(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の上流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の下流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部、及び、前記単色光を前記光電変換部側へと反射する光反射部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項３】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部内に配置され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換粒子が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項４】
前記波長変換粒子は、前記波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、
前記透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、前記波長変換粒子の前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の上流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項６】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の下流側に配設され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部、及び、前記単色光を前記光電変換部側へと反射する光反射部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項７】
光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部で発生させた前記単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を吸収させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
前記波長変換部は、前記光電変換部内に配置され、
前記波長変換部は、前記電子及び前記正孔を生じさせるキャリア発生部、前記単色光を発生させる発光部、及び、前記キャリア発生部と前記発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部で生じた前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギー差の前記電子及び前記正孔を前記発光部へと移動させ、
前記キャリア発生部を構成する材料のバンドギャップ、前記発光部を構成する材料のバンドギャップ、及び、前記キャリア選択移動部を構成する材料の前記波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップを、それぞれＥｇ１、Ｅｇ２、及び、Ｅｇ３とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３であり、
中心側から外側へ向かって同心円状に、前記キャリア発生部、前記キャリア選択移動部、及び、前記発光部を順に有する波長変換細線が、前記波長変換部に含まれることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項８】
前記波長変換細線は、前記波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、
前記透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、前記波長変換細線の前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記ｐｎ接合は、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記キャリア発生部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｃ１、及び、Ｅｖ１とし、
前記発光部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｃ２、及び、Ｅｖ２とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、前記波長変換部に組み込んだ形状における伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれＥｃ３、及び、Ｅｖ３とするとき、
Ｅｃ１＜Ｅｃ２≦Ｅｃ３、且つ、Ｅｖ３≦Ｅｖ２≦Ｅｖ１であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
前記キャリア発生部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｃ４、及び、Ｅｖ４とし、
前記発光部を構成する材料の、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｃ５、及び、Ｅｖ５とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、前記波長変換部に組み込んだ形状における伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｃ６、及び、Ｅｖ６とするとき、
Ｅｃ４＜Ｅｃ５≦Ｅｃ６、且つ、Ｅｖ４≦Ｅｖ６≦Ｅｖ５であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１２】
前記発光部の表面が、絶縁体又は前記キャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１３】
前記発光部は、第１半導体によって構成された第１半導体部と、一対の前記第１半導体部の間に配設された、前記第１半導体よりもバンドギャップが小さい第２半導体によって構成された第２半導体部と、を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１４】
前記キャリア選択移動部は、相対的にバンドギャップが大きい半導体によって構成された広幅半導体部と、一対の前記広幅半導体部の間に配設された、前記広幅半導体よりもバンドギャップが小さい狭幅半導体によって構成された狭幅半導体部と、を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関し、特に、波長変換機構を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光エネルギーを直接電力に変換できる太陽電池は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。太陽電池設置面積は限られているため、より多くの電力を得るためには光電変換効率を向上させる必要があり、素子構造や作製工程の最適化、主要な材料であるＳｉの高品質化等の開発が進展している。
【０００３】
このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、光吸収層を構成する半導体のバンドギャップよりも高エネルギーの光を用いて生成されたキャリア（電子及び正孔。以下において同じ。）のエネルギー損失を減少させるため、光吸収層において、キャリア間のエネルギー相互作用（授受）を促進し、高いエネルギーを有する電子を取り出すホットキャリア型と呼ばれる形態の太陽電池に関する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比を０．０５〜０．１５の範囲内にした、多接合太陽電池に関する技術が開示されている。また、特許文献３には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のバンド構造がｔｙｐｅＩＩを成す太陽電池が開示されている。また、特許文献４には、フロントカバー、バックカバー及びこれらカバー間に封止材で封止された結晶シリコンセルを有する多数のユニットを組み込んだ構造を有し、かつフロントカバーと結晶シリコンセルとの間の封止材が、５５０〜９００ｎｍの波長範囲の蛍光を発する有機系希土類金属錯体０．０１〜１０質量％を含有するエチレン−酢酸ビニル共重合体から成る蛍光性樹脂組成物を含有する、太陽電池モジュールが開示されている。また、非特許文献１には、光吸収層を構成する半導体のバンドギャップよりも低エネルギーである長波長光の光透過損失を減少させるため、長波長光を、光吸収層を構成する半導体のバンドギャップに適した波長へと変換してエネルギー損失を低減する、アップコンバージョン型と呼ばれる形態の太陽電池に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５９９１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６５８号公報
【特許文献３】特開２００６−１１４８１５号公報
【特許文献４】国際公開第２００８／０４７４２７号パンフレット
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ソーラー  エネルギー  マテリアルズ  アンド  ソーラー  セルズ（Solar Energy Materials and Solar Cells）、（オランダ）、２００７年、第９１巻、第９号、ｐ．８２９−８４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ホットキャリア型において高い光電変換効率を得るためには、キャリア間のエネルギー相互作用（授受）を促進し、且つ、高いエネルギーを保ったまま光吸収層から電極までキャリアを移動させる必要がある。このためには、例えば１ｎｓ以上のホットキャリア寿命が必要になると考えられるが、現状の半導体材料におけるホットキャリア寿命は数ｐｓ以上数百ｐｓ以下程度に留まっている。そのため、特許文献１に開示されている技術を用いても、光電変換効率を高める効果は不十分になりやすかった。また、特許文献２に開示されている多接合型では太陽光に含まれる幅広い波長領域の光を吸収できるため、光電変換効率を高めることも可能になると考えられる。しかしながら、多接合型では、接合数の増加により、キャリアを消滅させ光電変換効率低下の原因となる欠陥密度が高い半導体界面の数が増加する。また、高価なＩＩＩ−Ｖ化合物材料を多種類用いる必要が生じ、製造工程が増加するためコストが増大しやすいといった課題を有していた。また、非特許文献１に開示されているアップコンバージョン型の太陽電池や、高エネルギーを有する短波長光を、光吸収層を構成する半導体のバンドギャップに適した波長へと変換してエネルギー損失を低減するダウンコンバージョン型の太陽電池では、多くの場合、特許文献４に開示されているような希土類元素を用いた蛍光材料が用いられている。しかしながら、希土類元素を用いる従来の蛍光材料では、吸収可能な光の波長範囲が狭く、かつ波長変換の際のエネルギー損失が大きいため、従来のダウンコンバージョン型の太陽電池やアップコンバージョン型の太陽電池も、光電変換効率を高める効果は不十分になりやすかった。すなわち、特許文献１乃至特許文献４及び非特許文献１に開示されている技術を組み合わせたとしても、光電変換効率を高め難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、及び、キャリア発生部と発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、該キャリア選択移動部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させることを特徴とする、光電変換素子である。
【０００９】
本発明の第１の態様及び後述する本発明の他の態様（以下において、単に「本発明」という。）において、波長変換部は、例えば、ホットキャリア機構を用いて、太陽光から単色光を生成させる効率を向上させ、且つ、光波長を自在に調整することが出来る機能を有する。また、本発明において、「光」とは、例えば太陽光のような、複数色光をいう。また、本発明において、「光の進行方向の上流側」とは、複数色光の進行方向上流側をいう。すなわち、「波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設され」とは、光電変換部へと到達する前の光（複数色光）を波長変換部へと入射させ、波長変換部で発生させた単色光を光電変換部へと吸収させることができるように、波長変換部及び光電変換部が配置されていることをいう。具体的には、光（複数色光）の進行方向上流側に波長変換部が配置され、波長変換部よりも光（複数色光）の進行方向下流側に光電変換部が配置されていることをいう。また、本発明において、「光電変換素子」とは、太陽電池のほか、光検出素子等も含む概念である。以下の説明において、複数色光を単に「光」ということがある。
【００１０】
本発明の第１の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部よりも光の進行方向上流側に配設された波長変換部に光を吸収させることにより電子及び正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を生じさせ、生じたキャリアを発光部で結合させて発生させた単色光を、光電変換部へと入射させる。例えばホットキャリア機構を用いた波長変換部で単色光を発生させる形態とすることにより、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、キャリア発生部の大きさ・厚さを制御する（例えば、キャリア発生部が球状又は円筒状である場合には直径を２０ｎｍ以下にし、キャリア発生部が膜状である場合には膜厚を２０ｎｍ以下にする）ことにより、キャリア発生部で生じたキャリアの移動距離を低減することができるので、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、本発明における波長変換部はキャリアを発光部で再結合させることを目的としており、生じさせたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、キャリア選択移動部や発光部に用いる半導体材料の組成・形状を調整することにより、発光波長が限定されていた蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、発光部で発生させる単色光の波長を自在に調節することが可能になる。加えて、単色光を光電変換部へと入射させることにより、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーが特定される。それゆえ、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップ（具体的には、単色光のエネルギーと同じ、又は、単色光のエネルギーよりも０．１ｅＶ程度小さいバンドギャップ。以下において同じ。）を有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の第１の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第１の態様では、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の下流側に配設され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、キャリア発生部と発光部との間に設けられたキャリア選択移動部、及び、単色光を光電変換部側へと反射する光反射部を有し、キャリア選択移動部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させることを特徴とする、光電変換素子である。
【００１２】
ここに、本発明において、「光の進行方向の下流側」とは、複数色光の進行方向下流側をいう。すなわち、「波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の下流側に配設され」とは、光を光電変換部へと入射させ、且つ、光電変換部を通過した光を波長変換部へと入射させ、入射させた光を用いて波長変換部で発生させた単色光を光電変換部へと入射させることができるように、光電変換部及び波長変換部が配置されていることをいう。具体的には、光電変換部へと入射する光の進行方向上流側に光電変換部が配置され、光電変換部よりも光の進行方向下流側に、波長変換部が配置されていることをいう。
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる光電変換素子では、波長変換部よりも光の進行方向上流側に配設された光電変換部を通過した光を用いて発生させた電子及び正孔を、発光部で結合させる。すなわち、本発明の第２の態様では、光電変換部に含まれる半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光は光電変換部で吸収されて電力へと変換され、光電変換部で電力へと変換されなかった光が波長変換部へと入射する。波長変換部では、例えば半導体材料を用いて、当該半導体材料のバンドギャップ（波長変換部を構成する半導体材料のバンドギャップ＜光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップ）よりも大きいエネルギーを有する光を吸収してキャリアを生じさせる。そして、生じさせた電子同士・正孔同士を、例えばホットキャリア機構を用いて相互作用させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射して吸収させることにより電力を取り出す。このような形態とすることにより、キャリア発生部で発生させたキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、キャリア発生部の大きさ・厚さを制御する（例えば、キャリア発生部が球状又は円筒状である場合には直径を２０ｎｍ以下にし、キャリア発生部が膜状である場合には膜厚を２０ｎｍ以下にする）ことにより、キャリア発生部で生じたキャリアの移動距離を低減することができるので、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、波長変換部は電子及び正孔を発光部で再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、キャリア選択移動部や発光部に用いる半導体材料の組成・形状を調整することにより、発光波長が限定されていた蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、発光部で発生させる単色光の波長を自在に調節することが可能になる。加えて、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第２の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部内に配置され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、及び、キャリア発生部と発光部との間に設けられたキャリア選択移動部を有し、キャリア選択移動部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させることを特徴とする、光電変換素子である。
【００１５】
本発明の第３の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部内に配置された波長変換部において、光電変換部を通過した光を用いて電子及び正孔を発生させる。そして、この電子及び正孔を波長変換部内の発光部で結合させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射して吸収させることにより電力を取り出す。かかる形態とすることにより、上記本発明の第２の態様と同様の効果を奏することが可能になる。したがって、本発明の第３の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第３の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００１６】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部を順に有する波長変換粒子が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換粒子が含まれていても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。
【００１７】
また、波長変換粒子が波長変換部に含まれている上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、波長変換粒子は、波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、該透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、波長変換粒子のキャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることが好ましい。波長変換粒子が透明材料中に分散されて保持されていることにより、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を長期間に亘って奏することが容易になる。
【００１８】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部を順に有する波長変換細線が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換細線が含まれていても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。
【００１９】
ここに、本発明において、「波長変換細線」とは、波長変換粒子のような球状ではなく、例えばカーボンナノチューブのように、１つの方向（軸方向）に伸びた線状形態の、物質をいう。
【００２０】
また、波長変換細線が波長変換部に含まれている上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、波長変換細線は、波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、該透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、波長変換細線のキャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることが好ましい。波長変換細線が透明材料中に分散されて保持されていることにより、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を長期間に亘って奏することが容易になる。
【００２１】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、キャリア選択移動部がキャリア発生部及び発光部の間に配設されるように積層された、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部を有する波長変換膜が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換膜が含まれていても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。
【００２２】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、ｐｎ接合は、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位を有していても良い。ｐｎ接合に、ｐ型材料（ｐ型半導体としての機能を発現する材料。以下において同じ。）とｎ型材料（ｎ型半導体としての機能を発現する材料。以下において同じ。）とが三次元的に接合した部位が含まれていても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。なお、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位を有するｐｎ接合としては、例えば、いわゆるバルクヘテロ構造のｐｎ接合等を例示することができる。
【００２３】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１、Ｅｃ１、及び、Ｅｖ１とし、発光部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ２、Ｅｃ２、及び、Ｅｖ２とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれＥｇ３、Ｅｃ３、及び、Ｅｖ３とするとき、Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３、且つ、Ｅｃ１＜Ｅｃ２≦Ｅｃ３、且つ、Ｅｖ３≦Ｅｖ２≦Ｅｖ１であっても良い。かかる形態（タイプＩ）であっても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。
【００２４】
ここに、本発明において、「伝導帯における最低離散準位」とは、伝導帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）をいう。換言すれば、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を記載した場合に、伝導帯の最も下側に位置する離散準位（量子準位）が、伝導帯における最低離散準位である。また、キャリア選択移動部を構成するバンドギャップとは、伝導帯における最低離散準位と価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差のことである。キャリア発生部を構成する材料あるいは発光部についても、そのサイズによっては伝導帯や価電子帯のエネルギー準位が離散的になることがある。その場合は、上記説明の伝導帯下端とは伝導帯における最低離散準位のことであり、価電子帯上端とは価電子帯における最低離散準位のことであり、バンドギャップとは伝導帯における最低離散準位と価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差のことである。また、「価電子帯における最低離散準位」とは、価電子帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）をいう。換言すれば、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を記載した場合に、価電子帯の最も上側に位置する離散準位（量子準位）が、価電子帯における最低離散準位である。また、本発明において、「キャリア選択移動部を構成する材料のバンドギャップ」とは、キャリア選択移動部を構成する材料のうち、最もバンドギャップが小さい材料のバンドギャップをいう。また、本発明において、「Ｅｖ３≦Ｅｖ２≦Ｅｖ１」とは、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を記載した場合に、Ｅｖ３がＥｖ２と同じ高さ又はＥｖ３がＥｖ２よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ２がＥｖ１と同じ高さ又はＥｖ２がＥｖ１よりも下側に位置していることを意味する。
【００２５】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ４、Ｅｃ４、及び、Ｅｖ４とし、発光部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ５、Ｅｃ５、及び、Ｅｖ５とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ６、Ｅｃ６、及び、Ｅｖ６とするとき、Ｅｇ４＜Ｅｇ５≦Ｅｇ６、且つ、Ｅｃ４＜Ｅｃ５≦Ｅｃ６、且つ、Ｅｖ４≦Ｅｖ６≦Ｅｖ５であっても良い。かかる形態（タイプＩＩ）であっても、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏することができる。なお、本発明において、「Ｅｖ４≦Ｅｖ６≦Ｅｖ５」とは、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を記載した場合に、Ｅｖ４がＥｖ６と同じ高さ又はＥｖ４がＥｖ６よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ６がＥｖ５と同じ高さ又はＥｖ６がＥｖ５よりも下側に位置していることを意味する。
【００２６】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、発光部の表面が、絶縁体又はキャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料によって被覆されていることが好ましい。かかる形態とすることにより、発光部の表面に存在し得る欠陥を低減することが可能になるので、当該欠陥に捕捉されて再結合に至らないキャリアを低減することが可能になり、その結果、光電変換効率を高めやすくなる。
【００２７】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、発光部は、第１半導体によって構成された第１半導体部と、一対の第１半導体部の間に配設された、第１半導体よりもバンドギャップが小さい第２半導体によって構成された第２半導体部と、を有していることが好ましい。かかる形態とすることにより、第２半導体部でキャリアを再結合させやすくなるので、光電変換効率を高めやすくなる。
【００２８】
また、上記本発明の第１の態様乃至上記本発明の第３の態様において、キャリア選択移動部は、相対的にバンドギャップが大きい半導体によって構成された広幅半導体部と、一対の広幅半導体部の間に配設された、広幅半導体よりもバンドギャップが小さい狭幅半導体によって構成された狭幅半導体部と、を有することが好ましい。かかる形態とすることにより、本発明の第１の態様乃至本発明の第３の態様における上記効果を奏しやすくなる。
【００２９】
本発明の第４の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、及び、該発光部よりも外側に配設された、発光部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい材料によって構成された外側材料部を有し、発光部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させ、且つ、該発光部へと移動させた電子及び正孔を結合させることにより単色光を発生させることを特徴とする、光電変換素子である。
【００３０】
本発明の第４の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部よりも光の進行方向上流側に配設された波長変換部に光を入射して吸収させることによりキャリアを生じさせ、生じたキャリアを発光部で結合させて発生させた単色光を、光電変換部へと入射させる。例えばホットキャリア機構を用いた発光部で単色光を発生させる形態とすることにより、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、キャリア発生部の大きさ・厚さを制御する（例えば、キャリア発生部が球状又は円筒状である場合には直径を２０ｎｍ以下にし、キャリア発生部が膜状である場合には膜厚を２０ｎｍ以下にする）ことにより、キャリア発生部で生じたキャリアの移動距離を低減することができるので、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、本発明における波長変換部はキャリアを発光部で再結合させることを目的としており、生じさせたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、発光部に用いる半導体材料の組成・形状を調整することにより、発光波長が限定されていた蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、発光部で発生させる単色光の波長を自在に調節することが可能になる。加えて、単色光を光電変換部へと入射させることにより、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーが特定される。それゆえ、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の第４の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第４の態様では、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００３１】
ここに、本発明において、「発光部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい材料」には、半導体材料のほか、絶縁性材料も含まれる。
【００３２】
本発明の第５の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部よりも、光の進行方向の下流側に配設され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、該発光部よりも外側に配設された、発光部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい材料によって構成された外側材料部、及び、単色光を光電変換部側へと反射する光反射部を有し、発光部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させ、且つ、該発光部へと移動させた電子及び正孔を結合させることにより単色光を発生させることを特徴とする、光電変換素子である。
【００３３】
本発明の第５の態様にかかる光電変換素子では、波長変換部よりも光の進行方向上流側に配設された光電変換部を通過した光を用いて発生させた電子及び正孔を発光部で結合させる。すなわち、本発明の第５の態様では、光電変換部に含まれる半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光は光電変換部で吸収されて電力へと変換され、光電変換部で電力へと変換されなかった光が波長変換部へと入射する。波長変換部では、例えば半導体材料を用いて、当該半導体材料のバンドギャップ（波長変換部を構成する半導体材料のバンドギャップ＜光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップ）よりも大きいエネルギーを有する光を吸収してキャリアを生じさせる。そして、生じさせた電子同士・正孔同士を、例えばホットキャリア機構を用いて相互作用させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射して吸収させることにより電力を取り出す。このような形態とすることにより、キャリア発生部で発生させたキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、キャリア発生部の大きさ・厚さを制御する（例えば、キャリア発生部が球状又は円筒状である場合には直径を２０ｎｍ以下にし、キャリア発生部が膜状である場合には膜厚を２０ｎｍ以下にする）ことにより、キャリア発生部で生じたキャリアの移動距離を低減することができるので、発光部へと移動するキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。また、波長変換部は電子及び正孔を発光部で再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、発光部に用いる半導体材料の組成・形状を調整することにより、発光波長が限定されていた蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、発光部で発生させる単色光の波長を自在に調節することが可能になる。加えて、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の第５の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第５の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００３４】
本発明の第６の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を吸収させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部は、光電変換部内に配置され、波長変換部は、電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部、単色光を発生させる発光部、及び、該発光部よりも外側に配設された、発光部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい材料によって構成された外側材料部を有し、発光部は、キャリア発生部で生じた電子及び正孔のうち、特定のエネルギー差の電子及び正孔を発光部へと移動させ、且つ、該発光部へと移動させた電子及び正孔を結合させることにより単色光を発生させることを特徴とする、光電変換素子である。
【００３５】
本発明の第６の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部内に配置された波長変換部において、光電変換部を通過した光を用いて電子及び正孔を発生させる。そして、この電子及び正孔を波長変換部内の発光部で結合させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射して吸収させることにより電力を取り出す。かかる形態とすることにより、上記本発明の第５の態様と同様の効果を奏することが可能になる。したがって、本発明の第６の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の第６の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００３６】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部、発光部、及び、外側材料部を順に有する波長変換粒子が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換粒子が含まれていても、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏することができる。
【００３７】
また、波長変換粒子が波長変換部に含まれている上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、波長変換粒子は、波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、該透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、波長変換粒子のキャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることが好ましい。波長変換粒子が透明材料中に分散されて保持されていることにより、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を長期間に亘って奏することが容易になる。
【００３８】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部、発光部、及び、外側材料部を順に有する波長変換細線が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換細線が含まれていても、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏することができる。
【００３９】
また、波長変換細線が波長変換部に含まれている上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、波長変換細線は、波長変換部に含まれる透明材料の中に分散されて保持され、該透明材料は、絶縁性材料、及び／又は、波長変換細線のキャリア発生部を構成する材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料であることが好ましい。波長変換細線が透明材料中に分散されて保持されていることにより、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を長期間に亘って奏することが容易になる。
【００４０】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、発光部がキャリア発生部及び外側材料部の間に配設されるように積層された、キャリア発生部、発光部、及び、外側材料部を有する波長変換膜が、波長変換部に含まれていても良い。波長変換部に波長変換膜が含まれていても、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏することができる。
【００４１】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、ｐｎ接合は、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位を有していても良い。ｐｎ接合に、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位が含まれていても、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏することができる。なお、ｐ型材料とｎ型材料とが三次元的に接合した部位を有するｐｎ接合としては、例えば、いわゆるバルクヘテロ構造のｐｎ接合等を例示することができる。
【００４２】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ７、Ｅｃ７、及び、Ｅｖ７とし、発光部を構成する材料の、波長変換部に組み込んだ形状におけるバンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれＥｇ８、Ｅｃ８、及び、Ｅｖ８とし、外側材料部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ９、Ｅｃ９、及び、Ｅｖ９とするとき、Ｅｇ７＜Ｅｇ８＜Ｅｇ９、且つ、Ｅｃ７＜Ｅｃ８＜Ｅｃ９、且つ、Ｅｖ９＜Ｅｖ８＜Ｅｖ７であることが好ましい。かかる形態とすることにより、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏しやすくなる。なお、本発明において、「Ｅｖ９＜Ｅｖ８＜Ｅｖ７］とは、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図を記載した場合に、Ｅｖ９がＥｖ８よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ８がＥｖ７よりも下側に位置していることを意味する。
【００４３】
また、上記本発明の第４の態様乃至上記本発明の第６の態様において、発光部は、相対的にバンドギャップが大きい半導体によって構成された広幅半導体部と、一対の広幅半導体部の間に配設された、広幅半導体よりもバンドギャップが小さい狭幅半導体によって構成された狭幅半導体部と、を有することが好ましい。かかる形態とすることにより、本発明の第４の態様乃至本発明の第６の態様における上記効果を奏しやすくなる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１Ａ】太陽電池１００を説明する断面図である。
【図１Ｂ】太陽電池１００のバンド構造を説明する図である。
【図２Ａ】太陽電池２００を説明する断面図である。
【図２Ｂ】太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。
【図３】太陽電池３００を説明する断面図である。
【図４】波長変換部６１を説明する断面図である。
【図５Ａ】波長変換部６２を説明する断面図である。
【図５Ｂ】波長変換細線６２ａを説明する断面図である。
【図６】波長変換部６３を説明する断面図である。
【図７】太陽電池３０１を説明する断面図である。
【図８Ａ】太陽電池３０２を説明する断面図である。
【図８Ｂ】太陽電池３０３を説明する断面図である。
【図９】バンド構造を説明する図である。
【図１０】バンド構造を説明する図である。
【図１１】波長変換部６５を説明する断面図である。
【図１２Ａ】波長変換部６６を説明する断面図である。
【図１２Ｂ】波長変換部６６のバンド構造を説明する図である。
【図１３Ａ】波長変換粒子６７を説明する断面図である。
【図１３Ｂ】波長変換粒子６７のバンド構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一形態である太陽電池について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。図面では、一部符号の記載を省略することがある。
【００４７】
図１Ａは、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１００を説明する断面図であり、図１Ｂは、太陽電池１００のバンド構造を説明する図である。図１Ａでは、キャリア発生部１１、キャリア選択移動部１２、及び、発光部１３の記載を省略している。図１Ｂでは、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。また、図１Ｂにおいて、「●」は電子であり、「○」は正孔である。図１Ｂにおいて、Ｅ１は波長変換部１０に含まれる半導体材料のバンドギャップであり、Ｅ２は波長変換部１０で発生させる単色光のエネルギーであり、Ｅ３は光電変換部２０に含まれる半導体材料のバンドギャップである。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。
【００４８】
図１Ａ及び図１Ｂに示したように、太陽電池１００は、半導体材料を有する波長変換部１０と、半導体材料を有する光電変換部２０と、を備えている。波長変換部１０は、光電変換部２０よりも、太陽光の進行方向の上流側に配設されている。太陽電池１００は、ダウンコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部１０は、バンドギャップがＥ１である半導体材料によって構成されたキャリア発生部１１と、バンドギャップがＥ２である半導体材料によって構成された発光部１３と、エネルギー差Ｅ２の電子及び正孔を選択的に発光部１３へと移動させるキャリア選択移動部１２と、を有している。発光部１３は、エネルギー差Ｅ２の電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥ２の単色光を発生させる機能を有している。一方、光電変換部２０は、バンドギャップがＥ３である半導体材料を有している。光電変換部２０は、バンドギャップがＥ３であるｎ型半導体によって構成されたｎ層２１、及び、バンドギャップがＥ３であるｐ型半導体によって構成されたｐ層２２を有し、ｎ層２１とｐ層２２とが接合されることによって、ｐｎ接合２３が形成されている。ｎ層２１には表面電極２４が接続されており、ｐ層２２には裏面電極２５が接続されている。
【００４９】
太陽電池１００へと照射された太陽光は、波長変換部１０へと入射する。太陽光には様々なエネルギーを有する光が含まれており、キャリア発生部１１へ太陽光が入射すると、キャリア発生部１１では、エネルギーＥ１以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が価電子帯から伝導帯へと励起され、価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。すなわち、キャリア発生部１１に光が入射すると、キャリア発生部１１を構成する半導体材料の伝導帯には図１Ｂに示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図１Ｂに示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００５０】
図１Ｂに示したように、キャリア選択移動部１２は、キャリア発生部１１と発光部１３とを繋ぐ部位であり、キャリア発生部１１で生成された様々なエネルギーを有する電子及び正孔のうち、エネルギー差がＥ２になる、特定のエネルギーを有する電子、及び、特定のエネルギーを有する正孔のみを選択的に発光部１３へと移動させる機能を有している。このようなキャリア選択移動部１２の機能は、例えば、量子井戸構造を用いることにより、実現することができる。キャリア発生部１１からキャリア選択移動部１２を経て発光部１３へと移動した電子及び正孔は、発光部１３で結合する。かかる過程を経ることにより、波長変換部１０は、エネルギーＥ２の単色光を発生させる。
【００５１】
キャリア発生部１１で生成された電子及び正孔のうち、キャリア選択移動部１２を移動可能な特定のエネルギー（以下において、「発光に寄与する特定のエネルギー」ということがある。）と一致する電子及び正孔は、そのままキャリア選択移動部１２を経由して発光部１３へと達する。そして、発光部１３で結合することにより、エネルギーＥ２の単色光になる。これに対し、キャリア発生部１１の伝導帯の電子分布において発光に寄与する特定のエネルギーとは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子は発光に寄与する特定のエネルギーになる。同様に、キャリア発生部１１の価電子帯の正孔分布において発光に寄与する特定のエネルギーとは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔は発光に寄与する特定のエネルギーになる。こうして、発光に寄与する特定のエネルギーを有するようになった電子、及び、発光に寄与する特定のエネルギーを有するようになった正孔は、キャリア選択移動部１２を経由して発光部１３へと移動することができ、発光部１３で結合することにより、エネルギーＥ２の単色光を発生させる。ここで、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、キャリア発生部１１は、半導体材料によって構成されているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、発光に寄与する特定のエネルギーを有する電子、及び、発光に寄与する特定のエネルギーを有する正孔を生じさせることができる。こうして発光部１３で発生させた単色光は、光電変換部２０へと向かう。
【００５２】
光電変換部２０は、バンドギャップがＥ３であるｎ層２１及びｐ層２２を有している。ここで、Ｅ３はＥ２よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部１０で発生させたエネルギーＥ２の単色光は、光電変換部２０に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅ２とＥ３との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｎ接合２３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層２１側へと移動し、ｎ層２１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層２２側へと移動し、ｐ層２２に接続されている裏面電極２５へと収集される。
【００５３】
このように、太陽電池１００では、キャリア発生部１１で発生させたキャリアを、キャリア選択移動部１２を経由して発光部１３へと移動させ、発光部１３で単色光を発生させる。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１１で高いエネルギーへと励起された電子及び正孔を、エネルギーが失われる前に発光部１３へと移動させて結合させることが可能になるので、エネルギー損失を低減することが可能になる。また、波長変換部１０は、キャリア発生部１１で発生させたキャリアを発光部１３で結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部１０では、従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部１１の大きさ・厚さを制御して、キャリア発生部１１で発生させたキャリアがキャリア選択移動部１２へと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア発生部１１に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いている従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部１０で発生させた単色光を光電変換部２０へと入射させる太陽電池１００では、光電変換部２０へと入射させる単色光のエネルギーがＥ２に特定される。それゆえ、Ｅ２に対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部２０に用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池１００を提供することができる。太陽電池１００では、光を単色光へと変換させる波長変換部１０の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００５４】
太陽電池１００において、キャリア発生部１１を構成する半導体材料のバンドギャップＥ１は、例えば、０．４ｅＶ以上１．２ｅＶ以下とすることができる。なお、キャリア発生部１１で発生させたキャリアの移動距離を１０ｎｍ以下にする場合、量子効果により、キャリア発生部１１のバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部１１を構成可能な半導体材料としては、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ等を例示することができる。キャリア発生部１１を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１１は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部１１を、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１１はイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００５５】
また、キャリア選択移動部１２を量子井戸構造にする場合、量子井戸層の厚さは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下、量子井戸層を構成する半導体材料のバンドギャップは例えば０．６ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができ、量子井戸層を構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。量子井戸層を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、量子井戸層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、量子井戸層を、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、量子井戸層は、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００５６】
また、キャリア選択移動部１２を量子井戸構造にする場合、量子井戸層を挟む障壁層の厚さは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下、障壁層を構成する半導体材料のバンドギャップは例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができ、障壁層を構成可能な半導体材料としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等を例示することができる。障壁層を、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、障壁層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、障壁層を、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、障壁層は、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００５７】
また、発光部１３で発生させる単色光のエネルギーＥ２は、例えば、０．６ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。発光部１３の厚さは例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。発光部１３を構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。発光部１３を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等ＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、発光部１３は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、発光部１３を、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等ＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、発光部１３はイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００５８】
また、光電変換部２０に含まれている半導体材料のバンドギャップＥ３は、例えば、０．５ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。光電変換部２０を構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等を例示することができる。光電変換部２０において、ｎ層２１は、これらの半導体材料に公知のｎ型不純物を添加することによって作製することができ、ｐ層２２は、これらの半導体材料に公知のｐ型不純物を添加することによって作製することができる。ｎ層２１の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｐ層２２の厚さは例えば２μｍ程度とすることができる。また、光電変換部２０を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、光電変換部２０は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、光電変換部２０を、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合には、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。また、表面電極２４及び裏面電極２５は、例えば蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。表面電極２４は、くし型形状のＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、あるいは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明な導電膜等、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができ、裏面電極２５は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができる。表面電極２４及び裏面電極２５の厚さは、例えば金属材料の場合は１〜１０μｍ程度、透明導電膜の場合は０．１〜１μｍ程度とすることができる。
【００５９】
太陽電池１００に関する上記説明では、ｐｎ接合を有する光電変換部２０が備えられる形態を例示したが、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子（ダウンコンバージョン型の光電変換素子。以下において同じ。）は当該形態に限定されない。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子に備えられる光電変換部は、ｐｉｎ接合を有していても良い。
【００６０】
また、太陽電池１００に関する上記説明では、ｎ層２１及びｐ層２２の接合界面が平面である形態を例示したが、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子は当該形態に限定されない。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子に備えられる光電変換部は、後述するように、バルクヘテロ構造のように凹凸を有する接合界面（三次元的に接合した部位）を有していても良い。
【００６１】
図２Ａは、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２００を説明する断面図であり、図２Ｂは、太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。図２Ａでは、キャリア発生部３１、キャリア選択移動部３２、及び、発光部３３の記載を省略している。図２Ｂでは、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。また、図２Ｂにおいて、「●」は電子であり、「○」は正孔である。図２Ｂにおいて、Ｅ４は波長変換部３０に含まれる半導体材料のバンドギャップであり、Ｅ５は波長変換部３０で発生させる単色光のエネルギーであり、Ｅ６は光電変換部４０に含まれる半導体材料のバンドギャップである。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。図２Ａにおいて、太陽電池１００と同様の構成には、図１Ａで使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００６２】
図２Ａ及び図２Ｂに示したように、太陽電池２００は、半導体材料を有する波長変換部３０と、半導体材料を有する光電変換部４０と、を備えている。波長変換部３０は、光電変換部４０よりも太陽光の進行方向の下流側に配設されている。太陽電池２００は、アップコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部３０は、バンドギャップがＥ４である半導体材料によって構成されたキャリア発生部３１と、バンドギャップがＥ５である半導体材料によって構成された発光部３３と、エネルギー差Ｅ５の電子及び正孔を選択的に発光部３３へと移動させるキャリア選択移動部３２と、発光部３３で発生させた単色光を光電変換部４０側へと反射させる光反射部３４と、を有している。発光部３３は、エネルギー差Ｅ５の電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥ５の単色光を発生させる機能を有している。一方、光電変換部４０は、バンドギャップがＥ６である半導体材料を有している。光電変換部４０は、バンドギャップがＥ６であるｎ型半導体によって構成されたｎ層４１、及び、バンドギャップがＥ６であるｐ型半導体によって構成されたｐ層４２を有し、ｎ層４１とｐ層４２とが接合されることによって、ｐｎ接合４３が形成されている。ｎ層４１には表面電極２４が接続されており、ｐ層４２には裏面電極４４が接続されている。
【００６３】
太陽電池２００へと照射された太陽光は、光電変換部４０へと入射する。光電変換部４０に含まれている半導体材料のバンドギャップＥ６は、様々なエネルギーを有する光が含まれている太陽光のうち、高エネルギーの光のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、光電変換部４０に含まれている半導体材料へ太陽光が入射すると、この半導体材料のバンドギャップＥ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、光電変換部４０において電子及び正孔が生成される。生成された電子及び正孔は、ｎ層４１及びｐ層４２によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層４１側へと移動し、ｎ層４１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層４２側へと移動し、ｐ層４２に接続されている裏面電極４４へと収集される。
【００６４】
上述のように、光電変換部４０では、太陽光に含まれているＥ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。それゆえ、太陽光に含まれている光のうち、エネルギーがＥ６未満の光は、光電変換に利用されることなく、光電変換部４０を通過する。こうして光電変換部４０を通過した光は、太陽光の進行方向下流側に配設されている波長変換部３０へと入射する。波長変換部３０のキャリア発生部３１を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４は、Ｅ６よりも小さく、太陽光に含まれている低エネルギーの光をも吸収可能なように調整されている。それゆえ、波長変換部３０のキャリア発生部３１へ光が入射すると、キャリア発生部３１を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が価電子帯から伝導帯へと励起され、価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。すなわち、キャリア発生部３１に光が入射すると、キャリア発生部３１を構成する半導体材料の伝導帯には図２Ｂに示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図２Ｂに示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００６５】
図２Ｂに示したように、キャリア選択移動部３２は、キャリア発生部３１と発光部３３とを繋ぐ部位であり、キャリア発生部３１で生成された様々なエネルギーを有する電子及び正孔のうち、エネルギー差がＥ５になる、特定のエネルギーを有する電子、及び、特定のエネルギーを有する正孔のみを選択的に発光部３３へと移動させる機能を有している。このようなキャリア選択移動部３２の機能は、例えば、量子井戸構造を用いることにより、実現することができる。キャリア発生部３１からキャリア選択移動部３２を経て発光部３３へと移動した電子及び正孔は、発光部３３で結合する。かかる過程を経ることにより、波長変換部３０は、エネルギーＥ５の単色光を発生させる。
【００６６】
ここで、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、キャリア発生部３１は、半導体材料によって構成されているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることができ、キャリア選択移動部３２を通過させたエネルギー差Ｅ５の電子及び正孔を、発光部３３で結合させることにより、Ｅ５のエネルギーを有する単色光を発生させることができる。こうして発光部３３で発生させた単色光は、少なくとも一部が光反射部３４によって反射されて、光電変換部４０へと向かう。
【００６７】
光電変換部４０は、バンドギャップがＥ６であるｎ層４１及びｐ層４２を有している。ここで、Ｅ６はＥ５よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、発光部３３で発生させたエネルギーＥ５の単色光は、光電変換部４０に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅ５とＥ６との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｎ接合４３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層４１側へと移動し、ｎ層４１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層４２側へと移動し、ｐ層４２に接続されている裏面電極４４へと収集される。
【００６８】
このように、太陽電池２００によれば、光電変換部４０に含まれる半導体材料のバンドギャップＥ６よりも大きいエネルギーを有する太陽光を光電変換部４０で吸収して電力へと変換することができ、光電変換部４０で電力へと変換されなかった光を用いて発光部３３で発生させた単色光を光電変換部４０へと入射させることにより、電力へと変換することができる。かかる形態とすることにより、光電変換部４０において電力へと変換する際に利用される光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、波長変換部３０は、キャリア発生部３１で発生させたキャリアを発光部３３で結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部３０では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部３１の大きさ・厚さを制御して、キャリア発生部３１で発生させたキャリアがキャリア選択移動部３２へと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア発生部３１に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部３０で発生させた単色光を光電変換部４０へと入射させる太陽電池２００では、光電変換部４０へと入射させる単色光のエネルギーがＥ５に特定される。それゆえ、Ｅ５に対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部４０に用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池２００を提供することができる。太陽電池２００では、光を単色光へと変換させる波長変換部３０の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００６９】
太陽電池２００において、キャリア発生部３１を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４は、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。なお、キャリア発生部３１で発生させたキャリアの移動距離を１０ｎｍ以下にする場合、量子効果により、キャリア発生部３１のバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部３１を構成可能な半導体材料としては、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等を例示することができる。キャリア発生部３１を、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部３１は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部３１を、ＰｂＳｅやＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部３１はイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００７０】
また、キャリア選択移動部３２を量子井戸構造にする場合、量子井戸層の厚さは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下、量子井戸層を構成する半導体材料のバンドギャップは例えば１．０ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。量子井戸層を構成可能な半導体材料としては、キャリア選択移動部１２の量子井戸層を構成可能な半導体材料と同様の材料を例示することができる。キャリア選択移動部３２の量子井戸層は、キャリア選択移動部１２の量子井戸層と同様の方法によって作製することができる。
【００７１】
また、キャリア選択移動部３２を量子井戸構造にする場合、量子井戸層を挟む障壁層の厚さは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下、障壁層を構成する半導体材料のバンドギャップは例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。障壁層を構成可能な半導体材料としては、キャリア選択移動部１２の障壁層を構成可能な半導体材料と同様の材料を例示することができる。キャリア選択移動部３２の障壁層は、キャリア選択移動部１２の障壁層と同様の方法によって作製することができる。
【００７２】
また、発光部３３で発生させる単色光のエネルギーＥ５は、例えば、１．０ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。発光部３３の厚さ、構成材料、及び、作製方法は、発光部１３の厚さ、構成材料、及び、作製方法と同様にすることができる。
【００７３】
また、光反射部３４は、ＡｇやＡｌ等に代表される、可視光領域から赤外光領域において高い反射率を有する金属等によって構成することができる。光反射部３４の厚さは、例えば、１μｍ程度とすることができ、光反射部３４は、例えば、蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。
【００７４】
また、光電変換部４０に含まれている半導体材料のバンドギャップＥ６は、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。光電変換部４０を構成可能な半導体材料としては、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。光電変換部４０において、ｎ層４１は、これらの半導体材料に公知のｎ型不純物を添加することによって作製することができ、ｐ層４２は、これらの半導体材料に公知のｐ型不純物を添加することによって作製することができる。ｎ層４１の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｐ層４２の厚さは例えば２μｍ程度とすることができる。また、光電変換部４０を、Ｓｉ等のＩＶ族元素やＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、光電変換部４０は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、光電変換部４０を、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合には、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。また、裏面電極４４は、例えば、くし型形状のＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、あるいは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明な導電膜等、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができる。裏面電極４４の厚さは、例えば金属材料の場合は１〜１０μｍ、透明導電膜の場合は０．１〜１μｍ程度とすることができ、裏面電極４４は、蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。
【００７５】
太陽電池２００に関する上記説明では、ｐｎ接合を有する光電変換部４０が備えられる形態を例示したが、本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子。以下において同じ。）は当該形態に限定されない。本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子に備えられる光電変換部は、ｐｉｎ接合を有していても良い。
【００７６】
また、太陽電池２００に関する上記説明では、ｎ層４１及びｐ層４２の接合界面が平面である形態を例示したが、本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子は当該形態に限定されない。本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子に備えられる光電変換部は、後述するように、バルクヘテロ構造のように凹凸を有する接合界面（三次元的に接合した部位）を有していても良い。
【００７７】
また、太陽電池１００、２００に関する上記説明では、波長変換部が光電変換部の一方の側にのみ配置されている形態を例示したが、本発明の光電変換素子は、一対の波長変換部で光電変換部が挟まれるように、波長変換部を配設することも可能である。
【００７８】
また、上記説明では、波長変換部１０が光電変換部２０から離れて配置されている太陽電池１００、及び、波長変換部３０が光電変換部４０から離れて配置されている太陽電池２００を図示したが、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子及び本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子及び本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子は、波長変換部と光電変換素子とを接触させて配置しても良い。波長変換部と光電変換部とを接触させないように配置する場合、波長変換部と光電変換部との間は、光を通過させる物質が配置されていれば良く、そのような物質としては、空気のほか、透明な樹脂フィルムやガラス等を例示することができる。波長変換部と光電変換部とを接触させないように配置する場合、波長変換部は不図示の固定手段によって固定される。このような固定手段としては、波長変換部を固定可能な公知の固定手段を適宜用いることができる。
【００７９】
また、上記説明では、光電変換部２０側の波長変換部１０の表面が平滑面である太陽電池１００、及び、光電変換部４０側の波長変換部３０の表面が平滑面である太陽電池２００を図示したが、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子及び本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子及び本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子は、発光部で発生させた単色光を光電変換部に入射させやすい形態にする等の観点から、波長変換部と光電変換部とが接触していない場合には、少なくとも、光電変換部側の波長変換部の表面に、波長変換部と光電変換部とが接触している場合には、波長変換部と光電変換部との界面に、凹凸を設けることが好ましい。凹凸を設けることにより、光電変換部側の波長変換部の表面で反射される、波長変換部で発生させた単色光の割合を低減することが可能になる。
【００８０】
図３は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３００を説明する断面図である。図３において、太陽電池１００と同様の構成には、図１Ａで使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図３では、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部の記載を省略している。
【００８１】
図３に示したように、太陽電池３００は、ｎ層５１と、ｉ層５２と、ｐ層５３とを有し、ｎ層５１、ｉ層５２、及び、ｐ層５３によってｐｉｎ接合５４が形成されている。太陽電池３００では、主にｉ層５２が光電変換部として機能し、このｉ層５２内に、半導体材料を有する波長変換部５５、５５、…（以下において、単に「波長変換部５５」ということがある。）が分散されている。太陽電池３００では、ｉ層５２の一部を通過した光が波長変換部５５へと入射する。太陽電池３００は、アップコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部５５は、バンドギャップがＥ４である半導体材料によって構成されたキャリア発生部と、バンドギャップがＥ５である半導体材料によって構成された発光部と、キャリア発生部で生成されたエネルギー差Ｅ５の電子及び正孔を選択的に発光部へと移動させるキャリア選択移動部と、を有している。発光部は、エネルギー差Ｅ５の電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥ５の単色光を発生させる機能を有している。一方、光電変換部として機能するｉ層５２は、バンドギャップがＥ６（Ｅ５−Ｅ６≒０．１ｅＶ）である半導体材料によって構成されている。表面電極２４が接続されているｎ層５１は、バンドギャップがＥ６であるｎ型半導体によって構成されており、裏面電極２５が接続されているｐ層５３は、バンドギャップがＥ６であるｐ型半導体によって構成されている。
【００８２】
太陽電池３００へと照射された太陽光は、ｎ層５１を通過して、ｉ層５２のうち、波長変換部５５の周囲に配置されている半導体材料（以下において、「光電変換部５２」ということがある。）へと入射する。この光電変換部５２のバンドギャップＥ６は、様々なエネルギーを有する光が含まれている太陽光のうち、高エネルギーの光のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、光電変換部５２へ太陽光が入射すると、この光電変換部５２のバンドギャップＥ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、光電変換部５２で電子及び正孔が生成される。生成された電子及び正孔は、ｎ層５１及びｐ層５３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層５１側へと移動し、ｎ層５１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層５３側へと移動し、ｐ層５３に接続されている裏面電極２５へと収集される。
【００８３】
上述のように、光電変換部５２では、太陽光に含まれているＥ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。それゆえ、太陽光に含まれている光のうち、エネルギーがＥ６未満の光は、光電変換に利用されることなく光電変換部５２を通過し、波長変換部５５へと達する。波長変換部５５のキャリア発生部を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４は、Ｅ６よりも小さく、太陽光に含まれている低エネルギーの光をも吸収可能なように調整されている。それゆえ、波長変換部５５のキャリア発生部へ光が入射すると、このキャリア発生部を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が価電子帯から伝導帯へと励起され、価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。すなわち、波長変換部５５のキャリア発生部に光が入射すると、太陽電池２００のキャリア発生部３１と同様に、この半導体材料の伝導帯には図２Ｂに示すような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図２Ｂに示すような正孔エネルギー分布が形成される。
【００８４】
波長変換部５５のキャリア発生部で生成された電子及び正孔は、電子同士・正孔同士で相互作用してエネルギーの授受を行う。そして、エネルギー差がＥ５になる、特定のエネルギーを有する電子、及び、特定のエネルギーを有する正孔が、波長変換部５５のキャリア選択移動部を通過して、波長変換部５５の発光部へと達する。特定のエネルギーを有する電子、及び、特定のエネルギーを有する正孔のみを選択的に発光部へと移動させるキャリア選択移動部の機能は、例えば、量子井戸構造を用いることにより、実現することができる。波長変換部５５の発光部へと移動した電子及び正孔は、当該発光部で結合する。かかる過程を経ることにより、波長変換部５５は、エネルギーＥ５の単色光を発生させる。こうして波長変換部５５で発生させた単色光は、光電変換部５２へと向かう。
【００８５】
光電変換部５２のバンドギャップは、Ｅ６である。ここで、Ｅ６はＥ５よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部５５で発生させたエネルギーＥ５の単色光は、光電変換部５２に吸収され、光電変換部５２で電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅ５とＥ６との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｉｎ接合５４によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層５１側へと移動し、ｎ層５１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層５３側へと移動し、ｐ層５３に接続されている裏面電極２５へと収集される。
【００８６】
このように、太陽電池３００によれば、光電変換部５２のバンドギャップＥ６よりも大きいエネルギーを有する太陽光を、光電変換部５２で吸収して電力へと変換することができ、光電変換部５２で電力へと変換されなかった光を用いて波長変換部５５で発生させた単色光を光電変換部５２へと入射させることにより、電力へと変換することができる。かかる形態とすることにより、光電変換部５２において電力へと変換する際に利用される光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、波長変換部５５は、キャリア発生部で発生させたキャリアを発光部で結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部５５では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、波長変換部５５におけるキャリア発生部の大きさ・厚さを制御して、波長変換部５５のキャリア発生部で発生させたキャリアが波長変換部５５のキャリア選択移動部へと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、波長変換部５５のキャリア発生部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部５５で発生させた単色光を光電変換部５２へと入射させる太陽電池３００では、光電変換部５２へと入射させる単色光のエネルギーがＥ５に特定される。それゆえ、Ｅ５に対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部５２に用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池３００を提供することができる。太陽電池３００では、光を単色光へと変換させる波長変換部５５の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【００８７】
太陽電池３００において、波長変換部５５のキャリア発生部を構成する半導体材料のバンドギャップＥ４は、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。なお、波長変換部５５のキャリア発生部で発生させたキャリアの移動距離を１０ｎｍ以下にする場合、量子効果により、キャリア発生部のバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。波長変換部５５のキャリア発生部は、上記キャリア発生部３１と同様の材料を用いて、同様の方法によって作製することができる。
【００８８】
また、波長変換部５５のキャリア選択移動部は、上記キャリア選択移動部３２と同様の材料を用いて、同様の方法によって作製することができる。また、波長変換部５５の発光部は、上記発光部３３と同様の材料を用いて、同様の方法によって作製することができる。
【００８９】
このように構成される波長変換部５５は、光電変換部５２の一部を作製した後に、その表面に分散させる。その後、分散した波長変換部５５、５５、…の表面に光電変換部５２の一部を作製する、という過程を繰り返すことにより、ｉ層５２内に波長変換部５５、５５、…を分散させることができる。
【００９０】
また、ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３のバンドギャップＥ６は、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３には、光電変換部４０と同様の材料を用いることができる。ｎ層５１及びｐ層５３の厚さは例えば１００ｎｍ程度、ｉ層５２の厚さは例えば０．１〜１μｍ程度とすることができる。また、ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３は、光電変換部４０と同様の方法によって作製することができる。
【００９１】
太陽電池３００に関する上記説明では、ｉ層５２にのみ波長変換部５５が分散されている形態を例示したが、本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子。以下において同じ。）は当該形態に限定されない。本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子は、ｉ層に加えて、ｎ層及び／又はｐ層に波長変換部が分散されていても良い。
【００９２】
以下、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子乃至本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子において使用可能な、波長変換部の形態例について、説明する。
【００９３】
図４は、波長変換部６１の形態を説明する断面図である。図４では波長変換部６１の一部を拡大して示している。図４に示したように、波長変換部６１は、透明材料６１ａと、波長変換粒子６１ｂ、６１ｂ、…（以下において、単に「波長変換粒子６１ｂ」ということがある。）とを有し、波長変換粒子６１ｂが透明材料６１ａの中に分散され透明材料６１ａによって保持されている。透明材料部６１ａは、波長変換粒子６１ｂで吸収させるべき光を吸収しない、光を透過させる透明材料（例えば、バンドギャップが４．０ｅＶ以上の透明材料）によって構成されている。波長変換粒子６１ｂは、中心にキャリア発生部６１ｘを有し、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部６１ｘ、キャリア選択移動部６１ｙ、及び、発光部６１ｚを有している。キャリア発生部６１ｘ、キャリア選択移動部６１ｙ、及び、発光部６１ｚは、それぞれ、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部６１ｙは、中心側から外側へ向かって同心円状に配置された、障壁層６１ｙａ、量子井戸層６１ｙｂ、及び、障壁層６１ｙａを有しており、障壁層６１ｙａ、６１ｙａは、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さとされている。中心側に配置された障壁層６１ｙａはキャリア発生部６１ｘの表面に形成され、量子井戸層６１ｙｂは中心側に配置された障壁層６１ｙａの表面に形成され、外側に配置された障壁層６１ｙａは量子井戸層６１ｙｂの表面に形成されている。障壁層６１ｙａ、６１ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、量子井戸層６１ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きく、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯や価電子帯には、量子閉じ込め効果による離散準位が形成されている。キャリア選択移動部６１ｙでは、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯における最低離散準位と量子井戸層６１ｙｂの価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差が、発光部６１ｚを構成する半導体材料のバンドギャップよりも０．１ｅＶ程度大きい。そして、上側ほど電子のエネルギーが高いバンド図を記載した場合、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯における最低離散準位は、発光部６１ｚを構成する半導体材料の伝導帯下端よりも０．０５ｅＶだけ上方に位置し、量子井戸層６１ｙｂの価電子帯における最低離散準位は、発光部６１ｚを構成する半導体材料の価電子帯上端よりも０．０５ｅＶだけ下方に位置している。
【００９４】
このように構成された波長変換部６１に光が照射されると、光は透明材料部６１ａを通過し、波長変換粒子６１ｂへと達する。波長変換粒子６１ｂに光が入射すると、キャリア発生部６１ｘのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６１ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。
【００９５】
ここで、中心側に配置されている障壁層６１ｙａは、キャリア発生部６１ｘで生成されたキャリアがトンネル伝導により量子井戸層６１ｙｂへと移動可能な厚さとされており、外側に配置されている障壁層６１ｙａは、量子井戸層６１ｙｂに存在するキャリアがトンネル伝導により発光部６１ｚへと移動可能な厚さとされている。それゆえ、キャリア発生部６１ｘで生成された電子及び正孔のうち、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯や価電子帯に形成されている離散準位と一致するエネルギーを有する電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６１ｙｂの離散準位を経由して発光部６１ｚへと達することができる。こうして発光部６１ｚへと移動した電子及び正孔は、発光部６１ｚで結合することにより、単色光になる。これに対し、キャリア発生部６１ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、キャリア発生部６１ｘで生成された他の電子と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の電子は量子井戸層６１ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。同様に、キャリア発生部６１ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層６１ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、キャリア発生部６１ｘで生成された他の正孔と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の正孔は量子井戸層６１ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。こうして、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯及び価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーを有するようになった電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６１ｙｂの離散準位を経由して発光部６１ｚへと達することができ、発光部６１ｚで結合することにより、単色光になる。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子乃至本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子に波長変換部６１が用いられる場合には、このようにして単色光を発生させることができる。
【００９６】
波長変換部６１において、透明材料６１ａは、ＳｉＯ２やＳｉＮｘのほか、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、メタクリル酸エステル重合体（アクリル）等の樹脂を用いることができる。また、本発明では、透明材料６１ａとして、絶縁性材料とともに、キャリア発生部６１ｘに吸収させるべき光を吸収しない半導体材料を用いることも可能である。
【００９７】
また、波長変換部６１ｂにおけるキャリア発生部６１ｘの直径は、光を吸収してキャリアを発生させることが可能な大きさにする等の観点から２ｎｍ以上とし、量子閉じ込め効果が得られるようにするとともにキャリアの移動距離を短くする等の観点から２０ｎｍ以下とすることができる。キャリア発生部６１ｘを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。上記大きさのキャリア発生部６１ｘにすると、量子効果により、キャリア発生部６１ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部６１ｘには、キャリア発生部３１を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア発生部３１と同様の方法によってキャリア発生部６１ｘを作製することができる。
【００９８】
また、障壁層６１ｙａ、６１ｙａの厚さは、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、障壁層６１ｙａ、６１ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。障壁層６１ｙａ、６１ｙａには、キャリア選択移動部１２の障壁層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の障壁層と同様の方法によって、障壁層６１ｙａ、６１ｙａを作製することができる。
【００９９】
また、量子井戸層６１ｙｂの厚さは、伝導帯や価電子帯に限られた数の離散準位を形成可能な厚さにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、量子井戸層６１ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。上記厚さの量子井戸層６１ｙｂにすると、量子効果により、量子井戸層６１ｙｂのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層６１ｙｂには、キャリア選択移動部１２の量子井戸層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の量子井戸層と同様の方法によって量子井戸層６１ｙｂを作製することができる。
【０１００】
また、発光部６１ｚの厚さは、発光部６１ｚへと移動させた電子及び正孔を結合させることが可能な厚さにする等の観点から２ｎｍ以上とし、発光部６１ｚで発生させた単色光を光電変換部へと移動させやすい厚さにする等の観点から２０ｎｍ以下とすることができる。発光部６１ｚを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。発光部６１ｚには、キャリア選択移動部１２の発光部を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の発光部と同様の方法によって、発光部６１ｚを作製することができる。
【０１０１】
化学的合成法を用いた波長変換粒子６１ｂの作製法の具体例として、キャリア発生部６１ｘにＰｂＳｅ、障壁層６１ｙａ、６１ｙａにＺｎＳ、量子井戸層６１ｙｂ及び発光部６１ｚにＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【０１０２】
＜キャリア発生部６１ｘの合成＞
フラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、オレイン酸、及び、トリオクチルフォスフィンと、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で８５℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、４５℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）にフェニルエーテルを入れ、不活性ガス中で２００℃程度に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１２０℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、直径８ｎｍ程度のキャリア発生部６１ｘ（ＰｂＳｅ量子ドット）を生成することができる。なお、ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．７ｅＶ程度となる。
【０１０３】
＜障壁層６１ｙａの合成＞
フラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部６１ｘの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の障壁層６１ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【０１０４】
＜量子井戸層６１ｙｂの合成＞
フラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層６１ｙａの周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層６１ｙｂ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【０１０５】
＜障壁層６１ｙａの合成＞
フラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層６１ｙｂの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の障壁層６１ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【０１０６】
＜発光部６１ｚの合成＞
フラスコ（波長変換粒子６１ｂの作製法に関する以下の説明において、「第６フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第６フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層６１ｙａの周囲に、厚さ１０ｎｍ程度の発光部６１ｚ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。こうして発光部６１ｚを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、波長変換粒子６１ｂを得ることができる。
【０１０７】
このようにして波長変換粒子６１ｂを作製したら、有機溶媒に、上記物質によって構成される透明材料６１ａを入れ、さらに波長変換粒子６１ｂを分散する。そして、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、波長変換部６１を形成すべき物質の表面へ、透明材料６１ａ及び波長変換粒子６１ｂが分散された溶液を塗布した後、アニール処理を行う。波長変換部６１は、例えば、溶液の塗布及びアニール処理を複数回に亘って繰り返すことにより、作製することができる。
【０１０８】
図５Ａは、波長変換部６２の形態を説明する断面図であり、図５Ｂは、波長変換細線６２ａの形態を説明する断面図である。図５Ｂの紙面奥／手前方向が、波長変換細線６２ａの軸方向である。図５Ａでは波長変換部６２の一部を拡大しており、波長変換細線６２ａ、６２ａ、…を簡略化して示している。図５Ａにおいて、波長変換部６１と同様の構成には図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１０９】
図５Ａに示したように、波長変換部６２は、透明材料６１ａと、波長変換細線６２ａ、６２ａ、…（以下において、単に「波長変換細線６２ａ」ということがある。）とを有し、波長変換細線６２ａが透明材料６１ａの中に分散され透明材料６１ａによって保持されている。透明材料部６１ａは、波長変換細線６２ａで吸収させるべき光を吸収しない、光を透過させる透明材料（例えば、バンドギャップが４．０ｅＶ以上の透明材料）によって構成されている。図５Ｂに示したように、波長変換細線６２ａは、中心にキャリア発生部６２ｘを有し、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部６２ｘ、キャリア選択移動部６２ｙ、及び、発光部６２ｚを有している。キャリア発生部６２ｘ、キャリア選択移動部６２ｙ、及び、発光部６２ｚは、それぞれ、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部６２ｙは、中心側から外側へ向かって同心円状に配置された、障壁層６２ｙａ、量子井戸層６２ｙｂ、及び、障壁層６２ｙａを有しており、障壁層６２ｙａ、６２ｙａは、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さとされている。中心側に配置された障壁層６２ｙａはキャリア発生部６２ｘの表面に形成され、量子井戸層６２ｙｂは中心側に配置された障壁層６２ｙａの表面に形成され、外側に配置された障壁層６２ｙａは量子井戸層６２ｙｂの表面に形成されている。障壁層６２ｙａ、６２ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、量子井戸層６２ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きく、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯や価電子帯には、量子閉じ込め効果による離散準位が形成されている。キャリア選択移動部６２ｙでは、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯における最低離散準位と量子井戸層６２ｙｂの価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差が、発光部６２ｚを構成する半導体材料のバンドギャップよりも０．１ｅＶ程度大きい。そして、上側ほど電子のエネルギーが高いバンド図を記載した場合、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯における最低離散準位は、発光部６２ｚを構成する半導体材料の伝導帯下端よりも０．０５ｅＶだけ上方に位置し、量子井戸層６２ｙｂの価電子帯における最低離散準位は、発光部６２ｚを構成する半導体材料の価電子帯上端よりも０．０５ｅＶだけ下方に位置している。
【０１１０】
このように構成された波長変換部６２に光が照射されると、光は透明材料部６１ａを通過し、波長変換細線６２ａへと達する。波長変換細線６２ａに光が入射すると、キャリア発生部６２ｘのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６２ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。
【０１１１】
ここで、中心側に配置されている障壁層６２ｙａは、キャリア発生部６２ｘで生成されたキャリアがトンネル伝導により量子井戸層６２ｙｂへと移動可能な厚さとされており、外側に配置されている障壁層６２ｙａは、量子井戸層６２ｙｂに存在するキャリアがトンネル伝導により発光部６２ｚへと移動可能な厚さとされている。それゆえ、キャリア発生部６２ｘで生成された電子及び正孔のうち、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯や価電子帯に形成されている離散準位と一致するエネルギーを有する電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６２ｙｂの離散準位を経由して発光部６２ｚへと達することができる。こうして発光部６２ｚへと移動した電子及び正孔は、発光部６２ｚで結合することにより、単色光になる。これに対し、キャリア発生部６２ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、キャリア発生部６２ｘで生成された他の電子と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の電子は量子井戸層６２ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。同様に、キャリア発生部６２ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層６２ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、キャリア発生部６２ｘで生成された他の正孔と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の正孔は量子井戸層６２ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。こうして、量子井戸層６２ｙｂの伝導帯及び価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーを有するようになった電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６２ｙｂの離散準位を経由して発光部６２ｚへと達することができ、発光部６２ｚで結合することにより、単色光になる。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子乃至本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子に波長変換部６２が用いられる場合には、このようにして単色光を発生させることができる。
【０１１２】
波長変換部６２において、波長変換細線６２ａにおけるキャリア発生部６２ｘの直径は、キャリア発生部６１ｘと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができ、キャリア発生部６２ｘを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。上記太さのキャリア発生部６２ｘにすると、量子効果により、キャリア発生部６２ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部６２ｘには、キャリア発生部３１を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア発生部３１と同様の方法を用いてキャリア発生部６２ｘを作製することができる。また、波長変換細線６２ａが透明材料内に埋め込まれた層を形成する場合、この層の厚さは１μｍ以下程度になると考えられ、波長変換細線６２ａは、この層を突き破らないようにすることが好ましい。それゆえ、波長変換細線６２ａの軸方向長さは、例えば２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１１３】
また、障壁層６２ｙａ、６２ｙａの厚さは、障壁層６１ｙａ、６１ｙａと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、障壁層６２ｙａ、６２ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。障壁層６２ｙａ、６２ｙａには、キャリア選択移動部１２の障壁層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の障壁層と同様の方法を用いて、障壁層６２ｙａ、６２ｙａを作製することができる。
【０１１４】
また、量子井戸層６２ｙｂの厚さは、量子井戸層６１ｙｂと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、量子井戸層６２ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。上記厚さの量子井戸層６２ｙｂにすると、量子効果により、量子井戸層６２ｙｂのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層６２ｙｂには、キャリア選択移動部１２の量子井戸層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の量子井戸層と同様の方法を用いて、量子井戸層６２ｙｂを作製することができる。
【０１１５】
また、発光部６２ｚの厚さは、発光部６１ｚと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができ、発光部６２ｚを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。発光部６２ｚには、キャリア選択移動部１２の発光部を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア選択移動部１２の発光部と同様の方法を用いて、発光部６２ｚを作製することができる。
【０１１６】
化学的合成法を用いた波長変換細線６２ａの作製法の具体例として、キャリア発生部６２ｘにＰｂＳｅ、障壁層６２ｙａ、６２ｙａにＺｎＳ、量子井戸層６２ｙｂ及び発光部６２ｚにＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【０１１７】
＜キャリア発生部６２ｘの合成＞
フラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、及び、オレイン酸と、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で１５０℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、６０℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィン及びトリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）にフェニルエーテル及びテトラデシルフォスフィンを入れ、不活性ガス中で２５０℃程度（注入溶液の温度）に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１８０℃程度（反応温度）に保持する。以上の過程を経ることにより、太さ６ｎｍ程度のキャリア発生部６２ｘ（ＰｂＳｅ細線）を生成することができる。ここで、注入溶液の温度及び反応温度が高くなるほど、溶液中の原料濃度比率Ｐｂ／Ｓｅが大きくなると、粒子ではなく細線を生成しやすくなる。なお、ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．７ｅＶ程度となる。
【０１１８】
＜障壁層６２ｙａの合成＞
フラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部６２ｘの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の障壁層６２ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【０１１９】
＜量子井戸層６２ｙｂの合成＞
フラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層６２ｙａの周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層６２ｙｂ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【０１２０】
＜障壁層６２ｙａの合成＞
フラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層６２ｙｂの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の障壁層６２ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【０１２１】
＜発光部６２ｚの合成＞
フラスコ（波長変換細線６２ａの作製法に関する以下の説明において、「第６フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第６フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、障壁層６２ｙａの周囲に、厚さ１０ｎｍ程度の発光部６２ｚ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。こうして発光部６２ｚを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、波長変換細線６２ａを得ることができる。
【０１２２】
このようにして波長変換細線６２ａを作製したら、有機溶媒に、上記物質によって構成される透明材料６１ａを入れ、さらに波長変換細線６２ａを分散する。そして、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、波長変換部６２を形成すべき物質の表面へ、透明材料６１ａ及び波長変換細線６２ａが分散された溶液を塗布した後、アニール処理を行う。波長変換部６２は、例えば、溶液の塗布及びアニール処理を複数回に亘って繰り返すことにより、作製することができる。
【０１２３】
波長変換部６１、６２において、透明材料６１ａに保持される波長変換粒子６１ｂ、波長変換細線６２ａの数は特に限定されない。ただし、例えば、太陽光スペクトルにおいて、キャリア発生部６１ｘ、６２ｘのバンドギャップ以上の波長領域におけるフォトンの６０％、好ましくは８０％以上を吸収させるためには、波長変換部６１、６２におけるキャリア発生部６１ｘ、６２ｘの合計厚さ（太陽光の進行方向における厚さ。以下において同じ。）を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度にする必要がある。キャリア発生部６１ｘ、６２ｘの直径が２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である場合、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａを、５層〜２５０層程度積層することにより、キャリア発生部６１ｘ、６２ｘの合計厚さを１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度にすることができる。例えば、キャリア発生部６１ｘ、６２ｘの直径が１０ｎｍ程度である場合には、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａを、１０層〜５０層程度積層すれば良い。
【０１２４】
また、波長変換部６１、６２において、透明材料６１ａに保持されている、隣接する波長変換粒子６１ｂ、６１ｂや、波長変換細線６２ａ、６２ａの間隔は、特に限定されないが、光電変換効率を高めやすい形態にする等の観点からは、間隔を、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａの直径に対して０．２倍以上２倍以下程度とすることが好ましい。例えば、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａの直径が２０ｎｍである場合には、４ｎｍ以上４０ｎｍ以下程度の間隔にすれば良い。
【０１２５】
また、波長変換部６１、６２において、作製時に混合される透明材料６１ａと、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａとの体積比率は、波長変換粒子６１ｂや波長変換細線６２ａの体積を１とするとき、透明材料６１ａは０．５以上２０以下程度とすることができる。
【０１２６】
波長変換部６１、６２に関する上記説明では、透明材料６１ａに波長変換粒子６１ｂ又は波長変換細線６２ａが分散されている形態を例示したが、本発明における波長変換部は、当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、波長変換粒子６１ｂ及び波長変換細線６２ａが透明材料６１ａに分散された形態の波長変換部を有していても良い。このほか、本発明の光電変換素子は、透明材料６１ａを用いずに、波長変換粒子６１ｂ及び／又は波長変換細線６２ａをプレスする過程等を経て形成した波長変換部を有する形態とすることも可能である。ただし、波長変換部の形状を画定しやすい形態にする等の観点からは、波長変換粒子６１ｂ及び／又は波長変換細線６２ａが透明材料６１ａに分散された波長変換部を有する形態とすることが好ましい。
【０１２７】
図６は、波長変換部６３の形態を説明する断面図である。図６の紙面上下方向が、光の進行方向であり、波長変換部６３の厚さ方向である。図６に示したように、波長変換部６３は、その厚さ方向中央部に配置されたキャリア発生部６３ｘと、該キャリア発生部６３ｘを挟むように配置されたキャリア選択移動部６３ｙ、６３ｙと、該キャリア選択移動部６３ｙ、６３ｙによって挟まれたキャリア発生部６３ｘをさらに外側から挟むように配置された発光部６３ｚ、６３ｚと、を有している。キャリア発生部６３ｘ、キャリア選択移動部６３ｙ、６３ｙ（以下において、単に「キャリア選択移動部６３ｙ」ということがある。）、及び、発光部６３ｚ、６３ｚ（以下において、単に「発光部６３ｚ」ということがある。）は、それぞれ、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部６３ｙは、キャリア発生部６３ｘ側から発光部６３ｚ側へ向かって順に配置された、障壁層６３ｙａ、量子井戸層６３ｙｂ、及び、障壁層６３ｙａを有しており、障壁層６３ｙａ、６３ｙａ、…（以下において、単に「障壁層６３ｙａ」ということがある。）は、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さとされている。障壁層６３ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、キャリア発生部６３ｘを構成する半導体材料のバンドギャップ、及び、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂ（以下において、単に「量子井戸層６３ｙｂ」ということがある。）を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きく、量子井戸層６３ｙｂの伝導帯や価電子帯には、量子閉じ込め効果による離散準位が形成されている。キャリア選択移動部６３ｙでは、量子井戸層６３ｙｂの伝導帯における最低離散準位と量子井戸層６３ｙｂの価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差が、発光部６３ｚを構成する半導体材料のバンドギャップよりも０．１ｅＶ程度大きい。そして、上側ほど電子のエネルギーが高いバンド図を記載した場合、量子井戸層６３ｙｂの伝導帯における最低離散準位は、発光部６３ｚを構成する半導体材料の伝導帯下端よりも０．０５ｅＶだけ上方に位置し、量子井戸層６３ｙｂの価電子帯における最低離散準位は、発光部６３ｚを構成する半導体材料の価電子帯上端よりも０．０５ｅＶだけ下方に位置している。波長変換部６３は、以下の手順で作製することができる。例えば、図６の紙面下側に配置された発光部６３ｚを形成した後、該発光部６３ｚの上面に障壁層６３ｙａを形成し、該障壁層６３ｙａの上面に量子井戸層６３ｙｂを形成し、該量子井戸層６３ｙｂの上面に障壁層６３ｙａを形成することにより、発光部６３ｚの上面にキャリア選択移動部６３ｙを形成することができる。こうしてキャリア選択移動部６３ｙを形成したら、その上面にキャリア発生部６３ｘを形成する。その後、キャリア発生部６３ｘの上面に障壁層６３ｙａを形成し、該障壁層６３ｙａの上面に量子井戸層６３ｙｂを形成し、該量子井戸層６３ｙｂの上面に障壁層６３ｙａを形成することにより、キャリア発生部６３ｘの上面にキャリア選択移動部６３ｙを形成する。そして、形成したキャリア選択移動部６３ｙの上面に発光部６３ｚを形成する。かかる手順により、多層膜構造の波長変換部６３を作製することができる。
【０１２８】
このように構成される波長変換部６３は、例えば、光電変換部の中に配置することができる。図７は、波長変換部６３、６３、…をその内部に有する光電変換部を備えた本発明の太陽電池３０１を説明する断面図である。図７の紙面左右方向が、光の進行方向であり、波長変換部６３の厚さ方向である。図７では、波長変換部６３、６３、…を簡略化して示している。図７において、太陽電池１００と同様の構成には、図１Ａで使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１２９】
図７に示した太陽電池３０１は、表面電極２４及び裏面電極２５、表面電極２４に接続されたｎ層７１、７１、…、裏面電極２５に接続されたｐ層７２、７２、…、並びに、ｎ層７１、７１、…とｐ層７２、７２、…との間に配置された波長変換部６３、６３、…を有している。光の進行方向の上流側に配置された表面電極２４側の端にはｎ層７１が、光の進行方向の下流側に配置された裏面電極２５側の端にはｐ層７２が、それぞれ配置されており、表面電極２４と裏面電極２５との間には、光の進行方向上流側から順に配置されたｎ層７１、波長変換部６３、及び、ｐ層７２によって構成される複数の積層体７３、７３、…が、連続して配置されている。積層体７３、７３、…に含まれるｎ層７１、７１、…は、図７の紙面上側に配置されたｎ層７１によって接続されており、積層体７３、７３、…に含まれるｐ層７２、７２、…は、図７の紙面下側に配置されたｐ層７２によって接続されている。太陽電池３０１において、ｎ層７１、７１、…、及び、ｐ層７２、７２、…を構成する半導体材料のバンドギャップは、発光部６３ｚ、６３ｚ、…で生成される単色光のエネルギーよりも約０．１ｅＶ小さい。太陽電池３０１では、ｎ層７１、７１、…やｐ層７２、７２、…で吸収されない光が波長変換部６３で吸収され、波長変換部６３の発光部６３ｚで生成された単色光が、ｎ層７１、７１、…やｐ層７２、７２、…で吸収される。
【０１３０】
太陽電池３０１に光が照射されると、光は、ｎ層７１、又は、ｎ層７１やｐ層７２を通過して、波長変換部６３、６３、…（以下において、単に「波長変換部６３」ということがある。）へと達する。ｎ層７１やｐ層７２に光が達すると、光の一部が吸収され、キャリアが生成される。こうして生成された電子は、表面電極２４に接続されているｎ層７１を経由して表面電極２４へと収集され、生成された正孔は、裏面電極２５に接続されているｐ層７２を経由して裏面電極２５へと収集される。
【０１３１】
波長変換部６３に光が入射すると、キャリア発生部６３ｘのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６３ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。ここで、キャリア発生部６３ｘを挟むように配置されている障壁層６３ｙａ、６３ｙａは、キャリアがトンネル伝導により量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂへと移動可能な厚さとされており、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂと発光部６３ｚ、６３ｚとの間に配置されている障壁層６３ｙａ、６３ｙａは、キャリアがトンネル伝導により発光部６３ｚ、６３ｚへと移動可能な厚さとされている。それゆえ、キャリア発生部６３ｘで生成された電子及び正孔のうち、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの伝導帯や価電子帯に形成されている離散準位と一致するエネルギーを有する電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの離散準位を経由して発光部６３ｚ、６３ｚへと達することができる。こうして発光部６３ｚ、６３ｚへと移動した電子及び正孔は、発光部６３ｚ、６３ｚで結合することにより、単色光になる。これに対し、キャリア発生部６３ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、キャリア発生部６３ｘで生成された他の電子と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の電子は量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。同様に、キャリア発生部６３ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、キャリア発生部６３ｘで生成された他の正孔と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の正孔は量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。こうして、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの伝導帯及び価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーを有するようになった電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６３ｙｂ、６３ｙｂの離散準位を経由して発光部６３ｚ、６３ｚへと達することができ、発光部６３ｚ、６３ｚで結合することにより、単色光になる。発光部６３ｚ、６３ｚで生成された単色光は、波長変換部６３に隣接して配置されているｎ層７１やｐ層７２へと達し、ｎ層７１やｐ層７２で吸収される。単色光を吸収することにより生成された電子は、図７の紙面上側に配置されたｎ層７１を経由して表面電極２４へと収集され、単色光を吸収することにより生成された正孔は、図７の紙面下側に配置されたｐ層７２を経由して裏面電極２５へと収集される。
【０１３２】
このようにして光が吸収され電子及び正孔が収集される太陽電池３０１によれば、ｎ層７１やｐ層７２において電力へと変換する際に利用される光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、波長変換部６３は、キャリア発生部６３ｘで発生させたキャリアを発光部６３ｚ、６３ｚで結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部６３では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部６３ｘの厚さを制御して、キャリア発生部６３ｘで発生させたキャリアがキャリア選択移動部６３ｙ、６３ｙへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア発生部６３ｘに半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部６３で発生させた単色光をｎ層７１やｐ層７２へと入射させる太陽電池３０１では、ｎ層７１やｐ層７２へと入射させる光のエネルギーが特定される。それゆえ、特定されたエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料をｎ層７１やｐ層７２に用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、太陽電池３０１であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。太陽電池３０１においても、光を単色光へと変換させる波長変換部６３の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【０１３３】
太陽電池３０１において、キャリア発生部６３ｘの厚さは、キャリア発生部６１ｘ、６２ｘと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができ、キャリア発生部６３ｘを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。キャリア発生部６３ｘを上記厚さにすると、量子効果により、キャリア発生部６３ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部６３ｘには、キャリア発生部３１を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。キャリア発生部６３ｘを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部６３ｘは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部６３ｘを、ＰｂＳｅやＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部６３ｘは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、キャリア発生部６３ｘを形成すべき物質の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【０１３４】
また、障壁層６３ｙａの厚さは、障壁層６１ｙａ、６２ｙａと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、障壁層６３ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。障壁層６３ｙａには、キャリア選択移動部１２の障壁層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。障壁層６３ｙａを、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、障壁層６３ｙａは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、障壁層６３ｙａを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、障壁層６３ｙａは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、障壁層６３ｙａを形成すべき物質（発光部６３ｚ、量子井戸層６３ｙｂ、又は、キャリア発生部６３ｘ）の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【０１３５】
また、量子井戸層６３ｙｂの厚さは、量子井戸層６１ｙｂ、６２ｙｂと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができ、量子井戸層６３ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．０ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。上記厚さの量子井戸層６３ｙｂにすると、量子効果により、量子井戸層６３ｙｂのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層６３ｙｂには、キャリア選択移動部１２の量子井戸層を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。量子井戸層６３ｙｂを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、量子井戸層６３ｙｂは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、量子井戸層６３ｙｂを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、量子井戸層６３ｙｂは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、量子井戸層６３ｙｂを形成すべき障壁層６３ｙａの表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【０１３６】
また、発光部６３ｚの厚さは、発光部６１ｚ、６２ｚと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができ、発光部６３ｚを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．０ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。発光部６３ｚには、キャリア選択移動部１２の発光部を構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。発光部６３ｚを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等ＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、発光部６３ｚは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、発光部６３ｚを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等ＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、発光部６３ｚは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、発光部６３ｚを形成すべき物質（障壁層６３ｙａを含む）の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【０１３７】
太陽電池３０１に関する上記説明では、複数の積層体７３、７３、…が連続して配置されている形態を例示したが、波長変換部６３を備えた本発明の光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、すべてのｎ層とｐ層との間に波長変換部６３が配設された形態とすることも可能である。
【０１３８】
また、ｎ層７１及びｐ層７２のバンドギャップは、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｎ層７１及びｐ層７２には、光電変換部４０と同様の材料を用いることができる。ｎ層７１及びｐ層７３の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｎ層７１及びｐ層７２は、光電変換部４０と同様の方法によって作製することができる。
【０１３９】
図８Ａは、本発明の太陽電池３０２を説明する断面図である。図８Ａの紙面左右方向が、光の進行方向である。図８Ａでは、波長変換粒子６１ｂ、６１ｂ、…、ｐ型材料５６ａ、５６ａ、…、及び、ｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…を簡略化して示している。図８Ａにおいて、太陽電池３００と同様の構成には、図３で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１４０】
図８Ａに示したように、太陽電池３０２は、ｎ層５９及びｐ層５７、並びに、ｎ層５９とｐ層５７との間に配置された混合ｐｎ接合層５６を有している。ｎ層５９には表面電極２４が接続されており、ｐ層５７には裏面電極２５が接続されている。混合ｐｎ接合層５６では、ｐ型半導体として機能するｐ型材料５６ａ、５６ａ、…（以下において、単に「ｐ型材料５６ａ」ということがある。）と、ｎ型半導体として機能するｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…（以下において、単に「ｎ型材料５６ｂ」ということがある。）とがナノスケールで混在しており、ｐｎ接合界面が混合ｐｎ接合層５６の全体に亘って分散したバルクヘテロ接合構造を有している。そして、混合ｐｎ接合層５６の内部には、波長変換粒子６１ｂ、６１ｂ、…（以下において、単に「波長変換粒子６１ｂ」ということがある。）が分散されている。混合ｐｎ接合層５６内のｐ型材料５６ａ、５６ａ、…の少なくとも一部は互いに接触しており、ｐ型材料５６ａ、５６ａ、…の一部及びｐ層５７も接触している。また、混合ｐｎ接合層５６内のｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…の少なくとも一部は互いに接触しており、ｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…の一部及びｎ層５９も接触している。太陽電池３０２において、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７を構成する半導体材料のバンドギャップは、波長変換粒子６１ｂの発光部６１ｚで生成される単色光のエネルギーよりも約０．１ｅＶ小さい。太陽電池３０２では、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７で吸収されない光が波長変換粒子６１ｂで吸収され、波長変換粒子６１ｂの発光部６１ｚで生成された単色光が、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７で吸収される。
【０１４１】
太陽電池３０２に光が照射されると、光は、ｎ層５９を通過し、ｎ層５９で吸収されなかった光が波長変換粒子６１ｂへと達する。波長変換粒子６１ｂに光が達すると、キャリア発生部６１ｘのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６１ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。生成された電子及び正孔のうち、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯や価電子帯に形成されている離散準位と一致するエネルギーを有する電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６１ｙｂの離散準位を経由して発光部６１ｚへと達することができ、発光部６１ｚで結合することにより、単色光になる。これに対し、キャリア発生部６１ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、キャリア発生部６１ｘで生成された他の電子と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の電子は量子井戸層６１ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。同様に、キャリア発生部６１ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層６１ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、キャリア発生部６１ｘで生成された他の正孔と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の正孔は量子井戸層６１ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。こうして、量子井戸層６１ｙｂの伝導帯及び価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーを有するようになった電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６１ｙｂの離散準位を経由して発光部６１ｚへと達し、発光部６１ｚで結合して単色光になる。
【０１４２】
発光部６１ｚで生成された単色光は、波長変換粒子６１ｂとともに混合ｐｎ接合層５６内に存在しているｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂに吸収される。ｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、発光部６１ｚで生成された単色光のエネルギーよりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、発光部６１ｚで発生させた単色光は、ｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂに吸収され、ｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂで電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、単色光のエネルギーとｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂを構成する半導体材料のバンドギャップとの差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐ型材料５６ａ及びｎ型材料５６ｂによるｐｎ接合によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ型材料５６ｂを経由してｎ層５９へと移動し、ｎ層５９に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ型材料５６ａを経由してｐ層５７へと移動し、ｐ層５７に接続されている裏面電極２５へと収集される。
【０１４３】
このようにして光が吸収され電子及び正孔が収集される太陽電池３０２によれば、電力へと変換する際に利用される光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、波長変換粒子６１ｂは、キャリア発生部６１ｘで発生させたキャリアを発光部６１ｚで結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換粒子６１ｂでは、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部６１ｘの直径を制御して、キャリア発生部６１ｘで発生させたキャリアがキャリア選択移動部６１ｙへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア発生部６１ｘに半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換粒子６１ｂで発生させた単色光をｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂに吸収させる太陽電池３０２では、ｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂへと入射させる光のエネルギーが特定される。それゆえ、特定されたエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料をｐ型材料５６ａやｎ型材料５６ｂに用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、太陽電池３０２であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。太陽電池３０２においても、光を単色光へと変換させる波長変換粒子６１ｂの効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【０１４４】
太陽電池３０２において、ｐ型材料５６ａとしては、ポリヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ポリアルキルチオフェン（Ｐ３ＡＴ）、ペンタセン等の電子ドナー性分子を用いることができ、ｐ型材料５６ａの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、ｎ型材料５６ｂとしては、フラーレン、フラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）等の電子アクセプタ性分子を用いることができ、ｎ型材料５６ｂの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、ｎ層５９はｎ層５１と同様の材料によって構成することができ、ｐ層５７はｐ層５３と同様の材料によって構成することができる。
【０１４５】
また、混合ｐｎ接合層５６に含まれる、波長変換粒子６１ｂ、ｐ型材料５６ａ、及び、ｎ型材料５６ｂの混合比率は特に限定されず、例えば、質量比で、波長変換粒子６１ｂ：ｐ型材料５６ａ：ｎ型材料５６ｂ＝２：１：１とすることができる。波長変換粒子６１ｂ、ｐ型材料５６ａ、及び、ｎ型材料５６ｂの混合比率は、それぞれ、０．１倍〜１０倍の範囲で適宜変化させても良い。
【０１４６】
また、ｎ層５９及びｐ層５７のバンドギャップは、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｎ層５９及びｐ層５７には、光電変換部４０と同様の材料を用いることができる。ｎ層５９及びｐ層５７の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｎ層５９及びｐ層５７は、光電変換部４０と同様の方法によって作製することができる。
【０１４７】
このように構成される太陽電池３０２の製造方法の一形態を、以下に説明する。太陽電池３０２を製造するには、まず、公知のガラスやプラスチック等の基板の上に、蒸着法等の公知の方法によって、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、ＩＴＯやアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明導電膜によって構成される裏面電極２５を形成する。次いで、１〜１０質量％程度となる量の、ｐ層５７を構成すべきｐ型半導体材料を、有機溶媒（例えば、キシレン、クロロホルム、クロロベンゼン等。以下において同じ。）に混合して作製したｐ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で裏面電極２５の表面に塗布する。その後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｐ層５７を形成する。こうしてｐ層５７を形成したら、有機溶媒に、合計で１〜１０質量％程度となる量の波長変換粒子６１ｂ、ｐ型材料５６ａ、及び、ｎ型材料５６ｂを加えることにより、混合ｐｎ接合層用組成物を作製する。ここで、波長変換粒子６１ｂは上述の方法によって作製することができる。次いで、混合ｐｎ接合層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法でｐ層５７の表面に塗布する。その後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、混合ｐｎ接合層５６を形成する。こうして混合ｐｎ接合層５６を形成したら、蒸着法等の公知の方法によって、混合ｐｎ接合層５６の表面に、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２等によって構成されるｎ層５９を形成する。又は、１〜１０質量％程度となる量の、ｎ層５９を構成すべきｎ型半導体材料を、有機溶媒に混合して作製したｎ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で混合ｐｎ接合層５６の表面に塗布した後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｎ層５９を形成する。こうしてｎ層５９を形成したら、真空蒸着法等の公知の方法によって、くし型形状のＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、あるいは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明な導電膜によって構成される表面電極２４をｎ層５９の表面に形成する。太陽電池３０２は、例えばこのような過程を経ることにより、作製することができる。なお、太陽電池３０２を製造する際の乾燥雰囲気は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
【０１４８】
図８Ｂは、本発明の太陽電池３０３を説明する断面図である。図８Ｂの紙面左右方向が、光の進行方向である。図８Ｂでは、波長変換細線６２ａ、６２ａ、…、ｐ型材料５６ａ、５６ａ、…、及び、ｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…を簡略化して示している。図８Ｂにおいて、太陽電池３０２と同様の構成には、図８Ａで使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１４９】
図８Ｂに示したように、太陽電池３０３は、ｎ層５９及びｐ層５７、並びに、ｎ層５９とｐ層５７との間に配置された混合ｐｎ接合層５８を有している。混合ｐｎ接合層５８では、ｐ型材料５６ａとｎ型材料５６ｂとがナノスケールで混在しており、ｐｎ接合界面が混合ｐｎ接合層５８の全体に亘って分散したバルクヘテロ接合構造を有している。そして、この混合ｐｎ接合層５８の内部には、波長変換細線６２ａ、６２ａ、…（以下において、単に「波長変換細線６２ａ」ということがある。）が分散されている。混合ｐｎ接合層５８内のｐ型材料５６ａ、５６ａ、…の少なくとも一部は互いに接触しており、ｐ型材料５６ａ、５６ａ、…の一部及びｐ層５７も接触している。また、混合ｐｎ接合層５８内のｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…の少なくとも一部は互いに接触しており、ｎ型材料５６ｂ、５６ｂ、…の一部及びｎ層５９も接触している。太陽電池３０３において、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７を構成する半導体材料のバンドギャップは、波長変換細線６２ａの発光部６２ｚで生成される単色光のエネルギーよりも約０．１ｅＶ小さい。太陽電池３０３では、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７で吸収されない光が波長変換細線６２ａで吸収され、波長変換細線６２ａの発光部６２ｚで生成された単色光が、ｎ層５９、ｐ型材料５６ａ、ｎ型材料５６ｂ、及び、ｐ層５７で吸収される。すなわち、太陽電池３０３は、波長変換粒子６１ｂに代えて波長変換細線６２ａが分散されているほかは、太陽電池３０２と同様に構成されている。
【０１５０】
上述のように、波長変換細線６２ａも波長変換粒子６１ｂと同様に、単色光を発生させることができる。それゆえ、波長変換粒子６１ｂに代えて波長変換細線６２ａが分散されている太陽電池３０３によれば、太陽電池３０２と同様に、光電変換効率を高めることが可能になる。太陽電池３０３においても、光を単色光へと変換させる波長変換細線６２ａの効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。このような特徴を有する太陽電池３０３は、波長変換粒子６１ｂに代えて波長変換細線６２ａを用いるほかは、太陽電池３０２と同様の方法によって作製することができる。
【０１５１】
図９は、波長変換粒子６１ｂ、波長変換細線６２ｂ、及び、波長変換部６３（以下において、これらをまとめて「波長変換物質」ということがある。）のバンド構造を説明する図である。以下、図４、図５Ｂ、図６、及び、図９を参照しつつ、波長変換部のバンド構造について説明する。
【０１５２】
図９に示したように、波長変換物質は、キャリア発生部を構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ１と価電子帯上端のエネルギーＥｖ１との差（バンドギャップ）がＥｇ１であり、発光部を構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ２と価電子帯上端のエネルギーＥｖ２との差（バンドギャップ）がＥｇ２である。また、キャリア選択移動部を構成する材料（具体的には、量子井戸層を構成する半導体材料。以下において同じ。）の伝導帯における最低離散準位のエネルギーがＥｃ３、価電子帯における最低離散準位のエネルギーがＥｖ３であり、キャリア選択移動部を構成する材料のバンドギャップがＥｇ３である。さらに、図９にバンド構造を示した波長変換物質は、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ１＜Ｅｇ２≦Ｅｇ３
Ｅｃ１＜Ｅｃ２≦Ｅｃ３
Ｅｖ３≦Ｅｖ２≦Ｅｖ１
Ｅｃ３−Ｅｃ２≒０．０５ｅＶ
｜Ｅｖ２−Ｅｖ３｜≒０．０５ｅＶ
【０１５３】
波長変換物質に光が達すると、キャリア発生部のバンドギャップＥｇ１よりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部において様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。キャリア選択移動部の量子井戸層には、離散準位が形成されており、キャリア発生部で生成された電子及び正孔は、この離散準位を経由して発光部へと移動する。キャリア発生部で生成された電子のうち、量子井戸層の伝導帯における最低離散準位Ｅｃ３と一致するエネルギーを有する電子、及び、他の電子とエネルギーの授受を行うことにより当該最低離散準位Ｅｃ３と一致するエネルギーを有することになった電子は、トンネル伝導により、量子井戸層の当該離散準位を経由して発光部へと達する。一方、キャリア発生部で生成された正孔のうち、量子井戸層の価電子帯における最低離散準位Ｅｖ３と一致するエネルギーを有する正孔、及び、他の正孔とエネルギーの授受を行うことにより当該最低離散準位Ｅｖ３と一致するエネルギーを有することになった正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層の当該離散準位を経由して発光部へと達する。こうして発光部へと移動した電子及び正孔は、発光部で結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光になる。
【０１５４】
波長変換物質では、障壁層及び量子井戸層の材料選定や組成、さらには、量子井戸層の厚さを調節することにより、Ｅｃ３及びＥｖ３を自在に調節することができる。Ｅｃ３及びＥｖ３を調節することにより、発光部へと移動する電子及び正孔のエネルギーを調節することができる。また、Ｅｃ３及びＥｖ３、並びに、発光部の材料選定や組成を調節することにより、単色光のエネルギーＥｇ２を自在に調節することが可能になる。
【０１５５】
また、波長変換物質では、量子井戸層の伝導帯及び価電子帯に離散準位が形成されているので、エネルギー損失を低減しやすい。さらに、Ｅｃ３−Ｅｃ２≒０．０５ｅＶ及び｜Ｅｖ２−Ｅｖ３｜≒０．０５ｅＶとすることにより、発光部におけるエネルギー損失を低減することが容易になる。
【０１５６】
図１０は、本発明の波長変換部に用いられる波長変換粒子、波長変換細線、及び、多層膜構造の波長変換部（以下において、これらをまとめて「波長変換物質６４」ということがある。）が採り得るバンド構造を説明する、図９に対応した図である。
【０１５７】
波長変換物質６４は、中心側から外側に向かって、キャリア発生部６４ｘ、キャリア選択移動部６４ｙ、及び、発光部６４ｚを順に有し、キャリア選択移動部６４ｙは、キャリア発生部６４ｘ側から発光部６４ｚ側に向かって、障壁層６４ｙａ、量子井戸層６４ｙｂ、及び、障壁層６４ｙａを有している。キャリア発生部６４ｘ、キャリア選択移動部６４ｙ、及び、発光部６４ｚは、それぞれ、半導体材料によって構成されている。波長変換物質６４は、キャリア発生部６４ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ４と価電子帯上端のエネルギーＥｖ４との差（バンドギャップ）がＥｇ４であり、発光部６４ｚを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ５と価電子帯上端のエネルギーＥｖ５との差（バンドギャップ）がＥｇ５である。また、量子井戸層６４ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯における最低離散準位のエネルギーがＥｃ６、価電子帯上端のエネルギーがＥｖ６であり、量子井戸層６４ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップがＥｇ６である。さらに、波長変換物質６４は、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ４＜Ｅｇ５≦Ｅｇ６
Ｅｃ４＜Ｅｃ５≦Ｅｃ６
Ｅｖ４≦Ｅｖ６≦Ｅｖ５
Ｅｃ６−Ｅｃ５≒０．０５ｅＶ
｜Ｅｖ５−Ｅｖ６｜≒０．０５ｅＶ
｜Ｅｖ６−Ｅｖ４｜≒０．０５ｅＶ
【０１５８】
波長変換物質６４に光が達すると、キャリア発生部６４ｘのバンドギャップＥｇ４よりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６４ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。量子井戸層６４ｙｂには、伝導帯側にのみ離散準位が形成されている。それゆえ、キャリア発生部６４ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６４ｙｂの伝導帯における最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有する電子、及び、他の電子とエネルギーの授受を行うことにより当該最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有することになった電子は、トンネル伝導により、量子井戸層６４ｙｂの当該離散準位を経由して発光部６４ｚへと達する。これに対し、キャリア選択移動部６４ｙの価電子帯には離散準位が形成されていない。それゆえ、キャリア発生部６４ｘで生成された正孔に対しては量子閉じ込め効果が働かず、キャリア発生部６４ｘで生成された正孔は、キャリア選択移動部６４ｙを経て速やかに発光部６４ｚへと移動する。発光部６４ｚへと移動した電子及び正孔は、発光部６４ｚで結合することにより、エネルギーＥｇ５の単色光になる。
【０１５９】
波長変換物質６４では、量子井戸層６４ｙｂの伝導帯側には離散準位が形成されているのに対し、価電子帯側には離散準位が形成されていない。それゆえ、キャリア発生部６４ｘで生成された電子及び正孔のうち、電子に対しては量子閉じ込め効果が働く一方、正孔に対しては量子閉じ込め効果が働かない。したがって、電子のみを閉じ込めて相互作用させる機能を有する。キャリア発生部６４ｘで生成された正孔は、発光部６４ｚへ速やかに移動するため、キャリア発生部６４ｘの正孔密度が大幅に減少する。すなわち、キャリア発生部６４ｘで電子と再結合する相手である正孔の数を低減することが可能になるので、ホットキャリアの寿命を延ばすことが可能になる。なお、価電子帯側に離散準位が形成されない波長変換物質６４では、正孔同士を相互作用させることが困難になるため、図９に示したバンド構造を有する波長変換物質よりも正孔のエネルギー損失が増大しやすい。しかしながら、キャリア発生部６４ｘにおける正孔のエネルギー分布幅は電子のエネルギー分布幅よりも小さいので、このエネルギー損失の影響は僅かである。波長変換物質６４によっても、電子同士を相互作用させてエネルギー損失を低減することができるので、波長変換物質６４を用いる本発明の光電変換素子であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。
【０１６０】
波長変換物質６４では、障壁層６４ｙａ及び量子井戸層６４ｙｂの材料選定や組成、さらには、量子井戸層６４ｙｂの厚さを調節することにより、Ｅｃ６を自在に調節することができる。Ｅｃ６を調節することにより、発光部へと移動する電子のエネルギーを調節することができる。また、Ｅｃ６、及び、発光部６４ｚの材料選定や組成を調節することにより、単色光のエネルギーＥｇ５を自在に調節することが可能になる。
【０１６１】
また、波長変換物質６４では、Ｅｃ６−Ｅｃ５≒０．０５ｅＶ、｜Ｅｖ５−Ｅｖ６｜≒０．０５ｅＶ、及び、｜Ｅｖ６−Ｅｖ４｜≒０．０５ｅＶとすることにより、キャリアがキャリア発生部６４ｘから発光部６４ｚへと移動する際に失われるエネルギーを低減することが容易になる。
【０１６２】
また、波長変換物質６４では、キャリア選択移動部６４ｙの価電子帯側に離散準位を形成する必要がないので、Ｅｃ６を最適値に調節しやすく、材料の選択肢も増大しやすい。したがって、波長変換物質６４は、図９に示したバンド構造を有する波長変換物質よりも製造しやすい傾向がある。
【０１６３】
例えば、キャリア発生部６４ｘにＩｎＡｓ、障壁層６４ｙａにＧａＡｓ、量子井戸層６４ｙｂにＧａＡｓＳｂをそれぞれ用い、発光層６４ｚにＧａＡｓＳｂよりもバンドギャップが０．１ｅＶ程度小さい半導体材料を用いることにより、図１０に示したバンド構造を有する波長変換物質６４を作製することができる。このほか、キャリア発生部６４ｘにＰｂＳ、障壁層６４ｙａにＺｎＳ、量子井戸層６４ｙｂにＣｄＴｅをそれぞれ用い、発光層６４ｚにＣｄＴｅよりもバンドギャップが０．１ｅＶ程度小さい半導体材料を用いることによっても、図１０に示したバンド構造を有する波長変換物質６４を作製することができる。このほか、キャリア発生部６４ｘにＣｄＳｅ、障壁層６４ｙａにＺｎＳｅ、量子井戸層６４ｙｂにＣｄＳをそれぞれ用い、発光層６４ｚにＣｄＳよりもバンドギャップが０．１ｅＶ程度小さい半導体材料を用いることによっても、図１０に示したバンド構造を有する波長変換物質６４を作製することができる。波長変換物質６４において、エネルギーバンドの調整は、キャリア発生部６４ｘや量子井戸層６４ｙｂにｎ型元素をドーピングすることによって、行うことができる。
【０１６４】
波長変換物質６４に関する上記説明では、キャリア発生部６４ｘ、障壁層６４ｙａ、及び、量子井戸層６４ｙｂ等の材料の組み合わせを工夫することによって、キャリア選択移動部６４ｙの価電子帯側に離散準位を形成せず、これによって、キャリア発生部６４ｘで生成された正孔を、速やかに発光部６４ｚへと移動させる形態について言及した。本発明において、キャリア発生部で生成された正孔を速やかに発光部へと移動させる形態は、波長変換物質６４の形態に限定されない。例えば、上記方法で波長変換粒子や波長変換細線等を作製する場合、波長変換粒子や波長変換細線等の表面に空孔等の格子欠陥が存在する場合がある。波長変換粒子や波長変換細線等の表面積に占める、格子欠陥部位の面積の割合を、例えば１％以上２０％以下程度にすると、量子井戸層の伝導帯側には離散準位が形成され、量子井戸層の価電子帯側には離散準位が形成されない形態とすることができる。本発明の光電変換素子は、このような波長変換粒子や波長変換細線等を有する形態とすることも可能である。
【０１６５】
図１１は、波長変換部６５の形態を説明する断面図である。図１１において、波長変換粒子６１ｂと同様の構成には、図４で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図１１に示したように、波長変換部６５は、中心にキャリア発生部６１ｘを有し、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部６１ｘ、キャリア選択移動部６１ｙ、発光部６１ｚ、及び、透明絶縁部６５ｉを有している。すなわち、波長変換部６５は、波長変換粒子６１ｂにおける発光部６１ｚの表面を透明絶縁部６５ｉで被覆した形態をしている。発光部６１ｚの表面を透明絶縁部６５ｉで被覆することにより、発光部６１ｚの表面における欠陥を低減することが可能になる。欠陥を低減することにより、欠陥に捕捉されて結合に至らない電子及び正孔を低減することが可能になるので、発光部６１ｚの発光効率を高めることが可能になる。したがって、波長変換部６５を有する形態とすることにより、光電変換効率を高めることが可能になる。
【０１６６】
波長変換部６５において、透明絶縁部６５ｉの厚さは、トンネル電流が生じないようにしつつ全体に占めるキャリア発生部６１ｘの割合が小さくなり過ぎないようにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。容易に製造可能な形態にする等の観点からは、透明絶縁部６５ｉの厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０１６７】
また、透明絶縁部６５ｉは、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＮｘのほか、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、メタクリル酸エステル重合体（アクリル）等の樹脂を用いることができる。このような材料によって構成される透明絶縁部６５ｉは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【０１６８】
波長変換部６５に関する上記説明では、発光部の表面が透明な絶縁性材料によって被覆されている形態を例示したが、本発明の光電変換素子に適用可能な波長変換部は当該形態に限定されない。発光部の表面は、キャリア発生部で吸収させる光を吸収しない大きさのバンドギャップ（例えば、３．０ｅＶ以上。好ましくは４．０ｅＶ以上）を有する公知の透明な半導体材料によって被覆されていても良い。
【０１６９】
また、波長変換部６５に関する上記説明では、粒子状形態の波長変換部６５を例示したが、発光部の表面を絶縁性材料及び／又はキャリア発生部で吸収させる光を吸収しない半導体材料で被覆した波長変換部は、当該形態に限定されず、波長変換細線６２ａのような線状形態であっても良く、波長変換部６３のような多層膜形態であっても良い。線状形態である場合は、発光部６２ｚの表面を、絶縁性材料及び／又はキャリア発生部で吸収させる光を吸収しない半導体材料で被覆すれば良い。また、多層膜形態である場合は、発光部６３ｚ、６３ｚの表面を絶縁性材料及び／又はキャリア発生部で吸収させる光を吸収しない半導体材料で被覆することにより、発光部６３ｚ、６３ｚのさらに外側に、絶縁性材料及び／又はキャリア発生部で吸収させる光を吸収しない半導体材料によって構成される層を配置すれば良い。
【０１７０】
図１２Ａは、波長変換部６６の形態を説明する断面図であり、図１２Ｂは、波長変換部６６のバンド構造を説明する図である。図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、波長変換物質６４と同様の構成には、図１０で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１７１】
図１２Ａに示したように、波長変換部６６は、中心にキャリア発生部６４ｘを有し、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部６４ｘ、キャリア選択移動部６４ｙ、及び、発光部６６ｚを有している。発光部６６ｚは、キャリア選択移動部６４ｙ側から外側へ向かって同心円状に、障壁層６６ｚａ、量子井戸層６６ｚｂ、及び、障壁層６６ｚａを有しており、障壁層６６ｚａ、６６ｚａ及び量子井戸層６６ｚｂは、半導体材料によって構成されている。すなわち、波長変換部６６は、波長変換部６４における発光部６４ｚに代えて、発光部６６ｚを用いた形態をしている。図１２Ｂに示したように、波長変換部６６は、障壁層６６ｚａの伝導帯下端が量子井戸層６６ｚｂの伝導帯下端よりも上方に位置し、障壁層６６ｚａの価電子帯上端が量子井戸層６６ｚｂの価電子帯上端の下方に位置している。
【０１７２】
波長変換部６６に光が達すると、キャリア発生部６４ｘのバンドギャップＥｇ４よりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６４ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。キャリア発生部６４ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６４ｙｂの伝導帯における最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有する電子、及び、他の電子とエネルギーの授受を行うことにより当該最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有することになった電子は、トンネル伝導により、量子井戸層６４ｙｂの当該離散準位を経由して発光部６６ｚへと達する。これに対し、キャリア発生部６４ｘで生成された正孔に対しては量子閉じ込め効果が働かないので、キャリア発生部６４ｘで生成された正孔は、キャリア選択移動部６４ｙを経て速やかに発光部６６ｚへと移動する。ここで、発光部６６ｚは、障壁層６６ｚａの伝導帯下端が量子井戸層６６ｚｂの伝導帯下端よりも上方に位置し、障壁層６６ｚａの価電子帯上端が量子井戸層６６ｚｂの価電子帯上端の下方に位置している。それゆえ、発光部６６ｚへと移動してきた電子及び正孔は、量子井戸層６６ｚｂに集まり、量子井戸層６６ｚｂで結合することにより、単色光になる。
【０１７３】
波長変換部６６では、量子井戸層６６ｚｂに電子及び正孔を集めることが可能になるので、電子と正孔とを容易に結合させることが可能になる。かかる形態とすることにより、発光部６６ｚにおいて電子と正孔とが結合する迄の所要時間を低減することができるので、電子及び正孔が非輻射再結合により消滅する前に、電子及び正孔を結合させて単色光を生じさせることが可能になる。すなわち、波長変換部６６によれば、エネルギー損失を低減して発光効率を高めることが可能になる。
【０１７４】
波長変換部６６において、障壁層６６ｚａ及び量子井戸層６６ｚｂには、量子井戸層６４ｙｂと同様の半導体材料を用いることができ、障壁層６６ｚａを構成する半導体材料と量子井戸層６６ｚｂを構成する半導体材料とのバンドギャップの差は、０．０５ｅＶ以上０．３ｅＶ以下程度とすることができる。また、障壁層６６ｚａの厚さは、波長変換部６６の表面における欠陥における電子及び正孔の結合を抑制しやすくする等の観点から２ｎｍ以上とし、波長変換部６６に占めるキャリア発生部６４ｘの割合が小さくなり過ぎないようにする等の観点から２０ｎｍ以下程度とすることができる。また、量子井戸層６６ｚｂの厚さは、量子閉じ込め効果を発現可能にする等の観点から例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度とすることができる。このように構成される障壁層６６ｚａ、６６ｚａ及び量子井戸層６６ｚｂを有する発光部６６ｚは、波長変換部６６が粒子状である場合にはキャリア選択移動部６１ｙと同様の方法で作製することができ、波長変換部６６が線状である場合にはキャリア選択移動部６２ｙと同様の方法で作製することができる。
【０１７５】
本発明に関する上記説明では、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部を有する波長変換部（キャリア選択移動部と発光部とが別々に構成され、これらが接続された波長変換部）が備えられる形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する波長変換部（キャリア選択移動部及び発光部として機能する発光部を有する波長変換部）が備えられる形態とすることも可能である。そこで、キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部について、以下に説明する。
【０１７６】
図１３Ａは、キャリア発生部６７ｘと、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部６７ｙとを有する波長変換粒子６７の形態を説明する断面図であり、図１３Ｂは、波長変換粒子６７のバンド構造を説明する図である。波長変換粒子６７を用いた波長変換部は、例えば、透明材料中に複数の波長変換粒子６７、６７、…を分散保持した形態とされる。
【０１７７】
波長変換粒子６７は、中心にキャリア発生部６７ｘを有し、中心側から外側へ向かって同心円状に、キャリア発生部６７ｘ、発光部６７ｙ、及び、外側材料部６７ｓを有している。キャリア発生部６７ｘ、発光部６７ｙ、及び、外側材料部６７ｓは、それぞれ、半導体材料によって構成されている。発光部６７ｙは、中心側から外側へ向かって同心円状に配置された、障壁層６７ｙａ、量子井戸層６７ｙｂ、及び、障壁層６７ｙａを有しており、少なくとも中心側に配置されている障壁層６７ｙａは、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さとされている。中心側に配置された障壁層６７ｙａはキャリア発生部６７ｘの表面に形成され、この障壁層６７ｙａの表面に量子井戸層６７ｙｂが形成されている。外側に配置された障壁層６７ｙａは量子井戸層６７ｙｂの表面に形成され、外側に配置された障壁層６７ｙａの表面に外側材料部６７ｓが形成されている。波長変換粒子６７において、外側材料部６７ｓは、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さとされている。
【０１７８】
図１３Ｂに示したように、障壁層６７ｙａ、６７ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップは、量子井戸層６７ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ８よりも大きく、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯や価電子帯には、量子閉じ込め効果による離散準位が形成されている。また、量子井戸層６７ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ８は、キャリア発生部６７ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ７よりも大きく、外側材料部６７ｓを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ９は、障壁層６７ｙａ、６７ｙａを構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きい。外側材料部６７ｓを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ９は、キャリア発生部６７ｘで吸収される光を吸収しない大きさとされている。ここで、キャリア発生部６７ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーをＥｃ７、当該半導体材料の価電子帯上端のエネルギーをＥｖ７、量子井戸層６７ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯に形成されている最低離散準位のエネルギーをＥｃ８、当該半導体材料の価電子帯に形成されている最低離散準位のエネルギーをＥｖ８、外側材料部６７ｓを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーをＥｃ９、当該半導体材料の価電子帯上端のエネルギーをＥｖ９とするとき、波長変換粒子６７は、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ７＜Ｅｇ８＜Ｅｇ９
Ｅｃ７＜Ｅｃ８＜Ｅｃ９
Ｅｖ９＜Ｅｖ８＜Ｅｖ７
【０１７９】
波長変換粒子６７に光が照射されると、光は外側材料部６７ｓを通過して、キャリア発生部６７ｘへと達する。光がキャリア発生部６７ｘに達すると、キャリア発生部６７ｘのバンドギャップＥｇ７よりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部６７ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。
【０１８０】
ここで、キャリア発生部６７ｘの表面に形成されている障壁層６７ｙａは、キャリアがトンネル伝導により量子井戸層６７ｙｂへと移動可能な厚さとされている。それゆえ、キャリア発生部６７ｘで生成された電子及び正孔のうち、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯や価電子帯に形成されている離散準位と一致するエネルギーを有する電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６７ｙｂの離散準位へと達することができる。一方、外側材料部６７ｓは、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さとされているので、波長変換粒子６７において、量子井戸層６７ｙｂへと移動してきた電子及び正孔は、外側材料部６７ｓ側へと移動することができない。それゆえ、量子井戸層６７ｙｂへと移動してきた電子及び正孔は、量子井戸層６７ｙｂで結合することにより、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯における最低離散準位と価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差に相当するエネルギーを有する単色光になる。これに対し、キャリア発生部６７ｘで生成された電子のうち、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、キャリア発生部６７ｘで生成された他の電子と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の電子は量子井戸層６７ｙｂの伝導帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。同様に、キャリア発生部６７ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層６７ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、キャリア発生部６７ｘで生成された他の正孔と相互にエネルギーの授受を行うことにより、一部の正孔は量子井戸層６７ｙｂの価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーになる。こうして、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯及び価電子帯に形成されている離散準位と同じエネルギーを有するようになった電子及び正孔は、トンネル伝導により、量子井戸層６７ｙｂの離散準位へと達することができ、量子井戸層６７ｙｂで結合することにより、量子井戸層６７ｙｂの伝導帯における最低離散準位と価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差に相当するエネルギーを有する単色光になる。本発明の光電変換素子に波長変換粒子６７が用いられる場合には、このようにして単色光を発生させることができる。こうして発生させた単色光は、光電変換素子に備えられている光電変換部に吸収させることにより、電力へと変換することができる。
【０１８１】
波長変換粒子６７が備えられる本発明の光電変換素子によれば、光電変換部において電力へと変換する際に利用される光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また、波長変換部６７は、キャリア発生部６７ｘで発生させたキャリアを発光部６７ｙで結合させることを目的としており、発生させたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部６７では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。加えて、波長変換粒子６７は、キャリア発生部、キャリア選択移動部、及び、発光部が備えられる形態よりも、キャリアの移動距離を短くすることが可能になる。それゆえ、キャリア発生部６７ｘと、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部６７ｙとを有する形態とすることにより、キャリアの移動時に失われるエネルギーを低減しやすくなる。特に、キャリア発生部６７ｘの大きさを制御して、キャリア発生部６７ｘで発生させたキャリアが発光部６７ｙへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減しやすくなる。さらに、キャリア発生部６７ｘに半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池やダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部６７で発生させた単色光を光電変換部へと入射させる光電変換素子では、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーが特定される。それゆえ、入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップを有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが容易になる。したがって、波長変換粒子６７が備えられる形態であっても、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。本発明の光電変換素子では、光を単色光へと変換させる波長変換部６７の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。
【０１８２】
本発明において、波長変換粒子６７は、例えば光電変換部よりも光の進行方向上流側に配置することにより、波長変換粒子６７を用いた太陽電池をダウンコンバージョン型の太陽電池にすることができる。また、波長変換粒子６７を、例えば光電変換部よりも光の進行方向下流側に配置したり、光電変換部内に分散したりすることにより、波長変換粒子６７を用いた太陽電池をアップコンバージョン型の太陽電池にすることができる。なお、波長変換粒子６７を、光電変換部よりも光の進行方向下流側に配置する場合には、波長変換粒子６７を有する波長変換部に、波長変換粒子６７で発生させた単色光を光電変換部側に反射させる光反射部が備えられる形態とすれば良い。
【０１８３】
波長変換粒子６７において、キャリア発生部６７ｘは、キャリア発生部６１ｘと同様の材料を用いて、同様の方法によって作製することができる。キャリア発生部６７ｘの直径もキャリア発生部６１ｘと同様にすることができる。また、発光部６７ｙは、キャリア選択移動部６１ｙと同様の材料を用いて、同様の方法によって作製することができる。また、外側材料部６７ｓ及び外側に配置された障壁層６７ｙａの合計の厚さを、キャリアがトンネル伝導により通過できない厚さにする等の観点から、外側材料部６７ｓの厚さは１０ｎｍ以上とし、波長変換粒子６７に占めるキャリア発生部６７ｘの割合が小さくなり過ぎないようにする等の観点から、外側材料部６７ｓの厚さは１００ｎｍ以下とすることができる。外側材料部６７ｓを構成する半導体材料は、例えば、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等を用いることができる。外側材料部６７ｓは、発光部６１ｚと同様の方法によって作製することができる。
【０１８４】
また、波長変換粒子６７に関する上記説明では、半導体材料によって構成した外側材料部６７ｓが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。外側材料部は、光を吸収しない公知の透明な絶縁性材料によって構成されていても良い。そのような絶縁性材料としては、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等を例示することができる。
【０１８５】
キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部に関する上記説明では、波長変換粒子６７が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。上記本発明の第１実施形態乃至本発明の第３実施形態に用いられる波長変換部と同様に、線状の波長変換物質（波長変換細線）や多層膜構造の波長変換物質（波長変換膜）を用いることも可能である。キャリア発生部とキャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部に波長変換細線を用いる場合には、棒状にする以外はキャリア発生部６７ｘと同様に構成したキャリア発生部と、筒状にする以外は発光部６７ｙと同様に構成した発光部と、筒状にする以外は外側材料部６７ｓと同様に構成した外側材料部と、を有する形態とすれば良い。この場合、波長変換細線を用いた波長変換部は、例えば、透明材料中に複数の波長変換細線を分散保持した形態とすることができる。また、キャリア発生部とキャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部に波長変換膜を用いる場合には、膜状にする以外はキャリア発生部６７ｘと同様に構成したキャリア発生部と、膜状にする以外は発光部６７ｙと同様に構成した発光部と、膜状にする以外は外側材料部６７ｓと同様に構成した外側材料部と、を有する形態とすれば良い。  
【０１８６】
また、キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部は、層の全体に亘ってｐｎ接合が分散されたバルクヘテロ接合構造を有する光電変換部内に分散することも可能である。かかる形態とする場合、キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部に波長変換粒子を用いた光電変換素子の断面は、図８Ａと同様になる。また、キャリア発生部と、キャリア選択移動部の機能をも兼ね備えた発光部とを有する形態の波長変換部に波長変換細線を用いた光電変換素子の断面は、図８Ｂと同様になる。
【０１８７】
以上、現時点において実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、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素子も本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【符号の説明】
【０１８８】
１０、３０、５５…波長変換部
１１、３１…キャリア発生部
１２、３２…キャリア選択移動部
１３、３３…発光部
２０、４０…光電変換部
２１、４１、５１、５９、７１…ｎ層
２２、４２、５３、５７、７２…ｐ層
２３、４３…ｐｎ接合
２４…表面電極
２５、４４…裏面電極
３４…光反射部
５２…ｉ層
５４…ｐｉｎ接合
５６、５８…混合ｐｎ接合層
５６ａ…ｐ型材料
５６ｂ…ｎ型材料
６１、６２、６３、６５、６６…波長変換部
６１ａ…透明材料
６１ｂ、６７…波長変換粒子
６１ｘ、６２ｘ、６３ｘ…キャリア発生部
６１ｙ、６２ｙ、６３ｙ…キャリア選択移動部
６１ｙａ、６２ｙａ、６３ｙａ、６６ｚａ、６７ｙａ…障壁層
６１ｙｂ、６２ｙｂ、６３ｙｂ、６６ｚｂ、６７ｙｂ…量子井戸層
６１ｚ、６２ｚ、６３ｚ、６６ｚ…発光部
６２ａ…波長変換細線
６４…波長変換物質
６４ｘ、６７ｘ…キャリア発生部
６４ｙ…キャリア選択移動部
６４ｙａ…障壁層
６４ｙｂ…量子井戸層
６４ｚ、６７ｙ…発光部
６５ｉ…透明絶縁部
６７ｓ…外側材料部
７３…積層体
１００、２００、３００…太陽電池
３０１、３０２、３０３…太陽電池
【図１Ａ】
0005745958.tif 000002
【図１Ｂ】
0005745958.tif 000003
【図２Ａ】
0005745958.tif 000004
【図２Ｂ】
0005745958.tif 000005
【図３】
0005745958.tif 000006
【図４】
0005745958.tif 000007
【図５Ａ】
0005745958.tif 000008
【図５Ｂ】
0005745958.tif 000009
【図６】
0005745958.tif 000010
【図７】
0005745958.tif 000011
【図８Ａ】
0005745958.tif 000012
【図８Ｂ】
0005745958.tif 000013
【図９】
0005745958.tif 000014
【図１０】
0005745958.tif 000015
【図１１】
0005745958.tif 000016
【図１２Ａ】
0005745958.tif 000017
【図１２Ｂ】
0005745958.tif 000018
【図１３Ａ】
0005745958.tif 000019
【図１３Ｂ】
0005745958.tif 000020