JP2016051785A

JP2016051785A - 太陽電池

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Publication number: JP2016051785A
Application number: JP2014175843A
Authority: JP
Inventors: 進常; Jin Chang; 佑輝久家; Yuki Kuga; 青沈; Shen Qing; 太郎豊田; Taro Toyoda
Original assignee: University of Electro Communications NUC
Current assignee: University of Electro Communications NUC
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP6455915B2

Abstract

【課題】効率を改善したヘテロ接合型の太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池は、光透過性を有する基板と、前記基板の光入射面とは反対側の面に形成される導電膜と、前記導電膜に積層される正孔ブロック層と、前記正孔ブロック層に積層される、ｐｎヘテロ接合型の光電変換層と、前記光電変換層に積層される電極とを含み、前記光電変換層は、前記正孔ブロック層の光入射側とは反対側の面から前記光電変換層の厚さ方向に沿って伸延する複数のｎ型ロッドと、前記ｎ型ロッドを被覆する被覆層と、前記複数のｎ型ロッド同士の間、及び、前記複数のｎ型ロッドと前記電極との間に形成されるｐ型量子ドット層とを有し、前記ｎ型ロッドは、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、又はＳｎＯ２製であり、前記被覆層は、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＳ、又はＳｉＯ２製であり、前記ｐ型量子ドット層は、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、又はＣｕＩｎＳ２製である。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関する。

近年深刻化している環境問題やエネルギー資源問題の解決策の一つとして、尽きることのない太陽光エネルギーを利用する太陽電池の開発が盛んに行われている。現在の太陽電池の主流はシリコン太陽電池であるが、原料供給や製造コストが高いなど様々な問題を抱えている。その中で安価かつ高効率な次世代太陽電池の候補としてｐｎヘテロ接合太陽電池が注目を集めている。この太陽電池は、半導体量子ドット（ＱＤ）と呼ばれるナノスケールの半導体を光吸収材料に用いることで、その特異な性質を利用しシリコン太陽電池を上回る変換効率の達成が期待されている（例えば、非特許文献１参照）。

このような太陽電池は、ｎ型半導体とｐ型半導体を電極で挟んだ構造を有する。ｎ型半導体に酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの酸化物半導体を用い、ｐ型半導体として硫化鉛（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）量子ドットなどの１６族原子を用いたカルコゲナイド量子ドットが用いられる。この太陽電池の性能を決定する上で、量子ドットの種類や大きさにより決定される吸収領域の選択、ｎ型半導体の表面構造、それぞれの層の厚さが重要となっている。これまでの研究でｎ型半導体を平面膜ではなくＺｎＯナノロッド（ナノワイヤー）を適用しｐｎ界面の比表面積を増大させることで光電変換効率を向上させた報告がある（例えば、非特許文献２参照）。

M. C. Hanna and A. J. Nozik, Jour. Appl. Phys. 100, 074510 (2006). H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, T. Kinoshita, H. Segawa, Jour. Phys. Chem. Lett. 4, 2455 (2013)MIT News, David L. Chandler, MIT News Office, March 25, 2013

しかし、ＰｂＳ量子ドットとＺｎＯナノロッドとのｐｎ接合を含むヘテロ接合型の太陽電池においては、ｐｎ接合の界面準位に電荷がトラップされ、電子と正孔の再結合による電荷損失が生じるため、十分な開放電圧が得られていない。

このような界面準位による電荷のトラップは、主にＺｎＯナノロッドの表面の酸素欠損等による欠陥（表面欠陥）が原因であると考えられる。また、このような表面欠陥は、ＺｎＯの代替材料でナノロッドを作製した場合にも同様に生じ得るものであり、ＰｂＳの代替材料で量子ドットを作製した場合にも同様に生じ得る。

このため、上述のようなヘテロ接合型の太陽電池のエネルギー変換効率を改善するには、ｎ型のナノロッドの表面欠陥を低減することが必要である。

そこで、効率を改善したヘテロ接合型の太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の太陽電池は、光透過性を有する基板と、前記基板の光入射面とは反対側の面に形成される導電膜と、前記導電膜に積層される正孔ブロック層と、前記正孔ブロック層に積層される、ｐｎヘテロ接合型の光電変換層と、前記光電変換層に積層される電極とを含み、前記光電変換層は、前記正孔ブロック層の光入射側とは反対側の面から前記光電変換層の厚さ方向に沿って伸延する複数のｎ型ロッドと、前記ｎ型ロッドを被覆する被覆層と、前記複数のｎ型ロッド同士の間、及び、前記複数のｎ型ロッドと前記電極との間に形成されるｐ型量子ドット層とを有し、前記ｎ型ロッドは、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、又はＳｎＯ_２製であり、前記被覆層は、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、又はＳｉＯ_２製であり、前記ｐ型量子ドット層は、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、又はＣｕＩｎＳ_２製である。

光電変換効率を改善したヘテロ接合型の太陽電池を提供することができる。

実施の形態の太陽電池１００を示す図である。ＺｎＯナノロッド１４０の表面に形成される被覆層１５０を示すＴＥＭ写真を示す図である。蛍光強度スペクトル分布を示す図である。電流電圧特性を示す図である。電流電圧特性を示す図である。開放電圧の減衰特性を示す図である。暗電流特性を示す図である。暗電流特性を示す図である。

以下、本発明の太陽電池を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の太陽電池１００を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

太陽電池１００は、ｎ型のナノロッドとｐ型の量子ドットとを含む、いわゆるｐｎヘテロ接合型の太陽電池である。ここでは、一例としてｎ型のナノロッドとしてＺｎＯナノロッドを用い、ｐ型の量子ドットとしてＰｂＳ量子ドットを用いる形態について説明する。

太陽電池１００は、基板１１０、導電膜１２０、正孔ブロック層１３０、ＺｎＯナノロッド１４０、被覆層１５０、量子ドット層１６０、及び電極１７０を含む。図１（Ａ）、（Ｂ）では、太陽光は太陽電池１００の下面から入射する。

基板１１０は、太陽電池１００の光入射側に位置するため、太陽光を透過する透明な基板であればよい。基板１００としては、例えば、ガラス基板、又は、ポリカーボネート等の樹脂製の基板を用いることができる。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）では基板１１０の下面が光入射面である。

導電膜１２０は、基板１１０の光入射面とは反対側の面（図１（Ａ）、（Ｂ）における上面）に形成される。導電膜１２０は、例えば、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄＴｉｎＯｘｉｄｅ）、又は、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明な薄膜状の導電膜を用いることができる。

正孔ブロック層１３０は、導電膜１２０の光入射面とは反対側の面（図１（Ａ）、（Ｂ）における上面）に形成される。正孔ブロック層１３０は、ＺｎＯナノロッド１４０と量子ドット層１６０とで構成される光電変換層から導電膜１２０への正孔の流入を阻止するために設けられている。

正孔ブロック層１３０は、一例として、ＺｎＯ（酸化亜鉛）で作製される。正孔ブロック層１３０は、例えば、導電膜１２０の上にスピンコート法によってＺｎＯの原料溶液を塗布し、加熱処理を行うことによって作製することができる。加熱処理は、例えば、１００℃〜２５０℃程度で行えばよい。ここでは、１５０℃で行ってＺｎＯ膜を作製する。

なお、ＺｎＯの原料溶液としては、２−メトキシエタノール（Ｃ_３Ｈ_８Ｏ_２）溶液中に酢酸亜鉛二水和物（Ｚｎ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２・２Ｈ_２Ｏ）とエタノールアミン（Ｃ_２Ｈ_７ＮＯ）を溶解して、それぞれの濃度が１０ｍＭとなるように調整した混合溶液を用いた。

ＺｎＯナノロッド１４０は、正孔ブロック層１３０の光入射面とは反対側の面（図１（Ａ）、（Ｂ）における上面）から、太陽電池１００の厚さ方向に伸延するように形成される。ＺｎＯナノロッド１４０は、量子ドット層１６０と光電変換層を構築する。ＺｎＯナノロッド１４０は、光電変換層のｎ層である。

ＺｎＯナノロッド１４０は、例えば、純水中に硝酸亜鉛六水和物（Ｚｎ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）とヘキサメチレンテトラミン（Ｃ_６Ｈ_１２Ｎ_４）を溶解して、それぞれの濃度が２５ｍＭとなるように調整した混合水溶液を用い、基板１１０、導電膜１２０、及び正孔ブロック層１３０の積層体を、９０℃に加熱した混合水溶液に含浸させた状態で数時間結晶成長させた後、電気炉で加熱処理を３５０℃ですることにより、正孔ブロック層１３０の表面に形成させることができる。

ＺｎＯナノロッド１４０は、正孔ブロック層１３０の上面から上方に伸延するようにロッド状（棒状）に成長する。ＺｎＯナノロッド１４０の太さ、長さ、及び成長方向は、加熱温度や混合溶液の濃度等の作製条件によって変化するため、これらのパラメータを最適化して成長させればよい。

また、図１（Ａ）、（Ｂ）には、説明の便宜上、ＺｎＯナノロッド１４０が正孔ブロック層１３０の上面に対して垂直な方向に伸延している状態を示すが、実際のＺｎＯナノロッド１４０は、正孔ブロック層１３０の上面に対する垂直な方向に対して湾曲するように成長する場合がある。ここでは、このような成長方向を光電変換層の厚さに沿った方向と称す。

なお、ここでは、ナノロッドと称すが、ナノワイヤーとして捉えることもできる。

被覆層１５０は、ＺｎＯナノロッド１４０の側面と先端面とを被覆するＴｉＯ_２（酸化チタン）膜である。被覆層１５０として用いるＴｉＯ_２膜は、例えば、原料としてヘキサフルオロチタン酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＴｉＦ_６）、ホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）混合溶液を１ｍＭ〜５ｍＭの濃度で用いる。このとき濃度比１：１にて作製を行ったが、この濃度比は最適化して用いれば良い。基板１１０、導電膜１２０、及び正孔ブロック層１３０、ナノロッド１４０までを積層した基板をＴｉＯ_２の原料溶液に数秒から数分間室温下にて含浸させ、取り出した後、電気炉で加熱処理を２５０℃〜４５０℃にて行うことにより作製することができる。含浸溶液温度や時間、電気炉の温度はここではそれぞれ１０℃、５秒、３５０℃とした。なお、ＴｉＯ_２膜は、気相薄膜形成法（ＡＬＤ法等）で作製してもよい。

量子ドット層１６０は、ＰｂＳ（硫化鉛）で作製される。量子ドット層１６０は、ＺｎＯナノロッド１４０と光電変換層を構築する。ＺｎＯナノロッド１４０は、光電変換層のｎ層である。

量子ドット層１６０は、多数のＺｎＯナノロッド１４０同士の間を埋めるように、かつ、すべてのＺｎＯナノロッド１４０の上方に位置するように形成される。量子ドット層１６０は、例えば、ＰｂＳを正孔ブロック層１３０の上面のＺｎＯナノロッド１４０同士の間にスピンコート法によって塗布し、さらにＣＴＡＢ（Ｃｅｔｒｉｍｏｎｉｕｍｂｒｏｍｉｄｅ）を滴下し、スピンコート法で均一化させて配位子交換を行い、さらにメタノール等のリンス溶液を滴下してスピンコート処理を行うことによって作製される。

このような処理を複数回に分けて実施することにより、量子ドット層１６０を少しずつ厚くするように形成すればよい。最終的に得られる量子ドット層１６０の上面は、ＺｎＯナノロッド１４０が表出することなく、ＰｂＳのみによって構成される。

電極１７０は、量子ドット層１６０の上面に形成される。電極１７０は、例えば、金薄膜であり、光入射方向において最も奥に位置する。

図２は、ＺｎＯナノロッド１４０の表面に形成される被覆層１５０を示すＴＥＭ写真を示す図である。

図２（Ａ）には、被覆層１５０を形成する前の状態における、太さ（直径）３４ｎｍのＺｎＯナノロッド１４０を示す。図２（Ａ）にはＺｎＯナノロッド１４０の表面が鮮明に写っており、ＺｎＯの格子定数は、０．２６ｎｍである。

図２（Ｂ）には、被覆層１５０を形成したＺｎＯナノロッド１４０を示す。図２（Ｂ）のＴｉＯ_２膜による被覆層１５０は、図２（Ａ）のＺｎＯナノロッド１４０を、２．５ｍＭのＴｉＯ_２の原料溶液で５秒間含浸処理した後、電気炉において３５０℃で加熱処理をすることによって作製された。

図２（Ａ）に比べると、ＺｎＯナノロッド１４０の表面に分子が付着していることが分かる。これがＴｉＯ_２製の被覆層１５０である。ＺｎＯナノロッド１４０の太さ（直径）が３４ｎｍに対し、約３ｎｍ〜５ｎｍ程度のＴｉＯ_２膜をＺｎＯナノロッド１４０の側面及び先端面に形成できることが確認できた。

次に、被覆層１５０の作製条件の異なる複数の太陽電池１００を作製し、蛍光強度スペクトル分布、電流電圧特性、開放電圧の減衰特性を測定した。被覆層１５０の作製条件は、溶液の濃度と処理時間を複数種類用意した。また、比較用に被覆層１５０を作製しない太陽電池も作製した。

ここでは、１．０ｍＭ、１．５ｍＭ、５．０ｍＭ、１２．５ｍＭの濃度のＴｉＯ_２の原料溶液に５秒間の含浸処理を行って被覆層１５０を作製した太陽電池１００をＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠１２．５ｍＭＴｉＯ_２と記す。

また、２５．０ｍＭの濃度のＴｉＯ_２の原料溶液に、２０秒、１分、２分の含浸処理を行って被覆層１５０を作製した太陽電池１００をＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎと記す。

被覆層１５０の膜厚は、ＴｉＯ_２の原料溶液に含浸する処理時間が長いほど厚くなり、また、原料溶液濃度が濃くなるほど厚くなると考えられる。このため、ここでは、上述のように原料溶液濃度と処理時間を変えることにより、被覆層１５０の膜厚が異なる複数の太陽電池１００の性能を比較する。

なお、被覆層１５０を含まない比較用の太陽電池をＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２と表す。

図３は、蛍光強度スペクトル分布を示す図である。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）である。

被覆層１５０を含まない比較用の太陽電池ＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２と、ＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００とを比べると、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の発光強度が６００ｎｍ前後の波長帯域で高いのに対して、ＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００では、この波長帯域における発光強度が約７５％低減されている。この波長帯域は、ＺｎＯの表面欠陥に由来する発光が生じる帯域である。

このため、ＴｉＯ_２製の被覆層１５０を形成することにより、ＺｎＯナノロッド１４０の表面における酸素欠損等による欠陥が埋められたものと考えられる。

すなわち、酸素の格子欠陥が電子と正孔の再結合中心となって光励起キャリアが効率的に膜中を移動できていないことが解消され、太陽電池に適するｎ型層をＺｎＯナノロッド１４０と被覆層１５０で実現することができる。

図４は、電流電圧特性を示す図である。また、表１は、図４に対応するＴｉＯ_２の原料溶液濃度、処理時間、短絡電流Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ^２）、開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）、ＰＣＥ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）（％）を示す。なお、太陽電池１００における被覆層１５０を作製するための処理時間は、すべて５秒である。

被覆層１５０を含まない比較用の太陽電池ＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２と、ＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠１２．５ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００とを比べると、次の通りであった。

短絡電流Ｊｓｃについては、被覆層１５０を含む太陽電池１００の短絡電流Ｊｓｃ（２３．５±１．０ｍＡ／ｃｍ^２〜２６．５±１．０ｍＡ／ｃｍ^２）が、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の短絡電流Ｊｓｃ（２８．７±０．６ｍＡ／ｃｍ^２）よりも少し低いことが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が１２．５ｍＭ以上になると、短絡電流Ｊｓｃが低下する傾向があることが分かった。

また、開放電圧Ｖｏｃについては、被覆層１５０を含む太陽電池１００の開放電圧Ｖｏｃ（０．４２±０．０１Ｖ〜±０．０５Ｖ）が、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（０．２８±０．０２Ｖ）よりも少し高いことが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度による影響は比較的小さいことが分かった。

ＦＦについては、ＺｎＯ＠１２．５ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００（０．４３±０．０１）は、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（０．４３±０．０１）と等しいが、ＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００のＦＦ（０．４５±０．００２〜±０．４６±０．０１）は、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（０．４３±０．０１）よりも少し高いことが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が１２．５ｍＭ未満の場合に、ＦＦが増大する傾向があることが分かった。

以上より、ＰＣＥについては、被覆層１５０を含む太陽電池１００（４．１±０．１５％〜５．１±０．１５％）が、被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（３．５±０．１５％）よりも改善されていることが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が１２．５ｍＭ未満の場合に、ＰＣＥが増大する傾向があることが分かった。

このようなＰＣＥの改善は、主に、図４に示すように開放電圧が矢印のように向上したことによって得られたものと考えられる。

図５は、電流電圧特性を示す図である。また、表２は、図５に対応するＴｉＯ_２の原料溶液濃度、処理時間、短絡電流Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ^２）、開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）、ＦＦ（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ）、ＰＣＥ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）（％）を示す。

ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎの太陽電池１００は、短絡電流Ｊｓｃが２０．３ｍＡ／ｃｍ^２、１３．１ｍＡ／ｃｍ^２、６．１６ｍＡ／ｃｍ^２であり、図４及び表１に示す太陽電池１００の短絡電流Ｊｓｃ（２３．５±１．０ｍＡ／ｃｍ^２〜２６．５±１．０ｍＡ／ｃｍ^２）よりも少し低下することが分かった。この傾向は、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が増大するにつれて顕著になった。

また、開放電圧Ｖｏｃについては、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎの太陽電池１００では、０．４２Ｖ、０．４４Ｖ、０．４４Ｖであり、図４及び表１に示す被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（０．２８±０．０２Ｖ）よりも改善され、太陽電池１００の開放電圧Ｖｏｃ（０．４２±０．０１Ｖ〜±０．０５Ｖ）と略等しいか、やや上昇することが分かった。

ＦＦについては、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎの太陽電池１００では、０．４３、０．４２、０．３９であり、図４及び表１に示す被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２（０．４３±０．０１）と略等しいレベルの値であり、太陽電池１００のＦＦ（０．４５±０．００２〜±０．４６±０．０１）に比べると、少し低下することが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が増大するほど、この傾向は顕著になった。

以上より、ＰＣＥについては、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎの太陽電池１００では、３．７％、２．４％、１．０％であり、図４及び表１に示す太陽電池１００のＰＣＥ（４．１±０．１５％〜５．１±０．１５％）に比べると、明らかに低下することが分かった。また、ＴｉＯ_２の原料溶液濃度が増大するほど、この傾向は顕著であり、図５に矢印で示す通りである。

以上より、被覆層１５０をＺｎＯナノロッド１４０の表面に形成することにより、短絡電流Ｊｓｃと開放電圧Ｖｏｃが増大してＦＦが増大され、ＰＣＥが改善されることが分かった。

また、電流値を稼ぐには、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎで得られる被覆層１５０の膜厚よりも、処理時間５秒でＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠１２．５ｍＭＴｉＯ_２の濃度に設定して得られる被覆層１５０の膜厚の方が適していることが分かった。

図６は、開放電圧の減衰特性を示す図である。この特性は、図４の電流電圧特性を得たＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００と、ＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の比較用の太陽電池とについて、瞬間的に光照射を行い、その後光を遮断して暗室に放置することにより、開放電圧の減衰特性を測定した。

測定開始から５０ミリ秒が経過した時点で瞬間的に光照射を行うと、開放電圧が立ち上がり、光を遮断すると電圧が減衰する。

被覆層１５０を含まないＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の比較用の太陽電池に比べて、ＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００は、減衰が緩やかであり、特に、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００が最も緩やかな減衰特性を示すことが分かった。

また、電子の寿命を測定したところ、開放電圧が０．１０Ｖの状態で、ＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の比較用の太陽電池では１．５ミリ秒であるのに対して、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００では、８５ミリ秒まで長寿命化されていることが分かった。

これは、光を遮断して新たなキャリアが生成されなくなった状態で、電子がＺｎＯナノロッド１４０の表面欠陥に捕らわれ難くなったためと考えられる。

以上より、被覆層１５０の厚さは、上述の作製条件の中では、５．０ｍＭのＴｉＯ_２の原料溶液を用いて、５秒間の含浸処理を行った場合が最良であることが分かった。５．０ｍＭのＴｉＯ_２の原料溶液を用いて、５秒間の含浸処理を行った場合に得られる被覆層１５０の厚さは、約１０ｎｍである。従って、被覆層１５０の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

図７は、暗電流特性を示す図である。図７に示す暗電流特性は、図４の電流電圧特性を得たＺｎＯ＠１．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠２．５ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠５．０ｍＭＴｉＯ_２、ＺｎＯ＠１２．５ｍＭＴｉＯ_２の太陽電池１００と、ＷｉｔｈｏｕｔＴｉＯ_２の比較用の太陽電池とについて計測したものである。

図７に示すように、太陽電池１００の暗電流特性は、比較用の太陽電池の暗電流特性に比べて改善されており、閾値電圧が約０．２Ｖ増大している。

図８は、暗電流特性を示す図である。図８に示す暗電流特性は、図５の電流電圧特性を得たＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２０ｓ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／１ｍｉｎ、ＺｎＯ＠２５．０ｍＭＴｉＯ_２／２ｍｉｎの太陽電池１００について計測したものである。

図８に示すように、太陽電池１００の暗電流特性は、図７に示す比較用の太陽電池の暗電流特性に比べて改善されており、閾値電圧が０．２Ｖ以上増大している。

図７及び図８より、実施の形態の太陽電池１００は、ＺｎＯナノロッド１４０の側面及び先端面に、ＴｉＯ_２膜で実現される被覆層１５０を形成することにより、ＺｎＯの表面における表面欠陥が埋められて、電子が表面欠陥にトラップされにくくすることができる。

これにより、本実施の形態によれば、効率を改善したヘテロ接合型の太陽電池１００を提供することができる。この太陽電池１００は、ｎ型層としてＺｎＯナノロッド１４０を含み、ｐ型層として量子ドット層１６０を含む、ｐｎヘテロ接合型の太陽電池である。

以上、実施の形態では、ＺｎＯの表面欠陥をＴｉＯ_２薄膜コーティングにより減少させ、ｐｎヘテロ接合型の太陽電池１００の開放電圧を向上させることで、光電変換性能の向上を達成することができた。

なお、以上では、ナノロッドとして、ＺｎＯナノロッド１４０を用いる形態について説明した。しかしながら、ナノロッドはＺｎＯに限られず、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３又はＳｎＯ_２で作製されていてもよい。この場合には、正孔ブロック層１３０も同一の材料で作製すればよい。

また、以上では、被覆層１５０がＴｉＯ_２製である形態について説明した。しかしながら、被覆層１５０は、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、又はＳｉＯ_２で作製されていてもよい。

また、以上では、量子ドット層１６０がＰｂＳ製である形態について説明した。しかしながら、量子ドット層１６０は、ＰｂＳｅ又はＣｕＩｎＳ_２で作製されていてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の太陽電池について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００太陽電池
１１０基板
１２０導電膜
１３０正孔ブロック層
１４０ＺｎＯナノロッド
１５０被覆層
１６０量子ドット層
１７０電極

Claims

光透過性を有する基板と、
前記基板の光入射面とは反対側の面に形成される導電膜と、
前記導電膜に積層される正孔ブロック層と、
前記正孔ブロック層に積層される、ｐｎヘテロ接合型の光電変換層と、
前記光電変換層に積層される電極と
を含み、
前記光電変換層は、
前記正孔ブロック層の光入射側とは反対側の面から前記光電変換層の厚さ方向に沿って伸延する複数のｎ型ロッドと、
前記ｎ型ロッドを被覆する被覆層と、
前記複数のｎ型ロッド同士の間、及び、前記複数のｎ型ロッドと前記電極との間に形成されるｐ型量子ドット層とを有し、
前記ｎ型ロッドは、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、又はＳｎＯ_２製であり、
前記被覆層は、ＴｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＳ、又はＳｉＯ_２製であり、
前記ｐ型量子ドット層は、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、又はＣｕＩｎＳ_２製である、太陽電池。
前記被覆層の厚さは、１０ｎｍ以下である、請求項１記載の太陽電池。