光电转换元件（10）包括半导体层（13）和在半导体层（13）的内部形成的光子晶体（21），光子晶体（27）是在半导体层（13）的内部配置有与半导体层（13）的介质相比折射率小的纳米棒（19）而形成的，当令光子晶体（27）的共振峰的波长为λ时，纳米棒（19）以λ/4以上λ以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由光子晶体（27）与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示半导体层（13）的介质的共振效果的大小的Q值的Qα处于满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv的范围，其中，该Qv与表示光子晶体（27）与外界的耦合的强度的系数кv的倒数成比例，该Qα与半导体层（13）的介质的光的吸收系数αa的倒数成比例。由此，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具备光子晶体结构的光电转换元件。
技术介绍
现在，例如在太阳能电池或光传感器等中通常使用通过进行光电转换将入射光转换为电信号的光电转换元件。在这样的光电转换元件中使用有半导体，当具有超过半导体的带隙(频带间隙)的能量的电磁波(光)入射时，在半导体中电子从价电子带被激励至传导带，发生光电转换。例如，在作为非晶半导体的a-Si，一般已知在波长700nm左右以下存在吸收(光的吸收端为700nm附近)。即，在波长比吸收端短的电磁波(光)中，在光生伏特(光敏)材料中 存在光的吸收，因此在光生伏特材料中发生光电转换。但是，通过加工方法和制造方法的改善，在实际的器件中吸收存在至820nm左右，因此在从波长700nm至820nm左右为止的区域也能够期待光生伏特的产生。图22是表示相对于a-Si (厚度330nm)的光的波长的吸收率的实测值的图。如图22所示，在a-Si的情况下，吸收的峰在波长约520nm以下继续，随着波长从520nm附近开始朝向作为吸收端的波长的820nm逐渐变大，吸收率下降。这是因为，在从半导体的吸收端起至吸收峰之间，光与电子的相互作用变弱，因此其间的电磁波(光)变得容易透过a-Si。因此，在从半导体的吸收端起至吸收峰之间光电转换效率变差。因此在从该吸收端起的吸收峰间，为了使得半导体充分地吸收光，需要使半导体的膜厚变厚。近年来，为了提高光的吸收率，例如被开发出在专利文献I 4中公开的那样使用光子晶体的光电转换元件。图23是表示专利文献I中公开的太阳能电池单元的结构的概率图。光子晶体是在电介质内人工形成介电常数不同的周期性结构而构成的。如图23所示，在太阳能电池单元101中，在叠层于分散型布拉格反射器(DBR) 114的光生伏特材料112，形成有光子晶体结构110，在该光子晶体结构110形成有多个通气孔。从进入光生伏特材料112的入射光i产生被光子晶体结构110正反射的反射光r0、被光子晶体结构110衍射的衍射光rl、被光子晶体结构110折射的折射光t。衍射光rl以比入射角0 3大的角度0’衍射，因此有助于使光生伏特材料112内的光路长度变长。此外，在光生伏特材料112与外界的空气的界面，发生内部全反射，因此衍射光rl在光生伏特材料112内发生共振(共鸣)。因此，光生伏特材料112的光的吸收率增高。此外，折射光t和在分散型布拉格反射器114被反射而返回光子晶体结构110的光，在光缝光子晶体结构110的内部产生跳跃往返的共振，而被逐渐吸收。这也能够改善光的吸收。在这样的太阳能电池单元101，通过在光生伏特材料112和光子晶体结构110内使入射光共振而吸收光，能够提高光生伏特单元的吸收效率。特别是能够通过使共振波长保持在入射光的吸收率小的长波长一侧，构成能够吸收太阳光的广范围的波长的吸收体。此外，在非专利文献2中，公开有使用形成有带端的光子晶体的太阳电池。使用图24对非专利文献2中公开的太阳能电池进行说明。在图24所示的太阳能电池200，通过在有机材料的光生伏特层203对光子晶体进行加工并使用其带端来增强光生伏特层203的吸收。结果，通过使用利用光子晶体设计的带的带端，增强由光生伏特层203吸收的波长之中的吸收低的波长的吸收，使所有的光生伏特量增加。现有技术文献专利文献 专利文献I :日本公开专利公报“特表2009-533875号(2009年9月17日发表)”专利文献2 :日本公开专利公报“特开2006-24495号(2006年I月26日发表)”专利文献3 :日本公开专利公报“特开2006-32787号(2006年2月2日发表)”专利文献4 :国际公开专利公报“W02007/108212号(2007年9月27日国际发表)”非专利文献I :C. Manolatou, M. J. Khan, ShanhuiFan, Pierre R. Villeneuve, H.A. Haus, Life Fellow, IEEE, and J.D.Joannopoulos “Coupling of Modes Analysisof Resonant Channel Add-Drop Filters”/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONIC S/SEPTEMBER 1999V0L. 35, NO. 9，PP. 1322-1331非专利文献2 J. R. Tumbleston, Doo-Hyun Ko, Edward T. Samulski, and ReneLopez “Absorption and quasiguided mode analysis of organic solar cells withphotonic crystal photoactive layers，，/OPTICS EXPRESS/Optical Society ofAmerica/April 27, 2009Vol. 17，No. 9PP. 7670-768
技术实现思路
专利技术所要解决的问题但是，在专利文献I中公开的太阳能电池单元101存在以下那样的问题。在专利文献I中，并没有关于光子晶体的效果的详细说明，因此，作为光子晶体的效果，在改变厚度等条件的情况下作为共振的效果的Q值(或作为耦合的难易程度后述的系数K、a等)变大还是变小并不明确。S卩，就光子晶体而言，(I)如果使Q值变大，则具有光与对象器件之间的相互作用消失、光变得难以被对象器件吸收的效果，因此为了有助于光的吸收，Q值并非无限制地越大越好。此外，本专利技术的专利技术人对上述非专利文献I中记载的光的模式耦合理论进行研究的结果，新发现了(2)如果与具有光子晶体结构的外部的耦合的难易程度KV (作为谐振器的Qv)与作为光生伏特器件原本具有的特性的吸收的难易程度a a (作为谐振器的Qa )大致相等，则具有最大的吸收效果。因此，考虑上述(1)(2)，存在作为光子晶体的设计条件、更有效地吸收的条件在专利文献I中并未被明示的问题。总之，从专利文献I所公开的技术中怎么也不能得到用于充分地发挥光子晶体的吸收增强效果的意见。此外，在非专利文献2中也同样地未明示更有效地吸收的条件，因此，即使能够利用光子晶体形成带端，为了有助于吸收而设计的波段也狭窄。这样，由于吸收光的波段狭窄，相对于光生伏特层203的波长方向(波段)的整个光生伏特量提高得少(小)。因此，在非专利文献2的太阳能电池200中存在难以作为进行光电转换的器件实际利用的难点。本专利技术是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率。用于解决问题的方式为了解决上述问题，本专利技术的光电转换元件的特征在于，包括光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，( I)上述光子晶体是在上述光电转换层的内部配置有与该光电转换层的介质相比折射率小的柱状的介质而形成的，当令上述光子晶体的共振峰的波长为入时， 上述柱状的介质以X/4以上X以下的间距、二维且周期性地配置，(2)作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2QV ^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.07 JP 2010-0023521.一种光电转换兀件，其特征在于，包括 光电转换层；和 在该光电转换层的内部形成的光子晶体， 所述光子晶体是在所述光电转换层的内部配置有与该光电转换层的介质相比折射率小的柱状的介质而形成的， 当令由所述光子晶体引起的共振峰的波长为λ吋， 所述柱状的介质以λ/4以上λ以下的间距、ニ维且周期性地配置， 作为表示由所述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示所述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足O. 2QV ^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示所述光子晶体与外界的耦合的強度的系数K v的倒数成比例，该Qa与所述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。2.如权利要求I所述的光电转换元件，其特征在干 在所述光子晶体，在俯视时所述柱状的介质配置于三角形的各顶点。3.如权利要求I所述的光电转换元件，其特征在干 在所述光子晶体，在俯视时所述柱状的介质配置于四边形的各顶点。4.如权利要求I至3中任一项所述的光电转换元件，其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质具有所述光电转换层的厚度的1/4以下的高度，且周期性地配置于所述光电转换层的介质内。5.如权利要求I至3中任一项所述的光电转换兀件,其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质具有与所述光电转换层的厚度相等的高度，且周期性地配置于所述光电转换层的介质内。6.如权利要求I至5中任一项所述的光电转换兀件,其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质配置有ニ维地以一定的间距配...
【专利技术属性】
技术研发人员：重田博昭，八代有史，津田裕介，野田进，富士田诚之，田中良典，
申请(专利权)人：夏普株式会社，国立大学法人京都大学，
类型：发明
国别省市：
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