JP6100468B2

JP6100468B2 - 光電池および光電池の作製方法

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Publication number: JP6100468B2
Application number: JP2012051713A
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Inventors: 修一江村; 周逸凱; 一朝日
Original assignee: 修一江村
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-03-08
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Description

本発明は、光電池および光電池の作製方法に関する。

石油および石炭のような既存エネルギー資源は、近い将来、枯渇すると予測されており、代替エネルギーの候補として、太陽エネルギーから電気エネルギーを生産する太陽電池が注目されている。半導体系の太陽電池は、導電型（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｔｙｐｅ）の互いに異なるｐ−ｎ接合を形成する半導体部、および、半導体部にそれぞれ接続された電極を備えている（特許文献１参照）。

このような太陽電池に光が入射すると、半導体部で電子−正孔対が発生し、特にｐ−ｎ接合部で発生した電子−正孔対はｐ−ｎ接合部における内部電場勾配に従って電子および正孔にそれぞれ分離し、電子がｎ型半導体領域の方に移動するとともに正孔がｐ型半導体領域の方に移動し、キャリアとして用いられる。

特開平５−２８３７２３号公報

特許文献１に記載の光電池はｐ−ｎ接合を有しており、光励起が生じた場合、伝導帯の電子がアノードから外部に移動し、価電子帯のホール（正孔）がカソードから外部に移動する。しかしながら、特許文献１に記載の光電池では、光励起で発生したキャリアが、カソードまたはアノードまで移動する拡散過程で散乱または再結合等に起因して消滅してしまい、効率が大幅に低下することがある。また、有効なキャリアの形成領域は電場勾配の生じるｐ−ｎ接合の空乏領域のみであるため、キャリアを効率的に利用できず、光吸収効率をそれほど高くできない。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ｐ−ｎ接合とは異なる原理に基づいて光励起によって発生したキャリアの利用効率を向上させた光電池および光電池およびその作製方法を提供することにある。

本発明による光電池は、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に位置する光電変換層とを備える、光電池であって、前記光電変換層は、自発分極を有する第１誘電体層と、前記第１誘電体層と接触し、前記第１誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第２誘電体層とを有し、前記第２誘電体層のバンドギャップは、前記第１誘電体層のバンドギャップよりも大きい。

ある実施形態において、前記第２誘電体層の厚さは、前記第１誘電体層の厚さよりも大きい。

ある実施形態において、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層は、それぞれ、窒化物系化合物半導体材料を含む。

ある実施形態において、前記光電変換層は、前記第２誘電体層と接触し、前記第２誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第３誘電体層をさらに有し、前記第３誘電体層のバンドギャップは、前記第２誘電体層のバンドギャップよりも小さい。

ある実施形態において、前記第２誘電体層の厚さは、前記第１誘電体層および前記第３誘電体層の厚さよりも大きい。

ある実施形態において、前記光電変換層は、前記第１誘電体層、前記第２誘電体層および前記第３誘電体層を有する第１光電変換部と、前記第１光電変換部に対して重なるように位置する第２光電変換部とを有し、前記第２光電変換部は、自発分極を有する第４誘電体層と、前記第４誘電体層と接触し、前記第４誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第５誘電体層と、前記第５誘電体層と接触し、前記第５誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第６誘電体層とを有する。

本発明による光電池の作製方法は、第１電極を用意する工程と、前記第１電極の上に光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層の上に第２電極を形成する工程とを包含する、光電池の作製方法であって、前記光電変換層を形成する工程は、自発分極を有する第１誘電体層を形成する工程と、前記第１誘電体層の上に、前記第１誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、前記第１誘電体層とはバンドギャップの異なる第２誘電体層を形成する工程とを含む。

ある実施形態において、前記光電変換層を形成する工程は、有機金属気相成長法を用いて、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の少なくとも一方を形成する。

ある実施形態において、前記光電変換層を形成する工程は、分子線エピタキシー法を用いて、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の少なくとも一方を形成する。

ある実施形態において、前記光電変換層を形成する工程は、スパッタ法を用いて、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の少なくとも一方を形成する。

ある実施形態において、前記スパッタ法は、電圧を印加しながらスパッタを行う。

ある実施形態において、前記光電変換層を形成する工程は、前記第２誘電体層の上に、前記第２誘電体層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、前記第２誘電体層とは異なるバンドギャップを有する第３誘電体層を形成する工程とをさらに含む。

本発明によれば、光励起によって発生したキャリアの利用効率を向上させることができる。

本発明による光電池の実施形態の模式図である。図１に示した光電池における光電変換層のバンドギャップを示す模式的なグラフである。（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した光電池の作製方法の実施形態を説明するための模式図である。窒化物系化合物半導体材料の組成に応じたａ軸格子定数およびバンドギャップエネルギーを示す概略的な模式図である。ある実施形態の光電池における光電変換層のバンドギャップを示す模式的なグラフの一つである。（ａ）〜（ｃ）は、図５に示した光電池の作製方法の実施形態を説明するための模式図である。ある実施形態の光電池における光電変換層のバンドギャップを示す模式的なグラフである。本発明による光電池の実施形態の模式図である。本発明による光電池の実施形態の模式図である。

以下、図面を参照して本発明による光電池および光電池の作製方法の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１に、本発明による光電池の実施形態の模式図を示す。本実施形態の光電池１０は、カソード２０と、アノード３０と、カソード２０とアノード３０との間に位置する光電変換層４０とを備える。

本実施形態の光電池１０において、光電変換層４０は多層構造を有している。ここでは、光電変換層４０は３層構造であり、光電変換層４０は、誘電体層４２と、誘電体層４４と、誘電体層４６とを有している。誘電体層４２は、カソード２０および誘電体層４４とそれぞれ接触しており、誘電体層４６は、アノード３０および誘電体層４４とそれぞれ接触している。なお、本明細書の以下の説明において、誘電体層４２、４４、４６をそれぞれ、第１誘電体層４２、第２誘電体層４４、第３誘電体層４６と記載することがある。

第１誘電体層４２、第２誘電体層４４および第３誘電体層４６のそれぞれは自発分極を有している。誘電体層４２、４４、４６は、極性を有する以下の１０個の点群（極性点群）Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄、Ｃ₆、Ｃ_1h、Ｃ_2v、Ｃ_3v、Ｃ_4vおよびＣ_6vのいずれかに属する結晶構造を有していることが好ましい。例えば、誘電体層４２、４４、４６は、ウルツ型構造（Ｃ⁴ _6v）に属するＩＩＩ−Ｖ族化合物であってもよい。

ここでは、誘電体層４２、４４、４６のそれぞれの自発分極の大きさは互いに異なる。例えば、誘電体層４２は、誘電体層４４とは組成または材料の異なる誘電体材料を有しており、その結果、誘電体層４２の自発分極の大きさは誘電体層４４の自発分極の大きさとは異なる。また、例えば、誘電体層４６は、誘電体層４４とは組成または材料の異なる誘電体材料を有しており、その結果、誘電体層４６の自発分極の大きさは誘電体層４４の自発分極の大きさとは異なる。

また、誘電体層４６は誘電体層４２とは異なる組成および材料から構成されてもよく、その結果、誘電体層４２の自発分極の大きさは誘電体層４６の自発分極の大きさと異なってもよい。ただし、ある実施形態において、誘電体層４２の自発分極の大きさは誘電体層４６と同じであってもよく、この場合、誘電体層４６は誘電体層４２と同じ組成および材料から構成されてもよい。

このように、誘電体層４４の自発分極の大きさが誘電体層４２、４６の自発分極の大きさと異なる場合、誘電体層４４に内部電場が発生する。これは、以下のように考えられる。

例えば、誘電体層４２の自発分極の大きさは誘電体層４４の自発分極の大きさとは異なるため、誘電体層４２と誘電体層４４との界面近傍において誘電体層４２と誘電体層４４のそれぞれの側に誘導分極電荷が発生する。同様に、誘電体層４４の自発分極の大きさは誘電体層４６の自発分極の大きさとは異なるため、誘電体層４４と誘電体層４６との界面近傍において誘電体層４４と誘電体層４６のそれぞれの側に誘導分極電荷が発生する。

上述したように、誘電体層４２、４４、４６は極性を有する結構構造を有しており、誘電体層４２と誘電体層４４との界面、および、誘電体層４４と誘電体層４６との界面を比較すると、極性の違いに応じて発生する誘導分極電荷量が異なる。したがって、誘電体層４４の両端において電位（ポテンシャル）が異なり、誘電体層４４内に電場勾配が生じる。同様に、誘電体層４２および誘電体層４６のそれぞれの内部にも電場勾配が生じる。なお、電場勾配の方向は、光電池１０の作製初期の条件で決定される。

図２に、図１に示した光電池１０における光電変換層４０のバンドギャップの模式図を示す。誘電体層４４のバンドギャップは誘電体層４２のバンドギャップよりも大きい。また、誘電体層４４のバンドギャップは、誘電体層４６のバンドギャップよりも大きい。

図２に示した光電池１０では、誘電体層４４の電場ポテンシャルは、内部電場により、誘電体層４４と誘電体層４６との界面に向かって減少する。このため、誘電体層４４の価電子帯および伝導帯は、カソード２０からアノード３０に向かってポテンシャルが減少するように傾斜している。なお、誘電体層４４の伝導帯のポテンシャルは誘電体層４２、４６の伝導帯のポテンシャルよりも高く、誘電体層４４の価電子帯のポテンシャルは誘電体層４２、４６の価電子帯のポテンシャルよりも低い。このような光電池１０のバンドギャップアライメントはタイプＩとも呼ばれる。

例えば、誘電体層４４のバンドギャップに相当する光が誘電体層４４で吸収されると、伝導帯に電子が発生し、価電子帯にホール（正孔）が発生する。本実施形態の光電池１０では、誘電体層４４の価電子帯および伝導帯は、カソード２０からアノード３０に向かって電場ポテンシャルが減少するように傾斜しているため、光励起によって発生した電子はアノード３０に向かって移動し、ホールはカソード２０に向かって移動する。このように、本実施形態の光電池１０によれば、いわゆるｐ−ｎ接合を必須とすることなく、自発分極による内部電場を用いて光励起によって発生した電子およびホールをキャリアとして外部に取り出すことができ、光起電力を実現できる。また、光電池１０では、有効キャリア発生層全般に電場ポテンシャルが傾いており、電場の平坦部分がほとんどないため、電場平坦部分でのキャリアの消滅がない。このため、光電池１０では、ｐ−ｎ接合型の光電池と比べてキャリアの消滅が生じにくく、光励起によって発生したキャリアをより効率的に取り出すことができる。なお、上述したように、光電池１０では、ｐ−ｎ接合を有さなくてもよく、誘電体層４４に不純物を注入しなくてもよい。ただし、必要に応じて、誘電体層４４内に、ｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域の両方または少なくとも一方を形成してもよい。

また、上述したように、本実施形態の光電池１０では、ｐ−ｎ接合を必須としない。ｐ−ｎ接合では主に空乏層領域において光励起したキャリアが取り出されるが、光電池１０では誘電体層４４において光励起したキャリアを効率的に取り出すことができる。このように、バンドギャップの大きい誘電体層４４（バリア層）が活性層として用いられる。この誘電体層４４は、カソード２０からアノード３０に向かう厚さ方向に沿っていずれの位置においても有効に光電変換を行うための領域として利用される。このため、誘電体層４４を厚くすることにより、光電変換の効率を各段に向上させることができる。なお、本明細書において、このようにンドギャップの大きい誘電体層４４を有効光電変換領域と記載することがある。

誘電体層４２、４６は充分に薄いことが好ましく、誘電体層４４は誘電体層４２、４６よりも厚いことが好ましい。例えば、誘電体層４２、４６の厚さが１ｎｍ程度以下であることにより、キャリアのトンネル効果が生じ、光励起後のキャリアの誘電体層４２、４６での減少を抑制できる。また、誘電体層４４を厚くすることにより、有効光電変換領域を容易に増大させることができる。例えば、誘電体層４４の厚さは約１００〜２００ｎｍ程度である。

誘電体層４２、４４、４６は極性結晶構造を有する材料から形成されることが好ましい。さらに、誘電体層４２と誘電体層４４との間のヘテロ界面は、理想的なエピタキシャル成長からずれていてもよい。同様に、誘電体層４４と誘電体層４６との間のヘテロ界面は、理想的なエピタキシャル成長からずれていてもよい。例えば、誘電体層４２はＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）であり、誘電体層４４はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ）であり、誘電体層４６はＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）である。このような光電変換層４０は、主に紫外域から青色域の光を吸収する。

なお、カソード２０およびアノード３０のうちの少なくとも一方は透明であることが好ましく、光は、透明なカソード２０および／またはアノード３０から入射することが好ましい。透明な電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：ＩＴＯ）から形成される。例えば、カソード２０が透明電極であり、アノード３０が金属電極である場合、カソード２０を通過した光が光電変換層４０に入射する。なお、アノード４０は、光を反射する金属鏡面を有していることが好ましい。あるいは、アノード４０は、光をランダムに反射する構造を有してもよい。

ここで、図３を参照して、図１に示した光電池１０の作製方法の実施形態を説明する。まず、図３（ａ）に示すように電極Ｅ１を用意する。ここでは、電極Ｅ１としてカソード２０を用いる。電極Ｅ１は、透明導電膜であってもよく、金属電極であってもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、電極Ｅ１の上に、光電変換層４０を形成する。電極Ｅ１としてカソード２０を用いた場合、光電変換層４０の形成は、カソード２０の上に自発分極を有する誘電体層４２を形成した後、誘電体層４２の上に、誘電体層４４を形成する。誘電体層４４は、誘電体層４２の自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、誘電体層４４のバンドギャップは誘電体層４２よりも大きい。さらに、誘電体層４４の上に、誘電体層４６を形成する。誘電体層４６は、誘電体層４４の自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、誘電体層４６のバンドギャップは誘電体層４４よりも小さい。このようにして、誘電体層４２、４４、４６を有する光電変換層４０が形成される。

なお、光電変換層４０の形成は、例えば、分子線エピタキシー法（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、および、スパッタ法のうちの少なくとも１つを用いて行うことが好ましい。例えば、スパッタ法は、電圧を印加しながら行ってもよい。なお、誘電体層４２、４４および４６は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、および、スパッタ法のうちのいずれか１つの方法で材料および／または組成を変えながら形成することが好ましい。

次に、図３（ｃ）に示すように、光電変換層４０の上に、電極Ｅ２を形成する。ここでは、電極Ｅ２は、アノード３０である。以上のようにして光電池１０を作製することができる。

なお、図３を参照した説明では、カソード２０の上に光電変換層４０を誘電体層４２、４４、４６の順番に形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アノード３０の上に光電変換層４０を誘電体層４６、４４、４２の順番に形成してもよい。

例えば、光電変換層４０は、窒化物系化合物半導体材料を用いて形成してもよい。図４に、窒化物系化合物半導体材料における混晶の格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す。

図４から理解されるように、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）系では、Ｇａ組成比が高いほど、バンドギャップエネルギーは大きくなる。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）系では、Ａｌ組成比が高いほど、バンドギャップエネルギーは大きくなる。なお、図４では、２組成の半導体材料のそれぞれの点を結ぶバンドギャップエネルギーを便宜的に直線で示しているが、実際には２組成の半導体材料のそれぞれの点を結ぶバンドギャップエネルギーは下に凸の放物線を示す。また、ここで示した材料は、バンドギャップエネルギーの大きいほど、大きな自発分極を示す。

ここでいう窒化物系化合物半導体材料はウルツ鉱型構造を有している。ただし、誘電体層４２、４４、４６の結晶構造は、ウルツ鉱型に限定されない。例えば、誘電体層４２、４４、４６の少なくとも１つはペロブスカイト型の結晶構造を有してもよい。

なお、上述した説明では、光電変換層４０は３層構造であったが、本発明はこれに限定されない。光電変換層４０は２層構造であってもよい。

図５に、本実施形態の光電池１０における光電変換層４０のバンドギャップの模式的なグラフを示す。図５に示した光電池１０は、カソード２０と、アノード３０と、カソード２０とアノード３０との間に配置された光電変換層４０とを備えており、光電変換層４０は誘電体層４２および誘電体層４４を有している。

ここでは、誘電体層４４がカソード２０と接触しており、誘電体層４２がアノード３０と接触している。また、誘電体層４４のバンドギャップは誘電体層４２よりも大きい。なお、図５に示した光電池１０における誘電体層４４とカソード２０との界面近傍は、図２を参照して上述した光電池１０の誘電体層４２と誘電体層４４との界面近傍と同様に作用する。このため、図５に示した光電池１０では、誘電体層４４の電場ポテンシャルは内部電場に起因して誘電体層４２と誘電体層４４との界面に向かって減少し、その結果、誘電体層４４の価電子帯および伝導帯は、カソード２０からアノード３０に向かってポテンシャルが減少するように傾斜している。

ここで、図６を参照して、図５に示した光電池１０の作製方法の実施形態を説明する。まず、図６（ａ）に示すように電極Ｅ１を用意する。ここでは、電極Ｅ１としてカソード２０を用いる。電極Ｅ１は、透明導電膜であってもよく、金属電極であってもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、カソード２０の上に、光電変換層４０を形成する。電極Ｅ１としてカソード２０を用いる場合、光電変換層４０の形成は、自発分極を有する誘電体層４４を形成した後、誘電体層４４の上に誘電体層４２を形成する。誘電体層４２は、誘電体層４４の自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、誘電体層４２のバンドギャップは誘電体層４４よりも小さい。このようにして、誘電体層４２および４４を有する光電変換層４０が形成される。

なお、光電変換層４０の形成は、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、および、スパッタ法のうちの少なくとも１つを用いて行うことが好ましい。例えば、スパッタ法は、電圧を印加しながら行ってもよい。誘電体層４２および４４は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、および、スパッタ法のうちのいずれか１つの方法で材料および／または組成を変えて形成することが好ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、光電変換層４０の上に、電極Ｅ２を形成する。ここでは、電極Ｅ２は、アノード３０である。以上のようにして光電池１０を作製することができる。

なお、図６を参照した説明では、カソード２０の上に光電変換層４０を誘電体層４４、４２の順番に形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アノード３０の上に光電変換層４０を誘電体層４２、４４の順番に形成してもよい。

また、図５および図６を参照して説明した光電池１０では、誘電体層４４のバンドギャップは誘電体層４２よりも大きく、また、誘電体層４４がカソード２０と接触していたが、本実施形態はこれに限定されない。バンドギャップの大きい誘電体層４４がアノード３０と接触してもよい。この場合、誘電体層４４の電場ポテンシャルは内部電場に起因して誘電体層４４とアノード３０との界面に向かって減少し、その結果、カソード２０からアノード３０に向かってポテンシャルが減少するように傾斜する。このように、誘電体層４４は、誘電体層４２と、カソード２０およびアノード３０の一方との間に配置されてもよい。

また、上述した説明では、光電変換層４０が３層以上の誘電体層を有する場合、誘電体層は、バンドギャップの大きさの大小関係が交互になるように配置されていたが、本発明はこれに限定されない。

図７に、本実施形態の光電池１０における光電変換層４０のバンドギャップの模式的なグラフを示す。この光電池１０において、光電変換層４０は誘電体層４２、誘電体層４４および誘電体層４６を有しており、誘電体層４２は、誘電体層４４と誘電体層４６との間に配置されている。

ここでは、誘電体層４４がカソード２０と接触しており、誘電体層４６がアノード３０と接触している。誘電体層４４のポテンシャルは内部電場に起因して誘電体層４２と誘電体層４４との界面に向かって減少し、その結果、誘電体層４４の価電子帯および伝導帯は、カソード２０からアノード３０に向かってポテンシャルが減少するように傾斜している。

また、誘電体層４４のバンドギャップは誘電体層４２、４６よりも大きく、誘電体層４２のバンドギャップは誘電体層４６よりも大きい。ここで、誘電体層４２、４４、４６のバンドギャップの大きさに着目した場合、カソード２０からアノード３０に近づくほど、誘電体層４２、４４、４６のバンドギャップの大きさは減少する。

なお、上述した光電池１０では、有効光電変換領域が単層に配置されていたが、本発明はこれに限定されない。光電池１０はタンデム型であってもよい。

図８に、本実施形態の光電池１０の模式図を示す。図８に示した光電池１０は、有効光電変換領域が２層に重なって配置されたタンデム型である。この光電池１０は、カソード２０と、アノード３０と、光電変換層４０とを備えており、光電変換層４０は、誘電体層４２ａ、４４ａ、４６ａから構成された光電変換部４０Ａと、誘電体層４２ｂ、４４ｂ、４６ｂから構成された光電変換部４０Ｂとを有している。光電変換部４０Ａはカソード２０側に配置されており、光電変換部４０Ｂはアノード３０側に配置されている。なお、以下の説明において、誘電体層４２ａ、４４ａ、４６ａを、それぞれ、第１〜第３誘電体層４２ａ、４４ａ、４６ａと記載することがあり、誘電体層４２ｂ、４４ｂ、４６ｂを、それぞれ、第４〜第６誘電体層４２ｂ、４４ｂ、４６ｂと記載することがある。

カソード２０およびアノード３０の少なくとも一方は透明であることが好ましい。例えば。透明電極は、酸化インジウムスズ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：ＩＴＯ）から形成される。ここでは、カソード２０が透明電極であり、アノード３０が金属電極である。光電変換層４０に入射する光はカソード２０を介して入射される。

誘電体層４４ａのバンドギャップは誘電体層４２ａ、４６ａのバンドギャップよりも大きく、誘電体層４４ａの自発分極の大きさは誘電体層４２ａ、４６ａの自発分極とは異なる。また、誘電体層４４ｂのバンドギャップは誘電体層４２ｂ、４６ｂのバンドギャップよりも大きく、誘電体層４４ｂの自発分極の大きさは誘電体層４２ｂ、４６ｂの自発分極とは異なる。

なお、ここでは、誘電体層４４ａのバンドギャップは誘電体層４４ｂよりも大きい。このため、光電変換部４０Ａは、より高いエネルギーの光（すなわち、短波長の光）を吸収し、光電変換部４０Ｂは、より低いエネルギーの光（すなわち、長波長の光）を吸収する。

例えば、第１誘電体層４２ａはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）であり、第２誘電体層４４ａはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ）であり、第３誘電体層４６ａはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）である。なお、誘電体層４２ａ、４６ａは比較的薄いことが好ましく、例えば、誘電体層４２ａ、４６ａの厚さは数ｎｍである。

また、例えば、第４誘電体層４２ｂはＩｎＮであり、第５誘電体層４４ｂはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．２≦ｘ≦０．５）であり、第６誘電体層４６ｂはＩｎＮである。なお、誘電体層４２ｂ、４６ｂは比較的薄いことが好ましく、例えば、誘電体層４２ｂ、４６ｂの厚さは数ｎｍである。なお、ここでは、誘電体層４６ａは誘電体層４２ｂと接触しているが、誘電体層４６ａと誘電体層４２ｂとの間に透明電極が配置されてもよい。

なお、図８に示した光電池１０は２層構造のタンデム型であったが、本発明はこれに限定されない。光電池１０は３層構造のタンデム型であってもよい。

図９に、本実施形態の光電池１０の模式図を示す。図９に示した光電池１０は３層のタンデム構造を有している。この光電池１０は、カソード２０と、アノード３０と、光電変換層４０とを備えている。光電変換層４０は、誘電体層４２ａ、４４ａ、４６ａから構成された光電変換部４０Ａと、誘電体層４２ｂ、４４ｂ、４６ｂから構成された光電変換部４０Ｂと、誘電体層４２ｃ、４４ｃ、４６ｃから構成された光電変換部４０Ｃとを有している。光電変換部４０Ａはカソード２０側に配置されており、光電変換部４０Ｃはアノード３０側に配置されている。光電変換部４０Ｂは光電変換部４０Ａと光電変換部４０Ｃとの間に配置されている。

カソード２０およびアノード３０の少なくとも一方は透明であることが好ましい。ここでは、カソード２０が透明電極であり、アノード３０が金属電極である。光電変換層４０に入射する光はカソード２０を介して入射される。

誘電体層４４ａのバンドギャップは誘電体層４２ａ、４６ａのバンドギャップよりも大きく、誘電体層４４ａの自発分極の大きさは誘電体層４２ａ、４６ａの自発分極とは異なる。また、誘電体層４４ｂのバンドギャップは誘電体層４２ｂ、４６ｂのバンドギャップよりも大きく、誘電体層４４ｂの自発分極の大きさは誘電体層４２ｂ、４６ｂの自発分極とは異なる。また、誘電体層４４ｃのバンドギャップは誘電体層４２ｃ、４６ｃのバンドギャップよりも大きく、誘電体層４４ｃの自発分極の大きさは誘電体層４２ｃ、４６ｃの自発分極とは異なる。

なお、ここでは、誘電体層４４ａのバンドギャップは誘電体層４４ｂ、４４ｃよりも大きく、誘電体層４４ｂのバンドギャップは誘電体層４４ｃよりも大きい。このため、光電変換部４０Ａは、より高いエネルギーの光（すなわち、短波長の光）を吸収し、光電変換部４０Ｂは、中程度のエネルギーの光（すなわち、中波長の光）を吸収し、光電変換部４０Ｃは、より低いエネルギーの光（すなわち、長波長の光）を吸収する。例えば、光電変換部４０Ａは紫外域の光を吸収し、光電変換部４０Ｂは可視域の光を吸収し、光電変換部４０Ｃは赤外域の光を吸収する。

例えば、誘電体層４２ａはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）であり、誘電体層４４ａはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ）であり、誘電体層４６ａはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦０．６６）である。誘電体層４２ａ、４６ａは比較的薄いことが好ましく、例えば、誘電体層４２ａ、４６ａの厚さは数ｎｍである。

また、例えば、誘電体層４２ｂはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）であり、誘電体層４４ｂはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．６６≦ｘ）であり、誘電体層４６ａはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）である。誘電体層４２ｂ、４６ｂは比較的薄いことが好ましく、例えば、誘電体層４２ｂ、４６ｂの厚さは数ｎｍである。なお、ここでは、誘電体層４６ａは誘電体層４２ｂと接触しているが、誘電体層４６ａと誘電体層４２ｂとの間に透明電極が配置されてもよい。

また、例えば、誘電体層４２ｃはＩｎＮであり、誘電体層４４ｃはＧａ_xＩｎ_1-xＮ（０．２≦ｘ≦０．５）であり、誘電体層４６ｃはＩｎＮである。誘電体層４２ｃ、４６ｃは比較的薄いことが好ましく、例えば、誘電体層４２ｃ、４６ｃの厚さは数ｎｍである。なお、ここでは、誘電体層４６ｂは誘電体層４２ｃと接触しているが、誘電体層４６ｂと誘電体層４２ｃとの間に透明電極が配置されてもよい。

なお、図８および図９に示した光電池１０では、タンデム構造は２層または３層であったが、本発明はこれに限定されない。タンデム構造は４層以上であってもよい。

本発明によれば、光励起によって発生したキャリアの利用効率を向上させることができる。このような光電池は、タンデム型光電池に好適に利用される。

１０光電池
２０カソード
３０アノード
４０光電変換層
４２誘電体層
４４誘電体層
４６誘電体層

Claims

カソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に位置する光電変換層と
を備える、光電池であって、
前記光電変換層は、
自発分極を有する第１物質層と、
前記第１物質層と接触し、前記第１物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第２物質層と、
前記第２物質層と接触し、前記第２物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第３物質層と
を有し、
前記第２物質層のバンドギャップは、前記第１物質層のバンドギャップよりも大きく、前記第３物質層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２物質層の厚さは、前記第１物質層の厚さよりも大きく、前記第３物質層の厚さよりも大きく、
前記第１物質層及び前記第３物質層の各々には、キャリアを誘起する不純物が注入されていない、光電池。
前記第１物質層および前記第２物質層のそれぞれは、点群Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄、Ｃ₆、Ｃ_1h、Ｃ_2v、Ｃ_3v、Ｃ_4vおよびＣ_6vのいずれかに属する結晶構造を有している、請求項１に記載の光電池。
前記第１物質層および前記第２物質層は、それぞれ、窒化物系化合物半導体材料を含む、請求項１または２に記載の光電池。
前記光電変換層は、
前記第１物質層、前記第２物質層および前記第３物質層を有する第１光電変換部と、
前記第１光電変換部に対して重なるように位置する第２光電変換部と
を有し、
前記第２光電変換部は、
自発分極を有する第４物質層と、
前記第４物質層と接触し、前記第４物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第５物質層と、
前記第５物質層と接触し、前記第５物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有する第６物質層と
を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光電池。
第１電極を用意する工程と、
前記第１電極の上に光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層の上に第２電極を形成する工程と
を包含する、光電池の作製方法であって、
前記光電変換層を形成する工程は、
自発分極を有する第１物質層を形成する工程と、
前記第１物質層の上に、前記第１物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、前記第１物質層とはバンドギャップの異なる第２物質層を形成する工程と、
前記第２物質層の上に、前記第２物質層の前記自発分極とは異なる大きさの自発分極を有し、前記第２物質層とは異なるバンドギャップを有する第３物質層を形成する工程と
を含み、
前記第２物質層のバンドギャップは、前記第１物質層のバンドギャップよりも大きく、前記第３物質層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２物質層の厚さは、前記第１物質層の厚さよりも大きく、前記第３物質層の厚さよりも大きく、
前記第１物質層及び前記第３物質層の各々には、キャリアを誘起する不純物が注入されていない、光電池の作製方法。
前記光電変換層を形成する工程は、有機金属気相成長法を用いて、前記第１物質層および前記第２物質層の少なくとも一方を形成する、請求項５に記載の光電池の作製方法。
前記光電変換層を形成する工程は、分子線エピタキシー法を用いて、前記第１物質層および前記第２物質層の少なくとも一方を形成する、請求項５に記載の光電池の作製方法。
前記光電変換層を形成する工程は、スパッタ法を用いて、前記第１物質層および前記第２物質層の少なくとも一方を形成する、請求項５に記載の光電池の作製方法。
前記スパッタ法は、電圧を印加しながらスパッタを行う、請求項８に記載の光電池の作製方法。