(57)【要約】  【課題】  更に高効率化が可能な光電変換装置を提供する。  【解決手段】  所定のバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した光電変換層１１と、平面視したときに光電変換層１１を取り囲むように配置された、光電変換層１１を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した光電変換層１２と、光電変換層１１の一方主面に配置された、入射した光の方向を変換する方向変換層３１と、光電変換層１１を間に挟むように配置された電極２１および電極２２と、光電変換層１２を間に挟むように配置された電極２３および電極２４と、電極２２と電極２３とを接続する電極２５とを有する光電変換装置とする。【選択図】  図１
2015106637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した第１光電変換層と、
該第１光電変換層と同じ平面上に位置するとともに、平面視したときに前記第１光電変換層を取り囲むように配置された、前記第１光電変換層を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した第２光電変換層と、
前記第１光電変換層の一方主面に配置された、入射した光の方向を変換する方向変換層と、
前記第１光電変換層を間に挟むように配置された第１電極および第２電極と、
前記第２光電変換層を間に挟むように配置された第３電極および第４電極と、
前記第２電極と前記第３電極とを接続する第５電極と、
を有していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
平面視したときに、前記第１光電変換層が円状に形成されており、前記第２光電変換層が、前記円と中心を同じとする環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１光電変換層の厚みと前記第２光電変換層の厚みとが等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第２光電変換層と同じ平面上に位置するとともに、平面視したときに前記第２光電変換層を取り囲むように配置された、前記第２光電変換層を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した第３光電変換層と、
前記第３光電変換層を間に挟むように配置された第６電極および第７電極と、
前記第４電極と前記第６電極とを接続する第８電極と、
を更に有していることを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項５】
平面視したときに、前記第１光電変換層が円状に形成されており、前記第２光電変換層および前記第３光電変換層が、前記円と中心を同じとする環状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１光電変換層の厚みと、前記第２光電変換層の厚みと、前記第３光電変換層の厚みとが等しいことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
光を前記第１光電変換層へ向けて集約する集光器を更に有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか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、効率が高い光電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
効率を高めるために、バンドギャップの異なる半導体材料からなる複数の光電変換層を、光の入射側からバンドギャップが大きい順に配列するように積層して構成した光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１４７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたような従来の光電変換装置は、複数の光電変換層が直列に接続されるため、効率を低下させないために各々の光電変換層を流れる電流の大きさを等しくする必要がある。ところが、伝搬距離に応じた光の減衰と、波長の増大による光吸収係数の減少とによって、光の入射側から遠ざかるにつれて発電効率が低下するため、光の入射側から遠ざかるにつれて光電変換層の厚みを大きくする必要が生じる。しかしながら、光電変換層の厚みを大きくすると、光の吸収によって発生したキャリアが電極に到達し難くなるため、結果的に効率が低下してしまう。このような問題により、特許文献１に記載されたような従来の光電変換装置は、ある程度までしか効率を高めることができないという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、更に高効率化が可能な光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換装置は、所定のバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した第１光電変換層と、該光電変換層と同じ平面上に位置するとともに、平面視したときに前記第１光電変換層を取り囲むように配置された、前記第１光電変換層を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した第２光電変換層と、前記第１光電変換層の一方主面に配置された、入射した光の方向を変換する方向変換層と、前記第１光電変換層を間に挟むように配置された第１電極および第２電極と、前記第２光電変換層を間に挟むように配置された第３電極および第４電極と、前記第２電極と前記第３電極とを接続する第５電極と、を有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光電変換装置によれば、更に高効率化が可能な光電変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態の光電変換装置を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の光電変換装置を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。なお、図１においては、構造をわかりやすくするために、電極２１〜２５および方向変換層３１の図示を省略している。本実施形態の光電変換装置は、図１，図２に示すように、光電変換層１１と、光電変換層１２と、電極２１と、電極２２と、電極２３と、電極２４と、電極２５と、方向変換層３１と、基板３３とを有している。
【００１１】
光電変換層１１は、所定のバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成されている。そして、光電変換層１１は、＋ｚ方向から平面視したときに、点Ｐを中心とする円状に形成されている。光電変換層１２は、光電変換層１１を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成されている。また、光電変換層１２は、光電変換層１１と同じ平面上に位置するとともに、＋ｚ方向から平面視したときに、点Ｐを中心とする環状に形成されており、光電変換層１１を取り囲むように配置されている。また、光電変換層１１の厚みと光電変換層１２の厚みとは、等しく（略等しく）されている。なお、本明細書において、平面視とは、＋ｚ方向からの平面視を意味する。また、光電変換層１２が光電変換層１１と同じ平面上に位置するとは、光電変換層１１と光電変換層１２とが同じ平面を共有すること、すなわち、光電変換層１１と光電変換層１２の両方に含まれる１つの平面が存在することを意味する。また、光電変換層１１の厚みと光電変換層１２の厚みとの差が製造誤差程度（１０％以内）であれば、光電変換層１１の厚みと光電変換層１２の厚みとが等しいとする。
【００１２】
このような光電変換層１１および光電変換層１２としては、種々の組み合わせが可能である。例えば、光電変換層１１としてリン化インジウムガリウム（ＧａＩｎＰ）を用い、光電変換層１２としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いても良い。詳細には、例えば、光電変換層１１を、ｎ型ＧａＩｎＰおよびｐ型ＧａＩｎＰの積層構造とし、光電変換層１２を、ｎ型ＧａおよびＡｓｐ型ＧａＡｓの積層構造とすれば良い。また、光電変換層１１としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用い、光電変換層１２として多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用いても構わない。また、光電変換層１１としてアモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）を用い、光電変換層１２としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いても構わない。また、光電変換層１１としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用い、光電変換層１２として砒化窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いても構わない。また、光電変換層１１および光電変換層１２を、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に量子ドット層が形成されたｐｉｎ構造とし、光電変換層１２の量子ドット層における量子ドットの直径が、光電変換層１１の量子ドット層における量子ドットの直径よりも大きくなるようにしても良い。具体的には、例えば、光電変換層１１の量子ドット層における量子ドットの直径を３ｎｍ〜５ｎｍとし、光電変換層１２の量子ドット層における量子ドットの直径を６ｎｍ〜１０ｎｍとすれば良い。
【００１３】
方向変換層３１は、光電変換層１１の一方主面（＋ｚ方向側の表面）に配置されており、入射した光の方向を変換する機能を有している。詳細には、＋ｚ方向側から入射した光の方向をｘｙ平面内の方向へ変換する機能を有している。このような方向変換層３１としては、例えば、フォトニクス結晶がよく知られている。また、屈折率の異なる２種類の物質を、平面視したときに格子状に周期的に配列した構成としても良い。このとき、２種類の物質の屈折率をｎ１，ｎ２とし、方向変換層３１の厚みをｈとし、光の波長をλとしたときに、（２π｜ｎ１−ｎ２｜ｈ）／λ＝πを満たすようにｈの値を設定すれば良い。な
お、所望の変換状態に応じて周期構造の間隔を適宜調整する。
【００１４】
電極２１は、光電変換層１１に対して＋ｚ方向側に配置されており、電極２２は、光電変換層１１に対して−ｚ方向側に配置されている。すなわち、電極２１および電極２２は、光電変換層１１を間に挟むように配置されている。また、電極２３は、光電変換層１２に対して＋ｚ方向側に配置されており、電極２４は、光電変換層１２に対して−ｚ方向側に配置されている。すなわち、電極２３および電極２４は、光電変換層１２を間に挟むように配置されている。電極２５は、光電変換層１１と光電変換層１２との間に配置されており、電極２２と電極２３とを接続している。なお、電極２５は、光電変換層１１と光電変換層１２との間に位置しており、光電変換層１１から光電変換層１２への光の伝播を可能にするため、透光性を有することが必要である。同様に、電極２１は、光電変換層１１へ入射する光の量を低下させないために、透光性を有することが望ましい。電極２３は、光電変換層１２への光の直接的な入射を遮るものが他にない場合には、非透光性であることが望ましい。なお、本実施形態では、光電変換層１２よりも＋ｚ方向側に配置された図示せぬ遮光層が、光が光電変換層１２へ直接的に入射するのを防止している。また、電極２２と電極２５とは同じ材料を用いて一体的に形成されていても構わない。図２では、電極２２と電極２５とが一体的に形成された状態を示している。
【００１５】
電極２１〜２５のうち、透光性が必要でないものは、種々の既知の金属または合金を用いて形成することができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）を好適に用いることができるが、ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），白金（Ｐｔ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ）およびタンタル（Ｔａ）などの金属または合金を用いることもできる。
【００１６】
電極２１〜２５のうち、透光性が必要なものについては、既知の透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。例えば、インジウムを添加した酸化錫（ITO:Indium
Tin Oxide）を好適に用いて形成することができる。また、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ），酸化インジウム（ＩＯ），酸化錫（ＳｎＯ２）などの導電性の金属酸化物を用いることもできる。
【００１７】
基板３３は、従来の既知の絶縁性材料を用いて形成することができる。例えば、ガラス，セラミックス等の無機材料や、プラスチックのような有機材料を好適に用いることができる。また、基板３３は、単結晶シリコンや多結晶シリコンを用いて形成しても構わない。なお、−ｚ方向から光電変換層１２へ直接的に光が入射することを防止する機能を基板３３に持たせる場合には、非透光性の材料を用いることが望ましい。なお、本実施形態の光電変換装置では、非透光性材料によって基板３３が形成されており、基板３３によって、−ｚ方向から光電変換層１２へ直接的に光が入射することを防止している。
【００１８】
このような構成を有する本実施形態の光電変換装置は、＋ｚ方向側から入射した光の進行方向が、方向変換層３１によってｘｙ面内の方向へ変換され、光電変換層１１内を、図１の点Ｐを中心として放射状に周囲へ伝播する。そして、光電変換層１１を通過した光は、電極２５を透過して、光電変換層１２へ入射される。これにより、光電変換層１１および光電変換層１２の各々によって光エネルギーが電気エネルギーに変換されて、電極２１と電極２４との間に電圧が発生し、光電変換装置として機能する。
【００１９】
本実施形態の光電変換装置によれば、光電変換層１１と、光電変換層１１を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成された光電変換層１２と、の両方を用いて光電変換（光エネルギーの電気エネルギーへの変換）をすることから、広い範囲の波長の光を利用することができるので、変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。
【００２０】
また、本実施形態の光電変換装置は、光電変換層１１と光電変換層１２とが同一平面上に配置されており、光電変換層１１および光電変換層１２の厚み方向（＋ｚ方向）と垂直な方向（ｘｙ平面内の方向）に光が伝播する。このため、効率を高めるために光電変換層１１および光電変換層１２における電流を等しくするときに、光電変換層１２の面積を光電変換層１１の面積よりも大きくすることによって実現できる。このため、光電変換層１２の厚みを大きくする必要がないため、光電変換層１２で発生したキャリアが電極２３および電極２４に到達し難くなるという問題の発生を防止できる。よって、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００２１】
また、本実施形態の光電変換装置は、平面視したときに光電変換層１１を取り囲むように光電変換層１２が配置されている。これにより、１つの方向に沿って同じ幅の光電変換層１１および光電変換層１２が配置されている場合と比較して、光電変換層１２の面積を大きくしたときの光の伝播距離の増大を小さくすることができる。これにより、光の伝播距離に応じた減衰を小さくすることができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００２２】
また、本実施形態の光電変換装置は、平面視したときに、光電変換層１１が円状に形成されており、光電変換層１２が、円と中心を同じとする環状に形成されている。これにより、場所による光の強さのばらつきを最小にできるとともに、光の伝播距離を最小にすることができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００２３】
また、本実施形態の光電変換装置は、光電変換層１１の厚みと光電変換層１２の厚みとが等しい。これにより、光が当たらない部分の発生や、光の漏れ等による損失を低減することができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００２４】
このような本実施形態の光電変換装置は、例えば、以下の方法によって、作製することができる。まず、例えばスパッタや蒸着によって、基板上に電極２２，２４を形成する。次に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などによって、電極２２上に光電変換層１１を形成し、続いて電極２４上に光電変換層１３を形成する。その後、例えばＭＯＣＶＤを用いて、光電変換層１１上に方向変換層３１を形成する。最後に、例えばスパッタや蒸着によって、電極２１，２３，２５を同時に形成する。なお、それぞれのパターニングには、例えばリフトオフ法やドライエッチングを用いることができる。
【００２５】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図３においては、構造をわかりやすくするために、電極２１〜２８および方向変換層３１の図示を省略している。なお、本実施形態においては、前述した第１実施形態と異なる部分のみについて説明し、同様の構成要素には同じ参照符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態の光電変換装置は、図３，図４に示すように、光電変換層１３と、電極２６と、電極２７と、電極２８とを更に有している。
【００２６】
光電変換層１３は、光電変換層１２を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成されている。また、光電変換層１３は、光電変換層１２と同じ平面上に位置するとともに、＋ｚ方向から平面視したときに、点Ｐを中心とする環状に形成されており、光電変換層１２を取り囲むように配置されている。
【００２７】
本実施形態における、光電変換層１１，光電変換層１２，光電変換層１３の組み合わせとしては、種々の組み合わせが可能である。例えば、光電変換層１１としてリン化インジ
ウムガリウム（ＧａＩｎＰ）を用い、光電変換層１２としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用い、光電変換層１３として砒化窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いることができる。詳細には、例えば、光電変換層１１を、ｎ型ＧａＩｎＰおよびｐ型ＧａＩｎＰの積層構造とし、光電変換層１２を、ｐ型ＧａＡｓおよびｎ型ＧａＡｓの積層構造とし、光電変換層１３を、ｎ型ＧａＩｎＮＡｓおよびｐ型ＧａＩｎＮＡｓの積層構造とすればよい。また、光電変換層１１としてリン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）を用い、光電変換層１２として砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）を用い、光電変換層１３としてゲルマニウム（Ｇｅ）を用いても良い。また、光電変換層１１，光電変換層１２，光電変換層１３を、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に量子ドット層が形成されたｐｉｎ構造とし、量子ドット層における量子ドットの直径が、光電変換層１１，光電変換層１２，光電変換層１３の順に、徐々に大きくなるようにしても良い。具体的には、例えば、光電変換層１１の量子ドット層における量子ドットの直径を３ｎｍ〜５ｎｍとし、光電変換層１２の量子ドット層における量子ドットの直径を６ｎｍ〜１０ｎｍとし、光電変換層１３の量子ドット層における量子ドットの直径を１１ｎｍ〜２０ｎｍとすれば良い。
【００２８】
電極２６は、光電変換層１３に対して＋ｚ方向側に配置されており、電極２７は、光電変換層１３に対して−ｚ方向側に配置されている。すなわち、電極２６および電極２７は、光電変換層１３を間に挟むように配置されている。電極２８は、光電変換層１２と光電変換層１３との間に配置されており、電極２４と電極２６とを接続している。なお、電極２８は、光電変換層１２と光電変換層１３との間に位置しており、光電変換層１２から光電変換層１３への光の伝播を可能にするため、透光性を有することが必要である。なお、電極２６には電極２３と同じ材料を用いることができ、電極２７には電極２４と同じ材料を用いることができ、電極２８には電極２５と同じ材料を用いることができる。
【００２９】
このような構成を有する本実施形態の光電変換装置は、光電変換層１２と同じ平面上に位置するとともに、平面視したときに光電変換層１２を取り囲むように配置された、光電変換層１２を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料を用いて構成した光電変換層１３を有している。これにより、さらに広い範囲の波長の光を利用することができるので、さらに効率の高い光電変換装置を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態の光電変換装置は、平面視したときに、光電変換層１１が円状に形成されており、光電変換層１２および光電変換層１３が、円と中心を同じとする環状に形成されている。これにより、場所による光の強さのばらつきを最小にできるとともに、光の伝播距離を最小にすることができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態の光電変換装置は、光光電変換層１１の厚みと、光電変換層１２の厚みと、光電変換層１３の厚みとが等しい。これにより、光が当たらない部分の発生や、光の漏れ等による損失を低減することができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【００３２】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態の光電変換装置を模式的に示す断面図である。図４は、図５のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、本実施形態においては、前述した第１実施形態と異なる部分のみについて説明し、同様の構成要素には同じ参照符号を伏して重複する説明を省略する。本実施形態の光電変換装置は、図５に示すように、集光器３５を更に有している。
【００３３】
集光器３５は、＋ｚ方向から入射した光を光電変換層１１へ向けて集約する機能を有している。図５では、透光性を有しているとともに、適度な屈折率および形状を有するレン
ズ状の集光器３５の例を示したが、これに限定されるものではない。集光器３５は、光を光電変換層１１へ向けて集約する機能を有していれば何でも良く、例えば、１つ以上の鏡を用いて構成された反射型の集光器３５であっても構わない。
【００３４】
このような構成を有する本実施形態の光電変換装置は、集光器３５を有していることから、集光器３５を有さない場合と比較して、光電変換層１１へ入射する光のエネルギーを大きくすることができる。これにより、更に効率が高い光電変換装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１１，１２，１３：光電変換層
２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８：電極
３１：方向変換層
３３：基板
３５：集光器
【図１】
2015106637.tif 000003
【図２】
2015106637.tif 000004
【図３】
2015106637.tif 000005
【図４】
2015106637.tif 000006
【図５】
2015106637.tif 000007