(57)【要約】【課題】究極的には理論最大効率に迫る極めて高い光電変換効率を得ることができ、しかも大面積化も極めて容易な光電変換素子を提供する。【解決手段】全体として面状の光電変換素子において、光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向を垂直とする。光電変換素子は、その主面に沿った方向に順次配置されたｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４により構成されるｐｎ接合からなり、その主面に沿った方向にｐ型半導体層１３と接して配置されたｐ電極１１およびｎ型半導体層１４と接して配置されたｎ電極１２を有する。光電変換素子の全体の形状は円形、三角形、四角形、六角形などの各種の形状であってよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に最も高い光電変換効率を与える方向から入射する光について、上記光電変換素子に入射する上記光の進行方向と上記光電変換素子内のｐｎ接合面とが平行であることを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に垂直に入射する光の進行方向と上記光電変換素子内のｐ電極およびｎ電極とが平行であることを特徴とする光電変換素子。
【請求項４】
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直なｐｎ接合面を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項５】
上記主面に垂直なｐｎ接合面が上記主面に沿った方向に複数、繰り返し配置されたことを特徴とする請求項４記載の光電変換素子。
【請求項６】
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第１の導電型の第１の半導体層および第２の導電型の第２の半導体層により構成された接合を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項７】
上記光電変換素子の上記主面に沿った方向に上記第１の半導体層と接して配置された第１の電極および上記第２の半導体層と接して配置された第２の電極を有することを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項８】
上記第１の電極、上記第１の半導体層、上記第２の半導体層および上記第２の電極が所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求項７記載の光電変換素子。
【請求項９】
上記光電変換素子が上記主面に沿った方向に上記接合を複数有することを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項１０】
複数の上記接合が互いに並列または直列に接続されていることを特徴とする請求項９記載の光電変換素子。
【請求項１１】
上記第１の電極および上記第２の電極の少なくとも一方が上記主面に垂直な方向に延びるワイヤー状に形成されていることを特徴とする請求項７記載の光電変換素子。
【請求項１２】
上記第１の半導体層および上記第２の半導体層が互いに同種の半導体からなり、上記第１の半導体層および上記第２の半導体層の上記主面に垂直な方向の厚さが、上記半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記半導体中における吸収長以上であることを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項１３】
上記第１の半導体層および上記第２の半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項１４】
上記第１の半導体層および上記第２の半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分の上記第１の半導体層および上記第２の半導体層は互いに同種の半導体からなり、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項１５】
上記複数の部分のそれぞれの部分の上記光の進行方向の厚さがそのバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記部分における吸収長以上であることを特徴とする請求項１４記載の光電変換素子。
【請求項１６】
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第１の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第２の電極とにより構成され、上記第１の電極および上記第２の電極は互いに仕事関数が異なる導電材料からなる接合を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項１７】
上記第１の電極と上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層と上記第２の電極とが所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されていることを特徴とする請求項１６記載の光電変換素子。
【請求項１８】
上記光電変換素子の上記主面に沿った方向に上記接合を複数有することを特徴とする請求項１６記載の光電変換素子。
【請求項１９】
複数の上記接合が並列または直列に接続されていることを特徴とする請求項１８記載の光電変換素子。
【請求項２０】
上記第１の電極および上記第２の電極の少なくとも一方が上記主面に垂直な方向に延びるワイヤー状に形成されていることを特徴とする請求項１６記載の光電変換素子。
【請求項２１】
上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層の上記主面に垂直な方向の厚さが、上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光の上記半導体中における吸収長以上であることを特徴とする請求項１６記載の光電変換素子。
【請求項２２】
上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層は上記光の進行方向に沿って複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少していることを特徴とする請求項１６記載の光電変換素子。
【請求項２３】
上記複数の部分の上記真性半導体層、上記ノンドープ半導体層または上記アンインテンショナリードープト半導体層の上記光の進行方向に沿った厚さは、その部分を構成する上記半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する上記光の、その部分を構成する半導体における吸収長以上であることを特徴とする請求項２２記載の光電変換素子。
【請求項２４】
繊維状構造体であって、その構造の少なくとも一部に請求項１〜２３のいずれか一項記載の光電変換素子の構造を有することを特徴とする繊維状構造体。
【請求項２５】
繊維状構造体であって、その構造の少なくとも一部に請求項１〜２３のいずれか一項記載の光電変換素子の断面構造を有することを特徴とする繊維状構造体。
【請求項２６】
請求項２５または２６記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする織物。
【請求項２７】
請求項２５または２６記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする布地。
【請求項２８】
請求項２５または２６記載の繊維状構造体を用いたことを特徴とする壁紙材料。
【請求項２９】
全体として矩形の断面形状を有する繊維状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の少なくとも一側面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とする光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電変換素子、繊維状構造体、織物、布地および壁紙材料に関し、例えば太陽光発電に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光電変換材料として半導体を用いた従来の太陽電池としては、アモルファスまたは結晶シリコンを用いた太陽電池、ＧａＡｓ結晶を用いた太陽電池、有機半導体を用いた太陽電池などが知られている。これらの太陽電池の光電変換効率の最高値としては、結晶シリコンを用いたもので２４．７％、ＧａＡｓ薄膜を用いたもので２４．５％、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）／Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2 （ＣＩＧＳ）接合を用いたもので１４．６％であり、マルチ接合を用いたものとしてはＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅを用いたもので３２％、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓを用いたもので３７．９％が報告されており（非特許文献１参照。）、有機半導体を用いたものとしてはペンタセン／Ｃ60を用いたもので２．７％が報告されている（非特許文献２参照。）。
【０００３】
また、ｐ−ｉ−ｎ構造の有機半導体セルの特性向上（非特許文献３参照。）や、３つ〜６つのｐｎ接合を基板上垂直方向に積層させたマルチ接合太陽電池など、太陽電池の新しい可能性を示す報告がなされている。また、アモルファス半導体層と透明導電薄膜とからなる単位光起電力セルを複数積層させた光起電力装置が提案されている（特許文献１参照。）。また、多層の光電変換層を積層させた構造が提案されている（特許文献２、３参照。）。また、ベータ崩壊をエネルギー源とし、これから発生するフォトンに対して光電変換を行うニュークリアーバッテリーが提案されている（特許文献２参照。）。また、巻き取り可能なシート状の光電変換装置が提案されている（特許文献４、５参照。）。また、細長い中心軸のまわりに配置された光電変換層を設けた太陽電池構造が提案されている（特許文献６参照。）。
【０００４】
なお、ＡｕやＡｌの蒸着薄膜において原子層精度でフラットな表面を得られることが報告されている（特許文献７参照。）。また、ロールツーロール（roll-to-roll）プロセスが太陽電池作製に十分適用可能であることが示されている（非特許文献４参照。）。さらに、コントロール実験として、ＩＴＯ／Ｍｇ、ＩＴＯ／Ａｌなどの異種の金属電極で単純に真性（イントリンシック）半導体をサンドイッチした構造で、太陽電池動作が示されている（非特許文献５参照。）。また、太陽電池の光電変換効率としては、理論的には多くのバンドギャップを用いることで約７０％の高効率が得られることが以前より期待されている（非特許文献６参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】Green, Prog. PV Res. Appl.,13(2005)387
【非特許文献２】Yoo, APL 85(2004)5237
【非特許文献３】Taima et. al.,APL,85(2004)6412
【非特許文献４】Takano, JJAPL,43(2004)277
【非特許文献５】Dimroth et.al., 31st IEEE PV Specialist Conf.,Florida,3-7 Jan.2005
【非特許文献６】C. H. Henry, J. Appl. Phys.51(1980)4494
【特許文献１】特開昭６０−７４６８５号公報
【特許文献２】米国特許第６３４０７８８号明細書
【特許文献３】特開昭５９−９９７８０号公報
【特許文献４】特開２００３−２８２９１０号公報
【特許文献５】特開２００４−５２３６８１号公報
【特許文献６】特開昭６３−２３２４６７号公報
【特許文献７】特開２００４−１４９８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来の太陽電池においては、基本的に、光吸収を十分に行うためには半導体層は厚い方が望ましい。他方、光吸収により半導体層中に生成されたキャリア（電子、正孔）を電極へ効率よく収集するには、ドリフトまたは拡散途中でのキャリアのロスを極力抑えるために半導体層は薄い方がよいが、半導体層に垂直に入射する光の進行方向と半導体層中に生成されたキャリアのドリフトまたは拡散の方向とが互いに平行であるため、その両立は極めて困難である。
【０００７】
この問題について改めて説明する。図１５は従来の太陽電池の基本構成を示す。図１５に示すように、従来の太陽電池は、ｐ型半導体層１０１とｎ型半導体層１０２とによりｐｎ接合を構成し、ｐ型半導体層１０１上にｐ電極１０３を形成し、ｎ型半導体層１０２上にｎ電極１０４を形成したものであり、全体として板状の形状を有する。この太陽電池においては、一方の主面１０５に垂直に入射する光１０６の進行方向と、この光１０６の入射によりｐｎ接合中に生成される電子および正孔がドリフトまたは拡散によりそれぞれｎ電極１０４およびｐ電極１０３に向かう方向、言い換えるとキャリアの正味の移動方向とが平行になっている。このため、光１０６の吸収を十分に行うためにｐ型半導体層１０１およびｎ型半導体層１０２を厚くしようとすると、ｐ電極１０３とｎ電極１０４との間の距離が大きくなってしまうため、光吸収の増大とキャリアの収集効率の向上とを両立させることは極めて困難であり、ひいてはこれが光電変換効率の向上を妨げていた。
【０００８】
また、従来の太陽電池は、量産性に富むものはその多くが単一のバンドギャップを用いているため、光電変換効率としては、図１６の破線で示すように最大でも３０％程度しか得られない問題があった。これを補うために、太陽電池をスタック構造としたり、マルチ接合構造や互いにバンドギャップが異なる複数種の半導体を用いて太陽電池を構成したりする試み（非特許文献５参照。）もあるが、これらの太陽電池はいずれも大面積化が容易ではないという問題がある。理論的には、図１６に示すように、多くのバンドギャップを用いることで約７０％の高効率が得られることが期待されている（非特許文献６参照。）ものの、未だに実現されていないという問題があった。
【０００９】
また、従来の、一体型のマルチ接合太陽電池では、各接合が互いに直列接続となっているため、最小の容量の接合で光電流が制限されることから、多くのバンドギャップを用いているにもかかわらず、高い光電変換効率は得られていなかった。同時に、太陽電池の大面積化も、多数の格子定数の異なる半導体物質を基板上垂直方向に成長させているので、容易ではなかった。このため、このマルチ接合太陽電池の使用に際しては、光レンズを用いた太陽光の集束が必要であることから、砂漠などパラボラアンテナを設置できる大規模な土地などが必要であり、巨大なシステムが必要だった。
【００１０】
また、特許文献１〜５で提案された光電変換素子では、入射する光の進行方向と光の入射により生成されるキャリアの移動方向とは平行であるため、光吸収の最適化とキャリアの捕集の最適化との両立が困難である。また、特許文献２で提案されたニュークリアーバッテリーでは、発生する大多数のフォトンの進行方向と光の入射により生成されるキャリアの移動方向とは非直交的であり、特許文献６で提案された太陽電池構造でも、大多数の入射太陽光と光の入射により生成されるキャリアの移動方向とは非直交的であり、いずれも光吸収の最適化とキャリアの捕集の最適化との両立が困難である。
【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、究極的には理論最大効率に迫る極めて高い光電変換効率を得ることができ、しかも大面積化も極めて容易な光電変換素子を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、究極的には理論最大効率に迫る極めて高い光電変換効率を得ることができ、しかも例えば衣服に用いることで人間の体から輻射される赤外線により発電を行うことができる光電変換素子を提供することである。
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の発明は、
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明は、
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に最も高い光電変換効率を与える方向から入射する光について、上記光電変換素子に入射する上記光の進行方向と上記光電変換素子内のｐｎ接合面とが平行であることを特徴とするものである。
ここで、この光電変換素子においては、典型的には、ｐｎ接合面が光電変換素子の主面に沿った方向に複数、好適には少なくとも１０以上、より好適には１００以上、繰り返し配置される。
【００１４】
第３の発明は、
光電変換素子であって、
上記光電変換素子に垂直に入射する光の進行方向と上記光電変換素子内のｐ電極およびｎ電極とが平行であることを特徴とするものである。
ここで、この光電変換素子はｐｎ接合面を有し、そのｐ型半導体層にｐ電極がオーミック接触し、そのｎ型半導体層にｎ電極がオーミック接触している。
【００１５】
第４の発明は、
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に垂直なｐｎ接合面を有することを特徴とするものである。
ここで、典型的には、光電変換素子の主面に垂直なｐｎ接合面がこの主面に沿った方向に複数、好適には少なくとも１０以上、より好適には１００以上、繰り返し配置される。
【００１６】
第５の発明は、
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第１の導電型の第１の半導体層および第２の導電型の第２の半導体層により構成された接合を有することを特徴とするものである。
【００１７】
典型的には、光電変換素子の主面に沿った方向に第１の半導体層と接して配置された第１の電極および第２の半導体層と接して配置された第２の電極を有する。第１の半導体層および第２の半導体層を構成する半導体としては無機半導体、有機半導体のいずれを用いてもよく、単結晶、多結晶、アモルファス（非晶質）のいずれであってもよい。この光電変換素子はその主面に沿った方向に第１の半導体層と接して配置された第１の電極および第２の半導体層と接して配置された第２の電極を有する。例えば、第１の半導体層はｐ型半導体層、第２の半導体層はｎ型半導体層であり、これらのｐ型半導体層およびｎ型半導体層によりｐｎ接合が構成され、第１の電極はｐ電極（アノード電極）、第２の電極はｎ電極（カソード電極）である。第１の電極、第１の半導体層、第２の半導体層および第２の電極は、典型的には、所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されるが、これに限定されるものではない。光電変換素子（あるいは光電変換層）の全体形状は円形、三角形、四角形、六角形などの各種の形状の板状であってよい。光電変換素子（あるいは光電変換層）は、典型的には、主面に沿った方向に上記の接合を複数、好適には少なくとも１０以上、より好適には１００以上含む。これらの接合は互いに並列に接続してもよいし、直列に接続してもよい。これらの接合を互いに並列に接続した構造の一部を図１Ａ（光電変換層の主面に垂直方向から見た図）に示す。図１Ａにおいて、符号１はｐ型半導体層、２はｎ型半導体層、３はｐ電極、４はｎ電極を示す。このように接合を互いに並列に接続した場合には、この光電変換素子から大きな光電流を取り出すことができる。これらの接合を互いに直列に接続した構造の一部を図１Ｂ（光電変換層の主面に垂直方向から見た図）に示す。図１Ｂにおいて、ｐ電極３はｎ電極も兼用するものである。このように接合を互いに直列に接続した場合には、この光電変換素子から大きな光起電力を取り出すことができる。
【００１８】
第１の電極および第２の電極は、典型的には、それぞれ第１の半導体層および第２の半導体層と接した形でストリップ状またはリボン状に形成されるが、これらの第１の電極および第２の電極の少なくとも一方を、光電変換素子の主面に垂直な方向に延びる細いワイヤー状に形成してもよい。こうすることで、光電変換素子に入射する光が第１の電極および第２の電極により吸収される確率が大幅に減少し、入射光を有効に利用することができる。
【００１９】
典型的には、第１の半導体層および第２の半導体層は互いに同種の半導体からなり、第１の半導体層および第２の半導体層の、光電変換素子の主面に垂直な方向の厚さが、その半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光のその半導体中における吸収長以上である。こうすることで、この光の吸収量を十分に大きくすることが可能である。ここで、吸収長とは、入射光の強度が１／ｅ（ｅは自然対数の底）に減衰する深さである。
【００２０】
光電変換効率を理論最大効率に近づける観点より、好適には、第１の半導体層および第２の半導体層は光電変換素子に入射する光の進行方向に複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記の光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少している。この場合、典型的には、これらの部分の第１の半導体層および第２の半導体層は互いに同種の半導体からなる。第１の半導体層および第２の半導体層を上記のように分割することに応じて、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方も上記の各部分毎に分割して形成する。この場合、好適には、これらの複数の部分のそれぞれの部分の上記の光の進行方向の厚さがそのバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光のこの部分における吸収長以上である。こうすることで、光電変換素子に例えば太陽光が入射した場合、この太陽光はバンドギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、第１の半導体層および第２の半導体層の分割数および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。
【００２１】
第６の発明は、
全体として面状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の主面に沿った方向に順次配置された第１の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第２の電極とにより構成され、上記第１の電極および上記第２の電極は互いに仕事関数が異なる導電材料からなる接合を有することを特徴とするものである。
【００２２】
この接合は、互いに仕事関数が異なる導電材料からなる第１の電極および第２の電極の間に挟まれた真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト（unintentionally doped)半導体層からなると言い換えることもできる。これらの真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれであってもよい。第１の電極および第２の電極の導電材料の組み合わせとしては、例えば、ＩＴＯ／Ｍｇ、ＩＴＯ／Ａｌなどが挙げられる（非特許文献５参照。）。これらの第１の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第２の電極とは、典型的には、所定の中心の周りに渦巻き状または同心形状に形成されるが、これに限定されるものではない。光電変換素子は、典型的には、その主面に沿った方向に第１の電極と真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層と第２の電極とからなる接合を複数、好適には少なくとも１０以上、より好適には１００以上有する。この場合も、これらの接合は互いに並列に接続してもよいし、直列に接続してもよい。
【００２３】
第１の電極および第２の電極は、典型的には、ストリップ状またはリボン状に形成されるが、これらの第１の電極および第２の電極の少なくとも一方を、光電変換素子の主面に垂直な方向に延びる細いワイヤー状に形成してもよい。このワイヤー状の第１の電極または第２の電極の太さは、例えば、入射光の波長と同程度またはそれ以下とする。こうすることで、光電変換素子に入射する光が第１の電極および第２の電極により吸収される確率が大幅に減少し、入射光を有効に利用することができる。
【００２４】
典型的には、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層の、上記主面に垂直な方向の厚さが、これらの真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光のその半導体中における吸収長以上である。
光電変換効率を理論最大効率に近づける観点より、好適には、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層は光電変換素子に入射する光の進行方向に複数の部分に分割され、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップは上記の光の入射進行に沿って手前から奥側に段階的に減少している。この場合、好適には、これらの複数の部分のそれぞれの部分の上記の光の進行方向の厚さがそのバンドギャップエネルギーと等しいエネルギーを有する光のその部分における吸収長以上である。こうすることで、光電変換素子に例えば太陽光が入射した場合、この太陽光はバンドギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層の分割数および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。
【００２５】
光電変換素子（あるいは光電変換層）の厚さは、必要に応じて選ばれるが、一般的には１μｍ以上１ｍｍ以下である。また、第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層、アンインテンショナリードープト半導体層、第１の電極および第２の電極の厚さは、必要に応じて選ばれるが、第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層およびアンインテンショナリードープト半導体層の厚さは一般的には第１の電極および第２の電極の厚さの１倍以上、典型的には１０倍以上である。具体的には、第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層およびアンインテンショナリードープト半導体層の厚さは一般的には１０ｎｍ以上１０μｍ以下、第１の電極および第２の電極の厚さは一般的には１０ｎｍ以上１μｍ以下である。第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層およびアンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体としては、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＳｉやＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体、Ｓｉx Ｇｅy Ｓｎ1-x-y Ｏなどを用いることができる。さらに、第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層およびアンインテンショナリードープト半導体層は、これらの半導体からなる微粒子により構成することもできる。第１の半導体層、第２の半導体層、真性半導体層、ノンドープ半導体層およびアンインテンショナリードープト半導体層を構成する半導体として有機半導体を用いる場合、この有機半導体は一般的にはヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造を有する。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体においては、ｐ型有機半導体およびｎ型有機半導体を、それぞれｐ電極およびｎ電極と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体は、ｐ型有機半導体分子とｎ型有機半導体分子との混合物からなり、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。有機半導体の材料としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ポリアセチレン（好ましくは二置換型ポリアセチレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリアニリン、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン）（ＰＤＡＦ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）、ポリ（１−ヘキシル−２−フェニルアセチレン）（ＰＨX ＰＡ）（発光材料としては青色の発光を示す）、ポリ（ジフェニルアセチレン）誘導体（ＰＤＰＡ−n Ｂｕ）（発光材料としては緑色の発光を示す）、ポリ（ピリジン）（ＰＰｙ）、ポリ（ピリジルビニレン）（ＰＰｙＶ）、シアノ置換型ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＣＮＰＰＶ）、ポリ（３，９−ジ−tert−ブチルインデノ［１，２−ｂ］フルオレン（ＰＩＦ）などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ）を用いる���とができ、アクセプタとしてはハロゲン類（Ｂｒ2 、Ｉ2 、ＣＩ2 ）、ルイス酸（ＢＦ3 、ＰＦ5 、ＡｓＦ5 、ＳｂＦ5 、ＳＯ3 ）、遷移金属ハロゲン化物（ＦｅＣｌ3 、ＭｏＣｌ5 、ＷＣｌ5 、ＳｎＣｌ4 ）、有機アクセプタ分子としてはＴＣＮＥ、ＴＣＮＱを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン（ＴＥＡ+ ）、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ+ ）、Ｌｉ+ 、Ｎａ+ 、Ｋ+ 、陰イオンとしてはＣｌＯ4 - 、ＢＦ4 - 、ＰＦ6 - 、ＡｓＦ6 - 、ＳｂＦ6 - などを用いることができる。有機半導体としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ（チオフェン−３−酢酸）、サルフォネートポリスチレン、ポリ（３−チオフェンアルカンサルフォネート）など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）前躯体高分子、ポリ（ｐ−メチルピリジニウムビニレン）、プロトン化ポリ（ｐ−ピリジルビニレン）、ポロトン（２−Ｎ−メチルピリジニウムアセチレン）などを用いることができる。第１の電極および第２の電極としては、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属のほか、ＩＴＯなどの各種の導電性酸化物などを用いることができる。
第５および第６の発明に関連して説明したことは、その性質に反しない限り、第１〜第４の発明においても同様に成立する。
第１〜第６の発明による光電変換素子は繊維状構造体に用いることができる。具体的には、この繊維状構造体は、その構造の少なくとも一部にこれらの光電変換素子の構造あるいは断面構造を有する。この繊維状構造体を用いて例えば織物、布地、壁紙材料などを作ることができる。
【００２６】
第７の発明は、
全体として矩形の断面形状を有する繊維状の光電変換素子であって、
上記光電変換素子の少なくとも一側面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により上記光電変換素子内の光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であることを特徴とするものである。
【００２７】
繊維状の光電変換素子（あるいは光電変換層）の太さは必要に応じて選ばれ、この繊維状の光電変換素子からなる繊維状構造体を用いて織物あるいは布地を作り、これを用いて例えば衣服を作る場合には一般的には０．１〜１ｍｍ、例えば壁紙を作る場合には一般的に０．１〜５ｍｍであるが、これに限定されるものではない。
第７の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第６の発明に関連して説明したことが成立する。
第１〜第７の発明において、光電変換素子には、太陽電池のほか、光センサーなども含まれる。また、必要に応じて、第１〜第７の発明に係る光電変換素子を複数組み合わせてモジュール化あるいはシステム化してもよい。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、全体として面状の光電変換素子の主面あるいは繊維状の光電変換素子の少なくとも一側面に垂直に入射する光の進行方向に対して、この光の入射により光電変換層中に生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直であるので、光電変換層の厚さの最大化による光の吸収量の最大化と電極間距離の最小化とを両立させることができ、光電変換効率の大幅な向上を図ることができる。特に、第１の半導体層および第２の半導体層あるいは真性半導体層、ノンドープ半導体層もしくはアンインテンショナリードープト半導体層に入射する光の進行方向に複数の部分に分割し、これらの部分を構成する半導体のバンドギャップをこの光の進行方向に沿って手前から奥側に段階的に減少させることにより、分割数および使用する半導体の種類の選択次第で、太陽光スペクトルの主要部あるいは全部の波長の光を吸収して光電変換することができ、究極的には理論最大効率に迫る光電変換効率を得ることができる。また、この光電変換素子は、半導体材料と導電材料とを用いて例えばロールツーロールプロセスで容易に作製することができるため、大面積化も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図２ＡおよびＢはこの発明の第１の実施形態による太陽電池を示す。ここで、図２Ａは上面図（平面図）、図２Ｂはこの太陽電池の直径方向の断面図である。図２ＡおよびＢに示すように、この太陽電池は、ｐ電極１１とｎ電極１２とが、それらの間にｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合を挟んで渦巻き状に形成されたもので、全体として円形の面状の形状（薄い円板形状）を有する。この場合、ｐ電極１１の外側および内側ともｐ型半導体層１３、ｎ電極１２の外側および内側ともｎ型半導体層１４になっており、この太陽電池は動径方向で見るとｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合が並列接続された構造を有する。
【００３０】
これらのｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体は、無機半導体、有機半導体のいずれであってもよく、例えばすでに挙げたものの中から使用したいバンドギャップを有するものを選ぶことができ、その形態も単結晶、多結晶、アモルファスのいずれであってもよい。また、これらのｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体としては互いに同種のものが用いられる。
ｐ電極１１およびｎ電極１２はそれぞれｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４とオーミック接触する導電材料により構成される。
【００３１】
この太陽電池の各部の寸法の例を挙げると、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の厚さはそれぞれ７０〜１００ｎｍ、ｐ電極１１およびｎ電極１２の厚さはそれぞれ１００ｎｍ程度である。この円板状の太陽電池の厚さは、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を構成する半導体のバンドギャップと等しいエネルギーの光のこの半導体における吸収長以上に選ばれ、具体的には１μｍ〜１ｍｍ程度に選ばれる。こうすることで、この光をｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４でほぼ完全に吸収することができる。
【００３２】
次に、この太陽電池の製造方法の一例について説明する。図３はこの太陽電池をロールツーロールプロセスで製造するのに用いる製造装置を示す。ここでは、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４を半導体微粒子を用いて形成する場合について説明するが、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の形成方法はこれに限定されるものではない。
図３に示すように、例えば所定幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム２１の一方の面にあらかじめｐ電極１１を形成したものと、これと同じ幅の薄い平坦なテープ状の樹脂製ベースフィルム２２の一方の面にあらかじめｎ電極１２を形成したものとを用意する。これらの樹脂製ベースフィルム２１、２２は一般的には図示省略したローラに巻き付けられた状態で用意されるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
樹脂製ベースフィルム２１上にｐ電極１１を形成したものをローラー２３の回転により送りながら、ローラー２４の表面にあらかじめ塗布されたｐ型半導体材料としての半導体微粒子を含む溶液を塗布することで、このｐ電極１１上にｐ型半導体層１３を形成する。一方、樹脂製ベースフィルム２２上にｎ電極１２を形成したものをローラー２５の回転により送りながら、ローラー２６の表面にあらかじめ塗布されたｐ型半導体材料としての半導体微粒子を含む溶液を塗布することで、このｎ電極１２上にｎ型半導体層１４を形成する。こうして樹脂製ベースフィルム２１上に形成されたｐ型半導体層１３と樹脂製ベースフィルム２２上に形成されたｎ型半導体層１４とはローラー２３とローラー２５との間で互いに接触して接合される。樹脂製ベースフィルム２１はローラー２３を離れた後、ローラー２３の中心とローラー２５との中心とを結ぶ直線に対して垂直な方向より鋭角な方向に引っ張られるようになっている。このため、樹脂製ベースフィルム２１がローラー２３を離れた直後にｐ電極１３からこの樹脂製ベースフィルム２１が剥がされる。こうして、樹脂製ベースフィルム２２上にｎ電極１２、ｎ型半導体層１４、ｐ型半導体層１３およびｐ電極１１が順次形成されたものの最上層のｐ電極１１上に、ローラー２７の表面にあらかじめ塗布されたｐ型半導体材料としての半導体微粒子を含む溶液を塗布することでｐ型半導体層１３を形成する。続いて、このｐ型半導体層１３上に、ローラー２８の表面にあらかじめ塗布されたｎ型半導体材料としての半導体微粒子を含む溶液を塗布することで、このｎ電極１２上にｎ型半導体層１４を形成する。樹脂製ベースフィルム２２はローラー２９によりさらに送られるが、この樹脂製ベースフィルム２２はローラー２９を離れた後、ローラー２７、２８、２９による送り方向からそれる方向に引っ張られるようになっている。このため、樹脂製ベースフィルム２２がローラー２９を離れた直後にｎ電極１２からこの樹脂製ベースフィルム２２が剥がされる。こうして、ｎ電極１２／ｎ型半導体層１４／ｐ型半導体層１３／ｐ電極１１／ｐ型半導体層１３／ｎ電極１２からなる積層構造を有するテープが形成される。こうして形成されたテープはローラー３０で巻き取られる。
以上のようにして、図２ＡおよびＢに示す目的とする太陽電池が製造される。
【００３４】
この第１の実施形態によれば、ｐ電極１１とｎ電極１２とが間にｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４をはさんで渦巻き状に形成されて円形の面状（薄い円板状）に太陽電池が構成されており、この太陽電池の主面に垂直に入射する光の進行方向に対して、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合に光が入射することにより生成されるキャリアの正味の移動方向が垂直になっているため、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４からなるｐｎ接合による光の吸収量の増大とｐ電極１１およびｎ電極１２によるキャリアの収集効率の増大とを両立させることができる。そして、この太陽電池では、単位面積当たりのｐｎ接合の面積が極めて大きいため、この太陽電池の主面に垂直方向に光を入射させたとき、ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４の光吸収領域を増大させることができる。このため、光電変換効率が高く、しかもフレキシブルな太陽電池を実現することができる。
【００３５】
また、図３において、例えばローラー２６がｎ型半導体層１４を、ローラー２７がｐ型半導体層１３を形成したとして、ローラー２７とローラー２８とで塗布する半導体層の極性を互いに逆にするようにしてもよい。こうすることで、図１Ｂに示した多重直列（高電圧）構造（すなわち、ｎ電極１２またはｐ電極１１の上下の半導体層の極性が互いに異なる場合）と図１Ｂに示した並列（大容量）構造（すなわち、ｎ電極１２またはｐ電極１１の上下の半導体層の極性が互いに等しい場合）とを極めて容易に作り分けることができる。さらに、多重直列（高電圧）構造は、人体など環境温度よりは温度が高いものの相対的には温度の高くない物体からの黒体輻射を光電変換する際に使いやすい電圧にすることができるという点で、極めて有効となる。
【００３６】
次に、この発明の第２の実施形態による太陽電池について説明する。第１の実施形態による太陽電池が単一のバンドギャップを利用するものであるのに対し、この太陽電池では複数のバンドギャップを利用する。
この太陽電池の平面形状は図２に示す太陽電池と同様である。図４にこの太陽電池の詳細構造を模式的に示す。図４において、ｐ電極１１とｎ電極１２とが背中合わせになる部位には樹脂などの各種の絶縁体からなるテープ４１が設けられており、このテープ４１によりｐ電極１１とｎ電極１２とが互いに電気的に絶縁されている。この場合、ｎ電極１２は全面電極であり、ｎ型半導体層１４とオーミック接触しているのに対し、ｐ電極１１は円板の厚さ（Ｗ）方向に互いに分離された細長いｎ個の微小ｐ電極１１−１〜１１−ｎからなる。これらの微小ｐ電極１１−１〜１１−ｎの幅はそれぞれＷ1 、Ｗ2 、…、Ｗn であり、これらは互いに同一であっても異なっていてもよい。符号４２は芯材を示す。
【００３７】
ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のバンドギャップＥg は、光入射面から円板の厚さ方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、光入射面側から順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。ｐ型半導体層１３およびｎ型半導体層１４のうちのバンドギャップＥg がＥgk（１≦ｋ≦ｎ）の領域をＥgk領域と呼ぶ。このＥgk領域のｐ型半導体層１３と微小ｐ側電極１１−ｋとがオーミック接触している。これらのＥgk領域は一体になっていても互いに分離されていてもよい。微小ｐ電極１１−ｋとｎ電極１２との間にＥgk領域が挟まれた構造が微小太陽電池を構成し、ｎ電極１２を共通電極としたこれらのｎ個の微小太陽電池によりこの太陽電池が構成されている。
【００３８】
Ｅgkは次のように設定することができる。例えば、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲（入射エネルギーが高い部分を含む範囲）において、波長をｎ個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側（高エネルギー側）から順に１、２、…、ｎというように番号を付け、ｋ番目の区間の最小光子エネルギーに等しくＥgkを選ぶ。こうすることで、ｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子がＥgk領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Ｅgk領域に到達して十分に吸収されるように、光入射面からこのＥgk領域までの深さを選ぶ。これによって、この太陽電池の光入射面に入射する太陽光は、まずＥg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてＥg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg2以上でＥg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にＥgn領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥgn以上でＥgn-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、太陽光スペクトルのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。
【００３９】
Ｅgkの理想的な設定例について説明する。図１５にＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子密度ｎphと光子エネルギーｈνとの関係を示す。ここでは、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーをエネルギー幅Δの１０個の区間に等分するものとする。この場合の理論最大光電変換効率は約７０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の倍以上である。
【００４０】
各Ｅgkの設定は、各Ｅgk領域を構成する半導体の組成を変えることにより行うことができる。具体的には、各Ｅgk領域を別種の半導体により構成する。無機半導体を用いる場合について具体例をいくつか挙げると次のとおりである。ｎ＝２の最も簡単な場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＧｅ（Ｅg ＝０．７６ｅＶ）により構成する。また、ｎ＝５の場合には、例えば、Ｅg1領域を直径１．９ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長４４５ｎｍ）、Ｅg2領域を直径４．０ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長５８５ｎｍ）、Ｅg3領域を直径２ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長８００ｎｍ）、Ｅg4領域を直径４．５ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長１１００ｎｍ）、Ｅg5領域を直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）により構成する。さらに、ＧａＩｎＮx Ａｓ1-x やＧａＩｎＮx Ｐ1-x を用いてｘの制御だけでｎ〜１０の場合のＥgk領域を構成することも可能である。加えて、Ｔｅを含ませると大きなボウイング（bowing）を示すことが知られているＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてＥgk領域を構成してもよい。
【００４１】
この太陽電池の製造方法は、基本的には第１の実施形態と同様な製造方法を用いることができる。ただし、この場合、樹脂テープ２１を剥離しない。バンドギャップが異なる半導体の各部を形成するには、例えば、半導体微粒子を塗布形成する。この塗布には、各種の方法を用いることができ、具体的には、例えばインクジェットプリンタなどを用いることができ、この方法で例えば１００μｍ以下の幅で半導体ストライプを容易に形成することができる。より狭い幅、例えば幅数μｍ程度の半導体ストライプを塗布形成する方法としては、次のような方法がある。
【００４２】
図５Ａ〜Ｄはこの半導体ストライプの塗布形成に用いる塗布装置、特にノズル部を模式的に示し、図５Ａは上面図、図５Ｂは下面図、図５Ｃは図５ＡのＣ−Ｃ線に沿っての断面図、図５Ｄは図５ＤのＤ−Ｄ線に沿っての断面図である。ここでは、５種類の半導体ストライプを塗布形成する場合について説明するが、これに限定されるものではない。
図４Ａ〜Ｄに示すように、この塗布装置のノズル４３は、上面４３ａから下面４３ｂに貫通した５個の開口部４４〜４７を有する。これらの開口部４４〜４７は矩形の断面形状を有し、先端部（下面４３ｂ側の部分）に向かって先すぼまりの形状を有する。これらの開口部４４〜４７の内部には図示省略した塗布液供給機構により塗布液が供給され、この開口部４４〜４７の先端から外部に塗布液が吐出されるようになっている。開口部４４〜４７の先端の矩形の辺の長さａ、ｂは形成しようとする半導体ストライプの幅に応じて決められるが、例えば１〜１０μｍ程度であり、開口部４４〜４７の間隔ｃも例えばこれと同程度とすることができる。
【００４３】
一例として、このノズル４３を用いてｎ側電極１２上にｎ型半導体ストライプを形成する方法について説明する。なお、ｐ型半導体ストライプや金属ストライプも同様に形成することができる。
開口部４４〜４７の内部に例えばそれぞれバンドギャップがＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4、Ｅg5（Ｅg1＞Ｅg2＞Ｅg3＞Ｅg4＞Ｅg5）の半導体材料を溶媒に溶かした塗布液を入れる。そして、ノズル４３の下面４３ａをテープ４１に近接させ、テープ４１を長手方向に送りながら、塗布液に上から圧力を加えることで開口部４４〜４７の先端から外部に塗布液を吐出する。こうすることで、テープ４１上に、バンドギャップがそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4、Ｅg5のｎ型半導体層１４−１、１４−２、１４−３、１４−４、１４−５を形成する。例えば、バンドギャップがＥg1の材料として直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）、バンドギャップがＥg2の材料として直径４．０ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長５８５ｎｍ）、バンドギャップがＥg3の材料として直径２ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長８００ｎｍ）、バンドギャップがＥg4の材料として直径４．５ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長１１００ｎｍ）、バンドギャップがＥg5の材料として直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）を用いる。
【００４４】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、例えば従来のアモルファスＳｉ太陽電池では太陽光スペクトルのうち光子エネルギーが１．１２ｅＶより小さい波長の光は利用することができないのに対し、この第２の実施形態によれば、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができる。
【００４５】
次に、この発明の第３の実施形態による太陽電池について説明する。
この太陽電池においては、第１または第２の実施形態による太陽電池における薄膜状のｐ電極１１およびｎ電極１２の代わりに、金属などの導電材料からなるワイヤーを用いる。図８にこの太陽電池の一部の平面図を示す。図８に示すように、この場合、太陽電池の主面に垂直な方向に互いに平行に延びる多数のワイヤー５１によりｐ電極１１が形成されており、同じく太陽電池の主面に垂直な方向に互いに平行に延びる多数のワイヤー５２によりｎ電極１２が形成されている。
この第３の実施形態によれば、第１または第２の実施形態と同様な利点に加えて、それぞれワイヤー５１、５２によりｐ電極１１およびｎ電極１２が形成されていることにより、太陽電池に入射する光がこれらのｐ電極１１およびｎ電極１２により吸収される確率が大幅に低減し、入射光を極めて有効に利用することができるという利点を得ることができる。
【００４６】
次に、この発明の第４の実施形態による光電変換素子について説明する。
図９はこの光電変換素子を示す。図９に示すように、この光電変換素子６１は、矩形の断面形状を有する繊維状の形状を有するものである。この光電変換素子６１の断面の一辺の長さは例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、長さは必要に応じて選ばれる。この光電変換素子６１は、例えば、第１または第２の実施形態による製造方法により、第１または第２の実施形態による太陽電池における接合と同様な接合６２（詳細構造は省略するが、図９Ｂに示す断面６３は、例えば、図４に示されたテープ状構造のエッジのような構造を持つ）を例えば１０〜１００周期繰り返し積層したものを形成し、これを長手方向に例えばストライプ状に切断することにより製造することができるが、これに限定されるものではなく、他の方法により製造してもよい。
この繊維状の形状を有する光電変換素子６１、すなわち光電変換機能を有する繊維状構造体を用いて織物や布地を作ることができ、これを用いて衣服を作ることができる。一例を図１０に示す。図１０に示すように、この光電変換機能を有する繊維状構造体７８を横糸および縦糸に用いて衣服を作ることができる。符号７９はこの繊維状構造体７８の断面を示す。人がこの衣服を着た場合、体から外部に輻射される赤外線がこの繊維状構造体７８に入射して光電変換が行われることにより、発電を行うことが可能である。人の体温は概ね３６℃程度であるから、人の体の表面からは波長約５〜１０μｍの赤外線が輻射され、そのパワーは５０Ｗ程度であり、最大で約１．５Ｗの発電が可能である。
また、この繊維状構造体７８よりなる織物あるいは壁紙材料を屋根裏部屋やボイラー横など高温の黒体輻射源の近傍に、この黒体輻射源とできるだけ温度差が大きいように、かつこの黒体輻射源と温度平衡に至らないように、張ることにより、効率よく黒体輻射を電気エネルギーに変換することができる。
【００４７】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
図１１〜図１４はこの太陽電池の製造方法を示す。ここでは、バンドギャップがＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4、Ｅg5、Ｅg6（Ｅg1＞Ｅg2＞Ｅg3＞Ｅg4＞Ｅg5＞Ｅg6）の６種類のバルクヘテロジャンクション型有機半導体を用いた太陽電池を製造する場合について説明するが、これに限定されるものではない。
図１１Ａに示すように、まず、基板７１を用意する。
次に、図１１Ｂに示すように、基板７１の全面にバンドギャップがＥg6の有機半導体層７２を塗布形成する。同様にして、図１１Ｃに示すように、バンドギャップがＥg5の有機半導体層７３、バンドギャップがＥg4の有機半導体層７４、バンドギャップがＥg3の有機半導体層７５、バンドギャップがＥg2の有機半導体層７６およびバンドギャップがＥg1の有機半導体層７７を順次塗布形成する。
【００４８】
次に、図１２Ａに示すように、有機半導体層７７の上方から、円板１１ａの一方の主面に多数の針状部１１ｂが立設された構造を有するｐ電極１１をＩＴＯなどの透明導電材料により形成したものを矢印で示すように近づけ、最終的に図１２Ｂに示すように、針状部１１ｂを有機半導体層７２〜７７に突き通すとともに、円板１１ａを有機半導体層７７に密着させる。
【００４９】
次に、図１３Ａに示すように、基板７１を有機半導体層７２から剥離する。この状態を図１３Ｂに示す。
次に、図１４Ａに示すように、有機半導体層７２の下方から、円板１２ａの一方の主面に多数の針状部１２ｂが立設された構造を有するｎ電極１２を金属などの導電材料により形成したものを矢印で示すように近づけ、最終的に図１４Ｂに示すように、針状部１２ｂを有機半導体層７２〜７７に突き通すとともに、円板１２ａを有機半導体層７２に密着させる。
【００５０】
この第５の実施形態によれば、Ｅgk領域の設計により、太陽光スペクトルの全部または主要部の光を光電変換に利用することができ、光電変換効率の飛躍的な向上を図ることができるとともに、ｐ電極１１は透明に構成され、しかもｎ電極１２の針状部１２ｂは第３の実施形態と同様にワイヤー状に形成されていることにより、太陽電池に入射する光がこれらのｐ電極１１およびｎ電極１２により吸収されることがほとんどなく、入射光を極めて有効に利用することができるという利点を得ることができる。また、この太陽電池は上記のように極めて簡単に製造することができる。
【００５１】
次に、この発明の第６の実施形態による太陽電池について説明する。
この第６の実施形態による太陽電池においては、第２の実施形態におけるｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１４とからなるｐｎ接合の代わりに、真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層を互いに仕事関数が異なる２種類の導電材料からなるアノード電極およびカソード電極（第１の電極および第２の電極）で挟んだ接合を用いる。その他のことは第２の実施形態による太陽電池と同様である。
この太陽電池では、図４に示す構造は、アノード電極、カソード電極ともに、全面に形成された単一平面電極、あるいは図８に断面構造を示すようなマルチワイヤー電極を用いることができ、簡単化できる。さらに、出力電圧は上記の２種の導電材料の仕事関数の差で与えられ、間に挟まれる真性半導体層、ノンドープ半導体層またはアンインテンショナリードープト半導体層のバンドギャップによらないので、光の吸収は太陽光の全スペクトル幅に広げつつ、かつ出力電圧は、これらの半導体層のバンドギャップによらず一定ということで極めて使い勝手の良い高効率な太陽電池が簡便かつ低コストで得られる。
【００５２】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。必要に応じて、上述の実施形態の二以上を組み合わせてもよい。
また、例えば、図４の構造において２層構造をとり、上方に紫外線を光電変換する半導体層として例えばＧａＩｎＮ層（厚さＷ1 ）を、下方に紫外線より長波長の光を光電変換する半導体層としてアモルファスシリコン層（厚さＷ2 ）を配置することにより、トータルの光電変換効率を高めつつ、かつ同時に光劣化の大きいアモルファスシリコン層を高い信頼性で用いることができる。また、アモルファスシリコンの代わりに、太陽光下での劣化が激しいとされる有機半導体材料を用いる場合についても全く同様に上述の手法を用いることができる。
また、第１、第２、第３、第５または第６の実施形態による太陽電池（より一般的には光電変換素子）を複数敷き詰めて太陽電池システム（光電変換システム）を構成してもよい。これらの太陽電池は直列または並列に接続することができる。太陽電池を六角形の面状に形成することにより、この六角形の形状を有する太陽電池を隙間なく一面に敷き詰めて太陽電池システムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明を説明するための平面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による太陽電池を示す平面図および断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態による太陽電池を示す斜視図である。
【図５】この発明の第２の実施形態による太陽電池の製造方法に用いられる塗布装置のノズルを示す上面図、下面図および断面図である。
【図６】この発明の第２の実施形態による太陽電池の製造方法における半導体ストライプの形成方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の第２の実施形態による太陽電池の製造方法における半導体ストライプの形成方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の第３の実施形態による太陽電池を示す平面図である。
【図９】この発明の第４の実施形態による光電変換素子を示す側面図および斜視図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態による光電変換素子からなる繊維状構造体を用いて作られた衣服を示す略線図である。
【図１１】この発明の第５の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１２】この発明の第５の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１５】従来の太陽電池を示す断面図である。
【図１６】光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、１３…ｐ型半導体層、２、１４…ｎ型半導体層、３、１１…ｐ電極、４、１２…ｎ電極、２１、２２…樹脂テープ、４１…テープ、４３…ノズル、４４〜４８…開口部、５１、５２…ワイヤー、６１…太陽電池、７１…基板、７２〜７７…有機半導体層、７８…繊維状構造体、７９…断面
【図１】
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【図２】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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