(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の厚さ方向に沿って柱状に延びた複数の量子ドットナノワイヤを含むワイヤ層と、
前記半導体層の前記ワイヤ層とは反対側に配置され、前記半導体層と電気的に接続された第１の電極と、
前記ワイヤ層の前記半導体層とは反対側に配置された第２の電極と、
を備え、
前記複数の量子ドットナノワイヤの各々は、
前記半導体層の厚さ方向に離間して配置された複数の量子ドット層と、
前記複数の量子ドット層を三次元的に囲むと共に、前記半導体層と電気的に接続された第１障壁層と、
前記厚さ方向に垂直な方向において前記第１障壁層の外周面を覆うと共に、前記第２の電極と電気的に接続された第２障壁層と、
を含み、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分のバンドギャップは、前記第２障壁層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２障壁層のバンドギャップは、前記量子ドット層のバンドギャップよりも大きい、光電変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の伝導帯下端は、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に高い、光電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の、前記垂直な方向における厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さである、光電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な面における前記量子ドット層を囲む部分は、前記半導体層の面内方向における厚さが１〜２０ｎｍである、光電変換素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層がｐ型の導電型を有し、
前記量子ドットナノワイヤが、ｎ型の導電型を有する、
光電変換素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層および前記第２障壁層がｎ型の導電型を有し、
前記量子ドットナノワイヤが、ｎ−型の導電型を有する、
光電変換素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層が、間接遷移型半導体で形成され、
前記間接遷移型半導体の最も低い伝導帯下端が、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に上に位置している、光電変換素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分よりもバンドギャップが小さい第３障壁層をさらに備え、
前記第３障壁層は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分内に配置されている、光電変換素子。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記複数の量子ドット層と、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分との間に、前記第１障壁層よりもバンドギャップが小さい第４障壁層をさらに備えた、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】
近年、光電変換素子として、量子ドットを備えた光電変換素子が注目されている。
【０００３】
量子ドットは、数ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノ構造を有する粒子である。光電変換素子が複数の量子ドットからなる格子構造によって新たなバンドギャップ（量子準位）を形成することにより、これまで利用されなかった太陽光の長波長領域も吸収できるようになる。また、量子ドットを備えた光電変換素子は、量子ドットのサイズを制御することにより自由にバンドギャップを制御できるといった特徴も有する。このような複数の量子ドットを太陽電池に応用する場合、シリコン太陽電池では利用することができなかった長波長領域の太陽光を吸収できるので、優れた光電変換効率を得ることができる。
【０００４】
非特許文献１には、図１２に示すようなプレーナー型の量子ドット層を有する光電変換素子３００が開示されている。この光電変換素子は、ＩｎＡｓからなる量子ドット層３１０と、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓからなる第１の障壁層３２０と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第２の障壁層３２１とを含む。この光電変換素子３００では、第２の障壁層３２１は、量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に挿入されている。なお、図１２において、量子ドット層３１０、第１の障壁層３２０、第２の障壁層３２１に加えて、光電変換素子３００は、半導体層３３１、３３２及び電極３４１、３４２を備えている。量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に、第１の障壁層３２０よりもバンドギャップの大きい第２の障壁層３２１を挿入することで、量子ドット層３１０内への電子の閉じ込めが強くなり、量子ドット層３１０中の光吸収効率が高くなると記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A. V. Barve, et al., Applied Physics Letters 99, 191110 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載の発明では、量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に第２障壁層３２１を形成すると、図１２の矢印に示すように、量子ドット層３１０からキャリアが電極３４２に向かって移動するとき、キャリアが第２障壁層３２１を超えていく必要がある。また、量子ドット層が複数層積層されている場合には、キャリアが第２障壁層３２１を複数回越えていく必要がある。このとき、ポテンシャル障壁によって、キャリア移動が妨げられ、キャリア移動効率が低下してしまうという問題がある。また、キャリアの移動途中に量子ドット層３１０が存在するため、キャリアが量子ドットポテンシャルにトラップされてしまい、キャリア移動効率が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、優れた光吸収特性を維持しつつ、良好なキャリア輸送特性を有する、量子ドットを用いた光電変換素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の一実施形態に係る光電変換素子は、半導体層と、前記半導体層の厚さ方向に沿って柱状に延びた複数の量子ドットナノワイヤを含むワイヤ層と、前記半導体層の前記ワイヤ層とは反対側に配置され、前記半導体層と電気的に接続された第１の電極と、前記ワイヤ層の前記半導体層とは反対側に配置された第２の電極と、を備える。前記複数の量子ドットナノワイヤの各々は、前記半導体層の厚さ方向に離間して配置された複数の量子ドット層と、前記複数の量子ドット層を三次元的に囲むと共に、前記半導体層と電気的に接続された第１障壁層と、前記厚さ方向に垂直な方向において前記第１障壁層の外周面を覆うと共に、前記第２の電極と電気的に接続された第２障壁層と、を含む。前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分のバンドギャップは、前記第２障壁層のバンドギャップよりも大きい。
【０００９】
上記の構成によれば、光電変換素子が前記複数の量子ドット層を三次元的に囲む第１障壁層と、第１障壁層を覆う第２障壁層とが設けられているので、量子ドット層において、第２障壁層の伝導帯下端よりも高く、第１障壁層の伝導帯下端よりも低いエネルギー準位に、量子準位が存在することとなる。そのため、当該量子準位に励起された電子が、熱励起やトンネル伝導等によって第２障壁層に電子移動することができる。そして、結果として、高い光電変換効率を有する光電変換素子を得ることができる。
【００１０】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の伝導帯下端は、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に高いことが好ましい。
【００１１】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の、前記垂直な方向における厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さであることが好ましい。
【００１２】
上記の構成によれば、上記厚さがトンネル伝導により通過可能となっているので、量子ドット層から第２障壁層へトンネル効果により電子を移動させることができる。従って、光電変換効率を高めることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な面における前記量子ドット層を囲む部分は、前記半導体層の面内方向における厚さが１〜２０ｎｍであることが好ましい。
【００１４】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記半導体層がｐ型の導電型を有し、前記量子ドットナノワイヤが、ｎ型の導電型を有することが好ましい。
【００１５】
また、本発明の別の実施形態にかかる光電変換素子は、前記半導体層がｎ型の導電型を有し、前記量子ドットナノワイヤが、ｎ−型の導電型を有することが好ましい。
【００１６】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層が、間接遷移型半導体で形成されている場合にも好適である。この場合、前記間接遷移型半導体の最も低い伝導帯下端が、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に上に位置している。
【００１７】
従来のＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長（ＳＫ成長）を用いた場合、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成することは容易でなかった。また、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成できたとしても、結晶性の低い半導体となってしまうので、第１障壁層におけるキャリア輸送効率が低かった。しかしながら、上記の構成によれば、結晶歪みが緩和されるので、第１障壁層を容易に形成することができる。さらに、上記の構成によれば、第１障壁層に励起された電子は、第２の電極に到達するまで第１障壁層内において輸送されるのではなく、第１障壁層よりもエネルギー準位の低い第２障壁層内において輸送される。従って、キャリア輸送効率に大きな影響が現れるのを抑制することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分よりもバンドギャップが小さい第３障壁層をさらに備え、前記第３障壁層は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように、前記第１障壁層内に配置されていてもよい。
【００１９】
上記の構成によれば、第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように第３障壁層を設けるので、量子ドット層から第３障壁層に達するトンネル伝導と、第３障壁層から第２障壁層に達するトンネル伝導によって、電子が第２障壁層に輸送される。第３障壁層が存在することにより、トンネル伝導で乗り越える障壁層の厚さが小さくなるので、トンネル伝導による電子移動が容易になり、結果として、優れた光電変換効率を得ることができる。
【００２０】
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記複数の量子ドット層と、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分との間に、前記第１障壁層よりもバンドギャップが小さい第４障壁層をさらに備えていてもよい。
【００２１】
上記の構成によれば、第４障壁層は第１障壁層よりもバンドギャップが小さいので、第４障壁層を経由することにより、効率的な光励起、及び効率的なキャリア輸送をすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、優れた光吸収特性を維持しつつ、良好なキャリア輸送特性を有する、量子ドットを用いた光電変換素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施形態１に係る太陽電池の概略図である。
【図２】図２は、実施形態１に係る太陽電池の一部を示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第１の工程図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第２の工程図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第３の工程図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第４の工程図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第５の工程図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第６の工程図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第７の工程図である。
【図４】図４は、実施形態１の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。
【図５】図５は、実施形態１の太陽電池のキャリアの移動について説明する説明図である。
【図６】図６は、実施形態２に係る太陽電池の一部を示す断面図である。
【図７】図７は、実施形態３に係る太陽電池の一部を示す断面図である。
【図８】図８は、実施形態３の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。
【図９】図９は、実施形態３の変形例に係る太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。
【図１０】図１０は、実施形態４に係る太陽電池の一部を示す断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態４の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。
【図１２】図１２は、従来の構成の太陽電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、以下の各図中の部材の寸法は、実際の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【００２５】
本明細書において、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる２つの層が繰り返し積層された構造である。例えば、１０ｎｍオーダーの異なる物質の層が繰り返し積層された構造である。
【００２６】
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よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。量子ドット層は、複数の量子ドットを含む層のことを指し、超格子構造の井戸層となる。量子準位は、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。障壁層は、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
【００２７】
＜実施形態１＞
（太陽電池）
図１は、実施形態１に係る太陽電池１００の構成を示す。太陽電池１００は、ｐ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１１上に設けられた超格子半導体層１２（ワイヤ層）と、を含んでいる。図１において、ｐ型半導体層１１がｘ方向及びｙ方向で形成される面に平行であり、ｐ型半導体層１１及び超格子半導体層１２の厚さ方向をｚ方向であるとして説明する。超格子半導体層１２は、複数の量子ドットナノワイヤ１３を含む。超格子半導体層１２のうち、量子ドットナノワイヤ１３が存在しない空間には、樹脂１４が充填されている。ｐ型半導体層１１の超格子半導体層１２とは反対側の表面には、下部電極１５（第１の電極）が設けられている。また、超格子半導体層１２のｐ型半導体層１１とは反対側の表面には、上部電極１６（第１の電極）が設けられている。
【００２８】
ｐ型半導体層１１（ベース層）は、ｐ型不純物を含む半導体で形成されている。
【００２９】
超格子半導体層１２は、全体として、ｎ型となるように構成されている。また、超格子半導体層１２に形成された複数の量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれは、ｐ型半導体層１１の厚さ方向、つまりｚ方向に柱状に延びた形状を有する。超格子半導体層１２及び量子ドットナノワイヤ１３の詳細な構造については、後述する。複数の量子ドットナノワイヤ１３は、例えば４本／μｍ２以上の面密度で互いに等間隔に配置されている。
【００３０】
樹脂１４は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）で形成されている。なお、超格子半導体層１２のうち量子ドットナノワイヤ１３が存在しない空間を充填する材料として、樹脂１４の他、太陽光を吸収可能な半導体材料や、太陽光を吸収して吸収波長とは異なる波長を放射する波長変換材料を用いてもよい。充填材料として用いる半導体材料は、後述する障壁層２１（図２を参照。）と同一の材料であってもよい。
【００３１】
下部電極１５は、ｐ型半導体層１１と接して設けられている。下部電極１５は、ｐ型半導体層１１と電気的に接続されている。下部電極１５は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ材料で形成されている。なお、下部電極１５は、コンタクト層を介してｐ型半導体層１１と電気的に接続されていてもよい。
【００３２】
上部電極１６は、超格子半導体層１２と接して設けられている。上部電極１６は、例えば、ＩＴＯ等の透明導電膜で形成されている。なお、上部電極１６は、コンタクト層を介して超格子半導体層１２と電気的に接続されていてもよい。また、上部電極１６と超格子半導体層１２との間にｎ型半導体層が設けられ、このｎ型半導体層を介して上部電極１６と超格子半導体層１２とが電気的に接続されていてもよい。また、上部電極１６として、グリッド電極が設けられていてもよい。
【００３３】
（量子ドットナノワイヤ）
図２は、量子ドットナノワイヤ１３の断面構造を示す断面図である。量子ドットナノワイヤ１３は、ｘｙ面の面内方向における中心部分を構成するコア領域１３１と、ｘｙ面の面内方向においてコア領域１３１を囲うシェル領域１３２とを含む。また、複数の量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれは、複数の量子ドット層２０と障壁層２１とを含む。
【００３４】
複数の量子ドット層２０は、量子ドットナノワイヤ１３において、ｚ方向に互いに離間して配置されている。量子ドット層２０は、コア領域１３１に配置されている。なお、図２は、便宜上、１つの量子ドットナノワイヤ１３当たり、２個の量子ドット層２０だけを示している。実際には、１つの量子ドットナノワイヤ１３は、例えば、３０〜６００層程度の量子ドット層２０が配置された構成を有する。
【００３５】
障壁層２１は、第１障壁層２１１と第２障壁層２１２とを含む。第１障壁層２１１は、量子ドット層２０を三次元的に囲むように設けられている。第２障壁層２１２は、第１障壁層２１１の外周面を覆うように設けられている。
【００３６】
第１障壁層２１１は、後述するコア層２３を介して、ｐ型半導体層１１と電気的に接続されている。第１障壁層２１１は、コア領域１３１のコア部２１１１と、シェル領域１３２のシェル部２１１２とを含む。コア部２１１１とシェル部２１１２とは、同一の材料で形成されている。シェル領域１３２では、第１障壁層２１１のシェル部２１１２と第２障壁層２１２とが積層された２重構造となっている。
【００３７】
コア部２１１１は、量子ドット層２０と交互にｚ方向に積層されている。つまり、コア部２１１１と量子ドット層２０とにより、超格子構造が形成されている。
【００３８】
シェル部２１１２は、ｘｙ面の面内方向において量子ドット層２０を囲む。シェル部２１１２の厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ、つまり、ｐ型半導体層１１の面内方向における厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。シェル部２１１２の厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さ以下となっている。
【００３９】
第２障壁層２１２は、上部電極１６と電気的に接続されている。第２障壁層２１２の厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１０〜５００ｎｍである。
【００４０】
量子ドット層２０は、障壁層２１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る。量子ドット層２０は、量子効果により、伝導帯中及び価電子帯中に量子準位を有する。量子ドット層２０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ族化合物半導体、これらの混晶材料等で形成されている。具体的には、量子ドット層２０は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ，ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＳｂｚＡｓ１−ｚ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、等で形成されている。
【００４１】
障壁層２１は、量子ドット層２０を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなる。障壁層２１は、量子ドット層２０の周りのポテンシャル障壁を構成する。障壁層２１は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ族化合物半導体、これらの混晶材料等で形成されている。具体的には、障壁層２１は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ，ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＳｂｚＡｓ１−ｚ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、等で形成されている。
【００４２】
なお、量子ドット層２０及び障壁層２１を混晶からなる材料で形成する場合、混晶の元素割合を適宜変更することにより、量子準位及び障壁層２１のバンドギャップを変更したり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層２０と障壁層２１の価電子帯エネルギー差）をゼロにしたりすることができる。
【００４３】
第１障壁層２１１は、第２障壁層２１２を構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい材料で形成されている。また、第１障壁層２１１を構成する半導体材料のΓ点でのバンドギャップと、第２障壁層２１２を構成する半導体材料のΓ点でのバンドギャップとを比較すると、前者は後者よりも大きい。
【００４４】
さらに、第１障壁層２１１を構成する半導体材料のΓ点における伝導帯下端でのエネルギー準位（ＣＢＭ）と、第２障壁層２１２を構成する半導体材料のΓ点におけるＣＢＭとを比較すると、前者は後者よりもエネルギー的に高い。
【００４５】
上記を満たす量子ドット層２０、第１障壁層２１１、及び第２障壁層２１２の組み合わせとしては、例えば、量子ドット層２０がＩｎＧａＡｓ、第１障壁層２１１がＡｌＧａＡｓ、及び第２障壁層２１２がＧａＡｓの場合や、量子ドット層２０がＩｎＡｓ、第１障壁層２１１がＡｌＧａＡｓ、及び第２障壁層２１２がＧａＡｓの場合等が挙げられる。ここでの第１障壁層２１１を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓは、Ａｌの構成比率が４５％以下（つまり、０＜ｘ≦０．４５）の直接遷移型半導体である。
【００４６】
量子ドットナノワイヤ１３は、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）を含むことが好ましい。これにより、量子ドット層２０中に電子を存在させることができる。ｎ型ドーパントは、量子ドット層２０に存在してもよく、障壁層２１に存在してもよい。また、第２障壁層２１２にｎ型ドーパントが含まれていることが好ましく、さらに第２障壁層２１２中のｎ型ドーパント濃度が、量子ドット層２０もしくは障壁層２１に存在するｎ型ドーパント濃度よりも高いことが好ましい。これにより、第１障壁層２１１と第２障壁層２１２との間に電界が生じるため、量子ドット層２０の伝導帯側において光吸収された電子が効率的に第２障壁層２１２へ移動できる。
【００４７】
ｐ型半導体層１１と超格子半導体層１２との間には、マスク層２２が設けられている。マスク層２２は、量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれに対応する開口２２１を有する。マスク層２２を形成する材料としては、量子ドットナノワイヤ１３の原材料とエネルギー的に安定な材料を形成しない材料を選択する。量子ドットナノワイヤ１３の原材料としてＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等を採用する場合、マスク層２２の材料としては、例えばＳｉＯ２等が挙げられる。
【００４８】
マスク層２２の開口２２１においては、ｐ型半導体層１１の表面にコア層２３が設けられている。コア層２３は、例えば、ｐ型半導体層１１と同一の材料で形成されている。コア層２３が設けられていることにより、量子ドットナノワイヤ１３の結晶性が向上し、超格子半導体層１２からｐ型半導体層１１へのキャリア取り出し効率が向上する。なお、コア層２３は必須の構成ではない。
【００４９】
（太陽電池の製造方法）
以下、図３Ａ〜図３Ｇを用いて、太陽電池１００の製造方法を説明する。本実施形態の太陽電池１００の製造においては、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いることができる。
【００５０】
まず、ｐ型半導体層１１であるｐ−ＧａＡｓ基板を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によって表面をエッチングし、さらに１０分間流水洗浄を施す。そして、図３Ａに示すように、マスク層２２としてＳｉＯ２膜を堆積する。さらに、超格子半導体層１２のそれぞれに対応するように、エッチングして複数の開口２２１を形成する。
【００５１】
次に、マスク層２２が形成されたｐ型半導体層１１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。そして、図３Ｂに示すように、ｐ型半導体層１１と同一の材料で、コア層２３を形成する。
【００５２】
続いて、図３Ｂに示すように、量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１を形成する。量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１は、例えば、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長（ＳＫ成長）と呼ばれる方法を用いて、量子ドット層２０及び第１障壁層２１１を成長させて形成する。このとき、量子ドット層２０の原材料と第１障壁層２１１の原材料を交互に供給することにより、量子ドット層２０と第１障壁層２１１とを交互に積層する。量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１の原材料は、マスク層２２上ではエネルギー的に不安定であるため、開口２２１上において形成されたナノワイヤ上に駆け上がり、積層される。そのため、量子ドット層２０及びコア部２１１１をｚ方向に延びるワイヤ状に形成することができる。量子ドット層２０を構成する材料の組成比を変更すれば量子ドット層２０の混晶比を調整することができ、量子ドット層２０を構成する材料の種類、成長温度、圧力、および堆積時間などを変更すれば量子ドット層２０のサイズを調整することができる。
【００５３】
なお、量子ドット層２０にｎ型ドーピングからの電子供給を行うため、量子ドット層２０または第１障壁層２１１にｎ型ドーパントをドープする。ドーピングは必須ではないが、光吸収により量子ドットの伝導帯側の量子準位中に存在する電子を効率的に取り出すために、ｎ型ドーパントがドープされていることが好ましい。
【００５４】
続いて、図３Ｃに示すように、ＭＯＣＶＤ法により、量子ドット層２０及びコア部２１１１の積層体の側面に、第１障壁層２１１のシェル部２１１２を形成する。このとき、高温成長であればコア領域の頂上に結晶成長が進みやすく、低温成長であればコア領域の側面に結晶成長が進みやすい。
【００５５】
さらに、図３Ｄに示すように、量子ドット層２０、第１障壁層２１１のコア部２１１１及び第１障壁層２１１のシェル部２１１２の積層体を覆うように、ＭＯＣＶＤ法により、第２障壁層２１２を形成する。
【００５６】
次に、図３Ｅに示すように、超格子半導体層１２における量子ドットナノワイヤ１３の間の間隙を、樹脂１４で埋める。
【００５７】
続いて、図３Ｆに示すように、樹脂１４のｚ方向の一部をエッチングする。このときのエッチングとしては、例えば、Ｃｌ２／Ｏ２プラズマを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法を用いることができる。これにより、量子ドットナノワイヤ１３が表面に露出する。
【００５８】
最後に、図３Ｇに示すように、電子線蒸着等を用いて、ｐ型半導体層１１の表面に下部電極１５を形成する。また、超格子半導体層１２の表面に、上部電極１６を形成する。これにより、太陽電池１００が完成する。
【００５９】
図４は、本実施形態の太陽電池１００の伝導帯におけるエネルギー図を示す。
【００６０】
図４の矢印Ａ１１で示すように、量子ドット層２０に光が照射されると、中間エネルギー準位Ｅ１に存在した電子は、矢印Ａ１２及び矢印Ａ１３で示すように、中間エネルギー準位Ｅ１よりも上の量子準位に励起される。ここでは、図２に示すように、量子ドット層２０の周囲のシェル領域１３２が、第１障壁層２１１のシェル部２１１２及び第２障壁層２１２からなる二層構造となるように形成され、また、図４に示すように、コア領域側のシェル部２１１２の方が、エネルギー準位が高くなっている。そのため、量子ドット層２０の量子準位には、シェル部２１１２のエネルギー準位と第２障壁層２１２のエネルギー準位との間の領域（図４の領域Ｅ３）に比較的強い（つまり、振動子強度が大きい）光吸収遷移が存在することとなる。つまり、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上であり、且つ、シェル部２１１２のポテンシャルに閉じ込められた（伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも下の）準位への遷移強度が強い光吸収遷移が存在する。なお、シェル部２１１２のエネルギー準位よりも上の領域（図４のＥ２で示すエネルギー準位の領域）への遷移は従来通り存在する。従って、本実施形態によれば、中間エネルギー準位Ｅ１から励起される電子には、従来のように、シェル部２１１２のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位（例えば、エネルギー準位Ｅ４）へ励起される（矢印Ａ１２）ものに加え、矢印Ａ１３で示すように、シェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも低いエネルギー準位（例えば、エネルギー準位Ｅ５）へ励起されるものが存在することとなる。
【００６１】
中間エネルギー準位Ｅ１から電子が光励起されるメカニズムは、主に、以下の３種類がある。まず１つ目は、図４の矢印Ａ１２で示すように、シェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも高いエネルギー準位にまで励起された電子は、矢印Ａ１４で示すように、シェル部２１１２と第２障壁層２１２との間に形成された電界及び濃度勾配によってドリフト拡散する。なお、この光吸収メカニズムは、従来の光電変換素子と同様である。
【００６２】
２つ目及び３つ目は、図４に矢印Ａ１３で示すように、電子が領域Ｅ３に存在する量子準位（例えば、エネルギー準位Ｅ５）に励起されることによる光の吸収である。２つ目の方法とは、エネルギー準位Ｅ５に励起された電子が、さらに、熱励起により第１障壁層２１１のシェル部２１１２にまで励起され、図４の矢印Ａ１５で示すように、再び、熱を放出しながら、ドリフト拡散によって第２障壁層２１２に移動する方法である。これにより、電子が第２障壁層２１２に移動する。
【００６３】
なお、図４の矢印Ａ１４や矢印Ａ１５で示すように、第１障壁層２１１から第２障壁層２１２に移動した電子は、エネルギーを一部外部に放出する。ただし、エネルギー放出により失うエネルギーは一部であり、太陽電池１００全体としてのエネルギー損失としては大きな影響は生じない。ここで放出するエネルギーの値を小さく抑える観点からは、第１障壁層２１１のシェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２と第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２との差が０．５ｅＶ以下であることが好ましい。また、シェル部２１１２の効果を効率的に利用するためには、第１障壁層２１１のシェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２と第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２との差が０．１ｅＶ以上であることが好ましい。
【００６４】
３つ目の方法とは、図４の矢印Ａ１６で示すように、エネルギー準位Ｅ５に励起された電子が、トンネル効果によって、第１障壁層２１１のシェル部２１１２を透過して第２障壁層２１２に移動する方法である。なお、トンネル効果を十分に発揮するためには、シェル部２１１２の厚さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
また、第１障壁層２１１のシェル部２１１２が存在しない場合には、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上の波動関数は量子ドット領域から反発するように存在する（すなわち、波動関数の２乗で表される電子の存在確率密度が量子ドット領域中において小さく、量子ドット領域以外の障壁層領域において電子の存在確率密度が大きくなる）傾向にある。しかしながら、本実施形態では、第２障壁層２１２に加えて、第２障壁層２１２よりも高い伝導帯下端ＣＢＭ２１１２を有するシェル部２１１２を有するので、上記説明した領域Ｅ３のエネルギー準位の波動関数は、量子ドットの内部に存在しやすい傾向がある。これは、領域Ｅ３に相当する分、閉じ込めエネルギーが強くなるためである。
【００６６】
また、実施形態１の構成の太陽電池１００は、例えば図１２に示す従来技術の平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００に比べて、量子ドット領域に対する障壁層領域の体積の割合が小さくなる。そのため、実施形態１の構成の太陽電池１００は、障壁層領域における電子の存在確率密度が小さくなる。存在確率密度の総和が全空間で必ず１となる観点から換言すると、量子ドット領域における電子の存在確率密度は、増大する可能性がある。以上のことから、中間エネルギー準位Ｅ１と領域Ｅ３の波動関数のオーラバーラップが強くなり、中間エネルギー準位Ｅ１から領域Ｅ３への光吸収の強度が高くなる。
【００６７】
従って、実施形態１の構成によれば、量子ドット層２０の量子準位に電子を存在させることで中間エネルギー準位を介して光学遷移を増大させることができる。つまり、従来よりも広い波長範囲において強い光吸収が行われるので、結果として、優れた光吸収特性を得ることができる。
【００６８】
なお、図４には図示しないが、量子ドット構造（量子ドット層・障壁層の材料の組み合わせや、量子ドット層の形状・サイズ等）によっては、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２の間の準位でも量子準位が存在し、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２への光吸収が起こっているものと考えられる。ただし、このようにして得られる光吸収スペクトル帯域は太陽光スペクトル全体から見れば大きな割合を占めない。逆に言えば、大きな割合を占めないように量子ドット構造を設計し、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２の位置を制御すればよい。以上のことから、上記では、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上の準位に電子が励起されることによる光の吸収について説明した。
【００６９】
本実施形態では、太陽電池１００において、太陽光が太陽電池１００に照射されると、価電子帯から伝導帯の量子準位への光励起によって、電子が伝導帯の量子準位に存在するようになる。光生成された正孔は、ｐ型半導体層１１にドリフト拡散し、下部電極１５に到達する。また、光励起された電子は、上記で説明した機構によって、第２障壁層２１２へ移動し、第２障壁層２１２をドリフト拡散して上部電極１６に到達する。
【００７０】
本実施形態では、量子ドット層２０のシェル領域に、第１障壁層２１１のシェル部２１１２と第２障壁層２１２の２層の障壁層が形成されている。そのため、シェル部２１１２及び第２障壁層２１２のそれぞれの厚さ及び材料を選択することによって、吸収される光のエネルギーピークや吸収帯域幅を設計することができる。量子ドット層２０のシェル領域に２層の障壁層が存在することにより、吸収される光のエネルギーピークや吸収帯域幅を設計するためのパラメーターが多くなるので、吸収光のエネルギーピークや吸収帯域幅の設計の自由度を高めることができる。従って、太陽光スペクトルやフォトディテクターの仕様によって、より最適な構造設計が可能となる。
【００７１】
中間エネルギー準位Ｅ１から領域Ｅ２，Ｅ３に励起された電子は、上記説明したように、第２障壁層２１２にすばやく移動する（図５の矢印Ａ１７）。第２障壁層２１２に移動した電子は、矢印Ａ１８で示すように、スムーズに上部電極１６まで輸送される。電子が上部電極１６に輸送されるまでにポテンシャル障壁がなく、高い効率でキャリア輸送が行われるためである。従って、本実施形態によれば、量子ドットナノワイヤ１３内の量子ドット層２０の積層数に影響を受けずにキャリア輸送を行うことができる。
【００７２】
さらに、一度、第２障壁層２１２へ移動した電子は、エネルギー準位の高い第１障壁層２１１のシェル部２１１２の存在により、量子ドット層２０へ再び移動するという問題が抑制される。
【００７３】
なお、本実施形態において、価電子帯は、一様な連続準位となっていると考えられる。従来の太陽電池と同様に、本実施形態の太陽電池１００の価電子帯は伝導帯と比較して、エネルギーオフセットが小さく、しかも、正孔の有効質量が大きいからである。そのため、量子ドット層２０からｐ型半導体層１１に向かって正孔が移動するときに、コア領域１３１に沿って正孔が移動しても（つまり、正孔が他の量子ドット層２０を経由して移動しても）、価電子帯のエネルギー準位のエネルギーオフセットが小さいので、コア部２１１１でキャリア移動が妨げられにくい。
【００７４】
本実施形態では、シェル部２１１２のｚ方向に垂直な方向の厚さが、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さ以下であるとしたが、これは必須ではない。シェル部２１１２の厚さがトンネル伝導により通過可能な厚さよりも大きくてもよい。この場合には、図４に示す矢印Ａ１３のようにＥ５の準位に励起された電子は、矢印Ａ１６で示すような、トンネル効果による移動をしない。
【００７５】
本実施形態では、半導体層がｐ型半導体層１１であり、量子ドットナノワイヤ１３がｎ型ドーパントを含むと説明したが、特にこれに限定されない。ただし、半導体層をｐ型半導体層１１とし、量子ドットナノワイヤ１３がｎ型ドーパントを含むとすることにより、キャリアの移動効率をより高めることができる。
【００７６】
本実施形態では、第１障壁層２１１のコア部２１１１とシェル部２１１２とが同一の材料で形成されていると説明したが、両者が異なる材料で形成されていてもよい。コア部２１１１とシェル部２１１２とが異なる材料で形成されている場合、少なくともシェル部２１１２を構成する半導体材料のバンドギャップが第２障壁層２１２よりも大きくなるように設定されていればよい。
【００７７】
＜実施形態２＞
次に、図６を用いて、実施形態２に係る太陽電池１００Ａについて説明する。太陽電池１００Ａは、量子ドットナノワイヤ１３Ａの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。また、量子ドットナノワイヤ１３Ａは、第１障壁層２１１Ａとして実施形態１の第１障壁層２１１とは異なる材料を用いたことを除いて、同一の構成を有する。
【００７８】
第１障壁層２１１Ａは、間接遷移型半導体で形成されている。第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体は、第２障壁層２１２を構成する半導体のバンドギャップとの関係を考慮して選択する。具体的には、第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体のΓ点が、第２障壁層２１２を構成する半導体のΓ点よりも高いエネルギーを有する材料を選択する。さらに、第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体のΓ点以外の波数のうち最小のエネルギーを持つ点が、第２障壁層２１２を構成する半導体のΓ点よりも高いエネルギーを有する材料を選択する。これにより、第１障壁層２１１Ａが、波数空間においてどの地点であっても、第２障壁層２１２のΓ点が第１障壁層２１１Ａのエネルギー準位よりも低いこととなるので、電子が、第１障壁層２１１Ａから第２障壁層２１２へすばやく移動することができる。
【００７９】
このような間接遷移型半導体としては、例えば、Ａｌ比率が４５％以上のＡｌＧａＡｓ（つまり、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓにおいてｘが０．４５≦ｘ＜１を満たす。）が挙げられる。
【００８０】
実施形態２に係る太陽電池１００Ａは、実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作成することができる。
【００８１】
一般的に、間接遷移型半導体は、直接遷移型半導体と比較して大きなバンドギャップを有し、格子定数が小さくなる。従って、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成すると、第１障壁層を構成する間接遷移型半導体材料と量子ドット層を構成する材料との格子定数の差が、より大きくなってしまう。
【００８２】
図１２は、従来技術である平面型２次元量子ドット構造を示す。平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００では、ｘｙ平面内に複数の量子ドット層３１０を所定の配置に形成し、且つ、第１の障壁層３２０及び第２の障壁層３２１を介してｚ方向に積層されるように量子ドット層３１０を配置して形成されている。第１の障壁層３２０を間接遷移型半導体材料で形成すると、第１の障壁層３２０と量子ドット層３１０との格子定数の差が大きいことから、平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００を形成するのが容易ではなく、結晶欠陥が多くなる傾向がある。そして、結果として、光励起により生成されたキャリアが欠陥の多い結晶中を輸送されることとなり、キャリア輸送効率が低下する。
【００８３】
しかしながら、本実施形態における量子ドットナノワイヤ構造においては、結晶歪みがｘｙ面の方向に緩和されるため、結晶欠陥が生じにくく、高品質な結晶を得ることができる。さらに、第２障壁層２１２のバンドギャップと第１障壁層２１１Ａのバンドギャップの差が小さい場合、第２障壁層２１２と第１障壁層２１１Ａとを類似した材料で構成することができる。第２障壁層２１２と第１障壁層２１１Ａとを類似した材料で構成することにより、結晶歪みがより緩和されるので、高い結晶品質を持つ第２障壁層２１２を得ることができる。第１障壁層２１１に光励起された電子は、上部電極１６に到達するまで、第１障壁層２１１よりもエネルギー準位が低く、結晶品質の高い第２障壁層２１２内を輸送される。そのため、キャリア輸送効率に大きな影響が現れるのを抑制することができる。
【００８４】
＜実施形態３＞
次に、図７を用いて、実施形態３に係る太陽電池１００Ｂについて説明する。太陽電池１００Ｂは、量子ドットナノワイヤ１３Ｂの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。
【００８５】
量子ドットナノワイヤ１３Ｂは、実施形態１と同様、コア領域１３１Ｂと、シェル領域１３２Ｂとを含む。また、量子ドットナノワイヤ１３Ｂは、量子ドット層２０と障壁層２１Ｂとを含む。障壁層２１Ｂは、第１障壁層２１１Ｂ、第２障壁層２１２、及び第３障壁層２１３Ｂの３種類で構成されている。
【００８６】
コア領域１３１Ｂでは、実施形態１と同様、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｂのコア部２１１１とがｚ方向に交互に積層されている。
【００８７】
シェル領域１３２Ｂでは、コア領域１３１に接して第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが設けられている。シェル領域１３２Ｂでは、シェル部２１１２Ｂ、第３障壁層２１３Ｂ、シェル部２１１２Ｂ、及び第２障壁層２１２の４つの障壁層が積層された構成を有する。つまり、実施形態１におけるシェル部２１１２が厚さ方向（ｙ方向）に二分され、その間に第３障壁層２１３Ｂが挿入された構成となっている。
【００８８】
第３障壁層２１３Ｂは、第１障壁層２１１Ｂよりもバンドギャップが小さい材料で形成されている。第３障壁層２１３Ｂは、例えば、第２障壁層２１２と同一の材料で形成することができる。
【００８９】
第３障壁層２１３Ｂには、ｎ型ドーパントがドープされている。第３障壁層２１３Ｂへのｎ型ドーパントのドーピング濃度は、第２障壁層２１２よりも低いことが好ましい。第２障壁層２１２の方が高いｎ型ドーパント濃度を有することにより、電子が第２障壁層２１２まで輸送されやすくなる。なお、第３障壁層２１３Ｂがｎ型ドーパントを含んでいることは必須ではない。
【００９０】
実施形態３に係る太陽電池１００Ｂは、障壁層２１Ｂの製造工程を除いて実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作成することができる。障壁層２１Ｂの形成方法は、シェル領域１３２Ｂの形成において、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂの形成、第３障壁層２１３Ｂの形成、及びシェル部２１１２の形成を連続して行い、さらに第２障壁層２１２Ｂを形成することを除いて、実施形態１の障壁層２１と同様である。
【００９１】
図８は、本実施形態の太陽電池１００Ｂの伝導帯におけるエネルギー図を示す。
【００９２】
本実施形態によれば、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが２層に分割され、その間に、第１障壁層２１１Ｂよりもバンドギャップの小さい第３障壁層２１３Ｂが挿入されている。そのため、図８に示すように、量子ドット層２０において励起されたキャリア（矢印Ａ３１）は、トンネル効果によって、第３障壁層２１３Ｂに移動する（矢印Ａ３２）。そして、第３障壁層２１３Ｂに移動したキャリアは、さらに、トンネル効果によって第２障壁層２１２に移動する（矢印Ａ３３）。矢印Ａ３２及び矢印Ａ３３で示すキャリアの移動において、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが２層に分割されているので、トンネル効果によるキャリアの移動が容易になる。従って、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂを多層構造とすることによって、トンネル効果を利用したキャリア移動効率を高めつつ、シェル部２１１２Ｂの厚さを全体として大きくすることが可能となる。
【００９３】
なお、実施形態３では、第３障壁層２１３Ｂが第２障壁層２１２と同一の材料で形成されていると説明したが、第３障壁層２１３Ｂの材料は、第２障壁層２１２と同一であることに限定されない。例えば、図９に示すように、第３障壁層２１３Ｂを構成する材料が第２障壁層２１２を構成する材料のバンドギャップよりも大きくてもよい。この場合、第２障壁層２１２は第３障壁層２１３Ｂよりもエネルギー的に低いので、第２障壁層２１２に移動した電子が第３障壁層２１３Ｂに再び戻ってしまうのが抑制される。
【００９４】
＜実施形態４＞
次に、図１０を用いて、実施形態４に係る太陽電池１００Ｃについて説明する。太陽電池１００Ｃは、量子ドットナノワイヤ１３Ｃの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。
【００９５】
量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、コア領域１３１Ｃと、シェル領域１３２Ｃとを含む。コア領域１３１Ｃは、量子ドットナノワイヤ１３Ｃに沿ってｚ方向に延びるように設けられている。また、シェル領域１３２Ｃは、コア領域１３１Ｃの外周面を覆うように設けられている。また、量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、複数の量子ドット層２０と、障壁層２１Ｃとを含む。障壁層２１Ｃは、第１障壁層２１１Ｃと、第２障壁層２１２Ｃと、第４障壁層２１４Ｃとを含む。第１障壁層２１１Ｃは、シェル領域１３２Ｃに設けられる。第２障壁層２１２Ｃはコア部２１２１Ｃとシェル部２１２２Ｃを含み、コア部２１２１Ｃはコア領域１３１Ｃに、シェル部２１２２Ｃはシェル領域１３２Ｃに設けられる。第４障壁層２１４Ｃは、シェル領域１３２Ｃに設けられる。
【００９６】
コア領域１３１Ｃは、複数の量子ドット層２０と、第２障壁層２１２Ｃのコア部２１２１Ｃとが、繰り返しｚ方向に積層された超格子構造を有する。なお、図１０は、便宜上、１つの量子ドットナノワイヤ１３Ｃ当たり、２個の量子ドット層２０だけを示している。実際には、１つの量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、例えば、３０〜６００層程度の量子ドット層２０が積層された構成を有する。
【００９７】
シェル領域１３２Ｃでは、第４障壁層２１４Ｃ，第１障壁層２１１Ｃ、及び第２障壁層２１２Ｃのシェル部２１２２Ｃが積層された３重構造となっている。第４障壁層２１４Ｃは、複数の量子ドット層２０のｚ方向に延びる側面を被覆するように設けられている。第４障壁層２１４Ｃの厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。第１障壁層２１１Ｃは、第４障壁層２１４Ｃを被覆している。第１障壁層２１１Ｃの厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。第２障壁層２１２Ｃのシェル部２１２２Ｃは、第１障壁層２１１Ｃを被覆している。シェル部２１２２Ｃのｚ方向に垂直な方向の厚さは、例えば、１０〜５００ｎｍである。また、シェル部２１２２Ｃのｚ方向の厚さは、例えば、１００〜３０００ｎｍである。
【００９８】
第１障壁層２１１Ｃを構成する材料としては、実施形態１の第１障壁層２１１と同じ材料を選択することができる。また、第２障壁層のシェル部２１２２Ｃを構成する材料としては、実施形態１の第２障壁層２１２と同じ材料を選択することができる。
【００９９】
第４障壁層２１４Ｃは、第１障壁層２１１Ｃよりバンドギャップが小さい半導体材料で形成されている。第４障壁層２１４Ｃは、例えば、第２障壁層２１２Ｃと同一の半導体材料で形成することができる。
【０１００】
実施形態４に係る太陽電池１００Ｃは、障壁層２１Ｃの製造工程を除いて実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作製することができる。障壁層２１Ｃの形成方法は、コア領域１３１Ｃにおいて、第２障壁層２１２Ｃのコア部２１２１Ｃと量子ドット層２０とを交互に積層する点、及び、シェル領域１３２Ｃにおいて、第４障壁層２１４Ｃ、第１障壁層２１１Ｃ、及び第２障壁層２１２のシェル部２１２２Ｃを連続して形成する点を除いて、実施形態１の障壁層２１と同様である。
【０１０１】
図１１は、本実施形態の太陽電池１００Ｃの伝導帯におけるエネルギー図を示す。
【０１０２】
本実施形態によれば、量子ドット層２０において、矢印Ａ４１に示すようにキャリアが光励起されると、一旦、第４障壁層２１４Ｃのエネルギー準位にまで光励起され（矢印Ａ４２）、さらに、第１障壁層２１１Ｃのエネルギー準位に熱励起される（矢印Ａ４３）。第４障壁層２１４Ｃは第１障壁層２１１Ｃよりもエネルギー準位が低いので、段階的に第４障壁層２１４Ｃを経ることにより、第１障壁層２１１Ｃまで効率的にキャリアを取り出すことができる。なお、第１障壁層２１１Ｃの障壁層が薄い場合は、矢印Ａ４３と共に、第１障壁層２１１Ｃ中をトンネル過程でキャリアが輸送することができる。
【０１０３】
また、本実施形態によれば、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｃとの間に第４障壁層２１４Ｃが設けられているので、第１障壁層２１１Ｃの歪みを緩和することができる。２種の材料をヘテロ接合させた場合の歪みは、それらの結晶格子定数差が大きいほど歪みが大きくなる。結晶格子定数はおおよそバンドギャップと相関があり、一般的にバンドギャップが大きいほど格子定数が小さい。従って、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｃとの間に中間のバンドギャップを持つ第４障壁層２１４Ｃを挿入する事で、格子定数差を段階的に変化させる事ができ、歪みを緩和できると考えられる。
【０１０４】
上記の実施形態では、太陽電池がｐ型半導体層及びｎ型の超格子半導体層を含む構成であると説明したが、太陽電池は、例えば、ｎ型半導体層及びｐ型の超格子半導体層を含む構成であってもよい。また、太陽電池がｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントのいずれも含まない構成であってもよい。
【０１０５】
また、本実施形態で説明した光電変換素子を、量子ドット太陽電池だけでなく、サブバンド間遷移を利用した量子ドットフォトディテクターに応用することもできる。量子ドットフォトディテクターにおいては、電子または正孔のどちらか一方のキャリアのみ利用する。従って、例えば伝導帯側のサブバンド間遷移を利用した量子ドットフォトディテクターの場合、ホールを利用しないため、価電子帯側における量子ドット層と第１障壁層とのバンドオフセットの大きさを、前記厚さ方向に正孔が移動するのを妨げない大きさに制限する必要はない。量子ドットフォトディテクターは例えば、ｎ−ｉ−ｎ構造やｎ−ｎ−−ｎ構造とする。ｎ−の導電型とはｎ型ドーピング濃度よりも低い濃度のことであり、例えば量子ドット１個につき、１個の電子が供給される程度のドーピング濃度のことをいう。このようなドーピング濃度では、効率的にサブバンド間光学遷移が起こる。
【０１０６】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、光電変換素子について有用である。
【符号の説明】
【０１０８】
１００      太陽電池
１１        ｐ型半導体層（半導体層）
１２        超格子半導体層
１３        量子ドットナノワイヤ（ワイヤ層）
１５        下部電極（第１の電極）
１６        上部電極（第２の電極）
２０        量子ドット層
２１１      第１障壁層
２１１１    コア部
２１１２    シェル部
２１２      第２障壁層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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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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【図１２】
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