光電変換素子
【課題】光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供する。
【解決手段】ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、少なくともｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、第１電極及び／又は第２電極が、障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有する、光電変換素子とする。
【解決手段】ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、少なくともｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、第１電極及び／又は第２電極が、障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有する、光電変換素子とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関し、特に、量子構造を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。
【０００３】
これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。
【０００４】
このような太陽電池（半導体光素子も含む）に関する技術として、例えば特許文献１には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギーバンド構造がｔｙｐｅＩＩをなす太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、第１の半導体層と該第１の半導体層よりもバンドギャップの小さな第２の半導体層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸層を有する太陽電池において、多重量子井戸層に隣接して、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２の半導体層よりも厚さの大きな第３の半導体層を設けた太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１４８１５号公報
【特許文献２】特開２００９−２６８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子ドットを用いる特許文献１に開示されている技術や、量子井戸を用いる特許文献２に開示されている技術によれば、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になると考えられる。ここで、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、量子ドットや量子井戸（以下において、これらをまとめて「量子構造部」という。）に存在する電子や正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を熱励起させて電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、大気温下における熱励起のエネルギーはごく微量であるため、これらの技術では、量子構造部からキャリアを取り出す効率が低下しやすい。すなわち、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、光電変換効率を向上させ難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、少なくともｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、第１電極及び／又は第２電極が、障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子である。
【０００９】
ここに、本発明において、「量子構造部」とは、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線を含む概念である。また、本発明において、「障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部」とは、例えば、量子構造部が、量子井戸、又は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を使用した自己組織化プロセスにより形成された量子ドット及び濡れ層である場合には、障壁層と量子構造部とが交互に積層されていることをいう。これに対し、例えば量子構造部がコロイダル量子ドットや量子細線である場合には、量子構造部が障壁層の中に埋め込まれていることをいう。また、「障壁層のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「障壁層電極」ということがある。）とは、障壁層電極が第１電極に含まれる場合には、障壁層に存在する正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、障壁層電極が第２電極に含まれる場合には、障壁層に存在する電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。また、「量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「量子電極」ということがある。）とは、量子電極が第１電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、量子電極が第２電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。すなわち、上方ほど電子のエネルギーが高く下方ほど正孔のエネルギーが高いエネルギーバンド図を作成すると、第１電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第１電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも下方に位置し、第２電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第２電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも上方に位置する。また、本発明において、「光電変換素子」は、光検出素子や太陽電池等を含む概念である。
【００１０】
また、上記本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光電変換素子には、障壁層電極及び量子電極が備えられる。障壁層電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくする目的でｐ層側及びｎ層側にそれぞれ１種類の電極のみを配設した場合と比較して、障壁層を移動してきたキャリアを外部へと取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを外部へ取り出す際にキャリアが障壁をトンネル効果により通過することが可能になるため、キャリアのエネルギーを保持したまま外部へ取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池を提供することができる。
【００１２】
また、本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の光電変換素子１０を説明する断面図である。
【図２】光電変換素子１０のエネルギーバンド図である。
【図３】量子ドットを用いた従来の太陽電池９０を説明する断面図である。
【図４】太陽電池９０のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の光電変換素子２０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
半導体の量子構造を利用した太陽電池（以下において、「量子太陽電池」ということがある。）は、（１）広範囲の波長の光を吸収することが可能であるため光電変換効率を高めることが可能、（２）量子構造の大きさを変えることで光吸収波長を制御することが可能、（３）量子効果によりキャリアのエネルギー緩和時間が延びるためキャリアの長寿命化を図ることが可能、という特長を有している。かかる特長を有する量子太陽電池では、障壁層を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成される量子構造を用いることにより、障壁層のバンドギャップの間に量子準位（中間準位）を形成し、この中間準位を用いることによって、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルの吸収をも可能にしている。
【００１５】
ここで、量子太陽電池では、量子構造に存在するキャリアを、熱励起、又は、長波長光の吸収による励起によって電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、従来の量子太陽電池では、励起されたキャリアが乗り越えるべき障壁が高く、量子構造に存在するキャリアを効率良く取り出すことが困難であった。かかる問題の一つの解決策として、例えば、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くして、量子構造に存在する電子を熱励起により移動させやすくする、という方法が考えられる。しかしながら、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くすると、障壁層を移動してきた高準位の電子がｎ層へと移動する際に多くのエネルギーが失われる。そのため、かかる方法では、光電変換効率を向上させ難いという問題がある。
【００１６】
本発明者は、量子太陽電池の光電変換効率を向上させるためには、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくすることが必要であることを知見した。そして、鋭意研究の結果、本発明者は、障壁層を移動してきたキャリアを取り出すのに適した電極、及び、量子構造部に存在するキャリアを取り出すのに適した電極を用いることにより、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを容易に取り出すことが可能になることを知見して、本発明を完成させた。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。以下の説明において、Ｘ以上Ｙ以下を「Ｘ〜Ｙ」と表記する。
【００１８】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す断面図である。図１では、一部符号の記載を省略している。図１に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１と、ｎ層１３と、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層１１に接続された第１電極１４と、ｎ層１３に接続された第２電極１５と、を有している。ｐ層１１は、障壁層１１ａと量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１１ｂ」ということがある。）を有する層１１ｃとを有している。層１１ｃは、薄膜部１１ｄ及び該薄膜部１１ｄに形成された量子ドット１１ｂを有し、障壁層１１ａを構成するｐ型半導体よりもバンドギャップが狭いｐ型半導体によって構成されている。また、ｉ層１２は、障壁層１２ａ、１２ａ、…と量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１２ｂ」という。）を有する層１２ｃとを有しており、ｉ層１２は、障壁層１２ａと層１２ｃとが交互に積層されることによって構成されている。層１２ｃは、薄膜部１２ｄ及び該薄膜部１２ｄに形成された量子ドット１２ｂを有し、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。また、ｎ層１３は、障壁層１３ａ、１３ａと量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１３ｂ」ということがある。）を有する層１３ｃとを有している。層１３ｃは、薄膜部１３ｄ及び該薄膜部１３ｄに形成された量子ドット１３ｂを有し、障壁層１３ａを構成するｎ型半導体よりもバンドギャップが狭いｎ型半導体によって構成されている。また、第１電極１４は、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１４ａ」ということがある。）と量子電極１４ｂ、１４ｂ、…（以下において、単に「量子電極１４ｂ」ということがある。）とを有し、基板１８の表面に配設されている第２電極１５は、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１５ａ」ということがある。）と量子電極１５ｂ、１５ｂ、…と（以下において、単に「量子電極１５ｂ」ということがある。）を有している。太陽電池１０において、第１電極１４には導電部１６が接続されており、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…は導電部１６ａを介して接続され、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…は導電部１６ｂを介して接続されている。また、第２電極１５には導電部１７が接続されており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…は導電部１７ａを介して接続され、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…は導電部１７ｂを介して接続されている。
【００１９】
図２は、太陽電池１０のエネルギーバンド図である。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２では、太陽電池１０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。便宜上、図２では、障壁層１１ａと量子電極１４ｂとの間に障壁層電極１４ａを配置し、障壁層１３ａと量子電極１５ｂとの間に障壁層電極１５ａを配置しているが、図１に示すように、太陽電池１０では、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…が障壁層１１ａと接触しており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…が障壁層１３ａと接触している。以下、図１及び図２を参照しつつ、太陽電池１０について説明を続ける。
【００２０】
図２に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１及びｎ層１３によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。さらに、図２に示すように、障壁層電極１４ａは、障壁層１１ａの価電子帯上端近傍のエネルギーを有する正孔が少ないエネルギー損失で障壁層電極１４ａへと移動可能なように構成され、量子電極１４ｂは、量子ドット１１ｂの価電子帯の量子準位に収容されている正孔が少ないエネルギー損失で量子電極１４ｂへと移動可能なように構成されている。加えて、障壁層電極１５ａは、障壁層１３ａの伝導帯下端近傍のエネルギーを有する電子が少ないエネルギー損失で障壁層電極１５ａへと移動可能なように構成され、量子電極１５ｂは、量子ドット１３ｂの伝導帯の量子準位に収容されている電子が少ないエネルギー損失で量子電極１５ｂへと移動可能なように構成されている。
【００２１】
太陽電池１０では、ｉ層１２へと光が入射すると、障壁層１２ａ及び量子ドット１２ｂの双方で、電子−正孔対が発生する。障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、障壁層１２ａをドリフト移動する。そして、障壁層１２ａをドリフト移動した正孔の少なくとも一部はｐ層１１へと達し、障壁層１２ａをドリフト移動した電子の少なくとも一部はｎ層１３へと達する。一方、上述のように、量子ドット１２ｂを構成する半導体は、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い。そのため、障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、量子ドット１２ｂへと落ち込む。量子ドット１２ｂへと落ち込んだキャリアは、トンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。他方、量子ドット１２ｂで発生したキャリアは、同様にトンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。太陽電池１０では、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａへと移動させるとともに、量子ドット１１ｂに存在する正孔をトンネル伝導により量子電極１４ｂへと移動させ、且つ、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａへと移動させるとともに、量子ドット１３ｂに存在する電子をトンネル伝導により量子電極１５ｂへと移動させることにより、電気エネルギーを取り出す。太陽電池１０における電子及び正孔の移動については、さらに後述する。
【００２２】
一方、図３は、量子ドットを用いた従来の太陽電池９０の形態例を示す断面図である。図３では、一部符号の記載を省略している。図３に示すように、太陽電池９０は、上から順に、櫛形の第１電極９４と、ｐ型半導体によって構成されるｐ層９１と、ｉ層９２と、ｎ型半導体によって構成されるｎ層９３と、第２電極９５と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａ、９２ａ、…と、量子ドット９２ｂ、９２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット９２ｂ」という。）と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａと、量子ドット９２ｂを有する層（以下において「量子ドット９２ｂ含有層」という。）と、が交互に積層されることによって構成され、量子ドット９２ｂ含有層は、障壁層９２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。
【００２３】
図４は、太陽電池９０のエネルギーバンド図である。図４の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４では、太陽電池９０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図１〜図４を参照しつつ、太陽電池１０及び太陽電池９０について説明を続ける。
【００２４】
図１〜図４に示すように、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を有する第１電極１４と、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５とを備える太陽電池１０とは異なり、太陽電池９０は、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備えている。そのため、太陽電池９０では、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出しやすくするために第１電極９４及び第２電極９５の形態を調整すると、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失が増大する。また、太陽電池９０では、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失を低減し得る形態の第１電極９４及び第２電極９５にすると、量子ドット９２ｂに存在するキャリアが励起されることによって乗り越えるべき障壁が高くなるため、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出し難くなって光電変換効率が低減する。すなわち、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備える従来の太陽電池９０では、光電変換効率を向上させ難い。
【００２５】
これに対し、本発明の太陽電池１０では、障壁層電極１４ａの上端のエネルギーレベルを、障壁層１１ａの価電子帯上端のエネルギーレベルに近づけており、量子電極１４ｂの上端のエネルギーレベルを、量子ドット１１ｂの価電子帯に形成されている量子準位に近づけている。かかる形態とすることにより、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１１ｂに存在する正孔を量子電極１４ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１１ａに存在する正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１１ｂに存在する正孔を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。加えて、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１３ｂに存在する電子を量子電極１５ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１３ｂに存在する電子を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池１０を提供することができる。
【００２６】
太陽電池１０において、ｐ層１１の障壁層１１ａは、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができる。障壁層１１ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができる。障壁層１１ａは、例えば、化学気相成長法（以下において、「ＣＶＤ法」という。）等によって作製することができる。また、ｐ層１１の層１１ｃ（量子ドット１１ｂ及び薄膜部１１ｄ）は、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成することができる。量子ドット１１ｂの高さは、例えば、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができ、量子ドット１１ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う量子ドット１１ｂ、１１ｂの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。層１１ｃは、例えば、障壁層１１ａの表面に、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓをＭＢＥ法によって堆積させて、障壁層１１ａの表面に薄膜部１１ｄ（例えば、厚さ２０ｎｍ程度の層）を形成した後、さらに公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓの堆積を継続して、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードによって薄膜部１１ｄに量子ドット１１ｂを形成することにより、作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１１ａ及び層１１ｃの数は、１〜３程度とすることができる。本発明において、量子ドット１１ｂの高さ、直径、及び、間隔は、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による局所酸化とＭＢＥ選択成長技術とを組み合わせ、ＡＦＭのカンチレバーに印加するパルス電圧と時間幅とを変化させたり、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて量子ドットを作製したりすることによって制御することができる。
【００２７】
また、太陽電池１０において、ｉ層１２の障壁層１２ａは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１２ａを作製することができる。また、ｉ層１２の層１２ｃは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１２ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１２ａ及び層１２ｃの数は、２０〜４０程度とすることができる。
【００２８】
また、太陽電池１０において、ｎ層１３の障壁層１３ａは、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１３ａを作製することができる。また、ｎ層１３の層１３ｃは、公知のｎ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１３ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１３ａ及び層１３ｃの数は、１〜３程度とすることができる。
【００２９】
また、太陽電池１０において、第１電極１４の障壁層電極１４ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１４ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１４ａと量子電極１４ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。間隔を開けて交互に作製された複数の障壁層電極１４ａ、１４ａ、…と複数の量子電極１４ｂ、１４ｂ、…とを有する第１電極１４は、例えば、リソグラフィー等によって作製することができる。また、本発明において、正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第１電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、障壁層１１ａと対応する箇所に障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を配設し、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所に量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を配設することが好ましい。本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製することができる。また、本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製することができる。
【００３０】
また、太陽電池１０において、第２電極１５の障壁層電極１５ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１５ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１５ａと量子電極１５ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。複数の障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、複数の量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５は、第１電極１４と同様の方法によって作製することができる。本発明において、電子を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第２電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所に量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を配設し、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…の間に障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を配設することが好ましい。本発明では、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を作製することができる。また、本発明では、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を作製することができる。
【００３１】
また、太陽電池１０において、導電部１６、１７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等、公知の導電性材料によって構成することができる。障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａは、例えば、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。このほか、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂ、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を接続する導電部１７ａ、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を接続する導電部１７ｂも、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。
【００３２】
上記の材料・方法によって各構成要素が作製される太陽電池１０を製造するには、例えば、太陽電池の電極を作製する際に用いられる公知の基板１８に、導電部１７ａ及び導電部１７ｂをそれぞれ形成した後、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を形成することにより第２電極１５を作製する。こうして第２電極１５を作製したら、引き続き、第２電極１５の表面に障壁層１３ａを、障壁層１３ａの表面に層１３ｃを、層１３ｃの表面に障壁層１３ａを、順に作製することにより、ｎ層１３を作製する。ｎ層１３を作製したら、ｎ層１３（障壁層１３ａ）の表面に層１２ｃを、層１２ｃの表面に障壁層１２ａを、順に作製し、障壁層１２ａの表面への層１２ｃの作製、及び、層１２ｃの表面への障壁層１２ａの作製を所定の回数（例えば、３０回程度）に亘って繰り返すことにより、ｎ層１３の表面にｉ層１２を作製する。このようにしてｉ層１２を作製したら、ｉ層１２（障壁層１２ａ）の表面に層１１ｃを、層１１ｃの表面に障壁層１１ａを作製することにより、ｐ層１１を作製し、作製したｐ層１１（障壁層１１ａ）の表面に、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を形成することにより第１電極１４を作製する。第１電極１４を作製したら、続いて、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａ、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂを形成する。太陽電池１０は、このような過程を経て製造することができる。
【００３３】
太陽電池１０に関する上記説明では、層１１ｃを有するｐ層１１、及び、層１３ｃを有するｎ層１３が備えられる形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。そこで、量子構造を有しないｐ層及びｎ層が備えられる形態の光電変換素子について、以下に説明する。
【００３４】
２．第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図５において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２で用いた符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図５では、一部符号の記載を省略している。
【００３５】
図５に示すように、太陽電池２０は、ｐ層２１と、ｎ層２３と、ｐ層２１とｎ層２３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層２１に接続された第１電極１４と、ｎ層２３に接続された第２電極１５と、を有している。太陽電池２０において、ｐ層２１及びｎ層２３は量子構造を有していない。かかる形態であっても、太陽電池２０は障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂを有しているので、光照射によって生成された正孔のエネルギー損失を低減しながら正孔を取り出すことが可能になり、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂを有しているので、光照射によって生成された電子のエネルギー損失を低減しながら電子を取り出すことが可能になる。したがって、かかる形態であっても、太陽電池２０によれば、光電変換効率を向上させることが可能になる。
【００３６】
太陽電池２０において、ｐ層２１は、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｐ層２１の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｐ層２１は、例えば、ｐ層１１と同様の方法によって、第１電極１４と接触しない箇所にも公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによりｐ層２１’を作製し、このｐ層２１’の表面に第１電極１４を形成した後、リソグラフィーで第１電極１４と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。
【００３７】
また、太陽電池２０において、ｎ層２３は、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｎ層２３の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｎ層２３は、例えば、障壁層１３ａと同様の方法により、第２電極１５と接触しない箇所にも公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによってｎ層２３’を作製し、引き続き、ｎ層２３’の表面にｉ層１２を、ｉ層１２の表面にｐ層２１’を、及び、ｐ層２１’の表面に第１電極１４を順に形成した後、リソグラフィーで第２電極１５と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。
【００３８】
以上、本発明に関する上記説明では、第１電極並びに第２電極が、障壁層電極及び量子電極を有する形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。第１電極又は第２電極のみが、障壁層電極及び量子電極を有する形態とすることも可能である。ただし、光吸収により生成された正孔及び電子のエネルギー損失を低減することによって光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、少なくとも電子側の第２電極を有する形態の光電変換素子とすることが好ましい。
【００３９】
また、本発明に関する上記説明では、量子構造部がＳＫ成長モードで作製した量子ドットである形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。本発明は、量子構造部として量子細線や量子井戸が用いられる形態とすることも可能であり、ＳＫ成長モード以外の方法で作製した量子ドットが用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向がｉ層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線をｐ層、ｉ層、及びｎ層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。このほか、量子構造部に量子井戸を用いる場合、当該量子井戸は、ＳＫ成長モードで量子ドットを作製する途中で形成される薄膜部と同様の形態とすることができ、当該薄膜部と同様の方法によって量子井戸層を形成することができる。
【００４０】
また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…太陽電池（光電変換素子）
１１…ｐ層
１１ａ…障壁層
１１ｂ…量子ドット
１１ｃ…層
１１ｄ…薄膜部
１２…ｉ層
１２ａ…障壁層
１２ｂ…量子ドット
１２ｃ…層
１２ｄ…薄膜部
１３…ｎ層
１３ａ…障壁層
１３ｂ…量子ドット
１３ｃ…層
１３ｄ…薄膜部
１４…第１電極
１４ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１４ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１５…第２電極
１５ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１５ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１６、１６ａ、１６ｂ…導電部
１７、１７ａ、１７ｂ…導電部
１８…基板
２０…太陽電池（光電変換素子）
２１…ｐ層
２３…ｎ層
９０…太陽電池
９１…ｐ層
９２…ｉ層
９２ａ…障壁層
９２ｂ…量子ドット
９３…ｎ層
９４…第１電極
９５…第２電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関し、特に、量子構造を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。
【０００３】
これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。
【０００４】
このような太陽電池（半導体光素子も含む）に関する技術として、例えば特許文献１には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギーバンド構造がｔｙｐｅＩＩをなす太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、第１の半導体層と該第１の半導体層よりもバンドギャップの小さな第２の半導体層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸層を有する太陽電池において、多重量子井戸層に隣接して、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２の半導体層よりも厚さの大きな第３の半導体層を設けた太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１４８１５号公報
【特許文献２】特開２００９−２６８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子ドットを用いる特許文献１に開示されている技術や、量子井戸を用いる特許文献２に開示されている技術によれば、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になると考えられる。ここで、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、量子ドットや量子井戸（以下において、これらをまとめて「量子構造部」という。）に存在する電子や正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を熱励起させて電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、大気温下における熱励起のエネルギーはごく微量であるため、これらの技術では、量子構造部からキャリアを取り出す効率が低下しやすい。すなわち、特許文献１や特許文献２に開示されている技術では、光電変換効率を向上させ難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、少なくともｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、第１電極及び／又は第２電極が、障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子である。
【０００９】
ここに、本発明において、「量子構造部」とは、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線を含む概念である。また、本発明において、「障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部」とは、例えば、量子構造部が、量子井戸、又は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を使用した自己組織化プロセスにより形成された量子ドット及び濡れ層である場合には、障壁層と量子構造部とが交互に積層されていることをいう。これに対し、例えば量子構造部がコロイダル量子ドットや量子細線である場合には、量子構造部が障壁層の中に埋め込まれていることをいう。また、「障壁層のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「障壁層電極」ということがある。）とは、障壁層電極が第１電極に含まれる場合には、障壁層に存在する正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、障壁層電極が第２電極に含まれる場合には、障壁層に存在する電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。また、「量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極」（以下において、「量子電極」ということがある。）とは、量子電極が第１電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている正孔に対応するエネルギーを有する電極をいい、量子電極が第２電極に含まれる場合には、量子構造部の離散準位（量子準位）に収容されている電子に対応するエネルギーを有する電極をいう。すなわち、上方ほど電子のエネルギーが高く下方ほど正孔のエネルギーが高いエネルギーバンド図を作成すると、第１電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第１電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも下方に位置し、第２電極に含まれる障壁層電極の上端のエネルギーレベルは、第２電極に含まれる量子電極の上端のエネルギーレベルよりも上方に位置する。また、本発明において、「光電変換素子」は、光検出素子や太陽電池等を含む概念である。
【００１０】
また、上記本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光電変換素子には、障壁層電極及び量子電極が備えられる。障壁層電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくする目的でｐ層側及びｎ層側にそれぞれ１種類の電極のみを配設した場合と比較して、障壁層を移動してきたキャリアを外部へと取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子電極が備えられることにより、量子構造部に存在するキャリアを外部へ取り出す際にキャリアが障壁をトンネル効果により通過することが可能になるため、キャリアのエネルギーを保持したまま外部へ取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池を提供することができる。
【００１２】
また、本発明において、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層が、量子構造部を有することにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の光電変換素子１０を説明する断面図である。
【図２】光電変換素子１０のエネルギーバンド図である。
【図３】量子ドットを用いた従来の太陽電池９０を説明する断面図である。
【図４】太陽電池９０のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の光電変換素子２０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
半導体の量子構造を利用した太陽電池（以下において、「量子太陽電池」ということがある。）は、（１）広範囲の波長の光を吸収することが可能であるため光電変換効率を高めることが可能、（２）量子構造の大きさを変えることで光吸収波長を制御することが可能、（３）量子効果によりキャリアのエネルギー緩和時間が延びるためキャリアの長寿命化を図ることが可能、という特長を有している。かかる特長を有する量子太陽電池では、障壁層を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成される量子構造を用いることにより、障壁層のバンドギャップの間に量子準位（中間準位）を形成し、この中間準位を用いることによって、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルの吸収をも可能にしている。
【００１５】
ここで、量子太陽電池では、量子構造に存在するキャリアを、熱励起、又は、長波長光の吸収による励起によって電極へと移動させることが想定されている。しかしながら、従来の量子太陽電池では、励起されたキャリアが乗り越えるべき障壁が高く、量子構造に存在するキャリアを効率良く取り出すことが困難であった。かかる問題の一つの解決策として、例えば、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くして、量子構造に存在する電子を熱励起により移動させやすくする、という方法が考えられる。しかしながら、ｎ層の伝導帯下端のエネルギー準位を低くすると、障壁層を移動してきた高準位の電子がｎ層へと移動する際に多くのエネルギーが失われる。そのため、かかる方法では、光電変換効率を向上させ難いという問題がある。
【００１６】
本発明者は、量子太陽電池の光電変換効率を向上させるためには、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを取り出しやすくすることが必要であることを知見した。そして、鋭意研究の結果、本発明者は、障壁層を移動してきたキャリアを取り出すのに適した電極、及び、量子構造部に存在するキャリアを取り出すのに適した電極を用いることにより、障壁層を移動してきたキャリアのエネルギー損失を低減しつつ量子構造部に存在するキャリアを容易に取り出すことが可能になることを知見して、本発明を完成させた。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。以下の説明において、Ｘ以上Ｙ以下を「Ｘ〜Ｙ」と表記する。
【００１８】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す断面図である。図１では、一部符号の記載を省略している。図１に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１と、ｎ層１３と、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層１１に接続された第１電極１４と、ｎ層１３に接続された第２電極１５と、を有している。ｐ層１１は、障壁層１１ａと量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１１ｂ」ということがある。）を有する層１１ｃとを有している。層１１ｃは、薄膜部１１ｄ及び該薄膜部１１ｄに形成された量子ドット１１ｂを有し、障壁層１１ａを構成するｐ型半導体よりもバンドギャップが狭いｐ型半導体によって構成されている。また、ｉ層１２は、障壁層１２ａ、１２ａ、…と量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１２ｂ」という。）を有する層１２ｃとを有しており、ｉ層１２は、障壁層１２ａと層１２ｃとが交互に積層されることによって構成されている。層１２ｃは、薄膜部１２ｄ及び該薄膜部１２ｄに形成された量子ドット１２ｂを有し、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。また、ｎ層１３は、障壁層１３ａ、１３ａと量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１３ｂ」ということがある。）を有する層１３ｃとを有している。層１３ｃは、薄膜部１３ｄ及び該薄膜部１３ｄに形成された量子ドット１３ｂを有し、障壁層１３ａを構成するｎ型半導体よりもバンドギャップが狭いｎ型半導体によって構成されている。また、第１電極１４は、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１４ａ」ということがある。）と量子電極１４ｂ、１４ｂ、…（以下において、単に「量子電極１４ｂ」ということがある。）とを有し、基板１８の表面に配設されている第２電極１５は、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…（以下において、単に「障壁層電極１５ａ」ということがある。）と量子電極１５ｂ、１５ｂ、…と（以下において、単に「量子電極１５ｂ」ということがある。）を有している。太陽電池１０において、第１電極１４には導電部１６が接続されており、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…は導電部１６ａを介して接続され、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…は導電部１６ｂを介して接続されている。また、第２電極１５には導電部１７が接続されており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…は導電部１７ａを介して接続され、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…は導電部１７ｂを介して接続されている。
【００１９】
図２は、太陽電池１０のエネルギーバンド図である。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２では、太陽電池１０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。便宜上、図２では、障壁層１１ａと量子電極１４ｂとの間に障壁層電極１４ａを配置し、障壁層１３ａと量子電極１５ｂとの間に障壁層電極１５ａを配置しているが、図１に示すように、太陽電池１０では、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…が障壁層１１ａと接触しており、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…が障壁層１３ａと接触している。以下、図１及び図２を参照しつつ、太陽電池１０について説明を続ける。
【００２０】
図２に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１及びｎ層１３によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。さらに、図２に示すように、障壁層電極１４ａは、障壁層１１ａの価電子帯上端近傍のエネルギーを有する正孔が少ないエネルギー損失で障壁層電極１４ａへと移動可能なように構成され、量子電極１４ｂは、量子ドット１１ｂの価電子帯の量子準位に収容されている正孔が少ないエネルギー損失で量子電極１４ｂへと移動可能なように構成されている。加えて、障壁層電極１５ａは、障壁層１３ａの伝導帯下端近傍のエネルギーを有する電子が少ないエネルギー損失で障壁層電極１５ａへと移動可能なように構成され、量子電極１５ｂは、量子ドット１３ｂの伝導帯の量子準位に収容されている電子が少ないエネルギー損失で量子電極１５ｂへと移動可能なように構成されている。
【００２１】
太陽電池１０では、ｉ層１２へと光が入射すると、障壁層１２ａ及び量子ドット１２ｂの双方で、電子−正孔対が発生する。障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、障壁層１２ａをドリフト移動する。そして、障壁層１２ａをドリフト移動した正孔の少なくとも一部はｐ層１１へと達し、障壁層１２ａをドリフト移動した電子の少なくとも一部はｎ層１３へと達する。一方、上述のように、量子ドット１２ｂを構成する半導体は、障壁層１２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い。そのため、障壁層１２ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、量子ドット１２ｂへと落ち込む。量子ドット１２ｂへと落ち込んだキャリアは、トンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。他方、量子ドット１２ｂで発生したキャリアは、同様にトンネル伝導により量子ドット１２ｂ、１２ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１１ｂへ、電子は量子ドット１３ｂへと達する。太陽電池１０では、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａへと移動させるとともに、量子ドット１１ｂに存在する正孔をトンネル伝導により量子電極１４ｂへと移動させ、且つ、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａへと移動させるとともに、量子ドット１３ｂに存在する電子をトンネル伝導により量子電極１５ｂへと移動させることにより、電気エネルギーを取り出す。太陽電池１０における電子及び正孔の移動については、さらに後述する。
【００２２】
一方、図３は、量子ドットを用いた従来の太陽電池９０の形態例を示す断面図である。図３では、一部符号の記載を省略している。図３に示すように、太陽電池９０は、上から順に、櫛形の第１電極９４と、ｐ型半導体によって構成されるｐ層９１と、ｉ層９２と、ｎ型半導体によって構成されるｎ層９３と、第２電極９５と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａ、９２ａ、…と、量子ドット９２ｂ、９２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット９２ｂ」という。）と、を有している。ｉ層９２は、障壁層９２ａと、量子ドット９２ｂを有する層（以下において「量子ドット９２ｂ含有層」という。）と、が交互に積層されることによって構成され、量子ドット９２ｂ含有層は、障壁層９２ａを構成するｉ型半導体よりもバンドギャップが狭い半導体によって構成されている。
【００２３】
図４は、太陽電池９０のエネルギーバンド図である。図４の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４では、太陽電池９０の各構成要素と対応する符号を付している。図２において、紙面左側から右側へと向かう点線矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう点線矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図１〜図４を参照しつつ、太陽電池１０及び太陽電池９０について説明を続ける。
【００２４】
図１〜図４に示すように、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を有する第１電極１４と、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５とを備える太陽電池１０とは異なり、太陽電池９０は、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備えている。そのため、太陽電池９０では、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出しやすくするために第１電極９４及び第２電極９５の形態を調整すると、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失が増大する。また、太陽電池９０では、障壁層９２ａを移動してきた高エネルギーキャリアのエネルギー損失を低減し得る形態の第１電極９４及び第２電極９５にすると、量子ドット９２ｂに存在するキャリアが励起されることによって乗り越えるべき障壁が高くなるため、量子ドット９２ｂに存在するキャリアを取り出し難くなって光電変換効率が低減する。すなわち、一形態の第１電極９４及び一形態の第２電極９５を備える従来の太陽電池９０では、光電変換効率を向上させ難い。
【００２５】
これに対し、本発明の太陽電池１０では、障壁層電極１４ａの上端のエネルギーレベルを、障壁層１１ａの価電子帯上端のエネルギーレベルに近づけており、量子電極１４ｂの上端のエネルギーレベルを、量子ドット１１ｂの価電子帯に形成されている量子準位に近づけている。かかる形態とすることにより、障壁層１１ａに存在する正孔を障壁層電極１４ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１１ｂに存在する正孔を量子電極１４ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１１ａに存在する正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１１ｂに存在する正孔を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。加えて、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を障壁層電極１５ａから取り出す際のエネルギー損失を低減することが可能になる。さらに、量子ドット１３ｂに存在する電子を量子電極１５ｂから取り出すことが可能になる。すなわち、太陽電池１０によれば、障壁層１３ａに存在する電子を取り出す際のエネルギー損失を低減しながら、量子ドット１３ｂに存在する電子を、熱励起をさせずにトンネリングによりエネルギーを保持したまま取り出すことが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池１０を提供することができる。
【００２６】
太陽電池１０において、ｐ層１１の障壁層１１ａは、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができる。障壁層１１ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができる。障壁層１１ａは、例えば、化学気相成長法（以下において、「ＣＶＤ法」という。）等によって作製することができる。また、ｐ層１１の層１１ｃ（量子ドット１１ｂ及び薄膜部１１ｄ）は、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成することができる。量子ドット１１ｂの高さは、例えば、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができ、量子ドット１１ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う量子ドット１１ｂ、１１ｂの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。層１１ｃは、例えば、障壁層１１ａの表面に、公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓをＭＢＥ法によって堆積させて、障壁層１１ａの表面に薄膜部１１ｄ（例えば、厚さ２０ｎｍ程度の層）を形成した後、さらに公知のｐ型不純物をドープしたＩｎＡｓの堆積を継続して、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードによって薄膜部１１ｄに量子ドット１１ｂを形成することにより、作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１１ａ及び層１１ｃの数は、１〜３程度とすることができる。本発明において、量子ドット１１ｂの高さ、直径、及び、間隔は、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による局所酸化とＭＢＥ選択成長技術とを組み合わせ、ＡＦＭのカンチレバーに印加するパルス電圧と時間幅とを変化させたり、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて量子ドットを作製したりすることによって制御することができる。
【００２７】
また、太陽電池１０において、ｉ層１２の障壁層１２ａは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１２ａを作製することができる。また、ｉ層１２の層１２ｃは、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１２ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１２ａ及び層１２ｃの数は、２０〜４０程度とすることができる。
【００２８】
また、太陽電池１０において、ｎ層１３の障壁層１３ａは、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成するほかは、障壁層１１ａと同様の形態とすることができ、障壁層１１ａと同様の方法によって、障壁層１３ａを作製することができる。また、ｎ層１３の層１３ｃは、公知のｎ型不純物をドープしたＩｎＡｓ等によって構成するほかは、層１１ｃと同様の形態とすることができ、層１１ｃと同様の方法によって、層１３ｃを作製することができる。太陽電池１０において、交互に作製される障壁層１３ａ及び層１３ｃの数は、１〜３程度とすることができる。
【００２９】
また、太陽電池１０において、第１電極１４の障壁層電極１４ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１４ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１４ａと量子電極１４ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。間隔を開けて交互に作製された複数の障壁層電極１４ａ、１４ａ、…と複数の量子電極１４ｂ、１４ｂ、…とを有する第１電極１４は、例えば、リソグラフィー等によって作製することができる。また、本発明において、正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第１電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、障壁層１１ａと対応する箇所に障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を配設し、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所に量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を配設することが好ましい。本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製することができる。また、本発明では、リソグラフィーによる微細電極パターン作製技術等の方法により、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製することができる。
【００３０】
また、太陽電池１０において、第２電極１５の障壁層電極１５ａは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができ、量子電極１５ｂは、Ａｕ、Ｐｔ等によって構成することができる。障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの直径は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができ、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂの高さ（厚さ）は、例えば、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度とすることができ、隣り合う障壁層電極１５ａと量子電極１５ｂとの間隔は、例えば、１０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることができる。複数の障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、複数の量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を有する第２電極１５は、第１電極１４と同様の方法によって作製することができる。本発明において、電子を取り出す際のエネルギー損失を低減するという効果を得るためには、第２電極に障壁層電極及び量子電極が備えられる形態とすれば良く、かかる効果が得られやすい形態にする等の観点からは、図１に示すように、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所に量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を配設し、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…の間に障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を配設することが好ましい。本発明では、障壁層１１ａと対応する箇所にのみ障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を作製することができる。また、本発明では、量子ドット１１ｂ、１１ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を作製する際に用いる方法と同様の方法によって、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…と対応する箇所にのみ量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を作製することができる。
【００３１】
また、太陽電池１０において、導電部１６、１７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等、公知の導電性材料によって構成することができる。障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａは、例えば、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。このほか、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂ、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…を接続する導電部１７ａ、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を接続する導電部１７ｂも、公知のくし形電極の作製方法と同様の方法によって作製することができる。
【００３２】
上記の材料・方法によって各構成要素が作製される太陽電池１０を製造するには、例えば、太陽電池の電極を作製する際に用いられる公知の基板１８に、導電部１７ａ及び導電部１７ｂをそれぞれ形成した後、障壁層電極１５ａ、１５ａ、…、及び、量子電極１５ｂ、１５ｂ、…を形成することにより第２電極１５を作製する。こうして第２電極１５を作製したら、引き続き、第２電極１５の表面に障壁層１３ａを、障壁層１３ａの表面に層１３ｃを、層１３ｃの表面に障壁層１３ａを、順に作製することにより、ｎ層１３を作製する。ｎ層１３を作製したら、ｎ層１３（障壁層１３ａ）の表面に層１２ｃを、層１２ｃの表面に障壁層１２ａを、順に作製し、障壁層１２ａの表面への層１２ｃの作製、及び、層１２ｃの表面への障壁層１２ａの作製を所定の回数（例えば、３０回程度）に亘って繰り返すことにより、ｎ層１３の表面にｉ層１２を作製する。このようにしてｉ層１２を作製したら、ｉ層１２（障壁層１２ａ）の表面に層１１ｃを、層１１ｃの表面に障壁層１１ａを作製することにより、ｐ層１１を作製し、作製したｐ層１１（障壁層１１ａ）の表面に、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を形成することにより第１電極１４を作製する。第１電極１４を作製したら、続いて、障壁層電極１４ａ、１４ａ、…を接続する導電部１６ａ、及び、量子電極１４ｂ、１４ｂ、…を接続する導電部１６ｂを形成する。太陽電池１０は、このような過程を経て製造することができる。
【００３３】
太陽電池１０に関する上記説明では、層１１ｃを有するｐ層１１、及び、層１３ｃを有するｎ層１３が備えられる形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。そこで、量子構造を有しないｐ層及びｎ層が備えられる形態の光電変換素子について、以下に説明する。
【００３４】
２．第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図５において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２で用いた符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図５では、一部符号の記載を省略している。
【００３５】
図５に示すように、太陽電池２０は、ｐ層２１と、ｎ層２３と、ｐ層２１とｎ層２３との間に配設されたｉ層１２と、ｐ層２１に接続された第１電極１４と、ｎ層２３に接続された第２電極１５と、を有している。太陽電池２０において、ｐ層２１及びｎ層２３は量子構造を有していない。かかる形態であっても、太陽電池２０は障壁層電極１４ａ及び量子電極１４ｂを有しているので、光照射によって生成された正孔のエネルギー損失を低減しながら正孔を取り出すことが可能になり、障壁層電極１５ａ及び量子電極１５ｂを有しているので、光照射によって生成された電子のエネルギー損失を低減しながら電子を取り出すことが可能になる。したがって、かかる形態であっても、太陽電池２０によれば、光電変換効率を向上させることが可能になる。
【００３６】
太陽電池２０において、ｐ層２１は、公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｐ層２１の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｐ層２１は、例えば、ｐ層１１と同様の方法によって、第１電極１４と接触しない箇所にも公知のｐ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによりｐ層２１’を作製し、このｐ層２１’の表面に第１電極１４を形成した後、リソグラフィーで第１電極１４と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。
【００３７】
また、太陽電池２０において、ｎ層２３は、公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓ等によって構成することができ、ｎ層２３の厚さは、例えば、５０ｎｍ程度とすることができる。図５に示される形態のｎ層２３は、例えば、障壁層１３ａと同様の方法により、第２電極１５と接触しない箇所にも公知のｎ型不純物をドープしたＧａＡｓを堆積させることによってｎ層２３’を作製し、引き続き、ｎ層２３’の表面にｉ層１２を、ｉ層１２の表面にｐ層２１’を、及び、ｐ層２１’の表面に第１電極１４を順に形成した後、リソグラフィーで第２電極１５と接触しない箇所を除去することにより、作製することができる。
【００３８】
以上、本発明に関する上記説明では、第１電極並びに第２電極が、障壁層電極及び量子電極を有する形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。第１電極又は第２電極のみが、障壁層電極及び量子電極を有する形態とすることも可能である。ただし、光吸収により生成された正孔及び電子のエネルギー損失を低減することによって光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、少なくとも電子側の第２電極を有する形態の光電変換素子とすることが好ましい。
【００３９】
また、本発明に関する上記説明では、量子構造部がＳＫ成長モードで作製した量子ドットである形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではない。本発明は、量子構造部として量子細線や量子井戸が用いられる形態とすることも可能であり、ＳＫ成長モード以外の方法で作製した量子ドットが用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向がｉ層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線をｐ層、ｉ層、及びｎ層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。このほか、量子構造部に量子井戸を用いる場合、当該量子井戸は、ＳＫ成長モードで量子ドットを作製する途中で形成される薄膜部と同様の形態とすることができ、当該薄膜部と同様の方法によって量子井戸層を形成することができる。
【００４０】
また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…太陽電池（光電変換素子）
１１…ｐ層
１１ａ…障壁層
１１ｂ…量子ドット
１１ｃ…層
１１ｄ…薄膜部
１２…ｉ層
１２ａ…障壁層
１２ｂ…量子ドット
１２ｃ…層
１２ｄ…薄膜部
１３…ｎ層
１３ａ…障壁層
１３ｂ…量子ドット
１３ｃ…層
１３ｄ…薄膜部
１４…第１電極
１４ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１４ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１５…第２電極
１５ａ…障壁層電極（障壁層のエネルギーバンドに対応した電極）
１５ｂ…量子電極（量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極）
１６、１６ａ、１６ｂ…導電部
１７、１７ａ、１７ｂ…導電部
１８…基板
２０…太陽電池（光電変換素子）
２１…ｐ層
２３…ｎ層
９０…太陽電池
９１…ｐ層
９２…ｉ層
９２ａ…障壁層
９２ｂ…量子ドット
９３…ｎ層
９４…第１電極
９５…第２電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
少なくとも前記ｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、
前記第１半導体のバンドギャップは前記第２半導体のバンドギャップよりも広く、
前記第１電極及び／又は前記第２電極が、前記障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、前記量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記ｐ層、前記ｉ層、及び、前記ｎ層が、量子構造部を有することを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項１】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
少なくとも前記ｉ層は、第１半導体によって構成される障壁層、及び、該障壁層に接触するように配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、
前記第１半導体のバンドギャップは前記第２半導体のバンドギャップよりも広く、
前記第１電極及び／又は前記第２電極が、前記障壁層のエネルギーバンドに対応した電極と、前記量子構造部のエネルギーバンドに対応した電極とを有することを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記ｐ層、前記ｉ層、及び、前記ｎ層が、量子構造部を有することを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１００９１５（Ｐ２０１１−１００９１５Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５５８９９（Ｐ２００９−２５５８９９）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【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２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【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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