(57)【要約】本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することを主目的とする。本発明は、半導体及び該半導体の内部に配設された金属ナノ微粒子を有する層を備える光電変換素子とする。
2011004446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体及び該半導体の内部に配設された金属ナノ粒子を有する層、を備えることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の光電変換素子。
【請求項３】
ｐ層及びｎ層と、前記ｐ層に接続された第１電極と、前記ｎ層に接続された第２電極と、を備え、
前記ｐ層と前記ｎ層とを接合することによって形成される空乏層よりも、前記空乏層と前記第１電極との間に位置する半導体、及び／又は、前記空乏層と前記第２電極との間に位置する半導体に、多数の前記金属ナノ粒子が含有されていることを特徴とする、請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載の光電変換素子。
【請求項４】
量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、
前記量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、
前記量子構造部の内部、及び／又は、前記半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設されていることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項５】
前記金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記半導体層の内部に、前記金属ナノ粒子が配設され、
前記半導体層の内部に配設されている前記金属ナノ粒子の少なくとも一部と前記量子構造部との距離が、前記金属ナノ粒子の直径以下であることを特徴とする、請求の範囲第４項又は請求の範囲第５項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光面からの距離が前記Ｄ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることを特徴とする、請求の範囲第１項〜請求の範囲第６項のいずれか１項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、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。【０００３】
これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。【０００４】
このような太陽電池（光起電力デバイス及び光電変換素子も含む）に関する技術、又は、太陽電池に応用可能な技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、入射光に照明された表面及び照明されていない表面を有し、該照明された表面及び照明されていない表面の少なくとも１つは、入射光と上記表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を生ずる強化特性を有するアパーチャーの配列を有する第１の金属電極と、該第１の金属電極から間隔を置いて配置された第２の電極とを備える表面プラズモン強化光起電力デバイスが開示されている。また、特許文献２には、構成要素の少なくとも一部として、少なくとも、多光子吸収有機材料と局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子と分散剤とを含有する混合物が用いられている光電変換素子が開示されている。また、特許文献３には、平均粒径が０．１〜１０μｍで、ほぼ球形の金属粒子の表面全部あるいは一部を、誘電体層により被覆し、該被覆粒子を１種類以上樹脂中に分散してなる複合誘電体材料が開示されている。また、特許文献４には、絶縁性磁性金属粒子及び絶縁性磁性材料の製造方法が開示されている。また、特許文献５には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩを成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７６４１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２４３９号公報
【特許文献３】特開２００１−３０３１０２号公報
【特許文献４】特開２００８−４１９６１号公報
【特許文献５】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用しているので、光吸収を促進することが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることも可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のように、表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用する形態では、光吸収の促進効果が不十分になりやすいという問題があった。一方、特許文献２に開示されている技術によれば、局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子が三次元的に配置されているので、特許文献１に開示されている技術よりも、光吸収の促進効果が得られやすいと考えられる。しかしながら、特許文献２に開示されている技術では、金属微粒子を電解質中に分散させている。そのため、金属微粒子を均一に分散させることが困難であり、光電変換効率の向上効果が低減しやすいという問題があった。これらの問題は、特許文献１〜特許文献５に開示されている技術を組み合わせたとしても、解決することは困難であった。【０００７】
そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、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】
【０００８】
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、
本発明の第１の態様は、半導体及び該半導体の内部に配設された金属ナノ粒子を有する層、を備えることを特徴とする、光電変換素子である。【０００９】
ここに、「金属ナノ粒子」とは、直径が１００ｎｍ以下、好ましくは直径が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の金属粒子をいう。金属ナノ粒子を構成する金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を例示することができる。【００１０】
また、上記本発明の第１の態様において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることが好ましい。【００１１】
また、上記本発明の第１の態様において、ｐ層及びｎ層と、ｐ層に接続された第１電極と、ｎ層に接続された第２電極と、を備え、ｐ層とｎ層とを接合することによって形成される空乏層よりも、空乏層と第１電極との間に位置する半導体、及び／又は、空乏層と第２電極との間に位置する半導体に、多数の金属ナノ粒子が含有されていることが好ましい。【００１２】
ここに、「第１電極」は、ｐｎ接合界面（ｐ層とｎ層との間にｉ層が存在する場合にはｉ層。以下において同じ。）から見てｐ層の外側に位置する（ｐｎ接合界面側をｐ層の表面とするとき、ｐ層の裏面側に位置する）電極をいう。また、「第２電極」は、ｐｎ接合界面から見てｎ層の外側に位置する（ｐｎ接合界面側をｎ層の裏面とするとき、ｎ層の表面側に位置する）電極をいう。また、ｐ層とｎ層とが直接接合されることによってｐｎ接合が形成される場合、「空乏層と第１電極との間に位置する半導体」には、ｐ層から空乏層化した領域を除いたｐ層の一部が含まれる。また、ｐ層とｎ層との間にｉ層が配設される場合、「空乏層と第１電極との間に位置する半導体」には、少なくともｐ層の一部が含まれる。また、ｐ層とｎ層とが直接接合されることによってｐｎ接合が形成される場合、「空乏層と第２電極との間に位置する半導体」には、ｎ層から空乏層化した領域を除いたｎ層の一部が含まれる。また、ｐ層とｎ層との間にｉ層が配設される場合、「空乏層と第２電極との間に位置する半導体」には、少なくともｎ層の一部が含まれる。【００１３】
本発明の第２の態様は、量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、量子構造部の内部、及び／又は、半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設されていることを特徴とする、光電変換素子である。【００１４】
ここに、「量子構造部」とは、例えば、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等をいう。また、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、量子構造部が半導体に埋め込まれている場合には、量子構造部が埋め込まれる母材となる半導体をいう。これに対し、量子構造部を構成しない半導体と量子構造部とが交互に積層されている場合、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、隣接する量子構造部の間に積層された、量子構造部を構成しない半導体をいう。【００１５】
また、上記本発明の第２の態様において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることが好ましい。【００１６】
また、上記本発明の第２の態様において、上記半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設される場合、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることが好ましい。【００１７】
また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光面からの距離がＤ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の態様では、半導体の内部に金属ナノ粒子が配設されているので、金属ナノ粒子を三次元的に均一に配設することが可能になる。そのため、金属ナノ粒子を表面にのみ配設した場合と比較して、半導体の多くの領域で局在表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能になる。局在表面プラズモン共鳴を多くの領域で生じさせることにより、半導体の多くの領域で光電場を増強させることが可能になるので、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することができる。【００１９】
また、本発明の第１の態様において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が絶縁体によって被覆されていることにより、光照射によって発生した電子や正孔（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、金属ナノ粒子によって捕捉される事態を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００２０】
また、本発明の第１の態様において、空乏層以外の領域に空乏層よりも多数の金属ナノ粒子が含有されていることにより、再結合によるキャリアの消滅及び金属ナノ粒子によるキャリアの捕獲や散乱を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００２１】
本発明の第２の態様では、量子構造部の内部及び／又はその周囲に配設された半導体層に、金属ナノ粒子が配設される。量子構造部の内部やその近傍に金属ナノ粒子を配設することにより、量子構造部における光電場を増強させることが可能になる。また、量子構造部の周囲に配設された半導体層に金属ナノ粒子を配設することにより、半導体層における光電場を増強させることが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することができる。【００２２】
また、本発明の第２の態様において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が絶縁体によって被覆されていることにより、光照射によって発生したキャリアが、金属ナノ粒子によって捕捉される事態を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００２３】
また、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果は、金属ナノ粒子の直径と同程度の距離まで発現されると考えられる。そのため、本発明の第２の態様において、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることにより、半導体層のみならず量子構造部においても光電場を増強させることが容易になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００２４】
また、本発明の第１の態様及び本発明の第２の態様において、受光面からの距離が近い領域に小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が近い領域で、短波長の光電場を増強させることが可能になる。また、受光面からの距離が遠い領域に大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が遠い領域で、長波長の光電場を増強させることが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】太陽電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】太陽電池２０の形態例を示す断面図である。
【図３】太陽電池３０の形態例を示す断面図である。
【図４】太陽電池４０の形態例を示す断面図である。
【図５】太陽電池５０の形態例を示す断面図である。
【図６】太陽電池６０の形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…ナノ粒子
１ａ…金属ナノ粒子
１ｂ…絶縁体
１０…太陽電池
１１…ｐ層
１２…ｎ層
１３…反射防止膜兼透明導電膜
１４…表面電極（第２電極）
１５…裏面電極（第１電極）
２０…太陽電池
２１…ｐ層
２２…ｎ層
２３…空乏層
３０…太陽電池
３１…ｐ層
３２…ｎ層
３３…ｉ層
４０…太陽電池
４１…ｉ層
４２…量子構造部
４２ａ…濡れ層
４２ｂ…量子ドット
４３…中間層（半導体層）
５０…太陽電池
５１…ｉ層
５２…中間層（半導体層）
６０…太陽電池
６１…ｉ層
６２…量子構造部
６２ａ…濡れ層
６２ｂ…量子ドット
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。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るものではない。
【００２８】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図１では、ｐ層１１及びｎ層１２の厚さを厚く示している。図１に示すように、太陽電池１０は、ｐ層１１と、ｎ層１２と、ｎ層１２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層１１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｐ層１１及びｎ層１２の内部には、ｐｎ接合によって形成される空乏層を含む全体に、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されている。ｐ層１１はｐ型半導体によって構成されており、ｎ層１２はｎ型半導体によって構成されている。また、ナノ粒子１は、金属ナノ粒子１ａと、該金属ナノ粒子１ａの全表面を被覆するように配置された絶縁体１ｂと、を有している。
【００２９】
太陽電池１０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光がｎ層１２及びｐ層１１へと入射する。ｎ層１２及びｐ層１１へ光が入射すると、これらの層で光が吸収され、キャリア（電子及び正孔）が生成される。生成されたキャリアは、ｐ層１１及びｎ層１２によって形成される内部電界により、電子は表面電極１４へ、正孔は裏面電極１５へと移動する。ｐ層１１及びｎ層１２の内部には、金属ナノ粒子１ａ、１ａ、…を有するナノ粒子１、１、…（以下において、単に「ナノ粒子１、１、…」ということがある。）が配設されている。それゆえ、ｐ層１１及びｎ層１２へと入射した光が、ナノ粒子１、１、…へと達すると、局在表面プラズモン共鳴により、ｐ層１１及びｎ層１２の内部に配設されているナノ粒子１、１、…の近傍（例えば、ナノ粒子１、１、…からの距離が１００ｎｍ以下の領域。以下において同じ。）において、局所的に光電場が増強される。太陽電池１０では、ｐ層１１及びｎ層１２の内部に、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されているので、ｐ層１１やｎ層１２の表面にのみナノ粒子１、１、…を配設した場合と比較して、ｐ層１１を構成するｐ型半導体、及び、ｎ層１２を構成するｎ型半導体の多くの領域において、光電場を増強させることが可能になる。半導体へと入射した光電場が増強されると、半導体で多くのキャリアを発生させることが可能になるので、光電変換効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池１０を提供することができる。
【００３０】
このように、本発明によれば、ｐ層１１及びｎ層１２の内部に三次元的に配設したナノ粒子１、１、…によって、ｐ層１１及びｎ層１２へと入射した光電場を増強させることができる。そのため、ｐ層１１及びｎ層１２の厚さを従来の太陽電池（金属ナノ粒子を用いない太陽電池）と同程度にした場合であっても、従来の太陽電池よりも光電変換効率を向上させることが可能になる。
【００３１】
また、ｐ層１１及びｎ層１２の内部に配設されているナノ粒子１、１、…は、金属ナノ粒子１ａ、１ａ、…の全表面が、絶縁体１ｂ、１ｂ、…によって被覆されている。そのため、ｐ層１１やｎ層１２で生成されたキャリアが、導電性物質である金属ナノ粒子１ａ、１ａ、…によって捕捉される事態を回避することが可能になる。キャリアが金属ナノ粒子１ａ、１ａ、…によって捕捉されない形態とすることにより、表面電極１４及び裏面電極１５へ多くのキャリアを移動させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池１０を提供することができる。
【００３２】
太陽電池１０において、ｐ層１１の構成材料は、例えば、正孔の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＢｅをドープしたｐ型のＧａＡｓ等、公知のｐ型半導体を用いることができる。ｐ層１１の厚さ（図１の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、３．５μｍとすることができる。また、ｎ層１２の構成材料は、例えば、電子の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＳｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ等、公知のｎ型半導体を用いることができる。ｎ層１２の厚さは、例えば、０．１μｍとすることができる。また、反射防止膜兼透明導電膜１３の構成材料は、例えば、ＭｇＦ２やＴｉＯ２等、公知の材料を用いることができる。反射防止膜兼透明導電膜１３の厚さは、例えば、０．１μｍとすることができる。また、表面電極１４及び裏面電極１５の構成材料は、例えばＡｇ等、公知の材料を用いることができる。表面電極１４の厚さは、例えば、０．１〜１０μｍとすることができ、裏面電極１５の厚さは、例えば、０．１〜２μｍとすることができる。また、金属ナノ粒子１ａの構成材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を用いることができる。また、金属ナノ粒子１ａがＡｇによって構成される場合、絶縁体１ｂはＡｇを酸化させることによって作製したＡｇＯ等によって構成することができる。また、金属ナノ粒子１ａがＰｔによって構成される場合、絶縁体１ｂはＰｄＯ等によって構成することができる。金属ナノ粒子１ａの直径は、例えば、２ｎｍ以上１００ｎｍとすることができ、例えば、金属ナノ粒子１ａの直径が２ｎｍのとき、絶縁体１ｂの厚さは１ｎｍとすることができる。
【００３３】
上記のように構成される太陽電池１０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池１０を製造するには、まず、基板（不図示）の表面へ、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって裏面電極１５を形成する。裏面電極１５を形成したら、その表面へ、化学気相成長（ＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によってｐ型半導体を堆積させる。このようにしてｐ型半導体を堆積させたら、ｐ型半導体を堆積させた裏面電極１５をＣＶＤ装置やＭＢＥ装置から取り出し、コア・シェル状の金属ナノ粒子（Ｐｔの表面がＰｄによって被覆されている金属ナノ粒子）が分散されている水溶液（例えば、「Ｐｔ／Ｐｄ（コア／シェル）ＰＶＰ−系」、田中貴金属株式会社製。以下において、「金属ナノ粒子溶液」という。）を、スピンコーターにより、ｐ型半導体の表面へ均一に塗布する。金属ナノ粒子溶液を塗布したら、酸素雰囲気の炉内で水分を蒸発させることにより、表面が絶縁体１ｂ（ＰｄＯ）で被覆された金属ナノ粒子１ａ（Ｐｔ）によって構成されるナノ粒子１、１、…を、ｐ型半導体の表面へと配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、再びＣＶＤ装置やＭＢＥ装置へ、表面にナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体を配設した裏面電極１５をセットし、ナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体の表面へ、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によってｐ型半導体を堆積させる。以後、ナノ粒子１、１、…の配設と、ｐ型半導体の堆積とを繰り返すことにより、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層１１を、裏面電極１５の表面へ形成することができる。このようにしてｐ層１１を形成したら、ｐ型半導体に代えてｎ型半導体を用いるほかはｐ層１１の形成方法と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層１２をｐ層１１の表面へと形成する。ｎ層１２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層１２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池１０を製造することができる。
【００３４】
２．第２実施形態
図２は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図２では、ｐ層２１及びｎ層２２の厚さを厚く示している。図２において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１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。
【００３５】
図２に示すように、太陽電池２０は、ｐ型半導体によって構成されるｐ層２１と、ｎ型半導体によって構成されるｎ層２２と、ｎ層２２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層２１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｐ層２１及びｎ層２２の内部には、ｐｎ接合によって形成される空乏層２３（以下において、「空乏層領域２３」ということがある。）を除く部位にのみ、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されている。
【００３６】
太陽電池２０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光がｎ層２２及びｐ層２１へと入射する。ｎ層２２及びｐ層２１へ光が入射すると、これらの層で光が吸収され、キャリアが生成される。生成されたキャリアは、ｐ層２１及びｎ層２２によって形成される内部電界により、電子は表面電極１４へ、正孔は裏面電極１５へと移動する。ｐ層２１及びｎ層２２の内部には、空乏層領域２３を除く部位にのみ、ナノ粒子１、１、…が配設されている。それゆえ、ｐ層２１及びｎ層２２へと入射した光が、ナノ粒子１、１、…へと達すると、局在表面プラズモン共鳴により、ナノ粒子１、１、…の近傍において、局所的に光電場が増強される。太陽電池２０では、ｐ層２１及びｎ層２２の内部に、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されているので、ｐ層２１やｎ層２２の表面にのみナノ粒子１、１、…を配設した場合と比較して、ｐ層２１を構成するｐ型半導体、及び、ｎ層２２を構成するｎ型半導体の多くの領域において、光電場を増強させることが可能になる。半導体へと入射した光電場が増強されると、半導体で多くのキャリアを発生させることが可能になるので、光電変換効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池２０を提供することができる。
【００３７】
上述のように、太陽電池２０では、空乏層領域２３を除くｎ層２２の一部、及び、空乏層領域２３を除くｐ層２１の一部にのみ、ナノ粒子１、１、…が配設されており、空乏層領域２３を構成するｐ層２１の一部及びｎ層２２の一部にはナノ粒子１、１、…が配設されていない。多数の光生成キャリアが発生する空乏層領域２３にナノ粒子１、１、…を配設しないことにより、表面電極１４や裏面電極１５へと到達する前に、キャリアがナノ粒子１、１、…によって捕獲又は散乱される事態を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、表面電極１４や裏面電極１５へと達するまでのキャリアの移動距離を低減することが可能になる。また、かかる形態とすることにより、再結合することによって消滅するキャリアを低減することが可能になる。キャリアの移動距離を低減すること、及び、再結合によって消滅するキャリアを低減することにより、光電変換効率を向上させることが容易になるので、太陽電池２０によれば、太陽電池１０よりも光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００３８】
太陽電池２０において、ｐ層２１は太陽電池１０のｐ層１１と同様の材料によって構成することができ、ｐ層２１の厚さ（図２の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、３．５μｍとすることができる。また、ｎ層２２は太陽電池１０のｎ層１２と同様の材料によって構成することができ、ｎ層２２の厚さは、例えば、０．１μｍとすることができる。また、空乏層領域２３を構成するｐ層２１の一部は、例えば、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によってｐ型半導体を堆積させることによって形成することができ、ナノ粒子１、１、…が配設されるｐ層２１の領域は、ｐ層１１と同様の方法によって形成することができる。また、空乏層領域２３を構成するｎ層２２の一部は、例えば、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によってｎ型半導体を堆積させることによって形成することができ、ナノ粒子１、１、…が配設されるｎ層２２の領域は、ｎ層１２と同様の方法によって形成することができる。このほか、反射防止膜兼透明導電膜１３、表面電極１４、及び、裏面電極１５は、太陽電池１０の場合と同様の方法により形成することができる。
【００３９】
３．第３実施形態
図３は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図３では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層３３の厚さを厚く示している。図３において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１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。
【００４０】
図３に示すように、太陽電池３０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層３３と、ｐ層３１の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｎ層３２の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｐ層３１及びｎ層３２の内部には、全体に、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されている。ｐ層３１はｐ型半導体によって構成されており、ｎ層３２はｎ型半導体によって構成されている。このｐｉｎ構造を有する太陽電池３０としては、例えば、アモルファスＳｉ太陽電池が挙げられる。
【００４１】
太陽電池３０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光が、ｐ層３１、ｉ層３３、及び、ｎ層３２へと入射する。入射した光は、これらの層で吸収され、キャリアが生成される。生成されたキャリアは、ｐ層３１及びｎ層３２によって形成される内部電界により、電子は裏面電極１５へ、正孔は表面電極１４へと移動する。太陽電池３０では、空乏層に相当するｉ層３３を除くｐ層３１及びｎ層３２に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。それゆえ、ｐ層３１及びｎ層３２へと入射した光が、ナノ粒子１、１、…へと達すると、局在表面プラズモン共鳴により、ナノ粒子１、１、…の近傍において、局所的に光電場が増強される。太陽電池３０では、ｐ層３１及びｎ層３２の内部に、ナノ粒子１、１、…が三次元的に均一に配設されているので、ｐ層３１やｎ層３２の表面にのみナノ粒子１、１、…を配設した場合と比較して、ｐ層３１を構成するｐ型半導体、及び、ｎ層３２を構成するｎ型半導体の多くの領域において、光電場を増強させることが可能になる。半導体へと入射した光電場が増強されると、半導体で多くのキャリアを発生させることが可能になるので、光電変換効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池３０を提供することができる。
【００４２】
また、太陽電池３０では、空乏層化するｉ層３３にナノ粒子１、１、…が配設されておらず、空乏層化しないｐ層３１及びｎ層３２の領域にのみナノ粒子１、１、…が配設されている。それゆえ、太陽電池２０と同様に、表面電極１４や裏面電極１５へと達するまでのキャリアの移動距離を低減することが可能になり、再結合によって消滅するキャリアを低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、ｉ層３３が備えられる形態であっても、ｐ層３１及びｎ層３２にナノ粒子１、１、…を配設することにより、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池３０を提供することができる。
【００４３】
太陽電池３０において、ｐ層３１は太陽電池１０のｐ層１１と同様の材料によって構成することができ、ｐ層３１の厚さ（図３の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、５〜２０ｎｍとすることができる。また、ｎ層３２は太陽電池１０のｎ層１２と同様の材料によって構成することができ、ｎ層３２の厚さは、例えば、１０〜３０ｎｍとすることができる。ｉ層３３の厚さは、例えば、４００〜６００ｎｍとすることができる。
【００４４】
上記のように構成される太陽電池３０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池３０を製造するには、まず、太陽電池１０の場合と同様の方法により、裏面電極１５を形成し、形成した裏面電極１５の表面に、太陽電池１０のｎ層１２の形成方法と同様の方法によって、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２を形成する。このようにしてｎ層３２を形成したら、例えば、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物がドープされていないｉ型半導体をｎ層３２の表面へと堆積させることにより、ｉ層３３を形成する。こうしてｉ層３３を形成したら、ｎ型半導体に代えてｐ型半導体を用いるほかはｎ層３２の形成方法と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を形成する。ｐ層３１を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ層３１の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池３０を製造することができる。
【００４５】
４．第４実施形態
図４は、第４実施形態にかかる本発明の太陽電池４０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図４では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層４１の厚さを厚く示している。また、図４では、ナノ粒子１、１、…を簡略化して示している。図４において、太陽電池３０と同様に構成されるものには、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。
【００４６】
図４に示すように、太陽電池４０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層４１（光吸収層４１）と、ｎ層３２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層３１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｉ層４１は、濡れ層４２ａ及び該濡れ層４２ａに成長させた量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２と、該量子構造部４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成される中間層４３とが交互に積層されることによって構成されている。中間層４３には、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径以下である領域（以下において「量子ドット近傍領域」という。）、及び、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径を超える領域（以下において「量子ドット非近傍領域」という。）に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。また、太陽電池４０では、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にも、ナノ粒子１、１、…が配設されている。
【００４７】
太陽電池４０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光が、ｎ層３２、ｉ層４１、及び、ｐ層３１へと入射する。入射した光は、これらの層で吸収され、キャリアが生成される。生成されたキャリアは、ｐ層３１及びｎ層３２によって形成される内部電界により、電子は表面電極１４へ、正孔は裏面電極１５へと移動する。太陽電池４０において、ｉ層４１へ光が入射すると、量子構造部４２、４２、…、及び、中間層４３、４３、…でキャリアが生成される。量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアは、共鳴トンネルにより中間層４３、４３、…を通過し、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。これに対し、中間層４３、４３、…で生成されたキャリアは、量子構造部４２、４２、…へと落ち込み、量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアと以下同様にして、表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。ここで、上述のように、太陽電池４０は、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット４２ｂ」ということがある。）、並びに、中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。量子ドット４２ｂにナノ粒子１を配設することにより、量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３及び量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、中間層４３及び量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させることが可能になる。量子ドット４２ｂで光電場を増強させると、量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔が生成されると、量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させることが容易になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させることが容易になる。また、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させると、中間層４３で複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。中間層４３で生成された電子や正孔は、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４や裏面電極１５へ達すると考えられるので、中間層４３で複数の電子や正孔を生成することにより、量子ドット４２ｂにおいて電子同士や正孔同士を相互作用させることが容易になる。量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させると、電子のエネルギー損失を低減することが可能になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させると、正孔のエネルギー損失を低減することが可能になる。それゆえ、量子ドット４２ｂ並びに量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池４０を提供することができる。
【００４８】
太陽電池４０において、中間層４３の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＮＡｓ等を用いることができる。それぞれの中間層４３、４３、…の厚さ（図４の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、４０ｎｍとすることができる。また、量子構造部４２の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等、中間層４３を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体を用いることができる。それぞれの濡れ層４２ａ、４２ａ、…の厚さは、例えば、分子１〜２層程度とすることができる。また、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の高さ（図４の紙面上下方向の高さ）は、例えば、３〜１０ｎｍとすることができ、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の直径（図４の紙面左右方向における量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…最大長さ）は、例えば、５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。また、ｉ層４１の厚さは、例えば、３００ｎｍ〜２μｍとすることができる。
【００４９】
上記のように構成される太陽電池４０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池４０を製造するには、まず、太陽電池１０の場合と同様の方法により、裏面電極１５を形成し、形成した裏面電極１５の表面へ、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を形成する。このようにしてｐ層３１を形成したら、太陽電池１０の場合と同様の方法により、ｐ層３１の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体（中間層４３を構成すべき半導体よりもバンドギャップが狭い半導体）を、ナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１の表面へと堆積させることにより、濡れ層４２ａを形成する。そして、さらに当該半導体の堆積を継続することにより、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードによって量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成し、濡れ層４２ａ及び量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２をｐ層３１の表面に形成する。かかる形態で量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成することにより、ｐ層３１の表面へと配設したナノ粒子１、１、…を核にして量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を成長させることが可能になると考えられるので、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部へ選択的にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。こうして量子構造部４２を形成したら、引き続き、太陽電池１０の場合と同様の方法により、量子構造部４２の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。ナノ粒子１、１、…を配設したら、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体を、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面へと堆積させることにより、中間層４３を形成する。このようにして量子構造部４２の表面へ中間層４３を形成することにより、中間層４３の内部（中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域）にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。このようにして中間層４３を形成したら、引き続き、太陽電池１０の場合と同様の方法により、中間層４３の表面へナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、上記と同様の方法により、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面へ量子構造部４２を形成する。以後、量子構造部４２の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面への中間層４３の形成、中間層４３の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、及び、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面への量子構造部４２の形成を順次繰り返すことにより、ｐ層３１の表面へｉ層４１を形成する。こうしてｉ層４１を形成したら、ｉ層４１の表面に、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２を形成する。ｎ層３２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層３２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池４０を製造することができる。
【００５０】
太陽電池４０に関する上記説明では、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部及び周囲にナノ粒子１、１、…が配設されている形態について言及したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）に量子ドットが用いられる場合、ナノ粒子は量子ドットの内部にのみ配設されていても良く、量子ドットの周囲にのみ配設されていても良い。以下、これらの形態について説明する。
【００５１】
５．第５実施形態
図５は、第５実施形態にかかる本発明の太陽電池５０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図５では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層５１の厚さを厚く示している。また、図５では、ナノ粒子１、１、…を簡略化して示している。図５において、太陽電池４０と同様に構成されるものには、図４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。
【００５２】
図５に示すように、太陽電池５０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層５１（光吸収層５１）と、ｎ層３２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層３１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｉ層５１は、濡れ層４２ａ及び該濡れ層４２ａに成長させた量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２と、該量子構造部４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成される中間層５２とが交互に積層されることによって構成されている。太陽電池５０において、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にはナノ粒子１、１、…が配設されている一方、中間層５２、５２、…にはナノ粒子１、１、…が配設されていない。
【００５３】
太陽電池５０では、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にナノ粒子１、１、…が配設されている。そのため、太陽電池５０へと照射された光が量子ドット４２ｂへと達すると、量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。量子ドット４２ｂで光電場を増強させることにより、電子同士及び正孔同士を量子ドット４２ｂにおいて相互作用させることが可能になり、電子及び正孔のエネルギー損失を低減することが可能になる結果、光電変換効率を向上させることが可能になる。したがって、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にのみナノ粒子１、１、…が配設される形態であっても、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池５０を提供することができる。
【００５４】
太陽電池５０において、中間層５２は、太陽電池４０の中間層４３と同様の材料によって構成することができ、中間層５２の厚さ（図５の紙面上下方向の厚さ）は、中間層４３と同様の厚さとすることができる。また、ｉ層５１の厚さは、太陽電池４０のｉ層４１と同様の厚さとすることができる。
【００５５】
上記のように構成される太陽電池５０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池５０を製造するには、まず、太陽電池１０の場合と同様の方法により、裏面電極１５を形成し、形成した裏面電極１５の表面へ、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を形成する。このようにしてｐ層３１を形成したら、太陽電池１０の場合と同様の方法により、ｐ層３１の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、太陽電池４０の場合と同様の方法により、ナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１の表面へ量子構造部４２を形成する。このようにして量子構造部４２を形成することにより、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。量子構造部４２を形成したら、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型半導体やｎ型半導体をドープしていない半導体を量子構造部４２の表面へと堆積させることにより、中間層５２を形成する。量子構造部４２の表面へ中間層５２を形成したら、太陽電池１０の場合と同様の方法により、中間層５２の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。以後、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層５２の表面への量子構造部４２の形成、量子構造部４２の表面への中間層５２の形成、及び、中間層５２の表面へのナノ粒子１、１、…の配設を順次繰り返すことにより、ｐ層３１の表面へｉ層５１を形成する。こうしてｉ層５１を形成したら、ｉ層５１の表面へ、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２を形成する。ｎ層３２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層３２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池５０を製造することができる。
【００５６】
６．第６実施形態
図６は、第６実施形態にかかる本発明の太陽電池６０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図６では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層６１の厚さを厚く示している。また、図６では、ナノ粒子１を簡略化して示している。図６において、太陽電池４０と同様に構成されるものには、図４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６に示すように、太陽電池６０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層６１（光吸収層６１）と、ｎ層３２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層３１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｉ層６１は、濡れ層６２ａ及び該濡れ層６２ａに成長させた量子ドット６２ｂ、６２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット６２ｂ」ということがある。）を有する量子構造部６２と、該量子構造部６２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成される中間層４３とが交互に積層されることによって構成されている。太陽電池６０において、中間層４３、４３、…の内部には、量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…が配設されている一方、量子ドット６２ｂ、６２ｂ、…の内部にはナノ粒子１、１、…が配設されていない。
【００５８】
太陽電池６０では、中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…が配設されている。そのため、太陽電池６０へと照射された光が中間層４３の量子ドット近傍領域に配設されたナノ粒子１、１、…へ達すると、当該ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３及び量子ドット６２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になる。その結果、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３及び量子ドット６２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、太陽電池６０へと照射された光が中間層４３の量子ドット非近傍領域に配設されたナノ粒子１、１、…へと達すると、当該ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になる。その結果、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させることが可能になる。量子ドット６２ｂで光電場を増強させることにより、電子同士又は正孔同士を量子ドット６２ｂにおいて相互作用させることが容易になり、電子及び正孔のエネルギー損失を低減することが可能になる結果、光電変換効率を向上させることが可能になる。また、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させることにより、中間層４３で複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。中間層４３で生成された電子及び正孔は、量子構造部６２、６２、…を経由して表面電極１４や裏面電極１５へ達すると考えられるので、中間層４３で複数の電子及び正孔を生成することにより、量子ドット６２ｂにおいて電子同士や正孔同士を相互作用させることが容易になる。その結果、電子及び正孔のエネルギー損失を低減することが可能になり、光電変換効率を向上させることが可能になる。したがって、中間層４３の内部にのみナノ粒子１、１、…が配設される形態であっても、光電変換効率を向上させることが可能な太陽電池６０を提供することができる。
【００５９】
太陽電池６０において、量子構造部６２は、太陽電池４０の量子構造部４２と同様の材料によって構成することができ、量子構造部６２の形状は、量子構造部４２と同様の形状とすることができる。また、ｉ層６１の厚さは、太陽電池４０のｉ層４１と同様の厚さとすることができる。
【００６０】
上記のように構成される太陽電池６０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池６０を製造するには、まず、太陽電池１０の場合と同様の方法により、裏面電極１５を形成し、形成した裏面電極１５の表面へ、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を形成する。このようにしてｐ層３１を形成したら、太陽電池４０の量子構造部４２の形成方法と同様の方法により、ｐ層３１の表面へ量子構造部６２を形成する。こうして量子構造部６２を形成したら、太陽電池１０の場合と同様の方法により、量子構造部６２の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。ナノ粒子１、１、…を配設したら、太陽電池４０の場合と同様の方法により、表面にナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部６２の表面へ、中間層４３を形成する。このようにして量子構造部６２の表面へ中間層４３を形成することにより、中間層４３の内部（中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域）にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。このようにして中間層４３を形成したら、以後、中間層４３の表面への量子構造部６２の形成、量子構造部６２の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、及び、表面へナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部６２の表面への中間層４３の形成を順次繰り返すことにより、ｐ層３１の表面へｉ層６１を形成する。こうしてｉ層６１を形成したら、ｉ層６１の表面へ、太陽電池３０の場合と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２を形成する。ｎ層３２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層３２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池６０を製造することができる。
【００６１】
太陽電池４０、５０、６０に関する上記説明では、濡れ層のｎ層側に量子ドットが形成される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）は、太陽電池４０、５０、６０のｐ層３１とｎ層３２とを入れ替えた構造とすることも可能である。
【００６２】
また、太陽電池４０、５０、６０に関する上記説明では、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１及びｎ層３２が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）に量子構造部が備えられる場合、金属ナノ粒子が配設されていないｐ層及び／又はｎ層が備えられる形態とすることも可能である。
【００６３】
また、本発明に関する上記説明では、ナノ粒子１、１、…の大きさを受光面からの距離に応じて変化させる形態については言及していないが、本発明では、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きいナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さいナノ粒子を配設することが好ましい。すなわち、図１〜図６に示される太陽電池の紙面上側から光が照射される場合、各図の紙面上側に配設されるナノ粒子の直径をＲ１、各図の紙面下側に配設されるナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ１＜Ｒ２であることが好ましい。これに対し、太陽電池が両面受光型の場合には、相対的に直径の小さいナノ粒子を受光面近傍に配設し、受光面から遠ざかるほど直径の大きいナノ粒子を配設することが好ましい。局在表面プラズモン共鳴によって増強される光電場の波長と金属ナノ粒子の直径との間には相関があり、直径が小さい金属ナノ粒子の周囲では短波長の光電場が増強されやすく、直径が大きい金属ナノ粒子の周囲では長波長の光電場が増強されやすい。それゆえ、短波長の光が吸収されやすい受光面近傍領域に、相対的に直径が小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。また、長波長の光が吸収されやすい受光面から離れた領域に、相対的に直径が大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。したがって、光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きい金属ナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さい金属ナノ粒子を配設することが好ましい。
【００６４】
また、本発明に関する上記説明では、表面が絶縁体１ｂによって被覆された金属ナノ粒子１ａによって構成されるナノ粒子１が配設される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、表面が絶縁体によって被覆されていない金属ナノ粒子１ａが半導体中に配設される形態とすることも可能である。ただし、金属ナノ粒子１ａは導電性物質であるため、光電変換素子の半導体中に配設すると、光照射によって生成されたキャリアが、移動中に、金属ナノ粒子１ａへと捕捉される虞がある。キャリアが金属ナノ粒子１ａによって捕捉されると、電極へと到達するキャリアが低減するため、光電変換効率の向上効果が低減する虞がある。そこで、本発明では、光電変換効率を向上させやすい形態にする等の観点から、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部に絶縁体が配設されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することが好ましく、金属ナノ粒子の全表面が絶縁体で被覆されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することがより好ましい。
【００６５】
また、本発明に関する上記説明では、量子構造部が量子ドットである形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の光電変換素子は、量子構造部に量子井戸や量子細線が用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向が光吸収層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線を光吸収層に配設した太陽電池は、図４〜図６と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。
【００６６】
また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【図１】
2011004446.tif 000003
【図２】
2011004446.tif 000004
【図３】
2011004446.tif 000005
【図４】
2011004446.tif 000006
【図５】
2011004446.tif 000007
【図６】
2011004446.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月20日(2010.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】  太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。【０００３】  これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。【０００４】  このような太陽電池（光起電力デバイス及び光電変換素子も含む）に関する技術、又は、太陽電池に応用可能な技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、入射光に照明された表面及び照明されていない表面を有し、該照明された表面及び照明されていない表面の少なくとも１つは、入射光と上記表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を生ずる強化特性を有するアパーチャーの配列を有する第１の金属電極と、該第１の金属電極から間隔を置いて配置された第２の電極とを備える表面プラズモン強化光起電力デバイスが開示されている。また、特許文献２には、構成要素の少なくとも一部として、少なくとも、多光子吸収有機材料と局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子と分散剤とを含有する混合物が用いられている光電変換素子が開示されている。また、特許文献３には、平均粒径が０．１〜１０μｍで、ほぼ球形の金属粒子の表面全部あるいは一部を、誘電体層により被覆し、該被覆粒子を１種類以上樹脂中に分散してなる複合誘電体材料が開示されている。また、特許文献４には、絶縁性磁性金属粒子及び絶縁性磁性材料の製造方法が開示されている。また、特許文献５には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩを成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７６４１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２４３９号公報
【特許文献３】特開２００１−３０３１０２号公報
【特許文献４】特開２００８−４１９６１号公報
【特許文献５】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  特許文献１に開示されている技術によれば、表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用しているので、光吸収を促進することが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることも可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のように、表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用する形態では、光吸収の促進効果が不十分になりやすいという問題があった。一方、特許文献２に開示されている技術によれば、局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子が三次元的に配置されているので、特許文献１に開示されている技術よりも、光吸収の促進効果が得られやすいと考えられる。しかしながら、特許文献２に開示されている技術では、金属微粒子を電解質中に分散させている。そのため、金属微粒子を均一に分散させることが困難であり、光電変換効率の向上効果が低減しやすいという問題があった。これらの問題は、特許文献１〜特許文献５に開示されている技術を組み合わせたとしても、解決することは困難であった。【０００７】  そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、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】
【０００８】  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、ｐ層及びｎ層、並びに、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層を具備し、ｉ層は、量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、量子構造部の内部及び半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設され、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることを特徴とする、光電変換素子である。【０００９】  ここに、「金属ナノ粒子」とは、直径が１００ｎｍ以下、好ましくは直径が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の金属粒子をいう。金属ナノ粒子を構成する金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を例示することができる。【００１０】  また、「量子構造部」とは、例えば、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等をいう。【００１１】  また、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、量子構造部が半導体に埋め込まれている場合には、量子構造部が埋め込まれる母材となる半導体をいう。これに対し、量子構造部を構成しない半導体と量子構造部とが交互に積層されている場合、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、隣接する量子構造部の間に積層された、量子構造部を構成しない半導体をいう。【００１２】  また、上記本発明において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることが好ましい。【００１３】また、上記本発明において、受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光面からの距離がＤ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】  本発明では、量子構造部の内部及びその周囲に配設された半導体層に、金属ナノ粒子が配設される。量子構造部の内部やその近傍に金属ナノ粒子を配設することにより、量子構造部における光電場を増強させることが可能になる。また、量子構造部の周囲に配設された半導体層に金属ナノ粒子を配設することにより、半導体層における光電場を増強させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することができる。また、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果は、金属ナノ粒子の直径と同程度の距離まで発現されると考えられる。そのため、本発明において、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることにより、半導体層のみならず量子構造部においても光電場を増強させることが容易になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００１５】  また、本発明において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が絶縁体によって被覆されていることにより、光照射によって発生したキャリアが、金属ナノ粒子によって捕捉される事態を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。【００１６】  また、本発明において、受光面からの距離が近い領域に小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が近い領域で、短波長の光電場を増強させることが可能になる。また、受光面からの距離が遠い領域に大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が遠い領域で、長波長の光電場を増強させることが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】太陽電池４０の形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１８】１…ナノ粒子、１３…反射防止膜兼透明導電膜、１４…表面電極（第２電極）、１５…裏面電極（第１電極）、３１…ｐ層、３２…ｎ層、４０…太陽電池、４１…ｉ層、４２…量子構造部、４２ａ…濡れ層、４２ｂ…量子ドット、４３…中間層（半導体層）
【発明を実施するための形態】
【００１９】  以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。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るものではない。
【００２０】  図１は、本発明の太陽電池４０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図１では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層４１の厚さを厚く示している。また、図１では、ナノ粒子１、１、…を簡略化して示している。
【００２１】  図１に示すように、太陽電池４０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層４１（光吸収層４１）と、ｎ層３２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層３１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｉ層４１は、濡れ層４２ａ及び該濡れ層４２ａに成長させた量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２と、該量子構造部４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成される中間層４３とが交互に積層されることによって構成されている。中間層４３には、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径以下である領域（以下において「量子ドット近傍領域」という。）、及び、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径を超える領域（以下において「量子ドット非近傍領域」という。）に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。また、太陽電池４０では、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にも、ナノ粒子１、１、…が配設されている。ナノ粒子１は、金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子の全表面を被覆するように配置された絶縁体と、を有している。ｐ層３１はｐ型半導体によって構成されており、ｎ層３２はｎ型半導体によって構成されている。
【００２２】  太陽電池４０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光が、ｎ層３２、ｉ層４１、及び、ｐ層３１へと入射する。入射した光は、これらの層で吸収され、キャリアが生成される。生成されたキャリアは、ｐ層３１及びｎ層３２によって形成される内部電界により、電子は表面電極１４へ、正孔は裏面電極１５へと移動する。太陽電池４０において、ｉ層４１へ光が入射すると、量子構造部４２、４２、…、及び、中間層４３、４３、…でキャリアが生成される。量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアは、共鳴トンネルにより中間層４３、４３、…を通過し、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。これに対し、中間層４３、４３、…で生成されたキャリアは、量子構造部４２、４２、…へと落ち込み、量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアと以下同様にして、表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。ここで、上述のように、太陽電池４０は、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット４２ｂ」ということがある。）、並びに、中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。量子ドット４２ｂにナノ粒子１を配設することにより、量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３及び量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、中間層４３及び量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させることが可能になる。量子ドット４２ｂで光電場を増強させると、量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔が生成されると、量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させることが容易になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させることが容易になる。また、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させると、中間層４３で複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。中間層４３で生成された電子や正孔は、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４や裏面電極１５へ達すると考えられるので、中間層４３で複数の電子や正孔を生成することにより、量子ドット４２ｂにおいて電子同士や正孔同士を相互作用させることが容易になる。量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させると、電子のエネルギー損失を低減することが可能になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させると、正孔のエネルギー損失を低減することが可能になる。それゆえ、量子ドット４２ｂ並びに量子ドット近傍領域及び量子���ット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池４０を提供することができる。
【００２３】  太陽電池４０において、反射防止膜兼透明導電膜１３の構成材料は、例えば、ＭｇＦ２やＴｉＯ２等、公知の材料を用いることができる。反射防止膜兼透明導電膜１３の厚さは、例えば、０．１μｍとすることができる。また、表面電極１４及び裏面電極１５の構成材料は、例えばＡｇ等、公知の材料を用いることができる。表面電極１４の厚さは、例えば．０．１〜１０μｍとすることができ、裏面電極１５の厚さは、例えば、０．１〜２μｍとすることができる。また、金属ナノ粒子の構成材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を用いることができる。また、金属ナノ粒子がＡｇによって構成される場合、絶縁体はＡｇを酸化させることによって作製したＡｇＯ等によって構成することができる。また、金属ナノ粒子がＰｔによって構成される場合、絶縁体はＰｄＯ等によって構成することができる。金属ナノ粒子の直径は、例えば、２ｎｍ以上１００ｎｍとすることができ、例えば、金属ナノ粒子の直径が２ｎｍのとき、絶縁体の厚さは１ｎｍとするとすることができる。また、ｐ層３１の構成材料は、例えば、正孔の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＢａをドープしたｐ型のＧａＡｓ等、公知のｐ型半導体を用いることができる。ｐ層３１の厚さ（図１の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、５〜２０ｎｍとすることができる。また、ｎ層３２の構成材料は、例えば、電子の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＳｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ等、公知のｎ型半導体を用いることができる。ｎ層３２の厚さは、例えば、１０〜３０ｎｍとすることができる。また、中間層４３の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＮＡｓ等を用いることができる。それぞれの中間層４３、４３、…の厚さは、例えば、４０ｎｍとすることができる。また、量子構造部４２の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等、中間層４３を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体を用いることができる。それぞれの濡れ層４２ａ、４２ａ、…の厚さは、例えば、分子１〜２層程度とすることができる。また、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の高さ（図１の紙面上下方向の高さ）は、例えば、３〜１０ｎｍとすることができ、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の直径（図１の紙面左右方向における量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…最大長さ）は、例えば、５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。また、ｉ層４１の厚さは、例えば、３００ｎｍ〜２μｍとすることができる。
【００２４】  上記のように構成される太陽電池４０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池４０を製造するには、まず、基板（不図示）の表面へ、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって裏面電極１５を形成する。裏面電極１５を形成したら、その表面へ、化学気相成長（ＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によってｐ型半導体を堆積させる。このようにしてｐ型半導体を堆積させたら、ｐ型半導体を堆積させた裏面電極１５をＣＶＤ装置やＭＢＥ装置から取り出し、コア・シェル状の金属ナノ粒子（Ｐｔの表面がＰｄによって被覆されている金属ナノ粒子）が分散されている水溶液（例えば、「Ｐｔ／Ｐｄ（コア／シェル）ＰＶＰ−系」、田中貴金属株式会社製。以下において、「金属ナノ粒子溶液」という。）を、スピンコーターにより、ｐ型半導体の表面へ均一に塗布する。金属ナノ粒子溶液を塗布したら、酸素雰囲気の炉内で水分を蒸発させることにより、表面が絶縁体（ＰｄＯ）で被覆された金属ナノ粒子（Ｐｔ）によって構成されるナノ粒子１、１、…を、ｐ型半導体の表面へと配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、再びＣＶＤ装置やＭＢＥ装置へ、表面にナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体を配設した裏面電極１５をセットし、ナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体の表面へ、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によってｐ型半導体を堆積させる。以後、ナノ粒子１、１、…の配設と、ｐ型半導体の堆積とを繰り返すことにより、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を、裏面電極１５の表面へ形成することができる。このようにしてｐ層３１を形成したら、上記と同様の方法により、ｐ層３１の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体（中間層４３を構成すべき半導体よりもバンドギャップが狭い半導体）を、ナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１の表面へと堆積させることにより、濡れ層４２ａを形成する。そして、さらに当該半導体の堆積を継続することにより、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードによって量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成し、濡れ層４２ａ及び量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２をｐ層３１の表面に形成する。かかる形態で量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成することにより、ｐ層３１の表面へと配設したナノ粒子１、１、…を核にして量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を成長させることが可能になると考えられるので、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部へ選択的にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。こうして量子構造部４２を形成したら、引き続き、上記と同様の方法により、量子構造部４２の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。ナノ粒子１、１、…を配設したら、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体を、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面へと堆積させることにより、中間層４３を形成する。このようにして量子構造部４２の表面へ中間層４３を形成することにより、中間層４３の内部（中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域）にナノ粒子１、���、…を配設することが可能になる。このようにして中間層４３を形成したら、引き続き、上記と同様の方法により、中間層４３の表面へナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、上記と同様の方法により、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面へ量子構造部４２を形成する。以後、量子構造部４２の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面への中間層４３の形成、中間層４３の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、及び、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面への量子構造部４２の形成を順次繰り返すことにより、ｐ層３１の表面へｉ層４１を形成する。こうしてｉ層４１を形成したら、ｐ型半導体に代えてｎ型半導体を用いるほかはｐ層３１の形成方法と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２をｉ層４１の表面に形成する。ｎ層３２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層３２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池４０を製造することができる。
【００２５】  太陽電池４０に関する上記説明では、濡れ層のｎ層側に量子ドットが形成される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）は、太陽電池４０のｐ層３１とｎ層３２とを入れ替えた構造とすることも可能である。
【００２６】  また、太陽電池４０に関する上記説明では、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１及びｎ層３２が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）は、金属ナノ粒子が配設されていないｐ層及び／又はｎ層が備えられる形態とすることも可能である。
【００２７】  また、本発明に関する上記説明では、ナノ粒子１、１、…の大きさを受光面からの距離に応じて変化させる形態については言及していないが、本発明では、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きいナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さいナノ粒子を配設することが好ましい。すなわち、図１に示される太陽電池の紙面上側から光が照射される場合、図の紙面上側に配設されるナノ粒子の直径をＲ１、図の紙面下側に配設されるナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ１＜Ｒ２であることが好ましい。これに対し、太陽電池が両面受光型の場合には、相対的に直径の小さいナノ粒子を受光面近傍に配設し、受光面から遠ざかるほど直径の大きいナノ粒子を配設することが好ましい。局在表面プラズモン共鳴によって増強される光電場の波長と金属ナノ粒子の直径との間には相関があり、直径が小さい金属ナノ粒子の周囲では短波長の光電場が増強されやすく、直径が大きい金属ナノ粒子の周囲では長波長の光電場が増強されやすい。それゆえ、短波長の光が吸収されやすい受光面近傍領域に、相対的に直径が小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。また、長波長の光が吸収されやすい受光面から離れた領域に、相対的に直径が大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。したがって、光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きい金属ナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さい金属ナノ粒子を配設することが好ましい。
【００２８】  また、本発明に関する上記説明では、表面が絶縁体によって被覆された金属ナノ粒子によって構成されるナノ粒子１が配設される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、表面が絶縁体によって被覆されていない金属ナノ粒子が半導体中に配設される形態とすることも可能である。ただし、金属ナノ粒子は導電性物質であるため、光電変換素子の半導体中に配設すると、光照射によって生成されたキャリアが、移動中に、金属ナノ粒子へと捕捉される虞がある。キャリアが金属ナノ粒子によって捕捉されると、電極へと到達するキャリアが低減するため、光電変換効率の向上効果が低減する虞がある。そこで、本発明では、光電変換効率を向上させやすい形態にする等の観点から、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部に絶縁体が配設されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することが好ましく、金属ナノ粒子の全表面が絶縁体で被覆されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することがより好ましい。
【００２９】  また、本発明に関する上記説明では、量子構造部が量子ドットである形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の光電変換素子は、量子構造部に量子井戸や量子細線が用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向が光吸収層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線を光吸収層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。
【００３０】  また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】  本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【手続補正２】
【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】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
ｐ層及びｎ層、並びに、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層を具備し、
前記ｉ層は、量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、
前記量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、
前記量子構造部の内部及び前記半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設され、前記半導体層の内部に配設されている前記金属ナノ粒子の少なくとも一部と前記量子構造部との距離が、前記金属ナノ粒子の直径以下であることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項５】
前記金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光画からの距離が前記Ｄ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることを特徴とする、請求の範囲第４項又は請求の範囲第５項に記載の光電変換素子。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011004446.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月14日(2011.2.14)
【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】
ｐ層及びｎ層、並びに、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたｉ層を具備し、
前記ｉ層は、量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、
前記量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、
前記量子構造部の内部及び前記半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設され、前記半導体層の内部に配設されている前記金属ナノ粒子の少なくとも一部と前記量子構造部との距離が、前記金属ナノ粒子の直径以下であることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光面からの距離が前記Ｄ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている前記金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。
【０００３】
これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子構造を利用した太陽電池がある。この種の太陽電池で用いられる量子構造としては、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等が知られている。量子構造を用いることにより、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になるため、量子構造を利用した太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることも可能になると考えられている。
【０００４】
このような太陽電池（光起電力デバイス及び光電変換素子も含む）に関する技術、又は、太陽電池に応用可能な技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、入射光に照明された表面及び照明されていない表面を有し、該照明された表面及び照明されていない表面の少なくとも１つは、入射光と上記表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を生ずる強化特性を有するアパーチャーの配列を有する第１の金属電極と、該第１の金属電極から間隔を置いて配置された第２の電極とを備える表面プラズモン強化光起電力デバイスが開示されている。また、特許文献２には、構成要素の少なくとも一部として、少なくとも、多光子吸収有機材料と局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子と分散剤とを含有する混合物が用いられている光電変換素子が開示されている。また、特許文献３には、平均粒径が０．１〜１０μｍで、ほぼ球形の金属粒子の表面全部あるいは一部を、誘電体層により被覆し、該被覆粒子を１種類以上樹脂中に分散してなる複合誘電体材料が開示されている。また、特許文献４には、絶縁性磁性金属粒子及び絶縁性磁性材料の製造方法が開示されている。また、特許文献５には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩを成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−７６４１０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２４３９号公報
【特許文献３】特開２００１−３０３１０２号公報
【特許文献４】特開２００８−４１９６１号公報
【特許文献５】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用しているので、光吸収を促進することが可能になり、その結果、光電変換効率を向上させることも可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のように、表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を利用する形態では、光吸収の促進効果が不十分になりやすいという問題があった。一方、特許文献２に開示されている技術によれば、局在プラズモン増強場を発生する金属微粒子が三次元的に配置されているので、特許文献１に開示されている技術よりも、光吸収の促進効果が得られやすいと考えられる。しかしながら、特許文献２に開示されている技術では、金属微粒子を電解質中に分散させている。そのため、金属微粒子を均一に分散させることが困難であり、光電変換効率の向上効果が低減しやすいという問題があった。これらの問題は、特許文献１〜特許文献５に開示されている技術を組み合わせたとしても、解決することは困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、光電変換効率を向上させることが可能な、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】
【０００８】
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、ｐ層及びｎ層、並びに、ｐ層とｎ層との間に配設されたｉ層を具備し、ｉ層は、量子構造部及び該量子構造部の周囲に配設された半導体層を備え、量子構造部の構成材料に半導体が含まれ、量子構造部の内部及び半導体層の内部に、金属ナノ粒子が配設され、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることを特徴とする、光電変換素子である。
【０００９】
ここに、「金属ナノ粒子」とは、直径が１００ｎｍ以下、好ましくは直径が２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の金属粒子をいう。金属ナノ粒子を構成する金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を例示することができる。
【００１０】
また、「量子構造部」とは、例えば、量子ドット、量子井戸、及び、量子細線等をいう。
【００１１】
また、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、量子構造部が半導体に埋め込まれている場合には、量子構造部が埋め込まれる母材となる半導体をいう。これに対し、量子構造部を構成しない半導体と量子構造部とが交互に積層されている場合、「量子構造部の周囲に配設された半導体層」とは、隣接する量子構造部の間に積層された、量子構造部を構成しない半導体をいう。
【００１２】
また、上記本発明において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が、絶縁体によって被覆されていることが好ましい。
【００１３】
また、上記本発明において、受光面からの距離がＤ１である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ１、受光面からの距離がＤ１よりも遠いＤ２である領域に配設されている金属ナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ２＞Ｒ１であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、量子構造部の内部及びその周囲に配設された半導体層に、金属ナノ粒子が配設される。量子構造部の内部やその近傍に金属ナノ粒子を配設することにより、量子構造部における光電場を増強させることが可能になる。また、量子構造部の周囲に配設された半導体層に金属ナノ粒子を配設することにより、半導体層における光電場を増強させることが可能になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を向上させることが可能な、光電変換素子を提供することができる。また、局在表面プラズモン共鳴による光電場の増強効果は、金属ナノ粒子の直径と同程度の距離まで発現されると考えられる。そのため、本発明において、半導体層の内部に配設されている金属ナノ粒子の少なくとも一部と量子構造部との距離が、金属ナノ粒子の直径以下であることにより、半導体層のみならず量子構造部においても光電場を増強させることが容易になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００１５】
また、本発明において、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部が絶縁体によって被覆されていることにより、光照射によって発生したキャリアが、金属ナノ粒子によって捕捉される事態を低減することが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【００１６】
また、本発明において、受光面からの距離が近い領域に小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が近い領域で、短波長の光電場を増強させることが可能になる。また、受光面からの距離が遠い領域に大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい受光面からの距離が遠い領域で、長波長の光電場を増強させることが可能になる。それゆえ、かかる形態とすることにより、光電変換効率を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】太陽電池４０の形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１…ナノ粒子、１３…反射防止膜兼透明導電膜、１４…表面電極（第２電極）、１５…裏面電極（第１電極）、３１…ｐ層、３２…ｎ層、４０…太陽電池、４１…ｉ層、４２…量子構造部、４２ａ…濡れ層、４２ｂ…量子ドット、４３…中間層（半導体層）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明を太陽電池に適用した場合について説明する。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るものではない。
【００２０】
図１は、本発明の太陽電池４０の形態例を示す断面図である。本発明の理解を容易にするため、図１では、ｐ層３１、ｎ層３２、及び、ｉ層４１の厚さを厚く示している。また、図１では、ナノ粒子１、１、…を簡略化して示している。
【００２１】
図１に示すように、太陽電池４０は、ｐ層３１及びｎ層３２と、ｐ層３１とｎ層３２との間に配設されたｉ層４１（光吸収層４１）と、ｎ層３２の表面に配設された反射防止膜兼透明導電膜１３と、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に配設された櫛形の表面電極１４と、ｐ層３１の裏面に配設された裏面電極１５と、を備えている。ｉ層４１は、濡れ層４２ａ及び該濡れ層４２ａに成長させた量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２と、該量子構造部４２を構成する半導体よりもバンドギャップが広い半導体によって構成される中間層４３とが交互に積層されることによって構成されている。中間層４３には、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径以下である領域（以下において「量子ドット近傍領域」という。）、及び、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…からの距離がナノ粒子１、１、…の直径を超える領域（以下において「量子ドット非近傍領域」という。）に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。また、太陽電池４０では、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部にも、ナノ粒子１、１、…が配設されている。ナノ粒子１は、金属ナノ粒子と、該金属ナノ粒子の全表面を被覆するように配置された絶縁体と、を有している。ｐ層３１はｐ型半導体によって構成されており、ｎ層３２はｎ型半導体によって構成されている。
【００２２】
太陽電池４０に光が照射されると、反射防止膜兼透明導電膜１３によって反射が抑制された光が、ｎ層３２、ｉ層４１、及び、ｐ層３１へと入射する。入射した光は、これらの層で吸収され、キャリアが生成される。生成されたキャリアは、ｐ層３１及びｎ層３２によって形成される内部電界により、電子は表面電極１４へ、正孔は裏面電極１５へと移動する。太陽電池４０において、ｉ層４１へ光が入射すると、量子構造部４２、４２、…、及び、中間層４３、４３、…でキャリアが生成される。量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアは、共鳴トンネルにより中間層４３、４３、…を通過し、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。これに対し、中間層４３、４３、…で生成されたキャリアは、量子構造部４２、４２、…へと落ち込み、量子構造部４２、４２、…で生成されたキャリアと以下同様にして、表面電極１４又は裏面電極１５へと達する。ここで、上述のように、太陽電池４０は、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…（以下において、単に「量子ドット４２ｂ」ということがある。）、並びに、中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域に、ナノ粒子１、１、…が配設されている。量子ドット４２ｂにナノ粒子１を配設することにより、量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３及び量子ドット４２ｂで局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、中間層４３及び量子ドット４２ｂで光電場を増強させることが可能になる。また、中間層４３の量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で局在表面プラズモン共鳴の効果を発現させることが可能になり、その結果、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させることが可能になる。量子ドット４２ｂで光電場を増強させると、量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。量子ドット４２ｂで複数の電子及び正孔が生成されると、量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させることが容易になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させることが容易になる。また、ナノ粒子１、１、…の周囲に存在する中間層４３で光電場を増強させると、中間層４３で複数の電子及び正孔を生成することが容易になる。中間層４３で生成された電子や正孔は、量子構造部４２、４２、…を経由して表面電極１４や裏面電極１５へ達すると考えられるので、中間層４３で複数の電子や正孔を生成することにより、量子ドット４２ｂにおいて電子同士や正孔同士を相互作用させることが容易になる。量子ドット４２ｂにおいて電子同士を相互作用させると、電子のエネルギー損失を低減することが可能になり、量子ドット４２ｂにおいて正孔同士を相互作用させると、正孔のエネルギー損失を低減することが可能になる。それゆえ、量子ドット４２ｂ並びに量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域にナノ粒子１、１、…を配設することにより、光電変換効率を向上させることが可能な、太陽電池４０を提供することができる。
【００２３】
太陽電池４０において、反射防止膜兼透明導電膜１３の構成材料は、例えば、ＭｇＦ２やＴｉＯ２等、公知の材料を用いることができる。反射防止膜兼透明導電膜１３の厚さは、例えば、０．１μｍとすることができる。また、表面電極１４及び裏面電極１５の構成材料は、例えばＡｇ等、公知の材料を用いることができる。表面電極１４の厚さは、例えば、０．１〜１０μｍとすることができ、裏面電極１５の厚さは、例えば、０．１〜２μｍとすることができる。また、金属ナノ粒子の構成材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等を用いることができる。また、金属ナノ粒子がＡｇによって構成される場合、絶縁体はＡｇを酸化させることによって作製したＡｇＯ等によって構成することができる。また、金属ナノ粒子がＰｔによって構成される場合、絶縁体はＰｄＯ等によって構成することができる。金属ナノ粒子の直径は、例えば、２ｎｍ以上１００ｎｍとすることができ、例えば、金属ナノ粒子の直径が２ｎｍのとき、絶縁体の厚さは１ｎｍとするとすることができる。また、ｐ層３１の構成材料は、例えば、正孔の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＢｅをドープしたｐ型のＧａＡｓ等、公知のｐ型半導体を用いることができる。ｐ層３１の厚さ（図１の紙面上下方向の厚さ。以下、本段落において同じ。）は、例えば、５〜２０ｎｍとすることができる。また、ｎ層３２の構成材料は、例えば、電子の密度が１×１８ｃｍ−３となるようにＳｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ等、公知のｎ型半導体を用いることができる。ｎ層３２の厚さは、例えば、１０〜３０ｎｍとすることができる。また、中間層４３の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＧａＮＡｓ等を用いることができる。それぞれの中間層４３、４３、…の厚さは、例えば、４０ｎｍとすることができる。また、量子構造部４２の構成材料は、例えば、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていないＩｎＡｓ等、中間層４３を構成する半導体よりもバンドギャップが狭い半導体を用いることができる。それぞれの濡れ層４２ａ、４２ａ、…の厚さは、例えば、分子１〜２層程度とすることができる。また、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の高さ（図１の紙面上下方向の高さ）は、例えば、３〜１０ｎｍとすることができ、それぞれの量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の直径（図１の紙面左右方向における量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…最大長さ）は、例えば、５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。また、ｉ層４１の厚さは、例えば、３００ｎｍ〜２μｍとすることができる。
【００２４】
上記のように構成される太陽電池４０の製造方法の一例を、以下に説明する。太陽電池４０を製造するには、まず、基板（不図示）の表面へ、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって裏面電極１５を形成する。裏面電極１５を形成したら、その表面へ、化学気相成長（ＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によってｐ型半導体を堆積させる。このようにしてｐ型半導体を堆積させたら、ｐ型半導体を堆積させた裏面電極１５をＣＶＤ装置やＭＢＥ装置から取り出し、コア・シェル状の金属ナノ粒子（Ｐｔの表面がＰｄによって被覆されている金属ナノ粒子）が分散されている水溶液（例えば、「Ｐｔ／Ｐｄ（コア／シェル）ＰＶＰ−系」、田中貴金属株式会社製。以下において、「金属ナノ粒子溶液」という。）を、スピンコーターにより、ｐ型半導体の表面へ均一に塗布する。金属ナノ粒子溶液を塗布したら、酸素雰囲気の炉内で水分を蒸発させることにより、表面が絶縁体（ＰｄＯ）で被覆された金属ナノ粒子（Ｐｔ）によって構成されるナノ粒子１、１、…を、ｐ型半導体の表面へと配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、再びＣＶＤ装置やＭＢＥ装置へ、表面にナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体を配設した裏面電極１５をセットし、ナノ粒子１、１、…及びｐ型半導体の表面へ、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によってｐ型半導体を堆積させる。以後、ナノ粒子１、１、…の配設と、ｐ型半導体の堆積とを繰り返すことにより、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１を、裏面電極１５の表面へ形成することができる。このようにしてｐ層３１を形成したら、上記と同様の方法により、ｐ層３１の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体（中間層４３を構成すべき半導体よりもバンドギャップが狭い半導体）を、ナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１の表面へと堆積させることにより、濡れ層４２ａを形成する。そして、さらに当該半導体の堆積を継続することにより、ＳＫ（Stranski-Krastanov）成長モードによって量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成し、濡れ層４２ａ及び量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を有する量子構造部４２をｐ層３１の表面に形成する。かかる形態で量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を形成することにより、ｐ層３１の表面へと配設したナノ粒子１、１、…を核にして量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…を成長させることが可能になると考えられるので、量子ドット４２ｂ、４２ｂ、…の内部へ選択的にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。こうして量子構造部４２を形成したら、引き続き、上記と同様の方法により、量子構造部４２の表面へ、ナノ粒子１、１、…を配設する。ナノ粒子１、１、…を配設したら、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｐ型不純物やｎ型不純物をドープしていない半導体を、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面へと堆積させることにより、中間層４３を形成する。このようにして量子構造部４２の表面へ中間層４３を形成することにより、中間層４３の内部（中間層４３の量子ドット近傍領域及び量子ドット非近傍領域）にナノ粒子１、１、…を配設することが可能になる。このようにして中間層４３を形成したら、引き続き、上記と同様の方法により、中間層４３の表面へナノ粒子１、１、…を配設する。こうしてナノ粒子１、１、…を配設したら、上記と同様の方法により、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面へ量子構造部４２を形成する。以後、量子構造部４２の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、ナノ粒子１、１、…が配設された量子構造部４２の表面への中間層４３の形成、中間層４３の表面へのナノ粒子１、１、…の配設、及び、ナノ粒子１、１、…が配設された中間層４３の表面への量子構造部４２の形成を順次繰り返すことにより、ｐ層３１の表面へｉ層４１を形成する。こうしてｉ層４１を形成したら、ｐ型半導体に代えてｎ型半導体を用いるほかはｐ層３１の形成方法と同様の方法により、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｎ層３２をｉ層４１の表面に形成する。ｎ層３２を形成したら、引き続き、ＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、ｎ層３２の表面に反射防止膜兼透明導電膜１３を形成する。そして、蒸着やスパッタ法等の公知の方法によって、反射防止膜兼透明導電膜１３の表面に表面電極１４を形成することにより、太陽電池４０を製造することができる。
【００２５】
太陽電池４０に関する上記説明では、濡れ層のｎ層側に量子ドットが形成される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）は、太陽電池４０のｐ層３１とｎ層３２とを入れ替えた構造とすることも可能である。
【００２６】
また、太陽電池４０に関する上記説明では、内部にナノ粒子１、１、…が配設されたｐ層３１及びｎ層３２が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池（光電変換素子）は、金属ナノ粒子が配設されていないｐ層及び／又はｎ層が備えられる形態とすることも可能である。
【００２７】
また、本発明に関する上記説明では、ナノ粒子１、１、…の大きさを受光面からの距離に応じて変化させる形態については言及していないが、本発明では、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きいナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さいナノ粒子を配設することが好ましい。すなわち、図１に示される太陽電池の紙面上側から光が照射される場合、図の紙面上側に配設されるナノ粒子の直径をＲ１、図の紙面下側に配設されるナノ粒子の直径をＲ２とするとき、Ｒ１＜Ｒ２であることが好ましい。これに対し、太陽電池が両面受光型の場合には、相対的に直径の小さいナノ粒子を受光面近傍に配設し、受光面から遠ざかるほど直径の大きいナノ粒子を配設することが好ましい。局在表面プラズモン共鳴によって増強される光電場の波長と金属ナノ粒子の直径との間には相関があり、直径が小さい金属ナノ粒子の周囲では短波長の光電場が増強されやすく、直径が大きい金属ナノ粒子の周囲では長波長の光電場が増強されやすい。それゆえ、短波長の光が吸収されやすい受光面近傍領域に、相対的に直径が小さい金属ナノ粒子を配設することにより、短波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。また、長波長の光が吸収されやすい受光面から離れた領域に、相対的に直径が大きい金属ナノ粒子を配設することにより、長波長の光が吸収されやすい形態とすることが可能になる。したがって、光電変換効率を向上させやすい形態の光電変換素子を提供する等の観点からは、受光面からの距離が遠い領域には相対的に直径の大きい金属ナノ粒子を配設し、受光面からの距離が近い領域には相対的に直径の小さい金属ナノ粒子を配設することが好ましい。
【００２８】
また、本発明に関する上記説明では、表面が絶縁体によって被覆された金属ナノ粒子によって構成されるナノ粒子１が配設される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、表面が絶縁体によって被覆されていない金属ナノ粒子が半導体中に配設される形態とすることも可能である。ただし、金属ナノ粒子は導電性物質であるため、光電変換素子の半導体中に配設すると、光照射によって生成されたキャリアが、移動中に、金属ナノ粒子へと捕捉される虞がある。キャリアが金属ナノ粒子によって捕捉されると、電極へと到達するキャリアが低減するため、光電変換効率の向上効果が低減する虞がある。そこで、本発明では、光電変換効率を向上させやすい形態にする等の観点から、金属ナノ粒子の表面の少なくとも一部に絶縁体が配設されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することが好ましく、金属ナノ粒子の全表面が絶縁体で被覆されることによって構成されるナノ粒子を半導体中に配設することがより好ましい。
【００２９】
また、本発明に関する上記説明では、量子構造部が量子ドットである形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の光電変換素子は、量子構造部に量子井戸や量子細線が用いられる形態とすることも可能である。量子構造部に量子細線が用いられる本発明において、例えば、量子細線の軸方向が光吸収層における電流・電圧方向と交差するように、量子細線を光吸収層に配設した太陽電池は、図１と同様の断面によって表すことができる。本発明において、量子構造部に量子細線を用いる場合、量子細線を構成する材料や構造は特に限定されるものではなく、カーボンナノチューブ等、公知の量子細線を用いることができる。
【００３０】
また、これまで、本発明を太陽電池に適用した場合について説明したが、本発明の光電変換素子は太陽電池に限定されるものではない。本発明は、光検出素子等の他の光電変換素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011004446.tif 000010
【国際調査報告】
2011004446.tif 000011
2011004446.tif 000012
2011004446.tif 000013
2011004446.tif 000014