JP2015126099A

JP2015126099A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2015126099A
Application number: JP2013269422A
Authority: JP
Inventors: 淳志金倉; Atsushi Kanekura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP6352632B2

Abstract

【課題】更に高効率化が可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】複数の光電変換層が積層された多接合型の光電変換装置であって、光電変換層１１と、光電変換層１１に対して光の入射側に位置する光電変換層１２と、光電変換層１１の光電変換層１２側の表面に沿って屈折率が異なる２つの領域が交互に周期的に配列された構成を有し、光の方向を２つの領域の配列方向へ変換する方向変換層３０と、を有しており、光電変換層１１の面積が光電変換層１２の面積より大きく、平面視した際に、配列方向における光電変換層１１の両端が、配列方向における光電変換層１２の両端よりも外側に位置している光電変換装置とする。更に高効率化が可能な光電変換装置を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、効率が高い光電変換装置に関するものである。

光電変換効率を高めるために、バンドギャップの異なる半導体材料からなる複数の光電変換層を、光の入射側からバンドギャップが大きい順に配列するように積層して構成した光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平１１−２１４７２６号公報

特許文献１に記載されたような従来の光電変換装置は、複数の光電変換層が直列に接続されるため、効率を低下させないために各々の光電変換層を流れる電流の大きさを等しくする必要がある。ところが、伝搬距離に応じた光の減衰と、波長の増大による光吸収係数の減少とによって、光の入射側から遠ざかるにつれて発電効率が低下するため、光の入射側から遠ざかるにつれて光電変換層の厚みを大きくする必要が生じる。しかしながら、光電変換層の厚みを大きくすると、光の吸収によって発生したキャリアが電極に到達し難くなるため、結果的に効率が低下してしまう。このような問題により、特許文献１に記載されたような従来の光電変換装置は、ある程度までしか効率を高めることができないという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、更に高効率化が可能な光電変換装置を提供することにある。

本発明の光電変換装置は、複数の光電変換層が積層された多接合型の光電変換装置であって、第１光電変換層と、該第１光電変換層に対して光の入射側に位置する第２光電変換層と、前記第１光電変換層の前記第２光電変換層側の表面に沿って屈折率が異なる２つの領域が交互に周期的に配列された構成を有し、光の方向を前記２つの領域の配列方向へ変換する方向変換層と、を有しており、前記第１光電変換層の面積が前記第２光電変換層の面積より大きく、平面視した際に、前記配列方向における前記第１光電変換層の両端が、前記配列方向における前記第２光電変換層の両端よりも外側に位置していることを特徴とするものである。

本発明の光電変換装置によれば、更に高効率化が可能な光電変換装置を得ることができる。

本発明の第１実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。本発明の第１実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図２のＡ−Ａ’線断面図である。本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図５のＢ−Ｂ’線断面図である。

以下、本発明の光電変換装置を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線断面図である。なお、図１においては、集光器５５および電極２２を透視した状態を示している。また、図２においては、集光器５５，電極２２および光電変換層１２を透視した状態を示している。本実施形態の光電変換装置は、図１〜図３に示すように、光電変換層１１と、光電変換層１２と、電極２１と、電極２２と、方向変換層３０と、基板５１と、集光器５５とを有している。また、本実施形態の光電変換装置は、光の入射方向（ｚ軸方向）に沿って複数の光電変換層（光電変換層１１および光電変換層１２）が積層された多接合型の光電変換装置である。

光電変換層１１および光電変換層１２は、半導体材料を用いて構成されており、光を吸収して電気エネルギーに変換する機能を有している。そして、光電変換層１１は、光電変換層１２よりも波長が長い光を吸収可能に構成されている。すなわち、光電変換層１１は、光電変換層１２よりもバンドギャップが小さい構成を含んでいる。光電変換層１２は、光電変換層１１に対して光の入射側（＋ｚ方向側）に位置している。詳細には、光電変換層１１における光の入射側の表面（＋ｚ方向側の表面）に接するように方向変換層３０が配置されており、方向変換層３０における光の入射側の表面（＋ｚ方向側の表面）に接するように光電変換層１２が配置されている。

このような光電変換層１１および光電変換層１２としては、例えば、光電変換層１１を微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）で形成し、光電変換層１２をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）で形成すると良い。詳細には、光電変換層１１をｐ型微結晶シリコンとｎ型微結晶シリコンとの積層構造とし、光電変換層１２をｐ型アモルファスシリコンとｎ型アモルファスシリコンとの積層構造とすれば良い。

なお、光電変換層１１および光電変換層１２の組み合わせとしては、他にも種々の組み合わせが可能である。例えば、光電変換層１１として多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を用い、光電変換層１２としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いても構わない。また、光電変換層１１としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用い、光電変換層１２としてリン化インジウムガリウム（ＧａＩｎＰ）を用いても良い。また、光電変換層１１としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用い、光電変換層１２としてアモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）を用いても構わない。また、光電変換層１１として砒化窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮＡｓ）を用い、光電変換層１２としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いても構わない。

また、光電変換層１１および光電変換層１２を、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に量子ドット層が配置された構造とし、光電変換層１１の量子ドット層における量子ドットの直径が、光電変換層１２の量子ドット層における量子ドットの直径よりも大きくなるようにしても良い。詳細には、例えば、光電変換層１２の量子ドット層における量子ドットの直径を３ｎｍ〜５ｎｍとし、光電変換層１１の量子ドット層における量子ドットの直径を６ｎｍ〜１０ｎｍとすれば良い。

方向変換層３０は、光電変換層１１における光の入射側の表面（＋ｚ方向側の表面）に接するように、光電変換層１１と光電変換層１２との間に配置されている。また、方向変換層３０は、屈折率が異なる２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）が、光電変
換層１１の光電変換層１２側の表面に沿って交互に周期的に配列された構成を有している。そして、方向変換層３０は、この構成によって、光の方向を２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）の配列方向へ変換する。

本実施形態では、図２に示すように、２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）が、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方において、交互に周期的に配列されている。このため、本実施形態における方向変換層３０は、＋ｚ方向側から入射した光の伝播方向を、ｘ軸方向およびｙ軸方向へ変換する。

なお、方向変換層３０の厚みについては、方向変換層３０の厚みをｈとし、第１領域３１の屈折率をｎ_１とし、第２領域３２の屈折率をｎ_２とし、光の波長をλとし、ｍを任意の自然数としたときに、次の（１）式を満たすようにｈの値を設定すれば良い。
（２π｜ｎ_１−ｎ_２｜ｈ）／λ＝（２ｍ−１）π・・・（１）
また、第１領域３１および第２領域３２の配列周期（配列方向における、１つの第１領域３１および１つの第２領域３２によって構成される基本構造の長さ）については、配列周期をＤとし、光電変換層１１（および方向変換層３０）から成る導波路における実効屈折率をｎ_ｅｆｆとしたときに、次の（２）式を満たすようにＤの値を設定すれば良い。
Ｄ＝ｍλ／ｎ_ｅｆｆ・・・（２）
また、第１領域３１および第２領域３２の繰り返し数（１つの第１領域３１および１つの第２領域３２によって構成される基本構造の数）については、例えば５以上であることが望ましい。

また、本実施形態においては、２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）が、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方において、交互に周期的に配列された例を示したが、これに限定されるものではない。場合によっては、２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）が１つの方向において交互に周期的に配置されるようにしても構わない。

第１領域３１および第２領域３２は、透光性を有している必要がある。また、第１領域３１および第２領域３２の少なくとも一方は導電性を有している必要があるが、第１領域３１および第２領域３２の両方が導電性を有していることが望ましい。このような第１領域３１および第２領域３２は、透光性および導電性を有する種々の材料を用いて形成することができる。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ）などの導電性の金属酸化物を用いることができる。

電極２１は、光電変換層１１に接するように配置されている。電極２１は、導電性を有する材料で形成することができ、例えば、種々の金属または合金を用いて形成することができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）を好適に用いることができるが、ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），白金（Ｐｔ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ）およびタンタル（Ｔａ）などの金属または合金を用いることもできる。なお、図３においては、光電変換層１１と基板５１の間に電極２１が配置された例を示したが、光電変換層１１の材質によっては他の場所に配置される場合もある。

電極２２は、光電変換層１２に対して光の入射側（＋ｚ方向側）に、光電変換層１２に接するように配置されている。電極２２は、透光性および導電性を有する種々の材料を用いて形成することができる。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ）などの導電性の金属酸化物を用いて電極２２を形成することができる。

基板５１は、既知の絶縁性材料を用いて形成することができる。例えば、ガラス，セラ
ミックス等の無機材料や、プラスチックのような有機材料を好適に用いることができる。光電変換層１１の材質によっては、単結晶シリコンや多結晶シリコンを用いて基板５１を形成する。

集光器５５は、＋ｚ方向から入射した光を光電変換層１２へ向けて集約する機能を有している。図３では、透光性を有しているとともに、適度な屈折率および形状を有するレンズ状の部分を備えた集光器５５の例を示したが、これに限定されるものではない。集光器５５は、光を光電変換層１２へ向けて集約する機能を有していれば何でも良く、例えば、１つ以上の鏡を用いて構成された反射型の集光器５５であっても構わない。また、集光器５５は必須ではなく、場合によっては無くても構わない。

このような構成を有する本実施形態の光電変換装置では、＋ｚ方向側から入射した光は、光電変換層１２を通過した後に方向変換層３０によって伝播方向が変換され、光電変換層１２内を、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿って周囲へ広がるように伝播する。そして、光電変換層１１および光電変換層１２によって光が吸収され、光エネルギーが電気エネルギーに変換されて、電極２１と電極２２との間に電圧が発生する。このようにして、本実施形態の光電変換装置は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として機能する。

本実施形態の光電変換装置は、バンドギャップが互いに異なる光電変換層１１および光電変換層１２の両方を用いて光電変換（光エネルギーの電気エネルギーへの変換）をする。これにより、広い範囲の波長の光を利用することができるので、変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。

また、本実施形態の光電変換装置は、光電変換層１１の面積が光電変換層１２の面積より大きく、平面視した際に、配列方向における光電変換層１１の両端が、配列方向における光電変換層１２の両端よりも外側に位置している。これにより、光電変換層１１の厚みを大きくすることなく、光電変換層１１および光電変換層１２における電流を等しくすることができるので、光電変換層１１，光電変換層１２で発生したキャリアが、電極２１，電極２２に到達し難くなるという問題の発生を防止できる。よって、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。なお、本明細書において、平面視とは、光電変換層１１および光電変換層１２の積層方向（ｚ軸方向）からの平面視を意味する。

また、本実施形態の光電変換装置は、平面視した際に、２つの方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）において２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）が交互に周期的に配列されており、２つの方向の各々において、光電変換層１１の両端が光電変換層１２の両端よりも外側に位置している。すなわち、第１領域３１および第２領域３２が、ｘ軸方向において交互に周期的に配置されているとともに、平面視した際に、ｘ軸方向における光電変換層１１の両端が、ｘ軸方向における光電変換層１２の両端よりも外側に位置している。そして、第１領域３１および第２領域３２が、ｙ軸方向において交互に周期的に配置されているとともに、平面視した際に、ｙ軸方向における光電変換層１１の両端が、ｙ軸方向における光電変換層１２の両端よりも外側に位置している。これにより、１つの方向に沿って第１領域３１および第２領域３２が交互に周期的に配置されている場合と比較して、光電変換層１１の面積を大きくしたときの光の伝播距離の増大を小さくすることができる。これにより、光の伝播距離に応じた減衰を小さくすることができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。

また、本実施形態の光電変換装置は、方向変換層３０の２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）の両方が導電性を有している。これにより、方向変換層３０の抵抗に起因する電流の減少による効率の低下を低減することができる。

また、本実施形態の光電変換装置は、集光器５５を有していることから、集光器５５を有さない場合と比較して、光電変換層１２へ入射する光のエネルギーを大きくすることができる。これにより、更に効率が高い光電変換装置を得ることができる。

このような本実施形態の光電変換装置は、例えば、以下の方法によって作製することができる。まず、例えばスパッタや蒸着によって基板５１上に電極２１を形成し、例えば蒸着やＣＶＤなどによって電極２１上に光電変換層１１を形成する。次に、光電変換層１１上に方向変換層３０を形成する。方向変換層３０の形成に際しては、蒸着やＣＶＤと、リフトオフ法やドライエッチングとを用いて、第１領域３１と第２領域３２とを順次形成する。次に、例えば蒸着やＣＶＤなどによって方向変換層３０上に光電変換層１２を形成する。そして、例えばスパッタや蒸着によって光電変換層１２上に電極２２を形成する。なお、それぞれのパターニングには、例えばリフトオフ法やドライエッチングを用いることができる。最後に、レンズ等を有する集光器５５を取り付ける。

（第２実施形態）
図４および図５は、本発明の第２実施形態の光電変換装置を模式的に示す平面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図４においては、集光器５５および電極２２を透視した状態を示している。また、図５においては、集光器５５，電極２２，光電変換層１２および中間層４０を透視した状態を示している。なお、本実施形態においては、前述した第１実施形態と異なる部分のみについて説明し、同様の構成要素には同じ参照符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態の光電変換装置は、平面視した際に、光電変換層１１と、光電変換層１２と、２つの領域（第１領域３１および第２領域３２）とが、中心を同じとする円状または環状に形成されている。すなわち、ｚ軸方向から平面視した際に、中央に位置する第１領域３１と、光電変換層１１と、光電変換層１２とが円状に形成されており、中央以外に位置する第１領域３１と、第２領域３２とが、環状に形成されている。そして、中央に位置する第１領域３１と、光電変換層１１と、光電変換層１２との各々の輪郭が描く円の中心と、中央以外に位置する第１領域３１と、第２領域３２との各々の輪郭が描く環の中心が、全て等しくされている。これにより、場所による光の強さのばらつきを最小にできるとともに、光の伝播距離を最小にすることができるので、さらに効率が高い光電変換装置を得ることができる。また、光電変換装置の平面形状を最小にすることができる。

また、本実施形態の光電変換装置は、方向変換層３０と光電変換層１２との間に、導電性を有する中間層４０が形成されている。また、方向変換層３０の２つの領域の一方（第２領域３２）と中間層４０とが同じ材料で形成されている。そして、方向変換層３０の２つの領域の他方（第１領域３１）と光電変換層１１とが同じ材料で形成されている。なお、中間層４０は、透光性および導電性を有する種々の材料を用いて形成することができる。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ）などの導電性の金属酸化物を用いて電極２２を形成することができる。

本実施形態の光電変換装置は、方向変換層３０と光電変換層１２との間に、導電性を有する中間層４０が形成されている。これにより、方向変換層３０を構成する第１領域３１および第２領域３２の材質の自由度が向上する。よって、例えば、図６に示すように、方向変換層３０の第１領域３１と光電変換層１１とを同じ材料で形成することも可能となる。また、例えば、方向変換層３０の第２領域３２と中間層４０とを同じ材料で形成することも可能となる。このように、構成の自由度が高く、高性能化や製造が容易な光電変換装置を得ることができる。

１１，１２：光電変換層
２１，２２：電極
３０：方向変換層
４０：中間層
５１：基板
５５：集光器

Claims

複数の光電変換層が積層された多接合型の光電変換装置であって、
第１光電変換層と、
該第１光電変換層に対して光の入射側に位置する第２光電変換層と、
前記第１光電変換層の前記第２光電変換層側の表面に沿って屈折率が異なる２つの領域が交互に周期的に配列された構成を有し、光の方向を前記２つの領域の配列方向へ変換する方向変換層と、
を有しており、
前記第１光電変換層の面積が前記第２光電変換層の面積より大きく、平面視した際に、前記配列方向における前記第１光電変換層の両端が、前記配列方向における前記第２光電変換層の両端よりも外側に位置している
ことを特徴とする光電変換装置。
平面視した際に、２つの方向において前記２つの領域が交互に周期的に配列されており、前記２つの方向の各々において、前記第１光電変換層の両端が第２光電変換層の両端よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
平面視した際に、前記第１光電変換層と、前記第２光電変換層と、前記２つの領域とが、中心を同じとする円状または環状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
前記方向変換層と前記第２光電変換層との間に、導電性を有する中間層が形成されており、前記２つの領域の一方と前記中間層とが同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換装置。
前記２つの領域の両方が導電性を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換装置。
前記第２光電変換層へ向けて光を集約する集光器を更に有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換装置。