(57)【要約】【課題】例えば太陽電池等の光電変換装置において、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させる。【解決手段】光電変換装置は、一対の第１電極（１１０）及び第２電極（１２０）と、第１及び第２電極間に設けられ、複数の半導体又は絶縁体（２１０、２２０）を含んでなり、光を吸収する光吸収層（２００）と、光吸収層及び第１電極間に設けられ、光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを光吸収層側から第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位であって、複数の半導体又は絶縁体のうち少なくとも一の半導体又は絶縁体（２１０）の伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位（ＥＳＣＬ）が形成されたエネルギー選択性コンタクト部（１６０）とを備える。【選択図】図５
2011066206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１及び第２電極と、
該第１及び第２電極間に設けられ、複数の半導体又は絶縁体を含んでなり、光を吸収する光吸収層と、
該光吸収層及び前記第１電極間に設けられ、前記光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを前記光吸収層側から前記第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位であって、前記複数の半導体又は絶縁体のうち少なくとも一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部と
を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光吸収層は、前記一の半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが狭い他の半導体又は絶縁体が前記一の半導体又は絶縁体によって取り囲まれてなる量子閉じ込め構造を有し、
前記他の半導体又は絶縁体は、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なる半導体又は絶縁体である
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記他の半導体又は絶縁体は、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーより低い半導体又は絶縁体であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光吸収層は、前記他の半導体又は絶縁体として、窒化インジウムを含んでなることを特徴とする請求項２又は３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光吸収層は、前記一の半導体又は絶縁体として、窒化ガリウム、又は窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶を含んでなることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽電池等の光電変換装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光電変換装置として、例えば非特許文献１には、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）の３つの材料が組み合わされた多接合型太陽電池が開示されている。この多接合型太陽電池は、太陽光に含まれる幅広い波長域の光を吸収することができるため、比較的高い光電変換効率（即ち、光が電気に変換される割合）を有する。また、光電変換効率を更に向上させるために、４〜６つの材料を用いた多接合型太陽電池の研究も進められている。
【０００３】
一方、ホットキャリア理論に基づく太陽電池が知られている（例えば非特許文献２及び３参照）。このホットキャリア理論に基づく太陽電池は、光吸収層において光を吸収することにより発生したキャリア（即ち、電子及び正孔）を、エネルギー損失なく（即ち、伝導帯における下端のエネルギー準位よりエネルギーを高められたキャリア（即ち、ホットキャリア）のエネルギーが、この下端のエネルギー準位にまで減衰してしまう前に）、電極側に到達させることで、光電変換効率を向上させようとするものである。例えば非特許文献４及び５では、ホットキャリアのエネルギー減衰についての研究結果が報告されている。また、ホットキャリアのエネルギー減衰に関して、ホットフォノン効果（Hot Phonon Effect）が知られている（例えば非特許文献４参照）。このホットフォノン効果とは、半導体においてキャリアによって周囲の原子が揺す振られることにより発生した光学フォノンが、エネルギー保存則を満たさないことにより音響フォノンに変換されず、この光学フォノンがキャリアに再び衝突或いは吸収されることにより、キャリアにエネルギーが返される結果、半導体中のキャリアのエネルギーが全体として失われにくくなる現象である。その他、本発明に関連する先行技術文献として非特許文献６が存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Yamauchi, T. Takamoto, A. Khan, M. Imaizumi, S. Matsuda and N. J. Ekins-Daukes, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2005; 13: 125-132
【非特許文献２】M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2005; 9: 123-135
【非特許文献３】R. T. Ross and A. J. Nozik: J. Appl. Phys., Vol. 53, No. 5, 3813 (1982)
【非特許文献４】Y. Rosenwaks, etc: "Hot-carrier cooling in GaAs: Quantum wells versus bulk", Phys. Rev., Vol.48, No.19, 1993
【非特許文献５】G. J. Conibeer and M. A. Green: Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Paris, June 2004) 270
【非特許文献６】Lin Zhou, Tao Xu, David J. Smith and T. D. Moustakas: "Microstructure of relaxed InN quantum dots grown on GaN buffer layers by molecular-beam epitaxy", Applied Physics Lett., Vol. 88, No. 23, P. 1906(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような多接合型太陽電池によれば、多種類の半導体が組み合わされているので、半導体間の界面の数が多くなるほど、光電変換効率を向上させることが困難になってしまうという技術的問題点がある。即ち、欠陥の密度が高くなりやすい界面が多数存在すると、キャリアである電子及び正孔の再結合が発生しやすくなり（言い換えれば、キャリアが減少してしまいやすくなり）、その結果、光電変換効率を向上させることが困難になってしまうおそれがある。
【０００６】
更に、上述したような多接合型太陽電池が、光電変換効率を向上させるべく、より多種類の半導体から構成される場合には、構成が比較的複雑になり、製造プロセスにおける工程数が増大してしまうおそれがあるという技術的問題点もある。
【０００７】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させることが可能な光電変換装置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】
本発明の光電変換装置は上記課題を解決するために、一対の第１及び第２電極と、該第１及び第２電極間に設けられ、複数の半導体又は絶縁体を含んでなり、光を吸収する光吸収層と、該光吸収層及び前記第１電極間に設けられ、前記光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを前記光吸収層側から前記第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位であって、前記複数の半導体又は絶縁体のうち少なくとも一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部とを備える。
【０００９】
本発明の光電変換装置によれば、その動作時には、光吸収層において光が吸収されることによって励起された電子及び正孔であるキャリア（即ち、光吸収層に光が照射されることによりエネルギーが高められたキャリアであるホットキャリア）が第１及び第２電極にそれぞれ移動することにより、光を電気に変換することが可能となる。
【００１０】
本発明では、光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリア（例えば電子）を光吸収層側から第１電極（例えば負電極）側へ透過させるための特定のエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部が、光吸収層及び第１電極間に設けられる。エネルギー選択性コンタクト部は、例えば、光吸収層に含まれる複数の半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが大きい半導体又は絶縁体中に格子欠陥或いは不純物を含んで構成され、この格子欠陥或いは不純物に起因する欠陥準位或いは不純物準位としてエネルギー選択性コンタクト準位が形成される。或いは、エネルギー選択性コンタクト部は、例えば、エネルギー選択性コンタクト準位としての特定のエネルギー準位を形成する例えば量子井戸、量子細線、量子ドット等の量子閉じ込め構造を有していてもよい。このため、光吸収層で発生したホットキャリアが、エネルギー選択性コンタクト部におけるエネルギー選択性コンタクト準位に遷移可能となるので、エネルギー選択性コンタクト部は、光吸収層で発生したホットキャリアを光吸収層側から第１電極側へ透過させることが可能となる。即ち、本発明に係る光電変換装置によれば、ホットキャリア理論に基づく光電変換装置（言い換えれば、ホットキャリア型の光電変換装置）を構成することが可能である。
【００１１】
本発明では特に、光吸収層に含まれる複数の半導体又は絶縁体のうち少なくとも一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位とエネルギー選択性コンタクト部におけるエネルギー選択性コンタクト準位とが同一である。ここで、本発明において、「伝導帯における下端のエネルギー準位」と「エネルギー選択性コンタクト準位」が「同一である」とは、伝導体における下端のエネルギー準位とエネルギー選択性コンタクト準位とが、熱エネルギーのずれの範囲内（例えば、常温において±０．０３ｅＶの範囲内）で互いに近ければよい趣旨であり、文字通りに同一である場合の他、実質的に同一である場合を含む意味である。このような実質的に同一である範囲は、実験的、経験的、シミュレーション等により個別具体的に設定することが可能である。
【００１２】
よって、光吸収層において光が吸収されることによって発生したホットキャリアのうち、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位となったキャリアを、エネルギー選択性コンタクト部を介して第１電極側へ到達させることができる（言い換えれば、第１電極側へ抜き出すことができる）。言い換えれば、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端付近のエネルギーを有しており、光吸収層内を比較的自由に移動可能なキャリアを、伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位に捉えて第１電極側へ移動させることができる。ここで、光吸収層において発生したホットキャリアのうち、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端よりも高いエネルギー準位に励起されたキャリアの多くは、フォノンの放出によってエネルギーが減衰し、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位に遷移するので、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位には、比較的多くのキャリアが存在することになる。
【００１３】
従って、光吸収層において発生したホットキャリアを第１電極側へ到達させる効率を向上させることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
更に、本発明に係る光電変換装置によれば、光吸収層及びエネルギー選択性コンタクト部を夫々構成する半導体又は絶縁体の種類を例えば上述した多接合型太陽電池と比較して少なくすることも可能であり、比較的簡易な構成とすることができる。
【００１５】
以上説明したように、本発明に係る光電変換装置によれば、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させることができる。更に、比較的簡易な構成であるので、製造プロセスにおける工程数の削減も可能であり、製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００１６】
本発明の光電変換装置の一態様では、前記光吸収層は、前記一の半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが狭い他の半導体又は絶縁体が前記一の半導体又は絶縁体によって取り囲まれてなる量子閉じ込め構造を有し、前記他の半導体又は絶縁体は、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なる半導体又は絶縁体である。
【００１７】
この態様によれば、光吸収層においてホットフォノン効果を促進することができ、光吸収層で発生したキャリアを第１電極側へ到達させる効率をより一層向上させることができる。
【００１８】
より具体的には、光吸収層における例えば量子井戸、量子ドット等の量子閉じ込め構造に閉じ込められたキャリア（例えば、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位以上に励起されたホットキャリアが、周囲の原子を揺す振ることにより光学フォノンとしてエネルギーを放出することで、量子閉じ込め構造に閉じ込められる）が、光学フォノンと衝突する確率を高めることができる。よって、量子閉じ込め構造に閉じ込められたキャリアが、ホットフォノン効果により、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位以上に励起される確率を高めることが可能になる。言い換えれば、光吸収層が量子閉じ込め構造を有するので、光吸収層における実効的なキャリア密度を高めることができ、これにより、ホットフォノン効果を促進できる。よって、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位以上に励起されたホットキャリアの数を増大させることができる。この結果、光吸収層で発生したホットキャリアを、一の半導体又は絶縁体の伝導帯における下端のエネルギー準位と同一であるエネルギー選択性コンタクト準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部を介して第１電極側へ抜き出す効率を高めることができる。
【００１９】
ここで、本態様では特に、他の半導体又は絶縁体は、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なる半導体又は絶縁体であるので、光吸収層で発生した縦光学フォノンは、縦音響フォノンに殆ど或いは全く変換されない。言い換えれば、本態様では特に、他の半導体又は絶縁体は、１個の縦光学フォノンから２個の縦音響フォノンへの遷移が禁止される半導体又は絶縁体からなる。よって、光吸収層においてホットキャリアが原子を揺す振ることにより放出された縦光学フォノンが縦音響フォノンに変換されることにより、ホットキャリアのエネルギーが最終的に熱エネルギーとして失われてしまうことを抑制或いは防止でき、ホットフォノン効果を促進することができる。
【００２０】
尚、１個の縦光学フォノンから２個の縦音響フォノンへの遷移が禁止される半導体又は絶縁体としては、例えば窒化インジウム等の、相対的に質量が重い重元素と相対的に質量が軽い軽元素とからなる半導体又は絶縁体を挙げることができる。
【００２１】
尚、ホットキャリアのエネルギーが最終的に熱エネルギーとして失われてしまうことを抑制或いは防止する観点からは、一の半導体又は絶縁体も、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なる半導体又は絶縁体であることが好ましい。
【００２２】
以上のように、本態様によれば、光吸収層においてホットフォノン効果を促進することができ、光電変換効率をより一層向上させることができる。
【００２３】
上述した、光吸収層が、一の半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが狭い他の半導体又は絶縁体が一の半導体又は絶縁体によって取り囲まれてなる量子閉じ込め構造を有する態様では、前記他の半導体又は絶縁体は、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーより低い半導体又は絶縁体であってもよい。
【００２４】
この場合には、光吸収層においてホットキャリアが原子を揺す振ることにより放出された縦光学フォノンが縦音響フォノンに変換されるのを確実に抑制或いは防止できる。よって、ホットフォノン効果を確実に促進することができる。光電変換効率を確実に向上させることができる。
【００２５】
上述した、光吸収層が、一の半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが狭い他の半導体又は絶縁体が一の半導体又は絶縁体によって取り囲まれてなる量子閉じ込め構造を有する態様では、前記光吸収層は、前記他の半導体又は絶縁体として、窒化インジウムを含んでなるように構成されてもよい。
【００２６】
この場合には、光吸収層における他の半導体又は絶縁体を、縦音響フォノンの取り得るエネルギーが、縦光学フォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なるように形成することができる。
【００２７】
上述した、光学吸収層が、他の半導体又は絶縁体として、窒化インジウムを含んでなる態様では、前記光吸収層は、前記一の半導体又は絶縁体として、窒化ガリウム、又は窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶を含んでなるように構成されてもよい。
【００２８】
この場合には、光吸収層を量子閉じ込め構造を有するように比較的簡易な構成で好適に形成することが可能である。
【００２９】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る太陽電池の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した太陽電池のＹＺ平面に沿った平面での断面を示す断面図である。
【図３】図１に示した太陽電池の光吸収層のＸＹ平面に沿った平面での断面を示す断面図である。
【図４】図１に示した太陽電池の障壁層のＹＺ平面に沿った平面での断面を示す断面図である。
【図５】第１実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す模式図である。
【図６】第１実施形態に係る太陽電池の第２半導体におけるフォノンのエネルギーと波数との関係を示すグラフである。
【図７】変形例における図６と同趣旨のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。以下の実施形態では、本発明の光電変換装置の一例である太陽電池を例にとる。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る太陽電池について、図１から図７を参照して説明する。
【００３２】
先ず、本実施形態に係る太陽電池の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る太陽電池の全体構成を示す斜視図である。尚、図１においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材ごとに縮尺を異ならしめてある。この点については、後述する図２から図４においても同様である。
【００３３】
図１において、本実施形態に係る太陽電池１０は、基板１００と、バッファ層１３０と、ホール移動層１４０と、電子障壁層１５０と、光吸収層２００と、障壁層１６０と、表面負電極１７０と、負電極１１０と、正電極１２０とを備えている。
【００３４】
基板１００は、サファイア基板からなる。この基板１００上に、バッファ層１３０、ホール移動層１４０、電子障壁層１５０、光吸収層２００、障壁層１６０、表面負電極１７０、負電極１１０及び正電極１２０の各要素が形成されている。
【００３５】
バッファ層１３０は、基板１００上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されている。
【００３６】
ホール移動層１４０は、バッファ層１３０上に、ｐ＋型（強いｐ型）窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮ）を結晶成長させることにより形成されている。ホール移動層１４０上における一部には、電子障壁層１５０が形成されており、ホール移動層１４０上における他の一部には、正電極１２０が形成されている。尚、ホール移動層１４０は、バッファ層１３０上に、ｐ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させることにより形成されてもよい。
【００３７】
電子障壁層１５０は、ホール移動層１４０上における一部に、ｐ＋型窒化インジウムアルミニウム（ＡｌＩｎＮ）を結晶成長させることにより形成されている。
【００３８】
正電極１２０は、本発明に係る「第２電極」の一例であり、ホール移動層１４０上における電子障壁層１５０が形成された一部を除く他の一部に、金属から形成されている。正電極１２０は、負電極１１０と対をなして設けられている。正電極１２０は、負電極１１０と共に、正電極１２０及び負電極１１０間に設けられた光吸収層２００において例えば太陽光等の光が吸収されることにより励起されたキャリアを電気として外部に取り出すための電極である。
【００３９】
光吸収層２００は、電子障壁層１５０上に形成されており、光を吸収することによりキャリア（即ち、電子及び正孔（ホール））を発生する。尚、光吸収層２００は、後に詳細に説明するように、２種類の半導体によって、量子閉じ込め構造（本実施形態では、量子ドット）を有するように形成されている。
【００４０】
障壁層１６０は、本発明に係る「エネルギー選択性コンタクト部」の一例であり、光吸収層２００上に、窒化インジウムアルミニウム（ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ：本実施形態では、ｘ＝０．７）を結晶成長させることにより形成されている。尚、障壁層１６０には、後に詳細に説明するように、光吸収層２００において光が吸収されることにより励起された電子を、光吸収層２００側から表面負電極１７０側（即ち、負電極１１０側）へ透過させるための特定のエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬ（図５参照）が形成されている。
【００４１】
表面負電極１７０は、障壁層１６０の上面を覆うように、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）等の透明導電材料から形成されており、光を透過させることができる。尚、表面負電極１７０は、後述する負電極１１０と共に、本発明に係る「第１電極」の一例を構成する。
【００４２】
負電極１１０は、表面負電極１７０上の一部に、金属から形成されている。尚、負電極１１０は、光吸収層２００に入射する光をなるべく妨げないような形状（本実施形態では、表面負電極１７０上の一部のみを占める矩形状）を有している。
【００４３】
次に、本実施形態に係る太陽電池の光吸収層の構成について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。ここに図２は、図１に示した本実施形態に係る太陽電池のＹＺ平面に沿った平面での断面を模式的に示す断面図であり、図３は、図１に示した本実施形態に係る太陽電池の光吸収層のＸＹ平面に沿った平面での断面を模式的に示す断面図である。尚、図３では、第２半導体２２０からなる量子ドットに閉じ込められたキャリア３１０及びこのキャリア３１０によって発生した縦光学フォノン（ＬＯフォノン）４１０も模式的に示している。
【００４４】
図２及び図３において、光吸収層２００は、第１半導体２１０及び第２半導体２２０から構成されている。第２半導体２２０のバンドキャップは、第１半導体２１０のバンドギャップよりも小さく、光吸収層２００は、第１半導体２１０中に第２半導体２２０からなる量子ドットを有している。より具体的には、第１半導体２１０は、窒化インジウムガリウム（ＧａｙＩｎ（１−ｙ）Ｎ：本実施形態では、ｙ＝０．７７）からなり、そのバンドギャップＥ１ｇ（図５参照）の大きさは、２．１ｅＶである。第２半導体２２０は、窒化インジウム（ＩｎＮ）からなり、そのバンドギャップＥ２ｇ（図５参照）の大きさは、０．７ｅＶである。
【００４５】
尚、第１半導体２１０（即ちＧａ０．７７Ｉｎ０．２３Ｎ）の格子定数ａは、３．２６（Å）であり、第２半導体２２０（即ちＩｎＮ）の格子定数ａは、３．５３（Å）である。このように、第１半導体２１０と第２半導体２２０とは、量子ドットを形成するのに十分な程度に、格子定数が互いに異なっている。即ち、第１半導体２１０及び第２半導体２２０によれば、格子定数のミスマッチを利用して、量子ドットを好適に形成することができる。
【００４６】
尚、本実施形態では、光吸収層２００は、先ず、電子障壁層１５０上に第１半導体２１０（即ち、Ｇａ０．７７Ｉｎ０．２３Ｎ）を結晶成長させ、続いて、第１半導体２１０上に第２半導体２２０（即ち、ＩｎＮ）からなる量子ドットを形成した後、量子ドットを覆うように、再び、第１半導体２１０（即ち、Ｇａ０．７７Ｉｎ０．２３Ｎ）を結晶成長させ、続いて第２半導体２２０（即ち、ＩｎＮ）からなる量子ドットを形成するということを繰り返すことにより形成されている。即ち、光吸収層２００は、多層量子ドットを有している。
【００４７】
本実施形態では、第２半導体２２０は、ＩｎＮからなるので、縦音響フォノン（ＬＡフォノン）の取り得るエネルギーが、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）の取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーより低い。よって、ＬＯフォノンが、２個のＬＡフォノンに変換されることを抑制或いは防止でき、ホットフォノン効果を促進することができる。尚、この点については、後に図６を参照して詳細に説明する。
【００４８】
次に、本実施形態に係る太陽電池の障壁層の構成について、図４を参照して詳細に説明する。ここに図４は、図１に示した本実施形態に係る太陽電池の障壁層のＹＺ平面に沿った平面での断面を模式的に示す断面図である。
【００４９】
図４において、障壁層１６０は、図１を参照して上述したように光吸収層２００上に、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎを結晶成長させることにより形成されている。
【００５０】
本実施形態では特に、障壁層１６０は、そのバンドギャップＥ３ｇ（図５参照）中に、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ（図５参照）と同一レベルのエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬ（図５参照）を有するように、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎを結晶成長させる際における温度等の条件が制御されることにより形成されている。即ち、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎを結晶成長させる際における温度等の条件が制御されることにより、障壁層１６０には、格子欠陥１６９が筋状の転移として複数形成されており、この格子欠陥１６９に起因した欠陥準位として形成されるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬと同一となっている。
【００５１】
尚、障壁層１６０（即ち、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎ）のバンドギャップＥ３ｇの大きさは、３．５ｅＶであり、障壁層１６０の格子定数ａは、３．２４（Å）である。第１半導体２１０と障壁層１６０の格子定数ａが、比較的近いので、第１半導体２１０と障壁層１６０の密着性を高めることができる。第１半導体２１０の格子定数ａは、上述したように、３．２６（Å）である。
【００５２】
よって、光吸収層２００において光が吸収されることによって発生したホットキャリア（即ち、電子及びホール）のうち、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬとなったキャリア（つまり、電子）をエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが形成された障壁層１６０を介して負電極１１０側へ到達させることができる。従って、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしての電子を負電極１１０側へ到達させる効率を向上させることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る太陽電池の光吸収層及び障壁層による効果について、図１から図４に加えて図５から図７を参照して詳細に説明する。
【００５４】
図５は、本実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す模式図である。尚、図５において、横軸は、太陽電池１０における表面負電極１７０から正電極１２０へ至る電気的な経路における位置を示し、縦軸は、エネルギーの大きさを示している。
【００５５】
図５において、例えば太陽光等の光が太陽電池１０に照射されると、光吸収層２００において光が吸収されることによりキャリア（即ち、電子３００ｅ及び正孔（ホール）３００ｈ）が発生する。光によって第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬよりも高いエネルギー準位に励起された電子３００ｅは、周囲の原子を揺す振ることにより（即ち、ＬＯフォノンを放出することにより）そのエネルギーが減衰するので、第１半導体２１０の伝導帯における下端付近に電子３００ｅは多数存在することになる。
【００５６】
ここで、電子３００ｅは、ＬＯフォノンを放出することによりエネルギーが減衰し、第２半導体２２０からなる量子ドット中に一時的に閉じ込められることもあり得るが、本実施形態では特に、図２及び図３を参照して上述したように、第２半導体２２０は、ＩｎＮからなるので、ＬＡフォノンの取り得るエネルギーが、ＬＯフォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーより低い（図６参照）。尚、図６は、第２半導体２２０におけるフォノンのエネルギーと波数との関係（即ち分散関係）を示すグラフである。
【００５７】
よって、第２半導体２２０では、電子３００ｅによって放出されたＬＯフォノンが、そのエネルギーの１／２倍のエネルギーを夫々有する２個のＬＡフォノンに変換されない。言い換えれば、第２半導体２２０では、ＩｎＮからなるので、１個のＬＯフォノンが２個のＬＡフォノンに変換される過程が禁止されている。従って、光吸収層２００において電子３００ｅが原子を揺す振ることにより放出されたＬＯフォノンがＬＡフォノンに変換されることにより、電子３００ｅのエネルギーが最終的に熱エネルギーとして失われてしまうことを抑制或いは防止できる。
【００５８】
更に、本実施形態に係る太陽電池１０によれば、このようにＬＯフォノンがＬＡフォノンに変換されないので、ＬＯフォノンが、第２半導体２２０からなる量子ドット中に閉じ込められた電子３００ｅと衝突する可能性を高めることができる。従って、第２半導体２２０からなる量子ドット中に閉じ込められた電子３００ｅが、ＬＯフォノンとの衝突によってエネルギーを得て、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上のエネルギー準位に飛び出してくる可能性を高めることができる。即ち、本実施形態に係る太陽電池１０によれば、ホットフォノン効果を促進することができ、第１半導体２１０の伝導帯における下端付近に電子３００ｅをより一層多く存在させることができる。
【００５９】
加えて、本実施形態では特に、光吸収層２００が第２半導体２２０からなる量子ドットを有するので、光吸収層２２０における実効的なキャリア密度を高めることができ、これによっても、ホットフォノン効果が促進することができる。つまり、本実施形態では特に、第２半導体２２０からなる量子ドットにキャリア３１０（図３参照）が閉じ込められた場合、キャリア３１０の光吸収層２００における実効的な密度（即ち、実効的なキャリア密度）は、第２半導体２２０からなる量子ドットにおけるキャリア３１０の密度であり、仮に光吸収層２００が量子ドット等の量子閉じ込め構造を有さない場合と比較して高いため、キャリア３１０と、キャリア３１０が放出するＬＯフォノン４１０とが衝突する可能性を高めることができる。よって、第２半導体２２０からなる量子ドット中に閉じ込められたキャリア３１０（つまり、図５における電子３００ｅ）が、ＬＯフォノン４１０との衝突によってエネルギーを得て、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上のエネルギー準位に飛び出してくる可能性を高めることができる。
【００６０】
図７は、変形例における図６と同趣旨のグラフである。
【００６１】
図７に変形例として示すように、光吸収層における第２半導体からなる量子ドットを、例えば超格子構造を有するように形成することで、ＬＡフォノンの取り得るエネルギーを離散化して、ＬＡフォノンの取り得るエネルギーが、ＬＯフォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーとは異なるようにしてもよい。この場合にも、電子３００ｅによって放出されたＬＯフォノンが、そのエネルギーの１／２倍のエネルギーを夫々有する２個のＬＡフォノンに変換されないので、電子３００ｅのエネルギーが最終的に熱エネルギーとして失われてしまうことを抑制或いは防止でき、ホットフォノン効果を促進することができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態に係る太陽電池１０によれば、光吸収層２００は、第１半導体２１０よりもバンドギャップが狭い第２半導体２２０が第１半導体２１０によって取り囲まれてなる量子ドットを有し、第２半導体２１０は、ＬＡフォノンの取り得るエネルギーが、ＬＯフォノンの取り得るエネルギーの１／２倍のエネルギーよりも低いので、ホットフォノン効果を促進することができ、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上（エネルギー準位Ｅ１ＢＬ付近）に励起された電子３００ｅの数を増大させることができる。
【００６３】
更に、図５において、本実施形態では特に、障壁層１６０は、第１半導体２１０のバンドギャップＥ１ｇ及び第２半導体２２０のバンドギャップＥ２ｇよりも大きいバンドギャップＥ３ｇを有すると共に、バンドギャップＥ３ｇ中に、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬと同一レベルのエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬを有している。尚、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬは、熱エネルギーのずれの範囲内（例えば、常温において±０．０３ｅＶの範囲内）で、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬと同一レベルであればよく、熱エネルギーのずれの範囲内で複数形成されてもよいし、熱エネルギーのずれの範囲内の幅を有していてもよい。
【００６４】
よって、光吸収層２００において光が吸収されることによって発生したホットキャリアとしての電子３００ｅのうち、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ付近にある電子３００ｅを、障壁層１６０を介して表面負電極１７０側（言い換えれば、負電極１１０側）へ到達させることができる。つまり、第１半導体２１０の伝導帯における下端Ｅ１ＢＬ付近のエネルギーを有しており、光吸収層２２０内を比較的自由に移動可能な電子３００ｅを、エネルギー準位Ｅ１ＢＬと同一レベルであるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬに捉えて表面負電極１７０側へ移動させることができる。
【００６５】
より具体的には、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしての電子３００ｅは、上述したように、ＬＯフォノンの放出によりエネルギーが減衰することにより、或いは、ＬＯフォノンと衝突するホットフォノン効果により、第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ付近に多数存在することになる。第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ付近に存在する電子３００ｅは、先ず、トンネル効果によって、障壁層１６０内に侵入し、障壁層１６０に形成されたエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬに捕えられる。次に、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬに捕えられた電子３００ｅは、再びトンネル効果を起こすことによって表面負電極１７０に導かれる。
【００６６】
尚、電子障壁層１５０は、上述したように、ｐ＋型ＡｌＩｎＮを結晶成長させることにより形成されており、バンドギャップ及びこのバンドギャップ中の欠陥による準位Ｅ４ＤＬは大きく歪んでいる。このため、光吸収層２００において発生した電子３００ｅは、電子障壁層１５０を通り抜けることができない。よって、光吸収層２００において発生した電子３００ｅは、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが形成された障壁層１６０を介して表面負電極１７０側にのみ到達でき、電子障壁層１５０を介して正電極１２０に到達することはない。
【００６７】
従って、光吸収層２００において第１半導体２１０の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ付近に多数存在する電子３００ｅを、障壁層１６０を介して表面負電極１７０側へ抜き出す効率を高めることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００６８】
一方、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしてのホール３００ｈは、電子障壁層１５０によって誘起される電界によって、電子障壁層１５０を通り抜けてホール移動層１４０に到達する。ホール移動層１４０に到達したホール３００ｈは、ホール移動層１４０内を自由に移動して正電極１２０に導かれる。
【００６９】
尚、基板１００をサファイア基板に代えて例えばｐ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるように構成する場合には、基板１００がホール移動層として機能することができるので、ホール移動層１４０を設けなくてもよい。
【００７０】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る太陽電池１０によれば、光電変換効率を向上させることができる。更に、比較的簡易な構成であるので、製造プロセスにおける工程数の削減も可能であり、製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００７１】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光電変換装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７２】
１００…基板、１１０…負電極、１２０…正電極、１４０…ホール移動層、１５０…電子障壁層、１６０…障壁層、１７０…表面負電極、２００…光吸収層、２１０…第１半導体、２２０…第２半導体、ＥＳＣＬ…エネルギー選択性コンタクト準位
【図１】
2011066206.tif 000003
【図２】
2011066206.tif 000004
【図３】
2011066206.tif 000005
【図４】
2011066206.tif 000006
【図５】
2011066206.tif 000007
【図６】
2011066206.tif 000008
【図７】
2011066206.tif 000009