JP2018006363A - 光電変換素子およびそれを備えた光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光電変換を向上可能な光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換素子１０は、バッファ層２、ＢＳＦ層３、ベース層４、光電変換層５、エミッタ層６、窓層７、コンタクト層８およびｐ型電極９を基板１の一方面上に順次積層し、ｎ型電極１１を基板１の他方面に配置した構造を有する。光電変換層５は、少なくとも１つの量子ドット層５１を有し、少なくとも１つの量子ドット層５１の各々は、量子ドット５１１と障壁層５１２とからなる。バッファ層２、ＢＳＦ層３、ベース層４、光電変換層５、エミッタ層６、窓層７およびコンタクト層８からなる光電変換部材ＰＥＣは、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜め方向から光を入射する入射端面１３を有し、集光部材１２は、太陽光を集光し、その集光した太陽光を入射端面１３から光電変換部材ＰＥＣ内に入射する。【選択図】図１

Description

この発明は、光電変換素子およびそれを備えた光電変換装置に関する。
光電変換層を備える光電変換素子として、太陽電池および光センサ（光検出器）がある。太陽電池は、より広い波長範囲の光を利用して光電変換効率を高めることを目的とした種々の研究開発が行われている。例えば、母体材料の価電子帯及び伝導帯間に形成された量子準位（超格子ミニバンド、中間バンドを含む）を介して電子が二段階で光励起され、これにより、長波長の光を利用することができる太陽電池が提案されている（特許文献１、非特許文献１）。
このような量子ドットを有する太陽電池は、量子ドットを有する量子ドット層を化合物太陽電池に挿入したものである。母体半導体中に量子ドットを挿入することで、量子準位を介した二段階の光励起によって、未利用だった波長域の光吸収（母体材料のバンドギャップよりも小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。
また、高感度化を目的として、量子ドットを有する量子ドット光センサの研究開発も行われている。例えば、伝導帯の量子準位を介したサブレベル間遷移を利用することで、中遠赤外領域での高感度化を目的とした量子ドット光センサが提案されている（特許文献２）。
特表２０１０−５０９７７２号公報 特開２０１２−１０９４３４号公報
A. Marti´, E. Antoli´n, C.R. Stanley, C.D. Farmer, N. Lo´pez, P. Diaz, E. Ca´novas, P.G. Linares, and A. Luque, "Production of Photocurrent due to Intermediate-to-Conduction-Band Transitions: A Demonstration of a Key Operating Principle of the Intermediate-Band Solar Cell,"PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 97, 247701 (2006).
現在、量子ドット層を挿入した太陽電池では、光電変換効率が伸び悩んでいる。この要因の一つとして、量子準位（超格子ミニバンド、中間バンドを含む）を介した二段階光吸収の低効率が考えられている。特に、二段階光吸収のうち、二段階目の光吸収であるサブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率の低さが課題となっている。また、量子ドット光センサにおいても、サブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率が低いため、Ｓ
Ｎ比が悪く、期待されている高感度センサが実現されていない。
一方で、量子構造におけるサブレベル間遷移では、偏光依存性があり、量子井戸であれば、量子井戸の成長方向の偏光のみ光吸収が起きる。量子ドットの場合、量子ドットの成長方向の偏光と、量子ドットの成長方向と垂直な面内方向の偏光との両方で光吸収が起きるが、一般的な量子ドットは、成長方向のサイズが小さいため、成長方向の偏光で起きる光吸収が、面内方向の偏光で起きる光吸収よりも高エネルギー側に存在する。電流取り出しを利用する太陽電池およびセンサの場合、成長方向の偏光吸収で生成されるキャリアがエネルギー位置の高い量子準位に生成されるため、キャリアを低バイアスで取り出すことができる。しかしながら、成長方向の偏光は、デバイスに対して成長方向からの光入射では効率的に得ることができず、デバイスに対して斜めからの入射、またはデバイスへのテクスチャ構造または回折格子等の導入が必要となる。
一方で、吸収率の増大に向けた取り組みとして、量子ドット層の多積層化技術の開発が活発に進められている。しかしながら、多積層化に当たっては、格子不整合の点から臨界膜厚が小さい等の材料および結晶成長の制限があり、また、多積層化に伴い成長時間の大幅な増大に繋がるため、実用的ではない。研究段階においては、３００層の量子ドット構造が報告されている。
この発明の実施の形態によれば、光電変換を向上可能な光電変換素子を提供する。
また、この発明の実施の形態によれば、光電変換を向上可能な光電変換素子を備えた光電変換装置を提供する。
この発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、基板と、光電変換層と、集光部材と、第１の電極と、第２の電極とを備える。光電変換層は、基板上に配置され、少なくとも１つの量子層を有する。第１の電極は、光電変換層の厚み方向の一方側に配置される。第２の電極は、光電変換層の厚み方向の他方側に配置される。そして、光電変換層は、集光部材からの光を光電変換層の厚み方向に対して斜め方向から光電変換層内に導く入射端面を光電変換層の厚み方向に垂直な方向における光電変換層の一方端に有する。
この発明の実施の形態による光電変換素子においては、入射光が光電変換層の内部を複数回反射することで、実効的な吸収層の厚みが増大し、量子構造におけるサブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率が増大する。そして、量子層の成長方向の偏光を有する光を効率的に吸収することができるようになり、光電変換効率の大幅な向上が可能となる。つまり、光電変換層が量子層を有する光電変換素子において、著しい効果がある。
また、量子層の成長方向に電極が配置されているため、光生成されたキャリアは、電極まで容易に移動することができる。そして、光の伝搬方向における光電変換素子の長さを長くし、光電変換層を薄く（量子層数を少なく）することにより、キャリアの実効的な移動距離を短くすることができ、取り出し電流を増大させることができる。これによって、光電変換効率を著しく向上させることができる。
好ましくは、光電変換素子は、第１の金属層を更に備える。第１の金属層は、光電変換層の厚み方向と垂直な方向において入射端面と反対側の端面に配置される。
第１の金属層が入射端面と反対側の端面に配置されることにより、入射端面と反対側の端面における光の透過ロスが抑制される。その結果、光が光電変換層を通過する回数が増え、光の伝搬方向における光電変換素子の長さを短くすることができる。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
好ましくは、光電変換素子は、反射防止膜を更に備える。反射防止膜は、入射端面に配置される。
反射防止膜が入射端面に配置されることにより、入射端面における光の反射ロスが抑制される。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
好ましくは、光電変換素子は、反射防止膜と、第２の金属層とを更に備える。反射防止膜は、入射端面に配置される。第２の金属層は、入射端面に配置される。
反射防止膜および第２の金属層が入射端面に配置されることにより、入射端面における光の反射ロスが抑制されるとともに、入射端面における光の透過ロスが抑制される。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
好ましくは、量子層は、量子ドットを有する。
面内占有率の小さい量子ドットにおいて、より効果的にサブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率を向上させることができる。
従って、光電変換効率を向上させることができる。
好ましくは、量子層は、不純物ドーピングされている。
量子層が不純物ドーピングされることにより、サブバンド間遷移を効率的に起こすことができる。
好ましくは、量子層は、Ａｌ及びＰのうちの少なくとも一方を含む。
サブレベル間吸収（サブバンド間吸収）において吸収率が低くなる傾向にあるＡｌおよびＰのうちの少なくともいずれかを含む量子層において、より効果的に光電変換効率を向上させることができる。
また、この発明の実施の形態によれば、光電変換装置は、複数の光電変換素子を備える。複数の光電変換素子は、電気的に直列または並列に接続される。そして、複数の光電変換素子の各々は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光電変換素子からなる。
この発明の実施の形態による光電変換装置においては、集光部材における光電変換素子への集光倍率を下げることができる。
従って、集光部材を小型化および低コスト化することができる。
光電変換効率を向上させることができる。
この発明の実施の形態１による光電変換素子の構成を示す概略図である。 図１に示す光電変換素子の製造方法を示す第１の工程図である。 図１に示す光電変換素子の製造方法を示す第２の工程図である。 図１に示す光電変換素子の製造方法を示す第３の工程図である。 吸収係数とエネルギーとの関係を示す図である。 実施の形態２による光電変換素子の構成を示す概略図である。 実施の形態３による光電変換素子の構成を示す概略図である。 実施の形態４による光電変換装置の構成を示す概略図である。 実施の形態５による光電変換装置の構成を示す概略図である。 実施の形態６による光電変換素子の構成を示す概略図である。 図１０に示す光電変換素子の製造工程を示す第１の工程図である。 図１０に示す光電変換素子の製造工程を示す第２の工程図である。 実施の形態７による光電変換素子の構成を示す概略図である。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。また、説明を分かり易くするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。更に、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
ここで、本明細書中で用いられる語句について簡単に説明する。ただし、これらの語句は、この発明の実施の形態の構成における説明であり、各語句の説明によって、本発明が限定されることはない。
「量子層」とは、量子ドット層、量子ナノワイヤ層、量子井戸層などのことであり、量子効果により離散的なエネルギー準位を有する。この発明の実施の形態では、量子ドット、量子ナノワイヤ、量子井戸、キャップ層および障壁層をまとめて、「量子層」と呼ぶ。
「量子ドット」は、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。
「障壁層」は、量子層を構成し、量子ドット、量子ナノワイヤ、量子井戸を構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい母体半導体材料からなる層である。
「量子準位」とは、離散的なエネルギー準位のことである。
「サブレベル（サブバンド）間遷移」とは、伝導帯の量子準位から、遷移元のエネルギー位置よりも高い別の伝導帯の量子準位への遷移、あるいは母体材料の伝導帯（母体材料の伝導帯下端よりもエネルギー位置が高く、量子閉じ込め効果の影響を受けた準位を含む）への遷移である。
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光電変換素子の構成を示す概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による光電変換素子１０は、基板１と、バッファ層２と、ＢＳＦ（Back Surface Field）層３と、ベース層４と、光電変換層５と、エミッタ層６と、窓層７と、コンタクト層８と、ｐ型電極９と、ｎ型電極１１と、集光部材１２とを備える。
バッファ層２は、基板１の一方の面に接して基板１上に配置される。
ＢＳＦ層３は、バッファ層２に接してバッファ層２上に配置される。
ベース層４は、ＢＳＦ層３に接してＢＳＦ層３上に配置される。
光電変換層５は、ベース層４に接してベース層４上に配置される。
エミッタ層６は、光電変換層５に接して光電変換層５上に配置される。
窓層７は、エミッタ層６に接してエミッタ層６上に配置される。
コンタクト層８は、窓層７に接して窓層７上に配置される。
ｐ型電極９は、コンタクト層８に接してコンタクト層８上に配置される。
ｎ型電極１１は、基板１の他方の面に接して基板１上に配置される。
集光部材１２は、基板１と、バッファ層２と、ＢＳＦ層３と、ベース層４と、光電変換層５と、エミッタ層６と、窓層７と、コンタクト層８とを含む光電変換部材ＰＥＣの近傍に配置される。
光電変換層５は、複数の量子ドット層５１を含み、複数の量子ドット層５１を基板１の法線方向に積層した構造からなる。複数の量子ドット層５１の各々は、量子ドット５１１と、障壁層５１２とを含む。そして、量子ドット５１１は、障壁層５１２によって囲まれている。
基板１は、例えば、ｎ型不純物を含む半導体からなる。より具体的には、基板１は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる。
バッファ層２は、例えば、ｎ＋−ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層２は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚みを有する。
ＢＳＦ層３は、例えば、ｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。そして、ＢＳＦ層３は、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有する。
ベース層４は、ｎ型不純物を含む半導体からなる。より具体的には、ベース層４は、ｎ−ＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ、ｎ−ＩｎＧａＰ、ｎ−ＧａＡｓＰ、ｎ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＡｌＡｓＳｂ、ｎ−ＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓおよびｎ−ＺｎＴｅ等からなる。
そして、ベース層４は、障壁層５１と同じ半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよく、障壁層５１と異なる半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよい。ベース層４におけるｎ型不純物の濃度は、特に限定されず、ベース層を構成する半導体材料に応じて、適宜、設定されることが好ましい。
ベース層４は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などにより形成された薄膜であることが好ましい。
ベース層４は、例えば、２０ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する。
光電変換層５は、不純物がドーピングされている。不純物をドーピングすることによって、サブバンド間遷移を効果的に起こすことができる。
光電変換層５の量子層（量子ドット層５１）は、量子井戸と言った挿入層が、量子ドット、キャップ層および障壁層５１２とともに構成されていてもよい。
量子層（量子ドット層５１）の材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。
量子ドット５１１は、障壁層５１２よりもバンドギャップが小さい半導体材料からなることが好ましい。量子ドット５１１および障壁層５１２の各々は、例えば、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、およびＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓのいずれかであることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。但し、上記材料におけるｘ，ｙ，ｚは、それぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１の関係を有する。
また、量子ドット５１１および障壁層５１２の各々は、周期律表の第ＩＶ族半導体、第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。
更に、量子ドット５１１および障壁層５１２の各々は、カルコパイライト系材料であっても良く、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。
量子ドット５１１／障壁層５１２の材料の組み合わせとしては、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＡｌｘＧａ１−ｘＳｂ、ＩｎＰ／ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ／ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、およびＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ／ＡｌＳｂ等が挙げられる。但し、上記の全ての材料において、ｘ，ｙ，ｚは、それぞれ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１の関係を有する。
そして、量子ドット５１１と障壁層５１２とを含む量子ドット層５１（量子層）は、好ましくは、ＡｌおよびＰのうちの少なくとも一方を含む。量子層（量子ドット層５１）がＡｌおよびＰのうちの少なくとも一方を含んでいれば、より効果的に光電変換効率を向上させることができるからである。
光電変換層５は、ｉ型半導体層であっても良く、受光により起電力が生じるのであれば、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体であっても良い。
エミッタ層６は、ｐ型不純物を含む半導体層からなる。より具体的には、エミッタ層６は、ｐ−ＧａＡｓ、ｐ−ＡｌＧａＡｓ、ｐ−ＩｎＧａＰ、ｐ−ＧａＡｓＰ、ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＡｌＡｓＳｂ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ、およびｐ−ＺｎＴｅ等からなる。
エミッタ層６は、障壁層５１２と同じ半導体材料にｐ型不純物を添加したものであっても良く、障壁層５１２と異なる半導体材料にｐ型不純物を添加したものであっても良い。エミッタ層６におけるｐ型不純物の濃度は、特に限定されず、エミッタ層６を構成する半導体材料に応じて、適宜、設定されることが好ましい。
エミッタ層６は、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であっても良い。
エミッタ層６は、例えば、２０ｎｍ〜３０００ｎｍの厚みを有する。
エミッタ層６は、ベース層４および光電変換層５とともに、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合（ｐｎ−ｎ接合、ｐｐ−ｎ接合、ｐ＋ｎｎ接合、ｐｎｎ＋接合）を構成する。このｐｉｎ接合またはｐｎ接合の構成で受光することにより、起電力が生じる。即ち、ベース層４、光電変換層５およびエミッタ層６によって、入射光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
窓層７は、ｐ型不純物を含む半導体層からなる。より具体的には、窓層７は、例えば、ｐ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる。そして、窓層７は、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有する。
コンタクト層８は、ｐ型不純物を含む半導体層からなる。より具体的には、コンタクト層８は、例えば、ｐ＋−ＧａＡｓからなる。そして、コンタクト層８は、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有する。
ｐ型電極９は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕのような組み合わせの材料を用いることができる。そして、ｐ型電極９は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚みを有する。
ｎ型電極１１は、例えば、Ａｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのような組み合わせの材料を用いることができる。そして、ｎ型電極１１は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚みを有する。
集光部材１２は、太陽光を集光し、その集光した太陽光を光電変換部材ＰＥＣの端面１３から光電変換部材ＰＥＣの光電変換層５に入射させる。
量子ドット５１１の成長方向をＤＲ１とすると、端面１３は、方向ＤＲ１と、例えば、４５度の角度を成す。また、集光部材１２は、集光した太陽光を端面１３に垂直な方向から光電変換層５に入射させる。その結果、太陽光は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜めから光電変換層５に入射する。従って、光電変換層５は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜めから太陽光を光電変換層５内に導く入射端面（端面１３）を有する。この入射端面は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に垂直な光電変換部材ＰＥＣの面内方向ＤＲ２において光電変換層５の一方端に配置される。
なお、太陽光が光電変換層５に入射するときの角度は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して角度を有していれば良く、成長方向ＤＲ１に対する角度が大きい程、成長方向ＤＲ１の偏光成分を有するので、好ましい。従って、太陽光が光電変換層５に入射するときの角度θは、成長方向ＤＲ１に対して、０度＜θ＜９０度の範囲を有し、９０度よりも小さい範囲においてできる限り大きいことが好ましい。
光電変換部材ＰＥＣ内に入射した光は、ｐ型電極９およびｎ型電極１１によって複数回反射されて光電変換部材ＰＥＣ内を光電変換部材ＰＥＣの面内方向ＤＲ２に進行する。
その結果、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１の偏光と、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に垂直な面内方向ＤＲ２の偏光とで、光吸収が起き、光電流が増加する。従って、光電変換素子１０における光電変換を向上できる。
図２から図４は、それぞれ、図１に示す光電変換素子１０の製造方法を示す第１から第３の工程図である。
図２を参照して、光電変換素子１０の製造が開始されると、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１を準備し（図２の工程（ａ）参照）、その準備した基板１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置内に支持する。
そして、ＭＢＥ法を用いてバッファ層２を基板１上に形成する（図２の工程（ｂ）参照）。バッファ層２は、例えば、ｎ＋−ＧａＡｓからなり、バッファ層２の厚みは、例えば、３００ｎｍである。バッファ層２を形成することによって、バッファ層２上に形成される光電変換層５の結晶性を向上させることができる。その結果、光電変換層５の受光効率が確保された太陽電池を提供することができる。
図２の工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法を用いてＢＳＦ層３をバッファ層２上に形成する（図２の工程（ｃ）参照）。ＢＳＦ層３は、例えば、ｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなり、ＢＳＦ層３の厚みは、例えば、５０ｎｍである。
次に、ＭＢＥ法を用いてベース層４をＢＳＦ層３上に形成する（図２の工程（ｄ）参照）。ベース層４は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなり、ベース層４の厚みは、例えば、２０００ｎｍである。
引き続いて、量子ドット５１１と障壁層５１２とを含む量子ドット層５１を複数層積層し、光電変換層５をベース層４上に形成する（図２の工程（ｅ）参照）。光電変換層５は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法により形成される。より具体的には、例えば、障壁層５１２としてＧａＡｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構により、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなる量子ドット５１１を形成する。その後、量子ドット５１１上に障壁層５１２としてのＧａＡｓ層の結晶成長を行う。これにより、量子ドット層５１が形成される。そして、量子ドット層５１の結晶成長を繰り返し行い、複数の量子ドット層５１を積層する。これによって、光電変換層５が形成される。
図３を参照して、図２の工程（ｅ）の後、ＭＢＥ法を用いてエミッタ層６を光電変換層５上に形成する（図３の工程（ｆ）参照）。エミッタ層６は、例えば、ｐ−ＧａＡｓからなり、エミッタ層６の厚みは、例えば、２５０ｎｍである。
エミッタ層６の形成によって、ｐｉｎ構造が形成される。
図３の工程（ｆ）の後、ＭＢＥ法を用いて窓層７をエミッタ層６上に形成する（図３の工程（ｇ）参照）。窓層７は、例えば、ｐ−ＧａＡｓからなり、窓層７の厚みは、例えば、５０ｎｍである。
その後、ＭＢＥ法を用いてコンタクト層８を窓層７上に形成する（図３の工程（ｈ）参照）。コンタクト層８は、例えば、ｐ＋−ＧａＡｓからなり、コンタクト層８の厚みは、例えば、５０ｎｍである。
図４を参照して、図３の工程（ｈ）の後、積層体をＭＢＥ装置から取り出し、ｐ型電極９をコンタクト層８上に形成し、基板１の他方の面上にｎ型電極１１を形成する（図４の工程（ｉ）参照）。ｐ型電極９およびｎ型電極１１としては、Ａｕを用いることが好ましく、ｐ型電極９およびｎ型電極１１は、例えば、抵抗加熱による蒸着法によって形成される。
図４の工程（ｉ）の後、例えば、基板１の法線方向に対して４５度となるように光電変換部材ＰＥＣの端面を研磨する（図４の工程（ｊ）参照）。そして、集光部材１２を光電変換部材ＰＥＣの近傍に支持する（図４の工程（ｋ）参照）。これによって、光電変換素子１０が完成する。
上述した製造工程において、ｎ型ドーパントとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ｐ型ドーパントとしては、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）を用いることができる。
［吸収実験］
この発明の実施の形態における基礎物性の検討として、以下の吸収実験を行った。
ＭＢＥ装置を用いて、ＧａＡｓからなる基板上に２０層の量子ドット層５１を作製した。量子ドットとして、ＩｎＡｓを用い、キャップ層および障壁層として、ＧａＡｓを用いた。
サブレベル間吸収を測定するために、量子ドットにＳｉを直接ドーピングした。ドーピング密度は、量子ドットの面内密度の２倍とした。室温吸収測定では、グローバーランプからの光を４５度に研磨した基板端面に入射し、内部で多重反射された透過光をＨｇＣｄＴｅからなる検出器により検出した。
その結果、透過スペクトルにおいて、約０．２ｅＶにサブレベル間吸収のピークが確認され、吸収率は、約１０％であった。この吸収ピークは、量子ドット５１１の成長方向のみで観測された。そして、光電変換素子の長さから概算された光路長は、光電変換素子の厚みの約１７倍であった。
従って、光電変換素子に垂直に光入射した場合（量子ドット５１１の成長方向から光入射した場合）、吸収率は、０．６％であることが分かった。
よって、吸収率８０％を得る場合、通常入射（量子ドット５１１の成長方向からの光入射）で必要となる量子ドット層５１の積層数は、数千層である。
一方、本実験構造であれば、量子ドット層５１の積層数を数百層にすれば、吸収率８０％を得ることができる。光電変換素子の長さ（量子ドット層５１の面内方向の長さ）を更に長くすれば、量子ドット層５１の積層数を更に低減することが可能となり、技術的に光電変換素子１０を容易に作製でき、作製時間の短縮（低コスト化）にも繋がる。
また、実験では、基板端面を４５度に研磨したが、別の角度であっても良く、一般的には、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さい範囲の角度であれば良い。更に、光入射端面と反対側の端面に、光電変換素子１０の内部へ光を反射する機構（ミラー）を設けることによって、光が光電変換層５を通過する回数を増大させることができ、光電変換素子１０の長さを短くすることができる。
上述した光電変換層を太陽電池（通常の垂直入射）に応用した場合、０．６５ｅＶ以下の太陽光を上記の吸収率で吸収すると仮定すると、光電流は、ＡＭ０の場合、０．２ｍＡ／ｃｍ２となり、ＡＭ１．５Ｇの場合、０．１ｍＡ／ｃｍ２となる。
一方、この発明の実施の形態の場合、上記の吸収率で計算すると、光電流は、ＡＭ０の場合、３．９ｍＡ／ｃｍ２となり、ＡＭ１．５Ｇの場合、１．７ｍＡ／ｃｍ２となる。従って、光電変換効率を大幅に向上できる。ここで、ＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトルは、０．３１ｅＶ以上のデータを用いた。
また、この発明の実施の形態は、光電変換層が量子層を有さず、バルク材料で構成される光電変換素子においては、殆ど、効果を発揮しない。これは、バルク材料の場合、吸収係数が大きく（例えば、１×１０４〜１×１０５ｃｍ−１）、通常の垂直入射でも、十分に光吸収できるためである。バルク材料で構成される光電変換素子を、この発明の実施の形態で用いた場合、入射端面近くでのみキャリアが生成されることになる。
［評価実験］
この発明の実施の形態における受光素子について、シミュレーションを行った。
歪みとピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、量子構造の光吸収スペクトルをシミュレーションした。光吸収係数αは、以下の式（１）を解くことで見積もることができる。
Figure 2018006363
式（１）において、｜Ｍ｜は、遷移行列要素であり、ａおよびｂは、サブバンド番号であり、ｎｒは、屈折率であり、ｃ０は、光速であり、ε０は、真空誘電率であり、ｍ０は、電子の質量であり、ＬｘおよびＬｙは、それぞれ、面内方向（例えば、ｘ方向（（１００）方向）およびｙ方向（０１０）方向）のユニットセルのサイズであり、Ｋｚは、超格子波数であり、ｆｉ（ｉ＝ａ，ｂ）は、分布関数であり、Ｇは、サイズばらつき及び組成ばらつきによるガウシアンブロードニングであり、ωは、光周波数である。
光吸収については、量子ドット５１１の成長方向であるｚ偏波（００１）を計算した。サブレベル間光吸収（サブバンド間光吸収）の計算としては、伝導帯基底準位（または超格子ミニバンド）には、キャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第一励起準位以上には、キャリアが存在していない（空）（式（１）における（ｆａ−ｆｂ）＝１）と仮定した。
量子層では、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ）を用い、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、量子ドット材料をＩｎＡｓとしたが、ＩｎＧａＡｓ等の混晶材料であっても良く、ＩｎＡｓと異なる半導体材料であっても良い。
量子層では、量子ドットの形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズを２０ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を２ｎｍとした。また、量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした。
図５は、吸収係数とエネルギーとの関係を示す図である。図５において、縦軸は、吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。また、実線は、障壁層にＩｎＧａＰを用いた場合の吸収係数とエネルギーとの関係を示し、点線は、障壁層にＧａＡｓを用いた場合の吸収係数とエネルギーとの関係を示す。
図５を参照して、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を用いた量子層の光吸収スペクトルは、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた量子層に比べて、吸収係数のピーク値が小さいことが分かる。従って、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を用いた量子層が、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた量子層と同等の吸収率を得るためには、より多くの積層数を有する必要がある。つまり、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１の偏光による光吸収を増大させることができ、この発明の実施の形態による効果がより発揮されることが分かる。
また、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を用いた場合、吸収領域が０．３５〜０．４２ｅＶのエネルギー範囲に存在し、このエネルギー範囲における吸収係数は、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた場合よりも大きい。そして、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を用いた場合の吸収領域（０．３５〜０．４２ｅＶ）は、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた場合の吸収領域よりも高エネルギー側にシフトしている。従って、太陽光スペクトルとの整合の面では、障壁層を構成する母体半導体材料にインジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）を用いることによって、光電流を増大させることができる。
上述したように、量子ドット５１１の成長方向に対して斜め方向から光を光電変換層５へ入射させることにより、光電変換層５による光吸収を増加させ、光電変換素子１０の光電変換を向上させることができる。
なお、上記においては、入射端面１３と反対側の端面が量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と成す角度は、入射端面１３が量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と成す角度と同じであると説明したが、実施の形態１においては、これに限らず、入射端面１３と反対側の端面が量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と成す角度は、入射端面１３が量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と成す角度と異なっていても良い。また、入射端面１３と反対側の端面は、研磨されていなくても良い。
また、上記においては、光電変換層５は、６個の量子層（量子ドット層５１）を有すると説明したが、実施の形態１においては、これに限らず、光電変換層５は、少なくとも１つの量子層（量子ドット層５１）を有していれば良い。光電変換層５が少なくとも１つの量子層（量子ドット層５１）を有していれば、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１の偏光を有する光を効率的に吸収でき、光電変換効率を向上させることができるからである。
［実施の形態２］
図６は、実施の形態２による光電変換素子の構成を示す概略図である。図６を参照して、実施の形態２による光電変換素子１０Ａは、図１に示す光電変換素子１０に反射防止膜１４および金属層１５を追加したものであり、その他は、光電変換素子１０と同じである。
反射防止膜１４は、光電変換部材ＰＥＣの入射端面に配置される。反射防止膜１４は、例えば、ＭｇＦ２およびＺｎＳからなり、例えば、ＭｇＦ２は、１００ｎｍの厚みを有し、ＺｎＳは、５０ｎｍの厚みを有する。
金属層１５は、面内方向ＤＲ２において、光電変換部材ＰＥＣの入射端面と反対側の端面に配置される。金属層１５は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、ＡｕおよびＣｒ、またはＡｕおよびＡｕＧｅＮｅからなり、例えば、１５０ｎｍの厚みを有する。
光電変換素子１０Ａは、図２から図４に示す工程（ａ）〜工程（ｋ）の工程（ｊ）と工程（ｋ）との間に、反射防止膜１４を光電変換部材ＰＥＣの入射端面に形成する工程と、金属層１５を入射端面と反対側の他面に形成する工程とを追加した製造工程に従って製造される。
光電変換素子１０Ａにおいては、集光部材１２からの光が光電変換部材ＰＥＣに入射するときの反射ロスを抑制するとともに、入射端面と反対側の端面における透過ロスを抑制することができる。その結果、光電変換層５における光の吸収量が増加し、光電変換素子１０Ａにおける光電変換効率を光電変換素子１０よりも向上させることができる。
なお、光電変換素子１０Ａにおいては、図６の紙面に垂直な方向における両方の端面に金属層を設けてもよい。これによって、入射端面以外の端面における光の透過ロスを更に抑制し、光電変換素子１０Ａにおける光電変換効率を更に向上できる。
実施の形態２におけるその他の説明は、実施の形態１における説明と同じである。
［実施の形態３］
図７は、実施の形態３による光電変換素子の構成を示す概略図である。図７を参照して、実施の形態３による光電変換素子１０Ｂは、図６に示す光電変換素子１０Ａの反射防止膜１４を反射防止膜１６および金属層１７に代えたものであり、その他は、光電変換素子１０Ａと同じである。
反射防止膜１６は、光電変換部材ＰＥＣの入射端面に配置される。反射防止膜１６は、反射防止膜１４と同じ材料からなり、反射防止膜１４と同じ厚みを有する。
金属層１７は、光電変換部材ＰＥＣの入射端面に反射防止膜１６に隣接して配置される。金属層１７は、金属層１５と同じ材料からなり、金属層１５と同じ厚みを有する。
光電変換素子１０Ｂは、図２から図４に示す工程（ａ）〜工程（ｋ）の工程（ｊ）と工程（ｋ）との間に、反射防止膜１６および金属層１７を光電変換部材ＰＥＣの入射端面に形成する工程と、金属層１５を入射端面と反対側の他面に形成する工程とを追加した製造工程に従って製造される。
光電変換素子１０Ｂにおいては、集光部材１２からの光が光電変換部材ＰＥＣに入射するときの反射ロスを抑制するとともに、入射端面と反対側の端面における透過ロスを抑制し、更に、入射端面における透過ロスを抑制することができる。その結果、光電変換層５における光の吸収量が増加し、光電変換素子１０Ｂにおける光電変換効率を光電変換素子１０，１０Ａよりも向上させることができる。
なお、光電変換素子１０Ｂにおいては、図７の紙面に垂直な方向における両方の端面に金属層を設けてもよい。これによって、入射端面以外の端面における光の透過ロスを更に抑制し、光電変換素子１０Ｂにおける光電変換効率を更に向上できる。
実施の形態３におけるその他の説明は、実施の形態１，２における説明と同じである。
［実施の形態４］
図８は、実施の形態４による光電変換装置の構成を示す概略図である。図８を参照して、実施の形態４による光電変換装置１００は、光電変換素子１０１〜１０３と、集光部材１０４と、配線１０５，１０６とを備える。
光電変換素子１０１〜１０３の各々は、光電変換部材ＰＥＣの両面にそれぞれｐ型電極９およびｎ型電極１１を配置した構成からなる。すなわち、光電変換素子１０１〜１０３の各々は、光電変換素子１０から集光部材１２を除いた構成と同じ構成からなる。
光電変換素子１０２は、ｎ型電極１１が光電変換素子１０１のｐ型電極９に接するように配置される。光電変換素子１０３は、ｎ型電極１１が光電変換素子１０２のｐ型電極９に接するように配置される。
集光部材１０４は、光電変換素子１０１〜１０３の近傍に配置される。そして、集光部材１０４は、太陽光を集光し、その集光した太陽光を光電変換素子１０１〜１０３の入射端面に照射する。
配線１０５は、光電変換素子１０１のｎ型電極１１に接続される。配線１０６は、光電変換素子１０３のｐ型電極９に接続される。
これによって、光電変換装置１００は、３つの光電変換素子１０１〜１０３が電気的に直列に接続された構成からなる。
光電変換装置１００は、図２から図４の工程（ａ）〜工程（ｊ）に従って３つの光電変換素子１０１〜１０３を作製し、その後、３つの光電変換素子１０１〜１０３が電気的に直列に接続されるように３つの光電変換素子１０１〜１０３を配置し、集光部材１０４を３つの光電変換素子１０１〜１０３の近傍に配置することによって作製される。
光電変換装置１００においては、集光部材１０４は、３つの光電変換素子１０１〜１０３の３つの入射端面の全体に光が照射されるように太陽光を集光する。従って、光電変換素子１０に比べて、集光部材における集光倍率を下げることができる。その結果、集光部材の小型化および低コスト化を実現できる。
なお、光電変換装置１００においては、光電変換素子１０１〜１０３の各々は、光電変換素子１０Ａまたは光電変換素子１０Ｂから集光部材１２を除いた構成から成っていてもよい。これによって、光電変換素子１０１〜１０３の各々における光電変換効率を向上でき、光電変換装置１００の光電変換効率を向上できる。
また、光電変換装置１００は、４個以上の光電変換素子を電気的に直列に接続した構成からなっていても良く、一般的には、複数の光電変換素子を電気的に直列に接続した構成からなっていれば良い。
実施の形態４におけるその他の説明は、実施の形態１から実施の形態３における説明と同じである。
［実施の形態５］
図９は、実施の形態５による光電変換装置の構成を示す概略図である。図９を参照して、実施の形態５による光電変換装置１００Ａは、光電変換素子１１１〜１１５と、絶縁部材１１６〜１１９と、集光部材１２０と、配線１２１〜１３０とを備える。
光電変換素子１１１〜１１５の各々は、ｐ型電極９およびｎ型電極１１をそれぞれ光電変換部材ＰＥＣの両面に配置した構成からなる。すなわち、光電変換素子１１１〜１１５の各々は、光電変換素子１０から集光部材１２を除いた構成からなる。
光電変換素子１１１は、ｐ型電極９が絶縁部材１１６の一方面に接するように配置される。光電変換素子１１２は、ｎ型電極１１が絶縁部材１１６の他方面に接し、ｐ型電極９が絶縁部材１１７の一方面に接するように配置される。
光電変換素子１１３は、ｎ型電極１１が絶縁部材１１７の他方面に接し、ｐ型電極９が絶縁部材１１８の一方面に接するように配置される。
光電変換素子１１４は、ｎ型電極１１が絶縁部材１１８の他方面に接し、ｐ型電極９が絶縁部材１１９の一方面に接するように配置される。
光電変換素子１１５は、ｎ型電極１１が絶縁部材１１９の他方面に接するように配置される。
絶縁部材１１６は、光電変換素子１１１のｐ型電極９と光電変換素子１１２のｎ型電極１１とに接して光電変換素子１１１のｐ型電極９と光電変換素子１１２のｎ型電極１１との間に配置される。
絶縁部材１１７は、光電変換素子１１２のｐ型電極９と光電変換素子１１３のｎ型電極１１とに接して光電変換素子１１２のｐ型電極９と光電変換素子１１３のｎ型電極１１との間に配置される。
絶縁部材１１８は、光電変換素子１１３のｐ型電極９と光電変換素子１１４のｎ型電極１１とに接して光電変換素子１１３のｐ型電極９と光電変換素子１１４のｎ型電極１１との間に配置される。
絶縁部材１１９は、光電変換素子１１４のｐ型電極９と光電変換素子１１５のｎ型電極１１とに接して光電変換素子１１４のｐ型電極９と光電変換素子１１５のｎ型電極１１との間に配置される。
集光部材１２０は、光電変換素子１１１〜１１５の近傍に配置される。そして、集光部材１２０は、太陽光を集光し、その集光した太陽光を光電変換素子１１１〜１１５の入射端面に照射する。
配線１２１，１２２は、それぞれ、光電変換素子１１１のｎ型電極１１およびｐ型電極９に接続される。
配線１２３，１２４は、それぞれ、光電変換素子１１２のｎ型電極１１およびｐ型電極９に接続される。
配線１２５，１２６は、それぞれ、光電変換素子１１３のｎ型電極１１およびｐ型電極９に接続される。
配線１２７，１２８は、それぞれ、光電変換素子１１４のｎ型電極１１およびｐ型電極９に接続される。
配線１２９，１３０は、それぞれ、光電変換素子１１５のｎ型電極１１およびｐ型電極９に接続される。
絶縁部材１１６〜１１９の各々は、例えば、ポリイミドフィルムからなり、例えば、５〜５００μｍの厚みを有する。また、絶縁部材１１６〜１１９は、各光電変換素子間に接していればよく、面の一部だけに接していてもよい。
このように、光電変換装置１００Ａは、光電変換素子１１１〜１１５を電気的に並列に接続した構成からなる。
光電変換装置１００Ａは、図２から図４の工程（ａ）〜工程（ｊ）に従って５つの光電変換素子１１１〜１１５を作製し、その後、５つの光電変換素子１１１〜１１５が電気的に並列に接続されるように５つの光電変換素子１１１〜１１５および絶縁部材１１６〜１１９を配置し、集光部材１２０を５つの光電変換素子１１１〜１１５の近傍に配置することによって作製される。
光電変換装置１００Ａにおいては、集光部材１２０は、５つの光電変換素子１１１〜１１５の５つの入射端面の全体に光が照射されるように太陽光を集光する。従って、光電変換素子１０に比べて、集光部材における集光倍率を下げることができる。その結果、集光部材の小型化および低コスト化を実現できる。
また、光電変換装置１００Ａにおいては、光電変換素子１１１〜１１５は、電気的に並列に接続されるので、取り出される電流が最も低い光電流によって律速されることはなく、光電変換素子１１１〜１１５の各々で発生した光電流を取り出すことができる。
なお、光電変換装置１００Ａにおいては、光電変換素子１１１〜１１５の各々は、光電変換素子１０Ａまたは光電変換素子１０Ｂから集光部材１２を除いた構成から成っていてもよい。これによって、光電変換素子１１１〜１１５の各々における光電変換効率を向上でき、光電変換装置１００Ａの光電変換効率を向上できる。
また、光電変換装置１００Ａは、６個以上の光電変換素子を電気的に並列に接続した構成からなっていても良く、一般的には、複数の光電変換素子を電気的に並列に接続した構成からなっていれば良い。
実施の形態５におけるその他の説明は、実施の形態１から実施の形態３における説明と同じである。
［実施の形態６］
図１０は、実施の形態６による光電変換素子の構成を示す概略図である。図１０を参照して、実施の形態６による光電変換素子１０Ｃは、図１に示す光電変換素子１０の基板１をフレキシブル基板１Ａに代え、フレキシブル基板１Ａの一方面上にｐ型電極９、コンタクト層８、窓層７、エミッタ層６、光電変換層５、ベース層４、ＢＳＦ層３、バッファ層２およびｎ型電極１１を順次配置したものである。
なお、図１０に示す光電変換部材ＰＥＣは、フレキシブル基板１Ａ、ｐ型電極９、コンタクト層８、窓層７、エミッタ層６、光電変換層５、ベース層４、ＢＳＦ層３およびバッファ層２、ｎ型電極１１を含む。
フレキシブル基板１Ａは、例えば、ポリイミドフィルムからなり、例えば、５〜５００μｍの厚みを有する。
図１１および図１２は、それぞれ、図１０に示す光電変換素子１０Ｃの製造工程を示す第１および第２の工程図である。
図１１を参照して、光電変換素子１０Ｃの製造が開始されると、図２および図３に示す工程（ａ）〜工程（ｈ）を順次実行する（図１１の工程（ａ）参照）。
その後、抵抗加熱の蒸着法によってｐ型電極９をコンタクト層８上に形成する（図１１の工程（ｂ参照）。
そして、抵抗加熱の蒸着法によってｐ型電極９をフレキシブル基板１Ａの一方面上に形成する（図１１の工程（ｃ）参照）。
引き続いて、コンタクト層８上に形成されたｐ型電極９とフレキシブル基板１Ａ上に形成されたｐ型電極９とをウェハ接続する（図１１の工程（ｄ）参照）。
図１２を参照して、図１１に示す工程（ｄ）の後、基板１を選択エッチングする（図１２の工程（ｅ）参照）。
その後、抵抗加熱の蒸着法によってｎ型電極１１をバッファ層２上に形成する（図１２の工程（ｆ）参照）。
これによって、光電変換素子１０Ｃが完成する。
このように、フレキシブル基板１Ａを用いて光電変換素子を作製することにより、柔軟性の高い光電変換素子を得ることができる。また、このような構造にすることによって、エピタキシャル成長用の基板１を再利用することができ、低コスト化に繋がる。
なお、転写する基板は、フレキシブル基板に限らず、金属箔等であってもよく、一般的には、導電性の基板であればよい。
実施の形態６による光電変換素子は、光電変換素子１０から光電変換素子１０Ａまたは光電変換素子１０Ｂへの変更と同じ変更を施した光電変換素子であってもよい。これにより、結晶基板と異なるフレキシブル基板１Ａ等を用いた光電変換素子における光電変換効率を更に向上できる。
実施の形態６におけるその他の説明は、実施の形態１から実施の形態３における説明と同じである。
［実施の形態７］
図１３は、実施の形態７による光電変換素子の構成を示す概略図である。図１３を参照して、実施の形態７による光電変換素子１０Ｄは、図１に示す光電変換素子１０の光電変換部材ＰＥＣを光電変換部材ＰＥＣ−Ａに代えたものであり、その他は、光電変換素子１０と同じである。
光電変換部材ＰＥＣ−Ａは、光電変換部材ＰＥＣの入射端面１３を入射端面１３Ａに代えたものであり、その他は、光電変換部材ＰＥＣと同じである。
入射端面１３Ａは、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と同じ方向を有する端面である。
面内方向ＤＲ２において、入射端面１３Ａと反対側の端面も、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と同じ方向を有する端面である。
このように、光電変換素子１０Ｄにおいては、面内方向ＤＲ２における光電変換部材ＰＥＣ−Ａの両側の端面は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１と所定の角度を有するように研磨されていない。
なお、光電変換素子１０Ｄにおいては、集光部材１２は、集光した太陽光が量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜め方向（成長方向ＤＲ１に対して、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さい角度を有する方向）から光電変換部材ＰＥＣ−Ａ内に入射されるように配置される。
光電変換素子１０Ｄは、図２から図４に示す工程（ａ）〜工程（ｋ）から工程（ｊ）を削除した工程図に従って製造される。
光電変換素子１０Ｄにおいては、集光された太陽光は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜め方向から光電変換部材ＰＥＣ−Ａ内に入射されるので、光電変換素子１０と同じように、光電変換効率を向上できる。
実施の形態７による光電変換素子は、光電変換素子１０Ｄに対して、光電変換素子１０から光電変換素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかへの変更と同じ変更が施された光電変換素子であってもよい。これによって、光電変換素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同じ効果を享受できる。
また、光電変換素子１０Ｄを用いて光電変換装置１００，１００Ａが作製されてもよい。
実施の形態７におけるその他の説明は、実施の形態１から実施の形態６における説明と同じである。
［実施の形態８］
赤外線のフォトンエネルギーによってキャリアを励起することにより、赤外線を検出する量子型赤外線センサが知られている。
実施の形態８においては、この量子型赤外線センサに、実施の形態１〜３，６，７による光電変換素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを用いることができる。
上述した実施の形態１〜３，６，７では、ｐｉｎ構造であるが、ｎｉｎ構造であってもよい。その場合、複数の量子層を有する光電変換層５の上下をｎ型コンタクト層で挟み込んだｎｉｎ構造とし、微細加工によりメサ構造に加工する。そして、光電変換素子に上下電極を作製し、バイアス電圧を印加することで光検出の動作を行うことができる。
量子型赤外線センサでは、高感度を有する赤外線センサとするために、赤外線の吸収率を向上させ、キャリア取り出しを高効率化することが望ましい。
上述したように、実施の形態１〜３，６，７の光電変換素子は、赤外線の吸収率を向上し、生成されたキャリアを高効率で取り出すことができる。このような構成にすることにより、高感度化を実現することができる。
上述した実施の形態１〜７では、光電変換素子を太陽電池に適用した例について説明したが、太陽電池以外に、フォトダイオード、半導体に蓄積されたキャリアの誘導放出によって光信号を増幅する半導体光増幅器、赤外線のフォトンエネルギーによってキャリアを励起することにより、赤外線を検出する量子ドット赤外線センサ等に適用することができる。
上述した実施の形態１〜８では、ベース層４をｎ型半導体層とし、エミッタ層６をｐ型半導体層として説明したが、ベース層４をｐ型半導体層とし、エミッタ層６をｎ型半導体層としてもよい。
上述した実施の形態１〜３，６においては、面内方向ＤＲ２における光電変換部材ＰＥＣの端面を、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して所定の角度を成すように研磨した光電変換素子１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃについて説明した。また、上述した実施の形態７においては、面内方向ＤＲ２における光電変換部材ＰＥＣ−Ａの端面を研磨せずに、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜め方向から太陽光を光電変換部材ＰＥＣ−Ａ内に入射させる光電変換素子１０Ｄについて説明した。
従って、この発明の実施の形態による光電変換素子は、量子ドット５１１の成長方向ＤＲ１に対して斜め方向から太陽光が光電変換層５内に入射する構成を有していれば良い。
上述した実施の形態１から実施の形態８によれば、この発明の実施の形態による光電変換素子および光電変換装置は、次の構成を有する。
（構成１）
光電変換素子は、基板と、光電変換層と、集光部材と、第１の電極と、第２の電極とを備える。光電変換層は、基板上に配置され、少なくとも１つの量子層を有する。第１の電極は、光電変換層の厚み方向の一方側に配置される。第２の電極は、光電変換層の厚み方向の他方側に配置される。そして、光電変換層は、集光部材からの光を光電変換層の厚み方向に対して斜め方向から光電変換層内に導く入射端面を光電変換層の厚み方向に垂直な方向における光電変換層の一方端に有する。
この発明の実施の形態による光電変換素子においては、入射光が光電変換層の内部を複数回反射することで、実効的な吸収層の厚みが増大し、量子構造におけるサブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率が増大する。そして、量子層の成長方向の偏光を有する光を効率的に吸収することができるようになり、光電変換効率の大幅な向上が可能となる。つまり、光電変換層が量子層を有する光電変換素子において、著しい効果がある。
また、量子層の成長方向に電極が配置されているため、光生成されたキャリアは、電極まで容易に移動することができる。そして、光の伝搬方向における光電変換素子の長さを長くし、光電変換層を薄く（量子層数を少なく）することにより、キャリアの実効的な移動距離を短くすることができ、取り出し電流を増大させることができる。これによって、光電変換効率を著しく向上させることができる。
（構成２）
構成１において、光電変換素子は、第１の金属層を更に備える。第１の金属層は、光電変換層の厚み方向と垂直な方向において入射端面と反対側の端面に配置される。
第１の金属層が入射端面と反対側の端面に配置されることにより、入射端面と反対側の端面における光の透過ロスが抑制される。その結果、光が光電変換層を通過する回数が増え、光の伝搬方向における光電変換素子の長さを短くすることができる。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
（構成３）
構成１または構成２において、光電変換素子は、反射防止膜を更に備える。反射防止膜は、入射端面に配置される。
反射防止膜が入射端面に配置されることにより、入射端面における光の反射ロスが抑制される。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
（構成４）
構成１または構成２において、光電変換素子は、反射防止膜と、第２の金属層とを更に備える。反射防止膜は、入射端面に配置される。第２の金属層は、入射端面に配置される。
反射防止膜および第２の金属層が入射端面に配置されることにより、入射端面における光の反射ロスが抑制されるとともに、入射端面における光の透過ロスが抑制される。
従って、光電変換効率を更に向上できるとともに、光電変換素子を小型化および低コスト化することができる。
（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、量子層は、量子ドットを有する。
面内占有率の小さい量子ドットにおいて、より効果的にサブレベル間遷移（サブバンド間遷移）の吸収率を向上させることができる。
従って、光電変換効率を向上させることができる。
（構成６）
構成１から構成５のいずれかにおいて、量子層は、不純物ドーピングされている。
量子層が不純物ドーピングされることにより、サブバンド間遷移を効率的に起こすことができる。
（構成７）
構成１から構成６のいずれかにおいて、量子層は、Ａｌ及びＰのうちの少なくとも一方を含む。
サブレベル間吸収（サブバンド間吸収）において吸収率が低くなる傾向にあるＡｌおよびＰのうちの少なくともいずれかを含む量子層において、より効果的に光電変換効率を向上させることができる。
（構成８）
光電変換装置は、複数の光電変換素子を備える。複数の光電変換素子は、電気的に直列または並列に接続される。そして、複数の光電変換素子の各々は、構成１から構成７のいずれかに記載の光電変換素子からなる。
光電変換装置においては、集光部材における光電変換素子への集光倍率を下げることができる。
従って、集光部材を小型化および低コスト化することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、光電変換素子およびそれを備えた光電変換装置に適用される。
１ 基板、１Ａ フレキシブル基板、２ バッファ層、３ ＢＳＦ層、４ ベース層、５ 光電変換層、６ エミッタ層、７ 窓層、８ コンタクト層、９ ｐ型電極、１１ ｎ型電極、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０１〜１０３ 光電変換素子、１２，１０４，１２０ 集光部材、１３，１３Ａ 入射端面、１４，１６ 反射防止層、１５，１７，２１，２２ 金属層、５１ 量子ドット層、１００，１００Ａ 光電変換装置、１０５，１０６，１２１〜１３０ 配線、１１６〜１１９ 絶縁部材、５１１ 量子ドット、５１２ 障壁層

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置され、少なくとも１つの量子層を有する光電変換層と、
    集光部材と、
    前記光電変換層の厚み方向の一方側に配置された第１の電極と、
    前記光電変換層の厚み方向の他方側に配置された第２の電極とを備え、
    前記光電変換層は、前記集光部材からの光を前記光電変換層の厚み方向に対して斜め方向から前記光電変換層内に導く入射端面を前記光電変換層の厚み方向に垂直な方向における前記光電変換層の一方端に有する、光電変換素子。
  2. 前記光電変換層の厚み方向と垂直な方向において前記入射端面と反対側の端面に配置された第１の金属層を更に備える、請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記入射端面に配置された反射防止膜を更に備える、請求項１または請求項２に記載の光電変換素子。
  4. 前記入射端面に配置された反射防止膜と、
    前記入射端面に配置された第２の金属層とを更に備える、請求項１または請求項２に記載の光電変換素子。
  5. 前記量子層は、量子ドットを有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  6. 前記量子層は、不純物ドーピングされている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  7. 前記量子層は、Ａｌ及びＰのうちの少なくとも一方を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  8. 電気的に直列または並列に接続された複数の光電変換素子を備え、
    前記複数の光電変換素子の各々は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光電変換素子からなる、光電変換装置。
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