(57)【要約】  【課題】  取り扱いが容易な量子ドットと、それを用いた、光電変換層および光電変換装置を提供する。  【解決手段】  所定のバンドギャップを有する材料を用いて形成されたコア部１１と、コア部１１を形成する材料よりも小さいバンドギャップを有する材料を用いて、コア部１１を取り囲むように形成されたシェル部１２と、を有することを特徴とする量子ドット量子ドットと、それを用いた、光電変換層および光電変換装置とする。取り扱いが容易な量子ドットと、製造が容易で性能が高い光電変換層および光電変換装置を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のバンドギャップを有する材料を用いて形成されたコア部と、
前記コア部を形成する材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて、前記コア部を取り囲むように形成された第１シェル部と、
を有することを特徴とする量子ドット。
【請求項２】
前記第１シェル部が球殻状であることを特徴とする請求項１に記載の量子ドット。
【請求項３】
前記第１シェル部を形成する材料よりも大きいバンドギャップを有する材料を用いて、前記第１シェル部を取り囲むように形成された第２シェル部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ドット。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の量子ドットを複数有することを特徴とする光電変換層。
【請求項５】
請求項４に記載の光電変換層と、
該光電変換層の一方の主面側に配置された、前記光電変換層とキャリアタイプが異なる半導体層と、
を有することを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、取り扱いが容易な量子ドットと、それを用いた、光電変換層および光電変換装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の量子ドットを用いて構成した光電変換層を有する光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０６００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたような従来の光電変換装置において、出力電圧を高めるためには、量子ドットのサイズを小さくする必要がある。しかしながら、量子ドットのサイズが小さくなると、量子ドット同士の凝集が生じやすくなるため、多数の量子ドットを均一に分布させることが困難になり、多数の量子ドットを層状に配置して光電変換層を形成したときに、光電変換層中に間隙が発生し易くなるという問題があった。そして、これにより、多数の量子ドットを用いて構成した光電変換層や光電変換装置において、性能や製造性が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、取り扱いが容易な量子ドットと、それを用いた、光電変換層および光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の量子ドットは、所定のバンドギャップを有する材料を用いて形成されたコア部と、前記コア部を形成する材料よりも小さいバンドギャップを有する材料を用いて、前記コア部を取り囲むように形成された第１シェル部と、を有することを特徴とする。本発明の光電変換層は、前記量子ドットを複数有することを特徴とする。本発明の光電変換装置は、前記光電変換層と、該光電変換層の一方の主面側に配置された、前記光電変換層とキャリアタイプが異なる半導体層と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の量子ドットによれば、取り扱いが容易な量子ドットを得ることができる。本発明の光電変換層によれば、製造が容易で性能が高い光電変換層を得ることができる。本発明の光電変換装置によれば、製造が容易で性能が高い光電変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の量子ドットを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の量子ドットと、それを用いた、光電変換層および光電変換装置とを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の量子ドットを模式的に示す断面図である。本実施形態の量子ドットは、図１に示すように、コア部１１と、シェル部１２と、シェル部１３とを有している。
【００１１】
コア部１１は、球状の形状を有しており、直径は、例えば、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度に設定される。コア部１１は、バンドギャップが大きい半導体材料や絶縁材料を用いて形成されており、障壁層として機能する。コア部１１を形成する材料としては、例えば、ＺｎＳやＣｄＳ等を好適に用いることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。
【００１２】
シェル部１２は、球殻状の形状を有しており、コア部１１を取り囲むように形成されている。シェル部１２の厚さは、例えば、０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度に設定される。シェル部１２は、コア部１１を形成する材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて形成されており、量子ドットとして機能する部分である。シェル部１２を形成する材料としては、例えば、ＰｂＳ，ＣｄＳ，ＩｎＰ等を好適に用いることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。
【００１３】
シェル部１３は、球殻状の形状を有しており、シェル部１２を取り囲むように形成されている。シェル部１３の厚さは、例えば、０．５ｎｍ〜１ｎｍ程度に設定される。シェル部１３は、バンドギャップが大きい半導体材料や絶縁材料を用いて形成されており、障壁層として機能する。シェル部１３を形成する材料としては、例えば、ＺｎＳやＣｄＳ等を好適に用いることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。なお、シェル部１３は、必ずしも必要ではなく、場合によっては、無くても構わない。
【００１４】
上述したように、本実施形態の量子ドットは、所定のバンドギャップを有する材料を用いて形成されたコア部１１と、コア部１１を形成する材料よりも小さいバンドギャップを有する材料を用いて、コア部１１を取り囲むように形成されたシェル部１２と、を有している。よって、コア部１１が障壁層として機能し、シェル部１２が量子ドット層として機能する。このため、内部に障壁層を有さない従来の量子ドットと比較すると、外形寸法が同じ場合には大きな量子サイズ効果を得ることがでる。よって、従来の量子ドットよりも大きな外形寸法で同等の量子サイズ効果を得ることができるので、性能が高く取り扱いが容易な量子ドットを得ることができる。また、量子ドットの表面積を大きくすることができるため、キャリアの再結合を低減することができるので、光電変換特性の優れた量子ドットを得ることができる。
【００１５】
また、本実施形態の量子ドットは、シェル部１２が球殻状である。これにより、製造性および配列性に優れた量子ドットを得ることができる。
【００１６】
また、本実施形態の量子ドットは、シェル部１２を形成する材料よりも大きいバンドギャップを有する材料を用いて、シェル部１２を取り囲むように形成されたシェル部１３を有している。これにより、量子ドット層として機能するシェル部１２が、障壁層として機能するシェル部１２とシェル部１３とで挟まれることになるので、量子サイズ効果をさらに高めることができる。また、外側に障壁層として機能するシェル部１３が形成されていることから、シェル部１２の変質を低減できるとともに、シェル部１２を均一に配列させることが容易になる。
【００１７】
コア部１１は、例えば、ホットインジェクション法を用いて形成することができる。ホットインジェクション法は、有機溶媒中で合成する方法であり、例えば、上述した半導体粒子成分を含有する金属酸化物や塩化物を溶解した溶液と、カウンターイオンとなる硫黄やセレンといった元素を溶解した溶液とを、他の溶媒中に交互に投入し加熱攪拌しながら
合成する方法である。
【００１８】
また、コア部１１はバイオミネラリゼーション法により製造することもできる。バイオミネラリゼーション法は、例えば、アポフェリチンを鋳型に使用して内部に半導体ナノ粒子を析出形成する方法であり、上述した半導体粒子成分をイオンとして含有する溶液と、カウンターイオンを有する溶液と、アポフェリチンと、を準備し、加熱しながら混合して合成する方法である。
【００１９】
第１シェル部１２および第２シェル部１３もコア部１１と同様にホットインジェクション法により形成することができる。例えば、コア部１１が含まれた溶液中に、シェル部１２を形成するための２種類の溶液を、交互に投入し加熱攪拌しながら合成することによって、コア部１１およびシェル部１２を有する量子ドットを形成することができる。同様に、コア部１１およびそれを被覆するシェル部１２を含む溶液中に、シェル部１３を形成するための２種類の溶液を、交互に投入し加熱攪拌しながら合成することによって、コア部１１，シェル部１２およびシェル部１３を有する量子ドットを形成することができる。
【００２０】
なお、本実施形態において、コア部１１が球状であり、シェル部１２およびシェル部１３が球殻状である例を示したが、これに限定されるものではない。コア部１１の形状としては、例えば、円柱状，円錐状，直方体状，またはラグビーボール状など、種々の形状であって構わない。シェル部１２は、コア部１１を取り囲むように形成されていれば良く、種々の形状であって構わない。シェル部１３は、シェル部１２を取り囲むように形成されていれば良く、種々の形状であって構わない。
【００２１】
また、本実施形態において、コア部１１およびシェル部１３の材料としてＺｎＳやＣｄＳを例示し、シェル部１２の材料としてＰｂＳ，ＣｄＳ，ＩｎＰを例示したが、これに限定されるものではない。シェル部１２の材料としては、所望するバンドギャップや信頼性、製造性等に応じて種々の半導体材料を選択することができる。また、コア部１１およびシェル部１３の材料としては、シェル部１２を形成する材料よりもバンドギャップが大きい材料であれば良く、種々の半導体材料や絶縁材料を選択することができる。
【００２２】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す断面図である。本実施形態の光電変換装置は、図２に示すように、基板２１と、電極層２２と、半導体層２３と、光電変換層２４と、電極層２５とを有している。
【００２３】
光電変換層２４は、量子ドット１５を複数有しており、複数の量子ドット１５が層状に配列されて構成されている。なお、量子ドット１５は、詳細な構造の図示を省略するが、前述した第１実施形態の量子ドットである。光電変換層２４は、既知の種々の方法を用いて形成することができ、例えば、よく知られた移流集積法を好適に用いることができる。光電変換層２４の大きさや厚さも適宜設定することができる。光電変換層２４は、前述した第１実施形態の量子ドット１５を用いて構成されていることから、製造が容易で性能が高い光電変換層を得ることができる。
【００２４】
半導体層２３は、光電変換層２４の一方主面側（光の入射側）に、光電変換層２４に接するように配置されており、光電変換層２４とキャリアタイプが異なる半導体で構成されている。すなわち、光電変換層２４がｉ型半導体（真性半導体）の場合には、ｎ型半導体またはｐ型半導体で構成されており、光電変換層２４がｎ型半導体の場合には、ｉ型半導体またはｐ型半導体で構成されており、光電変換層２４がｐ型半導体の場合には、ｉ型半導体またはｎ型半導体で構成されている。このような半導体層２３としては、種々の透光性の半導体材料を用いることができる。例えば、光電変換層２４がｐ型半導体の場合には
ＺｎＯやＴｉＯ２を好適に用いることができるが、他の材料を用いても構わない。
【００２５】
電極層２２は、半導体層２３に対して光の入射側に配置されており、透光性および導電性を有する種々の材料で形成することができる。例えば、ＦＴＯやＩＴＯを好適に用いることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。
【００２６】
基板２１は、電極層２２に対して光の入射側に配置されており、種々の透光性の絶縁材料を用いて形成されている。例えば、ソーダライムガラスや、石英、ポリイミド等を好適に用いることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。
【００２７】
電極層２５は、光電変換層２４の他方主面側に配置されている。このような電極層としてはＡｕやＡｇ等の良導電性の種々の材料を用いることができる。
【００２８】
本実施形態の光電変換装置は、前述した第１実施形態の量子ドット１５で構成された光電変換層２４と、光電変換層２４の一方主面側に配置された、光電変換層２４とキャリアタイプが異なる半導体層２５と、を有している。これにより、製造が容易で性能が高い光電変換装置を得ることができる。
【００２９】
なお、本実施形態の光電変換装置では、コア部１１と、シェル部１２と、シェル部１３とを有する量子ドット１５を用いて光電変換層２４を形成した例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、コア部１１とシェル部１２とを有し、シェル部１３を有さない量子ドットを用いて光電変換層２４を形成しても構わない。その場合には、シェル部１２を形成する半導体よりもバンドギャップが大きい半導体中に、コア部１１とシェル部１２とを有する量子ドットを分散配置するようにすると良い。
【００３０】
また、本実施形態の光電変換装置では、１つの光電変換層２４と、１つの半導体層２３とを有する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ｉ型の光電変換層を挟むようにｐ型の半導体層とｎ型の半導体層とを配置して、ｐｉｎ構造としても構わない。また、例えば、多接合型の太陽電池のように、複数の光電変換層を有するようにしても構わない。
【符号の説明】
【００３１】
１１：コア部
１２，１３：シェル部
２３：半導体層
２４：光電変換層
【図１】
2015191908.tif 000003
【図２】
2015191908.tif 000004