(57)【要約】 【課題】  量子効率の向上とキャリアの長寿命化を実現する太陽電池を提供する。【解決手段】  太陽電池は、第１の導電型の半導体層と、第２の導電型の半導体層と、前記第１及び第２の導電型の半導体層の間に配置される半導体領域とを含み、前記半導体領域は、前記第１の導電型の半導体層に隣接する第１半導体層と、前記第１半導体上に形成される量子ドット層を含み、前記量子ドット層は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され面内密度が３．０×１０11ｃｍ-2〜５×１０11ｃｍ-2、高さが１．５〜２．０ｎｍである量子ドットとを含む。【選択図】図１
2014041913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の半導体層と、
第２の導電型の半導体層と、
前記第１及び第２の導電型の半導体層の間に配置される半導体領域と、
を含み、
前記半導体領域は、
前記第１の導電型の半導体層に隣接する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成される量子ドット層を含み、
前記量子ドット層は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され面内密度が３．０×１０11ｃｍ-2〜５×１０11ｃｍ-2、高さが１．５〜２．０ｎｍである量子ドットとを含むことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記量子ドット層は、Type-Iバンド構造を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記量子ドット層は、Type-IIバンド構造を有し、
前記量子ドット上に形成されて前記第１障壁層とともに前記量子ドットを挟み込む第２障壁層、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
波長１０００ｎｍ以上の光に対する前記量子ドットからの発光の減衰時間が３〜６ｎｓであることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
【請求項５】
波長１０００ｎｍ以上の光に対する前記量子ドットからの発光の減衰時間が３〜１０ｎｓであることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記障壁層はＧａＡｓＳｂであり、前記量子ドットはＩｎＡｓであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記半導体領域において、前記量子ドット層は、前記第２の導電型の半導体層から１００〜２００ｎｍ離れた位置に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項８】
第１の導電型の半導体層上に、第１半導体層を介してアンチモン（Ｓｂ）を８〜５０％含む第１障壁層を形成し、
前記第１障壁層上に、基板温度４７０〜４８０℃で、量子ドットを面内密度３．０×１０11ｃｍ-2〜５×１０11ｃｍ-2、平均高さ１．５〜２．０ｎｍに成長し、
前記量子ドットの上方に、第２半導体層を介して第２の導電型の半導体層を形成する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記量子ドット上に第２障壁層を形成する工程、
をさらに含み、
前記第２障壁層上に前記第２半導体層を形成することを特徴とする請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第１障壁層の形成は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層上に、ＧａＡｓＳｂ層を形成し、
前記量子ドットの形成は、前記ＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する
ことを特徴とする請求項８又は９に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池とその製造方法に関し、特に量子ドット層を用いた中間バンド型太陽電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自己形成量子ドット（ＱＤｓ）を用いた中間バンド型太陽電池により、高い変換効率の実現が期待されている。従来の量子ドットを用いた中間バンド型太陽電池は、主として量子ドット層を成長方向に近接して積層（多重化）した、いわゆる縦型構造のものが開発されてきた（たとえば、非特許文献１および２参照）。
【０００３】
縦型構造の太陽電池には、以下の問題がある。
（１）多数の量子ドット層を近接して積層方向に積み上げ、量子ドット内の電子を基板と垂直方向に結合させてバンド化を実現するため、量子ドット層間を隔てるスペーサ層の膜厚を薄くする必要がある。また歪補償層を必要とするなど、技術的に難しい構造である。
（２）積層方向の中間バンド化の場合、ｐｎ接合内の電界効果により量子ドット層間で準位ずれが生じ、量子ドット層同士の量子準位を整合させることが難しい。
（３）ｐｎ接合に沿ったキャリアの流れ方向と積層化による中間バンドの形成方向が同じであり、キャリア分離効果が得られない。また、積層方向にType-IIバンド構造を導入してキャリア分離効果を高める構成を採用した場合でも、キャリアの流れる方向と中間バンドの形成方向が同じであるためキャリア分離効果は不十分であり、長寿命化の実現が困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Luque and A. Marti, "Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions at Intermediate Levels", Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997)
【非特許文献２】N. Kakuda, et al, "Sb-mediated growth of high-density InAs quantum dots and GaAsSb embedding growth by MBE", Applied Surface Science 254 (2008) 8050-8053"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、中間バンドを基板と平行な面内方向に形成し、量子効率の向上とキャリアの長寿命化を実現する太陽電池とその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
量子ドットの面内密度を高めると、量子ドット内電子の波動関数が基板と平行な面内で結合して重なり合い、量子ドットの伝導帯と価電子帯の中に中間バンドが形成される。面内、すなわち基板と平行な方向に結合した中間バンドを利用することで、量子ドット層を比較的厚いスペーサ層を介して複数層積み上げて、実用的な太陽電池を実現できる。面内結合型の太陽電池は製造が容易であり、従来の縦型構造の太陽電池よりもはるかに少ない積層数で高い変換効率を実現することができる。
【０００７】
また、後述するように、量子ドットの面内密度と高さを制御することによって、キャリアの長寿命化を実現することができる。
【０００８】
具体的には、太陽電池は、
第１の導電型の半導体層と、
第２の導電型の半導体層と、
前記第１及び第２の導電型の半導体層の間に配置される半導体領域と、
を含み、
前記半導体領域は、
前記第１の導電型の半導体層に隣接する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成される量子ドット層を含み、
前記量子ドット層は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され面内密度が３．０×１０11ｃｍ-2〜５×１０11ｃｍ-2、高さが１．５〜２．０ｎｍである量子ドットとを含むことを特徴とする。
【０００９】
構成例として、量子ドット層はType-Iバンド構造を有するものであってもよいし、Type-IIバンド構造を有するものであってもよい。Type-IIバンド構造とする場合は、量子ドット上に第２障壁層を配置して、第１障壁層と第２障壁層で量子ドットを挟み込む。
【００１０】
Type-Iバンド構造の量子ドット層を配置した場合、量子ドットからの発光の減衰時間（注入されるキャリアの寿命）は波長１０００ｎｍ以上の光に対して３〜６ｎｓである。
【００１１】
Type-IIバンド構造の量子ドット層を配置した場合、量子ドットからの発光の減衰時間（注入されるキャリアの寿命）は波長１０００ｎｍ以上の光に対して３〜１０ｎｓである。
【発明の効果】
【００１２】
太陽電池に高密度かつ一定の高さ範囲の量子ドットを用いることによって、面内方向に中間バンドを形成し、量子効率の向上とキャリアの長寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の太陽電池に適用されるType-Iバンド構造のＱＤセルと、Type-IIバンド構造のＱＤセルの概略構成図である。
【図２】実施形態の中間バンド型太陽電池で用いられる量子ドットのＡＦＭ画像とその断面模式図である。
【図３】量子ドットの高さに応じたＰＬ発光スペクトルを示す図である。
【図４】ＰＬ半値幅の温度依存性を示すグラフである。
【図５】ＰＬピークエネルギーの温度依存性を示すグラフである。
【図６】ＰＬピークエネルギーの励起パワー依存性を示すグラフである。
【図７】量子ドットの高さに応じた波動関数の閉じ込めとしみ出しを説明する模式図である。
【図８】実施形態で作製されたType-I-ＱＤセルの蛍光寿命（キャリア寿命と関連）を示すグラフである（４７０℃）。
【図９】実施形態で作製されたType-I-ＱＤセルの蛍光寿命を示すグラフである（４８０℃）。
【図１０】比較例として、異なる高さの量子ドットのType-I-ＱＤセルの蛍光寿命を示すグラフである（４７０℃）。
【図１１】比較例として、異なる高さの量子ドットのType-I-ＱＤセルの蛍光寿命を示すグラフである（４８０℃）。
【図１２】実施形態で作製されたType-II-ＱＤセルの蛍光寿命を示すグラフである。
【図１３】Type-II-ＱＤセルのキャリア長寿命化を説明する模式図である。
【図１４】Type-I-ＱＤセルとType-II-ＱＤセルの外部量子効率を示すグラフである。
【図１５】Type-I-ＱＤセルとType-II-ＱＤセルのバンド構造の模式図である。
【図１６】Type-I-ＱＤセルとType-II-ＱＤセルの短絡電流を示すグラフである。
【図１７】Type-I-ＱＤ層の導入位置を変えたときのセル構造を示す模式図である。
【図１８】Type-I-ＱＤ層の導入位置を変えたときのセル特性の変化を示すグラフである。
【図１９】Type-I-ＱＤ層の導入位置に応じたＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図２０】Type-I-ＱＤ層の導入位置に応じた変換効率を示すグラフである。
【図２１】実施形態のＱＤセルを用いた中間バンド型太陽電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照して、実施形態の中間バンド型太陽電池とこれに用いられる量子ドット（ＱＤ）セルについて説明する。
【００１５】
図１（Ａ）は実施形態で用いられるType-Iバンド構成の量子ドット（ＱＤ）セルの概略構成図、図１（Ｂ）はType-IIバンド構成の量子ドット（ＱＤ）セルの概略構成図である。
【００１６】
図１（Ａ）では、ｎ＋型ＧａＡｓ（００１）基板１１上にｎ＋型ＧａＡｓ層１２、ｎ−型ＧａＡｓ層１３、ＧａＡｓ層１４、ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、量子ドット１６、ノンドープＧａＡｓ層１８、ｐ＋型ＧａＡｓ層１９が、この順で積層されている。ＧａＡｓＳｂ障壁層１５とＩｎＡｓ量子ドット１６で、Type-Iバンド構造を有する量子ドット層２１を構成する。ＧａＡｓＳｂ障壁層１５のアンチモン（Ｓｂ）の組成は約１２％である。Ｓｂの組成が１４％よりも小さい場合にType-Ｉバンド構造を形成する。Ｓｂの組成が約８％よりも小さくなると、ＩｎＡｓ量子ドット１６を成長する際のドット密度が低下するだけでなく、コアレッセンス（量子ドットの巨大化）を十分に抑制することができない。したがって、Type-I量子ドット層２１において、良好なＳｂ組成は８〜１４％である。ｐ型ＧａＡｓ層１９とｎ型ＧａＡｓ層１２、１３に挟まれる領域を、半導体領域２３とする。
【００１７】
図１（Ｂ）では、ｎ＋型ＧａＡｓ（００１）基板１１上にｎ＋型ＧａＡｓ層１２、ｎ−型ＧａＡｓバッファ層１３、ＧａＡｓ層１４、ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、量子ドット１６、ＧａＡｓＳｂ障壁１７、ノンドープＧａＡｓ層１８、ｐ＋型ＧａＡｓ層１９がこの順で積層されている。ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、ＩｎＡｓ量子ドット１６、およびＧａＡｓＳｂ障壁層１７で、Type-IIバンド構造を有する量子ドット層２２を構成する。この構成例におけるＧａＡｓＳｂ障壁層１７のアンチモン（Ｓｂ）の組成は１４〜３０％である。Ｓｂの組成が１４％以上でType-IIバンド構造を形成し、Ｓｂの組成が５０％を超えると結晶性が損なわれるおそれがある。ｐ型ＧａＡｓ層１９とｎ型ＧａＡｓ層１２、１３に挟まれる領域を、半導体領域２４とする。
【００１８】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）において、量子ドット１６の面内密度は３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2、ドット高さは１．５ｎｍ〜２．０ｎｍである。量子ドット１６の面内密度が３×１０11よりも小さくなると、面内での電子の結合が不十分になり、基板と平行な方向に中間バンドを形成することが困難になる。量子ドットの面内密度が５×１０11ｃｍ-2を超える場合は、濡れ層の形成段階で原料の導入を制御する等、追加の制御が必要になる。実施形態では、製造の簡易化を考えてＩｎＡｓ量子ドット１６を面内密度３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2の範囲で形成する。
【００１９】
量子ドット１６は、面内密度が３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2である場合、高さ方向のサイズが１．５ｎｍ〜２．０ｎｍのときに、良好な発光特性とキャリアの長寿命化を達成できる。この根拠については後述する。量子ドット１６の高さが１．５ｎｍよりも低いと、成長が不十分で３次元閉じ込め効果を実現することができない。量子ドット１６の高さが２．０ｎｍを超えると、ＰＬ発光特性、キャリア長寿命化の効果が低減する。
【００２０】
図２は、実施形態で用いたType-IおよびType-IIバンド構造のＧａＡｓＳｂ層１５上のＩｎＡｓ量子ドット層１６のＡＦＭ画像と、その模式図である。このサンプルは、ｎ型ＧａＡｓ（００１）基板１１上に分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法でＧａＡｓバッファ層１４を成長し、ＧａＡｓバッファ層１４上にＧａＡｓＳｂ層１５を厚さ３ｎｍに成長したものである。ＧａＡｓＳｂ層１５のＳｂの組成は約１２％である。ＧａＡｓＳｂ層１５上に、ＭＢＥ法により、ＩｎＡｓ量子ドット１６を２．３ＭＬ成長する。ＩｎＡｓ量子ドットの成長速度は０．０３５ＭＬ/ｓ、Ａｓ供給圧力は６．６×１０-６〜７．１×１０-6 Torrである。
【００２１】
図２の画像において、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ（００１）上のＩｎＡｓ量子ドットの面内密度は５×１０11ｃｍ-2、量子ドット１６の面内方向の平均サイズは１４ｎｍ、高さ方向の平均サイズは２ｎｍである。ＧａＡｓＳｂ層１５から偏析するＳｂ原子の界面作用によってコアレッセンス（量子ドットの巨大化）が抑制され、量子ドットの高密度化が実現されている。
【００２２】
図３〜図７は、高さが２ｎｍ以下の高密度量子ドットを用いたときの中間バンドの形成を説明する図である。サンプルとして、ＧａＡｓＳｂ層１５を１０ＭＬ成長し（厚さ３ｎｍ）、基板温度４７０℃と４８０℃で、ＩｎＡｓ量子ドット１６を２．３ＭＬ（平均高さ２ｎｍ）成長したサンプルを準備する。比較例として、同じ成長条件で、ＩｎＡｓ量子ドットを２．９ＭＬ（平均高さ３ｎｍ）成長したサンプルを準備する。
【００２３】
図３は、実施形態のサンプル（ＩｎＡｓ；２．３ＭＬ）と、比較例のサンプル（ＩｎＡｓ；２．９ＭＬ）のＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。太い実線は４７０℃で２．３ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトル、太い破線は４８０℃で２．３ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルである。細い実線は、比較例として４７０℃で２．９ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトル、細い破線は、比較例として４８０℃で２．９ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルである。
【００２４】
２．３ＭＬの量子ドットのＰＬスペクトルは長波長側にシフトし、狭線化し、高エネルギー側に裾引きとなって現れる。このような狭線化や、高エネルギー側での裾引きは、孤立ＱＤの離散準位では説明が困難であり、バンド化されたエネルギー準位に特有の現象である。
【００２５】
２．９ＭＬの量子ドットも、２．３ＭＬの量子ドットと同程度の高密度で形成されているため、トンネル効果によって面内方向で電子が結合して、ある程度は中間バンドが形成されているはずである。しかし、２．３ＭＬの量子ドットと比較して閉じ込め効果が大きいため、ドットサイズにばらつきがある部分で離散的なエネルギー準位が顕著になると考えられる。
【００２６】
図４（Ａ）は、ＰＬ半値幅（ＦＷＨＭ）の温度依存性を示すグラフである。図３と同様に、太い実線は４７０℃で成長した２．３ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットの特性、太い破線は４８０℃で成長した２．３ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットの特性、細い実線が４７０℃で２．９ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットの特性、細い破線が４８０℃で２．９ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドットの特性である。
【００２７】
２．３ＭＬの量子ドットでは、低温領域で温度上昇に比例して直線的にＦＷＨＭ値が大きくなる。また、２．９ＭＬ量子ドットに比べて小さい半値幅を維持している。これは、図４（Ｂ）に示すように、バンド内のキャリアの連続的なエネルギー分布２５を反映するものである。２．３ＭＬ量子ドットは、サイズに多少のばらつきがあっても、エネルギー準位がバンド化して隣接するドットと互いに重なり合う。低温領域で温度が上昇すると、バンド化した熱エネルギーの分布も全体的に高くなり、ＦＷＨＭ値が連続的に増えると考えられる。これに対して、２．９ＭＬ量子ドットはドットサイズに応じた離散的なエネルギー準位が支配的である。この場合、低温領域では温度上昇によって比較的小さなサイズの量子ドットからキャリアが放出されて、ＦＷＨＭがいったん狭くなり、その後の温度上昇では量子ドットの均一幅の増大によってＦＷＨＭが増大するＶ字型の特性を示すものと考えられる。
【００２８】
図５（Ａ）は、ＰＬピークエネルギーの温度依存性を示す。図中の点線は、Varshniのフィッティングである。２．３ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットの場合、温度が上昇しても、ピークエネルギーはしばらく一定範囲に維持され、その後、弱い長波長シフトを示す。２．３ＭＬ量子ドットの場合、図５（Ｂ）に示すように、横方向に波動関数が拡がり、伝導帯と価電子帯の間にエネルギー分布がバンド化して存在し、温度が高くなるとキャリアのエネルギー分布が高エネルギー側に広がり、エネルギーギャップの縮小による長波長化が抑制されるからである。
【００２９】
これに対して、２．９ＭＬ量子ドットの場合、温度上昇によって比較的小さい量子ドットからキャリアが放出され、サイズの大きい量子ドット（長波長帯）のＰＬ支配性が強くなる。このため、図５（Ａ）に示すように強い長波長シフトが生じる。
【００３０】
図６は、ＰＬピークエネルギーの励起パワー依存性を示す。２．３ＭＬ量子ドットの場合、励起パワーが増大するにつれ、ピークエネルギーは連続的に高エネルギー側にシフトする（ブルーシフト）。これは、電子のエネルギー準位がバンド化していることを示す。これに対し、２．９ＭＬ量子ドットでは、基底準位（G.S.）から励起準位（E.S.）へ離散的にピークエネルギーが変化し、面内結合のない（バンド化のない）孤立した量子ドットの状態であることを示している。
【００３１】
図７は、量子ドットの高さに応じた波動関数の閉じ込めと浸み出しを説明する模式図である。図７（Ａ）の２．９ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドット（平均高さ３ｎｍ）では、波動関数が量子ドット内に閉じ込められている。これに対し、２．３ＭＬ成長したＩｎＡｓ量子ドット（平均高さ２ｎｍ）では、量子ドットから障壁層に浸み出した波動関数が重なり合って面内方向に中間バンドが形成される。ＩｎＡｓ量子ドットの面内密度が３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2のとき、隣接するＩｎＡｓ量子ドット底面の端部間距離は３〜７ｎｍ程度である。
【００３２】
図８〜図１３は、実施形態のＱＤセルのキャリア長寿命化を説明するための図である。図８は、基板温度４７０℃で、ＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを１層だけ成長してType-I量子ドット層を形成したときの量子ドットからの発光の減衰時間（蛍光寿命）を示す図、図９は、基板温度４８０℃で、ＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを１層だけ成長してType-I量子ドット層を形成したときの量子ドットからの発光の減衰時間（蛍光寿命）を示す図である。発光の減衰時間は注入されるキャリアの寿命時間と密接に関連する。図８でＳｂ供給圧は4.0×10-7 Torr、図９でＳｂ供給圧は6.0×10-7 Torrである。図８、図９ともにＩｎＡｓ量子ドットの成長量は２．３ＭＬである。光照射による量子ドットからの発光の減衰時間は、市販の蛍光寿命測定装置を用いて測定した。
【００３３】
図８から分かるように、1022.3〜1062.6 nmの波長帯域において、励起パワーにかかわらず、安定して４ｎｓ以上、６ｎｓ近くの発光の減衰時間が得られ、キャリア長寿命化が達成される。波長1003 nm近傍でも安定して３ｎｓ以上の蛍光寿命が得られる。波長が992 nmでは励起パワーを適切に選択することで、２ｎｓ近くの減衰時間が得られる。これは太陽光を利用する電池の変換効率を安定して改善できることを意味する。
【００３４】
図９では、波長間で減衰時間の相違が大きくなるが、波長1022 nmで６ｎｓ以上の発光の減衰時間、波長1042 nmで７〜８ｎｓの減衰時間、波長1062.6 nmで８ｎｓ以上の減衰時間を達成することができる。波長1003 nm近傍では４ｎｓ前後、波長992 nmでも２ｎｓを実現できる。また、蛍光寿命の励起パワー依存性が小さい。
【００３５】
図１０と図１１は、比較例として、ＩｎＡｓ量子ドットを２．７ＭＬ程度成長したType-I量子ドット層のキャリア減衰時間を示す図である。図１０では、４７０℃でＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを成長したときのグラフ、図１１は、４８０℃でＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを成長したときのグラフである。図１０でＳｂ供給圧は4.5×10-7 Torr、図１１でＳｂ供給圧は2.8×10-7 Torrである。
【００３６】
図１０から分かるように、２．７ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットの場合、波長1003.2 nm以上で励起パワーにかかわらず減衰時間が安定しているが、発光の減衰時間が１ｎｓ〜１．５ｎｓと図８と比較して短くなる。２．７ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットでは離散的なエネルギー準位が優位となり、キャリアは量子ドット内に閉じ込められ、再結合によってキャリアが消滅しやすいためと考えられる。
【００３７】
図１１では、測定点が少なくなるが、図１０と同様に１．０ｎｓ〜１．３ｎｓ程度の蛍光寿命が測定され、図９と比較してキャリア寿命は短い。
【００３８】
図８〜図１１に基づくと、同じ面内密度、同じType-Iのバンド構造において、２．３ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットを用いた場合は、２．７ＭＬのＩｎＡｓ量子ドットを用いた場合と比較して、キャリア寿命が４〜５倍に長くなることがわかる。２．３ＭＬの量子ドットでは、キャリアの面内結合による波動関数の広がりによって再結合確率が低下し、キャリア寿命が長くなったものと考えられる。
【００３９】
図１２は、Type-IIバンド構造のＩｎＡｓ量子ドット層からの発光の減衰時間を示すグラフである。この例では、基板温度４８０℃で、ＧａＡｓＳｂ層（１０ＭＬ）上にＩｎＡｓ量子ドットを２．１３ＭＬ成長し、ＩｎＡｓ量子ドット層上に厚さ６ｎｍのＧａＡｓＳｂ障壁層（キャップ層）を形成して、Type-IIの量子ドット層とした。ＧａＡｓＳｂ障壁層を形成する際のＳｂ供給圧は3.4×10-7 Torrである。
【００４０】
図１２に示すように、波長によって蛍光寿命が相違するが、励起パワーを大きくすると蛍光寿命が長くなる。波長1140 nmでは、励起パワーを適切に選択することで最大１６ｎｓもの発光の減衰時間を達成することができる。波長1140〜1170 nmの帯域では、励起パワー１０ｍＷで８ｎｓ前後の減衰時間を実現できる。図１０、図１１の２．７ＭＬのType-I量子ドットと比較すると、キャリア寿命は５〜１０倍に長くなる。
【００４１】
また、図８の２．３ＭＬのType-I量子ドットと比較しても、キャリア寿命は長くなっている。図１３に示すように、Type-IIのバンド構造ではキャリアが空間的に分離しているため、Type-Iバンド構造と比較して、キャリアが再結合するまでの時間が長くなるからである。図１３のように、下層のＧａＡｓＳｂ障壁層１５と、上層のＧａＡｓＳｂ障壁層１７の間にＩｎＡｓ量子ドット１６を挟み込む構造を採用する場合、ＩｎＡｓ量子ドット１６のバンドギャップはＧａＡｓＳｂ障壁層１５，１７のバンドギャップよりも小さい。ＩｎＡｓ量子ドットの伝導帯に励起された電子は、ＧａＡｓＳｂ障壁層１７の価電子帯に励起された正孔と再結合するが、キャリアが空間的に分離されているため、再結合までに係る時間が長くなるからである。このキャリアの空間的分離の効果は、面内結合する場合においてより効果を増したものと考えられる。
【００４２】
図１４は、Type-IのＱＤセルとType-IIのＱＤセルの外部量子効率とＰＬスペクトルを示す図、図１５はバンド構造の模式図である。いずれのサンプルも、ＧａＡｓＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを５×１０11ｃｍ-2の面内密度、高さ２ｎｍで、１層だけ形成したものである。Type-IではＩｎＡｓ量子ドット上にＧａＡｓバッファ層を６０ｎｍ形成し、Type-IIではＩｎＡｓ量子ドット上にＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層を６ｎｍ形成してからＧａＡｓバッファ層を５４ｎｍ形成している。
【００４３】
Type-IのＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルは1000〜1100 nmに現れ、Type-IIのＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルは1100〜1400 nmに現れている。また、ＧａＡｓＳｂキャップ層のＰＬスペクトルが900〜1100 nmで観察される。
【００４４】
ＩｎＡｓ量子ドットが１層だけでも、Type-IとType-IIの双方で900 nm以上の長波長領域において量子効率が観察される。これは、従来の縦方向の積層型構成と異なり、ＩｎＡｓ量子ドット層に面内方向の中間バンドが形成され、この中間バンドを介した長波長光の光吸収による余剰キャリアが生成されるためである。また、Type-IIのサンプルでより高い量子化効率が得られるのは、図１５（Ｂ）に示すように、ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層での900〜1100 nmの波長帯域での光吸収によるキャリア生成の効果と、キャリアの空間的な分離によって再結合が抑制され、キャリアの長寿命化が実現されているからである。
【００４５】
図１６は、Type-IのＱＤセルとType-IIに、ＡＭ（エア・マス）１．５（あるいは１ sun）の光照射の下で電圧を印加したときの電流−電圧特性を示すグラフである。Type-IIのキャリア寿命のほうが長いにも関わらず、Type-IとType-IIで、短絡電流密度は同程度となっている。また、開放端電圧はType-IIのほうが低くなっている。開放端電圧は、セルに流れる電流を０［Ａ］としたときのセルの両端子に発生する電圧で、セルから得ることのできる最大電圧である。短絡電流密度や開放端電圧が高いことは、変換効率が高いことを意味する。
【００４６】
Type-IとType-IIで短絡電流密度が同程度となったことの理由としては、Type-I、Type-IIともに電界効果によるキャリア生成があること、及びType-IIバンド構造では、ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層とＩｎＡｓ量子ドットの伝導帯の高いヘテロ障壁により、ヘテロ界面でキャリアの再結合が生じることがあること、が考えられる。また、ＧａＡｓＳｂキャップ層のＳｂ組成の増加により結晶性が悪化して、非発光性の再結合が生じることも一因であると考えられる。ＧａＡｓＳｂキャップ層の成長条件を制御して結晶性を改善することで、Type-IIのＱＤセルの開放端電圧の低下は抑制することができると考えられる。
【００４７】
図１７は、ＧａＡｓ層１４および１８におけるType-I量子ドット層２１の導入位置を変化させたときの概略構成図である。図１７（Ａ）では量子ドット層２１をｐ型ＧａＡｓ層から１００ｎｍの位置に配置し、図１７（Ｂ）ではｐ型ＧａＡｓ層から２００ｎｍの位置に配置し、図１７（Ｃ）ではｐ型ＧａＡｓ層から４００ｎｍの位置に配置している。いずれのサンプルも、ＩｎＡｓ量子ドットの面内密度は５×１０11ｃｍ-2、量子ドットの平均高さは２ｎｍである。
【００４８】
図１８は、図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）のサンプルの室温での外部量子効率（％）とＰＬスペクトルを示す図である。わずか１層の量子ドット層を配置しただけで、９００〜１２００ｎｍの長波長帯域で外部量子効率の拡張が観察される。量子ドット層のｐ型ＧａＡｓ層からの距離が大きくなるにつれて、ＰＬピークエネルギーは低エネルギー側にシフトし、他方、拡張された波長領域での量子効率は小さくなっている。波長９００〜１１００ｎｍの領域で、量子ドット層２１の量子効率はｐ型ＧａＡｓ層からの距離が２００ｎｍ、１００ｎｍ、４００ｎｍの順で高くなっている。
【００４９】
図１９は３種類のサンプルの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性図である。ｐ型ＧａＡｓ層からの量子ドット層の距離が１００ｎｍと２００ｎｍのときは短絡電流が大きく、また開放端電圧が高い。
【００５０】
図２０は、量子ドット層のｐ型ＧａＡｓ層からの距離と変換効率（％）の関係を示すグラフである。ｐ型ＧａＡｓ層からの距離が１００ｎｍと２００ｎｍのときは、４００ｎｍのサンプルと比較して変換効率が高くなっている。
【００５１】
図１９、２０で示す現象は、Type-IIの量子ドット層を採用する場合にも当てはまる。ノンドープのＧａＡｓ層にType-II量子ドット層を挿入する場合も、ｐ型ＧａＡｓ層から１００〜２００ｎｍの位置とするのが望ましい。
【００５２】
図２１（Ａ）はType-IのＱＤセルを用いた太陽電池３０Ａの一構成例を示す図、図２１（Ｂ）はType-IIのＱＤセルを用いた太陽電池３０Ｂの一構成例を示す図である。
【００５３】
太陽電池３０Ａは、ｎ＋型ＧａＡｓ（００１）基板１１上に、ｎ＋型ＧａＡｓ層１２、ｎ−型ＧａＡｓ層１３、ノンドープまたはｎ型のＧａＡｓ層１４、ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、量子ドット１６、ノンドープのＧａＡｓ層１８、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８、ｐ＋型ＧａＡｓ層１９が、この順で積層されている。ＧａＡｓＳｂ障壁層１５とＩｎＡｓ量子ドット１６で、Type-Iバンド構造を有する量子ドット層２１を構成する。ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８とｐ型ＧａＡｓ層１９を合わせてｐ型半導体層とする。ｐ型半導体層とｎ型ＧａＡｓ層１２および１３に挟まれる領域を、半導体領域２３とする。
【００５４】
ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面に電極２６が設けられ、ｐ型ＧａＡｓ層１９上に透明電極２９が配置される。ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８は透明電極２９から入射した光を半導体領域２３に透過させるとともに、透明電極２９を堆積する際の衝撃を緩和する役割を果たす。ＩｎＡｓ量子ドット１６の面内密度は３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2、量子ドットの平均高さは１．５ｎｍ〜２ｎｍである。
【００５５】
太陽電池３０Ｂは、ｎ＋型ＧａＡｓ（００１）基板１１上に、ｎ＋型ＧａＡｓ層１２、ｎ−型ＧａＡｓ層１３、ノンドープまたはｎ型のＧａＡｓ層１４、ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、量子ドット１６、ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層１７、ノンドープのＧａＡｓ層１８、ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８、ｐ＋型ＧａＡｓ層１９が、この順で積層されている。ＧａＡｓＳｂ障壁層１５、ＩｎＡｓ量子ドット１６、ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層１７でType-IIバンド構造を有する量子ドット層２２を構成する。ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８とｐ型ＧａＡｓ層１９を合わせてｐ型半導体層とする。ｐ型半導体層とｎ型ＧａＡｓ層１２および１３に挟まれる領域を、半導体領域２４とする。
【００５６】
ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面に電極２６が設けられ、ｐ型ＧａＡｓ層１９上に透明電極２９が配置される。ｐ＋型ＡｌＧａＡｓ窓層２８は透明電極２９から入射した光を半導体領域２４に透過させるとともに、透明電極２９を堆積する際の衝撃を緩和する役割を果たす。ＩｎＡｓ量子ドット１６の面内密度は３×１０11〜５×１０11ｃｍ-2、量子ドットの平均高さは１．５ｎｍ〜２ｎｍである。ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層１７の膜厚は５〜７ｎｍである。
【００５７】
図２１では図示の便宜上、１層の量子ドット層２１、２２のみが描かれているが、実際は、複数の量子ドット層２１，２２が積層される。量子ドット層を積層することで変換効率を高めることができるからである。
【００５８】
従来の縦型構造の中間バンド型太陽電池と異なり、実施形態の量子ドット層では面内方向に中間バンドが形成されるため、量子ドット層と量子ドット層の間のスペーサ層を無理に薄くする必要はない。スペーサ層の膜厚は、結晶欠陥の抑制および空乏層中の電界強度の観点から適切な膜厚を選択することができる。
【００５９】
実施形態では、ＧａＡｓＳｂ障壁層上に所定範囲の高さのＩｎＡｓ量子ドットを高密度に形成したが、この組み合わせに限定されない。たとえばＧａＡｓＳｂ障壁層上にＩｎＡｓＳｂ量子ドットを形成する場合も同様の効果を得ることができる。この場合のＧａＡｓＳｂ障壁層とＩｎＡｓＳｂ量子ドットの成長条件は、上述した実施形態の場合と同様である。また、ＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層上にＩｎＡｓＳｂ量子ドットを形成する、ＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する等の構成としてもよい。量子ドットは、いずれの材料を用いる場合も、高さを１．５〜２．０ｎｍの範囲とする。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
太陽電池への適用の他、中間バンド型の光ナノデバイスへの応用が期待される。
【符号の説明】
【００６１】
１１  ＧａＡｓ基板
１２  ｎ+ＧａＡｓ層（ｎ型半導体層）
１３  ｎ型ＧａＡｓ層（ｎ型半導体層）
１４  ＧａＡｓ層（ノンドープまたはｎ型半導体層）
１５  ＧａＡｓＳｂ障壁層
１６  ＩｎＡｓ量子ドット
１７  ＧａＡｓＳｂ障壁（キャップ）層
１８  ＧａＡｓ層
１９  ｐ+ＧａＡｓ層（ｐ型半導体層）
２１  Type-I量子ドット層
２２  Type-II量子ドット層
２３、２４  半導体領域
２６  電極
２８  ｐ+ＡｌＧａＡｓ窓層（ｐ型半導体層）
２９  透明電極
３０Ａ，３０Ｂ  太陽電池
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２】
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