(57)【要約】【課題】本発明は、光電変換できる光の波長範囲が広くなることにより光電変換効率が向上した太陽電池を提供する。【解決手段】本発明の太陽電池は、光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、前記波長変換部は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする。【選択図】図１
2014022499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、
前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、
前記波長変換部は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記量子層は、量子ドット層である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記光吸収スペクトルは、３つ以上の吸光波長領域を有し、
第１および第２吸光波長領域は、前記３つ以上の吸光波長領域に含まれる２つの領域である請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記波長変換部は、２種類以上の波長変換材料を含み、
前記光吸収スペクトルは、第２吸光波長領域の長波長側に第３吸光波長領域をさらに有し、
前記波長変換部は、第２吸光波長領域と第３吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第３吸光波長領域内の波長の光に変換する請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記波長変換部は、前記光電変換層の太陽光が入射する側と反対側に備えられている請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項６】
前記波長変換部は、異なる種類の波長変換材料からなる複数の波長変換層を有し、
前記複数の波長変換層は、前記光電変換層から遠ざかる程、より長波長の光を波長変換できる波長変換材料からなる請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記光吸収スペクトルは、４つ以上の吸光波長領域を有し、
第１、第２および第３吸光波長領域は、前記４つ以上の吸光波長領域に含まれる３つの領域である請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記波長変換材料は、半導体材料である請求項１〜７のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項９】
前記超格子構造は、障壁層と量子ドット層が交互に積層された量子ドットナノワイヤ構造である請求項１〜８のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記量子ドットナノワイヤ構造は、量子ドットナノワイヤ間に前記波長変換部を備える請求項９に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記波長変換部は、１０００ｎｍ以上の波長を有する光の波長を変換する波長変換材料を含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記超格子半導体層は、ミニバンドが形成されるように設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記光吸収スペクトルは、第２吸光波長領域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記波長変換部は、波長変換材料を含む成型体であり、
前記光電変換層は、前記波長変換部の表面上に設けられた請求項１〜１３のいずれか１つに記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記成型体は、１つの受光面を有する直方体であり、
前記光電変換層は、少なくとも４つであり、かつ、前記直方体の受光面の周りの４つの側面上にそれぞれ設けられた請求項１４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。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、従来のシリコン太陽電池は太陽光スペクトルの長波長領域の光を吸収できず、太陽光のエネルギーの多くが利用されていない。
この利用されていない太陽光エネルギーを有効利用しようと、超格子構造を用いた太陽電池が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。超格子構造は数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の量子層（量子ドット層もしくは量子井戸層）と障壁層を交互に積層した構造を持つ。また量子層はサイズ制御により自由にバンドギャップを制御できる等の特徴を有する。
超格子構造を用いることで、新たなバンドギャップ（量子エネルギー準位）を形成でき、これまで太陽光スペクトルの中で利用することが難しかった長波長領域を吸収できるようになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Physical Review B, 82, 1 − 15 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の超格子構造を用いた太陽電池では、太陽光スペクトルの短波長領域の吸収に加え、これまで利用することが難しかった長波長領域の光を吸収し、光電変換する。しかし、これまでの超格子構造太陽電池では、量子層のバンドギャップに相当するエネルギー、もしくは障壁層のバンドギャップと量子層のバンドギャップに相当するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光およびある程度大きいエネルギーを有する光が、ほとんど吸収されず光電変換に利用できないおそれがある（非特許文献１）。このため、従来の超格子構造を用いた太陽電池では、光電変換できる光の波長範囲が狭くなり、光電変換効率の増大がほとんど見られていない。また、量子層が吸収する光の量が十分でないことから、量子層中から取り出されるキャリアが少ないという課題があった。また、取り出されるキャリア数が少ないと太陽電池の電圧が低下するといった課題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光電変換できる光の波長範囲が広くなることにより光電変換効率が向上した太陽電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、前記波長変換部は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする太陽電池を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、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有する光電変換層を備え、前記超格子半導体層は、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有するため、超格子半導体層への入射光を光電変換でき、光起電力を発生させることができる。
本発明によれば、超格子半導体層が第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有するため、第１および第２吸光波長領域の入射光を光電変換することができる。
本発明によれば、光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部を備え、波長変換部は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換するため、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換して光電変換層に入射させることができ、光電変換することができる。つまり、光電変換できなかった光を光電変換できる光に変換して光電変換層に入射させることができるため、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、量子層が吸収する光の量が多くなり、量子層から障壁層へキャリアが取り出しにくかったという単接合太陽電池に見られない、超格子構造太陽電池に特有の課題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる光電変換層の概略バンド図である。
【図１３】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる光電変換層の概略バンド図である。
【図１４】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる光電変換層の概略バンド図である。
【図１５】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルおよび本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる波長変換部により波長変換される光を説明するための説明図である。
【図１６】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図１７】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる波長変換部により波長変換される光を説明するための説明図である。
【図１８】吸光ピークと波長領域との関係を説明する説明図である。
【図１９】吸光ピークと波長領域との関係を説明する説明図である。
【図２０】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図２１】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図２２】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図２３】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図２４】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルである。
【図２５】本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる波長変換部により波長変換される光を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の太陽電池は、光電変換層と、前記光電変換層へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部とを備え、前記光電変換層は、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、障壁層と量子層とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、前記波長変換部は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする。
【０００９】
本発明において、吸光波長領域とは、超格子半導体層が入射光の多くを吸収できる波長領域である。吸光波長領域は、超格子半導体層の光吸収スペクトルにより定めることができ、吸光ピークを有する領域である。吸光波長領域は、吸光ピークにおける光吸収スペクトルのベースラインの吸収率を０とし吸光ピークの頂点の吸収率を１００としたとき、吸収率が１０以上の領域をいう。
なお、超格子半導体層の光吸収スペクトルは、例えば、分光光度計により測定できる。
本発明において、第１吸光波長領域とは、超格子半導体層が有する複数の吸光波長領域のうちいずれか１つの吸光波長領域であり、第２吸光波長領域とは、超格子半導体層が有する複数の吸光波長領域のうち第１吸光波長領域の長波長側にある吸光波長領域である。
本発明において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層と超格子半導体層とは、光電変換層を構成する。
本発明において、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量子層とが繰り返し積層された構造である。量子層の電子の波動関数が隣接量子層の電子の波動関数と大きく相互作用しても良い。
本発明において、量子層とは量子ドット層もしくは量子井戸層のことである。
本発明において、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。
本発明において、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。
【００１０】
本発明において、量子ドット層とは、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。
本発明において、量子井戸層とは、量子井戸で構成される層であり、超格子構造の井戸層となる。
本発明において、障壁層とは、量子層を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドットもしくは量子井戸の周りのポテンシャル障壁を形成する。
本発明において、中間エネルギー準位とは、障壁層の価電子帯の上端もしくは量子層の価電子帯の上端の内、エネルギーが低い方の上端と障壁層の伝導帯の下端もしくは量子層の伝導帯の上端の内、エネルギーが高い方の下端との間に、量子層または障壁層の価電子帯から光励起された電子が一定時間存在し得るエネルギー準位であり、量子層の１つまたは複数の量子準位から形成される。中間エネルギー準位とは、例えば、中間バンドや局在準位である。また、超格子半導体層が有する中間エネルギー準位は、すべて量子ドットの伝導帯側の１つまたは複数の量子準位から形成されてもよい。また、超格子半導体層が有する中間エネルギー準位のうち、１つの中間エネルギー準位は、量子ドットの価電子帯側の１つまたは複数の量子準位から形成され、他の中間エネルギー準位は、量子ドットの伝導帯側の１つまたは複数の量子準位から形成されてもよい。
【００１１】
本発明において、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、超格子構造の量子ドット層の電子の波動関数が隣接量子ドット層の電子の波動関数と相互作用し、量子ドット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。
本発明において、局在準位とは、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エネルギー準位であるが、１つに繋がっていないエネルギー準位をいう。なお、ポテンシャル障壁に囲まれた量子ドットに形成される電子の離散的なエネルギー準位を量子準位ともいう。また、量子準位のことを量子エネルギー準位ともいう。
【００１２】
本発明の太陽電池において、前記吸収スペクトルは、第２吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長の差が大きい程好ましい。例えば、超格子半導体層中において隣り合う量子層同士を近づけ、ミニバンドを形成することで第２吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長の差が大きくなり好ましい。効率的に光吸収を行う観点から、第２吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上であることが好ましく、さらには１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。また効率的にキャリア輸送を行う観点からもミニバンドを形成することが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層が量子層の量子準位を通じて価電子帯の電子を伝導帯に励起することができる。
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、３つ以上の吸光波長領域を有し、第１および第２吸光波長領域は、前記３つ以上の吸光波長領域に含まれる２つの領域であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、２種類以上の波長変換材料を含み、前記光吸収スペクトルは、第２吸光波長領域の長波長側に第３吸光波長領域をさらに有し、前記波長変換部は、第２吸光波長領域と第３吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第３吸光波長領域内の波長の光に変換することが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、第３吸光波長領域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上であることが好ましく、さらには１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層が量子層の量子準位を通じて価電子帯の電子を伝導帯に励起することができる。
【００１４】
本発明の太陽電池において、前記光吸収スペクトルは、４つ以上の吸光波長領域を有し、第１、第２および第３吸光波長領域は、前記４つ以上の吸光波長領域に含まれる３つの領域であることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、１０００ｎｍ以上の波長を有する光の波長を変換する波長変換材料を含むことが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層がより多くの入射光を光電変換に利用することができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、ミニバンドが形成されるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層の量子準位により形成されたミニバンドを電子が移動可能となり、ミニバンドに励起された電子が障壁層の価電子帯に励起される確率を高くすることができ、光電変換効率を高くすることができる。
本発明の太陽電池において、前記波長変換部は、波長変換材料を含む成型体であり、前記光電変換層は、前記波長変換部の表面上に設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、成型体内部で波長変換された光を光電変換層に入射させることができる。また、光電変換層の設ける範囲を狭くすることができ、太陽電池の製造コストを低減することができる。
本発明の太陽電池において、前記成型体は、１つの受光面を有する直方体であり、前記光電変換層は、少なくとも４つであり、かつ、前記直方体の受光面の周りの４つの側面上にそれぞれ設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、成型体内部で波長変換された光を光電変換層に入射させることができる。また、光電変換層の設ける範囲を狭くすることができ、太陽電池の製造コストを低減することができる。
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１７】
太陽電池の構成
図１〜１１は本実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図または概略斜視図であり、図１２〜１４は、本実施形態の太陽電池に含まれる光電変換層の概略バンド図である。図１５、１６、２０〜２４は、本実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層の光吸収スペクトルなどであり、図１７、２５は、本実施形態の太陽電池に含まれる波長変換部により波長変換される光を説明するための説明図である。また、図１８、１９は、吸光ピークと吸光波長領域との関係を説明する説明図である。
【００１８】
本実施形態の太陽電池２０は、光電変換層２と、光電変換層２へ入射する光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換部３０とを備え、光電変換層２は、ｐ型半導体層１２と、ｎ型半導体層４と、ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層４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、障壁層８と量子層５とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有し、かつ、第１吸光波長領域と第１吸光波長領域の長波長側にある第２吸光波長領域とを有する光吸収スペクトルを有し、波長変換部３０は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換することを特徴とする。
以下、本実施形態の太陽電池２０について説明する。
【００１９】
１．波長変換部
波長変換部３０は、光電変換層２へ入射する光の波長を変換する部分であり、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む。波長変換部３０は、例えば、受光面を有することができ、受光面から波長変換部３０内部に入射した光の波長が波長変換材料により波長変換され、波長変換された光が波長変換部３０から放出される。波長変換部３０から放出された光は、光電変換層２に入射し光電変換に利用される。
また、波長変換部３０は、第１吸光波長領域と第２吸光波長領域との間の波長領域内の波長の光を第２吸光波長領域内の波長の光に変換するように設けられる。ここで、第１吸光波長領域とは、超格子半導体層１０が有する複数の吸光波長領域のうちいずれか１つの吸光波長領域であり、第２吸光波長領域とは、超格子半導体層１０が有する複数の吸光波長領域のうち第１吸光波長領域の長波長側にある吸光波長領域である。
【００２０】
波長変換部３０に含まれる波長変換材料は、太陽光の波長をシフトさせることができる材料であればどのような材料でもよいが、例えば、ＺｎＯ 、ＺｎＳ 、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ 、ＣｄＳ 、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ 、ＰｂＳｅ 、ＰｂＴｅ 、ＣｕＩｎＧａＳ、ＣｕＳ、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、Ｇｅなどである。また、これらの混晶材料となる無機材料、錯体材料、希土類イオン（Ｅｒ3+、Ｐｒ3+、Ｔｍ3+など）や遷移元素を含有したガラス、Ｅｒドープガーネット結晶（ＹＡＧ）、有機材料などであってもよい。また、これらの材料をコアシェル構造、コアシェルシェル構造など複数個用いてもよい。さらにこれらの材料を数〜数十ナノメートルのサイズとしてもよく、その場合はサイズによりバンドギャップを自由に変えられるという特徴を持つ。
どのような波長変換材料を用いるかは、超格子半導体層１０の光吸収スペクトルに応じて決められるが、半導体材料から成る蛍光体を用いる方が好ましいことが多い。これは希土類、遷移金属蛍光体と比べて、半導体蛍光体の方が吸光波長領域から発光波長領域への波長の差が小さく（すなわちストークスシフトが小さい）、効率的な波長変換を行うことができるためである。
また、これらの材料は量子効果が起こるサイズ（およその目安としてボーア半径程度）にして用いても良い。このようなサイズを持つ蛍光体半導体を用いることで、自由にバンドギャップを調節することができ、吸光波長領域および発光波長領域を自由に制御することができる。ボーア半径は例えばＩｎＮで７ｎｍ、ＣｄＳｅ５ｎｍ、ＧａＡｓで１２．５ｎｍである。
【００２１】
これらの波長変換材料は、太陽電池の超格子半導体層１０の光吸収スペクトルに合わせて適宜材料や混晶比、サイズを選択すればよい。また、波長変換材料は超格子半導体層１０の光吸収スペクトルに合わせて、複数種類用いると好ましい場合がある。
図１５の下図は、二種類の波長変換材料を含む波長変換部３０により波長変換される光を説明するためのグラフである。このグラフにおいて実線で示した２つのピークの光が、それぞれ波長変換部３０により、点線で示した２つのピークの光に波長変換される。
波長変換部３０により波長変換する光の波長は、超格子半導体層１０の光吸収スペクトルに応じて決められるため、超格子半導体層１０の説明と共に説明する。
【００２２】
波長変換部３０は、例えば、図１、４〜１０に示した太陽電池２０のように、光電変換層２の受光面の上部に設けることができる。このように波長変換部３０を設けることにより波長変換部３０を透過した太陽光を光電変換層２に入射させることができ、波長変換された光を光電変換することができる。また、波長変換部３０は第１波長変換部３０ａおよび第２波長変換部３０ｂからなってもよい。この場合、第１波長変換部３０ａは第１波長変換材料を含み、第２波長変換部３０ｂは第２波長変換材料を含むことができる。このような構成により、第１および第２波長変換材料の両方で太陽光の波長を変換することができる。また、波長変換部３０は、１つの波長変換部からなってもよく、それぞれ異なる波長変換材料を含む３つ以上の波長変換部からなってもよい。
【００２３】
また、波長変換部３０は、例えば、図２に示した太陽電池２０のように光電変換層２の上に成膜されてもよく、図３のように基板１の光電変換層２が形成された表面と反対側の表面上に成膜されてもよい。
また、波長変換部３０は、樹脂に含有された波長変換材料を用いてもよく、波長変換材料を含む樹脂を光電変換層２の上に成膜してもよく、図３のように基板１の光電変換層２が形成された表面と反対側の表面上に成膜してもよい。なお、図３は、光電変換層２で吸収されなかった光を波長変換部３０で波長変換し、再び光電変換層２に入射させる構造である。
このように太陽電池裏面に波長変換部３０を設ける構造は、波長変換部３０の吸光領域が短波長側に広く存在する場合（例えば図１５において、波長変換部３０の波長変換領域Ｄかつ／またはＥが光電変換層の吸光波長領域Ａの一部または全部に重なった場合）に特に好ましい。また、２種類以上の波長変換材料からなる波長変換部３０を太陽電池裏面に設ける構造は、波長変換部３０の波長変換領域Ｅが短波長側に広く存在する場合（例えば図１５において、波長変換部３０の波長変換領域Ｅが太陽電池の発光領域Ｆの一部または全部に重なった場合に望ましい）、光電変換層２に近い側から外側に向けて順に、短波長光を有する太陽光スペクトルを波長変換する層から長波長を有する太陽光スペクトルを波長変換する層を段階的に設けることが望ましい。例えば２種類の波長変換材料からなる波長変換部３０を太陽電池裏面に設ける場合は図３の３０ｂに、より短波長の太陽光スペクトル（例えば図１５の波長変換領域Ｄ）を波長変換する層、３０ａに長波長の太陽光スペクトル（例えば図１５の波長変換領域Ｅ）を波長変換する層を設けることが望ましい。
このような構造を図３、図１５を用いてさらに詳細に説明する。ここでは、波長変換部３０の波長変換領域Ｄかつ／またはＥが光電変換層２の吸光波長領域Ａの一部または全部に重なった場合、かつ波長変換領域Ｅが波長変換領域Ｄの一部または全部に重なった場合を考える。太陽光が光電変換層２に入射した後、まず始めに吸光波長領域Ａ、Ｂ、Ｃの領域に存在する太陽光の多くが太陽電池２によって吸収され、吸収されなかった太陽光が波長変換部３０に到達する。吸収されなかった太陽光の内、波長変換領域Ｄに存在する光の多くが図３の波長変換部３０ｂによって図１５の吸光波長領域Ｂに適した波長（発光領域Ｆのスペクトルを持つ光が放射）に変換され、波長変換された光の多くが光電変換層２に再び入射する。さらに波長変換部３０ｂまでに吸収されなかった光、もしくは波長変換部３０ｂで波長変換された光の一部が、波長変換部３０ａによって図１５の吸光波長領域Ｃに適した波長に変換（発光領域Ｇのスペクトルを持つ光が放射）され、波長変換された光の多くが光電変換層２に再び入射する。
このような構造にすることで、図１５の吸光ピークＡの大部分が波長変換部３０ａもしくは３０ｂによって波長変換される恐れがなくなる。また、波長変換領域Ｄの大部分かつ発光領域Ｆの大部分を、波長変換領域Ｅを有する波長変換部３０ａが波長変換してしまう恐れがなくなるため好ましい。さらに、発光領域Ｇの光が再度光電変換層２に入射する前に波長変換部３０ｂを通過するが、波長変換部３０ｂが発光領域Ｇの光を再度吸収する恐れがなくなるため好ましい。このように、超格子構造太陽電池においてこれまで無駄にされていた太陽光を効率的に利用することができ、量子層中から取り出されるキャリアを増大および太陽電池の電圧を増大させることができ、光電変換効率を大幅に向上させることができる。
【００２４】
さらに、図１１に示した太陽電池のように、１つもしくは複数の波長変換材料からなる波長変換部３０を内包したルミネッセンスコンバーターの側面５１上に光電変換層２を設けることにより、波長変換部３０に入射した太陽光が集光および波長変換された後光電変換層２に入射する。このことにより、太陽電池２０の変換効率の向上が期待できる。ここでルミネッセンスコンバーターとは波長変換材料が含まれた構成のことを言い、波長変換材料を固定させるためにガラス、樹脂などを混ぜて成型体としたものである。さらにルミネッセンスコンバーターは表面５０から太陽光が入射し、ルミネッセンスコンバーター内部で波長変換と光の放射を繰り返し、表面５０とその裏面において光が全反射され、最終的には直方体の４つのエッジ面５１から集光および波長変換された太陽光が出てくる装置のことである。このルミネッセンスコンバーターの４つのエッジ面５１上にそれぞれ光電変換層２を設けることにより、太陽電池２０の光電変換効率を向上させることができる。
また、ルミネッセントコンバーターを用いることで従来吸収できなかったスペクトル領域の太陽光を波長変換できることに加え、太陽光が集光されて超格子構造太陽電池に照射される効果がある。太陽光が集光されて超格子構造太陽電池に照射されると、超格子構造太陽電池における量子準位や中間バンドを介した２段階光吸収は大きく向上し、効率的にキャリアを取り出すことができる。このように、波長変換効果と集光効果の２つの効果により、ルミネッセントコンバーターの有無による超格子構造太陽電池の変換効率の上昇割合は、ルミネッセントコンバーターの有無による単接合太陽電池の変換効率の上昇割合に比べて大きく、超格子構造太陽電池をルミネッセントコンバーターに設置した構造は、従来の単接合太陽電池をルミネッセントコンバーターに設置した構造では見られなかったような、変換効率の大幅な上昇が見られる。
さらに、このような構造にすれば、超格子構造太陽電池２０はエッジ面積程度の使用量で構成されるため、材料の使用量・コストが低減される。
また、太陽電池２０が軽量化されることで、太陽電池２０を窓、建材に貼り付けたり、屋根に搭載したり、場所を問わず使用することができる。
【００２５】
２．ｎ型半導体層（ベース層）およびｐ型半導体層（エミッター層）
ｎ型半導体層（ベース層）４は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｐ型半導体層（エミッター層）１２は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。
ｎ型半導体層４およびｐ型半導体層１２は、超格子半導体層１０を挟み光電変換層２を構成し、これらの層に光が入射されることにより光起電力を発生させる。光電変換層２に入射する光は、波長変換部３０により波長変換された光である。
ｎ型半導体層４およびｐ型半導体層１２は、例えばＭＯＣＶＤ法により形成することができる。
【００２６】
ｎ型半導体層４は、ｎ型電極１８と電気的に接続することができ、ｐ型半導体層１２は、ｐ型電極１７と電気的に接続することができる。このことにより、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層１２との間に生じる光起電力をｎ型電極１８およびｐ型電極１７を介して外部回路へ出力することができる。また、ｎ型半導体層４とｎ型電極１８との間またはｐ型半導体層１２とｐ型電極１７との間にコンタクト層１５を設けてもよい。
【００２７】
３．超格子半導体層
超格子半導体層１０は、ｎ型半導体層（ベース層）４とｐ型半導体層（エミッター層）１２に挟まれ、光電変換層２を構成する。また、超格子半導体層１０は、量子層５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。
【００２８】
超格子半導体層１０は、例えば、図１２〜１４のバンド図のようなバンド構造を有する。これらのバンド図において横軸は、図１〜１０に示したｚ方向の距離であり、縦軸は電子のエネルギーである。また、伝導帯下端、価電子帯上端および量子層の量子準位を実線で示している。また、図１２のバンド図のようなバンド構造を有する超格子半導体層１０は、図１５の上図のような光吸収スペクトルを有する。また、この場合、波長変換部３０は、図１５の下図のように入射光を波長変換できるように設けられる。
【００２９】
図１２に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層１０は、障壁層８の価電子帯上端と障壁層８の伝導帯下端とのエネルギー差（障壁層８のバンドギャップ）に相当するエネルギー（波長）を有する光を吸収し、図１２の矢印２００のように障壁層８の価電子帯の電子が障壁層８の伝導帯へ励起される。このような障壁層８のバンドギャップに起因する光吸収は、図１５の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークＡのように表れ、障壁層８のバンドギャップに相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光（吸光波長領域Ａ内の光）の吸収となる。従って、超格子半導体層１０は、障壁層８のバンドギャップにより吸光波長領域Ａ内の光を吸収できる。
【００３０】
また、図１２に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層１０は、量子層５の価電子帯の量子準位（または障壁層８の価電子帯上端）と量子層５の伝導帯の量子準位とのエネルギー差（量子層のバンドギャップ）に相当するエネルギー（波長）を有する光を吸収し、図１２の矢印２０１のように量子層５の価電子帯の量子準位の電子（または障壁層８の価電子帯の電子）が量子層５の伝導帯の量子準位へ励起される。このような量子層５のバンドギャップによる光吸収は、図１５の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークＢのように表れ、量子層５のバンドギャップに相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光（吸光波長領域Ｂ内の光）の吸収となる。従って、超格子半導体層１０は、量子層５のバンドギャップにより吸光波長領域Ｂ内の光を吸収できる。ここで、吸光波長領域Ｂ内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上であることが好ましく、さらには１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。
【００３１】
さらに、図１２に示したようなバンド構造を有する超格子半導体層１０は、量子層５の伝導帯の量子準位と障壁層８の伝導帯下端とのエネルギー差に相当するエネルギー（波長）を有する光を吸収し、図１２の矢印２０２のように量子層５の伝導帯の量子準位の電子が障壁層８の伝導帯へ励起される。このような量子層５の伝導帯の量子準位と障壁層８の伝導帯下端とのエネルギー差による光吸収は、図１５の上図に示した光吸収スペクトルにおいては、吸光ピークＣのように表れ、このエネルギー差に相当するエネルギーからこのエネルギーよりある程度大きいエネルギーまでの光（吸光波長領域Ｃ内の光）の吸収となる。従って、超格子半導体層１０は、量子層５の伝導帯の量子準位と障壁層８の伝導帯下端とのエネルギー差により吸光波長領域Ｃ内の光を吸収できる。ここで、吸光波長領域Ｃ内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上であることが好ましく、さらには１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。
【００３２】
なお、吸光波長領域とは、超格子半導体層１０が入射光の多くを吸収できる波長領域である。吸光波長領域は、吸光ピークにおける光吸収スペクトルのベースラインの吸収率を０とし吸光ピークの頂点の吸収率を１００としたとき、吸収率が１０以上の領域をいう。光吸収スペクトルのベースラインが傾いている場合は、その平均を０とすることができる。
例えば、超格子半導体層１０が図１８のような吸光ピークを有する場合、この吸光ピークの吸光波長領域は、図１８の２つの一点鎖線の間の領域となる。なお、２つの吸光ピークが吸光波長領域外で重なっているとき、ピーク分割を行いベースラインが引かれる。図１９のように２つ以上に吸光ピークが吸光波長領域内で重なっている場合、重なっている吸光ピークにより１つの吸光波長領域が定められる。なお、この場合、吸光ピークの頂点は、重なっている吸光ピークのうち最も高い吸光ピークの頂点とする。
【００３３】
超格子半導体層１０が図１５の上図のような光吸収スペクトルを有する場合、超格子半導体層１０へ入射する光のうち、吸光波長領域Ａ内、吸光波長領域Ｂ内および吸光波長領域Ｃ内の波長を有する光は、超格子半導体層１０に吸収され光電変換に利用される。しかし、吸光波長領域Ａと吸光波長領域Ｂとの間の波長領域内の波長の光、および吸光波長領域Ｂと吸光波長領域Ｃとの間の波長領域内の波長の光は、超格子半導体層１０ではほとんど吸収されず光電変換にほとんど利用されない。
【００３４】
このような場合、図１５の下図のように光の波長を変換できる第１および第２波長変換材料を含む波長変換部３０を設ける。この場合、第１波長変換材料を、実線で示した吸光波長領域Ａと吸光波長領域Ｂとの間の波長領域内の波長の光を点線で示した吸光波長領域Ｂ内の光に変換する波長変換材料とし、第２波長変換材料を、実線で示した吸光波長領域Ｂと吸光波長領域Ｃとの間の波長領域内の波長の光を点線で示した吸光波長領域Ｃ内の光に変換する波長変換材料とする。このような波長変換部３０を設けることにより、超格子半導体層１０に吸収され光電変換に利用される光の量を多くすることができ、太陽電池２０の光電変換効率を向上させることができる。
【００３５】
以上のような場合、第１吸光波長領域は、吸光波長領域ＡまたはＢである。第１吸光波長領域が吸光波長領域Ａの場合、第２吸光波長領域は、吸光波長領域ＢまたはＣである。第１吸光波長領域が吸光波長領域Ｂの場合、第２吸光波長領域は吸光波長領域Ｃである。従って、波長変換部３０は、吸光波長領域Ａと吸光波長領域Ｂとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域Ｃ内の波長の光に波長変換するものであってもよい。
また、第１吸光波長領域が吸光波長領域Ａであり、第２吸光波長領域が吸光波長領域Ｂである場合、吸光波長領域Ｃは、第３吸光波長領域であってもよい。
【００３６】
なお、図１３は、量子層５の価電子帯の量子準位によりミニバンドが形成され、量子層５の伝導帯の量子準位によりミニバンドが形成された場合の超格子半導体層１０のバンド図であり、この場合、図１３の矢印３００の光励起が図１２の矢印２００の光励起に対応し、図１３の矢印３０１の光励起が図１２の矢印３０１の光励起に対応し、図１３の矢印３０２の光励起が図１２の矢印２０２の光励起に対応する。このような場合、ミニバンドをキャリアが移動可能であるため、電子の二段階光励起の確率を高くすることができ、光電変換効率を高くすることができる。
また、ミニバンドを形成することで量子層に起因する吸光波長領域が広くなり好ましい。効率的に光吸収を行う観点から、量子層に起因する吸光波長域内の最も長い波長と最も短い波長のエネルギー差が５０ｍｅＶ以上であることが好ましく、さらには１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。
【００３７】
量子層５は、図１〜３、６、７、９、１０に示した太陽電池２０のように複数の量子ドット７からなる量子ドット層６であってもよく、図４、８に示した太陽電池２０のようにナノワイヤ中に形成された量子ドット７であってもよく、図５に示した太陽電池２０のように量子井戸層９であってもよい。
量子ドット層６は、複数の量子ドット７を含む層であり、量子ドット７は、障壁層８を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子効果により、量子準位を有する。
超格子半導体層１０に含まれる複数の量子ドット７は、すべて同じ材料から構成されてもよく、異なる材料から構成された量子ドット７を含んでもよい。また、超格子半導体層１０に含まれる複数の量子ドット７が混晶からなる場合、複数の量子ドット７は、異なる混晶比からなる量子ドット７を複数種類含んでもよい。複数種類の材料、混晶比から成る量子ドット７を含めることで超格子構造太陽電池の量子エネルギー準位の数を変えることができる。このような量子ドット７は、例えば図７に示した太陽電池２０に含まれる量子ドット７ａ、７ｂのように設けることができ、また、図１０に示した太陽電池２０に含まれる量子ドット７ａ〜７ｄのように設けることができる。
複数種類の量子ドットを有する太陽電池の変換効率は理論計算によると、１種類の量子ドットを用いた場合、最大効率は６３％であるが、２種類の量子ドットを用いた場合、最大効率は７０％、３種類の量子ドットを用いた場合、７３％、また４種類の量子ドットを用いた場合、７５％となる。一方、５種類以上の量子ドットを用いた場合は、効率の伸びが著しく鈍化するため、１〜４種類の量子ドットで高いポテンシャルが得られ、４種類の量子ドットで最も高いポテンシャルを得られる。
【００３８】
超格子半導体層１０に含まれる複数の量子ドット７は、ｘ方向のサイズ、ｙ方向のサイズ、ｚ方向のサイズが実質的にすべて同じサイズから構成されてもよく、異なるサイズから構成された量子ドット７を複数種類含んでもよい。複数種類のサイズを有する量子ドット７を含めることで超格子構造太陽電池の量子エネルギー準位の数を変えることができる。このような量子ドット７は、例えば図６に示した太陽電池２０に含まれる量子ドット７ａ、７ｂのように設けることができ、また、図９に示した太陽電池２０に含まれる量子ドット７ａ〜７ｄのように設けることができる。
量子ドット７を含む超格子半導体層１０は、例えば、ＳＫ成長により作製することができる。
【００３９】
障壁層８は、量子ドット７を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドット７の周りのポテンシャル障壁を形成する。
本実施形態において、太陽電池２０は、その超格子半導体層１０に、例えばＩｎxＧａ1-xＡｓからなる量子ドット層６、ＡｌxＧａ1-xＡｓからなる障壁層８を用いることができる。また、ＩｎxＡｓ1-xＳｂからなる量子ドット層６、ＡｌxＡｓ1-xＳｂからなる障壁層８を用いることができる。他にＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰの材料およびこれらの混晶材料を超格子半導体層１０に用いてもよい。また、超格子半導体層１０を構成する障壁層８、量子ドット層６を構成する材料として、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＳｂzＡｓ1―z、ＡｌxＧａyＩｎ1-x―yＰ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮなどを用いることもできる。上記以外のIII−V族化合物半導体、カルコパイライト系材料、II−VI族化合物半導体、IV族半導体あるいはこれらの混晶材料を用いても良い。
【００４０】
混晶からなる量子ドット層６、障壁層８は、混晶の元素割合を適宜変更することで、格子定数を所望の値や基板に合わせて変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層６と障壁層８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。
【００４１】
超格子半導体層１０は、図４に示すように直径が１００ｎｍ以下のナノワイヤ中に量子ドット７を積層し複数のナノワイヤを並べた構造（量子ドットナノワイヤ構造）を用いてもよい。図４で示す構造では１本のナノワイヤに含まれる量子ドット７のサイズは同じである。
このような構造は量子ドット７の歪みを可能な限り減らして積層することができ、その結果均一な量子ドット７を積層することができるという特徴がある。
また、複数のナノワイヤの空隙にＢＣＢのような樹脂４０を用いて埋めることができるが、代わりに波長変換材料を埋め込むこともできるという特徴を有する。この場合、複数のナノワイヤの空隙が波長変換部３０となる。この場合、波長変換された光が太陽電池内部で複数回反射することが可能となり（実効的な光路長が増大する）より有効的に光を利用できるようになる。
また、図１〜３と同様に、超格子構造太陽電池２０の直上や超格子構造太陽電池の表面側もしくは裏面側に波長変換部３０を形成することもできる。
【００４２】
以上は量子ドット７を用いた超格子構造太陽電池２０を説明してきたが、図５に示すように量子井戸層９を有する超格子構造太陽電池２０においても本発明を適用することができる。すなわち、量子井戸を用いた超格子構造太陽電池においても、量子層５に起因する吸収スペクトル領域が狭いという問題がある。
【００４３】
量子井戸を用いた超格子構造太陽電池２０においても、図１〜３と同様に、超格子構造太陽電池２０の直上や超格子構造太陽電池２０の表面側もしくは裏面側に波長変換部３０を形成することができる。
【００４４】
図６は同じ材料・混晶比であるが異なるサイズの量子ドット７ａ、７ｂを交互に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に２つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なるサイズの量子ドット７ａ、７ｂを交互に並べる手法ではなく、超格子構造を２つの部分に分け、超格子構造の下部でサイズの同じ量子ドット７を積層し、上部にサイズの異なる量子ドット７を積層してもよい。
【００４５】
図７は同じサイズであるが異なる材料・混晶比の量子ドット７ａ、７ｂを交互に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に２つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なる材料・混晶比の量子ドット７ａ、７ｂを交互に並べる手法ではなく、超格子構造の下部と上部に、それぞれ材料・混晶比の異なる量子ドット７ａ、７ｂを積層しても良い。
【００４６】
図８は直径が１００ｎｍ以下のナノワイヤ４３中に量子ドット７を積層した構造（量子ドットナノワイヤ構造）である。図８では１本のナノワイヤ４３に含まれる量子ドット７のサイズは同じである。
２つの異なるサイズの量子ドット７が含まれたナノワイヤ４３を、1辺３００ｎｍ（紫外領域の波長程度）以下の正方形の面積内に半分ずつ程度、高密度に形成することで、太陽光を余すことなく吸収する事ができる。２つの異なるサイズを有する量子ドットナノワイヤ構造は交互に配置されることが、効率的に太陽光を吸収できるため好ましい。
また、このような構造を用いれば歪みがｘ方向に緩和するため、サイズ（ｘ方向、ｚ方向いずれのサイズも含む）が異なる量子ドットを形成しやすい。また２種類以上の異なるサイズを有する量子ドットナノワイヤ構造を形成することも容易である。
このような量子ドットナノワイヤのナノワイヤ４３間の空隙もしくは超格子構造太陽電池の上部に波長変換材料を設けることで、効率的に波長変換を行うことができる。
【００４７】
図９は同じ材料・混晶比のであるが異なるサイズの量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを周期的に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に４つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なるサイズの量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを周期的に並べる手法ではなく、超格子構造を４つの部分に分け、それぞれのパートに異なる量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを積層してもよい。
【００４８】
図１０は同じサイズであるが異なる材料・混晶比の量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを周期的に積層した構造である。このような構造にすることで中間準位に４つの異なるエネルギー準位を形成することができる。このような構造は異なる材料・混晶比の量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを周期的に並べる手法ではなく、超格子構造を４つの部分に分け、それぞれのパートに異なる量子ドット７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを積層してもよい。
【００４９】
例えば障壁層８にＧａＡｓ、量子層５にＩｎＧａＡｓを用いた超格子構造太陽電池２０は、ＩｎＧａＡｓの組成、サイズを適宜調節することで量子層５の量子エネルギー準位を自由に変えることができ、超格子半導体層１０が図１６のような光吸収スペクトルを持つ場合にエネルギー変換効率が高くなり得る。この場合、超格子半導体層１０は、図１２のようなバンド構造を有する。図１６の吸光ピークＡが障壁層材料のバンドギャップに起因する光吸収を示し、図１６の吸光ピークＢが図１２の矢印２０１の光励起に対応する光吸収を示し、図１６の吸光ピークＣが図１２の矢印２０２の光励起に対応する光吸収を示している。また、図１６の吸光ピークＢが図１２の矢印２０２の光励起に対応し、図１６の吸光ピークＣが図１２の矢印２０１の光励起に対応してもよい。図１６における量子層５に起因する吸光ピークＢ、吸光ピークＣのピーク幅や吸収波長は一例であり、この図に記載されたピーク幅や吸収波長でなくても、障壁層材料の吸光ピークＡと量子層５に起因する吸光ピークＢ、Ｃとを有すればエネルギー変換効率は高くなり得る。
【００５０】
超格子半導体層１０が図１６のような光吸収スペクトルを有する場合、図１７のように波長変換部３０により入射光が波長変換されると太陽電池２０のエネルギー変換効率の高くなる。すなわち、波長８９０ｎｍ近傍から１３００ｎｍ近傍の太陽光（４０３が波長変換される前のスペクトル領域）を１３００ｎｍ程度の太陽光（４０４が波長変換された後のスペクトル領域）に波長変換する波長変換材料と、１４００ｎｍ近傍から２７００ｎｍ近傍の太陽光（４０５が波長変換される前のスペクトル領域）を２７００ｎｍ程度の太陽光（４０６が波長変換された後のスペクトル領域）に波長変換する波長変換材料とを波長変換部が備えるとよい。
なお、この波長変換４０７、４０８はスペクトル領域４０３と４０５の全ての領域を必ずしも波長変換する必要はなく、少なくともスペクトル領域４０３と４０５のいずれか一方の、一部の領域を変換できればエネルギー変換効率が高くなり得る。
【００５１】
１３００ｎｍ程度の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂなどがある。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長１３００ｎｍに合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。これらはコアシェル構造、混晶材料としてもよい。コアシェル構造としては、ＰｂＳ／ＣｄＳ、ＰｂＳｅ／ＣｄＳｅ、ＰｂＴｅ／ＣｄＴｅ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ／ＩｎＧａＳｂなどがある。
【００５２】
２７００ｎｍ程度の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂなどがある。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長２７００ｎｍに合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。これらはコアシェル構造、混晶材料としてもよい。コアシェル構造としては、ＰｂＳ／ＣｄＳ、ＰｂＳｅ／ＣｄＳｅ、ＰｂＴｅ／ＣｄＴｅ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ／ＩｎＧａＳｂなどがある。
【００５３】
以上のような構成は２種類（同じ材料でもサイズや混晶比が異なれば別の種類となる）の波長変換材料からなると好ましいが、波長変換４０７もしくは４０８のどちらか一方に、もしくは両者共に複数の波長変換材料を用い、吸収と発光を複数回繰り返した後、所望の波長に変換しても良い。
波長変換はできるだけ量子効率を高く行うことがより高いエネルギー変換効率の観点から好ましく、そのような材料としてフェルスター機構を利用できる有機材料の波長変換材料を用いることもできる。
【００５４】
図２０は、障壁層８に例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＳｂの内いずれか1種類を用い、量子層５に例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｓＮ、ＩｎＡｓＳｂの内いずれか１種類を用いて作製した超格子半導体層１０の光吸収スペクトルである。この場合、吸光波長領域Ａと吸光波長領域Ｂとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域Ｂ内の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＣｕＩｎＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＴｅ2などを用いることができる。
また、吸光波長領域Ｂと吸光波長領域Ｃとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域Ｃ内の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂなどを用いることができる。
いずれの波長変換においても、波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
【００５５】
図２１は、障壁層８にＣｕＩｎ（ＧａＡｌ）Ｓｅ2を用い、量子層５にＣｕＩｎＧａＳｅ2を用いて作製した超格子半導体層１０の光吸収スペクトルである。この場合、吸光波長領域Ａと吸光波長領域Ｂとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域Ｂ内の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＣｕＩｎＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＴｅ2などを用いることができる。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
また、吸光波長領域Ｂと吸光波長領域Ｃとの間の波長領域内の波長の光を吸光波長領域Ｃ内の光に波長変換する波長変換材料としては、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＣｕＩｎＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＴｅ2などを用いることができる。波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
以上のような波長変換材料を備えることで、従来吸収が十分でなかったスペクトルを吸収できるだけでなく、量子層５から障壁層８へのキャリア取り出しを効率的に行える。
【００５６】
以上のような構成は、図１６、２０、２１のように超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが３つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池について主に説明したが、超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが４つ以上の吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池についても同様に適用できる。
【００５７】
超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが４つ以上の吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池については、波長変換されると好ましいスペクトル領域の数は増大する。しかし、後述するように光吸収スペクトルが密になれば波長変換されると好ましいスペクトル領域の数は逆に少ない方が好ましい場合もある。
以下では超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが５つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池について説明する。
【００５８】
超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが５つの吸光波長領域を有する超格子構造太陽電池は例えば、図６〜８に示すように２種類の量子ドットを有する構造を持ち、バンド図は図１４のようになっている。
図２２は、障壁層に例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＳｂの内１種類を用い、量子層に例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｓＮ、ＩｎＡｓＳｂの内から少なくともサイズ、材料、混晶比のいずれか１つが異なる２種類を用いて作製された超格子半導体層１０の光吸収スペクトルである。
【００５９】
このような超格子半導体層１０を有する超格子太陽電池では、波長変換部３０により、例えば９００ｎｍから１２００ｎｍ近傍にかけての波長領域の光が１２００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換され、１２００ｎｍから１８００ｎｍ近傍にかけての波長領域の光が１８００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換され、１８００ｎｍから２８００ｎｍ近傍にかけての波長領域の光を２８００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換されればよい。
【００６０】
１２００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＣｕＩｎＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＴｅ2などがあり、１８００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂなどがある。２８００ｎｍ近傍の波長領域の光へ波長変換する波長変換材料としては例えばＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂなどがある。いずれの波長変換においても、波長変換を行うバルク材料のバンドギャップが波長変換後の所望の波長に合致しない場合は、ｎｍオーダーのサイズとし量子効果を用いて所望の波長に合わせることができる。
図２２のような吸収スペクトルを有する超格子構造太陽電池の構成は例えば図６〜８のような太陽電池が考えられる。
【００６１】
以下では超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが９つの波長吸収領域を有する超格子構造太陽電池について説明する。
超格子半導体層１０の光吸収スペクトルが９つの波長吸収領域を有する超格子構造太陽電池は例えば、図９、１０に示すように４つの異なる量子ドットを有する構造をしている。
図２３は、障壁層８に例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＳｂの内から１種類を用い、量子層５に例えばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｓＮ、ＩｎＡｓＳｂの内からサイズ、材料、混晶比のいずれかが異なる４種類を用いて作製された超格子半導体層１０の光吸収スペクトルである。
この場合、光吸収スペクトルが密になるので波長変換材料の種類は少なくてもよい場合がある。例えば、図２３の吸光波長領域Ａ〜Ｅは密となるので、これらの間の光は波長変換部３０により波長変換する必要はなく、例えば、吸光波長領域ＥとＦとの間の波長領域の光、および吸光波長領域ＦとＧとの間の波長領域の光について波長変換部３０により波長変換すればよい。このように、複数種類の量子層５を用いると波長変換材料の種類も少なくすることも可能である。
図２３のような吸収スペクトルを有する超格子構造太陽電池の構成は例えば図９、１０のような太陽電池が考えられる。
【００６２】
４．超格子構造を有する太陽電池の製造方法
量子ドット層６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原材料の構成比を変えることで量子ドットの混晶比を調整することができ、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を調整することができる。
【００６３】
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、超格子構造を有する太陽電池の一形態について、その製造方法について説明する。
【００６４】
例えばｎ−ＧａＡｓ基板（ｎ型半導体基板）１を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系洗浄液によって洗浄し、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り、例えばＧａＡｓ層を形成する。続いてバッファー層３上に厚さ３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓベース層（ｎ型半導体層）４および障壁層８となるＧａＡｓ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６を形成する。このとき、堆積時間、温度、圧力、原材料の供給量、原材料の構成比などを適宜変更することで、量子ドットのサイズや組成比を所望の値に調節することができる。
【００６５】
この障壁層８と量子ドット層６との結晶成長の繰り返しを、ｎ型半導体層４に最近接の量子ドット層６からｐ型半導体層１２に最近接の量子ドット層まで行う。この時、量子ドット層をｎ型とする場合、例えば量子ドット層６は、シラン（ＳｉＨ4）を導入しながら結晶成長を行い、障壁層８中にＳｉを導入する。量子ドット７中に直接Ｓｉを導入してもよい。
続いて、厚さ２５０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層（ｐ型半導体層）１２を結晶成長させ、次いで、窓層１４としてＡｌＡｓ層を形成する。
【００６６】
続いて、フォトリソグラフィー技術とリフトオフ技術とエッチング技術によりコンタクト層１５上にｐ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。コンタクト層１５はｐ型電極１７の直下以外はエッチングにより除去することが好ましい。
ｎ型ドーパントとしては例えばＳｉを、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを用いることができる。その他のｎ型ドーパントとしては例えばＳ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｃがあり、その他のｐ型ドーパントとしてはＢｅ，Ｍｇなどがある。電極材料としては例えば、ｎ型ＧａＡｓ層に対してはＡｕＧｅＮｉ、ＡｇＳｎを用い、ｐ型ＧａＡｓ層に対してはＡｕＺｎ，ＡｇＩｎＺｎなどがある。これらは抵抗加熱蒸着法やＥＢ蒸着法で形成することができる。
ＩｎＡｓＳｂ量子ドット、ＡｌＳｂ障壁層を用いても同様に作製できる。これらの材料の場合は、基板をＧａＳｂとすれば格子不整合が小さくなりより好ましい。
波長変換部３０は、図１のように光電変換層２の受光面側に設けてもよく、図２のように光電変換層２の受光面上に設けてもよい。また、波長変換部３０は、図３のように基板１上に設けられてもよく、図１１に示すようにルミネッセンスコンバーターの内部にもう設けても良い。
また、波長変換部３０は、波長変換材料をそのまま用いても良く、樹脂やガラスに封止して用いても良い。
【００６７】
波長変換部３０の吸光領域が短波長側に広く存在する場合は（例えば図１５において、波長変換部３０の波長変換領域Ｄかつ／またはＥが光電変換層２の吸光波長領域Ａの一部または全部に重なった場合）太陽電池裏面に波長変換部３０を設ける構造が好ましい。また、２種類以上の波長変換材料からなる波長変換部３０を太陽電池裏面に設ける場合は、太陽電池に近い側から外側に向けて順に、短波長光を有する太陽光スペクトルを波長変換する層から長波長を有する太陽光スペクトルを波長変換する層を段階的に設けることが望ましい（例えば図１５において、波長変換部３０の波長変換領域Ｅが太陽電池の吸光波長領域Ｂの一部または全部に重なった場合に望ましい）。例えば２種類の波長変換材料からなる波長変換部を太陽電池裏面に設ける場合は図３の３０ｂに、より短波長の太陽光スペクトル（例えば図１５の波長変換領域Ｄ）を波長変換する層、３０ａに長波長の太陽光スペクトル（例えば図１５の波長変換領域Ｅ）を波長変換する層を設けることが望ましい。
【００６８】
このような構造にすることで、図１５の吸光ピークＡの大部分が波長変換部３０ａもしくは３０ｂによって波長変換される恐れがなくなる。また、波長変換領域Ｄの大部分かつ発光領域Ｆの大部分を（波長変換領域Ｅを有する）波長変換部３０ａが波長変換してしまう恐れがなくなるため好ましい。このように、超格子構造太陽電池においてこれまで無駄にされていた太陽光を効率的に利用することができ、量子層中から取り出されるキャリアを増大および太陽電池の電圧を増大させることができ、光電変換効率を大幅に向上させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：ｎ型半導体基板    ２：光電変換層    ３：バッファー層    ４：ベース層（ｎ型半導体層）    ５：量子層    ６：量子ドット層    ７：量子ドット    ８：障壁層    ９：量子井戸層    １０：超格子半導体層    １２：エミッター層（ｐ型半導体層）    １４：窓層    １５：コンタクト層    １７：ｐ型電極    １８：ｎ型電極    １９：反射防止膜    ２０：太陽電池    ３０ａ、３０ｂ：波長変換部    ４０：樹脂    ４３：ナノワイヤ    ４７：ＳｉＯ2膜    ５０：太陽光入射面    ５１：側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【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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【図２４】
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【図２５】
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