JP2009070768A - 光電変換素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構造で安定に動作し、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる、プラズモン共鳴型の光電変換素子を提供する。また、そのような光電変換素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の光電変換素子は、金属ナノ粒子が半導体層上に設けられ、光照射により電荷を発生する光電変換素子であって、該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を有する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の光電変換素子は、金属ナノ粒子が半導体層上に設けられ、光照射により電荷を発生する光電変換素子であって、該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光電変換素子とその製造方法に関する。詳細には、光照射によるプラズモン共鳴を利用した光電変換素子とその製造方法に関する。
色素増感太陽電池は、安価であることに加えて比較的高い光電変換効率を有する。このため、色素増感太陽電池は、次世代の持続的エネルギー供給源として大きな期待を集めている(特許文献1参照)。しかし、色素増感太陽電池においては、有機系色素増感剤が分解し易く、特に、酸素存在下で寿命、耐久性が十分でなく、また、吸収できる波長領域が一般に紫外から可視光領域に限られるため、より高効率の光電変換を達成することが困難であるという問題がある。
上記問題を解消するための有望なアプローチの1つとして、有機系色素増感剤を無機材料に置き換えることが挙げられる(特許文献2参照)。最近、有機系色素増感剤を金のナノ粒子に置き換えた太陽電池が報告されている(非特許文献1参照)。しかし、金のナノ粒子への光照射で起こるプラズモン共鳴による電荷発生は、十分に広い波長領域で達成できておらず、光電流の強さも十分ではない。
特開2005−19130号公報
特開2007−73794号公報
J.Am.Chem.Soc.,127,7632(2005)
本発明の課題は、簡易な構造で安定に動作し、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる、プラズモン共鳴型の光電変換素子を提供することにある。また、そのような光電変換素子の製造方法を提供することにある。
本発明の光電変換素子は、
金属ナノ粒子が半導体層上に設けられ、光照射により電荷を発生する光電変換素子であって、
該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を有する。
金属ナノ粒子が半導体層上に設けられ、光照射により電荷を発生する光電変換素子であって、
該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を有する。
好ましい実施形態においては、上記金属ナノ粒子の平均粒子径が100nm以下である。
好ましい実施形態においては、上記金属ナノ粒子が、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である。
好ましい実施形態においては、上記カルコゲニド半導体が金属硫化物である。
好ましい実施形態においては、上記半導体層が酸化チタン層である。
本発明の別の局面によれば、光電変換素子の製造方法が提供される。本発明の製造方法は、
光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属をコア部としカルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型の電荷発生部が半導体層から突出した光電変換素子を製造する方法であって、
該金属のナノ粒子を該半導体層上に設ける工程と、該金属のナノ粒子の該半導体層から突出した部分に該カルコゲニド半導体の薄膜を形成する工程とを含む。
光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属をコア部としカルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型の電荷発生部が半導体層から突出した光電変換素子を製造する方法であって、
該金属のナノ粒子を該半導体層上に設ける工程と、該金属のナノ粒子の該半導体層から突出した部分に該カルコゲニド半導体の薄膜を形成する工程とを含む。
好ましい実施形態においては、上記金属のナノ粒子の平均粒子径が100nm以下である。
好ましい実施形態においては、上記金属のナノ粒子が、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である。
好ましい実施形態においては、上記カルコゲニド半導体が金属硫化物である。
好ましい実施形態においては、上記半導体層が酸化チタン層である。
本発明によれば、簡易な構造で安定に動作し、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる、プラズモン共鳴型の光電変換素子を提供することができる。また、そのような光電変換素子の製造方法を提供することができる。
上記のような効果は、金属ナノ粒子が半導体層上に設けられた光電変換素子とし、該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を設けることで、発現することができる。
≪光電変換素子≫
図1は、本発明の光電変換素子の好ましい実施形態の概略断面図である。金属ナノ粒子10が半導体層20上に設けられ、光照射により発生した電荷が半導体層20で取り出される。なお、図1においては、便宜上、金属ナノ粒子10が1個だけ半導体層20上に設けられている図としているが、実際には、複数の金属ナノ粒子10が半導体層20上に設けられている。
図1は、本発明の光電変換素子の好ましい実施形態の概略断面図である。金属ナノ粒子10が半導体層20上に設けられ、光照射により発生した電荷が半導体層20で取り出される。なお、図1においては、便宜上、金属ナノ粒子10が1個だけ半導体層20上に設けられている図としているが、実際には、複数の金属ナノ粒子10が半導体層20上に設けられている。
図1においては、金属ナノ粒子10のおよそ半分だけが半導体層20上に露出(すなわち、粒子状の電荷発生部10のおよそ半分だけが半導体層20の内部に埋没)しているが、このように金属ナノ粒子10の一部が半導体層20上に露出していても良いし、金属ナノ粒子10の全部が半導体層20上に露出していても良い。すなわち、金属ナノ粒子10の少なくとも一部が半導体層20上に露出していれば良い。
図1において、金属ナノ粒子10の半導体層20から突出した部分は、当該部分をコア部30とし、カルコゲニド半導体をシェル部40とするコアシェル型電荷発生部を構成する。なお、本明細書において「コアシェル型」とは、実質的にコアシェル構造を構成していれば良い。すなわち、図1のように、コア部をシェル部が完全に被覆した構造であっても良いし、コア部の大部分(好ましくはコア部表面の50%以上、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上)をシェル部が被覆した構造であっても良い。
本発明の光電変換素子のように、金属ナノ粒子の半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を構成することにより、「半導体層/金属ナノ粒子」の構成による光電変換効果と「半導体層/カルコゲニド半導体」の構成による光電変換効果との単なる和の効果に比べて、格段に優れた相乗効果が発現でき、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる。
本発明の光電変換素子は、図1に示すように、代表的には、半導体層20の金属ナノ粒子10の反対側に透明電極50を備える。また、代表的には、対向電極60を備える。透明電極50や対向電極60には、必要に応じて、支持基板が設けられていても良い。
金属ナノ粒子の平均粒子径は、好ましくは100nm以下、より好ましくは1〜50nm、さらに好ましくは3〜20nmである。金属ナノ粒子の平均粒子径をこのようなナノメートルオーダーに制御することにより、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる。金属ナノ粒子の平均粒子径が3nm未満の場合、表面プラズモン吸収の効率が下がるおそれがある。金属ナノ粒子の平均粒子径が20nmを超える場合、金属粒子の粒子密度が小さくなってきて表面プラズモン吸収の効率が下がるおそれがある。
上記金属ナノ粒子は、好ましくは、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である。金のナノ粒子がより好ましい。本発明の構成とすることで、簡易な構造で安定に動作し、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できるからである。
上記シェル部を形成するカルコゲニド半導体は、上記コア部を形成する金属との間に強い電子的相互作用が働くことにより、該金属の表面プラズモン吸収のブロードニングを引き起こし得る。また、上記シェル部を形成するカルコゲニド半導体は、可視光を吸収し、上記半導体層に電子を注入することができるもの(ナローギャップ半導体であり、かつ、伝導体エッジエネルギーが上記半導体層エッジエネルギー以上であるもの)となり得る。このようなカルコゲニド半導体としては、CdS、MoS、FeS、In2S3、NaInS2、ZnIn2S4、ZnxCd1−xS、Cd2In2S4、AgGaS2などの金属硫化物;金属セレン化物;金属テルル化物;等が挙げられる。これらの中でも、金属硫化物が好ましく、硫化カドミウムがより好ましい。本発明の構成とすることで、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できるからである。
上記半導体層は、好ましくは、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などのn型半導体の層が挙げられる。酸化チタン層がより好ましい。本発明の構成とすることで、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できるからである。
上記透明電極としては、任意の適切な透明電極を採用し得る。例えば、ITO(酸化インジウム−スズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)などが挙げられる。
上記対向電極としては、任意の適切な対向電極を採用し得る。例えば、チタン、ニッケル、金、銀、銅、カーボン、透明電極、導電性高分子などが挙げられる。透明電極としては、上記したものが例示できる。導電性高分子としては、例えば、塩素、臭素、またはヨウ素をドープしたポリアセチレン、ポリアセン、ポリピロール、ポリチオフェン、およびそれらの誘導体などが挙げられる。
上記支持基板としては、任意の適切な支持基板を採用し得る。例えば、ガラス基板、プラスチック基板などが挙げられる。
本発明の光電変換素子を太陽電池として機能させる際には、湿式太陽電池の形態としても良いし、乾式太陽電池の形態としても良い。粒子状の電荷発生部が表面に設けられた半導体層と対向電極との間に電解質が介在していても良い。電解質としては、液体電解質を用いても良いし、固体電解質でも良い。液体電解質としては任意の適切な液体電解質を採用し得る。固体電解質としては任意の適切な固体電解質を採用し得る。
≪光電変換素子の製造方法≫
本発明の光電変換素子の製造方法は、光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属をコア部としカルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型の電荷発生部が半導体層から突出した光電変換素子を製造する方法であって、該金属のナノ粒子を該半導体層上に設ける工程(I)と、該金属のナノ粒子の該半導体層から突出した部分に該カルコゲニド半導体の薄膜を形成する工程(II)とを含む。
本発明の光電変換素子の製造方法は、光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属をコア部としカルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型の電荷発生部が半導体層から突出した光電変換素子を製造する方法であって、該金属のナノ粒子を該半導体層上に設ける工程(I)と、該金属のナノ粒子の該半導体層から突出した部分に該カルコゲニド半導体の薄膜を形成する工程(II)とを含む。
上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子は、好ましくは、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である。金のナノ粒子がより好ましい。簡易な構造で安定に動作し、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる光電変換素子を提供することができるからである。
上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子の平均粒子径は、好ましくは100nm以下、より好ましくは1〜50nm、さらに好ましくは3〜20nmである。上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子の平均粒子径をこのようなナノメートルオーダーに制御することにより、十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる光電変換素子を提供することができるからである。また、上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子の平均粒子径が100nmを超えると、粒子表面におけるプラズモン吸収が消失するおそれがある。また、上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子の平均粒子径が3nm未満の場合、表面プラズモン吸収の効率が下がるおそれがある。また、上記工程(I)で用いる金属のナノ粒子の平均粒子径が20nmを超える場合、金属のナノ粒子の粒子密度が小さくなってきて表面プラズモン吸収の効率が下がるおそれがある。
上記工程(I)で半導体層上に金属のナノ粒子を設ける方法としては、析出沈殿法(Deposition−Precipitation method:DP法)、光析出法等の、任意の適切な方法を採用し得る。中でも、析出沈殿法が好ましく、任意の適切な析出沈殿法を採用し得る。析出沈殿法を用いることにより、半導体層表面に高分散状態で純度の高い金属粒子を担持することが可能となる。
上記工程(I)で用いる半導体層は、好ましくは、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などのn型半導体の層が挙げられる。酸化チタン層がより好ましい。十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる光電変換素子を提供することができるからである。
上記工程(II)で用いるカルコゲニド半導体は、上記コア部を形成する金属との間に強い電子的相互作用が働くことにより、該金属の表面プラズモン吸収のブロードニングを引き起こし得る。また、上記シェル部を形成するカルコゲニド半導体は、可視光を吸収し、上記半導体層に電子を注入することができるもの(ナローギャップ半導体であり、かつ、伝導体エッジエネルギーが上記半導体層エッジエネルギー以上であるもの)となり得る。
このようなカルコゲニド半導体としては、CdS、MoS、FeS、In2S3、NaInS2、ZnIn2S4、ZnxCd1−xS、Cd2In2S4、AgGaS2などの金属硫化物;金属セレン化物;金属テルル化物;等が挙げられる。これらの中でも、金属硫化物が好ましく、硫化カドミウムがより好ましい。十分に広い波長領域で十分に強い光電流を供給できる光電変換素子を提供することができるからである。
上記工程(II)において、金属のナノ粒子の半導体層から突出した部分にカルコゲニド半導体の薄膜を形成する方法としては、任意の適切な薄膜形成方法を採用し得る。
上記工程(II)において得られるカルコゲニド半導体の薄膜の厚みは、好ましくは0.5〜20nm、より好ましくは1〜10nmである。上記工程(II)において得られるカルコゲニド半導体の薄膜の厚みが0.5nm未満の場合、カルコゲニド半導体の光吸収が弱くなるおそれがあり、半導体層への電子移動量が減少するおそれがある。上記工程(II)において得られるカルコゲニド半導体の薄膜の厚みが20nmを超えると、カルコゲニド半導体の量子サイズ効果が減少し、伝導帯エッジエネルギーが低下するおそれがある。その結果、カルコゲニド半導体への電子注入に対するドライビングフォースが減少するおそれがある。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
(電子吸収スペクトルの測定)
(株)日立製作所製のU−4000型自記分光光度計を用い、400〜1900nmの波長で測定した。スキャンスピードは、300nm/minとし、光源としてはWランプを用いた。
(電子吸収スペクトルの測定)
(株)日立製作所製のU−4000型自記分光光度計を用い、400〜1900nmの波長で測定した。スキャンスピードは、300nm/minとし、光源としてはWランプを用いた。
〔実施例1〕
<SnO2膜付きガラス基板上へのTiO2薄膜の作製>
SnO2膜付きガラス基板を、ダイヤモンドカッターを用いて、縦5cm×横2.5cmの大きさに切り、洗剤で洗った後、蒸留水、アセトン、およびエタノールで超音波洗浄(それぞれ、10min×2回)を行った。SnO2膜付きガラス基板の裏面(SnO2膜が付いていない面)には、クリーンコート・Sによりコーティングすることでコーティング溶液が付かないようにし、SnO2膜付きガラス基板とした。
TiO2薄膜の作製は、以下のように、ゾル−ゲル法を用いて行った。
エタノール93mlとトリフルオロ酢酸0.25mlを混合した溶液に、アセチルアセトン6.6mlとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)9.4mlを加えて、30分間撹拌し、コーティング溶液とした。
得られたコーティング溶液を用いて、事前に蒸留水、アセトン、およびエタノールで洗浄しておいたSnO2膜付きガラス基板上にディップコーティング法で成膜し、30分間自然乾燥した後、空気雰囲気下、500℃で1時間熟成した。得られた、TiO2薄膜が表面に成膜されたSnO2膜付きガラス基板を、TiO2/SnO2と称することとする。
<SnO2膜付きガラス基板上へのTiO2薄膜の作製>
SnO2膜付きガラス基板を、ダイヤモンドカッターを用いて、縦5cm×横2.5cmの大きさに切り、洗剤で洗った後、蒸留水、アセトン、およびエタノールで超音波洗浄(それぞれ、10min×2回)を行った。SnO2膜付きガラス基板の裏面(SnO2膜が付いていない面)には、クリーンコート・Sによりコーティングすることでコーティング溶液が付かないようにし、SnO2膜付きガラス基板とした。
TiO2薄膜の作製は、以下のように、ゾル−ゲル法を用いて行った。
エタノール93mlとトリフルオロ酢酸0.25mlを混合した溶液に、アセチルアセトン6.6mlとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)9.4mlを加えて、30分間撹拌し、コーティング溶液とした。
得られたコーティング溶液を用いて、事前に蒸留水、アセトン、およびエタノールで洗浄しておいたSnO2膜付きガラス基板上にディップコーティング法で成膜し、30分間自然乾燥した後、空気雰囲気下、500℃で1時間熟成した。得られた、TiO2薄膜が表面に成膜されたSnO2膜付きガラス基板を、TiO2/SnO2と称することとする。
<金ナノ粒子担持TiO2/SnO2の作製>
以下のように、析出沈殿法(Deposition−Precipitation method:DP法)を用いて作製した。
1M−NaOH水溶液を用いてpHを6.0に調整した4.86×10−3MのHAuCl4水溶液100mlが入ったビーカーを、湯浴を用いて70℃に加温した。これにTiO2/SnO2を1時間浸漬させた後、薄膜を蒸留水で洗浄し、自然乾燥したものを空気雰囲気下、400℃で1時間焼成した。得られた、金ナノ粒子担持TiO2/SnO2を、Au/TiO2/SnO2と称することとする。Au/TiO2/SnO2におけるAuの平均粒子径は9nmであり、担持量は17.8μgcm−2であった。
Au/TiO2/SnO2の電子吸収スペクトルを図4に示す。
以下のように、析出沈殿法(Deposition−Precipitation method:DP法)を用いて作製した。
1M−NaOH水溶液を用いてpHを6.0に調整した4.86×10−3MのHAuCl4水溶液100mlが入ったビーカーを、湯浴を用いて70℃に加温した。これにTiO2/SnO2を1時間浸漬させた後、薄膜を蒸留水で洗浄し、自然乾燥したものを空気雰囲気下、400℃で1時間焼成した。得られた、金ナノ粒子担持TiO2/SnO2を、Au/TiO2/SnO2と称することとする。Au/TiO2/SnO2におけるAuの平均粒子径は9nmであり、担持量は17.8μgcm−2であった。
Au/TiO2/SnO2の電子吸収スペクトルを図4に示す。
<Au−CdS複合ナノ粒子担持TiO2/SnO2の作製>
ダブルジャケット型パイレックス(登録商標)ガラス製反応器(内径:85mm、高さ:140mm)の内槽において、10mgのS8と1.45gのCd(ClO4)2・6H2Oを完全に溶解させたエタノール溶液250mlにAu/TiO2/SnO2を浸漬させ、アルゴンガスを30分間バブリングさせて脱気した後、反応器上部から高圧水銀灯の紫外光(光源の強度=7.5mWcm−2、λex≦320nmカット)を照射した。光照射中は、温度上昇を防ぐために、ダブルジャケット型パイレックス(登録商標)ガラス製反応器の外槽に冷却水を流し続けた(反応温度=25.0±0.5℃)。
光照射後の薄膜をエタノールで洗浄した後、自然乾燥した。得られた、Au−CdS複合ナノ粒子担持TiO2/SnO2を、Au@CdS/TiO2/SnO2と称することとする。Au@CdS/TiO2/SnO2におけるCdS薄膜の厚みは平均2nmであり、Au−CdS複合ナノ粒子の平均粒子径は13nmであった。
Au@CdS/TiO2/SnO2のHRTEM観察の写真図を図2に示す。図2によれば、半導体層(図2ではTiO2)上に金属ナノ粒子(図2ではAu)が設けられ、該金属ナノ粒子(図2ではAu)の該半導体層(図2ではTiO2)から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体(図2ではCdS)をシェル部とするコアシェル型電荷発生部が観察された。
また、Au@CdS/TiO2/SnO2のエネルギー損失スペクトル(EELS)の測定結果図を図3に示す。図3によれば、CdSがAu/TiO2/SnO2のAuナノ粒子表面上に高選択的に析出していることが確認された。
Au@CdS/TiO2/SnO2の電子吸収スペクトルを図4に示す。
ダブルジャケット型パイレックス(登録商標)ガラス製反応器(内径:85mm、高さ:140mm)の内槽において、10mgのS8と1.45gのCd(ClO4)2・6H2Oを完全に溶解させたエタノール溶液250mlにAu/TiO2/SnO2を浸漬させ、アルゴンガスを30分間バブリングさせて脱気した後、反応器上部から高圧水銀灯の紫外光(光源の強度=7.5mWcm−2、λex≦320nmカット)を照射した。光照射中は、温度上昇を防ぐために、ダブルジャケット型パイレックス(登録商標)ガラス製反応器の外槽に冷却水を流し続けた(反応温度=25.0±0.5℃)。
光照射後の薄膜をエタノールで洗浄した後、自然乾燥した。得られた、Au−CdS複合ナノ粒子担持TiO2/SnO2を、Au@CdS/TiO2/SnO2と称することとする。Au@CdS/TiO2/SnO2におけるCdS薄膜の厚みは平均2nmであり、Au−CdS複合ナノ粒子の平均粒子径は13nmであった。
Au@CdS/TiO2/SnO2のHRTEM観察の写真図を図2に示す。図2によれば、半導体層(図2ではTiO2)上に金属ナノ粒子(図2ではAu)が設けられ、該金属ナノ粒子(図2ではAu)の該半導体層(図2ではTiO2)から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体(図2ではCdS)をシェル部とするコアシェル型電荷発生部が観察された。
また、Au@CdS/TiO2/SnO2のエネルギー損失スペクトル(EELS)の測定結果図を図3に示す。図3によれば、CdSがAu/TiO2/SnO2のAuナノ粒子表面上に高選択的に析出していることが確認された。
Au@CdS/TiO2/SnO2の電子吸収スペクトルを図4に示す。
<光電気化学測定>
作用極に上記で得られたAu@CdS/TiO2/SnO2、参照電極としてAg/AgCl電極、対極としてグラッシーカーボン、電解液として5mM−FeCl2、0.5mM−FeCl3、0.1M−LiNO3を用い、北斗電工社製の測定装置「HSV−100」を用いて、光電流測定を行った。
反応容器(内径=45mm、高さ=105mm)に90mlの電解液を加え、上部から3つの電極のついたシリコン栓(電極間距離=1.5cm)で蓋をして、アルゴンガスを30分間バブリングさせて脱気した後、光電流測定を行った。
光源には、Xeランプ(λex>400nm、I420−485=3.0mWcm−2)を用い、北斗電工社製「HSV−100」の「CA(クロノアンペロメトリ)」を用いて定電圧条件下(0.167V)、光電流測定を行った(暗所における電流値が安定してから本測定を行った)。
結果を、図5に示す。
作用極に上記で得られたAu@CdS/TiO2/SnO2、参照電極としてAg/AgCl電極、対極としてグラッシーカーボン、電解液として5mM−FeCl2、0.5mM−FeCl3、0.1M−LiNO3を用い、北斗電工社製の測定装置「HSV−100」を用いて、光電流測定を行った。
反応容器(内径=45mm、高さ=105mm)に90mlの電解液を加え、上部から3つの電極のついたシリコン栓(電極間距離=1.5cm)で蓋をして、アルゴンガスを30分間バブリングさせて脱気した後、光電流測定を行った。
光源には、Xeランプ(λex>400nm、I420−485=3.0mWcm−2)を用い、北斗電工社製「HSV−100」の「CA(クロノアンペロメトリ)」を用いて定電圧条件下(0.167V)、光電流測定を行った(暗所における電流値が安定してから本測定を行った)。
結果を、図5に示す。
〔比較例1〕
<光電気化学測定>
作用極に実施例1の<金ナノ粒子担持TiO2/SnO2の作製>で得られたAu/TiO2/SnO2、参照電極としてAg/AgCl電極、対極としてグラッシーカーボン、電解液として5mM−FeCl2、0.5mM−FeCl3、0.1M−LiNO3を用い、北斗電工社製の測定装置「HSV−100」を用いて、光電流測定を行った。なお、光源としては、Xeランプ(λex>400nm、I420−485=3.0mWcm−2)を用いた。
結果を、図5に示す。
<光電気化学測定>
作用極に実施例1の<金ナノ粒子担持TiO2/SnO2の作製>で得られたAu/TiO2/SnO2、参照電極としてAg/AgCl電極、対極としてグラッシーカーボン、電解液として5mM−FeCl2、0.5mM−FeCl3、0.1M−LiNO3を用い、北斗電工社製の測定装置「HSV−100」を用いて、光電流測定を行った。なお、光源としては、Xeランプ(λex>400nm、I420−485=3.0mWcm−2)を用いた。
結果を、図5に示す。
〔評価1〕
図4によれば、Au@CdS/TiO2/SnO2は、Au/TiO2/SnO2に比べて、500nm以下の波長域にCdSのバンド間遷移に基づく吸収が現れると同時に、Auナノ粒子の表面プラズモン吸収が著しくブロードニングしていることが判る。
図4によれば、Au@CdS/TiO2/SnO2は、Au/TiO2/SnO2に比べて、500nm以下の波長域にCdSのバンド間遷移に基づく吸収が現れると同時に、Auナノ粒子の表面プラズモン吸収が著しくブロードニングしていることが判る。
〔評価2〕
図5によれば、Au@CdS/TiO2/SnO2は、Au/TiO2/SnO2に比べて、15倍以上の光電流が得られていることが判る。これは、CdSのバンド間遷移に基づく吸収およびAuナノ粒子の表面プラズモン吸収のブロードニングによる光吸収効率の増加に起因するものと考えられる。
図5によれば、Au@CdS/TiO2/SnO2は、Au/TiO2/SnO2に比べて、15倍以上の光電流が得られていることが判る。これは、CdSのバンド間遷移に基づく吸収およびAuナノ粒子の表面プラズモン吸収のブロードニングによる光吸収効率の増加に起因するものと考えられる。
本発明における光電変換素子は、プラズモン共鳴型の光電変換素子として、太陽電池に好適に利用することができる。
10 金属ナノ粒子
20 半導体層
30 コア部
40 シェル部
50 透明電極
60 対向電極
20 半導体層
30 コア部
40 シェル部
50 透明電極
60 対向電極
Claims (10)
- 金属ナノ粒子が半導体層上に設けられ、光照射により電荷を発生する光電変換素子であって、
該金属ナノ粒子の該半導体層から突出した部分をコア部とし、カルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部を有する、
光電変換素子。 - 前記金属ナノ粒子の平均粒子径が100nm以下である、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記金属ナノ粒子が、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である、請求項1または2に記載の光電変換素子。
- 前記カルコゲニド半導体が金属硫化物である、請求項1から3までのいずれかに記載の光電変換素子。
- 前記半導体層が酸化チタン層である、請求項1から4までのいずれかに記載の光電変換素子。
- 光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属をコア部としカルコゲニド半導体をシェル部とするコアシェル型電荷発生部が半導体層から突出した光電変換素子を製造する方法であって、
該金属のナノ粒子を該半導体層上に設ける工程と、該金属のナノ粒子の該半導体層から突出した部分に該カルコゲニド半導体の薄膜を形成する工程とを含む、
光電変換素子の製造方法。 - 前記金属のナノ粒子の平均粒子径が100nm以下である、請求項1に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記金属のナノ粒子が、金、銀、白金、銅、パラジウムから選ばれる少なくとも1種の粒子である、請求項6または7に記載の製造方法。
- 前記カルコゲニド半導体が金属硫化物である、請求項6から8までのいずれかに記載の製造方法。
- 前記半導体層が酸化チタン層である、請求項6から9までのいずれかに記載の製造方法。
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-
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- 2007-09-18 JP JP2007240658A patent/JP2009070768A/ja active Pending
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