(57)【要約】  入射光に対する不感領域をなくすことができ、ステブラー・ロンスキー効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができ、極めて高い光電変換効率を得ることができ、大面積化も極めて容易な、太陽電池などとして用いて好適な光電変換装置を提供する。  光電変換装置は、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０と、２次元空間伝播光を導波する面状光導波路２０と、この面状光導波路２０の端部に設けられた光電変換用の半導体層３０とを有する。面状光導波路２０の主面に入射した光がその内部を導波されて半導体層３０に入射する。面状光導波路２０内を導波される光の正味の進行方向と、この面状光導波路２０の端面から半導体層３０に入射した光によりこの半導体層３０の内部に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角である。
2014061719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、互いに屈折率が異なる帯状の第１の部分および帯状の第２の部分が交互に周期的に、または一定間隔で、配列された構造を有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
上記間隔が互いに異なる複数の値に設定されたことを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項４】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、上記面状光導波路の主面または上記面状光導波路内に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項５】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、上記面状光導波路の主面または上記面状光導波路内に設けられた回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項６】
上記面状光導波路と上記半導体層とが互いに一体に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項７】
上記半導体層の互いに対向する第１の面および第２の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項８】
上記半導体層は無機半導体または有機半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項９】
上記半導体層はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１０】
上記半導体層のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的および／または連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１１】
上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１２】
上記面状光導波路は四角形の形状を有し、上記面状光導波路の互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に上記半導体層が設けられ、上記面状光導波路の上記互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に光反射機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１３】
上記面状光導波路は、上記面状光導波路内を導波される光が上記面状光導波路のうちの上記半導体層と接触する部分に集光される屈折率分布を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１４】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体上に光波進行方向変換シートが設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１５】
上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１６】
上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１７】
上記半導体層はアモルファス半導体、多結晶半導体または単結晶半導体からなることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１８】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１９】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびマイクロクリスタルＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２０】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＩＧＺＯからなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２１】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域、Ｓｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域およびＧｅからなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２２】
上記光電変換装置は太陽電池であることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２３】
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする建築物。
【請求項２４】
上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように上記半導体層が上記建築物の陰の部分に配置されていることを特徴とする請求項２３記載の建築物。
【請求項２５】
外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電変換装置、建築物および電子機器に関し、例えば、ビルの窓や各種の電子機器のディスプレイなどに設置して太陽電池として用いて好適な光電変換装置ならびにこの光電変換装置を用いた建築物および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
未来の循環型社会のキーテクノロジーとして、また単に地球温暖化を防止するのみならず、自然環境の調和した緑の地球を次代の人類に手渡すためには、太陽光のより一層の有効利用が望まれる。この観点から世界的に太陽電池が注目され、光電変換効率の向上や製造コストの低減を図るべく盛んに研究開発が行われている。【０００３】
従来の太陽電池としては、アモルファスまたは結晶シリコンを用いた太陽電池、ＧａＡｓ結晶を用いた太陽電池、有機半導体を用いた太陽電池などが知られている。これらの太陽電池は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をアノード電極とカソード電極との間に挟んだ構造を有し、ｐｎ接合の接合面に太陽光が垂直入射するタイプのものが一般的である（例えば、非特許文献１参照。）。【０００４】
この従来の太陽電池を図１に示す。図１に示すように、この従来の太陽電池は、ｐ型半導体層１５１とｎ型半導体層１５２とによりｐｎ接合を構成し、ｐ型半導体層１５１上にアノード電極１５３を形成し、ｎ型半導体層１５２上にカソード電極１５４を形成したものであり、全体として板状の形状を有する。この太陽電池においては、一方の主面１５５に垂直に入射する光１５６の進行方向と、この光１５６の入射によりｐｎ接合中に生成される電子および正孔がドリフトまたは拡散によりそれぞれカソード電極１５４およびアノード電極１５３に向かう方向、言い換えるとキャリアの正味の移動方向とが平行になっている。このため、光１５６の吸収を十分に行うためにｐ型半導体層１５１およびｎ型半導体層１５２を厚くしようとすると、アノード電極１５３とカソード電極１５４との間の距離が大きくなってしまうため、光吸収の増大とキャリアの収集効率の向上とを両立させることは極めて困難であり、ひいてはこれが光電変換効率の向上を妨げていた。即ち、従来の太陽電池においては、吸収光子数およびフォトキャリア収集効率は、共に電極間隔、言い換えればｐ型半導体層１５１およびｎ型半導体層１５２の合計の厚さｄに依存し、トレードオフの関係にあるため、光電変換効率ηはｄに対し、図２の太い実線で示すように振舞う。また、従来の太陽電池は、量産性に富むものはその多くが単一のバンドギャップを用いているため、光電変換効率としては、図３の実線で示すように、理論的に最大でも３０％程度しか得られない問題があった。これを補うために、太陽電池をスタック構造としたり、マルチ接合構造や互いにバンドギャップが異なる複数種の半導体を用いて太陽電池を構成したりする試みもあるが、これらの太陽電池はいずれも大面積化が容易ではないという問題がある。理論的には、図３に示すように、Ｎ＝１０、即ち１０段階のバンドギャップを用いることで約６０％の高効率が得られる。【０００５】
他方、光電変換効率の大幅な向上を図ることを目的として、最近、ｐｎ接合の接合面に平行に太陽光が入射するタイプの太陽電池が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この太陽電池は、アノード電極とカソード電極とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合を挟んで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。ｐ型半導体層およびｎ型半導体層のバンドギャップＥg は、光入射面から円板の厚さ方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、光入射面側から順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。【０００６】
図４は、ロールツーロールプロセスで製造された、特許文献１に記載の太陽電池の一例を示し、円板の直径方向の断面を示す。この太陽電池を製造するには、透明な樹脂製のベースフィルムを用いて、その上に太陽電池のアノード電極、半導体層およびカソード電極を形成し、ベースフィルムを巻き込みながら渦巻き構造を形成する。図４に示すように、この太陽電池では、ベースフィルム２０１の幅方向（円板の厚さ方向）に順にアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５が形成されている。これらのアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５はベースフィルム２０１の長手方向に細長く延びて形成されている。これらのアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５の上にバンドギャップＥg がそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4（Ｅg1＞Ｅg2＞Ｅg3＞Ｅg4）の半導体からなる領域２０６、２０７、２０８、２０９が形成されている。これらの領域２０６、２０７、２０８、２０９のアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５とは反対側の面には全面電極であるカソード電極２１０が形成されている。ここで、領域２０６、２０７、２０８、２０９の円板の厚さ方向の幅は典型的には数十μｍ程度、円板の直径方向の幅は典型的には１５０ｎｍ程度である。これに対し、図４においては図示の都合上ベースフィルム２０１の厚さは極端に小さく描かれているが、ベースフィルム２０１の厚さは例えば約１００μｍ程度であり、領域２０６、２０７、２０８、２０９の円板の直径方向の幅に比べて３桁程度大きい。【０００７】
なお、光電変換材料に単一物質を用いた太陽電池に関するものであるが、集光システムを使わず、光の伝播を考えて光電変換効率の向上を目指した報告がある（非特許文献２、３参照。）。また、レンズ等を用いた集光システムを使うと、太陽光を受ける面積に対し、素子の面積を小さくすることができ、また、集光による光子数の増大により光電変換効率が向上することが知られているが、集光により太陽電池の温度も上昇してしまうため、光電変換効率の低下に繋がっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４０２２６３１号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】D.J.Friedman,J.F.Geisz,S.R.Kurtz,and J.M.Olson,July 1998・NREL/CP-520-23874
【非特許文献２】Efficiency enhancement in Si solar cells by textured photonic crystal back reflector, L. Zeng, et.al., Appl. Phys. Lett. 89, 111111 ＿2006＿
【非特許文献３】Conversion of Light Propagation Direction for Highly Efficient Solar Cells, Ikuo Suemune, Applied Physics Express 4, 102301 (2011)
【非特許文献４】［平成２４年１０月１３日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.hikari-energy.jp/websheetouyou.pdf 〉
【非特許文献５】［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.brl.ntt.co.jp/J/activities/file/report02/J/report15.html 〉
【非特許文献６】日本学術振興会69委員会  資源・素材学会研究委員会 2013 年3 月21日  資料6-4   ＮＥＤＯ
【非特許文献７】［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist＿j/new ＿research/nr20080829/nr20080829.html 〉
【非特許文献８】［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100092910.pdf 〉
【非特許文献９】［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100086784.pdf 〉
【非特許文献１０】［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://hashi.shinshu-u.ac.jp/research/research2/research2.html〉
【非特許文献１１】M.Liu,M.B.Jonson,and H.J.Snaith,Nature,published online 11 Sep.2013,doi:10.1038/nature12509
【非特許文献１２】KURENAI : Kyoto University Research Information Repository［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://hdl.handle.net/2433/120869 〉
【非特許文献１３】Sci. Technol. Adv. Mater. 11 (2010) 044305 (23pp)  doi:10.1088/1468-6996/11/4/044305
【非特許文献１４】Kentaro Imamura, Francisco C. Franco, Jr., Taketoshi Matsumoto, and Hikaru Kobayashi, 貼ochUltra-low reflectivity polycrystalline siliconsurfaces formed by surface structure chemical transfer method", APPLIED PHYSICSLETTERS 103, 013110 (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図４に示す太陽電池では、円板の一方の面に垂直に入射する光は、透明なベースフィルム２０１を透過して円板の他方の面から外部に抜け出てしまい、光電変換には何ら寄与しない。即ち、ベースフィルム２０１は入射光に対して不感領域となるが、円板の面積に占めるこのベースフィルム２０１の端面の面積、つまり不感領域の面積の割合は極めて大きいことが分かる。これがこの太陽電池の光電変換効率を制約していた。また、太陽光がベースフィルム２０１内を導波されて深部に位置する半導体領域に直接侵入する経路も存在するため、深部の半導体がアモルファスシリコンである場合には、光入射により太陽電池の光電変換効率が低下する、いわゆるステブラー・ロンスキー（ＳＷ）効果があり、深部の半導体が有機半導体である場合には、太陽光の紫外成分による有機半導体の劣化の問題があった。この問題は、一般のアモルファスシリコン太陽電池でも同様である。加えて、アモルファスシリコン太陽電池では、半導体層の厚さを大きくしても空間電荷効果により内部電界が減殺され、特性が向上しないという問題があった。【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、入射光に対する不感領域をなくすことができ、ステブラー・ロンスキー効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができ、極めて高い光電変換効率を得ることができ、大面積化も極めて容易な、太陽電池などとして用いて好適な光電変換装置ならびにこの優れた光電変換装置を用いた建築物および電子機器を提供することである。【００１２】
また、この発明が解決しようとする他の課題は、集光型太陽発電において、集光した光の導入による副産物としての温度上昇により、本来集光無しの場合よりも高まる光電変換効率が相殺されてしまうのを防止することができる光電変換装置を提供することである。【００１３】
また、この発明が解決しようとするさらに他の課題は、レンズ等を用いる集光型太陽発電において、太陽の直射光が欠けた場合、つまり拡散光がメインとなった場合に光電変換効率が低下する問題があったが、これを解決することができる光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、この発明は、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする光電変換装置である。【００１５】
典型的には、面状光導波路と半導体層とは互いに一体に設けられ、例えば、それらの端部同士が接合されて一体化される。半導体層の互いに対向する一対の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極が設けられる。これらの第１の電極および第２の電極の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。【００１６】
θは、具体的には、例えば、π／２−δ≦θ≦π／２＋δに選ばれる。ただし、δは、第１の電極および第２の電極のうちのアノード電極として用いられるものの、半導体層内の光の進行方向に平行な方向の幅（電極幅）に対する半導体層の厚さの比に対応し、δ〜半導体層の厚さ／電極幅である。【００１７】
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、例えば、互いに屈折率が異なる帯状の第１の部分および帯状の第２の部分が交互に周期的に、または一定間隔で、配列された構造を有する。この３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、典型的には、面状光導波路の主面または面状光導波路内に設けられる。具体的には、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、例えば、面状光導波路の主面または面状光導波路内に設けられた回折格子である。この回折格子は従来公知の方法により形成することができる。例えば、面状光導波路の主面にインプリント技術により凸部を周期的に形成したり、この主面に周期的に凹部を形成し、この凹部に面状光導波路と異なる屈折率を有する材料を埋め込んだり、イオン交換により屈折率を変えたりすることにより回折格子を形成することができる。あるいは、面状光導波路の主面に、周期構造からなる回折格子が形成された透明プラスチックフィルムを張り付けたりすることもできる。３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体上には、必要に応じて、光波進行方向変換シート（例えば、非特許文献４参照。非特許文献４では集光シートと呼ばれている。）が設けられる。【００１８】
面状光導波路は、平面状光導波路であっても、曲面状光導波路であってもよい。また、面状光導波路の平面形状は必要に応じて選ばれるが、典型的には、四角形、例えば長方形または正方形の形状を有する。この場合、面状光導波路のこの四角形の互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する面状光導波路の端部に半導体層が設けられ、好適には、この四角形の上記の互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する面状光導波路の端部に光反射機構が設けられる。この場合、面状光導波路の主面に入射した光が面状光導波路内を導波される際にこの光反射機構に入射すると反射され、半導体層に向かう方向に光路が曲げられることにより、半導体層の端面に入射する光の量が多くなる。【００１９】
好適には、面状光導波路の主面に光が入射する際に半導体層に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光電変換装置の主面に光が入射する場合、面状光導波路の主面には光が入射するが、半導体層の面には光が直接入射しない。こうすることで、半導体層に直接入射する光により半導体層が加熱されて温度が上昇するのを防止することができるので、半導体層の特性劣化を防止することができ、ひいては、熱として散逸するエネルギーも少ないことと相まって、この光電変換装置の光電変換効率の低下を防止することができ、高い光電変換効率を得ることができる。【００２０】
面状光導波路の厚さは一般に半導体層の厚さに比べて大きいので、面状光導波路内を導波される光の有効利用を図るため、好適には、面状光導波路内を導波される光を集光して半導体層に入射させる。このためには、例えば、面状光導波路が、面状光導波路内を導波される光が面状光導波路のうちの半導体層と接触する部分（半導体層と同じ厚さを有する）に、例えば漸近的に集光される屈折率分布を有するようにする。即ち、面状光導波路内を導波される光は、この面状光導波路の屈折率分布に従って導波されるため、導波されながら漸近的に半導体層と接触する部分に集光される。【００２１】
半導体層は、無機半導体または有機半導体からなり、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。半導体層の厚さは、この半導体層内のキャリアの拡散長の関数として適宜選ばれるが、典型的には１０ｎｍ以上１００μｍ以下である。半導体層を構成する半導体は、アモルファス（非晶質）、多結晶、単結晶のいずれの形態のものであってもよい。【００２２】
無機半導体としては、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＳｉやＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体、Ｓｉx Ｇｅy Ｓｎ1-x-y Ｏ、ＳｉＮx 、ＳｉＯx 、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ）、ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）、ＣｕＩｎＧａＳｅＴｅなどを用いることができる（例えば、非特許文献５〜１０参照。）。これらの半導体は、例えば、Ｉｎ、ＧａなどのＩＩＩ族元素の組成比の制御や硫黄（Ｓ）の混合などによってバンドギャップを制御することができるのが特徴である。半導体層は、これらの無機半導体からなる微粒子により構成することもできる。【００２３】
有機半導体としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ペンタセンなどのポリアセン、ポリアセチレン（好ましくは二置換型ポリアセチレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリアニリン、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン）（ＰＤＡＦ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）、ポリ（１−ヘキシル−２−フェニルアセチレン）（ＰＨX ＰＡ）（発光材料としては青色の発光を示す）、ポリ（ジフェニルアセチレン）誘導体（ＰＤＰＡ−n Ｂｕ）（発光材料としては緑色の発光を示す）、ポリ（ピリジン）（ＰＰｙ）、ポリ（ピリジルビニレン）（ＰＰｙＶ）、シアノ置換型ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＣＮＰＰＶ）、ポリ（３，９−ジ−tert−ブチルインデノ［１，２−ｂ］フルオレン（ＰＩＦ）などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ）を用いることができ、アクセプタとしてはハロゲン類（Ｂｒ2 、Ｉ2 、ＣＩ2 ）、ルイス酸（ＢＦ3 、ＰＦ5 、ＡｓＦ5 、ＳｂＦ5 、ＳＯ3 ）、遷移金属ハロゲン化物（ＦｅＣｌ3 、ＭｏＣｌ5 、ＷＣｌ5 、ＳｎＣｌ4 ）、有機アクセプタ分子としてはＴＣＮＥ、ＴＣＮＱを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン（ＴＥＡ+ ）、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ+ ）、Ｌｉ+ 、Ｎａ+ 、Ｋ+ 、陰イオンとしてはＣｌＯ4 - 、ＢＦ4 - 、ＰＦ6 - 、ＡｓＦ6 - 、ＳｂＦ6 - などを用いることができる。有機半導体としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ（チオフェン−３−酢酸）、サルフォネートポリスチレン、ポリ（３−チオフェンアルカンサルフォネート）など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）前駆体高分子、ポリ（ｐ−メチルピリジニウムビニレン）、プロトン化ポリ（ｐ−ピリジルビニレン）、ポロトン（２−Ｎ−メチルピリジニウムアセチレン）などを用いることができる。半導体層として低不純物濃度にドープされた有機半導体層を用いる場合、この有機半導体層はヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造とすることができる。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体層においては、ｐ型有機半導体膜およびｎ型有機半導体膜とを第１の電極および第２の電極と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体層は、ｐ型有機半導体分子とｎ型有機半導体分子との混合物からなり、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。【００２４】
半導体層を構成する半導体としては、無機半導体および有機半導体のほかに、有機無機ハイブリッド半導体を用いることもできる。このような有機無機ハイブリッド半導体としては、例えば、ペロブスカイト系半導体（例えば、非特許文献１１参照。）を用いることができる。【００２５】
好適には、第１の電極および第２の電極は半導体層とオーミック接触している。半導体層として有機半導体を用いる場合は、第１の電極および第２の電極は半導体層とオーミック接触していなくてもよい。第１の電極および第２の電極としては、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属のほか、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの各種の透明導電性酸化物などを用いることができるが、これに限定されるものではない。【００２６】
好適には、半導体層のバンドギャップ、あるいは半導体層が有機半導体からなる場合にはＨＯＭＯ（最高被占分子軌道）−ＬＵＭＯ（最低非占分子軌道）ギャップが光の進行方向に順に段階的および／または連続的に減少するようにする。こうすることで、例えば、光電変換装置の半導体層の主面に太陽光が入射した場合、この太陽光は、面状光導波路内を導波されて半導体層に入射すると、バンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、半導体層のバンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの変化のさせ方および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。典型的には、半導体層は、バンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の互いに対向する一対の面に第１の電極および第２の電極が設けられ、これらの第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられる。【００２７】
好適には、半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上である。【００２８】
半導体層が、バンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなる場合、これらの領域の例を挙げると、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域、あるいは、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域およびマイクロクリスタルＳｉy Ｇｅ1-y からなる領域、あるいは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）からなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y からなる領域、あるいは、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域、Ｓｉy Ｇｅ1-y からなる領域およびＧｅからなる領域である。【００２９】
光電変換装置には、太陽電池のほか、光センサーなども含まれる。必要に応じて、光電変換装置または太陽電池を複数組み合わせてモジュール化あるいはシステム化してもよい。【００３０】
また、この発明は、
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする建築物である。【００３１】
ここで、建築物は、光電変換装置を設置可能な建築物であれば、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、ビルディング、マンション、戸建住宅、アパート、駅舎、校舎、庁舎、競技場、球場、病院、教会、工場、倉庫、小屋、橋などが挙げられる。これらの建築物への光電変換装置の設置箇所は特に限定されず、必要に応じて選ばれる。設置箇所の例を挙げると、これらの建築物のガラス窓や採光部などである。この場合、光電変換装置は、例えば、これらの建築物やその内部に設置される電気製品の電源として用いられる太陽電池である。好適には、面状光導波路の主面に光が入射する際に半導体層に光が直接入射しないように半導体層が建築物の陰の部分に配置される。例えば、面状光導波路が緩やかな曲率を有する部分を含むようにし、この部分を、例えば、瓦の下、屋根の中央部迫り出し稜線の下、窓の枠あるいは桟等に配置する。【００３２】
また、この発明は、
外面に取り付けられた光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする電子機器である。【００３３】
電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。この場合、光電変換装置は、例えば、これらの電子機器の電源として用いられる太陽電池である。
【発明の効果】
【００３４】
この発明によれば、面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、面状光導波路の端面から半導体層に入射した光により半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であるので、光の入射方向の光電変換層の厚さの選択による光の吸収量の最大化と電極間距離の最小化とを両立させることができる。このため、極めて高い光電変換効率を得ることができる。また、面状光導波路の主面の全体で入射光を受けることができるので、入射光に対する不感領域がない。また、面状光導波路の主面に入射した光が面状光導波路内を導波されて半導体層に入射するので、半導体層に光が直接入射しないようにすることができる。このため、半導体層が例えばアモルファスシリコンや有機半導体からなる場合であっても、ステブラー・ロンスキー（ＳＷ）効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができる。また、面状光導波路の面積を大きくすることにより、光電変換装置の大面積化も極めて容易である。また、半導体層のバンドギャップあるいは半導体層が有機半導体からなる場合にはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の入射方向に段階的および／または連続的に減少するようにすることにより、太陽光スペクトルの主要部あるいは全部の波長の光を吸収して光電変換することができ、究極的には理論最大効率に迫る光電変換効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の太陽電池を示す断面図である。
【図２】太陽電池の電極間距離と光電変換効率との関係を示す略線図である。
【図３】光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。
【図４】特許文献１で提案された太陽電池を示す略線図である。
【図５Ａ】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置を示す平面図である。
【図５Ｂ】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置を示す断面図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を示す断面図である。
【図８】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の半導体層の一例を示す断面図である。
【図９】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を示す断面図である。
【図１０】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置において面状光導波路上に光波進行方向変換シートが設けられた例を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。
【図１１Ｂ】図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。
【図１１Ｃ】図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。
【図１２】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の光電変換効率が半導体層の光吸収率と無関係に定まることを示すために行った実験結果を示す略線図である。
【図１３】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の光電変換効率が半導体層の光吸収率と無関係に定まることを示すために行った別の実験結果を示す略線図である。
【図１４】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置において半導体層が互いにバンドギャップが異なる四種類の半導体からなる場合における光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。
【図１５】シリコン中における各種の元素の拡散係数の温度依存性を示す略線図である。
【図１６】レーザアニールにより結晶化されたアモルファスシリコン層のラマン散乱測定の結果を示す略線図である。
【図１７Ａ】Ｓｉ基板の表面を部分的に改質してＳｉＧｅ層およびＳｉＣ層を形成した試料を示す図面代用写真である。
【図１７Ｂ】Ｓｉ基板の表面を部分的に改質してＳｉＧｅ層およびＳｉＣ層を形成した試料を示す断面図である。
【図１８】図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉＧｅ素子部分の電流密度−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。
【図１９】図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉ素子部分の電流密度−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。
【図２０】図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉＣ素子部分の電流−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。
【図２１Ａ】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の半導体層の成長方法の一例を説明するための平面図である。
【図２１Ｂ】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の半導体層の成長方法の一例を説明するための断面図である。
【図２２】この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の半導体層の成長方法の他の例を説明するための断面図である。
【図２３】この発明の第２の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路の光導波性能を検証するために行ったシミュレーションのモデルを示す略線図である。
【図２４】この発明の第２の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路の光導波性能を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。
【図２５】この発明の第４の実施の形態による複合光電変換装置を示す等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という。）について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態においては、原則として、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００３７】
〈第１の実施の形態〉
［光電変換装置］
図５Ａおよび図５Ｂは第１の実施の形態による光電変換装置を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この光電変換装置は、長方形または正方形の面状光導波路２０と、この面状光導波路２０の互いに平行な一対の辺に相当する端面に設けられた光電変換用の半導体層３０とを有する。半導体層３０は一般的には細長い長方形の形状を有する。面状光導波路２０と半導体層３０とは互いに一体に設けられており、全体として面状の形状を有する。面状光導波路２０および半導体層３０は支持基板４０上に設けられている。
【００３８】
半導体層３０の互いに対向する一対の面（上面および下面）にそれぞれ第１の電極５０および第２の電極６０が設けられている。これらの第１の電極５０および第２の電極６０の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。例えば、第１の電極５０がアノード電極、第２の電極６０がカソード電極として用いられる。第１の電極５０および第２の電極６０は、半導体層３０が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されている場合には各領域毎に設けられてもよいし、一方が全ての領域上に延在する全面電極であってもよい。
【００３９】
面状光導波路２０を構成する材料の屈折率をｎ1 とする。この場合、面状光導波路２０の主面からなる光入射面２０ａに屈折率ｎ2 （ｎ2 ＞ｎ1 ）の材料からなるストライプ状（帯状）の埋め込み層７０が所定の配列で設けられている。この埋め込み層７０の配列に関しては、厳密な周期性は、むしろデルタ関数状の波長弁別性を持ってしまうことを考慮し、大局的には周期性を持つものの、局所的にはランダムあるいは系統的揺らぎを持たせたり、厳密な周期性からはずれた準周期性の屈折率変調構造とするのが有効である。即ち、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この場合、面状光導波路２０の面内の一定の範囲内において、ストライプ状の埋め込み層７０およびこの埋め込み層７０の間のストライプ状の面状光導波路２０が一定周期Ｐで交互に周期的に、または一定間隔で、配列されており、これによって、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成されている。ただし、図５Ａおよび図５Ｂにおいては、便宜上、面状光導波路２０の全面に埋め込み層７０が示されている。埋め込み層７０は面状光導波路２０の半導体層３０が設けられた辺に平行に延在している。埋め込み層７０の深さをＤとすると、面状光導波路２０の光入射面２０ａに垂直入射する波長λの光は、埋め込み層７０を通過した光と埋め込み層７０の両脇の部分の面状光導波路２０を通過した光との間に、構造体８０を通過した時点で、２π（ｎ2 −ｎ1 ）Ｄ／λで表される位相差を持つ。この位相差がπ、あるいはその奇数倍となるようにＤを設定することで、構造体８０を通過した時点での垂直方向に進行する光の振幅をゼロとすることができる。好適には、構造体８０の上面にはさらに反射防止膜（無反射コート）が施される。こうすることで、入射光は、横方向（面状光導波路２０の面内の方向）に伝播せざるを得なくなる。こうして、３次元空間伝播光は２次元空間伝播光になり、面状光導波路２０内を効率的に導波される。埋め込み層７０の材料としては、例えばＳｉＮが屈折率〜２で、かつ紫外（ＵＶ）〜赤外（ＩＲ）域で透明な材料として好ましいが、これに限定されるものではない。
【００４０】
また、上記周期Ｐ（あるいは一定間隔Ｗ）は、太陽光スペクトルを構成する光子の波長に対して、好適には、３ｅＶ〜０．５ｅＶのエネルギーに対応する光子の波長帯全体に亘って３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換するように設定する。最も単純には、周期をＰi ＝λi （λi は太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯から選ばれた波長、ｉ＝１〜Ｎ）とし、多重（Ｎ重）周期構造、複数間隔構造を設定する。ここでいう多重性は、面状光導波路２０の厚さ方向に複数層の周期構造（この周期性は面状光導波路２０の延在方向に沿ったものである）が存在することを言う。こうすることで、上記太陽光スペクトル全般に対し、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換することができる。好適には、多重度Ｎは、半導体層３０を構成する後述のＥgi領域の数、言い換えると半導体層３０において光の進行方向に段階的に設定されるバンドギャップの数に一致させる。周期構造の多重性、あるいは構造間隔の複数性は、構造体８０の面内に設定してもよいし、深さ方向に設定してもよく、Ｎが大きいところでは両者の併用が望ましい。これは、バンドパス多層膜構造をラテラル方向に構成することに相当する。
【００４１】
この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射した３次元空間伝播光（入射光）が２次元空間伝播光に変換されてこの面状光導波路２０内を導波され、集光された後に半導体層３０に入射するように構成されている。図６に示すように、この場合、面状光導波路２０内を導波される光の正味の進行方向と、面状光導波路２０の端面から半導体層３０に入射した光によりこの半導体層３０中に生成されるキャリア（フォトキャリア）の正味の移動方向（第１の電極５０と第２の電極６０とを最短で結ぶ方向）とのなす角度θはほぼ直角である。角度θは、具体的には、第１の電極５０の光の進行方向の幅あるいは半導体層３０が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されており第１の電極５０が各領域毎に設けられる場合には各領域毎に設けられる第１の電極５０の光の進行方向の幅をＷ´、半導体層３０の厚さをｄとすると、π／２−δ≦θ≦π／２＋δ（ただし、δ〜ｄ／Ｗ´）であり、典型的には８０°≦θ≦１００°であり、最も好適には９０°である。入射光、例えば太陽光が最初に入射する面（最上面）、図５Ｂにおいては面状光導波路２０の光入射面２０ａには、必要に応じて、入射光の反射を防止するために反射防止膜が設けられる。反射防止膜としては、従来公知のものを用いることができる。例えば、屈折率の異なる複数の材料からなる周期的多層構造が挙げられる。このほかに、ピラミッド状やエッチングにより生じる微細構造（ナノ構造・マイクロ構造）を表面に配することも有効である。特に、この面状光導波路２０の表面に設ける微細構造、即ち埋め込み層７０に、光導波方向に沿った距離ｘのある関数構造を持たせ、回折作用を持たせることで、図５Ａおよび図５Ｂに示す構造を、方向変換光導波路とも言えるリディレクション  ウエイブガイド（redirection waveguide)（即ち、３次元空間伝播光である入射光を、例えば回折により、方向転換させて２次元空間伝播光とした後、直ちに横方向に導波させることのできる機能性薄膜構造）とすることができる。これらの低反射率構造は、必要に応じて選ばれる。また、面状光導波路２０と半導体層３０との接合面には、面状光導波路２０から半導体層３０に入射する光の反射を防止するために、好適には反射防止膜が設けられる。
【００４２】
面状光導波路２０の、半導体層３０が設けられている一対の辺とは異なる一対の辺に相当する面状光導波路２０の端面に光反射機構が設けられている。この光反射機構は、例えば、面状光導波路２０の端面に設けられた光反射膜あるいは面状光導波路２０の端面が鏡面に構成されたものである。この場合、面状光導波路２０の主面に入射した光が面状光導波路２０内を導波される際にこの光反射機構に入射すると反射され、半導体層３０に向かう方向に光路が曲げられることにより、半導体層３０に入射する光量が大きくなる。
【００４３】
この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに光が入射する際に半導体層３０に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光電変換装置に光が入射する場合、面状光導波路２０の光入射面２０ａには光が入射するが、半導体層３０の面には光が直接入射しないようにする。このためには、具体的には、例えば次のようにする。例えば、第１の電極５０を覆うように半導体層３０の上方に遮光層を設ける。遮光層は従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、アルミ箔の両面にプラスチックフィルムが形成されたアルミラミネートフィルムなどである。この遮光層により、半導体層３０に光が直接入射しないようにすることができる。また、支持基板４０が建築物や電子機器の外面の一部を構成する場合には、面状光導波路２０には太陽光が入射するが、半導体層３０には太陽光が入射しないように、言い換えれば半導体層３０が陰になるように部材等により覆うようにする。例えば、建築物の窓にこの光電変換装置を設置する場合には、窓ガラスが支持基板４０となり、外部に露出した窓ガラス上に面状光導波路２０が設けられ、半導体層３０は例えばアルミニウム製の窓枠の内側に隠れるようにする。また、この光電変換装置を建築物の屋根に敷き詰める場合には、隣接する光電変換装置の端部が上下に重なり合うようにし、上の光電変換装置の端部の半導体層３０により下の光電変換装置の端部の半導体層３０が覆われるようにする。また、電子機器、例えばスマートフォンのディスプレイ部にこの光電変換装置を設置する場合には、このディスプレイ部の表面の透明部材が支持基板４０となり、外部に露出した透明部材上に面状光導波路２０が設けられ、半導体層３０はこのディスプレイ部の表面に設けられた部材の内側に隠れるようにする。
【００４４】
面状光導波路２０は透明ガラスや透明プラスチックなどからなる。透明プラスチックとしては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などが挙げられる。面状光導波路２０の素材としては、特に、プラスティックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）等に用いられるフッ素系の素材が、その低光損失性により好適である。面状光導波路２０の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば１〜１０００μｍである。面状光導波路２０の大きさ（縦横の長さ）は、この光電変換装置を設置する箇所に応じて適宜選ばれるが、一般的には、例えば（１ｃｍ〜１ｍ）×（１ｃｍ〜１ｍ）である。
【００４５】
半導体層３０は、例えば、既に挙げたものの中から必要に応じて選ばれる。半導体層３０は、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。好適には、半導体層３０のうちの第１の電極５０および第２の電極６０が接触する部分が高不純物濃度にドープされ、これらの第１の電極５０および第２の電極６０が半導体層３０とオーミック接触するようにする。半導体層３０の一辺の長さは、典型的には、この半導体層３０が設けられる面状光導波路２０の辺の長さと同一に選ばれるが、この辺と直角な辺の長さは、一般的には、例えば１０μｍ〜１ｃｍであり、典型的には２０μｍ〜１ｍｍである。面状光導波路２０の大きさは上述のように例えば（１ｃｍ〜１ｍ）×（１ｃｍ〜１ｍ）であるので、この半導体層３０の面積は一般的には面状光導波路２０の面積よりはるかに小さくて済む。即ち、この光電変換装置は、面状光導波路２０が大部分を占め、半導体層３０は端のわずかな部分しか占めない。例えば、面状光導波路２０の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ、半導体層３０の大きさが１ｍｍ×１０ｃｍとすると、面状光導波路２０と二つの半導体層３０との全体の面積に占める二つの半導体層３０の面積の割合は、２×０．１×１０／１０．２×１０．２＝０．０１９≒２％に過ぎない。これに加えて、半導体層３０の厚さは、一般的には数十μｍ以下と小さいので、半導体層３０の体積も極めて小さい。即ち、半導体層３０の使用量が極めて少なくて済む。このため、光電変換装置の製造コストの低減を図ることができる。また、この面状光導波路２０の端部を有限の曲率半径を以て、例えば下向きに９０度曲げる（ベンドする）ことで、半導体層３０中を図５Ｂにおいて縦方向に光が進行するように構成することができる。これにより、上記のように、第１の電極５０を覆うように半導体層３０の上方に遮光層を設けた場合に発生する遮光ロスを最小限に抑えることができる。
【００４６】
半導体層３０のバンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップＥg は、半導体層３０内の光の進行方向にＮ段階（Ｎ≧２）に段階的に減少しており、順にＥg1、Ｅg2、…、ＥgN（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞ＥgN）となっている。図７に一例としてＮ＝４の場合を示すが、これに限定されるものではない。図７に示すように、半導体層３０は、バンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップＥg がそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4の領域３１、３２、３３、３４からなる。各領域３１、３２、３３、３４は、面状光導波路２０の半導体層３０が設けられた辺に平行な方向に延在する細長いストライプ状の形状を有する。図７においては、各領域３１、３２、３３、３４上に互いに分離してそれぞれ第１の電極５１、５２、５３、５４が設けられている。第２の電極６０は全面電極であり、各領域３１、３２、３３、３４の共通電極である。半導体層３０を構成する各Ｅgi領域の幅（光の進行方向の幅で、図７の横方向の長さ）は、各Ｅgi領域の光電変換対象光子（各Ｅgi領域のバンドギャップＥgi以上のエネルギーを有する光子）のうち、最低エネルギーのものに対するこのＥgi領域の吸収係数をαi とすると、１／αi 以上とする。
【００４７】
Ｅgiは次のように設定することができる。例えば、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲（入射エネルギーが高い部分を含む範囲）において、波長をＮ個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側（高エネルギー側）から順に１、２、…、Ｎというように番号を付け、ｉ番目の区間の最小光子エネルギーに等しくＥgiを選ぶ。こうすることで、ｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子がＥgi領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Ｅgi領域に到達して十分に吸収されるように、面状光導波路２０と半導体層３０との接合面からこのＥgi領域までの距離を選ぶ。これによって、面状光導波路２０内を導波されて半導体層３０に入射する太陽光は、まずＥg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてＥg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg2以上でＥg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にＥgN領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥgN以上でＥgN-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、太陽光スペクトルのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。
【００４８】
Ｅgiの理想的な設定例について説明する。図３にＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーｈνと光子数ｎ（ｈν）との関係を示す。ここでは、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーをエネルギー幅Δの１０個の区間に等分するものとする。この場合の理論最大光電変換効率は約７０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の倍以上である。
【００４９】
ただし、光子数ｎ（ｈν）は
【数１】
2014061719.tif 000003
で表される。また、光電変換効率ηは
【数２】
2014061719.tif 000004
で表される。
【００５０】
各Ｅgiの設定は、各Ｅgi領域を構成する半導体の組成や半導体の形態（アモルファス、多結晶、単結晶）などを変えることにより行うことができる。具体的には、各Ｅgi領域を別種の半導体により構成する。この場合、この半導体は、吸収係数αの大小は問わず、キャリア移動度μの高いものを選ぶことができるので、選択肢が広い。無機半導体を用いる場合について具体例をいくつか挙げると次の通りである。Ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝１．８〜２．９ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg3領域をＧｅ（Ｅg ＝０．７６ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝１．８〜２．９ｅＶ）、Ｅg2領域をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。あるいは、Ｎ＝４の場合に、Ｅg1領域をＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）（Ｅg ＝〜３ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。そのほかに、次のように構成することもできる。Ｎ＝２の最も簡単な場合には、例えば、Ｅg1領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＩｎＮ（Ｅg ＝０．７ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（Ｅg ＝２．３ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａy Ｉｎ1-y Ｎ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＧａz Ｉｎ1-z Ｎ（Ｅg ＝１．１ｅＶ）、Ｅg4領域をＩｎＮ（Ｅg ＝０．７ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝５の場合には、例えば、Ｅg1領域を直径１．９ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長４４５ｎｍ）、Ｅg2領域を直径４．０ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長５８５ｎｍ）、Ｅg3領域を直径２ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長８００ｎｍ）、Ｅg4領域を直径４．５ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長１１００ｎｍ）、Ｅg5領域を直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）により構成する。さらに、ＧａＩｎＮx Ａｓ1-x やＧａＩｎＮx Ｐ1-x を用いてｘの制御だけでＮ〜１０の場合のＥgi領域を構成することも可能である。加えて、Ｔｅを含ませると大きなボウイング（bowing）を示すことが知られているＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてＥgi領域を構成してもよい。有機半導体と無機半導体とを用いる場合についての具体例を挙げると次のとおりである。例えば、Ｎ＝４の場合には、Ｅg1領域をＭＤＭＯ−ＰＰＶ（Ｅg ＝２．２ｅＶ）、Ｅg2領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をポリアセン系（ヘキサセン）半導体（Ｅg ＝１〜１．２ｅＶ）、Ｅg4領域をポリアセン系（ヘプタセン）半導体（Ｅg ＝０．６〜０．８ｅＶ）により構成する。また、Ｎ≧２の場合に、Ｅg1領域をＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）（Ｅg ＝〜３ｅＶ）、ＡｌＩｎＮ（Ｅg ＝２．８〜３ｅＶ）、またはＧａＩｎＮ（Ｅg ＝２．８〜３ｅＶ）、あるいは同様のバンドギャップを有する酸化物半導体（ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ等）のうちのいずれか一つとし、それに続く領域、例えば、Ｅg2領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）とすることで、４５０ｎｍ以下の波長の光によって生ずることが示されているステブラー・ロンスキー反応を起こす光子を、予め、ａ−Ｓｉ層に侵入する前に、光電変換しておくことで同反応を抑えることができ、従って、ａ−Ｓｉ層からなる光電変換領域の寿命を伸ばすことができる。この単なるパッシベーションでなく、有効に光電変換しつつコヒーシブエネルギーを抑える高エネルギー光子除去機能は、同じく戸外での使用には弱いとされている有機半導体光電変換部の信頼性の向上や長寿命化にも有効である。
【００５１】
各Ｅgi領域の厚さｄは必要に応じて選ばれるが、例えば数μｍ〜数十μｍである。各Ｅgi領域の幅（半導体層３０内の光の進行方向の幅）も必要に応じて選ばれるが、例えば数十μｍ〜数百μｍである。例えば、図８は図７の領域３１〜３４の拡大図であるが、各領域３１〜３４の厚さｄを数μｍ〜数十μｍ、各領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 を数十μｍ〜数百μｍ、例えば〜１００μｍに選ぶ。
【００５２】
図９に示すように、典型的な場合、各領域３１〜３４はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合により構成される。図９には、各領域３１〜３４を構成するｐｎ接合の接合面を破線で示す。
【００５３】
ところで、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光が太陽光である場合、太陽光は、地球の自転のため、時間と共に入射角を変化させる。この場合には、図１０に示すように、面状光導波路２０の、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０上に光波進行方向変換シート８５（例えば、非特許文献４）を設けることが望ましい。面状光導波路２０に反射防止膜（無反射コート）を施す場合は、この光波進行方向変換シート８５上に形成するが、この光波進行方向変換シート８５自体がその表面に持つナノ構造による実効屈折率の（自由空間から光波進行方向変換シート８５内部に入っていく間における）漸近的変化、あるいは光波進行方向変換シート８５自体がその表面に持つマイクロ構造に起因する屈折・反射等の幾何光学効果のみで、反射率を下げることも可能である。なお、光波進行方向変換シート８５の代わりに、例えばピラミッド状構造、あるいはまた、断面が３角形の集合体であって、これが断面と垂直方向（図５Ａの縦方向）に併進対称性を持つ構造を用いることも可能である。図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃは光波進行方向変換シート８５の入射光に対する光配向特性の写真であり、レーザ光を光波進行方向変換シート８５に照射し空気を介した裏面平面に放射された光を写真に撮ったものである。図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃより、レーザ光の照射角度を水平方向に傾けていった場合でも、出射光は面に直角に出ていることが分かる。従って、この光波進行方向変換シート８５を用いることで、任意の方向からの太陽光は、（面を黄道に正対するように季節により仰角を変えるのが最も好適であるが）日の出から日の入りまで、時間によらず、図９の垂直入射配置に持ってくることができ、従って、上記の３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に上述の通り効率的に変換することができる。さらには、この光波進行方向変換シート８５を用いることで、曇天や壁反射光などの拡散光もすべて、図９の光入射配置に持ってくることができる。これにより、レンズ式集光システムの難点を解決し、拡散光に対する光電変換効率向上を実現することができる。この光波進行方向変換シート８５は、回転放物面集合体のほか、プリズム状構造の集合体とすることもできる。
【００５４】
支持基板４０は、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的には、少なくとも可視光に対して透明な透明基板である。透明基板は、具体的には、例えば、ガラス板、透明プラスチック板などである。透明プラスチック板を構成する透明プラスチックとしては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などを用いることができる。支持基板４０は、具体的には、例えば、各種建築物（公共施設、ビルディイグ、マンション、戸建て住宅など）の窓ガラス、各種電子機器（携帯電話、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータ、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、テレビ、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ）などの外面の透明部材などであるが、これに限定されるものではない。
【００５５】
［光電変換装置の動作］
この光電変換装置の動作について説明する。半導体層３０はｐｎ接合とする。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この光電変換装置の面状光導波路２０の、２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成された光入射面２０ａに３次元空間伝播光、例えば太陽光が入射する。半導体層３０の面には光は直接入射しない。面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射した３次元空間伝播光は、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０により２次元空間伝播光に変換される。この２次元空間伝播光は面状光導波路２０内をその上面および下面で反射を繰り返したりしながら効率的に導波され（後述の図２４参照。）、面状光導波路２０の端面から出て半導体層３０に入射した後に半導体層３０内を進み、その過程で半導体層３０中に電子−正孔対が生成される。そして、こうして生成された電子および正孔は半導体層３０内をドリフトまたは拡散により移動し、第１の電極５０および第２の電極６０のうちの一方および他方に収集される。こうして半導体層３０内で光電変換が行われ、第１の電極５０と第２の電極６０とから外部に電流（光電流）が取り出される。
【００５６】
この光電変換装置においては、上述のようにθはほぼ直角であるため、図１に示す従来の太陽電池と異なり、吸収光子数およびフォトキャリア収集効率はトレードオフの関係ではなくなる。最も好適には、θ＝９０°とすることができる。言い換えると、第１の電極５０と第２の電極６０とを最短に結ぶ直線に垂直な方向から、面状光導波路２０内を導波されて面状光導波路２０の端面から出射される光を半導体層３０に入射させることができる。この場合、半導体層３０の吸収光子数は、光の入射方向の幅（半導体層３０が例えば領域３１〜３４からなる場合には領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 ）で支配され、光電変換効率ηは光吸収律速領域では半導体層３０の厚さｄに支配されない（図２の太い一点鎖線) 。即ち、この光電変換装置の極めて有利な点は、面状光導波路２０に対する光の入射方向とキャリアの移動方向とを例えば互いに直交させることにより、光吸収の最適化とキャリア収集効率の最適化とを完全に両立させることができることである。さらに、半導体層３０の吸収係数αの小ささは、光の入射方向の半導体層３０の幅（半導体層３０が例えば領域３１〜３４からなる場合には領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 ）を大きくすることにより補うことができるので、半導体層３０の材料として、αの大小にとらわれることなく、唯一の支配パラメータであるμの大きい材料を用いることができる。こうすることで、図２の太い一点鎖線で示すような高い光電変換効率ηを得ることが可能となる。これにより、熱力学的限界に迫る光電変換効率を得ることが可能である。
【００５７】
図１２および図１３に、この光電変換装置においては光電変換効率ηがαによる束縛から解放されることを実証するために行った実験の結果を示す。図１２の上の挿入図に示すように、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム上にＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）膜、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ膜およびＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜を順次形成し、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜上にＡｌ膜を形成した。Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さをｄとする。ＩＺＯ膜とＡｌ膜との間に電圧を印加して電圧−電流特性を測定した結果を図１２の下の挿入図に示す。図１２の黒い菱形のプロットはＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合のη、白い楕円のプロットはＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合のηの測定結果を示す。図１２の点線の直線はη∝ｄを示す。図１３はさらに他のロット（試料）での結果であり、ＩSCＶOC（ＩSCは飽和電流、ＶOCは開放端電圧）のＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さｄに対する依存性をＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合とＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合とについて測定した結果を示す。図１２および図１３より、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合にはｄが大きくなるにつれてηが大きくなるのに対して、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合の光電変換効率はｄが小さくなるにつれてηが大きくなるという逆の傾向を示す。また、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さが同じとき（例えば、１５０ｎｍ）、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合に比べて、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合の方がηが大きいことが分かる。これは、ηがＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜、より一般的には半導体層の吸収係数αに束縛されないことを意味する。
【００５８】
次に、特に、図７に示すように半導体層３０が四つの領域３１〜３４からなる場合のＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4の最適な設定例について説明する。図１４はＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーｈνと光子数ｎphとの関係を示す。図１４においては、Ｅg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4をＥg (1) 、Ｅg (2) 、Ｅg (3) 、Ｅg (4) と記載している。図１４に示すように、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーを四つの区間に分割する。この場合の理論最大光電変換効率は図１４の挿入図に示すように約５０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の約１．６倍である。
【００５９】
また、この光電変換装置は、集光システムであり、この集光効果により、図３の挿入図に示すように、さらに光電変換効率が向上し、Ｎ＝４で６０％を達成可能となる。Ｎ＝１０では、図３の挿入図から分かるように、７５％の光電変換効率も可能となる。特に、後述の傾斜パラメータ配置を用いて容易に実現することができる、半導体層３０の組成がこの半導体層３０内を進行する光の方向に傾斜した傾斜組成構造を利用することにより、Ｎを大きくすることが可能であり、しかも、電極５０、６０のうちの少なくとも一方は、Ｎ個の領域（セグメント）に対して一括して形成することが許される（即ち、並列接続のタンデム構造である）この光電変換装置の利点を生かすと、熱力学的限界の８５％にも肉薄することのできる理想的な集光システムを実現することができる。
【００６０】
半導体層３０としてＳｉ層を用い、これにＳｉ以外の元素を導入することによりＳｉ層を部分的に改質して他の半導体に変換する場合について考える。図１５は種々の元素のＳｉ中における拡散係数の温度依存性を示す。図１５より、例えば、Ｓｉ層にＣを拡散させることによりＳｉx Ｃ1-x を作製することができ、Ｇｅを拡散させることによりＳｉy Ｇｅ1-y を作製することができる。
【００６１】
また、図１６は、半導体層３０としてリン（Ｐ）がドープされたａ−Ｓｉ層を用い、このａ−Ｓｉ層をレーザアニールにより結晶化した試料のラマン散乱測定を行った結果を示す。レーザアニールはアルゴン（Ａｒ）レーザを用いて得られた波長５１４ｎｍのレーザ光を用いて行った。照射エネルギー密度は６．１ｍＷ、照射時間は１０分とした。レーザ光の照射回数を１、２、３、４と変えた。この結果から、ａ−Ｓｉ層を、光照射した部分だけ選択的に結晶性のＳｉに変換することができることが分かる。ａ−Ｓｉと結晶性のＳｉとは互いにバンドギャップが異なるため、互いにバンドギャップが異なる二つの領域を形成することができることが分かる。しかも、ストライプ幅をレーザ光の照射幅によって制御することができる。
【００６２】
図１７Ａは、Ｓｉ基板の表面に部分的にＧｅを拡散させてストライプ状のＳｉＧｅ領域を形成するとともに、Ｓｉ基板の表面の別の部分にＣを拡散させてストライプ状のＳｉＣ領域を形成した試料の表面を光学顕微鏡により撮影した写真である。図１７Ｂにこの試料の断面形状を示す。
【００６３】
図１８〜図２０はそれぞれこの試料のＳｉＧｅ素子部分の電流密度（Ｊ）−電圧（Ｖ）特性、Ｓｉ素子部分のＪ−Ｖ特性、ＳｉＣ素子部分のＩ−Ｖ特性の測定結果を示す。図１８〜図２０より、ＳｉＧｅ素子とＳｉ素子とＳｉＣ素子とでビルトイン電圧が異なっていることが分かり、開放端電圧Ｖocはそれぞれ、０．２２〜０．２４Ｖ、〜０．４２Ｖ、０．４５〜０．６Ｖであることから、Ｓｉ基板へのＳｉ以外の元素の拡散による組成制御により、ｐｎ接合面のバンドギャップを変化させることができていることが分かる。これは、太陽光スペクトルの異なるエネルギー範囲の光子を光電変換することができることの証左である。
【００６４】
ここで、半導体層３０の具体的な成長方法の好適な一例を説明する。ここでは、一例として、半導体層３０が、半導体層３０内の光の進行方向に傾斜組成を有し、バンドギャップがこの光の進行方向に減少する三種類の半導体からなる場合について説明するが、この成長方法はこれに限定されるものではなく、一般にはＮ種類の半導体からなる場合にも適用することができる。また、ここでは、この三種類の半導体が元素Ａ、ＢおよびＣからなるＡp Ｂ1-p Ｃ、Ａq Ｂ1-q ＣおよびＡr Ｂ1-r Ｃ（ｐ＞ｑ＞ｒまたはｐ＜ｑ＜ｒ）である場合について説明するが、これに限定されるものではなく、一般には二元系または四元系以上の半導体であってもよい。Ｃ＝｛φ｝（空集合）とすることで、この三種類の半導体は二元物質（例えば、Ｓｉx Ｇｅ1-x など）となる。
【００６５】
図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、基板１０１上にｘ軸方向に順にＡp Ｂ1-p Ｃ層１０２、Ａq Ｂ1-q Ｃ層１０３およびＡr Ｂ1-r Ｃ層１０４を成長させる。これらのＡp Ｂ1-p Ｃ層１０２、Ａq Ｂ1-q Ｃ層１０３およびＡr Ｂ1-r Ｃ層１０４はｙ軸方向に延在する細長いストライプ状の形状を有する。図２１Ａに示すように、これらのＡp Ｂ1-p Ｃ層１０２、Ａq Ｂ1-q Ｃ層１０３およびＡr Ｂ1-r Ｃ層１０４の成長は、基板１０１上にｘ軸方向に原料フラックスを供給することにより行うことができるが、この際に傾斜パラメーター配置を行う。即ち、図２１Ａおよび図２１Ｂのｘ軸方向に沿って、パラメーターの値が単調に変化（増加または減少）する。ここで、その単調性（モノトナスに変化すること）が重要である。即ち、例えば、成長物質Ａx Ｂ1-x Ｃ（ｘ＝ｐ、ｑ、ｒ）において、ｐ＞ｑ＞ｒ（あるいはｐ＜ｑ＜ｒ）であり、ｘ軸方向に沿って、Ａの組成が単調減少（あるいは単調増加）となる。パラメーターとしては、成長温度、基板１０１の格子定数、基板１０１のオフアングル数、成長時に光を用いる場合には光照射時の光強度などが挙げられる。これらを複数組み合わせることも有効である。基板１０１の格子定数を変化させる手法としては、イオン注入や拡散が挙げられる。イオン注入や拡散に用いる原子種としては、基板１０１の構成元素、あるいは目的とする成長層の構成元素を用いることが親和性が高いが、これに限らない。光照射は、結晶成長反応そのものを促進させるケースや基板温度の上昇をもたらす場合など、目的に応じて選択する。原料フラックスとしては、原料含有ガス、分子ビーム、原料含有溶液などが挙げられる。基板１０１を図２１Ａのｙ軸方向に一定速度で移動させることで、事実上無限に長いテープ状基板上にマルチストライプ半導体層を成長させることができる。成長と同時にドーピングを行うこともできるので、ｐｎ接合も形成することができ、半導体層３０を容易に形成することができ、ひいては光電変換装置を容易に製造することができる。なお、半導体層３０の成長後に基板１０１をそのまま残す場合には基板１０１として導電性基板が用いられ、半導体層３０の成長後に基板１０１を剥離して半導体層３０だけを用いる場合には基板１０１として導電性基板および非導電性基板のいずれを用いてもよい。
【００６６】
半導体層３０の具体的な成長方法の好適な他の例を説明する。図２２に示すように、基板１０１を紙面の向かって奥側（図２１Ａのｙ軸方向）に移動させながら、基板１０１の主面に対して一定角度傾斜した方向から、左右方向の一方の側から原料フラックス供給装置１０５により例えばＡおよびＣ供給用の原料フラックス１０６を供給するとともに、左右方向の他方の側から原料フラックス供給装置１０７により例えばＢおよびＣ供給用の原料フラックス１０８を供給する。原料フラックス１０６、１０８は、例えば、原料ガス、分子ビーム、ミスト噴霧（例えば、非特許文献１２〜１３参照。）などである。この方法によっても、半導体層３０内の光の進行方向に傾斜組成を有し、バンドギャップがこの光の進行方向に減少する三種類の半導体からなる半導体層３０を成長させることができる。なお、四元系以上の多元系の半導体を成長させる場合には、必要な個数の原料フラックス供給装置を用意する。また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示す成長方法と図２２に示す成長方法との併用も有効である。
【００６７】
この第１の実施の形態によれば、次のような種々の利点を得ることができる。即ち、この光電変換装置においては、面状光導波路２０が大部分の面積を占め、この面状光導波路２０の全体で入射光を受光することができるため、入射光に対する不感領域が実質的にない。また、この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射し、面状光導波路２０内を導波されて集光された光が半導体層３０に入射するため、例えば図３の挿入図に示すように、極めて高い光電変換効率を得ることができる。例えば、面状光導波路２０の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ、半導体層３０の厚さｄが５０μｍ＝５０×１０-4ｃｍ、半導体層３０の幅が１０ｃｍとすると、集光率は（面状光導波路２０の面積）／（半導体層３０の光が入射する端面の面積）＝（１０×１０）／２×（１０ｃｍ×５０×１０-4）＝１０００倍となる。このときの光電変換効率は図３の挿入図より６０％を超える。また、従来の太陽電池では、光入射面の全体に光電変換用の半導体を設ける必要があるため、半導体の使用量が多いのに対し、この光電変換装置においては、半導体層３０はごく一部の面積を占めるに過ぎず、その体積も極めて小さくて済むため、半導体の使用量が少なくて済み、製造コストの低減を図ることができる。また、半導体層３０が、この半導体層３０内の光の進行方向にバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが段階的に減少する複数の領域により構成される場合には、太陽光の高エネルギーの紫外成分を例えば１段目の領域で吸収することができるため、後段の領域に紫外成分が入射しないようにすることができる。このため、後段の領域をアモルファスシリコンや有機半導体により構成しても、ステブラー・ロンスキー効果や有機半導体の劣化の問題がない。このため、これによっても光電変換効率の向上を図ることができるとともに、光電変換装置の信頼性の向上を図ることができる。さらに、この光電変換装置は、面状光導波路２０の面積を大きくするだけで容易に大面積化が可能である。また、面状光導波路２０の端部に半導体層３０が設けられ、面状光導波路２０内を導波される光が面状光導波路２０の端面から出て半導体層３０に入射するように構成されているため、集光のためのレンズなどが不要であり、構成も極めて簡単であり、光軸合わせなども不要であるため、製造が容易であるだけでなく、製造コストの低減を図ることもでき、経時変化や経年変化を防止することもできる。また、レンズ式集光システムの欠点であった拡散光に対し光電変換効率が下がる点も、互いに面状構造であり貼り合わせができるという意味で、光波進行方向変換シート８５との相性が極めてよい面状光導波路２０の構造をとることで、拡散光であっても、直射光に対する光電変換効率に比し（光波進行方向変換シート８５の効率である）約９５％まで、回復させることができる。加えて、この光電変換装置では、アモルファスシリコン太陽電池で問題になっている空間電荷効果を抑制することができる。即ち、アモルファスシリコン太陽電池では、アモルファスシリコンの厚さを大きくして光吸収を増やそうとしても、内部電界が空間電荷でキャンセルされて特性の向上につながらないという問題がある。これに対し、この光電変換装置では、半導体層３０の一部の領域をアモルファスシリコンにより構成する場合、半導体層３０の上下に設けられた第１の電極５０と第２の電極６０との間の距離を小さくすることができ、同時に、半導体層３０内の光の進行方向のアモルファスシリコン領域の長さは大きく取ることができるので、空間電荷効果を抑制することができる。
【００６８】
また、この光電変換装置においては、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換し、２次元空間伝播光の伝播を効率的に行うことができる面、即ち受光面（面状光導波路２０の面）と光電変換領域である半導体層３０とを空間的に分離することができるので、太陽光の直射による半導体層３０の温度上昇を抑えることができる。例えば、面状光導波路３０が緩やかな曲率を持つ部分を含み、当外部分を瓦の下、屋根の中央部迫り出し稜線の下、窓の桟の下等に配置し、面状光導波路２０の光入射面２０ａに光が入射する際に半導体層３０は陰の部分に配置することができる。これにより直射光による温度上昇と、直射光の中の紫外（ＵＶ）光成分による半導体層３０の結合に対する悪影響との双方を抑制することができる。特に、太陽光の入射する一層目のバンドギャップＥg1を、用いる半導体材料のコヒーシブエネルギー以上に設定することで、後段の半導体の結合を守り、素子寿命を延ばすことができ、長期信頼性が得られる。温度上昇に関しては、この光電変換装置の高効率性は、とりもなおさず、熱としてのロスを極小化できることを意味しているので、導波される光に対しては、そのエネルギーを高効率で電気エネルギーに変え、熱に転化する成分を低減することによって、やはり温度上昇を抑えることができる。
【００６９】
このように、この光電変換装置によれば、高効率化による（熱として失うエネルギー減少を通じての）温度上昇の抑制のベースの上に、更に、集光システムの悪いところ（高強度光の入射による温度上昇）をなくし、良いところ（変換効率が非集光系に比べ、図３内の挿入図に示すように、約２割も上昇する点）のみを生かすことができる。
【００７０】
この光電変換装置の利点を改めてまとめると次の通りである。
（１）フォトンの進行方向とフォトキャリアの移動方向との直交性により、光吸収とキャリア捕集効率を独立に、同時最適化できる。
（２）傾斜組成による多段のマルチストライプ性が可能となり、太陽光スペクトルの全幅光電変換が可能となる。
（３）集光系であることにより、非集光系に比べ、約２０％の効率上昇が見込まれる。
（４）多段のマルチギャップ半導体による光電変換を行うことができることから、熱として散逸してしまうエネルギーを極小化できるため、集光太陽光発電系の弱点であった温度上昇を抑制することができる。
（５）回折格子を用いた面状光導波路による集光系であるため、曇天時等の拡散光に対する集光特性の劣化が抑制される。
（６）物質の結合に害を与える高エネルギーフォトンをマルチストライプの最初の層で、光電変換することで（エネルギーを無駄にすることなく）、それに続く中間ギャップ半導体層、ナローギャップ半導体層を形成する物質の劣化を未然に防ぐことができ、結果として高い信頼性が得られる。特に、従来は戸外で使えなかったような材料もこの光電変換装置中に用いれば、高い信頼性を以て戸外でも使うことができる。
【００７１】
このように、この光電変換装置は数多くの特性を備えた究極の光電変換システムということができる。
【００７２】
〈第２の実施の形態〉
［光電変換装置］
第１の実施の形態においては、面状光導波路２０の主面からなる光入射面２０ａに埋め込み層７０を設けることにより、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０を形成しているのに対し、第２の実施の形態においては、スタンピングやナノ・マイクロインプリンティングにより光入射面２０ａに周期的凹凸構造が設けられることにより、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成される。周期的凹凸構造は、例えば、くしの歯状、鋸歯状、正弦波状などの形状を有する。その他のことは、第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
この光電変換装置における、光入射面２０ａに３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成された面状光導波路２０の光導波性能を検証するためにシミュレーションを行った。シミュレーションに使用したモデルを図２３に示す。図２３に示すように、面状光導波路１１１の一方の主面（光入射面）の一部にくし歯状に長方形断面の凸部１１２ａが周期的に形成され、周期的凹凸構造１１２が形成されている。面状光導波路１１１が面状光導波路２０に対応し、周期的凹凸構造９２が３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０に対応する。面状光導波路１１１の他方の主面には、周期的凹凸構造１１２よりも広い面積に亘って反射膜として機能するＡｌからなるバックメタル１１３が形成されている。バックメタル１１３と面状光導波路１１１との界面は鋸歯状に形成されており、この鋸歯状の界面のバックメタル１１３の微小な傾斜面に当たった光が種々の方向に反射されるようになっている。シミュレーションの諸条件は下記の通りである。面状光導波路１１１の屈折率はｎ＝１．６５とした（面状光導波路１１１の材質として樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などを想定）。図２３に示すように（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を取った。面状光導波路１１１のｘ軸方向の幅は８０μｍ、ｚ軸方向の厚さは４μｍとした。凸部１１２ａが配列している方向がｘ軸方向、面状光導波路１１１の面内のｘ軸方向に直交する方向がｙ軸方向、面状光導波路１１１の面に垂直な方向がｚ軸方向である。凸部１１２ａの個数は５個、凸部１１２ａのｘ軸方向のピッチは２．０μｍ、凸部１１２ａのｘ軸方向の幅は１．０μｍ、凸部１１２ａと凸部１１２ａとの間の溝の幅は１．０μｍ、凸部１１２ａのｚ軸方向の高さは１．５３８４μｍ、凸部１１２ａのｙ軸方向の幅は３．９μｍである。周期的凹凸構造１１２に対してｚ軸方向に波長２．１μｍの光（平面波）を入射させた。これらの条件でマックスウェル方程式を用いて面状光導波路１１１内の電場のｙ成分Ｅy を計算した。こうして計算したＥy の振幅の分布を図２４の上の図に示す。この結果から分かるように、周期的凹凸構造１１２に対して垂直に入射した光は、その多くがこの周期的凹凸構造１１２により回折されて進行方向を９０°変えられて面状光導波路１１１内を導波する。即ち、リディレクション  ウエイブガイドが実現可能であることが示され、その構造パラメーターも明らかになった。他の波長の光に対しても、凸部１１２ａ（あるいは埋め込み層７０）の寸法および周期を適宜変化させることで対応することが可能である。図２４の下の図は、凸部１１２ａのｚ軸方向の高さを１．０μｍに設定して同様な計算を行った結果を示す。この場合は回折条件が成立しなくなるため、回折がほとんど起きず、周期的凹凸構造１１２に対して垂直に入射した光は、ほとんど面状光導波路１１１内を導波していない。以上の結果より、この光電変換装置の、周期的凹凸構造が光入射面２０ａに設けられた面状光導波路２０の光導波性能が高いことが検証された。なお、以上の結果は、第１の実施の形態のように、埋め込み層７０を設けることにより３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する���造体８０を形成する場合も同様に成立する。
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【００７４】
〈第３の実施の形態〉
［光電変換装置］
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態による光電変換装置において、面状光導波路２０の端面に接する半導体層３０の側面に微小な凹凸構造（ギザギザ構造）が設けられている。その他のことは、第１の実施の形態と同様である。
【００７５】
半導体層３０の側面にこのような微小な凹凸構造を設けることにより、入射光の波長によらず、低反射率を持たせることができる（例えば、非特許文献１４参照。）。非特許文献１４では、ホウ素がドープされたｐ型多結晶シリコンウェハーを１５重量％Ｈ2 Ｏ2 と２５重量％ＨＦとを含む水溶液中に室温で浸漬し、ｐ型多結晶シリコンウェハーの表面にローラーに取り付けられた白金メッシュを接触させ、ローラーを回転させながら白金メッシュの開口部からｐ型多結晶シリコンウェハーの表面をエッチングすることにより微小な凹凸構造を形成している。このように半導体層３０の側面をエッチングすることにより微小な凹凸構造を形成する場合には、半導体層３０の側面に露出する半導体の種類に応じて使用するエッチング液やエッチング方法を適宜決める。非特許文献１４によれば、３００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲でｐ型多結晶シリコンウェハーの反射率を１〜３％に抑えることができる。また、非特許文献１４の図１（ｂ）および図２（ａ）から分かるように、０〜１０μｍまでの範囲で構造に周期性がない以上、波長８００ｎｍ〜２．４μｍの範囲でもほぼ同様の低反射率を得ることができる。このような微小な凹凸構造を従来の面状の太陽電池に用いた場合は、太陽電池は戸外で使用されることもあり、表面に塵埃等が堆積するとその効果が薄れがちとなるが、この光電変換装置では、この微小な凹凸構造は、半導体層３０の側面に形成されるものであるため横向きであるだけでなく、面状光導波路２０の端面と直接結合することにより、凸凹内に塵埃等の堆積する余地がないため、恒常的に高特性を維持することができ、長期安定性がある。
【００７６】
以上のように、この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて、光電変換装置の長期安定性を実現することができるという利点を得ることができる。
【００７７】
〈第４の実施の形態〉
［複合光電変換装置］
第４の実施の形態においては、第１の実施の形態による光電変換装置を二つ結合した複合光電変換装置について説明する。
【００７８】
図２５の左の図に示すように、第４の実施の形態による光電変換装置においては、半導体層３０が互いにバンドギャップが異なる四つの領域からなるものを二つ、即ち光電変換装置１２１、１２２を用意する。これらの光電変換装置１２１、１２２は、例えば図９に示す構成を有する。Ｅg (1) 、Ｅg (2) 、Ｅg (3) 、Ｅg (4) はＥg1領域、Ｅg2領域、Ｅg3領域、Ｅg4領域に対応する。図２５の右の図に示すように、これらの光電変換装置１２１、１２２をたすき掛け接続する。即ち、光電変換装置１２１の第１の電極５１、第１の電極５２、第１の電極５３および第１の電極５４をそれぞれ、光電変換装置１２２の第１の電極５４、第１の電極５３、第１の電極５２および第１の電極５１と接続する。
【００７９】
この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができるほか、単一出力電圧を維持しつつ、光電変換効率ηが高い複合光電変換装置を実現することができる。
【００８０】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００８１】
例えば、上記の面状光導波路２０の端部において、例えば、イオン交換法によりガラス導波路の屈折率を変えることで、背面側から屈折率の小さな層を形成し、２次元導波されてきた光が、半導体層３０に近づくにつれ、面に垂直方向にもコンデンスされて、面状光導波路２０と半導体層３０との接触部においてこの半導体層３０の厚さと同一の厚さにまで集合する（漸近的に光を集中させる）ようにすることもできる。
【００８２】
また、例えば、太陽光スペクトルのうちのＵＶ光成分は、図３から分かるようにその比率は高くないので、最初から２次元空間伝播光に変換せず、従って面状光導波路２０内を導波させず、これより低エネルギー成分の光のみを２次元空間伝播光に変換して面状光導波路２０内を導波させて半導体層３０に入射させることにより光電変換することで、半導体層３０にａ−Ｓｉや有機半導体を含む場合の光電変換装置の長寿命化および信頼性の向上を図ることもできる。
【００８３】
また、例えば、図５Ａの両端の半導体層３０を図の縦方向（ｙ軸方向）に所定の長さ（例えば、１０ｃｍ程度）毎にセグメント化することで、図２５に示したような接続を行った際に生じる、タンデム構造の要素ユニットに生じた欠陥により光電変換装置が機能不全になる確率／リスクを下げることができる。これは、従来の直列接続タンデム構造においては、面積を大きくすればするほど、上記の不具合の確率が増すのに対し、この発明による光電変換装置では、タンデム構造の要素ユニットがライン状で面積が極めて小さくて済むのみならず、この要素ユニットを、そのストライプ方向において、上述のようにセグメント化することで、上記のように、局所的欠陥が光電変換装置全体を不具合にしてしまう確率を格段に下げることができる。
【００８４】
また、例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。
【００８５】
また、第１〜第４の実施の形態による光電変換装置を複数敷き詰めて光電変換装置システム（あるいは太陽電池システム）を構成してもよい。
【００８６】
また、上記のリディレクション  ウエイブガイドで、例えばビルの側面全面を鉢巻状にぐるりと取り巻き、これと結合する光電変換素子部（半導体層３０）は、例えば当該ビルの北側面の一箇所（即ち、例えば、鉛直方向数ｍ、横方向数ｍｍ〜１ｃｍの領域）に集約して配置してもよい。なお、この鉢巻状のリディレクション  ウエイブガイド自体は、当該ビルの日陰の部分に存在するその一部分に、いわば逆リディレクション（即ち、２次元空間伝播光を３次元空間伝播光に戻す）構造を設けることで、当該ビルにより形成される日陰を実質的に解消する用途に用いることもできる。
【００８７】
なお、場合によっては、この発明において、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体を省略することも可能である。即ち、２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であることを特徴とする光電変換装置も有効である。この場合、３次元空間伝播光が面状光導波路の主面に入射し、その光がこの面状光導波路の内部に入ってこの面状光導波路の内部を２次元空間伝播光が導波される。
【符号の説明】
【００８８】
２０  面状光導波路
２０ａ  光入射面
３０  半導体層
４０  支持基板
５０〜５４  第１の電極
６０  第２の電極
７０  埋め込み層
８０  ３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体
８５  光波進行方向変換シート
【図１】
2014061719.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２５】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１７Ａ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月17日(2014.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であり、
上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少したＮ個（Ｎ≧２）の領域からなり、
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、上記面状光導波路の厚さ方向に設けられた、周期がＰｉ＝λｉ（λｉは太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯から選ばれた波長、ｉ＝１〜Ｎ）の複数層の周期構造を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、互いに屈折率が異なる帯状の第１の部分および帯状の第２の部分が交互に周期的に、または一定間隔で、配列された構造を有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
上記間隔が互いに異なる複数の値に設定されたことを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、上記面状光導波路の主面または上記面状光導波路内に設けられた回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項６】
上記面状光導波路と上記半導体層とが互いに一体に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項７】
上記半導体層の互いに対向する第１の面および第２の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項８】
上記半導体層は無機半導体または有機半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項９】
上記半導体層はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも一方は上記Ｎ個（Ｎ≧２）の領域の各領域間で互いに分離して設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１２】
上記面状光導波路は四角形の形状を有し、上記面状光導波路の互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に上記半導体層が設けられ、上記面状光導波路の上記互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に光反射機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１３】
上記面状光導波路は、上記面状光導波路内を導波される光が上記面状光導波路のうちの上記半導体層と接触する部分に集光される屈折率分布を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１４】
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体上に光波進行方向変換シートが設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１５】
上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１６】
上記Ｎ個（Ｎ≧２）の領域の各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１７】
上記半導体層はアモルファス半導体、多結晶半導体または単結晶半導体からなることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１８】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＳｉｘＣ１−ｘ（０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉｙＧｅ１−ｙ（０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項１９】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＳｉｘＣ１−ｘ（０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびマイクロクリスタルＳｉｙＧｅ１−ｙ（０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２０】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＩＧＺＯからなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、ＳｉｘＣ１−ｘ（０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉｙＧｅ１−ｙ（０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２１】
上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＳｉｘＣ１−ｘ（０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域、ＳｉｙＧｅ１−ｙ（０＜ｙ＜１）からなる領域およびＧｅからなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２２】
上記光電変換装置は太陽電池であることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか一項記載の光電変換装置。
【請求項２３】
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であり、
上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少したＮ個（Ｎ≧２）の領域からなり、
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、上記面状光導波路の厚さ方向に設けられた、周期がＰｉ＝λｉ（λｉは太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯から選ばれた波長、ｉ＝１〜Ｎ）の複数層の周期構造を有することを特徴とする建築物。
【請求項２４】
上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように上記半導体層が上記建築物の陰の部分に配置されていることを特徴とする請求項２３記載の建築物。
【請求項２５】
外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角であり、
上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少したＮ個（Ｎ≧２）の領域からなり、
上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、上記面状光導波路の厚さ方向に設けられた、周期がＰｉ＝λｉ（λｉは太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯から選ばれた波長、ｉ＝１〜Ｎ）の複数層の周期構造を有することを特徴とする電子機器。
【国際調査報告】
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