(57)【要約】【課題】従来の方法では、大面積を覆うことのできる量子ドット構造体を製造するためには、大型の真空装置が必要になるため低コスト化が困難であるという問題があった。【解決手段】  略球状の微粒子の表面に複数の積層膜が形成されており、前記積層膜中に量子ドットが配列する構造とすることにより、低コストの量子ドット構造体を提供することが可能となる。【選択図】図１
2015088679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状の微粒子の表面に複数の積層膜が形成されており、
前記積層膜中に量子ドットが配列している量子ドット構造体。
【請求項２】
前記積層膜は、
第１の膜厚を有する第１の積層膜と第２の膜厚を有する第２の積層膜の少なくとも２種類の膜を有する請求項１に記載の量子ドット構造体。
【請求項３】
略球状の微粒子を形成する微粒子形成工程と、
前記微粒子の表面に複数の膜を形成する積層膜形成工程と、
前記積層膜形成工程の後に熱処理を行う熱処理工程を有する量子ドット構造体の製造方法。
【請求項４】
受光面保護層、受光面側封止層、太陽電池セル、裏面側封止層、裏面保護層の順に配置した太陽電池モジュールであって、
前記受光面側封止層または前記裏面側封止層の少なくともいずれか一方が請求項１または２に記載の量子ドット構造体を含む封止層である太陽電池モジュール。
【請求項５】
受光面保護層、受光面側封止層、太陽電池セル、裏面側封止層、裏面保護層の順に配置した太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池セルの受光面側または裏面側の少なくともいずれか一方に請求項１または２に記載の量子ドット構造体を含むアクリルモノマー層を配置した太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット構造体、量子ドット構造体の製造方法および量子ドット構造体を用いた太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境への負荷低減が重要視される中、太陽光エネルギを直接電気エネルギに光電変換する太陽電池へ大きな期待が寄せられている。太陽電池にはさまざまな種類があるが、現在のところ主流は結晶シリコン系の太陽電池である。
【０００３】
結晶シリコン系の太陽電池は、分光感度が高い波長領域が限られており、太陽光を十分に活用できていないという課題が指摘されていた。この課題を解決する手段として、量子ドットによる量子効果を利用した太陽電池モジュールが提案されている。
【０００４】
例えば、短波長の１個のフォトンで長波長の複数のフォトンを発生させるダウンコンバーションの機能を有する層を太陽電池の受光面側に配置する構造、複数の長波長の複数のフォトンから短波長の１個のフォトンを形成するアップコンバーションを有する層を太陽電池の裏面側に配置する構造等が検討されている。
【０００５】
特許文献１には、２種以上の半導体または金属元素と酸素からなる第１のアモルファス層と、第１の半導体または第１の金属元素と酸素からなる組成の化学量論的誘電体材料層と、第１の半導体または第１の金属元素と酸素からなる第２のアモルファス層を相互に積層した積層体を加熱処理することで、マトリクス状に量子ドットが配置された量子ドット構造体を製造する方法が開示されている。第１のアモルファス層、化学量論的誘電体材料層、第２のアモルファス層の製造方法の例として、ＳｉＯ２をターゲットにしたＲＦスパッタ、ＳｉとＧｅとの共リアクティブスパッタ、Ｓｉをターゲットにしたリアクティブスパッタを用いる方法があげられている。さらに、このような方法を用いることで欠陥の少ない良質の量子ドットを３次元的に均一分布させることができる量子ドット構造体を製造することができる旨が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−５１３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された量子ドット構造体の場合、大面積を覆うことのできる量子ドット構造体を製造するためには大型の真空装置が必要になるため、低コスト化が困難であるという問題があった。
【０００８】
また、量子ドット構造体を太陽電池モジュールに配置するためには、太陽電池セルの受光面側または裏面側に真空装置を用いて積層体を形成する必要がある。太陽電池セルを大面積化した場合に低コスト化が困難という問題があった。量子ドット構造体を配置するために大型の真空装置が必要となるためである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る量子ドット構造体は、略球状の微粒子の表面に複数の積層膜が形成されており積層膜中に量子ドットが配列していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の量子ドット構造体は、略球状の微粒子の表面に複数の膜を重ねた積層膜が形成されており積層膜中に量子ドットが配列されているため、量子ドット構造体を作製するための真空装置の大型化を防ぐことが可能となる。よって、低コストの量子ドット構造体を作成することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の太陽電池モジュールは、量子ドット構造体を含む材料を受光面側あるいは裏面側に配置した構造であるので、変換効率が高くかつ低コストを実現できる。量子ドット構造体を配置するために大型の真空装置を用いる必要がないためである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１を示すものであって、量子ドット構造体を模式的に示すものである。
【図２】本発明の実施形態１を示すものであって、量子ドット構造体の製造工程の一部を模式的に示すものである。
【図３】本発明の実施形態４を示すものであって、量子ドット構造体を用いた太陽電池モジュールを模式的に示すものである。
【図４】本発明の実施形態４を示すものであって、量子ドット構造体を混入させた封止層を模式的に示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［実施形態１］
実施形態１に係る量子ドット構造体、及び量子ドット構造体の製造方法について図面を参照し説明すれば以下のとおりである。
【００１５】
図１は、本実施形態の量子ドット構造体の断面構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の量子ドット構造体１０は微粒子１と微粒子１の表面を覆う積層膜２からなる。積層膜２は、微粒子２の表面に複数のシリコン酸化物膜４を重ねた積層膜であり、シリコン酸化物膜４中に量子ドット３を配列させている。微粒子１は、シリコン酸化物を主成分としており、直径約２μｍの略球状である。微粒子１の表面を覆う積層膜２は、膜厚約５ｎｍのシリコン酸化物膜４を５０層、重ねた積層膜であり、それぞれのシリコン酸化物膜４中に、ほぼ規則正しく量子ドット３を配列させている。
【００１６】
言いかえると、量子ドット構造体１０は、量子ドット３が略球状の微粒子１の表面にほぼ等間隔の同心円状に配列する構造となる。よって、コンバージョンのために必要な中間バンドを形成するブロッホ関数が満たされることになる。
【００１７】
図２は、本実施形態の量子ドット構造体の製造方法の工程の一部を示す模式図であり、球状の微粒子の表面を覆う積層膜の断面構成を示すものである。図２（ａ）は、積層膜２を製膜した積層膜形成工程直後の積層膜２の様子を模式的に示すものであり、図２（ｂ）は、熱処理工程後の様子を模式的に示すものである。
【００１８】
まず、微粒子形成工程で略球状の微粒子を形成した。
【００１９】
その後、積層膜形成工程で微粒子の表面に複数の膜を形成した。微粒子表面への積層膜の形成には、多角バレルスパッタリング法を用いた。多角バレルスパッタリング法とは、粉体を拡販しながらスパッタリングを行うことで粉体表面に微粒子を均一につけることができるスパッタリング法である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、積層膜は、ＳｉＯ２膜４１、ＳｉＧｅＯ膜４２、ＳｉＯｘ膜４３の３層を繰り返し積層することで形成した。ＳｉＯ２膜４１は、ターゲットとしてＳｉＯ２を用いた多角パネルスパッタリング法で製膜することにより形成した。スパッタガスとしてアルゴンと酸素を用いた。得られた膜厚は約５ｎｍである。同様に、ターゲットとしてＳｉとＧｅを用いた多角パネルスパッタリング法で製膜を行うことにより、膜厚約５ｎｍのＳｉＯ２Ｇｅ４２を形成した。さらに、ターゲットとしてＳｉを用いて膜厚約５ｎｍのＳｉＯｘ膜４３を形成した。各層の膜厚がいずれも約５ｎｍとなるように５１層を続けて製膜することで、３種類の膜が１７周期重なった積層膜を形成した（図では層の数は省略して記載している）。
【００２１】
多角パネルスパッタリング装置として、１つの製膜室で１種類の層を製膜する構成の装置を用いたが、このようなスパッタリング装置に限る必要はない。ＳｉＯ２ターゲットとＳｉターゲットとＧｅターゲットとが１つの製膜室に配置された装置を用いてもよい。製膜室間の異動がなくなるため、積層膜の製膜時間を短くすることが可能となる。
【００２２】
また微粒子に多角パネルスパッタリング装置を用いて製膜する方法を用いることにより、真空装置の大型化を防ぐことが可能となった。小型の真空装置を用いることで、低コストの量子ドット構造体を得ることができる。
【００２３】
積層膜形成工程の後に、熱処理工程で熱処理を行った。積層膜が形成された微粒子を約６５０℃の窒素雰囲気中にて熱処理することにより、シリコン酸化物膜４中に量子ドット３が規則正しく配列させた。模式図を図２（ｂ）に示す。このように、量子ドットが３次元に規則正しく配列することで、コンバージョンのために必要な中間バンドを形成するブロッホ関数が満たされることになる。
【００２４】
［実施形態２］
実施形態２に係る量子ドット構造体、及び量子ドット構造体の製造方法について説明すれば以下のとおりである。実施形態１と異なる点は、同じ膜厚の膜だけを重ね続けず、２種類の膜厚周期で積層した点である。実施形態１と重複する箇所については説明を省略する。
【００２５】
略球状の微粒子の表面に、多角バレルスパッタ法を用いてＳｉＯ２膜、ＳｉＧｅ膜、ＳｉＯｘ膜をこの順に製膜した。それぞれの膜の膜厚は約７ｎｍである。その後、多角バレルスパッタ法を用いてＳｉＯ２膜、ＳｉＧｅ膜、ＳｉＯｘ膜をこの順に製膜した。それぞれの膜の膜厚は約５ｎｍである。さらに、同様の方法でそれぞれの膜厚が約７ｎｍとなるように製膜した。
【００２６】
このように、膜厚約７ｎｍのＳｉＯ２膜、ＳｉＧｅ膜、ＳｉＯｘ膜を３層、膜厚５ｎｍのＳｉＯ２膜、ＳｉＧｅ膜、ＳｉＯｘ膜を３層という製膜を繰り返し、計５１層の積層膜を形成した。
【００２７】
計５１層の積層膜を形成した後、窒素雰囲気中において６５０℃で熱処理することにより、量子ドットが同心円状に配列する量子ドット構造体を形成した。言い換えると、同心円状に並んだ量子ドットの間隔が約５ｎｍと約７ｎｍの２種類あることになる。量子ドットの間隔を２種類とすることにより中間バンドが増加し、より広い波長でのコンバージョンが可能となった。
【００２８】
本実地形態においては２種類の場合について述べたが、３種類以上でも同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００２９】
［実施形態３］
実施形態３に係る量子ドット構造体、及び量子ドット構造体の製造方法について説明すれば以下のとおりである。実施形態１と異なる主な点は、積層した膜の種類と焼成温度である。実施形態1と重複する箇所については説明を省略する。
【００３０】
積層膜形成工程において、略球状の微粒子の表面に、以下の膜を順に製膜した。いずれも多角バレルスパッタ法を用いて製膜しており、スパッタガスとしては、ＡｒとＯ２を用いた。
【００３１】
まず、ＳｉＯ2膜を約３ｎｍ、Ｙｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２層膜を約３ｎｍ、ＳｉＯ２膜を約３ｎｍ、さらにＳｉＯｘ層を約５ｎｍをこの順に製膜した。ターゲットには、それぞれＳｉＯ２、Ｙｂ２Ｏ３とＳｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉを用いた。次に、ＳｉＯ２膜を約３ｎｍ、Ｙｂ２Ｏ３／ＳｉＯ２層膜を約３ｎｍ、ＳｉＯ２膜を約３ｎｍ、さらにＳｉＧｅＯ層を約５ｎｍをこの順に製膜した。ターゲットには、それぞれＳｉＯ２、Ｙｂ２Ｏ３とＳｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉとＧｅを用いた。このような製膜を繰り返し、計５２層の積層膜を形成した。
【００３２】
積層膜形成工程の後、熱処理工程において、窒素雰囲気中において９００℃で熱処理をすることにより、量子ドット球が同心円状に形成された量子ドット構造体を形成した。輝尽性の発光材であるＹｂ２Ｏ３に励起子が伝達されるため、より効率的なアップコンバージョンが可能となった。
【００３３】
［実施形態４］
実施形態４に係る量子ドット構造体を用いた太陽電池モジュールについて図面を参照し説明すれば以下のとおりである。
【００３４】
図３に示すように、本実施形態の太陽電池モジュール１００は、受光面保護層５、受光面側封止層６、太陽電池セル９、裏面側封止層７、裏面保護層８を有する。尚、太陽電池セルの光入射側を受光面側とし、受光面の反対側を裏面側とした。
【００３５】
図３においては記載を省略しているが、太陽電池モジュール１００として十分な出力電力を得るために複数の太陽電池セルを、内部配線を用いて直列に電気的に接続した。さらに、太陽電池モジュール１００は、正極側と負極側の２個の引出し電極を有しており、それぞれの引出し電極の一端は太陽電池セルと電気的に接続し、引き出し電極の逆側の一端は端子ボックスに電気的に接続した。
【００３６】
受光面保護層５として厚さ約３ｍｍのガラス基板を用い、受光面側封止層６として
主成分となるエチレンー酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）に量子ドット構造体１０を混入した厚さ約０．４ｍｍの封止層を用いた。受光面側封止層６の断面を示す模式図を図４に示す。受光面側封止層６は、ＥＶＡペレットに量子ドット構造体を２ｗｔ％混入し、高温で練り込むことにより形成した。
【００３７】
また、本実施形態においては受光面側封止層６の主成分としてＥＶＡを用いたが、アイオノマー樹脂等の樹脂を用いることもできる。
【００３８】
太陽電池セル９として多結晶シリコンウエハを用いて作製した結晶シリコン太陽電池セルを用いた。太陽電池セル９としては、単結晶シリコンウエハを用いて作製した結晶シリコン太陽電池セルを用いても良い。
【００３９】
さらに、裏面側封止層７として厚さ約０．６ｍｍのＥＶＡを用い、裏面保護層８としてＰＥＴを用いた。裏面側封止層６は太陽電池セルの受光面とは逆側の裏面側に配置されるものである。
【００４０】
受光面側封止層６に量子ドット構造体を混入させることにより、アップコンバージョン機能が働くことになり、太陽電池セル９に入射する分光感度の高い波長領域の光量が多くった。これにより、太陽電池セルの短絡電流値が向上し、太陽電池モジュール１００の変換効率が向上した。
【００４１】
太陽電池モジュールを構成した状態で、量子ドット構造体を形成するための熱処理を行うわけではないので、加熱により太陽電池モジュールにダメージを与えることはなく、安定した太陽電池モジュールの生産が可能となった。
【００４２】
また、受光面側封止層６には量子ドット構造体を混入させず、裏面側封止層７に、アップコンバージョンに適当な量子ドット構造体を混入してもよい。さらに、受光面側封止層にダウンコンバージョンに適当な量子ドット構造体を混入させるとともに、裏面側封止層にアップコンバージョンに適当な量子ドット構造体を混入させてもよい。このように受光面側と裏面側の両方の封止樹脂層に量子ドット構造体を混入することにより、太陽電池モジュールの変換効率をより高くすることが可能となる。
【００４３】
［実施形態５］
実施形態５に係る量子ドット構造体を用いた太陽電池モジュールについて説明すれば以下のとおりである。実施形態５の実施形態４と異なる点は、量子ドット構造体を封止樹脂に添加するのではなく、量子ドット構造体をアクリルモノマーに混入させ、太陽電池セルの裏面側に塗布し硬化させた点である。
【００４４】
このような構造とすることにより、必要な領域にのみ量子ドット構造体を配置し、十分な効果が期待できない箇所には量子ドット構造体を配置しないという選択をすることが可能となる。よって、量子ドットの使用量を減らすことができる。
【００４５】
本実施形態においては、太陽電池セルの裏面側に、量子ドット構造体を含むアクリルモノマー層を配置した場合について述べたが、太陽電池セルの受光面側に配置しても良い。また、太陽電池セルの受光面と裏面の両方に配置しても良い。
【００４６】
以上、実施形態１から実施形態５について具体的に説明を行ったが、本発明はそれらに限定されるものではない。上述した５つの実施形態それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４７】
なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１  微粒子
２  積層膜
３  量子ドット
４  シリコン酸化物膜
５  受光面保護層
６  受光面側封止層
７  裏面側封止層
８  裏面保護層
９  太陽電池セル
１０  量子ドット構造体
１００  太陽電池モジュール
【図１】
2015088679.tif 000003
【図２】
2015088679.tif 000004
【図３】
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【図４】
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