太陽電池
【課題】 量子井戸部にキャリアの再結合損失を増加させる不要な準位が形成されることを防止して、優れた光電変換効率を有する太陽電池を得る。
【解決手段】 カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層（５）と、カーボンを材料とし、第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層（７）と、第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部（６）とを含む太陽電池において、量子井戸部（６）を、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層（１１）と、壁層中に埋め込まれる複数の量子ドット（１０）と、量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層（１２）とによって構成する。
【解決手段】 カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層（５）と、カーボンを材料とし、第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層（７）と、第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部（６）とを含む太陽電池において、量子井戸部（６）を、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層（１１）と、壁層中に埋め込まれる複数の量子ドット（１０）と、量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層（１２）とによって構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンを材料とする太陽電池に関し、特に長波長側感度を向上させるために量子井戸部を設けた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、可視光などの光から起電力を発生させる、太陽電池などの光電変換素子は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。また、次世代の低コスト太陽電池材料として、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボンと呼ばれるカーボンを主成分とする半導体薄膜が提案されている（特許文献１参照）。カーボン材料には、導電体でありｓｐ２結合からなるグラファイトと、絶縁体でありｓｐ３結合からなるダイヤモンドという２つの安定した結晶構造がある。このｓｐ２、ｓｐ３結合を混合させることにより、半導体薄膜を形成することができる。さらに、ｓｐ２、ｓｐ３結合や添加する水素濃度を調節することにより、太陽電池に適した光吸収特性や電気特性を有する半導体薄膜および微粒子（量子ドット）を自在に形成することができる。
【０００３】
このため、カーボン材料を用いた太陽電池では、太陽光の幅広い波長領域に適した光吸収特性を単一材料における成分比を調節することにより得ることができる。従って、従来の結晶系材料であるＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等を積層した太陽電池に比べて製造コストを低減することができるという優れた特徴を有する。
【０００４】
また、太陽電池の変換効率を向上させる新しい手法として、太陽電池素子中に量子井戸層を形成し長波長感度を向上させる方法（特許文献２参照）、量子ドットを形成して幅広い波長範囲の光を吸収させてキャリア（電荷）生成量を増加させる方法（特許文献３）が提案されている。量子井戸構造を形成するためには、一般的に結晶系半導体材料ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等に、バンドギャップが小さい１〜２０ｎｍ程度の厚みを有する薄膜や、同サイズ径の微細なドットを周期的に設ける必要がある。ＧａＡｓ中にＧａＩｎＡｓ量子井戸層やＩｎＡｓ量子ドットを設けた構成が提案され、長波長領域の光感度向上が確認されている。
【０００５】
量子井戸層を設けるためには、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用い、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ等を含有するガスを供給する必要がある。これらの材料や製造装置は高価であるため、低コスト太陽電池を提供する上で大きな障害となっている。一方、低コスト太陽電池用材料としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）やＣｕＩｎＳｅ２系、ＣｄＳ系材料を用いた薄膜型太陽電池が開発されている。これらの材料に量子井戸構造を形成するために、例えばａ−Ｓｉ中に量子井戸層としてアモルファスＳｉＧｅ層を設けた構造が提案されている。しかしながら、結晶系材料に匹敵する特性が得られておらず、高効率な太陽電池作成の障害となっている。
【０００６】
一方、量子ドットを形成する材料として、カーボン元素を主成分とするカーボンナノチューブ等の筒状分子、あるいはフラーレン等の球状分子を用いた受光素子や発光素子が提案されている（特許文献４、５、６参照）。この中で太陽電池への応用も示唆されているが、具体的な構造や従来型量子ドットに対する優位性を提案するまでには至っていない。
【０００７】
カーボンナノチューブ等の筒状分子はエチレンやプロパン等のカーボン源と水素ガス等の安価なガスより化学蒸着法を用いて製造することができる。これら筒状、球状分子もカーボンを主成分としており、直径や長さ、結合状態を調整することにより半導体物性を制御することができる。また、合成条件を調節することにより、表面張力による自己収縮特性を用いて作製する量子ドットに比べて制御性に優れ、太陽電池の性能、すなわち光電変換効率をより向上させることができる可能性を有する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５１６０３号
【特許文献２】特開平６−３０２８４０号
【特許文献３】特開２００２−１４１５３１号
【特許文献４】特開２００３−２４３６９２号
【特許文献５】特開２００３−２８５２９９号
【特許文献６】特開２０００−３１４６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、量子井戸部に設ける量子ドットを構成するカーボンナノチューブやフラーレン等の筒状あるいは球状分子は、その形状に応じて光吸収特性や電気特性が決まる。従って、カーボンナノチューブ周囲と壁層となるカーボン薄膜の間にｓｐ２結合等の導電特性に寄与する結合が生じると、量子ドット部に新たな（余分な）エネルギー準位、例えば、電荷を補足し結合させる中間準位が生じ、壁層とドットの界面部分のエネルギーレベルが小さくなってその間にギャップが生じるなどの不具合が起こる。
【００１０】
そのため、量子井戸部の製造に当たって、図１に示すように、カーボンナノチューブ等を用いて形成する量子ドット１０２を壁層１０４となるカーボン薄膜中に埋め込む構成とすると、量子井戸部１００における量子ドット１０２と壁層１０４間にｓｐ２結合が容易に生じ、このため量子ドット部に不要なエネルギー準位が生じ、エネルギーレベルが小さくなる。
【００１１】
図２は、図１に示す量子井戸部１００のエネルギーバンド構造を示す図である。図示するように、量子ドット１０２の周辺にｓｐ２結合が形成されると、量子ドット１０２の界面近傍のエネルギーレベルが小さくなり、壁層１０４のエネルギーレベルとの間にギャップ１０６が生じる。このギャップの存在によって、電子の再結合損失が増加し、電子の閉じ込め効果が減少するので、量子井戸部による長波長側の光電変換効率が低下し、太陽電池の出力向上を妨げる。
【００１２】
従って、本発明は、カーボンを主成分とし量子井戸部を設けた太陽電池において、量子井戸部を構成する壁層と量子ドット間に生じるｓｐ２結合の発生を抑制することにより、優れた光電変換特性を有しかつ安価に製造することが可能な太陽電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の太陽電池は、カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層と、カーボンを材料とし、前記第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層と、前記第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部とを含み、前記量子井戸部は、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層と、前記壁層中に埋め込まれる複数の量子ドットと、前記量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層とを含んで構成する。
【００１４】
量子ドットは、カーボンの筒状分子あるいは球状分子を含む。また、ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子にアルキル基等の官能基を結合させることによって構成される。あるいは、カーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって、構成される。
【００１５】
量子ドット表面のカーボン原子に、官能基、水素またはハロゲン元素を積極的に結合させることによって、量子ドットが壁層と接触した場合に生じるｓｐ２結合の発生が抑制され、その結果、電子の再結合損失を増加させる不要なエネルギー準位が量子ドット部に形成されることが防止される。これによって、太陽電池の光電変換効率が向上し、出力が増加する。
【００１６】
前記カーボン原子に官能基を結合させる場合、結合させる官能基数は、量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の５〜５０％の範囲である。結合させる官能基数が多いと、量子ドットのエネルギーレベルが変化し、量子ドットが有する電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、結合させる官能基数を上記の範囲にすることにより、ｓｐ２結合生成の抑制効果と量子効果の維持を両立させることが可能となる。
【００１７】
ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって構成しても良い。ハロゲン元素の付加によって、壁層と量子ドットとが接触し結合することが防止される。また、これらの元素は、量子ドットのエネルギー準位を変動させにくいため、量子ドットの量子効果を損なうことがない。
【００１８】
ｓｐ２結合防止層にハロゲン元素を用いる場合、ハロゲン元素数は、量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の１０〜９０％の範囲とする。これにより、ｓｐ２結合生成の抑制効果と量子効果の維持を両立させることができる。
【００１９】
また、前記ｓｐ２結合防止層は、壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させて構成しても良い。壁層側に官能基等を付加することにより、量子ドットのバンドギャップ増減等の物性変化を小さくすることが可能となる。
【００２０】
さらに、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものと、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものとによって構成しても良い。
【００２１】
官能基等を、壁層側および量子ドット側の双方に付加することによって、ｓｐ２結合生成の抑制効果をより大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の太陽電池では、量子井戸部を構成する壁層のカーボン原子と量子ドットを構成するカーボン原子との接触および結合がｓｐ２結合防止層の存在により抑制されるため、量子ドットの壁層側界面に、キャリアを補足し再結合させる中間準位が形成されにくい。そのため、量子井戸部が本来の量子効果を発揮し、長波長側の受光感度を向上させるため、優れた光電変換効率を有しかつ安価な太陽電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態にかかる太陽電池の概略構成を示す断面図である。１は多層光制御薄膜であり、光反射損失を減少させるための反射防止膜、あるいは半導体材料が電荷を発生させるために有用な光を透過し不要な光を反射するための光学フィルタとして動作する。２は光透過性基板であって、太陽光を透過させるガラス、プラスチック等で構成されている。３は、ＩＴＯ膜、あるいはＳｎＯ２等で構成される透明電極、４は太陽電池の光電変換部を構成する半導体層であり、ｓｐ２結合とｓｐ３結合が混合したカーボンを主成分とする薄膜より構成され、製造過程で混入する水素またはハロゲン元素を含有し、さらに導電性を制御する元素が添加されている。
【００２４】
半導体層４は基本的に、光電変換部を構成するｐ層とｎ層、さらにこのｐ層とｎ層間に設けた長波長側感度を向上させるための量子井戸部とを有する。本実施形態では、半導体層４は、ｎ＋層５、量子井戸部６、ｐ層７およびｐ＋層８で構成されており、量子井戸部６は層５および層７よりもキャリア濃度が低い半導体、例えばｎ−層、ｉ層あるいはｐ−層によって形成される。９は裏面電極であって、半導体層４に接続し、電子または正孔を収集する。
【００２５】
この太陽電池において、光を吸収することによって半導体層４に生じた電子、正孔は、ｐ層およびｎ層によって形成されるｐｎ接合によって電子はｎ＋層５へ、正孔はｐ＋層８へ移動し、電極１、９を介して光起電力として取り出される。なお、図１に示す太陽電池では、ｎ＋層５を受光側に設けているが、ｐ＋層８を受光側に設けても太陽電池として同様の効果を得ることができる。
【００２６】
図４は、量子井戸部６の構成を説明するための図であり、図１のＡ−Ａ断面の一部を示す。図示するように、量子井戸部６は、量子効果を生成するための複数の量子ドット１０と、量子ドット１０の周囲の壁層１１とで構成される。壁層１１は、ｎ＋層５、ｐ層７およびｐ＋層８と同様に、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合が混合されたカーボンを主成分とする材料で構成されるが、そのキャリア濃度はこれらの層よりも低くされている。量子ドット１０は、カーボンの筒状分子（例えばカーボンナノチューブ）または球状分子（例えばフラーレン）で構成されている。量子ドット１０は、これらのカーボン分子１個あるいは数個を含み、その直径が３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度である。また、量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層１１の５０〜９５％程度である。
【００２７】
図５に筒状分子の一例としてのカーボンナノチューブの構造を、図６に球状分子の一例としてのフラーレン（Ｃ６０）の構造を示す。量子ドット１０を構成するカーボンナノチューブ、フラーレン等は、その形状に応じて光吸収特性や電気特性が決まるが、そのエネルギーバンドギャップは、壁層１１よりも小さく、例えば、壁層１１の５０〜９５％程度である。
【００２８】
図７に、図３に示す太陽電池における断面Ａのエネルギーバンド構造を示す。図７に付した符号は図３に示す各構成要素に対応し、その部分のエネルギーバンドギャップを示している。量子井戸部６は、エネルギーバンドギャップの大きい壁層１１とエネルギーバンドギャップが壁層１１よりも小さい量子ドット１０とで構成されており、これによって量子効果を出現させ、長波長側の受光感度を向上させている。半導体層４は主に可視光に受光感度を有し、従って可視光よりも長波長側に受光感度を有する量子井戸部６を設けることによって、より広い波長領域で効率よく光電変換が行われるため、太陽電池の出力が向上する。
【００２９】
ところが、図１および２を参照して、（発明が解決しようとする課題）の部分で説明したように、量子ドット１０と壁層１１間に導電性に寄与するｓｐ２結合が形成されると、量子井戸部のエネルギーバンド構造において、壁層１１と量子ドット１０間にエネルギーレベルのギャップが生じこれによって電子閉じ込め特性が低下する。
【００３０】
従って、本発明の太陽電池では、図８に示すように、量子井戸部６において、量子ドット１０と壁層１１間にｓｐ２結合の防止層１２を設ける構成としている。ｓｐ２結合防止層１２は、量子ドット１０または壁層１１、あるいはその両者を構成するカーボン原子に、官能基、水素あるいはハロゲン元素を付加して構成される。官能基としては、メチル基、エチル基、プロピル基等を含むアルキル基を用いることができる。ハロゲン元素としては、フッ素、塩素、臭素等を用いることができる。
【００３１】
図９および１０に、図８に示す構造の場合の、量子井戸部６のエネルギーバンド構造を示す。これらのエネルギーバンド構造は、図８の断面Ｃについて示すものである。図８に示す構造の量子井戸部６では、量子ドット１０と壁層１１間において、ｓｐ２結合の防止構造１２が設けられているので、その界面においてｓｐ２結合が抑制され、その結果、図９に示すように、量子ドット１０のエネルギーレベルは平坦となる。あるいは、量子ドット１０の周辺部において中心部よりも導電性が抑制されると、図１０に示すように、量子ドット１０の周辺部においてエネルギーレベルを上昇させる準位が形成される場合も有る。
【００３２】
このように、ｓｐ２結合の防止構造１２を量子ドット１０と壁層１１間に設けることにより、量子ドット１０と壁層１１間に、電子の再結合損失を増加させるエネルギーレベルギャップが生成されなくなるため、量子井戸部６の本来の効果が発揮され、長波長側に高い受光感度を有する太陽電池を得ることができる。
【００３３】
以下に、図３および８に示す構造の太陽電池について、その各部の具体的構成を示す。なお、Ｃはキャリア濃度を示す。
【００３４】
多層光制御薄膜１
材料：ＭｇＦ２、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等
光透過性基板２
材料：石英、ガラス、プラスチック等
厚さ：０．２〜５ｍｍ程度
サイズ：１×１ｃｍ〜１００×１００ｃｍ程度
透明電極３
材料：ＩＴＯ、ＳｎＯ２等
厚さ：０．０１〜２μｍ
半導体層４
材料：カーボンを主成分とする。
添加元素：水素またはハロゲン元素を０．０１％（原子％、以下同じ）〜３０％含有する。必要に応じてＳｉ、Ｇｅを添加する。
ｎ＋層５：厚み０．０２〜１μｍ、Ｃ＝１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）
量子井戸部６
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）
（ｂ）量子ドット１０：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、量子ドット１０と壁層１１間には、ｓｐ２結合防止層が形成される。
ｐ層７：厚み１〜３０μｍ、Ｃ＝１×１０１４〜１×１０１８ｃｍ−３、バンドギャップ１．７ｅＶ（０．４〜２．４ｅＶ程度）
ｐ＋層８：厚み０．０２〜１μｍ、Ｃ＝１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３、バンドギャップ１．７ｅＶ（０．４〜２．４ｅＶ程度）
裏面電極９
材料：Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ等
厚み：０．２〜５μｍ
【００３５】
なお、上記構造におけるｐ層、ｎ層の組み合わせはこれに限定するものではなく、受光面側にｐ＋層を設ける構造とすることも可能である。
【００３６】
前述したように、上記構造の太陽電池において、ｓｐ２結合防止層１２は、１）量子ドット１０のカーボン原子に官能基等を結合して構成する場合、２）量子ドットに隣接する壁層のカーボン原子に官能基等を結合して構成する場合、および３）量子ドット側と壁層側との両者に設ける場合が存在する。また、結合させる物質として、官能基、水素、ハロゲン元素を用いることができるが、以下に、それぞれの場合の具体的事例および効果について説明する。
【００３７】
ｓｐ２結合防止層１２を量子ドット側に設ける場合
カーボンナノチューブ等の表面には水素が結合しているが、量子ドット１０の形成時にカーボンナノチューブより脱離しやすい。水素が脱離すると残ったカーボン原子は壁層側のカーボン原子とｓｐ２結合する。これを防止するために、カーボンナノチューブ表面の水素をアルキル基またはハロゲン元素等で置換し、ｓｐ２結合生成を抑制する。あるいは、量子ドット１０の生成時に積極的に水素を添加して、脱離した水素を補充し、ｓｐ２結合生成を抑制する。この構造では、ｓｐ２結合減少の効果が容易に得られる。
【００３８】
ｓｐ２結合防止層１２を壁層側に設ける場合
壁層１１側の量子ドット１０に接触する部分のカーボン原子に、官能基、水素、ハロゲン元素の何れかを結合させてｓｐ２結合防止層１２を構成する。この場合には、量子ドット１０のバンドギャップ増減等の物性変化を小さくすることができる利点がある。
【００３９】
ｓｐ２結合防止層１２を量子ドット側および壁層側の双方に設ける場合
壁層１１側のカーボン原子と、量子ドット１０の表面のカーボン原子に対して、官能基、水素、ハロゲン元素の何れかを結合させてｓｐ２結合防止層１２を構成することにより、ｓｐ２結合をより減少させることができる。
【００４０】
実施例１
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）、量子ドットに接する界面側に官能基を付加する。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲に水素またはハロゲン元素を付加する。
【００４１】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するための官能基としてアルキル基を用いる場合
アルキル基はｓｐ３結合によって構成され、壁層と量子ドットが接触し結合することを防ぐ効果を有する。その結果、壁層と量子ドット界面のｓｐ２結合生成が抑制され、量子井戸部は本来の効果を発揮し、太陽電池の光電変換効率を向上させる。
【００４２】
実施例２
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にメチル基（−ＣＨ３）を付加する。
【００４３】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために水素またはハロゲン元素を用いる場合
水素、ハロゲン元素を、壁層側または量子ドット表面、あるいはその両者に含まれるカーボン原子に付加することにより、壁層と量子ドットが接触し結合することを防ぐ効果がある。また、水素、ハロゲン元素は、量子ドットのエネルギー準位を変動させにくく、壁層を構成するカーボン薄膜に対しても欠陥を増加させる元素として機能しない。
【００４４】
実施例３
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にフッ素（−Ｆ）を付加する。
【００４５】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために付加する官能基の結合数
アルキル基等をカーボンナノチューブ表面に付加すると、ｓｐ２結合生成を抑制することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ表面の原子数に対して付加する官能基数を増加させると、量子ドットとしての電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、ｓｐ２結合生成を抑制し、かつ量子効果を維持するためには、付加する官能基数を、量子ドットを構成するカーボン分子表面の原子数の５〜５０％の範囲とする。例えば、メチル基等の小さい官能基では３０〜５０％、エチル基、プロピル基と大きくなるに従い２５％、１５％と付加する官能基数を減少させる。これによって、ｓｐ２結合生成抑制効果と、量子効果の維持を両立させることができる。
【００４６】
実施例４
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にメチル基（−ＣＨ３）を、カーボンナノチューブを構成する外周カーボン元素の３５％に付加する。
【００４７】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために付加する水素またはハロゲン元素の結合数
水素またはハロゲン元素を、カーボンナノチューブ表面に付加すると、ｓｐ２結合生成を抑制することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ表面の原子数に対して付加するハロゲン元素等を増加させると、量子ドットとしての電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、ｓｐ２結合生成を抑制し、かつ量子効果を維持するためには、付加するハロゲン元素等を、量子ドットを構成するカーボン分子表面の原子数の１０〜９０％の範囲とする。例えば、フッ素等の軽元素では５０〜９０％、塩素、臭素と大きくなるに従い４０％、３０％と付加する元素数を減少させる。これによって、ｓｐ２結合生成抑制効果と、量子効果の維持を両立させることができる。
【００４８】
実施例５
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にフッ素（−Ｆ）を、カーボンナノチューブを構成する外周カーボン元素の７０％に付加する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を適用しない量子井戸部の構成を示す図。
【図２】図１に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造を示す図。
【図３】本発明の一実施形態にかかる太陽電池の構造を示す断面図。
【図４】図３に示す太陽電池の量子井戸部の構造を示す断面図。
【図５】カーボンナノチューブの構造を模式的に示す図。
【図６】フラーレンの構造を模式的に示す図。
【図７】図３に示す太陽電池のエネルギーバンド構造を模式的に示す図。
【図８】図４に示す量子井戸部の一部拡大図。
【図９】図８に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造の１例を示す図。
【図１０】図８に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造の他の例を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１ 多層光制御薄膜
２ 光透過性基板
３ 透明電極
４ 半導体層
５ ｎ＋層
６ 量子井戸部
７ ｐ層
８ ｐ＋層
９ 裏面電極
１０ 量子ドット
１１ 壁層
１２ ｓｐ２結合生成防止層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンを材料とする太陽電池に関し、特に長波長側感度を向上させるために量子井戸部を設けた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、可視光などの光から起電力を発生させる、太陽電池などの光電変換素子は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。また、次世代の低コスト太陽電池材料として、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボンと呼ばれるカーボンを主成分とする半導体薄膜が提案されている（特許文献１参照）。カーボン材料には、導電体でありｓｐ２結合からなるグラファイトと、絶縁体でありｓｐ３結合からなるダイヤモンドという２つの安定した結晶構造がある。このｓｐ２、ｓｐ３結合を混合させることにより、半導体薄膜を形成することができる。さらに、ｓｐ２、ｓｐ３結合や添加する水素濃度を調節することにより、太陽電池に適した光吸収特性や電気特性を有する半導体薄膜および微粒子（量子ドット）を自在に形成することができる。
【０００３】
このため、カーボン材料を用いた太陽電池では、太陽光の幅広い波長領域に適した光吸収特性を単一材料における成分比を調節することにより得ることができる。従って、従来の結晶系材料であるＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等を積層した太陽電池に比べて製造コストを低減することができるという優れた特徴を有する。
【０００４】
また、太陽電池の変換効率を向上させる新しい手法として、太陽電池素子中に量子井戸層を形成し長波長感度を向上させる方法（特許文献２参照）、量子ドットを形成して幅広い波長範囲の光を吸収させてキャリア（電荷）生成量を増加させる方法（特許文献３）が提案されている。量子井戸構造を形成するためには、一般的に結晶系半導体材料ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等に、バンドギャップが小さい１〜２０ｎｍ程度の厚みを有する薄膜や、同サイズ径の微細なドットを周期的に設ける必要がある。ＧａＡｓ中にＧａＩｎＡｓ量子井戸層やＩｎＡｓ量子ドットを設けた構成が提案され、長波長領域の光感度向上が確認されている。
【０００５】
量子井戸層を設けるためには、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用い、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ等を含有するガスを供給する必要がある。これらの材料や製造装置は高価であるため、低コスト太陽電池を提供する上で大きな障害となっている。一方、低コスト太陽電池用材料としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）やＣｕＩｎＳｅ２系、ＣｄＳ系材料を用いた薄膜型太陽電池が開発されている。これらの材料に量子井戸構造を形成するために、例えばａ−Ｓｉ中に量子井戸層としてアモルファスＳｉＧｅ層を設けた構造が提案されている。しかしながら、結晶系材料に匹敵する特性が得られておらず、高効率な太陽電池作成の障害となっている。
【０００６】
一方、量子ドットを形成する材料として、カーボン元素を主成分とするカーボンナノチューブ等の筒状分子、あるいはフラーレン等の球状分子を用いた受光素子や発光素子が提案されている（特許文献４、５、６参照）。この中で太陽電池への応用も示唆されているが、具体的な構造や従来型量子ドットに対する優位性を提案するまでには至っていない。
【０００７】
カーボンナノチューブ等の筒状分子はエチレンやプロパン等のカーボン源と水素ガス等の安価なガスより化学蒸着法を用いて製造することができる。これら筒状、球状分子もカーボンを主成分としており、直径や長さ、結合状態を調整することにより半導体物性を制御することができる。また、合成条件を調節することにより、表面張力による自己収縮特性を用いて作製する量子ドットに比べて制御性に優れ、太陽電池の性能、すなわち光電変換効率をより向上させることができる可能性を有する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５１６０３号
【特許文献２】特開平６−３０２８４０号
【特許文献３】特開２００２−１４１５３１号
【特許文献４】特開２００３−２４３６９２号
【特許文献５】特開２００３−２８５２９９号
【特許文献６】特開２０００−３１４６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、量子井戸部に設ける量子ドットを構成するカーボンナノチューブやフラーレン等の筒状あるいは球状分子は、その形状に応じて光吸収特性や電気特性が決まる。従って、カーボンナノチューブ周囲と壁層となるカーボン薄膜の間にｓｐ２結合等の導電特性に寄与する結合が生じると、量子ドット部に新たな（余分な）エネルギー準位、例えば、電荷を補足し結合させる中間準位が生じ、壁層とドットの界面部分のエネルギーレベルが小さくなってその間にギャップが生じるなどの不具合が起こる。
【００１０】
そのため、量子井戸部の製造に当たって、図１に示すように、カーボンナノチューブ等を用いて形成する量子ドット１０２を壁層１０４となるカーボン薄膜中に埋め込む構成とすると、量子井戸部１００における量子ドット１０２と壁層１０４間にｓｐ２結合が容易に生じ、このため量子ドット部に不要なエネルギー準位が生じ、エネルギーレベルが小さくなる。
【００１１】
図２は、図１に示す量子井戸部１００のエネルギーバンド構造を示す図である。図示するように、量子ドット１０２の周辺にｓｐ２結合が形成されると、量子ドット１０２の界面近傍のエネルギーレベルが小さくなり、壁層１０４のエネルギーレベルとの間にギャップ１０６が生じる。このギャップの存在によって、電子の再結合損失が増加し、電子の閉じ込め効果が減少するので、量子井戸部による長波長側の光電変換効率が低下し、太陽電池の出力向上を妨げる。
【００１２】
従って、本発明は、カーボンを主成分とし量子井戸部を設けた太陽電池において、量子井戸部を構成する壁層と量子ドット間に生じるｓｐ２結合の発生を抑制することにより、優れた光電変換特性を有しかつ安価に製造することが可能な太陽電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の太陽電池は、カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層と、カーボンを材料とし、前記第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層と、前記第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部とを含み、前記量子井戸部は、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層と、前記壁層中に埋め込まれる複数の量子ドットと、前記量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層とを含んで構成する。
【００１４】
量子ドットは、カーボンの筒状分子あるいは球状分子を含む。また、ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子にアルキル基等の官能基を結合させることによって構成される。あるいは、カーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって、構成される。
【００１５】
量子ドット表面のカーボン原子に、官能基、水素またはハロゲン元素を積極的に結合させることによって、量子ドットが壁層と接触した場合に生じるｓｐ２結合の発生が抑制され、その結果、電子の再結合損失を増加させる不要なエネルギー準位が量子ドット部に形成されることが防止される。これによって、太陽電池の光電変換効率が向上し、出力が増加する。
【００１６】
前記カーボン原子に官能基を結合させる場合、結合させる官能基数は、量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の５〜５０％の範囲である。結合させる官能基数が多いと、量子ドットのエネルギーレベルが変化し、量子ドットが有する電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、結合させる官能基数を上記の範囲にすることにより、ｓｐ２結合生成の抑制効果と量子効果の維持を両立させることが可能となる。
【００１７】
ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって構成しても良い。ハロゲン元素の付加によって、壁層と量子ドットとが接触し結合することが防止される。また、これらの元素は、量子ドットのエネルギー準位を変動させにくいため、量子ドットの量子効果を損なうことがない。
【００１８】
ｓｐ２結合防止層にハロゲン元素を用いる場合、ハロゲン元素数は、量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の１０〜９０％の範囲とする。これにより、ｓｐ２結合生成の抑制効果と量子効果の維持を両立させることができる。
【００１９】
また、前記ｓｐ２結合防止層は、壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させて構成しても良い。壁層側に官能基等を付加することにより、量子ドットのバンドギャップ増減等の物性変化を小さくすることが可能となる。
【００２０】
さらに、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものと、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものとによって構成しても良い。
【００２１】
官能基等を、壁層側および量子ドット側の双方に付加することによって、ｓｐ２結合生成の抑制効果をより大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の太陽電池では、量子井戸部を構成する壁層のカーボン原子と量子ドットを構成するカーボン原子との接触および結合がｓｐ２結合防止層の存在により抑制されるため、量子ドットの壁層側界面に、キャリアを補足し再結合させる中間準位が形成されにくい。そのため、量子井戸部が本来の量子効果を発揮し、長波長側の受光感度を向上させるため、優れた光電変換効率を有しかつ安価な太陽電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態にかかる太陽電池の概略構成を示す断面図である。１は多層光制御薄膜であり、光反射損失を減少させるための反射防止膜、あるいは半導体材料が電荷を発生させるために有用な光を透過し不要な光を反射するための光学フィルタとして動作する。２は光透過性基板であって、太陽光を透過させるガラス、プラスチック等で構成されている。３は、ＩＴＯ膜、あるいはＳｎＯ２等で構成される透明電極、４は太陽電池の光電変換部を構成する半導体層であり、ｓｐ２結合とｓｐ３結合が混合したカーボンを主成分とする薄膜より構成され、製造過程で混入する水素またはハロゲン元素を含有し、さらに導電性を制御する元素が添加されている。
【００２４】
半導体層４は基本的に、光電変換部を構成するｐ層とｎ層、さらにこのｐ層とｎ層間に設けた長波長側感度を向上させるための量子井戸部とを有する。本実施形態では、半導体層４は、ｎ＋層５、量子井戸部６、ｐ層７およびｐ＋層８で構成されており、量子井戸部６は層５および層７よりもキャリア濃度が低い半導体、例えばｎ−層、ｉ層あるいはｐ−層によって形成される。９は裏面電極であって、半導体層４に接続し、電子または正孔を収集する。
【００２５】
この太陽電池において、光を吸収することによって半導体層４に生じた電子、正孔は、ｐ層およびｎ層によって形成されるｐｎ接合によって電子はｎ＋層５へ、正孔はｐ＋層８へ移動し、電極１、９を介して光起電力として取り出される。なお、図１に示す太陽電池では、ｎ＋層５を受光側に設けているが、ｐ＋層８を受光側に設けても太陽電池として同様の効果を得ることができる。
【００２６】
図４は、量子井戸部６の構成を説明するための図であり、図１のＡ−Ａ断面の一部を示す。図示するように、量子井戸部６は、量子効果を生成するための複数の量子ドット１０と、量子ドット１０の周囲の壁層１１とで構成される。壁層１１は、ｎ＋層５、ｐ層７およびｐ＋層８と同様に、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合が混合されたカーボンを主成分とする材料で構成されるが、そのキャリア濃度はこれらの層よりも低くされている。量子ドット１０は、カーボンの筒状分子（例えばカーボンナノチューブ）または球状分子（例えばフラーレン）で構成されている。量子ドット１０は、これらのカーボン分子１個あるいは数個を含み、その直径が３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度である。また、量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層１１の５０〜９５％程度である。
【００２７】
図５に筒状分子の一例としてのカーボンナノチューブの構造を、図６に球状分子の一例としてのフラーレン（Ｃ６０）の構造を示す。量子ドット１０を構成するカーボンナノチューブ、フラーレン等は、その形状に応じて光吸収特性や電気特性が決まるが、そのエネルギーバンドギャップは、壁層１１よりも小さく、例えば、壁層１１の５０〜９５％程度である。
【００２８】
図７に、図３に示す太陽電池における断面Ａのエネルギーバンド構造を示す。図７に付した符号は図３に示す各構成要素に対応し、その部分のエネルギーバンドギャップを示している。量子井戸部６は、エネルギーバンドギャップの大きい壁層１１とエネルギーバンドギャップが壁層１１よりも小さい量子ドット１０とで構成されており、これによって量子効果を出現させ、長波長側の受光感度を向上させている。半導体層４は主に可視光に受光感度を有し、従って可視光よりも長波長側に受光感度を有する量子井戸部６を設けることによって、より広い波長領域で効率よく光電変換が行われるため、太陽電池の出力が向上する。
【００２９】
ところが、図１および２を参照して、（発明が解決しようとする課題）の部分で説明したように、量子ドット１０と壁層１１間に導電性に寄与するｓｐ２結合が形成されると、量子井戸部のエネルギーバンド構造において、壁層１１と量子ドット１０間にエネルギーレベルのギャップが生じこれによって電子閉じ込め特性が低下する。
【００３０】
従って、本発明の太陽電池では、図８に示すように、量子井戸部６において、量子ドット１０と壁層１１間にｓｐ２結合の防止層１２を設ける構成としている。ｓｐ２結合防止層１２は、量子ドット１０または壁層１１、あるいはその両者を構成するカーボン原子に、官能基、水素あるいはハロゲン元素を付加して構成される。官能基としては、メチル基、エチル基、プロピル基等を含むアルキル基を用いることができる。ハロゲン元素としては、フッ素、塩素、臭素等を用いることができる。
【００３１】
図９および１０に、図８に示す構造の場合の、量子井戸部６のエネルギーバンド構造を示す。これらのエネルギーバンド構造は、図８の断面Ｃについて示すものである。図８に示す構造の量子井戸部６では、量子ドット１０と壁層１１間において、ｓｐ２結合の防止構造１２が設けられているので、その界面においてｓｐ２結合が抑制され、その結果、図９に示すように、量子ドット１０のエネルギーレベルは平坦となる。あるいは、量子ドット１０の周辺部において中心部よりも導電性が抑制されると、図１０に示すように、量子ドット１０の周辺部においてエネルギーレベルを上昇させる準位が形成される場合も有る。
【００３２】
このように、ｓｐ２結合の防止構造１２を量子ドット１０と壁層１１間に設けることにより、量子ドット１０と壁層１１間に、電子の再結合損失を増加させるエネルギーレベルギャップが生成されなくなるため、量子井戸部６の本来の効果が発揮され、長波長側に高い受光感度を有する太陽電池を得ることができる。
【００３３】
以下に、図３および８に示す構造の太陽電池について、その各部の具体的構成を示す。なお、Ｃはキャリア濃度を示す。
【００３４】
多層光制御薄膜１
材料：ＭｇＦ２、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等
光透過性基板２
材料：石英、ガラス、プラスチック等
厚さ：０．２〜５ｍｍ程度
サイズ：１×１ｃｍ〜１００×１００ｃｍ程度
透明電極３
材料：ＩＴＯ、ＳｎＯ２等
厚さ：０．０１〜２μｍ
半導体層４
材料：カーボンを主成分とする。
添加元素：水素またはハロゲン元素を０．０１％（原子％、以下同じ）〜３０％含有する。必要に応じてＳｉ、Ｇｅを添加する。
ｎ＋層５：厚み０．０２〜１μｍ、Ｃ＝１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）
量子井戸部６
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）
（ｂ）量子ドット１０：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、量子ドット１０と壁層１１間には、ｓｐ２結合防止層が形成される。
ｐ層７：厚み１〜３０μｍ、Ｃ＝１×１０１４〜１×１０１８ｃｍ−３、バンドギャップ１．７ｅＶ（０．４〜２．４ｅＶ程度）
ｐ＋層８：厚み０．０２〜１μｍ、Ｃ＝１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３、バンドギャップ１．７ｅＶ（０．４〜２．４ｅＶ程度）
裏面電極９
材料：Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ等
厚み：０．２〜５μｍ
【００３５】
なお、上記構造におけるｐ層、ｎ層の組み合わせはこれに限定するものではなく、受光面側にｐ＋層を設ける構造とすることも可能である。
【００３６】
前述したように、上記構造の太陽電池において、ｓｐ２結合防止層１２は、１）量子ドット１０のカーボン原子に官能基等を結合して構成する場合、２）量子ドットに隣接する壁層のカーボン原子に官能基等を結合して構成する場合、および３）量子ドット側と壁層側との両者に設ける場合が存在する。また、結合させる物質として、官能基、水素、ハロゲン元素を用いることができるが、以下に、それぞれの場合の具体的事例および効果について説明する。
【００３７】
ｓｐ２結合防止層１２を量子ドット側に設ける場合
カーボンナノチューブ等の表面には水素が結合しているが、量子ドット１０の形成時にカーボンナノチューブより脱離しやすい。水素が脱離すると残ったカーボン原子は壁層側のカーボン原子とｓｐ２結合する。これを防止するために、カーボンナノチューブ表面の水素をアルキル基またはハロゲン元素等で置換し、ｓｐ２結合生成を抑制する。あるいは、量子ドット１０の生成時に積極的に水素を添加して、脱離した水素を補充し、ｓｐ２結合生成を抑制する。この構造では、ｓｐ２結合減少の効果が容易に得られる。
【００３８】
ｓｐ２結合防止層１２を壁層側に設ける場合
壁層１１側の量子ドット１０に接触する部分のカーボン原子に、官能基、水素、ハロゲン元素の何れかを結合させてｓｐ２結合防止層１２を構成する。この場合には、量子ドット１０のバンドギャップ増減等の物性変化を小さくすることができる利点がある。
【００３９】
ｓｐ２結合防止層１２を量子ドット側および壁層側の双方に設ける場合
壁層１１側のカーボン原子と、量子ドット１０の表面のカーボン原子に対して、官能基、水素、ハロゲン元素の何れかを結合させてｓｐ２結合防止層１２を構成することにより、ｓｐ２結合をより減少させることができる。
【００４０】
実施例１
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）、量子ドットに接する界面側に官能基を付加する。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲に水素またはハロゲン元素を付加する。
【００４１】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するための官能基としてアルキル基を用いる場合
アルキル基はｓｐ３結合によって構成され、壁層と量子ドットが接触し結合することを防ぐ効果を有する。その結果、壁層と量子ドット界面のｓｐ２結合生成が抑制され、量子井戸部は本来の効果を発揮し、太陽電池の光電変換効率を向上させる。
【００４２】
実施例２
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にメチル基（−ＣＨ３）を付加する。
【００４３】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために水素またはハロゲン元素を用いる場合
水素、ハロゲン元素を、壁層側または量子ドット表面、あるいはその両者に含まれるカーボン原子に付加することにより、壁層と量子ドットが接触し結合することを防ぐ効果がある。また、水素、ハロゲン元素は、量子ドットのエネルギー準位を変動させにくく、壁層を構成するカーボン薄膜に対しても欠陥を増加させる元素として機能しない。
【００４４】
実施例３
（ａ）壁層１１：結晶型ｎ−層（Ｃ＝１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）、ｓｐ２／ｓｐ３結合比０．１〜２．０、バンドギャップ１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ程度）。
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にフッ素（−Ｆ）を付加する。
【００４５】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために付加する官能基の結合数
アルキル基等をカーボンナノチューブ表面に付加すると、ｓｐ２結合生成を抑制することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ表面の原子数に対して付加する官能基数を増加させると、量子ドットとしての電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、ｓｐ２結合生成を抑制し、かつ量子効果を維持するためには、付加する官能基数を、量子ドットを構成するカーボン分子表面の原子数の５〜５０％の範囲とする。例えば、メチル基等の小さい官能基では３０〜５０％、エチル基、プロピル基と大きくなるに従い２５％、１５％と付加する官能基数を減少させる。これによって、ｓｐ２結合生成抑制効果と、量子効果の維持を両立させることができる。
【００４６】
実施例４
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にメチル基（−ＣＨ３）を、カーボンナノチューブを構成する外周カーボン元素の３５％に付加する。
【００４７】
ｓｐ２結合防止層１２を構成するために付加する水素またはハロゲン元素の結合数
水素またはハロゲン元素を、カーボンナノチューブ表面に付加すると、ｓｐ２結合生成を抑制することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ表面の原子数に対して付加するハロゲン元素等を増加させると、量子ドットとしての電子閉じ込め効果が損なわれる。従って、ｓｐ２結合生成を抑制し、かつ量子効果を維持するためには、付加するハロゲン元素等を、量子ドットを構成するカーボン分子表面の原子数の１０〜９０％の範囲とする。例えば、フッ素等の軽元素では５０〜９０％、塩素、臭素と大きくなるに従い４０％、３０％と付加する元素数を減少させる。これによって、ｓｐ２結合生成抑制効果と、量子効果の維持を両立させることができる。
【００４８】
実施例５
（ｂ）量子ドット：カーボンナノチューブ、直径３ｎｍ、長さ２０ｎｍ程度、バンドギャップ１．１ｅＶ（０．１５〜１．８ｅＶ程度）（壁層の５０〜９５％程度）、カーボンナノチューブ周囲にフッ素（−Ｆ）を、カーボンナノチューブを構成する外周カーボン元素の７０％に付加する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を適用しない量子井戸部の構成を示す図。
【図２】図１に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造を示す図。
【図３】本発明の一実施形態にかかる太陽電池の構造を示す断面図。
【図４】図３に示す太陽電池の量子井戸部の構造を示す断面図。
【図５】カーボンナノチューブの構造を模式的に示す図。
【図６】フラーレンの構造を模式的に示す図。
【図７】図３に示す太陽電池のエネルギーバンド構造を模式的に示す図。
【図８】図４に示す量子井戸部の一部拡大図。
【図９】図８に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造の１例を示す図。
【図１０】図８に示す量子井戸部のエネルギーバンド構造の他の例を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１ 多層光制御薄膜
２ 光透過性基板
３ 透明電極
４ 半導体層
５ ｎ＋層
６ 量子井戸部
７ ｐ層
８ ｐ＋層
９ 裏面電極
１０ 量子ドット
１１ 壁層
１２ ｓｐ２結合生成防止層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層と、
カーボンを材料とし、前記第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部とを含む太陽電池において、
前記量子井戸部は、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層と、前記壁層中に埋め込まれる複数の量子ドットと、前記量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層とを含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池において、前記量子ドットはカーボンの筒状分子あるいは球状分子を含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基を結合させることによって構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項４】
請求項３に記載の太陽電池において、前記官能基はアルキル基であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項５】
請求項３または４に記載の太陽電池において、前記官能基数は、前記量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の５〜５０％の範囲であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項６】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項７】
請求項６に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層にハロゲン元素が用いられる場合、前記ハロゲン元素数は、前記量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の１０〜９０％の範囲であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項８】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させて構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項９】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものと、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものとを含む、太陽電池。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の太陽電池において、前記官能基は、アルキル基であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項１】
カーボンを材料とする第１導電型の第１の半導体層と、
カーボンを材料とし、前記第１導電型とは反対の極性を有する第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１および第２の半導体層間に形成されるカーボンを材料とする量子井戸部とを含む太陽電池において、
前記量子井戸部は、カーボンの半導体薄膜で構成される壁層と、前記壁層中に埋め込まれる複数の量子ドットと、前記量子ドット周辺部に設けられるｓｐ２結合防止層とを含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽電池において、前記量子ドットはカーボンの筒状分子あるいは球状分子を含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基を結合させることによって構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項４】
請求項３に記載の太陽電池において、前記官能基はアルキル基であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項５】
請求項３または４に記載の太陽電池において、前記官能基数は、前記量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の５〜５０％の範囲であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項６】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記量子ドット表面のカーボン原子に水素またはハロゲン元素を結合させることによって構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項７】
請求項６に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層にハロゲン元素が用いられる場合、前記ハロゲン元素数は、前記量子ドットを構成するカーボンの筒状または球状分子表面のカーボン原子数の１０〜９０％の範囲であることを特徴とする、太陽電池。
【請求項８】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させて構成したことを特徴とする、太陽電池。
【請求項９】
請求項１または２に記載の太陽電池において、前記ｓｐ２結合防止層は、前記壁層の前記量子ドットに隣接する部分のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものと、前記量子ドット表面のカーボン原子に官能基、水素、ハロゲン元素のいずれかを結合させたものとを含む、太陽電池。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の太陽電池において、前記官能基は、アルキル基であることを特徴とする、太陽電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３３２５４０（Ｐ２００６−３３２５４０Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５７６９２（Ｐ２００５−１５７６９２）
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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