JP2016044232A - 波長変換材料及び光エネルギーデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第一の波長の光を吸収し、前記第一の波長より長い第二の波長の光を発する波長変換物質2と、担持体3と、を備え、波長変換物質2が担持体3の表面3sの少なくとも一部に、化学結合によって複数連結している。また、担持体3の表面3sの少なくとも一部に、波長変換物質2に隣り合って凝集抑制剤が化学結合によって連結していてもよい。
【選択図】図1
Description
このような中、エネルギー需要の増大に伴い、光エネルギーデバイスの感度領域を可視光のみならず、可視光より短い波長、或いは可視光より長い波長に拡大する試みが行われている。
また、波長変換材料に重合反応を生じ得る活性点を付与し、担持体としての高分子と重合させることで材料の凝集を抑制する試みがなされている(例えば、特許文献3を参照)。ところが、担持体である高分子に動性があるため、本手法においても波長変換材料の濃度増加と共に材料の凝集が生じる懸念が残っていた。
また、本発明は、励起光を照射した際に波長変換材料から高い強度で励起光より波長の長い光を発生させ、その光を効率よく活用する光エネルギーデバイスの提供を課題とする。
上記の波長変換材料では、第一の波長の光が照射されると、個々の波長変換物質の電子が第一の波長の光を吸収して基底状態から励起状態になる。この電子が励起状態から基底状態に戻る際に、波長変換物質から第二の波長の光が発せられる。また、波長変換物質が担持体の表面に化学結合によって強く結合している。これにより、波長変換物質の配置が安定的に保持されることで、波長変換物質間の距離の縮小が抑えられ、波長変換物質の凝集が抑制される。その結果、一の波長変換物質から発せられた第二の波長の光が他の波長変換物質に吸収されることなく、波長変換材料の外方に向けて確実に放出される。
上記の波長変換材料では、部分的に電子密度の違いが生じることで反応活性点が生じるので、波長変換物質と担持体とが化学結合によって、より強固に連結する。従って、波長変換物質の凝集がより抑制される。
また、本発明の波長変換材料においては、前記波長変換物質が、カルボン酸塩、リン酸塩、アミン塩、スルホン酸塩からなる群より選ばれた一種であることが好ましい。
上記の波長変換材料では、波長変換物質が上記官能基からなる群より選ばれた一種を少なくとも一つ以上有すること、或いはカルボン酸塩、リン酸塩、アミン塩、スルホン酸塩からなる群より選ばれた一種であることで、反応活性点が生じるので、担持体表面への吸着量の制御が容易になり、波長変換物質の凝集がより抑制される。
上記の波長変換材料では、波長変換物質が担持体により強固に連結する。
担持体が無機酸化物である場合、波長変換物質よりも体積が大きくかつ剛直なものとすることができ、より好適な担持体となり得る。また、一般的に無機酸化物の表面に存在するOH基(水酸基)もしくは金属と波長変換物質の官能基とが化学結合で結合できるので、波長変換物質の吸着量の制御が容易になる。また、無機酸化物の組成を選択することで、担持体が波長変換に該当する第一の波長の光を吸収しないようにすることができ、波長変換の効率の低下を抑制することができる。
担持体が有機高分子の場合、高分子鎖に反応活性点を導入することで、波長変換物質と化学結合で結合でき、波長変換物質の吸着量の制御が容易になる。また、高分子の組成を選択することで、担持体が波長変換に該当する第一の波長の光を吸収しないようにすることができ、波長変換の効率の低下を抑制することができる。
上記の波長変換材料では、平均粒径が10nm以上100μm以下の微粒子の表面の少なくとも一部に上記波長変換物質が連結している。これにより、波長変換物質の取り扱い及び製造が容易になる。
上記の波長変換材料では、担持体に多数の細孔があるので、予め担持体を剛直に形成した上で、波長変換物質を表面に担持させることで、波長変換材料の吸着量の制御が容易になる。
上記の波長変換材料では、波長変換物質が紫外光を吸収し、紫外光よりも波長の長い可視光を発する。また、担持体が可視光を殆ど吸収しないので、波長変換物質が発した可視光が担持体に吸収されることを抑制でき、可視光がより確実に波長変換材料の外方に向かって放出される。
上記の波長変換材料では、担持体の表面に波長変換物質に加えて凝集抑制剤が化学結合によって強固に連結している。凝集抑制剤が波長変換物質の複数の分子間に存在し、波長変換物質が近接しようとしても凝集抑制剤に妨害されるので、波長変換物質の凝集がより抑制される。
上記の波長変換材料では、部分的に電子密度の違いが生じることで反応活性点が生じるので、凝集抑制剤と担持体とが化学結合によって、より強固に連結する。従って、波長変換物質の凝集がさらに抑制される。
上記の波長変換材料では、300nm以上400nm未満の波長の紫外光が照射された際に、凝集抑制剤が紫外光を殆ど吸収しないので、波長変換物質がより多くの紫外光を吸収する。さらに、担持体及び凝集抑制剤が可視光を殆ど吸収しないので、波長変換物質が発した可視光が担持体に吸収されることを抑制することができる。これにより、高い強度の可視光がより確実に波長変換材料の外方に向かって放出される。
上記の光エネルギーデバイスでは、波長変換材料の存在している位置に第一の波長の光が照射されると、上述のように波長変換材料の波長変換物質が励起状態になり、その後に基底状態に戻る際に、第二の波長の光が高い強度で発せられる。高強度の第二の波長の光はそのまま光エネルギーデバイスの外部に出力されるか、光エネルギーデバイスで電流・電圧等に変換されて出力される、或いは機械等を作動させるエネルギー源になる。従って、照射された第一の波長の光が光エネルギーデバイス内で効率よく活用され、光エネルギーデバイスの出力が増大する。
上記の光エネルギーデバイスでは、通常、前記透明基材、透明電極、光電極、電解質、対向電極、対向基材がこの順に配置されてなる。この場合、透明基材の外方から光エネルギーデバイスの内部に向かって第一の波長の光が照射された際に、波長変換材料から高い強度の第二の波長の光が発せられ、光電極に照射されるので、光電極からより多くの電子が放出され、光エネルギーデバイスが作動する。従って、第一及び第二の波長の光をそれぞれ、例えば紫外光及び可視光に設定すれば、紫外光を照射することで光エネルギーデバイスが効率よく作動可能となる。
上記の光エネルギーデバイスでは、通常、透明基材、透明電極、半導体素子、対向電極がこの順に配置されてなる。この場合、透明電極又は対向電極の外方から光エネルギーデバイスの内部に向かって第一の波長の光が照射された際に、波長変換材料から高い強度の第二の波長の光が発せられ、半導体素子に照射されるので、半導体素子における電子及び正孔の移動量が増加し、光エネルギーデバイスが作動する。従って、第一及び第二の波長の光をそれぞれ、例えば紫外光及び可視光に設定すれば、紫外光を照射することで光エネルギーデバイスが効率よく作動可能となる。
また、本発明によれば、第一の波長の光を照射した際に波長変換材料から高い強度で第二の波長の光を発生させ、その光を効率よく活用する光エネルギーデバイスが提供される。
以下、本発明の第一実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態の波長変換材料1を示す模式図である。
以下、各構成要素について順次説明する。
図2は、波長変換物質2における光吸収と発光の原理を説明するための図である。図2に示すように、波長変換物質2に波長λ1且つエネルギーhνの光が入射すると、波長変換物質2の電子(図示略)がエネルギーE1の基底準位からエネルギーE3の励起準位に遷移する。このとき、エネルギーhνは、基底準位と励起準位のエネルギー差(E3−E1)より大きい。電子は、より安定になるべく、エネルギーE2の励起準位に遷移する。なお、このときE1<E2<E3の関係が成り立つ。続いて、電子は、エネルギーE2の励起準位から基底準位へと遷移する。この際に前記遷移に対応するエネルギーが波長λ2の光となって波長変換物質2の外方に向かって放出される。
なおまた、本実施形態において、波長変換物質2の吸収波長λ1及び発光波長λ2は、λ1<λ2の関係が成立すれば、特に制限されない。
担持体3が無機酸化物である場合、該無機酸化物は波長変換物質2よりも大きな体積を有し、且つ剛直なものとし易い。また、担持体3が無機酸化物である場合、表面3sに存在するOH基(水酸基)もしくは金属と波長変換物質2の官能基とが容易に化学結合することで、波長変換物質2が表面3sに連結した状態となっている。このような無機酸化物としては、例えばシリカ(SiO2)、酸化チタン(TiO2)、アルミナ(Al2O3)等が挙げられる。
第一の製造方法として、先ず波長変換物質2及び担持体3の各原料を所定の濃度の適当な溶媒に分散させて撹拌する。波長変換物質2が一度溶解し、凝集がない状態となり、官能基が起点となって徐々に担持体3に吸着していくので、一つの担持体3に対し、波長変換物質2が従来の手法よりも凝集を抑制した状態で、担持体3の表面3sの少なくとも一部に化学結合によって連結する。これにより、前記溶液中に波長変換材料1が形成される。この後、遠心分離機等を用いて溶媒から波長変換材料1を分離し、必要に応じて洗浄する。
図3は、本実施形態の光エネルギーデバイス20を示す模式図である。
先ず、公知の方法と同様に光電極27を作製する。次に、光の入射側の透明基材25の表面に波長変換材料1を塗布する。
この後、公知の色素増感型太陽電池の製造方法と同様の作業を行う。これにより、光エネルギーデバイス20が完成する。
図4は、本実施形態の光エネルギーデバイス30を示す模式図である。
透明電極32及び対向電極37は、例えば、光エネルギーデバイス20の透明電極26と同様の材質から構成されているが、特に限定されない。
一方、半導体36は、N型半導体から構成されている。N型半導体としては、例えばヒ素(As)やリン(P)等の五価の元素が微量にドープされたケイ素(Si)が挙げられる。
公知のシリコン半導体型太陽電池の製造方法と同様の作業を行い、透明基材31における光の入射側の板面に波長変換材料1を塗布する。これにより、光エネルギーデバイス30が完成する。
このような構成により、波長λ1の光が照射されると、個々の波長変換物質2の電子が波長λ1の光を吸収して基底状態から励起状態になる。この電子が励起状態から基底状態に戻る際に、波長変換物質2から波長λ2の光が発せられる。また、波長変換物質2が表面3sに化学結合によって強く結合している。従って、波長変換物質2の配置が安定的に保持されることで、波長変換物質2の凝集が抑制される。その結果、一の波長変換物質2から発せられた波長λ2の光が他の波長変換物質2に吸収されることなく、波長変換材料1の外方に向けて確実に放出される。そして、照射された波長λ1の光によって励起され、波長λ2の光を確実に高い強度で発する波長変換材料1が得られる。
このような構成により、部分的に電子密度の違いが生じることで反応活性点が生じるので、波長変換物質2と担持体3とが化学結合によって、より強固に連結する。従って、波長変換物質2の凝集がより抑制される。
また、本実施形態の波長変換材料1においては、波長変換物質2が、カルボン酸塩、リン酸塩、アミン塩、スルホン酸塩からなる群より選ばれた一種であることが好ましい。
上記の構成により、反応活性点が生じるので、波長変換物質2の表面3sへの吸着量の制御が容易になり、波長変換物質2の凝集がより抑制される。
このような構成により、波長変換物質2が担持体3により強固に連結する。
担持体3が無機酸化物である場合、波長変換物質2よりも体積が大きく、かつ剛直なものとすることができ、好ましい。また、一般的に無機酸化物の表面に存在するOH基(水酸基)もしくは金属元素と、波長変換物質2の官能基とが化学結合で結合できるので、波長変換物質2の吸着量の制御が容易になる。また、無機酸化物の組成を選択することで、担持体3が波長変換に該当する波長λ1の光を吸収しないようにすることができ、波長変換の効率の低下を抑制することができる。
また、担持体3が有機高分子の場合、高分子鎖に反応活性点を導入することで、波長変換物質2と化学結合で結合でき、波長変換物質2の吸着量の制御が容易になる。また、高分子の組成を選択することで、担持体3が波長λ1の光を吸収しないようにすることができ、波長変換の効率の低下を抑制することができる。
上記構成により、波長変換材料1の取り扱い及び製造が容易になる。
上記構成により、担持体3に多数の細孔があるので、予め担持体3を剛直に形成した上で、波長変換物質2を表面3sに担持させることで、波長変換物質2の吸着量の制御が容易になる。
このような構成により、波長変換物質2が紫外光を吸収し、紫外光よりも波長の長い可視光を発する。また、担持体3が可視光を殆ど吸収しないので、波長変換物質2が発した可視光が担持体で吸収され難く、より確実に波長変換材料1の外方に向かって放出される。
以下、本発明の第二実施形態について、図5を参照して説明する。
図5は、本実施形態の波長変換材料5を示す模式図である。
先ず、波長変換物質2、担持体3及び凝集抑制剤4の各原料を所定の濃度の適当な溶媒に分散させて撹拌する。この際、波長変換物質2が一度溶解して凝集がない状態となり、官能基が起点となって徐々に担持体3に吸着していくので、一つの担持体3に対し、従来の手法よりも凝集を抑制した状態で、波長変換物質2が担持体3の表面3sの少なくとも一部に化学結合によって連結する。また、凝集抑制剤4が隣接する波長変換物質の分子2,2の間に介在するようにして、担持体3の表面3sに化学結合によって連結する。これにより、前記溶液中に波長変換材料5が形成される。この後、遠心分離機等を用いて溶媒から波長変換材料5を分離し、必要に応じて洗浄する。
上記構成によれば、隣接する波長変換物質の分子2,2の間に凝集抑制剤4が介在するので、波長変換物質2間の距離が縮小することなく、保持される。即ち、波長変換物質2の分子同士がより近接し難く、波長変換物質2の凝集が確実に抑制される。従って、一の波長変換物質2から発せられた第二の波長λ2の光が他の波長変換物質2に吸収されることなく、波長変換材料5の外方に向けてより高い強度で確実に放出される。また、波長変換物質2同士のエネルギー移動によって励起エネルギーが失われて消光することもなく、光強度が低下することもない。
本実施形態の光エネルギーデバイス(図示略)は、光エネルギーデバイス20,30において波長変換材料1を波長変換材料5に置き換えたものである。
従って、本実施形態の光エネルギーデバイスは、光エネルギーデバイス20,30と同様の効果を奏する。また、波長変換物質2の凝集がより確実に抑制されているので、波長変換物質2から発せられた第二の波長λ2の光が他の波長変換物質2に吸収されることをより一層確実に防ぐことができる。
波長変換物質としての2−アントラセンカルボン酸(以下、AnCと略す)の濃度が0.3mMのアセトニトリル溶液10mlに担持体としての平均粒径1μmのシリカ微粒子を2g添加し、30分間撹拌した。得られた複合微粒子を遠心分離で溶媒から分離し、アセトニトリルで洗浄した。その後、10mlのアセトニトリルに1.5gのポリメタクリル酸メチル樹脂(以下、PMMAと略す)と5gの前記複合微粒子とを混合し、ガラス基板上にキャストし、膜厚50μmの複合膜を形成した。
AnCの代わりに1−ピレンカルボン酸(以下、PyCと略す)を用いること以外は実施例1と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例3)
AnCの代わりに2−6−ビス(トリエトキシシリル)アントラセン(以下、TESiAnと略す)を用いること以外は実施例1と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例4)
AnCの代わりに9−(ヒドロキシメチル)アントラセン(以下、HAnと略す)を用いること以外は実施例1と同様にして、複合膜を形成した。
担持体としての平均粒径20nmのシリカ微粒子をエチルセルロース、ターピネオールに混合し、スクリーン印刷にてガラス基板上に塗布した後、520℃で30分間焼成した。その後、ガラス基板を波長変換物質としてのAnCの濃度が0.3mMのアセトニトリル溶液に、30℃の環境下で18時間浸漬して複合膜を形成した。
AnCの代わりにPyCを用いること以外は実施例5と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例7)
AnCの代わりにTESiAnを用いること以外は実施例5と同様にして、複合膜を形成した。
波長変換物質としてのAnCの濃度が0.2mMであり且つHAの濃度が0.1mMであるアセトニトリル溶液10mlに、担持体としての平均粒径1μmのシリカ微粒子を2g添加し、30分間撹拌した。得られた複合微粒子を遠心分離で溶媒から分離し、アセトニトリルで洗浄した。その後、10mlのアセトニトリルに1.5gのPMMAと5gの前記複合微粒子とを混合し、ガラス基板上にキャストし、膜厚50μmの複合膜を形成した。
AnCの代わりにPyCを用いること以外は実施例8と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例10)
AnCの代わりにTESiAnを用いること以外は実施例8と同様にして、複合膜を形成した。
HAの代わりにDCを用いること以外は実施例8と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例12)
HAの代わりにDCを用いること以外は実施例9と同様にして、複合膜を形成した。
(実施例13)
HAの代わりにDCを用いること以外は実施例10と同様にして、複合膜を形成した。
AnCの代わりに下記化学式(7)で表されるアントラセンを用いること以外は実施例1と同様にして、複合膜を形成した。
AnCの代わりに下記化学式(8)で表されるピレン(Py)を用いること以外は実施例1と同様にして、複合膜を形成した。
10mlのトルエンに、1.5gのPMMAと、5mgのAnとを混合し、ガラス基板上にキャストし、膜厚50μmの複合膜を形成した。
(比較例4)
Anの代わりにPyを用いること以外は比較例3と同様にして、複合膜を形成した。
実施例1〜13及び比較例1〜4で形成した複合膜に波長365nmの光を照射し、分光器を用いて発光スペクトルを計測し、発光スペクトルのピーク強度もしくはショルダーのピーク強度(波長変換物質としてPyC又はPyを用いた場合)を比較した。各複合膜からの発光スペクトルのピーク強度に関する比較を行った結果を表1に示す。なお、表1において、「◎」は、測定対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度が比較対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度より10%以上増加した場合を示す。また、「○」は、測定対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度が比較対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度より2%以上10%未満増加した場合を示す。また、「△」は、測定対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度が比較対象の複合膜の発光スペクトルのピーク強度と略同等であった場合を示す。
発光スペクトルのピーク波長は、波長変換物質としてAnC,TESiAn,Anを用いた例(実施例1,3〜5,7,8,10,11,13と比較例1,3)では422nmであり、波長変換物質としてPyC,Pyを用いた例(実施例2,6,9,12と比較例2,4)では412nmであった。
従って、本発明を適用した波長変換材料に紫外光を照射した際に、波長変換材料からの発光強度が大きくなり、本発明の有効性が実証された。
Claims (14)
- 第一の波長の光を吸収し、前記第一の波長よりも長い第二の波長の光を発する波長変換物質と担持体とを備え、
前記波長変換物質が、前記担持体の表面の少なくとも一部に化学結合によって連結していることを特徴とする波長変換材料。 - 前記波長変換物質が官能基を少なくとも一つ以上有し、
前記官能基は、前記担持体と前記化学結合によって連結するヘテロ元素を含有していることを特徴とする請求項1に記載の波長変換材料。 - 前記官能基が、カルボキシ基、シリル基、ヒドロキシ基、リン酸基、アルデヒド基、アミノ基、アミド基、チオール基、スルホン基からなる群より選ばれた一種であることを特徴とする請求項2に記載の波長変換材料。
- 前記波長変換物質が、カルボン酸塩、リン酸塩、アミン塩、スルホン酸塩からなる群より選ばれた一種であることを特徴とする請求項3に記載の波長変換材料。
- 前記担持体が無機酸化物又は有機高分子であることを特徴とする請求項1〜4のうち何れか一項に記載の波長変換材料。
- 前記担持体は平均粒径が10nm以上100μm以下の微粒子であることを特徴とする請求項1〜5のうち何れか一項に記載の波長変換材料。
- 前記担持体が多孔質であることを特徴とする請求項1〜6のうち何れか一項に記載の波長変換材料。
- 前記波長変換物質の吸収波長領域が300nm以上400nm未満の範囲内にあり、且つ前記波長変換物質の発光波長領域が400nm以上800nm以下の範囲内にあり、前記担持体が400nm以上800nm以下の波長の光に対して吸収特性を持たないことを特徴とする請求項1〜7のうち何れか一項に記載の波長変換材料。
- 前記担持体の表面の少なくとも一部に、前記波長変換物質に隣り合って凝集抑制剤が化学結合によって連結していることを特徴とする請求項1〜8のうち何れか一項に記載の波長変換材料。
- 前記凝集抑制剤が官能基を少なくとも一つ以上有し、
前記官能基は、前記担持体と前記化学結合によって連結するヘテロ元素を含有していることを特徴とする請求項9に記載の波長変換材料。 - 前記波長変換物質の吸収波長領域が300nm以上400nm未満の範囲内にあり、且つ前記波長変換物質の発光波長領域が400nm以上800nm以下の範囲内にあり、前記担持体が400nm以上800nm以下の波長の光に対して吸収特性を持たず、前記凝集抑制剤が少なくとも350nmから800nm以下の波長の光に対して吸収特性を持たないことを特徴とする請求項9又は10に記載の波長変換材料。
- 請求項1〜11のうち何れか一項に記載の波長変換材料が用いられていることを特徴とする光エネルギーデバイス。
- 透明基材と、透明電極と、前記第二の波長の光が照射された際に電子を放出可能な光電極と、電解質と、対向電極と、対向基材とを備え、
前記透明基材、前記透明電極、前記光電極、前記電解質、前記対向電極、前記対向基材のうち少なくとも何れかが請求項1〜11のうち何れか一項に記載の前記波長変換材料を有していることを特徴とする光エネルギーデバイス。 - 透明基材と、透明電極と、半導体素子と、対向電極とを備え、
前記透明基材、前記透明電極、前記半導体素子、前記対向電極のうち少なくとも何れかが請求項1〜11のうち何れか一項に記載の前記波長変換材料を有していることを特徴とする光エネルギーデバイス。
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