JP2015005707A - Quantum dot type solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子ドット型太陽電池に関する。 The present invention relates to a quantum dot solar cell.
省エネルギーかつ省資源でクリーンなエネルギー源として太陽電池の開発が盛んに行われている。太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。その構成には、有機薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、多接合構造太陽電池など多種の構造体が検討されている。 Solar cells are being actively developed as energy sources that are both energy-saving and resource-saving. A solar cell is a power device that uses the photovoltaic effect to directly convert light energy into electric power. Various structures such as organic thin-film solar cells, dye-sensitized solar cells, and multi-junction structure solar cells have been studied for the configuration.
その中でも、理論的には６０％以上の変換効率を可能にする次世代の太陽電池として量子ドット（ナノ粒子）を用いた太陽電池（以下、量子ドット型太陽電池という。）が注目を浴びている。 Among them, a solar cell using quantum dots (nanoparticles) as a next-generation solar cell that theoretically enables conversion efficiency of 60% or more (hereinafter referred to as a quantum dot solar cell) has attracted attention. Yes.
図５は、下記の特許文献１に開示された従来の量子ドット型太陽電池の例を示す断面模式図である。図５において、１０１は基板、１０３はｐ側電極、１０５はｐ型半導体層、１０７は量子ドットＤを有する光検知層、１０９はｎ型半導体層、１１１はｎ側電極をそれぞれ示している。図５に示す従来の量子ドット型太陽電池は、ｐ型半導体層１０５の上面側に、量子ドットＤを分散させた光検知層１０７とｎ型半導体層１０９とがこの順に形成されており、これらの光検知層１０７およびｎ型半導体層１０９はいずれも断面の形状で見るかぎり、厚みのほぼ等しい板状の構造をなし、また、これらの各層はいずれもｎ型半導体層１０５の表面に対して平行になるように配置された構成となっている。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional quantum dot solar cell disclosed in Patent Document 1 below. In FIG. 5, 101 is a substrate, 103 is a p-side electrode, 105 is a p-type semiconductor layer, 107 is a photodetecting layer having quantum dots D, 109 is an n-type semiconductor layer, and 111 is an n-side electrode. In the conventional quantum dot solar cell shown in FIG. 5, a photodetecting layer 107 in which quantum dots D are dispersed and an n-type semiconductor layer 109 are formed in this order on the upper surface side of the p-type semiconductor layer 105. Each of the photodetecting layer 107 and the n-type semiconductor layer 109 has a plate-like structure having substantially the same thickness as long as viewed in cross section, and each of these layers is in relation to the surface of the n-type semiconductor layer 105. It is the structure arrange | positioned so that it may become parallel.
ところが、図５に示すように、光検知層１０７の厚みが平面方向に均一で、ｎ型半導体層１０９が、この光検知層１０７にほぼ平行な状態で配置されているような構造の場合には、入射光側のｎ型半導体層１０９を通過してきた光１１３が光検知層１０７の表面付近で反射した際に、光検知層１０７内の量子ドットＤに再度当たる確率が低くなり、このため吸光率を高くすることが困難となり、量子ドットＤ中で励起されるキャリア（電子、ホール）を増やし難いという問題がある。 However, as shown in FIG. 5, in the case where the thickness of the light detection layer 107 is uniform in the planar direction and the n-type semiconductor layer 109 is arranged in a state substantially parallel to the light detection layer 107. Is, when the light 113 that has passed through the n-type semiconductor layer 109 on the incident light side is reflected in the vicinity of the surface of the light detection layer 107, the probability of hitting the quantum dots D in the light detection layer 107 again is reduced. There is a problem that it is difficult to increase the absorptance and it is difficult to increase the number of carriers (electrons, holes) excited in the quantum dots D.
また、図５に示すような量子ドット型太陽電池の場合には、光１１３が光検知層１０７の深い位置まで到達したとしても、量子ドットＤからｎ型半導体層１０９の位置までの距離が長いことから、光によって励起されたキャリア（この場合、図５ではホールを符号ｈで表している。）のトンネルする経路が長くなり、ｎ型半導体層１０９に到達し難くなるため、電流として取り出せる電荷量が少なくなり、発電効率を高めることが困難となる。 In the case of the quantum dot solar cell as shown in FIG. 5, even if the light 113 reaches a deep position of the light detection layer 107, the distance from the quantum dot D to the position of the n-type semiconductor layer 109 is long. For this reason, the tunneling path of carriers excited by light (in this case, holes are represented by symbol h in FIG. 5) becomes long and difficult to reach the n-type semiconductor layer 109. The amount is reduced and it is difficult to increase the power generation efficiency.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、光検知層における吸光率が高く、発電効率を高めることが可能な量子ドット型太陽電離を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the quantum dot type | mold solar ionization with the high light absorption rate in a photon detection layer, and being able to raise electric power generation efficiency.
本発明の量子ドット型太陽電池は、伝導性のキャリアを有する第１の半導体層と、複数の量子ドットを含む光検知層と、前記キャリアとは極性の異なるキャリアを有する第２の
半導体層とが、この順に積層されてなる量子ドット型太陽電池であって、前記光検知層が凹凸の表面形状をなしているとともに、前記第２の半導体層が前記凹凸に沿う形状であることを特徴とする。
The quantum dot solar cell of the present invention includes a first semiconductor layer having conductive carriers, a photodetecting layer including a plurality of quantum dots, and a second semiconductor layer having carriers different in polarity from the carriers. Is a quantum dot solar cell that is laminated in this order, wherein the photodetecting layer has an uneven surface shape, and the second semiconductor layer has a shape along the unevenness To do.
本発明によれば、光検知層における吸光率が高く、発電効率を高めることが可能な量子ドット型太陽電離を得ることできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light absorption rate in a photon detection layer is high, and the quantum dot type solar ionization which can raise electric power generation efficiency can be obtained.
図１は、本発明の量子ドット型太陽電池の一実施形態を示す断面模式図である。図２は、図１のＡ部を拡大した模式図である。図１に示す量子ドット型太陽電池は、いわゆるｐｉｎ構造の太陽電池であり、下層側の基板１上に、ｐ側電極３、第１の半導体層５であるｐ型半導体膜、多数の量子ドットＤを有する光検知層７、第２の半導体層９であるｎ型半導体層膜およびｎ側電極１１が、この順に積層された構成を有する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the quantum dot solar cell of the present invention. FIG. 2 is an enlarged schematic view of a portion A in FIG. The quantum dot solar cell shown in FIG. 1 is a solar cell having a so-called pin structure, on a lower substrate 1, a p-side electrode 3, a p-type semiconductor film as a first semiconductor layer 5, and a number of quantum dots. The photodetecting layer 7 having D, the n-type semiconductor layer film as the second semiconductor layer 9, and the n-side electrode 11 are stacked in this order.
基板１としては、光透過性であることが望ましく、例えば、ガラス基板やセラミック基板などの無機材料からなる基板の他に、ポリカーボネート（polycarbonate）、ポリエチ
レンテレフタレート（polyethylene terephthalate）などの有機樹脂製の基板も用いることができる。
The substrate 1 is preferably light transmissive, for example, a substrate made of an organic resin such as polycarbonate or polyethylene terephthalate in addition to a substrate made of an inorganic material such as a glass substrate or a ceramic substrate. Can also be used.
ｐ側電極３としては、例えば、アルミニウム（Al）が好適であるが、この他に、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、白金（Pt）、銀（Ag）、金（Au）、銅（Cu）、モリブデン（Mo）、チタン（Ti）、タンタル（Ta）などの金属材料またはこれらの合金を用いることもできる。 As the p-side electrode 3, for example, aluminum (Al) is suitable, but besides this, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), gold (Au), copper ( A metal material such as Cu), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tantalum (Ta), or an alloy thereof can also be used.
ｎ側電極１１としては、太陽光を透過できるような透過性を有する電極材料が好適であり、例えば、インジウムを添加した酸化錫（ITO:Indium Tin Oxide）を適用することが望ましい。この他に、フッ素をドープした酸化錫（FTO）、酸化インジウム（IO）、酸化錫
（SnO2）など他の導電性の金属酸化物を用いることも可能である。
As the n-side electrode 11, an electrode material having transparency that can transmit sunlight is suitable. For example, it is desirable to apply indium tin oxide (ITO) to which indium is added. In addition, other conductive metal oxides such as tin oxide (FTO) doped with fluorine, indium oxide (IO), and tin oxide (SnO 2 ) can also be used.
第１の半導体層５であるｐ型半導体膜としては、周期表１３〜１６族に示されている元素（例えば、Ga、In、Si、Ge、P、Asなど）に対して、原子価の低い元素をドープした半
導体材料が用いられる。
The p-type semiconductor film that is the first semiconductor layer 5 has a valence of an element (for example, Ga, In, Si, Ge, P, As, etc.) shown in groups 13 to 16 of the periodic table. A semiconductor material doped with a low element is used.
第２の半導体層９であるｎ型半導体膜としては、上記した、周期表１３〜１６族に示されている元素に対して、原子価の高い元素をドープした半導体材料が用いられる。 As the n-type semiconductor film that is the second semiconductor layer 9, a semiconductor material doped with an element having a high valence with respect to the elements shown in the periodic tables 13 to 16 is used.
このようにそれぞれの半導体膜に対し、異なる原子価の元素をドープすることによって、第１の半導体層５および第２の半導体層９は伝導性のキャリアを有するものとなる。 As described above, by doping the respective semiconductor films with elements having different valences, the first semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 9 have conductive carriers.
光検知層７は、光電変換機能を示す材料として多数の量子ドットＤを有する構成となっ
ている。ここで、本実施形態の量子ドット型太陽電池における光検知層７は、図２に示すように、光検知層７が凹（７ａ）凸（７ｂ）の表面形状をなしていることを特徴とするものであり、また、この光検知層７の上面側に形成されている第２の半導体層９（ｎ型半導体膜）が光検知層７の凹凸（７ａ７ｂ）に沿う形状である。図２では、量子ドットＤはマトリックス状のポテンシャル障壁（符号８）内に埋設された状態となっている。
The light detection layer 7 has a structure having a large number of quantum dots D as a material exhibiting a photoelectric conversion function. Here, the photodetection layer 7 in the quantum dot solar cell of the present embodiment is characterized in that the photodetection layer 7 has a concave (7a) convex (7b) surface shape as shown in FIG. In addition, the second semiconductor layer 9 (n-type semiconductor film) formed on the upper surface side of the light detection layer 7 has a shape along the unevenness (7a7b) of the light detection layer 7. In FIG. 2, the quantum dots D are embedded in a matrix-like potential barrier (reference numeral 8).
本実施形態の量子ドット型太陽電池では、図２に示すように、光検知層７の表面が断面視で凹凸（７ａ７ｂ）状となっているために、入射光側の第２の半導体層９を通過してきた光１３（以下、太陽光１３という場合がある。）が光検知層７の表面付近で反射した際に、光検知層７内の隣の山の量子ドットＤに再度当たる確率が増える。 In the quantum dot solar cell of this embodiment, as shown in FIG. 2, the surface of the light detection layer 7 is uneven (7a7b) in cross section, and therefore the second semiconductor layer 9 on the incident light side. When the light 13 that has passed through (hereinafter sometimes referred to as sunlight 13) is reflected near the surface of the light detection layer 7, there is a probability that it will again hit the quantum dots D on the adjacent mountain in the light detection layer 7. Increase.
光検知層７がこのように凹凸（７ａ７ｂ）の形状である場合には、上述した従来の量子ドット型太陽電池の光検知層のように、厚みが平面方向に均一で、また、第２の半導体が光検知層にほぼ平行な状態で配置されているような構造の場合に比較して、光検知層７で反射した光１３のうち、再度、近接している他の量子ドットＤに吸収された分だけ、吸光率およびこれによって励起されるキャリア（電子、ホール）数を増やすことが可能となる。 When the photodetection layer 7 has such an uneven shape (7a7b), the thickness is uniform in the plane direction as in the photodetection layer of the conventional quantum dot solar cell described above, and the second Compared to the structure in which the semiconductor is arranged in a state substantially parallel to the light detection layer, the light 13 reflected by the light detection layer 7 is again absorbed by the other quantum dots D that are close to each other. As a result, it is possible to increase the extinction coefficient and the number of carriers (electrons, holes) excited thereby.
また、図２に示した本実施形態の量子ドット型太陽電池の場合には、上述のように、光検知層７の上面側に形成されている第２の半導体層９（ｎ型半導体膜）が光検知層７の凹凸（７ａ７ｂ）に沿う形状であることから、光が光検知層７の深い位置まで到達したとしても、量子ドットＤから第２の半導体層９の位置までの距離の短い箇所が多数あるため（図２では、Ｌ１に比べてＬ２の距離が短い。）、光１３によって励起されたキャリア（図２では、ホールをｈとして表している。）のトンネルする経路が短いものとなる。その結果、量子ドットＤにて励起されたキャリアが第２の半導体層９に到達しやすくなるために、電流として取り出せる電荷量が増加し、発電効率を向上させることが可能となる。 In the case of the quantum dot solar cell of the present embodiment shown in FIG. 2, as described above, the second semiconductor layer 9 (n-type semiconductor film) formed on the upper surface side of the light detection layer 7. Is a shape along the unevenness (7a7b) of the light detection layer 7, so that even if light reaches a deep position of the light detection layer 7, the distance from the quantum dot D to the position of the second semiconductor layer 9 is short. Since there are many locations (in FIG. 2, the distance of L 2 is shorter than L 1 in FIG. 2), there is a path through which carriers excited by the light 13 (holes are represented as h in FIG. 2) are tunneled. It will be short. As a result, the carriers excited by the quantum dots D can easily reach the second semiconductor layer 9, increasing the amount of charge that can be taken out as a current and improving the power generation efficiency.
また、本実施形態の量子ドット型太陽電池において、凹凸（７ａ７ｂ）の側面は垂直ではなく山谷状（図２に示しているように、基板１の表面に垂直ではなく、傾斜している状態）となっていることが好ましい。光検知層７の凹凸（７ａ７ｂ）の形状としては、太陽光１３が、通常、日中において、大地や地平線に対して斜め方向から入射してくる時間が長いことから、太陽光の入射角を考慮したものとするのがよく、太陽光を凹凸（７ａ７ｂ）の側面で受けやすくなるからである。この場合、凹７ａの内角θは３０〜１５０°であることが望ましい。 Further, in the quantum dot solar cell of the present embodiment, the side surfaces of the irregularities (7a7b) are not vertical but are in the form of peaks and valleys (as shown in FIG. 2, not perpendicular to the surface of the substrate 1 but inclined) It is preferable that As the shape of the projections and depressions (7a7b) of the light detection layer 7, the sunlight 13 normally has a long incident time from the oblique direction with respect to the ground and the horizon in the daytime. This is because it is preferable to take into consideration and it becomes easier to receive sunlight on the side surface of the unevenness (7a7b). In this case, the internal angle θ of the recess 7a is desirably 30 to 150 °.
図３は、本発明の量子ドット型太陽電池の他の実施形態を示すもので、光検知層を入射光側から平面視した状態を部分的に示す平面模式図である。図３において、曲線は量子ドットＤがほぼ一列に並んだ状態を模式的に表したものであり、曲線の間隔の狭い部分は図２における凹７ａに対応し、曲線の間隔の広い部分が凸７ｂの部分に対応している。 FIG. 3 shows another embodiment of the quantum dot solar cell of the present invention, and is a schematic plan view partially showing a state in which the light detection layer is viewed in plan from the incident light side. In FIG. 3, the curve schematically represents a state in which the quantum dots D are arranged substantially in a line. The narrow portion of the curve corresponds to the concave portion 7a in FIG. 2, and the wide portion of the curve has a convex shape. This corresponds to the portion 7b.
本実施形態の量子ドット型太陽電池を構成する光検知層７の表面における凹凸７ａ７ｂの形状は、量子ドットＤの並びに基づいた凸７ｂの稜線部および凹７ａの最深部が直線状だけでなく、図３に示すように曲がりくねった曲線状であってもよい。この場合、凹凸７ａ７ｂが曲線状というのは、凹凸７ａ７ｂを平面視したときに、いわゆる海洋の波のように不定形の形状までも含む意である。凹凸７ａ７ｂの稜線や最深部が曲線状である場合には、光検知層７を光１３の入射光側から平面視したときに、量子ドットＤの並んだ方向が平面内の場所によって種々変化した状態であるため、太陽光１３の入射する方向や入射角が変化しても、光検知層７に含まれる量子ドットＤのうちの一部は太陽光１３の入射する方向に対して垂直な方向に並んだ向き（図３において、太陽光１３の矢印に対してほぼ垂直な方向）となる。その結果、光１３が最初に当たった量子ドットＤから反射した光１３
の一部を隣の量子ドットＤに当てる機能を絶えず維持することができ、吸光率やこれによって励起されるキャリア（電子、ホール）数を増加させるという効果をさらに高めることが可能となる。
As for the shape of the unevenness 7a7b on the surface of the light detection layer 7 constituting the quantum dot solar cell of the present embodiment, the ridgeline part of the protrusion 7b and the deepest part of the recess 7a based on the alignment of the quantum dots D are not only linear, As shown in FIG. 3, it may be a curved curve. In this case, the unevenness 7a7b has a curved shape, which means that when the unevenness 7a7b is viewed in plan, it includes an irregular shape such as a so-called ocean wave. When the ridge line and the deepest part of the unevenness 7a7b are curved, when the light detection layer 7 is viewed in plan from the incident light side of the light 13, the direction in which the quantum dots D are arranged varies depending on the place in the plane. Therefore, even if the incident direction and the incident angle of the sunlight 13 change, some of the quantum dots D included in the light detection layer 7 are perpendicular to the incident direction of the sunlight 13. (In FIG. 3, in a direction substantially perpendicular to the arrow of sunlight 13). As a result, the light 13 reflected from the quantum dot D that the light 13 first hit.
Can be maintained constantly, and the effect of increasing the absorptance and the number of carriers (electrons, holes) excited thereby can be further enhanced.
図４は、本発明の量子ドット型太陽電池の他の実施形態を示すものであり、光検知層がコアシェル構造の量子ドットによって構成されていることを模式的に示す断面図である。 FIG. 4 shows another embodiment of the quantum dot solar cell of the present invention, and is a cross-sectional view schematically showing that the light detection layer is composed of quantum dots having a core-shell structure.
本実施形態の量子ドット型太陽電池では、量子ドットＤが、半導体粒子をコア部Ｃとし、コア部の周囲を取り巻くシェル部Ｓをポテンシャル障壁層とするコアシェル型の複合粒子であることが望ましい。 In the quantum dot solar cell of the present embodiment, it is desirable that the quantum dots D are core-shell type composite particles in which the semiconductor particles are the core portion C and the shell portion S surrounding the core portion is the potential barrier layer.
量子ドットＤがコアシェル型の複合粒子であると、コア部Ｃである半導体粒子の周囲に形成されるポテンシャル障壁層の厚みｔをほぼ等しいものとすることが可能になる（図４ではｔ１がｔ２にほぼ等しい。）。これによりポテンシャル障壁層を介して配置される半導体粒子の間隔をより均等なものとすることができる。 When the quantum dot D is a core-shell type composite particle, the thickness t of the potential barrier layer formed around the semiconductor particle as the core portion C can be made substantially equal (in FIG. 4, t 1 is approximately equal to t 2 ). Thereby, the interval between the semiconductor particles arranged via the potential barrier layer can be made more uniform.
半導体粒子を取り巻くポテンシャル障壁層の厚みが等しいものに近くなると、光検知層７に入射する太陽光１３の角度（入射角）が変化した場合にも、入射光側に位置する第２の半導体層９と半導体粒子との間の距離（ポテンシャル障壁層の厚みに相当）のばらつきを小さくすることができる。このため半導体粒子内において励起されたキャリアの経路差が小さくなり、光検知層７内での抵抗によるｎ型半導体層９に到達する電荷量の低下を抑えることができる。その結果、太陽電池の発電効率を向上させることが可能となる。 When the thickness of the potential barrier layer surrounding the semiconductor particles becomes close to the same, the second semiconductor layer located on the incident light side even when the angle (incident angle) of the sunlight 13 incident on the light detection layer 7 changes. Variations in the distance between the semiconductor particles 9 and the semiconductor particles (corresponding to the thickness of the potential barrier layer) can be reduced. For this reason, the path difference of the excited carriers in the semiconductor particles is reduced, and a decrease in the amount of charge reaching the n-type semiconductor layer 9 due to resistance in the light detection layer 7 can be suppressed. As a result, the power generation efficiency of the solar cell can be improved.
このようなコアシェル構造の量子ドットＤを構成するシェル部（ポテンシャル障壁層）としては、例えば、半導体材料がシリコンの場合、シリコンのエネルギーギャップ（１．１ｅＶ）よりも高いものとなる。この場合、エネルギーギャップは、１．３〜３．０ｅＶであることが望ましい。なお、図２における量子ドットＤを埋設するように周囲に形成されているマトリックス（符号８）のエネルギーギャップも同様の範囲となる。 For example, when the semiconductor material is silicon, the shell portion (potential barrier layer) constituting the quantum dot D having such a core-shell structure is higher than the energy gap (1.1 eV) of silicon. In this case, the energy gap is desirably 1.3 to 3.0 eV. In addition, the energy gap of the matrix (code | symbol 8) formed in the circumference | surroundings so that the quantum dot D in FIG. 2 may be embedded becomes the same range.
次に、本実施形態の量子ドット型太陽電池を製造する方法について説明する。本実施形態における量子ドットＤは、例えば、上述した半導体材料を含む金属化合物の溶液からバイオミネラリゼーションにより金属成分を析出させる方法により得ることができる。 Next, a method for manufacturing the quantum dot solar cell of this embodiment will be described. The quantum dots D in the present embodiment can be obtained, for example, by a method of depositing a metal component by biomineralization from a solution of a metal compound containing the semiconductor material described above.
まず、上述した半導体粒子を主成分とする金属化合物と溶媒とフェリチンとを準備し、加熱しながら混合して半導体粒子を合成する。金属化合物としては、Ｓｉを含む化合物の例として、例えば、ケイ酸ナトリウム、ヘキサフルオロケイ酸塩、有機シラン等から選ばれる１種を用いる。一方、フェリチンとしてはアポフェリチン（ウマ脾臓由来）溶液を準備し、これに上記のＳｉを含む化合物を添加する。ここでｐＨは７〜１０程度であるのがよい。 First, a metal compound containing the above-described semiconductor particles as a main component, a solvent, and ferritin are prepared and mixed while heating to synthesize semiconductor particles. As an example of a compound containing Si, for example, one kind selected from sodium silicate, hexafluorosilicate, organosilane, and the like is used as the metal compound. On the other hand, an apoferritin (horse spleen-derived) solution is prepared as ferritin, and the above-mentioned compound containing Si is added thereto. Here, the pH is preferably about 7 to 10.
次に、アポフェリチン（ウマ脾臓由来）溶液にＳｉを含む化合物を分散させておいて、フェリチンの内壁にＳｉを金属として付着させる。フェリチンはタンパク質であることからバイオ的なサイズの制御が可能となり、そのサイズはフェリチンの内部空間の容積に制限されるため、球形状に近い粒子の合成も可能であり、また、粒径のばらつきの小さいものを得ることができる。 Next, a compound containing Si is dispersed in an apoferritin (horse spleen-derived) solution, and Si is adhered to the inner wall of ferritin as a metal. Since ferritin is a protein, it is possible to control the bio-size, and because the size is limited by the volume of the internal space of ferritin, it is possible to synthesize particles that are close to a spherical shape, and the variation in particle size You can get a small one.
次に、合成した半導体粒子をフェリチン内から取り出す。この場合、例えば、フェリチン溶液にアルカリ水溶液を加えて、溶液のｐＨを１０以上とし、フェリチンを溶解させることにより行う。 Next, the synthesized semiconductor particles are taken out from the ferritin. In this case, for example, an alkaline aqueous solution is added to the ferritin solution so that the pH of the solution is 10 or more and ferritin is dissolved.
次に、得られた半導体粒子を溶媒中に分散させてスラリーを作製する。溶媒としては、水または水とアセトニトリル等との水溶性有機溶媒の混合物などの水性溶媒が好ましい。 Next, the obtained semiconductor particles are dispersed in a solvent to prepare a slurry. The solvent is preferably an aqueous solvent such as water or a mixture of water-soluble organic solvents such as water and acetonitrile.
次に、半導体粒子を含むスラリー中に、予め、ｐ側電極３およびｐ型半導体膜（第１の半導体層５）を形成しておいた基板１を浸漬して引き上げる方法によって、基板１のｐ型半導体膜の表面に半導体粒子（量子ドットＤ）を堆積させる。このときスラリーの入った容器に振動を与える。容器を介してスラリーに振動を与えることによって、基板１を引き上げる際に形成される光検知層７となる膜に凹凸７ａ７ｂが形成される。この場合、凹凸７ａ７ｂが交互に並んだ方向は基板１を引き上げる方向となる。振動源としては、振幅の小さい振動を与えることができるという点で、超音波発生装置や圧電型のアクチュエータなどが好適である。なお、凹凸７ａ７ｂの形状を山谷状とする場合、凹の角度θを変化させる場合および凹凸７ａ７ｂの周期や振幅を変化させる場合には、基板１の引上げ速度および振動条件を変更することによって調整する。 Next, p of the substrate 1 is formed by immersing and pulling up the substrate 1 on which the p-side electrode 3 and the p-type semiconductor film (first semiconductor layer 5) are formed in advance in a slurry containing semiconductor particles. Semiconductor particles (quantum dots D) are deposited on the surface of the type semiconductor film. At this time, vibration is applied to the container containing the slurry. By applying vibration to the slurry through the container, the unevenness 7a7b is formed on the film that becomes the light detection layer 7 formed when the substrate 1 is pulled up. In this case, the direction in which the irregularities 7a7b are alternately arranged is the direction in which the substrate 1 is pulled up. As the vibration source, an ultrasonic generator, a piezoelectric actuator, or the like is preferable in that vibration with a small amplitude can be applied. When the shape of the unevenness 7a7b is a mountain-valley shape, when the concave angle θ is changed, and when the period and amplitude of the unevenness 7a7b are changed, adjustment is made by changing the pulling speed and vibration conditions of the substrate 1. .
次に、量子ドットＤを堆積させた基板１をアルゴンまたは窒素などの不活性ガス中、又は、水素を含む還元ガス中にて、３００〜６００℃の温度に加熱して半導体粒子を焼結させる。この場合、半導体粒子の表面に形成された酸化膜がマトリックスまたはシェル部（ポテンシャル障壁層）となる。こうして基板１のｐ型の半導体層５の表面に凹凸７ａ７ｂを有する光検知層７を形成することができる。 Next, the semiconductor particles are sintered by heating the substrate 1 on which the quantum dots D are deposited in an inert gas such as argon or nitrogen or a reducing gas containing hydrogen to a temperature of 300 to 600 ° C. . In this case, the oxide film formed on the surface of the semiconductor particle becomes a matrix or a shell part (potential barrier layer). Thus, the light detection layer 7 having the unevenness 7a7b on the surface of the p-type semiconductor layer 5 of the substrate 1 can be formed.
次に、光検知層７の表面に第２の半導体層９としてｎ型半導体膜を形成する。このときｎ型半導体膜は光検知層７の表面形状に沿うように形成される。成膜には、先に形成した光検知層７の形状を破壊し難いという理由から、スパッタ法、分子線エピタキシ法、レーザーアブレーション法などの物理的方法を用いるのが良い。 Next, an n-type semiconductor film is formed as the second semiconductor layer 9 on the surface of the light detection layer 7. At this time, the n-type semiconductor film is formed along the surface shape of the light detection layer 7. For film formation, it is preferable to use a physical method such as sputtering, molecular beam epitaxy, or laser ablation because it is difficult to destroy the shape of the previously formed photodetection layer 7.
次に、ｎ型半導体９の表面にｎ側電極１１を形成（成膜）する。こうして本実施形態の量子ドット型太陽電池が得られる。 Next, the n-side electrode 11 is formed (film formation) on the surface of the n-type semiconductor 9. Thus, the quantum dot solar cell of this embodiment is obtained.
以上より得られる量子ドット型太陽電池は、光検知層７が凹凸７ａ７ｂの表面形状をなしているとともに、第２の半導体層９が光検知層７の凹凸７ａ７ｂに沿う形状であることから、光検知層７における吸光率および発電効率を高めることが可能となる。 In the quantum dot solar cell obtained as described above, the light detection layer 7 has the surface shape of the unevenness 7a7b, and the second semiconductor layer 9 has a shape along the unevenness 7a7b of the light detection layer 7. It is possible to increase the absorbance and the power generation efficiency in the detection layer 7.
１・・・・・・・基板
３・・・・・・・ｐ側電極
５・・・・・・・第１の半導体層
７・・・・・・・光検知層
９・・・・・・・第２の半導体層
１１・・・・・・ｎ側電極
１３・・・・・・光（太陽光）
Ｄ・・・・・・・量子ドット
Ｃ・・・・・・・コア部
Ｓ・・・・・・・シェル部
ｈ・・・・・・・ホール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ..... Board | substrate 3 ..... P side electrode 5 .... 1st semiconductor layer 7 ..... Photodetection layer 9 ... .. Second semiconductor layer 11... N-side electrode 13... Light (sunlight)
D ····· Quantum dot C ···················································
Claims (4)
前記光検知層が凹凸の表面形状をなしているとともに、前記第２の半導体層が前記凹凸に沿う形状であることを特徴とする量子ドット型太陽電池。 A quantum dot formed by laminating a first semiconductor layer having conductive carriers, a photodetecting layer including a plurality of quantum dots, and a second semiconductor layer having carriers having different polarities from the carriers in this order. Type solar cell,
The quantum dot solar cell, wherein the photodetecting layer has an uneven surface shape, and the second semiconductor layer has a shape along the unevenness.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2013131775A JP2015005707A (en) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Quantum dot type solar cell |
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| JP2013131775A JP2015005707A (en) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Quantum dot type solar cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015005707A true JP2015005707A (en) | 2015-01-08 |
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ID=52301343
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| JP2013131775A Pending JP2015005707A (en) | 2013-06-24 | 2013-06-24 | Quantum dot type solar cell |
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| JP (1) | JP2015005707A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017117933A (en) * | 2015-12-24 | 2017-06-29 | 京セラ株式会社 | Photoelectric converter |
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2013
- 2013-06-24 JP JP2013131775A patent/JP2015005707A/en active Pending
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