極東極楽 ごくとうごくらく

豊饒なセカンドライフを求め大還暦までの旅日記

量子ドット工学講座 13

2016年07月11日 | デジタル革命渦論

 

                       

           じぶん自身で見聞きしたり、確認したことがない
           社会的な評価や酵母のようにふくらんだ風評は一切信じるな。                  

   

                                            
                             Takaaki Yoshimoto 25 Nov, 1924 - 16 Mar, 2012 

                ※ 高度に複雑化した現在は、この言い方も危なっかしい。例えばそこが、現在的な
                  社会の犯罪の温床に繋がったりして。

 

    

 

【量子ドット工学講座 13】 


ご存知の通り、量子ドット太陽電池は、量子ドットに特定波長の太陽光が当たった励起電子とその電子
が価電子帯から伝導帯まで励起されたときに生じる正孔をキャリアとして利用するが、その構造は、量
子ドットは、その周囲を、量子ドット自身のバンドギャップよりも大きなバンドギャップをもつ障壁層
で囲まれている。

ところが、理論上では、電子のフォノン放出によるエネルギー緩和が起こりにくく、消滅し難いと考え
られていられているが、実施は量子ドットの集積させた量子ドットを集積させた場合、量子ドット内で
生成したキャリアは、障壁層を含む量子ドット集積内部に存在する欠陥に結合し消滅しやすく、折角、
キャリア生成させた密度が低下し、荷量の低下により電極まで到達できず、光電変換効率が上がらない
問題が横たわる。このような問題に対し、近年、量子ドット集積部内のキャリアの収集能力を高める構
造が提案されている。

下図は、従来の光電変換層の一例を示す断面模式図。図に示した光電変換層100は、キャリアの収集
能力を
もつ、膜状形成された基部層101をベース層にの表面上に、これもキャリアの収集能力をもつ
柱状部材103を設け、また、基部層上の柱状部材周囲に複数の量子ドット105aを配置し量子ドッ
ト集積部105を形成。
 特開2016-122696 光電変換層および光電変換装置

ところが、上図の光電変換層100の場合、柱状部材103を配置する基部層101が膜状バルク体で、
隣接する量子ドット集積部105の量子ドット105aは、結晶形状やサイズが大きく異なるため基部
層と量子ドット集積部との間でバンドギャップの差が1eVを超える。つまり、量子ドット集積部側か
ら基部層側へキャリアcが移動し難く、キャリアの収集効率が低く、これにより光電変換層変換効率の
指標となる開放電圧を高められない。従って、この新規考案では、キャリアの収集能力が高く、開放電
圧が高める光電変換層とこの装置の提供を目的とする。以下、要約掲載する。

下図1の複数の量子ドット1aが集積された膜状の第1の量子ドット集積部1と、この量子ドット集積
部1上に配置され、集積部1の厚み方向に延伸した柱状部材3と、集積部1上の柱状部材3の周囲に配
置した複数の量子ドット5aから構成される第2の量子ドット集積部5と、を備え、第1の量子ドット
集積部1、柱状部材3と第2の量子ドット集積部5は、それぞれの間のバンドギャップの差が、1eV
以内にある、高いキャリアの移動度を確保でき、高い光電変換効率が得られる量子ドット太陽電池の構
成・構造が提案されている。

 
【符号の説明】

A、B 光電変換層 C 光電変換装置 1 第1の量子ドット集積膜 1a、5a、7a 量子ドッ
ト 3 集電部材 5 第2の量子ドット集積膜

【特許請求範囲】 

  1. 第1量子ドット集積部、柱状部材と第2量子ドット集積部のそれぞれの間のバンドギャップの差
    1eV以内。
  2. 1.の構成部材の半導体材料が同じ。
  3. 1.の第1量子ドット集積部がn型、第2量子ドット集積部がi型の半導体。
  4. 1.の柱状部材がn型の半導体材料。
  5. 第2量子ドット集積部の第1量子ドット集積部側とは反対側面に、さらに、複数の量子ドットの
    p型の半導体材料相の第3量子ドット集積部を備える4.の光電変換層。
  6. 第1量子ドット集積部、柱状部材、第2量子ドット集積部と第3量子ドット集積部の半導体材料
    がいずれもシリコンである5.の光電変換層。
  7. 第1量子ドット集積部は、第2量子ドット集積部側の表面に凹部をもつ1.6.のうちいずれか
    の光電変換層。
  8. 1.7のうちいずれかに記載光電変換層が2つの導体層間に配置する光電変換装置。

 --------------------------------------------------------------------------------------------

ご存知の通り、太陽光を効率よく光電変換する太陽電池として、バンドギャップ(禁制帯幅)が異なる
複数の太陽電池を積層したタンデム型太陽電池(積層型太陽電池)が知られているが、タンデム型は、
複数の太陽電池がそれぞれ、そのバンドギャップに対応する波長範囲の光を光電変換し、連続的スペク
トルを示す太陽光などを効率よく光電変換する。例えば、結晶シリコン基板を使用した太陽電池は、吸
収波長の長波長端である1150nm以上の赤外線は透過するので、シリコン結晶の受光面とは反対側
の裏面に、赤外線吸収し発電するゲルマニウム太陽電池を配置し、を直列に接続したタンデム構造の太
陽電池がある。

この場合、180μmのSi単結晶基板を透過する近赤外線は、太陽光全体のエネルギーの1/4程度
であるので、シリコン太陽電池セルとゲルマニウム太陽電池を直列に接続した、いわゆるタンデム構造
にした場合、太陽電池JSC(短絡電流密度)は、シリコン基板を透過した近赤外線のエネルギーに依存
するため、シリコン基板のみを用いた太陽電池の1/4程度のJSCとなり、電流整合が不十分であり、
発電効率が小さいが、特開2013-239476に示されるようにシリコン太陽電池セルの裏面にゲルマニウム太
陽電池を2つ直列に接続したものを配置し、シリコン太陽電池セルと、ゲルマニウム太陽電池セルを2
つ直列に接続したものを並列接続した多接合型セルがある。

ところが、シリコン太陽電池のセルVoc(開放電圧)は、ゲルマニウム太陽電池Vocの丁度2倍ではないので、シ
リコン太陽電池とゲルマニウム太陽電池を2つ直列に接続したもののVocは一致しない。シリコン太陽電池と2つ
直列に接続したゲルマニウム太陽電池とを並列に接続した多接合型セルを用いた太陽電池モジュールは、多接
合型セル毎にロスがあり発電効率が低くなる恐れがある。

そこで、下図のような、第1の太陽電池セルを複数枚接続した第1の太陽電池群と、第1の太陽電池群
の受光面と反対側の面側に絶縁材料を介して設置され、第1の太陽電池セルよりも吸収波長が長波長側
にある第2の太陽電池セルを複数枚接続した第2の太陽電池群を備えることで、発電効率の高い太陽電
池モジュールが提案されている。

特開2016-122755

【符号の説明】

10太陽電池モジュール 11太陽電池セル 12インターコネクタ 13カバーガラス 14EVA
樹脂 15絶縁シート 16EVA樹脂 17EVA樹脂 18バックシート19太陽電池セル 20
インターコネクタ 21正極端子  22負極端子 23第1の太陽電池群 24第2の太陽電池群 

【特許請求範囲】 

  1. 第1太陽電池セルを複数枚接続した第1太陽電池群と、この太陽電池群の受光面と反対側の面側
    に絶縁材料を介し設置、第1の太陽電池セルよりも吸収波長が長波長側にある第2の太陽電池セ
    ルを複数枚接続した第2太陽電池群を構成した太陽電池モジュール。
  2. 第1太陽電池群を構成する複数枚は直列に接続し、第2太陽電池群を複数枚のこの第2太陽電池
    セルも直列に接続し、第1太陽電池群と第2太陽電池群を並列に接続した太陽電池モジュール。
  3. 第1太陽電池群の開放電圧と、第2太陽電池群の開放電圧が等しい1.2.の太陽電池
  4. モジュール第1太陽電池群は、シリコン太陽電池、第2太陽電池群はゲルマニウム太陽電池の1、
    ~3.のいずれかの太陽電池モジュール。
  5. 第2太陽電池群は、量子ドットを使用した太陽電池からなる1.~3のいずれかの太陽電池モジー
    ュール。

--------------------------------------------------------------------------------------------


ご存知の通り、従来のシリコン太陽電池は、シリコンのバンドギャップが約1.1eVであることから、
バンドギャップに対応する約1100nmより大きい波長の光が透過し、長波長領域の光を有効に利用
していないが、近年では、長波長領域の光も利用できる中間バンド型太陽電池が注目されている。例え
ば、「特開2006-114815」には、n型のGaAsでなる基板上に、n型のGaAsでなるn層と、Ga
Sbでなる複数の量子ドットがGaAsでなるバリア層内に分散しているi層と、p型のGaAsのp
層とが順次積層された中間バンド型太陽電池が開示されている。中間バンド型太陽電池では、i層を形成
するGaAsの価電子帯から伝導帯へ電子が直接励起されて電圧及び電流が生成されることに加え、価
電子帯及び中間バンド間と、中間バンド及び伝導帯間とでも電子が励起されて電圧及び電流が生成され
る。

この場合、価電子帯及び中間バンド間のバッドギャップと、中間バンド及び伝導帯間のバンドギャップ
とは、価電子帯及び伝導帯間のバンドギャップよりも小さい。そのため、電子は、価電子帯から伝導帯
へ直接励起される場合と比較してより長波長の光によって、価電子帯から中間バンドへ励起されると共
に、中間バンドから伝導帯へ励起される。このような中間バンド型太陽電池では、長波長領域の光によ
っても電子が励起されて電圧及び電流が生成されることから、中間バンドが形成されていない単なるシ
リコン太陽電池と比較して、より大きな電流が得られ、変換効率の向上が図られ得る。

ところが、このような中間バンド型太陽電池では、中間バンドが形成されることで得られる複数のバン
ドギャップにより、多くの電流が生成され得る一方で、得られた電流によって大きな発熱が生じ易く
エネルギーが熱として損失され、実際には高い変換効率が得られ難い問題があった。また、中間バンド
型太陽電池では、高い変換効率を得るために太陽光を高倍率で集光して照射させた場合、さらに大きな
電流が流れるため、発熱量が一段と大きくなり、熱破損する恐れがある

そこで、下図の太陽電池1は、電流調整用太陽電池セル3の光電変換積層部17が、中間バンド型太陽
電池セル2における埋込層13のバンドギャップBg1よりも大きいバンドギャップBg4をもつため、
電流調整用太陽電池セル3でバンドギャップBg4に対応する波長以下の光が吸収される分だけ、中間
バンド型太陽電池セル2で吸収される光を減らし、この中間バンド型太陽電池セル2にて発生する電流
量を抑制できるので、中間バンド型太陽電池セル2における発熱量を低減でき、太陽電池1の熱破損を
防止でき、また本発明の太陽電池1は、中間バンド型太陽電池セル2にて発生する電流量を抑制しつつ、
中間バンド型太陽電池セル2に直列に接続された電流調整用太陽電池セル3でも光の吸収により電圧が
発生することから、太陽電池1全体で得られる出力電圧を増加でき、従来よりも変換効率を格段的に向
上できる構成・構造の新規考案が提案されている。

 特開2016-122752

【符号の説明】

1 太陽電池  2 中間バンド型太陽電池セル  3 電流調整用太陽電池セル 10 量子ドット超格子
層  10B 量子ドット層  12 量子ドット  13 埋込層  17 光電変換積層部

【特許請求範囲】

  1. 複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた量子ドット超格子層
    を有し、量子ドット超格子層には、量子ドット間で波動関数が重なり合い中間バンド が形成さ
    れている中間バンド型太陽電池セルと、
    p型光電変換層及びn型光電変換層を少なくとも備えた
    光電変換積層部を有し、中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池
    セルとを備え、
    電流調整用太陽電池セルは、光電変換積層部が、中間バンド型太陽電池セルの
    込層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを持つ
    太陽電池。
  2. 前記量子ドットは、InAsで形成した埋込層は、GaAs、AlGaAs、GaNAs、Ga
    AsP、及びInGaPのうちいずれか1種で形成され、p型光電変換層及び前記n型光電変換
    層は、InGaP、AlGaAs、及びAlInGaPのうちいずれか1種で形成する1.にの
    太陽電池。
  3. 量子ドットは、InAsで形成され、埋込層は、GaAs、AlInGaAs、及びGaAsP、
    InGaPのうちいずれか1種で形成、 p型光電変換層及び前記n型光電変換層は、AlAsSb、
    及びInAlAsSbのうちいずれか1種で形成する1.の太陽電池。
  4. 電流調整用太陽電池セルは、pn接合でなるトンネル層を備え、トンネル層によって中間バンド
    型太陽電池セルに接合されている1.~3.のいずれか1.の太陽電池。
  5. 電流調整用太陽電池セルは、中間バンド型太陽電池セル上にエピタキシャル成長により形成、中
    間バンド型太陽電池セルの接合面と格子整合する1.~4.のいずれか1.の太陽電池。
  6. 光電変換積層部は、バンドギャップが1.55~1.9eVの範囲に選定された1.~5.のい
    ずれか1.の太陽電池。

--------------------------------------------------------------------------------------------


ご存知の通り、液晶ディスプレイは、電圧の印加により液晶の配向状態を制御し、領域ごとに光を透過
または遮断することで画像等を表示する表示装置。この液晶ディスプレイの光源は、液晶ディスプレイ
の背面に設けられたバックライトが利用される。バックライトには、従来、冷陰極管が使用されている
が、最近では、長寿命、発色の良さ等の理由から、冷陰極管に代えてLED(発光ダイオード)が使用
されつつある。

ところで、近年、量子ドットを用いたナノサイズの蛍光体が製品化されている。量子ドットとは、発光
性を有する半導体ナノ粒子であり、半導体ナノ粒子の直径の範囲は1~20nm程度である。量子ドッ
トは、幅広い励起スペクトルを示し、また高い量子効率を有するので、LED波長変換用蛍光体として
使用される。さらに、量子ドットのドットサイズ或いは半導体材料の種類を変更するだけで、量子ドッ
トの発光波長を可視域全体にわたって完全に調整することができるという利点がある。そのため、量子
ドットは、事実上あらゆる色、特に照明業界で強く望まれている暖かい白色を作り出す可能性を秘めて
いる。加えて、赤、緑及び青の発光波長に対応する3種類の量子ドットが組み合わされると、演色評価
数の異なる白色光が得られる。このように、量子ドットによるバックライトを用いた液晶ディスプレイ
は、従来よりも厚みや消費電力、コスト、製造プロセスを増やすことなく、色調を向上させ、人が識別
できる色の多くを表現可能にする。

白色LEDを用いたバックライトは、所定の発光スペクトルを持つ蛍光体(量子ドット等)をフィルム
内に拡散させ、その表面をバリアフィルムにて封止し、場合によってはエッジ部も封止した波長変換シ
ートを、LED光源及び導光板と組み合わせた構成を有する。バリアフィルムは、プラスチックフィル
ム等の基材の表面に蒸着等によって薄膜を形成して、水分や気体の透過を防ぐフィルムである。バリア
フィルムには、バリア性の他に、キズやシワといった外観不良の抑制や透明性などが要求される。例え
ば、蛍光体の劣化を抑制するため、蛍光体をバリアフィルムで挟んだ構造を有するバックライトが提案
されている。

ところが、従来のバリアフィルムは、食品や医療品等の包装材料や電子デバイス等のパッケージ材料と
して用いられてきたフィルム。このため、従来のバリアフィルムによって、量子ドット層を封止したデ
ィスプレイが作製されると、バリアフィルムのバリア性が不足するので、量子ドット層内への水蒸気の
侵入等によって量子ドット層の特性が維持され難い場合があった。このため、この量子ドット層を含む
バックライトユニットでは、高い輝度を維持できず、また、バックライトユニットがディスプレイに適
用されると、ディスプレイに色のムラなどによる色調変化、及び黒点などの色再現不良が発生して外観
に劣ることがあった。

下図の第1量子ドット保護フィルム1は、シリカ蒸着層を含む第1バリアフィルム10と、第1拡散層
22とを備える。シリカ蒸着層のO/Si比が原子比で1.7以上2.0以下であり、シリカ蒸着層の
屈折率が1.5以上1.7以下であり、波長450nm、波長540nm及び波長620nmの全ての
波長での第1量子ドット保護フィルム1の反射率が10%以上20%以下、透過率が80%以上95%
以下であり、バリア性に優れ、バックライトを構成した場合に長期間にわたって高い輝度を得ることが
でき、更に、ディスプレイを構成した場合に長期間にわたって優れた外観を得ることができる量子ドッ
ト保護フィルム、及び、この量子ドット保護フィルムを含む量子ドットフィルムを提供。さらに、

い輝度とディスプレイ適用時の優れた外観とを得ることができるバックライトユニットを提供する。
 

 【符号の説明】

1第1量子ドット保護フィルム、2第1量子ドットフィルム、3量子ドット層、4第2量子ドット保護
フィルム、5第3量子ドット保護フィルム、10第1バリアフィルム(バリアフィルム

【特許請求範囲】

  1. シリカ蒸着層を含むバリアフィルムと、拡散層とを備える量子ドット保護フィルムで、シリカ蒸
    着層に含まれる酸素とケイ素のO/Si比が原子比で1.7以上2.0以下であり、シリカ蒸着
    層の屈折率が1.5以上1.7以下であり、 波長450nm、波長540nm、及び波長620
    nmの全ての波長において、前記量子ドット保護フィルムの反射率が10%以上20%以下であ
    り、且つ、透過率が80%以上95%以下である、量子ドット保護フィルム。
  2. バリアフィルムは、ポリエステルフィルムの少なくとも片面上に、密着層、前記シリカ蒸着層、
    及び複合被膜層が、この順に積層された構造を有し、複合被膜層は、水溶性高分子、金属アルコ
    キシド、金属アルコキシドの加水分解物、及び、シランカップリング剤からなる群より選択され
    る少なくとも一種を含む層である、1.に記載の量子ドット保護フィルム。
  3. ポリエステルフィルムが、重量平均分子量が6万以上のポリエチレンテレフタレートからなるポ
    リエチレンテレフタレートフィルムである、2.に記載の量子ドット保護フィルム。
  4. バリアフィルムは、シリカ蒸着層と前記複合被膜層とが交互に2層ずつ以上積層された構造を有
    する、2.または3.に記載の量子ドット保護フィルム。
  5. 蛍光体を含む量子ドット層と、1~4のいずれか一項に記載の量子ドット保護フィルムとを備え
    る、量子ドットフィルム。
  6. 拡散層、バリアフィルム、量子ドット層、バリアフィルム、及び拡散層が、この順で積層される、
    5.に記載の量子ドットフィルム。
  7. LED光源と、導光板と、導光板の上に設置された請求項5又は6に記載の量子ドットフィルム
    と、を備える、バックライトユニット。

直近の特許公開事例をもとに、シリーズ講座を掲載する。眼がはなせない。^^;

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