光電轉換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光電轉換裝置，其包括：波長轉換部(10)和光電轉換部(20)，所述波長轉換部(10)吸收周邊光以生成電子和空穴，并使所生成的電子和空穴復合以生成單色光，所述光電轉換部(20)具有p-n結或p-i-n結，吸收波長轉換部(10)中生成的單色光以生成電子和空穴，并分離和移動通過吸收所述單色光而生成的電子和空穴。波長轉換部(10)包括：生成電子和空穴的載流子生成部(11)；生成單色光的發(fā)光部(13)；和載流子選擇性轉移部(12)，其設置在載流子生成部(11)和發(fā)光部(13)之間并且將在載流子生成部(11)中生成的電子和空穴中的其間具有特定能量差的那些電子和空穴移動到發(fā)光部(13)。
【專利說明】光電轉換裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及光電轉換裝置，更具體而言，涉及采用波長轉換機構的光電轉換裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]期待把能夠將太陽光能直接轉換為電的太陽能電池用作下一代綠色能源。因為對安裝太陽能電池的區(qū)域有一定的限制，因而必須提高光電轉換效率以獲得更多的電量。為此，目前的開發(fā)嘗試以例如優(yōu)化裝置結構和制造工程以及在用作主材料的硅中獲得更高品質水平為目標。
[0003]涉及此類太陽能電池的技術包括例如日本專利申請公開第2009-59915號(JP-2009-59915A)，其披露了涉及“熱載流子型”太陽能電池的技術，為了減少用具有比構成光吸收層的半導體的能隙高的能量的光所生成的載流子(電子和空穴；下同)的能量損失，所述太陽能電池促進光吸收層中載流子之間的能量相互作用(轉移)并提取具有高能量的電子。日本專利申請公開第2004-296658號(JP-2004-296658A)披露了涉及多結太陽能電池的技術，所述太陽能電池使用由AlInGaP材料形成的并且具有p_n結的太陽能電池作為頂電池以及使用與所述頂電池晶格匹配、由InGaAsN材料形成的并且具有p-n結的太陽能電池作為底電池，在所述多結太陽能電池中，在構成頂電池的Al InGaP材料的第111族元素中，鋁的組成比在0.05至0.15的范圍內。日本專利申請公開第2006-114815號(JP-2006-114815A)披露了一種太陽能電池，其具有p_i_n結構并且在作為光檢測層的i層中包含表現(xiàn)出三維量子限域效應的量子點，其中所述量子點和圍住它們的阻擋層具有II型能帶結構。國際公開第2008/047427號(W02008/047427)披露了一種太陽能電池模塊，其具有引入了多個單元的結構，所述多個單元具有前蓋、后蓋和在這些蓋之間的封裝在封裝材料內的結晶硅電池，其中前蓋和結晶硅電池之間的封裝材料包含由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物構成的熒光樹脂組合物，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物包含0.01至10重量％的在550至900nm的波長范圍內發(fā)突光的有機稀土金屬絡合物。此外,Solar Energy Materialsand Solar Cells (荷蘭)，第91卷，第9期，829-842 (2007)披露了涉及“上轉換型”太陽能電池的技術，所述太陽能電池通過將長波長光轉換為適合于構成光吸收層的半導體的能隙的波長來減少所述長波長光的光傳輸損失，所述長波長光具有比構成光吸收層的半導體的能隙低的能量。
[0004]為了在熱載流子太陽能電池中獲得高的光電轉換效率，需要促進載流子之間的能量相互作用(轉移)并允許載流子在保持高能量的同時從吸收層向電極移動。因此，認為熱載流子具有至少一納秒的壽命是必要的。然而，在目前的半導體材料中，熱載流子的壽命局限于數(shù)皮秒到數(shù)百皮秒的范圍。因此，即便使用JP-2009-59915A中所披露的技術，光電轉換效率提高效應也往往不夠。在JP-2004-296658A中所披露的多結型太陽能電池中，因為太陽光中包含的寬波長范圍的光可被吸收，因而推測其應該也可以提高光電轉換效率。然而，在多結型太陽能電池中，具有高缺陷密度的半導體界面的數(shù)目因結的數(shù)目的增加而增加，所述缺陷將湮滅載流子并導致光電轉換效率下降。另外，由于需要使用許多昂貴的II1-V化合物材料以及生產工序數(shù)目的增加，因而成本往往也增加。在SolarEnergy Materials and Solar Cells (荷蘭)，第 91 卷,第 9 期,829-842 (2007)中所披露的上轉換太陽能電池以及通過將高能量、短波長的光轉換為適合于構成光吸收層的半導體的能隙的波長光的下轉換太陽能電池中，許多情況下使用采用稀土元素的熒光材料如W02008/047427中所披露的那些。然而，因為可被采用稀土元素的常規(guī)熒光材料吸收的光的波長范圍窄并且波長轉換過程中的能量損失大，因而常規(guī)的下轉換太陽能電池和上轉換太陽能電池的光電轉換效率提高效應往往不夠。也就是說，即便通過結合JP-2009-59915A、JP-2004-296658A、JP-2006-114815A、W02008/047427 和 Solar Energy Materials andSolar Cells (荷蘭)，第91卷，第9期，829-842 (2007)中披露的各種技術的教導，也難以提高光電轉換效率。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了 一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。
[0006]本發(fā)明的第一方面為一種光電轉換裝置，所述光電轉換裝置具有:波長轉換部，其吸收周邊光以生成電子和空穴，并使所生成的電子和空穴復合以生成單色光；和光電轉換部，其具有P_n結或p-1-n結，吸收波長轉換部中生成的單色光以生成電子和空穴，并分離和移動通過吸收所述單色光而生成的電子和空穴。波長轉換部包括生成電子和空穴的載流子生成部、生成單色光的發(fā)光部以及載流子選擇性轉移部，所述載流子選擇性轉移部設置在載流子生成部和發(fā)光部之間并且將在載流子生成部中生成的電子和空穴中的其間具有特定能量差的電子和空穴移動到發(fā)光部。
[0007]在本發(fā)明的第一方面中以及在隨后描述的本發(fā)明其它方面(下文簡單地統(tǒng)稱為“本發(fā)明”)中，波長轉換部具有使用熱載流子機制、提高從太陽光生成單色光的效率并使得其可以隨意調節(jié)光波長的功能。在本發(fā)明中，術語“周邊光”指從周圍或環(huán)境落在光電轉換裝置上的光并因此為例如多色光如太陽光。此外，在本發(fā)明中，“光電轉換裝置”為不僅包括太陽能電池而且還包括光檢測器等的概念。在隨后的本發(fā)明描述中，多色光也被簡單地稱為“光”。
[0008]波長轉換部可在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的上游側上。在本發(fā)明中，“周邊光的行進方向上的上游側”指在其中周邊光(多色光)行進的方向上的上游側。也就是說，“波長轉換部在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的上游側上”意味著波長轉換部和光電轉換部布置為使得周邊光(多色光)可以在到達光電轉換部之前進入波長轉換部并且使得在波長轉換部中生成的單色光可以被吸收在光電轉換部中。更具體地講，這意味著波長轉換部在其中周邊光(多色光)行進的方向上位于上游側上，而光電轉換部在其中周邊光(多色光)行進的方向上位于波長轉換部的下游側上。根據(jù)如此構造的光電轉換裝置，通過在周邊光的行進方向上位于光電轉換部的上游側上的波長轉換部中的周邊光吸收，生成電子和空穴(下文有時統(tǒng)稱為“載流子”)，并且通過載流子在發(fā)光部中的復合而生成的單色光被輸入到光電轉換部。
[0009]例如，通過采用利用熱載流子機制在波長轉換部中生成單色光的構造，可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。另外，通過控制載流子生成部的尺寸和厚度(例如，在其中載流子生成部為球形或圓柱形的情況下，將直徑設定為20nm以下；在其中載流子生成部呈膜的形狀的情況下，將膜厚設定為20nm以下)，載流子生成部中生成的載流子的移動長度可得以減小，并且可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。在本發(fā)明中，波長轉換部的一個目的在于允許載流子在發(fā)光部復合；其無意于將生成的載流子直接提取到外部。因此，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，因此可以顯著減少載流子移動過程中的能量損失。另外，通過采用在波長轉換部中使用半導體材料的構造，與使用熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池相比，可用來生成載流子的光的波長范圍可大大擴展。另外，通過調節(jié)載流子選擇性轉移部或發(fā)光部中使用的半導體材料的組成和形狀，可以比在使用發(fā)射波長有限的熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池中更自由地調整發(fā)光部中生成的單色光的波長。另外，通過向光電轉換部輸入單色光，輸入到光電轉換部的單色光的能量是固定的。因此，通過在光電轉換部中使用具有與輸入到光電轉換部的單色光的能量相對應的能隙(具體而言，與單色光的能量相同或比單色光的能量小約0.1eV的能隙；下同)的半導體材料，可以減少能量損失。因此，可提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。另外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提高光電轉換效率。
[0010]在本發(fā)明的上述第一方面中，波長轉換部可在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的下游側上，并且波長轉換部還可包括光反射部，所述光反射部將單色光反射向光電轉換部側。
[0011]這里，在本發(fā)明中，“周邊光的行進方向上的下游側”指在周邊光(多色光)行進的方向上的下游側。也就是說，“波長轉換部在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的下游側上”意味著波長轉換部和光電轉換部布置為使得周邊光可以進入光電轉換部、使已通過光電轉換部的光可以進入波長轉換部并且使在波長轉換部中利用進入其中的光生成的單色光可以進入光電轉換部。更具體地講，這意味著光電轉換部在進入光電轉換部的周邊光的行進方向上位于上游側上，而波長轉換部在周邊光的行進方向上位于光電轉換部的下游側上。
[0012]采用前述構造的光電轉換裝置，利用已通過在周邊光的行進方向上位于波長轉換部的上游側上的光電轉換部的光生成的電子和空穴在發(fā)光部中復合。也就是說，具有比光電轉換部中包含的半導體材料的能隙高的能量的光被光電轉換部吸收并轉換為電，而未在光電轉換部中轉換為電的光進入波長轉換部。在波長轉換部中，使用例如半導體材料，通過吸收具有比該半導體材料的能隙(構成波長轉換部的半導體材料的能隙<構成光電轉換部的半導體材料的能隙)高的能量的光，生成載流子。通過使用例如熱載流子機制使如此生成的電子相互作用以及如此生成的空穴相互作用，生成具有比構成光電轉換部的半導體材料的能隙高的能量的單色光。該單色光進入光電轉換部中并被光電轉換部吸收，然后從光電轉換部提取電。通過采用這樣的構造，可以減少載流子生成部中生成的載流子的能量損失。另外，通過控制載流子生成部的尺寸和厚度(例如，在其中載流子生成部為球形或圓柱形的情況下，將直徑設定為20nm以下；在其中載流子生成部呈膜的形狀的情況下，將膜厚設定為20nm以下)，載流子生成部中生成的載流子的移動長度可得以減小，并且可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。波長轉換部的一個目的在于允許電子和空穴在發(fā)光部中復合；其無意于將生成的電子和空穴直接提取到外部。因此，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少載流子移動過程中的能量損失。另外，通過采用在波長轉換部中使用半導體材料的構造，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可用來生成載流子的光的波長范圍可大大擴展。另外，通過調節(jié)用于載流子選擇性轉移部或發(fā)光部的半導體材料的組成和形狀，可以比在利用發(fā)射波長有限的熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池中更自由地調整發(fā)光部中生成的單色光的波長。另外，通過對光電轉換部使用具有與輸入到光電轉換部的單色光的能量相對應的能隙的半導體材料，可以減少能量損失。因此，可提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。另外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提聞光電轉換效率。
[0013]在本發(fā)明的第一實施方案中，波長轉換部可設置在光電轉換部內。
[0014]根據(jù)以此方式構造的光電轉換裝置，在設置于光電轉換部內的波長轉換部中，利用已通過光電轉換部的光來生成電子和空穴。通過然后允許這些電子和空穴在波長轉換部內的發(fā)光部中復合，生成了具有比構成光電轉換部的半導體材料的能隙大的能量的單色光。該單色光進入光電轉換部并被光電轉換部吸收，從而產生電的輸出。采用這樣的構造，可以獲得與上述的其中波長轉換部在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的下游側上的構造的那些相似的效果。因此，可提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。此外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提高光電轉換效率。
[0015]在本發(fā)明的第一方面中，波長轉換部中可包含波長轉換顆粒，所述波長轉換顆粒同心地從中心側向外依次具有:載流子生成部、載流子選擇性轉移部和發(fā)光部。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換顆粒時也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0016]在其中波長轉換部中包含波長轉換顆粒的本發(fā)明第一方面中，波長轉換顆?？杀环稚⒉⒈３衷诓ㄩL轉換部中包含的透明材料中。所述透明材料可為電絕緣材料和/或半導體材料，所述半導體材料具有比構成波長轉換顆粒的載流子生成部的材料大的能隙。當波長轉換顆粒被分散并保持在所述透明材料內時，使得易于長時間保持本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0017]在本發(fā)明的第一方面中，波長轉換部可包含波長轉換纖維，所述波長轉換纖維同心地從中心側向外依次具有:載流子生成部、載流子選擇性轉移部和發(fā)光部。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換纖維時也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0018]在本發(fā)明中，“波長轉換纖維”指呈在一個方向(軸向)上延伸的線性形式如碳納米管而非球形如波長轉換顆粒的物質。
[0019]在其中波長轉換部中包含波長轉換纖維的本發(fā)明第一方面中，波長轉換纖維可被分散并保持在波長轉換部中包含的透明材料中。所述透明材料可為電絕緣材料和/或半導體材料，所述半導體材料具有比構成波長轉換纖維的載流子生成部的材料大的能隙。當波長轉換纖維被分散并保持在所述透明材料內時，使得易于長時間保持本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0020]在本發(fā)明的第一方面中，波長轉換部可包含波長轉換膜，所述波長轉換膜具有載流子生成部、載流子選擇性轉移部和發(fā)光部，所述載流子生成部、載流子選擇性轉移部和發(fā)光部層疊為使得載流子選擇性轉移部設置在載流子生成部和發(fā)光部之間。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換膜時也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。[0021]在本發(fā)明的第一方面中，p-n結可具有其中P-型材料和n-型材料三維接合的位點。當P-n結包含其中P-型材料(用作P-型半導體的材料；下同)和n-型材料(用作n-型半導體的材料；下同)三維接合的位點時也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。具有其中P-型材料和n-型材料三維接合的位點的p-n結的一個實例為具有所謂的本體異質結構的p-n結。
[0022]在本發(fā)明的第一方面中，假定Egl、Ecl和Evl分別為構成載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；Eg2、Ec2和Ev2分別為構成發(fā)光部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；并且Eg3、Ec3和Ev3分別為構成載流子選擇性轉移部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級的能量，所述構成載流子選擇性轉移部的材料呈其中所述材料被引入波長轉換部內的形狀，則可以滿足如下關系:Egl <Eg2≤Eg3 ；Ecl <Ec2^Ec3 ；和Ev3 ( Ev2 ( Evl。以這種構造(I型)也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0023]在本發(fā)明中，“導帶中的最低離散能級”指導帶中形成的離散能級(量子能級)中具有最低能量的離散能級(量子能級)。也就是說，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量而圖的下部區(qū)域表示空穴的較高能量的能帶圖的情況下，位于導帶的底部的離散能級(量子能級)為導帶中的最低離散能級。此外，載流子選擇性轉移部的能隙指導帶中的最低離散能級與價帶中的最低離散能級之間的能量差。對于構成載流子生成部的材料或對于發(fā)光部，取決于其尺寸，導帶或價帶的能級有時也是離散的。在上面的描述中，“導帶的底部邊緣”指導帶中的最低離散能級，“價帶的頂部邊緣”指價帶中的最低離散能級，而“能隙”指導帶中的最低離散能級與價帶中的最低離散能級之間的能量差。在本發(fā)明中，“價帶中的最低離散能級”指價帶中形成的所有離散能級(量子能級)中具有最低能量的離散能級(量子能級)。也就是說，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量而圖的下部區(qū)域表示空穴的較高能量的能帶圖的情況下，位于價帶的頂部處的離散能級(量子能級)為價帶中的最低離散能級。 另外，在本發(fā)明中，“構成載流子選擇性轉移部的材料的能隙”指構成載流子選擇性轉移部的材料中具有最小能隙的材料的能隙。在本發(fā)明中，“Ev3 ( Ev2 ( EvI"表示，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量而圖的下部區(qū)域表示空穴的較高能量的能帶圖的情況下，Ev3具有與Ev2相同的高度或位置比Ev2低，并且Ev2具有與Evl相同的高度或位置比Evl低。
[0024]在本發(fā)明的上述第一方面中，假定Eg4、Ec4和Ev4分別為構成載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；Eg5、Ec5和Ev5分別為構成發(fā)光部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；并且Eg6、Ec6和Ev6分別為構成載流子選擇性轉移部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級的能量，所述構成載流子選擇性轉移部的材料呈其中所述材料被引入波長轉換部內的形狀，則可以滿足如下關系:Eg4 < Eg5 ( Eg6 ；Ec4<Ec5≤Ec6 ;和Ev4≤Ev6≤Ev5。以這種構造(II型)也可獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。在本發(fā)明中，“Ev4 ( Ev6 ( Ev5”意味著，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量而圖的下部區(qū)域表示空穴的較高能量的能帶圖的情況下，Ev4具有與Ev6相同的高度或位置比Ev6低，并且Ev6具有與Ev5相同的高度或位置比Ev5低。
[0025]在本發(fā)明的第一方面中，發(fā)光部的表面可覆蓋有絕緣體或具有比構成載流子生成部的材料大的能隙的半導體材料。采用這樣的構造，可以減少發(fā)光部的表面處可能存在的缺陷，并因此可以減少被此類缺陷所俘獲并因此不復合的載流子，使得易于提高光電轉換效率。
[0026]在本發(fā)明的第一方面中，發(fā)光部可包括一對第一半導體部以及第二半導體部，所述一對第一半導體部由第一半導體構成，所述第二半導體部設置在所述一對第一半導體部之間，并且由具有比所述第一半導體小的能隙的第二半導體構成。采用這樣的構造，載流子復合在第二半導體部中更易于發(fā)生，使得易于提高光電轉換效率。
[0027]在本發(fā)明的第一方面中，載流子選擇性轉移部可包括一對寬帶隙半導體部和窄帶隙半導體部，所述一對寬帶隙半導體部由寬帶隙半導體構成，所述窄帶隙半導體部設置在所述一對寬帶隙半導體部之間，并且由具有比所述寬帶隙半導體小的能隙的窄帶隙半導體構成。采用這樣的構造，更易于獲得本發(fā)明的第一方面中的上述效果。
[0028]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種光電轉換裝置，所述光電轉換裝置具有:波長轉換部，其吸收周邊光以生成電子和空穴，并使所生成的電子和空穴復合以生成單色光；和光電轉換部，其具有P-n結或p-1-n結，吸收波長轉換部中生成的單色光以生成電子和空穴，并分離和移動通過吸收所述單色光而生成的電子和空穴。波長轉換部包括載流子生成部、發(fā)光部和外側材料部，所述載流子生成部生成電子和空穴，所述發(fā)光部將在載流子生成部中生成的電子和空穴中的其間具有特定能量差的電子和空穴移動到發(fā)光部自身，并通過使移動到發(fā)光部自身的電子和空穴復合來生成單色光，所述外側材料部設置在發(fā)光部的外側并且由具有比構成發(fā)光部的材料大的能隙的材料構成。
[0029]波長轉換部可在光的行進方向上設置在光轉換部的上游側上。采用以此方式構造的光電轉換裝置，通過在周邊光的行進方向上設置在光轉換部的上游側上的波長轉換部處進入和吸收周邊光，生成載流子，并且通過所生成的載流子在發(fā)光部中的復合而生成的單色光可被輸入到光電轉換部。
[0030]例如，通過采用利用熱載流子機制在發(fā)光部中生成單色光的構造，可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。另外，通過控制載流子生成部的尺寸和厚度(例如，在其中載流子生成部為球形或圓柱形的情況下，將直徑設定為20nm以下；在其中載流子生成部呈膜的形狀的情況下，將膜厚設定為20nm以下)，載流子生成部中生成的載流子的移動長度可得以減小，并可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。在本發(fā)明中，波長轉換部的一個目的在于允許載流子在發(fā)光部復合；其無意于將生成的載流子直接提取到外部。因此，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少載流子移動過程中的能量損失。另外，通過采用在波長轉換部中使用半導體材料的構造，與使用熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池相比，可用來生成載流子的光的波長范圍可大大擴展。另外，通過調節(jié)發(fā)光部中使用的半導體材料的組成和形狀，可以比在使用發(fā)射波長有限的熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池中更自由地調整發(fā)光部中生成的單色光的波長。另外，通過向光電轉換部輸入單色光，輸入到光電轉換部的單色光的能量是固定的。因此，通過在光電轉換部中使用具有與輸入到光電轉換部的單色光的能量相對應的能隙的半導體材料，可以減少能量損失。因此，采用本發(fā)明的第二方面，可以提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。另外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提高光電轉換效率。
[0031]在本發(fā)明中，“具有比構成發(fā)光部的材料大的能隙的材料”不僅包括半導體材料，而且還包括電絕緣材料。[0032]在本發(fā)明的第二方面中，波長轉換部可在周邊光的行進方向上設置在光轉換部的下游側上，并且波長轉換部還可包括光反射部，所述光反射部將單色光反射向光電轉換部側。
[0033]采用前述構造的光電轉換裝置，利用已通過在周邊光的行進方向上位于波長轉換部的上游側上的光電轉換部的光所生成的電子和空穴在發(fā)光部中復合。也就是說，具有比光電轉換部中包含的半導體材料的能隙大的能量的光將被光電轉換部吸收并轉換為電；在光電轉換部中未轉換為電的光進入波長轉換部。在波長轉換部中，使用例如半導體材料，通過吸收具有比該半導體材料的能隙(構成波長轉換部的半導體材料的能隙<構成光電轉換部的半導體材料的能隙)大的能量的光，生成載流子。通過利用例如熱載流子機制使如此生成的電子相互作用以及如此生成的空穴相互作用，生成了具有比構成光電轉換部的半導體材料的能隙大的能量的單色光。該單色光進入光電轉換部并被光電轉換部吸收，然后從光電轉換部提取電。通過采用這樣的構造，可以減少載流子生成部中生成的載流子的能量損失。另外，通過控制載流子生成部的尺寸和厚度(例如，在其中載流子生成部為球形或圓柱形的情況下，將直徑設定為20nm以下；在其中載流子生成部呈膜的形狀的情況下，將膜厚設定為20nm以下)，載流子生成部中生成的載流子的移動長度可得以減小，并可以減少移動到發(fā)光部的載流子的能量損失。波長轉換部的一個目的在于允許電子和空穴在發(fā)光部復合；其無意于將生成的電子和空穴直接提取到外部。因此，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，因此可以顯著減少載流子移動過程中的能量損失。另外，通過采用在波長轉換部中使用半導體材料的構造，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可用來生成載流子的光的波長范圍可大大擴展。另外，通過調節(jié)發(fā)光部中使用的半導體材料的組成和形狀，可以比在使用發(fā)射波長有限的熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池中更自由地調整發(fā)光部中生成的單色光的波長。另外，通過對光電轉換部使用具有與輸入到光電轉換部的單色光的能量相對應的能隙的半導體材料，可以減少能量損失。因此，可提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。另外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提高光電轉換效率。
[0034]在本發(fā)明的第二方面中，波長轉換部可設置在光電轉換部內。
[0035]根據(jù)以此方式構造的光電轉換裝置，在設置于光電轉換部內的波長轉換部中，利用已通過光電轉換部的光來生成電子和空穴。通過然后允許這些電子和空穴在波長轉換部內的發(fā)光部中復合，生成了具有比構成光電轉換部的半導體材料的能隙大的能量的單色光。該單色光進入光電轉換部并被光電轉換部吸收，從而產生電的輸出。采用這樣的構造，可以獲得與其中波長轉換部在周邊光的行進方向上設置在光電轉換部的下游側上的上述構造的那些相似的效果。因此，可提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。此外，通過提高將周邊光轉換為單色光的波長轉換部的效率，易于提高光電轉換效率。
[0036]在本發(fā)明的第二方面中，波長轉換部中可包含波長轉換顆粒，所述波長轉換顆粒同心地從中心側向外依次具有:載流子生成部、發(fā)光部和外側材料部。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換顆粒時也可獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0037]在其中波長轉換部中包含波長轉換顆粒的本發(fā)明第二方面中，波長轉換顆?？杀环稚⒉⒈３衷诓ㄩL轉換部中包含的透明材料中。所述透明材料可為電絕緣材料和/或半導體材料，所述半導體材料具有比構成波長轉換顆粒的載流子生成部的材料大的能隙。當波長轉換顆粒被分散并保持在所述透明材料內時，使得易于長時間保持本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0038]在本發(fā)明的第二方面中，波長轉換部可包含波長轉換纖維，所述波長轉換纖維同心地從中心側向外依次具有:載流子生成部、發(fā)光部和外側材料部。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換纖維時也可獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0039]在其中波長轉換部中包含波長轉換纖維的本發(fā)明第二方面中，波長轉換纖維可被分散并保持在波長轉換部中包含的透明材料中。所述透明材料可為電絕緣材料和/或半導體材料，所述半導體材料具有比構成波長轉換纖維的載流子生成部的材料大的能隙。當波長轉換纖維被分散并保持在所述透明材料內時，使得易于長時間保持本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0040]在本發(fā)明的第二方面中，波長轉換部可包含波長轉換膜，所述波長轉換膜具有載流子生成部、發(fā)光部和外側材料部，所述載流子生成部、發(fā)光部和外側材料部層疊為使得發(fā)光部設置在載流子生成部和外側材料部之間。當波長轉換部中包含這樣的波長轉換膜時也可獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0041]在本發(fā)明的上述第二方面中，p-n結可具有其中P-型材料和η-型材料三維接合的位點。當p-n結包含其中p-型材料和η-型材料三維接合的位點時也可獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。具有其中P-型材料和η-型材料三維接合的位點的p-n結的一個實例為具有所謂的本體異質結構的P-n結。
[0042]在本發(fā)明的上述第二方面中，假定Eg7、Ec7和Ev7分別為構成載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；Eg8、EcS和EvS分別為構成發(fā)光部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級的能量，所述構成發(fā)光部的材料呈其中所述材料被引入波長轉換部內的形狀；并且Eg9、Ec9和Ev9分別為構成外側材料部的材料的能隙、導帶底和價帶頂，則可以滿足如下關系:Eg7 < Eg8 < Eg9 ；Ec7 < Ec8 < Ec9 ;和Ev9 < Ev8<Ev7。采用這種構造，易于獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。在本發(fā)明中，‘?ν9<Εν8<Ev7”意味著，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量而圖的下部區(qū)域表示空穴的較高能量的能帶圖的情況下，Ev9位置比EvS低，并且EvS位置比Ev7低。
[0043]在本發(fā)明的第二方面中，發(fā)光部可包括一對寬帶隙半導體部以及窄帶隙半導體部，所述一對寬帶隙半導體部由寬帶隙半導體構成，所述窄帶隙半導體部設置在所述一對寬帶隙半導體部之間，并且由具有比所述寬帶隙半導體小的能隙的窄帶隙半導體構成。采用這樣的構造，易于獲得本發(fā)明的第二方面中的上述效果。
[0044]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種光電轉換裝置，使用該光電轉換裝置可以提高光電轉換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]本發(fā)明的示例性實施方案的特征、優(yōu)點以及技術和工業(yè)重要性將在下文結合附圖描述，在附圖中，相同的附圖標記表示相同的要素，且其中:
[0046]圖1A為根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0047]圖1B為示出圖1A中的太陽能電池的能帶結構的圖；[0048]圖2A為根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0049]圖2B為示出圖2B中的太陽能電池的能帶結構的圖；
[0050]圖3為根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0051]圖4為可用于上述實施方案中的波長轉換部的截面圖；
[0052]圖5A為可用于上述實施方案中的波長轉換部的截面圖；
[0053]圖5B為圖5A中示出的波長轉換部中的波長轉換纖維的截面圖；
[0054]圖6為可用于根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案的太陽能電池中的波長轉換部的截面圖；
[0055]圖7為根據(jù)本發(fā)明的第四實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0056]圖8A為根據(jù)本發(fā)明的第五實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0057]圖SB為根據(jù)本發(fā)明的第六實施方案的太陽能電池的截面圖；
[0058]圖9為示出根據(jù)本發(fā)明上述實施方案的太陽能電池的波長轉換材料的能帶結構的圖；
[0059]圖10為示出根據(jù)本發(fā)明上述實施方案的太陽能電池的波長轉換材料的能帶結構的圖；
[0060]圖11為波長轉換部的一個變型的截面圖；
[0061]圖12A為波長轉換部的另一變型的截面圖；
[0062]圖12B為示出圖12A中所示波長轉換部的能帶結構的圖；
[0063]圖13A為波長轉換顆粒的一個變型的截面圖；和
[0064]圖13B為示出圖13A中所示波長轉換顆粒的能帶結構的圖。
【具體實施方式】
[0065]下面結合附圖描述用作本發(fā)明的實施方案的太陽能電池。提供下面的實施方案以示意本發(fā)明，并且本發(fā)明不限于這些實施方案。應指出，圖中略去了一些附圖標記。
[0066]圖1A為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的太陽能電池100的截面圖，而圖1B為示意太陽能電池100的能帶結構的圖。在圖1A中，略去了對載流子生成部11、載流子選擇性轉移部12和發(fā)光部13的描述。在圖1B中，圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量，而圖的下部區(qū)域表示空穴的較低能量。另外，在圖1B中，實心圓(?)代表電子，空心圓(〇)代表空穴。在圖1B中，El為波長轉換部10中包含的半導體材料的能隙，E2為波長轉換部10中生成的單色光的能量，E3為光電轉換部20中包含的半導體材料的能隙。在圖1A和IB中，太陽光從圖中左側向右側行進。
[0067]如圖1A和IB中所示，太陽能電池100具有包含半導體材料的波長轉換部10和包含半導體材料的光電轉換部20。波長轉換部10在太陽光的行進方向上設置在光電轉換部20的上游側上。太陽能電池100為下轉換太陽能電池。波長轉換部10具有由具有能隙El的半導體材料構成的載流子生成部11、由具有能隙E2的半導體材料構成的發(fā)光部13和將具有能量差E2的電子和空穴選擇性地轉移到發(fā)光部13的載流子選擇性轉移部12。發(fā)光部13具有通過具有能量差E2的電子和空穴的復合而生成具有能量E2的單色光的功能。光電轉換部20包含具有能隙E3的半導體材料。光電轉換部20具有由能隙為E3的n_型半導體構成的n層21和由能隙為E3的P-型半導體構成的p層22 ;接合n層21與p層22使得形成P-n結23。表面電極24連接到η層21，背電極25連接到ρ層22。
[0068]落在太陽能電池100上的太陽光進入波長轉換部10。太陽光中包含具有不同能量的光。當太陽光進入載流子生成部11時，僅具有能量El或具有大于能量El的能量的光被載流子生成部11吸收。當光被如此吸收時，具有不同能量的電子從價帶被激發(fā)到導帶，并在價帶中形成具有不同能量的空穴。也就是說，當光進入載流子生成部11時，在構成載流子生成部11的半導體材料的導帶中形成如圖1B中所示的電子能量分布，并且在所述半導體材料的價帶中形成如圖1B中所示的空穴能量分布。
[0069]如圖1B中所示，載流子選擇性轉移部12為這樣的區(qū)域，其連接載流子生成部11與發(fā)光部13并且具有將載流子生成部11中生成的具有不同能量的電子和空穴中僅產生能量差Ε2的那些具有特定能量的電子和那些具有特定能量的空穴選擇性地轉移到發(fā)光部13的功能。載流子選擇性轉移部12中這樣的功能可通過使用例如量子阱結構來獲得。從載流子生成部11通過載流子選擇性轉移部12移動到發(fā)光部13的電子和空穴在發(fā)光部13復合。通過這樣的過程，波長轉換部10生成具有能量Ε2的單色光。
[0070]在載流子生成部11內生成的電子和空穴中，那些具有特定能量(下文有時稱為“對發(fā)光有貢獻的特定能量”)的電子和空穴將無變化地穿過載流子選擇性轉移部12并到達發(fā)光部13，在所述特定能量下，電子和空穴可被轉移通過載流子選擇性轉移部12。通過在發(fā)光部13復合，這些載流子生成具有能量Ε2的單色光。相反，在載流子生成部11的導帶中的電子分布中，那些具有與所述對發(fā)光有貢獻的特定能量不同的能量的電子將在其間進行能量轉移，從而產生一些具有對發(fā)光有貢獻的特定能量的電子。類似地，在載流子生成部11的價帶中的空穴分布中，具有與所述對發(fā)光有貢獻的特定能量不同的能量的空穴將在其間進行能量轉移，從而產生一些具有對發(fā)光有貢獻的特定能量的空穴。以此方式，變得具有所述對發(fā)光有貢獻的特定能量的電子和變得具有所述對發(fā)光有貢獻的特定能量的空穴能夠移動通過載流子選擇性轉移部12到達發(fā)光部13，并且通過在發(fā)光部13復合而生成具有能量Ε2的單色光。這里，在使用熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池中，能夠相互作用的電子和空穴局限于具有分離的能級的電子和空穴。相反，因為載流子生成部11由半導體材料構成，因而通過具有不同能量的電子之間和空穴之間的相互作用，可以生成具有所述對發(fā)光有貢獻的特定能量的電子和具有所述對發(fā)光有貢獻的特定能量的空穴。以此方式在發(fā)光部13生成的單色光然后向光電轉換部20行進。
[0071]光電轉換部20具有η層21和ρ層22，其各自具有能隙Ε3。這里，Ε3比Ε2小約0.lev。結果，在波長轉換部10生成的具有能量E2的單色光被光電轉換部20吸收，產生電子和空穴。歸因于E2和E3之間約0.1eV的小差異，基本沒有能量損失，如此生成的電子和空穴在通過P-n結23所形成的內部電場作用下分離。電子然后移動到η層21側并被收集在連接到η層21的表面電極24處。空穴移動到ρ層22側并被收集在連接到ρ層22的背電極25處。
[0072]因此，在太陽能電池100內，在載流子生成部11生成的載流子經由載流子選擇性轉移部12轉移到發(fā)光部13，并且在發(fā)光部13生成單色光。因為使用這樣的實施方案可以引起在載流子生成部11中被激發(fā)至高能量的電子和空穴移動到發(fā)光部13并在損失能量之前復合，因而可減少能量損失。波長轉換部10的一個目的在于允許在載流子生成部11中生成的載流子在發(fā)光部13復合；其無意于將生成的載流子直接提取到外部。因此，在波長轉換部10中，和在常規(guī)的熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少移動過程中的能量損失。特別地，通過控制載流子生成部11的尺寸和厚度，并由此設定載流子從在載流子生成部11中生成直至其到達載流子選擇性轉移部12為止的移動長度為約IOnm以下，可以大大減少移動過程中的能量損失。此外，通過在載流子生成部11中使用半導體材料，與使用熒光材料的常規(guī)下轉換太陽能電池相比，可以顯著拓寬可用以生成載流子的光的波長范圍。此外，在其中在波長轉換部10生成的單色光被輸入到光電轉換部20的太陽能電池100中，輸入到光電轉換部20的單色光的能量固定在E2。因此，通過在光電轉換部20中使用具有對應于E2的能隙的半導體材料，易于減少能量損失。因此，利用本發(fā)明，可以提供太陽能電池100，使用該太陽能電池100可以提高光電轉換效率。在太陽能電池100中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換部10的效率，易于提高光電轉換效率。
[0073]在太陽能電池100中，構成載流子生成部11的半導體材料的能隙El可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.2eV。在其中在載流子生成部11中生成的載流子的移動長度被設定為IOnm以下的情況下，由于量子效應，載流子生成部11的能隙變得比本體材料的能隙大?？梢詷嫵奢d流子生成部11的半導體材料的實例包括？&56、11^8、？&5、66、6&513、6&48513、GaInAs和Si。在其中載流子生成部11由第IV族元素如Ge或Si或第II1-V族化合物如InAs、GaSb、GaAsSb或GaInAs構成的情況下,載流子生成部11可通過氣相生長法如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)來制造?；蛘?，在其中載流子生成部11由第IV-VI族化合物如PbSe或PbS構成的情況下，載流子生成部11可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。
[0074]如果載流子選擇性轉移部12具有量子阱結構，則量子阱層的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過10nm，而構成量子阱層的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.6eV并且不超過1.6eV?？梢詷嫵闪孔于鍖拥陌雽w材料的實例包括Ge、GaSb、InPAs,GaAsSb,GaInAs、S1、InP、GaAs、CdTe、CdSe、AlGaAs、GaInP、AlAs、ZnTe、GaP、CdS 和 ZnSe。在其中量子阱層由第IV族元素如Ge或Si或第II1-V族化合物如GaSb、GaAsSb、GaInAs、InP、GaAs、AlGaAs、GaInP、AlAs或GaP構成的情況下，量子阱層可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造?；蛘?，在其中量子阱層由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTe、CdS或ZnSe構成的情況下，量子阱層可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。
[0075]如果載流子選擇性轉移部12具有量子阱結構，則量子阱層任一側上的阻擋層的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過IOnm ;構成阻擋層的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.2eV并且不超過4.0eV0可構成阻擋層的半導體材料的實例包括InP、GaAs、CdTe、CdSe、AlGaAs、GalnP、AlAs、ZnTe、GaP、CdS, ZnSe、GaN 和 ZnS。在其中阻擋層由第 II1-V 族化合物如InP、GaAs> AlGaAs> GalnP、AlAs、GaP或GaN構成的情況下，阻擋層可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造?；蛘?，在其中阻擋層由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTe、CdS、ZnSe或ZnS構成的情況下，阻擋層可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。
[0076]在發(fā)光部13生成的單色光的能量E2可設定為例如至少0.6eV并且不超過1.6eV。發(fā)光部13的厚度可設定為至少2nm并且不超過20nm?？蓸嫵砂l(fā)光部13的半導體材料的實例包括 Ge、GaSb, InPAs, GaAsSb, GaInAs, S1、InP、GaAs, CdTe, CdSe, AlGaAs, GaInP、AlAs、ZnTe, GaP, CdS和ZnSe。在其中發(fā)光部13由第IV族元素如Ge或Si或第II1-V族化合物如 GaSb、GaAsSb> GaInAs> InP、GaAs> AlGaAs> GalnP、AlAs 或 GaP 構成的情況下，發(fā)光部 13可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造?；蛘撸谄渲邪l(fā)光部13由第I1-VI族化合物如CdTe, CdSe, ZnTe, CdS或ZnSe構成的情況下，發(fā)光部13可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。
[0077]光電轉換部20中包含的半導體材料的能隙E3可設定為例如至少0.5eV并且不超過1.6eV。可構成光電轉換部20的半導體材料的實例包括Ge、GaSb, GaAsSb, GaInAs, S1、InP,GaAs和CdTe。在光電轉換部20中，η層21可通過向這些半導體材料添加可用的η-型摻雜劑來制造，而ρ層22可通過向這些半導體材料添加可用的ρ-型摻雜劑來制造。η層21的厚度可設定為例如約IOOnm,而ρ層22的厚度可設定為例如約2 μ m。在其中光電轉換部20由第IV族元素如Ge或Si或第II1-V族化合物如GaSb、GaAsSb、GaInAs、InP或GaAs制成的情況下，光電轉換部20可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。或者，在其中光電轉換部20由第I1-VI族化合物如CdTe構成的情況下，光電轉換部20可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。表面電極24和背電極25可通過常規(guī)方法如氣相沉積法制造。對于表面電極24，可合適地使用可用作太陽能電池電極的可用材料，其實例包括梳形金屬材料如Al、Ag和Au以及透明導電膜如氧化銦錫(ITO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)和氟摻雜的氧化錫(FTO)。對于背電極25，可合適地使用可用作太陽能電池電極的可用材料，其實例包括Al、Ag和Au。表面電極24和背電極25的厚度在金屬材料的情況下可以設定為例如約I至10 μ m，而在透明導電膜的情況下可以設定為約0.1至I μ m。
[0078]在太陽能電池100的前述說明中，描述了其中光電轉換部20具有p-n結的實施方案。然而，根據(jù)本 發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置(下轉換型光電轉換裝置；下同)不限于此形式。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置中提供的光電轉換部可具有p-1-n 結。
[0079]另外，在太陽能電池100的前述說明中，描述了其中η層21和ρ層22之間的接合界面是平面的實施方案。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置不限于此形式。如隨后所述，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置中提供的光電轉換部可具有有著表面不規(guī)則性(三維接合部)的接合界面，如以本體異質結構的方式。
[0080]圖2Α為示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的太陽能電池200的截面圖，而圖2Β為示意太陽能電池200的能帶結構的圖。在圖2Α中，略去了對載流子生成部31、載流子選擇性轉移部32和發(fā)光部33的描述。在圖2Β中，圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量，圖的下部區(qū)域表示空穴的較低能量。另外，在圖2Β中，實心圓(.)代表電子，空心圓(〇)代表空穴。在圖2Β中，Ε4為波長轉換部30中包含的半導體材料的能隙，Ε5為波長轉換部30中生成的單色光的能量，Ε6為光電轉換部40中包含的半導體材料的能隙。在圖2Α和2Β中，太陽光從圖中左側向右側行進。在圖2Α中，與上述太陽能電池100中的那些相似的要素以與圖1A中所用相同的附圖標記表示，并且這些要素的說明在下文酌情略去。
[0081]如圖2Α和2Β中所示，太陽能電池200具有包含半導體材料的波長轉換部30和包含半導體材料的光電轉換部40。波長轉換部30在其中太陽光行進的方向上設置在光電轉換部40的下游側上。太陽能電池200為上轉換太陽能電池。波長轉換部30具有由具有能隙E4的半導體材料構成的載流子生成部31、由具有能隙E5的半導體材料構成的發(fā)光部33、將具有能量差E5的電子和空穴選擇性地轉移到發(fā)光部33的載流子選擇性轉移部32和將在發(fā)光部33中生成的單色光反射向光電轉換部40側的光反射部34。發(fā)光部33具有通過具有能量差E5的電子和空穴的復合而生成具有能量E5的單色光的功能。光電轉換部40包含具有能隙E6的半導體材料。光電轉換部40具有由能隙為E6的η-型半導體構成的η層41和由能隙為Ε6的ρ-型半導體構成的P層42 ;接合η層41與ρ層42使得形成ρ_η結43。表面電極24連接到η層41，并且背電極44連接到ρ層42。
[0082]落在太陽能電池200上的太陽光進入光電轉換部40。光電轉換部40中包含的半導體材料的能隙Ε6調節(jié)為使得能夠僅吸收包含具有不同能量的光的太陽光中的高能量的光。結果，當太陽光進入光電轉換部40中包含的半導體材料時，僅具有等于或大于該半導體材料的能隙Ε6的能量的光被吸收。當光以此方式被吸收時，光電轉換部40中生成了電子和空穴。所生成的電子和空穴通過由η層41和ρ層42所形成的內部電場作用而分離。電子移動到η層41側并且被收集在連接到η層41的表面電極24處?？昭ㄒ苿拥溅褜?2側并且被收集在連接到P層42的背電極44處。
[0083]如上所述，在光電轉換部40中，僅太陽光中包含的具有等于或大于Ε6的能量的光被吸收。因此，在太陽光所包含的光中，具有小于Ε6的能量的光穿過光電轉換部40而在光電轉換中未被利用。以此方式穿過光電轉換部40的光進入在太陽光行進的方向上設置在下游側上的波長轉換部30。構成波長轉換部30的載流子生成部31的半導體材料的能隙Ε4小于Ε6并調節(jié)為使得能夠吸收太陽光中包含的低能量的光。結果，當光進入波長轉換部30的載流子生成部31時，僅具有等于或大于構成載流子生成部31的半導體材料的能隙Ε4的能量的光被吸收。當光被如此吸收時，具有不同能量的電子從價帶被激發(fā)到導帶，并且在價帶中形成具有不同能量的空穴。也就是說，當光進入載流子生成部31時，在構成載流子生成部31的半導體材料的導帶中形成如圖2Β中所示的電子能量分布，并且在該半導體材料的價帶中形成如圖2Β中所示的空穴能量分布。
[0084]如圖2Β中所示，載流子選擇性轉移部32為這樣的區(qū)域，其連接載流子生成部31與發(fā)光部33并且具有將在載流子生成部31生成的具有不同能量的電子和空穴中僅產生能量差Ε5的那些具有特定能量的電子和那些具有特定能量的空穴選擇性地轉移到發(fā)光部33的功能。載流子選擇性轉移部32的這樣的功能可通過使用例如量子阱結構獲得。從載流子生成部31經由載流子選擇性轉移部32轉移到發(fā)光部33的電子和空穴在發(fā)光部33結合。經過這樣的過程，波長轉換部30生成具有能量Ε5的單色光。
[0085]這里，在使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池中，能夠相互作用的電子和空穴局限于具有分離的能級的電子和空穴。相反，因為載流子生成部31由半導體材料構成，因而具有不同能量的電子能夠相互作用并且具有不同能量的空穴能夠相互作用。通過允許穿過載流子選擇性轉移部32的具有能量差Ε5的電子和空穴在發(fā)光部33中復合，可生成具有能量Ε5的單色光。在發(fā)光部33中如此生成的單色光的至少一部分被光反射部34反射并向光電轉換部40行進。
[0086]光電轉換部40具有η層41和ρ層42，其各自具有能隙Ε6。這里，Ε6比Ε5小約0.leV。結果，在發(fā)光部33中生成的具有能量E5的單色光被光電轉換部40吸收，產生電子和空穴。歸因于E5和E6之間約0.1eV的小差異，如此生成的電子和空穴通過由p_n結43所形成的內部電場分離而基本上沒有能量損失。電子移動到n層41側并且被收集在連接到n層41的表面電極24處，而空穴移動到p層42側并且被收集在連接到p層42的背電極44處。
[0087]采用這樣的太陽能電池200，具有大于光電轉換部40中包含的半導體材料的能隙E6的能量的太陽光可在光電轉換部40被吸收并轉換為電。另外，使用在光電轉換部40中未被轉換為電的光而在發(fā)光部33生成的單色光可通過被輸入到光電轉換部40而被轉換為電。通過采用這樣的實施方案，可以大大擴展在光電轉換部40中向電轉換的過程中所利用的光的波長范圍。波長轉換部30的一個目的在于允許在載流子生成部31中生成的載流子在發(fā)光部33處復合；其無意于將載流子直接提取到外部。因此，在波長轉換部30中，和在其中使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少移動過程中的能量損失。特別地，通過控制載流子生成部31的尺寸和厚度，并因此設定載流子從在載流子生成部31中生成直至載流子到達載流子選擇性轉移部32為止的移動長度為約IOnm以下，可以大大減少移動過程中的能量損失。此外，通過在載流子生成部31中使用半導體材料，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可以顯著拓寬可用以生成載流子的光的波長范圍。此外，在其中在波長轉換部30生成的單色光被輸入到光電轉換部40的太陽能電池200中，輸入到光電轉換部40的單色光的能量固定在E5。因此，通過在光電轉換部40中使用具有對應于E5的能隙的半導體材料，易于減少能量損失。因此，使用本發(fā)明，可以提供太陽能電池200，使用該太陽能電池200可以提高光電轉換效率。在太陽能電池200中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換部30的效率，易于提高光電轉換效率。
[0088]在太陽能電池200中，構成載流子生成部31的半導體材料的能隙E4可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.6eV。在其中在載流子生成部31中生成的載流子的移動長度被設定為IOnm以下的情況下，由于量子效應，載流子生成部31的能隙變得比本體材料的能隙大。可制成載流子生成部31的半導體材料的實例包括PbSe、InAs、PbS、Ge、GaSb、GaAsSb、GalnAs、S1、InP、GaAs和CdTe。在其中載流子生成部31由第IV族元素如Ge或Si或第II1-V族化合物如InAs、GaSb> GaAsSb> GalnAs、InP或GaAs構成的情況下,載流子生成部31可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造?；蛘?，在其中載流子生成部31由第IV-VI族化合物如PbSe或PbS或第I1-VI族化合物如CdTe構成的情況下，載流子生成部31可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。
[0089]在其中載流子選擇性轉移部32具有量子阱結構的情況下，量子阱層的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過IOnm ;構成量子阱層的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.0eV并且不超過3.0eV0可構成量子阱層的半導體材料的實例與可構成上述載流子選擇性轉移部12的量子阱層的半導體材料的那些相似。載流子選擇性轉移部32的量子阱層可通過與上述載流子選擇性轉移部12的量子阱層的那些相似的方法來制造。
[0090]如果載流子選擇性轉移部32具有量子阱結構，則量子阱層任一側上的阻擋層的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過IOnm ;構成阻擋層的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.2eV并且不超過4.0eV0可構成阻擋層的半導體材料的實例與可構成上述載流子選擇性轉移部12的阻擋層的半導體材料的那些相似。載流子選擇性轉移部32的阻擋層可通過與上述載流子選擇性轉移部12的阻擋層的那些相似的方法來制造。
[0091]在發(fā)光部33生成的單色光的能量E5可設定為例如至少1.0eV并且不超過3.0eV。發(fā)光部33的厚度、構成材料和制造方法可與上述發(fā)光部13的厚度、構成材料和制造方法相同。
[0092]光反射部34可由對可見光到紅外光具有高反射率的金屬等如Ag或Al構成。光反射部34的厚度可設定為例如約I μ m,并且光反射部34可通過常規(guī)方法如氣相沉積法來制造。
[0093]光電轉換部40中包含的半導體材料的能隙E6可設定為例如至少0.9eV并且不超過3.0eV0可構成光電轉換部40的半導體材料的實例包括GaAsSb、GaInAs、S1、InP、GaAs、CdTe、CdSe、AlGaAs、GaInP、AlAs、ZnTe、GaP、CdS 和 ZnSe0 在光電轉換部 40 中，η 層 41 可通過向這些半導體材料添加可用的η-型摻雜劑來制造，而P層42可通過向這些半導體材料添加可用的P-型摻雜劑來制造。η層41的厚度可設定為例如約IOOnm,而P層42的厚度可設定為例如約2 μ m。在其中光電轉換部40由第IV族元素如Si或第II1-V族化合物如 GaAsSb、GaInAs、InP、GaAs、AlGaAs、GaInP、AlAs 或 GaP 制成的情況下，光電轉換部 40 可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。或者，在其中光電轉換部40由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTeXdS或ZnSe構成的情況下，光電轉換部40可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或溶劑熱合成來制造。對于背電極44，可合適地使用可用作太陽能電池電極的可用材料，其實例包括梳形金屬材料如Al、Ag和Au以及透明導電膜如氧化銦錫(ITO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)和氟摻雜的氧化錫(FTO)。背電極44的厚度在金屬材料的情況下可設定為約I至10 μ m，而在透明導電膜的情況下可設定為約0.1至I μ m。背電極44可通過常規(guī)方法如氣相沉積法來制造。
[0094]在太陽能電池200的前述說明中，描述了其中光電轉換部40具有p-n結的實施方案。然而，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置(上轉換型光電轉換裝置；下同)不限于此形式。根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置中提供的光電轉換部可具有p-1-n 結。
[0095]另外，在太陽能電池200的前述說明中，描述了其中η層41和ρ層42之間的接合界面是平面的實施方案。然而，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置不限于此形式。如隨后所述，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置中提供的光電轉換部可具有有著表面不規(guī)則性(三維接合部)的接合界面，如以本體異質結構的方式。
[0096]另外，在太陽能電池100和200的上述說明中，描述了其中波長轉換部設置在光電轉換部的僅一側上的本發(fā)明實施方案。然而，在本發(fā)明的光電轉換裝置中，也可以以使得光電轉換部包夾在一對波長轉換部中間的方式設置波長轉換部。
[0097]上面描述并且圖中示意了其中波長轉換部10設置在離光電轉換部20—定距離處的太陽能電池100，以及其中波長轉換部30設置在離光電轉換部40 —定距離處的太陽能電池200。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置和根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置不限于這些形式。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置和根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置可設置為使得波長轉換部和光電轉換部相互接觸。在其中波長轉換部和光電轉換部設置為使得不相互接觸的情況下，在波長轉換部和光電轉換部之間布置允許光通過的物質就足夠了。這樣的物質的實例包括空氣、透明塑料膜或玻璃等。在其中波長轉換部和光電轉換部設置為使得不相互接觸的情況下，波長轉換部通過固定裝置(未示出)保持固定。可用來保持波長轉換部的常規(guī)固定裝置可用作所述固定裝置。
[0098]在上面的描述中，描述了其中在其光電轉換部20側上的波長轉換部10的表面為光滑表面的太陽能電池100和其中在其光電轉換部40側上的波長轉換部30的表面為光滑表面的太陽能電池200。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置和根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置不限于這些形式。在根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的光電轉換裝置和根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案的光電轉換裝置中，為了例如提供其中易于將在發(fā)光部中生成的單色光輸入到光電轉換部的實施方案，在其中波長轉換部和光電轉換部不彼此接觸的情況下，優(yōu)選在其光電轉換部側上的波長轉換部的至少表面上提供表面不規(guī)則性，而在其中波長轉換部和光電轉換部彼此接觸的情況下，優(yōu)選在波長轉換部與光電轉換部之間的界面處提供表面不規(guī)則性。通過提供表面不規(guī)則性，可以減小在波長轉換部生成的單色光在其光電轉換部側上的波長轉換部的表面處被反射的比例。
[0099]圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的太陽能電池300的截面圖。在圖3中，與上述太陽能電池100中的那些相似的要素以與圖1A中所用相同的附圖標記表示，并且這些要素的說明在下文酌情略去。在圖3中，略去了對載流子生成部、載流子選擇性轉移部和發(fā)光部的描述。
[0100]如圖3中所示，太陽能電池300具有η層51、i層52和P層53。η層51、i層52和P層53 —起形成p-1-n結54。在太陽能電池300中，i層52主要起到光電轉換部的作用，并且多個包含半導體材料的波長轉換部55分散在i層52內。在太陽能電池300中，已通過i層52的一部分的光將進入波長轉換部55。太陽能電池300為上轉換太陽能電池。每個波長轉換部55包括由具有能隙E4的半導體材料構成的載流子生成部、由具有能隙E5的半導體材料構成的發(fā)光部和將在載流子生成部中生成的并具有能量差E5的電子和空穴選擇性地轉移到發(fā)光部的載流子選擇性轉移部。發(fā)光部具有通過復合具有能量差E5的電子和空穴而生成具有能量E5的單色光的功能。起到光電轉換部作用的i層52由具有能隙E6(E5-E6s0.1Ev)的半導體材料構成。連接到表面電極24的η層51由具有能隙E6的η-型半導體構成。連接到背電極25的ρ層53由具有能隙Ε6的ρ-型半導體構成。
[0101]落在太陽能電池300上的太陽光穿過η層51并進入i層52的設置在波長轉換部55周圍的半導體材料(下文有時稱為“光電轉換部52”)。該光電轉換部52的能隙E6調節(jié)為使得能夠從包含具有不同能量的光的太陽光中僅吸收高能量的光。結果，當太陽光進入光電轉換部52時,僅具有等于或大于該光電轉換部52的能隙E6的能量的光被吸收。當光以此方式被吸收時，光電轉換部52中生成了電子和空穴。所生成的電子和空穴通過由η層51和ρ層53所形成的內部電場而分離。電子移動到η層51側并且被收集在連接到η層51的表面電極24處。空穴移動到ρ層53側并且被收集在連接到ρ層53的背電極25處。
[0102]如上所述，在光電轉換部52中，僅太陽光內包含的具有等于或大于Ε6的能量的光被吸收。因此，在太陽光中所包含的光中，具有小于Ε6的能量的光穿過光電轉換部52而不在光電轉換中被利用，并將到達波長轉換部55。構成波長轉換部55的載流子生成部的半導體材料的能隙Ε4小于Ε6并調節(jié)為使得能夠吸收太陽光中包含的低能量的光。結果，當光進入波長轉換部55的載流子生成部時，僅具有等于或大于構成載流子生成部的半導體材料的能隙E4的能量的光被吸收。當光被如此吸收時，具有不同能量的電子將從價帶被激發(fā)到導帶，并在價帶中形成具有不同能量的空穴。也就是說，當光進入波長轉換部55的載流子生成部時，如在上述太陽能電池200的載流子生成部31的情況一樣，在該半導體材料的導帶中形成如圖2B中所示的電子能量分布并且在該半導體材料的價帶中形成如圖2B中所示的空穴能量分布。
[0103]在波長轉換部55的載流子生成部中生成的電子和空穴通過電子之間的相互作用以及空穴之間的相互作用進行能量轉移。使得其間的能量差變?yōu)镋5的具有特定能量的電子和具有特定能量的空穴穿過波長轉換部55的載流子選擇性轉移部并到達波長轉換部55的發(fā)光部。載流子選擇性轉移部的將僅那些具有特定能量的電子和僅那些具有特定能量的空穴選擇性地轉移到發(fā)光部的功能可通過使用量子阱結構來獲得。移動到波長轉換部55的發(fā)光部的電子和空穴在該發(fā)光部復合。通過這樣的過程，波長轉換部55生成具有能量E5的單色光。如此在波長轉換部55生成的單色光向光電轉換部52行進。
[0104]光電轉換部52的能隙為E6。這里，E6比E5小約0.1eV0因此，在波長轉換部55中生成的具有能量E5的單色光被光電轉換部52吸收，導致在光電轉換部52中生成電子和空穴。由于E5和E6之間約0.1eV的小差異，因而如此生成的電子和空穴通過由p_i_n結54所形成的內部電場分離而基本沒有能量損失，然后電子移動到n層51側并且被收集在連接到n層51的表面電極24處，而空穴移動到p層53側并且被收集在連接到p層53的背電極25處。
[0105]因此,使用太陽能電池300,具有大于光電轉換部52的能隙E6的能量的太陽光可被光電轉換部52吸收并轉換為電。另外，使用在光電轉換部52未被轉換為電的光而在波長轉換部55生成的單色光可通過被輸入到光電轉換部52而被轉換為電。通過采用這樣的實施方案，可以大大擴展在光電轉換部52處向電轉換的過程中所利用的光的波長范圍。波長轉換部55的一個目的在于允許在載流子生成部中生成的載流子在發(fā)光部復合；其無意于將生成的載流子直接輸出到外部。因此，在波長轉換部55中，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少移動過程中的能量損失。特別地，通過控制每個波長轉換部55中的載流子生成部的尺寸和厚度，并因此設定載流子從在波長轉換部55的載流子生成部中生成直至其到達波長轉換部55的載流子選擇性轉移部為止的移動長度為約IOnm以下，可以大大減少移動過程中的能量損失。此外，通過采用其中在波長轉換部55的載流子生成部中使用半導體材料的實施方案，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可以顯著拓寬可用以生成載流子的光的波長范圍。另外，在其中在波長轉換部55生成的單色光被輸入到光電轉換部52的太陽能電池300中，輸入到光電轉換部52的單色光的能量固定在E5。因此，通過在光電轉換部52中使用具有對應于E5的能隙的半導體材料，易于減少能量損失。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠提高光電轉換效率的太陽能電池300。在太陽能電池300中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換部55的效率，易于提高光電轉換效率。
[0106]在太陽能電池300中，構成波長轉換部55的載流子生成部的半導體材料的能隙E4可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.6eV。在其中在波長轉換部55的載流子生成部中生成的載流子的移動長度被設定為IOnm以下的情況下，由于量子效應，載流子生成部的能隙變得比本體材料的能隙大。本發(fā)明的本實施方案中的波長轉換部55的載流子生成部可使用與上述載流子生成部31所用的那些相似的材料和方法來制造。
[0107]本發(fā)明的本實施方案中的波長轉換部55的載流子選擇性轉移部可使用與上述載流子選擇性轉移部32所用的那些相似的材料和方法來制造。另外，本發(fā)明的本實施方案中的波長轉換部55的發(fā)光部可使用與上述發(fā)光部33所用的那些相似的材料和方法來制造。
[0108]在制造光電轉換部52的一部分后，將以此方式構造的多個波長轉換部55分散在光電轉換部52的表面上。接下來，通過反復地進行在經分散的波長轉換部55的表面上制造光電轉換部52的一部分的操作，多個波長轉換部55可被分散在i層52內。
[0109]η層51、光電轉換部52和ρ層53的能隙Ε6可設定為例如至少0.9eV并且不超過
3.0eV,并且η層51、光電轉換部52和ρ層53可使用與上述光電轉換部40所用的那些相似的材料。η層51和ρ層53的厚度可設定為例如約IOOnm, i層52的厚度可設定為例如約0.1至約I μ m。此外，η層51、光電轉換部52和ρ層53可通過與上述光電轉換部40所用的那些相似的方法來制造。
[0110]在太陽能電池300的上述說明中，描述了其中多個波長轉換部55僅分散在i層52中的實施方案。然而，根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的光電轉換裝置(上轉換型光電轉換裝置；下同)不限于此形式。在根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案的光電轉換裝置中，波長轉換部可以不僅分散在i層中而且可以分散在η層和/或ρ層中。
[0111]將在下文描述根據(jù)本發(fā)明的第一至第三實施方案的光電轉換裝置中可使用的波長轉換部的實施方案。
[0112]圖4為示意了波長轉換部61的一個實施方案的截面圖。圖4示出了波長轉換部61的一部分的放大視圖。如圖4中所示，波長轉換部61具有透明材料61a和多個波長轉換顆粒61b，所述多個波長轉換顆粒61b分散在透明材料61a中并由透明材料61a保持。透明材料部61a由允許光穿過而不吸收待被波長轉換顆粒61b吸收的光的透明材料(例如，具有至少4.0eV的能隙的透明材料)構成。每個波長轉換顆粒61b具有在其中心處的載流子生成部61x并且包括同心地從中心向外布置的載流子生成部61x、載流子選擇性轉移部61y和發(fā)光部61z。載流子生成部61x、載流子選擇性轉移部61y和發(fā)光部61z各自由半導體材料構成。載流子選擇性轉移部61y包括同心地從中心側向外布置的阻擋層61ya、量子阱層61yb和阻擋層61ya，阻擋層61ya中的每一個的厚度設定為使得載流子可通過隧道傳導從中穿過。設置在中心側的阻擋層61ya形成在載流子生成部61x的表面上，量子阱層61yb形成在設置在中心側上的阻擋層61ya的表面上，而設置在外側上的阻擋層61ya形成在量子阱層61yb的表面上。構成阻擋層61ya的半導體材料的能隙大于構成量子阱層61yb的半導體材料的能隙，并且在量子阱層61yb的導帶和價帶中形成歸因于量子限域效應的離散能級。在載流子選擇性轉移部61y中，量子阱層61yb的導帶中的最低離散能級與量子阱層61yb的價帶中的最低離散能級之間的能量差比構成發(fā)光部61z的半導體材料的能隙大約0.1eV0此外，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量的能帶圖而言，量子阱層61yb的導帶中的最低離散能級位于構成發(fā)光部61z的半導體材料的導帶的底部邊緣上方0.05eV處，而量子阱層61yb的價帶中的最低離散能級位于比構成發(fā)光部61z的半導體材料的價帶的頂部邊緣下方0.05eV處。
[0113]當光落在以此方式構造的波長轉換部61上時，光穿過透明材料部61a，到達波長轉換顆粒61b。當光進入波長轉換顆粒61b時，具有比載流子生成部61x的能隙大的能量的光被吸收，并且在載流子生成部61x中生成具有不同能量的電子和空穴。
[0114]這里，設置在中心側上的阻擋層61ya的厚度設定為使得在載流子生成部61x中生成的載流子可通過隧道傳導移動到量子阱層61yb，而設置在外側上的阻擋層61ya的厚度設定為使得位于量子阱層61yb中的載流子可通過隧道傳導移動到發(fā)光部61z。因此，在載流子生成部61x中生成的電子和空穴中，那些具有對應于在量子阱層61yb的導帶或價帶中形成的離散能級的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層61yb的離散能級到達發(fā)光部61z。以此方式移動到發(fā)光部61z的電子和空穴在發(fā)光部61z復合,成為單色光。在載流子生成部61x中生成的電子中，具有與在量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些電子將通過與在載流子生成部61x中生成的其它電子的相互能量轉移而變得具有與在量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。類似地，在載流子生成部61x中生成的空穴中，具有與在量子阱層61yb的價帶中形成的離散能級不同的能量的一些空穴將通過與在載流子生成部61x中生成的其它空穴的相互能量轉移而變得具有與在量子阱層61yb的價帶中形成的離散能級相同的能量。變得具有與在量子阱層61yb的導帶和價帶中形成的離散能級相同的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層61yb的離散能級而到達發(fā)光部61z，并在發(fā)光部61z復合，成為單色光。在其中在根據(jù)本發(fā)明的第一至第三實施方案的光電轉換裝置中使用波長轉換部61的情況下，可以此方式生成單色光。
[0115]在波長轉換部61中，透明材料61a可為Si02*SiNx，或者可為樹脂如聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯或甲基丙烯酸酯聚合物(丙烯酸類)?；蛘?，在本發(fā)明中，可以使用絕緣材料和不吸收待被載流子生成部61x吸收的光的半導體材料一起作為透明材料61a。
[0116]從例如具有在其下光被吸收并生成載流子的尺寸的角度出發(fā)，波長轉換顆粒61b中的載流子生成部61x的直徑設定為至少2nm，并且從例如能夠獲得量子限域效應和縮短載流子移動長度的角度出發(fā)，設定為不超過20nm。構成載流子生成部61x的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.6eV。當載流子生成部61x設定為上述尺寸時，歸因于量子效應，載流子生成部61x的能隙變得比本體材料的能隙大。在根據(jù)本實施方案的載流子生成部61x中可以使用與可用來構造上述載流子生成部31的半導體材料相似的材料，并且本實施方案的載流子生成部61x可通過與用來制造上述載流子生成部31的方法相似的方法來制造。
[0117]從例如提供在其下載流子能夠通過隧道傳導來移動的厚度的角度出發(fā)，阻擋層61ya的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過10nm。構成阻擋層61ya的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.2eV并且不超過4.0eV0阻擋層61ya可以使用與可構造上述載流子選擇性轉移部12的阻擋層的半導體材料相似的材料，并且這些阻擋層61ya可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的阻擋層的方法相似的方法來制造。
[0118]從提供在其下可在導帶和價帶中形成有限數(shù)目的離散能級的厚度的角度出發(fā)，量子阱層61yb的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過10nm，并且構成量子阱層61yb的半導體材料的能隙可設定為至少0.6eV并且不超過3.0eV0當量子阱層61yb設定為上述厚度時，歸因于量子效應，量子阱層61yb的能隙變得比本體材料的能隙大。此外，量子阱層61yb可以使用與可構造上述載流子選擇性轉移部12的量子阱層的半導體材料相似的材料，并且量子阱層61yb可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的量子阱層的方法相似的方法來制造。
[0119]發(fā)光部61z的厚度可設定為至少2nm以提供使得已移動到發(fā)光部61z的電子和空穴可復合的厚度，并且不超過20nm以提供使得在發(fā)光部61z中生成的單色光可易于行進到光電轉換部的厚度。構成發(fā)光部61z的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.6eV并且不超過3.0eV0發(fā)光部61z可以使用與可構造上述載流子選擇性轉移部12的發(fā)光部的半導體材料相似的材料，并且發(fā)光部61z可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的發(fā)光部的方法相似的方法來制造。
[0120]下面將針對其中PbSe用作載流子生成部61x、ZnS用作阻擋層61ya并且CdTe用作量子阱層61yb和發(fā)光部61z的情況，描述通過化學合成來制備波長轉換顆粒61b的一種示例性方法。
[0121](載流子生成部6Ix的合成)
[0122]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第一燒瓶”)中裝入苯基醚(作為溶劑)、油酸、三辛基膦和醋酸鉛(作為鉛源)，并通過在惰性氣體中加熱至約85°C來使醋酸鉛溶解，然后將燒瓶內容物冷卻至約45°C。接下來，向第一燒瓶中加入作為硒源的三辛基硒化膦。向與第一燒瓶獨立的燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第二燒瓶”)中裝入苯基醚并在惰性氣體中加熱至約200°C。接下來，向經加熱的第二燒瓶中倒入第一燒瓶中的已向其中加入硒源的溶液，并將第二燒瓶的內容物冷卻至約120°C。通過前述操作可產生具有約8nm的直徑的載流子生成部61x(PbSe量子點)。PbSe在本體材料中的能隙為0.27eV，但由于量子效應變?yōu)榧s0.7eV。
[0123](阻擋層6Iya的合成)
[0124]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第三燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鋅(作為鋅源)和雙(三甲基甲硅烷基)硫化物(作為硫源)，并將燒瓶內容物加熱至約300°C。接下來，向已被再加熱至約200°C的第二燒瓶中加入第三燒瓶中的溶液，并將內容物冷卻至約100°C。通過前述操作，在載流子生成部61x周圍形成了具有約3nm厚度的阻擋層61ya(ZnS層)。如此形成的ZnS層的能隙為3.58eV。
[0125](量子阱層61yb的合成)
[0126]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第四燒瓶”)中裝入三辛基膦、二甲基鎘(作為鎘源)和三辛基膦-碲(作為碲源)，并通過加熱至約220°C進行溶解。接下來，向已被再加熱至約240°C的第二燒瓶中加入第四燒瓶中的溶液。通過前述操作，在阻擋層61ya周圍形成具有約5nm的厚度的量子講層61yb(CdTe層)。CdTe在本體材料中的能隙為1.44eV，但由于量子效應變?yōu)榧s1.65eV。
[0127](阻擋層6Iya的合成)
[0128]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第五燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鋅(作為鋅源)和雙(三甲基甲硅烷基)硫化物(作為硫源)，并將燒瓶內容物加熱至約300°C。接下來，向已被再加熱至約200°C的第二燒瓶中加入第五燒瓶中的溶液，并將內容物冷卻至約100°C。通過前述操作，由此在量子阱層61yb周圍形成具有約3nm厚度的阻擋層61ya(ZnS層)。如此形成的ZnS層的能隙為3.58eV。
[0129](發(fā)光部61z的合成)
[0130]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換顆粒61b的方法的描述中稱為“第六燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鎘(作為鎘源)和三辛基膦-碲(作為碲源)，并通過加熱至約220°C進行溶解。接下來，向已被再加熱至約240°C的第二燒瓶中加入第六燒瓶中的溶液。通過前述操作，在阻擋層61ya周圍形成具有約IOnm厚度的發(fā)光部61z (CdTe層)。當如此形成發(fā)光部61z時，可經由例如其中使用甲醇進行洗滌的步驟獲得波長轉換顆粒61b。
[0131]在以此方式制得波長轉換顆粒61b后，將由上述物質構成的透明材料61a置于有機溶劑中，并將波長轉換顆粒61b分散于其中。然后通過涂布法如旋涂或浸涂或者通過印刷法如絲網印刷或噴墨印刷，將其中分散了透明材料61a和波長轉換顆粒61b的溶液施加到待在其上形成波長轉換部61的物質的表面上，然后進行退火處理。波長轉換部61可通過反復地施加所述分散體并進行退火處理來制造，即通過多次進行這些操作來制造。
[0132]圖5A為示出了波長轉換部62的一個實施方案的截面圖，圖5B為示出了波長轉換纖維62a的一個實施方案的截面圖。相對于其上繪制了圖5B的頁面的前/后方向為波長轉換纖維62a的軸向。在圖5A中，放大地示出了波長轉換部62的一部分并且示意性地示出了多根波長轉換纖維62a。在圖5A中，與上述波長轉換部61中的那些相似的要素以與圖4中所用相同的附圖標記來表示，并且在下文酌情略去對這些要素的說明。
[0133]如圖5A中所示，波長轉換部62具有透明材料61a和多根波長轉換纖維62a，所述波長轉換纖維62a分散在透明材料61a中并由透明材料61a保持。透明材料部61a由允許光穿過而不吸收待被波長轉換纖維62a吸收的光的透明材料(例如，具有至少4.0eV的能隙的透明材料)構成。如圖5B中所示，每根波長轉換纖維62a在中心處具有載流子生成部62x,并且還具有同心地從中心向外布置的載流子生成部62x、載流子選擇性轉移部62y和發(fā)光部62z。載流子生成部62x、載流子選擇性轉移部62y和發(fā)光部62z各自由半導體材料構成。載流子選擇性轉移部62y包括同心地從中心側向外布置的阻擋層62ya、量子阱層62yb和阻擋層62ya，阻擋層62ya中的每一個的厚度設定為使得載流子可通過隧道傳導從中穿過。設置在中心側上的阻擋層62ya形成在載流子生成部62x的表面上，量子阱層62yb形成在設置在中心側上的阻擋層62ya的表面上，而設置在外側上的阻擋層62ya形成在量子阱層62yb的表面上。構成阻擋層62ya的半導體材料的能隙大于構成量子阱層62yb的半導體材料的能隙，并且在量子阱層62yb的導帶和價帶中形成歸因于量子限域效應的離散能級。在載流子選擇性轉移部62y中，量子阱層62yb的導帶中的最低離散能級與量子阱層62yb的價帶中的最低離散能級之間的能量差比構成發(fā)光部62z的半導體材料的能隙大約0.1eV0此外，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量的能帶圖中，量子阱層62yb的導帶中的最低離散能級位于構成發(fā)光部62z的半導體材料的導帶的底部邊緣上方
0.05eV處，而量子阱層62yb的價帶中的最低離散能級位于構成發(fā)光部62z的半導體材料的價帶的頂部邊緣下方0.05eV處。
[0134]當光落在以此方式構造的波長轉換部62上時，光穿過透明材料部61a，到達波長轉換纖維62a。當光進入波長轉換纖維62a時，具有比載流子生成部62x的能隙大的能量的光被吸收，并在載流子生成部62x中生成具有不同能量的電子和空穴。
[0135]這里，設置在中心側上的阻擋層62ya的厚度設定為使得在載流子生成部62x生成的載流子可通過隧道傳導移動到量子阱層62yb，而設置在外側上的阻擋層62ya的厚度設定為使得位于量子阱層62yb中的載流子可通過隧道傳導移動到發(fā)光部62z。因此，在載流子生成部62x中生成的電子和空穴中，那些具有對應于在量子阱層62yb的導帶或價帶中形成的離散能級的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層62yb的離散能級到達發(fā)光部62z。以此方式移動到發(fā)光部62z的電子和空穴在發(fā)光部62z復合,成為單色光。在載流子生成部62x中生成的電子中，具有與在量子阱層62yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些電子將通過與在載流子生成部62x中生成的其它電子的相互能量轉移而變得具有與在量子阱層62yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。類似地，在載流子生成部62x中生成的空穴中，具有與在量子阱層62yb的價帶中形成的離散能級不同的能量的一些空穴將通過與在載流子生成部62x中生成的其它空穴的相互能量轉移而變得具有與在量子阱層62yb的價帶中形成的離散能級相同的能量。變得具有與在量子阱層62yb的導帶和價帶中形成的離散能級相同的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層62yb的離散能級到達發(fā)光部62z,并在發(fā)光部62z復合,成為單色光。在其中在根據(jù)本發(fā)明的第一至第三實施方案的光電轉換裝置中使用波長轉換部62的情況下，可以此方式生成單色光。
[0136]在波長轉換部62中，出于與上面關于上述載流子生成部61x所提到的相同原因，波長轉換纖維62a中的載流子生成部62x的直徑可設定為例如至少2nm并且不超過20nm，并且構成載流子生成部62x的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.6eV。當載流子生成部62x設定為前述厚度時，歸因于量子效應，載流子生成部62x的能隙變得比本體材料的能隙大。該載流子生成部62x可使用與上述載流子生成部31所用的半導體材料相似的材料，并且該載流子生成部62x可通過與上述載流子生成部31所用相似的方法來制造。在其中形成包埋在透明材料中的由波長轉換纖維62a構成的層的情況下，該層的厚度據(jù)推測不超過約I μ m,并因此期望防止波長轉換纖維62a突破該層。因此，優(yōu)選設定波長轉換纖維62a的軸向長度為例如至少20nm并且不超過500nm。
[0137]出于與上面關于前一實施方案的阻擋層61ya所提到的相同原因，本實施方案的阻擋層62ya的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過IOnm,并且構成這些阻擋層62ya的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.2eV并且不超過4.0eV0阻擋層62ya可以使用與上述載流子選擇性轉移部12的阻擋層所用的半導體材料相似的材料，并且這些阻擋層62ya可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的阻擋層的方法相似的方法來制造。
[0138]出于與上面關于前一實施方案的量子阱層61yb所提到的相同原因，量子阱層62yb的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過10nm，并且構成量子阱層62yb的半導體材料的能隙可設定為至少0.6eV并且不超過3.0eV0當量子阱層62yb設定為上述厚度時，歸因于量子效應，量子阱層62yb的能隙變得比本體材料的能隙大。此外，量子阱層62yb可使用與上述載流子選擇性轉移部12的量子阱層所用的半導體材料相似的材料，并且量子阱層62yb可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的量子阱層的方法相似的方法來制造。
[0139]出于與上面關于前一實施方案的發(fā)光部61z所提到的相同原因,發(fā)光部62z的厚度可設定為至少2nm并且不超過20nm。構成發(fā)光部62z的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.6eV并且不超過3.0eV0發(fā)光部62z可使用與上述載流子選擇性轉移部12的發(fā)光部所用的半導體材料相似的材料，并且發(fā)光部62z可通過與用來制造上述載流子選擇性轉移部12中的發(fā)光部的方法相似的方法來制造。
[0140]下面將針對其中PbSe用作載流子生成部62x、ZnS用作阻擋層62ya并且CdTe用作量子阱層62yb和發(fā)光部62z的情況描述通過化學合成制備波長轉換纖維62a的一種示例性方法。
[0141](載流子生成部62x的合成)
[0142]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第一燒瓶”)中裝入苯基醚(作為溶劑)、油酸和醋酸鉛(作為鉛源)，并通過在惰性氣體中加熱至約150°C來使醋酸鉛溶解，然后將燒瓶內容物冷卻至約60°C。接下來，向第一燒瓶中加入作為硒源的三辛基硒化膦以及三辛基膦。向與第一燒瓶獨立的燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第二燒瓶”)中裝入苯基醚和十四烷基膦，并在惰性氣體中加熱至約250°C (加入的溶液的溫度)。接下來，向經加熱的第二燒瓶中倒入第一燒瓶中的已向其中加入硒源的溶液，并將第二燒瓶的內容物保持在約180°C (反應溫度)。通過前述操作可產生具有約6nm厚度的載流子生成部62x(PbSe纖維)。這里，隨著加入的溶液的溫度和反應溫度變高以及溶液中起始材料的濃度比Pb/Se變大，將變得更可能形成纖維而不是顆粒。PbSe在本體材料中的能隙為0.27eV，但由于量子效應變?yōu)榧s0.7eV。
[0143](阻擋層62ya的合成)
[0144]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第三燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鋅(作為鋅源)和雙(三甲基甲硅烷基)硫化物(作為硫源)，并將燒瓶內容物加熱至約300°C。接下來，向已被再加熱至約200°C的第二燒瓶中加入第三燒瓶中的溶液，并將內容物冷卻至約100°C。通過前述操作，在載流子生成部62x周圍形成具有約3nm厚度的阻擋層62ya(ZnS層)。如此形成的ZnS層的能隙為3.58eV。
[0145](量子阱層62yb的合成)
[0146]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第四燒瓶”)中裝入三辛基膦、二甲基鎘(作為鎘源)和三辛基膦-碲(作為碲源)，并通過加熱至約220°C進行溶解。接下來，向已被再加熱至約240°C的第二燒瓶中加入第四燒瓶中的溶液。通過前述操作，在阻擋層62ya周圍形成具有約5nm厚度的量子阱層62yb (CdTe層)。CdTe在本體材料中的能隙為1.44eV，但由于量子效應變?yōu)榧s1.65eV。
[0147](阻擋層62ya的合成)
[0148]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第五燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鋅(作為鋅源)和雙(三甲基甲硅烷基)硫化物(作為硫源)，并將燒瓶內容物加熱至約300°C。接下來，向已被再加熱至約200°C的第二燒瓶中加入第五燒瓶中的溶液，并將內容物冷卻至約100°C。通過前述操作，在量子阱層62yb周圍形成具有約3nm厚度的阻擋層62ya(ZnS層)。如此形成的ZnS層的能隙為3.58eV。
[0149](發(fā)光部62z的合成)
[0150]向燒瓶(在下面的關于制備波長轉換纖維62a的方法的描述中稱為“第六燒瓶”)中裝入三辛基膦，然后加入二甲基鎘(作為鎘源)和三辛基膦-碲(作為碲源)，并通過加熱至約220°C進行溶解。接下來，向已被再加熱至約240°C的第二燒瓶中加入第六燒瓶中的溶液。通過前述操作，在阻擋層62ya周圍形成具有約IOnm厚度的發(fā)光部62z (CdTe層)。當如此形成發(fā)光部62z時，可經由例如其中使用甲醇進行洗滌的步驟獲得波長轉換纖維62a。
[0151]在以此方式制得波長轉換纖維62a后，將由上述物質構成的透明材料61a置于有機溶劑中，并將波長轉換纖維62a分散于其中。然后通過涂布法如旋涂或浸涂或者通過印刷法如絲網印刷或噴墨印刷，將其中分散了透明材料61a和波長轉換纖維62a的溶液施加到待在其上形成波長轉換部62的物質的表面上，然后進行退火處理。波長轉換部62可通過反復地施加所述分散體并進行退火處理來制造，即通過多次進行這些操作來制造。
[0152]在波長轉換部61和62中，對保持在透明材料61a中的波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的數(shù)目不設特別的限制。然而，為了吸收在處于和高于載流子生成部61x或62x的能隙的波長范圍中至少60%、并優(yōu)選至少80%的光子，期望設定波長轉換部61或62中的載流子生成部61x或62x的總厚度(B卩，在太陽光的行進方向上的厚度；下同)為至少約IOOnm并且不超過約500nm。在其中載流子生成部6Ix或62x的直徑為至少2nm并且不超過20nm的情況下，可通過層疊波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的約5至250個層將載流子生成部61x或62x的總厚度設定為至少約IOOnm并且不超過約500nm。例如,在其中載流子生成部61x或62x的直徑為約IOnm的情況下，可層疊波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的約10至約50個層。
[0153]另外，在波長轉換部61和62中，雖然對保持在透明材料61a中的相鄰的波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a之間的間距不設限制，但從例如獲得易于提高光電轉換效率的實施方案的角度出發(fā)，優(yōu)選所述間距設定為波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的直徑的至少約0.2倍但不超過約2倍。例如，在其中波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的直徑為20nm的情況下，所述間距可設定為至少約4nm但不超過約40nm。
[0154]此外，在波長轉換部61和62中，關于制造過程中混合于一起的透明材料61a相對于波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的體積比，當波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a的體積假定為I時，則透明材料61a的體積可設定為至少約0.5并且不超過約20的值。
[0155]在波長轉換部61和62的上述說明中，描述了其中波長轉換顆粒61b或波長轉換纖維62a分散在透明材料61a中的實施方案。然而，本發(fā)明的波長轉換部不限于這些實施方案。本發(fā)明的光電轉換裝置可具有由分散在透明材料61a中的波長轉換顆粒61b和波長轉換纖維62a 二者構成的波長轉換部。本發(fā)明的光電轉換裝置的又一個可能的實施方案為不使用透明材料61a而是具有通過例如使波長轉換顆粒61b和/或波長轉換纖維62a經受壓制操作所形成的波長轉換部的實施方案。然而，為了獲得其中波長轉換部的形狀易于限定的實施方案，優(yōu)選具有由分散在透明材料61a中的波長轉換顆粒61b和/或波長轉換纖維62a構成的波長轉換部的實施方案。
[0156]圖6為不出了波長轉換部63的一個實施方案的截面圖。圖6中的垂直方向為光的行進方向并且也為波長轉換部63的厚度方向。如圖6中所示，波長轉換部63具有在其厚度方向上設置在中心處的載流子生成部63x、設置為使得包夾載流子生成部63x的一對載流子選擇性轉移部63y以及設置為使得另外從外面將被一對載流子選擇性轉移部63y包夾在中間的載流子生成部63x包夾的一對發(fā)光部63z。載流子生成部63x、一對載流子選擇性轉移部63y和一對發(fā)光部63z分別由半導體材料構成。各自的載流子選擇性轉移部63y中的每一個具有從載流子生成部63x側向各自的發(fā)光部63z側依次設置的阻擋層63ya、量子阱層63yb和阻擋層63yc，阻擋層63ya的厚度設定為使得載流子可通過隧道傳導從中穿過。構成阻擋層63ya的半導體材料的能隙大于構成載流子生成部63x的半導體材料的能隙并且大于構成各自的量子阱層63yb的半導體材料的能隙，其結果是，在量子阱層63yb的導帶和價帶中形成歸因于量子限域效應的離散能級。在載流子選擇性轉移部63y中，量子阱層63yb的導帶中的最低離散能級與量子阱層63yb的價帶中的最低離散能級之間的能量差比構成發(fā)光部63z的半導體材料的能隙大約0.1eV0此外，在繪制為使得圖的上部區(qū)域表示電子的較高能量的能帶圖中，量子阱層63yb的導帶中的最低離散能級位于構成發(fā)光部63z的半導體材料的導帶的底部邊緣上方0.05eV處，而量子阱層63yb的價帶中的最低離散能級位于構成發(fā)光部63z的半導體材料的價帶的頂部邊緣下方0.05eV處。波長轉換部63可如下制造。例如，在形成位于圖6中底側上的發(fā)光部63z后，可通過在發(fā)光部63z的頂表面上形成阻擋層63ya、在阻擋層63ya的頂表面上形成量子阱層63yb并在量子阱層63yb的頂表面上形成阻擋層63ya來在發(fā)光部63z的頂表面上形成載流子選擇性轉移部63y。一旦如此形成載流子選擇性轉移部63y，可在其頂表面上形成載流子生成部63x。接下來，通過在載流子生成部63x的頂表面上形成阻擋層63ya、在阻擋層63ya的頂表面上形成量子阱層63yb并在量子阱層63yb的頂表面上形成阻擋層63ya來在載流子生成部63x的頂表面上形成載流子選擇性轉移部63y。然后在如此形成的載流子選擇性轉移部63y的頂表面上形成發(fā)光部63z。通過此步驟順序，可以制造具有多層構造的波長轉換部63。
[0157]如此構造的波長轉換部63可設置在例如光電轉換部內。圖7為示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的太陽能電池301的截面圖，該太陽能電池301具有在其內部處具有多個波長轉換部63的光電轉換部73。圖7中的橫向為光行進的方向并且也為波長轉換部63的厚度方向。在圖7中，示意性地示出了波長轉換部63。圖7中與上述太陽能電池100中的那些相似的要素以與圖1A中所用相同的附圖標記來表示，并且在下文酌情略去對這些要素的說明。
[0158]圖7中示出的太陽能電池301具有表面電極24、背電極25、連接到表面電極24的多個η層71、連接到背電極25的多個ρ層72以及設置在η層71和ρ層72之間的多個波長轉換部63。η層71位于太陽能電池301的一端處,在太陽能電池301中，表面電極24在光的行進方向上設置在上游側上，而P層72位于太陽能電池301的一端處，在太陽能電池301中，背電極25在光行進的方向上設置在下游側上。多個層疊的層73相繼設置在表面電極24和背電極25之間，每個層疊的層73由在光行進的方向上從上游側依次布置的η層71、波長轉換部63和ρ層72構成。層疊的層73中包含的η層71通過設置在圖7中頂部側上的η層71連接在一起，而層疊的層73中包含的ρ層72通過設置在圖7中底部側上的P層72連接在一起。在太陽能電池301中，構成η層71的半導體材料的能隙和構成ρ層72的半導體材料的能隙各自比在發(fā)光部63ζ中生成的單色光的能量小約0.1eV0在太陽能電池301中，未被η層71或ρ層72吸收的光將被波長轉換部63吸收，而在波長轉換部63的發(fā)光部63ζ生成的單色光將被η層71和ρ層72吸收。
[0159]當光落在太陽能電池301上時，光穿過η層71或者η層71和ρ層72，并到達所述多個波長轉換部63 (下文也簡稱為“波長轉換部63”)。當光到達η層71和/或ρ層72時，一些光被吸收，產生載流子。如此生成的電子經由連接到表面電極24的η層71被收集在表面電極24處，并且如此生成的空穴經由連接到背電極25的ρ層72被收集在背電極25處。
[0160]當光進入波長轉換部63中之一時，具有比載流子生成部63χ的能隙大的能量的光被吸收，并在載流子生成部63χ中生成具有不同能量的電子和空穴。這里，設置在載流子生成部63χ的任一側上的阻擋層63ya的厚度設定為使得載流子可通過隧道傳導移動到量子阱層63yb，而設置在量子阱層63yb和發(fā)光部63z之間的阻擋層63ya的厚度設定為使得載流子可通過隧道傳導移動到發(fā)光部63z。因此，在載流子生成部63x中生成的電子和空穴中，那些具有對應于在量子阱層63yb的導帶或價帶中形成的離散能級的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層63yb的離散能級到達發(fā)光部63z。如此移動到發(fā)光部63z的電子和空穴在發(fā)光部63z復合，成為單色光。另一方面，在載流子生成部63x中生成的電子中，具有與在量子阱層63yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些電子通過與在載流子生成部63x中生成的其它電子進行相互能量轉移而變得具有與在量子阱層63yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。類似地，在載流子生成部63x中生成的空穴中，具有與在量子阱層63yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些空穴通過與在載流子生成部63x中生成的其它空穴進行相互能量轉移而變得具有與在量子阱層63yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。如此變得具有與在量子阱層63yb的導帶和價帶中形成的離散能級相同的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層63yb的離散能級到達發(fā)光部63z并在發(fā)光部63z復合，成為單色光。在發(fā)光部63z中生成的單色光到達位置鄰近于波長轉換部63的n層71或p層72并被n層71或p層72吸收。通過吸收所述單色光生成的電子穿過位于圖7中頂部側上的n層71并且被收集在表面電極24處，而通過吸收所述單色光生成的空穴穿過位于圖7中底部側上的p層72并且被收集在背電極25處。
[0161]使用如此吸收光并收集電子和空穴的該太陽能電池301，可以大大擴展在n層71或p層72中向電轉換的過程中所利用的光的波長范圍。此外，波長轉換部63的一個目的在于允許在載流子生成部63x中生成的載流子在發(fā)光部63z復合；其無意于將生成的載流子直接提取到外部。因此，在波長轉換部63中，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少移動過程中的能量損失。特別地，通過控制載流子生成部63x的厚度，并由此設定載流子從在載流子生成部63x中生成直至其到達載流子選擇性轉移部63y為止的移動長度為約IOnm以下，可以大大減少移動過程中的能量損失。此外，在其中載流子生成部63x使用半導體材料的實施方案中，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可以顯著拓寬可用以生成載流子的光的波長范圍。另夕卜，在其中在波長轉換部63中生成的單色光被輸入到n層71或p層72的太陽能電池301中，輸入到n層71或p層72的光的能量是固定的。因此，通過對n層71或p層72使用具有對應于所述固定能量的能隙的半導體材料，將易于減少能量損失。因此，使用該太陽能電池301，也可以提高光電轉換效率。此外，在該太陽能電池301中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換部63的效率，易于提高光電轉換效率。
[0162]在太陽能電池301中，出于與上面關于上述載流子生成部61x和62x所提到的相同原因，載流子生成部63x的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過20nm，并且構成載流子生成部63x的半導體材料的能隙可設定為例如至少0.4eV并且不超過1.6eV。通過賦予載流子生成部63x前述厚度，歸因于量子效應，載流子生成部63x的能隙變得比本體材料的能隙大。另外，該載流子生成部63x可使用與上述載流子生成部31所用的半導體材料相似的材料。在其中載流子生成部63x由第IV族元素如Ge或Si或者第II1-V族化合物如InAs、GaSb、GaAsSb、GalnAs、InP或GaAs構成的情況下，載流子生成部63x可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。在其中載流子生成部63x由第IV-VI族化合物如PbSe或PbS或第I1-VI族化合物如CdTe構成的情況下，載流子生成部63x可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或化學浴沉積來制造?；蛘撸扇缦聛磉M行制造:在通過溶膠-凝膠法、溶劑熱法等合成顆粒后，通過在有機溶劑中混合所述顆粒并使用涂布法如旋涂或浸涂或者印刷法如絲網印刷或噴墨印刷將所得混合物施加到待在其上形成載流子生成部63x的物質的表面上，然后進行退火處理。
[0163]出于與上面關于上述實施方案中的阻擋層61ya和阻擋層62ya所提到的相同原因，本實施方案中的阻擋層63ya的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過20nm,并且構成阻擋層63ya的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.2eV并且不超過4.0eV0另外，本實施方案的阻擋層63ya和第二阻擋層63yc可使用與上述載流子選擇性轉移部12的阻擋層所用的半導體材料相似的材料。在其中阻擋層63ya由第II1-V族化合物如InP、GaAs、AlGaAs、GaInP、AlAs、GaP或GaN構成的情況下，阻擋層63ya可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。在其中阻擋層63ya由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTe、CdS、ZnSe或ZnS構成的情況下，阻擋層63ya可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或化學浴沉積來制造?；蛘?，可如下來進行制造:在通過溶膠-凝膠法、溶劑熱法等合成顆粒后，通過在有機溶劑中混合所述顆粒并使用涂布法如旋涂或浸涂或者印刷法如絲網印刷或噴墨印刷將所得混合物施加到待在其上形成阻擋層63ya的物質(發(fā)光部63z、量子阱層63yb或載流子生成部63x)的表面上，然后進行退火處理。
[0164]出于與上面關于上述實施方案中的量子阱層61yb和62yb所提到的相同原因，量子阱層63yb的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過10nm，并且構成量子阱層63yb的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.0eV并且不超過3.0eV0當量子阱層63yb設定為前述厚度時，歸因于量子效應，量子阱層63yb的能隙變得比本體材料的能隙大。此外，該量子阱層63yb可使用與上述載流子選擇性轉移部12的量子阱層所用的半導體材料相似的材料。在其中量子阱層63yb由第IV族元素如Ge或Si或者第II1-V族化合物如GaSb、GaAsSb、GaInAs> InP、GaAs> AlGaAs> GalnP、AlAs或GaP構成的情況下，量子講層63yb可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。在其中量子阱層63yb由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTe、CdS或ZnSe構成的情況下,量子講層63yb可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或化學浴沉積來制造。或者，可如下來進行制造:在通過溶膠-凝膠法、溶劑熱法等合成顆粒后，通過在有機溶劑中混合所述顆粒并使用涂布法如旋涂或浸涂或者印刷法如絲網印刷或噴墨印刷將所得混合物施加到待在其上形成量子阱層63yb的阻擋層63ya的表面上，然后進行退火處理。
[0165]出于與上面關于上述實施方案中的發(fā)光部61z和62z所提到的相同原因，發(fā)光部63z的厚度可設定為例如至少2nm并且不超過20nm,并且構成發(fā)光部63z的半導體材料的能隙可設定為例如至少1.0eV并且不超過3.0eV0該發(fā)光部63z可使用與上述載流子選擇性轉移部12的發(fā)光部所用的半導體材料相似的材料。在其中發(fā)光部63z由第IV族元素如Ge 或 Si 或者第 II1-V 族化合物如 GaSb, GaAsSb, GaInAs, InP、GaAs, AlGaAs, GalnP、AlAs或GaP構成的情況下，發(fā)光部63z可通過氣相生長法如MOCVD或MBE來制造。在其中發(fā)光部63z由第I1-VI族化合物如CdTe、CdSe、ZnTe、CdS或ZnSe構成的情況下，發(fā)光部63z可通過包括離子噴鍍的真空沉積法、通過氣相生長法如濺射或通過化學合成如溶膠-凝膠法或化學浴沉積來制造?；蛘?，可如下來進行制造:在通過溶膠-凝膠法、溶劑熱法等合成顆粒后，通過在有機溶劑中混合所述顆粒并使用涂布法如旋涂或浸涂或者印刷法如絲網印刷或噴墨印刷將所得混合物施加到待在其上形成發(fā)光部63z的材料(包括阻擋層63ya)的表面上，然后進行退火處理。
[0166]在太陽能電池301的前述說明中，描述了其中多個層疊的層73相繼布置的實施方案。然而，具有波長轉換部63的本發(fā)明光電轉換裝置不限于此實施方案。本發(fā)明的光電轉換裝置還可以以其中波長轉換部63設置在鄰近于彼此的η層和ρ層之間的每一個界面處的形式實施。
[0167]η層71和ρ層72的能隙可設定為例如至少0.9eV并且不超過3.0eV0 η層71和P層72可使用與光電轉換部40相似的材料。η層71和P層72的厚度可設定為約lOOnm。η層71和ρ層72可通過與光電轉換部40的那些相似的方法來制造。
[0168]圖8Α為示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的太陽能電池302的截面圖。圖8Α中的橫向為光的行進方向。在圖8Α中，示意性地示出了多個波長轉換顆粒6lb、多個ρ-型材料56a和多個η-型材料56b。在圖8A中，與上述太陽能電池300中的那些相似的要素以與圖3中所用相同的附圖標記表示，并且在下文酌情略去對這些要素的說明。
[0169]如圖8A中所示，太陽能電池302具有η層59和ρ層57，并且還具有設置在η層59和ρ層57之間的混合p-n接合層56。表面電極24連接到η層59，背電極25連接到ρ層57。在混合p-n接合層56中，多個用作p_型半導體的p_型材料56a和多個用作η-型半導體的η-型材料56b在納米級水平上混合并具有本體異質結結構，其中p-n接合界面分散在整個混合p-n接合層56中。另外，多個波長轉換顆粒61b分散在混合p-n接合層56中?；旌蟨-n接合層56內的至少一些ρ-型材料56a相互接觸,并且一些p_型材料56a與P層57接觸。同樣,混合p-n接合層56內的至少一些η-型材料56b相互接觸，并且一些η-型材料56b與η層59接觸。在太陽能電池302中，構成η層59、ρ-型材料56a、n_型材料56b和ρ層57的半導體材料的能隙比在波長轉換顆粒61b的發(fā)光部61z中生成的單色光的能量小約0.1eV0在太陽能電池302中，未被η層59、ρ-型材料56a、n_型材料56b或P層57吸收的光被波長轉換顆粒61b吸收，而由波長轉換顆粒61b中的發(fā)光部61z生成的單色光被η層59、ρ-型材料56a、η-型材料56b和ρ層57吸收。
[0170]當光落在太陽能電池302上時，光穿過η層59。未被η層59吸收的光到達波長轉換顆粒61b。當光到達波長轉換顆粒61b時，具有比載流子生成部61x的能隙大的能量的光被吸收，在載流子生成部61x中生成具有不同能量的電子和空穴。在所生成的電子和空穴中，那些具有對應于量子阱層61yb的導帶或價帶中形成的離散能級的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層61yb中的離散能級到達發(fā)光部61z，并在發(fā)光部61z復合，成為單色光。在載流子生成部61x生成的電子中，具有與在量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些電子通過與在載流子生成部61x生成的其它電子進行相互能量轉移而變得具有與量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。類似地，在載流子生成部61x生成的空穴中，具有與在量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級不同的能量的一些空穴通過與在載流子生成部61x生成的其它空穴進行相互能量轉移而變得具有與量子阱層61yb的導帶中形成的離散能級相同的能量。如此變得具有與在量子阱層61yb的導帶和價帶中形成的離散能級相同的能量的電子和空穴能夠通過隧道傳導經由量子阱層61yb的離散能級到達發(fā)光部61z并在發(fā)光部61z復合，成為單色光。
[0171]在發(fā)光部61z中生成的單色光被與波長轉換顆粒61b —起存在于混合p-n接合層56內的ρ-型材料56a或η-型材料56b所吸收。構成ρ-型材料56a和η-型材料56b的半導體材料的能隙比在發(fā)光部61z中生成的單色光的能量低約0.1eV0因此，在發(fā)光部61z中生成的單色光被p-型材料56a或n-型材料56b所吸收,并且在p_型材料56a或n_型材料56b中生成電子和空穴。由于所述單色光的能量與構成p-型材料56a和n_型材料56b的半導體材料的能隙之間的差異僅為約0.1eV,因而如此生成的電子和空穴將通過由P-型材料56a和n-型材料56b的p-n結所形成的內部電場分離而基本沒有能量損失，使得電子通過n-型材料56b移動到n層59并且被收集在連接到n層59的表面電極24處，而空穴通過P-型材料56a移動到p層57并且被收集在連接到p層57的背電極25處。
[0172]使用如此吸收光并收集電子和空穴的該太陽能電池302，可以大大擴展向電轉換的過程中所利用的光的波長范圍。此外，波長轉換顆粒61b的一個目的在于允許在載流子生成部61x中生成的載流子在發(fā)光部61z復合；其無意于將生成的載流子直接提取到外部。因此，在波長轉換顆粒61b中，和在使用量子結構的常規(guī)熱載流子太陽能電池中不同，無需使載流子一直移動到電極，使得可以顯著減少移動過程中的能量損失。特別地，通過控制載流子生成部61x的直徑，并由此設定載流子從在載流子生成部61x中生成直至其到達載流子選擇性轉移部61y為止的移動長度為約IOnm以下，可以大大減少移動過程中的能量損失。此外，通過采用其中載流子生成部61x使用半導體材料的實施方案，與使用熒光材料的常規(guī)上轉換太陽能電池相比，可以顯著拓寬可用以生成載流子的光的波長范圍。另外，在其中在波長轉換顆粒61b中生成的單色光被P-型材料56a或n-型材料56b所吸收的太陽能電池302中，輸入到P-型材料56a或n_型材料56b的光的能量是固定的。因此，通過對P-型材料56a或n-型材料56b使用具有對應于所述固定能量的能隙的半導體材料，將易于減少能量損失。因此，使用該太陽能電池302，也可以提高光電轉換效率。同樣在該太陽能電池302中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換顆粒61b的效率，易于提高光電轉換效率。
[0173]在該太陽能電池302中，電子給體分子如聚己基噻吩(P3HT)、聚烷基噻吩(P3AT)和并五苯可用作p-型材料56a?？墒筽_型材料56a呈微粒、分子或聚合物形式。電子受體分子如富勒烯和富勒烯衍生物(PCBM)可用作n-型材料56b。可使n_型材料56b呈微粒、分子或聚合物形式。另外，n層59可由與n層51相似的材料構成，p層57可由與p層53相似的材料構成。
[0174]對混合p-n接合層56中包含的波長轉換顆粒61b、p-型材料56a和n_型材料56b之間的混合比，不設特別的限制。重量比可設定如下:波長轉換顆粒61b: p-型材料56a: n-型材料56b = 2:1:1。波長轉換顆粒61b、p-型材料56a和n_型材料56b的混合比可在使得每個比例為0.1至10的范圍內適當改變。
[0175]n層59和p層57的能隙可設定為例如至少0.9eV并且不超過3.0eV0 n層59和P層57可使用與上述光電轉換部40所用的那些相似的材料。n層59和p層57的厚度可設定為例如約lOOnm，并且n層59和p層57可通過與上述光電轉換部40所用的方法相似的方法來制造。
[0176]下面將描述制造如此構造的太陽能電池302的方法的實施方案。太陽能電池302的制造涉及首先在可用的襯底如玻璃或塑料上通過常規(guī)方法如氣相沉積形成由金屬材料如Al、Ag或Au或者透明導電膜如IT0、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)或氟摻雜的氧化錫(FTO)制成的背電極25。接下來，通過方法如旋涂或浸涂將p層形成組合物施加到背電極25的表面上，所述P層形成組合物通過混合約I至10重量％的用于P層57的P-型半導體材料與有機溶劑(例如，二甲苯、氯仿、氯苯；下同)而制得。然后，使所施加的組合物在室溫下保持數(shù)十分鐘到約2小時的時間，或在約100°C的干燥爐中保持約10分鐘，使得有機溶劑蒸發(fā)，從而形成P層57。一旦如此形成了 ρ層57，通過向有機溶劑中加入總量為約I至10重量％的波長轉換顆粒61b、p-型材料56a和η-型材料56b來制備混合p-η接合層形成組合物。波長轉換顆粒61b可通過上面描述的方法制備。接下來，通過方法如旋涂或浸涂將混合P-n接合層形成組合物施加到P層57的表面上。然后，使所施加的組合物在室溫下保持數(shù)十分鐘到約2小時的時間，或在約100°C的干燥爐中保持約10分鐘，使得有機溶劑蒸發(fā)，從而形成混合P-n接合層56。一旦如此形成了混合p-n接合層56，通過常規(guī)方法如氣相沉積在混合p-n接合層56的表面上形成由Zn0、Sn02、Ti02等構成的η層59?；蛘?通過方法如旋涂或浸涂將η層形成組合物施加到混合p-n接合層56的表面上，所述η層形成組合物通過混合約I至10重量％的用于η層59的η-型半導體材料與有機溶劑而制得。然后，使所施加的組合物在室溫下保持數(shù)十分鐘到約2小時的時間，或在約100°C的干燥爐中保持約10分鐘，使得有機溶劑蒸發(fā)，從而形成η層59。一旦如此形成了 η層59，通過常規(guī)方法如真空沉積在η層59的表面上形成由梳形金屬材料如Al、Ag或Au或者透明導電膜如氧化銦錫(ITO)、鋁摻雜的氧化鋅(AZO)和氟摻雜的氧化錫(FTO)構成的表面電極24。這是可用來制造太陽能電池302的一種方法。在太陽能電池302的制造過程中，干燥氣氛優(yōu)選惰性氣體氣氛如氮氣或氬氣。
[0177]圖8B為示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的太陽能電池303的截面圖。圖8B中圖平面的橫向為光的行進方向。圖8B示意性地示出了多根波長轉換纖維62a、多個ρ-型材料56a和多個η-型材料56b。在圖8B中，與上述太陽能電池302中的那些相似的要素以與圖8A中所用相同的附圖標記來表示，并且在下文酌情略去對這些要素的說明。
[0178]如圖8B中所示，太陽能電池303具有η層59和ρ層57，并且還具有設置在η層59和P層57之間的混合p-n接合層58。ρ-型材料56a和η-型材料56b在混合p-η接合層58中在納米級水平上混合并具有本體異質結結構，其中p-n接合界面分散在整個混合p-n接合層58中。另外，多根波長轉換纖維62a分散在混合p-n接合層58中?；旌蟨-n接合層58內的至少一些ρ-型材料56a相互接觸,并且一些p_型材料56a與ρ層57接觸。同樣，混合p-n接合層58內的至少一些η-型材料56b相互接觸,并且一些η-型材料56b與η層59接觸。在太陽能電池303中，構成η層59、ρ-型材料56a、n_型材料56b和ρ層57的半導體材料的能隙比在波長轉換纖維62a的發(fā)光部62ζ中生成的單色光的能量小約0.1eV0在太陽能電池303中，未被η層59、ρ-型材料56a、η-型材料56b或ρ層57吸收的光被波長轉換纖維62a吸收，而由波長轉換纖維62a的發(fā)光部62z生成的單色光被η層59、ρ-型材料56a、η-型材料56b和ρ層57吸收。也就是說，除分散的是波長轉換纖維62a而不是波長轉換顆粒61b外，該太陽能電池303具有與上述太陽能電池302相似的構造。
[0179]如上面所提到的，本實施方案的波長轉換纖維62a，同前一實施方案的波長轉換顆粒61b —樣，能夠生成單色光。因此，同在太陽能電池302的情況下一樣，使用其中分散的是波長轉換纖維62a而不是波長轉換顆粒61b的本實施方案的太陽能電池303，也可以提高光電轉換效率。同樣，在該太陽能電池303中，通過提高將光轉換為單色光的波長轉換纖維62a的效率，易于提高光電轉換效率。除使用波長轉換纖維62a代替波長轉換顆粒61b外，具有此類特征的本實施方案的太陽能電池303可通過與上述太陽能電池302的那些相似的方法來制造。
[0180]圖9為示出波長轉換顆粒61b、波長轉換纖維62a和波長轉換部63(這些在下文中有時統(tǒng)稱為“波長轉換材料”)的能帶結構的圖。下面將結合圖4、5B、6和9描述波長轉換材料的能帶結構。
[0181]如圖9中所示，波長轉換材料在構成載流子生成部的半導體材料的導帶的底部邊緣的能量Ecl與價帶的頂部邊緣的能量Evl之間具有差異(能隙)Egl，并且在構成發(fā)光部的半導體材料的導帶的底部邊緣的能量Ec2與價帶的頂部邊緣的能量Ev2之間具有差異(能隙)Eg2。另外，構成載流子選擇性轉移部的材料(具體而言，構成量子阱層的半導體材料；下同)的導帶中最低離散能級的能量為Ec3，同一材料的價帶中最低離散能級的能量為Ev3，并且構成載流子選擇性轉移部的材料的能隙為Eg3。具有圖9中所示能帶結構的波長轉換材料滿足如下關系: [0182]Egl < Eg2 ^ Eg3
[0183]Ecl < Ec2 < Ec3
[0184]Ev3 ^ Ev2 ^ Evl
[0185]IL c3 — l:c2 = 0,05c V
[0186]|Ev2 - Ev3| = 0.05eVo
[0187]當光到達所述波長轉換材料時，具有比載流子生成部的能隙Egl大的能量的光被吸收，并且在載流子生成部中生成具有不同能量的電子和空穴。在載流子選擇性轉移部的量子阱層形成離散能級，并且在載流子生成部中生成的電子和空穴經由這些離散能級移動到發(fā)光部。在載流子生成部中生成的電子中，那些具有對應于量子阱層的導帶中最低離散能級Ec3的能量的電子以及那些因與其它電子進行能量轉移而變得具有對應于該最低離散能級Ec3的能量的電子，通過隧道傳導經由量子阱層的該離散能級到達發(fā)光部。同時，在載流子生成部中生成的空穴中，那些具有對應于量子阱層的價帶中最低離散能級Ev3的能量的空穴以及那些因與其它空穴進行能量轉移而變得具有對應于該最低離散能級Ev3的能量的空穴，通過隧道傳導經由量子阱層的該離散能級到達發(fā)光部。如此移動到發(fā)光部的電子和空穴在發(fā)光部復合，成為具有能量Eg2的單色光。
[0188]在所述波長轉換材料中，通過調節(jié)阻擋層和量子阱層的材料選擇和組成以及還通過調節(jié)量子阱層的厚度，同樣可以調節(jié)Ec3和Ev3。通過調節(jié)Ec3和Ev3，可以調節(jié)移動到發(fā)光部的電子和空穴的能量。此外，通過調節(jié)Ec3和Ev3以及還調節(jié)發(fā)光部的材料選擇和組成，可以自由地調節(jié)單色光的能量Eg2。
[0189]在所述波長轉換材料中，因為在量子阱層的導帶和價帶中形成離散能級，因而易于減少能量損失。此外，通過設定能級使得滿足關系Ec3-Ec2= 0.05eV和|Ev2 - Ev3| = 0.05eV，易于減少在發(fā)光部中的能量損失。
[0190]圖10為對應于圖9的圖，其示出了可用在本發(fā)明的波長轉換部中的波長轉換顆粒、波長轉換纖維和具有多層膜結構的波長轉換部(這些在下文中有時統(tǒng)稱為“波長轉換材料64”)的能帶結構。
[0191]波長轉換材料64從中心側向外依次具有載流子生成部64x、載流子選擇性轉移部64y和發(fā)光部64z。載流子選擇性轉移部64y從載流子生成部64x側向發(fā)光部64z側具有阻擋層64ya、量子阱層64yb和阻擋層64ya。載流子生成部64x、載流子選擇性轉移部64y和發(fā)光部64z各自由半導體材料構成。在波長轉換材料64中，構成載流子生成部64x的半導體材料的導帶的底部邊緣的能量Ec4與價帶的頂部邊緣的能量Ev4之間的差異(能隙)為Eg4，并且構成發(fā)光部64z的半導體材料的導帶的底部邊緣的能量Ec5與價帶的頂部邊緣的能量Ev5之間的差異(能隙)為Eg5。另外，構成量子阱層64yb的半導體材料的導帶中最低離散能級的能量為Ec6，同一材料的價帶的頂部邊緣的能量為Ev6，并且構成量子阱層64yb的半導體材料的能隙為Eg6。波長轉換材料64滿足如下關系:
【權利要求】
1.一種光電轉換裝置，其特征在于，所述光電轉換裝置包括: 波長轉換部，其吸收周邊光以生成電子和空穴，并使所生成的電子和空穴復合以生成單色光；和 光電轉換部，其具有p-n結或p-1-n結，吸收所述波長轉換部中生成的所述單色光以生成電子和空穴，并分離和移動通過吸收所述單色光而生成的所述電子和空穴，其中所述波長轉換部包括: 生成所述電子和空穴的載流子生成部； 生成所述單色光的發(fā)光部；和 載流子選擇性轉移部，其設置在所述載流子生成部和所述發(fā)光部之間并且將在所述載流子生成部中生成的所述電子和空穴中的其間具有特定能量差的電子和空穴移動到所述發(fā)光部。
2.根據(jù)權利要求1所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部在所述周邊光的行進方向上設置在所述光電轉換部的上游側上。
3.根據(jù)權利要求1所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部在所述周邊光的行進方向上設置在所述光電轉換部的下游側上，和 所述波長轉換部還包括光反射部，所述光反射部將所述單色光反射向所述光電轉換部側。
4.根據(jù)權利要求1所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部設置在所述光電轉換部內。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換顆粒，所述波長轉換顆粒同心地從中心側向外依次具有:所述載流子生成部、所述載流子選擇性轉移部和所述發(fā)光部。
6.根據(jù)權利要求5所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換顆粒被分散并保持在所述波長轉換部內包含的透明材料中，和所述透明材料為電絕緣材料和半導體材料中的至少之一，所述半導體材料具有比構成所述波長轉換顆粒的所述載流子生成部的材料大的能隙。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換纖維，所述波長轉換纖維同心地從中心側向外依次具有:所述載流子生成部、所述載流子選擇性轉移部和所述發(fā)光部。
8.根據(jù)權利要求7所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換纖維被分散并保持在所述波長轉換部內包含的透明材料中，和所述透明材料為電絕緣材料和半導體材料中的至少之一，所述半導體材料具有比構成所述波長轉換纖維的所述載流子生成部的材料大的能隙。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換膜，所述波長轉換膜具有所述載流子生成部、所述載流子選擇性轉移部和所述發(fā)光部，所述載流子生成部、所述載流子選擇性轉移部和所述發(fā)光部層疊為使得所述載流子選擇性轉移部設置在所述載流子生成部和所述發(fā)光部之間。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述p-n結具有其中P-型材料和η-型材料三維接合的位點。
11.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的光電轉換裝置，其中，假定: Egl、Ecl和Evl分別為構成所述載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂； Eg2、Ec2和Ev2分別為構成所述發(fā)光部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；和 Eg3、Ec3和Ev3分別為構成所述載流子選擇性轉移部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級的能量，所述材料呈其中所述材料被引入所述波長轉換部內的形狀， 則滿足如下關系:
Egl < Eg2 ( Eg3 ；
Ecl < Ec2 ( Ec3 ;和
Ev3 ^ Ev2 ^ Evl o
12.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的光電轉換裝置，其中，假定: Eg4、Ec4和Ev4分別為構成所述載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂； Eg5、Ec5和Ev5分別為構成所述發(fā)光部的材料的能隙、導帶底和價帶頂；和 Eg6、Ec6和Ev6分別為構成所述載流子選擇性轉移部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級處的能量，所述材料呈其中所述材料被引入所述波長轉換部內的形狀， 則滿足如下關系:
Eg4 < Eg5 ^ Eg6 ；
Ec4 < Ec5 ( Ec6 ;和
Ev4 ^ Ev6 ^ Ev50
13.根據(jù)權利要求1至12中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述發(fā)光部的表面覆蓋有絕緣體或具有比構成所述載流子生成部的材料大的能隙的半導體材料。
14.根據(jù)權利要求1至13中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述發(fā)光部包括: 一對第一半導體部，其由第一半導體構成；和 第二半導體部，其設置在所述一對第一半導體部之間，并由具有比所述第一半導體小的能隙的第二半導體構成。
15.根據(jù)權利要求1至14中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述載流子選擇性轉移部包括: 一對寬帶隙半導體部，其由寬帶隙半導體構成；和 窄帶隙半導體部，其設置在所述一對寬帶隙半導體部之間，并由具有比所述寬帶隙半導體小的能隙的窄帶隙半導體構成。
16.一種光電轉換裝置，其特征在于，所述光電轉換裝置包括: 波長轉換部，其吸收周邊光以生成電子和空穴，并使所生成的電子和空穴復合以生成單色光；和 光電轉換部，其具有P_n結或p-1-n結，吸收所述波長轉換部中生成的所述單色光以生成電子和空穴，并分離和移動通過吸收所述單色光而生成的所述電子和空穴，其中: 所述波長轉換部包括:載流子生成部，其生成所述電子和空穴； 發(fā)光部，其將在所述載流子生成部中生成的所述電子和空穴中的其間具有特定能量差的電子和空穴移動到所述發(fā)光部自身，并通過使移動到所述發(fā)光部自身的所述電子和空穴復合來生成所述單色光；和 外側材料部，其設置在所述發(fā)光部的外側并由具有比構成所述發(fā)光部的材料大的能隙的材料構成。
17.根據(jù)權利要求16所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部在所述周邊光的行進方向上設置在所述光轉換部的上游側上。
18.根據(jù)權利要求16所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部在所述周邊光的行進方向上設置在所述光電轉換部的下游側上，和 所述波長轉換部還包括光反射部，其將所述單色光反射向所述光電轉換部側。
19.根據(jù)權利要求16所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部設置在所述光電轉換部內。
20.根據(jù)權利要求16至19中 任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換顆粒，所述波長轉換顆粒同心地從中心側向外依次具有:所述載流子生成部、所述發(fā)光部和所述外側材料部。
21.根據(jù)權利要求20所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換顆粒被分散并保持在所述波長轉換部內包含的透明材料中，和所述透明材料為電絕緣材料和半導體材料中的至少之一，所述半導體材料具有比構成所述波長轉換顆粒的所述載流子生成部的材料大的能隙。
22.根據(jù)權利要求16至21中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換纖維，所述波長轉換纖維同心地從中心側向外依次具有:所述載流子生成部、所述發(fā)光部和所述外側材料部。
23.根據(jù)權利要求22所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換纖維被分散并保持在所述波長轉換部內包含的透明材料中，和所述透明材料為電絕緣材料和半導體材料中的至少之一，所述半導體材料具有比構成所述波長轉換纖維的所述載流子生成部的材料大的能隙。
24.根據(jù)權利要求16至23中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述波長轉換部包含波長轉換膜，所述波長轉換膜具有所述載流子生成部、所述發(fā)光部和所述外側材料部，所述載流子生成部、所述發(fā)光部和所述外側材料部層疊為使得所述發(fā)光部設置在所述載流子生成部和所述外側材料部之間。
25.根據(jù)權利要求16至24中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述p-n結具有其中P-型材料和η-型材料三維接合的位點。
26.根據(jù)權利要求16至25中任一項所述的光電轉換裝置，其中，假定: Eg7、Ec7和Ev7分別為構成所述載流子生成部的材料的能隙、導帶底和價帶頂； EgS, EcS和EvS分別為構成所述發(fā)光部的材料的能隙、導帶中最低離散能級的能量和價帶中最低離散能級的能量，所述材料呈其中所述材料被引入所述波長轉換部內的形狀，和 Eg9、Ec9和Ev9分別為構成所述外側材料部的材料的能隙、導帶底和價帶頂，則滿足如下關系:
Eg7 < Eg8 < Eg9 ；
Ec7 < Ec8 < Ec9 ;和
Ev9 < Ev8 < Ev70
27.根據(jù)權利要求16至26中任一項所述的光電轉換裝置，其中: 所述發(fā)光部包括: 一對寬帶隙半導體部，其由寬帶隙半導體構成；和 窄帶隙半導體部，其設置在所述一對寬帶隙半導體部之間，并由具有比所述寬帶隙半導體小的能隙的窄帶隙半導體構成。
【文檔編號】H01L31/055GK103650164SQ201280033814
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權日:2011年7月7日
【發(fā)明者】長島知理, 竹田康彥, 尼古拉斯·約翰·伊金斯-多克斯, 丹尼爾·詹姆斯·法雷爾 申請人:豐田自動車株式會社