JP2017147423A - ショットキー型デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ショットキー型デバイスは、基材11と、基材11の一方の面上に設けられた第1電極12および第2電極13と、第1、第2電極上に設けられたTMD(遷移金属ダイカルコゲナイド)14とを備える。第1電極とTMDとの接合はショットキー接合であり、第2電極とTMDとの接合はオーミック接合である。第1電極と第2電極との仕事関数の差が、0.4eV以上である。
【選択図】図1
Description
本発明の一実施形態に係る光電変換素子10は、図1A、図1Bに示すように、基材11と、基材11の一方の面上に設けられた第1、第2電極12、13と、第1、第2電極12、13上に設けられたTMD14とを備える。光電変換素子10は、いわゆるショットキー型光電変換素子(ショットキー型太陽電池)であり、フレキシブル性を有していてもよいし、可視光に対して透明性を有していてもよい。
基材11は、可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、可視光に対して不透明性を有するものであってもよい。基材11の形状としては、例えば、フィルム状、プレート状、ブロック状を挙げることができるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。基材11は、剛性を有するものであってもよいし、フレキシブル性を有するものであってもよい。
第1、第2電極12、13は、基材11の一方の面に垂直な方向から見ると、櫛歯状の形状を有し、互いに噛み合わされるようにして配置されている。第1電極12の一端には第1出力端子12aが設けられ、第2電極13の一端には第2出力端子13aが設けられている。第1、第2出力端子12a、13aは図示しない発電制御装置などの外部装置に接続されている。第1、第2電極12、13は可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、不透明性を有するものであってもよい。
TMD14は、単結晶および多結晶のいずれであってもよいが、光電変換素子10の電気伝導性や光学特性の向上の観点からすると、単結晶のものが好ましい。TMD14は、可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、不透明性を有するものであってもよい。なお、本発明において、「可視光」とは360nm以上830nm以下の波長帯域の光をいう。また、「可視光に対して透明性を有する」とは、分光光度計により測定した可視光の平均透過率が70%以上であることを意味する。TMD14を可視光に対して透明性を有するものとする場合、TMD14の層数は、好ましくは6層以下、より好ましくは3層以下である。TMD14の層数が6層以下であると、TMD14の可視光の平均光吸収率を30%以下に抑える、すなわち可視光の平均光透過率を70%以上にできるため、TMD14を目視で透明と認識できる。
以下、上述の構成を有する光電変換素子10の光電変換時の動作について説明する。
本発明の一実施形態に係る光電変換素子10では、第1、第2電極12、13がTMD14に接合され、第1、第2電極12、13の仕事関数の差が0.4eV以上である。これにより、高い変換効率を得ることができる。
図4Aに示すように、基材11上にTMD14を設け、TMD14上に第1、第2電極12、13を設ける構成を採用してもよい。但し、光電変換素子10の変換効率の低下を抑制する観点からすると、上述の一実施形態における構成を採用することが好ましい。
[実施例1−1]
図5A、5Bは、実施例1−1の光電変換素子の構成を示す。以下では、図5A、5Bに示す光電変換素子の構造を「密着構造」という。この光電変換素子を以下の手順で作製した。まず、数層のWSe2を準備し、片面酸化膜(SiO2:300nm)付Si基板(Siをゲート電極として利用)のSiO2面に載置した。次に、フォトリソグラフィ法によりWSe2の一端に第1電極(ドレイン電極)を形成した後、同様にフォトリソグラフィ法によりWSe2の他端に第2電極(ソース電極)を形成した。なお、第1電極としてはNi電極を用い、第2電極としてはTi電極を用い、第1、第2電極間の距離Leleを8μmとした。以上により、目的とする光電変換素子が得られた。
第1電極としてNi電極を用い、第2電極としてPd電極を用いたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
第1電極としてTi電極を用い、第2電極としてTi電極を用いたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
第1電極としてAg電極を用い、第2電極としてTi電極を用いたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
上述のようにして得られた実施例1−1、1−2、比較例1−1、1−2の光電変換素子に対してソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してI−V曲線を測定し、開放電圧VOC、短絡電流ISCおよびエネルギー変換効率を求めた。
上述のようにして得られた実施例1−2の光電変換素子に対してアークランプにより波長600nmの光を照射してI−V曲線を測定し、開放電圧VOCおよび短絡電流ISCを求めた。この操作を入射光強度を変化させて繰り返し行った。
理研計器株式会社製の光電子収量分光装置(AC−3)により、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、TiおよびPdの仕事関数を測定した。
図6AにI−V特性の評価(1)の結果を示し、図6Bに仕事関数の差ΔWに対する光電変換効率の依存性を示す。図7Aに仕事関数の評価結果を示し、図7Bに第1、第2電極の電極材料とWSe2のエネルギーダイアグラムを示す。これらの結果から以下のことがわかる。TMDとしてp型の半導体特性を示すWSe2を用いた場合、第1電極としてWSe2のフェルミエネルギーよりもできるだけ仕事関数が小さい金属材料を用い、第2電極としてWSe2のフェルミエネルギーに近い仕事関数を有する金属材料を用いることで、高いエネルギー変換効率が得られる。具体的には、第1、第2電極の仕事関数の差ΔWが、0.4以上であると高いエネルギー変換効率が得られる。エネルギー変換効率を更に向上する観点からすると、第1、第2電極の仕事関数の差ΔWが好ましくは0.48eV以上、より好ましくは0.56eV以上である。
[実施例2−1〜2−5]
Ni、Ti電極間の距離Leleを0.5μm、2μm、5μm、8μm、14μmとしたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
上述のようにして得られた実施例2−1〜2−5の光電変換素子にソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してI−V曲線を測定し、短絡電流Iscおよびエネルギー変換効率を求めた。
実施例2−5(Lele=14μm)の光電変換素子のWSe2表面をレーザ光(波長630nm:1.96eV)によりスキャンして、光電流IpCを測定した。
実施例2−5(Lele=14μm)の光電変換素子に異なる波長の単色光を照射して、外部量子効率および微分反射率のフォトンエネルギー依存性を評価した。
実施例2−1〜2−5の光電変換素子に波長400nm(3.1eV)、600nm(2.1eV)、750nm(1.65eV)の単色光を照射して、外部量子効率の電極間距離依存性を評価した。
実施例2−5(Lele=14μm)の光電変換素子に異なる波長のレーザ光を照射して、電極からの実効的光電流生成領域長さLdのフォトンエネルギー依存性を評価した。
図9Aに、短絡電流Iscの電極間距離依存性の評価結果を示す。図9Bに、エネルギー変換効率の電極間距離依存性の評価結果を示す。これらの結果から、第1、第2電極間の距離Leleが1μm以上5μm以下である場合に、高いエネルギー変換効率が得られることがわかる。第1、第2電極間の距離Leleが狭くなりすぎるとエネルギー変換効率が低下するのは、短チャネル効果(SCE)によるものである。一方、第1、第2電極間の距離Leleが広くなりすぎるとエネルギー変換効率が低下するのは、キャリアロスによるものである。
[実施例3−1]
実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。すなわち、Ni、Ti電極間の距離Leleを8μmとした。
Ni、Pd電極間の距離Leleを7μmとしたこと以外は実施例1−2と同様にして光電変換素子を得た。
Ni、Ti電極間の距離Leleを2.2μmとしたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
Ni、Pd電極間の距離Leleを2.5μmとしたこと以外は実施例1−2と同様にして光電変換素子を得た。
図13A、13Bは、実施例3−5の光電変換素子の構成を示す。以下では、図13A、13Bに示す光電変換素子の構造を「架橋構造」という。この光電変換素子を以下の手順で作製した。まず、フォトリソグラフィ法により片面酸化膜(SiO2:300nm)付Si基板(Siをゲート電極として利用)のSiO2面に第1、第2電極(ドレイン、ソース電極)を離間して形成した。なお、第1電極としてはNi電極を用い、第2電極としてはPd電極を用い、第1、第2電極間の距離Leleを5μmとした。次に、第1、第2電極間にWSe2が橋架けされるようにして、第1、第2電極上にWSe2を載置した。以上により、目的とする光電変換素子が得られた。
Ti、Ti電極間の距離Leleを10μmとしたこと以外は比較例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
比較例1−2と同様にして光電変換素子を得た。すなわち、Ag、Ti電極間の距離Leleを8μmとした。
上述のようにして得られた実施例3−1〜3−5、比較例3−1、3−2の光電変換素子にソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してI−V曲線を測定し、エネルギー変換効率を求めた。
上述のようにして得られた実施例3−3〜3−5の光電変換素子にアークランプにより波長400nmの光を照射してI−V曲線を測定し、エネルギー変換効率を求めた。
図14Aに実施例3−5の光電変換素子(架橋構造)のI−V曲線を示す。図14Bにエネルギー変換効率の評価(1)、(2)の結果を示す。なお、横軸の仕事関数の差ΔWFは、実施例1−1などと同様にして求められたものである。また、図14B中に示したΔWF=0eV、0.24eV、0.48eV、0.56eVはそれぞれTi−Ti電極、Ag−Ti電極、Ni−Ti電極、Ni−Pd電極の仕事関数の差に対応している。
[実施例4−1]
Ni−Ti電極間の距離Leleを14μmとしたこと以外は実施例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
Ti−Ti電極間の距離Leleを9μmとしたこと以外は比較例1−1と同様にして光電変換素子を得た。
上述のようにして得られた実施例4−1、比較例4−1の光電変換素子のWSe2表面をレーザ光によりスキャンして、光電流IpCを測定した。また、比較例4−1のTi−Ti電極間に1Vの電圧を印加してバンド構造を変化させた状態(具体的には、電圧を印加した側の電極の真空準位に対する電位を変化させた状態)で、上記と同様の手順で光電流IpCを測定した。
図15A、図15Bに実施例4−1の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図15Cに実施例4−1の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。図16A、図16Bに比較例4−1の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図16Cに比較例4−1の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。図17A、図17Bに、1Vの電圧が印加された状態における比較例4−1の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図17Cに、1Vの電圧が印加された状態における比較例4−1の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。
11 基材
12 第1電極
12a 第1出力端子
13 第2電極
13a 第2出力端子
14 TMD(遷移金属ダイカルコゲナイド)
Claims (10)
- 遷移金属ダイカルコゲナイドと、
前記遷移金属ダイカルコゲナイドと接合された第1電極および第2電極と
を備え、
前記第1電極と前記第2電極との仕事関数の差が、0.4eV以上であるショットキー型デバイス。 - 前記第1電極と前記第2電極との間の距離が、1μm以上5μm以下である請求項1に記載のショットキー型デバイス。
- 前記第1電極と前記遷移金属ダイカルコゲナイドとの接合は、ショットキー接合であり、
前記第2電極と前記遷移金属ダイカルコゲナイドとの接合は、オーミック接合である請求項1に記載のショットキー型デバイス。 - 前記遷移金属ダイカルコゲナイドがp型の半導体特性を有し、
前記第1電極の仕事関数と前記遷移金属ダイカルコゲナイドのフェルミエネルギーとの差が、5.0eV以上である請求項1に記載のショットキー型デバイス。 - 前記遷移金属ダイカルコゲナイドがn型の半導体特性を有し、
前記第1電極の仕事関数と前記遷移金属ダイカルコゲナイドのフェルミエネルギーとの差が、5.0eV以下である請求項1に記載のショットキー型デバイス。 - 基材をさらに備え、
前記第1電極および前記第2電極により、前記遷移金属ダイカルコゲナイドと前記基板との間が離されている請求項1に記載のショットキー型デバイス。 - 前記遷移金属ダイカルコゲナイドが、WSe2を含み、
前記第1電極がNiを含み、
前記第2電極がPdまたはTiを含む請求項1に記載のショットキー型デバイス。 - 前記遷移金属ダイカルコゲナイドの層数は、6層以下である請求項1に記載のショットキー型デバイス。
- 前記遷移金属ダイカルコゲナイドが、可視光に対して透明性を有する請求項1に記載のショットキー型デバイス。
- フレキシブル性を有している請求項1に記載のショットキー型デバイス。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2016030492A JP2017147423A (ja) | 2016-02-19 | 2016-02-19 | ショットキー型デバイス |
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Cited By (2)
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CN113690338A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-11-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种MoS2和GaAs异质结红外探测器及制备方法 |
JP7288710B1 (ja) | 2022-03-30 | 2023-06-08 | 国立大学法人東北大学 | 光電変換素子および光電変換デバイス |
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2016
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