JP2013157463A - 光起電装置及び光利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも波長変換層の機能を活用することが可能な光起電装置及び光利用装置を提供する。
【解決手段】入射光の進行方向上流側から順に波長変換部及び光起電部を備え、波長変換部は、入射光の進行方向上流側から順に半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備え、半導体量子ドット含有層は半導体量子ドットと該半導体量子ドットを保持するドット保持材料とを含み、希土類蛍光体含有層は希土類蛍光体と該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料とを含み、光起電部は、入射光及び波長変換部で波長を変換された光を光電変換する半導体材料を有し、蛍光体保持材料の屈折率は、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、半導体材料の屈折率よりも小さい光起電装置とし、該光起電装置の光起電部を、発光材料を含む光利用部に置き換え、蛍光体保持材料の屈折率が、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、発光材料の屈折率よりも小さい光利用装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を当てて生じさせた電力を取り出す光起電装置、及び、光を当ててその物自体を光らせる光利用装置に関する。

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であるため、地球温暖化防止等に寄与することが期待されている。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おり、太陽電池の高性能化を図るために、様々な形態の太陽電池に関する研究開発が進められてきている。

高エネルギーの短波長光を、太陽電池材料のバンドギャップに適した波長へと変換する波長変換部を用いて、熱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へと変換する波長変換部を備えたアップコンバージョン型太陽電池についても、研究開発が進められている。これらの太陽電池では、波長を変換する物質として、希土類元素を用いた蛍光材料が使用されている。

このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、希土類元素とアルカリ金属元素とを含む半導体粒子と、該半導体粒子とは組成の異なる無機化合物の粒子とを含む複合粒子が開示されている。このほか、特許文献１には、複合粒子と硬化性樹脂とを含む樹脂組成物で構成された層を硬化させてなる波長変換層や、この波長変換層を有する光起電装置に関する技術も開示されている。

特開２０１１−１１６５９４号公報

特許文献１に開示されている技術のような、従来技術を用いて作製された波長変換層を備えた光起電装置の実施例では、波長変換層を用いることによる発電効率の向上は２％程度に留まり、十分な効率向上が実現できていない。これは、波長変換層の機能が十分に活かされていないこと等が原因であり、その問題点は以下に示す３つに細分化することができる。

問題点１：半導体量子ドットへドープされた希土類元素イオンによる波長変換効率が低い。
問題点２：波長変換された光が効率的に光起電装置の光吸収層に到達していない。
問題点３：波長変換された光が半導体量子ドットに再吸収されてしまう。

上記問題点１の理由として、希土類蛍光体は、添加先の母材（構成材料・結晶構造）に影響され、最適な母材でない場合は波長変換効率が低いことが考えられる。しかし、従来技術では、発光・吸収エネルギーを制御するために、限られた種類の半導体量子ドットのみを母材として選択する必要があり、波長変換効率を向上させることが難しい。また、希土類元素イオンを半導体量子ドットに添加するために製造条件が限定され、作製プロセスが複雑になりやすかった。

上記問題点２の理由として、波長変換層の量子ドット、希土類蛍光体、又は、複合粒子からの発光は拡散光であり、四方八方に広がるため、所望の方向へ伝播させ難いことが考えられる。その結果、光起電装置に入射できる光量が限定され、発電効率の向上効果が限られる。

上記問題点３の理由として、特に、希土類蛍光体によって光エネルギーが高められる波長変換（アップコンバージョン）をされた光は、半導体量子ドットの吸収端エネルギー以上のエネルギーを有するため、半導体量子ドットに再吸収されてしまうことが考えられる。

そこで本発明は、従来よりも波長変換層の機能を活用することが可能な光起電装置及び光利用装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、半導体量子ドットと希土類蛍光体とを用いる波長変換層を、半導体量子ドットを含む層と希土類蛍光体を含む層とが別々に備えられる形態とすることで、上記問題点１を解消できることを知見した。また、波長変換層及び光起電装置の屈折率を調整することにより、上記問題点２及び上記問題点３を改善できることを知見した。本発明は、これらの知見に基づいて完成させた。

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、入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部及び光起電部を備え、波長変換部は、入射光の進行方向上流側から順に、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備え、半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料とを含み、希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料とを含み、光起電部は、入射光及び上記波長変換部で波長を変換された光を光電変換する半導体材料を有し、蛍光体保持材料の屈折率が、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、半導体材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする、光起電装置である。

ここに、本発明の第１の態様及び以下に示す本発明の他の態様において、「光起電装置」とは、光を当てて生じさせた電力を取り出す装置をいい、例えば、太陽電池等が光起電装置に含まれる。本発明の第１の態様は、光起電部において少ない損失で吸収することが困難な高エネルギーの光を、光起電部において少ない損失で吸収可能な波長の光へと変換する波長変換部を有し、該波長変換部は、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備えている。波長変換部に半導体量子ドットを用いることにより、光起電部の半導体材料で光電変換されると熱損失を生じやすい様々な波長の光を連続的に吸収して、希土類蛍光体によって変換させることが可能な波長の光を発生させることが可能になる。ここで、半導体量子ドット及び希土類蛍光体を用いることにより、様々な波長の光を連続的に吸収可能という半導体量子ドットの長所、及び、波長変換効率が高いという希土類蛍光体の長所を活かすことが可能になる。また、半導体量子ドット含有層と希土類蛍光体含有層とを別々の層にすることで、波長変換効率を向上させやすくなり、製造プロセスを簡素化しやすくなる。さらに、波長変換部で生成された光は、四方八方に拡散するが、蛍光体保持材料の屈折率をドット保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、量子ドットによって発生させた光の多くを希土類蛍光体含有層へ入射させることが可能になり、半導体材料の屈折率を蛍光体保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、希土類蛍光体によって発生させた光の多くを光起電部に入射させ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、波長変換材料によって変換された光も半導体材料で吸収しやすくなるので、波長変換部で波長を変換した光を用いて発電効率を高めることが可能なダウンコンバージョン型の光起電装置を得ることができる。

また、上記本発明の第１の態様において、半導体量子ドットで発生させる光のエネルギーをＥ_ＱＤ、希土類蛍光体で発生させる光のエネルギーをＥ_ＲＰ、半導体材料のバンドギャップエネルギーをＥ_Ｇ、とするとき、Ｅ_ＱＤ≧Ｅ_ＲＰ＞Ｅ_Ｇであることが好ましい。かかる形態とすることにより、発電効率を高めやすいダウンコンバージョン型の光起電装置を得ることができる。

本発明の第２の態様は、入射光の進行方向上流側から順に、光起電部、波長変換部、及び、光反射部を備え、波長変換部は、入射光の進行方向上流側から順に、希土類蛍光体含有層及び半導体量子ドット含有層を備え、希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料とを含み、半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料とを含み、光起電部は、入射光及び上記波長変換部で波長を変換された光を光電変換する半導体材料を有し、蛍光体保持材料の屈折率が、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、半導体材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする、光起電装置である。

本発明の第２の態様は、光起電部で吸収されなかった低エネルギーの光を、光起電部で吸収可能な波長の光へと変換する波長変換部を有し、該波長変換部は、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備えている。波長変換部に半導体量子ドットを用いることにより、光起電部の半導体材料によって光電変換されない様々な波長の光を連続的に吸収して、希土類蛍光体によって変換させることが可能な波長の光を発生させることが可能になる。ここで、半導体量子ドット及び希土類蛍光体を用いることにより、様々な波長の光を連続的に吸収可能という半導体量子ドットの長所、及び、波長変換効率が高いという希土類蛍光体の長所を活かすことが可能になる。また、半導体量子ドット含有層と希土類蛍光体含有層とを別々の層にすることで、波長変換効率を向上させやすくなり、製造プロセスを簡素化しやすくなる。さらに、波長変換部で生成された光は、四方八方に拡散するが、光起電部から遠ざかる側へと進む光は、光反射部によって反射されて光起電部へと向かう。さらに、蛍光体保持材料の屈折率をドット保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、量子ドットによって発生させた光の多くを希土類蛍光体含有層へ入射させることが可能になり、半導体材料の屈折率を蛍光体保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、希土類蛍光体によって発生させた光の多くを光起電部に入射させ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、波長変換材料によって変換された光も半導体材料で吸収しやすくなるので、波長変換部で波長を変換した光を用いて発電効率を高めることが可能なアップコンバージョン型の光起電装置を得ることができる。

また、上記本発明の第２の態様において、半導体量子ドットで発生させる光のエネルギーをＥ_ＱＤ、希土類蛍光体で発生させる光のエネルギーをＥ_ＲＰ、半導体材料のバンドギャップエネルギーをＥ_Ｇ、とするとき、Ｅ_ＱＤ＜Ｅ_Ｇ≦Ｅ_ＲＰであることが好ましい。かかる形態とすることにより、発電効率を高めやすいアップコンバージョン型の光起電装置を得ることができる。

本発明の第３の態様は、入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部及び光利用部を備え、波長変換部は、入射光の進行方向上流側から順に、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備え、半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料とを含み、希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料とを含み、光利用部は、入射光及び上記波長変換部で波長を変換された光を集め放出するレンズを有し、蛍光体保持材料の屈折率が、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、レンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする、光利用装置である。

ここに、本発明の第３の態様及び以下に示す本発明の他の態様において、「光利用装置」とは、光を当ててその物自体を光らせる物質を備えた装置をいい、例えば、照明や電光掲示板等が光利用装置に含まれる。本発明の第３の態様は、光利用部で活用すると大きな熱損失を生じやすい高エネルギーの光を、光利用部において低損失で活用可能な波長の光へと変換する波長変換部を有し、該波長変換部は、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備えている。波長変換部に半導体量子ドットを用いることにより、光利用部で大きな熱損失を生じやすい様々な波長の光を連続的に吸収して、希土類蛍光体によって変換させることが可能な波長の光を発生させることが可能になる。ここで、半導体量子ドット及び希土類蛍光体を用いることにより、様々な波長の光を連続的に吸収可能という半導体量子ドットの長所、及び、波長変換効率が高いという希土類蛍光体の長所を活かすことが可能になる。また、半導体量子ドット含有層と希土類蛍光体含有層とを別々の層にすることで、波長変換効率を向上させやすくなり、製造プロセスを簡素化しやすくなる。さらに、波長変換部で生成された光は、四方八方に拡散するが、蛍光体保持材料の屈折率をドット保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、量子ドットによって発生させた光の多くを希土類蛍光体含有層へ入射させることが可能になり、レンズの屈折率を蛍光体保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、希土類蛍光体によって発生させた光の多くを光利用部に入射させ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、波長変換材料によって変換された光も利用されやすくなるので、波長変換部で波長を変換した光を用いて発光効率を高めることが可能なダウンコンバージョン型の光利用装置を得ることができる。

本発明の第４の態様は、入射光の進行方向上流側から順に、光利用部、波長変換部、及び、光反射部を備え、波長変換部は、入射光の進行方向上流側から順に、希土類蛍光体含有層及び半導体量子ドット含有層を備え、希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料とを含み、半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料とを含み、光利用部は、入射光及び上記波長変換部で波長を変換された光を集め放出するレンズを有し、蛍光体保持材料の屈折率が、ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、レンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする、光利用装置である。

本発明の第４の態様は、光利用部で利用されなかった低エネルギーの光を、光利用部で活用可能な波長の光へと変換する波長変換部を有し、該波長変換部は、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備えている。波長変換部に半導体量子ドットを用いることにより、光利用部によって利用されない様々な波長の光を連続的に吸収して、希土類蛍光体によって変換させることが可能な波長の光を発生させることが可能になる。ここで、半導体量子ドット及び希土類蛍光体を用いることにより、様々な波長の光を連続的に吸収可能という半導体量子ドットの長所、及び、波長変換効率が高いという希土類蛍光体の長所を活かすことが可能になる。また、半導体量子ドット含有層と希土類蛍光体含有層とを別々の層にすることで、波長変換効率を向上させやすくなり、製造プロセスを簡素化しやすくなる。さらに、波長変換部で生成された光は、四方八方に拡散するが、光利用部から遠ざかる側へと進む光は、光反射部によって反射されて光利用部へと向かう。さらに、蛍光体保持材料の屈折率をドット保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、量子ドットによって発生させた光の多くを希土類蛍光体含有層へ入射させることが可能になり、レンズの屈折率を蛍光体保持材料の屈折率よりも大きくすることにより、希土類蛍光体によって発生させた光の多くを光利用部に入射させることが可能になる。したがって、本発明の第４の態様によれば、波長変換材料によって変換された光も利用されやすくなるので、波長変換部で波長を変換した光を用いて発光効率を高めることが可能なアップコンバージョン型の光利用装置を得ることができる。

本発明によれば、従来よりも波長変換層の機能を活用することが可能な、光起電装置及び光利用装置を提供することができる。

光起電装置１０を説明する図である。 Ｅ_ＱＤ１１、Ｅ_ＲＰ１１、及び、Ｅ_Ｇ１２の例を説明する図である。 半導体量子ドット及び希土類蛍光体微粒子からの発光及び光の進行方向の概念を説明する図である。 界面における入射角θと光の進行方向を説明する図である。 界面における反射率と入射角との関係を説明する図である。 光起電装置２０を説明する図である。 Ｅ_ＱＤ２２、Ｅ_ＲＰ２２、及び、Ｅ_Ｇ２１の例を説明する図である。 光利用装置３０を説明する図である。 光利用装置４０を説明する図である。 透過率の計算モデルを説明する図である。 半導体量子ドット含有層１１ｘから各層への光の透過率の計算結果を示す図である。 希土類蛍光体含有層１１ｙから各層への光の透過率の計算結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下の図面では、繰り返される符号の一部を省略することがある。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ない。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の光起電装置１０を説明する図である。図１において、光起電装置１０へと入射する光は、紙面上側から下側へ向かって進む。図１に示したように、光起電装置１０は、入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部１１及び光起電部１２を備えている。波長変換部１１は、入射光の進行方向上流側から順に、半導体量子ドット含有層１１ｘ及び希土類蛍光体含有層１１ｙを備え、光起電部１２は光を光電変換する半導体材料を有している。半導体量子ドット含有層１１ｘは、複数の半導体量子ドット１１ｘｄ、１１ｘｄ、…（以下において、単に「半導体量子ドット１１ｘｄ」ということがある。）と、該半導体量子ドット１１ｘｄを保持するドット保持材料１１ｘａとを有しており、希土類蛍光体含有層１１ｙは、複数の希土類蛍光体微粒子１１ｙｒ、１１ｙｒ、…（以下において、単に「希土類蛍光体微粒子１１ｙｒ」ということがある。）と、該希土類蛍光体微粒子１１ｙｒを保持する蛍光体保持材料１１ｙａとを有している。ドット保持材料１１ｘａ及び蛍光体保持材料１１ｙａには、光起電装置１０へと入射した光が光起電部１２へと到達可能なように、透明な樹脂やガラス等が用いられており、ドット保持材料１１ｘａの屈折率をｎ１１、蛍光体保持材料１１ｙａの屈折率をｎ１２、及び、光起電部１２において光電変換する半導体材料の屈折率をｎ１３とするとき、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３となるように構成されている。

光起電装置１０へと入射した入射光は、波長変換部１１を通過して光起電部１２へと達する。波長変換部１１を通過する際に、一部の光は半導体量子ドット１１ｘｄによって吸収され、半導体量子ドット１１ｘｄによって吸収されなかった光の一部が、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒによって吸収される。そして、半導体量子ドット１１ｘｄ及び希土類蛍光体微粒子１１ｙｒによって吸収されなかった光が光起電部１２へと達し、光起電部１２に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーＥ_Ｇ１２以上のエネルギーを有する光が、光起電部１２で吸収されて電力へと変換される。入射光のエネルギーＥ_１がＥ_１≧Ｅ_Ｇ１２であれば、光起電部１２で吸収され得るが、ΔＥ_１＝Ｅ_１−Ｅ_Ｇ１２が大き過ぎると、ΔＥ_１に相当するエネルギーは熱損失となり、効率良く光電変換に利用されない。そこで、光起電装置１０は、半導体量子ドット１１ｘｄで発生させる光のエネルギーをＥ_ＱＤ１１、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒで発生させる光のエネルギーをＥ_ＲＰ１１とするとき、Ｅ_ＱＤ１１≧Ｅ_ＲＰ１１＞Ｅ_Ｇ１２となるように構成されている。Ｅ_ＱＤ１１、Ｅ_ＲＰ１１、及び、Ｅ_Ｇ１２の例を、図２に示す。

図２に示した例では、Ｅ_ＱＤ１１＝２×Ｅ_ＲＰ１１、且つ、Ｅ_ＲＰ１１＞Ｅ_Ｇ１２とされている。Ｅ_ＱＤ１１は、半導体量子ドット１１ｘｄの基底準位間エネルギー（伝導帯の基底準位と価電子帯の基底準位とのエネルギー差。以下において同じ。）である。半導体量子ドット１１ｘｄは、Ｅ_ＱＤ１１以上のエネルギーを有する光を吸収することができる。半導体量子ドット１１ｘｄには、量子効果によって離散準位ができ、Ｅ_ＱＤ１１の大きさは半導体量子ドットの大きさや半導体の組成に応じて決まる。半導体量子ドット１１ｘｄの大きさを厳密に揃えようとしても、実際には大きさにばらつきが生じるため、このばらつきを考慮すると、半導体量子ドット１１ｘｄにより、Ｅ_ＱＤ１１以上のエネルギーを有する光を連続的に吸収することができる。そして、半導体量子ドット１１ｘｄは、吸収した光エネルギーによって励起された電子を、基底準位まで緩和してＥ_ＱＤ１１のエネルギーを有する光として放出することができる。加えて、図２に示した例では、Ｅ_ＱＤ１１＝２×Ｅ_ＲＰ１１とされている。そのため、半導体量子ドット１１ｘｄによって生成（放出）された光を希土類蛍光体微粒子１１ｙｒへと入射させることにより、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒへ入射したエネルギーＥ_ＱＤ１１の１つの光子から、エネルギーＥ_ＲＰ１１の２つの光子を放出すること（ダウンコンバージョン、量子カッティング）ができる。こうして生成（放出）された光のエネルギーＥ_ＲＰ１１は、半導体材料のバンドギャップエネルギーＥ_Ｇ１２に近い。光起電装置１０では、例えば、エネルギーＥ_ＲＰ１１が光起電部１２の半導体材料によって吸収されやすいエネルギーとなるように、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒの材料及び半導体材料を選択することにより、光起電部１２の半導体材料で吸収すると熱損失が生じやすかった光も、熱損失を低減しながら光電変換に利用することが可能になる。なお、図２には、１つの光子を吸収して２つの光子を発生させる形態を例示したが、光起電装置１０は当該形態に限定されない。波長変換部１１は、入射した１つの光子から、エネルギーの異なる１つの光子（希土類蛍光体微粒子１１ｙｒへと入射した光子よりも、光起電部１２に吸収されやすいエネルギーの１つの光子）へと変換する希土類蛍光体微粒子１１ｙｒが備えられる形態とすることも可能である。

光起電装置１０では、半導体量子ドット１１ｘｄを含む半導体量子ドット含有層１１ｘと、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒを含む希土類蛍光体含有層１１ｙとを別々の層で構成している。これは、次の理由による。すなわち、一般的に、希土類元素イオンによる波長変換効率は、希土類元素イオンが添加される母材の種類や製造プロセスによって大きく左右される。特許文献１に開示された技術で高効率な波長変換を行うためには、母材（半導体量子ドット）にフォノンエネルギーの小さい材料（例えば、フッ化物、酸化物、硫酸化物等）を選択する必要がある。一般に、波長変換効率を向上させるためには、９００℃以上等の高温における熱処理が必要になることが多いが、熱に弱い半導体量子ドットでは熱処理が困難である。つまり、特許文献１に開示されている技術では、希土類元素イオンによる波長変換効率を高め難かった。そこで、光起電装置１０では、この問題を解決するために、半導体量子ドット含有層１１ｘと希土類蛍光体含有層１１ｙとを別々の層にすることで、それぞれの層において最適な材料・製造プロセスを適用可能な形態としている。

加えて、光起電装置１０では、ドット保持材料１１ｘａの屈折率ｎ１１、蛍光体保持材料１１ｙａの屈折率ｎ１２、及び、光起電部１２において光電変換する半導体材料の屈折率ｎ１３が、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３を満たすように、それぞれの材料を選択している。光起電装置１０において、半導体量子ドット１１ｘｄや希土類蛍光体微粒子１１ｙｒに吸収されない光は、入射時の方向性を保ったまま光起電部１２に入射できるが、半導体量子ドット１１ｘｄや希土類蛍光体微粒子１１ｙｒによって一旦吸収されて再び放出される光は、四方八方に向かった無指向性の光となり、光起電部１２へ向かって進む光の量が大きく減少してしまう。半導体量子ドット及び希土類蛍光体微粒子からの発光及び光の進行方向の概念を図３に示す。図３にも示したように、隣接する層の界面（半導体量子ドット含有層１１ｘ及び希土類蛍光体含有層１１ｙの界面や希土類蛍光体含有層１１ｙ及び光起電部１２の界面）によって反射されたり光起電部１２がある側とは反対側へと向かったりする光は、そのままでは光電変換に利用できないため、光起電装置１０に備えられている波長変換部１１の機能を十分に活かすために、波長変換部１１で吸収されて放出された光の多くが光起電部１２へと入射する構成にすることが望まれる。そこで、光起電装置１０では、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３となるように、ドット保持材料１１ｘａ、蛍光体保持材料１１ｙａ、及び、光起電部１２の半導体材料を選択している。

ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３とすることによる効果について、以下に説明する。
図４は、界面における入射角θと光の進行方向を説明する図であり、媒質１は屈折率が１の物質、媒質２は屈折率が１．５の物質、θは入射角である。また、図５は、図４に示した媒質１と媒質２との界面における反射率と入射角θとの関係を説明する図であり、縦軸は反射率、横軸は入射角θ［°］である。

図５に示したように、相対的に屈折率が小さい媒質１から相対的に屈折率が大きい媒質２に光が入射する場合は、入射角θが大きくなっても反射率が小さいため、多くの光が媒質１から媒質２へと入射することができる。これに対し、相対的に屈折率が大きい媒質２から相対的に屈折率が小さい媒質１に光が入射する場合は、入射角θが所定の角度（臨界角。図５の例では４０°程度。）以上になると、全反射を起こし、すべての光が反射される。そのため、入射光の進行方向上流側に位置する半導体量子ドット含有層１１ｘで生じさせた光の多くを希土類蛍光体含有層１１ｙへと入射させるためには、ｎ１１＜ｎ１２とすることが有効であり、希土類蛍光体含有層１１ｙで生じさせた光の多くを光起電部１２へと入射させるためには、ｎ１２＜ｎ１３とすることが有効である。なお、光起電装置１０において、半導体量子ドット含有層１１ｘで生じさせた光のうち、希土類蛍光体含有層１１ｙとは反対側へと向かう光の多くは、半導体量子ドット含有層１１ｘよりも屈折率が小さい空気層との界面で全反射し、向きを変えて希土類蛍光体含有層１１ｙへ向かって進むことが可能になる。同様に、希土類蛍光体含有層１１ｙで生じさせた光のうち、半導体量子ドット含有層１１ｘ側へと向かう光の多くは、希土類蛍光体含有層１１ｙよりも屈折率が小さい半導体量子ドット含有層１１ｘとの界面で全反射し、向きを変えて光起電部１２へ向かって進むことが可能になる。波長変換部の屈折率と光起電部の屈折率との関係を考慮していない従来技術では、波長変換部で生じさせた光を効率良く光起電部へ入射させることは困難になりやすく、また、希土類蛍光体を用いて生じさせた光が半導体量子ドットによって再吸収されることによる損失が生じる虞がある。ところが、光起電装置１０では、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３としているので、波長変換部１１で生じさせた光の多くを光起電部１２へと入射させることができる。また、光起電装置１０では、ｎ１１＜ｎ１２としているので、希土類蛍光体含有層１１ｙで生じさせた光のうち、半導体量子ドット含有層１１ｘ側へと向かう光の多くは、希土類蛍光体含有層１１ｙよりも屈折率が小さい半導体量子ドット含有層１１ｘとの界面で全反射し、向きを変えて光起電部１２へ向かって進む。その結果、半導体量子ドット１１ｘｄによって再吸収されることによる損失を低減することが可能になる。したがって、光起電装置１０によれば、波長変換部１１を用いることによる変換効率の向上効果を高めること（波長変換部の機能を従来よりも活かすこと）が可能になる。

光起電装置１０において、半導体量子ドット１１ｘｄは、所望の光吸収特性及び発光特性を得るために、適切な材料・粒径の一種類、又は複数種類を組み合わせて用いることができる。半導体量子ドット１１ｘｄに使用可能な半導体材料としては、ＺｎＯ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ等を例示することができる。

半導体量子ドット１１ｘｄは、公知技術であるホットインジェクション法、共沈法、熱分解法、ソルボサーマル法、ゾルゲル法、その他の気相合成法等によって作製することができる。一例として、共沈法による酸化亜鉛（ＺｎＯ）量子ドットの作製方法について説明する。
原料には酢酸亜鉛Ｚｎ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２を用い、必要に応じて、バンドギャップエネルギーを制御する酢酸マンガンＭｎ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２等の添加物を原料に加えることができる。溶媒には、エタノール・プロパノール、エチレングリコール等を用いることができる。また、溶媒中には、量子ドットの大きさを制御するために、ジエタノールアミン等を加えることができる。これらを混合して作製した混合液を０℃に冷却する。
次に、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）等のアルカリ金属水酸化物をエタノール中に溶解させる。この溶液を上記混合液に加えることで、ＺｎＯを合成することができる。温度、時間、原料組成を変えることで、半導体量子ドットの大きさや発光特性・吸収特性を制御することができる。

また、ドット保持材料１１ｘａは、半導体量子ドット１１ｘｄを分散させた形態で保持可能であり、且つ、半導体量子ドット１１ｘｄに吸収させる光や半導体量子ドット１１ｘｄから放出された光を通過させることができ、且つ、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３を満たす屈折率ｎ１１の材料を適宜用いることができる。そのような材料としては、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂などの樹脂のほか、ガラスや半導体材料等を例示することができる。ドット保持材料１１ｘａの屈折率ｎ１１は、例えば、１．３以上１．６以下程度とすることができる。

半導体量子ドット含有層１１ｘは、上記方法等によって作製した半導体量子ドット１１ｘｄを、ドット保持材料１１ｘａに埋め込むことによって作製することができる。光起電装置１０において、半導体量子ドット含有層１１ｘは、既に形成された希土類蛍光体含有層１１ｙの上面に、半導体量子ドット１１ｘｄを含む溶液をスピンコート法、ディップコート法、噴霧乾燥法、Ｌａｙｅｒ−ｂｙ−Ｌａｙｅｒ法等の公知技術によって塗布した後、乾燥して硬化させる過程を経て作製することができる。

また、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒには、希土類元素として、原子番号５７〜７１のランタノイド元素（以下において、「Ｌａ」と言うことがある。）に加えて、スカンジウムやイットリウム等を１種類又は組み合わせて用いることができる。希土類蛍光体微粒子１１ｙｒにおいて、希土類元素は、微粒子状の母材に添加されている。母材には、例えば、フッ化物、酸化物、半導体等を用いることができる。

希土類蛍光体微粒子１１ｙｒは、公知技術である共沈法、熱分解法、ソルボサーマル法、ゾルゲル法等によって作製することができる。一例として、共沈法による希土類蛍光体微粒子の作製方法について説明する。
原料には、ランタノイド硝酸塩Ｌａ（ＮＯ_３）_３、イットリウム硝酸塩Ｙ（ＮＯ_３）_３等を用意し、水、エタノール、エチレングリコール等の溶媒中に溶解させた溶液を得る。
次に、上記溶液中に、炭酸ナトリウム水溶液等を滴下してｐＨを調整することにより、所望の微粒子を沈殿させることができる。この微粒子を乾燥し焼成することにより、希土類蛍光体微粒子を得ることができる。

また、蛍光体保持材料１１ｙａは、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒを分散させた形態で保持可能であり、且つ、入射光や希土類蛍光体微粒子１１ｙｒから放出された光を光起電部１２へと到達させることができ、且つ、ｎ１１＜ｎ１２＜ｎ１３を満たす屈折率ｎ１２の材料を適宜用いることができる。そのような材料としては、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂などの樹脂のほか、ガラスや半導体材料等を例示することができる。蛍光体保持材料１１ｙａの屈折率ｎ１２は、例えば、１．３以上１．６以下程度（１．３≦ｎ１１＜ｎ１２≦１．６）とすることができる。

希土類蛍光体含有層１１ｙは、上記方法等によって作製した希土類蛍光体微粒子１１ｙｒを、蛍光体保持材料１１ｙａに埋め込むことによって作製することができる。光起電装置１０において、希土類蛍光体含有層１１ｙは、既に形成された光起電部１２の上面に、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒを含む溶液をスピンコート法、ディップコート法、噴霧乾燥法等の公知技術によって塗布した後、乾燥して硬化させる過程を経て作製することができる。

このほか、ガラス原料（ＳｉＯ_２、ＭｇＦ、Ｂ_２Ｏ_３等）及びランタノイド酸化物等を原料とし、溶融法等の方法によりガラスを作製し、適正な熱処理等を行って希土類元素イオンを含むフッ化物系微粒子を析出させることにより、希土類蛍光体含有層１１ｙを作製することも可能である。かかる方法で作製する場合、蛍光体保持材料１１ｙａに相当するガラスの屈折率は１．５以上１．８以下程度とすることができる。なお、この形態の希土類蛍光体含有層には、一例として、ガラス中に希土類蛍光体微粒子を析出させて作製された株式会社住田光学ガラス製のＹＡＧＬＡＳＳ等を用いることができる。ＹＡＧＬＡＳＳを用いる場合には、例えば、光起電部の上面に、希土類蛍光体微粒子を保持しているＹＡＧＬＡＳＳのガラスと屈折率が等しい光学用接着剤等を用いてＹＡＧＬＡＳＳを貼り付けることにより、希土類蛍光体含有層を形成することができる。

また、光起電部１２としては、例えば、単結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＣＩＧＳ、有機太陽電池、色素増感太陽電池、化合物太陽電池等、光を当てて生じさせた電力を取り出す公知の光起電装置を適宜用いることができる。光起電装置１０において、変換効率を高めやすい形態にする等の観点からは、バンドギャップエネルギーが０．８ｅＶ以上１．４ｅＶ程度である半導体材料を、光起電部１２に用いることが好ましい。このように構成される光起電部１２は、公知の方法によって作製することができる。

光起電装置１０に備えられる各層の構成材料の組み合わせ例を以下に示す。半導体量子ドット１１ｘｄの構成材料をＡ１、ドット保持材料１１ｘａをＡ２、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒの希土類元素をＡ３、当該希土類元素が添加される母材をＡ４、蛍光体保持材料１１ｙａをＡ５、光起電部１２で光電変換する半導体材料をＡ６とするとき、光起電装置１０に備えられる各層には、例えば、Ａ１としてＺｎＯ、Ａ２としてフッ素樹脂、Ａ３としてＥｒ、Ｔｂ、Ｐｒ、及びＹｂ等、Ａ４としてＬｉＧｄＦ_４等のフッ化物又は酸化物、Ａ５としてアクリル樹脂、Ａ６としてＳｉやＣＩＧＳを用いることができる。

２．第２実施形態
図６は、第２実施形態にかかる本発明の光起電装置２０を説明する図である。図６において、光起電装置２０へと入射する光は、紙面上側から下側へ向かって進む。図６に示したように、光起電装置２０は、入射光の進行方向上流側から順に、光起電部２１と、波長変換部２２と、光反射部２３と、を備えている。光起電部２１は光を光電変換する半導体材料を有しており、波長変換部２２は、入射光の進行方向上流側から順に、希土類蛍光体含有層２２ｙ及び半導体量子ドット含有層２２ｘを備えている。半導体量子ドット含有層２２ｘは、複数の半導体量子ドット２２ｘｄ、２２ｘｄ、…（以下において、単に「半導体量子ドット２２ｘｄ」ということがある。）と、該半導体量子ドット２２ｘｄを保持するドット保持材料２２ｘａとを有しており、希土類蛍光体含有層２２ｙは、複数の希土類蛍光体微粒子２２ｙｒ、２２ｙｒ、…（以下において、単に「希土類蛍光体微粒子２２ｙｒ」ということがある。）と、該希土類蛍光体微粒子２２ｙｒを保持する蛍光体保持材料２２ｙａとを有している。ドット保持材料２２ｘａ及び蛍光体保持材料２２ｙａには、光起電装置２０へと入射して光起電部２１を通過した光が半導体量子ドット２２ｘｄや希土類蛍光体微粒子２２ｙｒへと到達可能なように、透明な樹脂やガラス等が用いられており、ドット保持材料２２ｘａの屈折率をｎ２１、蛍光体保持材料２２ｙａの屈折率をｎ２２、及び、光起電部２１において光電変換する半導体材料の屈折率をｎ２３とするとき、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３となるように構成されている。

光起電装置２０へと入射した光は、入射光の進行方向上流側に配置されている光起電部２１へと達し、光起電部２１に含まれる半導体材料のバンドギャップエネルギーＥ_Ｇ２１以上のエネルギーを有する光が、光起電部２１で吸収されて電力へと変換される。これに対し、バンドギャップエネルギーＥ_Ｇ２１未満のエネルギーを有する光は、光起電部２１で吸収されず、光起電部２１を通過して希土類蛍光体含有層２２ｙへと達し、その一部が希土類蛍光体微粒子２２ｙｒによって吸収される。そして、光起電部２１及び希土類蛍光体微粒子２２ｙｒによって吸収されなかった光が半導体量子ドット含有層２２ｘへと達し、その一部が半導体量子ドット２２ｘｄによって吸収される。光起電装置２０において、半導体量子ドット含有層２２ｘよりも光反射部２３側へと向かう光は、光反射部２３によって反射され、光起電部２１側へと進む。このように、光起電装置２０では、光起電部２１の半導体材料によって吸収されなかった光が希土類蛍光体微粒子２２ｙｒや半導体量子ドット２２ｘｄによって吸収され、これらによってＥ_Ｇ２１以上のエネルギーを有するように波長を変換された光が、光起電部２１に吸収されて光電変換される。すなわち、光起電装置２０は、アップコンバージョン型の光起電装置である。半導体量子ドット２２ｘｄで発生させる光のエネルギーをＥ_ＱＤ２２、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒで発生させる光のエネルギーをＥ_ＲＰ２２とするとき、光起電装置２０では、Ｅ_ＱＤ２２＜Ｅ_Ｇ２１≦Ｅ_ＲＰ２２となるように構成されている。Ｅ_ＱＤ２２、Ｅ_ＲＰ２２、及び、Ｅ_Ｇ２１の例を、図７に示す。

図７に示した例では、２×Ｅ_ＱＤ２２＝Ｅ_ＲＰ２２、且つ、Ｅ_ＲＰ２２≧Ｅ_Ｇ２１とされている。Ｅ_ＱＤ２２は、半導体量子ドット２２ｘｄの基底準位間エネルギーである。半導体量子ドット２２ｘｄは、半導体量子ドット１１ｘｄと同様の理由で、Ｅ_Ｇ２１よりも小さいＥ_ＱＤ２２以上のエネルギーを有する光を連続的に吸収することができ、半導体量子ドット２２ｘｄは、吸収した光エネルギーによって励起された電子を、基底準位まで緩和してＥ_ＱＤ２２のエネルギーを有する光として放出することができる。加えて、図７に示した例では、２×Ｅ_ＱＤ２２＝Ｅ_ＲＰ２２とされている。そのため、半導体量子ドット２２ｘｄによって生成（放出）された光を希土類蛍光体微粒子２２ｙｒへと入射させることにより、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒへ入射させたエネルギーＥ_ＱＤ２２の２つの光子から、エネルギーＥ_ＲＰ２２の１つの光子を放出すること（アップコンバージョン）ができる。こうして生成（放出）された光のエネルギーＥ_ＲＰ２２は、半導体材料のバンドギャップエネルギーＥ_Ｇ２１以上である。そのため、光起電装置２０では、波長変換部２２で生成したエネルギーＥ_ＲＰ２２の光が、光起電部２１の半導体材料によって吸収されて光電変換される。なお、図７には、２つの光子を吸収して１つの光子を発生させる形態を例示したが、光起電装置２０は当該形態に限定されない。波長変換部２２は、半導体量子ドット２２ｘｄから放出された３つの光子を吸収して２つの光子を発生させる希土類蛍光体微粒子２２ｙｒが備えられる形態等、他の形態とすることも可能である。

図６に示したように、光起電装置２０も光起電装置１０と同様に、半導体量子ドット２２ｘｄを含む半導体量子ドット含有層２２ｘと、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒを含む希土類蛍光体含有層２２ｙとを別々の層で構成している。そのため、光起電装置２０によれば、半導体量子ドット含有層２２ｘ及び希土類蛍光体含有層２２ｙのそれぞれにおいて最適な材料・製造プロセスを適用することができる。

加えて、光起電装置２０では、ドット保持材料２２ｘａの屈折率ｎ２１、蛍光体保持材料２２ｙａの屈折率ｎ２２、及び、光起電部２１において光電変換する半導体材料の屈折率ｎ２３が、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３を満たすように、それぞれの材料を選択している。光起電装置２０には光反射部２３が備えられているため、光起電部２１から遠ざかる方向へと向かう光は、光反射部２３によって反射されることにより光起電部２１へと向かう。半導体量子ドット２２ｘｄや希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光は四方八方に向かう無指向性の光となるため、波長変換部２２から光起電部２１へと向かう光は、波長変換部２２で生成された光の一部に留まる。また、波長変換部２２による変換効率向上効果を高めるためには、波長変換部２２で生成された光の多くを光起電部２１へと入射可能な形態とすることが望ましい。そこで、光起電装置２０では、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３となるように、ドット保持材料２２ｘａ、蛍光体保持材料２２ｙａ、及び、光起電部２１の半導体材料を選択している。このように構成することで、半導体量子ドット２２ｘｄから放出された光の多くを希土類蛍光体微粒子２２ｙｒへと到達させることが可能になる。

また、光起電装置２０では、変換効率を向上させるために、光起電部２１の半導体材料が吸収し得るエネルギーの光を、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出させる。上述のように、Ｅ_ＱＤ２２＜Ｅ_Ｇ２１であるため、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光は、半導体量子ドット２２ｘｄによっても吸収され得る。希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光の多くが半導体量子ドット２２ｘｄによって吸収されると、光起電部２１の変換効率を向上させ難くなる。それゆえ、光起電部２１の変換効率を向上しやすい形態にするためには、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光が半導体量子ドット２２ｘｄへ到達し難い形態にすることが望まれる。かかる観点から、光起電装置２０では、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３としている。このように構成することで、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光のうち、光起電部２１側へと向かう光を光起電部２１へと入射させやすくなり、且つ、半導体量子ドット含有層２２ｘ側へと向かう光の多くを全反射させやすくなるので、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光の多くを光起電部２１へと入射させやすくなる。したがって、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３となるように構成した光起電装置２０によれば、波長変換部２２を用いることによる変換効率の向上効果を高めること（波長変換部の機能を従来よりも活かすこと）が可能になる。

光起電装置２０において、光起電部２１としては、例えば、単結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＣＩＧＳ、有機太陽電池、色素増感太陽電池、化合物太陽電池等、光を当てて生じさせた電力を取り出す公知の両面受光型の光起電装置を適宜用いることができる。光起電装置２０において、変換効率を高めやすい形態にする等の観点からは、バンドギャップエネルギーが１．５ｅＶ以上２．４ｅＶ程度である半導体材料を、光起電部２１に用いることが好ましい。このように構成される光起電部２１は、公知の方法によって作製することができる。なお、光起電装置２０において、光起電部２１は、入射光のみならず、波長変換部２２から放出された光も吸収可能な形態とするために、両面受光型であることが必要である。両面受光型の光起電部２１は、公知技術で作製した単結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＣＩＧＳ、有機太陽電池、色素増感太陽電池、化合物太陽電池等を改良して製造することができる。より具体的には、単結晶Ｓｉ、ＨＩＴ太陽電池、及び、化合物太陽電池等で公知の、基板剥離、及び、ＩＴＯ等の透明電極の加工が施されたもの等を用いることができる。

また、半導体量子ドット２２ｘｄは、所望の光吸収特性及び発光特性を得るために、適切な材料・粒径の一種類、又は複数種類を組み合わせて用いることができる。半導体量子ドット２２ｘｄには、半導体量子ドット１１ｘｄに使用可能な半導体材料と同様の半導体材料を用いることができる。半導体量子ドット２２ｘｄの粒径は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ程度とすることができる。

半導体量子ドット２２ｘｄは、公知技術であるホットインジェクション法、共沈法、熱分解法、ソルボサーマル法、ゾルゲル法、その他の気相合成法等によって作製することができる。一例として、ホットインジェクション法によるＰｂＳ量子ドットの作製方法について説明する。
原料には酸化鉛ＰｂＯ、ビストリメチルシリルスルフィド（Ｓｉ（ＣＨ_３）_３）_２Ｓ、及び、オレイン酸を用い、溶媒には、オクタデセンを用いることができる。また、溶媒中には、量子ドットの大きさを制御するために、トリオクチルフォスフィン等を加えることができる。オクタデセン中に酸化鉛及びオレイン酸を溶解させ、アルゴンガス置換雰囲気中で例えば１５０℃で２時間程度加熱する。その後、合成温度（例えば、７０℃以上１２０℃以下程度）に温度を調整して、ビストリメチルシリルスルフィドを注入すると、数秒程度で溶液の色が黄→茶→黒と変化し、ＰｂＳ量子ドットの合成が進行する。温度、時間、原料組成を変えることで、半導体量子ドットの大きさや発光特性・吸収特性を制御することができる。

また、ドット保持材料２２ｘａは、半導体量子ドット２２ｘｄを分散させた形態で保持可能であり、且つ、半導体量子ドット２２ｘｄに吸収させる光や半導体量子ドット２２ｘｄから放出された光を通過させることができ、且つ、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３を満たす屈折率ｎ２１の材料を適宜用いることができる。ドット保持材料２２ｘａには、ドット保持材料１１ｘａに使用可能な材料と同様の材料を用いることができ、ドット保持材料２２ｘａの屈折率ｎ２１は、例えば、１．３以上１．６以下とすることができる。

半導体量子ドット含有層２２ｘは、上記方法等によって作製した半導体量子ドット２２ｘｄを、ドット保持材料２２ｘａに埋め込むことによって作製することができる。光起電装置２０において、半導体量子ドット含有層２２ｘは、反射部２３の上に、半導体量子ドット２２ｘｄを含む溶液をスピンコート法、ディップコート法、噴霧乾燥法等の公知技術によって塗布した後、乾燥して硬化させる過程を経て作製することができる。

また、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒには、希土類元素として、Ｌａに加えて、スカンジウムやイットリウム等を１種類又は組み合わせて用いることができる。希土類蛍光体微粒子２２ｙｒにおいて、希土類元素は、微粒子状の母材に添加されている。母材には、例えば、フッ化物、酸化物、半導体等を用いることができる。希土類蛍光体微粒子２２ｙｒは、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒと同様の方法によって作製することができる。

また、蛍光体保持材料２２ｙａは、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒを分散させた形態で保持可能であり、且つ、入射光を希土類蛍光体微粒子２２ｙｒへと到達させ希土類蛍光体微粒子２２ｙｒから放出された光を光起電部２１へと到達させることができ、且つ、ｎ２１＜ｎ２２＜ｎ２３を満たす屈折率ｎ２２の材料を適宜用いることができる。蛍光体保持材料２２ｙａには、蛍光体保持材料１１ｙａに使用可能な材料と同様の材料を用いることができ、蛍光体保持材料２２ｙａの屈折率ｎ２２は、例えば、１．３以上１．６以下程度（１．３≦ｎ２１＜ｎ２２≦１．６）とすることができる。

希土類蛍光体含有層２２ｙは、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒを、蛍光体保持材料２２ｙａに埋め込むことによって作製することができる。光起電装置２０において、希土類蛍光体含有層２２ｙは、既に形成された半導体量子ドット含有層２２ｘの上面に、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒを含む溶液をスピンコート法、ディップコート法、噴霧乾燥法等の公知技術によって塗布した後、乾燥して硬化させる過程を経て作製することができる。

このほか、ガラス原料（ＳｉＯ_２、ＭｇＦ、Ｂ_２Ｏ_３等）及びランタノイド酸化物等を原料とし、溶融法等の方法によりガラスを作製し、適正な熱処理等を行って希土類元素イオンを含むフッ化物系微粒子を析出させることにより、希土類蛍光体含有層２２ｙを作製することも可能である。かかる方法で作製する場合、蛍光体保持材料２２ｙａに相当するガラスの屈折率は１．５以上１．８以下程度とすることができる。なお、この形態の希土類蛍光体含有層には、一例として、ガラス中に希土類蛍光体微粒子を析出させて作製された株式会社住田光学ガラス製のＹＡＧＬＡＳＳ等を用いることができる。ＹＡＧＬＡＳＳを用いる場合には、例えば、光起電部の裏面側に、希土類蛍光体微粒子を保持しているＹＡＧＬＡＳＳのガラスと屈折率が等しい光学用接着剤等を用いてＹＡＧＬＡＳＳを貼り付けることにより、希土類蛍光体含有層を形成することができる。

光起電装置２０に備えられる各層の構成材料の組み合わせ例を以下に示す。半導体量子ドット２２ｘｄの構成材料をＢ１、ドット保持材料２２ｘａをＢ２、希土類蛍光体微粒子２２ｙｒの希土類元素をＢ３、当該希土類元素が添加される母材をＢ４、蛍光体保持材料２２ｙａをＢ５、光起電部２１で光電変換する半導体材料をＢ６とするとき、光起電装置２０に備えられる各層には、例えば、（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６）＝（ＰｂＳ、フッ素樹脂、Ｅｒ及びＹｂ、ＰｂＦ_２、シリケートガラス、ＩｎＧａＰ）、（銅系化合物量子ドット、フッ素樹脂、Ｅｒ及びＹｂ、Ｙ_２Ｏ_３、アクリル樹脂、ＺｎＯＳ）を用いることができる。

３．第３実施形態
図８は、第３実施形態にかかる本発明の光利用装置３０を説明する図である。図８において、光利用装置３０へと入射する光は、紙面上側から下側へ向かって進む。また、図８において、光起電装置１０と同様の構成には、図１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に示したように、光利用装置３０は、入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部１１及び光利用部３１を備え、光利用部３１には、入射光及び波長変換部１１で波長を変換された光を集め放出するレンズが含まれている。すなわち、光利用装置３０は、光起電装置１０の光起電部１２に代えて光利用部３１を配置した構成となっている。光利用装置３０は、半導体量子ドット含有層１１ｘ及び希土類蛍光体含有層１１ｙを有する波長変換部１１を備えているので、半導体量子ドット含有層１１ｘ及び希土類蛍光体含有層１１ｙのそれぞれにおいて最適な材料・製造プロセスを適用することが可能である。また、光利用装置３０では、蛍光体保持材料１１ｙａの屈折率が、ドット保持材料１１ｘａの屈折率よりも大きく、且つ、光利用部３１のレンズの屈折率よりも小さくなるように、材料を選択している。それゆえ、波長変換部１１から放出された光の多くを光利用部３１へと入射させることができ、その結果、波長変換部１１の機能を十分に活かすことが可能になる。

光利用装置３０において、光利用部３１は、希土類蛍光体含有層１１ｙから発光された光を集めた後放出することで、光源として利用することができる。そのような物としては、高屈折率樹脂又はガラスによるレンズ体等が利用できる。

４．第４実施形態
図９は、第４実施形態にかかる本発明の光利用装置４０を説明する図である。図９において、光利用装置４０へと入射する光は、紙面上側から下側へ向かって進む。また、図９において、光起電装置２０と同様の構成には、図６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９に示したように、光利用装置４０は、入射光の進行方向上流側から順に、光利用部４１と、波長変換部２２と、光反射部２３と、を備え、光利用部４１には、入射光及び波長変換部２２で波長を変換された光を集め放出するレンズが含まれている。すなわち、光利用装置４０は、光起電装置２０の光起電部２１に代えて光利用部４１を配置した構成となっている。光利用装置４０は、半導体量子ドット含有層２２ｘ及び希土類蛍光体含有層２２ｙを有する波長変換部２２を備えているので、半導体量子ドット含有層２２ｘ及び希土類蛍光体含有層２２ｙのそれぞれにおいて最適な材料・製造プロセスを適用することが可能である。また、光利用装置４０では、蛍光体保持材料２２ｙａの屈折率が、ドット保持材料２２ｘａの屈折率よりも大きく、且つ、光利用部４１のレンズの屈折率よりも小さくなるように、材料を選択している。それゆえ、波長変換部２２から放出された光の多くを光利用部４１へと入射させることができ、その結果、波長変換部２２の機能を十分に活かすことが可能になる。

光利用装置４０において、光利用部４１は、希土類蛍光体含有層２２ｙから発光された光を集めた後放出することで、光源として利用することができる。そのような物としては、高屈折率樹脂又はガラスによるレンズ体等が利用できる。

また、本発明に関する上記説明では、複数の希土類蛍光体微粒子が蛍光体保持材料に埋め込まれている希土類蛍光体含有層が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明で用いられる希土類蛍光体含有層は、希土類元素が膜状の母材に添加された形態（母材の一部が希土類元素イオンによって置換された形態）であっても良い。このような希土類蛍光体含有層は、希土類元素を含む母材自体が希土類蛍光体含有層として機能することができ、例えば、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって作製することができる。当該形態の希土類蛍光体含有層を作製する際には、例えば、母材の有機物（例えば、Ｙ_２Ｏ_３）と希土類元素イオンの発生源（例えば、Ｅｒ_２Ｏ_３及びＹｂ_２Ｏ_３）とを、質量比で、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｒ_２Ｏ_３：Ｙｂ_２Ｏ_３＝８９：１：１０となるように秤量する。そして、これらを溶媒に入れて混合することにより作製した混合液体を基材上に滴下して、スピンコート法等によって膜状に形成した後、焼成することにより、希土類蛍光体含有層を作製することができる。

本発明の効果を確認するため、半導体量子ドット含有層１１ｘ及び希土類蛍光体含有層１１ｙで発生した散乱光の反射率及び透過率を計算した。計算モデルを図１０に示す。図１０に示したように、空気の屈折率＝１、ドット保持材料１１ｘａの屈折率＝１．３、蛍光体保持材料１１ｙａの屈折率＝１．６とし、半導体量子ドット１１ｘｄから、強度Ｉ０の光が、入射光とのなす角θで放出されたと仮定して、計算を行った。

以下に、半導体量子ドット１１ｘｄから放出された光に関する具体的な計算方法を示す。散乱光の反射率及び透過率は、光学薄膜設計等における一般的な多重反射の計算を用いて算出することができる。なお、半導体量子ドット１１ｘｄから放出された光は、図１０に定義した角度θの方向へと進行し、半導体量子ドット含有層１１ｘと希土類蛍光体含有層１１ｙとの界面や、半導体量子ドット含有層１１ｘと空気層との界面で、透過又は反射する。今回の計算では、各層内や界面での損失等はなく、多重反射を繰り返すと仮定した。また、扱う光は無偏光とし、多重反射による位相ずれ等は無視できるとした。

半導体量子ドット含有層１１ｘから希土類蛍光体含有層１１ｙへと向かう光の反射率をＲ（θ）、半導体量子ドット含有層１１ｘから空気層へと向かう光の反射率をＲ’（θ）、ｉ回目に半導体量子ドット含有層１１ｘから希土類蛍光体含有層１１ｙに入射して透過する光をＴｉ、量子ドット含有層１１ｘから空気層に透過する光をＴｉ’とするとき、０°≦θ＜９０°の場合に、半導体量子ドット含有層１１ｘから希土類蛍光体含有層１１ｙへと透過する光の合計Ｔ_{ＱＤ→ＲＥ}は、無限級数を用いて次のように表せる。

同様にして、０°≦θ＜９０°の場合に、半導体量子ドット含有層１１ｘから空気層へと透過する光の合計Ｔ_{ＱＤ→ａｉｒ}は、次のように表せる。

また、９０°＜θ≦１８０°の場合においても、同様の計算から、Ｔ_{ＱＤ→ＲＥ}及びＴ_{ＱＤ→ａｉｒ}は、次のように表せる。

以上の計算から算出した、Ｔ_{ＱＤ→ＲＥ}及びＴ_{ＱＤ→ａｉｒ}の結果を図１１に示す。図１１の縦軸は透過率、横軸はθ［°］である。図１１に示したように、０°≦θ＜１３０°の範囲では、半導体量子ドット１１ｘｄで発生させた光を、半導体量子ドット含有層１１ｘから希土類蛍光体含有層１１ｙへ透過させることが可能であることが分かる。また、半導体量子ドット１１ｘｄに吸収されない光は、θが９０°以上になることは有り得ないため、波長変換部１１は、希土類蛍光体含有層１１ｙへの十分な透過率を確保できていると考えられる。

以下同様にして、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒから放出された光のうち、希土類蛍光体含有層１１ｙから半導体量子ドット含有層１１ｘへと透過する光の合計Ｔ_{ＲＥ→ＱＤ}、及び、希土類蛍光体含有層１１ｙから光起電部１２へと透過する光の合計Ｔ_{ＲＥ→ＳＣ}を計算した。結果を図１２に示す。図１２の縦軸は透過率、横軸はθ［°］である。

図１１及び図１２を、全角度にわたって積分し、規格化した。その結果、半導体量子ドット含有層１１ｘから希土類蛍光体含有層１１ｙには、半導体量子ドット１１ｘｄから放出された光量の７３％を透過させることができ、希土類蛍光体含有層１１ｙから光起電部１２には、希土類蛍光体微粒子１１ｙｒから放出された光量の６７％を透過させることができることが分かった。以下に、計算結果を示す。
＜半導体量子ドット含有層１１ｘからの透過率＞
∫（Ｔ_{ＱＤ→ａｉｒ}／Ｉ_０）ｄθ＝２７％ ：空気層への逆流
∫（Ｔ_{ＱＤ→ＲＥ}／Ｉ_０）ｄθ＝７３％ ：希土類蛍光体含有層１１ｙへの入射
＜希土類蛍光体含有層１１ｙからの透過率＞
∫（Ｔ_{ＲＥ→ＱＤ}／Ｉ_０）ｄθ＝３３％ ：半導体量子ドット含有層１１ｘへの逆流
∫（Ｔ_{ＲＥ→ＳＣ}／Ｉ_０）ｄθ＝６７％ ：光起電部１２への入射

１０、２０…光起電装置
１１、２２…波長変換部
１１ｘ、２２ｘ…半導体量子ドット含有層
１１ｘａ、２２ｘａ…ドット保持材料
１１ｘｄ、２２ｘｄ…半導体量子ドット
１１ｙ、２２ｙ…希土類蛍光体含有層
１１ｙａ、２２ｙａ…蛍光体保持材料
１１ｙｒ、２２ｙｒ…希土類蛍光体微粒子
１２、２１…光起電部
３０、４０…光利用装置
３１、４１…光利用部

Claims (6)

1. 入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部及び光起電部を備え、
   前記波長変換部は、前記入射光の進行方向上流側から順に、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備え、
   前記半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料と、を含み、
   前記希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料と、を含み、
   前記光起電部は、前記入射光及び前記波長変換部で波長を変換された光を光電変換する半導体材料を有し、
   前記蛍光体保持材料の屈折率が、前記ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、前記半導体材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする、光起電装置。
2. 前記半導体量子ドットで発生させる光のエネルギーをＥＱＤ、前記希土類蛍光体で発生させる光のエネルギーをＥＲＰ、前記半導体材料のバンドギャップエネルギーをＥＧ、とするとき、ＥＱＤ≧ＥＲＰ＞ＥＧである、請求項１に記載の光起電装置。
3. 入射光の進行方向上流側から順に、光起電部、波長変換部、及び、光反射部を備え、
   前記波長変換部は、前記入射光の進行方向上流側から順に、希土類蛍光体含有層及び半導体量子ドット含有層を備え、
   前記希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料と、を含み、
   前記半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料と、を含み、
   前記光起電部は、前記入射光及び前記波長変換部で波長を変換された光を光電変換する半導体材料を有し、
   前記蛍光体保持材料の屈折率が、前記ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、前記半導体材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする、光起電装置。
4. 前記半導体量子ドットで発生させる光のエネルギーをＥＱＤ、前記希土類蛍光体で発生させる光のエネルギーをＥＲＰ、前記半導体材料のバンドギャップエネルギーをＥＧ、とするとき、ＥＱＤ＜ＥＧ≦ＥＲＰである、請求項３に記載の光起電装置。
5. 入射光の進行方向上流側から順に、波長変換部及び光利用部を備え、
   前記波長変換部は、前記入射光の進行方向上流側から順に、半導体量子ドット含有層及び希土類蛍光体含有層を備え、
   前記半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料と、を含み、
   前記希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料と、を含み、
   前記光利用部は、前記入射光及び前記波長変換部で波長を変換された光を集め放出するレンズを有し、
   前記蛍光体保持材料の屈折率が、前記ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、前記レンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする、光利用装置。
6. 入射光の進行方向上流側から順に、光利用部、波長変換部、及び、光反射部を備え、
   前記波長変換部は、前記入射光の進行方向上流側から順に、希土類蛍光体含有層及び半導体量子ドット含有層を備え、
   前記希土類蛍光体含有層は、希土類蛍光体と、該希土類蛍光体を保持する蛍光体保持材料と、を含み、
   前記半導体量子ドット含有層は、半導体量子ドットと、該半導体量子ドットを保持するドット保持材料と、を含み、
   前記光利用部は、前記入射光及び前記波長変換部で波長を変換された光を集め放出するレンズを有し、
   前記蛍光体保持材料の屈折率が、前記ドット保持材料の屈折率よりも大きく、且つ、前記レンズの屈折率よりも小さいことを特徴とする、光利用装置。

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