[发明专利]光电转换元件

说明书

技术领域

本发明涉及光电转换元件，特别地涉及使用了量子结构的光电转换元件。

背景技术

太阳能电池具有单位发电量的二氧化碳排出量少、不需要发电用燃料的优点。因此，关于各种太阳能电池的研究盛行。目前，在被实用化了的太阳能电池中，使用了单晶硅或者多晶硅的、具有一组pn结的单结太阳能电池成为主流。但是，由于单结太阳能电池的光电转换效率的理论界限(以下称为“理论界限效率”)停留在约30％，因此正在探讨进一步提高理论界限效率的新方法。

在到目前为止探讨中的新方法之一中，有利用了半导体的量子结构的太阳能电池。作为该种太阳能电池中所使用的量子结构，已知有量子点、量子井、以及量子线等。通过使用量子结构，由于还能够吸收用原来的太阳能电池不能吸收的频带的太阳光光谱，因此通过利用了量子结构的太阳能电池，认为还能够将理论界限效率提高到60％以上。

作为与该种太阳能电池(也包含半导体光元件)相关的技术，例如在专利文献1中公开了以下技术：在半导体发光/受光元件中，将具有量子点和围绕该量子点、势能比量子点的势能高而作为能量势垒起作用半导体的层具有多层的半导体元件，其中，所述量子点的大小为电子的德布罗意波长程度的截面尺寸并由半导体构成。另外，在专利文献2中公开了以下内容：在以pin结构构成、在作为光检测层的i层包含具有三维量子限制效应的量子点、且量子点以及围绕量子点的势垒层的能带结构构成typeII的太阳能电池中，在量子点的n层侧形成成为阻止向量子点注入空穴的势垒的载流子注入阻止层的方式，以及在量子点的p层侧形成成为阻止向量子点注入电子的势垒的载流子注入阻止层的方式。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开平8-264825号公报；

专利文献2：日本专利文献特开2006-114815号公报。

非专利文献

非专利文献1：E.E.Mendez，et al.，Physical Review Letters 60，2426(1988)；

非专利文献2：P.Voisin，et al.，Physical Review Letters 61，1639(1988)。

发明内容

发明要解决的问题

在使用了量子结构的pin型太阳能电池(具有pin结的太阳能电池)中，使在量子结构中产生的电子以及空穴(以下有时将它们合称为“载流子”)主要通过隧道传导(tunnel conduction)在量子结构间移动，另一方面从距离电极最近的量子结构向n层或p层的移动多被认为是由于热激励。这里，如非专利文献1和非专利文献2中所记载的那样，在通过隧道传导将量子结构中存在的载流子移动到邻接的量子结构的情况下，若与相邻的量子结构的量子能级存在大的能量差，则载流子的穿越概率降低。因此，为了增大穿越概率，优选减小相邻量子结构的量子能级的能量差。另一方面，若在室温下使用利用了量子结构的pin型太阳能电池，热激励能量不足30meV。因此，为了通过热激励使量子结构的载流子向n层或p层移动，优选减小量子结构与n层或p层之间的能量势垒。

根据专利文献1所公开的技术，由于使用了量子点，因此只要能使量子点中存在的载流子通过隧道传导移动，就认为能够提供高效率的半导体光元件。但是，在专利文献1所公开的技术中，没有实施减小相邻量子点间的量子能级的能量差的对策。因此，存在难以取出处于量子能级的基态能级等的载流子、进而难以提高光电转换效率的问题。该问题即使通过组合专利文献1公开的技术与专利文献2公开的技术，也难以解决。

因此，本发明以能够提供提高光电转换效率的光电转换元件为课题。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明采取以下手段。即，本发明是一种光电转换元件，其特征在于，包括：p层、n层、配置在p层与n层之间的i层、与p层连接的第一电极、以及与n层连接的第二电极，i层具有由第一半导体构成的壁层、以及由配置在该壁层中的第二半导体构成的量子结构部，第一半导体的带隙比第二半导体的带隙宽，在i层的n层侧的区域含有p型杂质、以及/或者在i层的p层侧的区域含有n型杂质，在i层的n层侧的区域含有p型杂质的情况下，在将在i层的厚度方向中央能够含有的p型杂质的浓度设为Cp1、将在i层的n层侧的区域含有的p型杂质的浓度设为Cp2时，Cp1＜Cp2，在i层的p层侧的区域含有n型杂质的情况下，在将在i层的厚度方向中央能够含有的n型杂质的浓度设为Cn1、将在i层的p层侧的区域含有的n型杂质的浓度设为Cn2时，Cn1＜Cn2。