(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、
入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層と、
を備え、
前記波長変換層は、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、前記超格子半導体層における伝導帯基底準位または伝導帯基底ミニバンド から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなるエネルギーのうち、前記光吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換する、光電変換素子。
【請求項２】
前記波長変換層は、前記超格子半導体層に対して、光の入射側とは反対側に設けられており、前記超格子半導体層におけるバンド間遷移としての光学遷移に対応する波長領域と、前記超格子半導体層における価電子帯から伝導帯の複数の量子準位への光学遷移に対応する波長領域とのいずれかに含まれる光であり、かつ、前記光吸収係数が最も大きいエネルギーよりも高いエネルギーの光を、前記光吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記波長変換層に対して光の入射側とは反対側に設けられ、光を反射する反射膜をさらに備える、請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記量子層は、複数の量子ドットが前記障壁層によって囲まれた構造からなる量子ドット層である、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記波長変換材料は、量子ドットを含む、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記波長変換層には、光入射側から、より短波長の光に波長変換する、異なる種類の波長変換材料をそれぞれ含む複数の層が含まれている、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記波長変換層に含まれる複数の層のうちの少なくとも１つの層は、入射した光を、前記光吸収スペクトルにおいて、前記超格子半導体層における価電子帯の量子準位から価電子帯の連続準位への光学遷移に対応して、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換する、請求項６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、光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池に関して、より広い波長範囲の光を利用して光電変換効率を高めることを目的とした種々の研究開発が行われている。例えば、母体材料の価電子帯及び伝導帯間に超格子ミニバンドを形成することで、電子を二段階で光励起し、長波長の光を利用することができる太陽電池が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１に開示されているような量子ドットを有する太陽電池は、化合物太陽電池に、量子ドットを有する量子ドット層を挿入した構造である。このような構造により、量子準位を介した二段階の光励起によって、未利用だった波長域の光吸収（母体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。量子ドット間の電子的結合により、超格子ミニバンドを形成する場合、量子ドットで生成されたキャリアは、超格子ミニバンド中を移動し、光励起によってｐ型及びｎ型の母体半導体領域へと移動し、外部より取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２４９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】PHYSICAL REVIEW LETTERS、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、量子ドット層を有する太陽電池では、量子ドット層で生成されたキャリアの取り出し効率が極めて低く、光電変換効率が低い。この要因の一つとして、量子準位（超格子ミニバンドを含む）を介した二段階の光吸収効率が低いことが考えられている。特に、二段階光吸収のうち、二段階目の光吸収に該当する量子準位から伝導帯への吸収帯域が一段階目の光吸収に該当する価電子帯から量子準位への吸収帯域と比べて狭く、また、二段階目の光吸収帯域と太陽光スペクトルとの整合性が低いことから、一段階目の光吸収は十分である一方、二段階目の光吸収が不十分であることが課題となっている。
【０００７】
一方、波長変換材料を用いることで、太陽電池の効率を向上させる研究開発も行われている。特許文献１には、透過損失となる２つの光吸収ピーク間の波長領域内の光を、長波長側の光吸収ピークの光に波長変換することにより、光電変換できる光の波長範囲を広くして、光電変換効率の向上を図っている。しかしながら、特許文献１には、光電変換効率を向上するために、波長変換材料によって、二段階目の光吸収に該当する量子準位から伝導帯への光学遷移に対応する波長の光に変換することについては開示がない。
【０００８】
本発明の実施形態では、光電変換素子の光電変換効率を向上させる技術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】
【０００９】
本発明の一実施形態における光電変換素子は、障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、入射した光を、前記超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長の光に変換する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、量子準位を介した二段階光吸収における二段階目の光吸収を効率的に起こすことにより、光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施の形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、太陽光強度及び光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、量子準位間の遷移、及び量子準位から伝導帯への遷移を示す図である。
【図３】図３は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。
【図４】図４は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の二段階光吸収における一段階目の光吸収スペクトルの一部を示す図である。
【図５】図５は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトルを示す図である。
【図６】図６は、実験例２におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。
【図７】図７は、実験例２におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトルを示す図である。
【図８】図８は、実験例３におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。
【図９】図９は、実験例３におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の光吸収スペクトルを示す図である。
【図１０】図１０は、実験例４におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。
【図１１】図１１は、実験例４におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層の光吸収スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態における光電変換素子は、障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、入射した光を、前記超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長の光に変換する（第１の構成）。
【００１３】
第１の構成によれば、量子準位を介した二段階光吸収における二段階目の光吸収を効率的に起こすことにより、光電変換効率を向上させることができる。
【００１４】
第１の構成において、前記波長変換層は、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、前記超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換することができる（第２の構成）。
【００１５】
第２の構成によれば、入射した光を、超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換するので、二段階光吸収における二段階目の光吸収を効果的に起こすことができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００１６】
第２の構成において、前記波長変換層は、入射した光を、前記光吸収スペクトルにおいて、前記超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して前記光吸収係数がピークとなるエネルギーのうち、前記光吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換するようにしてもよい（第３の構成）。
【００１７】
第３の構成によれば、入射した光を、超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなるエネルギーのうち、光吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換するので、量子準位を介した二段階光吸収における二段階目の光吸収をより効率的に起こすことにより、光電変換効率を向上させることができる。
【００１８】
第１から第３のいずれかの構成において、前記波長変換層は、前記超格子半導体層に対して、光の入射側とは反対側に設けられていてもよい（第４の構成）。
【００１９】
第４の構成によれば、波長変換層は、光電変換層を透過した光を波長変換して、二段階光吸収における二段階目の光吸収を効率的に起こすので、光電変換効率を効果的に向上させることができる。
【００２０】
第４の構成において、前記波長変換層に対して光の入射側とは反対側に設けられ、光を反射する反射膜をさらに備えるようにしてもよい（第５の構成）。
【００２１】
第５の構成によれば、波長変換層で波長変換された光のうち、光の入射側とは反対側に放射された光は、反射膜で反射して光電変換層に入射するので、光電変換効率を向上させることができる。
【００２２】
第１から第５のいずれかの構成において、前記量子層は、複数の量子ドットが前記障壁層によって囲まれた構造からなる量子ドット層であってもよい（第６の構成）。
【００２３】
第６の構成によれば、光吸収フォノンボトルネック等の効果により、励起されたキャリア寿命を伸ばすことができる。
【００２４】
第１から第６のいずれかの構成において、前記波長変換材料は、量子ドットを含んでもよい（第７の構成）。
【００２５】
第７の構成によれば、波長変換後の光の発光ピークは、状態密度に強く依存した半値幅の狭い発光ピークとなるので、効率的に光吸収することができる。
【００２６】
第１から第７の構成において、前記波長変換層には、光入射側から、より短波長の光に波長変換する、異なる種類の波長変換材料をそれぞれ含む複数の層が含まれていてもよい（第８の構成）。
【００２７】
第８の構成によれば、波長変換層の複数の層のうち、光入射側の層で波長変換されなかった光を、その次の層等で波長変換することができるので、光電変換効率を向上させることができる。
【００２８】
第８の構成において、前記波長変換層に含まれる複数の層のうちの少なくとも１つの層は、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、前記超格子半導体層における価電子帯の量子準位から価電子帯の連続準位への光学遷移に対応して、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換するようにしてもよい（第９の構成）。
【００２９】
第９の構成によれば、超格子半導体層の価電子帯の量子準位に生成されたキャリアを効率的に取り出すことができる。
【００３０】
［実施の形態］
以下、図面を参照して本実施形態の受光素子および太陽電池について詳細に説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００３１】
ここで、本明細書中で用いられる語句について簡単に説明しておく。ただし、これらの語句は、本実施形態の構成における説明であり、各語句の説明によって本発明が限定されることはない。
【００３２】
「超格子半導体層」は、障壁層と量子層とが複数回繰り返し積層されて構成された超格子構造を有する。障壁層および量子層はともに化合物半導体材料からなる。障壁層は、量子層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。
【００３３】
「量子層」とは、量子ドット層、量子ナノワイヤ層、量子井戸層などのことであり、障壁層を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子効果により離散的なエネルギー準位を有する。
【００３４】
「障壁層」は、量子層を構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなる層であり、量子層が量子ドット層の場合には、量子ドットを含まない。
【００３５】
「超格子構造」とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる構造のことである。
【００３６】
「量子ドット」は、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。
【００３７】
「量子ドット層」は、量子ドットと、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料とを含む層である。
【００３８】
「量子準位」とは、離散的なエネルギー準位のことである。
【００３９】
「ミニバンド」とは、量子ドットからしみ出した波動関数が重なり合うことで、各量子ドットの離散的エネルギー準位が束となり、形成されるバンドを言う。ミニバンドの少なくとも一部は、障壁層の価電子帯上端と伝導帯下端との間に形成されている。
【００４０】
以下の説明では、光電変換素子を太陽電池に適用した例について説明する。
【００４１】
図１は、一実施の形態における太陽電池の構成を示す概略断面図である。一実施の形態における太陽電池１００は、基板１と、バッファ層２と、ＢＳＦ（Back Surface Field）層３と、ベース層４と、超格子半導体層５と、エミッタ層６と、窓層７と、コンタクト層８と、ｐ型電極９と、ｎ型電極１０と、波長変換層１１と、金属膜１２とを備える。
【００４２】
具体的には、基板１の上にバッファ層２、ＢＳＦ層３、ベース層４がこの順に形成されており、ベース層４の上に超格子半導体層５が形成されている。また、超格子半導体層５の上にエミッタ層６が形成されており、エミッタ層６の上に窓層７が形成されている。窓層７の上にはコンタクト層８を介してｐ型電極９が設けられている。基板１の両面のうち、バッファ層２が形成されている側とは反対側の面（裏面）にはｎ型電極１０が設けられている。また、基板１のｎ型電極１０が形成されている側の面のうち、隣接するｎ型電極１０の間には波長変換層１１が形成されており、波長変換層１１の下（裏面側）には金属膜１２が形成されている。
【００４３】
なお、図１に示す太陽電池１００において、ｐ型電極９が設けられている側が太陽光の受光面側である。従って、本実施形態の太陽電池１００において、ｐ型電極９が設けられている側の面を受光面、ｎ型電極１０が設けられている側の面を裏面と呼ぶ。
【００４４】
基板１は、ｎ型不純物を含む半導体である。
【００４５】
バッファ層２は、例えばｎ＋−ＧａＡｓにより形成されており、その厚さは例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００４６】
ＢＳＦ層３は、例えばｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００４７】
ベース層４は、ｎ型不純物を含む半導体であり、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ、ＺｎＴｅなどにより形成されている。ベース層４は、後述する障壁層５１と同じ半導体材料にｎ型不純物を添加したものとしてもよいし、障壁層５１とは異なる半導体材料にｎ型不純物を添加したものとしてもよい。ベース層４におけるｎ型不純物の濃度は特に限定されず、ベース層４を構成する半導体材料に応じて適宜設定されることが好ましい。
【００４８】
ベース層４は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などにより形成された薄膜であることが好ましい。ベース層４の厚さは例えば２０ｎｍ〜３０００ｎｍである。ただし、ベース層４の厚さは特に限定されず、超格子半導体層５が光を十分に吸収可能となるように適宜設定されることが好ましい。
【００４９】
図１において、ベース層４は、超格子半導体層５に対して、光入射側とは反対側に位置しているが、光入射側に位置していてもよい。
【００５０】
超格子半導体層５は、ベース層４とエミッタ層６との間に配置されている。超格子半導体層５は、障壁層５１と量子ドット層５２が交互に繰り返し積層された超格子構造を有しており、量子ドット５３の価電子帯及び伝導帯にそれぞれ中間エネルギーバンド（中間エネルギー準位）を有する。量子層である量子ドット層５２には、複数の量子ドット５３が含まれている。量子ドット５３は、障壁層５１によって囲まれた構造となっている。
【００５１】
超格子半導体層５は、量子ドット層５２及び障壁層５１と異なる材料のキャップ層や量子井戸といった挿入層が、量子ドット層５２及び障壁層５１とともに繰り返し積層されていても良い。
【００５２】
量子ドット層５２及び障壁層５１の各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。量子ドット層５２は、障壁層５１よりもバンドギャップエネルギーの小さい半導体材料からなることが好ましい。例えば、量子ドット層５２及び障壁層５１の各材料は、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓであることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。ただし、上記材料におけるｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１の関係を有する。
【００５３】
量子ドット層５２及び障壁層５１の各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体、第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。また、量子ドット層５２及び障壁層５１の各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。
【００５４】
例えば、量子ドット層５２の量子ドット５３の材料／障壁層５１の材料の組み合わせとして、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮ／ＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ、ＩｎＰ／ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／（ＡｌｙＧａ1-y）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ／ＡｌＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ2／ＣｕＧａＳ2、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅなどが挙げられる。ただし、上記材料におけるｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１の関係を有する。
【００５５】
超格子半導体層５は、ｉ型半導体層であってもよいし、受光により起電力が生じるのであれば、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
【００５６】
エミッタ層６は、ｐ型不純物を含む半導体であり、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ、ＺｎＴｅなどにより形成されている。エミッタ層６は、障壁層５１と同じ半導体材料にｐ型不純物を添加したものとしてもよいし、障壁層５１とは異なる半導体材料にｐ型不純物を添加したものとしてもよい。エミッタ層６におけるｐ型不純物の濃度は特に限定されず、エミッタ層６を構成する半導体材料に応じて適宜設定されることが好ましい。
【００５７】
エミッタ層６は、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であってもよい。エミッタ層６の厚さは例えば２０ｎｍ〜３０００ｎｍである。ただし、エミッタ層６の厚さは特に限定されず、超格子半導体層５が光を十分に吸収可能となるように適宜設定されることが好ましい。
【００５８】
図１において、エミッタ層６は、超格子半導体層５に対して、光入射側に位置しているが、光入射側とは反対側に位置していてもよい。
【００５９】
エミッタ層６は、ベース層４、及び超格子半導体層５とともに、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合（ｐｎ−ｐ接合、ｐｐ−ｎ接合、ｐ＋ｐｎ接合、ｐｎｎ＋接合）を構成することができる。このｐｉｎ接合またはｐｎ接合の構成で受光することにより、起電力が生じる。すなわち、ベース層４、超格子半導体層５、及びエミッタ層６により、入射光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換層を構成する。
【００６０】
窓層７は、ｐ型不純物を含む半導体であって、例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００６１】
コンタクト層８は、ｐ型不純物を含む半導体、例えばｐ＋−ＧａＡｓにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００６２】
ｐ型電極９は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕのような組み合わせの材料を用いることができ、その厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００６３】
ｎ型電極１０は、例えばＡｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのような組み合わせの材料を用いることができ、その厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００６４】
波長変換層１１は、例えばＩｎＡｓＳｂにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍである。波長変換層１１の詳細については後述する。
【００６５】
反射膜として機能する金属膜１２には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｓｎなど、反射率の高い金属材料が用いられる。金属膜１２の材料として、ｎ型電極１０と同じ材料を用いることもでき、例えばＡｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのような組み合わせの材料を用いることができる。金属膜１２の厚さは、例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
【００６６】
＜波長変換層＞
波長変換層１１は、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含み、光電変換層で吸収されなかった光の波長を変換する。波長変換層１１の内部に入射した光は、波長変換材料によって波長が変換された後、波長変換層１１から放出される。波長変換層１１から放出された光は、光電変換層に入射して、光電変換される。
【００６７】
本実施形態では、波長変換層１１は、入射した光を、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長の光に変換する。より具体的には、波長変換層１１は、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応するエネルギーのうち、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換する。
【００６８】
ここで、光のエネルギーＥ［ｅＶ］は、光の波長λ［ｎｍ］とＥ＝１２４０／λの関係を有するので、波長変換層１１は、入射した光を、光の波長と光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長のうち、光吸収係数がピークとなる波長の光に変換するとも表現できる。以下、同様の表現において、「エネルギー」は「波長」と読み替えることができる。
【００６９】
図２Ａは、太陽光強度及び光吸収スペクトルの一例を示す図である。図２Ａにおいて、太陽光強度は細線で示し、光吸収スペクトルは太線で示している。
【００７０】
本実施形態における太陽電池１００の構成において、光吸収スペクトルは、大きく分けて、バルク間（価電子帯−伝導帯間）の光吸収スペクトル２１、量子準位（超格子ミニバンドを含む）を介した二段階光吸収における一段階目の光吸収スペクトル２２、及び二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトル２３の３つに分けられる。
【００７１】
図２Ａに示すように、二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトル２３には、量子準位（超格子ミニバンドを含む）間の光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなる光吸収ピークＡと、量子準位（超格子ミニバンドを含む）から伝導帯への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなる光吸収ピークＢが含まれる。光吸収ピークＡに対応する光学遷移２０１と、光吸収ピークＢに対応する光学遷移２０２を図２Ｂに示す。
【００７２】
波長変換層１１は、バルク間の光吸収スペクトル２１、及び二段階光吸収における一段階目の光吸収スペクトル２２を含む、波長変換層１１の発光エネルギーよりも高エネルギー側の光のうち、波長変換層１１まで透過した光を、二段階目の光吸収スペクトル２３のうち、量子準位から伝導帯への光吸収に該当する光吸収ピークＢのエネルギーを有する光に波長変換する。好ましくは、波長変換層１１は、入射した光を、超格子半導体層５の伝導帯量子準位から伝導帯連続準位への光学遷移に対応する光吸収ピークのうち、最も強い光吸収ピーク（光吸収係数が最も大きい）の光に変換する。
【００７３】
なお、光吸収ピークは、光吸収係数が最も大きい部分だけでなく、その周辺部分も含む。
【００７４】
図１に示すように、波長変換層１１は、光電変換層の下面（光入射側とは反対側）に設けられている。この場合、波長変換層１１は、光電変換層を透過した太陽光のみ波長変換するので、光電変換効率を向上させることができる。ただし、波長変換層１１は、光電変換層の上面（光入射側）にも設けることができる。この場合、波長変換層１１は、光電変換層で吸収されない波長の光を波長変換することが好ましい。
【００７５】
波長変換層１１に含まれる波長変換材料は、太陽光の波長を変換させることができる材料であればどのような材料でもよいが、例えば、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳ 、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ 、ＣｄＳ 、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ 、ＰｂＳｅ 、ＰｂＴｅ 、ＣｕＩｎＳ、ＣｕＧａＳ，ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＧａＳｅ、ＣｕＳ、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、Ｇｅなどである。また、これらの混晶材料となる無機材料、錯体材料、希土類イオンや遷移元素を含有したガラス、Ｅｒドープガーネット結晶（ＹＡＧ）、有機材料などであってもよい。これらの材料をコアシェル構造、コアシェルシェル構造など複数の材料を組み合わせてもよい。
【００７６】
また、波長変換材料は、量子効果が起こるサイズにして用いても良く、量子ドットであってもよい。量子効果が起こるサイズを持つ蛍光体半導体を用いることで、自由にバンドギャップを調節することができ、吸収波長領域及び発光波長領域を自由に制御することができる。
【００７７】
これらの波長変換材料は、超格子半導体層５における二段階光吸収の二段階目の光吸収スペクトルに合わせて、適宜材料や混晶比、サイズを選択すればよい。また、波長変換層１１は、複数の材料やサイズの波長変換材料を含んでいてもよい。
【００７８】
波長変換層１１は、１種類の波長変換材料からなる単層に限られず、異なる種類の波長変換材料を含む複数の層であってもよい。すなわち、複数の層に含まれる複数の波長変換材料は、それぞれ異なる種類である。この場合、波長変換層１１の複数の層は、光入射側から、より短波長の光に波長変換する波長変換材料をそれぞれ含む。すなわち、波長変換層１１の複数の層のうち、最も光入射側に位置する層ほど、最も短波長の光に変換する。これにより、波長変換層１１の複数の層のうち、上層（光入射側の層）で波長変換されなかった光を下の層で波長変換することができるので、光電変換効率を向上させることができる。
【００７９】
波長変換層１１が異なる種類の波長変換材料を含む複数の層からなる場合、複数の層のうちの少なくとも１つの層は、入射した光を、超格子半導体層５における価電子帯の量子準位から価電子帯の連続準位への光学遷移に対応するエネルギーのうち、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換するようにしてもよい。超格子半導体層５の価電子帯オフセットが大きい場合、価電子帯の量子準位に生成されたキャリアを効率的に取り出すことができる。
【００８０】
また、波長変換層１１は、樹脂やガラス等に含有された波長変換材料を用いてもよい。
【００８１】
波長変換層１１の裏面側には金属膜１２が設けられている。これにより、波長変換層１１で波長変換された光のうち、裏面側に放射された光は、金属膜１２で反射して光電変換層に入射するので、光電変換効率を向上させることができる。
【００８２】
ここで、波長変換層１１による波長変換後の光のエネルギーを、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応するエネルギーのうち、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光と一致させる理由について説明する。
【００８３】
一般的な量子ドットを用いた超格子半導体層の場合、伝導帯量子準位からの光学遷移に関するサブバンド光吸収スペクトルには、低エネルギー側から、伝導帯量子準位間の光学遷移に対応する光吸収ピーク、及び、伝導帯量子準位から伝導帯連続準位への光学遷移に対応する光吸収ピークが含まれる。これは、エネルギーギャップ以上のエネルギーを持つ光を全て吸収する一般的なバルク半導体の光吸収スペクトルと異なり、量子閉じ込めによる離散準位に起因した複数の鋭い光吸収ピークを含む光吸収スペクトルである。
【００８４】
つまり、伝導帯量子準位と伝導帯連続準位との間のエネルギーギャップ以上のエネルギーを持つ光であっても、上述した光吸収ピークに一致したエネルギーを有する光の吸収しか起こらない。従って、本実施形態では、波長変換層１１によって、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯連続準位への光学遷移に対応するエネルギーのうち、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換する。
【００８５】
伝導帯量子準位へ光学遷移されたキャリアが電極へ取り出される場合には、緩和されるよりも先に、障壁層５１とのポテンシャルエネルギーを超えて、さらに励起される必要があるが、実際の太陽電池では難しく、キャリア取り出し効率が低い。一方、伝導帯連続準位へ遷移されたキャリアは、さらに励起される必要はなく、電極へと容易に取り出される。つまり、波長変換された光の光吸収であっても、その光吸収が伝導帯量子準位への光学遷移である場合には、キャリア取り出し効率が低くなる。
【００８６】
本実施形態における太陽電池は、透過損失となっていた太陽光を二段階光吸収の二段階目の光励起に有効利用するものであり、波長変換層１１による波長変換後の光のエネルギーを、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなる光のエネルギーと一致させることで、二段階目の光励起されたキャリアの取り出し効率を大幅に向上させることができる。よって、二段階光吸収が効率的に起きて、短絡電流および開放電圧を増大させることができ、光電変換効率を向上させることができる。
【００８７】
超格子半導体層５は、障壁層５１と、量子ドット５３を含む量子ドット層５２とを交互に繰り返し積層した超格子構造を有する。量子層を量子ドット層５２とすることで、光吸収フォノンボトルネック等の効果により、励起されたキャリア寿命を伸ばすことができる。また、波長変換層１１の波長変換材料として量子ドットを用いた場合には、状態密度に強く依存した半値幅の狭い発光ピークと吸収ピークとなり、効率的に光吸収することができる。
【００８８】
上述した理由から、既存の超格子半導体層を有する太陽電池と、既存の波長変換層を単に組み合わせるだけでは、二段階光吸収を効率的に起こすことはできない。超格子半導体層５における伝導帯量子準位と伝導帯連続準位との間に相当するエネルギーギャップと、波長変換層１１の波長変換材料のバンドギャップとが一致するように、超格子半導体層５を構成する障壁層５１及び量子層の材料や厚み（量子層が量子ドット層５２である場合には、量子ドット５３の形状・サイズも含む）、波長変換材料の材料組成（量子層が量子ドット層５２である場合には、量子ドット５３の形状・サイズも含む）等を、適切に制御する必要がある。
【００８９】
なお、本実施形態における太陽電池は、集光システムと組み合わせることもできる。
【００９０】
＜太陽電池の製造方法例＞
本実施形態における太陽電池１００の製造方法の一例を以下で説明する。
【００９１】
まず、ｎ−ＧａＡｓにより形成される基板１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置内に支持する。次に、基板１上にバッファ層２を形成する。バッファ層２としては、３００ｎｍの厚さのｎ+−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。バッファ層２の形成により、バッファ層２上に形成される超格子半導体層５（光吸収層）の結晶性を向上させることができる。よって、超格子半導体層５の受光効率が確保された太陽電池を提供することができる。
【００９２】
その後、バッファ層２上にＢＳＦ層３を形成する。ＢＳＦ層３としては、５０ｎｍの厚さのｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を形成することが好ましい。その後、ＢＳＦ層３上にベース層４を形成する。ベース層４としては、２０００ｎｍの厚さのｎ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。
【００９３】
続いて、ベース層４上に障壁層５１と量子ドット層５２とを含む超格子半導体層５を形成する。超格子半導体層５は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法により成長させることができる。具体的には、例えば、障壁層５１としてＧａＡｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構によりインジウム砒素ＩｎＡｓからなる量子ドット５３を形成し、量子ドット５３を形成していない部分に障壁層５１と同一のＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、量子ドット層５２が形成される。その後、障壁層５１としてのＧａＡｓ層の結晶成長と、量子ドット層５２の成長とを繰り返す。
【００９４】
次に、超格子半導体層５上にエミッタ層６を形成する。エミッタ層６としては、２５０ｎｍの厚さのｐ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。これにより、ｐｉｎ構造が形成される。
【００９５】
続いて、エミッタ層６上に窓層７及びコンタクト層８を形成する。窓層７としては、５０ｎｍの厚さでｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を結晶成長させることが好ましい。コンタクト層８としては、２００ｎｍの厚さでｐ+−ＧａＡｓ層を結晶成長させることが好ましい。
【００９６】
その後、この積層体をＭＢＥ装置から取り出してから、コンタクト層８上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術とを用いてｐ型電極９を形成し、このｐ型電極９をマスクとしてコンタクト層８を選択エッチングする。
【００９７】
基板１の下面（裏面）には、フォトリソグラフィーとリフトオフ技術とを用いて、波長変換層１１及び金属膜１２を形成するとともに、ｎ型電極１０を形成する。
【００９８】
上述した製造工程において、例えば、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用いることができ、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いることができる。また、ｐ型電極９及びｎ型電極１０は、材料としてＡｕを用いることが好ましく、抵抗加熱蒸着法による真空蒸着で形成されることが好ましい。
【００９９】
上述した方法により、本実施形態における太陽電池１００を得ることができる。
【０１００】
なお、本実施形態で示す例は一例に過ぎない。すなわち、基板１、バッファ層２、ＢＳＦ層３、ベース層４、超格子半導体層５、エミッタ層６、窓層７、コンタクト層８、ｐ型電極９、ｎ型電極１０、波長変換層１１、金属膜１２、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントなどの各材料、及び製造方法などは、上記記載に限定されることはない。
【０１０１】
＜実験例１＞
本実施形態における太陽電池１００について、以下のようなシミュレーション実験を行った。
【０１０２】
［評価実験］
歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、超格子構造のミニバンド構造及び光吸収スペクトルをシミュレーションした。下記の式（１）を解くことにより、光吸収係数αを見積ることができる。
【０１０３】
【数１】
0006523051.tif 000002
【０１０４】
上記式（１）において、ｅは電気素量、ｐa,bは行列要素、ａおよびｂはサブバンド番号、ｎrは屈折率、ｃ0は光速、ε0は真空誘電率、ｍ0は電子の質量、Ｌx及びＬyはそれぞれｘ方向（（１００）方向）及びｙ方向（（０１０）方向）のユニットセルサイズ、Ｋzは超格子波数、ｆｉ（ｉ＝ａ、ｂ）は分布関数、Ｇはサイズばらつき及び組成ばらつきによるガウシアンブロードニングであり、ωは光周波数である。光吸収については、面内方向であるｘ偏波（１００）またはｙ偏波（０１０）をＴＥ偏光とし、積層方向であるｚ偏波（００１）をＴＭ偏光とした。
【０１０５】
二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトル（サブバンド間光吸収）の計算としては、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）にはキャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第一励起準位以上にはキャリアが存在していない（空）（上記式（１）において（ｆａ−ｆｂ）＝１）と仮定した。
【０１０６】
超格子半導体層５では、障壁層５１を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をＧａＡｓとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料を用いたり、異なる半導体材料を用いてもよい。
【０１０７】
超格子半導体層５は、量子ドット５３の形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であり、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を８ｎｍとした。また、量子ドット５３間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。
【０１０８】
図３は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。図３において、横軸は超格子波数ベクトルであり、縦軸は光のエネルギーである。エネルギーの大きさは、量子ドット５３を構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【０１０９】
図３に示すように、超格子半導体層５の伝導帯において、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）は０．８６５ｅＶにあり、０．９７５ｅＶ以上では準位間が最大で約３０ｍｅＶであり、フォノン散乱等により速やかに緩和することから連続準位となっている。
【０１１０】
図４は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の二段階光吸収における一段階目の光吸収スペクトルの一部を示す。また、図５は、実験例１におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトルを示す。図４及び図５において、横軸は光のエネルギーであり、縦軸は光吸収係数である。破線はＴＥ偏光の光吸収係数を表しており、実線はＴＭ偏光の光吸収係数を表している。
【０１１１】
図４に示す一段階目の光吸収スペクトルは、図５に示す二段階目の光吸収スペクトルと比べて、光吸収帯域は十分に広く、また、太陽光スペクトルとの整合性も良いことから、一段階目の光吸収は、二段階目の光吸収と比べて十分良いことがわかる。
【０１１２】
図５において、０．１１０ｅＶ以上のエネルギー領域には、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光吸収に対応する光吸収ピークが複数含まれる。
【０１１３】
本実施形態の太陽電池では、波長変換層１１は、入射した光を、図５に示す０．１１０ｅＶ以上で光吸収係数がピークとなるいずれかのエネルギーを有する光に変換する。好ましくは、波長変換層１１は、入射した光を、０．１１０ｅＶ以上でピークとなる光吸収係数のうち、最も値が大きい光吸収係数（光吸収ピークＢ）に対応するエネルギーである０．１４３ｅＶの光に変換する。これにより、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）から光励起されたキャリアは、容易に電極より取り出され、超格子半導体層５を用いた太陽電池は、光電変換効率を向上させることができる。
【０１１４】
一方、図５に示すように、０．０５４ｅＶの光エネルギーを有する光吸収係数のピーク（光吸収ピークＡ）は、光吸収スペクトルの中で最も大きい。従って、波長変換層１１による波長変換後の光のエネルギーを０．０５４ｅＶに一致させると、超格子半導体層５の光吸収は最も大きくなる。
【０１１５】
しかしながら、伝導体基底準位（または超格子ミニバンド）に存在するキャリアにおいて、光吸収による光励起は、遷移先が障壁層の伝導体の下端よりもエネルギー的に低い準位となり、電極からのキャリア取り出しにはさらなる熱励起または光励起等が必要となる（図３参照）。非特許文献である「PHYSICAL REVIEW B, ８２巻、１９５３２１ページ、２０１０年」によれば、３６ｍｅＶ前後では、電子−フォノン散乱による１０−９〜１０−１２秒の高速緩和が示されており、量子準位（超格子ミニバンド含む）間が約４５ｍｅＶ以上離れた場合、準位間の遷移は起こりにくくなると考えられる。本構成では、０．０５４ｅＶの光吸収により遷移される第一励起準位及び第二励起準位において、連続状態下端に位置する第三励起準位とのエネルギー差は５６ｍｅＶと、ＬＯフォノン散乱エネルギー（〜３６ｍｅＶ）に対して十分に大きいことから、熱励起による遷移確率はかなり低いことがわかる。つまり、キャリア取り出し効率が著しく低くなる。従って、波長変換層１１は、入射した光を、光吸収ピークＡに対応する０．０５４ｅＶの光には波長変換しない。
【０１１６】
＜実験例２＞
実験例２では、量子ドット５３の高さを変更することを除いては、上記実験例１と同様の方法に従ってシミュレーションを行った。すなわち、実験例１の条件に対して、量子ドット５３の高さを変更した。
【０１１７】
超格子半導体層５は、実験例１と同様に、障壁層５１を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をＧａＡｓとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料を用いたり、異なる半導体材料を用いてもよい。
【０１１８】
超格子半導体層５は、量子ドット５３の形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であり、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を４ｎｍとした。また、量子ドット５３間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。
【０１１９】
図６は、実験例２におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。図６において、横軸は超格子波数ベクトルであり、縦軸は光のエネルギーである。光エネルギーの大きさは、量子ドット５３を構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【０１２０】
図６に示すように、超格子半導体層５の伝導帯において、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）は０．９１２ｅＶにあり、１．１０５ｅＶ以上では準位間が最大で約３８ｍｅＶであり、フォノン散乱等により速やかに緩和することから、連続準位となっている。
【０１２１】
図７は、実験例２におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の二段階光吸収における二段階目の光吸収スペクトルを示す。図７において、横軸は光エネルギーであり、縦軸は光吸収係数である。また、破線はＴＥ偏光の光吸収係数を表しており、実線はＴＭ偏光の光吸収係数を表している。
【０１２２】
図７において、０．１９３ｅＶ以上のエネルギー領域には、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光吸収に対応する光吸収ピークが複数含まれる。
【０１２３】
本実施形態において、波長変換層１１は、入射した光を、図７に示す０．１９３ｅＶ以上で光吸収係数がピークとなるいずれかのエネルギーの光に変換する。好ましくは、波長変換層１１は、入射した光を、０．１９３ｅＶ以上でピークとなる光吸収係数のうち、最も値が大きい光吸収係数（光吸収ピークＢ）に対応するエネルギーである０．２７３ｅＶの光に変換することが望ましい。これにより、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）から光励起されたキャリアは、容易に電極より取り出され、超格子半導体層５を用いた太陽電池は、光電変換効率を向上させることができる。
【０１２４】
一方、図７に示すように、０．０６２ｅＶの光エネルギーを有する光吸収係数のピーク（光吸収ピークＡ）は、光吸収スペクトルの中で最も大きい。従って、波長変換層１１による波長変換後の光のエネルギーを０．０６２ｅＶに一致させると、超格子半導体層５の光吸収は最も大きくなる。
【０１２５】
しかしながら、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）に存在するキャリアにおいて、０．０６２ｅＶでの光吸収による光励起は、遷移先が障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に低い準位となり、電極からのキャリア取り出しには、さらなる熱励起または光励起等が必要となる（図６参照）。本構成では、０．０６２ｅＶの光吸収により遷移される第一励起準位及び第二励起準位において、第三励起準位とのエネルギー差は６３ｍｅＶと、ＬＯフォノン散乱エネルギー（〜３６ｍｅＶ）に対して十分に大きいことから、熱励起による遷移確率はかなり低いことがわかる。本構成で熱励起により取り出す場合、さらに第三励起準位と連続状態下端に位置する準位間が約６０ｍｅＶであるため、キャリア取り出し効率が著しく低くなる。従って、波長変換層１１は、入射した光を、光吸収ピークＡに対応する０．０６２ｅＶの光には変換しない。
【０１２６】
＜実験例３＞
実験例３では、量子ドット５３間の積層方向の距離を変更することを除いては、上記実験例１と同様の方法に従ってシミュレーションを行った。すなわち、実験例１の条件に対して、量子ドット５３間の積層方向の距離を変更した。
【０１２７】
超格子半導体層５は、実験例１と同様に、量子ドット５３の形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であり、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を８ｎｍとした。また、量子ドット５３間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を４ｎｍとした。
【０１２８】
図８は、実験例３におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。図８において、横軸は超格子波数ベクトルであり、縦軸は光のエネルギーである。光エネルギーの大きさは、量子ドット５３を構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【０１２９】
図８に示すように、超格子半導体層５の伝導帯において、伝導帯基底準位（伝導帯基底ミニバンド）は０．８１５ｅＶ〜０．８２２ｅＶにあり、０．９２８ｅＶ以上では準位間が最大で３７ｍｅＶであり、フォノン散乱等によりナノ秒からピコ秒で速やかに緩和することから、連続準位となっている。
【０１３０】
図９は、実験例３におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の光吸収スペクトルを示す。図９において、横軸は光エネルギーであり、縦軸は光吸収係数である。また、破線はＴＥ偏光の光吸収係数を表しており、実線はＴＭ偏光の光吸収係数を表している。
【０１３１】
図９において、０．１１３ｅＶ以上のエネルギー領域には、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光吸収に対応する光吸収ピークが複数含まれる。
【０１３２】
本実施形態において、波長変換層１１は、入射した光を、図９に示す０．１１３ｅＶ以上で光吸収係数がピークとなるいずれかのエネルギーの光に変換する。好ましくは、波長変換層１１は、入射した光を、０．１１３ｅＶ以上でピークとなる光吸収係数のうち、最も値が大きい光吸収係数（光吸収ピークＢ）に対応するエネルギーである０．１３９ｅＶの光に変換することが望ましい。これにより、伝導帯基底準位（伝導帯基底ミニバンド）から光励起されたキャリアは、容易に電極より取り出され、超格子半導体層５を用いた太陽電池は、光電変換効率を向上させることができる。
【０１３３】
一方、図９に示すように、０．０５５ｅＶの光エネルギーを有する光吸収係数のピーク（光吸収ピークＡ）は、光吸収スペクトルの中で最も大きい。従って、波長変換層１１による波長変換後の光のエネルギーを０．０５５ｅＶに一致させると、超格子半導体層５の光吸収は最も大きくなる。
【０１３４】
しかしながら、伝導帯基底準位（伝導帯基底ミニバンド）に存在するキャリアにおいて、０．０５５ｅＶでの光吸収による光励起は、遷移先が障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に低い準位となり、電極からのキャリア取り出しには、さらなる熱励起または光励起等が必要となる（図８参照）。本構成では、０．０５５ｅＶの光吸収により遷移される第一励起準位及び第二励起準位において、連続状態下端に位置する第三励起準位とのエネルギー差は４７ｍｅＶと、ＬＯフォノン散乱エネルギー（〜３６ｍｅＶ）に対して十分に大きいことから、熱励起による遷移確率はかなり低いことがわかる。つまり、キャリア取り出し効率が著しく低くなる。従って、波長変換層１１は、入射した光を、光吸収ピークＡに対応する０．０５５ｅＶの光には変換しない。
【０１３５】
＜実験例４＞
実験例４では、障壁層５１を構成する母体半導体材料と、量子ドット５３の高さと、量子ドット５３間の積層方向の距離を変更することを除いては、上記実験例１と同様の方法に従ってシミュレーションを行った。
【０１３６】
超格子半導体層５は、障壁層５１を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐとしたが、異なる組成であってもよく、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＰ等の異なる半導体材料であってもよい。また、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、異なる半導体材料を用いてもよい。
【０１３７】
超格子半導体層５は、量子ドット５３の形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であり、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を４ｎｍとした。また、量子ドット５３間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を４ｎｍとした。
【０１３８】
図１０は、実験例４におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の伝導帯ミニバンド構造を示す図である。図１０において、横軸は超格子波数ベクトルであり、縦軸は光のエネルギーである。光エネルギーの大きさは、量子ドット５３を構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【０１３９】
図１０に示すように、超格子半導体層５の伝導帯において、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）は０．８７０ｅＶにあり、１．０６５ｅＶ以上では準位間が最大で約３３ｍｅＶであり、フォノン散乱等により速やかに緩和することから、連続準位となっている。
【０１４０】
図１１は、実験例４におけるシミュレーションにより得られた超格子半導体層５の光吸収スペクトルを示す。図１１において、横軸は光エネルギーであり、縦軸は光吸収係数である。また、破線はＴＥ偏光の光吸収係数を表しており、実線はＴＭ偏光の光吸収係数を表している。
【０１４１】
図１１において、０．１９５ｅＶ以上のエネルギー領域には、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光吸収に対応する光吸収ピークが複数含まれる。
【０１４２】
本実施形態において、波長変換層１１は、入射した光を、図１１に示す０．１９５ｅＶ以上で光吸収係数がピークとなるいずれかのエネルギーの光に変換する。好ましくは、波長変換層１１は、入射した光を、０．１９５ｅＶ以上でピークとなる光吸収係数のうち、最も値が大きい光吸収係数（光吸収ピークＢ）に対応するエネルギーである０．２４９ｅＶの光に変換することが望ましい。これにより、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）から光励起されたキャリアは、容易に電極より取り出され、超格子半導体層５を用いた太陽電池は、光電変換効率を向上させることができる。
【０１４３】
一方、図１１に示すように、０．０６２ｅＶの光エネルギーを有する光吸収係数のピーク（光吸収ピークＡ）は、光吸収スペクトルの中で最も大きい。従って、波長変換層１１による波長変換後の光エネルギーを０．０６２ｅＶに一致させると、超格子半導体層５の光吸収は最も大きくなる。
【０１４４】
しかしながら、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）に存在するキャリアにおいて、０．０６２ｅＶでの光吸収による光励起は、遷移先が障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に低い準位となり、電極からのキャリア取り出しにはさらなる熱励起または光励起等が必要となる（図１０参照）。本構成では、０．０６２ｅＶの光吸収により遷移される第一励起準位及び第二励起準位において、第三励起準位とのエネルギー差は６１ｍｅＶと、ＬＯフォノン散乱エネルギー（〜３６ｍｅＶ）に対して十分に大きいことから、熱励起による遷移確率はかなり低いことがわかる。本構成では、熱励起によりキャリアを取り出す場合、さらに第三励起準位と連続状態下端に位置する準位間が約７０ｍｅＶであるため、キャリア取り出し効率が著しく低くなる。従って、波長変換層１１は、入射した光を、光吸収ピークＡに対応する０．０６２ｅＶの光には変換しない。
【０１４５】
＜太陽電池の変形構成例１＞
太陽電池は、別基板に転写された太陽電池であってもよい。例えば、フレキシブル基板への転写により、柔軟性を有する太陽電池を得ることができる。
【０１４６】
具体的には、基板上に成長されたエピタキシャル層を基板から分離し、波長変換層及び電極層が形成されたフレキシブル基板上に転写する。波長変換層及び電極層は、転写後に形成してもよい。このような構造にすれば、柔軟性の高い太陽電池を得ることができる。また、このような構造にすれば、作製プロセスの簡易化につながり、エピタキシャル成長基板の再利用が可能となり、低コスト化につながる。
【０１４７】
なお、転写する基板はフレキシブル基板でなくても、金属箔等でもよく、また、基板が存在しなくてもよい。ただし、転写する基板として金属箔を用いる場合、波長変換層１１は、光電変換層に対して光入射側に設けることが好ましい。
【０１４８】
＜太陽電池の変形構成例２＞
太陽電池は、ルミネッセンスコンバータと組み合わせた構成であってもよい。ルミネッセンスコンバータとは、波長変換材料が含まれた構成のことであり、波長変換材料を固定させるために、ガラス、樹脂などを混ぜて成型体としたものである。例えば、１つもしくは複数の波長変換材料からなる波長変換層を含むルミネッセンスコンバータの側面に光電変換層を設けた構成とする。波長変換層に入射した太陽光は、集光及び波長変換された後、光電変換層に入射する。これにより、太陽電池の光電変換効率の向上が期待できる。
【０１４９】
このルミネッセンスコンバータでは、表面から入射した太陽光は、ルミネッセンスコンバータ内部で波長変換と光の放射を繰り返し、表面とその裏面において全反射されて、最終的には直方体の４つのエッジ面から、集光及び波長変換された太陽光が出てくる。このルミネッセンスコンバータの４つのエッジ面上にそれぞれ光電変換層を設けることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、このような構造にすれば、太陽電池は、エッジ面積程度の使用量で構成することができるので、材料の使用量及びコストを低減することができる。さらに、太陽電池が軽量化されることで、太陽電池を窓や建材に貼り付けたり、屋根に搭載したりする等、場所を問わず使用することができる。
【０１５０】
＜量子型赤外線センサ＞
赤外線のフォトンエネルギーによってキャリアを励起することにより、赤外線を検出する量子型赤外線センサが知られている。この量子型赤外線センサに、本実施形態の光電変換素子を用いることができる。本実施形態の光電変換素子とは、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層に挟まれ、障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層とを備え、波長変換層は、入射した光を、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応するエネルギーのうち、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換する構成の光電変換素子である。また、上記ｐ型半導体層をｎ型半導体層として,超格子半導体層をｎ型半導体層で挟んだ光電変換素子であっても良い。
【０１５１】
量子型赤外線センサでは、高い量子効率及び高感度を有する赤外線センサとするために、赤外線吸収により励起されたキャリアが伝導帯の量子準位から高効率で出されることが望ましい。
【０１５２】
上述したように、本実施形態の光電変換素子は、光励起されたキャリアを高効率で取り出すことができる。すなわち、センシングする光のエネルギーを超格子半導体層における伝導帯量子準位から伝導帯連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなる光のエネルギーと一致させる。このような構成にすることにより、高い量子効率及び高感度を実現することができる。
【０１５３】
本発明は、上述した実施形態に限定されない。二段階光吸収における二段階目の光吸収を効率的に起こすため、この発明の実施形態による光電変換素子は、障壁層と量子層とが交互に繰り返し積層された超格子半導体層と、入射した光の波長を変換する波長変換材料を含む波長変換層とを備え、波長変換層は、入射した光を、超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応する波長の光に変換する構成であればよい。特に、波長変換層は、光のエネルギーと光吸収係数との関係を示す光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して、光吸収係数がピークとなるエネルギーの光に変換する構成であることが好ましい。
【０１５４】
波長変換層１１は、入射した光を、光吸収スペクトルにおいて、超格子半導体層５における伝導帯の量子準位から伝導帯の連続準位への光学遷移に対応して光吸収係数がピークとなる光のエネルギーのうち、光吸収係数が最も大きいエネルギーの光に変換することが好ましいが、例えば２番目に光吸収係数が大きいエネルギーの光に変換してもよいし、３番目に光吸収係数が大きいエネルギーの光に変換してもよい。
【０１５５】
上述した実施形態では、ベース層４をｎ型半導体層、エミッタ層６をｐ型半導体層として説明したが、ベース層４をｐ型半導体層、エミッタ層６をｎ型半導体層としてもよい。
【符号の説明】
【０１５６】
１…基板、２…バッファ層、３…ＢＳＦ層、４…ベース層、５…超格子半導体層、６…エミッタ層、７…窓層、８…コンタクト層、９…ｐ型電極、１０…ｎ型電極、１１…波長変換層、１２…金属膜１２、５１…障壁層、５２…量子ドット層、５３…量子ドット、１００…太陽電池
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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