JP6565218B2 - 光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、光デバイスに関する。
従来、太陽光発電に用いられる光デバイスの材料としてはシリコンが用いられているが、シリコンは間接遷移型の半導体であるため、大面積化は容易であるものの、効率という観点からはすでに限界が見えつつある。
また、有機太陽電池の開発も進められているが、例えば数％程度の効率しか得られておらず、寿命も短い。
また、有機太陽電池の開発も進められているが、例えば数％程度の効率しか得られておらず、寿命も短い。
一方、高い効率が得られるものとして、化合物半導体を用いた多接合型太陽電池がある。
しかしながら、多接合型太陽電池では、バンドギャップの異なる化合物半導体層を整合性良く成長させるのは難しい。
そこで、容易に作製でき、高い効率が得られる光デバイスを実現したい。
そこで、容易に作製でき、高い効率が得られる光デバイスを実現したい。
本光デバイスは、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用２次元材料層と、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用２次元材料層と、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用２次元材料層とを備え、紫外領域用２次元材料層、可視光領域用２次元材料層及び赤外領域用２次元材料層が積層されており、紫外領域用２次元材料層として、紫外領域用ｐ型２次元材料層と、紫外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、可視光領域用２次元材料層として、可視光領域用ｐ型２次元材料層と、可視光領域用ｎ型２次元材料層とを含み、赤外領域用２次元材料層として、赤外領域用ｐ型２次元材料層と、赤外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、さらに、紫外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた紫外領域用ｐ側電極及び紫外領域用ｎ側電極と、可視光領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた可視光領域用ｐ側電極及び可視光領域用ｎ側電極と、赤外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた赤外領域用ｐ側電極及び赤外領域用ｎ側電極とを備え、紫外領域用ｐ側電極は、紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層と、ｐ型グラフェン層の紫外領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、紫外領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップとｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされた、異なるバンドギャップを有する複数のｐ型２次元材料層とを含み、紫外領域用ｎ側電極は、紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層と、ｎ型グラフェン層の紫外領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、紫外領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップとｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされた、異なるバンドギャップを有する複数のｎ型２次元材料層とを含む。
したがって、本光デバイスによれば、容易に作製でき、高い効率が得られるという利点がある。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光デバイスについて、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態の光デバイスは、太陽光発電に用いられる光デバイスであり、例えば受光デバイスや発光デバイスなどの発電デバイスである。なお、発電デバイスを太陽光発電デバイス又は機能性デバイスともいう。
本実施形態の光デバイスは、太陽光発電に用いられる光デバイスであり、例えば受光デバイスや発光デバイスなどの発電デバイスである。なお、発電デバイスを太陽光発電デバイス又は機能性デバイスともいう。
本実施形態の光デバイスは、図１に示すように、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用２次元材料層１と、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用２次元材料層２と、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用２次元材料層３とを備える。そして、これらの紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２及び赤外領域用２次元材料層３が積層されている。
なお、紫外領域用２次元材料層１は、光デバイス６が受光デバイスの場合には紫外領域用吸収層（受光層）として機能し、光デバイス６が発光デバイスの場合には紫外領域用発光層として機能する。同様に、可視光領域用２次元材料層２は、光デバイス６が受光デバイスの場合には可視光領域用吸収層（受光層）として機能し、光デバイス６が発光デバイスの場合には可視光領域用発光層として機能する。また、赤外領域用２次元材料層３は、光デバイス６が受光デバイスの場合には赤外領域用吸収層（受光層）として機能し、光デバイス６が発光デバイスの場合には赤外領域用発光層として機能する。また、図１中、符号４Ａは上部電極を示しており、符号５Ｃは下部電極を示している。また、図１では、最も上側の上部電極４Ａと最も下側の下部電極５Ｃのみを示しているが、実際には、紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３のそれぞれを挟んで上下両側に上部電極及び下部電極が設けられているが、ここでは、図示を省略している。
本実施形態では、紫外領域用２次元材料層１は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ；ｈ−ＢＮ）層である。また、可視光領域用２次元材料層２は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層である。また、赤外領域用２次元材料層３は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層である。
ここで、紫外領域は、例えば波長約１ｎｍ〜約４００ｎｍの領域であり、これに対応するバンドギャップは約３．１ｅＶ〜約１２４０ｅＶである。なお、紫外光の短波長側はＸ線領域と重なっており、長波長側は可視光領域と重なっている。また、可視光領域は、例えば波長約３８０ｎｍ〜約７５０ｎｍの領域であり、これに対応するバンドギャップは約１．６５ｅＶ〜約３．２６ｅＶである。なお、可視光の短波長側は紫外領域と重なっており、長波長側は赤外領域と重なっている。また、赤外領域は、例えば波長約０．７μｍ〜約１０００μｍの領域であり、これに対応するバンドギャップは約８０ｍｅＶ〜約１．７ｅＶである。なお、赤外光の短波長側は可視光領域と重なっている。
例えば、紫外領域用ＢＮ層１、即ち、紫外領域用２次元材料として用いられるＢＮ（ｈ−ＢＮ）は、バンドギャップが約４．７０ｅＶである。また、例えば、可視光領域用ＢＣＮ層２、即ち、可視光領域用２次元材料として用いられるＢＣＮは、バンドギャップ約１．５９ｅＶのＢＣ２Ｎ、バンドギャップ約２．３６ｅＶのＢＣ２Ｎとすれば良い。また、例えば、赤外領域用ＢＣＮ層３、即ち、赤外領域用２次元材料として用いられるＢＣＮは、バンドギャップ約０．９８ｅＶのＢＣ６Ｎとすれば良い。
ここで、ＢＣＮ（Ｂ−Ｃ−Ｎ）は、二次元材料であるｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）に一定の割合でＣ（カーボン）が混じった構造を有し、組成や各元素の配置の違いによってバンドギャップが変化する。そして、ＢＮ、ＢＣＮは、２次元材料であり、直接遷移型の半導体としての性質を有し、Ｃ（カーボン）の割合や各元素の配置が異なると、異なるバンドギャップを有するものとなる。
そこで、本実施形態では、異なるバンドギャップを有するＢＮ、ＢＣＮを、それぞれ、紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３に用い、これらを積層することで、紫外領域から赤外領域までの広い波長領域の光を利用することで効率が高められた光デバイス（多接合型太陽電池）６を実現している。このため、例えば日の当たりにくい建物の影、室内などでも利用可能である。これに対し、可視光領域に対応する光デバイス６では、屋根や開けた場所以外での利用は難しく、例えば日の当たりにくい建物の影、室内などでは利用することが難しい。
また、２次元材料は整合性良く成長させることができるため、例えば化合物半導体を用いた多接合型太陽電池のようにバッファ層等を設ける必要がなく、容易に作製することができる。特に、ＢＮとＢＣＮは、格子定数が同じであり、格子の整合性が良いため、容易に積層することが可能である。また、大面積化や低コスト化を図ることも可能である。これに対し、化合物半導体を用いた多接合型太陽電池では、整合性良く成長させるのが難しく、大面積化や低コスト化を図るのが難しい。このため、例えば宇宙衛星などの特殊な用途での利用が進んでいるに過ぎない。
また、ＢＮ、ＢＣＮのような２次元材料は、薄膜であれば、フレキシブルかつ透明な材料である。このため、このような特徴を利用して、例えば、多様な建物の内部や外壁、車のボンネットなどの乗り物の曲面上、窓ガラス等への適用も可能であり、設置場所などを選ばなくなるため、適用できる範囲が広がる。これにより、例えばセンサーセットワーク等へのエネルギー供給源としての利用範囲が広がる。また、ＢＮ、ＢＣＮのような２次元材料やドーパント材料などは、化学的に安定な材料であるため、有機系材料と比べると、寿命の長い光デバイス（太陽電池）６を実現することが可能となる。これに対し、バルク材料を用いた光デバイスでは、適用できる範囲が狭く、例えば車のボンネットなどの曲面上、窓ガラス等への適用は難しい。また、フレキシブルかつ透明な材料という観点では、有機太陽電池の開発が進められているが、例えば数％程度の効率しか得られておらず、寿命も短い。
また、本実施形態では、図２に示すように、紫外領域用２次元材料層１として、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐと、紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎとを含む。また、図３に示すように、可視光領域用２次元材料層２として、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐと、可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎとを含む。また、図４に示すように、赤外領域用２次元材料層３として、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐと、赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎとを含む。
なお、図２では、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐをＰ領域１ｐとして示しており、紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎをＮ領域１ｎとして示している。また、図３では、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐをＰ領域２ｐとして示しており、可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎをＮ領域２ｎとして示している。また、図４では、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐをＰ領域３ｐとして示しており、赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎをＮ領域３ｎとして示している。
ここでは、図２に示すように、複数の紫外領域用２次元材料層１を積層し、その上側領域の紫外領域用２次元材料層１にｐ型ドーパントをドーピングして、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐとし、その下側領域の紫外領域用２次元材料層１にｎ型ドーパントをドーピングして、紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎとしている。これにより、積層された複数の紫外領域用２次元材料層１の上側領域がｐ型領域１ｐとなり、下側領域がｎ型領域１ｎとなり、これらが積層された構造となり、ｐｎ接合が形成されることになる。例えば、複数の紫外領域用ＢＮ層１を積層し、その上側領域の紫外領域用ＢＮ層１に、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）をドーピングして、紫外領域用ｐ型ＢＮ層１ｐとし、その下側領域の紫外領域用ＢＮ層１に、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡをドーピングして、紫外領域用ｎ型ＢＮ層１ｎとすれば良い。
同様に、図３に示すように、複数の可視光領域用２次元材料層２を積層し、その上側領域の可視光領域用２次元材料層２にｐ型ドーパントをドーピングして、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐとし、その下側領域の可視光領域用２次元材料層２にｎ型ドーパントをドーピングして、可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎとしている。これにより、積層された複数の可視光領域用２次元材料層２の上側領域がｐ型領域２ｐとなり、下側領域がｎ型領域２ｎとなり、これらが積層された構造となり、ｐｎ接合が形成されることになる。例えば、複数の可視光領域用ＢＣＮ層（ＢＣ２Ｎ層）２を積層し、その上側領域の可視光領域用ＢＣＮ層（ＢＣ２Ｎ層）２に、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）をドーピングして、可視光領域用ｐ型ＢＣＮ層（ＢＣ２Ｎ層）２ｐとし、その下側領域の可視光領域用ＢＣＮ層（ＢＣ２Ｎ層）２に、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡをドーピングして、可視光領域用ｎ型ＢＣＮ層（ＢＣ２Ｎ層）２ｎとすれば良い。
また、図４に示すように、複数の赤外領域用２次元材料層３を積層し、その上側領域の赤外領域用２次元材料層３にｐ型ドーパントをドーピングして、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐとし、その下側領域の赤外領域用２次元材料層３にｎ型ドーパントをドーピングして、赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎとしている。これにより、積層された複数の赤外領域用２次元材料層３の上側領域がｐ型領域３ｐとなり、下側領域がｎ型領域３ｎとなり、これらが積層された構造となり、ｐｎ接合が形成されることになる。例えば、複数の赤外領域用ＢＣＮ層（ＢＣ６Ｎ層）３を積層し、その上側領域の赤外領域用ＢＣＮ層（ＢＣ６Ｎ層）３に、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）をドーピングして、赤外領域用ｐ型ＢＣＮ層（ＢＣ６Ｎ層）３ｐとし、その下側領域の赤外領域用ＢＣＮ層（ＢＣ６Ｎ層）３に、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡをドーピングして、赤外領域用ｎ型ＢＣＮ層（ＢＣ６Ｎ層）３ｎとすれば良い。
ここで、p型ドーパントやｎ型ドーパントのドーピングは、例えばインターカレーションによって行なえば良い。なお、ｐ型ドーパントをｐ型のインターカレーション材料ともいう。また、ｎ型ドーパントをｎ型のインターカレーション材料ともいう。
なお、ここでは、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）をドーピングしてｐ型２次元材料層１ｐ〜３ｐとし、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡをドーピングしてｎ型２次元材料層１ｎ〜３ｎとしているが、これに限られるものではなく、例えば、Ｂを増やすことでｐ型２次元材料層１ｐ〜３ｐとしても良いし、酸素を入れることでｎ型２次元材料層１ｎ〜３ｎとしても良い。また、ここでは、ｐ型領域１ｐ〜３ｐとｎ型領域１ｎ〜３ｎとが上下に分離された構造になっているが、これに限られるものではなく、例えば、ｐ型領域とｎ型領域とが混ざり合っているような構造になっていても良い。
なお、ここでは、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）をドーピングしてｐ型２次元材料層１ｐ〜３ｐとし、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡをドーピングしてｎ型２次元材料層１ｎ〜３ｎとしているが、これに限られるものではなく、例えば、Ｂを増やすことでｐ型２次元材料層１ｐ〜３ｐとしても良いし、酸素を入れることでｎ型２次元材料層１ｎ〜３ｎとしても良い。また、ここでは、ｐ型領域１ｐ〜３ｐとｎ型領域１ｎ〜３ｎとが上下に分離された構造になっているが、これに限られるものではなく、例えば、ｐ型領域とｎ型領域とが混ざり合っているような構造になっていても良い。
そして、本実施形態では、図２に示すように、紫外領域用２次元材料層１を挟んで上下両側に紫外領域用ｐ側電極４Ａ及び紫外領域用ｎ側電極５Ａが設けられている。また、図３に示すように、可視光領域用２次元材料層２を挟んで上下両側に可視光領域用ｐ側電極４Ｂ及び可視光領域用ｎ側電極５Ｂが設けられている。また、図４に示すように、赤外領域用２次元材料層３を挟んで上下両側に赤外領域用ｐ側電極４Ｃ及び赤外領域用ｎ側電極５Ｃが設けられている。
ここでは、上述のように、積層された複数の紫外領域用２次元材料層１の上側領域がｐ型領域１ｐとなり、下側領域がｎ型領域１ｎとなっているため、図２に示すように、上側に紫外領域用ｐ側電極（上部電極）４Ａが設けられており、下側に紫外領域用ｎ側電極（下部電極）５Ａが設けられている。同様に、積層された複数の可視光領域用２次元材料層２の上側領域がｐ型領域２ｐとなり、下側領域がｎ型領域２ｎとなっているため、図３に示すように、上側に可視光領域用ｐ側電極（上部電極）４Ｂが設けられており、下側に可視光領域用ｎ側電極（下部電極）５Ｂが設けられている。また、積層された複数の赤外領域用２次元材料層３の上側領域がｐ型領域３ｐとなり、下側領域がｎ型領域３ｎとなっているため、図４に示すように、上側に赤外領域用ｐ側電極（上部電極）４Ｃが設けられており、下側に赤外領域用ｎ側電極（下部電極）５Ｃが設けられている。
特に、本実施形態では、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、紫外領域用ｐ型２次元材料層１よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。また、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、紫外領域用ｎ型２次元材料層１よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。また、可視光領域用ｐ側電極４Ｂは、可視光領域用ｐ型２次元材料層２よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。また、可視光領域用ｎ側電極５Ｂは、可視光領域用ｎ型２次元材料層２よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。また、赤外領域用ｐ側電極４Ｃは、赤外領域用ｐ型２次元材料層３よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。また、赤外領域用ｎ側電極５Ｃは、赤外領域用ｎ型２次元材料層３よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層からなるグラフェン電極である。
ここでは、ｐ型グラフェン層及びｎ型グラフェン層として、複数のグラフェン層が積層されたもの、即ち、多層グラフェン（グラフェン連続膜）を備える。また、ｐ型グラフェン層となる多層グラフェンには、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。また、ｎ型グラフェン層となる多層グラフェンには、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡを高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
このようにして、図２に示すように、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐ及び紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎを挟んで上下両側に紫外領域用ｐ側電極４Ａ及び紫外領域用ｎ側電極５Ａを設けることで、紫外領域用発電モジュール（紫外領域用発電素子；紫外領域用光デバイス）７となる。同様に、図３に示すように、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐ及び可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎを挟んで上下両側に可視光領域用ｐ側電極４Ｂ及び可視光領域用ｎ側電極５Ｂを設けることで、可視光領域用発電モジュール（可視光領域用発電素子；可視光領域用光デバイス）８となる。また、図４に示すように、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐ及び赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎを挟んで上下両側に赤外領域用ｐ側電極４Ｃ及び赤外領域用ｎ側電極５Ｃを設けることで、赤外領域用発電モジュール（赤外領域用発電素子；赤外領域用光デバイス）９となる。そして、図５に示すように、これらを積層することで、紫外領域、可視光領域及び赤外領域に対応した縦型（タンデム型）太陽光発電モジュール（太陽光発電素子）６とすることができる。なお、これらを積層した構造とする場合、各モジュール７〜９を互いに接合しても良いし、各モジュール７〜９を構成する各層を連続的に合成しても良い。なお、図５では、紫外領域用発電モジュール７を２つ積層しているが、１つであっても良い。つまり、紫外領域用発電モジュール７、可視光領域用発電モジュール８、赤外領域用発電モジュール９は１つだけ積層しても良いし、複数積層しても良い。
なお、ここでは、各電極４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃを、グラフェン層からなるグラフェン電極としているが、これに限られるものではなく、グラフェン層を含むものとすれば良い。
つまり、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、可視光領域用ｐ側電極４Ｂは、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、可視光領域用ｎ側電極５Ｂは、可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、赤外領域用ｐ側電極４Ｃは、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、赤外領域用ｎ側電極５Ｃは、赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。
つまり、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、紫外領域用ｐ型２次元材料層１ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、紫外領域用ｎ型２次元材料層１ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、可視光領域用ｐ側電極４Ｂは、可視光領域用ｐ型２次元材料層２ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、可視光領域用ｎ側電極５Ｂは、可視光領域用ｎ型２次元材料層２ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、赤外領域用ｐ側電極４Ｃは、赤外領域用ｐ型２次元材料層３ｐよりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含むものとすれば良い。また、赤外領域用ｎ側電極５Ｃは、赤外領域用ｎ型２次元材料層３ｎよりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むものとすれば良い。
この場合、図６に示すように、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、ｐ型グラフェン層１０の紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）の側に積層され、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）のバンドギャップとｐ型グラフェン層１０のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層１１、１２を含むものとするのが好ましい。また、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、ｎ型グラフェン層の紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）の側に積層され、紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）のバンドギャップとｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むものとするのが好ましい。なお、図６では、最も上側の上部電極４Ａと最も下側の下部電極５Ｃのみを示しているが、実際には、紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３のそれぞれを挟んで上下両側に上部電極及び下部電極が設けられているが、ここでは、図示を省略している。
また、図６に示すように、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、異なるバンドギャップを有する複数のｐ型２次元材料層１１、１２を含むものとするのが好ましい。また、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、異なるバンドギャップを有する複数のｎ型２次元材料層を含むものとするのが好ましい。
例えば、図６に示すように、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）を紫外領域用ｐ型ＢＮ層とする場合、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、紫外領域用ｐ型ＢＮ層１（１ｐ）の側から順に、ｐ型ＢＮ層１３、ｐ型ＢＣ２Ｎ層１２、ｐ型ＢＣ６Ｎ層１１、ｐ型グラフェン層１０が積層されたものとし、これらのｐ型ＢＮ層１３、ｐ型ＢＣ２Ｎ層１２、ｐ型ＢＣ６Ｎ層１１、ｐ型グラフェン層１０を、紫外領域用ｐ型ＢＮ層１（１ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
例えば、図６に示すように、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）を紫外領域用ｐ型ＢＮ層とする場合、紫外領域用ｐ側電極４Ａは、紫外領域用ｐ型ＢＮ層１（１ｐ）の側から順に、ｐ型ＢＮ層１３、ｐ型ＢＣ２Ｎ層１２、ｐ型ＢＣ６Ｎ層１１、ｐ型グラフェン層１０が積層されたものとし、これらのｐ型ＢＮ層１３、ｐ型ＢＣ２Ｎ層１２、ｐ型ＢＣ６Ｎ層１１、ｐ型グラフェン層１０を、紫外領域用ｐ型ＢＮ層１（１ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
また、例えば、紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）を紫外領域用ｎ型ＢＮ層とする場合、紫外領域用ｎ側電極５Ａは、紫外領域用ｎ型ＢＮ層１（１ｎ）の側から順に、ｎ型ＢＮ層、ｎ型ＢＣ２Ｎ層、ｎ型ＢＣ６Ｎ層、ｎ型グラフェン層が積層されたものとし、これらのｎ型ＢＮ層、ｎ型ＢＣ２Ｎ層、ｎ型ＢＣ６Ｎ層、ｎ型グラフェン層を、紫外領域用ｎ型ＢＮ層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡを高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
このように構成するのは、次の理由による。
つまり、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）及び紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）は、非常に大きなバンドギャップを有し、紫外領域用ｐ側電極４Ａに含まれるｐ型グラフェン層１０及び紫外領域用ｎ型電極５Ａに含まれるｎ型グラフェン層とのバンドギャップ差が大きい。このため、ｐ型グラフェン層及びｎ型グラフェン層との界面抵抗が大きくなり、発電素子としての動作を阻害するおそれがある。このため、シームレスな界面電子状態を作製するために、紫外領域用ｐ側電極４Ａ及び紫外領域用ｎ側電極５Ａを、上述のように、連続的にバンドギャップが変化する連続膜構造としている。
つまり、紫外領域用ｐ型２次元材料層１（１ｐ）及び紫外領域用ｎ型２次元材料層１（１ｎ）は、非常に大きなバンドギャップを有し、紫外領域用ｐ側電極４Ａに含まれるｐ型グラフェン層１０及び紫外領域用ｎ型電極５Ａに含まれるｎ型グラフェン層とのバンドギャップ差が大きい。このため、ｐ型グラフェン層及びｎ型グラフェン層との界面抵抗が大きくなり、発電素子としての動作を阻害するおそれがある。このため、シームレスな界面電子状態を作製するために、紫外領域用ｐ側電極４Ａ及び紫外領域用ｎ側電極５Ａを、上述のように、連続的にバンドギャップが変化する連続膜構造としている。
また、可視光領域用ｐ側電極４Ｂは、ｐ型グラフェン層の可視光領域用ｐ型２次元材料層２（２ｐ）の側に積層され、可視光領域用ｐ型２次元材料層２（２ｐ）のバンドギャップとｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、可視光領域用ｐ型２次元材料層２（２ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層を含むものとするのが好ましい。また、可視光領域用ｎ側電極５Ｂは、ｎ型グラフェン層の可視光領域用ｎ型２次元材料層２（２ｎ）の側に積層され、可視光領域用ｎ型２次元材料層２（２ｎ）のバンドギャップとｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、可視光領域用ｎ型２次元材料層２（２ｎ）よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むものとするのが好ましい。
例えば、可視光領域用ｐ型２次元材料層２（２ｐ）を可視光領域用ｐ型ＢＣ２Ｎ層とする場合、可視光領域用ｐ側電極４Ｂは、可視光領域用ｐ型ＢＣ２Ｎ層２（２ｐ）の側から順に、ｐ型ＢＣ２Ｎ層、ｐ型ＢＣ６Ｎ層、ｐ型グラフェン層が積層されたものとし、これらのｐ型ＢＣ２Ｎ層、ｐ型ＢＣ６Ｎ層、ｐ型グラフェン層を、可視光領域用ｐ型ＢＣ２Ｎ層２（２ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
また、例えば、可視光領域用ｎ型２次元材料層２（２ｎ）を可視光領域用ｎ型ＢＣ２Ｎ層とする場合、可視光領域用ｎ側電極５Ｂは、可視光領域用ｎ型ＢＣ２Ｎ層２（２ｎ）の側から順に、ｎ型ＢＣ２Ｎ層、ｎ型ＢＣ６Ｎ層、ｎ型グラフェン層が積層されたものとし、これらのｎ型ＢＣ２Ｎ層、ｎ型ＢＣ６Ｎ層、ｎ型グラフェン層を、可視光領域用ｎ型ＢＣ２Ｎ層２（２ｎ）よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡを高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
また、例えば、赤外領域用ｐ型２次元材料層３（３ｐ）を赤外領域用ｐ型ＢＣ６Ｎ層とする場合、赤外領域用ｐ側電極４Ｃは、赤外領域用ｐ型ＢＣ６Ｎ層３（３ｐ）の側から順に、ｐ型ＢＣ６Ｎ層、ｐ型グラフェン層が積層されたものとし、これらのｐ型ＢＣ６Ｎ層、ｐ型グラフェン層を、赤外領域用ｐ型ＢＣ６Ｎ層３（３ｐ）よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｐ型ドーパントとして塩化鉄（ＦｅＣｌ３）を高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
また、例えば、赤外領域用ｎ型２次元材料層３（３ｎ）を赤外領域用ｎ型ＢＣ６Ｎ層とする場合、図６に示すように、赤外領域用ｎ側電極５Ｃは、赤外領域用ｎ型ＢＣ６Ｎ層３（３ｎ）の側から順に、ｎ型ＢＣ６Ｎ層１４、ｎ型グラフェン層１５が積層されたものとし、これらのｎ型ＢＣ６Ｎ層１４、ｎ型グラフェン層１５を、赤外領域用ｎ型ＢＣ６Ｎ層３（３ｎ）よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたものとすれば良い。例えば、ｎ型ドーパントとしてＰＴＳＡを高濃度に（例えば１０２０−１０２３／ｃｍ３程度）ドーピングすれば良い。
なお、各電極４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃは、グラフェン層を含むものに限られるものではなく、例えばＩＴＯなどの透明材料を用いた電極（透明電極）としても良い。
ところで、上述の実施形態において紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３、及び、電極４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃに用いられるｈ−ＢＮやＢＣＮは、以下のようにして合成することができる。
ところで、上述の実施形態において紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３、及び、電極４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃに用いられるｈ−ＢＮやＢＣＮは、以下のようにして合成することができる。
まず、サファイア（ｃ面）基板上に、ｈ−ＢＮ及びＢＣＮの触媒となる金属（例えばコバルト；膜厚約２００ｎｍ）を、例えばスパッタ法や電子ビーム蒸着法によって堆積する。
続いて、例えば熱ＣＶＤ法によって、約１０００℃にてｈ−ＢＮ及びＢＣＮを合成する。
続いて、例えば熱ＣＶＤ法によって、約１０００℃にてｈ−ＢＮ及びＢＣＮを合成する。
ここで、原料としてはメタンガス、アンモニア、ジボランを用い、希釈ガスとしては水素及びアルゴンを用いる。また、アルゴンガスと水素の流量は、それぞれ、約４０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍであり、総圧は約５００ｍｂａｒである。また、ｈ−ＢＮを合成する場合は、アンモニアとジボランを、それぞれ、約１０ｓｃｃｍを用いる。また、ＢＣＮを合成する場合は、前記の条件に約１〜約５０ｓｃｃｍの異なる流量のメタンを導入することで、所望のＢＣＮの作製を行なう。
なお、ｈ−ＢＮ及びＢＣＮを合成するＣＶＤ法は熱ＣＶＤ法に限らず、リモートプラズマＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法でも可能であり、原料ガスはエチレンガス、メタンガスなどの炭化水素ガス、エタノールなどのアルコール、ベンゼン、アモルファスカーボンなどの固体ソースなどを用いても良い。触媒についても、コバルトに限らず、鉄、ニッケル、銅、白金、金などの金属、それらを少なくとも一種含む合金、炭化物、酸化物、窒化物を用いることも可能である。触媒の堆積方法としては、スパッタ法以外に電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）なども用いても良く、特に制限はない。また、薄膜触媒ではなく、銅フォイルなどの金属基板上に単層グラフェンを合成後に、塩化鉄によってドライプロセスを実行する際に絶縁膜上に基板を設置して転写を実施することも可能である。
例えば、合成方法について他の一例を示すと、熱酸化膜付きシリコン基板上にスパッタ法で銅を堆積し、厚さ約１０００ｎｍの銅薄膜を形成し、熱ＣＶＤ法で、ＢＮを合成することができる。その時の合成温度は約１０００℃、原料はアンモニアボランを用いると良い。また、原料の分圧としては、大気圧下にて希釈用アルゴンガス約１０００ｓｃｃｍに対して炉の内部の石英トレイに約５グラム程度のアンモニアボランを準備して、合成するＢＣＮに応じてメタンを約１から約１０００ｓｃｃｍ程度変化させることでＢＮないしはＢＣＮの合成を実施すれば良い。
次に、電極４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃに用いられる多層グラフェンは、以下のようにして合成することができる。
まず、サファイア（ｃ面）基板上に、グラフェンの触媒となる金属（例えばコバルト；膜厚約２００ｎｍ）を、例えばスパッタ法や電子ビーム蒸着法によって堆積する。
続いて、例えば熱ＣＶＤ法によって、約１０００℃にて多層グラフェンを合成する。
まず、サファイア（ｃ面）基板上に、グラフェンの触媒となる金属（例えばコバルト；膜厚約２００ｎｍ）を、例えばスパッタ法や電子ビーム蒸着法によって堆積する。
続いて、例えば熱ＣＶＤ法によって、約１０００℃にて多層グラフェンを合成する。
ここで、原料としてはメタンガス、水素及びアルゴンを希釈ガスとして用いる。また、アルゴンガスと水素の流量は、それぞれ、約４０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍであり、総圧は約５００ｍｂａｒである。また、メタンの流量は約５０ｓｃｃｍとすれば良い。
なお、多層グラフェンを合成するＣＶＤ法は熱ＣＶＤ法に限らず、リモートプラズマＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法でも可能であり、原料ガスはエチレンガス、メタンガスなどの炭化水素ガス、エタノールなどのアルコール、ベンゼン、アモルファスカーボンなどの固体ソースなどを用いても良い。触媒についても、コバルトに限らず、鉄、ニッケル、銅、白金、金などの金属、それらを少なくとも一種含む合金、炭化物、酸化物、窒化物を用いることも可能である。触媒の堆積方法としては、スパッタ法以外に電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）なども用いても良く、特に制限はない。また、薄膜触媒ではなく、銅フォイルなどの金属基板上に単層グラフェンを合成後に、塩化鉄によりドライプロセスを実行する際に絶縁膜上に基板を設置して転写を実施することも可能である。
なお、多層グラフェンを合成するＣＶＤ法は熱ＣＶＤ法に限らず、リモートプラズマＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法でも可能であり、原料ガスはエチレンガス、メタンガスなどの炭化水素ガス、エタノールなどのアルコール、ベンゼン、アモルファスカーボンなどの固体ソースなどを用いても良い。触媒についても、コバルトに限らず、鉄、ニッケル、銅、白金、金などの金属、それらを少なくとも一種含む合金、炭化物、酸化物、窒化物を用いることも可能である。触媒の堆積方法としては、スパッタ法以外に電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）なども用いても良く、特に制限はない。また、薄膜触媒ではなく、銅フォイルなどの金属基板上に単層グラフェンを合成後に、塩化鉄によりドライプロセスを実行する際に絶縁膜上に基板を設置して転写を実施することも可能である。
例えば、合成方法について他の一例を示すと、熱酸化膜付きシリコン基板上にスパッタ法でニッケルを堆積し、厚さ約１０００ｎｍのニッケル薄膜を形成し、熱ＣＶＤ法で、グラフェンを合成することができる。その時の合成温度は約１０００℃、原料ガスはメタンを用いると良い。また、原料の分圧としては、希釈用アルゴンガス約４０００ｓｃｃｍに対して、水素約５００ｓｃｃｍ、メタン約１０ｓｃｃｍを用いれば良い。
次に、インターカレーションする材料とその温度条件について説明する。
塩化物のインターカレーション材料としては、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）、塩化ニオブ、塩化銅、塩化イッテルビウム、塩化コバルトなどが挙げられる。いずれも約１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空中で約３５０℃、約２５０℃、約１０００℃、約７００℃、約１０００℃が沸点であるため、その温度ないしはその温度よりも１０%程度下げた温度で保持すれば良い。なお、インターカレーション材料は塩化物に限られるものではなく、以下に示すような多様な材料をインターカレーションすることができる。また、以下の材料に限定されるわけでなく、昇華性のある他の塩化物、酸化物、硫化物、窒化物でも同様の効果を得ることが可能である。
塩化物のインターカレーション材料としては、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）、塩化ニオブ、塩化銅、塩化イッテルビウム、塩化コバルトなどが挙げられる。いずれも約１０−２Ｔｏｒｒ以下の真空中で約３５０℃、約２５０℃、約１０００℃、約７００℃、約１０００℃が沸点であるため、その温度ないしはその温度よりも１０%程度下げた温度で保持すれば良い。なお、インターカレーション材料は塩化物に限られるものではなく、以下に示すような多様な材料をインターカレーションすることができる。また、以下の材料に限定されるわけでなく、昇華性のある他の塩化物、酸化物、硫化物、窒化物でも同様の効果を得ることが可能である。
例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、ハロゲンなどをインターカレーション材料に用いることができる。
ここで、アルカリ金属としては、リチウム、カリウム、ポタシウム、ルビジウム、セシウムがあり、これらを、約１０−６Ｔｏｒｒ以下超高真空下において、サイズゲッター等の蒸着方法を用いて試料上に蒸着し、約２００℃から約５００℃程度の加熱によってインターカレーションを実施すれば良い。
ここで、アルカリ金属としては、リチウム、カリウム、ポタシウム、ルビジウム、セシウムがあり、これらを、約１０−６Ｔｏｒｒ以下超高真空下において、サイズゲッター等の蒸着方法を用いて試料上に蒸着し、約２００℃から約５００℃程度の加熱によってインターカレーションを実施すれば良い。
アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムがあり、これらを、約１Ｐａ以下の真空で、約７００℃、約８６０℃、約８００℃、約９００℃程度の温度で保持し、試料にインターカレーションを実施すれば良い。
希土類としては、サマリウム、ユーロピウム、ツリウム、イッテルビウムがあり、これらを、約１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空で、これらの沸点である、約８５０℃、約７４０℃、約９５０℃、約６３０℃の温度よりも約１０％程度下げた温度でインターカレーションを実施すれば良い。
希土類としては、サマリウム、ユーロピウム、ツリウム、イッテルビウムがあり、これらを、約１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空で、これらの沸点である、約８５０℃、約７４０℃、約９５０℃、約６３０℃の温度よりも約１０％程度下げた温度でインターカレーションを実施すれば良い。
ハロゲンとしては、ヨウ素、臭素があり、これらは常温でも気化するため、密閉した容器に液体状のヨウ素や臭素を封入し、同じ容器内にグラフェン基板を保持すれば良い。気化したハロゲンガス分子が数日の期間を経てインターカレーションされることになる。より早いインターカレーションを行なう場合には、約１００℃程度に保持することによって加速することができる。
なお、ハロゲン以外は触媒の除去をすることができないため、アルカリ金属などによってインターカレーションを実施した場合はその後に塩化鉄雰囲気などによって触媒除去を行なうことになる。
このほか、有機分子をインターカレーション材料に用いることもできる。例えば、Ｆ４−ＴＣＮＱは大変優れたｐ−ｔｙｐｅのド―パントであり、インターカレーション材料として用いることもが可能である。真空中において約３００℃程度で抵抗加熱ないしは電子ビーム蒸着でグラフェン上に蒸着してインターカレーションを行なえば良い。
このほか、有機分子をインターカレーション材料に用いることもできる。例えば、Ｆ４−ＴＣＮＱは大変優れたｐ−ｔｙｐｅのド―パントであり、インターカレーション材料として用いることもが可能である。真空中において約３００℃程度で抵抗加熱ないしは電子ビーム蒸着でグラフェン上に蒸着してインターカレーションを行なえば良い。
また、その他、インターカレーション材料として用いられる材料は、ＰＴＳＡや２酸化窒素が挙げられる。有機分子はないが、チタンやポタシウムはｎ−ｔｙｐｅのド―パントとして用いることが可能であり、蒸着法を用いてグラフェンにインターカレーションすることができる。また、気体分子であるが、アンモニアもしばしば用いられるド―パントであり、こちらはアンモニア雰囲気下に試料を設置することでインターカレーションすることができる。
したがって、本実施形態にかかる光デバイスによれば、容易に作製でき、高い効率が得られるという利点がある。
特に、本実施形態では、異なるバンドギャップを有するＢＮ、ＢＣＮを、それぞれ、紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３に用い、これらを積層することで、紫外領域から赤外領域までの広い波長領域の光を利用して、効率が高められた光デバイス６を実現している。なお、太陽光全体を見ると、紫外領域と赤外領域は可視光領域と同程度であるため、これらの領域を利用することで、目標効率３５％を達成することが可能である。
特に、本実施形態では、異なるバンドギャップを有するＢＮ、ＢＣＮを、それぞれ、紫外領域用２次元材料層１、可視光領域用２次元材料層２、赤外領域用２次元材料層３に用い、これらを積層することで、紫外領域から赤外領域までの広い波長領域の光を利用して、効率が高められた光デバイス６を実現している。なお、太陽光全体を見ると、紫外領域と赤外領域は可視光領域と同程度であるため、これらの領域を利用することで、目標効率３５％を達成することが可能である。
また、２次元材料は整合性良く成長させることができるため、例えば化合物半導体を用いた多接合型太陽電池のようにバッファ層等を設ける必要がなく、容易に作製することができる。特に、ＢＮとＢＣＮは、格子定数が同じであり、格子の整合性が良いため、容易に積層することが可能である。また、大面積化や低コスト化を図ることも可能である。
また、ＢＮ、ＢＣＮのような２次元材料は、薄膜であれば、フレキシブルかつ透明な材料である。このため、一般的な太陽電池では設置できなかった潜在的なスペース、例えば建屋の多くの面積を占める窓部分にも設置することが可能であり、設置スペースを大幅に増加することが可能である。これに対し、一般的な太陽電池は、不透明であるため、デッドスペースにしか設置することができず、建屋の多くの面積を占める窓部分に設置することはできない。例えば５０階建のビルを想定した場合、面積では６０倍のメリットがあり、太陽光発電効率としては一般的な可視光タイプの太陽電池を凌駕する。
また、ＢＮ、ＢＣＮのような２次元材料は、薄膜であれば、フレキシブルかつ透明な材料である。このため、一般的な太陽電池では設置できなかった潜在的なスペース、例えば建屋の多くの面積を占める窓部分にも設置することが可能であり、設置スペースを大幅に増加することが可能である。これに対し、一般的な太陽電池は、不透明であるため、デッドスペースにしか設置することができず、建屋の多くの面積を占める窓部分に設置することはできない。例えば５０階建のビルを想定した場合、面積では６０倍のメリットがあり、太陽光発電効率としては一般的な可視光タイプの太陽電池を凌駕する。
また、紫外領域のうち特に２００ｎｍ前後の波長は、生体に有害であり、近年、オゾンホールの増大によって健康への影響が懸念される。この点、本実施形態の光デバイス６では、紫外領域も利用し、紫外線が吸収されるため、紫外線除去という大きなメリットもある。
また、可視光や赤外光と比べ、紫外光は波長が短いため、散乱されやすい。つまり、紫外光は散乱光の成分が多い。例えば、地表では、散乱光の成分が半分程度となり、建物の影などの遮蔽物の影響を受けにくく、設置場所がビルの壁面や影に隠れていても大きな影響を受けにくい。このため、設置場所の自由度が向上する。
また、可視光や赤外光と比べ、紫外光は波長が短いため、散乱されやすい。つまり、紫外光は散乱光の成分が多い。例えば、地表では、散乱光の成分が半分程度となり、建物の影などの遮蔽物の影響を受けにくく、設置場所がビルの壁面や影に隠れていても大きな影響を受けにくい。このため、設置場所の自由度が向上する。
なお、上述の実施形態では、紫外領域用２次元材料層１を、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層とし、可視光領域用２次元材料層２を、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層とし、赤外領域用２次元材料層３を、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層としているが、これに限られるものではない。
例えば、紫外領域用２次元材料層１を、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層としても良い。また、可視光領域用２次元材料層２を、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層としても良い。また、赤外領域用２次元材料層３を、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層としても良い。
ここで、遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層は、遷移金属ダイカルコゲナイド系材料、即ち、Ｍｏ、Ｗといった遷移金属とＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅといったカルコゲン原子の化合物からなる層である。この遷移金属ダイカルコゲナイド系材料は、ＢＮ、ＢＣＮ、グラフェンなどと同じく２次元材料であり、例えば、ＭｏＯ３、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＭｏＴｅ２、ＭｏＳｅ２などがある。
例えば、紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層は、ＭｏＯ３層（バンドギャップ約３．１ｅＶ）とすれば良い。また、可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層は、ＭｏＳ２層（単層；バンドギャップ約１．８０ｅＶ）、ＷＳ２層（単層；バンドギャップ約２．０５ｅＶ）とすれば良い。また、赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層は、ＷＴｅ２層（単層；バンドギャップ約１．１８ｅＶ）、ＭｏＴｅ２層（単層；バンドギャップ約１．２３ｅＶ）、ＭｏＳｅ２層（単層；バンドギャップ約１．５８ｅＶ）とすれば良い。
このように、紫外領域用２次元材料層１は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層又は紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、可視光領域用２次元材料層２は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、赤外領域用２次元材料層３は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であれば良い。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用２次元材料層と、
可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用２次元材料層と、
赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用２次元材料層とを備え、
前記紫外領域用２次元材料層、前記可視光領域用２次元材料層及び前記赤外領域用２次元材料層が積層されていることを特徴とする光デバイス。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用２次元材料層と、
可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用２次元材料層と、
赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用２次元材料層とを備え、
前記紫外領域用２次元材料層、前記可視光領域用２次元材料層及び前記赤外領域用２次元材料層が積層されていることを特徴とする光デバイス。
（付記２）
前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層又は紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であることを特徴とする、付記１に記載の光デバイス。
前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層又は紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であることを特徴とする、付記１に記載の光デバイス。
（付記３）
前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であることを特徴とする、付記１に記載の光デバイス。
前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であることを特徴とする、付記１に記載の光デバイス。
（付記４）
前記紫外領域用２次元材料層として、紫外領域用ｐ型２次元材料層と、紫外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記可視光領域用２次元材料層として、可視光領域用ｐ型２次元材料層と、可視光領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記赤外領域用２次元材料層として、赤外領域用ｐ型２次元材料層と、赤外領域用ｎ型２次元材料層とを含むことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス。
前記紫外領域用２次元材料層として、紫外領域用ｐ型２次元材料層と、紫外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記可視光領域用２次元材料層として、可視光領域用ｐ型２次元材料層と、可視光領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記赤外領域用２次元材料層として、赤外領域用ｐ型２次元材料層と、赤外領域用ｎ型２次元材料層とを含むことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス。
（付記５）
前記紫外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた紫外領域用ｐ側電極及び紫外領域用ｎ側電極と、
前記可視光領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた可視光領域用ｐ側電極及び可視光領域用ｎ側電極と、
前記赤外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた赤外領域用ｐ側電極及び赤外領域用ｎ側電極とを備えることを特徴とする、付記４に記載の光デバイス。
前記紫外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた紫外領域用ｐ側電極及び紫外領域用ｎ側電極と、
前記可視光領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた可視光領域用ｐ側電極及び可視光領域用ｎ側電極と、
前記赤外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた赤外領域用ｐ側電極及び赤外領域用ｎ側電極とを備えることを特徴とする、付記４に記載の光デバイス。
（付記６）
前記紫外領域用ｐ側電極は、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含み、
前記可視光領域用ｐ側電極は、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記可視光領域用ｎ側電極は、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｐ側電極は、前記赤外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｎ側電極は、前記赤外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むことを特徴とする、付記５に記載の光デバイス。
前記紫外領域用ｐ側電極は、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含み、
前記可視光領域用ｐ側電極は、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記可視光領域用ｎ側電極は、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｐ側電極は、前記赤外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｎ側電極は、前記赤外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むことを特徴とする、付記５に記載の光デバイス。
（付記７）
前記紫外領域用ｐ側電極は、前記ｐ型グラフェン層の前記紫外領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、前記ｎ型グラフェン層の前記紫外領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記６に記載の光デバイス。
前記紫外領域用ｐ側電極は、前記ｐ型グラフェン層の前記紫外領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、前記ｎ型グラフェン層の前記紫外領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記６に記載の光デバイス。
（付記８）
前記紫外領域用ｐ側電極は、異なるバンドギャップを有する複数の前記ｐ型２次元材料層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、異なるバンドギャップを有する複数の前記ｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記７に記載の光デバイス。
前記紫外領域用ｐ側電極は、異なるバンドギャップを有する複数の前記ｐ型２次元材料層を含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、異なるバンドギャップを有する複数の前記ｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記７に記載の光デバイス。
（付記９）
前記可視光領域用ｐ側電極は、前記ｐ型グラフェン層の前記可視光領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層を含み、
前記可視光領域用ｎ側電極は、前記ｎ型グラフェン層の前記可視光領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記６〜８のいずれか１項に記載の光デバイス。
前記可視光領域用ｐ側電極は、前記ｐ型グラフェン層の前記可視光領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型２次元材料層を含み、
前記可視光領域用ｎ側電極は、前記ｎ型グラフェン層の前記可視光領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップと前記ｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型２次元材料層を含むことを特徴とする、付記６〜８のいずれか１項に記載の光デバイス。
１ 紫外領域用２次元材料層
１ｐ 紫外領域用ｐ型２次元材料層
１ｎ 紫外領域用ｎ型２次元材料層
２ 可視光領域用２次元材料層
２ｐ 可視光領域用ｐ型２次元材料層
２ｎ 可視光領域用ｎ型２次元材料層
３ 赤外領域用２次元材料層
３ｐ 赤外領域用ｐ型２次元材料層
３ｎ 赤外領域用ｎ型２次元材料層
４Ａ 紫外領域用ｐ側電極
４Ｂ 可視光領域用ｐ側電極
４Ｃ 赤外領域用ｐ側電極
５Ａ 紫外領域用ｎ側電極
５Ｂ 可視光領域用ｎ側電極
５Ｃ 赤外領域用ｎ側電極
６ 光デバイス
７ 紫外領域用発電モジュール（紫外領域用発電素子）
８ 可視光領域用発電モジュール（可視光領域用発電素子）
９ 赤外領域用発電モジュール（赤外領域用発電素子）
１０ ｐ型グラフェン層
１１ ｐ型ＢＣ６Ｎ層（ｐ型２次元材料層）
１２ ｐ型ＢＣ２Ｎ層（ｐ型２次元材料層）
１３ ｐ型ＢＮ層
１４ ｎ型ＢＣ６Ｎ層
１５ ｎ型グラフェン層
１ｐ 紫外領域用ｐ型２次元材料層
１ｎ 紫外領域用ｎ型２次元材料層
２ 可視光領域用２次元材料層
２ｐ 可視光領域用ｐ型２次元材料層
２ｎ 可視光領域用ｎ型２次元材料層
３ 赤外領域用２次元材料層
３ｐ 赤外領域用ｐ型２次元材料層
３ｎ 赤外領域用ｎ型２次元材料層
４Ａ 紫外領域用ｐ側電極
４Ｂ 可視光領域用ｐ側電極
４Ｃ 赤外領域用ｐ側電極
５Ａ 紫外領域用ｎ側電極
５Ｂ 可視光領域用ｎ側電極
５Ｃ 赤外領域用ｎ側電極
６ 光デバイス
７ 紫外領域用発電モジュール（紫外領域用発電素子）
８ 可視光領域用発電モジュール（可視光領域用発電素子）
９ 赤外領域用発電モジュール（赤外領域用発電素子）
１０ ｐ型グラフェン層
１１ ｐ型ＢＣ６Ｎ層（ｐ型２次元材料層）
１２ ｐ型ＢＣ２Ｎ層（ｐ型２次元材料層）
１３ ｐ型ＢＮ層
１４ ｎ型ＢＣ６Ｎ層
１５ ｎ型グラフェン層
Claims (5)
- 紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用２次元材料層と、
可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用２次元材料層と、
赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用２次元材料層とを備え、
前記紫外領域用２次元材料層、前記可視光領域用２次元材料層及び前記赤外領域用２次元材料層が積層されており、
前記紫外領域用２次元材料層として、紫外領域用ｐ型２次元材料層と、紫外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記可視光領域用２次元材料層として、可視光領域用ｐ型２次元材料層と、可視光領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
前記赤外領域用２次元材料層として、赤外領域用ｐ型２次元材料層と、赤外領域用ｎ型２次元材料層とを含み、
さらに、前記紫外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた紫外領域用ｐ側電極及び紫外領域用ｎ側電極と、
前記可視光領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた可視光領域用ｐ側電極及び可視光領域用ｎ側電極と、
前記赤外領域用２次元材料層を挟んで上下両側に設けられた赤外領域用ｐ側電極及び赤外領域用ｎ側電極とを備え、
前記紫外領域用ｐ側電極は、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層と、前記ｐ型グラフェン層の前記紫外領域用ｐ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層のバンドギャップとｐ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされた、異なるバンドギャップを有する複数のｐ型２次元材料層とを含み、
前記紫外領域用ｎ側電極は、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層と、前記ｎ型グラフェン層の前記紫外領域用ｎ型２次元材料層の側に積層され、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層のバンドギャップとｎ型グラフェン層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有し、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされた、異なるバンドギャップを有する複数のｎ型２次元材料層とを含むことを特徴とする光デバイス。 - 前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層又は紫外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は可視光領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層又は赤外領域用遷移金属ダイカルコゲナイド系材料層であることを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス。 - 前記紫外領域用２次元材料層は、紫外領域に対応するバンドギャップを有する紫外領域用ボロンナイトライド（ＢＮ）層であり、
前記可視光領域用２次元材料層は、可視光領域に対応するバンドギャップを有する可視光領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であり、
前記赤外領域用２次元材料層は、赤外領域に対応するバンドギャップを有する赤外領域用ボロンカーボンナイトライド（ＢＣＮ）層であることを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス。 - 前記可視光領域用ｐ側電極は、前記可視光領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記可視光領域用ｎ側電極は、前記可視光領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｐ側電極は、前記赤外領域用ｐ型２次元材料層よりも高濃度にｐ型ドーパントをドープされたｐ型グラフェン層を含み、
前記赤外領域用ｎ側電極は、前記赤外領域用ｎ型２次元材料層よりも高濃度にｎ型ドーパントをドープされたｎ型グラフェン層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス。 - 前記複数のｐ型２次元材料層は、前記紫外領域用ｐ型２次元材料層の側から前記ｐ型グラフェン層の側へ向けてバンドギャップが順に変化するように積層されており、
前記複数のｎ型２次元材料層は、前記紫外領域用ｎ型２次元材料層の側から前記ｎ型グラフェン層の側へ向けてバンドギャップが順に変化するように積層されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光デバイス。
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