JP2014056892A - Photovoltaic device, and method of manufacturing the same - Google Patents

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若奈 久保
Takuo Tanaka
拓男 田中
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PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic device.SOLUTION: A photovoltaic device 1000 includes a photoelectric conversion layer 10, an electrode pair 20, and a plurality of metal structures 30. The photoelectric conversion layer is formed to be a certain thickness D, and composed of an organic semiconductor. The electrode pair faces each other by sandwiching the photoelectric conversion layer in a thickness direction. In the plurality of metal structures 30, surface plasmon resonance is induced by light hν incident on the photoelectric conversion layer 10. The light is incident on the photoelectric conversion layer 10 through a translucent substrate 80 and a translucent electrode 22, for instance. At least part of at least one of the plurality of metal structures 30 of the photovoltaic device 1000 is positioned in a range of a thickness of the photoelectric conversion layer 10. The metal structures 30 are electrically connected to one of the electrodes of the electrode pair 20. In one embodiment of the present invention, a photoelectric conversion element is provided in which an interface between the metal structure 50 and the photoelectric conversion layer 10 is inclined.

Description

本発明は光起電力素子およびその製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は表面プラズモン共鳴を利用する光起電力素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a photovoltaic device and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a photovoltaic device using surface plasmon resonance and a method for manufacturing the photovoltaic device.

従来、太陽電池や光センサーなどの光起電力素子が、例えば結晶系シリコンやアモルファスシリコンといった半導体を利用し作製されている。また特に太陽電池では化合物半導体も利用されている。これらの無機半導体材料を利用するもの以外に、半導体特性を示す有機材料(「有機半導体」)を利用した光起電力素子も開発されている。有機半導体は、大面積での高い生産性が期待できること、また、フレキシブルな太陽電池などを製造できることなどから注目されている。   Conventionally, photovoltaic elements such as solar cells and optical sensors have been manufactured using semiconductors such as crystalline silicon and amorphous silicon. In particular, compound semiconductors are also used in solar cells. In addition to those using these inorganic semiconductor materials, photovoltaic devices using organic materials exhibiting semiconductor characteristics (“organic semiconductors”) have also been developed. Organic semiconductors are attracting attention because they can be expected to have high productivity over a large area, and they can manufacture flexible solar cells and the like.

有機半導体を利用する太陽電池などの光起電力素子では、入射した光により生成された励起子(exciton)がpn接合の界面で電子とホール(hole)とのキャリアに分離し、各キャリーがn型およびp型半導体部分を伝播した後に電力として取り出される。ところが、この励起子は、比較的短い距離を伝導する間に失活してしまう。その対策として、失活までの平均的な距離である拡散長を目安に有機半導体層を薄くして有機半導体を挟む電極対の距離を縮める、といったキャリアが分離する接合までの移動距離を縮めることが行なわれる。その一方、有機半導体層を薄くすると、有機半導体層の光吸収が弱まり光の利用効率が低下するという問題が生じる。このように、キャリアの取り出し効率と光の利用効率との間で有機半導体層の厚みに関するトレードオフが生じる。この課題を解決するために、例えばバルクヘテロジャンクションと呼ばれる構造のような、接合の形成される界面がバルク内部にまで入り組んでいる接合構造も提案されている。しかし、バルクヘテロジャンクションを実現した場合であっても、有機半導体層の層厚についての上記トレードオフの課題は解消されていない。   In photovoltaic devices such as solar cells using organic semiconductors, excitons generated by incident light are separated into carriers of electrons and holes at the interface of the pn junction, and each carry is n After propagating through the p-type and p-type semiconductor parts, it is taken out as power. However, this exciton is deactivated while conducting a relatively short distance. As a countermeasure, reduce the distance traveled to the junction where the carrier separates, such as reducing the distance between the pair of electrodes sandwiching the organic semiconductor by thinning the organic semiconductor layer using the diffusion length, which is the average distance until deactivation, as a guide. Is done. On the other hand, when the organic semiconductor layer is thinned, there is a problem that light absorption of the organic semiconductor layer is weakened and light utilization efficiency is lowered. Thus, there is a trade-off regarding the thickness of the organic semiconductor layer between the carrier extraction efficiency and the light utilization efficiency. In order to solve this problem, a junction structure in which an interface where a junction is formed, such as a structure called a bulk heterojunction, is complicated even inside the bulk has been proposed. However, even when a bulk heterojunction is realized, the above trade-off problem regarding the layer thickness of the organic semiconductor layer has not been solved.

一方、本願の発明者は、赤外、可視を含む光の波長域における表面プラズモン共鳴、すなわち、光の振動数領域にて共鳴的に金属表面に励起される電磁界振動を利用する各種の現象に注目している。例えば、非特許文献1にて、金属の微小な二重円筒壁(Double Nanopillars: DNP)を作製し光により表面プラズモン共鳴を誘起しうることやその特性を報告している。   On the other hand, the inventor of the present application uses various phenomena that utilize surface plasmon resonance in the wavelength range of light including infrared and visible, that is, electromagnetic field vibration that is resonantly excited on the metal surface in the frequency range of light. Is paying attention to. For example, Non-Patent Document 1 reports that a minute double cylindrical wall (DNP) of a metal is produced and surface plasmon resonance can be induced by light and its characteristics are reported.

表面プラズモン共鳴を利用した光吸収の制御は、例えば、特許文献1(特開2011−138950号公報)にも開示されている。特許文献1では、光電変換層内に埋め込まれた連続あるいは不連続の筒状の金属微細構造体と金属微細構造体の内側面および外側面を被覆する誘電体膜とを有する構成が開示されている。   The control of light absorption using surface plasmon resonance is also disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-138950). Patent Document 1 discloses a configuration having a continuous or discontinuous cylindrical metal microstructure embedded in a photoelectric conversion layer and a dielectric film covering the inner and outer surfaces of the metal microstructure. Yes.

特開2011−138950号公報、例えば要約JP 2011-138950 A, for example, summary

Wakana Kubo, and Shigenori Fujikawa, “Au Double Nanopillars withNanogap for Plasmonic Sensor,” Nano Lett. 11, 8-11 (2011)Wakana Kubo, and Shigenori Fujikawa, “Au Double Nanopillars with Nanogap for Plasmonic Sensor,” Nano Lett. 11, 8-11 (2011)

有機半導体を利用する光起電力素子を例えば太陽電池などに利用すると、上述したキャリアを取り出す効率の観点と光利用効率の観点とのそれぞれにおける最適な厚みの不一致が問題となる。有機半導体層の改良によりこの問題はいくらか緩和されてはいるものの依然として改良の余地がある。つまり、有機半導体層の厚みを調整することのみでは、有機半導体からのキャリアの取り出し効率を高めつつ光の利用効率を高める、という二つの目的の間には妥協が強いられるばかりで、それらを十分な水準で両立させることができない。   When a photovoltaic element using an organic semiconductor is used in, for example, a solar cell, there is a problem of the mismatch in the optimum thickness between the above-described efficiency of extracting carriers and the viewpoint of light utilization efficiency. Although this problem has been mitigated somewhat by improvements in organic semiconductor layers, there is still room for improvement. In other words, by adjusting the thickness of the organic semiconductor layer alone, there is only a compromise between the two purposes of increasing the efficiency of light extraction while increasing the efficiency of extracting carriers from the organic semiconductor. It is impossible to achieve both at a reasonable level.

本発明は、有機半導体を利用する光電変換素子において、光を電力に変換する光電変換効率を高める光起電力素子およびその製造方法を提供することにより、有機半導体を利用する光電変換素子の高性能化に寄与するものである。   The present invention provides a photovoltaic device that increases the photoelectric conversion efficiency for converting light into electric power in a photoelectric conversion device that uses an organic semiconductor, and a method for manufacturing the photovoltaic device. It contributes to the conversion.

本願の発明者は、金属構造体の表面または界面において光に応じて共鳴して自由電子が集団運動する表面プラズモン共鳴を利用することを着想した。そしてとりわけ有用な光起電力素子を作製しうることを確認し、本発明を創出するに至った。   The inventor of the present application has conceived of utilizing surface plasmon resonance in which free electrons resonate in response to light on the surface or interface of a metal structure and collectively move. And it confirmed that a particularly useful photovoltaic device could be produced, and came to create this invention.

その態様の一つは、金属構造体を電極としても動作させるものである。すなわち、本発明のある態様においては、ある厚みの有機半導体の光電変換層と、該光電変換層を該厚み方向に挟んで対向しており、少なくとも一方が透光性電極である電極対と、該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体とを備えており、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかは、少なくとも一部が前記光電変換層の前記厚みの範囲に位置しており、前記電極対のいずれかの電極に電気的に接続しているものである、光起電力素子が提供される。   One of the modes is to operate the metal structure as an electrode. That is, in one aspect of the present invention, an organic semiconductor photoelectric conversion layer having a certain thickness is opposed to the photoelectric conversion layer sandwiched in the thickness direction, at least one of which is a translucent electrode, A plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by light incident on the photoelectric conversion layer, and at least one of the plurality of metal structures is at least partially in the photoelectric conversion layer. A photovoltaic device is provided that is located in the thickness range of the electrode pair and is electrically connected to any one of the electrodes of the electrode pair.

また、本発明の別の態様では、金属構造体を必ずしも電極として動作させなくとも、実際の光の入射方向を反映させた金属構造体の構造、具体的には、金属構造体を傾斜させることにより、高性能な光起電力素子が提供される。すなわち、本発明のある態様においては、ある厚みの有機半導体の光電変換層と、該光電変換層を該厚み方向に挟んで対向しており、少なくとも一方が透光性電極である電極対と、該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体とを備えており、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかは、少なくとも一部が該光電変換層の前記厚みの範囲に位置しており、前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかと前記光電変換層との間の界面が、前記光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有しているものである、光起電力素子が提供される。   In another aspect of the present invention, the structure of the metal structure reflecting the actual incident direction of light, specifically, the metal structure is inclined without necessarily operating the metal structure as an electrode. Thus, a high-performance photovoltaic device is provided. That is, in one aspect of the present invention, an organic semiconductor photoelectric conversion layer having a certain thickness is opposed to the photoelectric conversion layer sandwiched in the thickness direction, at least one of which is a translucent electrode, A plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by light incident on the photoelectric conversion layer, and at least a part of the plurality of metal structures is at least a part of the photoelectric conversion layer. The interface between the at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer is positioned in the thickness range of the photoelectric conversion layer toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer. There is provided a photovoltaic element having an inclined surface inclined from the direction of

本発明においては、光電変換素子の製造方法も提供される。すなわち、本発明のある態様においては、基板に形成されている第1電極層の上に、ある厚みの有機半導体の光電変換層と、該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体とを、該複数の金属構造体の少なくとも一部を、該光電変換層の前記厚みの範囲に位置させて配置する配置工程と、前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと該光電変換層とに接触させて第2電極層を形成する工程とを含む光起電力素子の製造方法が提供される。さらに、入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体のうちの少なくともいずれかを基板に形成されている第1電極層に接触させ、該複数の金属構造体を形成する工程と、該複数の金属構造体と前記第1電極層とに接触させ、該第1電極層からある厚みをなすようにして、有機半導体の前記光電変換層を形成する工程と、前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程とを含む光起電力素子の製造方法も提供される。   In this invention, the manufacturing method of a photoelectric conversion element is also provided. That is, in one aspect of the present invention, surface plasmon resonance is induced on a first electrode layer formed on a substrate by an organic semiconductor photoelectric conversion layer having a certain thickness and light incident on the photoelectric conversion layer. A plurality of metal structures to be disposed, a disposition step of disposing at least a part of the plurality of metal structures in the thickness range of the photoelectric conversion layer, and a combination with the first electrode layer And a step of forming a second electrode layer in contact with at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction. A method for manufacturing a power device is provided. Further, at least one of a plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by incident light is brought into contact with the first electrode layer formed on the substrate to form the plurality of metal structures. Forming the photoelectric conversion layer of an organic semiconductor in contact with the plurality of metal structures and the first electrode layer to form a thickness from the first electrode layer; and A method of manufacturing a photovoltaic device including a step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with one electrode layer Provided.

さらに本発明のある態様においては、基板に形成されている第1電極層の上に有機半導体の光電変換層をある厚みに形成する工程と、該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体の少なくとも一部を該光電変換層の前記厚みの範囲に位置させる工程であって、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと前記光電変換層との間の界面が、該光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにする工程と、前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程とを含む光起電力素子の製造方法が提供される。さらに、入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体のうちの少なくともいずれかを基板に形成されている第1電極層に接触させ、該複数の金属構造体を形成する工程であって、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと光電変換層との間の界面が、該光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにする工程と、該複数の金属構造体と前記第1電極層とに接触させ、前記第1電極層からある厚みをなすようにして、有機半導体の前記光電変換層を形成する工程と、前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程とを含む光起電力素子の製造方法も提供される。   Furthermore, in one aspect of the present invention, the surface plasmon resonance is caused by a step of forming an organic semiconductor photoelectric conversion layer with a certain thickness on the first electrode layer formed on the substrate, and light incident on the photoelectric conversion layer. A step of positioning at least a part of the plurality of metal structures to be induced in the thickness range of the photoelectric conversion layer, and between the photoelectric conversion layer and at least one of the plurality of metal structures In the thickness direction in combination with the first electrode layer, and a step of causing the interface to have an inclined surface inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer; And a step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer. Further, at least one of a plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by incident light is brought into contact with the first electrode layer formed on the substrate to form the plurality of metal structures. And an interface between at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer is inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in an in-plane direction of the photoelectric conversion layer. Forming the photoelectric conversion layer of the organic semiconductor so as to have an inclined surface, and contacting the plurality of metal structures and the first electrode layer to form a thickness from the first electrode layer And a step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with the first electrode layer. Manufacturing method of power device It is also provided.

本出願において、光は必ずしも可視光に限定されず、紫外線、可視光線、赤外線、といった波長域に含まれる電磁波のうち、有機半導体において電力の生成または光の検出に利用される任意の波長のものを含んでいる。   In the present application, the light is not necessarily limited to visible light, but of any wavelength used for power generation or light detection in an organic semiconductor among electromagnetic waves included in wavelength regions such as ultraviolet light, visible light, and infrared light. Is included.

また、本出願において、表面プラズモン共鳴とは、典型的には、局所表面プラズモン共鳴またはプラズモン共鳴とも呼ばれることがあるLSPR(Localized Surface Plasmon Resonances:局所化表面プラズモン共鳴)を指している。表面プラズモン共鳴が誘起される金属構造体では、電場と共鳴的に結合した金属中の自由電子の集団運動による増強された振幅の振動電場がその付近に生成される。この増強された振動電場は、有機半導体である光電変換層の範囲に配置されている金属構造体に近付くほど強くなる。なお、この表面プラズモン共鳴は、共鳴現象に通常見出される周波数依存性(波長依存性)は示すものの、紫外から可視、赤外線に至る比較的広い周波数範囲(波長範囲)にて誘起される現象であり、特定の周波数や波長に限定される現象ではない。   In the present application, surface plasmon resonance typically refers to LSPR (Localized Surface Plasmon Resonances), which may also be referred to as local surface plasmon resonance or plasmon resonance. In a metal structure in which surface plasmon resonance is induced, an oscillating electric field having an enhanced amplitude due to collective motion of free electrons in the metal resonantly coupled with the electric field is generated in the vicinity thereof. This enhanced oscillating electric field becomes stronger as it approaches a metal structure disposed in the range of the photoelectric conversion layer, which is an organic semiconductor. This surface plasmon resonance is a phenomenon induced in a relatively wide frequency range (wavelength range) from ultraviolet to visible and infrared, although the frequency dependence (wavelength dependence) normally found in the resonance phenomenon is shown. It is not a phenomenon limited to a specific frequency or wavelength.

さらに、本出願における光起電力素子は、例えば太陽電池、光センサー、撮像装置を含む、光の強度を利用し電気的なエネルギーまたは信号を取り出す任意の素子を含んでいる。   Furthermore, the photovoltaic elements in the present application include any elements that extract electrical energy or signals using the intensity of light, including, for example, solar cells, photosensors, and imaging devices.

本発明のいずれかの態様においては、光を効率良く吸収し、効率が高められた光電変換素子が提供される。   In any embodiment of the present invention, a photoelectric conversion element that efficiently absorbs light and has improved efficiency is provided.

本発明の第1実施形態の光起電力素子の概略の構造を一部破断して示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a schematic structure of a photovoltaic device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の光起電力素子の構造を示す構造図であり、図2(a)は面内方向の概略断面図、図2(b)は厚み方向の概略断面図である。2A and 2B are structural views showing the structure of the photovoltaic element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic sectional view in the in-plane direction, and FIG. 2B is a schematic sectional view in the thickness direction. 本発明の第1実施形態の光起電力素子の典型的な二つの構造を示す概略断面図であり、図3(a)は図1、2に示した光電変換素子の、そして図3(b)は別の典型例となる光電変換素子の、それぞれの概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing two typical structures of the photovoltaic element according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 3 (a) shows the photoelectric conversion element shown in FIGS. ) Is a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion element as another typical example. 本発明の第1実施形態の別の典型的な構成である2つの光起電力素子の構造を示す説明図である。図4(a)は、一方のみの光起電力素子の概略の構造を一部破断して示す斜視図であり、図4(b)および(c)は、一方および他方の光起電力素子の概略断面図である。It is explanatory drawing which shows the structure of two photovoltaic devices which are another typical structures of 1st Embodiment of this invention. FIG. 4A is a perspective view illustrating a schematic structure of only one of the photovoltaic elements, and FIG. 4B and FIG. 4C are diagrams of one and the other photovoltaic elements. It is a schematic sectional drawing. 本発明の第1実施形態の光電変換素子の製造工程の一典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。In the typical example of the manufacturing process of the photoelectric conversion element of 1st Embodiment of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows the structure in each step. 本発明の第1実施形態の光電変換素子の製造工程の別の典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure in each step in another typical example of the manufacturing process of the photoelectric conversion element of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の光電変換素子の製造工程の典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。In the typical example of the manufacturing process of the photoelectric conversion element of 1st Embodiment of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows the structure in each step. 本発明の第1実施形態の光電変換素子の改良された構造例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the improved structural example of the photoelectric conversion element of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の光電変換素子の構造を示す説明図であり、図9(a)は、光起電力素子の概略の構造を一部破断して示す斜視図であり、図9(b)は概略断面図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the photoelectric conversion element of 2nd Embodiment of this invention, Fig.9 (a) is a perspective view which fractures | ruptures and shows the schematic structure of a photovoltaic device partially, FIG. b) is a schematic sectional view. 本発明の第2実施形態の光電変換素子のいくつかのバリエーションにおいて金属構造体のみの構成を示す斜視図である。図10(a)は、図9に示した光起電力素子の金属構造体の構造である。図10(b)は、単一の傾斜平面のみを有する金属構造体の構造である。図10(c)は、傾斜方位が異なる金属構造体の金属構造体を有する構造である。図10(d)は、複数の微小傾斜平面を組み合わせた金属構造体の構造である。そして、図10(e)は、切頭円錐の側面の一部のみ有する金属構造体の構造である。It is a perspective view which shows the structure of only a metal structure in some variations of the photoelectric conversion element of 2nd Embodiment of this invention. FIG. 10A shows the structure of the metal structure of the photovoltaic element shown in FIG. FIG. 10B shows a structure of a metal structure having only a single inclined plane. FIG. 10C shows a structure having metal structures of metal structures having different inclination directions. FIG. 10D shows a structure of a metal structure in which a plurality of minute inclined planes are combined. FIG. 10E shows a structure of a metal structure having only a part of the side surface of the truncated cone. 本発明の第2実施形態の光電変換素子において、電極対のいずれか一方の電極に電気的に接続している金属構造体を有する光電変換素子の構造を示す断面図である。In the photoelectric conversion element of 2nd Embodiment of this invention, it is sectional drawing which shows the structure of the photoelectric conversion element which has a metal structure electrically connected to any one electrode of an electrode pair. 本発明の実施例における仮基板上のAuNPsの配列を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph which shows the arrangement | sequence of AuNPs on the temporary board | substrate in the Example of this invention. 本発明の実施例のサンプルの膜面の外観のモノクロ光学写真、およびその写真を説明する模式図である。It is the schematic diagram explaining the monochrome optical photograph of the external appearance of the film surface of the sample of the Example of this invention, and the photograph. 本発明の実施例のサンプルの膜面のSEM写真である。It is a SEM photograph of the film surface of the sample of the Example of this invention. 本発明の実施例のサンプルの作製途中段階と同じ段階の別サンプルを破断させて層の内部構造を撮影したSEM写真である。It is the SEM photograph which fractured | ruptured another sample of the same stage as the production middle stage of the sample of the Example of this invention, and image | photographed the internal structure of the layer. 本発明の実施例のサンプルの作製途中段階と同じ段階の別サンプルを破断させ層の内部構造を撮影したSEM写真である。撮影したSEM写真に重ねてAuNPsの輪郭を追記した説明図も付記している。It is the SEM photograph which fractured | ruptured another sample of the same step as the preparation middle step of the sample of the Example of this invention, and image | photographed the internal structure of the layer. An explanatory diagram in which the outline of AuNPs is added to the photographed SEM photograph is also appended. 本発明の実施例のサンプルを作製するために利用した、別基板であるCOPフィルムに配置したAuNPsの配列が示す消光比スペクトルのグラフである。It is a graph of the extinction ratio spectrum which the arrangement | sequence of AuNPs arrange | positioned on the COP film which is another board | substrate utilized in order to produce the sample of the Example of this invention shows. 本発明の実施例のサンプルの、AuNPsを埋め込む前後の吸収度スペクトルの実測値のグラフである。It is a graph of the measured value of the absorption spectrum before and behind embedding AuNPs of the sample of the Example of this invention. 本発明の実施例のあるサンプル片の電流電圧特性を、AuNPsが配置されない部分(曲線D1)と配置された部分(曲線D2)とについてして得られたグラフである。It is the graph obtained about the current voltage characteristic of the sample piece with an Example of this invention about the part (curve D1) in which AuNPs are not arrange | positioned, and the part (curve D2) in which it is arrange | positioned. 本発明の実施例の各サンプル片について、光電変換効率ηを、AuNPsを光電変換層の厚みの範囲に設けない比較例の部分(四角マーク)と、AuNPsを設けた実施例の部分(円マーク)とについてプロットしたグラフである。About each sample piece of the Example of this invention, photoelectric conversion efficiency (eta), the part (square mark) of the comparative example which does not provide AuNPs in the range of the thickness of a photoelectric converting layer, and the part of the Example which provided AuNPs (circle mark) ). 本発明の第2実施形態のための金属構造体の作製例のSEM写真である。It is a SEM photograph of the manufacture example of the metal structure for 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態のための金属構造体の作製例のSEM写真である。It is a SEM photograph of the manufacture example of the metal structure for 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings.

[1 第1実施形態]
[1−1 基本構造・原理]
図1は、本発明の第1実施形態の光起電力素子の概略の構造を一部破断して示す斜視図である。図2は、本発明の第1実施形態の光起電力素子の構造を示す構造図であり、図2(a)は面内方向の概略断面図、図2(b)は厚み方向の概略断面図である。なお、図2(a)の断面図は、図1において金属構造体30を横切る位置による断面であり、図2(b)は図2(a)に示した切断位置における断面図である。さらに、図3は、本発明の第1実施形態の光起電力素子の典型的な二つの構造を示す概略断面図であり、図3(a)は図1、2に示した光起電力素子1000の、そして図3(b)は別の典型例となる光起電力素子1100の、それぞれの概略断面図である。以下、断りの無い概略断面図は、厚み方向の概略断面図であり、金属構造体を横切る位置における断面図である。また、実施形態の各図において、金属の部分および他の一部の要素を除き、断面であることおよび材質を示すハッチングは省略している。
[1 First Embodiment]
[1-1 Basic structure / principle]
FIG. 1 is a perspective view showing a partially broken schematic structure of the photovoltaic device according to the first embodiment of the present invention. 2A and 2B are structural views showing the structure of the photovoltaic device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic sectional view in the in-plane direction, and FIG. 2B is a schematic sectional view in the thickness direction. FIG. 2A is a cross-sectional view at a position crossing the metal structure 30 in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view at the cutting position shown in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing two typical structures of the photovoltaic element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3A is the photovoltaic element shown in FIGS. FIG. 3B and FIG. 3B are schematic sectional views of a photovoltaic element 1100 as another typical example. Hereinafter, a schematic cross-sectional view without notice is a schematic cross-sectional view in the thickness direction, and is a cross-sectional view at a position crossing the metal structure. Moreover, in each figure of embodiment, the cross section and the hatching which shows a material are abbreviate | omitted except the metal part and another one part element.

図1〜3に示すように、本実施形態の光起電力素子1000は、光電変換層10と、電極対20と、複数の金属構造体30とを備えている。光電変換層10は、ある厚みDに形成されており、その材質は有機半導体である。電極対20は、光電変換層10を厚み方向に挟んで対向しており、典型的には、透光性電極22と金属電極24とを含んでいる。複数の金属構造体30は、光電変換層10に入射する光hνにより表面プラズモン共鳴が誘起される。光hνは、例えば透光性基板80と透光性電極22を通って光電変換層10に入射する。   As shown in FIGS. 1 to 3, the photovoltaic element 1000 of the present embodiment includes a photoelectric conversion layer 10, an electrode pair 20, and a plurality of metal structures 30. The photoelectric conversion layer 10 is formed with a certain thickness D, and the material thereof is an organic semiconductor. The electrode pair 20 is opposed to the photoelectric conversion layer 10 in the thickness direction, and typically includes a translucent electrode 22 and a metal electrode 24. In the plurality of metal structures 30, surface plasmon resonance is induced by the light hν incident on the photoelectric conversion layer 10. For example, the light hν enters the photoelectric conversion layer 10 through the translucent substrate 80 and the translucent electrode 22.

光起電力素子1000における複数の金属構造体30の少なくともいずれかは、少なくとも一部が光電変換層10の厚みDの範囲に位置している。そして、金属構造体30は、電極対20のいずれかの電極に電気的に接続している。図1、図2、図3(a)に例示する光起電力素子1000では、金属構造体30が電極対20のうちの金属電極24に電気的に接続している。光電変換層10は、ホール輸送層12と活性層14とを積層した積層構造を有する構造のものが典型である。また、活性層14には、n型半導体およびp型半導体として機能する別成分の有機半導体が含まれている。   At least one of the plurality of metal structures 30 in the photovoltaic element 1000 is positioned in the range of the thickness D of the photoelectric conversion layer 10. The metal structure 30 is electrically connected to any electrode of the electrode pair 20. In the photovoltaic device 1000 illustrated in FIGS. 1, 2, and 3 (a), the metal structure 30 is electrically connected to the metal electrode 24 of the electrode pair 20. The photoelectric conversion layer 10 typically has a structure having a stacked structure in which a hole transport layer 12 and an active layer 14 are stacked. The active layer 14 includes an organic semiconductor of another component that functions as an n-type semiconductor and a p-type semiconductor.

上述した構造の光起電力素子1000において光電変換の効率が高まる原因について、本願の発明者らは、光学的作用と電気的作用の二つの効果が相乗的に役立つためと考えている。光学的作用は、金属構造体30に、表面プラズモン共鳴が光により誘起され、その表面プラズモン共鳴により増強された電場と光電変換層10の材質との結合による光吸収が実質的に強められるためである。つまり、金属構造体30を光電変換層10の厚みの範囲に配置することは、光学的吸収の面からは、光電変換層10の厚みDを増大させることに対応させることができることを意味している。重要なことは、この効果を得る目的であっても、金属構造体30を利用することにより、光電変換層10の厚みDを厚くしなくてもよいということである。   The inventors of the present application consider that the two effects of the optical action and the electrical action are synergistically useful for the reason that the photoelectric conversion efficiency is increased in the photovoltaic element 1000 having the above-described structure. The optical action is because surface plasmon resonance is induced in the metal structure 30 by light, and light absorption due to the coupling between the electric field enhanced by the surface plasmon resonance and the material of the photoelectric conversion layer 10 is substantially enhanced. is there. That is, disposing the metal structure 30 in the range of the thickness of the photoelectric conversion layer 10 means that it can correspond to increasing the thickness D of the photoelectric conversion layer 10 in terms of optical absorption. Yes. What is important is that the thickness D of the photoelectric conversion layer 10 does not have to be increased by using the metal structure 30 even for the purpose of obtaining this effect.

上述したように、複数の金属構造体30において光電変換層10に入射する光hνにより表面プラズモン共鳴が誘起される。光電変換層10、特に活性層14の光吸収を強めることに役立つのがこの表面プラズモン共鳴により増強された電場であるため、表面プラズモン共鳴を誘起する光が光電変換層10の元々の材質が大きな吸収を示す波長であるかそうでないかにかかわらず、金属構造体30の効果により光電変換層10の吸収を高めることが可能である。ただし、より好ましくは、複数の金属構造体30は、光電変換層10の材質の光吸収波長の範囲の光に体して表面プラズモン共鳴が誘起されるように構成される。つまり、複数の金属構造体30における表面プラズモン共鳴の生じる波長や共鳴の強さは、複数の金属構造体30それぞれの金属の材質や形状、サイズ、そして金属構造体30の相互の配列構造に影響される。そして、例えば消光比の測定により表面プラズモン共鳴のピーク波長や波長範囲を特定することができる。逆に、表面プラズモン共鳴が誘起される波長は、複数の金属構造体30の構成を変更することにより調整可能である。例えば、光起電力素子1000が電力を生成する太陽電池である場合、光電変換層10の元々の(つまり複数の金属構造体30を配置しない状態での)光吸収波長は、光電変換層10の材質のバンドギャップや励起子を生成するエネルギーに相当する波長との比較において、短波長の光が吸収され、長波長の光は透過する。このため、光電変換層10は、吸収の強い波長の光を効率良く電力に変換することができる。この効率良く電力変換可能な波長範囲は、複数の金属構造体30を光電変換層10に組み合わせる場合、その組み合わせた状態での吸収スペクトルにより推定することができる。   As described above, surface plasmon resonance is induced by the light hν incident on the photoelectric conversion layer 10 in the plurality of metal structures 30. The electric field enhanced by the surface plasmon resonance serves to enhance the light absorption of the photoelectric conversion layer 10, particularly the active layer 14, so that the light that induces the surface plasmon resonance is large in the original material of the photoelectric conversion layer 10. Regardless of whether the wavelength indicates absorption or not, absorption of the photoelectric conversion layer 10 can be enhanced by the effect of the metal structure 30. However, more preferably, the plurality of metal structures 30 are configured so that surface plasmon resonance is induced by light in the light absorption wavelength range of the material of the photoelectric conversion layer 10. That is, the wavelength and resonance intensity at which surface plasmon resonance occurs in the plurality of metal structures 30 affect the metal material, shape, size, and mutual arrangement structure of the metal structures 30. Is done. For example, the peak wavelength or wavelength range of surface plasmon resonance can be specified by measuring the extinction ratio. Conversely, the wavelength at which surface plasmon resonance is induced can be adjusted by changing the configuration of the plurality of metal structures 30. For example, when the photovoltaic element 1000 is a solar cell that generates electric power, the original light absorption wavelength of the photoelectric conversion layer 10 (that is, in a state in which the plurality of metal structures 30 are not arranged) In comparison with the wavelength corresponding to the band gap of the material and the energy for generating excitons, the short wavelength light is absorbed and the long wavelength light is transmitted. For this reason, the photoelectric conversion layer 10 can efficiently convert light having a strong absorption wavelength into electric power. The wavelength range in which power can be efficiently converted can be estimated from the absorption spectrum in the combined state when a plurality of metal structures 30 are combined with the photoelectric conversion layer 10.

もう一つの電気的作用は、より詳細には面積増大の効果と、距離短縮の効果の組合せとして説明することができる。面積増大効果は、金属構造体30のうち、電極対20のいずれか(図1、2の光起電力素子1000では、金属電極24)に接続しているものの界面のうち、光電変換層10との間の界面のすべてが電極面として動作するためである。また、距離短縮効果は、光電変換層10の内部の各位置から最寄りの電極面までの距離が、金属構造体30が存在することにより近くなる効果である。つまり、発電動作によりキャリアが生成される各位置からみると、金属構造体30が存在しない場合に比べて短い移動距離で電極に到達できることから、失活してしまうキャリアの割合が減少することとなる。なお、これらの面積増大の効果と距離短縮の効果の両方が得られることは本実施形態の実現のために必須ではない。また、両効果は、キャリアを収集するコレクターとしての電極の役割という点では共通するものといえる。   Another electrical action can be described in more detail as a combination of the effect of increasing the area and the effect of shortening the distance. The area increasing effect is the effect of the photoelectric conversion layer 10 on the interface of the metal structure 30 connected to one of the electrode pairs 20 (the metal electrode 24 in the photovoltaic element 1000 of FIGS. 1 and 2). This is because all of the interfaces between the electrodes operate as electrode surfaces. Further, the distance shortening effect is an effect in which the distance from each position inside the photoelectric conversion layer 10 to the nearest electrode surface becomes closer due to the presence of the metal structure 30. That is, when viewed from each position where carriers are generated by the power generation operation, since the electrode can be reached with a shorter moving distance compared to the case where the metal structure 30 does not exist, the ratio of carriers that are deactivated decreases. Become. Note that it is not essential for realizing the present embodiment that both the effect of increasing the area and the effect of shortening the distance can be obtained. Both effects are common in terms of the role of the electrode as a collector for collecting carriers.

これらの電気的作用に関して光起電力素子1000の好ましい構成においては、複数の金属構造体30のうち、電極対20のいずれかに電気的に接続しているものが、厚みDの方向に広がりの成分を有する外側面302または内側面304を有している。その外側面302または内側面304の少なくともいずれかが光電変換層10にとっての電極として動作する。図3(a)には、その動作における電子eの流れを、金属電極24と金属構造体30について流れを示す矢印として模式的に示している。図3(a)に示すように、光起電力素子1000を太陽電池として動作させる際、内部の光電変換層10からみると、透光性電極22が電子を供給するカソードとなり、金属構造体30および金属電極24がアノードとなって動作する。この動作は、光起電力素子1000を太陽電池としてみたとき、透光性電極22が正極となり、金属構造体30につながる金属電極24が負極となって動作する。 In a preferable configuration of the photovoltaic element 1000 with respect to these electric actions, a plurality of metal structures 30 that are electrically connected to any one of the electrode pairs 20 spread in the direction of the thickness D. It has an outer side 302 or an inner side 304 with components. At least one of the outer surface 302 and the inner surface 304 operates as an electrode for the photoelectric conversion layer 10. FIG. 3A schematically shows the flow of electrons e − in the operation as arrows indicating the flow of the metal electrode 24 and the metal structure 30. As shown in FIG. 3A, when the photovoltaic element 1000 is operated as a solar cell, the translucent electrode 22 becomes a cathode for supplying electrons when viewed from the internal photoelectric conversion layer 10, and the metal structure 30. The metal electrode 24 operates as an anode. This operation is performed when the photovoltaic element 1000 is viewed as a solar cell, with the translucent electrode 22 serving as a positive electrode and the metal electrode 24 connected to the metal structure 30 serving as a negative electrode.

上述した光学的作用と電気的作用との相乗的な効果は、複数の金属構造体30によって光電変換の効率を高める点において見出されるものである。つまり、光起電力素子1000は、従来の有機半導体を利用する光起電力素子とは異なり、光電変換層10の最適な厚みの設定が互いに妥協を強いられる関係にないことはもとより、互いに独立してそれぞれの効果が発揮されているという両立可能な効果に留まるものでもない。この相乗効果について光学的作用を出発点にして説明すれば、光起電力素子1000において光電変換層10の実質的吸収を高めることを目的として金属構造体30を採用したとする。その際、光電変換層10の厚みDの実際の値を増大させなくても、金属構造体30を採用することにより、それまで以上に効率良く光を吸収するという光学的作用が得られる。ここで、透光性電極22と金属電極24との間の距離は厚みDのまま変更していないにもかかわらず、光電変換層10における電気的性能は、金属構造体30の付加による上記面積増大または距離短縮効果の少なくともいずれか、またはそれらの組合せの効果により高められる。つまり、金属構造体30を採用することのみで、光電変換効率は、光学的作用と電気的作用との両面から高められる。しかも、金属構造体30が存在することを前提として厚みDをさらに再度設定し直せば、光電変換効率がより高まることが期待できるのである。このように、光起電力素子1000に備わっている複数の金属構造体30が、電極の一方と電気的に接続しているとともに、光により表面プラズモン共鳴を誘起するものである場合、光電変換効率は、電気的作用と光学的作用の相乗効果により大きく改善される。   The synergistic effect of the optical action and the electric action described above is found in terms of increasing the efficiency of photoelectric conversion by the plurality of metal structures 30. In other words, the photovoltaic element 1000 is independent of each other as well as the optimum thickness setting of the photoelectric conversion layer 10 is not compromised, unlike the conventional photovoltaic element using an organic semiconductor. It is not limited to the compatible effects that each effect is exhibited. If this synergistic effect is described with an optical function as a starting point, it is assumed that the metal structure 30 is employed for the purpose of enhancing the substantial absorption of the photoelectric conversion layer 10 in the photovoltaic element 1000. In that case, even if it does not increase the actual value of the thickness D of the photoelectric converting layer 10, the optical effect | action of absorbing light more efficiently than before is acquired by employ | adopting the metal structure 30. FIG. Here, although the distance between the translucent electrode 22 and the metal electrode 24 remains the thickness D, the electrical performance in the photoelectric conversion layer 10 is the above-described area due to the addition of the metal structure 30. It is enhanced by an effect of at least one of an increase effect or a distance reduction effect, or a combination thereof. That is, only by adopting the metal structure 30, the photoelectric conversion efficiency can be enhanced from both the optical action and the electric action. Moreover, if the thickness D is set again on the assumption that the metal structure 30 is present, it can be expected that the photoelectric conversion efficiency is further increased. As described above, when the plurality of metal structures 30 included in the photovoltaic element 1000 are electrically connected to one of the electrodes and induce surface plasmon resonance by light, photoelectric conversion efficiency is obtained. Is greatly improved by the synergistic effect of electrical action and optical action.

[1−2 構造例]
本実施形態の一つの好ましい構成が、図1、図2および図3(a)に示した光起電力素子1000の構成、つまり、電極対20の一方が透光性電極(透光性電極22)、他方が金属電極(金属電極24)となる構成である。この際、金属構造体30の電極に電気的に接続しているものの接続先は、一典型例では光起電力素子1000のように金属電極24である。
[1-2 Structure example]
One preferred configuration of the present embodiment is the configuration of the photovoltaic element 1000 shown in FIGS. 1, 2, and 3A, that is, one of the electrode pairs 20 is a translucent electrode (the translucent electrode 22). ), And the other is a metal electrode (metal electrode 24). In this case, the connection destination of what is electrically connected to the electrode of the metal structure 30 is the metal electrode 24 as in the photovoltaic element 1000 in one typical example.

本実施形態の別の典型例が、図3(b)に示す光起電力素子1100である。光起電力素子1100では、図3(a)の光起電力素子1000における複数の金属構造体30に代え、複数の金属構造体32が光電変換層10の厚みの範囲に配置される。この金属構造体32のうちのいくつかは、電極対20のうちの透光性電極22に対して電気的に接続している。この場合のキャリアの流れは、金属構造体32が電子を放出するように動作する。その際、金属構造体32の外側面322および内側面324が、電子を放出する電極として動作する。つまり、光起電力素子1100を太陽電池として動作させる際、内部の光電変換層10からみると、透光性電極22および金属構造体32が電子を供給するカソードとなり、金属電極24がアノードとなって動作する。この動作は、光起電力素子1100を太陽電池としてみたとき、金属構造体32につながる透光性電極22が正極となり、金属電極24が負極となって動作する。   Another typical example of this embodiment is a photovoltaic element 1100 shown in FIG. In the photovoltaic element 1100, a plurality of metal structures 32 are arranged in the thickness range of the photoelectric conversion layer 10 instead of the plurality of metal structures 30 in the photovoltaic element 1000 of FIG. Some of the metal structures 32 are electrically connected to the translucent electrode 22 of the electrode pair 20. The carrier flow in this case operates so that the metal structure 32 emits electrons. At this time, the outer surface 322 and the inner surface 324 of the metal structure 32 operate as electrodes that emit electrons. That is, when the photovoltaic element 1100 is operated as a solar cell, the translucent electrode 22 and the metal structure 32 serve as cathodes for supplying electrons and the metal electrode 24 serves as an anode when viewed from the inside photoelectric conversion layer 10. Works. In this operation, when the photovoltaic element 1100 is viewed as a solar cell, the translucent electrode 22 connected to the metal structure 32 serves as a positive electrode and the metal electrode 24 serves as a negative electrode.

光起電力素子1100においても、好ましくは、金属構造体32は、光電変換層10の材質の光吸収波長の範囲において表面プラズモン共鳴が誘起される。   Also in the photovoltaic device 1100, preferably, the surface plasmon resonance is induced in the metal structure 32 in the range of the light absorption wavelength of the material of the photoelectric conversion layer 10.

図4は、本実施形態の別の典型的な構成である光起電力素子1200および光起電力素子1300の構造を示す説明図であり、図4(a)は、光起電力素子1200の概略の構造を一部破断して示す斜視図であり、図4(b)および(c)は、それぞれ、光起電力素子1200および光起電力素子1300の概略断面図である。光起電力素子1200および1300もまた、光起電力素子1000および光起電力素子1200において説明した光電変換層10および電極対20、ならびにそれらを構成する要素を備えている。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing structures of the photovoltaic element 1200 and the photovoltaic element 1300 which are another typical configuration of the present embodiment, and FIG. 4A is an outline of the photovoltaic element 1200. FIG. 4B and FIG. 4C are schematic cross-sectional views of a photovoltaic element 1200 and a photovoltaic element 1300, respectively. The photovoltaic elements 1200 and 1300 also include the photoelectric conversion layer 10 and the electrode pair 20 described in the photovoltaic element 1000 and the photovoltaic element 1200, and elements constituting them.

図4(a)および(b)に示すように、光起電力素子1200は光電変換層10に複数の金属構造体34を備えている。この金属構造体34は、互いに同軸に配置された内側円筒壁34Aと外側円筒壁34Bとを備えている。金属構造体34の内側円筒壁34Aおよび外側円筒壁34Bは、ともに金属電極24に電気的に接続されている。金属構造体34は、光起電力素子1000における金属構造体30とは異なる構造に作製されている。金属構造体34の材質や、形状、サイズ、複数の金属構造体34の配列構造を調整することにより、表面プラズモン共鳴のピークを与える波長を調整したり、消光比として実測される表面プラズモン共鳴の強度を調整したりすることが可能となる。特に、内側円筒壁34Aと外側円筒壁34Bの間隙となるナノギャップGは、材質や形状、特に厚さが適切に設定されればプラズモンの電磁界を増強する効果をもたらすために、金属構造体34を採用する本実施形態においては光電変換層10の吸収を高めることが可能となる。なお、このナノギャップGの位置は、光電変換層10が形成されるのではなく、非特許文献1に報告されているように、作製途中において厚みを精密に制御できる樹脂などで満たしつつ、例えば光電変換層10と同一の材質を配置することも可能である。より強い電場増強効果が得られるナノギャップGに光電変換層10を配置すると、光電変換の効率が向上する点で有利である。また金属構造体34も、光電変換層10における電極として動作する。金属構造体34の材質や、形状、サイズ、複数の金属構造体34の配列構造を調整することにより、金属構造体34によるプラズマ共鳴が、光電変換層10の吸収範囲の光に対して誘起されるように構成することも可能である。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the photovoltaic element 1200 includes a plurality of metal structures 34 in the photoelectric conversion layer 10. The metal structure 34 includes an inner cylindrical wall 34A and an outer cylindrical wall 34B that are arranged coaxially with each other. Both the inner cylindrical wall 34 </ b> A and the outer cylindrical wall 34 </ b> B of the metal structure 34 are electrically connected to the metal electrode 24. The metal structure 34 is made in a structure different from the metal structure 30 in the photovoltaic element 1000. By adjusting the material, shape and size of the metal structure 34, and the arrangement structure of the plurality of metal structures 34, the wavelength that gives the peak of surface plasmon resonance can be adjusted, and the surface plasmon resonance measured as the extinction ratio can be adjusted. It is possible to adjust the strength. In particular, the nanogap G serving as the gap between the inner cylindrical wall 34A and the outer cylindrical wall 34B has a metal structure in order to bring about an effect of enhancing the electromagnetic field of plasmon if the material and shape, particularly the thickness, are appropriately set. In the present embodiment employing 34, the absorption of the photoelectric conversion layer 10 can be increased. In addition, the position of the nanogap G is not formed in the photoelectric conversion layer 10, but is filled with a resin or the like whose thickness can be precisely controlled during the production as reported in Non-Patent Document 1, for example, It is also possible to dispose the same material as that of the photoelectric conversion layer 10. Arranging the photoelectric conversion layer 10 in the nanogap G that provides a stronger electric field enhancement effect is advantageous in that the efficiency of photoelectric conversion is improved. The metal structure 34 also operates as an electrode in the photoelectric conversion layer 10. By adjusting the material, shape and size of the metal structure 34 and the arrangement structure of the plurality of metal structures 34, plasma resonance by the metal structure 34 is induced for light in the absorption range of the photoelectric conversion layer 10. It is also possible to configure such that.

光起電力素子1300は、光電変換層10に複数の金属構造体36を備えている。この金属構造体36も、個別のものが同軸に配置された内側円筒壁36Aと外側円筒壁36Bとを備えている。金属構造体36の内側円筒壁36Aおよび外側円筒壁36Bのうち、内側円筒壁36Aは透光性電極22に電気的に接続されている。ただし、外側円筒壁36Bは透光性電極22との間にナノギャップGのための材質が配置されている場合、必ずしも電気的に接続されている必要はない。金属構造体36は、光起電力素子1000における金属構造体30とは異なる構造に作製されている。金属構造体36においても、金属構造体36の材質や、形状、サイズ、複数の金属構造体36の配列構造を調整することにより、表面プラズモン共鳴のピークを与える波長を調整したり、消光比として実測される表面プラズモン共鳴の強度を調整したりすることが可能となる。金属構造体36が光電変換層10における電極として動作する点、そして金属構造体36の材質や、形状、サイズ、複数の金属構造体36の配列構造を調整して金属構造体36によるプラズマ共鳴が、光電変換層10の吸収範囲の光に対して誘起されるように構成しうる点は、光起電力素子1200の金属構造体34の場合と同様である。   The photovoltaic element 1300 includes a plurality of metal structures 36 in the photoelectric conversion layer 10. The metal structure 36 also includes an inner cylindrical wall 36A and an outer cylindrical wall 36B, which are individually arranged coaxially. Of the inner cylindrical wall 36 </ b> A and the outer cylindrical wall 36 </ b> B of the metal structure 36, the inner cylindrical wall 36 </ b> A is electrically connected to the translucent electrode 22. However, the outer cylindrical wall 36 </ b> B does not necessarily need to be electrically connected when the material for the nanogap G is disposed between the translucent electrode 22. The metal structure 36 is produced in a structure different from the metal structure 30 in the photovoltaic element 1000. Also in the metal structure 36, by adjusting the material, shape, size, and arrangement structure of the plurality of metal structures 36, the wavelength that gives the peak of surface plasmon resonance can be adjusted, or the extinction ratio It is possible to adjust the intensity of the surface plasmon resonance actually measured. The point that the metal structure 36 operates as an electrode in the photoelectric conversion layer 10, and the material, shape, size, and arrangement structure of the plurality of metal structures 36 are adjusted to cause plasma resonance by the metal structure 36. The point which can be configured to be induced with respect to light in the absorption range of the photoelectric conversion layer 10 is the same as in the case of the metal structure 34 of the photovoltaic element 1200.

[1−3 製造方法]
次に、本実施形態の光電変換素子の製造方法について説明する。
[1-3 Manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this embodiment is demonstrated.

[1−3−1 光起電力素子1000の製造方法]
まず、本実施形態の光起電力素子1000を例に本実施形態の光電変換素子の典型的な製造方法を説明する。光起電力素子1000を製造する製造方法は、概して、配置工程と、金属電極24(第2電極層)を形成する工程とを含んでいる。配置工程は、典型的には、光電変換層を一様な厚みに形成する工程と、光電変換層に複数の金属構造体を圧入する工程とを含んでいる。以下、この典型的な製造方法を図5に基づいて説明する。
[1-3-1 Manufacturing Method of Photovoltaic Element 1000]
First, a typical manufacturing method of the photoelectric conversion element of this embodiment will be described by taking the photovoltaic element 1000 of this embodiment as an example. The manufacturing method for manufacturing the photovoltaic device 1000 generally includes an arranging step and a step of forming the metal electrode 24 (second electrode layer). The arranging step typically includes a step of forming the photoelectric conversion layer with a uniform thickness and a step of press-fitting a plurality of metal structures into the photoelectric conversion layer. Hereinafter, this typical manufacturing method will be described with reference to FIG.

[1−3−1−1 別基板を利用する圧入]
図5は、本実施形態の光電変換素子の製造工程の一典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。本典型例では上記配置工程は図5(a)〜(c)に示されている。図5(a)に示すように、透光性基板80に形成されている透光性電極22(第1電極層)の上に、光電変換層10を一様な厚みに形成する。次に、図5(b)に示すように光電変換層10を軟化させ、軟化した光電変換層10に複数の金属構造体30を圧入する。なお、金属構造体30は、別基板90に予め配列させて作製されており、その製造方法については後述する。その後に別基板90を除去すれば、図5(c)に示すように、光電変換層10の厚みの範囲に金属構造体30が配置される。このように、図5(a)〜(c)の工程において、ある厚みの有機半導体の光電変換層10と、光電変換層10に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体30とが、複数の金属構造体30の少なくとも一部が光電変換層10の厚みの範囲に位置するように配置される。図5に示す典型的な製造方法においては、図5(c)の時点において、金属構造体30の紙面上の上面が露出している。
[1-3-1-1 Press-fit using a separate substrate]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration at each stage in a typical example of the manufacturing process of the photoelectric conversion element of the present embodiment. In this typical example, the arrangement step is shown in FIGS. As shown in FIG. 5A, the photoelectric conversion layer 10 is formed on the translucent electrode 22 (first electrode layer) formed on the translucent substrate 80 with a uniform thickness. Next, as shown in FIG. 5B, the photoelectric conversion layer 10 is softened, and a plurality of metal structures 30 are pressed into the softened photoelectric conversion layer 10. In addition, the metal structure 30 is produced by arranging in advance on another substrate 90, and the manufacturing method thereof will be described later. Thereafter, when the separate substrate 90 is removed, the metal structure 30 is arranged in the range of the thickness of the photoelectric conversion layer 10 as shown in FIG. As described above, in the steps of FIGS. 5A to 5C, a plurality of organic semiconductor photoelectric conversion layers 10 having a certain thickness and a plurality of surface plasmon resonances induced by light incident on the photoelectric conversion layers 10. The metal structure 30 is disposed so that at least a part of the plurality of metal structures 30 is located within the thickness range of the photoelectric conversion layer 10. In the typical manufacturing method shown in FIG. 5, the upper surface of the metal structure 30 on the paper surface is exposed at the time of FIG.

そして、図5(d)に示すように、金属電極24(第2電極層)を形成する。金属電極24は、透光性電極22(第1電極層)と組合せて厚み方向に光電変換層10を挟むこととなる。金属電極24(第2電極層)は、複数の金属構造体30の少なくともいずれかと光電変換層10とに接触させて形成される。   Then, as shown in FIG. 5D, a metal electrode 24 (second electrode layer) is formed. The metal electrode 24 sandwiches the photoelectric conversion layer 10 in the thickness direction in combination with the translucent electrode 22 (first electrode layer). The metal electrode 24 (second electrode layer) is formed in contact with at least one of the plurality of metal structures 30 and the photoelectric conversion layer 10.

なお、金属構造体30を別基板90に形成するためには、非特許文献1に記載の二重円筒壁(DNP)を有する金属構造体の製造手法の一部分を採用することができる。具体的には、インプリント法により、別基板90を対象にしてまずレジスト樹脂による中実の円柱の微小構造体の配列を形成する。それの配列を含むレジスト面全面を金属(例えば金など)により被覆し、円筒の頂部および基板面の金属のみを反応性イオンエッチングなどにより除去する。この時点で、レジストの円筒の外側面のみに金属が残留する。その後、酸素ブラズマによるエッチング(灰化)によって、金属壁内や基板面のレジストを除去する。このような工程により、金属構造体30を別基板90に形成することができる。   In order to form the metal structure 30 on the separate substrate 90, a part of the manufacturing method of the metal structure having a double cylindrical wall (DNP) described in Non-Patent Document 1 can be employed. Specifically, an array of solid cylindrical microstructures is first formed of a resist resin by using an imprint method with respect to another substrate 90. The entire resist surface including the arrangement thereof is covered with metal (for example, gold), and only the metal on the top of the cylinder and the substrate surface is removed by reactive ion etching or the like. At this point, metal remains only on the outer surface of the resist cylinder. Thereafter, the resist in the metal wall and the substrate surface is removed by etching (ashing) with oxygen plasma. With such a process, the metal structure 30 can be formed on the separate substrate 90.

以上の光起電力素子1000を製造するための手法は、光起電力素子1000を製造できる範囲で種々の変更を行なうことができる。例えば、金属構造体30を別基板90に形成しないで実質的に同様の構造を作製することも可能である。例えば、金属電極24となる金属膜が形成された基板(図示しない)の当該金属膜の表面に金属構造体30を形成しておいて、金属構造体30が直接金属電極24の表面に電気的に接続させる。そして、その基板を、上述した工程と類似の工程により、金属構造体30を光電変換層10に対し圧入すれば、実質的に光起電力素子1000と同様の構造の光起電力素子を簡素化された工程により製造することが可能である。   The method for manufacturing the above photovoltaic element 1000 can be variously modified within a range in which the photovoltaic element 1000 can be manufactured. For example, it is possible to produce a substantially similar structure without forming the metal structure 30 on the separate substrate 90. For example, the metal structure 30 is formed on the surface of the metal film of a substrate (not shown) on which the metal film to be the metal electrode 24 is formed, and the metal structure 30 is electrically connected directly to the surface of the metal electrode 24. Connect to. Then, if the metal structure 30 is press-fitted into the photoelectric conversion layer 10 by a process similar to the process described above, the photovoltaic element having a structure substantially similar to the photovoltaic element 1000 is simplified. It is possible to manufacture by the process.

[1−3−1−2 金属構造体30の直接形成]
光起電力素子1000は、図5とは別の製造方法によれば、別基板90への金属構造体30の作製を行うことなく製造することも可能である。図6は、本実施形態の光電変換素子の製造工程の別の典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。本典型例では、上記配置工程は図6(a)〜(d)に示されている。図6に示す製造方法では、上述した配置工程において、例えばインプリント法などの手法を利用し、光電変換層10(活性層14)の層に直接に金属構造体30を生成する手法である。つまり図6(a)に示すように、まず、光電変換層10の前駆膜10Aを形成する。この前駆膜10Aは、ホール輸送層12と活性層14のための前駆膜14Aとの積層体である。次に、図6(b)に示すように、インプリント型92を、軟化させておいた前駆膜10Aの表面に押圧し、前駆膜10Aを硬化させてから除去する。なお、インプリント型92は、例えばシリコンに適切なサイズの孔を異方性エッチングすることにより形成すれば、作製することができる。これにより、微小構造体14Cが形成される。この際、前駆膜10Aの材質により、透光性電極22の表面を覆うように、ベース部14Bを残しておく。この微小構造体14Cは、例えばベース部14Bからの円柱状の突出部である。次いで、図6(c)に示すように、微小構造体14Cの表面に接触させて複数の金属構造体30となる金属膜を形成する。さらに、図6(d)に示すように、複数の金属構造体30の隙間に活性層となる有機半導体14Dを満たす。この有機半導体14Dは、ベース部14Bに接続して、微小構造体14Cとともに一体の活性層14をなす。金属構造体30の紙面上の上面は露出している。この段階で配置工程が完了する。その後、図6(e)に示すように、金属電極24を配置する。
[1-3-1-2 Direct Formation of Metal Structure 30]
The photovoltaic element 1000 can be manufactured without manufacturing the metal structure 30 on the separate substrate 90 according to a manufacturing method different from FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration at each stage in another typical example of the manufacturing process of the photoelectric conversion element of the present embodiment. In this typical example, the arrangement step is shown in FIGS. The manufacturing method shown in FIG. 6 is a method of generating the metal structure 30 directly on the layer of the photoelectric conversion layer 10 (active layer 14) by using a method such as an imprint method in the arranging step described above. That is, as shown in FIG. 6A, first, a precursor film 10A of the photoelectric conversion layer 10 is formed. This precursor film 10A is a laminate of a hole transport layer 12 and a precursor film 14A for the active layer 14. Next, as shown in FIG. 6B, the imprint mold 92 is pressed against the surface of the softened precursor film 10A to cure the precursor film 10A and then removed. Note that the imprint mold 92 can be manufactured, for example, by forming holes of an appropriate size in silicon by anisotropic etching. Thereby, the microstructure 14C is formed. At this time, the base portion 14B is left so as to cover the surface of the translucent electrode 22 with the material of the precursor film 10A. The microstructure 14C is, for example, a columnar protrusion from the base portion 14B. Next, as shown in FIG. 6C, a metal film to be a plurality of metal structures 30 is formed in contact with the surface of the microstructure 14C. Further, as shown in FIG. 6D, the gap between the plurality of metal structures 30 is filled with an organic semiconductor 14 </ b> D that becomes an active layer. The organic semiconductor 14D is connected to the base portion 14B and forms an integrated active layer 14 together with the microstructure 14C. The upper surface of the metal structure 30 on the paper surface is exposed. The placement process is completed at this stage. Thereafter, as shown in FIG. 6E, the metal electrode 24 is disposed.

このようにして作製した光起電力素子1000も、微小構造体14Cと活性層14はともに光電変換の作用を持つ。   In the photovoltaic element 1000 manufactured as described above, both the microstructure 14C and the active layer 14 have a photoelectric conversion function.

[1−3−2 光起電力素子1100の製造方法]
次に、図3(b)に示した光起電力素子1100の製造方法について説明する。図7は、本実施形態の光電変換素子の製造工程の典型例において、各段階における構成を示す概略断面図である。図7に示す製造方法においては、複数の金属構造体を形成する工程、有機半導体の光電変換層を形成する工程、そして、金属電極24(第2電極層)を形成する工程を含んでいる。
[1-3-2 Manufacturing Method of Photovoltaic Element 1100]
Next, a method for manufacturing the photovoltaic element 1100 shown in FIG. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration at each stage in a typical example of the process for producing the photoelectric conversion element of the present embodiment. The manufacturing method shown in FIG. 7 includes a step of forming a plurality of metal structures, a step of forming a photoelectric conversion layer of an organic semiconductor, and a step of forming a metal electrode 24 (second electrode layer).

複数の金属構造体を形成する工程は、入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体32のうちの少なくともいずれかを基板に形成されている透光性電極22(第1電極層)に接触させることにより行われる。典型的には、図7(a)に示すように、微小仮構造体16を透光性電極22の上に形成する。この微小仮構造体16は、例えばインプリントに適する樹脂材料を成型することができ、その成型のためにはインプリント型(図示しない)を利用することができる。この際、図6にて説明したものとは異なり、ベース部は残さず、透光性電極22の表面を露出させておく。その後、図7(b)に示すように、複数の金属構造体32となる金属膜を、微小仮構造体16の表面に接触させて透光性電極22(第1電極層)に接続して形成する。金属膜は、透光性電極22の面や微小仮構造体16の頂部も含む表面全域に形成した後に、例えばアルゴンイオンエッチングなどのRIE(反応性イオンエッチング)により微小仮構造体16の外側面のみに残し他の部分を除去することができる。また、その際には、複数の金属構造体32は透光性電極22(第1電極層)に接触しており、金属構造体32それぞれと透光性電極22の間は電気的に接続されている。   In the step of forming the plurality of metal structures, the translucent electrode 22 (in which at least one of the plurality of metal structures 32 in which surface plasmon resonance is induced by the incident light is formed on the substrate ( It is carried out by contacting the first electrode layer). Typically, as shown in FIG. 7A, the micro temporary structure 16 is formed on the translucent electrode 22. For example, a resin material suitable for imprinting can be molded as the micro temporary structure 16, and an imprint mold (not shown) can be used for the molding. At this time, unlike the case described with reference to FIG. 6, the base portion is not left and the surface of the translucent electrode 22 is exposed. After that, as shown in FIG. 7B, the metal film to be a plurality of metal structures 32 is brought into contact with the surface of the micro temporary structure 16 and connected to the translucent electrode 22 (first electrode layer). Form. After the metal film is formed over the entire surface including the surface of the translucent electrode 22 and the top of the micro temporary structure 16, the outer surface of the micro temporary structure 16 is formed by, for example, RIE (reactive ion etching) such as argon ion etching. Other parts can be removed leaving only. In this case, the plurality of metal structures 32 are in contact with the translucent electrode 22 (first electrode layer), and each of the metal structures 32 and the translucent electrode 22 are electrically connected. ing.

さらに、図7(c)に示すように、微小仮構造体16を除去し、金属構造体32の内部を中空にする。微小仮構造体16のインプリント用樹脂は、金属構造体32が例えば金などの酸化されにくい金属であれば、例えば酸素ブラズマによるエッチング(灰化)により,また酸化されやすい金属の場合は,水素プラズマによるエッチングにより,選択的に除去することが可能である。   Further, as shown in FIG. 7C, the micro temporary structure 16 is removed, and the interior of the metal structure 32 is made hollow. If the metal structure 32 is a metal that is not easily oxidized, such as gold, the imprinting resin of the micro temporary structure 16 is, for example, hydrogen by etching (ashing) using oxygen plasma or a metal that is easily oxidized. It can be selectively removed by etching with plasma.

次いで、図7(d)に示すように、複数の金属構造体32と透光性電極22(第1電極層)とに接触させたまま、透光性電極22からある厚みをなすようにして、有機半導体の光電変換層10を形成する。光電変換層10を形成するためには、例えば、ホール輸送層12を形成し、その後に活性層14を形成する。典型的には、光電変換層10は、金属構造体32が露出しないような厚みに形成される。なお、好ましくは、ホール輸送層12は、金属構造体32の露出している表面のすべて、つまり、金属構造体32の外側面、頂部、内側面(微小仮構造体16を除去した部分)のすべてにおいてが形成される。その後のホール輸送層12の面に活性層14が形成される場合には、金属構造体32による電極としての動作が理想的なものとなって、好ましい。透光性電極22をこのように形成するためには、例えば静電吸着法などの成膜手法を採用することができる。ただし、ホール輸送層12が透光性電極22の表面のみに形成されて金属構造体32の表面には形成されていない構成であっても、十分に本実施形態の効果が発揮される。   Next, as shown in FIG. 7D, a certain thickness is formed from the translucent electrode 22 while being in contact with the plurality of metal structures 32 and the translucent electrode 22 (first electrode layer). The organic semiconductor photoelectric conversion layer 10 is formed. In order to form the photoelectric conversion layer 10, for example, the hole transport layer 12 is formed, and then the active layer 14 is formed. Typically, the photoelectric conversion layer 10 is formed to a thickness such that the metal structure 32 is not exposed. Preferably, the hole transport layer 12 is formed on the entire exposed surface of the metal structure 32, that is, on the outer surface, the top, and the inner surface of the metal structure 32 (the portion from which the micro temporary structure 16 is removed). All are formed. When the active layer 14 is formed on the surface of the hole transport layer 12 thereafter, the operation as an electrode by the metal structure 32 becomes ideal, which is preferable. In order to form the translucent electrode 22 in this way, for example, a film forming method such as an electrostatic adsorption method can be employed. However, even if the hole transport layer 12 is formed only on the surface of the translucent electrode 22 and is not formed on the surface of the metal structure 32, the effect of this embodiment is sufficiently exhibited.

そして、図7(e)に示すように、透光性電極22(第1電極層)と組合せて厚み方向に光電変換層10を挟むこととなるようにして、光電変換層10、例えば活性層14に接触させて金属電極24(第2電極層)を形成し、光起電力素子1100を完成させる。光起電力素子1100の光電変換の動作は、透光性基板80および透光性電極22を通って紙面上の下方の面から入射する光が、光電変換層10による直接的な吸収と、金属構造体32により増強された光電場を介した吸収とにより光電変換層10の活性層14に効率良く吸収されて実現する。   Then, as shown in FIG. 7 (e), the photoelectric conversion layer 10, for example, the active layer is sandwiched between the translucent electrode 22 (first electrode layer) and sandwiched in the thickness direction. 14, the metal electrode 24 (second electrode layer) is formed, and the photovoltaic device 1100 is completed. In the photoelectric conversion operation of the photovoltaic element 1100, light incident from the lower surface on the paper surface through the transparent substrate 80 and the transparent electrode 22 is directly absorbed by the photoelectric conversion layer 10, and metal This is realized by being efficiently absorbed by the active layer 14 of the photoelectric conversion layer 10 by absorption through the photoelectric field enhanced by the structure 32.

[1−3−3 光起電力素子1200の製造方法]
上述した図5および図6に示したいずれの製造方法も、光起電力素子1200(図4(b))を製造するためにも採用することができる。例えば図5に示した製造方法により光起電力素子1200を製造するためには、別基板90に金属構造体34を形成する必要がある。この場合には、非特許文献1にて本願の発明者の一部が報告した二重円筒壁を有する金属構造体の製造手法により金属構造体34を製造する。
[1-3-3 Manufacturing Method of Photovoltaic Element 1200]
Any of the manufacturing methods shown in FIGS. 5 and 6 described above can also be employed for manufacturing the photovoltaic device 1200 (FIG. 4B). For example, in order to manufacture the photovoltaic device 1200 by the manufacturing method illustrated in FIG. 5, it is necessary to form the metal structure 34 on the separate substrate 90. In this case, the metal structure 34 is manufactured by a method for manufacturing a metal structure having a double cylindrical wall reported by a part of the inventors of the present application in Non-Patent Document 1.

具体的には、まずインプリント法により、別基板90を対象にしてレジスト樹脂による中実の円柱の配列を形成する。それの配列を含むレジスト面全面を金属(例えば金など)により被覆し、円筒の頂部および基板面の金属を反応性イオンエッチングなどにより除去する。この時点で、レジストの円筒の外側面のみに金属が残留し、これが内側円筒壁34Aとなる。さらに、ナノギャップGを満たすスペーサー層となる樹脂でその全体を被覆し、さらに金属層を被覆する。なお、ナノギャップGとなるスペーサー層は、分子層または原子層単位で厚みを制御して形成することができ、ナノギャップG自体の厚みにより、内側円筒壁34Aと外側円筒壁34Bとの間の距離を制御することができる。その後、やはり反応性イオンエッチングなどにより、金属およびスペーサー層を、円筒の頂部および基板面のみ除去する。この時点で外側円筒壁34Bも形成される。その後、酸素ブラズマによるエッチング(灰化)によって、残留している内側円筒壁34Aの内部や基板面のレジストを除去する。このような工程により、金属構造体34を別基板90に形成することができる。なお、この際にはナノギャップGの位置のスペーサー層も除去される。   Specifically, first, an array of solid cylinders made of resist resin is formed on another substrate 90 by an imprint method. The entire resist surface including the arrangement thereof is covered with metal (for example, gold), and the metal on the top of the cylinder and the substrate surface is removed by reactive ion etching or the like. At this point, metal remains only on the outer surface of the resist cylinder, which becomes the inner cylindrical wall 34A. Further, the whole is covered with a resin that becomes a spacer layer satisfying the nanogap G, and further a metal layer is covered. The spacer layer that becomes the nanogap G can be formed by controlling the thickness in units of molecular layers or atomic layers, and the space between the inner cylindrical wall 34A and the outer cylindrical wall 34B depends on the thickness of the nanogap G itself. The distance can be controlled. Thereafter, the metal and the spacer layer are removed only by the reactive ion etching or the like, and only the top of the cylinder and the substrate surface. At this point, the outer cylindrical wall 34B is also formed. Thereafter, the resist inside the remaining inner cylindrical wall 34A and the substrate surface is removed by etching (ashing) with oxygen plasma. With such a process, the metal structure 34 can be formed on the separate substrate 90. At this time, the spacer layer at the position of the nanogap G is also removed.

[1−3−4 光起電力素子1300の製造方法]
光起電力素子1300(図4(c))の製造方法も、金属構造体36を透光性電極22に形成し、その後にホール輸送層12、活性層14を形成する点で、光起電力素子1100の製造方法に準じた手法を採用することができる。その際、金属構造体36の内側円筒壁36Aと外側円筒壁36BとをナノギャップGを介して形成する手法は、光起電力素子1200に関して上述した手法と同様とすることができる。
[1-3-4 Manufacturing Method of Photovoltaic Element 1300]
The manufacturing method of the photovoltaic device 1300 (FIG. 4C) also includes the photovoltaic device in that the metal structure 36 is formed on the translucent electrode 22 and then the hole transport layer 12 and the active layer 14 are formed. A technique according to the manufacturing method of the element 1100 can be employed. At this time, the method of forming the inner cylindrical wall 36A and the outer cylindrical wall 36B of the metal structure 36 through the nanogap G can be the same as the method described above with respect to the photovoltaic element 1200.

[1−4 構造の細部]
本実施形態の光起電力素子1000〜1300には実用性を高めるさまざまな改良を加えることができる。図8は、本実施形態の光電変換素子の改良された構造例を示す概略断面図である。本実施形態の光起電力素子1000を改良した光起電力素子1000aを例に説明すれば、図8(a)に示すように、複数の金属構造体30の電極に電気的に接続しているものにおいて、透光性電極22に向かう面の少なくとも一部に、金属構造体30の材質の酸化膜40を形成することが有用である。この酸化膜40が形成されている面は、透光性電極22向かう面、つまり、電極対20のうち、複数の金属構造体30が接続されている一方の電極(金属電極24)に対向している他方の電極(透光性電極22)に向かう面である。この酸化膜40は、通常は金属構造体30に比べて電気伝導度が低下し、例えば絶縁性を示す。このため、酸化膜40が形成されていることにより、金属構造体30が接続されている金属電極24と透光性電極22との不意の短絡を効果的に防止することができる。なお、金属構造体30において、酸化膜40を形成することができ、表面プラズモン共鳴を生じさせることが可能な材質を例示すれば、アルミニウム、銀、銅などを挙げることができる。
[1-4 Details of structure]
Various improvements that increase the practicality can be added to the photovoltaic elements 1000 to 1300 of the present embodiment. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating an improved structure example of the photoelectric conversion element of the present embodiment. If the photovoltaic element 1000a which improved the photovoltaic element 1000 of this embodiment is demonstrated to an example, as shown to Fig.8 (a), it will electrically connect to the electrode of the some metal structure 30. FIG. It is useful to form an oxide film 40 made of the metal structure 30 on at least a part of the surface facing the translucent electrode 22. The surface on which the oxide film 40 is formed faces the surface facing the translucent electrode 22, that is, one electrode (metal electrode 24) of the electrode pair 20 to which the plurality of metal structures 30 are connected. This is the surface facing the other electrode (translucent electrode 22). The oxide film 40 usually has lower electrical conductivity than the metal structure 30 and exhibits, for example, insulation. For this reason, the formation of the oxide film 40 can effectively prevent an unexpected short circuit between the metal electrode 24 to which the metal structure 30 is connected and the translucent electrode 22. In the metal structure 30, the oxide film 40 can be formed, and examples of materials that can cause surface plasmon resonance include aluminum, silver, and copper.

同様に、光起電力素子1100を改良した光起電力素子1100aにおいても、図8(b)に示すように、金属構造体32に酸化膜42を形成することが好ましい。酸化膜42が形成されている面は、電極対20のうち、複数の金属構造体32が接続されている一方の電極(透光性電極22)に対向している他方の電極(金属電極24)に向かう面である。   Similarly, in the photovoltaic element 1100a obtained by improving the photovoltaic element 1100, it is preferable to form the oxide film 42 on the metal structure 32 as shown in FIG. 8B. The surface on which the oxide film 42 is formed has the other electrode (the metal electrode 24) facing the one electrode (the translucent electrode 22) of the electrode pair 20 to which the plurality of metal structures 32 are connected. ).

[2 第2実施形態]
[2−1 基本構造・原理]
本発明は、第1実施形態とは別の実施形態である第2実施形態によっても実施することができる。図9は、本発明の第2実施形態の光電変換素子の構造を示す説明図であり、図9(a)は、光起電力素子2000の概略の構造を一部破断して示す斜視図であり、図9(b)は概略断面図である。
[2 Second Embodiment]
[2-1 Basic structure / principle]
The present invention can also be implemented by a second embodiment which is an embodiment different from the first embodiment. FIG. 9 is an explanatory view showing the structure of the photoelectric conversion element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9A is a perspective view showing the schematic structure of the photovoltaic element 2000 in a partially broken view. FIG. 9B is a schematic sectional view.

光起電力素子2000は、概して、光電変換層10と電極対20と複数の金属構造体50とを備えている。光電変換層10は、ある厚みDの有機半導体の層である。電極対20は、光電変換層10を厚みDの方向に挟んで対向しており、少なくとも一方が透光性電極である。図9では、透光性基板80側の透光性電極22が透光性電極であり、他方が金属電極24である。金属構造体50では、光電変換層10に入射する光hνにより表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる。この金属構造体50の少なくともいずれかは、少なくとも一部が光電変換層10の厚みDの範囲に位置している。   The photovoltaic element 2000 generally includes the photoelectric conversion layer 10, the electrode pair 20, and a plurality of metal structures 50. The photoelectric conversion layer 10 is an organic semiconductor layer having a certain thickness D. The electrode pair 20 is opposed to the photoelectric conversion layer 10 in the direction of the thickness D, and at least one of them is a translucent electrode. In FIG. 9, the translucent electrode 22 on the translucent substrate 80 side is the translucent electrode, and the other is the metal electrode 24. In the metal structure 50, surface plasmon resonance is induced by the light hν incident on the photoelectric conversion layer 10. At least a part of the metal structure 50 is located in the range of the thickness D of the photoelectric conversion layer 10.

図9に示すように、金属構造体50の少なくともいずれかと光電変換層10との間の界面は、光電変換層10の面内方向の少なくともある方位に向かって光電変換層10の厚みDの向きから傾斜している傾斜面である外側面502と内側面504を有している。図9に示した金属構造体50は、軸を光電変換層10の厚みの向きに向けている切頭円錐の金属電極24に向かって収束している側面の形状を有しており、外側面502と内側面504は、金属構造体50の金属層の厚みの両面である。つまり、外側面502と内側面504は、各位置において、光電変換層10の厚み方向から傾斜した傾斜面の一例である。本実施形態における金属構造体50の少なくともいずれかと光電変換層10との間の界面がとりうる傾斜面は、このような円錐の側面以外にも、角錐の側面、傾斜面、傾斜した曲面、といった任意の傾斜面とすることができる。なお、傾斜について、光電変換層10の面内方向の少なくともある方位に向かって光電変換層10の厚みの向きから傾斜しているとは、本実施形態の金属構造体と光電変換層10との間の界面の各位置を局所的にみたとき、その位置に立てた界面の局所での法線ベクトルが、光電変換層10の面内の成分を当該方位に持ち、かつ、光電変換層10の厚み方向の成分が0でないことを意味している。   As shown in FIG. 9, the interface between at least one of the metal structures 50 and the photoelectric conversion layer 10 is oriented in the direction of the thickness D of the photoelectric conversion layer 10 toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer 10. The outer surface 502 and the inner surface 504 are inclined surfaces inclined from the inner side. The metal structure 50 shown in FIG. 9 has a shape of a side surface converging toward the truncated conical metal electrode 24 whose axis is oriented in the direction of the thickness of the photoelectric conversion layer 10, and the outer side surface. 502 and the inner side surface 504 are both sides of the thickness of the metal layer of the metal structure 50. That is, the outer surface 502 and the inner surface 504 are examples of inclined surfaces that are inclined from the thickness direction of the photoelectric conversion layer 10 at each position. The inclined surface that can be taken by the interface between at least one of the metal structures 50 and the photoelectric conversion layer 10 in the present embodiment is a side surface of a pyramid, an inclined surface, an inclined curved surface, in addition to the side surface of the cone. Any inclined surface can be used. In addition, about the inclination, it is inclined from the direction of the thickness of the photoelectric conversion layer 10 toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer 10, because the metal structure of the present embodiment and the photoelectric conversion layer 10 are When each position of the interface between the two is viewed locally, the normal vector at the interface standing at that position has an in-plane component of the photoelectric conversion layer 10 in the direction, and the photoelectric conversion layer 10 This means that the component in the thickness direction is not zero.

好ましくは、複数の金属構造体50は、光電変換層10の材質の光吸収波長の範囲において表面プラズモン共鳴が誘起されるものとされる。   Preferably, in the plurality of metal structures 50, surface plasmon resonance is induced in the range of the light absorption wavelength of the material of the photoelectric conversion layer 10.

留意すべき点は、第1実施形態の光起電力素子1000〜1300における金属構造体30〜36とは異なり、光起電力素子2000の金属構造体50は、電極対20のいずれの電極にも電気的に接続していない構成を含む点である。図9(b)に明示するように、金属構造体50は、電極対20のいずれの電極にも接触しておらず、活性層14またはホール輸送層12の材質が電極までの間に位置している。   It should be noted that, unlike the metal structures 30 to 36 in the photovoltaic elements 1000 to 1300 of the first embodiment, the metal structure 50 of the photovoltaic element 2000 is applied to any electrode of the electrode pair 20. It is a point including the structure which is not electrically connected. As clearly shown in FIG. 9B, the metal structure 50 is not in contact with any electrode of the electrode pair 20, and the material of the active layer 14 or the hole transport layer 12 is located between the electrodes. ing.

光起電力素子2000においても、第1実施形態の光起電力素子1000などと同様に光電変換の効率が高まる。その原因について本願の発明者らは、光学的作用が強く影響していると考えている。光学的作用は、第1実施形態における金属構造体30と同様に、金属構造体50において表面プラズモン共鳴が光により誘起されることにより、その表面プラズモン共鳴により増強された電場の振動を光電変換層10の材質が相互作用する結果、光電変換層10の光吸収が実質的に強められる作用である。特に、金属構造体50は光電変換層10の厚みの範囲に配置されていることに加え、光電変換層10との界面が傾斜面となっていることから、光起電力素子2000に入射し光電変換層10を伝播する光により、効率良く表面プラズモン共鳴が誘起される。一般に表面プラズモン共鳴は、光電変換層10と金属構造体50の界面が光電場の向きに沿っているときに効率良く誘起される。光は横波であるため、金属構造体50のようにその界面が光電変換層10の厚みの方向から傾斜していると、光が光電変換層10を横切るときに効率良く表面プラズモン共鳴が誘起される。   Also in the photovoltaic device 2000, the efficiency of photoelectric conversion is increased as in the photovoltaic device 1000 of the first embodiment. Regarding the cause, the inventors of the present application consider that the optical action is strongly influenced. As in the case of the metal structure 30 in the first embodiment, the optical action is such that surface plasmon resonance is induced by light in the metal structure 50, thereby causing the electric field vibration enhanced by the surface plasmon resonance to be reflected in the photoelectric conversion layer. As a result of the interaction of the ten materials, the light absorption of the photoelectric conversion layer 10 is substantially enhanced. In particular, since the metal structure 50 is disposed within the thickness range of the photoelectric conversion layer 10 and the interface with the photoelectric conversion layer 10 is an inclined surface, the metal structure 50 is incident on the photovoltaic element 2000 and has a photoelectric property. Surface plasmon resonance is efficiently induced by the light propagating through the conversion layer 10. In general, surface plasmon resonance is efficiently induced when the interface between the photoelectric conversion layer 10 and the metal structure 50 is along the direction of the photoelectric field. Since light is a transverse wave, when the interface is inclined from the thickness direction of the photoelectric conversion layer 10 like the metal structure 50, surface plasmon resonance is efficiently induced when the light crosses the photoelectric conversion layer 10. The

特に、実際の光起電力素子2000を例えば太陽電池として用い、固定的に設置した状態で太陽光から電力を生成しようとするものである場合、太陽の日周運動や年周運動により、太陽光は必ずしも、光電変換層10の厚み方向の向きのみにて入射するとは限らない。その場合であっても、界面のうち光電変換層10中の光電場の向きに沿っている部分において強く表面プラズモン共鳴が誘起される。強い表面プラズモン共鳴では表面プラズモン共鳴が増強する電場の振幅が大きくなり、その付近の光電変換層10による光の吸収も増強されるため、光電変換層10と金属構造体50との界面が傾斜している構造の光起電力素子2000では、光学的作用の面から吸収を高めることが可能となる。   In particular, when the actual photovoltaic element 2000 is used as a solar cell, for example, and is intended to generate electric power from sunlight in a fixed installation, the solar diurnal movement or annual movement causes the sunlight. Does not necessarily enter only in the direction of the thickness direction of the photoelectric conversion layer 10. Even in that case, surface plasmon resonance is strongly induced in a portion of the interface along the direction of the photoelectric field in the photoelectric conversion layer 10. In the strong surface plasmon resonance, the amplitude of the electric field enhanced by the surface plasmon resonance is increased, and the light absorption by the photoelectric conversion layer 10 in the vicinity thereof is also enhanced, so that the interface between the photoelectric conversion layer 10 and the metal structure 50 is inclined. In the photovoltaic element 2000 having the structure as described above, the absorption can be enhanced from the viewpoint of optical action.

[2−2 構造例]
本実施形態の光電変換素子において、特に金属構造体は各種の構造から選択することができる。図10は、光電変換素子のいくつかのバリエーションにおいて金属構造体のみの構成を示す斜視図である。このうち、図10(a)は、図9に示した光起電力素子2000の金属構造体50の構造である。図10(b)は、金属構造体が単一の傾斜平面のみを有する光起電力素子2200における金属構造体52の構造である。図10(c)は、傾斜方位が異なる金属構造体を有する光起電力素子2200aにおける単一の傾斜平面の金属構造体52Aと別の方向に傾斜する単一の傾斜平面の金属構造体52Bを有する構造である。図10(d)は、複数の微小傾斜平面を組み合わせた金属構造体を有する光起電力素子2400における金属構造体52の構造である。そして、図10(e)は、切頭円錐の側面の一部のみ有する金属構造体を有する光起電力素子2600における金属構造体56の構造である。各図では、光電変換層10、電極対20等の記載を省略し、立体形状の理解を容易にする目的のみにて、図9の光起電力素子2000における光電変換層10の広がりの面内方向をxy平面に、光電変換層10の厚みDの方向を透光性電極22から金属電極24に向かってz方向にとる場合に相当する座標軸を明示している。また、xy平面に平行な仮想的平面を、各金属構造体の下方に記載している。
[2-2 Example of structure]
In the photoelectric conversion element of this embodiment, in particular, the metal structure can be selected from various structures. FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of only the metal structure in some variations of the photoelectric conversion element. Among these, FIG. 10A shows the structure of the metal structure 50 of the photovoltaic element 2000 shown in FIG. FIG. 10B shows the structure of the metal structure 52 in the photovoltaic device 2200 in which the metal structure has only a single inclined plane. FIG. 10C shows a single inclined plane metal structure 52B inclined in a different direction from a single inclined plane metal structure 52A in the photovoltaic element 2200a having metal structures with different inclination directions. It is the structure which has. FIG. 10D shows a structure of the metal structure 52 in the photovoltaic element 2400 having a metal structure in which a plurality of minute inclined planes are combined. FIG. 10E shows the structure of the metal structure 56 in the photovoltaic element 2600 having the metal structure having only a part of the side surface of the truncated cone. In each figure, the description of the photoelectric conversion layer 10, the electrode pair 20 and the like is omitted, and the expansion of the photoelectric conversion layer 10 in the photovoltaic element 2000 of FIG. 9 is performed only for the purpose of facilitating understanding of the three-dimensional shape. The coordinate axes corresponding to the case where the direction is the xy plane and the direction of the thickness D of the photoelectric conversion layer 10 is the z direction from the translucent electrode 22 toward the metal electrode 24 are clearly shown. In addition, a virtual plane parallel to the xy plane is described below each metal structure.

上述したように、図10(a)の金属構造体50を例に説明した光起電力素子2000は、本実施形態の光電変換素子の一例のものである。本実施形態の光電変換素子における金属構造体の最も単純な構造は、図10(b)に示す光起電力素子2200の金属構造体52である。つまり、複数の金属構造体52と光電変換層10との間の界面が、厚みの向きz方向から傾斜している傾斜面となっている。この傾斜は、図10のような座標軸の設定では、光電変換層10の面内方向(xy面の方向)のうちの−xの向きである。   As described above, the photovoltaic element 2000 described using the metal structure 50 in FIG. 10A as an example is an example of the photoelectric conversion element of the present embodiment. The simplest structure of the metal structure in the photoelectric conversion element of this embodiment is the metal structure 52 of the photovoltaic element 2200 shown in FIG. That is, the interface between the plurality of metal structures 52 and the photoelectric conversion layer 10 is an inclined surface that is inclined from the z direction of the thickness. This inclination is the −x direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer 10 (the direction of the xy plane) in the setting of the coordinate axes as shown in FIG.

本実施形態の光電変換素子において、より好ましくは、光電変換層10と金属構造体の界面が、光電変換層10の面内方向(xy平面の方向)の別々の方位に向いて傾斜する別々の傾斜面を有しているものとすると好適である。この好適な構成は例えば、図10(c)に示す光起電力素子2200aの金属構造体52A、52Bのように、向きが異なった傾斜面が含まれているものである。この傾斜は、金属構造体52Aおよび52Bについて、それぞれ、−xの向き、およびxの向きである。   In the photoelectric conversion element of the present embodiment, more preferably, the interface between the photoelectric conversion layer 10 and the metal structure is inclined separately toward different orientations in the in-plane direction (the xy plane direction) of the photoelectric conversion layer 10. It is preferable to have an inclined surface. This preferred configuration includes, for example, inclined surfaces having different directions, such as metal structures 52A and 52B of the photovoltaic element 2200a shown in FIG. This inclination is the −x direction and the x direction for the metal structures 52A and 52B, respectively.

図10(d)に示す金属構造体54は、別の規定により特定される構成の一例ともなっている。すなわち、金属構造体54と光電変換層10の界面の少なくとも一部、例えば微小傾斜平面542A、542B、542Cは、例えば切頭六角錘などの多角錐の錐体の側面の一部となっている。その切頭六角錘などの錐体は、典型的には、光電変換層10の厚みの方向に向く軸を有している。このような錐体の側面の一部を含むことにより、複数の方位に傾斜した面となるように金属構造体と光電変換層10との界面を構成することも本実施形態の好適な構成の例となる。   The metal structure 54 shown in FIG. 10D is also an example of a configuration specified by another rule. That is, at least a part of the interface between the metal structure 54 and the photoelectric conversion layer 10, for example, the minute inclined planes 542A, 542B, and 542C is a part of the side surface of a polygonal pyramid such as a truncated hexagonal pyramid. . The cone, such as the truncated hexagonal pyramid, typically has an axis that faces the thickness direction of the photoelectric conversion layer 10. By including a part of the side surface of such a cone, the interface between the metal structure and the photoelectric conversion layer 10 can be configured to have a surface inclined in a plurality of directions. An example.

本実施形態においては、傾斜面となる界面が必ずしも有限のサイズの広がりを有している必要は無い。図10(a)に示した金属構造体50の切頭円錐の側面は、傾斜方位が異なる無限小の面積の傾斜面をつなぎ合わせて構成した面と規定することもできるのが、その例である。したがって、例えば図10(e)に示した金属構造体56のように、切頭円錐の側面の一部のみを切り取ったような界面が実現される形状もまた、本実施形態における金属構造体の構造として好適なものとなる。   In the present embodiment, the interface serving as the inclined surface does not necessarily have a finite size spread. In the example, the side surface of the truncated cone of the metal structure 50 shown in FIG. 10A can be defined as a surface formed by connecting inclined surfaces having infinitely small areas with different inclination directions. is there. Therefore, for example, a shape in which an interface obtained by cutting out only a part of the side surface of the truncated cone, such as the metal structure 56 shown in FIG. The structure is suitable.

[2−3 構造の細部]
本実施形態の光電変換素子において、金属構造体は、電極対20のいずれか一方に電気的に接続しているような構成とすることも好適である。図11は、いずれか一方の電極に電気的に接続している金属構造体を有する光電変換素子の構造を示す断面図である。このうち、図11(a)〜図11(d)は、それぞれ、金属構造体50a〜50dを有する光起電力素子2000a〜2000dを示している。これらのうち、金属構造体50aおよび50bは金属電極24に電気的に接続しており、金属構造体50cおよび50dは透光性電極22に電気的に接続している。
[2-3 Details of structure]
In the photoelectric conversion element of the present embodiment, it is also preferable that the metal structure is configured to be electrically connected to any one of the electrode pairs 20. FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a structure of a photoelectric conversion element having a metal structure electrically connected to one of the electrodes. Among these, Fig.11 (a)-FIG.11 (d) have respectively shown the photovoltaic elements 2000a-2000d which have the metal structures 50a-50d. Among these, the metal structures 50 a and 50 b are electrically connected to the metal electrode 24, and the metal structures 50 c and 50 d are electrically connected to the translucent electrode 22.

これらの光起電力素子2000a〜2000dでは、図9に示した光起電力素子2000の場合の光学的作用ばかりか、その光学的作用との間で相乗効果を示す第1実施形態において説明したような、電気的作用も期待することができる。このため、本実施形態において金属構造体を電極としても作用させることは、とりわけ有利な光電変換素子の構成を与えることとなる。   In these photovoltaic elements 2000a to 2000d, as described in the first embodiment, which shows not only the optical action in the case of the photovoltaic element 2000 shown in FIG. 9, but also a synergistic effect with the optical action. In addition, electrical effects can be expected. For this reason, in the present embodiment, the action of the metal structure also as an electrode gives a particularly advantageous configuration of the photoelectric conversion element.

なお、図11に示した金属構造体を電極として動作させつつ、金属構造体と光電変換層10との界面が傾斜している構成は、第1実施形態からみると、その界面を傾斜させた変形を加えた構成ともいえる。このような構成は、第1実施形態からみてもとりわけ有利な構成となっている。   The configuration in which the interface between the metal structure and the photoelectric conversion layer 10 is tilted while the metal structure illustrated in FIG. 11 is operated as an electrode is tilted when viewed from the first embodiment. It can be said that the structure is modified. Such a configuration is a particularly advantageous configuration even when viewed from the first embodiment.

[2−4 製造方法]
上述した光起電力素子2000の製造方法は次の通りである。まず透光性基板80に形成されている透光性電極22(第1電極層)の上に有機半導体の光電変換層10をある厚みに形成する。そして、次に、光電変換層10に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体50の少なくとも一部を光電変換層10の厚みの範囲に位置させる。この工程において、複数の金属構造体50の少なくともいずれかと光電変換層10との間の界面が、光電変換層10の面内方向の少なくともある方位に向かって厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにされる。さらに、透光性電極22(第1電極層)と組合せて厚み方向に光電変換層10を挟むこととなるようにして、光電変換層10に接触させて金属電極24(第2電極層)を形成する。
[2-4 Manufacturing method]
The manufacturing method of the photovoltaic element 2000 described above is as follows. First, the organic semiconductor photoelectric conversion layer 10 is formed to a certain thickness on the translucent electrode 22 (first electrode layer) formed on the translucent substrate 80. Next, at least a part of the plurality of metal structures 50 in which surface plasmon resonance is induced by light incident on the photoelectric conversion layer 10 is positioned within the thickness range of the photoelectric conversion layer 10. In this step, the inclined surface in which the interface between at least one of the plurality of metal structures 50 and the photoelectric conversion layer 10 is inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer 10. It is made to have. Further, the metal electrode 24 (second electrode layer) is brought into contact with the photoelectric conversion layer 10 so as to sandwich the photoelectric conversion layer 10 in the thickness direction in combination with the translucent electrode 22 (first electrode layer). Form.

この際、光起電力素子2000aおよび2000b(図11(a)および(b))の構造の光電変換素子を作製するためには、光電変換層10の紙面上の上面から露出させた状態にした金属構造体50aおよび50bに対して金属電極24(金属電極)を接触させて形成する。この工程は、図5および図6に関連して説明した第1実施形態の光起電力素子1000の製造方法と、金属構造体50の形状が異なる点、および、金属構造体50が金属電極24(金属電極)に電気的に接続させる条件が不要な点以外は、ほぼ同様である。   At this time, in order to produce a photoelectric conversion element having the structure of the photovoltaic elements 2000a and 2000b (FIGS. 11A and 11B), the photoelectric conversion layer 10 was exposed from the upper surface on the paper surface. A metal electrode 24 (metal electrode) is formed in contact with the metal structures 50a and 50b. This process is different from the method of manufacturing the photovoltaic element 1000 according to the first embodiment described with reference to FIGS. 5 and 6 in that the shape of the metal structure 50 is different. The conditions are substantially the same except that the condition for electrical connection to the (metal electrode) is not required.

また、光起電力素子2000cおよび2000d(図11(c)および(d))の構造の光電変換素子を作製するためには次のような製造方法を採用することができる。光起電力素子2000cを例に説明すると、入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体50cのうちの少なくともいずれかを、透光性基板80に形成されている透光性電極22(第1電極層)に接触させて形成する。この工程において、複数の金属構造体50cの少なくともいずれかと光電変換層10との間の界面が、光電変換層10の面内方向の少なくともある方位に向かって厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにする。次いで、複数の金属構造体50cと透光性電極22(第1電極層)とに接触させ、透光性電極22からある厚みをなすようにして有機半導体の光電変換層10を形成する。最後に、透光性電極22(第1電極層)と組合せて厚み方向に光電変換層20を挟むこととなるようにして、光電変換層10に接触させて金属電極24(第2電極層)を形成する。この製造方法は、図7に関連して説明した第1実施形態の光起電力素子の製造方法から金属構造体50aの形状が異なる以外は、ほぼ同様である。   Further, the following manufacturing method can be employed to produce the photoelectric conversion elements having the structures of the photovoltaic elements 2000c and 2000d (FIGS. 11C and 11D). The photovoltaic element 2000c will be described as an example. At least one of the plurality of metal structures 50c in which surface plasmon resonance is induced by incident light is formed on the light-transmitting substrate 80. It is formed in contact with the photoelectrode 22 (first electrode layer). In this step, the inclined surface in which the interface between at least one of the plurality of metal structures 50c and the photoelectric conversion layer 10 is inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer 10. To have. Next, the organic semiconductor photoelectric conversion layer 10 is formed in contact with the plurality of metal structures 50 c and the translucent electrode 22 (first electrode layer) so as to form a certain thickness from the translucent electrode 22. Finally, in combination with the translucent electrode 22 (first electrode layer), the photoelectric conversion layer 20 is sandwiched in the thickness direction so that the metal electrode 24 (second electrode layer) is brought into contact with the photoelectric conversion layer 10. Form. This manufacturing method is substantially the same except that the shape of the metal structure 50a is different from the manufacturing method of the photovoltaic element according to the first embodiment described with reference to FIG.

[3 実施例]
次に、特に第1実施形態についての技術的効果を実際に確認した実施例に基づいてさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。また、実施例の説明に当り、既に説明した図面も適宜参照する。
[3 Examples]
Next, it demonstrates further in detail based on the Example which actually confirmed the technical effect about 1st Embodiment especially. The materials, amounts used, ratios, processing contents, processing procedures, directions of elements or members, specific arrangements, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the following specific examples. In the description of the embodiments, the drawings already described are also referred to as appropriate.

[3−1 実施例1]
本願発明者らは、実施例1として、上述した本発明の実施形態の効果である電気的作用と光学的作用のうちの光学的作用の効果について実験により確認した。実施例サンプルは、図1および図2に説明した光起電力素子1000と同様の構成のサンプル片とした。各サンプル片は、金属構造体30の有無のみによる違いが明瞭に確認できるように、各サンプル片の一部分だけに金属構造体30を形成して実施例とし、金属構造体30の有無以外の条件を可能な限り一致させ、金属構造体30の存在しない同一形状の部分も同一のサンプル片上に並置して形成し、その部分を比較例のための対照領域とした(図13参照)。
[3-1 Example 1]
As Example 1, the inventors of the present application confirmed the effect of the optical action among the electrical action and the optical action, which is the effect of the embodiment of the present invention described above, by experiments. The example sample was a sample piece having the same configuration as that of the photovoltaic element 1000 described in FIGS. 1 and 2. Each sample piece is an example in which the metal structure 30 is formed only on a part of each sample piece so that the difference depending only on the presence or absence of the metal structure 30 can be clearly confirmed. Conditions other than the presence or absence of the metal structure 30 Were matched as much as possible, and portions of the same shape without the metal structure 30 were also formed side by side on the same sample piece, and this portion was used as a control region for the comparative example (see FIG. 13).

具体的なサンプルの作製方法は、最後の一部の工程を除き、図5にて説明した手法を採用した。図5と一部相異させたのは、電気的作用を除外して光学的作用のみの効果を確認するためである。最初に透光性基板80としてガラス板を準備し、透光性電極22としてITO(スズドープインジウム酸化物)をスパッタリングにより300nm厚に形成した。その後、透光性電極22に接触させてホール輸送層12としてPEDOT:PSS膜を形成した。PEDOT:PSS膜はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホナート)(Poly(3,4−ethylenedioxythiophene)−poly(styrenesulfonate)、アルドリッチ製)2.8wt%水溶液(分散液)を0.5mlだけキャストして2000rpm、60秒の条件でスピンコートし、130℃にて10分間ベーキングした。なお、その際のPEDOT:PSS膜の膜厚は約30〜40nmであった。さらに、そのホール輸送層12の表面に、活性層14として、PCBM:P3HT膜を形成した。この条件は、まず、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT、平均分子量30000、アルドリッチ製)、および[6,6]−Phenyl C61 butyric acid methyl ester(PCBM、純度>99.9%、アルドリッチ製)をそれぞれジクロロベンゼン溶液に溶解して得たP3HT1.25wt%、PCBM1.0wt%のブレンド溶液を準備した。次にそのブレンド溶液を0.25mlキャストし、1000rpm、60秒の条件でスピンコートし、110℃にて10分間だけ熱処理した。この時点で図5(a)の構成が得られた。この際のPCBM:P3HT膜の膜厚は約170nmであった。なお、PCBM:P3HTは、PCBMがアクセプター(n型)、P3HTがドナー(p型)として動作する。また、PCBM:P3HTの層(活性層14)は、PCBMとP3HTは、層状構造またはバルクヘテロジャンクション構造など、なんらかの分離構造となって少なくとも微視的には互いに分離していると考えているが、その分離構造は現時点では確認していない。   As a specific sample preparation method, the method described in FIG. 5 was adopted except for the last part of the process. The reason for partially differing from FIG. 5 is to confirm the effect of only the optical action, excluding the electrical action. First, a glass plate was prepared as the translucent substrate 80, and ITO (tin-doped indium oxide) was formed as the translucent electrode 22 to a thickness of 300 nm by sputtering. Thereafter, a PEDOT: PSS film was formed as the hole transport layer 12 by contacting the translucent electrode 22. PEDOT: PSS membrane is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonate) (Poly (3,4-ethylenedithiothiophene) -poly (styrenesulfonate), manufactured by Aldrich) 2.8 wt% aqueous solution (dispersion) 0.5 ml was cast, spin-coated under the conditions of 2000 rpm and 60 seconds, and baked at 130 ° C. for 10 minutes. In addition, the film thickness of the PEDOT: PSS film | membrane in that case was about 30-40 nm. Further, a PCBM: P3HT film was formed as an active layer 14 on the surface of the hole transport layer 12. These conditions were first poly (3-hexylthiophene) (P3HT, average molecular weight 30000, made by Aldrich), and [6,6] -Phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM, purity> 99.9%, made by Aldrich). A blend solution of P3HT 1.25 wt% and PCBM 1.0 wt% obtained by dissolving each in a dichlorobenzene solution was prepared. Next, 0.25 ml of the blend solution was cast, spin-coated at 1000 rpm for 60 seconds, and heat-treated at 110 ° C. for 10 minutes. At this point, the configuration of FIG. 5A was obtained. The thickness of the PCBM: P3HT film at this time was about 170 nm. Note that PCBM: P3HT operates with PCBM as an acceptor (n-type) and P3HT as a donor (p-type). In addition, the layer of PCBM: P3HT (active layer 14) believes that PCBM and P3HT are separated from each other at least microscopically in some separated structure such as a layered structure or a bulk heterojunction structure. The separation structure has not been confirmed at this time.

次に、インプリント用のシクロオレフィンポリマー(COP)フィルムを別基板90として、その一方の面にAu(金)による金属構造体30を形成した。金属構造体を形成するプロセスは、本願発明者らが非特許文献1にて報告した手法により形成した。形成したAuの金属構造体を、AuNPs(Au Nanopillars)と呼ぶ。AuNPsは、最隣接のものとの中心間距離を450nmとする六方最密格子に配列した。また、AuNPsは、無底かつ一重の円筒壁状であり、外径は約310nm、壁の厚みは約55nm、円筒形状の高さは約100nmであった。このAuNPsを金属構造体30とした。   Next, using a cycloolefin polymer (COP) film for imprinting as another substrate 90, a metal structure 30 made of Au (gold) was formed on one surface thereof. The process of forming the metal structure was formed by the method reported by the present inventors in Non-Patent Document 1. The formed Au metal structure is called AuNPs (Au Nanopillars). AuNPs were arranged in a hexagonal close-packed lattice with a center-to-center distance of 450 nm with the nearest neighbor. AuNPs had a bottomless and single cylindrical wall shape with an outer diameter of about 310 nm, a wall thickness of about 55 nm, and a cylindrical shape height of about 100 nm. This AuNPs was used as the metal structure 30.

図12に、仮基板90上のAuNPsの配列を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真を、一部拡大して示す。仮基板90には、AuNPsが、1cmあたり14億個程度形成され、個別のAuNPsも形成された殆どが良好な円筒壁の形状となっていた。 In FIG. 12, a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the arrangement of AuNPs on the temporary substrate 90 is partially enlarged. On the temporary substrate 90, about 1.4 billion AuNPs were formed per 1 cm 2 , and most of the individual AuNPs were formed in a good cylindrical wall shape.

次に、光電変換層10であるPEDOT:PSS膜(ホール輸送層12)とPCBM:P3HT層(活性層14)が形成された透光性基板80の活性層14の表面のうち、金属構造体30を形成する領域に対して、別基板90であるシクロオレフィンフィルムのAuNPsが形成されている面を押圧した(図5(b))。この押圧には、インプリント用の装置(ナノインプリンター NM−0401(明昌機工株式会社製))を利用し、圧力は、10mm×10mmの範囲に400Nの膜厚方向の力を加えた。そしてその加圧状態で、上記装置に付属のホットプレートにてサンプルを100℃に10分間加熱することにより、AuNPsの金属構造体30を光電変換層10に圧入させた。冷却後に別基板90であるCOPフィルムは容易に剥離された(図5(c))。   Next, among the surfaces of the active layer 14 of the translucent substrate 80 on which the PEDOT: PSS film (hole transport layer 12) and the PCBM: P3HT layer (active layer 14), which are the photoelectric conversion layer 10, are formed, the metal structure The surface on which AuNPs of the cycloolefin film, which is another substrate 90, was formed was pressed against the region where 30 was formed (FIG. 5B). For this pressing, an imprinting device (Nanoimprinter NM-0401 (manufactured by Myeongchang Kiko Co., Ltd.)) was used, and a pressure in the film thickness direction of 400 N was applied in the range of 10 mm × 10 mm. And in the pressurization state, the metal structure 30 of AuNPs was press-fitted into the photoelectric conversion layer 10 by heating the sample to 100 ° C. for 10 minutes with a hot plate attached to the apparatus. After cooling, the COP film as the separate substrate 90 was easily peeled off (FIG. 5C).

ここで、このまま図5(d)に示した金属電極24の通りに、例えばアルミニウム膜を形成すれば図1および図2に示した光起電力素子1000の構造の光電変換素子を作製することができる。本実施例では、電気的作用を除外し光学的作用のみの効果を確認する目的にて、図5の製造工程から一部相異させ、金属構造体30と金属電極24とを電気的に接続させないようにした。具体的には、図5(c)の状態の光電変換層10から金属電極24が露出している表面に、追加してPCBM:P3HTの追加層を形成した。この際の追加層の厚みは約80nmとした。その後、その追加の層の表面にアルミニウム膜を形成した。このため、後述する金属構造体30の埋込後の破断後の観察時において、上記追加層を含めて、PCBM:P3HTの厚みは約250nmとなった。   Here, if the aluminum film is formed as the metal electrode 24 shown in FIG. 5D, for example, a photoelectric conversion element having the structure of the photovoltaic element 1000 shown in FIGS. 1 and 2 can be produced. it can. In the present embodiment, the metal structure 30 and the metal electrode 24 are electrically connected by partially different from the manufacturing process of FIG. 5 in order to exclude the electric action and confirm the effect of only the optical action. I tried not to let it. Specifically, an additional layer of PCBM: P3HT was additionally formed on the surface where the metal electrode 24 was exposed from the photoelectric conversion layer 10 in the state of FIG. The thickness of the additional layer at this time was about 80 nm. Thereafter, an aluminum film was formed on the surface of the additional layer. For this reason, the thickness of PCBM: P3HT including the additional layer was about 250 nm at the time of observation after fracture after embedding of the metal structure 30 described later.

金属電極24としてのアルミニウム膜は、真空蒸着法により、1〜2nm/secの成膜速度で60〜80nm程度の厚みに形成し、実施例のサンプルとした。実施例としては、測定データの信頼性を高めるために複数のサンプル片を作製した。アルミニウム膜は図13における幅5mmに形成されたITOと直交する向きに延びる幅4mmの範囲に、AuNP形成領域と対象領域とのそれぞれに形成した。以上のように、金属構造体30を形成しない対照領域は、ホール輸送層12、活性層14の条件や熱履歴まで含めて可能な限り同一となるようにした。つまり、サンプル片それぞれでは少なくとも対照領域との間で比較可能であり、また、サンプル片が複数であることにより再現性を確認できるような実験とした。   The aluminum film as the metal electrode 24 was formed to a thickness of about 60 to 80 nm at a film formation rate of 1 to 2 nm / sec by vacuum deposition, and used as a sample of the example. As an example, a plurality of sample pieces were produced in order to increase the reliability of measurement data. The aluminum film was formed in each of the AuNP formation region and the target region in a range of 4 mm in width extending in a direction orthogonal to the ITO formed in 5 mm in FIG. As described above, the control region in which the metal structure 30 is not formed is made as identical as possible including the conditions of the hole transport layer 12 and the active layer 14 and the thermal history. In other words, each sample piece was at least comparable with the control region, and the experiment was such that the reproducibility could be confirmed by a plurality of sample pieces.

さらに、作製したサンプル片を観察および測定を行なった。観察および測定は、完成後のサンプル片と作製途中ものを対象とした。その手始めに、アルミニウム膜を形成する前の段階(図5(c)の段階)でサンプルを観察した。この段階のサンプルの膜面の外観のモノクロ光学写真と、当該膜面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真とを、それぞれ図13および図14に示す。図13には、AuNPsが形成された範囲、AuNPsが掲載されない対照領域(比較例となる部分)、およびITO形成範囲や有機半導体層の形成範囲を示す模式図も付記している。図13の外観写真で黒い矩形領域はAuNPsが配置された領域である。目視観察では、上記矩形領域は明瞭に黒く観察され、その周囲のAuNPsのない有機半導体層のみの領域は鮮やかな赤色を呈した。図14のSEM写真は、その矩形領域の最表面を拡大して示すものであり、有機半導体層に埋め込まれたAuNPsの様子が明瞭に観察された。   Furthermore, the produced sample piece was observed and measured. Observation and measurement were performed on a completed sample piece and a sample in the middle of preparation. At the beginning, the sample was observed at the stage before the formation of the aluminum film (the stage of FIG. 5C). A monochrome optical photograph of the appearance of the film surface of the sample at this stage and a scanning electron microscope (SEM) photograph of the film surface are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. FIG. 13 also includes schematic diagrams showing a range in which AuNPs are formed, a control region in which AuNPs are not placed (a portion serving as a comparative example), an ITO formation range, and an organic semiconductor layer formation range. In the appearance photograph of FIG. 13, a black rectangular area is an area where AuNPs are arranged. In the visual observation, the rectangular area was clearly observed as black, and the area of only the organic semiconductor layer without AuNPs around it was bright red. The SEM photograph of FIG. 14 shows an enlarged top surface of the rectangular region, and the state of AuNPs embedded in the organic semiconductor layer was clearly observed.

さらにPCBM:P3HTの追加層を形成した段階の別サンプル(観察用サンプル)を対象に、層の内部構造を確認した。図15および図16は、光電変換層10付近を破断させて撮影したSEM写真である。図15には、有機半導体層およびAuNPsの範囲と、ITOの範囲、そしてガラス基板の範囲を付記している。また、図16には、撮影したSEM写真に重ねてAuNPs(3つのみ)の輪郭を追記した説明図も付記している。図15のSEM写真から、透光性電極22であるITO層と活性層14であるPCBM:P3HT層とが確認でき、さらに、金属構造体30であるAuNPsも確認できる。特に図16に示すように、金属構造体30であるAuNPsは、透光性電極22と、後に金属電極24が堆積される表面との間に配置されており、AuNPsの隙間を活性層14が埋めていることを確認した。なお、ホール輸送層12は明瞭には確認されなかった。   Furthermore, the internal structure of the layer was confirmed for another sample (observation sample) at the stage where an additional layer of PCBM: P3HT was formed. 15 and 16 are SEM photographs taken with the vicinity of the photoelectric conversion layer 10 broken. In FIG. 15, the range of the organic semiconductor layer and AuNPs, the range of ITO, and the range of the glass substrate are added. FIG. 16 also includes an explanatory diagram in which the outline of AuNPs (only three) is added to the SEM photograph taken. From the SEM photograph of FIG. 15, the ITO layer as the translucent electrode 22 and the PCBM: P3HT layer as the active layer 14 can be confirmed, and AuNPs as the metal structure 30 can also be confirmed. In particular, as shown in FIG. 16, AuNPs that are the metal structures 30 are arranged between the translucent electrode 22 and the surface on which the metal electrode 24 will be deposited later, and the active layer 14 forms a gap between the AuNPs. I confirmed that it was buried. The hole transport layer 12 was not clearly confirmed.

次に、この作製途中の段階のサンプルを対象に、二種類の光学的作用を調査した。一つは、AuNPsの示す表面プラズモン共鳴の特性である。図17は、本発明の実施例のサンプルを作製するために利用した、別基板90であるCOPフィルムに配置したAuNPsの配列が示す消光比スペクトルのグラフである。なお、消光比スペクトルは、各波長におけるサンプルの透過光強度から、消光比ε=(1−I/I)に従い算出した。ただし、Iはサンプルの透過光強度、Iは入射光強度(すなわちサンプルを配置しない場合の透過光強度)とした。消光比は、図から分かるように、1300〜1400nmの波長の光(赤外線)に対してピークを持ち、概ね500nm〜2000nmの範囲の光に対して表面プラズモン共鳴が誘起される消光スペクトルが得られた。もう一つは、作製途中の、AuNPsを埋め込む前後、すなわち、図5(b)と図5(c)の二つの段階での吸収度スペクトルである。図18は、本発明の実施例のサンプルの、AuNPsを埋め込む前後の吸収度スペクトルの実測値のグラフである。曲線C1は、AuNPsを埋め込む前、曲線C2は、AuNPsを埋め込んだ後の、それぞれの吸光度スペクトルである。この比較は、金属構造体30つまりAuNPsの有無による光電変換層10の吸収の違いを浮かび上がらせるものであり、表面プラズモン共鳴が実際に光電変換層10の吸収を増強する様子を示している。 Next, two types of optical actions were investigated on the sample in the middle of the production. One is the characteristic of surface plasmon resonance exhibited by AuNPs. FIG. 17 is a graph of the extinction ratio spectrum shown by the array of AuNPs arranged on the COP film, which is the separate substrate 90, used for producing the sample of the example of the present invention. The extinction ratio spectrum was calculated according to the extinction ratio ε = (1−I / I 0 ) from the transmitted light intensity of the sample at each wavelength. Here, I is the transmitted light intensity of the sample, and I 0 is the incident light intensity (that is, the transmitted light intensity when the sample is not disposed). As can be seen from the figure, the extinction ratio has a peak for light (infrared rays) with a wavelength of 1300 to 1400 nm, and an extinction spectrum in which surface plasmon resonance is induced for light in the range of approximately 500 nm to 2000 nm is obtained. It was. The other is an absorbance spectrum before and after embedding AuNPs, that is, in two stages of FIG. 5B and FIG. FIG. 18 is a graph of measured values of the absorbance spectrum before and after embedding AuNPs in the sample of the example of the present invention. Curve C1 is the absorbance spectrum before embedding AuNPs, and curve C2 is the respective absorbance spectrum after embedding AuNPs. This comparison highlights the difference in absorption of the photoelectric conversion layer 10 depending on the presence or absence of the metal structure 30, that is, AuNPs, and shows how surface plasmon resonance actually enhances the absorption of the photoelectric conversion layer 10.

具体的には、曲線C1から、可視域では、AuNPsが配置されない部分で観察した赤い外観を説明する吸収スペクトル、つまり、可視域(380nm〜780nm)の範囲において、650nm付近より短波長域での強い吸収と、650nm付近より長波長域での弱い吸収とが確認された。また、780nm〜2000nmの近赤外領域では、1400nm付近に幅広いピークを持つ吸収が確認できる。AuNPsを埋め込んだ後は、曲線C2のような吸収スペクトルに変化し、測定した全波長域にて吸収が増強された。より詳細には、可視域の全範囲で吸収が増大し、特に、それまで吸収が弱かった650nm付近より長波長域でも吸収が増大し、約750nmにピークが見られた。この可視域の変化は、AuNPsが配置されない矩形領域(図13)を黒く視認されたこととも符合する。さらに、赤外域でも全範囲で吸収が大きく増大した。特にその吸収には強弱が見られ、1200nmと1700nm付近にピークを持つ幅広い吸収ピークが生じた。   Specifically, from the curve C1, in the visible region, an absorption spectrum that explains the red appearance observed in the portion where AuNPs are not arranged, that is, in the visible region (380 nm to 780 nm), in the shorter wavelength region than near 650 nm. Strong absorption and weak absorption in a long wavelength region from around 650 nm were confirmed. In the near-infrared region of 780 nm to 2000 nm, absorption having a broad peak around 1400 nm can be confirmed. After embedding AuNPs, the absorption spectrum changed to a curve C2, and the absorption was enhanced in the entire wavelength region measured. More specifically, the absorption increased in the entire visible range, and in particular, the absorption increased in the wavelength region longer than 650 nm, which had been weak until then, and a peak was observed at about 750 nm. This change in the visible region also coincides with the fact that the rectangular region (FIG. 13) where AuNPs are not arranged is visually recognized as black. Furthermore, the absorption increased greatly in the entire infrared region. In particular, the absorption was strong and weak, and broad absorption peaks having peaks near 1200 nm and 1700 nm were generated.

本願発明者らは、AuNPsが埋め込まれることによって増強された吸収が、表面プラズモン共鳴によるものであると考えている。特に図18に示すように、現時点で吸光度が増大しているのは全波長範囲であり、とりわけ可視波長より長波長の領域である800nmを超える赤外領域にて吸光度の増大が顕著であった。特に、図18のピークについては、長波長側から、1700nmは対称モード(symmetric mode)、1200nmは非対称モード(asymmetric mode)の、表面プラズモン共鳴において遠方場に対する電磁波放射成分をもつ双極子成分と考えている。なお、対称モードとは、金属構造体の壁の両側(例えば、金属構造体30の円筒の中心軸からみて同じ方位角における外側面302と内側面304)の両面に誘起される表面プラズモンが、その両面で電荷の符号の組合せが同符号となる振動モードであり、非対称モードとはそれが反対符号となる振動モードである。また、可視域の約750nmのピークは、AuNPsの450nmピッチの六方最密格子のパターンに由来する可能性があると考えているものの、正確には同定できていない。   The inventors of the present application believe that the absorption enhanced by embedding AuNPs is due to surface plasmon resonance. In particular, as shown in FIG. 18, the absorbance increased at the present time in the entire wavelength range, and in particular, the increase in absorbance was remarkable in the infrared region exceeding 800 nm, which is a longer wavelength region than the visible wavelength. . In particular, the peak in FIG. 18 is considered to be a dipole component having an electromagnetic radiation component with respect to a far field in surface plasmon resonance, in which 1700 nm is a symmetric mode and 1200 nm is an asymmetric mode from the long wavelength side. ing. Note that the symmetric mode refers to surface plasmons induced on both sides of the wall of the metal structure (for example, the outer surface 302 and the inner surface 304 at the same azimuth as viewed from the central axis of the cylinder of the metal structure 30). The vibration mode is a vibration mode in which the combination of charge signs on both sides is the same sign, and the asymmetric mode is a vibration mode in which the sign is opposite. In addition, although the peak at about 750 nm in the visible range is thought to be possibly derived from a hexagonal close-packed lattice pattern with a pitch of 450 nm of AuNPs, it cannot be accurately identified.

そして、図5(d)の金属電極24まで形成し完成したサンプル片を複数用いて太陽電池として動作させ、光電変換による電流電圧特性を測定した。図19は、本発明の実施例のあるサンプル片の電流電圧特性を、AuNPsが配置されない部分(曲線D1)と配置された部分(曲線D2)とについて測定して得られたグラフである。曲線D1に示されるAuNPsの配置されない部分においては、開放電圧が0.47V、短絡電流が27μA/cmであった。これに対し、曲線D2からAuNPsの配置された部分においては、開放電圧が0.40V、短絡電流が71μA/cmであった。さらに、これらの電流電圧特性から決定した曲線因子(FF)と光電変換効率ηを表1にまとめている。
And it was made to operate | move as a solar cell using the sample piece formed and completed to the metal electrode 24 of FIG.5 (d), and measured the current-voltage characteristic by photoelectric conversion. FIG. 19 is a graph obtained by measuring the current-voltage characteristics of a sample piece according to an embodiment of the present invention for a portion where no AuNPs are arranged (curve D1) and a portion where the AuNPs are arranged (curve D2). In the portion where the AuNPs are not arranged as shown by the curve D1, the open circuit voltage was 0.47 V and the short circuit current was 27 μA / cm 2 . On the other hand, the open circuit voltage was 0.40 V and the short-circuit current was 71 μA / cm 2 in the portion where AuNPs was arranged from the curve D2. Furthermore, Table 1 summarizes the fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency η determined from these current-voltage characteristics.

さらに、上述した工程によって作製し、AuNPsの有無の比較が可能であった複数のサンプルについて、電流電圧特性を測定して測定し光電変換効率ηを算出した。図20は、各サンプル片について、光電変換効率ηを、AuNPsを光電変換層10の厚みの範囲に設けない比較例の部分(四角マーク)と、AuNPsを設けた実施例の部分(円マーク)とをプロットしたグラフである。サンプル片はサンプル番号1〜4により区別される4片とした。なお、図19および表1はサンプル番号1の測定結果に基づくものである。   Further, the current-voltage characteristics were measured and measured for a plurality of samples that were manufactured by the above-described process and could be compared for the presence or absence of AuNPs, and the photoelectric conversion efficiency η was calculated. FIG. 20 shows, for each sample piece, the photoelectric conversion efficiency η, the part of the comparative example (square mark) in which AuNPs is not provided in the thickness range of the photoelectric conversion layer 10, and the part of the example in which AuNPs is provided (circle mark). It is the graph which plotted and. The sample pieces were four pieces distinguished by sample numbers 1 to 4. 19 and Table 1 are based on the measurement result of sample number 1.

図20に示すように、すべての比較可能なサンプル片において、AuNPsを光電変換層10の厚みの範囲に設けた実施例の部分は設けない比較例の部分に比べて、光電変換効率ηが少なくとも2倍、サンプルによっては10倍程度に高まっていることを確認した。このように、本実施例により、本発明の第1実施形態における光学的作用、すなわち表面プラズモン共鳴による吸収の増大効果が、実際に光電変換特性を向上させることを確認した。   As shown in FIG. 20, in all comparable sample pieces, the photoelectric conversion efficiency η is at least as compared with the comparative example part in which AuNPs is not provided in the thickness range of the photoelectric conversion layer 10. It was confirmed that it increased to 2 times, or about 10 times depending on the sample. Thus, this example confirmed that the optical action in the first embodiment of the present invention, that is, the effect of increasing absorption by surface plasmon resonance actually improves the photoelectric conversion characteristics.

[3−2 実施例2]
次に、本発明の第2実施形態のための金属構造体を作製した。第1実施形態のための実施例1と同様の手法により、図10(c)に示した傾斜方位の異なる金属構造体52Aと金属構造体52Bと同様の構造の金属構造体を作製した。図21および図22は、これらの金属構造体のSEM写真である。図21は、高さ100nm程度、図22は高さ350nm程度としたものであり、いずれも、金属構造体52Aと金属構造体52Bと同様に、互いに180°異なる方位に傾斜し向かい合わせの対をなすように構成した。図21、22に示した金属構造体の表面は両面が傾斜していることから、第2実施形態の光電変換素子を作製すれば、光電変換層10と金属構造体の界面を傾斜させることが可能である。
[3-2 Example 2]
Next, a metal structure for the second embodiment of the present invention was produced. A metal structure having a structure similar to that of the metal structure 52A and the metal structure 52B shown in FIG. 10C having different inclination directions was manufactured by the same method as in Example 1 for the first embodiment. 21 and 22 are SEM photographs of these metal structures. FIG. 21 shows a height of about 100 nm, and FIG. 22 shows a height of about 350 nm. In both cases, like the metal structure 52A and the metal structure 52B, they are inclined in directions different from each other by 180.degree. It was configured to make. Since both surfaces of the surface of the metal structure shown in FIGS. 21 and 22 are inclined, if the photoelectric conversion element of the second embodiment is manufactured, the interface between the photoelectric conversion layer 10 and the metal structure can be inclined. Is possible.

[3−3 実施例のまとめ]
上述したように、実施例1において、光学的作用のみにより光電変換効率の増大効果が明瞭に確認できたことは、表面プラズモン共鳴による光電変換層10の吸収増大が、光起電力素子の効率の向上に対して顕著な寄与を有していることを実証するものである。
[3-3 Summary of Examples]
As described above, in Example 1, the effect of increasing the photoelectric conversion efficiency can be clearly confirmed only by the optical action. This is because the increase in absorption of the photoelectric conversion layer 10 by surface plasmon resonance improves the efficiency of the photovoltaic device. It demonstrates that it has a significant contribution to improvement.

さらに、図18に示されているように測定した全波長範囲にて吸光度が増大したことと、実際に発電効率を増大させることが可能であったこととの関連性は、少なくとも、表面プラズモンによる光学的作用が果たしうる光起電力素子の効率の向上の効果へのさらなる改善が可能であることを示唆している。この点を詳細に説明すれば、有機半導体中の励起子からキャリアを分離させて発電する光電変換層10は、750nm以下の波長範囲の光を発電に用いる。図18から、この波長域での吸光度の増大は、赤外における吸光度の増大ほどには顕著でない。それにもかかわらず、上述したような明瞭かつ再現性のある効率改善の効果が得られている。裏を返せば、光起電力素子1000における金属構造体30には依然として改良の余地が残されている。典型的な改良は、プラズモン共鳴のピークが得られる波長を、可視波長域、より正確には、光電変換層10が高い効率で発電動作が可能な波長範囲であって照射される光が強い波長範囲において生じさることである。また、少なくとも現時点より短波長化してこれらの波長範囲に近付け光電変換層10が高い効率となる波長域の吸収を増大させることも好ましい改良である。これらのようなプラズモン共鳴の波長の調整、特に短波長化は、例えば、金属構造体30のサイズをさらに微細化したり、金属構造体30の材質を、現在採用しているAuからアルミニウムに変更したりする、といった上記実施例1の構成からの変形により達成することができる。   Furthermore, the relationship between the increase in absorbance in the entire wavelength range measured as shown in FIG. 18 and the fact that the power generation efficiency could actually be increased is at least due to surface plasmons. This suggests that further improvement to the effect of improving the efficiency of the photovoltaic element that can be performed by an optical function is possible. If this point is demonstrated in detail, the photoelectric converting layer 10 which isolate | separates a carrier from the exciton in an organic semiconductor and generates electric power uses the light of the wavelength range of 750 nm or less for electric power generation. From FIG. 18, the increase in absorbance in this wavelength region is not as significant as the increase in absorbance in the infrared. Nevertheless, the above-described clear and reproducible efficiency improvement effect is obtained. In other words, there is still room for improvement in the metal structure 30 in the photovoltaic element 1000. A typical improvement is that the wavelength at which the peak of plasmon resonance is obtained is in the visible wavelength range, more precisely, the wavelength range in which the photoelectric conversion layer 10 can perform power generation operation with high efficiency, and the wavelength of irradiated light is strong. What happens in the range. It is also a preferable improvement to increase the absorption in the wavelength region where the wavelength is at least shorter than the present time and the photoelectric conversion layer 10 becomes highly efficient by approaching these wavelength ranges. Adjustment of the wavelength of plasmon resonance such as these, particularly shortening of the wavelength, for example, further miniaturizes the size of the metal structure 30 or changes the material of the metal structure 30 from Au, which is currently employed, to aluminum. This can be achieved by modification from the configuration of the first embodiment.

そして、本願の発明者らは、電気的作用、すなわち、電極の面積の増大効果および距離短縮効果も実現されると確信している。例えば、実施例サンプルにて作製したAuNPsの円筒壁の内側面および外側面の面積は、金属電極24の面積と同程度である。このため、金属電極24にAuNPsを実際に接触させた場合には、電極面積を倍増させることが可能となる。この面積の違いは、十分に面積増大効果を期待することができるものといえる。さらに、距離短縮効果も、表面プラズモン共鳴が誘起されるAuNPsのサイズや形状を考慮すれば十分にその効果を期待することができる。   The inventors of the present application are convinced that an electrical action, that is, an effect of increasing the area of the electrode and an effect of shortening the distance are also realized. For example, the area of the inner side surface and the outer side surface of the cylindrical wall of AuNPs produced in the example sample is approximately the same as the area of the metal electrode 24. For this reason, when AuNPs is actually brought into contact with the metal electrode 24, the electrode area can be doubled. It can be said that this difference in area can sufficiently expect the area increasing effect. Further, the effect of shortening the distance can be sufficiently expected if the size and shape of AuNPs in which surface plasmon resonance is induced are taken into consideration.

さらに、上記実施例1において確認したのは太陽電池として利用した場合の光起電力素子の光電変換効率であるが、光起電力素子を例えば光センサーの光検出部として利用する場合にも、例えば、光の検出にともなう電流値を増大させる効果や、その結果感度を高める効果を期待することができる。   Furthermore, what was confirmed in Example 1 above is the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element when used as a solar cell, but also when the photovoltaic element is used as, for example, a light detection unit of a photosensor, The effect of increasing the current value accompanying the detection of light and the effect of increasing the sensitivity as a result can be expected.

加えて、上記実施例2に関しては、第2実施形態のための金属構造体が実際に作製可能であることを明瞭に示している。そして、実施例1により実証した光電変換素子の具体的作製手法は、実施例2にて述べた金属構造体を採用する場合にも適用できるため、第2実施形態の光電変換素子も支障なく作製することができる。   In addition, regarding Example 2 above, it is clearly shown that the metal structure for the second embodiment can actually be fabricated. And since the specific production method of the photoelectric conversion element demonstrated by Example 1 is applicable also when employ | adopting the metal structure described in Example 2, the photoelectric conversion element of 2nd Embodiment is also produced without trouble. can do.

以上、本発明の実施形態の光起電力素子を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。   The photovoltaic element according to the embodiment of the present invention has been specifically described above. The above-described embodiments and examples are described for explaining the invention, and the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. Moreover, the modification which exists in the scope of the present invention including other combinations of each embodiment is also included in a claim.

本発明の光起電力素子は、例えは太陽電池、光センサーなどを利用する任意の機器に利用可能である。   The photovoltaic element of the present invention can be used in any device that uses, for example, a solar cell or a photosensor.

1000、1000a、1100、1100a、1200、1300 光起電力素子
2000、2000a〜d、2400、2600 光起電力素子
10 光電変換層
10A 前駆膜
12 ホール輸送層
14 活性層
14A 前駆膜
14C 微小構造体
14B ベース部
14D 有機半導体
16 微小仮構造体
20 電極対
20 光電変換層
22 透光性電極
24 金属電極
30、32、34、36 金属構造体
302、322 外側面
304、324 内側面
34A、36A 内側円筒壁
34B、36B 外側円筒壁
40、42 酸化膜
50、50a、50b、50c、50d 金属構造体
502 外側面
504 内側面
52、52A、52B、54 金属構造体
542A、542B、542C 微小傾斜平面
56 金属構造体
80 透光性基板
90 別基板
92 インプリント型
1000, 1000a, 1100, 1100a, 1200, 1300 Photovoltaic element 2000, 2000a to d, 2400, 2600 Photovoltaic element 10 Photoelectric conversion layer 10A Precursor film 12 Hole transport layer 14 Active layer 14A Precursor film 14C Microstructure 14B Base part 14D Organic semiconductor 16 Micro temporary structure 20 Electrode pair 20 Photoelectric conversion layer 22 Translucent electrode 24 Metal electrode 30, 32, 34, 36 Metal structure 302, 322 Outer side surface 304, 324 Inner side surface 34A, 36A Inner cylinder Wall 34B, 36B Outer cylindrical wall 40, 42 Oxide film 50, 50a, 50b, 50c, 50d Metal structure 502 Outer surface 504 Inner surface 52, 52A, 52B, 54 Metal structure 542A, 542B, 542C Slightly inclined plane 56 Metal Structure 80 Translucent substrate 90 Separate substrate 9 2 Imprint type

Claims (18)

ある厚みの有機半導体の光電変換層と、
該光電変換層を該厚み方向に挟んで対向しており、少なくとも一方が透光性電極である電極対と、
該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体と
を備えており、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかは、少なくとも一部が前記光電変換層の前記厚みの範囲に位置しており、前記電極対のいずれかの電極に電気的に接続しているものである、光起電力素子。
A photoelectric conversion layer of an organic semiconductor of a certain thickness;
The photoelectric conversion layer is opposed across the thickness direction, and at least one is a translucent electrode,
A plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by light incident on the photoelectric conversion layer, and at least a part of the plurality of metal structures is at least partially in the photoelectric conversion layer. A photovoltaic device that is located in the thickness range of the electrode pair and is electrically connected to one of the electrodes of the electrode pair.
前記電極対は一方が前記透光性電極であり他方が金属電極であり、
前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかが該金属電極に電気的に接続している、請求項1に記載の光起電力素子。
One of the electrode pairs is the translucent electrode and the other is a metal electrode,
The photovoltaic element according to claim 1, wherein the at least one of the plurality of metal structures is electrically connected to the metal electrode.
前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかが前記電極対のうちの前記透光性電極に電気的に接続している、請求項1に記載の光起電力素子。   The photovoltaic element according to claim 1, wherein the at least one of the plurality of metal structures is electrically connected to the translucent electrode of the electrode pair. 前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかが前記厚み方向に広がりの成分を有する外側面または内側面を有しており、該外側面または該内側面の少なくともいずれかが前記光電変換層にとっての電極として動作するものである、請求項1に記載の光起電力素子。   The at least one of the plurality of metal structures has an outer surface or an inner surface having a component extending in the thickness direction, and at least one of the outer surface or the inner surface is for the photoelectric conversion layer. The photovoltaic element according to claim 1, which operates as an electrode. 前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかは、前記電極対のうち、電気的に接続されている一方の電極に対向している他方の電極に向かう面の少なくとも一部に、該金属構造体の材質の酸化物が形成されている、請求項1に記載の光起電力素子。   The at least one of the plurality of metal structures is formed on at least a part of a surface facing the other electrode of the electrode pair facing the one electrode electrically connected to the metal structure. The photovoltaic element according to claim 1, wherein an oxide of the material is formed. 前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと前記光電変換層との間の界面が、前記光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有しているものである、請求項1に記載の光起電力素子。   An interface between at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer has an inclined surface inclined from the direction of the thickness toward at least a certain direction in an in-plane direction of the photoelectric conversion layer. The photovoltaic element according to claim 1, wherein ある厚みの有機半導体の光電変換層と、
該光電変換層を該厚み方向に挟んで対向しており、少なくとも一方が透光性電極である電極対と、
該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体と
を備えており、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかは、少なくとも一部が該光電変換層の前記厚みの範囲に位置しており、
前記複数の金属構造体の前記少なくともいずれかと前記光電変換層との間の界面が、前記光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有しているものである、光起電力素子。
A photoelectric conversion layer of an organic semiconductor of a certain thickness;
The photoelectric conversion layer is opposed across the thickness direction, and at least one is a translucent electrode,
A plurality of metal structures that cause surface plasmon resonance to be induced by light incident on the photoelectric conversion layer, and at least a part of the plurality of metal structures is at least a part of the photoelectric conversion layer. In the thickness range of
The interface between the at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer has an inclined surface inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in the in-plane direction of the photoelectric conversion layer. A photovoltaic element.
前記界面が、前記光電変換層の面内方向の別々の方位に向いて傾斜する別々の傾斜面を有しているものである、請求項7に記載の光起電力素子。   The photovoltaic element according to claim 7, wherein the interface has different inclined surfaces inclined toward different orientations in an in-plane direction of the photoelectric conversion layer. 前記界面の少なくとも一部が、前記光電変換層の前記厚みの方向に向く軸を有する錐体の側面の部分をなしており、
前記界面のうちの前記少なくとも一部が前記別々の傾斜面を含んでいる、請求項7または請求項8に記載の光起電力素子。
At least a part of the interface forms a side part of a cone having an axis facing the thickness direction of the photoelectric conversion layer;
The photovoltaic element according to claim 7 or 8, wherein the at least part of the interface includes the separate inclined surfaces.
前記複数の金属構造体の少なくともいずれかが、前記電極対のいずれかの電極に電気的に接続している、請求項7に記載の光起電力素子。   The photovoltaic element according to claim 7, wherein at least one of the plurality of metal structures is electrically connected to any electrode of the electrode pair. 前記複数の金属構造体は、前記光電変換層の材質の光吸収波長の範囲において前記表面プラズモン共鳴が誘起されるものである、請求項1または請求項7に記載の光起電力素子。   The photovoltaic device according to claim 1 or 7, wherein the plurality of metal structures are ones in which the surface plasmon resonance is induced in a range of a light absorption wavelength of a material of the photoelectric conversion layer. 基板に形成されている第1電極層の上に、ある厚みの有機半導体の光電変換層と、該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体とを、該複数の金属構造体の少なくとも一部を、該光電変換層の前記厚みの範囲に位置させて配置する配置工程と、
前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと該光電変換層とに接触させて第2電極層を形成する工程と
を含む光起電力素子の製造方法。
On the first electrode layer formed on the substrate, an organic semiconductor photoelectric conversion layer having a certain thickness, and a plurality of metal structures in which surface plasmon resonance is induced by light incident on the photoelectric conversion layer; An arrangement step of disposing at least a part of the plurality of metal structures in a range of the thickness of the photoelectric conversion layer;
A second electrode layer is formed by contacting at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with the first electrode layer A process for producing a photovoltaic device comprising the steps of:
前記配置工程は、
前記第1電極層の上に光電変換層を一様な厚みに形成する工程と、
該光電変換層を軟化させ、軟化した該光電変換層に前記複数の金属構造体を圧入する工程と
を含んでいるものである、請求項12に記載の光起電力素子の製造方法。
The arrangement step includes
Forming a photoelectric conversion layer with a uniform thickness on the first electrode layer;
The method for producing a photovoltaic device according to claim 12, further comprising: softening the photoelectric conversion layer and pressing the plurality of metal structures into the softened photoelectric conversion layer.
前記配置工程は、
前記有機半導体により、前記第1電極層の表面を覆いながら微小構造体を形成する工程と、
該微小構造体の表面に接触させて前記複数の金属構造体となる金属膜を形成する工程と、
該複数の金属構造体の隙間に、前記有機半導体を満たす工程と
を含んでおり、該微小構造体と前記光電変換層とがともに光電変換を行うものである、請求項12に記載の光起電力素子の製造方法。
The arrangement step includes
Forming a microstructure with the organic semiconductor while covering the surface of the first electrode layer;
Forming a metal film to be in contact with the surface of the microstructure to form the plurality of metal structures;
The step of filling the organic semiconductor in the gap between the plurality of metal structures, and the photoelectric conversion layer of the microstructure and the photoelectric conversion layer together perform photoelectric conversion. A method for manufacturing a power element.
入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体のうちの少なくともいずれかを基板に形成されている第1電極層に接触させ、該複数の金属構造体を形成する工程と、
該複数の金属構造体と前記第1電極層とに接触させ、該第1電極層からある厚みをなすようにして、有機半導体の前記光電変換層を形成する工程と、
前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程と
を含む光起電力素子の製造方法。
The step of bringing at least one of a plurality of metal structures whose surface plasmon resonance is to be induced by incident light into contact with the first electrode layer formed on the substrate to form the plurality of metal structures When,
Forming the photoelectric conversion layer of an organic semiconductor in contact with the plurality of metal structures and the first electrode layer so as to form a certain thickness from the first electrode layer;
A step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with the first electrode layer. Method.
前記複数の金属構造体を形成する工程は、
有機半導体の微小構造体を前記第1電極層の上に形成する工程と、
該微小構造体の表面に接触させ、前記第1電極層に接続して前記複数の金属構造体となる金属膜を形成する工程と
を含んでおり、
該微小構造体と前記光電変換層とがともに光電変換を行うものである、請求項15に記載の光起電力素子の製造方法。
The step of forming the plurality of metal structures includes:
Forming an organic semiconductor microstructure on the first electrode layer;
Forming a metal film that is in contact with the surface of the microstructure and connected to the first electrode layer to form the plurality of metal structures,
The method for producing a photovoltaic element according to claim 15, wherein the microstructure and the photoelectric conversion layer both perform photoelectric conversion.
基板に形成されている第1電極層の上に有機半導体の光電変換層をある厚みに形成する工程と、
該光電変換層に入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体の少なくとも一部を該光電変換層の前記厚みの範囲に位置させる工程であって、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと前記光電変換層との間の界面が、該光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにする、工程と、
前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程と
を含む光起電力素子の製造方法。
Forming an organic semiconductor photoelectric conversion layer in a certain thickness on the first electrode layer formed on the substrate;
A step of positioning at least a part of a plurality of metal structures in which surface plasmon resonance is induced by light incident on the photoelectric conversion layer in the thickness range of the photoelectric conversion layer, wherein the plurality of metals A step in which an interface between at least one of the structures and the photoelectric conversion layer has an inclined surface inclined from the direction of the thickness toward at least a certain direction in an in-plane direction of the photoelectric conversion layer. When,
A step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with the first electrode layer. Method.
入射する光により表面プラズモン共鳴が誘起されることとなる複数の金属構造体のうちの少なくともいずれかを基板に形成されている第1電極層に接触させ、該複数の金属構造体を形成する工程であって、前記複数の金属構造体の少なくともいずれかと光電変換層との間の界面が、該光電変換層の面内方向の少なくともある方位に向かって前記厚みの向きから傾斜している傾斜面を有するようにする、工程と、
該複数の金属構造体と前記第1電極層とに接触させ、前記第1電極層からある厚みをなすようにして、有機半導体の前記光電変換層を形成する工程と、
前記第1電極層と組合せて前記厚み方向に前記光電変換層を挟むこととなるようにして、該光電変換層に接触させて第2電極層を形成する工程と
を含む光起電力素子の製造方法。
The step of bringing at least one of a plurality of metal structures whose surface plasmon resonance is to be induced by incident light into contact with the first electrode layer formed on the substrate to form the plurality of metal structures An inclined surface in which an interface between at least one of the plurality of metal structures and the photoelectric conversion layer is inclined from the thickness direction toward at least a certain direction in an in-plane direction of the photoelectric conversion layer. Having a process, and
Forming the photoelectric conversion layer of an organic semiconductor in contact with the plurality of metal structures and the first electrode layer and forming a certain thickness from the first electrode layer;
A step of forming a second electrode layer in contact with the photoelectric conversion layer so as to sandwich the photoelectric conversion layer in the thickness direction in combination with the first electrode layer. Method.
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