(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層と、
上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、
上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあり、
上記フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶であり、
上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、上記欠陥がマトリクス状に配置されることにより、全体として、フォトニックバンドギャップを形成する共振器を構成しており、
上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、
二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されていること
を特徴とする太陽電池。
【請求項２】
光電変換層と、
上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、
上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあり、
上記フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶であり、
上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、上記欠陥がマトリクス状に配置されることにより、全体として、フォトニックバンドギャップを形成する共振器を構成しており、
上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成される構成を第２ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、
二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、長方格子状に配置されていること
を特徴とする太陽電池。
【請求項３】
光電変換層と、
上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、
上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあり、
上記フォトニック結晶は、フォトニックバンド端を持つように、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されたフォトニック結晶であり、
上記フォトニック結晶による共鳴波長をλとしたとき、
上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置され、
太陽電池の受光面を太陽の向きに合わせて移動させる手段、もしくは、集光デバイスが付加されていること
を特徴とする太陽電池。
【請求項４】
上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項５】
上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みの１／４以下の高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項６】
上記欠陥を取り囲む上記柱状の媒質のうち、特定方向に沿った線上に配置された２つの柱状の媒質の位置が、上記六角形の各頂点の位置から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で距離が短くなる方向にシフトしていること
を特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、三角形の各頂点に配置されていること
を特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
【請求項８】
上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、四角形の各頂点に配置されていること
を特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
【請求項９】
上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質が、２次元的に一定のピッチで配されている領域と、当該領域とは異なるピッチで、２次元的に一定のピッチで配されている領域とが配されていること
を特徴とする請求項３，７または８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の太陽電池を１ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列されたことを特徴とする太陽電池パネル。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか１項に記載の太陽電池を電源として備えたことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の太陽電池パネルを電源として備えたことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池、複数の上記太陽電池を配列した太陽電池パネルおよび上記太陽電池を電源として搭載した装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば、太陽電池または光センサなどに、入射光を光電変換することで電気信号に変換する光電変換素子が一般的に用いられている。このような光電変換素子には半導体が用いられており、半導体のバンドギャップを越えるエネルギーを持った電磁波（光）が入射したとき、半導体において電子が、価電子帯から伝導帯へ励起され、光電変換が発生する。
【０００３】
例えば、アモルファス半導体であるａ‐Ｓｉでは、波長７００ｎｍ程度以下に吸収があることが一般的に知られている(光の吸収端が７００ｎｍ付近)。つまり、吸収端より短波長の電磁波（光）では、光起電力材料において光の吸収があるため、光起電力材料では光電変換が発生する。しかし、加工方法や製造方法の改善により、実際のデバイスでは８２０ｎｍ程度まで吸収が存在するため、波長７００ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域でも光起電力の発生が期待できる。
【０００４】
図３２は、ａ‐Ｓｉ（厚み３３０ｎｍ）の光の波長に対する吸収率の実測値を表す図である。
【０００５】
図３２に示すように、ａ‐Ｓｉの場合、波長約５２０ｎｍ以下では吸収のピークが続き、波長が５２０ｎｍ付近から、吸収端の波長である８２０ｎｍの方へ大きくなるとともに、吸収率が低下している。これは、半導体の吸収端から吸収ピーク間では、光と電子との相互作用が弱くなるため、この間の電磁波（光）はａ‐Ｓｉを透過しやすくなるからである。したがって、半導体の吸収端から吸収ピーク間で光電変換効率が悪くなる。このため、この吸収端から吸収ピーク間で、半導体が充分に光を吸収するには、半導体を厚膜化する必要がある。
【０００６】
近年では、光の吸収率を向上させるために、例えば下掲の特許文献１〜４に開示されているように、フォトニック結晶を用いた光電変換素子が開発されている。
【０００７】
図３３は、特許文献１に開示されている太陽電池セルの構成を表す概略図である。
【０００８】
フォトニック結晶は、誘電率が異なる周期構造が、光の波長と同程度の周期で誘電体内に人工的に形成されたものである。
【０００９】
図３３に示すように、太陽電池セル１０１では、分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１０２に積層された光起電力材料１０３の中に、複数のエアホールが形成されたフォトニック結晶構造１０４が形成されている。
【００１０】
光起電力材料１０３に進入した入射光ｉから、フォトニック結晶構造１０４によって正反射された反射光ｒ０、フォトニック結晶構造１０４によって回折された回折光ｒ１、フォトニック結晶構造１０４によって屈折された屈折光ｔが生じる。
【００１１】
回折光ｒ１は、入射角θより大きな角度θ’で回折されるため、光起電力材料１０３内の光路長を長くすることに寄与する。また、光起電力材料１０３と外界の空気との界面では、内部全反射が起きることにより、回折光ｒ１は、光起電力材料１０３内での共鳴を起こす。このため、光起電力材料１０３による光の吸収率が向上する。
【００１２】
また、屈折光ｔと、分散型ブラッグ反射器１０２で反射されフォトニック結晶構造１０４に戻る光とは、フォトニック結晶構造１０４の内部で跳ね返って行き来する共鳴を起こし、徐々に吸収される。このことも、光の吸収率を改善する。
【００１３】
このような、太陽電池セル１０１では、光起電力材料１０３およびフォトニック結晶構造１０４内で入射光を共鳴させることで光を吸収し、光起電セルの吸収効率を向上させることができる。特に、共鳴波長を、入射光の吸収率が小さい長波長側に出現させることで、太陽光の広範囲の波長を吸収できる吸収体を実現することができる。
【００１４】
また、下掲の非特許文献２には、バンド端が形成されたフォトニック結晶を用いた太陽電池について開示されている。非特許文献２に開示されている太陽電池の構成について、図３４を用いて説明する。
【００１５】
図３４に示す太陽電池２００では、有機材料の光起電力層２０３にフォトニック結晶を加工し、そのバンド端を用いることで、光起電力層２０３の吸収を増強する。その結果として、フォトニック結晶により設計したバンドのバンド端を用いることで、光起電力層２０３で吸収する波長のうち、吸収の低い波長の吸収を増強し、全体の光起電力量を増加させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】日本国公表特許公報「特表２００９‐５３３８７５号（２００９年９月１７日公表）」
【特許文献２】日本国公開特許公報「特開２００６‐２４４９５号（２００６年１月２６日公開）」
【特許文献３】日本国公開特許公報「特開２００６‐３２７８７号（２００６年２月２日公開）」
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００７／１０８２１２号（２００７年９月２７日国際公開）
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】C.Manolatou, M.J.Khan, Shanhui Fan, Pierre R.Villeneuve, H.A.Haus, Life Fellow, IEEE, and J.D.Joannopoulos “Coupling of Modes Analysis of Resonant Channel Add-Drop Filters”/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS/SEPTEMBER 1999 VOL.35, NO.9, PP.1322-1331
【非特許文献２】J.R.Tumbleston, Doo-Hyun Ko, Edward T.Samulski, and Rene Lopez “Absorption and quasiguided mode analysis of organic solar cells with photonic crystal photoactive layers”/OPTICS EXPRESS/Optical Society of America/ April 27, 2009 Vol.17,No.9 PP.7670-7681
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に開示された太陽電池セル１０１には、以下のような課題点が存在する。特許文献１には、フォトニック結晶の効果に関する詳細な記述が無いため、フォトニック結晶の効果として、厚み等の条件を変更した場合に共鳴の効果であるＱ値（もしくは結合の容易さとして後述する係数κ、αなど）が大きくなるのか小さくなるのかが不明である。
【００１９】
つまり、フォトニック結晶は、(1)Ｑ値を大きくすれば、光と対象デバイスとの相互作用が無くなり、光が対象デバイスに吸収されにくくなるという効果を持つため、光の吸収に寄与させるためには、無制限にＱ値が大きくなれば良いわけではない。
【００２０】
また、上掲の非特許文献１に記載されたフォトニック結晶のモード結合理論を本願発明者グループが検討した結果、(2)フォトニック結晶の構造が持つ外部との結合の容易さκv（共振器で考えた場合のＱv）と光起電力デバイスがもともと持つ特性としての吸収の容易さα（共振器で考えた場合のＱα）がほぼ等しければ、最大の吸収効果を持つということを新たに見出した。
【００２１】
このため、上記(1)(2)を考慮すると、フォトニック結晶の設計条件として、より効率的に吸収される条件が、特許文献１には明示されていないことが問題点である。要するに、特許文献１の開示から、フォトニック結晶による吸収増強の効果を十分に発揮するための知見を到底得ることはできない。
【００２２】
また、非特許文献２についても同様に、より効率的に吸収される条件が明示されていないため、フォトニック結晶によるバンド端を形成することはできても、吸収に寄与させるために設計される波長帯域が狭くなる。このように、光を吸収する波長帯域が狭いため、光起電力層２０３の波長（波長帯域）に対する全体の光起電力量向上が小さい。このため、非特許文献２の太陽電池２００では、光電変換を行なうデバイスとして、実用上の難点がある。
【００２３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池の光の吸収率を高め、太陽電池の起電力を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の第１の太陽電池は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換層と、
(2)上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、
(3)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第２〜第１９の太陽電池については、後述する。
【００２６】
本発明の第２０の太陽電池は、
(1)複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた太陽電池であって、
(2)複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、
(3)上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、
(4)上記フォトニック結晶による共鳴ピーク波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、
(5)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数αの逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の太陽電池は、以上のように、光電変換層と、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にある構成である。
【００２８】
それゆえ、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなるので、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池の光の吸収率を高めることができるという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明の太陽電池は、複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた太陽電池であって、複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピーク波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にある構成である。
【００３０】
それゆえ、半導体層に複数の突起を形成することで、フォトニック結晶を構成することができる上、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなるので、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池の光の吸収率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施形態に係る太陽電池の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】フォトニック結晶の構成を示す図であり、（ａ）は上面を示し、（ｂ）（ｃ）は（ａ）のＡ−Ｂ線矢視断面を示している。
【図３】フォトニック結晶に対する光の入射方向と、規格化周波数との関係によってフォトニックバンド構造を示すグラフである。
【図４】三角格子を持つフォトニック結晶の逆格子空間中の位置を示す説明図である。
【図５】フォトニック結晶が作り込まれた光電変換層を示す斜視図である。
【図６】フォトニック結晶を持つ光起電力デバイスの結合の大きさとＱ値との関係を説明するための説明図である。
【図７】フォトニック結晶の欠陥による共振器を作成した場合に、当該共振器のＱ値を説明するための説明図である。
【図８】光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。
【図９】太陽電池の他の構成例を概略的に示す断面図である。
【図１０】実施例１としての太陽電池の積層構造を示す断面図である。
【図１１】太陽電池に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（キャビティ）の二次元配置を示す平面図である。
【図１２】フォトニック結晶の欠陥の周囲にて、ナノロッドの周期構造に意図的に形成した乱れを示す説明的な平面図である。
【図１３】実施例１の太陽電池に作り込んだフォトニック結晶の欠陥で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。
【図１４】実施例１と同様の積層構造における半導体層に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥の他の二次元配置（実施例２）を示す平面図である。
【図１５】図１４に示す欠陥領域の１つを拡大して示す説明的な平面図である。
【図１６】実施例２の太陽電池に作り込んだフォトニック結晶の欠陥領域で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。
【図１７】太陽電池の製造工程を示す工程図である。
【図１８】太陽電池において、光の波長に対する起電力量の特性曲線を示すグラフである。
【図１９】太陽追尾システムの概念を表した説明図である。
【図２０】放物面状集光素子の集光動作を示す説明図である。
【図２１】太陽電池パネルの一構成例を示す断面図である。
【図２２】本発明の太陽電池の構成を表す斜視図である。
【図２３】本発明の光電変換素子の三角格子構造を有するフォトニック結晶の構成を表す平面図である。
【図２４】本発明の光電変換素子の正方格子構造を有するフォトニック結晶の構成を表す平面図である。
【図２５】フォトニック結晶におけるフォトニックバンドを表す図である。
【図２６】本発明の太陽電池の吸収波長を表す図である。
【図２７】バンドギャップが形成されているフォトニックバンドを表す図である。
【図２８】本発明の太陽電池の構成を表す断面図である。
【図２９】断面が台形のナノロッドが形成されたフォトニック結晶の構成を表す断面図である。
【図３０】領域ごとに、ナノロッドのピッチが異なるフォトニック結晶の構成を表す平面図である。
【図３１】第２の実施の形態に係る太陽電池の構成を表す断面図である。
【図３２】ａ‐Ｓｉの光の波長に対する吸収率を表すグラフである。
【図３３】フォトニック結晶を備えた従来の太陽電池セルの構成を表す概略図である。
【図３４】従来のフォトニック結晶を用いた太陽電池の構成を表す斜視図である。
【図３５】本発明の太陽電池の積層構造例を示す図であり、（ａ）は光電変換層から裏面側の金属層までの積層部分を抜き出した斜視図を表し、（ｂ）は太陽電池全体の断面を表している。
【図３６】図３５に示す積層構造の変形例として、図３５に示す太陽電池とは、ナノロッドの形状と、裏面側の透明導電層の厚みとが相違した例を示す図である。
【図３７】本発明の太陽電池の他の積層構造例として、図３６に示す太陽電池とは、裏面側の透明導電層および金属層の各形状が相違した例を示す図である。
【図３８】図３５に示す太陽電池の製造工程を示す工程図である。
【図３９】図３７に示す太陽電池の製造工程を概略的に示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１ないし図１１および図２１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００３３】
（太陽電池の構成例１）
図１は、本実施形態の太陽電池１の全体構成を概略的に示す図である。図１の（ａ）は、太陽電池１の斜視図を示し、図１の（ｂ）（ｃ）は、太陽電池１の断面図を示している。
【００３４】
太陽電池１は、入射光を、光電変換することで電流に変換する素子であり、例えば光検出センサなど、光を電気信号へと変換する装置としても用いることができる。
【００３５】
太陽電池１は、フォトニック結晶が作り込まれた光電変換層２と、光電変換層２を上下に挟む透明導電層３・４と、光入射側の透明導電層３を覆うガラス基板５と、光入射側とは反対側、すなわち裏面側の透明導電層４を覆う金属電極層６とを備えている。なお、金属電極層６は、光が太陽電池１に入射する側とは反対側の最外層に配された層である。また、透明導電層３は、光電変換層２の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、透明導電層４は、その２つの層の他方である。
【００３６】
光電変換層２は、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有している。本発明にとって、その構造は特に限定されないが、例えば、図１の（ｂ）（ｃ）に示すように、真性半導体層（ｉ層）２０をｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２とで挟んだｐｉｎ縦型構造を採用してもよい。
【００３７】
より具体的には、透明導電層３・４の材料として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などを選択できる。ガラス基板５としては、例えば屈折率が１．５２程度のガラスを選択できる。また、金属電極層６の材料として、光反射率が高く、電気伝導度が大きな材料、例えば、ＡｇまたはＡｌなどを選択できる。
【００３８】
ガラス基板５を介して光電変換層２に入射した光は、主に真性半導体層２０で電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、真性半導体層２０で吸収される。励起された電子は、透明導電層３、金属電極層６および外部抵抗７によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗７に起電力を発生させる。
【００３９】
なお、金属電極層６を、反射板としても機能させることができ、光電変換層２で光電変換されず、透過してきた光を、再び光電変換層２へと反射させることもできる。金属電極層６を、太陽電池１の裏面の全面を覆って配することで、光電変換層２を透過した光を確実に反射することができるので、より、光の吸収効率が高い太陽電池１を構成することができる。
【００４０】
また、光電変換層２に形成されたフォトニック結晶は、図５にその斜視図を示すように、複数のナノロッド（柱状の媒質）３０が、光の波長程度の厚みを持つ光電変換層２の媒質内に周期的に配置された二次元フォトニック結晶である。ナノロッド３０は、光電変換層２の媒質より屈折率が小さい媒質で、例えば柱状に形成されている。光電変換層２の媒質が、例えば、屈折率が３〜４程度のアモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）の場合、ナノロッド３０の媒質は、空気でもよいし、屈折率が１．４５のＳｉＯ２でもよい。このほかに、ナノロッド３０の材料として、屈折率１．６程度のＪＡＳ（透明樹脂材料）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）材料として用いられるＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：水素シルセスキオキサン）として、例えばＦＯＸ（東レ・ダウコーニング社の登録商標）などを用いることもできる。
【００４１】
光電変換層２の他の媒質として、微結晶シリコン（μＣ−Ｓｉ）、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＮＩＮＧａＰ、（Ｉｎ）ＧｅＡｓ、ＧａＡｓなどを選択できる。
【００４２】
ナノロッド３０の配置間隔、すなわちピッチ（間隔）ｐは、あとで説明するフォトニックバンドギャップを的確に生成する上で、光の波長λより短いことが好ましく、λ／７以上、λ／２以下の範囲を取ることがより好ましい。なお、波長λとは、フォトニック結晶内に閉じ込められて共鳴する光の波長、より具体的には共鳴ピークを示す波長である。
【００４３】
また、ナノロッド３０の高さは、図１の（ｂ）に示すように、光電変換層２の厚みと等しくてもよいし、図１の（ｃ）に示すように、光電変換層２の厚みより小さくてもよい。より具体的には、ナノロッド３０の高さは、光電変換層２の厚みの約１／４以上、１／１以下である。
【００４４】
図１の（ｂ）に示す例では、ナノロッド３０は、ｐ型半導体層２１、真性半導体層２０およびｎ型半導体層２２を貫通することによって、光電変換層２の厚みと等しい高さを持っている。一方、図１の（ｃ）に示す例では、ナノロッド３０は、ｐ型半導体層２１を貫通し、真性半導体層２０の厚みの途中まで達する高さを持っている。
【００４５】
さらに、ナノロッド３０の半径は、ピッチａを基準として、０．２ａ（直径０．４ａ）以上、０．４ａ（直径０．８ａ）以下の範囲を取ることが好ましい。
【００４６】
なお、ナノロッド３０の断面形状は、図２の（ｂ）（ｃ）にも示すように、上下対称な円柱状または角柱状でもよいし、上下非対称な角錐台または円錐台形状でもよい。
【００４７】
（フォトニックバンド構造）
上記のような構成を備えたフォトニック結晶には、図３に示すようなフォトニックバンド構造が生成される。図３は、上記フォトニック結晶に対する光の入射方向と、規格化周波数との関係によってフォトニックバンド構造を示すグラフである。このグラフは、フォトニック結晶内に進入し、フォトニック結晶内で共鳴する光の波長に対応する規格化周波数を、光の入射方向との関係によってプロットした点を結ぶことによって作成されている。
【００４８】
より具体的には、ナノロッド３０の媒質による低誘電バンドと、光電変換層２の媒質による高誘電バンドとが生成される。
【００４９】
このフォトニックバンド構造には、フォトニック結晶内で存在できない光の波長帯域（禁制帯）として、低誘電バンドと高誘電バンドとに挟まれたフォトニックバンドギャップｇが含まれている。
【００５０】
上記規格化周波数は、フォトニック結晶の上記ピッチａと光の周波数とが相関関係にあるために用いられるパラメータであり、ａ／λとして表される。したがって、図３では、グラフの縦軸の上に向かって、波長が小さくなる。
【００５１】
なお、光の入射方向を、図４に示すように、三角格子（結晶工学での六方細密構造の２次元平面部分）の逆格子空間ベクトルで表した結晶の方位によって示している。これは、光が感じる結晶配置は、逆格子空間（第１ブリルアンゾーン）で表した配置となるからである。
【００５２】
図３において、Ｋ点は、Γ点を囲む正六角形の格子形状のうちの１つの角を示し、その角と隣接する角との間の点がＭ点である。Γは、直上からフォトニック結晶の表面に向かう方向を表す。Ｋ，Ｍは、面内の方向を表すのに用いられ、ΓＭ、ＭＫ、ＫΓのように、起点終点の組み合わせによって面内の方向を表す。
【００５３】
Γ，Ｋ，Ｍを頂点とする三角形が単位格子であり、六角形の中に１２個の単位格子が含まれている。１つの単位格子について方向を決めておけば、全ての単位格子についても方向を決めることができる。例えば、高誘電バンドでは、図３のＭに対応する規格化周波数は約０．２であるが、これは、ΓＭの面内方向に伝播することのできる光は、規格化周波数０．２に対応する波長を持った光のみであることを意味している。
【００５４】
（欠陥準位）
次に、図１の（ｂ）（ｃ）、図２の（ａ）〜（ｃ）、図５および図６に示すように、ナノロッド３０の周期構造の中に、ナノロッド３０を設けない領域、すなわち欠陥（キャビティまたはナノキャビティと呼ぶこともある）３１を形成すると、フォトニックバンドギャップｇの中に、欠陥準位ｃが生成される。この欠陥準位ｃに対応する波長帯域（許容バンド）の光は、欠陥３１内で存在することが許される一方で、欠陥３１の周囲のフォトニック結晶では存在することが許されない。この結果、欠陥３１とその周囲のナノロッド３０とを合わせた全体が、欠陥準位ｃに対応する波長帯域の光を閉じ込める微小な共振器（共鳴器）となる。
【００５５】
欠陥３１の設け方として、一例は、図２の（ａ）に示すように、ナノロッド３０を１つ設けない領域を作る１格子点欠陥、または図１４に示すように、３つのナノロッド３０を線状に設けない領域を作る３格子点線状欠陥などを採用することができる。
【００５６】
このように、ナノロッド３０と欠陥３１とによって構成されたフォトニック結晶は、特定の方向に偏光特性等を持たない。また、そうなるために、フォトニック結晶の構造は、基本的にどの断面で見ても、左右対称な構造としている。その構造によって得られる電磁場は、同心円状に得られることが望ましい。
【００５７】
（Ｑ値に基づくフォトニック結晶の設計）
ここで、太陽電池１の外部とフォトニック結晶との光の結合の大きさをＱ値を用いて考える。Ｑ値は、電気工学の共振のＱ値と同様、電磁波としての光の共鳴効果の大きさを表す。Ｑ値の表し方は、いろいろあるが、下記の式１または式２によって表すことができる。
【００５８】
Ｑ＝λｐ／Δλ    …式１
Ｑ＝ωＵ／（−ｄＵ／ｄｔ）    …式２
図８は、光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。図８に示すように、上記式１のλｐは共鳴ピークの波長であり、Δλは半値幅である。
【００５９】
上記式２のωは、共振角周波数、Ｕは共振器内の内部エネルギー、ｔは時間である。
【００６０】
式１から、半値幅Δλが小さくなるほど共鳴が強くなるので、共鳴が強いほどＱ値が大きくなることが分かる。また、共鳴が強いほど、共振の振幅は大きくなり、波動が減衰しにくくなるため、Ｑ値が大きいほど、共振器に光が存在する時間（ライフタイム）が長くなることが分かる。
【００６１】
また、式２から、共振器からエネルギーが失われる程度が小さいほど、すなわち−ｄＵ／ｄｔが小さいほど、Ｑ値が大きくなることが分かるので、Ｑ値は、共振器が光を閉じ込める強さを表すともいえる。
【００６２】
レーザー発光ダイオードなどにフォトニック結晶を作り込む場合には、共鳴を強くして発光強度を増大させたいため、Ｑ値をできるだけ大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。しかし、本発明の場合、上記とは逆に、Ｑ値をできるだけ小さくし、共振器に閉じ込められる光の波長帯域を広げ（つまり、半値幅を広げ）るとともに、光のライフタイムを短くして、半導体層に吸収される度合いを大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。なお、光の半値幅を広げると、外部とフォトニック結晶との光の結合が行いやすくなるため、光のライフタイムが短くなる。
【００６３】
ここで、図６に示す欠陥３１を図７に示す共振器とみなし、外部空間およびフォトニック結晶の母材の媒質（すなわち前記光電変換層２を構成する半導体）を含めた系全体で、Ｑ値を考える。太陽電池１全体のＱ値をＱＴとし、フォトニック結晶と外部空間との結合に関するＱ値をＱｖ、フォトニック結晶の面内方向の伝播に関するＱ値をＱｉｎ、上記媒質による光の吸収に関するＱ値をＱα、前記金属電極層６による光の吸収に関するＱ値をＱＭとすると、以下の関係式（式３）が成り立つ。
【００６４】
なお、上記Ｑαは、下記の式４でも示すように、フォトニック結晶の母材の光吸収係数αの逆数に比例する。
【００６５】
１／ＱＴ＝１／Ｑｖ＋１／Ｑｉｎ＋１／Ｑα＋１／ＱＭ    …式３
Ｑｖは、フォトニック結晶と外部空間との結合の強度（結合のしやすさ）を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶と外部空間との結合による外部空間への光の出やすさを表す。なお、フォトニック結晶の構造が決まれば、時間領域差分（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、Ｑｖを算出することができる。すなわち、Ｑｖは、フォトニック結晶の構造によって決まるＱ値である。
【００６６】
Ｑｉｎは、フォトニック結晶に進入した光が、水平方向に伝播するときの伝播のしやすさを表すので、光閉じ込めの観点では、光が閉じ込められずに、共振器から漏れていく漏れやすさを表す。ＱαおよびＱＭは、それぞれ、媒質および金属電極層６を形成する金属が光を吸収することによる共鳴効果の大きさを表す。ＱＭは測定によって求めることができる。
【００６７】
一方、Ｑαは、媒質に固有の吸収係数α、媒質の屈折率ｎおよび共鳴ピークの波長λと、下記の式４の関係を有している。すなわち、Ｑαは、媒質の材料によって決まるＱ値である。
【００６８】
α＝２πｎ／λＱα    …式４
上記式３の関係式において、Ｑｖ＝Ｑαとなるとき、言い換えると、κV＝αとなるとき、媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
【００６９】
また、共振器での共振効果が理想的であり、光半導体デバイスの面内に光が漏れることが無ければ、Ｑｉｎ＝∞とみなすことができる。
【００７０】
以上より、
ＱＴ＝π・ｎ・ＱＭ／（λ・α・ＱＭ＋π・ｎ）    …式５
が導かれる。
【００７１】
ここで、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶を設計した太陽電池１全体のＱ値（ＱＴ）を、式５を使って具体的に求めてみる。まず、媒質をａ‐Ｓｉとすると、その屈折率ｎは４．１５４、吸収係数αは６５５３４ｃｍ−１となる。さらに、波長λを６６０ｎｍ、金属のＱＭを４０００とすると、
ＱＴ＝１１．１
と非常に小さな値になり、式１から、Δλ＝５９．５ｎｍが導かれ、非常に広い半値幅になる。なお、ＱＴの範囲としては、ＱＴ＞１０となることが好ましく、Δλとして数１０ｎｍとなることが好ましい。
【００７２】
したがって、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶を設計（ナノロッド３０の半径およびピッチａなどの設計）すれば、欠陥３１に閉じ込めた光が媒質によって吸収され易く、かつ、広い波長範囲で共鳴効果を得ることができる。言い換えると、本発明の太陽電池は、フォトニック結晶の構造によって決まるＱ値と、フォトニック結晶を作り込む光電変換層の媒質の材料によって決まるＱ値とを一致させたフォトニック結晶を、光電変換層中に備えた太陽電池であるといえる。
【００７３】
ここで、係数κVと吸収係数αとの関係について補足する。まず、光起電力材料はもともとある程度高い光の吸収率を持っているので、αは大きい傾向があり、Ｑαは逆に小さくなる傾向がある。
【００７４】
一方で、光起電力材料中にフォトニック結晶を加工した場合、一般的に、光起電力材料の屈折率がナノロッドの屈折率より１以上高いため、フォトニック結晶をそのまま加工すると、係数κVが小さくなり、ＱＶが逆に大きくなる傾向にある。したがって、もともと、κV≦α（ＱＶ≧Ｑα）の大小関係が存在する。
【００７５】
本発明の達成目標として、光起電力デバイスでの光吸収量を増強させるためには、フォトニック結晶の欠陥により構成された共鳴器に結合された光が、光起電力デバイスの吸収過程に移ることが必要である。この効果が最大になるのが、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）である。
【００７６】
上記の前提から、光起電力デバイスの光の吸収量の増強を行なうためには、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）が必要であり、そのためには、κVを大きくする（ＱＶを小さくする）必要がある。κVを大きくする（ＱＶを小さくする）ためには、フォトニック結晶で構成される共鳴器全体（デバイス全体）の結合の割合を大きくする（光起電力デバイスのＱ値、すなわち上記ＱＴを小さくする）必要がある。
【００７７】
なお、前述したモード結合理論を考慮すると、より詳細な議論が可能となる。具体的には、太陽電池１内の透明導電層４に相当する透明層の厚みが、光の反射時の位相差θに対して、θ=２ｍπ(ｍ＝０,１,２…)を満たす場合、光半導体層に吸収される光エネルギー量の割合をＰＶとすると、
ＰＶ＝（８・Ｑα／ＱＶ）／（１＋２Ｑα／ＱＭ＋２Ｑα／ＱＶ）２
となる。この関係式から、光の９割以上を利用するためには、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲でフォトニック結晶構造を設計することが望ましいことを導ける。
【００７８】
（太陽電池の構成例２）
図９は、太陽電池１の他の構成例を概略的に示す断面図である。本構成例では、フォトニック結晶が、真性半導体層２０内に形成されている点が、図１で説明した太陽電池１の構成と異なっている。
【００７９】
図９に示すように、複数のナノロッド３０ａが、真性半導体層２０内に二次元的かつ周期的に配置され、部分的にナノロッド３０ａを設けていない欠陥３１ａが形成されている。
【００８０】
既に説明したように、光電変換層２に入射した光は、主に真性半導体層２０で電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、真性半導体層２０で吸収されるので、少なくとも真性半導体層２０内にフォトニック結晶を形成すれば、光電変換の効率を向上させることができる。
【００８１】
（実施例１）
以下、図１０から図１３に基づいて、上記太陽電池の実施例を説明する。
【００８２】
図１０は、実施例１としての太陽電池６０の積層構造を示す断面図であり、図１１は、太陽電池６０に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（ナノキャビティ）の二次元配置を示す平面図である。
【００８３】
太陽電池６０の受光面側から、ガラス基板７１、ＺｎＯからなる透明導電層７２、ａ‐Ｓｉのｐｉｎ接合構造を有した半導体層７３、ＺｎＯからなる透明導電層７４およびＡｌからなる金属電極層７５が、この順に積層されている。なお、透明導電層７２・７４の形成材料として、ＳｎＯ２を用いてもよい。
【００８４】
ガラス基板７１、透明導電層７２、半導体層７３および透明導電層７４の各屈折率は、この順に、１．５２、２．０、３．７６、２．０であり、フォトニック結晶が作り込まれる高屈折率の半導体層７３を、低屈折率の透明導電層７２・７４が挟んでいる。
【００８５】
また、透明導電層７２、半導体層７３、透明導電層７４および金属電極層７５の各厚みは、この順に、９００ｎｍ、３３０ｎｍ、６０ｎｍ、１００ｎｍである。
【００８６】
透明導電層７２、半導体層７３、透明導電層７４および金属電極層７５は、上記の厚みで、ガラス基板７１上に順次蒸着して形成されている。
【００８７】
半導体層７３には、図１等を参照して説明したように、直径ｒが６０ｎｍの円柱状のナノロッド７６が、２００ｎｍのピッチａで二次元的に配置されている。なお、ナノロッド７６は、屈折率１．４５のＳｉＯ２によって形成されている。
【００８８】
図１１に示すように、ナノロッド７６が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニット（図１１に細線で示す）とすると、ナノロッド７６のピッチはａだから、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｘ方向に直交するｙ方向に√３ａのピッチで配置される。また、ナノロッド７６が形成されていない欠陥７７は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されている。
【００８９】
第１ユニットおよび欠陥７７の配置の各ピッチについてさらに説明する。例えば、上記第１ユニットを構成する六角形の中心同士が、ｘ方向に隣り合う距離をＬxとし、ｙ方向に隣り合う距離をＬyとすると、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向にＬx＝２ａ、ｙ方向にＬy＝２√３ａのピッチで配置されている。したがって、上記欠陥は、ｘ方向に２Ｌx〜４Ｌx、ｙ方向にも２Ｌy〜４Ｌyのピッチで配置されている。
【００９０】
上記正方格子状の配置とは、ｘ方向およびｙ方向の配置が、同一ピッチになっている配置を意味する。例えば、ｘ方向に２Ｌx、ｙ方向にも２Ｌyのピッチで欠陥７７を配置すると、それは正方格子状の配置となる。
【００９１】
このように、正方格子状に欠陥７７を設けると、半導体層７３の受光面全体に配置された欠陥７７でそれぞれ発生する共鳴が相互作用を起こしていることをＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で確認できた。
【００９２】
なお、共鳴し合う面積が大きくなるほど、光電変換素子６０全体のＱ値（ＱＴ）は小さくなる。また、半導体層７３の厚みに対して、ナノロッド７６の高さを低くすると、上記Ｑ値（ＱＴ）は小さくなるため、結果として、外部との結合の係数κVが大きくなる。以上の議論を元に、光起電力層（半導体層７３）で吸収できる光の量を増加させることができる。
【００９３】
さらに、図１２に示すように、上記欠陥７７を取り囲むナノロッド７６のうち、特定方向（ｘ方向）に沿った線Ｍ上に配置された２つのナノロッド７６ａ・７６ｂの位置に関して、上記六角形の各頂点の位置（線Ｌ１およびＬ２にて示す）から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で、互いに近寄る方向にシミュレーション上でシフトさせる検討を行った。
【００９４】
このように、欠陥７７の周囲で、ナノロッド７６の周期構造を乱すと、欠陥７７内に閉じ込められて共振する光の共鳴ピークの縮退を解けることがＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で明らかにできた。その結果を図１３に示す。図１３は、上記実施例１の光電変換素子６０に作り込んだフォトニック結晶の欠陥７７で発生した共鳴効果を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。図１３に示すように、一つの欠陥（1dotのキャビティ）であるにもかかわらず、２つの共鳴点ができている。
【００９５】
図１８は、太陽電池６０において、光の波長（ｎｍ）に対する起電力量（μＷ／ｃｍ２）の特性曲線を示すグラフである。図１８に示すように、半導体層７３にフォトニック結晶が形成されていない場合には、起電力量は、波長５５０ｎｍ付近をピークとして、ほぼ左右対称に０まで低下している。
【００９６】
これに対し、半導体層７３に上記構成のフォトニック結晶を形成した場合には、２つのモードを持つ共鳴のピークに対応して、ピークの波長５５０ｎｍと吸収端の波長８２０ｎｍとの間に、１つ目の効果領域Ｓ１と、２つ目の効果領域Ｓ２とを出現させることができれば、光起電力量を増大させ、太陽電池６０の変換効率を向上させることができる。
【００９７】
（実施例２）
続いて、図１４から図１６に基づいて、上記太陽電池の他の実施例を説明する。
【００９８】
図１４は、太陽電池６０と同様の積層構造における半導体層７３に作り込んだフォトニック結晶のナノロッドおよび欠陥（ナノキャビティ）の他の二次元配置を示す平面図であり、図１５は、図１４に示す欠陥領域の１つを拡大して示す説明的な平面図である。
【００９９】
図１４および図１５に示すように、上記ナノロッド７６が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成された欠陥領域７８（例えば、図１４では３つ分のナノロッドが無い３格子点線状欠陥）を有した構成を第２ユニット（図１４に細線で示す）とすると、ナノロッド７６のピッチはａだから、二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、長方格子状に配置されている。
【０１００】
このように、１つのユニット内に欠陥を２つ以上連続して形成することによっても、欠陥領域７８内に閉じ込められて共振する光の共鳴ピークの縮退を解けることがＦＤＴＤ法を用いたシミュレーション上で明らかにできた。その結果を図１６に示す。図１６は、欠陥領域７８で発生した共鳴を、規格化周波数と光強度との関係によって示すグラフである。図１６に示すように、３格子点線状欠陥によって、３つの共鳴点が発生している。
【０１０１】
（太陽電池の製造工程）
最後に、上記実施例１の太陽電池６０の製造工程を詳しく説明する。図１７は、太陽電池６０の製造工程を示す工程図である。
【０１０２】
まず、図１７の（ａ）に示すように、ガラス基板７１上にＳｎＯ２を蒸着して透明導電層７２を形成し、さらに、ナノロッド７６の形成材料であるＳｉＯ２を３５０ｎｍの厚みで透明導電層７２上に蒸着し、ＳｉＯ２層８１を形成する。
【０１０３】
次に、図１７の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層８１上にフォトレジスト８２を、９００ｎｍの厚みを持つように塗布した後、電子ビーム露光によって、ナノロッド７６および欠陥７７の配置パターンに対応するパターンを描画する。フォトレジスト８２がポジ型の感光材料であれば、露光された部分を現像によって除去することによって、ピッチａ＝１５０〜２５０ｎｍおよび直径ｒ＝６０ｎｍで規定されたナノロッド７６の配置パターンと、欠陥７７の配置パターンとを形成する。
【０１０４】
続いて、図１７の（ｃ）に示すように、上記配置パターンの全体にわたって、Ａｌを３００ｎｍの厚みで蒸着し、Ａｌ膜８３を形成する。
【０１０５】
その後、図１７の（ｄ）に示すように、フォトレジスト８２を除去することにより、ナノロッド７６の形成部位にのみ、Ａｌ膜８３を残す。ＳｉＯ２層８１の厚みは、３５０ｎｍのまま変化しない。
【０１０６】
さらに、図１７の（ｅ）に示すように、四フッ化炭素（ＣＦ４）をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ‐Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、残ったＡｌ膜８３をマスクとして、マスクされていないＳｉＯ２を精度よく除去する。これにより、ナノロッド７６が透明導電層７２上に二次元的に配置された中間体９０が作製される。
【０１０７】
次に、図１７の（ｆ）に示すように、中間体９０の表面全体にａ‐Ｓｉを蒸着し、ｐ型不純物をドープすることによりｐ型ａ‐Ｓｉ層８４を形成し、その上にａ‐Ｓｉを蒸着してｉ型ａ‐Ｓｉ層８５を形成し、その上にさらにａ‐Ｓｉを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型ａ‐Ｓｉ層８６を形成する。各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６の合計を、約３３０ｎｍに制御する結果、３５０ｎｍ厚みのナノロッド７６の上部は、ｎ型ａ‐Ｓｉ層８６の上面から少し隆起した状態になる。
【０１０８】
また、各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６のそれぞれの厚みは、ナノロッド７６の厚み（３５０ｎｍ）とその上のＡｌ膜８３の厚み（３００ｎｍ）との合計に比べ、約１／３以上に薄いため、各ａ‐Ｓｉ層８４〜８６は、透明導電層７２上に製膜される部分と、Ａｌ膜８３上に製膜される部分とで分離される。すなわち、ナノロッド７６上に残っているＡｌ膜８３は、その側面がａ‐Ｓｉで被覆されずに露出している。
【０１０９】
続いて、塩酸（ＨＣｌ）を用いたウェットエッチングにより、ナノロッド７６上に残っていたＡｌ膜８３を除去する。ナノロッド７６上に残っていたＡｌ膜８３は、その側面が露出しているため、ウェットエッチングにより除去することができる。
【０１１０】
最後に、図１７の（ｇ）に示すように、ＳｎＯ２を蒸着して透明導電層８７を形成し、さらに、金属電極層８８を積層すると、太陽電池１が完成する。なお、ナノロッド７６の上方に位置する透明導電層８７の部位および金属電極層８８の部位は、ナノロッド７６の上部が、ｎ型ａ‐Ｓｉ層８６の上面から少し隆起した状態を反映して、上方へ少し隆起した状態となっている。
【０１１１】
〔実施の形態２〕
（太陽電池の構成）
図２１は、本発明の太陽電池１１０の構成を表す断面図である。図２２は、太陽電池１１０の構成を表す斜視図である。
【０１１２】
太陽電池１１０は、入射光を、光電変換することで電流に変換する素子であり、例えば光検出センサなど、光を電気信号へと変換する装置としても用いることができる。
【０１１３】
太陽電池１１０は、入射光を光電変換するための半導体層（光電変換層）１１３を備えている。この半導体層１１３の内部には、半導体層１１３とは屈折率が異なるナノロッド（柱状の媒質）１１９が形成されることで構成されるフォトニック結晶１２１が形成されている。
【０１１４】
太陽電池１１０は、このフォトニック結晶１２１により形成されるバンド端に対応する状態の光の波長を強く共鳴させることで、光の吸収率を向上させるものである。なお、フォトニック結晶１２１が形成されている半導体層１１３の構造について、詳細は後述する。
【０１１５】
太陽電池１１０は、光が太陽電池１１０に入射する側とは反対側の最外層に配された裏面金属電極１１１（金属層）と、裏面金属電極１１１に積層されている透明導電膜１１２と、透明導電膜１１２に積層されている半導体層１１３と、半導体層１１３に積層されている透明導電膜１１７と、透明導電膜１１７に積層されているガラス１１８とを備えている。なお、透明導電膜１１７は、半導体層１１３の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、透明導電膜１１２は、その２つの層の他方である。
【０１１６】
太陽電池１１０では、ガラス１１８の、透明導電膜１１７との接触面とは逆の面が、光の入射面である。太陽電池１１０は、この入射面から入射した光を、半導体層１１３で光電変換することで、入射光の光量に対応して電流を生成する。そして、例えば、半導体層１１３を挟んで配されている裏面金属電極１１１及び透明導電膜１１７を外部抵抗で接続することで、電気信号として外部に出力することができる。
【０１１７】
ここで、太陽電池１１０のうち、光の入射面（側）を表面（側）と称し、裏面金属電極１１１の、半導体層１１３との接触面とは逆の面（側）を裏面（側）と称する。同様に、太陽電池１１０を構成する各膜のうち、入射面側に配されている面（側）を表面（側）と称し、裏面金属電極１１１側に配されている面（側）を裏面（側）と称する。
【０１１８】
ガラス１１８は、例えば、屈折率が１．５２程度の材質からなる。
【０１１９】
裏面金属電極１１１は、ＡｇやＡｌなどの光の反射が強く吸収の小さい金属からなり、半導体層１１３で光電変換されることで生成された電流を取り出して、外部に出力するためのものである。
【０１２０】
また、裏面金属電極１１１を、反射板としても機能させることができ、半導体層１１３で光電変換されず、透過してきた光を、再び半導体層１３へと反射させることもできる。裏面金属電極１１１を、半導体層１１３の裏面の全面を覆って配することで、半導体層１１３を透過した光を確実に反射することができるので、より、光の吸収効率が高い太陽電池１１０を構成することができる。
【０１２１】
透明導電膜（ＴＣＯ；Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅ）１１２・１１７は、透明な導電膜であり、半導体層１１３を挟んで配されている。透明導電膜１１２・１１７は、半導体層１１３の媒質より屈折率が小さい媒質からなっており、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などからなる。
【０１２２】
半導体層１１３は、光起電力材料であり、例としてａ‐Ｓｉ（アモルファスシリコン）からなり、入射光を光電変換することで電流を発生させるための起電力層である。本実施の形態では、半導体層１１３は、裏面側（透明導電膜１１２が配されている側）から順に、ｎ型半導体（ｎ型半導体層）１１４、ｉ型半導体（真性半導体層）１１５、及びｐ型半導体（ｐ型半導体層）１１６が積層して形成されたｐ‐ｉ‐ｎ型の半導体である。
【０１２３】
半導体層１１３には、ｎ型半導体１１４、ｉ型半導体１１５、及びｐ型半導体１１６より屈折率が小さいナノロッド１１９が、２次元的に、規則的に配された周期構造を有する２次元フォトニック結晶１２１が配されている。
【０１２４】
（フォトニック結晶の構成）
次に、フォトニック結晶１２１の構成について説明する。
【０１２５】
図２１に示すように、フォトニック結晶１２１は、半導体層１１３に形成されており、複数のナノロッド１１９が、光の波長程度の厚みを持つ半導体層１１３の媒質内に周期的に配置された２次元フォトニック結晶である。
【０１２６】
半導体層１１３のうち、ナノロッド１１９が形成されている領域が、フォトニック結晶１２１である。本実施の形態では、ナノロッド１１９は、半導体層１１３の全面に形成されているものとする。
【０１２７】
ナノロッド１１９は、ｎ型半導体１１４、ｉ型半導体１１５、及びｐ型半導体１１６を構成するａ‐Ｓｉよりも屈折率が小さい材料からなる。つまり、ナノロッド１１９は、半導体層１１３における低屈折率領域である。また、ナノロッド１１９は、絶縁機能を有し、透過率が高い材料からなる。ナノロッド１１９は、屈折率が１．０〜２．０程度の材料からなり、空気や、屈折率が１．４５のＳｉＯ２等からなる。
【０１２８】
このほかに、ナノロッド３０の材料として、屈折率１．６程度のＪＡＳ（透明樹脂材料）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）材料として用いられるＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ：水素シルセスキオキサン）として、例えばＦＯＸ（東レ・ダウコーニング社の登録商標）などを用いることもできる。
【０１２９】
ナノロッド１１９の高さ（半導体層１１３の厚み方向の長さ）は、半導体層１１３の厚みに対して１／１の厚みになるか、１／４以下の厚みになるように形成されている。
また、ナノロッド１１９は、半導体層１１３に、円柱状等、柱状に形成されている。
【０１３０】
図２３は、三角格子状にナノロッド１１９が配されているフォトニック結晶１２１の構成を表す平面図である。図２３に示すように、フォトニック結晶１２１は、後述する逆格子空間におけるΓ点に、バンド端が形成されるように、ナノロッド１１９が二次元的に配置されている。
【０１３１】
具体的には、ナノロッド１１９は、ピッチ（間隔）ａが、波長λに対して、λ／４以上、λ以下となるように、周期的に配置されている。ここで、波長λは、後述するように、バンド端によって規定される波長である。すなわち、波長λは、フォトニック結晶１２１により共鳴させる波長の共鳴ピーク波長である。
【０１３２】
また、ナノロッド１１９は、フォトニック結晶１２１を平面視したとき、三角形の各頂点に配されることで、六角形の各頂点と、中心とに周期的に配置されている。すなわち、フォトニック結晶１２１は、ナノロッド１１９が二次元に三角格子状に配された構造を有する。
【０１３３】
または、図２４に示すように、ナノロッド１１９は、フォトニック結晶１２１を平面視したとき、四角形の各頂点に配置されていてもよい。すなわち、フォトニック結晶１２１は、ナノロッド１１９が二次元に正方格子状に配された構造を有していてもよい。
【０１３４】
図２４は、四角格子状にナノロッド１１９が配されているフォトニック結晶１２１の構成を表す平面図である。
【０１３５】
いずれの格子形状であっても、後述する逆格子空間におけるΓ点に、バンド端を形成することができる。
【０１３６】
ナノロッド１１９の半径は、ピッチａを基準として、０．２ａ以上、０．４ａ以下の範囲を取ることが好ましい。
【０１３７】
次に、このように、ナノロッド１１９が半導体層１１３に配された太陽電池１１０に形成されるバンド端について説明する。
【０１３８】
（バンド端）
図２５は、フォトニック結晶１２１におけるフォトニックバンドを表す図である。三角格子（六方細密構造の１つの平面断面構造）の逆格子空間中の位置および方位については、図４を参照して既に説明したとおりである。
【０１３９】
図２５では、縦軸は規格化周波数であり、横軸は逆格子空間中の位置と方向とを表している。
【０１４０】
規格化周波数は、フォトニック結晶１２１のピッチａと光の周波数とが相関関係にあるために用いられるパラメータであり、ａ／λとして表される。したがって、図２５では、グラフの縦軸の上に向かって、波長λが小さくなる。
【０１４１】
図２５に示す各バンドは、フォトニック結晶１２１での共鳴する波長の点をつなげたものである。
【０１４２】
フォトニック結晶１２１は、上述したように、ピッチａが波長λに対して１／４倍以上１倍以下となるように、複数のナノロッド１１９が周期的に配された構成なので、図２５に示すように、Γ点に、フォトニック結晶１２１のフォトニックバンドの極値であるバンド端Ｂが形成される。
【０１４３】
このバンド端Ｂでは、規格化周波数に対応する共鳴ピークの波長λが、フォトニック結晶１２１の面全体で強く共鳴する。このバンド端Ｂでの共鳴効果を得ることで、半導体層１１３に入射した光の寿命（lifetime）を増加させることができる。そして、増加した寿命期間での、半導体層１１３と、光との相互作用により、半導体層１１３での吸収率を向上させることができる。
【０１４４】
このように、フォトニック結晶１２１の構成によると、Γ点と呼ばれる、フォトニック結晶１２１に対して垂直方向から入射する光に対してのみ、共鳴を起こすことが可能なバンド端Ｂを利用することができる。
【０１４５】
このバンド端Ｂを利用することで、フォトニック結晶１２１に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、フォトニック結晶１２１で共鳴させることができる。そして、フォトニック結晶１２１で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
【０１４６】
従って、太陽電池の光の吸収率を向上させることができる。
【０１４７】
図２６は、太陽電池１１０の吸収波長を表している。図２６に示すように、太陽電池１１０では、通常のａ‐Ｓｉからなる半導体での吸収波長に加え、バンド端Ｂでの共鳴波長の吸収率を向上させることができる。本実施の形態の太陽電池１１０では、ａ‐Ｓｉの吸収端の波長（８２０ｎｍ近傍）から、吸収のピーク波長（５２０ｎｍ）間の吸収率が低い波長である６５０ｎｍ近傍の波長の吸収率を向上させることができる。この対象波長は、ナノロッドのピッチaを変え、その結果、規格化周波数を変えることによって、変更することができる。
【０１４８】
なお、バンド端Ｂによって、規定される規格化周波数は、おおよそ０．３〜０．５程度である。
【０１４９】
このように、太陽電池１１０では、フォトニック結晶１２１内で、特定角度からの入射光を強く共鳴させることで、面全体で光の吸収率を向上させることができる。特に、半導体の吸収端から吸収ピーク間の吸収率が低い波長域に共鳴ピークをもたせることで、太陽電池１１０として全体的な吸収率を向上させることができる。
【０１５０】
加えて、太陽電池１１０では、Γ点と呼ばれる、太陽電池１１０に対して垂直方向から入射した光のみ共鳴させる構成である。太陽電池１１０で共鳴させることができるのは、９０°±１°程度の入射角で入射した光である。
【０１５１】
すなわち、フォトニック結晶１２１の構成によると、半導体層１１３に対する垂直方向からの光の入射角をθ１としたとき、−１°≦θ１≦１°程度からの入射光の光を、Γ点により形成されるバンド端Ｂで共鳴させることができる。ここで、θ１は、バンド端Ｂにおいてバンドが面内方向（Ｍ方向もしくはＫ方向）に同一の規格化周波数を持つ長さによって決定される。
【０１５２】
このように、半導体層１１３で共鳴された共鳴ピークの波長λの光は、半導体層１１３の媒質によって吸収される。
【０１５３】
すなわち、太陽電池１１０によると、強く共鳴させる光の波長の入射角を制限することができる。このため、太陽電池１１０を例えば、光の入射角度センシング素子などの光センサ素子に用いることができる。
【０１５４】
また、太陽電池１１０のフォトニック結晶１２１では、ナノロッド１１９のピッチａを、波長λに対して、１／４倍〜１倍に設定しているので、バンドギャップが形成されない。
【０１５５】
図２７は、バンドギャップが形成されているフォトニックバンドを表す図である。フォトニックバンドは、フォトニック結晶内で存在できない光の波長帯域（禁制帯）である。
【０１５６】
例えば、図２７に示すように、高誘電バンドと、低誘電バンドとの間に、フォトニック結晶によるバッドギャップが形成されている場合、バンドギャップ中の波長は、フォトニック結晶に入射することができない。このため、この規格化周波数に対応する波長帯の光の吸収効率が低下する。
【０１５７】
一方、太陽電池１１０では、ナノロッド１１９のピッチａを、波長λに対して、１／４倍〜１倍に設定することによる共振条件を選択している。それによって、フォトニック結晶１２１に対して起電力として変換できる波長領域内にバンドギャップが形成されることを防止することができる。この結果、バンドギャップによる特定の波長が反射されることなく、光の吸収効率を向上させることができる。
【０１５８】
このように、太陽電池１１０は、半導体層１１３に形成されたフォトニック結晶１２１により、外部からの特定の波長、及び特定の入射角の光を効率的に取り込むことができるので、単位面積辺りの光の吸収量を増やすことで、光半導体層の起電力量を増加させ、かつ指向性を向上させることができる。
【０１５９】
（Ｑ値に基づくフォトニック結晶の設計）
太陽電池１１０の外部とフォトニック結晶との光の結合の大きさをＱ値を用いて考察する点は、太陽電池１について、既に説明したとおりである。
【０１６０】
なお、本発明の達成目標として、光起電力デバイスでの光吸収量を増強させるためには、フォトニック結晶により構成された共鳴器に結合された光が、光起電力デバイスの吸収過程に移ることが必要である。バンド端Ｂを形成するように周期的にナノロッドが配されたフォトニック結晶においても、この効果が最大になる条件が、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）である。
【０１６１】
すなわち、光起電力デバイスの光の吸収量の増強を行なうためには、κV＝α（ＱＶ＝Ｑα）が必要であり、そのためには、κVを大きくする（ＱＶを小さくする）必要がある。κVを大きくする（ＱＶを小さくする）ためには、フォトニック結晶で構成される共鳴器全体（デバイス全体）の結合の割合を大きくする（光起電力デバイスのＱ値、すなわち上記ＱＴを小さくする）必要がある。
【０１６２】
加えて、上記係数κVと吸収係数αとがほぼ等しくなっており、光の吸収が一定以上（αが約５．０％以上）である場合、特に、光の吸収効果が高くなる対象波長帯域（共鳴波長の帯域）を広くすることができる。このため、角度依存性を持った光の共鳴波長の帯域を広げる効果が大きい。
【０１６３】
（太陽電池の受光量を増大させる構成）
本実施形態２の太陽電池１１０のように、フォトニック結晶に進入できる光の入射角が、ある角度範囲に制限され、角度依存性を持つ場合には、太陽電池の受光量を増大させる構成を付加することが好ましい。
【０１６４】
その一構成例として、太陽電池パネルの法線方向が太陽に向かうように、すなわち、当該法線方向と太陽光線とが平行をなすように、太陽電池パネルの向きを変える追尾システムを採用することが考えられる。図１９の（ａ）（ｂ）は、その追尾システムの概念を表した説明図である。これにより、太陽電池パネルの単位面積あたりの受光量を常に大きくすることができるので、太陽電池の光の吸収率を向上させることできる。
【０１６５】
また、他の構成例として、放物面状集光素子（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）などのレンズ効果を持つデバイスを付加する方法を採用してもよい。図２０は、放物面状集光素子９０の集光動作を示す説明図である。放物面状集光素子９０の受光面に、入射角γで入射した平行光線は、放物面状集光素子９０の内面で反射され、太陽電池パネル９１に対し、入射角γとの関係によって規定される角度範囲βに絞り込まれた光束となり、太陽電池パネル９１に集光される。
【０１６６】
これにより、太陽電池パネル９１の受光面積より広い面積に入射した光が集光されるので、太陽電池パネル９１の光の吸収を増強することができ、光の吸収率を向上させることできる。
【０１６７】
（フォトニック結晶の変形例）
次に、フォトニック結晶の変形例について説明する。
【０１６８】
図２８は、本発明の太陽電池１３０の構成を表す断面図である。
【０１６９】
太陽電池１３０は、太陽電池１１０のフォトニック結晶１２１に換えて、フォトニック結晶１２３を備えている。他の構成は、太陽電池１１０と同様である。
【０１７０】
フォトニック結晶１２３は、ナノロッド１３９の高さが、半導体層１１３の厚みと同じである点で、フォトニック結晶１２１の構成と相違する。フォトニック結晶１２３に形成されたナノロッド１３９は、半導体層１１３を貫通して形成された円柱形状の孔である。
【０１７１】
さらに、ナノロッド１１９、１３９のように円柱形状に限定されず、断面形状が台形となるように形成してもよい。
【０１７２】
図２９は、断面が台形であるナノロッドが形成されたフォトニック結晶の構成を表す断面図である。
【０１７３】
図２９に示すフォトニック結晶１２４は、半導体層１１３に、断面が台形であるナノロッド１４９が形成されている。ナノロッド１４９は、半導体層１１３の表面に形成されている上面の面積の方が、半導体層１１３の内部に形成されている下面の面積より大きくなるように形成されている。これにより、エッチングなどにより、半導体層１１３にナノロッド１４９を形成する際の加工を容易にすることができる。
【０１７４】
図３０は、領域ごとに、ナノロッドのピッチが異なるフォトニック結晶の構成を表す平面図である。
【０１７５】
図３０に示すように、１つのフォトニック結晶中に、ナノロッドのピッチの異なる領域を複数配してもよい。
【０１７６】
図３０に示すように、フォトニック結晶１２２は、半導体層１１３に、ナノロッド１１９がピッチａ１で形成されている領域Ａ１と、ナノロッド１１９がピッチａ２（ａ２＞ａ１）で配されている領域Ａ２と、ナノロッド１１９がピッチａ３（ａ３＞ａ２）で形成されている領域Ａ３とが配されたものである。
【０１７７】
ピッチａ１、ピッチａ２、及びピッチａ３は、それぞれ異なる一定の値であり、かつ、それぞれ、波長λの１／４以上１以下を満たす値である。
【０１７８】
図３０に示すように、半導体層１１３を平面視したときの半導体層１１３の一辺に平行な方向に、等ピッチで配されているナノロッド１１９が、各領域Ａ１、Ａ２、Ａ３に５０個〜１００個程度ずつ含まれるように、領域Ａ１、領域Ａ２、領域Ａ３を設ける。
【０１７９】
これにより、領域Ａ１、領域Ａ２、及び領域Ａ３では、それぞれのΓ点で、それぞれ異なるバンド端が形成される。このため、それぞれの領域Ａ１、Ａ２、Ａ３でのΓ点の規格化周波数に対応する波長λ１、λ２、λ３が共鳴波長となる。
【０１８０】
このように、フォトニック結晶１２２では、１つのフォトニック結晶１２２で、複数の異なる波長λ１、波長λ２、及び波長λ３の光を共鳴させることができるので、それぞれの領域を用いて、複数の波長の光の吸収率を向上させることができる。
【０１８１】
（太陽電池の製造工程）
太陽電池１１０の製造工程としては、図１７を参照して説明した製造工程を採用することができる。
【０１８２】
〔実施の形態３〕
本発明の太陽電池に関する第３の実施形態について、図３１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【０１８３】
図３１は、本実施の形態に係る太陽電池１７０の構成を表す断面図である。
【０１８４】
太陽電池１７０の半導体層１７３は、裏面側から順に、ｎ型半導体１７４、ｉ型半導体１７５、及びｐ型半導体１７６が積層されている。そして、ｎ型半導体１７４、ｉ型半導体１７５、及びｐ型半導体１７６には、それぞれ複数の突起１７９ｃ、突起１７９ｂ、及び１７９ａが形成されている。突起１７９ｃ、突起１７９ｂ、及び１７９ａはそれぞれ対応する位置に形成されている。この対応する位置に積層されている突起１７９ｃ、突起１７９ｂ、及び１７９ａがナノロッド１７９である。
【０１８５】
フォトニック結晶１２７は、半導体層１７３に、ナノロッド１７９が形成されているものである。
【０１８６】
ナノロッド１７９は、太陽電池１７０のように、ｎ型半導体１７４、ｉ型半導体１７５、及びｐ型半導体１７６のそれぞれに形成された突起１７９ｃ、突起１７９ｂ、及び１７９ａから構成されていてもよいし、ｎ型半導体１７４、ｉ型半導体１７５、及びｐ型半導体１７６のうち、何れか１層に形成された複数の突起からなっていてもよい。ｎ型半導体１７４、ｉ型半導体１７５、及びｐ型半導体１７６のうち、何れか１層に突起を形成する場合、光電変換は主としてｉ型半導体１７５内で生じるため、ｎ型半導体１７４とｉ型半導体１７５との界面か、あるいは、ｉ型半導体１７５とｐ型半導体１７６との界面に突起を形成することが好ましい。
【０１８７】
このナノロッド１７９のピッチ、半径等は、実施の形態２で説明したものと同じである。
【０１８８】
すなわち、ナノロッド１７９は、フォトニック結晶１２７による共鳴ピーク波長をλとしたとき、１／４倍以上、１倍以下のピッチで、二次元に周期的に配置されている。
【０１８９】
さらに、フォトニック結晶１２７では、フォトニック結晶１２７と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶１２７と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、半導体層１７３の媒質による光の吸収係数αの逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にある。
【０１９０】
ガラス基板１７８は、エッチングされるなどにより、ナノロッド１７９の形成領域に、複数の凹部が形成されている。この凹部は、隣接する間隔がピッチａの三角格子により構成される六角形の格子となるように、ガラス基板１７８の裏面に形成されている。
【０１９１】
そして、ガラス基板１７８の凹部が形成されている面に、順に、ＴＣＯである透明導電膜１７７、ａ-Ｓｉからなるｐ型半導体１７６、ａ-Ｓｉからなるｉ型半導体１７５、ａ-Ｓｉからなるｎ型半導体１７４、ＴＣＯである透明導電膜１７２、及び裏面金属電極１７１（金属層）が積層される。これにより、ガラス基板１７８に積層された各層に、ガラス基板１７８に形成された凹部に対応する凹凸が形成される。
【０１９２】
これにより、太陽電池１７０は、太陽電池１１０、１３０、１５０、１６０と同様の効果を得ることができる。
【０１９３】
〔実施の形態４〕
本発明の太陽電池に関する第４の実施形態について、図３５〜図３８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態２にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ数字番号を付記し、その説明を省略する。
【０１９４】
本実施形態の太陽電池は、原理的には実施の形態２の太陽電池と同じである。すなわち、本実施形態の太陽電池は、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たし、かつバンド端での共鳴効果が得られるフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる構造を有している。
【０１９５】
（太陽電池の構成例）
図３５は、本発明の太陽電池の積層構造例を示す図であり、（ａ）は光電変換層から裏面側の金属層までの積層部分を抜き出した斜視図を表し、（ｂ）は太陽電池全体の断面を表している。また、図３６は、図３５に示す積層構造の変形例を示す図であり、図３５に示す太陽電池とは、ナノロッドの形状と、裏面側の透明導電層の厚みとが相違している。また、図３７は、本発明の太陽電池の他の積層構造例を示す図であり、図３６に示す太陽電池とは、裏面側の透明導電層および金属層の各形状が相違している。
【０１９６】
（太陽電池３００〜３０２の共通点）
図３５〜図３７に示す太陽電池３００，３０１，３０２に共通している第１の点は、光入射側の透明導電層１１７に形成されたナノロッド１１９ａまたは１１９ｂを覆って光電変換層１１３ａまたは１１３ｂを積層するという製造方法を採用した結果、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの表裏面のうち、光が太陽電池３００〜３０２に入射する側とは反対側に位置する裏面に、複数のナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状に対応した凹凸が形成されていることである。
【０１９７】
この凹凸は、あたかも複数のナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状が転写されたかのように形成されている。ただし、この凹凸は、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの媒質自体が形作る凹凸である。
【０１９８】
なお、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂは、例えば図２１に示すように、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有しているが、その構造の詳細を図３５〜図３７では省略している。
【０１９９】
複数のナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状と、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの裏面に形成された凹凸との対応関係をより厳密に定義すると、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂのそれぞれの中心軸と、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの媒質による凸形状のそれぞれの中心軸とが、図３５の（ｂ）に中心線Ｃにて示すように、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの厚み方向において一致している。
【０２００】
これは、上述したように、透明導電層１１７に形成されたナノロッド１１９ａまたは１１９ｂを覆って光電変換層１１３ａまたは１１３ｂを積層した結果である。このような製法により、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの裏面に凹凸を形成できるように、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの高さを、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの厚みより小さくしている。具体的には、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの高さを光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの厚みの１／３以上１／２以下とすることが好ましい。
【０２０１】
なお、図２４に示すナノロッド１１９の配置と同様に、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂは、図３５〜図３７の各（ａ）に示すように、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂを、その表面の法線方向に沿って平面視したとき、正方形の各頂点に配置することが好ましい。すなわち、フォトニック結晶は、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂが二次元的に正方格子状に配された構造を有していることが好ましい。
【０２０２】
ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂのピッチａは、図２４に基づいて既に説明したとおり、共鳴ピークの波長λに対して１／４倍以上１倍以下に設定されている。
【０２０３】
ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状としては、図３５の（ａ）に示すように、円柱でもよいし、図３６および図３７の各（ｂ）に示すように、略円錐台でもよい。ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状が円柱であれば、断面形状としては、図３５の（ｂ）に示す矩形状になる。また、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの形状が略円錐台であれば、断面形状としては、図３６および図３７の各（ｂ）に示す略台形状になる。いずれの形状でも、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの裏面を成す円柱または略円錐台の底面のエッジは鋭利であってもよいし、なだらかな曲面になっていてもよい。
【０２０４】
次に、太陽電池３００〜３０２に共通している第２の点は、積層された層の種類と順序とが同じになっていることである。すなわち、太陽電池３００は、光の入射側から順番に、ガラス基板１１８、裏面にナノロッド１１９ａが形成された透明導電層１１７、光電変換層１１３ａ、透明導電層１１２ａ、および金属電極層１１１（金属層）の積層によって構成されている。また、太陽電池３０１は、光の入射側から順番に、ガラス基板１１８、裏面にナノロッド１１９ｂが形成された透明導電層１１７、光電変換層１１３ｂ、透明導電層１１２ｂ、および金属電極層１１１の積層によって構成されている。さらに、太陽電池３０２は、光の入射側から順番に、ガラス基板１１８、裏面にナノロッド１１９ｂが形成された透明導電層１１７、光電変換層１１３ｂ、透明導電層１１２ｃ、および金属電極層１１１ｃ（金属層）の積層によって構成されている。
【０２０５】
光電変換層１１３ａは、光電変換層１１３ａの媒質より屈折率が小さい媒質からなる透明導電層１１７および透明導電層１１２ａによって挟まれている。透明導電層１１２ａは金属電極層１１１に隣接している。光電変換層１１３ｂも、光電変換層１１３ｂの媒質より屈折率が小さい媒質からなる透明導電層１１７と、透明導電層１１２ａまたは１１２ｂとによって挟まれ、透明導電層１１２ａまたは１１２ｂは金属電極層１１１または１１１ｃに隣接している。
【０２０６】
（太陽電池３００、３０１の共通点）
次に、図３５および図３６に示す太陽電池３００，３０１に共通していることは、光が太陽電池３００，３０１に入射する側とは反対側、すなわち、太陽電池３００，３０１の裏面側の最外層には、上記裏面側の全体を覆う金属電極層１１１が設けられ、金属電極層１１１が平坦な層になっていることである。この構成による作用効果については、後述する。
【０２０７】
（太陽電池３０２に特有の点）
太陽電池３０２に特有の点は、金属電極層１１１ｃの形状に表れている。太陽電池３０２では、透明導電層１１７の裏面に形成されたナノロッド１１９ｂの形状が保たれた状態で、光電変換層１１３ｂ、透明導電層１１２ｃおよび金属電極層１１１ｃを順に積層した結果、太陽電池３０２は、金属電極層１１１ｃの表裏面のうち、少なくとも、金属電極層１１１ｃの表面側（光が太陽電池３０２に入射する側）に、フォトニック結晶構造を成す凹凸が形成された構造を有している。
【０２０８】
なお、金属電極層１１１ｃの裏面側には凹凸が形成されなくても、太陽電池３０２の発電効率に影響しない。また、金属電極層１１１ｃの表裏面に、ナノロッド１１９ｂの形状に対応する凹凸が形成される程度は、金属電極層１１１ｃに隣接した透明導電層１１２ｃの厚みの設定に依存する。これらの点については後述する。
【０２０９】
（太陽電池の動作）
ガラス基板１１８および透明導電層１１７を介して光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）に入射した光は、主に真性半導体層で電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、真性半導体層で吸収される。励起された電子は、透明導電層１１７、金属電極層１１１（１１１ｃ）および外部抵抗７ａ（装置または機器など）によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗７ａに起電力を発生させる。
【０２１０】
なお、金属電極層１１１（１１１ｃ）を、反射板としても機能させることができ、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）で光電変換されず、透過してきた光を、再び光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）へと反射させることもできる。金属電極層１１１（１１１ｃ）を、太陽電池３００（３０１または３０２）の裏面の全面を覆って配することで、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）を透過した光を確実に反射することができるので、光の吸収効率が一層高い太陽電池３００（３０１または３０２）を構成することができる。
【０２１１】
ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂは、ピッチａが波長λに対して１／４倍以上１倍以下となるように、周期的に配されることによって、フォトニック結晶構造を形成しているので、実施の形態２として図２５を参照して説明したように、Γ点に、フォトニック結晶のフォトニックバンドの極値であるバンド端Ｂが、ピッチａに対応して形成される。
【０２１２】
このバンド端Ｂを利用することで、太陽電池３００（３０１または３０２）に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、共鳴ピーク波長である波長λの光を、フォトニック結晶で共鳴させることができる。そして、フォトニック結晶で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の媒質によって吸収される。したがって、太陽電池３００（３０１または３０２）の光の吸収率を向上させることができる。
【０２１３】
本実施形態では、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表裏両面にフォトニック結晶構造が形成されているので、太陽電池３００（３０１または３０２）の発電効率をさらに向上させることができる。その理由は以下のとおりである。
【０２１４】
本実施形態のように、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂのそれぞれの中心軸と、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの媒質による凸形状のそれぞれの中心軸とが、光電変換層１１３ａまたは１１３ｂの厚み方向において一致している場合、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面および裏面に、同じ構造を持つフォトニック結晶が形成される。
【０２１５】
これにより、同じ構造を持つフォトニック結晶のピッチａに対応したバンド端Ｂを利用して、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面および裏面双方のフォトニック結晶において、波長λの光を共鳴させることができる。したがって、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の媒質における最適な光閉じ込めの効果を期待できるので、太陽電池の光の吸収率をさらに向上させることができる。
【０２１６】
なお、透明導電層１１７に形成されたナノロッド１１９ａまたは１１９ｂを覆って光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）を積層するという製造方法を採用せずに、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の裏面に、図１７を参照して説明したように、フォトリソグラフィの技術によって、フォトニック結晶構造をなす凹凸を改めて作製してもよい。この場合には、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面側のフォトニック結晶の構造と、裏面側のフォトニック結晶の構造とを異ならせることができる。
【０２１７】
そうすると、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面側と裏面側とで共鳴する光の波長を異ならせることができる。この結果、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）で吸収される光の波長帯域を広げる効果を期待することができるので、この形態でも太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【０２１８】
なお、太陽電池３００（３０１または３０２）の受光面を太陽の向きに合わせて移動させる手段、もしくは、集光デバイスとして、図１９の（ａ）（ｂ）に示す追尾システム、または図２０に示す放物面状集光素子９０が付加されているので、フォトニック結晶に進入できる光が、角度依存性を持っていても、太陽電池３００（３０１または３０２）の受光量を増大させることができる点についても、実施の形態２で説明したとおりである。
【０２１９】
（金属層の作用効果１）
既に説明したように、図３５および図３６に示す太陽電池３００，３０１では、裏面側の全体を覆う金属電極層１１１が平坦な層になっている。
【０２２０】
これにより、金属電極層１１１は、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）などを通り抜けた光を、再び、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）に戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。
【０２２１】
金属電極層１１１は平坦な層なので、太陽電池３００，３０１の特性を測定した値が、シミュレーションによって予測した結果と合いやすい。したがって、設計した特性を期待どおりに得やすいという効果を奏する。
【０２２２】
さらに、金属電極層１１１は平坦な層なので、金属電極層１１１にフォトニック結晶構造を成す凹凸が形成された構造と比べて、電気抵抗を小さくすることができ、電力の取り出しに有利になると考えられる。
【０２２３】
（金属層の作用効果２）
一方、図３７に基づいて既に説明したように、太陽電池３０２では、金属電極層１１１ｃの表裏面のうち、少なくとも、金属電極層１１１ｃの表面側に、フォトニック結晶構造を成す凹凸が形成されている。
【０２２４】
これにより、少なくとも、透明導電層１１２ｃに接する金属電極層１１１ｃの表面にも、フォトニック結晶構造を成す凹凸形状が形成されているので、対象としている波長帯域以外の波長の光が金属電極層１１１ｃによって散乱されると考えられる。また、金属層による（表面）プラズモン共鳴のために、光エネルギーを増強する効果が期待できる。この結果、光電変換層１１３ｂで吸収される光の波長帯域を広げることによって、太陽電池３０２の光の吸収率をさらに向上させることが期待できる。
【０２２５】
（透明導電層の作用効果）
屈折率が光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）より小さい媒質からなる透明導電層１１７と、透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）とが、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）を挟むことによって、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この結果、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）による光の吸収率をさらに向上させることができる。
【０２２６】
透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）および透明導電層１１７を導電性材料によって形成しているのは、電流の取り出しのためである。透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）および透明導電層１１７を誘電体層に置き換えた場合にも、同様に、漏れ出ようとする光を閉じ込める効果を得ることができる。ただし、この場合には、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）から横方向に電流を取り出すための別構成を必要とする。
【０２２７】
なお、透明導電層１１７および透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）は、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込める条件を満たす厚みを有している。太陽電池３００（３０１または３０２）の裏面側に配された透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）の厚みは、上記条件を満たす最小厚みの整数倍の厚みから選択することができる。なお、透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）の厚みは、ナノロッド１１９ａまたは１１９ｂの高さを上回ることが好ましい。
【０２２８】
図３５の（ｂ）または図３７の（ｂ）に示すように、例えば、透明導電層１１２ａまたは透明導電層１１２ｃの厚みを上記最小厚みとした場合、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の裏面に形成された上記凹凸形状が、透明導電層１１２ａまたは透明導電層１１２ｃに最も強く転写される。このため、透明導電層１１２ｃを覆って金属導電層１１１ｃを積層した場合には、金属導電層１１１ｃにも上記凹凸形状が転写される。
【０２２９】
ここで、図３５の（ｂ）に示すように、金属電極層１１１を平坦な層としたければ、金属電極層１１１を平坦に形成するための平坦化処理が必要になる。つまり、透明導電層１１２ａに形成された凹凸形状を除去して平坦化する工程を経て後、金属電極層１１１を堆積することになる。
【０２３０】
これに対し、図３６の（ｂ）に示すように、透明導電層１１２ｂの厚みを上記最小厚みの整数倍とした場合、その厚みの設定（例えば、１μｍ以上）によっては、光電変換層１１３ｂの裏面に形成された凹凸形状が、金属電極層１１１に、もはや転写されなくなる。この結果、透明導電層１１２ｂの平坦化処理をしなくても、金属電極層１１１を平坦な層にすることができる。
【０２３１】
なお、透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）の厚みが薄い方が、透明導電層１１２ａ（１１２ｂまたは１１２ｃ）によって光が吸収されることによる損失を小さくすることができる。
【０２３２】
（太陽電池の製造工程の一例）
図３５に示す太陽電池３００の製造工程を例示的に説明する。図３８は、太陽電池３００の製造工程を示す工程図である。なお、膜厚に関する数値は一例であって、適宜変更可能である。
【０２３３】
まず、図３８の（ａ）に示すように、ガラス基板１１８上にＳｎＯ２を蒸着して透明導電層１１７を形成し、さらに、ナノロッド１１９ａの形成材料である透明誘電体として、ＳｉＯ２を３５０ｎｍの厚みで透明導電層１１７上に蒸着し、ＳｉＯ２層１１９Ａを形成する。なお、ＳｉＯ２の蒸着に代えて、実施の形態２で紹介したＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ  Ｇｌａｓｓ；塗布ガラス）液をスピンコート法によって塗布してもよい。
【０２３４】
これらの透明誘電体は、光をほとんど吸収しない。その上、これらの透明誘電体の屈折率は、光電変換層１１３ａ（１１３ｂ）の屈折率より小さい。なお、ナノロッドを形成する透明誘電体は、光電変換層を形成する光起電力材料の屈折率より０．４以上小さい透明材料から選択することが好ましい。
【０２３５】
次に、図３８の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層１１９Ａ（またはＳＯＧ層）上にフォトレジスト４１を、９００ｎｍの厚みを持つように塗布した後、電子ビーム露光によって、ナノロッド１１９ａの配置パターンに対応するパターンを描画する。フォトレジスト４１がポジ型の感光材料であれば、露光された部分を現像によって除去する。これにより、ピッチａを、共鳴ピークの波長λに対して、１／４倍〜１倍に設定することによって、フォトニック結晶構造を成すナノロッド１１９ａの配置パターンを形成する。
【０２３６】
続いて、図３８の（ｃ）に示すように、上記配置パターンの全体にわたって、Ａｌを３００ｎｍの厚みで蒸着し、Ａｌ膜４２を形成する。
【０２３７】
その後、図３８の（ｄ）に示すように、フォトレジスト４１を除去することにより、ナノロッド１１９ａの形成部位にのみ、Ａｌ膜４２を残す。
【０２３８】
さらに、図３８の（ｅ）に示すように、四フッ化炭素（ＣＦ４）をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ‐Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、残ったＡｌ膜４２をマスクとして、マスクされていないＳｉＯ２を精度よく除去する。これにより、ナノロッド１１９ａが透明導電層１１７上に二次元的に配置された中間体３００Ａが作製される。
【０２３９】
続いて、塩酸（ＨＣｌ）を用いたウェットエッチングにより、残っていたＡｌ膜４２を除去する。
【０２４０】
次に、図３８の（ｆ）に示すように、中間体３００Ａの表面全体にａ‐Ｓｉを蒸着し、ｐ型不純物をドープすることによりｐ型ａ‐Ｓｉ層を形成し、その上にａ‐Ｓｉを蒸着してｉ型ａ‐Ｓｉ層を形成し、その上にさらにａ‐Ｓｉを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型ａ‐Ｓｉ層を形成する。これにより、ｐｉｎ型の光電変換層１１３ａが形成される。
【０２４１】
この後、図３８の（ｇ）に示すように、ＳｎＯ２を前記条件を満たす最小厚みにて蒸着して透明導電層１１２Ａを形成する。このとき、透明導電層１１２Ａの上面には、ナノロッド１１９ａに対応する凹凸が形成されている。
【０２４２】
この凹凸を残したまま、金属層を蒸着すると、金属層にも凹凸が形成されるので、図３７の（ｂ）に示す太陽電池３０２が完成する。このように、太陽電池３０２は、フォトニック結晶の加工以外に特殊な加工を施すことなく、太陽電池３００に比べて容易に作製できる。一方、図３８の（ｈ）に示すように、透明導電層１１２Ａの上面の凹凸を、集積回路等の作製で用いられているＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学的機械研磨）またはエッチングにより平坦化して、金属層１１１を蒸着すると、図３５の（ｂ）に示す太陽電池３００が完成する。
【０２４３】
（太陽電池の製造工程の別例）
最後に、図３７に示す太陽電池３０２を作製するための他の製造工程例を説明する。図３９は、太陽電池３０２の製造工程を概略的に示す工程図である。なお、膜厚等に関する数値は一例であって、適宜変更可能である。
【０２４４】
まず、図３９の（ａ）に示すように、ガラス基板１１８上に積層され一体化された透明導電層１１７の面（太陽電池に光が入射する側とは反対側の面）に、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ；水素シルセスキオキサン）などのＳＯＧ液をスピンコート法によって塗布し、ＨＳＱ層１１９Ａを形成する。ＨＳＱ層１１９Ａの膜厚は、例えば１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。ＨＳＱは、高解像電子線ネガ型レジストの用途に好適な無機ポリマーである。
【０２４５】
次に、図３９の（ｂ）に示すように、電子線リソグラフィ技術を用い、電子ビームをＨＳＱ層１１９Ａに照射し、ナノロッド１１９ｂのパターンをＨＳＱ層１１９Ａに描画する。これにより、ＨＳＱ層１１９Ａは、露光済みＨＳＱ層１１９Ｂとなる。露光済みＨＳＱ層１１９Ｂには、感光し現像液に対して不溶性を示す部分がナノロッド１１９ｂのパターンに対応して形成されている。
【０２４６】
続いて、図３９（ｃ）に示すように、現像処理を経ると、不溶性部１１９Ｃが透明導電層１１７上に残る。なお、不溶性部１１９Ｃの直径は例えば数１００ｎｍとする。
【０２４７】
次に、図３９（ｄ）に示すように、酸素（Ｏ２）プラズマを不溶性部１１９Ｃに照射し、アニールすると、ＨＳＱはＳｉＯ２−ｌｉｋｅな構造に変化し、不溶性部１１９Ｃはナノロッド１１９ｂとなる。
【０２４８】
なお、図３９の（ｂ）から図３９の（ｄ）に至る電子線リソグラフィの工程を、ナノインプリントの工程に置き換えてもよい。ナノインプリントの場合には、ナノロッド１１９ｂに対応するキャビティが形成されたモールドを、ＨＳＱ層１１９Ａに高圧でプレスする。この後、図３９（ｄ）に示す工程と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを照射し、アニールすると、ナノロッド１１９ｂが透明導電層１１７上に形成される。なお、ナノロッド１１９ｂの直径は、上記と同じく例えば数１００ｎｍである。また、このときのナノロッド１１９ｂの配列状態は、図２４に示すとおりである。
【０２４９】
続いて、図３９の（ｅ）に示すように、図３７の光電変換層１１３ｂ（厚みは例えば３３０ｎｍ）として、ｐ型ａ‐Ｓｉ層１８４、ｉ型ａ‐Ｓｉ層１８５およびｎ型ａ‐Ｓｉ層１８６を形成する。具体的には、ナノロッド１１９ｂが形成された透明導電層１１７の表面全体にａ‐Ｓｉを蒸着し、ｐ型不純物をドープすることによりｐ型ａ‐Ｓｉ層１８４を形成し、その上にａ‐Ｓｉを蒸着してｉ型ａ‐Ｓｉ層１８５を形成し、その上にさらにａ‐Ｓｉを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型ａ‐Ｓｉ層１８６を形成する。
【０２５０】
このとき、ナノロッド１１９ｂ上を覆うｐ型ａ‐Ｓｉ膜１８４ａと、ｐ型ａ‐Ｓｉ膜１８４ａの周囲に存在するｎ型ａ‐Ｓｉ層１８６との間が接近し過ぎてリーク（接合）が生じないように、ナノロッド１１９ｂの高さ、すなわちＨＳＱ層１１９Ａの塗布厚が決定されている。
【０２５１】
最後に、図３９の（ｆ）に示すように、ｎ型ａ‐Ｓｉ層１８６の上に、透明導電層１１２ｃと金属電極層１１１ｃとを順に積層することにより、太陽電池３０２が完成する。
【０２５２】
このように、図３８および図３９に示す製造方法では、ａ‐Ｓｉ層に加工を施さないので、ａ‐Ｓｉ層が全くダメージを受けないことが期待できる。なお、ナノロッドの形成にＳＯＧ材料を用いた場合には、ＳＯＧ材料の取り扱いまたは状態によって、太陽電池の特性が決まると考えられる。
【０２５３】
本発明に係る太陽電池の特徴点について、以下に補足する。
【０２５４】
〔まとめ〕
本発明の第１の太陽電池は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換層と、
(2)上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備え、
(3)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあることを特徴とする。
【０２５５】
上記の構成によれば、フォトニック結晶は、光電変換層の媒質（第１の媒質とする）と、当該第１の媒質とは誘電率（屈折率）が異なる第２の媒質との周期構造を備え、特定波長の光が、フォトニック結晶内に進入し、フォトニック結晶内で共鳴する。共鳴を起こした光は、光電変換層の媒質内を行き来し、光電変換層の媒質によって吸収され、光電変換される。
【０２５６】
ここで、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になる。
【０２５７】
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなくても、上記のように０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶの条件が満たされる場合には、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなるとともに、太陽電池の開放電圧（Ｖｃｏ）および曲線因子（ＦＦ）を変化させることなく、太陽電池の短絡電流（Ｊｓｃ）を向上させることができる。この結果、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
【０２５８】
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる太陽電池を得ることができる。
【０２５９】
太陽電池（光起電力デバイス）自体の光の吸収量を高めることができれば、入射された光に対する起電力の割合（分光感度特性（もしくはＩＰＣＥ：光電子変換効率；Ｉｎｃｉｄｅｎｔ  Ｐｈｏｔｏｎ−ｔｏ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ））を増加することができる。これは、従来では吸収し、起電力変換できていなかった太陽からのフォトンを、電子へと変換することが可能となることによる。したがって、本発明の効果は、フォトニック結晶を光起電力層に加工することで、光の吸収量を増大させたことによる太陽電池の短絡電流（Ｊｓｃ）の増加につなげることができることにある。ここで、太陽電池の開放電圧をＶｏｃ、曲線因子をＦＦ、変換効率をηとすると、変換効率は、以下のように表すことができる。
【０２６０】
η= Ｊｓｃ×Ｖｏｃ×ＦＦ
したがって、Ｊｓｃの増加につながる本発明は、太陽電池デバイスの変換効率を高めることが可能であり、太陽電池デバイスの有用性を向上させることが可能となる。
【０２６１】
本発明の第２の太陽電池において、上記フォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶であり、上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されており、上記欠陥がマトリクス状に配置されることにより、全体として、フォトニックバンドギャップを形成する共振器を構成していることを特徴とする。
【０２６２】
上記の構成によれば、フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように欠陥が形成されたフォトニック結晶が、光電変換層の内部に形成されているので、光電変換層に進入した光のうち、上記欠陥準位に対応する特定波長の光は、フォトニック結晶の欠陥内およびその付近に閉じ込められ、共鳴を起こす。
【０２６３】
上記柱状の媒質（第２の媒質）が、共鳴ピークの波長λに対して、λ／７以上、λ／２以下のピッチで、二次元的に配置されている場合、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなるので、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になる、または最大に近くなる。
【０２６４】
本発明の第３の太陽電池において、上記フォトニック結晶は、フォトニックバンド端を持つように、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されたフォトニック結晶であり、上記フォトニック結晶による共鳴波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置され、太陽電池の受光面を太陽の向きに合わせて移動させる手段、もしくは、集光デバイスが付加されていることを特徴としている。
【０２６５】
上記構成によると、上記フォトニック結晶では、柱状の媒質が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元的に配置されている。このため、上記フォトニック結晶の逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなる。
【０２６６】
これにより、フォトニック結晶が形成された上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、角度依存性を持って光電変換層で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。したがって、太陽電池の光の吸収率を向上させることができる。
【０２６７】
さらに、太陽電池の受光面を太陽の向きに合わせて移動させる手段、もしくは、集光デバイスが付加されているので、フォトニック結晶に進入できる光が、角度依存性を持っていても、太陽電池の受光量を増大させることができる。これにより、上記の構成であっても、太陽電池の光の吸収を増強することができ、光の吸収率を向上させることできる。
【０２６８】
本発明の第４の太陽電池において、上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていることを特徴とする。
【０２６９】
上記の構成は、公知の半導体プロセス技術を用いて、比較的容易に作製することができる二次元フォトニック結晶の一構成例である。また、このような構成を備えた二次元フォトニック結晶は、欠陥が形成されたフォトニック結晶の場合、デバイスの外部から入射された光を上記欠陥内に効率良く閉じ込めることができる。
【０２７０】
さらに、柱状の媒質の高さを、上記光電変換層の厚みと等しくした場合、光は、入射角度依存性を持たずに、光電変換層、言い換えればフォトニック結晶に進入することができる。このため、上記の構成は、太陽電池のように、光の吸収率をできるだけ高くしたい光電変換素子に適している。
【０２７１】
なお、本発明の第５の太陽電池として、上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みの１／４以下の高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていてもよい。
【０２７２】
上記構成により、上記光電変換層に形成する上記柱状の媒質が、当該光電変換層の高さより小さいので、上記光電変換層に、上記柱状の媒質を容易に形成することができる。すなわち、フォトニック結晶の形成が容易である。
【０２７３】
本発明の第６の太陽電池において、上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層によって挟まれ、上記２つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする。
【０２７４】
上記の構成によれば、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができる。
【０２７５】
なお、フォトニック結晶に光を進入させるため、上記２つの層のうち、少なくとも、太陽電池の受光面側に配された層を透明とすればよい。
【０２７６】
本発明の第７の太陽電池において、上記光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造であることを特徴とする。
【０２７７】
上記のように、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた太陽電池は、いわゆるｐｉｎ型太陽電池である。
【０２７８】
ｐｉｎ型の太陽電池は、真性半導体層で電子および正孔が生成され、効率良く電流を取り出すことができるので、太陽電池の用途に適している。また、縦型構造は太陽電池の占有面積を小さくするのに有利である。
【０２７９】
本発明の第８の太陽電池において、光が上記太陽電池に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする。
【０２８０】
これにより、上記金属層は、光電変換層などを通り抜けた光を、再び、光電変換層に戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。また、上記金属層は、電流を取り出す電極の１つとしての役割を果たすこともできる。
【０２８１】
なお、フォトニック結晶を光電変換層の全体にわたって形成することは本発明にとって必須ではなく、フォトニック結晶が光電変換層の一部領域に形成されていれば、従来より光電変換率を向上させる効果が得られる。この場合、上記金属層を、フォトニック結晶が形成された上記一部領域に対応した下方領域の全体に設けることが好ましい。
【０２８２】
本発明の第９の太陽電池において、上記柱状の媒質（ナノロッド）が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第１ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、二次元的に配置された第１ユニットは、ｘ方向に２ａ、ｘ方向に直交するｙ方向に√３ａのピッチで配置され、
上記欠陥（ナノロッドの無い部分）は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、正方格子状に配置されていることを特徴とする。
【０２８３】
上記構成によれば、上記κVとα（もしくはＱＶとＱα）とがほぼ等しくなるので、光電変換層の媒質による光の吸収を最大にするとともに、吸収される光の波長帯域をも最大にすることができる。なお、上記欠陥とその周囲のナノロッドとを合わせて、光を閉じ込める共鳴器とみなすことができ、複数の共鳴器をマトリクス状に配置することによって、各共鳴器を相互に共鳴させ、全体の共鳴の強さを小さく（ＱＶを小さく＝κVを大きく）することができる。これにより、フォトニック結晶と外界との結合の強度が大きくなるので、光をフォトニック結晶内に取り込み易くなる一方、フォトニック結晶のＱ値が小さくなるので、光電変換層の光が吸収される度合いが大きくなるとともに、吸収される光の波長帯域を大きくすることができる。
【０２８４】
なお、上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が２つ以上形成される構成を第２ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをａとすると、二次元的に配置された第２ユニットは、ｘ方向に４ａ以上、ｙ方向に√３ａのピッチで配置され、上記欠陥は、ｘ方向に４ａから８ａ、ｙ方向に２√３ａから４√３ａのピッチで、長方格子状に配置された構成であってもよい。
【０２８５】
この場合にも、上記κVとα（もしくはＱＶとＱα）とがほぼ等しくなるので、上記と同様の効果が得られる。
【０２８６】
さらに、柱状の媒質が六角形に配置されたユニット内に２つ以上の欠陥を形成することによって、共鳴ピークの縮退が解け、波長が異なる複数の共鳴ピークが現れる。この結果、吸収される光の波長帯域が増える効果も得られる。
【０２８７】
本発明の第１１の太陽電池において、上記欠陥を取り囲む上記柱状の媒質のうち、特定方向に沿った線上に配置された２つの柱状の媒質の位置が、上記六角形の各頂点の位置から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で距離が短くなる方向にシフトしていることを特徴とする。
【０２８８】
上記の構成によれば、上記柱状の媒質の周期的な配置が乱されるため、共鳴ピークの縮退が解け、波長が異なる複数の共鳴ピークが現れる。この結果、吸収される光の波長帯域が増えるため、太陽電池の光吸収率を向上させる効果が得られる。
【０２８９】
本発明の第１２の太陽電池は、上記第３の太陽電池において、上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、三角形の各頂点に配置されているか、または、本発明の第１３の太陽電池において、四角形の各頂点に配置されていることが好ましい。
【０２９０】
これにより、逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなるフォトニック結晶を構成することができる。このため、波長λの光を、太陽電池の内部で共鳴させることで、光の吸収率を向上させることができる。
【０２９１】
なお、上記第１２・１３の太陽電池の構成を、上記第４〜第８の太陽電池のいずれかの構成と組み合わせることもできる。
【０２９２】
本発明の第１４の太陽電池は、上記第３、第１２または第１３の太陽電池において、上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質が、２次元的に一定のピッチで配されている領域と、当該領域とは異なるピッチで、２次元的に一定のピッチで配されている領域とが配されていることが好ましい。
【０２９３】
上記構成のように、一定のピッチで配されている上記柱状の媒質のピッチを、領域ごとに異ならせることで、領域ごとに、フォトニック結晶によるバンド端により規定される共鳴ピーク波長を異ならせることができる。このため、領域ごとに、フォトニック結晶による共鳴ピーク波長を複数発生させることができるので、さらに光の吸収率の向上効果を得ることができる。
【０２９４】
なお、上記第１４の太陽電池の構成を、上記第４〜第８の太陽電池のいずれかの構成と組み合わせることもできる。
【０２９５】
本発明の第１５の太陽電池は、上記第１３の太陽電池の構成に、さらに以下の構成を加えた構成を有していてもよい。すなわち、上記柱状の媒質の高さは、上記光電変換層の厚みより小さく、上記光電変換層において、光が上記太陽電池に入射する側とは反対側に位置する裏面に、フォトニック結晶構造を成すように、上記光電変換層の媒質による凹凸形状が形成されていてもよい。
【０２９６】
これにより、光電変換層の表面側に周期的に配置された柱状の媒質が構成する第１のフォトニック結晶では、第１のフォトニック結晶のピッチに対応して前述のバンド端が形成される。そして、上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、そのバンド端により規定された特定波長の光が共鳴し、光電変換層の媒質によって吸収される。
【０２９７】
さらに、光電変換層の裏面（上記表面とは反対側の面）に形成された凹凸形状が構成する第２のフォトニック結晶でも、第２のフォトニック結晶のピッチに対応して前述のバンド端が形成される。そして、上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、第２のフォトニック結晶のピッチに対応したバンド端により規定された特定波長の光が共鳴し、光電変換層の媒質によって吸収される。
【０２９８】
第１のフォトニック結晶のピッチと第２のフォトニック結晶のピッチとが同じであれば、同じ波長の光が第１のフォトニック結晶および第２のフォトニック結晶において共鳴し、最適な光閉じ込めの効果を得ることが期待できる。
【０２９９】
また、第１のフォトニック結晶のピッチと第２のフォトニック結晶のピッチとが異なっていれば、異なる波長の光が第１のフォトニック結晶および第２のフォトニック結晶において共鳴し、光電変換層の媒質によって吸収される光の波長帯域を広げることが期待できる。
【０３００】
いずれにしても、太陽電池の発電効率をさらに向上させることができる。
【０３０１】
なお、太陽電池の受光面を太陽の向きに合わせて移動させる手段、もしくは、集光デバイスが付加されているので、フォトニック結晶に進入できる光が、角度依存性を持っていても、太陽電池の受光量を増大させることができる点については、上記第３の太陽電池について説明したとおり、第１５の太陽電池にもあてはまる。
【０３０２】
また、上記第１５の太陽電池の構成を、上記第５〜第８の太陽電池のいずれかの構成と組み合わせることもできる。
【０３０３】
本発明の第１６の太陽電池の場合、上記第１５の太陽電池の構成において、上記柱状の媒質のそれぞれの中心軸と、上記光電変換層の媒質による凸形状のそれぞれの中心軸とが、上記光電変換層の厚み方向において一致していてもよい。
【０３０４】
これにより、光電変換層の表面および裏面に、同じ構造を持つフォトニック結晶が形成されるので、光電変換層の媒質における最適な光閉じ込めの効果を期待することができ、太陽電池の光の吸収率をさらに向上させることができる。
【０３０５】
なお、上記柱状の媒質のそれぞれの中心軸と、上記光電変換層の媒質による凸形状のそれぞれの中心軸とが、上記光電変換層の厚み方向において一致していない場合には、光電変換層に構造の異なる２種類のフォトニック結晶が形成される。したがって、この場合には、それぞれのフォトニック結晶で共鳴する光の波長を異ならせることができる。この結果、光電変換層で吸収される光の波長帯域を広げる効果を期待することができるので、太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【０３０６】
本発明の第１７の太陽電池の場合、上記第１５の太陽電池の構成において、光が上記太陽電池に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられ、上記金属層は平坦な層であってもよい。
【０３０７】
これにより、上記金属層は、光電変換層などを通り抜けた光を、再び、光電変換層に戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。また、上記金属層は、電流を取り出す電極の１つとしての役割を果たすこともできる。
【０３０８】
上記金属層は平坦な層なので、太陽電池の特性を測定した値が、シミュレーションによって予測した結果と合いやすい。したがって、設計した特性を期待どおりに得やすいという効果を奏する。
【０３０９】
さらに、上記金属層は平坦な層なので、上記金属層にフォトニック結晶構造を成す凹凸が形成された構造と比べて、電気抵抗を小さくすることができ、電力の取り出しに有利になると考えられる。
【０３１０】
なお、フォトニック結晶を光電変換層の全体にわたって形成することは本発明にとって必須ではなく、フォトニック結晶が光電変換層の一部領域に形成されていれば、従来より光電変換率を向上させる効果が得られる。この場合、上記金属層を、フォトニック結晶が形成された上記一部領域に対応した下方領域の全体に設けることが好ましい。
【０３１１】
本発明の第１８の太陽電池の場合、上記第１５の太陽電池の構成において、光が上記太陽電池に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられ、少なくとも、光が上記太陽電池に入射する側である上記金属層の表面にも、フォトニック結晶構造を成す凹凸形状が形成されていてもよい。
【０３１２】
これにより、少なくとも、上記金属層の表面にも、フォトニック結晶構造を成す凹凸形状が形成されているので、対象としている波長帯域以外の波長の光が金属層によって散乱されると考えられる。また、金属層による（表面）プラズモン共鳴のために、光エネルギーを増強する効果が期待できる。この結果、光電変換層で吸収される光の波長帯域を広げることによって、太陽電池の光の吸収率をさらに向上させることが期待できる。
【０３１３】
本発明の第１９の太陽電池の場合、上記第１７または第１８の太陽電池の構成において、上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの透明層によって挟まれ、上記２つの透明層のうち、光が上記太陽電池に入射する側とは反対側の透明層は、上記金属層に隣接していることが好ましい。
【０３１４】
上記の構成によれば、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができる。
【０３１５】
なお、上記２つの透明層は、光電変換層の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込める条件を満たす厚みを有している。光が上記太陽電池に入射する側とは反対側の透明層、すなわち裏面側の透明層の厚みは、上記条件を満たす最小厚みの整数倍の厚みから選択することができる。
【０３１６】
上記裏面側の透明層の厚みを上記最小厚みとした場合、光電変換層の裏面に形成された上記凹凸形状が、上記裏面側の透明層および金属層に転写される。したがって、この場合に、金属層を平坦な層としたければ、金属層を平坦に形成するための平坦化処理が必要になる。
【０３１７】
これに対し、上記裏面側の透明層の厚みを上記最小厚みの整数倍とした場合、その厚みの設定によっては、光電変換層の裏面に形成された上記凹凸形状が、金属層には転写されなくなる。この結果、平坦化処理をしなくても、金属層を平坦な層にすることができる。
【０３１８】
本発明の第２０の太陽電池は、
(1)複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた太陽電池であって、
(2)複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、
(3)上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、
(4)上記フォトニック結晶による共鳴ピーク波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、
(5)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数αの逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶを満たす範囲にあることを特徴としている。
【０３１９】
上記構成によると、半導体層に複数の突起を形成することで、フォトニック結晶を構成することができる。このように形成されたフォトニック結晶では、突起が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されている。このため、上記フォトニック結晶の逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなる。
【０３２０】
これにより、フォトニック結晶が形成された上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、光電変換層で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
【０３２１】
ここで、上記係数κVと吸収係数αとがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
【０３２２】
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなくても、上記のように０．２ＱＶ≦Ｑα≦５．４ＱＶの条件が満たされる場合には、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。
【０３２３】
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、バンド端により規定される共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。
【０３２４】
本発明の太陽電池パネルは、上記第１から第２０の太陽電池のいずれかを１ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列されたことを特徴とする。
【０３２５】
これにより、光の吸収率が高い太陽電池が配列されているので、光電変換率の高い太陽電池パネルを得ることができる。
【０３２６】
特に、上記第３の太陽電池または第２０の太陽電池は、フォトニック結晶中に欠陥を設けていないので、フォトニック結晶中に欠陥を設けた太陽電池より製造しやすい。したがって、上記第３の太陽電池または第２０の太陽電池が配列された太陽電池パネルは、量産に適しているというメリットを持っている。
【０３２７】
上記第１から第２０の太陽電池のいずれかを電源として備えた装置もまた、本発明の１つのカテゴリーである。そのような装置は、上記太陽電池を電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器、家電製品または広告塔などが含まれる。
【０３２８】
また、上記太陽電池パネルを電源として備えた装置もまた、本発明の１つのカテゴリーである。そのような装置は、上記太陽電池パネルを電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器または家電製品のほかに、車両または広告塔なども含まれる。
【０３２９】
なお、ある着目した請求項に記載された構成と、その他の請求項に記載された構成との組み合わせが、その着目した請求項で引用された請求項に記載された構成との組み合わせのみに限られることはなく、本発明の目的を達成できる限り、その着目した請求項で引用されていない請求項に記載された構成との組み合わせが可能である。
【０３３０】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３３１】
本発明は、太陽電池全般に利用することができる。
【符号の説明】
【０３３２】
１，６０    太陽電池
２    光電変換層
３，７２    透明導電層（２つの層の一方）
４，７４    透明導電層（２つの層の他方）
６，１１１，１１１ｃ    金属電極層（金属層）
２０    真性半導体層
２１    ｐ型半導体層
２２    ｎ型半導体層
３０，７６，７６ａ〜７６ｄ    ナノロッド（柱状の媒質）
３１，７７    欠陥
７８    欠陥領域
ｃ    欠陥準位
ｇ    フォトニックバンドギャップ
ｐ    ピッチ
ｘ    方向（特定方向）
１１０、１３０、１７０  太陽電池
１１１、１７１  裏面金属電極（金属層）
１１２  透明導電膜（２つの層の一方）
１１７  透明導電膜（２つの層の他方）
１１３、１７３  半導体層（光電変換層）
１１４、１７４  ｎ型半導体
１１５、１７５  ｉ型半導体
１１６、１７６  ｐ型半導体
１１８  ガラス
１１９、１７９  ナノロッド（柱状の媒質）
１２１、１２３、１２７  フォトニック結晶
１１１ｃ    金属電極層（金属層）
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ    透明導電層
１１３ａ，１１３ｂ    光電変換層
１１７    透明導電層
１１９ａ，１１９ｂ  ナノロッド（柱状の媒質）
３００，３０１，３０２    太陽電池
ａ，ａ１，ａ２，ａ３  ピッチ
Ａ１，Ａ２，Ａ３  領域
【図１】
0005916823.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005916823.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005916823.tif 000008
【図８】
0005916823.tif 000009
【図９】
0005916823.tif 000010
【図１０】
0005916823.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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