JP2017135280A - Photoelectric conversion film and photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換膜および光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion film and a photoelectric conversion device.
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)。 In recent years, attempts have been made to apply quantum dots to photoelectric conversion films for the purpose of improving the photoelectric conversion efficiency of solar cells (see, for example, Patent Document 1).
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。 The photoelectric conversion efficiency of a solar cell using quantum dots is related to the total amount of carriers generated in a photoelectric conversion film in which quantum dots are integrated.
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。 However, since the photoelectric conversion film in which quantum dots are simply integrated into a film is based on the quantum effect, the light that can be absorbed is light having a wavelength of energy corresponding to the band gap. In some cases, the amount of light absorption cannot be increased.
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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion film and a photoelectric conversion device that can increase the amount of light absorption.
本発明の光電変換膜は、複数の量子ドットが集積され、直径が可視光領域から近赤外領域までの波長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いる。 In the photoelectric conversion film of the present invention, a plurality of quantum dots are integrated, and a plurality of quantum dot rods having a diameter in the wavelength range from the visible light region to the near infrared region are arranged in an array.
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。 The photoelectric conversion device of the present invention is a photoelectric conversion device including a photoelectric conversion layer between two conductor layers, and the photoelectric conversion layer is the photoelectric conversion film.
本発明によれば、光吸収量を高めることができる。 According to the present invention, the amount of light absorption can be increased.
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。 FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a part of an embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. The following embodiments and drawings are given as examples for enabling those skilled in the art to understand the idea of the present invention. Therefore, it goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments and drawings presented below, and can be embodied in other forms.
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。
The photoelectric conversion device shown in FIG. 1 has a configuration in which a
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。
The
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。
In this case, the basic shape of the
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。
The
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。
According to the
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。
Here, the diameter D of the
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。
Moreover, in this
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。
When silicon is used for the
0) is suitable.
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。
Therefore, when the diameter of the
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。
Further, in this photoelectric conversion film, it is desirable that the
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。
The
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。
It is desirable that the gap between the
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。
If the length of the
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。 FIG. 2 shows another aspect of the present embodiment, and is a schematic view in which a photoelectric conversion film is partially enlarged.
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。
The
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。
FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a state in which the quantum dot rod has two types of organic molecules in the length direction. For example, as shown in FIG. 3,
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。
When the
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。 Various semiconductor materials are applied as the material of the quantum dots described above, and those having an energy gap (Eg) of 0.15 to 4.50 ev are suitable. Specific semiconductor materials include germanium (Ge), silicon (Si), gallium (Ga), indium (In), arsenic (As), antimony (Sb), copper (Cu), iron (Fe), zinc ( It is desirable to use any one selected from Zn), sulfur (S), lead (Pb), tellurium (Te) and selenium (Se), or a compound or oxide thereof.
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。 Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of this embodiment is demonstrated. FIG. 4 is a process diagram showing a method for manufacturing the photoelectric conversion device of this embodiment. First, a phosphorus-doped silicon substrate is prepared.
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。
Next, the
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。
Next, as shown in FIG. 4B,
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。
Next, as shown in FIG. 4C, an insulating
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。
Next, the following steps are performed so as to obtain the photoelectric conversion device shown in FIG. A boron-doped
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。 Hereinafter, a photoelectric conversion device was prepared by the above-described method, and the light absorption amount was evaluated. In this case, the short circuit current density was measured as an evaluation of the amount of light absorption.
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。 First, the phosphorus-doped silicon substrate has a thickness of 0.5 mm, and silver (Ag) is used for the first conductor layer. Indium tin oxide (ITO) was used for the second conductor layer. Si particles (average particle diameter: 5 nm) were used for the quantum dots. As the insulating material, SiO 2 was formed by a CVD method.
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。 Next, the cross section of the produced photoelectric conversion film was observed with an electron microscope, and the size of the quantum dot rod was confirmed. The produced photoelectric conversion device had an average diameter of quantum dot rods of 900 nm, an average length of 1 μm, and an average interval of 100 nm. The average thickness of the first conductor layer was 0.1 μm, and the average thickness of the second conductor layer was 0.3 μm.
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。 Moreover, a lead wire was connected between the first conductor layer and the second conductor layer of the obtained photoelectric conversion film, and the I-V characteristics were measured by irradiating 1 SUN sunlight, and the short-circuit current density was obtained.
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。
As a comparative example, a sample having a quantum dot rod diameter of 30 nm was prepared and evaluated in the same manner.
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
3...
Claims (6)
(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4に記載の光電変換膜。 The organic molecule is tetrabutylammonium iodide (TBAI), 1,2-ethanedithiol (1,2-Ethanedithiol (EDT)), trioctylphosphine (TOP), trioctylphosphine oxide ( trioctylphosphine oxide (TOPO)), oleic acid, oleylamine, octylamine, trioctylamine, hexadecylamine, octanethiol, dodecanethiol, hexylphosphonic acid (HPA), tetradecylphosphonic acid (TDPA), octylphosphinic acid (OPA) And at least one selected from the group consisting of polyoxyethylene and the photoelectric conversion film according to claim 4.
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