JP2017147257A - 光電変換素子とその製造方法、および太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズモン共鳴による電場増強効果および光吸収量の増大効果をより効果的に得ることが可能な光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換素子1は、第1の電極110と、透光性を有する第2の電極160と、第1の電極110および第2の電極160の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層140とを備える。第1の電極110は、平面視周期的に形成された複数の凸部21を含む凹凸構造部20を有し、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属凹凸電極であり、第2の電極160は、互いに導通された複数の細線161からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属細線電極である。第1の電極110および第2の電極160はいずれも、受光層140の光吸収領域内に少なくとも1つのプラズモン吸収ピーク波長を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、光電変換素子とその製造方法、および太陽電池に関するものである。
表面にナノオーダーの凹凸構造部を有する金属微細構造体、および平面的に配列された複数のナノオーダーの金属微粒子等では、金属表面に光が入射したときに金属表面の自由電子の粗密波(表面プラズモン波)が入射光により生成されたエバネッセント波に共鳴して励起される。この現象は、表面プラズモン共鳴と呼ばれる。
プラズモン共鳴は、金属の種類と形状とサイズ、および周囲の物質等に応じた特定の波長領域で生じる。また、このプラズモン共鳴によって、金属の表面およびその近傍では非常に強い増強電場が発生する。プラズモン共鳴は、このような波長依存性あるいは増強電場を利用して、光センサ、光学フィルタ、および光電変換素子等の光学デバイスへの応用が期待されている。
プラズモン共鳴は、金属の種類と形状とサイズ、および周囲の物質等に応じた特定の波長領域で生じる。また、このプラズモン共鳴によって、金属の表面およびその近傍では非常に強い増強電場が発生する。プラズモン共鳴は、このような波長依存性あるいは増強電場を利用して、光センサ、光学フィルタ、および光電変換素子等の光学デバイスへの応用が期待されている。
地球温暖化を発端として昨今は環境問題への意識が高まっており、石油代替エネルギーとしての太陽光発電、およびそれに用いられる光電変換素子が注目されている。
現在、太陽光発電用に実用化されている光電変換素子は、結晶シリコンおよびアモルファスシリコンに代表される無機半導体型であるが、これらの光電変換素子は製造に掛かるエネルギーおよびコストが莫大である。そのため、より低エネルギーおよび低コストで製造できる有機材料を使用した光電変換素子の研究開発が行われている。
現在、太陽光発電用に実用化されている光電変換素子は、結晶シリコンおよびアモルファスシリコンに代表される無機半導体型であるが、これらの光電変換素子は製造に掛かるエネルギーおよびコストが莫大である。そのため、より低エネルギーおよび低コストで製造できる有機材料を使用した光電変換素子の研究開発が行われている。
有機材料は材料自体が安価であり、また大気圧での製造方法が可能なことから大面積化や連続プロセス化が容易であるため、低エネルギーおよび低コストで光電変換素子を製造できると考えられている。
有機光電変換素子としてはたとえば、電子供与層と電子受容層とがそれぞれ別に成膜され、これらが平面結合した平面結合型の光電変換素子(特許文献1の実施例1等)、および、電子供与材料と電子受容材料とを混合した塗布剤を塗工したバルクへテロ結合型の光電変換素子(特許文献1の実施例2等)などが提案されている。
有機光電変換素子では、生成された励起子(エキシトン)のうち電荷分離に関与しているのは、電子供与材料と電子受容材料とのp/n接合界面に到達した励起子のみである。励起子がその電荷分離界面までに到達する距離(以下、「励起子拡散長」と称する)は、材料の化学構造や純度によって異なるものの50nm以下であると考えられている。従って、励起子拡散長の約2倍の距離毎に電子供与材料と電子受容材料との接合界面が周期的に存在すれば、電荷分離する励起子は増大し光電変換効率は向上すると考えられる。
本発明者らは先に、特許文献2において、断面視櫛歯構造の電子供与層と断面視櫛歯構造の電子受容層とが互いに噛み合った受光層と、この受光層を挟持する一対の電極とを備え、電子供与層と電子受容層の断面視櫛歯構造におけるパターン幅(ストライプ幅)がいずれも5〜100nmである光電変換素子を開示している。かかる光電変換素子では、電子供与層と電子受容層の断面視櫛歯構造におけるパターン幅(ストライプ幅)が励起子拡散長の2倍以下であるため、電荷分離に寄与する励起子を増大させることができる。
光電変換素子においては、変換効率が高いことが好ましい。
光電変換素子においてプラズモン吸収を利用することで、光吸収量が増大し、光電変換効率を向上できると考えられる。
光電変換素子においてプラズモン吸収を利用することで、光吸収量が増大し、光電変換効率を向上できると考えられる。
特許文献3〜6には、プラズモン共鳴を利用した光電変換素子が開示されている。
特許文献3には、突起部を有し、光照射によりプラズモン共鳴を起こす金属で構成された電荷発生層を備えたプラズモン共鳴型光電変換素子が開示されている(請求項1)。
特許文献4には、突起を有する金属粒状物の集合体からなる金属層を備えた光電変換素子が開示されている(請求項2)。
特許文献5には、周期的な凹凸構造を有するショットキー電極を備え、この電極における凸部の高さと周期間隔と幅が好適化された光電変換素子が開示されている(請求項1〜3)。
特許文献3〜5に記載の光電変換素子はいずれも、光入射側と反対側の電極(下部電極)にプラズモン共鳴を生じる金属凹凸構造体を用いたものである。
特許文献4には、突起を有する金属粒状物の集合体からなる金属層を備えた光電変換素子が開示されている(請求項2)。
特許文献5には、周期的な凹凸構造を有するショットキー電極を備え、この電極における凸部の高さと周期間隔と幅が好適化された光電変換素子が開示されている(請求項1〜3)。
特許文献3〜5に記載の光電変換素子はいずれも、光入射側と反対側の電極(下部電極)にプラズモン共鳴を生じる金属凹凸構造体を用いたものである。
特許文献6には、透光性電極として金属細線電極(メッシュ電極)を用いた光電変換素子が開示され(請求項1)、そのプラズモン共鳴吸収の効果について言及されている(段落0020)。
特許文献6に記載の光電変換素子は、光入射側の透光性電極(上部電極)にプラズモン共鳴を生じる金属凹凸構造体を用いたものである。
特許文献6に記載の光電変換素子は、光入射側の透光性電極(上部電極)にプラズモン共鳴を生じる金属凹凸構造体を用いたものである。
上記のように、特許文献3〜6に記載の光電変換素子は、一対の電極のうち一方の電極(下部電極あるいは上部電極)にのみ、プラズモン共鳴を生じる電極を用いたものである。
プラズモン共鳴を利用した光電変換素子においては、電場増強効果および光吸収量の増大効果を効果的に得ることで、光吸収量が増大し、光電変換効率を向上できると考えられる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、プラズモン共鳴による電場増強効果および光吸収量の増大効果をより効果的に得ることが可能な光電変換素子とその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明の光電変換素子は、
第1の電極と、
透光性を有する第2の電極と、
前記第1の電極および前記第2の電極の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層とを備えた光電変換素子であって、
前記第1の電極は、平面視周期的に形成された複数の凸部と当該複数の凸部の間に形成された複数の凹部とを含む凹凸構造部を有し、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属凹凸電極であり、
前記第2の電極は、互いに導通された複数の細線からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属細線電極であり、
前記第1の電極および前記第2の電極はいずれも、前記受光層の光吸収領域内に少なくとも1つのプラズモン吸収ピーク波長を有するものである。
第1の電極と、
透光性を有する第2の電極と、
前記第1の電極および前記第2の電極の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層とを備えた光電変換素子であって、
前記第1の電極は、平面視周期的に形成された複数の凸部と当該複数の凸部の間に形成された複数の凹部とを含む凹凸構造部を有し、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属凹凸電極であり、
前記第2の電極は、互いに導通された複数の細線からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属細線電極であり、
前記第1の電極および前記第2の電極はいずれも、前記受光層の光吸収領域内に少なくとも1つのプラズモン吸収ピーク波長を有するものである。
本発明の第1の光電変換素子の製造方法は、
上記の光電変換素子の製造方法であって、
前記第1の電極の製造工程は、
前記凹凸構造部の凹凸パターンの反転パターンを有するモールドを用意する工程(AX)と、
前記モールドの前記反転パターン上に、1次粒子径が50nm以下であり、2次粒子径が前記凸部の断面視最小幅より小さい多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BX)と、
前記塗布膜を焼成して、前記モールド上に前記第1の電極を形成する工程(CX)と、
前記第1の電極を前記モールドから剥離する工程(DX)とを有するものである。
上記の光電変換素子の製造方法であって、
前記第1の電極の製造工程は、
前記凹凸構造部の凹凸パターンの反転パターンを有するモールドを用意する工程(AX)と、
前記モールドの前記反転パターン上に、1次粒子径が50nm以下であり、2次粒子径が前記凸部の断面視最小幅より小さい多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BX)と、
前記塗布膜を焼成して、前記モールド上に前記第1の電極を形成する工程(CX)と、
前記第1の電極を前記モールドから剥離する工程(DX)とを有するものである。
本発明の第2の光電変換素子の製造方法は、
上記の光電変換素子の製造方法であって、
前記第2の電極の製造工程は、
前記金属細線電極の平面パターンと同一の平面パターンで形成された凸部を含む凹凸パターンを有する凹凸構造体を用意する工程(AY)と、
前記凹凸構造体の少なくとも前記凸部上に、1次粒子径が50nm以下である多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BY)と、
前記塗布膜を焼成して、前記凹凸構造体上に前記金属細線電極を形成する工程(CY)とを有するものである。
上記の光電変換素子の製造方法であって、
前記第2の電極の製造工程は、
前記金属細線電極の平面パターンと同一の平面パターンで形成された凸部を含む凹凸パターンを有する凹凸構造体を用意する工程(AY)と、
前記凹凸構造体の少なくとも前記凸部上に、1次粒子径が50nm以下である多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BY)と、
前記塗布膜を焼成して、前記凹凸構造体上に前記金属細線電極を形成する工程(CY)とを有するものである。
本発明の太陽電池は、上記の本発明の光電変換素子を備えたものである。
本発明によれば、プラズモン共鳴による電場増強効果および光吸収量の増大効果をより効果的に得ることが可能な光電変換素子とその製造方法を提供することができる。
「光電変換素子」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の光電変換素子の構造について説明する。
図1は本実施形態の光電変換素子の模式断面図である。
図2Aは第1の電極の模式断面図である。
図2Bは第1の電極の凸部の形状パターンの一例を示す模式斜視図である。
図3Aおよび図3Bは第2の電極の平面パターンの例である。
図4A〜図4Eは第1の電極の製造工程図であり、各図は図1および図2Aに対応した模式断面図である。
図5A〜図5Cは第2の電極の製造工程図であり、各図は図1に対応した模式断面図である。
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の光電変換素子の構造について説明する。
図1は本実施形態の光電変換素子の模式断面図である。
図2Aは第1の電極の模式断面図である。
図2Bは第1の電極の凸部の形状パターンの一例を示す模式斜視図である。
図3Aおよび図3Bは第2の電極の平面パターンの例である。
図4A〜図4Eは第1の電極の製造工程図であり、各図は図1および図2Aに対応した模式断面図である。
図5A〜図5Cは第2の電極の製造工程図であり、各図は図1に対応した模式断面図である。
図1に示すように、
本実施形態の光電変換素子1は、
第1の電極110(下部電極)と、
透光性を有する第2の電極160(上部電極)と、
第1の電極110および第2の電極160の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層140とを備えている。
本実施形態の光電変換素子1は、
第1の電極110(下部電極)と、
透光性を有する第2の電極160(上部電極)と、
第1の電極110および第2の電極160の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層140とを備えている。
図示するように、第1の電極110と受光層140との間には正孔輸送層130が設けられていることが好ましい。第2の電極160と受光層140との間には電子輸送層150が設けられていることが好ましい。
なお、正孔輸送層130と電子輸送層150の上下関係は上記態様に限定されず、光電変換素子1のエネルギー準位に基づき決定される。すなわち、場合によっては電子輸送層150が第1の電極110と受光層140との間にあり、正孔輸送層130が第2の電極160と受光層140との間にあってもよい。
なお、正孔輸送層130と電子輸送層150の上下関係は上記態様に限定されず、光電変換素子1のエネルギー準位に基づき決定される。すなわち、場合によっては電子輸送層150が第1の電極110と受光層140との間にあり、正孔輸送層130が第2の電極160と受光層140との間にあってもよい。
図2Aに示すように、第1の電極110は、基部10とその上に形成された凹凸構造部20とを有し、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属凹凸電極である。
ここで、凹凸構造部20は、平面視周期的に形成された複数の凸部21とこれら複数の凸部21の間に形成された複数の凹部22とからなる。
ここで、凹凸構造部20は、平面視周期的に形成された複数の凸部21とこれら複数の凸部21の間に形成された複数の凹部22とからなる。
第1の電極110は必要に応じて、任意の基材上に形成することができる。
第1の電極110はたとえば、図示するように、フィルム基材30上に形成された樹脂膜40の上に形成することができる。この場合、後記するように、ロールトゥロールプロセスでの製造が可能となり、好ましい。
実際には、フィルム基材30の厚みに対して樹脂膜40と第1の電極110の厚みは薄いが、図面上はこれらの厚みを厚く図示してある。
なお、フィルム基材30上に形成された樹脂膜40の上に第1の電極110を形成した後、機械的な剥離、あるいは溶剤を用いた溶解等の処理により、下地から第1の電極110を単離することも可能である。
第1の電極110はたとえば、図示するように、フィルム基材30上に形成された樹脂膜40の上に形成することができる。この場合、後記するように、ロールトゥロールプロセスでの製造が可能となり、好ましい。
実際には、フィルム基材30の厚みに対して樹脂膜40と第1の電極110の厚みは薄いが、図面上はこれらの厚みを厚く図示してある。
なお、フィルム基材30上に形成された樹脂膜40の上に第1の電極110を形成した後、機械的な剥離、あるいは溶剤を用いた溶解等の処理により、下地から第1の電極110を単離することも可能である。
凸部21の断面形状は特に制限されず、略矩形状または略台形状等が挙げられる。
凸部21の形状としては、略柱状、略錐台状、断面形状が略矩形状または略台形状のラインパターン等が挙げられる。
凸部21が略柱状または略錐台状である場合、複数の凸部21の平面周期パターンの単位は特に制限なく、三角格子状パターン、および四角格子状パターン等が挙げられる。
ここで、「略柱状」とは、円柱状、角柱状、これらの面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略錐台状」とは、円錐台状、角錐台状、これらの面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略矩形状」とは、矩形状、その面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略台形状」とは、台形状、その面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
図2Aは、凸部21の形状が円柱状である場合の第1の電極110の模式斜視図である。
凸部21の形状としては、略柱状、略錐台状、断面形状が略矩形状または略台形状のラインパターン等が挙げられる。
凸部21が略柱状または略錐台状である場合、複数の凸部21の平面周期パターンの単位は特に制限なく、三角格子状パターン、および四角格子状パターン等が挙げられる。
ここで、「略柱状」とは、円柱状、角柱状、これらの面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略錐台状」とは、円錐台状、角錐台状、これらの面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略矩形状」とは、矩形状、その面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
「略台形状」とは、台形状、その面取り形状、およびこれらに近い形状を指す。
図2Aは、凸部21の形状が円柱状である場合の第1の電極110の模式斜視図である。
図1、図3A、および図3Bに示すように、第2の電極160は、互いに導通された複数の細線161からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属細線電極である。
金属細線電極は複数の細線161で囲まれた複数の開口部162を有する。光は複数の開口部162を透過するので、第2の電極160は透光性を有する。
金属細線電極は複数の細線161で囲まれた複数の開口部162を有する。光は複数の開口部162を透過するので、第2の電極160は透光性を有する。
第1の電極110および第2の電極160はいずれも、受光層140の光吸収領域内に少なくとも1つのプラズモン吸収ピーク波長を有する。
第2の電極160の平面パターンは特に制限されず、金属細線電極の平面パターンとしてはたとえば、図3Aに示す格子状パターンおよび図3Bに示すハニカム状パターン等が挙げられる。
第2の電極160の平面パターンは特に制限されず、金属細線電極の平面パターンとしてはたとえば、図3Aに示す格子状パターンおよび図3Bに示すハニカム状パターン等が挙げられる。
なお、図1では有機材料からなる下地(図示例では電子輸送層150)の平坦な表面の上に第2の電極160全体が載っているように図示されているが、後記製造方法では有機材料からなる下地の被転写部分が軟化するので、実際には第2の電極160の少なくとも一部が有機材料からなる下地の内部に埋め込まれる。
本実施形態では、第1の電極110および第2の電極160の双方が光照射によってプラズモン共鳴を生じるので、一方の電極のみが光照射によってプラズモン共鳴を生じる場合に比較して、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果が得られる。
さらに、本実施形態では、第1の電極110と第2の電極160のプラズモン共鳴が相互作用することで、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果を得ることも可能である。
さらに、本実施形態では、第1の電極110と第2の電極160のプラズモン共鳴が相互作用することで、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果を得ることも可能である。
第1の電極110および第2の電極160はそれぞれ独立にプラズモン共鳴が効果的に起こる金属を含むことが好ましく、具体的には、Ag、Au、Al、およびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、AgまたはAuを含むことがより好ましい。
第1の電極110と第2の電極160の構造設計は、プラズモン共鳴を生じる範囲内において、特に制限されない。
第1の電極110の凸部21の形状は、好ましくは略円柱状および略角柱状等の略柱状であり、より好ましくは略円柱状である。
本明細書では、柱状の複数の凸部21を有する第1の電極110の凹凸構造を「ピラーアレイ構造」という。
本明細書では、柱状の複数の凸部21を有する第1の電極110の凹凸構造を「ピラーアレイ構造」という。
プラズモン共鳴が効果的に生じることから、ピラーアレイ構造の第1の電極110は、図2Aに示す各種パラメータが以下のように設計されることが好ましい。
凸部21の断面視最大幅W1は、10〜500nmであることが好ましい。
凸部21のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1)は、0.5以上であることが好ましい。
複数の凸部21の周期間隔P1は、40〜600nmであることが好ましい。
図示例では凸部21の側面21Sの傾斜θは90°であるが、側面21Sの傾斜θは90°でなくてもよい。ピラーアレイ構造の第1の電極110においては、凹部22の底面を凸部21内に延長して得られる凸部21の仮想底面21Bに対する凸部21の側面21Sの角度θが80〜90°であることが好ましい。
図中、符号W2は、凹部22の幅である。
凸部21の断面視最大幅W1は、10〜500nmであることが好ましい。
凸部21のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1)は、0.5以上であることが好ましい。
複数の凸部21の周期間隔P1は、40〜600nmであることが好ましい。
図示例では凸部21の側面21Sの傾斜θは90°であるが、側面21Sの傾斜θは90°でなくてもよい。ピラーアレイ構造の第1の電極110においては、凹部22の底面を凸部21内に延長して得られる凸部21の仮想底面21Bに対する凸部21の側面21Sの角度θが80〜90°であることが好ましい。
図中、符号W2は、凹部22の幅である。
良好な導電率と良好な光透過率とを有し、プラズモン共鳴が効果的に生じることから、第2の電極160は、図1に示す各種パラメータが以下のように設計されることが好ましい。
細線161の線幅W6は、5〜50nmであることが好ましい。
複数の細線161の周期間隔P6は、100〜1000nmであることが好ましい。
第2の電極160の高さH6は、20〜200nmであることが好ましい。
細線161の線幅W6は、5〜50nmであることが好ましい。
複数の細線161の周期間隔P6は、100〜1000nmであることが好ましい。
第2の電極160の高さH6は、20〜200nmであることが好ましい。
第1の電極110と第2の電極160との離間距離D(以下、単に「電極間距離D」とも言う。)が大きいと、受光層140を厚くでき、光吸収量を増大できる。ただし、電極間距離Dが大きくなりすぎると、これら電極間のプラズモン共鳴の相互作用が働きにくくなる。
受光層140が光吸収に充分な体積を有し、かつ、電極間のプラズモン共鳴の相互作用が効果的に得られることから、電極間距離Dは、10〜100nmであることが好ましく、10〜50nmであることがより好ましい。
受光層140が光吸収に充分な体積を有し、かつ、電極間のプラズモン共鳴の相互作用が効果的に得られることから、電極間距離Dは、10〜100nmであることが好ましく、10〜50nmであることがより好ましい。
本実施形態では、図1に示すように、第1の電極110の凸部21と第2の電極160の細線161とは、互いに対向している。
後記実施例1(図8A、図8B)に示すように、第1の電極110の凸部21と第2の電極160の細線161とは、互いに対向していなくてもよい。
いずれの態様においても、プラズモン共鳴の相互作用は可能である。
後記実施例1(図8A、図8B)に示すように、第1の電極110の凸部21と第2の電極160の細線161とは、互いに対向していなくてもよい。
いずれの態様においても、プラズモン共鳴の相互作用は可能である。
本実施形態において、受光層140は、電子供与材料と電子受容材料とが混合して成膜されたバルクヘテロ結合型である。
受光層140は電子供与材料および電子受容材料を用いたものであればよく、電子供与材料と電子受容材料とが平面同士で結合された平面結合型でも構わない。
電子供与材料は特に限定されるものではなく、有機半導体が好ましい。
電子供与材料としてはたとえば、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体、およびポリフェニレンビニレン誘導体などの高分子化合物およびそれらの共重合体、あるいはフタロシアニン誘導体およびその金属錯体、ポルフィリン誘導体およびその金属錯体、ペンタセンなどのアセン誘導体、ジアミン誘導体などの低分子化合物が挙げられる。
ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3−(2−メチルへキサン)オキシカルボニルジチオフェン)、および3−(6−ブロモヘキシル)チオフェン・3−ヘキシルチオフェン共重合体などが好ましい。
電子供与材料は特に支障のない限りにおいて、有機半導体に合わせて無機半導体を含むことができる。
電子供与材料としてはたとえば、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体、およびポリフェニレンビニレン誘導体などの高分子化合物およびそれらの共重合体、あるいはフタロシアニン誘導体およびその金属錯体、ポルフィリン誘導体およびその金属錯体、ペンタセンなどのアセン誘導体、ジアミン誘導体などの低分子化合物が挙げられる。
ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3−(2−メチルへキサン)オキシカルボニルジチオフェン)、および3−(6−ブロモヘキシル)チオフェン・3−ヘキシルチオフェン共重合体などが好ましい。
電子供与材料は特に支障のない限りにおいて、有機半導体に合わせて無機半導体を含むことができる。
電子受容材料は特に限定されるものではなく、有機半導体が好ましい。
電子受容材料としてはたとえば、フラーレン誘導体、ペリレン誘導体、およびナフタレン誘導体などが挙げられる。フェニルC61酪酸メチルエステル、およびフェニルC71酪酸メチルエステルなどが好ましい。
電子受容材料は特に支障のない限りにおいて、有機半導体に合わせて無機半導体を含むことができる。
電子受容材料としてはたとえば、フラーレン誘導体、ペリレン誘導体、およびナフタレン誘導体などが挙げられる。フェニルC61酪酸メチルエステル、およびフェニルC71酪酸メチルエステルなどが好ましい。
電子受容材料は特に支障のない限りにおいて、有機半導体に合わせて無機半導体を含むことができる。
正孔輸送層130の材料としては、p型半導体特性を有するものであれば特に限定されない。
たとえば、ポリチオフェン系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、およびポリフルオレン系重合体等の導電性高分子;
フタロシアニン誘導体(H2Pc、CuPc、およびZnPc等)、ポルフィリン誘導体等のp型半導体特性を示す低分子有機化合物;
酸化モリブデン、酸化タングステン、および酸化バナジウムなどの遷移金属酸化物等が好ましく用いられる。
特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)あるいはPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。
たとえば、ポリチオフェン系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、およびポリフルオレン系重合体等の導電性高分子;
フタロシアニン誘導体(H2Pc、CuPc、およびZnPc等)、ポルフィリン誘導体等のp型半導体特性を示す低分子有機化合物;
酸化モリブデン、酸化タングステン、および酸化バナジウムなどの遷移金属酸化物等が好ましく用いられる。
特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)あるいはPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。
電子輸送層150の材料としては、
フッ化ナトリウムおよびフッ化セシウム等のアルカリ金属ハロゲン化物;
フッ化カルシウム等のアルカリ土類金属ハロゲン化合物;
炭酸セシウム等の炭酸塩;
酸化チタンおよび酸化亜鉛等の無機系n型半導体等が挙げられる。
フッ化ナトリウムおよびフッ化セシウム等のアルカリ金属ハロゲン化物;
フッ化カルシウム等のアルカリ土類金属ハロゲン化合物;
炭酸セシウム等の炭酸塩;
酸化チタンおよび酸化亜鉛等の無機系n型半導体等が挙げられる。
受光層140の凹凸構造部において、第2の電極160側から見たときの凸部の幅W4は、第1の電極110の凹部22の幅W2から正孔輸送層130の厚みT3の2倍を引いた値である。
正孔輸送層130の厚みT3は、過少では電子ブロック性が劣り、過大では電荷移動抵抗が大きくなり、また過大では受光層140のプラズモン共鳴による電場増強効果が小さくなるため、5〜20nmが好ましい。
受光層140の基部の厚みT4は、過少では漏れ電流が発生しやすく、過大では電荷移動抵抗が大きくなるため、10〜150nmが好ましい。
正孔輸送層130と受光層140の凹凸パターンの高さH3は、第1の電極110の凸部21の高さH1に等しい。
電子輸送層150の厚みは、過少では均一な膜が形成できなくなり、過大では電荷移動抵抗となるため、0.5〜30nmが好ましく、2〜20nmがより好ましい。
正孔輸送層130の厚みT3は、過少では電子ブロック性が劣り、過大では電荷移動抵抗が大きくなり、また過大では受光層140のプラズモン共鳴による電場増強効果が小さくなるため、5〜20nmが好ましい。
受光層140の基部の厚みT4は、過少では漏れ電流が発生しやすく、過大では電荷移動抵抗が大きくなるため、10〜150nmが好ましい。
正孔輸送層130と受光層140の凹凸パターンの高さH3は、第1の電極110の凸部21の高さH1に等しい。
電子輸送層150の厚みは、過少では均一な膜が形成できなくなり、過大では電荷移動抵抗となるため、0.5〜30nmが好ましく、2〜20nmがより好ましい。
受光層140の全体の厚みは特に制限されず、40〜1650nmの範囲内であるのが好ましく、100〜500nmの範囲内であるのが特に好ましい。受光層140の厚みが過小では光吸収の向上が不充分となる場合があり、過大では作製が困難である。
本実施形態の光電変換素子1において、受光層140の光吸収領域は300〜900nmの範囲内にあり、受光層140の光吸収領域内に第1の電極110と第2の電極160のプラズモン吸収波長があることが好ましい。
このように設計することで、太陽光あるいは室内光等を有効に利用でき、プラズモン吸収による光吸収量の増大効果が効果的に得られる。
このように設計することで、太陽光あるいは室内光等を有効に利用でき、プラズモン吸収による光吸収量の増大効果が効果的に得られる。
本実施形態では、第1の電極110が凹凸パターンを有しているので、電荷分離界面からの電荷移動距離が低減され、さらに電極の表面積が増大していることから、電極へ収集される電荷量を増大できる。
本実施形態では、第1の電極110および第2の電極160の双方が光照射によってプラズモン共鳴を生じる。さらに本実施形態では、第1の電極110と第2の電極160のプラズモン共鳴の相互作用効果により、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果を得ることも可能である。
本実施形態では、一対の電極のうち一方の電極(下部電極あるいは上部電極)にのみプラズモン共鳴を生じる電極を用いた特許文献3〜6に記載の光電変換素子に比較して、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果が得られる。
本実施形態では、以上の効果が相俟って、変換効率の向上された光電変換素子1を提供することができる。
本実施形態では、第1の電極110および第2の電極160の双方が光照射によってプラズモン共鳴を生じる。さらに本実施形態では、第1の電極110と第2の電極160のプラズモン共鳴の相互作用効果により、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果を得ることも可能である。
本実施形態では、一対の電極のうち一方の電極(下部電極あるいは上部電極)にのみプラズモン共鳴を生じる電極を用いた特許文献3〜6に記載の光電変換素子に比較して、より大きな電場増強効果と光吸収量の増大効果が得られる。
本実施形態では、以上の効果が相俟って、変換効率の向上された光電変換素子1を提供することができる。
「光電変換素子の製造方法」
(第1の電極の製造工程)
はじめに、図4A〜図4Eを参照して、第1の電極110の製造工程の一例について、説明する。
(第1の電極の製造工程)
はじめに、図4A〜図4Eを参照して、第1の電極110の製造工程の一例について、説明する。
(工程(AX))
はじめに図4Aに示すように、第1の電極110の凹凸パターンの反転パターンを有するモールド2を用意する。
たとえば、フィルム基材50A上に形成された未硬化樹脂膜に対して、表面に凹凸パターン70APを有するモールド70Aを用いてパターン転写を行い、未硬化樹脂膜を硬化することで、表面に凹凸パターン60APを有する樹脂膜60Aを得る。ここで、凹凸パターン70APは第1の電極110の凹凸パターンと同一パターンに設計される。得られる凹凸パターン60APは第1の電極110の凹凸パターンの反転パターンとなる。
上記のようにして、フィルム基材50Aと樹脂膜60Aとからなる樹脂製のモールド2が得られる。
はじめに図4Aに示すように、第1の電極110の凹凸パターンの反転パターンを有するモールド2を用意する。
たとえば、フィルム基材50A上に形成された未硬化樹脂膜に対して、表面に凹凸パターン70APを有するモールド70Aを用いてパターン転写を行い、未硬化樹脂膜を硬化することで、表面に凹凸パターン60APを有する樹脂膜60Aを得る。ここで、凹凸パターン70APは第1の電極110の凹凸パターンと同一パターンに設計される。得られる凹凸パターン60APは第1の電極110の凹凸パターンの反転パターンとなる。
上記のようにして、フィルム基材50Aと樹脂膜60Aとからなる樹脂製のモールド2が得られる。
(工程(BX))
次に図4Bに示すように、モールド2の凹凸パターン60AP上に、その形状に沿って、AgまたはAu等のプラズモン共鳴を生じる金属を含み、1次粒子径が50nm以下であり、2次粒子径が凸部21の断面視最小幅(図示例では断面視最大幅W1と同一)より小さい多数のナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜110Xを形成する。
金属分散剤は、上記多数のナノ金属粒子NPと分散媒とを含む。金属分散剤としては、市販の金属インクを使用できる。
ナノ金属粒子NPの1次粒子径は30nm以下が好ましく、10nm以下が特に好ましい。
2次粒子径が凸部21の断面視最小幅(図示例では断面視最大幅W1と同一)より小さいナノ金属粒子NPを用いることで、ナノ金属粒子NPはモールド2の凹部(凸部21に対応)内に良好に充填される。
工程(BX)後には、必要に応じて工程(CX)よりも低い温度で分散媒を除去する乾燥工程を実施することができる。
次に図4Bに示すように、モールド2の凹凸パターン60AP上に、その形状に沿って、AgまたはAu等のプラズモン共鳴を生じる金属を含み、1次粒子径が50nm以下であり、2次粒子径が凸部21の断面視最小幅(図示例では断面視最大幅W1と同一)より小さい多数のナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜110Xを形成する。
金属分散剤は、上記多数のナノ金属粒子NPと分散媒とを含む。金属分散剤としては、市販の金属インクを使用できる。
ナノ金属粒子NPの1次粒子径は30nm以下が好ましく、10nm以下が特に好ましい。
2次粒子径が凸部21の断面視最小幅(図示例では断面視最大幅W1と同一)より小さいナノ金属粒子NPを用いることで、ナノ金属粒子NPはモールド2の凹部(凸部21に対応)内に良好に充填される。
工程(BX)後には、必要に応じて工程(CX)よりも低い温度で分散媒を除去する乾燥工程を実施することができる。
(工程(CX))
次に図4Cに示すように、塗布膜110Xを焼成することで、モールド2上に第1の電極110が形成される。
焼成温度は特に制限されない。ナノ粒子の場合、ミクロンオーダーの粒子とは異なり、焼結に高温焼成は不要である。
焼成温度はたとえば180℃以下で充分であり、80〜120℃が好ましい。
次に図4Cに示すように、塗布膜110Xを焼成することで、モールド2上に第1の電極110が形成される。
焼成温度は特に制限されない。ナノ粒子の場合、ミクロンオーダーの粒子とは異なり、焼結に高温焼成は不要である。
焼成温度はたとえば180℃以下で充分であり、80〜120℃が好ましい。
(工程(DX))
次に図4Dおよび図4Eに示すように、第1の電極110をモールド2から剥離する。
図示例では、モールド2上に形成された第1の電極110の裏面に、モールド2と第1の電極110との間の密着力よりも大きい密着力で第1の電極110に密着する樹脂膜40を形成し、樹脂膜40と第1の電極110とをモールド2より剥離している。
たとえば、フィルム基材30上に未硬化樹脂膜を形成し、これをモールド2上に形成された第1の電極110の裏面に密着させた後、未硬化樹脂膜を硬化して、第1の電極110に対して樹脂膜40を密着形成することができる。
樹脂膜40に用いる硬化性樹脂としては特に制限なく、熱硬化性樹脂、および紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂が挙げられ、エネルギー線硬化性樹脂が好ましい。
樹脂膜40と第1の電極110とをモールド2より剥離する方法は特に制限なく、機械的な剥離で構わない。
次に図4Dおよび図4Eに示すように、第1の電極110をモールド2から剥離する。
図示例では、モールド2上に形成された第1の電極110の裏面に、モールド2と第1の電極110との間の密着力よりも大きい密着力で第1の電極110に密着する樹脂膜40を形成し、樹脂膜40と第1の電極110とをモールド2より剥離している。
たとえば、フィルム基材30上に未硬化樹脂膜を形成し、これをモールド2上に形成された第1の電極110の裏面に密着させた後、未硬化樹脂膜を硬化して、第1の電極110に対して樹脂膜40を密着形成することができる。
樹脂膜40に用いる硬化性樹脂としては特に制限なく、熱硬化性樹脂、および紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂が挙げられ、エネルギー線硬化性樹脂が好ましい。
樹脂膜40と第1の電極110とをモールド2より剥離する方法は特に制限なく、機械的な剥離で構わない。
上記方法において、基本的には、モールド70Aの凹凸パターン70APは、第1の電極110の凹凸パターンと同一パターンで設計されるが、実際に製造される第1の電極110の凹凸パターンは、凸部21のエッジ形状等が設計パターンとは多少異なる場合がある。
たとえば、図1および図2Aの模式図では、第1の電極110の凹凸パターンは凸部21の側面の傾斜角が90°の直立パターンであり、凸部21の側面と上面とは明確に分かれている。しかしながら、モールド70Aの凹凸パターンをかかる直立パターンに設計しても、実際に製造される第1の電極110では、必ずしも設計通りとはならず、凸部21の側面が少し傾斜したり、凸部21の上面と側面とが明確に分離されず、面取り形状でつながる場合がある。
たとえば、図1および図2Aの模式図では、第1の電極110の凹凸パターンは凸部21の側面の傾斜角が90°の直立パターンであり、凸部21の側面と上面とは明確に分かれている。しかしながら、モールド70Aの凹凸パターンをかかる直立パターンに設計しても、実際に製造される第1の電極110では、必ずしも設計通りとはならず、凸部21の側面が少し傾斜したり、凸部21の上面と側面とが明確に分離されず、面取り形状でつながる場合がある。
以上の方法ではナノ金属粒子NPを用いて第1の電極110を製造するので、スパッタ法等の真空成膜の工程、および電解メッキの工程が不要であり、ロールトゥロールプロセスを適用することも可能である。
(積層体LBの製造工程)
図4A〜図4Eに示した方法にて製造された第1の電極110上に、公知方法により、正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150を順次積層する。これによって、第2の電極160以外の構成要素を含む積層体LB(図1を参照)が得られる。
正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150は、有機層である。これらの層は、有機材料を用いた塗布法により成膜できるので、成膜にロールトゥロールプロセスを適用することが可能である。
図4A〜図4Eに示した方法にて製造された第1の電極110上に、公知方法により、正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150を順次積層する。これによって、第2の電極160以外の構成要素を含む積層体LB(図1を参照)が得られる。
正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150は、有機層である。これらの層は、有機材料を用いた塗布法により成膜できるので、成膜にロールトゥロールプロセスを適用することが可能である。
(第2の電極の製造工程と積層体への転写工程)
次に、図5A〜図5Cを参照して、第2の電極160の製造工程の一例について、説明する。
次に、図5A〜図5Cを参照して、第2の電極160の製造工程の一例について、説明する。
(工程(AY))
はじめに図5Aに示すように、第2の電極160の平面パターンと同一の平面パターンで形成された凸部61と凹部62とを含む凹凸パターン60BPを有する樹脂膜60Bを用意する
たとえば、フィルム基材50B上に形成された未硬化樹脂膜に対して、表面に凹凸パターン70BPを有するモールド70Bを用いてパターン転写を行い、未硬化樹脂膜を硬化することで、表面に凹凸パターン60BPを有する樹脂膜60Bを得る。ここで、モールド70Bの凹凸パターン70BPは、樹脂膜60Bの凹凸パターン60BPの反転パターンに設計される。
上記のようにして、フィルム基材50Bと樹脂膜60Bとからなる樹脂製の凸版3が得られる。
はじめに図5Aに示すように、第2の電極160の平面パターンと同一の平面パターンで形成された凸部61と凹部62とを含む凹凸パターン60BPを有する樹脂膜60Bを用意する
たとえば、フィルム基材50B上に形成された未硬化樹脂膜に対して、表面に凹凸パターン70BPを有するモールド70Bを用いてパターン転写を行い、未硬化樹脂膜を硬化することで、表面に凹凸パターン60BPを有する樹脂膜60Bを得る。ここで、モールド70Bの凹凸パターン70BPは、樹脂膜60Bの凹凸パターン60BPの反転パターンに設計される。
上記のようにして、フィルム基材50Bと樹脂膜60Bとからなる樹脂製の凸版3が得られる。
(工程(BY))
次に図5Bに示すように、樹脂膜60Bの少なくとも凸部61上に、AgまたはAu等のプラズモン共鳴を生じる金属を含み、1次粒子径が50nm以下である多数のナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜160Xを形成する。
金属分散剤は、上記多数のナノ金属粒子NPと溶媒とを含む。金属分散剤としては、市販の金属インクを使用できる。
ナノ金属粒子NPの1次粒子径は、30nm以下が好ましく、10nm以下が特に好ましい。
樹脂膜60Bの凸部61の高さは工程(B)における金属分散剤の塗布高さより大きく設定しておくことが好ましい。この場合、工程(B)において、凸部61と凹部62の双方に金属分散剤が塗布されても、凸部61と凹部62に塗布された金属分散剤は互いに分離されるので、特に差し支えない。この場合、用いる金属分散剤の粘度あるいは塗布方法を特に考慮する必要はなく、少なくとも凸部61上に所望厚みで金属分散剤を塗布できればよい。
この工程においては、比較的高い粘度の金属分散剤を用い、工程(BY)において、凸部61上にのみ金属分散剤を選択的に塗布するようにしてもよい。
次に図5Bに示すように、樹脂膜60Bの少なくとも凸部61上に、AgまたはAu等のプラズモン共鳴を生じる金属を含み、1次粒子径が50nm以下である多数のナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜160Xを形成する。
金属分散剤は、上記多数のナノ金属粒子NPと溶媒とを含む。金属分散剤としては、市販の金属インクを使用できる。
ナノ金属粒子NPの1次粒子径は、30nm以下が好ましく、10nm以下が特に好ましい。
樹脂膜60Bの凸部61の高さは工程(B)における金属分散剤の塗布高さより大きく設定しておくことが好ましい。この場合、工程(B)において、凸部61と凹部62の双方に金属分散剤が塗布されても、凸部61と凹部62に塗布された金属分散剤は互いに分離されるので、特に差し支えない。この場合、用いる金属分散剤の粘度あるいは塗布方法を特に考慮する必要はなく、少なくとも凸部61上に所望厚みで金属分散剤を塗布できればよい。
この工程においては、比較的高い粘度の金属分散剤を用い、工程(BY)において、凸部61上にのみ金属分散剤を選択的に塗布するようにしてもよい。
(工程(CY))
次に図5Cに示すように、塗布膜160Xを焼成する。これにより塗布膜160Xは金属膜となる。この工程において、各凸部61上に形成された塗布膜160Xは、第2の電極160の細線161となる。工程(BY)において、凸部61と凹部62の双方に金属分散剤が塗布された場合、凹部62上に形成された塗布膜160Xは金属膜163となる。
焼成温度は特に制限されない。ナノ粒子の場合、ミクロンオーダーの粒子とは異なり、焼結に高温焼成は不要である。
焼成温度はたとえば180℃以下で充分であり、80〜120℃が好ましい。
次に図5Cに示すように、塗布膜160Xを焼成する。これにより塗布膜160Xは金属膜となる。この工程において、各凸部61上に形成された塗布膜160Xは、第2の電極160の細線161となる。工程(BY)において、凸部61と凹部62の双方に金属分散剤が塗布された場合、凹部62上に形成された塗布膜160Xは金属膜163となる。
焼成温度は特に制限されない。ナノ粒子の場合、ミクロンオーダーの粒子とは異なり、焼結に高温焼成は不要である。
焼成温度はたとえば180℃以下で充分であり、80〜120℃が好ましい。
(工程(DY))
次に、第2の電極160を樹脂膜60Bから剥離して、別途製造された積層体LB(図1を参照)上に転写する。
第2の電極160は金属分散剤の塗布により形成され、樹脂膜60Bに対する密着性は高くないので、容易に剥離できる。積層体LBの被転写面を第2の電極160の露出面(凸版3と反対側の面)に密着させた後、接触面が多少溶融する温度で加熱し、降温固化することにより、容易に転写できる。
なお、図1では積層体LBの平坦面上に第2の電極160全体が載っているように図示されているが、上記製造方法では積層体LBの被転写面が軟化するので、実際には第2の電極160の少なくとも一部が積層体LB(図示例では電子輸送層150)の内部に埋め込まれる。
次に、第2の電極160を樹脂膜60Bから剥離して、別途製造された積層体LB(図1を参照)上に転写する。
第2の電極160は金属分散剤の塗布により形成され、樹脂膜60Bに対する密着性は高くないので、容易に剥離できる。積層体LBの被転写面を第2の電極160の露出面(凸版3と反対側の面)に密着させた後、接触面が多少溶融する温度で加熱し、降温固化することにより、容易に転写できる。
なお、図1では積層体LBの平坦面上に第2の電極160全体が載っているように図示されているが、上記製造方法では積層体LBの被転写面が軟化するので、実際には第2の電極160の少なくとも一部が積層体LB(図示例では電子輸送層150)の内部に埋め込まれる。
上記の方法ではナノ金属粒子NPを用いて第2の電極160を製造するので、スパッタ法等の真空成膜の工程が不要であり、ロールトゥロールプロセスを適用することが可能である。
以上の製造方法では、光電変換素子1のすべての製造工程をロールトゥロールプロセスで実施することが可能であり、低コスト化と量産性の点で優れる。
図6Aは、ロールトゥロールプロセスでモールド2を製造する製造装置の一例を示す模式図である。
図6Aに示す製造装置200は、フィルム基材50Aを送り出す送出しローラ210と、
送出しローラ210から送り出されたフィルム基材50A上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜60AXを形成するTダイ220と、
表面に図4Aに示した樹脂製のモールド70Aが取り付けられたモールドローラ230と、
未硬化樹脂膜60AXの膜を硬化して樹脂膜60Aとする硬化装置240と、
製造されたモールド2を巻き取る巻取りローラ250とを備えている。
図示例において、樹脂膜60Aに用いる硬化性樹脂は紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂であり、硬化装置240は紫外線等のエネルギー線を照射するエネルギー線照射装置である。
図6Aに示す製造装置200は、フィルム基材50Aを送り出す送出しローラ210と、
送出しローラ210から送り出されたフィルム基材50A上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜60AXを形成するTダイ220と、
表面に図4Aに示した樹脂製のモールド70Aが取り付けられたモールドローラ230と、
未硬化樹脂膜60AXの膜を硬化して樹脂膜60Aとする硬化装置240と、
製造されたモールド2を巻き取る巻取りローラ250とを備えている。
図示例において、樹脂膜60Aに用いる硬化性樹脂は紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂であり、硬化装置240は紫外線等のエネルギー線を照射するエネルギー線照射装置である。
図中、R211〜R215は、必要に応じて設けられる搬送用ローラである。これらローラの一部は、未硬化樹脂の塗布およびパターン転写等の工程において、被搬送部材を裏面から加圧保持する保持部材としても機能する。
製造装置200では、以下のようにしてモールド2が製造される。
Tダイ220によって、送出しローラ210から供給されたフィルム基材50A上に未硬化樹脂膜60AXが形成される。
未硬化樹脂膜60AXにモールド70Aのパターンが転写され、その表面にモールド70Aの反転パターンが形成される。
未硬化樹脂膜60AXは硬化装置240により硬化されて、上記反転パターンを有する樹脂膜60Aが形成される。
以上のようにして、フィルム基材50Aと上記反転パターンを有する樹脂膜60Aとからなる樹脂製モールド2が製造される。製造されたモールド2は、巻取りローラ250に巻き取られる。
Tダイ220によって、送出しローラ210から供給されたフィルム基材50A上に未硬化樹脂膜60AXが形成される。
未硬化樹脂膜60AXにモールド70Aのパターンが転写され、その表面にモールド70Aの反転パターンが形成される。
未硬化樹脂膜60AXは硬化装置240により硬化されて、上記反転パターンを有する樹脂膜60Aが形成される。
以上のようにして、フィルム基材50Aと上記反転パターンを有する樹脂膜60Aとからなる樹脂製モールド2が製造される。製造されたモールド2は、巻取りローラ250に巻き取られる。
図6Bは、ロールトゥロールプロセスで第1の電極110を製造する製造装置の一例を示す模式図である。
図6Bに示す製造装置300は、
モールド2を送り出す送出しローラ310と、
送出しローラ310から送り出されたモールド2上にナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜110Xを形成する塗布装置320と、
塗布膜110Xを焼成する焼成装置330とを備えている。
ここで、塗布装置320は、金属分散剤の入った金属分散剤槽321と金属分散剤槽321内の金属分散剤が付着する第1のローラ322と、第1のローラ322に付着した金属分散剤をモールド2上に塗布する第2のローラ323とからなる。
焼成装置330は、加熱装置である。
モールド2を送り出す送出しローラ310と、
送出しローラ310から送り出されたモールド2上にナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜110Xを形成する塗布装置320と、
塗布膜110Xを焼成する焼成装置330とを備えている。
ここで、塗布装置320は、金属分散剤の入った金属分散剤槽321と金属分散剤槽321内の金属分散剤が付着する第1のローラ322と、第1のローラ322に付着した金属分散剤をモールド2上に塗布する第2のローラ323とからなる。
焼成装置330は、加熱装置である。
製造装置300はまた、
フィルム基材30を送り出す送出しローラ410と、
送出しローラ410から送り出されたフィルム基材30上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜40Xを形成するTダイ420とを備えている。
フィルム基材30を送り出す送出しローラ410と、
送出しローラ410から送り出されたフィルム基材30上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜40Xを形成するTダイ420とを備えている。
製造装置300はまた、未硬化樹脂膜40Xを硬化して樹脂膜40を形成する硬化装置340と、
モールド2を巻き取る巻取りローラ510と、
フィルム基材30と樹脂膜40と第1の電極110との積層体を巻き取る巻取りローラ350とを備えている。
モールド2を巻き取る巻取りローラ510と、
フィルム基材30と樹脂膜40と第1の電極110との積層体を巻き取る巻取りローラ350とを備えている。
図示例において、樹脂膜40に用いる硬化性樹脂は紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂であり、硬化装置340は紫外線等のエネルギー線を照射するエネルギー線照射装置である。
製造装置300においては、塗布装置320によって、送出しローラ310から供給されたモールド2上に塗布膜110Xが形成される。塗布膜110Xは焼成装置330により焼成されて、第1の電極110となる。
製造装置300においては、別途、Tダイ420によって、送出しローラ410から供給されたフィルム基材30上に未硬化樹脂膜40Xが形成される。
製造装置300においては、搬送用ローラR322と搬送用ローラR323との間で、フィルム基材30上に未硬化樹脂膜40Xが形成された積層体と、モールド2上に第1の電極110が形成された積層体とが接合され、接合体が形成される。
硬化装置340によって上記接合体中の未硬化樹脂膜40Xが硬化されて、樹脂膜40が形成される。その後、硬化後の上記接合体からモールド2が機械的に剥離されて、フィルム基材30と樹脂膜40と第1の電極110との積層体が製造される。製造された積層体は、巻取りローラ350に巻き取られる。
図中、R321〜R324、R331〜333、およびR341は、必要に応じて設けられる搬送用ローラである。これらローラの一部は、未硬化樹脂の塗布および積層体同士の接合等の工程において、被搬送部材を裏面から加圧保持する保持部材として機能する。
図7Aは、ロールトゥロールプロセスで凸版3を製造する製造装置の一例を示す模式図である。
図7Aに示す製造装置600は、フィルム基材50Bを送り出す送出しローラ610と、
送出しローラ610から送り出されたフィルム基材50B上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜60BXを形成するTダイ620と、
表面に図5Aに示した樹脂製のモールド70Bが取り付けられたモールドローラ630と、
パターンが転写された未硬化樹脂膜60BXを硬化して樹脂膜60Bとする硬化装置640と、
製造された凸版3を巻き取る巻取りローラ650とを備えている。
図示例において、樹脂膜60に用いる硬化性樹脂は紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂であり、硬化装置640は紫外線等のエネルギー線を照射するエネルギー線照射装置である。
図7Aに示す製造装置600は、フィルム基材50Bを送り出す送出しローラ610と、
送出しローラ610から送り出されたフィルム基材50B上に未硬化樹脂を塗布して未硬化樹脂膜60BXを形成するTダイ620と、
表面に図5Aに示した樹脂製のモールド70Bが取り付けられたモールドローラ630と、
パターンが転写された未硬化樹脂膜60BXを硬化して樹脂膜60Bとする硬化装置640と、
製造された凸版3を巻き取る巻取りローラ650とを備えている。
図示例において、樹脂膜60に用いる硬化性樹脂は紫外線等のエネルギー線照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂であり、硬化装置640は紫外線等のエネルギー線を照射するエネルギー線照射装置である。
図中、R611〜R615は、必要に応じて設けられる搬送用ローラである。これらローラの一部は、未硬化樹脂の塗布およびパターン転写等の工程において、被搬送部材を裏面から加圧保持する保持部材としても機能する。
製造装置600では、以下のようにして凸版3が製造される。
Tダイ620によって、送出しローラ610から供給されたフィルム基材50B上に未硬化樹脂膜60BXが形成される。
未硬化樹脂膜60BXにモールド70Bのパターンが転写され、その表面にモールド70Bの反転パターンが形成される。
パターンが転写された未硬化樹脂膜60BXは硬化装置640により硬化されて、樹脂膜60Bが形成される。
以上のようにして、フィルム基材50Bと樹脂膜60Bとからなる樹脂製の凸版3が製造される。製造された凸版3は、巻取りローラ650に巻き取られる。
Tダイ620によって、送出しローラ610から供給されたフィルム基材50B上に未硬化樹脂膜60BXが形成される。
未硬化樹脂膜60BXにモールド70Bのパターンが転写され、その表面にモールド70Bの反転パターンが形成される。
パターンが転写された未硬化樹脂膜60BXは硬化装置640により硬化されて、樹脂膜60Bが形成される。
以上のようにして、フィルム基材50Bと樹脂膜60Bとからなる樹脂製の凸版3が製造される。製造された凸版3は、巻取りローラ650に巻き取られる。
図7Bは、ロールトゥロールプロセスで積層体LB上に第2の電極160を製造する製造装置の一例を示す模式図である。
図7Bに示す製造装置700は、
凸版3を送り出す送出しローラ710と、
送出しローラ710から送り出された凸版3上にナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜160Xを形成する塗布装置720と、
塗布膜160Xを焼成する焼成装置730とを備えている。
凸版3を送り出す送出しローラ710と、
送出しローラ710から送り出された凸版3上にナノ金属粒子NPを含む金属分散剤を塗布して、塗布膜160Xを形成する塗布装置720と、
塗布膜160Xを焼成する焼成装置730とを備えている。
製造装置700はまた、
積層体LBを送り出す送出しローラ810を備えている。
積層体LBを送り出す送出しローラ810を備えている。
製造装置700はまた、積層体LBと第2の電極160との接触面を加熱して、これらを密着させる加熱装置740と、
凸版3を巻き取る巻取りローラ910と、
光電変換素子1を巻き取る巻取りローラ750とを備えている。
凸版3を巻き取る巻取りローラ910と、
光電変換素子1を巻き取る巻取りローラ750とを備えている。
製造装置700においては、塗布装置720によって、送出しローラ710から供給された凸版3の少なくとも凸部61上に塗布膜160Xが形成される。塗布膜160Xは焼成装置730により焼成されて、第2の電極160が形成される。
製造装置700においては、別途、送出しローラ810から積層体LBが供給される。
製造装置700においては、搬送用ローラR722と搬送用ローラR723との間で、積層体LBと、凸版3上に第2の電極160が形成された積層体とが接合され、接合体が形成される。
加熱装置740によって上記接合体中の積層体LBと第2の電極160との接触面が加熱溶融され、その後の降温過程で溶融部分は固化し、積層体LBと第2の電極160とが互いに密着する。その後、上記接合体から凸版3が機械的に剥離されて、光電変換素子1が製造される。製造された光電変換素子1は、巻取りローラ750に巻き取られる。
図中、R721〜R724、R731、およびR741は、必要に応じて設けられる搬送用ローラである。これらローラの一部は、未硬化樹脂の塗布および積層体同士の接合等の工程において、被搬送部材を裏面から加圧保持する保持部材として機能する。
(その他の製造方法)
第1の電極110は、所望の凹凸パターンの反転パターンを有するモールドに、スパッタ法等の気相法により通電膜を形成した後、電解メッキを行い、得られた第1の電極110をモールドから剥離することでも、製造できる。
第2の電極160は、ガラス基板等の透光性基板上に、マスクを用いたスパッタ法等の気相法等の公知成膜法により製造しても構わない。
第1の電極110上に公知方法により、正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150を順次積層することで、第2の電極160以外の構成要素を含む積層体LBが得られる。この積層体LBとガラス基板等の透光性基板上に成膜された第2の電極160とを公知方法にて貼り合わせることでも、光電変換素子1を製造することができる。正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150は有機層であるので、これら有機層が接着層となる。
第1の電極110は、所望の凹凸パターンの反転パターンを有するモールドに、スパッタ法等の気相法により通電膜を形成した後、電解メッキを行い、得られた第1の電極110をモールドから剥離することでも、製造できる。
第2の電極160は、ガラス基板等の透光性基板上に、マスクを用いたスパッタ法等の気相法等の公知成膜法により製造しても構わない。
第1の電極110上に公知方法により、正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150を順次積層することで、第2の電極160以外の構成要素を含む積層体LBが得られる。この積層体LBとガラス基板等の透光性基板上に成膜された第2の電極160とを公知方法にて貼り合わせることでも、光電変換素子1を製造することができる。正孔輸送層130、受光層140、および電子輸送層150は有機層であるので、これら有機層が接着層となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、プラズモン共鳴による電場増強効果および光吸収量の増大効果をより効果的に得ることが可能な光電変換素子とその製造方法を提供することができる。
「太陽電池」
上記実施形態の光電変換素子1は、カバーガラスおよび保護フィルム等を付けて、太陽電池として利用することができる。
上記実施形態の光電変換素子1は、カバーガラスおよび保護フィルム等を付けて、太陽電池として利用することができる。
本発明に係る実施例および比較例について説明する。
(吸光スペクトルのシミュレーション)
実施例1および比較例1、2においては、構造の異なる光電変換素子について、受光層の吸光スペクトルのシミュレーションを実施した。
計算ソフトとしては、Synopsys,Inc.社製「FullWAVE」を用いた。
実施例1および比較例1、2では、下部電極(第1の電極)の材質はAgとし、上部電極(第2の電極)の材質はAgまたはITO(インジウム錫酸化物)とした。Agの物性値としてはソフトのデフォルト値を用いた。ITOの物性値としては本発明者の実測値を用いた。
受光層の複素屈折率Nは、以下のように仮定した。
N=n+ik=2.0+0.1i(定数)
(上記式中、nは実数、iは虚数、kは消衰係数である。)
上部電極側から光が入射する条件とした。
計算波長域は400〜900nmとした。
その他、各例において特に明記されていない条件は、すべて共通条件とした。
実施例1および比較例1、2においては、構造の異なる光電変換素子について、受光層の吸光スペクトルのシミュレーションを実施した。
計算ソフトとしては、Synopsys,Inc.社製「FullWAVE」を用いた。
実施例1および比較例1、2では、下部電極(第1の電極)の材質はAgとし、上部電極(第2の電極)の材質はAgまたはITO(インジウム錫酸化物)とした。Agの物性値としてはソフトのデフォルト値を用いた。ITOの物性値としては本発明者の実測値を用いた。
受光層の複素屈折率Nは、以下のように仮定した。
N=n+ik=2.0+0.1i(定数)
(上記式中、nは実数、iは虚数、kは消衰係数である。)
上部電極側から光が入射する条件とした。
計算波長域は400〜900nmとした。
その他、各例において特に明記されていない条件は、すべて共通条件とした。
(実施例1)
図8A、図8Bに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図8Aは第1の電極110の複数の凸部21と第2の電極160の複数の細線161の平面パターンを示す模式平面図である。
図8Bは、図1に対応した模式断面図である。
これらの図において、図1と同じ構成要素には、同じ参照符号を付してある。
図8A、図8Bに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図8Aは第1の電極110の複数の凸部21と第2の電極160の複数の細線161の平面パターンを示す模式平面図である。
図8Bは、図1に対応した模式断面図である。
これらの図において、図1と同じ構成要素には、同じ参照符号を付してある。
下部電極(第1の電極110)は、平面視周期的に形成された複数の円柱状の凸部21を有するピラーアレイ構造の金属凹凸電極(ピラー電極)とした。
図8Aに示すように、凸部21の平面周期パターンの単位は三角格子状パターンとした。
複数の凸部21は、図8Aにおいて図示左右方向(第1方向L1)と、この第1方向L1に対して反時計回り方向に角度120°で交差する第2方向L2とに沿って配列するようにした。
下部電極の材質と物性は以下の通りとした。
材質:Ag、
凸部21の径(=断面視最大幅W1):80nm、
凸部21の高さH1:100nm、
凸部21のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1):1.25、
凸部21の周期間隔P1:200nm。
図8Aに示すように、凸部21の平面周期パターンの単位は三角格子状パターンとした。
複数の凸部21は、図8Aにおいて図示左右方向(第1方向L1)と、この第1方向L1に対して反時計回り方向に角度120°で交差する第2方向L2とに沿って配列するようにした。
下部電極の材質と物性は以下の通りとした。
材質:Ag、
凸部21の径(=断面視最大幅W1):80nm、
凸部21の高さH1:100nm、
凸部21のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1):1.25、
凸部21の周期間隔P1:200nm。
上部電極(第2の電極160)は、ガラス基板G上に形成された金属細線電極とした。
上部電極の平面パターンは、図8Aに示すパターンとした。
上部電極は、図8Aに示すように、上記第1方向L1に延びる複数の第1細線と、上記第2方向L2に延びる複数の第2細線とからなるグリッド電極とした。
第2の電極160の材質と物性は以下の通りとした。
材質:Ag、
線幅W6:10nm、
細線161の周期間隔P6:200nm、
細線161の高さH6:20nm。
上部電極の平面パターンは、図8Aに示すパターンとした。
上部電極は、図8Aに示すように、上記第1方向L1に延びる複数の第1細線と、上記第2方向L2に延びる複数の第2細線とからなるグリッド電極とした。
第2の電極160の材質と物性は以下の通りとした。
材質:Ag、
線幅W6:10nm、
細線161の周期間隔P6:200nm、
細線161の高さH6:20nm。
電極間距離Dは、10〜50nmの間で変化させた。具体的には、電極間距離Dは、10nm、20nm、30nm、40nm、50nmの計5条件とした。
この例では、受光層の最大厚みは、下記式で表される。
(受光層の最大厚み)=(下部電極の凸部の高さH1:100nm)+(上部電極の高さH6:20nm)+(電極間距離D:10〜50nmの間で変化)
(受光層の最大厚み)=(下部電極の凸部の高さH1:100nm)+(上部電極の高さH6:20nm)+(電極間距離D:10〜50nmの間で変化)
(比較例1)
図9Aに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図9Aは比較例の図面であり、本願発明とは異なるが、便宜上、実施例1に対応する構成要素には同じ参照符号を用いて示してある。
図9Aは図8Bに対応した模式断面図である。
図9Aに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図9Aは比較例の図面であり、本願発明とは異なるが、便宜上、実施例1に対応する構成要素には同じ参照符号を用いて示してある。
図9Aは図8Bに対応した模式断面図である。
下部電極(第1の電極110)は、実施例1と同じ構造とした。
すなわち、下部電極は、図8Aおよび図8Bに示したように、平面視周期的に形成された複数の円柱状の凸部を有するピラーアレイ構造の金属凹凸電極とした。
下部電極の材質と物性は、実施例1と同様、以下の通りとした。
材質:Ag、
凸部の径(断面視最大幅W1に相当):80nm、
凸部の高さH1:100nm、
凸部のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1):1.25、
凸部の周期間隔P1:200nm。
すなわち、下部電極は、図8Aおよび図8Bに示したように、平面視周期的に形成された複数の円柱状の凸部を有するピラーアレイ構造の金属凹凸電極とした。
下部電極の材質と物性は、実施例1と同様、以下の通りとした。
材質:Ag、
凸部の径(断面視最大幅W1に相当):80nm、
凸部の高さH1:100nm、
凸部のアスペクト比(高さH1/断面視最大幅W1):1.25、
凸部の周期間隔P1:200nm。
上部電極(第2の電極160)は、ガラス基板上に形成された平坦電極とした。
上部電極の材質と物性は以下の通りとした。
材質:ITO(インジウム錫酸化物)、
高さH6:150nm。
上部電極の材質と物性は以下の通りとした。
材質:ITO(インジウム錫酸化物)、
高さH6:150nm。
実施例1と同様、電極間距離Dは、10〜50nmの間で変化させた。具体的には、電極間距離Dは、10nm、20nm、30nm、40nm、50nmの計5条件とした。
この例では、受光層の最大厚みは、下記式で表される。
(受光層の最大厚み)=(下部電極の凸部の高さH1:100nm)+(電極間距離D:10〜50nmの間で変化)
(受光層の最大厚み)=(下部電極の凸部の高さH1:100nm)+(電極間距離D:10〜50nmの間で変化)
(比較例2)
図9Bに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図9Bは比較例の図面であり、本願発明とは異なるが、便宜上、実施例1に対応する構成要素には同じ参照符号を用いて示してある。
図9Bは図8Bに対応した模式断面図である。
図9Bに示す構造の光電変換素子について、吸光スペクトルをシミュレーションした。
図9Bは比較例の図面であり、本願発明とは異なるが、便宜上、実施例1に対応する構成要素には同じ参照符号を用いて示してある。
図9Bは図8Bに対応した模式断面図である。
下部電極(第1の電極110)は、平坦電極とした。
下部電極の材質は以下の通りとした。
材質:Ag。
下部電極の材質は以下の通りとした。
材質:Ag。
上部電極(第2の電極160)は、実施例1と同じ構造とした。
すなわち、上部電極は、図8Aおよび図8Bに示したように、ガラス基板上に形成された金属細線電極とした。
上部電極の材質と物性は、実施例1と同様、以下の通りとした。
材質:Ag、
線幅W6:10nm、
細線161の周期間隔P6:200nm、
細線161の高さH6:20nm。
すなわち、上部電極は、図8Aおよび図8Bに示したように、ガラス基板上に形成された金属細線電極とした。
上部電極の材質と物性は、実施例1と同様、以下の通りとした。
材質:Ag、
線幅W6:10nm、
細線161の周期間隔P6:200nm、
細線161の高さH6:20nm。
この例では、実施例1と受光層の体積が等しくなるように、電極離間距離を設定した。
実施例1において、下部電極の凸部の高さは100nmである。実施例1における下部電極のすべての凹部内の受光層の合計体積は、平坦な下部電極上の75nm厚分の受光層の体積に相当する。したがって、比較例2では、受光層内において、下部電極の表面から75nm厚が、実施例1において下部電極の凸部の高さH1に相当すると言える。
図中、符号H1xは、実施例1のH1相当部分である。
比較例2では、電極離間距離から上記H1相当分(=H1x)を除いた厚みを、実施例1における電極間距離D(10〜50nmの間で変化)に合わせるようにした。
図中、符号Dxは、実施例1のD相当部分である。
実施例1に対応させて、Dx(D相当)は、10nm、20nm、30nm、40nm、50nmの計5条件とした。
実施例1において、下部電極の凸部の高さは100nmである。実施例1における下部電極のすべての凹部内の受光層の合計体積は、平坦な下部電極上の75nm厚分の受光層の体積に相当する。したがって、比較例2では、受光層内において、下部電極の表面から75nm厚が、実施例1において下部電極の凸部の高さH1に相当すると言える。
図中、符号H1xは、実施例1のH1相当部分である。
比較例2では、電極離間距離から上記H1相当分(=H1x)を除いた厚みを、実施例1における電極間距離D(10〜50nmの間で変化)に合わせるようにした。
図中、符号Dxは、実施例1のD相当部分である。
実施例1に対応させて、Dx(D相当)は、10nm、20nm、30nm、40nm、50nmの計5条件とした。
この例では、受光層の最大厚みは、下記式で表される。
(受光層の最大厚み)=(H1x:下部電極側の75nm)+(上部電極の高さH6:20nm)+(Dx:10〜50nmの間で変化)
(受光層の最大厚み)=(H1x:下部電極側の75nm)+(上部電極の高さH6:20nm)+(Dx:10〜50nmの間で変化)
(シミュレーション結果)
実施例1および比較例1、2において、電極間距離DまたはD相当値Dxが10nm、20nm、30nm、40nm、50nmのときのシミュレーション結果を図10A〜図10Eに示す。
図10A〜図10Eでは、800nm以下の波長域において、比較例1、2に対して、実施例1の光吸収量の増加が見られた。
実施例1および比較例1、2において、電極間距離DまたはD相当値Dxが10nm、20nm、30nm、40nm、50nmのときのシミュレーション結果を図10A〜図10Eに示す。
図10A〜図10Eでは、800nm以下の波長域において、比較例1、2に対して、実施例1の光吸収量の増加が見られた。
詳細には、図10Aに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが10nmの条件において、550〜700nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Bに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが20nmの条件において、550〜750nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Cに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが30nmの条件において、550〜750nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Dに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが40nmの条件において、550〜800nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Eに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが50nmの条件において、650〜800nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
これらのデータは、実施例1の構成により、可視域において、プラズモン共鳴による電場増強効果による光吸収量の増大効果が得られ、これによって光電変換効率の向上が可能であることを示している。
図10Bに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが20nmの条件において、550〜750nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Cに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが30nmの条件において、550〜750nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Dに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが40nmの条件において、550〜800nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
図10Eに示すように、電極間距離DまたはD相当値Dxが50nmの条件において、650〜800nmの範囲内において、実施例1の光吸収量の増加が見られている。
これらのデータは、実施例1の構成により、可視域において、プラズモン共鳴による電場増強効果による光吸収量の増大効果が得られ、これによって光電変換効率の向上が可能であることを示している。
本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
本発明のプラズモン共鳴構造体は、太陽電池、発光素子、受光素子、およびその他各種センサなどに用いられる光電変換素子等に好ましく適用できる。
1 光電変換素子
20 凹凸構造部
21 凸部
21B 仮想底面
21S 側面
22 凹部
110 第1の電極(下部電極)
130 正孔輸送層
140 受光層
150 電子輸送層
160 第2の電極(上部電極)
161 細線
LB 積層体
W1 凸部の断面視最大幅
H1 凸部の高さ
P1 凸部の周期間隔
W6 細線の線幅
H6 細線の高さ
P6 細線の周期間隔
D 電極間距離
20 凹凸構造部
21 凸部
21B 仮想底面
21S 側面
22 凹部
110 第1の電極(下部電極)
130 正孔輸送層
140 受光層
150 電子輸送層
160 第2の電極(上部電極)
161 細線
LB 積層体
W1 凸部の断面視最大幅
H1 凸部の高さ
P1 凸部の周期間隔
W6 細線の線幅
H6 細線の高さ
P6 細線の周期間隔
D 電極間距離
Claims (22)
- 第1の電極と、
透光性を有する第2の電極と、
前記第1の電極および前記第2の電極の間に形成され、電子供与材料および電子受容材料からなる受光層とを備えた光電変換素子であって、
前記第1の電極は、平面視周期的に形成された複数の凸部と当該複数の凸部の間に形成された複数の凹部とを含む凹凸構造部を有し、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属凹凸電極であり、
前記第2の電極は、互いに導通された複数の細線からなり、光照射によってプラズモン共鳴を生じる金属細線電極であり、
前記第1の電極および前記第2の電極はいずれも、前記受光層の光吸収領域内に少なくとも1つのプラズモン吸収ピーク波長を有する、
光電変換素子。 - 前記凸部の断面形状が略矩形状または略台形状である、
請求項1に記載の光電変換素子。 - 前記第1の電極は、
前記凸部の断面視最大幅が10〜500nmであり、
前記凸部のアスペクト比が0.5以上であり、
前記複数の凸部の周期間隔が40〜600nmである、
請求項1または2に記載の光電変換素子。 - 前記第1の電極において、前記凹部の底面を前記凸部内に延長して得られる前記凸部の仮想底面に対する前記凸部の側面の角度が80〜90°である、
請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記複数の凸部の平面周期パターンの単位が三角格子状パターンまたは四角格子状パターンである、
請求項1〜4のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記第2の電極は、
前記細線の前記線幅が5〜50nmであり、
前記複数の細線の周期間隔が100〜1000nmである、
請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記第1の電極と前記第2の電極との離間距離が10〜100nmである、
請求項1〜6のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記第1の電極の前記凹凸構造部および前記第2の電極はそれぞれ独立に、Ag、Au、Al、およびCuからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含む、
請求項1〜7のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記受光層の光吸収領域が300〜900nmの範囲内にある、
請求項1〜8のいずれかに記載の光電変換素子。 - 前記受光層が有機材料からなる、
請求項1〜9のいずれかに記載の光電変換素子。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法であって、
前記第1の電極の製造工程は、
前記凹凸構造部の凹凸パターンの反転パターンを有するモールドを用意する工程(AX)と、
前記モールドの前記反転パターン上に、1次粒子径が50nm以下であり、2次粒子径が前記凸部の断面視最小幅より小さい多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BX)と、
前記塗布膜を焼成して、前記モールド上に前記第1の電極を形成する工程(CX)と、
前記第1の電極を前記モールドから剥離する工程(DX)とを有する、
光電変換素子の製造方法。 - 工程(CX)の焼成温度は180℃以下である、
請求項11に記載の光電変換素子の製造方法。 - 前記モールドは樹脂製であり、
工程(DX)において、前記モールド上に形成された前記第1の電極の裏面に、前記モールドと前記第1の電極との間の密着力よりも大きい密着力で前記第1の電極に密着する樹脂膜を形成し、当該樹脂膜と前記第1の電極とを前記モールドより剥離する、
請求項11または12に記載の光電変換素子の製造方法。 - 工程(BX)〜工程(DX)をロールトゥロールプロセスで実施する、
請求項11〜13のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法であって、
前記第2の電極の製造工程は、
前記金属細線電極の平面パターンと同一の平面パターンで形成された凸部を含む凹凸パターンを有する凹凸構造体を用意する工程(AY)と、
前記凹凸構造体の少なくとも前記凸部上に、1次粒子径が50nm以下である多数のナノ金属粒子を含む金属分散剤を塗布して塗布膜を形成する工程(BY)と、
前記塗布膜を焼成して、前記凹凸構造体上に前記金属細線電極を形成する工程(CY)とを有する、
光電変換素子の製造方法。 - さらに、前記金属細線電極を前記凹凸構造体から剥離する工程(DY)を有する、
請求項15に記載の光電変換素子の製造方法。 - 前記凹凸構造体は樹脂製であり、
工程(DY)において、樹脂膜に前記金属細線電極を転写する、
請求項16に記載の光電変換素子の製造方法。 - 前記凹凸構造体の前記凹凸パターンをなす前記凸部の高さは、工程(BY)における前記金属分散剤の塗布高さより大きく、
工程(BY)において、前記凹凸パターンをなす前記凸部と前記凹部に前記金属分散剤を塗布する、
請求項15〜17のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。 - 工程(BY)において、前記凹凸パターンをなす前記凸部上にのみ前記金属分散剤を塗布する、
請求項15〜17のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。 - 工程(CY)の焼成温度は180℃以下である、
請求項15〜19のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。 - 工程(BY)および工程(CY)をロールトゥロールプロセスで実施する、請求項15〜20のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の光電変換素子を備えた、太陽電池。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20210045743A (ko) * | 2019-10-17 | 2021-04-27 | 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 | 박막 태양 전지 |
USD952692S1 (en) | 2019-12-19 | 2022-05-24 | Yamada Corporation | Diaphragm pump |
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2016
- 2016-02-15 JP JP2016025782A patent/JP2017147257A/ja active Pending
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KR20210045743A (ko) * | 2019-10-17 | 2021-04-27 | 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 | 박막 태양 전지 |
KR102250279B1 (ko) * | 2019-10-17 | 2021-05-10 | 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 | 박막 태양 전지 |
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