(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、
前記光吸収半導体層は、少なくとも３つ以上の中間バンドを前記光吸収半導体層の禁制帯中に備え、
前記光吸収半導体層は、障壁層と量子層が交互に繰り返し積層された超格子構造を有する超格子半導体層であり、
前記中間バンドは、前記量子層の伝導帯底と前記障壁層の伝導帯底の間に形成され、
前記量子層は量子ドットからなる量子ドット層であり、
前記障壁層の禁制帯の幅をＥｇ、障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と、前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとのエネルギー差をΔＥｖｉとしたときに下記の式（１）を満たすことを特徴とする太陽電池。
ΔＥｖｉ≧（Ｅｇ／２）（単位：ｅＶ）・・・（１）
【請求項２】
Ｅｇ≧１．５ｅＶを満たす請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記中間バンドが少なくとも４つ以上である請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記中間バンドが３つであり、
前記光吸収半導体層又は前記障壁層の禁制帯は、幅が１．１ｅＶ以上３．８ｅＶ以下である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記中間バンドが４つであり、
前記光吸収半導体層または前記障壁層の禁制帯は、幅が１．３ｅＶ以上３．８ｅＶ以下である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記中間バンドは、３つであり、
前記障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅcと最もＥcに近い中間バンドＥi11とのエネルギー差をΔＥci11とし、価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅvと３番目にEcに近い中間バンドEi13とのエネルギー差をΔＥvi13とし、Ｅi11と２番目にEcに近い中間バンドEi12とのエネルギー差をΔＥii112とし、Ｅi12とEi13とのエネルギー差をΔＥii123とし、ΔＥii112、ΔＥii123のうち最も小さい数値をＭＩＮ（ΔＥii112、ΔＥii123）としたとき、
ΔＥci11≧０．０５ｅＶ、またはΔＥvi13≧０．０５ｅＶであり、
｜（ΔＥci11−ΔＥvi13）｜≧０．６２５ｅＶであり、
ＭＩＮ（ΔＥii112、ΔＥii123）≧０．１５ｅＶである請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記中間バンドは、４つであり、
前記障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅcと最もＥcに近い中間バンドＥi21とのエネルギー差をΔＥci21とし、価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅvと４番目にEcに近い中間バンドEi24とのエネルギー差をΔＥvi24とし、Ｅi21と２番目にEcに近い中間バンドEi22とのエネルギー差をΔＥii212とし、Ｅi22と３番目にEcに近い中間バンドEi23とのエネルギー差をΔＥii223とし、Ｅi23とＥi24とのエネルギー差をΔＥii234とし、ΔＥii212、ΔＥii223、ΔＥii234のうち最も小さい数値をＭＩＮ（ΔＥii212、ΔＥii223、ΔＥii234）としたとき、
ΔＥci21≧０．０５ｅＶ、またはΔＥvi24≧０．０５ｅＶであり、
｜（ΔＥci21−ΔＥvi24）｜≧０．６５ｅＶであり、
ＭＩＮ（ΔＥii212、ΔＥii223、ΔＥii234）≧０．１０ｅＶである請求項１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、超格子構造を有する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2を排出しないクリーンなエネルギー源として光起電力素子が注目され、その普及が進みつつある。この光起電力素子のうち、現在最も普及している光起電力素子は、シリコンを用いた単接合太陽電池である。しかし、エネルギー変換効率がＳｈｏｃｋｌｅｙ−Ｑｕｉｓｓｅｒの理論限界値（以下、ＳＱ理論限界という）に近づきつつある。このため、ＳＱ理論限界を超える第３世代太陽電池の開発が行われている。
【０００３】
この第３世代太陽電池として、中間バンド又は局在準位（これらを量子構造の観点からミニバンドと呼ぶこともある）が禁制帯中に形成された中間バンド太陽電池（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｂａｎｄ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ）が提案されている。中間バンド太陽電池は、母体となる半導体の禁制帯中に中間バンドが形成されることにより、価電子帯から中間バンドへの電子励起と中間バンドから伝導帯へ電子励起とが可能となり、母体の半導体の禁制帯幅よりも小さいエネルギーの光を吸収できる。このため、中間バンド太陽電池は、高いエネルギー変換効率が得られると期待されている。
【０００４】
例えば、中間バンド太陽電池のモデルにおいて、非集光のエネルギー変換効率が約４６％であることが報告されている（非特許文献１参照）。
また、トンネル障壁を有し無機マトリックス内に埋め込まれた複数の量子ドットを備える中間バンド太陽電池やエネルギー囲み障壁に埋設された量子ドットを有する中間バンド太陽電池が知られている（特許文献１及び２参照）。
また、非特許文献２にはＩｎＧａＡｓで作製された中間バンド太陽電池の現象を説明するために複数の中間バンドを用いた中間バンド太陽電池のモデルが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５２０３５７号公報
【特許文献２】特表２０１０−５０９７７２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年
【非特許文献２】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、９６巻、０１３５０１、２０１０年
【非特許文献３】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ９６巻，２０３５０７，２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、中間バンド太陽電池において、そのエネルギー変換効率は必ずしも十分でない。このため、エネルギー変換効率がより高い太陽電池が望まれている。
【０００８】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー変換効率がより高い太陽電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、前記光吸収半導体層は、少なくとも２つ以上のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に備えていることを特徴とする太陽電池を提供する。
【００１０】
この発明の発明者らは、ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層において、複数のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に形成することを発案し、検討を重ねた。その結果、従来の単一のエネルギー準位を有する光吸収半導体層よりも、少なくとも２つ以上のエネルギー準位を有する超格子半導体層のほうが、よりエネルギー変換効率が高いことを見出した。
この発明によれば、エネルギー変換効率がより高い太陽電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が４つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図２において、（１）は６準位の位置関係を説明するための図であり、（２）は各準位とその間のキャリア生成速度Ｇと発光再結合Ｒの関係を説明するための図である。
【図３】比較例に係る超格子半導体層のバンド図である。図３において、（１）は比較例のエネルギー準位の位置関係を説明するための図であり、（２）はその準位とその間のキャリア生成速度Ｇと発光再結合Ｒの関係を説明するための図である。
【図４】実験１のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図５】実験１のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が３つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図６において、（１）は５準位の位置関係を説明するための図であり、（２）は各準位とその間のキャリア生成速度Ｇと発光再結合Ｒの関係を説明するための図である。
【図７】実験２のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図８】実験２のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図９】この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が２つの中間バンドを有する場合のバンド図である。図９において、（１）は４準位の位置関係を説明するための図であり、（２）は各準位とその間のキャリア生成速度Ｇと発光再結合Ｒの関係を説明するための図である。
【図１０】実験３のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図１１】実験３のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【図１２】実験４のシミュレーションにより得られた、４準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3とＡｌＳｂで構成されている。
【図１３】図１２における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１４】実験４のシミュレーションにより得られた、５準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3とＡｌＳｂで構成されている。
【図１５】図１４における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１６】実験４のシミュレーションにより得られた、６準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3とＡｌＳｂで構成されている。
【図１７】図１６における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１８】実験４のシミュレーションにより得られた、４準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓとＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で構成されている。
【図１９】図１８における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図２０】実験４のシミュレーションにより得られた、５準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓとＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で構成されている。
【図２１】図２０における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図２２】実験４のシミュレーションにより得られた、６準位中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。この太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロではなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓとＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で構成されている。
【図２３】図２２における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この発明の太陽電池は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた光吸収半導体層とを備え、前記光吸収半導体層は、少なくとも２つ以上のエネルギー準位を前記光吸収半導体層の禁制帯中に備えていることを特徴とする。
ここで、前記光吸収半導体層は、光を吸収する半導体で形成された層をいい、例えば、超格子半導体層がこれに該当する。また、前記エネルギー準位は、量子準位や中間バンドであってもよい。
【００１３】
従って、この発明の実施形態において、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と量子層が交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、少なくとも２つ以上のエネルギー準位を超格子半導体層の禁制帯中に備えている太陽電池であってもよい。
また、この発明の実施形態において、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、前記量子ドットの量子準位が、前記量子ドットの伝導帯、価電子帯のいずれかと前記障壁層の禁制帯とに少なくとも２つ以上形成されている太陽電池であってもよい。
また、この発明の実施形態において、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、量子ドットからなる量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、前記超格子構造により量子ドット間の波動関数が電子的に結合して、少なくとも２つ以上の中間バンドが前記量子ドットの伝導帯、価電子帯のいずれかと前記障壁層の禁制帯とに形成されていることを特徴とする太陽電池であってもよい。
以下、上記中間バンドが形成されている実施形態を例に説明する。
【００１４】
この発明の実施形態において、太陽電池は、その超格子半導体層に、例えば、ＩｎＡｓxＳｂ1-x量子ドット層、ＡｌＳｂ障壁層を用いることができる。また、ＩｎＡｓ量子ドット層／ＡｌＳｂyＡｓ1-y障壁層を用いることができる。ＩｎＡｓxＳｂ1-x量子ドット層、ＡｌＳｂ障壁層は、元素割合ｘを適宜変更することで、格子定数をＡｌＳｂに合わせたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層と障壁層の価電子帯エネルギー差）をゼロにしたりすることができる点で好ましい。
【００１５】
ここで、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる障壁層と井戸層（量子井戸層または量子ドット層）とが繰り返し積層された構造であり、井戸層の電子の波動関数が隣接井戸の波動関数と大きく相互作用する構造をいう。また、井戸層のことを量子層ともいう。
量子ドットとは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。
量子井戸とは、１００ｎｍ以下の厚みを有する半導体薄膜であり、量子井戸を構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた薄膜である。
量子ドット層とは、複数の量子ドットで構成される層であり、超格子構造の井戸層となる。
量子準位とは、障壁層と量子ドットまたは量子井戸から形成される電子の離散的なエネルギー準位をいう。また、量子準位のことを量子エネルギー準位ともいう。
障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
中間バンドとは、前記障壁層を構成する半導体において、禁制帯の中間に形成される１つに繋がったバンドをいう。
なお、超格子構造の井戸層の電子の波動関数が隣接井戸層の電子の波動関数と相互作用し、量子井戸の量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ、量子準位が１つに繋がって形成される中間バンドをミニバンドともいう。
【００１６】
また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが２つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある２つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が２つの中間バンドを形成してもよい（以下、この明細書において、４準位中間バンド太陽電池と呼ぶ）。
【００１７】
この形態（４準位中間バンド太陽電池）において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅（エネルギーギャップ）が１．０ｅＶ以上、さらに好ましくは１．６ｅＶ以上３．５ｅＶ以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。
【００１８】
また、この形態（４準位中間バンド太陽電池）において、前記障壁層の禁制帯の幅をＥｇ、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔＥｖｉ２としたときに、好ましくは下記の式（１）を満たす。
ΔＥｖｉ２≧（Ｅｇ／２）（単位：ｅＶ）・・・（１）
また、より好ましくは、下記の式（２）を満たす。
ΔＥｖｉ２≧（Ｅｇ／２＋０．１２５）（単位：ｅＶ）・・・（２）
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて２つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が１つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
【００１９】
また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが少なくとも３つ以上であってもよい。
例えば、前記中間バンドが３つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある３つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が３つの中間バンドを形成する太陽電池であってもよい（以下、この明細書において、５準位中間バンド太陽電池と呼ぶ）。
【００２０】
この形態（５準位中間バンド太陽電池）において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅（エネルギーギャップ）が１．１ｅＶ以上、さらに好ましくは１．５ｅＶ以上３．８ｅＶ以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。
【００２１】
また、この形態（５準位中間バンド太陽電池）において、前記障壁層の禁制帯の幅をＥｇ、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔＥｖｉ１３としたときに、好ましくは下記の式（３）を満たす。
ΔＥｖｉ１３≧（Ｅｇ／２）（単位：ｅＶ）・・・（３）
また、より好ましくは、下記の式（４）を満たす。
ΔＥｖｉ１３≧（Ｅｇ／２＋０．０７５）（単位：ｅＶ）・・・（４）
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて３つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が１つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
【００２２】
また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記中間バンドが少なくとも４つ以上であってもよい。
例えば、前記中間バンドが４つであってもよい。より詳細には、前記障壁層の伝導帯の底を構成するエネルギー準位と、前記障壁層の価電子帯の頂上を構成するエネルギー準位と、これら準位との間にある４つの量子準位とを前記超格子半導体層が有し、前記量子準位が４つの中間バンドを形成する太陽電池であってもよい（以下、この明細書において、６準位中間バンド太陽電池と呼ぶ）。
【００２３】
この形態（６準位中間バンド太陽電池）において、好ましくは、前記障壁層の禁制帯の幅（エネルギーギャップ）が１．３ｅＶ以上、さらに好ましくは１．５ｅＶ以上３．８ｅＶ以下である。このような禁制帯幅の太陽電池であれば、単一の中間バンドを有する超格子半導体層を備える太陽電池と比較して、エネルギー変換効率がより高い。
【００２４】
また、この形態（６準位中間バンド太陽電池）において、前記障壁層の禁制帯の幅をＥｇ、前記障壁層における価電子帯の頂上のエネルギー準位と前記中間バンドのうち最もエネルギー準位が低い中間バンドとの準位の差をΔＥｖｉ２４としたときに、好ましくは下記の式（５）を満たす。
ΔＥｖｉ２４≧（Ｅｇ／２）（単位：ｅＶ）・・・（５）
また、より好ましくは、下記の式（６）を満たす。
ΔＥｖｉ２４≧（Ｅｇ／２＋０．０５）（単位：ｅＶ）・・・（６）
このような式を満たす形態であれば、前記量子ドット層の伝導帯底と障壁層の伝導帯底の間のポテンシャルを用いて４つの中間バンドを形成する場合、最も低い中間バンドのエネルギー準位が前記障壁層の伝導帯底に近いので、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。このため、量子準位が１つに繋がった中間バンドを形成しやすくなり、キャリア移動が起こりやすくなる。
【００２５】
これらの形態（４準位中間バンド太陽電池、５準位中間バンド太陽電池及び６準位中間バンド太陽電池）において、量子エネルギー準位は、量子ドットの伝導帯側に形成される準位、価電子帯側に形成される準位の、いずれの準位でもあってもよいし、両準位を含んでもよい。
【００２６】
また、この発明の実施形態において、前記発明の構成に加え、前記障壁層がＡｌＳｂ、前記量子ドット層がＩｎＡｓ1-xＳｂx（０≦ｘ≦１）からなってもよい。また、前記障壁層がＡｌＳｂyＡｓ1-y（０≦ｙ≦１）、前記量子ドット層がＩｎＡｓからなってもよいし、前記障壁層がＡｌＡｓからなり、前記量子ドット層がＩｎＡｓからなってもよい。また、前記障壁層がＧａＮからなり前記量子ドット層がＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなってもよい。
【００２７】
以上、量子ドットを用いた構造により形成される中間バンドを例に説明したが、これらの形態は、上記で説明したエネルギー準位を備えている光吸収半導体層の実施形態、量子準位が形成されている超格子半導体層の実施形態及び中間バンドが形成されている超格子半導体層の実施形態に適用してもよい。
【００２８】
次に、図面に示す実施形態を用いて、この発明を詳述する。なお、以下に記述する実施形態および実施例はこの発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれらよって限定されるものではない。
【００２９】
〔実施形態〕
図１は、この発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、この発明の実施形態に係る太陽電池２０は、ｐ型半導体層４と、ｎ型半導体層１２と、ｐ型半導体層４とｎ型半導体層１２とに挟まれた超格子半導体層１０とを備え、超格子半導体層１０は、量子ドット７からなる量子ドット層６と障壁層８とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有している。ここで、これらの構成のうち、ｐ型半導体層４は、ベース層（またはｐ型ベース）とも言い、ｎ型半導体層１２は、エミッタ―層（またはｎ型エミッタ―）とも言う。このため、以下、ｐ型半導体層４をベース層（ｐ型半導体層）４と記載し、ｎ型半導体層１２をエミッタ―層（ｎ型半導体層）１２と記載する。
【００３０】
また、図１に示す本実施形態の太陽電池２０は、ｐ型半導体基板１、バッファー層３、窓層１４、コンタクト層１５、ｐ型電極１８、ｎ型電極１７をさらに備えている。これらは任意の構成要素であるので、太陽電池の利用態様に応じて適宜設けることができる。このため、以下、上記のベース層（ｐ型半導体層）４、およびエミッタ―（ｎ型半導体層）１２、超格子半導体層１０について説明する。
【００３１】
１．ｐ型半導体層およびｎ型半導体層（ベース層およびエミッタ―層）
ベース層（ｐ型半導体層）４は、ｐ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層、エミッタ―層（ｎ型半導体層）１２とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
エミッタ―層（ｎ型半導体層）１２は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層、ベース層（ｐ型半導体層）４とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。また、このことにより、太陽電池２０が電力を出力することができる。
【００３２】
２．超格子半導体層
超格子半導体層１０は、ベース層（ｐ型半導体層）４とエミッタ―層（ｎ型半導体層）１２に挟まれ、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。また、超格子半導体層１０は、量子ドット層６と障壁層８とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層１０は、ｉ型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
【００３３】
超格子半導体層１０は、障壁層８の禁制帯（すなわち、障壁層８の伝導帯と価電子帯との間）に中間バンドを２つ持つことができる。この発明の実施形態に係る太陽電池は、その超格子半導体層１０が障壁層８の禁制帯中に中間バンドを２つ以上持てばよく、中間バンドが形成される位置（エネルギー準位）は、特に制限されない。すなわち、どのような波長の光を太陽電池に変換させるかに応じて、その位置（エネルギー準位）を定めればよく、例えば宇宙用太陽電池と地上用太陽電池において位置（エネルギー準位）は異なっても良い。例えば、超格子半導体層１０は、量子ドット層６の伝導帯側に２つの中間バンドを持っても良く、また伝導帯側、価電子帯側に各々１つの中間バンドを持っても良く、量子ドット層６の価電子帯側に２つの中間バンドを持っても良い。また、超格子半導体層１０が持つ中間バンドは、３つであってもよいし、４つであってもよい。
【００３４】
ここで、量子ドットによって形成されるエネルギー準位が伝導帯もしくは価電子帯まで連続（ここで、連続とは例えば２５ｍｅＶ以内のエネルギー間隔でエネルギー準位が形成されることを言う）する場合、それぞれエネルギー準位の始まりを伝導帯下端、価電子帯上端とみなすことができる。
【００３５】
このような中間バンドを２つ以上持つ超格子半導体層１０は、例えば、量子ドット層６のサイズや超格子構造の井戸層である量子ドット層の厚さを調整することにより形成できる。後述する実験４で述べるように、例えば、層厚が３．０ｎｍであるＡｌＳｂで形成された障壁層８に、（２．７，２．７，９．０）ｎｍの直方体（ここで、括弧内の数値は、三辺の長さを（ａ，ｂ，ｃ）として記載している）の量子ドットをＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3で形成することにより、超格子半導体層１０に中間バンドを２つ形成できる。また、層厚が３．０ｎｍであるＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で形成された障壁層８に、（２．５，２．５，８．５）ｎｍの直方体の量子ドットをＩｎＡｓで形成することにより、超格子半導体層１０に中間バンドを２つ形成できる。
【００３６】
また、超格子半導体層１０は、中間バンドを２つ持つ場合、その障壁層８の禁制帯幅（バンドギャップ）が１．６ｅＶ〜３．５ｅＶであるとよい。このような禁制帯幅であれば、中間バンドを１つ持つ太陽電池よりも、エネルギー変換効率を高くできる。
ここで、中間バンドを１つ持つ太陽電池のエネルギー変換効率の最大値は、非集光の場合に４６．７％（障壁層８の禁制帯幅が２．４ｅＶ）、１０００倍集光の場合に５７．３％（障壁層８の禁制帯幅が２．１ｅＶ）である。
【００３７】
このような禁制帯幅を持つ超格子半導体層１０は、実験４で述べるように、例えば、ＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3を量子ドットとする場合、ＡｌＳｂを障壁層８とすることにより形成できる。また、ＩｎＡｓを量子ドットとする場合、ＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5を障壁層８とすることにより形成できる。このように、適切な物性値をもつ半導体材料を選択したり、超格子半導体層１０を構成する半導体材料の混晶比を調整したりすることにより、所望の禁制帯幅を持つ超格子半導体層１０が形成できる。また、超格子半導体層１０を構成する井戸層である量子ドットのサイズや障壁層の厚みを調整することによっても、所望の禁制帯幅を持つ超格子半導体層１０が形成できる。
【００３８】
超格子半導体層１０を構成する障壁層８、量子ドット層６を構成する材料は、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x、ＡｌＳｂxＡｓ1-x、ＡｌＡｓ，ＧａＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓを用いることができる。さらに、たとえば周期律表の第ＩＶ族半導体、第ＩＩＩ族と第Ｖ族からなる化合物半導体、第ＩＩ族と第ＶＩ族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材料としてもよい。また、カルコパイライト系材料を用いてもよく、これら以外の半導体を用いてもよい。例えば、障壁層８の材料にＧａＮＡｓで、量子ドット層６の材料にＩｎＡｓや、障壁層８の材料にＧａＰで量子ドット層６の材料にＩｎＡｓ、障壁層８の材料にＧａＮで量子ドット層６の材料にＧａxＩｎ1-xＮ、障壁層８の材料にＧａＡｓで量子ドット層６の材料にＧａＳｂ、障壁層８の材料にＡｌＡｓで量子ドット層６の材料にＩｎＡｓ、障壁層８の材料にＣｕＧａＳ2で量子ドット層６の材料にＣｕＩｎＳｅ2等を用いても差し支えない。
【００３９】
なお、ｐ型半導体基板１をＧａＡｓで形成し、ベース層（ｐ型半導体層）４をＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で形成した場合、図１に示すように、超格子半導体層１０とベース層（ｐ型半導体層）４の界面、またはベース層（ｐ型半導体層）４を露出させ（例えば、ベース層（ｐ型半導体層）までエッチングする）、この露出面にｐ型電極１８を形成する。これにより、ｐ型半導体基板１にＧａＡｓを用い、かつベース層（ｐ型半導体層）４にＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5を用いて太陽電池２０を形成ことができる。
【００４０】
３．太陽電池の製造方法
量子ドット層または量子井戸層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いたＳｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長と呼ばれる方法や電子リソグラフィ技術、液滴エピタキシー法などを用いることで量子ドットを作製することができる。Ｓ−Ｋ成長法は上記手法の材料構成比を変えることで量子ドットまたは量子井戸層の混晶比を調整することができ、原材料・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドットのサイズまたは量子井戸層の厚さを調整することができる。
【００４１】
本実施形態の太陽電池の製造においては、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用い、超格子構造を有する太陽電池を製造することができる。ここでは、上記で説明した図１の超格子構造を有する太陽電池の一形態について、図１を参照して、その製造方法について説明する。
【００４２】
例えばｐ−ＧａＡｓ基板１を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに流水洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置内に設置する。この基板の上にバッファー層３を形成する。バッファー層３は、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層である。続いてバッファー層３上に３００ｎｍＡｌＳｂxＡｓ1-xベース層４および障壁層８となるＡｌＳｂxＡｓ1-x層を結晶成長させた後、自己組織化機構を用いてＩｎＡｓからなる量子ドット層を形成する。
【００４３】
この障壁層と量子ドット層との結晶成長の繰り返しを、ｐ型半導体最近接の量子ドット層からｎ型半導体最近接の量子ドット層まで行う。
【００４４】
続いて、２５０ｎｍ ＡｌＳｂxＡｓ1-x層１２を結晶成長させてｐｉｎ構造を形成し、次いで、窓層１４としてＡｌＡｓ層を形成する。
【００４５】
続いて、コンタクト層１５上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層１５を選択エッチングしてｎ型電極１７を形成することで、超格子構造を有する太陽電池を形成することができる。ｐ型電極１８は、例えばベース層４に到達するまで一部エッチングし、ベース層４上に形成することができる。
【００４６】
ｎ型ドーパントとしてはＳｉを、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いることができる。電極材料としては例えば、Ａｕを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。
【００４７】
形成された太陽電池は、ＰＬ（フォトルミネセンス）測定でその発光スペクトルを測定することにより、例えば、中間バンドが２つ形成されているか否かを確認できる。例えば、励起光源にＡｒレーザーを、検出器にＧｅフォトディテクターをそれぞれ用い、超格子半導体層１０のフォトルミネセンスを１１Ｋで測定する。測定された発光スペクトルの発光帯に対応するエネルギー（光子エネルギー）を求めることにより、どのような準位に中間バンドが形成されているかを確認できる。また障壁層８の禁制帯幅も確認できる。また、光吸収スペクトルを測定して、中間バンドの形成を確認してもよい。
【００４８】
なお、ここで示した例は一例であり、本実施形態の超格子構造を有する太陽電池に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。
【００４９】
シミュレーション実験
〔実験１〕
詳細平衡モデルを用いてシミュレーション実験を行い、エネルギー変換効率を算出した。この算出方法を説明するため、バンド図を図２に示す。
【００５０】
図２は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が４つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、１つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部（底）と価電子帯の最上部（頂点）と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が６準位（以下、６準位半導体という）である場合のバンド図を示している。図２において、（１）は６準位の位置関係を説明するための図であり、（２）は各準位とその間のキャリア生成速度Ｇおよびキャリア発光再結合速度Ｒとの関係を説明するための図である。
なお、この明細書で用いるバンド図（エネルギーバンドダイヤグラム）は慣例的に用いられている通りに記載している。すなわち、電子のエネルギーを基準にエネルギー準位を表している。ここで、電子はより低いエネルギーへ移動することが安定であり、そのような状態のエネルギー準位をとる。さらに、正孔はより高いエネルギーへ移動することが安定であり、そのような状態のエネルギー準位をとる。
【００５１】
図２において、６準位半導体の母体となる半導体（障壁層）の伝導帯の最下部（底）のエネルギー準位をＥｃとし、価電子帯の最上部（頂上）のエネルギー準位をＥｖとする。また、Ｅｃに近い側の中間エネルギー準位（中間バンド）をＥｉ２１とし、このＥｉ２１から続けてＥｖ側に向かって順番にＥｉ２２，Ｅｉ２３，Ｅｉ２４の準位があるものとする。この状態において、フォトンを吸収しキャリアを生成するキャリア生成速度、電子とホールが再結合し発光する発光再結合を考える。ここで、これらバンド間においてフォトンを吸収しキャリアを生成するキャリア生成速度をＧ、電子とホールが再結合し発光する発光再結合をＲと表し、ＧまたはＲの下付き文字は遷移が生じるバンドを表す。
【００５２】
まず、ＥｉｎｉからＥｆｉｎのエネルギー範囲（Ｅｉｎｉ＜Ｅｆｉｎ）に含まれるフォトンフラックスは、以下の式（１）で表すことができる。
【００５３】
【数１】
0005509059.tif 000002
【００５４】
ここで、Ｎはプランクの放射則から得られるフォトンフラックスを表す。また、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、μは電子‐正孔対の化学ポテンシャル、kはボルツマン定数、Ｔは物質の温度をそれぞれ表す。
【００５５】
次に、このフォトンフラックスを用いると、６準位（Ｅｃ、Ｅｖ、Ｅｉ２１，Ｅｉ２２，Ｅｉ２３，Ｅｉ２４の各準位）の内、ある２準位間におけるキャリア生成速度Ｇ及び発光再結合Ｒは、以下の式（２）、式（３）で表すことができる。
【００５６】
【数２】
0005509059.tif 000003
【００５７】
【数３】
0005509059.tif 000004
【００５８】
ここで、Ｃ0は集光倍率、Ｈは太陽と地球との距離から決まる幾何学的に決まる定数、Ｔｓは太陽の表面温度、Ｔ0は太陽電池の温度をそれぞれ表している。また、ＥｉｎｉおよびＥｆｉｎはＥｉｎｉ＜Ｅｆｉｎを満たす任意のエネルギーを表している。
【００５９】
これらの式を用いて６準位中間バンド太陽電池に接続された外部電極から外部に取り出される電流密度Ｊは以下の式（４）のように表すことができる。ただし、中間バンド幅は非常に狭く、中間バンド間の電子遷移可能なエネルギー範囲が狭いため（ＥｉｎｉおよびＥｆｉｎの差が小さい）、中間バンド間（Ｅｉ２１，Ｅｉ２２，Ｅｉ２３，Ｅｉ２４の内、任意の２つの準位間のキャリア生成および発光再結合）の電子遷移は無視する。
【００６０】
【数４】
0005509059.tif 000005
【００６１】
ここで、ｑは電荷素量を表す。また、キャリア生成速度Ｇ及び発光再結合Ｒの下付き文字は、図２（２）に示すように、遷移が生じるバンド（電子の遷移が生じる２つのエネルギー準位）を表しているので、例えば、下付き文字のＣＶはエネルギー準位Ｅｃとエネルギー準位Ｅｖ間の電子の遷移、下付き文字のＣＩ１はエネルギー準位Ｅｃとエネルギー準位Ｅｉ２１間の電子の遷移を表し、下付き文字のＶＩ２はエネルギー準位Ｅｖとエネルギー準位Ｅｉ２２間の電子の遷移を表している。他の下付き文字も、同様のルールで、電子の遷移が生じる２つのエネルギー準位を示している。
【００６２】
中間バンド（上記中間エネルギー準位）と外部電極の間では電流が流れないので、中間バンド電流が０となり、以下の式（５）〜式（８）のように表すことができる。
【００６３】
【数５】
0005509059.tif 000006
【００６４】
【数６】
0005509059.tif 000007
【数７】
0005509059.tif 000008
【数８】
0005509059.tif 000009
【００６５】
ここで、キャリア生成速度Ｇ及び発光再結合Ｒの下付き文字は、式４と同様のルールで、電子の遷移が生じる２つのエネルギー準位を示している。
【００６６】
一方、太陽光エネルギーＰinは、以下の式（９）のように表すことができる。
【００６７】
【数９】
0005509059.tif 000010
【００６８】
このとき、出力電圧をＶ、出力電流をＪとすると、エネルギー変換効率ηは、以下の（１０）式となる。
【００６９】
【数１０】
0005509059.tif 000011
【００７０】
以上の式から、６準位中間バンド太陽電池について、その最大エネルギー変換効率を算出できる。６準位中間バンド太陽電池について説明したが、他の準位中間バンド太陽電池についても同様の式で最大エネルギー変換効率を算出できる。
【００７１】
実験１では、６準位中間バンド太陽電池と比較例に係る太陽電池について、障壁層のバンドギャップと中間バンドのエネルギー準位を変化させて、最大エネルギー変換効率を算出した。比較例である従来の中間バンド太陽電池のバンド図を図３に示し、実験１の結果を図４及び図５に示す。
【００７２】
図３は、比較例に係る超格子半導体層のバンド図である。すなわち、この図は、１つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部（底）と価電子帯の最上部（頂点）と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が３準位（中間バンド数は１）である場合のバンド図の一例を示している（ここで、障壁層と量子ドットが３準位である超格子半導体層により構成された太陽電池を以下、従来の中間バンド太陽電池という）。また、図４は、実験１のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに、図５は、実験１のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【００７３】
ここで、実験１のシミュレーションでは、Ｔs＝６０００Ｋ、Ｔ0＝３００Ｋで計算し、集光倍率は、式（２）と（９）におけるＣ0について、Ｃ0＝１の場合とＣ0＝１０００の場合の２パターンとした。これらは、Ｃ0＝１の場合を「非集光」と表示し（図４）、Ｃ0＝１０００の場合を「１０００倍集光」と表示した（図５）。
【００７４】
図４を参照すると、非集光の場合、６準位中間バンド太陽電池は、障壁層（母体半導体ともいう）のバンドギャップがＥｇ＜１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも６準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位（以下、これらの組み合わせをバンドラインナップという）を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図４）。ここで、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．２ｅＶであるとき、６準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとＥｇ≧１．３ｅＶであることがより好ましい。
図４を参照すると、６準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．８〜３．８ｅＶの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約４６．７％であったのに対し、６準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．６〜２．７のとき約５６．６％である。
このように、図４の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を６準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。（なお、上記図４の結果は、後述する表１を参照しても理解できる。）
【００７５】
図５を参照すると、１０００倍集光の場合、非集光の場合と同様に、６準位中間バンド太陽電池は、障壁層（母体半導体ともいう）のバンドギャップがＥｇ＜１．１ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較してそのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．１ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも６準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図５）。ここで、障壁層のバンドギャップが１．１≦Ｅｇ≦１．４ｅＶであるとき、６準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとＥｇ≧１．５ｅＶであることがより好ましい。
図５を参照すると、６準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．５〜３．５ｅＶの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約５７．３％であったのに対し、６準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．４〜２．５ｅＶのとき約６７．７％である。
このように、図５の結果から、１０００倍集光の場合でも最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を６準位中間バンド太陽電池が達成することがわかった。（なお、上記図５の結果は、後述する表２を参照しても理解できる。）
【００７６】
また、実験１の結果を表１及び表２に示す。表１及び表２は、６準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験１の結果の一部を示す表である。表１は、集光条件が「非集光」の場合であり、表２は、集光条件が「１０００倍集光」の場合である。
【００７７】
【表１】
0005509059.tif 000012
【００７８】
【表２】
0005509059.tif 000013
【００７９】
ここで、表１及び表２において、ΔＥは、２つのエネルギー準位（バンド）の間のエネルギー差を表しており、例えば、ΔＥｃｉ２１は、Ｅｃのエネルギー準位７０とＥｉ２１のエネルギー準位６１とのエネルギー差を表している（図２参照）。このように、ΔＥに続いて記載されている英数字は、２つのエネルギー準位を示している。ΔＥｉｉ２１２等の他の記載及び表３〜表６も同様のルールで記載している。
【００８０】
表１及び表２を参照し、同じ大きさのＥｇで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える６準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ２１≧０．０５ｅＶ、またはΔＥｖｉ２４≧０．０５ｅＶであることがわかる、また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ２１−ΔＥｖｉ２４）｜≧０．６５ｅＶとなることもわかる。さらに、ＭＩＮ（ΔＥｉｉ２１２、ΔＥｉｉ２２３、ΔＥｉｉ２３４）≧０．１０ｅＶとなることもわかる。
ここで、ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）とは、Ａ，Ｂ，Ｃの数値のうち最も小さい数値を意味する。以下、この明細書では、ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，・・・）は、括弧内の数値のうち最も小さい数値を意味するものとして使用する。
【００８１】
また、表１及び表２を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率と比較すると、６準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ２１≧０．０５ｅＶ、またはΔＥｖｉ２４≧０．０５ｅＶであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ２１−ΔＥｖｉ２４）｜≧０．６５ｅＶとなることもわかる。さらに、ＭＩＮ（ΔＥｉｉ２１２、ΔＥｉｉ２２３、ΔＥｉｉ２３４）≧０．１２５ｅＶとなることもわかる。
【００８２】
例えば、量子ドットにより６準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層のバンドオフセットが０の場合、または価電子帯に形成される量子準位が１つのバンドとみなすことができる場合（すなわち４つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合）、ΔＥｖｉ２４が大きいほど（ΔＥｃｉ２１＋ΔＥｉｉ２１２＋ΔＥｉｉ２２３＋ΔＥｉｉ２３４が小さいほど）最も低い中間バンドのエネルギー準位Ｅｉ２４が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ｅｉ２１、Ｅｉ２２，Ｅｉ２３，Ｅｉ２４の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点からΔＥｖｉ２４≧（Ｅｇ／２）ｅＶが好ましく、表１及び表２を検討すると、６準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔＥｖｉ２４≧（Ｅｇ／２＋０．０５）ｅＶとなっている。
例えば、１０００倍集光下における６準位中間バンド太陽電池においてＥｇ＝２．５ｅＶの場合、６７．７％のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、すなわちΔＥｃｉ２１とΔＥｖｉ２４の組み合わせは、（ΔＥｃｉ２１、ΔＥｖｉ２４）＝（１．３２５ｅＶ、０．５７５ｅＶ）（０．５７５ｅＶ、１．３２５ｅＶ）である。これらは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔＥｖｉ２４≧（Ｅｇ／２＋０．０５）ｅＶより好ましい組み合わせは（ΔＥｃｉ２１、ΔＥｖｉ２４）＝（０．５７５ｅＶ、１．３２５ｅＶ）である。
【００８３】
〔実験２〕
次に、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部（底）と価電子帯の最上部（頂点）と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が５準位を有する太陽電池について、実験１と同様の算出方法でシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験では、上記５準位を有する太陽電池のいくつかの例を挙げて、そのエネルギー変換効率を算出した。この太陽電池の超格子半導体層のバンド図を図６に示し、実験結果を図７及び図８に示す。
【００８４】
図６は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が３つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、１つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層と量子ドットが５準位を有する場合のバンド図を示している。また、図７は、実験２のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに図８は、実験２のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【００８５】
実験２のシミュレーションでも、実験１のシミュレーションと同様に、Ｔs＝６０００Ｋ、Ｔ0＝３００Ｋで計算し、集光倍率は、式（２）と（９）におけるＣ0について、Ｃ0＝１の場合とＣ0＝１０００の場合の２パターンとした。これらは、Ｃ0＝１の場合を「非集光」と表示し（図７）、Ｃ0＝１０００の場合を「１０００倍集光」と表示している（図８）。
【００８６】
図７を参照すると、非集光の場合、５準位中間バンド太陽電池は、障壁層（母体半導体ともいう）のバンドギャップがＥｇ＜１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも５準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図７）。ここで、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．２ｅＶであるとき、５準位の各準位と最近接の準位とのエネルギー準位間隔が室温エネルギー程度に狭くなり得るため、エネルギー準位間隔の制御の容易さを考えるとＥｇ≧１．３ｅＶであることがより好ましい。
図７を参照すると、５準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．８〜３．８ｅＶの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約４６．７％であったのに対し、５準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．６〜２．７のとき約５５．４％である。
このように、図７の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を５準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。（なお、上記図７の結果は、後述する表３を参照しても理解できる。）
【００８７】
図８を参照すると、１０００倍集光の場合、非集光の場合と同様に、５準位中間バンド太陽電池は、障壁層（母体半導体ともいう）のバンドギャップがＥｇ＜１．１ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較してそのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．１ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも５準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図８）。
図８を参照すると、５準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．５〜３．４ｅＶの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約５７．３％であったのに対し、５準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．３〜２．４ｅＶのとき約６６．５％である。
このように、図８の結果から、１０００倍集光の場合でも、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を５準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。（なお、上記図８の結果は、後述する表４を参照しても理解できる。）
【００８８】
また、実験２の結果を表３及び表４に示す。表３及び表４は、５準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験２の結果の一部を示す表である。表３は、集光条件が「非集光」の場合であり、表４は、集光条件が「１０００倍集光」の場合である。
【００８９】
【表３】
0005509059.tif 000014
【００９０】
【表４】
0005509059.tif 000015
【００９１】
表３及び表４を参照し、同じ大きさのＥｇで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える５準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ１１≧０．０５ｅＶ、またはΔＥｖｉ１３≧０．０５ｅＶであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ１１−ΔＥｖｉ１３）｜≧０．６２５ｅＶとなることもわかる。さらに、ＭＩＮ（ΔＥｉｉ１１２、ΔＥｉ１１３）≧０．１５ｅＶとなることもわかる。
【００９２】
また、表３及び表４を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率と比較すると、５準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ１１≧０．１７５ｅＶ、またはΔＥｖｉ１３≧０．１７５ｅＶであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ１１−ΔＥｖｉ１３）｜≧０．６２５ｅＶとなることもわかる。さらに、ＭＩＮ（ΔＥｉｉ１１２、ΔＥｉｉ１１３）≧０．１７５ｅＶとなることもわかる。
【００９３】
例えば、量子ドットにより５準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層のバンドオフセットが０の場合、または価電子帯に形成される量子準位が１つのバンドとみなすことができる場合（すなわち３つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合）、ΔＥｖｉ１３が大きいほど（ΔＥｃｉ１１＋ΔＥｉｉ１１２＋ΔＥｉｉ１１３が小さいほど）最も低い中間バンドのエネルギー準位Ｅｉ１３が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ｅｉ１１、Ｅｉ１２，Ｅｉ１３の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点から表３及び表４を検討すると、５準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、好ましくはΔＥｖｉ１３≧（Ｅｇ／２＋０．０７５）ｅＶである。
例えば、１０００倍集光下における５準位中間バンド太陽電池においてＥｇ＝２．４ｅＶの場合、６３．５％のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、すなわちΔＥｃｉ１１とΔＥｖｉ１３の組み合わせは、（ΔＥｃｉ１１、ΔＥｖｉ１３）＝（１．３０ｅＶ、０．５７５ｅＶ）（０．５７５ｅＶ、１．３０ｅＶ）である。これは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔＥｖｉ１３≧（Ｅｇ／２＋０．０７５）ｅＶより好ましい組み合わせは（ΔＥｃｉ１１、ΔＥｖｉ１３）＝（０．５７５ｅＶ、１．３０ｅＶ）である。
〔実験３〕
次に、超格子半導体層を構成する障壁層の伝導帯の最下部（底）と価電子帯の最上部（頂点）と量子ドットから形成される中間バンドの準位の合計が４準位を有する太陽電池について、実験１及び実験２と同様の算出方法でシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験では、上記５準位を有する太陽電池のいくつかの例を挙げて、そのエネルギー変換効率を算出した。この太陽電池の超格子半導体層のバンド図を図９に示し、実験結果を図１０及び図１１に示す。
【００９４】
図９は、この発明の一実施形態に係る超格子半導体層が２つの中間バンドを有する場合のバンド図である。すなわち、この図は、１つの例として、超格子半導体層を構成する障壁層と量子ドットが４準位を有する場合のバンド図を示している。また、図１０は、実験３のシミュレーションにより得られた、非集光の場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。さらに図１１は、実験３のシミュレーションにより得られた、集光した場合におけるバンドギャップと最大エネルギー変換効率との関係を示すグラフである。
【００９５】
実験３のシミュレーションでも、実験１及び実験２のシミュレーションと同様に、Ｔｓ＝６０００Ｋ、Ｔ０＝３００Ｋで計算し、集光倍率は、式（７）におけるＣ0について、Ｃ0＝１の場合とＣ0＝１０００の場合の２パターンとした。これらは、Ｃ0＝１の場合を「非集光」と表示し（図１０）、Ｃ0＝１０００の場合を「１０００倍集光」と表示した（図１１）。
【００９６】
図１０を参照すると、非集光の場合、４準位中間バンド太陽電池は、障壁層（母体半導体ともいう）のバンドギャップがＥｇ＜１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池と比較して、そのエネルギー変換効率にほとんど差異がないことがわかる。
一方、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．２ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも４準位中間バンド太陽電池のほうが、バンドギャップ・中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図１０）。
図１０を参照すると、４準位中間バンド太陽電池は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．８〜３．５ｅＶの領域にあるとき、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約４６．７％であったのに対し、４準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．６ｅＶのとき約５３．０％である。
このように、図１０の結果から、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を４準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。（なお、上記図１０の結果は、後述する表１を参照しても理解できる。）
【００９７】
図１１を参照すると、１０００倍集光の場合、障壁層のバンドギャップがＥｇ≧１．０ｅＶであるとき、従来の中間バンド太陽電池よりも４準位中間バンド太陽電池のほうが、中間バンドエネルギー準位を最適化することによって、エネルギー変換効率が高くなる可能性がある（図１１）。
図１１を参照すると、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝１．６〜３．２ｅＶの領域にあるとき、４準位中間バンド太陽電池は、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を達成することがわかる。例えば、従来の中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は約５７．３％であったのに対し、４準位中間バンド太陽電池の最大エネルギー変換効率は、障壁層のバンドギャップがＥｇ＝２．３ｅＶのとき約６３．８％である。
このように、図１１の結果から、１０００倍集光の場合でも、最適バンドラインナップを選択することにより、従来の中間バンド太陽電池では得ることができないようなエネルギー変換効率を４準位中間バンド太陽電池が達成することがわかる。（なお、上記図１１の結果は、後述する表２を参照しても理解できる。）
【００９８】
また、実験１の結果を表５及び表６に示す。表５及び表６は、４準位中間バンド太陽電池と従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率とエネルギー準位を比較したものであり、実験１の結果の一部を示す表である。表５は、集光条件が「非集光」の場合であり、表６は、集光条件が「１０００倍集光」の場合である。
なお、表５および表６にはΔＥｃｉ１（ΔＥｖｉ２）の列とΔＥｖｉ２（ΔＥｃｉ１）の列があるが、これらは一方がΔＥｃｉ１の値であれば他方がΔＥｖｉ２の値であることを示し、一方がΔＥｖｉ２の値であれば他方がΔＥｃｉ１の値であることを示している。
【００９９】
【表５】
0005509059.tif 000016
【０１００】
【表６】
0005509059.tif 000017
【０１０１】
表５及び表６を参照し、同じ大きさのＥｇで比較すると、従来の中間バンド太陽電池の変換効率を越える４準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ１≧０．１ｅＶ、またはΔＥｖｉ２≧０．１ｅＶであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ１−ΔＥｖｉ２）｜≧０．２５ｅＶとなることもわかる。さらに、ΔＥｉｉ≧０．２５ｅＶとなることもわかる。
【０１０２】
また、表５及び表６を参照し、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率とを比較すると、４準位中間バンド太陽電池について、従来の中間バンド太陽電池の最大変換効率を超えるような最適バンドラインナップは、ΔＥｃｉ１≧０．３２５ｅＶ、またはΔＥｖｉ２≧０．３２５ｅＶであることがわかる。また、この最適バンドラインナップは、｜（ΔＥｃｉ１−ΔＥｖｉ２）｜≧０．３２５ｅＶとなることもわかる。さらに、ΔＥｉｉ≧０．３２５ｅＶとなることがわかる。
【０１０３】
例えば、量子ドットにより４準位中間バンド太陽電池が構成され、価電子帯における、量子ドットと障壁層との間のバンドオフセットが０の場合、または価電子帯に形成される量子準位が１つのバンドとみなすことができる場合（すなわち２つの中間バンド準位を伝導帯バンドオフセットによるポテンシャルを用いて作製する場合）、ΔＥｖｉ２が大きいほど（ΔＥｃｉ１＋ΔＥｉｉが小さいほど）最も低い中間バンドのエネルギー準位Ｅｉ２が前記障壁層の伝導帯底に近く、量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の波動関数と大きく相互作用しやすくなる。従って、Ｅｉ１、Ｅｉ２の中間バンドが形成されやすくなり、キャリア移動がより起こりやすくなる。このような観点から表１及び表２を検討すると、４準位中間バンド太陽電池の最適バンドラインナップは、好ましくはΔＥｖｉ２≧（Ｅｇ／２＋０．１２５）ｅＶである。
例えば、１０００倍集光下における４準位中間バンド太陽電池においてＥｇ＝２．３ｅＶの場合、６３．８％のエネルギー変換効率となるバンドラインナップ、ずなわちΔＥｃｉ１とΔＥｖｉ２の組み合わせは、（ΔＥｃｉ１、ΔＥｖｉ２）＝（１．３０ｅＶ、０．６５ｅＶ）（０．６５ｅＶ、１．３０ｅＶ）、（１．００ｅＶ、０．６５ｅＶ）、（０．６５ｅｖ、１．００ｅＶ）である。これは上記バンドラインナップを満たし、上記の条件ΔＥｖｉ２≧（Ｅｇ／２＋０．１２５）ｅＶより好ましい組み合わせは（ΔＥｃｉ１、ΔＥｖｉ２）＝（０．６５ｅＶ、１．３０ｅＶ）である。
【０１０４】
以上の実験から、６準位中間バンド太陽電池、５準位中間バンド太陽電池、及び４準位中間バンド太陽電池は、エネルギー変換効率が高いことがわかる。
【０１０５】
なお、表１〜表６のＥｇ以外のエネルギー準位は、あるＥｇに対するいくつかの例を示したに過ぎない。すなわち、あるＥｇに対して同じ効率を満たすＥｇ以外のエネルギー準位はエネルギー間隔の対称性から他にも組み合わせが考えられる。また、表１〜６はあるＥｇに対して最大エネルギー変換効率を与える最適なエネルギー準位の組み合わせを示したに過ぎず、これら以外の組み合わせであっても従来の中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率を越えうる。従って、この発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されない。
【０１０６】
シミュレーション実験２
〔実験４〕
次に、実験１〜３で明らかとなったエネルギー準位（４〜６準位中間バンド太陽電池。多準位中間バンド太陽電池ともいう）を有する太陽電池について、特定の構造に着目してさらにシミュレーション実験を行った。
【０１０７】
ＭＡＴＬＡＢソフトを用いシュレディンガー方程式を解き、バンド構造計算を行った。このシミュレーション実験では、多準位中間バンド太陽電池を実現できる構造として、「価電子帯バンドオフセットがゼロである構造」と「価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造」に着目した。また、量子ドットの形状は立方体であると考え、３辺の大きさを（ａ，ｂ，ｃ）ｎｍとした。
【０１０８】
１．価電子帯バンドオフセットがゼロである構造
ＩｎＡｓ1-xＳｂx／ＡｌＳｂの組み合わせを用いれば価電子帯バンドオフセットをゼロにすることが可能である（ここでいう価電子帯バンドオフセットとは、ＩｎＡｓxＳｂ1-xとＡｌＳｂの価電子帯頂点のエネルギー準位の差がゼロである関係をいう）。ＩｎＡｓ1-xＳｂxはΓ点の伝導体下端とΓ点の価電子帯の上端とのエネルギー差が最も小さく（直接バンドギャップ）、ＡｌＳｂはＸ点の伝導帯下端とΓ点の価電子帯上端のエネルギー差が最も小さい（間接バンドギャップ）。しかし、太陽電池においてはΓ点における吸収が最も重要かつ支配的であり、以下ではＩｎＡｓ1-xＳｂx、ＡｌＳｂ共にΓ点でのバンド構造を考える。ここでは、Ｖｅｇａｒｄ則からｘ＝０．３として以下の計算を行った。ＡｌＳｂのΓ点でのバンドギャップは２．３ｅＶである。
【０１０９】
価電子帯バンドオフセットがゼロである構造に関するバンド構造計算の結果を図１２〜図１７に示す。図１２、図１４及び図１６は、中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。これらの図の多準位中間バンド太陽電池は、図１２、図１４、図１６の順で、４準位中間バンド、５準位中間バンド、６準位中間バンドである。また、これらの図の太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロであり、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3とＡｌＳｂで構成されている。また、図１３、図１５及び図１７は、それぞれ図１２、図１４及び図１６における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【０１１０】
なお、図１２における「ＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3／ＡｌＳｂ＝２．７+２．７+９／３ｎｍ」は、量子ドット層がＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3、障壁層がＡｌＳｂであることを示し、「２．７+２．７+９」はＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3で構成される量子ドットの大きさを示している（直方体の量子ドットの三辺の大きさを（ａ，ｂ，ｃ）としたとき、ここでは（ａ＋ｂ＋ｃ）と表示している）。また同図の「３ｎｍ」はＡｌＳｂの層厚を示している。このような表記法は、図１４〜図２２でも同様である。
【０１１１】
（１−１）４準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3／ＡｌＳｂ＝（２．７、２．７、９）／３ｎｍ
図１２に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ２、Ｅｉ１、Ｅｃ）＝（０、１．２９、１．６４、２．３２）ｅＶとなった。これらのエネルギー準位を用いて、４準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合５１．９％、１０００倍集光で６３．４％となった（図１３参照）。
【０１１２】
（１−２）５準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3／ＡｌＳｂ＝（２．７、２．７、１３）／３ｎｍ
図１４に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ１３、Ｅｉ１２、Ｅｉ１１、Ｅｃ）＝（０、１．２５、１．４４、１．８０、２．３）ｅＶとなった。これらのエネルギー準位を用いて、５準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合５２．１％、１０００倍集光で６３．６％となった（図１５参照）。
【０１１３】
（１−３）６準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ0.7Ｓｂ0.3／ＡｌＳｂ＝（２．７、２．７、１７）／３ｎｍ
図１６に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ２４、Ｅｉ２３、Ｅｉ２２、Ｅｉ２１、Ｅｃ）＝（０、１．２３、１．３５、１．５７、１．９０、２．３）ｅＶとなった。これらのエネルギー準位を用いて、６準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合５３．２％、１０００倍集光で６５．０％となった（図１７参照）。
【０１１４】
２．価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造
ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ1-xＡｓxの組み合わせは、価電子帯バンドオフセットをゼロにすることができない。しかし、価電子帯バンドオフセットが比較的小さいことと、価電子帯にはヘビーホールとライトホールが存在し、ヘビーホールの有効質量が比較的大きいため価電子帯には多数の量子エネルギー準位が形成され、これらの複数の準位をまとめて１つの価電子帯とみなすことが可能である。１つにみなされた価電子帯の上端から伝導帯下端までを実効的なバンドギャップと考えることが可能となり、多準位中間バンド太陽電池を実現することができる。
【０１１５】
一方で、この組み合わせにおいても、先ほどと同様にＩｎＡｓはΓ点の伝導体下端とΓ点の価電子帯の上端とのエネルギー差が最も小さく（直接バンドギャップ）、ＡｌＳｂ1-xＡｓxはＸ点の伝導帯下端とΓ点の価電子帯上端のエネルギー差が最も小さい（間接バンドギャップ）。しかし、太陽電池においてはΓ点における吸収が最も重要かつ支配的であり、以下ではＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ1-xＡｓx共にΓ点でのバンド構造を考える。ここでは、Ｖｅｇａｒｄ則からｘ＝０．５として以下の計算を行った。
【０１１６】
価電子帯バンドオフセットがゼロでない構造に関するバンド構造計算の結果を図１８〜図２３に示す。図１８、図２０及び図２２は、中間バンド太陽電池のバンド構造計算結果を示す図である。これらの図における太陽電池の中間バンドは、図１８、図２０、図２２の順で、４準位中間バンド、５準位中間バンド、６準位中間バンドである。また、これらの図における太陽電池は、量子ドット層と障壁層の価電子帯バンドオフセットがゼロでなく、量子ドット層と障壁層がそれぞれＩｎＡｓとＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5で構成されている。また、図１９、図２１及び図２３は、それぞれ図１８、図２０及び図２２における太陽電池に光を照射したときの、電圧と電流の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【０１１７】
（１−１）４準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5＝（２．５、２．５、８．５）／３ｎｍ
図１８に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ２、Ｅｉ１、Ｅｃ）＝（０、１．５４、１．９０、２．５２）ｅＶとなった。ここで、Ｅｖは１つにみなされた価電子帯の上端のエネルギー準位のことであり、Ｅｃは障壁層の伝導体の下端であり、従って（Ｅｃ−Ｅｖ）は障壁層のバンドギャップではない。これらのエネルギー準位を用いて、４準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合４７．７％、１０００倍集光で５６．８％となった（図１９参照）。
【０１１８】
（２−２）５準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5＝（２．７、２．７、１２）／３ｎｍ
図２０に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ１３、Ｅｉ１２、Ｅｉ１１、Ｅｃ）＝（０、１．４１、１．６１、１．９８、２．５０）ｅＶとなった。これらのエネルギー準位を用いて、４準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合５１．３％、１０００倍集光で６１．４％となった（図２１参照）。
【０１１９】
（２−３）６準位中間バンド太陽電池
ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ0.5Ａｓ0.5＝（３．０、３．０、１５）／３ｎｍ
図２２に示すように、このような量子ドットサイズである場合、３方向からの閉じ込めにより各エネルギー準位は価電子帯上端を０として、（Ｅｖ、Ｅｉ２４、Ｅｉ２３、Ｅｉ２２、Ｅｉ２１、Ｅｃ）＝（０、１．２８、１．４２、１．６７、２．０３、２．４９）ｅＶとなった。これらのエネルギー準位を用いて、４準位中間バンド太陽電池のエネルギー変換効率は、非集光の場合５２．８％、１０００倍集光で６３．４％となった（図２３参照）。
【０１２０】
以上のように、実験４の結果からも、４〜６準位中間バンド太陽電池が高いエネルギー効率を示すことが理解できる。
【０１２１】
以上、実施形態を挙げて、この発明を説明したが、この発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【０１２２】
例えば、超格子構造中における量子ドット間の波動関数の電子的結合により量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ、量子準位が１つに繋がった中間バンドが形成されることはキャリア移動の観点からより好ましいが、必ずしも中間バンドが形成される必要があるわけではない。非特許文献３に示されるように、各々の量子ドットから形成される量子エネルギー準位が共鳴せずに各々独立に存在していても良く、そのような構成であっても中間バンド太陽電池として機能する。このため、上記の実施形態（及び実験１〜４）の中間バンドは、超格子半導体層に各々独立に存在したエネルギー準位であってもよい。
【０１２３】
また、上記の実施形態（及び実験１〜４）では、主に量子ドットで形成される超格子構造を説明したが、例えば、量子井戸構造により形成される中間バンドや化合物半導体材料に数種類の不純物をドープすることで形成される中間バンド（不純物を用いた中間バンド）などに適用してもよく、この発明は、量子ドットを用いた中間バンド太陽電池に限定されない。
【０１２４】
このように、この発明は請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についてもこの発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２５】
１： ｐ型半導体基板    ３：バッファー層
４：ベース層（ｐ型半導体層）    ６：量子ドット層    ７：量子ドット
８：障壁層    １０：超格子半導体層    １２：エミッタ−層（ｎ型半導体層）
１４：窓層    １５：コンタクト層    １７：ｎ型電極    １８：ｐ型電極
２０：太陽電池
５０：価電子帯の頂上のエネルギー準位（Ｅｖ）
６０，６１，６２，６３，６４：中間バンド（Ｅｉ２１，Ｅｉ２２，Ｅｉ２３，Ｅｉ２４，Ｅｉ１１，Ｅｉ１２，Ｅｉ１３，Ｅｉ１，Ｅｉ２，Ｅｉ３）
７０：伝導帯の底のエネルギー準位（Ｅｃ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005509059.tif 000020
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005509059.tif 000034
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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