(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
前記ｉ層は、第１半導体によって構成される壁層、及び、該壁層中に配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、
前記第１半導体のバンドギャップは前記第２半導体のバンドギャップよりも広く、
前記ｉ層の前記ｎ層側の領域にｐ型不純物が、及び／又は、前記ｉ層の前記ｐ層側の領域にｎ型不純物が、含有され、
前記ｉ層の前記ｎ層側の領域に前記ｐ型不純物が含有される場合、前記ｉ層の厚さ方向中央に含有され得る前記ｐ型不純物の濃度をＣｐ１、前記ｉ層の前記ｎ層側の領域に含有される前記ｐ型不純物の濃度をＣｐ２とするとき、Ｃｐ１＜Ｃｐ２であり、
前記ｉ層の前記ｐ層側の領域に前記ｎ型不純物が含有される場合、前記ｉ層の厚さ方向中央に含有され得る前記ｎ型不純物の濃度をＣｎ１、前記ｉ層の前記ｐ層側の領域に含有される前記ｎ型不純物の濃度をＣｎ２とするとき、Ｃｎ１＜Ｃｎ２であることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記ｉ層の前記ｎ層側の端部に、前記ｐ型不純物が含有されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記ｉ層の前記ｎ層側の端部に含有されている前記量子構造部から前記ｎ層へ、トンネル伝導により電子が移動可能なように、前記Ｃｐ２及び前記ｎ層のｎ型不純物濃度が制御されていることを特徴とする、請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記ｎ層の前記第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、前記ｉ層の前記ｎ層側の端部に含有されている前記量子構造部の基底準位以下であることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記ｉ層の前記ｎ層側の領域に前記ｐ型不純物が含有され、
前記ｎ層と前記第２電極との間にｎ＋層が配設され、
前記ｎ＋層の前記ｎ層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、前記ｎ層の前記ｎ＋層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、
前記ｎ＋層が配設されることによって、前記ｎ層の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記ｎ層の伝導帯に形成された前記量子準位と、前記ｎ＋層の前記第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しいことを特徴とする、請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記ｉ層の前記ｐ層側の端部に、前記ｎ型不純物が含有されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記ｉ層の前記ｐ層側の端部に含有されている前記量子構造部から前記ｐ層へ、トンネル伝導により正孔が移動可能なように、前記Ｃｎ２及び前記ｐ層のｐ型不純物濃度が制御されていることを特徴とする、請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記ｐ層の前記第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、前記ｉ層の前記ｐ層側の端部に含有されている前記量子構造部の基底準位以上であることを特徴とする、請求項８に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記ｉ層の前記ｐ層側の領域に前記ｎ型不純物が含有され、
前記ｐ層と前記第１電極との間にｐ＋層が配設され、
前記ｐ＋層の前記ｐ層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、前記ｐ層の前記ｐ＋層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも低く、
前記ｐ＋層が配設されることによって、前記ｐ層の価電子帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
前記ｐ層の価電子帯に形成された前記量子準位と、前記ｐ＋層の前記第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しいことを特徴とする、請求項１０に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関し、特に、量子構造を用いた光電変換素子に関する。
【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、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、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】
このような太陽電池（半導体光素子も含む）に関する技術として、例えば特許文献１には、半導体発・受光素子において、その発・受光層として、大きさが電子のドブロイ波長程度の断面寸法を持つ半導体からなる量子ドットと、この量子ドットを囲み、ポテンシャルエネルギーが量子ドットのポテンシャルエネルギーよりも高くエネルギー障壁として機能する半導体を有する層を複数層有する半導体光素子が開示されている。また、特許文献２には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩをなす太陽電池において、量子ドットのｎ層側に量子ドットへの正孔の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成される形態、及び、量子ドットのｐ層側に量子ドットへの電子の注入を阻止するバリアとなるキャリア注入阻止層が形成される形態が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２６４８２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４８１５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】E.E.Mendez, et al., Physical Review Letters 60, 2426(1988)
【非特許文献２】P.Voisin, et al., Physical Review Letters 61, 1639(1988)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
量子構造を用いたｐｉｎ型太陽電池（ｐｉｎ接合を有する太陽電池）では、量子構造で発生した電子及び正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を主にトンネル伝導によって量子構造間を移動させる一方、電極に最も近い量子構造からｎ層やｐ層への移動は熱励起が想定されている場合が多い。ここで、非特許文献１や非特許文献２に記載されているように、量子構造に存在するキャリアを、隣接する量子構造へトンネル伝導によって移動させる場合、隣り合う量子構造の量子準位に大きなエネルギー差が存在すると、キャリアのトンネル確率が低下する。そのため、トンネル確率を増大させるためには、隣り合う量子構造の量子準位のエネルギー差を小さくすることが好ましい。一方、量子構造を用いたｐｉｎ型太陽電池を室温で使用すると、熱励起エネルギーは３０ｍｅＶ未満である。そのため、量子構造のキャリアを熱励起によってｎ層やｐ層へと移動させるためには、量子構造とｎ層やｐ層との間のエネルギー障壁を小さくすることが好ましい。【０００８】
特許文献１に開示されている技術によれば、量子ドットを用いているので、量子ドットに存在するキャリアをトンネル伝導により移動させることができれば、高効率の半導体光素子を提供することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、隣り合う量子ドット間の量子準位のエネルギー差を低減する対策が施されていない。そのため、量子準位の基底準位等に存在するキャリアを取り出すことが困難になり、光電変換効率を向上させ難くなる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、解決することは困難であった。【０００９】
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、光電変換素子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】
【００１０】
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、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、ｉ層は、第１半導体によって構成される壁層、及び、該壁層中に配設された第２半導体によって構成される量子構造部を有し、第１半導体のバンドギャップは第２半導体のバンドギャップよりも広く、ｉ層のｎ層側の領域にｐ型不純物が、及び／又は、ｉ層のｐ層側の領域にｎ型不純物が、含有され、ｉ層のｎ層側の領域にｐ型不純物が含有される場合、ｉ層の厚さ方向中央に含有され得るｐ型不純物の濃度をＣｐ１、ｉ層のｎ層側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ２とするとき、Ｃｐ１＜Ｃｐ２であり、ｉ層のｐ層側の領域にｎ型不純物が含有される場合、ｉ層の厚さ方向中央に含有され得るｎ型不純物の濃度をＣｎ１、ｉ層のｐ層側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ２とするとき、Ｃｎ１＜Ｃｎ２であることを特徴とする、光電変換素子である。【００１１】
ここに、本発明において、「量子構造部」とは、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線を含む概念である。また、本発明において、「壁層中に配設された第２半導体によって構成される量子構造部」とは、例えば、量子構造部が、量子井戸、又は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を使用した自己組織化プロセスにより形成された量子ドット及び濡れ層である場合には、壁層と量子構造部とが交互に積層されていることをいう。これに対し、例えば量子構造部がコロイダル量子ドットや量子細線である場合には、量子構造部が壁層の中に埋め込まれていることをいう。また、本発明において、「ｉ層の厚さ方向」とは、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層の積層方向をいう。また、本発明において、「ｉ層の厚さ方向中央」とは、ｉ層のｐ層側の端面までの距離と、ｉ層のｎ層側の端面までの距離とが等しい、ｉ層の部位をいう。また、本発明において、「ｎ型不純物」とは、ｉ層へと添加することによりｉ層に電子を生じさせることができる物質をいう。また、本発明において、「ｉ層のｐ層側の領域」とは、ｐ層とｎ層との間に配設されているｉ層を、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層の積層方向を法線方向とする平面によって二等分した場合に、ｐ層側に位置するｉ層をいう。本発明において、ｉ層の厚さ方向中央は、ｉ層のｐ層側の領域に含まれない。また、本発明において、「ｐ型不純物」とは、ｉ層へと添加することによりｉ層に正孔を生じさせることができる物質をいう。また、本発明において、「ｉ層のｎ層側の領域」とは、ｐ層とｎ層との間に配設されているｉ層を、ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層の積層方向を法線方向とする平面によって二等分した場合に、ｎ層側に位置するｉ層をいう。本発明において、ｉ層の厚さ方向中央は、ｉ層のｎ層側の領域に含まれない。また、本発明において、「光電変換素子」は、光検出素子や太陽電池等を含む概念である。【００１２】
また、上記本発明において、ｉ層のｎ層側の端部に、ｐ型不純物が含有されていることが好ましい。【００１３】
ここに、本発明において、「ｉ層のｎ層側の端部」とは、量子構造部が乱雑に配置されている場合には、ｎ層からｉ層の内部方向へと測った厚さが、量子構造部を平均で一つ含む正方体の一辺の長さである領域をいい、量子構造部が周期的に配されている場合には、ｎ層からｉ層の内部方向へと測った厚さが、その一周期分と同じである領域をいう。【００１４】
また、ｉ層のｎ層側の端部にｐ型不純物が含有されている上記本発明において、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部からｎ層へ、トンネル伝導により電子が移動可能なように、Ｃｐ２及びｎ層のｎ型不純物濃度が制御されていることが好ましい。【００１５】
また、Ｃｐ２及びｎ層のｎ型不純物濃度が制御されている上記本発明において、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以下であることが好ましい。【００１６】
ここに、「ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以下である」とは、上方ほど電子のエネルギーが高く、下方ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を作成した場合に、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位と同じ高さであるか、又は、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位よりも下方に位置していることをいう。また、「ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位」とは、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の、電子が入ることが可能な基底準位をいう。【００１７】
また、上記本発明において、ｉ層のｎ層側の領域にｐ型不純物が含有される場合、ｎ層と第２電極との間にｎ＋層が配設され、該ｎ＋層のｎ層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｎ層のｎ＋層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く、ｎ＋層が配設されることによって、ｎ層の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることが好ましい。【００１８】
ここに、「ｎ＋層のｎ層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｎ層のｎ＋層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも高く」とは、上方ほど電子のエネルギーが高く、下方ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を作成した場合に、ｎ＋層のｎ層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｎ層のｎ＋層側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置していることをいう。【００１９】
また、ｎ＋層が配設されることによって、ｎ層の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている上記本発明において、ｎ層の伝導帯に形成された量子準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しいことが好ましい。【００２０】
ここに、「ｎ層の伝導帯に形成された量子準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しい」とは、ｎ層の伝導帯に形成された量子準位の数が１つである場合は、当該１つの量子準位とｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しいことをいう。これに対し、ｎ層の伝導帯に形成された量子準位の数が２以上である場合には、当該２以上の量子準位の何れか１つと、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しいことをいう。また、「ほぼ等しい」とは、等しい場合のほか、熱的な揺らぎの範囲内、つまり、ＫｂＴ（Ｋｂはボルツマン定数、Ｔは温度（例えば、室温程度の３００Ｋ）である。）の幅の範囲内も含む概念である。【００２１】
また、上記本発明において、ｉ層のｐ層側の端部に、ｎ型不純物が含有されていることが好ましい。【００２２】
ここに、本発明において、「ｉ層のｐ層側の端部」とは、量子構造部が乱雑に配置されている場合には、ｐ層からｉ層の内部方向へと測った厚さが、量子構造部を平均で一つ含む正方体の一辺の長さである領域をいい、量子構造部が周期的に配されている場合には、ｐ層からｉ層の内部方向へと測った厚さが、その一周期分と同じである領域をいう。【００２３】
また、ｉ層のｐ層側の端部にｎ型不純物が含有されている上記本発明において、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部からｐ層へ、トンネル伝導により正孔が移動可能なように、Ｃｎ２及びｐ層のｐ型不純物濃度が制御されていることが好ましい。【００２４】
また、Ｃｎ２及びｐ層のｐ型不純物濃度が制御されている上記本発明において、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以上であることが好ましい。【００２５】
ここに、「ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以上である」とは、上方ほど電子のエネルギーが高く、下方ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を作成した場合に、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位と同じ高さであるか、又は、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位よりも上方に位置していることをいう。また、「ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位」とは、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の、正孔が入ることが可能な基底準位をいう。【００２６】
また、上記本発明において、ｉ層のｐ層側の領域にｎ型不純物が含有される場合、ｐ層と第１電極との間にｐ＋層が配設され、該ｐ＋層のｐ層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｐ層のｐ＋層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも低く、ｐ＋層が配設されることによって、ｐ層の価電子帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることが好ましい。【００２７】
ここに、「ｐ＋層のｐ層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｐ層のｐ＋層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも低く」とは、上方ほど電子のエネルギーが高く、下方ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を作成した場合に、ｐ＋層のｐ層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｐ層のｐ＋層側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置していることをいう。【００２８】
また、ｐ＋層が配設されることによって、ｐ層の価電子帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている上記本発明において、ｐ層の価電子帯に形成された量子準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しいことが好ましい。【００２９】
ここに、「ｐ層の価電子帯に形成された量子準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しい」とは、ｐ層の価電子帯に形成された量子準位の数が１つである場合は、当該１つの量子準位とｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しいことをいう。これに対し、ｐ層の価電子帯に形成された量子準位の数が２以上である場合には、当該２以上の量子準位の何れか１つと、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しいことをいう。また、「ほぼ等しい」とは、等しい場合のほか、熱的な揺らぎの範囲内、つまり、ＫｂＴ（Ｋｂはボルツマン定数、Ｔは温度（例えば、室温程度の３００Ｋ）である。）の幅の範囲内も含む概念である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、Ｃｐ１＜Ｃｐ２、及び／又は、Ｃｎ１＜Ｃｎ２とされるので、ｉ層のバンドの傾斜を緩やかにすることが可能になる。ｉ層のバンドの傾斜を緩やかにすることにより、隣り合う量子構造部の量子準位のエネルギー差を低減することが可能になるので、本発明によれば、量子構造部のキャリアをトンネル伝導により移動させやすい形態とすることができる。トンネル伝導によるキャリアの移動を容易にすることにより、光電変換効率を向上させることが可能になるので、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、光電変換素子を提供することができる。【００３１】
また、本発明において、ｉ層のｎ層側の端部にｐ型不純物が含有されていることにより、隣り合う量子構造部の量子準位のエネルギー差が増大しやすいｉ層のｎ層側の端部におけるバンドの傾斜を、緩やかにすることが可能になる。その結果、ｉ層のｎ層側の端部に存在する量子構造部の量子準位と、当該量子構造部に隣接する量子構造部の量子準位とのエネルギー差を低減することが可能になるので、多くの電子を、トンネル伝導により、ｉ層のｎ層側の端部に存在する量子構造部まで移動させることが容易になる。【００３２】
また、本発明において、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部からｎ層へ、トンネル伝導により電子が移動可能なように、Ｃｐ２及びｎ層のｎ型不純物濃度が制御されていることにより、量子構造部の量子準位の基底準位に存在する電子をｎ層へと移動させることが容易になる。【００３３】
また、本発明において、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以下であることにより、量子構造部に存在する電子をトンネル伝導によってｎ層へと移動させることが容易になる。【００３４】
また、本発明において、ｎ層の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることにより、三角ポテンシャルの量子準位を介して電子をｎ層へと移動させることが可能になるので、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００３５】
また、本発明において、ｎ層の伝導帯に形成された量子準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しいことにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００３６】
また、本発明において、ｉ層のｐ層側の端部にｎ型不純物が含有されていることにより、隣り合う量子構造部の量子準位のエネルギー差が増大しやすいｉ層のｐ層側の端部におけるバンドの傾斜を、緩やかにすることが可能になる。その結果、ｉ層のｐ層側の端部に存在する量子構造部の量子準位と、当該量子構造部に隣接する量子構造部の量子準位とのエネルギー差を低減することが可能になるので、多くの正孔を、トンネル伝導により、ｉ層のｐ層側の端部に存在する量子構造部まで移動させることが容易になる。【００３７】
また、本発明において、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部からｐ層へ、トンネル伝導により正孔が移動可能なように、Ｃｎ２及びｐ層のｐ型不純物濃度が制御されていることにより、量子構造部の量子準位の基底準位に存在する正孔をｐ層へと移動させることが容易になる。【００３８】
また、本発明において、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に含有されている量子構造部の基底準位以上であることにより、量子構造部に存在する正孔をトンネル伝導によってｐ層へと移動させることが容易になる。【００３９】
また、本発明において、ｐ層の価電子帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されることにより、三角ポテンシャルの量子準位を介して正孔をｐ層へと移動させることが可能になるので、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００４０】
また、本発明において、ｐ層の価電子帯に形成された量子準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しいことにより、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】
【００４１】
【図１】太陽電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】太陽電池１０のバンド図である。
【図３】太陽電池２０の形態例を示す断面図である。
【図４】太陽電池２０のバンド図である。
【図５】太陽電池３０の形態例を示す断面図である。
【図６】太陽電池３０のバンド図である。
【図７】太陽電池４０の形態例を示す断面図である。
【図８】太陽電池４０のバンド図である。
【図９】太陽電池５０の形態例を示す断面図である。
【図１０】太陽電池５０のバンド図である。
【図１１】太陽電池６０の形態例を示す断面図である。
【図１２】太陽電池６０のバンド図である。
【図１３】太陽電池７０の形態例を示す断面図である。
【図１４】太陽電池７０のバンド図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…太陽電池
１１…ｐ層
１２…ｎ層
１３…ｉ層
１３ａ…壁層
１３ａｎ…壁層
１３ａｐ…壁層
１３ｂ…量子ドット
１３ｂｎ…量子ドット
１３ｂｐ…量子ドット
１４…第１電極
１５…第２電極
２０…太陽電池
２１…ｐ層
２２…ｎ層
２３…ｉ層
２３ａ…壁層
２３ａｎ…壁層
２３ａｐ…壁層
２３ｂ…量子ドット
２３ｂｎ…量子ドット
２３ｂｐ…量子ドット
３０…太陽電池
３１…ｉ層
３１ａ…壁層
３１ａｎ…壁層
３１ａｐ…壁層
３１ｂ…障壁
３１ｃ…濡れ層
３１ｄ…量子ドット
３１ｅ…層
３１ｅｎ…層
３１ｅｐ…層
４０…太陽電池
４１…ｐ層
４２…ｎ層
４３…ｐ＋層
４４…ｎ＋層
５０…太陽電池
５１…ｐ＋層
５２…ｎ＋層
６０…太陽電池
６１…絶縁層
６２…絶縁層
７０…太陽電池
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。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。
【００４４】
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１０の形態例を示す断面図である。図１では、一部符号の記載を省略している。図１に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１と、ｎ層１２と、ｐ層１１とｎ層１２との間に配設されたｉ層１３と、ｐ層１１に接続された第１電極１４と、ｎ層１２に接続された第２電極１５と、を有している。ｉ層１３は、壁層１３ａと、該壁層１３ａ中に配設された量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、単に「量子ドット１３ｂ」ということがある。）と、を有し、壁層１３ａは第１半導体によって構成され、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…は第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されている。太陽電池１０において、量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…の間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。ｉ層１３のｐ層１１側端部の壁層１３ａ（以下において、「壁層１３ａｐ」という。）には、ｎ型不純物が含有されており、ｉ層１３のｎ層１２側端部の壁層１３ａ（以下において、「壁層１３ａｎ」という。）には、ｐ型不純物が含有されている。これに対し、壁層１３ａｐ及び壁層１３ａｎ以外の壁層１３ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、ｉ層１３の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ１１、ｉ層１３のｐ層１１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ１２、ｉ層１３の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ１１、及び、ｉ層１３のｎ層１２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ１２とするとき、太陽電池１０は、Ｃｎ１１＜Ｃｎ１２、及び、Ｃｐ１１＜Ｃｐ１２とされている。
【００４５】
図２は、太陽電池１０のバンド図である。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２では、太陽電池１０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図２において、紙面左側から右側へと向かう矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図１及び図２を参照しつつ、太陽電池１０について説明を続ける。
【００４６】
図２に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１及びｎ層１２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層１３ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層１３ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層１３のバンドの傾斜、すなわち、壁層１３ａのバンドの傾斜及び量子ドット１３ｂのバンドの傾斜が緩和されている。また、図２に示すように、ｎ層１２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｉ層１３のｎ層１２側端部に配設されている量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、「量子ドット１３ｂｎ」という。）の基底準位（電子が存在し得る基底準位。以下において「量子ドット１３ｂｎの基底準位」という。）よりも下方に位置し、ｐ層１１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｉ層１３のｐ層１１側端部に配設されている量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…（以下において、「量子ドット１３ｂｐ」という。）の基底準位（正孔が存在し得る基底準位。以下において「量子ドット１３ｂｐの基底準位」という。）よりも上方に位置している。
【００４７】
太陽電池１０では、ｉ層１３へと光が入射すると、壁層１３ａ及び量子ドット１３ｂの双方で、電子−正孔対が発生する。壁層１３ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、壁層１３ａをドリフト移動し、正孔は壁層１３ａｐへ、電子は壁層１３ａｎへと達する。そして、壁層１３ａｐへと達した正孔の少なくとも一部はそのままｐ層１１へと達し、壁層１３ａｐへと達した正孔の残りの少なくとも一部は、量子ドット１３ｂｐへと落ち込む。また、壁層１３ａｎへと達した電子の少なくとも一部はそのままｎ層１２へと達し、壁層１３ａｎへと達した電子の残りの少なくとも一部は、量子ドット１３ｂｎへと落ち込む。一方、上述のように、量子ドット１３ｂを構成する第２半導体は、壁層１３ａを構成する第１半導体よりもバンドギャップが狭い。そのため、壁層１３ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、量子ドット１３ｂへと落ち込む。ここで、太陽電池１０は、壁層１３ａｐにｎ型不純物を含有させ、壁層１３ａｎにｐ型不純物を含有させることにより、隣り合う量子ドット１３ｂ、１３ｂの量子準位のエネルギー差を低減している。それゆえ、量子ドット１３ｂへと落ち込んだキャリアは、トンネル伝導により量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…間を容易に移動することができ、正孔は量子ドット１３ｂｐへ、電子は量子ドット１３ｂｎへと達する。他方、量子ドット１３ｂで発生したキャリアは、同様にトンネル伝導により量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット１３ｂｐへ、電子は量子ドット１３ｂｎへと達する。図２に示すように、太陽電池１０では、ｐ層１１の量子ドット１３ｂｐ側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が量子ドット１３ｂｐの基底準位よりも下方に位置する一方、ｐ層１１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が量子ドット１３ｂｐの基底準位よりも上方に位置している。そのため、量子ドット１３ｂｐへと達した正孔は、熱励起されることによりｐ層１１へと移動することができる。また、図２に示すように、太陽電池１０では、ｎ層１２の量子ドット１３ｂｎ側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が量子ドット１３ｂｎの基底準位よりも上方に位置している一方、ｎ層１２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が量子ドット１３ｂｎの基底準位よりも下方に位置している。そのため、量子ドット１３ｂｎへと達した電子は、熱励起されることによりｎ層１２へと移動することができる。
【００４８】
ここで、量子ドット１３ｂ（量子ドット１３ｂｐ及び量子ドット１３ｂｎも含む。以下において同じ。）は、離散的な量子準位を有し、各量子ドット１３ｂ、１３ｂ、…が収容できるキャリアの数には限度がある。また、量子ドット１３ｂｐへと収容される正孔は深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）から収容されると考えられ、量子ドット１３ｂｎへと収容される電子も深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）から収容されると考えられる。そのため、既に正孔が収容されている量子ドット１３ｂｐに後から収容される正孔は、量子ドット１３ｂｐの浅い準位（相対的にエネルギーが高い量子準位）に入り、既に電子が収容されている量子ドット１３ｂｎに後から収容される電子は、量子ドット１３ｂｎの浅い準位（相対的にエネルギーが高い量子準位）に入る。量子ドット１３ｂｐの浅い準位へと入った正孔は、ｐ層１１へと移動するために乗り越えるべきエネルギー障壁が低い。そのため、熱エネルギーで励起されることによって、正孔は、量子ドット１３ｂｐからｐ層１１へと容易に移動することができる。同様に、量子ドット１３ｂｎの浅い準位へと入った電子は、ｎ層１２へと移動するために乗り越えるべきエネルギー障壁が低い。そのため、熱エネルギーで励起されることによって、電子は、量子ドット１３ｂｎからｎ層１２へと容易に移動することができる。
【００４９】
このように、太陽電池１０によれば、隣り合う量子ドット１３ｂ、１３ｂの量子準位のエネルギー差を低減することにより、量子ドット１３ｂに存在する正孔をトンネル伝導により量子ドット１３ｂｐへと容易に移動させることができ、量子ドット１３ｂに存在する電子を量子ドット１３ｂｎへと容易に移動させることができる。量子ドット１３ｂｐに存在する正孔はｐ層１１へと移動させることができ、量子ドット１３ｂｎに存在する電子はｎ層１２へと移動させることができるので、太陽電池１０は、量子ドット１３ｂからキャリアを取り出しやすい形態とされている。量子ドットからキャリアを取り出しやすくすることにより、光電変換効率を向上させることが可能になるので、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。
【００５０】
上述のように、量子ドット１３ｂは、離散的な量子準位を有し、特に低エネルギー側の量子準位は、他の量子構造（量子井戸や量子細線等）よりも離散的である。さらに、離散的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間は、連続的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間よりも長いと考えられる。そのため、量子ドット１３ｂが備えられる太陽電池１０によれば、電子と正孔とが再結合するまでの時間を長くすることが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００５１】
太陽電池１０において、壁層１３ａは、ＺｎＯ等によって構成することができる。また、ｐ層１１は、壁層１３ａを構成すべき半導体材料に公知のｐ型不純物を添加したものや、ｐ型のＣｕ２Ｏ等によって構成することができる。また、ｎ層１２は、壁層１３ａを構成すべき材料に公知のｎ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。また、壁層１３ａｐは、壁層１３ａを構成すべき材料に、少量のｎ型不純物（ｎ層１２よりも電子濃度が低くなる量のｎ型不純物。以下において同じ。）を含有させたものによって構成することができ、壁層１３ａｎは壁層１３ａを構成すべき材料に、少量のｐ型不純物（ｐ層１１よりも正孔濃度が低くなる量のｐ型不純物。以下において同じ。）を含有させたものによって構成することができる。また、量子ドット１３ｂの構成材料としては、壁層１３ａを構成する材料よりもバンドギャップが狭い材料を適宜用いることができる。また、電極１４及び電極１５の構成材料としては、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができる。
【００５２】
このような構造の太陽電池１０のうち、ｉ層１３の厚さ方向中央部は、例えば、有機溶媒等を用いて壁層１３ａを構成する第１半導体を溶解させた溶液中に、市販されている量子ドットを分散させた後、溶媒を揮発させて焼結させる等の工程により、作製することができる。また、ｉ層１３のｐ層１１側端部は、例えば、有機溶媒等を用いて、第１半導体に少量のｎ型元素を添加した半導体（壁層１３ａｐを構成すべき半導体）の前駆体（プリカーサ）を溶解させた溶液中に、市販されている量子ドットを分散させた後、溶媒を揮発させて焼結させる等の工程により、作製することができる。また、ｉ層１３のｎ層１２側端部は、例えば、有機溶媒等を用いて、第１半導体に少量のｐ型元素を添加した半導体（壁層１３ａｎを構成すべき半導体）の前駆体（プリカーサ）を溶解させた溶液中に、市販されている量子ドットを分散させた後、溶媒を揮発させて焼結させる等の工程により、作製することができる。太陽電池１０を作製するには、例えば、公知のガラス基板の表面に蒸着法等の公知の方法でｐ層１１を作製し、作製したｐ層１１の表面に上記の方法でｉ層１３を作製した後、作製したｉ層１３の表面に蒸着法等の公知の方法でｎ層１２を作製する。このようにしてｐ層１１、ｉ層１３、及び、ｎ層１２を順に作製したら、ｐ層１１と導通をとるためにｎ層１２及びｉ層１３の一部をエッチングし、次いで、ｐ層１１の表面に第１電極１４を、ｎ層１２の表面に第２電極１５をそれぞれ電子線蒸着法等の公知の方法で作製することにより、太陽電池１０を作製することができる。
【００５３】
２．第２実施形態
図３は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図３では、一部符号の記載を省略している。図３において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２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。
【００５４】
図３に示すように、太陽電池２０は、ｐ層２１と、ｎ層２２と、ｐ層２１とｎ層２２との間に配設されたｉ層２３と、ｐ層２１に接続された第１電極１４と、ｎ層２２に接続された第２電極１５と、を有している。ｐ層２１に含有されている正孔の濃度は、太陽電池１０のｐ層１１に含有されている正孔の濃度よりも高く、ｎ層２２に含有されている電子の濃度は、太陽電池１０のｎ層１２に含有されている電子の濃度よりも高い。ｉ層２３は、壁層２３ａと、該壁層２３ａ中に配設された量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…（以下において、単に「量子ドット２３ｂ」ということがある。）と、を有し、壁層２３ａは第１半導体によって構成され、量子ドット２３ｂは第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されている。太陽電池２０において、量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…の間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。ｉ層２３のｐ層２１側端部の壁層２３ａ（以下において、「壁層２３ａｐ」という。）には、ｎ型不純物が含有されており、壁層２３ａｐの電子濃度は、太陽電池１０の壁層１３ａｐの電子濃度よりも高い。また、ｉ層２３のｎ層２２側端部の壁層２３ａ（以下において、「壁層２３ａｎ」という。）には、ｐ型不純物が含有されており、壁層２３ａｎの正孔濃度は、太陽電池１０の壁層１３ａｎの正孔濃度よりも高い。これに対し、壁層２３ａｐ及び壁層２３ａｎ以外の壁層２３ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、太陽電池２０において、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ２１、ｉ層２３のｐ層２１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ２２、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ２１、及び、ｉ層２３のｎ層２２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ２２とするとき、太陽電池２０は、Ｃｎ２１＜Ｃｎ２２、及び、Ｃｐ２１＜Ｃｐ２２とされている。
【００５５】
図４は、太陽電池２０のバンド図である。図４の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４では、太陽電池２０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図４において、紙面左側から右側へと向かう矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図１〜図４を参照しつつ、太陽電池２０について説明を続ける。
【００５６】
図４に示すように、太陽電池２０は、ｐ層２１及びｎ層２２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層２３ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層２３ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層２３のバンドの傾斜、すなわち、壁層２３ａのバンドの傾斜及び量子ドット２３ｂのバンドの傾斜が緩和されている。また、図４に示すように、ｎ層２２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｉ層２３のｎ層２２側端部に配設されている量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…（以下において、「量子ドット２３ｂｎ」という。）の基底準位（電子が存在し得る基底準位。）よりも下方に位置し、ｐ層２１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｉ層２３のｐ層２１側端部に配設されている量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…（以下において、「量子ドット２３ｂｐ」という。）の基底準位（正孔が存在し得る基底準位。）よりも上方に位置している。さらに、太陽電池２０では、太陽電池１０のｐ層１１よりも正孔濃度が高いｐ層２１、及び、太陽電池１０の壁層１３ａｐよりも電子濃度が高い壁層２３ａｐが備えられるので、ｐ層２１の価電子帯上端のバンドの傾斜が、太陽電池１０におけるｐ層１１の価電子帯上端のバンドの傾斜よりも、急になっている。かかる形態とすることにより、量子ドット２３ｂｐからｐ層２１へとトンネル伝導により移動しようとする正孔の移動距離を低減することが可能になる。そのため、太陽電池２０によれば、量子ドット２３ｂｐに存在する正孔を、トンネル伝導によりｐ層２１へと移動させることが容易になる。このように、太陽電池２０によれば、量子ドット２３ｂｐに存在する正孔をｐ層２１へと移動させる際の移動形態に、トンネル伝導による移動を追加することが容易になるので、量子ドット２３ｂｐの深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）に存在する正孔も、第１電極１４へと移動させることが容易になる。一方、太陽電池２０では、太陽電池１０のｎ層１２よりも電子濃度が高いｎ層２２、及び、太陽電池１０の壁層１３ａｎよりも正孔濃度が高い壁層２３ａｎが備えられるので、ｎ層２２の伝導帯下端のバンドの傾斜が、太陽電池１０におけるｎ層１２の伝導帯下端のバンドの傾斜よりも、急になっている。かかる形態とすることにより、量子ドット２３ｂｎからｎ層２２へとトンネル伝導により移動しようとする電子の移動距離を低減することが可能になる。そのため、太陽電池２０によれば、量子ドット２３ｂｎに存在する電子を、トンネル伝導によりｎ層２２へと移動させることが容易になる。このように、太陽電池２０によれば、量子ドット２３ｂｎに存在する電子をｎ層２２へと移動させる際の移動形態に、トンネル伝導による移動を追加することが容易になるので、量子ドット２３ｂｎの深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）に存在する電子も、第２電極１５へと移動させることが容易になる。したがって、太陽電池２０によれば、太陽電池１０よりも光電変換効率を向上させることが可能になる。
【００５７】
上述のように、量子ドット２３ｂは、離散的な量子準位を有し、特に低エネルギー側の量子準位は、他の量子構造（量子井戸や量子細線等）よりも離散的である。さらに、離散的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間は、連続的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間よりも長いと考えられる。そのため、量子ドット２３ｂが備えられる太陽電池２０によれば、電子と正孔とが再結合するまでの時間を長くすることが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００５８】
太陽電池２０において、壁層２３ａは、太陽電池１０の壁層１３ａと同様の材料によって構成することができる。また、ｐ層２１は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体材料に、太陽電池１０のｐ層１１の場合よりも多量のｐ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。また、ｎ層２２は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体材料に、太陽電池１０のｎ層１２の場合よりも多量のｎ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。また、壁層２３ａｐは、壁層２３ａを構成すべき材料に、太陽電池１０の壁層１３ａｐの場合よりも多量のｎ型不純物を添加したものによって構成することができる。また、壁層２３ａｎは、壁層２３ａを構成すべき材料に、太陽電池１０の壁層１３ａｎの場合よりも多量のｐ型不純物を添加したものによって構成することができる。また、量子ドット２３ｂは、太陽電池１０の量子ドット１３ｂと同様の材料によって構成することができる。このような材料によって構成される各構成要素を備える太陽電池２０は、太陽電池１０と同様の方法によって作製することができる。
【００５９】
３．第３実施形態
図５は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３０の形態例を示す断面図である。図５では、一部符号の記載を省略している。図５において、太陽電池２０と同様に構成されるものには、図３及び図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。
【００６０】
図５に示すように、太陽電池３０は、ｐ層２１と、ｎ層２２と、ｐ層２１とｎ層２２との間に配設されたｉ層３１と、ｐ層２１に接続された第１電極１４と、ｎ層２２に接続された第２電極１５と、を有している。ｉ層３１は、壁層３１ａと、障壁３１ｂと、濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ、３１ｄ、…（以下において、単に「量子ドット３１ｄ」ということがある。）を備えた層３１ｅとが積層された構造を有し、壁層３１ａ、３１ａ、…（以下において、単に「壁層３１ａ」ということがある。）は第１半導体によって構成され、層３１ｅ、３１ｅ、…（以下において、単に「層３１ｅ」ということがある。）は第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されている。太陽電池３０において、隣り合う層３１ｅ、３１ｅの間隔（２つの層３１ｅ、３１ｅに挟まれた壁層３１ａ及び障壁３１ｂ、３１ｂの合計厚さ。以下において同じ。）は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされ、隣り合う層３１ａ、３１ａの間隔（２つの層３１ａ、３１ａに挟まれた層３１ｅ及び障壁３１ｂ、３１ｂの合計厚さ。以下において同じ。）は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。太陽電池３０において、量子ドット３１ｄは、ＭＢＥ法を用いて自己組織化プロセスにより形成されており、量子ドット３１ｄは濡れ層３１ｃに形成されている。ｉ層３１の厚さ方向（図５の紙面上下方向）中央部に配設されている層３１ｅ、３１ｅ、…と壁層３１ａ、３１ａ、…との間には、障壁３１ｂ、３１ｂ、…（以下において、単に「障壁３１ｂ」ということがある。）がそれぞれ配設されており、障壁３１ｂは、第１半導体よりもバンドギャップの広い材料（半導体又は絶縁体）によって構成されている。これに対し、ｉ層３１のｐ層２１側端部に配設されている層３１ｅ（以下において、「層３１ｅｐ」という。）のｐ層２１側、及び、ｉ層３１のｎ層２２側端部に配設されている層３１ｅ（以下において、「層３１ｅｎ」という。）のｎ層２２側には、障壁３１ｂが配設されていない。さらに、太陽電池３０において、ｉ層３１のｐ層２１側端部の壁層３１ａ（以下において、「壁層３１ａｐ」ということがある。）には、ｎ型不純物が含有されており、壁層３１ａｐの電子濃度は、太陽電池２０の壁層２３ａｐの電子濃度と同様に高濃度（高密度）とされている。また、ｉ層３１のｎ層２２側端部の壁層３１ａ（以下において、「壁層３１ａｎ」ということがある。）には、ｐ型不純物が含有されており、壁層３１ａｎの正孔濃度は、太陽電池２０の壁層２３ａｎの正孔濃度と同様に高濃度（高密度）とされている。これに対し、壁層３１ａｐ及び壁層３１ａｎ以外の壁層３１ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、ｉ層３１の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ３１、ｉ層３１のｐ層２１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ３２、ｉ層３１の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ３１、及び、ｉ層３１のｎ層２２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ３２とするとき、太陽電池３０は、Ｃｎ３１＜Ｃｎ３２、及び、Ｃｐ３１＜Ｃｐ３２とされている。
【００６１】
図６は、太陽電池３０のバンド図である。図６の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図６では、太陽電池３０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図６において、紙面左側から右側へと向かう矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図５及び図６を参照しつつ、太陽電池３０について説明を続ける。
【００６２】
図６に示すように、太陽電池３０は、ｐ層２１及びｎ層２２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層３１ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層３１ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層３１のバンドの傾斜、すなわち、壁層３１ａのバンドの傾斜並びに層３１ｅのバンドの傾斜（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄのバンドの傾斜）が緩和されている。また、図６に示すように、ｎ層２２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｉ層３１のｎ層２２側端部に配設されている層３１ｅｎの基底準位（電子が存在し得る基底準位。）よりも下方に位置し、ｐ層２１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｉ層３１のｐ層２１側端部に配設されている層３１ｅｐの基底準位（正孔が存在し得る基底準位。）よりも上方に位置している。さらに、太陽電池３０では、障壁３１ｂを構成する材料のバンドギャップが、壁層３１ａを構成する第１半導体のバンドギャップよりも広く、障壁３１ｂの伝導帯下端と壁層３１ａの伝導帯下端との間、及び、障壁３１ｂの価電子帯上端と壁層３１ａの価電子帯上端との間、並びに、障壁３１ｂの伝導帯下端と層３１ｅの伝導帯下端との間、及び、障壁３１ｂの価電子帯上端と層３１ｅの価電子帯上端との間には、段差がある。この段差は、太陽電池３０が使用される温度環境下でキャリアが吸収する熱エネルギーよりも大きく、且つ、層３１ｅで発生したキャリアが隣り合う層３１ｅ、３１ｅ間をトンネル伝導により移動可能な高さとされている。
【００６３】
太陽電池３０では、ｉ層３１へと光が入射すると、壁層３１ａ、並びに、層３１ｅ（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ）の双方で、電子−正孔対が発生する。ここで、上述のように、壁層３１ａと障壁３１ｂとの段差は、キャリアが吸収する熱エネルギーよりも大きい。そのため、壁層３１ａで発生したキャリアがｉ層３１の厚さ方向中央部を移動する際には、層３１ｅ（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ）への落ち込みが、障壁３１ｂによって防止される。それゆえ、キャリアは、障壁３１ｂ、３１ｂによって挟まれた壁層３１ａの内部をドリフト移動することができ、ｉ層３１の厚さ方向中央部に配設されている障壁３１ｂ及び層３１ｅの積層体をトンネル伝導により通過して移動することができる。このようにしてｉ層３１のｐ層２１側端部（ｐ層２１と接触している層３１ａｐ）へと達した正孔は、そのままｐ層２１へと移動する。これに対し、層３１ａｎへと達した電子は、トンネル伝導により、障壁３１ｂ及び層３１ｅｎを通過し、ｎ層２２へと移動する。一方、層３１ｅで発生したキャリアは、トンネル伝導により、層３１ｅ、３１ｅ、…間を移動し、正孔は層３１ｅｐへ、電子は層３１ｅｎへと移動する。
【００６４】
図５及び図６に示すように、太陽電池３０では、層３１ｅｐとｐ層２１との間、及び、層３１ｅｎとｎ層２２との間に、障壁３１ｂが配設されていない。そのため、層３１ｅｐに存在する正孔は、障壁３１ｂによって移動を妨げられることなく、トンネル伝導によりｐ層２１へと移動することができる。同様に、層３１ｅｎに存在する電子は、障壁３１ｂによって移動を妨げられることなく、トンネル伝導によりｎ層２２へと移動することができる。ここで、濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄによって構成される層３１ｅ（層３１ｅｐ及び層３１ｅｎも含む。以下において同じ。）は、離散的な量子準位を有し、各層３１ｅ、３１ｅ、…が収容できるキャリアの数には限度がある。また、層３１ｅｐへと収容される正孔は深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）から収容されると考えられ、層３１ｅｎへと収容される電子も深い準位（相対的にエネルギーが低い量子準位）から収容されると考えられる。そのため、既に正孔が収容されている層３１ｅｐに後から収容される正孔は、層３１ｅｐの浅い準位（相対的にエネルギーが高い量子準位）に入り、既に電子が収容されている層３１ｅｎに後から収容される電子は、層３１ｅｎの浅い準位（相対的にエネルギーが高い量子準位）に入る。層３１ｅｐの浅い準位へと入った正孔は、ｐ層２１へと移動するために透過するべきエネルギー障壁が低く、透過するべき距離が短い。そのため、トンネル伝導によって、正孔は、層３１ｅｐからｐ層２１へと容易に移動することができる。同様に、層３１ｅｎの浅い準位へと入った電子は、ｎ層２２へと移動するために透過するべきエネルギー障壁が低く、透過するべき距離が短い。そのため、トンネル伝導によって、電子は、層３１ｅｎからｎ層２２へと容易に移動することができる。このように、層３１ｅｐ及び層３１ｅｎが備えられる太陽電池３０では、正孔のｐ層２１へのトンネル伝導による移動、及び、電子のｎ層２２へのトンネル伝導による移動が障壁３１ｂによって妨げられない形態とすることにより、濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄによって構成される層３１ｅｐ及び層３１ｅｎからキャリアを取り出しやすくしている。濡れ層や量子ドットからキャリアを取り出しやすくすることにより、光電変換効率を向上させることが可能になるので、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３０を提供することができる。
【００６５】
また、上述のように、量子ドット３１ｄは、離散的な量子準位を有し、特に低エネルギー側の量子準位は、他の量子構造（量子井戸や量子細線等）よりも離散的である。さらに、離散的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間は、連続的な量子準位間をキャリアがエネルギー緩和するのに要する時間よりも長いと考えられる。そのため、量子ドット３１ｄが備えられる太陽電池３０によれば、電子と正孔とが再結合するまでの時間を長くすることが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００６６】
また、太陽電池３０の壁層３１ａには、電流方向にキャリア濃度の勾配が生じている。ｉ層３１のｐ層２１側端部やｐ層２１では電子が少数キャリアであり、ｉ層３１のｎ層２２側端部やｎ層２２では正孔が少数キャリアである。そのため、層３１ｅｐのｐ層２１側に障壁３１ｂが配設されていなくても、大量の電子が層３１ｅｐへと落ち込んで大きなエネルギー損失が生じることはない。同様に、層３１ｅｎのｎ層２２側に障壁３１ｂが配設されていなくても、大量の正孔が層３１ｅｎへと落ち込んで大きなエネルギー損失が生じることはない。
【００６７】
太陽電池３０において、壁層３１ａは、太陽電池２０における壁層２３ａと同様の材料によって構成することができ、層３１ｅ（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ）は、太陽電池２０における量子ドット２３ｂと同様の材料によって構成することができる。また、太陽電池３０において、障壁３１ｂは、壁層３１ａを構成すべき材料よりもバンドギャップが広い材料によって構成することができる。また、太陽電池３０において、ｉ層３１は、電極１５の表面にＭＢＥ法等の方法で作製したｎ層２２の上面に、ＭＢＥ法によって層３１ｅｎを形成した後、形成した層３１ｅｎの上面にＭＢＥ法によって障壁３１ｂを形成し、形成した障壁３１ｂの上面にＭＢＥ法によって壁層３１ａを形成する、という工程を繰り返し、最後に、層３１ｅｐの上面に壁層３１ａを形成することにより、作製することができる。このほか、ｎ層２２、電極１４、及び、電極１５は、太陽電池２０と同様の方法で作製することができる。
【００６８】
本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（電子を収容し得る基底準位）以下である形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（電子を収容し得る基底準位）よりも高い形態とすることも可能である。ただし、ｉ層のｎ層側の端部に配設されている量子構造部の量子準位に収容されている電子を、ｎ層へ、トンネル伝導により移動させやすい形態にする等の観点からは、ｎ層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位が、ｉ層のｎ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（電子を収容し得る基底準位）以下である形態とすることが好ましい。また、本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（正孔を収容し得る基底準位）以上である形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（正孔を収容し得る基底準位）未満である形態とすることも可能である。ただし、ｉ層のｐ層側の端部に配設されている量子構造部の量子準位に収容されている正孔を、ｐ層へ、トンネル伝導により移動させやすい形態にする等の観点からは、ｐ層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位が、ｉ層のｐ層側の端部に配設されている量子構造部の基底準位（正孔を収容し得る基底準位）以上である形態とすることが好ましい。
【００６９】
４．第４実施形態
図７は、第４実施形態にかかる本発明の太陽電池４０の形態例を示す断面図である。図７では、一部符号の記載を省略している。図７において、太陽電池２０と同様に構成されるものには、図３及び図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。
【００７０】
図７に示すように、太陽電池４０は、ｐ層４１と、ｎ層４２と、ｐ層４１とｎ層４２との間に配設されたｉ層２３と、ｐ層４１に接続されたｐ＋層４３と、ｐ＋層４３に接続された第１電極１４と、ｎ層４２に接続されたｎ＋層４４と、ｎ＋層４４に接続された第２電極１５と、を有している。ｐ層４１は太陽電池２０のｐ層２１と同じ物質で構成されており、ｐ層４１は太陽電池２０のｐ層２１よりも厚さが薄く、ｐ層４１の正孔濃度はｐ層２１の正孔濃度と同程度である。また、ｎ層４２は太陽電池２０のｎ層２２と同じ物質で構成されており、ｎ層４２は太陽電池２０のｎ層２２よりも厚さが薄く、ｎ層４２の電子濃度はｎ層２２の電子濃度と同程度である。ｉ層２３は、壁層２３ａと、該壁層２３ａ中に配設された量子ドット２３ｂとを有している。壁層２３ａは第１半導体によって構成されており、壁層２３ａｐにはｎ型不純物が、壁層２３ａｎにはｐ型不純物が、それぞれ含有されているのに対し、壁層２３ａｐ及び壁層２３ａｎ以外の壁層２３ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、太陽電池４０において、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ４１、ｉ層２３のｐ層４１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ４２、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ４１、及び、ｉ層２３のｎ層４２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ４２とするとき、太陽電池４０は、Ｃｎ４１＜Ｃｎ４２、及び、Ｃｐ４１＜Ｃｐ４２とされている。また、量子ドット２３ｂは第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されており、隣り合う量子ドット２３ｂ、２３ｂの間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。さらに、ｐ層４１と第１電極１４との間に配設されたｐ＋層４３は、ｐ層４１よりも正孔濃度が高く、且つ、ｐ層４１を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成されている。そして、ｎ層４２と第２電極１５との間に配設されたｎ＋層４４は、ｎ層４２よりも電子濃度が高く、且つ、ｎ層４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成されている。
【００７１】
図８は、太陽電池４０のバンド図である。図８の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図８では、太陽電池４０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図８において、紙面左側から右側へと向かう矢印は電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は正孔の移動形態を示している。以下、図７及び図８を参照しつつ、太陽電池４０について説明を続ける。
【００７２】
図８に示すように、太陽電池４０は、ｐ層４１及びｎ層４２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層２３ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層２３ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層２３のバンドの傾斜、すなわち、壁層２３ａのバンドの傾斜及び量子ドット２３ｂのバンドの傾斜が緩和されている。さらに、太陽電池４０には、正孔濃度が高いｐ層４１及び電子濃度が高いｎ層４２が備えられているので、ｐ層４１の価電子帯上端及びｎ層４２の伝導帯下端のバンドの傾斜が急になっている。
【００７３】
太陽電池４０では、ｐ層４１と第１電極１４との間にｐ＋層４３が配設され、ｎ層４２と第２電極１５との間にｎ＋層４４が配設されている。図８に示すように、ｐ＋層４３を構成する半導体のバンドギャップは、ｐ層４１を構成する半導体のバンドギャップよりも広く、ｐ＋層４３のｐ層４１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｐ層４１のｐ＋層４３側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置している。このような性質を有し、且つ、ｐ層４１よりも正孔濃度が高い半導体材料によって構成されるｐ＋層４３をｐ層４１と第１電極１４との間に配設することにより、太陽電池４０では、ｐ層４１の価電子帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている。ｐ層４１の価電子帯に形成された三角ポテンシャルは、複数の量子準位を有している。ｐ層４１の価電子帯に形成された量子準位の基底準位は、ｐ層４１のｐ＋層４３側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置し、且つ、ｐ＋層４３の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とほぼ等しくなるように、ｐ層４１の正孔濃度及び厚さ、並びに、ｐ＋層４３の正孔濃度及び厚さが制御されている。一方、図８に示すように、ｎ＋層４４を構成する半導体のバンドギャップは、ｎ層４２を構成する半導体のバンドギャップよりも広く、ｎ＋層４４のｎ層４２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｎ層４２のｎ＋層４４側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置している。このような性質を有し、且つ、ｎ層４２よりも電子濃度が高い半導体材料によって構成されるｎ＋層４４をｎ層４２と第２電極１５との間に配設することにより、太陽電池４０では、ｎ層４２の伝導帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている。ｎ層４２の伝導帯に形成された三角ポテンシャルは、複数の量子準位を有している。ｎ層４２の伝導帯に形成された量子準位の基底準位は、ｎ層４２のｎ＋層４４側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置し、且つ、ｎ＋層４４の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とほぼ等しくなるように、ｎ層４２の電子濃度及び厚さ、並びに、ｎ＋層４４の電子濃度及び厚さが制御されている。また、図８に示すように、太陽電池４０では、ｐ＋層４３の伝導帯下端のエネルギー準位が、ｐ層４１の伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置し、ｎ＋層４４の価電子帯上端のエネルギー準位が、ｎ層４２の価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置している。
【００７４】
太陽電池４０では、ｉ層２３へと光が入射すると、壁層２３ａ及び量子ドット２３ｂの双方で、電子−正孔対が発生する。壁層２３ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、壁層２３ａをドリフト移動し、正孔は壁層２３ａｐへ、電子は壁層２３ａｎへと達する。そして、壁層２３ａｐへと達した正孔の少なくとも一部はそのままｐ層４１へと達し、壁層２３ａｐへと達した正孔の残りの少なくとも一部は、量子ドット２３ｂｐへと落ち込む。また、壁層２３ａｎへと達した電子の少なくとも一部はそのままｎ層４２へと達し、壁層２３ａｎへと達した電子の残りの少なくとも一部は、量子ドット２３ｂｎへと落ち込む。ここで、上述のように、太陽電池４０では、ｐ層４１の価電子帯に量子準位が形成されており、ｎ層４２の伝導帯にも量子準位が形成されている。そのため、壁層２３ａｐからｐ層４１へと達した正孔は、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと収容される。図８に示すように、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位は、ｐ＋層４３のｐ層４１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも上方に位置している。それゆえ、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと収容された正孔は、熱励起されることにより、ｐ＋層４３へと達する。これに対し、壁層２３ａｎからｎ層４２へと達した電子は、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと収容される。図８に示すように、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位は、ｎ＋層４４のｎ層４２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも下方に位置している。それゆえ、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと収容された電子は、熱励起されることにより、ｎ＋層４４へと達する。一方、上述のように、量子ドット２３ｂを構成する第２半導体は、壁層２３ａを構成する第１半導体よりもバンドギャップが狭い。そのため、壁層２３ａで発生したキャリアの少なくとも一部は、量子ドット２３ｂへと落ち込む。ここで、太陽電池４０は、壁層２３ａｐにｎ型不純物を含有させ、壁層２３ａｎにｐ型不純物を含有させることにより、隣り合う量子ドット２３ｂ、２３ｂの量子準位のエネルギー差を低減している。それゆえ、量子ドット２３ｂへと落ち込んだキャリアは、トンネル伝導により量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…間を容易に移動することができ、正孔は量子ドット２３ｂｐへ、電子は量子ドット２３ｂｎへと達する。他方、量子ドット２３ｂで発生したキャリアは、同様にトンネル伝導により量子ドット２３ｂ、２３ｂ、…間を移動し、正孔は量子ドット２３ｂｐへ、電子は量子ドット２３ｂｎへと達する。このようにして量子ドット２３ｂｐへと達した正孔は、トンネル伝導により移動することによってｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと収容され、当該量子準位へと収容された正孔は、熱励起されることによりｐ＋層４３へと達することができる。これに対し、量子ドット２３ｂｎへと達した電子は、トンネル伝導により移動することによってｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと収容され、当該量子準位へと収容された電子は、熱励起されることによりｎ＋層４４へと達することができる。
【００７５】
このように、太陽電池４０によれば、ｐ層４１の価電子帯に形成した量子準位を経由して、正孔をｐ＋層４３へと移動させることができ、ｎ層４２の伝導帯に形成した量子準位を経由して、電子をｎ＋層４４へと移動させることができる。ここで、ｐ層４１の価電子帯に形成した量子準位の基底準位は、ｐ層４１のｐ＋層４３側の端面における価電子帯上端よりも下方に位置している。そのため、ｐ層４１の価電子帯に形成した量子準位を経由させることにより、正孔のエネルギー損失を低減することができる。加えて、ｐ層４１の価電子帯に形成した量子準位の基底準位は、ｐ＋層４３の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とほぼ等しい。そのため、太陽電池４０によれば、ｐ層４１の価電子帯に形成した量子準位に収容された正孔がｐ＋層４３へと移動する際に失われるエネルギーを低減することができる。同様に、ｎ層４２の伝導帯に形成した量子準位の基底準位は、ｎ層４２のｎ＋層４４側の端面における伝導帯下端よりも上方に位置している。そのため、ｎ層４２の伝導帯に形成した量子準位を経由させることにより、電子のエネルギー損失を低減することができる。加えて、ｎ層４２の伝導帯に形成した量子準位の基底準位は、ｎ＋層４４の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とほぼ等しい。そのため、太陽電池４０によれば、ｎ層４２の伝導帯に形成した量子準位に収容された電子がｎ＋層４４へと移動する際に失われるエネルギーを低減することができる。さらに、太陽電池４０では、ｐ＋層４３の伝導帯下端のエネルギー準位が、ｐ層４１の伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置しているので、ｐ層４１近傍における少数キャリアである電子の第１電極１４への移動を阻止することが可能になる。同様に、太陽電池４０では、ｎ＋層４４の価電子帯上端のエネルギー準位が、ｎ層４２の価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置しているので、ｎ層４２近傍における少数キャリアである正孔の第２電極１５への移動を阻止することが可能になる。したがって、太陽電池４０によれば、太陽電池２０よりも電子と正孔との再結合を低減することが可能になる。
【００７６】
太陽電池４０において、ｐ層４１は、太陽電池２０のｐ層２１よりも厚さを薄くするほかは、太陽電池２０のｐ層２１と同様に構成することができる。また、ｎ層４２は、太陽電池２０のｎ層２２よりも厚さを薄くするほかは、太陽電池２０のｎ層２２と同様に構成することができる。また、ｐ＋層４３は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体に、ｐ層４１の場合よりも多量のｐ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。また、ｎ＋層４４は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体に、ｎ層４２の場合よりも多量のｎ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。太陽電池４０において、ｐ層４１及びｐ＋層４３は太陽電池２０のｐ層２１と同様の方法によって作製することができ、ｎ層４２及びｎ＋層４４は太陽電池２０のｎ層２２と同様の方法によって作製することができる。このほか、ｉ層２３、第１電極１４、及び、第２電極１５は、太陽電池２０と同様の方法によって作製することができる。
【００７７】
５．第５実施形態
図９は、第５実施形態にかかる本発明の太陽電池５０の形態例を示す断面図である。図９では、一部符号の記載を省略している。図９において、太陽電池４０と同様に構成されるものには、図７及び図８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。
【００７８】
図９に示すように、太陽電池５０は、ｐ層４１と、ｎ層４２と、ｐ層４１とｎ層４２との間に配設されたｉ層２３と、ｐ層４１に接続されたｐ＋層５１と、ｐ＋層５１に接続された第１電極１４と、ｎ層４２に接続されたｎ＋層５２と、ｎ＋層５２に接続された第２電極１５と、を有している。ｉ層２３は、壁層２３ａと、該壁層２３ａ中に配設された量子ドット２３ｂとを有している。壁層２３ａは第１半導体によって構成されており、壁層２３ａｐにはｎ型不純物が、壁層２３ａｎにはｐ型不純物が、それぞれ含有されている一方、壁層２３ａｐ及び壁層２３ａｎ以外の壁層２３ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、太陽電池５０において、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ５１、ｉ層２３のｐ層４１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ５２、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ５１、及び、ｉ層２３のｎ層４２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ５２とするとき、太陽電池５０は、Ｃｎ５１＜Ｃｎ５２、及び、Ｃｐ５１＜Ｃｐ５２とされている。また、量子ドット２３ｂは第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されており、隣り合う量子ドット２３ｂ、２３ｂの間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。さらに、ｐ層４１と第１電極１４との間に配設されたｐ＋層５１は、太陽電池４０のｐ＋層４３よりも正孔濃度が高く、且つ、ｐ層４１を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成されている。そして、ｎ層４２と第２電極１５との間に配設されたｎ＋層５２は、太陽電池４０のｎ＋層４４よりも電子濃度が高く、且つ、ｎ層４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成されている。
【００７９】
図１０は、太陽電池５０のバンド図である。図１０の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図１０では、太陽電池５０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図１０において、紙面左側から右側へと向かう矢印は電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は正孔の移動形態を示している。以下、図７〜図１０を参照しつつ、太陽電池５０について説明を続ける。
【００８０】
図１０に示すように、太陽電池５０は、ｐ層４１及びｎ層４２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層２３ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層２３ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層２３のバンドの傾斜、すなわち、壁層２３ａのバンドの傾斜及び量子ドット２３ｂのバンドの傾斜が緩和されている。太陽電池５０では、ｐ層４１と第１電極１４との間にｐ＋層５１が配設され、ｎ層４２と第２電極１５との間にｎ＋層５２が配設されている。図１０に示すように、ｐ＋層５１を構成する半導体のバンドギャップは、ｐ層４１を構成する半導体のバンドギャップよりも広く、ｐ＋層５１のｐ層４１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位は、ｐ層４１のｐ＋層５１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置している。このような性質を有し、且つ、太陽電池４０のｐ＋層４３よりも正孔濃度が高い半導体材料によって構成されるｐ＋層５１をｐ層４１と第１電極１４との間に配設することにより、太陽電池５０では、ｐ層４１の価電子帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている。ｐ層４１の価電子帯に形成された三角ポテンシャルは、複数の量子準位を有している。ｐ層４１の価電子帯に形成された量子準位の基底準位は、ｐ層４１のｐ＋層５１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置し、且つ、ｐ＋層５１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とほぼ等しくなるように、ｐ層４１の正孔濃度及び厚さ、並びに、ｐ＋層５１の正孔濃度及び厚さが制御されている。一方、図１０に示すように、ｎ＋層５２を構成する半導体のバンドギャップは、ｎ層４２を構成する半導体のバンドギャップよりも広く、ｎ＋層５２のｎ層４２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位は、ｎ層４２のｎ＋層５２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置している。このような性質を有し、且つ、太陽電池４０のｎ＋層４４よりも電子濃度が高い半導体材料によって構成されるｎ＋層５２をｎ層４２と第２電極１５との間に配設することにより、太陽電池５０では、ｎ層４２の伝導帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルが形成されている。ｎ層４２の伝導帯に形成された三角ポテンシャルは、複数の量子準位を有している。ｎ層４２の伝導帯に形成された量子準位の基底準位は、ｎ層４２のｎ＋層５２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置し、且つ、ｎ＋層５２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とほぼ等しくなるように、ｎ層４２の電子濃度及び厚さ、並びに、ｎ＋層５２の電子濃度及び厚さが制御されている。また、図１０に示すように、太陽電池５０では、ｐ＋層５１の伝導帯下端のエネルギー準位が、ｐ層４１の伝導帯下端のエネルギー準位よりも上方に位置し、ｎ＋層５２の価電子帯上端のエネルギー準位が、ｎ層４２の価電子帯上端のエネルギー準位よりも下方に位置している。
【００８１】
さらに、太陽電池５０には、太陽電池４０のｐ＋層４３よりも正孔濃度が高いｐ＋層５１が備えられているので、図１０に示すように、ｐ＋層５１のｐ層４１側における価電子帯上端のバンドの傾斜が、太陽電池４０におけるｐ＋層４３のｐ層４１側における価電子帯上端のバンドの傾斜よりも急になっている。かかる形態とすることにより、太陽電池５０によれば、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位からｐ＋層５１へとトンネル伝導により移動しようとする正孔の移動距離を低減することが可能になる。そのため、太陽電池５０によれば、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位に存在する正孔を、トンネル伝導によりｐ＋層５１へと移動させることが容易になる。このように、太陽電池５０によれば、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位に存在する正孔をｐ＋層５１へと移動させる際の移動形態に、トンネル伝導による移動を追加することが容易になるので、太陽電池４０よりも、正孔を第１電極１４へと移動させることが容易になる。一方、太陽電池５０には、太陽電池４０のｎ＋層４４よりも電子濃度が高いｎ＋層５２が備えられているので、図１０に示すように、ｎ＋層５２のｎ層４２側における伝導帯下端のバンドの傾斜が、太陽電池４０におけるｎ＋層４４のｎ層４２側における伝導帯下端のバンドの傾斜よりも急になっている。かかる形態とすることにより、太陽電池５０によれば、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位からｎ＋層５２へとトンネル伝導により移動しようとする電子の移動距離を低減することが可能になる。そのため、太陽電池５０によれば、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位に存在する電子を、トンネル伝導によりｎ＋層５２へと移動させることが容易になる。このように、太陽電池５０によれば、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位に存在する電子をｎ＋層５２へと移動させる際の移動形態に、トンネル伝導による移動を追加することが容易になるので、太陽電池４０よりも、電子を第２電極１５へと移動させることが容易になる。したがって、太陽電池５０によれば、太陽電池４０よりも光電変換効率を向上させることが可能になる。
【００８２】
太陽電池５０において、ｐ＋層５１は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体に、太陽電池４０におけるｐ＋層４３の場合よりも多量のｐ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。また、ｎ＋層５２は、例えば、壁層２３ａを構成すべき半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体に、太陽電池４０におけるｎ＋層４４の場合よりも多量のｎ型不純物を添加したもの等によって構成することができる。太陽電池５０において、ｐ＋層５１は太陽電池４０のｐ＋層４３と同様の方法によって作製することができ、ｎ＋層５２は太陽電池４０のｎ＋層４４と同様の方法によって作製することができる。太陽電池５０におけるその他の構成要素は、太陽電池４０と同様の方法によって作製することができる。
【００８３】
６．第６実施形態
図１１は、第６実施形態にかかる本発明の太陽電池６０の形態例を示す断面図である。図１１では、一部符号の記載を省略している。図１１において、太陽電池５０と同様に構成されるものには、図９及び図１０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。
【００８４】
図１１に示すように、太陽電池６０は、ｐ層４１と、ｎ層４２と、ｐ層４１とｎ層４２との間に配設されたｉ層２３と、ｐ層４１に接続された絶縁層６１と、絶縁層６１に接続されたｐ＋層５１と、ｐ＋層５１に接続された第１電極１４と、ｎ層４２に接続された絶縁層６２と、絶縁層６２に接続されたｎ＋層５２と、ｎ＋層５２に接続された第２電極１５と、を有している。ｉ層２３は、壁層２３ａと、該壁層２３ａ中に配設された量子ドット２３ｂとを有している。壁層２３ａは第１半導体によって構成されており、壁層２３ａｐにはｎ型不純物が、壁層２３ａｎにはｐ型不純物が、それぞれ含有される一方、壁層２３ａｐ及び壁層２３ａｎ以外の壁層２３ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、太陽電池６０において、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ６１、ｉ層２３のｐ層４１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ６２、ｉ層２３の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ６１、及び、ｉ層２３のｎ層４２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ６２とするとき、太陽電池６０は、Ｃｎ６１＜Ｃｎ６２、及び、Ｃｐ６１＜Ｃｐ６２とされている。また、量子ドット２３ｂは第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されており、隣り合う量子ドット２３ｂ、２３ｂの間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。さらに、ｐ層４１とｐ＋層５１との間に配設された絶縁層６１は、正孔がトンネル伝導により通過可能な厚さとされており、ｎ層４２とｎ＋層５２との間に配設された絶縁層６２は、電子がトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００８５】
図１２は、太陽電池６０のバンド図である。図１２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図１２では、太陽電池６０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図１２において、紙面左側から右側へと向かう矢印は電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は正孔の移動形態を示している。以下、図９〜図１２を参照しつつ、太陽電池６０について説明を続ける。
【００８６】
図１２に示すように、太陽電池６０は、ｐ層４１及びｎ層４２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層２３ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層２３ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層２３のバンドの傾斜、すなわち、壁層２３ａのバンドの傾斜及び量子ドット２３ｂのバンドの傾斜が緩和されている。また、太陽電池６０には、ｐ層４１とｐ＋層５１との間に絶縁層６１が配設されている。かかる形態とすることにより、絶縁層６１のｐ層４１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位と、ｐ層４１の絶縁層６１側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位との差を大きくすることが容易になるので、ｐ層４１の価電子帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成しやすくなる。同様に、太陽電池６０には、ｎ層４２とｎ＋層５２との間に絶縁層６２が配設されている。かかる形態とすることにより、絶縁層６２のｎ層４２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位と、ｎ層４２の絶縁層６２側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位との差を大きくすることが容易になるので、ｎ層４２の伝導帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成しやすくなる。上述のように、ｐ層４１の価電子帯に量子準位を有する三角ポテンシャルを形成することにより、ｉ層２３から第１電極１４へと移動する際に失われる正孔のエネルギーを低減することが可能になる。また、ｎ層４２の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルを形成することにより、ｉ層２３から第２電極１５へと移動する際に失われる電子のエネルギーを低減することが可能になる。したがって、太陽電池６０によれば、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００８７】
太陽電池６０において、絶縁層６１、６２の構成材料は、三角ポテンシャルを形成可能であり、且つ、太陽電池の使用環境に耐え得る材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、ノン・ドープのワイドギャップ半導体であるＧａＮや金属酸化膜等も用いることができる。また、絶縁層６１、６２の厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さであれば特に限定されるものではなく、例えば、２ｎｍ程度とすることができる。絶縁層６１、６２は、ＭＢＥ等の公知の方法によって作製することができる。太陽電池６０におけるその他の構成要素は、太陽電池５０と同様の方法によって作製することができる。
【００８８】
７．第７実施形態
図１３は、第７実施形態にかかる本発明の太陽電池７０の形態例を示す断面図である。図１３では、一部符号の記載を省略している。図１３において、太陽電池３０や太陽電池５０と同様に構成されるものには、図５及び図６や図９及び図１０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。
【００８９】
図１３に示すように、太陽電池７０は、ｐ層４１と、ｎ層４２と、ｐ層４１とｎ層４２との間に配設されたｉ層３１と、ｐ層４１に接続されたｐ＋層５１と、ｐ＋層５１に接続された第１電極１４と、ｎ層４２に接続されたｎ＋層５２と、ｎ＋層５２に接続された第２電極１５と、を有している。ｉ層３１は、壁層３１ａと、障壁３１ｂと、濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄを備えた層３１ｅとが積層された構造を有し、壁層３１ａは第１半導体によって構成され、層３１ｅは第１半導体よりもバンドギャップの狭い第２半導体によって構成されている。太陽電池７０において、隣り合う層３１ｅ、３１ｅの間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされ、隣り合う層３１ａ、３１ａの間隔は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な間隔とされている。太陽電池７０において、量子ドット３１ｄは、ＭＢＥ法を用いて自己組織化プロセスにより形成されており、量子ドット３１ｄは濡れ層３１ｃに形成されている。ｉ層３１の厚さ方向（図１３の紙面上下方向）中央部に配設されている層３１ｅ、３１ｅ、…と壁層３１ａ、３１ａ、…との間には、障壁３１ｂ、３１ｂ、…がそれぞれ配設されており、障壁３１ｂは、第１半導体よりもバンドギャップの広い材料（半導体又は絶縁体）によって構成されている。これに対し、層３１ｅｐのｐ層４１側、及び、層３１ｅｎのｎ層４２側には、障壁３１ｂが配設されていない。さらに、太陽電池７０において、壁層３１ａｐにはｎ型不純物が含有されており、壁層３１ａｎにはｐ型不純物が含有されている。これに対し、壁層３１ａｐ及び壁層３１ａｎ以外の壁層３１ａには、ｎ型不純物及びｐ型不純物が含有されていない。すなわち、太陽電池７０において、ｉ層３１の厚さ方向中央におけるｎ型不純物の濃度をＣｎ７１、ｉ層３１のｐ層４１側の領域に含有されるｎ型不純物の濃度をＣｎ７２、ｉ層３１の厚さ方向中央におけるｐ型不純物の濃度をＣｐ７１、及び、ｉ層３１のｎ層４２側の領域に含有されるｐ型不純物の濃度をＣｐ７２とするとき、太陽電池７０は、Ｃｎ７１＜Ｃｎ７２、及び、Ｃｐ７１＜Ｃｐ７２とされている。
【００９０】
図１４は、太陽電池７０のバンド図である。図１４の紙面上側ほど電子のエネルギーが高く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが高い。図１４では、太陽電池７０の各構成要素と対応する符号を付し、一部符号の記載を省略している。図１４において、紙面左側から右側へと向かう矢印は、電子の移動形態を示しており、紙面右側から左側へと向かう矢印は、正孔の移動形態を示している。以下、図９、図１０、図１３、及び、図１４を参照しつつ、太陽電池７０について説明を続ける。
【００９１】
図１４に示すように、太陽電池７０は、ｐ層４１及びｎ層４２によって内部電界が形成されており、バンドが傾斜している。そして、壁層３１ａｐに含有されているｎ型不純物及び壁層３１ａｎに含有されているｐ型不純物によって、ｉ層３１のバンドの傾斜、すなわち、壁層３１ａのバンドの傾斜並びに層３１ｅのバンドの傾斜（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄのバンドの傾斜）が緩和されている。また、図１４に示すように、太陽電池７０では、障壁３１ｂを構成する材料のバンドギャップが、壁層３１ａを構成する第１半導体のバンドギャップよりも広く、障壁３１ｂの伝導帯下端と壁層３１ａの伝導帯下端との間、及び、障壁３１ｂの価電子帯上端と壁層３１ａの価電子帯上端との間、並びに、障壁３１ｂの伝導帯下端と層３１ｅの伝導帯下端との間、及び、障壁３１ｂの価電子帯上端と層３１ｅの価電子帯上端との間には、段差がある。この段差は、太陽電池７０が使用される温度環境下でキャリアが吸収する熱エネルギーよりも大きく、且つ、層３１ｅで発生したキャリアが隣り合う層３１ｅ、３１ｅの間をトンネル伝導により移動可能な高さとされている。
【００９２】
太陽電池７０では、ｉ層３１へと光が入射すると、壁層３１ａ、並びに、層３１ｅ（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ）の双方で、電子−正孔対が発生する。ここで、上述のように、壁層３１ａと障壁３１ｂとの段差は、キャリアが吸収する熱エネルギーよりも大きい。そのため、壁層３１ａで発生したキャリアがｉ層３１の厚さ方向中央部を移動する際には、層３１ｅ（濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄ）への落ち込みが、障壁３１ｂによって防止される。それゆえ、キャリアは、障壁３１ｂ、３１ｂによって挟まれた壁層３１ａの内部をドリフト移動することができ、ｉ層３１の厚さ方向中央部に配設されている障壁３１ｂ及び層３１ｅの積層体をトンネル伝導により通過して移動することができる。このようにしてｉ層３１のｐ層４１側端部（ｐ層４１と接触している層３１ａｐ）へと達した正孔は、そのままｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと移動する。これに対し、層３１ａｎへと達した電子は、トンネル伝導により、障壁３１ｂ及び層３１ｅｎを通過し、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと移動する。一方、層３１ｅで発生したキャリアは、トンネル伝導により、層３１ｅ、３１ｅ、…間を移動し、正孔は層３１ｅｐへ、電子は層３１ｅｎへと移動する。
【００９３】
図１３及び図１４に示すように、太陽電池７０では、層３１ｅｐとｐ層４１との間、及び、層３１ｅｎとｎ層４２との間に、障壁３１ｂが配設されていない。さらに、ｐ層４１の価電子帯上端のバンド、及び、ｎ層４２の伝導帯下端のバンドは、傾斜が急になっている。そのため、層３１ｅｐに存在する正孔は、障壁３１ｂによって移動を妨げられることなく、トンネル伝導により、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと移動することができる。同様に、層３１ｅｎに存在する電子は、障壁３１ｂによって移動を妨げられることなく、トンネル伝導により、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと移動することができる。このように、層３１ｅｐ及び層３１ｅｎが備えられる太陽電池７０では、ｐ層４１及びｎ層４２のバンドの傾斜を急にすることにより、濡れ層３１ｃ及び量子ドット３１ｄによって構成される層３１ｅｐ及び層３１ｅｎからキャリアを移動させやすくしている。ここで、図１４に示すように、ｐ＋層５１のｐ層４１側の価電子帯上端のバンド、及び、ｎ＋層５２のｎ層４２側の伝導帯下端のバンドは、傾斜が急になっている。そのため、ｐ層４１の価電子帯に形成されている量子準位へと移動した正孔は、トンネル伝導によりｐ＋層５１へと移動することができ、ｎ層４２の伝導帯に形成されている量子準位へと移動した電子は、トンネル伝導によりｎ＋層５２へと移動することができる。
【００９４】
このように、太陽電池７０では、ｐ層４１やｐ＋層５１の価電子帯上端のバンドを急傾斜にすることで、正孔がトンネル伝導により移動しやすい形態とし、ｎ層４２やｎ＋層５２の伝導帯下端のバンドを急傾斜にすることで、電子がトンネル伝導により移動しやすい形態としている。また、太陽電池７０では、ｐ層４１の価電子帯に三角ポテンシャルを形成し、当該三角ポテンシャルの量子準位の基底準位とｐ＋層５１の第１電極１４側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とをほぼ等しくすることにより、正孔が第１電極１４へと移動する際に失われるエネルギーを低減している。加えて、太陽電池７０では、ｎ層４２の伝導帯に三角ポテンシャルを形成し、当該三角ポテンシャルの量子準位の基底準位とｎ＋層５２の第２電極１５側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とをほぼ等しくすることにより、電子が第２電極１５へと移動する際に失われるエネルギーを低減している。濡れ層や量子ドットからキャリアを取り出しやすくすること、及び、エネルギー損失を低減することにより、光電変換効率を向上させることが可能になるので、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７０を提供することができる。
【００９５】
量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｐ層の価電子帯及びｎ層の伝導帯に量子準位を有する三角ポテンシャルが形成した形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｐ層と第１電極との間にｐ＋層を挿入する一方、ｎ層と第２電極との間にｎ＋層を挿入しないことによって、ｐ層の価電子帯にのみ量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した形態とすることも可能である。また、ｐ層と第１電極との間にｐ＋層を挿入しない一方、ｎ層と第２電極との間にｎ＋層を挿入することによって、ｎ層の伝導帯にのみ量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した形態とすることも可能である。ただし、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成することにより、キャリアのエネルギー損失を低減することが可能になり、光電変換効率を向上させることが可能になる。そのため、光電変換効率を向上させやすい形態の太陽電池を提供する等の観点からは、ｐ層の価電子帯及びｎ層の伝導帯に、量子準位を有する三角ポテンシャルが形成された形態の太陽電池とすることが好ましい。
【００９６】
また、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｐ層の価電子帯に形成した三角ポテンシャルの量子準位の基底準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しい形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｐ層の価電子帯に形成した三角ポテンシャルの量子準位のうち、基底準位よりも高エネルギーの量子準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とがほぼ等しい形態とすることも可能である。このほか、ｐ層の価電子帯に形成した三角ポテンシャルのすべての量子準位と、ｐ＋層の第１電極側の端面における価電子帯上端のエネルギー準位とが等しくない形態とすることも可能である。また、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｎ層の伝導帯に形成した三角ポテンシャルの量子準位の基底準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しい形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｎ層の伝導帯に形成した三角ポテンシャルの量子準位のうち、基底準位よりも高エネルギーの量子準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ等しい形態とすることも可能である。このほか、ｎ層の伝導帯に形成した三角ポテンシャルのすべての量子準位と、ｎ＋層の第２電極側の端面における伝導帯下端のエネルギー準位とが等しくない形態とすることも可能である。
【００９７】
また、量子準位を有する三角ポテンシャルを形成した本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｐ層を構成する材料よりもバンドギャップの広い材料によって構成されたｐ＋層、及び、ｎ層を構成する材料よりもバンドギャップの広い材料によって構成されたｎ＋層が備えられる形態を例示したが、本発明の太陽電池は当該形態に限定されるものではない。ただし、少数キャリアとしての電子が第１電極へと移動することを抑制する等の観点からは、ｐ層を構成する材料よりもバンドギャップの広い材料によって構成したｐ＋層が備えられる形態とすることが好ましい。また、少数キャリアとしての正孔が第２電極へと移動することを抑制する等の観点からは、ｎ層を構成する材料よりもバンドギャップの広い材料によって構成したｎ＋層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００９８】
また、本発明の太陽電池に関する上記説明では、ｉ層のｐ層側端部にｎ型不純物を含有させ、且つ、ｉ層のｎ層側端部にｐ型不純物を含有させることによって、Ｃｎ１＜Ｃｎ２及びＣｐ１＜Ｃｐ２とされる形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｉ層のｐ層側端部にのみｎ型不純物を含有させｉ層のｎ層側端部にはｐ型不純物を含有させないことによってＣｎ１＜Ｃｎ２とする形態や、ｉ層のｎ層側端部にのみｐ型不純物を含有させｉ層のｐ層側端部にはｎ型不純物を含有させないことによってＣｐ１＜Ｃｐ２とする形態であっても良い。ただし、光電変換効率を向上させやすい形態にする等の観点からは、ｉ層のｐ層側端部にｎ型不純物を含有させ、且つ、ｉ層のｎ層側端部にｐ型不純物を含有させることによって、Ｃｎ１＜Ｃｎ２及びＣｐ１＜Ｃｐ２とすることが好ましい。また、本発明の太陽電池は、ｉ層のｐ層側端部を含むｉ層のｐ層側全体にｎ型不純物を含有させた形態や、ｉ層のｎ層側端部を含むｉ層のｎ層側全体にｐ型不純物を含有させた形態とすることも可能である。なお、本発明において、ｉ層のバンドの傾斜を緩和させる度合いは、ｉ層に含有させるｎ型不純物やｐ型不純物の濃度、及び、ｎ型不純物やｐ型不純物を含有させる厚さを制御することによって、調整することができる。本発明では、太陽電池の発電中に、隣り合う量子構造の量子準位間のエネルギー差が小さくなるように、ｉ層のバンドの傾斜を緩和させることが好ましい。
【００９９】
また、太陽電池３０、７０に関する上記説明では、濡れ層のｐ層側に量子ドットが形成される形態を例示したが、本発明の太陽電池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、太陽電池３０、７０のｐ層とｎ層とを入れ替えた構造とすることも可能である。
【０１００】
また、本発明の太陽電池において、ｐ層を構成する半導体のバンドギャップやｎ層を構成する半導体のバンドギャップは特に限定されるものではない。ただし、ｉ層のｐ層側端部に配設されている量子構造部から正孔を取り出しやすい形態の太陽電池を提供する等の観点からは、バンドギャップが第１半導体のバンドギャップと第２半導体のバンドギャップとの間である半導体によって、ｐ層を構成することが好ましい。また、同様の観点から、バンドギャップが第１半導体のバンドギャップと第２半導体のバンドギャップとの間である半導体によって、ｎ層を構成することが好ましい。
【０１０１】
また、本発明の太陽電池に関する上記説明では、量子構造部が量子ドットである形態を例示したが、本発明の太陽電池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、ｉ層に量子細線や量子井戸が用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向がｉ層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線をｉ層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。このほか、量子構造部に量子井戸を用いる場合、当該量子井戸は、太陽電池３０や太陽電池７０における濡れ層３１ｃと同様の方法により配設することができる。
【０１０２】
また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の光電変換素子は、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。
【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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【図１３】
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【図１４】
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