光伏电力元件转让专利
申请号 : CN200880104882.9
文献号 : CN101790793A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 竹田康彦 , 伊藤忠 , 元广友美 , 长岛知理
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
本发明提供了一种即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率的光伏电力元件。光伏电力元件包括：吸收光并生成电子和空穴的光吸收层2、与光吸收层2的一面邻接的电子移动层3、与光吸收层2的另一面邻接的空穴移动层4、设置在电子移动层3上的负电极5、以及设置在空穴移动层4上正电极6，并且，电子移动层3具有导带3a，导带3a具有比光吸收层2中的导带2c的能宽窄的能宽，并且导带3a选择性地使预定的能级Ee的电子通过，空穴移动层4具有价带4a，价带4a具有比光吸收层2中的价带的能宽窄的能宽，并且价带4a选择性地使预定的能级Eh的空穴通过，光吸收层2包含p型杂质或者n型杂质。
权利要求 :
1.一种光伏电力元件，其特征在于，包括：
光吸收层，所述光吸收层吸收光并生成电子和空穴；
电子移动层，所述电子移动层与所述光吸收层的一面邻接；
空穴移动层，所述空穴移动层与所述光吸收层的另一面邻接；
负电极，所述负电极被设置在所述电子移动层上；以及正电极，所述正电极被设置在所述空穴移动层上，并且，
所述电子移动层具有导带，所述导带具有比所述光吸收层中的导带的能宽窄的能宽，并且所述导带选择性地使预定的第一能级的电子通过，所述空穴移动层具有价带，所述价带具有比所述光吸收层中的价带的能宽窄的能宽，并且所述价带选择性地使预定的第二能级的空穴通过，所述光吸收层包含p型杂质或者n型杂质。
2.如权利要求1所述的光伏电力元件，其中，所述光吸收层包含p型杂质，
所述空穴移动层中的价带包含所述光吸收层中的价带的上端的能级。
3.如权利要求2所述的光伏电力元件，其中，所述空穴移动层中的价带的上端的能级比所述光吸收层中的价带的上端的能级高并且比所述光吸收层中的空穴的准费米能级低。
4.如权利要求1所述的光伏电力元件，其中，所述光吸收层包含n型杂质，
所述电子移动层中的导带包含所述光吸收层中的导带的下端的能级。
5.如权利要求4所述的光伏电力元件，其中，所述电子移动层中的导带的下端的能级比所述光吸收层中的导带的下端的能级低并且比所述光吸收层中的电子的准费米能级高。
6.如权利要求1所述的光伏电力元件，其中，所述光吸收层包含p型杂质，
所述第二能级与所述光吸收层中的价带的上端的能级实质上一致。
7.如权利要求1所述的光伏电力元件，其中，所述光吸收层包含n型杂质，
所述第一能级与所述光吸收层中的导带的下端的能级实质上一致。
8.如权利要求1～7中的任一项所述的光伏电力元件，其中，当入射光强度为A[kW/m2]时，所述光吸收层中所述p型杂质或者所述n型杂质的浓度大于等于A×1013[cm-3]。
说明书 :
技术领域
本发明涉及光伏电力元件(photovoltaic force device)。
背景技术
近年来，太阳能电池等光伏电力元件作为不排出二氧化碳的清洁能源而受到关注。现在被实用化的光伏电力元件具有被称作“第一代”的、使用了硅晶片(silicon wafer)的结构，但是光电转换效率低并且存在与一般的发电系统相比每单位电力的成本高的问题。
相对于该第一代光伏电力元件，存在被称作“第二代”的结构。即，为薄膜硅型(通过减小硅层的厚度来降低使用原料、生产所需的能源、成本等)、CIGS型(使用非硅系的半导体材料，如铜、铟、镓、硒)、色素增感型等。这些第二代的光伏电力元件相对于第一代光伏电力元件转换效率相同或稍微低，但是能够以比第一代低的成本制造，并且能够大幅降低每单位电力的成本。
相对于该第二代，提出了几个抑制成本的增加并且旨在大幅提高转换效率的被称作“第三代”的结构。该第三代中最有希望的一个为热载流子型光伏电力元件。对于在由半导体构成的光吸收层内由于光激发而产生的载流子(电子以及空穴)，在在其能量由于声子散射而消散之前将其从光吸收层取出，由此实现高转换效率。例如非专利文件1～4中记载了这样的热载流子型光伏电力元件的原理。
非专利文件1：Robert T.Ross et al.，”Efficiency of hot-carrier solarenergy converters”，American Institute of Phisics，Journal of Applied Physics，May 1982，Vol.53，No.5，pp.3813-3818
非专利文件2：Peter Wurfel，”Solar energy conversion with hot electronsfrom impact ionisation”，Elsevier，Solar Energy Materials and Solar Cells，1997，Vol.46，pp.43-52
非专利文件3：G.J.Conibeer et al.，”On achievable efficiencies ofmanufactured Hot Carrier solar cell absorbers”，21st European PhotovoltaicSolar Energy Conference，4-8 September 2006，pp.234-237
非专利文件4：Peter Wurfel，“Particle Cnservation in the Hot-carrierSolar Cell”，Wiley InterScience，Progress in Photovoltaics：Research andApplications，18 February 2005，Vol.13，pp.277-285
相对于该第一代光伏电力元件，存在被称作“第二代”的结构。即，为薄膜硅型(通过减小硅层的厚度来降低使用原料、生产所需的能源、成本等)、CIGS型(使用非硅系的半导体材料，如铜、铟、镓、硒)、色素增感型等。这些第二代的光伏电力元件相对于第一代光伏电力元件转换效率相同或稍微低，但是能够以比第一代低的成本制造，并且能够大幅降低每单位电力的成本。
相对于该第二代，提出了几个抑制成本的增加并且旨在大幅提高转换效率的被称作“第三代”的结构。该第三代中最有希望的一个为热载流子型光伏电力元件。对于在由半导体构成的光吸收层内由于光激发而产生的载流子(电子以及空穴)，在在其能量由于声子散射而消散之前将其从光吸收层取出，由此实现高转换效率。例如非专利文件1～4中记载了这样的热载流子型光伏电力元件的原理。
非专利文件1：Robert T.Ross et al.，”Efficiency of hot-carrier solarenergy converters”，American Institute of Phisics，Journal of Applied Physics，May 1982，Vol.53，No.5，pp.3813-3818
非专利文件2：Peter Wurfel，”Solar energy conversion with hot electronsfrom impact ionisation”，Elsevier，Solar Energy Materials and Solar Cells，1997，Vol.46，pp.43-52
非专利文件3：G.J.Conibeer et al.，”On achievable efficiencies ofmanufactured Hot Carrier solar cell absorbers”，21st European PhotovoltaicSolar Energy Conference，4-8 September 2006，pp.234-237
非专利文件4：Peter Wurfel，“Particle Cnservation in the Hot-carrierSolar Cell”，Wiley InterScience，Progress in Photovoltaics：Research andApplications，18 February 2005，Vol.13，pp.277-285
发明内容
上述的非专利文件等记载热载流子型光伏电力元件的理论上的转换效率大于等于80％。然而，根据本发明的发明人的研究，实际上的转换效率只有50％左右。理由如下。通常，具有以下倾向：光吸收层的载流子密度越大则转换效率越高。上述的80％的转换效率是以载流子密度充分大为前提的。为了使载流子密度大，需要延长从在光吸收层中通过光激发而产生载流子之后直到该载流子被取出到光吸收层的外部为止的时间(滞留时间)。
其中，图10是示出在现有结构的光伏电力元件中忽略了载流子的能量损失的情况下的光吸收层内的载流子密度和转换效率之间的关系计算结果的曲线图。在图10中，曲线图G11～G16分别表示载流子温度为300[K]、600[K]、1200[K]、2400[K]、3600[K]、以及4800[K]时的载流子密度和转换效率之间的关系。在图10中，假设电子和空穴的有效质量分别为0.4，并且聚光倍数为1000倍。参照图10可知：在各载流子温度下，载流子密度越大，则转换效率大体上变得越高。
然而，实际上，随着光吸收层内的载流子的滞留时间越长，根据载流子-晶格(lattice)相互作用的声子散射所引起的能量损失变得越发显著，从而出现实现不了转换效率的提高的结果。因此，即使在热载流子型的光伏电力元件中，实际的转换效率也被限制在50％左右。
本发明是鉴于上述的问题而完成的，并且其目的在于提供一种即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率的热载流子型的光伏电力元件。
为了解决上述的课题，根据本发明的光伏电力元件，其特征在于，包括：光吸收层，所述光吸收层吸收光并生成电子和空穴；电子移动层，所述电子移动层与所述光吸收层的一面邻接；空穴移动层，所述空穴移动层与所述光吸收层的另一面邻接；负电极，所述负电极设置在所述电子移动层上；以及正电极，所述正电极设置在所述空穴移动层上，并且，所述电子移动层具有导带，所述导带具有比所述光吸收层中的导带的能宽窄的能宽，并且所述导带选择性地使预定的第一能级的电子通过，所述空穴移动层具有价带，所述价带具有比所述光吸收层中的价带的能宽窄的能宽，并且所述价带选择性地使预定的第二能级的空穴通过，所述光吸收层包含p型杂质或者n型杂质。
本发明的发明人关注热载流子型光伏电力元件的以下的点。即，在热载流子型的光伏电力元件中，将在光吸收层产生的高温电子和空穴维持着该能量(温度)从光吸收层取出。但是，由于作为电子和空穴的移动目的地的电极的温度约为室温，因此当电子和空穴从光吸收层向电极移动时熵增加。即，将会损失相当于该熵增的能量，抑制转换效率。
在上述的光伏电力元件中，光吸收层包含p型杂质(受主)或者n型杂质(施主)。例如，在光吸收层包含p型杂质的情况下，由于从预先被掺杂的p型杂质放出的空穴的温度低(室温附近)，因此，由于光激发而产生的空穴的能量高，平均的的空穴温度也接近室温。由此，能够使当空穴被从光吸收层取出时的空穴和电极的温差小，能够抑制关于空穴的熵增。另外，在光吸收层包含n型杂质的情况下，由于从预先被掺杂的n型杂质放出的电子的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的电子的能量高，平均的电子温度也接近室温。由此，能够使当电子被从光吸收层取出时的电子和电极的温差小，能够抑制关于电子的熵增。
如上所述，根据上述的光伏电力元件，由于能够抑制当电子或空穴被从光吸收层向电极移动时的熵的增加，因此，即使在光吸收层2中的载流子的滞留时间τr短也能够有效地提高转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含p型杂质，空穴移动层中的价带包含光吸收层中的价带的上端的能级。在光吸收层包含p型杂质的情况下，由于从预先掺杂的p型杂质放出的空穴，光吸收层整体的空穴的能量分布偏向价带的上端附近。因此，通过空穴移动层中的价带包括光吸收层中的价带的上端的能级，能够使偏向价带2d的上端附近的空穴经由空穴移动层中的价带有效地向正电极移动，能够进一步提高光伏电力元件的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，空穴移动层中的价带的上端的能级设定得比光吸收层中的价带上端的能级高并比光吸收层中的空穴的准费米能级低。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含n型杂质，电子移动层中的导带包含光吸收层中的导带的下端的能级。在光吸收层包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，由于从预先掺杂的n型杂质放出的电子，光吸收层整体的电子的能量分布偏向导带的下端附近。因此，通过电子移动层中的导带包括光吸收层中的导带的下端的能级，能够使偏向导带2c的下端附近的电子经由电子移动层中的导带有效地向负电极移动，能够进一步提高光伏电力元件的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，电子移动层中的导带的下端的能级设定得比光吸收层中的导带下端的能级低并比光吸收层中的电子的准费米能级高。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：电子移动层中的导带的下端的能级比光吸收层中的导带的下端的能级低并且比光吸收层中的电子的准费米能级高。如上所述，在光吸收层包含p型杂质的情况下，光吸收层整体的空穴的能量分布偏向价带的上端附近。因此，能够使空穴选择性地通过空穴移动层的价带的第二能级实质上与光吸收层中价带的上端的能级一致，由此能够有效地使空穴通过空穴移动层，并且能够提高光伏电力元件的转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含n型杂质，第一能级实质上与所述光吸收层中的导带的下端的能级一致。如上所述，在光吸收层包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，光吸收层整体的电子的能量分布偏向导带的下端附近。因此，能够使电子选择性地通过电子移动层的导带的第一能级实质上与光吸收层中导带的下端的能级一致，由此能够有效地使电子通过电子移动层，并且能够提高光伏电力元件的转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：当入射光强度为A[kW/m2]时，光吸收层中p型杂质或者n型杂质的浓度大于等于A×1013[cm-3]。由此，能够使从p型杂质或者n型杂质放出的空穴(电子)的密度比由于光激发而产生的空穴(电子)的密度充分大，因此能够使光吸收层整体的空穴(电子)的温度更加接近室温。作为入射光强度A[kW/m2]的数值，优选的是例如在基准太阳光强度(1[kW/m2]。也被表示为1[Sun])上乘以聚光倍数的数值。例如，在非聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1[kW/m2]，在1000倍聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1000[kW/m2]。
根据本发明的光伏电力元件，即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率。
其中，图10是示出在现有结构的光伏电力元件中忽略了载流子的能量损失的情况下的光吸收层内的载流子密度和转换效率之间的关系计算结果的曲线图。在图10中，曲线图G11～G16分别表示载流子温度为300[K]、600[K]、1200[K]、2400[K]、3600[K]、以及4800[K]时的载流子密度和转换效率之间的关系。在图10中，假设电子和空穴的有效质量分别为0.4，并且聚光倍数为1000倍。参照图10可知：在各载流子温度下，载流子密度越大，则转换效率大体上变得越高。
然而，实际上，随着光吸收层内的载流子的滞留时间越长，根据载流子-晶格(lattice)相互作用的声子散射所引起的能量损失变得越发显著，从而出现实现不了转换效率的提高的结果。因此，即使在热载流子型的光伏电力元件中，实际的转换效率也被限制在50％左右。
本发明是鉴于上述的问题而完成的，并且其目的在于提供一种即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率的热载流子型的光伏电力元件。
为了解决上述的课题，根据本发明的光伏电力元件，其特征在于，包括：光吸收层，所述光吸收层吸收光并生成电子和空穴；电子移动层，所述电子移动层与所述光吸收层的一面邻接；空穴移动层，所述空穴移动层与所述光吸收层的另一面邻接；负电极，所述负电极设置在所述电子移动层上；以及正电极，所述正电极设置在所述空穴移动层上，并且，所述电子移动层具有导带，所述导带具有比所述光吸收层中的导带的能宽窄的能宽，并且所述导带选择性地使预定的第一能级的电子通过，所述空穴移动层具有价带，所述价带具有比所述光吸收层中的价带的能宽窄的能宽，并且所述价带选择性地使预定的第二能级的空穴通过，所述光吸收层包含p型杂质或者n型杂质。
本发明的发明人关注热载流子型光伏电力元件的以下的点。即，在热载流子型的光伏电力元件中，将在光吸收层产生的高温电子和空穴维持着该能量(温度)从光吸收层取出。但是，由于作为电子和空穴的移动目的地的电极的温度约为室温，因此当电子和空穴从光吸收层向电极移动时熵增加。即，将会损失相当于该熵增的能量，抑制转换效率。
在上述的光伏电力元件中，光吸收层包含p型杂质(受主)或者n型杂质(施主)。例如，在光吸收层包含p型杂质的情况下，由于从预先被掺杂的p型杂质放出的空穴的温度低(室温附近)，因此，由于光激发而产生的空穴的能量高，平均的的空穴温度也接近室温。由此，能够使当空穴被从光吸收层取出时的空穴和电极的温差小，能够抑制关于空穴的熵增。另外，在光吸收层包含n型杂质的情况下，由于从预先被掺杂的n型杂质放出的电子的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的电子的能量高，平均的电子温度也接近室温。由此，能够使当电子被从光吸收层取出时的电子和电极的温差小，能够抑制关于电子的熵增。
如上所述，根据上述的光伏电力元件，由于能够抑制当电子或空穴被从光吸收层向电极移动时的熵的增加，因此，即使在光吸收层2中的载流子的滞留时间τr短也能够有效地提高转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含p型杂质，空穴移动层中的价带包含光吸收层中的价带的上端的能级。在光吸收层包含p型杂质的情况下，由于从预先掺杂的p型杂质放出的空穴，光吸收层整体的空穴的能量分布偏向价带的上端附近。因此，通过空穴移动层中的价带包括光吸收层中的价带的上端的能级，能够使偏向价带2d的上端附近的空穴经由空穴移动层中的价带有效地向正电极移动，能够进一步提高光伏电力元件的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，空穴移动层中的价带的上端的能级设定得比光吸收层中的价带上端的能级高并比光吸收层中的空穴的准费米能级低。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含n型杂质，电子移动层中的导带包含光吸收层中的导带的下端的能级。在光吸收层包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，由于从预先掺杂的n型杂质放出的电子，光吸收层整体的电子的能量分布偏向导带的下端附近。因此，通过电子移动层中的导带包括光吸收层中的导带的下端的能级，能够使偏向导带2c的下端附近的电子经由电子移动层中的导带有效地向负电极移动，能够进一步提高光伏电力元件的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，电子移动层中的导带的下端的能级设定得比光吸收层中的导带下端的能级低并比光吸收层中的电子的准费米能级高。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：电子移动层中的导带的下端的能级比光吸收层中的导带的下端的能级低并且比光吸收层中的电子的准费米能级高。如上所述，在光吸收层包含p型杂质的情况下，光吸收层整体的空穴的能量分布偏向价带的上端附近。因此，能够使空穴选择性地通过空穴移动层的价带的第二能级实质上与光吸收层中价带的上端的能级一致，由此能够有效地使空穴通过空穴移动层，并且能够提高光伏电力元件的转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：光吸收层包含n型杂质，第一能级实质上与所述光吸收层中的导带的下端的能级一致。如上所述，在光吸收层包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，光吸收层整体的电子的能量分布偏向导带的下端附近。因此，能够使电子选择性地通过电子移动层的导带的第一能级实质上与光吸收层中导带的下端的能级一致，由此能够有效地使电子通过电子移动层，并且能够提高光伏电力元件的转换效率。
另外，光伏电力元件，也可以具有以下特征：当入射光强度为A[kW/m2]时，光吸收层中p型杂质或者n型杂质的浓度大于等于A×1013[cm-3]。由此，能够使从p型杂质或者n型杂质放出的空穴(电子)的密度比由于光激发而产生的空穴(电子)的密度充分大，因此能够使光吸收层整体的空穴(电子)的温度更加接近室温。作为入射光强度A[kW/m2]的数值，优选的是例如在基准太阳光强度(1[kW/m2]。也被表示为1[Sun])上乘以聚光倍数的数值。例如，在非聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1[kW/m2]，在1000倍聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1000[kW/m2]。
根据本发明的光伏电力元件，即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率。
附图说明
图1是示意性地示出利用了半导体的pn结的以往的光伏电力元件中的能带的图；
图2的(a)～(h)是示意性地示出当光被半导体吸收时的电子和空穴的能量分布的变化的图；
图3是示意性地表示了热载流子型的光伏电力元件的动作的图；
图4的(a)是示出通常的热载流子型的光伏电力元件的能带结构的图；图4的(b)是当光入射到图4的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图5是示出本实施方式中的光伏电力元件的构成的立体图；
图6的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件中的能带结构的图；图6的(b)是当光入射到图6的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图7的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件中的能带结构的图；图7的(b)是当光入射到图7的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图8是示出在光吸收层中掺杂了p型杂质的情况下的光吸收层内的光激发载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图；
图9是示出根据上述实施方式的光伏电力元件的实施例以及比较例的表；
图10是示出在现有结构的光伏电力元件中光吸收层内的载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图。
符号说明
1光伏电力元件
2、17、20光吸收层
2c、3a、16a、20a、22a导带
2d价带
3、16、22电子移动层
4、21空穴移动层
4a、20b、21a价带
5、24负电极
6、23正电极
31、41障碍区域
32、42半导体量子构造
Q1电子的准费米能级
Q2空穴的准费米能级
图2的(a)～(h)是示意性地示出当光被半导体吸收时的电子和空穴的能量分布的变化的图；
图3是示意性地表示了热载流子型的光伏电力元件的动作的图；
图4的(a)是示出通常的热载流子型的光伏电力元件的能带结构的图；图4的(b)是当光入射到图4的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图5是示出本实施方式中的光伏电力元件的构成的立体图；
图6的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件中的能带结构的图；图6的(b)是当光入射到图6的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图7的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件中的能带结构的图；图7的(b)是当光入射到图7的(a)所示的光伏电力元件时发生的光吸收层中的载流子的能量分布；
图8是示出在光吸收层中掺杂了p型杂质的情况下的光吸收层内的光激发载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图；
图9是示出根据上述实施方式的光伏电力元件的实施例以及比较例的表；
图10是示出在现有结构的光伏电力元件中光吸收层内的载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图。
符号说明
1光伏电力元件
2、17、20光吸收层
2c、3a、16a、20a、22a导带
2d价带
3、16、22电子移动层
4、21空穴移动层
4a、20b、21a价带
5、24负电极
6、23正电极
31、41障碍区域
32、42半导体量子构造
Q1电子的准费米能级
Q2空穴的准费米能级
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的光伏电力元件的实施方式。在附图说明中，对同一个要素标注了相同符号，并且省略了重复说明。
<实施方式>
说明本发明的光伏电力元件的第一实施方式。之前，首先对热载流子型光伏电力元件的光电机构进行详细说明。
图1是示意性地示出利用了半导体的pn结的以往的光伏电力元件中的能带的图。在该光伏电力元件中，一旦吸收能量比半导体的带隙(bandgap)更高的光L，则首先电子11被激发到比导带的下端高的能级。另外，此时，空穴12位于比价带的上端低的能级。接下来，电子11和空穴12以与半导体结晶晶格的相互作用而产生声子，并且分别移动到导带的下端、价带的上端，其能量被减小(图中的箭头P1)。在该过程中由于产生声子而被消耗的能量不能作为电力而被取出到外部，因此成为抑制光伏电力元件的光电效率的原因。在光伏电力元件内，除了该过程之外，以下各过程也成为抑制发电效率的原因：pn结中的电压降低(图中的箭头P2)、与取出电极相结合部分的电压降低(图中的箭头P3)、电子11和空穴12的复合(图中的箭头P4)，但是与这些相比箭头P1所示的能量减小过程对发电效率的影响最大。
图2的(a)～(h)是示意性地示出当光被半导体吸收时的电子和空穴的能量分布的变化的图。在图2中，图2的(a)为吸收光之前的电子和空穴的能量分布。一旦在这种情况下吸收能量比带隙高的光，则产生如图2的(b)所示的电子-空穴对。在该阶段，电子和空穴各自的能量分布是不满足费米分布并且没有达到热平衡的状态，因此无法定义它们的温度。并且，如图2的(c)和(d)所示，在不到1皮秒的期间电子和其他的电子相互作用，并且空穴与其他的空穴相互作用，电子和空穴分别在导带和价带达到热平衡状态。在图2的(b)～(d)所示的过程中，只在电子之间、空穴之间进行能量交换，因此系统整体中没有能量损失。之后，如图2的(e)和(f)所示，电子和空穴在约几皮秒的期间与结晶晶格相互作用产生光学声子，并且电子到达导带的下端，空穴到达价带的上端。生成的光学声子在几十皮秒的期间转变成声学声子。在该图2的(e)和(f)所示的过程中，产生由于光学声子和声学声子的散射而引起的能量损失。之后，如图2的(g)和(h)所示，通过辐射或者非辐射过程，电子和空穴复合。热载流子型的光伏电力元件在处于电子和空穴经过能量减小、即晶格相互作用来生成光学声子之前的“热”的状态的期间，将电子和空穴取出到光吸收层的外部。
如图3所示，热载流子型的光伏电力元件与光吸收层17邻接地设置有电子移动层(能量选择性接触层)16，只有特定的能级的电子18a才能经由该电子移动层16到达电极，其中电子移动层16具有能带宽度极小的导带16a。位于比电子18a高的能级的电子18b、位于比电子18a低的能级的电子18c相互进行能量的交换和重放而到达能够通过电子移动层16的能级的状态，并且经由电子移动层16到达电极并对输出做出贡献。结果，能够防止高能级的电子生成光声子的过程(能量减小过程)并降低能量损失。虽然关于图3的上述的说明是关于电子的移动的，但是对于空穴的移动也能够根据同样的原理降低能量损失。
为了抑制图2的(e)和(f)所示的过程的能量损失以提高光伏电力元件的发电效率，除了热载流子型之外，还已经对串联型进行了实用化。所谓的串联型是指将带隙不同的多种pn结层光学地串联连接的光伏电力元件。一旦在光的入射侧设置由带隙大的材料构成的pn结层，虽然高能量的光在这里被吸收，但是低能量的光透过这里，被配置在其次的由带隙小的材料构成的pn结层吸收。因此，与具备一个pn结层的光伏电力元件相比，能够使被吸收的光的能量和带隙之间的差变小，能够降低由于电子和空穴的能量减小而导致的损失。但是，在串联型的情况下，带隙不同的pn结的组合有限，因此难以显著地降低能量损失。
在热载流子型的情况下，如果在生成光学声子之前能够将被激发的所有的电子和空穴取出到光吸收层的外部，则能够实现比串联型更高的转换效率。另外，与组合多个pn结的串联型相比，元件结构变得简单，结果能够以低成本进行制造。
图4的(a)是示出通常的热载流子型的光伏电力元件的能带结构的图。如图4的(a)所示的光伏电力元件包括：由具有比较窄的带隙的半导体构成的光吸收层20、与光吸收层20的两侧相邻的作为能量选择性接触层的空穴移动层21和电子移动层22、用于分别取出电子和空穴的金属电极(正电极23和负电极24)。
光吸收层20具有导带20a、价带20b、禁带20c。电子移动层22与光吸收层20的一侧的面邻接地被配置，并且具有导带22a。导带22a与光吸收层20的导带20a相比能带宽度极小，只有特定能级(能量Ee)的电子才能通过该导带22a到达负电极24。空穴移动层21与光吸收层20的另一侧的面邻接地被配置，并且具有价带21a。价带21a与光吸收层20的价带20b相比能带宽度极小，只有特定能级(能量Eh)的空穴才能通过该价带21a到达正电极23。电子移动层22中的导带22a的能级Ee设定得比光吸收层20中的导带20a的下端的能级高。同样地，空穴移动层21中的价带21a的能级Eh设定得比光吸收层20中的价带20b的上端的能级低。图4(a)所示的虚线Q1和Q2分别为光吸收层20中的电子和空穴各自的准费米能级(quasi-fermi level)。
一旦光入射到该光伏电力元件，则在光吸收层20产生如图4的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图4的(b)中，分布De表示导带20a中的电子的能量分布，分布Dh表示价带20b中的空穴的能量分布。如上所述，一旦光入射到光吸收层20，则光吸收层20中的电子和空穴的能级成为对称分布。这些电子和空穴在生成光学声子(即，发生能量减小)之前分别通过导带22a和价带21a从空穴移动层21和正电极23被取出。
基于以上所述的通常的热载流子型的光伏电力元件的发电机构来说明本发明的光伏电力元件的实施方式。图5是示出本实施方式中的光伏电力元件1的构成的立体图。参照图5，光伏电力元件1包括：光吸收层2、电子移动层3、空穴移动层4、负电极5、正电极6。
光吸收层2是吸收太阳光等光L并生成具有与其波长相当的能量的载流子(电子11和空穴12)的层。光吸收层2由Si、Ge、或III-V族化合物等半导体材料来构成，并且实质上掺杂有n型杂质或者p型杂质。假设入射光强度为A[kW/m2]时，光吸收层2中的这些杂质的浓度优选大于等于A×1013[cm-3]。作为一个实施例，光吸收层2以带隙为0.5～1.0[eV]的材料为主成分来构成。
电子移动层3被设置成与光吸收层2的一侧的面2a邻接。电子移动层3被构成为具有能宽比光吸收层2中的导带的能宽窄的导带，并且根据该导带选择性地使预定的能级(第一能级)的电子通过。作为这样的电子移动层3的构成，优选的是在例如在障碍区域(barrier area)31中包括半导体量子结构32，所述半导体量子结构32为量子阱层、量子线、量子点这样的显现载流子限制效应(量子效应)的半导体量子结构。在这种情况下，由于半导体量子结构32的载流子限制效应，电子能够存在的导带的能带宽度变窄。在一个实施例中，障碍区域31由带隙为1.0～5.0[eV]的半导体材料来构成，并且厚度为2～10[nm]。在由量子点构成了半导体量子结构32的情况下，量子点由带隙为1.8～2.2[eV]的半导体材料来构成，并且其点半径(Φ)为2～5nm。
负电极5设置在电子移动层3上。在光吸收层2中生成的电子通过电子移动层3到达负电极5，并且在负电极5中被收集。负电极5例如由透明导电膜来构成以使入射到光吸收层2的光透过。并且，在负电极5上也可以涂上组合了高折射膜和低折射膜的反射防止膜。另外，负电极5也可以被构成为用金属制的梳型电极来代替透明电极膜。
空穴移动层4被设置成与光吸收层2的另一侧的面2b邻接。空穴移动层4被构成为具有能宽比光吸收层2中的价带的能宽窄的价带，并且根据该价带选择性地使预定的能级(第二能级)的空穴通过。作为这样的空穴移动层4的构成，能够适用与上述的电子移动层3同样的构成，例如在障碍区域(barrier area)41中包括半导体量子结构42，所述半导体量子结构42为量子阱层、量子线、量子点这样的显现载流子限制效应(量子效应)的半导体量子结构。在这种情况下，由于半导体量子结构42的载流子限制效应，空穴能够存在的价带的能带宽度变窄。在一个实施例中，障碍区域41由带隙为4.0～5.0[eV]的半导体材料来构成，并且厚度为2～10[nm]。在由量子点构成了半导体量子结构42的情况下，量子点由带隙为1.2～1.8[eV]的半导体材料来构成，并且其点半径(Φ)为4～7nm。
正电极6设置在空穴移动层4上。在光吸收层2中生成的空穴通过空穴移动层4到达正电极6，并且在正电极6中被收集。正电极6例如由铝等金属材料来构成。在本实施方式中，在光吸收层2的光入射面(一侧的面2a)上设置了负电极5，在背面(另一侧的面2b)上设置了正电极6，但是也可以在光入射面上设置正电极，在背面上设置负电极。在这种情况下，空穴移动层被设置成与光吸收层的光入射面邻接，电子移动层被设置成与光吸收层的背面邻接。另外，正电极由使光透过的透明导电膜等来构成，负电极由金属膜来构成。
图6的(a)和图7的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件1中的能带结构的图。图6的(a)示出在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况，图7的(a)示出在光吸收层2中掺杂了n型杂质的情况。如图6的(a)和图7的(a)所示，光伏电力元件1的光吸收层2具有导带2c、价带2d、禁带2e，禁带2e的带隙能量εg变得比较小。另外，在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况下，如图6的(a)所示，导带2c的下端的能级Ec以及价带2d上端的能级Ev相对于能级Ee、Eh的高度与不掺杂的情况(图4的(a))相比分别降低了。图中所示的虚线Q1和Q2分别为光吸收层2的电子和空穴的准费米能级。
与光吸收层2的一侧的面邻接的电子移动层3包括选择性地使预定能级Ee的电子通过的导带3a。导带3a与光吸收层2的导带2c相比能带宽度极小，只有预定能级Ee的电子才能通过该导带3a到达负电极5。
另外，与光吸收层2的另一侧的面邻接的空穴移动层4包括选择性地使预定能级Eh的空穴通过的价带4a。价带4a与光吸收层2的价带2d相比能带宽度极小，只有预定能级Eh的空穴才能通过该价带4a到达正电极6。
在光吸收层2中掺杂有p型杂质的情况下，如图6的(a)所示，空穴移动层4中的价带4a被设定为包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev。更加优选的是，空穴移动层4中的价带4a的上端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev高并比光吸收层2中的空穴的准费米能级Q2低。另外，空穴移动层4中的价带4a的下端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev低。并且，空穴移动层4中的价带4a的预定的能级Eh被设定成实质上与光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev一致。与此相对，电子移动层3中的导带3a的预定的能级Ee被设定为：Ee-Eh约等于被光吸收层2吸收的光的平均能量或者比该平均能量小0.1[eV]以内的值。
在图6的(a)所示的能带结构中，一旦光入射到光吸收层2，在光吸收层2产生如图6的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图6的(b)中，分布De1表示导带2c中的电子的能量分布，分布Dh1表示价带2d中的空穴的能量分布。由于光的吸收而在光吸收层2内生成的电子被激发到与入射光的波长对应的能级。即，在波长短的光的情况下在导带2c中生成高能级的电子，在波长长的光的情况下在导带2c中生成低能级的电子。同时，在波长短的光的情况下在价带2d中生成低能级的空穴，在波长长的光的情况下在价带2d中生成高能级的空穴。在导带2c中，由于高能量电子和低能量电子的相互作用而发生能量的交换，电子的能量分布De1成为热平衡状态。同样地，价带2d中的空穴的能量分布Dh1也成为热平衡状态。
如图6的(b)所示，光吸收层2中的电子能量分布De1横跨在导带2c的宽的能量范围内分布。与此相对，在从p型杂质放出的空穴的密度比由于光激发而产生的空穴的密度充分大的情况下，空穴的能量分布Dh1偏向价带2d的上端(能级Ev)附近。这是由于：即使由于光激发产生的空穴的能量高，也由于从p型杂质放出的空穴的温度接近室温，因此在热平衡状态下的空穴的温度几乎维持在室温。这样生成的电子和空穴在生成光学声子(即发生能量减小)之前分别通过电子移动层3的导带3a和空穴移动层4的价带4a从负电极5和正电极6被取出。
另外，在光吸收层2中掺杂有n型杂质的情况下，如图7的(a)所示的那样，电子移动层3中的导带3a被设定成为包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec。更加优选的是，电子移动层3中的导带3a的下端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec低并比光吸收层2中的电子的准费米能级Q1高。另外，电子移动层3中的导带3a的上端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec高。并且，电子移动层3中的导带3a的预定的能级Ec被设定成实质上与光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec一致。与此相对，空穴移动层4中的价带4a的预定的能级Eh被设定为：Ee-Eh约等于被光吸收层2吸收的光的平均能量或者比该平均能量小0.1[eV]以内的值。
在图7的(a)所示的能带结构中，一旦光入射到光吸收层2，在光吸收层2产生如图7的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图7的(b)中，分布De2表示导带2c中的电子的能量分布，分布Dh2表示价带2d中的空穴的能量分布。
如图7的(b)所示，光吸收层2中的空穴能量分布Dh2横跨在价带2d的宽的能量范围内分布。与此相对，在从n型杂质放出的电子的密度比由于光激发而产生的电子的密度充分大的情况下，电子能量分布De2偏向导带2c的下端(能级Ec)附近。这是由于：即使由于光激发产生的电子的能量高，也由于从n型杂质放出的电子的温度接近室温，因此在热平衡状态下的电子的温度几乎维持在室温。这样生成的电子和空穴在生成光学声子(即发生能量减小)之前分别通过电子移动层3的导带3a和空穴移动层4的价带4a从负电极5和正电极6被取出。
以下，说明由本实施方式的光伏电力元件1获得的效果。首先，研究具有图4的(a)所示的能带结构的通常的热载流子型光伏电力元件所存在的问题点，其次说明本实施方式的光伏电力元件1能够解决该问题点的情况。
关于图4的(a)所示的方式的热载流子型光伏电力元件，理论上考察该输出电力的大小。当导出输出电力时，进行以下的假设。
(A)只关注光吸收层20的特性，对于空穴移动层21和电子移动层22认为其带宽无限小并且电导率无限大。
(B)被激发成高能量的载流子在发生能量减小之前被取出到光吸收层20的外部。即，忽略载流子-晶格的相互作用。
(C)不发生碰撞电离(impact ionization)以及非辐射复合(non-radiative recombination)。
(D)在光吸收层20中，具有比该带隙更高的能量的光全部被吸收。即，光吸收层20的厚度比该光吸收系数的倒数充分大。
(E)由于光激发而产生的载流子由于载流子之间的弹性散射(elasticscattering)立即成为热平衡状态(但是，与晶格并不是热平衡)，该能量分布能够利用费米分布函数来表示。即，认为载流子之间的碰撞时间无限小。
(F)在光吸收层20内保持电中性。
(G)光吸收层20内的载流子的密度、温度、准费米能级在厚度方向上为固定的。即，认为载流子的扩散系数无限大。
在这样的假设下，可以如下面的(1)式所示的那样导出输出电力P。
[数学式1]
P＝J(Ve-Vh) ...(1)
在该数学式(1)中，J为电流密度、Ve、Vh分别为被取出的电子、空穴的能量，(Ve-Vh)成为输出电压。
电流密度J与太阳光谱IS(ε)以及与来自光吸收层20的由于辐射复合的辐射谱IR(ε，μe，μh，Te，Th)满足以下的关系。
[数学式2]
[数学式3]
[数学式4]
在上述的数学式(2)～(4)中，εg为光吸收层20的带隙能量、μe、μh分别为电子、空穴的准费米能级、Te、Th分别为电子、空穴的温度。h为普朗克常数、c为光速、kB为波尔兹曼常数、TS为太阳的表面温度(5760[K])。另外，ΩS为太阳光入射的立体角、ΩR为由于辐射复合的辐射的立体角、分别为ΩS＝6.8×10-5[rad](1[Sun]照射)、ΩS＝π[rad]。
电子能量Ve和空穴能量Vh满足以下关系。
[数学式5]
Ve-Vh＝[Ee-TRTΔSe]-[Eh-TRTΔSh]
＝[Ee-(Ee-μe)TRT/Te]-[Eh-(Eh-μh)TRT/Th] ...(5)
[数学式6]
在上述的数学式(5)和(6)中，Ee为电子移动层22选择性地通过的电子的能级，Eh为空穴移动层21选择性地通过的空穴的能级。另外，ΔSe、ΔSh为当在光吸收层20中温度为Te的电子、温度为Th的空穴被取出到温度为TRT(室温)的负电极24、正电极23时的熵增。
在前面所述的非专利文件1～4中，理论上研究了用于获得比热载流子型光伏电力元件更高的转换效率的条件，并且示出能够获得80％以上的转换效率。这样的高的转换效率以上述的3项的假设(A)～(C)为前提，但是本发明的发明人着眼于这些假设中的(B)。即，为了使(B)的假设成立，从由于光激发而产生载流子直到该载流子被取出到光吸收层20的外部为止的时间、即滞留时间(τr)一定要比能量减小时间(τt)充分短。在通常的半导体中，能量减小时间τt为几皮秒。即使在半导体超晶格结构或者InN这样的特殊物质的情况下，能量减小时间τt也才几百皮秒。因此，光吸收层20中的载流子的滞留时间τr被限制得比这些时间更短，因此无法在光吸收层20中积蓄载流子，光吸收层20的载流子的密度(nc)被限制。
通常来说，光吸收层20的载流子密度nc越大转换效率变得越高。为了使载流子密度nc大，存在例如将光进行聚光之后再入射到光吸收层20中的方法。但是，被实用化的聚光倍数最大为约500倍，在实验室水平被实现的聚光倍数为约1000倍。因此，考虑聚光倍数为1000倍的情况下的光伏电力元件的转换效率。
一旦载流子密度nc、电子温度Te、空穴温度Th被决定，则电子的准费米能级μe和空穴的准费米能级μh也被决定，因此能够基于准费米能级μe和μh来求出转换效率。已示出的图10表示这样求出的转换效率和载流子密度nc之间的关系。但是，在图10中电子和空穴的有效质量me、mh都设为了0.4，并且电子温度Te、空穴温度Th都设为了相同的温度(TH)。光吸收层20的带隙能量εg被相对于载流子密度nc、温度TH进行了最优化。参照图10，为了获得接近80％的转换效率，需要载流子密度nc为大于等于1×1019[cm-3]。如上面所述的那样，能量减小时间τt最大也才几百皮秒。但是，由于为了将来正在进行能够使能量减小时间τt更长的材料的研究，因此在这里将能量减小时间τt设为1纳秒，假设光吸收层20内的滞留时间τr为100皮秒。在这样将滞留时间τr假设得长的情况下，流子密度nc为1×1015[cm-3]左右，转换效率为50～60％。即，在假设(B)的假想条件下能够获得接近80％的转换效率，但是实际上转换效率只有50～60％。上述的计算是在假设聚光倍数大于等于1000倍的情况下的，聚光倍数低的情况下转换效率进一步降低。另外，实际上还存在由于载流子的能量减小而导致的损失或者载流子通过电子移动层(空穴移动层)向各电极移动时产生的能量损失等，因此转换效率比上述的值更小。
除了热载流子型之外，还正在进行其他的高效率的光伏电力元件的研究。例如，由使用了III-V族化合物半导体的3结型的光伏电力元件实现了39％的转换效率，并且以更高效率为目标的4～6结型的研究也正在被促进。因此，如果热载流子型的转换效率小于等于60％，则丧失其优越性。因此，本发明的发明人研究了即使在光吸收层20内的滞留时间τr短也能够提高转换效率的结构。
在上述的理论研究中，如图4的(b)所示，前提为：关于电子和空穴的能量分布De1、Dh1以禁带20c为中心对称。即，只考虑了Te＝Th、Ee＝-Eh并且光吸收层20为本征半导体(掺杂)的情况。
根据本发明的发明人的数值计算结果，在数学式(2)和(6)中可知，在电子温度Te、空穴温度Th高于1500[K]并且带隙能量εg大于0.5[eV]的情况下，几乎可以忽略由于辐射复合而引起的IR项。在这种情况下，如果带隙能量εg被决定，则根据数学式(2)电流密度J的大致的值也被决定，因此为了提高转换效率，最好提高电子能量Ve和空穴能量Vh的差(Ve-Vh)。差(Ve-Vh)根据数学式(5)与通过电子移动层和空穴移动层的电子、空穴的能级Ee和Eh的差(Ee-Eh)相关联，但是在另一方面，差(Ee-Eh)的值根据数学式(6)来决定。因此，需要以下技术：相对于某(Ee-Eh)的值而使(Ve-Vh)的值变大。
一旦为了实现高的转换效率而使电子温度Te变高，则电子的准费米能级μe变低。在该情况下，(Ee-μe)变成更大的值，因此由于取出电子时的熵的增加而电子能量Ve反而变得更小(参照数学式(5))。因此，如果使通过电子移动层的电子的能级Ee低并且电子温度Te低，则在获得使电子的准费米能级μe变高的效果的同时使熵增ΔSe变小。特别是，如果将通过电子移动层的电子的能级Ee设定在导带的下端附近并且将电子温度Te设定在接近室温的温度(例如300[K])，则能够有效地减少熵增ΔSe。虽然通过降低能级Ee也有可能降低电子能量Ve，但是由于(Ee-Eh)的值是固定的，因此，能级Eh降低量等于能级Ee所降低的量。因此，输出电力(Ve-Vh)变大。
另外，虽然研究了降低电子的熵增ΔSe的构成，但是对于降低空穴的熵增ΔSh的构成也适用同样的思考方法。即，如果使通过空穴移动层的空穴的能级Eh高并且空穴温度Th低，则在获得使空穴的准费米能级μh降低的效果的同时使熵增ΔSh变小。特别是，如果将通过空穴移动层的空穴的能级Eh设定在导带的下端附近并且将空穴温度Th设定在接近室温的温度(例如300[K])，则能够有效地减少熵增ΔSh。
为了使空穴温度Th接近室温(300[K])，如本实施方式的光吸收层2那样，可以对光吸收层掺杂p型杂质(受主)。这是由于：由于从预先被掺杂的p型杂质放出的空穴的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的空穴的能量高，在热平衡状态下的空穴温度Th也接近室温。由此，能够使当空穴被从光吸收层2取出时的空穴和正电极6的温差小，能够抑制关于空穴的熵增。
另外，为了使电子温度Te接近室温(300[K])，如本实施方式的光吸收层2那样，可以对光吸收层掺杂n型杂质(施主)。这是由于：由于从预先被掺杂的n型杂质放出的电子的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的电子的能量高，在热平衡状态下的电子温度Te也接近室温。由此，能够使当电子被从光吸收层2取出时的电子和负电极5的温差小，能够抑制关于电子的熵增。
图8是示出在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况下的光吸收层2内的光激发载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图。在图8中，曲线图G1～G6分别表示光激发载流子温度为300[K]、600[K]、1200[K]、2400[K]、3600[K]、以及4800[K]时的光激发载流子密度和转换效率之间的关系。在图8中，p型杂质的浓度设为1×1017[cm-3]、电子和空穴的有效质量分别设为0.4、聚光倍数设为1000倍。但是，由于是在假设p型杂质的浓度充分大于光激发载流子密度的基础上进行的计算结果，因此光激发载流子密度大于等于1×1016[cm-3]的结果在物理上没有意义。比较图8和图10可知，在热载流子型光伏电力元件中能够实现的载流子密度(小于等于1×1015[cm-3])，在载流子密度以及载流子(电子)温度相同的情况下，能够通过对光吸收层2掺杂p型杂质来显著地提高转换效率。
补充说明以上的研究结果。光吸收层20内的电子密度ne与电子的准费米能级μe以及电子温度Te有以下关系。
[数学式7]
在数学式(7)中，将带隙能量μe作为了能量轴的原点。空穴密度nh也利用空穴的准费米能级μh、空穴温度Th与数学式(7)同样地表示。
另一方面，在电子密度ne和空穴密度nh中作为由于光照射而产生的分量的载流子密度nc与光吸收层2中的吸收光子数密度Ns、平均滞留时间τr、光吸收层2的厚度d之间存在以下关系。
[数学式8]
[数学式9]
通过提供入射光强度和带隙能量μe来决定吸收光子数密度Ns。例如，在入射光强度为1[kW/m2]、带隙能量μe为0的情况下，吸收光子数密度Ns成为6.3×1017[cm-2/s]，这是与AM0谱的入射光子数密度(6.46×1017[cm-2/s])几乎相等的值。如果将该吸收光子数密度Ns和光吸收层2的厚度d应用到数学式(7)、(8)，则可以提供载流子密度nc、平均滞留时间τr、电子的准费米能级μe、空穴的准费米能级μh、电子温度Te之间的关系。根据该关系，如果决定平均滞留时间τr，则载流子密度nc也被决定，可以导出电子的准费米能级μe和电子温度Te之间的关系以及空穴的准费米能级μh和空穴温度Th之间的关系。
其中，对前面所述的数学式(5)进行变形，就成为数学式(10)。
[数学式10]
Ve-Vh＝μe(TRT/Te)-μh(TRT/Th) ...(10)
+ΔE(1-TRT/Th)-Ee(TRT/Te-TRT/Th)
其中，ΔE＝Ee-Eh
因此，为了获得大的(Ve-Vh)，当Te＞Th时、即当对光吸收层2掺杂了p型杂质时，只要使电子移动层3的导带3a的能级Ee尽量大就可以，更加优选的是，将空穴移动层4的价带4a的能级Eh设定在光吸收层2的价带2a的上端。另外，当Te＜Th时、即当对光吸收层2掺杂了n型杂质时，只要使电子移动层3的导带3a的能级Ee尽量小就可以，更加优选的是，将能级Ee设定在光吸收层2的导带2c的下端。
如上所述的那样，根据本实施方式的光伏电力元件1，能够抑制当电子或空穴从光吸收层2向负电极5或正电极6移动时的熵增，因此即使在光吸收层2中的载流子的滞留时间τr短也能够有效地提高转换效率。
在本实施方式的光伏电力元件中，更加优选的是，当假设入射光强度为A[kW/m2]时，使光吸收层2的p型杂质或者n型杂质的浓度大于等于A×1013[cm-3]。在这种情况下，光吸收前的空穴温度Th(或者电子温度Te)约为300[K]，空穴(电子)的准费米能级μh(μe)位于价带2d的上端的正上方(导带2c下端的正下方)。由于光的吸收而产生新的空穴(电子)，但是其密度远小于由于掺杂而产生的空穴(电子)的密度，因此空穴温度Th(电子温度Te)和准费米能级μh(μe)几乎不变。因此，能够更加有效地使光吸收层2整体的空穴温度Th(电子温度Te)接近室温。作为入射光强度为A[kW/m2]的数值，优选的是例如在基准太阳光强度(1[kW/m2]。也被表示为1[Sun])上乘以聚光倍数的数值。例如，在非聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1[kW/m2]，在1000倍聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1000[kW/m2]。
另外，如已经叙述的那样，在光吸收层2包含p型杂质的情况下(参照图6的(a))，优选的是，空穴移动层4中的价带4a包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev。在光吸收层2包含p型杂质的情况下，由于从预先掺杂的p型杂质放出的空穴，光吸收层2整体的空穴的能量分布如图6的(b)所示的那样偏向价带2d的上端附近。因此，通过空穴移动层4中的价带4a包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev，能够使偏向价带2d的上端附近的空穴经由空穴移动层4中的价带4a有效地向正电极6移动，能够进一步提高光伏电力元件1的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，空穴移动层4中的价带4a的上端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev高并比光吸收层2中的空穴的准费米能级μh低。
另外，在光吸收层2包含n型杂质的情况下(参照图7的(a))，优选的是，电子移动层3中的导带3a包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec。在光吸收层2包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，由于从预先掺杂的n型杂质放出的电子，光吸收层2整体的电子的能量分布如图7的(b)所示的那样偏向导带2c的下端附近。因此，通过电子移动层3中的导带3a包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec，能够使偏向导带2c的下端附近的电子经由电子移动层3中的导带3a有效地向负电极5移动，能够进一步提高光伏电力元件1的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，电子移动层3中的导带3a的下端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec低并比光吸收层2中的电子的准费米能级μe高。
<实施例>
图9是示出根据上述实施方式的光伏电力元件1的实施例以及比较例的表。在该表所示的实施例1～4中，对光吸收层2掺杂p型杂质，并且将该浓度、电子以及空穴的有效质量me、mh、聚光倍数设定成各种值，并且调查了此时的最优的带隙能量εg、电子移动层3的导带3a的能级Ee和空穴移动层4的价带4a的能级Eh之间的差(Ee-Eh)、电子的准费米能级μe和空穴的准费米能级μh之间的差(μe-μh)、电子能量Ve和空穴能量Vh之间的差(Ve-Vh)、以及转换效率。
另外，作为对实施例1～4的比较例1～4，对光吸收层不掺杂p型杂质，并且将该浓度、电子以及空穴的有效质量me、mh、聚光倍数设定成各种值，并且调查了此时的最优的εg、(Ee-Eh)、(μe-μh)、(Ve-Vh)、以及转换效率。
参照图9，例如，在me＝mh＝0.4并且聚光倍数为1000倍的情况下，不对光吸收层掺杂杂质的比较例1的转换效率为54％。与此相对，对光吸收层掺杂了p型杂质的实施例1的转换效率为64％，与不掺杂杂质的情况相比转换效率提高了10％。其他的实施例2～4也与比较例2～4相比转换效率提高了7％～10％。
作为能够实现图9的实施例1～4所示的带隙能量εg以及有效质量me、mh的材料有：SixGe1-x等IV族二元化合物、InxGa1-xAs、InxGa1-xSb、AlxGa1-xSb、GaAsxSb1-x或者InAsxP1-x等III-V族三元化合物、或者组合了这些元素(In、Ga、As、Sb、Al)中的4个的III-V族四元化合物。另外，也可以是CuInxGa1-xSe、AgInxGa1-xSe等I-II-VI族化合物。
根据本发明的光伏电力元件不限于上述的实施方式，也可以进行其他的各种变形。例如，在上述各实施方式中，作为选择性地使具有预定的能级的电子(空穴)通过的电子移动层(空穴移动层)的构成，虽然举例示出了具有量子阱层(quantum well layer)、量子线(quantum wire)、量子点(quantum dot)这样的半导体量子结构的构成，但是其他的各种各样的构成只要是能够实现窄的能宽的导带(价带)的构成就可以作为电子移动层的构成来适用。
根据本发明的光伏电力元件，即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率。
<实施方式>
说明本发明的光伏电力元件的第一实施方式。之前，首先对热载流子型光伏电力元件的光电机构进行详细说明。
图1是示意性地示出利用了半导体的pn结的以往的光伏电力元件中的能带的图。在该光伏电力元件中，一旦吸收能量比半导体的带隙(bandgap)更高的光L，则首先电子11被激发到比导带的下端高的能级。另外，此时，空穴12位于比价带的上端低的能级。接下来，电子11和空穴12以与半导体结晶晶格的相互作用而产生声子，并且分别移动到导带的下端、价带的上端，其能量被减小(图中的箭头P1)。在该过程中由于产生声子而被消耗的能量不能作为电力而被取出到外部，因此成为抑制光伏电力元件的光电效率的原因。在光伏电力元件内，除了该过程之外，以下各过程也成为抑制发电效率的原因：pn结中的电压降低(图中的箭头P2)、与取出电极相结合部分的电压降低(图中的箭头P3)、电子11和空穴12的复合(图中的箭头P4)，但是与这些相比箭头P1所示的能量减小过程对发电效率的影响最大。
图2的(a)～(h)是示意性地示出当光被半导体吸收时的电子和空穴的能量分布的变化的图。在图2中，图2的(a)为吸收光之前的电子和空穴的能量分布。一旦在这种情况下吸收能量比带隙高的光，则产生如图2的(b)所示的电子-空穴对。在该阶段，电子和空穴各自的能量分布是不满足费米分布并且没有达到热平衡的状态，因此无法定义它们的温度。并且，如图2的(c)和(d)所示，在不到1皮秒的期间电子和其他的电子相互作用，并且空穴与其他的空穴相互作用，电子和空穴分别在导带和价带达到热平衡状态。在图2的(b)～(d)所示的过程中，只在电子之间、空穴之间进行能量交换，因此系统整体中没有能量损失。之后，如图2的(e)和(f)所示，电子和空穴在约几皮秒的期间与结晶晶格相互作用产生光学声子，并且电子到达导带的下端，空穴到达价带的上端。生成的光学声子在几十皮秒的期间转变成声学声子。在该图2的(e)和(f)所示的过程中，产生由于光学声子和声学声子的散射而引起的能量损失。之后，如图2的(g)和(h)所示，通过辐射或者非辐射过程，电子和空穴复合。热载流子型的光伏电力元件在处于电子和空穴经过能量减小、即晶格相互作用来生成光学声子之前的“热”的状态的期间，将电子和空穴取出到光吸收层的外部。
如图3所示，热载流子型的光伏电力元件与光吸收层17邻接地设置有电子移动层(能量选择性接触层)16，只有特定的能级的电子18a才能经由该电子移动层16到达电极，其中电子移动层16具有能带宽度极小的导带16a。位于比电子18a高的能级的电子18b、位于比电子18a低的能级的电子18c相互进行能量的交换和重放而到达能够通过电子移动层16的能级的状态，并且经由电子移动层16到达电极并对输出做出贡献。结果，能够防止高能级的电子生成光声子的过程(能量减小过程)并降低能量损失。虽然关于图3的上述的说明是关于电子的移动的，但是对于空穴的移动也能够根据同样的原理降低能量损失。
为了抑制图2的(e)和(f)所示的过程的能量损失以提高光伏电力元件的发电效率，除了热载流子型之外，还已经对串联型进行了实用化。所谓的串联型是指将带隙不同的多种pn结层光学地串联连接的光伏电力元件。一旦在光的入射侧设置由带隙大的材料构成的pn结层，虽然高能量的光在这里被吸收，但是低能量的光透过这里，被配置在其次的由带隙小的材料构成的pn结层吸收。因此，与具备一个pn结层的光伏电力元件相比，能够使被吸收的光的能量和带隙之间的差变小，能够降低由于电子和空穴的能量减小而导致的损失。但是，在串联型的情况下，带隙不同的pn结的组合有限，因此难以显著地降低能量损失。
在热载流子型的情况下，如果在生成光学声子之前能够将被激发的所有的电子和空穴取出到光吸收层的外部，则能够实现比串联型更高的转换效率。另外，与组合多个pn结的串联型相比，元件结构变得简单，结果能够以低成本进行制造。
图4的(a)是示出通常的热载流子型的光伏电力元件的能带结构的图。如图4的(a)所示的光伏电力元件包括：由具有比较窄的带隙的半导体构成的光吸收层20、与光吸收层20的两侧相邻的作为能量选择性接触层的空穴移动层21和电子移动层22、用于分别取出电子和空穴的金属电极(正电极23和负电极24)。
光吸收层20具有导带20a、价带20b、禁带20c。电子移动层22与光吸收层20的一侧的面邻接地被配置，并且具有导带22a。导带22a与光吸收层20的导带20a相比能带宽度极小，只有特定能级(能量Ee)的电子才能通过该导带22a到达负电极24。空穴移动层21与光吸收层20的另一侧的面邻接地被配置，并且具有价带21a。价带21a与光吸收层20的价带20b相比能带宽度极小，只有特定能级(能量Eh)的空穴才能通过该价带21a到达正电极23。电子移动层22中的导带22a的能级Ee设定得比光吸收层20中的导带20a的下端的能级高。同样地，空穴移动层21中的价带21a的能级Eh设定得比光吸收层20中的价带20b的上端的能级低。图4(a)所示的虚线Q1和Q2分别为光吸收层20中的电子和空穴各自的准费米能级(quasi-fermi level)。
一旦光入射到该光伏电力元件，则在光吸收层20产生如图4的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图4的(b)中，分布De表示导带20a中的电子的能量分布，分布Dh表示价带20b中的空穴的能量分布。如上所述，一旦光入射到光吸收层20，则光吸收层20中的电子和空穴的能级成为对称分布。这些电子和空穴在生成光学声子(即，发生能量减小)之前分别通过导带22a和价带21a从空穴移动层21和正电极23被取出。
基于以上所述的通常的热载流子型的光伏电力元件的发电机构来说明本发明的光伏电力元件的实施方式。图5是示出本实施方式中的光伏电力元件1的构成的立体图。参照图5，光伏电力元件1包括：光吸收层2、电子移动层3、空穴移动层4、负电极5、正电极6。
光吸收层2是吸收太阳光等光L并生成具有与其波长相当的能量的载流子(电子11和空穴12)的层。光吸收层2由Si、Ge、或III-V族化合物等半导体材料来构成，并且实质上掺杂有n型杂质或者p型杂质。假设入射光强度为A[kW/m2]时，光吸收层2中的这些杂质的浓度优选大于等于A×1013[cm-3]。作为一个实施例，光吸收层2以带隙为0.5～1.0[eV]的材料为主成分来构成。
电子移动层3被设置成与光吸收层2的一侧的面2a邻接。电子移动层3被构成为具有能宽比光吸收层2中的导带的能宽窄的导带，并且根据该导带选择性地使预定的能级(第一能级)的电子通过。作为这样的电子移动层3的构成，优选的是在例如在障碍区域(barrier area)31中包括半导体量子结构32，所述半导体量子结构32为量子阱层、量子线、量子点这样的显现载流子限制效应(量子效应)的半导体量子结构。在这种情况下，由于半导体量子结构32的载流子限制效应，电子能够存在的导带的能带宽度变窄。在一个实施例中，障碍区域31由带隙为1.0～5.0[eV]的半导体材料来构成，并且厚度为2～10[nm]。在由量子点构成了半导体量子结构32的情况下，量子点由带隙为1.8～2.2[eV]的半导体材料来构成，并且其点半径(Φ)为2～5nm。
负电极5设置在电子移动层3上。在光吸收层2中生成的电子通过电子移动层3到达负电极5，并且在负电极5中被收集。负电极5例如由透明导电膜来构成以使入射到光吸收层2的光透过。并且，在负电极5上也可以涂上组合了高折射膜和低折射膜的反射防止膜。另外，负电极5也可以被构成为用金属制的梳型电极来代替透明电极膜。
空穴移动层4被设置成与光吸收层2的另一侧的面2b邻接。空穴移动层4被构成为具有能宽比光吸收层2中的价带的能宽窄的价带，并且根据该价带选择性地使预定的能级(第二能级)的空穴通过。作为这样的空穴移动层4的构成，能够适用与上述的电子移动层3同样的构成，例如在障碍区域(barrier area)41中包括半导体量子结构42，所述半导体量子结构42为量子阱层、量子线、量子点这样的显现载流子限制效应(量子效应)的半导体量子结构。在这种情况下，由于半导体量子结构42的载流子限制效应，空穴能够存在的价带的能带宽度变窄。在一个实施例中，障碍区域41由带隙为4.0～5.0[eV]的半导体材料来构成，并且厚度为2～10[nm]。在由量子点构成了半导体量子结构42的情况下，量子点由带隙为1.2～1.8[eV]的半导体材料来构成，并且其点半径(Φ)为4～7nm。
正电极6设置在空穴移动层4上。在光吸收层2中生成的空穴通过空穴移动层4到达正电极6，并且在正电极6中被收集。正电极6例如由铝等金属材料来构成。在本实施方式中，在光吸收层2的光入射面(一侧的面2a)上设置了负电极5，在背面(另一侧的面2b)上设置了正电极6，但是也可以在光入射面上设置正电极，在背面上设置负电极。在这种情况下，空穴移动层被设置成与光吸收层的光入射面邻接，电子移动层被设置成与光吸收层的背面邻接。另外，正电极由使光透过的透明导电膜等来构成，负电极由金属膜来构成。
图6的(a)和图7的(a)是示出本实施方式的光伏电力元件1中的能带结构的图。图6的(a)示出在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况，图7的(a)示出在光吸收层2中掺杂了n型杂质的情况。如图6的(a)和图7的(a)所示，光伏电力元件1的光吸收层2具有导带2c、价带2d、禁带2e，禁带2e的带隙能量εg变得比较小。另外，在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况下，如图6的(a)所示，导带2c的下端的能级Ec以及价带2d上端的能级Ev相对于能级Ee、Eh的高度与不掺杂的情况(图4的(a))相比分别降低了。图中所示的虚线Q1和Q2分别为光吸收层2的电子和空穴的准费米能级。
与光吸收层2的一侧的面邻接的电子移动层3包括选择性地使预定能级Ee的电子通过的导带3a。导带3a与光吸收层2的导带2c相比能带宽度极小，只有预定能级Ee的电子才能通过该导带3a到达负电极5。
另外，与光吸收层2的另一侧的面邻接的空穴移动层4包括选择性地使预定能级Eh的空穴通过的价带4a。价带4a与光吸收层2的价带2d相比能带宽度极小，只有预定能级Eh的空穴才能通过该价带4a到达正电极6。
在光吸收层2中掺杂有p型杂质的情况下，如图6的(a)所示，空穴移动层4中的价带4a被设定为包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev。更加优选的是，空穴移动层4中的价带4a的上端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev高并比光吸收层2中的空穴的准费米能级Q2低。另外，空穴移动层4中的价带4a的下端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev低。并且，空穴移动层4中的价带4a的预定的能级Eh被设定成实质上与光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev一致。与此相对，电子移动层3中的导带3a的预定的能级Ee被设定为：Ee-Eh约等于被光吸收层2吸收的光的平均能量或者比该平均能量小0.1[eV]以内的值。
在图6的(a)所示的能带结构中，一旦光入射到光吸收层2，在光吸收层2产生如图6的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图6的(b)中，分布De1表示导带2c中的电子的能量分布，分布Dh1表示价带2d中的空穴的能量分布。由于光的吸收而在光吸收层2内生成的电子被激发到与入射光的波长对应的能级。即，在波长短的光的情况下在导带2c中生成高能级的电子，在波长长的光的情况下在导带2c中生成低能级的电子。同时，在波长短的光的情况下在价带2d中生成低能级的空穴，在波长长的光的情况下在价带2d中生成高能级的空穴。在导带2c中，由于高能量电子和低能量电子的相互作用而发生能量的交换，电子的能量分布De1成为热平衡状态。同样地，价带2d中的空穴的能量分布Dh1也成为热平衡状态。
如图6的(b)所示，光吸收层2中的电子能量分布De1横跨在导带2c的宽的能量范围内分布。与此相对，在从p型杂质放出的空穴的密度比由于光激发而产生的空穴的密度充分大的情况下，空穴的能量分布Dh1偏向价带2d的上端(能级Ev)附近。这是由于：即使由于光激发产生的空穴的能量高，也由于从p型杂质放出的空穴的温度接近室温，因此在热平衡状态下的空穴的温度几乎维持在室温。这样生成的电子和空穴在生成光学声子(即发生能量减小)之前分别通过电子移动层3的导带3a和空穴移动层4的价带4a从负电极5和正电极6被取出。
另外，在光吸收层2中掺杂有n型杂质的情况下，如图7的(a)所示的那样，电子移动层3中的导带3a被设定成为包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec。更加优选的是，电子移动层3中的导带3a的下端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec低并比光吸收层2中的电子的准费米能级Q1高。另外，电子移动层3中的导带3a的上端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec高。并且，电子移动层3中的导带3a的预定的能级Ec被设定成实质上与光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec一致。与此相对，空穴移动层4中的价带4a的预定的能级Eh被设定为：Ee-Eh约等于被光吸收层2吸收的光的平均能量或者比该平均能量小0.1[eV]以内的值。
在图7的(a)所示的能带结构中，一旦光入射到光吸收层2，在光吸收层2产生如图7的(b)所示的那样的载流子的能量分布。在图7的(b)中，分布De2表示导带2c中的电子的能量分布，分布Dh2表示价带2d中的空穴的能量分布。
如图7的(b)所示，光吸收层2中的空穴能量分布Dh2横跨在价带2d的宽的能量范围内分布。与此相对，在从n型杂质放出的电子的密度比由于光激发而产生的电子的密度充分大的情况下，电子能量分布De2偏向导带2c的下端(能级Ec)附近。这是由于：即使由于光激发产生的电子的能量高，也由于从n型杂质放出的电子的温度接近室温，因此在热平衡状态下的电子的温度几乎维持在室温。这样生成的电子和空穴在生成光学声子(即发生能量减小)之前分别通过电子移动层3的导带3a和空穴移动层4的价带4a从负电极5和正电极6被取出。
以下，说明由本实施方式的光伏电力元件1获得的效果。首先，研究具有图4的(a)所示的能带结构的通常的热载流子型光伏电力元件所存在的问题点，其次说明本实施方式的光伏电力元件1能够解决该问题点的情况。
关于图4的(a)所示的方式的热载流子型光伏电力元件，理论上考察该输出电力的大小。当导出输出电力时，进行以下的假设。
(A)只关注光吸收层20的特性，对于空穴移动层21和电子移动层22认为其带宽无限小并且电导率无限大。
(B)被激发成高能量的载流子在发生能量减小之前被取出到光吸收层20的外部。即，忽略载流子-晶格的相互作用。
(C)不发生碰撞电离(impact ionization)以及非辐射复合(non-radiative recombination)。
(D)在光吸收层20中，具有比该带隙更高的能量的光全部被吸收。即，光吸收层20的厚度比该光吸收系数的倒数充分大。
(E)由于光激发而产生的载流子由于载流子之间的弹性散射(elasticscattering)立即成为热平衡状态(但是，与晶格并不是热平衡)，该能量分布能够利用费米分布函数来表示。即，认为载流子之间的碰撞时间无限小。
(F)在光吸收层20内保持电中性。
(G)光吸收层20内的载流子的密度、温度、准费米能级在厚度方向上为固定的。即，认为载流子的扩散系数无限大。
在这样的假设下，可以如下面的(1)式所示的那样导出输出电力P。
[数学式1]
P＝J(Ve-Vh) ...(1)
在该数学式(1)中，J为电流密度、Ve、Vh分别为被取出的电子、空穴的能量，(Ve-Vh)成为输出电压。
电流密度J与太阳光谱IS(ε)以及与来自光吸收层20的由于辐射复合的辐射谱IR(ε，μe，μh，Te，Th)满足以下的关系。
[数学式2]
[数学式3]
[数学式4]
在上述的数学式(2)～(4)中，εg为光吸收层20的带隙能量、μe、μh分别为电子、空穴的准费米能级、Te、Th分别为电子、空穴的温度。h为普朗克常数、c为光速、kB为波尔兹曼常数、TS为太阳的表面温度(5760[K])。另外，ΩS为太阳光入射的立体角、ΩR为由于辐射复合的辐射的立体角、分别为ΩS＝6.8×10-5[rad](1[Sun]照射)、ΩS＝π[rad]。
电子能量Ve和空穴能量Vh满足以下关系。
[数学式5]
Ve-Vh＝[Ee-TRTΔSe]-[Eh-TRTΔSh]
＝[Ee-(Ee-μe)TRT/Te]-[Eh-(Eh-μh)TRT/Th] ...(5)
[数学式6]
在上述的数学式(5)和(6)中，Ee为电子移动层22选择性地通过的电子的能级，Eh为空穴移动层21选择性地通过的空穴的能级。另外，ΔSe、ΔSh为当在光吸收层20中温度为Te的电子、温度为Th的空穴被取出到温度为TRT(室温)的负电极24、正电极23时的熵增。
在前面所述的非专利文件1～4中，理论上研究了用于获得比热载流子型光伏电力元件更高的转换效率的条件，并且示出能够获得80％以上的转换效率。这样的高的转换效率以上述的3项的假设(A)～(C)为前提，但是本发明的发明人着眼于这些假设中的(B)。即，为了使(B)的假设成立，从由于光激发而产生载流子直到该载流子被取出到光吸收层20的外部为止的时间、即滞留时间(τr)一定要比能量减小时间(τt)充分短。在通常的半导体中，能量减小时间τt为几皮秒。即使在半导体超晶格结构或者InN这样的特殊物质的情况下，能量减小时间τt也才几百皮秒。因此，光吸收层20中的载流子的滞留时间τr被限制得比这些时间更短，因此无法在光吸收层20中积蓄载流子，光吸收层20的载流子的密度(nc)被限制。
通常来说，光吸收层20的载流子密度nc越大转换效率变得越高。为了使载流子密度nc大，存在例如将光进行聚光之后再入射到光吸收层20中的方法。但是，被实用化的聚光倍数最大为约500倍，在实验室水平被实现的聚光倍数为约1000倍。因此，考虑聚光倍数为1000倍的情况下的光伏电力元件的转换效率。
一旦载流子密度nc、电子温度Te、空穴温度Th被决定，则电子的准费米能级μe和空穴的准费米能级μh也被决定，因此能够基于准费米能级μe和μh来求出转换效率。已示出的图10表示这样求出的转换效率和载流子密度nc之间的关系。但是，在图10中电子和空穴的有效质量me、mh都设为了0.4，并且电子温度Te、空穴温度Th都设为了相同的温度(TH)。光吸收层20的带隙能量εg被相对于载流子密度nc、温度TH进行了最优化。参照图10，为了获得接近80％的转换效率，需要载流子密度nc为大于等于1×1019[cm-3]。如上面所述的那样，能量减小时间τt最大也才几百皮秒。但是，由于为了将来正在进行能够使能量减小时间τt更长的材料的研究，因此在这里将能量减小时间τt设为1纳秒，假设光吸收层20内的滞留时间τr为100皮秒。在这样将滞留时间τr假设得长的情况下，流子密度nc为1×1015[cm-3]左右，转换效率为50～60％。即，在假设(B)的假想条件下能够获得接近80％的转换效率，但是实际上转换效率只有50～60％。上述的计算是在假设聚光倍数大于等于1000倍的情况下的，聚光倍数低的情况下转换效率进一步降低。另外，实际上还存在由于载流子的能量减小而导致的损失或者载流子通过电子移动层(空穴移动层)向各电极移动时产生的能量损失等，因此转换效率比上述的值更小。
除了热载流子型之外，还正在进行其他的高效率的光伏电力元件的研究。例如，由使用了III-V族化合物半导体的3结型的光伏电力元件实现了39％的转换效率，并且以更高效率为目标的4～6结型的研究也正在被促进。因此，如果热载流子型的转换效率小于等于60％，则丧失其优越性。因此，本发明的发明人研究了即使在光吸收层20内的滞留时间τr短也能够提高转换效率的结构。
在上述的理论研究中，如图4的(b)所示，前提为：关于电子和空穴的能量分布De1、Dh1以禁带20c为中心对称。即，只考虑了Te＝Th、Ee＝-Eh并且光吸收层20为本征半导体(掺杂)的情况。
根据本发明的发明人的数值计算结果，在数学式(2)和(6)中可知，在电子温度Te、空穴温度Th高于1500[K]并且带隙能量εg大于0.5[eV]的情况下，几乎可以忽略由于辐射复合而引起的IR项。在这种情况下，如果带隙能量εg被决定，则根据数学式(2)电流密度J的大致的值也被决定，因此为了提高转换效率，最好提高电子能量Ve和空穴能量Vh的差(Ve-Vh)。差(Ve-Vh)根据数学式(5)与通过电子移动层和空穴移动层的电子、空穴的能级Ee和Eh的差(Ee-Eh)相关联，但是在另一方面，差(Ee-Eh)的值根据数学式(6)来决定。因此，需要以下技术：相对于某(Ee-Eh)的值而使(Ve-Vh)的值变大。
一旦为了实现高的转换效率而使电子温度Te变高，则电子的准费米能级μe变低。在该情况下，(Ee-μe)变成更大的值，因此由于取出电子时的熵的增加而电子能量Ve反而变得更小(参照数学式(5))。因此，如果使通过电子移动层的电子的能级Ee低并且电子温度Te低，则在获得使电子的准费米能级μe变高的效果的同时使熵增ΔSe变小。特别是，如果将通过电子移动层的电子的能级Ee设定在导带的下端附近并且将电子温度Te设定在接近室温的温度(例如300[K])，则能够有效地减少熵增ΔSe。虽然通过降低能级Ee也有可能降低电子能量Ve，但是由于(Ee-Eh)的值是固定的，因此，能级Eh降低量等于能级Ee所降低的量。因此，输出电力(Ve-Vh)变大。
另外，虽然研究了降低电子的熵增ΔSe的构成，但是对于降低空穴的熵增ΔSh的构成也适用同样的思考方法。即，如果使通过空穴移动层的空穴的能级Eh高并且空穴温度Th低，则在获得使空穴的准费米能级μh降低的效果的同时使熵增ΔSh变小。特别是，如果将通过空穴移动层的空穴的能级Eh设定在导带的下端附近并且将空穴温度Th设定在接近室温的温度(例如300[K])，则能够有效地减少熵增ΔSh。
为了使空穴温度Th接近室温(300[K])，如本实施方式的光吸收层2那样，可以对光吸收层掺杂p型杂质(受主)。这是由于：由于从预先被掺杂的p型杂质放出的空穴的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的空穴的能量高，在热平衡状态下的空穴温度Th也接近室温。由此，能够使当空穴被从光吸收层2取出时的空穴和正电极6的温差小，能够抑制关于空穴的熵增。
另外，为了使电子温度Te接近室温(300[K])，如本实施方式的光吸收层2那样，可以对光吸收层掺杂n型杂质(施主)。这是由于：由于从预先被掺杂的n型杂质放出的电子的温度低(室温附近)，因此，即使由于光激发而产生的电子的能量高，在热平衡状态下的电子温度Te也接近室温。由此，能够使当电子被从光吸收层2取出时的电子和负电极5的温差小，能够抑制关于电子的熵增。
图8是示出在光吸收层2中掺杂了p型杂质的情况下的光吸收层2内的光激发载流子密度和转换效率之间的关系的曲线图。在图8中，曲线图G1～G6分别表示光激发载流子温度为300[K]、600[K]、1200[K]、2400[K]、3600[K]、以及4800[K]时的光激发载流子密度和转换效率之间的关系。在图8中，p型杂质的浓度设为1×1017[cm-3]、电子和空穴的有效质量分别设为0.4、聚光倍数设为1000倍。但是，由于是在假设p型杂质的浓度充分大于光激发载流子密度的基础上进行的计算结果，因此光激发载流子密度大于等于1×1016[cm-3]的结果在物理上没有意义。比较图8和图10可知，在热载流子型光伏电力元件中能够实现的载流子密度(小于等于1×1015[cm-3])，在载流子密度以及载流子(电子)温度相同的情况下，能够通过对光吸收层2掺杂p型杂质来显著地提高转换效率。
补充说明以上的研究结果。光吸收层20内的电子密度ne与电子的准费米能级μe以及电子温度Te有以下关系。
[数学式7]
在数学式(7)中，将带隙能量μe作为了能量轴的原点。空穴密度nh也利用空穴的准费米能级μh、空穴温度Th与数学式(7)同样地表示。
另一方面，在电子密度ne和空穴密度nh中作为由于光照射而产生的分量的载流子密度nc与光吸收层2中的吸收光子数密度Ns、平均滞留时间τr、光吸收层2的厚度d之间存在以下关系。
[数学式8]
[数学式9]
通过提供入射光强度和带隙能量μe来决定吸收光子数密度Ns。例如，在入射光强度为1[kW/m2]、带隙能量μe为0的情况下，吸收光子数密度Ns成为6.3×1017[cm-2/s]，这是与AM0谱的入射光子数密度(6.46×1017[cm-2/s])几乎相等的值。如果将该吸收光子数密度Ns和光吸收层2的厚度d应用到数学式(7)、(8)，则可以提供载流子密度nc、平均滞留时间τr、电子的准费米能级μe、空穴的准费米能级μh、电子温度Te之间的关系。根据该关系，如果决定平均滞留时间τr，则载流子密度nc也被决定，可以导出电子的准费米能级μe和电子温度Te之间的关系以及空穴的准费米能级μh和空穴温度Th之间的关系。
其中，对前面所述的数学式(5)进行变形，就成为数学式(10)。
[数学式10]
Ve-Vh＝μe(TRT/Te)-μh(TRT/Th) ...(10)
+ΔE(1-TRT/Th)-Ee(TRT/Te-TRT/Th)
其中，ΔE＝Ee-Eh
因此，为了获得大的(Ve-Vh)，当Te＞Th时、即当对光吸收层2掺杂了p型杂质时，只要使电子移动层3的导带3a的能级Ee尽量大就可以，更加优选的是，将空穴移动层4的价带4a的能级Eh设定在光吸收层2的价带2a的上端。另外，当Te＜Th时、即当对光吸收层2掺杂了n型杂质时，只要使电子移动层3的导带3a的能级Ee尽量小就可以，更加优选的是，将能级Ee设定在光吸收层2的导带2c的下端。
如上所述的那样，根据本实施方式的光伏电力元件1，能够抑制当电子或空穴从光吸收层2向负电极5或正电极6移动时的熵增，因此即使在光吸收层2中的载流子的滞留时间τr短也能够有效地提高转换效率。
在本实施方式的光伏电力元件中，更加优选的是，当假设入射光强度为A[kW/m2]时，使光吸收层2的p型杂质或者n型杂质的浓度大于等于A×1013[cm-3]。在这种情况下，光吸收前的空穴温度Th(或者电子温度Te)约为300[K]，空穴(电子)的准费米能级μh(μe)位于价带2d的上端的正上方(导带2c下端的正下方)。由于光的吸收而产生新的空穴(电子)，但是其密度远小于由于掺杂而产生的空穴(电子)的密度，因此空穴温度Th(电子温度Te)和准费米能级μh(μe)几乎不变。因此，能够更加有效地使光吸收层2整体的空穴温度Th(电子温度Te)接近室温。作为入射光强度为A[kW/m2]的数值，优选的是例如在基准太阳光强度(1[kW/m2]。也被表示为1[Sun])上乘以聚光倍数的数值。例如，在非聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1[kW/m2]，在1000倍聚光型的光伏电力元件中入射光强度A成为1000[kW/m2]。
另外，如已经叙述的那样，在光吸收层2包含p型杂质的情况下(参照图6的(a))，优选的是，空穴移动层4中的价带4a包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev。在光吸收层2包含p型杂质的情况下，由于从预先掺杂的p型杂质放出的空穴，光吸收层2整体的空穴的能量分布如图6的(b)所示的那样偏向价带2d的上端附近。因此，通过空穴移动层4中的价带4a包括光吸收层2中的价带2d的上端的能级Ev，能够使偏向价带2d的上端附近的空穴经由空穴移动层4中的价带4a有效地向正电极6移动，能够进一步提高光伏电力元件1的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，空穴移动层4中的价带4a的上端的能级设定得比光吸收层2中的价带2d上端的能级Ev高并比光吸收层2中的空穴的准费米能级μh低。
另外，在光吸收层2包含n型杂质的情况下(参照图7的(a))，优选的是，电子移动层3中的导带3a包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec。在光吸收层2包含n型杂质的情况下，也与上述同样地，由于从预先掺杂的n型杂质放出的电子，光吸收层2整体的电子的能量分布如图7的(b)所示的那样偏向导带2c的下端附近。因此，通过电子移动层3中的导带3a包括光吸收层2中的导带2c的下端的能级Ec，能够使偏向导带2c的下端附近的电子经由电子移动层3中的导带3a有效地向负电极5移动，能够进一步提高光伏电力元件1的转换效率。另外，在该情况下，更加优选的是，电子移动层3中的导带3a的下端的能级设定得比光吸收层2中的导带2c下端的能级Ec低并比光吸收层2中的电子的准费米能级μe高。
<实施例>
图9是示出根据上述实施方式的光伏电力元件1的实施例以及比较例的表。在该表所示的实施例1～4中，对光吸收层2掺杂p型杂质，并且将该浓度、电子以及空穴的有效质量me、mh、聚光倍数设定成各种值，并且调查了此时的最优的带隙能量εg、电子移动层3的导带3a的能级Ee和空穴移动层4的价带4a的能级Eh之间的差(Ee-Eh)、电子的准费米能级μe和空穴的准费米能级μh之间的差(μe-μh)、电子能量Ve和空穴能量Vh之间的差(Ve-Vh)、以及转换效率。
另外，作为对实施例1～4的比较例1～4，对光吸收层不掺杂p型杂质，并且将该浓度、电子以及空穴的有效质量me、mh、聚光倍数设定成各种值，并且调查了此时的最优的εg、(Ee-Eh)、(μe-μh)、(Ve-Vh)、以及转换效率。
参照图9，例如，在me＝mh＝0.4并且聚光倍数为1000倍的情况下，不对光吸收层掺杂杂质的比较例1的转换效率为54％。与此相对，对光吸收层掺杂了p型杂质的实施例1的转换效率为64％，与不掺杂杂质的情况相比转换效率提高了10％。其他的实施例2～4也与比较例2～4相比转换效率提高了7％～10％。
作为能够实现图9的实施例1～4所示的带隙能量εg以及有效质量me、mh的材料有：SixGe1-x等IV族二元化合物、InxGa1-xAs、InxGa1-xSb、AlxGa1-xSb、GaAsxSb1-x或者InAsxP1-x等III-V族三元化合物、或者组合了这些元素(In、Ga、As、Sb、Al)中的4个的III-V族四元化合物。另外，也可以是CuInxGa1-xSe、AgInxGa1-xSe等I-II-VI族化合物。
根据本发明的光伏电力元件不限于上述的实施方式，也可以进行其他的各种变形。例如，在上述各实施方式中，作为选择性地使具有预定的能级的电子(空穴)通过的电子移动层(空穴移动层)的构成，虽然举例示出了具有量子阱层(quantum well layer)、量子线(quantum wire)、量子点(quantum dot)这样的半导体量子结构的构成，但是其他的各种各样的构成只要是能够实现窄的能宽的导带(价带)的构成就可以作为电子移动层的构成来适用。
根据本发明的光伏电力元件，即使在光吸收层中的载流子的滞留时间短也能够有效地提高转换效率。