量子スケールデバイス工学（２）

 

 

 

 

【遺伝と変異】


マウスの血液や皮膚などの細胞を弱酸性液（塩酸溶液：pH 5.7）に浸して刺激を与え、LIFを含
む培養液に移して培養し作成されたるだけで、人工多能性幹細胞（iPS細胞）のようにさまざま
な細胞になる万能細胞ができるＳＴＡＭ（刺激惹起性多能性獲得細胞（Stimulus-Triggered Acquis-
ition of Pluripotency cells）がトップニュースで話題となっているが、そう簡単に商品化されるど
うか疑問符がつきまとう。まとうが、ＳＴＡＰを傷口に塗り込めばたちまち傷口が縫合完治すと
なれば、それはそれでもの凄いことになるね？！と思ったりもする。同時に既成の生命細胞学の
見直しが根底から迫られる。そこで、書斎の１冊から次のサマリーを書き留めた(『もうひとつ
の万能細胞作製手法』)。

　　　　　　　約38他年前に地球上に出現した生命は、以来めんめんと無生物には
　　　　　　見られない、生物だけに見られる特徴を子孫に伝えてきた。親から子
　　　　　　へは顔つきや背丈といった形質が遺伝されるが、遺伝されるうちで最
　　　　　　も重要なのは生きていることである。この生命システムとでも呼ぶべ
　　　　　　き性質を遺伝させる基本単位は細胞である。細胞が生命システムの最
　　　　　　小の基本単位であることは、１個の細胞から、生物の最も高次の基本
　　　　　　単位である個体がつくられることからも明らかである。
　　　　　　　卵細胞の中の生命システムにさまざまな情報が作用して、個体の形
　　　　　　質や機能が発現する。情報は大きく分けて２づあり、ひとつは遺伝情
　　　　　　報、もうひとつは環境情報である。遺伝情報をになっているのは通常
　　　　　　ＤＮＡであり、この情報はシステムにくくりつけめ情報でありＤＮＡ
　　　　　　の複製を通して子孫に遺伝する。一方、環境情報は外部からの偶有的
　　　　　　な情報であり遺伝しない。　　　　　　　　　　
　　　　　　　あるまとまった単位の遺伝情報をになうＤＮＡは遺伝子と呼ぱれ、
　　　　　　生命システムや環境情報が同じならば、形質の違いは遺伝子の違いに
　　　　　　より決定される。したがって、ＤＮＡに突然変異が起きて遺伝子が変
　　　　　　化し、これがになっている遺伝情報が変化すると形質もまた変異する。
　　　　　　突然変異はシステムにくくりつけの情報の変化によるものであり、こ
　　　　　　れは遺伝する。薬物や温度などの環境因子によって起こされる変異は、
　　　　　　一過性の環境情報による変異で遺伝しない。
　　　　　　　実際の形質は、遺伝情報と環境情報がともにシステムに作用するこ
　　　　　　とによって発現す発現可能な形質の範囲|を決めぐなひるめはシズテ
　　　　　　ムであり、情報は可能性を限定し、形質を固定する作用をもつ。また
　　　　　　システムを破壊する情報は致死因子であり、これが遺伝子に生じれば
　　　　　　致死遺伝子となる。最も大きな遺伝的変異はシステム自体の変化であ
　　　　　　るが、このメカニズムはまだ解明されていない。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　池田清彦 著 『新しい生物学の教科書』　第２章 

そう、以前、著者である池田清彦は週刊誌の質問にこのように答えている。「iPS細胞は分化し
た細胞にいくつかの遺伝子を導入して作られるが、これらの遺伝子は他の遺伝子の活性を制御
する転写因子と呼ばれるタンパク質を作る遺伝子である。この導入された遺伝子が実際どんな
メカニズムで分化した細胞を未分化な細胞に戻しているかはブラックボックスでよくわかって
おらず、実際に分化した細胞に、初期化に必要な遺伝子を導入しても数百個に一個くらいしか
iPS細胞にならない。今のところ宝くじを当てているような状態なのだ。ES細胞由来のものに比
べがん化する確率も高く、これも究極原因は不明なため、試行錯誤でより安全なiPS細胞を開発
する必要がある。実用化にはまだ時間がかかると思う」と。

 

図１

【量子ドット太陽電池研究Ⅰ　上】 

今年になって、量子スケール電子デバイスである量子ドット太陽電池の最新技術の事例研究を行
ったので（『特開2014-017420　光電変換素子』、豊田中央研究所）、紙面の都合もあり、ここ
では３回に分け掲載してみようと思う。ところで、太陽光エネルギーを直接電力に変換できる太
陽電池は、次世代のクリーンエネルギー源として期待されている。太陽電池設置面積は限られて
いるため、より多くの電力を得るためには光電変換効率を向上させる必要があり、素子構造や作
製工程の最適化、主要な材料であるシリコンの高品質化等の開発が進展している。例えば、下図
のように複数の半導体や絶縁体で構成し、光の吸収する光吸収層と電極間に設け、励起されたキ
ャリアを光吸収層側から電極側へ透過させる特定のエネルギー準位を、複数の半導体や絶縁体の
うち、片方にの半導体や絶縁体の伝導帯の下端エネルギー準位と同一のエネルギー選択性コンタ
クト準位を形成する部位を備えた光電変換装置が提案されている(図２参照）。

図２

また、可視光の波長に対応する大きさを有する面領域内に、異なるサイズの量子ドットが配置され
厚さ方向にはサイズが揃った量子ドットが配置されたキャリア発生層を有する太陽電池が提案され
ている（図３参照）。

図３

また、光を透過する材料の基体およびこれと接する波長変換層と蛍光体の発光を基体の側面から
取り出す集光装置と光電変換部から構成される光電変換装置が提案されている（図４参照）。

　図４

さらに、下図５には、規則配列した量子ドットと該量子ドットの隙間に形成された障壁層の光吸
収層の電子取り出し端側にある第１エネルギー選択性コンタクトと、この外側に形成させた電子
取り出し電極と、光吸収層の端側に形成された正孔取り出し電極と、光吸収層と正孔取り出し電
極との間に形成された第２エネルギー選択性コンタクトから構成する光電変換素子が提案されて
いる。

図５

しかし、図２、図５で提案されている技術では、エネルギー選択性コンタクトを介して電子を取
り出すので、これらの技術が提案される前の光電変換素子よりも、光電変換効率を高めることが
可能になると考えられるが、離散準位の数を増やすために量子ドットの形態（大きさや材料等）
を複数にする技術デザインは示されていないため、単一形態の量子ドットを用いるこれらの技術
では、生成される離散準位が限定されるため、幅広い波長範囲の光を吸収し難く、光電変換効率
の向上効果が不十分であった。これに対し図３の提案は、異なるサイズの量子ドットを用いてい
るので、幅広い波長範囲の光を吸収することが可能になると考えられるが、量子ドットを用いて
幅広い波長範囲の光を吸収しても、光吸収により生成された電子及び正孔を取り出す際のエネル
ギー損失を低減しなければ、光電変換効率の向上効果は不十分になる。図２、図５には、複数形
態の量子ドットを用いた光電変換素子において、光吸収により生成された電子及び正孔を取り出
す際のエネルギー損失を低減するための構成が開示されていず、これらの提案に示されている技
術を単に組み合わせても、光電変換効率の向上効果は不十分であった。

●問題解決案

少なくとも伝導帯側に離散的なエネルギー準位をもつキャリア発生部と、これの表面を覆うよう
に配置されたエネルギー選択移動部の構造の第１キャリア生成物質と第２キャリア生成物質をも
ち、エネルギー選択移動部は、キャリア発生部側から外側に向かい順に配置し、第１障壁層、量
子井戸層と、第２障壁層をもち、量子井戸層は少なくとも伝導帯側に、特定のエネルギーをもつ
電子の通過を許容する離散的なエネルギー準位をもち、第１キャリア生成物質のキャリア発生部
に形成される離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のキャリア発生部に形成さする
離散的なエネルギー準位とが互いに異なり、また、第１キャリア生成物質のエネルギー選択移動
部に形成される離散的なエネルギー準位と、第２キャリア生成物質のエネルギー選択移動部に形
成される離散的なエネルギー準位とが等しいという手段にて、光電変換効率を高める（図１）。 

●概要説明 

図１は、第１実施形態にかかる本発明の太陽電池１００を説明する断面図で、ｐ型半導体材料12ａ、
ｎ型半導体材料12ｂと、キャリア生成粒子16ｘ、16ｙ、16ｚを簡略化して示している。下図６は、
キャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚを説明する断面図であり、図６は、ｐ型半導体材料12ａ、
ｎ型半導体材料１２ｂとキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚのバンド構造の説明図である

 図６


下図７は、ｐ型半導体材料１２ａ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、キャリア生成粒子１６ｘ、
１６ｙ、１６ｚのバンド構造を説明する図である。図７では、右側ほど電子のエネルギーが大き
く、紙面下側ほど正孔のエネルギーが大きい。図７における「●」は電子であり、「○」は正孔
である。
図７

なお、上図１に示したように、太陽電池１００は、ｐ層１１及びｎ層１３、並びに、ｐ層１１と
ｎ層１３との間に配設された混合ｐｎ材料層１２で構成。ｐ層１１には裏面電極１４が接続され、
ｎ層１３には表面電極１５が接続されている。混合ｐｎ材料層１２は、ｐ型半導体材料１２ａ、
１２ａと、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂをで構成し、さらに、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ
…と、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ…に接触しているキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘとキャ
リア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…とキャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ…をもつ。混合ｐｎ材料層
１２は、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ…の一部はｐ層１１と接触あるいは複数のｐ型半導体材
料１２ａ、１２ａ、…の接触を介し、ｐ層１１に接触しており、ｐ型半導体材料１２ａ、１２ａ
…からｐ層１１へ正孔が移動可能なように構成されている。また、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、
…の一部はｎ層１３と接触あるいは複数のｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…の接触を介しｎ層
１３に接触し、ｎ型半導体材料１２ｂ、１２ｂ、…からｎ層１３へ電子が移動可能なように構成
されている。ｐ層１１を構成する半導体材料の価電子帯上端のエネルギーは、ｐ型半導体材料
１２ａの価電子帯上端のエネルギーと同程度で、ｎ層１３を構成する半導体材料の伝導帯下端の
エネルギーは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度。混合ｐｎ材料層１２
において、受光面であるｎ層１３に近い部位にキャリア生成粒子１６ｚ、１６ｚ、…が配置され
ｐ層１１に近い部位にキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置され、キャリア生成粒子１６ｚ、
１６ｚ、…が配置されている部位とキャリア生成粒子１６ｘ、１６ｘ、…が配置されている部位
との間に、キャリア生成粒子１６ｙ、１６ｙ、…が配置される。

図６に示したように、キャリア生成粒子１６ｘは、キャリア発生部１６ｘａと、キャリア発生部
１６ｘａの表面を覆うように配置されたエネルギー選択移動部１６ｘｂとで構成。キャリア発生
部１６ｘａとエネルギー選択移動部１６ｘｂは、何れも、半導体材料によって構成されている。
エネルギー選択移動部１６ｘｂは、キャリア発生部１６ｘａの表面に形成された第１障壁層１６
ｘｂａ、該第１障壁層１６ｘｂａの表面に形成された量子井戸層１６ｘｂｑ、及び、該量子井戸
層１６ｘｂｑの表面に形成された第２障壁層１６ｘｂｂを有している。キャリア生成粒子１６ｘ
では、その中心側から外側へ向かって、キャリア発生部１６ｘａ、第１障壁層１６ｘｂａ、量子
井戸層１６ｘｂｑ、及び、第２障壁層１６ｘｂｂが同心円状に配置されており、第１障壁層１６
ｘｂａ及び第２障壁層１６ｘｂｂは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さとされてい
る。

図６に示したように、キャリア生成粒子１６ｘは、キャリア発生部１６ｘａを構成する半導体材
料の伝導帯側に８つの離散準位が形成されており、キャリア発生部１６ｘａの価電子帯側には離
散準位が形成されていない。キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位のう
ち最も低エネルギーの離散準位と、キャリア発生部１６ｘａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１
ｘａとの差はＥｇ１ａである。また、キャリア生成粒子１６ｘは、量子井戸層１６ｘｂｑを構成
する半導体材料の伝導帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層１６ｘｂｑの価電子
帯側には離散準位が形成されていない。量子井戸層１６ｘｂｑの伝導帯側に形成されている離散
準位のエネルギーＥｃ１ｂは、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の
うち、最も高エネルギーでもなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。
Ｅｃ１ｂは、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーＥｃ１ｃよりも図７の右側に位置
し、Ｅｃ１ｂ－Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されている。また、量子井戸層16ｘｂｑ
の価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ｘａよりも図７の右側に位置し、また、ｐ
型半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図７の左側に位置している。Ｅ
ｖ１ｘａ、Ｅｖ１ｂ、及び、Ｅｖ１ｃは、それぞれ、｜Ｅｖ１ｂ－Ｅｖ１ｘａ｜≦０．１ｅＶ、
また、｜Ｅｖ１ｃ－Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。キャリア生成粒子16ｘ
において、Ｅｃ１ｃとＥｖ１ｃとの差はＥｇ２である。

また、図７に示したように、キャリア生成粒子１６ｙは、キャリア発生部１６ｙａを構成する半
導体材料の伝導帯側に６つの離散準位が形成されており、キャリア発生部１６ｙａの価電子帯側
には離散準位が形成されていない。キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準
位の間隔は、キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の間隔よりも広く、
キャリア発生部１６ｘａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部、及び、キャリア発生部16
ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位の一部は、互いにエネルギーが異なっている。キャリ
ア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち最も低エネルギーの離散準位と、
キャリア発生部16ｙａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｙａとの差はＥｇ１ｂ（＞Ｅｇ１ａ）
である。また、キャリア生成粒子１６ｙは、量子井戸層１６ｙｂｑを構成する半導体材料の伝導
帯側に１つの離散準位が形成されており、量子井戸層１６ｙｂｑの価電子帯側には離散準位が形
成されていない。量子井戸層16ｙｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位のエネルギーＥc1b
は、キャリア発生部１６ｙａの伝導帯側に形成されている離散準位のうち、最も高エネルギーで
もなく最も低エネルギーでもない離散準位のエネルギーと同一である。また、量子井戸層１６ｙ
ｂｑの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｂは、Ｅｖ１ｙａよりも図７の右側に位置し、またｐ型
半導体材料１２ａの価電子帯上端のエネルギーＥｖ１ｃよりも図７の左側に位置している。Ｅｖ
１ｙａ及びＥｖ１ｂは、｜Ｅｖ１ｂ－Ｅｖ１ｙａ｜≦０．１ｅＶとなるように調整されている。

太陽電池１００に太陽光が照射されると、太陽光の一部がｎ層１３に吸収され、ｎ層１３に吸収
されなかった太陽光（以下において、単に「光」ということがある。）が混合ｐｎ材料層１２へ
と達する。ｎ層１３のバンドギャップはｎ型半導体材料１２ｂのバンドギャップと同程度、また
ｎ層１３の伝導帯下端のエネルギーはｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯下端のエネルギーと同程度
であり、ｎ層１３、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｐ型半導体材料１２ａのバンドギャップは、
太陽光に含まれている様々なエネルギーの光のうち、高エネルギーの光（例えば紫外線）のみを
吸収可能なように調整されている。それゆえ、太陽電池１００に太陽光が照射されると、高エネ
ルギーの光がｎ層１３によって吸収され、ｎ層１３で電子及び正孔が形成される。そして、ｎ層
１３によって吸収されなかった光が混合ｐｎ材料層１２に吸収される。

図７に示したように、混合ｐｎ材料層１２を構成する半導体材料の中では、キャリア発生部16ｘａ
を構成する半導体材料のエネルギー差Ｅｇ１ａが最小であり、Ｅｇ１ａ＜Ｅｇ１ｂ＜Ｅｇ１ｃ＜
Ｅｇ２となっている。そのため、混合ｐｎ材料層１２へ光が達すると、Ｅｇ１ａ以上のエネルギ
ーを有する光が吸収される。こうして光が吸収されると、様々なエネルギーを有する電子が、キ
ャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａを構成する半導体材料の価電子帯から伝導帯の離散
準位へと励起され、当該半導体材料の価電子帯には正孔が形成される。

キャリア発生部１６ｘａで生成された電子のうち、量子井戸層１６ｘｂｑを構成する半導体材料
の伝導帯に形成されている離散準位のエネルギーＥｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、
トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｘｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯
へと達することができる。ここで、上述したように、Ｅｃ１ｂ－Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるよ
うに調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｘｂを通過した電子は、ほとんどエネルギ
ーを失うことなくｎ型半導体材料１２ｂへと達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した
電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面
電極１５へと収集される。

キャリア発生部１６ｘａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子
は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子
井戸層１６ｘｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有すること
になった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に、
トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｘｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。
そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へ
と移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。

一方、キャリア発生部１６ｘａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｘｂを経由して、
ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、｜Ｅｖ１ｂ
－Ｅｖ１ｘａ｜≦０．１ｅＶ、また、｜Ｅｖ１ｃ－Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるように調整さ
れているので、エネルギー選択移動部１６ｘｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギーを失うこ
となくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した正孔は、ｐ
型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面電極１４へ
と収集される。

また、キャリア発生部１６ｘａの場合と同様に、キャリア発生部１６ｙａで生成された電子のう
ち、Ｅｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、トンネル伝導によりエネルギー選択移動部
１６ｙｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達することができる。ここで、上述し
たように、Ｅｃ１ｂ－Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されているので、エネルギー選択
移動部１６ｙｂを通過した電子は、ほとんどエネルギーを失うことなくｎ型半導体材料１２ｂへ
と達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動して
ｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。

キャリア発生部１６ｙａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子
は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子
井戸層１６ｙｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有すること
になった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に
トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｙｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。
そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へ
と移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。

これに対し、キャリア発生部１６ｙａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｙｂを経
由して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、
｜Ｅｖ１ｂ－Ｅｖ１ｙａ｜≦０．１ｅＶ、また、｜Ｅｖ１ｃ－Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるよ
うに調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｙｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギ
ーを失うことなくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した
正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面
電極１４へと収集される。

また、キャリア発生部１６ｘａやキャリア発生部１６ｙａの場合と同様に、キャリア発生部１６
ｚａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂと一致するエネルギーを有する電子は、トンネル伝導に
よりエネルギー選択移動部１６ｚｂを通過して、ｎ型半導体材料１２ｂの伝導帯へと達すること
ができる。ここで、上述したように、Ｅｃ１ｂ－Ｅｃ１ｃ≦０．１ｅＶとなるように調整されて
いるので、エネルギー選択移動部１６ｚｂを通過した電子は、ほとんどエネルギーを失うことな
くｎ型半導体材料１２ｂへと達する。こうしてｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半
導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へと移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収
集される。

キャリア発生部１６ｚａで生成された電子のうち、Ｅｃ１ｂとは異なるエネルギーを有する電子
は、相互にエネルギーの授受を行い、一部の電子のエネルギーはＥｃ１ｂになる。こうして量子
井戸層１６ｚｂｑの伝導帯側に形成されている離散準位と同じエネルギーＥｃ１ｂを有すること
になった電子は、相互にエネルギーの授受を行うことなくＥｃ１ｂと一致した上記電子と同様に、
トンネル伝導によりエネルギー選択移動部１６ｚｂを通過してｎ型半導体材料１２ｂへと達する。
そして、ｎ型半導体材料１２ｂへと達した電子は、ｎ型半導体材料１２ｂを移動してｎ層１３へ
と移動し、ｎ層１３に接続されている表面電極１５へと収集される。

これに対し、キャリア発生部１６ｚａで生成された正孔は、エネルギー選択移動部１６ｚｂを経
由して、ｐ型半導体材料１２ａの価電子帯へと達することができる。ここで、上述したように、
｜Ｅｖ１ｂ－Ｅｖ１ｚａ｜≦０．１ｅＶ、且つ、｜Ｅｖ１ｃ－Ｅｖ１ｂ｜≦０．１ｅＶとなるよ
うに調整されているので、エネルギー選択移動部１６ｚｂを通過した正孔は、ほとんどエネルギ
ーを失うことなくｐ型半導体材料１２ａへと達する。こうしてｐ型半導体材料１２ａへと達した
正孔は、ｐ型半導体材料１２ａを移動してｐ層１１へと移動し、ｐ層１１に接続されている裏面
電極１４へと収集される。

このように、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａで発生させた電子を、エネルギー選
択移動部１６ｘｂ、ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動さ
せる。同様に、キャリア発生部１６ｙａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｙｂ、
ｎ型半導体材料１２ｂ、及び、ｎ層１３を経由して表面電極１５へと移動させ、キャリア発生部
１６ｚａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｚｂ、ｎ型半導体材料１２ｂと、ｎ層
１３を経由して表面電極１５へと移動させる。また、キャリア発生部１６ｘａで発生させた正孔
を、エネルギー選択移動部１６ｘｂ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電
極１４へと移動させる。同様に、キャリア発生部１６ｙａで発生させた正孔を、エネルギー選択
移動部１６ｙｂ、ｐ型半導体材料１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させ、
キャリア発生部１６ｚａで発生させた電子を、エネルギー選択移動部１６ｚｂ、ｐ型半導体材料
１２ａ、及び、ｐ層１１を経由して裏面電極１４へと移動させる。電子及び正孔をこのように移
動させることにより、電気エネルギーを得ることができる。太陽電池１００には、複数種類のキ
ャリア生成粒子１６ｘ、１６ｙ、１６ｚが含まれているので、単一形態のキャリア生成粒子が用
いられる場合と比較して、エネルギーがＥｇ１ａ以上である幅広い帯域の光を吸収することがで
きる。加えて、太陽電池１００では、キャリア発生部１６ｘａ、１６ｙａ、１６ｚａの大きさを
それぞれ変えても、量子井戸層１６ｘｂｑ、１６ｙｂｑ、１６ｚｂｑの伝導帯側に形成される離
散準位のエネルギーをＥｃ１ｂにしている。そのため、キャリア発生部１６ｘａから移動してき
た電子も、キャリア発生部１６ｙａから移動してきた電子も、キャリア発生部１６ｚａから移動
してきた電子も、エネルギーを等しくすることができる。このような形態とすることで、ｎ型半
導体材料１２ｂやｎ層１３の伝導帯下端のエネルギーを、キャリア生成粒子から取り出される電
子のエネルギーに合わせやすくなり、その結果、光電変換効率を高めることが可能になる。

　
　　　　　　　　　　　　　　　　  　　「特開2014-017420 光電変換素子」　第40項まで
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　株式会社 豊田中央研究所