JP2017017190A - Secondary battery and secondary battery manufacturing method - Google Patents

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山川 博幸
Hiroyuki Yamakawa
博幸 山川
フー トゥアン グエン
Phu Tuan Nguyen
フー トゥアン グエン
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery having high input/output density and a large capacity.SOLUTION: A secondary battery 10 includes a first electrode 1, a second electrode 2, and a charging layer 3 sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 2 and having an insulator 4 and a semiconductor 6. The charging layer 3 accumulates carriers at both the ends of a forbidden band under a strong inversion state that the difference between the intrinsic Fermi level as the energy level at the center of the forbidden band of the semiconductor 6 and the energy level at the center of the forbidden band at the interface between the semiconductor 6 and the insulator 4 is twice or more the difference between the intrinsic Fermi level and the Fermi level of the semiconductor 6. The semiconductor 6 is plural semiconductor fine particles 5 dispersed in the insulator 4.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery.

駆動力源としてモータを用いた電気自動車や、モータ及び内燃機関を用いたハイブリッド自動車が実用化されている。鉄道のように電力を供給する架線を伴わない自動車では、電力の供給源としてバッテリやキャパシタなどの直流電力源を備えている。このような直流電力源は、より小さい大きさで多くの電力を蓄えることができように体積エネルギー密度が高いことが求められる。また、このような直流電力源は、必要な際に迅速に電力を供給できると共に短時間で充電できるように、電力の入出力密度が高いことも求められる。一般的にリチウムイオンなどの二次電池に代表される化学電池は、体積エネルギー密度は高いが、入出力密度が低い。また、電気二重層キャパシタなどの、いわゆるエレクトロン電池は、入出力密度は高いが、体積エネルギー密度が低い。双方の短所を克服して理想的な直流電力源を提供することが望まれる。例えば、国際公開WO2012/046325号公報(特許文献1)には、金属酸化物の光励起構造変化を利用して、無機固体中の禁制帯(バンドギャップ)中に新たなエネルギー準位を形成して電子を捕獲する動作原理に基づく二次電池が開示されている。しかし、光励起構造変化には未解明な点も多く、品質及び供給が安定した二次電池への適用には課題があると考えられる。   An electric vehicle using a motor as a driving force source and a hybrid vehicle using a motor and an internal combustion engine have been put into practical use. An automobile without an overhead line for supplying electric power, such as a railway, includes a direct current power source such as a battery or a capacitor as a power supply source. Such a DC power source is required to have a high volumetric energy density so that a large amount of power can be stored in a smaller size. Such a DC power source is also required to have a high power input / output density so that power can be supplied quickly and charged in a short time when necessary. In general, a chemical battery represented by a secondary battery such as lithium ion has a high volumetric energy density but a low input / output density. In addition, so-called electron batteries such as electric double layer capacitors have a high input / output density but a low volume energy density. It would be desirable to overcome both disadvantages and provide an ideal DC power source. For example, in International Publication WO2012 / 046325 (Patent Document 1), a new energy level is formed in a forbidden band (band gap) in an inorganic solid by utilizing a photoexcitation structure change of a metal oxide. A secondary battery based on the operating principle of capturing electrons is disclosed. However, there are many unexplained points in the photoexcited structure change, and there seems to be a problem in application to secondary batteries with stable quality and supply.

国際公開WO2012/046325号公報International Publication WO2012 / 046325

上記に鑑みて、入出力密度が高く大容量の二次電池の提供が望まれる。   In view of the above, it is desired to provide a secondary battery having a high input / output density and a large capacity.

1つの態様として、上記に鑑みた二次電池は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に挟まれると共に、絶縁体及び半導体を有する充電層と、を備え、前記充電層は、前記半導体の禁制帯の中央のエネルギー準位である真性フェルミ準位と、前記半導体と前記絶縁体との界面における前記禁制帯の中央のエネルギー準位との差が、前記真性フェルミ準位と前記半導体のフェルミ準位との差の2倍以上の状態である強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリアを蓄積するものであり、前記半導体は、前記絶縁体の中に分散した複数の半導体微粒子である。   As one aspect, a secondary battery in view of the above includes a first electrode, a second electrode, a charge layer that is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and includes an insulator and a semiconductor; The charge layer includes a difference between an intrinsic Fermi level, which is an energy level at the center of the forbidden band of the semiconductor, and an energy level at the center of the forbidden band, at the interface between the semiconductor and the insulator. However, in the strong inversion state, which is at least twice the difference between the intrinsic Fermi level and the semiconductor Fermi level, carriers are accumulated at both ends of the forbidden band. A plurality of semiconductor fine particles dispersed in the body.

半導体微粒子を絶縁体の中に分散することによって、第1電極と第2電極と絶縁体と半導体微粒子とを接合させたMIS接合(Metal-Insulator-Semiconductor Junction)によるコンデンサのコアシェルを多く形成することができる。第1電極と第2電極との間に複数のコンデンサを並列接続で設けることができるので、二次電池を大容量化することができる。また、当該二次電池は、光励起構造変化などの特別な処置を必要とせず、強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリアを蓄積するので、簡単に二次電池を構成することができる。また、この二次電池は、化学電池ではなく、MIS接合を利用したエレクトロン電池であるから、高い入出力密度が得られる。このように、本構成によれば、入出力密度が高く大容量の二次電池を提供することができる。   By dispersing the semiconductor fine particles in the insulator, many core shells of the capacitor are formed by MIS junction (Metal-Insulator-Semiconductor Junction) in which the first electrode, the second electrode, the insulator, and the semiconductor fine particles are joined. Can do. Since a plurality of capacitors can be provided in parallel connection between the first electrode and the second electrode, the capacity of the secondary battery can be increased. In addition, the secondary battery does not require special measures such as photoexcitation structure change and accumulates carriers at both ends of the forbidden band in the strong inversion state, so that the secondary battery can be configured easily. Further, since the secondary battery is not a chemical battery but an electron battery using MIS junction, a high input / output density can be obtained. Thus, according to this configuration, a secondary battery having a high input / output density and a large capacity can be provided.

また、1つの態様として、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に挟まれた充電層と、を少なくとも備えた二次電池を製造する二次電池製造方法は、
基板上に前記第1電極及び前記第2電極の何れか一方の電極となる薄膜を形成する電極形成第1工程と、
前記電極形成第1工程の後、絶縁体の中に複数の半導体微粒子が分散された充電層材料を用いて前記充電層を形成する充電層形成工程と、
前記充電層形成工程の後、前記第1電極及び前記第2電極の何れか他方の電極となる薄膜を形成する電極形成第2工程と、を備える。
Moreover, as one aspect, a secondary battery that manufactures a secondary battery that includes at least a first electrode, a second electrode, and a charging layer sandwiched between the first electrode and the second electrode. The manufacturing method is
An electrode formation first step of forming a thin film to be any one of the first electrode and the second electrode on a substrate;
After the electrode formation first step, a charge layer forming step of forming the charge layer using a charge layer material in which a plurality of semiconductor fine particles are dispersed in an insulator;
After the charging layer forming step, an electrode forming second step of forming a thin film to be either the first electrode or the second electrode is provided.

絶縁体の中に複数の半導体微粒子が分散された充電層材料を用いて充電層を形成することによって、MIS接合のコンデンサのコアシェルを充電層の中に多く形成することができる。また、充電層材料において適切な離間距離を保って半導体微粒子が絶縁体の中に分散されるので、安定的に二次電池を構成することができる。   By forming a charge layer using a charge layer material in which a plurality of semiconductor fine particles are dispersed in an insulator, a large number of core shells of MIS junction capacitors can be formed in the charge layer. Further, since the semiconductor fine particles are dispersed in the insulator while maintaining an appropriate separation distance in the charge layer material, a secondary battery can be stably formed.

二次電池のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。   Further features and advantages of the secondary battery will become clear from the following description of embodiments described with reference to the drawings.

二次電池の構成の一例を示す模式図Schematic diagram showing an example of the configuration of a secondary battery 二次電池の構成の他の例を示す模式図Schematic diagram showing another example of the configuration of the secondary battery p型半導体を用いたMIS接合のエネルギーバンド図Energy band diagram of MIS junction using p-type semiconductor n型半導体を用いたMIS接合のエネルギーバンド図Energy band diagram of MIS junction using n-type semiconductor MIS接合(p型)を強反転状態とした場合のキャリアの動向を示す図Diagram showing the trend of carriers when the MIS junction (p-type) is in a strong inversion state MIS接合(n型)を強反転状態とした場合のキャリアの動向を示す図Diagram showing the trend of carriers when the MIS junction (n-type) is in a strong inversion state MIS接合(n型)によるコンデンサのエネルギーバンド図とキャリアの動向を示す図MIS junction (n-type) capacitor energy band diagram and carrier trend diagram MIS接合(n型)にブロッキング層を設けたコンデンサのエネルギーバンド図とキャリアの動向を示す図Energy band diagram of capacitor with blocking layer in MIS junction (n-type) and diagram showing carrier trends コンデンサへの充電時のエネルギーバンド図Energy band diagram when charging a capacitor コンデンサからの放電時のエネルギーバンド図Energy band diagram when discharging from a capacitor 複数のコンデンサによって二次電池を構成する形態を示す等価回路図Equivalent circuit diagram showing a configuration in which a secondary battery is constituted by a plurality of capacitors 二次電池を製造する手順の一例を示すフローチャートFlow chart showing an example of a procedure for manufacturing a secondary battery 二次電池を製造する手順の他の例を示すフローチャートThe flowchart which shows the other example of the procedure which manufactures a secondary battery ZnO分散液を生成する手順の一例を示すフローチャートFlow chart showing an example of a procedure for producing a ZnO dispersion TiO分散液を生成する手順の一例を示すフローチャートFlow chart showing an example of a procedure for generating a TiO 2 dispersion SiO分散液を生成する手順の一例を示すフローチャートFlow chart showing an example of a procedure for generating a SiO 2 dispersion 充電層材料となる混合液を生成する手順の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the procedure which produces | generates the liquid mixture used as charging layer material ブロッキング層の材料を生成する手順の一例を示すフローチャートFlow chart showing an example of the procedure for generating the material of the blocking layer

以下、二次電池の実施形態を図面に基づいて説明する。図1及び図2示すように、二次電池10は、第1電極1と、第2電極2と、第1電極1と第2電極2との間に挟まれた充電層3とを備えている。充電層3は、絶縁体4と、半導体6とを有して構成されている。本実施形態では、半導体6として、複数の半導体微粒子5(ナノ粒子)が絶縁体4の中に分散されている。詳細は後述するが、図2は、図1の構成に対して、さらに、第2電極2と充電層3との間に第2電極2へのキャリア(電子、正孔)の移動を制限するブロッキング層7を備える構成を例示している。例えば、第1電極1及び第2電極2の厚みは200〜400[nm]、半導体微粒子5(半導体ナノ粒子)の径rは4〜20[nm]、半導体微粒子5の間隔dは1〜5[nm]、ブロッキング層7の厚みは100〜200[nm]である。また、詳細は後述するが、充電層3は、半導体6の禁制帯(band gap)の中央のエネルギー準位である真性フェルミ準位(E)と、半導体6と絶縁体4との界面における禁制帯の中央のエネルギー準位との差(φ)が、真性フェルミ準位(E)と半導体6のフェルミ準位(EFS)との差(ψ)の2倍以上の状態である強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリア(電子、正孔)を蓄積する。 Hereinafter, an embodiment of a secondary battery will be described based on the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the secondary battery 10 includes a first electrode 1, a second electrode 2, and a charging layer 3 sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 2. Yes. The charging layer 3 includes an insulator 4 and a semiconductor 6. In the present embodiment, a plurality of semiconductor fine particles 5 (nanoparticles) are dispersed in the insulator 4 as the semiconductor 6. Although details will be described later, FIG. 2 further restricts the movement of carriers (electrons, holes) to the second electrode 2 between the second electrode 2 and the charge layer 3 with respect to the configuration of FIG. The structure provided with the blocking layer 7 is illustrated. For example, the thicknesses of the first electrode 1 and the second electrode 2 are 200 to 400 [nm], the diameter r of the semiconductor fine particles 5 (semiconductor nanoparticles) is 4 to 20 [nm], and the distance d between the semiconductor fine particles 5 is 1 to 5. [Nm], the thickness of the blocking layer 7 is 100 to 200 [nm]. Although details will be described later, the charge layer 3 is formed at the interface between the intrinsic Fermi level (E i ) that is the energy level in the center of the band gap of the semiconductor 6 and the semiconductor 6 and the insulator 4. In the state where the difference (φ S ) from the energy level at the center of the forbidden band is more than twice the difference (φ F ) between the intrinsic Fermi level (E i ) and the Fermi level (E FS ) of the semiconductor 6 In a strong inversion state, carriers (electrons and holes) are accumulated at both ends of the forbidden band.

ここで、強反転状態について説明する。図3及び図4は、導体(金属)、絶縁体、半導体をこの順に接合したMIS接合(Metal-Insulator-Semiconductor Junction)のエネルギーバンド図である。図中、“M”は導体(金属)を示し、“I”は絶縁体を示し、“S”は半導体を示している。MIS接合は、絶縁体として例えばSiOなどの酸化物(Oxide)を用いたMOS接合(Metal- Oxide -Semiconductor Junction)を採用することができる。図3等に示したエネルギーバンド図は、図中において上に行くほどポテンシャルエネルギーが高いことを示している。図3及び図4では、MIS接合に対してバイアス電圧を掛けていない無バイアスの状態(左)と、大きなバイアス電圧を掛けている状態(右)とを並べて図示している。尚、図3はp型半導体を用いたMIS接合を示し、バイアス電圧は正方向の電圧(V>0)である。また、図4はn型半導体を用いたMIS接合を示し、バイアス電圧は負方向の電圧(V<0)である。 Here, the strong inversion state will be described. 3 and 4 are energy band diagrams of a MIS junction (Metal-Insulator-Semiconductor Junction) in which a conductor (metal), an insulator, and a semiconductor are joined in this order. In the figure, “M” indicates a conductor (metal), “I” indicates an insulator, and “S” indicates a semiconductor. As the MIS junction, a MOS junction (Metal-Oxide-Semiconductor Junction) using an oxide such as SiO 2 as an insulator can be employed. The energy band diagram shown in FIG. 3 and the like indicates that the potential energy increases as it goes upward in the figure. 3 and 4, a state in which no bias voltage is applied to the MIS junction (left) and a state in which a large bias voltage is applied (right) are shown side by side. FIG. 3 shows a MIS junction using a p-type semiconductor, and the bias voltage is a positive voltage (V> 0). FIG. 4 shows an MIS junction using an n-type semiconductor, and the bias voltage is a negative voltage (V <0).

図3及び図4において、“E”は、価電子帯(valence band)において最も高いポテンシャルエネルギーを有するエネルギー準位を示している。また、図中、“E”は、伝導帯(conduction band)において最も低いポテンシャルエネルギーを有するエネルギー準位を示している。“E”と“E”との間は、禁制帯(band gap)である。図中、“EFM”は、金属(M)のフェルミ準位を示し、“EFS”は半導体のフェルミ準位を示している。半導体や絶縁体では、禁制帯中にフェルミ準位Eが存在する。図3及び図4に示すように、バイアス電圧を印加していない無バイアスの状態では、接合した(接触した)物質同士のフェルミ準位E(ここでは、“EFM”と“EFS”)は一致する。 3 and 4, “E V ” indicates an energy level having the highest potential energy in the valence band. In the figure, “E C ” indicates an energy level having the lowest potential energy in the conduction band. There is a band gap between “E V ” and “E C ”. In the figure, “E FM ” indicates the Fermi level of metal (M), and “E FS ” indicates the Fermi level of the semiconductor. In the semiconductor or an insulator, the Fermi level E F is present in the forbidden band. As shown in FIGS. 3 and 4, in a non-biased state in which no bias voltage is applied, the Fermi levels E F (here, “E FM ” and “E FS ”) of bonded (contacted) substances are present. ) Matches.

上述したように、図3及び図4の右側の図は、金属(M)に大きなバイアス電圧を印加した場合のバンド図を示している。図3及び図4に示すように、バイアス電圧によって、絶縁体(I)と半導体(S)との接合面(界面)付近では、エネルギー帯(energy band)が大きく偏位する。当然ながら、それに伴って禁制帯も大きく偏位する。   As described above, the diagrams on the right side of FIGS. 3 and 4 show band diagrams when a large bias voltage is applied to the metal (M). As shown in FIGS. 3 and 4, the energy band is greatly deviated near the junction surface (interface) between the insulator (I) and the semiconductor (S) due to the bias voltage. Of course, the forbidden band is also greatly displaced with it.

図中、“E”は、禁制帯の中央のエネルギー準位である真性フェルミ準位を示している。“ψ”は、真性フェルミ準位Eとフェルミ準位E(半導体のフェルミ準位EFS)との差を示している。“φ”は、絶縁体(I)と半導体(S)との界面における禁制帯の中央のエネルギー準位と真性フェルミ準位Eとの差を示している。図3の右側のエネルギーバンド図では、当該界面における禁制帯の中央のエネルギー準位は、半導体のフェルミ準位EFSを下回っている。また、図4の右側のエネルギーバンド図では、当該界面における禁制帯の中央のエネルギー準位は、半導体のフェルミ準位EFSを上回っている。つまり、p型、n型共に、半導体のフェルミ準位EFSを超えて、真性フェルミ準位Eが偏向していることになる。このような状態を“反転状態(inversion)”という。図3及び図4に例示した状態は、さらに、“φ≧2ψ”となる状態までエネルギー帯及び禁制帯が偏位した状態であり、この状態を“強反転状態(strong inversion)”と称する。反転状態及び強反転状態では、絶縁体(I)と半導体(S)の境界部に幅“xd”の空乏層が現れる。 In the figure, “E i ” indicates the intrinsic Fermi level, which is the energy level at the center of the forbidden band. “Ψ F ” indicates the difference between intrinsic Fermi level E i and Fermi level E F (Semiconductor Fermi level E FS ). “Φ S ” indicates the difference between the energy level at the center of the forbidden band and the intrinsic Fermi level E i at the interface between the insulator (I) and the semiconductor (S). On the right side of the energy band diagram of FIG. 3, the center of the energy level of the forbidden band in the interface is below the semiconductor Fermi level E FS. Further, in the right side of the energy band diagram of FIG. 4, the center of the energy level of the forbidden band in the interface is above a semiconductor Fermi level E FS. That is, the intrinsic Fermi level E i is deflected beyond the Fermi level E FS of the semiconductor for both p-type and n-type. Such a state is called “inversion”. The state illustrated in FIGS. 3 and 4 is a state in which the energy band and the forbidden band are further shifted to a state where “φ S ≧ 2ψ F ”, and this state is referred to as a “strong inversion state”. Called. In the inversion state and the strong inversion state, a depletion layer having a width “xd” appears at the boundary between the insulator (I) and the semiconductor (S).

ところで、MIS接合は、一種のコンデンサ構造となっている。図5及び図6は、MIS接合を上述した強反転状態とした場合に、キャリア(電子、正孔)が蓄積される様子を示している。図3及び図4と同様、図5はp型半導体を用いた例を示し、図6はn型半導体を用いた例を示している。図中、“+”で示すキャリアは正孔を示し、“−”で示すキャリアは電子を示している。図5に示すように、p型半導体を用いたMIS接合を強反転状態とした場合には、半導体(S)の表面に正孔が集まり、絶縁体(I)と半導体(S)との界面に電子が集まる。また、図6に示すように、n型半導体を用いたMIS接合を強反転状態とした場合には、半導体(S)の表面に電子が集まり、絶縁体(I)と半導体(S)との界面に正孔が集まる。電子は、よりポテンシャルエネルギーの低い方へ移動する性質が有る。p型半導体を用いたMIS接合では、絶縁体(I)と半導体(S)との界面においてポテンシャルエネルギーが低い方向へエネルギー帯が偏位しているため、当該界面に電子が集まる。一方、n型半導体を用いたMIS接合では、絶縁体(I)と半導体(S)との界面においてポテンシャルエネルギーが高い方向へエネルギー帯が偏位しているため、半導体(S)の表面に電子が集まる。   By the way, the MIS junction has a kind of capacitor structure. 5 and 6 show how carriers (electrons and holes) are accumulated when the MIS junction is in the strong inversion state described above. Similar to FIGS. 3 and 4, FIG. 5 shows an example using a p-type semiconductor, and FIG. 6 shows an example using an n-type semiconductor. In the figure, carriers indicated by “+” indicate holes, and carriers indicated by “−” indicate electrons. As shown in FIG. 5, when a MIS junction using a p-type semiconductor is in a strong inversion state, holes collect on the surface of the semiconductor (S), and the interface between the insulator (I) and the semiconductor (S). Collect electrons. As shown in FIG. 6, when the MIS junction using the n-type semiconductor is in a strong inversion state, electrons gather on the surface of the semiconductor (S), and the insulator (I) and the semiconductor (S) Holes collect at the interface. Electrons have the property of moving to lower potential energy. In the MIS junction using the p-type semiconductor, the energy band is shifted in the direction where the potential energy is low at the interface between the insulator (I) and the semiconductor (S), so that electrons gather at the interface. On the other hand, in the MIS junction using an n-type semiconductor, the energy band is shifted in the direction in which the potential energy is high at the interface between the insulator (I) and the semiconductor (S). Gather.

ところで、このように集まったキャリア(電子又は正孔)は、金属(M)の側へ移動してしまう場合がある。図7は、n型半導体を用いたMIS接合を例示しており、図1に例示したように、第1電極1と第2電極2とを備えている。第2電極2のフェルミ準位“EFM”は、伝導帯の最も低いエネルギー準位“E”よりも低いエネルギー準位である。上述したように、電子は、よりエネルギー準位の低い方へ移動しようとする性質があるので、半導体(I)の表面に集まった電子が第2電極2へと移動する。交流回路では、正負が周期的に入れ替わるため、電子が一方的に第2電極2へと移動することはないから、図7に例示したような構造のMIS接合のコンデンサは、交流回路での利用が好ましい。一方、直流回路では、図8を参照して後述するように、キャリア(電子)の移動を制限する機能(ブロッキング層7)を追加することが好適である。 By the way, the carriers (electrons or holes) collected in this way may move to the metal (M) side. FIG. 7 illustrates an MIS junction using an n-type semiconductor, and includes a first electrode 1 and a second electrode 2 as illustrated in FIG. The Fermi level “E FM ” of the second electrode 2 is an energy level lower than the lowest energy level “E C ” of the conduction band. As described above, electrons have a property of moving toward a lower energy level, so that electrons collected on the surface of the semiconductor (I) move to the second electrode 2. In the AC circuit, since positive and negative are periodically switched, electrons do not move unilaterally to the second electrode 2. Therefore, the MIS junction capacitor having the structure illustrated in FIG. 7 is used in the AC circuit. Is preferred. On the other hand, in the DC circuit, as will be described later with reference to FIG. 8, it is preferable to add a function (blocking layer 7) for limiting the movement of carriers (electrons).

図8は、図7の構造に対して、半導体(I)と第2電極2との間に、第2電極2へのキャリアの移動を制限するブロッキング層7を備える構造を示している。このため、このブロッキング層7は、半導体微粒子5の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有している。また、ブロッキング層7は、以下の条件を満たしていれば、半導体(I)の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅でなくてもよい。もちろん、半導体(I)の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅であると共に、以下の条件を満たしていてもよい。この条件は、半導体微粒子5がn型の場合には、ブロッキング層7の伝導帯のエネルギー準位が、半導体微粒子5の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、ブロッキング層7の価電子帯のエネルギー準位が、半導体微粒子5の価電子帯のエネルギー準位よりも高いことである。或いは、半導体微粒子5がp型の場合には、ブロッキング層7の伝導帯のエネルギー準位が、半導体微粒子5の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、ブロッキング層7の価電子帯のエネルギー準位が、半導体微粒子5の価電子帯のエネルギー準位よりも低いことである。   FIG. 8 shows a structure in which a blocking layer 7 that restricts the movement of carriers to the second electrode 2 is provided between the semiconductor (I) and the second electrode 2 with respect to the structure of FIG. 7. For this reason, the blocking layer 7 has a forbidden band width wider than the forbidden band width of the semiconductor fine particles 5. Further, the blocking layer 7 may not have a forbidden band wider than the forbidden band of the semiconductor (I) as long as the following conditions are satisfied. Of course, the forbidden bandwidth is wider than the forbidden bandwidth of the semiconductor (I), and the following conditions may be satisfied. This condition is that when the semiconductor fine particles 5 are n-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer 7 is higher than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles 5, and the energy of the valence band of the blocking layer 7. The level is higher than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles 5. Alternatively, when the semiconductor fine particle 5 is p-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer 7 is lower than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particle 5, and the energy level of the valence band of the blocking layer 7. However, it is lower than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles 5.

半導体微粒子5がn型の場合を例として説明すると、ブロッキング層7は、半導体(I)の伝導帯の最低エネルギー準位“E”よりも高いエネルギー準位が伝導帯の最低エネルギー準位である半導体材料によって形成されている。例えば、図8に示すように、ブロッキング層7の禁制帯は、高い側のエネルギー準位が、充電層3を構成する半導体6(半導体微粒子5)の禁制帯の高い側のエネルギー準位よりも高く、低い側のエネルギー準位が、第2電極2のフェルミ準位(EFM)よりも低いバンド幅を少なくとも有していると好適である。このような条件を満たす場合、充電層3を構成する半導体6から第2電極2へのキャリア(電子)の移動が制限される。 The case where the semiconductor fine particles 5 are n-type will be described as an example. In the blocking layer 7, the energy level higher than the lowest energy level “E C ” of the conduction band of the semiconductor (I) is the lowest energy level of the conduction band. It is made of a certain semiconductor material. For example, as shown in FIG. 8, the forbidden band of the blocking layer 7 has a higher energy level than the energy level of the higher forbidden band of the semiconductor 6 (semiconductor fine particles 5) constituting the charging layer 3. It is preferable that the higher and lower energy levels have at least a lower bandwidth than the Fermi level (E FM ) of the second electrode 2. When such a condition is satisfied, the movement of carriers (electrons) from the semiconductor 6 constituting the charging layer 3 to the second electrode 2 is limited.

上述したように、本実施形態では、図1及び図2に示したように、半導体6は、絶縁体4の中に分散して配置された複数の半導体微粒子5である。従って、1つの半導体微粒子5は、絶縁体に覆われていることになる。断面図で示すと、半導体6(半導体微粒子5)は、両電極(1,2)を結ぶ両側が絶縁体4によって挟まれていることになる。図9及び図10は、そのような態様の二次電池10のエネルギーバンド図を例示している。図9及び図10は、上述したようにブロッキング層7を設けた構造でのエネルギーバンド図を例示している。また、図9は、充電時のエネルギーバンド図、図10は、放電時のエネルギーバンド図を示している。   As described above, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor 6 is a plurality of semiconductor fine particles 5 arranged dispersed in the insulator 4. Therefore, one semiconductor fine particle 5 is covered with an insulator. In a cross-sectional view, the semiconductor 6 (semiconductor fine particles 5) is sandwiched between the insulators 4 on both sides connecting both electrodes (1, 2). FIG. 9 and FIG. 10 illustrate energy band diagrams of the secondary battery 10 of such a mode. 9 and 10 illustrate energy band diagrams in the structure in which the blocking layer 7 is provided as described above. Further, FIG. 9 shows an energy band diagram during charging, and FIG. 10 shows an energy band diagram during discharging.

上述したように、電子はエネルギー準位が低い方へ移動しようとする性質がある。図9に示すように、第1電極1に負のバイアス電圧を印加して強反転状態とすると、半導体微粒子5の表面に電子が蓄積される。第2電極2のエネルギー準位は、半導体微粒子5の伝導帯の最低のエネルギー準位“E”よりも低いが、ブロッキング層7によって電子の移動が妨げられるため、蓄電状態が維持される。なお、本実施形態では、禁制帯の最低のエネルギー準位“E”よりもブロッキング層7の最低のエネルギー準位の方が高いエネルギー準位であるから、正孔は第2電極2へ移動することができる。放電時には、図10に示すように、第1電極1のバイアス電圧の絶対値を小さくする。第1電極1のエネルギー準位が、半導体微粒子5の伝導帯の最低のエネルギー準位“E”よりも低くなると、電子は、半導体微粒子5の表面から第1電極1へ移動する。 As described above, electrons have a property of trying to move toward a lower energy level. As shown in FIG. 9, when a negative bias voltage is applied to the first electrode 1 to make a strong inversion state, electrons are accumulated on the surface of the semiconductor fine particles 5. The energy level of the second electrode 2 is lower than the lowest energy level “E C ” of the conduction band of the semiconductor fine particles 5, but the movement of electrons is hindered by the blocking layer 7, so that the charged state is maintained. In this embodiment, since the lowest energy level of the blocking layer 7 is higher than the lowest energy level “E V ” of the forbidden band, holes move to the second electrode 2. can do. During discharging, the absolute value of the bias voltage of the first electrode 1 is reduced as shown in FIG. When the energy level of the first electrode 1 becomes lower than the lowest energy level “E C ” of the conduction band of the semiconductor fine particles 5, electrons move from the surface of the semiconductor fine particles 5 to the first electrode 1.

以上、上記においては、MIS接合にバイアス電圧を印加して強反転状態として得られる単体のコンデンサの原理について説明した。以下、このような原理を利用して、大容量のコンデンサを形成することについて説明する。   In the above, the principle of a single capacitor obtained by applying a bias voltage to the MIS junction to obtain a strong inversion state has been described. Hereinafter, formation of a large-capacity capacitor using such a principle will be described.

大容量化の第1の条件は、複数のコンデンサを用いることである。複数のコンデンサを並列接続した場合、その合成容量は複数のコンデンサの容量の合計値となる。図1及び図2に例示したように、本実施形態では、複数の半導体微粒子5が絶縁体4の中に分散して配置されているから、第1電極1と第2電極2との間には、各半導体微粒子5を半導体6とした複数のMIS接合が形成されている。つまり、図11に示すように、電極と電極との間には、複数のコンデンサ(コアシェル)が形成され、両電極に対して並列接続されていることになる。従って、二次電池10の大容量化を実現することができる。   The first condition for increasing the capacity is to use a plurality of capacitors. When a plurality of capacitors are connected in parallel, the combined capacity is the sum of the capacities of the plurality of capacitors. As illustrated in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, since the plurality of semiconductor fine particles 5 are dispersed and arranged in the insulator 4, between the first electrode 1 and the second electrode 2. Are formed with a plurality of MIS junctions in which each semiconductor fine particle 5 is a semiconductor 6. That is, as shown in FIG. 11, a plurality of capacitors (core shells) are formed between the electrodes, and are connected in parallel to both electrodes. Therefore, the capacity of the secondary battery 10 can be increased.

また、コンデンサの静電容量“C”は、電極の表面積を“S”、電極間の距離を“d”、電極間の誘電率を“ε”として、“C=εS/d”で表される。充電層3の中に複数の半導体微粒子5を含むことによって、表面積“S”を大きく採ることができる。半導体微粒子5が小さいと充電層3の中において隙間を小さくすることができ、密に半導体微粒子5を分散配置することができる。その結果、表面積“S”の合計も大きくなる。1つの態様として、半導体微粒子5の径rは、4〜2000nmであると好適である。半導体微粒子5の径rが大きい方が半導体微粒子5の表面積“So”は大きくなるが、充電層3における単位体積当たりの半導体微粒子5の数は少なくなる。充電層3における半導体微粒子5の数が多い方がコンデンサとしての合計の表面積“So”は大きくなる。従って、半導体微粒子5の径rは、後述する半導体微粒子5の間隔も含めて合計の表面積“So”が大きくなる最適な値とすると好適である。例えば、微細化が可能な場合には、半導体微粒子5の径は、4〜200nmであるとよい。また、さらに微細化が可能な場合には、半導体微粒子5の径は、4〜20nmであると好適である。 Further, the capacitance “C 0 ” of the capacitor is defined as “C 0 = εS 0 //, where“ S 0 ”is the surface area of the electrodes,“ d 0 ”is the distance between the electrodes, and“ ε ”is the dielectric constant between the electrodes. d 0 ″. By including a plurality of semiconductor fine particles 5 in the charge layer 3, a large surface area “S 0 ” can be taken. If the semiconductor fine particles 5 are small, the gaps in the charging layer 3 can be reduced, and the semiconductor fine particles 5 can be densely distributed. As a result, the total surface area “S 0 ” also increases. As one aspect, the diameter r of the semiconductor fine particles 5 is preferably 4 to 2000 nm. The surface area “So” of the semiconductor fine particles 5 increases as the diameter r of the semiconductor fine particles 5 increases, but the number of the semiconductor fine particles 5 per unit volume in the charging layer 3 decreases. The larger the number of semiconductor fine particles 5 in the charging layer 3, the larger the total surface area “So” as a capacitor. Accordingly, the diameter r of the semiconductor fine particles 5 is preferably set to an optimum value that increases the total surface area “So” including the interval of the semiconductor fine particles 5 described later. For example, when miniaturization is possible, the diameter of the semiconductor fine particles 5 is preferably 4 to 200 nm. Further, when further miniaturization is possible, the diameter of the semiconductor fine particles 5 is preferably 4 to 20 nm.

また、“C=εS/d”より、電極間の距離“d”は短い方が良いから、充電層3における絶縁体4の厚みは薄い方がよい。絶縁体4の厚みは、充電層3における半導体微粒子5の間隔として設定することができる。1つの態様として、充電層3における半導体微粒子5の間隔dは、1〜2000nmであると好適である(図9及び図10等参照)。上述したように、電極間の距離“d”は短い方が良いから、より好適には、充電層3における複数の半導体微粒子5の間隔は、1〜200nmであるとよい。当然ながら、充電層3における複数の半導体微粒子5の間隔は、1〜20nmであるとさらに好適である。 Further, since the distance “d 0 ” between the electrodes is preferably shorter than “C 0 = εS 0 / d 0 ”, the thickness of the insulator 4 in the charging layer 3 is preferably thin. The thickness of the insulator 4 can be set as the interval between the semiconductor fine particles 5 in the charging layer 3. As one aspect, the interval d between the semiconductor fine particles 5 in the charging layer 3 is preferably 1 to 2000 nm (see FIG. 9 and FIG. 10 and the like). As described above, the distance “d 0 ” between the electrodes is preferably short, and more preferably, the interval between the plurality of semiconductor fine particles 5 in the charging layer 3 is 1 to 200 nm. Naturally, the interval between the plurality of semiconductor fine particles 5 in the charging layer 3 is further preferably 1 to 20 nm.

さらに、誘電率“ε”は大きい方が良いから、半導体微粒子5は比較的誘電率の高い半導体材料を用いて形成されていることが好ましい。但し、誘電率“ε”が大きくなると、物性としては絶縁体に近づくから、必要な導電性と誘電率“ε”との関係が適切な範囲で、半導体6(半導体微粒子5)の種類を選定すると好適である。具体的な半導体材料については、二次電池10の製造方法と共に後述する。   Furthermore, since it is better that the dielectric constant “ε” is large, the semiconductor fine particles 5 are preferably formed using a semiconductor material having a relatively high dielectric constant. However, as the dielectric constant “ε” increases, the physical properties approach an insulator, so the type of the semiconductor 6 (semiconductor fine particles 5) is selected within the appropriate relationship between the required conductivity and the dielectric constant “ε”. It is preferable. Specific semiconductor materials will be described later together with a method for manufacturing the secondary battery 10.

以下、好適な二次電池10の製造方法について説明する。図12は、基材となる基板に対して、第1電極1から順に形成していく手順を例示している。図13は、図12とは逆に、基材となる基板に対して、第2電極2から順に形成していく手順を例示している。   Hereinafter, a preferable method for manufacturing the secondary battery 10 will be described. FIG. 12 illustrates the procedure of forming the first electrode 1 in order on the substrate serving as the base material. FIG. 13 exemplifies a procedure of forming the substrate as a base material in order from the second electrode 2, contrary to FIG. 12.

図12に示すように、はじめに基板材料に対して第1電極1となる薄膜がスパッタリングによって成膜される(#1:第1電極形成工程(電極形成第1工程))。この薄膜(第1電極1)の厚さは、例えば100〜500[nm]であると好適である。尚、スパッタリングの他、蒸着やめっきによって薄膜が形成されてもよい。基板材料は、SiOなどのセラミックスや、樹脂シートなどの絶縁材料を用いると好適である。また、二次電池10としての機器への搭載性を考慮すると、基板材料がフレキシブル基板等であると好適である。第1電極1(第2電極2も含む)の材料は、銅、金、銀、白金、窒化チタン、アルミチタン、亜鉛、クロム、ITO(Indium Tin Oxide : 酸化インジウムスズ(スズドープ酸化インジウム))、FTO(Fluorine Doped Tin Oxide : フッ素ドープ酸化スズ)などを利用することができる。 As shown in FIG. 12, the thin film used as the 1st electrode 1 with respect to a board | substrate material is first formed into a film by sputtering (# 1: 1st electrode formation process (electrode formation 1st process)). The thickness of the thin film (first electrode 1) is preferably 100 to 500 [nm], for example. In addition to sputtering, a thin film may be formed by vapor deposition or plating. As the substrate material, it is preferable to use ceramics such as SiO 2 or insulating materials such as a resin sheet. Moreover, when the mounting property to the apparatus as the secondary battery 10 is considered, it is preferable that the substrate material is a flexible substrate or the like. The material of the first electrode 1 (including the second electrode 2) is copper, gold, silver, platinum, titanium nitride, aluminum titanium, zinc, chromium, ITO (Indium Tin Oxide: indium tin oxide (tin-doped indium oxide)), FTO (Fluorine Doped Tin Oxide) can be used.

次に、第1電極1の上に、充電層3が形成される(#2:充電層形成工程)。充電層3は、上述したように、絶縁体4の中に半導体微粒子5が分散配置されている。このため、充電層3を形成するための充電層材料は、絶縁体4と半導体6(半導体微粒子5)とが混合された材料である。本実施形態では、半導体微粒子5の単独の層が生成された後、当該半導体微粒子5の隙間を埋めるように絶縁体4の層が形成されるのではなく、絶縁体4の中に半導体微粒子5が分散された、いわゆる分散液状の充電層材料を用いて充電層3が一気に生成される。充電層材料の作成方法については、図14〜図17を参照して後述する。   Next, the charge layer 3 is formed on the first electrode 1 (# 2: charge layer forming step). As described above, in the charging layer 3, the semiconductor fine particles 5 are dispersedly arranged in the insulator 4. For this reason, the charge layer material for forming the charge layer 3 is a material in which the insulator 4 and the semiconductor 6 (semiconductor fine particles 5) are mixed. In this embodiment, after the single layer of the semiconductor fine particles 5 is generated, the layer of the insulator 4 is not formed so as to fill the gap between the semiconductor fine particles 5, but the semiconductor fine particles 5 are formed in the insulator 4. The charge layer 3 is generated at once using a so-called dispersed liquid charge layer material in which is dispersed. A method for producing the charge layer material will be described later with reference to FIGS.

充電層形成工程#2では、はじめに充電層材料が電極薄膜(ここでは第1電極1)の上にスピンコートされる(#2a)。例えば、1つの態様として、2000〜4000[rpm]、1〜2[min.]の条件でスピンコートが実施される。尚、スピンコートに限らず、ディップコート、スプレー、ドクターブレード等の手法を用いてもよい。次に、電極薄膜の上に充電層材料が広がった状態で乾燥される(#2b)。例えば、1つの態様として、50〜70[℃]に保温されたホットプレート上で、20〜60[min.]の間乾燥される。その後、アニーリングが実施されて充電層3が形成される(#2c)。例えば、1つの態様として、300〜400[℃]で20〜60[min.]、アニーリングが実施される。充電層3の厚さは、例えば500〜3000[nm]であると好適である。   In the charge layer forming step # 2, first, the charge layer material is spin-coated on the electrode thin film (here, the first electrode 1) (# 2a). For example, as one aspect, 2000-4000 [rpm], 1-2 [min. ] Spin coating is carried out under the conditions. Note that not only spin coating but also techniques such as dip coating, spraying, and doctor blade may be used. Next, it is dried in a state where the charge layer material spreads on the electrode thin film (# 2b). For example, as one aspect, on a hot plate kept at 50 to 70 [° C.], 20 to 60 [min. ] During drying. Thereafter, annealing is performed to form the charge layer 3 (# 2c). For example, as one aspect, 300 to 400 [° C.] and 20 to 60 [min. ], Annealing is performed. The thickness of the charging layer 3 is preferably, for example, 500 to 3000 [nm].

充電層3が形成されると、その上にブロッキング層7が形成される(#3:ブロッキング層形成工程)。ブロッキング層7は、充電層3と同様に、スピンコート及びアニーリングによって形成されても良いし(#3a、#3b)、電極薄膜と同様にスパッタリングによって形成されても良い(#3c)。ブロッキング層7は、キャリアの移動を制限するために設けられるので、ピンホール等の隙間ができないような方法で形成されると好適である。ブロッキング層7の厚さは、例えば100〜400[nm]であると好適である。ブロッキング層7の材料(ブロッキング層材料)の作成方法については、図18を参照して後述する。また、1つの態様として、アニーリングは、300〜400[℃]で10〜20[min.]実施される。最後に、ブロッキング層7の上に、第2電極2となる薄膜がスパッタリングによって成膜される(#4:第2電極形成工程(電極形成第2工程))。尚、第1電極1と同様に、スパッタリングの他、蒸着やめっきによって薄膜が形成されてもよい。この薄膜(第2電極2)の厚さは、第1電極1と同様に、例えば100〜500[nm]であると好適である。   When the charge layer 3 is formed, the blocking layer 7 is formed thereon (# 3: blocking layer forming step). The blocking layer 7 may be formed by spin coating and annealing similarly to the charging layer 3 (# 3a, # 3b), or may be formed by sputtering similarly to the electrode thin film (# 3c). Since the blocking layer 7 is provided to limit the movement of carriers, it is preferable that the blocking layer 7 is formed by a method that does not allow a gap such as a pinhole. The thickness of the blocking layer 7 is preferably 100 to 400 [nm], for example. A method for producing the material of the blocking layer 7 (blocking layer material) will be described later with reference to FIG. Moreover, as one aspect, annealing is performed at 300 to 400 [° C.] for 10 to 20 [min. It is carried out. Finally, a thin film to be the second electrode 2 is formed on the blocking layer 7 by sputtering (# 4: second electrode formation step (electrode formation second step)). Similar to the first electrode 1, a thin film may be formed by vapor deposition or plating in addition to sputtering. Similar to the first electrode 1, the thickness of the thin film (second electrode 2) is preferably, for example, 100 to 500 [nm].

上記においては、好適な寸法範囲として、第1電極1及び第2電極2の厚さが約100〜500[nm]、充電層3の厚さが約500〜3000[nm]、ブロッキング層7の厚さが約100〜400[nm]であると例示した。例えば1つの態様として、二次電池10は、第1電極1及び第2電極2の厚さを300[nm]、充電層3の厚さを1000[nm]、ブロッキング層7の厚さを200[nm]として構成されると好適である。   In the above, as a preferable dimension range, the thickness of the first electrode 1 and the second electrode 2 is about 100 to 500 [nm], the thickness of the charging layer 3 is about 500 to 3000 [nm], and the blocking layer 7 It was exemplified that the thickness was about 100 to 400 [nm]. For example, as one aspect, the secondary battery 10 has a thickness of the first electrode 1 and the second electrode 2 of 300 [nm], a thickness of the charging layer 3 of 1000 [nm], and a thickness of the blocking layer 7 of 200. It is preferable to be configured as [nm].

ところで、ブロッキング層生成工程#3は、ブロッキング層材料を用いてブロッキング層7を形成する工程であるが、ブロッキング層材料は、半導体微粒子5がn型の場合には、ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が半導体微粒子5の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が半導体微粒子5の価電子帯のエネルギー準位よりも高い半導体材料である。また、ブロッキング層材料は、半導体微粒子5がp型の場合には、ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が半導体微粒子5の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が半導体微粒子5の価電子帯のエネルギー準位よりも低い半導体材料である。或いは、ブロッキング層材料は、ブロッキング層7の禁制帯が、半導体微粒子5の禁制帯よりも広い半導体材料である。   By the way, blocking layer production | generation process # 3 is a process of forming blocking layer 7 using blocking layer material, but when semiconductor fine particle 5 is n type, blocking layer material is the conduction band of blocking layer material. The semiconductor material has a higher energy level than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles 5, and the energy level of the valence band of the blocking layer material is higher than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles 5. In addition, when the semiconductor fine particles 5 are p-type, the blocking layer material has a lower energy level of the conduction band of the blocking layer material than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles 5, and the valence band of the blocking layer material. This is a semiconductor material whose energy level is lower than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles 5. Alternatively, the blocking layer material is a semiconductor material in which the forbidden band of the blocking layer 7 is wider than the forbidden band of the semiconductor fine particles 5.

上述したように、図13は、図12とは逆に、基材となる基板に対して、第2電極2から順に形成していく手順を例示している。即ち、第2電極形成工程#4、ブロッキング層形成工程#3、充電層形成工程#2、第1電極形成工程#1の順に各工程が実施されて二次電池10が製造される。各工程の内容については、図12を参照して上述した通りであるから、詳細な説明は省略する。尚、図13の手順においては、第2電極形成工程#4が電極形成第1工程であり、第1電極形成工程#1が電極形成第2工程である。また、ブロッキング層7を設けない場合には、図12及び図13のフローチャートにおいて、ブロッキング層形成工程#3を省略すればよい。   As described above, FIG. 13 exemplifies the procedure of forming the substrate as a base material in order from the second electrode 2, contrary to FIG. 12. That is, the secondary battery 10 is manufactured by performing each step in the order of the second electrode forming step # 4, the blocking layer forming step # 3, the charging layer forming step # 2, and the first electrode forming step # 1. The details of each step are as described above with reference to FIG. In the procedure of FIG. 13, the second electrode formation step # 4 is the first electrode formation step, and the first electrode formation step # 1 is the second electrode formation step. When the blocking layer 7 is not provided, the blocking layer forming step # 3 may be omitted in the flowcharts of FIGS.

以下、充電層材料の作成例について、図14〜図17を参照して後述する。図14は、半導体6として酸化亜鉛(ZnO)を用いた半導体微粒子5の分散液を生成する例を示している。図15は、半導体6として二酸化チタン(TiO)を用いた半導体微粒子5の分散液を生成する例を示している。図16は、半導体6として二酸化ケイ素(SiO)を用いた半導体微粒子5の分散液を生成する例を示している。図17は、図14〜図16により生成された半導体微粒子5の分散液(無機酸化物材料)と絶縁体材料との混合液を生成する例を示している。 Hereinafter, an example of creating the charge layer material will be described later with reference to FIGS. FIG. 14 shows an example of producing a dispersion of semiconductor fine particles 5 using zinc oxide (ZnO) as the semiconductor 6. FIG. 15 shows an example of producing a dispersion of semiconductor fine particles 5 using titanium dioxide (TiO 2 ) as the semiconductor 6. FIG. 16 shows an example of generating a dispersion of semiconductor fine particles 5 using silicon dioxide (SiO 2 ) as the semiconductor 6. FIG. 17 shows an example in which a mixed liquid of the dispersion liquid (inorganic oxide material) of the semiconductor fine particles 5 generated according to FIGS. 14 to 16 and the insulator material is generated.

図14に示すように、ZnOの分散液の生成では、まず、酢酸亜鉛二水和物とメタノールとの混合液が生成される(#11)。次に、この混合液が加温・攪拌されるが、この攪拌中に水酸化カリウムが混合液中に滴下される(#12)。1つの態様として、当該混合液は、加温され、50〜70[℃]に保温されている状態で攪拌され、攪拌中に水酸化カリウムを滴下される。その後、さらに、窒素ガスフロー条件にて、例えば1.5〜2.5[h]攪拌される(#13)。次に、この混合液は遠心分離される(#14)。遠心分離の後、不要液は廃棄され、残った沈殿物はメタノールで洗浄され、(#15)、窒素ドライガスにより乾燥される(#16)。最後に、ブタノールに分散されることによってZnO分散液が生成される(#17)。   As shown in FIG. 14, in the production of the ZnO dispersion, first, a mixed liquid of zinc acetate dihydrate and methanol is produced (# 11). Next, the mixed solution is heated and stirred. During the stirring, potassium hydroxide is dropped into the mixed solution (# 12). As one aspect, the liquid mixture is heated and stirred while being kept at 50 to 70 [° C.], and potassium hydroxide is added dropwise during the stirring. Thereafter, the mixture is further stirred under nitrogen gas flow conditions, for example, 1.5 to 2.5 [h] (# 13). Next, the mixed solution is centrifuged (# 14). After centrifugation, the unnecessary liquid is discarded, and the remaining precipitate is washed with methanol (# 15) and dried with nitrogen dry gas (# 16). Finally, a ZnO dispersion is produced by dispersing in butanol (# 17).

図15に示すように、TiO分散液の生成では、まず、TTIP(Titanium TetraIsoPropoxide : オルトチタン酸テトライソプロピル)と、IPA(IsoPropyl Alcohol = Isopropanol = 2-propanol)と、水との混合液が生成される(#21A)。この際、触媒として少量の硝酸が添加されてもよい。そして、この混合液が加温・攪拌され、加水分解を伴う、いわゆるゾルゲル法によって、TiO分散液が生成される(#22)。1つの態様として、例えば、上記混合液は、加温されて50〜70[℃]に保温されている状態で7〜9[h]攪拌されると好適である。 As shown in FIG. 15, in the production of the TiO 2 dispersion, first, a mixture of TTIP (Titanium TetraIsoPropoxide: tetraisopropyl orthotitanate), IPA (IsoPropyl Alcohol = Isopropanol = 2-propanol) and water is produced. (# 21A). At this time, a small amount of nitric acid may be added as a catalyst. Then, this mixed liquid is heated and stirred, and a TiO 2 dispersion liquid is generated by a so-called sol-gel method involving hydrolysis (# 22). As one aspect, for example, it is preferable that the above mixed solution is stirred for 7 to 9 [h] while being heated and kept at 50 to 70 [° C.].

SiO分散液も、TiO分散液と同様に生成される。図16に示すように、SiO分散液の生成では、まず、TEOS(Tetra Ethoxy Silane : オルトケイ酸テトラエチル)と、エタノールと、水との混合液が生成される(#21B)。この場合も、触媒として少量の硝酸が添加されてもよい。そして、この混合液が加温・攪拌され、SiO分散液が生成される(#22)。TiO分散液の生成と同様に、1つの態様として、例えば、上記混合液は、加温されて50〜70[℃]に保温されている状態で7〜9[h]攪拌されると好適である。 The SiO 2 dispersion is produced in the same manner as the TiO 2 dispersion. As shown in FIG. 16, in the generation of the SiO 2 dispersion, first, a mixed liquid of TEOS (Tetra Ethoxy Silane), ethanol, and water is generated (# 21B). In this case as well, a small amount of nitric acid may be added as a catalyst. Then, this mixed solution is heated and stirred to produce a SiO 2 dispersion (# 22). Similar to the generation of the TiO 2 dispersion, as one aspect, for example, the above mixed liquid is preferably stirred for 7 to 9 [h] while being heated and kept at 50 to 70 [° C.]. It is.

上述したように、TiO分散液と、SiO分散液とは、同様の手順で生成される。即ち、TTIPやTEOSのようなアルコキシドを含むゾルを生成し(#21:図15及び図16)、加温・攪拌することによってゲル状態として(#22)、半導体を合成するゾルゲル法によって無機酸化物材料が生成される。 As described above, the TiO 2 dispersion and the SiO 2 dispersion are produced in the same procedure. That is, a sol containing an alkoxide such as TTIP or TEOS is generated (# 21: FIGS. 15 and 16), and is heated and stirred to be in a gel state (# 22). Material is generated.

上述したようにして生成された無機酸化物材料(半導体微粒子5を含む分散液)を用いて、充電層材料が生成される。図17に示すように、まず、無機酸化物材料(半導体微粒子5を含む分散液)と、絶縁体材料との混合液が生成される(#31)。そして、この混合液が、例えばボルテックスミキサーなどを用いて3〜5[min.]混合されて、充電層材料が生成される(#32)。   The charge layer material is generated using the inorganic oxide material (dispersion liquid containing the semiconductor fine particles 5) generated as described above. As shown in FIG. 17, first, a mixed liquid of an inorganic oxide material (a dispersion liquid containing semiconductor fine particles 5) and an insulator material is generated (# 31). And this liquid mixture is 3-5 [min.] Using a vortex mixer etc., for example. ] To produce the charge layer material (# 32).

上記においては、無機酸化物材料(無機酸化物半導体)として、ZnO、TiO、SiOを例示したが、AZO(Al doped ZnO)や、GZO(Ga doped ZnO)、ニオブ(Nb)をドープしたTiOなど、導電性の高い半導体材料を用いてもよい。また、絶縁体材料は、セラミックス(SiO)や、絶縁性樹脂を用いると好適である。 In the above, ZnO, TiO 2 , and SiO 2 are exemplified as the inorganic oxide material (inorganic oxide semiconductor), but doped with AZO (Al doped ZnO), GZO (Ga doped ZnO), and niobium (Nb). A highly conductive semiconductor material such as TiO 2 may be used. As the insulator material, ceramics (SiO 2 ) or an insulating resin is preferably used.

図18は、ブロッキング層7の材料(ブロッキング層材料)を生成する手順の一例を示している。上述したように、ブロッキング層7の半導体は、充電層3の半導体(例えば、ZnO、TiO、SiOなど)に対して、禁制帯幅が広い特性を有する。本実施形態では、そのような半導体としての酸化ニッケル(NiO)を含む溶液を生成する手順を例示する。図18に示すように、まず、酢酸ニッケル(II)と、メタノールとの混合液が生成される(#41)。次に、この混合液は、室温で攪拌されると共に、攪拌中にジエタノールアミンを滴下される(#42)。その後、例えば1〜3[h]攪拌を継続され、NiO溶液が生成される(#43)。尚、ブロッキング層7の材料には、ZiOや、有機半導体を利用することもできる。 FIG. 18 shows an example of a procedure for generating the material of the blocking layer 7 (blocking layer material). As described above, the semiconductor of the blocking layer 7 has a wider band gap than the semiconductor of the charge layer 3 (for example, ZnO, TiO 2 , SiO 2, etc.). In the present embodiment, a procedure for generating a solution containing nickel oxide (NiO) as such a semiconductor is exemplified. As shown in FIG. 18, first, a mixed solution of nickel acetate (II) and methanol is generated (# 41). Next, the mixed liquid is stirred at room temperature, and diethanolamine is added dropwise during the stirring (# 42). Thereafter, for example, stirring is continued for 1 to 3 [h], and a NiO solution is generated (# 43). As a material for the blocking layer 7, ZiO or an organic semiconductor can be used.

ところで、上記においては、二次電池10が、強反転状態において、キャリアを禁制帯の両端に蓄積する場合を例示したが、図12〜図18を参照して説明した製造方法により製造される二次電池10は、他の状態においてもキャリアを蓄積することができる。例えば、“φ≧2ψ”の強反転状態ではなく、“0<φ<2ψ”の反転状態においてキャリアを蓄積してもよい。また、反転状態及び強反転状態とは、逆方向のバイアス電圧を印加した状態、即ち、空乏層が形成されない、いわゆる蓄積状態(accumulation)においてキャリアを蓄積してもよい。 In the above, the case where the secondary battery 10 accumulates carriers at both ends of the forbidden band in the strong inversion state is exemplified. However, the secondary battery 10 is manufactured by the manufacturing method described with reference to FIGS. The secondary battery 10 can accumulate carriers even in other states. For example, the carriers may be accumulated not in the strong inversion state of “φ S ≧ 2ψ F ” but in the inversion state of “0 <φ S <2ψ F ”. Further, in the inversion state and the strong inversion state, carriers may be accumulated in a state where a reverse bias voltage is applied, that is, in a so-called accumulation state in which a depletion layer is not formed.

また、上記においては、図7〜図10を参照して、半導体微粒子5としてn型半導体を用いた二次電池10を例示したが、当然ながら半導体微粒子5はp型半導体であってもよい。   In the above description, the secondary battery 10 using an n-type semiconductor as the semiconductor fine particle 5 is illustrated with reference to FIGS. 7 to 10. However, the semiconductor fine particle 5 may be a p-type semiconductor.

〔実施形態の概要〕
以下、上記において説明した二次電池(10)の概要について簡単に説明する。
[Outline of Embodiment]
Hereinafter, the outline of the secondary battery (10) described above will be briefly described.

1つの態様として、二次電池(10)は、第1電極(1)と、第2電極(2)と、前記第1電極(1)と前記第2電極(2)との間に挟まれると共に、絶縁体(4)及び半導体(6)を有する充電層(3)と、を備え、前記充電層(3)は、前記半導体(6)の禁制帯の中央のエネルギー準位である真性フェルミ準位(E)と、前記半導体(6)と前記絶縁体(4)との界面における前記半導体の禁制帯の中央のエネルギー準位との差(φ)が、前記真性フェルミ準位(E)と前記半導体のフェルミ準位(EFS)との差(ψ)の2倍以上の状態である強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリアを蓄積するものであり、前記半導体(6)は、前記絶縁体(4)の中に分散した複数の半導体微粒子(5)である。 As one aspect, the secondary battery (10) is sandwiched between the first electrode (1), the second electrode (2), and the first electrode (1) and the second electrode (2). And a charge layer (3) having an insulator (4) and a semiconductor (6), wherein the charge layer (3) is an intrinsic Fermi that is at the center energy level of the forbidden band of the semiconductor (6). The difference (φ S ) between the level (E i ) and the energy level at the center of the semiconductor forbidden band at the interface between the semiconductor (6) and the insulator (4) is the intrinsic Fermi level ( In a strong inversion state that is twice or more the difference (ψ F ) between E i ) and the Fermi level (E FS ) of the semiconductor, carriers are accumulated at both ends of the forbidden band, (6) is a plurality of semiconductor fine particles (5) dispersed in the insulator (4).

半導体微粒子(5)を絶縁体(4)の中に分散することによって、第1電極(1)と第2電極(2)と絶縁体(4)と半導体微粒子(5)とを接合させたMIS接合(Metal-Insulator-Semiconductor Junction)のコンデンサのコアシェルを多く形成することができる。第1電極(1)と第2電極(2)との間に複数のコンデンサを並列接続で設けることができるので、二次電池(10)を大容量化することができる。また、当該二次電池(10)は、光励起構造変化などの特別な処置を必要とせず、強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリアを蓄積するので、簡単に二次電池(10)を構成することができる。また、この二次電池(10)は、化学電池ではなく、MIS接合を利用したエレクトロン電池であるから、高い入出力密度が得られる。このように、本構成によれば、入出力密度が高く大容量の二次電池(10)を提供することができる。   By dispersing the semiconductor fine particles (5) in the insulator (4), the first electrode (1), the second electrode (2), the insulator (4), and the semiconductor fine particles (5) are joined. A large number of core shells of metal-insulator-semiconductor junction capacitors can be formed. Since a plurality of capacitors can be provided in parallel connection between the first electrode (1) and the second electrode (2), the capacity of the secondary battery (10) can be increased. In addition, the secondary battery (10) does not require any special treatment such as photoexcitation structure change and stores carriers at both ends of the forbidden band in the strong inversion state, so that the secondary battery (10) can be easily installed. Can be configured. Moreover, since this secondary battery (10) is not a chemical battery but an electron battery using MIS junction, a high input / output density can be obtained. Thus, according to this configuration, it is possible to provide a secondary battery (10) having a high input / output density and a large capacity.

また、1つの態様として、二次電池(10)は、前記第2電極(2)と前記充電層(3)との間に、前記第2電極(2)へのキャリアの移動を制限するブロッキング層(7)を備え、前記半導体微粒子(5)がn型の場合には、前記ブロッキング層(7)の伝導帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子(5)の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、前記ブロッキング層(7)の価電子帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子(5)の価電子帯のエネルギー準位よりも高く、前記半導体微粒子(5)がp型の場合には、前記ブロッキング層(7)の伝導帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子(5)の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、前記ブロッキング層(7)の価電子帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子(5)の価電子帯のエネルギー準位よりも低いと好適である。或いは、1つの態様として、二次電池(10)は、前記第2電極(2)と前記充電層(3)との間に、前記第2電極(2)へのキャリアの移動を制限するブロッキング層(7)を備え、前記ブロッキング層(7)の禁制帯が、前記半導体微粒子(5)の禁制帯よりも広いと好適である。この構成によれば、キャリアが充電層(3)から第2電極(2)へ移動することを妨げ、二次電池(10)の蓄電状態を適切に維持することができる。   Moreover, as one aspect, the secondary battery (10) is a blocking that restricts the movement of carriers to the second electrode (2) between the second electrode (2) and the charging layer (3). When the semiconductor fine particle (5) is an n-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer (7) is more than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particle (5). The energy level of the valence band of the blocking layer (7) is higher than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles (5), and the semiconductor fine particles (5) are p-type. The energy level of the conduction band of the blocking layer (7) is lower than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles (5), and the energy level of the valence band of the blocking layer (7) is Of valence band of semiconductor fine particles (5) It is lower and more suitable than energy levels. Alternatively, as one aspect, the secondary battery (10) is a blocking device that restricts carrier movement to the second electrode (2) between the second electrode (2) and the charging layer (3). A layer (7) is provided, and the forbidden band of the blocking layer (7) is preferably wider than the forbidden band of the semiconductor fine particles (5). According to this configuration, the carrier is prevented from moving from the charge layer (3) to the second electrode (2), and the storage state of the secondary battery (10) can be appropriately maintained.

1つの態様として、前記半導体微粒子(5)の径は、4〜2000nmであると好適である。この構成によれば、充電層(3)において、密に半導体微粒子(5)を分散配置することができるので、二次電池(10)の容量を大きくすることができる。より好ましくは、前記半導体微粒子(5)の径は、4〜200nmであるとよい。また、前記半導体微粒子(5)の径が、4〜20nmであるとさらに好適である。   As one aspect, the semiconductor fine particles (5) preferably have a diameter of 4 to 2000 nm. According to this configuration, since the semiconductor fine particles (5) can be densely dispersed in the charge layer (3), the capacity of the secondary battery (10) can be increased. More preferably, the diameter of the semiconductor fine particles (5) is 4 to 200 nm. Further, it is more preferable that the diameter of the semiconductor fine particles (5) is 4 to 20 nm.

1つの態様として、前記充電層(3)における複数の前記半導体微粒子(5)の間隔は、1〜2000nmであると好適である。コンデンサの容量は、電極間の距離が短くなるほど大きい。従って、電極間の距離としてみなすことができる半導体微粒子(5)の間隔、即ち、充電層(3)における半導体(4)の厚みが薄く構成されると二次電池(10)の容量を大きくすることができる。より好適には、前記充電層(3)における複数の前記半導体微粒子(5)の間隔は、1〜200nmであるとよい。また、前記充電層(3)における複数の前記半導体微粒子(5)の間隔は、1〜20nmであるとさらに好適である。   As one aspect, the interval between the plurality of semiconductor fine particles (5) in the charge layer (3) is preferably 1 to 2000 nm. The capacity of the capacitor increases as the distance between the electrodes decreases. Therefore, the capacity of the secondary battery (10) is increased when the distance between the semiconductor fine particles (5), which can be regarded as the distance between the electrodes, that is, the thickness of the semiconductor (4) in the charging layer (3) is thin. be able to. More preferably, the interval between the plurality of semiconductor fine particles (5) in the charging layer (3) is 1 to 200 nm. Further, it is more preferable that the interval between the plurality of semiconductor fine particles (5) in the charge layer (3) is 1 to 20 nm.

1つの態様として、前記半導体微粒子がn型半導体である場合には、前記第1電極に負のバイアス電圧を印加することによって充電を行い、前記半導体微粒子がp型半導体である場合には、前記第1電極に正のバイアス電圧を印加することによって充電を行うと好適である。この構成によれば、n型半導体、p型半導体、それぞれの特性に応じて、適切に強反転状態を実現して、二次電池(10)を利用することができる。   As one aspect, when the semiconductor fine particle is an n-type semiconductor, charging is performed by applying a negative bias voltage to the first electrode, and when the semiconductor fine particle is a p-type semiconductor, It is preferable to perform charging by applying a positive bias voltage to the first electrode. According to this configuration, the secondary battery (10) can be used by appropriately realizing the strong inversion state according to the characteristics of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor.

また、1つの態様として、第1電極(1)と、第2電極(2)と、前記第1電極(1)と前記第2電極(2)との間に挟まれた充電層(3)と、を少なくとも備えた二次電池(10)を製造する二次電池製造方法は、
基板上に前記第1電極(1)及び前記第2電極(2)の何れか一方の電極となる薄膜を形成する電極形成第1工程(#1,#4)と、
前記電極形成第1工程(#1,#4)の後、絶縁体(4)の中に複数の半導体微粒子(5)が分散された充電層材料を用いて前記充電層(3)を形成する充電層形成工程(#2)と、
前記充電層形成工程(#2)の後、前記第1電極(1)及び前記第2電極(2)の何れか他方の電極となる薄膜を形成する電極形成第2工程(#4,#1)と、を備える。
Moreover, as one aspect, the charge layer (3) sandwiched between the first electrode (1), the second electrode (2), and the first electrode (1) and the second electrode (2). And a secondary battery manufacturing method for manufacturing a secondary battery (10) having at least
An electrode formation first step (# 1, # 4) for forming a thin film to be one of the first electrode (1) and the second electrode (2) on the substrate;
After the first electrode formation step (# 1, # 4), the charge layer (3) is formed using a charge layer material in which a plurality of semiconductor fine particles (5) are dispersed in an insulator (4). Charging layer forming step (# 2);
After the charge layer forming step (# 2), an electrode forming second step (# 4, # 1) for forming a thin film to be the other of the first electrode (1) and the second electrode (2). And).

絶縁体の中に複数の半導体微粒子が分散された充電層材料を用いて充電層(3)を形成することによって、MIS接合のコンデンサのコアシェルを充電層(3)の中に多く形成することができる。また、充電層材料において適切な離間距離を保って半導体微粒子(5)が絶縁体(4)の中に分散されるので、安定的に二次電池(10)を構成することができる。   By forming the charge layer (3) using a charge layer material in which a plurality of semiconductor fine particles are dispersed in an insulator, a large number of core shells of MIS junction capacitors can be formed in the charge layer (3). it can. Moreover, since the semiconductor fine particles (5) are dispersed in the insulator (4) while maintaining an appropriate separation distance in the charge layer material, the secondary battery (10) can be stably formed.

また、1つの態様として、前記二次電池(10)は、前記第2電極(2)と前記充電層(3)との間に、前記第2電極(2)へのキャリアの移動を制限するブロッキング層(7)を備え、二次電池製造方法は、前記電極形成第1工程(#4)の後であって前記充電層形成工程(#2)の前に実施される工程、或いは、前記充電層形成工程(#2)の後であって前記電極形成第2工程(#4)の前に実施される工程、であり、ブロッキング層材料を用いて前記ブロッキング層(7)を形成するブロッキング層形成工程(#3)を、さらに備え、前記ブロッキング層材料は、前記半導体微粒子(5)がn型の場合には、前記ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子(5)の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、前記ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子(5)の価電子帯のエネルギー準位よりも高い半導体材料であり、前記半導体微粒子(5)がp型の場合には、前記ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子(5)の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、前記ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子(5)の価電子帯のエネルギー準位よりも低い半導体材料であると好適である。或いは、1つの態様として、前記ブロッキング層材料は、前記ブロッキング層(7)の禁制帯が、前記半導体微粒子(5)の禁制帯よりも広い半導体材料であると好適である。この方法によれば、ブロッキング層(7)を適切に形成することができる。そして、ブロッキング層(7)によって、キャリアが充電層(3)から第2電極(2)へ移動することを妨げ、二次電池(10)の蓄電状態を適切に維持することができる。   Moreover, as one aspect, the secondary battery (10) restricts carrier movement to the second electrode (2) between the second electrode (2) and the charging layer (3). A blocking layer (7), wherein the secondary battery manufacturing method is a step performed after the first electrode formation step (# 4) and before the charging layer formation step (# 2), or Blocking that is performed after the charge layer forming step (# 2) and before the second electrode forming step (# 4), and forming the blocking layer (7) using a blocking layer material A layer forming step (# 3), wherein the blocking layer material has an energy level of a conduction band of the blocking layer material when the semiconductor fine particles (5) are n-type. Higher than the energy level of the conduction band of the When the energy level of the valence band of the king layer material is higher than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles (5), and the semiconductor fine particles (5) are p-type, the blocking is performed. The energy level of the conduction band of the layer material is lower than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles (5), and the energy level of the valence band of the blocking layer material is the valence band of the semiconductor fine particles (5). A semiconductor material having a lower energy level is preferable. Alternatively, as one aspect, the blocking layer material is preferably a semiconductor material in which the forbidden band of the blocking layer (7) is wider than the forbidden band of the semiconductor fine particles (5). According to this method, the blocking layer (7) can be appropriately formed. And a blocking layer (7) prevents a carrier from moving from a charge layer (3) to a 2nd electrode (2), and can maintain the electrical storage state of a secondary battery (10) appropriately.

1:第1電極
2:第2電極
3:充電層
4:絶縁体
5:半導体微粒子
6:半導体
10:二次電池
:真性フェルミ準位
FS:半導体のフェルミ準位
ψ:真性フェルミ準位とフェルミ準位との差
φ:半導体と絶縁体との界面における禁制帯の中央のエネルギー準位と真性フェルミ準位との差
:半導体微粒子の伝導帯の最低エネルギー準位
1: First electrode 2: Second electrode 3: Charging layer 4: Insulator 5: Semiconductor fine particle 6: Semiconductor 10: Secondary battery E i : Intrinsic Fermi level E FS : Fermi level of semiconductor ψ F : Intrinsic Fermi Difference between level and Fermi level φ s : Difference between the energy level at the center of the forbidden band and the intrinsic Fermi level at the interface between the semiconductor and the insulator E C : Minimum energy level of the conduction band of semiconductor fine particles

Claims (9)

第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に挟まれると共に、絶縁体及び半導体を有する充電層と、を備え、
前記充電層は、前記半導体の禁制帯の中央のエネルギー準位である真性フェルミ準位と、前記半導体と前記絶縁体との界面における前記半導体の禁制帯の中央のエネルギー準位との差が、前記真性フェルミ準位と前記半導体のフェルミ準位との差の2倍以上の状態である強反転状態において、当該禁制帯の両端にキャリアを蓄積するものであり、
前記半導体は、前記絶縁体の中に分散した複数の半導体微粒子である二次電池。
A first electrode;
A second electrode;
A charge layer sandwiched between the first electrode and the second electrode and having an insulator and a semiconductor,
The charging layer has a difference between an intrinsic Fermi level that is an energy level at the center of the semiconductor forbidden band and an energy level at the center of the semiconductor forbidden band at the interface between the semiconductor and the insulator. In the strong inversion state, which is a state of at least twice the difference between the intrinsic Fermi level and the semiconductor Fermi level, carriers are accumulated at both ends of the forbidden band,
The secondary battery, wherein the semiconductor is a plurality of semiconductor fine particles dispersed in the insulator.
前記第2電極と前記充電層との間に、前記第2電極へのキャリアの移動を制限するブロッキング層を備え、
前記半導体微粒子がn型の場合、前記ブロッキング層の伝導帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、前記ブロッキング層の価電子帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子の価電子帯のエネルギー準位よりも高く、
前記半導体微粒子がp型の場合、前記ブロッキング層の伝導帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、前記ブロッキング層の価電子帯のエネルギー準位は、前記半導体微粒子の価電子帯のエネルギー準位よりも低い、請求項1に記載の二次電池。
A blocking layer that restricts the movement of carriers to the second electrode between the second electrode and the charging layer,
When the semiconductor fine particles are n-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer is higher than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles, and the energy level of the valence band of the blocking layer is Higher than the energy level of the valence band of fine particles,
When the semiconductor fine particles are p-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer is lower than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles, and the energy level of the valence band of the blocking layer is The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is lower than an energy level of a valence band of fine particles.
前記第2電極と前記充電層との間に、前記第2電極へのキャリアの移動を制限するブロッキング層を備え、
前記ブロッキング層の禁制帯は、前記半導体微粒子の禁制帯よりも広い請求項1又は2に記載の二次電池。
A blocking layer that restricts the movement of carriers to the second electrode between the second electrode and the charging layer,
The secondary battery according to claim 1, wherein a forbidden band of the blocking layer is wider than a forbidden band of the semiconductor fine particles.
前記半導体微粒子の径は、4〜2000nmである請求項1から3の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor fine particles have a diameter of 4 to 2000 nm. 前記充電層における複数の前記半導体微粒子の間隔は、1〜2000nmである請求項1から4の何れか一項に記載の二次電池。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein an interval between the plurality of semiconductor fine particles in the charge layer is 1 to 2000 nm. 前記半導体微粒子がn型半導体である場合には、前記第1電極に負のバイアス電圧を印加することによって充電を行い、
前記半導体微粒子がp型半導体である場合には、前記第1電極に正のバイアス電圧を印加することによって充電を行う、請求項1から5の何れか一項に記載の二次電池。
When the semiconductor fine particle is an n-type semiconductor, charging is performed by applying a negative bias voltage to the first electrode,
6. The secondary battery according to claim 1, wherein when the semiconductor fine particle is a p-type semiconductor, charging is performed by applying a positive bias voltage to the first electrode.
第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に挟まれた充電層と、を少なくとも備えた二次電池を製造する二次電池製造方法であって、
基板上に前記第1電極及び前記第2電極の何れか一方の電極となる薄膜を形成する電極形成第1工程と、
前記電極形成第1工程の後、絶縁体の中に複数の半導体微粒子が分散された充電層材料を用いて前記充電層を形成する充電層形成工程と、
前記充電層形成工程の後、前記第1電極及び前記第2電極の何れか他方の電極となる薄膜を形成する電極形成第2工程と、
を備える二次電池製造方法。
A secondary battery manufacturing method for manufacturing a secondary battery comprising at least a first electrode, a second electrode, and a charging layer sandwiched between the first electrode and the second electrode,
An electrode formation first step of forming a thin film to be any one of the first electrode and the second electrode on a substrate;
After the electrode formation first step, a charge layer forming step of forming the charge layer using a charge layer material in which a plurality of semiconductor fine particles are dispersed in an insulator;
After the charging layer forming step, an electrode forming second step of forming a thin film that becomes the other electrode of the first electrode and the second electrode,
A secondary battery manufacturing method comprising:
前記二次電池は、前記第2電極と前記充電層との間に、前記第2電極へのキャリアの移動を制限するブロッキング層を備え、
前記電極形成第1工程の後であって前記充電層形成工程の前に実施される工程、或いは、前記充電層形成工程の後であって前記電極形成第2工程の前に実施される工程、であり、ブロッキング層材料を用いて前記ブロッキング層を形成するブロッキング層形成工程を、さらに備え、
前記ブロッキング層材料は、
前記半導体微粒子がn型の場合には、前記ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子の伝導帯のエネルギー準位よりも高く、前記ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子の価電子帯のエネルギー準位よりも高い半導体材料であり、
前記半導体微粒子がp型の場合には、前記ブロッキング層材料の伝導帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子の伝導帯のエネルギー準位よりも低く、前記ブロッキング層材料の価電子帯のエネルギー準位が前記半導体微粒子の価電子帯のエネルギー準位よりも低い半導体材料である、請求項7に記載の二次電池製造方法。
The secondary battery includes a blocking layer that restricts carrier movement to the second electrode between the second electrode and the charging layer,
A step performed after the electrode formation first step and before the charge layer formation step, or a step performed after the charge layer formation step and before the electrode formation second step, A blocking layer forming step of forming the blocking layer using a blocking layer material,
The blocking layer material is
When the semiconductor fine particles are n-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer material is higher than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles, and the energy level of the valence band of the blocking layer material is It is a semiconductor material that is higher than the energy level of the valence band of the semiconductor fine particles,
When the semiconductor fine particles are p-type, the energy level of the conduction band of the blocking layer material is lower than the energy level of the conduction band of the semiconductor fine particles, and the energy level of the valence band of the blocking layer material is The secondary battery manufacturing method of Claim 7 which is a semiconductor material lower than the energy level of the valence band of the said semiconductor fine particle.
前記二次電池は、前記第2電極と前記充電層との間に、前記第2電極へのキャリアの移動を制限するブロッキング層を備え、
前記電極形成第1工程の後であって前記充電層形成工程の前に実施される工程、或いは、前記充電層形成工程の後であって前記電極形成第2工程の前に実施される工程、であり、ブロッキング層材料を用いて前記ブロッキング層を形成するブロッキング層形成工程を、さらに備え、
前記ブロッキング層材料は、前記ブロッキング層の禁制帯が、前記半導体微粒子の禁制帯よりも広い半導体材料である、請求項7又は8に記載の二次電池製造方法。
The secondary battery includes a blocking layer that restricts carrier movement to the second electrode between the second electrode and the charging layer,
A step performed after the electrode formation first step and before the charge layer formation step, or a step performed after the charge layer formation step and before the electrode formation second step, A blocking layer forming step of forming the blocking layer using a blocking layer material,
The secondary battery manufacturing method according to claim 7 or 8, wherein the blocking layer material is a semiconductor material in which a forbidden band of the blocking layer is wider than a forbidden band of the semiconductor fine particles.
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