JP2011100915A

JP2011100915A - Photoelectric conversion element

Info

Publication number: JP2011100915A
Application number: JP2009255899A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Nomura; 英史野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element whose photoelectric conversion efficiency can be improved. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion element has a (p) layer and an (n) layer, an (i) layer disposed between the (p) layer and (n) layer, a first electrode connected to the (p) layer, and a second electrode connected to the (n) layer, at least the (i) layer having a barrier layer composed of a first semiconductor and a quantum structure portion arranged in contact with the barrier layer and composed of a second semiconductor. The photoelectric conversion element is characterized in that the first semiconductor has a wider band gap than the second semiconductor, and the first electrode and/or second electrode includes an electrode corresponding to an energy band of the barrier layer and an electrode corresponding to an energy band of the quantum structure portion. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換素子に関し、特に、量子構造を用いた光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element, and more particularly to a photoelectric conversion element using a quantum structure.

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。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。 Solar cells have the advantage that the amount of carbon dioxide emission per unit of power generation is small and fuel for power generation is unnecessary. Therefore, research on various types of solar cells has been actively promoted. Currently, single-junction solar cells having a pair of pn junctions using single-crystal silicon or polycrystalline silicon are the mainstream among solar cells in practical use. However, since the theoretical limit of photoelectric conversion efficiency of single-junction solar cells (hereinafter referred to as “theoretical limit efficiency”) is only about 30%, a new method for further improving the theoretical limit efficiency is being studied. .

これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。 One of the new methods studied so far is a solar cell using a semiconductor quantum structure. Known quantum structures used in this type of solar cell include quantum dots, quantum wells, and quantum wires. By using a quantum structure, it becomes possible to absorb a solar spectrum in a band that could not be absorbed by a conventional solar cell. It is considered possible to improve to 60% or more.

このような太陽電池（半導体光素子も含む）に関する技術として、例えば特許文献１には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に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ーバンド構造がｔｙｐｅＩＩをなす太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、第１の半導体層と該第１の半導体層よりもバンドギャップの小さな第２の半導体層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸層を有する太陽電池において、多重量子井戸層に隣接して、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２の半導体層よりも厚さの大きな第３の半導体層を設けた太陽電池が開示されている。 As a technology related to such a solar cell (including a semiconductor optical device), for example, Patent Document 1 includes a quantum dot having a pin structure and having a three-dimensional quantum confinement function in an i layer which is a light detection layer. A solar cell is disclosed in which the energy band structure of the dots and the barrier layer surrounding the dots forms type II. Patent Document 2 discloses a solar cell having a multiple quantum well layer in which a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers having a smaller band gap than the first semiconductor layer are alternately stacked. A solar cell is disclosed in which a third semiconductor layer having a band gap smaller than the first semiconductor layer and larger in thickness than the second semiconductor layer is provided adjacent to the multiple quantum well layer.

特開２００６−１１４８１５号公報JP 2006-114815 A 特開２００９−２６８８７号公報JP 2009-26887 A

量子ドットを用いる特許文献１に開示されている技術や、量子井戸を用いる特許文献２に開示されている技術によれば、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になると考えられる。ここで、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、量子ドットや量子井戸（以下において、これらをまとめて「量子構造部」という。）に存在する電子や正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を熱励起させて電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、大気温下における熱励起のエネルギーはごく微量であるため、これらの技術では、量子構造部からキャリアを取り出す効率が低下しやすい。すなわち、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、光電変換効率を向上させ難いという問題があった。 According to the technique disclosed in Patent Document 1 using quantum dots and the technique disclosed in Patent Document 2 using quantum wells, a solar spectrum in a band that could not be absorbed by a conventional solar cell is obtained. Can also be absorbed. Here, in the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, electrons and holes (hereinafter referred to as “quantum structure part” collectively) of quantum dots and quantum wells (hereinafter, These are collectively referred to as “carriers.”) And are assumed to be thermally excited and transferred to the electrode. However, since the energy of thermal excitation under an atmospheric temperature is very small, the efficiency of taking out carriers from the quantum structure portion is likely to be lowered with these techniques. In other words, the techniques disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 have a problem that it is difficult to improve the photoelectric conversion efficiency.

そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the photoelectric conversion element which can improve a photoelectric conversion efficiency.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、少なくともｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、第１電極及び／又は第２電極が、障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子である。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention includes a p layer and an n layer, an i layer disposed between the p layer and the n layer, a first electrode connected to the p layer, and a second electrode connected to the n layer, At least the i layer has a barrier layer constituted by the first semiconductor and a quantum structure portion constituted by the second semiconductor arranged so as to be in contact with the barrier layer, and the band gap of the first semiconductor is It is wider than the band gap of the second semiconductor, and the first electrode and / or the second electrode has an electrode corresponding to the energy band of the barrier layer and an electrode corresponding to the energy band of the quantum structure portion. , A photoelectric conversion element.

ここに、本発明において、「量子構造部」とは、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線を含む概念である。また、本発明において、「障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部」とは、例えば、量子構造部が、量子井戸、又は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を使用した自己組織化プロセスにより形成された量子ドット及び濡れ層である場合には、障壁層と量子構造部とが交互に積層されていることをいう。これに対し、例えば量子構造部がコロイダル量子ドットや量子細線である場合には、量子構造部が障壁層の中に埋め込まれていることをいう。また、「障壁層のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「障壁層電極」ということがある。）とは、障壁層電極が第１電極に含まれる場合には、障壁層に存在する正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、障壁層電極が第２電極に含まれる場合には、障壁層に存在する電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。また、「量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「量子電極」ということがある。）とは、量子電極が第１電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、量子電極が第２電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。すなわち、上方ほど電子のエネルギーが高く下方ほど正孔のエネルギーが高いエネルギーバンド図を作成すると、第１電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第１電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも下方に位置し、第２電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第２電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも上方に位置する。また、本発明において、「光電変換素子」は、光検出素子や太陽電池等を含む概念である。 Here, in the present invention, the “quantum structure portion” is a concept including quantum dots, quantum wells, and quantum wires. In the present invention, the “quantum structure part constituted by the second semiconductor arranged so as to be in contact with the barrier layer” means, for example, that the quantum structure part is a quantum well or molecular beam epitaxy (MBE) In the case of quantum dots and wetting layers formed by a self-assembly process using a method, it means that barrier layers and quantum structure portions are alternately laminated. On the other hand, for example, when the quantum structure portion is a colloidal quantum dot or a quantum wire, it means that the quantum structure portion is embedded in the barrier layer. The “electrode corresponding to the energy band of the barrier layer” (hereinafter, also referred to as “barrier layer electrode”) is present in the barrier layer when the barrier layer electrode is included in the first electrode. An electrode having energy corresponding to holes is referred to. When the barrier layer electrode is included in the second electrode, it refers to an electrode having energy corresponding to electrons existing in the barrier layer. In addition, the “electrode corresponding to the energy band of the quantum structure portion” (hereinafter, also referred to as “quantum electrode”) refers to the discrete quasi of the quantum structure portion when the quantum electrode is included in the first electrode. An electrode having energy corresponding to holes accommodated in the level (quantum level). When the quantum electrode is included in the second electrode, it is accommodated in the discrete level (quantum level) of the quantum structure part. The electrode which has the energy corresponding to the electron currently performed. That is, when an energy band diagram is created in which the energy of electrons is higher in the upper part and the energy of holes is higher in the lower part, the energy level of the upper end of the barrier layer electrode included in the first electrode is the upper end of the quantum electrode included in the first electrode. The energy level at the upper end of the barrier layer electrode included in the second electrode is positioned higher than the energy level at the upper end of the quantum electrode included in the second electrode. In the present invention, the “photoelectric conversion element” is a concept including a photodetection element, a solar cell, and the like.

また、上記本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することが好ましい。 Moreover, in the said invention, it is preferable that p layer, i layer, and n layer have a quantum structure part.

本発明の光電変換素子には、障壁層電極及び量子電極が備えられる。障壁層電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくする目的でｐ層側及びｎ層側にそれぞれ１種類の電極のみを配設した場合と比較して、障壁層を移動してきたキャリアを外部へと取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを外部へ取り出す際にキャリアが障壁をトンネル効果により通過することが可能になるため、キャリアのエネルギーを保持したまま外部へ取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池を提供することができる。 The photoelectric conversion element of the present invention includes a barrier layer electrode and a quantum electrode. By providing a barrier layer electrode, the barrier layer is moved compared to the case where only one type of electrode is provided on each of the p layer side and the n layer side in order to facilitate extraction of carriers existing in the quantum structure portion. It is possible to reduce the energy loss when taking out the carrier thus taken out. Furthermore, since the quantum electrode is provided, carriers can pass through the barrier by the tunnel effect when taking out the carriers existing in the quantum structure portion to the outside, so that they can be taken out while retaining the carrier energy. Is possible. Therefore, according to this invention, the solar cell which can improve a photoelectric conversion efficiency can be provided.

また、本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。 Moreover, in this invention, it becomes easy to improve a photoelectric conversion efficiency because p layer, i layer, and n layer have a quantum structure part.

本発明の光電変換素子１０を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the photoelectric conversion element 10 of this invention. 光電変換素子１０のエネルギーバンド図である。2 is an energy band diagram of the photoelectric conversion element 10. FIG. 量子ドットを用いた従来の太陽電池９０を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the conventional solar cell 90 using a quantum dot. 太陽電池９０のエネルギーバンド図である。3 is an energy band diagram of a solar cell 90. FIG. 本発明の光電変換素子２０を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the photoelectric conversion element 20 of this invention.

半導体の量子構造を利用した太陽電池（以下において、「量子太陽電池」ということがある。）は、（１）広範囲の波長の光を吸収することが可能であるため光電変換効率を高めることが可能、（２）量子構造の大きさを変えることで光吸収波長を制御することが可能、（３）量子効果によりキャリアのエネルギー緩和時間が延びるためキャリアの長寿命化を図ることが可能、という特長を有している。かかる特長を有する量子太陽電池では、障壁層を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成される量子構造を用いることにより、障壁層のバンドギャップの間に量子準位（中間準位）を形成し、この中間準位を用いることによって、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルの吸収をも可能にしている。 A solar cell using a semiconductor quantum structure (hereinafter, sometimes referred to as a “quantum solar cell”) (1) can absorb light in a wide range of wavelengths, and thus can increase photoelectric conversion efficiency. Possible, (2) It is possible to control the light absorption wavelength by changing the size of the quantum structure, (3) It is possible to extend the life of the carrier because the energy relaxation time of the carrier is extended by the quantum effect Has features. In a quantum solar cell having such a feature, a quantum level (intermediate level) is set between the band gaps of the barrier layer by using a quantum structure constituted by a semiconductor having a narrower band gap than the semiconductor constituting the barrier layer. By forming and using this intermediate level, absorption of the solar spectrum in a band that could not be absorbed by a conventional solar cell is also possible.

ここで、量子太陽電池では、量子構造に存在するキャリアを、熱励起、又は、長波長光の吸収による励起によって電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、従来の量子太陽電池では、励起されたキャリアが乗り越えるべき障壁が高く、量子構造に存在するキャリアを効率良く取り出すことが困難であった。かかる問題の一つの解決策として、例えば、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くして、量子構造に存在する電子を熱励起により移動させやすくする、という方法が考えられる。しかしながら、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くすると、障壁層を移動してきた高準位の電子がｎ層へと移動する際に多くのエネルギーが失われる。そのため、かかる方法では、光電変換効率を向上させ難いという問題がある。 Here, in the quantum solar cell, it is assumed that carriers existing in the quantum structure are moved to the electrode by thermal excitation or excitation by absorption of long wavelength light. However, in the conventional quantum solar cell, there are high barriers for excited carriers to overcome, and it has been difficult to efficiently extract carriers existing in the quantum structure. One possible solution to this problem is to lower the energy level at the lower end of the conduction band of the n layer so that electrons existing in the quantum structure can be easily moved by thermal excitation. However, when the energy level at the lower end of the conduction band of the n layer is lowered, a lot of energy is lost when the high level electrons that have moved through the barrier layer move to the n layer. Therefore, this method has a problem that it is difficult to improve the photoelectric conversion efficiency.

本発明者は、量子太陽電池の光電変換効率を向上させるためには、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくすることが必要であることを知見した。そして、鋭意研究の結果、本発明者は、障壁層を移動してきたキャリアを取り出すのに適した電極、及び、量子構造部に存在するキャリアを取り出すのに適した電極を用いることにより、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを容易に取り出すことが可能になることを知見して、本発明を完成させた。 In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the quantum solar cell, the present inventor needs to make it easy to take out the carriers present in the quantum structure part while reducing the energy loss of the carriers moving through the barrier layer. I found out. As a result of earnest research, the present inventor has used the electrode suitable for taking out the carriers that have moved through the barrier layer and the electrode suitable for taking out the carriers existing in the quantum structure part. The present invention has been completed by discovering that carriers existing in the quantum structure can be easily taken out while reducing the energy loss of the carriers that have moved through.

以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。以下の説明において、Ｘ以上Ｙ以下を「Ｘ〜Ｙ」と表記する。 Hereinafter, the case where this invention is applied to a solar cell is demonstrated, referring drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below. In the following description, X to Y is expressed as “X to Y”.

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す断面図である。図１では、一部符号の記載を省略している。図１に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１と、ｎ層１３と、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層１１に接続された第１電極１４と、ｎ層１３に接続された第２電極１５と、を有している。ｐ層１１は、障壁層１１ａと量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１１ｂ」ということがある。）を有する層１１ｃとを有している。層１１ｃは、薄膜部１１ｄ及び該薄膜部１１ｄに形成された量子ドット１１ｂを有し、障壁層１１ａを構成するｐ型半導体よりもバンドギャップが狭いｐ型半導体によって構成されている。また、ｉ層１２は、障壁層１２ａ、１２ａ、…と量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１２ｂ」という。）を有する層１２ｃとを有しており、ｉ層１２は、障壁層１２ａと層１２ｃとが交互に積層されることによって構成されている。層１２ｃは、薄膜部１２ｄ及び該薄膜部１２ｄに形成された量子ドット１２ｂを有し、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。また、ｎ層１３は、障壁層１３ａ、１３ａと量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１３ｂ」ということがある。）を有する層１３ｃとを有している。層１３ｃは、薄膜部１３ｄ及び該薄膜部１３ｄに形成された量子ドット１３ｂを有し、障壁層１３ａを構成するｎ型半導体よりもバンドギャップが狭いｎ型半導体によって構成されている。また、第１電極１４は、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１４ａ」ということがある。）と量子電極１４ｂ、１４ｂ、…（以下において、単に「量子電極１４ｂ」ということがある。）とを有し、基板１８の表面に配設されている第２電極１５は、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１５ａ」ということがある。）と量子電極１５ｂ、１５ｂ、…と（以下において、単に「量子電極１５ｂ」ということがある。）を有している。太陽電池１０において、第１電極１４には導電部１６が接続されており、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…は導電部１６ａを介して接続され、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…は導電部１６ｂを介して接続されている。また、第２電極１５には導電部１７が接続されており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…は導電部１７ａを介して接続され、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…は導電部１７ｂを介して接続されている。 1. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell 10 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the description of some symbols is omitted. As shown in FIG. 1, the solar cell 10 includes a p layer 11, an n layer 13, an i layer 12 disposed between the p layer 11 and the n layer 13, and a first layer connected to the p layer 11. One electrode 14 and a second electrode 15 connected to the n layer 13 are included. The p layer 11 includes a barrier layer 11a and a layer 11c having quantum dots 11b, 11b,... (hereinafter, sometimes simply referred to as “quantum dots 11b”). The layer 11c includes a thin film portion 11d and quantum dots 11b formed in the thin film portion 11d, and is formed of a p-type semiconductor having a narrower band gap than the p-type semiconductor constituting the barrier layer 11a. The i layer 12 includes barrier layers 12a, 12a,... And quantum dots 12b, 12b,... (Hereinafter, simply referred to as “quantum dots 12b”). The barrier layers 12a and the layers 12c are alternately stacked. The layer 12c includes a thin film portion 12d and quantum dots 12b formed in the thin film portion 12d, and is formed of a semiconductor having a narrower band gap than the i-type semiconductor that forms the barrier layer 12a. The n layer 13 includes barrier layers 13a, 13a and a layer 13c having quantum dots 13b, 13b,... (Hereinafter, sometimes simply referred to as “quantum dots 13b”). The layer 13c includes a thin film portion 13d and quantum dots 13b formed in the thin film portion 13d, and is formed of an n-type semiconductor having a narrower band gap than the n-type semiconductor constituting the barrier layer 13a. In addition, the first electrode 14 includes barrier layer electrodes 14a, 14a,... (Hereinafter, simply referred to as “barrier layer electrode 14a”) and quantum electrodes 14b, 14b,. And the second electrode 15 disposed on the surface of the substrate 18 is referred to simply as “barrier layer electrode 15a” (hereinafter referred to as “barrier layer electrode 15a”). ) And quantum electrodes 15b, 15b,... (Hereinafter sometimes simply referred to as “quantum electrode 15b”). In the solar cell 10, the conductive part 16 is connected to the first electrode 14, the barrier layer electrodes 14a, 14a,... Are connected via the conductive part 16a, and the quantum electrodes 14b, 14b,. Connected through. Further, the conductive portion 17 is connected to the second electrode 15, the barrier layer electrodes 15a, 15a,... Are connected through the conductive portion 17a, and the quantum electrodes 15b, 15b,. Has been.

図２は、太陽電池１０のエネルギーバンド図である。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２では、太陽電池１０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。便宜上、図２では、障壁層１１ａと量子電極１４ｂとの間に障壁層電極１４ａを配置し、障壁層１３ａと量子電極１５ｂとの間に障壁層電極１５ａを配置しているが、図１に示すように、太陽電池１０では、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…が障壁層１１ａと接触しており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…が障壁層１３ａと接触している。以下、図１及び図２を参照しつつ、太陽電池１０について説明を続ける。 FIG. 2 is an energy band diagram of the solar cell 10. The electron energy is higher at the upper side of the paper in FIG. 2 and the hole energy is higher at the lower side of the paper. In FIG. 2, the code | symbol corresponding to each component of the solar cell 10 is attached | subjected. In FIG. 2, a dotted line arrow from the left side to the right side of the drawing indicates the electron movement mode, and a dotted line arrow from the right side to the left side of the drawing indicates the hole movement mode. For convenience, in FIG. 2, the barrier layer electrode 14a is disposed between the barrier layer 11a and the quantum electrode 14b, and the barrier layer electrode 15a is disposed between the barrier layer 13a and the quantum electrode 15b. As shown, in the solar cell 10, the barrier layer electrodes 14a, 14a, ... and the quantum electrodes 14b, 14b, ... are in contact with the barrier layer 11a, and the barrier layer electrodes 15a, 15a, ..., and the quantum electrodes 15b, 15b, ... are in contact with the barrier layer 13a. Hereinafter, the solar cell 10 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図２に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１及びｎ層１３によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。さらに、図２に示すように、障壁層電極１４ａは、障壁層１１ａの価電子帯上端近傍のエネルギーを有する正孔が少ないエネルギー損失で障壁層電極１４ａへと移動可能なように構成され、量子電極１４ｂは、量子ドット１１ｂの価電子帯の量子準位に収容されている正孔が少ないエネルギー損失で量子電極１４ｂへと移動可能なように構成されている。加えて、障壁層電極１５ａは、障壁層１３ａの伝導帯下端近傍のエネルギーを有する電子が少ないエネルギー損失で障壁層電極１５ａへと移動可能なように構成され、量子電極１５ｂは、量子ドット１３ｂの伝導帯の量子準位に収容されている電子が少ないエネルギー損失で量子電極１５ｂへと移動可能なように構成されている。 As shown in FIG. 2, in the solar cell 10, an internal electric field is formed by the p layer 11 and the n layer 13, and the band is inclined. Further, as shown in FIG. 2, the barrier layer electrode 14a is configured to move to the barrier layer electrode 14a with a small energy loss with holes having energy in the vicinity of the upper end of the valence band of the barrier layer 11a. The electrode 14b is configured such that the holes accommodated in the quantum level of the valence band of the quantum dot 11b can move to the quantum electrode 14b with little energy loss. In addition, the barrier layer electrode 15a is configured such that electrons having energy near the lower end of the conduction band of the barrier layer 13a can move to the barrier layer electrode 15a with little energy loss, and the quantum electrode 15b includes the quantum dots 13b. The electron contained in the quantum level of the conduction band is configured to be movable to the quantum electrode 15b with little energy loss.

太陽電池１０では、ｉ層１２へと光が入射すると、障壁層１２ａ及び量子ドット１２ｂの双方で、電子−正孔対が発生する。障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、障壁層１２ａをドリフト移動する。そして、障壁層１２ａをドリフト移動した正孔の少なくとも一部はｐ層１１へと達し、障壁層１２ａをドリフト移動した電子の少なくとも一部はｎ層１３へと達する。一方、上述のように、量子ドット１２ｂを構成する半導体は、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い。そのため、障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、量子ドット１２ｂへと落ち込む。量子ドット１２ｂへと落ち込んだキャリアは、トンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。他方、量子ドット１２ｂで発生したキャリアは、同様にトンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。太陽電池１０では、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａへと移動させるとともに、量子ドット１１ｂに存在する正孔をトンネル伝導により量子電極１４ｂへと移動させ、且つ、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａへと移動させるとともに、量子ドット１３ｂに存在する電子をトンネル伝導により量子電極１５ｂへと移動させることにより、電気エネルギーを取り出す。太陽電池１０における電子及び正孔の移動については、さらに後述する。 In the solar cell 10, when light enters the i layer 12, electron-hole pairs are generated in both the barrier layer 12 a and the quantum dots 12 b. At least a part of the carriers generated in the barrier layer 12a drifts through the barrier layer 12a. At least some of the holes that have drifted through the barrier layer 12 a reach the p layer 11, and at least some of the electrons that have drifted through the barrier layer 12 a reach the n layer 13. On the other hand, as described above, the semiconductor constituting the quantum dot 12b has a narrower band gap than the i-type semiconductor constituting the barrier layer 12a. Therefore, at least a part of the carriers generated in the barrier layer 12a falls into the quantum dots 12b. The carriers that have fallen into the quantum dot 12b move between the quantum dots 12b, 12b,... By tunnel conduction, and holes reach the quantum dot 11b and electrons reach the quantum dot 13b. On the other hand, carriers generated in the quantum dots 12b similarly move between the quantum dots 12b, 12b,... By tunnel conduction, and holes reach the quantum dots 11b and electrons reach the quantum dots 13b. In the solar cell 10, holes present in the barrier layer 11 a are moved to the barrier layer electrode 14 a, holes present in the quantum dots 11 b are moved to the quantum electrode 14 b by tunnel conduction, and the barrier layer 13 a While moving the existing electrons to the barrier layer electrode 15a and moving the electrons existing in the quantum dot 13b to the quantum electrode 15b by tunnel conduction, electric energy is taken out. The movement of electrons and holes in the solar cell 10 will be further described later.

一方、図３は、量子ドットを用いた従来の太陽電池９０の形態例を示す断面図である。図３では、一部符号の記載を省略している。図３に示すように、太陽電池９０は、上から順に、櫛形の第１電極９４と、ｐ型半導体によって構成されるｐ層９１と、ｉ層９２と、ｎ型半導体によって構成されるｎ層９３と、第２電極９５と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａ、９２ａ、…と、量子ドット９２ｂ、９２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット９２ｂ」という。）と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａと、量子ドット９２ｂを有する層（以下において「量子ドット９２ｂ含有層」という。）と、が交互に積層されることによって構成され、量子ドット９２ｂ含有層は、障壁層９２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。 On the other hand, FIG. 3 is a sectional view showing an example of a conventional solar cell 90 using quantum dots. In FIG. 3, the description of some symbols is omitted. As shown in FIG. 3, the solar cell 90 includes, in order from the top, a comb-shaped first electrode 94, a p layer 91 composed of a p-type semiconductor, an i layer 92, and an n layer composed of an n-type semiconductor. 93 and the second electrode 95. The i layer 92 includes barrier layers 92a, 92a,... and quantum dots 92b, 92b,... (hereinafter simply referred to as “quantum dots 92b”). The i layer 92 is configured by alternately stacking a barrier layer 92a and a layer having a quantum dot 92b (hereinafter referred to as a “quantum dot 92b-containing layer”). The layer 92a is formed of a semiconductor having a narrower band gap than the i-type semiconductor.

図４は、太陽電池９０のエネルギーバンド図である。図４の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４では、太陽電池９０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図１〜図４を参照しつつ、太陽電池１０及び太陽電池９０について説明を続ける。 FIG. 4 is an energy band diagram of the solar cell 90. The electron energy is higher at the upper side of the paper in FIG. 4 and the hole energy is higher at the lower side of the paper. 4, the code | symbol corresponding to each component of the solar cell 90 is attached | subjected. In FIG. 2, a dotted line arrow from the left side to the right side of the drawing indicates the electron movement mode, and a dotted line arrow from the right side to the left side of the drawing indicates the hole movement mode. Hereinafter, the description of the solar cell 10 and the solar cell 90 will be continued with reference to FIGS.

図１〜図４に示すように、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を有する第１電極１４と、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５とを備える太陽電池１０とは異なり、太陽電池９０は、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備えている。そのため、太陽電池９０では、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出しやすくするために第１電極９４及び第２電極９５の形態を調整すると、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失が増大する。また、太陽電池９０では、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失を低減し得る形態の第１電極９４及び第２電極９５にすると、量子ドット９２ｂに存在するキャリアが励起されることによって乗り越えるべき障壁が高くなるため、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出し難くなって光電変換効率が低減する。すなわち、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備える従来の太陽電池９０では、光電変換効率を向上させ難い。 As shown in FIGS. 1 to 4, the first electrode 14 having the barrier layer electrodes 14a, 14a,... And the quantum electrodes 14b, 14b,..., The barrier layer electrodes 15a, 15a,. , 15b,..., 15b, the solar cell 90 includes one form of the first electrode 94 and one form of the second electrode 95. Therefore, in the solar cell 90, when the form of the first electrode 94 and the second electrode 95 is adjusted so that the carriers existing in the quantum dots 92b can be easily extracted, the energy loss of the high energy carriers that have moved through the barrier layer 92a increases. To do. Further, in the solar cell 90, when the first electrode 94 and the second electrode 95 are configured to reduce the energy loss of the high energy carriers that have moved through the barrier layer 92a, carriers existing in the quantum dots 92b are excited. As a result, the barrier to be overcome increases, so that it is difficult to take out the carriers present in the quantum dots 92b, and the photoelectric conversion efficiency is reduced. That is, it is difficult to improve the photoelectric conversion efficiency in the conventional solar cell 90 including the first electrode 94 of one form and the second electrode 95 of one form.

これに対し、本発明の太陽電池１０では、障壁層電極１４ａの上端のエネルギーレベルを、障壁層１１ａの価電子帯上端のエネルギーレベルに近づけており、量子電極１４ｂの上端のエネルギーレベルを、量子ドット１１ｂの価電子帯に形成されている量子準位に近づけている。かかる形態とすることにより、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１１ｂに存在する正孔を量子電極１４ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１１ａに存在する正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１１ｂに存在する正孔を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。加えて、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１３ｂに存在する電子を量子電極１５ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１３ｂに存在する電子を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池１０を提供することができる。 On the other hand, in the solar cell 10 of the present invention, the energy level at the upper end of the barrier layer electrode 14a is brought close to the energy level at the upper end of the valence band of the barrier layer 11a, and the energy level at the upper end of the quantum electrode 14b is It is close to the quantum level formed in the valence band of the dot 11b. With this configuration, it is possible to reduce energy loss when holes present in the barrier layer 11a are extracted from the barrier layer electrode 14a. Furthermore, holes existing in the quantum dot 11b can be extracted from the quantum electrode 14b. That is, according to the solar cell 10, energy was retained by tunneling without causing thermal excitation of holes present in the quantum dots 11 b while reducing energy loss when extracting holes present in the barrier layer 11 a. It can be taken out as it is. In addition, according to the solar cell 10, it is possible to reduce energy loss when electrons existing in the barrier layer 13a are taken out from the barrier layer electrode 15a. Furthermore, it becomes possible to take out the electrons existing in the quantum dot 13b from the quantum electrode 15b. That is, according to the solar cell 10, the electrons existing in the quantum dots 13 b are extracted while maintaining energy by tunneling without thermal excitation while reducing energy loss when extracting electrons existing in the barrier layer 13 a. It becomes possible. Therefore, according to this invention, the solar cell 10 which can improve a photoelectric conversion efficiency can be provided.

太陽電池１０において、ｐ層１１の障壁層１１ａは、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができる。障壁層１１ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができる。障壁層１１ａは、例えば、化学気相成長法（以下において、「ＣＶＤ法」という。）等によって作製することができる。また、ｐ層１１の層１１ｃ（量子ドット１１ｂ及び薄膜部１１ｄ）は、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成することができる。量子ドット１１ｂの高さは、例えば、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができ、量子ドット１１ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う量子ドット１１ｂ、１１ｂの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。層１１ｃは、例えば、障壁層１１ａの表面に、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓをＭＢＥ法によって堆積させて、障壁層１１ａの表面に薄膜部１１ｄ（例えば、厚さ２０ｎｍ程度の層）を形成した後、さらに公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓの堆積を継続して、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードによって薄膜部１１ｄに量子ドット１１ｂを形成することにより、作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１１ａ及び層１１ｃの数は、１〜３程度とすることができる。本発明において、量子ドット１１ｂの高さ、直径、及び、間隔は、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による局所酸化とＭＢＥ選択成長技術とを組み合わせ、ＡＦＭのカンチレバーに印加するパルス電圧と時間幅とを変化させたり、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて量子ドットを作製したりすることによって制御することができる。 In the solar cell 10, the barrier layer 11 a of the p layer 11 can be made of GaAs doped with a known p-type impurity. The thickness of the barrier layer 11a can be about 20 nm to 50 nm, for example. The barrier layer 11a can be produced by, for example, a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as “CVD method”). Moreover, the layer 11c (quantum dot 11b and thin film part 11d) of the p layer 11 can be comprised by InAs etc. which doped the well-known p-type impurity. The height of the quantum dot 11b can be, for example, about 3 nm to 10 nm, the diameter of the quantum dot 11b can be, for example, about 10 nm to 40 nm, and the interval between adjacent quantum dots 11b, 11b is For example, the thickness can be about 10 nm to 40 nm. In the layer 11c, for example, a known p-type impurity doped InAs is deposited on the surface of the barrier layer 11a by the MBE method, and a thin film portion 11d (for example, a layer having a thickness of about 20 nm) is formed on the surface of the barrier layer 11a. After the formation, the deposition of InAs doped with a known p-type impurity is continued, and the quantum dots 11b are formed in the thin film portion 11d by the SK (Stranski-Krastanov) growth mode. In the solar cell 10, the number of the barrier layers 11a and the layers 11c produced alternately can be about 1-3. In the present invention, the height, diameter, and interval of the quantum dots 11b are determined by combining, for example, local oxidation by an atomic force microscope (AFM) and MBE selective growth technology, and the pulse voltage and time width applied to the AFM cantilever. And by making quantum dots using a scanning tunneling microscope (STM).

また、太陽電池１０において、ｉ層１２の障壁層１２ａは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１２ａを作製することができる。また、ｉ層１２の層１２ｃは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１２ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１２ａ及び層１２ｃの数は、２０〜４０程度とすることができる。 In the solar cell 10, the barrier layer 12a of the i layer 12 can be formed in the same form as the barrier layer 11a except that it is made of GaAs or the like not doped with p-type impurities or n-type impurities. The barrier layer 12a can be formed by a method similar to that for the layer 11a. The layer 12c of the i layer 12 can be formed in the same form as the layer 11c except that it is composed of InAs or the like not doped with p-type impurities or n-type impurities. The layer 12c can be produced. In the solar cell 10, the number of the barrier layers 12a and the layers 12c produced alternately can be about 20 to 40.

また、太陽電池１０において、ｎ層１３の障壁層１３ａは、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１３ａを作製することができる。また、ｎ層１３の層１３ｃは、公知のｎ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１３ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１３ａ及び層１３ｃの数は、１〜３程度とすることができる。 In the solar cell 10, the barrier layer 13 a of the n layer 13 can be formed in the same form as the barrier layer 11 a except that it is made of GaAs doped with a known n-type impurity, and is the same as the barrier layer 11 a. By this method, the barrier layer 13a can be fabricated. Further, the layer 13c of the n layer 13 can be formed in the same manner as the layer 11c except that it is made of InAs doped with a known n-type impurity, and the layer 13c is produced by the same method as the layer 11c. can do. In the solar cell 10, the number of the barrier layers 13a and the layers 13c produced alternately can be about 1 to 3.

また、太陽電池１０において、第１電極１４の障壁層電極１４ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１４ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１４ａと量子電極１４ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。間隔を開けて交互に作製された複数の障壁層電極１４ａ、１４ａ、…と複数の量子電極１４ｂ、１４ｂ、…とを有する第１電極１４は、例えば、リソグラフィー等によって作製することができる。また、本発明において、正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第１電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、障壁層１１ａと対応する箇所に障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を配設し、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所に量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を配設することが好ましい。本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製することができる。また、本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製することができる。 In the solar cell 10, the barrier layer electrode 14 a of the first electrode 14 can be composed of Au, Pt, or the like, and the quantum electrode 14 b can be composed of Au, Pt, or the like. The diameter of the barrier layer electrode 14a and the quantum electrode 14b can be, for example, about 10 nm to 40 nm, and the height (thickness) of the barrier layer electrode 14a and the quantum electrode 14b can be, for example, about 30 nm to 50 nm. The distance between the adjacent barrier layer electrode 14a and the quantum electrode 14b can be, for example, about 10 nm to 40 nm. The first electrode 14 having a plurality of barrier layer electrodes 14a, 14a,... And a plurality of quantum electrodes 14b, 14b,... Alternately produced at intervals can be produced by lithography or the like, for example. In the present invention, in order to obtain an effect of reducing energy loss when taking out holes, the first electrode may be provided with a barrier layer electrode and a quantum electrode, and such an effect is easily obtained. From the viewpoint of form, etc., as shown in FIG. 1, barrier layer electrodes 14a, 14a,... Are arranged at locations corresponding to the barrier layer 11a, and quantum dots 11b, 11b,. It is preferable to arrange the electrodes 14b, 14b,. In the present invention, the barrier layer electrodes 14a, 14a,... Can be produced only at locations corresponding to the barrier layer 11a by a method such as a fine electrode pattern production technique by lithography. In the present invention, the quantum electrodes 14b, 14b,... Can be produced only at locations corresponding to the quantum dots 11b, 11b,.

また、太陽電池１０において、第２電極１５の障壁層電極１５ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１５ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１５ａと量子電極１５ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。複数の障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、複数の量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５は、第１電極１４と同様の方法によって作製することができる。本発明において、電子を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第２電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所に量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を配設し、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…の間に障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を配設することが好ましい。本発明では、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を作製することができる。また、本発明では、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を作製することができる。 In the solar cell 10, the barrier layer electrode 15a of the second electrode 15 can be composed of Au, Pt, or the like, and the quantum electrode 15b can be composed of Au, Pt, or the like. The diameter of the barrier layer electrode 15a and the quantum electrode 15b can be, for example, about 10 nm to 40 nm, and the height (thickness) of the barrier layer electrode 15a and the quantum electrode 15b can be, for example, about 30 nm to 50 nm. The interval between the adjacent barrier layer electrode 15a and the quantum electrode 15b can be, for example, about 10 nm to 40 nm. The second electrode 15 having a plurality of barrier layer electrodes 15a, 15a,... And a plurality of quantum electrodes 15b, 15b,. In the present invention, in order to obtain an effect of reducing energy loss when taking out electrons, the second electrode may be provided with a barrier layer electrode and a quantum electrode, and such an effect is easily obtained. From the viewpoint of the above, as shown in FIG. 1, quantum electrodes 15b, 15b,... Are arranged at locations corresponding to the quantum dots 13b, 13b,. It is preferable to arrange 15a, 15a,. In the present invention, the barrier layer electrodes 15a, 15a,... Can be manufactured by a method similar to the method used when the barrier layer electrodes 14a, 14a,. Further, in the present invention, the portions corresponding to the quantum dots 13b, 13b,... Are formed by the same method as that used when the quantum electrodes 14b, 14b,. The quantum electrodes 15b, 15b,.

また、太陽電池１０において、導電部１６、１７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等、公知の導電性材料によって構成することができる。障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａは、例えば、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。このほか、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂ、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を接続する導電部１７ａ、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を接続する導電部１７ｂも、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。 Moreover, in the solar cell 10, the electroconductive parts 16 and 17 can be comprised with well-known electroconductive materials, such as Au, Ag, and Pt. The conductive portion 16a that connects the barrier layer electrodes 14a, 14a,... Can be manufactured, for example, by a method similar to a known method for manufacturing a comb electrode. In addition, a conductive portion 16b connecting the quantum electrodes 14b, 14b,..., A conductive portion 17a connecting the barrier layer electrodes 15a, 15a,... And a conductive portion 17b connecting the quantum electrodes 15b, 15b,. It can be produced by a method similar to the method for producing a comb-shaped electrode.

上記の材料・方法によって各構成要素が作製される太陽電池１０を製造するには、例えば、太陽電池の電極を作製する際に用いられる公知の基板１８に、導電部１７ａ及び導電部１７ｂをそれぞれ形成した後、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を形成することにより第２電極１５を作製する。こうして第２電極１５を作製したら、引き続き、第２電極１５の表面に障壁層１３ａを、障壁層１３ａの表面に層１３ｃを、層１３ｃの表面に障壁層１３ａを、順に作製することにより、ｎ層１３を作製する。ｎ層１３を作製したら、ｎ層１３（障壁層１３ａ）の表面に層１２ｃを、層１２ｃの表面に障壁層１２ａを、順に作製し、障壁層１２ａの表面への層１２ｃの作製、及び、層１２ｃの表面への障壁層１２ａの作製を所定の回数（例えば、３０回程度）に亘って繰り返すことにより、ｎ層１３の表面にｉ層１２を作製する。このようにしてｉ層１２を作製したら、ｉ層１２（障壁層１２ａ）の表面に層１１ｃを、層１１ｃの表面に障壁層１１ａを作製することにより、ｐ層１１を作製し、作製したｐ層１１（障壁層１１ａ）の表面に、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を形成することにより第１電極１４を作製する。第１電極１４を作製したら、続いて、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａ、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂを形成する。太陽電池１０は、このような過程を経て製造することができる。 In order to manufacture the solar cell 10 in which each component is manufactured by the above-described materials and methods, for example, the conductive portion 17a and the conductive portion 17b are respectively provided on a known substrate 18 used when manufacturing an electrode of the solar cell. After the formation, the second electrode 15 is fabricated by forming the barrier layer electrodes 15a, 15a,... And the quantum electrodes 15b, 15b,. After the second electrode 15 is manufactured in this manner, the barrier layer 13a is formed on the surface of the second electrode 15, the layer 13c is formed on the surface of the barrier layer 13a, and the barrier layer 13a is formed on the surface of the layer 13c in this order. Layer 13 is produced. After forming the n layer 13, the layer 12c is formed on the surface of the n layer 13 (barrier layer 13a), the barrier layer 12a is formed on the surface of the layer 12c, and the layer 12c is formed on the surface of the barrier layer 12a. The i layer 12 is formed on the surface of the n layer 13 by repeating the preparation of the barrier layer 12a on the surface of the layer 12c a predetermined number of times (for example, about 30 times). When the i layer 12 is produced in this way, the p layer 11 is produced by producing the layer 11c on the surface of the i layer 12 (barrier layer 12a) and the barrier layer 11a on the surface of the layer 11c. .. And the quantum electrodes 14b, 14b,... Are formed on the surface of the layer 11 (barrier layer 11a) to produce the first electrode 14. When the first electrode 14 is manufactured, subsequently, a conductive portion 16a connecting the barrier layer electrodes 14a, 14a,... And a conductive portion 16b connecting the quantum electrodes 14b, 14b,. The solar cell 10 can be manufactured through such a process.

太陽電池１０に関する上記説明では、層１１ｃを有するｐ層１１、及び、層１３ｃを有するｎ層１３が備えられる形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。そこで、量子構造を有しないｐ層及びｎ層が備えられる形態の光電変換素子について、以下に説明する。 In the said description regarding the solar cell 10, although the p layer 11 which has the layer 11c, and the n layer 13 which has the layer 13c were illustrated, the photoelectric conversion element of this invention is not limited to the said form. . Thus, a photoelectric conversion element having a p layer and an n layer that do not have a quantum structure will be described below.

２．第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図５において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２で用いた符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図５では、一部符号の記載を省略している。 2. 2nd Embodiment FIG. 5: is sectional drawing which shows the example of the form of the solar cell 20 of this invention concerning 2nd Embodiment. In FIG. 5, components similar to those of the solar cell 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof is omitted as appropriate. Further, in FIG. 5, some reference numerals are omitted.

図５に示すように、太陽電池２０は、ｐ層２１と、ｎ層２３と、ｐ層２１とｎ層２３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層２１に接続された第１電極１４と、ｎ層２３に接続された第２電極１５と、を有している。太陽電池２０において、ｐ層２１及びｎ層２３は量子構造を有していない。かかる形態であっても、太陽電池２０は障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂを有しているので、光照射によって生成された正孔のエネルギー損失を低減しながら正孔を取り出すことが可能になり、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂを有しているので、光照射によって生成された電子のエネルギー損失を低減しながら電子を取り出すことが可能になる。したがって、かかる形態であっても、太陽電池２０によれば、光電変換効率を向上させることが可能になる。 As shown in FIG. 5, the solar cell 20 includes a p layer 21, an n layer 23, an i layer 12 disposed between the p layer 21 and the n layer 23, and a first layer connected to the p layer 21. One electrode 14 and a second electrode 15 connected to the n layer 23 are included. In the solar cell 20, the p layer 21 and the n layer 23 do not have a quantum structure. Even in such a form, since the solar cell 20 has the barrier layer electrode 14a and the quantum electrode 14b, it becomes possible to take out holes while reducing energy loss of holes generated by light irradiation. Since the barrier layer electrode 15a and the quantum electrode 15b are provided, electrons can be extracted while reducing energy loss of electrons generated by light irradiation. Therefore, even in this form, according to the solar cell 20, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency.

太陽電池２０において、ｐ層２１は、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｐ層２１の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｐ層２１は、例えば、ｐ層１１と同様の方法によって、第１電極１４と接触しない箇所にも公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによりｐ層２１’を作製し、このｐ層２１’の表面に第１電極１４を形成した後、リソグラフィーで第１電極１４と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。 In the solar cell 20, the p layer 21 can be composed of GaAs doped with a known p-type impurity, and the thickness of the p layer 21 can be, for example, about 50 nm. The p layer 21 of the form shown in FIG. 5 is formed by depositing GaAs doped with a known p-type impurity in a place not in contact with the first electrode 14 by the same method as the p layer 11, for example. Can be produced by removing portions that do not come into contact with the first electrode 14 by lithography after the first electrode 14 is formed on the surface of the p layer 21 ′.

また、太陽電池２０において、ｎ層２３は、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｎ層２３の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｎ層２３は、例えば、障壁層１３ａと同様の方法により、第２電極１５と接触しない箇所にも公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによってｎ層２３’を作製し、引き続き、ｎ層２３’の表面にｉ層１２を、ｉ層１２の表面にｐ層２１’を、及び、ｐ層２１’の表面に第１電極１４を順に形成した後、リソグラフィーで第２電極１５と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。 Moreover, in the solar cell 20, the n layer 23 can be comprised with the well-known n type impurity doped GaAs etc., and the thickness of the n layer 23 can be about 50 nm, for example. The n layer 23 in the form shown in FIG. 5 is formed by depositing GaAs doped with a known n-type impurity in a place not in contact with the second electrode 15 by the same method as the barrier layer 13a, for example. And subsequently forming the i layer 12 on the surface of the n layer 23 ′, the p layer 21 ′ on the surface of the i layer 12, and the first electrode 14 on the surface of the p layer 21 ′ in this order, It can be produced by removing a portion that does not come into contact with the second electrode 15 by lithography.

以上、本発明に関する上記説明では、第１電極並びに第２電極が、障壁層電極及び量子電極を有する形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。第１電極又は第２電極のみが、障壁層電極及び量子電極を有する形態とすることも可能である。ただし、光吸収により生成された正孔及び電子のエネルギー損失を低減することによって光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、少なくとも電子側の第２電極を有する形態の光電変換素子とすることが好ましい。 As mentioned above, although the 1st electrode and the 2nd electrode illustrated the form which has a barrier layer electrode and a quantum electrode in the said description regarding this invention, the photoelectric conversion element of this invention is not limited to the said form. Only the first electrode or the second electrode may have a barrier layer electrode and a quantum electrode. However, at least from the viewpoint of providing a photoelectric conversion element in a form in which the photoelectric conversion efficiency is easily improved by reducing the energy loss of holes and electrons generated by light absorption, it has at least a second electrode on the electron side. It is preferable that the photoelectric conversion element is in the form.

また、本発明に関する上記説明では、量子構造部がＳＫ成長モードで作製した量子ドットである形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。本発明は、量子構造部として量子細線や量子井戸が用いられる形態とすることも可能であり、ＳＫ成長モード以外の方法で作製した量子ドットが用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向がｉ層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線をｐ層、ｉ層、及びｎ層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。このほか、量子構造部に量子井戸を用いる場合、当該量子井戸は、ＳＫ成長モードで量子ドットを作製する途中で形成される薄膜部と同様の形態とすることができ、当該薄膜部と同様の方法によって量子井戸層を形成することができる。 Moreover, in the said description regarding this invention, although the quantum structure part illustrated the form which is the quantum dot produced by SK growth mode, the photoelectric conversion element of this invention is not limited to the said form. In the present invention, a quantum wire or a quantum well may be used as the quantum structure portion, and a quantum dot produced by a method other than the SK growth mode may be used. In the present invention in which quantum wires are used in the quantum structure portion, for example, the quantum wires are arranged in the p layer, the i layer, and the n layer so that the axial direction of the quantum wires intersects the current / voltage direction in the i layer. A solar cell can be represented by the same cross section as FIG. In the present invention, when a quantum wire is used in the quantum structure portion, the material and structure constituting the quantum wire are not particularly limited, and a known quantum wire such as a carbon nanotube can be used. In addition, when a quantum well is used for the quantum structure portion, the quantum well can have the same form as the thin film portion formed in the course of manufacturing the quantum dots in the SK growth mode, and is similar to the thin film portion. A quantum well layer can be formed by the method.

また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。 Moreover, although the case where this invention was applied to the solar cell so far was demonstrated, the photoelectric conversion element of this invention is not limited to a solar cell. The present invention can also be applied to other photoelectric conversion elements such as a light detection element.

本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。 The photoelectric conversion element of this invention can be utilized for the power source of an electric vehicle, a solar power generation system, etc.

１０…太陽電池（光電変換素子）
１１…ｐ層
１１ａ…障壁層
１１ｂ…量子ドット
１１ｃ…層
１１ｄ…薄膜部
１２…ｉ層
１２ａ…障壁層
１２ｂ…量子ドット
１２ｃ…層
１２ｄ…薄膜部
１３…ｎ層
１３ａ…障壁層
１３ｂ…量子ドット
１３ｃ…層
１３ｄ…薄膜部
１４…第１電極
１４ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１４ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１５…第２電極
１５ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１５ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１６、１６ａ、１６ｂ…導電部
１７、１７ａ、１７ｂ…導電部
１８…基板
２０…太陽電池（光電変換素子）
２１…ｐ層
２３…ｎ層
９０…太陽電池
９１…ｐ層
９２…ｉ層
９２ａ…障壁層
９２ｂ…量子ドット
９３…ｎ層
９４…第１電極
９５…第２電極 10 ... Solar cell (photoelectric conversion element)
11 ... p layer 11a ... barrier layer 11b ... quantum dot 11c ... layer 11d ... thin film portion 12 ... i layer 12a ... barrier layer 12b ... quantum dot 12c ... layer 12d ... thin film portion 13 ... n layer 13a ... barrier layer 13b ... quantum dot 13c ... layer 13d ... thin film portion 14 ... first electrode 14a ... barrier layer electrode (electrode corresponding to the energy band of the barrier layer)
14b ... Quantum electrode (electrode corresponding to the energy band of the quantum structure part)
15 ... 2nd electrode 15a ... Barrier layer electrode (electrode corresponding to the energy band of a barrier layer)
15b ... Quantum electrode (electrode corresponding to the energy band of the quantum structure part)
16, 16a, 16b ... conductive portion 17, 17a, 17b ... conductive portion 18 ... substrate 20 ... solar cell (photoelectric conversion element)
21 ... p layer 23 ... n layer 90 ... solar cell 91 ... p layer 92 ... i layer 92a ... barrier layer 92b ... quantum dot 93 ... n layer 94 ... first electrode 95 ... second electrode

Claims

ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
少なくとも前記ｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、
前記第１半導体のバンドギャップは前記第２半導体のバンドギャップよりも広く、
前記第１電極及び／又は前記第２電極が、前記障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、前記量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子。 a p-layer and an n-layer, an i-layer disposed between the p-layer and the n-layer, a first electrode connected to the p-layer, and a second electrode connected to the n-layer,
At least the i layer has a barrier layer constituted by a first semiconductor, and a quantum structure portion constituted by a second semiconductor disposed so as to be in contact with the barrier layer,
The band gap of the first semiconductor is wider than the band gap of the second semiconductor,
The photoelectric conversion element, wherein the first electrode and / or the second electrode includes an electrode corresponding to an energy band of the barrier layer and an electrode corresponding to an energy band of the quantum structure portion.

前記ｐ層、前記ｉ層、及び、前記ｎ層が、量子構造部を有することを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the p layer, the i layer, and the n layer have a quantum structure portion.