CN102792456A - 太阳能电池、太阳能电池板和具备太阳能电池的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的太阳能电池(1)具备：光电转换层(2)；和形成在光电转换层(2)的内部，使得具有光子带隙，并且形成有缺陷(31)，使得在上述光子带隙中生成缺陷能级的光子晶体，作为表示由上述光子晶体与外部的结合产生的共振效果的大小的Q值的QV，与作为表示由上述光电转换层(2)的介质产生的共振效果的大小的Q值的Qα大致相等。

Description

太阳能电池、太阳能电池板和具备太阳能电池的装置
技术领域
本发明涉及具备光子晶体(photonic crystal)结构的太阳能电池、排列有多个上述太阳能电池的太阳能电池板和搭载有上述太阳能电池作为电源的装置。
背景技术
当前，例如在太阳能电池或光传感器等中通常使用通过光电转换而将入射光转换为电信号的光电转换元件。在这种光电转换元件中使用半导体，当入射具有超过半导体的带隙(band gap)的能量的电磁波(光)时，在半导体中电子从价电子带被激励到传导带，发生光电转换。
例如，通常已知在作为非晶态半导体的a-Si中，在波长为700nm左右以下存在吸收(光的吸收端为700nm附近)。即，在波长比吸收端短的电磁波(光)中，由于在光伏材料(photovoltaic material)中存在光的吸收，因此在光伏材料中发生光电转换。但是，通过加工方法或制造方法的改善，在实际的设备中存在到820nm左右为止的吸收，因此能够期待在从波长700nm到820nm左右的带域中也发生光电动势。
图32是表示a-Si(厚度330nm)的对于光的波长的吸收率的实测值的图表。
如图32所示，在a-Si的情况下，吸收的峰在波长约为520nm以下持续，随着波长从520nm附近向作为吸收端的波长的820nm增大，吸收率下降。这是因为，从半导体的吸收端到吸收峰之间，光与电子的相互作用减弱，所以其间的电磁波(光)会容易透过a-Si。从而，从半导体的吸收端到吸收峰之间，光电转换效率变差。因此，为了在从该吸收端到吸收峰之间使得半导体充分地吸收光，需要将半导体厚膜化。
近年来，为了提高光的吸收率，正在开发例如如下述的专利文献1～4中所公开的使用光子晶体的光电转换元件。
图33是表示在专利文献1中公开的太阳能电池单元的结构的概略图。
光子晶体的介电常数不同的周期结构是按照与光的波长同等程度的周期在电介质内人工形成的。
如图33所示，在太阳能电池单元101，在分散型布拉格(bragg)反射器(DBR)102叠层的光伏材料103中形成有光子晶体结构104，在该光子晶体结构104形成有多个气孔。
从进入光伏材料103的入射光i产生：由光子晶体结构104正反射的反射光r0、由光子晶体结构104衍射的衍射光r1、由光子晶体结构104折射的折射光t。
衍射光r1以比入射角θ大的角度θ’衍射，因此有助于增加光伏材料103内的光路长度。另外，通过在光伏材料103与外界空气的界面产生内部全反射，衍射光r1引起光伏材料103内的共振。从而，提高光伏材料103的光吸收率。
另外，折射光t和由分散型布拉格反射器102反射并返回到光子晶体结构104的光，在光子晶体结构104的内部往返引起来回共振，逐渐被吸收。这一点也改善光的吸收率。
在这样的太阳能电池单元101中，通过在光伏材料103和光子晶体结构104内使入射光共振来吸收光，能够提高光伏单元(photovoltaiccell)的吸收效率。特别是，通过使共振波长在入射光的吸收率小的长波长一侧出现，能够实现能吸收太阳光的宽范围波长的吸收体。
另外，在下述的非专利文献2中，公开了使用形成有带(band)端的光子晶体的太阳能电池。使用图34说明在非专利文献2中公开的太阳能电池的结构。
在图34所示的太阳能电池200中，在有机材料的光伏层203，通过加工光子晶体、使用其带端，来增强光伏层203的吸收。其结果是，通过使用根据光子晶体设计的带的带端，能够增强在光伏层203吸收的波长中吸收较低的波长的吸收，增加整体的光光伏量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公表专利公报“特表2009-533875号(2009年9月17日公表)“
专利文献2：日本公开专利公报“特开2006-24495号(2006年1月26日公开)”
专利文献3：日本公开专利公报“特开2006-32787号(2006年2月2日公开)”
专利文献4：国际公开WO2007/108212号(2007年9月27日国际公开)
非专利文献
非专利文献1：C.Manolatou，M.J.Khan，Shanhui Fan，PierreR.Villeneuve，H.A.Haus，Life Fellow，IEEE，and  J.D.Joannopoulos“Coupling of Modes Analysis of Resonant Channel Add-Drop Filters”/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS/SEPTEMBER 1999VOL.35，NO.9，PP.1322-1331
非专利文献2：J.R.Tumbleston，Doo-Hyun Ko，Edward T.Samulski，and Rene Lopez“Absorption and quasiguided mode analysis of organicsolar cells with photonic crystal photoactive layers”/OPTICS EXPRESS/Optical Society ofAmerica/April 27，2009Vol.17，No.9PP.7670-7681
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1中公开的太阳能电池单元101中，存在以下所述的问题。在专利文献1中，由于没有关于光子晶体效果的详细记述，因此作为光子晶体的效果，在变更了厚度等条件的情况下，作为共振效果的Q值(或作为结合(耦合)的容易度，后述的系数κ、α等)是增大还是减小并不明确。
即，由于光子晶体具有：(1)如果增大Q值，则由于光与对象设备的相互作用消失，光难以被对象设备吸收这样的效果，所以为了有利于光的吸收，不能无限制地增大Q值。
另外，本申请发明人研究了在上述的非专利文献1中记载的光子晶体的模式结合理论，其结果是新发现：(2)如果光子晶体结构所具有的与外部结合的容易度κv(在共振器中考虑的情况下是Qv)与作为光伏器件原本具有的特性的吸收容易度α(在共振器中考虑的情况下是Qα)大致相等，则具有最大的吸收效果。
因此，如果考虑上述(1)、(2)，则存在以下问题：作为光子晶体的设计条件，在专利文献1中并没有明确说明更有效地吸收的条件。总之，基于专利文献1的公开，完全不能获得用于充分发挥光子晶体的吸收增强的效果的知识。
另外，非专利文献2也同样没有明确说明更有效地吸收的条件，因此即使能够形成光子晶体的带端，为了有利于吸收而设计的波长波段也变窄。这样，由于吸收光的波长波段窄，因此光伏层203的对于波长(波长波段)的整体的光光伏量提高得小。因此，在非专利文献2的太阳能电池200中，作为进行光电转换的设备，实用上存在困难。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提高具备光子晶体结构的太阳能电池的光的吸收率，增大太阳能电池的电动势。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明的第一方面的太阳能电池，其特征在于，包括：
(1)光电转换层；和
(2)形成在上述光电转换层的内部的光子晶体，
(3)Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示上述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由上述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例，为表示由上述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
根据上述结构，光子晶体具备光电转换层的介质(作为第一介质)和介电常数(折射率)与该第一介质不同的第二介质的周期结构，特定波长的光进入光子晶体内，在光子晶体内共振。产生了共振的光在光电转换层的介质内往复，由光电转换层的介质吸收，进行光电转换。
这里，在上述系数κv与吸收系数大致相等的情况下，换言之，Qv与Qα大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收为最大。
另外，即使Qv与Qα不是大致相等，但如上述那样，在满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv的条件的情况下，能够提高光子晶体的光的吸收效果，并且能够不改变太阳能电池的开路电压(Vco)和曲线因子(FF)地，提高太阳能电池的短路电流(Jsc)。其结果是，能够提高太阳能电池的转换效率。
从而，根据上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够增大从上述的波长520nm到820nm左右的波段中的光电动势。另外，通过使与缺陷能级对应的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波长波段(波长带域)一致，能够得到能吸收更大范围的波长波段的光的太阳能电池。
如果能够提高太阳能电池(光伏器件)自身的光的吸收量，就能够增加电动势相对于入射的光的比例(分光灵敏度特性(或IPCE：光电转换效率；Incident Photon-to-Current Efficiency)。这是由于能够将以往能够吸收但不能转换成电动势的来自太阳的光子转换成电子。从而，本发明的效果与下述事实相关：通过在光伏层中加工光子晶体，增大光的吸收量，由此引起太阳能电池的短路电流(Jsc)增加。这里，如果设太阳能电池的开路电压为Voc、设曲线因子为FF、设转换效率为η，则转换效率能够如下表示。
η＝Jsc×Voc×FF
从而，与Jsc的增加相关的本发明，能够提高太阳能电池装置的转换效率，能够提高太阳能电池装置的有用性。
关于本发明的第二～第十九方面的太阳能电池，将在后面叙述。
本发明的第二十方面的太阳能电池，其特征在于：
(1)该太阳能电池具备：叠层有多个半导体的光电转换层；和形成在该光电转换层的内部的光子晶体，
(2)在多个被叠层的上述半导体中的至少1层形成有突起，
(3)上述光子晶体包括形成有上述突起的半导体，
(4)当设上述光子晶体的共振峰波长为λ时，上述突起以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置，
(5)Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示上述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由上述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与上述光电转换层的介质的光的吸收系数α的倒数成比例，为表示由上述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
根据上述结构，通过在半导体层中形成多个突起，能够构成光子晶体。在这样形成的光子晶体中，以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置突起。因此，在上述光子晶体的反晶格空间中的Γ点形成带端，由该带端规定的光的波长为λ。
由此，能够将射入形成有光子晶体的上述光电转换层的光中的、作为来自垂直方向的入射光且波长为λ的光封入在上述光电转换层内进行共振。这样，在光电转换层进行共振的波长λ的光由上述光电转换层的介质吸收。
这里，在上述系数κv与吸收系数α大致相等的情况下，换言之，Qv与Qα大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收为最大，并且被吸收的光的波长波段也为最大。
另外，即使Qv与Qα不是大致相等，如上述那样，在满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv的条件的情况下，光子晶体的光的吸收效率也提高。
从而，根据上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够增大从上述的波长520nm到820nm左右的波段的光电动势。另外，通过使由带端规定的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波长波段相一致，能够得到能吸收更大范围的波长波段的光的光电转换元件。
本发明的太阳能电池板，其特征在于：将从上述第一到第二十方面的太阳能电池中的任一个作为1个单元，一维或二维地排列有多个上述单元。
由此，由于排列有光的吸收率高的太阳能电池，因此能够得到光电转换率高的太阳能电池板。
特别是，上述第三方面的太阳能电池或第二十方面的太阳能电池，由于在光子晶体中未设置缺陷，因此比在光子晶体中设置有缺陷的太阳能电池更易于制造。从而，排列有上述第三方面的太阳能电池或第二十方面的太阳能电池的太阳能电池板，具有适于批量生产的优点。
具备上述第一到第二十方面的太阳能电池中的任一种作为电源的装置也是本发明的1个范畴。这样的装置包括将上述太阳能电池作为电源进行动作的便携型或固定型的电子设备、家电制品或广告塔等。
另外，具备上述太阳能电池板作为电源的装置也是本发明的1个范畴。这样的装置，除了将上述太阳能电池板作为电源进行动作的便携型或固定型的电子设备或家电制品以外，还包括车辆或广告塔等。
另外，某个所关注的权利要求中记载的结构与其它权利要求中记载的结构的组合，并不仅限于与该所关注的权利要求中引用的权利要求中记载的结构的组合，只要能够完成本发明的目的，就能够为与该所关注的权利要求中未引用的权利要求中记载的结构的组合。
发明效果
本发明的太阳能电池结构如上所述，具备光电转换层和形成在上述光电转换层的内部的光子晶体，Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示上述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由上述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例，为表示由上述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
从而，由于光子晶体的光的吸收效果提高，因此起到能够提高具备光子晶体结构的太阳能电池的光的吸收率这样的效果。
另外，本发明的太阳能电池结构如下：具备叠层有多个半导体的光电转换层和形成在该光电转换层的内部的光子晶体，在多个被叠层的上述半导体中的至少1层形成有突起，上述光子晶体包括形成有上述突起的半导体，当设当设由上述光子晶体产生的共振峰波长为λ时，上述突起以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置，Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示上述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由上述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与上述光电转换层的介质的光的吸收系数α的倒数成比例，为表示由上述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
从而，通过在半导体层形成多个突起，能够构成光子晶体，并且提高光子晶体的光的吸收效果，因此起到能够提高具备光子晶体结构的太阳能电池的光的吸收率这样的效果。
附图说明
图1是概略地表示一实施方式的太阳能电池的整体结构的图。
图2是表示光子晶体的结构的图，(a)表示上表面，(b)、(c)表示(a)的A-B线的向视截面。
图3是根据光对于光子晶体的入射方向与标准化频率(归一化频率)的关系表示光子能带(photonic band，光子带)结构的图表。
图4是表示具有三角晶格的光子晶体的反晶格空间中的位置的说明图。
图5是表示具备光子晶体的光电转换层的立体图。
图6是用于说明具有光子晶体的光伏器件的结合的大小与Q值的关系的说明图。
图7是在利用光子晶体的缺陷制作共振器的情况下用于说明该共振器的Q值的说明图。
图8是在波长与强度的关系中表示光的共振峰的图表。
图9是概略地表示太阳能电池的其它结构例的截面图。
图10是表示作为实施例1的太阳能电池的叠层结构的截面图。
图11是表示在太阳能电池中制作的光子晶体的纳米棒(nanorod)和缺陷(cavity，共振腔)的二维配置的平面图。
图12是表示在光子晶体的缺陷的周围有意地形成在纳米棒的周期结构中的紊乱的说明性的平面图。
图13是根据标准化频率与光强度的关系表示由在实施例1的太阳能电池中具备的光子晶体的缺陷产生的共振的图表。
图14是表示在与实施例1相同的叠层结构中的半导体层中具备的光子晶体的纳米棒和缺陷的其它二维配置(实施例2)的平面图。
图15是放大表示图14所示的一个缺陷区域的说明性的平面图。
图16是根据标准化频率与光强度的关系表示在实施例2的太阳能电池中具备的光子晶体的缺陷区域产生的共振的图表。
图17是表示太阳能电池的制造工序的工序图。
图18是表示在太阳能电池中光伏量相对于光的波长的特性曲线的图表。
图19是表示太阳跟踪系统的概念的说明图。
图20是表示抛物面状聚光元件的聚光动作的说明图。
图21是表示太阳能电池板的1个结构例的截面图。
图22是表示本发明的太阳能电池的结构的立体图。
图23是表示具有本发明的光电转换元件的三角晶格结构的光子晶体的结构的平面图。
图24是表示具有本发明的光电转换元件的正方晶格结构的光子晶体的结构的平面图。
图25表示光子晶体中的光子能带。
图26是表示本发明的太阳能电池的吸收波长的图。
图27是表示形成有带隙的光子能带。
图28是表示本发明的太阳能电池的结构的截面图。
图29是表示形成有截面为梯形的纳米棒的光子晶体的结构的截面图。
图30是表示按每个区域纳米棒的间距不同的光子晶体的结构的平面图。
图31是表示第二实施方式的太阳能电池的结构的截面图。
图32是表示对于a-Si光的波长的吸收率的图表。
图33是表示具备光子晶体的现有的太阳能电池单元的结构的概略图。
图34是表示现有的使用光子晶体的太阳能电池的结构的立体图。
图35是表示本发明的太阳能电池的叠层结构例的图，(a)表示将从光电转换层到背面侧的金属层的叠层部分抽出之后的立体图，(b)表示太阳能电池整体的截面。
图36表示作为在图35所示的叠层结构的变形例，纳米棒的形状和背面侧的透明导电层的厚度与图35所示的太阳能电池不同的例子。
图37表示作为本发明的太阳能电池的其它叠层结构例，背面侧的透明导电层和金属层的各自形状与图36所示的太阳能电池不同的例子。
图38是表示图35所示的太阳能电池的制造工序的工序图。
图39是概略地表示图37所示的太阳能电池的制造工序的工序图。
具体实施方式
[实施方式1]
根据图1至图11和图21对本发明的1个实施方式说明如下。其中，在该实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别的特定记载，就并非将本发明的范围仅限定于此，只是单纯的说明例。
(太阳能电池的结构例1)
图1是概略地表示本实施方式的太阳能电池1的整体结构的图。图1(a)表示太阳能电池1的立体图，图1(b)、(c)表示太阳能电池1的截面图。
太阳能电池1是通过光电转换而将入射光转换成电流的元件，例如也能够用作光检测传感器等将光转换成电信号的装置。
太阳能电池1具备：具备光子晶体的光电转换层2；在上下夹着光电转换层2的透明导电层3、4；覆盖光入射侧的透明导电层3的玻璃基板5；和覆盖与光入射侧相反的一侧、即背面侧的透明导电层4的金属电极层6。另外，金属电极层6是在光射入太阳能电池1的一侧的相反侧的最外层配置的层。另外，透明导电层3是包含与光电转换层2的介质相比折射率小的介质的两个层中的一个层，透明导电层4是该两个层中的另一个层。
光电转换层2具有极性不同的半导体层相邻的结构。对本发明而言，不特别限定于该结构，例如也可以采用如图1(b)、(c)所示能够由p型半导体层21与n型半导体层22夹着本征半导体层(i层)20的pin纵型结构。
更具体而言，作为透明导电层3、4的材料，能够选择ITO(Indium-Tin-Oxide，氧化铟锡)、ZnO、SnO2等。作为玻璃基板5，例如能够选择折射率为1.52左右的玻璃。另外，作为金属电极层6的材料，能够选择光反射率高、电传导度大的材料，例如Ag或Al等。
经由玻璃基板5射入光电转换层2的光，主要在本征半导体层20使电子和空穴产生，并且通过将电子从价电子带激励至导电带，被本征半导体层20吸收。被激励的电子成为流通由透明导电层3、金属电极层6和外部电阻7形成的电路的电流，在外部电阻7产生电动势。
另外，金属电极层6还能够作为反射板发挥作用，还能够使在光电转换层2未进行光电转换而透过来的光再次反射到光电转换层2。通过覆盖太阳能电池1的背面的整个面地配置金属电极层6，能够可靠地反射透过光电转换层2的光，由此能够构成光的吸收效率更高的太阳能电池1。
另外，形成在光电转换层2的光子晶体如在图5所示的其立体图那样，是在具有光的波长左右的厚度的光电转换层2的介质内周期性地配置有多个纳米棒(柱状介质)30而得到的二维光子晶体。纳米棒30是折射率比光电转换层2的介质的折射率小的介质，例如形成为柱状。在光电转换层2的介质例如为折射率是3～4左右的非晶硅(a-Si)的情况下，纳米棒30的介质既可以是空气，也可以是折射率为1.45的SiO2。除此以外，作为纳米棒30的材料，还能够使用折射率1.6左右的JAS(透明树脂材料)，作为用作SOG(Spin-On Glass：旋涂玻璃)材料的HSQ(Hydrogen Silsequioxane：含氢的矽酸盐类)，例如还能够使用FOX(東レ·ダウコ一ニング社(Dow Corning Toray co.Ltd)的注册商标)等。
作为光电转换层2的其它介质，能够选择微晶硅(μC-Si)、Si、Ge、GaNINGaP、(In)GeAs、GaAs等。
纳米棒30的配置间隔即间距(间隔)p在可靠地生成后面说明的光子带隙的基础上，优选比光的波长λ短，更优选取λ/7以上λ/2以下的范围。另外，所谓波长λ，是表示封入在光子晶体内进行共振的光的波长，更具体而言表示共振峰的波长。
另外，纳米棒30的高度既可以如图1(b)所示那样与光电转换层2的厚度相等，也可以如图1(c)所示那样比光电转换层2的厚度小。更具体而言，纳米棒30的高度是光电转换层2的厚度的约1/4以上1/1以下。
在图1(b)所示的例子中，纳米棒30贯通p型半导体层21、本征半导体层20和n型半导体层22，由此具有与光电转换层2的厚度相同的高度。另一方面，在图1(c)所示的例子中，纳米棒30具有贯通p型半导体层21、到达本征半导体层20的厚度的中途的高度。
进而，纳米棒30的半径以间距a为基准，优选取0.2a(直径0.4a)以上0.4a(直径0.8a)以下的范围。
另外，纳米棒30的截面形状也如图2(b)、(c)所示那样，既可以是上下对称的圆柱状或角柱状，也可以是上下不对称的角锥台或圆锥台形。
(光子能带结构)
在具备上述那样的结构的光子晶体，生成图3所示的光子能带结构。图3是表示根据光相对于上述光子晶体的入射方向与标准化频率之间的关系表示光子能带结构的图表。该图表通过连结将与进入光子晶体内、在光子晶体内共振的光的波长对应的标准化频率根据与光的入射方向之间的关系描绘出的点而制作。
更具体而言，生成纳米棒30的介质的低介电带和光电转换层2的介质的高介电带。
在该光子能带结构，作为在光子晶体内不能存在的光的波长波段(禁带)，包括被低介电带与高介电带夹着的光子带隙g。
上述标准化频率是用于使得光子晶体的上述间距a与光的频率为相关关系的参数，表示为a/λ。因此，在图3中，在图表的纵轴向上的方向，波长变小。
另外，如图4所示，通过以三角晶格(结晶工学中的六方形精密结构的二维平面部分)的反晶格空间矢量表示的结晶的方位来表示光的入射方向。这是因为，光所感应到的结晶配置成为以反晶格空间(第一布里渊区(Brillouin Zone))表示的配置。
在图3中，K点表示围着点的正六边形的晶格形状中的一个角，该角与相邻的角之间的点为M点。
Figure BDA00001846205000122
表示从正上方朝向光子晶体的表面的方向。K、M用于表示面内的方向，如
Figure BDA00001846205000123
MK、那样，通过起点终点的组合表示面内的方向。
以
Figure BDA00001846205000125
K、M为顶点的三角形是单位晶格，在六边形中包括12个单位晶格。只要对一个单位晶格决定方向，就能够对所有的单位晶格决定方向。例如，在高介电带，与图3的M对应的标准化频率为约0.2，这意味着能够在
Figure BDA00001846205000126
的面内方向传播的光仅是具有与标准化频率0.2对应的波长的光。
(缺陷能级)
接着，如图1(b)、(c)、图2(a)～(c)、图5和图6所示，当在纳米棒30的周期结构中形成未设置纳米棒30的区域、即缺陷(也称为共振腔(cavity)或纳米腔(Nano-cavity))31时，在光子带隙g中生成缺陷能级c。与该缺陷能级c对应的波长波段(容许带)的光被容许在缺陷31内存在，却不被容许在缺陷31的周围的光子晶体存在。其结果是，组合有缺陷31及其周围的纳米棒30的整体成为将与缺陷能级c对应的波长波段的光封入的微小的共振器(resonator)。
作为缺陷31的设置方法，作为一个例子，能够采用如图2(a)所示那样制作未设置有一个纳米棒30的区域的1晶格点缺陷，或者能够采用如图14所示那样制作未呈线状地设置有三个纳米棒30的区域的3晶格点线状缺陷等。
这样，包括纳米棒30和缺陷31的光子晶体在特定的方向上不具有偏光特性等。此外，为此，光子晶体的结构基本上在哪个截面看均为左右对称的结构。利用该结构得到的电磁场优选以同心圆状得到。
(基于Q值的光子晶体的设计)
此处，使用Q值考虑太阳能电池1的外部与光子晶体的光的结合的大小。Q值与电工学的共振的Q值同样，表示作为电磁波的光的共振效果的大小。Q值的表现方法各种各样，能够利用下述式1或式2表示。
Q＝λp/Δλ......式1
Q＝ωU/(-dU/dt)......式2
图8是在波长与强度的关系中表示光的共振峰的图表。如图8所示，上述式1的λp是共振峰的波长，Δλ是半值宽度。
上述式2的ω是共振角频率，U是共振器内的内部能量，t是时间。
从式1可知，半值宽度Δλ越小共振越强，因此，共振越强Q值就越大。此外可知，共振越强，共振的振幅就越大，波动越难以衰减，因此，Q值越大，光在共振器中存在的时间(寿命)就越长。
此外，从式2可知，从共振器丧失能量的程度越小，即-dU/dt越小，Q值就越大，因此也可以说Q值表示共振器将光封入的强度。
在将光子晶体制作在激光发光二极管等中的情况下，由于要增强共振从而增大发光强度，尽可能使Q值大成为设计光子晶体时的目标。但是，在本发明的情况下，与如上所述相反地，尽可能使Q值小，扩展被封入共振器的光的波长波段宽(即，使半值宽度宽)，并且，缩短光的寿命、增大被半导体层吸收的程度成为设计光子晶体时的目标。另外，如果扩展光的半值宽度，则外部与光子晶体的光的结合容易进行，因此，光的寿命变短。
此处，将图6所示的缺陷31看作图7所示的共振器，在包括外部空间和光子晶体的母材的介质(即构成上述光光电转换层2的半导体)的整个系统考虑Q值。如果以太阳能电池1整体的Q值为QT、以与光子晶体与外部空间的结合相关的Q值为Qv、以与光子晶体的面内方向的传播相关的Q值为Qin，以与上述介质的光的吸收相关的Q值为Qα、以与上述金属电极层6的光的吸收相关的Q值为QM，则以下的关系式(式3)成立。
另外，如在下述式4中也表示的那样，上述Qα与光子晶体的母材的光吸收系数α的倒数成比例。
1/QT＝1/QV+1/Qin+1/Qα+1/QM......式3
Qv与表示光子晶体与外部空间的结合的强度(结合的难易程度)的系数κv的倒数成比例，表示由于光子晶体与外部空间的结合而光容易向外部空间射出的难易程度。另外，只要决定了光子晶体的结构，就能够使用时间区域差(FDTD：Finite Difference Time Domain)法计算Qv。即，Qv是根据光子晶体的结构决定的Q值。
Qin表示进入光子晶体的光向水平方向传播时的传播难易程度，因此，从光封入的观点出发，表示光不被封入而从共振器泄漏的泄漏难易程度。Qα和QM分别表示介质和形成金属电极层6的金属吸收光的共振效果的大小。QM能够通过测定来求取。
另一方面，Qα与介质固有的吸收系数α、介质的折射率n和共振峰的波长λ具有下述式4的关系。即，Qα是根据介质的材料决定的Q值。
α＝2πn/λQα......式4
在上述式3的关系式中，当Qv＝Qα时，换言之，当κv＝α时，介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波长波段成为最大。
此外，如果共振器中的共振效果理想、在光半导体器件的面内没有光泄漏，则能够看作Qin＝∞。
由此能够导出
QT＝π·n·QM/(λ·α·QM+π·n)......式5。
此处，使用式5具体地求取以Qv＝Qα的方式设计光子晶体而得到的太阳能电池1整体的Q值(QT)。首先，如果令介质为a-Si，则其折射率n为4.154，吸收系数α为65534cm-1。进一步，如果令波长λ为660nm、令金属的QM为4000，则
QT＝11.1
是非常小的值，从式1能够导出Δλ＝59.5nm，为非常宽的半值宽度。另外，作为QT的范围，优选为QT＞10，作为Δλ，优选为数10nm。
因此，如果以Qv＝Qα的方式设计光子晶体(设计纳米棒30的半径和间距a等)，则被封入缺陷31的光容易被介质吸收，且能够在宽的波长范围内得到共振效果。换言之，可以说本发明的太阳能电池是在光电转换层中包括使由光子晶体的结构决定的Q值与由具备光子晶体的光电转换层的介质的材料决定的Q值一致而得到的光子晶体的光太阳能电池。
此处，对系数κv与吸收系数α的关系进行补充说明。首先，光伏材料原本具有高至某种程度的光的吸收率，因此α存在变大的倾向，相反，Qα存在变小的倾向。
另一方面，在将光子晶体加工至光伏材料中的情况下，通常光伏材料的折射率比纳米棒的折射率高1以上，因此，如果对光子晶体进行直接加工，则存在系数κv变小而Qv相反变大的倾向。因此，原本存在κv≤α(Qv≥Qα)的大小关系。
作为本发明的完成目标，为了增强光伏器件中的光吸收量，与包括光子晶体的缺陷的共振器结合的光，需要移向光伏器件的吸收过程。使得该效果达到最大的是κv＝α(Qv＝Qα)。
基于上述前提，为了进行光伏器件的光的吸收量的增强，需要使得κv＝α(Qv＝Qα)，为此，需要增大κv(减小Qv)。为了增大κv(减小Qv)，需要使由光子晶体构成的共振器(器件整体)整体的结合的比例变大(减小光伏器件的Q值、即上述QT)。
另外，如果考虑上述的模式结合理论，则能够更详细地讨论。具体而言，在相当于太阳能电池1内的透明导电层4的透明层的厚度相对于光的反射时的相位差θ满足θ＝2mπ(m＝0，1，2…)的情况下，如果令被光半导体层吸收的光能量的比例为Pv，则
PV＝(8·Qα/Qv)/(1+2Qα/QM+2Qα/Qv)2。从该关系式能够导出，为了利用光的9成(90％)以上，优选在以满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv的范围设计光子晶体结构。
(太阳能电池的结构例2)
图9是概略地表示太阳能电池1的其它结构例的截面图。在本结构例中，光子晶体在本征半导体层20内形成这方面与图1中说明的太阳能电池1的结构不同。
如图9所示，多个纳米棒30a在本征半导体层20内二维且周期性地配置，部分地形成有未设置纳米棒30a的缺陷31a。
如已经说明的那样，射入光电转换层2的光主要在本征半导体层20产生电子和空穴、并且将电子从价电子带激励至导电带，在本征半导体层20被吸收，因此，只要至少在本征半导体层20内形成光子晶体，就能够提高光电转换的效率。
(实施例1)
以下，根据图10至图13说明上述太阳能电池的实施例。
图10是表示作为实施例1的太阳能电池60的叠层结构的截面图，图11是表示被制作在太阳能电池60中的光子晶体的纳米棒和缺陷(纳米共振腔)的二维配置的平面图。
从太阳能电池60的受光面侧起依次叠层有：玻璃基板71；包括ZnO的透明导电层72；具有a-Si的pin结结构的半导体层73；包括ZnO的透明导电层74和包括Al的金属电极层75。另外，作为透明导电层72、74的形成材料，也可以使用SnO2。
玻璃基板71、透明导电层72、半导体层73和透明导电层74的各折射率依次为1.52、2.0、3.76、2.0，低折射率的透明导电层72、74夹着具备光子晶体的高折射率的半导体层73。
此外，透明导电层72、半导体层73、透明导电层74和金属电极层75的各厚度依次为900nm、330nm、60nm、100nm。
透明导电层72、半导体层73、透明导电层74和金属电极层75以上述厚度在玻璃基板71上依次蒸镀而形成。
在半导体层73，如参照图1等说明的那样，以200nm的间距a二维配置有直径r为60nm的圆柱状纳米棒76。另外，纳米棒76利用折射率1.45的SiO2形成。
如图11所示，如果纳米棒76以在俯视时包括六边形的各顶点和中心的配置为第一单元(图11中以细线表示)，其中，该六边形包括三角晶格，则因为纳米棒76的间距为a，所以二维配置的第一单元以在x方向为2a、在与x方向正交的y方向为
Figure BDA00001846205000171
的间距配置。此外，未形成纳米棒76的缺陷77以在x方向为4a至8a、在y方向为
Figure BDA00001846205000172
至的间距呈正方晶格状配置。
对第一单元和缺陷77的配置的各间距进行进一步说明。例如，当以构成上述第一单元的六边形的中心彼此在x方向相邻的距离为Lx、以在y方向相邻的距离为Ly时，二维配置的第一单元以在x方向为Lx＝2a、在y方向为
Figure BDA00001846205000174
的间距配置。因此，上述缺陷以在x方向为2Lx～4Lx、在y方向也为2Ly～4Ly的间距配置。
上述正方晶格状的配置是指x方向和y方向的配置为相同间距的配置。例如，当以在x方向为2Lx、在y方向也为2Ly的间距配置缺陷77时，其成为正方晶格状的配置。
这样，如果呈正方晶格状地设置缺陷77则由配置在半导体层73的整个受光面的缺陷77分别产生的共振发生相互作用的情况，基于使用FDTD法的模拟得到确认。
另外，相互共振的面积越大，光电转换元件60整体的Q值(QT)越小。此外，相对于半导体层73的厚度，当降低纳米棒76的高度时，上述Q值(QT)变小，因此，作为结果，与外部的结合的系数κv变大。基于上述讨论，能够增加能够由光伏层(半导体层73)吸收的光的量。
进一步，如图12所示，对包围上述缺陷77的纳米棒76中的、配置在沿着特定方向(x方向)的线M上的两个纳米棒76a、76b的位置进行了如下研究：模拟地使该两个纳米棒76a、76b的位置从上述六边形的各顶点的位置(以线L1和L2表示)沿上述特定方向，以彼此相反的方向，向相互接近的方向偏移。
这样，如果在缺陷77的周围打乱纳米棒76的周期结构，则能够解除被封入缺陷77内进行共振的光的共振峰的简并的情况，基于使用FDTD法的模拟得到了明确。图13表示其结果。图13是利用标准化频率与光强度之间的关系表示在被制作在上述实施例1的光电转换元件60中的光子晶体的缺陷77产生的共振效果的图表。如图13所示，虽然为一个缺陷(1dot(点)的空腔)，但是形成有两个共振点。
图18是表示在太阳能电池60中，光伏量(μW/cm2)相对于光的波长(nm)的特性曲线的图表。如图18所示，在半导体层73未形成光子晶体的情况下，光伏量以波长550nm附近为峰，左右大致对称地降到0。
与此相对，在半导体层73形成有上述结构的光子晶体的情况下，与具有2个模式的共振的峰相对应，在峰的波长550nm与吸收端的波长820nm之间，如果能够出现第一个效果区域S1和第二个效果区域S2，则能够增大光伏量，提高太阳能电池60的转换效率。
(实施例2)
接着，根据图14～图16说明上述太阳能电池的其它实施例。
图14是表示在与太阳能电池60相同的叠层结构中的半导体层73具备的光子晶体的纳米棒和缺陷(纳米共振腔)的其它二维配置的平面图，图15是放大表示图14所示的一个缺陷区域的说明性的平面图。
如图14和图15所示，如果在上述纳米棒76在俯视时由六边形的各顶点和中心构成的配置中、以具有形成有两个以上上述缺陷的缺陷区域78(例如，在图14中为缺少三个纳米棒的3晶格点线状缺陷)的结构为第二单元(图14中以细线表示)，其中，该六边形由三角晶格构成，则因为纳米棒76的间距为a，所以二维配置的第二单元以在x方向为4a以上在y方向为
Figure BDA00001846205000181
的间距配置，上述缺陷以在x方向为4a至8a、在y方向为
Figure BDA00001846205000182
至
Figure BDA00001846205000183
的间距呈正方晶格状配置。
这样，即使在一个单元内连续形成两个以上缺陷，也能够解除被封入缺陷区域78内进行共振的光的共振峰的简并(degeneracy)的情况，基于使用FDTD法的模拟得到了明确。在图16表示其结果。图16是基于标准化频率与光强度之间的关系表示在缺陷区域78产生的共振的图表。如图16所示，通过3晶格点线状缺陷，产生三个共振点。
(太阳能电池的制造工序)
最后，对上述实施例1的太阳能电池60的制造工序进行详细说明。图17是表示太阳能电池60的制造工序的工序图。
首先，如图17(a)所示，在玻璃基板71上蒸镀Sn02，形成透明导电层72，进一步，在透明导电层72上以350nm的厚度蒸镀作为纳米棒76的形成材料的SiO2，形成SiO2层81。
接着，如图17(b)所示，在SiO2层81上以具有900nm的厚度的方式涂敷光致抗蚀剂82，之后利用电子束曝光描绘与纳米棒76和缺陷77的配置图案对应的图案。如果光致抗蚀剂82为正型的感光材料，则通过利用显影将被曝光的部分除去，形成被以间距a＝150～250nm和直径r＝60nm规定的纳米棒76的配置图案和缺陷77的配置图案。
接着，如图17(c)所示，在上述配置图案的整个图案，以300nm的厚度蒸镀Al，形成Al膜83。
然后，如图17(d)所示，通过除去光致抗蚀剂82，仅在纳米棒76的形成部位留下Al膜83。SiO2层81的厚度为350nm不变。
进一步，如图17(e)所示，使用以四氟化碳(CF4)为蚀刻气体的感应结合型反应性离子蚀刻(ICP-RIE：Inductive CoupledPlasma-Reactive Ion Etching)，以所留下的Al膜83为掩模，高精度地除去未被掩模遮挡的SiO2。由此，制作在透明导电层72上二维配置有纳米棒76而形成的中间体90。
接着，如图17(f)所示，在中间体90的整个表面蒸镀a-Si，通过掺杂p型杂质形成p型a-Si层84，在其上蒸镀a-Si形成a-Si层85，在其上进一步蒸镀a-Si，通过掺杂n型杂质形成n型a-Si层86。将各a-Si层84～86的合计控制在约330nm的结果，350nm厚的纳米棒76的上部成为从n型a-Si层86的上表面稍隆起的状态。
此外，各a-Si层84～86的各自的厚度，与纳米棒76的厚度(350nm)及其上的Al膜83的厚度(300nm)的合计相比，约薄1/3以上，因此，各a-Si层84～86被分离为在透明导电层72上成膜的部分和在Al膜83上成膜的部分。即，残留在纳米棒76上的Al膜83，其侧面不被a-Si覆盖而露出。
接着，通过使用盐酸(HCl)的湿蚀刻除去残留在纳米棒76上的Al膜83。残留在纳米棒76上的Al膜83，由于其侧面露出，能够利用湿蚀刻除去。
最后，如图17(g)所示，蒸镀SnO2，形成透明导电层87，进一步，叠层金属电极层88，完成太阳能电池1。另外，位于纳米棒76的上方的透明导电层87的部分和金属电极层88的部位反映纳米棒76的上部从n型a-Si层86的上表面稍隆起的状态，成为向上方稍隆起的状态。
[实施方式2]
(太阳能电池的结构)
图21是表示本发明的太阳能电池110的结构的截面图。图22是表示太阳能电池110的结构的立体图。
太阳能电池110是通过光电转换将入射光转换成电流的元件，例如，也能够用作光检测传感器等将光转换为电信号的装置。
太阳能电池110具备用于对入射光进行光电转换的半导体层(光电转换层)113。在该半导体层113的内部形成有光子晶体121，该光子晶体121通过形成折射率与半导体层113不同的纳米棒(柱状介质)119而构成。
太阳能电池110通过使与由该光子晶体121形成的带端对应的状态的光的波长强烈地共振，来提高光的吸收率。另外，对于形成有光子晶体121的半导体层113的结构，详细情况在后面叙述。
太阳能电池110具备：在光射入太阳能电池110一侧的相反侧的最外层配置的背面金属电极111(金属层)；叠层在背面金属电极111的透明导电膜112；叠层在透明导电膜112的半导体层113；叠层在半导体层113的透明导电膜117；和叠层在透明导电膜117的玻璃118。另外，透明导电膜117是包含折射率比半导体层113的介质的折射率小的介质的两个层中的一个层，透明导电膜112是该两个层中的另一个层。
在太阳能电池110中，玻璃118的与透明导电膜117接触的面的相反的面是光的入射面。太阳能电池110通过将从该入射面射入的光由半导体层113进行光电转换，生成与入射光的光量对应的电流。而且，例如，通过用外部电阻将夹着半导体层113地配置的背面金属电极111和透明导电膜117连接，能够将电信号输出到外部。
这里，在太阳能电池110中，将光的入射面(侧)称为表面(侧)，将背面金属电极111的、与半导体层113接触的面的相反的面(侧)称为背面(侧)。同样，将构成太阳能电池110的各膜中的、配置在入射面侧的面(侧)称为表面(侧)，配置在背面金属电极111侧的面(侧)称为背面(侧)。
玻璃118例如包含折射率是1.52左右的材质。
背面金属电极111包含Ag或Al等光的反射较强、吸收较小的金属，用于取出通过由半导体层113进行光电转换而生成的电流，并输出到外部。
另外，背面金属电极111还能够作为反射板发挥作用，还能够使未被半导体层113进行光电转换而透过来的光再次反射到半导体层113。通过覆盖半导体层113的背面的整个面地配置背面金属电极111，能够可靠地反射透过半导体层113的光，由此能够构成光的吸收效率更高的太阳能电池110。
透明导电膜(TCO：Transparent Conducing Oxide)112、117是透明的导电膜，夹着半导体层113地配置。透明导电膜112、117包含折射率比半导体层113的介质的折射率小的介质，例如包括ITO、ZnO、SnO2等。
半导体层113是光伏材料，例如包含a-Si(非晶硅)，是用于通过对入射光进行光电转换来生成电流的光伏层。在本实施方式中，半导体层113是从背面侧(配置有透明导电膜112的一侧)起，依次叠层n型半导体(n型半导体层)114、i型半导体(本征半导体层)115和p型半导体(p型半导体层)116而形成的p-i-n型的半导体。
在半导体层113配置有二维光子晶体121，该二维光子晶体121具有二维且规则地配置有折射率比n型半导体114、i型半导体115和p型半导体116小的纳米棒119的周期结构。
(光子晶体的结构)
接着，说明光子晶体121的结构。
如图21所示，光子晶体121形成在半导体层113，是在具有光的波长左右厚度的半导体层113的介质内，周期性地配置有多个纳米棒119的二维光子晶体。
半导体层113中的形成有纳米棒119的区域是光子晶体121。在本实施方式中，采用纳米棒119形成在半导体层113的整个面的结构。
纳米棒119包含折射率比构成n型半导体114、i型半导体115和p型半导体116的a-Si小的材料。即，纳米棒119是半导体层113中的低折射率区域。另外，纳米棒119包含具有绝缘性能且透射率高的材料。纳米棒119包含折射率为1.0～2.0左右的材料，包含空气、折射率为1.45的SiO2等。
除此以外，作为纳米棒30的材料，还能够使用折射率1.6左右的JAS(透明树脂材料)，作为用作SOG(Spin-On Glass：旋涂玻璃)材料的HSQ(Hydrogen Silsequioxane：含氢的矽酸盐类)，例如还能够使用FOX(東レ·ダウコ一ニング社(Dow Corning Toray co.Ltd)的注册商标)等。
纳米棒119的高度(半导体层113的厚度方向的长度)形成为相对于半导体层113的厚度为1/1的厚度或者为1/4以下的厚度。
另外，纳米棒119在半导体层113形成为圆柱状等柱状。
图23是表示三角晶格状地配置有纳米棒119的光子晶体121的结构的平面图。如图23所示，光子晶体121中，以在后述的反晶格空间中的Γ点形成带端的方式，二维配置有纳米棒119。
具体而言，纳米棒119以间距(间隔)a相对于波长λ为λ/4以上λ以下的方式周期性地配置。这里，波长λ如后所述，是由带端规定的波长。即，波长λ是通过光子晶体121进行共振的波长的共振峰波长。
另外，在俯视观察光子晶体121时，纳米棒119通过配置在三角形的各顶点而周期性地配置在六边形的各顶点和中心。即，光子晶体121具有二维且三角晶格状地配置有纳米棒119的结构。
另外，如图24所示，在俯视观察光子晶体121时，纳米棒119也可以配置在四边形的各顶点。即，光子晶体121也可以具有二维且正方晶格状地配置有纳米棒119的结构。
图24是表示四角晶格状地配置有纳米棒119的光子晶体121的结构的平面图。
无论是哪一种晶格形状，都能够在后述的反晶格空间中的Γ点形成带端。
纳米棒119的半径以间距a为基准，优选取0.2a以上0.4a以下的范围。
接着，说明这样在半导体层113配置有纳米棒119而得到的太阳能电池110形成的带端。
(带端)
图25是表示光子晶体121中的光子能带的图。对于三角晶格(六方精密结构的一个平面截面结构)的反晶格空间中的位置和方位，与参照图4已经说明的一致。
在图25中，纵轴是标准化频率，横轴表示反晶格空间中的位置和方向。
标准化频率是为了使光子晶体121的间距a与光的频率为相关关系而使用的参数，表示为a/λ。因此，在图25中，朝向图表的纵轴的上方，波长λ变小。
图25中所示的各能带是连接在光子晶体121中共振的波长的点而成的。
如上所述，光子晶体121构成为以间距a相对于波长λ为1/4倍以上1倍以下的方式周期性地配置有多个纳米棒119，因此如图25所示，在Γ点形成作为光子晶体121的光子能带的极值的带端B。
在该带端B，与标准化频率对应的共振峰的波长λ在光子晶体121的整个面强烈共振。通过得到在该带端B的共振效果，能够增加射入半导体层113的光的寿命(lifetime)。而且，通过在增加的寿命期间中半导体113与光的相互作用，能够提高半导体层113中的吸收率。
这样，根据光子晶体121的结构，能够利用被称为Γ点的带端B，该带端B仅能够对从与光子晶体121垂直的方向射入的光引起共振。
通过利用该带端B，能够使射入光子晶体121的光中的、作为来自垂直方向的入射光且波长为λ的光在光子晶体121进行共振。而且，在光子晶体121进行共振的波长λ的光被上述光电转换层的介质吸收。
从而，能够提高太阳能电池的光的吸收率。
图26表示太阳能电池110的吸收波长。如图26所示，在太阳能电池110，除了通常包含a-Si的半导体的吸收波长以外，能够提高带端B的共振波长的吸收率。在本实施方式的太阳能电池110，能够提高作为从a-Si的吸收端的波长(820nm附近)到吸收的峰波长(520nm)之间的吸收率低的波长的650nm附近的波长的吸收率。该对象波长能够通过改变纳米棒的间距a以致改变标准化频率来进行变更。
另外，由带端B规定的标准化频率是约0.3～0.5左右。
这样，在太阳能电池110，通过在光子晶体121内使来自特定角度的入射光强烈地共振，能够在整个面提高光的吸收率。特别是，通过使得在从半导体的吸收端到吸收峰之间的吸收率低的波长域中具有共振峰，作为太阳能电池110能够提高整体的吸收率。
除此以外，在太阳能电池110，是被称为Γ点的、仅使从与太阳能电池110垂直的方向射入的光共振的结构。能够在太阳能电池110进行共振的是以90°±1°左右的入射角射入的光。
即，根据光子晶体121的结构，当设来自与半导体层113垂直的方向的光的入射角为θ1时，能够使来自-1°≤θ1≤1°左右的入射光的光在由Γ点形成的带端B共振。这里，θ1根据在带端B由能带在面内方向(M方向或K方向)具有同一标准化频率的长度而决定。
这样，在半导体层113进行共振的共振峰的波长为λ的光被半导体层113的介质吸收。
即，根据太阳能电池110，能够限制强烈共振的光的波长的入射角。因此，能够在例如光的入射角度传感元件等光传感元件中使用太阳能电池110。
另外，在太阳能电池110的光子晶体121，由于将纳米棒119的间距a设定为相对于波长λ是1/4倍～1倍，因此不形成带隙。
图27表示形成有带隙的光子能带。光子能带是不能存在于光子晶体内的光的波长波段(禁带)。
例如，如图27所示，在高电介质带与低电介质带之间形成有光子晶体的带隙的情况下，带隙中的波长不能射入光子晶体。因此，与该标准化频率对应的波长带的光子吸收效率降低。
另一方面，在太阳能电池110，选择将纳米棒119的间距a相对于波长λ设定为1/4倍～1倍的共振条件。由此，能够防止在相对于光子晶体121能够转换为电动势的波长区域内形成带隙。其结果是，能够不反射带隙的特定波长地提高光的吸收效率。
这样，太阳能电池110通过形成在半导体层113的光子晶体121，能够有效率地取入来自外部的特定波长和特定入射角的光，因此通过增加每单位面积的光的吸收量，能够增加光半导体层的光伏量，并且提高指向性。
(基于Q值的光子晶体的设计)
使用Q值考察太阳能电池110的外部与光子晶体的光的结合的大小，这一点与对太阳能电池1进行的说明一致。
另外，作为本发明的实现目标，为了增强光伏器件的光吸收量，需要将与包括光子晶体的共振器结合的光，移至光伏器件的吸收过程。在以形成带端B的方式周期性地配置有纳米棒的光子晶体中，该效果成为最大的条件也是κv＝α(QV＝Qα)。
即，为了增强光伏器件的光的吸收量，需要使得κv＝α(QV＝Qα)，因此，需要增大κv(减小QV)。为了增大κv(减小QV)，需要增大包括光子晶体的共振器整体(器件整体)的结合的比例(减小光伏器件的Q值、即上述QT)。
除此以外，在上述系数κv与吸收系数α大致相等，且光的吸收为一定以上(α约为5.0％以上)的情况下，特别能够扩展光的吸收效果变高的对象波长波段(共振波长的波段)。因此，扩展具有角度依赖性的光的共振波长的波段的效果较大。
(增大太阳能电池的受光量的结构)
如本实施方式2的太阳电池110那样，在能够进入光子晶体的光的入射角被限制在某个角度范围、具有角度依赖性的情况下，优选附设增大太阳能电池的受光量的结构。
作为其一个结构例，考虑采用改变太阳能电池板的朝向的跟踪系统，以使得太阳能电池板的法线方向朝向太阳，即该法线方向与太阳光线平行。图19(a)、(b)是表示该跟踪系统的概念的说明图。由此，由于能够总是增大太阳能电池板的每单位面积的受光量，因此能够提高太阳能电池的光的吸收率。
另外，作为其它的结构例，还可以采用附设抛物面状聚光元件(Parabolic Concentrator)等具有透镜效果的器件的方法。图20是表示抛物面状聚光元件90的聚光动作的说明图。在抛物面状聚光元件90的受光面，以入射角γ射入的平行光线在抛物面状聚光元件90的内表面反射，相对于太阳能电池板91，成为限制在由与入射角γ的关系规定的角度范围β内的光束，会聚到太阳电池板91。
由此，由于能够会聚射入比太阳能电池板91的受光面积大的面积的光，因此能够增强太阳能电池板91对光的吸收，能够提高光的吸收率。
(光子晶体的变形例)
接着，说明光子晶体的变形例。
图28是表示本发明的太阳能电池130的结构的截面图。
太阳能电池130具备光子晶体123，来代替太阳能电池110的光子晶体121。其它的结构与太阳能电池110相同。
光子晶体123中，纳米棒139的高度与半导体层113的厚度相同，这一点与光子晶体121的结构不同。形成在光子晶体123的纳米棒139是贯通半导体层113形成的圆柱状的孔。
进而，也可以如纳米棒119、139那样，不限定为圆柱状，而是形成为截面形状为梯形。
图29是表示形成有截面为梯形的纳米棒的光子晶体的结构的截面图。
图29所示的光子晶体124在半导体层113形成有截面是梯形的纳米棒149。纳米棒149以形成在半导体层113的表面的上表面的面积比形成在半导体层113的内部的下表面的面积大的方式形成。由此，通过蚀刻等，能够容易地在半导体层113形成纳米棒149时进行加工。
图30是表示按每个区域纳米棒的间距不同的光子晶体的结构的平面图。
如图30所示，在1个光子晶体中，可以配置多个纳米棒的间距不同的区域。
如图30所示，光子晶体122在半导体层113配置有以间距a1形成有纳米棒119的区域A1、以间距a2(a2＞a1)配置有纳米棒119的区域A2和以间距a3(a3＞a2)形成有纳米棒119的区域A3。
间距a1、间距a2和间距a3是各自不同的固定的值，而且分别是满足波长λ的1/4以上1以下的值。
如图30所示，在与俯视观察半导体层113时的半导体层113的一条边平行的方向上，以使得在各区域A1、A2、A3各包括50个～100个左右的以等间距配置的纳米棒119的方式，设置区域A1、区域A2、区域A3。
由此，在区域A1、区域A2和区域A3，在各自的Γ点形成各自不同的带端。因此，与各个区域A1、A2、A3中的Γ点的标准化频率对应的波长λ1、λ2、λ3成为共振波长。
这样，在光子晶体122，能够使多个不同的波长λ1、波长λ2和波长λ3的光在1个光子晶体122中共振，因此使用各个区域来提高多个波长的光的吸收率。
(太阳能电池的制造工序)
作为太阳能电池110的制造工序，能够采用参照图17说明的制造工序。
[实施方式3]
参照图31对本发明的太阳能电池的第三实施方式说明如下。另外，为了说明方便，对于具有与在上述实施方式1中说明的附图相同功能的部件，标注相同的附图标记，省略其说明。
图31是表示本实施方式的太阳能电池170的结构的截面图。
太阳能电池170的半导体层173从背面侧起依次叠层有n型半导体174、i型半导体175和p型半导体176。而且，在n型半导体174、i型半导体175和p型半导体176分别形成有多个突起179c、突起179b和179a。突起179c、突起179b和179a分别形成在对应的位置上。叠层在该对应的位置上的突起179c、突起179b和179a是纳米棒179。
光子晶体127是在半导体层173形成有纳米棒179的结构。
纳米棒179既可以如太阳能电池170那样，由分别形成在n型半导体174、i型半导体175和p型半导体176的突起179c、突起179b和179a构成，也可以由形成在n型半导体174、i型半导体175和p型半导体176中的任一个层的多个突起构成。在n型半导体174、i型半导体175和p型半导体176中的任一层形成突起的情况下，由于光电转换主要在i型半导体175内发生，因此优选在n型半导体174与i型半导体175的界面，或者i型半导体175与p型半导体176的界面形成突起。
该纳米棒179的间距、半径等与实施方式2中说明的结构相同。
即，当设光子晶体127的共振峰波长为λ时，以1/4倍以上1倍以下的间距，二维且周期性地配置有纳米棒179。
进而，在光子晶体127，使QV和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，QV与表示光子晶体127与外界的结合的强度的系数κv的倒数成比例，作为表示光子晶体127与外界的结合所产生的共振效果的大小的Q值，Qα与由半导体层173的介质产生的光的吸收系数α的倒数成比例，作为表示上述光电转换层的介质所产生的共振效果的大小的Q值。
玻璃基板178通过蚀刻等，在纳米棒179的形成区域形成有多个凹部。该凹部以构成由相邻的间隔为间距a的三角晶格构成的六边形晶格的方式，形成在玻璃基板178的背面。
而且，在玻璃基板178的形成有凹部的面，依次叠层作为TCO的透明导电膜177、包含a-Si的p型半导体176、包含a-Si的i型半导体175、包含a-Si的n型半导体174、作为TCO的透明导电膜172和背面金属电极171(金属层)。由此，在叠层于玻璃基板178的各层，形成有与在玻璃基板178形成的凹部对应的凹凸。
由此，太阳能电池170能够得到与太阳能电池110、130、150、160同样的效果。
[实施方式4]
根据图35～图38对本发明的太阳能电池的第四实施方式说明如下。另外，为了说明方便，对具有与在上述实施方式2中说明的附图相同功能的部件，标注相同的附图标记，省略其说明。
本实施方式的太阳能电池在原理上与实施方式2的太阳能电池相同。即，本实施方式的太阳能电池具有能够提高光电转换元件的光的吸收率，且能够增大从上述的波长520nm到820nm左右的波段的光电动势的结构，其中，该光电转换元件具备满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv且能够在带端获得共振效果的光子晶体结构。
(太阳能电池的结构例)
图35是表示本发明的太阳能电池的叠层结构例的图，(a)表示抽出了从光电转换层到背面侧的金属层的叠层部分的立体图，(b)表示太阳能电池整体的截面。另外，图36是表示图35所示的叠层结构的变形例的图，与图35所示的太阳能电池相比，纳米棒的形状和背面侧的透明导电层的厚度不同。另外，图37是表示本发明的太阳能电池的其它叠层结构例的图，与图36所示的太阳能电池相比，背面侧的透明导电层和金属层的各形状不同。
(太阳能电池300～302的共通点)
图35～图37所示的太阳能电池300、301、302中共通的第一方面在于，采用覆盖形成在光入射侧的透明导电层117的纳米棒119a或119b地，叠层光电转换层113a或113b这样的制造方法，其结果，在光电转换层113a或113b的表背面中的、位于与光射入太阳能电池300～302的一侧相反一侧的背面，形成有与多个纳米棒119a或119b的形状对应的凹凸。
该凹凸以如同转印了多个纳米棒119a或119b的形状的方式形成。而该凹凸是光电转换层113a或113b的介质自身形成的凹凸。
另外，光电转换层113a或113b例如如图21所示那样，具有极性不同的半导体层相邻的结构，其结构的详细情况在图35～图37中省略。
如果更严密地定义多个纳米棒119a或119b的形状与形成在光电转换层113a或113b的背面的凹凸的对应关系，则纳米棒119a或119b各自的中心轴与光电转换层113a或113b的介质所形成的凸形状各自的中心轴，如图35(b)中用中心线C表示的那样，在光电转换层113a或113b的厚度方向上一致。
如上所述，这是覆盖形成在透明导电层117的纳米棒119a或119b地，叠层光电转换层113a或113b的结果。根据这样的制造方法，以使得能够在光电转换层113a或113b的背面形成凹凸的方式，将纳米棒119a或119b的高度形成得比光电转换层113a或113b的厚度小。具体而言，优选使纳米棒119a或119b的高度为光电转换层113a或113b的厚度的1/3以上1/2以下。
另外，与图24所示的纳米棒119的配置相同，纳米棒119a或119b如图35～图37各自的(a)所示那样，优选当沿着表面的法线方向俯视观察时，在正方形的各顶点配置光电转换层113a或113b。即，光子晶体优选具有二维且正方晶格状地配置有纳米棒119a或119b的结构。
纳米棒119a或119b的间距a如根据图24所说明的那样，相对于共振峰的波长λ，设定为1/4倍以上1倍以下。
作为纳米棒119a或119b的形状，既可以如图35(a)所示那样是圆柱，也可以如图36和图37各自的(b)所示那样是大致圆锥台。如果纳米棒119a或119b的形状是圆柱，则作为截面形状为图35(b)所示的矩形。另外，如果纳米棒119a或119b的形状是大致圆锥台，则作为截面形状为图36和图37各自的(b)所示的大致梯形。无论哪种形状，构成光电转换层113a或113b的背面的圆柱或大致圆锥台的底面的边缘既可以是锐利的，也可以是平缓的曲面。
其次，太阳能电池300～302中共通的第二方面在于，被叠层的层的种类和顺序相同。即，太阳能电池300从光的入射侧起，依次叠层有玻璃基板118、在背面形成有纳米棒119a的透明导电层117、光电转换层113a、透明导电层112a和金属电极层111(金属层)。另外，太阳能电池301从光的入射侧起，依次叠层有玻璃基板118、在背面形成有纳米棒119b的透明导电层117、光电转换层113b、透明导电层112b和金属电极层111。进而，太阳能电池302从光的入射侧起，依次叠层有玻璃基板118、在背面形成有纳米棒119b的透明导电层117、光电转换层113b、透明导电层112c和金属电极层111c(金属层)。
光电转换层113a由包含与光电转换层113a的介质相比折射率小的介质的透明导电层117和透明导电层112a夹着。透明导电层112a与金属电极层111相邻。光电转换层113b也由包含与光电转换层113b的介质相比折射率小的介质的透明导电层117、与透明导电层112a或112b夹着，透明导电层112a或112b与金属电极层111或111c相邻。
(太阳能电池300、301的共通点)
其次，图35和图36所示的太阳能电池300、301中共通点在于，在光射入太阳能电池300、301一侧的相反侧、即太阳能电池300、301的背面侧的最外层，设置有覆盖上述背面侧整体的金属电极层111，金属电极层111为平坦的层。关于由该结构产生的作用效果在后面叙述。
(太阳能电池302特有的方面)
太阳能电池302特有的方面表现为金属电极层111c的形状。在太阳能电池302中，在保持形成在透明导电层117的背面的纳米棒119b的形状的状态下，依次叠层有光电转换层113b、透明导电层112c和金属电极层111c，其结果是，太阳能电池302具有在金属电极层111c的表背面中的、至少金属电极层111c的表面侧(光射入太阳能电池302的一侧)形成有构成光子晶体结构的凹凸的结构。
另外，即使在金属电极层111c的背面侧未形成凹凸，对太阳能电池302的发电效率也不产生影响。另外，在该金属电极层111c的表背面形成与纳米棒119b的形状对应的凹凸的程度，依赖于与金属电极层111c相邻的透明导电层112c的厚度的设定。关于这些方面在后面叙述。
(太阳能电池的动作)
经由玻璃基板118和透明导电层117射入光电转换层113a(113b)的光，主要在本征半导体层产生电子和空穴，并且通过将电子从价电子带激励至导电带，被本征半导体层吸收。被激励的电子成为流通由透明半导体层117、金属电极层111(111c)和外部电阻7a(装置或设备等)形成的电路的电流，在外部电阻7a中发生电动势。
另外，金属电极层111(111c)还能够作为反射板发挥作用，还能够将未由光电转换层113a(113b)进行光电转换而透过来的光再次反射到光电转换层113a(113b)。由于通过覆盖太阳能电池300(301或302)的背面的整个面地配置金属电极层111(111c)，能够将透过了光电转换层113a(113b)的光可靠地反射，因此能够构成光的吸收效率更高的太阳能电池300(301或302)。
通过以间距a相对于波长λ为1/4倍以上1倍以下的方式周期性地配置纳米棒119a或119b，来形成光子晶体结构，因此如参照图25说明实施方式2所述那样，在Γ点，作为光子晶体的光子能带的极值的带端B与间距a对应地形成。
通过利用该带端B，能够使射入太阳能电池300(301或302)的光中的、作为来自垂直方向的入射光且为共振峰波长即波长为λ的光在光子晶体中共振。而且，在光子晶体中共振的波长λ的光被上述光电转换层113a(113b)的介质吸收。从而，能够提高太阳能电池300(301或302)的光的吸收率。
在本实施方式中，由于在光电转换层113a(113b)的表背两面形成有光子晶体结构，因此能够进一步提高太阳能电池300(301或302)的发电效率。其理由如下。
如本实施方式这样，在纳米棒119a或119b各自的中心轴与光电转换层113a或113b的介质所产生的凸形状各自的中心轴，在光电转换层113a或113b的厚度方向上一致的情况下，在光电转换层113a(113b)的表面和背面形成具有相同结构的光子晶体。
由此，利用与具有相同结构的光子晶体的间距a对应的带端B，在光电转换层113a(113b)的表面和背面双方的光子晶体中，能够使波长为λ的光共振。从而，由于能够期待光电转换层113a(113b)的介质的最佳的光封入效果，因此能够进一步提高太阳能电池的光的吸收率。
另外，也可以不采用覆盖形成在透明导电层117的纳米棒119a或119b地叠层光电转换层113a(113b)这样的制造方法，而是如参照图17所说明的那样，在光电转换层113a(113b)的背面，通过光刻技术来重新制作构成光子晶体结构的凹凸。这种情况下，能够使光电转换层113a(113b)的表面侧的光子晶体的结构与背面侧的光子晶体的结构不同。
于是，能够使得在光电转换层113a(113b)的表面侧和背面侧共振的光的波长不同。其结果是，由于能够期待扩展被光电转换层113a(113b)吸收的光的波长波段的效果，因此在该状态下也能够提高太阳能电池的发电效率。
另外，由于附设使太阳能电池300(301或302)的受光面按照太阳的朝向移动的单元，或作为聚光部件的图19(a)、(b)所示的跟踪系统，或图20所示的抛物面状聚光元件90，因此能够进入光子晶体的光即使具有角度依赖性，也能够增大太阳能电池300(301或302)的受光量，关于这一点与实施方式2中所说明的一致。
(金属层的作用效果1)
如已说明的那样，在图35和图36所示的太阳能电池300、301中，覆盖背面侧整体的金属电极层111为平坦的层。
由此，金属电极层111将通过了光电转换层113a(113b)等的光再次反射使其返回到光电转换层113a(113b)，因此能够提高光电转换率。
由于金属电极层111是平坦的层，因此测定太阳能电池300、301的特性所得到的值，易于与通过模拟预测的结果一致。从而，起到易于如所期待的那样得到设计特性的效果。
进而，由于金属电极层111是平坦的层，因此与在金属电极层111形成构成光子晶体结构的凹凸的结构相比，能够减小电阻，认为在电力取出方面是有利的。
(金属层的作用效果2)
另一方面，如根据图37已经说明的那样，在太阳能电池302中，在金属电极层111c的表背面中的至少金属电极层111c的表面侧，形成有构成光子晶体结构的凹凸。
由此，至少在与透明导电层112c接触的金属电极层111c的表面，也形成有构成光子晶体结构的凹凸形状，因此认为作为对象的波长波段以外的波长的光由金属电极层111c散射。另外，由于由金属层引起的(表面)等离子体共振，因此能够期待增强光能的效果。其结果是，通过扩展被光电转换层113b吸收的光的波长波段，能够期待进一步提高太阳能电池302的光的吸收率。
(透明导电层的作用效果)
通过包含折射率比光电转换层113a(113b)小的介质的透明导电层117与透明导电层112a(112b或112c)夹着光电转换层113a(113b)，按照与用低折射率的包层(clad)覆盖高折射率的芯而成的光纤同样的原理，能够将沿着与光电转换层113a(113b)的表面垂直的方向传播且要泄漏的光封入。其结果是，能够进一步提高光电转换层113a(113b)的光的吸收率。
透明导电层112a(112b或112c)和透明导电层117用导电性材料形成是为了取出电流。在将透明导电层112a(112b或112c)和透明导电层117置换为电介质层的情况下，也同样能够得到将要泄漏的光封入的效果。但是，这种情况下，需要用于从光电转换层113a(113b)横向地取出电流的其它结构。
另外，透明导电层117和透明导电层112a(112b或112c)具有满足将沿着与光电转换层113a(113b)的表面垂直的方向传播且要泄漏的光封入的条件的厚度。配置在太阳能电池300(301或302)的背面侧的透明导电层112a(112b或112c)的厚度能够从满足上述条件的最小厚度的整数倍的厚度中选择。另外，透明导电层112a(112b或112c)的厚度优选超过纳米棒119a和119b的高度。
如图35(b)和图37(b)所示的那样，例如，在使透明导电层112a或透明导电层112c的厚度为上述最小厚度的情况下，形成在光电转换层113a(113b)的背面的上述凹凸形状，最强地转印到透明导电层112a或透明导电层112c。因此，在覆盖透明导电层112c地叠层有金属导电层111c的情况下，上述凹凸形状也被转印到金属导电层111c。
这里，如图35(b)所示，如果金属电极层111为平坦的层，则需要用于平坦地形成金属电极层111的平坦化处理。即，在经过除去形成在透明导电层112a的凹凸形状并进行平坦化的工序以后，堆积(沉积)金属电极层111。
与此相对，如图36(b)所示，在使透明导电层112b的厚度为上述最小厚度的整数倍的情况下，通过设定该厚度(例如1μm以上)，形成在光电转换层113b的背面的凹凸形状已经不再转印到金属电极层111。其结果是，即使不进行透明导电层112b的平坦化处理，也能够使金属电极层111成为平坦的层。
另外，透明导电层112a(112b或112c)的厚度越薄，越能够减小由透明导电层112a(112b或112c)吸收光引起的损失。
(太阳能电池的制造工序的1个例子)
举例说明图35所示的太阳能电池300的制造工序。图38是表示太阳能电池300的制造工序的工序图。另外，与膜厚有关的数值仅是1个示例，能够适当变更。
首先，如图38(a)所示，在玻璃基板118上蒸镀SnO2形成透明导电层117，进而，作为纳米棒119a的形成材料即透明电介质，以350nm的厚度在透明导电层117上蒸镀SiO2，形成SiO2层119A。另外，代替SiO2的蒸镀，也可以通过旋涂法涂敷在实施方式2中介绍过的SOG(Spin-on Glass：旋涂玻璃)液。
这些透明电介质几乎不吸收光。而且，这些透明电介质的折射率比光电转换层113a(113b)的折射率小。另外，形成纳米棒的透明电介质优选从比形成光电转换层的光伏材料的折射率小0.4以上的透明材料中选择。
接着，如图38(b)所示，在SiO2层119A(或SOG层)上涂敷光致抗蚀剂41并使其具有900nm的厚度，然后通过电子束曝光，描绘与纳米棒119a的配置图案对应的图案。抗蚀剂41如果是正型的感光材料，则通过显影除去已被曝光的部分。由此，通过将间距a相对于共振峰的波长设定为1/4倍～1倍，形成构成光子晶体结构的纳米棒119a的配置图案。
接着，如图38(c)所示，遍及上述配置图案整体地以300nm的厚度蒸镀Al，形成Al膜42。
然后，如图38(d)所示，通过除去抗蚀剂41，仅在纳米棒119a的形成部位残留Al膜42。
进而，如图38(e)所示，使用以四氟化碳(CF4)为蚀刻气体的感应结合型反应离子蚀刻(ICP-RIE：Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)，以残留的Al膜42为掩模，高精度地除去未被掩蔽的SiO2。由此，制作在透明导电层117上二维配置有纳米棒119a的中间体300A。
接着，通过使用盐酸(HCl)的湿法蚀刻，除去残留的Al膜42。
接着，如图38(f)所示，在中间体300A的整个表面蒸镀a-Si，通过掺杂p型杂质，形成p型a-Si层，在其上蒸镀a-Si，形成i型a-Si层，进一步在其上蒸镀a-Si，通过掺杂n型杂质，形成n型a-Si层。由此，形成pin型的光电转换层113a。
然后，如图38(g)所示，以满足上述条件的最小厚度蒸镀SnO2，形成透明导电层112A。此时，在透明导电层112A的上表面，形成有与纳米棒119a对应的凹凸。
在残留该凹凸的状态下，当蒸镀金属层时，由于在金属层也形成凹凸，因此完成图37(b)所示的太阳能电池302。这样，太阳能电池302在光子晶体的加工以外无需实施特殊的加工，与太阳能电池300相比能够容易地制作。另一方面，如图38(h)所示，当通过在集成电路等的制作中使用的CMP(Chemical Mechanical Polishing：化学机械研磨)或蚀刻使透明导电层112A的上表面的凹凸平坦化后蒸镀金属层111时，完成图35(b)所示的太阳能电池300。
(太阳能电池的制造工序的其它例子)
最后，说明用于制作图37所示的太阳能电池302的其它制造工序例。图39是概略地表示太阳能电池302的制造工序的工序图。另外，关于膜厚等的数值仅是1个例子，能够适当变更。
首先，如图39(a)所示，在玻璃基板118上叠层并一体化的透明导电层117的面(光射入太阳能电池的一侧的相反侧的面)，通过旋涂法涂敷HSQ(Hydrogen Silsesquioxane：氢硅倍半氧烷)等SOG液，形成HSQ层119A。HSQ层119A的薄厚例如是100nm～150nm。HSQ是适合于高分辨率电子束负型抗蚀剂的用途的无机聚合物。
接着，如图39(b)所示，使用电子束光刻技术，对HSQ层119A照射电子束，将纳米棒119b的图案描绘在HSQ层119A。由此，HSQ层119A成为已曝光的HSQ层119B。在已曝光的HSQ层119B，与纳米棒119b的图案对应地形成有感光且相对于显影液呈现不溶性的部分。
接着，如图39(c)所示，如果经过显影处理，则不溶性部119C残留在透明导电层117上。另外，不溶性部119C的直径例如为数100nm。
接着，如图39(d)所示，对不溶性部119C照射氧(O2)等离子体，如果进行退火处理，则HSQ变化成SiO2类(SiO2-like)的结构，不溶性部119C成为纳米棒119b。
此外，也可以将图39(b)～图39(d)的电子束光刻的工序置换成纳米压印的工序。在纳米压印的情况下，在HSQ层119A对形成有与纳米棒119b对应的空腔的模型进行高压冲压。然后，与图39(d)表示的工序同样，照射氧(O2)等离子体，如果进行退火处理，则在透明导电层117上形成纳米棒119b。此外，纳米棒119b的直径与上述同样例如是数100nm。另外，此时的纳米棒119b的排列状态如图24所示。
接着，如图39(e)所示，作为图37的光电转换层113b(厚度例如是330nm)，形成p型a-Si层184、i型a-Si层185和n型a-Si层186。具体而言，在形成有纳米棒119b的透明导电层117的整个表面蒸镀a-Si，通过掺杂p型杂质形成p型a-Si层184，在其上蒸镀a-Si形成i型a-Si层185，进一步在其上蒸镀a-Si，通过掺杂n型杂质，形成n型a-Si层186。
这时，决定纳米棒119b的高度，即HSQ层119A的涂敷厚度，使得覆盖纳米棒119b上的p型a-Si膜184a与存在于p型a-Si膜184a的周围的n型a-Si层186之间过于接近而不发生泄漏(接合)。
最后，如图39(f)所示，在n型a-Si层186之上，依次叠层透明导电层112c和金属电极层111c，由此完成太阳能电池302。
这样，在图38和图39所示的制造方法中，由于不对a-Si层实施加工，因此能够期待a-Si层完全不受损伤。此外，在纳米棒的形成中使用SOG材料的情况下，认为根据SOG材料的处理或状态，决定太阳能电池的特性。
关于本发明的太阳能电池的特征点补充如下。
在本发明的第二方面的太阳能电池中，其特征在于：上述光子晶体以如下方式形成：在上述光电转换层的介质内周期性地配置有折射率比上述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质，使得上述光子晶体具有光子带隙，并且形成有未配置上述柱状介质的缺陷，使得在上述光子带隙中生成缺陷能级，当设与上述缺陷能级对应的共振峰的波长为λ时，上述柱状介质以相对于波长λ为λ/7以上λ/2以下的间距二维配置，通过呈矩阵状配置上述缺陷，作为整体构成形成光子带隙的共振器。
根据上述的结构，以使得在光子带隙中生成缺陷能级的方式形成有缺陷的光子晶体形成在光电转换层的内部，因此进入光电转换层的光中的、与上述缺陷能级对应的特定波长的光，被封入光子晶体的缺陷内及其附近，引起共振。
在上述柱状介质(第二介质)以相对于共振峰的波长λ为λ/7以上λ/2以下的间距二维配置的情况下，由于上述系数κv与吸收系数大致相等，因此光电转换层的介质的光的吸收为最大或接近最大。
在本发明的第三方面的太阳能电池中，其特征在于，上述光子晶体以如下方式形成：在上述光电转换层的介质内周期性地配置有折射率比上述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质，使得上述光子晶体具有光子带端，当设由上述光子晶体产生的共振波长为λ时，上述柱状介质以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置，附设有使太阳能电池的受光面按照太阳的朝向移动的单元或聚光部件。
根据上述结构，在上述光子晶体，以λ/4以上λ以下的间距二维配置有柱状介质。因此，在上述光子晶体的反晶格空间中的Γ点形成带端，由该带端规定的光的波长为λ。
由此，能够将射入形成有光子晶体的上述光电转换层的光中的、作为来自垂直方向的入射光且波长为λ的光封入在上述光电转换层内进行共振。这样，具有角度依赖性、在光电转换层共振的波长为λ的光由上述光电转换层的介质吸收。从而，能够提高太阳能电池的光的吸收率。
进而，由于附设有使太阳能电池的受光面按照太阳的朝向移动的单元或聚光部件，因此能够进入光子晶体的光即使具有角度依赖性，也能够增大太阳能电池的受光量。由此，即使是上述的结构，也能够增强太阳能电池的光的吸收，能够提高光的吸收率。
在本发明的第四方面的太阳能电池中，其特征在于：在上述光子晶体，折射率比上述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质具有与上述光电转换层的厚度相等的高度，周期性地配置在上述光电转换层的介质内。
上述的结构是使用众所周知的半导体工艺技术、能够比较容易地制作的二维光子晶体的1个结构例。另外，在具备这种结构的二维光子晶体为形成有缺陷的光子晶体的情况下，能够将从部件的外部射入的光高效地封入上述缺陷内。
进而，在使柱状介质的高度与上述光电转换层的厚度相等的情况下，光能够不具有入射角度依赖性地进入光电转换层、换言之光子晶体。因此，上述的结构适合于如太阳能电池那样的要尽可能提高光的吸收率的光电转换元件。
另外，作为本发明的第五方面的太阳能电池，在上述光子晶体，折射率比上述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质具有上述光电转换层的厚度的1/4以下的高度，周期性地配置在上述光电转换层的介质内。
根据上述结构，由于形成在上述光电转换层的上述柱状介质比该光电转换层的高度小，因此在上述光电转换层能够容易地形成上述柱状介质。即，容易形成光子晶体。
在本发明的第六方面的太阳能电池中，其特征在于：上述光电转换层由包含折射率比光电转换层的介质的折射率小的介质的两个层夹着，上述两个层中的至少一个层是透明的。
根据上述结构，按照与用低折射率的包层覆盖高折射率的芯的光纤相同的原理，能够将沿着与光电转换层的表面垂直的方向传播且要泄漏的光封入。其结果是，能够进一步提高光电转换层的光的吸收率。
另外，为了使光进入光子晶体，使上述2个层中的至少配置在太阳能电池的受光面侧的层为透明即可。
在本发明的第七方面的太阳能电池中，其特征在于：上述光电转换层具有p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层中的各层相邻的相邻结构，上述相邻结构是将各层纵向叠层而成的纵型结构。
如上所述，具备p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层中的各层相邻的结构的太阳能电池，是所谓的pin型太阳能电池。
pin型太阳能电池在本征半导体层生成电子和正孔，能够高效地取出电流，因此适合于太阳能电池的用途。另外，纵型结构在减小太阳能电池的占有面积方面是有利的。
在本发明的第八方面的太阳能电池中，其特征在于：在光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖上述相反侧整体的金属层。
由此，上述金属层将通过了光电转换层等的光再次反射使其返回光电转换层，因此能够提高光电转换率。另外，上述金属层还能够作为取出电流的1个电极发挥作用。
另外，遍及光电转换层整体地形成光子晶体对于本发明而言并不是必须的，光子晶体只要形成在光电转换层的一部分区域，就能够得到与目前相比提高光电转换率的效果。这种情况下，优选将上述金属层设置在与形成有光子晶体的上述一部分区域对应的下方区域整体。
在本发明的第九方面的太阳能电池中，其特征在于：当以上述柱状介质在俯视时由六边形的各顶点和中心构成的配置作为第一单元，设上述柱状介质的上述间距为a时，其中，该六边形由三角晶格构成，二维配置的第一单元在x方向上以2a的间距、在y方向上以
Figure BDA00001846205000401
的间距配置，上述缺陷(没有纳米棒的部分)在x方向上以4a到8a的间距、在y方向上以到的间距，呈正方晶格状配置。
根据上述结构，由于上述κv与α(或Qv与Qα)大致相等，因此能够使光电转换层的介质的光的吸收为最大，并且被吸收的光的波长波段也为最大。另外，能够将上述缺陷及其周围的纳米棒一起看作为封入光的共振器，通过呈矩阵状地配置有多个共振器，能够使各共振器相互共振，减小整体共振的强度(减小Qv＝增大κv)。由此，由于光子晶体与外界的结合强度变大，因此易于将光取入到光子晶体内，另一方面，由于光子晶体的Q值变小，因此光电转换层的吸收光的程度变大，并且能够增大被吸收的光的波长波段。
另外，当以上述柱状介质在俯视时由六边形的各顶点和中心构成的配置中，形成有2个以上的上述缺陷的结构作为第二单元，设上述柱状介质的上述间距设为a时，其中，该六边形由三角晶格构成，二维配置的第二单元在x方向上以4a以上的间距、在y方向上以
Figure BDA00001846205000404
的间距配置，上述缺陷在x方向上以4a到8a的间距、在y方向上以
Figure BDA00001846205000405
到
Figure BDA00001846205000406
的间距，呈正方晶格状配置。
在该情况下，由于上述κv与α(或Qv与Qα)大致相等，因此也能够得到与上述相同的效果。
进而，通过在六边形配置有柱状介质的单元内形成2个以上缺陷，能够解除共振峰的简并，出现波长不同的多个共振峰。其结果是，也能够得到被吸收的光的波长波段增大的效果。
在本发明的第十一方面的太阳能电池中，其特征在于：包围上述缺陷的上述柱状介质中的、配置在沿着特定方向的线上的2个柱状介质的位置，从上述六边形的各顶点的位置沿着上述特定方向，以相互相反的方向向距离缩短的方向偏移。
根据上述结构，由于打乱上述柱状介质的周期性配置，因此解除共振峰的简并，出现波长不同的多个共振峰。其结果是，被吸收的光的波长波段增大，因此能够得到提高太阳能电池的光吸收率的效果。
本发明的第十二方面的太阳能电池，是在上述第三方面的太阳能电池中，在上述光子晶体，上述柱状介质在俯视时配置在三角形的各顶点，或者，在本发明的第十三方面的太阳能电池中，优选上述柱状介质在俯视时配置在四边形的各顶点。
由此，能够在反晶格空间中的Γ点形成带端，构成由该带端规定的光的波长为λ的光子晶体。因此，通过使波长为λ的光在太阳能电池的内部共振，能够提高光的吸收率。
另外，也能够将上述第十二、十三方面的太阳能电池的结构与上述第四方面～第八方面的太阳能电池中的任意结构组合。
本发明的第十四方面的太阳能电池，是在上述第三、第十二或第十三方面的太阳能电池中，在上述光子晶体配置有：以一定间距、二维地配置有上述柱状介质的区域；和以与该区域的间距不同的一定间距、二维地配置有上述柱状介质的区域。
如上所述，通过使以一定的间距配置的上述柱状介质的间距按每个区域不同，能够按每个区域使由光子晶体的带端规定的共振峰波长不同。因此，能够按每个区域发生多个光子晶体的共振峰波长，因此能够得到进一步提高光的吸收率的效果。
另外，还能够将上述第十四方面的太阳能电池的结构与上述第四～第八方面的太阳能电池中的任一种结构组合。
本发明的第十五方面的太阳能电池，也可以具有在上述第十三方面的太阳能电池的结构中加入了以下结构而得到的结构。即，上述柱状介质的高度比上述光电转换层的厚度小，在上述光电转换层，在作为光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的背面，以构成光子晶体结构的方式形成由上述光电转换层的介质形成的凹凸形状。
由此，在光电转换层的表面侧周期性地配置的柱状介质构成的第一光子晶体，与第一光子晶体的间距对应地形成上述的带端。而且，射入上述光电转换层的光中的、作为来自垂直方向的入射光且由该带端规定的特定波长的光进行共振，被光电转换层的介质吸收。
进而，在光电转换层的背面(上述表面的相反侧的面)形成的凹凸形状构成的第二光子晶体，也与第二光子晶体的间距对应地形成上述的带端。而且，射入上述光电转换层的光中的、作为来自垂直方向的入射光且由与第二光子晶体的间距对应的带端规定的特定波长的光进行共振，被光电转换层的介质吸收。
如果第一光子晶体的间距与第二光子晶体的间距相同，则相同波长的光在第一光子晶体和第二光子晶体中共振，能够期待得到最佳的光封入的效果。
另外，只要第一光子晶体的间距与第二光子晶体的间距不同，不同波长的光在第一光子晶体和第二光子晶体中共振，就能够期待扩展被光电转换层的介质吸收的光的波长波段。
总之，能够进一步提高太阳能电池的发电效率。
另外，由于附设有使太阳能电池的受光面按照太阳的朝向移动的单元或聚光部件，因此即使能够进入光子晶体的光具有角度依赖性，也能够增大太阳能电池的受光量，就这一点而言，与对上述第三方面的太阳能电池所说明的相同，也适用于第十五方面的太阳能电池。
另外，还能够将上述第十五方面的太阳能电池的结构与上述第五～第八方面的太阳能电池中的任意结构组合。
本发明的第十六方面的太阳能电池的情况下，在上述第十五方面的太阳能电池的结构中，上述柱状介质各自的中心轴与由上述光电转换层的介质形成的凸形状各自的中心轴，可以在上述光电转换层的厚度方向上一致。
由此，在光电转换层的表面和背面形成具有相同结构的光子晶体，因此能够期待光电转换层的介质的最佳的光封入的效果，能够进一步提高太阳能电池的光的吸收率。
另外，在上述柱状介质各自的中心轴与由上述光电转换层的介质产生的凸形状各自的中心轴，在上述光电转换层的厚度方向上不一致的情况下，在光电转换层形成结构不同的2种光子晶体。从而，在这种情况下，能够使在各个光子晶体中共振的光的波长不同。其结果是，能够期待扩展被光电转换层吸收的光的波长波段的效果，因此能够提高太阳能电池的发电效率。
本发明的第十七方面的太阳能电池的情况下，在上述第十五方面的太阳能电池的结构中，在光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖上述相反侧整体的金属层，上述金属层可以是平坦的层。
由此，上述金属层将通过了光电转换层等的光再次反射使其返回光电转换层，因此能够提高光电转换率。另外，上述金属层还能够起到作为取出电流的1个电极的作用。
由于上述金属层是平坦的层，因此测定太阳能电池的特性所得到的值容易与通过模拟预测的结果一致。从而，起到易于如所期望的那样得到所设计的特性的效果。
进而，由于上述金属层是平坦的层，因此与在上述金金属层形成有构成光子晶体结构的凹凸的结构相比，认为能够减小电阻，在电力的取出方面是有利的。
另外，遍及光电转换层的整体形成光子晶体对于本发明而言并不是必须的，只要光子晶体形成在光电转换层的一部分区域，就能够得到与目前相比提高光电转换率的效果。这种情况下，优选将上述金属层设置在与形成有光子晶体的上述一部分区域对应的下方区域的整体。
本发明的第十八方面的太阳能电池的情况下，在上述第十五方面的太阳能电池的结构中，在光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖上述相反侧整体的金属层，至少在作为光射入上述太阳能电池的一侧的上述金属层的表面，也形成有构成光子晶体结构的凹凸形状。
由此，至少在上述金属层的表面也形成有构成光子晶体结构的凹凸形状，因此认为作为对象的波长波段以外的波长的光由金属层散射。另外，由于由金属层引起的(表面)等离子体共振，因此能够期待增强光能的效果。其结果是，通过扩展被光电转换层吸收的光的波长波段，能够期待进一步提高太阳能电池的光的吸收率。
本发明的第十九方面的太阳能电池的情况下，在上述第十七或第十八方面的太阳能电池的结构中，优选上述光电转换层由包含折射率比光电转换层的介质的折射率小的介质的2个透明层夹着，上述2个透明层中的光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的透明层与上述金属层相邻。
根据上述结构，按照与用低折射率的包层覆盖高折射率的芯的光纤相同的原理，能够将沿着与光电转换层的表面垂直的方向传播且要泄漏的光封入。其结果是，能够进一步提高光电转换层的光的吸收率。
另外，上述2个透明导电层具有满足将沿着与光电转换层的表面垂直的方向传播且要泄漏的光封入的条件的厚度。光射入上述太阳能电池的一侧的相反侧的透明层，即背面侧的透明层的厚度能够从满足上述条件的最小厚度的整数倍的厚度中选择。
在使上述背面侧的透明层的厚度为上述最小厚度的情况下，形成在光电转换层背面的上述凹凸形状被转印到上述背面侧的透明层和金属层。从而，这种情况下，如果使金属层成为平坦的层，需要用于使金属层平坦地形成的平坦化处理。
与此相对，在使上述背面侧的透明层的厚度为上述最小厚度的整数倍的情况下，通过设定该厚度，使得形成在光电转换层的背面的上述凹凸形状不会转印到金属层。其结果是，即使不进行平坦化处理，也能够使金属层成为平坦的层。
本发明不限于上述的各实施方式，在权利要求所示的范围内能够进行各种变更，将在不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
产业上的可利用性
本发明能够在所有的太阳能电池中利用。
附图标记说明
1、60：太阳能电池
2：光电转换层
3、72：透明导电层(两个层中的一个层)
4、74：透明导电层(两个层中的另一个层)
6、111、111c：金属电极层(金属层)
20：本征半导体层
21：p型半导体层
22：n型半导体层
30、76、76a～76d：纳米棒(柱状介质)
31、77：缺陷
78：缺陷区域
c：缺陷能级
g：光子带隙
p：间距
x：方向(特定方向)
110、130、170：太阳能电池
111、171：背面金属电极(金属层)
112：透明导电膜(两个层中的一个层)
117：透明导电膜(两个层中的另一个层)
113、173：半导体层(光电转换层)
114、174：n型半导体
115、175：i型半导体
116、176：p型半导体
118：玻璃
119、179：纳米棒(柱状介质)
121、123、127：光子晶体
111c：金属电极层(金属层)
112a、112b、112c：透明导电层
113a、113b：光电转换层
117：透明导电层
119a、119b：纳米棒(柱状介质)
300、301、302：太阳能电池
a、a1、a2、a3：间距
A1、A2、A3：区域

Claims (23)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
光电转换层；和
形成在所述光电转换层的内部的光子晶体，
Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示所述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由所述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与所述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例，为表示由所述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：
所述光子晶体以如下方式形成：在所述光电转换层的介质内周期性地配置有折射率比所述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质，使得所述光子晶体具有光子带隙，并且形成有未配置所述柱状介质的缺陷，使得在所述光子带隙中生成缺陷能级，
当设与所述缺陷能级对应的共振峰的波长为λ时，所述柱状介质以相对于波长λ为λ/7以上λ/2以下的间距二维配置，通过呈矩阵状配置所述缺陷，作为整体构成形成光子带隙的共振器。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：
所述光子晶体以如下方式形成：在所述光电转换层的介质内周期性地配置有折射率比所述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质，使得所述光子晶体具有光子带端，
当设所述光子晶体的共振波长为λ时，
所述柱状介质以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置，
附设有使太阳能电池的受光面按照太阳的朝向移动的单元或聚光部件。
4.根据权利要求2或3所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述光子晶体中，折射率比所述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质具有与所述光电转换层的厚度相等的高度，周期性地配置在所述光电转换层的介质内。
5.根据权利要求2或3所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述光子晶体中，折射率比所述光电转换层的介质的折射率小的柱状介质具有所述光电转换层的厚度的1/4以下的高度，周期性地配置在所述光电转换层的介质内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池，其特征在于：
所述光电转换层由包含折射率比光电转换层的介质的折射率小的介质的两个层夹着，所述两个层中的至少一个层是透明的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳能电池，其特征在于：
所述光电转换层具有p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层的各层相邻的相邻结构，所述相邻结构是将各层纵向叠层而成的纵型结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的太阳能电池，其特征在于：
在光射入所述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖所述相反侧整体的金属层。
9.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：
当以所述柱状介质在俯视时由六边形的各顶点和中心构成的配置作为第一单元，设所述柱状介质的所述间距为a时，其中，该六边形由三角晶格构成，
二维配置的第一单元在x方向上以2a的间距、在y方向上以的间距配置，
所述缺陷在x方向上以4a到8a的间距、在y方向上以
Figure FDA00001846204900022
到的间距，呈正方晶格状配置。
10.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于：
当以所述柱状介质在俯视时由六边形的各顶点和中心构成的配置中，形成有2个以上的所述缺陷的结构作为第二单元，设所述柱状介质的所述间距设为a时，其中，该六边形由三角晶格构成，
二维配置的第二单元在x方向上以4a以上的间距、在y方向上以
Figure FDA00001846204900031
的间距配置，
所述缺陷在x方向上以4a到8a的间距、在y方向上以
Figure FDA00001846204900032
到
Figure FDA00001846204900033
的间距，呈正方晶格状配置。
11.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于：
包围所述缺陷的所述柱状介质中的、配置在沿着特定方向的线上的2个柱状介质的位置，从所述六边形的各顶点的位置沿着所述特定方向，以相互相反的方向向距离缩短的方向偏移。
12.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述光子晶体中，所述柱状介质在俯视时配置在三角形的各顶点。
13.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述光子晶体中，所述柱状介质在俯视时配置在四边形的各顶点。
14.根据权利要求3、12或13所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述光子晶体中配置有：以一定间距、二维地配置有所述柱状介质的区域；和以与该区域的间距不同的一定间距、二维地配置有所述柱状介质的区域。
15.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于：
所述柱状介质的高度比所述光电转换层的厚度小，
在所述光电转换层，在位于光射入所述太阳能电池的一侧的相反侧的背面，以构成光子晶体结构的方式形成有由所述光电转换层的介质形成的凹凸形状。
16.根据权利要求15所述的太阳能电池，其特征在于：
所述柱状介质各自的中心轴与由所述光电转换层的介质形成的凸形状各自的中心轴，在所述光电转换层的厚度方向上一致。
17.根据权利要求15所述的太阳能电池，其特征在于：
在光射入所述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖所述相反侧整体的金属层，所述金属层是平坦的层。
18.根据权利要求15所述的太阳能电池，其特征在于：
在光射入所述太阳能电池的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖所述相反侧整体的金属层，
至少在作为光射入所述太阳能电池的一侧的所述金属层的表面，也形成有构成光子晶体结构的凹凸形状。
19.根据权利要求17或18所述的太阳能电池，其特征在于：
所述光电转换层由包含折射率比光电转换层的介质的折射率小的介质的2个透明层夹着，
所述2个透明层中的光射入所述太阳能电池的一侧的相反侧的透明层与所述金属层相邻。
20.一种太阳能电池，其特征在于：
该太阳能电池具备：叠层有多个半导体的光电转换层；和形成在该光电转换层的内部的光子晶体，
在多个被叠层的所述半导体中的至少1层形成有突起，
所述光子晶体包括形成有所述突起的半导体，
当设所述光子晶体的共振峰波长为λ时，
所述突起以λ/4以上λ以下的间距二维且周期性地配置，
Qv和Qα满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv，其中，Qv与表示所述光子晶体与外界的结合强度的系数κv的倒数成比例，为表示由所述光子晶体与外界的结合产生的共振效果的大小的Q值，Qα与所述光电转换层的介质的光的吸收系数α的倒数成比例，为表示由所述光电转换层的介质产生的共振效果的大小的Q值。
21.一种太阳能电池板，其特征在于：
以权利要求1至20中的任一项所述的太阳能电池作为1个单元，一维或二维地排列有多个所述单元。
22.一种装置，其特征在于：
作为电源，具备权利要求1至20中的任一项所述的太阳能电池。
23.一种装置，其特征在于：
作为电源，具备权利要求21所述的太阳能电池板。
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