(57)【要約】【課題】光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供する。【解決手段】少なくとも伝導帯側に離散的なエネルギー準位を有するキャリア発生部と、該キャリア発生部の表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部と、を有する第１キャリア生成物質及び第２キャリア生成物質を有し、エネルギー選択移動部に含まれる量子井戸層は少なくとも伝導帯側に、特定のエネルギーを有する電子の通過を許容する離散的なエネルギー準位を有し、第１キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている離散的なエネルギー準位とが互いに異なり、且つ、第１キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散的なエネルギー準位とが等しい、光電変換素子とする。【選択図】図１
2014017420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも伝導帯側に離散的なエネルギー準位を有するキャリア発生部と、該キャリア発生部の表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部と、を有する第１キャリア生成物質及び第２キャリア生成物質を有し、
前記エネルギー選択移動部は、前記キャリア発生部側から外側に向かって順に配置された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有するとともに、前記量子井戸層は少なくとも伝導帯側に、特定のエネルギーを有する電子の通過を許容する離散的なエネルギー準位を有し、
前記第１キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている前記離散的なエネルギー準位と、前記第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている前記離散的なエネルギー準位とが互いに異なり、且つ、
前記第１キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている前記離散的なエネルギー準位と、前記第２キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている前記離散的なエネルギー準位とが等しい、光電変換素子。
【請求項２】
前記第１キャリア生成物質のキャリア発生部と前記第２キャリア生成物質のキャリア発生部とは、大きさ及び／又は構成材料が異なる、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設された混合ｐｎ材料層、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、
前記混合ｐｎ材料層は、少なくとも一部が前記ｐ層に接触しているｐ型半導体材料又は複数のｐ型半導体材料の接触を介して前記ｐ層に接触するｐ型半導体材料と、少なくとも一部が前記ｎ層に接触しているｎ型半導体材料又は複数のｎ型半導体材料の接触を介して前記ｎ層に接触するｎ型半導体材料と、前記ｐ型半導体材料及び前記ｎ型半導体材料に接触している前記第１キャリア生成物質及び前記第２キャリア生成物質と、を有し、
前記混合ｐｎ材料層の相対的に受光面に近い部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部は、前記混合ｐｎ材料層の相対的に受光面から離れた部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部よりも、前記離散的なエネルギー準位間の間隔が広く且つ少数の前記離散的なエネルギー準位を有する、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記第１キャリア生成物質及び該第１キャリア生成物質の表面を覆うように配置された発光部を有する第１波長変換物質と、前記第２キャリア生成物質及び該第２キャリア生成物質の表面を覆うように配置された発光部を有する第２波長変換物質と、前記第１波長変換物質及び前記第２波長変換物質へ光を到達させ得る透過物質と、を有し、
前記第１波長変換物質及び前記第２波長変換物質が前記透過物質内に分散されて保持され、
前記単色光は、前記発光部で発生する、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記第１キャリア生成物質及び該第１キャリア生成物質の表面を覆うように配置された透明材料部を有する第１波長変換物質と、前記第２キャリア生成物質及び該第２キャリア生成物質の表面を覆うように配置された透明材料部を有する第２波長変換物質と、前記第１波長変換物質及び前記第２波長変換物質へ光を到達させ得る透過物質と、を有し、
前記第１波長変換物質及び前記第２波長変換物質が前記透過物質内に分散されて保持され、
前記単色光は、前記エネルギー選択移動部で発生し、
前記透明材料部は、絶縁性材料、及び／又は、前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料によって構成されている、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記エネルギー選択移動部の価電子帯上端のエネルギーと前記キャリア発生部の価電子帯上端のエネルギーとが異なることにより、前記エネルギー選択移動部で発生させる前記単色光のエネルギーと、前記キャリア発生部で吸収可能な光のエネルギーとが異なる、請求項５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】
太陽光エネルギーを直接電力に変換できる太陽電池は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。太陽電池設置面積は限られているため、より多くの電力を得るためには光電変換効率を向上させる必要があり、素子構造や作製工程の最適化、主要な材料であるＳｉの高品質化等の開発が進展している。
【０００３】
このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、複数の半導体又は絶縁体を含んでなり、光を吸収する光吸収層と、該光吸収層及び第１電極間に設けられ、励起されたキャリアを光吸収層側から第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位であって、複数の半導体又は絶縁体のうち少なくとも一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部とを備える、光電変換装置が開示されている。また、特許文献２には、可視光の波長に対応する大きさを有する面領域内に、異なるサイズの量子ドットが配置され、厚さ方向にはサイズが揃った量子ドットが配置されたキャリア発生層を有する太陽電池が開示されている。また、特許文献３には、光を透過する材料でなる基体、及び、該基体に接する波長変換層を有し、波長変換層に含まれる蛍光体から発せられる光を基体の側面から取り出す集光装置と、基体の側面に配置された光電変換部とを有する光電変換装置が開示されている。また、特許文献４には、規則配列した量子ドットと該量子ドットの隙間に形成された障壁層とを備えた光吸収層と、該光吸収層の電子取り出し端側に形成された第１エネルギー選択性コンタクトと、該第１エネルギー選択性コンタクトの外側に形成された電子取り出し電極と、光吸収層の正孔取り出し端側に形成された正孔取り出し電極と、光吸収層と正孔取り出し電極との間に形成された第２エネルギー選択性コンタクトと、を備える光電変換素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６６２０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−８６７７４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１６５３２号公報
【特許文献４】特開２０１１−９１３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている技術や特許文献４に開示されている技術では、エネルギー選択性コンタクトを介して電子を取り出すので、これらの技術が開示される前の光電変換素子よりも、光電変換効率を高め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及び特許文献４には、離散準位の数を増やすために量子ドットの形態（大きさや材料等）を複数にする技術思想が開示されていない。単一形態の量子ドットを用いるこれらの技術では、生成される離散準位が限定されるため、幅広い波長範囲の光を吸収し難い。したがって、特許文献１や特許文献４に開示されている技術では、光電変換効率の向上効果が不十分になりやすかった。これに対し、特許文献２に開示されている技術では、異なるサイズの量子ドットを用いているので、幅広い波長範囲の光を吸収することが可能になると考えられる。しかしながら、量子ドットを用いて幅広い波長範囲の光を吸収しても、光吸収により生成された電子及び正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減しなければ、光電変換効率の向上効果は不十分になる。特許文献１乃至特許文献４には、複数形態の量子ドットを用いた光電変換素子において、光吸収により生成された電子及び正孔を取り出す際のエネルギー損失を低減するための構成が開示されていない。そのため、これらの文献に開示されている技術を単に組み合わせても、光電変換効率の向上効果は不十分であった。
【０００６】
そこで本発明は、光電変換効率を高めることが可能な、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】
【０００７】
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、少なくとも伝導帯側に離散的なエネルギー準位を有するキャリア発生部と、該キャリア発生部の表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部と、を有する第１キャリア生成物質及び第２キャリア生成物質を有し、エネルギー選択移動部は、キャリア発生部側から外側に向かって順に配置された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有するとともに、量子井戸層は少なくとも伝導帯側に、特定のエネルギーを有する電子の通過を許容する離散的なエネルギー準位を有し、第１キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成されている離散的なエネルギー準位とが互いに異なり、且つ、第１キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散的なエネルギー準位とが等しい、光電変換素子である。
【０００８】
本発明において、「離散的なエネルギー準位」とは、量子ドットや量子井戸等の量子構造を採用することによって生成可能な、電子や正孔が存在し得る離散準位（量子準位）を言う。本発明において、離散的なエネルギー準位（以下において、「離散準位」ということがある。）は、少なくともキャリア発生部や量子井戸層の伝導帯側に有していれば良く、キャリア発生部や量子井戸層の伝導帯側及び価電子帯側に離散準位を有していても良い。また、本発明において、第１キャリア生成物質や第２キャリア生成物質の形状は、粒子状又は線状とすることができる。また、本発明において、「光電変換素子」とは、太陽電池のほか、光検出素子等も含む概念である。以下の説明において、太陽光のような複数色光を、単に「光」ということがある。
【０００９】
本発明の光電変換素子では、第１キャリア生成物質及び第２キャリア生成物質を含む複数のキャリア生成物質（以下において、これらを単に「キャリア生成物質」ということがある。）のキャリア発生部に光を吸収させることにより電子及び正孔（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。）が生成される。生成されたキャリアは、キャリア発生部で生成されたホットキャリア（キャリア発生部の伝導帯下端よりも高エネルギーの電子、及び、キャリア発生部の価電子帯上端よりも高エネルギーの正孔をいう。以下において同じ。）のうち、特定のエネルギーを有するホットキャリアの通過を許容する離散準位を有するエネルギー選択移動部を経由して、電子がキャリア発生部から取り出され、正孔もキャリア発生部から取り出される。本発明の光電変換素子は、エネルギーが異なる離散準位を有する第１キャリア生成物質及び第２キャリア生成物質を有しているので、幅広い帯域の光を吸収することができる。さらに、本発明の光電変換素子は、第１キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散準位と第２キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形成されている離散準位とが等しいので、第１キャリア生成物質のキャリア発生部から取り出される電子及び正孔のエネルギー差と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部から取り出される電子及び正孔のエネルギー差とを、等しくすることができる。このようにすることで、本発明の光電変換素子が、キャリア発生部から取り出した電子及び正孔をそのままｎ層及びｐ層へと移動させて外部へ取り出す形態である場合には、エネルギー選択移動部に形成されている離散準位とｎ層の伝導帯下端とのエネルギー差を調整し、キャリア発生部から取り出した正孔のエネルギーとｐ層の価電子帯上端とのエネルギー差を調整することにより、ホットキャリアのエネルギー損失を低減して光電変換効率を高めることが可能になる。また、本発明の光電変換素子が、キャリア発生部から取り出した電子及び正孔を再結合させて単色光を発生させ、発生させた単色光を光電変換部へと吸収させる形態である場合には、すべてのキャリア生成物質で発生させる単色光のエネルギーを同一にすることが可能になるので、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップを、この単色光のエネルギーに合わせることにより、従来よりも光電変換効率を高めることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。
【００１０】
また、上記本発明において、第１キャリア生成物質のキャリア発生部と第２キャリア生成物質のキャリア発生部とは、大きさ及び／又は構成材料が異なることが好ましい。かかる形態とすることにより、第１キャリア生成物質のキャリア発生部に形成される離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成される離散的なエネルギー準位とを異なる状態にしやすくなるので、上記効果を奏しやすくなる。
【００１１】
また、上記本発明において、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設された混合ｐｎ材料層、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、混合ｐｎ材料層は、少なくとも一部がｐ層に接触しているｐ型半導体材料又は複数のｐ型半導体材料の接触を介してｐ層に接触するｐ型半導体材料と、少なくとも一部がｎ層に接触しているｎ型半導体材料又は複数のｎ型半導体材料の接触を介してｎ層に接触するｎ型半導体材料と、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料に接触している上記第１キャリア生成物質及び上記第２キャリア生成物質と、を有し、混合ｐｎ材料層の相対的に受光面に近い部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部は、混合ｐｎ材料層の相対的に受光面から離れた部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部よりも、上記離散的なエネルギー準位間の間隔が広く且つ少数の上記離散的なエネルギー準位を有していても良い。
【００１２】
ここに、キャリア発生部における離散準位の間隔や離散準位の数は、キャリア発生部の大きさや構成材料を変更することにより、制御することが可能である。例えば、複数種類の大きさのキャリア発生部を作製する場合、相対的に大きさが大きいキャリア発生部は、相対的に大きさが小さいキャリア発生部よりも、離散準位の間隔が狭く、且つ、離散準位の数が多い。したがって、例えば、第１キャリア生成物質のキャリア発生部の大きさを、第２キャリア生成物質のキャリア発生部の大きさよりも大きくすることによって、第１キャリア生成物質のキャリア発生部に形成される離散準位と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成される離散準位とを異なる状態にする場合には、第２キャリア生成物質を受光面に近い部位（例えば、光電変換素子の一方の側から光が入射する場合には、受光面（表面）側）に配置し、第１キャリア生成物質を受光面から離れた部位（例えば、光電変換素子の一方の側から光が入射する場合には、裏面側）に配置すれば良い。このように配置することにより、第１キャリア生成物質で生成されるキャリアの量と、第２キャリア生成物質で生成されるキャリアの量との差を低減することが可能になるので、ｐ層やｎ層へと到達する前にキャリア生成物質内へと移動するキャリアの量を低減しやすくなり、その結果、光電変換効率を高めやすくなる。
【００１３】
また、上記本発明において、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、第１キャリア生成物質及び該第１キャリア生成物質の表面を覆うように配置された発光部を有する第１波長変換物質と、第２キャリア生成物質及び該第２キャリア生成物質の表面を覆うように配置された発光部を有する第２波長変換物質と、第１波長変換物質及び第２波長変換物質へ光を到達させ得る透過物質と、を有し、第１波長変換物質及び第２波長変換物質が透過物質内に分散されて保持され、単色光は、上記発光部で発生するように構成しても良い。
【００１４】
波長変換部に第１波長変換物質や第２波長変換物質を含有させることにより、幅広い帯域の光を吸収することが可能になり、第１波長変換物質の発光部で生じさせる単色光のエネルギーと第２波長変換物質の発光部で生じさせる単色光のエネルギーとを同一にすることが可能になる。波長変換部で発生させた単色光を吸収するのに適したバンドギャップを有する物質で光電変換部を構成することにより、光電変換効率を高めやすくなるので、かかる形態であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。
【００１５】
また、上記本発明において、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、上記第１キャリア生成物質及び該第１キャリア生成物質の表面を覆うように配置された透明材料部を有する第１波長変換物質と、上記第２キャリア生成物質及び該第２キャリア生成物質の表面を覆うように配置された透明材料部を有する第２波長変換物質と、第１波長変換物質及び第２波長変換物質へ光を到達させ得る透過物質と、を有し、第１波長変換物質及び第２波長変換物質が透過物質内に分散されて保持され、単色光は、エネルギー選択移動部で発生し、透明材料部は、絶縁性材料、及び／又は、キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料によって構成されていても良い。
【００１６】
波長変換部に第１波長変換物質や第２波長変換物質を含有させることにより、幅広い帯域の光を吸収することが可能になり、第１波長変換物質の発光部で生じさせる単色光のエネルギーと第２波長変換物質の発光部で生じさせる単色光のエネルギーとを同一にすることが可能になる。また、キャリア生成物質の表面を覆うように透明材料部を配置することにより、キャリア発生部で生じさせた電子及び正孔をエネルギー選択移動部の量子井戸層で結合させることが可能になる。キャリア生成物質の表面を覆うように発光部が設けられる形態と透明材料部が設けられる形態とを比較すると、量子井戸層は発光部よりも厚さが薄く、量子井戸層には離散準位が形成されているので、量子井戸層は発光部よりも、第１波長変換物質や第２波長変換物質で生じさせた単色光を吸収し難い。すなわち、キャリア生成物質の表面を覆うように透明材料部を配置することにより、波長変換部で生じさせた単色光の多くを光電変換部へと到達させやすくなるので、かかる形態とすることにより、光電変換効率を高めやすくなる。
【００１７】
また、キャリア生成物質の表面を覆うように配置された透明材料部を有する上記本発明において、エネルギー選択移動部の価電子帯上端のエネルギーとキャリア発生部の価電子帯上端のエネルギーとが異なることにより、エネルギー選択移動部で発生させる単色光のエネルギーと、キャリア発生部で吸収可能な光のエネルギーとが異なるように構成することが好ましい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部で生成した正孔をエネルギー選択移動部へと移動させやすくなるほか、エネルギー選択移動部の量子井戸層で生じさせた単色光が波長変換部で再吸収され難くなるので、光電変換効率を高めやすくなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】太陽電池１００を説明する断面図である。
【図２】キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚを説明する断面図である。
【図３】バンド構造を説明する図である。
【図４Ａ】太陽電池２００を説明する断面図である。
【図４Ｂ】太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。
【図５】波長変換部２０を説明する図である。
【図６】波長変換粒子２１、２２、２３を説明する断面図である。
【図７】波長変換粒子２１、２２、２３のバンド構造を説明する図である。
【図８】波長変換粒子４１、４２、４３を説明する断面図である。
【図９】波長変換粒子４１、４２、４３のバンド構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一形態である太陽電池について説明する。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ない。図面では、繰り返される一部符号の記載を省略することがある。
【００２１】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１００を説明する断面図である。図１では、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚを簡略化して示している。また、図２は、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚを説明する断面図であり、図３は、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚのバンド構造を説明する図である。図３では、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。図３における「●」は電子であり、「○」は正孔である。
【００２２】
図１に示したように、太陽電池１００は、ｐ層１１及びｎ層１３、並びに、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設された混合ｐｎ材料層１２を有している。ｐ層１１には裏面電極１４が接続されており、ｎ層１３には表面電極１５が接続されている。混合ｐｎ材料層１２は、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…を有し、さらに、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…に接触しているキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…、及び、キャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…を有している。混合ｐｎ材料層１２において、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の一部はｐ層１１と接触あるいは複数のｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の接触を介してｐ層１１に接触しており、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…からｐ層１１へ正孔が移動可能なように構成されている。また、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の一部はｎ層１３と接触あるいは複数のｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の接触を介してｎ層１３に接触しており、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…からｎ層１３へ電子が移動可能なように構成されている。ｐ層１１を構成する半導体材料の価電子帯上端のエネルギーは、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーと同程度であり、ｎ層１３を構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度である。混合ｐｎ材料層１２において、受光面であるｎ層１３に近い部位にキャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…が配置され、ｐ層１１に近い部位にキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置され、キャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…が配置されている部位とキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置されている部位との間に、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…が配置されている。
【００２３】
図２に示したように、キャリア生成粒子１６ｘは、キャリア発生部１６ｘａと、該キャリア発生部１６ｘａの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部１６ｘｂと、を有している。キャリア発生部１６ｘａ及びエネルギー選択移動部１６ｘｂは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部１６ｘｂは、キャリア発生部１６ｘａの表面に形成された第１障壁層１６ｘｂａ、該第１障壁層１６ｘｂａの表面に形成された量子井戸層１６ｘｂｑ、及び、該量子井戸層１６ｘｂｑの表面に形成された第２障壁層１６ｘｂｂを有している。キャリア生成粒子１６ｘでは、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１６ｘａ、第１障壁層１６ｘｂａ、量子井戸層１６ｘｂｑ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂが同心円状に配置されており、第１障壁層１６ｘｂａ及び第２障壁層１６ｘｂｂは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００２４】
また、図２に示したように、キャリア生成粒子１６ｙは、キャリア発生部１６ｘａよりも粒径が小さいキャリア発生部１６ｙａと、該キャリア発生部１６ｙａの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部１６ｙｂと、を有している。キャリア発生部１６ｙａ及びエネルギー選択移動部１６ｙｂは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部１６ｙｂは、キャリア発生部１６ｙａの表面に形成された第１障壁層１６ｙｂａ、該第１障壁層１６ｙｂａの表面に形成された量子井戸層１６ｙｂｑ、及び、該量子井戸層１６ｙｂｑの表面に形成された第２障壁層１６ｙｂｂを有している。キャリア生成粒子１６ｙでは、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１６ｙａ、第１障壁層１６ｙｂａ、量子井戸層１６ｙｂｑ、及び、第２障壁層１６ｙｂｂが同心円状に配置されており、第１障壁層１６ｙｂａ及び第２障壁層１６ｙｂｂは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００２５】
また、図２に示したように、キャリア生成粒子１６ｚは、キャリア発生部１６ｙａよりも粒径が小さいキャリア発生部１６ｚａと、該キャリア発生部１６ｚａの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部１６ｚｂと、を有している。キャリア発生部１６ｚａ及びエネルギー選択移動部１６ｚｂは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部１６ｚｂは、キャリア発生部１６ｚａの表面に形成された第１障壁層１６ｚｂａ、該第１障壁層１６ｚｂａの表面に形成された量子井戸層１６ｚｂｑ、及び、該量子井戸層１６ｚｂｑの表面に形成された第２障壁層１６ｚｂｂを有している。キャリア生成粒子１６ｚでは、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１６ｚａ、第１障壁層１６ｚｂａ、量子井戸層１６ｚｂｑ、及び、第２障壁層１６ｚｂｂが同心円状に配置されており、第１障壁層１６ｚｂａ及び第２障壁層１６ｚｂｂは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００２６】
図３に示したように、キャリア生成粒子１６ｘは、キャリア発生部１６ｘａを構成する半導体材料の伝導帯側に８つの離散準位が形成されており、キャリア発生部１６ｘａの価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部１６ｘａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｘａとの差はＥｇ１ａである。また、キャリア生成粒子１６ｘは、量子井戸層１６ｘｂｑを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層１６ｘｂｑの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層１６ｘｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーＥｃ１ｃよりも図３の紙面上側に位置し、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されている。また、量子井戸層１６ｘｂｑの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ｘａよりも図３の紙面上側に位置し、且つ、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図３の下側に位置している。Ｅｖ１ｘａ、Ｅｖ１ｂ、及び、Ｅｖ１ｃは、それぞれ、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｘａ｜≦０．１ｅＶ、且つ、｜Ｅｖ１ｃ−Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。キャリア生成粒子１６ｘにおいて、Ｅｃ１ｃとＥｖ１ｃとの差はＥｇ２である。
【００２７】
また、図３に示したように、キャリア生成粒子１６ｙは、キャリア発生部１６ｙａを構成する半導体材料の伝導帯側に６つの離散準位が形成されており、キャリア発生部１６ｙａの価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位の間隔は、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の間隔よりも広く、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部、及び、キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部は、互いにエネルギーが異なっている。キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部１６ｙａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｙａとの差はＥｇ１ｂ（＞Ｅｇ１ａ）である。また、キャリア生成粒子１６ｙは、量子井戸層１６ｙｂｑを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層１６ｙｂｑの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層１６ｙｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。また、量子井戸層１６ｙｂｑの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ｙａよりも図３の紙面上側に位置し、且つ、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図３の下側に位置している。Ｅｖ１ｙａ及びＥｖ１ｂは、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｙａ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。
【００２８】
また、図３に示したように、キャリア生成粒子１６ｚは、キャリア発生部１６ｚａを構成する半導体材料の伝導帯側に５つの離散準位が形成されており、キャリア発生部１６ｚａの価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部１６ｚａの伝導帯側に形成されている離散準位の間隔は、キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位の間隔よりも広い。また、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部、キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部、及び、キャリア発生部１６ｚａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部は、互いにエネルギーが異なっている。キャリア発生部１６ｚａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部１６ｚａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｚａとの差はＥｇ１ｃ（＞Ｅｇ１ｂ＞Ｅｇ１ａ）である。また、キャリア生成粒子１６ｚは、量子井戸層１６ｚｂｑを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層１６ｚｂｑの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層１６ｚｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部１６ｚａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。また、量子井戸層１６ｚｂｑの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ｚａよりも図３の紙面上側に位置し、且つ、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図３の下側に位置している。Ｅｖ１ｚａ及びＥｖ１ｂは、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｚａ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。
【００２９】
太陽電池１００に太陽光が照射されると、太陽光の一部がｎ層１３に吸収され、ｎ層１３に吸収されなかった太陽光（以下において、単に「光」ということがある。）が混合ｐｎ材料層１２へと達する。ｎ層１３のバンドギャップはｎ型半導体材料１２ｂのバンドギャップと同程度、且つ、ｎ層１３の伝導帯下端のエネルギーはｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度であり、ｎ層１３、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｐ型半導体材料１２ａのバンドギャップは、太陽光に含まれている様々なエネルギーの光のうち、高エネルギーの光（例えば紫外線）のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、太陽電池１００に太陽光が照射されると、高エネルギーの光がｎ層１３によって吸収され、ｎ層１３で電子及び正孔が形成される。そして、ｎ層１３によって吸収されなかった光が混合ｐｎ材料層１２に吸収される。
【００３０】
図３に示したように、混合ｐｎ材料層１２を構成する半導体材料の中では、キャリア発生部１６ｘａを構成する半導体材料のエネルギー差Ｅｇ１ａが最小であり、Ｅｇ１ａ＜Ｅｇ１ｂ＜Ｅｇ１ｃ＜Ｅｇ２となっている。そのため、混合ｐｎ材料層１２へ光が達すると、Ｅｇ１ａ以上のエネルギーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯の離散準位へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には正孔が形成される。
【００３１】
キャリア発生部１６ｘａで生成された電子のうち、量子井戸層１６ｘｂｑを構成する半導体材料の伝導帯に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｘｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、上述したように、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｘｂを通過した電子は、ほとんどエネルギーを失うことなくｎ型半導体材料１２ｂへと達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３２】
キャリア発生部１６ｘａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子井戸層１６ｘｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｘｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３３】
一方、キャリア発生部１６ｘａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｘｂを経由して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｘａ｜≦０．１ｅＶ、且つ、｜Ｅｖ１ｃ−Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｘｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギーを失うことなくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００３４】
また、キャリア発生部１６ｘａの場合と同様に、キャリア発生部１６ｙａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｙｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、上述したように、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｙｂを通過した電子は、ほとんどエネルギーを失うことなくｎ型半導体材料１２ｂへと達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３５】
キャリア発生部１６ｙａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子井戸層１６ｙｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｙｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３６】
これに対し、キャリア発生部１６ｙａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｙｂを経由して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｙａ｜≦０．１ｅＶ、且つ、｜Ｅｖ１ｃ−Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｙｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギーを失うことなくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００３７】
また、キャリア発生部１６ｘａやキャリア発生部１６ｙａの場合と同様に、キャリア発生部１６ｚａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｚｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、上述したように、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｚｂを通過した電子は、ほとんどエネルギーを失うことなくｎ型半導体材料１２ｂへと達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３８】
キャリア発生部１６ｚａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子井戸層１６ｚｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｚｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００３９】
これに対し、キャリア発生部１６ｚａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｚｂを経由して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、｜Ｅｖ１ｂ−Ｅｖ１ｚａ｜≦０．１ｅＶ、且つ、｜Ｅｖ１ｃ−Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｚｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギーを失うことなくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００４０】
このように、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｘｂ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させる。同様に、キャリア発生部１６ｙａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｙｂ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させ、キャリア発生部１６ｚａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｚｂ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させる。また、キャリア発生部１６ｘａで発生させた正孔を、エネルギー選択移動部１６ｘｂ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させる。同様に、キャリア発生部１６ｙａで発生させた正孔を、エネルギー選択移動部１６ｙｂ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させ、キャリア発生部１６ｚａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｚｂ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させる。電子及び正孔をこのように移動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。太陽電池１００には、複数種類のキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚが含まれているので、単一形態のキャリア生成粒子が用いられる場合と比較して、エネルギーがＥｇ１ａ以上である幅広い帯域の光を吸収することができる。加えて、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａの大きさをそれぞれ変えても、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑの伝導帯側に形成される離散準位のエネルギーをＥｃ１ｂにしている。そのため、キャリア発生部１６ｘａから移動してきた電子も、キャリア発生部１６ｙａから移動してきた電子も、キャリア発生部１６ｚａから移動してきた電子も、エネルギーを等しくすることができる。このような形態とすることで、ｎ型半導体材料１２ｂやｎ層１３の伝導帯下端のエネルギーを、キャリア生成粒子から取り出される電子のエネルギーに合わせやすくなり、その結果、光電変換効率を高めることが可能になる。
【００４１】
また、太陽電池１００では、ｐ型半導体材料１２ａに移動した正孔とｎ型半導体材料１２ｂに移動した電子との両者の界面における再結合を防ぐため、両者の界面に十分な幅の空乏層が形成されるようなキャリア密度となるように、ドーパント濃度を調整する必要がある。上述したように、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａで生成された電子がｎ型半導体材料１２ｂへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。また、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａで生成された正孔がｐ型半導体材料１２ａへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。従来のホットキャリア型太陽電池では、太陽光を十分に吸収するためにキャリア発生部の厚みが少なくとも１００ｎｍ以上必要であり、キャリアがキャリア選択移動部へと達するまでのエネルギー損失が大きく、変換効率向上の妨げとなっていた。これに対し、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａの直径を制御して、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａで発生させたキャリアがｐ型半導体材料１２ａやｎ型半導体材料１２ｂへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、太陽電池１００では、図３に示したように、ｐ型半導体材料１２ａの伝導帯下端がＥｃ１ｂよりも紙面上側に位置し、ｐ型半導体材料１２ａの伝導帯下端のエネルギーとＥｃ１ｂとの差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａで発生させた電子がｐ型半導体材料１２ａへ移動し難くなるので、ｐ型半導体材料１２ａにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。加えて、太陽電池１００では、図３に示したように、ｎ型半導体材料１２ｂの価電子帯上端がＥｖ１ｂよりも紙面下側に位置し、ｎ型半導体材料１２ｂの価電子帯上端のエネルギーとＥｖ１ｂとの差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａで発生させた正孔がｎ型半導体材料１２ｂへ移動し難くなるので、ｎ型半導体材料１２ｂにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池１００を提供することができる。
【００４２】
太陽電池１００において、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。キャリア発生部１６ｘａの直径は、例えば６ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができ、Ｅｇ１ａは、例えば０．４ｅＶ以上１．２ｅＶ以下とすることができる。また、キャリア発生部１６ｙａの直径は、例えば４ｎｍ以上１８ｎｍ以下とすることができ、Ｅｇ１ｂは、例えば０．６ｅＶ以上１．４ｅＶ以下とすることができる。また、キャリア発生部１６ｚａの直径は、例えば２ｎｍ以上１６ｎｍ以下とすることができ、Ｅｇ１ｃは、例えば０．８ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａの大きさを上記大きさにすると、量子効果により、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを構成可能な半導体材料としては、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等を例示することができる。キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａはイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００４３】
また、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。また、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂ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にする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂを構成可能な半導体材料としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等を例示することができる。第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂを、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００４４】
また、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。また、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑの厚さは、離散準位が形成される厚さにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑをこのような厚さにすると、量子効果により、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑを構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００４５】
化学的合成法を用いたキャリア生成粒子１６ｘの作製法の具体例として、キャリア発生部１６ｘａにＰｂＳｅ、第１障壁層１６ｘｂａ及び第２障壁層１６ｘｂｂにＺｎＳ、量子井戸層１６ｘｂｑにＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【００４６】
＜キャリア発生部１６ｘａの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６ｘの作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、オレイン酸、及び、トリオクチルフォスフィンと、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で８５℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、４５℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（キャリア生成粒子１６ｘの作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）にフェニルエーテルを入れ、不活性ガス中で２００℃程度に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１２０℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、直径８ｎｍ程度のキャリア発生部１６ｘａ（ＰｂＳｅ量子ドット）を生成することができる。ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．５ｅＶ〜１．２ｅＶ程度となる。なお、キャリア発生部１６ｘａとは大きさが異なるキャリア発生部１６ｙａやキャリア発生部１６ｚａを作製する際には、Ｓｅ源が加えられた第１フラスコ中の溶液を加熱された第２フラスコへと注入した後に冷却する際の冷却速度を速くしたり、冷却する時間や冷却完了温度を変更したりする等、作製条件を適宜変更すれば良い。
【００４７】
＜第１障壁層１６ｘｂａの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６ｘの作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部１６ｘａの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第１障壁層１６ｘｂａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【００４８】
＜量子井戸層１６ｘｂｑの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６ｘの作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、第１障壁層１６ｘｂａの周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層１６ｘｂｑ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【００４９】
＜第２障壁層１６ｘｂｂの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６ｘの作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層１６ｘｂｑの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第２障壁層１６ｘｂｂ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。こうして第２障壁層１６ｘｂｂを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、キャリア生成粒子１６ｘを得ることができる。
【００５０】
また、太陽電池１００において、ｐ型半導体材料１２ａとしては、ポリ３ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ペンタセン、テトラセン、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ等の有機半導体を用いることができ、ｐ型半導体材料１２ａの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、ｎ型半導体材料１２ｂとしては、フラーレン（Ｃ６０）、フラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）、キノリノールアルミ錯体等の有機半導体を用いることができ、ｎ型半導体材料１２ｂの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、混合ｐｎ材料層１２に含まれる、キャリア生成粒子、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は特に限定されず、例えば、質量比で、キャリア生成粒子：ｐ型半導体材料１２ａ：ｎ型半導体材料１２ｂ＝２：１：１とすることができる。キャリア生成粒子、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は、それぞれ、０．１倍〜１０倍の範囲で適宜変化させても良い。
【００５１】
また、ｐ層１１及びｎ層１３を構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｐ層１１及びｎ層１３の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができる。ｐ層１１は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等に公知のｐ型不純物を添加することによって作製することができ、ｎ層１３は、ＺｎＯ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等に公知にｎ型不純物を添加することによって作製することができる。このほか、ｐ層１１は、ｐ型半導体材料１２ａと同様の材料によって構成することも可能であり、ｎ層１３は、ｎ型半導体材料１２ｂと同様の材料によって構成することも可能である。ｐ層１１やｎ層１３に、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物を用いる場合、ｐ層１１やｎ層１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、ｐ層１１やｎ層１３に、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物を用いる場合、ｐ層１１やｎ層１３は、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、ｐ層１１やｎ層１３を形成すべき物質の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【００５２】
また、表面電極１５及び裏面電極１４は、例えば蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。表面電極１５は、例えばくし型形状のＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、あるいは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明導電膜等、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、裏面電極１４は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等、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。表面電極１５及び裏面電極１４の厚さは、例えば金属材料の場合は１〜１０μｍ、透明導電膜の場合は０．１〜１μｍ程度とすることができる。
【００５３】
このように構成される太陽電池１００の製造方法の一形態を、以下に説明する。太陽電池１００を製造するには、まず、公知のガラスやプラスチック等の基板の上に、蒸着法等の公知の方法によって、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等によって構成される裏面電極１４を形成する。次いで、１〜１０質量％程度となる量の、ｐ層１１を構成すべきｐ型半導体材料を、有機溶媒（例えば、キシレン、クロロホルム、クロロベンゼン等。以下において同じ。）に混合して作製したｐ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で裏面電極１４の表面に塗布する。その後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｐ層１１を形成する。こうしてｐ層１１を形成したら、有機溶媒に、合計で１〜１０質量％程度となる量のキャリア生成粒子１６ｘ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂを加えることにより、キャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物を作製する。ここで、キャリア生成粒子１６ｘは上述の方法によって作製することができる。次いで、キャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法でｐ層１１の表面に塗布する。この際、ｐ層１１の表面に塗布したキャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物の厚さ方向に、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が１つ含まれるように、キャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物を塗布する。ｐ層１１の表面にキャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物を塗布したら、乾燥させて有機溶媒を蒸発させる。有機溶媒を蒸発させる乾燥は、例えば、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持することによって行うことができる。その後、ｐ層１１の表面に、厚さ方向へ５〜２０個程度のキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置されるように、キャリア生成粒子１６ｘを含む混合ｐｎ材料層用組成物の塗布及び乾燥を繰り返すことにより、混合ｐｎ材料層１２のうち、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…を配置した部位を形成する。キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…を配置した部位を形成したら、続いて、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…をキャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…に代えるほかは、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…を配置した部位を形成する方法と同様にして、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…を配置した部位の表面に、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…を配置した部位を形成する。このようにして、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…を配置した部位を形成したら、続いて、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…をキャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…に代えるほかは、キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…を配置した部位を形成する方法と同様にして、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…を配置した部位の表面に、キャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…を配置した部位を形成する。こうして混合ｐｎ材料層１２を形成したら、蒸着法等の公知の方法によって、混合ｐｎ材料層１２の表面に、ＺｎＯ等によって構成されるｎ層１３を形成する。又は、１〜１０質量％程度となる量の、ｎ層１３を構成すべきｎ型半導体材料を、有機溶媒に混合して作製したｎ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で混合ｐｎ材料層１２の表面に塗布した後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｎ層１３を形成する。こうしてｎ層１３を形成したら、真空蒸着法等の公知の用法によって、くし型形状の金属材料、あるいは透明導電膜等によって構成される表面電極１５をｎ層１３の表面に形成する。太陽電池１００は、例えばこのような過程を経ることにより、作製することができる。なお、太陽電池１００を製造する際の乾燥雰囲気は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
【００５４】
太陽電池１００に関する上記説明では、受光面に近い部位に、離散準位の間隔が広く且つ少数の離散準位を有するキャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…が配置され、受光面から離れた部位に、離散準位の間隔が狭く且つ多数の離散準位を有するキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子が、混合ｐｎ材料層を有する形態である場合、混合ｐｎ材料層には、離散準位の間隔及び数が異なる複数のキャリア生成物質が一様に分散されている形態や、受光面側に離散準位の間隔が狭く多数の離散準位を有するキャリア生成物質が配置され、受光面から離れた部位に離散準位の間隔が広く少数の離散準位を有するキャリア生成物質が配置されている形態とすることも可能である。ただし、このように構成すると、離散準位の間隔が狭く多数の離散準位を有するキャリア生成物質で多量のキャリアが生成し、離散準位の間隔が広く少数の離散準位を有するキャリア生成物質では少量のキャリアが生成する。このようにして、キャリア生成物質間でキャリアの濃度差が生じると、多量のキャリアが生成したキャリア生成物質からｎ層やｐ層へキャリアが移動する途中で、少量のキャリアが生成したキャリア生成物質へキャリアが移動し、ｎ層やｐ層へ到達するキャリアの数が低減しやすい。したがって、かかる事態を回避して光電変換効率を高めやすい形態にする等の観点から、混合ｐｎ材料層の相対的に受光面に近い部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部は、混合ｐｎ材料層の相対的に受光面から離れた部位に配置されたキャリア生成物質のキャリア発生部よりも、離散準位の間隔が広く且つ少数の離散準位を有するように、複数のキャリア生成物質を配置することが好ましい。
【００５５】
また、太陽電池１００に関する上記説明では、価電子帯側に離散準位が形成されていない量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑが用いられる形態を例示したが、キャリア生成部で生じさせた電子及び正孔を、再結合させないようにしながらｎ層やｐ層へと移動させる形態（第１実施形態にかかる本発明）の光電変換素子で使用可能な量子井戸層の形態は、これに限定されない。第１実施形態にかかる本発明の光電変換素子には、伝導帯側及び価電子帯側のそれぞれに離散準位が形成されている量子井戸層を用いることも可能である。
【００５６】
図４Ａは、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２００を説明する断面図であり、図４Ｂは、太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。図４Ａでは、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘ、エネルギー選択移動部２１ｙ、２２ｙ、２３ｙ、及び、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚの記載を省略している。図４Ｂでは、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。図４Ｂにおいて、「●」は電子、「○」は正孔であり、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。また、図５は、波長変換部２０を説明する図である。図５では、波長変換粒子２１、２２、２３を簡略化して示している。図６は、波長変換粒子２１、２２、２３を説明する断面図であり、図７はバンド構造を説明する図である。図７では、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。また、図７において、「●」は電子であり、「○」は正孔である。図４Ａ、図４Ｂ、図５、図６、及び、図７において、太陽電池１００と同様の構成には、図１乃至図３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。
【００５７】
図４Ａ及び図４Ｂに示したように、太陽電池２００は、半導体材料を有する波長変換部２０と、半導体材料を有する光電変換部３０と、を備えている。波長変換部２０は、光電変換部３０よりも、太陽光の進行方向の上流側に配設されている。図５に示したように、波長変換部２０は、波長変換粒子２１、２１、…、波長変換粒子２２、２２、…、及び、波長変換粒子２３、２３、…と、これらを分散させて保持する透明物質２４と、を有している。
【００５８】
図６に示したように、波長変換粒子２１は、キャリア発生部２１ｘと、該キャリア発生部２１ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部２１ｙと、該エネルギー選択移動部２１ｙの表面を覆うように配置された発光部２１ｚと、を有している。キャリア発生部２１ｘ、エネルギー選択移動部２１ｙ、及び、発光部２１ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部２１ｙは、キャリア発生部２１ｘの表面に形成された第１障壁層２１ｙａ、該第１障壁層２１ｙａの表面に形成された量子井戸層２１ｙｂ、及び、該量子井戸層２１ｙｂの表面に形成された第２障壁層２１ｙｃを有している。波長変換粒子２１では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部２１ｘ、第１障壁層２１ｙａ、量子井戸層２１ｙｂ、第２障壁層２１ｙｃ、及び、発光部２１ｚが同心円状に配置されており、第１障壁層２１ｙａ及び第２障壁層２１ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００５９】
図７に示したように、波長変換粒子２１は、キャリア発生部２１ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に６つの離散準位が形成されており、キャリア発生部２１ｘを構成する半導体材料の価電子帯側に３つの離散準位が形成されている。キャリア発生部２１ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部２１ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位とのエネルギー差はＥｇ１ａである。また、波長変換粒子２１は、量子井戸層２１ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側及び価電子帯側にそれぞれ１つの離散準位が形成されている。量子井戸層２１ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部２１ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、発光部２１ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃ１ｃよりも図７の紙面上側に位置し、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されている。また、量子井戸層２１ｙｂの価電子帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｖ１ｑは、キャリア発生部２１ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｖ１ｑは、発光部２１ｚの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図７の紙面下側に位置し、｜Ｅｖ１ｃ−Ｅｖ１ｑ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。波長変換粒子２１において、Ｅｃ１ｃとＥｖ１ｃとの差はＥｇ２である。
【００６０】
また、図６に示したように、波長変換粒子２２は、キャリア発生部２１ｘよりも直径が小さいキャリア発生部２２ｘと、該キャリア発生部２２ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部２２ｙと、該エネルギー選択移動部２２ｙの表面を覆うように配置された発光部２２ｚと、を有している。キャリア発生部２２ｘ、エネルギー選択移動部２２ｙ、及び、発光部２２ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部２２ｙは、キャリア発生部２２ｘの表面に形成された第１障壁層２２ｙａ、該第１障壁層２２ｙａの表面に形成された量子井戸層２２ｙｂ、及び、該量子井戸層２２ｙｂの表面に形成された第２障壁層２２ｙｃを有している。波長変換粒子２２では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部２２ｘ、第１障壁層２２ｙａ、量子井戸層２２ｙｂ、第２障壁層２２ｙｃ、及び、発光部２２ｚが同心円状に配置されており、第１障壁層２２ｙａ及び第２障壁層２２ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００６１】
図７に示したように、波長変換粒子２２は、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に５つの離散準位が形成されており、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料の価電子帯側に３つの離散準位が形成されている。キャリア発生部２２ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部２２ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位とのエネルギー差はＥｇ１ｂ（＞Ｅｇ１ａ）である。また、波長変換粒子２２は、量子井戸層２２ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側及び価電子帯側にそれぞれ１つの離散準位が形成されている。量子井戸層２２ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部２２ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、発光部２２ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃ１ｃよりも図７の紙面上側に位置し、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されている。また、量子井戸層２２ｙｂの価電子帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｖ１ｑは、キャリア発生部２２ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。
【００６２】
また、図６に示したように、波長変換粒子２３は、キャリア発生部２２ｘよりも直径が小さいキャリア発生部２３ｘと、該キャリア発生部２３ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部２３ｙと、該エネルギー選択移動部２３ｙの表面を覆うように配置された発光部２３ｚと、を有している。キャリア発生部２３ｘ、エネルギー選択移動部２３ｙ、及び、発光部２３ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部２３ｙは、キャリア発生部２３ｘの表面に形成された第１障壁層２３ｙａ、該第１障壁層２３ｙａの表面に形成された量子井戸層２３ｙｂ、及び、該量子井戸層２３ｙｂの表面に形成された第２障壁層２３ｙｃを有している。波長変換粒子２３では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部２３ｘ、第１障壁層２３ｙａ、量子井戸層２３ｙｂ、第２障壁層２３ｙｃ、及び、発光部２３ｚが同心円状に配置されており、第１障壁層２３ｙａ及び第２障壁層２３ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００６３】
図７に示したように、波長変換粒子２３は、キャリア発生部２３ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に４つの離散準位が形成されており、キャリア発生部２３ｘを構成する半導体材料の価電子帯側に３つの離散準位が形成されている。キャリア発生部２３ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部２３ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位とのエネルギー差はＥｇ１ｃ（＞Ｅｇ１ｂ＞Ｅｇ１ａ）である。また、波長変換粒子２３は、量子井戸層２３ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側及び価電子帯側にそれぞれ１つの離散準位が形成されている。量子井戸層２３ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部２３ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、発光部２３ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃ１ｃよりも図７の紙面上側に位置し、Ｅｃ１ｂ−Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されている。また、量子井戸層２３ｙｂの価電子帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｖ１ｑは、キャリア発生部２３ｘの価電子帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。
【００６４】
一方、図４Ｂに示したように、光電変換部３０は、バンドギャップがＥｇ３である半導体材料を有している。光電変換部３０は、バンドギャップがＥｇ３であるｎ型半導体によって構成されたｎ層３１、及び、バンドギャップがＥｇ３であるｐ型半導体によって構成されたｐ層３２を有し、ｎ層３１とｐ層３２とが接合されることによって、ｐｎ接合３３が形成されている。図４Ａに示したように、ｎ層３１には表面電極１５が接続されており、ｐ層３２には裏面電極１４が接続されている。
【００６５】
太陽電池２００へと照射された太陽光は、波長変換部２０へと入射する。太陽光には様々なエネルギーを有する光が含まれており、波長変換部２０へ太陽光が入射すると、Ｅｇ１ａ以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が価電子帯から伝導帯へと励起され、価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。すなわち、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘに光が入射すると、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘを構成する半導体材料の伝導帯には図４Ｂに示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図４Ｂに示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００６６】
図７に示したように、エネルギー選択移動部２１ｙは、キャリア発生部２１ｘと発光部２１ｚとを繋ぐ部位であり、キャリア発生部２１ｘで生成された様々なエネルギーを有する電子及び正孔のうち、エネルギーがＥｃ１ｂである電子とエネルギーがＥｖ１ｑである正孔のみを選択的に発光部２１ｚへと移動させる機能を有している。同様に、エネルギー選択移動部２２ｙは、キャリア発生部２２ｘで生成された様々なエネルギーを有する電子及び正孔のうち、エネルギーがＥｃ１ｂである電子とエネルギーがＥｖ１ｑである正孔のみを選択的に発光部２２ｚへと移動させる機能を有している。また、エネルギー選択移動部２３ｙは、キャリア発生部２３ｘで生成された様々なエネルギーを有する電子及び正孔のうち、エネルギーがＥｃ１ｂである電子とエネルギーがＥｖ１ｑである正孔のみを選択的に発光部２３ｚへと移動させる機能を有している。キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘからキャリア選択移動部２１ｙ、２２ｙ、２３ｙを経て発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚへと移動した電子及び正孔は、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚで結合する。かかる過程を経ることにより、波長変換部２０は、エネルギーＥｇ２の単色光を発生させる。
【００６７】
キャリア発生部２１ｘで生成された電子のうち、エネルギーＥｃ１ｂの電子は、そのままエネルギー選択移動部２１ｙを通過して発光部２１ｚへと達する。また、キャリア発生部２１ｘで生成された正孔のうち、エネルギーＥｖ１ｑの正孔は、そのままエネルギー選択移動部２１ｙを通過して発光部２１ｚへと達する。そして、発光部２１ｚで電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。これに対し、キャリア発生部２１ｘの伝導帯の電子分布においてＥｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。同様に、キャリア発生部２１ｘの価電子帯の正孔分布においてＥｖ１ｑとは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔のエネルギーはＥｖ１ｑになる。こうして、エネルギーＥｃ１ｂになった電子、及び、エネルギーＥｖ１ｑになった正孔は、エネルギー選択移動部２１ｙを経由して発光部２１ｚへと移動することができ、発光部２１ｚで結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。
【００６８】
また、キャリア発生部２２ｘで生成された電子のうち、エネルギーＥｃ１ｂの電子は、そのままエネルギー選択移動部２２ｙを通過して発光部２２ｚへと達し、キャリア発生部２２ｘで生成された正孔のうち、エネルギーＥｖ１ｑの正孔は、そのままエネルギー選択移動部２２ｙを通過して発光部２２ｚへと達する。そして、発光部２２ｚで電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。これに対し、キャリア発生部２２ｘの伝導帯の電子分布においてＥｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。同様に、キャリア発生部２２ｘの価電子帯の正孔分布においてＥｖ１ｑとは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔のエネルギーはＥｖ１ｑになる。こうして、エネルギーＥｃ１ｂになった電子、及び、エネルギーＥｖ１ｑになった正孔は、エネルギー選択移動部２２ｙを経由して発光部２２ｚへと移動することができ、発光部２２ｚで結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。
【００６９】
また、キャリア発生部２３ｘで生成された電子のうち、エネルギーＥｃ１ｂの電子は、そのままエネルギー選択移動部２３ｙを通過して発光部２３ｚへと達し、キャリア発生部２３ｘで生成された正孔のうち、エネルギーＥｖ１ｑの正孔は、そのままエネルギー選択移動部２３ｙを通過して発光部２３ｚへと達する。そして、発光部２３ｚで電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。これに対し、キャリア発生部２３ｘの伝導帯の電子分布においてＥｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。同様に、キャリア発生部２３ｘの価電子帯の正孔分布においてＥｖ１ｑとは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔のエネルギーはＥｖ１ｑになる。こうして、エネルギーＥｃ１ｂになった電子、及び、エネルギーＥｖ１ｑになった正孔は、エネルギー選択移動部２３ｙを経由して発光部２３ｚへと移動することができ、発光部２３ｚで結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。
【００７０】
ここで、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘは、半導体材料によって構成されているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、エネルギーＥｃ１ｂの電子、及び、エネルギーＥｖ１ｑの正孔を生じさせることができる。さらに、波長変換部２０は、互いに異なる離散準位が形成された波長変換粒子２１、２２、２３を有しているので、単一形態の波長変換粒子が用いられる場合と比較して、エネルギーがＥｇ１ａ以上である様々なエネルギーの光を吸収することができる。加えて、互いに異なる離散準位が形成された波長変換粒子２１、２２、２３において、量子井戸層２１ｙｂ、２２ｙｂ、２３ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーは、すべてＥｃ１ｂとされており、量子井戸層２１ｙｂ、２２ｙｂ、２３ｙｂの価電子帯側に形成されている離散準位のエネルギーは、すべてＥｖ１ｑとされている。このような形態とすることにより、波長変換粒子２１、２２、２３のすべてから、エネルギーＥｇ２の単色光を生成させることができる。こうして波長変換部２０で発生させた単色光は、光電変換部３０へと向かう。
【００７１】
光電変換部３０は、バンドギャップがＥｇ３であるｎ層３１及びｐ層３２を有している。ここで、Ｅｇ３はＥｇ２よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部２０で発生させたエネルギーＥｇ２の単色光は、光電変換部３０に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅｇ２とＥｇ３との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｎ接合３３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層３１側へと移動し、ｎ層３１に接続されている表面電極１５へと収集される。また、正孔はｐ層３２側へと移動し、ｐ層３２に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００７２】
このように、太陽電池２００では、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘで発生させたキャリアを、エネルギー選択移動部２１ｙ、２２ｙ、２３ｙを経由して発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚへと移動させ、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚでこれらを結合させることにより、単色光を発生させる。かかる形態とすることにより、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘで高いエネルギーへと励起された電子及び正孔を、エネルギーが失われる前に発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚへと移動させて結合させることが可能になるので、エネルギー損失を低減することが可能になる。また、波長変換部２０は、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘで発生させたキャリアを発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚで結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部２０では、従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘの大きさ・厚さを制御して、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘで発生させたキャリアがエネルギー選択移動部２１ｙ、２２ｙ、２３ｙへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘに半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。さらに、波長変換部２０が、大きさが異なるキャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘを有する波長変換粒子２１、２２、２３を有する形態とすることにより、単一形態の波長変換粒子が用いられる場合と比較して、エネルギーがＥｇ１ａ以上である幅広い帯域の光を、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘで吸収しやすくなる。加えて、波長変換部２０に用いられている波長変換粒子２１、２２、２３は、量子井戸層２１ｙｂ、２２ｙｂ、２３ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーを等しくし、且つ、価電子帯側に形成されている離散準位のエネルギーを等しくするように調整されている。かかる形態とすることにより、波長変換部２０から発生させる単色光のエネルギーをＥｇ２に特定することができるので、ｎ層３１及びｐ層３２を構成する半導体材料のバンドギャップを、エネルギーＥｇ２の単色光を低損失で吸収可能なように調整することで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池２００を提供することができる。太陽電池２００では、光を単色光へと変換させる波長変換部２０の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。また、エネルギー選択移動部２１ｙ、２２ｙ、２３ｙや発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚに用いる半導体材料の組成や形状を調節することにより、太陽電池２００では、波長変換部２０で発生させる単色光のエネルギーを自在に調節することができる。
【００７３】
太陽電池２００において、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘを構成する半導体材料のバンドギャップは、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを構成する半導体材料のバンドギャップと同程度にすることができる。キャリア発生部２１ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部１６ｘａの直径及びバンドギャップと同程度にすることができ、キャリア発生部２２ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部１６ｙａの直径及びバンドギャップと同程度にすることができ、キャリア発生部２３ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部１６ｚａの直径及びバンドギャップと同程度にすることができる。また、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘは、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａと同様の材料によって構成することができ、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａと同様の方法によって作製することができる。
【００７４】
また、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａ、及び、第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップは、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａや第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂを構成する半導体材料のバンドギャップと同程度にすることができる。第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａ、及び、第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃの厚さは、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａや第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂの厚さと同程度にすることができる。また、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａ、及び、第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃは、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａや第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂと同様の材料によって構成することができ、第１障壁層１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａや第２障壁層１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂと同様の方法によって作製することができる。
【００７５】
また、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚの厚さは、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚを構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚを、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚはイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００７６】
また、光電変換部３０に用いる半導体材料のバンドギャップＥｇ３は、例えば、０．５ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。光電変換部３０を構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等を例示することができる。光電変換部３０において、ｎ層３１は、これらの半導体材料に公知のｎ型不純物を添加することによって作製することができ、ｐ層３２は、これらの半導体材料に公知のｐ型不純物を添加することによって作製することができる。ｎ層３１の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｐ層３２の厚さは例えば２μｍ程度とすることができる。また、光電変換部３０を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、光電変換部３０は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、光電変換部３０を、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合には、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００７７】
図８は、第２実施形態にかかる本発明の光電変換素子の、波長変換部に使用可能な波長変換粒子４１、４２、４３を説明する断面図であり、図９は、波長変換粒子４１、４２、４３のバンド構造を説明する、図７に対応した図である。
【００７８】
図８に示したように、波長変換粒子４１は、キャリア発生部４１ｘと、該キャリア発生部４１ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部４１ｙと、該エネルギー選択移動部４１ｙの表面を覆うように配置された半導体部４１ｚと、を有している。キャリア発生部４１ｘ、エネルギー選択移動部４１ｙ、及び、半導体部４１ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部４１ｙは、キャリア発生部４１ｘの表面に形成された第１障壁層４１ｙａ、該第１障壁層４１ｙａの表面に形成された量子井戸層４１ｙｂ、及び、該量子井戸層４１ｙｂの表面に形成された第２障壁層４１ｙｃを有している。波長変換粒子４１では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部４１ｘ、第１障壁層４１ｙａ、量子井戸層４１ｙｂ、第２障壁層４１ｙｃ、及び、半導体部４１ｚが同心円状に配置されている。波長変換粒子４１において、第１障壁層４１ｙａ及び第２障壁層４１ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされており、半導体部４１ｚは、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さとされている。
【００７９】
図９に示したように、波長変換粒子４１は、キャリア発生部４１ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に６つの離散準位が形成されており、キャリア発生部４１ｘを構成する半導体材料の価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部４１ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部４１ｘの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ａとのエネルギー差はＥｇ１ａである。また、波長変換粒子４１は、量子井戸層４１ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層４１ｙｂの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層４１ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部４１ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、半導体部４１ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃｚよりも図９の紙面下側に位置し、ＥｃｚとＥｃ１ｂとの差は、波長変換粒子４１を有する光電変換素子の使用時に量子井戸層４１ｙｂに存在する電子へと付与されるエネルギー（例えば、熱エネルギー等）よりも大きくなるように調整されている。また、量子井戸層４１ｙｂの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ａ及び半導体部４１ｚの価電子帯上端のエネルギーＥｖｚよりも図９の紙面上側に位置している。Ｅｖ１ｂとＥｖ１ａとの差は、０．０５ｅＶ以上０．２ｅＶ以下程度とされており、ＥｖｚとＥｖ１ｂとの差は、波長変換粒子４１を有する光電変換素子の使用時に量子井戸層４１ｙｂに存在する正孔へと付与されるエネルギー（例えば、熱エネルギー等）よりも大きくなるように調整されている。波長変換粒子４１において、Ｅｃ１ｂとＥｖ１ｂとの差はＥｇ２である。
【００８０】
また、図８に示したように、波長変換粒子４２は、キャリア発生部４１ｘよりも直径が小さいキャリア発生部４２ｘと、該キャリア発生部４２ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部４２ｙと、該エネルギー選択移動部４２ｙの表面を覆うように配置された半導体部４２ｚと、を有している。キャリア発生部４２ｘ、エネルギー選択移動部４２ｙ、及び、半導体部４２ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部４２ｙは、キャリア発生部４２ｘの表面に形成された第１障壁層４２ｙａ、該第１障壁層４２ｙａの表面に形成された量子井戸層４２ｙｂ、及び、該量子井戸層４２ｙｂの表面に形成された第２障壁層４２ｙｃを有している。波長変換粒子４２では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部４２ｘ、第１障壁層４２ｙａ、量子井戸層４２ｙｂ、第２障壁層４２ｙｃ、及び、半導体部４２ｚが同心円状に配置されている。波長変換粒子４２において、第１障壁層４２ｙａ及び第２障壁層４２ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされており、半導体部４２ｚは、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さとされている。
【００８１】
図９に示したように、波長変換粒子４２は、キャリア発生部４２ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に５つの離散準位が形成されており、キャリア発生部４２ｘを構成する半導体材料の価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部４２ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部４２ｘの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ａとのエネルギー差はＥｇ１ｂ（＞Ｅｇ１ａ）である。また、波長変換粒子４２は、量子井戸層４２ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層４２ｙｂの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層４２ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部４２ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、半導体部４２ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃｚよりも図９の紙面下側に位置している。また、量子井戸層４２ｙｂの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ａ及び半導体部４２ｚの価電子帯上端のエネルギーＥｖｚよりも図９の紙面上側に位置している。
【００８２】
また、図８に示したように、波長変換粒子４３は、キャリア発生部４２ｘよりも直径が小さいキャリア発生部４３ｘと、該キャリア発生部４３ｘの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部４３ｙと、該エネルギー選択移動部４３ｙの表面を覆うように配置された半導体部４３ｚと、を有している。キャリア発生部４３ｘ、エネルギー選択移動部４３ｙ、及び、半導体部４３ｚは、何れも、半導体材料によって構成されている。エネルギー選択移動部４３ｙは、キャリア発生部４３ｘの表面に形成された第１障壁層４３ｙａ、該第１障壁層４３ｙａの表面に形成された量子井戸層４３ｙｂ、及び、該量子井戸層４３ｙｂの表面に形成された第２障壁層４３ｙｃを有している。波長変換粒子４３では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部４３ｘ、第１障壁層４３ｙａ、量子井戸層４３ｙｂ、第２障壁層４３ｙｃ、及び、半導体部４３ｚが同心円状に配置されている。波長変換粒子４３において、第１障壁層４３ｙａ及び第２障壁層４３ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされており、半導体部４３ｚは、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さとされている。
【００８３】
図９に示したように、波長変換粒子４３は、キャリア発生部４３ｘを構成する半導体材料の伝導帯側に３つの離散準位が形成されており、キャリア発生部４３ｘを構成する半導体材料の価電子帯側には離散準位が形成されていない。キャリア発生部４３ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部４３ｘの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ａとのエネルギー差はＥｇ１ｃ（＞Ｅｇ１ｂ＞Ｅｇ１ａ）である。また、波長変換粒子４３は、量子井戸層４３ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層４３ｙｂの価電子帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層４３ｙｂの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部４３ｘの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。Ｅｃ１ｂは、半導体部４３ｚの伝導帯下端のエネルギーＥｃｚよりも図９の紙面下側に位置している。また、量子井戸層４３ｙｂの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ａ及び半導体部４３ｚの価電子帯上端のエネルギーＥｖｚよりも図９の紙面上側に位置している。
【００８４】
波長変換粒子４１、４２、４３の中では、キャリア発生部４１ｘのエネルギー差Ｅｇ１ａが最小であり、Ｅｇ１ａ＜Ｅｇ１ｂ＜Ｅｇ１ｃ＜Ｅｇ２となっている。そのため、透明物質内に波長変換粒子４１、４２、４３が分散されて保持されている波長変換部に太陽光が入射すると、Ｅｇ１ａ以上のエネルギーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯の離散準位へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には正孔が形成される。
【００８５】
キャリア発生部４１ｘで生成された電子は、キャリア発生部２１ｘで生成された電子と同様の過程を経て、量子井戸層４１ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位へと移動し、キャリア発生部４１ｘで生成された正孔は、キャリア発生部１６ｘａで生成された正孔と同様の過程を経て、量子井戸層４１ｙｂの価電子帯へと移動する。上述のように、ＥｃｚはＥｃ１ｂよりも図９の紙面上側に位置し、そのエネルギー差は、電子が乗り越えられないほどに大きい。また、ＥｖｚはＥｖ１ｂよりも図９の紙面下側に位置し、そのエネルギー差は、正孔が乗り越えられないほどに大きい。さらに、半導体部４１ｚの厚さはキャリアがトンネル伝導により通過できない程度に厚い。そのため、量子井戸層４１ｙｂへと達した電子及び正孔は、半導体部４１ｚを通過することができず、量子井戸層４１ｙｂで結合する。このようにして電子及び正孔が結合すると、量子井戸層４１ｙｂでエネルギーＥｇ２の単色光が生じる。
【００８６】
また、キャリア発生部４２ｘで生成された電子は、キャリア発生部２２ｘで生成された電子と同様の過程を経て、量子井戸層４２ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位へと移動し、キャリア発生部４２ｘで生成された正孔は、キャリア発生部１６ｙａで生成された正孔と同様の過程を経て、量子井戸層４２ｙｂの価電子帯へと移動する。波長変換粒子４１の場合と同様に、量子井戸層４２ｙｂへと達した電子及び正孔は、半導体部４２ｚを通過することができず、量子井戸層４２ｙｂで結合する。このようにして電子及び正孔が結合すると、量子井戸層４２ｙｂでエネルギーＥｇ２の単色光が生じる。
【００８７】
また、キャリア発生部４３ｘで生成された電子は、キャリア発生部２３ｘで生成された電子と同様の過程を経て、量子井戸層４３ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位へと移動し、キャリア発生部４３ｘで生成された正孔は、キャリア発生部１６ｚａで生成された正孔と同様の過程を経て、量子井戸層４３ｙｂの価電子帯へと移動する。波長変換粒子４１、４２の場合と同様に、量子井戸層４３ｙｂへと達した電子及び正孔は、半導体部４３ｚを通過することができず、量子井戸層４３ｙｂで結合する。このようにして電子及び正孔が結合すると、量子井戸層４３ｙｂでエネルギーＥｇ２の単色光が生じる。
【００８８】
このように、透明物質内に波長変換粒子４１、４２、４３が分散されて保持されている波長変換部を用いても、単色光を発生させることができる。波長変換粒子４１、４２、４３は、波長変換粒子２１、２２、２３とは異なり、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂで単色光を発生させる。ここで、図７に示したように、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚは、Ｅｇ２以上のエネルギーを有する光を吸収することができる。これに対し、図９に示したように、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂの伝導帯側には離散準位が形成されているので、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂはＥｇ２のエネルギーを有する光のみを吸収することができる。すなわち、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂは、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚと比較して、吸収可能な光が限定される。そのため、波長変換粒子４１、４２、４３は、波長変換粒子２１、２２、２３よりも多くの光を、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘに吸収させることができ、その結果、波長変換粒子４１、４２、４３は、波長変換粒子２１、２２、２３よりも多量の単色光を発生させることができる。また、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚは、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂよりも厚い。他の波長変換粒子で生成された単色光が波長変換粒子４１、４２、４３で再吸収される量は、他の波長変換粒子で生成された単色光が波長変換粒子２１、２２、２３で再吸収される量よりも少ない。加えて、波長変換粒子４１、４２、４３では、Ｅｖ１ａとＥｖ１ｂとが異なるので、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂで発生させた単色光のエネルギーが、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘの伝導帯に形成された離散準位と価電子帯上端とのエネルギー差に一致しない。かかる形態とすることにより、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂで生じさせた単色光が、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘに再吸収される事態を防ぐことが可能になるので、より多くの単色光を光電変換部３０に吸収させることが可能になる。さらにまた、波長変換粒子４１、４２、４３では、Ｅｖ１ｂがＥｖ１ａよりも図９の紙面上側に位置するように調整されているので、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘで生成された正孔が量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂに移動しやすい。かかる形態とすることにより、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂで電子と正孔とを結合させやすくなるので、より多くの単色光を発生させることが可能になる。したがって、波長変換粒子４１、４２、４３を有する形態の波長変換部を用いることにより、光電変換効率を高めやすくなる。
【００８９】
波長変換粒子４１、４２、４３において、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘを構成する半導体材料のバンドギャップは、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘを構成する半導体材料のバンドギャップと同程度にすることができる。キャリア発生部４１ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部２１ｘの直径及びバンドギャップと同程度にすることができ、キャリア発生部４２ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部２２ｘの直径及びバンドギャップと同程度にすることができ、キャリア発生部４３ｘの直径及びバンドギャップは、キャリア発生部２３ｘの直径及びバンドギャップと同程度にすることができる。また、キャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘは、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘと同様の材料によって構成することができ、キャリア発生部２１ｘ、２２ｘ、２３ｘと同様の方法によって作製することができる。
【００９０】
また、第１障壁層４１ｙａ、４２ｙａ、４３ｙａ、及び、第２障壁層４１ｙｃ、４２ｙｃ、４３ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップは、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａや第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップと同程度にすることができる。第１障壁層４１ｙａ、４２ｙａ、４３ｙａ、及び、第２障壁層４１ｙｃ、４２ｙｃ、４３ｙｃの厚さは、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａや第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃの厚さと同程度にすることができる。また、第１障壁層４１ｙａ、４２ｙａ、４３ｙａ、及び、第２障壁層４１ｙｃ、４２ｙｃ、４３ｙｃは、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａや第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃと同様の材料によって構成することができ、第１障壁層２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａや第２障壁層２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃと同様の方法によって作製することができる。
【００９１】
また、半導体部４１ｚ、４２ｚ、４３ｚを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば２．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下とすることができる。キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さにする等の観点から、半導体部４１ｚ、４２ｚ、４３ｚの厚さは１０ｎｍ以上とする。また、波長変換粒子４１、４２、４３に占めるキャリア発生部４１ｘ、４２ｘ、４３ｘの割合が小さくなり過ぎないようにする等の観点から、半導体部４１ｚ、４２ｚ、４３ｚの厚さは１００ｎｍ以下とすることができる。また、半導体部４１ｚ、４２ｚ、４３ｚを構成可能な半導体材料としては、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等を例示することができる。半導体部４１ｚ、４２ｚ、４３ｚは、発光部２１ｚ、２２ｚ、２３ｚと同様の方法によって作製することができる。
【００９２】
量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子に関する上記説明では、エネルギー選択移動部の表面に半導体部が配置されている形態を例示したが、量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子は、当該形態に限定されない。量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子に備えられているエネルギー選択移動部の表面には、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さの絶縁性材料が配置されていても良い。かかる形態であっても、エネルギー選択移動部の表面に半導体部が配置されている形態と同様の効果を奏することが可能になる。
【００９３】
また、波長変換粒子４１、４２、４３に関する上記説明では、Ｅｖ１ｂが、Ｅｖ１ａよりも図９の紙面上側に位置し、且つ、Ｅｖ１ｂとＥｖ１ａとの差が０．０５ｅＶ以上０．２ｅＶ以下程度とされている形態を例示したが、量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子は当該形態に限定されない。Ｅｖ１ｂがＥｖ１ａよりも下側に位置する形態とすることも可能であり、Ｅｖ１ａとＥｖ１ｂとを等しくすることも可能である。ただし、量子井戸層で発生させた単色光がキャリア発生部に再吸収され難い形態とすることによって光電変換効率を高めやすくするという観点、及び、キャリア発生部で生成された正孔が量子井戸層へと移動しやすい形態にして量子井戸層で単色光が発生しやすい形態とすることによって光電変換効率を高めやすくするという観点からは、Ｅｖ１ｂが、Ｅｖ１ａよりも図９の紙面上側に位置し、且つ、Ｅｖ１ｂとＥｖ１ａとの差を０．０５ｅＶ以上０．２ｅＶ以下程度にすることが好ましい。
【００９４】
また、波長変換粒子４１、４２、４３に関する上記説明では、量子井戸層４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂの価電子帯側には離散準位が形成されていない形態を例示したが、量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子は当該形態に限定されない。量子井戸層で単色光を発生させる波長変換粒子には、価電子帯側に離散準位が形成されている量子井戸層も用いることができる。
【００９５】
また、本発明に関する上記説明では、粒子状のキャリア生成物質であるキャリア生成粒子や、粒子状の波長変換物質である波長変換粒子が用いられる形態を例示したが、キャリア生成物質や波長変換物質の形態は、粒子状に限定されない。キャリア生成物質及び波長変換物質は、線状等の他の形態とすることも可能である。キャリア生成物質や波長変換物質の形状を線状にする場合には、線状のキャリア発生部の直径を、粒子状のキャリア発生部の直径と同程度にすれば良い。なお、線状のキャリア生成物質や線状の波長変換物質を用いる場合、混合ｐｎ材料層や、波長変換物質を分散し保持する透明材料を突き破らないような長さにする等の観点から、線の軸方向長さは、例えば２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００９６】
化学的合成法を用いた線状のキャリア生成物質（以下において、「キャリア生成細線」という。）の作製法の具体例として、キャリア発生部にＰｂＳｅ、第１障壁層及び第２障壁層にＺｎＳ、量子井戸層にＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【００９７】
＜キャリア発生部の合成＞
フラスコ（キャリア生成細線の作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、及び、オレイン酸と、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で１５０℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、６０℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィン、及び、トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（キャリア生成細線の作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）に、フェニルエーテル及びテトラデシルフォスフィンを入れ、不活性ガス中で２５０℃程度（注入溶液の温度）に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源等が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１８０℃程度（反応温度）に保持する。以上の過程を経ることにより、太さ６ｎｍ程度のキャリア発生部（ＰｂＳｅ細線）を生成することができる。ここで、注入溶液の温度及び反応温度が高くなるほど、溶液中の原料濃度比率Ｐｂ／Ｓｅが大きくなると、球状粒子ではなく細線を生成しやすくなる。なお、ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．７ｅＶ程度となる。
【００９８】
＜第１障壁層の合成＞
フラスコ（キャリア生成細線の作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部の周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第１障壁層（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【００９９】
＜量子井戸層の合成＞
フラスコ（キャリア生成細線の作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、第１障壁層の周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【０１００】
＜第２障壁層の合成＞
フラスコ（キャリア生成細線の作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層の周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第２障壁層（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。こうして第２障壁層を形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、キャリア生成細線を得ることができる。
【０１０１】
このような手順で作製可能なキャリア生成細線を備える太陽電池は、キャリア生成粒子に代えてキャリア生成細線を用いるほかは、太陽電池１００と同様の方法によって作製することができる。キャリア生成細線を用いる太陽電池において、混合ｐｎ材料層に含まれる、キャリア生成細線、ｐ型半導体材料、及び、ｎ型半導体材料の混合比率は特に限定されず、例えば、質量比で、キャリア生成細線：ｐ型半導体材料：ｎ型半導体材料＝２：１：１とすることができる。キャリア生成細線、ｐ型半導体材料、及び、ｎ型半導体材料の混合比率は、それぞれ、０．１倍〜１０倍の範囲で適宜変化させても良い。
【０１０２】
また、線状の波長変換物質（以下において、「波長変換細線」ということがある。）は、上記キャリア生成細線のキャリア発生部から第２障壁層までを作製する手順と同様の手順で第２障壁層を作製した後、波長変換粒子における発光部や半導体部を作製する際の方法と同様の方法によって発光部や半導体部を作製することにより、作製することができる。このような手順で作製可能な波長変換細線を備える太陽電池は、波長変換粒子に代えて波長変換細線を用いるほかは、太陽電池２００と同様の方法によって作製することができる。
【０１０３】
本発明に関する上記説明では、粒子状のキャリア生成物質若しくは粒子状の波長変換物質、又は、線状のキャリア生成物質若しくは線状の波長変換物質が用いられる形態を例示したが、本発明の光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、キャリア生成粒子及びキャリア生成細線が同一層内に分散された形態の層を有していても良く、波長変換粒子及び波長変換細線が分散された波長変換部が用いられる形態であっても良い。ただし、光電変換効率を高めやすい形態にする等の観点からは、キャリア生成粒子や波長変換粒子を用いることが好ましい。
【符号の説明】
【０１０４】
１１…ｐ層
１２…混合ｐｎ材料層
１２ａ…ｐ型半導体材料
１２ｂ…ｎ型半導体材料
１３…ｎ層
１４…裏面電極
１５…表面電極
１６ｘ、１６ｙ、１６ｚ…キャリア生成粒子（キャリア生成物質）
１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａ…キャリア発生部
１６ｘｂ、１６ｙｂ、１６ｚｂ…エネルギー選択移動部
１６ｘｂａ、１６ｙｂａ、１６ｚｂａ…第１障壁層
１６ｘｂｂ、１６ｙｂｂ、１６ｚｂｂ…第２障壁層
１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑ…量子井戸層
２０…波長変換部
２１、２２、２３…波長変換粒子（波長変換物質）
２１ｘ、２２ｘ、２３ｘ…キャリア発生部
２１ｙ、２２ｙ、２３ｙ…エネルギー選択移動部
２１ｙａ、２２ｙａ、２３ｙａ…第１障壁層
２１ｙｂ、２２ｙｂ、２３ｙｂ…量子井戸層
２１ｙｃ、２２ｙｃ、２３ｙｃ…第２障壁層
２１ｚ、２２ｚ、２３ｚ…発光部
２４…透明物質
３０…光電変換部
３１…ｎ層
３２…ｐ層
３３…ｐｎ接合
４１、４２、４３…波長変換粒子（波長変換物質）
４１ｘ、４２ｘ、４３ｘ…キャリア発生部
４１ｙ、４２ｙ、４３ｙ…エネルギー選択移動部
４１ｙａ、４２ｙａ、４２ｙａ…第１障壁層
４１ｙｂ、４２ｙｂ、４３ｙｂ…量子井戸層
４１ｙｃ、４２ｙｃ、４３ｙｃ…第２障壁層
４１ｚ、４２ｚ、４３ｚ…半導体部
１００、２００…太陽電池（光電変換素子）
【図４Ａ】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ｂ】
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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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