(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の主面上に量子ドット層を有する太陽電池であって、
前記量子ドット層は、マトリクス中に複数の量子ドットが近接するように配置された量子ドット集積部がセラミックスの隔壁を介して点在するように構成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記シリコン基板を平面視したときに、前記量子ドット集積部が厚み方向に同じ面積でかつ同じ位置に配置されてい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】
前記シリコン基板を平面視したときに、厚み方向に最近接する前記量子ドット同士が同じ位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記隔壁は、前記シリコン基板の主面上に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特に量子ドットを利用した太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。
【０００３】
ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。
【０００４】
これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子ドットを利用した太陽電池（以下において、「量子ドット型太陽電池」という。）がある。
【０００５】
量子ドット型太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、シリコン基板の主面上に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（一方の半導体の伝導帯の下端と他方の半導体の価電子帯が重なる超格子構造系）を成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、量子ドットを使用する太陽電池が開示されている。
【０００６】
図４は、特許文献１に開示された太陽電池に代表される従来の量子ドット型太陽電池を示す断面模式図である。図４では量子ドット層１０５の層数を単純化し２層しか示していないが、量子ドット層１０５は少なくとも数十層積層された構造となっている。ここで、量子ドット層１０５は量子ドット１０５ａである半導体粒子とその周囲に形成された高抵抗層であるマトリクス１０５ｂとから構成されており、また、量子ドット層１０５を構成する量子ドット１０５ａとマトリクス１０５ｂとは材質に起因して熱膨張係数が大きく異なっている。
【０００７】
太陽電池の発電要素であるシリコン基板１０１の主面１０３上に上記のような量子ドット層１０５が多数層形成されると、半導体粒子１０５ａとマトリクス１０５ｂとの間の熱膨張係数の差に起因してシリコン基板１０１側の量子ドット層１０５に比べて太陽光の入射面側に形成された量子ドット層１０５は歪みが大きくなる。
【０００８】
このためシリコン基板１０１の主面上に大きな面積で量子ドット層１０５を形成すると、量子ドット層１０５の面積に依存するように歪みが増大することから、量子ドット層１０５を構成する量子ドット１０５ａは、そのサイズや間隔のばらつきが発生しやすくなる。その結果、量子閉じ込め効果の結果として得られるエネルギー準位のばらつきやバンド構造の連続性を妨げることとなり、量子ドット層１０５で発生するキャリアを外部に取りだすことが困難となり発電効率を高めることができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１１４８１５号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、シリコン基板上に量子ドット層を有する構成において発電効率を高めることのできる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】
【００１１】
本発明の太陽電池は、シリコン基板の主面上に量子ドット層を有する太陽電池であって、前記量子ドット層は、マトリクス中に複数の量子ドットが近接するように配置された量子ドット集積部がセラミックスの隔壁を介して点在するように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば発電効率の高い太陽電池を得ることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、本発明の太陽電池の一実施形態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の他の太陽電池の一実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であり、シリコン基板の主面上の量子ドット集積部間に隔壁を設けた態様を示す断面模式図である。
【図３】シリコン基板の主面上にマスクを配置した状態を示す平面模式図である。
【図４】従来の量子ドット型太陽電池を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の太陽電池の一実施形態を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１５】
本実施形態の太陽電池は、シリコン基板１の主面３上に積層された複数の量子ドット層５を有するものであり、その量子ドット層５は、マトリクス５ｂ中に複数の量子ドット５ａが近接するように配置された量子ドット集積部５Ａ（図１において破線枠の部分）が点在するように構成されている。
【００１６】
本実施形態の太陽電池によれば、シリコン基板１上に形成された量子ドット層５が、量子ドット５ａを集積した量子ドット集積部５Ａの単位で区分されて、量子ドット５ａが密集した領域の面積を小さくするように配置されているために、量子ドット５ａが多層に積層されても量子ドット集積部５Ａ中におけるひずみを小さくすることができる。
【００１７】
このため量子ドット集積部５Ａを構成している量子ドット５ａのサイズや量子ドット５ａ同士の間隔のばらつきを小さくすることができる。その結果、量子閉じ込め効果の結果として得られるエネルギー準位のばらつきやバンド構造（以下、中間バンドという場合がある）の連続性が高いものとなり、量子ドット層５で発生するキャリアを外部に取りだしやくなり、これにより太陽電池の発電効率を高めることができる。
【００１８】
この場合、複数の量子ドット集積部５Ａは、量子ドット５ａ同士の近接している最大の間隔Ｌよりも広い間隔Ｌ１をもって配置されていることが望ましい。
【００１９】
量子ドット５ａの形状は、楕円体、球体などの球形状、立方体や直方体などを含む多角形状、薄膜形状およびワイヤー形状など、いずれの形状でもよいが、隣接する量子ドット５ａとの間で３次元的に連続したバンド構造を形成しやすいという理由から球形状が望ましい。
【００２０】
量子ドット５ａのサイズは、例えば、球形状や薄膜形状においては最大径が３ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましく、ワイヤー形状の場合には、ワイヤーの直径が３〜５０ｎｍであることが望ましい。また、量子ドット５ａのサイズのばらつきはその直径を平均した値の±３０％以内であることが望ましい。
【００２１】
量子ドット集積部５Ａにおける量子ドット５ａ同士の間隔、すなわち、量子ドット５ａ間に形成されているマトリックス５ｂの幅は２〜１０ｎｍであることが望ましく、また、その間隔のばらつきは量子ドット５ａ同士の間隔（量子ドット５ａ間に形成されているマトリックス５ｂの幅）を平均した値の１０〜５０％であることが望ましい。
【００２２】
量子ドット集積部５Ａを構成している量子ドット５ａのサイズや量子ドット５ａ同士の間隔のばらつきが上記範囲であると、量子ドット集合体５Ａ中において、複数の量子ドット５ａ間に電子の規則的な長周期構造が形成されやすくなり、これにより連続したバンド構造を形成することが可能となる。なお、量子ドット５ａのサイズおよび各量子ドット５ａ間の間隔は、特定の応用および製造されるデバイスの条件に従って種々の条件を適合できる。図１（ａ）では、断面観察したときの量子ドット５ａの最大径をＬｍ、量子ドット５ａ同士の間隔をＬｄとして表している。
【００２３】
量子ドット５ａは、半導体粒子を主体とするものからなり、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が０．１５〜１．２０ｅｖを有するものが好適である。具体的には、量子ドット５ａの材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、硫黄（Ｓ）、鉛（Ｐｂ）、テルル（Ｔｅ）およびセレン（Ｓｅ）から選ばれるいずれか１種またはこれらの化合物半導体を用いることが望ましい。
【００２４】
一方、マトリクス５ｂは、半導体粒子に比較して約２倍以上１５倍以下のエネルギーギャップを有している材料が好ましく、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が１．０〜１０．０ｅｖを有するものが好ましい。マトリックス５ｂの材料としては、Ｓｉ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓ、ＩｎおよびＳｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物（半導体、炭化物、酸化物、窒化物）が好ましい。
【００２５】
本実施形態の太陽電池では、シリコン基板１を平面視したときに、量子ドット集積部５Ａが厚み方向に同じ面積でかつ同じ位置に配置されていることが望ましい。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、量子ドット集積部５Ａが厚み方向に同じ面積でかつ同じ位置に形成されていると、量子ドット集積部５Ａ中において、太陽光の入射側からシリコン基板１側に向けて直線性の高いバンド構造を形成でき、これにより量子ドット集積部５Ａで発生するキャリアを外部に取りだしやくなり、太陽電池の発電効率をさらに高めることが可能となる。ここで、量子ドット集積部５Ａが同じ面積であるとは、厚み方向に配置された量子ドット集積部５Ａ間において±１０％以内の面積比を有するものをいう。
【００２６】
また、量子ドット集積部５Ａが厚み方向に同じ位置であるというのは、厚み方向に配置された量子ドット集積部５Ａ間において、中心軸のずれ量の最大値が量子ドット集積部５Ａの平均幅の１０％以内であるものをいう。
【００２７】
本実施形態の太陽電池では、シリコン基板１を平面視したときに、厚み方向に最近接する量子ドット５ａ同士が同じ位置に配置されていることが望ましい。厚み方向に最近接する量子ドット５ａ同士が同じ位置に配置されていると、量子ドット集積部５Ａ中において、太陽光の入射側からシリコン基板１側に向けてさらに直線性の高いバンド構造を形成することが可能となる。その結果、量子ドット層５で発生するキャリアを外部にさらに取りだしやすくなり、太陽電池の発電効率を一段と高めることが可能になる。
【００２８】
ここで、量子ドット５ａ同士が同じ位置に配置されているとは、量子ドット５ａを例えば、シリコン基板１側から投影したときに、厚み方向に配置された量子ドット５ａ同士が一部でも重なっている状態をいう。
【００２９】
図２は、本発明の他の太陽電池の一実施形態を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であり、シリコン基板の主面上の量子ドット集合体間に隔壁を設けた態様を示す断面模式図である。
【００３０】
本実施形態の太陽電池では、シリコン基板１の主面３上に量子ドット集積部５Ａを仕切るための隔壁７が設けられていることが望ましい。
【００３１】
シリコン基板１の主面３上において、量子ドット集積部５Ａを隔壁７によって仕切られたものにすると、量子ドット集積部５Ａ中に形成される中間バンドの電子伝導を量子ドット集積部５Ａの厚み方向に配向したものとすることが可能になり、これにより量子ドット集積部５Ａからシリコン基板１側へ移動するキャリアの量をより多くすることができ、その結果、発電効率をさらに高めることができる。
【００３２】
この場合、隔壁７は高い絶縁性を有するという理由から半導体粒子よりもエネルギーギャップが５倍以上大きい材料により形成することが望ましく、セラミックスが好適である。
【００３３】
次に、本実施形態の太陽電池を製造する方法について説明する。図３は、シリコン基板
の主面上にマスクを配置した状態を示す平面模式図である。本実施形態の太陽電池を製造する場合には、シリコン基板１の上面側に、図３に示したようなマスク１１（マスクする部分の幅：ｗ）を置き、このマスク１１の開口部１３にマトリクス５ｂとなる材料を膜状に形成し、次いで、このマトリクス５ｂとなる膜の表面側に量子ドット５ａとなる半導体粒子を形成する。これらの工程を繰り返すことによって量子ドット５ａとマトリクス５ｂとが積層された量子ドット集積部５Ａを形成する。
【００３４】
製法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法および蒸着法などから選ばれる１種の物理的な薄膜形成法やスピンコート法または印刷法などの化学的方法を採用することができる。
【００３５】
量子ドット５ａをマトリックスとなる膜上に均等に配置するには、細孔を有するメッシュ膜をマスクパターンとして用いるのがよく、メッシュ膜としてはアルミニウム板を陽極酸化して細孔を形成したものやメソポーラスシリカ膜等が好適である。
【００３６】
また、半導体粒子をマトリックスとなる膜から析出させる方法を採用することもできる。例えば、半導体粒子をＳｉにより形成する場合、化学量論組成を有するＳｉＯ２の膜とＳｉ比率の高い組成のＳｉｘＯｙ膜とを交互に複数積層した後、熱処理を行うことによって、Ｓｉ比率の高い組成のＳｉｘＯｙ膜中から微粒のＳｉを析出させる。
【００３７】
この場合、量子ドット集積部５Ａを形成した後にマスク１１をエッチングにより除去してもよいが、マスクの材料として特定のセラミックスや樹脂を選択した場合にはマスク１１をそのまま隔壁７として利用することもできる。
【実施例】
【００３８】
まず、Ｎ型ドープシリコン層とＰ型ドープシリコン層とを有するシリコン基板を準備した。次に、このシリコン基板のＮ型ドープシリコン層側の主面に、図３に示す形状のアルミニウム製のマスク（開口部の面積：１０００μｍ×１０００μｍ、マスクされる部分の
幅ｗ：５０μｍ）を置き、開口部に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜とＳｉ比率の高い組成のＳｉｘＯｙ膜とを交互にそれぞれ３０層形成した。原料組成としては、ＳｉＯ２およびＳｉ１．２Ｏｙとを用いた。プラズマＣＶＤの条件は減圧下、４００±１０℃の温度とした。膜厚はＳｉＯ２側およびＳｉ１．２Ｏｙ側のいずれも約５ｎｍになるように成膜した。
【００３９】
次に、マスクを取り除いた後、ＳｉＯ２膜およびＳｉ１．２Ｏｙ膜を形成したシリコン基板を還元雰囲気中、最高温度を１２００℃とし、保持時間を１時間として熱処理を行った。こうしてシリコン基板の主面上に積層された量子ドット集積部が区分して形成された太陽電池を作製した。
【００４０】
比較例として、マスクを用いなかった以外は同じ条件にて、シリコン基板のＮ型ドープシリコン層の主面の全面に量子ドット層を形成した試料を作製した。
【００４１】
次に、作製した基板の中央部から一部を切り出し、イオンミリングによって透過電子顕微鏡観察用の試料を作製し、量子ドット集積部中に形成された半導体粒子であるＳｉのサイズ（直径）と間隔とを透過電子顕微鏡観察により評価した。作製した試料にはいずれもＳｉが粒子状に析出していた。
【００４２】
次に、観察用試料の中央部における１００ｎｍ×１００ｎｍの領域に存在する半導体粒子について、その試料の断面に現れた半導体粒子（Ｓｉ）の最大径（Ｌｍ）および半導体粒子（Ｓｉ）同士の間隔（Ｌｄ）を測定し、平均値を求めた。
【００４３】
マスクを用いて作製した試料は半導体粒子の平均粒径が６ｎｍであり、そのばらつきの最大値が平均値の＋３０％であった。また、量子ドット同士の間隔は平均で５ｎｍであり、そのばらつきの最大値は平均値の＋４ｎｍであった。
【００４４】
一方、マスクを用いずに作製した試料は、半導体粒子の平均粒径が２２ｎｍであり、そのばらつきの最大値が＋１１０％であった。また、量子ドット同士の間隔は平均で３０ｎｍであり、そのばらつきの最大値が平均値の＋４０ｎｍであった。
【符号の説明】
【００４５】
１、１０１  シリコン基板
３、１０３  主面
５、１０５  量子ドット層
５Ａ  量子ドット集積部
５ａ、１０５ａ  量子ドット
５ｂ  マトリクス
７  隔壁
１１  マスク
１３  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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