JPWO2015016264A1 - 光電変換素子および光電変換システム - Google Patents

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Abstract

従来よりも光電変換効率を高めた光電変換素子を提供するために、フォトニック結晶（Ｓ）において、異屈折率領域（４）が、光電変換層（５）の面内方向に平行な正方格子の複数の格子点に対応して形成されており、異屈折率領域が光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えている。

Description

本発明はフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子に関する。
太陽電池は、入射した光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と電子への変換効率を高めることが重要となる。
太陽電池などの光電変換素子において、非結晶質シリコン（ａ-Ｓｉ）、微結晶シリコン（μｃ-Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などから形成されている光電変換層よりも屈折率の低い透明材質により形成されているフォトニック結晶構造を用いて、光電変換層における入射光の吸収効率を高める試みがなされている。
その一例として、複数の柱形状の構造物（ナノロッド）を光電変換層内に、二次元的かつ周期的に配置したフォトニック結晶構造が知られている。
下掲の特許文献１においては、例えば円柱状のナノロッド、および断面が台形である円錐台状のナノロッドが開示されている。後者のナノロッドは、半導体層の光入射面側の表面に形成されている上面の面積の方が、半導体層の内部に形成されている下面の面積より大きくなるように形成されている。
国際公開第２０１１／０８３６９３号（2011年7月14日公開） 国際公開第２０１２−１４１１４１号（2012年10月18日公開）
しかしながら、上述のような従来技術は、フォトニック結晶構造を構成するナノロッドの形状に起因する以下のような問題点が存在する。
図１９は、従来のフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の一例を示す図である。図１９の（ａ）は、従来のフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の断面図である。図１９の（ｂ）は、図１９の（ａ）におけるＡＢの断面図である。図１９の（ｃ）は、図１９の（ａ）における領域Ｃ１００の拡大図である。
図１９の（ａ）に示すように、光電変換素子１０１は、光入射側から順に積層された、透明基板１０２、透明導電膜１０３（第１透明導電膜）、ナノロッド１０４、光電変換層１０５、透明導電膜１０６（第２透明導電膜）および金属電極１０７を備えている。
なお、透明基板１０２から金属電極１０７に向かう方向を下から上へ向かう方向と定義し、以下の説明における上下の位置関係を定めることにする。
ナノロッド１０４は、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどの透明誘電体によって形成されており、フォトニック結晶構造Ｓ１００を形成している。
また、図１９の（ａ）および（ｂ）に示すように、光電変換層１０５内においては、主に、ナノロッド１０４間において空隙１００が存在している。
上記の空隙１００が発生するメカニズムを説明する。ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）による結晶成長のためには、結晶核が最初に形成される必要がある。上記の結晶核は、ナノロッド１０４の側壁のような垂直壁には形成されない。
図１９の（ｃ）に示すように、光電変換層１０５の成膜時において、光電変換層１０５は、隣り合うナノロッド１０４の各上部から成長し、互いに近づく方向である矢印Ｙ１０１およびＹ１０３の方向に成長する。一方、光電変換層１０５は、ナノロッド１０４が形成されている透明導電膜１０３の界面において、ナノロッド１０４が形成されていない領域からも矢印Ｙ１０２の方向に成長する。
矢印Ｙ１０１〜Ｙ１０３に沿って、各々の領域の光電変換層１０５は同じ成長速度で成長する。隣り合うナノロッド１０４間の距離が短い場合、矢印Ｙ１０２の方向に成長する光電変換層１０５の成長が不十分な状態で、矢印Ｙ１０１およびＹ１０３の方向に成長する光電変換層１０５同士が衝突する。したがって、矢印Ｙ１０２の方向に成長する光電変換層１０５の成長は阻害される。その結果、空隙１００が発生し、そのまま残存する。
なお、特許文献１における断面が台形であるナノロッドにおいても、上記説明と同様の理由で光電変換層に空隙が生じる。
また、ナノロッド１０４がＳｉＯ２に代表される誘電体であり、特に、光電変換層１０５をプラズマＣＶＤにより成膜する場合、ナノロッド１０４がチャージアップを起こして水素ラジカルを集中させる。集中した水素ラジカルはμｃ-Ｓｉをナノロッド１０４に集中させる。このμｃ-Ｓｉのナノロッド１０４への集中も空隙１００の発生を促している。
この空隙１００は、光電変換素子１０１の短絡電流（Ｊｓｃ）の減少、開放電圧（Ｖｏｃ）の低下およびフィルファクター（ＦＦ）の低下の原因となる。特に光電変換素子が開放状態（電流０）の場合、光電変換層１０５に溜まるはずのキャリアが空隙１００に次々にトラップされる。つまり、空隙１００がキャリアの移動および外への取出しを阻害し、開放電圧を低下させる再結合中心となる。よって、光電変換素子の光電変換効率の低下をまねくという第１の問題が生じる。
また、図２０の（ａ）は、上掲の特許文献２に開示されている太陽電池が備えているフォトニック結晶構造の平面図を示している。図２０の（ａ）に示すように、隣接するナノロッド２００の配置間隔（ピッチ）が等間隔になるようにナノロッド２００が配置されている。隣接するナノロッド２００の配置間隔の値を、ピッチｐと呼び、また格子定数ｐ（ｎｍ）とも呼ぶ。このように、複数のナノロッド２００が、単一の周期で２次元的に配列された、単一周期構造であることも、ピッチｐが小さい場合（１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍ）に、問題点を有する。つまり、ピッチｐが小さい場合には、図２０の（ｂ）に示すように、光の吸収波長帯域のうち、特に、光吸収率が小さくなる傾向のある波長６００ｎｍから分光感度の末端に近い１２００ｎｍまでの長波長域において、連続的な光吸収増強効果を得ることができないという第２の問題がある。言い換えれば、上記の長波長域では、離散的な光吸収増強効果しか得ることができない。
一方で、ピッチｐが大きくなる（ｐ≧４５０ｎｍ）と単一格子状であっても、同一平面内に周期構造が複数存在する状態と同等になるため、離散的な光吸収という問題が起こらない。これは、ピッチｐが一般的な光のモードの考え方における共振器長であることから、光の共振器における、一般的なモードの考え方で説明できる。すなわち、共振器長が長くなる（ピッチが大きくなる）と、モードが増え、増えたモードに対応する光が共振できるようになるために、複数の波長の光に対して、光吸収量の増大の効果を得られることになる。
以上の考察に基づき、フォトニック結晶のある場合とない場合とを比較するために、フォトニック結晶がある場合の波長５００〜１２００ｎｍまでの光吸収量の平均をフォトニック結晶のない場合の波長５００〜１２００ｎｍまでの光吸収量の平均で割った比率を用いる。前記比率を本発明では、平均光吸収量の比率と呼ぶ。グラフの縦軸に平均光吸収量の比率をとり、横軸にピッチｐの値をとってプロットすると図２０の（ｃ）のようになる。なお、フォトニック結晶のない場合の光吸収率を１．０とする。
グラフＧ１は、単一周期の格子状配列の場合を示している。グラフＧ２は、２種類の異なるピッチの周期構造を持つ格子が同一平面に配列している場合を示している。グラフＧ３は、３種類の異なるピッチの周期構造を持つ格子が同一平面に配列している場合を示している。グラフＧ４は、４種類の異なるピッチの周期構造を持つ格子が同一平面に配列している場合を示している。
このグラフから、ピッチｐが小さい場合（１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍ）には、複数種類のピッチを持つ周期構造を同一平面内に配列させると、平均光吸収量を増大させる効果があることがわかる。また、ピッチｐが大きくなる（ｐ≧４５０ｎｍ）とその効果がなく、平均光吸収量は単一周期の格子状配列の場合と同様になることもわかる。
ピッチＰが小さい場合（１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍ）には、離散的な光吸収しか得られないという問題点は、屈折率差を持った構造体が２次元平面中で等間隔に形成されていると、共振効果を得られる入射光の波長に限界があることに起因している。
このような小さいピッチ（１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍ）における、単一周期構造のフォトニック結晶が持つ上記第２の問題点の解決策の１つとして、２重周期構造を持つフォトニック結晶が提案されている。図２１の（ａ）は２重周期構造を持つフォトニック結晶Ｓ９の平面図を示している。また、図２１の（ｂ）は上記フォトニック結晶Ｓ９が形成された光電変換層（２重構造）の光吸収率、およびフォトニック結晶が形成されていない光電変換層（フラット構造）の光吸収率を示す図である。
図２１の（ａ）に示すように、フォトニック結晶Ｓ９は、半径の小さなナノロッド２５０と半径の大きなナノロッド２５１とによって構成されている。上記ナノロッド２５０は、基本的に、格子定数ｐとなる正方格子構造を形成しているが、正方格子の最小単位を構成する４つの格子点のうちの１つが、上記ナノロッド２５１によって置き換わっている。一方、ナノロッド２５１は、格子定数２ｐとなる正方格子構造を形成している。したがって、フォトニック結晶Ｓ９は、径および格子定数の異なる２種類のナノロッドによって形成された２重周期構造を持っている。
これにより、図２１の（ｂ）に示すように、１つのフォトニック結晶において、２種類の波長の光を共振させることができるので、吸収することのできる光の波長帯域が増え、光の吸収率を向上させることができる。
しかしながら、２重周期構造のフォトニック結晶Ｓ９にも解決すべき課題が残されている。すなわち、フォトニック結晶Ｓ９では、単位構造を形成する断面の小さいナノロッド２５０の一部が、断面の大きいナノロッド２５１に置き換わっているので、ナノロッドの置き換わりが、それぞれのナノロッドが形成している単位構造に影響を与えて光の漏れを生じさせる。よって、光閉じ込めの効果が弱められ、図２１の（ｂ）に示す共振のピーク波長におけるそれぞれの光吸収率を減じるという第３の問題が生じる。
本発明は、上記の各問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、従来よりも高い光電変換効率を示す光電変換素子を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光電変換素子は、
（１）光電変換層を形成する材質の屈折率とは屈折率の異なる異屈折率領域を形成したフォトニック結晶が、上記光電変換層に形成された光電変換素子であって、
（２）上記異屈折率領域が、上記光電変換層の面内方向に平行な正方格子の複数の格子点に対応して形成されており、
（３）上記異屈折率領域が、上記光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えている。
本発明の一態様によれば、異屈折率領域が、光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に向かってテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えているため、フォトニック結晶間の光電変換層の成膜阻害、すなわち欠陥の形成を抑制できる。よって、光電変換層で発生したキャリアが欠陥によって消失する不具合が抑制されるので、光電変換効率を向上させる効果を奏する。
また、本発明の一態様によれば、フォトニック結晶構造の共振効果の大きさ（Ｑ値）を従来のフォトニック結晶構造よりも小さくすることができる。
よって、光電変換層の材料において吸収の大きな（共振効果の大きさを表すＱ値が小さい）波長域に対して、従来のフォトニック結晶の構造に比べて光（もしくは光子）の取り込み量を増大させ、光電変換層の光吸収量を向上させる効果を奏する。
本発明の実施形態１に係る光電変換素子を示す図である。（ａ）は、実施形態１における光電変換層内のフォトニック結晶構造を示す平面図である。（ｂ）は、実施形態１に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る異屈折率領域の形状に依存した光電変換層の成膜の方向を示す図である。（ａ）は、図１の（ｂ）のＣの領域を示す拡大図である。（ｂ）は実施形態１に係る理想的な光電変換層の膜厚を示す図である。（ｃ）は実施形態１に係る理想的な異屈折率領域の形状を示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施形態１に係る異屈折率領域の光電変換層の面内方向に垂直な面における断面形状を示す断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子の形成フローを示す図である。 Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）によって撮影したフォトニック結晶構造を有する光電変換素子の光電変換層の断面形状を示す断面図である。（ａ）は、本発明の実施例１に係る光電変換層の断面形状を示す断面図である。（ｂ）は、本発明の実施例１の比較例に用いた従来の光電変換層の断面形状を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る光電変換素子を示す図である。（ａ）は、本発明の実施形態３に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）の領域Ｚの拡大図である。（ｃ）は、（ａ）の領域Ｚの他の例を示す拡大図である。 本発明の実施形態３に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る光電変換素子の全体構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態６に係る光電変換層内のフォトニック結晶構造を示す平面図である。 本発明の実施形態６の変形例１に係るフォトニック結晶構造の単位構造を示す平面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態７の比較例に用いた従来のフォトニック結晶構造を示す平面図である。（ｂ）は、本発明の実施形態７に用いたフォトニック結晶構造の単位構造を示す平面図である。（ｃ）は、本発明に係る光電変換素子および従来の光電変換素子の光吸収率の波長特性を示した図である。 （ａ）は、本発明の実施形態８に係る太陽電池の構成を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）で示すＣＤ線に沿った断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態８に係る太陽電池の形成フローを示す図である。 本発明の実施形態９に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態９に係る太陽電池の形成フローを示す図である。 本発明の実施形態１０に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１０に係る太陽電池の形成フローを示す図である。 従来技術に係るフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子を示す図である。（ａ）は、従来のフォトニック結晶構造を備えた光電変換素子を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）におけるＡＢの断面図である。（ｃ）は、（ａ）における領域Ｃ１００の拡大図である。 （ａ）は従来技術に係る太陽電池を示す図である。（ｂ）は、従来技術に係る光電変換層の光吸収率の波長特性を示す図である。（ｃ）は、（ｂ）の波長特性とは異なる方法で求めた他の波長特性を示す図である。 （ａ）は他の従来技術に係るフォトニック結晶を示す平面図である。（ｂ）は、他の従来技術に係る光電変換層の光吸収率の波長特性を示す図である。 本発明の実施形態１１に係る光電変換モジュールの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態１２に係る太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態１２に係る光電変換モジュールアレイの構成の一例を示す概略図である。 実施形態１２に係る上記太陽光発電システムの変形例の構成の一例を示す概略図である。 実施形態１３に係る大規模太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。 実施形態１３に係る大規模太陽光発電システムの構成の変形例を示す概略図である。
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。ただし、本実施形態およびその他の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（光電変換素子の構成）
図１は、本実施形態の光電変換素子１を示す図である。
図１の（ｂ）は、本実施形態の光電変換素子１の全体構成を概略的に示す断面図である。
図１の（ｂ）に示すように、光電変換素子１は、光入射側から順に積層された、ガラス基板２、透明導電膜３（第１透明導電膜）、異屈折率領域４、光電変換層５、透明導電膜（第２透明導電膜）６及び電極用金属層７を備えている。
なお、ガラス基板２から電極用金属層７に向かう方向を下から上へ向かう方向と定義し、以下の説明における上下の位置関係を定めることにする。
光電変換層５は、透明導電膜３および透明導電膜６によって挟まれている。光電変換層５内には、後述のようにフォトニック結晶構造Ｓが形成されている。
ガラス基板２は、ガラスを素材としている。
透明導電膜３および６は透明な導電膜であり、材料としてはＳｎＯ２、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）であってもよく、導電性を付与された透明な有機材料（例えば、ポリカーボネートやアクリルなど）であってもよい。
なお、透明導電膜３および６の屈折率は、光電変換層５の屈折率より小さい。これにより、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層５の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができ、光電変換層５による光の吸収率をさらに向上させることができる。
異屈折率領域４は、光電変換層５の形成材料の屈折率と異なる屈折率（例えば小さい屈折率）を持つＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料、有機樹脂（アクリル、ポリカーボネートなど）などの透明誘電体により構成されている。
光電変換層５の構造は、特に限定されないが、ｃｏｐｐｅｒ、ｉｎｄｉｕｍ、ｇａｌｌｉｕｍ、（ｄｉ）ｓｅｌｅｎｉｄｅ（ＣＩＧＳ）材料、シリコン材料(結晶シリコン（ｃ-Ｓｉ）、非結晶質シリコン（ａ-Ｓｉ）、微結晶シリコン（μｃ-Ｓｉ）、ＳｉＳｎ、ＳｉＣなど）、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎの酸化物半導体、化合物半導体(ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ)などが成膜されている。また、ｉ型半導体層（いわゆる、真性半導体層）をｐ型半導体層とｎ型半導体層とで挟んだｐｉｎ縦型構造を採用してもよい。本実施形態においては、光入射側から順に積層されたｐｉｎ（ａ-Ｓｉ、μｃ-Ｓｉ、ＳiＣなどから形成されている）縦型構造からなる光電変換層５について例示する。
電極用金属層７の材料としては、光反射率が高く、電気伝導度が大きな材料、例えば、Ａｇ、Ａｌなどを選択できる。
（フォトニック結晶構造の構成）
図１の（ａ）は、本実施形態における光電変換層内のフォトニック結晶構造を示す平面図である。
本実施形態に係る異屈折率領域４の形状は、光電変換層５の面内方向に平行な断面において円形（真円形状）であるが、楕円形状、多角形状（三角形、四角形、六角形、八角形など）であってもよい。
フォトニック結晶構造Ｓは、複数の異屈折率領域４を備えている。複数の異屈折率領域４は、光電変換層５の面内方向に平行な正方格子の格子点に対応して、周期的に形成されている。
また、各異屈折率領域４の中心位置は、隣りあう異屈折率領域４が重ならないことを条件として、上記格子点を起点としてランダムにずれていてもよい。
上記の構成によれば、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。よって、光電変換効率を高めることができる。
（異屈折率領域の詳細な形状）
図１の（ｂ）に示すように、異屈折率領域４は、光電変換層５の受光面側から光電変換層５の内部に位置する先端までテーパー状に形成されている。したがって、異屈折率領域４をテーパー状突起（テーパー状突起部）と呼ぶことができる。
より詳細に説明すると、異屈折率領域４は、光電変換層５の受光面側に位置する基部と、光電変換層５の内部に位置する先端とを備えている。後で、図３および図６を参照してテーパー状突起部の各種具体例について説明するが、図３および図６に示すテーパー状突起部の形状から、次のことが言える。すなわち、異屈折率領域４は、上記基部から先端に至る範囲の少なくとも途中位置から先端まで、テーパー状に形成されており、当該基部から先端に至る範囲の全体が、テーパー状に形成されていてもよい。
ここで、テーパー状とは、構造物の径、幅、厚みなどが、先細りになっている形状を意味している。
光電変換層５の面内方向に垂直な断面におけるテーパーの二次元形状は、一次関数、二次関数、指数関数、双曲線関数など、各種関数のいずれか、あるいは各種関数の任意の組み合わせによって表すことができる。また、テーパーの二次元形状は、楕円および真円の一部であってもよく、突起の内側へ窪む形状、または突起の外側へ膨らむ形状のいずれであってもよい。ただし、結晶の欠陥を少なくするには、突起の内側へ窪む形状が好ましい。その理由は後述する。
テーパー状突起の頂部は、鋭く尖っていてもよいし、丸みがあってもよい。
次に、本実施形態に係る異屈折率領域４の詳細な形状の一例について図１の（ｂ）を用いて説明する。光電変換層５の受光面側の界面、すなわち光電変換層５と透明導電膜３との界面において、当該界面の面内方向に平行に切った異屈折率領域４の断面を、異屈折率領域４の底面とした場合、隣り合う異屈折率領域４の底面の中心間の距離（ピッチ）Ｐが６００ｎｍである。また、光電変換層５の上記界面を基準とした上記異屈折率領域４の高さＴが１５０ｎｍである。また、異屈折率領域４の底面の直径２ｒが３５０ｎｍである。
なお、本実施形態においては、光電変換層５の膜厚は１μｍより薄く形成されている。
異屈折率領域４の上記ピッチＰ、高さＴ、底面の直径２ｒは、特に上記の数値に限定されない。例えば、ピッチＰは、Ｆｉｎｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法を用いた計算機シミュレーションにおいて、フォトニック結晶による共振効果を得ることができる１００ｎｍ以上、かつ、光電変換素子に適する可視光の波長（３００〜１２００ｎｍ）において、フォトニック結晶の共振効果を得られるおおよその限界値である２０００ｎｍ以下が好ましい。なお、ピッチＰの１００ｎｍおよび２０００ｎｍは、それぞれ、フォトニック結晶のない場合よりも光吸収量が増大する下限の条件および上限の条件を示している。
また、高さＴは、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいてフォトニック結晶による光閉じ込め効果が実用に足るレベルで得られる１００ｎｍ以上、かつ、異屈折率領域４を光電変換層５内に形成するための構造的な限界である光電変換層の厚みＬ以下が好ましい。
また、底面の直径２ｒは、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいてフォトニック結晶による光閉じ込め効果が、５０ｎｍ以上、かつ、隣り合う異屈折率領域４と重なり合わない距離であるピッチＰよりも短いことが好ましい。なお、直径２ｒの５０ｎｍは、フォトニック結晶のない場合に比べて光吸収量が増大する最低条件である。
なお、上記底面の形状が多角形または楕円形の場合、上記２Ｒを上記多角形の外接円の直径、または上記楕円形の長径または短径としてもよい。
また、異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θは、異屈折率領域４の高さＴおよびピッチＰの上記条件を満たすことができる５．７°以上かつ（ａｒｃｔａｎ（Ｌ/５０ｎｍ）/π）×１８０°以下であることが好ましい。ここでπは円周率のことである。
ここで、異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θの最小値最大値について詳しく説明する。
異屈折率領域４のピッチが最大値（２０００ｎｍ）であり、異屈折率領域４の底面の直径２ｒが最大値（１０００ｎｍ）、かつ、フォトニック結晶の高さが最小値（１００ｎｍ）の場合において、異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θは最小値となる。上記条件を満たす異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θの値は、ａｒｃｔａｎ（１００ｎｍ/１０００ｎｍ/π）×１８０°＝５．７°となる。
また、異屈折率領域４のピッチが最小値（１００ｎｍ）であり、異屈折率領域４の底面の直径２ｒが最小値（５０ｎｍ）、かつ、フォトニック結晶の高さが最大値（光電変換層の厚みＬ）の場合において、異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θは最大値となる。上記条件を満たす異屈折率領域４の傾斜面と底面との角度θの値は、円周率をπとして、（ａｒｃｔａｎ（Ｌ/５０）/π）×１８０°となる。なお、厚みＬは、従来薄膜シリコン太陽電池に用いられている厚みとして使用されている１０００ｎｍ以下が好ましい。
（異屈折率領域の形状による光電変換層の成長）
次に、図２を用いて本実施形態に係る異屈折率領域４の形状による光電変換層５の成長について説明する。なお、以下の説明では、光電変換層５と透明導電膜３との界面のことを透明導電膜３の界面と略称することがある。
図２は、異屈折率領域４の形状による光電変換層５の成長を示す図であり、（ａ）は、図１の（ｂ）のＣで示す領域の拡大図であり、（ｂ）は本実施形態に係る理想的な光電変換層５の膜厚を示す図であり、（ｃ）は本実施形態に係る理想的な異屈折率領域４の形状を示す図である。
図２の（ａ）に示すように、光電変換層５の成膜時において、光電変換層５は異屈折率領域４上から、異屈折率領域４の表面の接線に対し垂直な方向に成長する。このため、隣り合う異屈折率領域４同士では、互いの中間位置へ近寄る方向である矢印Ｙ１およびＹ３の方向などに成長する。一方、光電変換層５は、異屈折率領域４が形成されている透明導電膜３の界面において、異屈折率領域４が形成されていない領域からも、上記界面に垂直な方向である矢印Ｙ２の方向に成長する。
本実施形態に係る光電変換素子１の光電変換層５の成膜時において、隣り合う異屈折率領域４上から矢印Ｙ１およびＹ３の方向に近づくように成長する光電変換層５と、透明導電膜３の上記界面から矢印Ｙ２の方向に成長する光電変換層５とが、異屈折率領域４がテーパー状に形成されているために同じタイミングで衝突することができる。
また、異屈折率領域４がテーパー状突起部を備えた構成では、光電変換層５をプラズマＣＶＤにより成膜する場合、チャージアップを起こしにくくなり、水素ラジカルの集中が起きにくくなる。
したがって、従来のフォトニック結晶構造を有する光電変換素子にみられるような、光電変換層５の空隙の発生すなわち欠陥の形成を抑制できる。
矢印Ｙ１〜Ｙ３に沿って成長する光電変換層５の衝突位置は、図２の（ｂ）に示すように模式化することができる。すなわち、異屈折率領域４の形状を例えば円錐とし、隣り合う２つの異屈折率領域４の頂点を通り、隣り合う２つの異屈折率領域４の間の透明導電膜３の界面に接点を有する円弧を考える。上記接点は、２つの円錐の中心線の中間に位置する。矢印Ｙ１〜Ｙ３に沿って成長する光電変換層５の成長速度が等しい場合、この円弧の中心点Ｏにおいて、異屈折率領域４上から矢印Ｙ１およびＹ３の方向に成長する光電変換層５と、透明導電膜３の界面から矢印Ｙ２の方向に成長する光電変換層５とが衝突する。
各領域から成長する光電変換層５同士の衝突後において、上記中心点Ｏの上に引き続き形成される光電変換層５には、欠陥ができやすい。したがって、光電変換層５の膜厚Ｌ２は、隣り合う２つの異屈折率領域４の頂点を通り、その間の透明導電膜３の界面に接点を有する円弧の半径に相当する高さの位置まで、光電変換層５を形成するのがよい。
したがって、光電変換層５の欠陥を最小限に防止する異屈折率領域４の形状としては、図２の（ｃ）に示すように、光電変換層５の面内方向に垂直な断面において、透明導電膜３の界面に接する同一の半径をもつ複数の円弧と透明導電膜３の界面とによって形成される形状を有する異屈折率領域４の形状が挙げられる。
上記の構成によると、異屈折率領域４が、光電変換層５の受光面側から光電変換層５の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えているため、フォトニック結晶構造Ｓにおいて生じるフォトニック結晶間の光電変換層５の成膜阻害、すなわち欠陥の形成を抑制できる。よって、光電変換層５で発生したキャリアが欠陥によって消失する不具合が抑制されるので、光電変換素子１の光電変換効率を向上させることができる。
また、上記の構成によると、フォトニック結晶構造Ｓの共振効果の大きさ（Ｑ値）を従来のフォトニック結晶構造よりも小さくすることができる。よって、フォトニック結晶構造Ｓによる共振効果の大きさを光電変換層５の媒質の光吸収（もしくは光子の取り込み）による共振効果の大きさに近似させることができ、特に光電変換層５の材料において吸収の大きな（共振効果の大きさを表すＱ値が小さい）波長域に対して、従来のフォトニック結晶の構造に比べて光電変換層５の光吸収量を向上させることができる。
詳細に説明すると、光が物質に入射した場合、光が吸収される状態は、光子が一定の時間でエネルギーを失うことに相当する。これは、共振器において、共振器内に光が入射し、一定時間で出ていくことと同じである。屈折率をｎ、光の波長をλ、光の吸収係数をαとして、光が吸収されるときの共振効果の大きさを表すＱ値は、Ｑ＝２πｎ／（λα）と表される。
例えば、波長λが８００ｎｍにおける微結晶シリコン（μｃ-Ｓｉ）の吸収係数αはおおよそ１２００であり、屈折率ｎをおおよそ３．６とすると、μｃ-Ｓｉの共振効果の大きさＱαは、Ｑα=２３５．６である。
一方、従来のフォトニック結晶構造のＱ値は、数百万程度である。従来のフォトニック結晶構造のＱ値よりも小さいＱ値を有するフォトニック結晶構造が実現できれば、フォトニック結晶のＱ値を上記のＱαにより近似させることができ、光電変換層の光吸収量を吸収係数と厚みにより決定されていた量よりも向上させることができる。
正方格子状に配置された異屈折率領域から構成されているフォトニック結晶構造のＱ値は、例えば、三角格子状に配置された異屈折率領域から構成されているフォトニック結晶構造のＱ値よりも小さい値を有する。また、異屈折率領域が、光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に向かってテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えていることによって、フォトニック結晶構造のＱ値をさらに小さくすることができる。
よって、上記の本実施形態の構成によって、従来のフォトニック結晶の構造に比べて光電変換層５の光吸収量を向上させることができるので、光電変換素子１の光電変換効率を向上させることができる。
（異屈折率領域の種々の形状）
次に図３を用いて、本実施形態に係る異屈折率領域４の種々の形状を例示する。図３の（ａ）から（ｄ）は、光電変換層５の面内方向に垂直な面における異屈折率領域４の断面を示している。
図３の（ａ）から（ｄ）に示すように、異屈折率領域４、４ａ、４ｂおよび４ｃは、透明導電膜３上に形成されている。
図３の（ａ）に示すように、異屈折率領域４は、テーパー形状の一例として、頂部が鋭角な頂点となった円錐形状に形成されている。一方で、図３の（ｂ）に示す異屈折率領域４ａは、異屈折率領域４ａの頂部が一定の曲率を持った略円錐形状に形成されている。この場合、異屈折率領域４ａの頂部が一定の曲率をもっているため、異屈折率領域４ａの上に積層されている層（例えば、光入射側から順に積層されたｐｉｎ縦型構造からなる光電変換層５の場合においては、ｐ型半導体層）の段切れを防止することができる。
なお、段切れとは、異屈折率領域４ａの頂部が、光電変換層５に覆われず、光電変換層５内に食い込んだ状態をいう。この状態では、異屈折率領域４ａの頂部がｉ型半導体層に直接触れやすくなる。このように、ｉ型半導体層が直接フォトニック結晶構造に接すると、特にフィルファクター（ＦＦ）が低下するので、光電変換素子１の光電変換効率の低下をまねく。
また、図３の（ｃ）に示すように、異屈折率領域４ｂは、図３の（ａ）に示す異屈折率領域４の傾斜面が外側へ膨らむドーム形状に形成されている。一方で、図３の（ｄ）に示すように、異屈折率領域４ｃは図３の（ｂ）に示す異屈折率領域４ａの傾斜面が異屈折率領域４ｃの内側へ窪む略円錐形状に形成されている。
なお、上述したように、光電変換層５の欠陥を最小限に防止する異屈折率領域４の形状としては、図２の（ｃ）に示すように、光電変換層５の面内方向に垂直な断面において、透明導電膜３の界面に接する同一の半径をもつ複数の円弧と透明導電膜３の界面とによって形成される形状が好ましい。したがって、異屈折率領域４ｃのように傾斜面が外側へ膨らむ形状よりも異屈折率領域４ｄのように傾斜面が内側へ窪む形状が好ましい。
（光電変換素子の形成方法）
図４の（ａ）から（ｄ）は、本実施形態に係る光電変換素子１の形成フローを示している。図４の（ａ）に示すようにガラス基板２上に透明導電膜３を成膜し、その上にＳｉＯ２等の透明誘電体層４０を成膜する。
次に、図４の（ｂ）に示すように、透明誘電体層４０上にレジスト８を塗布し、ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ（ＥＢ）またはステッパーなどにてレジスト８の表面にパターンを形成する。その後、ＣＦ４などのガスを用いたＲｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ)、Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ（ＩＣＰ）などによって、透明誘電体層４０を上記のパターン通りに切り出す。
次に、図４の（ｃ）に示すように、レジスト８を剥離した後、Ｏ２プラズマなどのエッチング速度の緩やかなガスを用いたＲＩＥ、ＩＣＰなどによって、透明誘電体層４０に対してエッチングを行う。このようにして、下から上へ向かう方向にテーパー状の異屈折率領域４を透明誘電体層４０から形成することによって、フォトニック結晶構造Ｓを形成する。
次に、図４の（ｄ）に示すように、異屈折率領域４または透明導電膜３の上に、光電変換層５、透明導電膜６、電極用金属層７を、上記記載の順番によって成膜する。
以上の工程によって、フォトニック結晶構造Ｓを備えた光電変換素子１を作製することができる。
〔実施例１〕
（光電変換層における空隙）
次に、本実施例に係る光電変換素子の光電変換層における、空隙について図５を用いて説明する。
図５の（ａ）は、本実施例のフォトニック結晶構造を有する光電変換素子の光電変換層をＳｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）によって撮影した断面図である。図５の（ｂ）は、本実施例の比較例に用いた従来のフォトニック結晶構造を有する光電変換素子の光電変換層の断面図である。
図５の（ａ）に示すように、本実施例に係る光電変換素子は、ＳｉＯ２によって形成されているテーパー状の異屈折率領域（ＳｉＯ２ ｃｏｎｅ）上に、光電変換層として微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓi）が積層されている。図５の（ａ）によると本実施例に係る光電変換素子の光電変換層において、空隙は確認されなかった。
一方、図５の（ｂ）に示すように、従来の光電変換素子は、ＳｉＯ２によって形成されているロッド状（円柱状）の異屈折率領域（ＳｉＯ２ ｒｏｄ）上に、光電変換層として微結晶シリコン膜（μｃ−Ｓi）が積層されている。上記のロッド状（円柱状）の異屈折率領域は、光電変換層の面内方向に対して垂直な側壁を有している。図５の（ｂ）によると、従来の光電変換素子の光電変換層においては、隣り合う異屈折率領域間に空隙が確認された。この空隙が発生するメカニズムについては、図１９を参照して既に説明した。
上記の結果より、異屈折率領域４をテーパー状に形成することによって、光電変換層５の空隙をなくし、光電変換層５の不整合面を低減することが可能となることが分かった。すなわち、異屈折率領域４をテーパー状に形成することによって、光電変換効率を従来より向上させることができるフォトニック結晶構造Ｓを有する光電変換素子１を形成することができる。
〔実施形態２〕
（異屈折率領域がテーパー状突起部であり柱部から形成されている（五角形の断面））
本発明のさらに他の実施形態について、図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（光電変換素子の構成）
図６は、本実施形態に係る光電変換素子１ａを示す図である。
図６の（ａ）は、本実施形態の光電変換素子１ａの全体構成を概略的に示す断面図である。
図６の（ａ）に示すように、光電変換素子１ａは、光入射側から順に積層された、ガラス基板２、透明導電膜３（第１透明導電膜）、異屈折率領域４ｆ、光電変換層５、透明導電膜（第２透明導電膜）６及び電極用金属層７を備えている。
なお、ガラス基板２から電極用金属層７に向かう方向を下から上へ向かう方向と定義し、以下の説明における上下の位置関係を定めることにする。
光電変換層５は、透明導電膜３および透明導電膜６によって挟まれている。光電変換層５内には、フォトニック結晶構造Ｓ２が形成されている。
異屈折率領域４ｆは、前記異屈折率領域４と同様に、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料、有機樹脂（アクリル、ポリカーボネートなど）などの透明誘電体により構成されている。
（フォトニック結晶構造の構成）
本実施形態に係る異屈折率領域４ｆの形状は、図１の（ａ）で示す異屈折率領域４と同様に、光電変換層５の面内方向に平行な断面において円形（真円形状）であるが、楕円形状、多角形状（三角形、四角形、六角形、八角形など）であってもよい。
フォトニック結晶構造Ｓ２は、複数の異屈折率領域４ｆを備えている。複数の異屈折率領域４ｆは、光電変換層５の面内方向に平行な正方格子の格子点に対応して、透明導電膜３の上面に周期的に形成されている。また、実施形態１で説明したように、各異屈折率領域４ｆの中心位置は、隣りあう異屈折率領域４ｆが重ならないことを条件として、上記格子点を起点としてランダムにずれていてもよい。
（異屈折率領域の形状）
次に図６の（ｂ）を用いて、本実施形態に係る異屈折率領域４ｆの形状を例示する。図６の（ｂ）は、図６の（ａ）の領域Ｚの拡大図であり、光電変換層５の面内方向に対し垂直な異屈折率領域４ｆの断面図を示している。
図６の（ｂ）に示すように異屈折率領域４ｆは、光電変換層５の受光面側の界面、すなわち光電変換層５と透明導電膜３との界面に形成されている。上記異屈折率領域４ｆは、テーパー状突起部４１ｆおよび側面が傾斜を持たない柱部４２ｆから形成されている。テーパー状突起部４１ｆは、頂部が鋭角な頂点となった形状に形成されている。異屈折率領域４ｆは、受光面側から上記柱部４２ｆおよび上記テーパー状突起部４１ｆの順に形成されている。
上記の構成によると、異屈折率領域４ｆが、光電変換層５の受光面側から上記光電変換層５の内部に向かってテーパー状に形成されているテーパー状突起部４１ｆを備えているため、フォトニック結晶構造Ｓ２において生じるフォトニック結晶間の光電変換層５の成膜阻害、すなわち欠陥の形成を抑制できる。
さらに、異屈折率領域４ｆがテーパー状突起部４１ｆを有していることから従来のフォトニック結晶を備えた光電変換層に比べ、光の取り込み量を増大させるので、光吸収量を増大させることができ、かつ、異屈折率領域が対面する面同士が傾斜をもたない柱部４２ｆ（光電変換層５の面内方向に対して垂直な部分）を備えていることによって、フォトニック結晶の大きな光閉じ込め効果を得ることができる。したがって、光電変換素子１ａの光電変換効率を向上させることができる。
図６の（ｃ）は、図６の（ａ）の領域Ｚの他の例を示す拡大図であり、光電変換層５の面内方向に対し垂直な異屈折率領域４ｇの断面図を示している。
図６の（ｃ）に示すように異屈折率領域４ｇは、光電変換層５の受光面側の界面に形成されている。上記異屈折率領域４ｇは、テーパー状突起部４１ｇおよび側面が傾斜を持たない柱部４２ｇから形成されている。テーパー状突起部４１ｇは、頂部が一定の曲率をもって形成されている。異屈折率領域４ｇは、受光面側から上記柱部４２ｇおよび上記テーパー状突起部４１ｇの順に形成されている。
上記の構成によると、テーパー状突起部４１ｇの頂点が一定の曲率をもっているため、異屈折率領域４ｆの上に積層されている層（例えば、光入射側から順に積層されたｐｉｎ縦型構造からなる光電変換層５の場合においては、ｐ型半導体層）の段切れを防止することができる。これによる光電変換効率向上の効果が、異屈折率領域４ｆの上記効果にプラスされる。
（光電変換素子の詳細な構造）
次に、本実施形態に係る光電変換素子１ａの詳細な構造の一例について図６の（ａ）を用いて説明する。光電変換層５の受光面側の界面において、当該界面の面内方向に平行に切った異屈折率領域４ｆ（または４ｇ）の断面を、異屈折率領域４ｆ（または４ｇ）の底面とした場合、隣り合う異屈折率領域４ｆ（または４ｇ）の底面の中心間の距離（ピッチ）をＰ１とする。また、光電変換層５の上記界面を基準とした上記異屈折率領域４ｆ（または４ｇ）の高さをＴ１とする。また、異屈折率領域４ｆ（または４ｇ）の底面の直径を２ｒ１とする。なお、異屈折率領域４ｆの高さＴ１は、テーパー状突起部４１ｆの高さＴ11および柱部４２ｇの高さＴ12の合計である。
ピッチＰ１は、例えば、Ｆｉｎｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法を用いた計算機シミュレーションにおいて、フォトニック結晶による共振効果を得ることができる１００ｎｍ以上、かつ、光電変換素子に適する可視光の波長（３００〜１２００ｎｍ）において、フォトニック結晶の共振効果を得られるおおよその限界値である２０００ｎｍ以下が好ましい。
また、高さＴ１は、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいてフォトニック結晶による光閉じ込め効果が実用に足るレベルで得られる１００ｎｍ以上、かつ、異屈折率領域４を光電変換層５内に形成できる光電変換層の厚みＬ１以下が好ましい。
また、底面の直径２ｒ１は、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいてフォトニック結晶による光閉じ込め効果が実用に足るレベルで得られる５０ｎｍ以上、かつ、隣り合う異屈折率領域４ｆと重なり合わない距離であるピッチＰ１よりも短いことが好ましい。
また、図６の（ｂ）に示すように、テーパー状突起部４１ｆと柱部４２ｆとの境界における、光電変換層５の面内方向に平行な横断面を考えた場合、テーパー状突起部４１ｆの傾斜面と、当該横断面とが形成する角度θ１が、異屈折率領域４ｆの高さＴ１およびピッチＰ１の上記条件を満たすことができる範囲は、実施形態１で説明した導出方法によって求めることができる。
〔実施形態３〕
（透明導電膜によって覆われている異屈折率領域）
本発明のさらに他の実施形態について、図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（光電変換素子の構成）
図７は、本実施形態に係る光電変換素子１ｂの全体構成を概略的に示す断面図である。
図７に示すように、光電変換素子１ｂは、光入射側から順に積層された、ガラス基板２、透明導電膜３（第１透明導電膜）、異屈折率領域４、透明導電膜９（第３透明導電膜）、光電変換層５、透明導電膜（第２透明導電膜）６及び電極用金属層７を備えている。
光電変換層５は、透明導電膜３および透明導電膜６によって挟まれている。光電変換層５内には、後述のようにフォトニック結晶構造Ｓ３が形成されている。
異屈折率領域４と光電変換層５との境界において、異屈折率領域４は、透明導電膜９によって覆われている。言い換えると、上記境界において、光電変換層５の受光面側の界面全体にわたる透明導電膜９によって、透明導電膜３上に離散的に配置された複数の異屈折率領域４が覆われている。したがって、透明導電膜９は、隣り合う異屈折率領域４の間に存在する透明導電膜３も覆っている。
透明導電膜９は、異屈折率領域４の光入射側の反対側の面において、実施形態１と同様に透明誘電体によって形成されている異屈折率領域４の全体を覆うように成膜されている。透明導電膜９は、ＳｎＯ２、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）であってもよく、導電性を付与された透明な有機材料（例えば、ポリカーボネートやアクリルなど）であってもよい。透明導電膜９の膜厚は、シート抵抗が１０Ω／ｃｍ２以下となるように調整されている。
フォトニック結晶構造Ｓ３の構造として、複数の異屈折率領域４が、光電変換層５の面内方向に平行な正方格子の格子点に対応して、周期的に形成されている。また、各異屈折率領域４の中心位置は、隣りあう異屈折率領域４が重ならないことを条件として、上記格子点を起点としてランダムにずれていてもよい。
また、異屈折率領域４の形状については、実施形態１で説明したテーパー状突起として形成されていてもよいし、実施形態３で説明した柱部およびテーパー状突起部から構成されていてもよい。
上記の構成によると、透明導電膜９は、光電変換層５から電流を取り出す陽電極および陰電極の一方としての役割を担うことができる。したがって、光電変換層５の受光面側に位置し、誘電体によって形成されている異屈折率領域４が原因として生じる光電変換素子１ｂからの電流の取り出しの低下を、防止することができる。
〔実施形態４〕
（透明導電膜によって形成されている異屈折率領域）
本発明の他の実施形態について、図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（光電変換素子の構成）
図８は、本実施形態に係る光電変換素子１ｃの全体構成を概略的に示す断面図である。
図８に示すように、光電変換素子１ｃは、光入射側から順に積層された、ガラス基板２、透明導電膜３（第１透明導電膜）、異屈折率領域４ｈ、光電変換層５、透明導電膜（第２透明導電膜）６及び電極用金属層７を備えている。光電変換層５は、透明導電膜３および透明導電膜６によって挟まれている。光電変換層５内には、フォトニック結晶構造Ｓ４が形成されている。
異屈折率領域４ｈは透明な導電膜から形成されており、材料としてはＳｎＯ２、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）であってもよく、導電性を付与された透明な有機材料（例えば、ポリカーボネートやアクリルなど）であってもよい。
また、エッチングなどによって透明導電膜３を彫ることにより異屈折率領域４ｈを形成してもよい。本実施形態においては、透明導電膜３をエッチングすることによって異屈折率領域４ｈを形成している例を示している。異屈折率領域４ｈの構成に関する各種数値の一例は以下のとおりである。
光電変換層５の受光面側の界面において、当該界面の面内方向に平行に切った異屈折率領域４ｈの断面を、異屈折率領域４ｈの底面とした場合、隣り合う異屈折率領域４ｈの底面の中心間の距離（ピッチ）が４５０ｎｍである。また、光電変換層５の面内方向に垂直な断面において、光電変換層５の受光面側の界面を基準とした上記異屈折率領域４ｈの高さが１００ｎｍである。また、異屈折率領域４ｈの底面の直径が２００ｎｍである。また、本実施形態においては、光電変換層５の膜厚が４００ｎｍに形成されている。
フォトニック結晶構造Ｓ４の構造は、複数の異屈折率領域４ｈが、光電変換層５の面内方向に平行な正方格子の格子点に対応して、周期的に形成されている。また、各異屈折率領域４ｈの中心位置は、隣りあう異屈折率領域４ｈが重ならないことを条件として、上記格子点を起点としてランダムにずれていてもよい。
また、異屈折率領域４ｈの形状については、実施形態１で説明したテーパー状突起として形成されていてもよいし、実施形態２で説明した柱部およびテーパー状突起部から構成されていてもよい。
上記の構成によると、異屈折率領域４ｈが透明導電膜で形成されているため、異屈折率領域４ｈが誘電体によって形成されている場合において存在する光電変換層５と透明導電膜３とが絶縁されている箇所がなくなる。上記の絶縁箇所は、光電変換素子１ｃからの電流取り出しを低下させることがある。上記の構成においては、上記の絶縁箇所が存在しないため電流の取り出しを向上させることができる。
〔実施形態５〕
（透明導電膜によって覆われており、透明誘電体をエッチングすることによって形成されている異屈折率領域）
本発明の他の実施形態について、図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（光電変換素子の構成）
図９は、本実施形態に係る光電変換素子１ｄの全体構成を概略的に示す断面図である。
図９に示すように、光電変換素子１ｄは、光入射側から順に積層された、ガラス基板２、透明誘電体１０、異屈折率領域４ｉ、透明導電膜９（第３透明導電膜）、光電変換層５、透明導電膜（第２透明導電膜）６及び電極用金属層７を備えている。
光電変換層５は、透明誘電体１０および透明導電膜６によって挟まれている。光電変換層５内には、フォトニック結晶構造Ｓ５が形成されている。
異屈折率領域４ｉは透明誘電体から形成されており、材料としてはＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料、有機樹脂（アクリル、ポリカーボネートなど）などの透明誘電体により構成されている。
また、エッチングなどによって透明誘電体１０を彫ることにより異屈折率領域４ｉを形成してもよい。本実施形態においては、透明誘電体１０をエッチングすることによって異屈折率領域４ｉを形成している例を示している。
透明導電膜９は、異屈折率領域４ｉの光入射側の反対側の面において異屈折率領域４ｉの全体を覆うように成膜されている。透明導電膜９は、ＳｎＯ２、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）であってもよく、導電性を付与された透明な有機材料（例えば、ポリカーボネートやアクリルなど）であってもよい。透明導電膜９の膜厚は、シート抵抗が１０Ω／ｃｍ２以下となるように調整されている。
フォトニック結晶構造Ｓ５の構造には、前記各実施形態において説明した構造を当てはめることができる。
上記の構成によると、透明導電膜９は、光電変換層５から電流を取り出す陽電極および陰電極の一方としての役割を担うことができる。したがって、光電変換素子１ｄからの電流取り出しを向上させることができる。
〔実施形態６〕
（複数の二次元構造を含むフォトニック結晶構造）
本発明の他の実施形態について、図１０に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図１０は、本実施形態における光電変換層５内のフォトニック結晶構造Ｓ８の構造を示す平面図である。なお、図１０に示すフォトニック結晶構造Ｓ８は、後述の図１３（ｂ）に示すフォトニック結晶構造を１単位として、４単位分を配列したものに等しい。
この時の格子定数ｐは、１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍの範囲である。
本実施形態に係る異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍの形状は、実施形態１で説明したテーパー状突起として形成されていてもよいし、実施形態３で説明した柱部およびテーパー状突起部から構成されていてもよい。
また、本実施形態に係る異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍの形状は、光電変換層５の面内方向に平行な断面において円形（真円形状）である。しかし、これらの形状は互いに同一である必要はなく、光の吸収向上が可能となる波長を増やすように、楕円形状、多角形状（三角形、四角形、六角形、八角形など）などから各形状を選択することができる。
異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍは、光電変換層５の面内方向に平行な格子（例えば正方格子）の格子点に対応して形成されている。また、異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍは、上記面内方向に平行な断面において異なる大きさを備えている。さらに、異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍは、上記面内方向において、断面の大きさの違いに応じた複数種類の固有の二次元構造を形成するように、断面の大きさごとに多点配置されている。例えば、図１０に示すように、異屈折率領域４ｋは、正方形を形成する格子点に対応して配置された二次元構造を形成している。
また、異屈折率領域４ｍは、異屈折率領域４ｋが形成する正方形の中心に位置する格子点に対応して配置された二次元構造を形成している。
異屈折率領域４ｌは、上記正方形の中心を、異屈折率領域４ｋおよび４ｍの各二次元構造と共有し、４ｋが形成する上記正方形の各辺の中点に配置された十字型の二次元構造を形成している。異屈折率領域４ｊは、上記正方形の中心を、異屈折率領域４ｋ、４ｌおよび４ｍの各二次元構造と共有し、上記正方形の外周を取り巻く八角形を形成する格子点に対応して配置された二次元構造を形成している。
断面の大きさの違いに応じた複数種類の上記二次元構造が組み合わさって、単位構造を形成している。
上記単位構造は、繰り返し形成されることによって周期構造を形成している。本実施形態では、上記単位構造が、二次元的、かつ周期的に繰り返し形成されている。
上記の構成に加えて、上記単位構造内においては、上記３種類以上の二次元構造の二次元形状は、互いに異なっており、任意の基準点に対して互いに拡縮しても相似形にはならない形状を備えている。より詳しく説明すると、任意の基準点に対して、ある二次元構造を形成している各異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍの中心を同一比率で拡縮しても、他の二次元構造の形状に重なることがない（形状が比例変換されない）。なお、任意の基準点に対して、上記中心を同一比率で拡縮する図形変換には、回転による図形変換を含まない。
また、各異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍの中心位置は、隣りあう異屈折率領域４ｊ、４ｋ、４ｌおよび４ｍが重ならないことを条件として、上記格子点を起点としてランダムにずれていてもよい。
上記の構成によれば、光電変換層５の面内方向において、フォトニック結晶構造Ｓ６に互いに異なる形状の複数の二次元構造が配置されることによって、フォトニック結晶構造Ｓ６と入射光とが相互作用（干渉および共振）し、光吸収増大効果が得られる入射光の波長を増やすことが可能となる。よって、連続した波長に対して光吸収を増大させることができる。
（実施形態６の変形例）
次に、本発明に係るフォトニック結晶構造の変形例について説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図１１は、本変形例に係るフォトニック結晶構造Ｓ７の単位構造を示す平面図である。
本変形例のフォトニック結晶構造Ｓ７は、光電変換層１１の面内方向に平行な断面において異なる大きさを備えている異屈折率領域６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６e、６ｆおよび６ｇを備えている。図１１に示すように、光電変換層１１の面内方向に平行な断面において異屈折率領域６ａ〜６ｇの各形状（平面形状）は３以上の角数の多角形である。また、異屈折率領域６ａ〜６ｇの各断面の形状は、互いに異形である。
異屈折率領域６ａ〜６ｇは、上記面内方向において、断面の大きさの違いに応じた複数種類の固有の二次元構造を形成するように、断面の大きさごとに多点配置され、格子点に対応して配置された二次元構造を形成している。
断面の大きさの違いに応じた複数種類の上記二次元構造が組み合わさって、図１１に示すように、単位構造を形成している。
〔実施形態７〕
（光電変換素子における光吸収率）
次に、本発明に係る光電変換素子における光電変換層の光吸収率について説明する。
本実施形態では、格子定数ｐを格子定数ａに置き換えて説明する。この時の格子定数ａは、１００ｎｍ≦ａ＜４５０ｎｍの範囲である。
図１２の（ａ）は、本実施形態の比較例に用いた従来のフォトニック結晶構造を示す平面図である。図１２の（ｂ）は、本実施形態に係るフォトニック結晶構造の単位構造を示す平面図である。
従来のフォトニック結晶構造は、図１２の（ａ）に示ように、格子定数ａが２７５ｎｍである正方格子のすべての格子点上に、異屈折率領域６１が光電変換層の面内方向に平行な断面において０．４ａである半径Ｒ５を備えて形成されている。
したがって、従来のフォトニック結晶構造は単一周期構造を形成している。
一方、本実施形態に係るフォトニック結晶構造は、図１２の（ｂ）に示すように、格子定数ａが２７５ｎｍである正方格子の格子点上に、前記光電変換層１１の面内方向に平行な断面において０．３ａ、０．４ａおよび０．７ａをそれぞれ半径Ｒ６、半径Ｒ７および半径Ｒ８として備えた異屈折率領域６が形成されている。
本実施形態に係るフォトニック結晶構造は、光電変換層１１の面内方向に平行な断面において以下の３種類の二次元構造を含む単位構造を形成している。
半径Ｒ６の異屈折率領域６は、同一の半径を備えた異屈折率領域６と、１辺の長さが２ａの正方形の二次元構造を形成している。
半径Ｒ７の異屈折率領域６は、同一の半径を備えた異屈折率領域６と、上記正方形の中心および上記正方形の各辺の中点に配置された十字形の二次元構造を形成している。
半径Ｒ８の異屈折率領域６は、同一の半径を備えた異屈折率領域６と、上記正方形の外周を取り巻く八角形を形成する格子点に対応して配置された二次元構造を形成している。
上記の従来のフォトニック（ＰＣ）結晶構造、本実施形態に係るフォトニック結晶構造（本発明のＰＣ構造）およびフォトニック結晶構造を備えない（フラット構造）光電変換素子の光吸収率を、Ｆｉｎｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法を用いた計算機シミュレーションによって調べた。
図１２の（ｃ）は、上記３つの光電変換素子の光吸収率の波長特性を示した図である。
図１２の（ｃ）によると、従来のフォトニック結晶構造はフラット構造に比べて光吸収の増大を示した。しかし、本実施形態に係るフォトニック結晶構造は、特に、６００ｎｍ以上の長波長域側において、従来のフォトニック結晶構造よりも高い効果を示した。
例えば、約１０００ｎｍの波長において、本実施形態に係るフォトニック結晶構造は従来のフォトニック結晶構造よりも８倍程度高い光吸収率を示した。
〔実施形態８〕
本発明の他の実施形態について、図１３および１４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（太陽電池の構成）
本実施形態に係る太陽電池１０は、結晶シリコンに非結晶質シリコンを成膜したヘテロ接合結晶シリコン太陽電池であり、光電変換層において、受光面の反対側の裏面近傍に前記フォトニック結晶構造Ｓ８を備えている。
以下に太陽電池１０の詳細を説明する。
図１３の（ａ）は、本実施形態に係る太陽電池１０の構成を示す断面図である。
図１３の（ａ）に示すように、太陽電池１０は、表面電極２１を備えているとともに、光入射側から順に積層された、反射防止膜（anti reflective coating（ＡＲＣ））９、透明導電膜３、光電変換層１７、透明導電膜４および裏面電極２２を備えている。光電変換層１７は、光入射側から順に、第１非結晶質シリコン半導体層１７１、結晶シリコン基板１７２（ｎ型またはｐ型半導体）、第２非結晶質シリコン半導体層１７３（ｉ型およびｐ型層、または、ｉ型およびｎ型層）の積層によって構成されている。
結晶シリコン基板１７２には、受光面側にテクスチャー構造が形成されている。結晶シリコン基板１７２の上記テクスチャー構造上に、反射防止膜９、透明導電膜３および第１非結晶質シリコン半導体層１７１が順に成膜されている。
さらに、結晶シリコン基板１７２の上記テクスチャー構造側の一部には、表面電極２１が備わっている。表面電極２１が備わっている領域においては、反射防止膜９が存在しておらず、透明導電膜３の上に表面電極２１が透明導電膜３と接触して設けられている。
反射防止膜９の材質としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などを用いることができる。また、太陽電池１０は反射防止膜９を必要に応じて備えていればよく、反射防止膜９を備えていなくてもよい。
また、結晶シリコン基板１７２の受光面とは反対側の裏面に、実施形態６で詳しく説明したフォトニック結晶構造Ｓ８を形成するための凹凸構造が形成されている。結晶シリコン基板１７２の裏面における上記凹凸構造は、結晶シリコン基板１７２の裏面に成膜された第２非結晶質シリコン半導体層１７３に転写されている。さらに、第２非結晶質シリコン半導体層１７３に対して透明導電膜４が成膜されていることによって、第２非結晶質シリコン半導体層１７３と透明導電膜４との屈折率差を持った凹凸構造、すなわち上記フォトニック結晶構造Ｓが形成されている。これにより、第２非結晶質シリコン半導体層１７３内における光閉じ込め効果が得られる。
さらに、結晶シリコン基板１７２と第２非結晶質シリコン半導体層１７３との屈折率差によっても、フォトニック結晶構造が形成され、光電変換層１７内で光閉じ込め効果が得られる。
図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）で示すＣＤ線に沿った断面図であり、結晶質シリコン半導体層１７３と透明導電膜４とによって形成されたフォトニック結晶構造Ｓ８を示している。
第１非結晶質シリコン半導体層１７１は、ｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造、または、ｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成されている。
結晶シリコン基板１７２は、ｎ型半導体またはｐ型半導体によって構成されている。
第２非結晶質シリコン半導体層１７３は、ｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造、ｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成されている。
第１非結晶質シリコン半導体層１７１がｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造によって構成されている場合、第２非結晶質シリコン半導体層１７３はｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成される。
また、第１非結晶質シリコン半導体層１７１がｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成されている場合、第２非結晶質シリコン半導体層１７３はｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造によって構成される。
透明導電膜４の材質としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯなどであってもよい。
表面電極２１の材質としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉ及びその加工物、積層構造物を用いることができる。
裏面電極２２の材質としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉおよびその加工物、積層構造物などを用いることができる。
上記の構成によると、結晶シリコンを用いることで、光を電気に変換する量子効率を向上させる効果を奏する。
また、ヘテロ接合太陽電池では、光入射面とは反対側の裏面側にμｍオーダーの凹凸構造を形成した場合には、特性劣化が懸念される。しかし、本発明の構造は、光入射面とは反対側の裏面側にｎｍオーダーの凹凸構造を持つフォトニック結晶構造を形成したことによって、凹凸が比較的小さいことから、特性劣化を防ぐ効果を奏する。
したがって、上記２つの効果によって、薄膜シリコンを用いた太陽電池よりも多くの電流を取り出せるので、光電変換効率を向上させる効果を奏する。
（太陽電池の形成方法）
図１４の（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態に係る太陽電池１０の形成フローを示している。
図１４の（ａ）に示すように、結晶シリコン基板１７２にテクスチャー構造を形成し、テクスチャー構造側を受光面とする。
次に、図１４の（ｂ）に示すように、結晶シリコン基板１７２の受光面とは反対の面に、レジストを用いてｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ（ＥＢ）またはステッパーなどにてフォトニック結晶構造を形成するための凹凸構造を形成する。
次に、図１４の（ｃ）に示すように、結晶シリコン基板１７２の受光面とは反対の面に第２非結晶質シリコン半導体層１７３を成膜する。これによって、第２非結晶質シリコン半導体層１７３に、上記凹凸構造が転写される。
次に、図１４の（ｄ）に示すように、結晶シリコン基板１７２の受光面に、第１非結晶質シリコン半導体層１７１、透明導電膜３および反射防止膜９を、結晶シリコン基板１７２の受光面から、上記記載の順番によって成膜する。
次に、受光面に表面電極２１を形成し、受光面とは反対の面に透明導電膜４および裏面電極２２を成膜する。
以上の工程によって、フォトニック結晶構造Ｓ８を備えたヘテロ接合結晶シリコン型の太陽電池１０を作製することができる。
〔実施形態９〕
本発明の他の実施形態について、図１５および１６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（太陽電池の構成）
本実施形態に係る太陽電池１０ａは、電極間のコンタクト（電力の取出し）を受光面の反対側の面でおこなうヘテロ接合バックコンタクト結晶シリコン太陽電池である。さらに本実施形態に係る太陽電池１０ａは、光電変換層において、受光面の反対側の裏面近傍に前記フォトニック結晶構造Ｓ８を備えている。
以下に太陽電池１０ａの詳細を説明する。
図１５は、本実施形態に係る太陽電池１０ａの構成を示す断面図である。
図１５に示すように、太陽電池１０ａは、光入射側から順に積層された、反射防止膜（anti reflective coating（ＡＲＣ））９、光電変換層１８、透明導電膜４および裏面電極２３を備えている。光電変換層１８は、光入射側から順に、第１非結晶質シリコン半導体層１８１、結晶シリコン基板１８２（ｎ型またはｐ型半導体）、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４（ｉ型およびｐ型層、または、ｉ型およびｎ型層）の積層によって構成されている。
結晶シリコン基板１８２には、受光面側にテクスチャー構造が形成されている。結晶シリコン基板１８２の上記テクスチャー構造上に、反射防止膜９、透明導電膜３および第１非結晶質シリコン半導体層１８１が順に成膜されている。
また、結晶シリコン基板１８２の受光面とは反対側の表面に、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および第２非結晶質シリコン半導体層１８４が成膜されている。第２非結晶質シリコン半導体層１８３および第２非結晶質シリコン半導体層１８４は積層構造の同一階層に成膜されており、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および第２非結晶質シリコン半導体層１８４との間には、間隔が設けられている。第２非結晶質シリコン半導体層１８３および第２非結晶質シリコン半導体層１８４の結晶シリコン基板１８２と接していない側において、透明導電膜４および裏面電極２３がこの順によって成膜されている。
また、結晶シリコン基板１８２の受光面とは反対側の裏面に、実施形態６で詳しく説明したフォトニック結晶構造Ｓ８を形成するための凹凸構造が形成されている。結晶シリコン基板１８２の裏面における上記凹凸構造は、結晶シリコン基板１８２の裏面に成膜された第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４に転写されている。さらに、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４に対して透明導電膜４が成膜されていることによって、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４と透明導電膜４との屈折率差を持った凹凸構造、すなわち上記フォトニック結晶構造Ｓが形成されている。これにより、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４内における光閉じ込め効果が得られる。
第１非結晶質シリコン半導体層１８１は、ｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造、または、ｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成されている。
結晶シリコン基板１８２は、ｎ型半導体またはｐ型半導体によって構成されている。
第２非結晶質シリコン半導体層１８３がｉ型およびｐ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１８４はｉ型およびｎ型半導体の積層となる。また、第２非結晶質シリコン半導体層１８３がｉ型およびｎ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１８４はｉ型およびｐ型半導体の積層となる。
裏面電極２３の材質としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉおよびその加工物、積層構造物などを用いることができる。
上記の構成によると、表面に電極がないことから、外部からの光の取り込み量を向上させることができ、フォトニック結晶構造の光の吸収効果によって、さらなる光吸収が可能となることから、光電変換効率を増大させる効果を奏する。
よって、従来の太陽電池より電流を取り出せることで光電変換効率を向上することができる。
（太陽電池の形成方法）
図１６は、本実施形態に係る太陽電池１０ａの形成フローを示している。
図１４の（ｃ）に示す構造を形成後、図１６の（ａ）に示すように、レジスト３０を用いて第２非結晶質シリコン半導体層１８４の一部をエッチングした後、レジスト３０を剥離する。
次に、図１６の（ｂ）に示すように、第２非結晶質シリコン半導体層１８３を成膜する。
これによって、第２非結晶質シリコン半導体積層１８３に、上記凹凸構造が転写される。
第２非結晶質シリコン半導体層１８４がｉ型およびｐ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１８３はｉ型およびｎ型半導体の積層となる。
また、第２非結晶質シリコン半導体層１８４がｉ型およびｎ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１８３はｉ型およびｐ型半導体の積層となる。
次に、図１６の（ｃ）に示すように、第２非結晶質シリコン半導体層１８３の一部にレジスト３０を形成する。レジスト３０は、第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４が積層されている領域、ならびに、上記領域から所定の距離Ｌまでを避けるように形成する。その後、第２非結晶質シリコン半導体層１８３をエッチングする。この結果、レジスト３０によって被覆された第２非結晶質シリコン半導体層１８３以外の第２非結晶質シリコン半導体層１８３が除去される。
次に、図１６の（ｄ）に示すように、レジスト３０を剥離する。
次に、図１６の（ｅ）に示すように、結晶シリコン基板１８２の受光面に第１非結晶質シリコン半導体層１８１および反射防止膜９を成膜する。結晶シリコン基板１８２の受光面から、上記記載の順番によって成膜する。
次に、受光面とは反対の面の第２非結晶質シリコン半導体層１８３および１８４の成膜領域に透明導電膜４および裏面電極２３を成膜する。
以上の工程によって、フォトニック結晶構造Ｓ８を備えたヘテロ接合結晶シリコン型の太陽電池１０ａを作製することができる。
〔実施形態１０〕
本発明の他の実施形態について、図１７および１８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（太陽電池の構成）
本実施形態に係る太陽電池１０ｂは、電極間のコンタクト（電力の取出し）を受光面の反対側の面でおこなうヘテロ接合バックコンタクト結晶シリコン太陽電池である。さらに、太陽電池１０ｂは、光電変換層において、受光面の反対側にフォトニック結晶構造Ｓを備える。また、受光面の反対側の面に成膜された第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４の一部（数μｍの長さ程度）が重なり合っている。
以下に太陽電池１０ｂの詳細を説明する。
図１７は、本実施形態に係る太陽電池１０ｂの構成を示す断面図である。
図１７に示すように、太陽電池１０ｂは、光入射側から順に積層された、反射防止膜９、光電変換層１９、透明導電膜４および裏面電極２３を備えている。光電変換層１９は、光入射側から順に、第１非結晶質シリコン半導体層１９１、結晶シリコン基板１９２（ｎ型またはｐ型半導体）、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４（ｉ型およびｐ型層、または、ｉ型およびｎ型層）の積層によって構成されている。
結晶シリコン基板１９２には、受光面側にテクスチャー構造が形成されている。結晶シリコン基板１９２の上記テクスチャー構造側上に、反射防止膜９および第１非結晶質シリコン半導体層１９１が順に成膜されている。
また、結晶シリコン基板１９２の受光面とは反対側の表面に、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および第２非結晶質シリコン半導体層１９４が成膜されている。
第２非結晶質シリコン半導体層１９３および第２非結晶質シリコン半導体層１９４は積層構造の同一階層に成膜されており、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４の一部（数μｍの長さ程度)が重なり合っている。第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４の重なりは、どちらが上になってもよい。
第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４の結晶シリコン基板１８２と接していない側において、透明導電膜４が成膜されている。透明導電膜４は、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４の一部（数μｍの長さ程度）が重なっている領域付近の所定の領域において成膜されていない。透明導電膜４の第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４側には、裏面電極２３が成膜されている。
また、結晶シリコン基板１９２の受光面とは反対側の裏面に、実施形態１で詳しく説明したフォトニック結晶構造Ｓが、凹凸構造として形成されている。
また、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４内においても、実施形態６で詳しく説明したフォトニック結晶構造Ｓ８を形成するための凹凸構造が形成されている。結晶シリコン基板１９２の裏面における上記凹凸構造は、結晶シリコン基板１９２の裏面に成膜された第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４に転写されている。さらに、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４に対して透明導電膜４が成膜されていることによって、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４と透明導電膜４との屈折率差を持った凹凸構造、すなわち上記フォトニック結晶構造Ｓ８が形成されている。これにより、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４内における光閉じ込め効果が得られる。
第１非結晶質シリコン半導体層１９１は、ｉ型半導体およびｎ型半導体の積層構造、または、ｉ型半導体およびｐ型半導体の積層構造によって構成されている。
結晶シリコン基板１９２は、ｎ型半導体またはｐ型半導体によって構成されている。
第２非結晶質シリコン半導体層１９３がｉ型およびｐ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１９４はｉ型およびｎ型半導体の積層となる。また、第２非結晶質シリコン半導体層１９３がｉ型およびｎ型半導体の積層で構成される場合、第２非結晶質シリコン半導体層１９４はｉ型およびｐ型半導体の積層となる。
上記の構成によると、光電変換層１９における受光面の反対側の面のパッシベーション性を向上させることができ、電流および電圧を向上させる効果を奏する。
（太陽電池の形成方法）
図１８は、本実施形態に係る太陽電池１０ｂの形成フローを示している。
図１６の（ｂ）に示す構造を形成後、図１８の（ａ）に示すように、レジスト３０を用いて第２非結晶質シリコン半導体層１９３をエッチングする。第２非結晶質シリコン半導体層１９３上において、レジスト３０は第２非結晶質シリコン半導体層１９４と重なりがない領域および上記重なりのない領域に隣接している第２非結晶質シリコン半導体層１９４と重なりがある領域の一部に形成する。
次に、図１８の（ｂ）に示すように、レジストを剥離する。
次に、図１８の（ｃ）に示すように、結晶シリコン基板１９２の受光面に第１非結晶質シリコン半導体層１９１および反射防止膜９を成膜する。結晶シリコン基板１９２の受光面から上記記載の順番によって成膜する。
次に、受光面とは反対の面の第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４領域に透明導電膜４を成膜する。透明導電膜４は、第２非結晶質シリコン半導体層１９３および１９４が重なっている領域付近の所定の領域において成膜されない。
次に、透明導電膜４上に裏面電極２３を成膜する。
以上の工程によって、フォトニック結晶構造Ｓ８を備えたヘテロ接合バックコンタクト結晶シリコン型の太陽電池１０ａを作製することができる。
〔実施形態１１〕
本発明の実施形態１１について、図２２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態１〜１０にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態において説明する光電変換モジュール１０００は、実施形態１〜１０にて説明した光電変換素子１、１ａ〜１ｄのうち少なくとも一つを備えている。
実施形態１〜１０に記載の光電変換素子は高い変換効率を有するため、当該光電変換素子を備える光電変換モジュール１０００も高い変換効率を有することができる。
（光電変換モジュールの構造）
図２２は、本実施形態に係る光電変換モジュールの構成の一例を示す概略図である。図２２に示すように、光電変換モジュール１０００は、上記光電変換素子１、１ａ〜１ｄのうち少なくとも一つを備えた複数の光電変換素子１００１と、カバー１００２と、出力端子１０１３・１０１４とを備えている。
複数の光電変換素子１００１はアレイ状に配列され直列に接続されている。図２２には光電変換素子１００１を直列に接続する配列を図示しているが、配列および接続方式はこれに限定されず、並列に接続して配列してもよいし、直列と並列とを組み合わせた配列としてもよい。複数の光電変換素子１００１の各々には、実施形態１〜１０の光電変換素子のいずれか１つが用いられる。なお、光電変換モジュール１０００は、複数の光電変換素子１００１のうち少なくとも１つが実施形態１〜１０の光電変換素子の何れかからなる限り、残りの光電変換素子は、上記の説明に限定されず如何なる構成をも採ることができる。また、光電変換モジュール１０００に含まれる光電変換素子１００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
カバー１００２は耐候性のカバーから構成されており、複数の光電変換素子１００１を覆う。カバー１００２は、例えば、光電変換素子１００１の受光面側に設けられた透明基材（例えばガラス等）と、光電変換素子１００１の受光面側とは反対の裏面側に設けられた裏面基材（例えば、ガラス、樹脂シート等）と、上記透明基材と上記裏面基材との間の隙間を埋める封止材（例えばＥＶＡ；Ethylene-Vinyl Acetate等）とを含む。
出力端子１０１３は、直列に接続された複数の光電変換素子１００１のうちのいずれか、例えば一方端に配置される光電変換素子１００１に接続される。
出力端子１０１４は、直列に接続された複数の光電変換素子１００１のうちのいずれか、例えば他方端に配置される光電変換素子１００１に接続される。
〔実施形態１２〕
本発明の実施形態１２について、図２３に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態１〜１１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態において説明する太陽光発電システム（光電変換システム）２０００は、実施形態１〜１０にて説明した光電変換素子１、１ａ〜１ｄのうち少なくとも一つを備える。
実施形態１〜１０に記載の光電変換素子は高い変換効率を有するため、当該光電変換素子を備える太陽光発電システム２０００も高い変換効率を有することができる。なお、太陽光発電システムとは、光電変換モジュールが出力する電力を適宜変換して、商用電力系統または電気機器等に供給する装置である。
（太陽光発電システムの構造）
図２３は、本実施形態に係る太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。図２３に示すように、太陽光発電システム２０００は、光電変換モジュールアレイ２００１と、接続箱２００２と、パワーコンディショナ２００３と、分電盤２００４と、電力メータ２００５とを備える。後述するように光電変換モジュールアレイ２００１は複数の光電変換モジュール１０００（図２２および実施形態１１参照）から構成される。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。
太陽光発電システム２０００には、一般に「ホーム・エネルギー・マネジメント・システム（ＨＥＭＳ：Home Energy Management System）」、「ビルディング・エネルギー・マネージメント・システム（ＢＥＭＳ：Building Energy Management System）等と呼ばれる機能を付加することができる。これにより太陽光発電システム２０００の発電量の監視、太陽光発電システム２０００に接続される各電気機器類の消費電力量の監視・制御等を行うことで、エネルギー消費量を削減することができる。
接続箱２００２は光電変換モジュールアレイ２００１に接続される。パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２に接続される。分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３および電気機器類２０１１に接続される。電力メータ２００５は分電盤２００４および商用電力系統に接続される。
図２５は、実施形態１２に係る太陽光発電システムの変形例の構成の一例を示す概略図である。図２５に示すように、パワーコンディショナ２００３には蓄電池２１００が接続されていてもよい。この場合、日照量の変動による太陽光発電システム２０００の出力変動を抑制することができると共に、日照のない時間帯であっても蓄電池２１００に蓄電された電力を太陽光発電システム２０００は供給することができる。蓄電池２１００はパワーコンディショナ２００３に内蔵されていてもよい。
（太陽光発電システムの動作）
太陽光発電システム２０００の動作を説明する。光電変換モジュールアレイ２００１は太陽光を電気に変換して直流電力を発電し、直流電力を接続箱２００２へ供給する。
接続箱２００２は光電変換モジュールアレイ２００１が発電した直流電力を受け、直流電力をパワーコンディショナ２００３へ供給する。
パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２から受けた直流電力を交流電力に変換して分電盤２００４へ供給する。
なお、接続箱２００２から受けた直流電力の一部または全部を交流電力に変換せずに、直流電力のままで分電盤２００４へ供給してもよい。また、図２５に示すようにパワーコンディショナ２００３に蓄電池２１００が接続されている場合（または、蓄電池２１００がパワーコンディショナ２００３に内蔵されている場合）、パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２から受けた直流電力の一部または全部を適切に電力変換して、蓄電池２１００に蓄電することができる。蓄電池２１００に蓄電された電力は、光電変換モジュールの発電量や電気機器類２０１１の電力消費量の状況に応じて適宜パワーコンディショナ２００３側に供給され、適切に電力変換されて分電盤２００４へ供給される。
分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３から受けた電力および電力メータ２００５を介して受けた商用電力の少なくともいずれかを電気機器類２０１１へ供給する。また分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３から受けた交流電力が電気機器類２０１１の消費電力よりも多いとき、パワーコンディショナ２００３から受けた交流電力を電気機器類２０１１へ供給する。そして余った交流電力を電力メータ２００５を介して商用電力系統へ供給する。
また、分電盤２００４は、パワーコンディショナ２００３から受けた交流電力が電気機器類２０１１の消費電力よりも少ないとき、商用電力系統から受けた交流電力およびパワーコンディショナ２００３から受けた交流電力を電気機器類２０１１へ供給する。
電力メータ２００５は、商用電力系統から分電盤２００４へ向かう方向の電力を計測するとともに、分電盤２００４から商用電力系統へ向かう方向の電力を計測する。
（光電変換モジュールアレイの構造）
光電変換モジュールアレイ２００１について説明する。図２４は、図２３または図２５に示す光電変換モジュールアレイ２００１の構成の一例を表す概略図である。図２４に示すように、光電変換モジュールアレイ２００１は、複数の光電変換モジュール１０００と出力端子２０１３，２０１４とを含む。
複数の光電変換モジュール１０００はアレイ状に配列され直列に接続されている。図２４には光電変換モジュール１０００を直列に接続する配列を図示しているが、配列および接続方式はこれに限定されず、並列に接続して配列してもよいし、直列と並列とを組み合わせた配列としてもよい。なお、光電変換モジュールアレイ２００１に含まれる光電変換モジュール１０００の数は２以上の任意の整数とすることができる。
出力端子２０１３は、直列に接続された複数の光電変換モジュール１０００の一方端に位置する光電変換モジュール１０００に接続される。
出力端子２０１４は、直列に接続された複数の光電変換モジュール１０００の他方端に位置する光電変換モジュール１０００に接続される。
なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本実施形態の太陽光発電システムは、光電変換モジュール１０００を構成する複数の光電変換素子１００１のうち、少なくとも一つが実施形態１〜１０に記載の光電変換素子の何れかからなる限り、残りの光電変換素子は上記の説明に限定されず如何なる構成をも採ることができる。
〔実施形態１３〕
本発明の実施形態１３について、図２６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、実施形態１〜１２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態において説明する太陽光発電システム（光電変換システム）４０００は、実施形態１２にて説明した太陽光発電システム２０００（図２３）より大規模な太陽光発電システムである。実施形態１〜１０に記載の光電変換素子は高い変換効率を有するため、当該光電変換素子を備える太陽光発電システム４０００も高い変換効率を有することができる。
（大規模太陽光発電システムの構造）
図２６は、本実施形態に係る太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。図２６に示すように、太陽光発電システム４０００は、複数のサブシステム４００１と、複数のパワーコンディショナ４００３と、変圧器４００４とを備えている。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システム４０００も高い変換効率を有することができる。
複数のパワーコンディショナ４００３は、それぞれサブシステム４００１に接続される。太陽光発電システム４０００において、パワーコンディショナ４００３およびそれに接続されるサブシステム４００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
図２７は、実施形態１３に係る太陽光発電システムの変形例の構成の一例を示す概略図である。図２７に示すようにパワーコンディショナ４００３には蓄電池４１００が接続されていてもよい。この場合、日照量の変動による太陽光発電システム４０００の出力変動を抑制することができると共に、日照のない時間帯であっても蓄電池４１００に蓄電された電力を太陽光発電システム４０００は供給することができる。また、蓄電池４１００はパワーコンディショナ４００３に内蔵されていてもよい。
変圧器４００４は、複数のパワーコンディショナ４００３および商用電力系統に接続される。
複数のサブシステム４００１の各々は、複数のモジュールシステム３０００から構成される。サブシステム４００１内のモジュールシステム３０００の数は２以上の任意の整数とすることができる。
複数のモジュールシステム３０００（図２６）の各々は、複数の光電変換モジュールアレイ２００１と、複数の接続箱３００２と、集電箱（接続箱）３００４とを含む。モジュールシステム３０００内の接続箱３００２およびそれに接続される光電変換モジュールアレイ２００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
集電箱３００４は複数の接続箱３００２に接続される。またパワーコンディショナ４００３はサブシステム４００１内の複数の集電箱３００４に接続される。
（大規模太陽光発電システムの動作）
太陽光発電システム４０００の動作を説明する。モジュールシステム３０００の複数の光電変換モジュールアレイ２００１は、太陽光を電気に変換して直流電力を発電し、直流電力を接続箱３００２を介して集電箱３００４へ供給する。サブシステム４００１内の複数の集電箱３００４は、直流電力をパワーコンディショナ４００３へ供給する。さらに複数のパワーコンディショナ４００３は、直流電力を交流電力に変換して、交流電力を変圧器４００４へ供給する。
なお、図２７に示すようにパワーコンディショナ４００３に蓄電池４１００が接続されている場合（または、蓄電池４１００がパワーコンディショナ４００３に内蔵される場合）、パワーコンディショナ４００３は集電箱３００４から受けた直流電力の一部または全部を適切に電力変換して、蓄電池４１００に蓄電することができる。蓄電池４１００に蓄電された電力は、サブシステム４００１の発電量に応じて適宜パワーコンディショナ４００３側に供給され、適切に電力変換されて変圧器４００４へ供給される。
変圧器４００４は複数のパワーコンディショナ４００３から受けた交流電力の電圧レベルを変換して商用電力系統へ供給する。
なお、太陽光発電システム４０００は、実施形態１〜１０に記載の光電変換素子のうち少なくとも一つを備えるものであればよく、太陽光発電システム４０００に含まれる全ての光電変換素子が実施形態１〜１０に記載の光電変換素子である必要はない。
たとえば、あるサブシステム４００１に含まれる光電変換素子の全てが実施形態１〜１０の光電変換素子の何れかであり、別のサブシステム４００１に含まれる光電変換素子の一部もしくは全部が、実施形態１〜１０に記載の光電変換素子でない場合等もあり得る。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光電変換素子（１、１ａ〜１ｄ）は、光電変換層（５）を形成する材質の屈折率とは屈折率の異なる異屈折率領域（４、４ａ〜４ｍ）を形成したフォトニック結晶（Ｓ、Ｓ２〜Ｓ４、Ｓ６）が、上記光電変換層に形成された光電変換素子であって、上記異屈折率領域が、上記光電変換層の面内方向に平行な正方格子の複数の格子点に対応して形成されており、上記異屈折率領域が、上記光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えている。
上記の構成によると、異屈折率領域が、光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えているという第一の構成のため、フォトニック結晶構造において生じるフォトニック結晶間の光電変換層の成膜阻害、すなわち欠陥の形成を抑制できる。よって、光電変換層で発生したキャリアが欠陥によって消失する不具合が抑制されるので、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
また、上記の構成によると、上記第一の構成に加えて、上記異屈折率領域が、上記光電変換層の面内方向に平行な正方格子の複数の格子点に対応して形成されているという第二の構成のため、フォトニック結晶構造の共振効果の大きさ（Ｑ値）を従来のフォトニック結晶構造よりも小さくすることができる。
よって、フォトニック結晶構造による共振効果の大きさを光電変換層の媒質の光吸収による共振効果の大きさに近似させることができ、特に光電変換層の材料において吸収の大きな（共振効果の大きさを表すＱ値が小さい）波長域に対して、従来のフォトニック結晶の構造に比べて光の取り込み量を増大させ、光電変換層の光吸収量を向上させることができる。
本発明の態様２に係る光電変換素子は、上記態様１において、上記異屈折率領域の断面であって、上記光電変換層の受光面側の界面において、当該界面の面内方向に平行な断面を、上記異屈折率領域の底面とした場合、上記底面の形状は円形、多角形または楕円形であり、上記異屈折率領域は、隣り合う上記異屈折率領域の底面の中心間の距離であるピッチ（Ｐ、Ｐ１）が、１００ｎｍ以上かつ２０００ｎｍ以下であり、上記光電変換層の上記界面を基準とした上記異屈折率領域の高さ（Ｔ、Ｔ１）が１００ｎｍ以上かつ上記光電変換層の厚み（Ｌ、Ｌ１）以下であり、上記底面の直径、または上記多角形の外接円の直径、または上記楕円形の長径または短径（２ｒ、２ｒ１）が、５０ｎｍ以上かつ上記ピッチよりも短く、上記光電変換層の厚みがＬの場合、上記テーパー状突起部の傾斜面と上記底面との角度（θ、θ１）が５．７°以上かつ（ａｒｃｔａｎ（Ｌ/５０）/π）×１８０°以下であることが好ましい。
上記の構成によれば、隣り合う上記異屈折率領域の底面の中心間の距離であるピッチが、１００ｎｍ以上であるため、フォトニック結晶による共振効果を得ることができる。
例えば、Ｆｉｎｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法を用いた計算機シミュレーションにおいては、上記ピッチが１００ｎｍよりも小さい場合、フォトニック結晶による共振効果を得ることができない。
また、上記ピッチが、２０００ｎｍ以下であるため、太陽電池に適する可視光の波長において、フォトニック結晶による共振効果を得ることができる。
さらに、上記異屈折率領域の高さが１００ｎｍ以上であるため、フォトニック結晶による光閉じ込め効果が得られ、フォトニック結晶がない場合に比べて光吸収量が増大することになる。例えば、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいては、上記屈折率領域の高さが１００ｎｍよりも低い場合、フォトニック結晶がない場合と同等程度の光吸収量となる。また、上記異屈折率領域の高さが上記光電変換層の厚み以下であるので、異屈折率領域を光電変換層内に形成できる。すなわち、光電変換層の厚みは、異屈折率領域を光電変換層内に形成するための構造的な限界である。
さらに、上記異屈折率領域の底面の直径が、５０ｎｍ以上であるために、フォトニック結晶による光閉じ込め効果が得られる。
例えば、ＦＤＴＤを用いた計算機シミュレーションにおいては、上記屈折率領域の底面の直径が５０ｎｍよりも短い場合、フォトニック結晶がない場合と同等程度の光吸収量となる。また、上記異屈折率領域の底面の直径が上記隣り合う上記ピッチよりも短いため、隣り合う異屈折率領と重なり合わない。よって、隣り合う異屈折率領域が重なり合うことによって共振効果が減衰し、上記光電変換層における光吸収の効果が弱まることを防止することができる。
さらに、上記光電変換層の厚みがＬの場合、上記テーパー状突起部の傾斜面と上記底部との角度が５．７°以上かつ（ａｒｃｔａｎ（Ｌ/５０）/π）×１８０°以下であるため、上記異屈折率領域の高さおよびピッチの上記条件を満たすことができる。
本発明の態様３に係る光電変換素子では、上記態様１または２において、上記異屈折率領域は上記光電変換層の受光面側の界面に形成されており、上記異屈折率領域は上記テーパー状突起部のみから形成されてもよい。
本発明の態様４に係る光電変換素子では、上記態様１または２において、上記異屈折率領域は上記光電変換層の受光面側の界面に形成されており、上記異屈折率領域は上記テーパー状突起部（４１ｆ、４１ｇ）および側面が傾斜を持たない柱部（４２ｆ、４２ｇ）から形成されており、上記異屈折率領域は、受光面側から上記柱部および上記テーパー状突起部の順に備えていることが好ましい。
上記の構成によると、異屈折率領域がテーパー状突起部を有していることから従来のフォトニック結晶を備えた光電変換層に比べ、光の取り込み量を増大させるので、光吸収量を増大させることができ、かつ、異屈折率領域が、対面する面同士が傾斜をもたない柱部を備えたことによって、フォトニック結晶の大きな光閉じ込め効果を得ることができ、欠陥が少なくなるため、電子の取り出しの向上にもつながる。したがって、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
本発明の態様５に係る光電変換素子は、上記態様１から４において、上記異屈折率領域が誘電体（４０）によって形成されており、さらに、上記異屈折率領域と上記光電変換層との境界において、上記異屈折率領域が透明導電膜（９）によって覆われていることが好ましい。
上記の構成によると、透明導電膜は、光電変換層から電流を取り出す陽電極および陰電極の一方としての役割を担うことができる。したがって、光電変換層の受光面側に位置し、誘電体によって形成されている異屈折率領域が原因として生じる光電変換素子からの電流の取り出しの低下を、防止することができる。
本発明の態様６に係る光電変換素子は、上記態様１または２において、上記正方格子の格子定数ｐは、１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍであり、上記異屈折率領域は、上記光電変換層の面内方向に平行な断面において少なくとも３種類以上の大きさを備えており、上記複数の異屈折率領域は、上記面内方向において、断面の大きさの違いに応じた複数種類の固有の二次元構造を形成するように、断面の大きさごとに多点配置され、さらに、上記複数種類の固有の二次元構造の組み合わせによって単位構造が形成されており、上記単位構造内において、上記複数種類の固有の二次元構造は、任意の基準点に対して互いに拡縮しても相似形にはならない形状を備え、上記単位構造が繰り返し形成された周期構造を備えている。
上記の構成によれば、光電変換層の面内方向において、フォトニック結晶に互いに異なる形状の複数の二次元構造が配置されることによって、フォトニック結晶と入射光とが相互作用（干渉および共振）し、光吸収増大効果が得られる入射光の波長を増やすことが可能となる。よって、連続した波長に対して光吸収を増大させる効果を奏する。
なお、上記異屈折率領域が、複数の格子点に対応して形成されているとは、異屈折率領域の中心が、格子点と一致していても、一致していなくてもよいことを意味している。
上記異屈折率領域の断面（光電変換層の面内方向に平行な断面）の大きさは、３種類以上に分けられる。同じ大きさを持つ複数の異屈折率領域の断面は、上記面内方向において、複数の格子点に対応して配置（多点配置）され、断面の大きさごとに固有の二次元構造を形成している。
したがって、断面の大きさに応じた３種類以上の二次元構造が形成され、上記フォトニック結晶には、これらの二次元構造の組み合わせによる単位構造が形成されているとともに、上記単位構造が周期的に形成されている。
また、上記３種類以上の二次元構造の二次元形状は、互いに異なっている。互いに異なっているとは、任意の基準点に対して、ある二次元構造を形成している各異屈折率領域の中心を同一比率で拡縮しても、他の二次元構造の形状に重なることがない（形状が比例変換されない）との意味である。なお、任意の基準点に対して、上記中心を同一比率で拡縮する図形変換には、回転による図形変換を含まない。
本発明の態様７に係る光電変換素子は、上記態様６において、１つの大きさの断面を備えた上記異屈折率領域が形成している上記固有の二次元構造に含まれた上記多点配置の一部が、他の大きさの断面を備えた上記異屈折率領域によって置き換わっていないことが好ましい。
上記の構成によれば、異なる大きさの例えば２つの異屈折率領域が同一の格子点へ配置されることを回避できる。したがって、ある二次元構造を形成する異屈折領域が、異なる断面の大きさを備える異屈折率領域によって置き換わることはない。よって、種類の異なる二次元構造同士が光閉じ込めの効果を減少させる影響を小さくすることできるので、光閉じ込めの効果の減少を防止する効果を奏する。
本発明の態様８に係る光電変換システム（２０００）は、上記態様１〜６のいずれかに記載の光電変換素子（１、１ａ〜１ｄ）を少なくとも１つ含む複数の光電変換素子（１００１）がアレイ状に配されており、当該複数の光電変換素子を覆うカバー（１００２）と、上記複数の光電変換素子の何れかに接続されている出力端子（１０１３、１０１４）とを備えた光電変換モジュール（１０００）と、上記光電変換モジュールから供給される電力を受けるパワーコンディショナ（２００３）とを備えることが好ましい。これにより、光電変換の効率が高い光電変換システムを得ることができる。
本発明の態様９に係る光電変換システム（４０００）は、上記態様１〜６のいずれかに記載の光電変換素子（１、１ａ〜１ｄ）を少なくとも１つ含む複数の光電変換素子（１００１）がアレイ状に配されており、当該複数の光電変換素子を覆うカバー（１００２）と、上記複数の光電変換素子の何れかに接続されている出力端子（１０１３、１０１４）とを備えた光電変換モジュール（１０００）と、上記光電変換モジュールがアレイ状に複数枚配された光電変換モジュールアレイ（２００１）と、上記光電変換モジュールアレイから供給される電力を受けるパワーコンディショナ（４００３）とを備えることが好ましい。これにより、光電変換の効率が高い光電変換システムを得ることができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に利用することができる。
１、１ａ〜１ｄ 光電変換素子
４、４ａ〜４ｍ 異屈折率領域
５ 光電変換層
３、６、９ 透明導電膜
１０、４０ 誘電体
４１ｆ、４１ｇ テーパー状突起部
４２ｆ、４２ｇ 柱部
２ｒ、２ｒ１ 直径
Ｌ、Ｌ１ 光電変換層の厚み
Ｐ、Ｐ１ 異屈折率領域の底面の中心間の距離（ピッチ）
Ｓ、Ｓ１〜Ｓ６ フォトニック結晶構造（フォトニック結晶）
Ｔ、Ｔ１ 異屈折率領域の高さ
θ、θ１ 角度
１０００ 光電変換モジュール
１００１ 光電変換素子
１００２ カバー
１０１３，１０１４ 出力端子
２０００ 光電変換システム
２００３，４００３ パワーコンディショナ
４０００ 光電変換システム

Claims (5)

  1. 光電変換層を形成する材質の屈折率とは屈折率の異なる異屈折率領域を形成したフォトニック結晶が、上記光電変換層に形成された光電変換素子であって、
    上記異屈折率領域が、上記光電変換層の面内方向に平行な正方格子の複数の格子点に対応して形成されており、
    上記異屈折率領域が、上記光電変換層の受光面側から上記光電変換層の内部に位置する先端までテーパー状に形成されているテーパー状突起部を備えたことを特徴とする光電変換素子。
  2. 上記異屈折率領域の断面であって、上記光電変換層の受光面側の界面において、当該界面の面内方向に平行な断面を、上記異屈折率領域の底面とした場合、
    上記底面の形状は円形、多角形または楕円形であり、
    上記異屈折率領域は、隣り合う上記異屈折率領域の底面の中心間の距離であるピッチが、１００ｎｍ以上かつ２０００ｎｍ以下であり、
    上記光電変換層の上記界面を基準とした上記異屈折率領域の高さが１００ｎｍ以上かつ上記光電変換層の厚み以下であり、
    上記底面の直径、または上記多角形の外接円の直径、または上記楕円形の長径または短径が、５０ｎｍ以上かつ上記ピッチよりも短く、
    上記光電変換層の厚みがＬの場合、上記テーパー状突起部の傾斜面と上記底面との角度が５．７°以上かつ（ａｒｃｔａｎ（Ｌ/５０）/π）×１８０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 上記正方格子の格子定数ｐは、１００ｎｍ≦ｐ＜４５０ｎｍであり、
    上記異屈折率領域は、上記光電変換層の面内方向に平行な断面において少なくとも３種類以上の大きさを備えており、
    上記複数の異屈折率領域は、上記面内方向において、断面の大きさの違いに応じた複数種類の固有の二次元構造を形成するように、断面の大きさごとに多点配置され、
    さらに、上記複数種類の固有の二次元構造の組み合わせによって単位構造が形成されており、
    上記単位構造内において、上記複数種類の固有の二次元構造は、任意の基準点に対して互いに拡縮しても相似形にはならない形状を備え、
    上記単位構造が繰り返し形成された周期構造を備えていることを特徴とする請求項１および２に記載の光電変換素子。
  4. １つの大きさの断面を備えた上記異屈折率領域が形成している上記固有の二次元構造に含まれた上記多点配置の一部が、他の大きさの断面を備えた上記異屈折率領域によって置き換わっていないことを特徴とする請求項３に記載の光電変換素子。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の光電変換素子を少なくとも１つ含む複数の光電変換素子がアレイ状に配されており、当該複数の光電変換素子を覆うカバーと、上記複数の光電変換素子の何れかに接続されている出力端子とを備えた光電変換モジュールと、
    上記光電変換モジュールがアレイ状に複数枚配された光電変換モジュールアレイと、
    上記光電変換モジュールアレイから供給される電力を受けるパワーコンディショナとを備えたことを特徴とする光電変換システム。
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