(57)【要約】【課題】光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供する。【解決手段】ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設された混合ｐｎ材料層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、該混合ｐｎ材料層は、少なくとも一部がｐ層に接触しているｐ型半導体材料と、少なくとも一部がｎ層に接触しているｎ型半導体材料と、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料に接触しているキャリア生成物質とを有し、該キャリア生成物質は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部と、該キャリア発生部で生成された電子及び正孔のうち、特定のエネルギーを有する電子及び正孔の通過を許容するキャリア選択移動部とを有し、該キャリア選択移動部は、キャリア発生部の表面を覆うように配置され、キャリア発生部側から外側に向かって順に配置された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有する、光電変換素子とする。【選択図】図１
2013026493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設された混合ｐｎ材料層、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
前記混合ｐｎ材料層は、少なくとも一部が前記ｐ層に接触しているｐ型半導体材料又は複数のｐ型半導体材料の接触を介して前記ｐ層に接触するｐ型半導体材料と、少なくとも一部が前記ｎ層に接触しているｎ型半導体材料又は複数のｎ型半導体材料の接触を介して前記ｎ層に接触するｎ型半導体材料と、前記ｐ型半導体材料及び前記ｎ型半導体材料に接触しているキャリア生成物質と、を有し、
前記キャリア生成物質は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部と、該キャリア発生部で生成された前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギーを有する前記電子及び前記正孔の通過を許容するキャリア選択移動部と、を有し、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部の表面を覆うように配置され、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部側から外側に向かって順に配置された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有することを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記キャリア生成物質の形状が、粒子状又は線状であることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１、Ｅｃ１、及び、Ｅｖ１とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ２、Ｅｃ２、及び、Ｅｖ２とし、
前記ｐ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ３、Ｅｃ３、及び、Ｅｖ３とし、
前記ｎ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ４、Ｅｃ４、及び、Ｅｖ４とするとき、
Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３、且つ、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ４、且つ、Ｅｃ１≦Ｅｃ４≦Ｅｃ２＜Ｅｃ３、且つ、Ｅｖ４＜Ｅｖ２≦Ｅｖ３≦Ｅｖ１であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ５、Ｅｃ５、及び、Ｅｖ５とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ６、Ｅｃ６、及び、Ｅｖ６とし、
前記ｐ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ７、Ｅｃ７、及び、Ｅｖ７とし、
前記ｎ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ８、Ｅｃ８、及び、Ｅｖ８とするとき、
Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ７、且つ、Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ８、且つ、Ｅｃ５≦Ｅｃ８≦Ｅｃ６＜Ｅｃ７、且つ、Ｅｖ８＜Ｅｖ５≦Ｅｖ６≦Ｅｖ７であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
ｐ層及びｎ層、前記ｐ層と前記ｎ層との間に配設されたキャリア生成膜、前記ｐ層に接続された第１電極、並びに、前記ｎ層に接続された第２電極を備え、
前記キャリア生成膜は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部と、該キャリア発生部で生成された前記電子及び前記正孔のうち、特定のエネルギーを有する前記電子及び前記正孔の通過を許容するキャリア選択移動部と、を有し、
前記キャリア発生部は、一対の前記キャリア選択移動部の間に配設され、
前記キャリア選択移動部は、前記キャリア発生部側から外側に向かって順に積層された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有し、
前記ｐ層及び前記ｎ層が複数備えられ、
少なくとも複数の前記ｐ層に接続された正孔移動部、及び、少なくとも複数の前記ｎ層に接続された電子移動部が、前記キャリア生成膜の側面に設けられていることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項６】
前記キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１１、Ｅｃ１１、及び、Ｅｖ１１とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１２、Ｅｃ１２、及び、Ｅｖ１２とし、
前記ｐ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１３、Ｅｃ１３、及び、Ｅｖ１３とし、
前記ｎ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１４、Ｅｃ１４、及び、Ｅｖ１４とするとき、
Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１３、且つ、Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１４、且つ、Ｅｃ１１≦Ｅｃ１４≦Ｅｃ１２＜Ｅｃ１３、且つ、Ｅｖ１４＜Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３≦Ｅｖ１１であることを特徴とする、請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１５、Ｅｃ１５、及び、Ｅｖ１５とし、
前記キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１６、Ｅｃ１６、及び、Ｅｖ１６とし、
前記ｐ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１７、Ｅｃ１７、及び、Ｅｖ１７とし、
前記ｎ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１８、Ｅｃ１８、及び、Ｅｖ１８とするとき、
Ｅｇ１５＜Ｅｇ１６＜Ｅｇ１７、且つ、Ｅｇ１５＜Ｅｇ１６＜Ｅｇ１８、且つ、Ｅｃ１５≦Ｅｃ１８≦Ｅｃ１６＜Ｅｃ１７、且つ、Ｅｖ１８＜Ｅｖ１５≦Ｅｖ１６≦Ｅｖ１７であることを特徴とする、請求項５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、光電変換素子に関し、特に、波長変換機構を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光エネルギーを直接電力に変換できる太陽電池は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。太陽電池設置面積は限られているため、より多くの電力を得るためには光電変換効率を向上させる必要があり、素子構造や作製工程の最適化、主要な材料であるＳｉの高品質化等の開発が進展している。
【０００３】
このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、光吸収層を構成する半導体のバンドギャップよりも高エネルギーの光を用いて生成されたキャリア（電子及び正孔。以下において同じ。）のエネルギー損失を減少させるため、光吸収層において、キャリア間のエネルギー相互作用（授受）を促進し、高いエネルギーを有する電子を取り出すホットキャリア型と呼ばれる形態の太陽電池に関する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比を０．０５〜０．１５の範囲内にした、多接合太陽電池に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５９９１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ホットキャリア型において高い光電変換効率を得るためには、キャリア間のエネルギー相互作用（授受）を促進し、且つ、高いエネルギーを保ったまま光吸収層から電極までキャリアを移動させる必要がある。このためには、例えば１ｎｓ以上のホットキャリア寿命が必要になると考えられるが、現状の半導体材料におけるホットキャリア寿命は数ｐｓ以上数百ｐｓ以下程度に留まっている。そのため、特許文献１に開示されている技術を用いても、光電変換効率を高める効果は不十分になりやすかった。また、特許文献２に開示されている多接合型では太陽光に含まれる幅広い波長領域の光を吸収できるため、光電変換効率を高めることも可能になると考えられる。しかしながら、多接合型では、接合数の増加により、キャリアを消滅させ光電変換効率低下の原因となる欠陥密度が高い半導体界面の数が増加する。また、高価なＩＩＩ−Ｖ化合物材料を多種類用いる必要が生じ、製造工程が増加するためコストが増大しやすいといった課題を有していた。すなわち、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術を組み合わせたとしても、コストの増大を抑制しつつ光電変換効率を高めることは困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設された混合ｐｎ材料層、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、混合ｐｎ材料層は、少なくとも一部がｐ層に接触しているｐ型半導体材料又は複数のｐ型半導体材料の接触を介してｐ層に接触するｐ型半導体材料と、少なくとも一部がｎ層に接触しているｎ型半導体材料又は複数のｎ型半導体材料の接触を介してｎ層に接触するｎ型半導体材料と、ｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料に接触しているキャリア生成物質と、を有し、該キャリア生成物質は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部と、該キャリア発生部で生成された電子及び正孔のうち、特定のエネルギーを有する電子及び正孔の通過を許容するキャリア選択移動部と、を有し、該キャリア選択移動部は、キャリア発生部の表面を覆うように配置され、キャリア選択移動部は、キャリア発生部側から外側に向かって順に配置された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有することを特徴とする、光電変換素子である。
【０００８】
本発明の第１の態様及び後述する本発明の他の態様（以下において、単に「本発明」という。）において、「光」とは、例えば太陽光のような、複数色光をいう。また、本発明において、「光電変換素子」とは、太陽電池のほか、光検出素子等も含む概念である。以下の説明において、複数色光を単に「光」ということがある。
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる光電変換素子では、キャリア生成物質に光を吸収させることにより電子及び正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を生成する。生成されたキャリアは、キャリア発生部で生成されたホットキャリア（キャリア発生部の伝導帯下端よりも高エネルギーの電子、及び、キャリア発生部の価電子帯上端よりも高エネルギーの正孔をいう。以下において同じ。）のうち、特定のエネルギーを有するホットキャリアの通過を許容するキャリア選択移動部を経由して、正孔はｐ型半導体材料へ、電子はｎ型半導体材料へと達する。本発明の第１の態様にかかる光電変換素子では、ホットキャリア機構を活かして、幅広い波長領域を有する光から有効にキャリアを生成することができる。そして、例えば、キャリア発生部、キャリア選択移動部、ｐ型半導体材料、及び、ｎ型半導体材料の材料選択等を工夫することにより、ホットキャリアの状態で移動する距離を従来の太陽電池よりも短縮することができる。例えば、キャリア発生部の大きさを２０ｎｍ以下にすると、ホットキャリアの移動距離を１０ｎｍ以下にすることが可能になり、ホットキャリアの移動距離を従来のホットキャリア型太陽電池よりも大幅に短縮することができる。ホットキャリアの移動距離を低減することにより、エネルギー損失を低減することが可能になるので、光電変換効率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第１の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。
【００１０】
また、上記本発明の第１の態様において、キャリア生成物質の形状が、粒子状又は線状であることが好ましい。かかる形状とすることにより、特定のエネルギーを有するホットキャリアの通過を許容するキャリア選択移動部の機能を高めやすくなり、その結果、光電変換効率を高めやすくなる。
【００１１】
また、上記本発明の第１の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１、Ｅｃ１、及び、Ｅｖ１とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ２、Ｅｃ２、及び、Ｅｖ２とし、ｐ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ３、Ｅｃ３、及び、Ｅｖ３とし、ｎ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ４、Ｅｃ４、及び、Ｅｖ４とするとき、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３、且つ、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ４、且つ、Ｅｃ１≦Ｅｃ４≦Ｅｃ２＜Ｅｃ３、且つ、Ｅｖ４＜Ｅｖ２≦Ｅｖ３≦Ｅｖ１であっても良い。かかる形態（タイプＩ）であっても、本発明の第１の態様における上記効果を奏することができる。
【００１２】
ここに、本発明において、「キャリア選択移動部を構成する材料のバンドギャップ」とは、キャリア選択移動部の伝導帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）と、キャリア選択移動部の価電子帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）との差をいう。また、本発明において、「伝導帯における最低離散準位」とは、伝導帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）をいう。換言すれば、上側ほど電子のエネルギーが高く、下側ほど正孔のエネルギーが高いバンド図（以下において、単に「バンド図」ということがある。）を記載した場合に、伝導帯の最も下側に位置する離散準位（量子準位）が、伝導帯における最低離散準位である。また、キャリア発生部を構成する材料あるいは発光部についても、そのサイズによっては伝導帯や価電子帯のエネルギー準位が離散的になることがある。その場合は、上記の伝導帯下端とは、伝導帯における最低離散準位のことであり、価電子帯上端とは、価電子帯における最低離散準位のことであり、バンドギャップとは、伝導帯における最低離散準位と価電子帯における最低離散準位とのエネルギー差のことである。また、本発明において、「価電子帯における最低離散準位」とは、価電子帯に形成された離散準位（量子準位）のうち、最もエネルギーが低い離散準位（量子準位）をいう。換言すれば、バンド図を記載した場合に、価電子帯の最も上側に位置する離散準位（量子準位）が、価電子帯における最低離散準位である。また、「Ｅｖ４＜Ｅｖ２≦Ｅｖ３≦Ｅｖ１」とは、バンド図を記載した場合に、Ｅｖ４がＥｖ２よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ２がＥｖ３と同じ高さ又はＥｖ２がＥｖ３よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ３がＥｖ１と同じ高さ又はＥｖ３がＥｖ１よりも下側に位置していることを意味する。
【００１３】
また、上記本発明の第１の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ５、Ｅｃ５、及び、Ｅｖ５とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ６、Ｅｃ６、及び、Ｅｖ６とし、ｐ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ７、Ｅｃ７、及び、Ｅｖ７とし、ｎ型半導体材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ８、Ｅｃ８、及び、Ｅｖ８とするとき、Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ７、且つ、Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ８、且つ、Ｅｃ５≦Ｅｃ８≦Ｅｃ６＜Ｅｃ７、且つ、Ｅｖ８＜Ｅｖ５≦Ｅｖ６≦Ｅｖ７であっても良い。かかる形態（タイプＩＩ）であっても、本発明の第１の態様における上記効果を奏することができる。なお、「Ｅｖ８＜Ｅｖ５≦Ｅｖ６≦Ｅｖ７」とは、バンド図を記載した場合に、Ｅｖ８がＥｖ５よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ５がＥｖ６と同じ高さ又はＥｖ５がＥｖ６よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ６がＥｖ７と同じ高さ又はＥｖ６がＥｖ７よりも下側に位置していることを意味する。
【００１４】
本発明の第２の態様は、ｐ層及びｎ層、ｐ層とｎ層との間に配設されたキャリア生成膜、ｐ層に接続された第１電極、並びに、ｎ層に接続された第２電極を備え、キャリア生成膜は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせるキャリア発生部と、該キャリア発生部で生成された電子及び正孔のうち、特定のエネルギーを有する電子及び正孔の通過を許容するキャリア選択移動部と、を有し、キャリア発生部は、一対のキャリア選択移動部の間に配設され、キャリア選択移動部は、キャリア発生部側から外側に向かって順に積層された、第１障壁層、量子井戸層、及び、第２障壁層を有し、ｐ層及びｎ層が複数備えられ、少なくとも複数のｐ層に接続された正孔移動部、及び、少なくとも複数のｎ層に接続された電子移動部が、キャリア生成膜の側面に設けられていることを特徴とする、光電変換素子である。
【００１５】
本発明の第２の態様にかかる光電変換素子では、キャリア生成膜に光を吸収させることによりキャリアを生成する。生成されたキャリアは、キャリア発生部で生成されたホットキャリアのうち、特定のエネルギーを有するホットキャリアの通過を許容するキャリア選択移動部を経由して、正孔はｐ層へ、電子はｎ層へと達する。本発明の第２の態様にかかる光電変換素子では、ホットキャリア機構を活かして、幅広い波長領域を有する光から有効にキャリアを生成することができる。そして、例えば、キャリア発生部、キャリア選択移動部、ｐ層、及び、ｎ層の材料選択等を工夫することにより、ホットキャリアの状態で移動する距離を従来の太陽電池よりも短縮することができる。例えば、キャリア発生部の厚さを２０ｎｍ以下にすると、ホットキャリアの移動距離を１０ｎｍ以下にすることが可能になり、ホットキャリアの移動距離を従来のホットキャリア型太陽電池よりも大幅に短縮することができる。ホットキャリアの移動距離を低減することにより、エネルギー損失を低減することが可能になるので、光電変換効率を高めることが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、光電変換効率を高めることが可能な光電変換素子を提供することができる。
【００１６】
また、上記本発明の第２の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１１、Ｅｃ１１、及び、Ｅｖ１１とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１２、Ｅｃ１２、及び、Ｅｖ１２とし、ｐ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１３、Ｅｃ１３、及び、Ｅｖ１３とし、ｎ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１４、Ｅｃ１４、及び、Ｅｖ１４とするとき、Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１３、且つ、Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１４、且つ、Ｅｃ１１≦Ｅｃ１４≦Ｅｃ１２＜Ｅｃ１３、且つ、Ｅｖ１４＜Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３≦Ｅｖ１１であっても良い。かかる形態（タイプＩ）であっても、本発明の第２の態様における上記効果を奏することができる。なお、「Ｅｖ１４＜Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３≦Ｅｖ１１」とは、バンド図を記載した場合に、Ｅｖ１４がＥｖ１２よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ１２がＥｖ１３と同じ高さ又はＥｖ１２がＥｖ１３よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ１３がＥｖ１１と同じ高さ又はＥｖ１３がＥｖ１１よりも下側に位置していることを意味する。
【００１７】
また、上記本発明の第２の態様において、キャリア発生部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれＥｇ１５、Ｅｃ１５、及び、Ｅｖ１５とし、キャリア選択移動部を構成する材料の、バンドギャップ、伝導帯における最低離散準位のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１６、Ｅｃ１６、及び、Ｅｖ１６とし、ｐ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１７、Ｅｃ１７、及び、Ｅｖ１７とし、ｎ層の、バンドギャップ、伝導帯下端のエネルギー、及び、価電子帯上端のエネルギーを、それぞれ、Ｅｇ１８、Ｅｃ１８、及び、Ｅｖ１８とするとき、Ｅｇ１５＜Ｅｇ１６＜Ｅｇ１７、且つ、Ｅｇ１５＜Ｅｇ１６＜Ｅｇ１８、且つ、Ｅｃ１５≦Ｅｃ１８≦Ｅｃ１６＜Ｅｃ１７、且つ、Ｅｖ１８＜Ｅｖ１５≦Ｅｖ１６≦Ｅｖ１７であっても良い。かかる形態（タイプＩＩ）であっても、本発明の第２の態様における上記効果を奏することができる。なお、「Ｅｖ１８＜Ｅｖ１５≦Ｅｖ１６≦Ｅｖ１７」とは、バンド図を記載した場合に、Ｅｖ１８がＥｖ１５よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ１５がＥｖ１６と同じ高さ又はＥｖ１５がＥｖ１６よりも下側に位置し、且つ、Ｅｖ１６がＥｖ１７と同じ高さ又はＥｖ１６がＥｖ１７よりも下側に位置していることを意味する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な、光電変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】太陽電池１００を説明する断面図である。
【図２】バンド構造を説明する図である。
【図３】キャリア生成粒子１６を説明する断面図である。
【図４】太陽電池１１０を説明する断面図である。
【図５】バンド構造を説明する図である。
【図６】キャリア生成細線１８を説明する図である。
【図７】太陽電池２００を説明する断面図である。
【図８】バンド構造を説明する図である。
【図９】キャリア生成膜２２を説明する図である。
【図１０】バンド構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一形態である太陽電池について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。図面では、一部符号の記載を省略することがある。
【００２１】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１００を説明する断面図である。図１では、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成粒子１６を簡略化して示している。また、図２は、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成粒子１６のバンド構造を説明する図であり、図３は、キャリア生成粒子１６を説明する断面図である。図２では、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きく、「●」は電子であり、「○」は正孔である。
【００２２】
図１に示したように、太陽電池１００は、ｐ層１１及びｎ層１３、並びに、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設された混合ｐｎ材料層１２を有している。ｐ層１１には裏面電極１４が接続されており、ｎ層１３には表面電極１５が接続されている。混合ｐｎ材料層１２は、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…を有し、さらに、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…に接触しているキャリア生成粒子１６、１６、…を有している。混合ｐｎ材料層１２において、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の一部はｐ層１１と接触あるいは複数のｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の接触を介してｐ層１１に接触しており、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…からｐ層１１へ正孔が移動可能なように構成されている。また、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の一部はｎ層１３と接触あるいは複数のｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の接触を介してｎ層１３に接触しており、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…からｎ層１３へ電子が移動可能なように構成されている。ｐ層１１を構成する半導体材料の価電子帯上端のエネルギーは、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーと同程度であり、ｎ層１３を構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度である。
【００２３】
図２及び図３に示したように、キャリア生成粒子１６は、キャリア発生部１６ｘと、該キャリア発生部１６ｘの表面を覆うように配置されたキャリア選択移動部１６ｙと、を有している。キャリア発生部１６ｘ及びキャリア選択移動部１６ｙは、何れも、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部１６ｙは、キャリア発生部１６ｘの表面に形成された第１障壁層１６ｙａ、該第１障壁層１６ｙａの表面に形成された量子井戸層１６ｙｂ、及び、該量子井戸層１６ｙｂの表面に形成された第２障壁層１６ｙｃを有している。キャリア生成粒子１６では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１６ｘ、第１障壁層１６ｙａ、量子井戸層１６ｙｂ、及び、第２障壁層１６ｙｃが同心円状に配置されており、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００２４】
図２に示したように、キャリア生成粒子１６は、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ１と価電子帯上端のエネルギーＥｖ１との差（バンドギャップ）がＥｇ１である。また、量子井戸層１６ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯における最低離散準位のエネルギーがＥｃ２、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーがＥｖ２であり、Ｅｃ２とＥｖ２との差（キャリア選択移動部１６ｙを構成する半導体材料のバンドギャップ）がＥｇ２である。一方、ｐ型半導体材料１２ａは、伝導帯下端のエネルギーＥｃ３と価電子帯上端のエネルギーＥｖ３との差（バンドギャップ）がＥｇ３であり、ｎ型半導体材料１２ｂは、伝導帯下端のエネルギーＥｃ４と価電子帯上端のエネルギーＥｖ４との差（バンドギャップ）がＥｇ４である。キャリア生成粒子１６、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂは、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３
Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ４
Ｅｃ１≦Ｅｃ４≦Ｅｃ２＜Ｅｃ３
Ｅｖ４＜Ｅｖ２≦Ｅｖ３≦Ｅｖ１
Ｅｃ２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶ
｜Ｅｖ３−Ｅｖ２｜≒０．１ｅＶ
【００２５】
太陽電池１００に太陽光が照射されると、太陽光の一部がｎ層１３に吸収され、ｎ層１３に吸収されなかった太陽光（以下において、単に「光」ということがある。）が混合ｐｎ材料層１２へと達する。ｎ層１３のバンドギャップはｎ型半導体材料１２ｂのバンドギャップと同程度であり、ｎ層１３、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｐ型半導体材料１２ａのバンドギャップは、太陽光に含まれている様々なエネルギーの光のうち、高エネルギーの光（例えば紫外線）のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、太陽電池１００に太陽光が照射されると、高エネルギーの光がｎ層１３によって吸収され、ｎ層１３で電子及び正孔が形成される。そして、ｎ層１３によって吸収されなかった光が混合ｐｎ材料層１２に吸収される。
【００２６】
図２に示したように、混合ｐｎ材料層１２を構成する半導体材料の中では、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１が最小のバンドギャップである。そのため、混合ｐｎ材料層１２へ光が達すると、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。より具体的には、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料の伝導帯には図２に示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図２に示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００２７】
キャリア発生部１６ｘで生成された電子のうち、量子井戸層１６ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層１６ｙｂの伝導帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｃ２と一致する電子は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１６ｙを通過してｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、Ｅｃ２、及び、キャリア生成粒子１６に接触しているｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーＥｃ４は、Ｅｃ４≦Ｅｃ２、且つ、Ｅｃ２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００２８】
キャリア発生部１６ｘで生成された電子のうち、量子井戸層１６ｙｂの伝導帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子は量子井戸層１６ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層１６ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ２と一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１６ｙを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００２９】
一方、キャリア発生部１６ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層１６ｙｂを構成する半導体材料の価電子帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層１６ｙｂの価電子帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｖ２と一致する正孔は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１６ｙを通過して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、Ｅｖ２、及び、キャリア生成粒子１６に接触しているｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ３は、Ｅｖ２≦Ｅｖ３、且つ、｜Ｅｖ３−Ｅｖ２｜≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００３０】
キャリア発生部１６ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層１６ｙｂの価電子帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔は量子井戸層１６ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層１６ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった正孔は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｖ２と一致した上記正孔と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１６ｙを通過してｐ型半導体材料１２ａへと達する。そして、ｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００３１】
このように、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘで発生させた電子を、キャリア選択移動部１６ｙ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させ、キャリア発生部１６ｘで発生させた正孔を、キャリア選択移動部１６ｙ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させる。電子及び正孔をこのように移動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。ここで、ｐ型半導体材料１２ａに移動した正孔とｎ型半導体材料１２ｂに移動した電子の両者の界面で再結合を防ぐため、両者の界面に十分な幅の空乏層が形成されるようなキャリア密度となるように、ドーパント濃度を調整する必要がある。太陽電池１００では、Ｅｃ４≦Ｅｃ２、且つ、Ｅｃ２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部１６ｘで生成された電子がｎ型半導体材料１２ｂへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。また、Ｅｖ２≦Ｅｖ３、且つ、｜Ｅｖ３−Ｅｖ２｜≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部１６ｘで生成された正孔がｐ型半導体材料１２ａへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。従来のホットキャリア型太陽電池では、太陽光を十分に吸収するためにキャリア発生部の厚みが少なくとも１００ｎｍ以上必要であり、キャリアがキャリア選択移動部へと達するまでのエネルギー損失が大きく、変換効率向上の妨げとなっていた。太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘの直径を制御して、キャリア発生部１６ｘで発生させたキャリアがｐ型半導体材料１２ａやｎ型半導体材料１２ｂへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、太陽電池１００では、Ｅｃ３がＥｃ２よりも図２の紙面上側に位置し、Ｅｃ３とＥｃ２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１６ｘで発生させた電子がｐ型半導体材料１２ａへ移動し難くなるので、ｐ型半導体材料１２ａにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。加えて、太陽電池１００では、Ｅｖ４がＥｖ２よりも図２の紙面下側に位置し、Ｅｖ４とＥｖ２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１６ｘで発生させた正孔がｎ型半導体材料１２ｂへ移動し難くなるので、ｎ型半導体材料１２ｂにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池１００を提供することができる。
【００３２】
太陽電池１００において、キャリア発生部１６ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１は、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。また、キャリア発生部１６ｘの直径は、キャリアを発生可能な大きさにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上とし、量子効果が得られる大きさにする等の観点から、例えば２０ｎｍ以下とすることができる。なお、キャリア発生部１６ｘの大きさを、発生させたホットキャリアの移動距離が１０ｎｍ以下になるような大きさにする場合、量子効果により、キャリア発生部１６ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部１６ｘを構成可能な半導体材料としては、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等を例示することができる。キャリア発生部１６ｘを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１６ｘは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部１６ｘを、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部１６ｘはイオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００３３】
また、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。また、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃ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にする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃを構成可能な半導体材料としては、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＺｎＳ等を例示することができる。第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃを、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００３４】
また、量子井戸層１６ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。また、量子井戸層１６ｙｂの厚さは、離散準位が形成される厚さにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。量子井戸層１６ｙｂをこのような厚さにすると、量子効果により、量子井戸層１６ｙｂのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層１６ｙｂを構成可能な半導体材料としては、Ｇｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等を例示することができる。量子井戸層１６ｙｂを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、量子井戸層１６ｙｂは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、量子井戸層１６ｙｂを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、量子井戸層１６ｙｂは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。
【００３５】
化学的合成法を用いたキャリア生成粒子１６の作製法の具体例として、キャリア発生部１６ｘにＰｂＳｅ、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃにＺｎＳ、量子井戸層１６ｙｂにＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【００３６】
＜キャリア発生部１６ｘの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６の作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、オレイン酸、及び、トリオクチルフォスフィンと、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で８５℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、４５℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（キャリア生成粒子１６の作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）にフェニルエーテルを入れ、不活性ガス中で２００℃程度に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１２０℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、直径８ｎｍ程度のキャリア発生部１６ｘ（ＰｂＳｅ量子ドット）を生成することができる。なお、ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．７ｅＶ程度となる。
【００３７】
＜第１障壁層１６ｙａの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６の作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部１６ｘの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第１障壁層１６ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【００３８】
＜量子井戸層１６ｙｂの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６の作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、第１障壁層１６ｙａの周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層１６ｙｂ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【００３９】
＜第２障壁層１６ｙｃの合成＞
フラスコ（キャリア生成粒子１６の作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層１６ｙｂの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第２障壁層１６ｙｃ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。こうして第２障壁層１６ｙｃを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、キャリア生成粒子１６を得ることができる。
【００４０】
また、太陽電池１００において、ｐ型半導体材料１２ａとしては、ポリ３ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、ペンタセン、テトラセン、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ等の有機半導体を用いることができ、ｐ型半導体材料１２ａの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、ｎ型半導体材料１２ｂとしては、フラーレン（Ｃ６０）、フラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）、キノリノールアルミ錯体等の有機半導体を用いることができ、ｎ型半導体材料１２ｂの形状は、粒子状、分子状、高分子状とすることができる。また、混合ｐｎ材料層１２に含まれる、キャリア生成粒子１６、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は特に限定されず、例えば、質量比で、キャリア生成粒子１６：ｐ型半導体材料１２ａ：ｎ型半導体材料１２ｂ＝２：１：１とすることができる。キャリア生成粒子１６、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は、それぞれ、０．１倍〜１０倍の範囲で適宜変化させても良い。
【００４１】
また、ｐ層１１及びｎ層１３を構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｐ層１１及びｎ層１３の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができる。ｐ層１１は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等に公知のｐ型不純物を添加することによって作製することができ、ｎ層１３は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等に公知にｎ型不純物を添加することによって作製することができる。このほか、ｐ層１１は、ｐ型半導体材料１２ａと同様の材料によって構成することも可能であり、ｎ層１３は、ｎ型半導体材料１２ｂと同様の材料によって構成することも可能である。ｐ層１１やｎ層１３に、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物を用いる場合、ｐ層１１やｎ層１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、ｐ層１１やｎ層１３に、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物を用いる場合、ｐ層１１やｎ層１３は、イオンプレーティングを含む真空蒸着法や、スパッタ法等の気相成長法や、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、ｐ層１１やｎ層１３を形成すべき物質の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【００４２】
また、表面電極１５及び裏面電極１４は、例えば蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。表面電極１５は、例えばくし型形状のＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料、あるいは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の透明導電膜等、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができ、裏面電極１４は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等、太陽電池の電極として使用可能な公知の材料を適宜用いることができる。表面電極１５及び裏面電極１４の厚さは、例えば金属材料の場合は１〜１０μｍ、透明導電膜の場合は０．１〜１μｍ程度とすることができる。
【００４３】
このように構成される太陽電池１００の製造方法の一形態を、以下に説明する。太陽電池１００を製造するには、まず、公知のガラスやプラスチック等の基板の上に、蒸着法等の公知の方法によって、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等によって構成される裏面電極１４を形成する。次いで、１〜１０質量％程度となる量の、ｐ層１１を構成すべきｐ型半導体材料を、有機溶媒（例えば、キシレン、クロロホルム、クロロベンゼン等。以下において同じ。）に混合して作製したｐ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で裏面電極１４の表面に塗布する。その後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｐ層１１を形成する。こうしてｐ層１１を形成したら、有機溶媒に、合計で１〜１０質量％程度となる量のキャリア生成粒子１６、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂを加えることにより、混合ｐｎ材料層用組成物を作製する。ここで、キャリア生成粒子１６は上述の方法によって作製することができる。次いで、混合ｐｎ材料層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法でｐ層１１の表面に塗布する。その後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、混合ｐｎ材料層１２を形成する。こうして混合ｐｎ材料層１２を形成したら、蒸着法等の公知の方法によって、混合ｐｎ材料層１２の表面に、ＺｎＯ等によって構成されるｎ層１３を形成する。又は、１〜１０質量％程度となる量の、ｎ層１３を構成すべきｎ型半導体材料を、有機溶媒に混合して作製したｎ層用組成物を、スピンコート法やディップコート法等の方法で混合ｐｎ材料層１２の表面に塗布した後、室温で数十分〜２時間程度、又は、１００℃程度の乾燥炉内で１０分程度保持し、有機溶媒を蒸発させることにより、ｎ層１３を形成する。こうしてｎ層１３を形成したら、真空蒸着法等の公知の用法によって、くし型形状の金属材料、あるいは透明導電膜等によって構成される表面電極１５をｎ層１３の表面に形成する。太陽電池１００は、例えばこのような過程を経ることにより、作製することができる。なお、太陽電池１００を製造する際の乾燥雰囲気は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
【００４４】
図４は、本発明の太陽電池１１０を説明する断面図である。図４において、太陽電池１００と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図４では、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成細線１８を簡略化して示している。また、図５は、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成細線１８のバンド構造を説明する図であり、図６は、キャリア生成細線１８を説明する断面図である。図５では、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きく、「●」は電子であり、「○」は正孔である。図６の紙面奥／手前方向が、キャリア生成細線１８の軸方向である。
【００４５】
図４に示したように、太陽電池１１０は、ｐ層１１及びｎ層１３、並びに、ｐ層１１とｎ層１３との間に配設された混合ｐｎ材料層１７を有している。ｐ層１１には裏面電極１４が接続されており、ｎ層１３には表面電極１５が接続されている。混合ｐｎ材料層１７は、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…を有し、さらに、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…、及び、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…に接触しているキャリア生成細線１８、１８、…を有している。混合ｐｎ材料層１７において、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の一部はｐ層１１と接触あるいは複数のｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…の接触を介してｐ層１１に接触しており、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ、…からｐ層１１へ正孔が移動可能なように構成されている。また、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の一部はｎ層１３と接触あるいは複数のｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の接触を介してｎ層１３に接触しており、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…からｎ層１３へ電子が移動可能なように構成されている。ｐ層１１を構成する半導体材料の価電子帯上端のエネルギーは、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーと同程度であり、ｎ層１３を構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度である。すなわち、太陽電池１１０は、太陽電池１００におけるキャリア生成粒子１６、１６、…に代えてキャリア生成細線１８、１８、…が用いられているほかは、太陽電池１００と同様に構成されている。
【００４６】
図５及び図６に示したように、キャリア生成細線１８は、キャリア発生部１８ｘと、該キャリア発生部１８ｘの表面を覆うように配置されたキャリア選択移動部１８ｙと、を有している。キャリア発生部１８ｘ及びキャリア選択移動部１８ｙは、何れも、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部１８ｙは、キャリア発生部１８ｘの表面に形成された第１障壁層１８ｙａ、該第１障壁層１８ｙａの表面に形成された量子井戸層１８ｙｂ、及び、該量子井戸層１８ｙｂの表面に形成された第２障壁層１８ｙｃを有している。キャリア生成細線１８では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１８ｘ、第１障壁層１８ｙａ、量子井戸層１８ｙｂ、及び、第２障壁層１８ｙｃが同心円状に配置されており、第１障壁層１８ｙａ及び第２障壁層１８ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされている。
【００４７】
図５に示したように、キャリア生成細線１８は、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ２１と価電子帯上端のエネルギーＥｖ２１との差（バンドギャップ）がＥｇ２１である。また、量子井戸層１８ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯における最低離散準位のエネルギーがＥｃ２２、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーがＥｖ２２であり、Ｅｃ２２とＥｖ２２との差（キャリア選択移動部１８ｙを構成する半導体材料のバンドギャップ）がＥｇ２２である。キャリア生成細線１８、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂは、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ２１＜Ｅｇ２２＜Ｅｇ３
Ｅｇ２１＜Ｅｇ２２＜Ｅｇ４
Ｅｃ２１≦Ｅｃ４≦Ｅｃ２２＜Ｅｃ３
Ｅｖ４＜Ｅｖ２２≦Ｅｖ３≦Ｅｖ２１
Ｅｃ２２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶ
｜Ｅｖ３−Ｅｖ２２｜≒０．１ｅＶ
【００４８】
太陽電池１１０に太陽光が照射されると、高エネルギーの光がｎ層１３によって吸収され、ｎ層１３で電子及び正孔が形成される。そして、ｎ層１３によって吸収されなかった光が混合ｐｎ材料層１７に吸収される。
【００４９】
図５に示したように、混合ｐｎ材料層１７を構成する半導体材料の中では、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ２１が最小のバンドギャップである。そのため、混合ｐｎ材料層１７へ光が達すると、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ２１以上のエネルギーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。より具体的には、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料の伝導帯には図５に示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図５に示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００５０】
キャリア発生部１８ｘで生成された電子のうち、量子井戸層１８ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層１８ｙｂの伝導帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｃ２２と一致する電子は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１８ｙを通過してｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、Ｅｃ２２、及び、キャリア生成細線１８に接触しているｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーＥｃ４は、Ｅｃ４≦Ｅｃ２２、且つ、Ｅｃ２２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００５１】
キャリア発生部１８ｘで生成された電子のうち、量子井戸層１８ｙｂの伝導帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子は量子井戸層１８ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層１８ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ２２と一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１８ｙを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００５２】
一方、キャリア発生部１８ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層１８ｙｂを構成する半導体材料の価電子帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層１８ｙｂの価電子帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｖ２２と一致する正孔は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１８ｙを通過してｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、Ｅｖ２２、及び、キャリア生成細線１８に接触しているｐ型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ３は、Ｅｖ２２≦Ｅｖ３、且つ、｜Ｅｖ３−Ｅｖ２２≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００５３】
キャリア発生部１８ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層１８ｙｂの価電子帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔は量子井戸層１８ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層１８ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった正孔は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｖ２２と一致した上記正孔と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部１８ｙを通過してｐ型半導体材料１２ａへと達する。そして、ｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へと収集される。
【００５４】
このように、太陽電池１１０では、キャリア発生部１８ｘで発生させた電子を、キャリア選択移動部１８ｙ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させ、キャリア発生部１８ｘで発生させた正孔を、キャリア選択移動部１８ｙ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させる。ここで、ｐ型半導体材料１２ａに移動した正孔とｎ型半導体材料１２ｂに移動した電子の両者の界面で再結合を防ぐため、両者の界面に十分な幅の空乏層が形成されるようなキャリア密度となるように、ドーパント濃度を調整する必要がある。電子及び正孔をこのように移動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。太陽電池１１０では、Ｅｃ４≦Ｅｃ２２、且つ、Ｅｃ２２−Ｅｃ４≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部１８ｘで生成された電子がｎ型半導体材料１２ｂへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。それゆえ、太陽電池１００と同様に、太陽電池１１０によれば、高エネルギーの電子が移動時に失うエネルギーを大幅に低減することが可能になる。また、太陽電池１１０では、Ｅｖ２２≦Ｅｖ３、且つ、｜Ｅｖ３−Ｅｖ２２｜≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部１８ｘで生成された正孔がｐ型半導体材料１２ａへと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。それゆえ、太陽電池１００と同様に、太陽電池１１０によれば、高エネルギーの正孔が移動時に失うエネルギーを大幅に低減することが可能になる。特に、キャリア発生部１８ｘの直径を制御して、キャリア発生部１８ｘで発生させたキャリアがｐ型半導体材料１２ａやｎ型半導体材料１２ｂへと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、太陽電池１１０では、Ｅｃ３がＥｃ２２よりも図５の紙面上側に位置し、Ｅｃ３とＥｃ２２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１８ｘで発生させた電子がｐ型半導体材料１２ａへ移動し難くなるので、ｐ型半導体材料１２ａにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。加えて、太陽電池１１０では、Ｅｖ４がＥｖ２２よりも図５の紙面下側に位置し、Ｅｖ４とＥｖ２２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部１８ｘで発生させた正孔がｎ型半導体材料１２ｂへ移動し難くなるので、ｎ型半導体材料１２ｂにおいて電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池１１０を提供することができる。
【００５５】
太陽電池１１０において、キャリア発生部１８ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ２１は、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。また、キャリア発生部１８ｘの直径は、キャリア発生部１６ｘと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。上記太さのキャリア発生部１８ｘにすると、量子効果により、キャリア発生部１８ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部１８ｘには、キャリア発生部１６ｘを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、キャリア発生部１６ｘと同様の方法を用いてキャリア発生部１８ｘを作製することができる。また、混合ｐｎ材料層１７の厚さは１μｍ以下程度になると考えられ、キャリア生成細線１８は、この層を突き破らないようにすることが好ましい。それゆえ、キャリア生成細線１８の軸方向長さは、例えば２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５６】
また、第１障壁層１８ｙａ及び第２障壁層１８ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。また、第１障壁層１８ｙａ及び第２障壁層１８ｙｃの厚さは、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。第１障壁層１８ｙａ及び第２障壁層１８ｙｃには、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃと同様の方法を用いて、第１障壁層１８ｙａや第２障壁層１８ｙｃを作製することができる。
【００５７】
また、量子井戸層１８ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。また、量子井戸層１８ｙｂの厚さは、量子井戸層１６ｙｂと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。量子井戸層１８ｙｂには、量子井戸層１６ｙｂを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができ、量子井戸層１６ｙｂと同様の方法を用いて、量子井戸層１８ｙｂを作製することができる。
【００５８】
化学的合成法を用いたキャリア生成細線１８の作製法の具体例として、キャリア発生部１８ｘにＰｂＳｅ、第１障壁層１８ｙａ及び第２障壁層１８ｙｃにＺｎＳ、量子井戸層１８ｙｂにＣｄＴｅを用いた場合について、以下に説明する。
【００５９】
＜キャリア発生部１８ｘの合成＞
フラスコ（キャリア生成細線１８の作製法に関する以下の説明において、「第１フラスコ」という。）に、溶媒となるフェニルエーテル、及び、オレイン酸と、Ｐｂ源である酢酸鉛とを入れ、不活性ガス中で１５０℃程度に加熱することにより酢酸鉛を溶解した後、６０℃程度に冷却する。次いで、第１フラスコに、Ｓｅ源であるセレン化トリオクチルフォスフィン、及び、トリオクチルフォスフィンを加える。一方、第１フラスコとは別のフラスコ（キャリア生成細線１８の作製法に関する以下の説明において、「第２フラスコ」という。）に、フェニルエーテル及びテトラデシルフォスフィンを入れ、不活性ガス中で２５０℃程度（注入溶液の温度）に加熱する。その後、加熱された第２フラスコへ、Ｓｅ源等が加えられた第１フラスコ中の溶液を注入し、１８０℃程度（反応温度）に保持する。以上の過程を経ることにより、太さ６ｎｍ程度のキャリア発生部１８ｘ（ＰｂＳｅ細線）を生成することができる。ここで、注入溶液の温度及び反応温度が高くなるほど、溶液中の原料濃度比率Ｐｂ／Ｓｅが大きくなると、球状粒子ではなく細線を生成しやすくなる。なお、ＰｂＳｅのバンドギャップはバルクでは０．２７ｅＶであるが、量子効果により０．７ｅＶ程度となる。
【００６０】
＜第１障壁層１８ｙａの合成＞
フラスコ（キャリア生成細線１８の作製法に関する以下の説明において、「第３フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第３フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、キャリア発生部１８ｘの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の障壁層１８ｙａ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。
【００６１】
＜量子井戸層１８ｙｂの合成＞
フラスコ（キャリア生成細線１８の作製法に関する以下の説明において、「第４フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、Ｃｄ源であるジメチルカドミウム、及び、Ｔｅ源であるトリオクチルフォスフィンテルルを加え、２２０℃程度に加熱して溶解する。その後、第４フラスコの溶液を、２４０℃程度に再加熱した第２フラスコへと加える。以上の過程を経ることにより、第１障壁層１８ｙａの周囲に、厚さ５ｎｍ程度の量子井戸層１８ｙｂ（ＣｄＴｅ層）を形成することができる。なお、ＣｄＴｅのバンドギャップはバルクでは１．４４ｅＶであるが、量子効果により１．６５ｅＶ程度となる。
【００６２】
＜第２障壁層１８ｙｃの合成＞
フラスコ（キャリア生成細線１８の作製法に関する以下の説明において、「第５フラスコ」という。）に、トリオクチルフォスフィンを入れ、さらに、Ｚｎ源であるジメチル亜鉛、及び、Ｓ源であるビストリメチルシリルサルファイドを加え、３００℃程度に加熱する。その後、第５フラスコの溶液を、２００℃程度に再加熱した第２フラスコへと加え、１００℃程度に冷却する。以上の過程を経ることにより、量子井戸層１８ｙｂの周囲に、厚さ３ｎｍ程度の第２障壁層１８ｙｃ（ＺｎＳ層）を形成することができる。このようにして形成したＺｎＳ層のバンドギャップは、３．５８ｅＶである。こうして第２障壁層１８ｙｃを形成したら、例えばメタノールを用いた洗浄を行う工程を経て、キャリア生成細線１８を得ることができる。
【００６３】
このような手順で作製可能なキャリア生成細線１８を備える太陽電池１１０は、キャリア生成粒子１６に代えてキャリア生成細線１８を用いるほかは、太陽電池１００と同様の方法によって作製することができる。太陽電池１１０において、混合ｐｎ材料層１７に含まれる、キャリア生成細線１８、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は特に限定されず、例えば、質量比で、キャリア生成細線１８：ｐ型半導体材料１２ａ：ｎ型半導体材料１２ｂ＝２：１：１とすることができる。キャリア生成細線１８、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｎ型半導体材料１２ｂの混合比率は、それぞれ、０．１倍〜１０倍の範囲で適宜変化させても良い。
【００６４】
太陽電池１００、１１０に関する上記説明では、キャリア生成粒子１６又はキャリア生成細線１８が用いられている形態を例示したが、本発明の光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、キャリア生成粒子１６及びキャリア生成細線１８が同一層内に分散された形態の層を有していても良い。
【００６５】
第１実施形態にかかる本発明の太陽電池において、図２に示したバンド構造、及び、図５に示したバンド構造は、例えば、キャリア発生部（キャリア発生部１６ｘ又はキャリア発生部１８ｘ）、第１障壁層（第１障壁層１６ｙａ又は第１障壁層１８ｙａ）、量子井戸層（量子井戸層１６ｙｂ又は量子井戸層１８ｙｂ）、第２障壁層（第２障壁層１６ｙｃ又は第２障壁層１８ｙｃ）、ｐ型半導体材料（ｐ型半導体材料１２ａ）、及び、ｎ型半導体材料（ｎ型半導体材料１２ｂ）に、それぞれ以下に示す材料を用いることにより、実現可能である。
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ型半導体材料、ｎ型半導体材料）＝（ＰｂＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、Ｐ３ＨＴ、フラーレンＣ６０）、又は、
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ型半導体材料、ｎ型半導体材料）＝（ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ、フラーレン誘導体）、又は、
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ型半導体材料、ｎ型半導体材料）＝（Ｇｅ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、テトラセン、キノリノールアルミ錯体）。
【００６６】
図７は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２００を説明する断面図である。図７において、太陽電池１００と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図７では、キャリア生成膜２２を簡略化して示している。図７の紙面左右方向が、光の進行方向である。また、図８は、ｐ層２１、キャリア生成膜２２、及び、ｎ層２３のバンド構造を説明する図である。図８では、紙面上側ほど電子のエネルギーが大きく、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きく、「●」は電子であり、「○」は正孔である。また、図９は、キャリア生成膜２２を説明する断面図である。図９の紙面上下方向が、光の進行方向であり、キャリア生成膜２２の厚さ方向である。
【００６７】
図７に示したように、太陽電池２００は、裏面電極１４及び表面電極１５、裏面電極１４に接続されたｐ層２１、２１、…（以下において、単に「ｐ層２１」ということがある。）、表面電極１５に接続されたｎ層２３、２３、…（以下において、単に「ｎ層２３」ということがある。）、並びに、ｐ層２１、２１、…とｎ層２３、２３、…との間に配置されたキャリア生成膜２２、２２、…（以下において、単に「キャリア生成膜２２」ということがある。）を有している。光の進行方向の上流側に配置された表面電極１５側の端にはｎ層２３が、光の進行方向の下流側に配置された裏面電極１４側の端にはｐ層２１が、それぞれ配置されており、表面電極１５と裏面電極１４との間には、光の進行方向上流側から順に配置されたｎ層２３、キャリア生成膜２２、及び、ｐ層２１によって構成される複数の積層体２４、２４、…が、連続して配置されている。積層体２４、２４、…に含まれるｐ層２１、２１、…は、図７の紙面下側に配置されたｐ層２１に接続されており、積層体２４、２４、…に含まれるｎ層２３、２３、…は、図７の紙面上側に配置されたｎ層２３に接続されている。積層体２４において、キャリア生成膜２２の一方の面はｐ層２１と接触しており、キャリア生成膜２２の他方の面はｎ層２３と接触している。
【００６８】
図８及び図９に示したように、キャリア生成膜２２は、その厚さ方向中央部に配置されたキャリア発生部２２ｘと、該キャリア発生部２２ｘを挟むように配置されたキャリア選択移動部２２ｙ、２２ｙと、を有している。キャリア発生部２２ｘ、及び、キャリア選択移動部２２ｙ、２２ｙは、半導体材料によって構成されている。キャリア選択移動部２２ｙは、キャリア発生部２２ｘ側から外側へ向かって順に配置された、第１障壁層２２ｙａ、量子井戸層２２ｙｂ、及び、第２障壁層２２ｙｃを有しており、第１障壁層２２ｙａ及び第２障壁層２２ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により移動可能な厚さとされている。
【００６９】
図８に示したように、キャリア生成膜２２は、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ１１と価電子帯上端のエネルギーＥｖ１１との差（バンドギャップ）がＥｇ１１である。また、量子井戸層２２ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯における最低離散準位のエネルギーがＥｃ１２、及び、価電子帯における最低離散準位のエネルギーがＥｖ１２であり、Ｅｃ１２とＥｖ１２との差（キャリア選択移動部２２ｙを構成する半導体材料のバンドギャップ）がＥｇ１２である。一方、ｐ層２１は、伝導帯下端のエネルギーＥｃ１３と価電子帯上端のエネルギーＥｖ１３との差（バンドギャップ）がＥｇ１３であり、ｎ層２３は、伝導帯下端のエネルギーＥｃ１４と価電子帯上端のエネルギーＥｖ１４との差（バンドギャップ）がＥｇ１４である。キャリア生成膜２２、ｐ層２１、及び、ｎ層２３は、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１３
Ｅｇ１１＜Ｅｇ１２＜Ｅｇ１４
Ｅｃ１１≦Ｅｃ１４≦Ｅｃ１２＜Ｅｃ１３
Ｅｖ１４＜Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３≦Ｅｖ１１
Ｅｃ１２−Ｅｃ１４≒０．１ｅＶ
｜Ｅｖ１３−Ｅｖ１２｜≒０．１ｅＶ
【００７０】
太陽電池２００に太陽光が照射されると、太陽光の一部がｎ層２３やｐ層２１を通過して、キャリア生成膜２２へと達する。ここで、ｎ層２３やｐ層２１を構成する半導体材料のバンドギャップは、太陽光に含まれている様々なエネルギーの光のうち、高エネルギーの光（例えば紫外線）のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、ｎ層２３やｐ層２１に光が達すると、高エネルギーの光が吸収され、キャリアが生成される。そして、ｎ層２３やｐ層２１によって吸収されなかった光が、キャリア生成膜２２に吸収される。
【００７１】
図８に示したように、キャリア生成膜２２を構成する半導体材料の中では、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１１が最小のバンドギャップである。そのため、キャリア生成膜２２へ光が達すると、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１１以上のエネルギーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には様々なエネルギーを有する正孔が形成される。より具体的には、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料の伝導帯には図８に示したような電子エネルギー分布が形成され、当該半導体材料の価電子帯には図８に示したような正孔エネルギー分布が形成される。
【００７２】
キャリア発生部２２ｘで生成された電子のうち、量子井戸層２２ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層２２ｙｂの伝導帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｃ１２と一致する電子は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部２２ｙを通過してｎ層２３の伝導帯へと達することができる。ここで、Ｅｃ１２、及び、キャリア生成膜２２に接触しているｎ層２３の伝導帯下端のエネルギーＥｃ１４は、Ｅｃ１４≦Ｅｃ１２、且つ、Ｅｃ１２−Ｅｃ１４≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｎ層２３を移動して表面電極１５へと収集される。
【００７３】
キャリア発生部２２ｘで生成された電子のうち、量子井戸層２２ｙｂの伝導帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する電子は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子は量子井戸層２２ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層２２ｙｂの伝導帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１２と一致した上記電子と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部２２ｙを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層２３へと移動し、ｎ層２３に接続されている表面電極１５へと収集される。
【００７４】
一方、キャリア発生部２２ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層２２ｙｂを構成する半導体材料の価電子帯に形成されている最低離散準位（以下において、「量子井戸層２２ｙｂの価電子帯側の最低離散準位」ということがある。）のエネルギーＥｖ１２と一致する正孔は、トンネル伝導によりキャリア選択移動部２２ｙを通過してｐ層２１の価電子帯へと達することができる。ここで、Ｅｖ１２、及び、キャリア生成膜２２に接触しているｐ層２１の価電子帯上端のエネルギーＥｖ１３は、Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３、且つ、｜Ｅｖ１３−Ｅｖ１２｜≒０．１ｅＶであるため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐ層２１を移動して裏面電極１４へと収集される。
【００７５】
キャリア発生部２２ｘで生成された正孔のうち、量子井戸層２２ｙｂの価電子帯側の最低離散準位とは異なるエネルギーを有する正孔は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の正孔は量子井戸層２２ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーになる。こうして量子井戸層２２ｙｂの価電子帯側の最低離散準位と同じエネルギーを有することになった正孔は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｖ１２と一致した上記正孔と同様に、トンネル伝導によりキャリア選択移動部２２ｙを通過してｐ層２１へと達する。そして、ｐ層２１へと達した正孔は、ｐ層２１を移動して裏面電極１４へと収集される。
【００７６】
このように、太陽電池２００では、キャリア発生部２２ｘで発生させた電子を、キャリア選択移動部２２ｙ、及び、ｎ層２３を経由して表面電極１５へと移動させ、キャリア発生部２２ｘで発生させた正孔を、キャリア選択移動部２２ｙ、及び、ｐ層２１を経由して裏面電極１４へと移動させる。ここで、ｐ層２１に移動した正孔とｎ層２３に移動した電子の両者の界面で再結合を防ぐため、両者の界面に十分な幅の空乏層が形成されるようなキャリア密度となるように、ドーパント濃度を調整する必要がある。あるいは、両者の界面に厚さ５ｎｍ以上の絶縁層を形成することによって正孔と電子の再結合を防ぐこともできる。電子及び正孔をこのように移動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。太陽電池２００では、Ｅｃ１４≦Ｅｃ１２、且つ、Ｅｃ１２−Ｅｃ１４≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部２２ｘで生成された電子がｎ層２３へと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。また、Ｅｖ１２≦Ｅｖ１３、且つ、｜Ｅｖ１３−Ｅｖ１２｜≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部２２ｘで生成された正孔がｐ層２１へと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。従来のホットキャリア型太陽電池では、太陽光を十分に吸収するためにキャリア発生部の厚みが少なくとも１００ｎｍ以上必要であり、キャリアがキャリア選択移動部へと達するまでのエネルギー損失が大きく、変換効率向上の妨げとなっていた。太陽電池２００では、キャリア発生部２２ｘの直径を制御して、キャリア発生部２２ｘで発生させたキャリアがｐ層２１やｎ層２３へと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、太陽電池２００では、Ｅｃ１３がＥｃ１２よりも図８の紙面上側に位置し、Ｅｃ１３とＥｃ１２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部２２ｘで発生させた電子がｐ層２１へ移動し難くなるので、ｐ層２１において電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。加えて、太陽電池２００では、Ｅｖ１４がＥｖ１２よりも図８の紙面下側に位置し、Ｅｖ１４とＥｖ１２との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部２２ｘで発生させた正孔がｎ層２３へ移動し難くなるので、ｎ層２３において電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。したがって、本発明によれば、光電変換効率を高めることが可能な太陽電池２００を提供することができる。
【００７７】
太陽電池２００において、キャリア発生部２２ｘを構成する半導体材料のバンドギャップＥｇ１１は、例えば、０．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とすることができる。また、キャリア発生部２２ｘの厚さは、キャリアを発生可能な厚さにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上とし、量子効果が得られる厚さにする等の観点から、例えば２０ｎｍ以下とすることができる。なお、キャリア発生部２２ｘの厚さを、発生させたホットキャリアの移動距離が１０ｎｍ以下になるような厚さにする場合、量子効果により、キャリア発生部２２ｘのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、キャリア発生部２２ｘには、キャリア発生部１６ｘを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。キャリア発生部２２ｘを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、キャリア発生部２２ｘは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、キャリア発生部２２ｘを、ＰｂＳｅやＰｂＳ等のＩＶ−ＶＩ族化合物や、ＣｄＴｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、キャリア発生部２２ｘは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、キャリア発生部２２ｘを形成すべき物質の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【００７８】
また、第１障壁層２２ｙａ及び第２障壁層２２ｙｃを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば１．２ｅＶ以上４．０ｅＶ以下とすることができる。また、第１障壁層２２ｙａ及び第２障壁層２２ｙｃの厚さは、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、第１障壁層２２ｙａ及び第２障壁層２２ｙｃには、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。第１障壁層２２ｙａや第２障壁層２２ｙｃを、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、第１障壁層２２ｙａや第２障壁層２２ｙｃは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、第１障壁層２２ｙａや第２障壁層２２ｙｃを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、第１障壁層２２ｙａや第２障壁層２２ｙｃは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、第１障壁層２２ｙａや第２障壁層２２ｙｃを形成すべき物質（キャリア発生部２２ｘや量子井戸層２２ｙｂを含む）の表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【００７９】
また、量子井戸層２２ｙｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば０．６ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができる。また、量子井戸層２２ｙｂの厚さは、量子井戸層１６ｙｂと同様の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。量子井戸層２２ｙｂをこのような厚さにすると、量子効果により、量子井戸層２２ｙｂのバンドギャップはバルクのバンドギャップよりも大きくなる。また、量子井戸層２２ｙｂには、量子井戸層１６ｙｂを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。量子井戸層２２ｙｂを、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族元素や、ＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成する場合、量子井戸層２２ｙｂは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の気相成長法によって作製することができる。また、量子井戸層２２ｙｂを、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物で構成する場合、量子井戸層２２ｙｂは、イオンプレーティングを含む真空蒸着法、スパッタ法等の気相成長法、ゾルゲル法、ケミカルバスディポジション法等の化学的合成法によって作製することができる。あるいは、ゾルゲル法、ソルボサーマル法等により粒子を合成した後、有機溶媒に混合し、スピンコート法やディップコート法等の塗布法、又は、スクリーン印刷法やインクジェット法等の印刷法等により、量子井戸層２２ｙｂを形成すべき障壁層２２ｙａの表面へ塗布した後、アニール処理を行うことによっても作製することができる。
【００８０】
また、ｐ層２１及びｎ層２３を構成する半導体材料のバンドギャップは、例えば、０．９ｅＶ以上３．０ｅＶ以下とすることができ、ｐ層２１及びｎ層２３の厚さは、例えば１００ｎｍ程度とすることができる。ｐ層２１は、ｐ層１１と同様の材料を用いて、ｐ層１１と同様の方法によって作製することができる。また、ｎ層２３は、ｎ層１３と同様の材料を用いて、ｎ層１３と同様の方法によって作製することができる。
【００８１】
太陽電池２００において、図８に示したバンド構造は、例えば、キャリア発生部２２ｘ、第１障壁層２２ｙａ、量子井戸層２２ｙｂ、第２障壁層２２ｙｃ、ｐ層２１、及び、ｎ層２３に、それぞれ以下に示す材料を用いることにより、実現可能である。
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ層、ｎ層）＝（ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ）、又は、
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ層、ｎ層）＝（Ｇｅ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓ）、又は、
（キャリア発生部、第１障壁層、量子井戸層、第２障壁層、ｐ層、ｎ層）＝（ＰｂＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ）。
【００８２】
太陽電池２００に関する上記説明では、複数の積層体２４、２４、…が連続して配置されている形態を例示したが、キャリア生成膜２２を備えた本発明の光電変換素子は、当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子は、すべてのｎ層とｐ層との間にキャリア生成膜２２が配設された形態とすることも可能である。このようにｎ層とｐ層とが接することがないような構造の場合には、ｎ層に移動した電子とｐ層に移動した正孔の、ｎ層とｐ層との界面での再結合の防止を考慮するためのｎ層、ｐ層のキャリア密度に関する制約は課せられない。
【００８３】
本発明に関する上記説明では、キャリア生成粒子１６、キャリア生成細線１８、及び、キャリア生成膜２２が、何れも、量子井戸層及びこれを挟む障壁層のバンド構造がｔｙｐｅＩをなす形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されない。本発明の光電変換素子に備えられるキャリア選択移動部は、量子井戸層及びこれを挟む障壁層のバンド構造がｔｙｐｅＩＩをなしていても良い。そこで、バンド構造がｔｙｐｅＩＩとなるキャリア選択移動部のバンド構造について、以下に説明する。
【００８４】
図１０は、本発明の光電変換素子に用いられるキャリア生成粒子、キャリア生成細線、及び、キャリア生成膜（以下において、これらをまとめて「キャリア生成物質３０」ということがある。）が採り得るバンド構造を説明する図であり、図１０は、図２や図５と対応している。便宜上、図１０では、キャリア生成物質３０が粒子状又は細線状であり、且つ、キャリア生成物質３０とｐ型半導体材料３１及びｎ型半導体材料３２とが接触している形態を示しているが、キャリア生成物質３０は、太陽電池２００に用いられているキャリア生成膜２２のように、多層膜構造にして、ｐ層及びｎ層と接触させることも可能である。キャリア生成物質３０が粒子状又は細線状である場合、キャリア生成物質３０を用いた光電変換素子は、太陽電池１００や太陽電池１１０と同様の形状にすることができる。これに対し、キャリア生成物質３０が多層膜構造である場合、キャリア生成物質３０を用いた光電変換素子は、太陽電池２００と同様の形状にすることができる。キャリア生成物質３０を多層膜構造にする場合は、図１０のｐ型半導体材料をｐ層に置き換え、図１０のｎ型半導体材料をｎ層に置き換えて考えれば良い。
【００８５】
キャリア生成物質３０は、中心側から外側に向かって、キャリア発生部３０ｘ及びキャリア選択移動部３０ｙを有し、キャリア選択移動部３０ｙは、キャリア発生部３０ｘ側から外側に向かって、第１障壁層３０ｙａ、量子井戸層３０ｙｂ、及び、第２障壁層３０ｙｃを有している。第１障壁層３０ｙａ及び第２障壁層３０ｙｃは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされており、キャリア発生部３０ｘ及びキャリア選択移動部３０ｙは、半導体材料によって構成されている。キャリア発生物質３０は、キャリア発生部３０ｘを構成する半導体材料の伝導帯下端のエネルギーＥｃ５と価電子帯上端のエネルギーＥｖ５との差（バンドギャップ）がＥｇ５である。また、量子井戸層３０ｙｂを構成する半導体材料の伝導帯における最低離散準位のエネルギーＥｃ６と価電子帯上端のエネルギーＥｖ６との差（キャリア選択移動部３０ｙを構成する半導体材料のバンドギャップ）がＥｇ６である。一方、キャリア生成物質３０に接触しているｐ型半導体材料３１は、伝導帯下端のエネルギーＥｃ７と価電子帯上端のエネルギーＥｖ７との差（バンドギャップ）がＥｇ７であり、キャリア生成物質３０に接触しているｎ型半導体材料３２は、伝導帯下端のエネルギーＥｃ８と価電子帯上端のエネルギーＥｖ８との差（バンドギャップ）がＥｇ８である。キャリア生成物質３０、ｐ型半導体材料３１、及び、ｎ型半導体材料３２は、以下の関係を満たしている。
Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ７
Ｅｇ５＜Ｅｇ６＜Ｅｇ８
Ｅｃ５≦Ｅｃ８≦Ｅｃ６＜Ｅｃ７
Ｅｖ８＜Ｅｖ５≦Ｅｖ６≦Ｅｖ７
Ｅｃ６−Ｅｃ８≒０．１ｅＶ
｜Ｅｖ７−Ｅｖ６｜≒０．０５ｅＶ
｜Ｅｖ６−Ｅｖ５｜≒０．０５ｅＶ
【００８６】
キャリア生成物質３０に光が達すると、キャリア発生部３０ｘのバンドギャップＥｇ５よりも大きいエネルギーを有する光が吸収され、キャリア発生部３０ｘにおいて様々なエネルギーを有する電子及び正孔が生成される。量子井戸層３０ｙｂには、伝導帯側にのみ離散準位が形成されている。それゆえ、キャリア発生部３０ｘで生成された電子のうち、量子井戸層３０ｙｂの伝導帯における最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有する電子、及び、他の電子とエネルギーの授受を行うことにより当該最低離散準位Ｅｃ６と一致するエネルギーを有することになった電子は、トンネル伝導により、量子井戸層３０ｙｂの当該離散準位を経由してｎ型半導体材料３２へと達する。ここで、上述したように、Ｅｃ６−Ｅｃ８≒０．１ｅＶである。そのため、ｎ型半導体材料３２へと達した電子は、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｎ型半導体材料３２、及び、当該ｎ型半導体材料に接続されているｎ層を経由して電極へと移動することができる。これに対し、キャリア選択移動部３０ｙの価電子帯には離散準位が形成されていない。それゆえ、キャリア発生部３０ｘで生成された正孔に対しては量子閉じ込め効果が働かず、キャリア発生部３０ｘで生成された正孔は、キャリア選択移動部３０ｙを経て速やかにｐ型半導体材料３１へと移動する。こうしてｐ型半導体材料３１へと移動した正孔は、ｐ型半導体材料３１に接続されているｐ層を経由して電極へと移動することができる。
【００８７】
キャリア生成物質３０では、量子井戸層３０ｙｂの伝導帯側には離散準位が形成されているのに対し、価電子帯側には離散準位が形成されていない。それゆえ、キャリア発生部３０ｘで生成された電子及び正孔のうち、電子に対しては量子閉じ込め効果が働く一方、正孔に対しては量子閉じ込め効果が働かない。したがって、電子のみを閉じ込めて相互作用させる機能を有する。キャリア発生部３０ｘで生成された正孔がｐ型半導体材料３１へ速やかに移動するため、キャリア発生部３０ｘの正孔密度が大幅に減少する。すなわち、キャリア発生部３０ｘで電子と再結合する相手である正孔の数を低減することが可能になるので、ホットキャリアの寿命を延ばすことが可能になる。なお、価電子帯側に離散準位が形成されないキャリア生成物質３０では、正孔同士を相互作用させることが困難になるため、図２、図５、及び、図８に示したバンド構造を有するキャリア生成物質よりも正孔のエネルギー損失が増大しやすい。しかしながら、キャリア発生部３０ｘにおける正孔のエネルギー分布幅は電子のエネルギー分布幅よりも小さいので、エネルギー損失の影響は僅かである。キャリア生成物質３０によっても、電子同士を相互作用させてエネルギー損失を低減することができるので、キャリア生成物質３０を用いる本発明の光電変換素子であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。
【００８８】
キャリア生成物質３０を用いる本発明の光電変換素子では、キャリア発生部３０ｘで発生させた電子を、キャリア選択移動部３０ｙ及びｎ型半導体材料３２を経由して、ｎ型半導体材料３２に接続されているｎ層へと移動させ、このｎ層を経由して電極へと移動させる。また、キャリア発生部３０ｘで発生させた正孔を、キャリア選択移動部３０ｙ及びｐ型半導体材料３１を経由して、ｐ型半導体材料３１に接続されているｐ層へと移動させ、このｐ層を経由して電極へと移動させる。電子及び正孔をこのように移動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。キャリア生成物質３０及びｎ型半導体材料３２は、Ｅｃ８≦Ｅｃ６、且つ、Ｅｃ６−Ｅｃ８≒０．１ｅＶとされているので、キャリア発生部３０ｘで生成された電子がｎ型半導体材料３２へと達した後は、エネルギーがほとんど失われない。従来のホットキャリア型太陽電池では、太陽光を十分に吸収するためにキャリア発生部の厚みが少なくとも１００ｎｍ以上必要であり、キャリアがキャリア選択移動部へと達するまでのエネルギー損失が大きく、変換効率向上の妨げとなっていた。キャリア生成物質３０を用いる本発明の光電変換素子においては、キャリア発生部３０ｘの直径を制御して、キャリア発生部３０ｘで発生させたキャリアがｐ型半導体材料３１やｎ型半導体材料３２へと達するまでの移動距離を１０ｎｍ以下程度にすることにより、移動時に失われるエネルギーを大幅に低減することが可能になる。さらに、キャリア生成物質３０及びｐ型半導体材料３１は、Ｅｃ７がＥｃ６よりも図１０の紙面上側に位置し、Ｅｃ７とＥｃ６との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部３０ｘで発生させた電子がｐ型半導体材料３１へ移動し難くなるので、ｐ型半導体材料３１において電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。また、キャリア生成物質３０及びｎ型半導体材料３２は、Ｅｖ８がＥｖ６よりも図１０の紙面下側に位置し、Ｅｖ８とＥｖ６との差が大きい。かかる形態とすることにより、キャリア発生部３０ｘで発生させた正孔がｎ型半導体材料３２へ移動し難くなるので、ｎ型半導体材料３２において電子と正孔とが結合して消滅することに伴うエネルギー損失を低減することができる。したがって、キャリア生成物質３０、ｐ型半導体材料３１、及び、ｎ型半導体材料３２を用いる形態の光電変換素子であっても、光電変換効率を高めることが可能になる。なお、キャリア生成物質３０を用いる本発明の光電変換素子においても、太陽電池１００、１１０、２００と同様に、ｐ層やｎ層を構成する半導体材料のバンドギャップを、太陽光に含まれている様々なエネルギーの光のうち、高エネルギーの光（例えば紫外線）のみを吸収可能なように調整することにより、キャリア生成物質３０に光を吸収させてキャリアを生成させることができる。
【００８９】
キャリア生成物質３０では、第１障壁層３０ｙａ、量子井戸層３０ｙｂ、及び、第２障壁層３０ｙｃの材料選定や組成、さらには、量子井戸層３０ｙｂの厚さを調節することにより、Ｅｃ６を自在に調節することができる。Ｅｃ６を調節することにより、ｎ型半導体材料３２へと移動する電子のエネルギーを調節することができる。
【００９０】
また、キャリア生成物質３０では、Ｅｃ６−Ｅｃ８≒０．１ｅＶ、｜Ｅｖ７−Ｅｖ６｜≒０．０５ｅＶ、及び、｜Ｅｖ６−Ｅｖ５｜≒０．０５ｅＶとすることにより、キャリアがキャリア発生部３０ｘからｐ型半導体材料３１やｎ型半導体材料３２へと移動する際に失われるエネルギーを低減することが容易になる。
【００９１】
上述のように、キャリア生成物質３０は、図２、図５、及び、図８に示したバンド構造を有する物質よりも正孔のエネルギー損失が増大しやすい。しかしながら、キャリア生成物質３０では、キャリア選択移動部３０ｙの価電子帯側に離散準位を形成する必要がないので、Ｅｃ６を最適値に調節しやすい。したがって、キャリア生成物質３０は、図２、図５、及び、図８に示したバンド構造を有する物質よりも製造しやすい傾向がある。
【００９２】
キャリア生成物質３０において、キャリア発生部３０ｘの厚さ及び作製方法は、それぞれ、キャリア発生部１６ｘの厚さ及び作製方法と同様にすることができ、キャリア発生部３０ｘには、キャリア発生部１６ｘを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。また、第１障壁層３０ｙａ及び第２障壁層３０ｙｃの厚さ及び作製方法は、それぞれ、第１障壁層１６ｙａ及び第２障壁層１６ｙｃの厚さ及び作製方法と同様にすることができ、第１障壁層３０ｙａ及び第２障壁層３０ｙｃには、第１障壁層１６ｙａや第２障壁層１６ｙｃを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。また、量子井戸層３０ｙｂの厚さ及び作製方法は、それぞれ、量子井戸層１６ｙｂの厚さ及び作製方法と同様にすることができ、量子井戸層３０ｙｂには量子井戸層１６ｙｂを構成可能な半導体材料と同様の材料を用いることができる。例えば、キャリア発生部３０ｘに、ドーピングによりエネルギーレベルを調整されたＰｂＳ、第１障壁層３０ｙａ及び第２障壁層３０ｙｃにＺｎＴｅ、量子井戸層３０ｙｂにＣｄＴｅ、ｐ型半導体材料３１にテトラセン、並びに、ｎ型半導体材料３２にフラーレンＣ６０を用いることにより、図１０に示したバンド構造を実現することができる。このほか、例えば、キャリア発生部３０ｘにＩｎＡｓ、第１障壁層３０ｙａ及び第２障壁層３０ｙｃにＧａＡｓ、量子井戸層３０ｙｂにＧａＡｓＳｂ、ｐ型半導体材料３１にアントラセン、ｎ型半導体材料３２にフラーレン誘導体を用いた場合であっても、図１０に示したバンド構造を実現することができる。
【００９３】
本発明において、キャリア生成物質の形状は特に限定されないが、ホットキャリアのエネルギー損失を低減しやすい形態にして光電変換効率を高めやすい光電変換素子を提供する等の観点からは、多層膜構造よりも粒子状又は線状とすることが好ましく、特に、粒子状とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００９４】
１１、２１…ｐ層
１２、１７…混合ｐｎ材料層
１２ａ、３１…ｐ型半導体材料
１２ｂ、３２…ｎ型半導体材料
１３、２３…ｎ層
１４…裏面電極（第１電極）
１５…表面電極（第２電極）
１６…キャリア生成粒子（キャリア生成物質）
１６ｘ、１８ｘ、２２ｘ、３０ｘ…キャリア発生部
１６ｙ、１８ｙ、２２ｙ、３０ｙ…キャリア選択移動部
１６ｙａ、１８ｙａ、２２ｙａ、３０ｙａ…第１障壁層
１６ｙｂ、１８ｙｂ、２２ｙｂ、３０ｙｂ…量子井戸層
１６ｙｃ、１８ｙｃ、２２ｙｃ、３０ｙｃ…第２障壁層
１８…キャリア生成細線（キャリア生成物質）
２２…キャリア生成膜
２４…積層体
３０…キャリア生成物質
１００、１１０、２００…太陽電池
【図１】
2013026493.tif 000003
【図２】
2013026493.tif 000004
【図３】
2013026493.tif 000005
【図４】
2013026493.tif 000006
【図５】
2013026493.tif 000007
【図６】
2013026493.tif 000008
【図７】
2013026493.tif 000009
【図８】
2013026493.tif 000010
【図９】
2013026493.tif 000011
【図１０】
2013026493.tif 000012