(57)【要約】【課題】第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、その第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向、典型的には平行な方向から光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の光電変換効率などの特性を測定して評価を行うことができる光電変換素子評価装置を提供する。【解決手段】第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子５２を評価するために用いられる光電変換素子評価装置は、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光電変換素子５２を観察する光学顕微鏡の機能と、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に励起光を照射する機能とを有する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子を評価するために用いられ、
上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを有することを特徴とする光電変換素子評価装置。
【請求項２】
上記光電変換素子を載せるためのステージを有し、このステージ上に上記光電変換素子をこのステージの上面に対して上記第１の電極および上記第２の電極がほぼ垂直となるように載せることを特徴とする請求項１記載の光電変換素子評価装置。
【請求項３】
上記半導体層がｐｎ接合を有する場合はこのｐｎ接合にほぼ平行な方向から上記励起光を照射し、上記半導体層がｐｎ接合を有しない場合は上記第１の電極および上記第２の電極にほぼ平行な方向から上記励起光を照射することを特徴とする請求項１または２記載の光電変換素子評価装置。
【請求項４】
上記半導体層に上記励起光をその波長程度の太さに絞り込みつつ照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電変換素子評価装置。
【請求項５】
上記光電変換素子に上記励起光が入射する直前に上記励起光による照射部位を制限するための絞りを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電変換素子評価装置。
【請求項６】
上記光学顕微鏡の光軸と上記励起光の光路とが主たる部分で互いに一致していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電変換素子評価装置。
【請求項７】
上記光学顕微鏡の光軸と上記励起光の光路とが互いに一致している部分の途中に上記光電変換素子側から順にハーフミラーおよびダイクロイックミラーを上記光学顕微鏡の光軸および上記励起光の光路に対して４５度の角度に配置することが可能に構成されていることを特徴とする請求項６記載の光電変換素子評価装置。
【請求項８】
上記光学顕微鏡の光学系と上記励起光を照射する光学系とを互いに分離可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光電変換素子評価装置。
【請求項９】
上記光学顕微鏡の照明光源はランプ、上記励起光はレーザー光、連続スペクトル光または模擬太陽光であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光電変換素子評価装置。
【請求項１０】
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子を、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを用いて評価することを特徴とする光電変換素子評価方法。
【請求項１１】
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の製造方法において、
上記第１の電極と上記第２の電極との間に上記半導体層が挟まれた構造を有する光電変換素子を製造した後、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを用いて上記光電変換素子を評価する工程を有することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電変換素子評価装置、光電変換素子評価方法および光電変換素子の製造方法に関し、特に、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、その第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の評価および製造に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光電変換材料として半導体を用いた従来の太陽電池としては、アモルファスまたは結晶シリコンを用いた太陽電池、ＧａＡｓ結晶を用いた太陽電池、有機半導体を用いた太陽電池などが知られている。
図１５は従来の一般的な太陽電池の基本構成を示す。図１５に示すように、従来の太陽電池は、ｐ型半導体層１０１とｎ型半導体層１０２とによりｐｎ接合を構成し、ｐ型半導体層１０１上にｐ電極１０３を形成し、ｎ型半導体層１０２上にｎ電極１０４を形成したものであり、全体として板状の形状を有する。この太陽電池においては、一方の主面１０５に垂直に入射する光１０６の進行方向と、この光１０６の入射によりｐｎ接合中に生成される電子および正孔がドリフトまたは拡散によりそれぞれｎ電極１０４およびｐ電極１０３に向かう方向、言い換えるとキャリアの正味の移動方向とが、互いに平行になっている。このため、光１０６の吸収を十分に行うためにｐ型半導体層１０１およびｎ型半導体層１０２を厚くしようとすると、ｐ電極１０３とｎ電極１０４との間の距離が大きくなってしまうため、光吸収の増大とキャリアの収集効率の向上とを両立させることは極めて困難であり、ひいてはこれが光電変換効率の向上を妨げていた。これに加えて、従来の太陽電池は、量産性に富むものはその多くが単一のバンドギャップを用いているため、光電変換効率としては、図１６の破線で示すように最大でも３０％程度しか得られない問題があった。
【０００３】
本発明者は、上述の問題を一挙に解決するために、光電変換用の半導体層を第１の電極と第２の電極との間に挟んだ構造を渦巻き状または同心形状に、かつ全体として板状の形状に形成し、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光を入射させることにより光電変換を行う太陽電池および光電変換素子を提案した（例えば、特許文献１、２参照。）。また、光電変換用の半導体層を第１の電極と第２の電極との間に挟んだ構造を繊維状に形成し、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光を入射させることにより光電変換を行う繊維状太陽電池および繊維状光電変換素子を提案した（例えば、特許文献３、４参照。）。これらの特許文献１〜４で提案された太陽電池および光電変換素子は、究極的には理論最大効率に迫る極めて高い光電変換効率を得ることができる。
【０００４】
一方、図１５に示す従来の太陽電池を評価するための太陽電池評価装置として、太陽電池全面を照射する全面照射光源と、太陽電池を部分的に照射する部分照明光源と、部分照明光源を駆動して太陽電池上の照射位置を走査する部分照明光源用走査駆動機構と、太陽電池上に照射する部分照明の位置を測定する部分照明位置測定器と、太陽電池上に照射された部分照明位置毎に電流を測定し、太陽電池の光電変換効率を測定する電流測定器とを備えた太陽電池評価装置が提案されている（特許文献５参照。）。この太陽電池評価装置は、基本的には、図１５に示す従来の太陽電池において、太陽を光源に置き換えて光電変換効率などの特性を評価するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０６／０３５６１０号パンフレット
【特許文献２】特許第４０２２６３１号明細書
【特許文献３】特開２００７−２７３４９１号公報
【特許文献４】特開２００９−９９７５１号公報
【特許文献５】特開２００９−１１１２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献５で提案された太陽電池評価装置では、特許文献１〜４で提案された、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれ、その第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向、典型的には平行な方向から光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の光電変換効率などの特性を測定したり、光電変換の素過程の評価を行ったりすることは難しい。
【０００７】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、その第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向、典型的には平行な方向から光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の光電変換効率などの特性を測定して評価を行うことができる光電変換素子評価装置、光電変換素子評価方法およびこの光電変換素子評価方法を用いた光電変換素子の製造方法を提供することである。
【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、この発明は、
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子を評価するために用いられ、
上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを有することを特徴とする光電変換素子評価装置である。
【０００９】
また、この発明は、
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子を、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを用いて評価することを特徴とする光電変換素子評価方法である。
【００１０】
また、この発明は、
第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の製造方法において、
上記第１の電極と上記第２の電極との間に上記半導体層が挟まれた構造を有する光電変換素子を製造した後、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、上記第１の電極および上記第２の電極に対して非直角の方向から上記半導体層に励起光を照射する機能とを用いて上記光電変換素子を評価する工程を有することを特徴とするものである。
【００１１】
この発明においては、光学顕微鏡の機能と、励起光を照射する機能とを用いることにより、例えば、光学顕微鏡により光電変換素子を観察した後、引き続いてこの観察により特定した部位の半導体層に励起光を照射して光電変換を行うことが可能となり、上述の従来の太陽電池評価装置では実現が困難であった光電変換素子の評価が可能となる。光電変換素子の評価を行う場合、この光電変換素子は一般的にはステージ上に載せられ、典型的には、このステージ上に光電変換素子をこのステージの上面に対して第１の電極および第２の電極がほぼ垂直となるように載せる。典型的には、光電変換素子の半導体層がｐｎ接合を有する場合はこのｐｎ接合に平行な方向から励起光を照射し、半導体層がｐｎ接合を有しない場合は第１の電極および第２の電極に平行な方向から励起光を照射する。半導体層の微小領域の選択的な励起を可能とするために、好適には、半導体層に励起光をその波長程度の太さに絞り込みつつ照射する。光電変換素子評価装置は、好適には、光電変換素子に励起光が入射する直前に励起光による照射部位を制限するための絞りを配置することが可能に構成されている。この絞りは、例えば、微細な穴を有する遮光板により構成される。この絞りを用いることにより、光学顕微鏡による観察時および励起光の照射時に迷光の影響を最小限に抑えることができ、光電変換素子の評価を高精度で行うことが可能となる。典型的には、光学顕微鏡の光軸と励起光の光路とが主たる部分で互いに一致するようにする。そして、典型的には、この光学顕微鏡の光軸と励起光の光路とが互いに一致している部分の途中に光電変換素子側から順にハーフミラーおよびダイクロイックミラーを光学顕微鏡の光軸および励起光の光路に対して４５度の角度に配置することが可能に構成される。好適には、光学顕微鏡の光学系と励起光を照射する光学系とは互いに分離可能に構成される。このために、例えば、上記のハーフミラーまたはダイクロイックミラーを光学顕微鏡の光軸および励起光の光路に対して出し入れ可能に構成する。典型的には、光学顕微鏡の照明光源としてはランプが用いられ、励起光としてはレーザ光、連続スペクトル光、模擬太陽光などが用いられる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、光電変換素子の第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に励起光を照射する機能とを用いることにより、光電変換素子の観察と半導体層の光電変換とを行うことができる。特に、両機能を組み合わせることにより、光学顕微鏡による光電変換素子を観察した後、この観察により特定した部位の半導体層に励起光を照射して光電変換を行うことが可能となる。これによって、上述の従来の太陽電池評価装置では実現が困難であった、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、その第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の評価が可能となる。具体的には、例えば、光電変換素子を照射する光の光量や光スペクトル形状の関数として光電変換効率を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の例による光電変換素子を示す平面図および断面図である。
【図２】第２の例による光電変換素子を示す斜視図である。
【図３】第３の例による繊維状光電変換素子を示す斜視図である。
【図４】第３の例による繊維状光電変換素子の横断面図である。
【図５】第４の例による繊維状光電変換素子の横断面図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態による光電変換素子評価装置を示す略線図である。
【図７】この発明の第１の実施の形態による光電変換素子評価装置のステージ上に光電変換素子を載せた状態を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施の形態による光電変換素子評価装置の励起光源および直筒部の構成を示す略線図である。
【図９】この発明の第１の実施の形態による光電変換素子評価装置のステージ上に載せられた光電変換素子に光が照射された状態を示す略線図である。
【図１０】この発明の実施例による光電変換素子評価装置の対物レンズの焦点上のレーザ光のスポット形状を示す図面代用写真である。
【図１１】この発明の実施例による光電変換素子評価装置の励起光源を異なる構成の励起光源に置き換えた場合の対物レンズの焦点上のレーザ光のスポット形状を示す図面代用写真である。
【図１２】この発明の実施例による光電変換素子評価装置のステージ上に載せられた光電変換素子を光学顕微鏡により観察した時の光学顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１３】この発明の実施例による光電変換素子評価装置のステージ上に載せられた光電変換素子の半導体層をレーザ光により励起した時にビデオカメラにより撮影された画像を示す図面代用写真である。
【図１４】この発明の実施例による光電変換素子評価装置のステージ上に載せられた光電変換素子の第１の電極および第２の電極の間に電圧を印加して半導体層をレーザ光により励起することにより測定した電流−電圧特性を示す略線図である。
【図１５】従来の太陽電池を示す断面図である。
【図１６】光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明を実施するための形態（以下、発明の実施の形態という）について図面を参照しながら説明する。
まず、以下の実施の形態において光電変換素子評価装置により評価を行う光電変換素子の例について説明する。
【００１５】
図１ＡおよびＢは第１の例による光電変換素子を示す。ここで、図１Ａはこの光電変換素子の上面図（平面図）、図１Ｂはこの光電変換素子の直径方向の断面図である。図１ＡおよびＢに示すように、この光電変換素子は、ｐ電極１１とｎ電極１２とが、それらの間にｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合を挟んで渦巻き状に形成されたもので、全体として円形の面状の形状（薄い円板形状）を有する。この場合、ｐ電極１１の外側および内側ともｐ型半導体層１３、ｎ電極１２の外側および内側ともｎ型半導体層１４になっており、この光電変換素子は動径方向で見るとｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合が並列接続された構造を有する。
【００１６】
これらのｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、従来公知の半導体の中から使用したいバンドギャップを有するものを選ぶことができ、その形態も単結晶、多結晶、アモルファスのいずれであってもよい。ｐ電極１１およびｎ電極１２はそれぞれｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４とオーミック接触する導電材料により構成される。
【００１７】
この光電変換素子の各部の寸法の例を挙げると、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の厚さはそれぞれ７０〜１００ｎｍ、ｐ電極１１およびｎ電極１２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。この円板状の光電変換素子の厚さは、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体のバンドギャップエネルギーまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップエネルギーと等しいエネルギーの光のこの半導体における吸収長以上に選ばれ、具体的には１μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。こうすることで、この光をｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４でほぼ完全に吸収することができる。
【００１８】
この第１の例による光電変換素子によれば、ｐ電極１１とｎ電極１２とが間にｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４をはさんで渦巻き状に形成されて円形の面状（薄い円板状）に光電変換素子が構成されており、この光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合に光が入射することにより生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直になっているため、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合による光の吸収量の増大とｐ電極１１およびｎ電極１２によるキャリアの収集効率の増大とを両立させることができる。そして、この光電変換素子では、単位面積当たりのｐｎ接合の面積が極めて大きいため、この光電変換素子の主面に垂直方向に光を入射させたとき、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の光吸収領域を増大させることができる。このため、光電変換効率が高く、しかもフレキシブルな光電変換素子を実現することができる。
【００１９】
次に、第２の例による光電変換素子について説明する。第１の例による光電変換素子は単一のバンドギャップを利用するものであるのに対し、この光電変換素子では複数のバンドギャップを利用する。この光電変換素子の平面形状は図１ＡおよびＢに示す光電変換素子と同様である。図２にこの光電変換素子の詳細構造を模式的に示す。
【００２０】
図２において、ｐ電極１１とｎ電極１２とが背中合わせになる部位には樹脂などの各種の絶縁体からなるテープ４１が設けられており、このテープ４１によりｐ電極１１とｎ電極１２とが互いに電気的に絶縁されている。この場合、ｎ電極１２は全面電極であり、ｎ型半導体層１４とオーミック接触しているのに対し、ｐ電極１１は円板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小ｐ電極１１−１〜１１−ｎからなる。これらの微小ｐ電極１１−１〜１１−ｎの幅はそれぞれＷ1 、Ｗ2 、…、Ｗn であり、これらは互いに同一であっても異なっていてもよい。符号４２は芯材を示す。
【００２１】
ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のバンドギャップＥg は、光入射面から円板の厚さ方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、光入射面側から順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のうちのバンドギャップＥg がＥgk（１≦ｋ≦ｎ）の領域をＥgk領域と呼ぶ。このＥgk領域のｐ型半導体層１３と微小ｐ側電極１１−ｋとがオーミック接触している。これらのＥgk領域は一体になっていても互いに分離されていてもよい。微小ｐ電極１１−ｋとｎ電極１２との間にＥgk領域が挟まれた構造が微小光電変換素子を構成し、ｎ電極１２を共通電極としたこれらのｎ個の微小光電変換素子によりこの光電変換素子が構成されている。
【００２２】
Ｅgkは次のように設定することができる。例えば、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲（入射エネルギーが高い部分を含む範囲）において、波長をｎ個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側（高エネルギー側）から順に１、２、…、ｎというように番号を付け、ｋ番目の区間の最小光子エネルギーに等しくＥgkを選ぶ。こうすることで、ｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子がＥgk領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Ｅgk領域に到達して十分に吸収されるように、光入射面からこのＥgk領域までの深さを選ぶ。これによって、この太陽電池の光入射面に入射する太陽光は、まずＥg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてＥg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg2以上でＥg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にＥgn領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥgn以上でＥgn-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、太陽光スペクトルのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。
【００２３】
Ｅgkの理想的な設定例について説明する。図１６にＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子密度ｎphと光子エネルギーｈνとの関係を示す。ここでは、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーをエネルギー幅Δの１０個の区間に等分するものとする。この場合の理論最大光電変換効率は約７０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の倍以上である。
【００２４】
各Ｅgkの設定は、各Ｅgk領域を構成する半導体の組成を変えることにより行うことができる。具体的には、各Ｅgk領域を別種の半導体により構成する。無機半導体を用いる場合について具体例をいくつか挙げると次のとおりである。ｎ＝２の最も簡単な場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＧｅ（Ｅg ＝０．７６ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝５の場合には、例えば、Ｅg1領域を直径１．９ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長４４５ｎｍ）、Ｅg2領域を直径４．０ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長５８５ｎｍ）、Ｅg3領域を直径２ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長８００ｎｍ）、Ｅg4領域を直径４．５ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長１１００ｎｍ）、Ｅg5領域を直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）により構成する。さらに、ＧａＩｎＮx Ａｓ1-x やＧａＩｎＮx Ｐ1-x を用いてｘの制御だけでｎ〜１０の場合のＥgk領域を構成することも可能である。加えて、Ｔｅを含ませると大きなボウイング（bowing）を示すことが知られているＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてＥgk領域を構成してもよい。
【００２５】
この第２の例による光電変換素子によれば、第１の例による光電変換素子と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、例えば従来のアモルファスＳｉ太陽電池では太陽光スペクトルのうち光子エネルギーが１．１２ｅＶより小さい波長の光は利用することができないのに対し、この第２の例による光電変換素子によれば、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができる。
【００２６】
次に、第３の例による繊維状光電変換素子について説明する。図３はこの繊維状光電変換素子を示す斜視図、図４はこの繊維状光電変換素子の横断面図（図３のＡ−Ａ線断面図）である。図３および図４に示すように、この繊維状光電変換素子は、横断面において、ｐ電極１１とｎ電極１２とが、それらの間にｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合を挟んだ構造を有しており、外周面が被覆材１５により被覆されている。この繊維状光電変換素子の外周面には、ｐ電極１１と接触した取り出し電極１６およびｎ電極１２と接触した取り出し電極１７が設けられている。
【００２７】
ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体としては、延伸可能な材料、好適には有機半導体を用いることができ、従来公知の半導体の中から使用したいＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップエネルギーを有するものを選ぶことができる。ｐ電極１１およびｎ電極１２はそれぞれｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４とオーミック接触する導電材料、好適には延伸可能な導電材料、例えば金や導電性高分子あるいはＩＴＯなどの導電性酸化物微粒子の分散・集合体などにより構成される。
【００２８】
この繊維状光電変換素子の各部の寸法の例を挙げると、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の厚さはそれぞれ１０〜１００ｎｍ、典型的には７０〜１００ｎｍ、ｐ電極１１およびｎ電極１２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の、これらの面に平行でかつこの繊維状光電変換素子の長手方向に垂直な方向の幅は、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーの光のこの半導体における吸収長以上に選ばれ、具体的には１μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。こうすることで、この光をｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４でほぼ完全に吸収することができる。この繊維状光電変換素子の太さは必要に応じて選ばれるが、例えば衣服を作る場合には一般的には０．１〜１ｍｍ、例えば壁紙を作る場合には一般的に０．１〜５ｍｍに選ばれ、長さは必要に応じて選ばれる。
【００２９】
この第３の例による繊維状光電変換素子によれば、繊維状光電変換素子の横断面において、ｐ電極１１とｎ電極１２とが間にｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を挟んだ構造を有するため、これらのｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の面に平行でかつこの繊維状光電変換素子の長手方向に垂直な方向に入射する光の進行方向に対して、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合に光が入射することにより生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直になっているため、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合による光の吸収量の増大とｐ電極１１およびｎ電極１２によるキャリアの収集効率の増大とを両立させることができる。このため、光電変換効率が高く、しかもフレキシブルな繊維状光電変換素子を実現することができる。また、この繊維状光電変換素子は、従来公知のファイバー作製技術あるいはロールツーロールプロセスや延伸技術を用いて容易にかつ高い生産性で製造することができる。
【００３０】
次に、第４の例による繊維状光電変換素子について説明する。第３の例による繊維状光電変換素子が単一のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを利用するものであるのに対し、この第４の例による繊維状光電変換素子では複数のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを利用する。
図５はこの繊維状光電変換素子の横断面図である。図５に示すように、この繊維状光電変換素子においては、ｎ電極１２は全面電極であり、ｎ型半導体層１４とオーミック接触しているのに対し、ｐ電極１１はｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の面に平行でかつこの繊維状光電変換素子の長手方向に垂直な方向に互いに分離された細長いｎ個の微小ｐ電極１１−１〜１１−ｎからなり、これに応じてｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４もｎ個の微小部分からなる。
【００３１】
ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のバンドギャップエネルギーＥg は、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の面に平行でかつこの繊維状光電変換素子の長手方向に垂直な方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のうちのバンドギャップエネルギーＥg がＥgk（１≦ｋ≦ｎ）の領域をＥgk領域と呼ぶ。このＥgk領域のｐ型半導体層１３と微小ｐ側電極１１−ｋとがオーミック接触している。これらのＥgk領域は一体になっていても互いに分離されていてもよい。微小ｐ電極１１−ｋとｎ電極１２との間にＥgk領域が挟まれた構造が微小光電変換素子を構成し、ｎ電極１２を共通電極としたこれらのｎ個の微小光電変換素子によりこの繊維状光電変換素子が構成されている。Ｅgkは第３の繊維状光電変換素子と同様に設定される。
【００３２】
この第４の例による繊維状光電変換素子によれば、第３の例による繊維状光電変換素子と同様な利点に加えて、第２の例による光電変換素子と同様に、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができるという利点を得ることができる。
【００３３】
以上の第１〜第４の例による光電変換素子は、いずれも、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、これらの第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向、典型的には第１の電極および第２の電極に対してほぼ平行な方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子である。
【００３４】
第１の実施の形態による光電変換素子評価装置は、このような光電変換素子を評価するために用いられるものである。この光電変換素子評価装置は、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、これらの第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に励起光を照射する機能とを有する。
【００３５】
図６にこの光電変換素子評価装置の構成を示す。この光電変換素子評価装置は、一般的な三眼鏡筒式光学顕微鏡をベースとし、光電変換素子を観察する光学顕微鏡の機能と、光電変換素子の半導体層に励起光を照射する機能とを有するものである。
【００３６】
図６に示すように、この光電変換素子評価装置においては、ステージ５１上に評価を行う光電変換素子５２が載せられる。光電変換素子５２の断面構造の一例を図７に模式的に示す。図７に示すように、光電変換素子５２は、互いに対向する第１の電極５２ａと第２の電極５２ｂとの間に半導体層５２ｃが挟まれた構造を有する。第１の電極５２ａおよび第２の電極５２ｂは第１〜第４の例による光電変換素子のｐ電極１１およびｎ電極１２に対応し、半導体層５２ｃはｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４に対応する。光電変換素子５２の半導体層５２ｃがｐｎ接合を有しない場合もある。図７に示すように、この光電変換素子５２は、第１の電極５２ａおよび第２の電極５２ｂに平行な方向がステージ５１の上面に対して垂直となるようにステージ５１上に載せられる。ステージ５１は、このステージ５１に対して垂直な方向および平行な方向に移動可能になっており、光電変換素子５２の位置を三次元的に移動可能になっている。
【００３７】
この光電変換素子評価装置の光学顕微鏡部の光学系の主たる光軸上には、ステージ５１側から順に、この光軸に対して４５度の角度に傾斜したハーフミラー５３およびダイクロイックミラー５４を配置することができるようになっている。ダイクロイックミラー５４は、後述のレーザ光は透過するが、このレーザ光と波長の異なる波長の光は反射するように構成されている。これらのハーフミラー５３およびダイクロイックミラー５４は光軸に対して４５度の角度を保ったままこの光軸に対して垂直な方向に移動可能になっており、必要に応じて、光軸からずらしたり、光軸上に配置したりすることができるようになっている。図６において、光軸からずらした状態のハーフミラー５３およびダイクロイックミラー５４を一点鎖線で示す。
【００３８】
上記の光軸上に配置した状態のハーフミラー５３には、この光軸に対して垂直な方向から照明光源５５により照明光５６を照射することができるようになっている。照明光５６はハーフミラー５３で反射された後、光軸に沿って下方に進んでステージ５１上の光電変換素子５２を照射する。照明光源５５としては、一般的にはランプ、例えばハロゲンランプなどが用いられる。
【００３９】
照明光５６が照射された光電変換素子５２から出てくる光は、上記の光軸に沿って上方に進んでハーフミラー５３を透過した後、ダイクロイックミラー５４で光軸に対して垂直な方向に反射されてビデオカメラ５７に入射するようになっている。このビデオカメラ５７により、光電変換素子５２の表面を観察することができるようになっている。
【００４０】
この光電変換素子評価装置の光学顕微鏡部の上部には三眼鏡筒５８が設けられている。この三眼鏡筒５８は双眼観察部５８ａと直筒部５８ｂとからなる。双眼観察部５８ａには上記の光軸上を上方に進んだ光が図示省略した光路折り曲げプリズムなどの光学部品を通って光が入射するようになっており、この双眼観察部５８ａにより光電変換素子５２の表面を観察することができるようになっている。双眼観察部５８ａは図示省略した接眼レンズを有する。このように双眼観察部５８ａにより観察する場合、ダイクロイックミラー５４は光軸からずれた位置にあらかじめ移動しておく。直筒部５８ｂは最上部に接眼レンズ５８ｄを有する。直筒部５８ｂの上部には励起光源５９が取り付けられている。直筒部５８ｂおよび励起光源５９の詳細を図８に示す。図８に示すように、励起光源５９は半導体レーザ６０を有する。この半導体レーザ６０としては、半導体層５２ｃのバンドギャップエネルギーまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップエネルギー以上の光子エネルギーを有するレーザ光６１を発生させることが可能な半導体レーザが用いられる。この半導体レーザ６０は、発光点６０ａが、直筒部５８ｂのアイポイントに位置するように位置決めされている。言い換えると、半導体レーザ６０の発光点６０ａは、直筒部５８ｂの接眼レンズ５８ｃの焦点に位置している。
【００４１】
この光電変換素子評価装置の光学顕微鏡部の最下部の対物レンズとステージ５１上の光電変換素子５２との間には、微細な穴６２ａを有する遮光板からなる絞り６２を配置することができるようになっている。この絞り６２は、ステージ５１に対して平行に移動することができるようになっており、必要に応じて、光電変換素子５２の上方をステージ５１に対して平行に移動して光軸上に設置したり、光軸からずらしたりすることができるようになっている。
【００４２】
次に、この光電変換素子評価装置を用いて光電変換素子を評価する方法について説明する。
図６および図７に示すように、まず、評価を行う光電変換素子５２をステージ５１上に載せる。そして、光電変換素子５２の第１の電極５２ａおよび第２の電極５２ｂの間に図示省略した配線により可変電圧源（図示せず）を接続し、この可変電圧源によりこれらの第１の電極５２ａおよび第２の電極５２ｂの間に電圧を印加することができるようにしておく。
【００４３】
この光電変換素子評価装置の光学顕微鏡部の倍率を対物レンズなどの選択により所望の倍率に設定した上で、評価者は、双眼観察部５８ａに眼を当てて観察しながら、あるいは、ビデオカメラ５７により観察しながらステージ５１の移動を行い、図９に示すように、光電変換素子５２の観察部位が光軸上に位置し、かつ焦点が合うようにする。図９において、符号６３は対物レンズを示す。こうして、光電変換素子５２の表面の所望の部位を所望の倍率に拡大して観察することができる。これによって、第１の電極５２ａ、半導体層５２ｃおよび第２の電極５２ｂの構造を評価することができる。この際、必要に応じて、光電変換素子５２上に絞り６２を設置することにより、迷光の影響を避けながら光電変換素子５２の表面の特定部位を観察することができるので、高精度な観察が可能となる。
【００４４】
上述のようにして光電変換素子５２の表面の所望の部位を観察して励起を行う半導体層５２ｃの部位を定めた後、ハーフミラー５３、必要に応じてさらにダイクロイックミラー５４を光軸からずらして励起光源５９からのレーザ光６１が、ハーフミラー５３を通らずに、必要に応じてさらにダイクロイックミラー５４を通らずに直接、光電変換素子５２を照射するようにする。すなわち、ハーフミラー５３、必要に応じてさらにダイクロイックミラー５４を光軸からずらすことにより、光学顕微鏡部の光学系と励起光学系とを互いに分離する。通常、照明光学系の照明光５６の強度と励起光源５９の半導体レーザ６０のレーザ光６１の強度とは大きく異なり、後者は前者よりかなり大きいため、光学顕微鏡部の光学系と励起光学系とを互いに分離することにより、照明と励起とをそれぞれに適した強度の光で行うことが可能となる。
【００４５】
第１の電極５２ａと第２の電極５２ｂとの間に可変電圧源により電圧を印加しながらレーザ光６１により半導体層５２ｃの所定の部位を照射し、光電変換を行う。こうして光電変換素子５２の光電変換特性を測定することができ、その結果により光電変換素子５２を評価することができる。
【００４６】
この光電変換素子評価装置の実施例について説明する。
オリンパス株式会社製システム工業顕微鏡（型番ＢＸ５１Ｍ）において、照明光源５５として１００Ｗのハロゲンランプを用い、三眼鏡筒部５８の直筒部５８ｂに取り付けられる励起光源５９の半導体レーザ６０として発光波長が６３５ｎｍの赤色発光ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを用いた。光電変換素子５２の第１の電極５２ａの材料として透明導電材料であるＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）、第２の電極５２ｂの材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用い、半導体層５２ｃとして共役系高分子Ｐ３ＨＴとフラーレン誘導体ＰＣＢＭとの混合薄膜からなるバルクヘテロジャンクション構造のものを用いた。
【００４７】
図１０は対物レンズ６３の焦点上のレーザ光６１のスポット形状を示す。図１０に示すように、レーザ光６１のスポット径は約０．８μｍであった。このレーザ光６１のスポット径の理論値は０．４４μｍであるが、半導体レーザ６０の発光点６０ａは実際には点光源でないことや光学顕微鏡部の光学系に含まれるレンズの収差などを考慮するとこのスポット径は十分に小さい値である。レーザ光６１の焦点深度は±１μｍであった。一方、図１１は、励起光源５９の代わりに半導体レーザ６０の後段にコリメートレンズを入れたものを用いた場合における対物レンズ６３の焦点上のレーザ光６１のスポット形状を示す。図１１に示すように、この場合のレーザ光６１のスポット径は約１０μｍであった。上述のように励起光源５９を用いた場合に対物レンズ６３の焦点上のレーザ光６１のスポット径を約０．８μｍと極めて小さくすることができたのは、直筒部５８ｂの接眼レンズ５８ｃのアイポイントに半導体レーザ６０の発光点６０ａを位置させたことによる。
【００４８】
図１２に光電変換素子５２の表面をビデオカメラ５７により観察した時の光学顕微鏡像の一例を示す。図１２に示すように、光電変換素子５２の第１の電極５２ａ第２の電極５２ｂとの間に半導体層５２ｃが挟まれた構造が観察される。図１２中に観察される最上層は第２の電極５２ｂとしてのＡｌ膜であるが、観察試料を得るために光電変換素子５２を切り出した時に傷が付いている様子が分かる。
【００４９】
図１２に示す光学顕微鏡像における特定の部位の光電変換素子５２の表面にレーザ光６１を照射して半導体層５２ｃを励起した状態をビデオカメラ５７により撮影した画像を図１３に示す。図１３に示すように、光電変換素子５２の表面にスポット形状のレーザ光６１が照射されている様子が分かる。
【００５０】
次に、光電変換素子５２の第１の電極５２ａと第２の電極５２ｂとの間に印加する電圧を変化させながらレーザ光６１により半導体層５２ｃの所定の部位を照射し、そのときに第１の電極５２ａと第２の電極５２ｂとの間に流れる電流を測定することにより光電変換素子５２の電流−電圧特性を測定した結果を図１４に示す。この電流−電圧特性の測定結果より、光電変換素子５２の光電変換特性を評価することができる。
【００５１】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、これらの第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子の光学顕微鏡観察と半導体層の励起による光電変換特性の測定とを行うことができる光電変換素子評価装置を実現することができる。
【００５２】
次に、第２の実施の形態による光電変換素子の製造方法について説明する。
この光電変換素子の製造方法においては、例えば特許文献１〜４に開示された方法により、第１の電極と第２の電極との間に半導体層が挟まれた構造を有し、これらの第１の電極および第２の電極に対して非直角の方向から半導体層に光を入射させることにより光電変換を行う光電変換素子を製造する。具体的には、例えば、図７に示すような構造の光電変換素子５２を製造する。
【００５３】
次に、第１の実施の形態による光電変換素子評価装置を用いて、上述のようにして製造された光電変換素子の所望の部位を光学顕微鏡により観察したり、所望の部位の光電変換特性を測定したりする。そして、これらの測定の結果より、製造された光電変換素子の評価を行う。評価の結果、光電変換素子が良品と判断されれば光電変換素子の製造を続行する。光電変換素子が不良品と判断された場合には、不良の原因を究明し、不良をもたらしたプロセスの改善を行った後、光電変換素子を製造する。そして、再び光電変換素子評価装置により光電変換素子の評価を行い、良品と判断されるまでプロセスの改善を繰り返す。
この第２の実施の形態によれば、良好な光電変換特性を有する光電変換素子を高い歩留まりで製造することができる。
【００５４】
以上、この発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、形状、構成、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、形状、構成、配置などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１１…ｐ電極、１２…ｎ電極、１３…ｐ型半導体層、１４…ｎ型半導体層、５１…ステージ、５２…光電変換素子、５２ａ…第１の電極、５２ｂ…第２の電極、５２ｃ…半導体層、５３…ハーフミラー、５４…ダイクロイックミラー、５５…照明光源、５６…照明光、５７…ビデオカメラ、５８…三眼鏡筒、５８ａ…双眼観察部、５８ｂ…直筒部、５９…励起光源、６０…半導体レーザ、６０ａ…発光点、６１…レーザ光、６２…絞り、６２ａ…穴、６３…対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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