WO2010089892A1 - 太陽電池 - Google Patents

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WO2010089892A1 PCT/JP2009/052160 JP2009052160W WO2010089892A1 WO 2010089892 A1 WO2010089892 A1 WO 2010089892A1 JP 2009052160 W JP2009052160 W JP 2009052160W WO 2010089892 A1 WO2010089892 A1 WO 2010089892A1
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深田　善樹
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solar cell, and more particularly to a solar cell using a wetting layer and quantum dots.
  • quantum dot solar cell One of the new methods studied so far is a solar cell using semiconductor quantum dots (hereinafter referred to as “quantum dot solar cell”).
  • a quantum dot used in a quantum dot solar cell is a semiconductor nanocrystal having a size of about 10 nm and is sometimes referred to as an electron or a hole generated by irradiating light (hereinafter, these are collectively referred to as “carrier”). )
  • Carrier irradiating light
  • Patent Document 1 includes a quantum dot having a pin structure and having a three-dimensional quantum confinement function in an i layer which is a light detection layer, and includes a quantum dot and a barrier layer surrounding the quantum dot.
  • a solar cell is disclosed in which the energy band structure is type II.
  • Patent Document 2 discloses an optical semiconductor device using a stacked body in which layers in which self-assembled quantum dots are generated are multilayered.
  • Patent Document 3 discloses a quantum dot semiconductor laser characterized by an energy potential structure for shortening the carrier relaxation time in the quantum dots.
  • an object of the present invention is to provide a solar cell that can extract a current by moving carriers while obtaining a phonon bottleneck effect of a quantum dot.
  • a first aspect of the present invention includes a first material layer having a wetting layer and quantum dots generated in the wetting layer, a second material layer on which the first material layer is formed, and a negative electrode
  • the negative electrode or the positive electrode and the wetting layer are connected and the negative electrode and the wetting layer are connected, electrons existing in the wetting layer move to the negative electrode.
  • the positive and negative electrodes are connected in such a way that the positive electrode and the wetting layer are connected, and the holes existing in the wetting layer are connected so as to be movable to the positive electrode. It is.
  • the negative electrode or the positive electrode and the wetting layer may be directly connected.
  • directly connected means that the negative electrode and the wetting layer are in contact with each other without any other layer, or the negative electrode and the wetting layer are connected, or other layers. It means that the positive electrode and the wetting layer are connected in such a form that the positive electrode and the wetting layer are in contact with each other without the interposition.
  • the negative electrode and the wetting layer are connected via the electron transfer layer capable of preventing the passage of holes, and the positive electrode and the wetting layer are connected.
  • the connection is made via a hole moving layer capable of blocking the passage of electrons.
  • the electron transfer layer and the wetting layer are connected, the electron transfer layer and the wetting layer are connected via an electron mixed layer that activates the interaction of a plurality of electrons.
  • the layers are connected, they are preferably connected via a hole mixed layer that activates the interaction of a plurality of holes.
  • interaction of a plurality of electrons refers to an action in which two or more electrons collide with each other.
  • the “interaction of a plurality of holes” refers to an operation in which two or more holes collide with each other.
  • the first material layer and the second material layer are provided in plural, the first material layer and the second material layer are alternately stacked, and the negative electrode and the wetting layer are connected to each other.
  • the negative electrode and the plurality of wetting layers are connected so that the electrons existing in each of the plurality of wetting layers can move to the negative electrode, and the positive electrode and the wetting layer are connected.
  • the positive electrode and the plurality of wetting layers are connected so that holes existing in each of the plurality of wetting layers can move to the positive electrode.
  • the laminate including the plurality of first material layers and the plurality of second material layers includes a recess, and the negative electrode and the web are provided.
  • the connecting layer is connected, the negative electrode arranged in the recess and the plurality of wetting layers are connected so that electrons existing in each of the plurality of wetting layers can move to the negative electrode.
  • the positive electrode and the wetting layer are connected, the positive electrode disposed in the recess and the plurality of wettings so that the holes existing in each of the plurality of wetting layers can move to the positive electrode.
  • the layer may be connected to the layer.
  • a first material layer having a wetting layer and quantum dots generated in the wetting layer, a second material layer on which the first material layer is formed, and a positive electrode And a negative electrode, and the negative electrode and the wetting layer are connected so that electrons existing in the wetting layer can move to the negative electrode through an electron transfer layer capable of blocking the passage of holes.
  • the positive electrode and the wetting layer are connected so that the holes existing in the wetting layer can move to the positive electrode through the hole moving layer that can block the passage of electrons. It is a solar cell. *
  • the electron transfer layer and the wetting layer are connected via an electron mixed layer that activates the interaction of a plurality of electrons.
  • the hole moving layer and the wetting layer are connected via a hole mixed layer that activates the interaction of a plurality of holes.
  • the first material layer and the second material layer are formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane, and are disposed substantially horizontally with the wetting layer formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane.
  • the negative electrode is connected to at least the electron transfer layer, and the wetting layer formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane and the positive electrode arranged substantially horizontally are at least via the hole transfer layer It is preferable that they are connected.
  • a plurality of first material layers and a plurality of second material layers are provided, the first material layers and the second material layers are alternately stacked, and the negative electrode and the plurality of wetting layers are provided.
  • the electron transfer layer is connected, and the positive electrode and the plurality of wetting layers are connected at least through the hole transfer layer.
  • the laminate having the plurality of first material layers and the plurality of second material layers has at least two or more recesses, and is disposed in at least one of the two or more recesses. And a plurality of wetting layers are connected via at least an electron transfer layer, and a positive electrode disposed in at least one of two or more recesses and a plurality of wetting layers are connected via at least a hole transfer layer It can be made into the form currently made.
  • the difference between the band gap of the first material layer and the band gap of the second material layer is 1 eV or more.
  • the negative electrode or the positive electrode and the quantum dot are connected via at least the wetting layer. Therefore, the carriers confined in the quantum dots can be moved to the wetting layer, and the carriers present in the wetting layer can be moved to the negative electrode or the positive electrode.
  • the wetting layer has a thickness of about one or two molecules, only carriers having specific energy can exist. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a solar cell that can extract a current by moving carriers while obtaining a phonon bottleneck effect of a quantum dot.
  • the wetting layer can function as an electron transfer layer or a hole transfer layer. Therefore, it is possible to provide a solar cell that can extract a current by moving carriers while obtaining a phonon bottleneck effect of a quantum dot by directly connecting a negative electrode or a positive electrode and a wetting layer. Can do.
  • the electron moving layer or the hole moving layer by using the electron moving layer or the hole moving layer, it is possible to reliably select carriers that reach the negative electrode and the positive electrode in addition to the above effects.
  • a wetting layer formed so as to be inclined with respect to a horizontal plane is connected to a negative electrode or a positive electrode arranged substantially horizontally.
  • the solar cell can be easily manufactured.
  • the plurality of wetting layers and the negative electrode or the positive electrode are connected, and in addition to the above effects, the first material layer and the second material layer are further absorbed. It becomes possible to easily increase the photoelectric conversion efficiency by increasing the light.
  • the first electrode in which a plurality of first material layers and second material layers are provided, can also be formed by connecting a negative electrode or a positive electrode disposed in the recess and a plurality of wetting layers. It is possible to easily improve the photoelectric conversion efficiency by increasing the light absorbed by the material layer and the second material layer.
  • the wetting layer and the negative electrode are connected via the electron transfer layer, and the wetting layer and the positive electrode are connected via the hole transfer layer. Since quantum dots are used, the phonon bottleneck effect of quantum dots can be obtained also by the second aspect of the present invention. Furthermore, according to the second aspect of the present invention, the electrons moved from the quantum dots to the wetting layer can be moved to the negative electrode, and the holes moved from the quantum dots to the wetting layer can be positive. It can be moved to the electrode. Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a solar cell that can extract a current by moving carriers while obtaining a phonon bottleneck effect of quantum dots.
  • the electron transfer layer and the wetting layer are connected via the electron mixed layer, so that in addition to the above effects, electrons can be easily transferred from the wetting layer to the negative electrode. It can be moved.
  • the hole moving layer and the wetting layer are connected via the hole mixed layer, so that in addition to the above effects, the holes can be easily transferred from the wetting layer to the positive electrode. Can be moved.
  • the wetting layer formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane, and the negative electrode and the positive electrode disposed substantially horizontally are at least an electron moving layer and a hole moving layer, respectively.
  • the solar cell can be easily manufactured.
  • the plurality of wetting layers, the negative electrode, and the positive electrode are connected through at least the electron transfer layer and the hole transfer layer, respectively, in addition to the above effect, It is possible to easily improve the photoelectric conversion efficiency by increasing the light absorbed by the first material layer and the second material layer.
  • the negative electrode disposed in the recess, the positive electrode disposed in the recess, and the plurality of wetting layers, respectively Also by connecting via the electron transfer layer and the hole transfer layer, the light absorbed by the first material layer and the second material layer can be increased to easily improve the photoelectric conversion efficiency.
  • the difference between the band gap of the first material layer and the band gap of the second material layer is 1 eV or more.
  • the carriers generated by irradiating light can be easily confined in the quantum dots.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a solar cell 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a solar cell 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a solar cell 20.
  • FIG. 2 is a band diagram showing a band structure of solar cell 20.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a form of solar cell 30.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a form of solar cell 40.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of one process included in the manufacturing process of the solar cell 40.
  • Quantum dot solar cells use, for example, the phonon bottleneck effect of quantum dots by confining electrons generated by light irradiation in quantum dots. This makes it possible to increase the band of the solar spectrum that can be absorbed, and in the quantum dot solar cell, it is necessary to confine carriers in the quantum dots. On the other hand, if carriers are held in the quantum dots and cannot move from the quantum dots to the electrodes, current cannot be extracted, and as a result, it is difficult to improve the photoelectric conversion efficiency. Therefore, in order to improve the photoelectric conversion efficiency of the quantum dot solar cell, it is necessary to make it possible to move the carrier from the quantum dot while maintaining the maximum effect of confining the carrier in the quantum dot. In order to solve this problem, it is considered effective to limit the energy range of carriers extracted from the quantum dots.
  • the present inventor has used a wetting layer connected to quantum dots to maintain the effect obtained by confining carriers in the quantum dots (phonon bottleneck effect) to the maximum while It was found that the carrier can be moved from the dot. Furthermore, the present inventor connects the wetting layer connected to the quantum dot and the electrode (negative electrode and / or positive electrode) to thereby move the carrier moved to the wetting layer to the negative electrode or the positive electrode. It has been found that the current can be taken out.
  • the present invention has been made based on such knowledge.
  • the present invention moves the carrier while obtaining the phonon bottleneck effect of the quantum dot by directly or indirectly connecting the wetting layer connected to the quantum dot and the negative electrode and / or the positive electrode.
  • the main point of the invention is to provide a solar cell capable of taking out an electric current.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a solar cell 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 only a part of the solar cell 10 is extracted and enlarged. Further, in FIG. 1, some reference numerals are omitted.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing a part surrounded by a dotted line in FIG.
  • the solar cell 10 includes a stacked body 3 having a plurality of first material layers 1, 1,... And a plurality of second material layers 2, 2,.
  • the first material layers 1, 1,... are semiconductors having a slightly larger lattice constant and a smaller band gap than the semiconductor (semiconductor corresponding to the semiconductor X) constituting the second material layers 2, 2,. (A semiconductor corresponding to the semiconductor Y).
  • the first material layer 1 includes a wetting layer 1a and quantum dots 1b, 1b,... Connected to the wetting layer 1a, and a plurality of wetting layers 1a, 1a,. And are connected directly.
  • the first material layers 1, 1,... Are made of InN
  • the second material layers 2, 2,... are made of p-doped GaN
  • the hole transport layer 6 is strongly p-doped AlGaN.
  • the first material layers 1, 1,... Correspond to the n layer, the second material layers 2, 2,... Correspond to the p layer, and the hole transport layer 6 corresponds to the p + layer.
  • the quantum dots 1b, 1b,... Have a height of about 1 to 10 nm and a diameter of about 10 to 100 nm.
  • the electrons generated in the stacked body 3 by irradiating light can be confined in the quantum dots 1b, 1b,..., And the phonon bottleneck effect of the quantum dots 1b, 1b,. Can do.
  • the wetting layers 1a, 1a,... Connected to the quantum dots 1b, 1b,. Therefore, only electrons having energy higher than the energy at the bottom of the conduction band of the semiconductor Y can exist in the wetting layers 1a, 1a,. Therefore, in the solar cell 10, among the electrons confined in the quantum dots 1b, 1b,..., Only electrons having energy that can move to the wetting layers 1a, 1a,. And can be moved.
  • the wetting layers 1a, 1a, ... and the negative electrodes 5, 5 are directly connected. Therefore, according to the solar cell 10, electrons moved to the wetting layers 1 a, 1 a,... Can be moved to the negative electrodes 5, 5. That is, according to the solar cell 10, the electrons confined in the quantum dots 1b, 1b,... Can be taken out via the wetting layers 1a, 1a,.
  • the holes generated by irradiating the solar cell 10 with light can move from the first material layer 1, 1,... To the second material layer 2, 2,.
  • a force that accelerates toward the hole moving layer 6 is caused by the electric field induced by p-doping of the hole moving layer 6. Therefore, the holes existing in the laminate 3 can move from the upper side to the lower side in FIG. 1 and can reach the positive electrode 7 via the hole moving layer 6 that can block the passage of electrons.
  • the solar cell 10 As described above, according to the solar cell 10, the electrons generated in the stacked body 3 by irradiating light with the phonon bottleneck effect of the quantum dots 1 b, 1 b,. Can be moved to the negative electrodes 5, 5, and the holes generated in the stacked body 3 can be moved to the positive electrode 7. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide the solar cell 10 capable of extracting electrons by moving electrons while obtaining the phonon bottleneck effect of the quantum dots 1b, 1b,.
  • the laminated body 3 can be produced, for example, by the following procedure. That is, first, a semiconductor having a smaller lattice constant and a larger band gap (semiconductor corresponding to the semiconductor X) than the semiconductor (semiconductor corresponding to the semiconductor Y) constituting the first material layer 1 on the surface of the hole moving layer 6. The 2nd material layer 2 comprised by these is formed. Thereafter, a semiconductor (semiconductor corresponding to the semiconductor Y) is vapor-deposited on the surface of the formed second material layer 2 by the SK mode in the order of nm, thereby generating the wetting layer 1a and the quantum generated in the wetting layer 1a.
  • a first material layer 1 having dots 1b, 1b,...
  • the laminate 3 can be manufactured. And if the laminated body 3 is produced, for example, the concave portions 4 and 4 are formed by etching the surface of the laminated body 3 with an appropriate mask, or by grinding with an electron beam or ion beam processing or other technique, The material forming the negative electrodes 5 and 5 (for example, a material that can form a transparent electrode, etc .; the same applies below) is deposited on the formed recesses 4 and 4. By manufacturing the solar cell 10 through such steps, the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrodes 5, 5 can be directly connected.
  • the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrodes 5, 5 can be directly connected.
  • FIG. 3 is sectional drawing which shows the example of the form of the solar cell 20 of this invention concerning 2nd Embodiment.
  • FIG. 3 only a part of the solar cell 20 is extracted and enlarged.
  • FIG. 3 some reference numerals are omitted. 3, those having the same configuration as that of the solar cell 10 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and description thereof will be omitted as appropriate.
  • the solar cell 20 includes a stacked body 3 having a plurality of first material layers 1, 1,... And a plurality of second material layers 2, 2,. 4, the electron transfer layers 8, 8 and the negative electrodes 5, 5 arranged in 4, the hole transfer layer 6 arranged in contact with the second material layer 2 below the stacked body 3, and the hole transfer layer 6 And a positive electrode 7 disposed so as to be in contact with the hole moving layer 6 below.
  • the first material layer 1 includes a wetting layer 1a and quantum dots 1b, 1b,... Connected to the wetting layer 1a. .. Are disposed between the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrodes 5, 5, and the plurality of wetting layers 1a, 1a,.
  • the first material layers 1, 1,... Are made of InN, and the second material layers 2, 2,... Are made of p-doped GaN.
  • the electron transfer layers 8 and 8 are made of n-doped GaN, and the hole transfer layer 6 is made of strongly p-doped AlGaN. That is, in the solar cell 20, the first material layers 1, 1,... Correspond to the n layer, the second material layers 2, 2,... Correspond to the p layer, and the electron transfer layers 8, 8 correspond to the n + layer.
  • the hole transport layer 6 corresponds to the p + layer.
  • the quantum dots 1b, 1b,... Have a height of about 1 to 10 nm and a diameter of about 10 to 100 nm.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing the band structure of the solar cell 20 in a simplified manner.
  • the top and bottom in FIG. 4 correspond to the energy level, and the left and right in FIG. 4 correspond to the thickness of each component of the solar cell 20 except for the wetting layers 1a, 1a,.
  • “ ⁇ ” is an electron
  • “ ⁇ ” is a hole.
  • the energy level at the bottom of the conduction band of the second material layers 2, 2,... Is higher than the energy level at the bottom of the conduction band of quantum dots 1b, 1b,. Further, the energy level at the top of the valence band of the second material layers 2, 2,... Is lower than the energy level at the top of the valence band of the quantum dots 1b, 1b,. Due to the influence of the internal electric field generated in the solar cell 20, the energy level at the bottom of the conduction band and the energy level at the top of the valence band of the second material layers 2, 2,... The holes generated by the p-doping of the two material layers 2, 2,...
  • the energy level at the top of the electron band is curved in a convex downward form. 4, the energy level of the bottom of the conduction band of the wetting layers 1a, 1a,... Is lower than the energy level of the bottom of the conduction band of the second material layers 2, 2,. And higher than the energy level at the bottom of the conduction band of the quantum dots 1b, 1b,. Therefore, among the electrons existing in the quantum dots 1b, 1b,..., Electrons having the same energy level as the energy level at the bottom of the conduction band of the quantum dots 1b, 1b,.
  • the energy level at the bottom of the conduction band of the electron transfer layer 8 is lower than the energy level at the bottom of the conduction band of the second material layers 2, 2,... It is higher than the energy level at the bottom of the conduction band of 1b, 1b,. Furthermore, the energy level at the top of the valence band of the electron transfer layer 8 is lower than the energy level at the top of the valence band of the second material layers 2, 2,. Furthermore, due to the influence of n doping, the energy level at the bottom of the conduction band and the energy level at the top of the valence band of the electron transfer layer 8 are curved in a downwardly convex shape. This can be explained as follows.
  • the electron transfer layer 8 is positively charged, and the energy level at the bottom of the conduction band is curved in a downwardly convex shape by the Coulomb energy due to charging, and the lowermost part of the wetting layers 1a, 1a,. Reach the bottom of the energy level.
  • the energy level at the top of the valence band of the electron transfer layer 8 is curved in a convex downward form so that holes existing in the stacked body 3 cannot pass through the electron transfer layer 8. It is configured.
  • the electron transfer layer 8 is produced by strongly n-doping so that the energy barrier 8 a existing at the interface between the wetting layer 1 a and the electron transfer layer 8 and the electron transfer layer 8 are negative.
  • the thickness of the energy barrier 8b existing at the interface with the electrode 5 is reduced.
  • the energy level at the bottom of the conduction band of the hole transport layer 6 is higher than the energy level at the bottom of the conduction band of the second material layers 2, 2,...
  • the energy level at the top of the valence band is lower than the energy level at the top of the valence band of the second material layer 2, 2,. Due to the effect of p-doping, the energy level at the bottom of the conduction band and the energy level at the top of the valence band of the hole transport layer 6 are curved in a convex shape.
  • the energy level at the bottom of the conduction band of the hole transport layer 6 is curved in a convex shape so that electrons existing in the stacked body 3 cannot pass through the hole transport layer 6.
  • the solar cell 20 by strongly p-doping to produce the hole transfer layer 6, the energy barrier 6 a existing at the interface between the second material layer 2 and the hole transfer layer 6, and the hole transfer layer 6 The thickness of the energy barrier 6b existing at the interface with the positive electrode 7 is reduced.
  • the solar cell 20 is configured such that holes can pass through the energy barriers 6a and 6b by a tunnel effect that easily occurs when the energy barriers 6a and 6b are sufficiently thin.
  • the solar cell 20 the electrons confined in the quantum dots 1b, 1b,... Are transferred to the negative electrodes 5, 5 via the wetting layers 1a, 1a,. Can be moved. And it can prevent reliably the situation where a hole reaches the negative electrodes 5 and 5 by setting it as the form with which the electron moving layers 8, 8, and ... are provided. Therefore, by setting it as this form, according to this invention, in addition to the effect acquired by the solar cell 10, there exists an effect that the quantity of the electron which reaches
  • the electron transfer layers 8, 8 can be produced, for example, by evaporating n-doped GaN onto the surfaces of the recesses 4, 4 formed by the same method as the solar cell 10.
  • the negative electrodes 5 and 5 in the solar cell 20 can be manufactured by vapor-depositing the material which comprises the negative electrodes 5 and 5 on the surface of the electron moving layers 8 and 8 produced in this way.
  • the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrodes 5, 5 can be connected via the electron transfer layers 8, 8.
  • the solar cell 20 the mode in which the electron transfer layers 8, 8 and the wetting layers 1a, 1a,... Are directly connected has been illustrated, but the solar cell of the present invention is not limited to this mode.
  • the electron transfer layer and the wetting layer may be connected via an electron mixed layer that activates the interaction of a plurality of electrons.
  • the electron mixed layer has an energy level at the bottom of the conduction band of the second material layer 2, 2,. Is lower than the energy level, higher than the energy level at the bottom of the conduction band of the quantum dots 1b, 1b,..., And slightly lower than the energy level at the bottom of the conduction band of the wetting layers 1a, 1a,. make low.
  • the electron moved from quantum dot 1b, 1b, ... to the wetting layer 1a, 1a, ... can be moved to an electron mixed layer further.
  • the interaction of an electron can be activated by colliding the several electron moved to the electron mixed layer.
  • the energy level at the top of the valence band of the electron mixed layer is, for example, the same as the energy level at the top of the valence band of the second material layer 2, 2,...
  • the energy level at the bottom of the conduction band and the energy level at the top of the valence band of the electron mixture layer can be curved in a downwardly convex form.
  • Such an electron mixed layer can be made of, for example, In x Ga 1-x N (0.2 ⁇ x ⁇ 0.8).
  • the present invention is not limited to this form.
  • the solar cell of the present invention can be configured such that the wetting layer and the positive electrode are connected, and the wetting layer and the negative electrode are not connected.
  • a hole transport layer capable of blocking the passage of electrons can be arranged between the wetting layer and the positive electrode, and a plurality of holes are mutually connected between the hole transport layer and the wetting layer. It is preferable to arrange a hole mixed layer that activates the action.
  • the solar cell of the present invention is not limited to the form in which the wetting layer and the negative electrode or the positive electrode are connected, but in the form in which the wetting layer, the negative electrode and the positive electrode are connected. Is also possible. Therefore, the solar cell of the present invention in a form in which the wetting layer, the negative electrode, and the positive electrode are connected will be specifically described below.
  • FIG. 5 is sectional drawing which shows the example of the form of the solar cell 30 of this invention concerning 3rd Embodiment.
  • FIG. 5 only a part of the solar cell 30 is extracted and enlarged. Further, in FIG. 5, some reference numerals are omitted. 5, those having the same configuration as that of the solar cell 10 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate.
  • the solar cell 30 includes a stacked body 3 having a plurality of first material layers 1, 1,... And a plurality of second material layers 2, 2,.
  • the electron transport layer 8 and the negative electrode 5 disposed in the recess 4 and the hole transport layer 31 and the positive electrode 32 disposed in the other recess 4 of the stacked body 3 are provided.
  • the first material layer 1 includes a wetting layer 1a and quantum dots 1b, 1b,... Connected to the wetting layer 1a.
  • the electron transfer layer 8 is disposed between the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrode 5, and the hole is moved between the plurality of wetting layers 1a, 1a,.
  • Layer 31 is disposed.
  • the plurality of wetting layers 1a, 1a,... And the negative electrode 5 are connected via the electron transfer layer 8, and the plurality of wetting layers 1a, 1a,. Are connected via a hole moving layer 31.
  • the first material layers 1, 1,... Are made of InN
  • the second material layers 2, 2,... are made of p-doped GaN.
  • the electron transfer layer 8 is made of n-doped GaN
  • the hole transfer layer 31 is made of strongly p-doped AlGaN. That is, in the solar cell 30, the first material layer 1, 1,... Corresponds to the n layer, the second material layer 2, 2,...
  • the electron transfer layer 8 corresponds to the n + layer.
  • the hole transport layer 31 corresponds to the p + layer.
  • the quantum dots 1b, 1b,... Have a height of about 1 to 10 nm and a diameter of about 10 to 100 nm.
  • the electron transfer layer is interposed between the wetting layers 1a, 1a,. 8 and by disposing the hole moving layer 31 between the wetting layers 1a, 1a,... And the positive electrode 32, only the electrons existing in the laminate 3 are moved to the negative electrode 5. Only holes present in the laminate 3 can be moved to the positive electrode 32. That is, according to the solar cell 30, the electrons confined in the quantum dots 1b, 1b,... Can be moved to the negative electrode 5 through the wetting layers 1a, 1a,. In addition, in the solar cell 30, the wetting layers 1 a, 1 a,... And the positive electrode 32 are connected via the hole moving layer 31.
  • the stacked body 3 having the recesses 4 and 4 is manufactured by the same procedure as that of the solar cell 10, and then n-doped GaN is deposited in one recess 4 to thereby form the electron transfer layer 8.
  • the material constituting the negative electrode 5 is vapor-deposited on the surface of the formed electron transfer layer 8. Through this step, the negative electrode 5 and the plurality of wetting layers 1a, 1a,... Can be connected via the electron transfer layer 8.
  • the hole moving layer 31 is formed by vapor-depositing strongly p-doped AlGaN in the other recess 4, and the material constituting the positive electrode 32 on the surface of the formed hole moving layer 31 (for example, forming a transparent electrode) Can be connected to the positive electrode 32 and the plurality of wetting layers 1a, 1a,... Via the hole moving layer 31.
  • the hole moving layer 6 or the hole moving layer 31 is exemplified by a strongly p-doped AlGaN, but the solar cell of the present invention is in this form. It is not limited.
  • the hole transport layer provided in the solar cell of the present invention can also be composed of other materials such as strongly p-doped GaN.
  • the solar cell of this invention was illustrated. Is not limited to this form.
  • the recesses provided in the solar cell of the present invention can have a form in which the interval between the openings is wide and the depth is shallow (for example, about several ⁇ m or more).
  • the negative electrode 5, the positive electrode 7, or the positive electrode 32 arrange
  • the laminated body 3 having the second material layers 2, 2,... are illustrated, but the present invention is not limited to the embodiment. Therefore, in the following, the solar cell of the present invention having a first material layer and a second material layer formed so as to be inclined with respect to a horizontal plane, and a negative electrode and a positive electrode arranged substantially horizontally, This will be specifically described.
  • FIG. 6 is sectional drawing which shows the example of the form of the solar cell 40 of this invention concerning 4th Embodiment. In FIG. 6, only a part of the solar cell 40 is extracted and enlarged. Further, in FIG. 6, some reference numerals are omitted.
  • the solar cell 40 includes a plurality of first material layers 41, 41,... And a plurality of second material layers 42, 42,.
  • the stacked body 43, the electron transfer layer 44 disposed substantially horizontally on the top surface of the stack 43 so as to be in contact with the stack 43, and substantially horizontally so as to contact the electron transport layer 44 on the top surface of the electron transport layer 44.
  • the negative electrode 45 disposed, the hole moving layer 46 disposed substantially horizontally on the lower surface of the stacked body 43 so as to be in contact with the stacked body 43, and the lower surface of the hole moving layer 46 so as to be in contact with the hole moving layer 46 And a positive electrode 47 arranged substantially horizontally.
  • the first material layer 41 includes a wetting layer 41a formed so as to be inclined with respect to a horizontal plane, and quantum dots 41b, 41b,... Connected to the wetting layer 41a.
  • the first material layers 41, 41, ... are made of InAs
  • the second material layers 42, 42, ... are made of p-doped GaAs.
  • the electron transfer layer 44 is made of n-doped GaAs
  • the hole transfer layer 46 is made of strongly p-doped GaAs. That is, in the solar cell 40, the first material layers 41, 41,... Correspond to the n layer, the second material layers 42, 42,...
  • the quantum dots 41b, 41b,... Have a height of about 1 to 10 nm and a diameter of about 10 to 100 nm.
  • the plurality of wetting layers 41a, 41a,... Formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane, and the negative electrode 45 arranged substantially horizontally are arranged via the electron transfer layer 44.
  • a plurality of wetting layers 41a, 41a,... Formed so as to be inclined with respect to a horizontal plane and a positive electrode 47 arranged substantially horizontally are connected via a hole moving layer 46.
  • a some wetting layer, a negative electrode, and a positive electrode can be connected, without forming a recessed part. Therefore, by adopting such a configuration, in addition to the effect obtained by the solar cell 30, it is possible to provide the solar cell 40 that has the effect of further improving productivity.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of one process included in the manufacturing process of the solar cell 40.
  • a part of the process of manufacturing the stacked body 43 formed to be inclined with respect to the horizontal plane and the process of forming the electron transfer layer 44 on the upper surface of the stacked body 43 are shown in a simplified manner. Further, in FIG. 7, some reference numerals are omitted.
  • a layer 48 (a layer corresponding to the hole transport layer 46) composed of strongly p-doped GaAs on a predetermined substrate. In the same manner).
  • a layer 49 whose second surface is inclined with respect to the horizontal plane A layer corresponding to the layer 42.
  • InAs is deposited while moving the stage on which the layer 49, the layer 48, and the like are moved from the left side to the right side in FIG.
  • a layer 50 (a layer corresponding to the first material layer 41. The same applies hereinafter) that is inclined with respect to the horizontal plane is produced.
  • a step of producing a layer 49 having an upper surface inclined with respect to the horizontal plane on the surface of the layer 50 and producing a layer 50 having an upper surface inclined with respect to the horizontal plane on the surface of the layer 49 can be manufactured.
  • the stacked body Z is cut into a predetermined size, whereby a first material having a wetting layer 41a composed of InAs and quantum dots 41b, 41b,...
  • a stacked body 43 including a layer 41 and a plurality of second material layers 42 each composed of p-doped GaAs can be produced.
  • n-doped GaAs may be deposited on the upper surface of the multilayer body Z before the fabrication of the multilayer body Z is completed.
  • the negative electrode 45 can be produced by evaporating a material constituting the negative electrode 45 (for example, a material that can constitute a transparent electrode) on the upper surface of the produced electron moving layer 44.
  • the positive electrode 47 is formed of a material constituting the positive electrode 47 (for example, a material capable of constituting a transparent electrode) on the surface opposite to the surface of the hole moving layer 46 where the stacked body 43 is to be formed. It can be produced by vapor deposition.
  • the plurality of wetting layers 41a, 41a,... Formed so as to be inclined with respect to the horizontal plane, and the negative electrode 45 and the positive electrode 47 are respectively moved by electrons.
  • the layer 44 and the hole transport layer 46 can be connected.
  • the material which can comprise the 1st material layer 41 and the 2nd material layer 42 is not limited to these.
  • the first material layer 41 can also be composed of, for example, InN.
  • the second material layer 42 can be composed of p-doped GaN.
  • the second material layer 42 is formed, for example, after forming a layer composed of p-doped GaN on the surface of the sapphire substrate. By depositing p-doped GaN while moving the arranged sapphire substrate, the second material layer 42 inclined with respect to the horizontal plane can be produced.
  • the electron transfer layer 8 or the electron transfer layer 44 is disposed between the wetting layer 1a or the wetting layer 41a and the negative electrode 5 or the negative electrode 45, and the wetting layer.
  • the hole moving layer 31 or the hole moving layer 46 is disposed between the la or the wetting layer 41a and the positive electrode 32 or the positive electrode 47 is illustrated, the present invention is not limited to the embodiment. It is preferable to further dispose an electron mixed layer that activates the interaction of electrons between the wetting layer and the negative electrode. In addition, it is preferable to dispose a hole mixture layer that activates the interaction of holes between the wetting layer and the positive electrode.
  • the solar cell of this invention can also be set as the form by which only 1 layer of each 1st material layer and 2nd material layer are provided.
  • the laminate has a plurality of first material layers and a plurality of second material layers. Is preferred.
  • the difference between the band gap of the material constituting the first material layer and the band gap of the material constituting the second material layer can be appropriately selected within a range where the above effects can be achieved. it can. It is preferable to increase the difference between the band gap of the material constituting the first material layer and the band gap of the material constituting the second material layer. Specifically, it is preferably 1 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more.
  • the solar cell of the present invention can be used for a power source of an electric vehicle, a solar power generation system, or the like.

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Abstract

　量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な太陽電池を提供する。ウェッティング層及び該ウェッティング層に生成された量子ドットを有する第１材料層と、該第１材料層が表面に形成される第２材料層と、負電極及び正電極とを具備し、負電極又は正電極とウェッティング層とが接続され、負電極とウェッティング層とが接続される場合には、ウェッティング層に存在する電子が負電極へと移動可能なように接続され、正電極とウェッティング層とが接続される場合には、ウェッティング層に存在するホールが正電極へと移動可能なように接続される、太陽電池とする。

Description

太陽電池
　本発明は、太陽電池に関し、特に、ウェッティング層及び量子ドットを利用する太陽電池に関する。
　太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。ところが、単接合太陽電池の光電変換効率の理論限界（以下において、「理論限界効率」という。）は約３０％に留まっているため、理論限界効率をさらに向上させる新たな方法が検討されている。
　これまでに検討されている新たな方法の１つに、半導体の量子ドットを利用した太陽電池（以下において、「量子ドット太陽電池」という。）がある。量子ドット太陽電池で用いられる量子ドットは、寸法が約１０ｎｍ程度の半導体ナノ結晶であり、光を照射することにより発生した電子やホール（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）を三次元的に閉じ込めることができる。量子ドットに電子を閉じ込めることにより、電子の量子力学的な波としての性質を使えるようになり、従来の太陽電池では吸収することができなかった帯域の太陽光スペクトルをも吸収させることが可能になる。さらに、量子ドット太陽電池によれば、熱として失われるエネルギーを低減することが可能になる。そのため、量子ドット太陽電池によれば、理論限界効率を６０％以上にまで向上させることが可能になると考えられている。
　量子ドット太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、ｐｉｎ構造で構成され、光検知層であるｉ層に３次元量子閉じ込め作用をもつ量子ドットを含み、量子ドット及びそれを囲むバリア層のエネルギ・バンド構造がｔｙｐｅＩＩを成すことを特徴とする太陽電池が開示されている。また、量子ドットを用いる光半導体装置に関する技術として、例えば特許文献２には、自己組織化量子ドットが生成された層を多層化してなる積層体を用いる光半導体装置が開示されている。また、量子ドットを用いる半導体レーザに関する技術として、例えば特許文献３には、量子ドットにおけるキャリア緩和時間を短縮するためのエネルギーポテンシャル構造に特徴のある量子ドット半導体レーザが開示されている。
特開２００６－１１４８１５号公報 特開平１１－３３０６０６号公報 特開２００６－２９５２１９号公報
　特許文献１に開示されている技術では、量子ドットを利用しているため、キャリアを三次元的に強力に閉じ込めることができる。その結果、フォノンボトルネック効果によりキャリアのエネルギー損失を低減することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、量子ドットからキャリアを取り出す（移動させる）ことが困難であるため、太陽電池の光電変換効率を向上させることが困難であるという問題があった。かかる問題は、特許文献２及び特許文献３に開示されたウェッティング層に量子ドットを生成する技術と、特許文献１に開示された技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
　そこで本発明は、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な太陽電池を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
  本発明の第１の態様は、ウェッティング層及び該ウェッティング層に生成された量子ドットを有する第１材料層と、該第１材料層が表面に形成される第２材料層と、負電極及び正電極とを具備し、負電極又は正電極とウェッティング層とが接続され、負電極とウェッティング層とが接続される場合には、ウェッティング層に存在する電子が負電極へと移動可能なように接続され、正電極とウェッティング層とが接続される場合には、ウェッティング層に存在するホールが正電極へと移動可能なように接続されることを特徴とする、太陽電池である。
　また、上記第１の態様において、負電極又は正電極とウェッティング層とが、直接接続されていても良い。
　ここに、「直接接続される」とは、他の層を介さずに負電極とウェッティング層とが接触する形態で、負電極とウェッティング層とが接続されること、又は、他の層を介さずに正電極とウェッティング層とが接触する形態で、正電極とウェッティング層とが接続されることをいう。
　また、上記第１の態様において、負電極とウェッティング層とが接続される場合には、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して接続され、正電極とウェッティング層とが接続される場合には、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して接続されることが好ましい。
　また、上記第１の態様において、電子移動層とウェッティング層とが接続される場合には、複数の電子の相互作用を活発化させる電子混合層を介して接続され、ホール移動層とウェッティング層とが接続される場合には、複数のホールの相互作用を活発化させるホール混合層を介して接続されることが好ましい。
　ここに、本発明において、「複数の電子の相互作用」とは、２以上の電子が互いに衝突する作用をいう。さらに、本発明において、「複数のホールの相互作用」とは、２以上のホールが互いに衝突する作用をいう。
　また、上記第１の態様において、第１材料層及び第２材料層がそれぞれ複数備えられるとともに、第１材料層と第２材料層とが交互に積層され、負電極とウェッティング層とが接続される場合には、複数のウェッティング層の各々に存在する電子が負電極へと移動可能なように、負電極と複数のウェッティング層とが接続され、正電極とウェッティング層とが接続される場合には、複数のウェッティング層の各々に存在するホールが正電極へと移動可能なように、正電極と複数のウェッティング層とが接続されていることが好ましい。
　また、第１材料層及び第２材料層がそれぞれ複数備えられる上記第１の態様において、複数の第１材料層及び複数の第２材料層を有する積層体が凹部を具備し、負電極とウェッティング層とが接続される場合には、複数のウェッティング層の各々に存在する電子が負電極へと移動可能なように、凹部に配置された負電極と複数のウェッティング層とが接続され、正電極とウェッティング層とが接続される場合には、複数のウェッティング層の各々に存在するホールが正電極へと移動可能なように、凹部に配置された正電極と複数のウェッティング層とが接続されている形態とすることができる。
　本発明の第２の態様は、ウェッティング層及び該ウェッティング層に生成された量子ドットを有する第１材料層と、該第１材料層が表面に形成される第２材料層と、正電極及び負電極とを具備し、負電極とウェッティング層とが、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して、ウェッティング層に存在する電子が負電極へと移動可能なように接続されるとともに、正電極とウェッティング層とが、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して、ウェッティング層に存在するホールが正電極へと移動可能なように接続されていることを特徴とする、太陽電池である。　
　また、上記第２の態様において、電子移動層とウェッティング層とが、複数の電子の相互作用を活発化させる電子混合層を介して接続されていることが好ましい。
　また、上記第２の態様において、ホール移動層とウェッティング層とが、複数のホールの相互作用を活発化させるホール混合層を介して接続されていることが好ましい。
　また、上記第２の態様において、第１材料層及び第２材料層が、水平面に対して傾斜するように形成され、水平面に対して傾斜するように形成されたウェッティング層と略水平に配置された負電極とが、少なくとも電子移動層を介して接続され、水平面に対して傾斜するように形成されたウェッティング層と略水平に配置された正電極とが、少なくともホール移動層を介して接続されていることが好ましい。
　また、上記第２の態様において、第１材料層及び第２材料層がそれぞれ複数備えられるとともに、第１材料層と第２材料層とが交互に積層され、負電極と複数のウェッティング層とが、少なくとも電子移動層を介して接続され、正電極と複数のウェッティング層とが、少なくともホール移動層を介して接続されていることが好ましい。
　また、上記第２の態様において、複数の第１材料層及び複数の第２材料層を有する積層体が少なくとも２以上の凹部を具備し、２以上の凹部の少なくとも１つに配置された負電極と複数のウェッティング層とが、少なくとも電子移動層を介して接続され、２以上の凹部の少なくとも１つに配置された正電極と複数のウェッティング層とが、少なくともホール移動層を介して接続されている形態とすることができる。
　また、上記第１の態様及び上記第２の態様において、第１材料層のバンドギャップと第２材料層のバンドギャップとの差が、１ｅＶ以上であることが好ましい。
　本発明の第１の態様によれば、量子ドットが用いられるので、光を照射することにより発生したキャリアを量子ドットへと閉じ込めることができ、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得ることができる。さらに、本発明の第１の態様では、負電極又は正電極と量子ドットとを、少なくともウェッティング層を介して接続する。そのため、量子ドットに閉じ込めたキャリアを、ウェッティング層へと移動させることができ、ウェッティング層に存在するキャリアを負電極又は正電極へと移動させることができる。ここで、ウェッティング層は、分子１～２層分程度の厚さであるため、特定のエネルギーを有するキャリアのみが存在できる。したがって、本発明の第１の態様によれば、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な、太陽電池を提供することができる。
　また、本発明の第１の態様において、ウェッティング層は、電子移動層やホール移動層として機能させることもできる。そのため、負電極又は正電極とウェッティング層とを直接接続することによっても、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な、太陽電池を提供することができる。
　また、本発明の第１の態様において、電子移動層やホール移動層を用いることにより、上記効果に加えて、負電極や正電極へと到達するキャリアを確実に選別することが可能になる。
　また、本発明の第１の態様において、電子混合層又はホール混合層を用いることにより、上記効果に加えて、キャリアをウェッティング層から負電極又は正電極へ容易に移動させることが可能になる。
　また、本発明の第１の態様において、水平面に対して傾斜するように形成されたウェッティング層と略水平に配置された負電極又は正電極とが接続されることにより、上記効果に加えて、太陽電池を容易に製造することが可能になる。
　また、本発明の第１の態様において、複数のウェッティング層と負電極又は正電極とが接続されることにより、上記効果に加え、さらに、第１材料層及び第２材料層に吸収される光を増大させて光電変換効率を容易に向上させることが可能になる。
　また、複数の第１材料層及び第２材料層が備えられる本発明の第１の態様において、凹部に配置した負電極又は正電極と複数のウェッティング層とを接続することによっても、第１材料層及び第２材料層に吸収される光を増大させて光電変換効率を容易に向上させることが可能になる。
　本発明の第２の態様では、電子移動層を介してウェッティング層と負電極とが接続され、ホール移動層を介してウェッティング層と正電極とが接続される。量子ドットが用いられるので、本発明の第２の態様によっても、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得ることができる。さらに、本発明の第２の態様によれば、量子ドットからウェッティング層へと移動させた電子を負電極へと移動させることができ、量子ドットからウェッティング層へと移動させたホールを正電極へと移動させることができる。したがって、本発明の第２の態様によれば、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な、太陽電池を提供することができる。
　また、本発明の第２の態様において、電子移動層とウェッティング層とが、電子混合層を介して接続されることにより、上記効果に加えて、電子をウェッティング層から負電極へ容易に移動させることが可能になる。
　また、本発明の第２の態様において、ホール移動層とウェッティング層とが、ホール混合層を介して接続されることにより、上記効果に加えて、ホールをウェッティング層から正電極へ容易に移動させることができる。
　また、本発明の第２の態様において、水平面に対して傾斜するように形成されたウェッティング層と略水平に配置された負電極及び正電極とが、それぞれ、少なくとも電子移動層及びホール移動層を介して接続されることにより、上記効果に加えて、太陽電池を容易に製造することが可能になる。
　また、本発明の第２の態様において、複数のウェッティング層と負電極及び正電極とが、それぞれ、少なくとも電子移動層及びホール移動層を介して接続されることにより、上記効果に加え、さらに、第１材料層及び第２材料層に吸収される光を増大させて光電変換効率を容易に向上させることが可能になる。
　また、複数の第１材料層及び第２材料層が備えられる本発明の第２の態様において、凹部に配置した負電極及び凹部に配置した正電極と複数のウェッティング層とを、それぞれ、少なくとも電子移動層及びホール移動層を介して接続することによっても、第１材料層及び第２材料層に吸収される光を増大させて光電変換効率を容易に向上させることが可能になる。
　また、本発明の第１の態様及び本発明の第２の態様において、第１材料層のバンドギャップと第２材料層のバンドギャップとの差が１ｅＶ以上であることにより、上記効果に加えて、光を照射することにより発生したキャリアを量子ドットへ容易に閉じ込めることができる。
太陽電池１０の形態例を示す断面図である。 太陽電池１０の形態例を示す断面図である。 太陽電池２０の形態例を示す断面図である。 太陽電池２０のバンド構造を示すバンド図である。 太陽電池３０の形態例を示す断面図である。 太陽電池４０の形態例を示す断面図である。 太陽電池４０の製造工程に含まれる一工程の形態例を示す図である。
符号の説明
　１…第１材料層
　１ａ…ウェッティング層
　１ｂ…量子ドット
　２…第２材料層
　３…積層体
　４…凹部
　５…負電極
　６…ホール移動層
　６ａ…エネルギー障壁
　６ｂ…エネルギー障壁
　７…正電極
　８…電子移動層
　８ａ…エネルギー障壁
　８ｂ…エネルギー障壁
　１０…太陽電池
　２０…太陽電池
　３０…太陽電池
　３１…ホール移動層
　３２…正電極
　４０…太陽電池
　４１…第１材料層
　４１ａ…ウェッティング層
　４１ｂ…量子ドット
　４２…第２材料層
　４３…積層体
　４４…電子移動層
　４５…負電極
　４６…ホール移動層
　４７…正電極
　４８…層
　４９…層
　５０…層
　量子ドット太陽電池は、例えば、光を照射することにより発生した電子を量子ドットへと閉じ込め、量子ドットのフォノンボトルネック効果を用いる。これによって、吸収可能な太陽光スペクトルの帯域を増大させることが可能になるため、量子ドット太陽電池では、キャリアを量子ドットへ閉じ込める必要がある。一方、キャリアが量子ドットに閉じ込められたまま保持され、量子ドットから電極へと移動できない状態になると、電流を取り出すことができず、結果として、光電変換効率を向上させることが困難になる。そのため、量子ドット太陽電池の光電変換効率を向上させるためには、キャリアを量子ドットへ閉じ込める効果を最大限に維持しつつ、量子ドットからキャリアを移動させることも可能にする必要がある。この課題を解決するためには、量子ドットから取り出されるキャリアのエネルギー範囲を限定することが有効であると考えられる。
　他方、バンドギャップの大きい半導体Ｘの表面に、半導体Ｘよりも格子定数がやや大きくバンドギャップが小さい半導体Ｙを、分子線エピタキシー法等によりｎｍオーダーで蒸着すると、半導体Ｘの表面に形成された分子１～２層分の厚さを有する半導体Ｙの層（ウェッティング層）に、ｎｍオーダーの大きさの粒子（量子ドット）を作製することができる。この作製方法は「ＳＫモード（又は、ＳＫ成長モード）」と呼ばれており、ＳＫモードにより作製された量子ドットは、ウェッティング層と接続されている。また、上述のように、ウェッティング層は厚さが極めて薄いため、量子効果が強く働き、特定のエネルギーを有するキャリアのみが存在できる。
　本発明者は、鋭意研究の結果、量子ドットに接続されたウェッティング層を用いることにより、キャリアを量子ドットへ閉じ込めることにより得られる効果（フォノンボトルネック効果）を最大限に維持しつつ、量子ドットからキャリアを移動させることも可能になることを知見した。さらに、本発明者は、量子ドットに接続されたウェッティング層と電極（負電極及び／又は正電極）とを接続することにより、ウェッティング層へと移動させたキャリアを負電極や正電極へと移動させることが可能になり、電流を取り出すことが可能になることを知見した。
　本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、量子ドットに接続されたウェッティング層と負電極及び／又は正電極とを、直接、又は、間接的に接続することにより、量子ドットのフォノンボトルネック効果を得つつもキャリアを移動させて電流を取り出すことが可能な太陽電池を提供することを、主な要旨とする。
　以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
　１．第１実施形態
  図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１０の形態例を示す断面図である。図１では、太陽電池１０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図１では、一部符号の記載を省略している。図２は、図１に点線で囲った部位を拡大して示す図である。図１及び図２に示すように、太陽電池１０は、複数の第１材料層１、１、…、及び、複数の第２材料層２、２、…を有する積層体３と、積層体３の凹部４、４に配置された負電極５、５と、積層体３の下方に第２材料層２と接触するように配置されたホール移動層６と、ホール移動層６の下方にホール移動層６と接触するように配置された正電極７と、を有している。太陽電池１０において、第１材料層１、１、…は、第２材料層２、２、…を構成する半導体（上記半導体Ｘに相当する半導体）よりも格子定数がやや大きくバンドギャップが小さい半導体（上記半導体Ｙに相当する半導体）によって形成されている。第１材料層１は、ウェッティング層１ａ、及び、該ウェッティング層１ａと接続された量子ドット１ｂ、１ｂ、…を有し、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５とが直接接続されている。太陽電池１０において、第１材料層１、１、…はＩｎＮによって構成され、第２材料層２、２、…はｐドープされたＧａＮによって構成され、ホール移動層６は強くｐドープされたＡｌＧａＮによって構成されている。すなわち、太陽電池１０では、第１材料層１、１、…がｎ層に相当し、第２材料層２、２、…がｐ層に相当し、ホール移動層６がｐ＋層に相当する。太陽電池１０において、量子ドット１ｂ、１ｂ、…は、高さが１～１０ｎｍ程度、径が１０～１００ｎｍ程度である。
　太陽電池１０によれば、光を照射して積層体３に発生させた電子を、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めることができ、量子ドット１ｂ、１ｂ、…のフォノンボトルネック効果を得ることができる。ここで、量子ドット１ｂ、１ｂ、…と接続されているウェッティング層１ａ、１ａ、…は、厚さが極めて薄いため、量子効果が強く働く。そのため、ウェッティング層１ａ、１ａ、…には、半導体Ｙの伝導帯の底のエネルギーよりも高いエネルギーを有する電子のみが存在できる。したがって、太陽電池１０では、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めた電子のうち、ウェッティング層１ａ、１ａ、…へと移動可能なエネルギーを有する電子のみを、ウェッティング層１ａ、１ａ、…へと移動させることができる。さらに、太陽電池１０では、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５とが直接接続されている。そのため、太陽電池１０によれば、ウェッティング層１ａ、１ａ、…へと移動させた電子を、負電極５、５へと移動させることができる。すなわち、太陽電池１０によれば、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めた電子を、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を介して取り出すことができる。
　また、太陽電池１０に光を照射して発生させたホールは、第１材料層１、１、…から第２材料層２、２、…へと移動でき、第２材料層２、２、…から第１材料層１、１、…へと移動することもできる。ホール移動層６のｐドープによって誘起された電界によってホール移動層６へ向かって加速する力が働く。そのため、積層体３に存在するホールは、図１の紙面上方から下方へと移動でき、電子の通過を阻止可能なホール移動層６を経て正電極７へと達することができる。
　このように、太陽電池１０によれば、光を照射して積層体３に発生させた電子を、量子ドット１ｂ、１ｂ、…のフォノンボトルネック効果を得つつも、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を介して負電極５、５へと移動させることができ、積層体３に発生させたホールを、正電極７へと移動させることができる。したがって、本発明によれば、量子ドット１ｂ、１ｂ、…のフォノンボトルネック効果を得つつも電子を移動させて電流を取り出すことが可能な、太陽電池１０を提供することができる。
　太陽電池１０において、積層体３は、例えば以下の手順で作製することができる。すなわち、まず、ホール移動層６の表面に、第１材料層１を構成する半導体（上記半導体Ｙに相当する半導体）よりも格子定数が小さくバンドギャップが大きい半導体（上記半導体Ｘに相当する半導体）によって構成される第２材料層２を形成する。その後、形成した第２材料層２の表面に、ＳＫモードにより半導体（上記半導体Ｙに相当する半導体）をｎｍオーダーで蒸着することにより、ウェッティング層１ａ及び該ウェッティング層１ａに生成された量子ドット１ｂ、１ｂ、…を有する第１材料層１を形成する。このようにして第２材料層２及び第１材料層１をそれぞれ形成したら、その後は、第１材料層１の表面に第２材料層２を形成し、さらに第２材料層２の表面に第１材料層１を形成する過程を繰り返すことにより、積層体３を作製することができる。そして、積層体３を作製したら、例えば、積層体３の表面を適切なマスクをしてエッチングする、又は、電子ビームやイオンビーム加工その他の手法で研削することによって凹部４、４を形成し、形成された凹部４、４に負電極５、５を構成する材料（例えば、透明電極を構成し得る材料等。以下において同じ。）を蒸着する。かかる工程を経て太陽電池１０を製造することにより、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５とを直接接続させることができる。
　２．第２実施形態
  図３は、第２実施形態にかかる本発明の太陽電池２０の形態例を示す断面図である。図３では、太陽電池２０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図３では、一部符号の記載を省略している。図３において、図１に示す太陽電池１０と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
　図３に示すように、太陽電池２０は、複数の第１材料層１、１、…、及び、複数の第２材料層２、２、…を有する積層体３と、積層体３の凹部４、４に配置された電子移動層８、８及び負電極５、５と、積層体３の下方に第２材料層２と接触するように配置されたホール移動層６と、ホール移動層６の下方にホール移動層６と接触するように配置された正電極７と、を有している。第１材料層１は、ウェッティング層１ａ、及び、該ウェッティング層１ａと接続された量子ドット１ｂ、１ｂ、…を有している。そして、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５との間に、電子移動層８、８が配置され、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５とは、電子移動層８、８を介して接続されている。太陽電池２０において、第１材料層１、１、…はＩｎＮによって構成され、第２材料層２、２、…はｐドープされたＧａＮによって構成されている。さらに、太陽電池２０において、電子移動層８、８はｎドープされたＧａＮによって構成され、ホール移動層６は強くｐドープされたＡｌＧａＮによって構成されている。すなわち、太陽電池２０では、第１材料層１、１、…がｎ層に相当し、第２材料層２、２、…がｐ層に相当し、電子移動層８、８がｎ＋層に相当し、ホール移動層６がｐ＋層に相当する。太陽電池２０において、量子ドット１ｂ、１ｂ、…は、高さが１～１０ｎｍ程度、径が１０～１００ｎｍ程度である。
　図４は、太陽電池２０のバンド構造を簡略化して示す概念図である。図４の上下はエネルギーの高低とそれぞれ対応しており、図４の左右は、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を除いて、太陽電池２０の各構成要素の厚さと対応している。また、図４の「●」は電子、「○」はホールである。
　図４に示すように、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位は、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高い。さらに、第２材料層２、２、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。そして、太陽電池２０に生じている内部電界の影響により、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位及び価電子帯の頂上のエネルギー準位は傾斜しており、第２材料層２、２、…のｐドープによって生じたホールが量子ドットに捕らえられ、そのホールの正電荷によるクーロンエネルギーにより、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位及び価電子帯の頂上のエネルギー準位は下に凸の形態で湾曲している。また、図４に示すように、ウェッティング層１ａ、１ａ、…の伝導帯の底のエネルギー準位は、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも低く、かつ、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高い。そのため、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に存在する電子のうち、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位と同程度のエネルギーを有する電子は、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に存在する高エネルギーの電子からエネルギーを受け取ってエネルギーを増大させることで、ウェッティング層１ａ、１ａ、…への移動が可能になる。かかる形態とすることで、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めたキャリア（太陽電池２０では電子）のエネルギー損失を抑制することができるので、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を介してキャリアを取り出す本発明の太陽電池２０によれば、熱として失われるエネルギーを抑制することができる。
　また、図４に示すように、電子移動層８の伝導帯の底のエネルギー準位は、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも低く、かつ、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高い。さらに、電子移動層８の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、第２材料層２、２、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。さらに、ｎドープの影響により、電子移動層８の伝導帯の底のエネルギー準位及び価電子帯の頂上のエネルギー準位は、下に凸の形態で湾曲している。これは、以下のように説明することができる。すなわち、電子移動層８の強いｎドープによって生成された多数の電子が、電子移動層８から逸脱してウェッティング層１ａ、１ａ、…に捕らえられることによって、電子移動層８は電子を失う。その結果、電子移動層８は正に帯電し、帯電によるクーロンエネルギーによって、伝導帯の底のエネルギー準位は下に凸の形態で湾曲し、その最下部はウェッティング層１ａ、１ａ、…のエネルギー準位の底に到達する。このように、太陽電池２０では、電子移動層８の価電子帯の頂上のエネルギー準位を下に凸の形態で湾曲させることにより、積層体３に存在するホールが電子移動層８を通過できない構成としている。加えて、太陽電池２０では、強くｎドープして電子移動層８を作製することにより、ウェッティング層１ａと電子移動層８との界面に存在するエネルギー障壁８ａ、及び、電子移動層８と負電極５との界面に存在するエネルギー障壁８ｂの厚さを薄くしている。かかる形態とすることにより、太陽電池２０では、トンネル効果によって電子がエネルギー障壁８ａ、８ｂを通過できる構成としている。
　また、図４に示すように、ホール移動層６の伝導帯の底のエネルギー準位は、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高く、ホール移動層６の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、第２材料層２、２、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位よりも低い。そして、ｐドープの影響により、ホール移動層６の伝導帯の底のエネルギー準位及び価電子帯の頂上のエネルギー準位は、上に凸の形態で湾曲している。太陽電池２０では、ホール移動層６の伝導帯の底のエネルギー準位を上に凸の形態で湾曲させることにより、積層体３に存在する電子がホール移動層６を通過できない構成としている。加えて、太陽電池２０では、強くｐドープしてホール移動層６を作製することにより、第２材料層２とホール移動層６との界面に存在するエネルギー障壁６ａ、及び、ホール移動層６と正電極７との界面に存在するエネルギー障壁６ｂの厚さを薄くしている。かかる形態とすることにより、太陽電池２０では、エネルギー障壁６ａ、６ｂが十分に薄いことにより容易に起こるトンネル効果によってホールがエネルギー障壁６ａ、６ｂを通過できる構成としている。
　このように、太陽電池２０によれば、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めた電子を、ウェッティング層１ａ、１ａ、…及び電子移動層８、８を介して、負電極５、５へと移動させることができる。そして、電子移動層８、８、…が備えられる形態とすることにより、ホールが負電極５、５へと達する事態を確実に防止することができる。したがって、かかる形態とすることにより、本発明によれば、太陽電池１０により得られる効果に加えて、さらに、負電極５、５へと達する電子の量を増大させることが可能という効果を奏する、太陽電池２０を提供することができる。
　太陽電池２０において、電子移動層８、８は、例えば、太陽電池１０と同様の方法により形成した凹部４、４の表面へ、ｎドープされたＧａＮを蒸着することにより作製することができる。そして、太陽電池２０における負電極５、５は、このようにして作製した電子移動層８、８の表面へ、負電極５、５を構成する材料を蒸着することにより、作製することができる。かかる工程を経て太陽電池２０を製造することにより、電子移動層８、８を介して、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５、５とを接続することができる。
　太陽電池２０に関する上記説明では、電子移動層８、８とウェッティング層１ａ、１ａ、…とが直接接続される形態を例示したが、本発明の太陽電池は当該形態に限定されるものではない。電子移動層とウェッティング層とは、複数の電子の相互作用を活発化させる電子混合層を介して接続されていても良い。電子移動層とウェッティング層との間に電子混合層を介在させる場合、電子混合層は、その伝導帯の底のエネルギー準位を、第２材料層２、２、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも低く、量子ドット１ｂ、１ｂ、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりも高く、かつ、ウェッティング層１ａ、１ａ、…の伝導帯の底のエネルギー準位よりもわずかに低くする。かかる形態とすることにより、量子ドット１ｂ、１ｂ、…からウェッティング層１ａ、１ａ、…へと移動させた電子を、さらに、電子混合層へと移動させることができる。そして、電子混合層へと移動させた複数の電子を衝突させることにより、電子の相互作用を活発化させることができる。また、電子混合層の価電子帯の頂上のエネルギー準位は、例えば、第２材料層２、２、…の価電子帯の頂上のエネルギー準位と同程度とし、ｎドープにより正に帯電した形態の電子混合層を用いることにより、電子混合層の伝導帯の底のエネルギー準位及び価電子帯の頂上のエネルギー準位を下に凸の形態で湾曲させた形態とすることができる。このような電子混合層は、例えば、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．８）によって構成することができる。
　本発明の太陽電池１０、２０に関する上記説明では、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５とが接続され、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と正電極７とが接続されない形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池は、ウェッティング層と正電極とが接続され、ウェッティング層と負電極とが接続されない形態とすることも可能である。この場合、ウェッティング層と正電極との間には、電子の通過を阻止可能なホール移動層を配置することができ、ホール移動層とウェッティング層との間には、複数のホールの相互作用を活発化させるホール混合層を配置することが好ましい。
　さらに、本発明の太陽電池は、ウェッティング層と負電極又は正電極とが接続される形態に限定されるものではなく、ウェッティング層と負電極及び正電極とが接続された形態とすることも可能である。そこで、以下に、ウェッティング層と負電極及び正電極とが接続される形態の、本発明の太陽電池について、具体的に説明する。
　３．第３実施形態
  図５は、第３実施形態にかかる本発明の太陽電池３０の形態例を示す断面図である。図５では、太陽電池３０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図５では、一部符号の記載を省略している。図５において、図１に示す太陽電池１０と同様の構成を採るものには、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
　図５に示すように、太陽電池３０は、複数の第１材料層１、１、…、及び、複数の第２材料層２、２、…を有する積層体３と、積層体３の一方の凹部４に配置された電子移動層８及び負電極５と、積層体３の他方の凹部４に配置されたホール移動層３１及び正電極３２と、を有している。第１材料層１は、ウェッティング層１ａ、及び、該ウェッティング層１ａと接続された量子ドット１ｂ、１ｂ、…を有している。そして、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５との間に電子移動層８が配置され、かつ、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と正電極３２との間にホール移動層３１が配置されている。そのため、太陽電池３０において、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５とは、電子移動層８を介して接続され、かつ、複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…と正電極３２とは、ホール移動層３１を介して接続されている。太陽電池３０において、第１材料層１、１、…はＩｎＮによって構成され、第２材料層２、２、…はｐドープされたＧａＮによって構成されている。さらに、太陽電池３０において、電子移動層８はｎドープされたＧａＮによって構成され、ホール移動層３１は強くｐドープされたＡｌＧａＮによって構成されている。すなわち、太陽電池３０では、第１材料層１、１、…がｎ層に相当し、第２材料層２、２、…がｐ層に相当し、電子移動層８がｎ＋層に相当し、ホール移動層３１がｐ＋層に相当する。なお、太陽電池３０において、量子ドット１ｂ、１ｂ、…は、高さが１～１０ｎｍ程度、径が１０～１００ｎｍ程度である。
　このように、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５及び正電極３２とが接続される形態であっても、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５との間に電子移動層８を配置し、かつ、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と正電極３２との間にホール移動層３１を配置することにより、積層体３に存在する電子のみを負電極５へと移動させ、積層体３に存在するホールのみを正電極３２へと移動させることができる。すなわち、太陽電池３０によれば、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めた電子を、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を介して負電極５へと移動させることができる。加えて、太陽電池３０では、ホール移動層３１を介して、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と正電極３２とが接続される。そのため、太陽電池３０によれば、量子ドット１ｂ、１ｂ、…に閉じ込めたホールを、ウェッティング層１ａ、１ａ、…を介して正電極３２へと移動させることができる。したがって、本発明によれば、ウェッティング層１ａ、１ａ、…と負電極５及び正電極３２とがそれぞれ接続される形態とすることにより、量子ドット１ｂ、１ｂ、…のフォノンボトルネック効果を得つつも、電子及びホールを負電極５又は正電極３２へとそれぞれ移動させて電流を取り出すことが可能な、太陽電池３０を提供することができる。
　太陽電池３０は、例えば、太陽電池１０と同様の手順により、凹部４、４を有する積層体３を作製した後、一方の凹部４に、ｎドープされたＧａＮを蒸着することにより電子移動層８を形成し、形成した電子移動層８の表面に負電極５を構成する材料を蒸着する。かかる工程を経ることにより、電子移動層８を介して、負電極５と複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…とを接続することができる。さらに、他方の凹部４に、強くｐドープされたＡｌＧａＮを蒸着することによりホール移動層３１を形成し、形成したホール移動層３１の表面に正電極３２を構成する材料（例えば、透明電極を構成し得る材料等。）を蒸着する工程を経ることにより、ホール移動層３１を介して、正電極３２と複数のウェッティング層１ａ、１ａ、…とを接続することができる。
　本発明の太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、ホール移動層６又はホール移動層３１が強くｐドープされたＡｌＧａＮによって構成される形態を例示したが、本発明の太陽電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池に備えられるホール移動層は、強くｐドープされたＧａＮ等、他の材料によって構成することも可能である。
　また、本発明の太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、凹部４の開口部の間隔が狭く、深さが深い（例えば、数百ｎｍ程度）形態を図示したが、本発明の太陽電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池に備えられる凹部は、開口部の間隔が広く、深さが浅い（例えば、数μｍ程度以上）形態とすることも可能である。
　また、本発明の太陽電池１０、２０、３０に関する上記説明では、略水平に配置された負電極５や正電極７又は正電極３２と、略水平に形成された第１材料層１、１、…及び第２材料層２、２、…を有する積層体３とを有する形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。そこで、以下に、水平面に対して傾斜するように形成された第１材料層及び第２材料層と、略水平に配置された負電極及び正電極を有する形態の、本発明の太陽電池について、具体的に説明する。
　４．第４実施形態
  図６は、第４実施形態にかかる本発明の太陽電池４０の形態例を示す断面図である。図６では、太陽電池４０の一部のみを抽出し、拡大して示している。また、図６では、一部符号の記載を省略している。
　図６に示すように、太陽電池４０は、水平面に対して傾斜するように形成された複数の第１材料層４１、４１、…、及び、複数の第２材料層４２、４２、…を有する積層体４３と、積層体４３の上面に積層体４３と接触するように略水平に配置された電子移動層４４と、電子移動層４４の上面に電子移動層４４と接触するように略水平に配置された負電極４５と、積層体４３の下面に積層体４３と接触するように略水平に配置されたホール移動層４６と、ホール移動層４６の下面にホール移動層４６と接触するように略水平に配置された正電極４７と、を有している。第１材料層４１は、水平面に対して傾斜するように形成されたウェッティング層４１ａ、及び、該ウェッティング層４１ａと接続された量子ドット４１ｂ、４１ｂ、…を有している。太陽電池４０において、第１材料層４１、４１、…はＩｎＡｓによって構成され、第２材料層４２、４２、…はｐドープされたＧａＡｓによって構成されている。さらに、太陽電池４０において、電子移動層４４はｎドープされたＧａＡｓによって構成され、ホール移動層４６は強くｐドープされたＧａＡｓによって構成されている。すなわち、太陽電池４０では、第１材料層４１、４１、…がｎ層に相当し、第２材料層４２、４２、…がｐ層に相当し、電子移動層４４がｎ＋層に相当し、ホール移動層４６がｐ＋層に相当する。なお、太陽電池４０において、量子ドット４１ｂ、４１ｂ、…は、高さが１～１０ｎｍ程度、径が１０～１００ｎｍ程度である。
　このように、太陽電池４０は、水平面に対して傾斜するように形成された複数のウェッティング層４１ａ、４１ａ、…と、略水平に配置された負電極４５とが、電子移動層４４を介して接続されており、水平面に対して傾斜するように形成された複数のウェッティング層４１ａ、４１ａ、…と、略水平に配置された正電極４７とが、ホール移動層４６を介して接続されている。かかる形態とすることにより、太陽電池４０によれば、凹部を形成することなく、複数のウェッティング層と負電極及び正電極とを接続することができる。したがって、かかる形態とすることにより、太陽電池３０により得られる効果に加えて、さらに、生産性を向上させることが可能という効果を奏する、太陽電池４０を提供することができる。
　図７は、太陽電池４０の製造工程に含まれる一工程の形態例を示す図である。図７では、水平面に対して傾斜するように形成される積層体４３を作製する工程、及び、積層体４３の上面に電子移動層４４を形成する工程の一部を簡略化して示している。また、図７では、一部符号の記載を省略している。
  図７に示すように、積層体４３を作製するには、例えば、まず、所定の基板の上に、強くｐドープされたＧａＡｓによって構成される層４８（ホール移動層４６に相当する層。以下において同じ。）を作製する。その後、層４８を載せた台を、図７の紙面左側から右側へと移動させながら、ｐドープされたＧａＡｓを蒸着することにより、上面が水平面に対して傾斜している層４９（第２材料層４２に相当する層。以下において同じ。）を作製する。このようにして、上面が水平面に対して傾斜している層４９を作製したら、層４９及び層４８等を載せた台を、図７の紙面左側から右側へと移動させながら、ＩｎＡｓを蒸着することにより、水平面に対して傾斜している層５０（第１材料層４１に相当する層。以下において同じ。）を作製する。これ以降は、層５０の表面に、上面が水平面に対して傾斜している層４９を作製し、当該層４９の表面に、上面が水平面に対して傾斜している層５０を作製する工程を繰り返すことにより、複数の層４９及び複数の層５０を有する積層体（以下において、「積層体Ｚ」という。）を作製することができる。このようにして、積層体Ｚを作製したら、当該積層体Ｚを所定の大きさへと切断することにより、ＩｎＡｓによって構成されるウェッティング層４１ａ及び量子ドット４１ｂ、４１ｂ、…を有する第１材料層４１、並びに、ｐドープされたＧａＡｓによって構成される第２材料層４２をそれぞれ複数備える積層体４３を作製することができる。一方、電子移動層４４を作製するには、図７に示すように、例えば、積層体Ｚの作製が完了する前に、積層体Ｚの上面へ、ｎドープされたＧａＡｓを蒸着すれば良い。また、負電極４５は、作製した電子移動層４４の上面に負電極４５を構成する材料（例えば、透明電極を構成し得る材料等。）を蒸着することにより、作製することができる。また、正電極４７は、積層体４３が作製されるべきホール移動層４６の面とは反対側の面に、正電極４７を構成する材料（例えば、透明電極を構成し得る材料等。）を蒸着することにより、作製することができる。かかる工程を経て太陽電池４０を製造することにより、水平面に対して傾斜するように形成された複数のウェッティング層４１ａ、４１ａ、…と、負電極４５及び正電極４７とを、それぞれ、電子移動層４４及びホール移動層４６を介して接続することができる。
　太陽電池４０に関する上記説明では、ＩｎＡｓによって構成される第１材料層４１、４１、…、及び、ｐドープされたＧａＡｓによって構成される第２材料層４２、４２、…が備えられる形態を例示したが、第１材料層４１及び第２材料層４２を構成し得る材料は、これらに限定されるものではない。第１材料層４１は、例えばＩｎＮによって構成することも可能であり、この場合、第２材料層４２はｐドープされたＧａＮによって構成することができる。第２材料層４２がｐドープされたＧａＮによって構成される場合、当該第２材料層４２は、例えば、サファイア基板の表面にｐドープされたＧａＮによって構成される層を形成した後、当該層が配置されたサファイア基板を移動させながら、ｐドープされたＧａＮを蒸着することにより、水平面に対して傾斜した第２材料層４２を作製することができる。
　本発明の太陽電池３０、４０に関する上記説明では、ウェッティング層１ａ又はウェッティング層４１ａと負電極５又は負電極４５との間に電子移動層８又は電子移動層４４が配置され、ウェッティング層１ａ又はウェッティング層４１ａと正電極３２又は正電極４７との間にホール移動層３１又はホール移動層４６が配置される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。ウェッティング層と負電極との間には、さらに、電子の相互作用を活発化させる電子混合層を配置することが好ましい。加えて、ウェッティング層と正電極との間には、さらに、ホールの相互作用を活発化させるホール混合層を配置することが好ましい。
　本発明の太陽電池１０、２０、３０、４０に関する上記説明では、複数の第１材料層１又は第１材料層４１、及び、複数の第２材料層２又は第２材料層４２が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の太陽電池は、第１材料層及び第２材料層が、それぞれ１層ずつのみ備えられる形態とすることも可能である。ただし、第１材料層及び第２材料層を有する積層体へ、光が吸収されやすい形態とする等の観点からは、複数の第１材料層及び複数の第２材料層を有する形態とすることが好ましい。
　本発明の太陽電池において、第１材料層を構成する材料のバンドギャップと、第２材料層を構成する材料のバンドギャップとの差は、上記各効果を奏し得る範囲内において適宜選択することができる。第１材料層を構成する材料のバンドギャップと、第２材料層を構成する材料のバンドギャップとの差は大きくすることが好ましい。具体的には、１ｅＶ以上であることが好ましく、２．５ｅＶ以上であることがさらに好ましい。
　本発明の太陽電池は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。

Claims (13)

  1. ウェッティング層及び前記ウェッティング層に生成された量子ドットを有する第１材料層と、前記第１材料層が表面に形成される第２材料層と、負電極及び正電極とを具備し、
    　前記負電極又は前記正電極と前記ウェッティング層とが接続され、
    　前記負電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、前記ウェッティング層に存在する電子が前記負電極へと移動可能なように接続され、
    　前記正電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、前記ウェッティング層に存在するホールが前記正電極へと移動可能なように接続されることを特徴とする、太陽電池。
  2. 前記負電極又は前記正電極と前記ウェッティング層とが、直接接続されていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の量子ドット太陽電池。
  3. 前記負電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して接続され、
    　前記正電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して接続されることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の太陽電池。
  4. 前記電子移動層と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記電子の相互作用を活発化させる電子混合層を介して接続され、
    　前記ホール移動層と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記ホールの相互作用を活発化させるホール混合層を介して接続されることを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の太陽電池。
  5. 前記第１材料層及び前記第２材料層がそれぞれ複数備えられるとともに、前記第１材料層と前記第２材料層とが交互に積層され、
    　前記負電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記ウェッティング層の各々に存在する前記電子が前記負電極へと移動可能なように、前記負電極と複数の前記ウェッティング層とが接続され、
    　前記正電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記ウェッティング層の各々に存在する前記ホールが前記正電極へと移動可能なように、前記正電極と複数の前記ウェッティング層とが接続されていることを特徴とする、請求の範囲第１項～第４項のいずれか１項に記載の太陽電池。
  6. 複数の前記第１材料層及び複数の前記第２材料層を有する積層体が凹部を具備し、
    　前記負電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記ウェッティング層の各々に存在する前記電子が前記負電極へと移動可能なように、前記凹部に配置された前記負電極と複数の前記ウェッティング層とが接続され、
    　前記正電極と前記ウェッティング層とが接続される場合には、複数の前記ウェッティング層の各々に存在する前記ホールが前記正電極へと移動可能なように、前記凹部に配置された前記正電極と複数の前記ウェッティング層とが接続されていることを特徴とする、請求の範囲第５項に記載の太陽電池。
  7. ウェッティング層及び前記ウェッティング層に生成された量子ドットを有する第１材料層と、前記第１材料層が表面に形成される第２材料層と、正電極及び負電極とを具備し、
    　前記負電極と前記ウェッティング層とが、ホールの通過を阻止可能な電子移動層を介して、前記ウェッティング層に存在する電子が前記負電極へと移動可能なように接続されるとともに、前記正電極と前記ウェッティング層とが、電子の通過を阻止可能なホール移動層を介して、前記ウェッティング層に存在するホールが前記正電極へと移動可能なように接続されていることを特徴とする、太陽電池。
  8. 前記電子移動層と前記ウェッティング層とが、複数の前記電子の相互作用を活発化させる電子混合層を介して接続されていることを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の太陽電池。
  9. 前記ホール移動層と前記ウェッティング層とが、複数の前記ホールの相互作用を活発化させるホール混合層を介して接続されていることを特徴とする、請求の範囲第７項又は第８項に記載の太陽電池。
  10. 前記第１材料層及び前記第２材料層が、水平面に対して傾斜するように形成され、
    　水平面に対して傾斜するように形成された前記ウェッティング層と略水平に配置された前記負電極とが、少なくとも前記電子移動層を介して接続され、
    　水平面に対して傾斜するように形成された前記ウェッティング層と略水平に配置された前記正電極とが、少なくとも前記ホール移動層を介して接続されていることを特徴とする、請求の範囲第７項～第９項のいずれか１項に記載の太陽電池。
  11. 前記第１材料層及び前記第２材料層がそれぞれ複数備えられるとともに、前記第１材料層と前記第２材料層とが交互に積層され、
    　前記負電極と複数の前記ウェッティング層とが、少なくとも前記電子移動層を介して接続され、
    　前記正電極と複数の前記ウェッティング層とが、少なくとも前記ホール移動層を介して接続されていることを特徴とする、請求の範囲第７項～第１０項のいずれか１項に記載の太陽電池。
  12. 複数の前記第１材料層及び複数の前記第２材料層を有する積層体が少なくとも２以上の凹部を具備し、
    　２以上の前記凹部の少なくとも１つに配置された前記負電極と複数の前記ウェッティング層とが、少なくとも前記電子移動層を介して接続され、
    　２以上の前記凹部の少なくとも１つに配置された前記正電極と複数の前記ウェッティング層とが、少なくとも前記ホール移動層を介して接続されていることを特徴とする、請求の範囲第１１項に記載の太陽電池。
  13. 前記第１材料層のバンドギャップと前記第２材料層のバンドギャップとの差が、１ｅＶ以上であることを特徴とする、請求の範囲第１項～第１２項のいずれか１項に記載の太陽電池。
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