(57)【要約】【課題】界面準位が多い場合であっても電子あるいは正孔を量子ドット層から効率よく取り出す太陽電池の提供。【解決手段】量子ドット層はバンド構造を有して電子正孔対を生成する。ｎ型半導体層と量子ドット層とが接触する界面において、ｎ型半導体層の伝導帯の底は、量子ドット層における量子準位の伝導帯の底に対して０〜０．６ｅＶのエネルギー幅ΔＥｃで、電子に対するエネルギーが高い。これと共に、あるいはこれと代えて、ｐ型半導体層と量子ドット層とが接触する界面において、ｐ型半導体層の価電子帯の頂上は、量子ドット層における量子準位の価電子帯の頂上に対して０．１〜０．７ｅＶのエネルギー幅ΔＥｖで、電子に対するエネルギーが低い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンド構造を有して電子正孔対を生成するコア層の複数と、前記コア層と交互に積層されて前記コア層よりもバンドギャップが広いバンド構造を有する障壁層と、を有する量子ドット層と、
前記量子ドット層に対して接触し、当該接触の位置において前記量子ドット層における量子準位の伝導帯の底に対して０〜０．６ｅＶの第１のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが高い準位を底とする伝導帯を有するｎ型半導体層と、
前記量子ドット層に対して前記ｎ型半導体層とは異なる方向から接触し、当該接触の位置において前記量子ドット層における量子準位の価電子帯の頂上に対して第２のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが低い準位を頂上とする価電子帯を有するｐ型半導体層と
を備える太陽電池。
【請求項２】
バンド構造を有して電子正孔対を生成するコア層の複数と、前記コア層と交互に積層されて前記コア層よりもバンドギャップが広いバンド構造を有する障壁層と、を有する量子ドット層と、
前記量子ドット層に対して接触し、当該接触の位置において前記量子ドット層における量子準位の伝導帯の底に対して第１のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが高い準位を底とする伝導帯を有するｎ型半導体層と、
前記量子ドット層に対して前記ｎ型半導体層とは異なる方向から接触し、当該接触の位置において前記量子ドット層における量子準位の価電子帯の頂上に対して０．１〜０．７ｅＶの第２のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが低い準位を頂上とする価電子帯を有するｐ型半導体層と
を備える太陽電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の太陽電池であって、
前記コア層はシリコンで形成され、
前記障壁層は炭化シリコンで形成され、
前記ｎ型半導体層は炭化シリコンまたは非晶質シリコンで形成される太陽電池。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の太陽電池であって、
前記コア層はシリコンで形成され、
前記障壁層は炭化シリコンで形成され、
前記ｐ型半導体層は燐化ガリウムまたは非晶質シリコンで形成される太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池として、ダブルヘテロ構造を有するものが知られている。ダブルヘテロ構造は、光エネルギーを受けて電子正孔対を生成する半導体層から、生成された電子と正孔とを取り出す観点から有益な構成である。
【０００３】
近年の太陽電池に関する研究では、上記の半導体層として量子ドットと呼ばれる構造が研究の対象の一つとなっている。量子ドットを有する光電池は、例えば後記の特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１７３１６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヘテロ結合における界面準位が多いほど、電子あるいは正孔を、量子ドット層から取り出す効率に大きく影響する。よって界面準位が多い場合であっても当該効率を低下させないことが望まれる。
【０００６】
そこで、本願にかかる発明は、界面準位が多い場合であっても電子あるいは正孔を量子ドット層から効率よく取り出す技術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】
この発明にかかる太陽電池は、バンド構造を有して電子正孔対を生成するコア層の複数と、前記コア層と交互に積層されて前記コア層よりもバンドギャップが広いバンド構造を有する障壁層と、を有する量子ドット層と、前記量子ドット層に対して接触するｎ型半導体層と、前記量子ドット層に対して前記ｎ型半導体層とは異なる方向から接触するｐ型半導体層とを備える。
【０００８】
そして前記太陽電池の第１の態様において、前記ｎ型半導体層は前記量子ドット層と接触する位置において前記量子ドット層における量子準位の伝導帯の底に対して０〜０．６ｅＶの第１のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが高い準位を底とする伝導帯を有し、前記ｐ型半導体層は前記量子ドット層と接触する位置において前記量子ドット層における量子準位の価電子帯の頂上に対して第２のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが低い準位を頂上とする価電子帯を有する。
【０００９】
あるいは前記太陽電池の第２の態様において、前記ｎ型半導体層は前記量子ドット層と接触する位置において前記量子ドット層における量子準位の伝導帯の底に対して第１のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが高い準位を底とする伝導帯を有し、前記ｐ型半導体層は前記量子ドット層と接触する位置において前記量子ドット層における量子準位の価電子帯の頂上に対して０．１〜０．７ｅＶの第２のエネルギー幅で電子に対するエネルギーが低い準位を頂上とする価電子帯を有する。
【００１０】
例えば前記コア層はシリコンで形成され、前記障壁層は炭化シリコンで形成される。
【００１１】
例えば前記ｎ型半導体層は炭化シリコンまたは非晶質シリコンで形成される。
【００１２】
例えば前記ｐ型半導体層は燐化ガリウムまたは非晶質シリコンで形成される。
【発明の効果】
【００１３】
この発明にかかる太陽電池の第１の態様によれば、量子ドット層界とｎ型半導体層とが形成するヘテロ接合における界面準位が多い場合であっても電子を量子ドット層から効率よく取り出すことができる。
【００１４】
この発明にかかる太陽電池の第２の態様によれば、量子ドット層界とｐ型半導体層とが形成するヘテロ接合における界面準位が多い場合であっても、正孔を量子ドット層から効率よく取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明にかかる太陽電池１の構成を例示する断面図である。
【図２】量子ドット層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層についてのバンド構造を示す図である。
【図３】エネルギー幅と、太陽電池の効率との関係を示すグラフである。
【図４】エネルギー幅と、太陽電池の効率との関係を示すグラフである。
【図５】太陽電池の構成を詳細に例示する断面図である。
【図６】太陽電池の構成を部分的に示す断面図である。
【図７】量子ドット層のバンド構造を部分的に示す図である。
【図８】量子ドット層のバンド構造を部分的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、この発明にかかる太陽電池１の構成を例示する断面図である。ｎ型半導体層１１が量子ドット層１０に対して接触する。ｐ型半導体層１２が量子ドット層１０に対して、ｎ型半導体層とは異なる方向から接触する。ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２とは接触しない。図１では量子ドット層１０に対して、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２とが互いに反対側から接触する構成が例示される。図１で例示される構成以外に、断面視上で、ｎ型半導体層１１が量子ドット層１０に対して一方向から接触し、ｐ型半導体層１２が量子ドット層１０に対して三方向から接触する構成も取り得る。
【００１７】
ｎ型半導体層１１には陰極層１３が接触する。陰極層１３は、量子ドット層１０で発生した電子を、ｎ型半導体層１１を経由して太陽電池１の外部へと供給する。
【００１８】
ｐ型半導体層１２には陽極層１４が接触する。陽極層１４は、量子ドット層１０で発生した正孔を、ｐ型半導体層１２を経由して太陽電池１の外部へと供給する。
【００１９】
量子ドット層１０は光エネルギーを受けて電子・正孔対を生成する。当該光エネルギーは、例えば陰極層１３及びｎ型半導体層１１をこの順に経由して量子ドット層１０に供給される。
【００２０】
光エネルギーが陰極層１３側から太陽電池１へ与えられる場合、陽極層１４は下部電極として基板（不図示）上に形成される。この場合、陰極層１３は上部電極として把握される。また、この場合における太陽電池１は、上記の基板に対して、陽極層１４、ｐ型半導体層１２、量子ドット層１０、ｎ型半導体層１１、陰極層１３の順に積層された構成を有する。かかる積層構造についての工夫については後の「Ｂ．幾何学的工夫」において説明する。
【００２１】
Ａ．量子力学的工夫．
図２は、太陽電池１のうち、量子ドット層１０及びこれとそれぞれヘテロ接合を形成するｎ型半導体層１１、ｐ型半導体層１２についてのバンド構造を示す。
【００２２】
技術的常識として、量子ドット層１０、ｎ型半導体層１１、ｐ型半導体層１２はバンド構造を有する。ここでは伝導帯の底と価電子帯の頂上とで、バンド構造を示している。なお、量子ドット層１０のバンド構造は、量子準位での伝導帯の底と価電子帯の頂上とを示している。
【００２３】
量子ドット層１０において記号「×」は、量子ドット層１０における再結合中心Ｒｃのエネルギー準位を模式的に示す。ｎ型半導体層１１と量子ドット層１０とがヘテロ結合する界面における記号「×」は、当該界面における界面準位Ｄｉｔ（ｎ）を示す。ｐ型半導体層１２と量子ドット層１０とがヘテロ結合する界面における記号「×」は、当該界面における界面準位Ｄｉｔ（ｐ）を示す。二点鎖線はフェルミレベルを示す。
【００２４】
ｎ型半導体層１１が有する伝導帯の底は、量子ドット層と接触する位置（界面）において、量子ドット層１０における量子準位の伝導帯の底に対してエネルギー幅ΔＥｃで電子に対するエネルギーが高い。
【００２５】
ｐ型半導体層１２が有する価電子帯の頂上は、量子ドット層と接触する位置（界面）において、量子ドット層１０における量子準位の価電子帯の頂上に対してエネルギー幅ΔＥｖで電子に対するエネルギーが低い。
【００２６】
図３は、エネルギー幅ΔＥｃと、太陽電池１の効率ηとの関係を示すグラフである。グラフの左端に記載した数値は界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度を示す（単位：ｅＶ−１・ｃｍ−２）。
【００２７】
図４は、エネルギー幅ΔＥｖと、上記の効率ηとの関係を示すグラフである。グラフの左端に記載した数値は界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度を示す（単位：ｅＶ−１・ｃｍ−２）。
【００２８】
図３及び図４のいずれにおいても、量子ドット層１０についてはエネルギーギャップが１．３６ｅＶであり、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２とに挟まれた距離が１００ｎｍであり、キャリアライフタイムが１００ｎｓであるとの条件を採用し、シミュレーションによって効率ηを求めた。
【００２９】
さて、図３からは、界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度が大きいほど（つまり界面準位Ｄｉｔ（ｎ）が多いほど）、効率ηが低下することがわかる。しかしながら、エネルギー幅ΔＥｃが０ｅＶ以上であれば、効率ηの界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度に対する依存性は非常に小さい。他方、エネルギー幅ΔＥｃが０．６ｅＶを超えると、効率ηは界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度に依存すること無く、エネルギー幅ΔＥｃの上昇に対して急激な低下を示す。
【００３０】
通常、界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度は１×１０１３［ｅＶ−１・ｃｍ−２］を超えることがない。よって界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の多寡によらず、効率ηを低下させないために望ましいエネルギー幅ΔＥｃは０ｅＶ以上０．６ｅＶ以下である（図３に範囲Ｒｎとして示した）。
【００３１】
同様に、図４からは、界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度が大きいほど（つまり界面準位Ｄｉｔ（ｐ）が多いほど）、効率ηが低下することがわかる。しかしながら、エネルギー幅ΔＥｖが０．１ｅＶ以上であれば、効率ηの界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度に対する依存性は非常に小さい。そしてエネルギー幅ΔＥｖが０．７ｅＶを超えると、効率ηは界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度に依存すること無く、エネルギー幅ΔＥｖの上昇に対して急激な低下を示す。
【００３２】
そして界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度も１×１０１３［ｅＶ−１・ｃｍ−２］を超えることがない。よって界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の多寡によらず、効率ηを低下させないために望ましいエネルギー幅ΔＥｖは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下である（図４に範囲Ｒｐとして示した）。
【００３３】
電子は量子ドット層１０からｎ型半導体層１１へ向かって移動し、その一部が界面準位Ｄｉｔ（ｎ）に捕獲される。正孔は量子ドット層１０からｐ型半導体層１２へ向かって移動し、その一部が界面準位Ｄｉｔ（ｐ）に捕獲される。よって図３に示された効率ηの界面準位Ｄｉｔ（ｎ）の密度に対する依存性と、図４に示された効率ηの界面準位Ｄｉｔ（ｐ）の密度に対する依存性とは、独立して考察することができる。よって、エネルギー幅ΔＥｃ，ΔＥｖのそれぞれに望まれる範囲は互いに独立する。
【００３４】
このようなエネルギー幅ΔＥｃ，ΔＥｖを実現するために好適な材料について以下に例示する。
【００３５】
量子ドット層１０は量子ドット構成を有する。具体的には量子ドット層１０はコア層の複数と、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１２との間でコア層と交互に積層される障壁層とを有する。コア層は電子正孔対を生成する。コア層と障壁層との位置関係は、「Ｂ．幾何学的工夫．」で例示される。
【００３６】
障壁層はコア層よりもバンドギャップが広いバンド構造を有する。例えばコア層はシリコンで、障壁層は炭化シリコンで、それぞれ形成される。このようにして得られた量子ドット層１０の電子親和力はほぼ４．０２ｅＶであり、バンドギャップ（量子ドット構成における価電子帯と伝導帯の基底準位のエネルギー差）は、上述のように１．３５ｅＶ程度である。
【００３７】
図３において、ｎ型半導体層１１として上述の量子ドット構成に対してヘテロ接合を形成する材料を示した。
【００３８】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）の電子親和力は、上述の量子ドット構成の電子親和力よりも大きい。よって酸化亜鉛をｎ型半導体層１１として用いた場合、ΔＥｃ＜０となってしまう。よってｎ型半導体層１１として酸化亜鉛は望ましくない。
【００３９】
非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）あるいは炭化シリコン（ＳｉＣ）をｎ型半導体層１１として採用した場合、エネルギー幅ΔＥｃが上述の望ましい範囲に収まるように設計できる。よってｎ型半導体層１１として非晶質シリコンあるいは炭化シリコンは好適である。
【００４０】
図４において、ｐ型半導体層１２として上述の量子ドット構成に対してヘテロ接合を形成する材料を示した。
【００４１】
非晶質シリコンあるいは燐化ガリウム（ＧａＰ）をｐ型半導体層１２として採用した場合、エネルギー幅ΔＥｖが上述の望ましい範囲に収まるように設計できる。よってｐ型半導体層１２として非晶質シリコンあるいは燐化ガリウムは好適である。
【００４２】
但し、量子ドット構成において障壁層として採用される炭化シリコンは、その電子親和力が小さい場合がある。このような場合、量子ドット構成の電子親和力が小さくなり、その価電子帯の頂上が引き上げられる（電子について見たエネルギー準位が高くなる）。このような場合に燐化ガリウムをｐ型半導体層１２として採用すると、エネルギー幅ΔＥｖが大きくなり過ぎる。エネルギー幅ΔＥｖが高い領域では効率ηが急激に悪化するので、これは望ましくない。このような観点ではｐ型半導体層１２としては非晶質シリコンが適している。非晶質シリコンを採用するとエネルギー幅ΔＥｖが小さくなり、効率ηは悪化もするが、その悪化はエネルギー幅ΔＥｖの変動に対してはエネルギー幅ΔＥｖが高い領域よりも緩慢だからである。
【００４３】
このように、ｐ型半導体層１２として採用する材料を選定する場合には、量子ドット層１０におけるミニバンドのエネルギー準位、特に障壁層に炭化シリコンを用いる場合における電子親和力について、配慮することが望ましい。
【００４４】
Ｂ．幾何学的工夫．
図５は太陽電池１の構成をより詳細に例示する断面図である。量子ドット層１０は量子ドット構成を有しており、コア層１０１と障壁層１０２とを有している。図５で例示された構成では、コア層１０１は障壁層１０２中にマトリクス状に配置されている。
【００４５】
このような量子ドット層１０は、例えば以下のように大まかには三つの工程で形成される：
(i)コア層１０１と障壁層１０２とを交互に形成して積層体を形成する。これにより障壁層１０２によって厚さ方向に分離されたコア層１０１が得られる；
(ii)上記工程(i)で得られた積層体を、厚さ方向に垂直な方向（面内方向）に沿って部分的に除去し、複数の積層体に分離する。これによりコア層１０１は厚さ方向のみならず面内方向にも分離される；
(iii)上記工程(ii)で分離された積層体の間に新たに障壁層１０２で充填する。これにより、コア層１０１は厚さ方向のみならず面内方向においても障壁層１０２で分離される。
【００４６】
上記のようにして量子ドット層１０が得られた後、ｎ型半導体層１１、陰極層１３が形成される。
【００４７】
工程(ii)において、具体的には、積層体に対して、ｐ型半導体層１２とは反対側から、厚さ方向に平行なエッチングを行う。このようなエッチングについても特許文献１で紹介されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４８】
かかるエッチングは、例えば工程(i)で得られた積層体に対して、ｐ型半導体層１２とは反対側に設けられるマスクを用いて行われる。即ち、当該マスクによって覆われていない積層体がエッチングによって除去され、当該マスクによって覆われた積層体がエッチングを免れて残る。
【００４９】
このようなマスクを用いたエッチングによって分離された積層体は、その面内方向のサイズが、ｐ型半導体層１２に近づくに従って広くなる傾向にある。従って、コア層１０１の面内方向のサイズも、ｐ型半導体層１２側で広く、ｎ型半導体層１１側で狭くなる。これでは量子ドット層１０内でのバンド構造が均一化されず、いわゆるミニバンドの形成に支障がある。
【００５０】
図６は幾何学的工夫を行った太陽電池１の構成を部分的に示す断面図である。但し、障壁層１０２のうち、厚さ方向においてコア層１０１と積層された部分を障壁層１０２ａとして表し、それ以外の部分を障壁層１０２ｂとして示した。
【００５１】
具体的には障壁層１０２ａは工程(i)で形成された障壁層１０２であり、障壁層１０２ｂは工程(iii)で形成された障壁層１０２である。
【００５２】
上記で説明したように、積層体のｎ型半導体層１１側の面内方向のサイズ（図６では長さＬｔとして現れる）よりも、積層体のｐ型半導体層１２側の面内方向のサイズ（図６では長さＬｂとして現れる）の方が広い。
【００５３】
図６に示された構成では、コア層１０１の厚さｔは、ｐ型半導体層１２側で薄く、ｎ型半導体層１１側で厚い。
【００５４】
図７及び図８はいずれも、積層体のｎ型半導体層１１側（図中左側）の面内方向のサイズよりも、積層体のｐ型半導体層１２側（図中右側）の面内方向のサイズの方が広い場合の量子ドット層１０のバンド構造を部分的に示す。図７及び図８のいずれにおいても伝導帯の底Ｅｃと、量子井戸内のエネルギー準位Ｌａとを示した。
【００５５】
但し、図７はいずれのコア層１０１の厚さｔも等しい場合を示し、図８は、コア層１０１の厚さｔがｐ型半導体層１２から離れるに従って厚くなる場合を示す。なお、いずれの場合も障壁層１０２ａの厚さは厚さ方向において均一であるとした。
【００５６】
図７に示されるように、コア層１０１の厚さｔが均等である場合には、ｐ型半導体層１２に近いほど、エネルギー準位Ｌａは低下する。これはｐ型半導体層１２に近い方が、コア層１０１の面内方向のサイズが大きくなることを反映している。
【００５７】
図８に示されるように、コア層１０１の厚さｔがｐ型半導体層１２から離れるに従って厚くなると、厚さ方向における厚さｔの変動と面内方向のサイズの変動とが相殺する。これによりエネルギー準位Ｌａもコア層１０１同士でほぼ等しくなり、以て量子ドット層１０においてミニバンド形成されやすくなる。図８ではミニバンドの伝導帯の底Ｅｃｍを帯状の範囲を用いて示した。
【００５８】
このようにコア層１０１の厚さｔを調整するには、工程(i)において形成されるコア層１０１の厚さを調整することで実現できる。
【００５９】
Ｃ．変形.
上記「Ａ．量子力学的工夫．」で示された技術と「Ｂ．幾何学的工夫．」で示された技術とは、一方が他方を必須とするものではない。また両者は排他的に用いられる必然性もない。
【符号の説明】
【００６０】
１０  量子ドット層
１１  ｎ型半導体層
１２  ｐ型半導体層
１０１  コア層
１０２，１０２ａ，１０２ｂ  障壁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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