JP2015201563A - Photoelectric conversion device, architectural structure and electronic apparatus - Google Patents

Photoelectric conversion device, architectural structure and electronic apparatus Download PDF

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Akira Ishibashi
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小林　光
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion device which can eliminate a dead region to incident light; and inhibit deterioration in organic semiconductor due to a Staebler-Wronski effect or an ultraviolet component; and achieve extremely high photoelectric conversion efficiency; easily achieve a large area; and favorable to use as a solar cell and the like.SOLUTION: A photoelectric conversion device comprises: a structure 80 for converting three-dimensional space traveling light to two-dimensional space travelling light; a planar optical waveguide 20 for guiding the two-dimensional space traveling light; and a semiconductor layer 30 for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide 20. Light incident on a principal surface of the planar optical waveguide 20 is guided inside of the planar optical waveguide 20 to be incident on the semiconductor layer 30. An angle θ formed between a net travelling direction of light guided inside the planar optical waveguide 20 and a net direction of movement of a carrier produced inside the semiconductor layer 30 by light incident from an end face of the planar optical wave guide 20 to the semiconductor layer 30 is substantially a right angle.

Description

この発明は、光電変換装置、建築物および電子機器に関し、例えば、ビルの窓や各種の電子機器のディスプレイなどに設置して太陽電池として用いて好適な光電変換装置ならびにこの光電変換装置を用いた建築物および電子機器に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a photoelectric conversion device, a building, and an electronic device. For example, the photoelectric conversion device suitable for use as a solar cell installed on a building window or a display of various electronic devices, and the photoelectric conversion device are used. It relates to buildings and electronic equipment.

未来の循環型社会のキーテクノロジーとして、また単に地球温暖化を防止するのみならず、自然環境の調和した緑の地球を次代の人類に手渡すためには、太陽光のより一層の有効利用が望まれる。この観点から世界的に太陽電池が注目され、光電変換効率の向上や製造コストの低減を図るべく盛んに研究開発が行われている。   In order not only to prevent global warming, but also to pass the green earth in harmony with the natural environment to the next generation, as a key technology for the future recycling society, more effective use of sunlight is desirable. It is. From this point of view, solar cells are attracting attention worldwide, and active research and development are being carried out in order to improve photoelectric conversion efficiency and reduce manufacturing costs.

従来の太陽電池としては、アモルファスまたは結晶シリコンを用いた太陽電池、ＧａＡｓ結晶を用いた太陽電池、有機半導体を用いた太陽電池などが知られている。これらの太陽電池は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合をアノード電極とカソード電極との間に挟んだ構造を有し、ｐｎ接合の接合面に太陽光が垂直入射するタイプのものが一般的である（例えば、非特許文献１参照。）。   As a conventional solar cell, a solar cell using amorphous or crystalline silicon, a solar cell using GaAs crystal, a solar cell using an organic semiconductor, and the like are known. These solar cells have a structure in which a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and sunlight is vertically incident on the junction surface of the pn junction. Are common (see, for example, Non-Patent Document 1).

この従来の太陽電池を図１に示す。図１に示すように、この従来の太陽電池は、ｐ型半導体層１５１とｎ型半導体層１５２とによりｐｎ接合を構成し、ｐ型半導体層１５１上にアノード電極１５３を形成し、ｎ型半導体層１５２上にカソード電極１５４を形成したものであり、全体として板状の形状を有する。この太陽電池においては、一方の主面１５５に垂直に入射する光１５６の進行方向と、この光１５６の入射によりｐｎ接合中に生成される電子および正孔がドリフトまたは拡散によりそれぞれカソード電極１５４およびアノード電極１５３に向かう方向、言い換えるとキャリアの正味の移動方向とが平行になっている。このため、光１５６の吸収を十分に行うためにｐ型半導体層１５１およびｎ型半導体層１５２を厚くしようとすると、アノード電極１５３とカソード電極１５４との間の距離が大きくなってしまうため、光吸収の増大とキャリアの収集効率の向上とを両立させることは極めて困難であり、ひいてはこれが光電変換効率の向上を妨げていた。即ち、従来の太陽電池においては、吸収光子数およびフォトキャリア収集効率は、共に電極間隔、言い換えればｐ型半導体層１５１およびｎ型半導体層１５２の合計の厚さｄに依存し、トレードオフの関係にあるため、光電変換効率ηはｄに対し、図２の太い実線で示すように振舞う。また、従来の太陽電池は、量産性に富むものはその多くが単一のバンドギャップを用いているため、光電変換効率としては、図３の実線で示すように、理論的に最大でも３０％程度しか得られない問題があった。これを補うために、太陽電池をスタック構造としたり、マルチ接合構造や互いにバンドギャップが異なる複数種の半導体を用いて太陽電池を構成したりする試みもあるが、これらの太陽電池はいずれも大面積化が容易ではないという問題がある。理論的には、図３に示すように、Ｎ＝１０、即ち１０段階のバンドギャップを用いることで約６０％の高効率が得られる。   This conventional solar cell is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in this conventional solar cell, a p-type semiconductor layer 151 and an n-type semiconductor layer 152 form a pn junction, an anode electrode 153 is formed on the p-type semiconductor layer 151, and an n-type semiconductor is formed. A cathode electrode 154 is formed on the layer 152 and has a plate-like shape as a whole. In this solar cell, the traveling direction of the light 156 incident perpendicularly to one main surface 155, and the cathode electrode 154 and the electrons and holes generated in the pn junction by the incidence of the light 156 are caused by drift or diffusion, respectively. The direction toward the anode electrode 153, in other words, the net moving direction of the carriers is parallel. For this reason, if the p-type semiconductor layer 151 and the n-type semiconductor layer 152 are made thick in order to sufficiently absorb the light 156, the distance between the anode electrode 153 and the cathode electrode 154 becomes large. It has been extremely difficult to achieve both an increase in absorption and an improvement in carrier collection efficiency, and this has hindered improvement in photoelectric conversion efficiency. That is, in the conventional solar cell, the number of absorbed photons and the photocarrier collection efficiency both depend on the electrode spacing, in other words, the total thickness d of the p-type semiconductor layer 151 and the n-type semiconductor layer 152, and have a trade-off relationship. Therefore, the photoelectric conversion efficiency η behaves as shown by the thick solid line in FIG. Moreover, since many conventional solar cells are mass-productive and use a single band gap, the photoelectric conversion efficiency is theoretically at most 30% as shown by the solid line in FIG. There was a problem that could only be obtained. To make up for this, there are attempts to make solar cells into a stack structure, or to construct a solar cell using a multi-junction structure or multiple types of semiconductors with different band gaps. There is a problem that area-ization is not easy. Theoretically, as shown in FIG. 3, high efficiency of about 60% can be obtained by using N = 10, that is, a band gap of 10 steps.

他方、光電変換効率の大幅な向上を図ることを目的として、最近、ｐｎ接合の接合面に平行に太陽光が入射するタイプの太陽電池が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この太陽電池は、アノード電極とカソード電極とが、間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合を挟んで渦巻き状に形成されたもので、全体として薄い円板の形状を有する。ｐ型半導体層およびｎ型半導体層のバンドギャップＥg は、光入射面から円板の厚さ方向にｎ段階（ｎ≧２）に段階的に減少しており、光入射面側から順にＥg1、Ｅg2、…、Ｅgn（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞Ｅgn）となっている。 On the other hand, for the purpose of significantly improving photoelectric conversion efficiency, a solar cell of a type in which sunlight is incident in parallel to the joint surface of a pn junction has recently been proposed (for example, see Patent Document 1). In this solar cell, an anode electrode and a cathode electrode are formed in a spiral shape with a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer interposed therebetween, and have a thin disk shape as a whole. . The band gap E g of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer decreases stepwise from the light incident surface in the thickness direction of the disk in n steps (n ≧ 2). g1 , Eg2 ,..., Egn ( Eg1 > Eg2 >...> Egn ).

図４は、ロールツーロールプロセスで製造された、特許文献１に記載の太陽電池の一例を示し、円板の直径方向の断面を示す。この太陽電池を製造するには、透明な樹脂製のベースフィルムを用いて、その上に太陽電池のアノード電極、半導体層およびカソード電極を形成し、ベースフィルムを巻き込みながら渦巻き構造を形成する。図４に示すように、この太陽電池では、ベースフィルム２０１の幅方向（円板の厚さ方向）に順にアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５が形成されている。これらのアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５はベースフィルム２０１の長手方向に細長く延びて形成されている。これらのアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５の上にバンドギャップＥg がそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4（Ｅg1＞Ｅg2＞Ｅg3＞Ｅg4）の半導体からなる領域２０６、２０７、２０８、２０９が形成されている。これらの領域２０６、２０７、２０８、２０９のアノード電極２０２、２０３、２０４、２０５とは反対側の面には全面電極であるカソード電極２１０が形成されている。ここで、領域２０６、２０７、２０８、２０９の円板の厚さ方向の幅は典型的には数十μｍ程度、円板の直径方向の幅は典型的には１５０ｎｍ程度である。これに対し、図４においては図示の都合上ベースフィルム２０１の厚さは極端に小さく描かれているが、ベースフィルム２０１の厚さは例えば約１００μｍ程度であり、領域２０６、２０７、２０８、２０９の円板の直径方向の幅に比べて３桁程度大きい。 FIG. 4 shows an example of a solar cell described in Patent Document 1 manufactured by a roll-to-roll process, and shows a cross section in the diameter direction of a disk. In order to manufacture this solar cell, an anode electrode, a semiconductor layer, and a cathode electrode of a solar cell are formed on a transparent resin base film, and a spiral structure is formed while the base film is wound. As shown in FIG. 4, in this solar cell, anode electrodes 202, 203, 204, and 205 are sequentially formed in the width direction of the base film 201 (the thickness direction of the disk). These anode electrodes 202, 203, 204, and 205 are formed to be elongated in the longitudinal direction of the base film 201. On the anode electrodes 202, 203, 204, 205, a region 206 made of a semiconductor having band gaps E g of E g1 , E g2 , E g3 , E g4 (E g1 > E g2 > E g3 > E g4 ), respectively. , 207, 208, and 209 are formed. A cathode electrode 210 which is a full-surface electrode is formed on the surface of these regions 206, 207, 208 and 209 opposite to the anode electrodes 202, 203, 204 and 205. Here, the width in the thickness direction of the disk in the regions 206, 207, 208, and 209 is typically about several tens of μm, and the width in the diameter direction of the disk is typically about 150 nm. On the other hand, in FIG. 4, the thickness of the base film 201 is drawn extremely small for convenience of illustration, but the thickness of the base film 201 is about 100 μm, for example, and the regions 206, 207, 208, and 209 are drawn. It is about three orders of magnitude larger than the width of the disk in the diameter direction.

なお、光電変換材料に単一物質を用いた太陽電池に関するものであるが、集光システムを使わず、光の伝播を考えて光電変換効率の向上を目指した報告がある（非特許文献２、３参照。）。また、レンズ等を用いた集光システムを使うと、太陽光を受ける面積に対し、素子の面積を小さくすることができ、また、集光による光子数の増大により光電変換効率が向上することが知られているが、集光により太陽電池の温度も上昇してしまうため、光電変換効率の低下に繋がっていた。また、特許文献１、２には、入射光の進行方向と、入射光により生成されるキャリアの移動方向とのなす角が直角である光電変換素子が記載されている。また、特許文献３には、光導波層上にグレーティング（回折格子）を設けたグレーティングカプラが記載されている。また、特許文献４には、光を吸収して光生成キャリアを発生する少なくとも一つの光吸収部と、この光吸収部の主面に沿った方向に光の進行方向を転換する少なくとも一つの方向転換層とを備えた太陽電池セルが記載されている。また、特許文献５には、板状をなし、一方の主面を光入射面とし、その厚みの内部に光を閉じ込めて導く導光板と、この導光板の他方の主面の一部に設けられ、この導光板の内部の光を外部に取り出す光取り出し部材とを有する光起電力装置用集光シートが記載されている。
また、無機半導体膜で充電層を構成した、高エネルギー密度性を特徴とする半導体二次電池の研究開発も進展しつつあり、その親和性を以て、同じく半導体により構成される太陽光発電素子との結合も視野に入ってきた（特許文献６参照。）。 Although it relates to a solar cell using a single substance as a photoelectric conversion material, there is a report aiming at improvement of photoelectric conversion efficiency in consideration of light propagation without using a condensing system (Non-Patent Document 2, 3). In addition, when a condensing system using a lens or the like is used, the area of the element can be reduced relative to the area that receives sunlight, and the photoelectric conversion efficiency can be improved by increasing the number of photons by condensing. As is known, the temperature of the solar cell also rises due to light collection, leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency. Patent Documents 1 and 2 describe a photoelectric conversion element in which an angle formed by a traveling direction of incident light and a moving direction of carriers generated by the incident light is a right angle. Patent Document 3 discloses a grating coupler in which a grating (diffraction grating) is provided on an optical waveguide layer. Patent Document 4 discloses at least one light absorbing portion that absorbs light and generates photogenerated carriers, and at least one direction that changes the traveling direction of light in a direction along the main surface of the light absorbing portion. A solar cell with a conversion layer is described. Patent Document 5 discloses a light guide plate having a plate shape, one main surface being a light incident surface, confining light inside the thickness, and a part of the other main surface of the light guide plate. And a light collecting sheet for a photovoltaic device having a light extraction member for extracting light inside the light guide plate to the outside.
In addition, research and development of semiconductor secondary batteries featuring high energy density, in which the charge layer is composed of an inorganic semiconductor film, is also progressing. Bonding has also entered the field of view (see Patent Document 6).

特許第４０２２６３１号明細書Japanese Patent No. 4022631 国際公開第２０１０／１２６１６２号パンフレットInternational Publication No. 2010/126162 Pamphlet 特開平１１−２８１８３３号公報JP-A-11-281833 国際公開第２０１２／１１１７６８号パンフレットInternational Publication No. 2012/111768 Pamphlet 特開２０１２−７９７４９号公報JP 2012-79749 A 国際公開第２０１３／０６５０９３号パンフレットInternational Publication No. 2013/065093 Pamphlet

D.J.Friedman,J.F.Geisz,S.R.Kurtz,and J.M.Olson,July 1998・NREL/CP-520-23874D.J.Friedman, J.F.Geisz, S.R.Kurtz, and J.M.Olson, July 1998 ・ NREL / CP-520-23874 Efficiency enhancement in Si solar cells by textured photonic crystal back reflector, L. Zeng, et.al., Appl. Phys. Lett. 89, 111111 ＿2006＿Efficiency enhancement in Si solar cells by textured photonic crystal back reflector, L. Zeng, et.al., Appl. Phys. Lett. 89, 111111 _2006_ Conversion of Light Propagation Direction for Highly Efficient Solar Cells, Ikuo Suemune, Applied Physics Express 4, 102301 (2011)Conversion of Light Propagation Direction for Highly Efficient Solar Cells, Ikuo Suemune, Applied Physics Express 4, 102301 (2011) ［平成２４年１０月１３日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.hikari-energy.jp/websheetouyou.pdf 〉[Search on October 13, 2012] Internet <URL: http://www.hikari-energy.jp/websheetouyou.pdf> ［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.brl.ntt.co.jp/J/activities/file/report02/J/report15.html 〉[October 11, 2013 search] Internet <URL: http://www.brl.ntt.co.jp/J/activities/file/report02/J/report15.html> 日本学術振興会69委員会 資源・素材学会研究委員会 2013 年3 月21日 資料6-4 ＮＥＤＯJapan Society for the Promotion of Science 69 Committee for the Study of the Society of Resources and Materials March 21, 2013 Reference 6-4 NEDO ［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist＿j/new ＿research/nr20080829/nr20080829.html 〉[Search October 11, 2013] Internet <URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/new_research/nr20080829/nr20080829.html> ［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100092910.pdf 〉[Search on October 11, 2013], Internet <URL: http://www.nedo.go.jp/content/100092910.pdf> ［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/content/100086784.pdf 〉[October 11, 2013 search] Internet <URL: http://www.nedo.go.jp/content/100086784.pdf> ［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://hashi.shinshu-u.ac.jp/research/research2/research2.html〉[Search October 11, 2013], Internet <URL: http://hashi.shinshu-u.ac.jp/research/research2/research2.html> M.Liu,M.B.Jonson,and H.J.Snaith,Nature,published online 11 Sep.2013,doi:10.1038/nature12509M.Liu, M.B.Jonson, and H.J.Snaith, Nature, published online 11 Sep.2013, doi: 10.1038 / nature12509 KURENAI : Kyoto University Research Information Repository［平成２５年１０月１１日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://hdl.handle.net/2433/120869 〉KURENAI: Kyoto University Research Information Repository [searched on October 11, 2013], Internet <URL: http://hdl.handle.net/2433/120869> Sci. Technol. Adv. Mater. 11 (2010) 044305 (23pp) doi:10.1088/1468-6996/11/4/044305Sci. Technol. Adv. Mater. 11 (2010) 044305 (23pp) doi: 10.1088 / 1468-6996 / 11/4/044305 Kentaro Imamura, Francisco C. Franco, Jr., Taketoshi Matsumoto, and Hikaru Kobayashi, Ultra-low reflectivity polycrystalline silicon surfaces formed by surface structure chemical transfer method", APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 013110 (2013)Kentaro Imamura, Francisco C. Franco, Jr., Taketoshi Matsumoto, and Hikaru Kobayashi, Ultra-low reflectivity capable silicon surfaces formed by surface structure chemical transfer method ", APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 013110 (2013) ２０１４年第６１回応用物理学会春季学術講演会１８ａ−Ｅ１２−９2014 61st JSAP Spring Meeting, 18a-E12-9

しかしながら、図４に示す太陽電池では、円板の一方の面に垂直に入射する光は、透明なベースフィルム２０１を透過して円板の他方の面から外部に抜け出てしまい、光電変換には何ら寄与しない。即ち、ベースフィルム２０１は入射光に対して不感領域となるが、円板の面積に占めるこのベースフィルム２０１の端面の面積、つまり不感領域の面積の割合は極めて大きいことが分かる。これがこの太陽電池の光電変換効率を制約していた。また、太陽光がベースフィルム２０１内を導波されて深部に位置する半導体領域に直接侵入する経路も存在するため、深部の半導体がアモルファスシリコンである場合には、光入射により太陽電池の光電変換効率が低下する、いわゆるステブラー・ロンスキー（ＳＷ）効果があり、深部の半導体が有機半導体である場合には、太陽光の紫外成分による有機半導体の劣化の問題があった。この問題は、一般のアモルファスシリコン太陽電池でも同様である。加えて、アモルファスシリコン太陽電池では、半導体層の厚さを大きくしても空間電荷効果により内部電界が減殺され、特性が向上しないという問題があった。   However, in the solar cell shown in FIG. 4, light perpendicularly incident on one surface of the disk passes through the transparent base film 201 and escapes to the outside from the other surface of the disk. Does not contribute anything. That is, it can be seen that the base film 201 is insensitive to incident light, but the area of the end face of the base film 201 in the area of the disk, that is, the ratio of the area of the insensitive area is extremely large. This restricted the photoelectric conversion efficiency of this solar cell. In addition, since there is a path through which sunlight is guided in the base film 201 and directly enters a semiconductor region located in the deep part, when the semiconductor in the deep part is amorphous silicon, photoelectric conversion of the solar cell is caused by light incidence. When there is a so-called Stebbler-Lonsky (SW) effect that lowers the efficiency and the deep semiconductor is an organic semiconductor, there is a problem of deterioration of the organic semiconductor due to the ultraviolet component of sunlight. This problem is the same in general amorphous silicon solar cells. In addition, the amorphous silicon solar cell has a problem that even if the thickness of the semiconductor layer is increased, the internal electric field is reduced by the space charge effect, and the characteristics are not improved.

そこで、この発明が解決しようとする課題は、入射光に対する不感領域をなくすことができ、ステブラー・ロンスキー効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができ、極めて高い光電変換効率を得ることができ、大面積化も極めて容易な、太陽電池などとして用いて好適な光電変換装置ならびにこの優れた光電変換装置を用いた建築物および電子機器を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the insensitive area for incident light can be eliminated, deterioration of the organic semiconductor due to the Stebbler-Lonsky effect and ultraviolet components can be suppressed, and extremely high photoelectric conversion efficiency can be obtained. It is possible to provide a photoelectric conversion device suitable for use as a solar cell and the like, and a building and an electronic device using this excellent photoelectric conversion device, which can be increased in area and extremely easily.

また、この発明が解決しようとする他の課題は、集光型太陽発電において、集光した光の導入による副産物としての温度上昇により、本来集光無しの場合よりも高まる光電変換効率が相殺されてしまうのを防止することができる光電変換装置を提供することである。   Another problem to be solved by the present invention is that, in the concentrating solar power generation, the temperature increase as a by-product due to the introduction of the condensed light cancels out the photoelectric conversion efficiency that is higher than that in the case without the original condensing. It is providing the photoelectric conversion apparatus which can prevent that.

また、この発明が解決しようとするさらに他の課題は、レンズ等を用いる集光型太陽発電において、太陽の直射光が欠けた場合、つまり拡散光がメインとなった場合に光電変換効率が低下する問題があったが、これを解決することができる光電変換装置を提供することである。   Further, another problem to be solved by the present invention is that, in concentrating solar power generation using a lens or the like, the photoelectric conversion efficiency decreases when the direct sunlight of the sun is lost, that is, when the diffused light becomes main. However, it is an object of the present invention to provide a photoelectric conversion device that can solve this problem.

上記課題を解決するために、この発明は、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成されている光電変換装置である。 In order to solve the above problems, the present invention provides:
A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The photoelectric conversion device is configured such that light incident on a main surface of the planar optical waveguide is guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer.

この光電変換装置においては、好適には、面状光導波路の厚みと半導体層の受光面（面状光導波路内を導波される光が半導体層に入射する面）の、面状光導波路の主面に対し垂直方向（面状光導波路の厚さ方向）の差し渡し（半導体層の厚さ方向の長さ）とが互いにほぼ等しく選ばれる。また、好適には、面状光導波路の主面に平行でかつ面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向に対して垂直な方向の面状光導波路の辺の長さと半導体層の受光面の、面状光導波路の主面に平行でかつ光の進行方向に対して垂直な方向の幅とが互いにほぼ等しい選ばれる。典型的には、面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、面状光導波路の端面から半導体層に入射した光により半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角である。典型的には、面状光導波路と半導体層とは互いに一体に設けられ、例えば、それらの端部同士が接合されて一体化される。半導体層の互いに対向する一対の面にそれぞれ第１の電極および第２の電極が設けられる。これらの第１の電極および第２の電極の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。   In this photoelectric conversion device, preferably, the thickness of the planar optical waveguide and the light receiving surface of the semiconductor layer (the surface on which light guided in the planar optical waveguide enters the semiconductor layer) The width (length in the thickness direction of the semiconductor layer) in the direction perpendicular to the main surface (thickness direction of the planar optical waveguide) is selected to be substantially equal to each other. Preferably, the length of the side of the planar optical waveguide parallel to the main surface of the planar optical waveguide and perpendicular to the net traveling direction of the light guided in the planar optical waveguide and the semiconductor The widths of the light receiving surfaces of the layers are selected to be substantially equal to each other in width in a direction parallel to the main surface of the planar optical waveguide and perpendicular to the light traveling direction. Typically, the net traveling direction of light guided in the planar optical waveguide and the net moving direction of carriers generated in the semiconductor layer by light incident on the semiconductor layer from the end surface of the planar optical waveguide Is substantially a right angle. Typically, the planar optical waveguide and the semiconductor layer are provided integrally with each other, and, for example, their ends are joined together. A first electrode and a second electrode are provided on a pair of surfaces of the semiconductor layer facing each other. One of the first electrode and the second electrode is used as an anode electrode, and the other is used as a cathode electrode.

θは、具体的には、例えば、π／２−δ≦θ≦π／２＋δに選ばれる。ただし、δは、第１の電極および第２の電極のうちのアノード電極として用いられるものの、半導体層内の光の進行方向に平行な方向の幅（電極幅）に対する半導体層の厚さの比に対応し、δ〜半導体層の厚さ／電極幅である。   Specifically, for example, π / 2−δ ≦ θ ≦ π / 2 + δ is selected as θ. However, although δ is used as the anode electrode of the first electrode and the second electrode, the ratio of the thickness of the semiconductor layer to the width (electrode width) in the direction parallel to the light traveling direction in the semiconductor layer Δ to semiconductor layer thickness / electrode width.

３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、例えば、互いに屈折率が異なる帯状の第１の部分および帯状の第２の部分が交互に周期的に、または一定間隔で、配列された構造を有する。好適には、第１の部分および第２の部分の周期をΛi （ｉ＝１，２，３，…）、第１の部分および第２の部分のうちの屈折率が高い方のものの幅をｄi としたとき、Λi とｄi とが、ｉの増加に伴い正の相関を有するように設定される。また、好適には、周期Λi （ｉ＝１，２，３，…）を有する第１の部分および第２の部分を有限個含む横方向に広がった領域を基本ユニットＵi 、それに隣り合う基本ユニットをＵi+1 とし、第１の部分および第２の部分の周期の方向に座標軸を取り、基本ユニットＵi および基本ユニットＵi+1 の開始位置の座標をそれぞれＸUiおよびＸUi+1としたとき、基本ユニットＵi 内のΛi の最小値Λmin より小さいランダム変数δによって、｜ＸUi−ＸUi+1｜＜δで決められる距離だけ、基本ユニットＵi+1 の開始位置を基本ユニットＵi の開始位置に対して相対的にずらす。これにより、周期構造がほぼ無限に広がった場合に生じる導波光波長に対する強い選択性（構造周期と波長との間にDirac のδ関数的な選択性が生じる事態）を緩和することができる。これにより、３次元空間伝播光の２次元導波光化の効率を高めることができ、最終的な光電変換効率を高めることが可能となる。上記の３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、典型的には、面状光導波路の主面または面状光導波路内に設けられる。具体的には、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体は、例えば、面状光導波路の主面または面状光導波路内に設けられた回折格子である。この回折格子は従来公知の方法により形成することができる。例えば、面状光導波路の主面にインプリント技術により凸部を周期的に形成したり、この主面に周期的に凹部を形成し、この凹部に面状光導波路と異なる屈折率を有する材料を埋め込んだり、イオン交換により屈折率を変えたりすることにより回折格子を形成することができる。あるいは、面状光導波路の主面に、周期構造からなる回折格子が形成された透明プラスチックフィルムを張り付けたりすることもできる。３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体上には、必要に応じて、光波進行方向変換シート（例えば、非特許文献４参照。非特許文献４では集光シートと呼ばれている。）が設けられる。 The structure for converting the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light includes, for example, a first band-shaped portion and a second band-shaped portion having different refractive indexes alternately periodically or at regular intervals. It has an ordered structure. Preferably, the period of the first part and the second part is Λ i (i = 1, 2, 3,...), And the width of the first part and the second part having the higher refractive index. Where d i is set so that Λ i and d i have a positive correlation as i increases. Preferably, a laterally extended region including a finite number of first and second portions having a period Λ i (i = 1, 2, 3,...) Is adjacent to the basic unit U i . The basic unit is U i + 1 , the coordinate axes are taken in the direction of the period of the first part and the second part, and the coordinates of the starting positions of the basic unit U i and the basic unit U i + 1 are respectively X Ui and X Ui when a +1, the basic unit U minimum value of lambda i in i lambda min smaller random variable δ, | X Ui -X Ui + 1 | < a distance to be determined by [delta], of the basic unit U i + 1 The start position is shifted relative to the start position of the basic unit U i . As a result, it is possible to relieve the strong selectivity with respect to the guided light wavelength that occurs when the periodic structure spreads infinitely (a situation in which a Dirac δ function selectivity occurs between the structure period and the wavelength). Thereby, it is possible to increase the efficiency of the conversion of the three-dimensional space propagation light into the two-dimensional guided light, and it is possible to increase the final photoelectric conversion efficiency. The structure for converting the above three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light is typically provided in the main surface of the planar optical waveguide or in the planar optical waveguide. Specifically, the structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light is, for example, a main surface of a planar optical waveguide or a diffraction grating provided in the planar optical waveguide. This diffraction grating can be formed by a conventionally known method. For example, a material having a refractive index different from that of the planar optical waveguide, in which convex portions are periodically formed on the main surface of the planar optical waveguide by imprint technology, or concave portions are periodically formed on the main surface. The diffraction grating can be formed by embedding or changing the refractive index by ion exchange. Alternatively, a transparent plastic film in which a diffraction grating having a periodic structure is formed can be attached to the main surface of the planar optical waveguide. On the structure that converts the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light, a light wave traveling direction converting sheet (see, for example, Non-Patent Document 4; referred to as a condensing sheet in Non-Patent Document 4). Is provided).

面状光導波路は、平面状光導波路であっても、曲面状光導波路であってもよい。また、面状光導波路の平面形状は必要に応じて選ばれるが、典型的には、四角形、例えば長方形または正方形の形状を有する。この場合、面状光導波路のこの四角形の互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する面状光導波路の端部に半導体層が設けられ、好適には、この四角形の上記の互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する面状光導波路の端部に光反射機構が設けられる。この場合、面状光導波路の主面に入射した光が面状光導波路内を導波される際にこの光反射機構に入射すると反射され、半導体層に向かう方向に光路が曲げられることにより、半導体層の端面に入射する光の量が多くなる。   The planar optical waveguide may be a planar optical waveguide or a curved optical waveguide. The planar shape of the planar optical waveguide is selected as necessary, but typically has a quadrangular shape, for example, a rectangular shape or a square shape. In this case, a semiconductor layer is provided at an end of the planar optical waveguide corresponding to at least one of a pair of opposite sides of the rectangular optical waveguide. A light reflection mechanism is provided at the end of the planar optical waveguide corresponding to at least one of a pair of sides different from the pair of sides facing each other. In this case, the light incident on the main surface of the planar optical waveguide is reflected when entering the light reflecting mechanism when guided in the planar optical waveguide, and the optical path is bent in the direction toward the semiconductor layer. The amount of light incident on the end face of the semiconductor layer increases.

好適には、面状光導波路の主面に光が入射する際に半導体層に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光電変換装置の主面に光が入射する場合、面状光導波路の主面には光が入射するが、半導体層の面には光が直接入射しない。こうすることで、半導体層に直接入射する光により半導体層が加熱されて温度が上昇するのを防止することができるので、半導体層の特性劣化を防止することができ、ひいては、熱として散逸するエネルギーも少ないことと相まって、この光電変換装置の光電変換効率の低下を防止することができ、高い光電変換効率を得ることができる。   Preferably, the light is not directly incident on the semiconductor layer when the light is incident on the main surface of the planar optical waveguide. In other words, when light is incident on the main surface of the photoelectric conversion device, the light is incident on the main surface of the planar optical waveguide, but the light is not directly incident on the surface of the semiconductor layer. By doing so, it is possible to prevent the temperature of the semiconductor layer from being increased due to light that is directly incident on the semiconductor layer, thereby preventing deterioration of the characteristics of the semiconductor layer, and thus dissipating as heat. Coupled with the low energy, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device can be prevented from being lowered, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

面状光導波路の厚さは一般に半導体層の厚さに比べて大きいので、面状光導波路内を導波される光の有効利用を図るため、好適には、面状光導波路内を導波される光を集光して半導体層に入射させる。このためには、例えば、面状光導波路が、面状光導波路内を導波される光が面状光導波路のうちの半導体層と接触する部分（半導体層と同じ厚さを有する）に、例えば漸近的に集光される屈折率分布を有するようにする。即ち、面状光導波路内を導波される光は、この面状光導波路の屈折率分布に従って導波されるため、導波されながら漸近的に半導体層と接触する部分に集光される。   Since the thickness of the planar optical waveguide is generally larger than the thickness of the semiconductor layer, it is preferably guided in the planar optical waveguide in order to effectively use the light guided in the planar optical waveguide. The collected light is collected and incident on the semiconductor layer. For this purpose, for example, the planar optical waveguide has a portion (having the same thickness as the semiconductor layer) in which the light guided in the planar optical waveguide is in contact with the semiconductor layer of the planar optical waveguide. For example, a refractive index profile that is collected asymptotically is provided. That is, the light guided in the planar optical waveguide is guided according to the refractive index distribution of the planar optical waveguide, and thus is collected asymptotically to the portion that contacts the semiconductor layer while being guided.

半導体層は、無機半導体または有機半導体からなり、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。半導体層の厚さは、この半導体層内のキャリアの拡散長の関数として適宜選ばれるが、典型的には１０ｎｍ以上１００μｍ以下である。半導体層を構成する半導体は、アモルファス（非晶質）、多結晶、単結晶のいずれの形態のものであってもよい。   The semiconductor layer is made of an inorganic semiconductor or an organic semiconductor, and is typically a pn junction made of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. The thickness of the semiconductor layer is appropriately selected as a function of the diffusion length of carriers in the semiconductor layer, and is typically 10 nm or more and 100 μm or less. The semiconductor constituting the semiconductor layer may be amorphous (amorphous), polycrystalline, or single crystal.

無機半導体としては、ＣｄＳｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＰＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＳｉやＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体、Ｓｉx Ｇｅy Ｓｎ1-x-y Ｏ、ＳｉＮx 、ＳｉＯx 、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ）、ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）、ＣｕＩｎＧａＳｅＴｅなどを用いることができる（例えば、非特許文献５〜１０参照。）。これらの半導体は、例えば、Ｉｎ、ＧａなどのＩＩＩ族元素の組成比の制御や硫黄（Ｓ）の混合などによってバンドギャップを制御することができるのが特徴である。半導体層は、これらの無機半導体からなる微粒子により構成することもできる。 Examples of inorganic semiconductors include II-VI group compound semiconductors such as CdSe, PbS, PbSe, and PbTe, III-V group compound semiconductors such as GaSb, InAs, InN, AlInN, GaInN, GaN, AlGaN, GaAsN, and GaPN, and Si and SiGe. Group IV semiconductors such as Si x Ge y Sn 1-xy O, SiN x , SiO x , CIS (CuInSe), CIGS (CuInGaSe), CuInGaSeTe, and the like can be used (see, for example, Non-Patent Documents 5 to 10). ). These semiconductors are characterized in that the band gap can be controlled, for example, by controlling the composition ratio of group III elements such as In and Ga or mixing sulfur (S). The semiconductor layer can also be constituted by fine particles made of these inorganic semiconductors.

有機半導体としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ペンタセンなどのポリアセン、ポリアセチレン（好ましくは二置換型ポリアセチレン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリ（２，５−チエニレンビニレン）、ポリピロール、ポリ（３−メチルチオフェン）、ポリアニリン、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン）（ＰＤＡＦ）、ポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン）（Ｆ８Ｔ２）、ポリ（１−ヘキシル−２−フェニルアセチレン）（ＰＨX ＰＡ）（発光材料としては青色の発光を示す）、ポリ（ジフェニルアセチレン）誘導体（ＰＤＰＡ−n Ｂｕ）（発光材料としては緑色の発光を示す）、ポリ（ピリジン）（ＰＰｙ）、ポリ（ピリジルビニレン）（ＰＰｙＶ）、シアノ置換型ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＣＮＰＰＶ）、ポリ（３，９−ジ−tert−ブチルインデノ［１，２−ｂ］フルオレン（ＰＩＦ）などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ）を用いることができ、アクセプタとしてはハロゲン類（Ｂｒ2 、Ｉ2 、ＣＩ2 ）、ルイス酸（ＢＦ3 、ＰＦ5 、ＡｓＦ5 、ＳｂＦ5 、ＳＯ3 ）、遷移金属ハロゲン化物（ＦｅＣｌ3 、ＭｏＣｌ5 、ＷＣｌ5 、ＳｎＣｌ4 ）、有機アクセプタ分子としてはＴＣＮＥ、ＴＣＮＱを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン（ＴＥＡ+ ）、テトラブチルアンモニウムイオン（ＴＢＡ+ ）、Ｌｉ+ 、Ｎａ+ 、Ｋ+ 、陰イオンとしてはＣｌＯ4 - 、ＢＦ4 - 、ＰＦ6 - 、ＡｓＦ6 - 、ＳｂＦ6 - などを用いることができる。有機半導体としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ（チオフェン−３−酢酸）、サルフォネートポリスチレン、ポリ（３−チオフェンアルカンサルフォネート）など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ（ｐ−フェニレン−ビニレン）前駆体高分子、ポリ（ｐ−メチルピリジニウムビニレン）、プロトン化ポリ（ｐ−ピリジルビニレン）、ポロトン（２−Ｎ−メチルピリジニウムアセチレン）などを用いることができる。半導体層として低不純物濃度にドープされた有機半導体層を用いる場合、この有機半導体層はヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造とすることができる。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体層においては、ｐ型有機半導体膜およびｎ型有機半導体膜とを第１の電極および第２の電極と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体層は、ｐ型有機半導体分子とｎ型有機半導体分子との混合物からなり、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。 As the organic semiconductor, all materials generally reported as organic solar cell materials can be used. Specifically, polyacenes such as pentacene, polyacetylene (preferably disubstituted polyacetylene), poly (p -Phenylene vinylene), poly (2,5-thienylene vinylene), polypyrrole, poly (3-methylthiophene), polyaniline, poly (9,9-dialkylfluorene) (PDAF), poly (9,9-dioctylfluorene- co-bithiophene) (F8T2), poly (1-hexyl-2-phenylacetylene) (PH X PA) (shows blue light emission as the light emitting material), poly (diphenylacetylene) derivative (PDPA- n Bu) (light emission) The materials are green light emission), poly (pyridine) (PPy), poly (pyridylbi) Ren) (PPyV), cyano-substituted poly (p-phenylenevinylene) (CNPPV), poly (3,9-di-tert-butylindeno [1,2-b] fluorene (PIF), etc. can be used. As for the dopant of the organic semiconductor, alkali metals (Li, Na, K, Cs) can be used as donors, and halogens (Br 2 , I 2 , CI 2 ), Lewis acids (BF 3 , PF 5 , AsF 5 , SbF 5 , SO 3 ), transition metal halides (FeCl 3 , MoCl 5 , WCl 5 , SnCl 4 ), TCNE, TCNQ can be used as organic acceptor molecules, and electrochemical doping. dopant ions used in the tetraethylammonium ions as cations (TEA +), tetrabutylammonium Ion (TBA +), Li +, Na +, K +, ClO 4 as the anion -, BF 4 -, PF 6 -, AsF 6 -, SbF 6 -. Or the like can be used as the organic semiconductor In addition, specific examples of this polymer electrolyte include polyanions such as sulfonate polyaniline, poly (thiophene-3-acetic acid), sulfonate polystyrene, poly (3-thiophene). Examples of polycations such as alkanesulfonates include polyallylamine, poly (p-phenylene-vinylene) precursor polymer, poly (p-methylpyridinium vinylene), protonated poly (p-pyridylvinylene), and polotone (2- N-methylpyridinium acetylene) and the like can be used. When an organic semiconductor layer doped with a low impurity concentration is used as the semiconductor layer, the organic semiconductor layer can have a heterojunction type or bulk heterojunction type structure. In the organic semiconductor layer having the heterojunction structure, the p-type organic semiconductor film and the n-type organic semiconductor film are joined so as to be in contact with the first electrode and the second electrode. The organic semiconductor layer having a bulk heterojunction structure is composed of a mixture of p-type organic semiconductor molecules and n-type organic semiconductor molecules, and has a fine structure in which the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are intertwined with each other.

半導体層を構成する半導体としては、無機半導体および有機半導体のほかに、有機無機ハイブリッド半導体を用いることもできる。このような有機無機ハイブリッド半導体としては、例えば、ペロブスカイト系半導体（例えば、非特許文献１１参照。）を用いることができる。   As a semiconductor constituting the semiconductor layer, an organic-inorganic hybrid semiconductor can be used in addition to the inorganic semiconductor and the organic semiconductor. As such an organic-inorganic hybrid semiconductor, for example, a perovskite-based semiconductor (see, for example, Non-Patent Document 11) can be used.

好適には、第１の電極および第２の電極は半導体層とオーミック接触している。半導体層として有機半導体を用いる場合は、第１の電極および第２の電極は半導体層とオーミック接触していなくてもよい。第１の電極および第２の電極としては、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属のほか、特にｐ型ＳｉにはＡｌ、ｎ型ＳｉにはＡｇを用いることが有効であり、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）などの各種の透明導電性酸化物などを用いることができ、クロム、チタン、モリブデン等も合わせて用いることができるが、これに限定されるものではない。また、上記透明電極は、光電変換層である半導体層の電極として用いられた場合、その低屈折率性、ワイドギャップ性を以て、半導体層への進入光子の高導波特性、生成フォトキャリアの低表面再結合レートへと導き、結果として高光電変換効率を可能とする効果も有する。上記透明電極は、面状光導波路の主面に対し垂直方向の半導体層の差し渡しの方向の両端に設ける、上記半導体層の屈折率より低屈折率の領域に相当する。   Preferably, the first electrode and the second electrode are in ohmic contact with the semiconductor layer. In the case where an organic semiconductor is used as the semiconductor layer, the first electrode and the second electrode may not be in ohmic contact with the semiconductor layer. As the first electrode and the second electrode, in addition to metals such as gold (Au), nickel (Ni), and aluminum (Al), it is particularly preferable to use Al for p-type Si and Ag for n-type Si. Various transparent conductive oxides such as indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), and tin oxide (SnO) can be used, and chromium, titanium, molybdenum, etc. are also used together. However, the present invention is not limited to this. Further, when the transparent electrode is used as an electrode of a semiconductor layer which is a photoelectric conversion layer, it has a low refractive index property and a wide gap property, so that a high waveguiding property of photons entering the semiconductor layer, a generated photocarrier It has the effect of leading to a low surface recombination rate and, as a result, enabling high photoelectric conversion efficiency. The transparent electrode corresponds to a region having a refractive index lower than the refractive index of the semiconductor layer provided at both ends of the semiconductor layer extending in the direction perpendicular to the main surface of the planar optical waveguide.

好適には、半導体層のバンドギャップ、あるいは半導体層が有機半導体からなる場合にはＨＯＭＯ（最高被占分子軌道）−ＬＵＭＯ（最低非占分子軌道）ギャップが光の進行方向に順に段階的および／または連続的に減少するようにする。こうすることで、例えば、光電変換装置の半導体層の主面に太陽光が入射した場合、この太陽光は、面状光導波路内を導波されて半導体層に入射すると、バンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、半導体層のバンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップの変化のさせ方および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。典型的には、半導体層は、バンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の互いに対向する一対の面に第１の電極および第２の電極が設けられ、これらの第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられる。   Preferably, the band gap of the semiconductor layer, or, if the semiconductor layer is made of an organic semiconductor, the HOMO (highest occupied molecular orbital) -LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) gap is stepwise and / or sequentially in the light traveling direction. Or make it decrease continuously. By doing so, for example, when sunlight is incident on the main surface of the semiconductor layer of the photoelectric conversion device, when the sunlight is guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer, the band gap or HOMO− The light enters the semiconductor with the largest LUMO gap first, and finally enters the semiconductor with the smallest band gap. In this process, the short wavelength light to the long wavelength light in the solar spectrum are spread. It is absorbed sequentially and this amount of absorption is maximized. For this reason, depending on how the band gap or HOMO-LUMO gap of the semiconductor layer is changed and the type of semiconductor used, the main part of the solar spectrum or substantially all light can be photoelectrically converted. Can bring the photoelectric conversion efficiency close to the theoretical maximum efficiency. Typically, the semiconductor layer includes a plurality of regions in which a band gap or a HOMO-LUMO gap is gradually reduced in the light traveling direction, and the first electrode and the second electrode are formed on a pair of surfaces facing each other. Two electrodes are provided, and at least one of the first electrode and the second electrode is provided separately between the regions.

好適には、半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上である。   Preferably, the semiconductor layer includes a plurality of regions in which a band gap or a HOMO-LUMO gap is gradually reduced in the light traveling direction, and the width of each region in the light traveling direction is equal to the band gap or HOMO of each region. -More than the reciprocal of the absorption coefficient in each region of light having energy equal to the LUMO gap.

半導体層が、バンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなる場合、これらの領域の例を挙げると、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域、あるいは、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域およびマイクロクリスタルＳｉy Ｇｅ1-y からなる領域、あるいは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）からなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y からなる領域、あるいは、Ｓｉx Ｃ1-x からなる領域、Ｓｉからなる領域、Ｓｉy Ｇｅ1-y からなる領域およびＧｅからなる領域である。 When the semiconductor layer is composed of a plurality of regions in which the band gap or the HOMO-LUMO gap is decreased stepwise in order in the light traveling direction, examples of these regions include Si x C 1 in order in the light traveling direction. -x (0 <x <1) region consisting of a region consisting of a region made of Si and Si y Ge 1-y (0 <y <1) or a region consisting of Si x C 1-x, made of Si A region composed of a region and a microcrystal Si y Ge 1 -y , or a region containing at least one semiconductor selected from the group consisting of AlGaN, GaN and IGZO (In, Ga, Zn oxide), Si x C 1 -x region, Si region and Si y Ge 1 -y region, or Si x C 1 -x region, Si region, Si y Ge 1 -y region and Ge Territory It is an area.

光電変換装置には、太陽電池のほか、光センサーなども含まれる。必要に応じて、光電変換装置または太陽電池を複数組み合わせてモジュール化あるいはシステム化してもよい。   The photoelectric conversion device includes not only a solar battery but also an optical sensor. If necessary, a plurality of photoelectric conversion devices or solar cells may be combined to form a module or system.

また、この発明は、
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成される建築物である。 In addition, this invention
Having at least one photoelectric conversion device;
The photoelectric conversion device is
A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The building is configured such that light incident on a main surface of the planar optical waveguide is guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer.

この建築物の光電変換装置については、上記の光電変換装置の発明に関連して説明したことが成立する。建築物は、光電変換装置を設置可能な建築物であれば、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えば、ビルディング、マンション、戸建住宅、アパート、駅舎、校舎、庁舎、競技場、球場、病院、教会、工場、倉庫、小屋、橋などが挙げられる。これらの建築物への光電変換装置の設置箇所は特に限定されず、必要に応じて選ばれる。設置箇所の例を挙げると、これらの建築物のガラス窓や採光部などである。この場合、光電変換装置は、例えば、これらの建築物やその内部に設置される電気製品の電源として用いられる太陽電池である。好適には、面状光導波路の主面に光が入射する際に半導体層に光が直接入射しないように半導体層が建築物の陰の部分に配置される。例えば、面状光導波路が緩やかな曲率を有する部分を含むようにし、この部分を、例えば、瓦の下、屋根の中央部迫り出し稜線の下、窓の枠あるいは桟等に配置する。   About this photoelectric conversion device of a building, what was explained in relation to the invention of the above-mentioned photoelectric conversion device is materialized. The building may basically be anything as long as it can install a photoelectric conversion device. Specifically, for example, a building, a condominium, a detached house, an apartment, a station building , School buildings, government buildings, stadiums, stadiums, hospitals, churches, factories, warehouses, huts, and bridges. The installation location of the photoelectric conversion device in these buildings is not particularly limited, and is selected as necessary. Examples of installation locations are the glass windows and daylighting sections of these buildings. In this case, the photoelectric conversion device is, for example, a solar cell used as a power source for these buildings and electrical products installed therein. Preferably, the semiconductor layer is disposed in a shaded part of the building so that the light does not directly enter the semiconductor layer when the light enters the main surface of the planar optical waveguide. For example, the planar optical waveguide includes a portion having a gentle curvature, and this portion is disposed, for example, under a tile, under a protruding central portion of a roof, on a window frame or a crosspiece.

また、この発明は、
外面に取り付けられた光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成されている電子機器である。 In addition, this invention
Having a photoelectric conversion device attached to the outer surface;
The photoelectric conversion device is
A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The electronic apparatus is configured such that light incident on a main surface of the planar optical waveguide is guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer.

この電子機器の光電変換装置については、上記の光電変換装置の発明に関連して説明したことが成立する。電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。この場合、光電変換装置は、例えば、これらの電子機器の電源として用いられる太陽電池である。   Regarding the photoelectric conversion device of this electronic apparatus, what has been described in relation to the invention of the photoelectric conversion device is valid. Electronic devices may be basically any type, including both portable and stationary types, but specific examples include mobile phones, mobile devices, robots, personal computers. , In-vehicle equipment, various home appliances. In this case, the photoelectric conversion device is, for example, a solar battery used as a power source for these electronic devices.

この発明によれば、面状光導波路の主面の全体で入射光を受けることができるので、入射光に対する不感領域がない。また、面状光導波路の主面に入射した光が面状光導波路内を導波されて半導体層に入射するので、半導体層に光が直接入射しないようにすることができる。このため、半導体層が例えばアモルファスシリコンや有機半導体からなる場合であっても、ステブラー・ロンスキー（ＳＷ）効果や紫外成分による有機半導体の劣化を抑えることができる。また、面状光導波路の面積を大きくすることにより、光電変換装置の大面積化も極めて容易である。面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向と、面状光導波路の端面から半導体層に入射した光により半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θをほぼ直角にすることにより、光の入射方向の光電変換層の厚さの選択による光の吸収量の最大化と電極間距離の最小化とを両立させることができる。このため、極めて高い光電変換効率を得ることができる。また、半導体層のバンドギャップあるいは半導体層が有機半導体からなる場合にはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の入射方向に段階的および／または連続的に減少するようにすることにより、太陽光スペクトルの主要部あるいは全部の波長の光を吸収して光電変換することができ、究極的には理論最大効率に迫る光電変換効率を得ることができる。   According to the present invention, since the incident light can be received by the entire main surface of the planar optical waveguide, there is no insensitive region for the incident light. In addition, since light incident on the main surface of the planar optical waveguide is guided through the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer, it is possible to prevent light from directly entering the semiconductor layer. For this reason, even when the semiconductor layer is made of, for example, amorphous silicon or an organic semiconductor, the deterioration of the organic semiconductor due to the Stebbler-Lonsky (SW) effect or an ultraviolet component can be suppressed. Further, it is very easy to increase the area of the photoelectric conversion device by increasing the area of the planar optical waveguide. Angle θ between the net traveling direction of light guided in the planar optical waveguide and the net moving direction of carriers generated in the semiconductor layer by light incident on the semiconductor layer from the end surface of the planar optical waveguide By making the angle substantially perpendicular, it is possible to achieve both maximization of the amount of light absorption and minimization of the distance between the electrodes by selecting the thickness of the photoelectric conversion layer in the light incident direction. For this reason, extremely high photoelectric conversion efficiency can be obtained. In addition, when the band gap of the semiconductor layer or the semiconductor layer is made of an organic semiconductor, the HOMO-LUMO gap decreases stepwise and / or continuously in the light incident direction, so that the main part of the solar spectrum can be obtained. Alternatively, photoelectric conversion can be performed by absorbing light of all wavelengths, and ultimately, photoelectric conversion efficiency approaching the theoretical maximum efficiency can be obtained.

従来の太陽電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional solar cell. 太陽電池の電極間距離と光電変換効率との関係を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relationship between the distance between electrodes of a solar cell, and photoelectric conversion efficiency. 光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the relationship between photon energy and the photon density of sunlight. 特許文献１で提案された太陽電池を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the solar cell proposed by patent document 1. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置を示す平面図である。It is a top view which shows the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の半導体層の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the semiconductor layer of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置において面状光導波路上に光波進行方向変換シートが設けられた例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example in which the light wave advancing direction change sheet | seat was provided on the planar optical waveguide in the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. 図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows a mode that the advancing direction of a light wave is converted by the light wave advancing direction conversion sheet | seat shown in FIG. 図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows a mode that the advancing direction of a light wave is converted by the light wave advancing direction conversion sheet | seat shown in FIG. 図１０に示す光波進行方向変換シートにより光波の進行方向が変換される様子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows a mode that the advancing direction of a light wave is converted by the light wave advancing direction conversion sheet | seat shown in FIG. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の光電変換効率が半導体層の光吸収率と無関係に定まることを示すために行った実験結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the experimental result performed in order to show that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention is decided irrespective of the light absorption rate of a semiconductor layer. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の光電変換効率が半導体層の光吸収率と無関係に定まることを示すために行った別の実験結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows another experimental result performed in order to show that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention is decided irrespective of the light absorption rate of a semiconductor layer. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置において半導体層が互いにバンドギャップが異なる四種類の半導体からなる場合における光子エネルギーと太陽光の光子密度との関係を示す略線図である。In the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention, when a semiconductor layer consists of four types of semiconductors from which a band gap mutually differs, it is a basic diagram which shows the relationship between the photon energy and the photon density of sunlight. シリコン中における各種の元素の拡散係数の温度依存性を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the temperature dependence of the diffusion coefficient of various elements in a silicon | silicone. レーザアニールにより結晶化されたアモルファスシリコン層のラマン散乱測定の結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the Raman scattering measurement of the amorphous silicon layer crystallized by laser annealing. Ｓｉ基板の表面を部分的に改質してＳｉＧｅ層およびＳｉＣ層を形成した試料を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the sample which formed the SiGe layer and the SiC layer by partially modifying the surface of the Si substrate. Ｓｉ基板の表面を部分的に改質してＳｉＧｅ層およびＳｉＣ層を形成した試料を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sample which modified the surface of Si substrate partially, and formed the SiGe layer and the SiC layer. 図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉＧｅ素子部分の電流密度−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having measured the current density-voltage characteristic of the SiGe element part of the sample shown to FIG. 17A and FIG. 17B. 図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉ素子部分の電流密度−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having measured the current density-voltage characteristic of the Si element part of the sample shown to FIG. 17A and FIG. 17B. 図１７Ａおよび図１７Ｂに示す試料のＳｉＣ素子部分の電流−電圧特性を測定した結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of having measured the current-voltage characteristic of the SiC element part of the sample shown to FIG. 17A and FIG. 17B. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路と半導体層との接続部付近の構成例を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the structural example of the connection part vicinity of the planar optical waveguide and semiconductor layer of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路と半導体層との接続部付近の構成例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structural example of the connection part vicinity of the planar optical waveguide and semiconductor layer of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路に設けられる３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換するための構造体の構成例を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structural example of the structure for converting the three-dimensional spatial propagation light provided in the planar optical waveguide of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention into two-dimensional spatial propagation light. is there. この発明の第１の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路に設けられる３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換するための構造体の他の構成例を説明するための断面図である。Section for demonstrating the other structural example of the structure for converting the three-dimensional spatial propagation light provided in the planar optical waveguide of the photoelectric conversion apparatus by 1st Embodiment of this invention into two-dimensional spatial propagation light FIG. この発明の第２の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路の光導波性能を検証するために行ったシミュレーションのモデルを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the model of the simulation performed in order to verify the optical waveguide performance of the planar optical waveguide of the photoelectric conversion apparatus by 2nd Embodiment of this invention. この発明の第２の実施の形態による光電変換装置の面状光導波路の光導波性能を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the result of the simulation performed in order to verify the optical waveguide performance of the planar optical waveguide of the photoelectric conversion apparatus by 2nd Embodiment of this invention. この発明の第４の実施の形態による複合光電変換装置を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the composite photoelectric conversion apparatus by 4th Embodiment of this invention.

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という。）について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態においては、原則として、同一または対応する部分には同一の符号を付す。   Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, in principle, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

〈第１の実施の形態〉
［光電変換装置］
図５Ａおよび図５Ｂは第１の実施の形態による光電変換装置を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この光電変換装置は、長方形または正方形の面状光導波路２０と、この面状光導波路２０の互いに平行な一対の辺に相当する端面に設けられた光電変換用の半導体層３０とを有する。半導体層３０は一般的には細長い長方形の形状を有する。面状光導波路２０と半導体層３０とは互いに一体に設けられており、全体として面状の形状を有する。面状光導波路２０および半導体層３０は支持基板４０上に設けられている。 <First Embodiment>
[Photoelectric conversion device]
5A and 5B show the photoelectric conversion device according to the first embodiment. As shown in FIGS. 5A and 5B, this photoelectric conversion device includes a rectangular or square planar optical waveguide 20 and a photoelectric conversion provided on end faces corresponding to a pair of parallel sides of the planar optical waveguide 20. And a semiconductor layer 30 for use. The semiconductor layer 30 generally has an elongated rectangular shape. The planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 are provided integrally with each other and have a planar shape as a whole. The planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 are provided on the support substrate 40.

半導体層３０の互いに対向する一対の面（上面および下面）にそれぞれ第１の電極５０および第２の電極６０が設けられている。これらの第１の電極５０および第２の電極６０の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。例えば、第１の電極５０がアノード電極、第２の電極６０がカソード電極として用いられる。第１の電極５０および第２の電極６０は、半導体層３０が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されている場合には各領域毎に設けられてもよいし、一方が全ての領域上に延在する全面電極であってもよい。   A first electrode 50 and a second electrode 60 are provided on a pair of opposing surfaces (upper surface and lower surface) of the semiconductor layer 30, respectively. One of the first electrode 50 and the second electrode 60 is used as an anode electrode, and the other as a cathode electrode. For example, the first electrode 50 is used as an anode electrode, and the second electrode 60 is used as a cathode electrode. When the semiconductor layer 30 is divided into a plurality of regions made of different semiconductors, the first electrode 50 and the second electrode 60 may be provided for each region, or one of them may be on all the regions. It may be a full-surface electrode extending to the surface.

面状光導波路２０を構成する材料の屈折率をｎ1 とする。この場合、面状光導波路２０の主面からなる光入射面２０ａに屈折率ｎ2 （ｎ2 ＞ｎ1 ）の材料からなるストライプ状（帯状）の埋め込み層７０が所定の配列で設けられている。この埋め込み層７０の配列に関しては、厳密な周期性は、むしろデルタ関数状の波長弁別性を持ってしまうことを考慮し、大局的には周期性を持つものの、局所的にはランダムあるいは系統的揺らぎを持たせたり、厳密な周期性からはずれた準周期性の屈折率変調構造とするのが有効である。即ち、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この場合、面状光導波路２０の面内の一定の範囲内において、ストライプ状の埋め込み層７０およびこの埋め込み層７０の間のストライプ状の面状光導波路２０が一定周期Ｐで交互に周期的に、または一定間隔で、配列されており、これによって、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成されている。ただし、図５Ａおよび図５Ｂにおいては、便宜上、面状光導波路２０の全面に埋め込み層７０が示されている。埋め込み層７０は面状光導波路２０の半導体層３０が設けられた辺に平行に延在している。埋め込み層７０の深さをＤとすると、面状光導波路２０の光入射面２０ａに垂直入射する波長λの光は、埋め込み層７０を通過した光と埋め込み層７０の両脇の部分の面状光導波路２０を通過した光との間に、構造体８０を通過した時点で、２π（ｎ2 −ｎ1 ）Ｄ／λで表される位相差を持つ。この位相差がπ、あるいはその奇数倍となるようにＤを設定することで、構造体８０を通過した時点での垂直方向に進行する光の振幅をゼロとすることができる。好適には、構造体８０の上面にはさらに反射防止膜（無反射コート）が施される。こうすることで、入射光は、横方向（面状光導波路２０の面内の方向）に伝播せざるを得なくなる。こうして、３次元空間伝播光は２次元空間伝播光になり、面状光導波路２０内を効率的に導波される。埋め込み層７０の材料としては、例えばＳｉＮが屈折率〜２で、かつ紫外（ＵＶ）〜赤外（ＩＲ）域で透明な材料として好ましいが、これに限定されるものではない。 The refractive index of the material constituting the planar optical waveguide 20 is n 1 . In this case, stripe-shaped (band-shaped) buried layers 70 made of a material having a refractive index of n 2 (n 2 > n 1 ) are provided in a predetermined arrangement on the light incident surface 20 a that is the main surface of the planar optical waveguide 20. Yes. With regard to the arrangement of the buried layers 70, considering that the strict periodicity has rather a delta function-like wavelength discrimination, it has a periodicity globally, but is locally random or systematic. It is effective to provide a quasi-periodic refractive index modulation structure that has fluctuations or deviates from strict periodicity. That is, as shown in FIGS. 5A and 5B, in this case, the stripe-shaped buried layer 70 and the stripe-like planar light between the buried layers 70 are within a certain range in the plane of the planar optical waveguide 20. The waveguides 20 are arranged alternately at regular intervals P at regular intervals or at regular intervals, whereby the three-dimensional spatially propagated light incident on the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 is converted into the two-dimensional spatially propagated light. A structure 80 to be converted into is formed. However, in FIG. 5A and FIG. 5B, the buried layer 70 is shown on the entire surface of the planar optical waveguide 20 for convenience. The buried layer 70 extends parallel to the side of the planar optical waveguide 20 where the semiconductor layer 30 is provided. Assuming that the depth of the buried layer 70 is D, the light having the wavelength λ that is perpendicularly incident on the light incident surface 20 a of the planar optical waveguide 20 has a planar shape on both sides of the light that has passed through the buried layer 70 and the buried layer 70. A phase difference represented by 2π (n 2 −n 1 ) D / λ is obtained when the light passes through the structure 80 between the light passing through the optical waveguide 20. By setting D so that this phase difference is π or an odd multiple thereof, the amplitude of the light traveling in the vertical direction when passing through the structure 80 can be made zero. Preferably, an antireflection film (nonreflective coating) is further applied to the upper surface of the structure 80. By doing so, incident light must be propagated in the lateral direction (in-plane direction of the planar optical waveguide 20). Thus, the three-dimensional spatially propagated light becomes two-dimensional spatially propagated light and is efficiently guided in the planar optical waveguide 20. As a material for the buried layer 70, for example, SiN is preferable as a material having a refractive index of ˜2 and transparent in the ultraviolet (UV) to infrared (IR) region, but is not limited thereto.

また、上記周期Ｐ（あるいは一定間隔Ｗ）は、太陽光スペクトルを構成する光子の波長に対して、好適には、３ｅＶ〜０．５ｅＶのエネルギーに対応する光子の波長帯全体に亘って３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換するように設定する。最も単純には、周期をＰi ＝λi （λi は太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯から選ばれた波長、ｉ＝１〜Ｎ）とし、多重（Ｎ重）周期構造、複数間隔構造を設定する。一例を挙げると、λi は、太陽光スペクトルを構成する光子の波長帯をｎ個の区間に分割したときの各区間の中心波長を用いることができる。ここでいう多重性は、主として、面状光導波路２０の厚さ方向（深さ方向）に複数層の周期構造（この周期性は面状光導波路２０の延在方向に沿ったものである）が存在することを言う。こうすることで、上記太陽光スペクトル全般に対し、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換することができる。好適には、多重度Ｎは、半導体層３０を構成する後述のＥgi領域の数、言い換えると半導体層３０において光の進行方向に段階的に設定されるバンドギャップの数に一致させる。周期構造の多重性、あるいは構造間隔の複数性は、構造体８０の面内に設定してもよいし、深さ方向に設定してもよく、Ｎが大きいところでは両者の併用が望ましい。これは、バンドパス多層膜構造をラテラル方向に構成することに相当する。 The period P (or the constant interval W) is preferably three-dimensional over the entire wavelength band of photons corresponding to the energy of 3 eV to 0.5 eV with respect to the wavelength of the photons constituting the solar spectrum. Setting is made so that the spatially propagated light is converted into two-dimensional spatially propagated light. Most simply, P i = λ i (λ i is a wavelength selected from the wavelength band of photons constituting the solar spectrum, i = 1 to N), a multiple (N-fold) periodic structure, and a plurality of intervals Set the structure. As an example, λ i can use the center wavelength of each section when the wavelength band of photons constituting the sunlight spectrum is divided into n sections. The multiplicity here is mainly a periodic structure of a plurality of layers in the thickness direction (depth direction) of the planar optical waveguide 20 (this periodicity is along the extending direction of the planar optical waveguide 20). Say that exists. By doing so, it is possible to convert the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light with respect to the entire sunlight spectrum. Preferably, the multiplicity N is made equal to the number of later-described E gi regions constituting the semiconductor layer 30, in other words, the number of band gaps set stepwise in the light traveling direction in the semiconductor layer 30. The multiplicity of the periodic structure or the plurality of the structure interval may be set in the plane of the structure 80, or may be set in the depth direction. This corresponds to the configuration of the bandpass multilayer structure in the lateral direction.

この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射した３次元空間伝播光（入射光）が２次元空間伝播光に変換されてこの面状光導波路２０内を導波され、集光された後に半導体層３０に入射するように構成されている。図６に示すように、この場合、面状光導波路２０内を導波される光の正味の進行方向と、面状光導波路２０の端面から半導体層３０に入射した光によりこの半導体層３０中に生成されるキャリア（フォトキャリア）の正味の移動方向（第１の電極５０と第２の電極６０とを最短で結ぶ方向）とのなす角度θはほぼ直角である。角度θは、具体的には、第１の電極５０の光の進行方向の幅あるいは半導体層３０が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されており第１の電極５０が各領域毎に設けられる場合には各領域毎に設けられる第１の電極５０の光の進行方向の幅をＷ´、半導体層３０の厚さをｄとすると、π／２−δ≦θ≦π／２＋δ（ただし、δ〜ｄ／Ｗ´）であり、典型的には８０°≦θ≦１００°であり、最も好適には９０°である。入射光、例えば太陽光が最初に入射する面（最上面）、図５Ｂにおいては面状光導波路２０の光入射面２０ａには、必要に応じて、入射光の反射を防止するために反射防止膜が設けられる。反射防止膜としては、従来公知のものを用いることができる。例えば、屈折率の異なる複数の材料からなる周期的多層構造が挙げられる。このほかに、ピラミッド状やエッチングにより生じる微細構造（ナノ構造・マイクロ構造）を表面に配することも有効である。特に、この面状光導波路２０の表面に設ける微細構造、即ち埋め込み層７０に、光導波方向に沿った距離ｘのある関数構造を持たせ、回折作用を持たせることで、図５Ａおよび図５Ｂに示す構造を、方向変換光導波路とも言えるリディレクション ウエイブガイド（redirection waveguide)（即ち、３次元空間伝播光である入射光を、例えば回折により、方向転換させて２次元空間伝播光とした後、直ちに横方向に導波させることのできる機能性薄膜構造）とすることができる。これらの低反射率構造は、必要に応じて選ばれる。また、面状光導波路２０と半導体層３０との接合面には、面状光導波路２０から半導体層３０に入射する光の反射を防止するために、好適には反射防止膜が設けられる。   In this photoelectric conversion device, the three-dimensional spatially propagated light (incident light) incident on the light incident surface 20 a of the planar optical waveguide 20 is converted into two-dimensional spatially propagated light and guided through the planar optical waveguide 20. The light is collected and then incident on the semiconductor layer 30. As shown in FIG. 6, in this case, the net traveling direction of the light guided in the planar optical waveguide 20 and the light incident on the semiconductor layer 30 from the end surface of the planar optical waveguide 20 The angle θ formed by the net movement direction of the carriers (photocarriers) generated in (the direction connecting the first electrode 50 and the second electrode 60 in the shortest) is substantially a right angle. Specifically, the angle θ is divided into a plurality of regions in which the width of the light travel direction of the first electrode 50 or the semiconductor layer 30 is made of different semiconductors, and the first electrode 50 is provided for each region. If the width of the first electrode 50 provided in each region in the light traveling direction is W ′ and the thickness of the semiconductor layer 30 is d, then π / 2−δ ≦ θ ≦ π / 2 + δ (provided that Δ˜d / W ′), typically 80 ° ≦ θ ≦ 100 °, and most preferably 90 °. In order to prevent reflection of incident light as necessary, the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 in FIG. A membrane is provided. A conventionally known antireflection film can be used. For example, a periodic multilayer structure composed of a plurality of materials having different refractive indexes can be given. In addition to this, it is also effective to arrange a fine structure (nanostructure / microstructure) generated by pyramid or etching on the surface. In particular, the fine structure provided on the surface of the planar optical waveguide 20, that is, the buried layer 70, has a functional structure having a distance x along the optical waveguide direction and has a diffractive action, so that FIGS. The direction shown in FIG. 2 is a redirection waveguide (that is, a redirection waveguide) (that is, incident light that is three-dimensional spatially propagated light is converted into two-dimensional spatially propagated light by, for example, diffraction, A functional thin film structure that can be guided in the lateral direction immediately). These low reflectance structures are selected as needed. Further, an antireflection film is preferably provided on the joint surface between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 in order to prevent reflection of light incident on the semiconductor layer 30 from the planar optical waveguide 20.

面状光導波路２０の、半導体層３０が設けられている一対の辺とは異なる一対の辺に相当する面状光導波路２０の端面に光反射機構が設けられている。この光反射機構は、例えば、面状光導波路２０の端面に設けられた光反射膜あるいは面状光導波路２０の端面が鏡面に構成されたものである。この場合、面状光導波路２０の主面に入射した光が面状光導波路２０内を導波される際にこの光反射機構に入射すると反射され、半導体層３０に向かう方向に光路が曲げられることにより、半導体層３０に入射する光量が大きくなる。   A light reflection mechanism is provided on the end surface of the planar optical waveguide 20 corresponding to a pair of sides different from the pair of sides on which the semiconductor layer 30 is provided. In this light reflecting mechanism, for example, the light reflecting film provided on the end surface of the planar optical waveguide 20 or the end surface of the planar optical waveguide 20 is configured as a mirror surface. In this case, light incident on the main surface of the planar optical waveguide 20 is reflected when entering the light reflecting mechanism when guided in the planar optical waveguide 20, and the optical path is bent in the direction toward the semiconductor layer 30. As a result, the amount of light incident on the semiconductor layer 30 increases.

この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに光が入射する際に半導体層３０に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光電変換装置に光が入射する場合、面状光導波路２０の光入射面２０ａには光が入射するが、半導体層３０の面には光が直接入射しないようにする。このためには、具体的には、例えば次のようにする。例えば、第１の電極５０を覆うように半導体層３０の上方に遮光層を設ける。遮光層は従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、アルミ箔の両面にプラスチックフィルムが形成されたアルミラミネートフィルムなどである。この遮光層により、半導体層３０に光が直接入射しないようにすることができる。また、支持基板４０が建築物や電子機器の外面の一部を構成する場合には、面状光導波路２０には太陽光が入射するが、半導体層３０には太陽光が入射しないように、言い換えれば半導体層３０が陰になるように部材等により覆うようにする。例えば、建築物の窓にこの光電変換装置を設置する場合には、窓ガラスが支持基板４０となり、外部に露出した窓ガラス上に面状光導波路２０が設けられ、半導体層３０は例えばアルミニウム製の窓枠の内側に隠れるようにする。また、この光電変換装置を建築物の屋根に敷き詰める場合には、隣接する光電変換装置の端部が上下に重なり合うようにし、上の光電変換装置の端部の半導体層３０により下の光電変換装置の端部の半導体層３０が覆われるようにする。また、電子機器、例えばスマートフォンのディスプレイ部にこの光電変換装置を設置する場合には、このディスプレイ部の表面の透明部材が支持基板４０となり、外部に露出した透明部材上に面状光導波路２０が設けられ、半導体層３０はこのディスプレイ部の表面に設けられた部材の内側に隠れるようにする。   This photoelectric conversion device is configured such that light does not directly enter the semiconductor layer 30 when light enters the light incident surface 20 a of the planar optical waveguide 20. In other words, when light is incident on the photoelectric conversion device, the light is incident on the light incident surface 20 a of the planar optical waveguide 20, but the light is not directly incident on the surface of the semiconductor layer 30. For this purpose, for example, the following is performed. For example, a light shielding layer is provided above the semiconductor layer 30 so as to cover the first electrode 50. A conventionally well-known thing can be used for a light shielding layer, and it selects as needed, For example, it is the aluminum laminated film etc. in which the plastic film was formed on both surfaces of the aluminum foil. This light shielding layer can prevent light from directly entering the semiconductor layer 30. In addition, when the support substrate 40 constitutes a part of the outer surface of a building or an electronic device, sunlight is incident on the planar optical waveguide 20, but sunlight is not incident on the semiconductor layer 30. In other words, the semiconductor layer 30 is covered with a member or the like so as to be shaded. For example, when this photoelectric conversion device is installed in a window of a building, the window glass serves as the support substrate 40, the planar optical waveguide 20 is provided on the window glass exposed to the outside, and the semiconductor layer 30 is made of, for example, aluminum. Hide inside the window frame. Further, when this photoelectric conversion device is spread on the roof of a building, the end portions of adjacent photoelectric conversion devices overlap each other, and the lower photoelectric conversion device is formed by the semiconductor layer 30 at the end portion of the upper photoelectric conversion device. The semiconductor layer 30 is covered at the end. When the photoelectric conversion device is installed in a display unit of an electronic device, for example, a smartphone, the transparent member on the surface of the display unit becomes the support substrate 40, and the planar optical waveguide 20 is formed on the transparent member exposed to the outside. The semiconductor layer 30 is provided so as to be hidden inside a member provided on the surface of the display unit.

面状光導波路２０は透明ガラスや透明プラスチックなどからなる。透明プラスチックとしては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などが挙げられる。面状光導波路２０の素材としては、特に、プラスティックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）等に用いられるフッ素系の素材が、その低光損失性により好適である。面状光導波路２０の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば１〜１０００μｍである。面状光導波路２０の大きさ（縦横の長さ）は、この光電変換装置を設置する箇所に応じて適宜選ばれるが、一般的には、例えば（１ｃｍ〜１ｍ）×（１ｃｍ〜１ｍ）である。   The planar optical waveguide 20 is made of transparent glass or transparent plastic. Examples of the transparent plastic include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride, acetyl cellulose, brominated phenoxy, aramids, polyimides, polystyrenes, polyarylates, Examples include polysulfones and polyolefins. As the material of the planar optical waveguide 20, a fluorine-based material used for a plastic optical fiber (POF) or the like is particularly suitable because of its low light loss. The thickness of the planar optical waveguide 20 is selected as necessary, and is, for example, 1 to 1000 μm. The size (length and width) of the planar optical waveguide 20 is appropriately selected according to the location where the photoelectric conversion device is installed. In general, for example, (1 cm to 1 m) × (1 cm to 1 m). is there.

半導体層３０は、例えば、既に挙げたものの中から必要に応じて選ばれる。半導体層３０は、典型的には、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合である。好適には、半導体層３０のうちの第１の電極５０および第２の電極６０が接触する部分が高不純物濃度にドープされ、これらの第１の電極５０および第２の電極６０が半導体層３０とオーミック接触するようにする。半導体層３０の一辺の長さは、典型的には、この半導体層３０が設けられる面状光導波路２０の辺の長さと同一に選ばれるが、この辺と直角な辺の長さは、一般的には、例えば１０μｍ〜１ｃｍであり、典型的には２０μｍ〜１ｍｍである。面状光導波路２０の大きさは上述のように例えば（１ｃｍ〜１ｍ）×（１ｃｍ〜１ｍ）であるので、この半導体層３０の面積は一般的には面状光導波路２０の面積よりはるかに小さくて済む。即ち、この光電変換装置は、面状光導波路２０が大部分を占め、半導体層３０は端のわずかな部分しか占めない。例えば、面状光導波路２０の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ、半導体層３０の大きさが１ｍｍ×１０ｃｍとすると、面状光導波路２０と二つの半導体層３０との全体の面積に占める二つの半導体層３０の面積の割合は、２×０．１×１０／１０．２×１０．２＝０．０１９≒２％に過ぎない。これに加えて、半導体層３０の厚さは、一般的には数十μｍ以下と小さいので、半導体層３０の体積も極めて小さい。即ち、半導体層３０の使用量が極めて少なくて済む。このため、光電変換装置の製造コストの低減を図ることができる。また、この面状光導波路２０の端部を有限の曲率半径を以て、例えば下向きに９０度曲げる（ベンドする）ことで、半導体層３０中を図５Ｂにおいて縦方向に光が進行するように構成することができる。これにより、上記のように、第１の電極５０を覆うように半導体層３０の上方に遮光層を設けた場合に発生する遮光ロスを最小限に抑えることができる。   The semiconductor layer 30 is selected as necessary from among those already mentioned. The semiconductor layer 30 is typically a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. Preferably, a portion of the semiconductor layer 30 in contact with the first electrode 50 and the second electrode 60 is doped with a high impurity concentration, and the first electrode 50 and the second electrode 60 are doped with the semiconductor layer 30. And make ohmic contact. The length of one side of the semiconductor layer 30 is typically selected to be the same as the length of the side of the planar optical waveguide 20 on which the semiconductor layer 30 is provided, but the length of the side perpendicular to this side is generally For example, the thickness is 10 μm to 1 cm, and typically 20 μm to 1 mm. Since the size of the planar optical waveguide 20 is, for example, (1 cm to 1 m) × (1 cm to 1 m) as described above, the area of the semiconductor layer 30 is generally much larger than the area of the planar optical waveguide 20. It's small. That is, in this photoelectric conversion device, the planar optical waveguide 20 occupies most and the semiconductor layer 30 occupies only a small part at the end. For example, when the size of the planar optical waveguide 20 is 10 cm × 10 cm and the size of the semiconductor layer 30 is 1 mm × 10 cm, the two semiconductor layers occupy the entire area of the planar optical waveguide 20 and the two semiconductor layers 30. The ratio of the area of 30 is only 2 × 0.1 × 10 / 10.2 × 10.2 = 0.199≈2%. In addition, since the thickness of the semiconductor layer 30 is generally as small as several tens of μm or less, the volume of the semiconductor layer 30 is extremely small. That is, the amount of semiconductor layer 30 used can be extremely small. For this reason, the manufacturing cost of the photoelectric conversion device can be reduced. Further, the end portion of the planar optical waveguide 20 is bent (bended), for example, by 90 degrees downward with a finite radius of curvature, so that the light propagates in the semiconductor layer 30 in the vertical direction in FIG. 5B. be able to. Thereby, as described above, it is possible to minimize the light shielding loss that occurs when the light shielding layer is provided above the semiconductor layer 30 so as to cover the first electrode 50.

半導体層３０のバンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップＥg は、半導体層３０内の光の進行方向にＮ段階（Ｎ≧２）に段階的に減少しており、順にＥg1、Ｅg2、…、ＥgN（Ｅg1＞Ｅg2＞…＞ＥgN）となっている。図７に一例としてＮ＝４の場合を示すが、これに限定されるものではない。図７に示すように、半導体層３０は、バンドギャップあるいはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップＥg がそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4の領域３１、３２、３３、３４からなる。各領域３１、３２、３３、３４は、面状光導波路２０の半導体層３０が設けられた辺に平行な方向に延在する細長いストライプ状の形状を有する。図７においては、各領域３１、３２、３３、３４上に互いに分離してそれぞれ第１の電極５１、５２、５３、５４が設けられている。第２の電極６０は全面電極であり、各領域３１、３２、３３、３４の共通電極である。半導体層３０を構成する各Ｅgi領域の幅（光の進行方向の幅で、図７の横方向の長さ）は、各Ｅgi領域の光電変換対象光子（各Ｅgi領域のバンドギャップＥgi以上のエネルギーを有する光子）のうち、最低エネルギーのものに対するこのＥgi領域の吸収係数をαi とすると、１／αi 以上とする。 The band gap or HOMO-LUMO gap E g of the semiconductor layer 30 is decreased stepwise in N stages (N ≧ 2) in the light traveling direction in the semiconductor layer 30, and in order E g1 , E g2,. E gN (E g1 > E g2 >...> E gN ). FIG. 7 shows an example where N = 4, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 7, the semiconductor layer 30 includes regions 31, 32, 33, and 34 having band gaps or HOMO-LUMO gaps E g of E g1 , E g2 , E g3 , and E g4 , respectively. Each of the regions 31, 32, 33, and 34 has an elongated stripe shape extending in a direction parallel to the side where the semiconductor layer 30 of the planar optical waveguide 20 is provided. In FIG. 7, first electrodes 51, 52, 53, and 54 are provided on the respective regions 31, 32, 33, and 34 so as to be separated from each other. The second electrode 60 is a full-surface electrode and is a common electrode for each of the regions 31, 32, 33, and 34. (The width in the traveling direction of light, the length of the lateral direction in FIG. 7) the width of each E gi region constituting the semiconductor layer 30, the photoelectric conversion target photons (bandgap E of the E gi region of the E gi region If the absorption coefficient of this E gi region with respect to the one having the lowest energy among the photons having the energy of gi or higher) is α i , it is 1 / α i or higher.

Ｅgiは次のように設定することができる。例えば、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲（入射エネルギーが高い部分を含む範囲）において、波長をＮ個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側（高エネルギー側）から順に１、２、…、Ｎというように番号を付け、ｉ番目の区間の最小光子エネルギーに等しくＥgiを選ぶ。こうすることで、ｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子がＥgi領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このｋ番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Ｅgi領域に到達して十分に吸収されるように、面状光導波路２０と半導体層３０との接合面からこのＥgi領域までの距離を選ぶ。これによって、面状光導波路２０内を導波されて半導体層３０に入射する太陽光は、まずＥg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてＥg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥg2以上でＥg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にＥgN領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがＥgN以上でＥgN-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、太陽光スペクトルのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。 E gi can be set as follows. For example, the wavelength is divided into N sections in the entire wavelength range of the AM1.5 sunlight spectrum or its main wavelength range (including a portion with a high incident energy). These sections are numbered in order from the short wavelength side (high energy side) 1, 2,..., N, and E gi is selected to be equal to the minimum photon energy in the i-th section. In this way, when a photon having photon energy in the kth section is incident on the E gi region, an electron-hole pair is generated and photoelectric conversion is performed. In this case, the photon having the photon energy in the k-th section reaches each Egi region and is sufficiently absorbed, so that the Egi is introduced from the junction surface between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30. Choose the distance to the area. As a result, sunlight that is guided through the planar optical waveguide 20 and incident on the semiconductor layer 30 first enters the E g1 region, and in the spectrum, the photon energy of E g1 or higher is absorbed and photoelectric conversion is performed. Then, it enters the E g2 region and the spectrum whose photon energy is greater than or equal to E g2 and smaller than E g1 is absorbed and photoelectrically converted, and finally enters the E gN region and enters the photon of the spectrum. Those whose energy is greater than or equal to E gN and less than E gN-1 are absorbed and photoelectrically converted. As a result, light in almost the entire solar spectrum or in the main wavelength range can be used for photoelectric conversion.

Ｅgiの理想的な設定例について説明する。図３にＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーｈνと光子数ｎ（ｈν）との関係を示す。ここでは、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーをエネルギー幅Δの１０個の区間に等分するものとする。この場合の理論最大光電変換効率は約７０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の倍以上である。 An ideal setting example of E gi will be described. FIG. 3 shows the relationship between the photon energy hν of the AM1.5 sunlight spectrum and the number of photons n (hν). Here, it is assumed that the photon energy of the AM1.5 sunlight spectrum is equally divided into 10 sections of energy width Δ. In this case, the theoretical maximum photoelectric conversion efficiency is about 70%, which is more than double the theoretical maximum photoelectric conversion efficiency of 31% of a conventional solar cell with E g = 1.35 eV, for example.

ただし、光子数ｎ（ｈν）は
で表される。また、光電変換効率ηは
で表される。 However, the photon number n (hν) is
It is represented by The photoelectric conversion efficiency η is
It is represented by

各Ｅgiの設定は、各Ｅgi領域を構成する半導体の組成や半導体の形態（アモルファス、多結晶、単結晶）などを変えることにより行うことができる。具体的には、各Ｅgi領域を別種の半導体により構成する。この場合、この半導体は、吸収係数αの大小は問わず、キャリア移動度μの高いものを選ぶことができるので、選択肢が広い。無機半導体を用いる場合について具体例をいくつか挙げると次の通りである。Ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝１．８〜２．９ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg3領域をＧｅ（Ｅg ＝０．７６ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝１．８〜２．９ｅＶ）、Ｅg2領域をアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。あるいは、Ｎ＝４の場合に、Ｅg1領域をＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）（Ｅg ＝〜３ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉx Ｃ1-x （Ｅg ＝〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＳｉ（Ｅg ＝１．１１ｅＶ）、Ｅg4領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。そのほかに、次のように構成することもできる。Ｎ＝２の最も簡単な場合には、例えば、Ｅg1領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg2領域をＳｉy Ｇｅ1-y （Ｅg ＝〜０．７６ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝３の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａＰ（Ｅg ＝２．２５ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａＡｓ（Ｅg ＝１．４３ｅＶ）、Ｅg3領域をＩｎＮ（Ｅg ＝０．７ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝４の場合には、例えば、Ｅg1領域をＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（Ｅg ＝２．３ｅＶ）、Ｅg2領域をＧａy Ｉｎ1-y Ｎ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をＧａz Ｉｎ1-z Ｎ（Ｅg ＝１．１ｅＶ）、Ｅg4領域をＩｎＮ（Ｅg ＝０．７ｅＶ）により構成する。また、Ｎ＝５の場合には、例えば、Ｅg1領域を直径１．９ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長４４５ｎｍ）、Ｅg2領域を直径４．０ｎｍ程度のＣｄＳｅ微粒子（吸収ピーク波長５８５ｎｍ）、Ｅg3領域を直径２ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長８００ｎｍ）、Ｅg4領域を直径４．５ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長１１００ｎｍ）、Ｅg5領域を直径９０ｎｍ程度のＰｂＳｅ微粒子（吸収ピーク波長２３００ｎｍ）により構成する。さらに、ＧａＩｎＮx Ａｓ1-x やＧａＩｎＮx Ｐ1-x を用いてｘの制御だけでＮ〜１０の場合のＥgi領域を構成することも可能である。加えて、Ｔｅを含ませると大きなボウイング（bowing）を示すことが知られているＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いてＥgi領域を構成してもよい。有機半導体と無機半導体とを用いる場合についての具体例を挙げると次のとおりである。例えば、Ｎ＝４の場合には、Ｅg1領域をＭＤＭＯ−ＰＰＶ（Ｅg ＝２．２ｅＶ）、Ｅg2領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）、Ｅg3領域をポリアセン系（ヘキサセン）半導体（Ｅg ＝１〜１．２ｅＶ）、Ｅg4領域をポリアセン系（ヘプタセン）半導体（Ｅg ＝０．６〜０．８ｅＶ）により構成する。また、Ｎ≧２の場合に、Ｅg1領域をＩＧＺＯ（Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの酸化物）（Ｅg ＝〜３ｅＶ）、ＡｌＩｎＮ（Ｅg ＝２．８〜３ｅＶ）、またはＧａＩｎＮ（Ｅg ＝２．８〜３ｅＶ）、あるいは同様のバンドギャップを有する酸化物半導体（ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ等）のうちのいずれか一つとし、それに続く領域、例えば、Ｅg2領域をａ−Ｓｉ（Ｅg ＝１．４〜１．８ｅＶ）とすることで、４５０ｎｍ以下の波長の光によって生ずることが示されているステブラー・ロンスキー反応を起こす光子を、予め、ａ−Ｓｉ層に侵入する前に、光電変換しておくことで同反応を抑えることができ、従って、ａ−Ｓｉ層からなる光電変換領域の寿命を伸ばすことができる。この単なるパッシベーションでなく、有効に光電変換しつつコヒーシブエネルギーを抑える高エネルギー光子除去機能は、同じく戸外での使用には弱いとされている有機半導体光電変換部の信頼性の向上や長寿命化にも有効である。また、ｐ型半導体としては、酸化ニッケル、銅アルミニウム酸化物、ｎ型半導体としては、酸化第二スズ、二酸化チタンなども用いることができる。 Each E gi can be set by changing the composition of the semiconductor constituting each E gi region, the form of the semiconductor (amorphous, polycrystalline, single crystal), or the like. Specifically, each E gi region is formed of a different type of semiconductor. In this case, the semiconductor has a wide range of choices because it can be selected to have a high carrier mobility μ regardless of the absorption coefficient α. Some specific examples of using an inorganic semiconductor are as follows. In the case of N = 3, for example, the E g1 region is Si x C 1-x (E g = 1.8 to 2.9 eV), the E g2 region is Si (E g = 1.11 eV), and the E g3 region Is made of Ge (E g = 0.76 eV). When N = 4, for example, the E g1 region is Si x C 1-x (E g = 1.8 to 2.9 eV), and the E g2 region is amorphous silicon (a-Si) (E g = 1.4 to 1.8 eV), the E g3 region is composed of Si y Ge 1-y (E g = 1.11 eV), and the E g4 region is composed of Si y Ge 1-y (E g = ˜0.76 eV). . Alternatively, when N = 4, the E g1 region is IGZO (In, Ga, Zn oxide) (E g = ˜3 eV), and the E g2 region is Si x C 1-x (E g = ˜1.8 eV). ), The E g3 region is composed of Si (E g = 1.11 eV), and the E g4 region is composed of Si y Ge 1-y (E g = ˜0.76 eV). In addition, it can also be configured as follows. In the simplest case of N = 2, for example, the E g1 region is a-Si (E g = 1.4 to 1.8 eV), and the E g2 region is Si y Ge 1-y (E g = ˜0. 76 eV). When N = 3, for example, the E g1 region is GaP (E g = 2.25 eV), the E g2 region is GaAs (E g = 1.43 eV), and the E g3 region is InN (E g = 0). .7 eV). When N = 4, for example, the E g1 region is Ga x In 1-x N (E g = 2.3 eV), and the E g2 region is Ga y In 1-y N (E g = 1.4). ~1.8eV), E g3 area Ga z In 1-z N ( E g = 1.1eV), is composed of InN (E g = 0.7eV) the E g4 region. In the case of N = 5, for example, the CdSe fine particles (absorption peak wavelength 445 nm) having a diameter of about 1.9 nm in the E g1 region, the CdSe fine particles (absorption peak wavelength 585 nm) having a diameter of about 4.0 nm in the E g2 region, The Eg3 region has a PbSe fine particle (absorption peak wavelength 800 nm) with a diameter of about 2 nm, the Eg4 region has a PbSe fine particle with a diameter of about 4.5 nm (absorption peak wavelength 1100 nm), and the Eg5 region has a PbSe fine particle with a diameter of about 90 nm (absorption peak wavelength). 2300 nm). Furthermore, it is also possible to configure the E gi region in the case of N to 10 only by controlling x using GaInN x As 1-x or GaInN x P 1-x . In addition, the E gi region may be formed using II-VI group compound semiconductors that are known to exhibit large bowing when Te is included. Specific examples of the case where an organic semiconductor and an inorganic semiconductor are used are as follows. For example, when N = 4, the E g1 region is MDMO-PPV (E g = 2.2 eV), the E g2 region is a-Si (E g = 1.4 to 1.8 eV), and the E g3 region is The polyacene-based (hexacene) semiconductor (E g = 1 to 1.2 eV) and the E g4 region are composed of a polyacene-based (heptacene) semiconductor (E g = 0.6 to 0.8 eV). Further, in the case of N ≧ 2, the E g1 region is formed from IGZO (In, Ga, Zn oxide) (E g = ˜3 eV), AlInN (E g = 2.8 to 3 eV), or GaInN (E g = 2.8 to 3 eV), or any one of oxide semiconductors (ZnO, ZnMgO, etc.) having a similar band gap, and a subsequent region, for example, an E g2 region is defined as a-Si (E g = 1). .4 to 1.8 eV), photons that cause the Stebler-Lonsky reaction, which has been shown to be generated by light having a wavelength of 450 nm or less, are photoelectrically converted in advance before entering the a-Si layer. Therefore, the reaction can be suppressed, and therefore the lifetime of the photoelectric conversion region formed of the a-Si layer can be extended. This high-energy photon removal function that suppresses coherent energy while performing effective photoelectric conversion is not just passivation, but also improves the reliability and extends the life of organic semiconductor photoelectric conversion units, which are also considered to be weak for outdoor use. Is also effective. Moreover, nickel oxide, copper aluminum oxide can be used as the p-type semiconductor, and stannic oxide, titanium dioxide, or the like can be used as the n-type semiconductor.

各Ｅgi領域の厚さｄは必要に応じて選ばれるが、例えば数μｍ〜数十μｍである。各Ｅgi領域の幅（半導体層３０内の光の進行方向の幅）も必要に応じて選ばれるが、例えば数十μｍ〜数百μｍである。例えば、図８は図７の領域３１〜３４の拡大図であるが、各領域３１〜３４の厚さｄを数μｍ〜数十μｍ、各領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 を数十μｍ〜数百μｍ、例えば〜１００μｍに選ぶ。 The thickness d of each E gi region is selected as necessary, and is, for example, several μm to several tens of μm. The width of each E gi region (the width in the light traveling direction in the semiconductor layer 30) is also selected as necessary, and is, for example, several tens of μm to several hundreds of μm. For example, FIG. 8 is an enlarged view of the regions 31 to 34 in FIG. 7. The thickness d of each region 31 to 34 is several μm to several tens of μm, and the widths w 1 to w 4 of each region 31 to 34 are several. Select from 10 μm to several hundred μm, for example, to 100 μm.

図９に示すように、典型的な場合、各領域３１〜３４はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合により構成される。図９には、各領域３１〜３４を構成するｐｎ接合の接合面を破線で示す。   As shown in FIG. 9, in a typical case, each of the regions 31 to 34 is constituted by a pn junction including a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. In FIG. 9, the junction surface of the pn junction which comprises each area | region 31-34 is shown with a broken line.

ところで、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光が太陽光である場合、太陽光は、地球の自転のため、時間と共に入射角を変化させる。この場合には、図１０に示すように、面状光導波路２０の、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０上に光波進行方向変換シート８５（例えば、非特許文献４）を設けることが望ましい。面状光導波路２０に反射防止膜（無反射コート）を施す場合は、この光波進行方向変換シート８５上に形成するが、この光波進行方向変換シート８５自体がその表面に持つナノ構造による実効屈折率の（自由空間から光波進行方向変換シート８５内部に入っていく間における）漸近的変化、あるいは光波進行方向変換シート８５自体がその表面に持つマイクロ構造に起因する屈折・反射等の幾何光学効果のみで、反射率を下げることも可能である。なお、光波進行方向変換シート８５の代わりに、例えばピラミッド状構造、あるいはまた、断面が３角形の集合体であって、これが断面と垂直方向（図５Ａの縦方向）に併進対称性を持つ構造を用いることも可能である。図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃは光波進行方向変換シート８５の入射光に対する光配向特性の写真であり、レーザ光を光波進行方向変換シート８５に照射し空気を介した裏面平面に放射された光を写真に撮ったものである。図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃより、レーザ光の照射角度を水平方向に傾けていった場合でも、出射光は面に直角に出ていることが分かる。従って、この光波進行方向変換シート８５を用いることで、任意の方向からの太陽光は、（面を黄道に正対するように季節により仰角を変えるのが最も好適であるが）日の出から日の入りまで、時間によらず、図９の垂直入射配置に持ってくることができ、従って、上記の３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に上述の通り効率的に変換することができる。さらには、この光波進行方向変換シート８５を用いることで、曇天や壁反射光などの拡散光もすべて、図９の光入射配置に持ってくることができる。これにより、レンズ式集光システムの難点を解決し、拡散光に対する光電変換効率向上を実現することができる。この光波進行方向変換シート８５は、回転放物面集合体のほか、プリズム状構造の集合体とすることもできる。   By the way, when the three-dimensional spatial propagation light incident on the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 is sunlight, the incident angle changes with time due to the rotation of the earth. In this case, as shown in FIG. 10, a light wave traveling direction conversion sheet 85 (for example, non-patent document) is formed on the structure 80 of the planar optical waveguide 20 that converts the three-dimensional space propagation light into the two-dimensional space propagation light. It is desirable to provide 4). When the antireflection film (non-reflective coating) is applied to the planar optical waveguide 20, it is formed on the light wave traveling direction changing sheet 85, and the effective refraction due to the nanostructure that the light wave traveling direction changing sheet 85 itself has on its surface. Asymptotic change in the rate (while entering the interior of the light wave traveling direction changing sheet 85 from free space), or geometric optical effects such as refraction and reflection caused by the microstructure of the light wave traveling direction changing sheet 85 itself on its surface However, it is possible to reduce the reflectance. Instead of the light wave traveling direction conversion sheet 85, for example, a pyramid structure, or an aggregate having a triangular cross section, which has translational symmetry in the direction perpendicular to the cross section (the vertical direction in FIG. 5A). It is also possible to use. FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C are photographs of the light orientation characteristics with respect to the incident light of the light wave traveling direction changing sheet 85, and the light emitted to the back surface plane through the air by irradiating the light wave traveling direction changing sheet 85 with air. Was taken in a photo. From FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C, it can be seen that even when the irradiation angle of the laser beam is inclined in the horizontal direction, the emitted light is emitted at a right angle to the surface. Therefore, by using this light wave traveling direction conversion sheet 85, sunlight from an arbitrary direction can be changed from sunrise to sunset (although it is most preferable to change the elevation angle depending on the season so that the surface faces the ecliptic). Regardless of the time, it can be brought to the normal incidence arrangement of FIG. 9, and therefore the above-described three-dimensional spatially propagated light can be efficiently converted into two-dimensional spatially propagated light as described above. Furthermore, by using this light wave traveling direction changing sheet 85, all diffused light such as cloudy sky and wall reflected light can be brought to the light incident arrangement of FIG. Thereby, the difficulty of a lens-type condensing system can be solved, and the photoelectric conversion efficiency improvement with respect to diffused light can be implement | achieved. The light wave traveling direction changing sheet 85 can be a parabolic aggregate or a prismatic aggregate.

支持基板４０は、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的には、少なくとも可視光に対して透明な透明基板である。透明基板は、具体的には、例えば、ガラス板、透明プラスチック板などである。透明プラスチック板を構成する透明プラスチックとしては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などを用いることができる。支持基板４０は、具体的には、例えば、各種建築物（公共施設、ビルディイグ、マンション、戸建て住宅など）の窓ガラス、各種電子機器（携帯電話、スマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータ、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、テレビ、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ）などの外面の透明部材などであるが、これに限定されるものではない。   The support substrate 40 may be basically any type, but is typically a transparent substrate that is at least transparent to visible light. Specifically, the transparent substrate is, for example, a glass plate or a transparent plastic plate. Examples of the transparent plastic constituting the transparent plastic plate include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride, acetyl cellulose, brominated phenoxy, aramids, polyimides, and polystyrene. , Polyarylates, polysulfones, polyolefins and the like can be used. Specifically, the support substrate 40 is, for example, a window glass of various buildings (public facilities, building diggs, condominiums, detached houses, etc.), various electronic devices (cell phones, smartphones, notebook personal computers, desktop personal computers, TV, liquid crystal display, organic EL display) and the like, but not limited thereto.

［光電変換装置の動作］
この光電変換装置の動作について説明する。半導体層３０はｐｎ接合とする。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この光電変換装置の面状光導波路２０の、２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成された光入射面２０ａに３次元空間伝播光、例えば太陽光が入射する。半導体層３０の面には光は直接入射しない。面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射した３次元空間伝播光は、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０により２次元空間伝播光に変換される。この２次元空間伝播光は面状光導波路２０内をその上面および下面で反射を繰り返したりしながら効率的に導波され（後述の図２４参照。）、面状光導波路２０の端面から出て半導体層３０に入射した後に半導体層３０内を進み、その過程で半導体層３０中に電子−正孔対が生成される。そして、こうして生成された電子および正孔は半導体層３０内をドリフトまたは拡散により移動し、第１の電極５０および第２の電極６０のうちの一方および他方に収集される。こうして半導体層３０内で光電変換が行われ、第１の電極５０と第２の電極６０とから外部に電流（光電流）が取り出される。 [Operation of photoelectric conversion device]
The operation of this photoelectric conversion device will be described. The semiconductor layer 30 is a pn junction. As shown in FIGS. 5A and 5B, three-dimensional spatial propagation light, for example, the sun, is formed on the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 of the photoelectric conversion device on which the structure 80 that converts to two-dimensional spatial propagation light is formed. Light enters. Light does not directly enter the surface of the semiconductor layer 30. The three-dimensional spatial propagation light incident on the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 is converted into two-dimensional spatial propagation light by the structure 80 that converts the three-dimensional spatial propagation light into the two-dimensional spatial propagation light. The two-dimensional spatially propagated light is efficiently guided through the planar optical waveguide 20 while being repeatedly reflected on its upper and lower surfaces (see FIG. 24 described later), and exits from the end surface of the planar optical waveguide 20. After entering the semiconductor layer 30, it proceeds through the semiconductor layer 30, and electron-hole pairs are generated in the semiconductor layer 30 in the process. The electrons and holes thus generated move in the semiconductor layer 30 by drift or diffusion, and are collected by one and the other of the first electrode 50 and the second electrode 60. In this way, photoelectric conversion is performed in the semiconductor layer 30, and current (photocurrent) is extracted from the first electrode 50 and the second electrode 60 to the outside.

この光電変換装置においては、上述のようにθはほぼ直角であるため、図１に示す従来の太陽電池と異なり、吸収光子数およびフォトキャリア収集効率はトレードオフの関係ではなくなる。最も好適には、θ＝９０°とすることができる。言い換えると、第１の電極５０と第２の電極６０とを最短に結ぶ直線に垂直な方向から、面状光導波路２０内を導波されて面状光導波路２０の端面から出射される光を半導体層３０に入射させることができる。この場合、半導体層３０の吸収光子数は、光の入射方向の幅（半導体層３０が例えば領域３１〜３４からなる場合には領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 ）で支配され、光電変換効率ηは光吸収律速領域では半導体層３０の厚さｄに支配されない（図２の太い一点鎖線) 。即ち、この光電変換装置の極めて有利な点は、面状光導波路２０に対する光の入射方向とキャリアの移動方向とを例えば互いに直交させることにより、光吸収の最適化とキャリア収集効率の最適化とを完全に両立させることができることである。さらに、半導体層３０の吸収係数αの小ささは、光の入射方向の半導体層３０の幅（半導体層３０が例えば領域３１〜３４からなる場合には領域３１〜３４の幅ｗ1 〜ｗ4 ）を大きくすることにより補うことができるので、半導体層３０の材料として、αの大小にとらわれることなく、唯一の支配パラメータであるμの大きい材料を用いることができる。こうすることで、図２の太い一点鎖線で示すような高い光電変換効率ηを得ることが可能となる。これにより、熱力学的限界に迫る光電変換効率を得ることが可能である。 In this photoelectric conversion device, θ is almost a right angle as described above. Therefore, unlike the conventional solar cell shown in FIG. 1, the number of absorbed photons and the photocarrier collection efficiency are not in a trade-off relationship. Most preferably, θ = 90 °. In other words, light that is guided through the planar optical waveguide 20 and emitted from the end surface of the planar optical waveguide 20 from the direction perpendicular to the straight line that connects the first electrode 50 and the second electrode 60 in the shortest direction. The light can enter the semiconductor layer 30. In this case, the absorption photon number of the semiconductor layer 30 is governed by the width of the light incident direction (width w 1 to w 4 regions 31-34 when the semiconductor layer 30 is formed of, for example, regions 31-34), photoelectric The conversion efficiency η is not controlled by the thickness d of the semiconductor layer 30 in the light absorption rate limiting region (thick dashed line in FIG. 2). That is, the photoelectric conversion device is extremely advantageous in that it optimizes light absorption and carrier collection efficiency by making the incident direction of light with respect to the planar optical waveguide 20 and the moving direction of carriers orthogonal to each other, for example. Is completely compatible with each other. Furthermore, the small absorption coefficient α of the semiconductor layer 30 is the width of the semiconductor layer 30 in the light incident direction (in the case where the semiconductor layer 30 is composed of, for example, the regions 31 to 34, the widths w 1 to w 4 of the regions 31 to 34). ) Can be compensated for, so that the material of the semiconductor layer 30 can be a material having a large μ that is the only dominant parameter, regardless of the size of α. By doing so, it is possible to obtain a high photoelectric conversion efficiency η as shown by a thick dashed line in FIG. Thereby, it is possible to obtain the photoelectric conversion efficiency approaching the thermodynamic limit.

図１２および図１３に、この光電変換装置においては光電変換効率ηがαによる束縛から解放されることを実証するために行った実験の結果を示す。図１２の上の挿入図に示すように、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルム上にＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）膜、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ膜およびＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜を順次形成し、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜上にＡｌ膜を形成した。Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さをｄとする。ＩＺＯ膜とＡｌ膜との間に電圧を印加して電圧−電流特性を測定した結果を図１２の下の挿入図に示す。図１２の黒い菱形のプロットはＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合のη、白い楕円のプロットはＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合のηの測定結果を示す。図１２の点線の直線はη∝ｄを示す。図１３はさらに他のロット（試料）での結果であり、ＩSCＶOC（ＩSCは飽和電流、ＶOCは開放端電圧）のＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さｄに対する依存性をＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合とＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合とについて測定した結果を示す。図１２および図１３より、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合にはｄが大きくなるにつれてηが大きくなるのに対して、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合の光電変換効率はｄが小さくなるにつれてηが大きくなるという逆の傾向を示す。また、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の厚さが同じとき（例えば、１５０ｎｍ）、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜に対して垂直方向から光を入射させた場合に比べて、Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜の端面から光を入射させた場合の方がηが大きいことが分かる。これは、ηがＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ膜、より一般的には半導体層の吸収係数αに束縛されないことを意味する。 12 and 13 show the results of experiments conducted to verify that the photoelectric conversion efficiency η is released from the constraint due to α in this photoelectric conversion device. 12, an IZO (indium zinc oxide) film, a PEDOT: PSS film, and a P3HT: PCBM film are sequentially formed on a PEN (polyethylene naphthalate) film, and the P3HT: PCBM film is formed. An Al film was formed. The thickness of the P3HT: PCBM film is d. The result of measuring the voltage-current characteristics by applying a voltage between the IZO film and the Al film is shown in the lower inset of FIG. The black rhombus plot in FIG. 12 is η when light is incident on the P3HT: PCBM film from the vertical direction, and the white ellipse plot is η measurement results when light is incident from the end face of the P3HT: PCBM film. Indicates. The dotted straight line in FIG. 12 indicates η∝d. FIG. 13 shows the results of another lot (sample). The dependence of I SC V OC (I SC is the saturation current, V OC is the open circuit voltage) on the thickness d of the P3HT: PCBM film is shown as P3HT: PCBM. The measurement result about the case where light is incident on the film from the vertical direction and the case where light is incident from the end face of the P3HT: PCBM film is shown. 12 and 13, when light is incident on the P3HT: PCBM film from the vertical direction, η increases as d increases, whereas light is incident from the end face of the P3HT: PCBM film. In this case, the photoelectric conversion efficiency shows the opposite tendency that η increases as d decreases. Further, when the thickness of the P3HT: PCBM film is the same (for example, 150 nm), the light is incident from the end face of the P3HT: PCBM film as compared with the case where the light is incident on the P3HT: PCBM film from the vertical direction. It can be seen that η is larger in the case. This means that η is not bound to the absorption coefficient α of the P3HT: PCBM film, more generally the semiconductor layer.

次に、特に、図７に示すように半導体層３０が四つの領域３１〜３４からなる場合のＥg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4の最適な設定例について説明する。図１４はＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーｈνと光子数ｎphとの関係を示す。図１４においては、Ｅg1、Ｅg2、Ｅg3、Ｅg4をＥg (1) 、Ｅg (2) 、Ｅg (3) 、Ｅg (4) と記載している。図１４に示すように、ＡＭ１．５太陽光スペクトルの光子エネルギーを四つの区間に分割する。この場合の理論最大光電変換効率は図１４の挿入図に示すように約５０％にもなり、これは例えばＥg ＝１．３５ｅＶの従来の太陽電池の理論最高光電変換効率３１％の約１．６倍である。 Next, an optimum setting example of E g1 , E g2 , E g3 , and E g4 when the semiconductor layer 30 includes four regions 31 to 34 as shown in FIG. 7 will be described. FIG. 14 shows the relationship between the photon energy hν of the AM1.5 sunlight spectrum and the number of photons n ph . In FIG. 14, E g1 , E g2 , E g3 , and E g4 are described as E g (1), E g (2), E g (3), and E g (4). As shown in FIG. 14, the photon energy of the AM1.5 sunlight spectrum is divided into four sections. The theoretical maximum photoelectric conversion efficiency in this case is about 50% as shown in the inset of FIG. 14, which is about 1 of the theoretical maximum photoelectric conversion efficiency of 31% of a conventional solar cell with E g = 1.35 eV, for example. .6 times.

また、この光電変換装置は、集光システムであり、この集光効果により、図３の挿入図に示すように、さらに光電変換効率が向上し、Ｎ＝４で６０％を達成可能となる。Ｎ＝１０では、図３の挿入図から分かるように、７５％の光電変換効率も可能となる。特に、後述の傾斜パラメータ配置を用いて容易に実現することができる、半導体層３０の組成がこの半導体層３０内を進行する光の方向に傾斜した傾斜組成構造を利用することにより、Ｎを大きくすることが可能であり、しかも、電極５０、６０のうちの少なくとも一方は、Ｎ個の領域（セグメント）に対して一括して形成することが許される（即ち、並列接続のタンデム構造である）この光電変換装置の利点を生かすと、熱力学的限界の８５％にも肉薄することのできる理想的な集光システムを実現することができる。   Further, this photoelectric conversion device is a condensing system, and this condensing effect further improves the photoelectric conversion efficiency as shown in the inset of FIG. 3, and 60% can be achieved when N = 4. At N = 10, as can be seen from the inset of FIG. 3, a photoelectric conversion efficiency of 75% is also possible. In particular, N can be increased by using a gradient composition structure in which the composition of the semiconductor layer 30 can be easily realized by using the gradient parameter arrangement described later, and the composition of the semiconductor layer 30 is inclined in the direction of light traveling in the semiconductor layer 30. In addition, at least one of the electrodes 50 and 60 is allowed to be formed in batch with respect to N regions (segments) (that is, a tandem structure connected in parallel). Taking advantage of this photoelectric conversion device, it is possible to realize an ideal condensing system that can be as thin as 85% of the thermodynamic limit.

半導体層３０としてＳｉ層を用い、これにＳｉ以外の元素を導入することによりＳｉ層を部分的に改質して他の半導体に変換する場合について考える。図１５は種々の元素のＳｉ中における拡散係数の温度依存性を示す。図１５より、例えば、Ｓｉ層にＣを拡散させることによりＳｉx Ｃ1-x を作製することができ、Ｇｅを拡散させることによりＳｉy Ｇｅ1-y を作製することができる。 Consider a case where a Si layer is used as the semiconductor layer 30 and an element other than Si is introduced into the Si layer to partially modify the Si layer and convert it to another semiconductor. FIG. 15 shows the temperature dependence of the diffusion coefficients of various elements in Si. From FIG. 15, for example, Si x C 1-x can be produced by diffusing C in the Si layer, and Si y Ge 1-y can be produced by diffusing Ge.

また、図１６は、半導体層３０としてリン（Ｐ）がドープされたａ−Ｓｉ層を用い、このａ−Ｓｉ層をレーザアニールにより結晶化した試料のラマン散乱測定を行った結果を示す。レーザアニールはアルゴン（Ａｒ）レーザを用いて得られた波長５１４ｎｍのレーザ光を用いて行った。照射エネルギー密度は６．１ｍＷ、照射時間は１０分とした。レーザ光の照射回数を１、２、３、４と変えた。この結果から、ａ−Ｓｉ層を、光照射した部分だけ選択的に結晶性のＳｉに変換することができることが分かる。ａ−Ｓｉと結晶性のＳｉとは互いにバンドギャップが異なるため、互いにバンドギャップが異なる二つの領域を形成することができることが分かる。しかも、ストライプ幅をレーザ光の照射幅によって制御することができる。   FIG. 16 shows the result of Raman scattering measurement of a sample obtained by using an a-Si layer doped with phosphorus (P) as the semiconductor layer 30 and crystallizing the a-Si layer by laser annealing. Laser annealing was performed using laser light having a wavelength of 514 nm obtained using an argon (Ar) laser. The irradiation energy density was 6.1 mW and the irradiation time was 10 minutes. The number of times of laser light irradiation was changed to 1, 2, 3, and 4. From this result, it can be seen that the a-Si layer can be selectively converted into crystalline Si only at the portion irradiated with light. Since a-Si and crystalline Si have different band gaps, it can be seen that two regions having different band gaps can be formed. In addition, the stripe width can be controlled by the irradiation width of the laser beam.

図１７Ａは、Ｓｉ基板の表面に部分的にＧｅを拡散させてストライプ状のＳｉＧｅ領域を形成するとともに、Ｓｉ基板の表面の別の部分にＣを拡散させてストライプ状のＳｉＣ領域を形成した試料の表面を光学顕微鏡により撮影した写真である。図１７Ｂにこの試料の断面形状を示す。   FIG. 17A shows a sample in which Ge is partially diffused on the surface of the Si substrate to form a striped SiGe region, and C is diffused to another portion of the surface of the Si substrate to form a striped SiC region. It is the photograph which image | photographed the surface of this with the optical microscope. FIG. 17B shows the cross-sectional shape of this sample.

図１８〜図２０はそれぞれこの試料のＳｉＧｅ素子部分の電流密度（Ｊ）−電圧（Ｖ）特性、Ｓｉ素子部分のＪ−Ｖ特性、ＳｉＣ素子部分のＩ−Ｖ特性の測定結果を示す。図１８〜図２０より、ＳｉＧｅ素子とＳｉ素子とＳｉＣ素子とでビルトイン電圧が異なっていることが分かり、開放端電圧Ｖocはそれぞれ、０．２２〜０．２４Ｖ、〜０．４２Ｖ、０．４５〜０．６Ｖであることから、Ｓｉ基板へのＳｉ以外の元素の拡散による組成制御により、ｐｎ接合面のバンドギャップを変化させることができていることが分かる。これは、太陽光スペクトルの異なるエネルギー範囲の光子を光電変換することができることの証左である。 18 to 20 show measurement results of current density (J) -voltage (V) characteristics of the SiGe element portion, J-V characteristics of the Si element portion, and IV characteristics of the SiC element portion of this sample, respectively. 18 to 20, it can be seen that the SiGe element, the Si element, and the SiC element have different built-in voltages, and the open-circuit voltages V oc are 0.22 to 0.24 V, .about.0.42 V,. Since it is 45-0.6V, it turns out that the band gap of a pn junction surface can be changed by the composition control by diffusion of elements other than Si to a Si substrate. This is evidence that photons in different energy ranges of the sunlight spectrum can be photoelectrically converted.

ここで、面状光導波路２０の厚みと半導体層３０の受光面の、面状光導波路２０の主面に対し垂直方向の差し渡しとが互いにほぼ等しい光電変換装置の好適な一例を説明する。図２１Ａおよび図２１Ｂにこの光電変換装置の面状光導波路２０と半導体層３０との接続部付近を示す。半導体層３０はｐｎ接合とする。図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、ここでは、一例として、半導体層３０が光の進行方向に段階的にバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが減少する三つの領域３１、３２、３３からなる場合について説明する。領域３１、３２、３３のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップはそれぞれＥg1、Ｅg2、Ｅg3（Ｅg1＞Ｅg2＞Ｅg3）である。面状光導波路２０と半導体層３０との間には反射防止層９１が設けられている。反射防止層９１は、面状光導波路２０の端面から出て半導体層３０の受光面（入射面）に入射する光が反射されるのを防止するためのものである。反射防止層９１は、例えば、非特許文献１４、１５に記載された手法により、面状光導波路２０の端面に接する半導体層３０の側面に微小な凹凸構造（あるいはギザギザ構造）を設けることにより形成することができる。ただし、別の方法として、光電変換装置を平面的に見た場合に、面状光導波路２０と半導体層３０との界面を、例えばリソグラフィー、セルフアラインメント成長、粒径の異なる微粒子構造体の積み上げ構造体等により多重周期のジグザグ構造に形成し、このジグザグ構造を反射防止層９１として用いることも有効である。 Here, a preferred example of a photoelectric conversion device in which the thickness of the planar optical waveguide 20 and the width of the light receiving surface of the semiconductor layer 30 in the direction perpendicular to the main surface of the planar optical waveguide 20 are substantially equal to each other will be described. FIG. 21A and FIG. 21B show the vicinity of the connection portion between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 of this photoelectric conversion device. The semiconductor layer 30 is a pn junction. As shown in FIGS. 21A and 21B, here, as an example, the semiconductor layer 30 includes three regions 31, 32, and 33 in which the band gap or the HOMO-LUMO gap decreases stepwise in the light traveling direction. explain. The band gaps or HOMO-LUMO gaps of the regions 31, 32, and 33 are E g1 , E g2 , and E g3 (E g1 > E g2 > E g3 ), respectively. An antireflection layer 91 is provided between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30. The antireflection layer 91 is for preventing the light that emerges from the end face of the planar optical waveguide 20 and is incident on the light receiving surface (incident surface) of the semiconductor layer 30 from being reflected. The antireflection layer 91 is formed, for example, by providing a minute concavo-convex structure (or a jagged structure) on the side surface of the semiconductor layer 30 in contact with the end face of the planar optical waveguide 20 by the method described in Non-Patent Documents 14 and 15. can do. However, as another method, when the photoelectric conversion device is viewed in plan, the interface between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 is formed by, for example, lithography, self-alignment growth, or a stacked structure of fine particle structures having different particle sizes. It is also effective to form a multi-cycle zigzag structure by a body or the like and use this zigzag structure as the antireflection layer 91.

領域３１と領域３２との間にはグレーディッド層９８が設けられている。グレーディッド層９８は、領域３１との接触部では領域３１と同一組成を有し、領域３２との接触部では領域３２と同一組成を有し、それらの間では領域３１の組成から領域３２の組成まで組成が連続的に滑らかに、例えば直線的に変化している。こうすることで、グレーディッド層９８の屈折率は領域３１の屈折率から領域３２の屈折率まで連続的に滑らかに変化するため、領域３１を出て領域３２に入る光がそれらの界面で反射されるのを防止することができる。言い換えると、領域３１を出て領域３２に入る光の反射率を大幅に低減することができる。同様に、領域３２と領域３３との間にはグレーディッド層９９が設けられている。グレーディッド層９９は、領域３２との接触部では領域３２と同一組成を有し、領域３３との接触部では領域３３と同一組成を有し、それらの間では領域３２の組成から領域３３の組成まで組成が連続的に滑らかに、例えば直線的に変化している。こうすることで、グレーディッド層９９の屈折率は領域３２の屈折率から領域３３の屈折率まで連続的に滑らかに変化するため、領域３２を出て領域３３に入る光がそれらの界面で反射されるのを防止することができる。言い換えると、領域３２を出て領域３３に入る光の反射率を大幅に低減することができる。領域３１から領域３２に入る光の反射率および領域３２から領域３３に入る光の反射率の低減を図る手法としては、領域３１と領域３２との界面および領域３２と領域３３との界面をジグザグ構造とすることも有効である。このジグザグ構造は多重周期性を持つとより有効になる。また、このジグザグ構造は、領域３２と領域３３との界面においては、領域３１と領域３２との界面におけるよりも、その空間フーリエ変換におけるカットオフ周波数は、長周期側へシフトできる。つまり、短波長の光子は領域３１で吸収されるため、領域３２と領域３３との界面には、領域３１で吸収されなかった長波長の光子しか入射しないので、領域３２と領域３３との界面におけるジグザグ構造の周期は、領域３１と領域３２との界面におけるジグザグ構造の周期より長くてよい。   A graded layer 98 is provided between the region 31 and the region 32. The graded layer 98 has the same composition as that of the region 31 at the contact portion with the region 31, and has the same composition as that of the region 32 at the contact portion with the region 32. The composition changes continuously and smoothly until the composition, for example, linearly. By doing so, the refractive index of the graded layer 98 continuously and smoothly changes from the refractive index of the region 31 to the refractive index of the region 32, so that the light that exits the region 31 and enters the region 32 is reflected at their interfaces. Can be prevented. In other words, the reflectance of light leaving the region 31 and entering the region 32 can be greatly reduced. Similarly, a graded layer 99 is provided between the region 32 and the region 33. The graded layer 99 has the same composition as that of the region 32 at the contact portion with the region 32, and has the same composition as that of the region 33 at the contact portion with the region 33. The composition changes continuously and smoothly until the composition, for example, linearly. By doing so, the refractive index of the graded layer 99 continuously and smoothly changes from the refractive index of the region 32 to the refractive index of the region 33, so that the light that exits the region 32 and enters the region 33 is reflected at their interfaces. Can be prevented. In other words, the reflectance of light leaving the region 32 and entering the region 33 can be greatly reduced. As a technique for reducing the reflectance of light entering the region 32 from the region 31 and the reflectance of light entering the region 33 from the region 32, the interface between the region 31 and the region 32 and the interface between the region 32 and the region 33 are zigzag. A structure is also effective. This zigzag structure becomes more effective when it has multiple periodicity. In the zigzag structure, the cutoff frequency in the spatial Fourier transform can be shifted to the long period side at the interface between the region 32 and the region 33 than at the interface between the region 31 and the region 32. That is, since the short wavelength photons are absorbed in the region 31, only the long wavelength photons that are not absorbed in the region 31 are incident on the interface between the region 32 and the region 33, and thus the interface between the region 32 and the region 33. The period of the zigzag structure at may be longer than the period of the zigzag structure at the interface between the region 31 and the region 32.

領域３１の上下には領域３１より屈折率が低い導電性の低屈折率層９２、９３が設けられ、領域３２の上下には領域３２より屈折率が低い導電性の低屈折率層９４、９５が設けられ、領域３３の上下には領域３３より屈折率が低い導電性の低屈折率層９６、９７が設けられている。低屈折率層９２、９３は領域３１を構成する半導体の上端部および下端部の組成を変えることにより形成してもよいし、領域３１を構成する半導体とは異なる物質、取り分け半導体により形成してもよい。低屈折率層９４、９５および低屈折率層９６、９７についても同様である。これらの低屈折率層９２〜９７と領域３１、３２、３３との屈折率差により、領域３１、３２、３３内を進行する光が有効に導波され、最終的に光電変換装置の光電変換効率の向上を図ることができる。   Conductive low refractive index layers 92 and 93 having a refractive index lower than that of the region 31 are provided above and below the region 31, and conductive low refractive index layers 94 and 95 having a refractive index lower than that of the region 32 are provided above and below the region 32. The conductive low refractive index layers 96 and 97 having a refractive index lower than that of the region 33 are provided above and below the region 33. The low refractive index layers 92 and 93 may be formed by changing the composition of the upper end portion and the lower end portion of the semiconductor composing the region 31, or may be formed of a material different from the semiconductor composing the region 31, particularly a semiconductor. Also good. The same applies to the low refractive index layers 94 and 95 and the low refractive index layers 96 and 97. Due to the difference in refractive index between the low refractive index layers 92 to 97 and the regions 31, 32, and 33, light traveling in the regions 31, 32, and 33 is effectively guided, and finally the photoelectric conversion of the photoelectric conversion device. Efficiency can be improved.

この第１の実施の形態によれば、次のような種々の利点を得ることができる。即ち、この光電変換装置においては、面状光導波路２０が大部分の面積を占め、この面状光導波路２０の全体で入射光を受光することができるため、入射光に対する不感領域が実質的にない。また、この光電変換装置においては、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射し、面状光導波路２０内を導波されて集光された光が半導体層３０に入射するため、例えば図３の挿入図に示すように、極めて高い光電変換効率を得ることができる。例えば、面状光導波路２０の大きさが１０ｃｍ×１０ｃｍ、半導体層３０の厚さｄが５０μｍ＝５０×１０-4ｃｍ、半導体層３０の幅が１０ｃｍとすると、集光率は（面状光導波路２０の面積）／（半導体層３０の光が入射する端面の面積）＝（１０×１０）／２×（１０ｃｍ×５０×１０-4）＝１０００倍となる。このときの光電変換効率は図３の挿入図より６０％を超える。また、従来の太陽電池では、光入射面の全体に光電変換用の半導体を設ける必要があるため、半導体の使用量が多いのに対し、この光電変換装置においては、半導体層３０はごく一部の面積を占めるに過ぎず、その体積も極めて小さくて済むため、半導体の使用量が少なくて済み、製造コストの低減を図ることができる。また、半導体層３０が、この半導体層３０内の光の進行方向にバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが段階的に減少する複数の領域により構成される場合には、太陽光の高エネルギーの紫外成分を例えば１段目の領域で吸収することができるため、後段の領域に紫外成分が入射しないようにすることができる。このため、後段の領域をアモルファスシリコンや有機半導体により構成しても、ステブラー・ロンスキー効果や有機半導体の劣化の問題がない。このため、これによっても光電変換効率の向上を図ることができるとともに、光電変換装置の信頼性の向上を図ることができる。さらに、この光電変換装置は、面状光導波路２０の面積を大きくするだけで容易に大面積化が可能である。また、面状光導波路２０の端部に半導体層３０が設けられ、面状光導波路２０内を導波される光が面状光導波路２０の端面から出て半導体層３０に入射するように構成されているため、集光のためのレンズなどが不要であり、構成も極めて簡単であり、光軸合わせなども不要であるため、製造が容易であるだけでなく、製造コストの低減を図ることもでき、経時変化や経年変化を防止することもできる。また、レンズ式集光システムの欠点であった拡散光に対し光電変換効率が下がる点も、互いに面状構造であり貼り合わせができるという意味で、光波進行方向変換シート８５との相性が極めてよい面状光導波路２０の構造をとることで、拡散光であっても、直射光に対する光電変換効率に比し（光波進行方向変換シート８５の効率である）約９５％まで、回復させることができる。加えて、この光電変換装置では、アモルファスシリコン太陽電池で問題になっている空間電荷効果を抑制することができる。即ち、アモルファスシリコン太陽電池では、アモルファスシリコンの厚さを大きくして光吸収を増やそうとしても、内部電界が空間電荷でキャンセルされて特性の向上につながらないという問題がある。これに対し、この光電変換装置では、半導体層３０の一部の領域をアモルファスシリコンにより構成する場合、半導体層３０の上下に設けられた第１の電極５０と第２の電極６０との間の距離を小さくすることができ、同時に、半導体層３０内の光の進行方向のアモルファスシリコン領域の長さは大きく取ることができるので、空間電荷効果を抑制することができる。 According to the first embodiment, the following various advantages can be obtained. That is, in this photoelectric conversion device, the planar optical waveguide 20 occupies most of the area, and the entire planar optical waveguide 20 can receive incident light. Absent. Further, in this photoelectric conversion device, the light incident on the light incident surface 20a of the planar optical waveguide 20 and guided by being condensed in the planar optical waveguide 20 is incident on the semiconductor layer 30. As shown in the inset of FIG. 3, extremely high photoelectric conversion efficiency can be obtained. For example, when the size of the planar optical waveguide 20 is 10 cm × 10 cm, the thickness d of the semiconductor layer 30 is 50 μm = 50 × 10 −4 cm, and the width of the semiconductor layer 30 is 10 cm, the light collection rate is (planar optical waveguide). The area of the waveguide 20 / (the area of the end face on which light of the semiconductor layer 30 is incident) = (10 × 10) / 2 × (10 cm × 50 × 10 −4 ) = 1000 times. The photoelectric conversion efficiency at this time exceeds 60% from the inset of FIG. Further, in the conventional solar cell, since it is necessary to provide a semiconductor for photoelectric conversion on the entire light incident surface, a large amount of semiconductor is used, whereas in this photoelectric conversion device, only a part of the semiconductor layer 30 is provided. Therefore, the volume of the semiconductor can be very small, so that the amount of semiconductor used can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. When the semiconductor layer 30 includes a plurality of regions in which the band gap or the HOMO-LUMO gap gradually decreases in the light traveling direction in the semiconductor layer 30, a high energy ultraviolet component of sunlight. Can be absorbed in the region of the first stage, for example, so that the ultraviolet component can be prevented from entering the region of the subsequent stage. For this reason, even if the latter region is made of amorphous silicon or an organic semiconductor, there is no problem of the Stebbler-Lonsky effect or the deterioration of the organic semiconductor. For this reason, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency and improve the reliability of the photoelectric conversion device. Furthermore, this photoelectric conversion device can be easily increased in area simply by increasing the area of the planar optical waveguide 20. Further, the semiconductor layer 30 is provided at the end portion of the planar optical waveguide 20, and the light guided in the planar optical waveguide 20 exits from the end surface of the planar optical waveguide 20 and enters the semiconductor layer 30. Therefore, a lens for condensing light is not necessary, the configuration is extremely simple, and optical axis alignment is not necessary, so that not only manufacturing is easy, but also manufacturing cost is reduced. It is also possible to prevent changes over time and changes over time. In addition, the point that the photoelectric conversion efficiency decreases with respect to the diffused light, which was a drawback of the lens-type condensing system, is extremely compatible with the light wave traveling direction changing sheet 85 in the sense that they are mutually planar and can be bonded together. By adopting the structure of the planar optical waveguide 20, even diffused light can be recovered to about 95% (which is the efficiency of the light wave traveling direction changing sheet 85) compared to the photoelectric conversion efficiency for direct light. . In addition, in this photoelectric conversion device, the space charge effect that is a problem in the amorphous silicon solar cell can be suppressed. That is, the amorphous silicon solar cell has a problem that even if the thickness of the amorphous silicon is increased to increase the light absorption, the internal electric field is canceled by the space charge and the characteristics are not improved. On the other hand, in this photoelectric conversion device, when a partial region of the semiconductor layer 30 is composed of amorphous silicon, the region between the first electrode 50 and the second electrode 60 provided above and below the semiconductor layer 30 is used. The distance can be reduced, and at the same time, the length of the amorphous silicon region in the light traveling direction in the semiconductor layer 30 can be increased, so that the space charge effect can be suppressed.

また、この光電変換装置においては、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換し、２次元空間伝播光の伝播を効率的に行うことができる面、即ち受光面（面状光導波路２０の面）と光電変換領域である半導体層３０とを空間的に分離することができるので、太陽光の直射による半導体層３０の温度上昇を抑えることができる。例えば、面状光導波路３０が緩やかな曲率を持つ部分を含み、当外部分を瓦の下、屋根の中央部迫り出し稜線の下、窓の桟の下等に配置し、面状光導波路２０の光入射面２０ａに光が入射する際に半導体層３０は陰の部分に配置することができる。これにより直射光による温度上昇と、直射光の中の紫外（ＵＶ）光成分による半導体層３０の結合に対する悪影響との双方を抑制することができる。特に、太陽光の入射する一層目のバンドギャップＥg1を、用いる半導体材料のコヒーシブエネルギー以上に設定することで、後段の半導体の結合を守り、素子寿命を延ばすことができ、長期信頼性が得られる。温度上昇に関しては、この光電変換装置の高効率性は、とりもなおさず、熱としてのロスを極小化できることを意味しているので、導波される光に対しては、そのエネルギーを高効率で電気エネルギーに変え、熱に転化する成分を低減することによって、やはり温度上昇を抑えることができる。 Further, in this photoelectric conversion device, the surface that can convert the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light and efficiently propagate the two-dimensional spatially propagated light, that is, the light receiving surface (planar optical waveguide 20). ) And the semiconductor layer 30 which is a photoelectric conversion region can be spatially separated, so that an increase in the temperature of the semiconductor layer 30 due to direct sunlight can be suppressed. For example, the planar optical waveguide 30 includes a portion having a gentle curvature, and the other portion is disposed under the tile, under the protruding central portion of the roof, under the window rail, etc. When light is incident on the light incident surface 20a, the semiconductor layer 30 can be disposed in a shaded portion. Thereby, both the temperature rise by direct light and the bad influence with respect to the coupling | bonding of the semiconductor layer 30 by the ultraviolet (UV) light component in direct light can be suppressed. In particular, by setting the band gap E g1 of the first layer on which sunlight is incident to be equal to or greater than the coherent energy of the semiconductor material used, it is possible to protect the bonding of the subsequent semiconductors, extend the device life, and obtain long-term reliability. It is done. Regarding the temperature rise, the high efficiency of this photoelectric conversion device means that the loss as heat can be minimized, so the energy is highly efficient for the guided light. By reducing the component that is converted into electric energy and converted into heat, the temperature rise can be suppressed.

このように、この光電変換装置によれば、高効率化による（熱として失うエネルギー減少を通じての）温度上昇の抑制のベースの上に、更に、集光システムの悪いところ（高強度光の入射による温度上昇）をなくし、良いところ（変換効率が非集光系に比べ、図３内の挿入図に示すように、約２割も上昇する点）のみを生かすことができる。   As described above, according to this photoelectric conversion device, on the basis of the suppression of the temperature rise (through the reduction of energy lost as heat) due to the high efficiency, further, the bad place of the condensing system (due to the incidence of high intensity light) Temperature rise) can be eliminated, and only a good point (a point where the conversion efficiency increases by about 20% as shown in the inset in FIG. 3 as compared with the non-condensing system) can be utilized.

この光電変換装置の利点を改めてまとめると次の通りである。
（１）フォトンの進行方向とフォトキャリアの移動方向との直交性により、光吸収とキャリア捕集効率を独立に、同時最適化できる。
（２）傾斜組成による多段のマルチストライプ性が可能となり、太陽光スペクトルの全幅光電変換が可能となる。
（３）集光系であることにより、非集光系に比べ、約２０％の効率上昇が見込まれる。
（４）多段のマルチギャップ半導体による光電変換を行うことができることから、熱として散逸してしまうエネルギーを極小化できるため、集光太陽光発電系の弱点であった温度上昇を抑制することができる。
（５）回折格子を用いた面状光導波路による集光系であるため、曇天時等の拡散光に対する集光特性の劣化が抑制される。
（６）物質の結合に害を与える高エネルギーフォトンをマルチストライプの最初の層で、光電変換することで（エネルギーを無駄にすることなく）、それに続く中間ギャップ半導体層、ナローギャップ半導体層を形成する物質の劣化を未然に防ぐことができ、結果として高い信頼性が得られる。特に、従来は戸外で使えなかったような材料もこの光電変換装置中に用いれば、高い信頼性を以て戸外でも使うことができる。 The advantages of this photoelectric conversion device can be summarized as follows.
(1) The optical absorption and carrier collection efficiency can be independently and simultaneously optimized by the orthogonality between the photon traveling direction and the photocarrier moving direction.
(2) Multi-stage multi-striping with a gradient composition is possible, and full-width photoelectric conversion of the sunlight spectrum is possible.
(3) Due to the light condensing system, an efficiency increase of about 20% is expected compared to the non-light condensing system.
(4) Since it is possible to perform photoelectric conversion using multi-stage multi-gap semiconductors, energy dissipated as heat can be minimized, so that temperature rise, which was a weak point of a concentrated solar power generation system, can be suppressed. .
(5) Since it is a condensing system using a planar optical waveguide using a diffraction grating, deterioration of condensing characteristics with respect to diffused light during cloudy weather is suppressed.
(6) High energy photons that harm the bonding of materials are photoelectrically converted in the first layer of the multi-strip (without wasting energy) to form the subsequent intermediate gap semiconductor layer and narrow gap semiconductor layer It is possible to prevent deterioration of the substances to be obtained, and as a result, high reliability can be obtained. In particular, if a material that could not be used outdoors is used in the photoelectric conversion device, it can be used outdoors with high reliability.

このように、この光電変換装置は数多くの特性を備えた究極の光電変換システムということができる。   As described above, this photoelectric conversion device can be said to be an ultimate photoelectric conversion system having many characteristics.

〈第２の実施の形態〉
［光電変換装置］
第１の実施の形態においては、面状光導波路２０の主面からなる光入射面２０ａに埋め込み層７０を設けることにより、面状光導波路２０の光入射面２０ａに入射する３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０を形成しているのに対し、第２の実施の形態においては、スタンピングやナノ・マイクロインプリンティングにより光入射面２０ａに周期的凹凸構造が設けられることにより、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成される。周期的凹凸構造は、例えば、くしの歯状、鋸歯状、正弦波状などの形状を有する。その他のことは、第１の実施の形態と同様である。 <Second Embodiment>
[Photoelectric conversion device]
In the first embodiment, three-dimensional spatial propagation light incident on the light incident surface 20 a of the planar optical waveguide 20 is provided by providing the buried layer 70 on the light incident surface 20 a that is the main surface of the planar optical waveguide 20. In the second embodiment, a periodic concavo-convex structure is provided on the light incident surface 20a by stamping or nano-microimprinting. Thus, the structure 80 that converts the three-dimensional space propagation light into the two-dimensional space propagation light is formed. The periodic concavo-convex structure has, for example, a comb tooth shape, a sawtooth shape, a sinusoidal shape, or the like. Others are the same as in the first embodiment.

この光電変換装置における、光入射面２０ａに３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０が形成された面状光導波路２０の光導波性能を検証するためにシミュレーションを行った。シミュレーションに使用したモデルを図２３に示す。図２３に示すように、面状光導波路１１１の一方の主面（光入射面）の一部にくし歯状に長方形断面の凸部１１２ａが周期的に形成され、周期的凹凸構造１１２が形成されている。面状光導波路１１１が面状光導波路２０に対応し、周期的凹凸構造９２が３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０に対応する。面状光導波路１１１の他方の主面には、周期的凹凸構造１１２よりも広い面積に亘って反射膜として機能するＡｌからなるバックメタル１１３が形成されている。バックメタル１１３と面状光導波路１１１との界面は鋸歯状に形成されており、この鋸歯状の界面のバックメタル１１３の微小な傾斜面に当たった光が種々の方向に反射されるようになっている。シミュレーションの諸条件は下記の通りである。面状光導波路１１１の屈折率はｎ＝１．６５とした（面状光導波路１１１の材質として樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などを想定）。図２３に示すように（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を取った。面状光導波路１１１のｘ軸方向の幅は８０μｍ、ｚ軸方向の厚さは４μｍとした。凸部１１２ａが配列している方向がｘ軸方向、面状光導波路１１１の面内のｘ軸方向に直交する方向がｙ軸方向、面状光導波路１１１の面に垂直な方向がｚ軸方向である。凸部１１２ａの個数は５個、凸部１１２ａのｘ軸方向のピッチは２．０μｍ、凸部１１２ａのｘ軸方向の幅は１．０μｍ、凸部１１２ａと凸部１１２ａとの間の溝の幅は１．０μｍ、凸部１１２ａのｚ軸方向の高さは１．５３８４μｍ、凸部１１２ａのｙ軸方向の幅は３．９μｍである。周期的凹凸構造１１２に対してｚ軸方向に波長２．１μｍの光（平面波）を入射させた。これらの条件でマックスウェル方程式を用いて面状光導波路１１１内の電場のｙ成分Ｅy を計算した。こうして計算したＥy の振幅の分布を図２４の上の図に示す。この結果から分かるように、周期的凹凸構造１１２に対して垂直に入射した光は、その多くがこの周期的凹凸構造１１２により回折されて進行方向を９０°変えられて面状光導波路１１１内を導波する。即ち、リディレクション ウエイブガイドが実現可能であることが示され、その構造パラメーターも明らかになった。他の波長の光に対しても、凸部１１２ａ（あるいは埋め込み層７０）の寸法および周期を適宜変化させることで対応することが可能である。図２４の下の図は、凸部１１２ａのｚ軸方向の高さを１．０μｍに設定して同様な計算を行った結果を示す。この場合は回折条件が成立しなくなるため、回折がほとんど起きず、周期的凹凸構造１１２に対して垂直に入射した光は、ほとんど面状光導波路１１１内を導波していない。以上の結果より、この光電変換装置の、周期的凹凸構造が光入射面２０ａに設けられた面状光導波路２０の光導波性能が高いことが検証された。なお、以上の結果は、第１の実施の形態のように、埋め込み層７０を設けることにより３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体８０を形成する場合も同様に成立する。 In this photoelectric conversion device, a simulation was performed to verify the optical waveguide performance of the planar optical waveguide 20 in which the structure 80 that converts the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light is formed on the light incident surface 20a. . The model used for the simulation is shown in FIG. As shown in FIG. 23, convex portions 112 a having a rectangular cross section are periodically formed in a part of one main surface (light incident surface) of the planar optical waveguide 111 to form a periodic concavo-convex structure 112. Has been. The planar optical waveguide 111 corresponds to the planar optical waveguide 20, and the periodic uneven structure 92 corresponds to the structure 80 that converts the three-dimensional spatial propagation light into the two-dimensional spatial propagation light. On the other main surface of the planar optical waveguide 111, a back metal 113 made of Al that functions as a reflection film is formed over a larger area than the periodic uneven structure 112. The interface between the back metal 113 and the planar optical waveguide 111 is formed in a sawtooth shape, and light hitting a minute inclined surface of the back metal 113 on the sawtooth interface is reflected in various directions. ing. The simulation conditions are as follows. The refractive index of the planar optical waveguide 111 was n = 1.65 (assuming resin, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), etc. as the material of the planar optical waveguide 111). The (x, y, z) coordinate system was taken as shown in FIG. The width of the planar optical waveguide 111 in the x-axis direction was 80 μm, and the thickness in the z-axis direction was 4 μm. The direction in which the convex portions 112 a are arranged is the x-axis direction, the direction orthogonal to the x-axis direction in the plane of the planar optical waveguide 111 is the y-axis direction, and the direction perpendicular to the plane of the planar optical waveguide 111 is the z-axis direction. It is. The number of protrusions 112a is 5, the pitch of protrusions 112a in the x-axis direction is 2.0 μm, the width of protrusions 112a in the x-axis direction is 1.0 μm, and the groove between the protrusions 112a and 112a The width is 1.0 μm, the height in the z-axis direction of the projection 112a is 1.5384 μm, and the width in the y-axis direction of the projection 112a is 3.9 μm. Light having a wavelength of 2.1 μm (plane wave) was incident on the periodic uneven structure 112 in the z-axis direction. Under these conditions, the y component E y of the electric field in the planar optical waveguide 111 was calculated using the Maxwell equation. The distribution of the amplitude of Ey thus calculated is shown in the upper diagram of FIG. As can be seen from this result, most of the light incident perpendicularly to the periodic concavo-convex structure 112 is diffracted by the periodic concavo-convex structure 112 and the traveling direction thereof is changed by 90 °, and the light travels in the planar optical waveguide 111. Waveguide. In other words, the redirection wave guide was shown to be feasible, and the structural parameters were also clarified. It is possible to cope with light of other wavelengths by appropriately changing the size and period of the convex portion 112a (or the embedded layer 70). The lower part of FIG. 24 shows the result of the same calculation performed by setting the height of the projection 112a in the z-axis direction to 1.0 μm. In this case, since the diffraction condition is not satisfied, the diffraction hardly occurs, and the light incident perpendicularly to the periodic concavo-convex structure 112 hardly guides the planar optical waveguide 111. From the above results, it was verified that the optical waveguide performance of the planar optical waveguide 20 in which the periodic concavo-convex structure of the photoelectric conversion device is provided on the light incident surface 20a is high. In addition, the above result is similarly established when the structure 80 for converting the three-dimensional spatial propagation light into the two-dimensional spatial propagation light is formed by providing the embedded layer 70 as in the first embodiment. .

特に、図２２Ａに示すように、周期的凹凸構造の作製において、より短波長の光に対応する屈折率変調構造は、相対的に長波長の光のハンドリングを担う屈折率変調構造よりも、そのサイズ（特に、２次元導波路構造の面内方向のサイズ）を小さくすることが有効である。つまり、凹凸構造の周期をΛi （ｉ＝１，２，３，…）、構造体幅をｄi とすると、Λi とｄi とは、ｉの増加に伴い正の相関を有するように設定することが有効である。一例を図２２Ａに示す。図２２Ａに示すように、この例では、幅ｄ1 の凸状の構造体１０１ａが長周期Λ1 で、幅ｄ2 の凸状の構造体１０１ｂが中周期Λ2 で、幅ｄ3 の凸状の構造体１０１ｃが短周期Λ3 で形成されている。ここで、Λ1 ＞Λ2 ＞Λ3 、ｄ1 ＞ｄ2 ＞ｄ3 である。つまり、Λi とｄi とは、ｉの増加に伴い正の相関を有するように設定されている。 In particular, as shown in FIG. 22A, in the fabrication of the periodic uneven structure, the refractive index modulation structure corresponding to shorter wavelength light is more than the refractive index modulation structure responsible for handling relatively long wavelength light. It is effective to reduce the size (particularly the size in the in-plane direction of the two-dimensional waveguide structure). That is, assuming that the period of the concavo-convex structure is Λ i (i = 1, 2, 3,...) And the structure width is d i , Λ i and d i have a positive correlation as i increases. Setting is effective. An example is shown in FIG. 22A. As shown in FIG. 22A, in this example, convex structures 101a long period lambda 1 having a width d 1, convex structure 101b is a medium period lambda 2 having a width d 2, the convex width d 3 The structure 101c is formed with a short period Λ 3 . Here, Λ 1 > Λ 2 > Λ 3 , d 1 > d 2 > d 3 . That is, Λ i and d i are set to have a positive correlation as i increases.

また、周期Λi （ｉ＝１，２，３，…）の構造を有限個含む横方向に広がった領域を基本ユニットＵi と考えたとき、それに隣り合う基本ユニットＵi+1 の位置を相対的にずらすことで、周期構造が無限に広がることに起因する波長の強い（Dirac のδ関数的な）選択性を緩和することができる。これによって、３次元空間伝播光の２次元空間伝播光への変換効率を高めることができ、ひいては光電変換装置の光電変換効率の向上を図ることができる。ずらす量は、基本ユニットＵi および基本ユニットＵi+1 の開始位置をＸUi，ＸUi+1とすると、基本ユニットＵi 内のΛi の最小値Λmin より小さいランダム変数δによって、｜ＸUi−ＸUi+1｜＜δで決められる。図２２Ｂに示す例を参照して具体的に説明する。図２２Ｂに示すように、図２２Ａに示すものと同様に、構造体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが形成されている場合を考え、基本ユニットＵi を同図に示すように取る。同図の横方向に座標軸を考え、基本ユニットＵi およびこれに隣り合う基本ユニットＵi+1 の開始位置の座標をそれぞれＸUiおよびＸUi+1とする。この場合、最小値Λmin はΛ3 に等しい。従って、Λ3 より小さいδによって、｜ＸUi−ＸUi+1｜＜δとなるように基本ユニットＵi の開始位置と基本ユニットＵi+1 の開始位置とを互いにずらす。 Further, when the period lambda i spread the structure (i = 1,2,3, ...) in a lateral direction finite number including area considered a basic unit U i, the position of the basic unit U i + 1 adjacent thereto By relatively shifting, it is possible to relieve the strong selectivity (in the Dirac δ function) due to the infinite spread of the periodic structure. As a result, the conversion efficiency of the three-dimensional space propagation light into the two-dimensional space propagation light can be increased, and as a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device can be improved. When the starting positions of the basic unit U i and the basic unit U i + 1 are X Ui and X Ui + 1 , the shift amount is determined by a random variable δ smaller than the minimum value Λ min of Λ i in the basic unit U i | X Ui −X Ui + 1 | <δ. This will be specifically described with reference to an example shown in FIG. 22B. As shown in FIG. 22B, as in the case shown in FIG. 22A, the case where the structures 101a, 101b, and 101c are formed is considered, and the basic unit U i is taken as shown in FIG. Considering the coordinate axis in the horizontal direction in the figure, the coordinates of the starting positions of the basic unit U i and the adjacent basic unit U i + 1 are X Ui and X Ui + 1 , respectively. In this case, the minimum value Λ min is equal to Λ 3 . Therefore, the lambda 3 is less than [delta], | shift <[delta] and made as basic unit U i of the start position and the base unit U i + 1 of the starting position and the mutually | X Ui -X Ui + 1.

この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。   According to the second embodiment, advantages similar to those of the first embodiment can be obtained.

〈第３の実施の形態〉
［光電変換装置］
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態による光電変換装置において、面状光導波路２０の端面に接する半導体層３０の側面に反射防止層９１が設けられている。反射防止層９１は、例えば半導体層３０の側面に設けられた微小な凹凸構造（ギザギザ構造）である。その他のことは、第１の実施の形態と同様である。 <Third Embodiment>
[Photoelectric conversion device]
In the third embodiment, in the photoelectric conversion device according to the first embodiment, the antireflection layer 91 is provided on the side surface of the semiconductor layer 30 in contact with the end surface of the planar optical waveguide 20. The antireflection layer 91 is, for example, a minute uneven structure (a jagged structure) provided on the side surface of the semiconductor layer 30. Others are the same as in the first embodiment.

半導体層３０の側面に上記のような微小な凹凸構造を設けることにより、入射光の波長によらず、低反射率を持たせることができる（例えば、非特許文献１４参照。）。非特許文献１４では、ホウ素がドープされたｐ型多結晶シリコンウェハーを１５重量％Ｈ2 Ｏ2 と２５重量％ＨＦとを含む水溶液中に室温で浸漬し、ｐ型多結晶シリコンウェハーの表面にローラーに取り付けられた白金メッシュを接触させ、ローラーを回転させながら白金メッシュの開口部からｐ型多結晶シリコンウェハーの表面をエッチングすることにより微小な凹凸構造を形成している。このように半導体層３０の側面をエッチングすることにより微小な凹凸構造を形成する場合には、半導体層３０の側面に露出する半導体の種類に応じて使用するエッチング液やエッチング方法を適宜決める。非特許文献１４によれば、３００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲でｐ型多結晶シリコンウェハーの反射率を１〜３％に抑えることができる。また、非特許文献１４の図１（ｂ）および図２（ａ）から分かるように、０〜１０μｍまでの範囲で構造に周期性がない以上、波長８００ｎｍ〜２．４μｍの範囲でもほぼ同様の低反射率を得ることができる。このような微小な凹凸構造を従来の面状の太陽電池に用いた場合は、太陽電池は戸外で使用されることもあり、表面に塵埃等が堆積するとその効果が薄れがちとなるが、この光電変換装置では、この微小な凹凸構造は、半導体層３０の側面に形成されるものであるため横向きであるだけでなく、面状光導波路２０の端面と直接結合することにより、凸凹内に塵埃等の堆積する余地がないため、恒常的に高特性を維持することができ、長期安定性がある。 By providing the above-described minute concavo-convex structure on the side surface of the semiconductor layer 30, low reflectance can be provided regardless of the wavelength of incident light (see, for example, Non-Patent Document 14). In Non-Patent Document 14, a p-type polycrystalline silicon wafer doped with boron is immersed in an aqueous solution containing 15 wt% H 2 O 2 and 25 wt% HF at room temperature, and is applied to the surface of the p-type polycrystalline silicon wafer. A fine concavo-convex structure is formed by contacting the platinum mesh attached to the roller and etching the surface of the p-type polycrystalline silicon wafer from the opening of the platinum mesh while rotating the roller. As described above, when a minute uneven structure is formed by etching the side surface of the semiconductor layer 30, an etching solution and an etching method to be used are appropriately determined according to the type of semiconductor exposed on the side surface of the semiconductor layer 30. According to Non-Patent Document 14, the reflectance of the p-type polycrystalline silicon wafer can be suppressed to 1 to 3% in the wavelength range of 300 nm to 800 nm. Further, as can be seen from FIGS. 1B and 2A of Non-Patent Document 14, since the structure has no periodicity in the range from 0 to 10 μm, the same is true in the wavelength range from 800 nm to 2.4 μm. Low reflectance can be obtained. When such a minute uneven structure is used for a conventional planar solar cell, the solar cell may be used outdoors, and if dust or the like accumulates on the surface, the effect tends to be reduced. In the photoelectric conversion device, since this minute uneven structure is formed on the side surface of the semiconductor layer 30, it is not only horizontally oriented, but also directly coupled to the end surface of the planar optical waveguide 20, so that dust can be contained in the unevenness. Since there is no room for such deposition, high characteristics can be constantly maintained and long-term stability is achieved.

以上のように、この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点に加えて、光電変換装置の長期安定性を実現することができるという利点を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, in addition to the same advantages as those of the first embodiment, it is possible to obtain the advantage that the long-term stability of the photoelectric conversion device can be realized. .

〈第４の実施の形態〉
［複合光電変換装置］
第４の実施の形態においては、第１の実施の形態による光電変換装置を二つ結合した複合光電変換装置について説明する。 <Fourth embodiment>
[Composite photoelectric conversion device]
In the fourth embodiment, a composite photoelectric conversion device in which two photoelectric conversion devices according to the first embodiment are combined will be described.

図２５の左の図に示すように、第４の実施の形態による光電変換装置においては、半導体層３０が互いにバンドギャップが異なる四つの領域からなるものを二つ、即ち光電変換装置１２１、１２２を用意する。これらの光電変換装置１２１、１２２は、例えば図９に示す構成を有する。Ｅg (1) 、Ｅg (2) 、Ｅg (3) 、Ｅg (4) はＥg1領域、Ｅg2領域、Ｅg3領域、Ｅg4領域に対応する。図２５の右の図に示すように、これらの光電変換装置１２１、１２２をたすき掛け接続する。即ち、光電変換装置１２１の第１の電極５１、第１の電極５２、第１の電極５３および第１の電極５４をそれぞれ、光電変換装置１２２の第１の電極５４、第１の電極５３、第１の電極５２および第１の電極５１と接続する。 As shown in the left diagram of FIG. 25, in the photoelectric conversion device according to the fourth embodiment, the semiconductor layer 30 includes two semiconductor layers 30 having four band gaps, that is, photoelectric conversion devices 121 and 122. Prepare. These photoelectric conversion devices 121 and 122 have, for example, the configuration shown in FIG. E g (1), E g (2), E g (3), and E g (4) correspond to the E g1 region, the E g2 region, the E g3 region, and the E g4 region. As shown in the diagram on the right side of FIG. 25, these photoelectric conversion devices 121 and 122 are connected to each other. That is, the first electrode 51, the first electrode 52, the first electrode 53, and the first electrode 54 of the photoelectric conversion device 121 are respectively connected to the first electrode 54, the first electrode 53, and the photoelectric conversion device 122. Connected to the first electrode 52 and the first electrode 51.

この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができるほか、単一出力電圧を維持しつつ、光電変換効率ηが高い複合光電変換装置を実現することができる。   According to the fourth embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and a composite photoelectric conversion device having a high photoelectric conversion efficiency η can be realized while maintaining a single output voltage. be able to.

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。   Although the embodiment of the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.

例えば、上記の面状光導波路２０の端部において、例えば、イオン交換法によりガラス導波路の屈折率を変えることで、背面側から屈折率の小さな層を形成し、２次元導波されてきた光が、半導体層３０に近づくにつれ、面に垂直方向にもコンデンスされて、面状光導波路２０と半導体層３０との接触部においてこの半導体層３０の厚さと同一の厚さにまで集合する（漸近的に光を集中させる）ようにすることもできる。   For example, at the end of the above-mentioned planar optical waveguide 20, a layer having a small refractive index has been formed from the back side by changing the refractive index of the glass waveguide, for example, by ion exchange, and has been guided two-dimensionally. As light approaches the semiconductor layer 30, the light is condensed also in the direction perpendicular to the surface, and gathers to the same thickness as the semiconductor layer 30 at the contact portion between the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30 ( Asymptotically concentrate the light).

また、上記の面状光導波路２０の端部に配置する光電変換用の半導体層３０は、従来の直列接続タンデム素子とすることも可能である。こうすることで、本発明の集光系のメリットを享受でき、従来の直列接続タンデム素子よりも高変換効率を得ることができる。   Further, the semiconductor layer 30 for photoelectric conversion disposed at the end of the planar optical waveguide 20 can be a conventional series-connected tandem element. By doing so, the advantages of the light collecting system of the present invention can be enjoyed, and higher conversion efficiency can be obtained than the conventional series-connected tandem element.

また、例えば、太陽光スペクトルのうちのＵＶ光成分は、図３から分かるようにその比率は高くないので、最初から２次元空間伝播光に変換せず、従って面状光導波路２０内を導波させず、これより低エネルギー成分の光のみを２次元空間伝播光に変換して面状光導波路２０内を導波させて半導体層３０に入射させることにより光電変換することで、半導体層３０にａ−Ｓｉや有機半導体を含む場合の光電変換装置の長寿命化および信頼性の向上を図ることもできる。   Further, for example, the UV light component in the sunlight spectrum does not have a high ratio as can be seen from FIG. 3, so that it is not converted into two-dimensional spatially propagated light from the beginning, and therefore is guided in the planar optical waveguide 20. Instead, only the light having a lower energy component than this is converted into two-dimensional spatially propagated light, guided in the planar optical waveguide 20 and incident on the semiconductor layer 30 to be photoelectrically converted. When a-Si or an organic semiconductor is included, the lifetime of the photoelectric conversion device can be improved and the reliability can be improved.

また、例えば、図５Ａの両端の半導体層３０を図の縦方向（ｙ軸方向）に所定の長さ（例えば、１０ｃｍ程度）毎にセグメント化することで、図２５に示したような接続を行った際に生じる、タンデム構造の要素ユニットに生じた欠陥により光電変換装置が機能不全になる確率／リスクを下げることができる。これは、従来の直列接続タンデム構造においては、面積を大きくすればするほど、上記の不具合の確率が増すのに対し、この発明による光電変換装置では、タンデム構造の要素ユニットがライン状で面積が極めて小さくて済むのみならず、この要素ユニットを、そのストライプ方向において、上述のようにセグメント化することで、上記のように、局所的欠陥が光電変換装置全体を不具合にしてしまう確率を格段に下げることができる。   Further, for example, by segmenting the semiconductor layers 30 at both ends of FIG. 5A at predetermined lengths (for example, about 10 cm) in the vertical direction (y-axis direction) in the drawing, the connection as shown in FIG. 25 is achieved. The probability / risk of the malfunction of the photoelectric conversion device due to the defect generated in the element unit of the tandem structure that occurs when the operation is performed can be reduced. This is because, in the conventional series-connected tandem structure, the larger the area, the higher the probability of the above-mentioned problem. In addition to being extremely small, this element unit is segmented in the stripe direction as described above, and as described above, the probability that a local defect will cause the entire photoelectric conversion device to be defective is markedly increased. Can be lowered.

また、面状光導波路２０の端部に設ける半導体層３０を、例えば、第１の金属電極と、絶縁性物質で覆われたｎ型金属酸化物半導体を光励起構造変化させることによりバンドギャップ中にエネルギー準位を形成して電子を捕獲する充電層と、ｐ型金属酸化物半導体層と、第２の金属電極とを積層して構成され、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極のいずれか一方が、酸化防止機能を有する金属電極である蓄電機能構造で置き換えてもよい。当該構造においては、半導体バンドギャップを光の進行方向に沿って減少させるのは、この光電変換装置と同様である。単一バンドギャップの材料のみを用いた上記蓄電機能構造と上記半導体層３０とを支持基板４０上に集積して、昼間発電した電力を夜間に利用するタイムシフト機能付き光電変換システムとすることもできる。上記蓄電機能構造の配置は、面状光導波路２０と半導体層３０との結合構造体の周辺部分（ペリフェリ部分）に設けるのが好ましいが、面状光導波路２０の支持基板４０の下部に設けることも可能である。   Further, the semiconductor layer 30 provided at the end of the planar optical waveguide 20 is changed into a band gap by changing the photoexcitation structure of, for example, the first metal electrode and an n-type metal oxide semiconductor covered with an insulating material. A charge layer that forms energy levels and captures electrons, a p-type metal oxide semiconductor layer, and a second metal electrode are stacked, and the first metal electrode and the second metal electrode Any one of these may be replaced with a power storage function structure which is a metal electrode having an antioxidant function. In this structure, the semiconductor band gap is reduced along the light traveling direction as in the photoelectric conversion device. The power storage functional structure using only a single band gap material and the semiconductor layer 30 are integrated on the support substrate 40, and a photoelectric conversion system with a time shift function that uses the power generated during the daytime at night can be obtained. it can. The arrangement of the power storage function structure is preferably provided in the peripheral portion (periphery portion) of the coupling structure of the planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 30, but provided in the lower portion of the support substrate 40 of the planar optical waveguide 20. Is also possible.

また、例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。   For example, the numerical values, materials, shapes, arrangements, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, materials, shapes, arrangements, and the like may be used as necessary.

また、第１〜第４の実施の形態による光電変換装置を複数敷き詰めて光電変換装置システム（あるいは太陽電池システム）を構成してもよい。   Further, a plurality of photoelectric conversion devices according to the first to fourth embodiments may be spread to constitute a photoelectric conversion device system (or a solar cell system).

また、上記のリディレクション ウエイブガイドで、例えばビルの側面全面を鉢巻状にぐるりと取り巻き、これと結合する光電変換素子部（半導体層３０）は、例えば当該ビルの北側面の一箇所（即ち、例えば、鉛直方向数ｍ、横方向数ｍｍ〜１ｃｍの領域）に集約して配置してもよい。なお、この鉢巻状のリディレクション ウエイブガイド自体は、当該ビルの日陰の部分に存在するその一部分に、いわば逆リディレクション（即ち、２次元空間伝播光を３次元空間伝播光に戻す）構造を設けることで、当該ビルにより形成される日陰を実質的に解消する用途に用いることもできる。   Further, with the above-mentioned redirection wave guide, for example, the entire side surface of the building is wrapped around in a headband shape, and the photoelectric conversion element part (semiconductor layer 30) coupled thereto is, for example, one place on the north side surface of the building (that is, For example, they may be arranged in a concentrated manner in an area of several meters in the vertical direction and several mm to 1 cm in the lateral direction. In addition, this headband-shaped redirection wave guide itself is provided with a reverse redirection structure (that is, returning a two-dimensional spatially propagated light to a three-dimensional spatially propagated light) in a part of the shaded portion of the building. Therefore, it can also be used for applications that substantially eliminate the shade formed by the building.

なお、場合によっては、この発明において、３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体を省略することも可能である。即ち、２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成された光電変換装置も有効である。この場合、３次元空間伝播光が面状光導波路の主面に入射し、その光がこの面状光導波路の内部に入ってこの面状光導波路の内部を２次元空間伝播光が導波される。   In some cases, in the present invention, a structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light can be omitted. That is, it has a planar optical waveguide that guides two-dimensional spatially propagated light, and a photoelectric conversion semiconductor layer provided at an end of the planar optical waveguide, and is incident on the main surface of the planar optical waveguide. It is also effective to use a photoelectric conversion device in which the light is guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer. In this case, the three-dimensional spatial propagation light is incident on the main surface of the planar optical waveguide, the light enters the planar optical waveguide, and the two-dimensional spatial propagation light is guided through the planar optical waveguide. The

２０…面状光導波路、２０ａ…光入射面、３０…半導体層、４０…支持基板、５０〜５４…第１の電極、６０…第２の電極、７０…埋め込み層、８０…３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体、８５…光波進行方向変換シート   DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Planar optical waveguide, 20a ... Light-incidence surface, 30 ... Semiconductor layer, 40 ... Support substrate, 50-54 ... 1st electrode, 60 ... 2nd electrode, 70 ... Embedded layer, 80 ... Three-dimensional space propagation Structure for converting light into two-dimensional spatially propagated light, 85 ... Light wave traveling direction conversion sheet

Claims (26)

３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路の厚みと上記半導体層の受光面の、上記面状光導波路の主面に対し垂直方向の差し渡しとが互いにほぼ等しい光電変換装置。 A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The light incident on the main surface of the planar optical waveguide is configured to be guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer,
A photoelectric conversion device in which the thickness of the planar optical waveguide and the width of the light receiving surface of the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the planar optical waveguide are substantially equal to each other. 上記面状光導波路の上記主面に平行でかつ上記面状光導波路内を導波される光の正味の進行方向に対して垂直な方向の上記面状光導波路の辺の長さと上記半導体層の受光面の、上記面状光導波路の上記主面に平行でかつ上記光の進行方向に対して垂直な方向の幅とが互いにほぼ等しい請求項１記載の光電変換装置。   The length of the side of the planar optical waveguide in a direction parallel to the main surface of the planar optical waveguide and perpendicular to the net traveling direction of the light guided in the planar optical waveguide, and the semiconductor layer 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein widths of the light receiving surfaces of the light receiving surfaces in a direction parallel to the main surface of the planar optical waveguide and perpendicular to the light traveling direction are substantially equal to each other. 上記半導体層の上記差し渡しの方向の両端に上記半導体層の屈折率より低屈折率の領域を有する請求項１または２記載の光電変換装置。   3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein regions having a refractive index lower than a refractive index of the semiconductor layer are provided at both ends of the semiconductor layer in the passing direction. 上記光の進行方向と、上記面状光導波路の端面から上記半導体層に入射した光により上記半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度θがほぼ直角である請求項１〜３のいずれか一項記載の光電変換装置。   The angle θ formed by the traveling direction of the light and the net moving direction of carriers generated in the semiconductor layer by light incident on the semiconductor layer from the end face of the planar optical waveguide is substantially a right angle. The photoelectric conversion apparatus as described in any one of -3. 上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、互いに屈折率が異なる帯状の第１の部分および帯状の第２の部分が交互に周期的に、または一定間隔で、配列された構造を有する請求項１〜４のいずれか一項記載の光電変換装置。   The structure for converting the three-dimensional spatially propagated light into the two-dimensional spatially propagated light is arranged such that the first and second strips having different refractive indexes are alternately arranged periodically or at regular intervals. The photoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims 1-4 which has the structure made. 上記第１の部分および上記第２の部分の周期をΛi （ｉ＝１，２，３，…）、上記第１の部分および上記第２の部分のうちの屈折率が高い方のものの幅をｄi としたとき、Λi とｄi とが、ｉの増加に伴い正の相関を有するように設定されている請求項５記載の光電変換装置。 The period of the first part and the second part is Λ i (i = 1, 2, 3,...), And the width of the first part and the second part having the higher refractive index. the when the d i, lambda i and the d i are photoelectric conversion apparatus that have been set according to claim 5 so as to have a positive correlation with increasing i. 周期Λi （ｉ＝１，２，３，…）を有する上記第１の部分および上記第２の部分を有限個含む横方向に広がった領域を基本ユニットＵi 、それに隣り合う基本ユニットをＵi+1 とし、上記第１の部分および上記第２の部分の周期の方向に座標軸を取り、上記基本ユニットＵi および上記基本ユニットＵi+1 の開始位置の座標をそれぞれＸUiおよびＸUi+1としたとき、上記基本ユニットＵi 内のΛi の最小値Λmin より小さいランダム変数δによって、｜ＸUi−ＸUi+1｜＜δで決められる距離だけ、上記基本ユニットＵi+1 の開始位置が上記基本ユニットＵi の開始位置に対して相対的にずれている請求項６記載の光電変換装置。 An area extending in the lateral direction including a finite number of the first part and the second part having a period Λ i (i = 1, 2, 3,...) Is defined as a basic unit U i , and a basic unit adjacent thereto is defined as U. i + 1 , the coordinate axis is taken in the direction of the period of the first part and the second part, and the coordinates of the starting positions of the basic unit U i and the basic unit U i + 1 are respectively X Ui and X Ui when +1, by the basic unit U minimum value of lambda i in i lambda min smaller random variable δ, | X Ui -X Ui + 1 | < a distance to be determined by [delta], the basic unit U i + The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the start position of 1 is relatively deviated from the start position of the basic unit U i . 上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体が、上記面状光導波路の主面または上記面状光導波路内に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の光電変換装置。   8. The structure for converting the three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light is provided in the main surface of the planar optical waveguide or in the planar optical waveguide. The photoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims. 上記半導体層は無機半導体または有機半導体からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of an inorganic semiconductor or an organic semiconductor. 上記半導体層はｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるｐｎ接合であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 9, wherein the semiconductor layer is a pn junction including a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. 上記半導体層のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的および／または連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の光電変換装置。   The band gap or the HOMO-LUMO gap of the semiconductor layer is configured to decrease stepwise and / or continuously in the light traveling direction. Photoelectric conversion device. 上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第１の電極および上記第２の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光電変換装置。   The semiconductor layer includes a plurality of regions in which a band gap or a HOMO-LUMO gap is gradually reduced in the light traveling direction, and at least one of the first electrode and the second electrode is between the regions. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion devices are provided separately from each other. 上記面状光導波路は四角形の形状を有し、上記面状光導波路の互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に上記半導体層が設けられ、上記面状光導波路の上記互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する上記面状光導波路の端部に光反射機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の光電変換装置。   The planar optical waveguide has a rectangular shape, and the semiconductor layer is provided at an end of the planar optical waveguide corresponding to at least one of a pair of opposing sides of the planar optical waveguide. A light reflection mechanism is provided at an end portion of the planar optical waveguide corresponding to at least one of the pair of sides different from the pair of opposite sides of the planar optical waveguide. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 12. 上記面状光導波路は、上記面状光導波路内を導波される光が上記面状光導波路のうちの上記半導体層と接触する部分に集光される屈折率分布を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の光電変換装置。   The planar optical waveguide has a refractive index distribution in which light guided in the planar optical waveguide is condensed on a portion of the planar optical waveguide that contacts the semiconductor layer. The photoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims 1-13. 上記３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体上に光波進行方向変換シートが設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a light wave traveling direction conversion sheet is provided on a structure that converts the three-dimensional space propagation light into two-dimensional space propagation light. 上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように構成されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15, wherein light is not directly incident on the semiconductor layer when light is incident on a main surface of the planar optical waveguide. . 上記半導体層はバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項記載の光電変換装置。   The semiconductor layer includes a plurality of regions in which a band gap or a HOMO-LUMO gap is decreased in order in the light traveling direction, and the width in the light traveling direction of each region is the band gap or HOMO-LUMO gap of each region. It is more than the reciprocal of the absorption coefficient in each area | region of the light which has energy equal to, The photoelectric conversion apparatus as described in any one of Claims 1-16 characterized by the above-mentioned. 上記半導体層はアモルファス半導体、多結晶半導体または単結晶半導体からなることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of an amorphous semiconductor, a polycrystalline semiconductor, or a single crystal semiconductor. 上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項記載の光電変換装置。 The semiconductor layer includes, in order in the light traveling direction, a region composed of Si x C 1-x (0 <x <1), a region composed of Si, and a region composed of Si y Ge 1-y (0 <y <1). The photoelectric conversion device according to claim 1, comprising: 上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびマイクロクリスタルＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項記載の光電変換装置。 The semiconductor layer includes, in order in the light traveling direction, a region composed of Si x C 1-x (0 <x <1), a region composed of Si, and a microcrystal Si y Ge 1-y (0 <y <1). The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device has a region. 上記半導体層は、光の進行方向に順に、ＡｌＧａＮ、ＧａＮおよびＩＧＺＯからなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域およびＳｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項記載の光電変換装置。 The semiconductor layer includes a region containing at least one semiconductor selected from the group consisting of AlGaN, GaN, and IGZO in the order of light travel, a region consisting of Si x C 1-x (0 <x <1), Si The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device has a region made of Si y Ge 1-y (0 <y <1). 上記半導体層は、光の進行方向に順に、Ｓｉx Ｃ1-x （０＜ｘ＜１）からなる領域、Ｓｉからなる領域、Ｓｉy Ｇｅ1-y （０＜ｙ＜１）からなる領域およびＧｅからなる領域を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項記載の光電変換装置。 The semiconductor layer includes, in order in the light traveling direction, a region composed of Si x C 1-x (0 <x <1), a region composed of Si, and a region composed of Si y Ge 1-y (0 <y <1). The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device has a region made of Si and Ge. 上記光電変換装置は太陽電池であることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 22, wherein the photoelectric conversion device is a solar battery. 少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路の厚みと上記半導体層の受光面の、上記面状光導波路の主面に対し垂直方向の差し渡しとが互いにほぼ等しい建築物。 Having at least one photoelectric conversion device;
The photoelectric conversion device is
A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The light incident on the main surface of the planar optical waveguide is configured to be guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer,
A building in which the thickness of the planar optical waveguide is substantially equal to the width of the light receiving surface of the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the planar optical waveguide. 上記面状光導波路の主面に光が入射する際に上記半導体層に光が直接入射しないように上記半導体層が上記建築物の陰の部分に配置されていることを特徴とする請求項２４記載の建築物。   25. The semiconductor layer is disposed in a shaded part of the building so that light does not directly enter the semiconductor layer when light enters the main surface of the planar optical waveguide. The listed building. 外面に取り付けられた少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
３次元空間伝播光を２次元空間伝播光に変換する構造体と、
上記２次元空間伝播光を導波する面状光導波路と、
上記面状光導波路の端部に設けられた光電変換用の半導体層とを有し、
上記面状光導波路の主面に入射した光が上記面状光導波路内を導波されて上記半導体層に入射するように構成され、
上記面状光導波路の厚みと上記半導体層の受光面の、上記面状光導波路の主面に対し垂直方向の差し渡しとが互いにほぼ等しい電子機器。 Having at least one photoelectric conversion device attached to the outer surface;
The photoelectric conversion device is
A structure that converts three-dimensional spatially propagated light into two-dimensional spatially propagated light;
A planar optical waveguide for guiding the two-dimensional spatial propagation light;
Having a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end of the planar optical waveguide,
The light incident on the main surface of the planar optical waveguide is configured to be guided in the planar optical waveguide and incident on the semiconductor layer,
An electronic apparatus in which the thickness of the planar optical waveguide and the width of the light receiving surface of the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the planar optical waveguide are substantially equal to each other.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN113238275A (en) * 2021-05-08 2021-08-10 西北核技术研究所 Miniature radiation detection assembly, device and method based on perovskite scintillator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018006363A (en) * 2016-06-27 2018-01-11 シャープ株式会社 Photoelectric conversion element and photoelectric converter including the same
US10181539B2 (en) 2016-06-27 2019-01-15 Sharp Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion element and photoelectric conversion device including the same
CN113238275A (en) * 2021-05-08 2021-08-10 西北核技术研究所 Miniature radiation detection assembly, device and method based on perovskite scintillator

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