JP2012114378A - 光電変換素子 - Google Patents

Abstract

【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】光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を吸収し電力を発生する光電変換部と、を備える。波長変換部は、ホットキャリア機構を光学フィルターやフォトニック結晶に組み込み、あるいは、ホットキャリア機構に金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴等の波長選択機構を付与することにより、太陽光から単色光を生成させる効率を向上させ、かつ光波長を自在に調整することができる機能を有する。
【選択図】図１Ｂ

Description

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。

太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、光電変換効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。

これまでに検討されている新たな方法の一つに、特許文献１に開示されている通り、３材料を組み合わせた多接合太陽電池が提案され、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、高い変換効率を得られるようになった。さらに効率を向上させるため、４〜６材料を用いた太陽電池が研究されている。しかし、接合数の増加により、キャリアを消滅させ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加する等の課題を有している。

一方、変換効率を向上させる手段として、特許文献２に開示されている通り、従来とは異なる発電理論を応用したホットキャリア型太陽電池が提案されている。この太陽電池では、接合数（半導体材料数）を増加させることなく、太陽光に含まれる幅広い波長領域の光を吸収し、エネルギー損失少なく電力に変換できる。

特開２００４−２９６６５８号公報 特開２００９−５９９１５号公報

特許文献２に開示されている技術によれば、ホットキャリア理論を応用した太陽電池において高い変換効率を得るためには、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、高いエネルギーを保ったままキャリアを移動させる必要がある。光吸収層を移動させたキャリアを取り出して高い変換効率を得るためには、少なくとも１ｎｓ以上のホットキャリア寿命が必要になるが、現状の半導体材料の寿命は数ｐｓ〜数１００ｐｓに留まっている。そのため、現状では、特許文献２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には不十分であるという問題があった。

このほか、高エネルギーを有する短波長光を、太陽電池材料のバンドギャップに適した波長へ変換し、熱（電圧）損失を低減するダウンコンバージョン型の太陽電池や、エネルギーが小さく光透過損失となる長波長光を、太陽電池材料のバンドギャップに適した波長に変換するアップコンバージョン型の太陽電池についても開発が進められている。これらの太陽電池では、希土類元素を用いた蛍光材料が用いられている。しかしながら、希土類元素を用いる従来の蛍光材料では、吸収可能な光の波長範囲が狭く、かつ波長変換の際のエネルギー損失が大きいため、従来のダウンコンバージョン型の太陽電池やアップコンバージョン型の太陽電池も、光電変換効率を十分に高めることは困難であるという問題があった。

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。

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、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を入射させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部が、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設されていることを特徴とする、光電変換素子である。
本発明において、波長変換部は、ホットキャリア機構を光学フィルターやフォトニック結晶に組み込み、あるいは、ホットキャリア機構に金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴等の波長選択機構を付与することにより、太陽光から単色光を生成させる効率を向上させ、かつ光波長を自在に調整することができる機能を有する。

ここに、本発明において、「光」とは、例えば太陽光のような、複数色光をいう。また、「光の進行方向の上流側」とは、複数色光の進行方向上流側をいう。すなわち、「波長変換部が、光電変換部よりも、光の進行方向の上流側に配設されている」とは、光電変換部へと到達する前の光（複数色光）を波長変換部へと入射させ、波長変換部で発生させた単色光を光電変換部へと入射させることができるように、波長変換部及び光電変換部が配置されていることをいう。具体的には、光（複数色光）の進行方向上流側に波長変換部が配置され、波長変換部よりも光（複数色光）の進行方向下流側に光電変換部が配置されていることをいう。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。

本発明の第１の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部よりも光の進行方向上流側に配設された波長変換部に光を入射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。）を生じさせ、この電子及び正孔を結合させて発生させた単色光を、光電変換部へと入射させる。光学的な共振器の機能を有する波長変換部で単色光を発生させる形態とすることにより、高いエネルギーへと励起された電子及び正孔を、エネルギーが失われる前に結合させることが可能になるので、エネルギー損失を低減することが可能になる。また、光学的な共振器の機能を有する波長変換部は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、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、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また波長変換部の形状を調節し、材料の屈折率を選ぶことにより、単色光の波長を自在に調節できる。加えて、単色光を光電変換部へと入射させることにより、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーが特定される。それゆえ、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップエネルギー（具体的には、単色光のエネルギーと同じ、又は、単色光のエネルギーよりも０．１ｅＶ程度小さいバンドギャップエネルギー）を有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減す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。本発明の第１の態様では、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

本発明の第２の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を入射させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部が、光電変換部よりも、光の進行方向の下流側に配設されていることを特徴とする、光電変換素子である。

ここに、「光の進行方向の下流側」とは、複数色光の進行方向下流側をいう。すなわち、「波長変換部が、光電変換部よりも、光の進行方向の下流側に配設されている」とは、光を光電変換部へと入射させ、且つ、光電変換部を通過した光を波長変換部へと入射させ、入射させた光を用いて波長変換部で発生させた単色光を光電変換部へと入射させることができるように、光電変換部及び波長変換部が配置されていることをいう。具体的には、光電変換部へと入射する光の進行方向上流側に光電変換部が配置され、光電変換部よりも光の進行方向下流側に、波長変換部が配置されていることをいう。

本発明の第２の態様にかかる光電変換素子では、波長変換部よりも光の進行方向上流側に配設された光電変換部を通過した光を用いて発生させた電子及び正孔を結合させる。すなわち、本発明の第２の態様では、光電変換部に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する光は光電変換部で吸収されて電力へと変換され、光電変換部で電力へと変換されなかった光が波長変換部へと入射する。波長変換部では、例えば半導体材料を用いて、当該半導体材料のバンドギャップエネルギー（波長変換部を構成する半導体材料のバンドギャップエネルギー＜光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップエネルギー）よりも大きいエネルギーを有する光を吸収してキャリアを生じさせる。そして、生じさせた電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射させることにより電気エネルギーを取り出す。かかる形態とすることにより、光電変換部において電気エネルギーへと変換する際に利用される光の帯域を広げることが可能になる。また、波長変換部は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの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、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また波長変換部の形状を調節し、材料の屈折率を選ぶことにより、単色光の波長を自在に調節できる。加えて、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップエネルギー（具体的には、単色光のエネルギーと同じ、又は、単色光のエネルギーよりも０．１ｅＶ程度小さいバンドギャップエネルギー）を有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減す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。本発明の第２の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

本発明の第３の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、該波長変換部で発生させた単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、単色光を入射させて生じさせた電子及び正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、波長変換部が、光電変換部内に分散されていることを特徴とする、光電変換素子である。

本発明の第３の態様にかかる光電変換素子では、光電変換部を通過した光を用いて光電変換部内に分散された波長変換部で電子及び正孔を発生させる。そして、この電子及び正孔を波長変換部内で結合させることにより、光電変換部を構成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する単色光を発生させ、この単色光を光電変換部へと入射させることにより電気エネルギーを取り出す。かかる形態とすることにより、上記本発明の第２の態様と同様に、光電変換部において電気エネルギーへと変換する際に利用される光の帯域を広げることが可能になる。また、波長変換部は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの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、波長変換部に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。また波長変換部の形状を調節し、材料の屈折率を選ぶことにより、単色光の波長を自在に調節できる。加えて、光電変換部へと入射させる単色光のエネルギーに対応するバンドギャップエネルギー（具体的には、単色光のエネルギーと同じ、又は、単色光のエネルギーよりも０．１ｅＶ程度小さいバンドギャップエネルギー）を有する半導体材料を光電変換部に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。したがって、本発明の第３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。本発明の第３の態様においても、光を単色光へと変換させる波長変換部の効率を高えることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部と光電変換部とが接触している場合には波長変換部と光電変換部との界面が、波長変換部と光電変換部とが接触していない場合には少なくとも波長変換部の光電変換部側の表面が、凹凸を有することが好ましい。かかる形態とすることにより、波長変換部で発生させた単色光のうち、光電変換部へと到達する単色光の割合を高めやすくなるので、光電変換効率を高めることが容易になる。

ここに、「凹凸」とは、波長変換部で発生させた単色光の波長よりも、深さ・高さが大きい凹凸をいう。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料の両側にそれぞれ積層された屈折率の異なる複数の透明材料層を有し、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。かかる形態とすることにより、半導体材料の両側にそれぞれ積層された屈折率の異なる複数の透明材料層、及び、透明材料層に挟まれた半導体材料を、光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料と屈折率の異なる異屈折率材料を有し、該異屈折率材料が、波長変換部から光電変換部へと向かう方向に半導体材料を貫通するように配設され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。かかる形態とすることにより、異屈折率材料が配設された半導体材料を、光学的な共振器（フォトニック結晶）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料と屈折率の異なる異屈折率材料を有し、該異屈折率材料が、半導体材料内に三次元的に分散され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。かかる形態とすることにより、異屈折率材料が三次元的に分散された半導体材料を、光学的な共振器（フォトニック結晶）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料内に分散された金属ナノ粒子を有し、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。ここで、金属ナノ粒子の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能である。それゆえ、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料を挟むように配設された金属ナノ材料を有し、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。ここで、半導体材料を挟むように配設された金属ナノ材料は、光アンテナとして機能させることが可能である。それゆえ、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ粒子、及び、光を通す絶縁性材料を有し、金属ナノ粒子が半導体材料によって包まれ、該半導体材料が光を通す絶縁性材料内に分散され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。金属ナノ粒子の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能である。それゆえ、かかる形態であっても、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ材料、及び、光を通す絶縁性材料を有し、半導体材料が金属ナノ材料によって包まれ、該金属ナノ材料が光を通す絶縁性材料内に分散され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。金属ナノ粒子の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能である。それゆえ、かかる形態であっても、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第３の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料に包まれた金属ナノ粒子を有し、半導体材料が、光電変換部内に分散され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。金属ナノ粒子の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能である。それゆえ、かかる形態であっても、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

また、上記本発明の第３の態様において、波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ材料、及び、光を通す絶縁性材料を有し、半導体材料は金属ナノ材料によって包まれ、且つ、該金属ナノ材料は光を通す絶縁性材料によって包まれ、該光を通す絶縁性材料が、光電変換部内に分散され、生じた電子及び正孔を結合させて単色光を発生させる形態としても良い。金属ナノ粒子の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能である。それゆえ、かかる形態であっても、波長変換部を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になるので、光を単色光に変換することができる。したがって、かかる形態であっても、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。

本発明の光電変換素子では、電気エネルギーに変換可能な光の帯域を広げつつ、生じたキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になる。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、光電変換素子を提供することができる。

太陽電池１００を説明する断面図である。 太陽電池１００のバンド構造を説明する図である。 太陽電池２００を説明する断面図である。 太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。 太陽電池１００ａを説明する断面図である。 太陽電池１００ｂを説明する断面図である。 太陽電池２００ａを説明する断面図である。 太陽電池２００ｂを説明する断面図である。 波長変換部１１を説明する断面図である。 波長変換部１２を説明する上面図である。 波長変換部１２を説明するＶＢ−ＶＢ断面図である。 波長変換部１３を説明する上面図である。 波長変換部１３を説明するＶＩＢ−ＶＩＢ断面図である。 波長変換部１４を説明する上面図である。 波長変換部１４を説明するＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ断面図である。 波長変換部１５を説明する断面図である。 波長変換部１６を説明する上面図である。 波長変換部１６を説明するＩＸＢ−ＩＸＢ断面図である。 波長変換部１７を説明する図である。 波長変換部１８を説明する図である。 太陽電池３００を説明する断面図である。 波長変換部５６を説明する断面図である。 波長変換部５７を説明する断面図である。

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るものではない。図面では、一部符号の記載を省略することがある。

図１Ａ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り、図１Ｂは、太陽電池１００のバンド構造を説明する図である。図１Ｂ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い。また、図１Ｂにおいて、「●」は電子であり、「○」は正孔である。Ｅｇ１は波長変換部１０に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーであり、Ｅｇ２は波長変換部１０で発生させる単色光のエネルギーであり、Ｅｇ３は光電変換部２０に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーである。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、太陽電池１００は、半導体材料を有する波長変換部１０と、半導体材料を有する光電変換部２０と、を備えている。波長変換部１０は、光電変換部２０よりも、太陽光の進行方向の上流側に配設されている。すなわち、太陽電池１００は、ダウンコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部１０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ１である半導体材料を有し、且つ、エネルギーＥｇ２の単色光を発生させる機能を有し、光電変換部２０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ３である半導体材料を有している。光電変換部２０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ３であるｎ型半導体によって構成されたｎ層２１、及び、バンドギャップエネルギーがＥｇ３であるｐ型半導体によって構成されたｐ層２２を有し、ｎ層２１とｐ層２２とが接合されることによって、ｐｎ接合２３が形成されている。ｎ層２１には表面電極２４が接続されており、ｐ層２２には裏面電極２５が接続されている。

太陽電池１００へと照射された太陽光は、波長変換部１０へと入射する。太陽光には様々なエネルギーを有する光が含まれており、波長変換部１０に含まれている半導体材料へ太陽光が入射すると、この半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ１以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。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価電子帯から伝導帯へと励起され、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。すなわち、波長変換部１０の半導体材料に光が入射すると、この半導体材料の伝導帯には図１Ｂに示す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１Ｂに示すような正孔エネルギー分布が形成される。

図１Ｂに示すように、波長変換部１０の形状と適用材料の屈折率を適宜調節し、Ｅｇ２のエネルギー差を有するような特定のエネルギーの電子と正孔の組み合わせが結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光が発生する。同時に、電子分布において発光に寄与する特定のエネルギー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ない、一部の電子は発光に寄与する特定のエネルギーになる。同様に、正孔分布において発光に寄与する特定のエネルギー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ない、一部の正孔は発光に寄与する特定のエネルギーになる。こうして、電子分布の発光に寄与する特定のエネルギーを有するようになった電子、及び、正孔分布の発光に寄与する特定のエネルギーを有するようになった正孔は、結合することにより、エネルギーＥｇ２の単色光を発生させる。ここで、蛍光材料を用いていた従来のダウンコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、波長変換部１０は、半導体材料を有しているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、電子分布の発光に寄与する特定のエネルギーを有する電子、及び、正孔分布の発光に寄与する特定のエネルギーを有する正孔を生じさせることができる。こうして波長変換部１０で発生させた単色光は、光電変換部２０へと向かう。

光電変換部２０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ３であるｎ層２１及びｐ層２２を有している。ここで、Ｅｇ３はＥｇ２よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部１０で発生させたエネルギーＥｇ２の単色光は、ｎ層２１及びｐ層２２のバンドギャップを乗り越えることができるため、光電変換部２０に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅｇ２とＥｇ３との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｎ接合２３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層２１側へと移動し、ｎ層２１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層２２側へと移動し、ｐ層２２に接続されている裏面電極２５へと収集される。

このように、太陽電池１００によれば、光学的な共振器の機能を有する波長変換部１０で単色光を発生させることにより、高いエネルギーへと励起された電子及び正孔を、エネルギーが失われる前に結合させることが可能になるので、エネルギー損失を低減することが可能になる。また、波長変換部１０は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせたキャリアをそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部１０では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、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、波長変換部１０に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のダウンコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部１０で発生させた単色光を光電変換部２０へと入射させる太陽電池１００では、光電変換部２０へと入射させる単色光のエネルギーがＥｇ２に特定される。それゆえ、Ｅｇ２に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を光電変換部２０に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。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。太陽電池１００では、光を単色光へと変換させる波長変換部１０の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

太陽電池１００において、波長変換部１０に含まれている半導体材料のバンギャップエネルギーＥｇ１は、例えば、０．４ｅＶ以上１．２ｅＶ以下とすることができ、波長変換部１０で発生させる単色光のエネルギーＥｇ２は、例えば、０．６ｅＶ以上１．４ｅＶ以下とすることができる。波長変換部１０に含ませることが可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｇｅ等を例示することができる。波長変換部１０は、例えば、気相成長法等の公知の方法を用いて作製することができる。

また、光電変換部２０に含まれている半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ３は、例えば、０．５ｅＶ以上１．３ｅＶ以下とすることができる。光電変換部２０に含ませることが可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｇｅ、Ｓｉ等を例示することができる。光電変換部２０において、ｎ層２１は、これらの半導体材料に公知の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、ｐ層２２は、これらの半導体材料に公知の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る。ｎ層２１の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｐ層２２の厚さは例えば２μｍ程度とすることができる。また、光電変換部２０は、例えば、気相成長法等の公知の方法によって作製することができ、表面電極２４及び裏面電極２５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２４は、例えば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、裏面電極２５は、例えばＡｌや酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）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２４及び裏面電極２５の厚さは、例えば１μｍ程度とすることができる。

太陽電池１００に関する上記説明では、ｐｎ接合を有する光電変換部２０が備えられる形態を例示したが、本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子（ダウンコンバージョン型の光電変換素子）は当該形態に限定されるものではない。本発明の第１実施形態にかかる光電変換素子（ダウンコンバージョン型の光電変換素子）に備えられる光電変換部は、ｐｉｎ接合を有していても良い。

図２Ａ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り、図２Ｂは、太陽電池２００のバンド構造を説明する図である。図２Ｂ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い。図２Ｂにおいて、「●」は電子であり、「○」は正孔である。また、図２Ｂにおいて、Ｅｇ４は波長変換部３０に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーであり、Ｅｇ５は波長変換部３０で発生させる単色光のエネルギーであり、Ｅｇ６は光電変換部４０に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーである。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。図２Ａにおいて、太陽電池１００と同様の構成には、図１Ａ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２Ａ及び図２Ｂに示すように、太陽電池２００は、半導体材料を有する波長変換部３０と、半導体材料を有する光電変換部４０と、を備えている。波長変換部３０は、光電変換部４０よりも、太陽光の進行方向の下流側に配設されている。すなわち、太陽電池２００は、アップコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部３０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ４である半導体材料を有し、且つ、エネルギーＥｇ５の単色光を発生させる機能を有し、光電変換部４０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６である半導体材料を有している。光電変換部４０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６であるｎ型半導体によって構成されたｎ層４１、及び、バンドギャップエネルギーがＥｇ６であるｐ型半導体によって構成されたｐ層４２を有し、ｎ層４１とｐ層４２とが接合されることによって、ｐｎ接合４３が形成されている。ｎ層４１には表面電極２４が接続されており、ｐ層４２には裏面電極４４が接続されている。

太陽電池２００へと照射された太陽光は、光電変換部４０へと入射する。光電変換部４０に含まれている半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ６は、様々なエネルギーを有する光が含まれている太陽光のうち、高エネルギーの光のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、光電変換部４０に含まれている半導体材料へ太陽光が入射すると、この半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、光電変換部４０において電子及び正孔が生成される。生成された電子及び正孔は、ｎ層４１及びｐ層４２によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層４１側へと移動し、ｎ層４１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層４２側へと移動し、ｐ層４２に接続されている裏面電極４４へと収集される。

上述のように、光電変換部４０では、太陽光に含まれているＥｇ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。それゆえ、太陽光に含まれている光のうち、エネルギーがＥｇ６未満の光は、光電変換に利用されることなく、光電変換部４０を通過する。こうして光電変換部４０を通過した光は、太陽光の進行方向下流側に配設されている波長変換部３０へと入射する。波長変換部３０に含まれている半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ４は、Ｅｇ６よりも小さく、太陽光に含まれている低エネルギーの光をも吸収可能なように調整されている。それゆえ、波長変換部３０に含まれている半導体材料へ光が入射すると、この半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ４以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。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価電子帯から伝導帯へと励起され、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。すなわち、波長変換部３０の半導体材料に光が入射すると、この半導体材料の伝導帯には図２Ｂに示す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２Ｂに示すような正孔エネルギー分布が形成される。

波長変換部３０にて生成された電子及び正孔は、電子同士・正孔同士で相互作用してエネルギーの授受を行うことにより、Ｅｇ５のエネルギー差を有する電子及び正孔を生じる。そして、これらの電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥｇ５の単色光を発生させる。ここで、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、波長変換部３０は、半導体材料を有しているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、Ｅｇ５のエネルギーを有する単色光を発生させることができる。こうして波長変換部３０で発生させた単色光は、光電変換部４０へと向かう。

光電変換部４０は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６であるｎ層４１及びｐ層４２を有している。ここで、Ｅｇ６はＥｇ５よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部３０で発生させたエネルギーＥｇ５の単色光は、ｎ層４１及びｐ層４２のバンドギャップを乗り越えることができるため、光電変換部４０に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅｇ５とＥｇ６との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失うことなく、ｐｎ接合４３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層４１側へと移動し、ｎ層４１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層４２側へと移動し、ｐ層４２に接続されている裏面電極４４へと収集される。

このように、太陽電池２００によれば、光電変換部４０に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する太陽光は光電変換部４０で吸収して電力へと変換することができ、光電変換部４０で電力へと変換されなかった光を用いて波長変換部３０で発生させた単色光を光電変換部４０へと入射させることにより、電力へと変換することができる。かかる形態とすることにより、光電変換部４０において電気エネルギーへと変換する際に利用される光の帯域を広げることが可能になる。また、波長変換部３０は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部３０では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの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、波長変換部３０に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部３０で発生させた単色光を光電変換部４０へと入射させる太陽電池２００では、光電変換部４０へと入射させる単色光のエネルギーがＥｇ５に特定される。それゆえ、Ｅｇ５に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を光電変換部４０に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。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。太陽電池２００では、光を単色光へと変換させる波長変換部３０の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

太陽電池２００において、波長変換部３０に含まれている半導体材料のバンギャップエネルギーＥｇ４は、例えば、０．４ｅＶ以上１．１ｅＶ以下とすることができ、波長変換部３０で発生させる単色光のエネルギーＥｇ５は、例えば、１．４ｅＶ以上３．３ｅＶ以下とすることができる。波長変換部３０に含ませることが可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｇｅ等を例示することができる。波長変換部３０は、例えば、気相成長法等の公知の方法を用いて作製することができる。

また、光電変換部４０に含まれている半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ６は、例えば、１．３ｅＶ以上３．２ｅＶ以下とすることができる。光電変換部４０に含ませることが可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ等を例示することができる。光電変換部４０において、ｎ層４１は、これらの半導体材料に公知の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、ｐ層４２は、これらの半導体材料に公知の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る。ｎ層４１の厚さは例えば１００ｎｍ程度とすることができ、ｐ層４２の厚さは例えば２μｍ程度とすることができる。また、光電変換部４０は、例えば、気相成長法等の公知の方法によって作製することができる。また、裏面電極４４は、例えば、Ａｌや酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）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。裏面電極４４の厚さは、例えば１μｍ程度とすることができる。

太陽電池２００に関する上記説明では、ｐｎ接合を有する光電変換部４０が備えられる形態を例示したが、本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子）は当該形態に限定されるものではない。本発明の第２実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子）に備えられる光電変換部は、ｐｉｎ接合を有していても良い。

また、太陽電池１００、２００に関する上記説明では、波長変換部が光電変換部の一方の側にのみ配置されている形態を例示したが、本発明の光電変換素子は、一対の波長変換部で光電変換部が挟まれるように、波長変換部を配設することも可能である。

また、上記説明では、波長変換部１０が光電変換部２０から離れて配置されている太陽電池１００、及び、波長変換部３０が光電変換部４０から離れて配置されている太陽電池２００を図示したが、本発明の第１実施形態及び第２実施形態にかかる光電変換素子は、当該形態に限定されるものではない。本発明の第１実施形態及び第２実施形態にかかる光電変換素子は、波長変換部と光電変換素子とを接触させて配置しても良い。波長変換部と光電変換部とを接触させないように配置する場合、波長変換部と光電変換部との間は、光を通過させる物質が配置されていれば良く、そのような物質としては、空気のほか、透明な樹脂フィルムやガラス等を例示することができる。波長変換部と光電変換部とを接触させないように配置する場合、波長変換部は不図示の固定手段によって固定される。このような固定手段としては、波長変換部を固定可能な公知の固定手段を適宜用いることができる。

また、上記説明では、光電変換部２０側の波長変換部１０の表面が平滑面である太陽電池１００、及び、光電変換部４０側の波長変換部３０の表面が平滑面である太陽電池２００を図示したが、本発明の第１実施形態及び第２実施形態にかかる光電変換素子は、当該形態に限定されるものではない。本発明の第１実施形態及び第２実施形態にかかる光電変換素子は、波長変換部で発生させた単色光を光電変換部に入射させやすい形態にする観点から、波長変換部と光電変換部とが接触していない場合には、少なくとも、光電変換部側の波長変換部の表面に、波長変換部と光電変換部とが接触している場合には、波長変換部と光電変換部との界面に、凹凸を設けることが好ましい。凹凸を設けることにより、光電変換部側の波長変換部の表面で反射される、波長変換部で発生させた単色光の割合を低減することが可能になる。凹凸を設けた光電変換素子の形態例を、図３Ａ乃至図３Ｄに示す。図３Ａ乃至図３Ｄにおいて、太陽電池１００、２００と同様の構成には、図１Ａや図２Ａ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３Ａは、接触している波長変換部１０ａと光電変換部２０ａとの界面に凹凸が設けられている太陽電池１００ａを説明する断面図である。図３Ａにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。波長変換部１０ａは、光電変換部２０ａ側の表面に凹凸が設けられているほかは、波長変換部１０ａと同様に構成されており、光電変換部２０ａは波長変換部１０ａとの界面に凹凸が設けられているｎ層２１ａを有するほかは、光電変換部２０と同様に構成されている。太陽電池１００ａにおいて、波長変換部１０ａは、光電変換部２０ａよりも、太陽光の進行方向の上流側に配設されている。それゆえ、太陽電池１００ａは、ダウンコンバージョン型の太陽電池である。太陽電池１００ａは、凹凸を設けた波長変換部１０ａの表面にｎ層２１ａを形成する、又は、凹凸を設けたｎ層２１ａの表面に表面電極２４及び波長変換部１０ａを形成する過程を経て、作製することができる。

図３Ｂは、波長変換部１０ａと光電変換部２０とを有する太陽電池１００ｂを説明する断面図である。図３Ｂにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。図３Ｂに示すように、波長変換部１０ａと光電変換部２０とは接触していない。太陽電池１００ｂは、波長変換部１０ａの光電変換部２０側の表面に凹凸が設けられているほかは、太陽電池１００と同様に構成されている。波長変換部１０ａは、光電変換部２０よりも、太陽光の進行方向の上流側に配設されているので、太陽電池１００ｂは、ダウンコンバージョン型の太陽電池である。太陽電池１００ｂは、光電変換部２０とは別に、異なる基板の表面に波長変換部１０ａを形成する過程を経て、作製することができる。

図３Ｃは、接触している波長変換部３０ａと光電変換部４０ａとの界面に凹凸が設けられている太陽電池２００ａを説明する断面図である。図３Ｃにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。波長変換部３０ａは、光電変換部４０ａ側の表面に凹凸が設けられているほかは、波長変換部３０と同様に構成されており、光電変換部４０ａは、波長変換部３０ａとの界面に凹凸が設けられているｐ層４２ａを有するほかは、光電変換部４０と同様に構成されている。太陽電池２００ａにおいて、波長変換部３０ａは、光電変換部４０ａよりも、光の進行方向の下流側に配設されている。それゆえ、太陽電池２００ａは、アップコンバージョン型の太陽電池である。太陽電池２００ａは、凹凸を設けた波長変換部３０ａの表面にｐ層４２ａ及び裏面電極４４を形成する、又は、凹凸を設けたｐ層４２ａの表面に裏面電極４４及び波長変換部３０ａを形成する過程を経て、作製することができる。

図３Ｄは、波長変換部３０ａと光電変換部４０とを有する太陽電池２００ｂを説明する断面図である。図３Ｄにおいて、太陽光は、紙面左側から右側へと進行する。図３Ｄに示すように、波長変換部３０ａと光電変換部４０とは接触していない。太陽電池２００ｂは、波長変換部３０ａの光電変換部４０側の表面に凹凸が設けられているほかは、太陽電池２００と同様に構成されている。波長変換部３０ａは、光電変換部４０よりも、太陽光の進行方向の下流側に配設されているので、太陽電池２００ｂは、ダウンコンバージョン型の太陽電池である。太陽電池２００ｂは、光電変換部４０とは別に、異なる基板の表面に波長変換部３０ａを形成する過程を経て、作製することができる。

図３Ａ乃至図３Ｄにおいて、凹凸は、波長変換部１０ａ、３０ａから、光電変換部２０ａ、２０、４０ａ、４０へと向かう方向に設けられている。本発明の光電変換素子において、凹凸の形状は特に限定されるものではなく、ピラミッド形状や円柱形状の凸部と、ピラミッド形状の凸部を押し付けて形成した凹部やディンプル形状の凹部とが設けられている形態等を例示することができる。また、本発明の光電変換素子において、凹凸の高さは、波長変換部で発生させた単色光の波長よりも高く、且つ、波長変換部や光電変換部を突き破らない高さであれば、特に限定されるものではない。そのような高さとしては、０．５μｍ以上２０μｍ以下を例示することができる。また、凹凸の間隔は、凹凸の高さに応じて適宜設定することができ、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態にかかる光電変換素子において使用可能な、波長変換部の形態例について説明する。

図４は、波長変換部１１の形態を説明する断面図である。図４の紙面上下方向が、太陽光の進行方向である。図４に示すように、波長変換部１１は、半導体材料によって構成された半導体層１１ｘを有し、該半導体層１１ｘの両側に、それぞれ、高屈折率透明材料層１１ａ及び低屈折率透明材料層１１ｂが交互に４組ずつ積層されている。ここで、高屈折率透明材料層１１ａは、低屈折率透明材料層１１ｂを構成する透明材料よりも屈折率が大きい透明材料によって構成される層であり、低屈折率透明材料層１１ｂは、高屈折率透明材料層１１ａを構成する透明材料よりも屈折率が小さい透明材料によって構成される層である。このように構成される波長変換部１１は、光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能である。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１１では、半導体層１１ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１１に光を入射させると、半導体層１１ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１１において、半導体層１１ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体層１１ｘの厚さ（図４の紙面上下方向の厚さ。以下において同じ。）は、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、半導体層１１ｘを構成する半導体材料の屈折率をｎｓとするとき、半導体層１１ｘの厚さは、波長変換部１１で発生させる単色光の波長の１／（２ｎｓ）とすることができる。このように構成される半導体層１１ｘは、例えば、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)等の公知の方法を用いて作製することができる。

また、高屈折率透明材料層１１ａを構成し得る透明材料としては、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等を例示することができ、高屈折率透明材料層１１ａの厚さ（図４の紙面上下方向の厚さ。以下において同じ。）は、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。また、高屈折率透明材料層１１ａを構成する透明材料の屈折率をｎｈとするとき、高屈折率透明材料層１１ａの厚さは、波長変換部１１で発生させる単色光の波長の１／（４ｎｈ）とすることができる。このように構成される高屈折率透明材料層１１ａは、例えば、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法等の公知の方法を用いて作製することができる。

また、低屈折率透明材料層１１ｂを構成し得る透明材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２等を例示することができ、低屈折率透明材料層１１ｂの厚さ（図４の紙面上下方向の厚さ。以下において同じ。）は、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、低屈折率透明材料層１１ｂを構成する透明材料の屈折率をｎｌとするとき、低屈折率透明材料層１１ｂの厚さは、波長変換部１１で発生させる単色光の波長の１／（４ｎｌ）とすることができる。このように構成される低屈折率透明材料層１１ｂは、例えば、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法等の公知の方法を用いて作製することができる。

波長変換部１１において、半導体材料層１１ｘの厚さをｄｓ、高屈折率透明材料層１１ａの厚さをｄｈ、低屈折率透明材料層１１ｂの厚さをｄｌ、半導体材料層１１ｘを構成する半導体材料の屈折率をｎｓとするとき、「ｎｓ×ｄｓ」及び「ｎｈ×ｄｈ＋ｎｌ×ｄｌ」を小さくすることにより、波長変換部１１で発生させる単色光の波長を短くすることができる。これに対し、「ｎｓ×ｄｓ」及び「ｎｈ×ｄｈ＋ｎｌ×ｄｌ」を大きくすることにより、波長変換部１１で発生させる単色光の波長を長くすることができる。また、波長変換部１１は、単色光を発生させやすい形態にする等の観点から、半導体材料層１１ｘの両側に積層される高屈折率透明材料層及び低屈折率透明材料層を、４組以上とすることが好ましい。

図５Ａは、波長変換部１２の形態を説明する上面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＶＢ−ＶＢ断面図である。図５Ａの紙面手前／奥方向、及び、図５Ｂの紙面上下方向が、光の進行方向である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、波長変換部１２は、半導体材料部１２ｘを貫通する複数の孔１２ａ、１２ａ、…が形成された構造をしている。このように構成される波長変換部１２は、光学的な共振器（フォトニック結晶）として機能させることが可能である。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１２では、半導体材料部１２ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１２に光を入射させると、半導体材料部１２ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１２において、半導体材料部１２ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体材料部１２ｘの厚さ（図５Ｂの紙面上下方向の厚さ）は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。また、孔１２ａの直径は、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができ、隣接する孔１２ａ、１２ａの中心間隔は、例えば、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。

また、波長変換部１２において、孔１２ａ、１２ａ、…は空洞であっても良く、半導体材料部１２ｘを構成する半導体材料よりも屈折率が小さい透明材料が充填されていても良い。そのような透明材料としては、ＳｉＯ_２や公知の透明樹脂等を例示することができる。

このように構成される波長変換部１２は、例えば、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)等の公知の方法を用いて１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下程度の厚さを有する半導体層を形成し、続いて、ドライエッチングやウェットエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、あるいは電子線リソグラフィー法等の公知の方法を用いて孔１２ａ、１２ａ、…を形成した後、必要に応じて、孔１２ａ、１２ａ、…に、半導体材料部１２ｘを構成する半導体材料よりも屈折率が小さい透明材料を充填することによって、作製することができる。

波長変換部１２において、半導体材料部１２ｘを構成する半導体材料の屈折率をｎｘ１、孔１２ａに存在している物質の屈折率をｎｙ１、波長変換部１２に占める孔１２ａ、１２ａ、…の体積比率をγｐ１とするとき、「（１−γｐ１）×ｎｘ１＋γｐ１×ｎｙ１」を小さくするか、又は、孔１２ａ、１２ａ、…の中心間隔を狭くすることにより、波長変換部１２で発生させる単色光の波長を短くすることができる。これに対し、「（１−γｐ１）×ｎｘ１＋γｐ１×ｎｙ１」を大きくするか、又は、孔１２ａ、１２ａ、…の中心間隔を広くすることにより、波長変換部１２で発生させる単色光の波長を長くすることができる。

図６Ａは、波長変換部１３の形態を説明する上面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ断面図である。図６Ａの紙面手前／奥方向、及び、図６Ｂの紙面上下方向が、光の進行方向である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、波長変換部１３は、半導体材料部１３ｘ内に、半導体材料部１３ｘを構成する半導体材料よりも屈折率が小さい透明材料によって構成された低屈折率透明材料部１３ａ、１３ａ、…が分散された構造をしている。このように構成される波長変換部１３は、光学的な共振器（フォトニック結晶）として機能させることが可能である。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１３では、半導体材料部１３ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１３に光を入射させると、半導体材料部１３ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１３において、半導体材料部１３ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体材料部１３ｘの厚さ（図６Ｂの紙面上下方向の厚さ）は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。また、低屈折率透明材料部１３ａを構成し得る透明材料としては、ＳｉＯ_２や公知の透明樹脂等、半導体材料部１３ｘを構成する半導体材料よりも屈折率が小さく、且つ、透明な公知の材料を適宜用いることができる。波長変換部１３において、低屈折率透明材料部１３ａの直径は、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができ、隣接する低屈折率透明材料部１３ａ、１３ａの中心間隔は、例えば、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。

このように構成される波長変換部１３を作製する際には、まず、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法等の公知の方法を用いて低屈折率透明材料部１３ａ、１３ａ、…を作製する。次いで、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)等の公知の方法を用いて半導体材料部１３ｘを形成する際に、半導体材料部１３ｘの一部を形成する工程と、形成途中の半導体材料部１３ｘの表面に低屈折率透明材料部１３ａ、１３ａ、…を分散させる工程とを繰り返すことにより、波長変換部１３を作製することができる。

波長変換部１３において、半導体材料部１３ｘを構成する半導体材料の屈折率をｎｘ２、低屈折率透明材料部１３ａを構成する物質の屈折率をｎｙ２、波長変換部１３に占める低屈折率透明材料部１３ａ、１３ａ、…の体積比率をγｐ２とするとき、「（１−γｐ２）×ｎｘ２＋γｐ２×ｎｙ２」を小さくするか、又は、孔１３ａ、１３ａ、…の中心間隔を狭くすることにより、波長変換部１３で発生させる単色光の波長を短くすることができる。これに対し、「（１−γｐ２）×ｎｘ２＋γｐ２×ｎｙ２」を大きくするか、又は、孔１３ａ、１３ａ、…の中心間隔を広くすることにより、波長変換部１３で発生させる単色光の波長を長くすることができる。

図７Ａは、波長変換部１４の形態を説明する上面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ断面図である。図７Ａの紙面手前／奥方向、及び、図７Ｂの紙面上下方向が、光の進行方向である。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、波長変換部１４は、半導体材料部１４ｘ内に、金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…が分散された構造をしている。このように構成される波長変換部１４では、金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…と周囲の半導体材料部１４ｘとの複素屈折率、及び、金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…の大きさに応じた特定の波長にて、金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…の周囲で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部１４を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１４では、半導体材料部１４ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１４に光を入射させると、半導体材料部１４ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１４において、半導体材料部１４ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体材料部１４ｘの厚さ（図７Ｂの紙面上下方向の厚さ）は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。また、金属ナノ粒子１４ａを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができる。波長変換部１４において、金属ナノ粒子１４ａの直径は、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な大きさにする観点から、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とし、隣接する金属ナノ粒子１４ａ、１４ａの中心間隔は、半導体材料部１４ｘの略全域で表面プラズモン共鳴の効果が得られやすい形態にする観点から、金属ナノ粒子１４ａの直径の２倍以上５倍以下とすることが好ましい。

このように構成される波長変換部１４は、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法等の公知の方法によって作製した金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…を分散しながら、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)等の公知の方法で半導体材料部１４ｘを形成することにより、作製することができる。

また、図７Ａ及び図７Ｂでは、半導体材料部１４ｘの内部に金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…が分散されている形態を示したが、半導体材料部１４ｘで生成されたキャリアが金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…に捕捉され難い形態とすることにより、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、透明な絶縁性材料によって表面が被覆された金属ナノ粒子が、半導体材料内に分散されている形態とすることが好ましい。かかる形態の波長変換部１５の断面図を、図８に示す。

図８は、波長変換部１５を説明する断面図であり、図８の紙面上下方向が光の進行方向である。図８において、波長変換部１４と同様の構成には、図７Ｂ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８に示すように、波長変換部１５は、半導体材料部１４ｘ内に、金属ナノ粒子１４ａ、１４ａ、…の表面を透明絶縁層１５ｂ、１５ｂ、…で被覆することによって作製されたナノ粒子１５ａ、１５ａ、…が分散された構造をしている。このように構成される波長変換部１５であっても、波長変換部１４と同様に、ナノ粒子１５ａ、１５ａ、…の周囲で表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。そして、ナノ粒子１５ａは、金属ナノ粒子１４ａの表面を透明絶縁層１５ｂで被覆することによって構成されているので、半導体材料部１４ｘで生成されたキャリアが金属ナノ粒子１４ａによって捕捉される事態を防止することが可能になる。したがって、波長変換部１５によれば、波長変換部１４よりも強い単色光を発生させることが可能になる。

波長変換部１５において、透明絶縁層１５ｂは、例えば、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の絶縁性材料によって構成することができる。透明絶縁層１５ｂの厚さは、キャリアが金属ナノ粒子１４ａによって捕捉され難い効果を発現しやすくする等の観点から、２ｎｍ以上とすることが好ましく、半導体材料部１４ｘへ表面プラズモン共鳴の効果を到達させやすくする等の観点から、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。波長変換部１５において、ナノ粒子１５ａは、ゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法によって作製することができる。

波長変換部１４及び波長変換部１５では、半導体材料１４ｘの屈折率を大きくすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、半導体材料１４ｘの屈折率を小さくすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

図９Ａは、波長変換部１６の形態を説明する上面図であり、図９Ｂは、図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ断面図である。図９Ａの紙面手前／奥方向、及び、図９Ｂの紙面上下方向が、光の進行方向である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、波長変換部１６は、透明絶縁材料部１６ａに、複数の光アンテナ部１６ｂ、１６ｂ、…が配設された構造をしている。光アンテナ部１６ｂは、半導体材料部１６ｘ及び一対の金属板１６ｙ、１６ｙを有し、これらは、半導体材料部１６ｘが一対の金属板１６ｙ、１６ｙによって挟まれるように配置されている。このように構成される波長変換部１６では、金属板１６ｙ、１６ｙ、半導体部１６ｘ、及び、周囲の透明絶縁材料部１６ａの複素屈折率と、金属板１６ｙ、１６ｙの大きさに応じた所定の波長にて、金属板１６ｙ、１６ｙが光アンテナとして機能する。その結果、半導体部１６ｘにおける光強度が著しく増大するので、波長変換部１６を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１６では、半導体材料部１６ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１６に光を入射させると、半導体材料部１６ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１６において、透明絶縁材料部１６ａを構成し得る透明な絶縁性材料としては、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の透明な絶縁性材料を例示することができる。また、半導体材料部１６ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができる。半導体材料部１６ｘの直径は、表面プラズモン共鳴が生じ得る大きさにする観点から、１０ｎｍ以上とし、半導体材料部１６ｘの全体で表面プラズモン共鳴が生じ得る大きさにする観点から、２００ｎｍ以下とする。また、金属板１６ｙを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができ、金属板１６ｙの長さ（図９Ａの紙面右下側に配置されている金属板１６ｙであれば、図９Ａの紙面左右方向の長さ）は、光アンテナ部１６ｂを機能させ得るようにする観点から、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下とし、同様の観点から、金属板１６ｙの厚さ（図９Ａの紙面右下側に配置されている金属板１６ｙであれば、図９Ａの紙面手前／奥方向の厚さ）は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。また、光アンテナ部１６ｂの長さ（図９Ａの紙面右下側に配置されている光アンテナ部１６ｂであれば、図９Ａの紙面左右方向の長さ。以下において同じ。）は、光アンテナ部１６ｂを光アンテナとして機能させ得るようにする観点から、３００ｎｍ以上８００ｎｍとする。また、透明絶縁材料部１６ａを構成する透明な絶縁性材料の屈折率をｎｔとするとき、光アンテナ部１６ｂの長さは、波長変換部１６で発生させる単色光の波長の１／（２ｎｔ）とすることができ、光アンテナ部１６ｂの厚さ方向（図９Ａの紙面右下側に配置されている光アンテナ部１６ｂであれば、図９Ｂの紙面上下方向。）の間隔は、波長変換部１６で発生させる単色光の波長の１／（ｎｔ）とすることができる。

波長変換部１６では、光アンテナ部１６ｂの長さを長くすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、光アンテナ部１６ｂの長さを短くすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

このように構成される波長変換部１６では、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいは分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)とドライエッチングやウェットエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、あるいは電子線リソグラフィー法等の公知の方法によって半導体材料部１６ｘを作製することができる。また、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法とドライエッチングやウェットエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、あるいは電子線リソグラフィー法等の公知の方法によって金属板１６ｙを作製することができる。そして、一対の金属板１６ｙ、１６ｙの凸部の間に１つの半導体材料部１６ｘを配置した光アンテナ部１６ｂを配設しながら、気相成長法、具体的にはイオンプレーティングを含む真空蒸着法、あるいはスパッタ法等の公知の方法で透明絶縁材料部１６ａを作製することにより、波長変換部１６を作製することができる。

図１０は、波長変換部１７の形態を説明する断面図である。図１０の紙面上下方向が、光の進行方向である。図１０に示すように、波長変換部１７は、透明絶縁材料部１７ａに、複数の半導体材料部１７ｘ、１７ｘ、…が分散された構造をしており、半導体材料部１７ｘは金属ナノ粒子１７ｂを内包している。このように構成される波長変換部１７では、金属ナノ粒子１７ｂと周囲の半導体材料部１７ｘ及び透明絶縁材料部１７ａとの複素屈折率、及び、金属ナノ粒子１７ｂ、１７ｂ、…の大きさに応じた特定の波長にて、金属ナノ粒子１７ｂ、１７ｂ、…の周囲で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部１７を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１７では、半導体材料部１７ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、波長変換部１７に光を入射させると、半導体材料部１７ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１７において、透明絶縁材料部１７ａを構成し得る透明な絶縁性材料としては、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の透明な絶縁性材料を例示することができる。また、半導体材料部１７ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体材料部１７ｘの直径は、例えば、６０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下（金属ナノ粒子１７ｂの直径＋５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）とすることができる。また、隣接する半導体材料部１７ｘ、１７ｘの中心間隔は、隣接する半導体材料部１７ｘ、１７ｘが接触しないようにする観点から、半導体材料部１７ｘの直径の１．２倍以上とすることが好ましく、電子及び正孔が生成される半導体材料部１７ｘ、１７ｘ、…が波長変換部１７に占める割合を高めやすくする等の観点から、半導体材料部１７ｘの直径の５倍以下とすることが好ましい。

また、金属ナノ粒子１７ｂを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができる。波長変換部１７において、金属ナノ粒子１７ｂの直径は、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な大きさにする観点から、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。波長変換部１７では、半導体材料の屈折率を大きくすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、半導体材料の屈折率を小さくすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

波長変換部１７において、金属ナノ粒子１７ｂを内包する半導体材料部１７ｘは、例えば、ゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法によって作製することができる。こうして作製した半導体材料部１７ｘ、１７ｘ、…を分散しながら、塗布法や印刷法等の公知の方法で透明絶縁材料部１７ａを作製することにより、波長変換部１７を作製することができる。なお、波長変換部１７において、半導体材料部１７ｘで生成されたキャリアが金属ナノ粒子１７ｂによって捕捉され難い形態にする等の観点からは、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の絶縁性材料によって構成される透明絶縁層によって被覆された金属ナノ粒子が、半導体材料部に内包される形態とすることが好ましい。金属ナノ粒子が透明絶縁層によって被覆された形態とする場合、この透明絶縁層の厚さは、キャリアが金属ナノ粒子によって捕捉され難い効果を発現しやすくする等の観点から、２ｎｍ以上とすることが好ましく、半導体材料部へ表面プラズモン共鳴の効果を到達させやすくする等の観点から、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。

図１１は、波長変換部１８の形態を説明する断面図である。図１１の紙面上下方向が、光の進行方向である。図１１に示すように、波長変換部１８は、透明絶縁材料部１８ａに、複数の金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…が分散された構造をしており、金属粒子部１８ｂは半導体粒子１８ｘを内包している。このように構成される波長変換部１８では、金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…と半導体粒子１８ｘ、１８ｘ、…及び透明絶縁材料部１８ａとの複素屈折率、及び、金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…の大きさに応じた特定の波長にて、金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…の周囲で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部１８を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部１８では、半導体粒子１８ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、例えば、波長変換部１８に太陽光を入射させると、半導体粒子１８ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部１８において、透明絶縁材料部１８ａを構成し得る透明な絶縁性材料としては、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の透明な絶縁性材料を例示することができる。また、半導体粒子１８ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができる。表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な金属粒子部１８ｂの直径が１０ｎｍ以上５０ｎｍであるため、半導体粒子１８ｘの直径は、５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。また、金属粒子部１８ｂを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができる。隣接する金属粒子部１８ｂ、１８ｂの中心間隔は、隣接する金属粒子部１８ｂ、１８ｂが接触しないようにする観点から、金属粒子部１８ｂの直径の１．２倍以上とすることが好ましく、金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…が波長変換部１８に占める割合を高めやすくする等の観点から、金属粒子部１８ｂの直径の５倍以下とすることが好ましい。波長変換部１８では、半導体粒子１８ｘの屈折率を大きくすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、半導体粒子１８ｘの屈折率を小さくすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

波長変換部１８において、半導体粒子１８ｘを内包する金属粒子部１８ｂは、例えば、ゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法によって作製することができる。こうして作製した金属粒子部１８ｂ、１８ｂ、…を分散しながら、塗布法や印刷法等の公知の方法で透明絶縁材料部１８ａを作製することにより、波長変換部１８を作製することができる。

図１２は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３００を説明する断面図である。図１２において、太陽電池１００と同様の構成には、図１Ａ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１２に示すように、太陽電池３００は、ｎ層５１と、ｉ層５２と、ｐ層５３とを有し、ｎ層５１、ｉ層５２、及び、ｉ層５３によってｐｉｎ接合５４が形成されている。太陽電池３００では、主にｉ層５２が光電変換部として機能し、このｉ層５２内に、半導体材料を有する波長変換部５５、５５、…（以下において、単に「波長変換部５５」ということがある。）が分散されている。太陽電池３００では、ｉ層５２の一部を通過した光が波長変換部５５へと入射する。それゆえ、太陽電池３００は、アップコンバージョン型の太陽電池である。波長変換部５５は、バンドギャップエネルギーがＥｇ４である半導体材料を有し、且つ、エネルギーＥｇ５の単色光を発生させる機能を有し、光電変換部として機能するｉ層５２は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６である半導体材料によって構成されている。表面電極２４が接続されているｎ層５１は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６であるｎ型半導体によって構成されており、裏面電極２５が接続されているｐ層５３は、バンドギャップエネルギーがＥｇ６であるｐ型半導体によって構成されている。

太陽電池３００へと照射された太陽光は、ｎ層５１を通過して、ｉ層５２のうち、波長変換部５５の周囲に配置されている半導体材料（以下において、「光電変換部５２」ということがある。）へと入射する。この光電変換部５２のバンドギャップエネルギーＥｇ６は、様々なエネルギーを有する光が含まれている太陽光のうち、高エネルギーの光のみを吸収可能なように調整されている。それゆえ、光電変換部５２へ太陽光が入射すると、この光電変換部５２のバンドギャップエネルギーＥｇ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。こうして光が吸収されると、光電変換部５２で電子及び正孔が生成される。生成された電子及び正孔は、ｎ層５１及びｐ層５３によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層５１側へと移動し、ｎ層５１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層５３側へと移動し、ｐ層５３に接続されている裏面電極２５へと収集される。

上述のように、光電変換部５２では、太陽光に含まれているＥｇ６以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。それゆえ、太陽光に含まれている光のうち、エネルギーがＥｇ６未満の光は、光電変換に利用されることなく光電変換部５２を通過し、波長変換部５５へと達する。波長変換部５５に含まれている半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ４は、Ｅｇ６よりも小さく、太陽光に含まれている低エネルギーの光をも吸収可能なように調整されている。それゆえ、波長変換部５５に含まれている半導体材料へ光が入射すると、この半導体材料のバンドギャップエネルギーＥｇ４以上のエネルギーを有する光のみが吸収される。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価電子帯から伝導帯へと励起され、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。すなわち、波長変換部５５の半導体材料に光が入射すると、太陽電池２００の波長変換部３０と同様に、この半導体材料の伝導帯には図２Ｂに示す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２Ｂに示すような正孔エネルギー分布が形成される。

波長変換部５５にて生成された電子及び正孔は、電子同士・正孔同士で相互作用してエネルギーの授受を行うことにより、Ｅｇ５のエネルギー差を有するような特定のエネルギーの電子と正孔の組み合わせが生成される。そして、この電子及び正孔が結合することにより、エネルギーＥｇ５の単色光を発生させる。ここで、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池では、相互作用させることが可能な電子・正孔が、飛び飛びのエネルギー準位を有する電子・正孔に限られていた。これに対し、波長変換部５５は、半導体材料を有しているので、様々なエネルギーを有する電子同士・正孔同士を相互作用させることにより、Ｅｇ５のエネルギーを有する単色光を発生させることができる。こうして波長変換部５５で発生させた単色光は、光電変換部５２へと向かう。

光電変換部５２のバンドギャップエネルギーは、Ｅｇ６である。ここで、Ｅｇ６はＥｇ５よりも約０．１ｅＶ小さい。それゆえ、波長変換部５５で発生させたエネルギーＥｇ５の単色光は、光電変換部５２のバンドギャップを乗り越えることができるため、光電変換部５２に吸収され、電子及び正孔が生成される。こうして生成された電子及び正孔は、Ｅｇ５とＥｇ６との差が約０．１ｅＶと小さいため、ほとんどエネルギーを失くことなく、ｐｉｎ接合５４によって形成された内部電界により分離され、電子はｎ層５１側へと移動し、ｎ層５１に接続されている表面電極２４へと収集される。また、正孔はｐ層５３側へと移動し、ｐ層５３に接続されている裏面電極２５へと収集される。

このように、太陽電池３００によれば、光電変換部５２のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する太陽光は光電変換部５２で吸収して電力へと変換することができ、光電変換部５２で電力へと変換されなかった光を用いて波長変換部５５で発生させた単色光を光電変換部５２へと入射させることにより、電力へと変換することができる。かかる形態とすることにより、光電変換部５２において電気エネルギーへと変換する際に利用される光の帯域を広げることが可能になる。また、波長変換部５５は電子及び正孔を再結合させることを目的としており、生じさせた電子及び正孔をそのまま外部へ取り出すことを意図していない。それゆえ、波長変換部５５では、量子構造を用いた従来のホットキャリア型太陽電池のように、キャリアを電極まで移動させる必要がないので、キャリアの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、波長変換部５５に半導体材料を用いる形態とすることにより、蛍光材料を用いていた従来のアップコンバージョン型の太陽電池よりも、キャリアを生じさせるために利用可能な光の波長範囲を大幅に広げることが可能になる。加えて、波長変換部５５で発生させた単色光を光電変換部５２へと入射させる太陽電池３００では、光電変換部５２へと入射させる単色光のエネルギーがＥｇ５に特定される。それゆえ、Ｅｇ５に対応するバンドギャップエネルギーを有する光電変換部５２に用いることで、エネルギー損失を低減することが可能になる。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３００を提供することができる。太陽電池３００では、光を単色光へと変換させる波長変換部５５の効率を高めることにより、光電変換効率を高めることが容易になる。

太陽電池３００において、波長変換部５５に含まれている半導体材料のバンギャップエネルギーＥｇ４は、例えば、０．４ｅＶ以上１．１ｅＶ以下とすることができ、波長変換部５５で発生させる単色光のエネルギーＥｇ５は、例えば、１．４ｅＶ以上３．３ｅＶ以下とすることができる。波長変換部５５に含ませることが可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｇｅ等を例示することができる。波長変換部５５は、例えば、気相成長法、具体的には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ)あるいはゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法を用いて作製することができる。そして、光電変換部５２の一部を作製したら、その表面に波長変換部５５、５５、…を分散させ、波長変換部５５、５５、…を分散させたら、その表面に光電変換部５２の一部を作製する、という過程を繰り返すことにより、ｉ層５２内に波長変換部５５、５５、…を分散させることができる。

また、ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３のバンドギャップエネルギーＥｇ６は、例えば、１．３ｅＶ以上３．２ｅＶ以下とすることができる。ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３として使用可能な半導体材料としては、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ等を例示することができる。太陽電池３００において、ｎ層５１は、これらの半導体材料に公知の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、ｐ層５３は、これらの半導体材料に公知の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る。ｎ層５１及びｐ層５３の厚さは例えば１００ｎｍ程度、ｉ層５２の厚さは例えば２００ｎｍ程度とすることができる。また、ｎ層５１、光電変換部５２、及び、ｐ層５３は、例えば、気相成長法等の公知の方法によって作製することができる。

太陽電池３００に関する上記説明では、ｉ層５２にのみ波長変換部５５が分散されている形態を例示したが、本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子）は当該形態に限定されるものではない。本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子（アップコンバージョン型の光電変換素子）は、ｉ層に加えて、ｎ層及び／又はｐ層にも波長変換部が分散されていても良い。

以下、本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子において使用可能な、波長変換部の形態例について説明する。

図１３は、波長変換部５６の形態を説明する断面図である。本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子に波長変換部５６が備えられる場合には、例えば、図１２に示した波長変換部５５、５５、…に代えて波長変換部５６、５６、…が用いられる。図１３に示すように、波長変換部５６は、金属ナノ粒子５６ａが半導体材料５６ｘによって被覆された構造をしている。このように構成される波長変換部５６では、金属ナノ粒子５６ａと周囲の半導体材料５６ｘとの複素屈折率、及び、金属ナノ粒子５６ａの大きさに応じた特定の波長にて、金属ナノ粒子５６ａの周囲で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部５６を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部５６では、半導体材料５６ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、例えば、波長変換部５６に光を入射させると、半導体材料５６ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部５６において、半導体材料５６ｘを構成し得る半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができ、半導体材料５６ｘの直径は、例えば、６０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下（金属ナノ粒子５６ａの直径＋５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）とすることができる。また、第３実施形態にかかる本発明の光電変換素子において、隣接する波長変換部５６、５６の中心間隔は、隣接する波長変換部５６、５６が接触しないようにする観点から、波長変換部５６の直径の１．２倍以上とすることが好ましく、電子及び正孔が生成される波長変換部５６、５６、…が光電変換部に占める割合を高めやすくする等の観点から、波長変換部５６の直径の５倍以下とすることが好ましい。

また、金属ナノ粒子５６ａを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができる。波長変換部５６において、金属ナノ粒子５６ａの直径は、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な大きさにする観点から、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。波長変換部５６では、半導体材料５６ｘの屈折率を大きくすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、半導体材料５６ｘの屈折率を小さくすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

波長変換部５６は、例えば、ゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法で、金属ナノ粒子５６ａ、半導体材料５６ｘと順次成長させることによって、作製することができる。なお、波長変換部５６において、半導体材料部５６ｘで生成されたキャリアが金属ナノ粒子５６ａによって捕捉され難い形態にする等の観点からは、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の絶縁性材料によって構成される透明絶縁層によって被覆された金属ナノ粒子が、半導体材料部に内包される形態とすることが好ましい。金属ナノ粒子が透明絶縁層によって被覆された形態とする場合、この透明絶縁層の厚さは、キャリアが金属ナノ粒子によって捕捉され難い効果を発現しやすくする等の観点から、２ｎｍ以上とすることが好ましく、半導体材料部へ表面プラズモン共鳴の効果を到達させやすくする等の観点から、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。

図１４は、波長変換部５７の形態を説明する断面図である。本発明の第３実施形態にかかる光電変換素子に波長変換部５７が備えられる場合には、例えば、図１２に示した波長変換部５５、５５、…に代えて波長変換部５７、５７、…が用いられる。図１４に示すように、波長変換部５７は、半導体材料部５７ｘを内包した金属ナノ粒子５７ａが、透明材料層５７ｂによって被覆された構造をしている。このように構成される波長変換部５７では、金属ナノ粒子５７ａと半導体材料部５７ｘを構成する半導体材料及び透明材料層５７ｂを構成する透明材料との複素屈折率、及び、金属ナノ粒子５７ａの大きさに応じた特定の波長にて、金属ナノ粒子５７ａの周囲で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、所定波長の光子の状態密度を、周囲の波長よりも著しく増大させることが可能になり、波長変換部５７を光学的な共振器（光学フィルター）として機能させることが可能になる。ここで、光学的な共振器として機能する波長変換部５７では、半導体粒子５７ｘで生成された電子同士及び正孔同士の相互作用を生じさせる頻度を高めることが可能である。それゆえ、例えば、波長変換部５７に光を入射させると、半導体粒子５７ｘで生成した電子及び正孔を結合させて生じさせた単色光を発生させることができる。

波長変換部５７において、透明材料層５７ｂを構成し得る透明材料としては、ＳｉＯ_２や透明樹脂等、公知の透明な絶縁性材料を例示することができる。透明材料層５７ｂの厚さは、光電変換部で生成されたキャリアが金属ナノ粒子５７ａによって捕捉され難い効果を発現しやすくする等の観点から、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。また、半導体材料部５７ｘとしては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、Ｇｅ等を例示することができる。表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な金属ナノ粒子５７ａの直径が１０ｎｍ以上５０ｎｍであるため、半導体材料部５７ｘの直径は、５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。また、金属ナノ粒子５７ａを構成し得る金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等を例示することができる。隣接する波長変換部５７、５７の中心間隔は、隣接する波長変換部５７、５７が接触しないようにする観点から、波長変換部５７の直径の１．２倍以上とすることが好ましく、波長変換部５７、５７、…が光電変換部に占める割合を高めやすくする等の観点から、波長変換部５７の直径の５倍以下とすることが好ましい。波長変換部５７では、半導体材料部５７ｘを大きくすることにより、長波長の単色光を発生させやすくなり、半導体材料部５７ｘを小さくすることにより、短波長の単色光を発生させやすくなる。

波長変換部５７は、例えば、ゾルゲル法やソルボサーマル法等の化学的合成法等の公知の方法で、半導体材料部５７ｘ、金属ナノ粒子５７ａ、透明材料層５７ｂと順次成長させることによって、作製することができる。

１０、１０ａ、３０、３０ａ…波長変換部
１１、１２、１３、１４、１５…波長変換部
１１ａ…高屈折率透明材料層
１１ｂ…低屈折率透明材料層
１１ｘ…半導体層
１２ａ…孔
１２ｘ、１３ｘ、１４ｘ…半導体材料部
１３ａ…低屈折率透明材料部
１４ａ…金属ナノ粒子
１５ａ…ナノ粒子
１５ｂ…透明絶縁層
１６、１７、１８…波長変換部
１６ａ、１７ａ、１８ａ…透明絶縁材料部
１６ｂ…光アンテナ部
１６ｘ、１７ｘ…半導体材料部
１６ｙ…金属板
１７ｂ…金属ナノ粒子
１８ｘ…半導体粒子
１８ｂ…金属粒子部
２０、２０ａ、４０、４０ａ…光電変換部
２１、２１ａ、４１…ｎ層
２２、４２…ｐ層
２３、４３…ｐｎ接合
２４…表面電極
２５、４４、４４ａ…裏面電極
５１…ｎ層
５２…ｉ層（光電変換部）
５３…ｐ層
５４…ｐｉｎ接合
５５、５６、５７…波長変換部
５６ａ、５７ａ…金属ナノ粒子
５６ｘ…半導体材料
５７ｂ…透明材料層
５７ｘ…半導体材料部
１００、１００ａ、１００ｂ…太陽電池（光電変換素子）
２００、２００ａ、２００ｂ…太陽電池（光電変換素子）
３００…太陽電池（光電変換素子）

Claims (13)

1. 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
   前記波長変換部で発生させた前記単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を入射させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
   前記波長変換部が、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の上流側に配設されていることを特徴とする、光電変換素子。
2. 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
   前記波長変換部で発生させた前記単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を入射させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
   前記波長変換部が、前記光電変換部よりも、前記光の進行方向の下流側に配設されていることを特徴とする、光電変換素子。
3. 光を吸収して電子及び正孔を生じさせ、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させる波長変換部と、
   前記波長変換部で発生させた前記単色光を入射させることにより電子及び正孔を生じさせ、前記単色光を入射させて生じさせた前記電子及び前記正孔を分離して移動させるｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する光電変換部と、を備え、
   前記波長変換部が、前記光電変換部内に分散されていることを特徴とする、光電変換素子。
4. 前記波長変換部と前記光電変換部とが接触している場合には前記波長変換部と前記光電変換部との界面が、前記波長変換部と前記光電変換部とが接触していない場合には少なくとも前記波長変換部の前記光電変換部側の表面が、凹凸を有す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。
5. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料の両側にそれぞれ積層された屈折率の異なる複数の透明材料層を有し、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
6. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料と屈折率の異なる異屈折率材料を有し、
   前記異屈折率材料が、前記波長変換部から前記光電変換部へと向かう方向に前記半導体材料を貫通するように配設され、
   生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
7. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料と屈折率の異なる異屈折率材料を有し、
   前記異屈折率材料が、前記半導体材料内に三次元的に分散され、
   生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
8. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料内に分散された金属ナノ粒子を有し、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
9. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料を挟むように配設された金属ナノ材料を有し、生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
10. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ粒子、及び、光を通す絶縁性材料を有し、
    前記金属ナノ粒子は、前記半導体材料によって包まれ、該半導体材料は、前記光を通す絶縁性材料内に分散され、
    生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
11. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ材料、及び、光を通す絶縁性材料を有し、
    前記半導体材料は、前記金属ナノ材料によって包まれ、該金属ナノ材料は、前記光を通す絶縁性材料内に分散され、
    生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項１、２、又は４に記載の光電変換素子。
12. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、及び、該半導体材料に包まれた金属ナノ粒子を有し、
    前記半導体材料が、前記光電変換部内に分散され、
    生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換素子。
13. 前記波長変換部が、光を吸収して電子及び正孔を生じさせる半導体材料、金属ナノ材料、及び、光を通す絶縁性材料を有し、
    前記半導体材料は前記金属ナノ材料によって包まれ、且つ、該金属ナノ材料は前記光を通す絶縁性材料によって包まれ、
    前記光を通す絶縁性材料が、前記光電変換部内に分散され、
    生じた前記電子及び前記正孔を結合させて単色光を発生させることを特徴とする、請求項３に記載の光電変換素子。