(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホットキャリアエネルギー変換構造を製造する方法であって、
トンネル層を有するエネルギー選択性コンタクト（ＥＳＣ）を形成する工程と、
キャリア生成層を前記ＥＳＣ上に形成する工程と、
トンネル層を有しない半導体コンタクトを前記キャリア生成層上に形成する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
前記ＥＳＣは負側のＥＳＣを有し、前記半導体コンタクトは正側の半導体コンタクトを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＥＳＣと前記半導体コンタクトとの間の仕事関数差を制御するよう、前記半導体コンタクトの仕事関数を制御する工程、を更に有する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体コンタクトの前記仕事関数を制御する工程は、前記半導体コンタクトの材料、前記半導体コンタクトの酸化物、又はこれら双方を選択することを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記キャリア生成層を形成する工程の後に高温アニール工程は行われない、請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記トンネル層はトータルエネルギーフィルタリングを提供する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体コンタクトは、その伝導帯の下端のエネルギー準位が、前記キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより高い、ように形成される、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される電子のエネルギー密度分布の上端のエネルギー準位より高い、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＥＳＣの伝導帯の底のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルに実質的に等しい、請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される正孔の平均エネルギーレベル、又は該正孔のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより低い、請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される正孔のエネルギー密度分布の下端より低い、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記トンネル層は、バリア層内に埋め込まれたｎ型半導体材料を有し、前記ＥＳＣの伝導帯のエネルギー準位は、前記ｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定される、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記バリア層は他のｎ型半導体材料を有し、前記バリア層のエネルギー準位は、前記他のｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記半導体コンタクトは、その価電子帯の上端のエネルギー準位が前記キャリア生成層の価電子帯の上端より高いように形成される、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記トンネル層は、量子井戸層、量子細線及び量子ドットからなる群のうちの１つを有する、請求項１乃至１４の何れか一項に記載の方法。
【請求項１６】
トンネル層を有するエネルギー選択性コンタクト（ＥＳＣ）と、
前記ＥＳＣ上のキャリア生成層と、
前記キャリア生成層上の、トンネル層を有しない半導体コンタクトと、
を有するホットキャリアエネルギー変換構造。
【請求項１７】
前記ＥＳＣは負側のＥＳＣを有し、前記半導体コンタクトは正側の半導体コンタクトを有する、請求項１６に記載の構造。
【請求項１８】
前記半導体コンタクトの仕事関数は、前記ＥＳＣと前記半導体コンタクトとの間の仕事関数差を制御するように制御される、請求項１６又は１７に記載の構造。
【請求項１９】
前記半導体コンタクトの前記仕事関数を制御することは、前記半導体コンタクトの材料、前記半導体コンタクトの酸化物、又はこれら双方を選択することを有する、請求項１８に記載の構造。
【請求項２０】
前記トンネル層はトータルエネルギーフィルタリングを提供する、請求項１６乃至１９の何れか一項に記載の構造。
【請求項２１】
前記半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより高い、請求項１６乃至２０の何れか一項に記載の構造。
【請求項２２】
前記半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される電子のエネルギー密度分布の上端のエネルギー準位より高い、請求項１６乃至２１の何れか一項に記載の構造。
【請求項２３】
前記ＥＳＣの伝導帯の底のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルに実質的に等しい、請求項１６乃至２２の何れか一項に記載の構造。
【請求項２４】
前記ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される正孔の平均エネルギーレベル、又は該正孔のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより低い、請求項１６乃至２３の何れか一項に記載の構造。
【請求項２５】
前記ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層内で生成される正孔のエネルギー密度分布の下端より低い、請求項１６乃至２４の何れか一項に記載の構造。
【請求項２６】
前記トンネル層は、バリア層内に埋め込まれたｎ型半導体材料を有し、前記ＥＳＣの伝導帯のエネルギー準位は、前記ｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定される、請求項１６乃至２５の何れか一項に記載の構造。
【請求項２７】
前記バリア層は他のｎ型半導体材料を有し、前記バリア層のエネルギー準位は、前記他のｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定される、請求項２６に記載の構造。
【請求項２８】
前記半導体コンタクトの価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記キャリア生成層の価電子帯の上端より高い、請求項１６乃至２７の何れか一項に記載の構造。
【請求項２９】
前記トンネル層は、量子井戸層、量子細線及び量子ドットからなる群のうちの１つを有する、請求項１６乃至２８の何れか一項に記載の構造。
【請求項３０】
当該エネルギー変換構造の出力を最大化するように調整された電圧を正極と負極との間に印加する手段、を更に有する請求項１６乃至２９の何れか一項に記載の構造。
【請求項３１】
前記電圧を印加する手段は、前記出力を最大化するように調整された抵抗値を有する負荷である、請求項３０に記載の構造。
【請求項３２】
前記エネルギー変換構造の出力を最大化するように調整された電圧を正極と負極との間に印加すること、を更に有する請求項１乃至１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記電圧を印加することは、前記出力を最大化するように調整された抵抗値を有する負荷を使用する、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ホットキャリアエネルギー変換構造、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光のエネルギーを直接的に電力に変換することができる太陽電池は、有望な次世代クリーンエネルギー源として注目を集めている。単位太陽電池面積当たりの電力生成を増大させるには、光電変換効率を高めることが重要であり、そのため、主材料としてのＳｉの品質を向上させるべく、デバイス構造及びデバイス製造プロセスの開発が進められている。また、吸収端波長が異なる３つの種類の材料（ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ及びＧｅ）を組み合わせることによって構築される多接合（マルチジャンクション）型太陽電池が開発されている。この構造によれば、太陽光に含有される広い波長域を有する光を吸収することができるので、高い変換効率を達成することが可能である。効率を更に高めるために、４つから６つの異なる種類の材料を組み合わせることによって構築される多接合型太陽電池も研究されている。
【０００３】
しかしながら、接合数を増やすことによって変換効率を高めることができる度合いには限界が存在する。接合数が増大されると、高い欠陥密度を有する半導体界面の数が増加し、そのような界面において、光の吸収によって生成されるキャリアが欠陥によって捕獲され、ひいては消滅する。その結果、光電変換効率が低下する。更なる欠点は、多種類の高価なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使用することと、複雑な多層構造がより多くの製造工程を必要とすることとにより、製造コストが大幅に上昇してしまうことである。
【０００４】
他方で、エネルギー変換効率を高める手段として従来のデバイス構造とは異なるデバイス構造を採用した太陽電池が提案されてきている（非特許文献１）。とりわけ、“ホットキャリア”理論は、光の吸収によって生成された、高エネルギー状態を有するキャリア（ホットキャリア）が、高エネルギー状態を維持しながら電極まで移動することが可能となり、それによって高いエネルギー変換効率が達成されるというものである。“ホットキャリア”理論が適用される太陽電池は、接合数（使用される半導体材料の種類の数）を増大させる必要なく、太陽光に含有される広い波長域の光を吸収して、エネルギーロスを低減しながら電力に変換することができるという利点を有する。何れの場合も、太陽光がキャリア生成層に入射すると、入射光の波長に対応する様々なエネルギーを有するキャリアが生成される。
【０００５】
従来型の太陽電池の場合には、例えば、短波長光の吸収によって生成される高エネルギーの電子は、フォノンとの相互作用によってエネルギーを散逸しながら（熱損失）伝導帯の底のエネルギー準位に到達し；その後に、電子移動層を通過して電極から抽出される。結果として、このようなデバイスのエネルギー変換効率は、熱損失に等しい量だけ低下する。このような熱損失を低減するための１つの考え得る方法は、キャリア生成層の伝導帯の底のエネルギー準位を高くすること、すなわち、キャリア生成層のバンドギャップＥｇを増大させることである。
【０００６】
キャリア生成層のバンドギャップＥｇより低いエネルギーを有するより長い波長の光は、キャリア生成層内で吸収されず、光透過として失われる。その結果、キャリア生成層のバンドギャップＥｇを増大させることによって、すなわち、キャリア生成層の伝導帯の底のエネルギー準位を高くすることによって、高エネルギーキャリアの熱損失を低減しようと試みる場合、伝導帯内まで励起されることができないキャリアの数が増えることになり、結果として、光透過によるロス（損失）が増大してしまう。従って、従来の太陽電池においては、過大なバンドギャップＥｇを有する材料を使用することができない。また、伝導帯の底に対応するエネルギー準位を有するキャリアが抽出されるので、従来のシリコン太陽電池の光起電力は、キャリア生成層のバンドギャップＥｇ及び品質に依存するものの、約０．６Ｖから０．７Ｖである。故に、過度に狭いバンドギャップを有しないことも重要であり、さもないと、電圧が低下してしまう。
【０００７】
上述の従来型の太陽電池と対照的に、ホットキャリア型太陽電池では、エネルギー選択性コンタクト（energy  selective  contact；ＥＳＣ）が用いられる。より具体的には、ホットキャリア型太陽電池においては、非常に狭いエネルギー幅を有する伝導帯を持つ電子移動層と、非常に狭いエネルギー幅を有する価電子帯を持つ正孔移動層とが、キャリア生成層に隣接して設けられ、その結果、特定のエネルギーを有するキャリアのみが移動層を通り抜けて電極に到達することができる。それより高いエネルギーを有するキャリア、及びそれより低いエネルギーを有するキャリアは、それらキャリア間でのエネルギー伝達を受け、そして、移動層を通過することが可能なエネルギー準位に到達した後に、移動層を通り抜けて電極に到達し、電力生成に寄与する。結果として、高エネルギーキャリアによる熱損失が減少し、エネルギー変換効率が上昇する。
【０００８】
光透過によるロスを低減するために、キャリア生成層にバンドギャップの狭い（狭バンドギャップ）材料を用いることによって伝導帯の底のエネルギー準位が低くされる場合、生成された低エネルギーキャリアは、高エネルギーキャリアと相互作用することによってエネルギーを獲得し、移動層を通り抜けることが可能なエネルギー準位に到達した後に、移動層を通過して電力生成に寄与する。結果として、光透過によるロスが減少し、エネルギー変換効率が上昇する。
【０００９】
このようなＥＳＣの特性に関する熱力学の観点からの記述は、高エネルギーのキャリアが、非常に小さいエントロピー増大で収集されるというものである。理想的には、この収集は単一エネルギーコンタクトを用いて等エントロピーになる。エントロピー生成は、ＥＳＣのエネルギー幅におおよそ比例し、この幅がｋＴより遙かに小さい限り無視することができる。
【００１０】
光吸収直後のキャリアエネルギー分布により決まる（ゼロ・リノーマリゼーション条件）ＥＳＣからの抽出電流に比べた定常動作時の電流の比は、キャリアエネルギー分布がリノーマライズ（renormalise）するレートと、キャリア抽出レート及びキャリアエネルギーのバンド端への緩和レートと比較した上記レートとによって決定される。
【００１１】
そして、リノーマリゼーション・レートは、ＥＳＣエネルギーの上及び下の双方の等しいエネルギー差のキャリア数に依存する（これは、２つのキャリアの一段階衝突による一次のリノーマリゼーションである。２次のリノーマリゼーションは、２段階及び３つ以上のキャリアの衝突によるので、レートはより遅くなる）。故に、リノーマリゼーション効率はまた、ホットキャリアのエネルギー分布に対するＥＳＣエネルギーの位置に依存する。この依存性は、ホットキャリア型太陽電池に小さいスペクトル依存性をもたらす。これは、多層（タンデム）太陽電池のスペクトル依存性より遥かに低いものと考えられるが、ＥＳＣの幅が小さくなるにつれて増大する。
【００１２】
以下の非特許文献１−７に、“ホットキャリア”理論に基づく太陽電池に関して行われた様々な理論研究が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Green、「Potential  for  low  dimensional  structures  in  photovoltaics」、Materials  Science  and  Engineering、2000年、B74、pp.118-124
【非特許文献２】Wurfel、「Solar  energy  conversion  with  hot  electrons  from  impact  ionisation」、Solar  Energy  Materials  and  Solar  Cells、1997年、No.46、pp.43-52
【非特許文献３】Conibeer等、「Selective  Energy  Contacts  for  Potential  Application  to  Hot  Carrier  PV  Cells」、3rd  World  Conference  on  Photovoltaic  Energy  Conversion、2003年5月11-18日、pp.2730-2733
【非特許文献４】Green、「Third  Generation  Photovoltaics：Theoretical  and  Experimental  Progress」、19th  European  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference、2004年6月7-11日、pp.3-8
【非特許文献５】Wurfel等、「Particle  Conversion  in  the  Hot-Carrier  Solar  Cell」、Progress  in  Photovoltaics：Research  and  Applications、Prog.  Photovolt：Res.  Appl.、2005年、13:277-285
【非特許文献６】Conibeer等、「Phononic  Band  Gap  Engineering  for  Hot  Carrier  Solar  Cell  Absorbers」20th  European  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference、2005年6月6-10日、pp.35-38
【非特許文献７】G.J.Conibeer、N.Ekins-Daukes、D.Konig、E-C.Cho、C-W.Jiang、S.Shrestha、M.A.Green、「Progress  on  Hot  Carrier  solar  cells」、Solar  Energy  Materials  and  Solar  Cells、2009年、No.93、pp.713-719
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、ホットキャリアエネルギー変換構造を製造する方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この方法は、トンネル層を有するエネルギー選択性コンタクト（ＥＳＣ）を形成することと、キャリア生成層をＥＳＣ上に形成することと、トンネル層を有しない半導体コンタクトをキャリア生成層上に形成することとを有する。
【００１６】
ＥＳＣは負側のＥＳＣを有し、半導体コンタクトは正側の半導体コンタクトを有し得る。
【００１７】
この方法は更に、ＥＳＣと半導体コンタクトとの間の仕事関数差を制御するよう、半導体コンタクトの仕事関数を制御する工程を有し得る。
【００１８】
半導体コンタクトの仕事関数を制御することは、半導体コンタクトの材料、半導体コンタクトの酸化物、又はこれら双方を選択することにより成し得る。
【００１９】
好ましくは、キャリア生成層を形成する工程の後に高温アニール工程を必要としない工程が望ましい。
【００２０】
トンネル層はトータルエネルギーフィルタリングを提供し得る。
【００２１】
半導体コンタクトは、その伝導帯の下端のエネルギー準位が、キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより高いように形成され得る。
【００２２】
半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される電子のエネルギー密度分布の上端のエネルギー準位より高くされ得る。
【００２３】
ＥＳＣの伝導帯のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルに実質的に等しくされ得る。
【００２４】
ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される正孔の平均エネルギーレベル、又は該正孔のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより低くされ得る。
【００２５】
ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される正孔のエネルギー密度分布の下端より低くされ得る。
【００２６】
量子効果層は、バリア層内に埋め込まれたｎ型半導体材料を有していてもよく、電子移動層の伝導帯のエネルギー準位は、該ｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定され得る。
【００２７】
バリア層は他のｎ型半導体材料を有していてもよく、バリア層のエネルギー準位は、該他のｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定され得る。
【００２８】
半導体コンタクトは、その価電子帯の上端のエネルギー準位がキャリア生成層の価電子帯の上端より高いように形成され得る。
【００２９】
量子効果層は、量子井戸層、量子細線及び量子ドットからなる群のうちの１つを有し得る。
【００３０】
この方法は更に、エネルギー変換構造の出力を最大化するように調整された電圧を正極と負極との間に印加すること有し得る。
【００３１】
該電圧を印加することは、上記出力を最大化するように調整された抵抗値を有する負荷を使用し得る。
【００３２】
本発明の第２の態様によれば、トンネル層を有するエネルギー選択性コンタクト（ＥＳＣ）と、ＥＳＣ上のキャリア生成層と、キャリア生成層上の、トンネル層を有しない半導体コンタクトとを有するホットキャリアエネルギー変換構造が提供される。
【００３３】
ＥＳＣは負側のＥＳＣを有し、前記半導体コンタクトは正側の半導体コンタクトを有し得る。
【００３４】
半導体コンタクトの仕事関数は、ＥＳＣと半導体コンタクトとの間の仕事関数差を制御するように制御され得る。
【００３５】
半導体コンタクトの仕事関数を制御することは、半導体コンタクトの材料、半導体コンタクトの酸化物、又はこれら双方を選択することにより成し得る。
【００３６】
トンネル層はトータルエネルギーフィルタリングを提供し得る。
【００３７】
半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより高くされ得る。
【００３８】
半導体コンタクトの伝導帯の下端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される電子のエネルギー密度分布の上端のエネルギー準位より高くされ得る。
【００３９】
ＥＳＣの伝導帯のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される電子の平均エネルギーレベル、又は該電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルに実質的に等しくされ得る。
【００４０】
ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される正孔の平均エネルギーレベル、又は該正孔のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより低くされ得る。
【００４１】
ＥＳＣの価電子帯の上端のエネルギー準位は、キャリア生成層内で生成される正孔のエネルギー密度分布の下端より低くされ得る。
【００４２】
量子効果層は、バリア層内に埋め込まれたｎ型半導体材料を有していてもよく、電子移動層の伝導帯のエネルギー準位は、該ｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定され得る。
【００４３】
バリア層は他のｎ型半導体材料を有していてもよく、バリア層のエネルギー準位は、該他のｎ型半導体材料のドーパント濃度を制御することによって選定され得る。
【００４４】
半導体コンタクトの価電子帯の上端のエネルギー準位は、キャリア生成層の価電子帯の上端より高くされ得る。
【００４５】
量子効果層は、量子井戸層、量子細線及び量子ドットからなる群のうちの１つを有し得る。
【００４６】
このエネルギー変換構造は更に、当該エネルギー変換構造の出力を最大化するように調整された電圧を正極と負極との間に印加する手段を更に有し得る。
【００４７】
該電圧を印加する手段は、上記出力を最大化するように調整された抵抗値を有する負荷とし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明の実施形態は、以下の図を含む図面とともに、一例についての以下の説明を読むことによって、当業者に一層十分に理解され且つ容易に明らかになるであろう。
【図１】本発明の第１実施形態に係るホットキャリア型太陽電池の基本構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の太陽電池をその積層方向を横軸方向に向けて示した図であり、図２（ｂ）は、図１に示した構造の太陽電池内でのホットキャリアの生成及び移動を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図３】図１の太陽電池のキャリア生成層内の、電子のエネルギー密度分布及び正孔のエネルギー密度分布を示す図である。
【図４】図１の太陽電池のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る太陽電池のキャリア生成層内の、電子のエネルギー密度分布及び正孔のエネルギー密度分布を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る太陽電池のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る太陽電池の構造を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した構造の太陽電池内でのホットキャリアの生成及び移動を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図８】図７（ａ）及び７（ｂ）の太陽電池のキャリア生成層内の、電子のエネルギー密度分布及び正孔のエネルギー密度分布を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る太陽電池のキャリア生成層内の、電子のエネルギー密度分布及び正孔のエネルギー密度分布を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る太陽電池のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図１１】本発明の第８実施形態に係るエネルギーバンド構造を示す図である。
【図１２】一実施形態例に係るホットキャリアエネルギー変換構造を製造する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
説明する実施形態例にて、正孔収集コンタクトには従来のｐ型半導体を用い、電子コンタクトのみにＥＳＣを適用することを提案する。これは、双方のコンタクトにＥＳＣを有するとする通常のホットキャリア型太陽電池の説明とは異なるものである。本願の発明者により認識されたことには、１つのＥＳＣのみである有意な利点は、ダブルバリアＱＤ若しくはＱＷ構造（又は、その他の共鳴トンネル構造）をもつ２つのＥＳＣの仕事関数ではなく、１つの仕事関数のみを用いて太陽電池の出力電圧を得るための設計をすればよいということである。実施形態例において、ＥＳＣのドーピングを調整することより遙かに容易な処理であるｐ型コンタクトのドーピングを調整することにより適切な仕事関数差を容易に得ることができる。
【００５０】
本願の発明者によって更に認識されたことには、１つのＥＳＣコンタクトはまた、より高い製造可能性という有意な利点を有する。ＥＳＣを最初に堆積することで、高温アニール工程を、壊れやすい吸収体材料の堆積前に実行することができる。２つのＥＳＣをもつデバイスは、第２のＥＳＣの堆積後に高温段階を必要とするため、吸収体の層に影響を及ぼす。
【００５１】
本願の発明者によって更に認識されたことには、このような片側ＥＳＣデバイスは、ダブル（二重）ＥＳＣデバイスとほぼ同じ限界変換効率が得られる。何故なら、実際の適用において、吸収体内のホットキャリアエネルギーの殆どは（殆どの材料において電子の有効質量が正孔のそれと比較して小さいことに起因して）電子にて担持されており、コンタクトで収集されるエネルギーの非選択性正孔コンタクトによる損失は比較的小さいからである。
【００５２】
本願の発明者によって更に認識されたことには、片側ＥＳＣデバイスのもう１つの重要な利点は、材料選択に一層大きい自由度が与えられることである。ダブルＥＳＣデバイスの場合、外部電圧を確立するために、仕事関数差を２つのコンタクト間で定めなければならない。これは、量子ドット（ＱＤ）又は量子井戸（ＱＷ）のサイズの注意深い制御に加えて２つの異なる仕事関数を設計しなければならないという点で、それらＥＳＣの材料特性に更なる制約を課す。この仕事関数差を達成するためには、ＱＤ／ＱＷのドーピングが少なくとも１つのＥＳＣに対して必要とされる。このような構造のドーピングはよく理解されていないが、欠陥密度を増大させ、ひいては有効性を低減してしまう可能性がある。
【００５３】
実施形態例における片側ＥＳＣの場合には、ＱＤ／ＱＷのサイズの制御による量子閉じ込め構造を有することのみを必要とし、必要とされる仕事関数の差は、ＥＳＣでない他方のコンタクトにて最適化することができる。ＥＳＣの材料には、金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）型コンタクトに適切な金属、及び場合により、それに好ましい酸化物、を選択することによって容易に行うことができる。他の例では、ｐ型半導体の正孔収集コンタクトを用いてもよい。
【００５４】
２つのコンタクトの要件がこのように分離されることは、有利なことに最適化を大幅に容易にするものであり、実施形態例における片側ＥＳＣ手法により生み出される非対称性の直接的な結果である。これは有利なことに、実用上達成可能な効率を高め且つ材料の組み合わせ範囲を広げ、ひいては、材料又はプロセスの不調和の可能性を低減するとともに、材料及びプロセスのコストの最適化可能性を有利に高めることになる。
【００５５】
図１は、本発明の第１実施形態に係るホットキャリア型太陽電池の構造を示している。この図において、参照符号１は負極であり、参照符号２は量子効果層２０とバリア層２１とを含む電子移動層である。参照符号４はトンネル層のないｐ半導体コンタクトであり、参照符号５は正極である。
【００５６】
負極１は、電子移動層２に接続されており、キャリア生成層３内で生成された電子を収集するよう作用する。それらの電子は電子移動層２を通り抜ける。負極１は透明導電層から形成され、高屈折率膜と低屈折率膜とを組み合わせることによって形成される反射防止膜でコーティングされていてもよい。負極１は、例えば、従来の太陽電池の場合においてのように、櫛形の電極で構成され得る。電子移動層２は、バリア層２１内に量子効果層２０を含んでおり、キャリア閉じ込め効果（量子効果）を示す。量子効果層２０は、例えば、量子井戸層、量子細線又は量子ドットから形成される。電子移動層２において、キャリアが存在することが可能な伝導帯のエネルギー幅は、量子効果層２０のキャリア閉じ込め効果に起因して狭い。一例において、バリア層２１のバンドギャップは４．０ｅＶから５．０ｅＶであり、厚さは２ｎｍから１０ｎｍである。量子効果層２０が量子ドットから形成される場合、ドットの直径（φ）は２ｎｍから５ｎｍであり、バンドギャップは１．８ｅＶから２．２ｅＶである。
【００５７】
キャリア生成層３は、ｎ型、ｉ型又はｐ型の、例えばＳｉ、Ｃ又はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などの半導体材料から形成されており、太陽光を吸収することによって、太陽光の波長に対応するエネルギーを有する正キャリア及び負キャリアを生成する。正キャリアとしての正孔３０は正極５によって収集される。負キャリアとしての電子３１は、電子移動層２を通過させられて負極１に到達し、そこで収集される。一例において、キャリア生成層３は、主として、０．５ｅＶから１．０ｅＶのバンドギャップを有する材料から形成される。
【００５８】
正極５は、キャリア生成層３内で生成された正孔を収集する。正極５は、例えば、アルミニウムなどの金属から形成される。図１に示した実施形態において、負極１は、例えば、薄い金属コンタクト若しくは透明導電性酸化物、及びボトムアップ製造プロセスにて形成される構造を用いて、受光面側に配設されている。代替的に、正極５が受光面側に設けられてもよい。その場合、この構造は、基板を受光面側にした使用向きにおける該構造の背面に、不透明とし得る金属コンタクトを配置して、同じ順序で透明基板上に製造されることが可能である。また、キャリア生成層３は、光の吸収によって電子及び正孔を生成する材料ではなく、熱エネルギーの吸収によって電子及び正孔を生成する材料から形成されてもよい。
【００５９】
なお、吸収体層からの一層高いエネルギーのキャリアの収集は、典型的に、通常の半導体においては非常に小さいものとなる。何故なら、フォノンとの間でのキャリアの緩和が効率的に起こり、ホットキャリアの個体数を数ピコ秒のうちに減少させるからである。これは、例え電子−電子リノーマリゼーション散乱事象が非常に高速（何十フェムト秒）であっても、該事象はコールドエレクトロンとの散乱に利用可能なホットエレクトロンを削減し、ひいては、エネルギー選択性コンタクトの空乏化エネルギーレベルの再占有を抑制する。
【００６０】
とはいえ、通常の半導体は、実施形態例に係る片側ＥＳＣデバイスにおけるホットキャリア効果を例証するのに使用可能である。これらの材料を‘吸収体層’として用いての収集は、エネルギー選択性コンタクトとの界面の近傍（例えば、約１０−２０ｎｍ）からのものになる。この領域は、該領域からホットキャリアが、数ピコ秒で、すなわち、緩和することが可能な前に、拡散することができる領域である。高い照明強度により、高エネルギー光学フォノン（ホット光学フォノン）が増大するので、ホットキャリア効果を更に高めることができる。
【００６１】
一部の既存のバルク半導体は、高エネルギーの局在化された光学フォノンから低エネルギーの進行性の音響フォノン（すなわち、熱）へのエネルギーの散逸が生じるようなフォノンモードを持たないため、この‘フォノンボトルネック効果’を増強することができる。好適な材料は、好ましくは、その複数の構成原子間で大きい質量差を有し、故に、化合物である。一例に係る材料はＩｎＮである。質量における大きい差異は、光学フォノンモード及び音響フォノンモードに、これら２つの分散（dispersion）間に大きいギャップを有する離隔され且つかなり離散的なエネルギーをもたらし、該ギャップにより、光学フォノンから音響フォノンへのエネルギーの散逸を阻止することができる。
【００６２】
図２は、図１に示したホットキャリア型太陽電池の電力生成原理を示す図であり、この図はキャリア生成層３内でのホットキャリアの生成及び移動を明確に示している。図２（ａ）は、太陽電池をその積層方向を横軸方向に向けて示しており、図２（ｂ）は、各層のエネルギーバンド構造を示している。
【００６３】
光の吸収によってキャリア生成層３内で生成される電子及び正孔は、入射光の波長に対応するエネルギーレベルまで励起される。すなわち、伝導帯３２において、高いエネルギーを有する電子３１が短波長の光に対して生成され、低いエネルギーを有する電子３１が長波長の光に対して生成され、価電子帯３３において、高いエネルギーを有する正孔３０が短波長の光に対して生成され、低いエネルギーを有する正孔３０が長波長の光に対して生成される。伝導帯３２において、高エネルギー電子と低エネルギー電子との間の相互作用によりエネルギー伝達が起こり、斯くして、電子のエネルギー密度分布（例えば、図３参照）が熱平衡に達する。
【００６４】
電子移動層２において、伝導帯のエネルギー幅は、量子井戸、量子細線、量子ドット又はこれらに類するもののキャリア閉じ込め効果によって狭くなっている。これは、電子移動層２において、制限されたエネルギー幅（エネルギー幅Ａ）を有する伝導帯２２の形成をもたらし、これらがキャリア生成層３に接続される。結果として、キャリア生成層３における電子のエネルギー密度分布内で、特定のエネルギー準位を有する電子のみが、負極１まで移動することが可能となる。一方、キャリア生成層３内で生成される正孔３０は、ｐ半導体コンタクト４の価電子帯４２を介して正極５まで移動する。
【００６５】
図３は、本実施形態に係る太陽電池の特性を示す図であり、特に、キャリア生成層３内の電子のエネルギー密度分布と電子移動層２のエネルギー準位との間の関係を示している。この図において、縦軸はエネルギー準位を表している。図３において、参照符号３４は、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布を指し示している。先述のように、キャリア生成層３内で光が吸収されるとき、吸収される波長に対応するエネルギーレベルまで励起された電子及び正孔が伝導帯３２内に生成され、その後、エネルギー伝達を伴う相互作用が電子間で起こり、それにより、図３に示すような電子エネルギー密度分布３４が形成される。
【００６６】
本実施形態に係る太陽電池において、電子移動層２の伝導帯２２の底のエネルギー準位２２ａは、キャリア生成層３内で生成される電子の平均エネルギーレベルに近く、あるいはほぼ等しく、設定される。一方、半導体コンタクト４の伝導帯４１の下端のエネルギー準位４１ａは、キャリア生成層３内で生成される電子の平均エネルギーより高く設定される。
【００６７】
本実施形態に係る太陽電池においては、図３に示すように、電子移動層２の伝導帯２２の底のエネルギー準位２２ａが、キャリア生成層３内で生成される電子の平均エネルギー付近に設定されているので、平均エネルギーレベル又はその付近のエネルギーを有する電子のみが、負極１まで移動することを許される。これは、電子の熱損失を低減し、エネルギー変換効率を高めるように作用する。
【００６８】
電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位２２ａが電子の平均エネルギーより高く設定される場合、キャリア生成層３内で生成される高エネルギー電子が負極１へ移動することが可能であるので、低エネルギー電子にエネルギーを引き渡す高エネルギー電子の密度が低下する。結果として、電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位２２ａより低くなる電子の密度がキャリア生成層３内で増大し、故に、負極１へ移動することができない電子の密度が増大し、ひいては、エネルギーロスが増大する。逆に、伝導帯の底のエネルギー準位２２ａが電子の平均エネルギーより低く設定される場合、低エネルギー電子が負極１へ移動することが可能であるので、高エネルギー電子のエネルギーロスが増大する。さらに、伝導帯の底のエネルギー準位２２ａが一層低いことにより、太陽電池の光起電力が低下する。
【００６９】
図４は、上述のホットキャリア型太陽電池のエネルギーバンド構造の一例を示している。図４の構造において、電子移動層２のバリア層２１に、バンドギャップが４．０ｅＶから５．０ｅＶの材料が選択されており、その厚さは２ｎｍから１０ｎｍである。一方、量子ドット２０’には、バンドギャップが１．８ｅＶから２．２ｅＶの材料が選択されており、ドットの直径（φ）は２ｎｍから５ｎｍである。キャリア生成層３は主に、バンドギャップが０．５ｅＶから１．０ｅＶの材料から形成される。ｐ半導体コンタクト４は主に、バンドギャップが１．８ｅＶから３ｅＶであり且つ好ましくはキャリア生成層の価電子帯と揃う仕事関数を有する材料から形成される。
【００７０】
伝導帯内の電子のエネルギー間での相互作用により、従来型太陽電池における熱損失である、より高いエネルギーを有するように励起される電子によるエネルギーロスを低減することができる。バンドギャップを狭くしても、電子のエネルギーロスは増大しない。結果として、光透過によるロスを低減するように作用する狭ギャップ半導体材料をキャリア生成層に使用することが可能である。また、図１に示した単純な構造を用いて、５個以上の接合を有する多接合型太陽電池と同じほど効率的に、エネルギーロスを最小化しながら、太陽光に含有される広い波長域の光を電気エネルギーに変換することができる。従って、高いエネルギー変換効率を有し且つ製造にあまりコストが掛からない太陽電池を実現することができる。
【００７１】
本実施形態において、電子移動層２は、選択エネルギーコンタクトに二重バリア共鳴トンネル層を有し、これら２つの絶縁性バリア間に、離散的なエネルギー準位を提供する量子ドットを有する。これは、この離散エネルギー準位に強いピークを有する伝導をもたらし得る。量子ドットに基づく構造のトータルエネルギーフィルタリングは、選択エネルギーコンタクトにとって、１Ｄエネルギーフィルタリングより好ましいものである。何故なら、例えば量子井戸共鳴トンネルデバイスにおける１Ｄエネルギーフィルタリングは、井戸の平面に完全に垂直な運動量を有するキャリアに対してのみ有効だからである。この法線から逸脱する運動量成分を有するキャリアは、それらのエネルギーと運動量とのベクトル和（トータルエネルギー）がエネルギーフィルタのエネルギー範囲内である場合、その（運動量から独立した）静的なエネルギーがこの範囲の外側であっても、伝送され得る。これは、１Ｄフィルタによって伝送されるキャリアエネルギーの範囲を拡げることになり、その効率を有意に低下させる。故に、本実施形態においては、有利には、量子ドットを用いる共鳴トンネル構造、又は共鳴中心としてのその他の離散的な完全なエネルギー閉じ込め中心が使用されて、トータルエネルギーフィルタリングが提供される。このようなフィルタは、全ての方向において負性微分抵抗（negative  differential  resistance；ＮＤＲ）を示すはずである。
【００７２】
二酸化シリコン（ＳｉＯ２）マトリクス内のシリコン量子ドット（Ｓｉ  ＱＤ）群で構成される二重バリア共鳴トンネル構造の製造は、例えば、ARC  Photovoltaics  Centre  of  Excellence，UNSWにて実証されている（E.-C.Cho，Y.H.Cho，R.Corkish，J.Xia，M.A.Green，D.S.Moon、Asia-Pacific  Nanotechnology  Forum、ケアンズ、2003年；E.-C.Cho，Y.H.Cho，T.Trupke，R.Corkish，G.Canibeer，M.A.Green、Proc.  19th  European  Photovoltaic  Solar  Energy  Conference、パリ、2004年）。本実施形態において、所望厚さのＳｉＯ２、シリコンリッチの酸化シリコン（ＳｉＯｘ、ｘ＜２）及びＳｉＯ２の交互層がＲＦマグネトロンスパッタリングによって堆積される。これらの層は、Ｓｉ及び石英のターゲットからの同時スパッタリングによって成長される。シリコンリッチ酸化物（ＳＲＯ）は１１７３℃未満で熱力学的に不安定であり、ＳｉＯ２膜内での相分離が、量子ドット（ＱＤ）を形成するナノ結晶の析出を生じさせる。
【００７３】
Ｓｉ  ＱＤのサイズは、当初のＳＲＯ層の厚さと結晶化条件とを調整することによって制御することができる。ナノ結晶の直径は、１０ｎｍ未満の膜厚の場合のＳＲＯ厚さに実質的に等しく、一様なサイズ可制御性が提供される。Ｓｉ  ＱＤの空間密度は、ＳＲＯ膜の化学量論によって制御することができる。Ｓｉ  ＱＤ構造は、共鳴トンネリングの特徴である負性微分抵抗を室温で示している。
【００７４】
しかしながら、言及しておくに、他の実施形態においては、例えばトータルエネルギーフィルタリングを提供する量子ドットとは異なり１Ｄでのみエネルギーフィルタリングを提供するものであるが、量子井戸を用いることも可能である。
【００７５】
本実施形態において、量子効果構造は、Ｓｉリッチの酸化シリコンの４ｎｍの層が間にスパッタリングされた、スパッタリングされたＳｉＯ２のバリアで構成される。例えば約１１００℃でのアニールを受け、Ｓｉリッチ層から、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって決定される該層の厚さにサイズ的に制限されたＳｉナノ結晶が析出する。小さいサイズのこれらナノ結晶は、（他のサンプルのフォトルミネッセンスによって示唆される）離散的な量子閉じ込めエネルギー準位が生じて、それらが真の量子ドットと見なされ得るようにされる。面積１／１６ｃｍ２の複数のメサをリソグラフィによって準備した。本実施形態で使用した成長及びアニールの条件で、このサイズの各メサは約１０１０個のＳｉ  Ｑｄを含む。
【００７６】
図５は、本発明の第２実施形態に係る太陽電池の特徴を示している。この実施形態の太陽電池は、図１に示した太陽電池と同じ多層構造を有するが、電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位２２ｂが、キャリア生成層３内の電子のエネルギー密度分布３４のピーク値Ｐｅに近く、あるいはほぼ等しく設定されている。また、ｐ半導体コンタクト４の伝導帯４１ｂの下端のエネルギー準位４１ｂは、キャリア生成層３内で生成される電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベルより高く設定されている。
【００７７】
電子移動層２の伝導帯２２の底のエネルギー準位２２ｂが、キャリア生成層３内で生成される電子のエネルギー密度分布のピークエネルギーレベル付近に設定されるとき、高エネルギー電子と低エネルギー電子との間での相互作用を促進させることができ、全体としてのエネルギーロスが低減される。結果として、電流密度が増大し、光電変換効率が向上する。一方、ｐ半導体コンタクト４の価電子帯４２の上端４２ｂは、キャリア生成層３の価電子帯の上端３３ａより高く設定される。
【００７８】
一例として、図５に示した構造において、電子エネルギー密度分布３４のピークエネルギーレベルＰｅは、キャリア生成層３の伝導帯の底のエネルギー準位３２ａより０．３ｅＶから１．０ｅＶだけ高く設定される。また、電子移動層２の伝導帯２２の底のエネルギー準位２２ｂは、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布のピークエネルギーレベルＰｅに対して±０．１ｅＶの範囲内にあるように設定される。
【００７９】
図６は、本発明の第３実施形態に係るホットキャリア型太陽電池のエネルギーバンド構造を示している。上述の第１及び第２の実施形態においては電子移動層の伝導帯の底のエネルギー準位に注意が払われてきたが、本実施形態においては、電子移動層の価電子帯の上端のエネルギー準位にも注意が払われ、それにより、一層高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が提案される。
【００８０】
図６に示すように、本実施形態に係る太陽電池において、電子移動層２の価電子帯２４の上端のエネルギー準位２４ａは、キャリア生成層３内の正孔エネルギー密度分布３５の平均エネルギーレベルＭｈより低く、あるいは、正孔エネルギー密度分布３５のピークエネルギーレベルＰｈより低く設定される。この構造を用いることで、キャリア生成層３内で生成される正孔が電子移動層２内に移動して電子移動層２内に存在する電子と再結合することによって消滅することを防止し得る。換言すれば、生成キャリアの消滅に伴う電流損失が減少し、光電変換効率が更に向上する。一方、ｐ半導体コンタクト４の伝導帯４１の下端４１ｃは、キャリア生成層３内の電子のエネルギー密度分布３４の上端のエネルギー準位Ｈｅより高く設定され、斯くして、キャリア生成層３内で生成された電子がｐ半導体コンタクト４内に移動することが防止される。
【００８１】
本実施形態の一例において、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布３４の平均エネルギーレベルＭｅ又はピークエネルギーレベルＰｅは、キャリア生成層３の伝導帯３２の底のエネルギー準位３２ａより０．３ｅＶから１．０ｅＶだけ高く設定される。また、電子移動層２の価電子帯の上端のエネルギー準位２４ａは、正孔エネルギー密度分布３５の平均エネルギーレベルＭｈ又はピークエネルギーレベルＰｈに対して−０．８ｅＶから０ｅＶの範囲内にあるように設定される。結果として、太陽電池の電流密度が増大し、光電変換効率が更に向上する。
【００８２】
図７の（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る太陽電池の構造を示しており、図７の（ｂ）は、図７（ａ）に示した構造の太陽電池内でのキャリアの生成及び移動を模式的に示している。図７の（ａ）及び（ｂ）において、図１及び２においてと同じ参照符号は、同様あるいは類似の構成要素を指し示しており、ここではそれらの説明は繰り返さないこととする。太陽電池の外に電力を供給するとき、太陽電池は負荷６に接続され、出力を最大化するように調整された電圧が２つの電極間に与えられる。あるいは、負荷６の抵抗値が、出力を最大化するように調整される。結果として、太陽電池に電流が流れ、すなわち、デバイスを貫いてキャリア（電子及び正孔）が移動し、それにより、負極１、電子移動層２、キャリア生成層３及び正極５のエネルギー準位が変化する。例えば、電子移動層２のエネルギー準位は、図２に示したものより低くなる。同様に、キャリア生成層３内の電子及び正孔のエネルギー密度分布も、図８及び９に示すように変化する。
【００８３】
図１に示した第１実施形態における電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位は、開回路状態でのエネルギー準位に相当する。しかしながら、負荷６が接続されてデバイス中を電流が流れる状態においては、上述のようにそれぞれの領域のエネルギー準位が変化するので、定常状態に対して最適化された電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位は、必ずしも最適でない。
【００８４】
本実施形態においては、図７に示すように太陽電池に負荷６が接続され、且つ、出力を最大化するよう調整された電圧が負極１と正極５との間に印加される、あるいは負荷６の抵抗値が出力を最大化するよう調整される状態で、図８に示すように、電子移動層２の伝導帯２５の底のエネルギー準位２５ａが、キャリア生成層３内に形成される電子エネルギー密度分布３６の平均値付近に設定される。結果として、キャリアのエネルギーロスが減少し、変換効率が向上する。一方、ｐ半導体コンタクト４の伝導帯４７の下端４７ａは、キャリア生成層３内に形成される電子エネルギー密度分布３６の平均値より高く設定される。
【００８５】
一例において、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布３６の平均エネルギーレベルは、キャリア生成層３の伝導帯の底３２ａより０．３ｅＶから１．０ｅＶだけ高く設定される。電子移動層２の伝導帯の底のエネルギー準位２５ａは、キャリア生成層３の伝導帯内の電子エネルギー密度分布３６の平均エネルギーレベルに対して＋０．１ｅＶの範囲内にあるように設定される。
【００８６】
この構造を用いることで、向上されたエネルギー変換効率を有する太陽電池を達成することができる。
【００８７】
図９は、本発明の第５実施形態に係る太陽電池のキャリア生成層内の、電子のエネルギー密度分布及び正孔のエネルギー密度分布を示している。本実施形態に係る太陽電池は、図７（ａ）に示したものと同じ基本構造を有するが、以下の点で相違する：太陽電池に負荷６が接続され、且つ、出力を最大化するよう調整された電圧が負極１と正極５との間に印加される、あるいは負荷６の抵抗値が出力を最大化するよう調整される状態で、電子移動層２の伝導帯２５の底のエネルギー準位２５ｂが、キャリア生成層３の伝導帯３２内の電子エネルギー密度分布３６のピークエネルギーレベル付近に設定され、それにより、太陽電池の電流率度が増大され、エネルギー変換効率が高められる。一方、ｐ半導体コンタクト４の伝導帯４７のエネルギー準位４７ｂは、伝導帯３２内の電子エネルギー密度分布３６のピークエネルギーレベルより高く設定される。
【００８８】
一例において、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布３６のピークエネルギーレベルは、キャリア生成層３の伝導帯の底３２ａより０．３ｅＶから１．０ｅＶだけ高く設定される。電子移動層２の伝導帯２５の底のエネルギー準位２５ｂは、キャリア生成層３の伝導帯３２内の電子エネルギー密度分布３６のピークエネルギーレベルに対して±０．１ｅＶの範囲内にあるように設定される。
【００８９】
この構造を用いることで、向上されたエネルギー変換効率を有する太陽電池を達成することができる。
【００９０】
図１０は、本発明の第６実施形態に係る太陽電池のエネルギーバンド構造を示している。この実施形態に係る太陽電池の基本構造とホットキャリアの生成及び移動の原理とは、図７に示したものと同じである。しかしながら、本実施形態においては、電子移動層２の価電子帯２６の上端のエネルギー準位２６ａが、キャリア生成層３内に形成される正孔のエネルギー密度分布３７の平均エネルギーレベル又はピークエネルギーレベルより低く設定されている。あるいは、好ましくは、エネルギー準位２６ａは正孔エネルギー密度分布３７の底３７ａより低く設定される。一方、電子移動層２の伝導帯２５の底のエネルギー準位２５ａは、図８及び９に示した第４及び第５の実施形態においてと同様に設定される。ｐ半導体コンタクト４の伝導帯４７の下端のエネルギー準位４７ｃは、電子エネルギー密度分布３６の上端のエネルギー準位３６ａより高く設定される。
【００９１】
この構造により、太陽電池の電流密度を増大させ、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００９２】
一例において、キャリア生成層３内の電子エネルギー密度分布３６のピークエネルギーレベルは、キャリア生成層３の伝導帯の底のエネルギー準位３２ａより０．３ｅＶから１．０ｅＶだけ高く設定される。電子移動層２の価電子帯の上端のエネルギー準位２６ａは、キャリア生成層３内の正孔エネルギー密度分布３７の平均又はピークのエネルギーレベルに対して−０．８ｅＶから０ｅＶの範囲内にあるように設定される。結果として、太陽電池の電流密度が増大し、光電変換効率が更に向上する。
【００９３】
この構造を用いることで、向上されたエネルギー変換効率を有する太陽電池を達成することができる。
【００９４】
第７実施形態は、上述の第１乃至第６の実施形態の何れかに係る太陽電池において、電子移動層２の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位を制御することに関する。電子移動層の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は、量子効果層を形成する例えば量子井戸、量子細線又は量子ドットによって形成される。従って、本実施形態は、電子移動層の伝導帯の底のエネルギー準位を、キャリア生成層３の伝導帯内の電子エネルギー密度分布の平均又はピークのエネルギーレベル付近に設定し、価電子帯の上端のエネルギー準位を、正孔エネルギー密度分布の平均又はピークのエネルギーレベルより低く設定することを提案する。
【００９５】
このような構造を達成するため、本実施形態において、例えば図２（ａ）又は図７（ａ）に示した電子移動層２内の量子効果層（量子井戸層、量子配線又は量子ドット）２０が、ｎ型半導体材料から、該半導体材料内のドーパント濃度を制御することによって各量子効果層のエネルギー準位を所望値に調整して形成される。
【００９６】
ドーパント濃度が制御されない半導体材料が用いられる場合、例えば、伝導帯の底のエネルギー準位が最適レベルに設定されないときに、価電子帯の上端のエネルギー準位が最適レベルより高くなるので、電流損失を低減することが困難となる。逆に、価電子帯の上端のエネルギー準位が最適レベルに設定されないときには、伝導帯の底のエネルギー準位が最適レベルより高くなり、電流損失が増大する。これを考慮し、本実施形態においては、電子移動層はｎ型半導体から形成され、伝導帯及び価電子帯の双方のエネルギー準位が、ドーパント元素の濃度を調整することによって最適化される。これらのエネルギー準位を最適化することにより、電流密度が増大し、変換効率が向上する。
【００９７】
一例において、電子移動層２内の量子ドット２０’は、２．０ｅＶから２．５ｅＶのバンドギャップを有し且つ１０１２ｃｍ−３から１０１８ｃｍ−３のキャリア密度を有するｎ型半導体から形成される。
【００９８】
第８実施形態は、上述の第７実施形態に係る太陽電池において、電子移動層２内のバリア層のエネルギー準位を制御することに関する。電子移動層２のバリア層２１を形成することには、絶縁材料又は広いバンドギャップを有する半導体材料を用いることができる。キャリア生成層３から負極に移動する電子に対して、移動中に抵抗などによって生じるロスが低減される。この目的のため、電子移動層２において、量子効果層２０の伝導帯の底のエネルギー準位と、バリア層２１の伝導帯の底のエネルギー準位との間の差が低減される。
【００９９】
図１１は、量子効果層とバリア層との間のエネルギー準位差が低減された太陽電池のエネルギーバンド構造を示している。図示のように、電子移動層２において、バリア層２１の伝導帯の底のエネルギー準位２１ａと量子ドット２０’の伝導帯の底のエネルギー準位２０ａとの間の差が低減される。
【０１００】
従って、量子効果層が、第７実施形態にて示したようにそのドーパント濃度を制御することによって形成されるとき、同時にバリア層内のドーパント濃度を制御することによって、上記エネルギー準位差を低減することができる。これは、太陽電池の抵抗損を低減し、エネルギー変換効率を高めるように作用する。この目的のため、本実施形態においては、電子移動層２のバリア層２１はｎ型半導体材料から形成される。
【０１０１】
一例において、電子移動層２内のバリア層２１は、３．５ｅＶから４．５ｅＶのバンドギャップを有し且つ１０１２ｃｍ−３から１０１８ｃｍ−３のキャリア密度を有するｎ型半導体材料から形成される。
【０１０２】
第９実施形態は、電子移動層２の伝導帯のエネルギー幅Ａ（図２（ａ）及び７（ａ）を参照）を検討するものである。本実施形態に係るキャリア生成層３内で生成されるキャリアのエネルギー変換デバイスにおいては、平均値又はピーク値の付近のエネルギー準位を有する電子のみが負極へ移動することが許され、故に、キャリアのエネルギーロスが低減される。
【０１０３】
エネルギー幅Ａが大きい場合、電子エネルギー密度分布の平均エネルギー又はピークエネルギーより高いエネルギーを有する電子が負極へ移動するので、エネルギーロスが増大する。高エネルギー電子が負極へ移動することが可能である場合、低エネルギー電子にエネルギーを引き渡す高エネルギー電子の密度が低下する。結果として、電子移動層の伝導帯エネルギー準位より低いエネルギーを有する電子の密度が増大し、従って、電極に移動することができない電子の密度が増大し、ひいては、エネルギーロスが増大する。一方、低エネルギー電子が負極へ移動することが許される場合、高エネルギー電子のエネルギーロスが増大する。さらに、光起電力が低下する。
【０１０４】
従って、本実施形態においては、電子移動層の伝導帯のエネルギー幅Ａは０．２ｅＶ以下、好ましくは０．０５ｅＶ以下に設定される。この構成を用いることで、電子のエネルギーロスが減少し、高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が達成され得る。
【０１０５】
図１２は、一実施形態例に係るホットキャリアエネルギー変換構造を製造する方法を示すフローチャート１２００を示している。工程１２０２にて、トンネル層を有するエネルギー選択性コンタクトＥＳＣが形成される。工程１２０４にて、キャリア生成層がＥＳＣ上に形成される。工程１２０６にて、トンネル層を有しない半導体コンタクトがキャリア生成層上に形成される。
【０１０６】
当業者に認識されるように、特定の実施形態にて示した本発明には、広く記載される本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、数多くの変形及び／又は変更が為され得る。故に、これらの実施形態は、あらゆる点で、限定的なものではなく例示的なものと見なされるべきである。
【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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