"p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする太陽電池。前記超格子半導体層は、前記量子ドットの第1量子準位により前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有する請求項1に記載の太陽電池。前記障壁層は、GaAsからなり、前記量子ドット層は、InxGa1xAs0<x≦1からなる請求項1または2に記載の太陽電池。前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の前記量子ドットの直径をraとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する2つの前記量子ドット間の距離をrbとしたとき、32lnrbが8.9以下である請求項3に記載の太陽電池。前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の前記量子ドットの直径をraとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する2つの前記量子ドット間の距離をrbとしたとき、26lnrbが8.4以下である請求項3に記載の太陽電池。しかし、従来の量子ドットを有する中間バンド太陽電池では、実際に出力される短絡電流密度が小さいという課題がある。この原因は明らかではないが、キャリアパスとなる中間バンド内に欠陥等のキャリアトラップが存在するためと考えられる。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、短絡電流密度が大きい電流を出力することができる太陽電池を提供する。本発明は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする太陽電池を提供する。本発明によれば、超格子半導体層の厚さ方向と、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向量子ドット層の面内方向との両方に中間バンドを形成することができるため、価電子帯から中間バンドに励起された電子は、超格子半導体層の厚さ方向と、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に伝導することができる。このため、中間バンドに励起された電子は、内部電界によって超格子半導体層の厚さ方向に伝導するが、フォノン散乱等によって、超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向への移動も可能となる。このことにより、たとえ中間バンド内に欠陥等のキャリアトラップが存在したとしても、中間バンドを伝導する電子がトラップを回避して移動することが可能となり、中間バンドを伝導する電子が伝導帯に励起される確率を高くすることができる。その結果、中間バンドを介して伝導帯に励起される電子を多くすることができ、太陽電池が出力することができる短絡電流密度を高くすることができる。本発明の太陽電池は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、障壁層と、前記障壁層を構成する半導体材料に囲まれた量子ドットからなる量子ドット層とが複数回交互に積層され、かつ、前記超格子半導体層の厚さ方向と前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする。本発明において、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる2つの層が繰り返し積層された構造であり、バンドギャップが小さい層の電子波動関数と、隣接するバンドギャップが小さい層の電子波動関数が、大きく相互作用する構造をいう。また、バンドギャップが大きい層を障壁層と呼び、小さい層を井戸層と呼ぶ。なお、量子ドット層は井戸層である。量子ドットとは、100nm以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。量子ドット層とは、複数の量子ドットを含む層のことを指し、超格子構造の井戸層となる。量子準位とは、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。中間バンドとは、超格子構造の井戸層の電子の波動関数が隣接井戸の波動関数と相互作用し、量子井戸の量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ形成されるバンドをいう。尚、本発明において、中間バンドの幅が室温のエネルギーに相当する26meV以上である場合を、中間バンドが形成されている状態と定義する。通常太陽電池は、室温以上の温度で用いられるため、26meV以上の中間バンド幅を有していれば、通常の太陽電池の利用条件下において中間バンド内をキャリアが移動できることを意味している。本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記量子ドットの第1量子準位により前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することが好ましい。第2以上の量子準位に存在するキャリアの数割は、緩和により第1量子準位にエネルギーが低下する。ここで、面内方向超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の中間バンドが、第1量子準位について形成されていた場合には、第2以上の量子準位から第1量子準位にエネルギーが低下したキャリアを、面内方向の中間バンドを介して伝導させることができる。よって、量子ドット層面内方向の中間バンドが、第1量子準位について形成されていれば、キャリアを効率的に電流として取り出すことができる。本発明の太陽電池において、前記障壁層は、GaAsからなり、前記量子ドット層は、InxGa1xAs0<x≦1からなることが好ましい。このような構成によれば、障壁層の材料に禁制帯幅が約142eVのGaAsを用いることにより、太陽電池の光起電力を十分に大きくすることができ、また、量子ドットの材料にGaAsより狭い禁制帯幅を有するInxGa1xAsを用いることにより量子ドット内の電子を3次元的に閉じ込めることができ、量子サイズ効果を発現させ、中間バンドを形成させることが可能となる。また、GaAsとInxGa1xAsの格子定数の差により、InxGa1xAsの結晶成長においてSKモード成長を生じさせることができ、量子ドットを容易に形成することができる。本発明の太陽電池において、前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の前記量子ドットの直径をraとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する2つの前記量子ドット間の距離をrbとしたとき、32lnrbが8.9以下であることが好ましい。障壁層がGaAs、量子ドットがInxGa1xAsの量子ドット層を用いた太陽電池において、その効果を十分に発揮できるのは、0.4≦x≦1.0の範囲である。一方、量子ドットInxGa1xAsの作製において、多少の組成ばらつきが存在する。この条件は、障壁層がGaAs、量子ドットがInxGa1xAsである中間バンド太陽電池において、0.4≦x≦1.0の全範囲において、量子ドットに組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる条件である。そのため、組成ばらつきにより中間バンド形成が妨げられる可能性を考慮する必要がない。よって、0.4≦x≦1.0の全範囲で、組成ばらつきの影響を考慮しない、簡便な設計および作製手法によって超格子半導体層を形成することができる。本発明の太陽電池において、前記量子ドット層は、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向量子ドット層の面内方向の前記量子ドットの直径をraとし、前記超格子半導体層の厚さ方向に直交する方向の隣接する2つの前記量子ドット間の距離をrbとしたとき、26lnrbが8.4以下であることが好ましい。障壁層がGaAs、量子ドットがInxGa1xAsという代表的な量子ドットを有する中間バンド太陽電池の中で、量子ドットがInAsx=1である場合が最も作製が容易である。一方、2.6lnrbが8.4以下であるという条件は、障壁層がGaAs、量子ドットがInxGa1xAsである中間バンド太陽電池において、0.9≦x≦1.0の範囲において、量子ドットに組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる条件である。最も作製が容易なInAsの作製において、量子ドットの組成ばらつきは、通常0.9≦x≦1.0の範囲に収まるため、組成ばらつきが生じた場合であっても、中間バンドの形成が保たれる。そのため、組成ばらつきにより中間バンド形成が妨げられる可能性を考慮する必要がない。さらに、2.6lnrbが8.4以下であるという条件は3.2lnrbが8.9以下である条件よりも、量子ドットサイズと量子ドット間距離のとりえる範囲が広いため、これらパラメータの選択自由度が大きい。よって、作製が容易なInAs量子ドットの、組成ばらつきの影響を考慮することなく、簡便な設計および作製手法によって超格子半導体層を形成することができる。以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。太陽電池の構成図3は本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。本実施形態の太陽電池30は、p型半導体層2と、n型半導体層4と、p型半導体層2とn型半導体層4とに挟まれた超格子半導体層8とを備え、超格子半導体層8は、障壁層6と、障壁層6を構成する半導体材料に囲まれた量子ドット5からなる量子ドット層10とが複数回交互に積層され、かつ、超格子半導体層8の厚さ方向と超格子半導体層8の厚さ方向に直交する方向量子ドット層10の面内方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有することを特徴とする。また、本実施形態の太陽電池30は、陽極21、バッファー層23、ベース層24、窓層27、コンタクト層28または陰極29を有してもよい。ここで、バッファー層23は、p型半導体層2と超格子半導体層8との緩衝層としての役割を担っている。ベース層24は、超格子半導体層8のベースとするために導入している。また、窓層27は太陽光を透過させる役割を担っており、コンタクト層28は、陰極29の材料とn型半導体層4の材料との密着性を向上させる目的で用いている。1.陽極および陰極陽極21および陰極29は太陽電池30が有することができ、陽極21および陰極29から太陽電池30の光起電力を出力できるように設けられる。陽極21および陰極29は、金、銀、銅、チタン、もしくはアルミニウム等の金属材料やこれらを含む合金、インジウムスズ酸化物ITOもしくはインジウム亜鉛酸化物IZO等の導電性酸化物材料、シリコン、ガリウム砒素やこれら材料にホウ素やリン等のドーパントを高濃度で注入し導電性を高めるなどした各種の半導体材料、またはPEDOT:PSSやポリチオフェン等の導電性有機材料など、各種導電性材料またはこれらの混合物もしくは化合物を用いることができる。また、デバイス構成要素として基板を用いた場合、基板との密着性を向上させるために、基板と良好な密着性を有する材料と陽極材料もしくは陰極材料との二層構造とするなど、多層構造からなる陽極21および陰極29を用いてもよい。陽極21および陰極29の形成方法としては、例えば抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法、またはスパッタリング法といった物理気相成長法によって、基板上に目的の電極材料を形成する方法が挙げられる。また、半導体材料に、イオン注入法によって、高濃度でドーパントを注入した高導電性材料として陽極21および陰極29を形成することが可能である。また、適宜、フォトリソグラフィー等を用いたパターニングによって形成することも可能である。なお、基板と陽極21もしくは陰極29が同一材料から一体的に形成されてもよい。例えば、基板として不純物を高濃度に注入した低抵抗シリコン基板を用い、これ自体を陽極21もしくは陰極29として利用してもよい。2.p型半導体層およびn型半導体層p型半導体層2は、p型不純物を含む半導体からなり、超格子半導体層8、n型半導体層4とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。n型半導体層4は、n型不純物を含む半導体からなり、超格子半導体層8、p型半導体層とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。このpin接合またはpn接合が受光することにより、起電力が生じる。また、このことにより、太陽電池が電力を出力することができる。p型半導体層2またはn型半導体層4は、超格子半導体層8が受光することにより生じる電子および正孔を分離し光起電力として出力できるものであれば特に限定されない。3.超格子半導体層超格子半導体層8は、p型半導体層2とn型半導体層4に挟まれ、pin接合またはpn接合を構成することができる。また、超格子半導体層8は、障壁層6と、障壁層6を構成する半導体材料に囲まれた量子ドット5からなる量子ドット層10とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層8は、i型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、p型不純物またはn型不純物を含む半導体層であってもよい。図1aは、本発明の一実施形態の太陽電池に含まれる超格子半導体層などの概略断面図であり、図1bは図1aの一点鎖線A-Aにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図であり、図1cは図1aの点線B-Bにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示す概略バンド図である。なお、図1b、cにおいて、pin接合により生じる内部電界は無視している。また、図1b、cにおいて、量子ドット5の量子準位は中間バンドを形成する準位のみを示しており、また、電子が存在できるバンドを斜線で示している。また、図2は、図1の点線で囲んだ範囲Cにおける超格子半導体層の拡大断面図であり、中間バンドを伝導する電子を説明するための説明図である。図1abcのように、この太陽電池に含まれる量子ドット5は、障壁層6の材料よりも狭いバンドギャップを有する材料からなる微粒子であり、量子ドット5の伝導帯は障壁層6により閉じ込められ、量子準位となっている。超格子半導体層8は、超格子半導体層8の厚さ方向図1のz方向と、量子ドット層10の面内方向超格子半導体層8の厚さ方向に直交する方向図1のx方向またはy方向との両方に中間バンドが形成されるように積層された積層構造を有する。なお、従来の中間バンド太陽電池に含まれる超格子半導体層108は、超格子半導体層108の厚さ方向図15のz方向にのみ中間バンドが形成される。このことを図面を使って説明する。従来の中間バンド太陽電池は、図15bのようにz方向に中間バンドを発生させている。しかし、量子ドット層110の面内方向x方向またはy方向の量子ドット105の直径saや隣接する2つの量子ドット105の間隔sbは制御されていないため、x方向またはy方向に隣接する2つの量子ドットの量子準位の波動関数はほとんど相互作用しないため、図15cのようにx方向またはy方向には中間バンドが発生していない。このため、図16のように価電子帯から中間バンドに励起された電子112は、超格子半導体層108の厚さ方向z方向に形成された中間バンド115を伝導する。そのため、キャリア電子112の自由度は量子ドット層110の積層方向z方向のみに限定される。一方で、超格子構造作製工程において、欠陥等のキャリアトラップ113は主に量子ドット105の内部に生じる。つまり、キャリアパスとなる中間バンド115内に欠陥等のキャリアトラップ113が生じやすい。このような従来技術の量子ドット105を有する中間バンド太陽電池において、中間バンド115内にキャリアトラップ113が存在すると、キャリア電子112の自由度が量子ドット層110の積層方向z方向にのみ存在するため、容易にキャリアが捕捉されてしまう。捕捉されたキャリアは光起電力に寄与することなく失活するため、短絡電流密度が小さくなってしまうと考えられる。よって、従来の量子ドットを有する中間バンド太陽電池においては、キャリアが失活しやすく、電流として取り出しにくい構造となっているため、外部に取り出す電流値が低い値となってしまうと考えられる。これに対し、図1に示したような本実施形態の太陽電池30に含まれる超格子半導体層8は、超格子半導体層8の厚さ方向z方向の量子ドット5の直径daおよび隣接する2つの量子ドット5の間隔dbに加え、量子ドット層8の面内方向x方向またはy方向の量子ドット5の直径raおよび隣接する2つの量子ドット5の間隔rbも制御されて積層されるため、超格子半導体層8の厚さ方向z方向と、量子ドット層10の面内方向x方向またはy方向との両方に中間バンドが形成される。まず、daおよびdbを制御することにより、z方向に隣接する2つの量子ドット5の量子準位の波動関数を相互作用させ、図1bのように超格子半導体層8のz方向に中間バンドを形成することができる。つまり、量子ドット層積層方向z方向には、量子ドット層積層方向の量子ドット5を通り、量子ドット層積層方向全体に渡って繋がった中間バンドを形成することができる。この中間バンドは、波動関数が、積層方向の各量子ドット5上に局在化することなく、積層方向全体に渡って延伸することで形成されている。つまり、量子ドット5それぞれが隣接する量子ドット5と強く相互作用し合い、波動関数が非局在化することで形成されている。ここで、中間バンドが形成される中間バンド幅を、太陽電池が持つ温度に相当するエネルギー以上の幅とする。例えば、室温では中間バンド幅が26meV以上であればバンドが形成されているとみなすことができる。量子ドット層10で生成されたキャリアは、波動関数が超格子半導体層8のp型半導体層側からn型半導体層側まで超格子半導体層全体に渡って繋がることで形成された中間バンド中を移動し、n型半導体層まで容易に移動することができる。次に、raおよびrbを制御することにより、x方向またはy方向に隣接する2つの量子ドット5の量子準位の波動関数を相互作用させ、図1cのように超格子半導体層8のx方向またはy方向に中間バンドを形成することができる。つまり、量子ドット層面内方向x方向またはy方向にも、量子ドット層面内方向の量子ドット5を通り、量子ドット層面内方向全体に渡って繋がった中間バンドを形成することができる。この量子ドット層面内方向の中間バンドに関しても、量子ドット層積層方向と同様に考えることができる。つまり、量子ドット層面内方向には、量子ドット層面内方向の量子ドット5を通り、量子ドット層面内方向全体に渡って繋がった中間バンドが形成されている。この中間バンドは、波動関数が、面内方向の各量子ドット5上に局在化することなく、面内方向全体に渡って延伸することで形成されている。つまり、量子ドット5それぞれが隣接する量子ドットと強く相互作用し合い、波動関数が非局在化することで形成されている。そして、量子ドット層面内方向においても中間バンドが形成されると、図2のように量子ドット層10の積層方向と面内方向にキャリア伝導パスができる。キャリアは生成後、内部電界によって量子ドット層積層方向に移動するが、フォノン散乱等によって、量子ドット層面内方向への移動も可能となる。本来、欠陥等のキャリアトラップに捕らえられ、従来の太陽電池では失活していたキャリアが、面内方向への移動によりトラップを回避して移動することが可能となるため、失活することなく電流として取り出すことができる。よって、効率的にキャリアを電流として取り出すことができる。また、量子ドット5の第2以上の量子準位に存在するキャリアの何割かは、緩和により第1量子準位にエネルギーが低下する。よって、面内方向の中間バンドが、第1量子準位について形成されていれば、第2以上の量子準位から第1量子準位にエネルギーが低下したキャリアを、効率的に電流として取り出すことができる。以下、量子ドット層面内方向の中間バンドについて、さらに詳しく説明する。量子ドット層10の面内方向の量子ドット間隔がある範囲以下になると、量子ドット間の電子的結合が生じる。また、量子ドット層積層方向、および面内方向の考えている方向以外については、変数分離して考えることができる。即ち、量子ドット層面内方向の超格子構造の波動関数は、量子ドット5を通った量子ドット層面内軸方向についての、1次元量子井戸構造の波動関数と同じとみなすことができる。1次元量子井戸構造の波動関数は、周期的境界条件を用いたクローニッヒペニーのモデルを用いてシミュレーションすることができ、その結果から中間バンド幅を算出することができる例えばJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS、89巻、5509ページ、2001年、を参照。ここで、中間バンド幅に寄与するパラメータとして、主に、量子ドットサイズ、量子ドット間の間隔、量子ドット材料および障壁層材料の有効質量、量子ドット材料および障壁層材料の、価電子帯および伝導帯準位があり、これらの値を前述のクローニッヒペニーのモデルに代入することによって、ある温度における、中間バンドが形成される条件を求めることができる。超格子半導体層8を構成する障壁層6と量子ドット層10量子ドット5とを構成する材料は、特に限定されないが、例えば、第III族と第V族からなる化合物半導体、第II族と第VI族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材料としてもよい。また、カルコパイライト系材料を用いてもよい。量子ドット層10は、障壁層6よりもバンドギャップの狭い半導体材料で構成される。例えば、障壁層6と量子ドット5の材料の組合せとして、GaAsとInxGa1xAs、GaNAsとInAs、GaPとInAs、GaNとGaxIn1xN、GaAsとGaSb、AlAsとInAs、CuGaS2とCuInSe2、等が挙げられる。ここで、xは、0<x≦1である。ここで、障壁層6と量子ドット5の材料がGaAsとInxGa1xAsの組合せ等、量子ドットの材料が障壁層の材料をxの割合で含む混晶系であった場合、意味のある超格子構造とするためには、一定のx以上である必要がある。これは、xが小さい場合には障壁層と量子ドットの材料組成がほぼ同じとなるために、超格子構造を形成するメリットがなくなるためである。xの範囲としては、例えば、障壁層と量子ドット材料がGaAsとInxGa1xAsの系においてはx=0.4が挙げられる。超格子半導体層8に含まれる超格子構造は、例えば、分子線エピタキシーMBE法や有機金属化学気相成長法MOCVD等を用いて形成することができる。一般的には、Stranski―KrastanovS―K成長と呼ばれる方法で量子ドットを成長させることができる。上記手法の材料構成比を変えることで量子ドットの混晶比を調整することができ、原材料成長温度圧力堆積時間等を変えることによって量子ドットのサイズを調整することができる。また、量子ドット層10は、フェリチンと中性粒子ビームを用いたバイオナノプロセス法などにより形成することもできる。太陽電池の製造方法以下、図3に示した本実施形態の太陽電池30の製造方法を具体的に説明する。まず、p型半導体層2であるp-GaAs基板を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに10分間流水洗浄を施した後、MOCVD装置内に支持する。このp型半導体層2であるp-GaAs基板の上にバッファー層23として300nmのp-GaAs層を形成する。バッファー層23は、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層である。続いてp-GaAsバッファー層23上に300nmのp-GaAsベース層24および障壁層6となる1nmのGaAs層を結晶成長させた後、SK成長法などの自己組織化機構を用いてInAsx=1の量子ドット5を含む量子ドット層10を形成する。この障壁層6と量子ドット層10の結晶成長を、p型半導体層2に最近接する量子ドットからn型半導体層4に最近接する量子ドットまで、繰り返し行うことができる。量子ドット層10を結晶成長させた後は、結晶表面の平坦性を回復するためにGaAsキャップ層図示せずを約4nm成長させて超格子半導体層8を完成させる。続いて、キャップ層の上に250nmのn-GaAsからなるn型半導体層4を結晶成長させてpin構造を形成し、次いで、窓層27として50nmのn-Al075Ga025As層を形成する。次いで、100nmのp-GaAsコンタクト層28を結晶成長により形成する。次に、MOCVD装置から取り出した後、陽極21を基板裏面の全面に形成する。次いで、コンタクト層28上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層28を選択エッチングして陰極29を形成することで、量子ドット5を有する中間バンド太陽電池30を形成することができる。基板処理温度は、例えば、Inの再脱離を防ぐために量子ドット層10を含む超格子半導体層8の作製時のみ520°Cとし、それ以外の層は590°Cとして結晶成長を行うことができる。また、n型ドーパントとして例えばSiを、p型ドーパントとしては例えばBeを用いることができる。電極材料としては例えば、Auを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。尚、ここで示した例は一例であり、本発明の太陽電池に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。シミュレーション実験1数値計算シミュレーションソフトウェアMATLABを用いた、クローニッヒペニーのモデルに基づいたシミュレーション実験により、量子ドット層面内方向について、量子ドットの第1量子準位により中間バンドが形成されるための、量子ドットの直径raと隣接する2つの量子ドットの間隔rbとの関係を調べた。ここでは例として、障壁層にGaAs、量子ドット材料にInxGa1xAsを考えた場合の、伝導帯に中間バンドが形成される条件を算出した。一般的なクローニッヒペニーの式において、パラメータは量子ドットサイズra、量子ドット間の間隔rb、量子ドット材料および障壁層材料の伝導帯の有効質量maおよびmb、量子ドット材料と障壁層材料の伝導帯準位の差Vである。これらパラメータは、この例では、x=1の時、ma=0.023m0、mb=0.067m0、V=0.697eVであり、xの値に応じて、mbとVの値は変化する。ここで、m0は電子の質量9.11×1031kgである。各xに対するmbとVの値は、文献等を参照して容易に計算することが可能である。また、これらma、mb、Vのパラメータを、クローニッヒペニーの式に代入して計算することで、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成されるraとrbの関係を導出することができる。計算例1x=0.4の場合について、量子ドット層面内方向のバンドが形成される条件を計算した。尚、x=0.4は障壁層にGaAs、量子ドット材料にInxGa1xAsを用いた量子ドット層において、超格子構造を形成する組成として意味のあるxの範囲0.4≦x≦1.0の下限である。x=0.4の場合の各パラメータは、ma=0.0494m0、mb=0.067m0、V=0.353eVである。この時の、raとrbについての関係式を次のようにして導出した。まず、raを5nmとした時の、伝導帯におけるrbに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図4に示す。図4中の網掛部が有限の中間バンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの26meVに相当していることから、rbが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。raが5nmの場合、rbが3.8nmより小さければ第1量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。同様に、raを10nmとし、rbを0から10まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図5に示す。この場合、rbが1.7nmより小さければ、第1量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。このように、様々なraについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のra、rbの組をプロットしたグラフを図6に示す。図6中には、各ra、rbの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は式13.2lnrb=8.9で表される。図6中のra、rbの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、式23.2lnrb≦8.9を満たすra,rbにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。計算例2x=0.9の場合について、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成される条件を計算した。x=0.9の場合の各パラメータは、ma=0.0274m0、mb=0.067m0、V=0.655eVである。計算例1と同様に、この時のraとrbについての関係式を次のようにして導出することができる。まず、raを3nmとした時の、伝導帯におけるrbに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図7に示す。図7中の網掛部が有限のバンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの26meVに相当していることから、rbが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。raが3nmの場合、rbが5.4nmより小さければ第1量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。同様に、raを7nmとし、rbを0から10まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図8に示す。この場合、rbが3.3nmより小さければ、第1量子準位のバンドが形成されることが分かった。このように、様々なraについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のra、rbの組をプロットしたグラフを図9に示す。図9中には、各ra、rbの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は、式32.6lnrb=8.4で表される。図9中のra、rbの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、式42.6lnrb≦8.4を満たすra,rbにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。計算例3x=1.0の場合について、量子ドット層面内方向の中間バンドが形成される条件を計算した。尚、x=1.0の場合、障壁層にGaAs、量子ドット材料にInAsを用いた量子ドット層となる。x=1.0の場合の各パラメータは、ma=0.023m0、mb=0.067m0、V=0.697eVである。計算例1と同様に、この時のraとrbについての関係式を次のようにして導出することができる。まず、raを3nmとした時の、伝導帯におけるrbに対する量子準位エネルギーを計算した結果を図10に示す。図10中の網掛部が有限の中間バンド幅を有しており、そのうち斜線縞部で中間バンドが形成されている。網掛部中の、矢印が室温エネルギーの26meVに相当していることから、rbが、矢印よりも小さければ、中間バンドが形成されている。raが3nmの場合、rbが5.6nmより小さければ第1量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。同様に、raを9nmとし、rbを0から10まで変化させた時の、伝導帯における量子準位エネルギーを計算した結果を図11に示す。この場合、rbが3.0nmより小さければ、第1量子準位の中間バンドが形成されることが分かった。このように、様々なraについて、同様に計算し、中間バンドが形成される閾値のra、rbの組をプロットしたグラフを図12に示す。図12中には、各ra、rbの組に対するフィッティング曲線も示してある。このフィッティング曲線は、式52.5lnrb=8.5で表される。図12中のra、rbの組は、中間バンドが形成される閾値であるため、式62.5lnrb≦8.5を満たすra,rbにおいて、量子ドット層面内方向に中間バンドが形成されることが分かった。以上の計算例1~3のように、障壁層にGaAs、量子ドット材料にInxGa1xAsを用いた場合について、xを0.4≦x≦1まで変化させて計算した結果、raとrbの関係式は以下の式7に統合することができる。式7Alnrb≦Bここで、Aは3.2以下の正の実数、Bは8.9以下の正の実数である。この中で、x=0.4、0.9、1.0について、バンドが形成されるra、rbの閾値をプロットしたものを図13に示す。図13ではx=0.4、0.9、1.0以外は示していないが、0.4≦x≦1.0の範囲では、閾値曲線はx=0.4とx=1.0の2曲線の間にある。そのため、0.4≦x≦1.0においては、x=0.4の閾値曲線の下部である全てのra、rbにおいて、中間バンドが形成される。また、0.9≦x≦1.0の範囲では、閾値曲線はx=0.9とx=1.0の2曲線の間にある。そのため、0.9≦x≦1.0においては、x=0.9の閾値曲線の下部全てのra、rbにおいて、中間バンドが形成される。また、x=1.0においては、x=1.0の閾値曲線の下部全てのra、rbにおいて、中間バンドが形成される。尚、本発明において、raが2nm以下の部分については考えていない。これは、2nmよりも小さい量子ドットを作製するのは技術的に困難を極め、現実的な量子ドットサイズではないためである。シミュレーション実験2数値計算シミュレーションソフトウェアMATLABを用いた、クローニッヒペニーのモデルに基づいたシミュレーション実験により、量子ドットの材料、障壁層の材料、量子ドット層の面内方向における量子ドットの直径ra、隣接する2つの量子ドットの間隔rbを設定し、中間バンドの形成について調べるシミュレーション実験を行った。本シミュレーション実験では、図1a、cに示した量子ドット5の量子ドット層10の面内方向の直径ra、隣接する2つの量子ドット5の間隔rb、障壁層の材料の伝導帯下端のエネルギー準位と量子ドットの材料の伝導帯の下端のエネルギー準位との差Vを用いており、raとrbの和であるrabを計算における一周期の距離となっており、この周期を元にした周期的境界条件によってシミュレーションを行った。計算例4量子ドット5の材料をInAsx=1、障壁層6の材料をGaAsとし、量子ドット5の直径raを5nm、量子ドット5の間隔rbを4nmとした場合のシミュレーション実験を行った。本計算例において、ra=5nmと、rb=4nmをそれぞれクローニッヒペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット5の伝導帯有効質量0.0274m0、障壁層41の伝導帯有効質量0.067m0、量子ドット5と障壁層6の伝導帯エネルギー準位の差Vである0.697eVを、それぞれクローニッヒペニーのモデル式に代入した。計算の結果、中間バンド幅は34meVであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。また、この場合、2.6lnrbが8.18であり、8.9以下であることを確認した。[計算例5]量子ドット5の材料をIn04Ga06Asx=0.4、障壁層6の材料をGaAsとし、量子ドット5の直径raを7nm、量子ドット5の間隔rbを2nmとした場合のシミュレーション実験を行った。本計算例において、ra=7nmと、rb=2nmをそれぞれクローニッヒペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット5の伝導帯有効質量0.0494m0、障壁層6の伝導帯有効質量0.067m0、量子ドット5と障壁層6の伝導帯エネルギー準位の差Vである0.353eVを、それぞれクローニッヒペニーのモデル式に代入した。計算の結果、中間バンド幅は44meVであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。また、この場合、3.2lnrbが8.22であり、8.9以下であることが確認され、2.6lnrbが7.06であり、8.4以下であることが確認された。[計算例6]量子ドット5の材料をIn06Ga04Asx=0.6、障壁層6の材料をGaAsとし、量子ドット5の直径raを10nm、量子ドット5の間隔rbを1.5nmとした場合のシミュレーション実験を行った。本計算例において、ra=10nmと、rb=1.5nmをそれぞれクローニッヒペニーの式に代入した。さらに、この材料系における量子ドット5の伝導帯有効質量0.0406m0、障壁層6の伝導帯有効質量0.067m0、量子ドット5と障壁層6の伝導帯エネルギー準位の差Vである0.493eVを、それぞれクローニッヒペニーのモデル式に代入した。計算の結果、中間バンド幅は34meVであり、量子ドット層の面内方向に中間バンドが形成されていることが分かった。また、この場合、3.2lnrbが8.86であり、8.9以下であることが確認され、2.6lnrbが7.46であり、8.4以下であることが確認された。量子ドット層が上記構造を有することにより、量子ドット層の面内方向についてもキャリアが移動可能となる。このようにして、面内方向に中間バンドが形成された量子ドット層を用いて形成された超格子半導体層は、キャリアが3次元的な自由度を持つ。そのため、従来積層方向にしか移動できなかったために、欠陥等のキャリアトラップに補足されていたキャリアが、面内方向に移動することが可能になるため、フォノン散乱等によって、トラップを避ける方向に伝導することができるようになる。即ち、本発明の量子ドット中間バンド太陽電池によれば、超格子半導体層内で発生したキャリアのうち、電極まで到達できるキャリアが増加するため、太陽電池の電流値が増大する。"