JP2014143060A - Semiconductor element showing charge and discharge characteristic - Google Patents

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Hisamitsu Kamezaki
久光 亀崎
Toru Yashiro
徹 八代
Koji Deguchi
浩司 出口
Tamotsu Horiuchi
保 堀内
Takumi Yamaga
匠 山賀
Keiichiro Yutani
圭一郎 油谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film secondary battery element (a semiconductor element) that has excellent productivity and can be developed to various use applications.SOLUTION: There is provided the semiconductor element in which compound oxide of tin dioxide, magnesium oxide and silicon oxide is formed on a transparent conductive film (a first electrode).

Description

本発明は、紫外線照射または電荷の印加により、その光学透過係数が変化する複合物からなる半導体素子に係り、特に印刷、光学機器、記録材料、表示材料、調光材料、感光素子、衣料、装飾用に好適なフォトクロミック特性またはエレクトロクロミック特性を示し、さらには、電荷の印加により、充放電特性を示す半導体素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor element composed of a composite whose optical transmission coefficient is changed by irradiation with ultraviolet rays or application of electric charge, and in particular, printing, optical equipment, recording material, display material, light control material, photosensitive element, clothing, decoration. The present invention relates to a semiconductor element that exhibits photochromic characteristics or electrochromic characteristics suitable for use, and further exhibits charge / discharge characteristics by application of electric charge.

近年、モバイル端末の高性能化に伴う消費電力の増加の点などで、電源としての二次電池の薄型軽量化、高容量化に関する研究が盛んに行われている。
二次電池としては、酸化還元反応を用いた電気化学エネルギーとして蓄電する二次電池や電気化学キャパシタ、電気二重層の容量変化として貯蔵可能なキャパシタなどがある。
また二次電池としては、酸・鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム電池、アルカリ蓄電池、ニッケル水素二次電池などの水系二次電池のほか、イオンの挿入反応に有効な活物質を用いるリチウムイオン二次電池などの非水系二次電池が知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, research on reducing the thickness and weight of a secondary battery as a power source and increasing its capacity has been actively conducted in view of an increase in power consumption accompanying the improvement in performance of mobile terminals.
Secondary batteries include secondary batteries that store energy as electrochemical energy using an oxidation-reduction reaction, electrochemical capacitors, and capacitors that can be stored as a change in capacity of an electric double layer.
Secondary batteries include acid-lead batteries, nickel-cadmium batteries, alkaline batteries, nickel-hydrogen secondary batteries, and other lithium-ion secondary batteries that use active materials that are effective for ion insertion reactions. Non-aqueous secondary batteries such as are known.

リチウムイオン二次電池は携帯機器等の電子機器を中心に広く用いられている。これは、リチウムイオン二次電池がニッケル・カドミウム二次電池等と比較して、高い電圧を有すること、充放電容量が大きいこと、メモリ効果による弊害が少ない等が理由である。電子機器は更に小型化、軽量化が進められており、これらの電子機器に搭載するためには更に小型化、軽量化されたリチウムイオン二次電池が求められている。従来のリチウムイオン二次電池は、正極、負極共に金属片や金属箔が用いられ、両電極間に電解液に浸積させ、容器で覆った構造をしている。そのため、薄型化や小型化には限界がある。   Lithium ion secondary batteries are widely used mainly in electronic devices such as portable devices. This is because the lithium ion secondary battery has a higher voltage, a large charge / discharge capacity, and less harmful effects due to the memory effect than a nickel-cadmium secondary battery. Electronic devices are being further reduced in size and weight, and lithium ion secondary batteries that are further reduced in size and weight are required to be mounted on these electronic devices. A conventional lithium ion secondary battery has a structure in which a metal piece or a metal foil is used for both the positive electrode and the negative electrode, which is immersed in an electrolytic solution between both electrodes and covered with a container. Therefore, there is a limit to thinning and miniaturization.

しかし、最近ではさらに薄型化、小型化を可能とするために、電解液ではなくゲル状の電解質を用いるポリマー電池や固体電解質を用いる薄膜固体二次電池が開発されている。
特許文献1(特許3561580号公報)や特許文献2(特許2934450号公報)に記載のポリマー電池は、電解液を使う一般的なリチウムイオン二次電池に比較して薄型化、小型化が可能ではあるが、ゲル電解質や封止材等を必要とするため、厚みとしては0.1mm程度が限界であった。
However, recently, in order to enable further reduction in thickness and size, a polymer battery using a gel electrolyte instead of an electrolytic solution and a thin film solid secondary battery using a solid electrolyte have been developed.
The polymer batteries described in Patent Document 1 (Patent No. 3561580) and Patent Document 2 (Patent No. 2934450) cannot be made thinner and smaller than a general lithium ion secondary battery using an electrolyte. However, since a gel electrolyte, a sealing material, and the like are required, the thickness is about 0.1 mm.

一方、薄膜固体二次電池は、基板上に集電体薄膜、負極活物質薄膜、固体電解質薄膜、正極活物質薄膜、集電体薄膜を順に積層した構成、あるいは上記の逆積層による構成を有している。これにより、薄膜固体二次電池は、リチウムイオン二次電池に比較して非常に薄くすることができる。この中で、負極活物質として標準的に用いられているグラファイトカーボンは、薄膜を形成させることが極めて困難であり、仮に薄膜を形成できても、高抵抗値、かつ密着性の悪い薄膜しか得られず、薄膜固体二次電池の負極として用いるのは困難である。また、近年グラファイトカーボンの代替材料として検討されている負極材料としてシリコンやスズ、あるいはそれらの合金材料は、リチウムイオンの挿入や離脱時の体積膨張・収縮が伴い、薄膜固体二次電池で充放電を繰り返すことにより、膜剥がれが生じやすくなる。負極材料として金属リチウムをそのまま用いることも考えられるが、金属リチウムは水分や酸素に弱く、酸化されやすいため取扱いが困難である。   On the other hand, a thin-film solid secondary battery has a configuration in which a current collector thin film, a negative electrode active material thin film, a solid electrolyte thin film, a positive electrode active material thin film, and a current collector thin film are sequentially stacked on a substrate, or a structure by reverse stacking as described above. doing. Thereby, a thin film solid secondary battery can be made very thin compared with a lithium ion secondary battery. Of these, graphite carbon, which is standardly used as a negative electrode active material, is extremely difficult to form a thin film. Even if a thin film can be formed, only a thin film with high resistance and poor adhesion can be obtained. Therefore, it is difficult to use as a negative electrode of a thin-film solid secondary battery. In addition, as a negative electrode material that has recently been examined as an alternative material for graphite carbon, silicon, tin, or their alloy materials are accompanied by volume expansion / contraction during lithium ion insertion and removal, and charge and discharge in thin film solid state secondary batteries. By repeating the above, film peeling tends to occur. Although it is conceivable to use metallic lithium as the negative electrode material as it is, metallic lithium is difficult to handle because it is vulnerable to moisture and oxygen and is easily oxidized.

従って、薄膜固体二次電池の負極としては、リチウムイオンの挿入、離脱時の体積膨張・収縮が少ない酸化バナジウム、酸化ニオブ等の金属酸化物を用いることが多い。特許文献3(特許3116857号公報)、特許文献4(特許3531866号公報)には、負極に酸化バナジウム、あるいは酸化ニオブを用いた薄膜固体二次電池が報告されている。しかしながら、酸化バナジウムは水分や酸素に弱く、酸化されやすいだけでなく、毒性も有するため、製造工程や使用時の取扱いが困難である。   Accordingly, metal oxides such as vanadium oxide and niobium oxide are often used as the negative electrode of the thin-film solid secondary battery, which has little volume expansion / contraction during insertion and withdrawal of lithium ions. Patent Document 3 (Japanese Patent No. 3116857) and Patent Document 4 (Japanese Patent No. 3531866) report thin-film solid secondary batteries using vanadium oxide or niobium oxide as a negative electrode. However, vanadium oxide is weak against moisture and oxygen, is not only easily oxidized, but also has toxicity, so that it is difficult to handle it during the manufacturing process or use.

特許文献5(特開2004−179158号公報)記載のものは、負極層にシリコンや酸化バナジウム以外の酸化物としてチタン酸リチウムなども用いている。このチタン酸リチウムは、Liイオンの挿入、離脱に歪みを伴わないことが知られており、薄膜固体二次電池の負極材料としては適している。しかしながら、チタン酸リチウムは酸化ニオブや酸化バナジウム等と比較すると充放電容量がやや小さいこと、チタン酸リチウムは絶縁体のため、電子伝導性が低くイオン伝導性も低いため、薄膜固体二次電池は内部抵抗が高くなり、高速充放電特性が劣るといった問題が生じている。更に、スパッタリング等の真空プロセスで薄膜を形成する場合、チタン酸リチウム焼結体は電気伝導性が低く熱伝導も悪いため、スパッタリングレートが遅いだけでなく、ターゲットが割れやすくなるため強いパワーを加えることが困難となり、成膜速度が極めて遅くなってしまうという欠点がある。   The thing of patent document 5 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-179158) uses lithium titanate etc. as oxides other than a silicon or vanadium oxide for a negative electrode layer. This lithium titanate is known not to be distorted in insertion and release of Li ions, and is suitable as a negative electrode material for a thin film solid secondary battery. However, lithium titanate has a slightly smaller charge / discharge capacity compared to niobium oxide, vanadium oxide, etc., and lithium titanate is an insulator, so its electronic conductivity is low and its ionic conductivity is low. There is a problem that the internal resistance is increased and the high-speed charge / discharge characteristics are inferior. Furthermore, when a thin film is formed by a vacuum process such as sputtering, the lithium titanate sintered body has low electrical conductivity and poor thermal conductivity, so not only the sputtering rate is slow, but also the target is easy to break, so a strong power is applied. There is a drawback that the film formation rate becomes extremely slow.

電気化学反応やイオン伝導を伴わない二次電池としては、電気二重層キャパシタなどがある。しかしながらこれらのキャパシタは短時間で高密度の電力を充放電する能力に優れているものの、リチウムイオン二次電池に比べるとエネルギー密度が劣る。   Secondary batteries that do not involve electrochemical reaction or ion conduction include electric double layer capacitors. However, although these capacitors are excellent in the ability to charge and discharge high-density power in a short time, the energy density is inferior to that of a lithium ion secondary battery.

一方で、新規な二次電池として、導電体上に形成した酸化物半導体に光を照射して、光励起構造変化に伴う酸化物半導体に電子トラップを形成し、半導体二次電池(量子電池)へと応用する技術がグエラテクノロジー社、広島大梶山らにより開発されている。(非特許文献1 広島大新技術説明会2010資料、非特許文献2 グエラテクノロジー社HP。)
この技術によれば、充電に伴って充電層の着色を起こすエレクトロクロミック素子としての応用も期待できるとして、特許文献6(WO2008/053561号公報)にその作製方法が開示されている。
半導体二次電池の特徴は全固体で薄型化が容易であることや、エネルギー密度が高いこと、安全性、耐環境性が高い点などが挙げられている。
On the other hand, as a new secondary battery, an oxide semiconductor formed on a conductor is irradiated with light, and an electron trap is formed in the oxide semiconductor accompanying a photoexcitation structure change, to a semiconductor secondary battery (quantum battery). The technology to be applied is developed by Guera Technology Co., Ltd., Hiroshima Oyama and others. (Non-patent document 1 Hiroshima University New Technology Briefing 2010 material, Non-patent document 2 Guera Technology HP.)
According to this technique, it can be expected to be applied as an electrochromic element that causes coloring of the charging layer with charging, and a manufacturing method thereof is disclosed in Patent Document 6 (WO2008 / 053561).
The characteristics of the semiconductor secondary battery are that it is all solid and can be easily thinned, has high energy density, and has high safety and environmental resistance.

また、薄膜固体二次電池の応用として、薄膜太陽電池と併用することで、軽量で占有容積の小さい薄膜給電素子が考えられる。これによって電子ペーパーなどの携帯表示端末や、屋外展示形表示端末などの電源として、軽量化や電源メンテナンス不要などのメリットが期待されている。   Moreover, as an application of a thin film solid secondary battery, a thin film power supply element that is lightweight and has a small occupied volume can be considered by using it together with a thin film solar battery. As a result, advantages such as weight reduction and no power maintenance are expected as power sources for portable display terminals such as electronic paper and outdoor display terminals.

給電素子の構成としては、太陽電池の単位面積あたりの実効的な発電効率を向上させるために、太陽電池と二次電池を積層した構成が一般的である。(例えば特許文献7(特開2011−8976号公報))   As a configuration of the power feeding element, a configuration in which a solar cell and a secondary battery are stacked is generally used in order to improve effective power generation efficiency per unit area of the solar cell. (For example, patent document 7 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-8976))

以上、述べて来たように、半導体二次電池には種々のメリットがある。が、さらに充放電特性を向上する、生産性を改善するなどの課題がある。
本発明は、このような上記問題点を解決し、生産性にも優れ、多様な用途に展開できる薄膜二次電池素子(半導体素子)を提供することにある。
As described above, the semiconductor secondary battery has various merits. However, there are problems such as improving charge / discharge characteristics and improving productivity.
An object of the present invention is to provide a thin film secondary battery element (semiconductor element) that solves the above-described problems, has excellent productivity, and can be developed for various uses.

上記課題を解決するために鋭意検討した結果、下記(1)〜(10)記載の「半導体素子」で解決できることを見出した。
(1)「透明導電膜上(第一電極)に二酸化錫と酸化マグネシウムと酸化シリコンとの複合酸化物が形成されていることを特徴とする半導体素子。」
(2)「前記複合酸化物に、錫カルボキシ誘導体とマグネシウムカルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体との複合物、または、錫カルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体の複合物、由来の酸化物が含有されていることを特徴とする前記(1)に記載の半導体素子。」
(3)「前記複合酸化物上に、金属板、および/または、セラミック層を有することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の半導体素子。」
(4)「前記金属板、および/または、セラミック層の上に第二の電極が形成されており、第二の電極は、前記第一電極より、HOMOレベルが深いことを特徴とする前記(3)に記載の半導体素子。」
(5)「前記透明導電膜の主成分が酸化インジウムであることを特徴とする前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体素子。」
(6)「前記第二電極の主成分が酸化インジウムであることを特徴とする前記(5)に記載の半導体素子。」
(7)「金属またはガラスまたはセラミックからなる基板で前記複合酸化物と前記透明導電膜をはさみ、前記基板に接着された補強層とを有することを特徴とする前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の半導体素子。」
(8)「前記複合酸化物における錫とマグネシウムの含有原子数比率はSn:Mg=3:7〜1:9の間であることを特徴とする前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の半導体素子。」
(9)「前記錫カルボキシ誘導体がSn(OCCHEt(CHであることを特徴とする前記(2)乃至(8)のいずれかに記載の半導体素子。」
(10)「前記マグネシウムカルボキシ誘導体がMg(OCCHEt(CHであることを特徴とする前記(2)乃至(9)のいずれかに記載の半導体素子。」
As a result of intensive studies in order to solve the above problems, it has been found that the “semiconductor element” described in the following (1) to (10) can be solved.
(1) “A semiconductor element in which a composite oxide of tin dioxide, magnesium oxide and silicon oxide is formed on a transparent conductive film (first electrode).”
(2) “The composite oxide contains an oxide derived from a composite of a tin carboxy derivative, a magnesium carboxy derivative and a silicon oxide derivative, or a composite of a tin carboxy derivative and a silicon oxide derivative. The semiconductor device according to (1), characterized in that it is characterized.
(3) “The semiconductor element according to (1) or (2), wherein the semiconductor element has a metal plate and / or a ceramic layer on the composite oxide.”
(4) “The second electrode is formed on the metal plate and / or the ceramic layer, and the second electrode has a HOMO level deeper than the first electrode. The semiconductor element according to 3). "
(5) “The semiconductor element according to any one of (1) to (4), wherein a main component of the transparent conductive film is indium oxide.”
(6) “The semiconductor element according to (5) above, wherein the main component of the second electrode is indium oxide.”
(7) The above (1) to (6), characterized in that the composite oxide and the transparent conductive film are sandwiched between a substrate made of metal, glass, or ceramic, and a reinforcing layer bonded to the substrate. A semiconductor device according to any one of the above.
(8) In any one of the above (1) to (7), the atomic ratio of tin and magnesium in the composite oxide is between Sn: Mg = 3: 7 to 1: 9 The semiconductor device described. "
(9) “The semiconductor element according to any one of (2) to (8), wherein the tin carboxy derivative is Sn (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2.
(10) “The semiconductor device according to any one of (2) to (9), wherein the magnesium carboxy derivative is Mg (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2.

以下の詳細かつ具体的な説明から理科されるように、良好な充放電特性を示し、生産性にも優れ、多様な用途に展開できる薄膜二次電池素子(半導体素子)を提供できるようになる。
加えて、透明導電膜上(第一電極)に二酸化錫と酸化マグネシウムと酸化シリコンとの複合酸化物が形成されていることにより、良好な充放電が可能な半導体素子を得ることができる。
また、前記複合酸化物が、錫カルボキシ誘導体とマグネシウムカルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体との複合物、または、錫カルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体の複合物由来のもので形成されていることにより、コート法で成膜できるため、生産性を改善することができる。
さらに、複合物上に、金属板、および/または、セラミック層を設けることにより、ショートを防止し、逆電流の流入を防止できる。
またさらに、前記金属板、および/または、セラミック層の上に第二の電極が形成されており、第二電極は、前記第一電極より、HOMOレベルが深いことにより、電子の移動が良好になる。
また、半導体素子に関して、主成分が酸化インジウムである透明導電膜を設けることにより、高い透明性、および低抵抗を得ることができる。
また、第二電極の主成分に酸化インジウムを用いることにより、高い透明性、および低抵抗を得ることができる。
また、金属またはガラスまたはセラミックからなる基板で複合酸化物膜と透明導電膜をはさみ、前記基板に接着された補強層とを有することで、複合膜を良好に保持できる。
また、錫とマグネシウムの含有原子数比率が錫:Mg=3:7〜1:9の間であることで、良好な充放電特性を示すものを提供することができる。
前記錫カルボキシ誘導体がSn(OCCHEt(CHであること、前記マグネシウムカルボキシ誘導体がMg(OCCHEt(CHであることにより、生産性を改善することができる。
As will be understood from the following detailed and specific explanation, it becomes possible to provide a thin film secondary battery element (semiconductor element) that exhibits good charge / discharge characteristics, is excellent in productivity, and can be developed for various uses. .
In addition, since a composite oxide of tin dioxide, magnesium oxide, and silicon oxide is formed on the transparent conductive film (first electrode), a semiconductor element capable of satisfactory charge / discharge can be obtained.
The composite oxide is formed of a composite of a tin carboxy derivative, a magnesium carboxy derivative and a silicon oxide derivative, or a composite of a tin carboxy derivative and a silicon oxide derivative. Since film formation can be performed, productivity can be improved.
Furthermore, by providing a metal plate and / or a ceramic layer on the composite, it is possible to prevent a short circuit and prevent an inflow of reverse current.
Furthermore, a second electrode is formed on the metal plate and / or the ceramic layer, and the second electrode has a deeper HOMO level than the first electrode, so that the movement of electrons is good. Become.
Moreover, regarding a semiconductor element, high transparency and low resistance can be obtained by providing a transparent conductive film whose main component is indium oxide.
Moreover, high transparency and low resistance can be obtained by using indium oxide as the main component of the second electrode.
In addition, the composite film can be satisfactorily held by sandwiching the composite oxide film and the transparent conductive film with a substrate made of metal, glass, or ceramic and having a reinforcing layer bonded to the substrate.
Moreover, what shows a favorable charging / discharging characteristic can be provided because the content atomic number ratio of tin and magnesium is between tin: Mg = 3: 7-1: 9.
The tin carboxy derivative is Sn (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2 and the magnesium carboxy derivative is Mg (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2 to improve productivity. it can.

本発明の実施例に係る電界感応素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electric field sensitive element which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る表示デバイスの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the display device which concerns on the Example of this invention.

以下、本発明を実施するための形態について、図面と共に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明で用いる二次電池の素子構成について説明する。
図1が二次電池素子の断面図であり、図2が平面図である。図1に示すように、基板11上に第一電極12、充電層13、ホールブロック層14、第二電極15の順に形成する。
図1、2に示すように、本発明においては、電極層のみをパターニングしているため、充電層13、ホールブロック層14については、隣接セル間で共通である。パターニングは一例であり、所望の二次電池モジュール特性に合わせて任意の形に設計することができる。
The element structure of the secondary battery used in the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a secondary battery element, and FIG. 2 is a plan view. As shown in FIG. 1, the first electrode 12, the charging layer 13, the hole blocking layer 14, and the second electrode 15 are formed on the substrate 11 in this order.
As shown in FIGS. 1 and 2, since only the electrode layer is patterned in the present invention, the charge layer 13 and the hole block layer 14 are common between adjacent cells. Patterning is an example, and it can be designed in any shape according to desired secondary battery module characteristics.

以下、各構成材料、形成プロセスについて説明する。   Hereinafter, each constituent material and formation process will be described.

基板11は、ガラス、薄膜金属、プラスチック等の材料から構成されており、例えば、無アルカリガラス、硼珪酸ガラス、フロートガラス、ソーダ石灰ガラス、ポリマー樹脂などを用いることができる。ただし、耐熱性の低い基板を用いる際には、プロセス温度をその温度以下に設定する必要がある。金属基板を用いる際には、絶縁層を形成してショートを防止する必要がある。   The substrate 11 is made of a material such as glass, thin film metal, or plastic, and for example, alkali-free glass, borosilicate glass, float glass, soda lime glass, polymer resin, or the like can be used. However, when using a substrate having low heat resistance, it is necessary to set the process temperature below that temperature. When using a metal substrate, it is necessary to form an insulating layer to prevent a short circuit.

本発明に用いられる第一電極12としては、導電性物質であれば特に限定されるものではなく、公知の金属、金属酸化物、有機導電材料を使用できる。
例えば、インジウム・スズ酸化物(以下、ITOと称す)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、FTOと称す)、アンチモンドープ酸化スズ(以下、ATOと称す)、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物、グラフェン等、CNT(カーボンナノチューブ)、Al、Ti、Ag、Au、Pt等の金属が挙げられ、これらは単独あるいは複数積層されていてもよい。
The first electrode 12 used in the present invention is not particularly limited as long as it is a conductive substance, and known metals, metal oxides, and organic conductive materials can be used.
For example, indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO), fluorine-doped tin oxide (hereinafter referred to as FTO), antimony-doped tin oxide (hereinafter referred to as ATO), indium / zinc oxide, niobium titanium oxide And metal such as graphene, CNT (carbon nanotube), Al, Ti, Ag, Au, and Pt, and these may be used alone or in a plurality of layers.

第一電極12の厚さに特性制限はないが、比抵抗が低いものがエネルギー密度の点から好ましい。膜厚としては5nm〜1μmが好ましく、20nm〜100nmが更に好ましい。   Although there is no characteristic limitation on the thickness of the first electrode 12, one having a low specific resistance is preferable from the viewpoint of energy density. The film thickness is preferably 5 nm to 1 μm, and more preferably 20 nm to 100 nm.

第一電極12の形成プロセスとしては、公知のスパッタリングや蒸着などの真空製膜や、各種印刷法による製膜方式がある。これらのプロセスでは、シャドーマスクなどを用いて電極のパターニングが可能となる。あるいは公知のレジストプロセスでパターニングすることも可能である。   As a process for forming the first electrode 12, there are known vacuum film formation such as sputtering and vapor deposition, and film formation methods by various printing methods. In these processes, it is possible to pattern electrodes using a shadow mask or the like. Alternatively, patterning can be performed by a known resist process.

印刷で形成する最には、各種金属のナノ粒子インクや有機金属塩錯体インクの塗布熱分解による形成、あるいはゾルゲル法による形成などが可能である。印刷プロセスとしてはインクジェット法、ディスペンサ法、また、湿式印刷方法として、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等様々な方法を用いることができる。塗布膜の焼成を経て第一電極を得る。電極のパターニングをする際には、専用の版を形成する。あるいはインクジェット法やディスペンサ法などではパターンデータを入力することで任意にパターニング形成することが可能である。   At the time of forming by printing, it is possible to form a nanoparticle ink of various metals or an organic metal salt complex ink by coating pyrolysis, or a sol-gel method. As the printing process, various methods such as an ink jet method, a dispenser method, and a wet printing method such as a relief plate, offset, gravure, intaglio, rubber plate, and screen printing can be used. A first electrode is obtained through baking of the coating film. When patterning the electrodes, a dedicated plate is formed. Alternatively, in the ink jet method or the dispenser method, patterning can be arbitrarily formed by inputting pattern data.

本発明に用いる充電層13は、金属カルボキシ誘導体と絶縁材料とを混合した薄膜を用いることができる。金属カルボキシ誘導体としてはスズ、チタン、亜鉛を用いることができる。絶縁材料としては、ポリイミドなどの各種熱可塑性樹脂、各種シリコン、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、アルミナなどを用いることができる。   The charging layer 13 used in the present invention can be a thin film in which a metal carboxy derivative and an insulating material are mixed. Tin, titanium, and zinc can be used as the metal carboxy derivative. As the insulating material, various thermoplastic resins such as polyimide, various silicon, magnesium oxide, silicon dioxide, alumina and the like can be used.

充電層13の形成プロセスとしては、カルボキシ誘導体と絶縁材料のナノ粒子インクや有機金属錯体インクの塗布熱分解による形成、あるいはゾルゲル法による形成などが可能である。絶縁材料として各種シリコンや熱可塑性樹脂を用いる場合には溶媒に溶解して金属材料と混合して形成することが可能である。   As a formation process of the charge layer 13, formation by application thermal decomposition of a nanoparticle ink or an organometallic complex ink of a carboxy derivative and an insulating material, formation by a sol-gel method, or the like is possible. In the case of using various types of silicon or thermoplastic resin as the insulating material, it can be formed by being dissolved in a solvent and mixed with a metal material.

印刷プロセスとしては第一電極12と同様の手法を用いることができる。またパターニングが不要という観点からさらにディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法などの印刷工程も適用することができる。   As a printing process, the same technique as that for the first electrode 12 can be used. Further, from the viewpoint that patterning is not necessary, printing processes such as a dip method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, and a blade coating method can also be applied.

充電層13を第一電極12に接する形で形成した後、紫外線照射による充電層13の構造変化を行う。これによってカルボキシ誘導体と絶縁体の混合薄膜が、電荷の蓄積を行う充電層13へと変化する。
紫外線の照射量は48J以上が好適である。
After the charge layer 13 is formed in contact with the first electrode 12, the structure of the charge layer 13 is changed by ultraviolet irradiation. As a result, the mixed thin film of the carboxy derivative and the insulator is changed into the charge layer 13 that accumulates charges.
The irradiation amount of ultraviolet rays is preferably 48 J or more.

本発明に用いるブロック層14としては、電子をブロックする材料であれば特に限定されるものではなく、公知の酸化物、有機材料を使用できる。
酸化物としては例えば、酸化ニッケルなどを用いることができる。真空プロセスとしては、スパッタ法などが可能である。あるいはナノ粒子インクや有機金属錯体インクの塗布熱分解による形成、あるいはゾルゲル法による形成などが可能である。
印刷プロセスとしては充電層13と同様の手法を用いることができる。
The blocking layer 14 used in the present invention is not particularly limited as long as it is a material that blocks electrons, and a known oxide or organic material can be used.
As the oxide, for example, nickel oxide can be used. As the vacuum process, a sputtering method or the like can be used. Alternatively, nanoparticle ink or organometallic complex ink can be formed by thermal decomposition of coating or by sol-gel method.
As a printing process, the same technique as that for the charging layer 13 can be used.

またブロック層14の有機材料としては、各種p型半導体材料を用いることができる。
一例としてポリチオフェンなどの高分子や、ペンタセンなどの低分子材料を用いることができる。
ブロック層の形成プロセスとしては、有機溶媒に可溶な高分子材料を用いる際には、印刷プロセスで形成することができる。また、低分子系材料を用いる再には真空蒸着などのプロセスで形成することができる。
As the organic material of the block layer 14, various p-type semiconductor materials can be used.
As an example, a polymer such as polythiophene or a low molecular material such as pentacene can be used.
The block layer can be formed by a printing process when a polymer material soluble in an organic solvent is used. In addition, the low molecular weight material can be formed by a process such as vacuum deposition.

第二電極層15の材料としては、第一電極12と同様の材料およびプロセスを適用することができる。   As the material of the second electrode layer 15, the same material and process as those of the first electrode 12 can be applied.

以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
〔二次電池セルの作製 Sn:Si〕
基板11として40mm×40mm厚さ0.7mmのガラス基板を準備し、ガラス基板上に、ITO膜を、シャドーマスクを介してスパッタ法により約150nmの厚さになるように製膜することによって、第一の電極層12を形成した。次に、2エチルヘキサン酸スズ1.68g、トルエン4.43g、エタノールアミン0.84g、2−メトキシエタノール4.54g、IPA25g、シリコンオイル〔TSF433〕1.12gとの混合液を用意した。
[Example 1]
[Fabrication of secondary battery cell Sn: Si]
By preparing a glass substrate with a thickness of 40 mm × 40 mm and a thickness of 0.7 mm as the substrate 11, an ITO film is formed on the glass substrate to a thickness of about 150 nm by a sputtering method through a shadow mask, A first electrode layer 12 was formed. Next, a mixed liquid of 1.68 g of tin 2-ethylhexanoate, 4.43 g of toluene, 0.84 g of ethanolamine, 4.54 g of 2-methoxyethanol, 25 g of IPA, and 1.12 g of silicon oil [TSF433] was prepared.

この溶液をアルゴン雰囲気下80℃で二時間攪拌し、続いて120℃で1時間攪拌して溶液調製を完成した。   This solution was stirred at 80 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere, and subsequently stirred at 120 ° C. for 1 hour to complete the solution preparation.

以上のように調整した溶液をITO表面にスピンコート法により塗布し、乾燥後、410℃で1時間焼成処理を行うことによって、スズ酸化物とシリコンオイルの混合膜を得た。
次に焼成膜に紫外線を照射した。照射強度は254nmにおいて、40mW/cm、照射時間は5hrとした。これによって充電層13を得た。以上の行程により、充電層には二酸化錫、酸化シリコンが得られた。
The solution prepared as described above was applied to the ITO surface by a spin coating method, dried, and then baked at 410 ° C. for 1 hour to obtain a mixed film of tin oxide and silicon oil.
Next, the fired film was irradiated with ultraviolet rays. The irradiation intensity was 40 mW / cm 2 at 254 nm and the irradiation time was 5 hours. Thereby, the charge layer 13 was obtained. Through the above process, tin dioxide and silicon oxide were obtained in the charge layer.

充電層形成後、続いてスパッタ法によりNiOをターゲットとして酸化ニッケルを充電層上に140nm製膜しブロック層14を形成した。さらにその上にシャドーマスクを介してスパッタ法によってITO膜を約150nmの厚さになるように製膜することによって、第二の電極層15を形成した。   After forming the charge layer, a block layer 14 was formed by subsequently forming a nickel oxide film on the charge layer with a thickness of 140 nm using NiO as a target by sputtering. Furthermore, the second electrode layer 15 was formed by forming an ITO film with a thickness of about 150 nm by sputtering through a shadow mask.

これにより図1に示すように、第一電極層上に充電層、ブロック層、第二電極層が順次形成された二次電池素子を作製した。なお、作製した素子のレイアウトを図2に示す。図2のように3つのセルが並置された構成である。電極層間のギャップは3mmである。各セルにおいて、充電層およびブロック層は共通である。充放電に寄与するアクティブエリアは23mm×7mmである。   As a result, as shown in FIG. 1, a secondary battery element in which a charging layer, a block layer, and a second electrode layer were sequentially formed on the first electrode layer was produced. The layout of the manufactured element is shown in FIG. This is a configuration in which three cells are juxtaposed as shown in FIG. The gap between the electrode layers is 3 mm. In each cell, the charge layer and the block layer are common. The active area contributing to charging / discharging is 23 mm × 7 mm.

一方、第一電極のhomoレベルは−4.57eVであり、第二電極は−5.2eVであった。このエネルギーレベルの変化は紫外線照射後に現れる。
以上のように作製したセルの充放電特性を評価した。
On the other hand, the homo level of the first electrode was −4.57 eV, and the second electrode was −5.2 eV. This change in energy level appears after UV irradiation.
The charge / discharge characteristics of the cell produced as described above were evaluated.

充電電圧は第一電極に対して−3Vを印加し、容量は0.77μAhr/cmとした。
充電後の第一電極12の電位を測定したところ、第二電極15に対して−1.0Vの出力電位を示した。続いて10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて放電容量が0.38μAhr/cmであった。
As the charging voltage, −3 V was applied to the first electrode, and the capacity was 0.77 μAhr / cm 2 .
When the potential of the first electrode 12 after charging was measured, an output potential of −1.0 V with respect to the second electrode 15 was shown. Subsequently, when constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the discharge capacity was 0.38 μAhr / cm 2 at a final voltage of −0.1 V.

[実施例2]
〔二次電池セルの作製 Sn:Mg:Si〕
実施例1において、あらたにMg(OCCHEt(CHの1.65gを添加した以外は全く同様にセルを作製した。実施例2においては、充電層に、酸化マグネシウムが得られた。
[Example 2]
[Fabrication of secondary battery cell Sn: Mg: Si]
A cell was fabricated in exactly the same manner as in Example 1, except that 1.65 g of Mg (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2 was newly added. In Example 2, magnesium oxide was obtained in the charge layer.

以上のように作製したセルの充放電特性を評価した。
充電電圧は第一電極に対して−3Vを印加し、容量は0.72μAhr/cmとした。
充電後の第一電極12の電位を測定したところ、第二電極15に対して−0.85Vの出力電位を示した。続いて10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて放電容量が0.18μAhr/cmであった。
The charge / discharge characteristics of the cell produced as described above were evaluated.
The charging voltage was −3 V applied to the first electrode, and the capacity was 0.72 μAhr / cm 2 .
When the potential of the first electrode 12 after charging was measured, an output potential of −0.85 V with respect to the second electrode 15 was shown. Subsequently, when constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the discharge capacity was 0.18 μAhr / cm 2 at a final voltage of −0.1 V.

11 基板
12 第一電極
13 充電層
14 ブロック層
15 第二電極
11 Substrate 12 First electrode 13 Charging layer 14 Block layer 15 Second electrode

特許3561580号公報(特開平10−74496号公報)Japanese Patent No. 3561580 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-74496) 特許2934450号公報(特開平2−295070号公報)Japanese Patent No. 2934450 (JP-A-2-295070) 特許3116857号公報(特開平10−284130号公報)Japanese Patent No. 3116857 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-284130) 特許3531866号公報(特開2002−42863号公報)Japanese Patent No. 3531866 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-42863) 特開2004−179158号公報JP 2004-179158 A WO2008/053561号公報WO2008 / 053561 publication 特開2011−8976号公報JP 2011-8976 A

広島大新技術説明会2010資料、Hiroshima University New Technology Briefing 2010 materials, 非特許資料2 グエラテクノロジー社HP http://www.guala−tec.co.jp/Non-patent document 2 Guella Technology, Inc. HP http: // www. guala-tec. co. jp /

Claims (10)

透明導電膜上(第一電極)に二酸化錫と酸化マグネシウムと酸化シリコンとの複合酸化物が形成されていることを特徴とする半導体素子。   A semiconductor element, wherein a composite oxide of tin dioxide, magnesium oxide and silicon oxide is formed on a transparent conductive film (first electrode). 前記複合酸化物に、錫カルボキシ誘導体とマグネシウムカルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体との複合物、または、錫カルボキシ誘導体と酸化シリコン誘導体の複合物、由来の酸化物が含有されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。   The composite oxide contains an oxide derived from a composite of a tin carboxy derivative, a magnesium carboxy derivative, and a silicon oxide derivative, or a composite of a tin carboxy derivative and a silicon oxide derivative. Item 2. The semiconductor element according to Item 1. 前記複合酸化物上に、金属板、および/または、セラミック層を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, further comprising a metal plate and / or a ceramic layer on the composite oxide. 前記金属板、および/または、セラミック層の上に第二の電極が形成されており、第二の電極は、前記第一電極より、HOMOレベルが深いことを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。   The second electrode is formed on the metal plate and / or the ceramic layer, and the second electrode has a HOMO level deeper than that of the first electrode. Semiconductor element. 前記透明導電膜の主成分が酸化インジウムであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein a main component of the transparent conductive film is indium oxide. 前記第二電極の主成分が酸化インジウムであることを特徴とする請求項5に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 5, wherein a main component of the second electrode is indium oxide. 金属またはガラスまたはセラミックからなる基板で前記複合酸化物と前記透明導電膜をはさみ、前記基板に接着された補強層とを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体素子。   7. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a reinforcing layer bonded to the substrate by sandwiching the composite oxide and the transparent conductive film with a substrate made of metal, glass, or ceramic. . 前記複合酸化物における錫とマグネシウムの含有原子数比率はSn:Mg=3:7〜1:9の間であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体素子。   8. The semiconductor element according to claim 1, wherein the atomic ratio of tin and magnesium in the composite oxide is Sn: Mg = 3: 7 to 1: 9. 前記錫カルボキシ誘導体がSn(OCCHEt(CHであることを特徴とする請求項2乃至8のいずれかに記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 2 , wherein the tin carboxy derivative is Sn (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2 . 前記マグネシウムカルボキシ誘導体がMg(OCCHEt(CHであることを特徴とする請求項2乃至9のいずれかに記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 2 , wherein the magnesium carboxy derivative is Mg (O 2 CCHEt (CH 2 ) 3 ) 2 .
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