JP2010103335A - Method for manufacturing photoelectric conversion device, method for manufacturing electronic apparatus, photoelectric conversion device and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】特性の良好な光電変換装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板の上方に、半導体よりなるナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布することにより塗布膜を形成し、前記塗布膜に熱処理を施すことにより前記ナノ結晶粒(d)を含有する酸窒化シリコン膜(8z)を形成する。熱処理は、酸素又は酸素化合物含有の窒素雰囲気下で行われ、雰囲気中の酸素濃度を調整することにより、酸窒化シリコン膜中の酸素と窒素の組成比を調整する。かかる方法によれば、簡易な方法で酸窒化シリコン膜中にナノ結晶粒を閉じ込めることができる。また、酸窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜(SiO2)と比較し、バンドギャップが小さいため、量子井戸の深さを浅くすることができる。さらに、酸素と窒素の組成比を調整することで、酸窒化シリコン膜のバンドギャップをSiO2のバンドギャップである9eVからSi3N4のバンドギャップである5eVの間で調整できる。
【選択図】図1A method for manufacturing a photoelectric conversion device with favorable characteristics is provided.
A coating film is formed by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains made of a semiconductor are dispersed above a substrate, and the coating film is subjected to a heat treatment to form the nanocrystal grains ( A silicon oxynitride film (8z) containing d) is formed. The heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere containing oxygen or an oxygen compound, and the composition ratio of oxygen and nitrogen in the silicon oxynitride film is adjusted by adjusting the oxygen concentration in the atmosphere. According to this method, nanocrystal grains can be confined in the silicon oxynitride film by a simple method. In addition, since the silicon oxynitride film has a smaller band gap than the silicon oxide film (SiO 2 ), the depth of the quantum well can be reduced. Furthermore, by adjusting the composition ratio of oxygen and nitrogen, the band gap of the silicon oxynitride film can be adjusted between 9 eV which is the band gap of SiO 2 and 5 eV which is the band gap of Si 3 N 4 .
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光電変換装置、特に、ナノ結晶粒を用いた光電変換装置やその製造方法等に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, in particular, a photoelectric conversion device using nanocrystal grains, a manufacturing method thereof, and the like.
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(光電変換装置)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。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(ナノ結晶粒)を用いた太陽電池が注目を浴びている。 BACKGROUND ART Solar cells (photoelectric conversion devices) are actively developed as energy sources that are energy-saving and resource-saving and clean. 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. Among them, a solar cell using quantum dots (nanocrystal grains) has attracted attention as a next-generation solar cell that theoretically enables conversion efficiency of 60% or more.
例えば、下記特許文献1には、誘電体材料薄層を配して隔てられた複数の結晶質半導体材料量子ドットを有する太陽電池が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1において詳細に検討されている量子ドットとしてシリコンを、誘電体材料薄層として酸化シリコンを用いた構成では、量子井戸が深く、電荷(電子)を効率良く取り出せない。また、シリコンリッチな誘電体材料層を熱処理することによりシリコンを量子ドットとして析出させる製法を採用しているため、簡易に制御性良く量子ドットを分散させることが困難である。
However, in the configuration in which silicon is used as the quantum dot and the silicon oxide is used as the dielectric material thin layer, which is studied in detail in
そこで、本発明に係る具体的態様は、特性の良好な光電変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, a specific aspect of the present invention aims to provide a photoelectric conversion device with good characteristics and a method for manufacturing the photoelectric conversion device.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、基板の上方に、半導体よりなるナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布することにより塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜に熱処理を施すことにより前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、を有する。 The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a step of forming a coating film by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains made of a semiconductor are dispersed above a substrate; And a step of forming a silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains by performing a heat treatment.
かかる方法によれば、ポリシラザンを含有する液体にナノ結晶粒を分散し、熱処理を施し成膜することにより、簡易な方法で酸窒化シリコン膜中にナノ結晶粒を閉じ込めることができる。また、酸窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜(SiO2)と比較し、バンドギャップが小さいため、量子井戸の深さを浅くすることができる。 According to such a method, the nanocrystal grains can be confined in the silicon oxynitride film by a simple method by dispersing the nanocrystal grains in the liquid containing polysilazane, performing heat treatment, and forming the film. In addition, since the silicon oxynitride film has a smaller band gap than the silicon oxide film (SiO 2 ), the depth of the quantum well can be reduced.
例えば、前記半導体は、シリコン又はシリコン化合物である。例えば、前記ナノ結晶粒のバンドギャップは2eV以下である。このように、シリコン又はシリコン化合物のナノ結晶粒を用いてもよい。また、バンドギャップ2eV以下のナノ結晶粒を用い、キャリアを遷移しやすくしてもよい。 For example, the semiconductor is silicon or a silicon compound. For example, the band gap of the nanocrystal grain is 2 eV or less. Thus, silicon or silicon compound nanocrystal grains may be used. Alternatively, nanocrystal grains having a band gap of 2 eV or less may be used to facilitate carrier transition.
前記熱処理は、酸素又は酸素化合物含有の窒素雰囲気下で行われ、雰囲気中の酸素濃度を調整することにより、前記酸窒化シリコン膜中の酸素と窒素の組成比を調整する。このように、酸素と窒素の組成比を調整することで、酸窒化シリコン膜のバンドギャップをSiO2のバンドギャップである9eVからSi3N4のバンドギャップである5eVの間で調整することができ、量子井戸の深さを調整することができる。 The heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere containing oxygen or an oxygen compound, and the composition ratio of oxygen and nitrogen in the silicon oxynitride film is adjusted by adjusting the oxygen concentration in the atmosphere. Thus, by adjusting the composition ratio of oxygen and nitrogen, the band gap of the silicon oxynitride film can be adjusted between 9 eV which is the band gap of SiO 2 and 5 eV which is the band gap of Si 3 N 4. And the depth of the quantum well can be adjusted.
さらに、前記基板の上方に第1導電型半導体層を形成する工程と、前記第1導電型半導体層上に前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜上に前記第1導電型の逆導電型である第2導電型半導体層を形成する工程と、を有する。このように、第1、第2導電型半導体層の形成工程を設け、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間に上記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を設けてもよい。 A step of forming a first conductivity type semiconductor layer above the substrate; a step of forming a silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains on the first conductivity type semiconductor layer; and Forming a second conductivity type semiconductor layer which is a reverse conductivity type of the first conductivity type on the contained silicon oxynitride film. As described above, the first and second conductive semiconductor layers are formed, and the silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains is provided between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer. Also good.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、基板の上方に、半導体よりなるナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布することにより第1塗布膜を形成する第1工程と、前記ナノ結晶粒を含有しないポリシラザンを含有する液体を塗布することにより第2塗布膜を形成する第2工程と、前記第1および第2工程を繰り返すことにより前記第1塗布膜と前記第2塗布膜が繰り返し積層された積層膜を形成する第3工程と、前記積層膜に熱処理を施すことにより、前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜と前記ナノ結晶粒を含有しない酸窒化シリコン膜とが繰り返し積層された層を形成する第4工程と、を有する。 The manufacturing method of the photoelectric conversion device according to the present invention includes a first step of forming a first coating film by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains made of a semiconductor are dispersed above a substrate; A second step of forming a second coating film by applying a liquid containing polysilazane not containing nanocrystal grains, and the first coating film and the second coating by repeating the first and second steps. A third step of forming a laminated film in which the films are repeatedly laminated, a silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains, and a silicon oxynitride film not containing the nanocrystal grains by performing a heat treatment on the laminated film, Forming a layer in which is repeatedly laminated.
かかる方法によれば、ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜と含有しない酸窒化シリコン膜とを交互に積層することにより、層中のナノ結晶粒の配列に周期性を持たせることができ、高光電変換効率の装置を形成することができる。 According to such a method, by alternately stacking silicon oxynitride films containing nanocrystal grains and silicon oxynitride films not containing nanocrystal grains, the arrangement of nanocrystal grains in the layer can be periodic, A device with high photoelectric conversion efficiency can be formed.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、基板の上方に、半導体よりなる第1粒径のナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第1粒径のナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、前記第1粒径のナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜の上方に、前記半導体よりなる前記第1粒径と異なる第2粒径のナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第2粒径のナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、を有する。 In the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention, a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains having a first grain size made of a semiconductor are dispersed is applied above a substrate, and heat treatment is performed. A step of forming a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains having a grain size and a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains having a first grain size, which are different from the first grain size made of the semiconductor. Applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains having a second grain size are dispersed, and performing heat treatment to form a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains having the second grain size. Have.
かかる方法によれば、粒径の異なるナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成することができ、高光電変換効率の装置を形成することができる。 According to this method, a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains having different particle diameters can be formed, and a device with high photoelectric conversion efficiency can be formed.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、基板の上方に、第1半導体よりなる第1ナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第1ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、前記第1ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜の上方に、前記第1半導体以外の第2半導体よりなる第2ナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第2ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、を有する。 In the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention, a liquid containing polysilazane, in which first nanocrystal grains made of a first semiconductor are dispersed, is applied above a substrate and subjected to a heat treatment, to thereby perform the first nanocrystal. A step of forming a silicon oxynitride film containing crystal grains, and second nanocrystal grains made of a second semiconductor other than the first semiconductor are dispersed above the silicon oxynitride film containing the first nanocrystal grains And applying a liquid containing polysilazane and performing a heat treatment to form a silicon oxynitride film containing the second nanocrystal grains.
かかる方法によれば、粒種の異なるナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成することができ、高光電変換効率の装置を形成することができる。 According to such a method, a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains having different grain types can be formed, and a device with high photoelectric conversion efficiency can be formed.
例えば、前記酸窒化シリコン膜は、SiOxNyで表わされ、前記yは0であることを特徴とする。このように、酸窒化シリコン膜の窒素成分を0とし、酸化シリコン膜としてもよい。 For example, the silicon oxynitride film is represented by SiOxNy, and y is 0. Thus, the nitrogen component of the silicon oxynitride film may be set to 0 to form a silicon oxide film.
本発明に係る電子機器の製造方法は、上記光電変換装置の製造方法を有する。 The manufacturing method of the electronic device which concerns on this invention has the manufacturing method of the said photoelectric conversion apparatus.
かかる方法によれば、電子機器の特性を向上させることができる。また、かかる電子機器の生産性を向上させることができる。 According to this method, the characteristics of the electronic device can be improved. In addition, the productivity of such electronic devices can be improved.
本発明に係る光電変換装置は、半導体よりなるナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を有し、前記ナノ結晶粒のバンドギャップは、2eV以下であり、前記酸窒化シリコン膜は、そのバンドギャップが前記ナノ結晶粒のバンドギャップの2倍以上3倍以下となるよう酸素と窒素の組成比が調整された膜である。 The photoelectric conversion device according to the present invention has a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains made of a semiconductor, the band gap of the nanocrystal grains is 2 eV or less, and the silicon oxynitride film has its band gap Is a film in which the composition ratio of oxygen and nitrogen is adjusted so as to be 2 to 3 times the band gap of the nanocrystal grains.
かかる構成によれば、ナノ結晶粒と上記酸窒化シリコン膜とのバンドギャップ差に起因する量子井戸が形成され、光電変換効率の高い光電変換装置となる。特に、酸素と窒素の組成比を調整することで、酸窒化シリコン膜のバンドギャップをSiO2のバンドギャップである9eVからSi3N4のバンドギャップである5eVの間で調整することにより、量子井戸の深さを調整でき、光電変換効率を向上させることができる。 According to this configuration, quantum wells resulting from the band gap difference between the nanocrystal grains and the silicon oxynitride film are formed, and a photoelectric conversion device with high photoelectric conversion efficiency is obtained. In particular, by adjusting the composition ratio of oxygen and nitrogen, the band gap of the silicon oxynitride film is adjusted between 9 eV that is the band gap of SiO 2 and 5 eV that is the band gap of Si 3 N 4. The depth of the well can be adjusted, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
本発明に係る電子機器は、上記光電変換装置を有する。かかる構成によれば、電子機器の特性を向上させることができる。 The electronic device according to the present invention includes the photoelectric conversion device. According to such a configuration, the characteristics of the electronic device can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same or related code | symbol is attached | subjected to what has the same function, and the repeated description is abbreviate | omitted.
<光電変換装置の構造>
図1および図2は、本実施の形態の量子ドット型の光電変換装置(光電変換素子、太陽電池)の構成を示す断面図である。
<Structure of photoelectric conversion device>
1 and 2 are cross-sectional views illustrating the configuration of the quantum dot photoelectric conversion device (photoelectric conversion element, solar cell) of the present embodiment.
図1に示す光電変換装置は、いわゆるpin構造の装置であり、p層、i層およびn層が順次積層された構成を有する。具体的には、図示するように、基板1上に、透明電極3、p型(第1導電型)のアモルファスシリコン層5、i層8、n型(第2導電型)のアモルファスシリコン層9および上部電極11が順次積層されている。i層8は、量子ドット(QD、ナノ結晶粒)dが分散状態で含有された酸窒化シリコン膜(SiNxOy)8zよりなる。ここで、「量子ドット(ナノ結晶粒)」とは、半導体(化合物半導体を含む)で作られた微小な結晶粒子を意味し、数百から数万個の原子が集まったものである。粒径は電子のドブロイ波長程度(数十〜数ナノメートル)のものをいう。特に、本明細書においては、粒径が1nm以上20nm以下のものを「量子ドット」と言い、また、結晶としては、単結晶の他、多結晶状態のものも含むものとする。
The photoelectric conversion device illustrated in FIG. 1 is a device having a so-called pin structure, and has a configuration in which a p layer, an i layer, and an n layer are sequentially stacked. Specifically, as shown in the figure, a
基板1としては、例えば、光透過性の石英ガラス基板を用いる。この他、ソーダガラス基板などの他のガラス基板、ポリカーボネート(Polycarbonate)、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate)などの樹脂を用いた樹脂基板やセラミックス基板などを用いてもよい。
As the
透明電極3としては、例えば、インジウムを添加した酸化錫(ITO:Indium Tin Oxide)を用いる。この他、フッ素ドープした酸化錫(FTO)、酸化インジウム(IO)、酸化錫(SnO2)などの他の導電性の金属酸化物を用いてもよい。このような透明電極を用いることにより、基板1の裏面側(図中下側)からの光の透過性を向上させることができる。
As the
第1、第2導電型は、p型又はn型であり、p型の場合は、ホウ素などのp型不純物を、n型の場合は、リンなどのn型不純物を有する。なお、i型(真性、intrinsic)とは、通常、不純物が注入されておらず、p型またはn型の層と比較し、不純物濃度が低い層を意味するが、ここでは、不純物を含有しない又は低不純物濃度の量子ドットが分散状態で含有された酸窒化シリコン膜を言うものとする。 The first and second conductivity types are p-type or n-type. In the case of p-type, p-type impurities such as boron and in the case of n-type have n-type impurities such as phosphorus. Note that i-type (intrinsic) usually means a layer in which no impurity is implanted and has a lower impurity concentration than a p-type or n-type layer, but here, no impurity is contained. Alternatively, it refers to a silicon oxynitride film containing quantum dots having a low impurity concentration in a dispersed state.
金属電極11の材料としては、例えば、Al(アルミニウム)を用いる。この他、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)などの金属材料を用いることができる。また、これらの合金を用いてもよい。また、前述の導電性の金属酸化物を用いてもよい。
As the material of the
図2に示す光電変換装置においては、i層8は、量子ドット(QD、ナノ結晶粒)dを含有する酸窒化シリコン膜(薄膜)8Aと量子ドットdを含有しない酸窒化シリコン膜(薄膜)8Bとが繰り返し積層されている。
In the photoelectric conversion device shown in FIG. 2, the
このように、本実施の形態においては、i層8中に量子ドットdを含有させているため、光電変換効率の向上を図ることができる。光電変換効率の向上が図られる理由については、(1)量子サイズ効果、(2)複数エキシトン生成効果および(3)ミニバンド形成効果に起因するものと考えられる。以下、図3〜図8を参照しながらこれらについて詳細に説明する。図3は、量子サイズ効果を説明するためのエネルギーバンド図である。また、図4は、バルクの場合および量子ドットの場合の複数エキシトン生成効果を説明するためのエネルギーバンド図である。図5は、超格子構造を模式的に示した断面斜視図であり、図6及び図7は、ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図であり、図8は、ミニバンドが形成されない場合のエネルギーバンド図である。なお、バンド図において黒丸は電子(e)を白丸はホール(h)を示すものとする。
Thus, in this Embodiment, since the quantum dot d is contained in the
(1)量子サイズ効果
図3に示すように、半導体原子1個についてのHOMO(最高占有分子軌道:Highest Occupied Molecular Orbital)およびLUMO(最低非占有分子軌道:Lowest Unoccupied Molecular Orbital)は、分子、クラスター、ナノ結晶粒、バルクと原子の集合数が増加するにしたがって、分離し、バルクにおいては、各軌道が連続し、伝導帯および価電子帯となる。逆に言えば、バルク状態の半導体の塊を、粒子レベルを経て原子レベルまで小さくするとバンドギャップ(Band gap、禁止帯、禁制帯)Egが大きくなる。図3において、縦軸はエネルギーを示し、原子、分子、クラスター、ナノ結晶粒、バルクの「粒径(nm)および原子数」の関係は、それぞれ例えば、「0.1nm以下、原子数1個」、「0.2nm以下、原子数2個」、「1nm未満、原子数10個以下」、「1nm以上20nm以下、原子数102個以上104個以下」、「1000nm以上、原子数1023個以上」である。
(1) Quantum size effect As shown in Fig. 3, HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) for one semiconductor atom are molecules, clusters. As the number of aggregates of nanocrystal grains, bulk, and atoms increases, in the bulk, each orbital continues and becomes a conduction band and a valence band. Conversely, when a bulk semiconductor mass is reduced to the atomic level through the particle level, the band gap (Band gap, forbidden band) Eg increases. In FIG. 3, the vertical axis represents energy, and the relationship between “particle size (nm) and number of atoms” of atoms, molecules, clusters, nanocrystal grains, and bulk is, for example, “0.1 nm or less and one atom number”, respectively. ", 0.2 nm or less, 2 atoms", "less than 1 nm, 10 atoms or less", "1 nm or more and 20 nm or less, 10 2 or more atoms and 10 4 or less", "1000 nm or more, 10 atoms. More than 23 ".
ここで、光電変換においては、光のエネルギーを吸収した電子(キャリア)が、バンドギャップEgを越えて価電子帯と伝導帯の間を遷移し、電気エネルギー(電力)として取り出される。 Here, in photoelectric conversion, electrons (carriers) that have absorbed light energy transit between the valence band and the conduction band across the band gap Eg, and are extracted as electric energy (electric power).
したがって、ナノ結晶粒の粒径を変化させることにより、バンドギャップを調整することができ、これにより、例えば、太陽光スペクトルにおいてエネルギーの大きな紫外光領域、可視光領域や赤外光領域などの特定の波長(例えば、400nm〜800nm)にあわせてバンドギャップを調整することができる。その結果、光を効率良く電気エネルギーに変換することができる。また、バンドギャップの異なる光電変換部を積層することにより、可視光領域や赤外光領域などに限らず太陽光スペクトルの各種波長の光を効率良く電気エネルギーに変換することができる。 Therefore, the band gap can be adjusted by changing the grain size of the nanocrystal grains, and thus, for example, in the solar spectrum, the ultraviolet light region, the visible light region, the infrared light region, etc. having a large energy can be specified. The band gap can be adjusted according to the wavelength (for example, 400 nm to 800 nm). As a result, light can be efficiently converted into electrical energy. In addition, by stacking photoelectric conversion units having different band gaps, it is possible to efficiently convert light of various wavelengths in the solar spectrum into electric energy, not limited to the visible light region and the infrared light region.
(2)複数エキシトン生成効果(MEG:Multiple Exciton Generation)
図4(A)に示すように、バルクの半導体においては、キャリア(電子)は、光エネルギー(E=hν=hc/λ、h:プランク定数、ν:振動数、c:光の速さ、λ:波長)を受け、価電子帯に遷移し、電気エネルギーとして取り出される。ここで、バンドギャップEgより光エネルギーhνが2倍以上大きい場合(hν>2Eg)、キャリアは価電子帯の上部まで遷移するものの、Egを超えた余分なエネルギーは速やかに格子系に熱として移動して、より安定的な価電子帯の下部まで移動する。つまり、Egを超えたエネルギーは熱として失われる。したがって、1つの光子によって1つのキャリアしか生成できない。なお、励起された電子に対しホールは残存するため、これらの対をエキシトン(exciton、励起子)という。
(2) Multiple Exciton Generation (MEG)
As shown in FIG. 4A, in a bulk semiconductor, carriers (electrons) are light energy (E = hν = hc / λ, h: Planck constant, ν: frequency, c: speed of light, λ: wavelength), transitions to the valence band, and is extracted as electrical energy. Here, when the optical energy hν is more than twice as large as the band gap Eg (hν> 2Eg), the carrier transitions to the upper part of the valence band, but the excess energy exceeding Eg quickly moves to the lattice system as heat. Then, it moves to the lower part of the more stable valence band. That is, energy exceeding Eg is lost as heat. Therefore, only one carrier can be generated by one photon. Since holes remain for the excited electrons, these pairs are called excitons.
これに対し、図4(B)に示すように、量子ドットdを用いた場合、量子ドットdのバンドギャップEgとその周囲を取り囲む層(以降、この層を「マトリクス層」と呼ぶことがある)のバンドギャップEgsとの差(Egs>Eg)により量子井戸が形成される。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the quantum dot d is used, the band gap Eg of the quantum dot d and a layer surrounding the periphery (hereinafter, this layer may be referred to as “matrix layer”). ) With the band gap Egs (Egs> Eg), a quantum well is formed.
この量子井戸により電子の移動方向が三次元的に制限される。また、この量子井戸中に形成される電子軌道は連続的ではない。そのため、バンドギャップEgより光エネルギーhνが2倍以上大きい場合(hν>2Eg)に、上位の軌道まで励起された電子が、バンドギャップの上端まで落ちる際に、格子系にエネルギーを熱として与えて緩和する過程が非常に遅くなる。その結果、同じ量子井戸中の別の電子をEg以上に励起するインパクトイオン化の確率が高くなり、当該光エネルギーhνが2Egより大きい場合には、更なる、電子(エキシトン)を生成する。よって、1つの光子から複数のキャリア(例えば、電子)を生成することができる。したがって、これらを電流として取り出すことにより光電変換効率を向上させることができる。 This quantum well restricts the direction of electron movement three-dimensionally. Also, the electron orbit formed in this quantum well is not continuous. Therefore, when the light energy hν is more than twice as large as the band gap Eg (hν> 2Eg), when the electrons excited to the upper orbit fall to the upper end of the band gap, energy is given to the lattice system as heat. The process of relaxation is very slow. As a result, the probability of impact ionization that excites other electrons in the same quantum well to Eg or higher is increased, and when the light energy hν is larger than 2 Eg, further electrons (exciton) are generated. Therefore, a plurality of carriers (for example, electrons) can be generated from one photon. Therefore, photoelectric conversion efficiency can be improved by taking out these as currents.
(3)ミニバンド形成効果
例えば、図5に示すように、量子ドットdを薄膜を介して3次元的に規則正しく配置させる(3次元的な周期性を持たせる)ことにより、量子ドット(量子井戸)間で相互作用が生じ、ミニバンドが形成される。即ち、図6に示すように、トンネル効果により量子井戸間にミニバンドが生じ、励起されたキャリアを、ミニバンドを通じて高速に外部に取り出すことができる。よって、キャリアの再結合による損失を低減でき、光電変換効率を向上させることができる。また、図7に示すように、前述の複数エキシトン生成効果により生じた遷移電子や、ミニバンド間における遷移電子などもミニバンドを介して効率良く取り出すことができる。なお、図7に示すように、電子のみならず、下側の量子井戸中に残存するホールも取り出すことができる。このように、量子ドットに3次元的な周期性を持たせた構造を超格子(SL:supper lattice)又は多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)構造という。
(3) Miniband formation effect For example, as shown in FIG. 5, quantum dots (quantum wells) can be formed by regularly arranging quantum dots d through a thin film (having a three-dimensional periodicity). ) To form a miniband. That is, as shown in FIG. 6, a miniband is generated between the quantum wells by the tunnel effect, and excited carriers can be taken out to the outside through the miniband at high speed. Therefore, loss due to carrier recombination can be reduced and photoelectric conversion efficiency can be improved. Further, as shown in FIG. 7, transition electrons generated by the above-described multiple exciton generation effect, transition electrons between minibands, and the like can be efficiently extracted via the minibands. As shown in FIG. 7, not only electrons but also holes remaining in the lower quantum well can be taken out. A structure in which quantum dots are given a three-dimensional periodicity in this way is called a superlattice (SL) or multi-quantum well (MQW) structure.
これに対し、量子ドットdを3次元的にランダムに分散させた場合(例えば、図1参照)は、図8に示すように、量子井戸間のトンネル効果が起こりにくい箇所が存在する。この場合、量子井戸間にミニバンドは形成されない。但し、この場合も、図示すように、励起された電子は、熱励起などにより量子井戸を超え、量子井戸の外へ抜けることができる。よって、超格子でない場合であっても、確率は低くなるものの量子井戸の外に電子を取り出すことができる。また、図6に示すように、量子ドットdが縦横および上下に規則正しく並んだ構造は理想的ではあるが、量子ドットdをこのように配列させることは容易ではない。よって、図2では、各膜(8A)においては、平面的にランダムに量子ドットdを配列させ、量子ドットdを含まない膜(8B)と交互に配置させることにより、配列の周期性を持たせている。かかる構成によっても、ミニバンドの形成率を向上させ、光電変換効率を向上させることができる。また、図2においては、膜8A中において、量子ドットdを1原子ずつ配列させているが、当該膜中の原子配列において、上下方向に原子が2個又は3個程度配列していてもよい。要は、薄膜(8A、8B)を交互に積層させることにより、配列の周期性を持たせることが重要である。
On the other hand, when the quantum dots d are randomly dispersed three-dimensionally (see, for example, FIG. 1), there are places where the tunnel effect between the quantum wells hardly occurs as shown in FIG. In this case, no miniband is formed between the quantum wells. However, in this case as well, as shown in the figure, the excited electrons can pass through the quantum well by thermal excitation or the like and escape out of the quantum well. Therefore, even if it is not a superlattice, although the probability is low, electrons can be taken out of the quantum well. Also, as shown in FIG. 6, a structure in which quantum dots d are regularly arranged vertically and horizontally and vertically is ideal, but it is not easy to arrange quantum dots d in this way. Therefore, in FIG. 2, in each film (8A), the quantum dots d are arranged randomly in a plane and alternately arranged with the film (8B) not including the quantum dots d, thereby providing the periodicity of the arrangement. It is Such a configuration can also improve the formation rate of the miniband and improve the photoelectric conversion efficiency. In FIG. 2, the quantum dots d are arranged one atom at a time in the
以上(1)〜(3)を通じて詳細に説明したように、量子ドットdを含有させることで光電変換効率の向上を図ることができる。 As described in detail through (1) to (3) above, the photoelectric conversion efficiency can be improved by including the quantum dots d.
さらに、本実施の形態においては、i層8として、酸窒化シリコン膜を用いたのでキャリアが取り出しやすくなり、光電変換効率が向上する。以下、図9および図10を参照しながら当該効果について説明する。図9は、マトリクス層を酸化シリコン(SiO2)とした場合(比較例)の光電変換装置のi層のエネルギーバンド図であり、図10は、本実施の形態の光電変換装置のi層のエネルギーバンド図である。
Further, in this embodiment, since a silicon oxynitride film is used as the
即ち、図9に示すように、酸化シリコン(SiO2)中にシリコンよりなる量子ドットを含有させた場合には、バンドギャップ差が7.9(=9−1.1)eVとなり、量子井戸が深い。 That is, as shown in FIG. 9, when quantum dots made of silicon are contained in silicon oxide (SiO 2 ), the band gap difference becomes 7.9 (= 9−1.1) eV, and the quantum well Is deep.
これに対し、図10に示すように、酸窒化シリコン膜(SiNxOy)のバンドギャップは、酸素と窒素の組成比によって異なるが、SiO2のバンドギャップである9eVからSi3N4のバンドギャップである5eVの間となる。よって、量子井戸の深さを浅くすることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 10, the band gap of the silicon oxynitride film (SiNxOy) varies depending on the composition ratio of oxygen and nitrogen, but from 9 eV which is the band gap of SiO 2 to the band gap of Si 3 N 4. It is between some 5eV. Therefore, the depth of the quantum well can be reduced.
さらに、酸窒化シリコン膜(SiNxOy)の酸素と窒素の組成比を変えることによって、使用する量子ドットのバンドギャップに対し、量子井戸の深さを調整することができる。よって、目的とする光電変換装置の特性に合致するよう、装置の設計を行うことができる。 Further, by changing the composition ratio of oxygen and nitrogen in the silicon oxynitride film (SiNxOy), the depth of the quantum well can be adjusted with respect to the band gap of the quantum dots to be used. Therefore, the device can be designed so as to match the characteristics of the target photoelectric conversion device.
なお、上記Eg(Si)の値は、バルク状態のものであるため、量子ドットの場合には、上記(1)量子サイズ効果により1.1eVより若干大きくなる。例えば、量子ドットの粒径を3〜8nm程度変化させると、バンドギャップは1.65〜1.2eV程度まで変化するという報告がある。よって、マトリクス層よりバンドギャップが小さくなる範囲において、量子ドットの粒径や粒種を制御することでバンドギャップ差(量子井戸の深さ)をさらに調整することができる。 Since the value of Eg (Si) is in a bulk state, in the case of a quantum dot, it is slightly larger than 1.1 eV due to the (1) quantum size effect. For example, there is a report that the band gap changes to about 1.65 to 1.2 eV when the particle size of the quantum dots is changed about 3 to 8 nm. Therefore, the band gap difference (quantum well depth) can be further adjusted by controlling the particle size and grain type of the quantum dots in a range where the band gap is smaller than that of the matrix layer.
例えば、量子ドットのバンドギャップを2eV以下、マトリクス層のバンドギャップを量子ドットのバンドギャップEgの2倍以上3倍以下とすることで、キャリアを励起しやすく、量子効果が効率的に起こり、また、量子井戸の深さを比較的浅くでき、光電変換効率を向上させることができる。 For example, by setting the band gap of the quantum dots to 2 eV or less and the band gap of the matrix layer to 2 times or more and 3 times or less of the band gap Eg of the quantum dots, it is easy to excite carriers, the quantum effect occurs efficiently, The depth of the quantum well can be made relatively shallow, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
図11は、本実施の形態の光電変換装置の他の構成を示す断面図である。ここでは、いわゆる、タンデム型の光電変換装置について説明する。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration of the photoelectric conversion device of this embodiment. Here, a so-called tandem photoelectric conversion device will be described.
図11に示す光電変換装置は、3つのpin構造が積層された構成であり、基板1およびその上部の金属電極11上に、p型のアモルファスシリコン層5、量子ドット(ナノ結晶粒)d1と酸窒化シリコン膜(SiNxOy)8zよりなるi層8aおよびn型のアモルファスシリコン層9よりなる第1pin構造部(pin1)が配置され、さらに、この上部には、透明電極3を介して、p型のアモルファスシリコン層5、量子ドットd2と酸窒化シリコン膜(SiNxOy)8zよりなるi層8bおよびn型のアモルファスシリコン層9よりなる第2pin構造部(pin2)が配置され、さらに、この上部には、透明電極3を介して、p型のアモルファスシリコン層5、量子ドットd3と酸窒化シリコン膜(SiNxOy)8zよりなるi層8cおよびn型のアモルファスシリコン層9よりなる第3pin構造部(pin3)が配置されている。この第3pin構造部(pin3)の上部には、透明電極3が配置されている。この場合、主たる光の入射側は、図中上部(透明電極側)となる。
The photoelectric conversion device shown in FIG. 11 has a structure in which three pin structures are stacked, and a p-type
このように、光の入射側から量子ドットのバンドギャップの大きい順、即ち、粒径の小さい順にpin構造部を積層することで、幅広い波長に対して光電効果を生じさせることができる。 As described above, by stacking the pin structure portion in order of increasing band gap of the quantum dots from the light incident side, that is, in ascending order of the particle diameter, a photoelectric effect can be generated for a wide range of wavelengths.
例えば、第3pin構造部(pin3)においては、高エネルギーである短波長の光により電子が励起される。この際、第3pin構造部(pin3)で使用されなかったよりエネルギーの小さい長い波長の光は第2pin構造部(pin2)まで到達し電子を励起する。さらに、第2pin構造部(pin2)で使用されなかった低エネルギーの長波長の光は第3pin構造部(pin3)まで到達し電子を励起する。 For example, in the third pin structure portion (pin 3), electrons are excited by light having a short wavelength that is high energy. At this time, light having a longer wavelength and having lower energy than that used in the third pin structure (pin 3) reaches the second pin structure (pin 2) and excites electrons. Further, low-energy long-wavelength light not used in the second pin structure part (pin2) reaches the third pin structure part (pin3) and excites electrons.
一方、例えば、第2pin構造部(pin2)のみでは、図12に示すように、中適度のエネルギーの光しか効率良く使用できない(図中(b)参照)即ち、低エネルギーの長波長の光は利用できず電子を励起できない(図中(a)参照)。一方、高エネルギーの短波長の光は利用できるが、その一部は熱となって放出され、効率的な利用とはいえない(図中(c)参照)。この図12は、光の波長と電子の励起の関係を示す図である。 On the other hand, for example, as shown in FIG. 12, only the second pin structure portion (pin2) can efficiently use only moderate energy light (see (b) in the figure). It cannot be used and cannot excite electrons (see (a) in the figure). On the other hand, high-energy short-wavelength light can be used, but part of it is emitted as heat and cannot be used efficiently (see (c) in the figure). FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the wavelength of light and the excitation of electrons.
このように、タンデム構造とすることで幅広い波長に対して光電効果を生じさせ、光電変換効率を向上させることができる。 As described above, the tandem structure can generate a photoelectric effect with respect to a wide range of wavelengths and improve the photoelectric conversion efficiency.
<光電変換装置の製造方法>
次いで、上記実施の形態1で説明した光電変換装置の製造方法について説明するとともに、その構成をより明確にする。図13、図15および図16は、本実施の形態の光電変換装置の製造工程を示す断面図である。図14は、ポリシラザンの主骨格の一般式を示す図である。
<Method for Manufacturing Photoelectric Conversion Device>
Next, the method for manufacturing the photoelectric conversion device described in
図13(A)に示すように、基板1として例えば、石英ガラス基板を準備し、基板1上に、例えばITO膜をスパッタリング法により堆積した後、必要に応じてパターニングすることにより透明電極3を形成する。
As shown in FIG. 13A, for example, a quartz glass substrate is prepared as the
次いで、透明電極3上に、p型のアモルファスシリコン層5を形成する。例えば、シリコンの前駆体液(液体シリコン材料)に例えば、ホウ素などのp型不純物を加えた不純物添加前駆体液を用いて形成する。「前駆体液」とは、特定物質を得るための前段階の物質を言い、ここでは、シリコン層を得るための液体シリコン材料をいうものとする。シリコンの前駆体液としては、例えば、シクロペンタシラン(Si5H10)を有機溶媒に分散させた液体を用い、紫外線を照射するなどして、重合させ、ポリシラン溶液とする。この不純物添加前駆体液を、透明電極3上にスピンコート法で塗布する。次いで、熱処理を施し、アモルファス化(固化、焼成)する。熱処理条件としては、例えば、窒素雰囲気中で、250℃〜350℃、10分〜1時間程度の処理を行う。なお、スピンコート法の他、スプレー法、インクジェット法等の他の吐出方法を用いてもよい。
Next, a p-type
次いで、量子ドットdを分散させたポリシラザン液L8を調整し、p型のアモルファスシリコン層5上に塗布する。シラザンとは、Si−N結合を有する化合物をいい、ポリシラザンは、当該化合物が重合したものであり、図14に示す一般式で表わされる主骨格を有する。R1〜R3は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、またはこれらの基以外でケイ素に直結する基が炭素である基、アルキルシリル基、アルキルアミノ基、アルコキシ基もしくは金属原子を表わす。ただし、R1,R2,R3のうち少なくとも1つは水素原子である。ここでは、上記一般式において、R1〜R3がすべてHである、ペルヒドロポリシラザン(以下「PHPS」という。)を用いる。
Next, the polysilazane liquid L8 in which the quantum dots d are dispersed is prepared and applied on the p-type
このPHPSは、酸素(O2)や水(H2O)と反応し、以下の反応式[1]により酸化シリコン膜(SiO2)となる。
-[SiH2NH]-m+mO2→mSiO2+mNH3…[1]
一方、酸素や水が乏しい雰囲気下においては、Nが残存し、酸窒化シリコン膜(SiNxOy)となる。
This PHPS reacts with oxygen (O 2 ) and water (H 2 O) to form a silicon oxide film (SiO 2 ) according to the following reaction formula [1].
-[SiH 2 NH] -m + mO 2 → mSiO 2 + mNH 3 ... [1]
On the other hand, in an atmosphere in which oxygen and water are scarce, N remains and becomes a silicon oxynitride film (SiNxOy).
よって、反応雰囲気下の酸素や水(酸素化合物)の含有量を調整することで、酸窒化シリコン膜(SiNxOy)の酸素と窒素の組成比を変えることができる。 Therefore, the composition ratio of oxygen and nitrogen in the silicon oxynitride film (SiNxOy) can be changed by adjusting the content of oxygen and water (oxygen compound) in the reaction atmosphere.
上記ポリシラザン(ここでは、PHPS)を有機溶媒に溶解させ、量子ドットdを分散させる。有機溶媒としては、例えば、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素の炭化水素溶媒、ハロゲン化メタン、ハロゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼン等のハロゲン化炭化水素、脂肪族エーテル、脂環式エーテル等のエーテル類を使用することができる。 The polysilazane (here, PHPS) is dissolved in an organic solvent, and the quantum dots d are dispersed. Examples of the organic solvent include aliphatic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbon hydrocarbon solvents, halogenated hydrocarbons such as halogenated methane, halogenated ethane, and halogenated benzene, aliphatic ethers, and fatty acids. Ethers such as cyclic ethers can be used.
好ましい溶媒としては、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ブロモホルム、塩化エチレン、塩化エチリデン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン等のハロゲン化炭化水素、エチルエーテル、イソプロピルエーテル、エチルブチルエーテル、ブチルエーテル、1,2−ジオキシエタン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類、ペンタンヘキサン、イソヘキサン、メチルペンタン、ヘプタン、イソヘプタン、オクタン、イソオクタン、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の炭化水素等を挙げることができる。特に、好ましい溶媒としてキシレン、あるいはジブチルエーテルが挙げられる。 Preferred solvents include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, bromoform, ethylene chloride, ethylidene chloride, trichloroethane, tetrachloroethane, ethyl ether, isopropyl ether, ethyl butyl ether, butyl ether, 1,2-dioxyethane, Ethers such as dioxane, dimethyldioxane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, pentanehexane, isohexane, methylpentane, heptane, isoheptane, octane, isooctane, cyclopentane, methylcyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, etc. And the like. Particularly preferred solvents include xylene or dibutyl ether.
上記量子ドットdとしては、例えばシリコンのナノ結晶を用いる。このような各種半導体材料の量子ドットは、例えば、分子線エピタキシーや化学蒸着、また、コロイド湿式化学方などを用いて製造可能であり、例えば、カンタムドット社やエビデントテクノロジー社によって種々の半導体の粒径の異なる量子ドットが製造・販売されている。 As the quantum dots d, for example, silicon nanocrystals are used. Such quantum dots of various semiconductor materials can be manufactured using, for example, molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition, colloidal wet chemical method, etc. For example, various semiconductor materials can be manufactured by Quantum Dot and Evident Technology. Quantum dots with different particle sizes are manufactured and sold.
このような、量子ドットdを製造又は入手し、上記PHPS液(PHPSの有機溶媒液)L8に分散させる。次いで、量子ドットd含有PHPS液L8を、p型のアモルファスシリコン層5上にスピンコート法で塗布する(図13(A))。次いで、熱処理を施し、焼成(成膜)する。熱処理条件としては、例えば、酸素を体積濃度で3〜5%の割合で含有する窒素雰囲気中で、300℃で、1時間程度の処理を行う。これにより、シリコンよりなる量子ドット(ナノ結晶粒)dが分散状態で含有された酸窒化シリコン膜8zよりなるi層8が形成される(図13(B))。なお、スピンコート法の他、スプレー法、インクジェット法等の他の吐出方法を用いてもよい。
Such quantum dots d are manufactured or obtained and dispersed in the PHPS liquid (an organic solvent liquid of PHPS) L8. Next, the quantum dot d-containing PHPS liquid L8 is applied onto the p-type
次いで、図13(C)に示すように、i層8上に、n型のアモルファスシリコン層9を形成する。例えば、黄燐(P4)等のn型不純物を加えたシリコンの前駆体液(例えば、前述のポリシラン溶液)を用いて形成する。この前駆体液を、i層8上にスピンコート法で塗布する。次いで、例えば250℃〜350℃、10分〜1時間程度の熱処理を施し、アモルファス化する。
Next, as shown in FIG. 13C, an n-type
また、各アモルファス層(5、9)形成時の熱処理において、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中に水素ガスを含有させた雰囲気で熱処理を行い、アモルファス層中に水素を含ませるようにしてもよい。雰囲気中の水素ガス濃度は、例えば、1%以上3%以下である。また、水蒸気雰囲気中で熱処理を施す、また、水素プラズマ処理を行うなどして水素を含有させてもよい。このように、層中に水素原子を含有させることにより、層中のダングリングボンドが水素原子により終端され、キャリアのトラップを防止することができる。 Moreover, in the heat treatment at the time of forming each amorphous layer (5, 9), heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen gas in an inert atmosphere such as nitrogen or argon so that hydrogen is included in the amorphous layer. Good. The hydrogen gas concentration in the atmosphere is, for example, 1% or more and 3% or less. Further, hydrogen may be contained by performing heat treatment in a steam atmosphere or performing hydrogen plasma treatment. Thus, by including hydrogen atoms in the layer, dangling bonds in the layer are terminated by hydrogen atoms, and carrier trapping can be prevented.
次いで、n型のアモルファスシリコン層9上に金属電極11としてAl膜を形成する。例えば、n型のアモルファスシリコン層9上に、Alをスパッタリング法により堆積し、必要に応じてパターニングすることにより金属電極11を形成する。以上の工程により、本実施の形態の光電変換装置が形成される(図13(C))。
Next, an Al film is formed as a
また、i層8が、複数の薄膜(8A、8B)で構成される場合(図2参照)には、図15(A)に示すように、上記と同様に、基板1上に透明電極3およびp型のアモルファスシリコン層5を形成した後、量子ドットd含有PHPS液L8Aをアモルファスシリコン層5上にスピンコート法で塗布し、乾燥させることにより、薄い乾燥塗布膜D8Aを形成する。次いで、図15(B)に示すように、この乾燥塗布膜D8A上に量子ドットdを含まないPHPS液L8Bを塗布し、乾燥させることにより薄い乾燥塗布膜D8Bを形成する。この後、乾燥塗布膜D8AおよびD8Bの形成を繰り返し、乾燥塗布膜の積層膜を形成した後(図15(C))、この積層膜に熱処理を施し、アモルファス化(固化、焼成)する。熱処理条件としては、例えば、酸素を体積濃度で3〜5%の割合で含有する窒素雰囲気中で、300℃で、1時間程度の処理を行う。これにより、シリコンよりなる量子ドットdを含有する薄膜8Aとシリコンよりなる量子ドットdを含有しない薄膜8Bとが交互に積層されたi層8が形成される(図15(D))。
When the
なお、図15においては、模式的に、薄膜8Aにおいて量子ドットd1個が平面的にランダムに配置される様子を示しているが、これに限られず、薄膜8Aにおいて原子が上下方向に複数個積層する程度の膜厚としてもよい。即ち、前述のとおり、薄膜を交互に積層させることにより、量子ドットdの配列の周期性を持たせ、ミニバンドの形成箇所を増加させることが重要である。また、図2および図15においては、量子ドットdを含有する薄膜8Aを最下層としたが、シリコンよりなる量子ドットdを含有しない薄膜8Bを最下層としても良く、また、積層数は、偶数でも奇数でもよい。
FIG. 15 schematically shows a state in which one quantum dot d1 is randomly arranged in a plane on the
また、図11を参照しながら説明したタンデム型の光電変換装置を形成する場合は、粒径を変えた3種類の量子ドット(d1〜d3)をそれぞれ含有するPHPS液を準備し、塗布および焼成することによりi層8a〜8cを形成すればよい。 When forming the tandem photoelectric conversion device described with reference to FIG. 11, PHPS solutions each containing three types of quantum dots (d1 to d3) with different particle sizes are prepared, applied, and fired. Thus, the i layers 8a to 8c may be formed.
このように、本実施の形態によれば、量子ドットを分散させたポリシラザン液を用いてi層を形成したので、簡易に制御性良く光電変換装置を形成することができる。また、抵コストでの生産が可能となる。 As described above, according to this embodiment, since the i layer is formed using the polysilazane liquid in which the quantum dots are dispersed, the photoelectric conversion device can be easily formed with good controllability. In addition, production at low cost is possible.
なお、上記p型およびn型のアモルファスシリコン層(5、9)は、CVD(化学気相成長、Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成してもよい。また、イオン注入法により不純物の注入を行ってもよい。また、シリコンの前駆体液にp型の不純物を含有する量子ドットを分散させ、p型のアモルファスシリコン層を形成してもよい。同様に、シリコンの前駆体液にn型の不純物を含有する量子ドットを分散させ、n型のアモルファスシリコン層を形成してもよい。 The p-type and n-type amorphous silicon layers (5, 9) may be formed using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, impurities may be implanted by an ion implantation method. Alternatively, a p-type amorphous silicon layer may be formed by dispersing quantum dots containing p-type impurities in a silicon precursor solution. Similarly, an n-type amorphous silicon layer may be formed by dispersing quantum dots containing n-type impurities in a silicon precursor solution.
また、図16に示すように、p型の不純物を含有する量子ドットdpを分散させたPHPS液を用いて、p型の量子ドットdpを含有する酸窒化シリコン膜8zを形成し、p層5Pとしてもよい。また、n型の不純物を含有する量子ドットdnを分散させたPHPS液を用いて、n型の量子ドットdnを含有する酸窒化シリコン膜8zを形成し、n層9Nとしてもよい。また、図1、図13のp型およびn型のアモルファスシリコン層(5、9)をそれぞれ上記量子ドット含有の膜(5P、9N)としてもよい。
Further, as shown in FIG. 16, a
なお、本実施の形態においては、量子ドットとして、シリコンよりなる量子ドットdを用いたが、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムなど、図17に示す各種材料を量子ドットの材料として用いてもよい。図17は、使用可能な量子ドットの材料とマトリクス層の材料を示す表である。なお、図中のコア・シェル構造体とは、コア材料をシェル材料でコーティングした粒子を意味し、例えば、CdS/ZnSeとは、CdSよりなるコアをZnSe材料でコーティングした粒子を指す。 In this embodiment, the quantum dots d made of silicon are used as the quantum dots, but various materials shown in FIG. 17 such as silicon germanium and germanium may be used as the quantum dot materials. FIG. 17 is a table showing usable quantum dot materials and matrix layer materials. In addition, the core-shell structure in the figure means particles in which a core material is coated with a shell material. For example, CdS / ZnSe refers to particles in which a core made of CdS is coated with a ZnSe material.
このように、種々の材料に対応して、マトリクス層となる酸窒化シリコン膜(SiNxOy)の酸素と窒素の組成比を変えることで、バンドギャップや量子井戸の深さなど目的とする光電変換装置の特性に合致するよう、装置の設計を行うことができる。 As described above, by changing the composition ratio of oxygen and nitrogen in the silicon oxynitride film (SiNxOy) serving as the matrix layer in accordance with various materials, the target photoelectric conversion device such as the band gap and the quantum well depth can be obtained. The device can be designed to meet the characteristics of
また、図18に示すように、装置をタンデム型とすることにより幅広い波長に対して光電効果を生じさせることができる。図18は、本実施の形態の光電変換装置の他の構成を示す断面図である。 In addition, as shown in FIG. 18, the photoelectric effect can be generated with respect to a wide range of wavelengths by making the apparatus a tandem type. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating another structure of the photoelectric conversion device of this embodiment.
この場合、図18に示すように、3つのpin構造部(pin1〜3)における各i層8中の量子ドットda〜dcの粒種が異なっている。なお、他の構成は、図11の場合と同様である。
In this case, as shown in FIG. 18, the particle types of the quantum dots da to dc in the i layers 8 in the three pin structure portions (
この場合、光の入射側から量子ドットのバンドギャップの大きい順(Eg(dc)>Eg(db)>Eg(da))にpin構造部を配置することで、実施の形態1の図11の場合と同様に幅広い波長に対して光電効果を生じさせ得る。量子ドットとしては、例えば、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムなどを用いることができる。また、CdTe(1.52eV)、GaA(1.43eV)、InP(1.35eV)、GaP(2.3eV)などの化合物半導体などの他、図17に示す材料を適宜組み合わせて使用してもよい。カッコ内は、バンドギャップを示す。なお、図18の各pin構造部において、マトリクス層を構成する各i層8の酸窒化シリコン膜(SiNxOy)の酸素と窒素の組成比を変えてもよい。
In this case, by arranging the pin structure portion in the descending order of the band gap of the quantum dots (Eg (dc)> Eg (db)> Eg (da)) from the light incident side, FIG. As in the case, the photoelectric effect can be generated for a wide range of wavelengths. As the quantum dot, for example, silicon, silicon germanium, germanium, or the like can be used. In addition to compound semiconductors such as CdTe (1.52 eV), GaA (1.43 eV), InP (1.35 eV), and GaP (2.3 eV), the materials shown in FIG. 17 may be used in appropriate combinations. Good. The band gap indicates the band gap. In each pin structure portion of FIG. 18, the composition ratio of oxygen and nitrogen of the silicon oxynitride film (SiNxOy) of each
このように、量子ドットとi層8の酸窒化シリコン膜(SiNxOy)の酸素と窒素の組成比を適宜選択・調整することで、特性の良好な光電変換装置とすることができる。
As described above, by appropriately selecting and adjusting the composition ratio of oxygen and nitrogen in the quantum dots and the silicon oxynitride film (SiNxOy) of the
また、前述の特許文献1に記載の製造工程においては、1100℃以上の高温処理が必要であり、使用できる基板や電極材料に制限が生じる。これに対し、上記実施の形態の溶液プロセスによれば、低温プロセスが可能であり、耐熱性の低い基板などを使用することができる。よって、抵コストで生産性の高い装置の製造が可能となる。また、上記実施の形態によれば、従来の半導体集積回路や従来の光電変換装置のプロセスと親和性が良く、これらの回路や装置と、同一基板上に混載し、多機能のシステムとすることもできる。
Moreover, in the manufacturing process described in
なお、上記実施の形態においては、マトリクス層として酸窒化シリコン膜(SiNxOy)を形成したが、当該膜中の窒素の組成比yを0とし、酸化シリコン膜としてもよい。この場合、SiO2のバンドギャップである9eVにより量子井戸の深さが深くなる場合があるが、ポリシラザンを使用した溶液プロセスのメリット(低温プロセス、低コスト、高生産性など)を奏することができる。また、バンドギャップの大きな量子ドットとの組み合わせにより量子井戸の深さも浅くすることができる。 In the above embodiment, the silicon oxynitride film (SiNxOy) is formed as the matrix layer. However, the composition ratio y of nitrogen in the film may be set to 0 to form a silicon oxide film. In this case, although the depth of the quantum well may be deepened by 9 eV which is the band gap of SiO 2 , the merit (low temperature process, low cost, high productivity, etc.) of the solution process using polysilazane can be achieved. . Moreover, the depth of a quantum well can also be made shallow by combining with a quantum dot with a large band gap.
<電子機器>
上記光電変換装置は、各種電子機器に組み込むことができる。適用できる電子機器に制限はないがその一例について説明する。
<Electronic equipment>
The photoelectric conversion device can be incorporated into various electronic devices. There is no limitation on applicable electronic devices, but an example thereof will be described.
図19は、本発明の太陽電池(光電変換装置)を適用した電卓を示す平面図、図20は、本発明の太陽電池(光電変換装置)を適用した携帯電話機(PHSも含む)を示す斜視図である。 FIG. 19 is a plan view showing a calculator to which the solar cell (photoelectric conversion device) of the present invention is applied, and FIG. 20 is a perspective view showing a cellular phone (including PHS) to which the solar cell (photoelectric conversion device) of the present invention is applied. FIG.
図19に示す電卓100は、本体部101と、本体部101の上面(前面)に設けられた表示部102、複数の操作ボタン103および光電変換素子設置部104とを備えている。
A
図19に示す構成では、光電変換素子設置部104には、光電変換素子1dが5つ直列に接続されて配置されている。この光電変換素子1dとして上記光電変換装置を組み込むことができる。
In the configuration shown in FIG. 19, five
図20に示す携帯電話機200は、本体部201と、本体部201の前面に設けられた表示部202、複数の操作ボタン203、受話口204、送話口205および光電変換素子設置部206とを備えている。
A
図20に示す構成では、光電変換素子設置部206が、表示部202の周囲を囲むようにして設けられ、光電変換素子1dが複数、直列に接続されて配置されている。この光電変換素子1dとして上記光電変換装置を組み込むことができる。
In the configuration illustrated in FIG. 20, the photoelectric conversion
なお、本発明の電子機器としては、図19に示す電卓、図20に示す携帯電話機の他、例えば、光センサー、光スイッチ、電子手帳、電子辞書、腕時計、クロック等に適用することもできる。 In addition to the calculator shown in FIG. 19 and the cellular phone shown in FIG. 20, the electronic device of the present invention can be applied to, for example, an optical sensor, an optical switch, an electronic notebook, an electronic dictionary, a wristwatch, a clock, and the like.
図21は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計1100は、表示部1101を備え、例えば、この表示部1101の外周に、上記光電変換装置を組み込むことができる。
FIG. 21 is a perspective view illustrating a wrist watch that is an example of an electronic apparatus. The
また、上記光電変換装置は、低コスト化、量産化に適し、家庭用又は業務用の太陽光発電システムに用いても好適である。 The photoelectric conversion device is suitable for cost reduction and mass production, and is also suitable for use in a solar power generation system for home use or business use.
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。 It should be noted that the examples and application examples described through the above embodiment can be used in appropriate combination according to the application, or can be used with modifications or improvements, and the present invention is limited to the description of the above embodiment. Is not to be done.
1…基板、1d…光電変換素子、3…透明電極、5…p型のアモルファスシリコン層、8…i層、8z…酸窒化シリコン膜、9…n型のアモルファスシリコン層、11…上部電極、8A…量子ドットdを含有する酸窒化シリコン膜、8B…量子ドットdを含有しない酸窒化シリコン膜、8a、8b、8c…i層、100…電卓、101…本体部、102…表示部、103…操作ボタン、104…光電変換素子設置部、200…携帯電話機、201…本体部、202…表示部、203…操作ボタン、204…受話口、205…送話口、206…光電変換素子設置部、1100…腕時計、1101…表示部、d、d1〜d3、da〜dc…量子ドット、D8A…乾燥塗布膜、D8B…乾燥塗布膜、L8…ポリシラザン液、L8A…量子ドットd含有PHPS液、L8B…量子ドットdを含まないPHPS液、pin1…第1pin構造部、pin2…第2pin構造部、pin3…第3pin構造部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記塗布膜に熱処理を施すことにより前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A step of forming a coating film by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains made of a semiconductor are dispersed above a substrate;
Forming a silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains by performing a heat treatment on the coating film;
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記第1導電型半導体層上に前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、
前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜上に前記第1導電型の逆導電型である第2導電型半導体層を形成する工程と、
を有する請求項1乃至4のいずれか一項記載の光電変換装置の製造方法。 Forming a first conductivity type semiconductor layer above the substrate;
Forming a silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains on the first conductivity type semiconductor layer;
Forming a second conductivity type semiconductor layer that is a reverse conductivity type of the first conductivity type on the silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains;
The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims 1 thru | or 4 which has these.
前記ナノ結晶粒を含有しないポリシラザンを含有する液体を塗布することにより第2塗布膜を形成する第2工程と、
前記第1および第2工程を繰り返すことにより前記第1塗布膜と前記第2塗布膜が繰り返し積層された積層膜を形成する第3工程と、
前記積層膜に熱処理を施すことにより、前記ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜と前記ナノ結晶粒を含有しない酸窒化シリコン膜とが繰り返し積層された層を形成する第4工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A first step of forming a first coating film by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains made of a semiconductor are dispersed above a substrate;
A second step of forming a second coating film by applying a liquid containing polysilazane not containing the nanocrystal grains;
A third step of forming a laminated film in which the first coating film and the second coating film are repeatedly laminated by repeating the first and second steps;
A fourth step of forming a layer in which the silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains and the silicon oxynitride film not containing the nanocrystal grains are repeatedly laminated by performing a heat treatment on the laminated film;
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記第1粒径のナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜の上方に、前記半導体よりなる前記第1粒径と異なる第2粒径のナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第2粒径のナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A silicon oxynitride containing nanocrystal grains having the first grain size is applied by applying a liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains having a first grain size made of a semiconductor are dispersed above the substrate and performing a heat treatment. Forming a film;
A liquid containing polysilazane in which nanocrystal grains having a second grain size different from the first grain size made of the semiconductor are dispersed above the silicon oxynitride film containing the nanocrystal grains having the first grain size. Applying and heat treating to form a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains of the second grain size;
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記第1ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜の上方に、前記第1半導体以外の第2半導体よりなる第2ナノ結晶粒が分散された、ポリシラザンを含有する液体を塗布し、熱処理を施すことにより前記第2ナノ結晶粒を含有する酸窒化シリコン膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A silicon oxynitride film containing the first nanocrystal grains is formed by applying a liquid containing polysilazane in which the first nanocrystal grains made of the first semiconductor are dispersed over the substrate and performing a heat treatment. Process,
A liquid containing polysilazane in which second nanocrystal grains made of a second semiconductor other than the first semiconductor are dispersed is applied above the silicon oxynitride film containing the first nanocrystal grains and subjected to heat treatment. A step of forming a silicon oxynitride film containing the second nanocrystal grains,
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記ナノ結晶粒のバンドギャップは、2eV以下であり、
前記酸窒化シリコン膜は、そのバンドギャップが前記ナノ結晶粒のバンドギャップの2倍以上3倍以下となるよう酸素と窒素の組成比が調整された膜である光電変換装置。 It has a silicon oxynitride film containing nanocrystal grains made of a semiconductor,
The band gap of the nanocrystal grains is 2 eV or less,
The photoelectric conversion device, wherein the silicon oxynitride film is a film in which a composition ratio of oxygen and nitrogen is adjusted so that a band gap thereof is not less than 2 times and not more than 3 times a band gap of the nanocrystal grains.
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WO2013103047A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | 富士フイルム株式会社 | Quantum dot structure and quantum dot structure formation method, wavelength conversion element, photo-photo conversion device and photoelectric conversion device |
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2008
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