光電変換装置および電子機器
【課題】量子ドットを用いた波長変換部（素子）を光電変換装置に組み込むことで、特性の良好な光電変換装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る光電変換装置は、光電変換部（１Ａ）と、前記光電変換部の光入射面上に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部（１Ｂ）と、を有する。かかる構成によれば、複数のナノ結晶粒を含有する波長変換部により、光子の合成又は分解が生じ、上記光電変換部における光電効率を向上させることができる。
【解決手段】本発明に係る光電変換装置は、光電変換部（１Ａ）と、前記光電変換部の光入射面上に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部（１Ｂ）と、を有する。かかる構成によれば、複数のナノ結晶粒を含有する波長変換部により、光子の合成又は分解が生じ、上記光電変換部における光電効率を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、特に、ナノ結晶粒を用いた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーかつ省資源でクリーンなエネルギー源として太陽電池（光電変換装置）の開発が盛んに行われている。太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。その変換効率を向上させるため各種構造の太陽電池が検討されている。その中でも、理論的には６０％以上の変換効率を可能にする次世代の太陽電池として量子ドット（ナノ結晶粒）を用いた太陽電池が注目を浴びている。
【０００３】
この種の太陽電池としては、例えば、下記特許文献１、２に開示されているものがある。
【特許文献１】特開平８−２６４８２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記量子ドット型太陽電池の構造においても、量子ドットにより生成された電子とホールを外部に起電力として取り出すことが難しく、未だ研究・開発段階であり、実用に至っていない。
【０００５】
そこで、本発明に係る具体的態様は、量子ドットを用いた波長変換部（素子）を光電変換装置に組み込むことで、特性の良好な光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光電変換装置は、光電変換部と、前記光電変換部の光入射面の上方に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、を有する。
【０００７】
かかる構成によれば、複数のナノ結晶粒を含有する波長変換部により、光子の合成又は分解が生じ、上記光電変換部における光電効率を向上させることができる。
【０００８】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、を有する。このように、複数のナノ結晶粒の配置に周期性を持たせてもよい。
【０００９】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい。このように、ナノ結晶粒と上記層とのバンドギャップ差に起因する量子井戸が形成される。
【００１０】
更に、分光器を有し、前記分光器を介して所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記波長変換部に入射させ、前記分光器を介して前記所定のエネルギー未満のエネルギー光を前記光電変換部に入射させる。また、前記波長変換部は、前記所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記光電変換部で利用可能な光に変換し、前記利用可能な光が前記光電変換部に入射される。このように、選択的に高エネルギーの光子を波長変換部に入射させることで、より低エネルギーではあるが前記光電変換部において効果的に利用可能な光に変換でき、光電効果の向上を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る光電変換装置は、第１光電変換部と、第２光電変換部と、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部の間に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、を有する。
【００１２】
かかる構成によれば、第１光電変換部で光電効果に寄与しなかった光子を、波長変換部で合成し、第２光電変換部において光電変換させることができる。
【００１３】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、を有する。このように、複数のナノ結晶粒の配置に周期性を持たせてもよい。
【００１４】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい。このように、ナノ結晶粒と上記層とのバンドギャップ差に起因する量子井戸が形成される。
【００１５】
前記第１光電変換部を通過した光が、前記波長変換部により前記第２光電変換部で利用可能な光に変換され、前記利用可能な光が前記第２光電変換部に入射される。
【００１６】
本発明に係る電子機器は、上記光電変換装置を有する。かかる構成によれば、電子機器の特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
図１に示す光電変換装置は、光電変換部（光電変換素子、光起電力発生部）１Ａと波長変換部（波長変換素子）１Ｂとを有する。波長変換部１Ｂは、光電変換部１Ａの光入射側に配置される。ここでは、上面からの光を取り込むため、光電変換部１Ａは、波長変換部１Ｂの下層に配置されている。
【００２０】
この光電変換部１Ａの構成に限定は無いが、例えば、ｐｉｎ型構造、ｐｎ型構造の光電変換部（光電変換素子）が用いられる。ｐｉｎ型構造の光電変換素子とは、例えば、基板上に下層電極、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層および上層透明電極が順次積層された積層部を有する光電変換素子である。また、ｐｎ型構造の光電変換素子とは、例えば、基板上に下層電極、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層および上層透明電極が順次積層された積層部を有する光電変換素子である。なお、ＴａおよびＴｂは、起電力取り出し端子であり、例えば、上記下層電極や上層透明電極の端部を端子（Ｔａ、Ｔｂ）として用いてもよい。
【００２１】
図２は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部１Ｂの構造を示す断面図である。図２に示すように、波長変換部１Ｂは、量子ドットｄとその周囲を取り囲む層Ｍ（以降、この層を「マトリクス層Ｍ」と呼ぶことがある）よりなる。
【００２２】
ここで、「量子ドット（ナノ結晶粒）」とは、半導体（化合物半導体を含む）で作られた微小な結晶粒子を意味し、数百から数万個の原子が集まったものである。粒径は電子のドブロイ波長程度（数十〜数ナノメートル）のものをいう。特に、本明細書においては、粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下のものを「量子ドット」と言い、また、結晶としては、単結晶の他、多結晶状態のものも含むものとする。
【００２３】
また、マトリクス層Ｍは、例えば、酸化シリコン膜などの誘電体よりなる。このマトリクス層Ｍの材料に限定はない。即ち、後述するように、量子ドットｄのバンドギャップＥｇとマトリクス層ＭのバンドギャップＥｇｓとの差（Ｅｇｓ＞Ｅｇ）により量子井戸が形成されればよく、誘電体の他、半導体で構成してもよい（図４（Ｂ）参照）。
【００２４】
かかる波長変換部１Ｂ、即ち、量子ドットｄが分散したマトリクス層Ｍの形成方法に限定はないが、例えば、酸化シリコン薄膜上に分子線エピタキシーなどを用い、部分的に小さいシリコンなどの半導体よりなる島（ドット）を形成し、さらに、その上部に酸化シリコン薄膜を堆積し、その上部にドットを形成する工程を繰り返すことにより、酸化シリコン膜中に量子ドットｄを周期的に形成することができる（図２参照）。
【００２５】
次いで、量子ドットの作用効果である、（１）量子サイズ効果、（２）複数エキシトン生成効果および（３）ミニバンド形成効果について説明する。図３は、量子サイズ効果を説明するためのエネルギーバンド図である。また、図４は、バルクの場合および量子ドットの場合のエネルギーバンド図である。図５は、超格子構造を模式的に示した断面斜視図であり、図６及び図７は、ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図であり、図８は、ミニバンドが形成されない場合のエネルギーバンド図である。なお、バンド図において黒丸は電子（ｅ）を白丸はホール（ｈ）を示すものとする。
【００２６】
（１）量子サイズ効果
図３に示すように、半導体原子１個についてのHOMO(最高占有分子軌道：Highest Occupied Molecular Orbital)およびLUMO(最低非占有分子軌道：Lowest Unoccupied Molecular Orbital)は、分子、クラスター、ナノ結晶粒、バルクと原子の集合数が増加するにしたがって、分離し、バルクにおいては、各軌道が連続し、伝導帯および価電子帯となる。逆に言えば、バルク状態の半導体の塊を、粒子レベルを経て原子レベルまで小さくするとバンドギャップ（Band gap、禁止帯、禁制帯）Ｅｇが大きくなる。図３において、縦軸はエネルギーを示し、原子、分子、クラスター、ナノ結晶粒の「バルクの粒径（ｎｍ）および原子数」の関係は、それぞれ例えば、「０．１ｎｍ以下、原子数１個」、「０．２ｎｍ以下、原子数２個」、「１ｎｍ未満、原子数１０個以下」、「１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、原子数１０2個以上１０4個以下」、「１０００ｎｍ以上、原子数１０23個以上」である。
【００２７】
（２）複数エキシトン生成効果（ＭＥＧ：Multiple Exciton Generation）
図４（Ａ）に示すように、バルクの半導体においては、キャリア（電子）は、光エネルギー（Ｅ＝ｈν＝ｈｃ／λ、ｈ：プランク定数、ν：振動数、ｃ：光の速さ、λ：波長）を受け、価電子帯に遷移する。ここで、バンドギャップＥｇより光エネルギーｈνが２倍以上大きい場合（ｈν＞２Ｅｇ）、キャリアは価電子帯の上部まで遷移するものの、Ｅｇを超えた余分なエネルギーは速やかに格子系に熱として移動して、より安定的な価電子帯の下部まで移動する。つまり、Ｅｇを超えたエネルギーは熱として失われる。したがって、１つの光子によって１つのキャリアしか生成できない。なお、励起された電子に対しホールは残存するため、これらの対をエキシトン（exciton、励起子）という。
【００２８】
これに対し、図４（Ｂ）に示すように、量子ドットｄを用いた場合、量子ドットｄのバンドギャップＥｇとその周囲を取り囲む層（マトリクス層）のバンドギャップＥｇｓとの差（Ｅｇｓ＞Ｅｇ）により量子井戸が形成される。
【００２９】
この量子井戸により電子の移動方向が三次元的に制限される。また、この量子井戸中に形成される電子軌道は連続的ではない。この電子軌道のエネルギー準位を低い方からＥ１〜Ｅ６とする。この場合、バンドギャップＥｇより光エネルギーｈνが２倍以上大きい場合（ｈν＞２Ｅｇ）に、上位の軌道（Ｅ６）まで励起された電子が、より下位の軌道まで落ちる際に、格子系にエネルギーを熱として与えて緩和する過程が非常に遅くなる。その結果、同じ量子井戸中の別の電子をＥｇ以上に励起するインパクトイオン化の確率が高くなり、当該光エネルギーｈνが２Ｅｇより大きい場合には、更なる、電子（エキシトン）を生成する。よって、１つの光子から複数のキャリア（例えば、電子）を生成することができる。したがって、これらを電流として取り出すことにより光電変換効率を向上させたものが量子ドット型太陽電池である。
【００３０】
（３）ミニバンド形成効果
例えば、図５に示すように、量子ドットｄを３次元的に規則正しく配置させる（３次元的な周期性を持たせる）ことにより、量子ドット（量子井戸）間で相互作用が生じ、ミニバンドが形成される。即ち、図６に示すように、トンネル効果により量子井戸間にミニバンドが生じる。なお、ここでは、ｐｎ層間にｉ層として量子ドットｄを３次元的に気相正しく配置した層を有する構造体のバンド図を示している。また、図７に示すように、前述の複数エキシトン生成効果により生じた遷移電子や、ミニバンド間における遷移電子などもミニバンドを介して移動可能となる。なお、図７に示すように、電子のみならず、下側の量子井戸中に残存するホールも同様に移動可能となる。このように、量子ドットに３次元的な周期性を持たせた構造を超格子（SL：supper lattice)又は多重量子井戸(ＭＱＷ：Multi-Quantum Well)構造という。
【００３１】
これに対し、量子ドットｄを３次元的にランダムに分散させた場合は、図８に示すように、量子井戸間のトンネル効果が起こりにくい箇所が存在する。この場合、量子井戸間にミニバンドは形成されない。
【００３２】
また、図５に示すように、量子ドットｄが縦横および上下に規則正しく並んだ構造は理想的ではあるが、量子ドットｄをこのように配列させることは容易ではない。よって、図２では、薄膜間に、平面的にランダムに量子ドットｄを配列させ、積層させることにより、配列の周期性を持たせている。かかる構成によっても、ミニバンドの形成率を向上させることができる。
【００３３】
以上（１）〜（３）を通じて詳細に説明したように、量子ドットｄにより種々の量子効果が生じる。量子ドット型太陽電池においては、光により遷移した電子などのキャリアを、ミニバンドを通じて外部に取り出すものであるが、本実施の形態においては、量子ドットｄによる量子効果により高エネルギーＨＥの光子を下層の光電変換部において光電変換に寄与し得る程度のエネルギーＭＥを有する複数の光子に変換（分解）し、下層の光電変換部における光電変換効率を向上させるものである。以下、下層の光電変換部において光電変換に寄与し得る程度のエネルギーＭＥを「光電変換エネルギーＭＥ」と言う。この光電変換エネルギーＭＥは、下層の光電変換部において光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎ以上のエネルギーであればよい。
【００３４】
ここで、本明細書において、高エネルギーＨＥとは、上記ＭＥｍｉｎの２倍以上のエネルギーを言い、低エネルギーＬＥとは、上記ＭＥｍｉｎ未満のエネルギーを言うものとする。
【００３５】
以下、図９および図１０を参照しながら、高エネルギーＨＥの光子を複数の光電変換エネルギーＭＥを有する複数の光子に分解する現象が生じることを説明する。
【００３６】
図９は、量子ドット型太陽電池における複数エキシトン生成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００３７】
前述の「（２）複数エキシトン生成効果」の欄でも説明したように、上位の軌道（ここではＥ３）まで励起された電子が、より下位の軌道（ここではＥ１）まで落ちる際に、同じ量子井戸中の別の電子を励起するインパクトイオン化が生じ、更なる、電子（エキシトン）を生成する（図９（Ａ）（Ｂ）参照）。
【００３８】
図９（Ｃ）は、図９（Ａ）および（Ｂ）で示した２つのエキシトン生成過程を表すファインマン図形である。ここでは、光は破線で、また電子とホールは矢印の付いた実線で示されている。電子とホールの区別は矢印の方向によってなされる。即ち、その方向が時間方向と一致する場合は電子、逆になる場合はホールである。
【００３９】
図１０は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部における光子分解効果（複数光子生成効果）を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００４０】
この場合、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、高エネルギーＨＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ３）まで励起された電子が、より下位の軌道（ここではＥ２）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。さらに、より下位の軌道（ここではＥ１）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。
【００４１】
このように、高エネルギーＨＥの光子が光電変換エネルギーＭＥの２つの光子となる。かかる効果を、ここでは「光子分解効果」という。当該効果は、言い換えれば、低波長（高エネルギーＨＥ）の１つの光が、高波長（ＨＥより低いエネルギーである光電変換エネルギーＭＥ）の２つの光に波長変換されることとなる。
【００４２】
図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）で示した２つの光子分解過程を表すファインマン図形である。図１０（Ｄ）から、量子ドットと外部との間でやりとりされるのは光子だけであり、電子やホールという電荷のやりとりは全くないことが分かる。即ち、量子ドットが下層の光電変換部の電気回路系に組み込まれることなく、１つの光子が２つの光子となることが一目瞭然に理解できる。
【００４３】
一方、光と電子・ホール系と類似する系として光と電子・陽電子系がある。これはホールを陽電子に置き換えた系であり、量子電気力学によって取り扱われる。量子電気力学によれば、図１０（Ｄ）のファインマン図形に対応する光と電子・陽電子の過程は、電子と陽電子に付く矢印を反対にして得られる過程と相殺して観測にかからないことが知られている（ファリイの定理）。
【００４４】
しかしながら、本実施の形態における光と電子・ホール系は以下の３点（Ｉ〜ＩＩＩ）で光と電子・陽電子系とは異なっている。Ｉ．格子振動（熱）の影響を受けている。ＩＩ．電子とホールの対称性は完全ではなく、たとえばそれらの質量に差がある。ＩＩＩ．量子ドットのバンド構造は真空のそれと異なる。以上の理由により、図１０（Ｄ）のファインマン図形の過程にその電子とホールに付く矢印を反対にして得られる過程を加えても相殺しない。それゆえ、この過程は実際に起きる過程であることが分かる。
【００４５】
このように、量子ドットの効果として、前述の複数エキシトン効果が生じるが、一方で、上記光子分解効果も生じることが上記ファインマン図により分かる。
【００４６】
よって、本実施の形態においては、量子ドットｄを含有する層（１Ｂ）を光電変換部１Ａの上層に配置し、光子を分解し、光電変換部１Ａに入射する光子数を増やすことで、光電効率の向上を図ることができる。
【００４７】
ここで、後述の実施の形態２で説明するように、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部１Ｂにおいては、光子合成効果（複数光子合成効果）も生じる。即ち、低エネルギーＬＥの２つの光子が光電変換エネルギーＭＥの１つの光子に合成される。かかる効果によれば、光電変換エネルギーＭＥの２つの光子を高エネルギーＨＥの１つの光子に合成してしまう場合もあり得るため、本実施の形態の光電変換装置は、次の条件下において効果的である。
【００４８】
即ち、入射光において、高エネルギーＨＥ光子が低エネルギーＬＥ光子より多い場合には、分解現象が優先的となり、入射する光子数の増大による光電効果の向上を図ることができる。
【００４９】
特に、下層の光電変換部１Ａにおいて光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎより、量子井戸中の電子軌道のエネルギー準位（図１０のＥ１〜Ｅ３、図４（Ｂ）のＥ１〜Ｅ６）間のギャップが大きくなるよう調整することで、光子分解により生成した光子を下層の光電変換部１Ａで効果的に活用することができる。
【００５０】
上記エネルギー準位間のギャップは、例えば、［１］量子ドットｄやマトリクス層Ｍの材料を適宜選択し組み合わせる、また、［２］量子ドットｄの周期性（例えば、薄膜の厚さなど）を変えることにより変化させることができる。
【００５１】
＜実施の形態２＞
上記実施の形態１においては、光子分解効果を利用したが、光子合成効果を利用してもよい。
【００５２】
図１１は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態の光電変換装置の構成は、実施の形態１と同様である。
【００５３】
但し、ここでは、光子合成効果を利用し、今まで光電効果に寄与しなかった光子を波長変換部１Ｂで光電効果に寄与できる光子に変換（合成）し、光電効果の向上を図る。
【００５４】
図１２は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部における光子合成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００５５】
この場合、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、低エネルギーＬＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ１→Ｅ２）まで励起された電子が、さらに、低エネルギーＬＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ２→Ｅ３）まで励起され、より下位の軌道（ここではＥ１）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。
【００５６】
このように、低エネルギーＬＥの２つの光子が光電変換エネルギーＭＥの１つの光子に合成される。言い換えれば、高波長（低エネルギーＬＥ）の２つの光が、低波長（ＬＥより高いエネルギーである光電変換エネルギーＭＥ）の１つの光に波長変換される。
【００５７】
図１２（Ｄ）は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）で示した２つの光子合成過程を表すファインマン図形である。前述したように、上記光子分解も光子合成も同様の確率で生じることから、本実施の形態の光電変換装置は、次の場合に効果的であることがわかる。
【００５８】
即ち、入射光において、低エネルギーＬＥ光子が高エネルギーＨＥ光子より多い場合には、合成現象が優先的となり、今まで光電効果に寄与しなかった光子を波長変換部１Ｂで光電効果に寄与できる光子に変換（合成）し、光電効果の向上を図ることができる。
【００５９】
特に、下層の光電変換部１Ａにおいて光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎより、量子井戸中の電子軌道のエネルギー準位（図１０のＥ１〜Ｅ３、図４（Ｂ）のＥ１〜Ｅ６）間のギャップが小さくなるよう調整することで、光子合成により生成した光子を下層の光電変換部１Ａで効果的に活用することができる。
【００６０】
上記エネルギー準位間のギャップは、例えば、［１］量子ドットｄやマトリクス層Ｍの材料を適宜選択し組み合わせる、また、［２］量子ドットｄの周期性（例えば、薄膜の厚さなど）を変えることにより変化させることができる。
【００６１】
＜実施の形態３＞
図１３は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。本実施の形態においては、図１３に示すように、プリズムなどの分光器３を用いて、高エネルギーＨＥの光子を選択的に波長変換部１Ｂに入射し、高エネルギーＬＥの光子を光電変換エネルギーＭＥの光子に分解した後、光電変換部１Ａに入射させる。この入射には、例えば、ミラー５などによる反射を用いてもよいし、直接、分解光子（ＭＥ）が入射するように光電変換部１Ａを配置してもよい。
【００６２】
このように、選択的に高エネルギーＨＥの光子を波長変換部１Ｂに入射させることで、実施の形態１で詳細に説明したように、光電変換部１Ａに入射する光子数の増大による光電効果の向上を図ることができる。また、ＨＥ以下のエネルギーの光子は、波長変換部１Ｂを介さず光電変換部１Ａに入射させることで、光電変換エネルギーＭＥの光子の不要な合成を回避でき、光電効果の向上を図ることができる。
【００６３】
＜実施の形態４＞
図１４は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。本実施の形態においては、図１４（Ａ）に示すように、２つの光電変換部１ＡＡと１ＡＢとの間に、波長変換部１Ｂを配置する。２つの光電変換部１ＡＡと１ＡＢは、ほぼ同じ構成（性能）であり、光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎが同程度である。
【００６４】
この場合、図１４（Ｂ）に示すように、光の入射側に配置された光電変換部１ＡＡにおいて、光電効果に寄与しなかった低エネルギーＬＥの光子（ＭＥｍｉｎ未満の光子）が、光電変換部１ＡＡを透過し、波長変換部１Ｂに到達する。この波長変換部１Ｂで、低エネルギーＬＥの光子が合成され、光電変換エネルギーＭＥの光子となり、最下層の光電変換部１ＡＢにおいて光電変換に寄与する。このように、光電効率を向上させることができる。
【００６５】
通常、このようなタンデム型光電変換装置においては、下層の光電変換部においては、光電変換に必要な最低のエネルギーを小さく設計する必要があるが、本実施の形態においては、同じ光電変換装置（１ＡＡ、１ＡＢ）を用いても光電効率を向上させることができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態１〜４においては、量子ドットｄの配置に周期性をもたせた（図２参照）が、量子ドットｄがランダムに分散されたマトリクス層を波長変換部１Ｂとして用いてもよい。この場合、図８を参照しながら説明したように、量子井戸間のトンネル効果が起こりにくい箇所が存在するが、各量子井戸中での光子の合成や分解が可能であり、前述の効果を奏する。
【００６７】
また、上記実施の形態１〜４においては、２つの光子への分解や２つの光子の合成を例に説明したが、３以上の光子への分解や、３以上の光子の合成も考えられ、これれの現象によっても前述の効果を奏する。
【００６８】
＜電子機器＞
上記光電変換装置は、各種電子機器に組み込むことができる。適用できる電子機器に制限はないがその一例について説明する。
【００６９】
図１５は、本発明の太陽電池（光電変換装置）を適用した電卓を示す平面図、図１６は、本発明の太陽電池（光電変換装置）を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）を示す斜視図である。
【００７０】
図１５に示す電卓１００は、本体部１０１と、本体部１０１の上面（前面）に設けられた表示部１０２、複数の操作ボタン１０３および光電変換素子設置部１０４とを備えている。
【００７１】
図１５に示す構成では、光電変換素子設置部１０４には、光電変換素子１が５つ直列に接続されて配置されている。この光電変換素子１として上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７２】
図１６に示す携帯電話機２００は、本体部２０１と、本体部２０１の前面に設けられた表示部２０２、複数の操作ボタン２０３、受話口２０４、送話口２０５および光電変換素子設置部２０６とを備えている。
【００７３】
図１６に示す構成では、光電変換素子設置部２０６が、表示部２０２の周囲を囲むようにして設けられ、光電変換素子１が複数、直列に接続されて配置されている。この光電変換素子１として上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７４】
なお、本発明の電子機器としては、図１５に示す電卓、図１６に示す携帯電話機の他、例えば、光センサー、光スイッチ、電子手帳、電子辞書、腕時計、クロック等に適用することもできる。
【００７５】
図１７は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計１１００は、表示部１１０１を備え、例えば、この表示部１１０１の外周に、上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７６】
また、上記光電変換装置を、家庭用又は業務用の太陽光発電システムに用いてもよい。
【００７７】
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施の形態１の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態１の光電変換装置の波長変換部１Ｂの構造を示す断面図である。
【図３】量子サイズ効果を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図４】バルクの場合および量子ドットの場合のエネルギーバンド図である。
【図５】超格子構造を模式的に示した断面斜視図である。
【図６】ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図である。
【図７】ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図である。
【図８】ミニバンドが形成されない場合のエネルギーバンド図である。
【図９】量子ドット型太陽電池における複数エキシトン生成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１０】実施の形態１の光電変換装置の波長変換部における光子分解効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１１】実施の形態２の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】実施の形態２の光電変換装置の波長変換部における光子合成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１３】実施の形態３の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態４の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。
【図１５】太陽電池（光電変換装置）を適用した電卓を示す平面図である。
【図１６】太陽電池（光電変換装置）を適用した携帯電話機を示す斜視図である。
【図１７】電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
１Ａ…光電変換部、１ＡＡ、１ＡＢ…光電変換部、１Ｂ…波長変換部、３…分光器、５…ミラー、１００…電卓、１０１…本体部、１０２…表示部、１０３…操作ボタン、１０４…光電変換素子設置部、２００…携帯電話機、２０１…本体部、２０２…表示部、２０３…操作ボタン、２０４…受話口、２０５…送話口、２０６…光電変換素子設置部、１１００…腕時計、１１０１…表示部、ｄ…量子ドット、Ｅｇ…量子ドットのバンドギャップ、Ｅｇｓ…マトリクス層のバンドギャップ、ｅ…電子、Ｅ１〜Ｅ６…エネルギー準位、ｈ…ホール、ＨＥ…高エネルギー、ＬＥ…低エネルギー、Ｍ…マトリクス層、ＭＥ…光電変換エネルギー、ＭＥｍｉｎ…光電変換部において光電変換に必要な最低のエネルギー、Ｔａ、Ｔｂ…起電力取り出し端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、特に、ナノ結晶粒を用いた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギーかつ省資源でクリーンなエネルギー源として太陽電池（光電変換装置）の開発が盛んに行われている。太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。その変換効率を向上させるため各種構造の太陽電池が検討されている。その中でも、理論的には６０％以上の変換効率を可能にする次世代の太陽電池として量子ドット（ナノ結晶粒）を用いた太陽電池が注目を浴びている。
【０００３】
この種の太陽電池としては、例えば、下記特許文献１、２に開示されているものがある。
【特許文献１】特開平８−２６４８２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記量子ドット型太陽電池の構造においても、量子ドットにより生成された電子とホールを外部に起電力として取り出すことが難しく、未だ研究・開発段階であり、実用に至っていない。
【０００５】
そこで、本発明に係る具体的態様は、量子ドットを用いた波長変換部（素子）を光電変換装置に組み込むことで、特性の良好な光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光電変換装置は、光電変換部と、前記光電変換部の光入射面の上方に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、を有する。
【０００７】
かかる構成によれば、複数のナノ結晶粒を含有する波長変換部により、光子の合成又は分解が生じ、上記光電変換部における光電効率を向上させることができる。
【０００８】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、を有する。このように、複数のナノ結晶粒の配置に周期性を持たせてもよい。
【０００９】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい。このように、ナノ結晶粒と上記層とのバンドギャップ差に起因する量子井戸が形成される。
【００１０】
更に、分光器を有し、前記分光器を介して所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記波長変換部に入射させ、前記分光器を介して前記所定のエネルギー未満のエネルギー光を前記光電変換部に入射させる。また、前記波長変換部は、前記所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記光電変換部で利用可能な光に変換し、前記利用可能な光が前記光電変換部に入射される。このように、選択的に高エネルギーの光子を波長変換部に入射させることで、より低エネルギーではあるが前記光電変換部において効果的に利用可能な光に変換でき、光電効果の向上を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る光電変換装置は、第１光電変換部と、第２光電変換部と、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部の間に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、を有する。
【００１２】
かかる構成によれば、第１光電変換部で光電効果に寄与しなかった光子を、波長変換部で合成し、第２光電変換部において光電変換させることができる。
【００１３】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、を有する。このように、複数のナノ結晶粒の配置に周期性を持たせてもよい。
【００１４】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい。このように、ナノ結晶粒と上記層とのバンドギャップ差に起因する量子井戸が形成される。
【００１５】
前記第１光電変換部を通過した光が、前記波長変換部により前記第２光電変換部で利用可能な光に変換され、前記利用可能な光が前記第２光電変換部に入射される。
【００１６】
本発明に係る電子機器は、上記光電変換装置を有する。かかる構成によれば、電子機器の特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
【００１８】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
図１に示す光電変換装置は、光電変換部（光電変換素子、光起電力発生部）１Ａと波長変換部（波長変換素子）１Ｂとを有する。波長変換部１Ｂは、光電変換部１Ａの光入射側に配置される。ここでは、上面からの光を取り込むため、光電変換部１Ａは、波長変換部１Ｂの下層に配置されている。
【００２０】
この光電変換部１Ａの構成に限定は無いが、例えば、ｐｉｎ型構造、ｐｎ型構造の光電変換部（光電変換素子）が用いられる。ｐｉｎ型構造の光電変換素子とは、例えば、基板上に下層電極、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層および上層透明電極が順次積層された積層部を有する光電変換素子である。また、ｐｎ型構造の光電変換素子とは、例えば、基板上に下層電極、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層および上層透明電極が順次積層された積層部を有する光電変換素子である。なお、ＴａおよびＴｂは、起電力取り出し端子であり、例えば、上記下層電極や上層透明電極の端部を端子（Ｔａ、Ｔｂ）として用いてもよい。
【００２１】
図２は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部１Ｂの構造を示す断面図である。図２に示すように、波長変換部１Ｂは、量子ドットｄとその周囲を取り囲む層Ｍ（以降、この層を「マトリクス層Ｍ」と呼ぶことがある）よりなる。
【００２２】
ここで、「量子ドット（ナノ結晶粒）」とは、半導体（化合物半導体を含む）で作られた微小な結晶粒子を意味し、数百から数万個の原子が集まったものである。粒径は電子のドブロイ波長程度（数十〜数ナノメートル）のものをいう。特に、本明細書においては、粒径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下のものを「量子ドット」と言い、また、結晶としては、単結晶の他、多結晶状態のものも含むものとする。
【００２３】
また、マトリクス層Ｍは、例えば、酸化シリコン膜などの誘電体よりなる。このマトリクス層Ｍの材料に限定はない。即ち、後述するように、量子ドットｄのバンドギャップＥｇとマトリクス層ＭのバンドギャップＥｇｓとの差（Ｅｇｓ＞Ｅｇ）により量子井戸が形成されればよく、誘電体の他、半導体で構成してもよい（図４（Ｂ）参照）。
【００２４】
かかる波長変換部１Ｂ、即ち、量子ドットｄが分散したマトリクス層Ｍの形成方法に限定はないが、例えば、酸化シリコン薄膜上に分子線エピタキシーなどを用い、部分的に小さいシリコンなどの半導体よりなる島（ドット）を形成し、さらに、その上部に酸化シリコン薄膜を堆積し、その上部にドットを形成する工程を繰り返すことにより、酸化シリコン膜中に量子ドットｄを周期的に形成することができる（図２参照）。
【００２５】
次いで、量子ドットの作用効果である、（１）量子サイズ効果、（２）複数エキシトン生成効果および（３）ミニバンド形成効果について説明する。図３は、量子サイズ効果を説明するためのエネルギーバンド図である。また、図４は、バルクの場合および量子ドットの場合のエネルギーバンド図である。図５は、超格子構造を模式的に示した断面斜視図であり、図６及び図７は、ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図であり、図８は、ミニバンドが形成されない場合のエネルギーバンド図である。なお、バンド図において黒丸は電子（ｅ）を白丸はホール（ｈ）を示すものとする。
【００２６】
（１）量子サイズ効果
図３に示すように、半導体原子１個についてのHOMO(最高占有分子軌道：Highest Occupied Molecular Orbital)およびLUMO(最低非占有分子軌道：Lowest Unoccupied Molecular Orbital)は、分子、クラスター、ナノ結晶粒、バルクと原子の集合数が増加するにしたがって、分離し、バルクにおいては、各軌道が連続し、伝導帯および価電子帯となる。逆に言えば、バルク状態の半導体の塊を、粒子レベルを経て原子レベルまで小さくするとバンドギャップ（Band gap、禁止帯、禁制帯）Ｅｇが大きくなる。図３において、縦軸はエネルギーを示し、原子、分子、クラスター、ナノ結晶粒の「バルクの粒径（ｎｍ）および原子数」の関係は、それぞれ例えば、「０．１ｎｍ以下、原子数１個」、「０．２ｎｍ以下、原子数２個」、「１ｎｍ未満、原子数１０個以下」、「１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、原子数１０2個以上１０4個以下」、「１０００ｎｍ以上、原子数１０23個以上」である。
【００２７】
（２）複数エキシトン生成効果（ＭＥＧ：Multiple Exciton Generation）
図４（Ａ）に示すように、バルクの半導体においては、キャリア（電子）は、光エネルギー（Ｅ＝ｈν＝ｈｃ／λ、ｈ：プランク定数、ν：振動数、ｃ：光の速さ、λ：波長）を受け、価電子帯に遷移する。ここで、バンドギャップＥｇより光エネルギーｈνが２倍以上大きい場合（ｈν＞２Ｅｇ）、キャリアは価電子帯の上部まで遷移するものの、Ｅｇを超えた余分なエネルギーは速やかに格子系に熱として移動して、より安定的な価電子帯の下部まで移動する。つまり、Ｅｇを超えたエネルギーは熱として失われる。したがって、１つの光子によって１つのキャリアしか生成できない。なお、励起された電子に対しホールは残存するため、これらの対をエキシトン（exciton、励起子）という。
【００２８】
これに対し、図４（Ｂ）に示すように、量子ドットｄを用いた場合、量子ドットｄのバンドギャップＥｇとその周囲を取り囲む層（マトリクス層）のバンドギャップＥｇｓとの差（Ｅｇｓ＞Ｅｇ）により量子井戸が形成される。
【００２９】
この量子井戸により電子の移動方向が三次元的に制限される。また、この量子井戸中に形成される電子軌道は連続的ではない。この電子軌道のエネルギー準位を低い方からＥ１〜Ｅ６とする。この場合、バンドギャップＥｇより光エネルギーｈνが２倍以上大きい場合（ｈν＞２Ｅｇ）に、上位の軌道（Ｅ６）まで励起された電子が、より下位の軌道まで落ちる際に、格子系にエネルギーを熱として与えて緩和する過程が非常に遅くなる。その結果、同じ量子井戸中の別の電子をＥｇ以上に励起するインパクトイオン化の確率が高くなり、当該光エネルギーｈνが２Ｅｇより大きい場合には、更なる、電子（エキシトン）を生成する。よって、１つの光子から複数のキャリア（例えば、電子）を生成することができる。したがって、これらを電流として取り出すことにより光電変換効率を向上させたものが量子ドット型太陽電池である。
【００３０】
（３）ミニバンド形成効果
例えば、図５に示すように、量子ドットｄを３次元的に規則正しく配置させる（３次元的な周期性を持たせる）ことにより、量子ドット（量子井戸）間で相互作用が生じ、ミニバンドが形成される。即ち、図６に示すように、トンネル効果により量子井戸間にミニバンドが生じる。なお、ここでは、ｐｎ層間にｉ層として量子ドットｄを３次元的に気相正しく配置した層を有する構造体のバンド図を示している。また、図７に示すように、前述の複数エキシトン生成効果により生じた遷移電子や、ミニバンド間における遷移電子などもミニバンドを介して移動可能となる。なお、図７に示すように、電子のみならず、下側の量子井戸中に残存するホールも同様に移動可能となる。このように、量子ドットに３次元的な周期性を持たせた構造を超格子（SL：supper lattice)又は多重量子井戸(ＭＱＷ：Multi-Quantum Well)構造という。
【００３１】
これに対し、量子ドットｄを３次元的にランダムに分散させた場合は、図８に示すように、量子井戸間のトンネル効果が起こりにくい箇所が存在する。この場合、量子井戸間にミニバンドは形成されない。
【００３２】
また、図５に示すように、量子ドットｄが縦横および上下に規則正しく並んだ構造は理想的ではあるが、量子ドットｄをこのように配列させることは容易ではない。よって、図２では、薄膜間に、平面的にランダムに量子ドットｄを配列させ、積層させることにより、配列の周期性を持たせている。かかる構成によっても、ミニバンドの形成率を向上させることができる。
【００３３】
以上（１）〜（３）を通じて詳細に説明したように、量子ドットｄにより種々の量子効果が生じる。量子ドット型太陽電池においては、光により遷移した電子などのキャリアを、ミニバンドを通じて外部に取り出すものであるが、本実施の形態においては、量子ドットｄによる量子効果により高エネルギーＨＥの光子を下層の光電変換部において光電変換に寄与し得る程度のエネルギーＭＥを有する複数の光子に変換（分解）し、下層の光電変換部における光電変換効率を向上させるものである。以下、下層の光電変換部において光電変換に寄与し得る程度のエネルギーＭＥを「光電変換エネルギーＭＥ」と言う。この光電変換エネルギーＭＥは、下層の光電変換部において光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎ以上のエネルギーであればよい。
【００３４】
ここで、本明細書において、高エネルギーＨＥとは、上記ＭＥｍｉｎの２倍以上のエネルギーを言い、低エネルギーＬＥとは、上記ＭＥｍｉｎ未満のエネルギーを言うものとする。
【００３５】
以下、図９および図１０を参照しながら、高エネルギーＨＥの光子を複数の光電変換エネルギーＭＥを有する複数の光子に分解する現象が生じることを説明する。
【００３６】
図９は、量子ドット型太陽電池における複数エキシトン生成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００３７】
前述の「（２）複数エキシトン生成効果」の欄でも説明したように、上位の軌道（ここではＥ３）まで励起された電子が、より下位の軌道（ここではＥ１）まで落ちる際に、同じ量子井戸中の別の電子を励起するインパクトイオン化が生じ、更なる、電子（エキシトン）を生成する（図９（Ａ）（Ｂ）参照）。
【００３８】
図９（Ｃ）は、図９（Ａ）および（Ｂ）で示した２つのエキシトン生成過程を表すファインマン図形である。ここでは、光は破線で、また電子とホールは矢印の付いた実線で示されている。電子とホールの区別は矢印の方向によってなされる。即ち、その方向が時間方向と一致する場合は電子、逆になる場合はホールである。
【００３９】
図１０は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部における光子分解効果（複数光子生成効果）を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００４０】
この場合、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、高エネルギーＨＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ３）まで励起された電子が、より下位の軌道（ここではＥ２）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。さらに、より下位の軌道（ここではＥ１）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。
【００４１】
このように、高エネルギーＨＥの光子が光電変換エネルギーＭＥの２つの光子となる。かかる効果を、ここでは「光子分解効果」という。当該効果は、言い換えれば、低波長（高エネルギーＨＥ）の１つの光が、高波長（ＨＥより低いエネルギーである光電変換エネルギーＭＥ）の２つの光に波長変換されることとなる。
【００４２】
図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）で示した２つの光子分解過程を表すファインマン図形である。図１０（Ｄ）から、量子ドットと外部との間でやりとりされるのは光子だけであり、電子やホールという電荷のやりとりは全くないことが分かる。即ち、量子ドットが下層の光電変換部の電気回路系に組み込まれることなく、１つの光子が２つの光子となることが一目瞭然に理解できる。
【００４３】
一方、光と電子・ホール系と類似する系として光と電子・陽電子系がある。これはホールを陽電子に置き換えた系であり、量子電気力学によって取り扱われる。量子電気力学によれば、図１０（Ｄ）のファインマン図形に対応する光と電子・陽電子の過程は、電子と陽電子に付く矢印を反対にして得られる過程と相殺して観測にかからないことが知られている（ファリイの定理）。
【００４４】
しかしながら、本実施の形態における光と電子・ホール系は以下の３点（Ｉ〜ＩＩＩ）で光と電子・陽電子系とは異なっている。Ｉ．格子振動（熱）の影響を受けている。ＩＩ．電子とホールの対称性は完全ではなく、たとえばそれらの質量に差がある。ＩＩＩ．量子ドットのバンド構造は真空のそれと異なる。以上の理由により、図１０（Ｄ）のファインマン図形の過程にその電子とホールに付く矢印を反対にして得られる過程を加えても相殺しない。それゆえ、この過程は実際に起きる過程であることが分かる。
【００４５】
このように、量子ドットの効果として、前述の複数エキシトン効果が生じるが、一方で、上記光子分解効果も生じることが上記ファインマン図により分かる。
【００４６】
よって、本実施の形態においては、量子ドットｄを含有する層（１Ｂ）を光電変換部１Ａの上層に配置し、光子を分解し、光電変換部１Ａに入射する光子数を増やすことで、光電効率の向上を図ることができる。
【００４７】
ここで、後述の実施の形態２で説明するように、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部１Ｂにおいては、光子合成効果（複数光子合成効果）も生じる。即ち、低エネルギーＬＥの２つの光子が光電変換エネルギーＭＥの１つの光子に合成される。かかる効果によれば、光電変換エネルギーＭＥの２つの光子を高エネルギーＨＥの１つの光子に合成してしまう場合もあり得るため、本実施の形態の光電変換装置は、次の条件下において効果的である。
【００４８】
即ち、入射光において、高エネルギーＨＥ光子が低エネルギーＬＥ光子より多い場合には、分解現象が優先的となり、入射する光子数の増大による光電効果の向上を図ることができる。
【００４９】
特に、下層の光電変換部１Ａにおいて光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎより、量子井戸中の電子軌道のエネルギー準位（図１０のＥ１〜Ｅ３、図４（Ｂ）のＥ１〜Ｅ６）間のギャップが大きくなるよう調整することで、光子分解により生成した光子を下層の光電変換部１Ａで効果的に活用することができる。
【００５０】
上記エネルギー準位間のギャップは、例えば、［１］量子ドットｄやマトリクス層Ｍの材料を適宜選択し組み合わせる、また、［２］量子ドットｄの周期性（例えば、薄膜の厚さなど）を変えることにより変化させることができる。
【００５１】
＜実施の形態２＞
上記実施の形態１においては、光子分解効果を利用したが、光子合成効果を利用してもよい。
【００５２】
図１１は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態の光電変換装置の構成は、実施の形態１と同様である。
【００５３】
但し、ここでは、光子合成効果を利用し、今まで光電効果に寄与しなかった光子を波長変換部１Ｂで光電効果に寄与できる光子に変換（合成）し、光電効果の向上を図る。
【００５４】
図１２は、本実施の形態の光電変換装置の波長変換部における光子合成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【００５５】
この場合、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、低エネルギーＬＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ１→Ｅ２）まで励起された電子が、さらに、低エネルギーＬＥの光子により、上位の軌道（ここではＥ２→Ｅ３）まで励起され、より下位の軌道（ここではＥ１）に落ちる際に、光電変換エネルギーＭＥの光を放出する（ＭＥの光子となる。）。
【００５６】
このように、低エネルギーＬＥの２つの光子が光電変換エネルギーＭＥの１つの光子に合成される。言い換えれば、高波長（低エネルギーＬＥ）の２つの光が、低波長（ＬＥより高いエネルギーである光電変換エネルギーＭＥ）の１つの光に波長変換される。
【００５７】
図１２（Ｄ）は、図１２（Ａ）〜（Ｃ）で示した２つの光子合成過程を表すファインマン図形である。前述したように、上記光子分解も光子合成も同様の確率で生じることから、本実施の形態の光電変換装置は、次の場合に効果的であることがわかる。
【００５８】
即ち、入射光において、低エネルギーＬＥ光子が高エネルギーＨＥ光子より多い場合には、合成現象が優先的となり、今まで光電効果に寄与しなかった光子を波長変換部１Ｂで光電効果に寄与できる光子に変換（合成）し、光電効果の向上を図ることができる。
【００５９】
特に、下層の光電変換部１Ａにおいて光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎより、量子井戸中の電子軌道のエネルギー準位（図１０のＥ１〜Ｅ３、図４（Ｂ）のＥ１〜Ｅ６）間のギャップが小さくなるよう調整することで、光子合成により生成した光子を下層の光電変換部１Ａで効果的に活用することができる。
【００６０】
上記エネルギー準位間のギャップは、例えば、［１］量子ドットｄやマトリクス層Ｍの材料を適宜選択し組み合わせる、また、［２］量子ドットｄの周期性（例えば、薄膜の厚さなど）を変えることにより変化させることができる。
【００６１】
＜実施の形態３＞
図１３は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。本実施の形態においては、図１３に示すように、プリズムなどの分光器３を用いて、高エネルギーＨＥの光子を選択的に波長変換部１Ｂに入射し、高エネルギーＬＥの光子を光電変換エネルギーＭＥの光子に分解した後、光電変換部１Ａに入射させる。この入射には、例えば、ミラー５などによる反射を用いてもよいし、直接、分解光子（ＭＥ）が入射するように光電変換部１Ａを配置してもよい。
【００６２】
このように、選択的に高エネルギーＨＥの光子を波長変換部１Ｂに入射させることで、実施の形態１で詳細に説明したように、光電変換部１Ａに入射する光子数の増大による光電効果の向上を図ることができる。また、ＨＥ以下のエネルギーの光子は、波長変換部１Ｂを介さず光電変換部１Ａに入射させることで、光電変換エネルギーＭＥの光子の不要な合成を回避でき、光電効果の向上を図ることができる。
【００６３】
＜実施の形態４＞
図１４は、本実施の形態の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。本実施の形態においては、図１４（Ａ）に示すように、２つの光電変換部１ＡＡと１ＡＢとの間に、波長変換部１Ｂを配置する。２つの光電変換部１ＡＡと１ＡＢは、ほぼ同じ構成（性能）であり、光電変換に必要な最低のエネルギーＭＥｍｉｎが同程度である。
【００６４】
この場合、図１４（Ｂ）に示すように、光の入射側に配置された光電変換部１ＡＡにおいて、光電効果に寄与しなかった低エネルギーＬＥの光子（ＭＥｍｉｎ未満の光子）が、光電変換部１ＡＡを透過し、波長変換部１Ｂに到達する。この波長変換部１Ｂで、低エネルギーＬＥの光子が合成され、光電変換エネルギーＭＥの光子となり、最下層の光電変換部１ＡＢにおいて光電変換に寄与する。このように、光電効率を向上させることができる。
【００６５】
通常、このようなタンデム型光電変換装置においては、下層の光電変換部においては、光電変換に必要な最低のエネルギーを小さく設計する必要があるが、本実施の形態においては、同じ光電変換装置（１ＡＡ、１ＡＢ）を用いても光電効率を向上させることができる。
【００６６】
なお、上記実施の形態１〜４においては、量子ドットｄの配置に周期性をもたせた（図２参照）が、量子ドットｄがランダムに分散されたマトリクス層を波長変換部１Ｂとして用いてもよい。この場合、図８を参照しながら説明したように、量子井戸間のトンネル効果が起こりにくい箇所が存在するが、各量子井戸中での光子の合成や分解が可能であり、前述の効果を奏する。
【００６７】
また、上記実施の形態１〜４においては、２つの光子への分解や２つの光子の合成を例に説明したが、３以上の光子への分解や、３以上の光子の合成も考えられ、これれの現象によっても前述の効果を奏する。
【００６８】
＜電子機器＞
上記光電変換装置は、各種電子機器に組み込むことができる。適用できる電子機器に制限はないがその一例について説明する。
【００６９】
図１５は、本発明の太陽電池（光電変換装置）を適用した電卓を示す平面図、図１６は、本発明の太陽電池（光電変換装置）を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）を示す斜視図である。
【００７０】
図１５に示す電卓１００は、本体部１０１と、本体部１０１の上面（前面）に設けられた表示部１０２、複数の操作ボタン１０３および光電変換素子設置部１０４とを備えている。
【００７１】
図１５に示す構成では、光電変換素子設置部１０４には、光電変換素子１が５つ直列に接続されて配置されている。この光電変換素子１として上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７２】
図１６に示す携帯電話機２００は、本体部２０１と、本体部２０１の前面に設けられた表示部２０２、複数の操作ボタン２０３、受話口２０４、送話口２０５および光電変換素子設置部２０６とを備えている。
【００７３】
図１６に示す構成では、光電変換素子設置部２０６が、表示部２０２の周囲を囲むようにして設けられ、光電変換素子１が複数、直列に接続されて配置されている。この光電変換素子１として上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７４】
なお、本発明の電子機器としては、図１５に示す電卓、図１６に示す携帯電話機の他、例えば、光センサー、光スイッチ、電子手帳、電子辞書、腕時計、クロック等に適用することもできる。
【００７５】
図１７は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計１１００は、表示部１１０１を備え、例えば、この表示部１１０１の外周に、上記光電変換装置を組み込むことができる。
【００７６】
また、上記光電変換装置を、家庭用又は業務用の太陽光発電システムに用いてもよい。
【００７７】
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施の形態１の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態１の光電変換装置の波長変換部１Ｂの構造を示す断面図である。
【図３】量子サイズ効果を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図４】バルクの場合および量子ドットの場合のエネルギーバンド図である。
【図５】超格子構造を模式的に示した断面斜視図である。
【図６】ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図である。
【図７】ミニバンドが形成された場合のエネルギーバンド図である。
【図８】ミニバンドが形成されない場合のエネルギーバンド図である。
【図９】量子ドット型太陽電池における複数エキシトン生成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１０】実施の形態１の光電変換装置の波長変換部における光子分解効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１１】実施の形態２の光電変換装置（太陽電池）の構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】実施の形態２の光電変換装置の波長変換部における光子合成効果を示すエネルギーバンド図およびファインマン図である。
【図１３】実施の形態３の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態４の光電変換装置（太陽電池）の構成を示す図である。
【図１５】太陽電池（光電変換装置）を適用した電卓を示す平面図である。
【図１６】太陽電池（光電変換装置）を適用した携帯電話機を示す斜視図である。
【図１７】電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７９】
１Ａ…光電変換部、１ＡＡ、１ＡＢ…光電変換部、１Ｂ…波長変換部、３…分光器、５…ミラー、１００…電卓、１０１…本体部、１０２…表示部、１０３…操作ボタン、１０４…光電変換素子設置部、２００…携帯電話機、２０１…本体部、２０２…表示部、２０３…操作ボタン、２０４…受話口、２０５…送話口、２０６…光電変換素子設置部、１１００…腕時計、１１０１…表示部、ｄ…量子ドット、Ｅｇ…量子ドットのバンドギャップ、Ｅｇｓ…マトリクス層のバンドギャップ、ｅ…電子、Ｅ１〜Ｅ６…エネルギー準位、ｈ…ホール、ＨＥ…高エネルギー、ＬＥ…低エネルギー、Ｍ…マトリクス層、ＭＥ…光電変換エネルギー、ＭＥｍｉｎ…光電変換部において光電変換に必要な最低のエネルギー、Ｔａ、Ｔｂ…起電力取り出し端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、
前記光電変換部の光入射面の上方に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、
を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、
第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、
前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、
前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、
を有する、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい請求項１又は２記載の光電変換装置。
【請求項４】
更に、分光器を有し、
前記分光器を介して所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記波長変換部に入射させ、
前記分光器を介して前記所定のエネルギー未満のエネルギー光を前記光電変換部に入射させる、
請求項１乃至３のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記波長変換部は、前記所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記光電変換部で利用可能な光に変換し、
前記利用可能な光が前記光電変換部に入射される、
請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
第１光電変換部と、
第２光電変換部と、
前記第１光電変換部および前記第２光電変換部の間に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、
を有することを特徴とする、光電変換装置。
【請求項７】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、
第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、
前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、
前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、
を有する、請求項６記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい請求項６又は７記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１光電変換部を通過した光が、前記波長変換部により前記第２光電変換部で利用可能な光に変換され、
前記利用可能な光が前記第２光電変換部に入射される、
請求項６乃至８のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項記載の光電変換装置を有する電子機器。
【請求項１】
光電変換部と、
前記光電変換部の光入射面の上方に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、
を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、
第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、
前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、
前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、
を有する、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい請求項１又は２記載の光電変換装置。
【請求項４】
更に、分光器を有し、
前記分光器を介して所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記波長変換部に入射させ、
前記分光器を介して前記所定のエネルギー未満のエネルギー光を前記光電変換部に入射させる、
請求項１乃至３のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記波長変換部は、前記所定のエネルギー以上のエネルギー光を前記光電変換部で利用可能な光に変換し、
前記利用可能な光が前記光電変換部に入射される、
請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
第１光電変換部と、
第２光電変換部と、
前記第１光電変換部および前記第２光電変換部の間に配置され、複数のナノ結晶粒を含有する層を有する波長変換部と、
を有することを特徴とする、光電変換装置。
【請求項７】
前記複数のナノ結晶粒を含有する層は、
第１層上に配置された第１の複数のナノ結晶粒と、
前記第１層上に前記第１の複数のナノ結晶粒を介して配置された第２層と、
前記第２層上に配置された第２の複数のナノ結晶粒と、
を有する、請求項６記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップおよび前記第２の複数のナノ結晶粒の各々のバンドギャップは、前記複数のナノ結晶粒を含有する層のバンドギャップより小さい請求項６又は７記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１光電変換部を通過した光が、前記波長変換部により前記第２光電変換部で利用可能な光に変換され、
前記利用可能な光が前記第２光電変換部に入射される、
請求項６乃至８のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項記載の光電変換装置を有する電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１１８４９１（Ｐ２０１０−１１８４９１Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０５８５（Ｐ２００８−２９０５８５）
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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