WO2013069740A1

WO2013069740A1 - 太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置

Info

Publication number: WO2013069740A1
Application number: PCT/JP2012/079012
Authority: WO
Inventors: 博昭重田; 宮西　晋太郎; 小川　裕之; 秀次川森; 野田　進; 誠之冨士田; 田中　良典
Original assignee: シャープ株式会社; 国立大学法人京都大学
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2013-05-16
Also published as: JP6037288B2; JPWO2013069740A1

Abstract

　太陽電池（１）は、光入射側の第１の透明導電膜（１１）の表面上に設けられたフォトニック結晶構造（３０）と、上記フォトニック結晶構造（３０）の凹凸に沿って形成された光電変換層（２０）とを備え、上記第１の透明導電膜（１１）および上記フォトニック結晶構造（３０）は、上記光電変換層（２０）よりも屈折率が小さい。

Description

太陽電池、フォトニック結晶基板、太陽電池パネルおよび太陽電池を備えた装置

　本発明は、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池の技術に関するものである。

　現在、例えば、太陽電池または光センサなどに、入射光を光電変換することで電気信号に変換する光電変換素子が一般的に用いられている。このような光電変換素子には半導体が用いられており、半導体のバンドギャップ（価電子帯と伝導帯のエネルギー差）を越えるエネルギーを持った電磁波（光）が入射したとき、半導体において電子が、価電子帯から伝導帯へ励起され、光電変換が発生する。

　半導体による光電変換素子として、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた、いわゆるｐｉｎ型太陽電池がある。

　ｐｉｎ型太陽電池は、入射した光と半導体の格子構造との相互作用によって、真性半導体層で電子および正孔が生成され、効率良く電流を取り出すことができるので、太陽電池の用途に適している。また、各層が太陽電池の表面と平行に積層された縦型構造であることは、太陽電池の占有面積を小さくするのに有利である。

　さて、各半導体は、それぞれの持つバンド構造およびバンドギャップによって、光を吸収する波長が異なる。

　例えば、アモルファスシリコン半導体（ａ‐Ｓｉ）では、波長７００ｎｍ程度以下に吸収があることが一般的に知られている(光の吸収端が７００ｎｍ付近にある)。吸収端より短波長の電磁波（光）では、光起電力材料において光の吸収があるため、光起電力材料では光電変換が発生する。また、加工方法や製造方法の改善により、現在では、８２０ｎｍ程度まで光吸収が起こせるようになっており、波長７００ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域でも光起電力の発生が期待できる。

　アモルファスシリコン半導体の場合、波長約５２０ｎｍを吸収のピークとして、波長が５２０ｎｍ付近から、吸収端の波長である８２０ｎｍの方へ大きくなるとともに、吸収率が低下する。これは、吸収ピークから半導体の吸収端にかけての波長域では、光と電子との相互作用が弱くなるため、吸収端側の波長の光は半導体を透過しやすくなるためである。したがって、半導体の吸収端近傍では光電変換効率が悪くなる。なお、吸収ピークから短波長側の吸収端にかけての波長の光でも同様である。

　半導体の吸収端近傍における光吸収率を増加させるには、半導体を厚膜化する必要がある。しかしながら、半導体の厚膜化はコストの増加等を招き、不利である。

　そこで、光電変換層を厚膜化することなく、光の吸収量を増加させるためのさまざまな技術が開発されている。

　[特許文献１：散乱効果を有する太陽電池]
　図２８に示すように、特開昭６３－３１３８７４号公報には、光の吸収量の増大を図った太陽電池用基板１０００が開示されている。具体的には、ガラス基板１０１０上に多数の凸部を有する透明電導膜１０２０を形成する。この透明電導膜１０２０の表面の凹凸により、入射光が半導体層と上記透明電導膜１０２０との界面で散乱されるので、半導体層内での多重反射および屈折が起こる。その結果、光路長が延伸して、光の吸収量が増大することが、同公報では述べられている。

　[特許文献２：共振効果を利用した光の吸収]
　図２９に示すように、特開２００２－３６８２４４号公報には、太陽電池本体２０００に含まれる透明電極２０１０の表面上に、誘電体で形成された複数の誘電体アンテナ２０２０を突出して設ける技術が開示されている。太陽から照射される電磁波を上記誘電体アンテナ２０２０によって受信して、太陽電池本体２０００の半導体光電層２０３０に供給することで、太陽光を効率よく発電電力として出力することが述べられている。

　[特許文献３：タンデム構造太陽電池]
　２層以上の光電変換層を有する構造の太陽電池は、タンデム構造太陽電池あるいはタンデム型太陽電池と呼称されている。

　特開２００５－２１７０４１号公報には、バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層を有し、上記２層の半導体層の間に光透過性絶縁層が形成された、タンデム構造太陽電池が開示されている。このような構成において、２層の半導体層のバンドギャップを異ならせることで、光吸収の強く起こる波長をずらし、広い波長範囲で光吸収が起こるようになっている。

　[特許文献４：ブラッグ反射による光吸収率の増加]
　媒質および誘電率の異なる周期構造が、光の波長と同程度の周期で媒質内に形成されたものを、フォトニック結晶という。

　特開２００６－２４４９５号公報には、フォトニック結晶からなる周期構造を有し、該周期構造に起因したブラッグ反射に基づく光閉込め効果を有する光電変換層を備えた光電変換素子が記載されている。

日本国公開特許公報「特開昭６３－３１３８７４号公報（１９８８年１２月２１日公開）」日本国公開特許公報「特開２００２－３６８２４４号公報（２００２年１２月２０日公開）」日本国公開特許公報「特開２００５－２１７０４１号公報（２００５年８月１１日公開）」日本国公開特許公報「特開２００６－２４４９５号公報（２００６年１月２６日公開）」

　上記のように、特許文献１および２に開示された太陽電池では、光電変換層内を進行する光の光路長を長くしたり、光電変換層に取り込まれる光量を増やしたりすることによって、光電変換層の光吸収率を高めている。しかし、光電変換層による光吸収率が本来低い光の波長領域では光吸収率が低いことは変わらないため、光の変換効率向上に強い制限がある。

　また、特許文献２では特に、アンテナで受信された光は光電変換層へ垂直に入射することから、光電変換層に光を斜めに入射させる場合と比べて光の吸収率は小さくなるという問題がある。

　特許文献３においても、バンドギャップの異なる半導体層を積層することで、１層の半導体層を有する太陽電池と比べると、光吸収の大きい波長領域を拡大しているが、やはりそれぞれの層の半導体の吸収端付近では光吸収率が大変低くなり、これを改善するためには半導体を厚膜化させる必要がある。しかし、半導体の厚膜化は、材料のコストの増大などにつながり、好ましくない。

　特許文献４の問題点は、ブラッグ反射の起こる波長が、フォトニック結晶の構造周期で決定されるので、限られた反射条件（ブラッグ反射条件）を満たす波長の光のみにしか光閉じ込めの効果が生じないことである。

　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトニック結晶構造を備えた太陽電池の光の吸収率を高め、太陽電池の起電力を増大させることにある。

　本発明に係る太陽電池は、上記の課題を解決するために、
（１）光の入射側に設けられた透明基板と、
（２）上記透明基板上に形成された第１の透明導電膜と、
（３）上記第１透明導電膜の表面上に設けられ、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造と、
（４）上記フォトニック結晶構造の凹凸に沿って形成された、少なくとも１層の光電変換層と、
（５）上記第１透明導電膜および上記フォトニック結晶構造は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていることを特徴とする。

　（界面反射の低減効果）
　第１に、本発明の太陽電池の構成によれば、フォトニック結晶構造が、光の入射側に位置する第１の透明導電膜と光電変換層との境界に設けられている。これにより、透明基板に入射した光は、第１の透明導電膜を通過するだけで、フォトニック結晶構造に到達することができる。そして、第１の透明導電膜およびフォトニック結晶構造を形成する材料の屈折率は、光電変換層の屈折率よりも小さい。

　なお、第１の透明導電膜は、光電変換層で発生した電流を外部に取り出すための電極としての機能を有する導電性の膜である。

　従って、透明基板からフォトニック結晶構造に至るまでの間に、界面反射を引き起こす層の数が最小限になっているので、上記境界に第１の透明導電膜側から入射した光の界面反射を最小限に抑えることができる。

　従って、本発明の太陽電池は、太陽電池内での界面反射を低減させ、光電変換層での光吸収を増加させることができる。

　例えば、透明導電膜の屈折率が２で、光電変換層の屈折率が４、フォトニック結晶構造の屈折率が２であるとする。

　この場合、屈折率２の第１の透明導電膜側から進行してフォトニック結晶との境界へ至った光は、フォトニック結晶構造と光電変換層との組み合わせが示す実効屈折率（等価屈折率）に従って、界面反射もしくは屈折する。

　このとき、フォトニック結晶構造は、屈折率が２であるので、その実効屈折率は、光電変換層の屈折率４よりも小さく、第１の透明導電膜の屈折率２よりも大きなものとなる。

　その結果、フォトニック結晶構造がない場合（屈折率２の第１の透明導電膜と屈折率４の光電変換層とが界面を持つ場合）と比較して、界面反射が低減されることになる。なぜならば、一般的に、第１の媒質から第２の媒質へ光が入射する場合、第１の媒質の屈折率と第２の媒質の屈折率との差が小さいほど、反射率は小さくなるためである。

　（光閉じ込め効果）
　第２に、上記の構成によれば、第１の透明導電膜の表面に、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造が設けられている。

　フォトニック結晶構造とは、光の波長程度の大きさの格子定数をもってそれぞれの格子点に構造体が配置された、周期構造のことである。

　フォトニック結晶構造は、その周期によって、特定の波長の光と相互作用し、該特定波長の光を共振させることができる。

　さらに、上記光電変換層は上記フォトニック結晶構造の凹凸に沿って形成されるため、フォトニック結晶構造の凹凸が、フォトニック結晶構造と光電変換層との界面において、光電変換層に転写される。従って、光電変換層もフォトニック結晶構造と同じ周期構造を有することになる。

　すると、特定波長の光が光電変換層内に進入したとき、該特定波長の光は、光電変換層の周期構造と共振を起こすことによって、光電変換層における光吸収が向上するので、光電変換される当該特定波長の光の量を増加させることができる。

　すなわち、フォトニック結晶構造が転写された周期構造を有する光電変換層を備えた太陽電池は、特定波長の光の吸収を高めることができ、しかもフォトニック結晶構造の格子定数を調節することによって、光電変換層の光吸収率が小さくなる波長域における光吸収率を、選択的に増大させることができる。

　言い換えれば、第１の透明導電膜上にフォトニック結晶構造が形成されていることによって、特定波長の光を共振させ、該特定波長の光を光電変換層内に閉じ込めるという光閉じ込め効果が生じる。

　そして、この光閉じ込め効果と、前述した界面反射低減の効果とによって、太陽電池の光の吸収率を高め、太陽電池の起電力を増大させることができる。

　本発明に係るフォトニック結晶基板は、上記の課題を解決するために、透明基板と、上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されていることを特徴とする。

　上記の構成によれば、上記凹凸を覆うように、少なくとも１層の光電変換層を形成することにより、既に説明したように、フォトニック結晶構造による光吸収率向上の効果と、界面反射低減の効果とによって、起電力を増大させた太陽電池を得ることができる。

　すなわち、上記フォトニック結晶基板を用いて、起電力を増大させた太陽電池を作製することができる。

　本発明に係る太陽電池パネルは、上記太陽電池のいずれかを１ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列されたことを特徴とする。

　これにより、光の吸収率が高い太陽電池が配列されているので、光電変換率の高い太陽電池パネルを得ることができる。

　上記太陽電池のいずれかを電源として備えた装置もまた、本発明の１つのカテゴリーである。そのような装置は、上記太陽電池を電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器、家電製品または広告塔などが含まれる。

　また、上記太陽電池パネルを電源として備えた装置もまた、本発明の１つのカテゴリーである。そのような装置は、上記太陽電池パネルを電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器または家電製品のほかに、車両または広告塔なども含まれる。

　なお、ある着目した請求項に記載された構成と、その他の請求項に記載された構成との組み合わせが、その着目した請求項で引用された請求項に記載された構成との組み合わせのみに限られることはなく、本発明の目的を達成できる限り、その着目した請求項で引用されていない請求項に記載された構成との組み合わせが可能である。

　本発明の太陽電池は、光の入射側に設けられた透明基板上の第１の透明導電膜の表面に、フォトニック結晶構造を形成し、上記第１の透明導電膜および上記フォトニック結晶構造を、光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成したので、従来の太陽電池、あるいは従来のフォトニック結晶構造を備えた太陽電池と比較して、より広い波長域の光を、より多く吸収する（光吸収率が高い）ことができる。

　その結果、太陽電池の光電変換率が上昇するという効果を奏する。

　また、本発明のフォトニック結晶基板は、透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜の表面に、フォトニック結晶構造を形成し、上記透明導電膜および上記フォトニック結晶構造を、光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成したので、上記フォトニック結晶基板を用いて、起電力を増大させた太陽電池を作製することができるという効果を奏する。

実施形態１の太陽電池の全体構成を概略的に示す断面図である。図１に示すフォトニック結晶構造の効果を示す説明図であり、（ａ）はフォトニック結晶構造による光の共振効果を示し、（ｂ）は光の閉じ込め効果を示している。実施形態１のフォトニック結晶構造の一例を示す図であり、（ａ）は構造体の二次元配置を示し、（ｂ）は、（ａ）中に示すＡ－Ｂ線における要部矢視断面を示し、（ｃ）は、（ａ）中に示すＣ－Ｄ線における要部矢視断面を示している。実施形態１のフォトニック結晶構造の他の例において、構造体の二次元配置を示す平面図である。図１の太陽電池において、Ｑ値およびＳ値を決定するパラメータを示す説明図である。アモルファスシリコン半導体（ａ－Ｓｉ）およびマイクロクリスタルシリコン半導体（μｃ－Ｓｉ）の光の波長に対する感度特性を示すグラフである。フォトニック結晶構造による共振状態を示すグラフであり、電磁界解析結果を示すグラフである。太陽電池に進入した光の様子を示す簡略図であり、（ａ）は図１の太陽電池の場合を示し、（ｂ）は、従来技術の太陽電池の場合を対比的に示している。太陽電池内に進入した光の界面反射の様子について、フォトニック結晶構造の形成位置の違いによる界面反射の違いを対比的に示す説明図である。単層の半導体層で構成された光電変換層を含む太陽電池の構成を示す模式的な断面図である。マイクロクリスタルシリコン半導体の光の波長に対する感度特性を示すグラフである。実施形態１の太陽電池の製造工程を順に示す説明図である。実施形態２の太陽電池の全体構成を概略的に示す断面図である。実施形態２のフォトニック結晶構造の一例を示す図であり、（ａ）は孔状の構造体の二次元配置を示し、（ｂ）は、（ａ）中に示すＡ－Ｂ線における要部矢視断面を示し、（ｃ）は、（ａ）中に示すＣ－Ｄ線における要部矢視断面を示している。実施形態２のフォトニック結晶構造の他の例において、構造体の二次元配置を示す平面図である。実施形態２の太陽電池において、単層の半導体層で構成された光電変換層を備えた変形例を示す模式的な断面図である。実施形態３の太陽電池の全体構成を概略的に示す断面図である。柱状の構造体によって２種類の周期構造を備えた実施形態３のフォトニック結晶構造を示す平面図である。図１８に示すフォトニック結晶構造を備えた加工済み基板の断面を示し、（ａ）は、図１８の（ａ）におけるＡ－Ｂ線矢視断面を示し、（ｂ）は、図１８の（ａ）におけるＣ－Ｄ線矢視断面を示し、（ｃ）は、図１８に示すフォトニック結晶構造が孔状の構造体で形成されている変形例において、上記Ａ－Ｂ線矢視断面を示し、（ｄ）は、その変形例における上記Ｃ－Ｄ線矢視断面を示している。図１７の太陽電池において、Ｑ値およびＳ値を決定するパラメータを示す説明図である。実施形態３の太陽電池の製造方法を順に示す説明図である。実施形態３の太陽電池の変形例を示す模式的断面図である。加工済み基板の他の例と、その加工済み基板を備えた太陽電池の製造工程を順に示す説明図である。実施形態４のフォトニック結晶構造の一例を示す図であり、（ａ）は、そのフォトニック結晶構造を備えた太陽電池を概略的に示し、（ｂ）は、そのフォトニック結晶構造を備えた加工済み基板を概略的に示し、（ｃ）は、円柱状の構造体の二次元配置を示している。実施形態４のフォトニック結晶構造の他の例を示す平面図である。実施形態４のフォトニック結晶構造のさらに他の例を示す平面図である。実施形態４のフォトニック結晶構造のさらに他の例を示す平面図である。従来の太陽電池の構成例を示す概略断面図である。従来の太陽電池の他の構成例を示す概略断面図である。

　本発明の実施の一形態について図１から図１２および図２３を参照して説明すれば、以下のとおりである。但し、この実施の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。

　〔実施形態１〕
　（太陽電池の構成）
　図１は、本実施形態の太陽電池１の全体構成を概略的に示す断面図である。

　太陽電池１は、透明基板１０と、上記透明基板１０の上に形成された第１の透明導電膜１１と、上記第１の透明導電膜１１の表面上に、複数の凸部を設けることによって形成されたフォトニック結晶構造３０と、上記フォトニック結晶構造３０の凹凸に沿って形成された半導体層２１とを備えている。

　なお、透明基板１０と、第１の透明導電膜１１と、フォトニック結晶構造３０とは、フォトニック結晶基板を構成している。

　上記複数の凸部のうちの１つの凸部を、フォトニック結晶構造３０の基本要素としての構造体３１と呼ぶ。一般に、フォトニック結晶構造とは、光の波長程度の大きさの格子定数をもってそれぞれの格子点に構造体が配置された、周期構造のことである。

　また、上記半導体層２１は、本発明に係る太陽電池が備えている「少なくとも１層の光電変換層」に相当する。半導体層２１は、フォトニック結晶構造３０の凹凸に沿って、すなわち隣接して形成されているので、半導体層２１とフォトニック結晶構造３０との界面では、半導体層２１に、フォトニック結晶構造３０の凹凸形状を反転させた凹凸形状が形成されている。

　さらに付言すれば、フォトニック結晶構造３０が、第１の透明導電膜１１の表面に上記構造体３１を設けることによって構成されている場合、構造体３１の周囲は、半導体層２１の材料によって埋められている。

　本実施形態の太陽電池１は、上記光電変換層として、吸収する光の主な波長域が半導体層２１とは異なる半導体層２２を備え、いわゆるタンデム型の太陽電池として構成されている。

　半導体層２１と半導体層２２とは、光が太陽電池１へ入射する側（透明基板１０側）からこの順番で形成され、全体として光電変換層２０を構成している。

　第１の透明導電膜１１およびフォトニック結晶構造３０を形成する材料の屈折率は、後述するように、半導体層２１の屈折率よりも小さい。

　上記光電変換層２０に第２の透明導電膜１２が積層され、第２の透明導電膜１２を金属電極層１４が覆っている。

　なお、各透明導電膜１１，１２は、光電変換層２０で発生した電流を外部に取り出す機能を有する導電性の膜である。

　上記の構成によれば、透明基板１０は光が太陽電池１へ入射する側の最前面に配され、また金属電極層１４は光が太陽電池１に入射する側とは反対側の最後面に配されている。光電変換層２０は、透明導電膜１１，１２によって挟まれ、金属電極層１４および第１の透明導電膜１１を外部抵抗で接続することで、電気信号を外部に出力することができる。

　（界面反射の低減効果）
　第１に、太陽電池１の構成によれば、フォトニック結晶構造３０が、光の入射側に位置する第１の透明導電膜１１と光電変換層２０との境界に設けられている。これにより、透明基板１０に入射した光は、第１の透明導電膜１１を通過するだけで、フォトニック結晶構造３０に到達することができる。

　従って、透明基板１０からフォトニック結晶構造３０に至るまでの間に、界面反射を引き起こす層の数が最小限になっているので、上記境界に第１の透明導電膜１１側から入射した光の界面反射を最小限に抑えることができる。

　さらに、第１の透明導電膜１１およびフォトニック結晶構造３０を形成する材料の屈折率は、半導体層２１の屈折率よりも小さいので、フォトニック結晶構造３０の存在が、界面反射を一層抑えることになる。

　この理由は、フォトニック結晶構造の実効屈折率によって説明できる。例えば、透明導電膜の屈折率が２で、光電変換層の屈折率が４、フォトニック結晶構造の屈折率が２であるとする。

　この場合、屈折率２の第１の透明導電膜１１側から進行してフォトニック結晶構造３０との境界へ至った光は、フォトニック結晶構造３０と半導体層２１との組み合わせが示す実効屈折率（等価屈折率）に従って、界面反射もしくは屈折する。

　このとき、フォトニック結晶構造３０は、屈折率が２であるので、その実効屈折率は、半導体層２１の屈折率４よりも小さく、第１の透明導電膜１１の屈折率２よりも大きなものとなる。

　その結果、フォトニック結晶構造３０がない場合（屈折率２の第１の透明導電膜１１と屈折率４の半導体層２１とが界面を持つ場合）と比較して、屈折率の変化が緩和され、界面反射が低減されることになる。なぜならば、一般的に、第１の媒質から第２の媒質へ光が入射する場合、第１の媒質の屈折率と第２の媒質の屈折率との差が小さいほど、反射率は小さくなるためである。

　従って、太陽電池１は、太陽電池１内における界面反射を低減させ、光電変換層２０での光吸収を増加させることができる。

　（フォトニック結晶構造の効果）
　第２に、フォトニック結晶構造３０によって、光を光電変換層２０内に閉じ込めることができる結果、光電変換層２０による光吸収率を高める効果が得られる。

　図２は、図１に示すフォトニック結晶構造の効果を示す説明図であり、（ａ）はフォトニック結晶構造による光の共振効果を示し、（ｂ）は光の閉じ込め効果を示している。

　図２の（ａ）に示すように、フォトニック結晶構造３０は、その周期によって、特定の波長の光と相互作用し、該特定波長の光を共振させることができる。

　さらに、上記光電変換層２０の半導体層２１は、フォトニック結晶構造３０の凹凸に沿って、凸部と凸部との間の凹部を埋めるように形成されている。このため、フォトニック結晶構造３０の凹凸が、フォトニック結晶構造３０と半導体層２１との界面において、少なくとも半導体層２１に転写される。従って、半導体層２１もフォトニック結晶構造３０と同じ周期構造を有することになる。

　すると、特定波長の光が半導体層２１内に進入したとき、該特定波長の光は、半導体層２１の周期構造と共振を起こすことによって、半導体層２１における光吸収が向上するので、光電変換される当該特定波長の光の量を増加させることができる。

　すなわち、フォトニック結晶構造３０が転写された周期構造を有する半導体層２１を備えた太陽電池１は、特定波長の光の吸収を高めることができる。しかも、フォトニック結晶構造３０の格子定数（ピッチ）を調節することによって、半導体層２１の光吸収率が小さくなる波長域における光吸収率を、選択的に増大させることができる。

　言い換えれば、第１の透明導電膜１１上にフォトニック結晶構造３０が形成されていることによって、特定波長の光を共振させ、該特定波長の光を半導体層２１内に閉じ込めるという光閉じ込め効果が生じる。

　そして、この光閉じ込め効果と、前述した界面反射低減の効果とによって、太陽電池１の光の吸収率を高め、太陽電池１の起電力を増大させることができる。

　図２の（ｂ）は、光電変換層２０全体において得られるトータルの光閉じ込め効果を表している。トータルの光閉じ込め効果は、下記の(1)～(4)の効果の相乗効果によって得られる。

　(1)半導体層２１における光の共振による光閉じ込め効果、
　(2)半導体層２２にも、フォトニック結晶構造が転写されているため、半導体層２２における光の共振による光閉じ込め効果、
　(3)高屈折率の光電変換層２０が、低屈折率の２つの透明導電膜１１，１２で挟まれていることによる光ファイバーの原理に基づく光閉じ込め効果、
　(4)金属電極層１４が、光電変換層２０で光電変換されずに通り抜けた光を、再び光電変換層２０内へと戻すように反射する反射効果。

　なお、上記(2)の効果が得られるのは、半導体層２２にも、フォトニック結晶構造が転写されているからである。

　（太陽電池１の詳細な構成）
　以下では、太陽電池１を構成するそれぞれの要素について、その性質および材料などを詳細に説明する。

　透明基板１０は、例えばガラスを材料とする両表面が平坦な基板であり、できるだけ光吸収の小さな材料で形成されていることが望ましい。

　透明基板１０の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、太陽電池１の光入射側表面における多重反射を防ぐために、入射光の波長よりも十分（例えば光の波長の１０倍以上）大きな厚さとすることが望ましい。

　透明基板１０のガラス以外の材料として、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_Ｘなどの無機透明誘電体、あるいはポリカーボネート、アクリルなどの有機透明誘電体が挙げられる。

　第１の透明導電膜１１および第２の透明導電膜１２は、透明で、導電性を有しており、かつ屈折率が光電変換層２０よりも小さな材料で形成される。

　透明導電膜１１，１２は、例えば透明な導電体であるＳｎＯ_２を材料として形成されている。

　透明導電膜１１，１２の材料としては、ＳｎＯ_２の他にも、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ－Ｔｉｎ－Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯなどを選択することもできる。

　また、図１において説明したように、第１の透明導電膜１１と第２の透明導電膜１２とで、光電変換層２０を挟む構成となっており、光電変換層２０で得られた電流を、外部へと取り出せるようになっている。

　また、屈折率が小さい透明導電膜１１，１２（屈折率２程度）によって、屈折率が大きい光電変換層２０（屈折率４程度）を両側から挟む構成となっている。このため、前述したように、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理で、光電変換層２０から外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込める機能が得られる。この機能によって、未だ光電変換されていない光が何度も光電変換層２０内を往復することになるので、光電変換層２０による光の吸収率を向上させることができる。

　なお、第１の透明導電膜１１の厚みは、できるだけ薄い方が好ましい。なぜならば、膜の厚さが薄いほど光の吸収量が少なくなるので、入射光が光電変換層２０以外で吸収されることによる光電変換効率の損失を小さくすることができるからである。

　透明導電膜を、誘電体で形成された膜としてもよく、漏れ出ようとする光を閉じ込める効果を得ることはできる。ただし、この場合には、光電変換層２０から外部へと電流を取り出すための別構成を必要とする。

　第１の透明導電膜１１上には、透明で光電変換層２０よりも屈折率の小さい誘電体を材料とする構造体３１を周期的に配置することによって、フォトニック結晶構造３０が形成される。

　なお、上記構造体３１の材料となる透明な誘電体としては、光電変換層２０よりも、屈折率が小さい材料から選択することが好ましく、屈折率が０．４以上小さい材料から選択することがより好ましい。

　例えば、半導体層２１がアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）半導体層で構成され、半導体層２２がマイクロクリスタルシリコン（μｃ－Ｓｉ）半導体層で構成されるとする。どちらの材料も、屈折率は４程度なので、構造体３１の材料としては、透明で屈折率が１．４程度であるＳｉＯ_２を使用することができる。

　なお、構造体３１の材料となる誘電体としては、ＳｉＯ_２あるいはＳｉＮ_Ｘなどの無機透明誘電体のほかに、ポリカーボネート、アクリルなどの有機透明誘電体を使用することも可能である。

　金属電極層１４は、光電変換層２０の電極としての機能を有する金属でできた層である。金属電極層１４の材料としては、例えば、光反射率が高く、電気伝導度が大きなアルミニウム（Ａｌ）を使用することができる。

　金属電極層１４の材料を、アルミニウムのように光の反射率の大きなものとすることにより、金属電極層１４を、上記のように電極として機能させると共に、光の反射率の大きい金属反射層としても機能させることができる。すなわち、光電変換層２０内で光電変換されず、金属電極層１４側へと透過してきた光を、再び光電変換層２０へと反射させることができ、光の吸収率が高まる。さらに、金属電極層１４を太陽電池１の裏面の全面を覆うように形成すれば、光電変換層２０を透過した光を確実に反射することができ、光の吸収率をさらに高くすることができる。

　金属電極層１４の材料としては、アルミニウム同様に反射率の大きい物質である銀（Ａｇ）などを使用することもできる。

　図６に、光の波長に対する半導体層２１，２２の感度特性を示す。アモルファスシリコン半導体層は、短波長域の光をよく吸収するので、光入射側に近い半導体層２１には、短波長域の光に対する吸収向上の効果を持たせている。

　また、マイクロクリスタルシリコン半導体層は、長波長域の光をよく吸収するので、半導体層２２には、長波長域の光に対する吸収向上の効果を持たせている。

　さらに、フォトニック結晶構造３０は、半導体層２１および半導体層２２を備えた光電変換層２０自体の光吸収効果を増強するので、太陽電池１は、広い波長帯域の光の吸収効率を高めることができる。

　これにより、光電変換層２０の薄膜化が可能になるので、光電変換層２０のために使用する材料を減らし、プロセス時間を減らすことができ、結果として、太陽電池１のコストダウンを図ることができる。

　（半導体層に関する補足説明）
　それぞれの半導体層２１、２２は、真性半導体層（ｉ層）をｐ型半導体層とｎ型半導体層とで挟んだｐｉｎ縦型構造となっている。ｐｉｎ縦型構造は、光の入射側（透明基板１０側）から、正孔をドープしたｐ型半導体層、ｉ型半導体（真性半導体）層、電子をドープしたｎ型半導体層の順で積層することによって形成される。

　太陽電池１において、透明基板１０を通って光電変換層２０に入射した光は、主にｉ型半導体層において、光と半導体の格子との相互作用によって、電子と正孔とを発生させるとともに、電子を価電子帯から導電帯へと励起する。励起された電子は、第１および第２の透明導電層１１，１２を流れる電流となって、外部で電圧として取り出される。

　なお、光電変換層２０を構成する半導体層２１，２２の構造は、上記ｐｉｎ縦型構造に特に限定されるものではないが、ｐｉｎ縦型構造の特徴として、真性半導体層で生成された電子および正孔から、効率良く電流を取り出すことができるので、太陽電池１の用途に適している。また、縦型構造であることは太陽電池１の占有面積を小さくするのに有利である。

　（フォトニック結晶構造の具体例１）
　図１に示すフォトニック結晶構造３０は、第１の透明導電膜１１の表面上に所定のピッチで、複数の構造体３１を、例えば正方格子状に配列した構成である。したがって、図１に示すフォトニック結晶構造３０は、単一の周期構造を有している。

　これに対し、図３に、複数の周期構造を持ち、光の共振を、より多くの波長で起こすことができるフォトニック結晶構造３０ａを示す。フォトニック結晶構造３０ａを備えた太陽電池を、太陽電池１ａとする。

　図３の（ａ）は構造体３２，３３の二次元配置を示し、（ｂ）は、（ａ）中に示すＡ－Ｂ線における太陽電池１ａの要部矢視断面を示し、（ｃ）は、（ａ）中に示すＣ－Ｄ線における太陽電池１ａの要部矢視断面を示している。

　上記フォトニック結晶構造３０ａは、大きさの異なる２種類の構造体３２，３３が、上記第１の透明導電膜１１の表面を含む面方向に、異なる格子定数を持つように配置されている。構造体３２，３３は、どちらも第１の透明導電膜１１の面と垂直な中心軸を有する柱状である。

　構造体３２，３３を、第１の透明導電膜１１の表面を含む面によって切断した断面の形状は、図３の（ａ）に示すように、例えば、円形である。しかし、これに限らず、三角形、および後述する図４に示す四角形を含む多角形でもよい。

　また、構造体３２，３３の形状は、円柱状ではあっても、断面が真円でなくてもよく、楕円であってもかまわない。また、断面が多角形の柱状の場合には、多角形の頂点が円弧状、すなわち丸みを帯びていたり、辺が曲線的、すなわち側面が曲面になっていてもよい。さらに、構造体３２，３３の形状は、柱状でなくてもよく、例えば、第１の透明導電膜１１の表面に対して垂直方向に中心軸を有する角錐台または円錐台の形状などであってもよい。

　以下では、第１の透明導電膜１１の表面と平行な面における構造体３２，３３の断面を、単に「断面」と呼ぶ。これは実施形態２以降も同様とする。

　フォトニック結晶構造３０ａは、第１の径ｒを持つ構造体３３が、第１の格子定数ａで配列された第１の副構造と、第２の径Ｒを持つ構造体３２が、第２の格子定数Ａで、上記第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第２の副構造とを含んでいる。

　第２の径Ｒは、第１の径ｒより大きく（Ｒ＞ｒ）、第２の格子定数Ａは、第１の格子定数ａの例えば２倍（Ａ＝２ａ）に設定されている。この格子定数の条件では、図３の（ａ）（ｃ）に示すように、構造体３２，３３が、交互に並ぶ行列と、図３の（ａ）（ｂ）に示すように、相対的に小さい格子定数の構造体３３のみが並ぶ行列とが生じる。

　なお、第１の径ｒを、第２の径Ｒより大きくしてもよい（Ｒ＜ｒ）。また、図３の（ａ）には、構造体３２，３３を正方格子状に配置した例を示したが、これに限らず、構造体３２，３３を三角格子状に配置してもよい。いずれにしても、第２の格子定数Ａは、第１の格子定数ａの整数倍であれば、上記第１の副構造の構造体３３の一部を置き換えるように、構造体３２を配置することができ、光吸収率向上の効果を得ることができる。

　（フォトニック結晶構造の具体例２）
　図３に示す構造体３２，３３は、円柱の形状を有しているが、円柱を四角柱に置き換えてもよい。図４は、四角柱の構造体３２ｂ，３３ｂが、第１および第２の副構造を構成したフォトニック結晶構造３０ｂを示す平面図である。

　フォトニック結晶構造３０ｂは、第１の径ｗを持つ構造体３３ｂが、第１の格子定数ａで配列された第１の副構造と、第２の径Ｗ（Ｗ＞ｗ）を持つ構造体３２ｂが、第２の格子定数Ａで、上記第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第２の副構造とを含んでいる。

　なお、第１の径ｗは、構造体３３ｂの断面のサイズを表している。すなわち、第１の径ｗは、断面が正方形の構造体３３ｂにおいて、当該正方形の１辺の長さに等しいともいえるし、あるいは、当該正方形に内接する円の直径に等しいともいえる。第２の径Ｗについても同様である。

　図３のフォトニック結晶構造３０ａに関するその他の説明は、フォトニック結晶構造３０ｂにも同様にあてはまるので、省略する。

　（共振の大きさＱ値、光吸収の大きさＳ値）
　次に、太陽電池１ａにおいて、上記フォトニック結晶構造３０ａによる共振強度の大きさＱ、および光の吸収率Ｓがどのように決定されるかについて述べる。

　以下では、図３のフォトニック結晶構造３０ａの場合について述べるが、ｒをｗに、ＲをＷにそれぞれ読み替えれば、図４のフォトニック結晶構造３０ｂの場合についても同様である。

　Ｑ値は、ある波長における光のフォトニック結晶構造による共振の強度（大きさ）であり、図５に示す各種パラメータによって決定される。図５は、図１の太陽電池１において、Ｑ値およびＳ値を決定するパラメータを示す説明図である。

　各種パラメータは、以下のとおりである。
（１）第１、第２の副構造の格子定数ａとＡ（Ａ＝２ａ）
（２）第１、第２の副構造の構造体断面の径ｒとＲ
（３）第１、第２の副構造の構造体の中心軸方向長さ（柱の高さ）ｄ
（４）透明基板１０の光入射側表面から金属電極層１４の光電変換層２０側表面までの距離Ｌ
（５）光電変換層２０を構成するすべての半導体層のある波長λの光に対する屈折率ｎ_ｉ（λ）（ｉは自然数）。

　すなわち、共振の大きさＱは、下記のように、上記（１）～（５）をパラメータとする非線形関数である。なお、下記のQ（λ）は、光電変換層２０を構成する半導体層が２層の場合を示している。
Q（λ）=ｆ（ａ，ｒ，Ｒ，ｄ，Ｌ，ｎ_１（λ），ｎ_２（λ））
　また、ある波長λの光に対するフォトニック結晶構造による吸収率Ｓは、以下のパラメータによって決定される。
（Ａ）上記パラメータ（１）～（５）により決定されたＱ値
（Ｂ）フォトニック結晶構造３０ａから金属電極層１４の光電変換層２０側表面までの距離ｈ
（Ｃ）ある波長λの光に対する光電変換層２０の吸収係数として、結晶シリコンの吸収係数α（λ）
（Ｄ）光電変換層２０の厚さｔ。

　すなわち、光の吸収率Ｓは、下記のように、上記（Ａ）～（Ｄ）をパラメータとする非線形関数である。
Ｓ（λ）=ｇ（Q（λ），α（λ），ｈ，ｔ）
　従って、上記（１）～（５）および上記（Ａ）～（Ｄ）を変えることによって、ある波長λの光に対するＱ値およびＳ値を調整することができる。

　（フォトニック結晶構造の周期決定方法）
　次に、上記フォトニック結晶構造３０ａの周期（格子定数）はどのように決定されるのか、その決定方法について説明する。

　前述のように、光電変換層２０における光吸収率の大きさは、前述のフォトニック結晶構造３０ａによる光の共振の大きさ（Ｑ値）に依存している。上記光の共振は、フォトニック結晶構造による光閉じ込め効果をもたらす。すなわち、フォトニック結晶構造３０ａによる光の共振強度が大きくなるほど、光電変換層２０内に光が閉じ込められ、より多くの光が光電変換層２０で吸収されることにつながる。

　フォトニック結晶構造３０ａによって、ある波長における光電変換層２０の光吸収率をできるだけ高くしようと思えば、その波長におけるＱ値ができるだけ大きくなるように、フォトニック結晶構造３０に含まれる第１および第２の副構造の格子定数を設定すればよい。

　本実施形態の光電変換層２０は、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）半導体層２１と、マイクロクリスタルシリコン（μｃ－Ｓｉ）半導体層２２とを積層したタンデム構造となっている。

　図６は、アモルファスシリコン半導体およびマイクロクリスタルシリコン半導体の光の波長に対する感度特性を示すグラフである。

　図６に示す半導体層２１，２２の感度特性に基づき、半導体層２１，２２のトータルの感度特性が落ち始める７５０ｎｍ付近の波長から長波長側での光吸収率を上昇させるように、フォトニック結晶構造３０ａの格子定数を設定する。

　どの波長域における光吸収率を増加させるかについては、フォトニック結晶構造３０ａの格子定数を変えることによって、自由に決定することができる。

　図７は、フォトニック結晶構造が形成された部位に対して、有限要素法を用いた電磁界解析を行い、その部位における電磁界強度を計算した結果を示す。同図のグラフの両軸について、格子定数を波長で割って無単位とした規格化周波数（＝格子定数／波長）を横軸とし、電磁界の相対強度を縦軸とした。

　なお、第１の副構造の格子定数をａ、構造体３３の径をｒ＝０．３ａとし、第２の副構造の格子定数をＡ＝２ａ、構造体３２の径をＲ＝０．４ａとして計算した。

　図７では、２つの周期構造を持つフォトニック結晶構造３０ａの電磁界強度を実線で示す一方、比較のために、格子定数ａおよびｒ＝０．３ａの構造体３３のみを配置した単一の周期構造を持つフォトニック結晶構造の電磁界強度を破線で示した。

　共振効果の検証（時間による減衰特性のシミュレーション）を行い、材料の特性（吸収係数）から得られるQ値を計算すると、規格化周波数０．３５６において、最適条件に近いＱ値が得られることがわかる。そこで、この規格化周波数０．３５６が、図６の感度特性に基づいて選択した波長７５０ｎｍと対応するように、格子定数ａおよびＡを決める。

　格子定数＝波長×規格化周波数であるから、第１の副構造の格子定数ａは、ａ＝７５０ｎｍ×０．３５６＝２６７≒２７０ｎｍとすればよい。このとき、第２の副構造の格子定数Ａは約５４０ｎｍである。

　さらに、図７では、単一の周期構造を持つフォトニック結晶構造の場合、規格化周波数０．２６以上で、複数の共振ピークが出現している。そうすると、単一の周期構造を持つフォトニック結晶構造の場合、長波長側の共振効果は、２７０／０．２６＝１０３８ｎｍまでとなる。

　これに対し、フォトニック結晶構造３０ａの場合、規格化周波数０．１５以上で、複数の共振ピークが出現している。すなわち、フォトニック結晶構造３０ａの場合、長波長側の共振効果は、２７０／０．１５＝１８００ｎｍまでとなる。しかも、フォトニック結晶構造３０ａの場合、より多くの共振ピークが出現している。したがって、複数の周期構造を持つフォトニック結晶構造の方が、広い波長範囲で、共振効果が向上していることがわかる。

　以上のように、フォトニック結晶構造３０の格子定数ａ，Ａ（＝２ａ）を決めることで、７５０ｎｍから１８００ｎｍまでの広い波長域でフォトニック結晶構造３０ａによる光閉じ込め効果が生じ、上記波長域では光吸収の増大効果が得られることが期待できる。

　（従来の太陽電池との対比）
　図８の（ａ）は、太陽電池１に進入した光の様子を示す簡略図であり、図８の（ｂ）は、従来技術の太陽電池１００に進入した光の様子を対比的に示す簡略図である。太陽電池１００は、前記特許文献１に開示されたようなテクスチャー構造を有している。図中の矢印の向きと太さとにより、光の進行方向と光量とを示している。

　従来の太陽電池１００では、透明導電膜１１１と半導体層１２１との界面において、透明導電膜１１１にテクスチャー構造を形成している。透明導電膜１１１と半導体層１２１との間の屈折率差に起因して、上記界面で光の反射が生じる。そこで、このテクスチャー構造は、上記界面で生じる光の反射を抑え、散乱によって半導体層１２１，１２２内における光路長を増加させ、その結果として、光吸収を増大させる機能を持つ。

　しかしながら、光を半導体層１２１，１２２内に閉じ込める機能はないため、光電変換効率を高めようとすると、半導体層１２１，１２２を厚膜化する必要がある。このため、例えば、半導体層１２１の厚さは２００ｎｍ、半導体層１２２の厚さは１８００ｎｍに設定される。

　一方、本実施形態の太陽電池１では、第１の透明導電膜１１と半導体層２１との界面において、第１の透明導電膜１１にフォトニック結晶構造３０を設けている。フォトニック結晶構造３０の凹凸は、半導体層２１と半導体層２２との界面にも転写されている。なお、図８の（ａ）は、フォトニック結晶構造３０の凹凸が半導体層２２と第２の透明導電膜１２との界面にも転写された、より好ましい形態を示している。

　後述するフォトニック結晶構造３０の反射率低減効果を得て、光電変換層２０内へ進入した光は、フォトニック結晶構造３０の光共振効果によって、光電変換層２０内に閉じ込められる（光閉じ込め効果）。従って、光電変換層２０が吸収しうる波長の光の吸収率を、１００％まで向上させることができる。この結果、光吸収を向上させて、光電変換効率を従来と同等以上としながら、光電変換層２０の膜厚を従来よりも薄膜化することができる。

　これにより、例えば、半導体層２１の厚さを２００ｎｍ、半導体層２２の厚さを４００ｎｍに設定することができる。

　（フォトニック結晶構造における反射率低減効果）
　太陽電池１または１ａは、フォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂが形成される位置にも特徴がある。

　太陽電池１または１ａでは、フォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂが、光電変換層２０を構成する半導体層２１，２２のうち、基板により近い半導体層２１と、第１の透明導電膜１１との間に形成されている。これにより、界面反射を抑え、光電変換層２０内へ入射光を多く取り込むことができる。

　この界面反射を抑える効果（反射率低減効果）について、図９の（ａ）（ｂ）に従って説明する。図９は、太陽電池内に進入した光の界面反射の様子について、フォトニック結晶構造の形成位置の違いによる界面反射の違いを対比的に示す説明図である。

　図９の（ｂ）に示す参考の太陽電池１００ａでは、フォトニック結晶構造が、半導体層Ａと半導体層Ｂの間の透明導電膜上に形成されている。このため、透明基板側から透明導電膜（例えば、屈折率２）と半導体層Ａ（例えば、屈折率４）との界面へ入射した光は、透明導電膜よりも半導体層Ａの屈折率が大きいことによって透明基板側へと反射される光の量が増える。

　一方、図９の（ａ）の太陽電池１では、太陽電池１００ａと同じ材料を用いた場合、透明基板１０側から入射した光は、第１の透明導電膜１１（例えば、屈折率２）とフォトニック結晶構造３０（例えば、屈折率２）との界面へ入射する。このとき、フォトニック結晶構造３０の屈折率が光電変換層２０の屈折率（例えば、屈折率４）よりも小さいことによって、フォトニック結晶構造３０の実効屈折率（等価屈折率）は、光電変換層の屈折率４よりも小さく、第１の透明導電膜の屈折率２よりも大きなものとなる。

　この場合、屈折率２の第１の透明導電膜１１側から進行してフォトニック結晶構造３０との境界へ至った光は、実効屈折率に従って界面反射もしくは屈折する。この結果、フォトニック結晶構造３０がない場合（屈折率２の第１の透明導電膜と屈折率４の光電変換層とが界面を持つ場合）と比較して、界面反射が低減されることになる。

　なぜならば、一般的に、第１の媒質から第２の媒質へ光が入射する場合、第１の媒質の屈折率と第２の媒質の屈折率との差が小さいほど、反射率は小さくなるためである。

　このように、太陽電池１または１ａは、フォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂによる反射率低減効果を効果的に発現することができる。

　以上のように、フォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂによる光閉じ込め効果（図２の（ｂ））と、上記の第１の透明導電膜１１とフォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂとの界面における反射率低減効果（図９の（ａ））とによって、本実施形態の太陽電池１または１ａは、太陽光エネルギーの全波長域における吸収量の総和（積分）を高めることができる。言い換えれば、入射された光のエネルギーに対する起電力の割合（ＩＰＣＥ：光電変換効率；Ｉｎｃｉｄｅｎｔ　Ｐｈｏｔｏｎ－ｔｏ－Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を増加することができる。

　なぜならば、従来技術では光電変換層によって吸収されず、起電力に変換されていなかった波長域の太陽光を、フォトニック結晶構造による界面反射低減効果および光閉じ込め効果によって、起電力へと変換することが可能となるからである。

　（太陽電池の変形例）
　太陽電池１または１ａの変形例として、光電変換層が単層の半導体層で構成された太陽電池１ｂについて、以下に説明する。図１０は、太陽電池１ｂの構成を示す模式的な断面図である。なお、説明の便宜上、前述した構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付与し、その説明を省略する。

　太陽電池１ｂは、光の入射側から、前記ガラス基板１０、前記第１の透明導電膜１１、フォトニック結晶構造３０ｃ、光電変換層２０ｂ、第２の透明導電膜１２、金属電極層１４の順番に積層されている。

　フォトニック結晶構造３０ｃには、前述のフォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂのいずれかと同じ構造を適用することができる。

　光電変換層２０ｂを構成する半導体としては、例えば、波長の長い光に対する吸収率が高いマイクロクリスタルシリコンを使用することができる。

　図１１に、マイクロクリスタルシリコンの光の波長に対する感度特性を示す。光電変換層２０ｂが単層である場合には、光の入射側に他の半導体層が存在せず、他の半導体層による光吸収がないので、マイクロクリスタルシリコンの図１１に示す感度特性は、図６に示した感度特性とは異なっている。

　半導体層の材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＮＩＮＧａＰ、（Ｉｎ）ＧｅＡｓ、ＧａＡｓなどを選択することもできる。

　上記フォトニック結晶構造３０ｃを設けた構成により、図１１に示すように、７５０ｎｍ以上の波長の長い光に対する吸収率を高め、太陽電池の起電力を増大させることができる。

　（太陽電池１の製造工程）
　太陽電池１の製造工程を、図１２の（ａ）～（ｃ）に基づいて説明する。なお、以下で示される膜厚に関する数値は一例であって、適宜変更可能である。

　まず、ガラス製の透明基板１０上にＳｎＯ_２を蒸着して、第１の透明導電層１１を形成する。

　次にフォトニック結晶構造３０ａ（または３０，３０ｂ）を形成する。フォトニック結晶構造３０ａの形成には、公知の半導体プロセス技術であるリソグラフィを用いることができる。

　まず、フォトニック結晶構造３０ａの材料として、ＳｉＯ_２を第１の透明導電層１１上に３５０ｎｍの厚みで蒸着し、ＳｉＯ_２層を形成する。なお、ＳｉＯ_２の形成においては、上記蒸着に代えて、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ－ｏｎ　Ｇｌａｓｓ；塗布ガラス）液をスピンコート法によって塗布してもよい。

　ＳｉＯ_２は、（可視域の）光をほとんど吸収しない。さらに、ＳｉＯ_２の屈折率（１．５程度）は、光電変換層２０の屈折率（４．０程度）よりも小さい。

　次に、形成したＳｉＯ_２層の上に、ポジ型のレジスト（感光剤）を９００ｎｍの厚みで塗布し、つづいて電子ビームを用いて露光することで、フォトニック結晶構造３０ａの断面のパターン（２種類の円形が、各格子定数で周期的に配列している）を描画する。ポジ型のレジストとは、露光して現像したときに、露光された部分が除去されるタイプのレジスト（感光材料）である。

　続いて、上記パターンの全体にわたって、アルミニウム（Ａｌ）を３００ｎｍの厚みで蒸着し、アルミニウム膜を形成する。このアルミニウム膜は、以下で述べるように、エッチングのマスクとして使用するためのものである。

　その後、現像をおこないレジストが除去されると、フォトニック結晶構造３０ａの構造体３２，３３の形成部位にのみ、アルミニウム膜およびレジストが残る。

　つづいて、四フッ化炭素（ＣＦ_４）をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ－Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、構造体の形成部位に残ったアルミニウム膜によってマスクされていない部位のＳｉＯ_２層を精度よく除去する。すると、アルミニウム膜によってマスクされた部位のＳｉＯ_２層だけが残る。

　なお、上記エッチングの際には、エッチング時間を調整することにより、マスクされていない部位に積層されたＳｉＯ_２層が消失し、その下の第１の透明導電膜１１が露出するまで除去する。その理由について以下に説明する。

　フォトニック結晶構造３０ａの材料として使用されるＳｉＯ_２は電気を通さない絶縁体であるため、光電変換層２０で発生した電流は、フォトニック結晶構造３０ａを通過することはできない。そこで、光電変換層２０から第１の透明導電膜１１へ電流が送られるためには、光電変換層２０と第１の透明導電膜１１とが直接的に接触していなければならない。従って、フォトニック結晶構造３０ａの構造体３２，３３以外の部分は、第１の透明導電膜１１が露出するまで、エッチングしなければならない。

　続いて、塩酸（ＨＣｌ）を用いたウェットエッチングにより、残るアルミニウム膜を除去する。

　以上の工程により、構造体３２，３３が第１の透明導電膜１１上に二次元的に配列された、図１２の（ａ）に示す加工済み基板９９（フォトニック結晶基板）が作製される。

　この中間加工品である加工済み基板９９を、製品として、市場に流通させてもよい。加工済み基板９９用いて、以下の工程を別の製造工場で実行することによって、起電力を増大させた太陽電池を作製することができる。なお、加工済み基板９９は、本発明に係るフォトニック結晶基板に相当する。

　次に、図１２の（ｂ）に示すように、上記加工済み基板９９の表面全体にアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）を蒸着し、形成された層にｐ型不純物をドープすることによってｐ型アモルファスシリコン半導体層を形成し、その上にアモルファスシリコンを蒸着してｉ型アモルファスシリコン半導体層を形成し、さらにその上にアモルファスシリコンを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型アモルファスシリコン半導体層を形成する。以上により、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層がこの順で積層した、ｐｉｎ縦型の半導体層２１が形成される。

　このとき、半導体層２１は、前の工程で形成されたフォトニック結晶構造３０ａの上に形成されるので、フォトニック結晶構造３０ａの持つ凹凸が半導体層２１に転写される。

　同様の手順により、マイクロクリスタルシリコン半導体層２２を、上記アモルファスシリコン半導体層２１上に形成する。これにより、半導体層２１，２２で構成された光電変換層２０が完成する。

　次に、前述の第１の透明導電膜１１と同様に、ＳｎＯ_２を蒸着して第２の透明導電膜１２を形成する。

　このとき、ＳｎＯ_２を蒸着する厚さによっては、第２の透明導電膜１２に、フォトニック結晶構造３０ａのもつ凹凸が、ある程度転写され、第２の透明導電膜１２の表面は凹凸になるが、集積回路等の作製で用いられているＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学的機械研磨）またはエッチングによって平坦化することもできる。

　第２の透明導電膜１２を平坦とすることによって、次の工程で積層する金属電極層１４も平坦になるので、金属電極層１４にフォトニック結晶構造３０ａの凹凸が転写されている場合と比べて、電気抵抗を小さくすることができ、電力の取り出しに有利になると考えられる。

　最後に、第２の透明導電膜１２の上にアルミニウムを蒸着することで、金属電極層１４が形成される。

　以上の工程によって、図１２の（ｃ）に示す太陽電池１が完成する。

　ここまで、単層、あるいは２層の半導体層で構成された光電変換層を含む太陽電池について述べてきたが、光電変換層が２層よりも多い半導体層で形成されることも本発明の範囲である。いずれの場合でも、光電変換層は、含まれる半導体層が順に積層されることによって形成される。光電変換層に含まれる半導体層は、光吸収ピーク波長が異なる半導体材料を選択することが望ましい。

　（フォトニック結晶基板の変形例）
　フォトニック結晶基板としての前記加工済み基板９９は、透明基板１０上に成膜した第１の透明導電膜１１の表面上に、透明誘電体の凹凸構造を設けた構成を備えていた。

　これに対し、図２３の（ａ）に示すように、透明基板１０の表面上に、透明誘電体の凹凸構造を設け、この凹凸構造を第１の透明導電膜４１１によって被覆した加工済み基板４９９を、フォトニック結晶基板としてもよい。これにより、透明基板１０の表面と第１の透明導電膜４１１との界面に、フォトニック結晶構造を形成することができる。透明基板１０の表面と第１の透明導電膜４１１との界面は、光入射側に最も近い界面なので、界面反射の影響を最小にした光をフォトニック結晶構造に入射させることができる。

　透明基板１０上の凹凸構造の基本要素は、凸状の構造体でもよいし、孔状の構造体でもよいことは、既に説明したとおりである。

　加工済み基板４９９では、透明基板１０上の凹凸構造が、第１の透明導電膜４１１の表面の凹凸構造となるように転写されている。従って、第１の透明導電膜４１１の表面の凹凸構造を、光電変換層で被覆することによって、第１の透明導電膜４１１と光電変換層との界面にも、フォトニック結晶構造を形成することができる。

　加工済み基板４９９（透明基板１０上に凸状の構造体を形成する場合）の製造方法としては、まず、ガラス製の透明基板１０上に、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ_Ｘなどの無機透明誘電体、あるいはポリカーボネートまたはアクリルなどの有機透明誘電体を蒸着し、透明誘電体層を形成する。続いて、フォトレジストを塗布し、電子ビームで構造パターンを転写し、エッチングを行えば、透明基板１０の表面部分に、透明誘電体の構造体が周期的に配列した凹凸構造が形成される。

　この後、図２３の（ｂ）（ｃ）に示すように、上述した工程と同様に、半導体層２１，２２、第２の透明導電膜１２、金属電極層１４（金属反射層）を順次積層することにより、太陽電池４００が完成する。

　太陽電池４００の光電変換層を構成する半導体層は、他の実施形態と同様に、単層でもよいし３層以上の複層であってもかまわない。

　〔実施形態２〕
　本発明の太陽電池に関する第２の実施形態について、図１３から図１５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１にて説明した図面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。このことは、実施形態３以降についても同様とする。

　（太陽電池の構成）
　図１３は、実施形態２の太陽電池２００の全体構成を概略的に示す断面図である。図１３に示すように、太陽電池２００は、前記第１の透明導電膜１１の上に、無機または有機の透明誘電体を材料として形成された層に、周期的に配列する柱状の孔２３１が形成されたフォトニック結晶構造２３０を含むものである。この孔２３１の周期的な配列によって、第１の透明導電膜１１上に凹凸による周期構造が形成されている。以下、孔２３１のことを孔状の構造体２３１と呼ぶ。

　なお、図１３では、便宜上、孔２３１内に空間が在るかのように描画しているが、実際には、第１の透明導電膜１１上の上記凹凸に沿って、前記第１の半導体層２１が形成されるので、孔状の構造体２３１は、第１の半導体層２１によって充填されている。これにより、屈折率が異なる透明誘電体および第１の半導体層２１の周期構造が形成されることによって、フォトニック結晶構造２３０が形成されている。

　孔状の構造体２３１が、第１の半導体層２１によって充填されていることは、以下の２点において重要である。
(1)フォトニック結晶としては、孔２３１内に空間が在る場合と比べて、屈折率の差が大きくなることから、光吸収向上の効果がより大きくなる。
(2)太陽電池としては、その上にある第1の透明導電膜１１と光電変換層２０とのコンタクトをとる面積が大きくなるため、電子の移動を妨げず、高い変換効率を得やすくなる。

　孔状の構造体２３１は、単一の周期構造を持つフォトニック結晶構造２３０を形成している。しかし、図３の（ａ）に示すフォトニック結晶構造３０ａと同様に、孔の径および格子定数を異ならせた複数の周期構造を持つフォトニック結晶構造２３０ａを形成してもよい。

　図１４は、孔状の構造体２３２，２３３によって構成されたフォトニック結晶構造２３０と、フォトニック結晶構造２３０を備えた加工済み基板２９９を示す図である。図１４の（ａ）は孔状の構造体２３２，２３３の二次元配置を示し、（ｂ）は、（ａ）中のＡ－Ｂ線における加工済み基板２９９の矢視断面を示し、（ｃ）は、（ａ）中のＣ－Ｄ線における加工済み基板２９９の矢視断面を示している。

　図１４の（ａ）に示すように、フォトニック結晶構造２３０ａは、第１の径ｒを持つ孔状の構造体２３３が、第１の格子定数ａで配列された第１の副構造と、第２の径Ｒを持つ孔状の構造体２３２が、第２の格子定数Ａで、上記第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第２の副構造とを含んでいる。

　各径Ｒ，ｒおよび各格子定数Ａ，ａの設定の仕方、並びに、構造体２３２，２３３の形状については、実施形態１で説明したとおりである。この格子定数の条件では、図１４の（ａ）（ｃ）に示すように、孔状の構造体２３２，２３３が、交互に並ぶ行列と、図１４の（ａ）（ｂ）に示すように、相対的に小さい格子定数の孔状の構造体２３３のみが並ぶ行列とが生じる。

　なお、図１４の（ａ）に示すフォトニック結晶構造２３０ａでは、孔の断面形状が円形になっているが、これに限らず、三角形および図１５に示す四角形を含む多角形でもよいし、楕円形でもよい。

　図１５に示す孔状の構造体２３２，２３３は、径Ｗ，ｗを正方形の１辺の長さによって示している。径Ｗ，ｗについては、図４に示すフォトニック結晶構造３０ｂについて説明したとおりである。

　また、孔状の構造体２３２，２３３の形状は、円柱状ではあっても、断面が真円でなくてもよく、楕円であってもかまわない。また、断面が多角形の柱状の場合には、多角形の頂点が円弧状、すなわち丸みを帯びていたり、辺が曲線的、すなわち側面が曲面になっていてもよい。さらに、孔状の構造体２３２，２３３の形状は、柱状でなくてもよく、例えば、第１の透明導電膜１１の表面に対して垂直方向に中心軸を有する角錐台または円錐台の形状などであってもよい。

　（太陽電池２００の製造工程）
　フォトニック結晶構造２３０または２３０ａを形成するためには、実施形態１において、フォトニック結晶構造３０，３０ａまたは３０ｂを製造するために使用したポジ型のフォトレジストを、ネガ型のフォトレジストに変えればよい。

　ネガ型のフォトレジストは、ポジ型のフォトレジストとは反対に、露光されなかった部分が、現像したときに除去されるタイプのレジストである。

　これにより、透明基板２１０上に積層された第１の透明導電膜２１１上にＳｉＯ_２層を形成し、実施形態１と同様のパターンを描画し、現像をして、エッチングをすると、ＳｉＯ_２層に円柱状の孔が形成される。この結果、孔状の構造体２３２，２３３が周期的に配列されたフォトニック結晶構造２３０ａを持つ加工済み基板２９９（図１４の（ｂ）（ｃ））が完成する。

　（太陽電池２００の変形例）
　図１６は、実施形態２の太陽電池において、単層の半導体層で構成された光電変換層を備えた変形例を示す模式的な断面図である。

　太陽電池２００の変形例として、図１６に示す太陽電池２００ａのように、光電変換層２０ｃを単層の半導体層で構成してもよい。光電変換層２０ｃの具体的な構成には、図１０を参照して説明した単層の光電変換層２０ｂと同じ構成を適用することができる。

　〔実施形態３〕
　本発明の太陽電池に関する第３の実施形態について、図１７～２２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

　（太陽電池の構成）
　図１７に示すように、本実施形態の太陽電池３００は、フォトニック結晶構造３３０を構成する構造体３３１を、透明誘電体ではなく、導電性を有する透明材料によって形成したことを特徴としている。図１７に、本実施形態の一例として、透明導電層に、円柱状の凸部を周期的かつ二次元的に設けたフォトニック結晶構造３３０を含む太陽電池３００の断面図を示す。

　なお、太陽電池３００を構成するフォトニック結晶構造３３０以外の要素は、実施形態１で述べた太陽電池１と同じである。ただし、太陽電池３００は、構造体３３１を設けた透明導電層を備えているので、第１の透明導電膜１１の厚みを太陽電池１より薄くできる、あるいは第１の透明導電膜１１を省略することもできる。第１の透明導電膜１１を省略した場合、入射光量の損失を小さくできるので、太陽電池３００の光電変換率を向上させるのに有利である。

　上記透明導電層の材料として、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンなどの導電性樹脂を使用することができる。

　太陽電池３００と太陽電池１（図１）との構造上の差異は、太陽電池１では、フォトニック結晶構造３０の隣り合う構造体３１同士は分離しているが、太陽電池３００では、フォトニック結晶構造３３０の隣り合う構造体３３１の間（凹部）が、透明導電層によって連続していることである。

　これは、光電変換層２０で発生した電流が、光電変換層２０から第１の透明導電膜１１へと移動するために、太陽電池１のように、光電変換層２０と第１の透明導電膜１１とが、直接的に接触している必要はないからである。つまり、太陽電池３００では、フォトニック結晶構造３３０が導電性を有する材料で形成されているため、光電変換層２０で発生した電流は、光電変換層２０からフォトニック結晶構造３３０を通って第１の透明導電膜１１へと移動できるからである。

　よって、フォトニック結晶構造３３０の形成工程におけるエッチング工程を行う際には、各構造体３３１の間に、エッチングの残滓（フォトニック結晶構造３３０の材料でできた層）が残ってもよい。従って、エッチング時間の調整を簡便にしたり、短縮したりすることができる。

　（周期構造）
　フォトニック結晶構造３３０は、単一の周期構造を備えていてもよいし、複数の周期構造を備えていてもよい。

　図１８の（ａ）に、構造体３３２および構造体３３３によって２種類の周期構造を備えたフォトニック結晶構造３３０ａの平面図を示す。また、図１９の（ａ）は、フォトニック結晶構造３３０ａを備えた加工済み基板３９９（フォトニック結晶基板）の断面を示し、かつ、図１８の（ａ）におけるＡ－Ｂ線矢視断面を示している。図１９の（ｂ）は、図１８の（ａ）におけるＣ－Ｄ線矢視断面を示している。

　構造体３３２および構造体３３３の各径Ｒ，ｒ、格子定数Ａ，ａおよび形状は、図３の（ａ）を参照して説明したフォトニック結晶構造３０ａの構造体３２および構造体３３と同じである。従って、その説明を省略する。

　また、図１８の（ｂ）に示すフォトニック結晶構造３３０ｂのように、構造体３３２および構造体３３３を、第１の径ｗを持つ四角柱の構造体３３３ｂ、および第２の径Ｗを持つ四角柱の構造体３３２ｂに置き換えてもよい。この点は、図４の（ｂ）を参照しながら、フォトニック結晶構造３０ｂについて説明したとおりである。

　（Ｑ値およびＳ値を決めるパラメータ）
　太陽電池３００のQ値およびＳ値は、実施形態１で説明したように、下記の非線形関数によって表される。

　Q（λ）=ｆ（ａ，ｒ，Ｒ，ｄ，Ｌ，ｎ_１（λ），ｎ_２（λ））
　Ｓ（λ）=ｇ（Q（λ），α（λ），ｈ，ｔ）
　Ｑ値およびＳ値の算出に必要な各パラメータを図２０に示すが、各パラメータの定義についても、実施形態１で説明したとおりである。なお、構造体３３２，３３３の各中心軸方向長さ（柱の高さ）ｄは、図２０に示すように、隣合う構造体の間に形成される凹部内に充填された半導体層２１の凹部内における厚みに等しい。

　（太陽電池３００の製造工程）
　図２１の（ａ）～（ｃ）に従って、本実施形態の太陽電池３００の製造工程を説明する。

　はじめに、透明基板１０上に第１の透明導電膜１１を蒸着する。続いて、例えばポリアセチレン層を積層し、実施形態１で述べた工程と同様にリソグラフィによって、複数の円柱状の構造体３３１，３３２または３３３を含むフォトニック結晶構造３３０または３３０ａを形成する。これにより、柱状の構造体３３１，３３２または３３３が、透明導電層に周期的に配列されたフォトニック結晶構造３３０または３３０ａを持つ加工済み基板３９９が得られる（図２１の（ａ））。

　以下、図２１の（ｂ）（ｃ）に示す工程を、図１２の（ｂ）（ｃ）を参照して説明した工程と同様に行うことによって、導電性を有するフォトニック結晶構造３３０、３３０ａまたは３３０ｂを含む太陽電池３００が完成する（図１５（ｃ））。

　（太陽電池３００の変形例）
　本実施形態と実施形態２とを組み合わせることにより、図１９の（ｃ）（ｄ）に示すように、透明導電層に設けた複数の孔（凹部）状の構造体３３２ｃ，３３３ｃによってフォトニック結晶構造を構成することもできる。すなわち、導電性を有するフォトニック結晶構造３３０、３３０ａまたは３３０ｂは、本実施形態のように凸部で形成することもできるし、また実施形態２のように凹部で形成することもできる。

　孔状の構造体３３２ｃ，３３３ｃの各径Ｗ，ｗ、格子定数Ａ，ａおよび形状は、図４を参照して説明したフォトニック結晶構造３０ｂの構造体３２ｂおよび構造体３３ｂと同じである。

　また、本実施形態においても、光電変換層を構成する半導体層は２層以外であっても構わない。図２２に、１層の半導体層で構成された光電変換層２０ｂを備えた、太陽電池３００ａの例を示す。

　（実施形態４）
　本発明の太陽電池に関する実施形態４について、図２４～図２７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

　図２４の（ａ）に、本実施形態の太陽電池５０１の断面図を示す。太陽電池５０１は、透明基板１０、第１の透明導電膜１１、フォトニック結晶構造５３０、半導体層２１および半導体層２２で構成された光電変換層２０、第２の透明導電膜１２、金属電極層１４をこの順番で積層した構成である。実施形態１の太陽電池１とは、フォトニック結晶構造の点で異なっているが、それ以外の構成については、太陽電池１と共通している。

　太陽電池５０１の光電変換層２０を構成する半導体層は、他の実施形態と同様に、単層でもよいし３層以上の複層であってもかまわない。

　本実施形態のフォトニック結晶構造５３０は、図２４の（ｂ）に加工済み基板５９９（フォトニック結晶基板）を示すように、第１の透明導電膜１１上に周期的に配列した凸状の構造体５３１を基本要素として備えている。

　さらに、フォトニック結晶構造５３０は、図２４の（ｃ）に示すように、互いに非同一の形状を持つ４つの構造体５３１を正方格子状（格子定数ａ）に配置した単位格子５４０を備えている。この単位格子５４０が、例えば、一定のピッチ２ａで、二次元的かつ周期的に配置されている。

　図２４の（ｃ）に示す例では、構造体５３１の断面の形状が円形、つまり構造体５３１の形状が円柱なので、単位格子５４０を構成する４つの円柱の直径ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４を互いに非同一に設定している。例えば、４つの直径の大小関係を、ｒ_１＞ｒ_２＞ｒ_３＞ｒ_４と設定している。

　したがって、図２４の（ｃ）に示す例は、４つの構造体５３１の断面の形状を、大きさの互いに異なる相似形とした場合の一例である。大きさの互いに異なる相似形という条件が満たされる限り、構造体５３１の断面形状は、真円に限定されず、楕円形、多角形など、光の共振を強めるのに有利な形状を選択することができる。

　なお、三角形、四角形、五角形などの多角形には、直線状の辺で囲まれた多角形ばかりではなく、曲率を持った円弧状の辺で囲まれた多角形を含めることができる。円弧状の辺は、多角形の外側に凸状になっていてもよいし、多角形の内側に凹状になっていてもよい。

　このように、単位格子５４０を構成する４つの構造体５３１の形状を互いに非同一にした場合、以下の不一致条件が満たされる。不一致条件とは、上記断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件のことである。

　これにより、フォトニック結晶構造５３０は４種類の周期構造を持つことになるので、より広い波長域で、より強い共振が生じる結果、光電変換率が増大した太陽電池を得ることができる。

　なお、１つの単位格子５４０内で、４つの円柱をどのように配置するかは、限定されず任意でよい。ただし、フォトニック結晶構造の周期性を保つ必要があるため、フォトニック結晶構造５３０に含まれた全ての単位格子５４０は、４つの円柱を同じ配置としている。これにより、隣り合う単位格子５４０のピッチが２ａとすれば、直径ｒ_１を持つ構造体５３１のピッチ（格子定数）も２ａとなり、他の直径ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４を持つ構造体５３１のピッチ（格子定数）も、それぞれ２ａとなる。

　また、実施形態３と同様に、フォトニック結晶構造５３０を導電性を有する透明材料で形成してもよい。

　さらに、図２３を参照して説明したように、４つの構造体５３１からなる単位格子５４０を透明基板１０上に周期的に配置し、その上を第１の透明導電膜で被覆して、第１の透明導電膜の表面に、透明基板１０上の凹凸構造を転写するようにしてもよい。

　（実施形態４の変形例１）
　図２５は、上記フォトニック結晶構造５３０の変形例としてのフォトニック結晶構造６３０を示す平面図である。

　フォトニック結晶構造６３０は、図２５に示すように、三角形の断面形状を持つ４つの構造体６３１を正方格子状（格子定数ａ）に配置した単位格子６４０を備えている。この単位格子６４０が、例えば、一定のピッチ２ａで、二次元的かつ周期的に配置されている。

　三角形の形状が、正三角形またはそれに近い形状の場合には、Ｑ値を求めるときに用いるパラメータである構造体断面の径Ｒまたはｒとして、図２５に示す三角形の高さｈｔを用いることができる。

　図２５に示す例では、単位格子６４０内に図示された４つの三角形は、合同である。ただし、前述した不一致条件を満足するために、第１の透明導電膜１１の表面に平行な面内における上記４つの三角形の向きが４通りに異なっている。なお、三角形の向きを、４つの三角形の同じ頂点から、対向辺に下ろした垂線の方位と言い換えることもできる。

　これにより、４つの三角形のいずれかを、他の三角形の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となる。

　また、三角形の３つの角度の少なくとも１つ、または３つの辺の少なくとも１つを、４つの三角形同士で互いに相違させた場合、または、大きさが４通りの相似形とした場合にも、上記不一致条件は満たされる。

　なお、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状をも、三角形という形状の概念に含めてもよい。

　（実施形態４の変形例２）
　フォトニック結晶構造５３０およびフォトニック結晶構造６３０は、透明基板１０または第１の透明導電膜１１の表面状に凸状の構造体５３１または構造体６３１を設けていた。

　これに対し、図２６および図２７に示すように、透明基板１０または第１の透明導電膜１１の表面状に、透明誘電体層または透明導電層を成膜し、その透明誘電体層または透明導電層に、孔状の構造体５３１ａまたは構造体６３１ａを周期的に形成してもよい。

　なお、孔状の構造体５３１ａまたは構造体６３１ａの形状に関するパラメータおよび格子定数などは、凸状の構造体５３１または構造体６３１と共通である。

　図２４～図２７に示す例では、４つの基本要素の各断面形状は、円形または三角形のように、いずれも同種の形状である。しかしながら、前述の不一致条件は、４つの基本要素の各形状が、円形、三角形、四角形および楕円形のように、互いに異種の形状である場合にも充足されるので、この形態もまた実施形態４の範疇に含まれる。

　本実施形態に係る太陽電池パネルは、上記太陽電池のいずれかを１ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列された構成を備えている。

　本発明に係る上記太陽電池では、
（１）上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、
（２）上記フォトニック結晶構造は、第１の径を持つ上記基本要素が、第１の格子定数で配列された第１の副構造と、上記第１の径と異なった第２の径を持つ上記基本要素が、第１の格子定数と異なった第２の格子定数で、上記第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第副構造とを含む、少なくとも２種類の副構造を含み、
（３）上記第１の径および第２の径は、上記第１の透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であることを特徴とする。

　上記の構成によれば、上記フォトニック結晶構造は、上記第１の透明導電膜の表面に周期的に配列された凹部または凸部によって構成され、各凹部（または各凸部）は、断面の径および格子定数が異なる少なくとも２種類の副構造を形成している。

　これにより、上記フォトニック結晶構造による光の共振は、フォトニック結晶構造が単一の周期構造を持つ場合と比較して、より広い波長範囲で発生するとともに、共振の強度も増大する。

　これは、第１および第２の副構造のそれぞれが、異なる共振周波数を持つことに加えて、２つの副構造が共存することによって、新たな共振が生じたり、共振を強め合ったりするからと考えられる。

　すなわち、上記フォトニック結晶構造によって、より広い波長域で、より強い共振が生じるので、結果として光電変換層における光電変換率を増大させることができる。

　本発明に係る上記太陽電池では、上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、上記基本要素は、中心軸方向が上記透明導電膜の表面と実質的に垂直な柱形状をしており、中心軸に垂直な断面の形状が円形、楕円形または多角形であり、上記多角形は、直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記多角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいることを特徴とする。

　上記構成によれば、フォトニック結晶構造を構成する基本要素としての構造体その中心軸の方向が上記透明導電膜の表面と実質的に垂直な柱形状をしていることから、フォトレジストおよび電子ビームによる現像、およびエッチングなどの公知の半導体プロセス技術を用いることにより、比較的容易に構造体、言い換えるとフォトニック結晶構造を作製することができる。

　本発明に係る上記太陽電池では、
（１）上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するためのの基本要素をなしているとともに、
（２）上記フォトニック結晶構造は、４つの凹部または４つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
（３）上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていることを特徴とする。

　上記の構成において、上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件（不一致条件）を満たしているとは、どのような意味かを説明する。なお、上記凹部または凸部のことを、以下、基本要素と呼ぶ。

　最も簡単な例を挙げると、４つの基本要素の各形状が、互いにサイズの異なる相似形である場合、上記不一致条件が満たされる。互いにサイズの異なる相似形では、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に一致しないことは明らかである。

　他の例を挙げると、４つの基本要素の各形状が、互いに異なる角度を含む三角形である場合、三角形の合同条件が満たされないから、上記不一致条件が満たされる。

　さらに他の例を挙げると、４つの基本要素の各形状が、合同条件を満たした三角形ではあるが、該断面を含む面内において、少なくとも１つの頂点が異なる方位を向いている場合、上記不一致条件が満たされる。

　さらに、４つの基本要素の各形状が、円形、三角形、四角形および楕円形のように、互いに異種の形状である場合、上記不一致条件が満たされることはいうまでもない。

　上記の構成によれば、単位格子を二次元的、かつ周期的に配置しているので、上記不一致条件を満たす４つの基本要素のそれぞれが、単位格子と同じ周期で、二次元的に配置されている。

　このような単位格子によってフォトニック結晶構造を構成した場合、そのフォトニック結晶構造には、４種類の周期構造が含まれることになる。

　これは、４種類の周期構造のそれぞれが、異なる共振周波数を持つことに加えて、４種類の周期構造が共存することによって、新たな共振が生じたり、共振を強め合ったりするからと考えられる。

　また、本発明に係る太陽電池では、上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であることを特徴とする。

　大きさが互いに異なる相似形には、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形など、任意の形状が含まれる。

　なお、断面の形状が円形の場合、フォトニック結晶の周期構造の等方性が最も高くなるため、強い共振効果を得やすくなる。また、製造の容易さの観点では、四角形が優れている。

　また、本発明に係る太陽電池では、上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は三角形であり、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいることを特徴とする。

　断面の形状が三角形の場合、電磁界分布の制御が行いやすく、光吸収の効果を決定する共振の大きさ（Ｑ値）の設計が行いやすくなる。ただし、設計の容易さと光吸収向上の効果とは、直接的に結びつかない。光吸収向上の効果を高めるには、材料の持つ光吸収特性（吸収係数）と共振の大きさ（Ｑ値）との整合性を取ることが重要である。

　また、本発明に係る太陽電池は、上記光電変換層の上記第１の透明導電膜と反対側の表面に形成された第２透明導電膜を備え、当該第２の透明導電膜は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていることを特徴とする。

　上記の構成によれば、本発明に係る太陽電池は、第１および第２の透明導電膜が、光電変換層を上下から挟むように形成されていることによって、フォトニック結晶構造による共振効果によって得られる光閉じ込めの効果に、２層の透明導電膜による光閉じ込めの効果をプラスすることができる。

　透明導電膜による光閉じ込め効果について説明すると、まず、第１および第２の透明導電膜の屈折率は、光電変換層の屈折率よりも小さい。従って、屈折率が光電変換層より小さい媒質からなる透明導電膜によって、光電変換層を挟むことによって、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理で、光電変換層を抜けて外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この光閉じ込め効果によって、未だ吸収されていない光が光電変換層内を何度も往復することになるので、光電変換層による光の吸収率を一層向上させることができる。

　本発明に係る上記太陽電池の上記光電変換層は、吸収する光の主な波長域が異なる少なくとも２層の光電変換層を有していることを特徴とする。

　上記構成によれば、１層の光電変換層と比較して、より広い波長域の光を吸収できるので、光電変換率を上昇させることができる。

　本発明に係る上記太陽電池の上記フォトニック結晶構造は、透明な誘電体で形成されていることを特徴とする。

　上記構成のように、フォトニック結晶構造が透明な誘電体で形成されていると、誘電体は共振条件を満たした波長の光としか共振せず、共振しない波長の光を通過させるので、入射光のエネルギーを奪うことがない。

　従って、入射光のエネルギーが光電変換層以外のところで吸収されることによるエネルギー損失を小さくすることができる。

　本発明に係る上記太陽電池のフォトニック結晶構造は、透明な導電体で形成されていることを特徴とする。

　フォトニック結晶構造が誘電体を材料としている場合には、誘電体が電気を通さない絶縁体であるため、光電変換層で発生した電流を、上記誘電体を介さずに第１の透明導電膜へと導くための通路が必要となる。そのため、光電変換層（例えば光電変換層のアモルファスシリコン半導体）が、少なくとも一部において、第１の透明導電膜と直接的に接触していなければならない。そのためには、フォトニック結晶構造の形成工程において、フォトニック結晶構造を構成する凹凸の凹部では、第１の透明導電膜が露出するまで、誘電体で形成された層をエッチングしなければならない。

　一方で、本構成のように、フォトニック結晶構造が導電性を有する材料で形成されている場合には、光電変換層で発生した電流は、光電変換層からフォトニック結晶構造を通って第１の透明導電膜へと移動することができる。そのため、光電変換層と第１の透明導電膜とが直接的に接触している必要はない。

　従って、フォトニック結晶構造の形成工程において、フォトニック結晶構造を構成する凹凸の凹部では、第１の透明導電膜が露出するまで、導電体で形成された層をエッチングする必要がなく、凹部内に、導電体の残滓が残っていてもよい。

　すなわち、フォトニック結晶構造が導電性を有していることによって、フォトニック結晶構造の形成工程を簡易化することができる。例えば、エッチング時間の調整を簡便にしたり、短縮したりすることができる。

　本発明に係る上記太陽電池は、光の入射側と反対側の表面に、上記光電変換層側から入射した光を上記入射側へと反射し、かつ上記光電変換層の電極として機能する金属電極層が形成されていることを特徴とする。

　上記構成によれば、金属電極層は、光電変換層で光電変換されずに通り抜けた光を、再び光電変換層内へと戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板の上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な誘電体であってもよい。

　これにより、既に説明したように、入射光のエネルギーの損失を小さくした太陽電池を得ることができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板の上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な導電体であってもよい。

　これにより、既に説明したように、フォトニック結晶構造の形成工程を簡易化することができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板では、上記透明基板の上記一方の表面の形状が、上記複数の凹凸の形状に対応した凹凸の形状をなし、上記透明導電膜の表面に形成された上記複数の凹凸は、上記一方の表面における凹凸の形状が転写されたものであってもよい。

　上記の構成によれば、上記透明導電膜上に透明な導電体を積層した構成と同様に、フォトニック結晶構造の形成工程を簡易化することができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板では、
（１）上記複数の凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
（２）上記複数の凹凸は、第１の径および第１の格子定数を持つ第１の副構造と、当該第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列され、上記第１の径および第１の格子定数とはそれぞれ異なった第２の径および第２の格子定数を持つ第２の副構造とを含む、少なくとも２種類の副構造を含み、
（３）上記第１の径および第２の径は、上記透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であることを特徴とする。

　これにより、より広い波長域で、より強い共振が生じる結果、光電変換率が増大した太陽電池を得ることができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板では、
（１）上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
（２）上記フォトニック結晶構造は、４つの凹部または４つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
（３）上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていることを特徴とする。

　これにより、フォトニック結晶構造は４種類の周期構造を持つことになるので、より広い波長域で、より強い共振が生じる結果、光電変換率が増大した太陽電池を得ることができる。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板では、上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であってもよい。

　本発明に係る上記フォトニック結晶基板では、上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は三角形であり、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいてもよい。

　本発明は上述した実施形態および実施例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、上記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他の実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

　本発明は、フォトニック結晶構造を備えた基板、およびその基板を用いて作製する太陽電池全般に利用することができる。

　１，１ａ，１ｂ　　太陽電池
　１０　　透明基板
　１１　　第１の透明導電膜
　１２　　第２の透明導電膜
　１４　　金属電極層
　２０　　光電変換層
　２１，２２　　半導体層
　３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ　　フォトニック結晶構造
　３１，３２，３３　　構造体（基本要素）
　３２　　構造体
　３２ｂ、３３ｂ　　構造体（基本要素）
　９９，２９９、３９９、４９９、５９９　加工済み基板（フォトニック結晶基板）
　２００，２００ａ　　太陽電池
　２３０，２３０ａ　　フォトニック結晶構造
　２３１，２３２，２３３　　孔状の構造体（基本要素）
　３００，３００ａ　　太陽電池
　３３０，３３０ａ，３３０ｂ，３３０ｃ　　フォトニック結晶構造
　３３１，３３２，３３３　　構造体（基本要素）
　３３２ｃ，３３３ｃ　　孔状の構造体（基本要素）
　４００　　太陽電池
　５０１　　太陽電池
　５３０　　フォトニック結晶構造
　５３１　　構造体（基本要素）
　５３１ａ　　孔状の構造体（基本要素）
　５４０　　単位格子
　６３０　　フォトニック結晶構造
　６３１　　構造体（基本要素）
　６３１ａ　　孔状の構造体（基本要素）
　６４０　　単位格子
　ｒ，ｗ　　第１の径
　Ｒ，Ｗ　　第２の径
　ａ，Ａ　　格子定数

Claims

　光の入射側に設けられた透明基板と、
　上記透明基板上に形成された第１の透明導電膜と、
　上記第１の透明導電膜の表面上に設けられ、複数の凹凸で形成されたフォトニック結晶構造と、
　上記フォトニック結晶構造の凹凸に沿って形成された、少なくとも１層の光電変換層とを備え、
　上記第１の透明導電膜および上記フォトニック結晶構造は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていること
を特徴とする太陽電池。
　上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、
　上記フォトニック結晶構造は、第１の径を持つ上記基本要素が、第１の格子定数で配列された第１の副構造と、上記第１の径と異なった第２の径を持つ上記基本要素が、第１の格子定数と異なった第２の格子定数で、上記第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第２の副構造とを含む、少なくとも２種類の副構造を含み、
　上記第１の径および第２の径は、上記第１の透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であること
を特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
　上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造の基本要素をなしているとともに、上記基本要素は、中心軸の方向が上記透明導電膜の表面と実質的に垂直な柱形状をしており、中心軸に垂直な断面の形状が円形、楕円形または多角形であり、上記多角形は、直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記多角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
　上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
　上記フォトニック結晶構造は、４つの凹部または４つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていること
を特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であること
を特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は三角形であり、
　４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、
　上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
　上記光電変換層の上記第１の透明導電膜と反対側の表面に形成された第２の透明導電膜を備え、当該第２の透明導電膜は、上記光電変換層よりも屈折率の小さい材料で形成されていること
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の太陽電池。
　上記光電変換層は、吸収する光の主な波長域が異なる少なくとも２層の光電変換層を有していること
を特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の太陽電池。
　上記フォトニック結晶構造は、透明な誘電体で形成されていること
を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽電池。
　上記フォトニック結晶構造は、透明な導電体で形成されていること
を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽電池。
　上記太陽電池は、光の入射側と反対側の表面に、上記光電変換層側から入射した光を上記入射側へと反射し、かつ上記光電変換層の電極として機能する金属電極層が形成されていること
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の太陽電池。
　透明基板と、
　上記透明基板の一方の表面上に設けられた透明導電膜とを備え、
　上記透明導電膜の表面には、フォトニック結晶構造を形成するための複数の凹凸が、周期的に形成され、
　上記透明導電膜および上記複数の凹凸は、光電変換層の形成材料よりも屈折率の小さい材料で形成されていること
を特徴とするフォトニック結晶基板。
　上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な誘電体であること
を特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶基板。
　上記凹凸の形成材料は、上記透明導電膜上に積層された透明な導電体であること
を特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶基板。
　上記一方の表面の形状が、上記複数の凹凸の形状に対応した凹凸の形状をなし、
　上記透明導電膜の表面に形成された上記複数の凹凸は、上記一方の表面における凹凸の形状が転写されたものであること
を特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶基板。
　上記複数の凹凸を構成する凹部または凸部の一方が上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
　上記複数の凹凸は、第１の径および第１の格子定数を持つ第１の副構造と、当該第１の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列され、上記第１の径および第１の格子定数とはそれぞれ異なった第２の径および第２の格子定数を持つ第２の副構造とを含む、少なくとも２種類の副構造を含み、
　上記第１の径および第２の径は、上記透明導電膜の面内方向における上記基本要素の断面の径であること
を特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶基板。
　上記凹凸を構成する凹部または凸部の一方が、上記フォトニック結晶構造を形成するための基本要素をなしているとともに、
　上記フォトニック結晶構造は、４つの凹部または４つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていること
を特徴とする１２から１５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶基板。
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は、大きさが互いに異なる相似形であること
を特徴とする請求項１７に記載のフォトニック結晶基板。
　上記４つの凹部または４つの凸部の断面の形状は三角形であり、
　４つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、
　上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項１７に記載のフォトニック結晶基板。
　請求項１から１１のいずれか１項に記載の太陽電池を１ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列されたことを特徴とする太陽電池パネル。
　請求項１から１１のいずれか１項に記載の太陽電池、または請求項２０に記載の太陽電池パネルを電源として備えたことを特徴とする装置。