(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップエネルギーの２倍以上のエネルギーを持つ１つの光子を吸収して、複数のキャリアを生成する半導体ナノ構造素子、及び、前記キャリアの輻射再結合を促進して、吸収した前記光子より多い光子を前記半導体ナノ構造素子から放出させる光共振器を有し、前記半導体ナノ構造素子から放出された前記光子を外部に放つ光子増加体と、
前記光子増加体から放たれた前記光子を吸収して、電気エネルギーに変換する太陽電池とを備え、
前記光共振器は、前記半導体ナノ構造素子を間に挟んで配置されたミラーＡ及びミラーＢを備え、前記ミラーＡ及び前記ミラーＢの少なくとも一方は、単独で、所定の波長Ｐより短い波長の光子を透過させ、前記波長Ｐより長い波長の光子を反射するダイクロイックミラーであり、前記半導体ナノ構造素子が吸収する前記光子の波長は、前記波長Ｐより短く、前記太陽電池は、前記ダイクロイックミラーで反射された前記光子も吸収して、電気エネルギーに変換することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の光電変換装置において、前記ミラーＡ及び前記ミラーＢは、前記半導体ナノ構造素子から放出される前記光子の波長に対する反射率が異なることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
バンドギャップエネルギーの２倍以上のエネルギーを持つ１つの光子を吸収して、複数のキャリアを生成する半導体ナノ構造素子、及び、前記キャリアの輻射再結合を促進して、吸収した前記光子より多い光子を前記半導体ナノ構造素子から放出させる光共振器を有し、前記半導体ナノ構造素子から放出された前記光子を外部に放つ光子増加体と、
前記光子増加体から放たれた前記光子を吸収して、電気エネルギーに変換する太陽電池とを備え、
前記光共振器は、前記半導体ナノ構造素子を間に挟んで配置されたミラーＡ及びミラーＢを備え、前記ミラーＡは、前記半導体ナノ構造素子から放出される前記光子の波長に対する反射率が前記ミラーＢより低く、前記太陽電池は、前記ナノ構造素子から放出され前記ミラーＡを通過した前記光子を吸収する位置に設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置において、前記半導体ナノ構造素子は、吸収可能な光子の波長のピークと放出する光子の波長のピークが異なることを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池に対して、バンドギャップエネルギー（以下、「Ｅｇ」とも言う）以上のエネルギーを持つ光が照射されると、電子正孔対（以下、「キャリア」とも言う）が生成される。太陽電池は、生成されたキャリアを電子と正孔に分離し、電子及び正孔の流れを電気エネルギーとして利用する。
光エネルギーを電気エネルギーに変換する過程においては、熱損失等が生じることから、光エネルギーの全てを電気エネルギーに変換することはできない。太陽電池においては、光エネルギーを電気エネルギーへ変換する変換効率を高めることが重要であり、変換効率を高める太陽電池の具体例が、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の太陽電池は、量子ドットを有する層を設け、その層による光エネルギーの吸収を向上させて、変換効率を向上するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２９４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、量子ドットを利用しない従来の太陽電池においては、１つの光子の吸収につき、１つのキャリアが生成され、原理的に、１つの光子の持っていたエネルギーとＥｇとの差分が熱損失となる。
この点、近年、量子ドットをはじめとする半導体ナノ構造素子においては、半導体（各ドットを形成する半導体）が１つの光子を吸収することによって、半導体に、複数のキャリアが生成されるキャリア増幅現象が確認されている。この現象を利用すれば、従来の太陽電池において熱損失となるエネルギーを、更なるキャリアの生成に使用することができ、変換効率の向上が図れるとも考えられる。
【０００５】
しかしながら、半導体ナノ構造素子において生成された多くのキャリアを、半導体ナノ構造素子から外に短時間で抽出する方法は存在せず、キャリアの大半は、キャリア間で衝突、散乱等が生じ、外に取り出せないという問題があった。例えば、半導体ナノ構造素子内に生成されたキャリアを、内部電場によって電子と正孔に分離し、これを外部電極まで伝搬して抽出しようとした場合、その抽出の早さは、半導体ナノ構造素子内におけるキャリア間の衝突、散乱等が生じる早さに比べて格段に遅く、キャリアの大半は、外部に抽出されない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、半導体ナノ構造素子を用いて、光エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る光電変換装置は、バンドギャップエネルギーの２倍以上のエネルギーを持つ１つの光子を吸収して、複数のキャリアを生成する半導体ナノ構造素子、及び、前記キャリアの輻射再結合を促進して、吸収した前記光子より多い光子を前記半導体ナノ構造素子から放出させる光共振器を有し、前記半導体ナノ構造素子から放出された前記光子を外部に放つ光子増加体と、前記光子増加体から放たれた前記光子を吸収して、電気エネルギーに変換する太陽電池とを備え、前記光共振器は、前記半導体ナノ構造素子を間に挟んで配置されたミラーＡ及びミラーＢを備え、前記ミラーＡ及び前記ミラーＢの少なくとも一方は、単独で、所定の波長Ｐより短い波長の光子を透過させ、前記波長Ｐより長い波長の光子を反射するダイクロイックミラーであり、前記半導体ナノ構造素子が吸収する前記光子の波長は、前記波長Ｐより短く、前記太陽電池は、前記ダイクロイックミラーで反射された前記光子も吸収して、電気エネルギーに変換する。
本発明は、光子の吸収により生成されたキャリアから、直接的に、電子を取り出して、電気エネルギーに変換するのではなく、吸収した光子から、キャリアを経由して、改めて光子を得、得られた光子を太陽電池に吸収させて、電気エネルギーに変換する。従って、本発明は、従来のものに比べ、状態を変換する回数を増やすという、一見して非効率な工程から、結果として、光エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換するものである。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
第１の本発明に係る光電変換装置において、前記ミラーＡ及び前記ミラーＢは、前記半導体ナノ構造素子から放出される前記光子の波長に対する反射率が異なるのが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る光電変換装置は、バンドギャップエネルギーの２倍以上のエネルギーを持つ１つの光子を吸収して、複数のキャリアを生成する半導体ナノ構造素子、及び、前記キャリアの輻射再結合を促進して、吸収した前記光子より多い光子を前記半導体ナノ構造素子から放出させる光共振器を有し、前記半導体ナノ構造素子から放出された前記光子を外部に放つ光子増加体と、前記光子増加体から放たれた前記光子を吸収して、電気エネルギーに変換する太陽電池とを備え、前記光共振器は、前記半導体ナノ構造素子を間に挟んで配置されたミラーＡ及びミラーＢを備え、前記ミラーＡは、前記半導体ナノ構造素子から放出される前記光子の波長に対する反射率が前記ミラーＢより低く、前記太陽電池は、前記ナノ構造素子から放出され前記ミラーＡを通過した前記光子を吸収する位置に設けられている。
【００１１】
第１、第２の発明に係る光電変換装置において、前記半導体ナノ構造素子は、吸収可能な光子の波長のピークと放出する光子の波長のピークが異なるのが好ましい。
第１、第２の発明に係る光電変換装置において、前記半導体ナノ構造素子は、半導体量子ドット、又は、半導体量子ロッドであることができる。
【発明の効果】
【００１２】
第１、第２の発明に係る光電変換装置は、光子増加体が、１つの光子を吸収して生成した複数のキャリアに対し、光共振器によって輻射再結合を促進し、吸収した光子より多い光子を外部に放ち、太陽電池が、光子増加体から放たれた光子を吸収して、電気エネルギーに変換するので、光エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光電変換装置の説明図である。
【図２】（Ａ）は、半導体ナノ構造素子に、光子が吸収される様子を示す説明図、（Ｂ）は、キャリアが生成された様子を示す説明図である。
【図３】半導体ナノ構造素子から光子が放出される様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る光電変換装置１０は、光を吸収してキャリア１１を生成し、キャリア１１の輻射再結合により発生した光を外部に放つ光子増加体１２と、光子増加体１２から放たれた光を、電気エネルギーに変換する太陽電池１３とを備えて電気エネルギーを発生させる装置である。以下、詳細に説明する。
【００１５】
光子増加体１２は、図１に示すように、複数のナノメートルオーダーの大きさの半導体１４を有する半導体ナノ構造素子１５と、半導体ナノ構造素子１５内に生成されるキャリア１１の輻射再結合（発光再結合）を促進する光共振器１６を有している。
本実施の形態では、キャリア１１が、図２（Ｂ）に示すように、クーロン力によって束縛された状態にある一対の電子１７及び正孔１８を意味する。また、キャリア１１の輻射再結合とは、キャリア１１の電子１７が、伝導帯から価電子帯に遷移し、光子２０の放出（図３参照）を伴って正孔１８と結合することを言う。
【００１６】
半導体ナノ構造素子１５は、各半導体１４において、電子及び正孔（ここで言う電子及び正孔は、キャリア１１の電子１７及び正孔１８だけではなく、半導体１４内の全ての電子及び正孔を意味する）の移動が三次元全ての方向で制限され、電子及び正孔の状態密度が離散している。
本実施の形態では、半導体ナノ構造素子１５において、電子及び正孔の移動を制限する構造に、量子ドットを採用しているが、これに限定されず、例えば、量子ロッドや他の構造を採用することもできる。量子ドットの構造を採用した半導体ナノ構造素子を半導体量子ドットとし、量子ロッドの構造を採用した半導体ナノ構造素子を半導体量子ロッドとする。
【００１７】
半導体ナノ構造素子１５は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、１つの半導体１４が、Ｅｇ（バンドギャップエネルギー）の２倍以上のエネルギーを持つ１つの光子１９を吸収して、その半導体１４内に、複数のキャリア１１を生成するという性質を備えている。
具体的には、１つの半導体１４が、Ｅｇの２倍以上のエネルギーを有する１つの光子１９を吸収することにより、その半導体１４中の複数の電子が、バンドギャップを超えて価電子帯から伝導帯に遷移し、その結果、複数のキャリア１１が生じる。
１つの光子の吸収によって、複数のキャリアを生成するこの現象は、キャリア増幅現象等と称される。
【００１８】
ここで、一般的に、半導体ナノ構造素子では、１つの半導体内に生成された複数のキャリアが、１つのキャリアになるまで、他のキャリアと衝突して消滅することが知られており、個々のキャリアは、例えば、生成されてから数十ｐｓで他のキャリアに衝突する。
一方、キャリアは、時間の経過により、輻射再結合を行う性質を有している。
従って、複数のキャリアが生成された半導体において、キャリア間で衝突が生じる前に、キャリアが輻射再結合することで、１つの半導体から複数の光子を得られる。
【００１９】
そこで、光子増加体１２は、光共振器１６を備えることによって、パーセル効果により、キャリア１１の輻射再結合時間を短縮させ、図３に示すように、１つの半導体１４から複数の光子２０が放出されるようにしている。即ち、光共振器１６は、吸収した光子１９より多い数の光子２０を半導体ナノ構造素子１５から（半導体ナノ構造素子１５に）放出させることができる。なお、光子１９の波長が光子２０の波長と異なっているのは言うまでもない。
【００２０】
光共振器のＱ値を上昇させることにより、キャリアが輻射再結合するまでの時間が短くなり、光共振器のＱ値は、光共振器が備えるミラーの反射率の変更等によって、調整可能である。
光共振器１６は、１つの半導体１４内に生成された複数のキャリア１１が、衝突前に、輻射再結合するのに十分な大きさのＱ値を有している。
【００２１】
本実施の形態において、半導体ナノ構造素子１５は、図１に示すように、板状に形成され、光共振器１６は、半導体ナノ構造素子１５の一側に取り付けられた板状のミラー２１（ミラーＡ）と、半導体ナノ構造素子１５の他側に取り付けられた板状のミラー２２（ミラーＢ）を備えている。ミラー２１、２２は、半導体ナノ構造素子１５を間に挟んで配置され、それぞれ、複数の誘電体の膜が重ねられている。なお、光子増加体１２は、板状である。
【００２２】
ミラー２１、２２は、ミラー２１とミラー２２の距離をＤ、光子（光）２０の波長をλ、半導体ナノ構造素子１５の屈折率をｎ、Ｎを自然数として、Ｄが、λ／２ｎの略Ｎ倍（例えば、λ／２ｎのＮ倍の９０％〜１１０％）となる位置、即ち、半導体ナノ構造素子１５から放出された光子２０が共振する位置に設けられている。本実施の形態では、Ｄ＝λ／２ｎである。
ミラー２１及びミラー２２は、光子２０の波長に対する反射率が異なり、本実施の形態では、光子２０の波長に対する反射率において、ミラー２１の反射率がミラー２２の反射率より低い。そのため、半導体ナノ構造素子１５から放たれた光子２０は、図３に示すように、ミラー２２を通過して、光子増加体１２の外部に放たれるものに比べ、ミラー２１を通過して外部に放たれるものが多い。本実施の形態では、ミラー２２を通過して外部に放たれる光子２０の量を１として、ミラー２１を通過して外部に放たれる光子２０の量が９以上となるように、光共振器１６が設計されている。
【００２３】
太陽電池１３は、図１に示すように、ｎ型半導体層２３及びｐ型半導体層２４と、外部電極２５とを備えている。太陽電池１３は、光子増加体１２から放たれた光子２０を、ｎ型半導体層２３とｐ型半導体層２４の結合領域で、吸収して、電気エネルギーに変換し、外部電極２５を介して、電気エネルギーを外部に供給する。
なお、光電変換装置に採用する太陽電池は、光子（光）を吸収して、電気エネルギーを生成できればよく、太陽電池１３と同じ構造を備えている必要はない。
【００２４】
本実施の形態では、太陽電池１３が、半導体ナノ構造素子１５を基準（中心）にして、ミラー２１が配置されている側に設けられている。本実施の形態では、半導体ナノ構造素子１５から放出された光子２０が、ミラー２２を介して光子増加体１２の外に放たれるよりも多く、ミラー２１を介して光子増加体１２の外に放たれるため、太陽電池１３は、効率的に光子２０を吸収可能である。
【００２５】
また、ミラー２１は、単独で（即ち、ミラー２１、２２の組み合わせで使用するのではなく、ミラー２１単独で使用した際に）、所定の波長Ｐ（以下、単に「波長Ｐ」と言う）より短い波長の光子（光）を透過させ（ここで言う「透過」とは、光子の９０％以上を透過することを意味する）、波長Ｐより長い波長の光子（光）を反射する（ここで言う「反射」とは、光子の９０％以上を反射することを意味する）ダイクロイックミラーである。そして、ミラー２１は、ミラー２１、２２の組み合わせで共振器構造となることによって、波長Ｐより長い波長の光子（光）に対し、特定の波長（以下、この波長を「波長Ｐ’」とする）の光子（光）のみを透過可能にする（ここで言う「透過」も、光子の９０％以上を透過することを意味する）。即ち、波長Ｐより長い波長で波長Ｐ’より短い波長の光子、及び、波長Ｐ’より長い波長の光子は、共振器構造のミラー２１を透過せず、反射される。
ここで、光子（光）１９の波長をλ’とし、光子（光）２０の波長をλとして、波長Ｐ、波長Ｐ’、光子１９の波長λ’及び光子２０の波長λの長さ関係は、波長λ’＜波長Ｐ＜波長λ＝波長Ｐ’である（即ち、光子１９の波長λ’は、波長Ｐより短く、光子２０の波長λは、波長Ｐより長い）。
【００２６】
従って、ミラー２１は、光子１９を、積極的に透過させて、半導体ナノ構造素子１５に対して、光子１９を安定的に与えることができる。
一方、図２（Ａ）に示す光子（光）２６は、波長Ｐより長い波長で波長Ｐ’より短い波長の光子であり、ミラー２１で反射される。本実施の形態では、ミラー２１で反射された光子２６が、太陽電池１３に向かって進行する位置に太陽電池１３を設けているので、太陽電池１３は、光子増加体１２から放出される光子２０に加え、光子２６を、電気エネルギーの生成に用いることができる。なお、波長Ｐ’より長い波長の光子も、光子２６と同様に、ミラー２１で反射され、太陽電池１３に到達して、電気エネルギー生成に用いられる。
【００２７】
そして、太陽電池１３とは別の太陽電池を、ミラー２２に対向して配置し、更に、ミラー２２に対しても外部から光子が与えられるようにすることもでき、その場合は、ミラー２２にも、ダイクロイックミラーを採用するのが有効である。ミラー２２を、そのようなダイクロイックミラーにすれば、所定の波長Ｐより短い波長の光子で、外部からミラー２２に向かって進行する光子は、ミラー２２を透過して、半導体ナノ構造素子１５に吸収され、波長が波長Ｐより長く波長Ｐ’より短い光子や、波長が波長Ｐ’より長い光子は、外部からミラー２２に向かって進行した際に、ミラー２２で反射され、ミラー２２に対向配置された太陽電池に供給されて、電気エネルギーに変換される。
【００２８】
また、半導体ナノ構造素子１５は、半導体１４が吸収可能な光子の波長のピーク（吸収スペクトルのピーク）と、半導体１４が放出する光子の波長のピーク（発光スペクトルのピーク）が異なっている。このため、各半導体１４から放出された光子２０は、ほとんど（例えば９０％以上）が、他の半導体１４に吸収されることなく、半導体ナノ構造素子１５から、確実に、外へ出ることができ、エネルギー損失を抑制可能である。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、光子増加体は、半導体ナノ構造素子に対して、キャリアの輻射再結合時間を短縮させて効率的に光子を放出させるものであればよく、光子増加体は板状である必要はないし、光共振器は２枚のミラーＡ、Ｂを備えている必要もない。
【００３０】
また、光共振器が、２枚のミラーＡ、Ｂを備えている場合、ミラーＡ、Ｂの反射率は同じであってもよい。ミラーＡ、Ｂの反射率が同じ場合、ミラーＡから外部に放出された光子を吸収する太陽電池とは別に、ミラーＢから外部に放出された光子を吸収する太陽電池を設けることで、光子増加体から放たれた光子を効率的に電気エネルギーに変換することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０：光電変換装置、１１：キャリア、１２：光子増加体、１３：太陽電池、１４：半導体、１５：半導体ナノ構造素子、１６：光共振器、１７：電子、１８：正孔、１９、２０：光子、２１、２２：ミラー、２３：ｎ型半導体層、２４：ｐ型半導体層、２５：外部電極、２６：光子
【図１】
0006598190.tif 000002
【図２】
0006598190.tif 000003
【図３】
0006598190.tif 000004