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

共生と贈与

2016年07月04日 | デジタル革命渦論

 

 

        

                      どんな可能もぼくたちの視ている風景のほかからやってこない。

 

                                       
                             Takaaki Yoshimoto 25 Nov, 1924 - 16 Mar, 2012 

                           ※ モダニズムの限界。

 

   

 

【ちょっとだけ量子ドット工学講座 12】
 

今回は、直近の2つの特許事例から量子ドット太陽電池の製造方法について紹介する。まず1つめは、
特開2016-111126 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 国立大学法人 宮崎大学 他 2016年06
月20日
」である(下図ダブクリ参照)。



【要約】光電変換素子が、複数の量子ドットと、量子ドットの構成物質よりもバンドギャップが大きい
物質からなる障壁層とを有し、複数の量子ドットが障壁層内に離散配置されてなる光吸収層を備えるよ
うにするとともに、量子ドットと障壁層の間における伝導帯のバンドオフセット量ΔEc(eV)が絶
対温度T(K)、1Sunあたりの電流密度I(mA/cm)、ボルツマン定数kBおよび電気素量
qにおいて、ΔEc≦-ln(I/4.29×10)・(kB・T/q)をみたすようにすることで、
量子ドット構造を有し、かつ、熱励起によるキャリア輸送を好適に行えるとともに構造上およびプロセ
ス上の制約の小さい光電変換素子を実現する。

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特許請求の範囲  

    1. 光電変換素子であって、複数の量子ドットと、前記量子ドットの構成物質よりもバンドギ
      ャップが大きい物質からなる障壁層と、を有し、前記複数の量子ドットが前記障壁層内に
      離散配置されてなる光吸収層、を備え、前記量子ドットと前記障壁層の間における伝導帯
      のバンドオフセット量ΔEc(eV)が絶対温度T(K)、1Sunあたりの電流密度I
      mA/cm2)、ボルツマン定数kBおよび電気素量qにおいて、ΔEc≦-ln(I/
      4.29×10)・(kB・T/q)をみたす、ことを特徴とする光電変換素子。
    2. 請求項1に記載の光電変換素子であって、前記量子ドットのサイズが、3nm以上15n
      m以下である、ことを特徴とする光電変換素子。
    3. 請求項1または請求項2に記載の光電変換素子であって、前記複数の量子ドットの面密度
      が1×1012cm-2以上である、ことを特徴とする光電変換素子。
    4. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の光電変換素子であって、前記光吸収層内にお
      ける前記複数の量子ドットの配置が非周期的である、ことを特徴とする光電変換素子。
    5. 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の光電変換素子であって、前記量子ドットがG
      aAsからなり、前記障壁層がAlxGa1-xAs(0<x≦1)からなる、ことを特徴
      とする光電変換素子。
    6. 光電変換素子の製造方法であって、複数の量子ドットを、前記量子ドットの構成物質より
      もバンドギャップが大きい物質からなる障壁層内に離散配置することによって光吸収層を
      形成する光吸収層形成工程、を備え、前記光吸収層形成工程においては、前記量子ドット
      と前記障壁層の間における伝導帯のバンドオフセット量ΔEc(eV)が絶対温度T(K
      )、1Sunあたりの電流密度I(mA/cm)、ボルツマン定数kBおよび電気素量
      qにおいて、ΔEc≦-ln(I/4.29×10)・(kB・T/q)

      がみたされるように前記複数の量子ドットを前記障壁層内に配置する、ことを特徴とする
      光電変換素子の製造方法。
    7. 請求項6に記載の光電変換素子の製造方法であって、 前記光吸収層形成工程においては、
      前記量子ドットのサイズを3nm以上15nm以下とする、ことを特徴とする光電変換素子
      の製造方法。
    8. 請求項6または請求項7に記載の光電変換素子の製造方法であって、前記光吸収層形成工程
      においては、前記複数の量子ドットの面密度が、1×1012cm-2以上となるように、
      前記複数の量子ドットを前記障壁層内に配置する、ことを特徴とする光電変換素子の製造
      方法。
    9. 請求項6ないし請求項8のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法であって、前記光吸
      収層形成工程においては、前記複数の量子ドットを非周期的に前記障壁層内に配置する、
      ことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
    10. 請求項6ないし請求項9のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法であって、前記量子
      ドットをGaAsにて形成し、前記障壁層をAlGa1-xAs(0<x≦1)にて形成
      する、ことを特徴とする光電変換素子の製造方法。 

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ところで、単接合型の太陽電池の場合、光電変換効率の理論限界である理論限界効率はせいぜい30%
程度である。この理論限界効率のより高い太陽電池を実現として、理論限界効率の高い量子ドット構造
を備えた量子ドット型太陽電池がある(例えば、特許文献1参照)。量子ドット型太陽電池は、3次元
量子閉じ込め作用をもつ多数の量子ドット(コア層)とそれを取り囲むバリア層からなる量子ドット層
を光吸収層にもつ太陽電池。この場合、理論限界効率は60%を上回るともいわれる。

例えば特許文献1のような量子ドット型太陽電池の場合、キャリアの輸送は、トンネル効果と熱励起に
り実現される。このうち、トンネル効果によるキャリア輸送を効果的なものとするためには、量子ドッ
トの寸法や障壁層の厚みに強く依存する共鳴状態の実現が必要なため、障壁層の厚みを精密に制御する
必要が生じる
。このことは、量子ドット型太陽電池を作製するに際して、構造上およびプロセス上の制
約となる。そこで、量子ドット構造をもち、熱励起によるキャリア輸送を好適に行えるとともに構造上
とプロセス上の制約の小さい光電変換素子の実現
とする新規考案である。 

 

 

次ぎに、2つめは、「特開2016-111317 光電変換素子及びその製造方法 国立大学法人 千葉大学 2016
年06月20日
」(下図ダブクリ参照)である。

【要約】この事例の一観点に係る光電変換素子は、第1伝導型からなる第1半導体層と、第1半導体層
上に形成される活性層と、活性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層と、を備える光電変
換素子であり、第1半導体層と活性層、第2半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部をもち、
また他の一観点に係る光電変換素子の製造方法は、上記第1半導体層を形成する第1工程と、上記第2
半導体層を形成する第2工程と、上記活性層を形成する第3工程と、上記転位不活性部を形成する第4
工程とをもつ。簡便かつ効果的に接合リーク電流を減少することで光電変換素子とその製造方法の新規
考案である。

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特許請求の範囲

    1. 第一の伝導層と、光吸収層と、第二の伝導層と、を順次積層した光電変換素子であって、
      前記光吸収層は、窒化インジウム層が複数積層された構造を備え、前記窒化インジウム層
      上のいずれかに、転位又は欠陥を覆うパッチが形成されてなる光電変換素子。
    2. 前記パッチは、酸化物、窒化物、及び酸窒化物の少なくともいずれかである請求項1記載
      の光電変換素子。
    3. 前記パッチは、前記窒化インジウム層の転位又は粒界の周囲を選択的に覆う一方、前記窒
      化インジウム層の転位又は粒界のない領域を覆わないよう形成されている請求項1記載の
      光電変換素子。
    4. 第一の伝導層を形成する工程と、光吸収層を形成する工程と、第二の伝導層を形成する工
      程と、を備えた光電変換素子の製造方法であって、前記光吸収層を形成する工程は、窒化
      インジウム層を形成する工程と、前記窒化インジウム層上にパッチを形成する工程と、を
      含む光電変換素子の製造方法。
    5. 前記パッチを形成する工程は、さらに、窒化インジウム層上に金属膜を形成する工程と、
      前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程を含む、請求項4記載の光電変換素子の製造方法。
    6. 前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程は、前記金属膜を酸化又は窒化処理することで、
      生成された金属酸化膜又は金属窒化膜を、前記窒化インジウム層に生じた転位又は粒界を
      自己組織的に覆うパッチとして形成する請求項5記載の光電変換素子の製造方法。
    7. 前記パッチを形成する工程は、複数の窒化インジウム層上において行われる請求項4記載の
      光電

      変換素子の製造方法。
    8. 第1伝導型からなる第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成される活性層と、前記活
      性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層とを備える光電変換素子であって、
      前記第1半導体層および前記活性層および前記第2半導体層の少なくともいずれかが、転
      位不活性部を有する光電変換素子。前記転位不活性部は、結晶欠陥を含むように形成され
      る請求項8に記載の光電変換素子。
    9. 前記転位不活性部は、結晶欠陥上に形成される請求項8に記載の光電変換素子。
    10. 前記転位不活性部の膜厚は、2分子層以下である請求項8に記載の光電変換素子。
    11. 前記転位不活性部の前記膜厚は、1分子層以下である
    12. 前記転位不活性部の表面被覆率は、1未満である請求項8に記載の光電変換素子。
    13. 前記第1半導体層は第1バンドギャップエネルギーを有し、前記第2半導体層は第2バン
      ドギャップエネルギーを有し、前記活性層は第3バンドギャップエネルギーを有し、前記
      転位不活性部は第4バンドギャップエネルギーを有し、前記第4バンドギャップエネルギ
      ーは、前記第1バンドギャップエネルギーおよび前記第2バンドギャップエネルギーおよ
      び前記第3バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも大きい請求項8に記載
      の光電変換素子。
    14. 前記第3バンドギャップエネルギーは、前記第1バンドギャップエネルギーおよび前記第
      2バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも小さい請求項14に記載の光電
      変換素子。
    15. 前記第1半導体層は第1抵抗率を有し、前記第2半導体層は第2抵抗率を有し、前記活性
      層は第3抵抗率を有し、前記転位不活性部は第4抵抗率を有し、前記第4抵抗率は、前記
      第1抵抗率および前記第2抵抗率および前記第3抵抗率の少なくともいずれかよりも大き
      い請求項8に記載の光電変換素子。
    16. 前記活性層は第3伝導型を有し、前記転位不活性部は第4伝導型を有し、前記第4伝導型
      は、前記第1伝導型および前記第1伝導型および前記第3伝導型の少なくともいずれかと
      異なる請求項8に記載の光電変換素子。
    17. 前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少なくともいずれかは、窒
      化物半導体InxGayAl1-x-yNであり、前記xおよびyの範囲は、0≦x≦1か
      つ0≦y≦1かつ0≦x+y≦1である請求項8に記載の光電変換素子。
    18. 前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少な
      くともいずれかの構成元素と異価数元素を含む請求項8に記載の光電変換素子。
    19. 前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少な
      くともいずれかの構成元素よりも電気陰性度が大きい元素を含む請求項8に記載の光電変
      換素子。
    20. 前記転位不活性部は、酸素および窒素の少なくともいずれかを含む請求項8に記載の光電
      変換素子。
    21. 前記転位不活性部は、アルミニウムおよびホウ素およびシリコンおよびマグネシウムの少
      なくともいずれかを含む請求項8に記載の光電変換素子。
    22. 前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少な
      くともいずれかの結晶構造と異なる結晶構造を有する請求項8に記載の光電変換素子。
    23. 前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層および前記転位不活性部の少
      なくともいずれかの結晶構造は、多結晶もしくはアモルファスである請求項8に記載の光
      電変換素子。
    24. 第1伝導型からなる第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成される活性層と、前記活
      性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層と、前記第1半導体層および前記活
      性層および前記第2半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を備える光電変換素
      子の製造方法であって前記第1半導体層を形成する第1工程と、前記第2半導体層を形成
      する第2工程と、前記活性層を形成する第3工程と、前記転位不活性部を形成する第4工
      程と、を有する光電変換素子の製造方法。
    25. 前記第1原料と前記第2原料とが非混和系である請求項26に記載の光電変換素子の製造
      方法。
    26. 前記第4工程が、第1原料を供給する工程と、第2原料を供給する工程と、を有する請求
      項25に記載の光電変換素子の製造方法。
    27. 前記第4工程が、前記第1原料を除去する工程と、前記第2原料を凝縮させる工程と、を
      有する請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。
    28. 前記第4工程が、第3原料を供給する工程を有する請求項25に記載の光電変換素子の製
      造方法。
    29. 前記第1原料を供給する前記工程で、前記第1原料の供給量が、2分子層以上となるよう
      制御された請求項26に記載の光電変換素子の製造方法
    30. 前記第4工程が、前記第1原料もしくは前記第2原料の少なくともいずれかの融点よりも
      高温で行われる
    31. 前記第1原料が、ガリウムもしくはインジウムの少なくともいずれかであり、前記第2原
      料がアルミニウムである請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。
    32. 前記第3原料が、窒素もしくは酸素の少なくともいずれかである請求項28に記載の光電
      変換素子の製造方法。
    33. 前記第3原料が、水もしくは亜酸化窒素の少なくともいずれかである請求項28に記載の
      光電変換素子の製造方法。

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ところで、現在、ほとんどの太陽電池はシリコン(Si)を原料としている。一方で、人工衛星搭載な
どの高い光電変換効率が要求される用途では、太陽光スペクトルとの整合性から化合物半導体である砒
化ガリウム(GaAs)を用いた太陽電池が実用化されている。太陽電池の公知の技術として、量子構
造によって構成される太陽電池が提案されている。例えば、特許文献1に記載の太陽電池は、量子井戸
もしくは量子ドット構造を有する太陽電池であり、その構成について図18を参照して説明する。図の
一例として、太陽電池500の構成を示すブロック図であり、基板501と、前記基板501上に形成
されるn型半導体層502と、前記n型半導体層502上に形成される量子構造層503と、前記量子
構造層503上に形成されるp型半導体層504と、の周知の構成からなり、これらが周知の半導体製
造技術などによって単一セルとして形成される。



さて、量子構造で構成では、特許文献1の太陽電池は、量子井戸もしくは量子ドット構造構成の基板5
01と、この基板501上に形成されるn型半導体層502と、その上に形成する量子構造層503と、
その上に形成するp型半導体層504との構成で、半導体製造技術などで、単一セルとして形成する。
上記特許文献1等に記載される太陽電池の構成は、変換効率の向上のために太陽光スペクトルの利用波
長域を広げることが望まれることから、量子構造層の混晶組成、および量子井戸層厚や量子ドットサイ
ズの適切な制御
が必要となるが、上記特許文献1に明確に記載されるように、太陽光スペクトルの適合
波長域を広げようとすると、量子構造層の混晶組成変化、さらにヘテロ構造の導入などで実際には格子
欠陥、結晶欠陥、もしくは転位
が多数導入され、かえって太陽電池特性が劣化することが知られている。

すなわち、これらの不活性化または終端化(パッシベーション)技術の開拓こそが、高効率太陽電池を
実現の必須条件であるが、上記特許文献1に明確に記載されているように、太陽光スペクトルの適合波
長域を広げようとすると、量子構造層の混晶組成変化、さらにヘテロ構造の導入などによって実際には
格子欠陥、結晶欠陥、もしくは転位が多数導入され、かえって太陽電池特性が劣化する。つまり、これ
らの不活性化または終端化(パッシベーション)技術の開拓こそが、高効率太陽電池の実現には必須条
件で、広い太陽光スペクトルのほぼ全域を唯一カバーできるので、窒化物半導体を高効率太陽電池クへ
の応用が期待されている。

しかし、適当な商用基板が入手困難であることに加えて、窒化物半導体は格子不整合系であり、現時点
での最高水準の技術を持ってしても106cm-2以上の高密度な貫通転位が存在する。さらに、格子欠
陥結晶欠陥、および転位の問題は窒化インジウムガリウム(InGaN)ではより深刻となりIn組成
を増大させることに伴い、混晶の非混和性などによって更に欠陥・転位密度が大幅に増大される
。この
欠陥・転位は、太陽電池の接合漏れ電流(リーク電流)を劇的に増大させるために、これらの不活性化
または終端化(パッシベーション)技術が真に求められている。 そこで本発明は、上記課題を考慮し、
簡便かつ効果的に、接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子及びその製造方法を提供
することを目的としている。

以上、2つの量子ドット太陽電池の製造方法に関する特許事例は、いずれも製造するに当たっての関連
パラメータの条件だしとその数値化という側面で同じである。



ISIS' Ramadan terror campaign, July 3, 2016 CNN


【共生と贈与】

最近は国内外とも、ぞっとするような事件が多発している。その1つが武器あるいは殺傷事件。これは
日本国内とはずいぶん事情が異なり、その差異の環境要因が明確であることである。もう1つは、超高
齢社会と家族・共同体崩壊(核家族化、所得・地域格差拡大)を環境要因による日本国内事情によるも
のであり、これも、原因と問題解消法も見えている――このブログで随時記載してきた通りであるり、
抜本的な解決には、日本の政治制度下でも、機動的な解決とはほど遠いものの是正はされていくだろ。
しかし、積極的な平和主義と福祉主義を掲げ力強く実現させていきそうな日本の政治組織は存在しない
と「参議院選挙で投票する政党がない」とブログ掲載HEY BULLDOG 2016.06.26)したが、「共生と
贈与」を掲げ政党をここはつくるしかないかと考えてみるが、とはいえ、現状がいっぱい、いっぱいな
のにできる訳がない。家族に迷惑をかけるし、どうしたらよいものかと頭を悩ませる。同士は?それも、
回りの仲間は超高齢社会突入で無理。
                                           

   ● 今夜の一曲

Betty Carter: How High The Moon



午後4時を過ぎると、眼精疲労が蓄積し早めの夕食を7時に終え風呂をあがるとそのままテレビを消さ
ずにいつものように、アルコールも回り寝込んでしまい10時過ぎに眼を覚まし、米倉涼子の主演の『
ドクターX』のドラマをすっぽかしていたことに気づき、慌て観賞する。ところが、途中でこのドラマ
背景にデスクトップの小物を即興で愛用のデジカメ(SONY DSC-T-100) する。それがその1枚である。
朝摘みのローズマリー、読みかけのレイモンドー・カーヴァーの本と眼鏡、ショットグラスのトリス・
エクストラ・ウィスキーと愛用フェンネル・シード・パウダの香辛料瓶を気取らず撮る。番組を見終え
ても、中断していた作業を続けるミッドナイト。ベティー・カーターの「 How High The Moon」を聴き
ながらそのままキーボードを叩いた。

 

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