JP5854383B2 - ２次元フォトニック結晶 - Google Patents

２次元フォトニック結晶 Download PDF

Info

Publication number
JP5854383B2
JP5854383B2 JP2012019111A JP2012019111A JP5854383B2 JP 5854383 B2 JP5854383 B2 JP 5854383B2 JP 2012019111 A JP2012019111 A JP 2012019111A JP 2012019111 A JP2012019111 A JP 2012019111A JP 5854383 B2 JP5854383 B2 JP 5854383B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
refractive index
different refractive
lattice
photonic crystal
dimensional photonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012019111A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2013156585A5 (ja
JP2013156585A (ja
Inventor
野田　進
進 野田
田中　良典
良典 田中
アルダバン オスクイ
アルダバン オスクイ
ペドロ ファブッチ
ペドロ ファブッチ
博昭 重田
博昭 重田
宮西　晋太郎
晋太郎 宮西
小川　裕之
裕之 小川
秀次 川森
秀次 川森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyoto University
Sharp Corp
Original Assignee
Kyoto University
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyoto University, Sharp Corp filed Critical Kyoto University
Priority to JP2012019111A priority Critical patent/JP5854383B2/ja
Publication of JP2013156585A publication Critical patent/JP2013156585A/ja
Publication of JP2013156585A5 publication Critical patent/JP2013156585A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5854383B2 publication Critical patent/JP5854383B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

本発明は、太陽電池や光センサ等の光デバイスに用いられる２次元フォトニック結晶に関する。
太陽電池は、入射した光（電磁波）のエネルギーを電流に変換するための、半導体から成る光電変換層を有している。入射光は、光電変換層に吸収され、そのエネルギーによって光電変換層の半導体内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されることにより、電流に変換される。ここで、入射光が光電変換層に吸収されることなく通過すると、光電変換の効率が低下する。そのため、太陽電池では、光電変換層における入射光の吸収効率を高めることが重要となる。この吸収効率を高める手法の１つとして、光電変換層の厚みを大きくすることが挙げられるが、半導体材料の使用量が増加するため、コストが上昇してしまうという問題がある。
特許文献１には、入射光の吸収効率を高めるために２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池が記載されている。ここでフォトニック結晶とは、誘電体から成る部材内に周期的な屈折率分布が形成されたものをいう。図１４に、２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の一例を示す。この太陽電池９０では、p型半導体から成るp層９１１、真性半導体から成るi層９１２及びn型半導体から成るn層９１３の３層により構成される光電変換層９１に、それら３層とは屈折率が異なる柱状の部材から成る異屈折率領域９２が周期的に配置されることにより、光電変換層９１に２次元フォトニック結晶が形成されている。光電変換層９１以外の構成は一般的な太陽電池と同様であり、光電変換層９１を挟むように第１電極９３１及び第２電極９３２が設けられていると共に、第１電極９３１の外側（光電変換層９１の反対側）には反射層９４が、第２電極９３２の外側にはガラス基板９５が、それぞれ設けられている。光はガラス基板９５の側から太陽電池９０内に入射する。
この２次元フォトニック結晶内においては、光電変換層９１に入射した光のうち、異屈折率領域９２の配置の周期長に対応した（複数の）特定の波長を有する光が定在波を形成するため、それらの光は光電変換層９１内に留まり易くなる。そのため、それらの波長において、２次元フォトニック結晶が無い場合よりも入射光の吸収効率が向上する。但し、太陽光は連続的な波長分布を有するため、太陽電池では、特定の波長における吸収効率ではなく、光電変換の対象となる波長帯全体での太陽光の吸収効率を高めることが必要となる。このような特定の波長帯全体での太陽光の吸収効率を、以下では「積分吸収効率」と呼ぶ。積分吸収効率は、以下の式(1)で求められる。
Figure 0005854383
 ここで、λは光の波長、λ1及びλ2は対象波長帯の下限値及び上限値、dI/dλは単位波長当たりの太陽光の強度（図１５）、A(λ)は波長毎の吸収効率、である。
以下、具体的な太陽電池の一例において、波長毎の吸収効率、及び積分吸収効率を計算した結果について述べる。この計算で用いた太陽電池は、上記の太陽電池９０であって、光電変換層９１の材料にケイ素（Si）を、第１電極９３１及び第２電極９３２の材料に導電性の酸化物であるインジウム・亜鉛酸化物（IZO）を、異屈折率領域９２の材料にIZO（第１電極９３１及び第２電極９３２と同じ材料）を、それぞれ用いたものである。また、異屈折率領域９２は、半径150nm、高さ200nmの円柱状のものを格子定数500nmの正方格子の格子点に配置している。以下、この例の太陽電池を「ＰＣ（フォトニック結晶：Photonic Crystal）有りの例」と呼ぶ。また、この計算は、500〜1100nmの波長帯を対象として行った。この波長帯は、Siを用いた光電変換層において光電変換の対象となる波長帯のうち、吸収効率が他の波長帯よりも低く、それゆえに吸収効率を高めることが求められる波長帯である。さらに、ＰＣ有りの例との比較のために、光電変換層９１に異屈折率領域９２を設けない点を除いてＰＣ有りの例と同じ構成を有する太陽電池（「ＰＣ無しの例」）についても同様の計算を行った。
図１６に、波長毎の吸収効率を表したグラフを示す。このグラフによれば、ＰＣ有りの例では特定の複数の波長において狭いピークが見られる。このようなピークは、それらの波長に関して２次元フォトニック結晶内に定在波が形成され、それにより、それらの波長の光が光電変換層９１内に留まり易くなって、それらの波長における吸収効率が向上することを示している。また、積分吸収効率は、ＰＣ無しの例では27.2％であるのに対して、ＰＣ有りの例では53.2％という、ＰＣ無しの例よりも2倍近く高い値が得られた。
国際公開WO2011/083674号
このように、２次元フォトニック結晶を用いた従来の太陽電池では、特定の波長において吸収効率が向上し、それにより、積分吸収効率も向上するため、光電変換効率が高まる。しかしながら、光電変換効率を更に高めるためには、それら特定の波長以外の波長における吸収効率を高めなければならない。
また、２次元フォトニック結晶を用いた従来の太陽電池では、光電変換層９１への入射光の入射角（光電変換層９１の法線と入射光の成す角度）が大きくなるほど、積分吸収効率が低下することが知られている。上記ＰＣ有りの例において、入射角が0°（図１６に示したもの）、10°、20°、30°及び40°という5つの場合について500〜1100nmの波長帯の全体における積分吸収効率を計算したところ、前記入射角の順に53.2％、53.1％、52.6％、48.9％及び47.3％となった。このように入射角による積分吸収効率の相違が存在すると、太陽の位置、すなわち時刻や季節によって積分吸収効率、ひいては光電変換効率が変動してしまう。
フォトダイオード、CCD（電荷結合型素子）、CMOS素子（相補型金属酸化膜半導体素子）といった、光を感知する素子である光センサ（それら光センサを多数用いたイメージングセンサを含む）等、太陽電池以外の光デバイスにおいても太陽電池と同様の光電変換層を有するものがある。例えば、そのような構成を有する光センサにおいては、光電変換層に入射した光が変換された電気信号を検出することによって、光の入射が検出される。その際、太陽電池の場合と同様に光電変換層に２次元フォトニック結晶を設けると、光の積分吸収効率が向上するため、電気信号の強度が大きくなり、それにより光の検出感度が高くなる。しかしながら、上述のように、波長毎の吸収効率は特定の複数の波長においてのみ高くなるため、それら特定の波長の光の検出感度のみが高くなり、それ以外の波長の光の検出感度が低くなってしまう。このような光センサは、白色光のように連続的な波長スペクトルを有する光の検出には適さない。また、光の入射角によって検出感度が異なるという問題も生じる。
本発明が解決しようとする課題は、太陽電池や光センサ等の光デバイスにおいて光の波長や入射角等に依存した特性の変化を小さくしたり効率を高めたりするために用いることができる２次元フォトニック結晶を提供することである。
(1) 第１の態様の２次元フォトニック結晶
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の態様のものは、
板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
各異屈折率領域が、前記２次元格子の各格子点から前記２次元格子面に平行に、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されている
ことを特徴とする。
第１の態様の２次元フォトニック結晶では、異屈折率領域が、２次元格子の各格子点からその格子面に平行に、最大ずれ量Δpmax以下のずれ量（距離）Δpだけランダムに（すなわち、ランダムな大きさ及び方向に）ずれて配置されていることにより、２次元フォトニック結晶には、周期性がある程度保持されつつ乱れ（ランダムネス）が導入された屈折率分布が形成される。そのため、２次元フォトニック結晶内における波長毎の光の共振強度分布は、格子点の基本的な周期性に対応した複数の波長においてピークを有する形状を呈するものの、そのランダムネスによって、それらのピークトップの高さが低くなる一方、幅が広くなるため、ピークトップからある程度離れた波長では共振強度が大きくなる。すなわち、ランダムネスが無い場合よりも、波長による結晶内での光の共振強度分布の変化が小さくなる。
そのため、例えば、第１の態様の２次元フォトニック結晶構造を太陽電池や光センサの光電変換層に形成すると、光電変換層における波長毎の入射光の吸収効率の分布において、ランダムネスが無い場合よりも、各ピークの幅が広くなる。すなわち、ランダムネスが無い場合と比較すると、ピークトップではやや吸収効率の値が小さくなるものの、それ以外の波長では吸収効率の値が大きくなり、吸収効率の波長依存性が少なくなる。従って、光センサでは、光の検出感度の波長依存性が少なくなり、例えば環境の影響で波長がずれたり広がった検出光であってもより適切に検出することができるようになる。波長域全体としての吸収効率（積分吸収効率）は、ピークトップでの吸収効率の低下とそれ以外の波長での吸収効率の向上という上述の２つの作用の兼ね合いにより定まるが、最大ずれ量Δpmaxの値が比較的小さい場合には、ランダムネスが無い場合よりも高くなる傾向にある。従って、最大ずれ量Δpmaxの値を比較的小さくすることにより、太陽電池における発電効率を向上させることができる。
また、最大ずれ量Δpmaxの値に関わらず、ランダムネスが無い場合よりも、ランダムネスを導入した場合には、入射光の光電変換層への入射角の変化による波長毎の吸収効率及び積分吸収効率の変化は小さくなる。また、最大ずれ量Δpmaxの値を大きくするほど、入射角の変化による積分吸収効率の変化の度合いは小さくなる。従って、最大ずれ量Δpmaxの値を或る程度大きくしておくことにより、太陽電池においては入射角の変化による発電効率の変化の度合いを、光センサにおいては入射角の変化による検出感度の変化の度合いを、それぞれ小さくすることができる。
上記２次元格子には、典型的には正方格子や三角格子が用いられるが、それら以外の２次元格子である長方格子、面心長方格子、斜方格子等を用いることもできる。
屈折率分布の周期長よりも最大ずれ量Δpmaxの方が大きいと、屈折率分布は周期性があるものよりもそれが全くないものに近くなる。この場合、周期性を導入することにより、特定の波長を持つ光において共振強度が向上するという２次元フォトニック結晶構造の効果自体が著しく小さくなる。特に、最大ずれ量Δpmaxが２次元格子の周期長の1/2を超えると、ずれ量Δpが1/2を超える異屈折率領域の位置は、そのずれ量を定める原点となる格子点よりも他の格子点に近くなるため、その２次元格子の周期性を反映しなくなる。そのため、最大ずれ量Δpmaxは、２次元格子の周期長の1/2以下とすることが望ましい。
本発明において、各異屈折率領域は各格子点からランダムにずれて配置されているが、そのランダムさには分布を持たせることもできる。本発明ではその場合でも、最大ずれ量がΔpmaxを超えないようにしている。これは、例えばガウス分布（正規分布）のようにΔpの大きい部分においても（僅かであっても）ずれの存在が許容されるような分布（すなわち、テールを有する分布）とすると、そのテール部分による悪影響が生じるためである。
なお、ガウス分布において最大ずれ量がΔpmaxを超えないようにしたものよりも、最大ずれ量Δpmax以下の範囲内、すなわち0から最大ずれ量Δpmaxの間において、格子点からのずれの距離及び方向が一様に分布しているものの方が、積分吸収効率を高めることができる。
第１の態様の２次元フォトニック結晶は、以下に述べる超格子構造を有していてもよい。そのような２次元フォトニック結晶は、板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
各超格子において、
a) 予め定められた1個又は複数個の格子点において、各格子点から該２次元格子の格子面に平行に、第１最大ずれ量Δp1max（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置された第１異屈折率領域と、
b) 前記第１異屈折率領域が配置された格子点以外の格子点において、各格子点から該２次元格子の格子面に平行に、第２最大ずれ量Δp2max以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置された第２異屈折率領域と
が存在することを特徴とする。
ここで、各超格子において第１異屈折率領域（及びそれが配置される格子点）の個数は、各超格子内の異屈折率領域（格子点）の個数よりも少なくする。従って、各超格子において、第２異屈折率領域（及びそれが配置される格子点）は少なくとも１個存在する。また、第１異屈折率領域と第２異屈折率領域の個数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、第２最大ずれ量Δp2maxは、第１最大ずれ量Δp1maxよりも、大きくてもよいし、小さくてもよい。さらには、第１最大ずれ量Δp1maxと第２最大ずれ量Δp2maxは同じであってもよいが、この場合は実質的には超格子構造の無い第１の態様の２次元フォトニック結晶と同じ構成になる。
このような超格子構造を有する２次元フォトニック結晶においては、第１異屈折率領域と第２異屈折率領域のうち最大ずれ量が小さい方の異屈折率領域によって、比較的周期性が高い屈折率分布が形成され、それにより波長毎の光の共振強度のピークが特定の波長において高くなる。また、最大ずれ量が大きい方の異屈折率領域により形成される大きいランダムネスによって、前記ピークの幅が広くなる。そのため、このような２次元フォトニック結晶は、光電変換層における積分吸収効率をより高める方向に作用する。
上述の超格子構造を有する２次元フォトニック結晶では、前記第２最大ずれ量Δp2maxが0である、すなわち全ての第２異屈折率領域が格子点に配置されていてもよい。これにより、第２異屈折率領域の屈折率分布が完全な周期性を有することとなるため、波長毎の光の共振強度のピークを特定の波長においてより高くすることができる。
また、上述の超格子構造を有する２次元フォトニック結晶では、全ての第１異屈折率領域の格子点からのずれの距離及び方向は一様に分布している方が望ましい。同様に、第２異屈折率領域の格子点からのずれが存在する場合には、全ての第２異屈折率領域における格子点からのずれの距離及び方向は一様に分布している方が望ましい。
さらに、超格子構造を有する第１の態様の２次元フォトニック結晶において、異屈折率領域の位置の最大ずれ量を３種以上としても、最大ずれ量が２種である上記の２次元フォトニック結晶と同様の効果を奏する。そのような３種以上の異屈折率領域を用いた２次元フォトニック結晶は、板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
各超格子において格子点がn個の部分集合に分割され、各部分集合において前記異屈折率領域が各格子点から前記２次元格子の格子面に平行に、最大ずれ量Δpkmax（kは1〜nのいずれかの整数。少なくとも１つの部分集合においてΔpkmax≠0。）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されていることを特徴とする。
このような３種以上の異屈折率領域を用いた２次元フォトニック結晶においても、前記部分集合のうちの１つにおいて、最大ずれ量Δpnmaxを0、すなわちその部分集合において異屈折率領域が全て格子点に配置されていてもよい。また、前記各部分集合のうちの１つ又は複数において、該部分集合に属する全ての異屈折率領域のずれ量Δpが0から前記最大ずれ量Δpnmaxの間で一様に分布していてもよい。
(2) 第２の態様の２次元フォトニック結晶
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の態様のものは、
板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
各異屈折率領域の平面形状が、最小値と該最小値よりも大きい最大値の間でランダムな大きさを有する
ことを特徴とする。
異屈折率領域の平面形状（本体に平行な断面の形状）は、円（真円）形、楕円形、三角形や四角形等の多角形等、様々な形状のものを適用することができる。また、これら円や楕円の弧、あるいは多角形の辺に凹凸等の変形要素が加わっていてもよい。平面形状の大きさは例えば、面積や、その平面形状において例えば以下に述べるように特定可能な線分の長さで規定することができる。線分の長さは、例えば平面形状が円形の場合には径の長さにより、楕円形の場合には長径又は短径の長さにより、多角形の場合には特定の辺又は対角線の長さにより、定めることができる。
また、各異屈折率領域の平面形状は、同一形状（相似形）であってもよいし、異なる形状であってもよい。
第２の態様の２次元フォトニック結晶では、異屈折率領域が２次元格子の各格子点に配置されていることによって屈折率の周期的分布が形成される一方、異屈折率領域毎の平面形状の大きさをランダムにすることにより、屈折率の周期的分布の乱れが形成される。これにより、２次元フォトニック結晶には、周期性がある程度保持されつつランダムネスが導入された屈折率分布が形成される。これにより、第２の態様の２次元フォトニック結晶では、第１の態様の２次元フォトニック結晶と同様に、波長毎の光の共振強度分布は格子点の周期性に対応した複数の波長においてピークを有する形状を呈し、そのピークはランダムネスによって高さが低くなる一方、幅が広くなる。すなわち、波長による結晶内での光の共振強度分布の変化が小さくなる。
従って、第２の態様の２次元フォトニック結晶構造を太陽電池や光センサの光電変換層に形成すると、第１の態様の場合と同様に、光電変換層における波長毎の入射光の吸収効率の波長依存性が少なくなるため、光センサにおける光の検出感度の波長依存性が少なくなる。また、これも第１の態様の場合と同様、平面形状の大きさの違いが比較的小さい（すなわち、最大値と最小値の差が小さい）場合には、積分吸収効率が高くなる。これにより、上記同様、太陽電池における発電効率を向上させることができる。また、入射光の光電変換層への入射角の変化による積分吸収効率の変化も同様に小さくなるため、太陽電池においては入射角の変化による発電効率の変化の度合いを、光センサにおいては入射角の変化による検出感度の変化の度合いを、それぞれ小さくすることができる。
前記同様の理由により、第２の態様の２次元フォトニック結晶においても、個々の異屈折率領域における平面形状の大きさは最大値と最小値の間になければならない。そして、その範囲内では一様に分布していることが望ましい。
また、第２の態様の２次元フォトニック結晶は超格子構造を有していてもよく、それにより、超格子構造を有する第１の態様の２次元フォトニック結晶と同様の効果を奏する。そのような超格子構造を有する第２の態様の２次元フォトニック結晶は、板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
各超格子において、
a) 予め定められた1個又は複数個の格子点に配置された第１の異屈折率領域であって、平面形状が第１の最小値と該第１の最小値よりも大きい第１の最大値の間でランダムな大きさを有する第１異屈折率領域と、
b) 前記第１異屈折率領域が配置された格子点以外の格子点に配置された第２の異屈折率領域であって、平面形状が第２の最小値と第２の最大値の間でランダムな大きさを有する第２異屈折率領域と
が存在することを特徴とする。
第２の最小値は第１の最小値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第２の最大値は第１の最大値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、第１の最小値と第２の最小値が同じであって、且つ第１の最大値と第２の最大値が同じである場合には、実質的には超格子構造が無い第２の態様の２次元フォトニック結晶と同じ構成になる。さらには、第１異屈折率領域及び第２異屈折率領域の平面形状は、同一形状（相似形）であってもよいし、異なる形状であってもよい。
また、第２の最小値と第２の最大値は同じ値、すなわち全ての第２異屈折率領域の平面形状の大きさが同じであってもよい。これは、第１の態様の２次元フォトニック結晶に超格子を設けた場合において第２最大ずれ量Δp2maxを0にした場合に相当する。
また、超格子構造が無い場合と同様に、全ての第１異屈折率領域及び／又は第２異屈折率領域の平面形状の大きさは一様に分布していることが望ましい。
さらに、超格子構造を有する第２の態様の２次元フォトニック結晶において、異屈折率領域の平面形状の最大値及び／又は最小値の組み合わせを３種以上としても、上述の２種の異屈折率領域を用いた超格子構造を有する２次元フォトニック結晶と同様の効果を奏する。そのような３種以上の異屈折率領域を用いた２次元フォトニック結晶は、板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
各超格子において格子点がn個の部分集合に分割され、各部分集合において前記異屈折率領域の平面形状の大きさが最小値と最大値（少なくとも１つの部分集合において最小値と最大値が異なる値を有する）の間でランダムな大きさを有することを特徴とする。
このような３種以上の異屈折率領域を用いた２次元フォトニック結晶においても、前記部分集合のうちの１つにおいて、前記異屈折率領域の平面形状が同じ大きさを有するようにしてもよい。また、前記部分集合のうちの１つ又は複数において、該部分集合に属する全ての異屈折率領域の大きさが前記最小値から前記最大値の間で一様に分布するようにしてもよい。
ここまで、異屈折率領域が格子点からランダムにずれた位置に配置された第１の態様の２次元フォトニック結晶と、異屈折率領域の平面形状の大きさがランダムである第２の態様の２次元フォトニック結晶について説明したが、これら位置のずれのランダムネスと、大きさのランダムネスを組み合わせて用いてもよい。
本発明により、太陽電池や光センサ等の光デバイスにおいて、入射光の波長や入射角等の変化による吸収効率の分布等の特性の変化を小さくすることができ、また、全体としての吸収効率を高めることもできる２次元フォトニック結晶が得られる。
本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の第１実施例を示す縦断面図(a)、２次元フォトニック結晶構造を示す横断面図(b)、及び(b)の部分拡大図(c)。 第１実施例において光電変換層における太陽光の吸収効率を計算した結果を示すグラフ。 図２に示した例における異屈折率領域のずれ量Δpの分布(a)、及びΔpの分布の他の例(b)〜(d)を示すグラフ。 第１実施例において、正方格子の周期長a及び異屈折率領域の径rが図２に示した例とは異なる光電変換層における太陽光の吸収効率を計算した結果を示すグラフ。 第１実施例において入射角θ及び最大ずれ量Δpmaxの違いによる吸収効率の違いを計算した結果を示すグラフ。 本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の第２実施例を示す縦断面図(a)及び２次元フォトニック結晶構造を示す横断面図(b)。 第２実施例において光電変換層における太陽光の吸収効率を計算した結果を示すグラフ。 本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の第３実施例における２次元フォトニック結晶構造を示す横断面図。 第３実施例において吸収効率を計算した例の結果を示すグラフ。 第３実施例において、正方格子の周期長a及び異屈折率領域の径rが図９に示した例とは異なる光電変換層における太陽光の吸収効率を計算した結果を示すグラフ。 第３実施例において、最大ずれ量Δpmaxが異なる３種以上の異屈折率領域を有する２次元フォトニック結晶の超格子構造を示す横断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の第４実施例における２次元フォトニック結晶構造を示す横断面図。 本発明に係る２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池の第５実施例における２次元フォトニック結晶構造を示す横断面図。 従来の２次元フォトニック結晶を用いた光電変換素子の一例を示す縦断面図(a)、及びn層を通過する横断面における該フォトニック結晶の横断面図(b)。 光の吸収効率の計算に用いた太陽光のスペクトル強度を示すグラフ。 従来の光電変換素子における光の波長毎の吸収効率の例を示すグラフ。
本発明に係る２次元フォトニック結晶の実施例として、かかる２次元フォトニック結晶を有する太陽電池の例を、図１〜図１３を用いて説明する。なお、太陽電池の構成は、後述のように光センサにもそのまま適用することができる。そのため、以下では、光センサについては、それに特有の（太陽電池にはない）作用・効果についてのみ述べる。
(1) 第１実施例の太陽電池１０の構成
本発明の第１実施例である太陽電池１０について説明する。この太陽電池１０は、図１(a)に示すように、p型半導体から成るp層１１１、真性半導体から成るi層１１２及びn型半導体から成るn層１１３の３層により構成される、いわゆる「pin構造」の光電変換層１１を有する。光電変換層１１内には、後述のように２次元フォトニック結晶構造が形成されている。光電変換層１１の外側には、光電変換層１１を挟むように第１電極１３１及び第２電極１３２が設けられている。また、第１電極１３１の外側（光電変換層１１の反対側）には反射層１４が、第２電極１３２の外側には受光面となるガラス基板１５が、それぞれ設けられている。本実施例では、p層１１１、i層１１２及びn層１１３の材料にはSi半導体（電気的特性は上述のように各層で異なる）の微結晶を、第１電極１３１及び第２電極１３２の材料には前述のIZOを、反射層１４の材料にはAgを、それぞれ用いた。
本実施例における光電変換層１１内の２次元フォトニック結晶構造は、光電変換層１１内に、それとは屈折率が異なる異屈折率領域１２が多数、後述の位置に配置されることにより形成されている（図１(b)）。異屈折率領域１２の材料にはIZO、すなわち第２電極１３２と同じ材料を用いた。これは、第２電極１３２と異屈折率領域１２の境界において、屈折率差に起因した界面による光の反射が生じることを防ぎ、光電変換層１１における光の吸収効率を高めることを目的としている。異屈折率領域１２の形状は、本実施例では、光電変換層１１に垂直な方向を軸方向とする円柱状である。従って、光電変換層１１に平行な面における異屈折率領域１２の形状（平面形状）は円形である。また、異屈折率領域１２の高さ（光電変換層１１に垂直な方向の大きさ）は、n層１１３の第２電極１３２側の表面からi層１１２の途中まで達する、すなわちp層１１１までは達しないように定めた。これは、異屈折率領域１２がp層１１１まで達すると、光電変換によって生じた電荷が、導電性の材料から成る異屈折率領域１２を通してp層１１１とn層１１３の間でリークしてしまうためである。
本実施例における光電変換層１１内の２次元フォトニック結晶構造では、図１(b)に示すように、正方格子１６の格子点１個あたりに異屈折率領域１２が１個、配置されている。ただし、異屈折率領域１２と格子点の位置関係は、格子点毎に異なる。すなわち、異屈折率領域１２の平面形状である円の中心Cは、その異屈折率領域１２が属する格子点からずれ量（距離）Δpだけずれている。そのずれ量Δpの大きさ及びずれの方向は、異屈折率領域１２毎に異なっている、すなわちランダムである。本願では、全ての異屈折率領域１２を通じて最も大きいずれ量Δpの値を、前述のようにΔpmaxと呼ぶ。本実施例では、図３(a)に示すように、全ての異屈折率領域１２のずれ量Δpの大きさは、0以上かつΔpmax以下の範囲内で一様に分布している（従って、格子点からのずれの無い異屈折率領域１２も存在する）。言い換えれば、全ての異屈折率領域１２のずれ量Δpの分布は、0以上かつΔpmax以下の範囲内では有限の値を有し、Δpmaxよりも大きい範囲内では0である階段関数で表される。なお、ずれ量Δpを定めるために用いる異屈折率領域１２の位置の基準は、本実施例では円の中心としたが、後述のように異屈折率領域１２が円以外の平面形状を有する場合には、平面形状の重心（言うまでもなく、円では中心と重心が一致している）を用いることができる。
(2) 第１実施例の太陽電池１０の動作（作用・効果）
本発明の太陽電池１０の動作を説明する。太陽光が受光面（ガラス基板１５）から入射すると、太陽光のエネルギーの一部が光電変換層１１に吸収され、そのエネルギーによって光電変換層１１の半導体内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されることにより、電流に変換される。
その際、光電変換層１１内に形成されている２次元フォトニック結晶において、太陽光のうち正方格子１６の周期長に対応した、複数の特定の波長を有する光が定在波を形成する。これにより、それらの波長の光は光電変換層１１内に留まり易くなり、２次元フォトニック結晶が無い場合よりも入射光の吸収効率が向上する。また、本発明の太陽電池１０では、異屈折率領域１２の位置が正方格子１６の格子点からランダムなずれ量Δp及びランダムな方向にずれていることにより、上記定在波を形成する波長においては、このずれが無い場合よりも吸収効率が低下するものの、それらの波長からある程度離れた波長における吸収効率は上昇する。
これら波長毎の吸収効率の低下及び上昇の兼ね合いにより、Δpmaxがある程度の値以下の場合には、吸収効率を高めようとする波長帯（本実施例では500〜1100nm）全体での積分吸収効率が向上する。これにより、光電変換層１１に入射した光が光電変換に寄与する確率が高くなるため、光電変換効率が向上する。
また、Δpmaxの大きさに関わらず、光電変換層１１への太陽光の入射角の変化による積分吸収効率の変化が小さくなり、それにより光電変換効率の変化も小さくなる。従って、太陽電池１０を固定架台に固定した状態で時間や季節により太陽光の入射角度が変化しても、光電変換効率の変化を小さくすることができる。
(3) 光センサの動作（作用・効果）
本発明の太陽電池１０と同じ構成（図１参照）を有する光センサの動作を説明する。光電変換層１１において光電変換が生じる波長の光が受光面（ガラス基板１５）から入射すると、その光のエネルギーが光電変換層１１に吸収され、そのエネルギーによって光電変換層１１の半導体内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されることにより、電流に変換される。この電流を検出することにより、光の入射を検出することができる。その際、太陽電池の場合と同様に、光電変換層１１内に形成されている２次元フォトニック結晶にランダムネスが導入されていることにより、ランダムネスが無い場合よりも、上記定在波を形成する波長においては吸収効率が低下する一方、それらの波長からある程度離れた波長における吸収効率は上昇する。これにより、光を検出可能な波長帯内における検出感度の波長依存性が少なくなる。また、光電変換層１１への太陽光の入射角の変化による（波長毎の）吸収効率の変化が小さくなり、それにより、入射角の変化による検出感度の変化を小さくすることができる。
(4) 第１実施例の太陽電池１０の吸収効率を計算した結果
以下、太陽電池１０における上述の作用・効果を確認するために、最大ずれ量Δpmaxのみが異なる複数の例において、波長毎の吸収効率A(λ)及び積分吸収効率Aiを計算した結果を説明する。
まず、図２を用いて、正方格子１６の周期長aが500nm、異屈折率領域１２における平面形状の円の半径rが300nm、異屈折率領域１２の高さが200nm、光電変換層１１の厚みが500nm、光電変換層１１への入射角θ（光電変換層１１の法線と入射光の成す角度）が0°の場合について計算を行った結果を説明する。この計算は、最大ずれ量Δpmaxが(a)0（比較例）、(b)0.05a（25nm）、(c)0.1a（50nm）、(d)0.3a（150nm）、(e)0.5a（250nm）及び(f)0.7a（350nm）の6種類の場合について行った。積分吸収効率Aiの計算においては、上述の式(1)を用いた。
この計算の結果、図２(a)〜(f)からわかるように、吸収効率A(λ)は特定の複数の波長でピークを有するが、そのピークはΔpmaxが大きくなるほど、ピークトップの高さが低く、且つ幅が広くなる。このように幅が広くなることにより、ピークトップからある程度以上離れた波長においては吸収効率A(λ)が高くなる。そして、積分吸収効率Aiは、Δpmaxが(b)0.05a及び(c)0.1aの場合に、ランダムネスが無い(a)の場合よりも高くなる。
また、Δpmaxが大きくなるほど、吸収効率A(λ)の波長依存性が少なくなるため、この太陽電池１０の構成を適用した光センサでは、検出感度の波長依存性が少なくなる。
これと同様の計算を、周期長aが350nm、半径rが140nmの場合において行った結果を図４に示す。この例では、最大ずれ量Δpmaxは(a)0.05a（17.5nm）、(b)0.1a（35nm）、(c)0.15a（52.5nm）、(d)0.2a（70nm）、(e)0.3a（105nm）及び(f)0.5a（175nm）とした。この例においても、ピークはΔpmaxが大きくなるほど、ピークトップの高さが低く、且つ幅が広くなる。そして、この例においては、(a)〜(f)の全ての場合において、積分吸収効率Aiはランダムネスが無い場合よりも高くなり、この計算の範囲内では(d)のΔpmax=0.2aの時に最も高くなる。この(d)の場合の積分吸収効率Aiの値は、ランダムネスが無い場合よりも6.0％高い。
次に、図２の計算を行った構成のうちΔpmax=0, 0.1a及び0.3a（図２(a), (c)及び(d)）の3つにおいて、光電変換層１１への太陽光の入射角θを10°、20°、30°及び40°とした場合における波長毎の吸収効率A(λ)及び積分吸収効率Aiを計算した結果を図５に示す。最大ずれ量Δpmaxが0（図５(a)、比較例）の場合には、入射角θの違いにより、吸収効率A(λ)のグラフの曲線が大幅に異なり、積分吸収効率Aiも53.9％（入射角θが0°の場合。図２(a)参照。）から47.3％（θ=40°）の範囲内で異なる値を有する。それに対して、最大ずれ量Δpmaxが0.1a及び0.3a（図５(b), (c)）の場合には、比較例よりも入射角θによる吸収効率A(λ)のグラフの曲線の相違が小さくなる。また、Δpmaxが0.1aの場合における積分吸収効率Aiは、54.4％（θ=0°）から51.8％（θ=30°）の範囲内になり、比較例よりも入射角θによる積分吸収効率の相違が小さくなる。さらには、Δpmaxが0.3aの場合における積分吸収効率Aiは、50.2％（θ=0°）から49.6％（θ=40°）の範囲内となり、入射角θによる積分吸収効率Aiの相違がほとんど無くなる。
(5) 変形例
第１実施例の太陽電池の構成は、例えば以下に示すように、種々の変形が可能である。
光電変換層１１のp層１１１、i層１１２及びn層１１３の材料は上記のSi半導体の多結晶には限られず、Si半導体の薄膜単結晶やアモルファスを用いることができ、また、Cu(In,Ga)Se2等のその他の半導体を用いることもできる。これらのうちSi半導体の薄膜単結晶を用いた光電変換層は、それ自体により太陽電池や光センサの特性を高めることができる。また、Si半導体やCu(In,Ga)Se2の多結晶から成る光電変換層１１の作製には、CVD法を用いることができるため、以下の理由により、第１実施例の太陽電池（光センサ）を容易に作製することができる。
第１実施例の太陽電池（光センサ）を作製する際には、(i)第２電極１３２及び異屈折率領域１２を作製した後に、それら第２電極１３２及び異屈折率領域１２の上に光電変換層１１を作製する方法や、(ii)光電変換層１１を作製した後に、光電変換層１１に周期的に空孔を設け、それら空孔及び光電変換層１１の表面に第２電極１３２及び異屈折率領域１２を作製する方法を取ることができる。これらの方法のうち、(i)を例に取ると、第２電極１３２及び異屈折率領域１２によって凹凸が形成された面の上に光電変換層１１を作製することにより、光電変換層１１が凹部でで途切れる（いわゆる「段切れ」が生じる）おそれがある。(ii)の場合も同様である。それに対して、(i)の方法においてCVD法を用いて（Si半導体やCu(In,Ga)Se2の多結晶から成る）光電変換層１１を作製すると、光電変換層１１の材料が凹部に行き渡り、段切れが生じ難くなる。
光電変換層１１には、p層１１１とn層１１３が隣接した、いわゆる「pn構造」を取るものを用いることもできる。
第１電極１３１及び第２電極１３２も上記の材料には限られず、第２電極１３２においては太陽光に関してある程度透明であれば、インジウム・錫酸化物（ITO）、SnO2、ZnO等の種々の電極材料を用いることができる。また、第１電極１３１は太陽光に関して透明である必要は無く、AgやAl等）の種々の電極材料を用いることができる。
異屈折率領域１２の材料は、第２電極１３２（及び光電変換層１１）とは異なるものであってもよい。そのような材料には、例えば、空気（すなわち、異屈折率領域１２を空孔とする）やSiO2等を用いることができる。また、異屈折率領域１２の材料に絶縁体を用いる場合には、異屈折率領域１２はp層１１１からn層１１３に達するように形成してもよい。
異屈折率領域１２の形状は円柱には限られず、例えば楕円柱、三角柱、四角柱等の種々の形状を取り得る。また、円錐、三角錐、四角錐のように光電変換層１１の厚み方向に形状（大きさ）が異なる形状のものを用いることもできる。さらには、円柱の一部に凹部や凸部を有する等の一定の形状を有していてもよい。
また、異屈折率領域１２が配置される格子点を形成する格子は、正方格子には限られず、三角格子やハニカム格子等の格子を用いることもできる。
異屈折率領域１２毎のずれ量Δpの分布は、図３(a)に示したずれ量Δpが0からΔpmaxの間において一様なものには限られず、例えば図３(b)に示すようにずれ量Δpが0からΔpmaxの間においてガウス分布型（Δpmaxよりも大きい範囲では0）の分布を有するものであってもよい。あるいは、図３(c), (d)に示すように、ずれ量Δpの分布はずれ量Δpが0からΔpmaxの間において負の傾きを有する１次関数で減少するものであってもよい。
本発明の第２実施例である太陽電池２０について説明する。太陽電池２０は、図６に示すように、光電変換層１１内に形成された２次元フォトニック結晶構造の構成を除いて、第１実施例の太陽電池１０と同様の構成を有する。
第２実施例における２次元フォトニック結晶構造は、円柱状の異屈折率領域２２が正方格子１６の格子点１個あたりに１個ずつ設けられている点では、第１実施例における２次元フォトニック結晶構造と同様である。本実施例では、異屈折率領域２２の平面形状である円の中心は、正方格子１６の格子点上に配置されている。そして、各異屈折率領域２２におけるこの円の径（大きさ）rは、最小値rminと最小値rmaxの間で、ランダムな値を有している。なお、隣接する２個の異屈折率領域２２の径rの和が正方格子１６の周期長aよりも大きくなるとそれら２個の異屈折率領域２２が繋がった１個の部材２２Ａになる（図６参照）が、これら２個の異屈折率領域２２がそれぞれ正方格子１６の周期に応じた屈折率分布を形成するため、差し支えない。
第２実施例の太陽電池２０の動作は、基本的には第１実施例の太陽電池１０と同様である。第２実施例では、２次元フォトニック結晶が径rに関してランダムネスを有することにより、ランダムネスが無い場合よりも、２次元フォトニック結晶内に形成される定在波の波長においては吸収効率が低下するものの、それらの波長からある程度離れた波長における吸収効率は上昇する。これにより、最小値rminと最大値rmaxの差をある程度の値よりも小さくすると、積分吸収効率が向上する。また、最小値rminと最大値rmaxの差の大きさに関わらず、光電変換層１１への太陽光の入射角の変化による積分吸収効率の変化が小さくなり、それにより光電変換効率の変化も小さくなる。
第２実施例の太陽電池２０の構成を光センサに適用した場合には、第１実施例の場合と同様に、光を検出可能な波長帯内における検出感度の波長依存性を少なくすることができると共に、入射角の変化による検出感度の変化を小さくすることができる。
次に、第２実施例の太陽電池２０において、最小値rminと最大値rmaxの差ρ=(rmax-rmin)の大きさが異なる複数の例について波長毎の吸収効率A(λ)及び積分吸収効率Aiを計算した結果を説明する。この計算では、正方格子１６の周期長aを500nm、異屈折率領域１２の高さを200nm、光電変換層１１の厚みを500nm、光電変換層１１への入射角θを0°とした。最小値rminをいずれの計算においても150nmとし、ρを(a)0nm（すなわち、全ての異屈折率領域の径rが同じである比較例）、(b)25nm、(c)50nm及び(d)75nmとした。各場合において、最小値rminと最大値rmaxの間で一様に分布している。積分吸収効率Aiの計算においては、上述の式(1)を用いた。
この計算の結果を図７に示す。吸収効率A(λ)は特定の複数の波長でピークを有するが、そのピークはρが大きくなるほど、ピークトップの高さが低く、且つ幅が広くなる。このように幅が広くなることにより、ピークトップからある程度以上離れた波長においては吸収効率A(λ)が高くなる。そして、積分吸収効率Aiは、ρ=25nmの場合に、ランダムネスが無い（ρ=0）場合よりも高くなる。
また、ρが大きくなるほど、吸収効率A(λ)の波長依存性が少なくなるため、この太陽電池２０の構成を適用した光センサでは、検出感度の波長依存性が少なくなる。
第２実施例の太陽電池２０においても、第１実施例の太陽電池１０の場合と同様に、種々の変形例を取ることができる。
光電変換層１１、第１電極１３１及び第２電極１３２、並びに異屈折率領域２２の材料は、第１実施例の変形例と同じものを用いることができる。また、光電変換層１１には、いわゆる「pn構造」を有するものを用いることもできる。
異屈折率領域２２の形状も第１実施例の変形例と同様に種々の形状を取り得る。平面形状の大きさは、例えば楕円の場合には長径又は短径の長さにより、多角形の場合には特定の辺又は対角線の長さにより、定めることができる。異屈折率領域２２が配置される格子点を形成する格子も、第１実施例の変形例と同様のものを用いることができる。
最大値rmaxと最小値rminの差ρの値の分布は、0と(rmax-rmin)の間で一様なものには限られず、第１実施例の変形例と同様に、ガウス分布型（(rmax-rmin)よりも大きい範囲では0）や１次関数で減少するもの等を用いることができる。
さらに、第２実施例では異屈折率領域２２の平面形状の大きさを円の径で定義したが、面積で定義してもよい。
本発明の第３実施例である、超格子構造を有する２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池について説明する。この太陽電池は、光電変換層１１内に形成された２次元フォトニック結晶の構造を除いて、第１実施例の太陽電池１０と同様の構成を有する。第３実施例の太陽電池における２次元フォトニック結晶３６Ａでは、図８(a)に示すように、光電変換層１１内に、第１異屈折率領域３２１及び第２異屈折率領域３２２が、正方格子１６の各格子点に配置されている。第１異屈折率領域３２１と第２異屈折率領域３２２は同じ大きさの円柱状のものであり、その材料も同じ（IZO）である。第１異屈折率領域３２１は、格子点から、第１最大ずれ量Δp1max（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されている。一方、第２異屈折率領域３２２は格子点からずれることなく（第２最大ずれ量Δp2maxが0）配置されている。
この２次元フォトニック結晶３６Ａでは、正方格子１６の縦方向及び横方向共に、第１異屈折率領域３２１と第２異屈折率領域３２２が交互に配置されている。これにより、正方格子１６の縦方向に２周期分、及び横方向に２周期分の合計４個の格子点に、２個の第１異屈折率領域３２１と２個の第２異屈折率領域３２２から成る単位超格子３７Ａが周期的に配置された超格子が形成されている。この単位超格子３７Ａを１周期分（正方格子１６の２周期分）、縦方向又は横方向に（仮想的に）移動させると、正方格子１６の格子点は隣接する超格子内の格子点に一致するが、第１異屈折率領域３２１は格子点からランダムにずれて配置されているため、隣接する超格子内の第１異屈折率領域３２１とは（偶然、ずれ量及びずれの方向が同じである場合を除いて）一致しない。
このような超格子構造を有する２次元フォトニック結晶３６Ａを光電変換層１１内に形成することにより、位置のずれの無い第２異屈折率領域３２２により形成される周期的な屈折率分布によって、光電変換層１１に入射した太陽光に含まれる所定の複数の波長を持つ光が定在波を形成し易くなり、それら波長における入射光の吸収効率を高めることができる。それと共に、位置のずれを有する第１異屈折率領域３２１が存在することにより、上記所定の波長では吸収効率が低下する方向に作用するものの、それらの波長からある程度離れた波長における吸収効率は上昇する。これにより、Δp1maxがある程度小さい範囲では積分吸収効率が向上し、光電変換効率も向上する。また、Δp1maxの値に関わらず、光電変換層１１への太陽光の入射角の変化による積分吸収効率の変化が小さくなり、それにより光電変換効率の変化も小さくなる。
また、超格子構造を有する２次元フォトニック結晶３６Ａを光センサの光電変換層内に形成すると、上記所定の波長では吸収効率が低下するのに対して、それらの波長からある程度離れた波長における吸収効率は上昇するため、波長による吸収効率の変化が小さくなる。そのため、波長による検出感度の変化も小さくなる。
一方、この２次元フォトニック結晶３６Ａにおいて、第１異屈折率領域３２１だけではなく、第２異屈折率領域３２２を格子点からランダムにずれるように、すなわち、第２最大ずれ量Δp2maxが0以外の値を取るように配置してもよい。
第３実施例の太陽電池について、波長毎の吸収効率A(λ)及び積分吸収効率Aiを計算した結果を、図９を用いて説明する。この計算では、周期長aを500nm、第１異屈折率領域３２１及び第２異屈折率領域３２２における平面形状の円の半径rを300nmとした。その他の条件は、異屈折率領域の位置に関する条件を除いて、第１実施例で行った２つの計算の条件と同じとした。ここでは、第２異屈折率領域３２２が格子点からずれることなく配置された（Δp2max=0の）例として、(b)Δp1max=0.05a、及び(c)Δp1max=0.10aという条件における計算をおこなった。併せて、第２異屈折率領域３２２が格子点からずれて配置される（Δp2max≠0の）例として、(d)(Δp1max, Δp2max)=(0.15a, 0.03a)、(e)(Δp1max, Δp2max)=(0.20a, 0.04a)、及び(f)(Δp1max, Δp2max)=(0.25a, 0.05a)という条件における計算をおこなった。図９(a)は第１異屈折率領域３２１及び第２異屈折率領域３２２共に格子点からのずれのない、比較例の太陽電池に関する計算結果である。
図９の計算結果より、(b)〜(f)のいずれの場合も、従来の(a)の場合よりも波長毎の吸収効率A(λ)のピーク幅が広くなり、波長依存性が小さくなっていることがわかる。また、(b)及び(c)では、積分吸収効率Aiが従来の(a)の場合よりも向上している。
続いて、図１０に、a=350nm、r=140nmであって、(a)Δp1max=0.05a、(b)Δp1max=0.10a、(c)Δp1max=0.15a、(d)Δp1max=0.20a、(e)Δp1max=0.25a、及び(f)Δp1max=0.50aの（第２異屈折率領域３２２は格子点からずれることなく配置されている）場合について、図９の場合と同様の計算を行った結果を示す。(a)〜(f)のいずれの場合も、波長毎の吸収効率A(λ)の波長依存性が小さくなると共に、積分吸収効率が従来のものよりも1.0％（(a)の場合）〜7.3％（(f)の場合）向上している。
第３実施例の太陽電池は、以下に述べるように種々の変形が可能である。例えば、縦方向及び横方向共に２個、合計４個の異屈折率領域を有する場合において、それらのうち３個を第２異屈折率領域３２２とし、残り１個のみを第１異屈折率領域３２１とする単位超格子３７Ｂを形成してもよい（図８(b)）。また、それら４個の異屈折率領域のうち１個のみを第２異屈折率領域３２２とし、残り３個を第１異屈折率領域３２１としてもよい。あるいは、単位超格子３７Ｃを、正方格子１６の縦方向及び横方向共に３個、合計９個の格子点から成るものとし、それら格子点のうちの定められた１個又は複数個の格子点に第１異屈折率領域３２１を配置し、残りの格子点に第２異屈折率領域３２２を配置してもよい（図８(c)）。あるいは、単位超格子３７Ｃを構成する格子点の数をこれらの例以外にしてもよく、また、縦方向の格子点の数と横方向の格子点の数が異なるようにしてもよい。
また、各部材の材料、第１異屈折率領域３２１及び第２異屈折率領域３２２の形状、それら異屈折率領域が配置される格子（超格子ではなく、上記第３実施例における正方格子に相当する格子）の種類、それら異屈折率領域におけるずれ量Δpの分布等は第１実施例と同様の変形が可能である。
さらに、単位超格子内に、最大ずれ量がΔpkmax（kは1〜nのいずれかの整数）である第１異屈折率領域、第２異屈折率領域、第３異屈折率領域、...及び第ｎ異屈折率領域を設けてもよい。なお、上述の図８(a)〜(c)に示した例はいずれも、n=2の場合に該当する。図１１に、n=3である２次元フォトニック結晶の一例を示す。この例では、正方格子１６の縦方向に２個、横方向に２個の合計４個の格子点から成る単位超格子３７Ｄ内に、最大ずれ量がΔp1maxである第１異屈折率領域３２１が１個、最大ずれ量が0（すなわち、ずれのない）第２異屈折率領域３２２が２個、及び最大ずれ量がΔp1maxよりも小さいΔp3maxである第３異屈折率領域３２３が１個配置されている。もちろん、第２異屈折率領域３２２も最大ずれ量Δp2maxで格子点の位置からずれていてもよい。
図１２を用いて、本発明の第４実施例である、第３実施例とは異なる超格子構造を有する２次元フォトニック結晶を用いた太陽電池について説明する。この太陽電池は、光電変換層１１内に形成された２次元フォトニック結晶の構造を除いて、第１実施例の太陽電池１０と同様の構成を有する。図１２(a)に示すように、第４実施例の太陽電池における２次元フォトニック結晶４６Ａでは、正方格子１６の縦方向及び横方向共に、円柱状の第１異屈折率領域４２１と、同じく円柱状の第２異屈折率領域４２２が交互に配置されている。これにより、正方格子１６の縦方向に２周期分、及び横方向に２周期分の合計４個の格子点に、２個の第１異屈折率領域４２１と２個の第２異屈折率領域４２２から成る単位超格子４７Ａが周期的に配置された超格子が形成されている。第１異屈折率領域４２１の径は所定の最大値及び最小値の間でランダムな値を有する。一方、第２異屈折率領域４２２の径は全て同じである。
第４実施例の太陽電池における異屈折率領域の径に関するランダムネスの有無（第１異屈折率領域４２１では「有」、第２異屈折率領域４２２では「無」）は、第３実施例の太陽電池における異屈折率領域の位置のずれに関するランダムネスの有無（第１異屈折率領域３２１では「有」、第２異屈折率領域３２２では「無」）に対応する。そのため、第４実施例の太陽電池は、第３実施例の太陽電池と同様の作用・効果を奏する。
第４実施例の太陽電池においても、第２実施例（超格子構造を有さず、径に関するランダムネスを有する例）や第３実施例（超格子構造を有し、径以外のランダムネスを有する例）と同様の変形が可能である。例えば、第２異屈折率領域４２２は、第１異屈折率領域４２１における径の最大値及び／又は最小値が異なる所定の範囲内において、径がランダムネスを有するようにしてもよい。また、図１２(b)に示すように、径の最大値及び／又は最小値が異なる３種以上の異屈折率領域を有する超格子４７Ｂを用いてもよい。図１２(b)の例では、超格子４７Ｂは、径が所定の最大値及び最小値の間でランダムな値を有する第１異屈折率領域４２１を１個、径が全て同じである第２異屈折率領域４２２を２個、及び第１異屈折率領域４２１よりも径の最大値が小さく、且つ最小値が大きい第３異屈折率領域４２３を１個有する。
ここまでは、異屈折率領域の平面形状の大きさ（実施例１、３）と、異屈折率領域の位置（実施例２、４）のいずれか一方にランダムネスを導入した例を示したが、それら平面形状の大きさ及び位置の双方にランダムネスを導入してもよい。図１３に示した例では、異屈折率領域５２は円柱状であって、正方格子１６の格子点から最大ずれ量Δpmax（≠0）の範囲内でランダムなずれ量Δp及びランダムな方向にずれ、且つ、その平面形状の大きさ（径r）も所定の最小値rminと最大値rmaxの間でランダムな値を有する。
１０、２０、９０…太陽電池
１１、９１…光電変換層
１１１、９１１…p層
１１２、９１２…i層
１１３、９１３…n層
１２、２２、５２、９２…異屈折率領域
１３１、９３１…第１電極
１３２、９３２…第２電極
１４、９４…反射層
１５、９５…ガラス基板
２２Ａ…異屈折率領域を構成する部材
３２１、４２１…第１異屈折率領域
３２２、４２２…第２異屈折率領域
３２３、４２３…第３異屈折率領域
３６Ａ、４６Ａ…２次元フォトニック結晶
３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ、３７Ｄ、４７Ａ、４７Ｂ…単位超格子

Claims (25)

  1. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    各異屈折率領域が、前記２次元格子の各格子点から前記２次元格子の格子面に平行に、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量Δpだけずれてランダムに配置されており、
    前記ずれ量Δpが0から最大ずれ量Δp max の間で、一様に、またはガウス分布型で、または一次関数で分布しており、その方向については一様に分布しており、
    前記異屈折率領域のうち少なくとも１つは、前記ずれ量Δｐが０ではない
    ことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  2. 前記最大ずれ量Δpmaxが２次元格子の周期長の1/2以下であることを特徴とする請求項１に記載の２次元フォトニック結晶。
  3. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
    各超格子において、
    a) 予め定められた1個又は複数個の格子点において、各格子点から該２次元格子の格子面に平行に、第１最大ずれ量Δp1max（≠0）以下のずれ量Δpだけずれてランダムに配置された第１異屈折率領域と、
    b) 前記第１異屈折率領域が配置された格子点以外の格子点において、各格子点から該２次元格子の格子面に平行に、第２最大ずれ量Δp2max以下のずれ量Δpだけずれてランダムに配置された第２異屈折率領域と
    が存在しており、
    前記第１異屈折率領域のうち少なくとも１つは、前記ずれ量Δｐが０ではないことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  4. 前記第２最大ずれ量Δp2maxが0であることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶。
  5. 全ての前記第２異屈折率領域のずれ量Δpが0から前記第２最大ずれ量Δp2maxの間で一様に、またはガウス分布型で、または一次関数で分布しており、その方向については一様に分布していることを特徴とする請求項３に記載の２次元フォトニック結晶。
  6. 全ての前記第１異屈折率領域のずれ量Δpが0から前記第１最大ずれ量Δp1maxの間で一様に、またはガウス分布型で、または一次関数で分布しており、その方向については一様に分布していることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶。
  7. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
    各超格子において格子点がn個の部分集合に分割され、各部分集合において前記異屈折率領域が各格子点から前記２次元格子の格子面に平行に、最大ずれ量Δpkmax（kは1〜nのいずれかの整数。少なくとも１つの部分集合においてΔpkmax≠0。）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されており、
    前記異屈折率領域の各部分集合は、それぞれ、前記ずれ量Δｐが０ではない少なくとも１つの異屈折率領域を含むことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  8. 前記部分集合のうちの１つにおいて、最大ずれ量Δpnmaxが0であることを特徴とする請求項７に記載の２次元フォトニック結晶。
  9. 前記各部分集合のうちの１つ又は複数において、該部分集合に属する全ての異屈折率領域のずれ量Δpが0から前記最大ずれ量Δpnmaxの間で一様に、ガウス分布型で、または一次関数で分布していることを特徴とする請求項７又は８に記載の２次元フォトニック結晶。
  10. さらに、各異屈折率領域のうちの少なくとも一部において、前記異屈折率領域の平面形状が最小値と該最小値よりも大きい最大値の間でランダムな大きさを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶。
  11. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    各異屈折率領域の平面形状が、最小値と該最小値よりも大きい最大値の間でランダムな大きさを有しており、
    個々の異屈折率領域における平面形状の大きさの、全ての異屈折率領域における分布が、前記最小値から前記最大値の間で一様に分布している
    ことを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  12. 各異屈折率領域が同一の平面形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の２次元フォトニック結晶。
  13. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
    各超格子において、
    a) 予め定められた1個又は複数個の格子点に配置された第１の異屈折率領域であって、平面形状が第１の最小値と該第１の最小値よりも大きい第１の最大値の間でランダムな大きさを有する第１異屈折率領域と、
    b) 前記第１異屈折率領域が配置された格子点以外の格子点に配置された第２の異屈折率領域であって、平面形状が第２の最小値と第２の最大値の間でランダムな大きさを有する第２異屈折率領域と
    が存在することを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  14. 各第１異屈折率領域及び各第２異屈折率領域が同一の平面形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の２次元フォトニック結晶。
  15. 全ての前記第２異屈折率領域の平面形状の大きさが同じであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の２次元フォトニック結晶。
  16. 全ての前記第２異屈折率領域の平面形状の大きさが前記第２の最小値から前記第２の最大値の間で一様に分布していることを特徴とする請求項１３又は１５に記載の２次元フォトニック結晶。
  17. 全ての前記第１異屈折率領域の平面形状の大きさが前記第１の最小値から前記第１の最大値の間で一様に分布していることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶。
  18. 板状の本体内に該本体とは屈折率が異なる異屈折率領域が、該本体に平行な２次元格子の各格子点に配置されて成る２次元フォトニック結晶であって、
    前記２次元格子の連接する複数個の格子点から成る超格子を単位格子とする超格子構造を備え、
    各超格子において格子点がn個の部分集合に分割され、各部分集合において前記異屈折率領域の平面形状の大きさが最小値と最大値（少なくとも１つの部分集合において最小値と最大値が異なる値を有する）の間でランダムな大きさを有することを特徴とする２次元フォトニック結晶。
  19. 各異屈折率領域が同一の平面形状を有することを特徴とする請求項１８に記載の２次元フォトニック結晶。
  20. 前記部分集合のうちの１つにおいて、前記異屈折率領域の平面形状が同じ大きさを有することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の２次元フォトニック結晶。
  21. 前記部分集合のうちの１つ又は複数において、該部分集合に属する全ての異屈折率領域の大きさが前記最小値から前記最大値の間で一様に分布していることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶。
  22. さらに、各異屈折率領域のうちの少なくとも一部において、前記異屈折率領域が、前記２次元格子の各格子点から前記２次元格子の格子面に平行に、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されており、
    前記異屈折率領域のうち少なくとも１つは、前記ずれ量Δｐが０ではないことを特徴とする請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶。
  23. 請求項１〜２２のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶の結晶構造が形成された光電変換層を備えることを特徴とする光センサ。
  24. 前記光電変換層が、p型半導体又はn型半導体から成り１対の電極のいずれか一方の電極に接する第１層と、該第１層とは逆極性の半導体から成る第２層を含む積層構造を有し、
    前記異屈折率領域が前記光電変換層の厚さ方向に、前記第１層の前記一方の電極との界面から前記第２層よりも手前まで形成されており、
    前記異屈折率領域の材料が前記一方の電極の材料から成る
    ことを特徴とする請求項２３に記載の光センサ。
  25. 前記光電変換層がSiの単結晶若しくは多結晶の薄膜、又はCu(In,Ga)Se2の多結晶の薄膜であることを特徴とする請求項２３又は２４に記載の光センサ。
JP2012019111A 2012-01-31 2012-01-31 ２次元フォトニック結晶 Expired - Fee Related JP5854383B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012019111A JP5854383B2 (ja) 2012-01-31 2012-01-31 ２次元フォトニック結晶

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012019111A JP5854383B2 (ja) 2012-01-31 2012-01-31 ２次元フォトニック結晶

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2013156585A JP2013156585A (ja) 2013-08-15
JP2013156585A5 JP2013156585A5 (ja) 2014-10-23
JP5854383B2 true JP5854383B2 (ja) 2016-02-09

Family

ID=49051777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012019111A Expired - Fee Related JP5854383B2 (ja) 2012-01-31 2012-01-31 ２次元フォトニック結晶

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5854383B2 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014171457A1 (ja) * 2013-04-17 2014-10-23 独立行政法人科学技術振興機構 フォトニック結晶及びそれを利用した光機能デバイス
WO2015016264A1 (ja) * 2013-08-02 2015-02-05 シャープ株式会社 光電変換素子および光電変換システム
CN104157714B (zh) * 2014-07-08 2017-01-25 苏州大学 一种非晶/微晶硅叠层太阳能电池
JP6875987B2 (ja) * 2014-11-18 2021-05-26 ダブリュアンドダブリュセンス デバイシーズ， インコーポレイテッドＷ＆Ｗｓｅｎｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｉｎｃ． マイクロストラクチャ向上型吸収感光装置
CN112652720B (zh) * 2020-12-22 2023-09-05 青岛大学 一种基于二维光子晶体结构的钙钛矿太阳能电池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3702445B2 (ja) * 2002-07-30 2005-10-05 学校法人慶應義塾 光学素子及びその光学素子を用いた装置
US7166871B2 (en) * 2003-04-15 2007-01-23 Luminus Devices, Inc. Light emitting systems
JP2008283037A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Hitachi Cable Ltd 発光素子
CN102696114B (zh) * 2010-01-07 2015-02-11 夏普株式会社 光电转换元件
WO2011083694A1 (ja) * 2010-01-07 2011-07-14 シャープ株式会社 光電変換素子

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013156585A (ja) 2013-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5967592B2 (ja) 光電変換素子
US9324891B2 (en) Solar cell, solar cell panel, and device comprising solar cell
JP5854383B2 (ja) ２次元フォトニック結晶
US20100126577A1 (en) Guided mode resonance solar cell
AU2014307879B2 (en) Radial p-n junction nanowire solar cells
JP6163542B2 (ja) フォトニック結晶及びそれを利用した光機能デバイス
US20130220406A1 (en) Vertical junction solar cell structure and method
JP5687765B2 (ja) 太陽電池
US9559230B2 (en) Solar cell and method for manufacturing same
US9716194B2 (en) Thin film solar cell structure
EP2523221A1 (en) Photoelectric transducer
KR20170058455A (ko) 텍스처된 투명판 및 그러한 판의 제조 방법
JP5842268B2 (ja) 太陽電池
KR101286552B1 (ko) 반사전극 및 광전소자
JP6037288B2 (ja) 太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置
US20130291934A1 (en) Thin film solar cell structure
TWI470814B (zh) 太陽能電池
JP5967586B2 (ja) 太陽電池、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置
KR101101417B1 (ko) 평면형 집광 장치 및 광전 변환 장치
KR20120089862A (ko) 평평한 정점을 가진 광학 구조
JP5930214B2 (ja) 光電変換素子
KR101040041B1 (ko) 공진형 태양전지
CN108198879B (zh) 一种纳米球壳阵列光伏结构
CN116147769A (zh) 探测接收器
TW201349521A (zh) 太陽能電池元件

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140908

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140908

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20140908

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20150527

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150623

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20150708

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20150713

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150713

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150821

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151130

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5854383

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees