販のＡｇ粒子源としては、粒径が３〜７ｎｍ及び５〜１５ｎｍのものがある。

この図３に示す粒子構造のベース構造は、以下のようにして形成することができる。図４に示すように、Ａｇ粒子とＳｉ粒子（真性半導体、ｐ型半導体又はｎ型半導体のＳｉ粒子）とを、均一に分散させた溶液６を、容器５内に貯留する。この溶液６の溶媒としては水を使用することができる。基板７は支持部材８に吊り下げられており、この支持部材８は昇降装置９により上下動可能になっている。そして、昇降装置９により支持部材８を介して基板７を下降させ、基板７を溶液６内に浸漬する。これにより、この基板７の表面に溶液６の層が付着する。そして、昇降装置９により、基板７を引き上げると、基板７の表面に付着した溶液６の層は、乾燥する過程で、表面張力により縮み、溶液内の粒子のうち、大径の粒子が最密充填の位置に位置して固化する。これにより、最密充填の結晶構造が面心立方格子の場合には、図３に示すように、大径のＳｉ粒子が面心立方格子の格子点に位置し、面心位置にＡｇ粒子が位置して、これらのＳｉ粒子とＡｇ粒子とが配置される。このような面心立方格子の結晶構造（粒子の配置構造）が３次元的に形成される。なお、基板７の引き上げ速度は、例えば、数百ｎｍ／ｓ〜数十μｍ／ｓである。基板７の材質としては、ガラス、鉄板及びアルミニウムホイル等を使用することができ、更に、薄膜樹脂シート等も使用できる。

このようにして、図３に示すように、面心立方格子の格子点の位置に大径のＳｉ粒子が面心位置の小径のＡｇ粒子に接触して存在し、これらのＳｉ粒子とＡｇ粒子とからなるナノ粒子の配置構造が得られる。このとき、Ｓｉ粒子及びＡｇ粒子の粒径が一定（均一）であると、約１０ｎｍ以下の領域にＡｇ粒子を配置し、電子をこの約１０ｎｍに閉じ込めることができる。なお、ナノ粒子の配置は、上記実施形態のように、面心立方格子の位置に限らず、種々の配置態様が考えられ、例えば、ナノ粒子を体心立方格子の位置に配置することもできる。

このようにして、極めて容易に且つ高生産性で、量子ドットの半導体層を形成することができる。量子ドットは約１０ｎｍ以下の領域に電子を閉じ込めることにより、半導体のバンドギャップを形成する技術である。これにより、図２に示すように、伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドが形成され、光により励起された電子及び正孔がこのミニバンドを介して移動することができるようになる。

次に、上述のように構成された太陽電池の動作について説明する。ｐ層１４とｎ層１２とのｐｎ接合の間に、ｉ層１３を設けたので、太陽光は、ｐｎ接合の急峻なバンドエネルギ変化の伝導帯部分ではなく、緩やかなｉ層の伝導帯部分において、電子及び正孔を励起するため、効率的に電子及び正孔を励起することができ、太陽光の吸収効率が高い。そして、ｉ層１３で大量に生成した伝導帯の電子は、ｉ層が量子ドット層であることから、そのミニバンドを経由して半導体基板１０及び裏面電極１１に向けて流れる。このため、電子及び正孔に対する太陽光の励起エネルギが低くても、電子及び正孔が十分に励起され、電流を取り出すことができる。

一方、従来は、ｎ層１２及びｐ層１４が夫々ｎ型半導体層及びｐ型半導体層であったため、励起された電子がｉ層１３からｎ層１２に移行しようとするときに、図６（ｂ）に示すように、ｎ層１２の伝導帯を乗り越える必要があり、この部分で、電子の流れが阻害されていた。また、正孔もｐ層１４の荷電子帯を乗り越える必要があり、この部分で、正孔の流れが阻害されていた。

これに対し、本実施形態においては、ｐ層１４及びｎ層１２も、量子ドット層で構成しているため、励起された電子は、ｎ層１２のミニバンドを伝導して、裏面電極１１に到達するため、従来の障壁が解消され、電流を高効率で高速に取り出すことができる。正孔も同様に、ｐ層１４のミニバンドを伝導して、グリッド電極１６に到達し、従来の障壁が障害となることなく、高効率でグリッド電極１６に伝導する。

このようにして、本発明においては、ｎ層及びｐ層として量子ドット層を形成したので、太陽電池により効率的に励起された電子を、高効率で取り出すことができ、大電流を高速で取り出すことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、ｐ層１４、ｉ層１３、ｎ層１２は、上記実施形態の図４に示すように、基板７を溶液６内に浸漬し、基板７の表面に溶液６の層を付着させ、溶液６の層が乾燥する過程で、表面張力により縮み、最密充填の結晶構造（面心立方格子）を形成することにより、量子ドット構造としたものではなく、例えば、エピタキシャル成長により、量子ドット構造を形成してもよい。量子ドットの構造自体は種々の方法で形成することができる。また、ｐ層１４、ｉ層１３、ｎ層１２の積層体は、適宜の半導体基板を支持体として形成してもよい。量子ドット層は、伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドを有する層である。

本発明は、太陽光を高効率で電気エネルギに変換する太陽電池のセルとして、大電流を高効率で高速に取り出すことができ、極めて有用である。

６：溶液
７：基板
１１、１０１：裏面電極
１２：ｎ層（量子ドット層）
１３：ｉ層（量子ドット層）
１４：ｐ層（量子ドット層）
１５、１０５：反射防止膜
１６、１０６：グリッド電極
１０２：ｎ層
１０３：ｉ層
１０４：ｐ層

Claims

裏面電極と、この裏面電極上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に形成された真性半導体層と、この真性半導体層の上に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に形成され太陽光を透過して前記真性半導体層に入射させる電極とを有し、前記真性半導体層並びに前記ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、いずれも、量子ドット層であり、いずれも伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドを有する層であることを特徴とする太陽電池。
裏面電極と、この裏面電極上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に形成された真性半導体層と、この真性半導体層の上に形成されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に形成され太陽光を透過して前記真性半導体層に入射させる電極とを有し、前記真性半導体層並びに前記ｎ型半導体層及びｐ型半導体層は、いずれも、粒子径が５乃至１０００ｎｍのナノ粒子からなる量子ドット層であり、いずれも伝導帯及び荷電子帯よりも内側にミニバンドを有する層であることを特徴とする太陽電池。
前記真性半導体層は、Ｓｉ粒子とＡｇ粒子とが規則的に配置されたものであり、前記Ｐ型半導体層は、Ｐ型不純物をドープしたＳｉ粒子と、Ａｇ粒子とが規則的に配置されたものであり、前記Ｎ型半導体層は、Ｎ型不純物をドープしたＳｉ粒子と、Ａｇ粒子とが規則的に配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。