JP2016162890A - Photoelectric conversion element, photoelectric conversion device and method for manufacturing photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element, photoelectric conversion device and method for manufacturing photoelectric conversion element Download PDF

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photoelectric conversion
hole transport
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electron transport
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三澤 弘明
Hiroaki Misawa
弘明 三澤
圭佑 中村
Keisuke Nakamura
圭佑 中村
友也 押切
Tomoya Oshikiri
友也 押切
貢生 上野
Tsuguo Ueno
貢生 上野
満 渡邉
Mitsuru Watanabe
満 渡邉
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Hokkaido University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: A photoelectric conversion element 100 includes: an electron transport layer 110 containing a dopant; a hole transport layer 130 containing an additive material acting as a hole acceptor; metal bodies 150 disposed to be separated as islands, along an interface between the electron transport layer 110 and the hole transport layer 130. When light is applied from a side of the hole transport layer 130, electronic vibration (plasmon resonance) is induced in each island of the metal bodies 150, charge separation is caused in each island of the metal bodies 150, and photoelectric conversion is performed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子、光電変換装置、および光電変換素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element, a photoelectric conversion device, and a method for manufacturing a photoelectric conversion element.

近年、地球規模で環境問題およびエネルギー問題が顕在化されつつあり、光触媒および太陽電池などの光エネルギー変換系の構築に関する研究が注目されている。このような光エネルギー変換系の一種としてシリコン太陽電池が広く用いられている。   In recent years, environmental problems and energy problems have become apparent on a global scale, and research on the construction of photoenergy conversion systems such as photocatalysts and solar cells has attracted attention. Silicon solar cells are widely used as a kind of such light energy conversion systems.

しかしながら、このシリコン太陽電池の光電変換効率の理論的な限界は、約30%であり、シリコン太陽電池は効率の高いエネルギー変換とは言い難い。また、太陽電池としては、色素増感太陽電池、および異なるバンドギャップを有する半導体を積層させたタンデム型太陽電池などが開発されているが、これらの太陽電池には、光電変換可能な波長域が限定されるという問題、あるいは製造工程が複雑化するといった問題がある。   However, the theoretical limit of the photoelectric conversion efficiency of this silicon solar cell is about 30%, and it is difficult to say that the silicon solar cell is highly efficient energy conversion. Further, as solar cells, dye-sensitized solar cells and tandem solar cells in which semiconductors having different band gaps are stacked have been developed. These solar cells have a wavelength range capable of photoelectric conversion. There is a problem that it is limited or a manufacturing process becomes complicated.

本願発明者らは、これまでに局在表面プラズモンを用いた湿式の光電変換系(特許文献1)および固体太陽電池(特許文献2)の構築に成功している。   The present inventors have succeeded in the construction of a wet photoelectric conversion system (Patent Document 1) and a solid solar cell (Patent Document 2) using localized surface plasmons so far.

国際公開第2011/027830号International Publication No. 2011/027830 特開2014−67988号公報JP 2014-67988 A

しかしながら、特許文献2に記載の光電変換装置では、材料科学的観点から見ると、各構成部材、特にホール輸送層の特性が十分であるとは言い難い。また、このため、特許文献2に記載の光電変換装置においても、光電変換効率は未だ不十分である。   However, in the photoelectric conversion device described in Patent Document 2, it is difficult to say that the characteristics of each component, particularly the hole transport layer, are sufficient from the viewpoint of material science. For this reason, the photoelectric conversion efficiency described in Patent Document 2 is still insufficient.

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、より高い光電変換効率を有する光電変換素子を提供することを目的とする。また本発明では、そのような光電変換素子を有する光電変換装置を提供することを目的とする。さらに本発明では、そのような光電変換素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element having higher photoelectric conversion efficiency. Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having such a photoelectric conversion element. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for producing such a photoelectric conversion element.

本発明では、
ドーパントを含む電子輸送層と、
前記電子輸送層に接するように配置され、ホールアクセプタとして作用する添加材を含むホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の界面に沿って、島状に分離して配置された金属体と、
を備える光電変換素子が提供される。
In the present invention,
An electron transport layer containing a dopant;
A hole transport layer including an additive disposed so as to contact the electron transport layer and acting as a hole acceptor;
A metal body arranged in an island shape along the interface between the electron transport layer and the hole transport layer, and
A photoelectric conversion element is provided.

また、本発明では、前述のような特徴を有する光電変換素子と、
前記電子輸送層と電気的に接続された第1の導電性部材と、
前記ホール輸送層と電気的に接続された第2の導電性部材と、
を有する、光電変換装置が提供される。
Further, in the present invention, a photoelectric conversion element having the characteristics as described above,
A first conductive member electrically connected to the electron transport layer;
A second conductive member electrically connected to the hole transport layer;
A photoelectric conversion device is provided.

さらに、本発明では、光電変換素子の製造方法であって、
(1)ドーパントを含む電子輸送層を準備するステップと、
(2)前記電子輸送層上に、金属体を島状に分離して配置するステップと、
(3)前記電子輸送層上に、前記金属体を覆うようにホール輸送層を成膜するステップと、
を有し、
前記ホール輸送層は、ホールアクセプタとして作用する添加材を含む、光電変換素子の製造方法が提供される。
Furthermore, in the present invention, a method for producing a photoelectric conversion element,
(1) providing an electron transport layer containing a dopant;
(2) A step of separating and arranging a metal body in an island shape on the electron transport layer;
(3) forming a hole transport layer on the electron transport layer so as to cover the metal body;
Have
The hole transport layer includes a manufacturing method of a photoelectric conversion element including an additive that acts as a hole acceptor.

本発明では、より高い光電変換効率を有する光電変換素子を提供することができる。また本発明では、そのような光電変換素子を有する光電変換装置を提供することができる。さらに本発明では、そのような光電変換素子の製造方法を提供することができる。   In the present invention, a photoelectric conversion element having higher photoelectric conversion efficiency can be provided. In the present invention, a photoelectric conversion device having such a photoelectric conversion element can be provided. Furthermore, in this invention, the manufacturing method of such a photoelectric conversion element can be provided.

本発明の一実施形態による光電変換素子の断面の一例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically an example of the cross section of the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による光電変換素子を備える光電変換装置の断面の一例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically an example of the cross section of a photoelectric conversion apparatus provided with the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による光電変換素子の製造方法の一例を模式的に示したフロー図である。It is the flowchart which showed typically an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention. 実施例1における酸化チタン基板の表面形態の一例を示した写真である。2 is a photograph showing an example of a surface form of a titanium oxide substrate in Example 1. FIG. 実施例1に係る光電変換装置において得られた電流−電圧曲線の一例を示した図である。3 is a diagram illustrating an example of a current-voltage curve obtained in the photoelectric conversion device according to Example 1. FIG. 実施例2に係る光電変換装置において得られた電流−電圧曲線の一例を示した図である。6 is a diagram showing an example of a current-voltage curve obtained in the photoelectric conversion device according to Example 2. FIG. 比較例1に係る光電変換装置において得られた電流−電圧曲線の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the current-voltage curve obtained in the photoelectric conversion apparatus which concerns on the comparative example 1. FIG. 各光電変換装置において算定された波長と内部変換効率IPCE(%)の関係を、まとめて示した図である。It is the figure which showed collectively the relationship between the wavelength calculated in each photoelectric conversion apparatus, and internal conversion efficiency IPCE (%).

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(本発明の一実施形態による光電変換素子)
図1には、本発明の一実施形態による光電変換素子の断面の一例を模式的に示す。
(Photoelectric Conversion Element According to One Embodiment of the Present Invention)
In FIG. 1, an example of the cross section of the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention is typically shown.

図1に示すように、本光電変換素子100は、電子輸送層110と、ホール輸送層130と、金属体150とを有する。   As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element 100 includes an electron transport layer 110, a hole transport layer 130, and a metal body 150.

電子輸送層110は、第1の表面112および第2の表面114を有する。電子輸送層110は、例えば、ドーパントを含む電子輸送体、例えばn型半導体で構成される。電子輸送層110の第1の表面112には、ホール輸送層130が配置される。また、電子輸送層110とホール輸送層130の間には、金属体150が島状に分離して配置される。金属体150の各島は、微細な寸法で構成され、例えばナノレベルのオーダーの寸法を有する。   The electron transport layer 110 has a first surface 112 and a second surface 114. The electron transport layer 110 is made of, for example, an electron transporter including a dopant, for example, an n-type semiconductor. A hole transport layer 130 is disposed on the first surface 112 of the electron transport layer 110. In addition, the metal body 150 is disposed between the electron transport layer 110 and the hole transport layer 130 in an island shape. Each island of the metal body 150 is configured with fine dimensions, for example, dimensions on the order of nanometers.

次に、この光電変換素子100の動作について説明する。   Next, the operation of the photoelectric conversion element 100 will be described.

光電変換素子100において、ホール輸送層130の側から光が照射されると、金属体150の各島において電子振動(プラズモン共鳴)が誘起される。また、これにより、金属体150の各島内で電荷分離が生じ、電子とホールが発生する。電荷分離によって生じた電子は、電子輸送層110の伝導帯(コンダクションバンド)に移動し、ホールは、ホール輸送層130の価電子帯に移動する。その結果、光電変換素子100を外部負荷に接続した場合、電子輸送層110とホール輸送層130の間を循環して流れる光電流を発生させることができる。   In the photoelectric conversion element 100, when light is irradiated from the hole transport layer 130 side, electronic vibration (plasmon resonance) is induced in each island of the metal body 150. This also causes charge separation in each island of the metal body 150, generating electrons and holes. Electrons generated by the charge separation move to the conduction band (conduction band) of the electron transport layer 110, and the holes move to the valence band of the hole transport layer 130. As a result, when the photoelectric conversion element 100 is connected to an external load, a photocurrent that circulates between the electron transport layer 110 and the hole transport layer 130 can be generated.

特に、光電変換素子100では、金属体150が微細な島状に配置されている。このため、金属体150は、様々な波長の光を捕集することができ、捕集した光を局在化させて増幅させる光アンテナとして機能する。   In particular, in the photoelectric conversion element 100, the metal bodies 150 are arranged in a fine island shape. Therefore, the metal body 150 can collect light of various wavelengths and functions as an optical antenna that localizes and amplifies the collected light.

例えば、金属体150の寸法および/または配置等を制御して、金属体150のプラズモン共鳴波長が可視光領域または近赤外光領域となるように構成した場合、電子輸送層110単独では透過してしまうような波長の光を利用して、光電変換反応を進行させることが可能となる。また、プラズモン共鳴波長が太陽エネルギーの波長帯域と一致するように金属体150の構成を設計すれば、太陽エネルギーをより効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。   For example, when the size and / or arrangement of the metal body 150 is controlled so that the plasmon resonance wavelength of the metal body 150 is in the visible light region or the near infrared light region, the electron transport layer 110 alone is transmitted. It is possible to advance the photoelectric conversion reaction using light having such a wavelength. In addition, if the configuration of the metal body 150 is designed so that the plasmon resonance wavelength matches the wavelength band of solar energy, it is possible to convert solar energy into electric energy more efficiently.

ここで、本光電変換素子100において、ホール輸送層130は、ホールアクセプタとして作用する添加材を含むという特徴を有する。   Here, in the photoelectric conversion element 100, the hole transport layer 130 has a feature of including an additive that acts as a hole acceptor.

このような添加材を含むホール輸送層130では、添加材を含まないホール輸送層に比べて、各島内で電荷分離によって生じたホールを、より効果的にホール輸送層130の側に引き出すことができる。また、ホール輸送層130に含まれる添加剤により、ホール輸送層130におけるキャリア(ホール)濃度そのものを増加させることができ、これによりホール輸送効率を高めることも可能となる。   In the hole transport layer 130 including such an additive, holes generated by charge separation in each island can be more effectively drawn out toward the hole transport layer 130 than in a hole transport layer including no additive. it can. Further, the carrier (hole) concentration itself in the hole transport layer 130 can be increased by the additive contained in the hole transport layer 130, thereby improving the hole transport efficiency.

同様に、光電変換素子100において、電子輸送層110は、ドーパントを含んでいる。このため、光電変換素子100の作動時に、金属体150の各島内で電荷分離によって生じた電子を、より効果的に電子輸送層110の側に引き出すことができる。また、電子輸送層110におけるキャリア(電子)濃度を高めることができる。   Similarly, in the photoelectric conversion element 100, the electron transport layer 110 contains a dopant. For this reason, when the photoelectric conversion element 100 is operated, electrons generated by charge separation in each island of the metal body 150 can be more effectively drawn out to the electron transport layer 110 side. In addition, the carrier (electron) concentration in the electron transport layer 110 can be increased.

本光電変換素子100では、このような効果により、従来の光電変換素子に比べて光電変換効率を有意に高めることが可能となる。   In the present photoelectric conversion element 100, the photoelectric conversion efficiency can be significantly increased as compared with the conventional photoelectric conversion element due to such effects.

特に、光電変換素子100では、ホール輸送層130中の添加材および電子輸送層110中のドーパントの量を調整することにより、比較的容易に光電変換素子100の開放電圧(VOC)および短絡電流等を制御することが可能となる。さらに、光電変換素子100では、所望の波長の光に対して、光電変換効率の最適化を容易に行うことが可能となる。 In particular, in the photoelectric conversion element 100, by adjusting the amount of the additive in the hole transport layer 130 and the amount of the dopant in the electron transport layer 110, the open-circuit voltage (V OC ) and the short-circuit current of the photoelectric conversion element 100 can be relatively easily adjusted. Etc. can be controlled. Furthermore, in the photoelectric conversion element 100, it is possible to easily optimize the photoelectric conversion efficiency for light having a desired wavelength.

(本発明の一実施形態による光電変換素子の構成部材)
次に、本発明の一実施形態による光電変換素子に含まれる各構成部材について、より詳しく説明する。なお、ここでは、一例として、図1に示した光電変換素子100の構成を例に、各構成部材について説明する。従って、各構成部材を参照する際には、図1に使用した参照符号を使用する。ただし、以降の記載が、本発明による別の構成の光電変換素子においても同様に適用できることは、当業者には明らかである。
(Constituent Member of Photoelectric Conversion Element According to One Embodiment of the Present Invention)
Next, each component included in the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention will be described in more detail. Here, as an example, each constituent member will be described using the configuration of the photoelectric conversion element 100 illustrated in FIG. 1 as an example. Therefore, when referring to each constituent member, the reference numerals used in FIG. 1 are used. However, it will be apparent to those skilled in the art that the following description can be similarly applied to photoelectric conversion elements having other configurations according to the present invention.

(金属体150)
前述のように、金属体150は、電子輸送層110とホール輸送層130の間に、「島状」に配置される。すなわち、金属体150は、光電変換素子100を上面(電子輸送層110の第2の表面の側)から見たとき、複数の微細な島として配置される。
(Metal body 150)
As described above, the metal body 150 is arranged in an “island shape” between the electron transport layer 110 and the hole transport layer 130. That is, the metal body 150 is arranged as a plurality of fine islands when the photoelectric conversion element 100 is viewed from the upper surface (the second surface side of the electron transport layer 110).

各島を上面から見たときの寸法(以下、「最大寸法」と称する)は、例えば、1nm〜200nmの範囲である。各島の「最大寸法」は、例えば、10nm〜100nmの範囲であることが好ましい。   The dimension when each island is viewed from above (hereinafter referred to as “maximum dimension”) is, for example, in the range of 1 nm to 200 nm. The “maximum dimension” of each island is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, for example.

また、金属体150の各島の三次元形態は、特に限られない。各島は、例えば、略半球状、略円柱状、略楕円柱状、略角柱(例えば三角柱、四角柱、または多角柱(五角柱、六角柱…)など)状、略円錐状、略楕円錐状、略角錐(例えば三角錐、四角錐、または多角錐(五角錐、六角錐…)など)状であっても良い。   Moreover, the three-dimensional form of each island of the metal body 150 is not particularly limited. Each island has, for example, a substantially hemispherical shape, a substantially cylindrical shape, a substantially elliptical columnar shape, a substantially prismatic shape (for example, a triangular prism, a quadrangular column, or a polygonal column (pentagonal prism, hexagonal column ...)), a substantially conical shape, and a substantially elliptical cone shape. The shape may be a substantially pyramid (for example, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, or a polygonal pyramid (pentagonal pyramid, hexagonal pyramid ...)).

各島の高さは、特に限られないが、例えば1nm〜50nmの範囲であっても良い。   The height of each island is not particularly limited, but may be in the range of 1 nm to 50 nm, for example.

なお、金属体150のある島の形状および/または寸法は、他の島の形状および/または寸法とは異なっていても良い。また、金属体150の各島は、周期パターンで配置されても、ランダムに配置されても良い。   It should be noted that the shape and / or dimensions of an island having the metal body 150 may be different from the shapes and / or dimensions of other islands. Moreover, each island of the metal body 150 may be arrange | positioned at a periodic pattern, or may be arrange | positioned at random.

金属体150の被覆率は、20%〜50%の範囲であることが好ましい。ここで、金属体150の被覆率は、活性領域、すなわち電子輸送層110の第1の表面112の光電変換反応に寄与する面積、に対する金属体150によって占められた面積の比を表す。   The coverage of the metal body 150 is preferably in the range of 20% to 50%. Here, the coverage of the metal body 150 represents the ratio of the area occupied by the metal body 150 to the active region, that is, the area contributing to the photoelectric conversion reaction of the first surface 112 of the electron transport layer 110.

金属体150の構成(材質、各島の寸法、および島の配置パターン等)は、所定の入射光に対してプラズモン共鳴吸収性を有する限り、特に限られない。ここで、プラズモン共鳴吸収性とは、入射光と共鳴して光を局在化させることにより電場を増強させ、いわゆる局在表面プラズモン現象を引き起こす性質を意味する。   The configuration of the metal body 150 (material, dimensions of each island, island arrangement pattern, etc.) is not particularly limited as long as it has plasmon resonance absorption with respect to predetermined incident light. Here, the plasmon resonance absorptivity means a property that enhances an electric field by resonating with incident light and localizing the light, thereby causing a so-called localized surface plasmon phenomenon.

金属体150は、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらの合金の群から選定された少なくとも一つの材料で構成されても良い。   The metal body 150 may be made of at least one material selected from the group of gold, silver, copper, platinum, aluminum, and alloys thereof, for example.

なお、金属体150の各島は、必ずしも同一の材料で構成されている必要はない。例えば、第1の島は、第1の材料(例えば金)で構成され、第2の島は、第2の材料(例えば銀)で構成されても良い。   Note that the islands of the metal body 150 are not necessarily made of the same material. For example, the first island may be made of a first material (for example, gold), and the second island may be made of a second material (for example, silver).

このような構成では、光電変換素子で利用可能なバンド幅が広がり、様々な波長を有する光を有意に利用することが可能となるという効果が得られる。   With such a configuration, the bandwidth that can be used in the photoelectric conversion element is widened, and it is possible to significantly use light having various wavelengths.

(ホール輸送層)
ホール輸送層130は、金属体150においてプラズモン共鳴により生じたホールを引き出すことができる層である限り、その構成は特に限られない。
(Hall transport layer)
The structure of the hole transport layer 130 is not particularly limited as long as it is a layer that can draw holes generated by plasmon resonance in the metal body 150.

ただし、ホール輸送層130は、p型半導体で構成されることが好ましい。ホール輸送層130がp型半導体で構成された場合、ホール輸送層130へのホールの輸送を効率化させることができ、光電変換効率が向上する。   However, the hole transport layer 130 is preferably composed of a p-type semiconductor. When the hole transport layer 130 is formed of a p-type semiconductor, the hole transport to the hole transport layer 130 can be made efficient, and the photoelectric conversion efficiency is improved.

そのようなp型半導体としては、これに限られるものではないが、例えば、酸化ニッケル、酸化コバルト、ヨウ化銅、および窒化ガリウムの少なくとも一つが挙げられる。これらの材料は、バンドギャップが広いため可視光に対して透明である上、価電子帯上端位置が正側に大きく、光照射の際に比較的大きな光起電力が得られるという特徴を有する。   Examples of such a p-type semiconductor include, but are not limited to, at least one of nickel oxide, cobalt oxide, copper iodide, and gallium nitride. Since these materials have a wide band gap, they are transparent to visible light, and have a feature that the valence band upper end position is large on the positive side and a relatively large photovoltaic force can be obtained upon light irradiation.

ホール輸送層130の厚さは、例えば、5nm〜1000nmの範囲であっても良い。   The thickness of the hole transport layer 130 may be in the range of 5 nm to 1000 nm, for example.

一方、ホール輸送層130に含まれる添加材は、ホールのアクセプタとして機能する材料である限り、特に限られない。添加材は、例えば、リチウム、ホウ素、およびアルミニウムの少なくとも一つを含んでも良い。   On the other hand, the additive contained in the hole transport layer 130 is not particularly limited as long as it is a material that functions as a hole acceptor. The additive may include, for example, at least one of lithium, boron, and aluminum.

添加材は、ホール輸送層130中に微量含まれている限り、その量は特に限られない。ただし、ホール輸送層130中の添加材の含有量は、ホール輸送層130の全重量に対して、0.001重量%以上、0.01重量%以下であることが好ましい。添加材の含有量が0.001重量%を下回ると、ホール輸送層130中に十分なキャリア(ホール)濃度が得られず、ホールの輸送効率が低下する場合がある。また、添加材の含有量が0.01重量%を超えると、電荷分離効率が低下するとともに、光電変換素子100の開放電圧(VOC)が低下する場合がある。 The amount of the additive is not particularly limited as long as it is contained in a small amount in the hole transport layer 130. However, the content of the additive in the hole transport layer 130 is preferably 0.001 wt% or more and 0.01 wt% or less with respect to the total weight of the hole transport layer 130. If the content of the additive is less than 0.001% by weight, a sufficient carrier (hole) concentration may not be obtained in the hole transport layer 130, and the hole transport efficiency may decrease. On the other hand, when the content of the additive exceeds 0.01% by weight, the charge separation efficiency may decrease and the open circuit voltage (V OC ) of the photoelectric conversion element 100 may decrease.

ホール輸送層130中の添加材の含有量は、ホール輸送層130の全重量に対して、0.002重量%〜0.006重量%の範囲であることがより好ましい。   The content of the additive in the hole transport layer 130 is more preferably in the range of 0.002 wt% to 0.006 wt% with respect to the total weight of the hole transport layer 130.

(電子輸送層)
電子輸送層110は、金属体150においてプラズモン共鳴により生じた電子を引き出すことができる層である限り、その構成は特に限られない。
(Electron transport layer)
The configuration of the electron transport layer 110 is not particularly limited as long as it is a layer that can extract electrons generated by plasmon resonance in the metal body 150.

ただし、電子輸送層110は、ドーパントを含むn型半導体で構成されることが好ましい。電子輸送層110がドーパントを含むn型半導体で構成された場合、電子輸送層110における電子の輸送を効率化させることができ、光電変換効率が向上する。   However, the electron transport layer 110 is preferably composed of an n-type semiconductor containing a dopant. When the electron transport layer 110 is made of an n-type semiconductor containing a dopant, the electron transport in the electron transport layer 110 can be made efficient, and the photoelectric conversion efficiency is improved.

そのようなn型半導体としては、これに限られるものではないが、例えば、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、酸化亜鉛、および窒化ガリウム等が挙げられる。これらの材料は、バンドギャップが広いため可視光に対して透明である。またこれらの材料は、伝導帯下端位置が負側に大きいため、光照射の際に比較的大きな光起電力が得られるという特徴を有する。   Examples of such an n-type semiconductor include, but are not limited to, titanium oxide, strontium titanate, zinc oxide, and gallium nitride. Since these materials have a wide band gap, they are transparent to visible light. In addition, these materials have a feature that a relatively large photovoltaic force can be obtained upon light irradiation because the lower end of the conduction band is larger on the negative side.

電子輸送層110に含まれるドーパントは、これに限られるものではないが、例えばニオブ、窒素、リン、およびヒ素の少なくとも一つであっても良い。これらの材料は、いずれもn型半導体中において、良好な電子ドナーとして機能するという性質を有するからである。   The dopant contained in the electron transport layer 110 is not limited to this, but may be at least one of niobium, nitrogen, phosphorus, and arsenic, for example. This is because any of these materials has a property of functioning as a good electron donor in an n-type semiconductor.

電子輸送層110に含まれるドーパントの量は、特に限られないが、例えば、電子輸送層110の全重量に対して、0.001重量%〜0.1重量%の範囲である。   The amount of the dopant contained in the electron transport layer 110 is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.001 wt% to 0.1 wt% with respect to the total weight of the electron transport layer 110.

電子輸送層110の厚さは、例えば5nm〜1000nmの範囲であっても良い。ただし、後述のように、電子輸送層110を、素子を支持する基板としても利用する場合、電子輸送層110は、強度が確保できる厚さ、例えば0.1mm〜5mmの範囲であっても良い。   The thickness of the electron transport layer 110 may be in the range of 5 nm to 1000 nm, for example. However, as will be described later, when the electron transport layer 110 is also used as a substrate for supporting an element, the electron transport layer 110 may have a thickness that can ensure strength, for example, a range of 0.1 mm to 5 mm. .

(その他)
この他、光電変換素子100は、各構成部材を支持する基板を有しても良い。そのような基板は、例えば、ガラスまたはプラスチック等で構成されても良い。
(Other)
In addition, the photoelectric conversion element 100 may include a substrate that supports each component member. Such a substrate may be made of, for example, glass or plastic.

あるいは、前述の構成部材、例えば電子輸送層110を厚く構成して、これを基板として利用しても良い。   Alternatively, the above-described constituent member, for example, the electron transport layer 110 may be formed thick and used as a substrate.

(本発明の一実施形態による光電変換装置)
次に、図2を参照して、前述のような特徴を有する光電変換素子を備える光電変換装置の一構成例について説明する。
(Photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention)
Next, a configuration example of a photoelectric conversion device including the photoelectric conversion element having the above-described characteristics will be described with reference to FIG.

図2には、そのような光電変換装置の断面を模式的に示す。   FIG. 2 schematically shows a cross section of such a photoelectric conversion device.

図2に示すように、この光電変換装置200は、光電変換素子101と、第1の電極260と、第2の電極270とを有する。   As illustrated in FIG. 2, the photoelectric conversion device 200 includes a photoelectric conversion element 101, a first electrode 260, and a second electrode 270.

このうち、光電変換素子101は、前述の図1を参照して説明した光電変換素子100と同様の構成を有する。すなわち、光電変換素子101は、電子輸送層210と、ホール輸送層230と、両者の間に島状に配置された金属体250とを有する。   Among these, the photoelectric conversion element 101 has the same configuration as the photoelectric conversion element 100 described with reference to FIG. That is, the photoelectric conversion element 101 includes an electron transport layer 210, a hole transport layer 230, and a metal body 250 disposed in an island shape between the two.

第1の電極260は、光電変換素子101のホール輸送層230と接するように配置される。   The first electrode 260 is disposed in contact with the hole transport layer 230 of the photoelectric conversion element 101.

図1の例では、第1の電極260は、ホール輸送層230の直上に分散配置された導電性材料の粒子で構成される。粒子は、例えば、金、白金、銀、または銅等で構成されても良い。   In the example of FIG. 1, the first electrode 260 is composed of particles of a conductive material dispersedly disposed immediately above the hole transport layer 230. The particles may be made of, for example, gold, platinum, silver, or copper.

第1の電極260を、このようなホール輸送層230の表面に分散された粒子で構成した場合、光電変換装置200に入射される光は、第1の電極260によってあまり遮蔽されずに、ホール輸送層230まで到達することができる。このため、光電変換装置200は、入射光をより有効に利用することができ、光電変換効率が向上する。   When the first electrode 260 is composed of particles dispersed on the surface of the hole transport layer 230, light incident on the photoelectric conversion device 200 is not shielded so much by the first electrode 260. The transport layer 230 can be reached. For this reason, the photoelectric conversion apparatus 200 can use incident light more effectively, and photoelectric conversion efficiency improves.

第2の電極270は、光電変換素子101の電子輸送層210と電気的に接続するように配置される。なお、光電変換素子101の電子輸送層210と第2の電極270とを直接接続することが難しい場合は、図2に示すように、両者の間に導電性接着層280を介在させても良い。ただし、導電性接着層280の設置は、任意である。   The second electrode 270 is disposed so as to be electrically connected to the electron transport layer 210 of the photoelectric conversion element 101. When it is difficult to directly connect the electron transport layer 210 of the photoelectric conversion element 101 and the second electrode 270, a conductive adhesive layer 280 may be interposed between the two as shown in FIG. . However, installation of the conductive adhesive layer 280 is optional.

第2の電極270は、金、白金、銀、または銅などの導電性材料で構成される。また、導電性接着層280は、例えば、インジウムガリウム合金等で構成されても良い。   The second electrode 270 is made of a conductive material such as gold, platinum, silver, or copper. Further, the conductive adhesive layer 280 may be made of, for example, an indium gallium alloy.

光電変換装置200の作動の際には、第1の電極260の側から光が入射される。この入射光が光電変換素子101の金属体230に照射されると、金属体250においてプラズモン共鳴が誘起され、電荷分離が生じる。電荷分離によって生じたホールは、光電変換素子101のホール輸送層230の側、さらには第1の電極260に移動する。一方、電荷分離により生じた電子は、光電変換素子101の電子輸送層210の側、さらには第2の電極270に移動する。これにより、第1の電極260〜第2の電極270間で起電力が生じる。   When the photoelectric conversion device 200 is operated, light is incident from the first electrode 260 side. When this incident light is applied to the metal body 230 of the photoelectric conversion element 101, plasmon resonance is induced in the metal body 250, and charge separation occurs. The holes generated by the charge separation move to the hole transport layer 230 side of the photoelectric conversion element 101 and further to the first electrode 260. On the other hand, electrons generated by the charge separation move to the electron transport layer 210 side of the photoelectric conversion element 101 and further to the second electrode 270. Thereby, an electromotive force is generated between the first electrode 260 and the second electrode 270.

従って、光電変換装置200の第1の電極260および第2の電極270を外部負荷に接続すると、光電流が流れ、外部負荷に対して仕事をすることができる。   Therefore, when the first electrode 260 and the second electrode 270 of the photoelectric conversion device 200 are connected to an external load, a photocurrent flows and work can be performed on the external load.

ここで、前述のように、光電変換素子101のホール輸送層230は、ホールアクセプタとして作用する添加材を含む。このため、金属体250において電荷分離によって生じたホールは、より効果的にホール輸送層230に移動し、さらには第1の電極260の側に移動する。   Here, as described above, the hole transport layer 230 of the photoelectric conversion element 101 includes an additive that acts as a hole acceptor. For this reason, the holes generated by the charge separation in the metal body 250 move to the hole transport layer 230 more effectively, and further move to the first electrode 260 side.

同様に、光電変換素子101の電子輸送層210は、ドーパントを含む。このため、金属体250において電荷分離によって生じた電子は、より効果的に電子輸送層210に移動し、さらには第2の電極270の側に移動する。   Similarly, the electron transport layer 210 of the photoelectric conversion element 101 contains a dopant. For this reason, the electrons generated by the charge separation in the metal body 250 move to the electron transport layer 210 more effectively and further to the second electrode 270 side.

その結果、光電変換装置200では、従来の光電変換装置に比べて光電変換効率を有意に高めることが可能となる。   As a result, the photoelectric conversion device 200 can significantly increase the photoelectric conversion efficiency as compared with the conventional photoelectric conversion device.

(本発明の一実施形態による光電変換素子の製造方法)
次に、本発明の一実施形態による光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
(Method for Producing Photoelectric Conversion Element According to One Embodiment of the Present Invention)
Next, an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention is demonstrated.

なお、以下の記載では、明確化のため、各部材を説明する際に、図1に使用した参照符号を使用することにする。   In the following description, the reference numerals used in FIG. 1 will be used for explaining each member for the sake of clarity.

図3には、本発明の一実施形態による光電変換素子の製造方法のフローを概略的に示す。   In FIG. 3, the flow of the manufacturing method of the photoelectric conversion element by one Embodiment of this invention is shown roughly.

図3に示すように、この光電変換素子の製造方法は、
ドーパントを含む電子輸送層を準備するステップ(S110)と、
前記電子輸送層上に、金属体を島状に分離して配置するステップ(S120)と、
前記電子輸送層上に、前記金属体を覆うようにホール輸送層を成膜するステップであって、前記ホール輸送層は、ホールアクセプタとして作用する添加材を含むステップ(S130)と、
を有する。
As shown in FIG. 3, the manufacturing method of this photoelectric conversion element is as follows:
Preparing an electron transport layer containing a dopant (S110);
A step (S120) of disposing a metal body in an island shape on the electron transport layer;
Forming a hole transport layer on the electron transport layer so as to cover the metal body, the hole transport layer including an additive that acts as a hole acceptor (S130);
Have

以下、各ステップについて、詳しく説明する。   Hereinafter, each step will be described in detail.

(ステップS110)
まず、ドーパントを含む電子輸送層110が準備される。ドーパントは、ニオブ、窒素、リン、およびヒ素の少なくとも一つであっても良い。ドーパントの濃度は、0.001wt%〜0.1wt%の範囲であっても良い。
(Step S110)
First, the electron transport layer 110 containing a dopant is prepared. The dopant may be at least one of niobium, nitrogen, phosphorus, and arsenic. The concentration of the dopant may be in the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%.

そのような電子輸送層110の調製方法は、特に限られない。例えば、電子輸送層110は、TiOのような半導体基板にドーパントを注入することにより、構成しても良い。 The method for preparing such an electron transport layer 110 is not particularly limited. For example, the electron transport layer 110 may be configured by injecting a dopant into a semiconductor substrate such as TiO 2 .

あるいは、電子輸送層110として、予め所定量のドーパントを含む市販のn型半導体基板を使用しても良い。   Alternatively, a commercially available n-type semiconductor substrate containing a predetermined amount of dopant in advance may be used as the electron transport layer 110.

(ステップS120)
次に、電子輸送層110の上に、金属体150が島状に分離して配置される。
(Step S120)
Next, the metal body 150 is arranged in an island shape on the electron transport layer 110.

なお、金属体150を島状に配置する簡便なプロセスとして、以下の第1および第2の2つのプロセスが考えられる。   Note that the following first and second processes can be considered as simple processes for arranging the metal bodies 150 in an island shape.

(第1のプロセス)
第1のプロセスでは、まず、電子輸送層110の上に、金属の連続膜が成膜される。成膜方法は特に限られないが、例えば、真空蒸着法およびスパッタリング法等が利用できる。
(First process)
In the first process, first, a continuous metal film is formed on the electron transport layer 110. Although the film forming method is not particularly limited, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like can be used.

成膜される金属には、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらの合金などが選定されても良い。   For example, gold, silver, copper, platinum, aluminum, and alloys thereof may be selected as the metal to be formed.

金属の連続膜の厚さは、例えば1nm〜10nmの範囲である。   The thickness of the continuous metal film is, for example, in the range of 1 nm to 10 nm.

次に、金属の連続膜が設置された電子輸送層110が熱処理される。熱処理により、連続膜中の各金属原子が電子輸送層110の表面上で拡散する。その結果、金属の連続膜が複数の島に分離し、金属体150の島(例えば略半球状)が形成される。   Next, the electron transport layer 110 provided with the metal continuous film is heat-treated. By the heat treatment, each metal atom in the continuous film diffuses on the surface of the electron transport layer 110. As a result, the metal continuous film is separated into a plurality of islands, and islands (for example, approximately hemispherical) of the metal body 150 are formed.

熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気中、酸素雰囲気中、大気雰囲気中、または真空中(減圧環境を含む)で実施される。熱処理温は、例えば600℃〜850℃の範囲であり、熱処理時間は、例えば、30分〜1時間である。   The heat treatment is performed, for example, in an inert gas atmosphere, an oxygen atmosphere, an air atmosphere, or a vacuum (including a reduced pressure environment). The heat treatment temperature is, for example, in the range of 600 ° C. to 850 ° C., and the heat treatment time is, for example, 30 minutes to 1 hour.

ここで、金属の連続膜を金で構成した場合、金原子は、電子輸送層110の表面を拡散しやすいため、多数の島を比較的容易に形成することができる。   Here, when the metal continuous film is made of gold, since gold atoms easily diffuse on the surface of the electron transport layer 110, a large number of islands can be formed relatively easily.

なお、複数の材質で金属体150の島を形成する場合、材料を変えて、前述の金属の連続膜の成膜〜熱処理による島の形成の工程が繰り返されても良い。   In the case where the island of the metal body 150 is formed of a plurality of materials, the process of forming the island by the above-described continuous metal film formation to heat treatment may be repeated by changing the material.

(第2のプロセス)
第2のプロセスでは、まず、電子輸送層110の上に、所定のパターンを有する第1のマスクが配置される。第1のマスクには、金属体150を配置する位置に対応した、複数の開口が形成されている。
(Second process)
In the second process, first, a first mask having a predetermined pattern is disposed on the electron transport layer 110. In the first mask, a plurality of openings corresponding to positions where the metal bodies 150 are arranged are formed.

次に、第1のマスクを介して、第1の金属の成膜が行われる。成膜には、例えばスパッタリング法を使用しても良い。第1の金属の層厚は、例えば1nm〜10nmの範囲である。   Next, a first metal film is formed through the first mask. For film formation, for example, a sputtering method may be used. The layer thickness of the first metal is, for example, in the range of 1 nm to 10 nm.

これにより、電子輸送層110の上に、所定のパターンで第1の金属の島が配置される。   Thus, the first metal island is arranged on the electron transport layer 110 in a predetermined pattern.

次に、必要な場合、電子輸送層110の上に、所定のパターンを有する第2のマスクが配置される。そして、第2のマスクを介して、前述のような方法で、第2の金属の成膜が行われる。   Next, if necessary, a second mask having a predetermined pattern is disposed on the electron transport layer 110. Then, the second metal film is formed by the method as described above through the second mask.

これにより、電子輸送層110の上に、複数の第1の金属の島および複数の第2の金属の島を有する金属体150を配置することができる。   As a result, the metal body 150 having a plurality of first metal islands and a plurality of second metal islands can be disposed on the electron transport layer 110.

必要な場合、さらに、第3および第4のマスクを介して、それぞれ、第3および第4の金属の島を形成しても良い。   If necessary, third and fourth metal islands may be formed through the third and fourth masks, respectively.

以上の工程により、電子輸送層110の上に、金属体150を島状に配置させることができる。   Through the above steps, the metal body 150 can be arranged in an island shape on the electron transport layer 110.

(ステップS130)
次に、電子輸送層110および金属体150の上に、前記金属体150を覆うようにホール輸送層130が成膜される。前述のように、ホール輸送層130は、例えば、p型半導体で構成される。また、ホール輸送層130は、ホールアクセプタとなる添加材を含む。
(Step S130)
Next, a hole transport layer 130 is formed on the electron transport layer 110 and the metal body 150 so as to cover the metal body 150. As described above, the hole transport layer 130 is made of, for example, a p-type semiconductor. The hole transport layer 130 includes an additive that becomes a hole acceptor.

ホール輸送層130は、原子層堆積(ALD)法、パルスレーザー堆積(PLD)法、分子線エピタキシャル成膜(MBE)法、またはスパッタリング法等により成膜されても良い。特に、ALD法およびPLD法が好ましい。これらの方法では、ホール輸送層130中に、添加材を原子レベルで均一に分散させることができるからである。   The hole transport layer 130 may be formed by an atomic layer deposition (ALD) method, a pulse laser deposition (PLD) method, a molecular beam epitaxial film formation (MBE) method, a sputtering method, or the like. In particular, the ALD method and the PLD method are preferable. This is because these methods can uniformly disperse the additive in the hole transport layer 130 at the atomic level.

あるいは、ホール輸送層130は、最初に添加材を含まない膜を成膜し、その後、この膜に添加材を注入して形成しても良い。   Alternatively, the hole transport layer 130 may be formed by first forming a film that does not contain an additive, and then injecting the additive into this film.

ホール輸送層130の成膜後には、得られた積層体(光電変換素子)が熱処理されても良い。熱処理の実施により、欠陥が少ないホール輸送層130を得ることができる。   After the formation of the hole transport layer 130, the obtained stacked body (photoelectric conversion element) may be heat-treated. By performing the heat treatment, the hole transport layer 130 with few defects can be obtained.

なお、ALD法およびPLD法で酸化ニッケル(NiO)のような金属酸化物を成膜する場合、成膜雰囲気は、酸素を含む雰囲気(例えば、酸素と不活性ガスの混合雰囲気)であることが好ましい。これにより、形成された金属酸化物の分解を抑制することができる。   Note that in the case where a metal oxide such as nickel oxide (NiO) is formed by the ALD method and the PLD method, the film formation atmosphere is an atmosphere containing oxygen (for example, a mixed atmosphere of oxygen and an inert gas). preferable. Thereby, decomposition | disassembly of the formed metal oxide can be suppressed.

ホール輸送層130の厚さは、例えば、5nm〜200nmの範囲である。なお、ALD法およびPLD法等では、一度の成膜処理で、現実的な成膜時間で厚い膜を形成することが難しい場合がある。そのような場合には、前述の成膜処理〜熱処理を繰り返すことで、膜を厚くすることができる。   The thickness of the hole transport layer 130 is, for example, in the range of 5 nm to 200 nm. Note that in the ALD method, the PLD method, and the like, it may be difficult to form a thick film in a realistic film formation time by a single film formation process. In such a case, the film can be thickened by repeating the film formation process to the heat treatment described above.

次に、本発明の実施例について説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

(実施例1)
以下の方法で、前述の図2に示したような光電変換装置を製造し、その特性を評価した。
Example 1
The photoelectric conversion device as shown in FIG. 2 was manufactured by the following method, and its characteristics were evaluated.

(光電変換装置の製造)
電子輸送層としても機能する基板として、ニオブが0.05wt%ドープされた酸化チタン基板(単結晶)を準備した。
(Manufacture of photoelectric conversion devices)
A titanium oxide substrate (single crystal) doped with 0.05 wt% niobium was prepared as a substrate that also functions as an electron transport layer.

次に、この酸化チタン基板の一方の表面(第1の表面)に、真空蒸着法により、厚さが3nmの金の連続膜を成膜した。その後、酸化チタン基板を、窒素雰囲気下、800℃で1時間熱処理した。   Next, a gold continuous film having a thickness of 3 nm was formed on one surface (first surface) of the titanium oxide substrate by vacuum deposition. Thereafter, the titanium oxide substrate was heat-treated at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

これにより、酸化チタン基板の第1の表面に、金が島状に配置された。   Thereby, gold was arranged in an island shape on the first surface of the titanium oxide substrate.

図4には、酸化チタン基板の第1の表面の形態の一例(SEM写真)を示す。図4に示すように、酸化チタン基板の第1の表面には、金の微細な島がほぼ均一に分散されていることがわかる。金の島は、上面視、略円形であり、島の最大寸法は、1nm〜30nmの範囲である。なお、図には示さないが、各島の3次元形状は、略半球状の形態であった。   In FIG. 4, an example (SEM photograph) of the form of the 1st surface of a titanium oxide board | substrate is shown. As shown in FIG. 4, it can be seen that fine islands of gold are distributed almost uniformly on the first surface of the titanium oxide substrate. The gold island is substantially circular in top view, and the maximum dimension of the island is in the range of 1 nm to 30 nm. Although not shown in the figure, the three-dimensional shape of each island was a substantially hemispherical shape.

次に、これらの金の島を覆うようにして、酸化チタン基板の第1の表面に、ホール輸送層として、リチウムを含む酸化ニッケルを成膜した。リチウムの量は、酸化ニッケルに対して0.005wt%とした。   Next, nickel oxide containing lithium was formed as a hole transport layer on the first surface of the titanium oxide substrate so as to cover these gold islands. The amount of lithium was 0.005 wt% with respect to nickel oxide.

酸化ニッケルの成膜には、パルスレーザー堆積装置(パスカル社製)を使用し、厚さは、100nmを目標とした。酸化ニッケルの成膜時の酸化チタン基板は、200℃に加熱した。成膜の際の雰囲気は、酸素とアルゴンの混合雰囲気とし、酸素分圧は、1×10−2Paとした。レーザーのエネルギーは、40mJとし、パルス周波数は10Hzとした。 For the film formation of nickel oxide, a pulse laser deposition apparatus (manufactured by Pascal) was used, and the target thickness was 100 nm. The titanium oxide substrate during the nickel oxide film formation was heated to 200 ° C. The atmosphere during film formation was a mixed atmosphere of oxygen and argon, and the oxygen partial pressure was 1 × 10 −2 Pa. The laser energy was 40 mJ and the pulse frequency was 10 Hz.

以上の工程により、光電変換素子が得られた。   Through the above steps, a photoelectric conversion element was obtained.

次に、得られた光電変換素子の酸化ニッケルの表面に、スパッタリング法により、金のナノ粒子(厚さ4nm)の分散膜を成膜した。   Next, a dispersion film of gold nanoparticles (thickness 4 nm) was formed on the surface of nickel oxide of the obtained photoelectric conversion element by a sputtering method.

次に、酸化チタン基板の露出面(第2の表面)、すなわち光電変換素子の底面に、インジウム−ガリウム接着ペーストを介して、厚さ20nmの銅箔を貼り付けた。その後、接着ペーストを乾燥、固化させた。   Next, a copper foil having a thickness of 20 nm was attached to the exposed surface (second surface) of the titanium oxide substrate, that is, the bottom surface of the photoelectric conversion element via an indium-gallium adhesive paste. Thereafter, the adhesive paste was dried and solidified.

以上の工程により、光電変換素子の両面に、それぞれ、第1の電極(金のナノ粒子)および第2の電極(銅箔)を有する光電変換装置が得られた。   Through the above steps, a photoelectric conversion device having a first electrode (gold nanoparticles) and a second electrode (copper foil) on both surfaces of the photoelectric conversion element was obtained.

(実施例2)
前述の実施例1と同様の方法により、光電変換装置を製造した。ただし、この実施例2では、酸化ニッケルに含まれるアクセプタとしてのリチウムの量は、ホール輸送層全体に対して0.009wt%とした。
(Example 2)
A photoelectric conversion device was manufactured by the same method as in Example 1 described above. However, in Example 2, the amount of lithium as an acceptor contained in nickel oxide was 0.009 wt% with respect to the entire hole transport layer.

(比較例1)
前述の実施例1と同様の方法により、光電変換装置を製造した。ただし、この比較例1では、酸化ニッケルにリチウムを添加しなかった。すなわち、酸化ニッケルのみからなるホール輸送層を形成した。
(Comparative Example 1)
A photoelectric conversion device was manufactured by the same method as in Example 1 described above. However, in Comparative Example 1, lithium was not added to nickel oxide. That is, a hole transport layer made only of nickel oxide was formed.

(評価)
実施例1、実施例2、および比較例1に係る光電変換装置を用いて、光電変換特性の評価を行った。
(Evaluation)
Using the photoelectric conversion devices according to Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, photoelectric conversion characteristics were evaluated.

各光電変換装置の光電変換特性の評価は、以下のように実施した。   Evaluation of photoelectric conversion characteristics of each photoelectric conversion device was performed as follows.

光電変換装置の第1の電極(金のナノ粒子)を陽極とし、第2の電極(銅箔)を陰極として、光電変換装置を電気化学測定装置(ALS/CH Instruments 870DH:ALS社製)に接続した。   Using the first electrode (gold nanoparticles) of the photoelectric conversion device as an anode and the second electrode (copper foil) as a cathode, the photoelectric conversion device is an electrochemical measurement device (ALS / CH Instruments 870DH: manufactured by ALS). Connected.

この状態で、光電変換装置に、第1の電極の側から垂直に照射光を照射した。照射には、太陽光シミュレータ(WXS−156SL2:WACOM社製)を用いた。この太陽光シミュレータでは、照射光として、照射強度100mA/cmの疑似太陽光を照射できる。 In this state, the photoelectric conversion device was irradiated with irradiation light vertically from the first electrode side. A solar simulator (WXS-156SL2: manufactured by WACOM) was used for irradiation. In this sunlight simulator, simulated sunlight with an irradiation intensity of 100 mA / cm 2 can be irradiated as irradiation light.

光電変換装置に照射光を照射する前、および照射中のそれぞれにおいて、得られる電流−電圧特性を、電気化学測定装置により測定した。   The current-voltage characteristics obtained were measured with an electrochemical measurement device before and during irradiation of the photoelectric conversion device with irradiation light.

図5には、実施例1に係る光電変換装置で得られた電流−電圧曲線の一例を示す。また、図6には、実施例2に係る光電変換装置で得られた電流−電圧曲線の一例を示す。さらに、図7には、比較例1に係る光電変換装置で得られた電流−電圧曲線の一例を示す。なお、図5〜図7において、破線は、光を照射していない状態での電流−電圧曲線を示しており、実線は、前述の方法で疑似太陽光を照射した状態での電流−電圧曲線を示している。   In FIG. 5, an example of the current-voltage curve obtained with the photoelectric conversion apparatus which concerns on Example 1 is shown. FIG. 6 shows an example of a current-voltage curve obtained by the photoelectric conversion device according to Example 2. Furthermore, in FIG. 7, an example of the current-voltage curve obtained with the photoelectric conversion apparatus which concerns on the comparative example 1 is shown. 5-7, the broken line has shown the current-voltage curve in the state which is not irradiating light, and a continuous line is the current-voltage curve in the state which irradiated pseudo sunlight by the above-mentioned method. Is shown.

測定された電流−電圧曲線から、各光電変換装置における開放電圧VOC(V)および短絡電流密度JSC(mA/cm)を算定した。なお、開放電圧VOC(V)は、電流−電圧曲線において、電流が0(ゼロ)となる電圧から求められる。また、短絡電流密度JSCは、電流−電圧曲線において、電圧が0(ゼロ)となる電流密度から求められる。 From the measured current-voltage curve, the open circuit voltage V OC (V) and the short circuit current density J SC (mA / cm 2 ) in each photoelectric conversion device were calculated. The open circuit voltage V OC (V) is obtained from the voltage at which the current becomes 0 (zero) in the current-voltage curve. The short-circuit current density JSC is obtained from the current density at which the voltage is 0 (zero) in the current-voltage curve.

さらに、各光電変換装置の曲線因子ffおよび太陽光変換効率η(%)を算定した。なお、曲線因子ffは、以下の式で表される:   Furthermore, the fill factor ff and the sunlight conversion efficiency η (%) of each photoelectric conversion device were calculated. The curve factor ff is expressed by the following formula:


また、太陽光変換効率η(%)は、以下の式で表される:

The solar conversion efficiency η (%) is expressed by the following formula:


ここで、Vmax(V)およびJmax(mA/cm)は、それぞれ、出力電力が最大となるとき、すなわち最大電力Pmax(W)での最大電圧および最大電流密度である。

Here, V max (V) and J max (mA / cm 2 ) are the maximum voltage and the maximum current density, respectively, at the maximum output power, that is, at the maximum power P max (W).

以下の表1には、各光電変換装置において得られた各パラメータ値をまとめて示した。   Table 1 below collectively shows each parameter value obtained in each photoelectric conversion device.

この表1に示すように、ホール輸送層が添加材(リチウム)を含む場合(実施例1、2)、ホール輸送層がアクセプタを含まない場合(比較例1)に比べて、高い太陽光変換効率ηが得られることがわかる。 As shown in Table 1, when the hole transport layer contains an additive (lithium) (Examples 1 and 2), the solar conversion is higher than when the hole transport layer does not contain an acceptor (Comparative Example 1). It can be seen that the efficiency η can be obtained.

なお、実施例1と実施例2の比較から、添加材(リチウム)を入れすぎると、逆に太陽光変換効率ηが低下する傾向にあることがわかる。これは、ホール輸送層中にアクセプタとなるリチウムを過度に添加すると、光電変換素子の空乏層の幅が狭くなり過ぎて、起電力が低下するためであると考えられる。   In addition, it turns out from the comparison of Example 1 and Example 2 that there exists a tendency for sunlight conversion efficiency (eta) to fall conversely when an additive (lithium) is put too much. This is considered to be because if the lithium as an acceptor is excessively added to the hole transport layer, the width of the depletion layer of the photoelectric conversion element becomes too narrow and the electromotive force decreases.

次に、以下の式から、内部変換効率IPCE(%)を算定した:   Next, the internal conversion efficiency IPCE (%) was calculated from the following formula:


ここで、Jphは、単色照射の下での短絡電流密度(mA/cm)であり、初期電位を0とした電流密度−時間曲線より求められる。また、λは波長(nm)であり、φは照射光の強度(mW/cm)である。

Here, Jph is the short-circuit current density (mA / cm 2 ) under monochromatic irradiation, and is obtained from a current density-time curve with the initial potential set to zero. Also, λ is the wavelength (nm), and φ is the intensity of irradiation light (mW / cm 2 ).

各光電変換装置において算定された内部変換効率IPCE(%)を、まとめて図8に示す。図8において、横軸は波長λ(nm)であり、縦軸は内部変換効率IPCE(%)である。   The internal conversion efficiency IPCE (%) calculated in each photoelectric conversion device is collectively shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis is the wavelength λ (nm), and the vertical axis is the internal conversion efficiency IPCE (%).

図8に示すように、実施例1および実施例2に係る光電変換装置では、比較例1に係る光電変換装置に比べて、特に可視光領域における内部変換効率IPCE(%)が有意に上昇していることがわかる。このように、内部変換効率IPCE(%)の評価から、ホール輸送層に添加材を添加することにより、光電変換効率が高まることが確認された。   As shown in FIG. 8, in the photoelectric conversion devices according to Example 1 and Example 2, the internal conversion efficiency IPCE (%) in the visible light region is significantly increased as compared with the photoelectric conversion device according to Comparative Example 1. You can see that Thus, from the evaluation of the internal conversion efficiency IPCE (%), it was confirmed that the photoelectric conversion efficiency is increased by adding the additive to the hole transport layer.

本発明は、例えば、光触媒および太陽電池などの光エネルギー変換装置に利用することができる。   The present invention can be used for optical energy conversion devices such as photocatalysts and solar cells.

100、101 光電変換素子
110 電子輸送層
112 第1の表面
114 第2の表面
130 ホール輸送層
150 金属体
200 光電変換装置
210 電子輸送層
230 ホール輸送層
250 金属体
260 第1の電極
270 第2の電極
280 導電性接着層
100, 101 Photoelectric conversion element 110 Electron transport layer 112 First surface 114 Second surface 130 Hole transport layer 150 Metal body 200 Photoelectric conversion device 210 Electron transport layer 230 Hole transport layer 250 Metal body 260 First electrode 270 Second Electrode 280 conductive adhesive layer

Claims (17)

ドーパントを含む電子輸送層と、
前記電子輸送層に接するように配置され、ホールアクセプタとして作用する添加材を含むホール輸送層と、
前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間の界面に沿って、島状に分離して配置された金属体と、
を備える光電変換素子。
An electron transport layer containing a dopant;
A hole transport layer including an additive disposed so as to contact the electron transport layer and acting as a hole acceptor;
A metal body arranged in an island shape along the interface between the electron transport layer and the hole transport layer, and
A photoelectric conversion element comprising:
前記電子輸送層はn型半導体を含む、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electron transport layer includes an n-type semiconductor. 前記ホール輸送層はp型半導体を含む、請求項1または2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the hole transport layer includes a p-type semiconductor. 前記ホール輸送層に含まれる前記添加材の濃度は、前記ホール輸送層の全重量の0.001重量%以上である、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の光電変換素子。   4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the concentration of the additive contained in the hole transport layer is 0.001% by weight or more of the total weight of the hole transport layer. 前記ホール輸送層に含まれる添加材は、リチウム、ホウ素、およびアルミニウムから選定された少なくとも1種類を含む、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の光電変換素子。   5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the additive contained in the hole transport layer includes at least one selected from lithium, boron, and aluminum. 前記金属体は、第1および第2の島を有し、前記第1の島は、第2の島とは異なる種類の材料で構成される、請求項1乃至5のいずれか一つに記載の光電変換素子。   6. The metal body according to claim 1, wherein the metal body has first and second islands, and the first islands are made of a different kind of material from the second islands. Photoelectric conversion element. 前記金属体は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらの合金からなる群から選定された少なくとも一つの材料で構成される、請求項1乃至6のいずれか一つに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion according to claim 1, wherein the metal body is made of at least one material selected from the group consisting of gold, silver, copper, platinum, aluminum, and alloys thereof. element. 請求項1乃至7のいずれか一つに記載の光電変換素子と、
前記電子輸送層と電気的に接続された第1の導電性部材と、
前記ホール輸送層と電気的に接続された第2の導電性部材と、
を有する、光電変換装置。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7,
A first conductive member electrically connected to the electron transport layer;
A second conductive member electrically connected to the hole transport layer;
A photoelectric conversion device.
光電変換素子の製造方法であって、
(1)ドーパントを含む電子輸送層を準備するステップと、
(2)前記電子輸送層上に、金属体を島状に分離して配置するステップと、
(3)前記電子輸送層上に、前記金属体を覆うようにホール輸送層を成膜するステップと、
を有し、
前記ホール輸送層は、ホールアクセプタとして作用する添加材を含む、光電変換素子の製造方法。
A method for producing a photoelectric conversion element, comprising:
(1) providing an electron transport layer containing a dopant;
(2) A step of separating and arranging a metal body in an island shape on the electron transport layer;
(3) forming a hole transport layer on the electron transport layer so as to cover the metal body;
Have
The said hole transport layer is a manufacturing method of a photoelectric conversion element containing the additive which acts as a hole acceptor.
前記ホール輸送層に含まれる前記添加材の濃度は、前記ホール輸送層の全重量の0.001重量%よりも大きい、請求項9に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the concentration of the additive contained in the hole transport layer is greater than 0.001% by weight of the total weight of the hole transport layer. 前記ホール輸送層に含まれる添加材は、リチウム、ホウ素、およびアルミニウムから選定された少なくとも1種類を含む、請求項9または10に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9 or 10, wherein the additive contained in the hole transport layer includes at least one selected from lithium, boron, and aluminum. 前記(3)のステップは、
(4)前記電子輸送層上に、原子層堆積(ALD)法またはパルスレーザーデポジション(PLD)法により、前記ホール輸送層を成膜するステップ
を有する、請求項9乃至11のいずれか一つに記載の製造方法。
The step (3)
(4) The method includes: depositing the hole transport layer on the electron transport layer by an atomic layer deposition (ALD) method or a pulse laser deposition (PLD) method. The manufacturing method as described in.
前記金属体は、金、銀、銅、白金、アルミニウム、およびこれらの合金からなる群から選定される材料で構成される、請求項9乃至12のいずれか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the metal body is made of a material selected from the group consisting of gold, silver, copper, platinum, aluminum, and alloys thereof. 前記(2)のステップは、
(5−1)前記電子輸送層上に、第1の材料で構成された連続膜を設置するステップ、および
(5−2)前記連続膜を熱処理して、前記第1の材料を島状に変化させるステップ
を有する、請求項9乃至13のいずれか一つに記載の製造方法。
The step (2) includes
(5-1) installing a continuous film composed of a first material on the electron transport layer; and (5-2) heat treating the continuous film to form the first material into an island shape. The manufacturing method according to claim 9, further comprising a step of changing.
前記(2)のステップは、
(6−1)前記電子輸送層上に、第1のマスクを介して、第1の材料を島状に成膜するステップと、
(6−2)前記電子輸送層上に、第2のマスクを介して、前記第1の材料とは異なる第2の材料を島状に成膜するステップと、
を有し、
前記(2)のステップ後に、前記金属体として、前記第1および第2の材料の島が形成される、請求項9乃至13のいずれか一つに記載の製造方法。
The step (2) includes
(6-1) Forming a first material in an island shape on the electron transport layer through a first mask;
(6-2) Forming a second material different from the first material in an island shape on the electron transport layer through a second mask;
Have
The manufacturing method according to claim 9, wherein an island of the first and second materials is formed as the metal body after the step (2).
前記添加材は、前記(3)のステップにおける前記ホール輸送層の成膜と同時に、前記ホール輸送層に導入される、請求項9乃至15のいずれか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the additive is introduced into the hole transport layer simultaneously with the formation of the hole transport layer in the step (3). 前記添加材は、前記(3)のステップにおける前記ホール輸送層の成膜の後に、前記ホール輸送層に導入される、請求項9乃至15のいずれか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 9, wherein the additive is introduced into the hole transport layer after the formation of the hole transport layer in the step (3).
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