(57)【要約】【課題】  新規な光電変換素子及び太陽電池セルを提供する。【解決手段】  多結晶の強誘電体材料１０からなり、異なる分極状態を有するドメインが交互に配置された強誘電体層を光電変換層とすることを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶の強誘電体材料からなり、異なる分極状態を有するドメインが交互に配置された強誘電体層を光電変換層とすることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記強誘電体層には電力を取り出す取出電極が設けら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】
異なる分極状態を有するドメインが交互に配置され前記強誘電体層が、分極処理により形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記強誘電体層を２つの異なる分極状態にするための、２つ以上の分極電極を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記分極電極のすべてが前記強誘電体層の１つの面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記強誘電体層の各面のうちの１つに配置されているすべての電極が、前記強誘電体層を形成する強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記強誘電体層が基体上に形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記基体および前記電極のうち前記強誘電体層と前記基体との間に配置されたもののすべてか、前記電極のうち前記強誘電体層の前記基体と接しない面に配置されたもののすべてか、のいずれかが、前記の強誘電体層を形成する強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料からな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】
前記基体がペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記基体が導電性を有するか、前記基体と前記強誘電体層との間に導電性酸化物の層が形成されていることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の光電変換素子を用いたことを特徴とする太陽電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体を用いた光電変換素子及び太陽電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、環境にやさしい電源として、シリコンを用いた太陽電池（光電変換素子）が注目を集めている。シリコンを用いた太陽電池としては、単結晶、多結晶シリコン基板にＰＮ接合を形成したものである（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、このような太陽電池は、製造コストが高く、また、製造条件を高度に制御する必要があり、さらに製造に多大なエネルギーを必要とし、必ずしも省エネルギーな電源とは言えない。
【０００４】
また、これに替わる次世代の太陽電池として、製造コストが安く、また、製造エネルギーが少ないとされる色素増感型太陽電池が開発されている。しかしながら、色素増感型太陽電池には、蒸気圧の高い電解液を用いているため、電解液が揮発するという問題がある。
【０００５】
さらに、最近新たに開発されるようになった方式の太陽電池として、強誘電体材料のドメイン構造を用いた方式（例えば、非特許文献１参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２２０３８０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S.Y.Yang, J.Seidel, S.J.Byrnes, P.Shafer, C.-H.Yang, M.D.Rossell, P.Yu, Y.-H.Chu, J.F.Scott, J.W.Ager, III, L.W.Martin, and R.Ramesh: Nature Nanotechnology 5(2010)143
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１は、単結晶の強誘電体にドメイン構造を有していると、光照射により発電されるという報告であり、実用化に向けては全く未知数である。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、新規な光電変換素子及び太陽電池セルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の態様は、多結晶の強誘電体材料からなり、異なる分極状態を有するドメインが交互に配置された強誘電体層を光電変換層とすることを特徴とする光電変換素子にある。
かかる態様では、多結晶からなる強誘電体層が、異なる分極状態を有するドメインが交互に配置されたドメイン構造を有するので、これにより、光照射により電力を取り出すことができる。
【００１０】
ここで、前記強誘電体層には電力を取り出す取出電極が設けられていることが好ましい。これによれば、光照射により発生した電力を取出電極より取り出すことができる。
【００１１】
また、異なる分極状態を有するドメインが交互に配置され前記強誘電体層が、分極処理により形成されたものであることが好ましい。これによれば、多結晶からなる強誘電体層にドメイン構造を確実に形成できる。
【００１２】
また、前記強誘電体層を２つの異なる分極状態にするための、２つ以上の分極電極を有することが好ましい。これによれば、２つ以上の分極電極により、多結晶からなる強誘電体層にドメイン構造を確実に形成できる。
【００１３】
また、前記分極電極のすべてが前記強誘電体層の１つの面に配置されていることが好ましい。これによれば、分極電極が形成し易く、多結晶からなる強誘電体層にドメイン構造を確実に形成できる。
【００１４】
また、前記強誘電体層の各面のうちの１つに配置されているすべての電極が、前記強誘電体層を形成する強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料からなることが好ましい。これによれば、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。
【００１５】
また、前記強誘電体層が基体上に形成されていることが好ましい。これによれば、強誘電体層を簡便且つ効率的に形成することができる。
【００１６】
また、前記基体および前記電極のうち前記強誘電体層と前記基体との間に配置されたもののすべてか、前記電極のうち前記強誘電体層の前記基体と接しない面に配置されたもののすべてか、のいずれかが、前記の強誘電体層を形成する強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料からなることが好ましい。これによれば、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。
【００１７】
また、前記基体がペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。これによれば、単一配向の強誘電体層を得ることができ、質が良いドメイン構造を確実に形成できる。
【００１８】
また、前記基体が導電性を有するか、前記基体と前記強誘電体層との間に導電性酸化物の層が形成されていることが好ましい。これによれば、強誘電体層を簡便且つ効率的に形成することができる。
【００１９】
本発明の他の態様は、光電変換素子を用いたことを特徴とする太陽電池セルにある。
かかる態様では、ドメイン構造により光電変換する光電変換素子を具備するので、比較的簡便に且つ再現性よく且つ低コストでの太陽電池が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図４】図３の分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】図５の分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図である。
【図７】本発明の実施形態４に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】図７の分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図である。
【図９】実施例１の分極処理結果を示す図である。
【図１０】実施例２のＸ線の回折ピーク値を示す図である。
【図１１】実施例２の分極処理結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子（太陽電池）の概略構成を示す図である。
図１に示すように、光電変換素子１は、矢印で示したように、表層部に異なる分極状態を具備するドメインが交互に配置されたドメイン構造を有し、光電変換層として機能する強誘電体層１０を具備するものである。この分極は強誘電体層１０の表層部に形成され、表面に平行な分極方向となる。そして、異なる分極の境界となるドメインの間にはウォール部が形成されている。また、強誘電体層１０の分極方向が異なるドメインが交互に配置された並設方向の両側には、一対の取出電極３１及び３２が設けられている。
【００２３】
ここで、強誘電体層１０としては例えば、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、およびこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体が挙げられるが、強誘電性を有する材料であれば前記の材料に限定されるものではない。強誘電体層１０の形成方法として、原料粉末あるいは原料溶液を所望の形状に成形して焼結する方法、多結晶基板を成長させて切り出す方法等が例示されるが、塊状の強誘電体層１０が得られれば前述の方法に限定されない。また、強誘電体層１０の厚さは、後述するように表面近傍のみを分極させるため極薄くても構わないが、構造としての機械的強度を保つためある程度の厚さがあっても問題ない。また、強誘電体層１０の電極を配置する面の平坦性は、平坦であるほど好ましいが、電極が導電性を有する範囲であれば、多少の表面粗さを有するものであっても問題ない。また、強誘電体層は、好ましくは、所定方向に配向、例えば、（１００）面に配向しているものを用いるのが好ましい。
【００２４】
取出電極３１及び３２とを形成する材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼、等の金属元素、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化錫系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム、等の酸化物導電材料、導電性ポリマー、等が挙げられるが、導電性を有する材料であれば前記の材料に限定されるものではない。第１電極２１及び第２電極２２並びに取出電極３１及び３２の形成方法として、ＣＶＤ法等の気相法、塗布法等の液相法、スパッタ法等の固相法、印刷法、等が例示されるが、この限りではない。取出電極３１及び３２の厚さは導電性を有することができる範囲であれば限定されない。取出電極３１及び３２とは同じ材料で形成してもよいが、異なる材料としてもよいことは言うまでもない。
【００２５】
本実施形態による光電変換素子１の強誘電体層１０のドメイン構造は、分極処理により形成されたものである。図２には強誘電体層１０の分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図を示す。
【００２６】
分極電極である第１電極２１及び第２電極２２は、一方向（図面左右方向）に亘って交互に並設されており、一方向に直交する方向（紙面に直交する方向）に亘って延設されている。各第1電極２１同士及び各第２電極同士は連結されていて電圧を印加できるようになっていてもよいし、各第１電極２１と各第２電極２２とにプローブ等で電圧を印加するようにしてもよい。何れにしても、第１電極２１と第２電極２２との間に、電極の間隔および強誘電体材料の抗電界から求められる抗電圧以上の電圧を印加することで、分極処理を行うことができる。これにより、図２に矢印で示したように、第１電極２１及び第２電極２２の間の領域に交互異なる分極方向になるように分極が行われる。この分極は強誘電体層１０の表層部に形成され、表面に平行な分極方向となる。また、分極方向は、第１電極２１及び第２電極２２が交互に並ぶ並設方向（前記一方向）となる。また、第１電極２１及び第２電極２２の電極の下側には異なる分極の境界となるウォール部が形成される。なお、第１電極２１及び第２電極２２は、上述した取出電極３１及び３２と同様な材料で形成することができる。
この分極処理を行うことにより、強誘電体層１０にはドメイン構造が確実に形成され、これにより、光電変換素子として機能することとなる。
【００２７】
分極処理を容易に行なうためには第１電極２１及び第２電極２２の間隔は狭い方がより好ましい。また、分極がされていない領域（ウォール部に対応する）が多く存在すると機能の一部が損なわれるため、第１電極２１及び第２電極２２の幅（電極幅）も狭い方がより好ましい。
【００２８】
このように分極処理された光電変換素子１は、光が照射されると電力が発生する。かかる発電のための光は、第１電極２１及び第２電極２２が、対象とする光、特に可視光を反射、あるいは吸収する材料の場合、強誘電体層１０の第１電極２１及び第２電極２２を配置していない面から照射させるのが好ましい。第１電極２１及び第２電極２２が、対象とする光を反射、吸収しない場合には、いずれの面から光を照射させても良い。
光を照射させることにより発生する電力は、取出電極３１及び３２より配線を通じて取り出され、外部の負荷に送ることができる。
【００２９】
また、分極処理は、基本的には、最初に行っただけでもよいので、第１電極２１及び第２電極２２を除去した状態として（図１参照）光電変換素子としてもよい。勿論、第１電極２１及び第２電極２２を具備した状態で光電変換を行ってもよい。
【００３０】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、光電変換素子１Ａは、矢印で示したように、異なる分極状態を具備するドメインが交互に配置されたドメイン構造を有するものである。この分極は強誘電体層１０Ａの厚さ方向に平行な分極方向となり、異なる分極の境界となるドメインの間にはウォール部が形成されている。また、強誘電体層１０Ａの分極方向が異なるドメインが交互に配置された並設方向の両側には、一対の取出電極３１Ａ及び３２Ａが設けられている。
【００３１】
本実施形態による光電変換素子１の強誘電体層１０Ａのドメイン構造は、分極処理により形成されたものである。図４には強誘電体層１０Ａの分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図を示す。
【００３２】
分極電極である第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと、共通電極４０が強誘電体層１０Ａの両側に設けられている。ここで、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａは、一方向（図面左右方向）に亘って交互に並設されており、一方向に直交する方向（紙面に直交する方向）に亘って延設されている。各第１電極２１同士及び各第２電極同士は連結されていて電圧を印加できるようになっていてもよいし、各第１電極２１Ａと各第２電極２２Ａとにプローブ等で電圧を印加するようにしてもよい。何れにしても、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと、共通電極４０との間に、強誘電体層１０Ａの厚さおよび強誘電体材料の抗電界から求められる抗電圧以上の電圧を印加することで、分極処理を行うことができる。これにより、図４に矢印で示したように、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと共通電極４０との間の領域に交互異なる分極方向になるように分極が行われる。この分極は強誘電体層１０Ａの第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと共通電極４０との間の領域に形成され、強誘電体層１０Ａの厚さ方向に平行な分極方向となる。また、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの間と共通電極４０との間の領域には、分極の境界となるウォール部が形成される。なお、電圧の印加の方法は、上述したようなドメイン構造が形成される方法であれば、特に限定されないが、第１電極２１Ａ、第２電極２２Ａに順次印加してもよいし、同時に印加してもよい。
この分極処理を行うことにより、強誘電体層１０Ａにはドメイン構造が確実に形成され、これにより、光電変換素子として機能することとなる。
【００３３】
分極処理を容易に行なうためには第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの間隔は狭い方がより好ましい。また、分極がされていない領域（ウォール部に対応する）が多く存在すると機能の一部が損なわれるため、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの幅（電極幅）も狭い方がより好ましい。
【００３４】
本実施形態においては、強誘電体層１０Ａの上方に配置された第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと、強誘電体層１０Ａの下方に配置された共通電極４０との少なくとも一方が、強誘電体層１０Ａに用いられている強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。例えば、強誘電体材料がＢｉＦｅＯ３（バンドギャップ＝２．６ｅＶ）であれば、共通電極４０の材料が金属（バンドギャップなし）であれば強誘電体層１０の上方に配置された第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）が好ましいし、強誘電体層１０の上方に配置された第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの材料が金属（バンドギャップなし）であれば共通電極４０の材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）であるのが好ましい。
【００３５】
このように分極処理された光電変換素子１Ａは、光が照射されると電力が発生する。かかる発電のための光は、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａが、対象とする光、特に可視光を反射、あるいは吸収する材料の場合、強誘電体層１０の第１電極２１及び第２電極２２を配置していない面から照射させるのが好ましい。第１電極２１及び第２電極２２が、対象とする光を反射、吸収しない場合には、いずれの面から光を照射させても良い。
光を照射させることにより発生する電力は、取出電極３１Ａ及び３２Ａより配線を通じて取り出され、外部の負荷に送ることができる。
【００３６】
また、分極処理は、基本的には、最初に行っただけでもよいので、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａを除去した状態として（図３参照）光電変換素子としてもよい。勿論、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａを具備した状態で光電変換を行ってもよい。
【００３７】
（実施形態３）
図５には、本実施形態の光電変換素子１Ｂの概略構成を示す断面図である。
本実施形態では、強誘電体層１０Ｂは、基体５０上に形成され、強誘電体層１０Ｂの上には取出電極３１Ｂ及び３２Ｂが設けられている。
【００３８】
光電変換素子１Ｂの強誘電体層１０Ｂは、矢印で示したように、表層部に異なる分極状態を具備するドメインが交互に配置されたドメイン構造を有するものである点は、実施形態１と同様である。この分極は強誘電体層１０Ｂの表層部に形成され、表面に平行な分極方向となる。そして、異なる分極の境界となるドメインの間にはウォール部が形成されている。
【００３９】
基体５０として、例えば、各種ガラス材料、石英やサファイア等の透明セラミック材料、ポリイミド等のポリマー材料、Ｓｉ等の半導体材料、その他ＳｉＣ等の各種化合物が挙げられるが、後述の制約を満たせば前記の材料に限定されるものではない。
【００４０】
強誘電体層１０Ｂについては実施形態１と同様な材料および条件を使うことができる。ここで、強誘電体層１０Ｂの形成方法として、前述の塊状の強誘電体層を基体５０に貼り付ける方法以外に、ＣＶＤ法等の気相法、塗布法等の液相法、スパッタ法等の固相法、印刷法、等の薄膜形成方法も用いることができる。
【００４１】
本実施形態による光電変換素子１Ｂの強誘電体層１０Ｂのドメイン構造は、分極処理により形成されたものである。図６には強誘電体層１０Ｂの分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図を示す。
【００４２】
分極電極である第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂは、一方向（図面左右方向）に亘って交互に並設されており、一方向に直交する方向（紙面に直交する方向）に亘って延設されている。各第１電極２１Ｂ同士及び各第２電極２２Ｂ同士は連結されていて電圧を印加できるようになっていてもよいし、各第１電極２１Ｂと各第２電極２２Ｂとにプローブ等で電圧を印加するようにしてもよい。何れにしても、第１電極２１Ｂと第２電極２２Ｂとの間に、電極の間隔および強誘電体材料の抗電界から求められる抗電圧以上の電圧を印加することで、分極処理を行うことができる。これにより、図６に矢印で示したように、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの間の領域に交互異なる分極方向になるように分極が行われる。この分極は強誘電体層１０Ｂの表層部に形成され、表面に平行な分極方向となる。また、分極方向は、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂが交互に並ぶ並設方向（前記一方向）となる。また、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの電極の下側には異なる分極の境界となるウォール部が形成される。なお、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂ及び取出電極３１Ｂ及び３２Ｂは、上述した取出電極３１及び３２と同様な材料で形成することができる。
この分極処理を行うことにより、強誘電体層１０にはドメイン構造が確実に形成され、これにより、光電変換素子として機能することとなる。
【００４３】
分極処理を容易に行なうためには第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの間隔は狭い方がより好ましい。また、分極がされていない領域（ウォール部に対応する）が多く存在すると機能の一部が損なわれるため、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの幅（電極幅）も狭い方がより好ましい。
【００４４】
このように分極処理された光電変換素子１Ｂは、光が照射されると電力が発生する。かかる発電のための光は、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂが、対象とする光、特に可視光を反射、あるいは吸収する材料の場合、強誘電体層１０Ｂの第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂを配置していない面から照射させるのが好ましい。第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂが、対象とする光を反射、吸収しない場合には、いずれの面から光を照射させても良い。
光を照射させることにより発生する電力は、取出電極３１Ｂ及び３２Ｂより配線を通じて取り出され、外部の負荷に送ることができる。
【００４５】
また、分極処理は、基本的には、最初に行っただけでもよいので、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂを除去した状態として（図１参照）光電変換素子としてもよい。勿論、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂを具備した状態で光電変換を行ってもよい。
【００４６】
本実施形態においては、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂと、基体５０とが強誘電体層１０Ｂの異なる面に配置されているので、これらの少なくとも一方が、強誘電体層１０Ｂに用いられている強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。このような材料を用いることにより、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。例えば、強誘電体材料がＢｉＦｅＯ３（バンドギャップ＝２．６ｅＶ）であり、もし基体５０がＳｉ（バンドギャップ＝１．１ｅＶ）であれば第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）が好ましいし、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの材料が金属（バンドギャップなし）であれば基体５０の材料はポリマー、ガラス、石英（バンドギャップ＞７．８ｅＶ）等の材料が好ましい。その中でも特に、ＳｒＴｉＯ３等のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。このような材料を用いることで、単一配向の強誘電体層を得ることができ、質が良いドメイン構造を確実に形成できる。
本実施形態の光電変換素子１Ｂの分極処理、及び発電については、上述した実施形態１と同様である。
【００４７】
（実施形態４）
図７には、本実施形態の光電変換素子１Ｃの概略構成を示す断面図である。
【００４８】
本実施形態では、強誘電体層１０Ｃは、共通電極４０Ａを表面に設けた基体５０上に形成され、強誘電体層１０Ｃの上には取出電極３１Ｃ及び３２Ｃが設けられている。
図７に示すように、光電変換素子１Ｃは、矢印で示したように、異なる分極状態を具備するドメインが交互に配置されたドメイン構造を有するものである。この分極は強誘電体層１０Ｃの厚さ方向に平行な分極方向となり、異なる分極の境界となるドメインの間にはウォール部が形成されている。また、強誘電体層１０Ｃの分極方向が異なるドメインが交互に配置された並設方向の両側には、一対の取出電極３１Ｃ及び３２Ｃが設けられている。
【００４９】
本実施形態による光電変換素子１Ｃの強誘電体層１０Ｃのドメイン構造は、分極処理により形成されたものである。図８には強誘電体層１０Ｃの分極処理を行う分極電極を配置した状態の断面図を示す。
【００５０】
分極電極である第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃと、共通電極４０Ａが強誘電体層１０Ｃの両側に設けられている。ここで、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃは、一方向（図面左右方向）に亘って交互に並設されており、一方向に直交する方向（紙面に直交する方向）に亘って延設されている。各第１電極２１Ｃ同士及び各第２電極２２Ｃ同士は連結されていて電圧を印加できるようになっていてもよいし、各第１電極２１Ｃと各第２電極２２Ｃとにプローブ等で電圧を印加するようにしてもよい。何れにしても、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃと、共通電極４０Ａとの間に、強誘電体層１０Ｃの厚さおよび強誘電体材料の抗電界から求められる抗電圧以上の電圧を印加することで、分極処理を行うことができる。これにより、図８に矢印で示したように、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃと共通電極４０Ａとの間の領域に交互異なる分極方向になるように分極が行われる。この分極は強誘電体層１０Ｃの第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃと共通電極４０Ａとの間の領域に形成され、強誘電体層１０Ｃの厚さ方向に平行な分極方向となる。また、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃの間と共通電極４０Ａとの間の領域には、分極の境界となるウォール部が形成される。なお、電圧の印加の方法は、上述したようなドメイン構造が形成される方法であれば、特に限定されないが、第１電極２１Ｃ、第２電極２２Ｃに順次印加してもよいし、同時に印加してもよい。
この分極処理を行うことにより、強誘電体層１０Ｃにはドメイン構造が確実に形成され、これにより。光電変換素子として機能することとなる。
【００５１】
分極処理を容易に行なうためには第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃの間隔は狭い方がより好ましい。また、分極がされていない領域（ウォール部に対応する）が多く存在すると機能の一部が損なわれるため、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃの幅（電極幅）も狭い方がより好ましい。
【００５２】
本実施形態においては、強誘電体層１０Ｃの上方に配置された第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃと、強誘電体層１０Ｃの下方に配置された共通電極４０Ａと、の少なくとも一方が、強誘電体層１０Ｃに用いられている強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。例えば、強誘電体材料がＢｉＦｅＯ３（バンドギャップ＝２．６ｅＶ）であれば、共通電極４０Ａの材料が金属（バンドギャップなし）であれば強誘電体層１０Ｃの上方に配置された第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃの材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）が好ましいし、強誘電体層１０Ｃの上方に配置された第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃの材料が金属（バンドギャップなし）であれば共通電極４０Ａの材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）であるのが好ましい。
【００５３】
このように分極処理された光電変換素子１Ｃは、光が照射されると電力が発生する。かかる発電のための光は、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃが、対象とする光、特に可視光を反射、あるいは吸収する材料の場合、強誘電体層１０Ｃの第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃを配置していない面から照射させるのが好ましい。第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃが、対象とする光を反射、吸収しない場合には、いずれの面から光を照射させても良い。
光を照射させることにより発生する電力は、取出電極３１Ｃ及び３２Ｃより配線を通じて取り出され、外部の負荷に送ることができる。
【００５４】
また、分極処理は、基本的には、最初に行っただけでもよいので、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃを除去した状態として（図３参照）光電変換素子としてもよい。勿論、第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃを具備した状態で光電変換を行ってもよい。
本実施形態の光電変換素子１Ｃの分極処理、及び発電については、上述した実施形態２と同様である。
【００５５】
＜実施例１＞
複数のＩＴＯ電極を形成したガラス基板上にＢｉＦｅＯ３系多結晶強誘電体材料の薄膜を形成して、Ｐｔ電力取り出し用電極を形成した光電変換素子を作製した。
【００５６】
まず、ガラス基板にレジストで電極のパターンを形成し、ＲＦスパッタ法によりＩＴＯ電極を形成した後にレジストを除去してＩＴＯ電極を形成した。この電極は、電極幅と電極間隔の組み合わせとして１２０μｍと５０μｍ、７０μｍと１００μｍ、の２種類の組み合わせにより形成されている。
【００５７】
ＢｉＦｅＯ３系強誘電体材料の薄膜はスピンコート法により形成した。配位子に２−エチルヘキサン酸を、溶媒にｎ−オクタンを使用したＢｉ、Ｌａ、Ｆｅ、及びＭｎの各種溶液を、８０：２０：９５：５の物質量比で混合することで、溶液を合成した。次に、合成した溶液を、ＩＴＯ電極のパターンを形成したガラス基板上にスピンコート法にて２，０００ｒｐｍで塗布し、１５０℃で２分間加熱した後に３５０℃で２分間加熱した。この工程を３回繰り返した後に、ＲＴＡを使用し６５０℃で５分間加熱した。以上の工程を３回繰り返すことで、計９層、膜厚６５０ｎｍのＢｉＦｅＯ３系薄膜を作製した。
【００５８】
次に、このＢｉＦｅＯ３系薄膜にスパッタリング法でＰｔ膜を１００ｎｍ作製することで、実施例１に係る光電変換素子を作製した。
作製した素子に対して７００Ｖ、２５Ｈｚの三角波で分極処理を行なった。図９に分極処理結果を示す。電極間隔が複数ある電極パターンのために段差のあるヒステリシス曲線が描かれているが、分極処理されていることが確認された。
【００５９】
＜実施例２＞
０．０５ｗｔ％のＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ３（１１１）基板上にＢｉＦｅＯ３系多結晶強誘電体材料の薄膜を形成して、Ｐｔ電極を形成した光電変換素子を作製した。
【００６０】
ＢｉＦｅＯ３系強誘電体材料の薄膜はスピンコート法により形成した。配位子に２−エチルヘキサン酸を、溶媒にｎ−オクタンを使用したＢｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ、およびＴｉの各種溶液を、７５：７１．２５：４．７５:２５：２５の物質量比で混合することで、溶液を合成した。次に、合成した溶液を、０．０５ｗｔ％のＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ３（１１１）基板上にスピンコート法にて３，０００ｒｐｍで塗布し、２００℃で２分間加熱した後に４５０℃で２分間加熱した。この工程を２回繰り返した後に、ＲＴＡを使用し８００℃で５分間加熱した。以上の工程を６回繰り返すことで、計１２層、膜厚８３０ｎｍのＢｉＦｅＯ３系薄膜を作製した。
【００６１】
次に、このＢｉＦｅＯ３系薄膜にスパッタリング法で所望のパターンに配置されたＰｔ膜を１００ｎｍ作製することで、実施例２に係る光電変換素子を作製した。
作製した素子は図１０のＸ線の回折ピーク値を示す図に示すようにＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１１１）基板の配向を引き継いでおり、良好な品質の多結晶膜が形成されたことがわかった。また、４０Ｖ、１ｋＨｚの三角波で分極処理を行なったところ、図１１に示すとおり分極処理されていることが確認された。
【符号の説明】
【００６２】
１、１Ａ〜１Ｃ  光電変換素子、  １０、１０Ａ〜１０Ｃ  強誘電体層、  ２１、２１Ａ〜２１Ｃ  第１電極、  ２２、２２Ａ〜２２Ｃ  第２電極、  ３１、３１Ａ〜３１Ｃ、３２、３２Ａ〜３２Ｃ  取出電極、  ４０、４０Ａ  共通電極、  ５０  基体
【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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