CN103098224A - 光发电装置 - Google Patents

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Lu Guang Ltd Co
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Abstract

本发明提供一种光发电装置，其可以不分昼夜地进行发电，且不会有损建造物的外观或削弱采光等功能，也可以将热射线转换成电能而抑制室温上升。将光发电装置(1)的光电转换元件(3)设置在房屋等的面向屋外的建造构件(2a～2d)上。经由电力提取部(4)提取由光电转换元件(3)产生的电力。光电转换元件(3)包含半导体层(11)、导电层(20)、具有多个周期结构(33)的金属纳米结构(30)、及第一电极(41)、第二电极(42)。第一第二电极(41、42)是在光电转换元件(1)的面方向上分隔开的，且分别连接着电力提取部(4)的端子(71、81)。

Description

光发电装置
技术领域
本发明涉及一种利用太阳光等光来发电的装置，尤其涉及一种适于设置在建筑物的屋顶、外壁、窗、门、门径(approach)(从大门到正门的通道)、门柱等用地内建造物上的光发电装置。
背景技术
作为利用太阳光来发电的装置，广为人知的有太阳电池。通常，太阳电池包含具有PN接面的硅元件，且在该硅元件的正面及背面分别设置着电极。太阳电池为板状，且安装在建筑物的屋顶等(参照专利文献1等)。
[背景技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利特开平08-274365号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
以往的太阳电池主要只能在有太阳光照射的白天发电，夜晚几乎无法发电。而且，如果将太阳电池设置在外壁或窗等，那么会有损建筑物的外观或削弱采光等功能，因此在屋顶以外的场所安装太阳电池并不容易。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题点，本发明提供一种光发电装置，其特征在于：其是吸收光来发电的装置，且包含：
光电转换元件，其设置在面向屋外的建造构件上；及
电力提取部，其提取由所述光电转换元件产生的电力；
所述光电转换元件包含半导体层、层叠在所述半导体层上的导电层、具有多个(优选大量)周期结构且层叠在所述导电层或所述半导体层上的金属纳米结构、及成对的第一、第二电极，所述各周期结构包含向所述层叠的方向突出的多个第一凸部，所述第一凸部的配置间隔根据所述周期结构而有所不同，所述第一、第二电极是在沿着所述光电转换元件的表面的方向上相互分隔开而设置的；
所述电力提取部包含分别连接于所述第一、第二电极的一对端子。
当光入射至所述光电转换元件时，在半导体层与导电层的肖特基(Schottky)接合部通过光电转换而生成光载流子。而且，通过所述肖特基接合部附近的金属纳米结构，可以提高光电转换的感度。此外，通过金属纳米结构，能使可进行光电转换的入射光的波长区域变宽。
可以经由电力提取部提取在所述光电转换元件中产生的电力。
所述光发电装置可以对宽波段的太阳光进行光电转换而利用于电力。晴天时自不用说，阴天时也可以获得足够大的电力。此外，当日落后，可以对从周围的建造物等辐射的红外线进行光电转换而获得电力。因此，可以不分昼夜地进行发电。
通过吸收红外线，可以防止红外线的热转换，而可以降低进入室内的能量，可以抑制室内的温度上升。尤其在将所述光电转换元件配置在窗玻璃上的情况下，可以在采光时一面阻热一面发电。
所述光电转换元件可以设为极薄且大致透明。因此，设置对象的外观几乎不受影响，可以大致维持未设置所述光电转换元件的状态的设计。即便将所述光电转换元件设置在窗玻璃上，也可以避免损害采光性。第一电极及第二电极可以配置在所述光电转换元件的角部或周边部。因此，即便将所述光电转换元件设置在窗玻璃上，也可以充分维持窗玻璃的透明性。此外，无须在窗玻璃上设置配线。
作为构成所述导电层的金属成分，可列举例如Co、Fe、W、Ni、Al或Ti。这些列举的金属元素的熔点比较高，且高温下的机械性质优异。所述导电层既可以是金属，也可以是金属与半导体的混合物或合金。作为金属与半导体的混合物或合金，可列举例如金属硅化物。在所述半导体层包含硅的情况下，所述导电层也可以是所述金属成分与所述半导体层的表层部分相互扩散而成的金属硅化物。所述扩散可通过例如退火处理而进行。所述列举的金属(Co、Fe、W、Ni、Al、Ti)适于成为硅化物。
所述金属纳米结构优选配置在半导体层与导电层的肖特基接合部的附近。所述金属纳米结构优选层叠在导电层上。在半导体层的一部分(下述凸层等)未被导电层覆盖的情况下，金属纳米结构也可以层叠在所述半导体层的所述一部分上。
所述金属纳米结构优选设置在所述导电层中的所述一对电极彼此之间的部分上，更优选广泛分布在所述一对电极彼此之间的部分上。
当光入射至所述金属纳米结构时，引起等离子共振。由此，金属纳米结构有助于光感生电场的增大。
所述金属纳米结构优选纳米尺寸的金属微粒子的集合体。
作为构成所述金属纳米结构的金属，优选使用Au、Ag、Pt、Cu或Pd。这些列举的金属元素的化学稳定性比较高，不易合金化，不易与Si等半导体化合。因此，可以确实地形成表面等离子。
也可以在所述金属纳米结构中混合碳化合物等绝缘体，而形成M-I-M结构。
优选所述周期结构的至少一个具有某波长范围内(优选可见光区域至红外线区域)的任意波长的约0.1倍～1倍大小(尤其是0.1倍左右的大小)的配置间隔。由此，只要入射光包含在所述波长范围内，便可以使得金属纳米结构的至少一个周期结构对所述入射光具有感度。所述光电转换元件的整个感应范围可以包罗所述波长范围的整体。
所述金属纳米结构是以例如下述方式形成。将应成为所述金属纳米结构的金属原料配置在所述导电层上，并进行退火处理。退火处理的温度条件例如为400℃～800℃左右，优选600℃左右。所述金属原料的形状或性状并无特别限定，既可以是薄膜状、小片状、小块状、粒状、粉体状、胶体状、纤维状、线状、点状的任一种，也可以是其他形状或性状。通过所述退火处理，使所述金属原料的微粒子沿着所述导电层的表面扩散。通过扩散而使所述金属原料的微粒子分支成多段或多重，成为例如分形结构(fractal structure)的集合体。由此，可以容易地形成所述金属纳米结构。在所述金属纳米结构的表面形成着次微米或纳米级的凹凸。所述金属纳米结构的表面包含向层叠方向(厚度方向)突出的多个凸部，且成为例如簇状。
也可以将所述电极同时用作所述金属纳米结构的金属原料。也可以通过退火处理而使构成所述电极的金属在所述电极的周边以成为簇状或分形形状的方式扩散。这样一来，可以在所述电极的附近形成所述金属纳米结构。在这种情况下，所述电极与所述金属纳米结构相互之间含有相同的金属成分。
在所述金属纳米结构中，优选所述周期结构具有无规则的周期。优选所述周期结构的周期发生变化。也就是说，优选所述第一凸部的配置间隔根据周期结构而有所不同。由此，可以根据周期结构而对不同波长的光产生感应。因此，整体上能使金属纳米结构可以感应的波段变宽。由此，可以使所述光电转换元件确实地对应于从可见光区域到红外线区域的宽波段。
第一凸部的配置间隔(周期)优选入射光的波长λ的约0.1倍～1倍左右，更优选波长λ的0.1倍左右。或者，第一凸部的配置间隔(周期)优选由半导体层与导电层制作的肖特基元件的感应波长的约0.1倍～1倍左右。所述周期结构会对具有构成该周期结构的第一凸部的周期的约1倍～10倍左右(尤其是所述周期的10倍左右)的波长λ的入射光灵敏地产生感应，引起等离子共振，而有助于光感生电场的放大。优选半导体层为n型的元件的周期结构的周期(第一凸部的配置间隔)小于半导体层为p型的元件的周期结构的周期(第一凸部的配置间隔)。在半导体层为n型的元件中，第一凸部的配置间隔(周期)更优选约100nm以下。由此，可以对波长为约1μm以下的红外线区域～可见光区域的光具有良好的感度。在半导体层为p型的元件中，第一凸部的配置间隔(周期)更优选约150nm以下。由此，可以对波长为约1μm～4μm的红外线具有良好的感度。
第一凸部的突出高度优选约10nm～20nm左右。
优选所述金属纳米结构还包含比所述第一凸部更大程度地突出的多个第二凸部，这些第二凸部相互分散，且各第二凸部是与所述周期结构的任一个重叠或接近地配置的。
当光入射至所述金属纳米结构时，在所述第二凸部的周围会产生近场光。通过该近场光与由所述周期结构所引起的等离子共振的协同效应，可以使光感生电场高感度地放大并输出(参照K.Kobayashi,et.al.,Progress in Nano-Electro-Optecs I.ed.M.Ohtsu,p.119(Sptinger-Verlag,Berlin,2003))。即便入射光微弱，也可以高感度地产生光生电力。
所述第二凸部的突出高度优选约50nm～200nm左右。
所述第二凸部的分散间隔(相邻的第二凸部彼此的隔开距离)优选大于入射光的波长，且优选大于由半导体层与导电层制作的肖特基元件的感应波长。
优选半导体层为n型的元件的第二凸部的分散间隔小于半导体层为p型的元件的第二凸部的分散间隔。例如，在半导体层为n型的情况下，所述第二凸部的分散间隔优选1μm以上，更优选约2μm～3μm左右。在半导体层为p型的情况下，所述第二凸部的分散间隔优选约3μm～5μm左右。由此，可以避免相邻的第二凸部彼此发生干扰导致电场减弱。
就所述第二凸部的分散间隔的上限而言，在n型的情况下，优选3μm～5μm左右，在p型的情况下，优选5μm～6μm左右。由此，可以确保第二凸部的存在密度，而可以确保能产生与第二凸部的相互作用的周期结构的数量，从而可以确实地使感应波段变宽。
优选还包含插入所述第一电极与所述导电层之间，确定所述第一、第二电极的极性的极性确定层。
在所述半导体层为n型半导体的情况下，通过空乏层的电场使光载流子的电子向半导体层侧移动。随之，电子从所述第二电极流入导电层。在第二电极与导电层之间电子(电流)可以顺利地流动。电子会集中在半导体层的第一电极的周边。因此，所述第一电极成为阴极。所述第二电极成为阳极。
在所述半导体层为p型半导体的情况下，通过空乏层的电场使光载流子的电洞向半导体层侧移动。随之，电洞从所述第二电极流入导电层。电洞沿着导电层向所述第一电极侧流动。因此，所述第一电极成为阳极。所述第二电极成为阴极。
由此，可以确实地决定成为阳极的电极与成为阴极的电极，而可以控制光感生电流的方向。
所述极性确定层优选由厚度小于1nm的绝缘体构成。
由此，所述导电层与所述第一电极隔着障壁层而构成电容器。因此，在导电层中的与所述第一电极对向的部分蓄积着载流子。在所述半导体层为n型半导体的情况下蓄积着电子。在所述半导体层为p型半导体的情况下蓄积着电洞。由此，可以确实地决定成为阳极的电极与成为阴极的电极。通过使所述绝缘体的厚度小于1nm，载流子可以利用穿隧效应等确实地通过障壁层，从而可以确实地提取光感生电流。此外，通过载流子蓄积在所述导电层中的与所述第一电极对向的部分，而耐电压性提高，光照射时的电流-电压特性向顺向偏压侧(正侧)偏移。因此，可以使所述光电转换元件的发电电力增大。
也可以为所述极性确定层是突出设置在所述半导体层的表面的凸层，所述导电层与所述凸层的一侧面接触，所述第一电极设置在隔着所述表面的所述凸层而与所述导电层相反的一侧，且与所述凸层的所述相反侧的侧面接触。
由此，可以使载流子在凸层与导电层的肖特基接合部朝向凸层侧且朝向第一电极流动。由此，可以确实地决定成为阳极的电极与成为阴极的电极。
此外，也可以在所述光电转换元件的表面设置包含在紫外线区域或红外线区域具有感度的半导体的纳米结构体。尤其在所述半导体层为n型半导体的情况下，优选在所述光电转换元件的表面设置包含在紫外线区域具有感度的半导体的纳米结构体。所谓在紫外线区域具有感度的半导体，是指具有当照射波长为例如0.4μm以下的紫外线时载流子被激发的性质的半导体。作为这种半导体，可列举例如作为n型半导体的氧化锌(ZnO)，除此以外，可列举n型的氮化镓(n-GaN)等。在所述半导体层为p型半导体的情况下，优选在所述光电转换元件的表面设置包含在红外线区域具有感度的半导体的纳米结构体。所谓在红外线区域具有感度的半导体，是指具有当照射波长为例如0.7μm以上的红外线时载流子被激发的性质的半导体。作为这种半导体，可列举例如p型的氮化镓(p-GaN)或碳等。作为纳米结构体，可列举例如纳米线、纳米管、纳米针、纳米棒等。通过所述纳米结构体，可以提高光电转换的感度。在所述纳米结构体包含在紫外线区域具有感度的半导体的情况下，可以提高对于紫外线区域的入射光的光电转换感度。在所述纳米结构体包含在红外线区域具有感度的半导体的情况下，可以提高对于红外线区域的入射光的光电转换感度。通过由纳米线、纳米管等构成纳米结构体，可以提高量子效率，而且可以确实地提高所述光电转换元件的感度。
所述光电转换元件优选设置在建造物的面向屋外的建造构件上。在所述建造构件是可移位地支撑在定着部的活动构件(例如窗、门等)的情况下，所述电力提取部优选包含设置在所述定着部的固定端子及设置在所述活动构件且可滑动地接触于所述固定端子的活动端子。
由此，在将所述光电转换元件设置在活动构件上的情况下，不论活动构件如何移位均可以经由活动端子及固定端子确实地提取由所述光电转换元件进行发电所得的电力。
也可以将所述光电转换元件直接覆膜在所述建造构件的表面。
也可以将所述光电转换元件覆膜在基材的表面，并将该基材设置在所述建造构件上。所述基材优选具有对所述退火处理的耐热性。
也可以使用耐热性的膜作为所述基材，在该耐热性膜的表面形成所述光电转换元件之后，对该耐热性膜进行加工使之具有透明性或粘着性，再贴附在所述建造构件上。
也可以准备通过化学或物理处理可以溶解的临时基材，在所述临时基材的表面形成所述光电转换元件之后，通过所述化学或物理处理使所述临时基材溶解并且将所述光电转换元件转印至膜状的基材上，将该膜状的基材贴附在所述建造构件上。所述临时基材优选具有耐热性。所谓所述化学处理，是指利用例如酸性或碱性的化学药品使所述临时基材化学性地溶解。所谓所述物理处理，是指通过对所述临时基材照射例如紫外线或电子束，或者对所述临时基材喷砂(blast)而使所述临时基材物理性地溶解。
[发明的效果]
根据本发明，可以不分昼夜地进行发电，光发电装置的便利性提高。因为将热射线转换成电能，所以可以抑制室温的上升。此外，可以避免损害建造物的外观或者削弱采光等功能。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的光发电装置的应用例的房屋的前视图。
图2是所述光发电装置的方块图。
图3是表示所述光发电装置的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图4是解说性地表示所述房屋的窗部中的所述光发电装置的电力提取结构的前视图。
图5是解说性地表示所述房屋的门中的所述光发电装置的电力提取结构的前视图。
图6是表示本发明的第二实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图7是表示本发明的第三实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图8是表示本发明的第四实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图9(a)是利用SEM(扫描式电子显微镜)观察实施例1中的金属纳米结构的表面的一部位所得的图像。
图9(b)是利用SEM观察实施例1中的金属纳米结构的表面的与图9(a)不同的部位所得的图像。
图10是利用AFM(原子力显微镜)观察实施例1中的金属纳米结构的表面结构所得的立体图像。
图11是图10的立体图像的解说图。
[符号的说明]
1     光发电装置
2     房屋(建造物)
2a    屋顶材(建造构件)
2b    外壁材(建造构件)
2c    窗材(建造构件、活动构件)
2d    门(建造构件、活动构件)
3     光电转换元件
3A    光电转换元件
4     电力提取部
5     转换器
5a    正极输入端子
5e    负极输入端子
6     基材
11    n型半导体层
12    p型半导体层
20    导电层
30    金属纳米结构
31    第一凸部
32    第二凸部
33    周期结构
41    第一电极
42    第二电极
50    障壁层(极性确定层)
51    凸层(极性确定层)
61    ZnO纳米线(半导体纳米结构体)
70    负侧提取部
71    负侧的端子
72    负侧配线
73    活动接点
74    固定接点
80    正侧提取部
81    正侧的端子
82    正侧配线
83    活动接点
84    固定接点
90    铰链
91    旋转侧部
92    固定侧部
具体实施方式
以下，依据附图对本发明的实施方式进行说明。
光发电装置包含将光转换成电的光电转换元件。光电转换元件设置在例如用地内、院内、宅地内等区域内的建造物上。建造物为设置在所述区域内的定着物即可，并不限定于建筑物，也可以是设置在所述区域的边界的门柱、墙、栅栏等，也可以是设置在门廊(porch)、门径、庭园、地面(ground)等的定着物。建筑物例如为住所(房屋)。然而，并不限定于此，建筑物也可以是店铺、仓库、车库、工厂、大楼等。住所既可以是独户住宅也可以是集合住宅。
光电转换元件是设置在建造物的面向屋外的建造构件上。光电转换元件优选设置在容易被日光照射到的部分，例如屋顶、屋顶平台、朝南的面等。然而，设置场所并不限定于此。
所述建造构件并不限定于被定着或固定的构件，也可以是可移位地支撑在定着部的活动构件(窗、门、百叶窗等)。作为建造构件，可列举例如屋顶材、壁材、窗玻璃、窗框材、门、百叶窗、地板材、铺设材等。屋顶材既可以是瓦，也可以是石板(slate)，也可以是金属板。作为壁材，可列举外壁瓷砖、墙板(siding)、砂浆(mortar)、壁板等。作为窗框材，可列举铝制框等。作为地板材，可列举设置在门廊或者设置在阳台的地板砖。作为铺设材，可列举设置在门径或者设置在路肩(berm)的铺地瓷砖、铺路石等。所述建造构件的原材料只要是可以稳定地支撑光电转换元件则并无特别限定，可列举例如金属、陶瓷、玻璃、木材、树脂、石材、水泥、砂浆等。
图1及图2是表示将光发电装置1应用于房屋2的实施方式的图。
如图2所示，光发电装置1包含光电转换元件3、电力提取部4及转换器5。光电转换元件3经由电力提取部4而连接于转换器5。当日光或红外线等光入射至光电转换元件3时，光电转换元件3将入射光转换成电能。该电经由电力提取部4被传送至转换器5，并在转换器5中进行交流转换。
在图1及图2中，光电转换元件3是由阴影式样表示(在图4及图5中同样)。如图1所示，光电转换元件3设置在房屋2的例如屋顶材2a、外壁材2b、窗材2c、门2d等建造构件上。窗材2c包含窗玻璃与窗框。这里，光电转换元件3设置在窗玻璃与窗框上。另外，也可以将光电转换元件3仅设置在窗玻璃及窗框的任一个上。窗框由例如铝制框等构成。然而，并不限定于此，窗框也可以是树脂制或木制的框。
光电转换元件3既可以设置在这些建造构件2a～2d的整个面，也可以仅设置在屋外面的一部分。光电转换元件3的设置对象只要是面向屋外的建造构件，则并不限定于所述构件2a～2d，也可以是正门的地板砖、门径的铺地瓷砖、门柱的墙壁瓷砖等。
如图3所示，光电转换元件3是设置在基材6的表面。这里，基材6由设置对象的建造构件2a～2d构成。也就是说，光电转换元件3直接覆膜在建造构件2a～2d的表面。当然作为基材6，可以使用与设置对象2a～2d不同的另外的构件，也可以在该另外的构件上覆膜形成光电转换元件，并将该构件设置在设置对象2a～2d的表面。基材6的材质优选具有可耐受下述退火温度的耐热性。
如图3所示，光电转换元件3包含半导体层11、导电层20、金属纳米结构30及一对电极41、42。在基材6的表面覆膜着半导体层11。在半导体层11上层叠着导电层20。在导电层20上层叠着金属纳米结构30。而且，在导电层20上设置着一对电极41、42。在第一电极41与导电层20之间隔着极性确定层50。
如图3所示，半导体层11由硅(Si)构成。然而，并不限定于此，半导体层11也可以由Ge、GaAs等其他半导体构成。在半导体层11中，掺杂着P(磷)等n型杂质。半导体层11构成n型半导体。
导电层20覆盖半导体层11的整个表面(图3中的上表面)。导电层20是由金属硅化物构成，具有导电性。半导体层11的表层的硅进行自组，而构成导电层12的硅成分。作为构成导电层20的金属成分，可列举Co、Fe、W、Ni、Al、Ti等。然而，所述金属成分并不限定于所述成分。这里，作为构成导电层20的金属成分，使用Co。导电层20由CoSix构成，优选由CoSi2构成。由此，在导电层20与半导体层11之间形成着良好的肖特基界面。导电层20也可以仅由金属成分构成。导电层20的厚度为几nm～几十nm左右，优选几nm左右。
附图的导电层20的厚度相对于半导体层11、电极41、42、金属纳米结构30等的厚度而被夸大。
在导电层20的表面(图3中的上表面)设置着金属纳米结构30。金属纳米结构30广泛分布在导电层20的表面。这里，金属纳米结构30配置在导电层20的表面中的一对电极41、42彼此之间的部分(以下称为“电极间部分”)，更优选分布在整个所述电极间部分。金属纳米结构30也可以仅层叠在导电层20的一部分上。例如，金属纳米结构30也可以仅设置在导电层20的电极41或42的附近部分。
金属纳米结构30是将Au、Ag、Pt、Cu、Pd等金属作为主成分而构成。这里，作为构成金属纳米结构30的金属，使用Au。金属纳米结构30是富含Au的结构物。也可以在构成金属纳米结构30的金属中混合碳化合物等绝缘体，金属纳米结构30也可以成为金属-绝缘体-金属(M-I-M：metal-insulator-metal)结构。
在金属纳米结构30的表面形成着次微米或纳米级的凹凸。详细而言，金属纳米结构30成为Au的纳米微粒子呈簇状或分形形状集合而成的结构(参照图10及图11)。金属纳米结构30的Au纳米微粒子的集合体包含向元件3的厚度方向或层叠方向(上方)突出的多个凸部。这些凸部集合成簇状。或者，Au纳米粒子的集合体成为以分支成多重的方式扩散而成的分形结构。金属纳米结构30包含多个第一凸部31与第二凸部32。所述多个凸部的一部分构成第一凸部31，其他一部分构成第二凸部32。
金属纳米结构30具有至少一个周期结构30。优选金属纳米结构30具有多个或大量或无数个周期结构33。由金属纳米结构30的所述多个凸部中的相邻的多个凸部31、31…构成一个周期结构33。构成各周期结构33的第一凸部31、31…彼此是沿着元件3的面方向(与层叠方向正交的方向)以某间隔(周期)排列的。第一凸部31的配置间隔(周期)根据周期结构33而有所不同。这些周期结构33中的第一凸部31的配置间隔(周期)优选几十nm至几μm左右，更优选约40nm～100nm左右。该配置间隔(周期)优选入射光L的波长的约0.1倍～1倍左右，更优选约0.1倍左右。此外，所述配置间隔(周期)优选包含n型半导体层10与导电层40的肖特基元件的感应波长(可见光区域至红外线区域)的约0.1倍～1倍左右。金属纳米结构30优选包含至少一个具有所述肖特基元件的感应区域内的任意波长的约0.1倍～1倍大小的配置间隔的周期结构。
此外，在金属纳米结构30中分散配置着多个第二凸部32。各第二凸部32以与任一周期结构33重叠的方式配置。或者，各第二凸部32与任一周期结构33接近地配置。第二凸部32的突出高度大于第一凸部31，且尖锐度(突出高度与底部的宽度的比)大于第一凸部31。第二凸部32的突出高度优选约50nm～200nm左右。第二凸部32彼此的分散间隔优选大于入射光的波长。例如，所述分散间隔优选1μm以上，且优选约2μm～3μm左右。第二凸部32彼此的分散间隔的上限优选3μm～5μm左右。
一对电极41、42配置在沿着元件3的表面的方向的相互分隔开的位置上。这些电极41、42分别层叠在导电层20的正面侧面。如图2所示，例如这些电极41、42相互分隔开地配置在与各建造构件2a～3d的一端部相对应的位置及与另一端部相对应的位置上。
电极41、42是由Au、Ag、Pt、Cu、Pd等金属构成。这里，作为构成电极41、42的金属，使用Au。因此，电极41、42是由与构成金属纳米结构30的金属成分相同的金属成分构成。
构成金属纳米结构30的金属成分与构成电极41、42的金属成分也可以互不相同。两个电极41、42也可以由互不相同的金属成分构成。
如图3所示，在第一电极41与导电层20之间，设置着障壁层50作为极性确定层的一例。障壁层50是由氧化铝、SiO2、SiN、碳化合物(例如树脂)等绝缘体构成。障壁层50的厚度足够小到可以获得穿隧效应的程度。例如，障壁层50的厚度为埃级即小于1nm。在附图中，障壁层50的厚度是相对于导电层20或金属纳米结构30等的厚度被夸大的。通过第一电极41与导电层20隔着障壁层50相对向，而构成电容器。
第二电极42与导电层20直接接触。优选第二电极42欧姆接触于导电层20。
接下来，对来自光电转换元件3的电力提取结构进行说明。
如图2所示，电力提取部4包含负侧提取部70及正侧提取部80。在各光电转换元件3的第一电极41上连接着负侧提取部70的端子71。从端子71延伸出配线72。配线72连接于转换器5的负极输入端子5e。在各光电转换元件3的第二电极42上连接着正侧提取部80的端子81。从端子81延伸出配线82。配线82连接于转换器5的正极输入端子5a。
图2中，在建造构件2a～2d的上侧部配置着正侧的电力提取结构，在建造构件2a～2d的下侧部配置着负侧的电力提取结构。另外，也可以使这些电力提取结构的上下关系反转。或者，也可以将正侧的电力提取结构配置在建造构件2a～2d的左右方向的一侧部，且将负侧的电力提取结构配置在建造构件2a～2d的左右方向的另一侧部。
如图4及图5所示，在光电转换元件3的设置对象是窗材2c、门2d等活动构件的情况下，电力提取部70、80分别包含活动接点73、83及固定接点74、84。
如图4所示，例如在推拉式的窗材2c的下缘设置着活动接点73。端子71与活动接点73经由连接线72a而连接。固定接点74是沿着窗材2c的下导轨延伸。活动接点73可滑动地接触于固定接点74。如果移动窗材2c，那么活动接点73一面与窗材2c一起滑行一面维持与固定接点74的连接。配线72b是从固定接点74向转换器5延伸。
活动接点73也可以设置在窗材2c的滚轮2ca的外周面，固定接点74也可以构成引导滚轮2ca的导轨。
在窗材2c的上缘设置着活动接点83。端子81与活动接点83经由配线82a而连接。固定接点84是沿着窗材2c的上导轨延伸。活动接点83可滑动地接触于固定接点84。如果移动窗材2c，那么活动接点83一面与窗材2c  一起滑行一面维持与固定接点84的连接。配线82b是从固定接点84向转换器5延伸。
如图5所示，在平开式的门2d的一侧(图5中的左侧)的边缘设置着上下一对铰链90U、90L。这些铰链90成为门2d的旋转轴。各铰链90包含固定在门2d上的旋转侧部91与固定在房屋2的墙壁上的固定侧部92。
在下侧的铰链90L的旋转侧部91设置着活动接点73。在铰链90L的固定侧部92设置着固定接点73。不论门2d的开闭状态如何，活动接点73均可旋转(可滑动)地接触于固定接点74。端子71是经由配线72a而连接于活动接点73。配线72b是从固定接点74向转换器5延伸。
在上侧的铰链90U的旋转侧部91设置着活动接点83。在铰链90U的固定侧部92设置着固定接点83。不论门2d的开闭状态如何，活动接点83均可旋转(可滑动)地接触于固定接点84。端子81是经由配线82a而连接于活动接点83。配线82b是从固定接点84向转换器5延伸。
以光电转换元件3的制造方法为中心对光发电装置1的制造及设置顺序进行说明。
[半导体层形成步骤]
利用CVD(Chemical Vapour Deposition，化学气相沉积)或PVD(Physical VapourDeposition，物理气相沉积)等将半导体层11覆膜在基材6的表面。
[导电层原料覆膜步骤]
将作为导电层20的原料成分的Co成膜在半导体层11上。作为Co成膜方法，可以采用溅镀或蒸镀等PVD。并不限于PVD，也可以利用旋转涂布等其他成膜方法覆膜Co。
[障壁配置步骤]
在所述Co膜上的应配置第一电极41的位置，配置由埃级厚度的绝缘体(例如氧化铝)形成的障壁层50。障壁层50的配置可以利用CVD等多种成膜方法进行。
[电极配置步骤]
在所述障壁层50上设置成为第一电极41的金属原料(Au)。而且，在Co膜上的应配置第二电极42的位置，设置成为第二电极42的金属原料(Au)。电极41、42用的金属原料(Au)的配置可以利用溅镀、蒸镀等多种成膜方法进行。
[金属纳米结构原料配置步骤]
此外，在所述Co膜上的电极41、42间的部分，配置成为金属纳米结构30的金属原料(Au)。所述金属原料(Au)的形状或性状并无特别限定，可以是薄膜状、小片状、小块状、粒状、粉体状、胶体状、纤维状、线状、点状等的任一种，也可以是其他形状或性状。在所述金属原料(Au)为薄膜状的情况下，可以利用例如溅镀或蒸镀等PVD成膜。也可以使成为所述电极41、42的金属原料(Au)的一部分在下述的扩散步骤中在电极间部分扩散而形成金属纳米结构30，在所述情况下，也可以省略金属纳米结构原料配置步骤。
[扩散步骤]
接着，将基材6放入退火处理槽中，进行退火处理。退火处理的温度条件优选400℃～800℃左右，更优选600℃左右。退火处理尽可能地在100%的惰性气体环境中进行。作为退火处理用的惰性气体，可以使用He、Ar、Ne等稀有气体，除此以外，也可以使用N2。退火处理的压力条件为大气压左右，例如为低于大气压数Pa左右的低压。
通过所述退火处理，使Co扩散于构成半导体层11的表面部分的Si中。由此，形成使Si层11的表面部分进行自组而成的CoSix的导电层20，可以使半导体层11与导电层20确实地进行肖特基接合。
而且，通过所述退火处理，使配置在导电层20上的Au的微粒子以沿着导电层20的表面形成簇或分形的方式扩散。也就是，Au微粒子以分支成多重的方式进行扩散，而成为分形结构的集合体。集合体的表面具有次微米或纳米级的凹凸，成为簇状。由此，可以自然形成金属纳米结构30。
扩散步骤也可以利用退火处理以外的方法进行。
[设置步骤]
将基材6即建造构件2a～2d设置在房屋2的规定部位。然后，利用电力提取部4将电极41、42与转换器5连接。
对所述光发电装置1的动作进行说明。
当可见光区域～红外线区域的波长(具体而言，波长为约0.4μm～2μm左右)的光入射至光电转换元件3时，在n-Si层11中的与CoSix层20的肖特基接合部通过光电转换而产生光载流子。此外，通过所述肖特基接合部的附近的金属纳米结构30，可以提高光电转换的感度。而且，通过金属纳米结构30，可以扩大能进行光电转换的光的波段。
在所述肖特基接合部生成的光载流子的电子通过空乏层的电场而向n-Si层11侧移动。随之，电子从第二电极42流入导电层20。第二电极42与导电层20之间的电子的流动是顺利的。另一方面，第一电极41隔着障壁层50而与导电层20构成电容器。因此，电子沿着导电层20向第一电极41侧流动。在导电层20中的与第一电极41对向的部分蓄积着电子。该电子可以利用穿隧效应穿过障壁层50，移动至第一电极41。由此，可以提取光感生电流。因此，第一电极41成为阴极。第二电极42成为阳极。这样一来，可以确定成为阳极的电极42与成为阴极的电极41，从而可以控制光感生电流的方向。由此，可以确实地使电流-电压特性在正侧与负侧成为非对称，而可以获得优异的二极管特性。因为在导电层20中的与第一电极41对向的部分蓄积着电子，所以耐电压性提高，光照射时的电压-电流特性向顺向偏压侧(正侧)偏移。由此，可以使输出电力变大。
对金属纳米结构30的作用进行详细叙述。在构成金属纳米结构30的Au纳米微粒子的表面局部存在等离子。该表面等离子与入射光发生共振，产生较大的电场。金属纳米结构30的周期结构33会使对于与其周期(第一凸部31的配置间隔)相对应的波长的入射光的光电转换的感度提高。也就是说，周期结构33对其周期的约1倍～10倍左右、尤其是约10倍的波长的入射光灵敏地产生感应而发生等离子共振。因为第一凸部31的周期根据周期结构33而有所不同，所以能扩大金属纳米结构30可感应的波段。因为周期结构33的至少一个具有可见光区域至红外线区域的某波长范围内的任意波长的0.1倍～1倍大小的配置间隔，所以元件3整体的感应范围可以包罗所述波长范围的整体。此外，在第二凸部32的周围会产生近场光。通过该近场光与由所述周期结构33所引起的等离子共振的协同效应，可以产生较大的光感生电场。由此，可以提供对从可见光区域到红外线区域的宽波段的光产生感应的光电转换元件3。即便入射光微弱，也可以高感度地产生光生电力。通过使第二凸部32的分散间隔大于入射光的波长(可见光区域～红外线区域)，优选设为1μm以上，更优选设为2μm～3μm，可以避免邻接的第二凸部32、32彼此发生干扰而使电场变弱。通过将第二凸部32的分散间隔的上限设为3μm～5μm，可以维持第二凸部32的存在密度较高，可以确保能产生与第二凸部32的相互作用的周期结构33的数量，从而可以确实地使感应波段变宽。由此，可以提供能对应于从可见光区域到红外线区域的宽波段的光电转换元件3。
经由电力提取部4将在光电转换元件3中产生的电力向转换器5传送。转换器5对电进行交流转换，并供给至房屋2的电器设备。将剩余电力向其他部门出售。
光发电装置1可以对宽波段的太阳光进行光电转换而利用于电力。晴天时自不用说，阴天时也可以获得足够大的电力。此外，当日落后，可以对从周围的建造物等辐射的红外线进行光电转换而获得电力。因此，可以不分昼夜地进行发电。
通过吸收红外线，可以防止红外线的热转换，可以降低进入室内的能量，而可以抑制室内的温度上升。尤其在将光电转换元件3配置在窗玻璃上的情况下，可以在采光时一面阻热一面发电。这方面与仅反射或吸收光的红外线截止玻璃大不相同。
因为光电转换元件3大致透明，所以即便设置在窗玻璃上，也不会损害采光性。因为电极41、42配置在光电转换元件3的角部或周边部即可，并不会覆盖光电转换元件3的整个面，所以即便将光电转换元件3设置在窗玻璃上，也可以充分维持窗玻璃的透明性。此外，无需在窗玻璃设置配线。
因为光电转换元件3极薄且大致透明，所以即便设置在房屋2的各建造构件2a～2d上，这些建造构件2a～2d的外观也几乎不受影响，可以大致维持设置光电转换元件3之前的设计。
因为光电转换元件3较轻，所以几乎不会对建造物的强度造成影响。即便将光电转换元件3设置在车库或预制房屋(prefabricated house)等强度比较低的建造物的屋顶等，也可以充分确保这些建造物的耐荷性。即便将光电转换元件3设置在门2d或窗2c上，也不会对门2d或窗2c的开闭造成阻碍。
接下来，对本发明的其他实施方式进行说明。在以下的实施方式中，对于与所述方式重复的内容，在附图中标注同一符号并省略说明。
图6所示的第二实施方式是关于光电转换元件3的变形例。在光电转换元件3的表面(图6中的上表面)设置着n型半导体纳米结构体61。n型半导体纳米结构体61是由氧化锌的纳米线构成。氧化锌是n型半导体。纳米结构体61也可以由n型的GaN构成来代替氧化锌。
纳米结构体61是以扎进光电转换元件3的表面的方式设置。这里，纳米结构体61从金属纳米结构体30突出。另外，在金属纳米结构体30仅覆膜在导电层20的一部分的情况下，对于未覆膜金属纳米结构体30的部分，纳米结构体61也可以从导电层20突出。纳米线可以通过CVD、PVD、溶胶凝胶法等而形成。纳米结构体61并不限于纳米线，也可以是纳米针，也可以是纳米管，也可以是纳米棒。
通过氧化锌纳米结构体61，可以提高对于比较短的波长(紫外线～可见光)的入射光的光电转换感度。具体而言，可以对从小于约0.4μm的紫外线区域到1μm左右的可见光区域为止的光提高感度。通过由纳米线构成纳米结构体61，可以提高量子效率，而且可以确实地提高光电转换元件3的感度。
图7所示的第三实施方式是关于光电转换元件3的变形例。在光电转换元件3中，代替所述障壁层50而设置着凸层51作为极性确定层。凸层51是与n型半导体层11一体形成的。半导体层11的表面(上表面)的靠近第一电极41的部分突出，该突出部构成凸层51。凸层51的突出高度与导电层20的厚度为相同程度，例如为约1nm～10nm左右，优选几nm左右。凸层51的宽度尺寸(图7中的左右尺寸)例如为零点几mm～几mm，优选约1mm左右。在图7中，凸层51的突出高度(上下尺寸)是相对于宽度(左右尺寸)被夸大。
凸层51的一侧面(图7中的左侧面)与导电层20的端面肖特基接触。凸层51的另一侧面(图7中的右侧面)及半导体层11是与第一电极41欧姆接触。金属纳米结构30是以从导电层20横跨到凸层51的上表面的方式形成的。金属纳米结构30也可以仅设置在凸层51的上表面。或者，金属纳米结构30也可以仅设置在导电层20的上表面。
当光入射至光电转换元件3时，在导电层20的底部与半导体层11之间的肖特基接合部生成光载流子，除此以外，也在导电层20的右端部与凸层51的肖特基接触部生成光载流子。该载流子的电子通过导电层20与凸层51之间的空乏层电场而向凸层51侧而且向第一电极41流动。因此，可以确实地使第一电极41成为阴极。可以确实地使第二电极42成为阳极。
图8所示的第四实施方式是关于光电转换元件的变形例。该光电转换元件3A包含p型半导体层12来代替第一实施方式的n型半导体层11。p型半导体层12是由例如掺杂着B(硼)等p型杂质的p型硅构成。
p型光电转换元件3A的周期结构33中的第一凸部31的配置间隔(周期)优选略大于n型光电转换元件3的周期结构33中的第一凸部31的配置间隔。例如，所述配置间隔(周期)更优选约60nm～150nm左右。p型元件3A的周期结构33中的第二凸部32的分散间隔优选略大于n型元件3的周期结构33中的第二凸部32的分散间隔。例如，所述分散间隔优选约3μm～5μm左右，上限优选5μm～6μm左右。
在p型光电转换元件3A的第一电极41上连接着正侧的电力提取端子81。在p型光电转换元件3A的第二电极42上连接着负侧的电力提取端子71。
p型的光电转换元件3A在波长比n型的光电转换元件3长的红外线区域(具体而言，波长为约1μm～4μm左右)具有感度。当该感度带的光入射至光电转换元件3A时，在p-Si层12中的与CoSix层20的肖特基接合部通过光电转换而产生光载流子。该光载流子中的电洞通过空乏层的电场而向p-Si层12侧移动。随之，电洞从第二电极42流入导电层20。电洞是沿着导电层20向第一电极41侧流动。在导电层20中的与第一电极41对向的部分蓄积着电洞。该电洞可以利用穿隧效应穿过障壁层50，移动至第一电极41。由此，可以提取光感生电流。因此，第一电极41成为阳极。第二电极成为阴极。
本发明并不限定于所述实施方式，可以在不变更发明主旨的范围内进行多种改变。
例如，构成导电层20的金属成分并不限于Co，也可以是Fe、W、Ni、Al、Ti等。
构成金属纳米结构30的金属成分并不限于Au，也可以是Ag、Pt、Cu、Pd等。
光电转换元件3、3A的制造步骤也可以适当进行顺序的调换或变更。例如，也可以分开进行用于导电层20的硅化物化的退火处理与用以形成金属纳米结构30的退火处理。在第三实施方式中，也可以分开进行用以使第一电极41欧姆接触于半导体层11的退火处理、用于导电层20的硅化物化的退火处理及用以形成金属纳米结构30的退火处理。
光发电装置1也可以包含储存由光电转换元件3、3A进行发电所得的电力的蓄电部。
障壁层50并不限于绝缘体，也可以是半导体。障壁层50插入至导电层20与第一电极41之间的至少一部分即可，并不一定必须插入至导电层20与电极41之间的整体。
也可以将多个实施方式相互组合。例如，在第二实施方式(图6)中，也可以将半导体层设为p型半导体层12(图8)来代替n型。在所述情况下，纳米结构体61优选使用碳或p-GaN等p型半导体来代替n型半导体，更优选使用碳纳米管。由此，可以提高对于红外线的光电转换感度。具体而言，可对2μm左右至约4μm多的红外线提高感度。
在第三实施方式(图7)中，也可以将半导体层设为p型半导体层12(图8)来代替n型。在所述情况下，在导电层20与半导体层12之间生成的电洞向半导体层12侧流动，随之，电洞从第二电极42流入导电层20。而且，在导电层20与凸层51之间生成的电洞向凸层51侧而且向第一电极41流动。因此，第一电极41成为阳极，第二电极42成为阴极。
光发电装置1也可以包含n型光电转换元件3与p型半导体元件3A这两种元件。
实施例1
对实施例进行说明。当然本发明并不限定于以下的实施例。
在实施例1中，进行了金属纳米结构的制作及观察。金属纳米结构是以如下方式制成。
利用溅镀将Co膜成膜在大致正方形的n型Si基板的整个表面。Co膜的厚度设为8nm。
接着，有机清洗5分钟后，进行掩模印刷并利用溅镀将厚度Au膜成膜在Co膜的表面的四角与中央。Au膜的厚度为约10nm。
接下来，进行退火处理。退火处理的环境气体设为He100%。退火温度为600℃。退火处理时间设为3分钟。
通过退火处理，使Co扩散至n型Si基板的表层部分而形成CoSix。
利用SEM(Scanning Electron Microscope，扫描式电子显微镜)观察所述Au膜的附近的两个部位。图9(a)及(b)为该两个部位的图像。确认到Au膜的微粒子沿着CoSix膜的表面扩散，在Au膜的周围自然形成着金属纳米结构。金属纳米结构的形态根据部位而有所不同。如该图9(b)所示，金属纳米结构是根据部位而形成分形结构。
对所述金属纳米结构的若干地点照射激光束(波长635nm)，利用AFM(Atomic ForceMicroscope，原子力显微镜)立体地观察零偏压下的光感生电流成为最大的地点的表面结构。
图10为该地点的图像。图11是摹写图10的图像，进行解说。
在金属纳米结构的表面形成着次微米级或纳米级的凹凸，确认到簇状结构或分形结构。此外，在所述凹凸形状中，确认到多个周期结构33与多个第二凸部32。各周期结构33包含多个第一凸部31，这些第一凸部31是以与周期结构33相对应的无规则的周期(配置间隔)排列。周期结构33的周期大体上为100nm以下。各第一凸部31的突出高度为约10nm～20nm左右。各第二凸部32是与某周期结构33重叠而配置，或配置在周期结构33的附近。第二凸部32的突出高度大于第一凸部31的突出高度，为约50nm～200nm左右。第二凸部32的分散间隔大体上为2μm～3μm左右。
[工业上的可利用性]
本发明可以应用于例如太阳电池。

Claims (9)

1.一种光发电装置，其特征在于：其是吸收光来发电的装置，且包含：光电转换元件，其设置在面向屋外的建造构件上；及电力提取部，其提取由所述光电转换元件产生的电力；
所述光电转换元件包含半导体层、层叠在所述半导体层上的导电层、具有多个周期结构且层叠在所述导电层或所述半导体层上的金属纳米结构、及成对的第一、第二电极，所述各周期结构包含向所述层叠的方向突出的多个第一凸部，所述第一凸部的配置间隔根据所述周期结构而有所不同，所述第一、第二电极是在沿着所述光电转换元件的表面的方向上相互分隔开而设置的；
所述电力提取部包含分别连接于所述第一、第二电极的一对端子。
2.根据权利要求1所述的光发电装置，其特征在于：所述周期结构的至少一个具有可见光区域至红外线区域的某波长范围内的任意波长的0.1倍～1倍大小的配置间隔。
3.根据权利要求1或2所述的光发电装置，其特征在于：所述金属纳米结构还包含比所述第一凸部更大程度地突出的多个第二凸部，这些第二凸部相互分散，且各第二凸部是与所述周期结构的任一个重叠或接近地配置的。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的光发电装置，其特征在于：还包含插入所述第一电极与所述导电层之间，确定所述第一、第二电极的极性的极性确定层。
5.根据权利要求4所述的光发电装置，其特征在于：所述极性确定层由厚度小于1nm的绝缘体构成。
6.根据权利要求4所述的光发电装置，其特征在于：所述极性确定层是突出设置在所述半导体层的表面的凸层，所述导电层与所述凸层的一侧面接触，所述第一电极设置在隔着所述表面的所述凸层而与所述导电层相反的一侧，且与所述凸层的所述相反侧的侧面接触。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的光发电装置，其特征在于：在所述光电转换元件的表面还设置着包含在紫外线区域或红外线区域具有感度的半导体的纳米结构体。
8.根据权利要求7所述的光发电装置，其特征在于：所述纳米结构体是纳米线、纳米管、纳米针或纳米棒。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的光发电装置，其特征在于：所述建造构件是可移位地支撑在定着部的活动构件，
所述电力提取部包含设置在所述定着部的固定端子、及设置在所述活动构件且可滑动地接触于所述固定端子的活动端子。
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