(57)【要約】【課題】本発明は、エキシトン過程の効率およびキャリア過程の効率の両方を向上させることにより、光電変換のエネルギー変換効率を向上させることができるヘテロ接合素子を提供する。【解決手段】本発明の一実施例に係るヘテロ接合素子１００は、無機半導体材料により構成されており、ｐ型層１、ｎ型層２、および交互ヘテロ接合層５により構成されている。交互ヘテロ接合５は、ｐ型のラメラ層３とｎ型のラメラ層４とが交互に接合されることにより、構成されている。当該交互ヘテロ接合層５は、ｐ型層１とｎ型層２とにより挟持されている。【選択図】  図１
2009054907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極と他の電極とにより挟持されており、無機半導体材料から成るヘテロ接合素子であって、
前記透明電極上に形成される、第一の導電型を有する第一の層と、
前記他の電極上に形成されており、第二の導電型を有する第二の層と、
前記第一の層と前記第二の層とにより挟持されており、前記第一の導電型を有する第一のラメラ層と前記第二の導電型を有する第二のラメラ層とから構成される交互ヘテロ接合層とを、備えており、
前記交互ヘテロ接合層は、
前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層とを交互に接合することにより構成されており、
前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層との接合面は、
前記第一の層の主面および前記第二の層の主面の各々に対して、垂直な方向成分を有する、
ことを特徴とするヘテロ接合素子。
【請求項２】
透明電極と他の電極とにより挟持されており、有機材料から成るヘテロ接合素子であって、
前記透明電極上に形成される、電子の供与または受容が可能な第一の層と、
前記他の電極上に形成されており、前記第一の層とは電子の供受方向が逆の第二の層と、
前記第一の層と前記第二の層とにより挟持されており、電子供与性を有する第一のラメラ層と電子受容性を有する第二のラメラ層とから構成される交互ヘテロ接合層とを、備えており、
前記交互ヘテロ接合層は、
前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層とを交互に接合することにより構成されており、
前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層との接合面は、
前記第一の層の主面および前記第二の層の主面の各々に対して、垂直な方向成分を有する、
ことを特徴とするヘテロ接合素子。
【請求項３】
前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層との接合面は、
前記第一の層の主面および前記第二の層の主面の各々に対して、垂直である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘテロ接合素子。
【請求項４】
前記第一のラメラ層の厚さと前記第二のラメラ層の厚さとの比は、
前記第一のラメラ層のエキシトン拡散距離と前記第二のラメラ層のエキシトン拡散距離との比である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘテロ接合素子。
【請求項５】
前記無機半導体材料の結晶粒において、
膜厚方向の粒径は、
膜面内方向の粒径よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合素子。
【請求項６】
前記交互ヘテロ接合層は、
電子供与性機能団を含む分子と電子受容性機能団を含む分子との各々を、モノマーユニットとして含むブロック共重合体から、構成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のヘテロ接合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヘテロ接合素子に係る発明である。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスシリコンＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やポリシリコンＴＦＴに代表されるように、薄膜ヘテロ接合素子は、シリコン単結晶のヘテロ接合構造と同様の構成を有している。つまり、薄膜へテロ接合素子は、薄膜表面上にｐ領域やｎ領域を形成して作製される、ｐｎ接合構造が一般的である。当該薄膜へテロ接合素子では、薄膜面内方向のｐｎ接合特性を用いる場合が多い。
【０００３】
一方、太陽電池の場合には、薄膜の膜厚方向にｐｎ接合を形成し、膜厚方向のｐｎ接合特性を用いることが一般的である。薄膜太陽電池の場合では、このようにして形成されるｐｎヘテロ接合は、太陽光エネルギーの利用（変換）効率が低い。したがって、太陽光エネルギーの利用効率の高効率化のために、ｐ−ｉ−ｎヘテロ接合素子が提案されている（たとえば、非特許文献１）。当該ｐ−ｉ−ｎへテロ接合素子は、ｐ型ポリＳｉ層とｎ型ポリＳｉ層と、前記両層の間に設けられた、不純物ドープを施さない光吸収層であるｉ型層とから構成されている。
【０００４】
また、有機材料を用いたヘテロ接合素子の場合には、Ｓｉ単結晶素子のように結晶基板からエピタキシャル成長により薄膜形成するという方法は例外的であり、薄膜素子を用いる場合の方が一般的である。有機材料を用いた薄膜ヘテロ接合素子のキャリア伝導機構は、無機半導体から成るｐｎヘテロ接合素子の場合のように、詳細な機構が解明されていない。しかし、電子供与性（ドナー性）有機材料膜と電子受容性（アクセプター性）有機材料膜との間に、ドナー（Ｄ）−アクセプター（Ａ）ヘテロ接合を形成し、ＤＡヘテロ接合特性を用いて機能デバイスが作製されている。
【０００５】
有機太陽電池の場合には、一般に、エキシトンの拡散距離が短い（数十〜数百Å）。このため、光利用効率を増大させるために、Ｄ層とＡ層との間にＤ分子とＡ分子の混合層（バルクヘテロ接合層）を用いるバルクヘテロ接合素子が、盛んに研究開発されている（たとえば、非特許文献２）。色素増感太陽電池は、ＴｉＯ2ナノ粒子からなるメソポーラスフィルムを増感色素で単分子吸着した作用電極と、電解質とから構成される。当該色素増感太陽電池の場合も、その高い光電変換効率は、広義のバルクヘテロ接合構造であるＴｉＯ2／色素層の光吸収効果によるとされている（たとえば非特許文献３）。
【０００６】
さらに、ヘテロ接合面が一つである、有機材料から構成される単一へテロ接合素子も従来より存在している。当該単一へテロ接合素子を太陽電池として使用する場合、前記へテロ接合面に対して垂直な方向から太陽光が入射される。
【０００７】
【非特許文献１】Ｋ.  Ｙａｍａｍｏｔｏ他、 Ｊｐｎ. Ｊ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ３６, Ｌ５６９ (１９９７).（ｐｐＬ５６９, Ｆｉｇ． 1）
【非特許文献２】斉藤和裕  他、応用物理、７３巻、１２号（２００４）（頁１５２６、図1）
【非特許文献３】Ａ. Ｈａｇｆｅｌｄｔ ａｎｄ  Ｍ. Ｇｒaｔｚｅｌ, Ａｃｃ. Ｃｈｅｍ. Ｒｅｓ. ３３, ２６９ (２０００).(ｐｐ２７０, Ｆｉｇｕｒｅ２)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ポリシリコンなどの無機半導体から成るｐ−ｉ−ｎヘテロ接合素子にあっては、ｉ層におけるキャリア再結合による光電流の減少や、ｉ層の欠陥に基づく暗電流の増大という問題があった。つまり、一般的に、光電変換のエネルギー利用（変換）効率は、エキシトン過程の効率とキャリア過程の効率との積に依存する。しかし、上記ｐ−ｉ−ｎへテロ接合素子では、上記から分かるようにキャリア過程の効率が低下していた。
【０００９】
また、有機材料を用いたバルクヘテロ接合構造にあっては、Ｄ分子とＡ分子の混合層としてのｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙが、光電変換特性と大きく関わっていることが明らかにされている。そして、上記混合層において電子・正孔の再結合等が起こるため、当該混合層を有するバルクヘテロ接合素子のキャリア移動度は、大きく減少するという問題点があった。つまり、混合層を有するバルクへテロ接合素子においても、上記キャリア過程の効率が低下していた。
【００１０】
また、有機材料から構成されている上記単一へテロ接合素子は、エキシトン拡散距離が短いという欠点があった。したがって、ヘテロ接合面付近で生成したエキシトンのみしか、キャリア生成に寄与しないという問題があった。つまり、有機材料から構成されている単一へテロ接合素子では、上記エキシトン過程の効率が低下していた。
【００１１】
そこで、本発明は、エキシトン過程の効率およびキャリア過程の効率の両方を向上させることにより、光電変換のエネルギー利用（変換）効率を向上させることができるヘテロ接合素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のヘテロ接合素子は、透明電極と他の電極とにより挟持されており、無機半導体材料から成るヘテロ接合素子であって、前記透明電極上に形成される、第一の導電型を有する第一の層と、前記他の電極上に形成されており、第二の導電型を有する第二の層と、前記第一の層と前記第二の層とにより挟持されており、前記第一の導電型を有する第一のラメラ層と前記第二の導電型を有する第二のラメラ層とから構成される交互ヘテロ接合層とを、備えており、前記交互ヘテロ接合層は、前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層とを交互に接合することにより構成されており、前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層との接合面は、前記第一の層の主面および前記第二の層の主面の各々に対して、垂直な方向成分を有する。
【００１３】
また、本発明に係る請求項２に記載のヘテロ接合素子は、透明電極と他の電極とにより挟持されており、有機材料から成るヘテロ接合素子であって、前記透明電極上に形成される、電子の供与または受容が可能な第一の層と、前記他の電極上に形成されており、前記第一の層とは電子の供受方向が逆の第二の層と、前記第一の層と前記第二の層とにより挟持されており、電子供与性を有する第一のラメラ層と電子受容性を有する第二のラメラ層とから構成される交互ヘテロ接合層とを、備えており、前記交互ヘテロ接合層は、前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層とを交互に接合することにより構成されており、前記第一のラメラ層と前記第二のラメラ層との接合面は、前記第一の層の主面および前記第二の層の主面の各々に対して、垂直な方向成分を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１および２に記載のヘテロ接合素子では、無機半導体材料または有機材料から構成されている。さらに、第一のラメラ層と第二のラメラ層とが交互に接合された交互ヘテロ接合層が、第一の層と第二の層とにより挟持されている。ここで、第一のラメラ層と第二のラメラ層とのヘテロ接合面方向は、第一の層の主面および第二の主面の法線方向成分を有している。
【００１５】
したがって、キャリア過程の効率およびエキシトン過程の効率の両方を向上させることができ、結果として高い光エネルギー利用（変換）効率を有するヘテロ接合素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００１７】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係るヘテロ接合素子であって、ヘテロ接合部１００を有する太陽電池２００の要部構成を示す断面図である。以後、本明細書内において、図１のｘ−ｚ平面に広がる面方向を「膜面内方向」と称する。また、図１のｙ軸方向を「膜厚方向」と称する。
【００１８】
図１に示す太陽電池２００は、透明基板１０、透明電極２０、裏面電極（他の電極と把握できる）３０、およびヘテロ接合部１００を有している。
【００１９】
ヘテロ接合部１００は、透明電極２０と裏面電極３０とにより挟持されている。また、図１に示すように、透明電極２０形成側から、太陽光などの光がヘテロ接合部１００へ入射される。
【００２０】
透明基板１０は、ガラス基板やプラスチック基板などの光透過性を有する基板である。また、透明電極２０は、たとえばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透明性を有する材料から構成されている。なお、裏面電極３０は、上記透明性を有する材料で構成されている必要が無く、光反射機能を有することが望ましい。透明電極２０のヘテロ接合部１００の不形成側の面においては、透明基板１０が形成されている。
【００２１】
ヘテロ接合部１００を有するヘテロ接合素子は、膜面内方向に広がり、膜厚方向に所定の厚さを有する薄膜の光電変換素子である。また、本実施の形態では、ヘテロ接合部１００は、シリコン等の無機半導体材料から構成されている。図１に示すように、ヘテロ接合部１００は、ｐ型層１、ｎ型層２、ｐ型ラメラ層３、およびｎ型ラメラ層４とから構成されている。ここで、複数のｐ型ラメラ層３および複数のｎ型ラメラ層４により、交互ヘテロ接合層５が形成される。図２には、当該交互ヘテロ接合層５の斜視図を示す。
【００２２】
図１に示すように、ｐ型の導電型（第一の導電型と把握できる）を有するｐ型層（第一の層と把握できる）１は、透明電極２０の主面上に形成されている。また、ｎ型の導電型（第二の導電型と把握できる）を有するｎ型層（第二の層と把握できる）２は、裏面電極３０の主面上に形成されている。また、交互へテロ接合層５は、ｐ型層１とｎ型層２とにより挟持されている。
【００２３】
図１，２に示すように、交互ヘテロ接合層５は、複数のｐ型ラメラ層（第一のラメラ層と把握できる）３および複数のｎ型ラメラ層（第二のラメラ層と把握できる）４とから構成されている。ここで、ｐ型ラメラ層３は、ｐ型の導電型を有しており、ｎ型ラメラ層４は、ｎ型の導電型を有している。また、ｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４とは、交互に接合されており、当該接合面（ヘテロ接合面）Ｊ１は、図１，２に示すように、ｙ−ｚ平面（膜厚方向）に平行である。つまり、ｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４との接合面Ｊ１は、ｐ型層１の主面およびｎ型層２の主面の各々に対して、垂直である。換言すると、接合面Ｊ１は、ｐ型層１とｎ型ラメラ層４との接合面Ｊ２、およびｎ型層２とｐ型ラメラ層３との接合面Ｊ３の各々に対して、垂直である。
【００２４】
なお、ヘテロ接合部１００を構成する無機半導体材料として、単結晶シリコン、多結晶シリコン、薄膜ポリシリコン、薄膜アモルファスシリコン、単結晶ＧａＡｓ、多結晶ＧａＡｓ、薄膜ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ２）、およびＣｄＴｅ等を採用することができる。
【００２５】
上記から分かるように、本実施の形態に係るヘテロ接合素子を有するヘテロ接合部１００は、ｘ−ｚ平面（膜面内方向）に平行な第一のヘテロ接合面Ｊ２，Ｊ３と、ｙ−ｚ平面（膜厚方向）に平行な第二のヘテロ接合面Ｊ１との両方有している。ここで、上記から分かるように、第二のヘテロ接合面Ｊ１は、第一のヘテロ接合面Ｊ２，Ｊ３とは垂直である。
【００２６】
以上のように、本実施の形態に係る太陽電池２００は上記のように構成されているので、下記するように、従来技術と比較して光電変換のエネルギー利用（変換）効率を向上させることができる。ここで、当該エネルギー変換効率は、一般的に、エキシトン過程の効率とキャリア過程の効率との積に依存する。
【００２７】
非特許文献１に係るｐ−ｉ−ｎヘテロ接合素子のｉ層では、ｐ−ｎ接合面が複雑に構成されており、非特許文献２に係る混合層を有するバルクへテロ接合素子の混合層では、Ｄ（電子供与：ドナー）−Ａ（電子受容：アクセプター）接合面が複雑に構成されている。したがって、上記各従来技術では、ｉ層内や混合層内において生成したキャリアは再結合等が容易に起こり、キャリア過程の効率が低下していた。
【００２８】
これに対して、本実施の形態では、交互ヘテロ接合層５において形成される接合面Ｊ１は、ｐ型層１の主面およびｎ型層２の主面に対して垂直である。そして、ｐ型層１の他の主面側およびｎ型層２の他の主面側に各電極２０，３０が形成されている。
【００２９】
したがって、交互ヘテロ接合層５内においてエキシトンの電荷分離により生成したキャリアは、当該交互へテロ接合層５内の接合面Ｊ１と平行な方向に移動する。よって、当該接合面Ｊ１におけるキャリアの再結合等を抑制できる。つまり、電極２０，３０間におけるキャリアの移動度を向上させることができる。これにより、キャリア過程の効率をより向上させることができる。
【００３０】
また、従来技術で記載した単一へテロ接合構造が、エキシトン拡散距離が短い材料で構成されている場合には、次のような問題があった。つまり、ヘテロ接合面付近で生成したエキシトンのみしかキャリア生成に寄与しないという問題があった。換言すれば、単一ヘテロ接合構造の場合には、ヘテロ接合面からエキシトン拡散距離程度の範囲までに吸収した太陽光エネルギーのみしか、光電変換に寄与しなかった。したがって、単一へテロ接合構造では、上記エキシトン過程の効率が低下していた。
【００３１】
これに対して、本実施の形態では、光の入射方向に対して垂直方向に形成された接合面Ｊ２，Ｊ３の他に、当該接合面Ｊ２，Ｊ３に垂直な接合面Ｊ１が交互ヘテロ接合層５において形成されている。したがって、たとえエキシトン拡散距離が短い材料を用いてヘテロ接合部１００を形成したとしても、各ラメラ層３，４内の全領域で生成したエキシトンを、効率良くキャリア生成に寄与させることができる。よって、本実施の形態では、よりエキシトン過程の効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、後述の実施の形態からも分かるように、各ラメラ層３，４の厚さを薄くすればするほど、光エネルギー利用（変換）効率は向上する。また、各ラメラ層３，４の厚さを薄くすればするほど、単位領域当たりのヘテロ接合面Ｊ１も増大するので、結果として、単位領域当たりのキャリアの生成率も向上させることができる。
【００３３】
以上のように、本実施の形態では、キャリア過程の効率およびエキシトン過程の効率の向上を両立させることができる。したがって、光電変換のエネルギー変換効率の高いヘテロ接合素子（太陽電池２００）を提供することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、ｐ型層１とｎ型層２とにより交互へテロ接合層５が挟持されている。したがって、交互へテロ接合層５で発生したキャリアの一方向の移動を誘発させることができる。よって、当該ｐ型層１およびｎ型層２の両方が無い場合、若しくはｐ型層１およびｎ型層２の何れか一方が無い場合よりも、本実施の形態に係るヘテロ接合部１００の方が、光電効果により得られる起電力をより向上させることができる。
【００３５】
また、図１の構成の他に後述する構成（図３，４，５）であっても、上記と同様の効果を有することができる。
【００３６】
図３の構成は、図１の構成と異なり、透明電極２０側にｎ型層２が形成されており、裏面電極３０側にｐ型層１が形成されている。その他の図３の構成は、図１の構成と同様である。
【００３７】
また、図４の構成は、図１の構成と異なり、基板１０が裏面電極３０側に形成されている。ここで、図４の構成では、基板１０は透明性を有する必要は無い。その他の図４の構成は、図１の構成と同様である。
【００３８】
また、図５の構成は、図３の構成と異なり、基板１０が裏面電極３０側に形成されている。ここで、図５の構成では、基板１０は透明性を有する必要は無い。その他の図５の構成は、図３の構成と同様である。
【００３９】
なお、図３，５の構成では、ｎ型層２が第一の層と把握でき、ｐ型層１が第二の層と把握できる。
【００４０】
また、図６に示すように、ｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４との接合面Ｊ１が、ｐ型層１の主面およびｎ型層２の主面に対して垂直な方向成分を有する構成（垂直方向成分構造と称する）であっても良い。つまり、前記各主面（膜面内方向）に対して斜め方向に、前記接合面Ｊ１が形成されていても良い。図３乃至図５の構成においても同様に、ｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４との接合面Ｊ１が、ｐ型層１の主面およびｎ型層の主面に対して垂直な方向成分を有する構成であっても良い（垂直方向成分構造と称する）。
【００４１】
しかし、上記キャリア移動度の向上に起因したキャリア過程の効率の上昇の観点から、上記垂直方向成分構造よりも、図１，３〜５に示す構成（つまり、ｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４との接合面Ｊ１が、ｐ型層１の主面およびｎ型層２の主面に対して垂直である構成）の方がよりエネルギー利用（変換）効率が高くなる。
【００４２】
なお、図１で示した構造のエネルギー利用（変換）効率（所定の入射光エネルギーに対する、電荷分離が起こるヘテロ接合界面まで到達可能な光エネルギーの割合）ηは、式（１）を用いて表すことができる。太陽電池２００の場合、太陽光をどれだけ吸収できるか、また吸収した太陽光エネルギー（すなわち、ヘテロ接合部１００内で生成したエキシトン）をどれだけ接合面Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に運べるかが、当該エネルギー利用（変換）効率ηを決める。
【００４３】
【数１】
2009054907.tif 000003
【００４４】
ここで、式（１）右辺の各項は、下式（２）、（３）、（４）および（５）のように表される。
【００４５】
【数２】
2009054907.tif 000004
【００４６】
【数３】
2009054907.tif 000005
【００４７】
【数４】
2009054907.tif 000006
【００４８】
【数５】
2009054907.tif 000007
【００４９】
ここで、ΔＥ（α）は、ｐ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｐ型層１、ｐ型ラメラ層３）のバンドギャップである。ΔＥ（β）は、ｎ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｎ型層２、ｎ型ラメラ層４）のバンドギャップである。Ｉ（λ）は、基準太陽光スペクトルＡＭ１．５，１ＳＵＮのスペクトルの強度である。α（α）は、ｐ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｐ型層１、ｐ型ラメラ層３）の吸光係数である。α（β）は、ｎ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｎ型層２、ｎ型ラメラ層４）の吸光係数である。β（α）は、ｐ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｐ型層１、ｐ型ラメラ層３）のエキシトン拡散距離の逆数である。β（β）は、ｎ型の導電型を有する無機半導体材料（たとえば、ｎ型層２、ｎ型ラメラ層４）のエキシトン拡散距離の逆数である。さらに、∫ＡＭ１．５（λ）ｄλは、基準太陽光スペクトル強度ＡＭ１．５，１ＳＵＮの全波長積分であり、エネルギー密度として０．１Ｗｃｍ-2を示す。
【００５０】
式（１）〜（５）を用いることにより、図１に示したヘテロ接合部１００の構造パラメータ（ｐ型層１の厚さＬα、ｎ型層２の厚さＬβ、ｐ型ラメラ層３の厚さｌα、ｎ型ラメラ層４の厚さｌβ、交互へテロ接合層５の膜厚方向の厚さＬｂ）を最適設計（つまり、式（１）を最大とするように、前記各寸法を設計）することが可能となる。これにより、高いエネルギー利用（変換）効率ηを有するヘテロ接合部１００（太陽電池２００）を提供することができる。
【００５１】
なお、上式（２）は、ｐ型層１とｎ型ラメラ層４とのヘテロ接合面Ｊ２における太陽光エネルギー利用効率である。また、上式（３）は、ｎ型層２とｐ型ラメラ層３とのヘテロ接合面Ｊ３における太陽光エネルギー利用効率である。また、上式（４）、（５）は、交互へテロ接合層５全体におけるｐ型ラメラ層３とｎ型ラメラ層４とのヘテロ接合面Ｊ１における太陽光エネルギー利用効率である。
【００５２】
また、図３の構成のように、透明電極１０側にｎ型層２を形成し、裏面電極３０側にｐ型層１を形成した場合には、式（２），（３）の表記において、ｐ型層１のパラメータとｎ型層２のパラメータを入れ替える必要がある。また、式（４）、（５）において、ラメラ部への到達光強度が変更する。つまり、式（２）の代わりに下式（６）用いる必要があり、式（３）の代わりに下式（７）を用いる必要がある。さらに、式（４）の代わりに下式（８）を用いる必要があり、式（５）の代わりに下式（９）を用いる必要がある。
【００５３】
【数６】
2009054907.tif 000008
【００５４】
【数７】
2009054907.tif 000009
【００５５】
【数８】
2009054907.tif 000010
【００５６】
【数９】
2009054907.tif 000011
【００５７】
＜実施の形態２＞
図７は、本実施の形態に係るヘテロ接合素子であって、ヘテロ接合部３００を有する太陽電池４００の要部構成を示す断面図である。図７に示す太陽電池４００は、透明基板１０、透明電極２０、裏面電極（他の電極と把握できる）３０、およびヘテロ接合部３００を有している。
【００５８】
ヘテロ接合部３００は、透明電極２０と裏面電極３０とにより挟持されている。また、図７に示すように、透明電極２０形成側から、太陽光などの光がヘテロ接合部３００へ入射される。ここで、透明基板１０、透明電極２０および裏面電極３０の構成は、実施の形態１で説明した構成と同様である。
【００５９】
ヘテロ接合部３００を有するヘテロ接合素子は、膜面内方向（ｘ−ｚ平面）に広がり、膜厚方向（ｙ方向）に所定の厚さを有する薄膜の光電変換素子である。また、本実施の形態では、ヘテロ接合部３００は、有機材料から構成されている。図７に示すように、ヘテロ接合部３００は、電子供与性層（ドナー層：Ｄ）１１、電子受容性層（アクセプター層：Ａ）１２、電子供与性ラメラ層１３、および電子受容性ラメラ層１４から構成されている。電子供与性層１１と電子受容性層１２とは、電子の供受方向が逆である。電子供与性層１１は、他に電子を供与する性質を有する層であり、電子受容性層１２は、他から電子を受容する性質を有する層である。
【００６０】
図７に示すように、電子の供与が可能な電子供与性層（第一の層と把握できる）１１は、透明電極２０の主面上に形成されている。また、電子の受容が可能な電子受容性層（第二の層と把握できる）は、裏面電極３０の主面上に形成されている。また、交互へテロ接合層１５は、電子供与性層１１と電子受容性層１２とにより挟持されている。
【００６１】
図７に示すように、交互ヘテロ接合層１５は、電子供与性を有する複数の電子供与性ラメラ層１３および電子受容性を有する複数の電子受容性ラメラ層１４とから構成されている。また、電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４とは、交互に接合されており、当該接合面Ｊ１１は、図７に示すように、ｙ−ｚ平面に平行である。つまり、電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４との接合面Ｊ１１は、電子供与性層１１の主面および電子受容性層１２の主面の各々に対して、垂直である。換言すると、接合面Ｊ１１は、電子供与性層１１と電子受容性ラメラ層１４との接合面Ｊ１２、および電子受容性層１２と電子供与性ラメラ層１３との接合面Ｊ１３の各々に対して、垂直である。
【００６２】
ここで、電子受容性材料としては、Ｃ６０およびその誘電体、ベンズイミダゾールおよびその誘電体、ピリジン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、キノリン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ベンゾフェナンスロリン類およびその誘導体によるラダーポリマー、シアノ−ポリフェニレンビニレンなどの高分子、フッ素化無金属フタロシアニン、フッ素化金属フタロシアニン類及びその誘導体、ペリレン及びその誘導体（ＰＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＩなど）、ナフタレン誘導体（ＮＴＣＤＡ、ＮＴＣＤＩなど）、バソキュプロイン及びその誘導体などの低分子が利用され得る。
【００６３】
これに対して、電子供与性材料としては、チオフェン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、フェニレン系ポリマー、フェニレン-ビニレン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、チエニレン-ビニレン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ピラジン系ポリマー、カルバゾール及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ビニルカルバゾール及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ピロール及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、イソチアナフェン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエン及びその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマーなどの高分子、金属ナフサロシアニンおよびその誘電体、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンなどのアセン類およびその誘導体、チオフェンおよびその誘電体、ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、テトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィル等の無金属ポルフィリンや金属ポルフィリン及びそれらの誘導体、シアニン色素、メロシアニン色素、スクアリリウム色素、キナクリドン色素、アゾ色素、アントラキノン、ベンゾキノン、ナフトキノン等のキノン系色素などの低分子が利用され得る。
【００６４】
ここで、金属フタロシアニン、金属ポルフィリンまたは金属ナフサロシアニンの中心金属としては、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、アルミニウム、ケイ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、白金、鉛などの金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物が利用され得る。
【００６５】
上記から分かるように、本実施の形態に係るヘテロ接合部３００を有するヘテロ接合素子は、膜面内方向に平行な第一のヘテロ接合面Ｊ１２，Ｊ１３と、膜厚方向に平行な第二のヘテロ接合面Ｊ１１（当然、第二のヘテロ接合面Ｊ１１と第一のヘテロ接合面Ｊ１２，Ｊ１３とは垂直である）との両方有している。
【００６６】
以上のように、本実施の形態に係る太陽電池４００は上記のように構成されているので、実施の形態１と同様の効果を有する。つまり、上記キャリア過程の効率および上記エキシトン過程の効率の向上を両立させることができ、結果として、光電変換のエネルギー変換効率の高いヘテロ接合素子（太陽電池４００）を提供することができる。
【００６７】
なお、図７の構成の他に後述する構成（図８，９，１０）であっても、上記と同様の効果を有することができる。
【００６８】
図８の構成は、図７の構成と異なり、透明電極２０側に電子受容性層１２が形成されており、裏面電極３０側に電子供与性層１１が形成されている。その他の図８の構成は、図７の構成と同様である。
【００６９】
また、図９の構成は、図７の構成と異なり、基板１０が裏面電極３０側に形成されている。ここで、図９の構成では、基板１０は透明性を有する必要は無い。その他の図９の構成は、図７の構成と同様である。
【００７０】
また、図１０の構成は、図８の構成と異なり、基板１０が裏面電極３０側に形成されている。ここで、図１０の構成では、基板１０は透明性を有する必要は無い。その他の図１０の構成は、図８の構成と同様である。
【００７１】
なお、図８，１０の構成では、電子受容性層１２が第一の層と把握でき、電子供与性層１１が第二の層と把握できる。
【００７２】
また、図１１に示すように、電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４との接合面Ｊ１１が、電子供与性層１１の主面および電子受容性層１２の主面に対して垂直な方向成分を有する構成であっても良い。つまり、前記各主面に対して斜め方向に、前記接合面Ｊ１１が形成されていても良い。図８乃至図１０の構成においても同様に、電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４との接合面Ｊ１１が、電子供与性層１１の主面および電子受容性層１２の主面に対して垂直な方向成分を有する構成であっても良い。しかし、上記キャリア移動度の向上に起因したキャリア過程の効率の上昇の観点から、図７，８〜１０に示す構成（つまり、接合面Ｊ１１が前記各種面に対して垂直（ｙ方向に平行）である構成）の方がよりエネルギー変換効率が高くなる。
【００７３】
なお、図７で示した構造のエネルギー利用（変換）効率（所定の入射光エネルギーに対する、電荷分離が起こるヘテロ接合界面まで到達可能な光エネルギーの割合）ηは、上式（１）〜（５）を用いて表すことができる。太陽電池４００の場合、太陽光をどれだけ吸収できるか、また吸収した太陽光エネルギー（すなわち、ヘテロ接合部３００内で生成したエキシトン）をどれだけ接合面Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３に運べるかが、当該エネルギー利用（変換）効率ηを決める。
【００７４】
ここで、本実施の形態の場合では、ΔＥ（α）は、電子供与性を有する有機材料（たとえば、電子供与性層１１、電子供与性ラメラ層１３）のＨＯＭＯ(最高占有分子軌道)−ＬＵＮＯ(最低非占有分子軌道)エネルギーギャップである。ΔＥ（β）は、電子受容性を有する有機材料（たとえば、電子受容性層１２、電子受容性ラメラ層１４）のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップである。Ｉ（λ）は、基準太陽光スペクトルＡＭ１．５，１ＳＵＮのスペクトルの強度である。α（α）は、電子供与性を有する有機材料（たとえば、電子供与性層１１、電子供与性ラメラ層１３）の吸光係数である。α（β）は、電子受容性を有する有機材料（たとえば、電子受容性層１２、電子受容性ラメラ層１４）の吸光係数である。β（α）は、電子供与性を有する有機材料（たとえば、電子供与性層１１、電子供与性ラメラ層１３）のエキシトン拡散距離の逆数である。β（β）は、電子受容性を有する有機材料（たとえば、電子受容性層１２、電子受容性ラメラ層１４）のエキシトン拡散距離の逆数である。∫ＡＭ１．５（λ）ｄλは、基準太陽光スペクトル強度ＡＭ１．５，１ＳＵＮの全波長積分であり、エネルギー密度として０．１Ｗｃｍ-2を示す。
【００７５】
本実施の形態においても、式（１）〜（５）を用いることにより、図７に示したヘテロ接合素子３００の構造パラメータ（電子供与性層１１の厚さＬα、電子受容性層１２の厚さＬβ、電子供与性ラメラ層１３の厚さｌα、電子受容性ラメラ層１４の厚さｌβ、交互へテロ接合層１５の膜厚方向の厚さＬｂ）を最適設計（つまり、式（１）を最大とするように、前記各寸法を設計）することが可能となる。これにより、高いエネルギー利用（変換）効率ηを有する太陽電池４００を提供することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、上式（２）は、電子供与性層１１と電子受容性ラメラ層１４とのヘテロ接合面Ｊ１２における太陽光エネルギー利用効率である。また、上式（３）は、電子受容性層１２と電子供与性ラメラ層１３とのヘテロ接合面Ｊ１３における太陽光エネルギー利用効率である。また、上式（４）、（５）は、交互へテロ接合層１５全体における電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４とのヘテロ接合面Ｊ１１における太陽光エネルギー利用効率である。
【００７７】
また、図８の構成のように、透明電極１０側に電子受容性層１２を形成し、裏面電極３０側に電子供与性層１１を形成した場合には、式（２）、（３）の表記において、電子供与性層１１のパラメータと電子受容性層１２のパラメータを入れ替える必要がある。また、式（４）、（５）において、ラメラ部への到達光強度が変更する。つまり、実施の形態１で説明したように、式（２）の代わりに式（６）を用いる必要があり、式（３）の代わりに式（７）を用いる必要がある。さらに、式（４）の代わりに式（８）を用いる必要があり、式（５）の代わりに式（９）を用いる必要がある。
【００７８】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、エネルギー利用（変換）効率ηを最大とすることができる、ｐ型ラメラ層３（または電子供与性ラメラ層１３）の膜厚ｌαとｎ型ラメラ層４（または電子受容性ラメラ層１４）の膜厚ｌβとの比について言及する。
【００７９】
本実施の形態では、図７の構成において、電子供与性層１１および電子供与性ラメラ層１３として、銅フタロシアニン（有機材料）を採用した。また、電子受容性層１２および電子受容性ラメラ層１４として、Ｃ６０（有機材料）を採用した。式（１）〜（５）を用いて、前記有機材料を採用した場合の太陽光エネルギー利用（変換）効率ηとラメラ厚比（ｌα／（ｌα＋ｌβ））との関係をシミュレーションした。当該シミュレーション結果を図１２に示す。
【００８０】
ここで、銅フタロシアニンのエキシトン拡散距離は、１０ｎｍである。また、Ｃ６０のエキシトン拡散距離は、４０ｎｍである。また、当該シミュレーションとして、交互ヘテロ接合層１５の膜厚方向の厚さＬｂを１μｍとし、電子供与性ラメラ層１３と電子受容性ラメラ層１４のラメラ繰り返し単位厚（ｌα＋ｌβ）を１００ｎｍとした。つまり、図１２は、交互ヘテロ接合層１５の厚さＬｂおよびラメラ繰り返し単位厚（ｌα＋ｌβ）が一定の値（条件）でのシミュレーション結果である。なお、電子供与性層１１の膜厚Ｌαを１６ｎｍとし、電子受容性層１２の膜厚Ｌβを９２ｎｍとした。
【００８１】
図１２のシミュレーション結果より、ラメラ厚比（ｌα／（ｌα＋ｌβ））が「０．２」のとき、太陽光エネルギー利用効率ηが最大となることが分かった。つまり、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌα：電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβ＝１：４、であるとき、太陽光エネルギー利用効率ηが最大となる。当該比は、エキシトン拡散距離の比（１０ｎｍ：４０ｎｍ）と同じである。
【００８２】
つまり、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌα：電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβ＝電子供与性ラメラ層１３のエキシトン拡散距離：電子受容性ラメラ層１４のエキシトン拡散距離、の場合に、太陽光エネルギー利用効率ηが最大となる。
【００８３】
当該膜厚とエキシトン拡散距離との関係は、ヘテロ接合部１００が無機半導体材料で形成された図１，３，４，５の構成、ヘテロ接合部３００が他の有機材料で形成された図７〜１０の構成についても、同様に成立することが分かった。ヘテロ接合部１００が無機半導体材料で形成された場合には、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌα：ｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβ＝ｐ型ラメラ層３のエキシトン拡散距離：ｎ型ラメラ層４のエキシトン拡散距離を満たす場合に、太陽光エネルギー利用効率ηが最大となる。
【００８４】
以下の実施の形態４乃至７では、上記ラメラ厚比の関係を用いて、本発明に係るヘテロ接合部１００，３００を有するヘテロ接合素子の効果を説明する。
【００８５】
＜実施の形態４＞
本実施の形態では、図７のヘテロ接合素子３００の構成において、電子供与性層１１および電子供与性ラメラ層１３として、銅フタロシアニン（有機材料）を採用した。また、電子受容性層１２および電子受容性ラメラ層１４として、Ｃ６０（有機材料）を採用した。式（１）〜（５）を用いて、前記有機材料を採用した場合の太陽光エネルギー利用（変換）効率ηと交互ヘテロ接合層１５の膜厚Ｌｂとの関係をシミュレーションした。当該シミュレーション結果を図１３に示す。
【００８６】
ここで、当該シミュレーションでは、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌαと電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβとを変化させた。ただし、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌα：電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβ＝電子供与性ラメラ層１３のエキシトン拡散距離：電子受容性ラメラ層１４のエキシトン拡散距離＝１：４の関係は、維持されている。また、電子供与性層１１の膜厚Ｌαを１６ｎｍとし、電子受容性層１２の膜厚Ｌβを９２ｎｍとした。
【００８７】
図１３において、Ｌｂ＝０の切片の値が、単一ヘテロ接合構成（図１４：図７において交互ヘテロ接合層１５の無い構成）の場合の太陽光エネルギー利用効率η（＝６．８％）である。
【００８８】
図１３から分かるように、本発明の構成のように、上記構成を有する交互ヘテロ接合層１５を電子供与性層１１と電子受容性層１２との間に導入することにより、太陽光エネルギー利用効率ηは大きく増大する。たとえば、膜厚Ｌｂが１０μｍ、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌαが５ｎｍ、電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβが２０ｎｍである相互ヘテロ接合層１５を、図１４の構成の電子供与性層１１と電子受容性層１２との間に導入する（図７の構成と把握できる）。当該交互ヘテロ接合層１５の導入により、図１４の構成のときの太陽光エネルギー利用効率６．８％が、約３８％程度まで増大することが、図１３から読み取ることができる。
【００８９】
また、図１３から分かるように、交互ヘテロ接合層１５の膜厚Ｌｂを所定の値まで増加させると、太陽光エネルギー効率ηは急激に増加する。そして、交互ヘテロ接合層１５の膜厚Ｌｂを所定の値以上に増加させると、太陽光エネルギー効率ηは緩やかに増加し、一定値に近づく。
【００９０】
また、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌαおよび電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβが薄いほど、太陽光エネルギー利用効率ηが増加する傾向にあることが、図１３のシミュレーション結果から読み取ることができる。
【００９１】
＜実施の形態５＞
本実施の形態では、図１のヘテロ接合部１００を有するヘテロ接合素子において、当該ヘテロ接合部１００として、膜厚方向の厚さが２００μｍのシリコンバルク多結晶（無機半導体材料）を採用した。この場合における、太陽光エネルギー利用（変換）効率ηの効果について、上式（１）〜（５）を用いて以下に記す。
【００９２】
ここで、シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離に関して、文献値が無い。したがって、まず、シリコン単結晶のエキシトン拡散距離の文献値（５０μｍ）から、当該シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離を推定する。
【００９３】
ウエハ厚（ｐ型層１とｎ型層２との合計厚）を２００μｍとしたシリコン単結晶の単一ヘテロ接合構造（図１５：図１において交互ヘテロ接合層５が省略した構成）の場合、式（２），（３）から、ｐ型層１の膜厚Ｌαが７μｍのとき、太陽光エネルギー利用効率ηは、最大値３９．１％をとることが計算できる。
【００９４】
一方、シリコン単結晶太陽電池の全体の変換効率は、最大値２４．７％であり、シリコンバルク多結晶太陽電池の全体の変換効率は、最大値２０．３％であることが報告されている。
【００９５】
ここで、シリコンバルク多結晶太陽電池の太陽光エネルギー利用効率と全体の変換効率の差分値が、シリコン単結晶太陽電池の太陽光エネルギー利用効率と全体の変換効率の差分値（３９．１％−２４．７％＝１４．４％）と、同じ値であると仮定する。すると、シリコンバルク多結晶太陽電池の太陽光エネルギー利用効率ηは、３４．７％（＝２０．３％（全体の変換効率）＋１４．４％（差分値））と見積もることができる。
【００９６】
したがって、太陽光エネルギー利用効率の値３４．７％を示すときのエキシトン拡散距離は、式（２），（３）から逆算できる。つまり、シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離が計算できる。当該計算の結果、シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離は、１１μｍである。
【００９７】
次に、図１６に、図１５に示す単一ヘテロ接合構造において、ｐ型層１およびｎ型層２がシリコンバルク多結晶の場合のシミュレーション結果を示す。図１６は、シリコンバルク多結晶ウエハ厚（ｐ型層１＋ｎ型層２）を２００μｍとし、シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離を１１μｍとした場合のシミュレーション結果である。なお、図１６の横軸は、ｐ型層１の膜厚（ｃｍ）であり、縦軸は、太陽光エネルギー利用効率η（％）である。
【００９８】
図１６から分かるように、シリコンバルク多結晶から成る単一ヘテロ接合構造（図１５の構成）の太陽光エネルギー利用効率ηは、ｐ型層１の膜厚が３μｍのときに、最大値３４．５％を示す。
【００９９】
次に、図１７に、上式（１）〜（５）用いて導出した、図１のヘテロ接合部１００がシリコンバルク多結晶である場合のシミュレーション結果を示す。図１７は、ｐ型層１の膜厚Ｌαを５０ｎｍとし、ｎ型層２の膜厚Ｌβを５０ｎｍとし、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαを５μｍとし、ｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβを５μｍとし、シリコンバルク多結晶のエキシトン拡散距離を１１μｍとした場合のシミュレーション結果である（前記において、実施の形態３で説明した、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌα：ｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβ＝ｐ型ラメラ層３のエキシトン拡散距離：ｎ型ラメラ層４のエキシトン拡散距離、を適用している）。図１７の横軸は、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂ（ｃｍ）であり、縦軸は、太陽光エネルギー利用効率η（％）である。
【０１００】
図１７から分かるように、図１に示す構成において、ヘテロ接合部１００にシリコンバルク多結晶を使用することにより、太陽光エネルギー利用効率ηは、最大値３９．７％となる。当該値（３９．７％）は、シリコンバルク多結晶から成る単一ヘテロ接合構造（図１５）の太陽光エネルギー利用効率ηよりも、５．２％（＝３９．７％−３４．５％）も高い。つまり、交互ヘテロ接合層５を設けることにより、太陽光エネルギー利用効率が上昇することが分かる。
【０１０１】
さらに、図１のヘテロ接合部１００にシリコンバルク多結晶を使用した場合の、最大太陽光エネルギー利用効率値（３９．７％）は、シリコンバルク単結晶から成る単一ヘテロ接合構造（図１５）の太陽光エネルギー利用効率の最大値（３９．１％）よりも、高くなっている。
【０１０２】
＜実施の形態６＞
本実施の形態では、図１のヘテロ接合部１００を有するヘテロ接合素子において、当該ヘテロ接合部１００として、膜厚方向の厚さが数十μｍの薄膜ポリシリコン（無機半導体材料）を採用した。この場合における、太陽光エネルギー利用（変換）効率ηの効果について、上式（１）〜（５）を用いて以下に記す。
【０１０３】
ここで、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離に関して、文献値が無い。したがって、まず、シリコン単結晶のエキシトン拡散距離の文献値（５０μｍ）から、当該薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離を推定する。
【０１０４】
実施の形態５で述べたように、シリコン単結晶の単一ヘテロ接合構造の場合、太陽光エネルギー利用効率ηは、最大値３９．１％をとることが計算できる。
【０１０５】
一方、シリコン単結晶太陽電池の全体の変換効率は、最大値２４．７％であり、薄膜ポリシリコン太陽電池の全体の変換効率は、最大値１６．６％である報告されている。しかし、当該最大値（１６．６％）は、単一ヘテロ接合構造ではなく、ｐ−ｉ−ｎ接合構造に関するものである。したがって、単一ヘテロ接合構造の薄膜ポリシリコン太陽電池の全体の変換効率を、最大値１０％と仮定する。
【０１０６】
ここで、薄膜ポリシリコン太陽電池の太陽光エネルギー利用効率と全体の変換効率の差分値が、シリコン単結晶太陽電池の太陽光エネルギー利用効率と全体の変換効率の差分値（３９．１％−２４．７％＝１４．４％）と、同じ値であると仮定する。すると、薄膜ポリシリコン太陽電池の太陽光エネルギー利用効率ηは、２４．４％（＝１０％（全体の変換効率）＋１４．４％（差分値））と見積もることができる。
【０１０７】
したがって、太陽光エネルギー利用効率の値２４．４％を示すときのエキシトン拡散距離は、式（２），（３）から逆算できる。つまり、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が計算できる。当該計算の結果、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離は、２．２μｍである。
【０１０８】
次に、図１８に、図１５に示す単一ヘテロ接合構造において、ｐ型層１およびｎ型層２が薄膜ポリシリコンの場合のシミュレーション結果を示す。図１８は、ｐ型層１およびｎ型層２を共に同じとし、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離を２．２μｍとした場合のシミュレーション結果である。図１８の横軸は、ｐ型層１（ｎ型層２）の膜厚（ｃｍ）であり、縦軸は、太陽光エネルギー利用効率η（％）である。
【０１０９】
図１８から分かるように、薄膜ポリシリコンから成る単一ヘテロ接合構造（図１５の構成）の太陽光エネルギー利用効率ηは、ｐ型層１およびｎ型層２の膜厚が１．３μｍのときに、最大値２４．５％を示す。
【０１１０】
次に、図１９に、上式（１）〜（５）用いて導出した、図１のヘテロ接合部１００が薄膜ポリシリコンである場合のシミュレーション結果を示す。図１９は、ｐ型層１の膜厚Ｌαを５０ｎｍとし、ｎ型層２の膜厚Ｌβを５０ｎｍとし、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαおよびｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβを１，３，５μｍと変化させ、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離を２．２μｍとした場合のシミュレーション結果である（前記において、実施の形態３で説明した、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌα：ｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβ＝ｐ型ラメラ層３のエキシトン拡散距離：ｎ型ラメラ層４のエキシトン拡散距離、を適用している）。図１９の横軸は、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂ（ｃｍ）であり、縦軸は、太陽光エネルギー利用効率η（％）である。
【０１１１】
図１に示す構成において、ヘテロ接合部１００に薄膜ポリシリコンを使用する。すると、図１９から分かるように、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαおよびｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβが共に１μｍである場合において、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが２０μｍのとき、太陽光エネルギー利用効率ηは、３５．２％となる。当該利用効率値（３５．２％）は、薄膜ポリシリコンから成る単一ヘテロ接合構造（図１５）の太陽光エネルギー利用効率ηの最大値よりも、１０．７％（＝３５．２％−２４．５％）も高い。つまり、交互ヘテロ接合層５を設けることにより、太陽光エネルギー利用効率が上昇することが分かる。
【０１１２】
また、図１のヘテロ接合部１００に薄膜ポリシリコンを使用した場合の前記太陽光エネルギー利用効率値（３５．２％）は、シリコンバルク多結晶から成る単一ヘテロ接合構造（図１５）の太陽光エネルギー利用効率の最大値（３４．５％）よりも、高くなっている。
【０１１３】
また、図１９から分かるように、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂを所定の値まで増加させると、太陽光エネルギー効率ηは急激に増加する。そして、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂを所定の値以上に増加させると、太陽光エネルギー効率ηは緩やかに増加し、一定値に近づく。
【０１１４】
なお、図１９を参酌すると、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαおよびｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβが共に１μｍである場合、交互ヘテロ接合層５の膜厚が５０μｍのときに、太陽光エネルギー利用効率ηは、３７．３％に達する。
【０１１５】
さらに、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαおよびｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβが薄いほど、太陽光エネルギー利用効率ηが増加する傾向にあることが、図１９から読み取ることができる。
【０１１６】
なお、図１のヘテロ接合部１００にシリコンバルク多結晶を使用した構成（つまり、実施の形態５で言及した膜厚の厚いヘテロ接合部１００）よりも、図１のヘテロ接合部１００に薄膜ポリシリコンを使用した構成（つまり、本実施の形態で言及した膜厚の薄いヘテロ接合部１００）の方が、実際の太陽電池製品を考慮すると、より実用的である。
【０１１７】
＜実施の形態７＞
実施の形態６では、薄膜ポリシリコンを構成する結晶粒の粒径が等方的な球形を想定している。つまり、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が、３次元的に等方的であり、２．２μｍとした。しかし、薄膜ポリシリコンの成膜プロセスによって、結晶粒の粒径が異方性を有することが一般的であると考えられる。換言すれば、薄膜ポリシリコンの成膜プロセスを考慮すると、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が、膜面内方向（たとえば図１のｘ−ｚ面）と膜厚方向（たとえば図１のｙ方向）とで異方的である、ことが一般的であると考えられる。
【０１１８】
たとえば、アモルファスポリシリコン薄膜を、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）２ωレーザでアニールしたとする。当該場合には、膜面内方向の粒径が大きい結晶粒が形成されることが報告されている。つまり、当該アニール処理が施された場合、アモルファスポリシリコンの結晶粒は、結晶粒の膜厚方向（たとえば図１のｙ方向）の粒径は、膜面内方向（図１のｘ−ｚ面方向）の粒径よりも小さくなる、ことが報告されている。
【０１１９】
ここで、上記からも分かるように、ヘテロ接合部１００（より具体的には、交互ヘテロ接合層５）を構成する無機半導体材料の結晶粒の粒径と、当該無機半導体材料のエキシトン拡散距離との関係は比例関係にある。そこで、薄膜ポリシリコンを構成する結晶粒の粒径が異方性を有することを想定して、太陽エネルギー利用（変換）効率ηを考察するに際して、以下のシミュレーションを行った。つまり、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が異方性を有する場合を想定して、上式（１）〜（５）を用いてシミュレーションを行った。
【０１２０】
図２０は、図１のヘテロ接合部１００が薄膜ポリシリコンであり、エキシトン拡散距離が異方性を有する場合のシミュレーション結果である。
【０１２１】
図２０は、ｐ型層１の膜厚Ｌαを５０ｎｍとし、ｎ型層２の膜厚Ｌβを５０ｎｍとし、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌαおよびｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβを１，３，５μｍと変化させた場合のシミュレーション結果である（前記において、実施の形態３で説明した、ｐ型ラメラ層３の膜厚ｌα：ｎ型ラメラ層４の膜厚ｌβ＝ｐ型ラメラ層３のエキシトン拡散距離：ｎ型ラメラ層４のエキシトン拡散距離、を適用している）。
【０１２２】
また、図２０は、薄膜ポリシリコンの膜厚方向（図１のｙ方向）のエキシトン拡散距離を２．２μｍとし、膜面内方向（図１のｘ−ｚ面方向）のエキシトン拡散距離を５μｍとした場合のシミュレーション結果である。このように、本実施の形態でのシミュレーションでは、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離は異方性を有する。特に、膜厚方向のエキシトン拡散距離は、膜面内方向のエキシトン拡散距離よりも小さい。
【０１２３】
なお、図２０の横軸は、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂ（ｃｍ）であり、縦軸は、太陽光エネルギー利用効率η（％）である。
【０１２４】
エキシトン拡散距離が等方的であるとした図１９のシミュレーション結果と、エキシトン拡散距離が異方的であるとした図２０のシミュレーション結果とを比較する。
【０１２５】
すると、図１９，２０共に、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが、１μｍ→３μｍ→５μｍと変化すると、太陽光エネルギー利用効率ηが減少することが分かる。。しかし、その減少の程度が、エキシトン拡散距離が異方的（膜面内方向エキシトン拡散距離＞膜面厚方向のエキシトン拡散距離）である方が、エキシトン拡散距離が等方的である場合よりも小さいことが分かる。
【０１２６】
たとえば、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが５μｍ、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合、図１９（エキシトン拡散距離が等方的）の結果では、太陽光エネルギー利用効率ηは、２７．８％であった。また、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが１μｍ、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合、図１９（エキシトン拡散距離が等方的）の結果では、太陽光エネルギー利用効率ηは、約３７％であった。つまり、図１９（エキシトン拡散距離が等方的）の場合では、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが１μｍから５μｍへと減少すると、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合において、太陽光エネルギー利用効率ηは、約９％以上も減少する。
【０１２７】
これに対して、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが５μｍ、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合、図２０（エキシトン拡散距離が異方的）の結果では、太陽光エネルギー利用効率ηは、３５．２％であった。また、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが１μｍ、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合、図２０（エキシトン拡散距離が異方的）の結果では、太陽光エネルギー利用効率ηは、約３７％であった。つまり、図２０（エキシトン拡散距離が異方的）の場合では、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβが１μｍから５μｍへと減少すると、交互ヘテロ接合層５の膜厚Ｌｂが５０μｍの場合において、太陽光エネルギー利用効率ηは、約２％程度しか減少しない。
【０１２８】
このことは、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が異方的（膜厚方向のエキシトン拡散距離＜膜面内方向のエキシトン拡散距離）である場合には、エキシトン拡散距離が等方的である場合よりも、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβをより大きく設定することが可能であることを示している。換言すれば、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が上記方向に異方的である場合には、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβを大きくしたとしても、高い太陽光エネルギー利用効率ηを維持することができる。
【０１２９】
このように、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβを大きく設計・製造できることは、薄膜形成プロセス上、とても有利な条件となる。
【０１３０】
ここで、前記の通り、ヘテロ接合部１００（より具体的に、交互ヘテロ接合層５）を構成する無機半導体材料のエキシトン拡散距離と、当該無機半導体材料の結晶粒の粒径との関係は比例関係にある。したがって、薄膜ポリシリコンのエキシトン拡散距離が異方的（膜厚方向のエキシトン拡散距離＜膜面内方向のエキシトン拡散距離）である場合とは、すなわち、薄膜ポリシリコンを構成する結晶粒の結晶粒が異方的（交互ヘテロ接合層５の膜厚方向の粒径＜交互ヘテロ接合層５の膜面内方向の粒径）であることを意味することになる。
【０１３１】
以上のように、ヘテロ接合部１００（交互ヘテロ接合層５）を構成する無機半導体材料の粒子径を、上記方向に異方性を持たせる。つまり、交互ヘテロ接合層５の膜厚方向（図１のｘ−ｚ面方向）の粒径は、交互ヘテロ接合層５の膜面内方向（図１のｙ方向）の粒径よりも小さい。
【０１３２】
このような構成を採用することにより、各ラメラ層３，４の膜厚ｌα，ｌβを厚くしたとしても、高い太陽光エネルギー利用効率ηを維持することができる。つまり、交互ヘテロ接合層５を構成する各ラメラ層３，４を、より厚く形成できる。したがって、当該交互ヘテロ接合層５の製造プロセスの有利な条件を採用でき、簡単に当該交互ヘテロ接合層５を作成することができる。
【０１３３】
＜実施の形態８＞
本実施の形態では、薄膜ヘテロ接合素子から成る太陽電池の製造方法について、工程断面図を用いて説明する。なお、以下では、ポリシリコンから成るヘテロ接合部１００を有する太陽電池２００（図１）の製造方法について言及する。
【０１３４】
まず、図２１に示すように、ガラス基板１０を用意し、当該ガラス基板１０上に透明電極２０を形成する。さらに、図２１に示すように、透明電極２０上に、厚さ約５０ｎｍのアモルファスシリコン６１を成膜する。
【０１３５】
次に、アモルファスシリコン６１に対して、エキシマレーザを用いたアニール処理を施す。これにより、図２２に示すように、透明電極２０上に、ポリシリコン種結晶６２を作成する。
【０１３６】
次に、図２２に示した製造途中の構造体に対して、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理を施す。これにより、図２３に示すように、所定の膜厚を有するｐ型のポリシリコン層６３が形成される。
【０１３７】
次に、ｐ型のポリシリコン層６３上に、レジスト６４を形成する。そして、フォトリソグラフィ工程とエッチング処理とを組み合わせて実施することにより、レジスト６４に所定のパターンの開口部６５を形成する。そして、当該レジスト６４をマスクとして用いて、ポリシリコン層６３に対して、エッチング処理を実施する。当該工程までを図２４に示す。
【０１３８】
次に、レジスト６４を除去した後、プラズマＣＶＤによりｎ型ポリシリコン層を成膜する。当該工程までにより、図２５に示すように、ｐ型層１、ｐ型ラメラ層３、ｎ型ラメラ層４、およびｎ型層２が形成される。また、ｐ型ラメラ層３およびｎ型ラメラ層４との繰り返し構造により、交互ヘテロ接合層５が構成される。
【０１３９】
その後、図２６に示すように、ｎ型層２上に、光反射機能を有する裏面電極３０を形成する。
【０１４０】
以上により、図１で示した構成の太陽電池２００が完成する。なお、上記プロセスを採用した場合、図２６に示すように裏面電極３０の主面はフラットではなく、凹凸を持つテクスチャー状に形成される。したがって、当該テクスチャー状に形成されることにより、光利用効率の向上を図ることができる。なお、プラズマＣＶＤ法を採用した場合には、反応ガスを調整することで、直接的にｐ型またはｎ型を有するポリシリコンを成膜することができる。したがって、上記プラズマＣＶＤ法を採用することにより、不純物イオンの注入・拡散等のプロセスを省略することができる。
【０１４１】
なお、上記では、ｐ型ポリシリコン層６３を作成するために、エキシマレーザでポリシリコン種結晶６２を作成した後、プラズマＣＶＤ処理を施している。しかし、次のような方法により、ｐ型ポリシリコン層６３を形成することもできる。
【０１４２】
つまり、１００ｎｍ程度のアモルファスシリコンを形成した後、当該アモルファスシリコンに対して、ＹＡＧ２ω（波長：５３２ｎｍ）レーザを用いたアニール処理を施す。当該アモルファスシリコンの形成とアニール処理を複数回繰り返して実施する。これにより、所定の膜厚のｐ型ポリシリコン層６３を形成することもできる。
【０１４３】
また、プラズマＣＶＤ処理でなく、従来から提唱されているその他各種ＣＶＤ法を用いて、所定の膜厚のｐ型ポリシリコン層６３を形成しても良い。
【０１４４】
＜実施の形態９＞
本実施の形態では、図７で示した、有機材料から成るヘテロ接合部３００の製造方法について説明する。
【０１４５】
まず、電子供与性（ドナー：Ｄ）機能団を有する分子と電子受容性（アクセプター：Ａ）機能団を有する分子との各々を、モノマーユニットとして含むブロック共重合体（（Ｄ）ｍ−（Ａ）ｎ：ｍ，ｎは、重合度）を用いて、交互ヘテロ接合層１５を形成する。
【０１４６】
ブロック共重合体は、ミクロ相分離することが知られており、ラメラ状ミクロ相分離構造は、ブロック共重合体の平衡状態におけるミクロ相分離構造として良く知られている。２種類のブロックの重合度ｍ，ｎを制御することにより、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌαおよび電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβを制御することが可能である。
【０１４７】
また、ＤホモポリマーとＡホモポリマーとを適当な割合で、Ｄ−Ａブロック共重合体に混合する。当該方法によっても、電子供与性ラメラ層１３の膜厚ｌαおよび電子受容性ラメラ層１４の膜厚ｌβを制御することができる。
【０１４８】
各ラメラ層１３，１４を、図７に示すようにｙ方向に配向させる技術としては、ゾーンヒーティング法や電界ポーリング法などがある。なお、垂直方向ラメラ構造を有するブロック共重合体の製造方法に係る先行技術として、特開２００５−６０５８３号公報が存在する。
【０１４９】
上記までの方法により、各ラメラ層１３，１４が所定の方向に配向した、膜厚Ｌｂを有する交互ヘテロ接合層１５を形成する。上記より明らかなように、当該交互ヘテロ接合層１５は、電子供与性機能団を有する分子と電子受容性機能団を有する分子との各々を、モノマーユニットとして含むブロック共重合体（（Ｄ）ｍ−（Ａ）ｎ：ｍ，ｎは、重合度）から構成されている。
【０１５０】
ガラス基板１０上に形成された透明電極２０上に、電子供与性層１１を形成する。次に、当該電子供与性層１１に対して、上記ブロック共重合体から成る交互ヘテロ接合層１５を熱圧着する。そして、当該交互ヘテロ接合層１５の面（電子供与性層１１が形成されている面と対向する面）に対して、電子受容性層１２を形成する。その後、電子受容性層１２に、光反射機能を有する裏面電極３０を形成する。当該工程までにより、図７の構成が完成する。
【０１５１】
なお、次の方法により図７で示した太陽電池４００を作成することもできる。つまり、各ラメラ層１３，１４が所定の方向に配向した、ブロック共重合体から成る交互ヘテロ接合層１５の上面に電子供与性を有する分子、下面に電子受容性を有する分子をそれぞれ蒸着する。これにより、交互ヘテロ接合層１５の上面に電子供与性層１１が形成され、下面に電子受容性層１２が形成される。その後、電子供与性層１１上に透明電極２０を形成し、電子受容性層１２上に裏面電極３０を形成する。
【０１５２】
以上のように、本実施の形態では、有機材料から成る交互ヘテロ接合層１５は、電子供与性機能団を有する分子と電子受容性機能団を有する分子との各々を、モノマーユニットとして含むブロック共重合体（（Ｄ）ｍ−（Ａ）ｎ：ｍ，ｎは、重合度）から構成されている。
【０１５３】
したがって、簡単かつ低コストの製造プロセスにより、実施の形態２に係るヘテロ接合部３００を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の要部構成を示す断面図である。
【図２】交互ヘテロ接合層の構成を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図５】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図６】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図７】実施の形態２に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の要部構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図９】実施の形態２に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の他の構成例を示す断面図である。
【図１２】光エネルギー利用効率を最大とする、各ラメラ層の膜厚比の関係を説明するための図である。
【図１３】本発明に係るヘテロ接合素子の光エネルギー利用効率向上効果を示す図である。
【図１４】有機材料から成る単一ヘテロ接合構造の構成を示す断面図である。
【図１５】無機半導体材料から成る単一ヘテロ接合構造の構成を示す断面図である。
【図１６】単一ヘテロ接合構造がシリコンバルク多結晶から構成される場合における、光エネルギー利用効率を示す図である。
【図１７】実施の形態１に係るヘテロ接合素子がシリコンバルク多結晶から構成される場合における、光エネルギー利用効率を示す図である。
【図１８】単一ヘテロ接合構造が薄膜ポリシリコンから構成される場合における、光エネルギー利用効率を示す図である。
【図１９】実施の形態１に係るヘテロ接合素子が薄膜ポリシリコンから構成される場合における、光エネルギー利用効率を示す図である。
【図２０】実施の形態１に係るヘテロ接合素子を構成する粒子の粒子径が、異方性有する場合の効果を説明するための図である。
【図２１】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２２】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２３】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２４】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２５】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図２６】実施の形態１に係る太陽電池（ヘテロ接合素子）の製造方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１  ｐ型層、２  ｎ型層、３  ｐ型ラメラ層、４  ｎ型ラメラ層、５，１５  交互ヘテロ接合層、１０  （ガラス）基板、１１  電子供与性層、１２  電子受容性層、１３  電子供与性ラメラ層、１４  電子受容性ラメラ層、２０  透明電極、３０  裏面電極、６１  アモルファスシリコン、６２  ポリシリコン種結晶、６３  ポリシリコン、１００，３００  ヘテロ接合部、２００，４００  太陽電池、Ｌα  ｐ型層（電子供与性層）の膜厚、Ｌβ  ｎ型層（電子受容性層）の膜厚、ｌα  ｐ型ラメラ層（電子供与性ラメラ層）の膜厚、ｌβ  ｎ型ラメラ層（電子受容性ラメラ層）の膜厚、Ｌｂ  交互ヘテロ接合層の膜厚、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１３  （ヘテロ）接合面。
【図１】
2009054907.tif 000012
【図２】
2009054907.tif 000013
【図３】
2009054907.tif 000014
【図４】
2009054907.tif 000015
【図５】
2009054907.tif 000016
【図６】
2009054907.tif 000017
【図７】
2009054907.tif 000018
【図８】
2009054907.tif 000019
【図９】
2009054907.tif 000020
【図１０】
2009054907.tif 000021
【図１１】
2009054907.tif 000022
【図１２】
2009054907.tif 000023
【図１３】
2009054907.tif 000024
【図１４】
2009054907.tif 000025
【図１５】
2009054907.tif 000026
【図１６】
2009054907.tif 000027
【図１７】
2009054907.tif 000028
【図１８】
2009054907.tif 000029
【図１９】
2009054907.tif 000030
【図２０】
2009054907.tif 000031
【図２１】
2009054907.tif 000032
【図２２】
2009054907.tif 000033
【図２３】
2009054907.tif 000034
【図２４】
2009054907.tif 000035
【図２５】
2009054907.tif 000036
【図２６】
2009054907.tif 000037