(57)【要約】【課題】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。【解決手段】光照射により電子及び正孔を生成するキャリア発生層と、電子を収集する負電極と、正孔を収集する正電極とを具備し、負電極及び／又は正電極とキャリア発生層とが直接接触しておらず、負電極の少なくとも一部及び／又は正電極の少なくとも一部が、キャリア発生層の内部に埋設されており、キャリア発生層の内部に負電極が埋設されている場合には、埋設された負電極とキャリア発生層とが、正孔の移動を阻止し電子の移動を許容する電子移動層を介して接続され、キャリア発生層の内部に正電極が埋設されている場合には、埋設された正電極とキャリア発生層とが、電子の移動を阻止し正孔の移動を許容する正孔移動層を介して接続されている、太陽電池とする。【選択図】図１
2010171298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射により電子及び正孔を生成するキャリア発生層と、前記電子を収集する負電極と、前記正孔を収集する正電極とを具備し、
前記負電極及び／又は前記正電極と前記キャリア発生層とが、直接接触しておらず、
前記負電極の少なくとも一部と前記キャリア発生層とが、前記正孔の移動を阻止し前記電子の移動を許容する電子移動層を介して接続され、
前記正電極の少なくとも一部と前記キャリア発生層とが、前記電子の移動を阻止し前記正孔の移動を許容する正孔移動層を介して接続され、
前記負電極の少なくとも一部、及び／又は、前記正電極の少なくとも一部が、前記キャリア発生層の内部に埋設されており、
前記キャリア発生層の内部に前記負電極が埋設されている場合には、埋設された前記負電極と前記キャリア発生層とが、前記電子移動層を介して接続され、
前記キャリア発生層の内部に前記正電極が埋設されている場合には、埋設された前記正電極と前記キャリア発生層とが、前記正孔移動層を介して接続されることを特徴とする、太陽電池。
【請求項２】
さらに、前記キャリア発生層へ光を集める集光手段が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記キャリア発生層の内部に前記負電極が埋設されている場合には、埋設された前記負電極の断面積が、受光面へ近づくほど小さくなるように構成され、
前記キャリア発生層の内部に前記正電極が埋設されている場合には、埋設された前記正電極の断面積が、受光面へ近づくほど小さくなるように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【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、ホットキャリア理論を応用した太陽電池（以下において、「ホットキャリア太陽電池」という。）がある。ホットキャリア太陽電池では、高エネルギーの電子や正孔（以下において、電子及び正孔をまとめて「キャリア」ということがある。）と低エネルギーのキャリアとの相互作用により、エネルギーの授受及び再放出が起こり、所定のエネルギー分布を有する電子が伝導帯中に、所定のエネルギー分布を有する正孔が価電子帯中に、それぞれ生成されることを利用する。このようなホットキャリア太陽電池によれば、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】
太陽電池（光電変換素子も含む）に関する技術として、例えば特許文献１には、受光面を有する半導体基板内部に埋め込まれた電極を備える内部電極型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、半導体基板の一面側に受光面が形成され、他面側に配設されたｐ型半導体層又はｎ型半導体層からなる溝に電極材料を充填した太陽電池が開示されている。また、特許文献３には、キャリアの生成及び収集を行う半導体層に形成された開口部に設けられた電極を具備する太陽電池が開示されている。また、特許文献４には、ＩＶ族材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、基板裏面側のｐｎ接合部を構成するｐ層とｎ層との間に量子井戸部を設けた光電変換素子が開示されている。また、特許文献５には、半導体基板上に平面方向に複数形成された光電変換層を有すると共に、光電変換層の受光面側及び裏面側に形成された受光面電極及び裏面電極を有する太陽電池セルと、太陽電池セルの受光面側にかつ複数の光電変換層に対応する位置に形成されたレンズ群とを備える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２００７−３０５９２７号公報
【特許文献２】特開２００４−４７８２４号公報
【特許文献３】特開２００４−９５６６９号公報
【特許文献４】特開２００４−７９７０９号公報
【特許文献５】特開２００８−１２４３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、傾斜面を有する形状の内部電極を半導体基板内部に埋め込むことにより、光路長を長くすることが可能になる。さらに、複数の内部電極を半導体基板内部に埋め込むことにより、キャリアが電極へ到達するまでの移動距離を低減することも可能になる。しかしながら、特許文献１に開示されている太陽電池には、キャリアの寿命を延長させる構成が備えられていない。そのため、この技術をホットキャリア太陽電池にそのまま適用しても、光電変換効率を向上させ難いという問題があった。かかる問題は、特許文献１に開示されている技術と、特許文献２〜特許文献５に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
【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太陽電池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、光照射により電子及び正孔を生成するキャリア発生層と、電子を収集する負電極と、正孔を収集する正電極とを具備し、負電極及び／又は正電極とキャリア発生層とが、直接接触しておらず、負電極の少なくとも一部とキャリア発生層とが、正孔の移動を阻止し電子の移動を許容する電子移動層を介して接続され、正電極の少なくとも一部とキャリア発生層とが、電子の移動を阻止し正孔の移動を許容する正孔移動層を介して接続され、負電極の少なくとも一部及び／又は正電極の少なくとも一部が、キャリア発生層の内部に埋設されており、キャリア発生層の内部に負電極が埋設されている場合には、埋設された負電極とキャリア発生層とが電子移動層を介して接続され、キャリア発生層の内部に正電極が埋設されている場合には、埋設された正電極とキャリア発生層とが正孔移動層を介して接続されることを特徴とする、太陽電池である。
【０００９】
ここに、本発明において、「電子移動層」とは、壁層中に、量子井戸層、量子細線、又は、量子ドット等に代表される量子構造部を有する層をいう。電子移動層の量子構造部では、量子効果により、電子が存在できる共鳴準位のエネルギー幅を狭くすることができ、当該量子構造部に存在する複数の電子同士に量子的な共鳴現象を生じさせることによって、電子がエネルギーを失うまでの時間（寿命）を延ばすことができる。さらに、本発明において、「正孔移動層」とは、壁層中に、量子井戸層、量子細線、又は、量子ドット等に代表される量子構造部を有する層をいう。正孔移動層の量子構造部では、量子効果により、正孔が存在できる共鳴準位のエネルギー幅を狭くすることができ、当該量子構造部に存在する複数の正孔同士に量子的な共鳴現象を生じさせることによって、正孔がエネルギーを失うまでの時間（寿命）を延ばすことができる。
【００１０】
また、上記本発明において、さらに、キャリア発生層へ光を集める集光手段が備えられることが好ましい。
【００１１】
また、上記本発明において、キャリア発生層の内部に負電極が埋設されている場合には、埋設された負電極の断面積が、受光面へ近づくほど小さくなるように構成され、キャリア発生層の内部に正電極が埋設されている場合には、埋設された前記正電極の断面積が、受光面へ近づくほど小さくなるように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の太陽電池では、負電極の少なくとも一部及び／又は正電極の少なくとも一部がキャリア発生層の内部に埋設されている。そのため、キャリア発生層の厚さに関係なく、キャリアが電極へ達するまでの移動距離を低減することができる。さらに、本発明の太陽電池では、負電極がキャリア発生層の内部に埋設されている場合は、電子の寿命を延ばすことが可能な電子移動層を介してキャリア発生層と負電極とが接続され、正電極がキャリア発生層の内部に埋設されている場合は、正孔の寿命を延ばすことが可能な正孔移動層を介してキャリア発生層と正電極とが接続される。したがって、本発明によれば、キャリアの移動距離を低減し、かつ、キャリアの寿命を伸ばすことにより、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。
【００１３】
また、本発明において、さらに集光手段が備えられることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００１４】
また、本発明において、キャリア発生層の内部に埋設された電極（負電極及び／又は正電極）の断面積が、受光面へ近づくほど小さくなるように構成することにより、キャリア発生層で吸収される光量を増大させることが可能になる。さらに、キャリア発生層における光路長を長くすることも可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、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】
【００１５】
【図１】太陽電池１０の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。
【図２】太陽電池１０の形態例を概略的に示す断面図である。
【図３】キャリアの生成形態及び移動形態を説明する図である。図３（ａ）は、太陽電池１０の一部を概略的に拡大して示す断面図である。図３（ｂ）は、キャリア発生層１１で生成されたキャリアの生成形態及び移動形態を概略的に示すバンド図である。
【図４】キャリア発生層１１における電子密度分布及び正孔密度分布と、電子移動層１４の共鳴準位と、正孔移動層１５の共鳴準位との関係を概略的に示すバンド図である。
【図５】太陽電池２０の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。
【図６】太陽電池２０の形態例を概略的に示す断面図である。
【図７】太陽電池３０の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。
【図８】太陽電池３０の形態例を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
これまでに提案されているホットキャリア太陽電池は、キャリア発生層で発生させたキャリアを、その寿命内に電極へと到達させるべく、キャリア発生層の厚さを薄くしてキャリアの移動距離を低減する等の対策を施していた。ところが、キャリア発生層の厚さを薄くすると、キャリア発生層における光路長が短くなって光の吸収効率が低下するため、光電変換効率を向上させ難い。それゆえ、ホットキャリア太陽電池の光電変換効率を向上させるためには、キャリア発生層の厚さを厚くすること、及び、発生したキャリアの寿命を延ばすことが有効であると考えられる。
【００１７】
本発明者らは、鋭意研究の結果、電極をキャリア発生層へと埋設することによって、キャリアが電極へと到達するまでの移動距離を低減することが可能になり、その結果、キャリア発生層の厚さを厚くすることが可能になることを知見した。さらに、本発明者らは、鋭意研究の結果、量子効果によりキャリアを閉じ込めることが可能なキャリア移動層（電子移動層、正孔移動層）を、キャリア発生層へと埋設した電極（負電極、正電極）の周囲に配置することにより、キャリアの寿命延長が可能になることを知見した。
【００１８】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、負電極の少なくとも一部及び／又は正電極の少なくとも一部をキャリア発生層へと埋設し、埋設した電極の周囲にキャリア移動層を配置することにより、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を、主な要旨とする。
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。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。
【００２０】
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（以下において、「太陽電池１０」という。）の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。図２は、太陽電池１０の形態例を概略的に示す断面図である。図１及び図２では、太陽電池１０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図１では、一部符号の記載を省略している。
【００２１】
図１及び図２に示すように、太陽電池１０は、キャリア発生層１１と、負電極１２と、正電極１３とを有し、負電極１２と正電極１３との間に、キャリア発生層１１が配置されている。負電極１２は、負電極１２ｘ、１２ｘ、…と金属細線１２ｙ、１２ｙ、…を有し、負電極１２ｘ、１２ｘ、…は、キャリア発生層１１に形成された凹部１７、１７、…に配置されている。負電極１２とキャリア発生層１１との間には、電子移動層１４が配置されており、負電極１２ｘ、１２ｘ、…は、金属細線１２ｙ、１２ｙ、…によって連結されている。一方、キャリア発生層１１と正電極１３との間には正孔移動層１５が配置されており、キャリア発生層１１と正孔移動層１５との間には、正孔を収集可能なｐ型半導体によって構成されるｐ型層１６が配置されている。
【００２２】
太陽電池１０に、例えば図１及び図２の紙面上方から太陽光を照射すると、キャリア発生層１１で電子及び正孔が生成される。キャリア発生層１１で生成された電子は、キャリア発生層１１から電子移動層１４を通って負電極１２へと達する。ここで、負電極１２は、その一部である負電極１２ｘ、１２ｘ、…がキャリア発生層１１の内部へと入り込んで（埋設されて）いる。そのため、負電極１２の一部がキャリア発生層１１の内部へと入り込んでいない場合と比較して、太陽電池１０によれば、キャリア発生層１１で生成された電子が負電極１２へと達するまでの移動距離を低減することができる。さらに、太陽電池１０では、キャリア発生層１１の内部へと入り込んだ負電極１２ｘ、１２ｘ、…の周囲に電子移動層１４が配置され、負電極１２ｘ、１２ｘ、…は、電子移動層１４を介してキャリア発生層１１と接続されている。後述するように、電子移動層１４は、壁層１４ｘとなる広いバンドギャップ材料に、複数の量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…を分散して埋設した構造を有し、量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…の量子効果により、電子移動層１４の共鳴準位は、限られた狭いエネルギー幅とされている（図３参照）。かかる構成とすることにより、キャリア発生層１１で生成された電子のうち、電子移動層１４の共鳴準位のエネルギー幅と一致するエネルギーを有する電子のみを、電子移動層１４へと移動させることができるので、電子のエネルギー損失を低減することができる。さらに、複数の量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…を分散して埋設することにより、電気的に隔離された微小空間を電子移動層１４に複数形成することができる。このようにして複数の微小空間が形成されると、各微小空間内に存在する電子は量子的な共鳴現象を引き起こすので、電子の寿命を延ばすことができる。したがって、太陽電池１０によれば、電子の移動距離を低減することができ、さらに、電子の寿命を延長させることができる。
【００２３】
一方、キャリア発生層１１で生成された正孔は、キャリア発生層１１からｐ型層１６及び正孔移動層１５を通って正電極１３へと達する。後述するように、正孔移動層１５は、壁層１５ｘとなる広いバンドギャップ材料に、複数の量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…を分散して埋設した構造を有し、量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…の量子効果により、正孔移動層１５の共鳴準位は、限られた狭いエネルギー幅とされている（図３参照）。かかる構成とすることにより、キャリア発生層１１で生成された正孔のうち、正孔移動層１５の共鳴準位のエネルギー幅と一致するエネルギーを有する正孔のみを、正孔移動層１５へと移動させることができるので、正孔のエネルギー損失を低減することができる。さらに、複数の量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…を分散して埋設することにより、電気的に隔離された微小空間を正孔移動層１５に複数形成することが出来る。このようにして複数の微小空間が形成されると、各微小空間内に存在する正孔は量子的な共鳴現象を引き起こすので、正孔の寿命を延ばすことができる。したがって、太陽電池１０によれば、正孔の寿命を延長させることができる。
【００２４】
ここで、電子や正孔は、微小空間内に閉じ込められると、再結合して消失しやすくなると言われている。これに対し、太陽電池１０では、複数の微小空間が形成された電子移動層１４と負電極１２とが接続され、複数の微小空間が形成された正孔移動層１５と正電極１３とが接続されている。そのため、太陽電池１０によれば、再結合する前に負電極１２へと到達する電子、及び、正電極１３へと到達する正孔の数を増大させることが可能になる。
【００２５】
図３は、太陽電池１０におけるキャリアの生成形態及び移動形態を説明する図であり、ｐ型層１６の記載を省略している。図３（ａ）は、太陽電池１０の一部を概略的に拡大して示す断面図であり、図３（ｂ）は、キャリア発生層１１で生成されたキャリアの生成形態及び移動形態を概略的に示すバンド図である。図３（ｂ）の上下方向は、電子のエネルギーの高低と対応しており、図３（ｂ）の「●」は電子を、「○」は正孔を、それぞれ表している。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、紙面左右方向の位置がそれぞれ対応している。図４は、キャリア発生層１１における電子密度分布及び正孔密度分布と、電子移動層１４の共鳴準位と、正孔移動層１５の共鳴準位との関係を概略的に示すバンド図である。以下、図３及び図４を参照しつつ、太陽電池１０におけるキャリアの生成形態及び移動形態について、説明を続ける。
【００２６】
図３及び図４に示すように、太陽電池１０に太陽光を照射すると、キャリア発生層１１では、複数の電子及び複数の正孔がそれぞれ生成される。キャリア発生層１１で生成された複数の電子は、様々なエネルギーを有しており、キャリア発生層１１では、相対的に高エネルギーの電子及び相対的に低エネルギーの電子が存在している。図３及び図４に示すように、電子移動層１４の共鳴準位のエネルギー幅は、キャリア発生層１１の共鳴準位のエネルギー幅よりも狭く、電子移動層１４の共鳴準位がキャリア発生層１１で生成された複数の電子の平均エネルギーと近接するように、電子移動層１４が構成されている。かかる形態とすることにより、平均化されたエネルギーの電子のみを、キャリア発生層１１から電子移動層１４を介して負電極１２へと移動させることができるため、電子のエネルギー損失を抑制することができる。
【００２７】
一方、図３及び図４に示すように、キャリア発生層１１で生成された複数の正孔は、様々なエネルギーを有しており、キャリア発生層１１では、相対的に高エネルギーの正孔及び相対的に低エネルギーの正孔が存在している。図３及び図４に示すように、正孔移動層１５の共鳴準位のエネルギー幅は、キャリア発生層１１の共鳴準位のエネルギー幅よりも狭く、正孔移動層１５の共鳴準位が、キャリア発生層１１で生成された複数の正孔の平均エネルギーと近接するように、正孔移動層１５が構成されている。かかる形態とすることにより、平均化されたエネルギーの正孔のみを、キャリア発生層１１から正孔移動層１５を介して正電極１３へと移動させることができるため、正孔のエネルギー損失を抑制することができる。
【００２８】
以上、説明したように、太陽電池１０によれば、（１）電子の移動距離を低減することができ、（２）電子及び正孔の寿命を延長させることができ、（３）電子及び正孔のエネルギー損失を抑制することができる。そのため、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。
【００２９】
太陽電池１０において、キャリア発生層１１は、光を照射することにより電子及び正孔を生成する半導体材料によって構成されていれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の半導体材料を用いることができる。キャリア発生層１１は、例えば、バンドギャップが０．５ｅＶ〜１．０ｅＶとなる半導体材料を主成分とすることができる。
【００３０】
また、太陽電池１０において、負電極１２は、太陽電池の負電極として利用可能な各種導電性材料によって構成することができる。電気抵抗を小さくするという観点から、負電極１２ｘ、１２ｘ、…の高さ（図２の紙面上下方向の長さ）は、１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることが好ましく、負電極１２ｘ、１２ｘ、…の円柱径（直径）は１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることが好ましい。また、電子移動層を形成する障壁層間で共鳴を生じさせるという観点から、キャリアを挟んだ移動層間の距離を、３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３１】
また、太陽電池１０において、正電極１３は、太陽電池の正電極として利用可能な各種導電性材料によって構成することができる。電気抵抗を小さくするという観点から、正電極１３の厚さは、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３２】
また、太陽電池１０において、電子移動層１４は、壁層１４ｘとなる広いバンドギャップ材料に複数の量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…が埋設された構造を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。太陽光を吸収せず、且つ、絶縁体を担保するという観点から、壁層１４ｘを構成する材料のバンドギャップは、４．０ｅＶ〜５．０ｅＶとすることが好ましく、壁層１４ｘの厚さは２ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。加えて、電子移動層１４の共鳴準位を、キャリア発生層１１で生成された複数の電子の平均エネルギーに近接させやすくする等の観点から、量子ドット１４ｙを構成する材料のバンドギャップは、１．８ｅＶ〜２．２ｅＶとすることが好ましく、量子ドット１４ｙの直径は１００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、各量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…に存在する電子同士が量子的な共鳴現象を引き起こし得る形態にする等の観点から、隣り合う量子ドット１４ｙ、１４ｙの中心間距離は、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、太陽電池１０に関する上記説明では、量子ドット１４ｙ、１４ｙ、…が埋設された電子移動層１４を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池における電子移動層には、量子井戸や量子細線を用いても良い。
【００３３】
また、太陽電池１０において、正孔移動層１５は、壁層１５ｘとなる広いバンドギャップ材料に複数の量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…が埋設された構造を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。太陽光を吸収せず、且つ、絶縁体を担保するという観点から、壁層１５ｘを構成する材料のバンドギャップは、４．０ｅＶ〜５．０ｅＶとすることが好ましく、壁層１５ｘの厚さは２ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。加えて、正孔移動層１５の共鳴準位を、キャリア発生層１１で生成された複数の正孔の平均エネルギーに近接させやすくする等の観点から、量子ドット１５ｙを構成する材料のバンドギャップは、１．２ｅＶ〜１．８ｅＶとすることが好ましく、量子ドット１５ｙの直径は４ｎｍ〜７ｎｍとすることが好ましい。また、各量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…に存在する正孔同士が量子的な共鳴現象を引き起こし得る形態にする等の観点から、隣り合う量子ドット１５ｙ、１５ｙの中心間距離は、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、太陽電池１０に関する上記説明では、量子ドット１５ｙ、１５ｙ、…が埋設された正孔移動層１５を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池における正孔移動層には、量子井戸や量子細線を用いても良い。
【００３４】
また、太陽電池１０において、ｐ型層１６は、太陽電池のｐ型層として利用可能な半導体材料によって構成することができる。
【００３５】
本発明にかかる太陽電池１０を製造するには、例えば、まず、正電極１３の表面に、正孔移動層１５、ｐ型層１６、及び、キャリア発生層１１を順に形成し、次いで、エッチング等により凹部１７、１７、…を形成する。続いて、形成した凹部１７、１７、…及びキャリア発生層１１の表面へ、電子移動層１４を形成し、凹部１７、１７、…に形成された電子移動層１４の表面へ負電極１２ｘ、１２ｘ、…を形成する。その後、負電極１２ｘ、１２ｘ、…を金属細線１２ｙ、１２ｙ、…で連結する。太陽電池１０は、このような過程を経て、作製することができる。太陽電池１０において、正電極１３、正孔移動層１５、ｐ型層１６、キャリア発生層１１、電子移動層１４、及び、負電極１２ｘ、１２ｘ、…は、蒸着等に代表される公知の方法により作製することができる。
【００３６】
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（以下において、「太陽電池２０」という。）の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。図６は、太陽電池２０の形態例を概略的に示す断面図である。図５及び図６では、太陽電池２０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図５及び図６では、一部符号の記載を省略している。図５及び図６において、太陽電池１０と同様の構成を採るものには、図１〜図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３７】
図５及び図６に示すように、太陽電池２０は、太陽電池１０に集光手段２１を追加した構成となっている。集光手段２１は、複数の光学レンズ２１ｘ、２１ｘ、…を有し、太陽電池２０では、集光手段２１によって集められた光の全て又はその一部が、キャリア発生層１１へと照射される。このような構成とすることにより、入射光を選択的にキャリア発生層１１へ集光することが可能になるため、光電変換効率を向上させることが容易になる。そのため、本発明によれば、光電変換効率を向上させて発電コストを低減することが可能な、太陽電池２０を提供することができる。
【００３８】
太陽電池２０において、光電変換効率を容易に向上させ得る形態にする等の観点から、光学レンズ２１ｘ、２１ｘ、…の集光度は１倍よりも大きいことが好ましい。また、同様の観点から、集光手段２１は、複数の微小レンズが連なったマイクロレンズアレイとすることが好ましく、キャリア発生層１１のみに集光可能な構成とすることが好ましい。
【００３９】
太陽電池２０に関する上記説明では、複数の光学レンズ２１ｘ、２１ｘ、…を備える集光手段２１を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、光学鏡を有する集光手段を具備する形態とすることも可能である。また、太陽電池２０に関する上記説明では、集光手段２１が太陽電池２０の表面側に配置される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、複数の方向（表面、裏面、及び、側面）から光をキャリア発生層１１へ集光可能な構成とすることも可能である。
【００４０】
３．第３実施形態
図７は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池（以下において、「太陽電池３０」という。）の形態例を概略的に示す鳥瞰図である。図８は、太陽電池３０の形態例を概略的に示す断面図である。図７及び図８では、太陽電池３０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図７及び図８では、一部符号の記載を省略している。図７及び図８において、太陽電池１０と同様の構成を採るものには、図１〜図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４１】
図７及び図８に示すように、太陽電池３０は、太陽電池１０の負電極１２及び電子移動層１４に代えて、受光面へ近づくほど断面積が小さくなるように構成された負電極３１及び電子移動層３２を具備し、負電極３１の一部及び電子移動層３２の一部は、キャリア発生層１１に形成された凹部３４、３４、…に配置されている。さらに、太陽電池３０は、太陽電池１０の正電極１３に代えて、光を透過可能な透明電極によって構成される正電極３３を具備している。このような形態とすることにより、キャリア発生層１１へと入射した光が、負電極３１によって遮られる事態を抑制でき、裏面に近い側に位置するキャリア発生層１１の部位にも光を到達させることが容易になる。すなわち、太陽電池３０によれば、キャリア発生層１１へと入射する光量（フォトン数）を増大させることができるので、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００４２】
さらに、太陽電池３０によれば、受光面と負電極３１との間に位置するキャリア発生層１１の部位で吸収できなかった光を、電子移動層３２及び負電極３１の傾斜した側面で反射することができるので、光路長を長くすることができる。そのため、かかる形態とすることにより、光の吸収効率を向上させてキャリアの発生数を増大させることができるので、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００４３】
このように、太陽電池３０によれば、光電変換効率を向上させることが容易になるので、太陽電池３０に備えられるキャリア発生層１１の厚さを、太陽電池１０に備えられるキャリア発生層１１の厚さよりも薄くした場合であっても、太陽電池１０と同等の性能を有する太陽電池３０を提供することが可能になる。それゆえ、太陽電池３０によれば、材料費を低減することも可能になる。
【００４４】
太陽電池３０において、負電極３１は、負電極１２と同様の材料によって構成することができ、正電極３３は、太陽電池の透明電極を作製可能な公知の材料によって構成することができる。電気抵抗を小さくするという観点から、負電極３１の高さ（図８の紙面上下方向の長さ）は、３００ｎｍ以上とすることが好ましい。また、キャリア発生層内での多重反射を促進するという観点から、負電極３１及び電子移動層３２の側面の傾斜角度は、受光面の法線方向に対して４５度以下とすることが好ましい。
【００４５】
太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、負電極１２、３１の一部がキャリア発生層１１の内部に入り込んで（埋設されて）いる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池は、正電極の一部がキャリア発生層の内部に入り込んでいる形態とすることも可能であり、負電極の一部及び正電極の一部がキャリア発生層の内部に入り込んでいる形態とすることも可能である。
【００４６】
また、太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、電子移動層１４の共鳴準位がキャリア発生層１１で生成された複数の電子の平均エネルギーと近接するように、電子移動層１４が構成されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。電子移動層１４の共鳴準位は、キャリア発生層１１で生成された複数の電子の平均エネルギーより高くしても良く、当該平均エネルギーより低くしても良い。ただし、電子移動層１４の共鳴準位を、電子の平均エネルギーよりも高くすると、キャリア発生層１１に存在する高エネルギーの電子が負電極１２、３１へと移動するため、キャリア発生層１１に存在する低エネルギーの電子へエネルギーを付与する高エネルギーの電子の濃度が減少する。そのため、電子移動層１４の共鳴準位よりも低いエネルギーの電子の濃度が増加し、負電極１２、３１へと移動できずに損失となる電子の濃度が増加する。一方、電子移動層１４の共鳴準位を、電子の平均エネルギーよりも低くすると、キャリア発生層１１に存在する低エネルギーの電子が負電極１２、３１へと移動するため、高エネルギーの電子のエネルギー損失が大きくなるほか、起電力が減少する。したがって、エネルギー損失及び起電力の低減を抑制して高効率の太陽電池を提供可能にする等の観点からは、電子移動層１４の共鳴準位がキャリア発生層１１で生成された複数の電子の平均エネルギーと近接するように、電子移動層１４を構成することが好ましい。
【００４７】
また、太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、正孔移動層１５の共鳴準位がキャリア発生層１１で生成された複数のホールの平均エネルギーと近接するように、正孔移動層１５が形成されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。正孔移動層１５の共鳴準位は、キャリア発生層１１で生成された複数のホールの平均エネルギーより低くしても良く、当該平均エネルギーより高くしても良い。ただし、正孔移動層１５の共鳴準位を、正孔の平均エネルギーよりも低くすると、キャリア発生層１１に存在する高エネルギーの正孔が正電極１３へと移動するため、キャリア発生層１１に存在する低エネルギーの正孔へエネルギーを付与する高エネルギーの正孔の濃度が減少する。そのため、正孔移動層１５の共鳴準位よりも高いエネルギーの正孔の濃度が増加し、正電極１３へと移動できずに損失となる正孔の濃度が増加する。一方、正孔移動層１５の共鳴準位を、正孔の平均エネルギーよりも高くすると、キャリア発生層１１に存在する低エネルギーの正孔が正電極１３へと移動するため、高エネルギーの正孔のエネルギー損失が大きくなるほか、起電力が減少する。したがって、エネルギー損失及び起電力の低減を抑制して高効率の太陽電池を提供可能にする等の観点からは、正孔移動層１５の共鳴準位がキャリア発生層１１で生成された複数の正孔の平均エネルギーと近接するように、正孔移動層１５を形成することが好ましい。
【００４８】
また、太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、ｐ型層１６が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池は、負電極１２、３１のキャリア発生層１１側に電子を収集可能なｎ型層を配置しても良く、ｎ型層及び／又はｐ型層１６が備えられない形態とすることも可能である。このほか、本発明の太陽電池は、受光面による光の反射を防止する機能を有する膜が設けられる形態とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の太陽電池は、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】
【００５０】
１０…太陽電池
１１…キャリア発生層
１２…負電極
１２ｘ…負電極
１２ｙ…金属細線（負電極）
１３…正電極
１４…電子移動層
１４ｘ…壁層
１４ｙ…量子ドット
１５…正孔移動層
１５ｘ…壁層
１５ｙ…量子ドット
１６…ｐ型層
１７…凹部
２０…太陽電池
２１…集光手段
２１ｘ…光学レンズ
３０…太陽電池
３１…負電極
３２…電子移動層
３３…正電極
３４…凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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