Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7730766B2 - Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7730766B2 - Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material - Google Patents

Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material

Info

Publication number
JP7730766B2
JP7730766B2 JP2022001975A JP2022001975A JP7730766B2 JP 7730766 B2 JP7730766 B2 JP 7730766B2 JP 2022001975 A JP2022001975 A JP 2022001975A JP 2022001975 A JP2022001975 A JP 2022001975A JP 7730766 B2 JP7730766 B2 JP 7730766B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
energy
region
dopant
absorbing material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022001975A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023101425A (en
Inventor
勇 城之下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to JP2022001975A priority Critical patent/JP7730766B2/en
Publication of JP2023101425A publication Critical patent/JP2023101425A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7730766B2 publication Critical patent/JP7730766B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

特許法第30条第2項適用 ・令和3年2月26日公開の第68回応用物理学会春季学術講演会の講演予稿集(発表番号17p-Z15-5) ・第68回応用物理学会春季学術講演会における令和3年3月17日の口頭発表(発表番号17p-Z15-5) ・令和3年1月10日公開の城之下勇個人の自作ウェブサイト(https://regionforsolarcell.wordpress.com/)Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. - Proceedings of the 68th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, published on February 26, 2021 (presentation number 17p-Z15-5) - Oral presentation at the 68th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics, published on March 17, 2021 (presentation number 17p-Z15-5) - Isamu Jonoshita's personal website, published on January 10, 2021 (https://regionforsolarcell.wordpress.com/)

本発明は、光吸収材料、太陽電池、および光吸収材料の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、結晶構造をなす半導体材料中に、イオン注入によってドーパントを注入することによって作製される、周囲と異なる電子状態を有するnmサイズの領域による光吸収を扱う。 The present invention relates to light-absorbing materials, solar cells, and methods for producing light-absorbing materials. More specifically, it deals with light absorption by nanometer-sized regions with different electronic states from the surrounding area, which are created by ion implantation of dopants into a semiconductor material with a crystalline structure.

図1に、現在一般的に使用されているSi単結晶太陽電池のエネルギーバンド図と発電方法の概念図を示す。太陽電池に注がれた光は光吸収層と呼べるpn接合のpタイプ側(図1での左側)の価電子帯にある電子を伝導帯まで励起し、励起された電子は、nタイプ側(図1での右側)を経由し、負荷へと流れ、太陽電池の出力電流となる。そしてこの出力(電子)電流は負荷通過後、太陽電池のpタイプ側の価電子帯へと戻る。この時の負荷で消費される電流×バンドギャップ(伝導帯の電位と価電子帯の電位差)が太陽電池の出力となる。 Figure 1 shows the energy band diagram of a commonly used Si single-crystal solar cell today, as well as a conceptual diagram of the power generation method. Light incident on the solar cell excites electrons in the valence band on the p-type side (left side in Figure 1) of the pn junction, which can be called the light absorption layer, to the conduction band. The excited electrons then pass through the n-type side (right side in Figure 1) and flow to the load, becoming the output current of the solar cell. After passing through the load, this output (electron) current returns to the valence band on the p-type side of the solar cell. The output of the solar cell is the current consumed by the load at this time multiplied by the band gap (the potential difference between the conduction band and valence bands).

城之下勇著、「イオン注入技術を応用した量子ドット構造の作成」、太陽エネルギー、日本太陽エネルギー学会、2014年5月、第40巻、第3号、p.87-96(特にp.94)Isamu Jonoshita, "Creation of Quantum Dot Structures Using Ion Implantation Technology," Solar Energy, Japan Solar Energy Society, May 2014, Vol. 40, No. 3, pp. 87-96 (especially p. 94) 喜多隆編、「太陽電池の変換効率」、コロナ社、2012年10月、p.40Takashi Kita (ed.), "Solar Cell Conversion Efficiency," Corona Publishing, October 2012, p. 40 城之下勇、”チャンネリングイオンの軌道計算”、[online]、2016年9月19日、インターネット<URL:http://www7b.biglobe.ne.jp/~elbow/>(特にp.10, Fig.32)Isamu Jonoshita, "Orbital Calculation of Channeling Ions," [online], September 19, 2016, Internet <URL: http://www7b.biglobe.ne.jp/~elbow/> (especially p. 10, Fig. 32) 斎木敏治、戸田泰則、共著「ナノスケールの光物性」オーム社、2004年8月、p.8~p.10Toshiharu Saiki and Yasunori Toda, co-authors, "Nanoscale Optical Properties," Ohmsha, August 2004, pp. 8-10 中山正昭著「半導体の光物性」、コロナ社、2013年8月、p.51Masaaki Nakayama, "Optical Properties of Semiconductors," Corona Publishing, August 2013, p. 51 大津元一著「ドレスト光子」、朝倉書店、2013年3月、p.10~p.32"Dressed Photon" by Genichi Otsu, Asakura Publishing, March 2013, pp. 10-32

特開2016-025178号公報JP 2016-025178 A 特開2020-202225号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-202225

非特許文献2、および下記の参考文献1(特に第5頁 Appendix7 sheet「conventional」)において述べられているように、pタイプ側(図1での左側)の価電子帯にある電子が入射光により、伝導帯まで励起された際、バンドギャップを超える分の入射光のエネルギーは、即座に熱損失として消費され、太陽電池出力として取り出すことはできず、熱損失となる。また、伝導帯をこえるエネルギーまで電子を励起できない光は、価電子帯の電子により吸収することができずに透過損失となる。これらの損失のため、入射する太陽光として6000℃の黒体表面のスペクトルを想定すると、電力として変換しうる光の吸収効率は実質的に44.3%にしかならない。
[参考文献1]本発明にかかる研究の詳細を、以下のウェブページにて公開している。
Isamu Jonoshita”Electron energies in nm-scale impurity region and their application for photovoltaics”、[online]、2021年1月10日、インターネット<URL:https://regionforsolarcell.wordpress.com>
As described in Non-Patent Document 2 and the following Reference 1 (especially page 5, Appendix 7 sheet "conventional"), when electrons in the valence band on the p-type side (left side in Figure 1) are excited to the conduction band by incident light, the energy of the incident light that exceeds the band gap is immediately consumed as heat loss and cannot be extracted as solar cell output, resulting in heat loss. Furthermore, light that cannot excite electrons to an energy level above the conduction band cannot be absorbed by electrons in the valence band and is transmitted as a loss. Due to these losses, assuming the spectrum of a blackbody surface at 6000°C as the incident sunlight, the absorption efficiency of light that can be converted into electricity is essentially only 44.3%.
[Reference 1] Details of the research related to the present invention are published on the following webpage.
Isamu Jonoshita, "Electron energies in nm-scale impurity region and their application for photovoltaics," [online], January 10, 2021, Internet <URL: https://regionforsolarcell.wordpress.com>

本発明が解決しようとする課題は、上記の光吸収効率の値を改善(向上)させた光吸収材料、またそのような光吸収材料を備えた太陽電池、およびそのような光吸収材料の製造方法を提供することにある。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a light-absorbing material that has improved (enhanced) the above-mentioned light absorption efficiency value, a solar cell equipped with such a light-absorbing material, and a method for manufacturing such a light-absorbing material.

Si単結晶太陽電池の光吸収層を構成するpn接合のpタイプ側(図1での左側)等に適用される光吸収材料に、ドーパントイオンを注入することにより、ナノメートルスケールのドーパントリッチな領域(以降、DR領域と記述する場合がある)を作成することが、上記課題の解決の手段である。
以下に、DR領域を有する光吸収材料およびそのような光吸収材料の製造方法について述べる。
A means for solving the above problem is to create a nanometer-scale dopant-rich region (hereinafter sometimes referred to as the DR region) by injecting dopant ions into a light-absorbing material that is applied to the p-type side (left side in Figure 1) of the pn junction that constitutes the light-absorbing layer of a Si single crystal solar cell.
The following describes a light-absorbing material having a DR region and a method for manufacturing such a light-absorbing material.

最初に、本発明の実施態様を説明する。
本発明の実施形態にかかる光吸収材料は、半導体結晶と、前記半導体結晶中に規則的に配置されたドーパントリッチ領域と、を有し、前記ドーパントリッチ領域は複数のドーパントイオンを含み、可視域に複数の共鳴吸収波長を有している。
First, an embodiment of the present invention will be described.
A light-absorbing material according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor crystal and a dopant-rich region regularly arranged in the semiconductor crystal, the dopant-rich region containing a plurality of dopant ions and having a plurality of resonant absorption wavelengths in the visible range.

ここで、前記光吸収材料は、可視域の連続したエネルギー域の光を吸収可能であるとよい。 Here, it is preferable that the light-absorbing material be capable of absorbing light in a continuous energy range in the visible range.

前記光吸収材料の光吸収の確率密度関数は、太陽光の強度が最大であるエネルギーの±10%のエネルギーに、最大値を有するとよい。 The probability density function of light absorption of the light-absorbing material preferably has a maximum value at an energy level that is ±10% of the energy at which the solar light intensity is at its maximum.

前記半導体結晶はシリコン結晶であり、前記ドーパントはリンであり、前記ドーパントリッチ領域は、直径が5nm以上7nm以下であり、含有する前記ドーパントイオンの数が4個以上10個以下、かつ平均7個であり、前記ドーパントイオンの間の距離が2nm以上であるとよい。 The semiconductor crystal is a silicon crystal, the dopant is phosphorus, the dopant-rich region has a diameter of 5 nm to 7 nm, contains 4 to 10 dopant ions with an average of 7, and the distance between the dopant ions is 2 nm or more.

本発明の実施形態にかかる太陽電池は、本発明の実施形態にかかる前記光吸収材料を光吸収層として備えるとよい。 A solar cell according to an embodiment of the present invention may include the light-absorbing material according to an embodiment of the present invention as a light-absorbing layer.

本発明の実施形態にかかる光吸収材料の製造方法においては、本発明の実施形態にかかる前記光吸収材料を製造するに際し、変分法を用いた分子軌道法により、所望の共鳴吸収エネルギーが得られるように、前記ドーパントリッチ領域の直径、含有するドーパントイオンの数、ドーパントイオンの間の距離を決定する。 In the method for producing a light-absorbing material according to an embodiment of the present invention, when producing the light-absorbing material according to an embodiment of the present invention, the diameter of the dopant-rich region, the number of dopant ions contained therein, and the distance between the dopant ions are determined using a molecular orbital method using a variational method so as to obtain the desired resonance absorption energy.

本製造方法において、前記半導体結晶の表面に、前記半導体結晶と格子定数の異なる結晶膜を作成し、前記結晶膜を介して前記半導体結晶に、前記ドーパントイオンを注入することで、前記ドーパントリッチ領域を形成するとよい。 In this manufacturing method, a crystal film having a lattice constant different from that of the semiconductor crystal is formed on the surface of the semiconductor crystal, and the dopant ions are implanted into the semiconductor crystal through the crystal film to form the dopant-rich region.

さらに、前記ドーパントイオンを注入する際のイオン注入量、イオンエネルギー、およびイオン注入後の熱処理の条件により、前記ドーパントリッチ領域の直径、含有するドーパントイオンの数、ドーパントイオンの間の距離を制御するとよい。 Furthermore, the diameter of the dopant-rich region, the number of dopant ions contained, and the distance between the dopant ions can be controlled by adjusting the ion implantation dose, ion energy, and heat treatment conditions after ion implantation.

ここで、製造方法の詳細として、以下にまとめるとおり、特許文献2に詳細に説明しているのと同様の方法を適用するとよい。ここでは、半導体結晶をSi単結晶に限らず、またドーパントをリンイオンに限らず、説明する。
光吸収材料の製造方法において、半導体単結晶表面に、前記半導体単結晶と格子定数の異なる結晶膜を作製し、前記半導体単結晶において直線上に原子核が存在しない前記半導体単結晶のチャンネルと、前記結晶膜において直線上に原子核が存在しない前記結晶膜のチャンネルとが重なる格子整合点が規則的に配列された構造を形成する第1の工程と、前記結晶膜を介して前記半導体単結晶に、前記半導体単結晶中でドーパントとなるイオンを注入することで、前記結晶膜の表面に対して注入した前記イオンのうち、前記結晶膜の前記チャンネルを進み、前記格子整合点を通過して、前記半導体単結晶の前記チャンネルを前記半導体単結晶の内部まで進んで停止する前記イオンによって、前記格子整合点の周期に対応した周期でDR領域が規則的に分布した構造を作製する第2の工程と、を実施するとよい。
Here, as a detailed manufacturing method, it is preferable to apply the same method as that described in detail in Patent Document 2, as summarized below. Here, the semiconductor crystal is not limited to a Si single crystal, and the dopant is not limited to phosphorus ions.
In a method for producing a light-absorbing material, it is preferable to carry out the following steps: a first step of producing, on a surface of a semiconductor single crystal, a crystal film having a lattice constant different from that of the semiconductor single crystal, and forming a structure in which lattice matching points, at which channels of the semiconductor single crystal in which atomic nuclei do not exist on a straight line in the semiconductor single crystal and channels of the crystal film in which atomic nuclei do not exist on a straight line in the crystal film, overlap, are regularly arranged; and a second step of injecting ions that will become dopants in the semiconductor single crystal into the semiconductor single crystal via the crystal film, so that a structure in which DR regions are regularly distributed at a period corresponding to the period of the lattice matching points is produced by the ions injected into the surface of the crystal film traveling through the channels of the crystal film, passing through the lattice matching points, and traveling through the channels of the semiconductor single crystal to the interior of the semiconductor single crystal where they stop.

ここで、前記イオンは、前記半導体単結晶中でn型ドーパントとなるものであるとよい。この場合に、前記イオンは、リンイオンであるとよい。また、前記半導体単結晶は、p型半導体よりなるとよい。前記半導体単結晶はSi単結晶であり、前記結晶膜はGe結晶膜であるとよい。 The ions preferably act as n-type dopants in the semiconductor single crystal. In this case, the ions are preferably phosphorus ions. The semiconductor single crystal is preferably made of a p-type semiconductor. The semiconductor single crystal is preferably a Si single crystal, and the crystal film is preferably a Ge crystal film.

前記第2の工程において、注入される前記イオンの運動エネルギー、そしてイオン注入後のアニールにおける温度と時間を調整することで、前記半導体単結晶に前記DR領域が形成される位置の深さおよび前記DR領域の大きさを制御するとともに、前記イオンの注入量を調整することで、前記DR領域におけるドープ密度を制御するとよい。 In the second step, the depth at which the DR region is formed in the semiconductor single crystal and the size of the DR region can be controlled by adjusting the kinetic energy of the ions to be implanted and the temperature and time of annealing after ion implantation, and the doping density in the DR region can be controlled by adjusting the amount of ions implanted.

このようにして得られる光吸収材料は、p型半導体、i型半導体、n型半導体のいずれか1つよりなる半導体単結晶と、それらのいずれか他の1つよりなるDR領域と、を有し、前記DR領域は、前記半導体単結晶にドーパントがドープされた、ナノメートルスケールの領域であり、前記半導体単結晶中に、規則的に配列されたものとなる。 The light-absorbing material obtained in this manner has a semiconductor single crystal made of one of a p-type semiconductor, an i-type semiconductor, or an n-type semiconductor, and a DR region made of any other of these semiconductors. The DR region is a nanometer-scale region in which the semiconductor single crystal is doped with a dopant and is regularly arranged within the semiconductor single crystal.

また、上記のようにして得られる光吸収材料は、太陽電池を構成するのに好適に用いることができ、その場合に太陽電池は、前記半導体単結晶がp型であり、DR領域がn型である光吸収材料を、光吸収層として備えるものとすればよい。 The light-absorbing material obtained as described above can also be suitably used to construct solar cells. In such cases, the solar cell may have a light-absorbing layer made of a light-absorbing material in which the semiconductor single crystal is p-type and the DR region is n-type.

ここで、DR領域を有する光吸収材料が可能とする光吸収について簡単に説明する。
上記で述べたDR領域を有する光吸収材料について、Si結晶膜内のリンイオンの分布の例を図2に示す。イオン注入後に適切なアニールを行うことにより、これらのリンイオンはシリコン結晶内のシリコン原子と置換、活性化される。この時、DR領域内の電子軌道のエネルギーは、Ritzの変分法によって計算できるが、その計算結果によれば、ある条件において、これらのDR領域のポテンシャル障壁の分布は可視光の光子の持つエネルギー分布と同様の分布範囲を呈する。このポテンシャル障壁により、DR領域は電子を領域内に閉じ込めることが可能となる。DR領域内に閉じ込められた電子は、ポテンシャル障壁と同じエネルギーの光に対して特異的に大きな光吸収を持つ。つまり、DR領域は個々に固有のポテンシャル障壁を持ち、そのポテンシャルエネルギーと同じエネルギーの光を特異的に吸収する。
Here, a brief description will be given of the light absorption that can be achieved by a light-absorbing material having a DR region.
Figure 2 shows an example of the distribution of phosphorus ions in a Si crystal film for the light-absorbing material having the DR region described above. By performing appropriate annealing after ion implantation, these phosphorus ions are replaced with silicon atoms in the silicon crystal and activated. At this time, the energy of the electron orbitals in the DR region can be calculated using the Ritz variational method. According to the calculation results, under certain conditions, the distribution of the potential barriers in these DR regions exhibits a distribution range similar to the energy distribution of photons in visible light. This potential barrier allows the DR region to confine electrons within the region. Electrons confined in the DR region have a specifically high optical absorption for light with the same energy as the potential barrier. In other words, each DR region has its own unique potential barrier and specifically absorbs light with the same energy as its potential energy.

本発明の実施形態にかかる光吸収材料は、従来よりも光吸収効率の値を改善(向上)させた光吸収材料となる。
物質の光の吸収のしやすさを表す指標として光吸収係数がある。確率密度関数0.5と仮定したとき、DR領域を含有する光吸収層の光吸収係数の値は、図3に示すように、光エネルギーが約3.3eV以下の場合は、バンドギャップによる吸収よりもDR領域による吸収が支配的である。また、図4に示すように、本発明にかかるDR領域を含むSi層による光吸収は、従来利用されてきたバンドギャップによる吸収と異なり、上記光エネルギーがDR領域のポテンシャル障壁と同じときだけ、光が吸収される。上記の条件のもとに光が吸収されると、熱損失も透過損失も発生せず、基本的に損失の無い吸収となる。
The light-absorbing material according to the embodiment of the present invention is a light-absorbing material having an improved (enhanced) light absorption efficiency value compared to conventional materials.
The optical absorption coefficient is an index that indicates the ease with which a substance absorbs light. Assuming a probability density function of 0.5, the value of the optical absorption coefficient of a light absorption layer containing a DR region is shown in Figure 3. When the light energy is approximately 3.3 eV or less, absorption by the DR region is dominant over absorption by the band gap. Furthermore, as shown in Figure 4, the optical absorption by the Si layer containing a DR region according to the present invention differs from the conventional absorption by the band gap; light is absorbed only when the light energy is the same as the potential barrier of the DR region. When light is absorbed under the above conditions, neither heat loss nor transmission loss occurs, resulting in essentially loss-free absorption.

現在一般的に使用されているSi単結晶太陽電池のエネルギーバンド図と発電方法の概念図である。1 is an energy band diagram of a silicon single crystal solar cell that is currently in common use, and a conceptual diagram of the power generation method. 本発明の実施形態にかかる方法により作製されたSi結晶膜内のリン原子(あるいはリンイオン)の分布の例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the distribution of phosphorus atoms (or phosphorus ions) in a Si crystal film produced by a method according to an embodiment of the present invention. 光吸収係数の変化を、DR領域による吸収とSi結晶バンドギャップによる吸収について示す図である。FIG. 10 is a diagram showing changes in the optical absorption coefficient for absorption by the DR region and absorption by the Si crystal band gap. DR領域を含むSi層による光吸収の概念を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the concept of light absorption by a Si layer including a DR region. 各条件において、リンイオンの数に対するポテンシャル障壁の変化を示す図である。(a)は領域サイズを変化させた場合について示し、(b)は、リンイオン間距離を変化させた場合について示している。10A shows the change in the potential barrier with respect to the number of phosphorus ions under each condition, where (a) shows the case where the domain size is changed, and (b) shows the case where the distance between phosphorus ions is changed. DR領域内の電子軌道のエネルギー状態とポテンシャル障壁の関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the energy state of electron orbitals in the DR region and the potential barrier. DR領域のポテンシャル障壁と確率密度関数の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the potential barrier and the probability density function in the DR region. 光のエネルギーと光吸収係数αの関係曲線を示す図である。FIG. 10 is a graph showing a relationship curve between light energy and light absorption coefficient α.

以下、本発明の実施形態にかかる光吸収材料、太陽電池、および光吸収材料の製造方法について詳細に説明する。 The light-absorbing material, solar cell, and method for manufacturing the light-absorbing material according to embodiments of the present invention are described in detail below.

発明者は、太陽電池における光吸収の効率を改善することを目的に、最適な材料や、材料の製造方法について研究を行ってきた。特許文献1においては、結晶材料中に、イオンが豊富に注入された、非常に小さな(ナノメートル単位)サイズの領域を作成する方法を開示している。結晶シリコンに対して、ZnTe結晶膜をフィルターとして4方向から酸素イオンを注入することにより、ナノメートルサイズの半導体量子ドット(SiOの絶縁領域)を規則的に、高密度に、そして均一性よく作ることができる。 The inventors have been researching optimal materials and manufacturing methods for improving the light absorption efficiency of solar cells. Patent Document 1 discloses a method for creating very small (nanometer-sized) regions richly doped with ions in a crystalline material. By implanting oxygen ions into crystalline silicon from four directions using a ZnTe crystal film as a filter, nanometer-sized semiconductor quantum dots (insulating regions of SiO2 ) can be created regularly, densely, and uniformly.

さらに特許文献2において、特許文献1における注入イオンを酸素イオンからドーパントであるリンイオン(P)に変更し、フィルター膜をゲルマニウム結晶膜に変更することで、イオン注入量を低減できることを示している。なお、イオン注入領域のサイズは特許文献1のものと比較して約1.5倍大きくなっており、イオン注入領域間の距離も同様の比率で長くなっている。 Furthermore, Patent Document 2 shows that the amount of ion implantation can be reduced by changing the implanted ions in Patent Document 1 from oxygen ions to phosphorus ions (P + ), which are dopants, and by changing the filter film to a germanium crystal film. Note that the size of the ion implantation region is about 1.5 times larger than that in Patent Document 1, and the distance between the ion implantation regions is also longer by the same ratio.

本発明においては、特許文献1および特許文献2を踏まえて、より効率的な光吸収を行うことができる方法を提案することを目的に、Si結晶中のイオン注入領域における電子の挙動を詳細に検討し、従来の光発電の避けがたい損失を改善する方法を発案した。 In this invention, based on Patent Documents 1 and 2, we have conducted a detailed study of the behavior of electrons in ion-implanted regions in Si crystals, with the aim of proposing a method for more efficient light absorption, and have devised a method for improving the unavoidable losses in conventional photovoltaic power generation.

図2に提唱するDR領域の概念図を示す。
注入イオンがリンイオン(P)の場合、Pは一旦電荷を失いリン原子となるが、入後適切に熱(アニール)処理されたリン原子は結晶構造中のSi原子と入れ替わり、ドーパントとして結晶構造に組み込まれリンイオンとなる。そして、リンイオンの周りのSi結晶領域の自由電子は、特定のエネルギーの軌道を描くことになる。これら特定のエネルギーは、Ritzの変分法を用いた分子軌道法により近似値として計算できる。
Figure 2 shows a conceptual diagram of the proposed DR region.
When the implanted ions are phosphorus ions (P + ), the P + loses its charge and becomes a phosphorus atom. After implantation, if the P+ is properly annealed, the phosphorus atom replaces a Si atom in the crystal structure and is incorporated into the crystal structure as a dopant, becoming a phosphorus ion. The free electrons in the Si crystal region around the phosphorus ion then trace orbits with specific energies. These specific energies can be calculated as an approximation using the molecular orbital method using the Ritz variational method.

図2では、試行を経て適切なパラメータの組として得た下記の条件のもと、Si結晶中に無作為にリンイオンを配置した一例を示している。
条件1)DR領域内のリンイオンの個数は4個から10個(平均値は7個)。
条件2)DR領域内のサイズ(円に近似した際の直径)は約5nm、6nm、7nmとする。
条件3)DR領域内、個々のリンイオン間の距離は2nm以上とする。
これらの条件は、適切に制御されたイオン注入量、イオンエネルギー、そして適切に温度と時間を制御されたイオン注入後の熱処理(アニール)によって実現できる。
FIG. 2 shows an example in which phosphorus ions are randomly arranged in a Si crystal under the following conditions, which are obtained as an appropriate set of parameters through trials:
Condition 1) The number of phosphorus ions in the DR region is 4 to 10 (average value is 7).
Condition 2) The size within the DR region (diameter when approximated to a circle) is set to approximately 5 nm, 6 nm, and 7 nm.
Condition 3) In the DR region, the distance between individual phosphorus ions is 2 nm or more.
These conditions can be achieved by properly controlling the ion implantation amount and ion energy, and by properly controlling the temperature and time of the post-ion implantation heat treatment (annealing).

<計算方法>
前述のように、DR領域内の電子準位のエネルギーを近似計算するために下記手順に従い、“Ritzの変分法”を使用する。
<Calculation method>
As mentioned above, the "Ritz variational method" is used to approximately calculate the energies of the electronic levels in the DR region according to the following procedure.

(手順1)有効ボーア半径と有効リュードベリエネルギーの計算
Si結晶中では、リン原子はリンイオンとなり、その周りに「真空中の水素原子核と同様の電界」を生じさせる。ただし、Si結晶中のリンイオンの場合は、真空に相当するのはSi結晶構造となり、この場合有効ボーア半径aと有効リュードベリエネルギーEが下記式により計算される。
上記計算式(1)および(2)において、
:ボーア半径(0.0529nm)、
:リュードベリエネルギー(13.6eV=2.18×10-18J)、
:電子質量、
:有効電子質量(ここではSiに対して、m/m=0.2とする)、
ε:比誘電率(ここではSiに対して、11.9とする)を示す。
計算を行った結果、a=3.15nm、E=0.019eV=3.07×10-21eVとなる。
(Step 1) Calculation of the effective Bohr radius and effective Rydberg energy In a silicon crystal, phosphorus atoms become phosphorus ions, which generate an electric field around them similar to that of a hydrogen nucleus in a vacuum. However, in the case of phosphorus ions in a silicon crystal, the equivalent of the vacuum is the silicon crystal structure, and in this case the effective Bohr radius aB and effective Rydberg energy ER are calculated using the following formulas.
In the above calculation formulas (1) and (2),
a 0 : Bohr radius (0.0529 nm),
E 0 : Rydberg energy (13.6 eV = 2.18 × 10 −18 J),
m 0 : electron mass,
m e : effective electron mass (here, m e /m 0 =0.2 for Si),
ε e : relative dielectric constant (here, 11.9 for Si).
As a result of calculation, a B =3.15 nm and E R =0.019 eV=3.07×10 −21 eV.

(手順2)重なり積分、クーロン積分、共鳴積分の計算
Ritzの変分法では、下記行列式(3)を解く必要がある。
ここでEφは固有値、Sijは“重なり積分”と呼ばれ式(4)により計算される。
ijは二つの意味があり、i=jの場合は“クーロン積分”と呼ばれ、式(5)により計算される。
ここで、
ε:真空の誘電率(8.854×10-12F/m)、
R:リンイオン間の距離、
:DR領域内において、関係するリンイオンとその他のリンイオンの平均中心位置との距離を示す。つまりDR領域内で関係するリンイオン以外の複数のリンイオンを、中心に電荷をもつ一つの粒子、すなわち点電荷で近似し、その点電荷から関係するリンイオンまでの距離をRとすることにする。またこの場合、点電荷のもつ電荷nは、点電荷を中心とした半径がRの空間の電荷、つまり点電荷を中心とした半径がRの空間に「実際にある」リンイオンの数となる。
(Step 2) Calculation of overlap integral, Coulomb integral, and resonance integral In the Ritz variational method, it is necessary to solve the following determinant (3).
Here, E φ is an eigenvalue, and S ij is called an "overlap integral" and is calculated by equation (4).
H ij has two meanings, and when i=j, it is called the "Coulomb integral" and is calculated by equation (5).
where:
ε 0 : dielectric constant of vacuum (8.854×10 −12 F/m),
R: distance between phosphorus ions,
R a : indicates the distance between the relevant phosphorus ion and the average central position of other phosphorus ions in the DR region. In other words, multiple phosphorus ions other than the relevant phosphorus ion in the DR region are approximated by a single particle with a central charge, i.e., a point charge, and the distance from that point charge to the relevant phosphorus ion is defined as R a . In this case, the charge n of the point charge is the charge in the space with a radius of R a centered on the point charge, i.e., the number of phosphorus ions "actually present" in the space with a radius of R a centered on the point charge.

i≠jの場合は、Hijは“共鳴積分”と呼ばれ、式(6)により計算される。
ここで、
:個々の注入されたリンイオンの中心間距離、を示す。
When i≠j, H ij is called the "resonance integral" and is calculated by equation (6).
where:
R b : the center-to-center distance between the individual implanted phosphorus ions.

(手順3)固有値Eφを求める。
行列式|Hij-Eφij|の値は、各エネルギー値に対して計算される。これは、x-y座標空間において”Eφ”の関数として、行列式|Hij-Eφij|の値が曲線を描くことを意味する。この場合、xが”Eφ”、yが|Hij-Eφij|の値となる。また線形結合を考えた場合、この曲線は、x軸といくつかの交点を持つことになるが、この交点の数はDR領域内の電子エネルギーの状態数を示し、さらにこの数は領域内のリンイオンの数と同じとなる。そして、領域内の電子軌道のエネルギーがxとして計算できる。参考文献1に詳述しているように、図2における個々のDR領域の電子エネルギーの最小値(絶対値としては最大値)およびDR領域におけるポテンシャル障壁の計算を行った。
(Step 3) The eigenvalue E φ is found.
The value of the determinant |H ij -E φ S ij | is calculated for each energy value. This means that the value of the determinant |H ij -E φ S ij | draws a curve as a function of "E φ " in the x-y coordinate space. In this case, x is "E φ " and y is the value of |H ij -E φ S ij |. Furthermore, when considering a linear combination, this curve will have several intersections with the x-axis. The number of intersections indicates the number of electronic energy states in the DR region, which is equal to the number of phosphorus ions in the region. The energy of the electronic orbital in the region can then be calculated as x. As detailed in Reference 1, the minimum value of the electronic energy (maximum value in absolute terms) and the potential barrier in the DR region of each DR region in Figure 2 were calculated.

<計算結果>
上記の計算結果より下記のことが明らかになった。
結果1)個々のDR領域内のリンイオンの数が多いほど、ポテンシャル障壁は小さくなる。(自由電子のエネルギーを0として絶対値としては大きくなる。)
結果2)個々のDR領域のサイズが小さいほど、ポテンシャル障壁は小さくなる。(自由電子のエネルギーを0として絶対値としては大きくなる。)
結果3)個々のDR領域のポテンシャル障壁の値は、-6eVから-0.2eVの範囲にある。
結果4)個々のDR領域内、0eV付近には、いくつかの電子エネルギーの状態がある。
<Calculation results>
The above calculation results revealed the following:
Result 1) The more phosphorus ions there are in each DR region, the smaller the potential barrier becomes (the larger the absolute value becomes, assuming the energy of a free electron is 0).
Result 2) The smaller the size of each DR region, the smaller the potential barrier becomes (the absolute value becomes larger, assuming the energy of a free electron is 0).
Result 3) The potential barrier values of the individual DR regions range from −6 eV to −0.2 eV.
Result 4) Within each DR region, there are several electron energy states near 0 eV.

図5(a)は、DR領域のサイズとポテンシャル障壁の関係を、領域サイズ、4nm、5nm、6nm、7nmの場合にについて示している。また、図5(b)は、その関係を、リンイオン間距離2nm以上、2.5nm以上、3nm以上の場合について示している。結果1)から結果3)は図5より明らかである。これらのグラフには各条件におけるポテンシャル障壁の変化を示している。 Figure 5(a) shows the relationship between the size of the DR region and the potential barrier when the region size is 4 nm, 5 nm, 6 nm, and 7 nm. Figure 5(b) shows this relationship when the distance between phosphorus ions is 2 nm or more, 2.5 nm or more, and 3 nm or more. Results 1) to 3) are clear from Figure 5. These graphs show the change in the potential barrier under each condition.

図6を用いて結果4)について詳細に説明する。Ritzの変分法による計算結果より、0eV付近にいくつかの電子のエネルギーの状態が存在し、その一つ一つに共鳴エネルギーが定義できる。これは、共鳴エネルギーと一致する光子がDR領域付近に来た時、これらの光子がDR領域の電子に吸収され、DR領域内の電子は0eV程度の状態に引き上げられる状態が複数あることを意味している。そのような状態が複数あるということは、「共鳴エネルギーと一致する光子」の存在確率が増えることを意味する。なぜならば、自由電子のエネルギー(0eV)との差異が室温エネルギー(25.8meV、300K)以下の電子は、簡単にDR領域から離脱できるからである。 Result 4) will be explained in detail using Figure 6. Calculations using the Ritz variational method show that there are several electron energy states near 0 eV, and a resonance energy can be defined for each of these. This means that when photons that match the resonance energy come near the DR region, these photons are absorbed by electrons in the DR region, and there are multiple states in which the electrons in the DR region are pulled up to a state of around 0 eV. The existence of multiple such states means that the probability of the existence of a "photon that matches the resonance energy" increases. This is because electrons whose energy difference with that of a free electron (0 eV) is less than room temperature energy (25.8 meV, 300 K) can easily leave the DR region.

次に、それぞれのDR領域のポテンシャル障壁の分布範囲について検討する。前述の条件1)から3)がすべて同じでもポテンシャル障壁の値は、ある程度の分布範囲を持つが、この分布範囲に加えて条件1)から3)の変化によってもポテンシャル障壁の分布範囲を広げることができる。DR領域としては、サイズや電荷密度が異なるものが共存することが許容され、それらのDR領域の共存により、ポテンシャル障壁の分布範囲に広がりが生じる。この分布範囲を可視光のエネルギー分布範囲より広くすれば、すべての可視光のエネルギーを吸収できる可能性を持つことになる。従って本発明において、ポテンシャル障壁の分布範囲は非常に重要となる。 Next, we will consider the distribution range of the potential barrier for each DR region. Even if all of the above conditions 1) to 3) are the same, the potential barrier value will have a certain distribution range, but in addition to this distribution range, the distribution range of the potential barrier can also be expanded by changing conditions 1) to 3). DR regions with different sizes and charge densities are allowed to coexist, and the coexistence of these DR regions expands the distribution range of the potential barrier. If this distribution range is made wider than the energy distribution range of visible light, it will be possible to absorb the energy of all visible light. Therefore, the distribution range of the potential barrier is extremely important in this invention.

このことを示すために、図7にポテンシャル障壁と確率密度関数の関係を示す。(このグラフのデータは、参考文献1のAppendix4.を参照のこと。)
図7の実線の曲線は、“領域内のリンイオンの平均個数7個、領域のサイズ約5nm、リンイオン間の中心間距離2.5nm以上”という条件の下でのポテンシャル障壁(横軸)と確率密度関数(縦軸)を示す。破線の曲線は“平均個数7個、サイズ約6nm、リンイオン間の中心間距離2.5nm以上”の条件、点線の曲線は各パラメータを”7個、約7nm、2nm以上”とした条件での曲線である。
To illustrate this, the relationship between the potential barrier and the probability density function is shown in Figure 7. (For the data of this graph, see Appendix 4 of Reference 1.)
7 shows the potential barrier (horizontal axis) and probability density function (vertical axis) under the conditions of "an average number of phosphorus ions in a region of 7, a region size of approximately 5 nm, and a center-to-center distance between phosphorus ions of 2.5 nm or more." The dashed curve shows the condition of "an average number of phosphorus ions of 7, a region size of approximately 6 nm, and a center-to-center distance between phosphorus ions of 2.5 nm or more," and the dotted curve shows the condition of "7, approximately 7 nm, and 2 nm or more."

また図7には、日本の地表における太陽光のエネルギースペクトルのとして、AM1.5のエネルギースペクトルを記載している。3種の確率密度関数の曲線のそれぞれにおいて、概略の分布として、DR領域のポテンシャル障壁の分布範囲がAM1.5のエネルギー範囲をカバーしていることが判る。 Figure 7 also shows the AM1.5 energy spectrum as part of the energy spectrum of sunlight on the surface of Japan. For each of the three probability density function curves, it can be seen that the distribution range of the potential barrier in the DR region roughly covers the AM1.5 energy range.

(以下、式(7)~式(11)の詳細については非特許文献4及び非特許文献5参照)
さらに、光吸収材料の光吸収係数について検討する。物質の光子の吸収しやすさを図る尺度として、光吸収係数があるが、この光吸収係数の値は非常に重要である。いくらDR領域のポテンシャル障壁の共鳴エネルギーが可視光のすべての範囲に渡っていても、バンドギャップによる光吸収係数がDR領域による光吸収係数より支配的であれば、バンドギャップによる光吸収が大きくなり損失が発生するからである。
(For details of the formulas (7) to (11), see Non-Patent Documents 4 and 5.)
Furthermore, we will consider the optical absorption coefficient of the light-absorbing material. The optical absorption coefficient is a measure of how easily a material absorbs photons, and the value of this optical absorption coefficient is extremely important. Even if the resonance energy of the potential barrier in the DR region spans the entire range of visible light, if the optical absorption coefficient due to the band gap is dominant over the optical absorption coefficient due to the DR region, the optical absorption due to the band gap will be large, resulting in loss.

この光吸収系の光吸収係数αの値は、(7)式によって計算できる。
ここで、ωは光の周波数、Cは光の速度、nは光の屈折率の虚部の値であり、nは下記(8)式により計算される。
ここでεは誘電関数の実数部、εは虚数部であり、下記(9)式、(10)式により計算できる。
ここで、Nは単位体積内のDR領域の個数、γはDR領域の励起の緩和時間の逆数である。なお、γは共鳴周波数ωでのεの半値幅(FWHM)を表す。
The value of the light absorption coefficient α of this light absorption system can be calculated by equation (7).
Here, ω is the frequency of light, C is the speed of light, and n 2 is the value of the imaginary part of the refractive index of light, and n 2 is calculated by the following equation (8).
Here, ε 1 is the real part of the dielectric function, and ε 2 is the imaginary part, which can be calculated using the following equations (9) and (10).
where N 0 is the number of DR regions in a unit volume, and γ is the reciprocal of the relaxation time of the excitation of the DR region, where γ represents the full width at half maximum (FWHM) of ε 2 at the resonance frequency ω i .

この条件の下、DR領域を電気双極子と考えると、共鳴周波数は下記(11)式で計算できる。
Under this condition, if the DR region is considered as an electric dipole, the resonant frequency can be calculated by the following equation (11).

表1は式(7)~(11)による計算例を示す。図8(参考文献1のFig.5)は光のエネルギーと光吸収係数αの関係曲線である。これらの関係から、どのような光吸収が起こるかが判る。図8の曲線から、αの値は光のエネルギーが共鳴条件(ω=ω)となる場合に特別に大きくなり、その他の場合はほぼ0である、ことが判る。これは、特定のエネルギーの光のみが、その光と共鳴する特定の領域に特別に大きな光吸収係数αで吸収されることを意味する。言い換えれば、DR領域による光吸収では、共鳴領域の損失の無い光吸収のみが可能である。DR領域のポテンシャル障壁の値は大体-6eVから-0.2eVであるから、この領域の光を、損失無く高効率に吸収することが可能である。 Table 1 shows an example of calculations using equations (7) to (11). Figure 8 (Fig. 5 in Reference 1) shows the relationship between light energy and the optical absorption coefficient α. These relationships indicate what type of optical absorption occurs. The curve in Figure 8 reveals that the value of α becomes particularly large when the light energy reaches the resonance condition (ω i = ω), and is nearly zero otherwise. This means that only light of a specific energy is absorbed in a specific region that resonates with that light with a particularly large optical absorption coefficient α. In other words, only loss-free optical absorption in the DR region is possible. Because the potential barrier value in the DR region is approximately -6 eV to -0.2 eV, light in this region can be absorbed with high efficiency and without loss.

次に、共鳴条件(ω=ω)について検討する。共鳴範囲を表すのに通常、半値幅(FWHM)が用いられる。(7)、(8)式よりαの値を決定する重要な値はεであることが判るが、εの半値幅はγによって表される。そして緩和時間を1ns(=1×10-9[s])とした場合、半値幅は(12)式によりエネルギーの単位に変換される。
その結果、εの半値幅は僅か1.05×10-25[J](=6.6×10-7[eV])にしかならないことが判る。
Next, we will consider the resonance condition (ω i = ω). The full width at half maximum (FWHM) is usually used to express the resonance range. From equations (7) and (8), we can see that the important value that determines the value of α is ε 2 , and the full width at half maximum of ε 2 is expressed by γ. If the relaxation time is set to 1 ns (= 1 × 10 -9 [s]), the full width at half maximum can be converted into energy units using equation (12).
As a result, it is found that the half-width of ε 2 is only 1.05×10 −25 [J] (=6.6×10 −7 [eV]).

一方、図7より、ポテンシャル障壁が共鳴エネルギー付近である場合の確率密度関数を約50%とすると、ある領域のポテンシャル障壁が、ある光の共鳴領域の半値幅内にある確率は、わずか0.000033%にしかならない。この非常に低い確率のため、(10)式内のNの値が小さくなる。その結果、ε値も小さくなり、αの値も小さいものとなる。この小さいαの値では、表1にあるように、光子数の90%を吸収するのに必要な光吸収層の厚さは、100μmオーダーになってしまう。これは通常のバンドギャップによる吸収と比較して薄いとは言えず、DR領域による光吸収に優位性があるとは言えない。 On the other hand, as shown in FIG. 7, if the probability density function when the potential barrier is near the resonance energy is approximately 50%, the probability that the potential barrier in a certain region is within the half-width of the resonance region of a certain light is only 0.000033%. Because of this very low probability, the value of N0 in equation (10) becomes small. As a result, the value of ε2 also becomes small, and the value of α also becomes small. With this small value of α, as shown in Table 1, the thickness of the light absorption layer required to absorb 90% of the number of photons is on the order of 100 μm. This is not thin compared to absorption by a normal band gap, and it cannot be said that light absorption by the DR region is advantageous.

しかし、この必要な厚さを改善(薄く)できる、言い換えれば実質的なαの値を大きくする次のような要因がある。 However, there are the following factors that can improve (thinneren) this required thickness, in other words, increase the effective value of α:

1)0eV付近での電子エネルギー状態が複数あること
DR領域内の電子エネルギー状態のうちのいくつかは、電子エネルギー0eV付近にある。これはいくつかの共鳴状態があることを意味しており、それらは、他の状態とわずかに異なる共鳴エネルギーを持っている。この要因を考慮すると(10)式内のNの値は(13)式で計算されるNeffに置き換えられる。
ここで、fは、(表1で与えられた)あるDR領域のポテンシャル障壁が半値幅内にある確率を示す。Nは、0eV付近でのエネルギー状態の数である。
1) There are multiple electron energy states near 0 eV. Some of the electron energy states in the DR region are near 0 eV. This means that there are several resonant states, each with a slightly different resonant energy from the other states. Taking this into account, the value of N in equation (10) can be replaced with N eff calculated by equation (13).
where f denotes the probability that the potential barrier of a certain DR region (given in Table 1) is within the half-width, and N is the number of energy states around 0 eV.

2)隣接するDR領域の影響
(以下、式(14)~式(19)については非特許文献6参照)
次に、隣接するこれらのDR領域同士の影響を検討する。DR領域間の距離が充分短ければ、いわゆる“近接場光”(ドレスト光子)によるエネルギー移動が発生する。交換エネルギーの値は次の(14)式により計算される。その値は参考文献1のFig.6、そしてAppendix5にあるように、1meVの大きさになりうる。
pol:ポラリトンの有効質量(=0.2m:と仮決めする)
α:DR領域αの有効質量(=0.5mと仮決めする)
r:DR領域の中心間の距離
2) Influence of adjacent DR regions (See Non-Patent Document 6 for Equations (14) to (19) below)
Next, we consider the influence of adjacent DR regions. If the distance between the DR regions is sufficiently short, energy transfer occurs via so-called "near-field light" (dressed photons). The exchange energy is calculated using the following equation (14). As shown in Fig. 6 and Appendix 5 of Reference 1, this value can be as large as 1 meV.
m pol : Effective mass of polariton (tentatively set to 0.2 m 0 )
m α : Effective mass of DR region α (tentatively set to 0.5 m 0 )
r: distance between the centers of the DR regions

そして、(14)の基になった式である下記の(17)式(非特許文献6参照)から判るが、エネルギー移動の大部分がDR領域の共鳴エネルギーが光のエネルギー付近にある場合に集中している。
ここで、
E(k):ポラリトンのエネルギー
Eα:DR領域αの共鳴エネルギー
k:光の波数
(17)式の被積分項のみを抽出して、下記の(19)として表す。
(19)式から、vの値は、入射光のエネルギーがDR領域の共鳴エネルギー(EあるいはE)よりわずかに小さいときに極大になり、わずかに大きいときに極小(マイナスの値、絶対値としては極大)となることが判る。
As can be seen from the following equation (17) (see Non-Patent Document 6), which is the basis of equation (14), most of the energy transfer is concentrated when the resonance energy of the DR region is near the energy of the light.
where:
E(k): Energy of polariton Eα: Resonance energy of DR region α k: Wave number of light Only the integral term of equation (17) is extracted and expressed as the following equation (19).
From equation (19), we can see that the value of v is maximum when the energy of the incident light is slightly smaller than the resonance energy ( Es or Ep ) of the DR region, and is minimum (negative value, maximum as an absolute value) when it is slightly larger.

入射光のエネルギーが共鳴エネルギーよりわずかに大きいとき、マイナスの値になるということは、このDR領域からのエネルギーの放出を意味する。言い換えれば、入射光のエネルギーがDR領域の共鳴エネルギー付近でわずかに大きい場合、DR領域の電子を励起するためのエネルギーは、外部にエネルギーを放出することにより減少する。しかしその放出エネルギーの値は、電子励起のためのエネルギーが共鳴エネルギーと等しくなった時、0となる。つまり、電子励起のためのエネルギーは共鳴エネルギーに自動的に調整される。(参考文献1のAppendix5のgraph2を参照) When the energy of the incident light is slightly greater than the resonance energy, a negative value indicates the emission of energy from the DR region. In other words, if the energy of the incident light is slightly greater than the resonance energy of the DR region, the energy required to excite electrons in the DR region decreases by emitting energy to the outside. However, the value of this emitted energy becomes zero when the energy required for electron excitation equals the resonance energy. In other words, the energy required for electron excitation is automatically adjusted to the resonance energy. (See graph 2 in Appendix 5 of Reference 1.)

前述したように、共鳴領域は非常に狭い領域で、緩和時間が1nsの場合、共鳴領域はわずか6.5×10-7[eV]程度である。しかしながら、もしエネルギー移動が共鳴条件の調整要因となるのであれば、共鳴領域は1meV(1.0×10-3[eV])程度となる。これは直接、太陽電池の光吸収に必要な厚さに影響し、その厚さを1/1000にまで削減できる。
上記1)項および2)項の効果の計算およびその結果を表1の右側の列、および参考文献1のAppendix6に示す。
As mentioned above, the resonance region is very narrow, and when the relaxation time is 1 ns, the resonance region is only about 6.5×10 −7 [eV]. However, if energy transfer is a factor in adjusting the resonance conditions, the resonance region becomes about 1 meV (1.0×10 −3 [eV]). This directly affects the thickness required for light absorption in solar cells, and the thickness can be reduced to 1/1000.
The calculations of the effects of items 1) and 2) above and the results are shown in the right column of Table 1 and in Appendix 6 of Reference 1.

[結論]
Si結晶等の半導体結晶中に、リンイオン等のドーパントを複数含むDR領域を形成した光吸収材料は、可視域に複数の共鳴吸収波長を有する光吸収材料となる。さらに、光吸収材料は、可視域の連続したエネルギー域の光を吸収可能なものとなりうる。
[Conclusion]
A light-absorbing material having a DR region containing multiple dopants such as phosphorus ions in a semiconductor crystal such as a silicon crystal has multiple resonant absorption wavelengths in the visible range, and can also absorb light in a continuous energy range in the visible range.

さらに、DR領域を使用した光発電方法として適した形態はどのようなものかを、本明細書に記載した方法により、検討した。この検討より、以下の結論が得られた。図7に示すように、AM1.5の光のスペクトルと、実線の曲線(”リンイオンの平均個数7個、DR領域のサイズ約5nm、リンイオン間の中心間距離2.5nm以上”という条件の曲線)と比較すると、x軸上、そのピーク位置がほぼ同じ位置にあることが簡単に理解できる。このピークに相当する最大のエネルギーを与える周波数の光を最も効率良く吸収できる。これはまた、この条件でのDR領域を含むpタイプSi結晶層を光吸収層として用いれば、光のエネルギーを効率よく吸収しうることを示している。おおむね、太陽光の強度が最大であるエネルギーの±10%のエネルギー範囲に光吸収の確率密度関数の最大値が位置するように、DR領域の具体的なパラメータ(DR領域のサイズ、含有するリンイオンの数、リンイオンの間の距離等)を設定すればよい。さらに高効率を望むのであれば、例えば図7中に破線や点線で示すものなど、別の条件で設計した光吸収層のDR領域を有する光吸収体を積層した多層構造も考えられる。単層構造と多層構造のいずれを採用するか、また各層の構成条件(リンイオンの平均個数、DR領域のサイズ、リンイオン間の中心間距離)は、求められる光吸収効率等、状況に応じて決定すればよい。 Furthermore, we investigated the optimal configuration for a photovoltaic power generation method using the DR region using the method described herein. From this investigation, we reached the following conclusions. As shown in Figure 7, when comparing the AM1.5 light spectrum with the solid curve (the curve for conditions of "average number of phosphorus ions: 7, DR region size: approximately 5 nm, center-to-center distance between phosphorus ions: 2.5 nm or more"), it is easy to see that the peaks are located at approximately the same position on the x-axis. Light with the frequency that provides the maximum energy corresponding to this peak can be absorbed most efficiently. This also indicates that light energy can be efficiently absorbed by using a p-type Si crystal layer containing a DR region under these conditions as a light absorption layer. The specific parameters of the DR region (e.g., size of the DR region, number of phosphorus ions contained, distance between phosphorus ions) can be set so that the maximum value of the light absorption probability density function is located within an energy range of ±10% of the energy at which the solar light intensity is at its maximum. If even higher efficiency is desired, a multilayer structure can be considered, in which a light absorber having a DR region of a light absorption layer designed under different conditions is stacked, such as those shown by the dashed or dotted lines in Figure 7. Whether a single-layer or multilayer structure is adopted, and the structural conditions of each layer (average number of phosphorus ions, size of the DR region, center-to-center distance between phosphorus ions) can be determined depending on the circumstances, such as the desired light absorption efficiency.

設計したDR領域を有する光吸収材料を実際に製造するには、特許文献2に開示しているのと同様の方法を用いればよい。つまり、Si等の半導体結晶の表面に、半導体結晶と格子定数の異なる結晶膜を作成し、その結晶膜を介して半導体結晶に、リン等のドーパントイオンを注入することで、DR領域を形成すればよい。この時、ドーパントイオンを注入する際のイオン注入量、イオンエネルギー、およびイオン注入後の熱処理の条件により、ドーパントリッチ領域のサイズ、含有するドーパントイオンの数、ドーパントイオンの間の距離等のパラメータを制御することができる。 To actually manufacture a light-absorbing material with a designed DR region, a method similar to that disclosed in Patent Document 2 can be used. That is, a crystal film with a different lattice constant than the semiconductor crystal is created on the surface of a semiconductor crystal such as Si, and dopant ions such as phosphorus are implanted into the semiconductor crystal through this crystal film to form the DR region. In this process, parameters such as the size of the dopant-rich region, the number of dopant ions contained, and the distance between dopant ions can be controlled by adjusting the ion implantation amount and ion energy when implanting the dopant ions, as well as the conditions for heat treatment after ion implantation.

現状のSi結晶によるバンドギャップによる太陽電池の変換効率の限界は29%と言われている。光子エネルギーはSi結晶のp-n接合のバンドギャップによって電子のエネルギーへと変換されるが、光子のエネルギーがバンドギャップより大きな場合、その分のエネルギーを熱エネルギーとして失ってしまう。また光子のエネルギーがバンドギャップよりも小さい場合は、光子は吸収されずに通過してしまう。一方、図1と図4を比較すると判るように、DR領域による光子のエネルギー吸収機構は全く異なっている。ほとんどの光子は、そのエネルギーと一致するポテンシャル障壁のDR領域内の電子に吸収される。そのため、光のエネルギーと電子に与えられるエネルギーが一致しているため、図1にある熱損失も通過損失も理論的には発生しない。 The current limit to the conversion efficiency of solar cells using the band gap of Si crystal is said to be 29%. Photon energy is converted into electron energy by the band gap of the p-n junction of the Si crystal, but if the photon energy is greater than the band gap, that amount of energy is lost as heat energy. Also, if the photon energy is smaller than the band gap, the photon passes through without being absorbed. However, as can be seen by comparing Figures 1 and 4, the mechanism by which photon energy is absorbed by the DR region is completely different. Most photons are absorbed by electrons in the DR region, which has a potential barrier that matches their energy. Therefore, because the energy of the light and the energy given to the electrons are the same, theoretically neither the heat loss nor the transmission loss shown in Figure 1 occurs.

最後に、本発明の実施形態にかかるDR領域を含む光吸収材料を光吸収層として持った太陽電池と、いわゆる量子ドット太陽電池との基本的な違いを述べる。
量子ドット太陽電池もDR領域を有する光吸収材料を用いた太陽電池も、内部にある電子を励起させ(量子ドットあるいはDR領域から取り出す過程において)光のエネルギーを吸収することは同じであるが、電子を取り出す方法、そして取り出した電子を太陽電池外へと運ぶ方法が異なる。
Finally, the basic difference between a solar cell having a light absorbing layer made of a light absorbing material including a DR region according to an embodiment of the present invention and a so-called quantum dot solar cell will be described.
Both quantum dot solar cells and solar cells using light-absorbing materials with DR regions excite the electrons inside them (in the process of extracting them from the quantum dots or DR regions) and absorb the energy of light, but the methods for extracting the electrons and transporting them outside the solar cell differ.

量子ドット太陽電池では、電子を外部に取り出す方法は、トンネル効果による電子の波動関数の染み出しであり、その波動関数を量子ドット間で連続させ、結果として量子ドットが含まれる光吸収層から電子を取り出す。そして、各量子ドット間で波動関数を一致させるために、量子ドットのサイズをそろえる必要がある。また、その波動関数に沿った分のエネルギーを吸収するので、バンドギャップによる吸収と同様に、熱損失、通過損失が発生する。ただし、量子ドットの大きさによって波動関数のエネルギーを変更することが可能なため、各層ごとに大きさを一致させた光吸収層を積層させれば、いくつものバンドギャップを持つ化合物太陽電池のように、熱損失、通過損失の少ない太陽電池を作成することが可能である。 In quantum dot solar cells, electrons are extracted to the outside by the seepage of the electron wave function due to the tunneling effect, which makes this wave function continuous between quantum dots, resulting in electrons being extracted from the light-absorbing layer containing the quantum dots. To match the wave functions between each quantum dot, the quantum dots must be of uniform size. Furthermore, because energy is absorbed according to the wave function, heat loss and transmission loss occur, similar to absorption due to band gaps. However, because the energy of the wave function can be changed by the size of the quantum dots, stacking light-absorbing layers of matched size for each layer makes it possible to create solar cells with low heat loss and transmission loss, similar to compound solar cells with multiple band gaps.

一方、DR領域による電子の取り出しは、ポテンシャル障壁と一致するエネルギーを持つ光を吸収することによる取り出しであり、ポテンシャル障壁と吸収エネルギーが一致した際に起こる。DR領域の条件(リンイオンの平均個数、領域のサイズ、リンイオン間の中心間距離)を適切に設定することで、0eV付近に複数のエネルギー準位を設けることができ、さらに、隣接する領域間でのエネルギー移動により、吸収可能な光エネルギーの幅が広くなる。これらの結果として、幅広いエネルギーの可視光を、共鳴的に吸収することが可能となる。この共鳴吸収の過程において、理論的には熱損失、通過損失は発生しない。また、取り出した電子の輸送は、通常の結晶型シリコン太陽電池と同じく、取り出された電子の拡散とpn接合による電界によって起こり、基本的にはDR領域のサイズ、領域内部のドーパント(リンイオン)数、ドーパント間の距離に影響されない。 On the other hand, electron extraction by the DR region occurs when the potential barrier and the absorbed energy match by absorbing light with an energy matching the potential barrier. By appropriately configuring the DR region conditions (average number of phosphorus ions, region size, and center-to-center distance between phosphorus ions), multiple energy levels can be established near 0 eV. Furthermore, energy transfer between adjacent regions broadens the range of absorbable light energy. As a result, visible light with a wide range of energies can be resonantly absorbed. In theory, no heat loss or transmission loss occurs during this resonant absorption process. Furthermore, the transport of extracted electrons occurs through the diffusion of extracted electrons and the electric field created by the pn junction, just like in conventional crystalline silicon solar cells, and is essentially unaffected by the size of the DR region, the number of dopants (phosphorus ions) within the region, or the distance between dopants.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.

Claims (7)

シリコン結晶である半導体結晶と、
前記半導体結晶中に規則的に配置されたドーパントリッチ領域と、を有する光吸収材料であって
前記ドーパントリッチ領域は、
リンイオンであるドーパントイオンを複数含み、
直径が5nm以上7nm以下であり、
含有する前記ドーパントイオンの数が4個以上10個以下であり、
前記ドーパントイオンの間の距離が2nm以上であり、
前記光吸収材料は、単層のみにより、可視域に複数の共鳴吸収波長を有し、可視域の連続したエネルギー域の光を吸収可能である、光吸収材料。
a semiconductor crystal that is a silicon crystal ;
and dopant -rich regions regularly arranged in the semiconductor crystal,
The dopant-rich region is
a plurality of dopant ions, the dopant ions being phosphorus ions ;
The diameter is 5 nm or more and 7 nm or less,
the number of the dopant ions contained is 4 or more and 10 or less,
the distance between the dopant ions is 2 nm or more;
The light-absorbing material has a plurality of resonant absorption wavelengths in the visible range and is capable of absorbing light in a continuous energy range in the visible range with only a single layer.
前記光吸収材料の光吸収の確率密度関数は、太陽光の強度が最大であるエネルギーの±10%のエネルギーに、最大値を有する、請求項1に記載の光吸収材料。 2. The light-absorbing material according to claim 1 , wherein a probability density function of light absorption of the light-absorbing material has a maximum value at an energy of ±10% of the energy at which the intensity of sunlight is maximum. 記ドーパントリッチ領域は、含有する前記ドーパントイオンの数が平均7個である、請求項1または請求項2に記載の光吸収材料。 3. The light-absorbing material according to claim 1 , wherein the dopant-rich region contains an average of seven dopant ions. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光吸収材料を光吸収層として単層で備える、太陽電池。 A solar cell comprising the light-absorbing material according to claim 1 in a single layer as a light-absorbing layer. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載の光吸収材料を製造するに際し、変分法を用いた分子軌道法により、所望の共鳴吸収エネルギーが得られるように、前記ドーパントリッチ領域の直径、含有するドーパントイオンの数、ドーパントイオンの間の距離を決定する、光吸収材料の製造方法。 A method for producing the light-absorbing material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the diameter of the dopant-rich region, the number of dopant ions contained therein, and the distance between the dopant ions are determined by a molecular orbital method using a variational method so as to obtain a desired resonance absorption energy. 前記半導体結晶の表面に、前記半導体結晶と格子定数の異なる結晶膜を作成し、
前記結晶膜を介して前記半導体結晶に、前記ドーパントイオンを注入することで、前記ドーパントリッチ領域を形成する、請求項に記載の光吸収材料の製造方法。
forming a crystal film having a lattice constant different from that of the semiconductor crystal on the surface of the semiconductor crystal;
The method for producing a light-absorbing material according to claim 5 , wherein the dopant-rich region is formed by implanting the dopant ions into the semiconductor crystal through the crystal film.
前記ドーパントイオンを注入する際のイオン注入量、イオンエネルギー、およびイオン注入後の熱処理の条件により、前記ドーパントリッチ領域の直径、含有するドーパントイオンの数、ドーパントイオンの間の距離を制御する、請求項に記載の光吸収材料の製造方法。 7. The method for producing a light absorbing material according to claim 6, wherein the diameter of the dopant-rich region, the number of dopant ions contained therein, and the distance between the dopant ions are controlled by adjusting the ion implantation amount and ion energy when implanting the dopant ions, and the conditions of heat treatment after ion implantation.
JP2022001975A 2022-01-08 2022-01-08 Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material Active JP7730766B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022001975A JP7730766B2 (en) 2022-01-08 2022-01-08 Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022001975A JP7730766B2 (en) 2022-01-08 2022-01-08 Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023101425A JP2023101425A (en) 2023-07-21
JP7730766B2 true JP7730766B2 (en) 2025-08-28

Family

ID=87202353

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022001975A Active JP7730766B2 (en) 2022-01-08 2022-01-08 Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7730766B2 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010509772A (en) 2006-11-13 2010-03-25 ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニヴァシティ Intermediate-band photosensitive device with quantum dots embedded in an energy enclosure barrier
US20110005570A1 (en) 2009-07-09 2011-01-13 Faquir Chand Jain High efficiency tandem solar cells and a method for fabricating same
JP2011029464A (en) 2009-07-27 2011-02-10 Kobe Univ Quantum dot solar cell
WO2013058051A1 (en) 2011-10-20 2013-04-25 国立大学法人東京大学 Solar battery
JP2014022499A (en) 2012-07-17 2014-02-03 Sharp Corp Solar cell
US20140196778A1 (en) 2013-01-14 2014-07-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Light absorbing material and solar cell including the same
JP2020202225A (en) 2019-06-07 2020-12-17 勇 城之下 Manufacturing method for material with quantum dots, material with quantum dots, and solar cell

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010509772A (en) 2006-11-13 2010-03-25 ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニヴァシティ Intermediate-band photosensitive device with quantum dots embedded in an energy enclosure barrier
US20110005570A1 (en) 2009-07-09 2011-01-13 Faquir Chand Jain High efficiency tandem solar cells and a method for fabricating same
JP2011029464A (en) 2009-07-27 2011-02-10 Kobe Univ Quantum dot solar cell
WO2013058051A1 (en) 2011-10-20 2013-04-25 国立大学法人東京大学 Solar battery
JP2014022499A (en) 2012-07-17 2014-02-03 Sharp Corp Solar cell
US20140196778A1 (en) 2013-01-14 2014-07-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Light absorbing material and solar cell including the same
JP2020202225A (en) 2019-06-07 2020-12-17 勇 城之下 Manufacturing method for material with quantum dots, material with quantum dots, and solar cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023101425A (en) 2023-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5720827A (en) Design for the fabrication of high efficiency solar cells
Rath Low temperature polycrystalline silicon: a review on deposition, physical properties and solar cell applications
Bulutay Interband, intraband, and excited-state direct photon absorption of silicon and germanium nanocrystals embedded in a wide band-gap lattice
EP2394308B1 (en) Methods for producing photovoltaic material able to exploit high energy photons
JP5687765B2 (en) Solar cell
Li et al. Doping effect in Si nanocrystals
Cao et al. Enhanced photovoltaic property by forming pin structures containing Si quantum dots/SiC multilayers
Mir et al. Strategy to overcome recombination limited photocurrent generation in CsPbX3 nanocrystal arrays
US20140116502A1 (en) Quantum nanodots, two-dimensional quantum nanodot array as well as semiconductor device using the same and production method therefor
EP2997603B1 (en) Grouped nanostructured units system forming a metamaterial within the silicon and the manufacturing process to form and arrange them therein
Vivaldo et al. Study of the photon down‐conversion effect produced by thin silicon‐rich oxide films on silicon solar cells
Sahoo et al. Performance analysis of tin-based perovskite solar cell with MoO3 as a HTL under a wide temperature range
JP7730766B2 (en) Light-absorbing material, solar cell, and method for producing light-absorbing material
Eskandari et al. Enhancement of light absorption by ultra-thin film solar cells using graded gratings
TW201251087A (en) Energy conversion device with selective contacts
JP5557721B2 (en) Manufacturing method of solar cell
Lu et al. Si nanocrystals-based multilayers for luminescent and photovoltaic device applications
EP2997604B1 (en) Nanostructured units formed inside a silicon material and the manufacturing process to perform them therein
Agafonov et al. Effect of Radiation-Induced Defects Produced by Low-Energy Protons in a Heavily Doped Layer on the Characteristics of n+‒p‒p+ Si Structures
Rahman et al. Effect of ALD-Al 2 O 3 Passivated Silicon Quantum Dot Superlattices on p/i/n+ Solar Cells
EP3022776B1 (en) System of architecture and related built-in nanomembranes for the emitter of a light-to-electricity all-silicon converter for the giant photoconversion and the method of its manufacture
Gorji et al. Construction components engineering in intermediate band solar cells
JP6415197B2 (en) Photoelectric conversion element, solar cell and optical sensor
Laznek et al. Semi-analytical simulation and optimization of AlGaAs/GaAs pin quantum well solar cell
Catchpole et al. Thin semiconducting layers and nanostructures as active and passive emitters for thermophotonics and thermophotovoltaics

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20220207

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20241210

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20250120

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250401

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250508

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250805

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250818

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7730766

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150