JP2006114350A - Manufacturing method of photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion device.
特許文献1および非特許文献1に、
In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1,
(以降、「Gratzel」と記す)らは、色素と半導体電極を改善してSi系太陽電池並みの性能が得られたことを報告している(特許文献1および非特許文献1)。ここでは色素にルテニウム系色素を用い、n型の電荷移動層としてはアナターゼ型の多孔質酸化チタン(TiO2 )微粒子を用いている。この様な半導体電極に微粒子を用いるGratzel型セルがシリコン太陽電池にとって代わるためには今まで以上に高いエネルギー変換効率が必要になってくる。そのために、微粒子分散液をそのまま塗布、焼成するのみではなく、ナノスケールで空孔や酸化物半導体を制御した新しい構造体を作製する試みが為されている。 (Hereinafter referred to as “Gratzel”) and others have reported that the performance equivalent to that of Si solar cells was obtained by improving the dye and the semiconductor electrode (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). Here, a ruthenium dye is used as the dye, and anatase type porous titanium oxide (TiO 2 ) fine particles are used as the n-type charge transfer layer. In order for such a Gratzel type cell using fine particles for a semiconductor electrode to replace a silicon solar cell, higher energy conversion efficiency than before is required. Therefore, an attempt has been made not only to apply and sinter the fine particle dispersion as it is, but also to produce a new structure in which pores and oxide semiconductors are controlled on a nanoscale.
例えば、特許文献2に複合有機物からなる細孔径サイズがナノスケール(50〜400nm)の多孔体を鋳型として、化学溶液析出法により金属酸化物微粒子を析出させ、次いで焼成することにより多孔質金属酸化物半導体薄膜を作製することが報告されている。また、チタニアゾルを鋳型内に電気泳動法を用いて入れ込んでゲル化することによってチタニアナノワイヤを作製する方法が、非特許文献2に報告されている。
しかしながら、更なる変換効率の向上のため、従来技術よりも微細な領域(ナノスケール)において酸化物半導体や空孔をスピーディに制御できる手法が求めれらていた。
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、n層及びp層の電荷移動効率が向上し、接触面積が向上する酸化物半導体層を用いた、短絡電流値及び変換効率が向上した光電変換装置の製造方法を提供するものである。
However, in order to further improve the conversion efficiency, there has been a demand for a method capable of speedily controlling oxide semiconductors and vacancies in a finer region (nanoscale) than the prior art.
The present invention has been made in view of such background art, and the short-circuit current value and the conversion efficiency using the oxide semiconductor layer in which the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer is improved and the contact area is improved. The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus which improved is provided.
本発明者等は鋭意検討を行った結果、新たな光電変換装置の製造方法を見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、透明基板上に形成した導電性透明電極上に、n型の電荷輸送層、光吸収層およびp型の電荷輸送層を順次に積層形成した光電変換装置の製造方法であって、前記n型の電荷輸送層を形成する工程が、無機ポーラス材料を設置する工程と、無機ポーラス材料内に溶液析出法を用いて酸化物半導体材料を埋め込む工程と、無機ポーラス材料を溶解する工程を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法である。
As a result of intensive studies, the present inventors have found a new method for manufacturing a photoelectric conversion device and have reached the present invention.
That is, the present invention is a method for manufacturing a photoelectric conversion device in which an n-type charge transport layer, a light absorption layer, and a p-type charge transport layer are sequentially laminated on a conductive transparent electrode formed on a transparent substrate. The step of forming the n-type charge transport layer includes the step of installing an inorganic porous material, the step of embedding an oxide semiconductor material in the inorganic porous material using a solution deposition method, and the dissolution of the inorganic porous material. It is a manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus characterized by including a process.
前記無機ポーラス材料内に溶液析出法を用いて酸化物半導体材料を埋め込む工程は、電位を印加して行うことが好ましい。
前記無機ポーラス材料の孔径は40nm以下であることが好ましい。
The step of embedding the oxide semiconductor material in the inorganic porous material using a solution deposition method is preferably performed by applying a potential.
The pore size of the inorganic porous material is preferably 40 nm or less.
前記酸化物半導体材料は酸化チタンであることが好ましい。
前記無機ポーラス材料はシリコンを主とする構造体であることが好ましい。
前記無機ポーラス材料はアルミニウムを主とする構造体であることが好ましい。
The oxide semiconductor material is preferably titanium oxide.
The inorganic porous material is preferably a structure mainly composed of silicon.
The inorganic porous material is preferably a structure mainly composed of aluminum.
本発明により、製造コストが安価で、フレキシブル化が可能で、軽量化が可能などの利点を保持しつつ、従来例よりも容易にn層及びp層の電荷移動効率が向上する、接触面積が向上する酸化物半導体層を作成でき、その結果、短絡電流値及び変換効率が向上する光電変換装置の製造方法が提供可能となる。 According to the present invention, the manufacturing cost is low, the flexibility is possible, and the advantages of being able to reduce the weight are maintained, and the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer is improved more easily than the conventional example. An improved oxide semiconductor layer can be created, and as a result, a method for manufacturing a photoelectric conversion device with improved short-circuit current value and conversion efficiency can be provided.
以下、さらに詳細に本発明を説明する。
本発明の光電変換装置の製造方法は、透明基板上に形成した導電性透明電極上に、n型の電荷輸送層、光吸収層およびp型の電荷輸送層を順次に積層形成した光電変換装置の製造方法であって、前記n型の電荷輸送層を形成する工程が、無機ポーラス材料を設置する工程と、無機ポーラス材料内に溶液析出法を用いて酸化物半導体材料を埋め込む工程と、無機ポーラス材料を溶解する工程を含むことを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a photoelectric conversion device in which an n-type charge transport layer, a light absorption layer, and a p-type charge transport layer are sequentially stacked on a conductive transparent electrode formed on a transparent substrate. The step of forming the n-type charge transport layer includes a step of installing an inorganic porous material, a step of embedding an oxide semiconductor material in the inorganic porous material using a solution deposition method, and an inorganic material. And a step of dissolving the porous material.
上記のn型の電荷輸送層の酸化物半導体の製造方法として、無機ポーラス材料を設置する工程、溶液析出法及び電着する工程、無機ポーラス材料を溶解する工程、また作製された酸化物半導体を用いて光電変換装置を組み立てる工程の順に説明する。 As a manufacturing method of the oxide semiconductor of the n-type charge transport layer, the step of installing an inorganic porous material, the step of solution deposition and electrodeposition, the step of dissolving the inorganic porous material, and the manufactured oxide semiconductor It demonstrates in order of the process of using and assembling a photoelectric conversion apparatus.
(無機ポーラス材料を設置する工程について)
本発明の酸化物半導体を製造するための無機ポーラス材料として、アルミニウムを陽極酸化したアルミナナノホール、シリカなどのアルコキシドをゾル−ゲル法などによって多孔体としたメソポーラス構造体、アルミニウムとシリコンなどを同時にスパッタすることにより作製されるシリコンナノホールなどが好適に用いられるが、これらに限定されるものでは無い。このとき、無機ポーラス材料の孔径や孔間隔、それに伴う孔の周りの壁の総面積が、酸化物半導体の色素吸着量などにそのまま反映されるため重要となる。そのため、孔径が40nm以下が好ましく、さらに10nm以下が好ましい。
(About the process of installing inorganic porous material)
As an inorganic porous material for manufacturing the oxide semiconductor of the present invention, alumina nanoholes obtained by anodizing aluminum, a mesoporous structure in which an alkoxide such as silica is made porous by a sol-gel method, aluminum and silicon are simultaneously sputtered. Silicon nanoholes produced by doing so are preferably used, but are not limited thereto. At this time, the pore size and interval of the inorganic porous material, and the total area of the walls around the pores are reflected in the amount of the dye adsorbed on the oxide semiconductor as they are, which is important. Therefore, the pore diameter is preferably 40 nm or less, and more preferably 10 nm or less.
ここでは、無機ポーラス材料としてシリコンナノホールを設置した例を示す。
基板としてガラス上に透明導電膜を成膜したものを用いた。
図2は、シリコンナノホールの作製工程を説明するための模式図である。
図2のA及びBの各断面図及び平面図は、工程A及び工程Bに対応している。なお、21は基板、22はアルミニウム、23はシリコン、24は孔である。
Here, an example in which silicon nanoholes are installed as an inorganic porous material is shown.
A substrate in which a transparent conductive film was formed on glass was used.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a production process of silicon nanoholes.
2A and 2B correspond to the process A and the process B, respectively. Reference numeral 21 is a substrate, 22 is aluminum, 23 is silicon, and 24 is a hole.
(工程A)
図3に示したように、バッキングプレート31上に設置したアルミニウムターゲット32の上部にシリコンウエハ33を適当な量置いた状態でスパッタリングを行うことで上記構造の膜を基板上に作製することができる。
膜形成は、スパッタリングを例にとって説明しているが、同様の構造が形成できる成膜法であれば、シリコンナノホールの製造方法に適用することができる。
(Process A)
As shown in FIG. 3, a film having the above structure can be formed on a substrate by performing sputtering with an appropriate amount of a silicon wafer 33 placed on an aluminum target 32 placed on a backing plate 31. .
The film formation has been described by taking sputtering as an example, but any film forming method capable of forming a similar structure can be applied to a method for producing silicon nanoholes.
(工程B)
非晶質なシリコンの部材中に形成された結晶性の柱状アルミニウムは、リン酸や硫酸でエッチングすることによって、シリコンの形状を変化させることなく、アルミニウムのみを除去し孔24を形成することが可能である。
(Process B)
Crystalline columnar aluminum formed in an amorphous silicon member can be etched with phosphoric acid or sulfuric acid to remove only aluminum and form
上記シリコンナノホールは、アルミニウムとシリコンを含み構成される構造体であって、該アルミニウムを含み構成される柱状部材が、該シリコンを含み構成される領域に取り囲まれており、且つ該構造体には該シリコンが、該アルミニウムとシリコンの全量に対して20atomic%以上70atomic%以下の割合で含まれていることが望ましい。 The silicon nanohole is a structure including aluminum and silicon, the columnar member including aluminum is surrounded by a region including the silicon, and the structure includes It is desirable that the silicon is contained in a ratio of 20 atomic% to 70 atomic% with respect to the total amount of the aluminum and silicon.
上記割合は、構造体を構成する前記アルミニウムとシリコンの全量に対する前記シリコンの割合のことであり、好ましくは25atomic%以上65atomic%以下、より好ましくは30atomic%以上60atomic%以下である。 The ratio is the ratio of the silicon to the total amount of the aluminum and silicon constituting the structure, and is preferably 25 atomic% or more and 65 atomic% or less, more preferably 30 atomic% or more and 60 atomic% or less.
アルミニウムの径(平面形状が円の場合は直径)は、主として前記構造体の組成(即ち、前記シリコンの割合)に応じて制御可能であるが、その平均径は、0.5nm以上50nm以下、好ましくは0.5nm以上20nm以下である。なお、このアルミニウムの径は、充填材料領域の孔24の径と実質的に等しい。
The diameter of aluminum (the diameter when the planar shape is a circle) can be controlled mainly in accordance with the composition of the structure (that is, the ratio of the silicon), and the average diameter is 0.5 nm or more and 50 nm or less, Preferably they are 0.5 nm or more and 20 nm or less. The diameter of the aluminum is substantially equal to the diameter of the
前記構造体は、非平衡状態で成膜する方法を利用して作製することができる。当該成膜方法としては、スパッタリング法が好ましいが、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着(EB蒸着)、イオンプレーティング法をはじめとする任意の非平衡状態で物質を形成する成膜法が適用可能である。スパッタリング法で行う場合には、マグネトロンスパッタリング、RFスパッタリング、ECRスパッタリング、DCスパッタリング法を用いることができる。スパッタリング法で行う場合は、アルゴンガス雰囲気中で反応装置内の圧力を0.2から1Pa程度にして成膜を行う。スパッタリングの際には、ターゲット原料として前記アルミニウムとシリコンをそれぞれ別途用意してもよいが、予め所望の割合でアルミニウムとシリコンが焼成されたターゲット材料を用いてもよい。
基板上に形成される前記構造体は、基板温度を20℃以上300℃以下、好ましくは20℃以上200℃以下で形成されることが好ましい。
The structure can be manufactured using a method of forming a film in a non-equilibrium state. As the film forming method, a sputtering method is preferable, but a film forming method for forming a substance in any non-equilibrium state such as resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition (EB vapor deposition), or ion plating method can be applied. is there. When the sputtering method is used, magnetron sputtering, RF sputtering, ECR sputtering, or DC sputtering can be used. When the sputtering method is used, the film is formed in an argon gas atmosphere at a pressure in the reactor of about 0.2 to 1 Pa. At the time of sputtering, the aluminum and silicon may be separately prepared as target raw materials, but a target material in which aluminum and silicon are baked at a desired ratio in advance may be used.
The structure formed on the substrate is preferably formed at a substrate temperature of 20 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
(溶液析出法及び電着する工程)
上記無機ポーラス材料を設置した基板を化学析出溶液に浸漬することにより、酸化チタン、酸化亜鉛などの酸化物半導体を孔内に析出させることができる。例えば、酸化チタンを析出させる場合は、チタンを含む塩として硫酸チタニル、テトラフルオロチタン酸アンモニウム等の溶媒に溶解し得る塩を用いる。また、このとき塩化アンモニウムなどでpH1.5〜4.0に調整した溶液に数分〜24時間静置する。浸漬時間は孔径や酸化物半導体の成長速度により適宜設定できる。また、溶媒として純水を用いることが好ましいが、これに限られる事は無い。
(Solution deposition method and electrodeposition process)
By immersing the substrate on which the inorganic porous material is placed in a chemical deposition solution, an oxide semiconductor such as titanium oxide or zinc oxide can be deposited in the pores. For example, when titanium oxide is precipitated, a salt that can be dissolved in a solvent such as titanyl sulfate or ammonium tetrafluorotitanate is used as a salt containing titanium. At this time, it is allowed to stand for several minutes to 24 hours in a solution adjusted to pH 1.5 to 4.0 with ammonium chloride or the like. The immersion time can be appropriately set depending on the pore diameter and the growth rate of the oxide semiconductor. Moreover, although it is preferable to use pure water as a solvent, it is not restricted to this.
チタンを含む塩としてテトラフルオロチタン酸アンモニウムを用いる場合についてより詳しく説明する。
先ず、電極付き基板上に孔径が10nmであるシリコンナノホールを無機ポーラス材料として設置した基体を準備する。この基体を、0.1〜0.3mol/Lのテトラフルオロチタン酸アンモニウムと0.1〜0.3mol/Lのホウ酸を溶解し、pH3.5〜4.0に調整した溶液中に浸漬する。このとき、溶液の温度として室温〜40℃で行うが、この温度範囲に限られるものでは無く、例えば硫酸チタニルをpH2程度に調整した溶液の場合は50〜70℃が好ましく、溶質やpHによって最適な温度が存在する。しかし、一般的に常温〜100℃が好ましく、さらに、30℃〜70℃までが孔内に生成させるには好ましい。調整した溶液に15分〜2時間浸すことにより、孔内に酸化チタンを生成する事が出来る。
The case where ammonium tetrafluorotitanate is used as the salt containing titanium will be described in more detail.
First, a substrate is prepared in which silicon nanoholes having a hole diameter of 10 nm are placed as inorganic porous materials on a substrate with electrodes. This substrate was immersed in a solution prepared by dissolving 0.1 to 0.3 mol / L ammonium tetrafluorotitanate and 0.1 to 0.3 mol / L boric acid and adjusting the pH to 3.5 to 4.0. To do. At this time, the temperature of the solution is from room temperature to 40 ° C., but is not limited to this temperature range. For example, in the case of a solution in which titanyl sulfate is adjusted to about pH 2, 50 to 70 ° C. is preferable, and optimum depending on the solute and pH. Temperature exists. However, generally from room temperature to 100 ° C. is preferable, and further from 30 ° C. to 70 ° C. is preferable for generating in the pores. By immersing in the prepared solution for 15 minutes to 2 hours, titanium oxide can be generated in the pores.
また、この工程を行う際に電位を印加することが成長速度を向上させる手法として好ましい。より具体的には、無機ポーラス材料を化学析出溶液に浸し、その状態で電位を印加することにより溶液中に存在する微粒子を孔内に積層させることにより、生成速度が向上する。本発明における電位の印加方法は、3電極もしくは2電極方法を用いる。ここで、3電極の構成について図5に示した。51は参照極、52は対極、53はサンプル(作用極)、54はビーカー、55は電解液、56はマントルヒーターである。 In addition, applying a potential when performing this step is preferable as a method for improving the growth rate. More specifically, the generation rate is improved by immersing the inorganic porous material in the chemical deposition solution and applying a potential in this state to stack the fine particles present in the solution in the pores. The method for applying a potential in the present invention uses a three-electrode or two-electrode method. Here, the configuration of three electrodes is shown in FIG. Reference numeral 51 is a reference electrode, 52 is a counter electrode, 53 is a sample (working electrode), 54 is a beaker, 55 is an electrolytic solution, and 56 is a mantle heater.
このとき、印加する電位として、−0.1〜−1000Vが好ましく、より好ましくは−0.1〜−100Vである。また、化学析出溶液のpHとして、酸化物半導体の等電点よりも低いpHが好ましい。例えば酸化チタンの等電点はpH4〜6であるため、pHが4以下であるとき、上記電位における微粒子の積層がよりスムーズに進行する。 At this time, the applied potential is preferably −0.1 to −1000 V, more preferably −0.1 to −100 V. The pH of the chemical deposition solution is preferably lower than the isoelectric point of the oxide semiconductor. For example, since the isoelectric point of titanium oxide is pH 4-6, when the pH is 4 or less, the lamination of fine particles at the potential proceeds more smoothly.
(無機ポーラス材料を溶解する工程)
無機ポーラス材料として金属、金属酸化物、それらを用いた合金などが存在する。この無機ポーラス材料のみ溶解し、孔内に充填した酸化物半導体は溶解しないエッチング方法を適宜決める必要がある。エッチング方法としては、酸、若しくはアルカリ溶液中に浸すことで無機ポーラス材料を溶解させる方法が好ましいが、これに限られるものでは無い。
(Process of dissolving inorganic porous material)
Metals, metal oxides, alloys using them, and the like exist as inorganic porous materials. It is necessary to appropriately determine an etching method in which only this inorganic porous material is dissolved and the oxide semiconductor filled in the holes is not dissolved. As an etching method, a method of dissolving the inorganic porous material by dipping in an acid or alkali solution is preferable, but the method is not limited thereto.
具体的に、孔内に酸化チタンを充填したシリコンナノホールの場合、シリコンナノホールのみを溶解させる水酸化ナトリウム溶液中に数分〜1時間程度浸漬することにより、孔内の酸化チタンのみを基板上に残すことが出来る。また、無機ポーラス材料としてアルミナナノホールを用いたときには、例えば5wt%リン酸溶液に30分〜2時間程度浸漬することで、アルミナナノホールが溶解される。 Specifically, in the case of silicon nanoholes filled with titanium oxide in the holes, only the titanium oxide in the holes is placed on the substrate by immersing in a sodium hydroxide solution that dissolves only the silicon nanoholes for several minutes to one hour. Can be left. When alumina nanoholes are used as the inorganic porous material, for example, the alumina nanoholes are dissolved by immersing them in a 5 wt% phosphoric acid solution for about 30 minutes to 2 hours.
(光電変換装置の構成及び組み立てる工程)
本発明の酸化物半導体を用いた光電変換装置の構成について説明する。
まず、従来のGratzel型の光電変換装置について説明する。
(Configuration of photoelectric conversion device and assembly process)
A structure of a photoelectric conversion device using the oxide semiconductor of the present invention is described.
First, a conventional Gratzel type photoelectric conversion device will be described.
図4は従来のGratzel型の色素増感半導体電極を用いた光化学電池の概略構成を示す模式的な断面図である。
図4中44はガラス基板であり、45はその表面に形成した透明電極であり、41はアナターゼ型TiO2 微粒子層であり酸化チタン微粒子同士が接合したポーラス状の接合体から出来ている。また、42はその酸化チタン微粒子表面に接合させた色素であり光吸収層として作用する。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional photochemical battery using a Gratzel type dye-sensitized semiconductor electrode.
In FIG. 4, 44 is a glass substrate, 45 is a transparent electrode formed on the surface, and 41 is an anatase-type TiO 2 fine particle layer, which is made of a porous joined body in which titanium oxide fine particles are joined together. Further, 42 is a dye bonded to the surface of the titanium oxide fine particles and functions as a light absorption layer.
このGratzel型セルの動作原理について説明する。図4左側から光を入射させる。すると、入射光により光吸収層42を構成する色素中の電子が励起され、酸化チタンの伝導帯に移動する。電子を失って酸化状態にある色素は迅速にp型の電荷輸送層43、例えば電解液のヨウ素イオンから電子を受け取って還元され元の状態に戻る。アナターゼ型TiO2 微粒子層41に注入された電子は、酸化チタン微粒子の間をホッピング伝導などの機構により移動しアノード45に到達する。また、色素に電子を供給して酸化状態(I3 -)になったヨウ素イオンはカソード46から電子を受け取って還元され、元の状態(I- )に戻る。 The operation principle of this Gratzel type cell will be described. Light is incident from the left side of FIG. Then, the electrons in the dye constituting the light absorption layer 42 are excited by incident light and move to the conduction band of titanium oxide. The dye that has lost electrons and is in an oxidized state quickly receives electrons from the p-type charge transport layer 43, for example, iodine ions of the electrolyte, and is reduced to return to the original state. Electrons injected into the anatase TiO 2 fine particle layer 41 move between the titanium oxide fine particles by a mechanism such as hopping conduction and reach the anode 45. In addition, iodine ions that are in an oxidized state (I 3 − ) by supplying electrons to the dye receive electrons from the cathode 46 and are reduced to return to the original state (I − ).
上記動作原理から推測できるように、色素で生成した電子とホールが効率良く分離、移動するためには、色素の励起状態の電子のエネルギー準位はTiO2 の伝導帯より高い必要があり、色素のホールのエネルギー準位はレドックス準位より低い必要性がある。 As can be inferred from the above operating principle, in order for the electrons and holes generated in the dye to be efficiently separated and moved, the energy level of the excited electron of the dye must be higher than the conduction band of TiO 2. The energy level of the hole must be lower than the redox level.
前述したGratzel型セルを始めとする色素増感型セルでは、色素1層の光吸収率が十分ではないために、表面積を大きくして実質的な光吸収量を大きくしている。本発明は色素増感に限らず、光吸収率が十分ではないために表面積を大きくする構成の光電変換装置一般に広く利用可能である。この表面を大きくする方法には上記Gratzel型セルの様に微粒子を分散、接合させる方法が簡単ではあるが、電荷移動が十分効率的ではない問題がある。例えば、p型の電荷輸送層が十分に微粒子層に染み込まないため接合面積が低下する、また微粒子層の空孔が狭いためヨウ素などのイオンの拡散が律速になり、電流を大きくするためには電荷を十分輸送できなくなる問題がある。またp型の電荷輸送層を固体化する場合においても微粒子間のスペースに十分にp型の電荷輸送層を充填するのは困難である。 In the dye-sensitized cells such as the above-described Gratzel-type cell, since the light absorption rate of the dye 1 layer is not sufficient, the surface area is increased to increase the substantial light absorption amount. The present invention is not limited to dye sensitization, and can be widely used for general photoelectric conversion devices having a configuration in which the surface area is increased because the light absorption rate is not sufficient. This method of enlarging the surface has a problem that the charge transfer is not sufficiently efficient although the method of dispersing and bonding the fine particles as in the Gratzel type cell is simple. For example, the p-type charge transport layer does not sufficiently permeate into the fine particle layer, so that the junction area is reduced, and since the pores of the fine particle layer are narrow, the diffusion of ions such as iodine becomes rate limiting, and the current is increased. There is a problem that electric charges cannot be transported sufficiently. Even when the p-type charge transport layer is solidified, it is difficult to sufficiently fill the space between the fine particles with the p-type charge transport layer.
本発明の酸化物半導体を用いて作製した光電変換装置の模式図を図1に示す。本発明の酸化物半導体11は、n型のワイドギャップ半導体であることが好ましく、具体的には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫等が好適に用いられる。 A schematic diagram of a photoelectric conversion device manufactured using the oxide semiconductor of the present invention is shown in FIG. The oxide semiconductor 11 of the present invention is preferably an n-type wide gap semiconductor. Specifically, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, or the like is preferably used.
本発明にかかる光電変換装置では、酸化物半導体11はn型のワイドギャップ半導体であるため、色素の様な光吸収層14を挟んでp型のワイドギャップ半導体やレドックス対を含んだ電解液、高分子導電体などのp型の電荷輸送層15が必要である。 In the photoelectric conversion device according to the present invention, since the oxide semiconductor 11 is an n-type wide gap semiconductor, an electrolyte including a p-type wide gap semiconductor or a redox pair with a light absorption layer 14 such as a dye interposed therebetween, A p-type charge transport layer 15 such as a polymer conductor is required.
本発明の光電変換装置においては、空隙が無機ポーラス材料で制御できるため、p型の電荷輸送層15として機能する電解質やp型半導体を充填する場合にも都合が良い。すなわち、電解質の場合にはヨウ素イオンなどの拡散が速く、また作製の際にも染み込みが早い。またp型の電荷輸送層がCuIの様な固体の場合にも、作製の際にポーラスなn型層の深くまで素早く充填することが出来且つコンタクトが良好になり好都合である。 In the photoelectric conversion device of the present invention, since the voids can be controlled by an inorganic porous material, it is convenient when filling an electrolyte functioning as the p-type charge transport layer 15 or a p-type semiconductor. That is, in the case of an electrolyte, the diffusion of iodine ions and the like is fast, and soaking is quick during the production. Also, when the p-type charge transporting layer is a solid such as CuI, it is convenient that the porous n-type layer can be filled quickly and the contact can be improved.
図1において、基体は例えば透明電極である導電性物質13が順次設けられたガラスである基板12からなり、n型の電荷輸送層として酸化物半導体11とその表面上に形成された光吸収層14とからなる。酸化物半導体11とp型の電荷輸送層15との間に光吸収層14が設けられることになる。 In FIG. 1, the substrate is made of a substrate 12 made of glass, for example, sequentially provided with a conductive material 13 which is a transparent electrode, and an oxide semiconductor 11 as an n-type charge transport layer and a light absorption layer formed on the surface thereof. 14 and. The light absorption layer 14 is provided between the oxide semiconductor 11 and the p-type charge transport layer 15.
光の照射面はどの面に透明電極を用いるかによって決まる。図1に示したように、n型の電荷輸送層側からでも、p型の電荷輸送層側からでも光吸収層までの照射光の吸収や反射が少なければどちらの構成でも良い。また、双方の面からの光照射でも利用可能に出来る。これらの構成は組み合わせる電荷輸送層の製法や組成に依存する。 The light irradiation surface is determined by the surface on which the transparent electrode is used. As shown in FIG. 1, either the n-type charge transport layer side or the p-type charge transport layer side may be configured as long as there is little absorption or reflection of irradiation light to the light absorption layer. Also, it can be used by light irradiation from both sides. These configurations depend on the manufacturing method and composition of the charge transport layer to be combined.
また、図示はしていないが、リークを防ぐために導電性物質13と酸化物半導体11間、若しくは触媒層18とp型の電荷輸送層間にそれぞれn型の電荷輸送薄膜、p型の電荷輸送薄膜を適宜設置することが好ましい。 Although not shown, an n-type charge transport thin film and a p-type charge transport thin film are provided between the conductive material 13 and the oxide semiconductor 11 or between the catalyst layer 18 and the p-type charge transport layer in order to prevent leakage. Is preferably installed as appropriate.
本発明の光電変換装置の光吸収層14としては、各種の半導体や色素が利用可能である。半導体としてはi型の光吸収係数が大きなアモルファス半導体や直接遷移型半導体が好ましい。色素としては金属錯体色素および/もしくはポリメチン色素、ペリレン色素、ローズベンガル、エオシンY、マーキュロクロム、サンタリン(Santalin)色素、シアニン(Cyanin)色素などの有機色素や天然色素が好ましい。前記色素は電荷移動層の表面に対する適当な結合基を有していることが好ましい。好ましい結合基としては、COOH基、シアノ基、PO3 H2 基、または、オキシム、ジオキシム、ヒドロキシキノリン、サリチレートおよびαケトエノレートのようなπ伝導性を有するキレート化基が挙げられる。この中でもCOOH基、PO3 H2 基が特に好ましい。本発明に使用する色素が金属錯体色素の場合、ルテニウム錯体色素{Ru(dcbpy)2 (SCN)2 、(dcbpy=2,2−bipyridine−4,4’−dicarboxylic acid)等}が利用できるが、酸化・還元体が安定であることが重要である。これらの光吸収層の材質は、光電変換の電気化学反応が滞りなく進行するような材料が選択される。 As the light absorption layer 14 of the photoelectric conversion device of the present invention, various semiconductors and pigments can be used. As the semiconductor, an amorphous semiconductor having a large i-type light absorption coefficient or a direct transition type semiconductor is preferable. As the dye, organic dyes such as metal complex dyes and / or polymethine dyes, perylene dyes, rose bengal, eosin Y, mercurochrome, Santalin dyes, cyanine dyes, and natural dyes are preferable. The dye preferably has a suitable linking group for the surface of the charge transfer layer. Preferred linking groups include COOH groups, cyano groups, PO 3 H 2 groups, or chelating groups having π conductivity such as oximes, dioximes, hydroxyquinolines, salicylates and α-ketoenolates. Among these, a COOH group and a PO 3 H 2 group are particularly preferable. When the dye used in the present invention is a metal complex dye, a ruthenium complex dye {Ru (dcbpy) 2 (SCN) 2 , (dcbpy = 2,2-bipyridine-4,4′-dicarcoxylic acid, etc.)} can be used. It is important that the oxidized / reduced substance is stable. The material of these light absorption layers is selected such that the electrochemical reaction of photoelectric conversion proceeds without delay.
p型の電荷輸送層には湿式太陽電池同様レドックス系が利用可能である。レドックスを用いる場合でも単純な溶液系のみでなく、カーボンパウダーを保持材にしたり、電解質をゲル化する方法がある。また、溶融塩やイオン伝導性ポリマーを用いる方法もある。さらに電子(ホール)を輸送する方法として電界重合有機ポリマーやCuI、CuSCN、NiOなどのp型半導体を用いることも出来る。上記輸送層は酸化物半導体間に入り込む必要があるため、作製には液体や高分子などに利用できる浸透法や、固体の輸送層に利用できる電着、CVD法などが適している。 A redox system can be used for the p-type charge transport layer as well as a wet solar cell. Even when redox is used, not only a simple solution system but also a method of using carbon powder as a holding material or gelling an electrolyte. There is also a method using a molten salt or an ion conductive polymer. Furthermore, as a method for transporting electrons (holes), an electropolymerized organic polymer or a p-type semiconductor such as CuI, CuSCN, or NiO can be used. Since the transport layer needs to enter between the oxide semiconductors, an infiltration method that can be used for liquids or polymers, an electrodeposition method that can be used for a solid transport layer, a CVD method, or the like is suitable.
p型の電荷輸送層15に隣接するように導電性物質17が設けられる。導電性物質17はこれらの層の外側の全面に設けてもよいし一部に設けてもよい。p型の電荷輸送層が固体でない場合、電荷輸送層を保持するという観点から基板16の全面に導電性物質17を設けたほうがよい。p型の電荷輸送層15に隣接する導電性物質17の表面には、例えばレドックス対の還元を効率よく行わせる為にPt、Cなどの触媒層18を設けておくことが好ましい。この触媒層18の膜厚は、光照射を図1の酸化物半導体側からのみ行うときには光が透過しない程度に成膜しても良いが、p型の電荷輸送層側から光照射を行う場合は、触媒機能と透過光との兼ね合いにより膜厚を設定することが好ましい。 A conductive material 17 is provided adjacent to the p-type charge transport layer 15. The conductive substance 17 may be provided on the entire outer surface of these layers or a part thereof. When the p-type charge transport layer is not solid, it is better to provide the conductive material 17 on the entire surface of the substrate 16 from the viewpoint of holding the charge transport layer. A catalyst layer 18 such as Pt or C is preferably provided on the surface of the conductive material 17 adjacent to the p-type charge transport layer 15 in order to efficiently reduce the redox couple, for example. The film thickness of the catalyst layer 18 may be such that light is not transmitted when light irradiation is performed only from the oxide semiconductor side in FIG. 1, but light irradiation is performed from the p-type charge transport layer side. It is preferable to set the film thickness according to the balance between the catalytic function and the transmitted light.
なお、前述した導電性物質17に基体としての機能を兼ねさせることにより、導電性物質17とは別部材の基板を設けない様にしても良い。特に、p型の電荷輸送層15が固体の時には、直接その上部にAuやAgなどの導電性物質17を設置させることが好適に用いられる。 Note that a substrate separate from the conductive material 17 may not be provided by causing the conductive material 17 described above to function as a base. In particular, when the p-type charge transport layer 15 is solid, it is preferable to directly place a conductive substance 17 such as Au or Ag on the top thereof.
また、図示してはないが、本発明の光電変換装置の湿式のものは少なくとも基板以外の部分を封止することが、耐候性を高める観点から好ましい。封止材としては接着剤や樹脂を用いることができる。なお、光入射側を封止する場合、封止材は透光性であることが好ましい。 Although not shown, it is preferable from the viewpoint of improving the weather resistance that the wet type of the photoelectric conversion device of the present invention is sealed at least a portion other than the substrate. An adhesive or a resin can be used as the sealing material. Note that when the light incident side is sealed, the sealing material is preferably translucent.
以下、実施例を挙げてさらに詳細に本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例1
本実施例は、導電性基板上にシリコンナノホールを作製し、その孔内に溶液析出法を用いて酸化チタンを析出させ、その後シリコンナノホールを溶解した酸化チタン膜をn層の電荷輸送層として用いた光電変換装置の製造方法に関する例である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples.
Example 1
In this example, silicon nanoholes are formed on a conductive substrate, titanium oxide is deposited in the pores using a solution deposition method, and then a titanium oxide film in which silicon nanoholes are dissolved is used as an n-layer charge transport layer. It is an example regarding the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus.
まず基板として導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)を用意し、そのITO基板上に200nmのアルミニウム−シリコン混合膜を成膜した。
図3は、本発明の実施例において使用したスパッタリングターゲットの模式図である。
First, conductive glass (F-doped SnO 2 , 10Ω / cm 2 ) was prepared as a substrate, and a 200 nm aluminum-silicon mixed film was formed on the ITO substrate.
FIG. 3 is a schematic view of the sputtering target used in the examples of the present invention.
ターゲットは図示したように、バッキングプレート31上の101.6mm(4インチ)のアルミニウムターゲット32上に15mm角のシリコンチップ33を6枚置いたものである。スパッタは、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:300Wの条件で行った。また、基板温度は室温とした。 As shown in the figure, six 15 mm square silicon chips 33 are placed on a 101.6 mm (4 inch) aluminum target 32 on a backing plate 31. Sputtering was performed using an RF power source under the conditions of Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 300 W. The substrate temperature was room temperature.
電界放出走査型電子顕微鏡(FE−SEM)にて、以上の様に作製されたアルミニウム−シリコン混合膜を観察した。非晶質シリコンに周囲を囲まれた間隔が10nm、径が5nm、高さLが1μmの結晶性の柱状アルミニウムを含んだアルミニウム−シリコン構造体薄膜の作製が確認できた。 The aluminum-silicon mixed film produced as described above was observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). It was confirmed that an aluminum-silicon structure thin film containing crystalline columnar aluminum having an interval surrounded by amorphous silicon of 10 nm, a diameter of 5 nm, and a height L of 1 μm was confirmed.
このように作製したアルミニウムシリコン混合膜を5wt%りん酸溶液中にて24時間浸し、アルミニウム柱状構造部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。この結果、酸化シリコンを主成分とした部材で構成された多孔質酸化ケイ素薄膜が作製された。 The aluminum silicon mixed film thus produced was immersed in a 5 wt% phosphoric acid solution for 24 hours, and only aluminum columnar structure portions were selectively etched to form pores. As a result, a porous silicon oxide thin film composed of a member mainly composed of silicon oxide was produced.
次に、FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、りん酸でエッチングした多孔質酸化ケイ素薄膜(酸化シリコンを主成分とした部材で構成された多孔質膜)を観察した。基板の断面方向から見た柱状の孔の形状はシリコンの部材に囲まれた細孔が下地基板までほぼ垂直に貫通していた。 Next, the porous silicon oxide thin film etched with phosphoric acid (porous film composed of a member mainly composed of silicon oxide) was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). The shape of the columnar hole viewed from the cross-sectional direction of the substrate was such that the pores surrounded by the silicon member penetrated almost vertically to the base substrate.
このようにして作製したシリコンナノホールを用いて、硫酸チタニル水溶液から酸化チタンを生成した。まず、pH1に調整したHCl水溶液を用いて0.01mol/Lの硫酸チタニル水溶液を調整した。この溶液を1時間攪拌した後に、2mol/Lの尿素を加えて更に1時間、攪拌させた。その後、その溶液を70℃で2時間保持し、酸化チタンの析出を確認した後、作製した鋳型付き基板を1時間浸漬させた。次に、溶液から基板を取り出し、0.2Mの水酸化ナトリウム水溶液に30分浸漬させることにより鋳型を溶解させ、基板上から成長した酸化チタンを作製した。エッチング後の膜をFE−SEMで観察した結果、鋳型を反映して平均径が約5nmの柱状膜になっていることが確認された。 Titanium oxide was produced from a titanyl sulfate aqueous solution using the silicon nanoholes thus produced. First, a 0.01 mol / L aqueous solution of titanyl sulfate was prepared using an aqueous HCl solution adjusted to pH 1. After stirring this solution for 1 hour, 2 mol / L urea was added and further stirred for 1 hour. Thereafter, the solution was held at 70 ° C. for 2 hours, and after confirming the precipitation of titanium oxide, the produced substrate with mold was immersed for 1 hour. Next, the substrate was taken out from the solution, and immersed in a 0.2 M aqueous sodium hydroxide solution for 30 minutes to dissolve the template, thereby producing titanium oxide grown from the substrate. As a result of observing the etched film with FE-SEM, it was confirmed that the film was a columnar film having an average diameter of about 5 nm reflecting the mold.
色素はRu錯体であるRu((dcbpy)(COOH)2 )2 (SCN)2 を用いた。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中に酸化チタン柱状膜電極を24h浸して色素を電極に吸着させた後取りだし、80℃で乾燥させた。また、導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)上に白金を10nm厚にスパッタ成膜した対極を用い、レドックス対はI- /I3 -を用いた。溶質はテトラプロピルアンモニウムヨウ化物(tetrapropylammonium iodide)(0.46mol/L)とヨウ素(0.06mol/L)、溶媒はエチレンカルボナート(ethylene carbonate)(80vol%)とacetonitrile(20vol%)の混合液を用いた。この混合液を酸化チタン柱状膜上に滴下し、対極で挟んでセルとした。 The dye used was Ru ((dcbpy) (COOH) 2 ) 2 (SCN) 2 which is a Ru complex. The dye was dissolved in distilled ethanol, and the titanium oxide columnar membrane electrode was immersed in this for 24 hours to adsorb the dye to the electrode, and then taken out and dried at 80 ° C. Further, a counter electrode in which platinum was sputtered to a thickness of 10 nm on conductive glass (F-doped SnO 2 , 10 Ω / cm 2 ) was used, and I − / I 3 − was used as the redox pair. The solute is tetrapropylammonium iodide (0.46 mol / L) and iodine (0.06 mol / L), and the solvent is a mixed solution of ethylene carbonate (80 vol%) and acetonitrile (20 vol%). Was used. This mixed solution was dropped on the titanium oxide columnar film and sandwiched between counter electrodes to form a cell.
また、比較のために平均径20nmの酸化チタン微粒子を用いてn型の電荷輸送層を作製し、それを用いて同様にセルを組み立てた。
そして紫外線カットフィルターを取り付けた500Wのキセノンランプ光をn型の電荷輸送層側から照射した。この測定結果を酸化チタン微粒子膜と比較すると、本発明のセルの方が短絡電流値、光電変換効率ともに10%程度大きかった。これは、n層及びp層の電荷移動効率が向上し、且つ接触面積が向上したことに起因すると考えられる。
For comparison, an n-type charge transport layer was prepared using titanium oxide fine particles having an average diameter of 20 nm, and a cell was similarly assembled using the n-type charge transport layer.
Then, a 500 W xenon lamp light equipped with an ultraviolet cut filter was irradiated from the n-type charge transport layer side. When this measurement result was compared with the titanium oxide fine particle film, the cell of the present invention had both a short circuit current value and a photoelectric conversion efficiency of about 10% larger. This is considered to be due to the fact that the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer is improved and the contact area is improved.
実施例2
本実施例は、導電性基板上にアルミナナノホールを作製し、その孔内に電位を与えながら溶液析出法を用いて酸化チタンを析出させ、その後アルミナナノホールを溶解した酸化チタン膜をn層の電荷輸送層として用いた光電変換装置の製造方法に関する例である。
Example 2
In this example, alumina nanoholes are formed on a conductive substrate, titanium oxide is deposited using a solution deposition method while applying a potential in the pores, and then the titanium oxide film in which the alumina nanoholes are dissolved is used as an n-layer charge. It is an example regarding the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus used as a transport layer.
まず基板として導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)を用意し、その透明導電膜上に厚さ2μmのAl膜を成膜した。この時ガスはArとし、ガス圧は30mTorr、DCパワーは1000Wとした。 First, conductive glass (F-doped SnO 2 , 10Ω / cm 2 ) was prepared as a substrate, and an Al film having a thickness of 2 μm was formed on the transparent conductive film. At this time, the gas was Ar, the gas pressure was 30 mTorr, and the DC power was 1000 W.
上記基板を陽極酸化装置を用い陽極酸化処理を施した。電解質として0.3Mのシュウ酸水溶液を使用し、恒温水槽により電解質を17℃に保持した。ここで陽極酸化電圧はDC40Vであり、電流値をモニターに表示し、電流値が小さくなった時点で下地層に貫通することを確認した。 The substrate was anodized using an anodizing apparatus. A 0.3M oxalic acid aqueous solution was used as the electrolyte, and the electrolyte was held at 17 ° C. by a constant temperature water bath. Here, the anodic oxidation voltage was DC 40 V, and the current value was displayed on the monitor, and it was confirmed that the current layer was penetrated into the underlayer when the current value became small.
陽極酸化処理後、純粋及びイソプロピルアルコールによる洗浄を行った。
その後、5wt%リン酸溶液中に浸すポアワイド処理を40分行い、表面研磨を行うことによりナノ構造体の壁14を作製した。
After anodizing treatment, washing with pure and isopropyl alcohol was performed.
Then, the pore wide process immersed in 5 wt% phosphoric acid solution was performed for 40 minutes, and the wall 14 of the nanostructure was produced by performing surface polishing.
この基体を、0.1mol/Lのテトラフルオロチタン酸アンモニウムと0.3mol/Lのホウ酸を溶解し、pH3.5〜4.0に調整した溶液中に浸漬し、電位を印加した。電位は参照極として銀−塩化銀電極、対極として白金メッシュ電極、作用極としてアルミナナノホールを設置している導電性基板とした3電極法において−1Vの電位を室温で5分間印加した。その後、5wt%リン酸中に1時間浸漬することによりアルミナナノホールを溶解させ、水洗乾燥後、炉で約350〜500℃程度に加熱することにより、基板上から生成した柱状膜を得ることが出来た。 The substrate was immersed in a solution in which 0.1 mol / L ammonium tetrafluorotitanate and 0.3 mol / L boric acid were dissolved and adjusted to pH 3.5 to 4.0, and a potential was applied. A potential of −1 V was applied at room temperature for 5 minutes in a three-electrode method using a silver-silver chloride electrode as a reference electrode, a platinum mesh electrode as a counter electrode, and a conductive substrate having alumina nanoholes as a working electrode. Thereafter, the alumina nanoholes are dissolved by immersing in 5 wt% phosphoric acid for 1 hour, washed with water and dried, and then heated to about 350 to 500 ° C. in a furnace to obtain a columnar film formed on the substrate. It was.
色素はRu錯体であるRu((dcbpy)(COOH)2 )2 (SCN)2 を用いた。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中に酸化亜鉛針状結晶電極を24h浸して色素を電極に吸着させた後取りだし、80℃で乾燥させた。また、導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)上に白金を10nm厚にスパッタ成膜した対極を用い、レドックス対はI- /I3 -を用いた。溶質はテトラプロピルアンモニウムヨウ化物(tetrapropylammonium iodide)(0.46mol/L)とヨウ素(0.06mol/L)、溶媒はエチレンカルボナート(ethylene carbonate)(80vol%)とacetonitrile(20vol%)の混合液を用いた。この混合液を酸化チタン柱状膜に滴下し、対極で挟んでセルとした。 The dye used was Ru ((dcbpy) (COOH) 2 ) 2 (SCN) 2 which is a Ru complex. The dye was dissolved in distilled ethanol, and the zinc oxide needle crystal electrode was immersed in this for 24 hours to adsorb the dye to the electrode, and then taken out and dried at 80 ° C. Further, a counter electrode in which platinum was sputtered to a thickness of 10 nm on conductive glass (F-doped SnO 2 , 10 Ω / cm 2 ) was used, and I − / I 3 − was used as the redox pair. The solute is tetrapropylammonium iodide (0.46 mol / L) and iodine (0.06 mol / L), and the solvent is a mixed solution of ethylene carbonate (80 vol%) and acetonitrile (20 vol%). Was used. This mixed solution was dropped on the titanium oxide columnar film and sandwiched between counter electrodes to form a cell.
また、比較のために平均径20nmの酸化チタン微粒子を用いてn型の電荷輸送層を作製し、それを用いて同様にセルを組み立てた。
そして紫外線カットフィルターを取り付けた500Wのキセノンランプ光をn型の電荷輸送層側から照射した。この測定結果を酸化チタン微粒子膜と比較すると、本発明のセルの方が短絡電流値、光電変換効率ともに10%程度大きかった。これは、n層及びp層の電荷移動効率が向上し、且つ接触面積が向上したことに起因すると考えられる。
For comparison, an n-type charge transport layer was prepared using titanium oxide fine particles having an average diameter of 20 nm, and a cell was similarly assembled using the n-type charge transport layer.
Then, a 500 W xenon lamp light equipped with an ultraviolet cut filter was irradiated from the n-type charge transport layer side. When this measurement result was compared with the titanium oxide fine particle film, the cell of the present invention had both a short circuit current value and a photoelectric conversion efficiency of about 10% larger. This is considered to be due to the fact that the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer is improved and the contact area is improved.
実施例3
本実施例は、導電性基板上にシリカナノホールを作製し、その孔内に電位を与えながら溶液析出法を用いて酸化チタンを析出させ、その後シリカナノホールを溶解した酸化チタン膜をn層の電荷輸送層として用いた光電変換装置の製造方法に関する例である。
Example 3
In this example, silica nanoholes are formed on a conductive substrate, titanium oxide is deposited using a solution deposition method while applying a potential to the pores, and then the titanium oxide film in which the silica nanoholes are dissolved is used as an n-layer charge. It is an example regarding the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus used as a transport layer.
シリカナノホール作製のための反応液を調製する原料として、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)1モルに対して、硝酸0.7モル、水12モル、エタノール15モル、n−ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド0.2モルとした。この溶液を導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)上に添加して、3000回転/分の条件でスピンコートした。その後、大気中400℃で熱処理を行うことによりシリカナノホールを作製した。 Nitrogen 0.7 mol, water 12 mol, ethanol 15 mol, n-hexadecyltrimethylammonium chloride 0.2 with respect to 1 mol of tetraethylorthosilicate (TEOS) as a raw material for preparing a reaction liquid for producing silica nanoholes Mole. This solution was added onto conductive glass (F-doped SnO 2 , 10Ω / cm 2 ) and spin-coated under the condition of 3000 rpm. Then, the silica nanohole was produced by performing heat processing at 400 degreeC in air | atmosphere.
このようにしてシリカナノホールを実施例1と同様に酸化チタンを充填させた。次に、溶液から基板を取り出し、0.2Mの水酸化ナトリウム水溶液に30分浸漬させることにより鋳型を溶解させ、基板上から成長した酸化チタンを作製した。エッチング後の膜をFE−SEMで観察した結果、鋳型を反映して平均孔径が約5nmの樹枝状構造になっていることが確認された。 In this way, silica nanoholes were filled with titanium oxide in the same manner as in Example 1. Next, the substrate was taken out from the solution, and immersed in a 0.2 M aqueous sodium hydroxide solution for 30 minutes to dissolve the template, thereby producing titanium oxide grown from the substrate. As a result of observing the etched film with FE-SEM, it was confirmed that the film had a dendritic structure with an average pore diameter of about 5 nm reflecting the template.
色素はRu錯体であるRu((dcbpy)(COOH)2 )2 (SCN)2 を用いた。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中に酸化亜鉛針状結晶電極を24h浸して色素を電極に吸着させた後取りだし、80℃で乾燥させた。また、導電性ガラス(FドープSnO2 、10Ω/cm2)上に白金を10nm厚にスパッタ成膜した対極を用い、レドックス対はI- /I3 -を用いた。溶質はテトラプロピルアンモニウムヨウ化物(tetrapropylammonium iodide)(0.46mol/L)とヨウ素(0.06mol/L)、溶媒はエチレンカルボナート(ethylene carbonate)(80vol%)とacetonitrile(20vol%)の混合液を用いた。この混合液を酸化チタン樹枝状膜に滴下し、対極で挟んでセルとした。 The dye used was Ru ((dcbpy) (COOH) 2 ) 2 (SCN) 2 which is a Ru complex. The dye was dissolved in distilled ethanol, and the zinc oxide needle crystal electrode was immersed in this for 24 hours to adsorb the dye to the electrode, and then taken out and dried at 80 ° C. Further, a counter electrode in which platinum was sputtered to a thickness of 10 nm on conductive glass (F-doped SnO 2 , 10 Ω / cm 2 ) was used, and I − / I 3 − was used as the redox pair. The solute is tetrapropylammonium iodide (0.46 mol / L) and iodine (0.06 mol / L), and the solvent is a mixed solution of ethylene carbonate (80 vol%) and acetonitrile (20 vol%). Was used. This mixed solution was dropped on a titanium oxide dendritic membrane and sandwiched between counter electrodes to form a cell.
また、比較のために平均径20nmの酸化チタン微粒子を用いてn型の電荷輸送層を作製し、それを用いて同様にセルを組み立てた。
そして紫外線カットフィルターを取り付けた500Wのキセノンランプ光をn型の電荷輸送層側から照射した。この測定結果を酸化チタン微粒子膜と比較すると、本発明のセルの方が短絡電流値、光電変換効率ともに10%程度大きかった。これは、n層及びp層の電荷移動効率が向上し、且つ接触面積が向上したことに起因すると考えられる。
For comparison, an n-type charge transport layer was prepared using titanium oxide fine particles having an average diameter of 20 nm, and a cell was similarly assembled using the n-type charge transport layer.
Then, a 500 W xenon lamp light equipped with an ultraviolet cut filter was irradiated from the n-type charge transport layer side. When this measurement result was compared with the titanium oxide fine particle film, the cell of the present invention had both a short circuit current value and a photoelectric conversion efficiency of about 10% larger. This is considered to be due to the fact that the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer is improved and the contact area is improved.
本発明の光電変換装置の製造方法は、製造コストが安価で、n層及びp層の電荷移動効率が向上し、接触面積が向上した酸化物半導体層を作成でき、その結果、短絡電流値及び変換効率が向上した光電変換装置を提供できるので、光起電力素子や、光センサー、フォトダイオード等に利用することができる。 The manufacturing method of the photoelectric conversion device of the present invention is low in manufacturing cost, can improve the charge transfer efficiency of the n layer and the p layer, and can create an oxide semiconductor layer having an improved contact area. Since a photoelectric conversion device with improved conversion efficiency can be provided, it can be used for photovoltaic elements, optical sensors, photodiodes, and the like.
11 酸化物半導体
12 基板
13 導電性物質(アノード)
14 光吸収層
15 p型の電荷輸送層
16 基板
17 導電性物質(カソード)
18 触媒層
21 基板
22 アルミニウム
23 シリコン
24 孔
31 バッキングプレート
32 アルミニウムターゲット
33 シリコンウエハ
41 アナターゼ型TiO2 微粒子層
42 光吸収層
43 p型の電荷輸送層
44 ガラス
45 透明電極層(アノード)
46 透明電極層(カソード)
51 参照極
52 対極
53 サンプル(作用極)
54 ビーカー
55 電解液
56 マントルヒーター
11 Oxide Semiconductor 12 Substrate 13 Conductive Material (Anode)
14 light absorption layer 15 p-type charge transport layer 16 substrate 17 conductive material (cathode)
18 catalyst layer 21
46 Transparent electrode layer (cathode)
51 Reference electrode 52 Counter electrode 53 Sample (working electrode)
54 Beaker 55 Electrolyte 56 Mantle heater
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JP2004300688A JP2006114350A (en) | 2004-10-14 | 2004-10-14 | Manufacturing method of photoelectric conversion device |
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Cited By (1)
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WO2014129575A1 (en) * | 2013-02-22 | 2014-08-28 | 富士フイルム株式会社 | Photoelectric conversion element, method for manufacturing photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell |
-
2004
- 2004-10-14 JP JP2004300688A patent/JP2006114350A/en active Pending
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WO2014129575A1 (en) * | 2013-02-22 | 2014-08-28 | 富士フイルム株式会社 | Photoelectric conversion element, method for manufacturing photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell |
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