JP2016219740A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子ドット集積膜を有していてもシリコン基板から出力される電流を外部へ出力させやすい光電変換装置を提供する。【解決手段】 第１の導体層１と、シリコン基板３と、シリコン基板３よりもバンドギャップの大きい光電変換層５と、第２の導体層７とが、この順に配置されており、光電変換層５に、第１温度Ｔ１のときに、シリコン基板３と第２の導体層７との間がオープン状態となり、第１温度Ｔ１よりも低い第２温度Ｔ２のときにショート状態となるスイッチ部材９を備えている。スイッチ部材９は、正の温度特性を示すサーミスタ、もしくは光電変換層５よりも熱膨張係数の小さいセラミックス部材１１ａと、シリコン基板３と第２の導体層７との間を接続する金属部材１１ｂとを有する複合体１１である。【選択図】 図１

Description

本発明は、量子ドットを利用した光電変換装置に関する。

太陽電池（以下、光電変換装置という。）は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電時の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の光電変換装置に関する研究が盛んに進められている。現在、実用化されている光電変換装置の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合タイプの光電変換装置が主流となっている。

従来の単接合タイプの光電変換装置は、光電変換層を形成する材料としてシリコンを用いていることから、実用上の光電変換効率はせいぜい１５％程度に止まっている。

近年、地球温暖化対策や原発事故の教訓から火力発電や原子力発電を見直す動きがあり、これに伴って、自然エネルギーを利用した発電が推進されているが、太陽電池に代表される光電変換装置については、光電変換効率のさらなる向上が待ち望まれている。

このような課題に対し、本出願人は、以前、シリコンの半導体基板上に、シリコンよりもバンドギャップの大きい量子ドット集積膜１０５を積層した、図７に示すような光電変換装置１００を提案した（例えば、特許文献１、２を参照）。

図７は、従来の光電変換装置１００を示す断面模式図である。１０１は第１の導体層、１０３はシリコン基板、１０５はシリコン基板よりもバンドギャップの大きい光電変換層（この場合、量子ドット集積膜）、１０７は第２の導体層である。第２の導体層１０７が光の入射側に位置する場合には、第２の導体層１０７として透明導電膜が用いられる。

図８は、図７に示した光電変換装置の電流−電圧線の概念図である。図８において、実線はシリコン基板の電流−電圧曲線、破線はシリコン基板よりもバンドギャップの大きい量子ドットの集積膜１０５の電流−電圧曲線に対応する。

光電変換装置１００の光電変換効率は、開放電圧をＶｏｃ、短絡電流密度（短絡電流Ｉｓｃを太陽電池の受光面積で割った値）をＪｓｃとしたときに、おおかた、これらの積を入射光強度で割った値として示される。また、吸収できる光の波長領域は光吸収層（光電変換層という場合がある。）を構成する材料のバンドギャップ（シリコン基板の場合、約１．１ｅＶ）を上限とする領域に限られる。このため光電変換装置１００の光電変換効率を向上させるには、より高いバンドギャップを有し、自ずと開放電圧（Ｖｏｃ）を高めることのできる光吸収層の形成が必要になってくる。

特開２０１３−１０５９５２号公報 特開２０１３−２２９３７８号公報

しかしながら、量子ドット集積膜１０５は、シリコン基板１０３に比べて、バンドギャップが大きい分、照射される光量に対する発電量（最大出力（Ｐｍａｘ））の変化が大き
いことから、例えば、日照量の低い条件下では、短絡電流（Ｉｓｃ）が大きく低下してしまい、光電変換層１０５としての機能を果たすどころかほぼ絶縁体になってしまう場合がある。このため、シリコン基板１０３上に量子ドット集積膜１０５を積層した光電変換装置１００においては、シリコン基板１００側で出力される電流を外部に出力させることが困難になるおそれがあった。

従って本発明は、量子ドット集積膜を有していてもシリコン基板から出力される電流を外部へ出力させやすい光電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置は、第１の導体層と、シリコン基板と、該シリコン基板よりもバンドギャップの大きい光電変換層と、第２の導体層とが、この順に配置されており、前記光電変換層に、第１温度のときに、前記シリコン基板と前記第２の導体層との間がオープン状態となり、前記第１温度よりも低い第２温度のときにショート状態となるスイッチ部材を備えているものである。

本発明によれば、量子ドット集積膜を有していてもシリコン基板から出力される電流を外部へ出力しやすくすることができる。

本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に示す断面模式図であり、（ａ）は、光電変換装置が高い温度に置かれている場合、（ｂ）は、光電変換装置が（ａ）の場合よりも低い温度に置かれている場合である。 本実施形態の光電変換装置の電流−電圧線の概念図であり、（ａ）は、陽射しが強く、光電変換装置の温度が高い第１温度Ｔ_１の状態、（ｂ）は、陽射しが弱く、光電変換装置の温度が低い第２温度Ｔ_２の状態である。 本実施形態の光電変換装置の第２の導体層と光電変換層との界面を平面視した模式図であり、（ａ）は、スイッチ部材が光電変換層の面内に配置されている場合、（ｂ）は、スイッチ部材が光電変換層の側面（周囲）に配置されている場合である。 スイッチ部材の他の例を示すもので、管状のセラミック部材に軸芯として金属部材を導体として組み込んだ複合体を示す模式図である。 セラミック部材が金属部材を取り囲んだ構造の複合体をスイッチ部材として用いたときの、複合体の温度の違いによる長さの変化を示した断面模式図であり、（ａ）は温度が高い第１温度Ｔ_１のとき、（ｂ）は温度が低い第２温度Ｔ_２の状態のときを表す。 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。 従来の光電変換装置を示す断面模式図である。 光電変換装置の一般的な電流−電圧線の概念図である。

図１は、本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に示す断面模式図であり、（ａ）は、光電変換装置が高い温度に置かれている場合、（ｂ）は、光電変換装置が（ａ）の場合よりも低い温度に置かれている場合である。

図２は、本実施形態の光電変換装置の電流−電圧線の概念図であり、（ａ）は、陽射しが強く、光電変換装置の温度が高い第１温度Ｔ_１の状態、（ｂ）は、陽射しが弱く、光電変換装置の温度が低い第２温度Ｔ_２の状態である。

図１に示す光電変換装置Ａは、第１の導体層１と、シリコン基板３と、シリコン基板３
よりもバンドギャップの大きい光電変換層５と、第２の導体層７とが、この順に配置された構成となっている。

この光電変換装置Ａでは、シリコン基板３とバンドギャップの大きい光電変換層５とは、第１の導体層１と第２の導体層７との間で電気的に直列接続された状態にある。この場合、光電変換層５にスイッチ部材９が設けられている。このスイッチ部材９は、光電変換層５を挟むように設けられているシリコン基板３と第２の導体層７との電気的な接続の状態を温度の変化によって変化させる機能を有する。

つまり、例えば、高、低、２つの温度を設定し、高い方の温度を第１温度Ｔ_１とし、第１温度Ｔ_１よりも低い温度を第２温度Ｔ_２としたときに、スイッチ部材９を含む光電変換装置Ａが、例えば、高い方の温度である第１温度Ｔ_１に達した場合に、スイッチ部材９は、シリコン基板３と第２の導体層７との間をオープン状態（絶縁された状態）とする。このとき、シリコン基板３と第２の導体層７との間では、電流（または、キャリア（電子ｅ、ホールｈ））は光電変換層５内を流れることになる。

反対に、スイッチ部材９を含む光電変換装置Ａが低い方の温度である第２温度Ｔ_２になった場合には、図２（ｂ）に示すように、光電変換層５の短絡電流（Ｉｓｃ）が低下するのに併せて、スイッチ部材９がシリコン基板３と第２の導体層７との間をショート状態（短絡した状態）に変化させる。これにより、シリコン基板３と第２の導体層７との間を流れる電流（または、キャリア（電子ｅ、ホールｈ））は、主として、スイッチ部材９内を流れるようになる。

図２（ａ）（ｂ）を基に、図１（ａ）（ｂ）に示した２つの光電変換装置Ａの電流−電圧特性を比較すると、シリコン基板３と、これよりもバンドギャップの大きい光電変換層５とが組み合わさった光電変換装置Ａの場合、バンドギャップが約１．１ｅＶのシリコン基板３の方は、陽射しの強弱によって異なる温度になっても短絡電流（Ｉｓｃ）の変化は小さい。一方、バンドギャップの大きい光電変換層５の方は、光電変換装置Ａの温度が低くなると短絡電流（Ｉｓｃ）が大きく低下してしまう。

つまり、光電変換層５は、バンドギャップが約１．１ｅＶであるシリコン基板３に比べて、バンドギャップが大きい分、照射される光量に対する発電量の変化が大きいことから、日照量の低い条件下では、温度の低下とともに、光電変換層５としての機能を果たし難くなり絶縁性が高くなってしまう。このため、シリコン基板３上に、これよりもバンドギャップの大きい光電変換層５を直列接続した光電変換装置Ａでは、シリコン基板３から出力される電流を外部に出力させることが困難になる。

これに対し、本実施形態の光電変換装置Ａでは、バンドギャップの大きい光電変換層５が日照量の低下によって絶縁体化するような条件下においても、光電変換層５に設けたスイッチ部材９中を電流（または、キャリア（電子ｅ、ホールｈ））が流れるようになることから、シリコン基板３において生成したキャリア（電子ｅ、ホールｈ）を外部へ容易に移動させることができる。

図３は、本実施形態の光電変換装置の第２の導体層と光電変換層との界面を平面視した模式図であり、（ａ）は、スイッチ部材が光電変換層の面内に配置されている場合、（ｂ）は、スイッチ部材が光電変換層の側面（周囲）に配置されている場合である。図３は一例である。

スイッチ部材９は、図３（ａ）に示すように、光電変換層５の面内に複数個が均等に分布するように配置されるか、または、図３（ｂ）に示すように、光電変換層５の側面（周
囲）において、向かい合う側面間で対称的に配置されることが望ましい。

上記した接続性能を示すスイッチ部材９としては、例えば、正の温度特性を示すサーミスタを挙げることができる。具体的には、チタン酸バリウムを主成分とし、これに微量の希土類元素を含有させたセラミック製のＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient)サ
ーミスタを用いるのが良い。

図４は、スイッチ部材の他の例を示すもので、管状のセラミック部材に軸芯として金属部材を導体として組み込んだ複合体を示す模式図である。スイッチ部材９の他の例として、図４に示すような、セラミック部材１１ａ中に光電変換装置Ａの使用環境下で導電性を示す金属部材１１ｂを組み込んだ構造の複合体１１であっても良い。この場合、金属部材１１ｂを取り囲むセラミック部材１１ａは熱膨張係数が光電変換層５を構成する材料よりも小さいことが望ましい。例えば、光電変換層５がシリコンよりもバンドギャップの大きいＣｕＧａＳｅ_２（１．６５ｅＶ）によって形成されたものであった場合、セラミック部材１１ａとしては、ＣｕＧａＳｅ_２の熱膨張係数（１０×１０^−６／℃）よりも熱膨張係数の小さいコージエライト（熱膨張係数：２×１０^−６／℃）やチタン酸アルミニウム（熱膨張係数：１×１０^−６／℃）が好適である。金属部材１１ｂとしては、貴金属、卑金属、アルミニウムおよびトタンなど、種々の金属を適用することができる。

図５は、セラミック部材中に金属部材を組み込んだ構造の複合体をスイッチ部材として用いたときの複合体の温度の違いによる長さの変化を示した断面模式図であり、（ａ）は温度が高い第１温度Ｔ_１のとき、（ｂ）は温度が低い第２温度Ｔ_２の状態のときを表す。

このような複合体１１をスイッチ部材９として適用すると、光電変換装置Ａの温度が低い、いわゆる第２温度Ｔ_２の状態のときに、シリコン基板３側および第２の導体層７側の両表面に接した状態としておいても、光電変換装置Ａの温度が第２温度Ｔ_２よりも高い第１温度Ｔ_１に変化した際には、光電変換層５の厚み方向の熱膨張の方が複合体１１の熱膨張よりも大きいために、複合体１１の端面に露出させた金属部材１１ｂは第２導体層７の表面から離れてしまう。

つまり、陽射しが強く、光電変換層５が発電する場合には、光電変換層５は高い温度Ｔ_１の状態となるが、スイッチ部材９の部分だけはシリコン基板３と第２の導体層７との間が断線状態となることから、光電変換層５内およびシリコン基板３内に生成したキャリア（電子ｅ、ホールｈ）は、光電変換層５内およびシリコン基板３内を移動することになる。

一方、陽射しが弱く、光電変換層５の温度がＴ_２の状態となるときは、光電変換層５は発電し難くなり、絶縁性が高くなるが、スイッチ部材９はシリコン基板３および第２の導体層７に接するようになるため、シリコン基板３内に生成したキャリア（電子ｅ、ホールｈ）は、スイッチ部材９である複合体１１の軸芯に設けられた金属部材１１ｂ内を移動する。

この場合、スイッチ部材９は、光電変換層５を貫通している貫通体であることが望ましい。スイッチ部材９が光電変換層５を貫通している貫通体であると、光電変換層５の面内に複数のスイッチ部材９を均等に配置させることが可能になることから、シリコン基板３と第２の導体層７との間に流れる電流によるインダクタンスを低くすることができる。これによりシリコン基板３から出力される電流の外部への出力がより容易になる。

本実施形態の光電変換装置Ａでは、光電変換層５がシリコンの量子ドット集積膜であることが望ましい。光電変換層５がシリコンの量子ドット集積膜であると、ペアを成すシリ
コン基板３のバンドギャップ（約１．１ｅＶ）に対して、光電変換層５のバンドギャップを１．５ｅＶ以上、粒径によっては１．７ｅＶ以上にできることから、より高い開放電圧（Ｖｏｃ）を得ることができ、発電の最大出力（Ｐｍａｘ）をさらに高めることができる。

また、シリコン基板３および光電変換層５がともにシリコンにより形成されたものであるため、材料の格子定数の差がほとんど無いことからシリコン基板３と光電変換層５との間の格子の不整合を減少させることができるため、シリコン基板３と光電変換層５との境界付近のキャリアの移動度を高めることができる。

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６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。ここでは、バンドギャップが１．１ｅＶのシリコン基板３の他、第１の導体層１にアルミニウム、第２の導体層７にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を、さらに、光電変換層５として、シリコンの量子ドット（バンドギャップ：１．７ｅＶ）を、それぞれ適用し、スイッチ部材９として、上記したチタン酸バリウムを主成分とするＰＴＣサーミスタと、コージエライト−ニッケル（Ｎｉ）製の複合体１１を適用した例を基に説明する。

図６（ａ）に示すように、まず、一方の主面に第１の導体層１としてアルミニウムの金属膜を形成したシリコン基板３を用意する。第１の導体層１の形成には、例えば、蒸着法を用いる。

次に、（ｂ）に示すように、シリコン基板３の第１の導体層１側とは反対の表面に、スイッチ部材９を形成する。スイッチ部材９としては、ＰＴＣサーミスを用いた場合と複合体１１を用いた場合の２種類を作製する。このとき、複数個のスイッチ部材９を均等な配置とし、同じ高さになるようにする。

次に、（ｃ）に示すように、シリコン基板３の表面のスイッチ部材９の周囲に、光電変換層５として、シリコンの量子ドットを含む溶液をスピンコート法により成膜して量子ドット集積膜を光電変換層５として形成する。

最後に、光電変換層５の表面に蒸着法により第２の導体層７を形成する。以上のような基本的な工程を経ることにより、図６（ｄ）に示すように、本実施形態の光電変換装置Ａを得ることができる。

なお、比較例となるスイッチ部材９を有しない光電変換装置を形成する場合には、スイッチ部材９を形成する工程（（ｂ）工程）を省いて行う。

得られた光電変換装置Ａおよび比較例となるスイッチ部材９を有しない光電変換装置について発電性能を評価する。評価方法としては、正午頃の日中と、朝夕に近い時間帯とに発電させて、そのときの短絡電流を測定して比較する。

スイッチ部材９を備えた光電変換装置Ａは、スイッチ部材９を有しない光電変換装置に比べて、朝、夕時に測定した短絡電流（Ｉｓｃ）が５倍ほど高かった。また、スイッチ部材９の比較では、複合体１１を用いたものはＰＴＣサーミスタの場合に比較して、短絡電流が１．１倍ほど高かった。

１・・・・・・・・・・・第１の導体層
３・・・・・・・・・・・シリコン基板
５・・・・・・・・・・・光電変換層
７・・・・・・・・・・・第２の導体層
９・・・・・・・・・・・スイッチ部材
１１・・・・・・・・・・複合体

Claims (5)

1. 第１の導体層と、シリコン基板と、該シリコン基板よりもバンドギャップの大きい光電変換層と、第２の導体層とが、この順に配置されており、前記光電変換層に、第１温度のときに、前記シリコン基板と前記第２の導体層との間がオープン状態となり、前記第１温度よりも低い第２温度のときにショート状態となるスイッチ部材を備えていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記スイッチ部材が、正の温度特性を示すサーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記スイッチ部材が、前記光電変換層よりも熱膨張係数の小さいセラミックス部材と、前記シリコン基板と前記第２の導体層との間を接続する金属部材とを有する複合体であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記スイッチ部材は、前記光電変換層を貫通している貫通体であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の光電変換装置。
5. 前記光電変換層がシリコンの量子ドット集積膜であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の光電変換装置。