(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子ドットが集積され、直径が４００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内に在る複数の量子ドットロッドが、アレイ状に配列しており、
前記量子ドットロッドは前記量子ドット間に有機分子を有していることを特徴とする光電変換膜。
【請求項２】
前記直径が７００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜。
【請求項３】
前記量子ドットロッドは、前記直径以下の間隔で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜。
【請求項４】
前記有機分子が、ヨウ化テトラブチルアンモニウム（Tetrabutylammonium iodide(TBAI)）、１，２−エタンジチオール（1,2-Ethanedithiol(EDT)）、トリオクチルホスフィン
（trioctylphosphine(TOP)）、トリオクチルホスフィンオキシド（trioctylphosphine oxide(TOPO)）、オレイン酸、オレイルアミン、オクチルアミン、トリオクチルアミン、ヘ
キサデシルアミン、オクタンチオール、ドデカンチオール、ヘキシルホスホン酸（ＨＰＡ）、テトラデシルホスホン酸（ＴＤＰＡ）、オクチルホスフィン酸（ＯＰＡ）およびポリオキシエチレンの群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜。
【請求項５】
２つの導体層間に光電変換層を備えた太陽電池であって、前記光電変換層が請求項１乃至４のうちいずれかに記載の光電変換膜であ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、光電変換膜および光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の光電変換効率を向上させる目的で光電変換膜に量子ドットを適用する試みが行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
量子ドットを用いた太陽電池の光電変換効率は、量子ドットを集積した光電変換膜内に生成するキャリアの総量に関係する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５３０８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、量子ドットを単純に膜状に集積した光電変換膜は、量子効果に基づくものであることから、吸収することのできる光としては、バンドギャップに対応するエネルギーの波長を有する光となるため、光吸収量を高めることができない場合がある。 
【０００６】
従って本発明は、光吸収量を高めることのできる光電変換膜および光電変換装置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】
本発明の光電変換膜は、複数の量子ドットが集積され、直径が４００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲内に在る複数の量子ドットロッドが、アレイ状に配列しており、前記量子ドットロッドは前記量子ドット間に有機分子を有している。
【０００８】
本発明の光電変換装置は、２つの導体層間に光電変換層を備えた光電変換装置であって、前記光電変換層が上記の光電変換膜である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光吸収量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に模式的に示す分解斜視図である。
【図２】本実施形態の他の態様を示すもので、光電変換膜を部分的に拡大した模式図である。
【図３】量子ドットロッドが長さ方向に２種類の有機分子を有している状態を拡大して示す断面模式図である。
【図４】本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に模式的に示す分解斜視図である。次に紹介する実施形態および図面は当業者が本発明の思想を理解できるようにするための一例として挙げるものである。従って、本発明は以下に提示する実施形態および図面に限定されるものではなく、他の形態に具現化することができるのは言うまでもない。
【００１２】
図１に示す光電変換装置は、下面側に第１導体層３を有する シリコン基板５の上面に
、光電変換膜７、ホウ素ドープアモルファスシリコン膜９および第２導体層１１がこの順に積層された構成を有している。ここで、第１導体層３には、通常、銀（Ａｇ）などの貴金属を含む金属膜が適用される 。 シリコン基板５にはリンドープシリコン基板が適用される。第２導体層１１にはインジウム錫酸化物に代表される透明導電膜が用いられる。
【００１３】
光電変換膜７は、複数の量子ドット７ａが集積された複数の量子ドットロッド７Ａがｎ型シリコン膜５上にアレイ状に配置された構成を成している。
【００１４】
この場合、量子ドットロッド７Ａの基本的な形状は柱状体であるが、その横断面は円に限らず、多角形状であっても良い。また、量子ドットロッド７Ａは、基本的に、光電変換膜７の厚み方向にほぼ垂直に林立しているが、一部の量子ドットロッド７Ａにおいては、斜めの方向に向いているものが含まれていても良い。
【００１５】
この量子ドットロッド７Ａは、その直径Ｄが可視光領域の波長の範囲内に在る。ここで、可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲とは、４００ｎｍ〜２５００ｎｍである。
【００１６】
光電変換膜７によれば、量子ドットロッド７Ａの直径Ｄが可視光領域から近赤外領域までの波長の範囲内に在るため、量子ドットロッド７Ａに入射してきた太陽光のうち、量子ドットロッド７Ａの直径Ｄに相当する波長の光が、量子ドットロッド７Ａ内でミー散乱しやすくなるため、量子ドットロッド７Ａで反射する太陽光の量が減り、これにより量子ドットロッド７Ａでの光吸収量を高めることができる。
【００１７】
ここで、量子ドットロッド７Ａの直径Ｄとは、光電変換膜７を断面視したときに、各量子ドットロッド７Ａにおいて最大となる幅を言う。この場合、量子ドットロッド７Ａの本数割合で１０％以下であれば、一部に、４００ｎｍ〜２５００ｎｍを外れる量子ドットロッド７Ａが含まれていても良い。
【００１８】
また、この光電変換膜７において、量子ドットロッド７Ａの直径を７００〜１０００ｎｍの範囲にしたときには、さらに光吸収量を向上させることができる。
【００１９】
量子ドット７ａにシリコンを使用し、トップセルとして利用する場合、量子ドット７ａを薄膜状にしたときのバンドギャップは、１．７〜１．９ｅＶ付近(波長で６５０〜７３
０)が適したものとなる。
【００２０】
そこで、量子ドットロッド７Ａの直径を７００〜１０００ｎｍにすると、量子ドット７ａを膜状に形成したときに、光吸収係数の最も低い吸収端である７００ｎｍ付近の光吸収量を増やすことができる。
【００２１】
また、この光電変換膜では、量子ドットロッド７Ａ同士がその直径Ｄよりも短い間隔で
配置されていることが望ましい。量子ドットロッド７Ａが緻密化するように配列させる
と、光電変換膜７は量子ドットロッド７Ａの占有面積の増加によって、太陽光の受光面が大きくなり、これにより光吸収量をさらに高めることができる。
【００２２】
なお、量子ドットロッド７Ａ同士は短絡しない間隔で配置されていれば良い。例えば、２０ｎｍ以上であれば良い。
【００２３】
なお、量子ドットロッド７Ａ間の隙間には絶縁性の材料が充填されていることが望ましい。絶縁性の材料としては、有機樹脂または金属酸化物が好適なものとなる。
【００２４】
量子ドットロッド７Ａの長さとしては、例えば、１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であれば、高い光吸収量を維持することができる。 
【００２５】
図２は、本実施形態の他の態様を示すもので、光電変換膜を部分的に拡大した模式図である。
【００２６】
また、この量子ドットロッド７Ａは量子ドット７ａ間に有機分子７ｂを有していてもよい。量子ドット７ａの周囲に有機分子７ｂを障壁層として有する場合には、障壁層の厚みを有機分子７ｂの分子量によって変化させることができる。これによりバンドギャップの制御が容易となり、キャリアの閉じ込め効果の高い量子ドットロッド７Ａを形成することができる。ここで、障壁層となる有機分子７ｂとしては、ヨウ化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＩ）、１，２−エタンジチオール（ＥＤＴ）、トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）、オレイン酸、オレイルアミン、オクチルアミン、トリオクチルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタンチオール、ドデカンチオール、ヘキシルホスホン酸（ＨＰＡ）、テトラデシルホスホン酸（ＴＤＰＡ）、オクチルホスフィン酸（ＯＰＡ）およびポリオキシエチレン（ＰＯＥ）の群から選ばれる少なくとも１種でが適したものとなる。
【００２７】
図３は、量子ドットロッドが長さ方向に２種類の有機分子を有している状態を拡大して示す断面模式図である。例えば、図３に示すように、量子ドットロッド７Ａの長さ方向の上側と下側とに異なる分子量の有機分子７ｂ（符号７ｂａは分子量の大きい分子、符号７ｂｂは符号７ｂａで表している有機分子よりも分子量の小さい分子）を含ませた場合には、例えば、量子ドットロッド７Ａの長さ方向にエネルギー準位が変化したエネルギーバンドの傾きを形成することができる。図３では、符号７ｂａは分子量の大きい分子、符号７ｂｂは分子量の小さい分子を表している。
【００２８】
量子ドットロッド７Ａが有機分子７ｂをこのように２種類含む場合には、光電変換膜７内に生成した極性の異なるキャリア（電子ｅ、ホールｈ）が、量子ドットロッド７Ａの長さ方向において、互いに反対の方向へ移動しやすくなり、第１導体層３および第２導体層１１のそれぞれでキャリアの収集効率が向上し、光電変換効率をさらに高めることができる。
【００２９】
上記した量子ドットの材料としては、種々の半導体材料が適用されるが、そのエネルギーギャップ（Ｅｇ）としては、０．１５〜４．５０ｅｖを有するものが好適である。具体的な半導体材料としては、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）、亜鉛（Ｚｎ）、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もしくは酸化物を用いることが望ましい。
【００３０】
次に、本実施形態の光電変換装置の製造方法について説明する。図４は、本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。まず、リンドープシリコン基板を準備する。
【００３１】
次に、このリンドープシリコン膜５ の表面上に上記の光電変換膜７を形成する。この
場合、慣用のメタルアシストエッチング法を用いる。まず、図４（ａ）に示すように、第１導体層３とは反対側のリンドープシリコン基板５上に量子ドット７ａの集積膜８を形成する。
【００３２】
次に、図４（ｂ）に示すように、量子ドット７ａの集積膜８の表面にＡｇなどの金属粒
子１０を置いて、溶解液によって金属が置かれた部分を厚み方向に溶解させていく。このような処理の後に残った部分が量子ドットロッド７Ａとなる。この場合、エッチング溶液としては、過酸化水素とフッ化水素水との混合溶液を用いる。このとき、集積膜８の下層側を残すようにする。
【００３３】
次に、図４（ｃ）に示すように、量子ドットロッド７Ａを除く領域に絶縁性材料１２を充填する。絶縁性の材料としては、有機樹脂または金属酸化物が好適なものとなる。このようにして光電変換膜７を形成する。
【００３４】
次に、図１に示した光電変換装置となるように、以下の工程を実施する。光電変換膜７の表面にホウ素ドープアモルファスシリコン膜９を形成する。このホウ素ドープアモルファスシリコン膜９の形成にはプラズマＣＶＤ法を用いる。最後に、ホウ素ドープアモルファスシリコン膜９の表面に、第２導体層１１となるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）膜を形成する。一方、リンドープシリコン基板５の裏面に第１導体層３となる銀の膜を蒸着法によって形成する。 こうして本実施形態の光電変換装置が得られる。
【実施例】
【００３５】
以下、上記した方法によって光電変換装置を作製して光吸収量の評価を行った。この場合、光吸収量の評価として短絡電流密度を測定した。
【００３６】
まず、リンドープシリコン基板は厚みが０．５ｍｍ、第１導体層には銀（Ａｇ）を用いた。第２導体層にはインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いた。量子ドットにはＳｉ粒子（平均粒径：５ｎｍ）を用いた。絶縁材料としてはＳｉＯ２をＣＶＤ法により形成した。
【００３７】
次に、作製した光電変換膜の横断面を電子顕微鏡によって観察し、量子ドットロッドのサイズを確認した。作製した光電変換装置は、量子ドットロッドの平均の直径は９００ｎｍ、平均長さが１μｍ、その間隔は平均で１００ｎｍであった。第１導体層の平均厚みが０．１μｍ、第２導体層の平均厚みが０．３μｍであった。
【００３８】
また、得られた光電変換膜の第１導体層と第２導体層間にリード線を接続し、１ＳＵＮの太陽光を照射してＩ−Ｖ特性を測定し、短絡電流密度を求めた。
【００３９】
比較例として、量子ドットロッドの直径を３０ｎｍ とした試料を作製し、同様の評価
を行った。
【符号の説明】
【００４０】
３・・・・・第１導体層
５・・・・・リンドープシリコン基板
７・・・・・光電変換膜
７Ａ・・・・量子ドットロッド
７ａ・・・・量子ドット
７ｂ・・・・有機成分
９・・・・・ホウ素ドープアモルファスシリコン膜
１１・・・・第２導体層
【図１】
0006730038.tif 000002
【図２】
0006730038.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006730038.tif 000005