光吸收层及其制造方法、光电转换元件和中间带型太阳能电池技术

本发明专利技术提供用于形成两阶段光吸收的量子产率优异的光电转换元件和中间带型太阳能电池的光吸收层、具有该光吸收层的光电转换元件和中间带型太阳能电池。并且，本发明专利技术提供一种具有中间带且空隙较少的光吸收层的制造方法。本发明专利技术的光吸收层在具有2.0eV以上3.0eV以下的带隙能的块状半导体的基体中分散有量子点，且该光吸收层具有中间带，且空隙率为10％以下。下。下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光吸收层及其制造方法、光电转换元件和中间带型太阳能电池


[0001]本专利技术涉及一种具有中间带的光吸收层及其制造方法、具有该光吸收层的光电转换元件、以及具有该光电转换元件的中间带型太阳能电池。

技术介绍

[0002]将光能转换为电能的光电转换元件被应用于太阳能电池、光传感器、复印机等。特别是从环境、能源问题的观点考虑，利用作为取之不尽的清洁能源的太阳光的光电转换元件(太阳能电池)备受瞩目。
[0003]以硅太阳能电池为代表的单接合太阳能电池中，带隙为单一的，因此，无法超过Shockley－Queisser理论极限(31％)的光电转换效率。作为超过该理论极限的手段，提出了中间带型太阳能电池。通过在块状(基体)半导体中将纳米大小的半导体(量子点)以高密度规则排列，形成了在块状半导体的带隙内量子点间相互作用引起的“中间带”。其结果，除了从块状半导体的价带向导带的光激发以外，还能够发生从块状半导体的价带向“中间带”的光激发和从“中间带”向块状半导体的导带的光激发(两阶段光吸收)，能够利用大量太阳光能，因此能够期待光电转换效率的提高。但是，通过分子束外延(MBE)法等的干式工艺制造的中间带型太阳能电池的成本高，并且能够使用的元素限定于GaAs(带隙能1.4eV)等，因此，带结构的优化困难，在光电转换效率的提高上存在界限。
[0004]另一方面，提出有使用了湿式工艺的量子点太阳能电池的制造方法。例如，在日本特开2014
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135445号公报中提出有一种半导体器件的制造方法，该制造方法是包括具有PN结的量子点结构的光电转换层的半导体器件的制造方法，其特征在于，在基板上形成依次层叠包含第一导电型半导体颗粒的第一导电型半导体层、和包含与第一导电型不同的第二导电型半导体颗粒的第二导电型半导体层而成的光电转换层或者在基板上形成在包含第一导电型半导体颗粒的第一导电型半导体层中分散与第一导电型不同的第二导电型半导体颗粒而成的光电转换层的任一者时，通过将上述第一导电型半导体颗粒、上述第二导电型半导体颗粒的任一者或两者吹送至上述基板上而形成上述光电转换层。
[0005]另外，提出有使用了湿式工艺的中间带型太阳能电池的制造方法。例如，在日本专利第6343406号公报中提出有一种光吸收层的制造方法，该光吸收层在块状半导体的基体中分散有量子点，且具有中间带，该制造方法包括如下工序1、工序2和工序3：
[0006](工序1)使包含有机配位基的量子点的该有机配位基与含卤素元素的物质进行配位基交换，得到包含含卤素元素的物质作为配位基的量子点固体的工序；
[0007](工序2)将工序1中所得到的量子点固体与包含选自块状半导体及其前体中的1种以上的物质的溶液或混合液进行混合，得到分散液的工序；
[0008](工序3)由工序2中所得到的分散液得到光吸收层的工序。

技术实现思路

[0009]为了提高中间带型太阳能电池的光电转换效率，需要提高两阶段光吸收的量子产率。作为提高两阶段光吸收的量子产率的方法，例如可以列举在光吸收层中高密度地填充量子点的方法。然而，即使要得到填充有量子点的光吸收层，在以往的得到光吸收层的工序中，块状半导体的结晶生长也会受到阻碍。因此，会产生如下问题，即，所得到的光吸收层中产生大量空隙而导致无法提高两阶段光吸收的量子产率的问题。
[0010]本专利技术涉及一种用于形成两阶段光吸收的量子产率优异的光电转换元件和中间带型太阳能电池的光吸收层、具有该光吸收层的光电转换元件和中间带型太阳能电池。另外，本专利技术涉及一种具有中间带且空隙较少的光吸收层的制造方法。
[0011]本专利技术的专利技术人发现：通过使用使量子点高密度地分散于具有特定的带隙能的块状半导体的基体中而得到的具有中间带且空隙较少的光吸收层，光电转换元件的两阶段光吸收的量子产率提高。
[0012]即，本专利技术涉及一种光吸收层，其在具有2.0eV以上3.0eV以下的带隙能的块状半导体的基体中分散有量子点，具有中间带且空隙率为10％以下。
[0013]另外，本专利技术的专利技术人发现了一种通过控制块状半导体的结晶核生成和块状半导体的结晶生长的速度而制造具有中间带且空隙较少的光吸收层的方法。
[0014]即，本专利技术涉及一种光吸收层的制造方法，该光吸收层在块状半导体的基体中分散有量子点，具有中间带且空隙率为10％以下，该制造方法包括如下工序1、工序2和工序3。
[0015](工序1)使包含有机配位基的量子点的该有机配位基与含卤素元素的物质进行配位基交换，得到含有含卤素元素的物质作为配位基的量子点固体的工序；
[0016](工序2)将工序1中所得到的量子点固体与含有选自块状半导体及其前体中的1种以上的物质的溶液或混合液进行混合，得到分散液的工序；
[0017](工序3)由工序2中所得到的分散液得到光吸收层的工序。
[0018]通过使用具有2.0eV以上3.0eV以下的带隙能的块状半导体(例如，CH3NH3PbBr3)和量子点(例如，PbS量子点)作为光吸收层的形成材料，除了块状半导体能够吸收的短波长区域的光，还能够吸收量子点能够吸收的包括近红外等长波长域的宽幅的波长区域的光，因此，能够得到在宽幅的波长区域中具有光电转换功能的光电转换元件。并且，量子点以高密度分散在块状半导体的基体中，因此，通过量子点间的相互作用，在块状半导体的带隙内形成中间带，例如，能够产生从块状半导体的价带向中间带的光激发和从中间带向块状半导体的导带的光激发的两阶段光吸收，因此，光电转换效率提高。
[0019]另外，本专利技术的光吸收层尽管在块状半导体的基体中高密度地分散有量子点，但空隙较少。在光吸收层中空隙较少的情况下，光吸收层中的量子点容易规则排列，因此认为容易形成中间带。
[0020]因此，如果使用本专利技术的光吸收层，则能够得到两阶段光吸收的量子产率优异的光电转换元件和中间带型太阳能电池。
附图说明
[0021]图1是表示本专利技术的光电转换元件的结构的一例的概略剖视图。
[0022]图2是实施例1中所制作的光吸收层的剖面SEM(Scanning Electron Microscope，
扫描式电子显微镜)图像。
[0023]图3是实施例2中所制作的光吸收层的剖面SEM图像。
[0024]图4是比较例1中所制作的光吸收层的剖面SEM图像。
[0025]图5是表示实施例1中所制作的光吸收层中的量子点与钙钛矿复合化而成的固体和该固体中的空隙的概略图。
[0026]图6是表示实施例2中所制作的光吸收层中的量子点与钙钛矿复合化而成的固体和该固体中的空隙的概略图。
[0027]图7是表示比较例1中所制作的光吸收层中的量子点与钙钛矿复合化而成的固体和该固体中的空隙的概略图。
具体实施方式
[0028]＜光吸收层＞
[0029]本专利技术的光吸收层含有具有2.0eV以上且3.0eV以下的带隙能的块状半导体和分散于上述块状半导体的基体中的量子点作为光吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光吸收层，其特征在于：在具有2.0eV以上3.0eV以下的带隙能的块状半导体的基体中分散有量子点，所述光吸收层具有中间带，且空隙率为10％以下。2.如权利要求1所述的光吸收层，其特征在于：所述中间带与所述块状半导体的导带之间的能量差为0.5eV以上2.0eV以下。3.如权利要求1或2所述的光吸收层，其特征在于：所述块状半导体的价带与所述中间带之间的能量差为1.1eV以上2.0eV以下。4.如权利要求1～3中任一项所述的光吸收层，其特征在于：所述量子点的带隙能为0.2eV以上且低于所述块状半导体的带隙能。5.如权利要求1～4中任一项所述的光吸收层，其特征在于：所述量子点的含量为7.5质量％以上。6.如权利要求1～5中任一项所述的光吸收层，其特征在于：所述块状半导体为有机
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无机复合化合物。7.如权利要求1～6中任一项所述的光吸收层，其特征在于：所述块状半导体为钙钛矿化合物。8.如权利要求7所述的光吸收层，其特征在于：所述钙钛矿化合物为选自下述通式(1)所示的化合物和下述通式(2)所示的化合物中的1种以上，RMX3ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，R为1价阳离子，M为2价的金属阳离子，X为卤素阴离子，R1R2R
3n
‑1M
n
X
3n+1
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，R1、R2和R3分别独立地为1价阳离子，M为2价的金属阳离子，X为卤素阴离子，n为1以上10以下的整数。9.如权利要求8所述的光吸收层，其特征在于：所述X为氟阴离子、氯阴离子、溴阴离子或碘阴离子。10.如权利要求8或9所述的光吸收层，其特征在于：所述R为选自烷基铵离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：小此木明德，细川浩司，泽田拓也，
申请(专利权)人：花王株式会社，
类型：发明
国别省市：