(57)【要約】【課題】エネルギ変換効率の向上が図られた太陽電池を提供すること。【解決手段】異なるサイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを、可視光の波長程度の面領域Ｐ内に配置することで、波長の異なる光エネルギを満遍なく吸収させる。また、同じサイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを厚さ方向に配列することで、キャリアの移動方向に同一のエネルギ準位を並べ、エネルギを失うことなくトンネル効果によってキャリアを移動させて、電流を取り出す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光の波長に対応する大きさを有する面領域内に、異なるサイズの量子ドットが配置され、厚さ方向には、サイズが揃った量子ドットが配置されたキャリア発生層を有する太陽電池。
【請求項２】
前記キャリア発生層とキャリア移動層との間に、半導体層であるキャリア混合層を有する請求項１記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発・受光素子の発・受光として、大きさが電子のドブロイ波長程度の断面寸法を持つ半導体からなる量子ドットと、この量子ドットを囲み、量子ドットのポテンシャルエネルギよりもポテンシャルエネルギが高くエネルギ障壁として機能する半導体を有する層を複数備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、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を成す太陽電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載の太陽電池では、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よって、バリア層から量子ドットに落ち込むキャリアを減少させることで、変換効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２６４８２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えばホットキャリア太陽電池において、通常の半導体では極めて短時間にキャリアのエネルギが減衰して失われてしまい、光から電力へのエネルギ変換が効率良く行えないという問題がある。一方、量子ドットにキャリアを閉じ込めればキャリアのエネルギが減衰し難くなり、エネルギ効率を向上させることができると考えられている。しかしながら、この場合には、量子ドットを用いることで吸収できるエネルギが離散化し、特定の波長の光しか吸収できなくなるおそれがある。さらに、量子ドットにキャリアが閉じ込められてしまい、電流としてエネルギを取り出すことができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、エネルギ変換効率の向上が図られた太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による太陽電池は、可視光の波長に対応する大きさを有する面領域内に、異なるサイズの量子ドットが配置され、厚さ方向には、サイズが揃った量子ドットが配置されたキャリア発生層を有することを特徴としている。
【０００８】
このような太陽電池によれば、異なるサイズの量子ドットが、可視光の波長程度の面領域内に配置されているため、波長の異なる光エネルギが満遍なく吸収される。また、同じサイズの量子ドットが厚さ方向に配列されているため、キャリアの移動方向に同一のエネルギ準位を並べることができ、エネルギを失うことなくトンネル効果によってキャリアが移動して、電流が取り出される。
【０００９】
また、キャリア発生層とキャリア移動層との間に、半導体層であるキャリア混合層を有することが好ましい。これにより、キャリア同士の相互作用が促進され、キャリア減衰が起こりにくくなり、キャリアの移動効率を一層向上させることができる。
【００１０】
また、キャリア混合層は、あらゆるエネルギレベルのキャリアが入ることができ、キャリア減衰が小さく且つエネルギレベルが離散化していない材料によって形成されていることが好適である。これにより、キャリア混合層において、キャリア減衰を抑制してエネルギの減少を抑えることができ、エネルギレベルの離散化を防止することができる。
【００１１】
また、キャリア混合層は、ＬＯフォノン寿命が長い材料によって形成されていることが好ましい。キャリアはＬＯフォノンを放出してエネルギを失う。ＬＯフォノンは短時間（数ｐｓｅｃ）でＬＡ等の他のモードに変換されて散逸する。ここで、キャリア混合層がＬＯフォノン寿命が長い材料によって形成されていると、キャリアから放出されたＬＯフォノンが再びキャリアに吸収されて、一度失ったエネルギが戻ることによってキャリア減衰を緩慢にすることができる。ＬＯフォノン寿命が長い材料としては、ＬＯフォノンとＬＡフォノンとの振動数が大きく異なる材料（例えば、ＩｎＮなど）が挙げられる。
【００１２】
また、キャリア混合層は、強くｐドープされた材料、又は、強くｎドープされた材料によって作成されていることが好ましい。ドープキャリアによるプラズマ遮蔽周波数がＬＯフォノンの周波数より高いことによって静電遮蔽がおこり、キャリアがＬＯフォノンを放出してエネルギを失うことを抑制できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の太陽電池によれば、光吸収効率を向上させつつ、キャリア移動効率を向上させることができるため、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）本発明の第１実施形態に係る太陽電池の側断面図、（Ｂ）キャリア移動層のエネルギ構造の概略図である。
【図２】図１の太陽電池の光吸収の原理を説明するための概略図である。
【図３】（Ａ）量子ドットによるエネルギの離散化を説明するための概略図、（Ｂ）量子ドットによるエネルギ減衰の緩和を説明するための概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る太陽電池の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明による太陽電池の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、（Ａ）本発明の第１実施形態に係る太陽電池の側断面図、（Ｂ）キャリア移動層のエネルギ構造の概略図である。
【００１６】
図１に示す太陽電池１は、例えば車両、住宅の屋根等に設置され、太陽光を受け発電するものである。この太陽電池１は、正電極（正孔トラップ層）２上に、キャリアを発生させるキャリア発生層（半導体）３、このキャリア発生層３で発生したキャリアを捉えるキャリア移動層４、及び陰電極５がこの順に積層されている。
【００１７】
キャリア発生層３は、キャリアを発生させると共に、発生したキャリアを一時的に閉じ込める（捕捉する）ことが可能な量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを有している。キャリア発生層３では、可視光の波長に対応する大きさを有する範囲（５００ｎｍ程度）である面領域Ｐ内に、異なるサイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌが配置されている。例えば、可視光の波長程度より狭い範囲である面領域Ｐ内に、直径が数ｎｍの小サイズの量子ドット６Ｓ、この小サイズの量子ドット６Ｓより大きな直径を有する中サイズの量子ドット６Ｍ、この中サイズの量子ドット６Ｍより大きく数十ｎｍの直径を有する大サイズの量子ドット６Ｌが配置されている。そして、可視光の波長程度より狭い面領域Ｐ内に大きさの異なる大〜小サイズの量子ドット６Ｓ、６Ｍ、６Ｌが満遍なく存在している。例えば、直径５００ｎｍの円内を「可視光の波長に対応する大きさを有する範囲である面領域Ｐ」とし、この面領域Ｐにサイズ（形状、体積、厚さ）の異なる量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌが配置されている。
【００１８】
また、キャリア発生層３では、厚さ方向に、サイズが揃った量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌが配置されている。すなわち、サイズごとに、小サイズの量子ドット６Ｓ、中サイズの量子ドット６Ｍ、大サイズの量子ドット６Ｌが厚さ方向に配列されている。各量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌは、所定の間隔で配置され、厚さ方向において例えば同じ位置となるように配置されている。
【００１９】
なお、キャリア発生層３に量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを製造する方法として、基板上に格子定数が異なる半導体材料を積層することで半導体ドット（量子ドット）６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを作製することができる。例えばガリウム砒素の基板上に、インジウム砒素の量子ドットを作製してもよい。
【００２０】
また、製造条件（例えば、蒸着における温度、積層速度、基板温度）を適切に選択することにより、生成する量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌのサイズを好適に分散させることができる。また、生成した量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌの上に、基板と同じ材料を再び積層し、再度、量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを積層すると、下層の量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌの上に、下層の量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌのサイズと同じ（近い）サイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを生成させることができる。このような量子ドット生成工程を繰り返し行うことにより、量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを面領域Ｐ内で分散させることができ、かつ、厚さ方向（面に垂直な方向）には同じサイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌを配列することができる。
【００２１】
また、シリコン（ＳｉＯ２）の基板上に、ＳｉＯＸを積層し、これらのＳｉＯ２及びＳｉＯＸを交互に積層する。そして、ＳｉＯ２及びＳｉＯＸの積層体を加熱することで、Ｓｉの粒状（球形）の量子ドットを生成することができる。
【００２２】
次に、太陽電池１の動作について説明する。図２は、図１の太陽電池の光吸収の原理を説明するための概略図である。太陽電池１に光が入射されると、低いエネルギ準位である充満帯（禁制帯）Ｆに存在する電子が、充満帯Ｆより高いエネルギ準位である伝導帯Ｃに励起されて、キャリアとなる。
【００２３】
ここで、半導体が量子ドット化されていると、励起されるエネルギ準位が飛び飛びの限られた値になるが、太陽電池１では、様々なサイズの量子ドットが存在するため、図２に示すように、どこかに一致するエネルギ準位が存在し、満遍なく幅広い波長の光がキャリアエネルギに変換される。
【００２４】
例えば、図２に示すように、高エネルギ（短波長）光による励起Ｅ１によってキャリアＣ１が発生し、このキャリアＣ２が量子ドット６Ｌに閉じ込められ、中エネルギ（中波長）光による励起Ｅ２，Ｅ３によってキャリアＣ２，Ｃ３が発生し、このキャリアＣ２，Ｃ３が量子ドット６Ｍ，６Ｌに閉じ込められ、小エネルギ（長波長）光による励起Ｅ４によってキャリアＣ４が発生し、このキャリアＣ４が量子ドット６Ｓに閉じ込められる。
【００２５】
図３は、（Ａ）量子ドットによるエネルギの離散化を説明するための概略図、（Ｂ）量子ドットによるエネルギ減衰の緩和を説明するための概略図である。図３（Ａ）に示すように、キャリア（電子）は量子力学の法則に従い波（物質波）として振舞う。太陽電池１は、量子ドットが、そのポテンシャルよりも高いポテンシャルをもちエネルギ障壁として機能する半導体に埋め込まれた量子ドットの形態とされている。そして、量子ドット６中に閉じ込められたキャリアは、物質波が定常波（定在波）となるために、エネルギレベルが飛び飛びの値になる。
【００２６】
図３（Ｂ）に示すように、飛び飛びになったエネルギ準位の間隔が量子化された結晶格子振動であるフォノンのエネルギよりも大きければ、フォノンを放出してエネルギを失うことができなくなり、キャリアのエネルギ減衰は緩和する。例えば、飛び飛びになったエネルギ準位の間隔が、例えばフォノン１０個分のエネルギである場合、フォノン１０個を放出しなければならず、このようなフォノンの多重放出は発生しがたいため、量子ドット６に捕捉されたキャリアは、高いエネルギ準位を維持することができる。
【００２７】
従来の半導体では、キャリアは伝導帯の中でより低いエネルギ準位に減衰してしまうが、太陽電池１では、キャリア発生層に量子ドットが形成されているため、従来と比較して、高いエネルギ準位を維持することができる。
【００２８】
また、隣接する量子ドット同士の距離（例えば数ｎｍ）を適切に形成することで、キャリアはトンネル効果によって隣接する量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌに移動することができる。太陽電池１では、厚さ方向に隣接する量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌのサイズが同じであるため、移動先の量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌ内にキャリアのエネルギと一致するエネルギ準位が存在し、キャリアは自由に移動する。
【００２９】
また、キャリアの移動し得る方向に、キャリアを捉えるキャリア移動層４と、このキャリア移動層４に隣接する陰電極５が設けられているため、高エネルギを維持したキャリアが陰電極５に移動し、従来と比較して高電圧での電力発生が可能となり、発電効率の向上を図ることができる。なお、従来の太陽電池１では、キャリアがエネルギ減衰し、伝導帯に最下部に相当する低いエネルギで取り出されるために、低い電圧、すなわち、小さな電力での発電しかできなかった。
【００３０】
このように太陽電池１においては、異なるサイズの量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌが可視光の波長程度の面領域Ｐ内に配置されているため、波長の異なる光エネルギを偏りなく吸収することができる。また、同じサイズの量子ドットが厚さ方向に配列されているため、キャリアの移動方向に同一のエネルギ準位が並べられ、トンネル効果によってエネルギを失うことなくキャリアを移動させることができ、電流を効率良く取り出すことができる。その結果、光吸収効率を向上させつつ、キャリア移動効率を向上させることができるため、エネルギ変換効率の向上を図ることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態に係る太陽電池について説明する。なお、第１実施形態と同様の説明は省略する。図４は、本発明の第２実施形態に太陽電池の側断面図である。図４に示す第２実施形態に係る太陽電池１１が、第１実施形態に係る太陽電池１と違う点は、キャリア発生層３とキャリア移動層４との間に、半導体層であるキャリア混合層７を有する点である。
【００３２】
キャリア混合層７は、あらゆるエネルギレベルのキャリアが入ることができ、キャリア減衰が小さく且つエネルギレベルが離散していない材料によって形成されている。キャリア混合層７の材料としては、例えばＩｎＮ等のＬＯフォノン寿命が長い材料、強くｐドープ（あるいはｎドープ）した材料を使用することができる。
【００３３】
キャリア混合層７の材料として、ＬＯフォノン寿命が長い材料を使用した場合、キャリアから放出されたＬＯフォノンが再びキャリアに吸収されるため、一度失ったエネルギが戻ることによってキャリア減衰を緩慢にすることができる。
【００３４】
キャリア混合層７の材料として、強くｐドープ（あるいはｎドープ）した材料を使用した場合、ドープキャリアによるプラズマ遮蔽周波数がＬＯフォノンの周波数より高いことによって静電遮蔽がおこり、キャリアがＬＯフォノンを放出することを抑制することができる。これにより、キャリアのエネルギ低下を防止することができる。
【００３５】
このように、第２実施形態の太陽電池１１は、キャリア発生層３とキャリア移動層４との間に、キャリア混合層７が形成されているため、高エネルギーキャリアと低エネルギーキャリアとが相互作用して中エネルギーキャリアが発生し、この中エネルギーキャリアを選択的に抽出することができ、キャリア減衰がおこりにくくなる。これにより、光吸収効率を向上させつつ、キャリア移動効率を向上させることができ、エネルギ変換効率を向上させることができる。
【００３６】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、厚さ方向と直交する面方向に、大〜小の量子ドット６Ｓ，６Ｍ，６Ｌをサイズ順に均等に配置しているが、例えば、大サイズ６Ｌ、中サイズ６Ｍ、小サイズ６Ｓ、中サイズ６Ｍのように、特定のサイズの量子ドット６を他のサイズ量子ドット６より多く配置するようにしてもよい。
【００３７】
また、異なるサイズの量子ドットとして、例えば、平面視における形状が同じで、厚さが異なる量子ドットでもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１，１１…太陽電池、２…正電極、３…キャリア発生層、４…キャリア移動層、５…陰電極、６，６Ｓ，６Ｍ，６Ｌ…量子ドット、７…キャリア混合層、Ｐ…面領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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