(57)【要約】【課題】  光電変換効率が高く、不純物が見つかっていない半導体材料であっても使用可能であり、信頼性や耐久性に優れた光起電素子を提供する。【解決手段】  半導体層４は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、その両面に形成された対の金属電極層とを有し、光起電効果によって入射光を電力に変換する光起電素子において、
前記半導体層は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助けることを特徴とする光起電素子。
【請求項２】
前記対の金属電極層は、互いに異なる仕事関数を持っていることを特徴とする請求項１に記載の光起電素子。
【請求項３】
前記対の金属電極層は、仕事関数が小さい方が負極であることを特徴とする請求項２に記載の光起電素子。
【請求項４】
前記半導体層は、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＴａＯ２から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光起電素子。
【請求項５】
前記半導体層は、窒化ホウ素から成り、前記金属電極層は、グラファイトを母体とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光起電素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光起電素子を光起電素子片として複数片有し、前記複数の光起電素子片は、相互に並列接続されており、複数の光起電素子片の前記半導体層はそれぞれ、バンドギャップが相互に異なっていることを特徴とする光起電素子。
【請求項７】
半導体層と、その両面に形成された対の金属電極層とを用意し、光起電効果によって入射光を電力に変換する光起電方法において、
前記半導体層は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助けることを特徴とする光起電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂漠、海洋、山岳等の僻地など屋外に配備される機器、人工衛星への装備機器、携帯型機器、あるいは省エネルギ対策や環境保全対策が望まれる機器等への電源供給手段として利用可能な、光起電効果によって太陽光等の入射光を電力に変換する光起電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光起電素子には、高い光電変換効率を発揮することが望まれている。
【０００３】
現在、光起電素子の多くは、それぞれ不純物ドーピングによるｐ型半導体とｎ型半導体とのｐｎ接合構造を有し、光励起によって生成された電子および正孔それぞれがｎ型領域、ｐ型領域に別れることにより、起電力を生じる。この種の光起電素子は、例えば特許文献１に開示されている。また、特許文献２には、ｐｎ接合構造をなす半導体として、自然界に存在する有機物を含む有機半導体を用いたものが開示されている。
【０００４】
また、ｐｎ接合構造に代わり、外部装置によって発生させた電界を印加し、励起キャリアの電子と正孔を分離させる技術が、例えば特許文献３に開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献４には、一方の金属電極層が光吸収層としても機能する対の金属電極層を有し、対の金属電極層同士の仕事関数の相違によって薄膜半導体内に電界を生じさせるようにした光起電素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２７３６０９号公報
【特許文献２】特開平５−２１８２３号公報
【特許文献３】特開２００２−２４６６１７号公報
【特許文献４】特開平０７−３８１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１、２に開示されたものも含め、ｐｎ接合構造を有する光起電素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体それぞれに不純物ドーピングする必要があり、このドーピングによって半導体の結晶性が劣化し、光励起により生じた電子と正孔の移動を阻害する虞がある。また、ドーピング工程を要することから、その分、生産性が低下する。さらに、ドナーやアクセプタになる不純物が見つかっていない半導体材料は使用できないという欠点もある。また、特許文献２に開示されたような有機半導体を有する光起電素子は、有機分子が比較的短期間に劣化するため、素子としての信頼性や耐久性に問題がある。
【０００８】
また、特許文献３に開示されたような外部から電界を発生させる構成の場合は、半導体結晶に存在する不純物準位、欠陥準位を電子がホッピングすることによって発生するリーク電流が発熱を招来するため、エネルギ利用効率に劣っている。
【０００９】
さらに、特許文献４に開示されたように、対の金属電極層同士の仕事関数の相違によって薄膜半導体内に電界を生じさせる技術は、金属半導体の界面におけるショットキー障壁を有している場合に、ショットキー障壁に起因する接触抵抗により発電効率を損なうという問題を有している。
【００１０】
それ故、本発明の課題は、光電変換効率が高く、不純物が見つかっていない半導体材料であっても使用可能であり、信頼性や耐久性に優れた光起電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば半導体層と、その両面に形成された対の金属電極層とを有し、光起電効果によって入射光を電力に変換する光起電素子において、前記半導体層は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助けることを特徴とする光起電素子、が得られる。
【００１２】
前記対の金属電極層は、互いに異なる仕事関数を持っていてもよい。この場合、前記対の金属電極層は、仕事関数が小さい方が負極であってもよい。ただし、前出の特許文献４の場合と異なり、ある程度の大きさのショットキー障壁の存在は、結晶内部電界の強度で補償でき、発電効率を損なうことは無い。
【００１３】
前記半導体層は、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＴａＯ２から成っていてもよい。
【００１４】
前記半導体層は、窒化ホウ素から成り、前記金属電極層は、グラファイトを母体とするものであってもよい。
【００１５】
前記光起電素子を光起電素子片として複数片有し、前記複数の光起電素子片は、相互に並列接続されており、複数の光起電素子片の前記半導体層はそれぞれ、バンドギャップが相互に異なっていてもよい。
【００１６】
また、本発明によれば、半導体層と、その両面に形成された対の金属電極層とを用意し、光起電効果によって入射光を電力に変換する光起電方法において、前記半導体層は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助けることを特徴とする光起電方法が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による光起電素子は、光電変換効率が高く、不純物が見つかっていない半導体材料であっても使用可能であり、信頼性や耐久性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１による光起電素子を示す概念図である。
【図２】図１に示された光起電素子における内部電界発生メカニズムを説明するための図である。
【図３】図１に示された光起電素子における内部電界発生メカニズムを説明するための図である。
【図４】本発明による光起電素子の化合物半導体層としてのＳｉＣの結晶構造と内部電位分布を示す図である。
【図５】本発明の光起電素子の化合物半導体層としてのｈＢＮ（窒化ホウ素層状物質）を示す図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明の光起電素子における、理想起電圧と化合物半導体層の膜厚との関係（電界強度に変化のない場合）を示す図である。
【図７】本発明の光起電素子における、理想起電圧と化合物半導体層の膜厚との関係（電界強度が途中でスクリーンされる場合）を示す図である。
【図８】本発明の実施例２による光起電素子を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による光起電素子は、半導体層と、その両面に形成された第１および第２の金属電極層とを有し、光起電効果によって入射光を電力に変換するものである。光起電効果は、半導体層での光励起された電子と正孔とが互いに反対向きに拡散し、それにより両端の電極に電位差を生じるものである。
【００２０】
特に、本光起電素子において、半導体層は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助ける。結晶内部に自然発生する電界は、結晶を構成する元素の電気陰性度の差より生ずるため、極性を持った結晶軸に沿って発生している。よって、本発明においては、化合物半導体からなる半導体層と、第１および第２の金属電極層との接合界面の結晶方位が極性を持つ方位を選択することにより、半導体層において内部電界を得ている。
【００２１】
本光起電素子はｐ型ｎ型の半導体を有していないため、不純物ドーピングを行う必要がない。このことは半導体部分の結晶性を向上させることになり、光励起によって生じる電子と正孔の拡散スピードが上昇する。このことは光電気変換効率の著しい向上につながる。
【００２２】
ただし、半導体層における電子と正孔が移動する距離が長くなり過ぎると、金属電極層に達した際に、電子と正孔の電位差が小さくなり、電圧を取り出すことができないため、半導体層の厚さは１ｎｍ程度以下とすることが好ましい。半導体層の厚さは１ｎｍ程度以下の場合には、散乱による電子・正孔キャリアの再結合ロスもない。
【実施例】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明による光起電素子のより具体的な実施例を説明する。
【００２４】
［実施例１］
図１を参照すると、本発明による光起電素子は、半導体層４と、その両面に形成された第１および第２の金属電極層３、５とを有し、光起電効果によって入射光を電力に変換するものである。光起電効果は、半導体層４での光励起された電子と正孔とが互いに反対向きに拡散し、それにより両端の電極に電位差を生じるものである。
【００２５】
特に、本光起電素子において、半導体層４は、異種の原子を含む化合物半導体から成り、これら原子間の電気陰性度の相違によって内部電界を発生し、光励起された電子の移動を助ける。
【００２６】
第１および第２の金属電極層３、５は、仕事関数Ｗ３、Ｗ５が互いに異なっており、小さい仕事関数Ｗ５の金属電極層５が負極、金属電極層３が正極である。尚、このような構成の場合、特許文献４同様に、金属半導体の界面におけるショットキー障壁を有している。しかし、本発明は、ショットキー障壁に起因する接触抵抗による発電効率の低下を結晶内部電界の強度によって補償できるため、発電効率の低下を来たすことはない。
【００２７】
図２を参照すると、化合物半導体から成る半導体層４において、化合物半導体結晶を構成する２種の元素１、２の間で電子を引き付ける力である電気陰性度に差が生じていることが示されている。図３は、電気陰性度に差のある図２の原子による結晶構造と、それにより発生する電子に働く電気力線方向を示している。
【００２８】
本発明においては、図２と図３で説明されている内部電界によって電子と正孔が移動をするため、ｐｎ接合を実現する際に必要だった不純物のドーピングを半導体結晶部分にて行う必要が無く、半導体部分での結晶性は高く保たれ、光励起により生じた電子と正孔の移動もスムーズになる。このことは、光起電力の高効率化につながる。
【００２９】
図４は、化合物半導体としてのＳｉＣにおける発生する内部電界の例を示している。ＳｉＣ化合物は、炭素（Ｃ）の電気陰性度が珪素（Ｓｉ）のそれを上回るため、Ｃ終端された端の方がＳｉ終端された端よりも電子の感じる電位が低くなっている。図４の電位の変化を示す横軸は、ＳｉＣの（００１）結晶軸方向に沿っている。
【００３０】
図４の横軸に沿った電位の変化は、原子層の存在に従って振動しているが、平均値を取ると、破線のようにドリフトが見られ、Ｃ終端面にて電位が下がっている。したがって、ＳｉＣ膜にて光励起が起きると、正孔はＣ終端側に、電子はＳｉ終端側にそれぞれ分離される。光励起された電子と正孔の運動は、図４のポテンシャル変調のうち、原子オーダでの変調よりもさらに長い周期の変調によって決定されることをここで述べておく。同様の化合物半導体としてＧａＮ、ＴａＯ２なども極性結晶方向を持つため、本発明による光起電素子の化合物半導体として期待できる。
【００３１】
ここで、半導体結晶の内部電界を利用する本発明の起電素子においては、半導体層（化合物半導体結晶）の厚さが約１ｎｍを超える場合には、次の事に注意が必要である。
【００３２】
即ち、化合物半導体が真性でキャリアのない状態のときは、内部電界のスクリーニングが起きない。このため、結晶の膜厚が長くなるほど、極性を持つ両端における伝導帯と価電子帯のエネルギ差が小さくなってしまう。
【００３３】
図６（ａ）および（ｂ）は、そのことを模式的に示している。半導体層４の膜厚が図６（ａ）の場合には薄く、理想的な起電圧は図中のＶ１となる。一方、図６（ｂ）のように半導体層４の膜厚が厚くなると、理想的な起電圧はＶ２と小さくなる。概算では、図４のＳｉＣの場合、１ｎｍの膜厚でＶ１の値は１ｅＶ程度になる。
【００３４】
一方、化合物半導体にドーパントがありキャリア密度がある場合には、スクリーニング効果で膜厚がある程度（１ｎｍ程度）を超えると、電位変化のない領域が生じる。
【００３５】
図７は、そのことを模式的に示している。図７を見てわかるように、電界のスクリーンされている領域において、光励起された電子と正孔は、両側に拡散せずに留まり、再結合による発光か無輻射緩和で消滅する。よって、この場合に光起電力に貢献するのは、半導体層４の端の領域で光励起されたキャリアだけであり、半導体層４の膜厚を上げることでは、光起電力向上に対して何のメリットもない。
【００３６】
本発明による光起電素子の構造において、光起電効率は、光励起による電子と正孔の発生確率、電子と正孔が結晶の両端の電極に到達する確率、両電極における電子と正孔の電位差で決まる。電位差を上げるためには先に説明したように（図７に示したように）化合物半導体から成る半導体層の膜厚を１ｎｍ程度に留める必要があるため、光励起による電子と正孔の発生確率が限定される。現在の見積もりでは、エネルギ変換効率は１０％オーダになると期待される。
【００３７】
本発明による光起電素子は、化合物半導体結晶を金属電極上に結晶成長させることによって製造される。不純物ドーピング工程は不要であり、極性軸方向の両端に金属の正極、負極が位置するように結晶成長させる。尚、化合物半導体結晶の結晶成長方法については、既知のことであるため、本明細書において、詳細な説明は省略する。
【００３８】
［実施例２］
本発明の実施例２は、前記半導体層は、層状物質である窒化ホウ素から成り、前記金属電極層は、層状物質であるグラファイトを母体とする点で、実施例１と異なる。このため、実施例１と同一または同様の部分については、詳細な説明を省略する。
【００３９】
図５は、層状物質を元に、図４と同じ内部電界を持つ結晶構造を示したものである。化合物半導体から成る中心の半導体層は、窒化ホウ素がグラファイトのように蜂の巣格子を形成した構造を持ち、その両端はそれぞれ窒素終端、ホウ素終端されており、電子にとって窒素終端側に電気力線が働いている。その両端には、半導体層の結晶構造と結晶定数の近いグラファイト膜が終端しているが、その更に両側に、仕事関数の異なる２種の金属電極層が接合されている。層状物質を用いると、その厚さが原子一層分しかないことで光から電子と正孔を生み出す効率が低いことが懸念されるが、多層構造にすることでその欠点は補うことができる。
【００４０】
［実施例３］
本発明の実施例３は、実施例１と同様の光起電素子を光起電素子片として複数片有し、それら光起電素子片の半導体層のバンドギャップが異なっている点で、実施例１と異なる。このため、実施例１と同一または同様の部分については、詳細な説明を省略する。
【００４１】
図８を参照すると、本発明の実施例３による光起電素子は、光起電素子１０および１０’を光起電素子片として有している。光起電素子１０は、半導体層４と、その両面に形成された第１および第２の金属電極層３、５とを有している。同様に、光起電素子１０’は、半導体層４’と、その両面に形成された第１および第２の金属電極層３’、５’とを有している。
【００４２】
光起電素子１０および１０’は、互いに並列接続されている。各半導体層４および４’は、バンドギャップが互いに異なっている。
【００４３】
実施例３による光起電素子は、各半導体層のバンドギャップに応じて、太陽光など種々の波長成分を持った入射光に対してより高効率に光起電力を得ることができる。
【００４４】
尚、異なるバンドギャップを持つ化合物を利用した光起電素子そのため、最終的起電圧を決定する金属電極の仕事関数は、同じ極では等しいものが使用される。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されるもためはなく、本願特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。
【符号の説明】
【００４６】
３、３’  金属電極層（陽極）
４、４’  半導体層
５、５’  金属電極層（陰極）
【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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