TW201501339A - 光子結晶及利用其之光功能元件 - Google Patents
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Abstract
本發明之目的在於提供一種可於特定頻率範圍內，以數量更多之共振頻率使光共振的光子結晶。於板狀構件內形成有週期性之折射率分佈之光子結晶構造形成體11A、11B在該板狀構件之厚度方向相互隔開地設置有複數個，且以如下方式設定上述複數個光子結晶構造形成體之折射率分佈，即，複數個光子結晶構造形成體中之至少1個形成體與處於上述頻率範圍內之至少兩個頻率之光共振，該兩個頻率與其他光子結晶構造形成體中之至少1個形成體之共振頻率不同。
Description
本發明係關於一種可用於光電轉換元件或繞射元件等光功能元件之光子結晶、及使用該光子結晶之光功能元件。
作為光電轉換元件之一種之太陽電池具有用以將入射之光(電磁波)之能量轉換為電流之由半導體構成之光電轉換層。入射光被光電轉換層所吸收，並藉由其能量將光電轉換層之半導體內之電子自價帶激發至傳導帶，藉此轉換為電流。此處，若入射光不被光電轉換層吸收而通過光電轉換層，則光電轉換之效率降低。因此，於太陽電池中，提高光電轉換層之入射光之吸收率較為重要。作為提高該吸收率之一種方法，可列舉使光電轉換層之厚度變大之方法，但存在半導體材料之使用量增加，因此導致成本上升或導致電子之提取效率降低之問題。
於專利文獻1中，記載有為了提高入射光之吸收率而使用光子結晶(Photonic Crystal)之太陽電池。光子結晶通常係指具有週期性之折射率分佈之構造體，於專利文獻1所記載之太陽電池中，藉由於光電轉換層內週期性地配置孔隙而形成有折射率分佈。藉由此種構成，入射至光電轉換層之光中的具有與折射率分佈之週期對應之特定頻率的光形成駐波而
形成共振狀態，因此該光易停留於光電轉換層內。因此，於該特定頻率(共振頻率)中，入射光之吸收率較不存在光子結晶之情形提高。此處，於光子結晶內，通常，儘管為單一構造但並不僅存在單一之週期，而存在複數個週期，故而於複數個頻率中形成駐波。例如，於具有正方格子狀之折射率分佈之光子結晶中，除形成成為與正方格子之週期長度a對應之波長之頻率的駐波外，亦形成成為與作為單元格子之正方形之對角線之長度之一半(21/2/2)a對應之波長或其等之整數倍之波長之頻率的駐波。因此，藉由適當設定折射率分佈之週期構造，可於光電轉換層中能夠光電轉換之頻率範圍整體內提高複數個共振頻率之光之吸收率。
[專利文獻1]國際公開WO2011/083674號
[專利文獻2]國際公開WO2005/086302號
[專利文獻3]國際公開WO2007/029661號
[專利文獻4]日本專利特開2001-074955號公報
然而，於如此使用光子結晶之太陽電池中，可於複數個共振頻率中提高光之吸收率，但是，就能夠光電轉換之頻率範圍整體而言，進行共振之頻率之部分較少，因此不可謂充分利用了入射光。因此，期待於能夠光電轉換之頻率範圍內，若能以數量更多之共振頻率使光共振，則可進一步提高光之吸收率。
本發明所欲解決之課題係提供一種可於特定之頻率範圍
內，以數量更多之共振頻率使光共振的光子結晶、及利用該光子結晶之光功能元件。
為了解決上述課題而完成之本發明之光子結晶係與處於特定之頻率範圍內之複數個頻率之光共振者，其特徵在於：
於板狀構件內形成有週期性之折射率分佈之光子結晶構造形成體在該板狀構件之厚度方向相互隔開地設置有複數個，且以如下方式設定上述複數個光子結晶構造形成體之折射率分佈，即，上述複數個光子結晶構造形成體中之至少1個形成體與處於上述頻率範圍內之至少兩個頻率之光共振，且該兩個頻率與其他光子結晶構造形成體中之至少1個形成體之共振頻率不同。
於本發明之光子結晶中，設置有複數個之光子結晶構造形成體(此處，所謂「光子結晶構造形成體」係指形成有光子構造之物體)之至少1個形成體(將其設為「第1形成體」)與處於上述頻率範圍內之至少兩個頻率之光共振，且該等兩個頻率與其他光子結晶構造形成體中之至少1個形成體(將其設為「第2形成體」)之共振頻率不同。如此，第1形成體與第2形成體之共振頻率不同，因此若著眼於該等兩個形成體，則與第1形成體或第2形成體單獨存在之情形相比，與更多之共振頻率之光共振。因此，本發明之光子結晶能於上述頻率範圍內，以數量更多之共振頻率使光共振。
此外，若鄰接之兩個光子結晶構造形成體接觸，則有於該等兩個光子結晶構造形成體內之光彼此發生相互作用，由此不形成駐波之虞。因此，於本發明中，將光子結晶構造形成體彼此以於上述板狀構件之厚度方向相互隔開之方式設置。
各光子結晶構造形成體之共振頻率可藉由調整例如週期性
折射率分佈之週期長度、或光子結晶構造形成體之平均折射率等而設定。關於此種共振頻率之設定，只要為該發明所屬技術領域中具有通常知識者便可基於例如專利文獻2、3等之揭示內容進行。
於光子結晶構造形成體中，可二維狀地形成週期性之折射率分佈，亦可三維狀地形成。就製作之容易度之方面而言，較理想為使用藉由將折射率與上述板狀構件不同之相異折射率區域配置於平行於該板狀構件之二維格子之各格子點而形成的二維狀之光子結晶構造形成體。相異折射率區域可為由折射率與板狀構件不同之材料構成之構件，亦可為於板狀構件開設孔隙而成者。後者可容易地形成。
又，光子結晶構造形成體亦可使用如下者：藉由將折射率與上述板狀構件不同之相異折射率區域自平行於該構件之二維格子之各格子點，與該板狀構件平行地隨機地(即，以隨機之大小且向隨機之方向)偏移最大偏移量△pmax(≠0)以下之偏移量(距離)△p而配置，從而形成有週期性之折射率分佈。如此，以具有週期性之二維格子之格子點為基準，並且自該處導入偏移量△p之隨機度(randomness)，藉此，光子結晶構造形成體內之具有各共振頻率之光之強度降低，但共振頻率之周圍之頻率下之光之強度增加。即，於以頻率為橫軸、以光之強度為縱軸之曲線圖中，由於隨機度之導入，以共振頻率為中心之波峰之寬度擴大。藉此，可提高上述頻率範圍之整個範圍內之光子結晶構造形成體內之光之強度。
或者，於光子結晶構造形成體中，亦可以如下方式形成有週期性之折射率分佈：將折射率與上述板狀構件不同之相異折射率區域配置於平行於該板狀構件之二維格子之各格子點，且各相異折射率區域之平面形狀於最小值與最大值之間具有隨機之大小。於此情形時，亦於折射率分佈導入隨機度，藉此可提高上述頻率範圍之整個範圍內之光子結晶構造形成體內之光之強度。
本發明之光子結晶能夠用於可效率良好地利用上述頻率範圍內之光之光功能元件。
作為此種光功能元件之一例，可列舉如下之光電轉換裝置：其係於1對電極間設置將特定頻率範圍之光轉換為電力之由半導體構成之光電轉換層而成者，且於上述光電轉換層內設置有本發明之光子結晶。該光電轉換裝置典型而言可用作太陽電池或光感測器。
於該光電轉換裝置中，若上述頻率範圍內之光入射至光電轉換層，則於本發明之光子結晶之各光子結晶構造形成體內，形成具有該光子結晶構造形成體之共振頻率之駐波。形成有此種駐波之光易停留於光電轉換層，因此易被光電轉換層所吸收而轉換為電流，其結果，該共振頻率之光之光電轉換效率提高。於本發明之光子結晶中，此種共振頻率大量存在，因此可進一步提高光電轉換效率。
本發明之光電轉換裝置可採用如下構成：各光子結晶構造形成體形成為將p型半導體與n型半導體(或p型半導體、本質半導體及n型半導體)接合而成者，且鄰接之兩個光子結晶構造形成體被導電體層所隔開。於此情形時，各光子結晶構造形成體作為1個光電轉換部發揮功能，並將該等光電轉換部透過隔導電體層而串列地連接。
或者，亦可採用如下構成：各光子結晶構造形成體形成為將p型半導體與n型半導體(或p型半導體、本質半導體及n型半導體)接合而成者，且鄰接之兩個光子結晶構造形成體被依序積層第1導電體層、絕緣體層、第2導電體層而成之間隔層所隔開。於此情形時，各光子結晶構造形成體亦作為分別獨立之1個光電轉換部發揮功能。第1導電體層及第2導電體層可用作由與其鄰接之光子結晶構造形成體構成之光電轉換部之電極，絕緣體層具有將光電轉換部彼此電性絕緣之功能。
上述光電轉換層中之上述半導體典型而言為將p型半導體
與n型半導體接合而成者。於使用此種p-n接合型半導體之情形時，只要將光子結晶構造形成體之個數設為兩個，將一光子結晶構造形成體形成為p型半導體，並將另一光子結晶構造形成體形成為n型半導體即可。或者，亦可採用於p型半導體與n型半導體之間介插有本質半導體之構成。
又，作為光功能元件之另一例，可列舉具有本發明之光子結晶者，其係使特定頻率範圍之光散射之繞射元件。於光子結晶中產生光之共振之條件、即形成光之駐波之條件與產生布勒格反射之條件相同。布勒格反射為光之繞射現象之一種，因此滿足此種布勒格反射之條件之光子結晶亦可用作繞射元件。
本發明之繞射元件於光子結晶構造形成體內形成與各共振頻率對應之頻率之光之駐波，且該等光因週期性之折射率分佈而繞射並被提取至外部。此種繞射元件可較佳地用於在例如自設置於液晶顯示器之側部之光源將光導入至背面，並自該背面釋放該光之導光板中使光擴散。
根據本發明，能夠獲得可於特定頻率範圍內，以數量更多之共振頻率使光共振之光子結晶。又，能夠獲得可使用該光子結晶效率良好地利用上述頻率範圍內之光之光電轉換裝置或繞射元件等光功能元件。
10、10B、10C、10D、10E、20‧‧‧光子結晶
11A、21A‧‧‧第1光子結晶(PC)構造形成體
11B、21B‧‧‧第2光子結晶(PC)構造形成體
11C‧‧‧第3光子結晶(PC)構造形成體
12A‧‧‧第1板狀構件
12AN、12BN‧‧‧第1n型半導體層
12AP、12BP‧‧‧第1p型半導體層
12B‧‧‧第2板狀構件
12BP‧‧‧第1p型半導體層
13、23‧‧‧孔隙
15、25‧‧‧間隔層
30、30A、30B、40‧‧‧光電轉換裝置
31‧‧‧光電轉換層
50‧‧‧導光板
51‧‧‧繞射元件
52‧‧‧反射板
61‧‧‧光源
151‧‧‧第1導電體層
152‧‧‧第2導電體層
153‧‧‧絕緣體層
321、421‧‧‧透明電極
322、422‧‧‧背面電極
圖1係表示本發明之光子結晶之第1實施例之構成的縱剖面圖(a)，以及表示該光子結晶具有之第1光子結晶構造形成體、第2光子結晶構造形成體、及間隔層之構成的立體圖(b)，以及表示第1光子結晶構造形成體及第2光子結晶構造形成體之構成的俯視圖(c)。
圖2係表示第1實施例中之光子結晶構造形成體內產生之駐波之例的
概念圖。
圖3係表示第1實施例中之第1光子結晶構造形成體之共振頻率(a)、第2光子結晶構造形成體之共振頻率(b)、及第1實施例之光子結晶之共振頻率(c)的概念圖。
圖4係表示第1實施例之第1變形例之俯視圖。
圖5係表示第1實施例之第2變形例之縱剖面圖。
圖6係表示第1實施例之第3變形例之縱剖面圖。
圖7係表示第1實施例之第4變形例之縱剖面圖。
圖8係表示本發明之光子結晶之第2實施例之構成之縱剖面圖(a)、表示第1光子結晶構造形成體及第2光子結晶構造形成體之構成之俯視圖(b)、以及(b)之部分放大圖(c)。
圖9係將第1實施例之光子結晶與第2實施例之光子結晶之共振頻率進行比較所得之概念圖。
圖10係表示第2實施例之變形例之俯視圖。
圖11係表示本發明之光電轉換元件之第1實施例之縱剖面圖。
圖12係表示對第1實施例及比較例之光電轉換元件中之每一波長之光之吸收率進行計算所得之結果的曲線圖。
圖13係表示第1實施例之光電轉換元件之變形例之縱剖面圖。
圖14係表示作為本發明之光電轉換元件之第2實施例之太陽電池的縱剖面圖。
圖15係表示對第2實施例之太陽電池及比較例之太陽電池中之每一波長之光之吸收率進行計算所得之結果的曲線圖。
圖16係表示對第2實施例之太陽電池及比較例之太陽電池中之積分吸收率進行計算所得之結果的曲線圖。
圖17係表示使用本發明之繞射元件之一實施例之導光板的縱剖面圖。
使用圖1~圖17說明本發明之光子結晶及光功能元件之實施例。
(1)本發明之光子結晶之第1實施例
如圖1(a)及(b)所示，第1實施例之光子結晶10具有依序積層第1光子結晶構造形成體11A、間隔層15、及第2光子結晶構造形成體11B該3層而成的構成。此外，於圖1(b)中，為了示出該等3層之構成，將鄰接之層彼此分離地描繪，但實際上如圖1(a)所示鄰接之層彼此接觸。以下，將「光子結晶構造形成體」簡寫為「PC構造形成體」。
第1PC構造形成體11A係於由p型矽半導體構成之第1板狀構件12A中呈正方格子狀地週期性地配置多個圓柱狀之孔隙13而成。孔隙13之圓柱之高度方向與第1板狀構件12A之厚度方向一致，且該圓柱之高度h低於該第1板狀構件12A之厚度d1。第2PC構造形成體11B係於由n型矽半導體構成之第2板狀構件12B，與第1PC構造形成體11A同樣地呈正方格子狀地週期性地配置多個圓柱狀之孔隙13而成。若將第1PC構造形成體11A與第2PC構造形成體11B之構成要素之大小進行比較，則孔隙13之圓柱之半徑r及高度h、以及正方格子之週期長度a相同，但不同點在於，第2板狀構件12B之厚度d2較第1板狀構件12A之厚度d1薄。因此，第2PC構造形成體11B之孔隙於板狀構件中所占之體積之比率較第1PC構造形成體11A之孔隙所占之體積之比率高，因此平均折射率較低。
於本實施例中，間隔層15之材料使用在目標之頻率區域(上述「特定頻率範圍」)為可見光區域之情形時可使用的相對於可見光為透明且具有導電性的銦-錫氧化物(ITO)。該間隔層15之材料亦可根據光子結晶
之用途等而使用各種材料。又，於在例如依序接合p型半導體、本質半導體及n型半導體而成之pin型太陽電池中使用本實施例之光子結晶之情形時，間隔層15之材料亦可使用折射率低於板狀構件之其他材料之本質半導體。
於第1實施例之光子結晶中，若自外部導入處於目標之頻率區域(例如可見光區域、可效率良好地進行太陽電池之光電轉換之區域等)內之各種頻率之光之混合光，則於第1PC構造形成體11A及第2PC構造形成體11B之各者中，與所配置之孔隙之週期長度對應地形成複數個頻率(波長)之駐波。關於該等複數個駐波，例如如圖2所示，可列舉波面與格子平行且具有與孔隙之週期長度a相等之波長λ11=a者、或使波面朝向相對於格子傾斜45°之方向且具有波長λ21=(21/2/2)a者、或具有該等波長之整數倍之波長者等。
於本實施例中，第1PC構造形成體11A及第2PC構造形成體11B均為正方格子且具有相同之格子常數a，因此其等之內部之駐波之波長相等。然而，即便內部之波長相同，由於第1PC構造形成體11A與第2PC構造形成體11B中平均折射率不同，因此兩者之駐波之頻率亦不同。因此，關於導入至光子結晶10內之前、及自光子結晶10提取後之光之波長，與第1PC構造形成體11A內之駐波相關者和與第2PC構造形成體11B內之駐波相關者亦不同。
因此，由於第1PC構造形成體11A及第2PC構造形成體11B中之駐波之頻率(共振頻率)及於光子結晶外之波長之不同，故而光子結晶10之共振頻率數可較各個PC構造形成體單獨地存在之情形增多。使用圖3對該方面進行說明。圖3之(a)~(c)之各圖係將橫軸設為頻率、將縱軸設為光之強度的曲線圖，(a)表示第1PC構造形成體11A內之光之強度根據頻率之變化，(b)表示第2PC構造形成體11B內之光之強度根據頻
率之變化，(c)表示將兩者合併後之光子結晶10內之光之強度根據頻率之變化。於該等各曲線圖中，均出現複數個以共振頻率為中心之波峰，若將(a)第1PC構造形成體11A與(b)第2PC構造形成體11B進行比較，則共振頻率不同。因此，第1PC構造形成體11A之共振頻率及第2PC構造形成體11B之共振頻率兩者成為(c)光子結晶10之共振頻率。
封閉於各PC構造形成體內之駐波之光於垂直於該PC構造形成體之方向透出該光之波長左右之距離。因此，於第1PC構造形成體11A與第2PC構造形成體11B之距離較上述光之波長之距離短之情形時，於兩個PC構造形成體之間產生光之相互作用。有此種光之相互作用導致當第1PC構造形成體11A與第2PC構造形成體11B接觸時不形成駐波之虞，但若將兩者稍隔開，則即便具有一PC構造形成體之共振頻率之光被導入至另一PC構造形成體，亦可於該另一PC構造形成體中，產生由該一PC構造形成體引起之光之共振。較理想為，第1PC構造形成體11A與第2PC構造形成體11B之距離、即間隔層15之厚度較目標之頻率區域中之頻率最小(波長最大)之光於間隔層15內之波長短，以使此種光之相互作用產生於目標之頻率區域中之至少一部分中。又，更理想為，上述距離較目標之頻率區域中之頻率最大(波長最小)之光於間隔層15內之波長短，以使此種相互作用產生於整個目標之頻率區域。
(2)第1實施例之光子結晶之變形例
於第1實施例中，使兩個PC構造形成體之週期長度a相等，但亦可如圖4(a)所示將兩者之週期長度設為不同之值a1、a2(變形例1)。藉此，由於兩個PC構造形成體內之共振波長成為相互不同之值，因此即便兩個PC構造形成體之厚度d相等，亦可使兩者之共振頻率為不同之值。
又，於第1實施例中，使兩個PC構造形成體中之孔隙13之半徑r相等，但亦可如圖4(b)所示將兩者之孔隙之半徑設為不同之值
r1、r2(變形例2，光子結晶10B)。藉此，與第1實施例同樣地，可使兩個PC構造形成體之平均折射率為不同之值，藉此，即便兩個PC構造形成體之厚度d及週期長度a相等，亦可使兩者之共振頻率為不同之值。或者，亦可如圖5所示將兩個PC構造形成體中之孔隙13之高度設為不同之值h1、h2。
於第1實施例中，揭示了於1個光子結晶設置兩個PC構造形成體之例，但亦可如圖6所示設置3個以上之PC構造形成體(變形例3，光子結晶10C)。於圖6所示之例中，於第1實施例之兩個PC構造形成體之間設置有第3PC構造形成體11C。第3PC構造形成體11C之厚度d3具有d1與d2之間之值，其孔隙13係以與形成於其他兩個PC構造形成體之孔隙相同之形狀及大小且相同之週期長度a形成為電洞格子狀。藉此，於第3PC構造形成體11C內，形成於該形成體內部之波長與其他PC構造形成體相同，且頻率及光子結晶外之波長不同的駐波。藉此，於變形例3之光子結晶中，可使共振頻率數較第1實施例更多。
此外，孔隙13之形狀並不限於圓柱狀，可使用三角柱或四角柱(長方體)等角柱狀、圓錐狀、三角錐或四角錐等角錐狀、局部球狀、局部橢圓球狀等各種形狀。配置孔隙13之週期亦不限於正方格子狀，可設為三角格子狀、長方格子狀、斜方格子狀等。又，第1板狀構件12A及第2板狀構件12B之材料並不限於上述材料，只要為能以於PC構造形成體內形成目標之頻率區域內之光之駐波之方式傳播該頻率區域內之光的材料即可。進而，除以上所說明之將相異折射率區域週期性地配置於板狀構件的二維光子結晶以外，亦可使用例如專利文獻4中記載之三維光子結晶等各種形態之光子結晶。
或者，亦可如圖7所示，第1板狀構件12A使用將p型半導體層12AP與n型半導體層12AN接合而成者，第2板狀構件12B亦使用將
p型半導體層12BP與n型半導體層12BN接合而成者(變形例4)。於此情形時，間隔層15可使用由導電體構成者(圖7(a)，光子結晶10D)，亦可使用依序積層第1導電體層151、絕緣體層153、第2導電體層152而成之3層構造者(圖7(b)，光子結晶10E)。此種光子結晶可較佳地用於下述光電轉換裝置。
(3)第2實施例之光子結晶
第2實施例之光子結晶20與第1實施例之光子結晶10之相同點如圖8(a)所示，具有依序積層第1PC構造形成體21A、間隔層25、及第2PC構造形成體21B該3層而成之構成。又，第1PC構造形成體21A及第2PC構造形成體21B(之板狀構件)之厚度d1及d2亦與第1實施例相同。
於第1PC構造形成體21A及第2PC構造形成體21B內設置有多個半徑r、高度h之孔隙23。各孔隙23係以圓柱之圓之中心自正方格子(圖8(b)中虛線所表示者)之各格子點偏移△p之方式配置。偏移之大小△p分佈於0~最大偏移量△pmax之範圍內，且其分佈無規律性。又，孔隙23自格子點偏移之方向亦不一樣，各孔隙23間之差異無規律性。即，各孔隙23係以自正方格子之格子點隨機地偏移最大偏移量△pmax(≠0)以下之偏移量△p之方式配置。
此外，將第1PC構造形成體21A與第2PC構造形成體21B進行比較時，孔隙23之位置之偏移於兩者中可相同亦可不同。
於第2實施例之光子結晶20中，藉由將孔隙23自正方格子之各格子點隨機偏移地配置，而於二維光子結晶中，形成某種程度上保持了週期性並且導入了隨機度之折射率分佈。藉此，於第1PC構造形成體21A及第2PC構造形成體21B中，若以將橫軸設為頻率、將縱軸設為光之強度之曲線圖觀察，則於與格子點之基本週期性對應之複數個波長中具有波峰，但由於隨機度，峰頂之高度較第1實施例變低，另一方面，由於寬度
變寬，因此於與峰頂相隔一定程度之距離之頻率下，強度變大(圖9(a))。而且，於光子結晶20中，共振頻率數與第1實施例之光子結晶同樣地較各個PC構造形成體變多，各個波峰與本實施例中之PC構造形成體同樣地，峰頂之高度變低，但寬度變寬。如此般波峰之寬度變寬，藉此，就整個目標之頻率區域而言，可較第1實施例更提高光子結晶內之光之強度。又，藉由將孔隙23自格子點隨機偏移地配置，共振模式所具有之放射方向依存性變小，故而可獲得吸收特性之變化相對於入射角度之變化較小的特性。
若將最大偏移量△pmax增大，則有鄰接之孔隙彼此重疊之情形。若如此般孔隙彼此重疊，則複數個孔隙成為1個相異折射率區域，因此正方格子之週期性不必要地混亂。又，就複數個孔隙之輪廓重疊之方面而言，產生如下問題，即，由於PC構造形成體之板狀構件成為朝向孔隙側尖突之形狀，故而難以製作。因此，最大偏移量△pmax較理想為考慮孔隙(相異折射率區域)之形狀及大小而以鄰接之孔隙彼此分離(不重疊)之方式設定。
(4)第2實施例光子結晶之變形例
亦可並非如第2實施例之光子結晶20般使孔隙23自格子點隨機地偏移，而是如圖10所示，將孔隙23A配置於正方格子之各格子點，並使各孔隙23A之大小、例如半徑於rmin~rmax之範圍內變得隨機。藉此，與第2實施例之光子結晶20同樣地，將橫軸設為頻率、將縱軸設為光之強度之曲線圖中之各個波峰之峰頂之高度變低但寬度變寬，因此可於整個目標之頻率區域提高光子結晶內之光之強度。此外，此處，以半徑確定孔隙23A之大小，但亦可以面積或體積等確定。又，於此情形時，亦較理想為以鄰接之孔隙彼此分離(不重疊)之方式設定rmax。
(5)本發明之光電轉換裝置之第1實施例
使用圖11及圖12對本發明之光電轉換裝置之第1實施例進行說明。
如圖11所示，本實施例之光電轉換裝置30係由板狀之透明電極321及板狀之背面電極322夾著上述第1實施例之光子結晶10而成者。
如上所述，構成光子結晶10之第1板狀構件12A由p型矽半導體構成，第2板狀構件12B由n型矽半導體構成，因此該光子結晶10作為由隔著導電性之間隔層15之pn接面構成之光電轉換層31發揮功能。該光電轉換層可吸收在空氣中之波長為約600~1100nm、頻率為2.7×1014~5.0×1014Hz之範圍內之光並轉換為電流。第1板狀構件12A之厚度d1係設為700nm，第2板狀構件12B之厚度d2係設為300nm。孔隙13於第1PC構造形成體11A及第2PC構造形成體11B之任一者中均為高度h為260nm，半徑為200nm，正方格子之週期長度a為700nm。間隔層15之厚度d0為230nm。間隔層15及透明電極321係由相對於上述頻率範圍內之光為透明之ITO構成，背面電極322係由銀構成。
關於第1實施例之光電轉換裝置30，若頻率處於上述範圍內之光自透明電極321側入射至光電轉換層31內，則於光子結晶10內形成與作為光電轉換層31之光子結晶10之多個共振頻率對應之頻率之光產生的駐波。藉此，該等共振頻率之光易停留於光電轉換層31內，易被光電轉換層31所吸收而轉換為電流。其結果，光電轉換效率提高。此處，第1實施例之光電轉換裝置30設置有複數個(兩個)PC構造形成體，因此與僅設置1個同樣之PC構造形成體之情形相比，共振頻率數較多，因此可提高光電轉換效率。
於圖12(a)中，對於第1實施例之光電轉換裝置30，將對使太陽光入射之情形時之光電轉換層31之光吸收率進行計算所得之結果示於以空氣中之光之波長為橫軸之曲線圖。於圖12(a)一併表示作為比較例的不設置光子結晶而於光入射面設置有被稱為朗伯材質(Lambertian texture)之凹凸之太陽電池(比較例1)、及未設置光子結晶及朗伯材質之任一者之
太陽電池(比較例2)之光吸收率之曲線圖。此處，於第1實施例、比較例1及2中，藉由使構成光電轉換層之半導體材料或其量相等，而使除光子結晶之孔隙或材質構造之有無以外的與光之吸收相關的條件相等。根據圖12(a)，藉由於設為對象之波段之整體對吸收率之曲線圖進行積分運算後進行標準化而求出之積分吸收率於比較例1中為43.0%，於比較例2中為10.2%，與此相對，於第1實施例中獲得48.8%之較兩個比較例高之值。
進而，對於第1實施例之光電轉換裝置30，將光子結晶10所吸收之光區分為於第1PC構造形成體11A中所吸收之光(圖12(b))、及於第2PC構造形成體11B中所吸收之光(圖12(c))，並將吸收率示於曲線圖。可知關於該等曲線圖中由縱向之箭頭所表示之複數個波長，於第1PC構造形成體11A中幾乎不被吸收，而於第2PC構造形成體11B中被以高效率吸收。即，於第1實施例中，與僅1個PC構造形成體(第1PC構造形成體11A)之情形相比，可增多吸收率較高之波長(共振波長、共振頻率)數，藉此，亦可提高光電轉換層31之整體上之吸收率。
於圖13中，顯示使用上述變形例4之光子結晶10D之光電轉換裝置30A、及使用光子結晶10E之光電轉換裝置30B作為第1實施例之光電轉換裝置之變形例。於該等光電轉換裝置30A、30B中，第1PC構造形成體11A及第2PC構造形成體11B如上所述均具有積層p型半導體層與n型半導體而成之構成，並分別獨立地作為光電轉換裝置發揮功能。而且，於光電轉換裝置30A中，間隔層15具有將獨立之兩個光電轉換裝置串列連接之作用。另一方面，於光電轉換裝置30B中，間隔層15中之第1導電體層151具有作為對第1PC構造形成體11A注入電流之電極之作用，第2導電體層152具有作為對第2PC構造形成體11B注入電流之電極之作用。又，絕緣體層153具有將兩個光電轉換層電性分離之作用。
(6)本發明之光電轉換裝置之第2實施例
使用圖14~圖16對本發明之光電轉換裝置之第2實施例進行說明。
如圖14所示，第2實施例之光電轉換裝置40係由板狀之透明電極421及板狀之背面電極422夾著上述第2實施例之光子結晶20而成者。透明電極421及背面電極422之材料與第1實施例之光電轉換裝置中所使用者相同。
於本實施例中，於第1PC構造形成體21A及第2PC構造形成體21B之最大偏移量△pmax為1以下之複數個值的情況下，計算並求出每一波長之吸收率、及積分吸收率。於本實施例中，最大偏移量△pmax之值係由孔隙相對於週期長度之比而表示。最大偏移量△pmax以外之條件與第1實施例之光電轉換裝置相同。
圖15表示於最大偏移量△pmax為0.1~0.5之範圍內求出每一波長之吸收率所得之曲線圖。該曲線圖中可觀察到複數個波峰。與第1實施例(圖12(a))比較，於本實施例中未觀察到較尖之峰頂，另一方面，波峰之寬度較寬，於已進行計算之整個波長範圍內，在特定之波長下吸收率未下降。
圖16將第2實施例之積分吸收率與最大偏移量△pmax之關係示於曲線圖。於該曲線圖中亦一併表示△pmax=0、即第1實施例之積分吸收率。又，為了比較，示出對PC構造形成體僅為1層之情形亦進行計算所得之結果。根據該曲線圖，於所有△pmax之範圍內，本實施例之積分吸收率較PC構造形成體僅為1層之情形變高。又，於△pmax為0.4以下時，積分吸收率較第1實施例變高。
(7)本發明之繞射元件之實施例
本發明之光子結晶可直接用作使用繞射效應之光提取元件。此處，一面參照圖17一面對作為使用本發明之繞射元件之具體例的導光板50進行說明。導光板50於例如液晶顯示器中用於邊緣照明型背光單元。於邊緣照明
型背光單元中，通常自設置於液晶顯示器之面板之側部的光源經由導光板而對面板之整個背面供給光，自該背面對整個面板照射照明光。
如圖17所示，本實施例之導光板50具有於光子結晶10中，於與間隔層15為相反側之第2PC構造形成體11B之面設置有反射板52的構成。其中，於本實施例中，第1板狀構件12A及第2板狀構件12B使用作為難以吸收可見光之材料之丙烯酸系樹脂等塑膠或玻璃等。於該構成中，光子結晶10具有繞射元件51之作用。於導光板50之側部，設置被導入至繞射元件51內之可見光之光源61。此外，光源61並非導光板50之構成要素，但與導光板50一併構成背光單元。
於本實施例之導光板50中，若可見光自光源61被導入至繞射元件51內，則於與光子結晶10之共振頻率對應之多個頻率中形成光之駐波。不久，該等駐波被孔隙13所散射，自光子結晶10之兩個面被釋放至光子結晶10外部。此處，釋放至設置有反射板52之側之光被反射板52所反射，因此釋放光均係自與設置有反射板52之側為相反側之面被釋放至導光板50外部。
於本實施例之導光板50中，能以較高之概率使與光子結晶10之共振頻率對應之多個頻率之光散射，因此可提高背光裝置之發光效率。
10‧‧‧光子結晶
11A‧‧‧第1光子結晶(PC)構造形成體
11B‧‧‧第2光子結晶(PC)構造形成體
12A‧‧‧第1板狀構件
12B‧‧‧第2板狀構件
13‧‧‧孔隙
15‧‧‧間隔層
Claims (11)
- 一種光子結晶，其係與處於特定頻率範圍內之複數個頻率之光共振者，其特徵在於：於板狀構件內形成有週期性之折射率分佈之光子結晶構造形成體在該板狀構件之厚度方向相互隔開地設置有複數個，且以如下方式設定上述複數個光子結晶構造形成體之折射率分佈，即，上述複數個光子結晶構造形成體中之至少1個形成體與處於上述頻率範圍內之至少兩個頻率之光共振，且該兩個頻率與其他光子結晶構造形成體中之至少1個形成體之共振頻率不同。
- 如申請專利範圍第1項之光子結晶，其中上述光子結晶構造形成體之個數為2。
- 如申請專利範圍第1或2項之光子結晶，其中上述光子結晶構造形成體之週期性之折射率分佈係藉由將折射率與上述板狀構件不同之相異折射率區域配置於平行於該板狀構件之二維格子之各格子點而形成。
- 如申請專利範圍第3項之光子結晶，其中以各相異折射率區域之平面形狀於最小值與最大值之間具有隨機之大小之方式，形成有上述光子結晶構造形成體之週期性之折射率分佈。
- 如申請專利範圍第1或2項之光子結晶，其中將折射率與上述板狀構件不同之相異折射率區域自平行於該板狀構件之二維格子之各格子點，與該板狀構件平行地隨機地偏移最大偏移量△pmax(≠0)以下之偏移量△p而配置，藉此形成上述光子結晶構造形成體之週期性之折射率分佈。
- 一種光功能元件，其係利用特定頻率範圍內之複數個頻率下之光之共振者，其具有如申請專利範圍第1至5項中任一項之光子結晶。
- 一種光電轉換裝置，其係於1對電極間設置有將特定頻率範圍之光轉 換為電力之由半導體構成之光電轉換層而成者，其於上述光電轉換層內形成有如申請專利範圍第1至5項中任一項之光子結晶。
- 如申請專利範圍第7項之光電轉換裝置，其中各光子結晶構造形成體形成為將p型半導體與n型半導體接合而成者，且鄰接之兩個光子結晶構造形成體被由導電體構成之間隔層所隔開。
- 如申請專利範圍第7項之光電轉換裝置，其中上述光子結晶構造形成體之個數為2，一光子結晶構造形成體形成為p型半導體，另一光子結晶構造形成體形成為n型半導體。
- 如申請專利範圍第7項之光電轉換裝置，其中各光子結晶構造形成體形成為將p型半導體與n型半導體接合而成者，且鄰接之兩個光子結晶構造形成體被依序積層第1導電體層、絕緣體層、第2導電體層而成之間隔層所隔開。
- 一種繞射元件，其係使特定頻率範圍之光散射者，其具有如申請專利範圍第1至5項中任一項之光子結晶。
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