(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子構造を有する光電変換層を備え、伝導帯のサブバンド間遷移を利用する光電変換素子であって、
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を備え、
前記障壁層は、間接遷移半導体材料により構成されており、
前記量子層は、直接遷移半導体材料により構成されるナノ構造を有し、
前記間接遷移半導体材料は、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい、間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有し、
前記量子層は、量子ドットを有する量子ドット層であり、
前記量子ドット層は、前記量子ドット及びキャップを含み、
前記キャップは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を含む、光電変換素子。
【請求項２】
前記超格子半導体層には、不純物がドーピングされている、請求項１に記載の間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子。
【請求項３】
前記量子ドットは、Ｉｎを含む、請求項１に記載の間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子。
【請求項４】
前記間接遷移半導体材料は、Ａｌ及びＰのうちの少なくともいずれかを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子。
【請求項５】
ＧａＡｓからなる基板をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子。
【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】
光電変換層を備えた光電変換素子として、太陽電池や光センサ（光検出器）がある。太陽電池は、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形成された量子準位（超格子ミニバンド、中間バンド含む）を介して電子が二段階で光励起され、これにより、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（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
この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ものである。母体半導体中に量子ドット層を挿入することで、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。母体半導体として、典型的には、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶであるＧａＡｓが用いられる。また、高感度化を目的として、量子ドットを有する量子ドット光センサの研究開発も行われている。例えば、伝導帯の量子準位を介した遷移を利用することで、中遠赤外領域での高感度化を目的とした量子ドット光センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５０９７７２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、量子ドット層を挿入した太陽電池では、量子ドット層中のキャリアの取り出し効率が極めて低く、光電変換効率が伸び悩んでいる。この要因の一つとして、量子準位（超格子ミニバンド、中間バンドを含む）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、二段階の光吸収のうち、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スペクトルと太陽光スペクトルとの整合性が低いこと（量子閉じ込め効果が弱いため）、および伝導帯まで励起されたキャリアの量子準位への緩和、再結合（キャリア取り出し効率が低いため）が課題となっている。量子ドット光センサにおいても、量子閉じ込め効果が弱く、キャリア取り出し効率が低いことに起因して、高感度化が課題となっている。
【０００７】
本発明の実施形態では、光電変換素子の光電変換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】
【０００８】
本発明の一実施形態における間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子は、量子構造を有する光電変換層を備え、伝導帯のサブバンド間遷移を利用する光電変換素子であって、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を備え、前記障壁層は、間接遷移半導体材料により構成されており、前記量子層は、直接遷移半導体材料により構成されるナノ構造を有し、前記間接遷移半導体材料は、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい。
【発明の効果】
【０００９】
本実施形態の開示によれば、障壁層の材料として、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい半導体材料を用いることにより、量子閉じ込め効果が強まる。また、障壁層の材料として間接遷移半導体材料を用いることにより、伝導帯まで励起されたキャリアの取り出し効率が向上する。これにより、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】
【００１０】
【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２】図２は、実験例１において計算された超格子半導体層の量子ドットの高さと、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップとの関係を示す図である。
【図３】図３は、実験例２において計算された超格子半導体層における伝導帯サブバンド間光吸収スペクトルを示す図である。
【図４】図４は、比較実験例１において計算された超格子半導体層の量子ドットの高さと、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップとの関係を示す図である。
【図５】図５は、比較実験例２において計算された超格子半導体層における伝導帯サブバンド間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】
【００１１】
本発明の一実施形態における間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子は、量子構造を有する光電変換層を備え、伝導帯のサブバンド間遷移を利用する光電変換素子であって、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を備え、前記障壁層は、間接遷移半導体材料により構成されており、前記量子層は、直接遷移半導体材料により構成されるナノ構造を有し、前記間接遷移半導体材料は、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい（第１の構成）。
【００１２】
第１の構成によれば、障壁層の材料として、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい半導体材料を用いることにより、量子閉じ込め効果が強まる。また、障壁層の材料として間接遷移半導体材料を用いることにより、伝導帯まで励起されたキャリアの取り出し効率が向上する。これにより、光電変換効率を向上させることができる。
【００１３】
第１の構成において、前記超格子半導体層には、不純物がドーピングされている構成としても良い（第２の構成）。
【００１４】
第２の構成によれば、効率的にサブバンド間遷移を起こすことができるので、光電変換効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
第１または第２の構成において、前記量子層は、量子ドットを有する量子ドット層であっても良い（第３の構成）。
【００１６】
第３の構成において、前記量子ドット層は、前記量子ドット及びキャップを含み、前記量子ドットは、Ｉｎを含み、前記キャップは、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を含むようにしても良い（第４の構成）。
【００１７】
第１から第４の構成において、前記間接遷移半導体材料は、Ａｌ及びＰのうちの少なくともいずれかを含むようにしても良い（第５の構成）。
【００１８】
第１から第５のいずれかの構成において、ＧａＡｓからなる基板をさらに備える構成としても良い（第６の構成）。
【００１９】
［実施の形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
【００２０】
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。
【００２１】
「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。本実施形態では、量子ドットおよび量子ドットのキャップをまとめて量子ドット層と呼ぶ。
【００２２】
「ナノ構造」とは、量子ドット、量子ナノワイヤ、量子井戸などのことである。
【００２３】
「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。
【００２４】
「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母体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。
【００２５】
「量子準位」とは、離散的なエネルギー準位のことである。
【００２６】
「超格子構造」とは、量子構造であって、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。
【００２７】
「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。
【００２８】
「伝導帯のサブバンド間遷移」とは、伝導帯の量子準位から、遷移元のエネルギー位置よりも高い別の伝導帯の量子準位への遷移、あるいは母体材料の伝導帯（母体材料の伝導帯下端よりもエネルギー位置が高く、量子閉じ込め効果の影響を受けた準位を含む）への遷移である。
【００２９】
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。
【００３０】
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とを備える。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
基板１は、ｎ型不純物を含む半導体である。
【００３４】
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。
【００３５】
ＢＳＦ層３は、例えばｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、母体材料の価電子帯及び伝導帯間に形成された量子準位（超格子ミニバンド、中間バンドを含む）を有する。障壁層５１は、間接遷移半導体材料により構成されている。
【００４０】
量子層である量子ドット層５２は、直接遷移半導体材料により構成されるナノ構造を有する。より具体的には、量子ドット層５２は、複数の量子ドット５３及び量子ドット５３のキャップ５４を含む。量子ドット５３を用いることにより、三次元的な閉じ込めとなり、量子閉じ込め効果を強めることができる。
【００４１】
超格子半導体層５には、不純物がドーピングされている。これにより、効率的にサブバンド間遷移を起こすことができる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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／ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎxＧａ1-xＰ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＳｂ、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などが挙げられる。ただし、上記の全ての材料において、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１の関係を有し、かつ、障壁層５１の材料が間接遷移半導体材料であり、量子ドット５３の材料が直接遷移半導体材料となる範囲の値をとる。
【００４６】
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。
【００４７】
障壁層５１の材料は、室温（２５℃）におけるバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップ１．４２ｅＶより大きいワイドギャップの間接遷移半導体材料である。量子ドット層５２のナノ構造（量子ドット５３）は、直接遷移半導体材料で構成される。伝導帯のサブバンド間遷移を利用した場合、量子ドット層５２のナノ構造は直接遷移半導体材料で構成されるため、Г点間の遷移によりキャリアは伝導帯にまで励起される。その後、伝導帯にまで励起されたキャリアは緩和により、障壁層５１の伝導帯下端に緩和される。
【００４８】
障壁層５１は間接遷移半導体材料により構成されているため、電子はＸ点やＬ点等のГ点とは異なる波数に緩和し、よって、電子とホールは異なる波数空間に存在するため再結合が抑制される。従って、伝導帯量子準位より励起されたキャリアの取り出し効率は高くなる。
【００４９】
また、障壁層５１に用いられる間接遷移半導体材料の室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きいため、従来の典型的な量子構造に比べて、量子閉じ込め効果が強くなる。従来の典型的な量子構造とは、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶであるＧａＡｓを障壁層５１に用いる構造である。間接遷移半導体において、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい材料は多く存在するが、中でもＡｌＰは間接遷移半導体材料で最も大きなバンドギャップ（室温で２．５２ｅＶ）を有する。また、第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる間接遷移半導体材料において、三元系の場合、最も小さなバンドギャップは室温で１．８７ｅＶである。
【００５０】
量子閉じ込め効果の増大に伴い、本実施形態の光電変換素子を太陽電池に用いた場合には、伝導帯のサブバンド間遷移を利用した吸収スペクトルが高エネルギー側にシフトすることで、太陽光スペクトルとの整合性が高まり、光電変換効率が向上する。また、本実施形態の光電変換素子を光センサ（光検出器）に用いた場合には、量子閉じ込め効果の増大に伴い、光検出感度が向上する。
【００５１】
ここで、量子閉じ込めの強さは、バンドオフセットが大きいほど強くなり、積層方向における量子ドット層５２の幅、または量子ドット５３のサイズを小さくすることでも強めることができる。一方、超格子ミニバンド（中間バンド）を利用する量子ドット太陽電池の場合、超格子ミニバンドを形成するため、量子ドット５３のサイズばらつきは小さい方が望ましい。また、量子ドット光センサ（量子ドット光検出器）でも、検出波長の選択性を向上させるためには、量子ドット５３のサイズばらつきは小さい方が望ましい。
【００５２】
本実施形態において、量子ドット５３はＩｎを含み、量子ドット層５２に含まれるキャップ５４の材料は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）であることが好ましい。量子ドット５３がＩｎを含む場合、量子ドット５３の形成後に量子ドット５３の高さよりも低い厚みのキャップ５４を成膜して、その後にアニール処理を実施することで、量子ドット５３の高さをキャップ５４の厚みに依存した高さに低減することができ、量子ドット５３の高さを均一にすることができる。量子ドット５３の高さを低減することにより、量子閉じ込め効果が増大し、量子ドット５３のサイズばらつきを小さくすることができる。また、量子ドット層５２に含まれるキャップ５４の材料としてＩｎxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を用いると、結晶性の高い量子ドット層５２を形成することができる。
【００５３】
アニール処理により、量子ドット５３の形状は、先端のカットされた円錐型、レンズ型、またはこれらの形状に近い形状となる。さらに、アニール処理を行った後は、表面平坦性が著しく良い状態となる。例えば、ＲＭＳ（自乗平均面粗さ）が０．１４ｎｍであるＧａＡｓ膜上にＩｎＡｓからなる量子ドット５３を形成し、その後、量子ドット５３の高さよりも厚みが薄い、ＧａＡｓからなるキャップ５４を成膜してアニール処理を行うと、表面のＲＭＳは０．１０ｎｍとなった。すなわち、表面平坦性が向上している。
【００５４】
室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい間接遷移半導体材料は、例えば基板１がＧａＡｓにより構成されている場合、ＡｌxＧａ1-xＡｓ以外の材料において、基板１に対する格子不整合度が大きくなり、表面平坦性が悪くなりやすい。また、障壁層５１の材料にＡｌを含む場合は、Ａｌのマイグレーションが低いので、表面平坦性は悪くなりやすい。しかしながら、上述したアニール処理後の表面は著しく良い平坦性を有するため、結晶性の高い障壁層５１を成膜することができる。
【００５５】
すなわち、障壁層５１の材料にＡｌを含む材料、または基板１との格子不整合度が大きい間接遷移半導体材料を用いる場合、量子ドット５３の形成後にＩｎxＧａ1-xＡｓからなるキャップ５４を形成し、その後にアニール処理を行うことにより、量子ドット５３の高さを低減して量子閉じ込め効果を高め、かつ、量子ドット５３の高さの均一化によってサイズばらつきを小さくすることができるとともに、結晶性の高い障壁層５１（間接遷移半導体材料を使用）を作製することができる。
【００５６】
間接遷移半導体材料は、少なくともＡｌまたはＰを含む材料である。これにより、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい材料となる。
【００５７】
基板１は、ＧａＡｓにより構成されていることが好ましい。基板１の上に、上述したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を結晶成長する場合、ＧａＡｓからなる基板１上であれば、比較的安価で高品質な膜を得ることができる。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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−ｎ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。
【００６２】
窓層７は、ｐ型不純物を含む半導体であって、例えばＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓにより形成されており、その厚さは例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
なお、上述した構成に加えて、集光システムや波長変換膜等を備えるようにしても良い。例えば、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を、光電変換層よりも裏面側に設けることができる。この場合、波長変換層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、波長変換層から放出される。波長変換層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。これにより、光電変換効率を向上させることができる。また、光電変換層よりも裏面側に、反射膜としての金属膜をさらに設ける構成とすれば、波長変換層で波長変換された光のうち、裏面側に放射された光は、金属膜で反射して光電変換層に入射するので、光電変換効率をさらに向上させることができる。
【００６７】
＜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。
【００６８】
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。これにより、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。
【００６９】
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−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ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−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層を形成することが好ましい。
【００７０】
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として間接遷移半導体材料からなるＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構により、直接遷移半導体材料であるインジウム砒素ＩｎＡｓからなる量子ドット５３を形成する。その後、量子ドット５３の一部を覆うキャップ５４として、量子ドット５３の高さよりも低い厚みのＧａＡｓ層を結晶成長させ、その後にアニール処理を行う。キャップ５４は、障壁層５１の材料と同じＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓにより形成しても良い。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Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層の結晶成長と、量子ドット層５２の成長とを繰り返す。
【００７１】
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−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ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。
【００７２】
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−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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、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。
【００７７】
［評価実験］
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。
【００７８】
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、量子構造の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。
【００７９】
【数１】
0006259843.tif 000002
【００８０】
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。
【００８１】
伝導帯の量子準位を介した光吸収（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、中間バンド）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。
【００８２】
量子閉じ込め効果の強さは、伝導帯の基底準位（ｅ０）と第一励起準位（ｅ１）のエネルギーギャップの大きさにより評価を行った。ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップが大きいほど、量子閉じ込め効果は大きい。量子準位間のエネルギーギャップが小さい場合、フォノン散乱により速やかにキャリアが緩和されてしまう。
【００８３】
＜実験例１＞
実験例１の超格子半導体層５では、障壁層５１を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で２．５４ｅＶであり、Ｘ点で２．１０ｅＶであり、間接遷移半導体である。すなわち、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【００８４】
本実験例では、障壁層５１の母体半導体材料をＡｌＧａＡｓとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＡｌＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、組成が異なる材料、異なる半導体材料等を用いても良い。
【００８５】
量子ドット５３の形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを１５ｎｍとした。量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）は、８ｎｍ、６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍ、１．５ｎｍ、１．３ｎｍの６種類とした。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。
【００８６】
図２は、本実験例において計算された超格子半導体層５の量子ドット５３の高さと、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップとの関係を示す図である。図２に示すように、量子ドット５３の高さが２ｎｍ〜８ｎｍの範囲では、高さが低くなるほど、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは増大する。また、後述する比較実験例１では、障壁層５１に直接遷移半導体材料を使用したが、比較実験例１（図４参照）と比べて実験例１によれば、量子ドット５３の高さが同じであれば、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは大きい。
【００８７】
すなわち、障壁層５１を構成する母体半導体材料として、間接遷移半導体材料であるＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓを用いることにより、量子閉じ込め効果が大幅に増大することが確認された。また、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓは間接遷移半導体材料であることから、伝導帯に励起されたキャリアの再結合が抑制され、キャリア取り出し効率が向上する。これにより、光電変換効率に優れた光電変換素子を提供することができる。
【００８８】
＜比較実験例１＞
比較実験例１における超格子半導体層は、上記実施形態の超格子半導体層５とは構成が異なる。このため、以下では、符号にａを付して説明する。
【００８９】
比較実験例１の超格子半導体層５ａでは、障壁層５１ａ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５３ａの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。ＧａＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で１．４２ｅＶであり、直接遷移半導体である。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【００９０】
比較実験例１では、障壁層５１ａの母体半導体材料をＧａＡｓとし、量子ドット５３ａの材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、異なる半導体材料等を用いても良い。
【００９１】
量子ドット５３ａの形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３ａの面内方向の直径サイズを１５ｎｍとした。量子ドット５３ａの積層方向のサイズ（高さ）は、８ｎｍ、６ｎｍ、４ｎｍ、２ｎｍ、１．５ｎｍ、１．３ｎｍの６種類とした。また、量子ドット５３ａ間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３ａ間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。これらの条件は、上記実験例１の条件と同じである。
【００９２】
図４は、本比較実験例において計算された超格子半導体層５ａの量子ドット５３ａの高さと、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップとの関係を示す図である。図４に示すように、量子ドット５３ａの高さが４ｎｍ〜８ｎｍの範囲では、高さが低くなるほど、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは増大する。
【００９３】
比較実験例１では、障壁層５１ａの材料を直接遷移半導体材料とした。図２と図４を比較して分かるように、量子ドット５３ａ（５３）の高さが同じであれば、実験例１と比べて比較実験例１の方がｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは小さい。すなわち、障壁層５１の材料として間接遷移半導体材料を用いた実験例１の光電変換素子の方が光電変換効率が高い。
【００９４】
＜実験例２＞
実験例２では、上記実験例１で用いた超格子半導体層５のうち、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を１．３ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を４ｎｍとすることによって、実験例１と同様のシミュレーション実験を行った。
【００９５】
超格子半導体層５の構成のうち、障壁層５１を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で２．５４ｅＶであり、Ｘ点で２．１０ｅＶであり、間接遷移半導体である。すなわち、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【００９６】
実験例２では、障壁層５１の母体半導体材料をＡｌＧａＡｓとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＡｌＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、組成が異なる材料、異なる半導体材料等を用いても良い。
【００９７】
量子ドット５３の形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を１．３ｎｍ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。
【００９８】
図３は、実験例２において計算された超格子半導体層５における伝導帯サブバンド間光吸収スペクトルを示す図である。図３では、横軸はエネルギー（ｅＶ）を示し、左側の縦軸は吸収係数（ｃｍ-1）を示し、右側の縦軸は太陽光エネルギー（ｋＷ／ｍ2／ｅＶ）を示す。図３において、太い実線はＴＥ偏光吸収、太い破線はＴＭ偏光吸収であり、細い実線はＡＭ０の太陽光スペクトル、細い破線はＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトルである。
【００９９】
後述する比較実験例２では、直接遷移半導体であるＧａＡｓ（室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶ）を障壁層に用いた。比較実験例２の結果である図５と比べると、実験例２では、障壁層５１にワイドギャップ材料を用いたことによる量子閉じ込め効果の増大で、光吸収スペクトルが高エネルギー側にシフトし、太陽光スペクトルとの整合性が向上されていることが分かる。また、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓは間接遷移半導体であることから、伝導帯に励起されたキャリアの再結合が抑制され、キャリア取り出し効率が向上する。これにより、光電変換効率に優れた光電変換素子を提供することができる。
【０１００】
＜比較実験例２＞
比較実験例２では、上記比較実験例１で用いた超格子半導体層５のうち、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を１．３ｎｍとし、量子ドット５３間の積層方向の距離を４ｎｍとすることによって、比較実験例１と同様のシミュレーション実験を行った。量子ドット５３の積層方向のサイズ及び量子ドット５３間の積層方向の距離は、上記実験例２と同じである。比較実験例２では、実験例２と比べて、障壁層に用いる半導体材料が異なる。
【０１０１】
比較実験例２における超格子半導体層は、上記実施形態の超格子半導体層５とは構成が異なる。このため、以下では、符号にｂを付して説明する。
【０１０２】
比較実験例２の超格子半導体層５ｂでは、障壁層５１ｂ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５３ｂの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。ＧａＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で１．４２ｅＶであり、直接遷移半導体である。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【０１０３】
比較実験例２では、障壁層５１ｂの母体半導体材料をＧａＡｓとし、量子ドット５３ｂの材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、異なる半導体材料等を用いても良い。
【０１０４】
量子ドット５３ｂの形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３ｂの面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、量子ドット５３ｂの積層方向のサイズ（高さ）を１．３ｎｍとした。また、量子ドット５３ｂ間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット５３ｂ間の積層方向の距離を４ｎｍとした。これらの条件は、上記実験例２の条件と同じである。
【０１０５】
図５は、比較実験例２において計算された超格子半導体層５ｂにおける伝導帯サブバンド間光吸収スペクトルを示す図である。図５では、横軸はエネルギー（ｅＶ）を示し、左側の縦軸は吸収係数（ｃｍ-1）を示し、右側の縦軸は太陽光エネルギー（ｋＷ／ｍ2／ｅＶ）を示す。図５において、太い実線はＴＥ偏光吸収、太い破線はＴＭ偏光吸収、細い実線はＡＭ０の太陽光スペクトル、細い破線はＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトルである。本比較実験例によれば、図５に示すように、光吸収スペクトルは、太陽光スペクトルとの整合性が低いことが分かる。
【０１０６】
＜実験例３＞
実験例３では、上記実験例１で用いた超格子半導体層５のうち、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を４ｎｍとし、障壁層５１を構成する母体半導体材料を変更して、実験例１と同様のシミュレーション実験を行った。
【０１０７】
超格子半導体層５の構成のうち、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（Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｐ）、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｐは、室温におけるバンドギャップがГ点で２．５８ｅＶであり、Ｘ点で２．２５ｅＶであり、間接遷移半導体である。すなわち、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【０１０８】
実験例３では、障壁層５１の母体半導体材料をＩｎＧａＰとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＡｌＩｎＧａＰやＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、組成が異なる材料、異なる半導体材料等を用いても良い。
【０１０９】
量子ドット５３の形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、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。
【０１１０】
本実験例により計算された超格子半導体層５におけるｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは９２ｍｅＶである。一方、比較実験例１（図４参照）において、量子ドット５３ａの積層方向のサイズ（高さ）が４ｎｍの場合のｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは８０ｍｅＶである。従って、比較実験例１と比べると、本実験例では、量子ドット５３の高さが同じ条件において、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは大幅に大きい。
【０１１１】
すなわち、障壁層５１を構成する母体半導体材料として間接遷移半導体材料であるＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｐを用いることにより、量子閉じ込め効果が大幅に増大することが確認された。また、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｐは間接遷移半導体であることから、伝導帯に励起されたキャリアの再結合が抑制され、キャリア取り出し効率が向上する。これにより、光電変換効率に優れた光電変換素子を提供することができる。
【０１１２】
＜実験例４＞
実験例４では、上記実験例１で用いた超格子半導体層５のうち、量子ドット５３の積層方向のサイズ（高さ）を４ｎｍとし、障壁層５１を構成する母体半導体材料を変更して、実験例１と同様のシミュレーション実験を行った。
【０１１３】
超格子半導体層５の構成のうち、障壁層５１を構成する母体半導体材料にガリウム砒素燐（ＧａＡｓ0.1Ｐ0.9）、量子ドット５３の材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。ＧａＡｓ0.1Ｐ0.9は、室温におけるバンドギャップがГ点で２．６２ｅＶであり、Ｘ点で２．２１ｅＶであり、間接遷移半導体である。すなわち、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい。ＩｎＡｓは、室温におけるバンドギャップがГ点で０．３５ｅＶであり、直接遷移半導体である。
【０１１４】
実験例４では、障壁層５１の母体半導体材料をＧａＡｓＰとし、量子ドット５３の材料をＩｎＡｓとしたが、ＡｌＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓ等の混晶材料や、組成が異なる材料、異なる半導体材料等を用いても良い。
【０１１５】
量子ドット５３の形状は０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット５３の面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、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。
【０１１６】
本実験例により計算された超格子半導体層５におけるｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは９２ｍｅＶである。一方、比較実験例１（図４参照）において、量子ドット５３ａの積層方向のサイズ（高さ）が４ｎｍの場合のｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは８０ｍｅＶである。従って、比較実験例１と比べると、本実験例では、量子ドット５３の高さが同じ条件において、ｅ０−ｅ１間のエネルギーギャップは大幅に大きい。
【０１１７】
すなわち、障壁層５１を構成する母体半導体材料にＧａＡｓ0.1Ｐ0.9を用いることにより、量子閉じ込め効果が大幅に増大することが確認された。また、ＧａＡｓ0.1Ｐ0.9は間接遷移半導体であることから、伝導帯に励起されたキャリアの再結合が抑制され、キャリア取り出し効率が向上する。これにより、光電変換効率に優れた光電変換素子を提供することができる。
【０１１８】
＜光電変換素子の変形構成例１＞
光電変換素子は、別基板に転写された光電変換素子であってもよい。例えば、フレキシブル基板への転写により、柔軟性を有する光電変換素子を得ることができる。
【０１１９】
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、電極層が形成されたフレキシブル基板上に転写する。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、柔軟性の高い光電変換素子を得ることができる。また、このような構造にすれば、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。転写する基板は、フレキシブル基板ではなく、金属箔等であっても良い。
【０１２０】
＜光電変換素子の変形構成例２＞
光電変換素子としての太陽電池は、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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
以上、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【０１２３】
この発明の実施形態による間接遷移半導体材料を用いた量子構造を有する光電変換素子は、光電変換効率を向上するため、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を備え、障壁層は、間接遷移半導体材料により構成されており、量子層は、直接遷移半導体材料により構成されるナノ構造を有し、間接遷移半導体材料は、室温におけるバンドギャップが１．４２ｅＶより大きい構成であれば良い。
【０１２４】
上述した実施形態では、光電変換素子を太陽電池に適用した例について説明したが、太陽電池以外に、フォトダイオード、半導体に蓄積されたキャリアの誘導放出によって光信号を増幅する半導体光増幅器、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ドット赤外線センサ等に適用することができる。
【０１２５】
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】
【０１２６】
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、５１…障壁層、５２…量子ドット層、５３…量子ドット、５４…キャップ、１００…太陽電池
【図１】
0006259843.tif 000003
【図２】
0006259843.tif 000004
【図３】
0006259843.tif 000005
【図４】
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【図５】
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