JP2012235071A

JP2012235071A - Solar cell

Info

Publication number: JP2012235071A
Application number: JP2011104591A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Kuzumoto; 恭崇葛本; Hirofumi Yoshikawa; 弘文吉川; Makoto Izumi; 真和泉
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】短絡電流密度が大きい電流を出力することができる太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽電池は、ｐ型半導体層２と、ｎ型半導体層４と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層８とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有する。
【選択図】図１A solar cell capable of outputting a current having a high short-circuit current density is provided.
A solar cell includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The semiconductor layer is formed by alternately stacking a barrier layer and a quantum dot layer made of quantum dots surrounded by a semiconductor material constituting the barrier layer, and the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and the superlattice layer. It has a stacked structure in which intermediate bands are formed in both the direction perpendicular to the thickness direction of the lattice semiconductor layer.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、超格子構造を有する太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell having a superlattice structure.

太陽電池は、より広い波長範囲の光を光電変換に利用し光電変換効率を高めるために様々な研究開発が行われている。例えば、量子ドット技術を利用して価電子帯と伝導帯との間に中間バンドを設け、価電子帯の電子を二段階で伝導帯に励起することにより、より長波長の光を光電変換に利用する太陽電池が提案されている（例えば、非特許文献１）。 Various research and development have been conducted on solar cells in order to increase the photoelectric conversion efficiency by using light in a wider wavelength range for photoelectric conversion. For example, using quantum dot technology, an intermediate band is provided between the valence band and the conduction band, and electrons in the valence band are excited into the conduction band in two steps, thereby converting light with a longer wavelength into photoelectric conversion. The solar cell to utilize is proposed (for example, nonpatent literature 1).

特許文献１および特許文献２では、トンネル障壁を有し無機マトリックス内に埋め込まれた複数の量子ドットを備える中間バンド太陽電池やエネルギー囲み障壁に埋設された量子ドットを有する中間バンド太陽電池が提案されている。
このような量子ドットを有する中間バンド太陽電池は、化合物太陽電池に量子ドット層を含んだ超格子半導体層をｉ層として挿入したものである。量子ドットを有する中間バンド太陽電池は、母体半導体材料中に量子ドット層からなる超格子半導体層を挿入することで、図１４（ｂ）に示すように、量子ドット間の電子的結合により、超格子半導体層の厚さ方向に中間バンドを形成する。この中間バンドを介した二段階の光励起によって、図１４（ａ）のような一般的な太陽電池では吸収できなかった、母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギー光子の吸収が可能となる。 In Patent Document 1 and Patent Document 2, an intermediate band solar cell having a plurality of quantum dots having a tunnel barrier and embedded in an inorganic matrix and an intermediate band solar cell having quantum dots embedded in an energy enclosure barrier are proposed. ing.
An intermediate band solar cell having such quantum dots is a compound solar cell in which a superlattice semiconductor layer including a quantum dot layer is inserted as an i layer. As shown in FIG. 14B, an intermediate band solar cell having quantum dots can be obtained by inserting a superlattice semiconductor layer composed of a quantum dot layer into a base semiconductor material. An intermediate band is formed in the thickness direction of the lattice semiconductor layer. The two-stage photoexcitation via the intermediate band enables absorption of energy photons smaller than the band gap of the base semiconductor material, which could not be absorbed by a general solar cell as shown in FIG.

そして、光子によって生成したキャリアは、中間バンドおよび伝導帯、又は価電子帯を移動して、ｐ型およびｎ型の半導体領域から外部へ取り出すことができる。
つまり、量子ドットを有する中間バンド太陽電池は、一般的な太陽電池では利用できなかった波長域の光を光電変換し電流として外部に取り出すことができるため、一般的な太陽電池よりも短絡電流密度を増加させることができると考えられている。 Then, carriers generated by photons can move out of the p-type and n-type semiconductor regions by moving through the intermediate band and the conduction band or the valence band.
In other words, an intermediate band solar cell having quantum dots can photoelectrically convert light in a wavelength region that could not be used in a general solar cell and take it out as a current, so that the short circuit current density is higher than that of a general solar cell. It is believed that can be increased.

図１５（ａ）は、従来の量子ドットを有する太陽電池の超格子半導体層近傍の概略断面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図であり、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の点線Ｅ−Ｅにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図である。なお、図１５（ｂ）、（ｃ）において、ｐｉｎ接合により生じる内部電界は無視している。また、図１５（ｂ）、（ｃ）において、量子ドット１０５の量子準位は中間バンドを形成する準位のみを示しており、また、電子が存在できるバンドを斜線で示している。
また、図１６は、図１５(ａ)の点線で囲んだ範囲Ｆにおける超格子半導体層の拡大断面図であり、中間バンドを伝導する電子を説明するための説明図である。 FIG. 15A is a schematic cross-sectional view of the vicinity of a superlattice semiconductor layer of a solar cell having conventional quantum dots, and FIG. 15B is a superlattice semiconductor taken along one-dot chain line DD in FIG. FIG. 15C is a schematic band diagram showing the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer along the dotted line EE of FIG. 15A. It is. In FIGS. 15B and 15C, the internal electric field generated by the pin junction is ignored. In FIGS. 15B and 15C, the quantum level of the quantum dot 105 shows only the level that forms the intermediate band, and the band in which electrons can exist is indicated by hatching.
FIG. 16 is an enlarged cross-sectional view of the superlattice semiconductor layer in a range F surrounded by a dotted line in FIG. 15A, and is an explanatory diagram for explaining electrons conducted in the intermediate band.

従来の量子ドットを有する太陽電池は、図１５（ａ）のように量子ドット１０５からなる量子ドット層１１０と障壁層１０６とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層１０８がｐ型半導体層１０２とｎ型半導体層１０４とに挟まれた構造を有している。
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）のように、この太陽電池に含まれる量子ドット１０５は、障壁層１０６の材料よりも狭いバンドギャップを有する材料からなる微粒子であり、量子ドット１０５の伝導帯は障壁層１０６により閉じ込められ、量子準位となっている。
このような太陽電池は、超格子半導体層１０８の厚さ方向（ｚ方向）の量子ドット１０５の直径ｔ_aと隣接する２つの量子ドット１０５の間隔ｔ_bとを制御することにより、ｚ方向に隣接する２つの量子ドットの量子準位の波動関数を相互作用させ、図１５（ｂ）のようにｚ方向に中間バンドを発生させている。このため、価電子帯の電子は、中間バンドを介した２段階光励起により伝導帯に励起可能となり、母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギー光子を利用した光電変換が可能となっている。 In a conventional solar cell having quantum dots, a superlattice semiconductor layer 108 in which quantum dot layers 110 and barrier layers 106 made of quantum dots 105 are alternately and repeatedly stacked as shown in FIG. And the n-type semiconductor layer 104.
As shown in FIGS. 15A, 15B, and 15C, the quantum dots 105 included in the solar cell are fine particles made of a material having a narrower band gap than the material of the barrier layer 106. The band is confined by the barrier layer 106 and has a quantum level.
Such a solar cell controls the diameter t _a of the quantum dot 105 in the thickness direction (z direction) of the superlattice semiconductor layer 108 and the interval t _b between two adjacent quantum dots 105 in the z direction. The wave functions of the quantum levels of two adjacent quantum dots are allowed to interact to generate an intermediate band in the z direction as shown in FIG. For this reason, electrons in the valence band can be excited to the conduction band by two-step photoexcitation via the intermediate band, and photoelectric conversion using energy photons smaller than the band gap of the base semiconductor material is possible.

特表２００９−５２０３５７号公報JP-T 2009-520357 特表２０１０−５０９７７２号公報Special table 2010-509772

ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年PHYSICAL REVIEW LETTERS, 97, 247701, 2006

しかし、従来の量子ドットを有する中間バンド太陽電池では、実際に出力される短絡電流密度が小さいという課題がある。この原因は明らかではないが、キャリアパスとなる中間バンド内に欠陥等のキャリアトラップが存在するためと考えられる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、短絡電流密度が大きい電流を出力することができる太陽電池を提供する。 However, the intermediate band solar cell having the conventional quantum dots has a problem that the actually output short-circuit current density is small. The cause of this is not clear, but it is considered that a carrier trap such as a defect exists in an intermediate band serving as a carrier path.
This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the solar cell which can output the electric current with a large short circuit current density.

本発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする太陽電池を提供する。 The present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer includes a barrier layer, A quantum dot layer composed of quantum dots surrounded by a semiconductor material constituting the barrier layer is alternately stacked a plurality of times, and the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and the thickness direction of the superlattice semiconductor layer A solar cell is provided that has a stacked structure in which intermediate bands are formed in both directions perpendicular to each other.

本発明によれば、超格子半導体層の厚さ方向と、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向（量子ドット層の面内方向）との両方に中間バンドを形成することができるため、価電子帯から中間バンドに励起された電子は、超格子半導体層の厚さ方向と、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に伝導することができる。このため、中間バンドに励起された電子は、内部電界によって超格子半導体層の厚さ方向に伝導するが、フォノン散乱等によって、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向への移動も可能となる。このことにより、たとえ中間バンド内に欠陥等のキャリアトラップが存在したとしても、中間バンドを伝導する電子がトラップを回避して移動することが可能となり、中間バンドを伝導する電子が伝導帯に励起される確率を高くすることができる。その結果、中間バンドを介して伝導帯に励起される電子を多くすることができ、太陽電池が出力することができる短絡電流密度を高くすることができる。 According to the present invention, an intermediate band can be formed both in the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and in the direction orthogonal to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer (in-plane direction of the quantum dot layer). Electrons excited from the valence band to the intermediate band can be conducted both in the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and in the direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer. For this reason, electrons excited in the intermediate band are conducted in the thickness direction of the superlattice semiconductor layer by an internal electric field, but can also move in a direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer by phonon scattering or the like. It becomes. As a result, even if there is a carrier trap such as a defect in the intermediate band, electrons passing through the intermediate band can move while avoiding the trap, and the electrons passing through the intermediate band are excited to the conduction band. The probability of being made can be increased. As a result, the number of electrons excited to the conduction band through the intermediate band can be increased, and the short-circuit current density that can be output from the solar cell can be increased.

（ａ）は本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層などの概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図であり、（ｃ）は（ａ）の点線Ｂ−Ｂにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図である。(A) is schematic sectional drawing of the superlattice semiconductor layer etc. which are contained in the solar cell of one Embodiment of this invention, (b) is the conduction band of the superlattice semiconductor layer in the dashed-dotted line AA of (a). It is a schematic band diagram which shows an energy level, (c) is a schematic band diagram which shows the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer in the dotted line BB of (a). 図１(ａ)の点線で囲んだ範囲Ｃにおける超格子半導体層の拡大断面図であり、中間バンドを伝導する電子を説明するための説明図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a superlattice semiconductor layer in a range C surrounded by a dotted line in FIG. 1A, and is an explanatory diagram for explaining electrons conducted in an intermediate band. 本発明の一実施形態の太陽電池の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the solar cell of one Embodiment of this invention. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算されたｒ_aとｒ_bとの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the calculated r _a and r _b in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算されたｒ_aとｒ_bとの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the calculated r _a and r _b in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算された結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result calculated in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算されたｒ_aとｒ_bとの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the calculated r _a and r _b in the simulation experiment. シミュレーション実験において計算されたｒ_aとｒ_bとの関係をまとめたグラフである。Is a graph summarizing the relationship between the calculated r _a and r _b in the simulation experiment. (ａ)は従来の一般的な太陽電池の概略バンド図であり、（ｂ）は中間バンド太陽電池の概略バンド図である。(a) is a schematic band figure of the conventional common solar cell, (b) is a schematic band figure of an intermediate | middle band solar cell. （ａ）は従来の中間バンド太陽電池に含まれる超格子半導体層などの概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図であり、（ｃ）は（ａ）の点線Ｅ−Ｅにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図である。(A) is schematic sectional drawing of the superlattice semiconductor layer etc. which are contained in the conventional intermediate | middle band solar cell, (b) is the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer in the dashed-dotted line DD of (a). (C) is a schematic band diagram which shows the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer in the dotted line EE of (a). 図１５(ａ)の点線で囲んだ範囲Ｆにおける超格子半導体層の拡大断面図であり、中間バンドを伝導する電子を説明するための説明図である。FIG. 16 is an enlarged cross-sectional view of a superlattice semiconductor layer in a range F surrounded by a dotted line in FIG. 15A, and is an explanatory diagram for explaining electrons conducted in an intermediate band.

本発明の太陽電池は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする。 The solar cell of the present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, A barrier layer and a quantum dot layer composed of quantum dots surrounded by a semiconductor material constituting the barrier layer are alternately stacked a plurality of times, and the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and the superlattice semiconductor layer It has a stacked structure in which an intermediate band is formed in both the direction orthogonal to the thickness direction.

本発明において、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる２つの層が繰り返し積層された構造であり、バンドギャップが小さい層の電子波動関数と、隣接するバンドギャップが小さい層の電子波動関数が、大きく相互作用する構造をいう。また、バンドギャップが大きい層を障壁層と呼び、小さい層を井戸層と呼ぶ。なお、量子ドット層は井戸層である。 In the present invention, the superlattice structure is a structure in which two layers each made of a semiconductor and having different band gaps are repeatedly laminated. The electron wave function of a layer having a small band gap and the electrons of adjacent layers having a small band gap. A structure in which wave functions interact greatly. A layer having a large band gap is called a barrier layer, and a layer having a small band gap is called a well layer. The quantum dot layer is a well layer.

量子ドットとは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。
量子ドット層とは、複数の量子ドットを含む層のことを指し、超格子構造の井戸層となる。
量子準位とは、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。
障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
中間バンドとは、超格子構造の井戸層の電子の波動関数が隣接井戸の波動関数と相互作用し、量子井戸の量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ形成されるバンドをいう。尚、本発明において、中間バンドの幅が室温のエネルギーに相当する２６ｍｅＶ以上である場合を、中間バンドが形成されている状態と定義する。通常太陽電池は、室温以上の温度で用いられるため、２６ｍｅＶ以上の中間バンド幅を有していれば、通常の太陽電池の利用条件下において中間バンド内をキャリアが移動できることを意味している。 A quantum dot is a semiconductor fine particle having a particle size of 100 nm or less, and is a fine particle surrounded by a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dot.
The quantum dot layer refers to a layer including a plurality of quantum dots, and becomes a well layer having a superlattice structure.
A quantum level means the discrete energy level of the electron of a quantum dot.
The barrier layer is made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dots, and constitutes a superlattice structure.
The intermediate band is a band in which the electron wave function of a well layer having a superlattice structure interacts with the wave function of an adjacent well, and a resonant tunneling effect occurs between quantum levels of quantum wells. In the present invention, a case where the width of the intermediate band is 26 meV or more corresponding to room temperature energy is defined as a state where the intermediate band is formed. Since a normal solar cell is used at a temperature of room temperature or higher, if it has an intermediate band width of 26 meV or higher, it means that carriers can move in the intermediate band under the usage conditions of a normal solar cell.

本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記量子ドットの第１量子準位により前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することが好ましい。
第２以上の量子準位に存在するキャリアの数割は、緩和により第１量子準位にエネルギーが低下する。ここで、面内方向（超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向）の中間バンドが、第１量子準位について形成されていた場合には、第２以上の量子準位から第１量子準位にエネルギーが低下したキャリアを、面内方向の中間バンドを介して伝導させることができる。よって、量子ドット層面内方向の中間バンドが、第１量子準位について形成されていれば、キャリアを効率的に電流として取り出すことができる。
本発明の太陽電池において、前記障壁層は、ＧａＡｓからなり、前記量子ドット層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）からなることが好ましい。
このような構成によれば、障壁層の材料に禁制帯幅が約１.４２ｅＶのＧａＡｓを用いることにより、太陽電池の光起電力を十分に大きくすることができ、また、量子ドットの材料にＧａＡｓより狭い禁制帯幅を有するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓを用いることにより量子ドット内の電子を３次元的に閉じ込めることができ、量子サイズ効果を発現させ、中間バンドを形成させることが可能となる。
また、ＧａＡｓとＩｎ_xＧａ_1-xＡｓの格子定数の差により、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓの結晶成長においてＳＫモード成長を生じさせることができ、量子ドットを容易に形成することができる。 In the solar cell of the present invention, the superlattice semiconductor layer is laminated such that an intermediate band is formed in a direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer by the first quantum level of the quantum dots. It preferably has a structure.
The number of carriers present in the second and higher quantum levels is reduced in energy to the first quantum level due to relaxation. Here, in the case where an intermediate band in the in-plane direction (direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer) is formed for the first quantum level, the first quantum from the second or higher quantum level. Carriers whose energy has been reduced to the level can be conducted through the intermediate band in the in-plane direction. Therefore, if an intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer is formed for the first quantum level, carriers can be efficiently extracted as a current.
In the solar cell of the present invention, the barrier layer is preferably made of GaAs, and the quantum dot layer is preferably made of In _x Ga _1-x As (0 <x ≦ 1).
According to such a configuration, by using GaAs having a forbidden band width of about 1.42 eV as the material of the barrier layer, the photovoltaic power of the solar cell can be sufficiently increased. By using In _x Ga _1-x As, which has a narrower forbidden band than GaAs, electrons in the quantum dot can be confined three-dimensionally, a quantum size effect can be exhibited, and an intermediate band can be formed. Become.
Further, due to the difference in lattice constant between GaAs and In _x Ga _1-x As, SK mode growth can be caused in the crystal growth of In _x Ga _1-x As, and quantum dots can be easily formed.

本発明の太陽電池において、前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の前記量子ドットの直径をｒ_aとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する２つの前記量子ドット間の距離をｒ_bとしたとき、3.2 ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．９以下であることが好ましい。
障壁層がＧａＡｓ、量子ドットがＩｎ_xＧａ_1-xＡｓの量子ドット層を用いた太陽電池において、その効果を十分に発揮できるのは、０．４≦ｘ≦１．０の範囲である。
一方、量子ドットＩｎ_xＧａ_1-xＡｓの作製において、多少の組成ばらつきが存在する。この条件は、障壁層がＧａＡｓ、量子ドットがＩｎ_xＧａ_1-xＡｓである中間バンド太陽電池において、０．４≦ｘ≦１．０の全範囲において、量子ドットに組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる条件である。そのため、組成ばらつきにより中間バンド形成が妨げられる可能性を考慮する必要がない。よって、０．４≦ｘ≦１．０の全範囲で、組成ばらつきの影響を考慮しない、簡便な設計および作製手法によって超格子半導体層を形成することができる。 In the solar cell of the present invention, the quantum dot layer, the direction of the said diameter of the quantum dots direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and r _a, perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer when the distance between adjacent two of the quantum dots was r _b, it is preferable _{3.2 ln (r a) + r} b is 8.9 or less.
In a solar cell using a quantum dot layer in which the barrier layer is GaAs and the quantum dots are In _x Ga _1-x As, the effect can be sufficiently exerted in the range of 0.4 ≦ x ≦ 1.0.
On the other hand, there is some composition variation in the production of quantum dots In _x Ga _{1 -x} As. This condition is that, in an intermediate band solar cell in which the barrier layer is GaAs and the quantum dots are In _x Ga _1-x As, the composition variation occurs in the quantum dots in the entire range of 0.4 ≦ x ≦ 1.0. Even so, it is a condition that the formation of the intermediate band is maintained. Therefore, it is not necessary to consider the possibility that the formation of the intermediate band is hindered by the composition variation. Therefore, the superlattice semiconductor layer can be formed by a simple design and manufacturing method that does not consider the influence of the composition variation in the entire range of 0.4 ≦ x ≦ 1.0.

本発明の太陽電池において、前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向（量子ドット層の面内方向）の前記量子ドットの直径をｒ_aとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する２つの前記量子ドット間の距離をｒ_bとしたとき、2.6 ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．４以下であることが好ましい。
障壁層がＧａＡｓ、量子ドットがＩｎ_xＧａ_1-xＡｓという代表的な量子ドットを有する中間バンド太陽電池の中で、量子ドットがＩｎＡｓ（ｘ＝１）である場合が最も作製が容易である。一方、２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．４以下であるという条件は、障壁層がＧａＡｓ、量子ドットがＩｎ_xＧａ_1-xＡｓである中間バンド太陽電池において、０．９≦ｘ≦１．０の範囲において、量子ドットに組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる条件である。最も作製が容易なＩｎＡｓの作製において、量子ドットの組成ばらつきは、通常０．９≦ｘ≦１．０の範囲に収まるため、組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる。そのため、組成ばらつきにより中間バンド形成が妨げられる可能性を考慮する必要がない。さらに、２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．４以下であるという条件は３．２ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．９以下である条件よりも、量子ドットサイズと量子ドット間距離のとりえる範囲が広いため、これらパラメータの選択自由度が大きい。よって、作製が容易なＩｎＡｓ量子ドットの、組成ばらつきの影響を考慮することなく、簡便な設計および作製手法によって超格子半導体層を形成することができる。 In the solar cell of the present invention, the quantum dot layer, the said diameter of the quantum dots in the direction orthogonal to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer (in-plane direction of the quantum dot layer) and r _a, the superlattice semiconductor when the distance between two of the quantum dots that are adjacent in a direction perpendicular to the thickness direction of the layer was set to r _b, it is preferable _{2.6 ln (r a) + r} b is 8.4 or less.
Among intermediate band solar cells having a representative quantum dot in which the barrier layer is GaAs and the quantum dot is In _x Ga _1-x As, the case where the quantum dot is InAs (x = 1) is the easiest to fabricate. . On the other hand, 2.6ln (r _a) + proviso that r _b is 8.4 or less, the barrier layer is GaAs, the intermediate band solar cell quantum dots are _{_{In x Ga 1-x As,}} 0.9 ≦ x In the range of ≦ 1.0, it is a condition that the formation of the intermediate band is maintained even when the composition variation occurs in the quantum dots. In the manufacture of InAs, which is the easiest to fabricate, the composition variation of quantum dots is usually in the range of 0.9 ≦ x ≦ 1.0, so that even if composition variation occurs, the formation of the intermediate band is maintained. Be drunk. Therefore, it is not necessary to consider the possibility that the formation of the intermediate band is hindered by the composition variation. Furthermore, 2.6ln (r _a) + proviso that r _b is 8.4 or less than conditions 3.2ln (r _a) + r _b is 8.9 or less, the distance between the quantum dot size and quantum dots Since the possible range is wide, the degree of freedom in selecting these parameters is great. Therefore, a superlattice semiconductor layer can be formed by a simple design and manufacturing method without considering the influence of composition variations of InAs quantum dots that are easy to manufacture.

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

太陽電池の構成
図３は本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
本実施形態の太陽電池３０は、ｐ型半導体層２と、ｎ型半導体層４と、ｐ型半導体層２とｎ型半導体層４とに挟まれた超格子半導体層８とを備え、超格子半導体層８は、障壁層６と、障壁層６を構成する半導体材料に囲まれた量子ドット５からなる量子ドット層１０とが複数回交互に積層され、かつ、超格子半導体層８の厚さ方向と超格子半導体層８の厚さ方向に直交する方向（量子ドット層１０の面内方向）との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする。
また、本実施形態の太陽電池３０は、陽極２１、バッファー層２３、ベース層２４、窓層２７、コンタクト層２８または陰極２９を有してもよい。
ここで、バッファー層２３は、ｐ型半導体層２と超格子半導体層８との緩衝層としての役割を担っている。ベース層２４は、超格子半導体層８のベースとするために導入している。また、窓層２７は太陽光を透過させる役割を担っており、コンタクト層２８は、陰極２９の材料とｎ型半導体層４の材料との密着性を向上させる目的で用いている。 Configuration of Solar Cell FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the solar cell according to one embodiment of the present invention.
The solar cell 30 of this embodiment includes a p-type semiconductor layer 2, an n-type semiconductor layer 4, and a superlattice semiconductor layer 8 sandwiched between the p-type semiconductor layer 2 and the n-type semiconductor layer 4. In the semiconductor layer 8, the barrier layer 6 and the quantum dot layer 10 composed of the quantum dots 5 surrounded by the semiconductor material constituting the barrier layer 6 are alternately stacked a plurality of times, and the thickness of the superlattice semiconductor layer 8 is increased. It has a stacked structure in which intermediate bands are formed in both the direction and the direction orthogonal to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer 8 (in-plane direction of the quantum dot layer 10).
In addition, the solar cell 30 of this embodiment may include the anode 21, the buffer layer 23, the base layer 24, the window layer 27, the contact layer 28, or the cathode 29.
Here, the buffer layer 23 plays a role as a buffer layer of the p-type semiconductor layer 2 and the superlattice semiconductor layer 8. The base layer 24 is introduced to serve as the base of the superlattice semiconductor layer 8. The window layer 27 has a role of transmitting sunlight, and the contact layer 28 is used for the purpose of improving the adhesion between the material of the cathode 29 and the material of the n-type semiconductor layer 4.

１．陽極および陰極
陽極２１および陰極２９は太陽電池３０が有することができ、陽極２１および陰極２９から太陽電池３０の光起電力を出力できるように設けられる。
陽極２１および陰極２９は、金、銀、銅、チタン、もしくはアルミニウム等の金属材料やこれらを含む合金、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）もしくはインジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の導電性酸化物材料、シリコン、ガリウム砒素やこれら材料にホウ素やリン等のドーパントを高濃度で注入し導電性を高めるなどした各種の半導体材料、またはＰＥＤＯＴ：ＰＳＳやポリチオフェン等の導電性有機材料など、各種導電性材料またはこれらの混合物もしくは化合物を用いることができる。また、デバイス構成要素として基板を用いた場合、基板との密着性を向上させるために、基板と良好な密着性を有する材料と陽極材料もしくは陰極材料との二層構造とするなど、多層構造からなる陽極２１および陰極２９を用いてもよい。 1. Anode and Cathode The anode 21 and the cathode 29 can be provided in the solar cell 30, and are provided so that the photovoltaic power of the solar cell 30 can be output from the anode 21 and the cathode 29.
The anode 21 and the cathode 29 are made of a metal material such as gold, silver, copper, titanium, or aluminum, an alloy containing them, or a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO). Various conductive materials such as materials, silicon, gallium arsenide, various semiconductor materials in which dopants such as boron and phosphorus are implanted at a high concentration to increase the conductivity, or conductive organic materials such as PEDOT: PSS and polythiophene Materials or mixtures or compounds thereof can be used. In addition, when a substrate is used as a device component, in order to improve the adhesion to the substrate, a two-layer structure of a material having good adhesion to the substrate and an anode material or a cathode material is used. An anode 21 and a cathode 29 may be used.

陽極２１および陰極２９の形成方法としては、例えば抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法、またはスパッタリング法といった物理気相成長法によって、基板上に目的の電極材料を形成する方法が挙げられる。また、半導体材料に、イオン注入法によって、高濃度でドーパントを注入した高導電性材料として陽極２１および陰極２９を形成することが可能である。また、適宜、フォトリソグラフィー等を用いたパターニングによって形成することも可能である。
なお、基板と陽極２１もしくは陰極２９が同一材料から一体的に形成されてもよい。例えば、基板として不純物を高濃度に注入した低抵抗シリコン基板を用い、これ自体を陽極２１もしくは陰極２９として利用してもよい。 Examples of a method for forming the anode 21 and the cathode 29 include a method of forming a target electrode material on a substrate by a physical vapor deposition method such as a resistance heating method, an electron beam evaporation method, or a sputtering method. In addition, the anode 21 and the cathode 29 can be formed as a highly conductive material in which a dopant is implanted at a high concentration into a semiconductor material by an ion implantation method. Further, it can be formed by patterning using photolithography or the like as appropriate.
The substrate and the anode 21 or the cathode 29 may be integrally formed from the same material. For example, a low-resistance silicon substrate into which impurities are implanted at a high concentration may be used as the substrate, and the substrate itself may be used as the anode 21 or the cathode 29.

２．ｐ型半導体層およびｎ型半導体層
ｐ型半導体層２は、ｐ型不純物を含む半導体からなり、超格子半導体層８、ｎ型半導体層４とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
ｎ型半導体層４は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、超格子半導体層８、ｐ型半導体層とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。また、このことにより、太陽電池が電力を出力することができる。
ｐ型半導体層２またはｎ型半導体層４は、超格子半導体層８が受光することにより生じる電子および正孔を分離し光起電力として出力できるものであれば特に限定されない。 2. The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer The p-type semiconductor layer 2 is made of a semiconductor containing a p-type impurity, and can form a pin junction or a pn junction together with the superlattice semiconductor layer 8 and the n-type semiconductor layer 4.
The n-type semiconductor layer 4 is made of a semiconductor containing an n-type impurity, and can form a pin junction or a pn junction together with the superlattice semiconductor layer 8 and the p-type semiconductor layer.
When this pin junction or pn junction receives light, an electromotive force is generated. This also allows the solar cell to output power.
The p-type semiconductor layer 2 or the n-type semiconductor layer 4 is not particularly limited as long as the superlattice semiconductor layer 8 can separate electrons and holes generated by receiving light and output them as a photovoltaic power.

３．超格子半導体層
超格子半導体層８は、ｐ型半導体層２とｎ型半導体層４に挟まれ、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。また、超格子半導体層８は、障壁層６と、障壁層６を構成する半導体材料に囲まれた量子ドット５からなる量子ドット層１０とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層８は、ｉ型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層などの概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の点線Ｂ−Ｂにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図である。なお、図１（ｂ）、（ｃ）において、ｐｉｎ接合により生じる内部電界は無視している。また、図１（ｂ）、（ｃ）において、量子ドット５の量子準位は中間バンドを形成する準位のみを示しており、また、電子が存在できるバンドを斜線で示している。
また、図２は、図１(ａ)の点線で囲んだ範囲Ｃにおける超格子半導体層の拡大断面図であり、中間バンドを伝導する電子を説明するための説明図である。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）のように、この太陽電池に含まれる量子ドット５は、障壁層６の材料よりも狭いバンドギャップを有する材料からなる微粒子であり、量子ドット５の伝導帯は障壁層６により閉じ込められ、量子準位となっている。 3. Superlattice Semiconductor Layer The superlattice semiconductor layer 8 is sandwiched between the p-type semiconductor layer 2 and the n-type semiconductor layer 4 and can constitute a pin junction or a pn junction. The superlattice semiconductor layer 8 has a superlattice structure in which a barrier layer 6 and quantum dot layers 10 composed of quantum dots 5 surrounded by a semiconductor material constituting the barrier layer 6 are alternately and repeatedly stacked. The superlattice semiconductor layer 8 may be an i-type semiconductor, and may be a semiconductor layer containing a p-type impurity or an n-type impurity if an electromotive force is generated by receiving light.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a superlattice semiconductor layer and the like included in a solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AA in FIG. FIG. 1C is a schematic band diagram showing the energy level of the conduction band of the lattice semiconductor layer, and FIG. 1C is a schematic band showing the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer along the dotted line BB in FIG. FIG. In FIGS. 1B and 1C, the internal electric field generated by the pin junction is ignored. In FIGS. 1B and 1C, the quantum level of the quantum dot 5 shows only the level that forms the intermediate band, and the band in which electrons can exist is indicated by hatching.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the superlattice semiconductor layer in a range C surrounded by a dotted line in FIG. 1A, and is an explanatory diagram for explaining electrons conducted in the intermediate band.
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, the quantum dots 5 included in the solar cell are fine particles made of a material having a narrower band gap than the material of the barrier layer 6, and the conduction of the quantum dots 5 is achieved. The band is confined by the barrier layer 6 and has a quantum level.

超格子半導体層８は、超格子半導体層８の厚さ方向（図１のｚ方向）と、量子ドット層１０の面内方向（超格子半導体層８の厚さ方向に直交する方向）（図１のｘ方向またはｙ方向）との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有する。なお、従来の中間バンド太陽電池に含まれる超格子半導体層１０８は、超格子半導体層１０８の厚さ方向（図１５のｚ方向）にのみ中間バンドが形成される。このことを図面を使って説明する。 The superlattice semiconductor layer 8 has a thickness direction (z direction in FIG. 1) of the superlattice semiconductor layer 8 and an in-plane direction of the quantum dot layer 10 (a direction orthogonal to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer 8) (FIG. 1 in the x direction or the y direction), and a stacked structure in which the intermediate band is formed. Note that, in the superlattice semiconductor layer 108 included in the conventional intermediate band solar cell, an intermediate band is formed only in the thickness direction of the superlattice semiconductor layer 108 (z direction in FIG. 15). This will be described with reference to the drawings.

従来の中間バンド太陽電池は、図１５（ｂ）のようにｚ方向に中間バンドを発生させている。しかし、量子ドット層１１０の面内方向（ｘ方向またはｙ方向）の量子ドット１０５の直径ｓ_aや隣接する２つの量子ドット１０５の間隔ｓ_bは制御されていないため、ｘ方向またはｙ方向に隣接する２つの量子ドットの量子準位の波動関数はほとんど相互作用しないため、図１５（ｃ）のようにｘ方向またはｙ方向には中間バンドが発生していない。このため、図１６のように価電子帯から中間バンドに励起された電子１１２は、超格子半導体層１０８の厚さ方向（ｚ方向）に形成された中間バンド１１５を伝導する。そのため、キャリア（電子１１２）の自由度は量子ドット層１１０の積層方向（ｚ方向）のみに限定される。一方で、超格子構造作製工程において、欠陥等のキャリアトラップ１１３は主に量子ドット１０５の内部に生じる。つまり、キャリアパスとなる中間バンド１１５内に欠陥等のキャリアトラップ１１３が生じやすい。 The conventional intermediate band solar cell generates an intermediate band in the z direction as shown in FIG. However, the interval s _b diameter s _a and two adjacent quantum dots 105 of the quantum dots 105 in the plane direction of the quantum dot layer 110 (x direction or y-direction) is not controlled, the x or y direction Since the wave functions of the quantum levels of two adjacent quantum dots hardly interact, no intermediate band is generated in the x direction or the y direction as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 16, the electrons 112 excited from the valence band to the intermediate band conduct through the intermediate band 115 formed in the thickness direction (z direction) of the superlattice semiconductor layer 108. Therefore, the degree of freedom of carriers (electrons 112) is limited only to the stacking direction (z direction) of the quantum dot layer 110. On the other hand, in the superlattice structure manufacturing process, carrier traps 113 such as defects are mainly generated inside the quantum dots 105. That is, a carrier trap 113 such as a defect is likely to occur in the intermediate band 115 serving as a carrier path.

このような従来技術の量子ドット１０５を有する中間バンド太陽電池において、中間バンド１１５内にキャリアトラップ１１３が存在すると、キャリア（電子１１２）の自由度が量子ドット層１１０の積層方向（ｚ方向）にのみ存在するため、容易にキャリアが捕捉されてしまう。捕捉されたキャリアは光起電力に寄与することなく失活するため、短絡電流密度が小さくなってしまうと考えられる。
よって、従来の量子ドットを有する中間バンド太陽電池においては、キャリアが失活しやすく、電流として取り出しにくい構造となっているため、外部に取り出す電流値が低い値となってしまうと考えられる。 In the intermediate band solar cell having such a conventional quantum dot 105, when the carrier trap 113 exists in the intermediate band 115, the degree of freedom of carriers (electrons 112) is increased in the stacking direction (z direction) of the quantum dot layer 110. Since the carrier exists only, the carrier is easily captured. Since the trapped carriers are deactivated without contributing to the photovoltaic power, it is considered that the short-circuit current density is reduced.
Therefore, the conventional intermediate band solar cell having quantum dots has a structure in which carriers are easily deactivated and are difficult to take out as a current. Therefore, the current value taken out to the outside is considered to be a low value.

これに対し、図１に示したような本実施形態の太陽電池３０に含まれる超格子半導体層８は、超格子半導体層８の厚さ方向（ｚ方向）の量子ドット５の直径ｄ_aおよび隣接する２つの量子ドット５の間隔ｄ_bに加え、量子ドット層８の面内方向（ｘ方向またはｙ方向）の量子ドット５の直径ｒ_aおよび隣接する２つの量子ドット５の間隔ｒ_bも制御されて積層されるため、超格子半導体層８の厚さ方向（ｚ方向）と、量子ドット層１０の面内方向（ｘ方向またはｙ方向）との両方に中間バンドが形成される。
まず、ｄ_aおよびｄ_bを制御することにより、ｚ方向に隣接する２つの量子ドット５の量子準位の波動関数を相互作用させ、図１（ｂ）のように超格子半導体層８のｚ方向に中間バンドを形成することができる。つまり、量子ドット層積層方向（ｚ方向）には、量子ドット層積層方向の量子ドット５を通り、量子ドット層積層方向全体に渡って繋がった中間バンドを形成することができる。 On the other hand, the superlattice semiconductor layer 8 included in the solar cell 30 of this embodiment as shown in FIG. 1 has the diameter d _a of the quantum dots 5 in the thickness direction (z direction) of the superlattice semiconductor layer 8 and in addition to the distance d _b of two adjacent quantum dots 5, the interval r _b of diameter r _a and two adjacent quantum dots 5 of the quantum dots 5 in the plane direction of the quantum dot layer 8 (x or y direction) Since the lamination is controlled, intermediate bands are formed both in the thickness direction (z direction) of the superlattice semiconductor layer 8 and in the in-plane direction (x direction or y direction) of the quantum dot layer 10.
First, d by controlling the _a and d _b, the two quantum levels of the wave functions of the quantum dots 5 adjacent in the z-direction to interact, z superlattice semiconductor layer 8 as shown in FIG. 1 (b) An intermediate band can be formed in the direction. That is, in the quantum dot layer stacking direction (z direction), an intermediate band that passes through the quantum dots 5 in the quantum dot layer stacking direction and is connected over the entire quantum dot layer stacking direction can be formed.

この中間バンドは、波動関数が、積層方向の各量子ドット５上に局在化することなく、積層方向全体に渡って延伸することで形成されている。つまり、量子ドット５それぞれが隣接する量子ドット５と強く相互作用し合い、波動関数が非局在化することで形成されている。
ここで、中間バンドが形成される中間バンド幅を、太陽電池が持つ温度に相当するエネルギー以上の幅とする。例えば、室温では中間バンド幅が２６ｍｅＶ以上であればバンドが形成されているとみなすことができる。
量子ドット層１０で生成されたキャリアは、波動関数が超格子半導体層８のｐ型半導体層側からｎ型半導体層側まで超格子半導体層全体に渡って繋がることで形成された中間バンド中を移動し、ｎ型半導体層まで容易に移動することができる。 This intermediate band is formed by extending the wave function over the entire stacking direction without being localized on each quantum dot 5 in the stacking direction. That is, each quantum dot 5 is formed by strongly interacting with the adjacent quantum dot 5 and the wave function is delocalized.
Here, the intermediate band width in which the intermediate band is formed is a width equal to or larger than the energy corresponding to the temperature of the solar cell. For example, if the intermediate band width is 26 meV or more at room temperature, it can be considered that a band is formed.
Carriers generated in the quantum dot layer 10 pass through an intermediate band formed by a wave function connected over the entire superlattice semiconductor layer from the p-type semiconductor layer side to the n-type semiconductor layer side of the superlattice semiconductor layer 8. It can move to the n-type semiconductor layer easily.

次に、ｒ_aおよびｒ_bを制御することにより、ｘ方向またはｙ方向に隣接する２つの量子ドット５の量子準位の波動関数を相互作用させ、図１（ｃ）のように超格子半導体層８のｘ方向またはｙ方向に中間バンドを形成することができる。つまり、量子ドット層面内方向（ｘ方向またはｙ方向）にも、量子ドット層面内方向の量子ドット５を通り、量子ドット層面内方向全体に渡って繋がった中間バンドを形成することができる。
この量子ドット層面内方向の中間バンドに関しても、量子ドット層積層方向と同様に考えることができる。
つまり、量子ドット層面内方向には、量子ドット層面内方向の量子ドット５を通り、量子ドット層面内方向全体に渡って繋がった中間バンドが形成されている。
この中間バンドは、波動関数が、面内方向の各量子ドット５上に局在化することなく、面内方向全体に渡って延伸することで形成されている。つまり、量子ドット５それぞれが隣接する量子ドットと強く相互作用し合い、波動関数が非局在化することで形成されている。 Then, by controlling the r _a and r _b, the wave functions of the two quantum level of the quantum dots 5 adjacent in the x or y direction to interact, superlattice as shown in FIG. 1 (c) An intermediate band can be formed in the x or y direction of the layer 8. That is, in the in-plane direction (x direction or y direction) of the quantum dot layer, an intermediate band that passes through the quantum dots 5 in the in-plane direction of the quantum dot layer and is connected over the entire in-plane direction of the quantum dot layer can be formed.
The intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer can be considered in the same manner as in the quantum dot layer stacking direction.
That is, in the in-plane direction of the quantum dot layer, an intermediate band that passes through the quantum dots 5 in the in-plane direction of the quantum dot layer and is connected over the entire in-plane direction of the quantum dot layer is formed.
The intermediate band is formed by extending the wave function over the entire in-plane direction without being localized on each quantum dot 5 in the in-plane direction. That is, each quantum dot 5 is formed by strongly interacting with adjacent quantum dots and the wave function is delocalized.

そして、量子ドット層面内方向においても中間バンドが形成されると、図２のように量子ドット層１０の積層方向と面内方向にキャリア伝導パスができる。キャリアは生成後、内部電界によって量子ドット層積層方向に移動するが、フォノン散乱等によって、量子ドット層面内方向への移動も可能となる。本来、欠陥等のキャリアトラップに捕らえられ、従来の太陽電池では失活していたキャリアが、面内方向への移動によりトラップを回避して移動することが可能となるため、失活することなく電流として取り出すことができる。よって、効率的にキャリアを電流として取り出すことができる。 When the intermediate band is formed also in the in-plane direction of the quantum dot layer, a carrier conduction path is formed in the stacking direction and the in-plane direction of the quantum dot layer 10 as shown in FIG. After generation, the carrier moves in the quantum dot layer stacking direction by an internal electric field, but can also move in the in-plane direction of the quantum dot layer by phonon scattering or the like. Carriers that were originally captured by carrier traps such as defects and deactivated in conventional solar cells can be moved while avoiding traps by moving in the in-plane direction, so that they do not deactivate It can be taken out as an electric current. Therefore, carriers can be efficiently extracted as current.

また、量子ドット５の第２以上の量子準位に存在するキャリアの何割かは、緩和により第１量子準位にエネルギーが低下する。よって、面内方向の中間バンドが、第１量子準位について形成されていれば、第２以上の量子準位から第１量子準位にエネルギーが低下したキャリアを、効率的に電流として取り出すことができる。 In addition, some of the carriers present in the second and higher quantum levels of the quantum dot 5 have their energy lowered to the first quantum level due to relaxation. Therefore, when an in-plane intermediate band is formed for the first quantum level, carriers whose energy has decreased from the second or higher quantum level to the first quantum level can be efficiently extracted as a current. Can do.

以下、量子ドット層面内方向の中間バンドについて、さらに詳しく説明する。
量子ドット層１０の面内方向の量子ドット間隔がある範囲以下になると、量子ドット間の電子的結合が生じる。また、量子ドット層積層方向、および面内方向の考えている方向以外については、変数分離して考えることができる。即ち、量子ドット層面内方向の超格子構造の波動関数は、量子ドット５を通った量子ドット層面内軸方向についての、１次元量子井戸構造の波動関数と同じとみなすことができる。 Hereinafter, the intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer will be described in more detail.
When the distance between the quantum dots in the in-plane direction of the quantum dot layer 10 falls below a certain range, electronic coupling between the quantum dots occurs. In addition, the direction other than the direction in which the quantum dot layer is laminated and the in-plane direction can be considered as a variable separation. That is, the wave function of the superlattice structure in the in-plane direction of the quantum dot layer can be regarded as the same as the wave function of the one-dimensional quantum well structure in the in-plane axial direction of the quantum dot layer passing through the quantum dots 5.

１次元量子井戸構造の波動関数は、周期的境界条件を用いたクローニッヒ・ペニーのモデルを用いてシミュレーションすることができ、その結果から中間バンド幅を算出することができる（例えばＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ、８９巻、５５０９ページ、２００１年、を参照）。ここで、中間バンド幅に寄与するパラメータとして、主に、量子ドットサイズ、量子ドット間の間隔、量子ドット材料および障壁層材料の有効質量、量子ドット材料および障壁層材料の、価電子帯および伝導帯準位があり、これらの値を前述のクローニッヒ・ペニーのモデルに代入することによって、ある温度における、中間バンドが形成される条件を求めることができる。 The wave function of the one-dimensional quantum well structure can be simulated using a Kronig-Penny model using periodic boundary conditions, and an intermediate bandwidth can be calculated from the result (for example, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 89, p. 5509, 2001). Here, the parameters contributing to the intermediate bandwidth mainly include quantum dot size, spacing between quantum dots, effective mass of quantum dot material and barrier layer material, valence band and conduction of quantum dot material and barrier layer material. There are band levels, and by substituting these values into the Kronig-Penny model described above, a condition for forming an intermediate band at a certain temperature can be obtained.

超格子半導体層８を構成する障壁層６と量子ドット層１０（量子ドット５）とを構成する材料は、特に限定されないが、例えば、第III族と第Ｖ族からなる化合物半導体、第II族と第VI族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材料としてもよい。また、カルコパイライト系材料を用いてもよい。量子ドット層１０は、障壁層６よりもバンドギャップの狭い半導体材料で構成される。 Although the material which comprises the barrier layer 6 and the quantum dot layer 10 (quantum dot 5) which comprise the superlattice semiconductor layer 8 is not specifically limited, For example, the compound semiconductor which consists of III group and V group, II group And a compound semiconductor consisting of Group VI and mixed crystal materials thereof. A chalcopyrite-based material may be used. The quantum dot layer 10 is made of a semiconductor material having a narrower band gap than the barrier layer 6.

例えば、障壁層６と量子ドット５の材料の組合せとして、ＧａＡｓとＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ、ＧａＮＡｓとＩｎＡｓ、ＧａＰとＩｎＡｓ、ＧａＮとＧａ_xＩｎ_1-xＮ、ＧａＡｓとＧａＳｂ、ＡｌＡｓとＩｎＡｓ、ＣｕＧａＳ₂とＣｕＩｎＳｅ₂、等が挙げられる。ここで、ｘは、０＜ｘ≦１である。
ここで、障壁層６と量子ドット５の材料がＧａＡｓとＩｎ_xＧａ_1-xＡｓの組合せ等、量子ドットの材料が障壁層の材料をｘの割合で含む混晶系であった場合、意味のある超格子構造とするためには、一定のｘ以上である必要がある。これは、ｘが小さい場合には障壁層と量子ドットの材料組成がほぼ同じとなるために、超格子構造を形成するメリットがなくなるためである。ｘの範囲としては、例えば、障壁層と量子ドット材料がＧａＡｓとＩｎ_xＧａ_1-xＡｓの系においてはｘ＝０．４が挙げられる。 For example, the combination of the material of the barrier layer 6 and the quantum dots 5 includes GaAs and In _x Ga _1-x As, GaNAs and InAs, GaP and InAs, GaN and Ga _x In _1-x N, GaAs and GaSb, AlAs and InAs. CuGaS ₂ , CuInSe ₂ , and the like. Here, x is 0 <x ≦ 1.
Here, when the material of the barrier layer 6 and the quantum dot 5 is a mixed crystal system in which the material of the quantum dot is a combination of GaAs and In _x Ga _{1 -x} As, etc. In order to obtain a superlattice structure with a certain thickness, it is necessary to be a certain x or more. This is because, when x is small, the barrier layer and the quantum dot have substantially the same material composition, so that the merit of forming the superlattice structure is lost. The range of x includes, for example, x = 0.4 when the barrier layer and the quantum dot material are GaAs and In _x Ga _1-x As.

超格子半導体層８に含まれる超格子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いて形成することができる。一般的には、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長と呼ばれる方法で量子ドットを成長させることができる。上記手法の材料構成比を変えることで量子ドットの混晶比を調整することができ、原材料・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドットのサイズを調整することができる。また、量子ドット層１０は、フェリチンと中性粒子ビームを用いたバイオナノプロセス法などにより形成することもできる。 The superlattice structure included in the superlattice semiconductor layer 8 can be formed using, for example, molecular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or the like. In general, quantum dots can be grown by a method called Stranski-Krastanov (SK) growth. The mixed crystal ratio of the quantum dots can be adjusted by changing the material composition ratio of the above method, and the size of the quantum dots can be adjusted by changing raw materials, growth temperature, pressure, deposition time, and the like. The quantum dot layer 10 can also be formed by a bio-nano process method using ferritin and a neutral particle beam.

太陽電池の製造方法
以下、図３に示した本実施形態の太陽電池３０の製造方法を具体的に説明する。
まず、ｐ型半導体層２であるｐ−ＧａＡｓ基板を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに１０分間流水洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置内に支持する。このｐ型半導体層２であるｐ−ＧａＡｓ基板の上にバッファー層２３として３００ｎｍのｐ⁺−ＧａＡｓ層を形成する。バッファー層２３は、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層である。続いてｐ⁺−ＧａＡｓバッファー層２３上に３００ｎｍのｐ−ＧａＡｓベース層２４および障壁層６となる１ｎｍのＧａＡｓ層を結晶成長させた後、ＳＫ成長法などの自己組織化機構を用いてＩｎＡｓ（ｘ＝１）の量子ドット５を含む量子ドット層１０を形成する。 The following method for manufacturing a solar cell will be specifically described the method of manufacturing the solar cell 30 of the present embodiment shown in FIG.
First, the p-GaAs substrate, which is the p-type semiconductor layer 2, is cleaned with an organic cleaning solution, etched with a sulfuric acid-based etching solution, washed with running water for 10 minutes, and then supported in the MOCVD apparatus. A 300 nm p ⁺ -GaAs layer is formed as a buffer layer 23 on the p-GaAs substrate which is the p-type semiconductor layer 2. The buffer layer 23 is a layer for improving the crystallinity of the light absorption layer to be formed thereon. Subsequently, after a 300 nm p-GaAs base layer 24 and a 1 nm GaAs layer serving as the barrier layer 6 are grown on the p ⁺ -GaAs buffer layer 23, InAs (a self-organization mechanism such as an SK growth method) is used. The quantum dot layer 10 including the quantum dots 5 of x = 1) is formed.

この障壁層６と量子ドット層１０の結晶成長を、ｐ型半導体層２に最近接する量子ドットからｎ型半導体層４に最近接する量子ドットまで、繰り返し行うことができる。
量子ドット層１０を結晶成長させた後は、結晶表面の平坦性を回復するためにＧａＡｓキャップ層（図示せず）を約４ｎｍ成長させて超格子半導体層８を完成させる。続いて、キャップ層の上に２５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓからなるｎ型半導体層４を結晶成長させてｐｉｎ構造を形成し、次いで、窓層２７として５０ｎｍのｎ−Ａｌ_0.75 Ｇａ_0.25 Ａｓ層を形成する。次いで、１００ｎｍのｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層２８を結晶成長により形成する。次に、ＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、陽極２１を基板裏面の全面に形成する。次いで、コンタクト層２８上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層２８を選択エッチングして陰極２９を形成することで、量子ドット５を有する中間バンド太陽電池３０を形成することができる。 The crystal growth of the barrier layer 6 and the quantum dot layer 10 can be repeatedly performed from the quantum dot closest to the p-type semiconductor layer 2 to the quantum dot closest to the n-type semiconductor layer 4.
After crystal growth of the quantum dot layer 10, a GaAs cap layer (not shown) is grown by about 4 nm to complete the superlattice semiconductor layer 8 in order to restore the flatness of the crystal surface. Subsequently, an n-type semiconductor layer 4 made of 250 nm n-GaAs is grown on the cap layer to form a pin structure, and then a 50 nm n-Al _0.75 Ga _0.25 As layer is formed as the window layer 27. . Next, a 100 nm p ⁺ -GaAs contact layer 28 is formed by crystal growth. Next, after taking out from the MOCVD apparatus, the anode 21 is formed on the entire back surface of the substrate. Next, a comb-shaped electrode is formed on the contact layer 28 by photolithography and lift-off technique, and the contact layer 28 is selectively etched using the comb-shaped electrode as a mask to form a cathode 29, whereby an intermediate band having the quantum dots 5 is formed. The solar cell 30 can be formed.

基板処理温度は、例えば、Ｉｎの再脱離を防ぐために量子ドット層１０を含む超格子半導体層８の作製時のみ５２０℃とし、それ以外の層は５９０℃として結晶成長を行うことができる。
また、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを、ｐ型ドーパントとしては例えばＢｅを用いることができる。電極材料としては例えば、Ａｕを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。
尚、ここで示した例は一例であり、本発明の太陽電池に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。 For example, the substrate processing temperature can be set to 520 ° C. only when the superlattice semiconductor layer 8 including the quantum dot layer 10 is manufactured in order to prevent re-desorption of In, and crystal growth can be performed by setting the other layers to 590 ° C.
Further, for example, Si can be used as the n-type dopant, and Be can be used as the p-type dopant. For example, Au can be used as the electrode material, and the electrode material can be formed by vacuum vapor deposition using a resistance heating vapor deposition method.
In addition, the example shown here is an example, each material, such as a board | substrate used for the solar cell of this invention, a buffer layer, a quantum dot, a dopant, an electrode, a cleaning agent used at each process, a substrate processing temperature, and a manufacturing apparatus Etc. are not limited to the examples shown here.

シミュレーション実験１
数値計算シミュレーションソフトウェアＭＡＴＬＡＢを用いた、クローニッヒ・ペニーのモデルに基づいたシミュレーション実験により、量子ドット層面内方向について、量子ドットの第１量子準位により中間バンドが形成されるための、量子ドットの直径ｒ_aと隣接する２つの量子ドットの間隔ｒ_bとの関係を調べた。 Simulation experiment 1
The diameter of the quantum dot for the intermediate band to be formed by the first quantum level of the quantum dot in the in-plane direction of the quantum dot layer by a simulation experiment based on the Kronig-Penny model using the numerical simulation software MATLAB We investigated the relationship between the distance r _b between two quantum dots adjacent to r _a.

ここでは例として、障壁層にＧａＡｓ、量子ドット材料にＩｎ_xＧａ_1-xＡｓを考えた場合の、伝導帯に中間バンドが形成される条件を算出した。
一般的なクローニッヒ・ペニーの式において、パラメータは量子ドットサイズｒ_a、量子ドット間の間隔ｒ_b、量子ドット材料および障壁層材料の伝導帯の有効質量ｍ_a ^*およびｍ_b ^*、量子ドット材料と障壁層材料の伝導帯準位の差Ｖである。
これらパラメータは、この例では、ｘ＝１の時、ｍ_a ^*＝０．０２３ｍ₀、ｍ_b ^*＝０．０６７ｍ₀、Ｖ＝０．６９７ｅＶであり、ｘの値に応じて、ｍ_b ^*とＶの値は変化する。ここで、ｍ₀は電子の質量９．１１×１０^-31ｋｇである。各ｘに対するｍ_b ^*とＶの値は、文献等を参照して容易に計算することが可能である。また、これらｍ_a ^*、ｍ_b ^*、Ｖのパラメータを、クローニッヒ・ペニーの式に代入して計算することで、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成されるｒ_aとｒ_bの関係を導出することができる。 Here, as an example, the conditions under which an intermediate band is formed in the conduction band when GaAs is considered as the barrier layer and In _x Ga _1-x As is considered as the quantum dot material were calculated.
In the general Kronig-Penny equation, the parameters are quantum dot size r _a , quantum dot spacing r _b , effective mass m _a ^* and m _b ^* of the conduction band of quantum dot material and barrier layer material, quantum dot material And the difference V between the conduction band levels of the barrier layer material.
These parameters, in this example, when x = 1, a _{^{_{m a * = 0.023m 0, m}}} b * = 0.067m 0, V = 0.697eV, depending on the value of x, m _b ^* And the value of V varies. Here, m ₀ is an electron mass of 9.11 × 10 ⁻³¹ kg. The values of m _b ^* and V for each x can be easily calculated with reference to literatures and the like. These m _a ^{^*,} m _b ^*, a parameter and V, by calculating by substituting the equation Kronig-Penny, the relationship between r _a and r _b which intermediate band of the quantum dot layer plane direction is formed Can be derived.

〔計算例１〕
ｘ＝０．４の場合について、量子ドット層面内方向のバンドが形成される条件を計算した。尚、ｘ＝０．４は障壁層にＧａＡｓ、量子ドット材料にＩｎ_xＧａ_1-xＡｓを用いた量子ドット層において、超格子構造を形成する組成として意味のあるｘの範囲（０．４≦ｘ≦１．０）の下限である。
ｘ＝０．４の場合の各パラメータは、ｍ_a ^*＝０．０４９４ｍ₀、ｍ_b ^*＝０．０６７ｍ₀、Ｖ＝０．３５３ｅＶである。
この時の、ｒ_aとｒ_bについての関係式を次のようにして導出した。
まず、ｒ_aを５ｎｍとした時の、伝導帯におけるｒ_bに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図４に示す。 [Calculation Example 1]
In the case of x = 0.4, the conditions under which a band in the in-plane direction of the quantum dot layer was formed were calculated. Note that x = 0.4 is a range of x that is meaningful as a composition for forming a superlattice structure in a quantum dot layer using GaAs as a barrier layer and In _x Ga _1-x As as a quantum dot material (0.4 ≦ x ≦ 1.0).
The parameters in the case of x = 0.4 are m _a ^* = 0.0494 m ₀ , m _b ^* = 0.067 m ₀ , and V = 0.353 eV.
At this time, it was derived by the relationship equation for r _a and r _b as follows.
First, FIG. 4 shows the result of calculating the quantum level energy for r _b in the conduction band when r _a is 5 nm.

図４中の網掛部が有限の中間バンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの２６ｍｅＶに相当していることから、ｒ_bが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。ｒ_aが５ｎｍの場合、ｒ_bが３．８ｎｍより小さければ第１量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。 The shaded portion in FIG. 4 has a finite intermediate band width, of which the intermediate band is formed by the hatched portion. In shaded portion, since the arrow corresponds to 26meV at room temperature energy, r _b is smaller than the arrow, the intermediate band is formed. If r _a is 5 nm, r _b has been found that an intermediate band of the first quantum level is formed is smaller than 3.8 nm.

同様に、ｒ_aを１０ｎｍとし、ｒ_bを０から１０まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図５に示す。この場合、ｒ_bが１．７ｎｍより小さければ、第１量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。
このように、様々なｒ_aについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のｒ_a、ｒ_bの組をプロットしたグラフを図６に示す。
図６中には、各ｒ_a、ｒ_bの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は
（式１）３．２ln(ｒ_a)＋ｒ_b＝８．９
で表される。
図６中のｒ_a、ｒ_bの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、
（式２）３．２ln(ｒ_a)＋ｒ_b≦８．９
を満たすｒ_a，ｒ_bにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。 Similarly, r _a and 10 nm, when varying the r _b from 0 to 10, Figure 5 shows the results of calculating the quantum level energy in the conduction band. In this case, r _b is smaller than 1.7 nm, the intermediate band of the first quantum level is found to be formed.
Thus, for various r _a, likewise calculated and shown r _a threshold intermediate band is formed, a graph plotting a set of r _b in FIG.
In the figure 6, each r _a, are also shown fitting curve for the set of r _b. This fitting curve is (Formula 1) 3.2ln (r _a ) + r _b = 8.9
It is represented by
Since the combination of r _a and r _{b in} FIG. 6 is a threshold at which an intermediate band is formed,
(Formula 2) 3.2ln (r _a ) + r _b ≦ 8.9
It was found that an intermediate band is formed in the in-plane direction of the quantum dot layer at r _a and r _b that satisfy the above conditions.

〔計算例２〕
ｘ＝０．９の場合について、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成される条件を計算した。
ｘ＝０．９の場合の各パラメータは、ｍ_a ^*＝０．０２７４ｍ₀、ｍ_b ^*＝０．０６７ｍ₀、Ｖ＝０．６５５ｅＶである。
計算例１と同様に、この時のｒ_aとｒ_bについての関係式を次のようにして導出することができる。 [Calculation Example 2]
For x = 0.9, the conditions under which the intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer was formed were calculated.
The parameters in the case of x = 0.9 are m _a ^* = 0.0274m ₀ , m _b ^* = 0.067 m ₀ , and V = 0.655 eV.
Similar to the calculation example 1, a relational expression for r _a and r _b at this time can be derived as follows.

まず、ｒ_aを３ｎｍとした時の、伝導帯におけるｒ_bに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図７に示す。
図７中の網掛部が有限のバンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの２６ｍｅＶに相当していることから、ｒ_bが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。ｒ_aが３ｎｍの場合、ｒ_bが５．４ｎｍより小さければ第１量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。
同様に、ｒ_aを７ｎｍとし、ｒ_bを０から１０まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図８に示す。この場合、ｒ_bが３．３ｎｍより小さければ、第１量子準位のバンドが形成されることが分かった。 First, FIG. 7 shows the result of calculating the quantum level energy for r _b in the conduction band when r _a is 3 nm.
The shaded portion in FIG. 7 has a finite bandwidth, and an intermediate band is formed by the hatched stripe portion. In shaded portion, since the arrow corresponds to 26meV at room temperature energy, r _b is smaller than the arrow, the intermediate band is formed. It was found that when r _a is 3 nm, an intermediate band of the first quantum level is formed if r _b is smaller than 5.4 nm.
Similarly, FIG. 8 shows the result of calculating the quantum level energy in the conduction band when r _a is 7 nm and r _b is changed from 0 to 10. In this case, r _b is smaller than 3.3 nm, it was found that the band of the first quantum level is formed.

このように、様々なｒ_aについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のｒ_a、ｒ_bの組をプロットしたグラフを図９に示す。
図９中には、各ｒ_a、ｒ_bの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は、
（式３）２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_b＝８．４
で表される。
図９中のｒ_a、ｒ_bの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、
（式４）２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_b≦８．４
を満たすｒ_a，ｒ_bにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。 Thus, shown for various r _a, similarly computed, r _a threshold intermediate band is formed, a graph plotting a set of r _b in FIG.
In the figure 9, each r _a, are also shown fitting curve for the set of r _b. This fitting curve is
(Formula 3) 2.6 ln (r _a ) + r _b = 8.4
It is represented by
Since the combination of r _a and r _{b in} FIG. 9 is a threshold at which an intermediate band is formed,
(Formula 4) 2.6 ln (r _a ) + r _b ≦ 8.4
It was found that an intermediate band is formed in the in-plane direction of the quantum dot layer at r _a and r _b that satisfy the above conditions.

〔計算例３〕
ｘ＝１．０の場合について、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成される条件を計算した。尚、ｘ＝１．０の場合、障壁層にＧａＡｓ、量子ドット材料にＩｎＡｓを用いた量子ドット層となる。
ｘ＝１．０の場合の各パラメータは、ｍ_a ^*＝０．０２３ｍ₀、ｍ_b ^*＝０．０６７ｍ₀、Ｖ＝０．６９７ｅＶである。
計算例１と同様に、この時のｒ_aとｒ_bについての関係式を次のようにして導出することができる。
まず、ｒ_aを３ｎｍとした時の、伝導帯におけるｒ_bに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図１０に示す。
図１０中の網掛部が有限の中間バンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの２６ｍｅＶに相当していることから、ｒ_bが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。ｒ_aが３ｎｍの場合、ｒ_bが５．６ｎｍより小さければ第１量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。 [Calculation Example 3]
In the case of x = 1.0, the condition for forming an intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer was calculated. When x = 1.0, the quantum dot layer uses GaAs as the barrier layer and InAs as the quantum dot material.
The parameters when x = 1.0 are m _a ^* = 0.023 m ₀ , m _b ^* = 0.067 m ₀ , and V = 0.697 eV.
Similar to the calculation example 1, a relational expression for r _a and r _b at this time can be derived as follows.
First, FIG. 10 shows the result of calculating the quantum level energy for r _b in the conduction band when r _a is 3 nm.
The shaded portion in FIG. 10 has a finite intermediate band width, of which the intermediate band is formed by the hatched portion. In shaded portion, since the arrow corresponds to 26meV at room temperature energy, r _b is smaller than the arrow, the intermediate band is formed. It was found that when r _a is 3 nm, an intermediate band of the first quantum level is formed if r _b is smaller than 5.6 nm.

同様に、ｒ_aを９ｎｍとし、ｒ_bを０から１０まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図１１に示す。この場合、ｒ_bが３．０ｎｍより小さければ、第１量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。
このように、様々なｒ_aについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のｒ_a、ｒ_bの組をプロットしたグラフを図１２に示す。
図１２中には、各ｒ_a、ｒ_bの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は、
（式５）２．５ln(ｒ_a)＋ｒ_b＝８．５
で表される。
図１２中のｒ_a、ｒ_bの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、
（式６）２．５ln(ｒ_a)＋ｒ_b≦８．５
を満たすｒ_a，ｒ_bにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。 Similarly, FIG. 11 shows the result of calculating the quantum level energy in the conduction band when r _a is 9 nm and r _b is changed from 0 to 10. In this case, r _b is smaller than 3.0 nm, the intermediate band of the first quantum level is found to be formed.
Thus, for various r _a, likewise calculated and shown r _a threshold intermediate band is formed, a graph plotting a set of r _b in FIG.
In the figure 12, each r _a, are also shown fitting curve for the set of r _b. This fitting curve is
(Formula 5) 2.5ln (r _a ) + r _b = 8.5
It is represented by
Since the set of r _a and r _{b in} FIG. 12 is a threshold at which an intermediate band is formed,
(Formula 6) 2.5ln (r _a ) + r _b ≦ 8.5
It was found that an intermediate band is formed in the in-plane direction of the quantum dot layer at r _a and r _b that satisfy the above conditions.

以上の計算例１〜３のように、障壁層にＧａＡｓ、量子ドット材料にＩｎ_xＧａ_1-xＡｓを用いた場合について、ｘを０．４≦ｘ≦１まで変化させて計算した結果、ｒ_aとｒ_bの関係式は以下の式７に統合することができる。
（式７）Ａln(ｒ_a)＋ｒ_b≦Ｂ
ここで、Ａは３．２以下の正の実数、Ｂは８．９以下の正の実数である。
この中で、ｘ＝０．４、０．９、１．０について、バンドが形成されるｒ_a、ｒ_bの閾値をプロットしたものを図１３に示す。
図１３ではｘ＝０．４、０．９、１．０以外は示していないが、０．４≦ｘ≦１．０の範囲では、閾値曲線はｘ＝０．４とｘ＝１．０の２曲線の間にある。そのため、０．４≦ｘ≦１．０においては、ｘ＝０．４の閾値曲線の下部である全てのｒ_a、ｒ_bにおいて、中間バンドが形成される。 As in the above calculation examples 1 to 3, when GaAs was used for the barrier layer and In _x Ga _1-x As was used for the quantum dot material, the calculation was performed by changing x to 0.4 ≦ x ≦ 1, relationship of r _a and r _b may be integrated into equation 7 below.
(Expression 7) Aln (r _a ) + r _b ≦ B
Here, A is a positive real number of 3.2 or less, and B is a positive real number of 8.9 or less.
In this, the x = 0.4,0.9,1.0, showing r _a band is formed, a plot of the threshold value of r _b in FIG.
FIG. 13 does not show other than x = 0.4, 0.9, 1.0, but in the range of 0.4 ≦ x ≦ 1.0, the threshold curves are x = 0.4 and x = 1.0. Between the two curves. Therefore, in the 0.4 ≦ x ≦ 1.0, all r _a is the lower threshold value curves for x = 0.4, the r _b, the intermediate band is formed.

また、０．９≦ｘ≦１．０の範囲では、閾値曲線はｘ＝０．９とｘ＝１．０の２曲線の間にある。そのため、０．９≦ｘ≦１．０においては、ｘ＝０．９の閾値曲線の下部全てのｒ_a、ｒ_bにおいて、中間バンドが形成される。
また、ｘ＝１．０においては、ｘ＝１．０の閾値曲線の下部全てのｒ_a、ｒ_bにおいて、中間バンドが形成される。
尚、本発明において、ｒ_aが２ｎｍ以下の部分については考えていない。これは、２ｎｍよりも小さい量子ドットを作製するのは技術的に困難を極め、現実的な量子ドットサイズではないためである。 In the range of 0.9 ≦ x ≦ 1.0, the threshold curve is between two curves of x = 0.9 and x = 1.0. Therefore, in the 0.9 ≦ x ≦ 1.0, lower all r _a threshold curve of x = 0.9, the r _b, the intermediate band is formed.
Further, in the x = 1.0 is, x = 1.0 under all r _a threshold curve of at r _b, the intermediate band is formed.
In the present invention, r _a is not considered the following parts 2 nm. This is because it is extremely difficult to produce quantum dots smaller than 2 nm, and it is not a realistic quantum dot size.

シミュレーション実験２
数値計算シミュレーションソフトウェアＭＡＴＬＡＢを用いた、クローニッヒ・ペニーのモデルに基づいたシミュレーション実験により、量子ドットの材料、障壁層の材料、量子ドット層の面内方向における量子ドットの直径ｒ_a、隣接する２つの量子ドットの間隔ｒ_bを設定し、中間バンドの形成について調べるシミュレーション実験を行った。
本シミュレーション実験では、図１（ａ）、（ｃ）に示した量子ドット５の量子ドット層１０の面内方向の直径ｒ_a、隣接する２つの量子ドット５の間隔ｒ_b、障壁層の材料の伝導帯下端のエネルギー準位と量子ドットの材料の伝導帯の下端のエネルギー準位との差Ｖを用いており、ｒ_aとｒ_bの和であるｒ_a+bを計算における一周期の距離となっており、この周期を元にした周期的境界条件によってシミュレーションを行った。 Simulation experiment 2
Numerical using computational simulation software MATLAB, the simulation experiments based on Kronig-Penney model, the material of the quantum dots, the material of the barrier layer, the diameter r _a of the quantum dots in the plane direction of the quantum dot layer, two adjacent of set the distance r _b of the quantum dots was simulated experiment to investigate the formation of the intermediate band.
In the simulation experiment, FIG. 1 (a), the in-plane direction of diameter r _a of the quantum dot layers 10 of quantum dots 5 shown (c), the distance r _b between two adjacent quantum dots 5, barrier layer material the uses a difference V between the energy level and the energy level of the conduction band bottom of the material of the quantum dots at the bottom of the conduction band, of one period in the calculation of r _{a + b} is the sum of r _a and r _b The simulation was performed with periodic boundary conditions based on this period.

〔計算例４〕
量子ドット５の材料をＩｎＡｓ（ｘ＝１）、障壁層６の材料をＧａＡｓとし、量子ドット５の直径ｒ_aを５ｎｍ、量子ドット５の間隔ｒ_bを４ｎｍとした場合のシミュレーション実験を行った。
本計算例において、ｒ_a＝５ｎｍと、ｒ_b＝４ｎｍをそれぞれクローニッヒ・ペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット５の伝導帯有効質量０．０２７４ｍ₀、障壁層４１の伝導帯有効質量０．０６７ｍ₀、量子ドット５と障壁層６の伝導帯エネルギー準位の差Ｖである０．６９７ｅＶを、それぞれクローニッヒ・ペニーのモデル式に代入した。
計算の結果、中間バンド幅は３４ｍｅＶであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。
また、この場合、２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．１８であり、８．９以下であることを確認した。 [Calculation Example 4]
The material of the quantum dots 5 InAs (x = 1), the material of the barrier layer 6 and GaAs, was simulated experiments in the case where the diameter r _a of the quantum dots 5 5 nm, and 4nm spacing r _b of the quantum dots 5 .
In this calculation example, r _a = 5 nm and r _b = 4 nm were substituted into the Kronig-Penny equation, respectively. Furthermore, the conduction band effective mass of the quantum dot 5 in this material system is 0.0274 m ₀ , the conduction band effective mass of the barrier layer 41 is 0.067 m ₀ , and the difference V between the conduction band energy levels of the quantum dots 5 and the barrier layer 6 is V. 0.697 eV was substituted into the Kronig-Penny model equation.
As a result of calculation, it was found that the intermediate band width was 34 meV, and an intermediate band was formed in the in-plane direction of the quantum dot layer.
In this _{case, 2.6ln (r a) + r} b is 8.18, it was confirmed that the 8.9 or less.

［計算例５］
量子ドット５の材料をＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（ｘ＝０．４）、障壁層６の材料をＧａＡｓとし、量子ドット５の直径ｒ_aを７ｎｍ、量子ドット５の間隔ｒ_bを２ｎｍとした場合のシミュレーション実験を行った。
本計算例において、ｒ_a＝７ｎｍと、ｒ_b＝２ｎｍをそれぞれクローニッヒ・ペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット５の伝導帯有効質量０．０４９４ｍ₀、障壁層６の伝導帯有効質量０．０６７ｍ₀、量子ドット５と障壁層６の伝導帯エネルギー準位の差Ｖである０．３５３ｅＶを、それぞれクローニッヒ・ペニーのモデル式に代入した。
計算の結果、中間バンド幅は４４ｍｅＶであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。
また、この場合、３．２ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．２２であり、８．９以下であることが確認され、２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_bが７．０６であり、８．４以下であることが確認された。 [Calculation Example 5]
The material of the quantum dots _{_{5 In 0.4 Ga 0.6 As (x}} = 0.4), if the material of the barrier layer 6 and GaAs, and the diameter r _a of the quantum dots 5 7 nm, and 2nm intervals r _b of the quantum dots 5 A simulation experiment was conducted.
In this calculation example, r _a = 7 nm and r _b = 2 nm are substituted into the Kronig-Penny equation, respectively. Further, the conduction band effective mass of the quantum dot 5 in this material system is 0.0494 m ₀ , the conduction band effective mass of the barrier layer 6 is 0.067 m ₀ , and the difference V between the conduction band energy levels of the quantum dots 5 and the barrier layer 6 is V. 0.353 eV was substituted into the Kronig-Penny model equation.
As a result of calculation, it was found that the intermediate band width was 44 meV, and an intermediate band was formed in the in-plane direction of the quantum dot layer.
Further, in this case, 3.2ln (r _a ) + r _b is 8.22 and confirmed to be 8.9 or less, and 2.6ln (r _a ) + r _b is 7.06. 4 or less was confirmed.

［計算例６］
量子ドット５の材料をＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ（ｘ＝０．６）、障壁層６の材料をＧａＡｓとし、量子ドット５の直径ｒ_aを１０ｎｍ、量子ドット５の間隔ｒ_bを１．５ｎｍとした場合のシミュレーション実験を行った。
本計算例において、ｒ_a＝１０ｎｍと、ｒ_b＝１．５ｎｍをそれぞれクローニッヒ・ペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット５の伝導帯有効質量０．０４０６ｍ₀、障壁層６の伝導帯有効質量０．０６７ｍ₀、量子ドット５と障壁層６の伝導帯エネルギー準位の差Ｖである０．４９３ｅＶを、それぞれクローニッヒ・ペニーのモデル式に代入した。
計算の結果、中間バンド幅は３４ｍｅＶであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。
また、この場合、３．２ln(ｒ_a)＋ｒ_bが８．８６であり、８．９以下であることが確認され、２．６ln(ｒ_a)＋ｒ_bが７．４６であり、８．４以下であることが確認された。 [Calculation Example 6]
The material of the quantum dots _{_{5 In 0.6 Ga 0.4 As (x}} = 0.6), and GaAs the material of the barrier layer 6, 10 nm in diameter r _a of the quantum dots 5, and 1.5nm spacing r _b of the quantum dots 5 A simulation experiment was conducted.
In this calculation example, r _a = 10 nm and r _b = 1.5 nm were substituted into the Kronig-Penny equation, respectively. Furthermore, the conduction band effective mass of the quantum dot 5 in this material system is 0.0406 m ₀ , the effective conduction band mass of the barrier layer 6 is 0.067 m ₀ , and the conduction band energy level difference V between the quantum dot 5 and the barrier layer 6 is V. 0.493 eV was substituted into the Kronig-Penny model equation.
As a result of calculation, it was found that the intermediate band width was 34 meV, and an intermediate band was formed in the in-plane direction of the quantum dot layer.
In this case, 3.2ln (r _a ) + r _b is 8.86, which is confirmed to be 8.9 or less, and 2.6 ln (r _a ) + r _b is 7.46. 4 or less was confirmed.

量子ドット層が上記構造を有することにより、量子ドット層の面内方向についてもキャリアが移動可能となる。このようにして、面内方向に中間バンドが形成された量子ドット層を用いて形成された超格子半導体層は、キャリアが３次元的な自由度を持つ。そのため、従来積層方向にしか移動できなかったために、欠陥等のキャリアトラップに補足されていたキャリアが、面内方向に移動することが可能になるため、フォノン散乱等によって、トラップを避ける方向に伝導することができるようになる。即ち、本発明の量子ドット中間バンド太陽電池によれば、超格子半導体層内で発生したキャリアのうち、電極まで到達できるキャリアが増加するため、太陽電池の電流値が増大する。 Since the quantum dot layer has the above structure, carriers can move in the in-plane direction of the quantum dot layer. Thus, in the superlattice semiconductor layer formed using the quantum dot layer in which the intermediate band is formed in the in-plane direction, the carrier has a three-dimensional degree of freedom. For this reason, since it was only possible to move in the stacking direction in the past, carriers trapped by carrier traps such as defects can be moved in the in-plane direction. Will be able to. That is, according to the quantum dot intermediate band solar cell of the present invention, among the carriers generated in the superlattice semiconductor layer, the number of carriers that can reach the electrode increases, and thus the current value of the solar cell increases.

２、１０２：ｐ型半導体層４、１０４：ｎ型半導体層５、１０５：量子ドット６、１０６：障壁層８、１０８：超格子半導体層１０、１１０：量子ドット層１２、１１２：電子１３、１１３：キャリアトラップ１５、１１５：超格子半導体層の厚さ方向の中間バンド１６：量子ドット層の面内方向の中間バンド２１：陽極２３：バッファー層２４：ベース層２７：窓層２８：コンタクト層２９：陰極３０：太陽電池 2, 102: p-type semiconductor layer 4, 104: n-type semiconductor layer 5, 105: quantum dot 6, 106: barrier layer 8, 108: superlattice semiconductor layer 10, 110: quantum dot layer 12, 112: electron 13, 113: Carrier trap 15, 115: Intermediate band in the thickness direction of the superlattice semiconductor layer 16: Intermediate band in the in-plane direction of the quantum dot layer 21: Anode 23: Buffer layer 24: Base layer 27: Window layer 28: Contact layer 29: Cathode 30: Solar cell

Claims

a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
In the superlattice semiconductor layer, a barrier layer and a quantum dot layer composed of quantum dots surrounded by a semiconductor material constituting the barrier layer are alternately stacked a plurality of times, and the thickness direction of the superlattice semiconductor layer And a stacked structure in which intermediate bands are formed in both the direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer.

The superlattice semiconductor layer has a stacked structure in which an intermediate band is formed in a direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer by the first quantum level of the quantum dots. The solar cell described.

The barrier layer is made of GaAs,
The solar cell according to claim 1, wherein the quantum dot layer is made of In _x Ga _1-x As (0 <x ≦ 1).

The quantum dot layer, the said diameter of the quantum dots direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and r _a, 2 one of the quantum of the adjacent in a direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer when the distance between the dots was _{_{r b, 3.2 ln (r a}} ) + r b solar cell according to claim 3 is 8.9 or less.

The quantum dot layer, the said diameter of the quantum dots direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer and r _a, 2 one of the quantum of the adjacent in a direction perpendicular to the thickness direction of the superlattice semiconductor layer when the distance between the dots was _{_{r b, 2.6 ln (r a}} ) + solar cell according to claim 3 r _b is 8.4 or less.