(57)【要約】【課題】    太陽電池に関し、太陽電池に於ける光検知層がエネルギ・バンド・ギャップＥ０よりも小さいエネルギの光も吸収できるようにして、光起電力に寄与するキャリアの生成量を大きくする、即ち、変換効率を向上しようとする。【解決手段】  ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層３に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットＤを含み、量子ドットＤ及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅ II を成している。【選択図】        図５
2006114815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅIIを成すこと
を特徴とする太陽電池。
【請求項２】
光検知層であるｉ層は、
エネルギ・バンド構造が伝導帯の下端で不連続が無いか或いは僅かであって且つ価電子帯の上端で深い量子井戸を生成し、
正孔に対してのみ３次元量子閉じ込めを行うものであること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
光検知層であるｉ層は、
エネルギ・バンド構造が価電子帯の上端で不連続が無いか或いは僅かであって且つ伝導帯の下端で深い量子井戸を生成し、
電子に対しのみ３次元量子閉じ込めを行うものであること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
量子ドットのｎ層側に量子ドットへの正孔の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成されてなること
を特徴とする請求項２記載の太陽電池。
【請求項５】
量子ドットのｐ層側に量子ドットへの電子の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成されてなること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検知層中に量子ドットを形成することで高効率化した太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体太陽電池としては、Ｓｉ、ＧａＡｓなどのバルク或いは量子井戸が用いられ、その変換効率の理想限界は３０〔％〕程度であって、所要の電力を得る為には、大面積にしなければならず、高コストにならざるを得ない。
【０００３】
そこで、従来から太陽電池の効率を向上する為に種々な努力がなされていて、例えば、光検知層、即ち、活性層中に量子ドットを導入した構造のものが知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ｐｉｎ太陽電池の活性層であるｉ層に於ける量子井戸中に量子ドットを形成した構造に関する発明が開示されていて、量子井戸が感応する波長光以外の波長光にも感応するようになっている。
【０００５】
然しながら、特許文献１の発明に於ける量子ドットは通常のｔｙｐｅ  I であり、量子ドットの周囲には阻止層が存在していないので、このような構成からすれば、高効率化について、さほどの期待はできないと思われる。
【０００６】
また、特許文献２には、ｐｉｎ太陽電池の活性層であるｉ層に於ける量子ドット層を複数層にした構造に関する発明が開示されていて、量子ドット層の総数を増すことで感度を向上できるようになっている。
【０００７】
然しながら、特許文献２の発明に於ける量子ドットも通常のｔｙｐｅ  I であり、量子ドットの周囲には阻止層も存在していないので、このような構成からすれば、高効率化について、さほどの期待はできないと思われる。
【０００８】
更にまた、量子ドットを形成する方法や量子ドットの構造についても種々な開発がなされていて、例えば特許文献３には、高さ１〔ｎｍ〕程度の極めて薄い島を複数層重ねることで高さ５〔ｎｍ〕〜３０〔ｎｍ〕程度の１個の量子ドットを形成し、その量子ドット内の組成は、薄い島自体の組成を変えたり、異種の薄い島の積層数比を変えたりして制御する発明が開示されている。
【０００９】
特許文献３に開示された発明に依れば、量子ドットの組成、即ち、エネルギ・バンド・ギャップを自在に制御することができ、そして、薄い島の組成や異種の薄い島の積層数比を変えることで必要とする阻止層も形成することができる。
【特許文献１】特開２００２−１４１５３１号公報
【特許文献２】特開平８−２６４８２５号公報
【特許文献３】特許第２６９６９２０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、太陽電池に於ける光検知層がエネルギ・バンド・ギャップＥ０よりも小さいエネルギの光も吸収できるようにして、光起電力に寄与するキャリアの生成量を大きくする、即ち、変換効率を向上しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に依る太陽電池に於いては、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅ II を成すことが基本になっている。
【発明の効果】
【００１２】
前記手段を採ることに依り、ｐｉｎ構造の太陽電池に於ける光検知層であるｉ層は、エネルギ・バンド・ギャップＥ０よりも小さいエネルギの光も吸収することができ、光起電力に寄与するキャリアの生成量は大きくなり、変換効率は向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ｐｉｎ構造の太陽電池に於ける光検知層、即ち、ｉ層に量子ドットで代表される３次元量子閉じ込め効果を奏する微細構造を設ける。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明に於ける実施例１である太陽電池の動作例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、Ｄ１は量子ドット領域、ＥV は価電子帯の上端、ＥC は伝導帯の下端、Ｅ０はエネルギ・バンド・ギャップ、Ｅ1 並びにＥ2 はエネルギ・バンド・ギャップＥ０よりも小さいエネルギをもつ光をそれぞれ示している。尚、エネルギＥ1 或いはＥ2 をもつ光はバルクのみでは吸収されない波長の光である。
【００１５】
本発明の太陽電池では、光検知層中に形成する量子ドットはｔｙｐｅ II であり、この構成にすることで変換効率は向上する。因に、従来の量子ドットをもつ太陽電池では、量子ドットは全てｔｙｐｅ I  のものを用いている。
【００１６】
図１（Ａ）参照
図示のエネルギ・バンド構造を示す太陽電池にエネルギＥ1 の光が入射して吸収され  たとする。
【００１７】
図１（Ｂ）参照
前記状態になると、正孔が量子ドット外に移動してしまうので、電子は量子ドット内  に長時間滞在することになる。
【００１８】
図１（Ｃ）参照
量子ドット内の電子がエネルギＥ2 の光を吸収し、量子ドットの周囲に在るバリア層  の伝導帯に励起される結果、光起電力が発生する。
【００１９】
一般に、キャリアを単なる量子井戸に閉じ込める場合、即ち、１次元閉じ込めの場合には、伝導帯に在るキャリアが量子井戸中に落ち込むことが知られ、これが変換効率を低下させる一因になっている。
【００２０】
然しながら、量子ドットのような３次元閉じ込め構造の場合、フォノンボトルネックと呼ばれる量子ドット固有の現象に依って、バリア層から量子ドットに落ち込むキャリアは少なくなるので変換効率の低下は抑止される。
【００２１】
ｔｙｐｅ II の量子ドットを用いる本発明の太陽電池の場合にも、前記フォノンボトルネックに起因する効果を享受することが可能であり、バリア層から量子ドットに落ち込むキャリアは少なく、従って、光励起されたキャリアを有効に利用することができる。
【実施例２】
【００２２】
図２は本発明に於ける実施例２である太陽電池の動作例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとし、また、（Ａ）は本発明の場合を、そして、（Ｂ）は参考に挙げた量子井戸の場合をそれぞれ示している。
【００２３】
図２（Ａ）から明らかなように、伝導帯に在る励起キャリアは、ｔｙｐｅ II の量子ドット領域Ｄ１に落下することなく飛び越えてゆくが、図２（Ｂ）の単なる量子井戸ではキャリアが落ち込んでしまう。
【００２４】
ところで、ひとたび励起されて伝導帯の下端、或いは、価電子帯の上端に在るキャリアは量子ドット内に落ち込まないようにすることが好ましいので、量子ドットの周辺一部にキャリア注入阻止層を形成しておくことは有効である。
【実施例３】
【００２５】
図３は本発明に於ける実施例３である太陽電池を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、また、理解を容易にする為、平面で見たキャリア注入阻止層をもつ量子ドットを付記してある。尚、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２６】
図に於いて、Ｄは量子ドット、Ｂ1 はキャリア（この場合電子）注入阻止層、Ｂ2 はキャリア（この場合正孔）注入阻止層、Ｂc はキャリア注入阻止層Ｂ1 に起因する伝導帯の下端に於けるバリア、ＢV はキャリア注入阻止層Ｂ2 に起因する価電子帯の上端に於けるバリアをそれぞれ示している。尚、量子ドットＤはｐ層とｎ層とに挟まれたｉ層中に存在している。
【００２７】
図から容易に知得できることであるが、キャリア注入阻止層Ｂ1 及びＢ2 は、量子ドットＤの片側にのみ形成すれば良く、その形成方法としては、例えばＧａＡｓx Ｓｂ1-x からなる量子ドットＤの場合では、特許文献３に開示されている方法、即ち、組成を徐々に変化させつつ積層することで達成される。
【００２８】
その場合の組成例としては、
ドット組成：ＧａＡｓx Ｓｂ1-x （ｘ＝０）
母組成：ＧａＡｓx Ｓｂ1-x （ｘ＝０．５）
阻止層組成：ＧａＡｓx Ｓｂ1-x （ｘ＝１）
である。
【００２９】
図４は実施例３である太陽電池を動作させた場合について説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、図３に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３０】
図示したエネルギ・バンド・ダイヤグラムは、ｉ層がｐ層とｎ層に挟まれていることに依って生じる電界が加わっている状態を表しているので、エネルギ・バンドは傾斜していて、量子ドットＤに入り込もうとするキャリアがキャリア注入阻止層Ｂ1 或いはＢ2 に依るバリアＢc やＢV に依って跳ね返される様子が表されている。
【００３１】
図５は本発明に依る太陽電池の具体的構造を表す要部切断側面図であり、図に於いて、１は基板、２はｎ層、３はｉ層（光検知層）、Ｄは量子ドット、４はｐ層、５はｐ側電極、６はｎ側電極をそれぞれ示している。
【００３２】
図示の太陽電池に於ける各部分の主要データを例示すると、
（１）  基板１
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
（２）  ｎ層２
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
厚さ：１００〔ｎｍ〕
（３）  ｉ層（光検知層）３
母体材料：ＧａＡｓ
量子ドット：ＧａＳｂ
母体材料（ＧａＡｓバリア層）の厚さ：２０〔ｎｍ〕〜５０〔ｎｍ〕
積層数：５０層
（４）  ｐ層４
材料：ｐ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
厚さ：１００〔ｎｍ〕
である。
【００３３】
各層を成長させる際、固体ソースを用いたＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）法を適用し、量子ドット層であるｉ層３を成長させた際の成長温度は４５０〔℃〕〜５５０〔℃〕、そして、他の層の成長温度は５５０〔℃〕〜６５０〔℃〕とした。
【００３４】
前記太陽電池に於ける変換効率をＡＭ１．５の場合について計算した。この場合、ＧａＳｂからなる量子ドットＤをサイズが不均一になるように成長させ、そのばらつきを波長０．９４〔μｍ〕〜１．１２〔μｍ〕、ｉ層３の母体材料は前記した通りのＧａＡｓであり、母体材料と量子ドットＤとの吸収係数は充分に大きいとした。
【００３５】
量子ドットＤに於ける吸収で生成されたキャリアが他の赤外光の吸収で全てバリアの外に出たとした場合の変換効率は４６〔％〕、そして、ＧａＡｓバルクでの太陽電池の変換効率は３６〔％〕と計算されるので、１０〔％〕の効率改善となる。
【００３６】
前記説明した各実施の形態では、太陽電池の構成材料に化合物半導体を用いたが、Ｓｉ半導体に代替することも可能であり、その場合、
（１）  基板１
材料：ｎ−Ｓｉ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
（２）  ｎ層２
材料：ｎ−Ｓｉ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
厚さ：１００〔ｎｍ〕
（３）  ｉ層（光検知層）３
量子ドット：ＳｉＧｅ
Ｓｉバリア層の厚さ：２０〔ｎｍ〕〜５０〔ｎｍ〕
積層数：５０層
（４）  ｐ層４
材料：ｐ−Ｓｉ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
厚さ：１００〔ｎｍ〕
にすることができる。
【００３７】
本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００３８】
（付記１）
ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅ II を成すこと
を特徴とする太陽電池。
【００３９】
（付記２）
光検知層であるｉ層は、
エネルギ・バンド構造が伝導帯の下端で不連続が無いか或いは僅かであって且つ価電子帯の上端で深い量子井戸を生成し、
正孔に対しのみ３次元量子閉じ込めを行うものであること
を特徴とする（付記１）記載の太陽電池。
【００４０】
（付記３）
光検知層であるｉ層は、
エネルギ・バンド構造が価電子帯の上端で不連続が無いか或いは僅かであって且つ伝導帯の下端で深い量子井戸を生成し、
電子に対しのみ３次元量子閉じ込めを行うものであること
を特徴とする（付記１）記載の太陽電池。
【００４１】
（付記４）
光検知層であるｉ層に於ける量子ドット材料とバリア層材料とが                    ＧａＡｓx Ｓｂ1-x ／ＧａＡｓy Ｓｂ1-y （ｘ≠ｙ）
の組み合わせからなること
を特徴とする（付記２）記載の太陽電池。
【００４２】
（付記５）
光検知層であるｉ層に於ける量子ドット材料とバリア層材料とが                    Ｓｉx Ｇｅ1-x ／Ｓｉy Ｇｅ1-y （ｘ≠ｙ）
の組み合わせからなること
を特徴とする（付記２）記載の太陽電池。
【００４３】
（付記６）
量子ドットのｎ層側に量子ドットへの正孔の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成されてなること
を特徴とする（付記２）記載の太陽電池。
【００４４】
（付記７）
量子ドットのｐ層側に量子ドットへの電子の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成されてなること
を特徴とする（付記３）記載の太陽電池。
【００４５】
（付記８）
量子ドットのサイズが不均一であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記７）の何れか１記載の太陽電池。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に於ける実施例１である太陽電池の動作例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図２】本発明に於ける実施例２である太陽電池の動作例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図３】本発明に於ける実施例３である太陽電池を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図４】実施例３である太陽電池を動作させた場合について説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図５】本発明に依る太陽電池の具体的構造を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  基板
２  ｎ層
３  ｉ層（光検知層）
Ｄ  量子ドット
４  ｐ層
５  ｐ側電極
６  ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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