(57)【要約】【課題】太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換した上で、これを電力に変換可能な太陽電池を提供する。【解決手段】太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、透明電極膜１１と、透明電極膜１１の表面に形成された、ｐ層１２、発電層１３及びｎ層１４を含む半導体層１５と、半導体層１５上に形成された裏面電極膜１６と、入射された太陽光に基づいて発電層１３へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段とを備え、滲出させた近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、
光透過性の基板と、
上記基板内に含められた波長変換体と、
上記基板上に設けられた透明電極膜と、
上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、
上記半導体層上に形成された裏面電極膜とを備え、
上記波長変換体は、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換すること
を特徴とする太陽電池。
【請求項２】
上記波長変換体は、直径５０ｎｍ以下のＧａＡｓ、又は直径１０ｎｍ以下のＣｄＳｅからなる量子ドットであること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、
透明電極膜と、
上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、
上記半導体層上に形成された裏面電極膜と、
入射された上記太陽光に基づいて上記発電層へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段とを備え、
滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換すること
を特徴とする太陽電池。
【請求項４】
上記近接場光滲出手段は、上記透明電極における太陽光入射側表面において、互いに５０ｎｍ以下の間隔で離間して配置される遮蔽体として構成され、その遮蔽体間に形成されてなる上記透明電極膜を露出させた近接場光滲出領域に対して、上記太陽光の入射に基づいて上記近接場光を滲出させること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【請求項５】
上記遮蔽体は、金属層、微粒子、量子ドット、色素分子の何れかであること
を特徴とする請求項４記載の太陽電池。
【請求項６】
上記近接場光滲出手段は、互いに５０ｎｍ以下の間隔で上記透明電極膜を互いに離間させて配置することにより構成され、上記透明電極膜間に形成されてなる上記半導体層を露出させた近接場光滲出領域に対して、上記太陽光の入射に基づいて上記近接場光を滲出させること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【請求項７】
上記近接場光滲出手段は、上記透明電極膜から、その直上にある上記ｐ層内まで形成された凹部であり、上記ｐ層内における上記凹部底面から発電層に至るまでの厚さは３０〜３００ｎｍであること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【請求項８】
上記凹部の断面積は９００〜４００００ｎｍ２であり、
上記ｐ層内における上記凹部底面から発電層に至るまでの厚さは５０〜１００ｎｍであること
を特徴とする請求項７記載の太陽電池。
【請求項９】
上記近接場光滲出手段は、上記透明電極膜から、その直上にある上記ｎ層内まで形成された凹部であり、上記ｎ層内における上記凹部底面から発電層に至るまでの厚さは３０〜３００ｎｍであること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【請求項１０】
上記凹部の断面積は９００〜４００００ｎｍ２であり、
上記ｎ層内における上記凹部底面から発電層に至るまでの厚さは５０〜１００ｎｍであること
を特徴とする請求項９記載の太陽電池。
【請求項１１】
上記近接場光滲出手段は、上記半導体層と上記透明電極膜との接合界面を、互いに５０ｎｍ以下のピッチで形成した凹凸で構成され、
上記太陽光の入射に基づいて上記凹凸におけるエッジ部分から上記近接場光を滲出させること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【請求項１２】
上記近接場光滲出手段は、上記半導体層に含められてなり、入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する金属層、微粒子、量子ドット、色素分子の何れかからなること
を特徴とする請求項３記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池に関し、特に電力変換効率を向上させる上で好適な太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は太陽光のエネルギーを直接電力に変換する太陽光発電システムの心臓部を構成するものであり、Ｓｉ単結晶、多結晶、あるいはアモルファスＳｉのｐ−ｎ接合面、ショットキーバリアー面等で構成されている。この太陽電池の構造としては、太陽電池素子単体（セル）をそのままの状態で使用することなく、一般的に数枚〜数十枚の太陽電池素子を直列、並列に配線し、長期間に亘りセルを保護するために各種パーケージングが施され、ユニット化される。
【０００３】
図８に太陽光のスペクトル分布と、典型的なＳｉ太陽電池の量子効率（点線）、並びに実効的な電力変換効率（２点鎖線）を示している。Ｓｉ太陽電池は、量子効率が極めて高く、入射される太陽光の全光子のうち実に４３％を電子に変換することが可能となる。
【０００４】
しかしながら、このＳｉ太陽電池を実際に動作させる場合において、いかに高いエネルギーの光子を吸収しても、得られる電圧は０．７Ｖ程度である。このため、仮に３ｅＶのエネルギーからなる光子を吸収した場合において、３−０．７＝２．３Ｖものエネルギーを損失することになる。即ち、図８に示すように実効的な電力変換効率は、量子効率と比較して低くなり、より性能のよいものであっても２０％程度となる。このため、これら実効的な電力変換効率の向上を図ることが可能な太陽電池が従来より望まれていた。
【０００５】
また１０００ｎｍより長波長である赤外線領域では、Ｓｉ太陽電池の吸収スペクトルから逸脱していることから、太陽電池における発電に利用できないものとされてきた。実際にこの赤外線領域の光を発電に利用するためには、かかる赤外用の太陽電池素子を用意する必要があるが、システム全体が高価になるという問題点があった。
【０００６】
また、図９に示すように、短波長から長波長にかけて複数種の太陽電池素子７１〜７３で構成するいわゆる多接合太陽電池も提案されているが、材料コストが増加するとともに製造労力の負担が増大してしまうという問題点があった。
【０００７】
更に、非特許文献１に示すように、光電変換可能な太陽光のスペクトル帯域を拡張する観点から、異なる材料の組み合わせや量子ドットのサイズ分布等を利用した太陽電池も提案されている。
【０００８】
しかしながら、この非特許文献１に開示されている太陽電池は、より複雑な構成からなるため、作製労力の負担が増大し、高コストに繋がるという問題点があった。また、この非特許文献１に開示の太陽電池では、光電変換可能な帯域が紫外光から赤色光に至る、波長１０００ｎｍ以下に限られており、赤外線領域の光電変換特性向上という課題の直接的な解決には至らなかった。
【０００９】
特にこの波長１０００ｎｍを超える、長波長の光の光子は、エネルギーが小さい。図８に示すように、波長１８００ｎｍ程度では、Ｓｉ太陽電池１cell当たりの開放電圧が０．７ｅＶと極めて低い。太陽電池から得られる電圧が０．７Ｖ程度である場合、この波長１８００ｎｍ程度の光を光電変換することにより、実効的な電力変換効率はほぼ１００％となる。このように、実効的な電力変換効率を向上させるためには、より長波長の光を受光し、これを電力に変換することが効果的であることが分かる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M.A.Green,Prog.Photovolt.Res.Appl.,14(2006)45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、赤外線領域の光電変換特性を向上させ、実効的な電力変換効率を向上させる観点から、特に太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換した上で、これを電力に変換可能な太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換することが可能な波長変換体を上記基板内に含めた太陽電池を発明した。
【００１３】
即ち、本願請求項１に係る太陽電池は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、光透過性の基板と、上記基板内に含められた波長変換体と、上記基板上に設けられた透明電極膜と、上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、上記半導体層上に形成された裏面電極膜とを備え、上記波長変換体は、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換することを特徴とする。
【００１４】
本願請求項３に係る太陽電池は、太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、透明電極膜と、上記透明電極膜の表面に形成された、ｐ層、発電層及びｎ層を含む半導体層と、上記半導体層上に形成された裏面電極膜と、入射された上記太陽光に基づいて上記発電層へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段とを備え、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
太陽光エネルギーを電力に変換する太陽電池において、上記基板内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなり、滲出させた上記近接場光により誘起された非断熱過程に基づいて、上記太陽光のうち波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの光を、上記発電層の吸収可能帯域まで変換することが可能な波長変換体を上記基板内に含めているため、従来において太陽電池の吸収スペクトルから逸脱していることから、太陽電池における発電に利用できないものとされてきた、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、本発明では発電に利用することが可能となり、電力変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用した太陽電池の第１の実施形態について示す図である。
【図２】基板内に含められている波長変換体について説明するための図である。
【図３】太陽光のスペクトル分布と量子効率、電力変換効率の関係を示す図である。
【図４】本発明を適用した太陽電池の第２の実施形態について示す図である。
【図５】本発明を適用した太陽電池の第２の実施形態について示す他の図である。
【図６】半導体層と透明電極膜との接合界面を、互いに５０ｎｍ以下のピッチで形成した凹凸で構成した例を示す図である。
【図７】発電層へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段として、半導体層に含められてなる微粒子で構成した例を示す図である。
【図８】太陽光のスペクトル分布と、典型的なＳｉ太陽電池の量子効率（点線）、並びに実効的な電力変換効率（２点鎖線）を示す図である。
【図９】透明電極膜から、その直上にあるｎ層内まで削り取ることにより形成した凹部の例を示す図である。
【図１０】凹部をそれぞれ形成された各実験例における光電流の増加率の測定結果を示す図である。
【図１１】凹部をそれぞれ形成された他の構成例について説明するための図である。
【図１２】従来技術の問題点について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
第１の実施形態
【００１９】
本発明の第１の実施形態は、図１に示すようなる太陽電池２に適用される。太陽電池２は、光透過性の基板２１と、基板２１上に設けられた透明電極膜１１と、透明電極膜１１の表面に形成された半導体層１５と、半導体層１５上に形成された裏面電極膜１６とを備えている。
【００２０】
基板２１内は、光透過性の例えばガラスやポリカーボネート樹脂等からなる。基板２１を構成するガラスついては、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、一般的には厚さ３ｍｍ〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスが多く使用される。また基板２１を構成するガラスついて、ＧａＡｓやＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等をドープしたガラス等で構成するようにしてもよい。また、この基板２１は、ポリカーボネート樹脂で構成する場合、厚みが５ｍｍ程度のものが多く使用される。
【００２１】
基板２１内には、図２に示すように波長変換体２２が多数に亘り含められている。この波長変換体２２は、基板２１内に入射された太陽光を吸収して近接場光を滲出する微粒子又は色素分子からなる。波長変換体２２を微粒子で構成する場合には、直径５０ｎｍ以下のＧａＡｓ、又は直径１０ｎｍ以下のＣｄＳｅからなる量子ドットで構成してもよい。また、波長変換体２２は、色素分子として、例えばローダミン等を使用するようにしてもよい。このローダミンとは、例えばエタノール、メタノールなどを溶媒とし、発振波長域が５６０ｎｍ〜６００ｎｍで、５３０ｎｍ付近に吸収ピークがあるレーザー用色素である。
【００２２】
透明電極膜１１は、ＳｎＯ２膜、ＩＴＯ膜、又はＺｎＯ膜などの透明導電性酸化物の膜で構成される。
【００２３】
半導体層１５は、透明電極膜１１の上に形成されたｐ型半導体で構成されるｐ層１２、ｐ層１２の上に形成された発電層１３と、この発電層１３の上に形成されたn型半導体からなるｎ層１４を備えている。ちなみに、このｐ層１２、発電層１３、ｎ層はいずれもアモルファスシリコン層である。
【００２４】
ｐ層１２はｐ導電型決定不純物原子であるホウ素がドープされたシリコン又はシリコンカーバイトによって形成されている。ｐ層１２には、更に、ハロゲン原子もドープされていてもよい。
【００２５】
またｎ層１４は、シリコン、シリコンカーバイドなどのシリコン合金に、燐や窒素などに例示されるｎ導電型決定不純物原子をドープする事により形成される。
【００２６】
ちなみに、ｐ層１２とｎ層１４の中間にある発電層１３は、ｐｎ接合間に形成される空乏層とされていてもよいし、またｐ層１２とｎ層１４の間に別途形成されたi型半導体として構成されていてもよい。
【００２７】
また、ｐ層１２とｎ層１４は、発電層１３を介してその位置が入れ替わっていてもよい。即ち、透明電極膜１１の直上にｐ層１２が、また後述する裏面電極膜にｎ層１４が接触する構成となる。これは、後述する第２の実施形態においても同様である。
【００２８】
裏面電極膜１６は、電極としての機能を有する。裏面電極膜１６は、銀やアルミニウムなどの金属材料を用いて形成することができる。
【００２９】
次に、本発明を適用した太陽電池２の動作について説明をする。先ず基板２１に入射された太陽光は、伝搬光として基板２１内を伝播していく。そして、この入射された伝搬光としての太陽光は、基板２１内に含められた波長変換体２２により吸収される。この波長変換体２２は、吸収した太陽光に基づいて近接場光を滲出させる。この波長変換体２２から滲出された近接場光により、非断熱過程が誘起されることになる。この非断熱過程とは、近接場光が非常に小さな寸法の空間内に局在し、空間的に急峻な光勾配を持つことを利用したものである。この非断熱過程により電子状態が吸収できないような１０００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長の光であっても振動準位等を介した他段階遷移により電子状態を励起しうる。その結果発電に寄与する励起電子と正孔が生成される。生成された電子正孔対の一部は再結合し吸収された波長よりも短波長で発光するこのメカニズムで伝搬光を短波長に変換することが可能となる。
【００３０】
このようにして、入射された太陽光としての伝搬光は、近接場光に変換され、さらにこの近接場光は再び伝搬光となって基板２１から出射することになる。この基板２１から出射された光は、発電部１３へ到達し、電力に変換されることになる。
【００３１】
図３は、太陽光のスペクトル分布を示す。太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、例えばシリコンで構成される太陽電池２により発電効率の高い帯域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。このため、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光（赤外領域の光）は、太陽電池２により直接的に吸収することができない。しかしながら、本発明では、上述した構成からなる波長変換体２２を基板２１内に含めている。
【００３２】
特にこの波長変換体２２を直径５０ｎｍ以下のＧａＡｓ、又は直径１０ｎｍ以下のＣｄＳｅからなる量子ドットで構成することにより、太陽電池２により通常、吸収可能な４００ｎｍ〜７００ｎｍの光はそのまま通過して発電部１３へ到達することになる。これに対して、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光や赤外領域の光は、波長変換体２２により吸収され、近接場光とされて上述した非断熱過程を経て短波長の伝搬光へと変換されることになる。これは、図３に示すように、太陽電池２により吸収可能な波長帯域が長波長側に拡大することに相当する。
【００３３】
このように、本発明を適用した太陽電池２では、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、発電層１３により吸収可能な短波長の光に変換することができる。その結果、図３に示すように量子効率を表す点線が長波長側にも拡大することになり、また、実効的な電力変換効率を示す二点鎖線も同様に長波長側へと拡大することになる。
【００３４】
このため、従来において、太陽電池の吸収スペクトルから逸脱していることから、太陽電池における発電に利用できないものとされてきた、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、本発明では発電に利用することが可能となり、電力変換効率を向上させることが可能となる。特にこの波長１０００ｎｍを超える、長波長の光の光子は、エネルギーが小さく、波長１８００ｎｍ程度では、太陽電池２における発電部１３の１cell当たりの開放電圧が０．７ｅＶと極めて低い。このため、太陽電池２から得られる電圧が０．７Ｖ程度である場合、この波長１８００ｎｍ程度の光を光電変換することにより、実効的な電力変換効率はほぼ１００％となる。このように、実効的な電力変換効率を向上させるためには、より長波長の光を受光し、これを電力に変換することが効果的であるが、本発明はそれを実現することが可能となる。
【００３５】
また、本発明では、上述の如き波長変換体２２を含ませた基板２１を容易するのみで、極めて簡単な構成で、低い製造労力かつ安価で、所期の効果を発揮させることが可能となる。
【００３６】
第２の実施形態
【００３７】
本発明の第２の実施形態は、図４に示すようなる太陽電池３に適用される。太陽電池３は、透明電極膜１１と、透明電極膜１１の表面に形成された半導体層１５と、半導体層１５上に形成された裏面電極膜１６と、透明電極膜１１における太陽光入射側表面に形成された遮蔽体３１とを備えている。半導体層１５は、透明電極膜１１の上に形成されたｐ型半導体で構成されるｐ層１２、ｐ層１２の上に形成された発電層１３と、この発電層１３の上に形成されたn型半導体からなるｎ層１４を備えている。この第２の実施形態において上述した第１の実施の形態と同一の構成要素、部材は、これと同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
【００３８】
遮蔽体３１は、互いに５０ｎｍ以下の間隔で離間して配置される。この遮蔽体３１の高さは、５０〜１００ｎｍ程度であり、その材質は、ＡｌやＡｕを初めとした金属層で構成されていてもよい。この遮蔽体３１は、例えば真空蒸着法に基づいて、この透明電極膜１１における光入射側に蒸着させることにより作製される。ちなみに、この遮蔽体３１は、金属層の代替として、微粒子、量子ドット、色素分子等で構成されていてもよい。
【００３９】
また、この太陽電池３は、遮蔽体３１の間に、透明電極膜１１を露出させた近接場光滲出領域３２を形成している。
【００４０】
このような構成からなる太陽電池３に対して、太陽光としての伝搬光を照射する。その結果、図４に示すように近接場光滲出領域３２において近接場光が滲出する。このとき、透明電極膜１１並びにｐ層１２を極めて薄く構成することにより、この滲出させた近接場光を発電層１３へと到達させることが可能となる。具体的には、透明電極膜１１並びにｐ層１２を合わせて５０ｎｍ以下で構成することにより、近接場光を発電層１３へと到達させることができる。ちなみに、この滲出させた近接場光は、透明電極膜１１並びにｐ層１２合わせて１００ｎｍ以下であっても、発電部１３へ到達する場合がある。
【００４１】
この第２の実施形態では、この発電部１３において到達させた近接場光により、非断熱過程を誘起させる。そして、この非断熱過程により、上述したメカニズムにより、波長１０００ｎｍ〜３０００ｎｍもの長波長の光を、発電層１３により吸収可能な短波長の光に変換することができる。ただしこの場合は再発光過程を経ないで生成された電子正孔対が直接発電に寄与する。その結果、図３に示すように量子効率を表す点線が長波長側にも拡大することになり、また、実効的な電力変換効率を示す二点鎖線も同様に長波長側へと拡大することになる。
【００４２】
また、この第２の実施形態では、発電層１３へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段として、遮蔽体３１を設ける代わりに、図５に示すように互いに５０ｎｍ以下の間隔で透明電極膜１１を互いに離間させて配置するようにしてもよい。これにより、透明電極膜１１間に半導体層１５を露出させた近接場光滲出領域３２を形成させることが可能となる。
【００４３】
この図５に示す構成からなる太陽電池３に対して、太陽光としての伝搬光を照射する。その結果、図５に示すように近接場光滲出領域３２において近接場光が滲出する。このとき、ｐ層１２を極めて薄く構成することにより、この滲出させた近接場光を発電層１３へと到達させることが可能となる。具体的には、ｐ層１２を５０ｎｍ以下で構成することにより、近接場光を発電層１３へと到達させることができる。ちなみに、この滲出させた近接場光は、ｐ層１２が１００ｎｍ以下であっても、発電部１３へ到達する場合がある。この図５に示す構成においても上述と同様の効果を奏することになる。
【００４４】
また、この第２の実施形態では、発電層１３へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段として、図６に示すように、半導体層１５と透明電極膜１１との接合界面を、互いに５０ｎｍ以下のピッチで形成した凹凸３３で構成してもよい。その結果、太陽光の入射に基づいて凹凸３３におけるエッジ部分から近接場光を滲出させることが可能となる。このとき、ｐ層１２を極めて薄く構成することにより、この滲出させた近接場光を発電層１３へと到達させることが可能となる。具体的には、ｐ層１２を５０ｎｍ以下で構成することにより、近接場光を発電層１３へと到達させることができ、上述と同様の効果を奏することになる。
【００４５】
また、この第２の実施形態では、発電層１３へ近接場光を滲出させる近接場光滲出手段として、図７に示すように、半導体層１５に含められてなる微粒子３４で構成するようにしてもよい。この微粒子３４が太陽光を吸収して近接場光を滲出させ、上述した非断熱過程を誘起させることが可能となる。ちなみに、この微粒子３４としては量子ドットを用いるようにしてもよい。また、この微粒子３４の代替として、金属層や色素分子を用いてもよいことは勿論である。
【実施例１】
【００４６】
図９は、透明電極膜１１から、その直上にあるｎ層１４内まで削り取ることにより形成した凹部６１の例を示している。本発明を適用した太陽電池２においては、凹部６１を形成させることにより、光電流増加率をより向上させることができる。
【００４７】
検証実験として、図１０に示すような試験体を作成した。この試験体は、上から透明電極膜１１、ｎ層１４、発電層１３、ｐ層１２、裏面電極膜１６が順に形成されてなり、実験例１では、凹部６１を透明電極膜１１から発電層１３内まで深く形成した例を、また実験例２、３では、凹部６１を透明電極膜１１からｎ層１４内まで削り取ることにより構成した例を示している。ちなみに、実験例２では、ｎ層１４内における凹部６１の底面６１ａから発電層１３に至るまでの厚さｔｍは７５ｎｍとしたものであり、実験例３では、ｎ層１４内における凹部６１の底面６１ａから発電層１３に至るまでの厚さｔｍは１７５ｎｍとしたものである。何れも凹部６１の断面積は、約１００ｎｍ×１００ｎｍ＝１００００ｎｍ２としている。
【００４８】
凹部６１の形成方法としては、例えば電子線描画装置によりＥＢレジストでドット状のマスクを作り、誘電結合プラズマを用いたドライエッチングにより加工を行うようにしてもよい。エッチングガスとしては、例えばフッ素系ガスや塩素系ガスを使用する。
【００４９】
このような凹部６１をそれぞれ形成された各実験例１〜３における光電流の増加率の測定結果を図１０に示す。この図１０より、実験例２が最も光電流の増加率が上昇しているのが分かる。
【００５０】
実験例１の場合には、凹部６１が発電層１３内まで削孔されていることから、電流を生み出す空乏層としての役割を担う発電層１３が少なくなることから、光電流が減少してしまう。
【００５１】
実験例２では、凹部６１の底面６１ａにおける角部から近接場光を発生させることが可能となる。しかもこの底面６１ａから発電層１３に至る厚みｔｍが７５ｎｍと薄いことから、発電層１３近傍において近接場光を発生させることができ、その結果、光電流を増加させることが可能となる。
【００５２】
実験例３では、凹部６１の底面６１ａにおける角部から近接場光を発生させることが可能となる。しかしこの底面６１ａから発電層１３に至る厚みｔｍが１７５ｎｍと比較的厚いことから、発電層１３から離れた部位において近接場光を発生させることとなり、その結果、光電流をあまり増加させることができない。
【００５３】
即ち、凹部６１について、ｎ層１４内においてその底面６１ａが発電層１３の近傍となるように形成することにより、発電層１３近傍において近接場光を発生させることができ、その結果、光電流を増加させることが可能となる。
【００５４】
なお、この厚みｔｍは、３０〜３００ｎｍであれば、少なくとも光電流を増加させることができる。また、より効果的に光電流を増加させるためには、凹部６１の断面積は９００〜４００００ｎｍ２であり、厚さｔｍは５０〜１００ｎｍとすることが望ましい。この範囲であれば、図１０における実験例２とほぼ同様の光電流が得られることを確認している。
【００５５】
なお、この実施例は、図１１に示すように、上から透明電極膜１１、ｐ層１２、発電層１３、ｎ層１４、裏面電極膜１６が順に形成されている場合においても同様である。かかる場合には、透明電極膜１１から、その直上にあるｐ層１２内まで形成された凹部６１が存在し、ｐ層１２内における凹部６１の底面６１ａから発電層１３に至るまでの厚さｔｍが３０〜３００ｎｍであることを条件とする。このときも同様に、凹部６１の断面積は９００〜４００００ｎｍ２であり、厚さｔｍは５０〜１００ｎｍとすることが望ましい。この範囲であれば、図１０における実験例２とほぼ同様の光電流が得られることを確認している。
【符号の説明】
【００５６】
２  太陽電池
１１  透明電極膜
１２  ｐ層
１３  発電層
１４  ｎ層
１５  半導体層
１６  裏面電極膜
２１  基板
２２  波長変換体
６１  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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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