JP2021040029A - Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element - Google Patents

Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element Download PDF

Info

Publication number
JP2021040029A
JP2021040029A JP2019160289A JP2019160289A JP2021040029A JP 2021040029 A JP2021040029 A JP 2021040029A JP 2019160289 A JP2019160289 A JP 2019160289A JP 2019160289 A JP2019160289 A JP 2019160289A JP 2021040029 A JP2021040029 A JP 2021040029A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
core portion
microstructure
transition metal
layer
nanostructure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2019160289A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
加藤 拓也
Takuya Kato
拓也 加藤
幸士 山口
Koji Yamaguchi
幸士 山口
広紀 杉本
Hironori Sugimoto
広紀 杉本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Idemitsu Kosan Co Ltd
Original Assignee
Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Idemitsu Kosan Co Ltd filed Critical Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority to JP2019160289A priority Critical patent/JP2021040029A/en
Publication of JP2021040029A publication Critical patent/JP2021040029A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

To provide a microstructure capable of suppressing carrier resistance loss in addition to an optical function that causes light scattering when applied to a light scattering layer of a photoelectric conversion element.SOLUTION: A microstructure (nanostructure 10) includes an insulating core portion 11, and a surface layer 12 that covers the core portion, and the surface layer is composed of a transition metal dichalcogenide. With such a configuration, when the microstructure is applied to a light scattering layer of a photoelectric conversion element, in addition to an optical function of causing light scattering, the resistance loss of the carrier can be suppressed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、微小構造体、微小構造体の製造方法および光電変換素子に関する。 The present invention relates to microstructures, methods for manufacturing microstructures, and photoelectric conversion elements.

従来から、例えば光電変換素子の光電変換層近傍で光の散乱を生じさせて光学損失を低減させるために、ナノメートル規模の粒状体(ナノ粒子)を分散した光散乱層を光電変換素子に形成することが提案されている。 Conventionally, for example, in order to cause light scattering near the photoelectric conversion layer of a photoelectric conversion element and reduce optical loss, a light scattering layer in which nanometer-scale particles (nanoparticles) are dispersed is formed in the photoelectric conversion element. It is proposed to do.

この種の光散乱層に適用しうるナノ粒子として、例えば、光吸収層よりも屈折率の小さい絶縁体で表面が形成されているナノ粒子が提案されている(特許文献1参照)。
また、酸化チタン、ダイヤモンド、酸化シリコン等のナノ構造の絶縁体で光散乱体を形成し、当該光散乱体を透光性かつ導電性の媒質内に埋め込んだ光散乱膜も提案されている(特許文献2参照)。
また、SiO2粒子の表面をTiO2で被覆したナノ粒子を適用した色素増感太陽電池も知られている(非特許文献1参照)
As nanoparticles applicable to this type of light scattering layer, for example, nanoparticles whose surface is formed of an insulator having a refractive index smaller than that of the light absorption layer have been proposed (see Patent Document 1).
In addition, a light scattering film in which a light scattering body is formed of a nanostructured insulator such as titanium oxide, diamond, or silicon oxide and the light scattering body is embedded in a translucent and conductive medium has also been proposed ( See Patent Document 2).
Further, a dye-sensitized solar cell in which the surface of SiO 2 particles is coated with TiO 2 nanoparticles is also known (see Non-Patent Document 1).

特開2013−055178号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-055178 特開2006−171026号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-171026

”Designed Synthesis of SiO2/TiO2 Core/Shell Structure As Light Scattering Material for Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells” ACS Appl. Mater. Interfaces 2013,5, 4815-4820”Designed Synthesis of SiO2 / TiO2 Core / Shell Structure As Light Scattering Material for Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells” ACS Appl. Mater. Interfaces 2013,5, 4815-4820

光電変換素子のさらなる性能向上の観点からは、光散乱層において光の散乱を生じさせる光学機能に加え、光散乱層でのキャリアの抵抗損失を抑制することが要望されている。 From the viewpoint of further improving the performance of the photoelectric conversion element, it is required to suppress the resistance loss of the carrier in the light scattering layer in addition to the optical function of causing light scattering in the light scattering layer.

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、光電変換素子の光散乱層に適用したときに、光の散乱を生じさせる光学機能に加え、キャリアの抵抗損失を抑制しうる微小構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and when applied to a light scattering layer of a photoelectric conversion element, in addition to an optical function that causes light scattering, a minute amount capable of suppressing carrier resistance loss. The purpose is to provide a structure.

本発明の一態様である微小構造体は、絶縁性のコア部と、コア部を被覆する表面層と、を有し、表面層は、遷移金属ダイカルコゲナイドで構成される。
本発明の他の態様は、絶縁性のコア部と、コア部を被覆する表面層と、を有し、表面層は、遷移金属ダイカルコゲナイドで構成される微小構造体の製造方法であって、表面が絶縁性を有する第1の微小構造体を準備する工程と、第1の微小構造体の表面に遷移金属元素を含む層を形成して第2の微小構造体を形成する工程と、第2の微小構造体の遷移金属元素を含む層をカルコゲン化して、遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層を有する第3の微小構造体を形成する工程と、を含む。
The microstructure according to one aspect of the present invention has an insulating core portion and a surface layer covering the core portion, and the surface layer is composed of a transition metal dichalcogenide.
Another aspect of the present invention is a method for producing a microstructure having an insulating core portion and a surface layer covering the core portion, wherein the surface layer is composed of a transition metal dichalcogenide. A step of preparing a first microstructure having an insulating surface, a step of forming a layer containing a transition metal element on the surface of the first microstructure to form a second microstructure, and a first step. 2. The step of carbonizing the layer containing the transition metal element of the microstructure to form a third microstructure having a surface layer of the transition metal dichalcogenide.

本発明によれば、光電変換素子の光散乱層に適用したときに、光の散乱を生じさせる光学機能に加え、キャリアの抵抗損失を抑制しうる微小構造体を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a microstructure capable of suppressing carrier resistance loss in addition to an optical function that causes light scattering when applied to a light scattering layer of a photoelectric conversion element.

本実施形態のナノ構造体の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structural example of the nanostructure of this embodiment. 遷移金属ダイカルコゲナイドの結晶構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the crystal structure example of a transition metal dichalcogenide. 本実施形態のナノ構造体の製造方法例を示す流れ図である。It is a flow chart which shows the example of the manufacturing method of the nanostructure of this embodiment. 本実施形態の光電変換素子の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the photoelectric conversion element of this embodiment.

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
実施形態では、その説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造または要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面において、各要素の形状、寸法などは、模式的に示したもので、実際の形状や寸法などを示すものではない。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
In the embodiment, in order to make the explanation easy to understand, structures or elements other than the main part of the present invention will be described in a simplified or omitted manner. Further, in the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals. In the drawings, the shapes, dimensions, etc. of each element are schematically shown, and do not show the actual shapes, dimensions, etc.

<ナノ構造体の構成>
図1(A)は、本実施形態のナノ構造体10の構成例を模式的に示す断面図である。
ナノ構造体10は、微小構造体の一例であって、全体形状はナノメートル規模の粒子状である。このナノ構造体10は、例えば、光電変換素子の光電変換層と電極層の間に配置される光散乱層の材料として使用される。
ナノ構造体10は、絶縁性のコア部11と、コア部11を被覆する表面層12とを有する。
<Structure of nanostructures>
FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the nanostructure 10 of the present embodiment.
The nanostructure 10 is an example of a microstructure, and its overall shape is nanometer-scale particles. The nanostructure 10 is used, for example, as a material for a light scattering layer arranged between the photoelectric conversion layer and the electrode layer of the photoelectric conversion element.
The nanostructure 10 has an insulating core portion 11 and a surface layer 12 that covers the core portion 11.

(コア部11)
図1に示すコア部11は、絶縁材料で形成された全体形状が球状の粒子である。
コア部11は、例えば、シリカ(屈折率1.47)、アルミナ(屈折率1.76)、シリコンナイトライド(屈折率2.0)、チタニア(屈折率2.49)、ソーダライムガラス(屈折率1.52)などの材料群から選択される材料、または上記の材料群のいずれかの材料で表面が被覆された多層構造体などで構成される。
なお、図1(B)は、コア部11が、表面側の被覆層である外側コア部11aと、外側コア部11aの内側に隣接する内側コア部11bを有する多層構造体である例を示す断面図である。本実施形態では、コア部11が二層構造である例を示すが、コア部11は三層以上の多層構造体であってもよい。
(Core part 11)
The core portion 11 shown in FIG. 1 is a particle formed of an insulating material and having a spherical shape as a whole.
The core portion 11 includes, for example, silica (refractive index 1.47), alumina (refractive index 1.76), silicon nitride (refractive index 2.0), titania (refractive index 2.49), soda lime glass (refractive index). It is composed of a material selected from a material group such as a rate of 1.52), or a multilayer structure whose surface is coated with any material of the above material group.
Note that FIG. 1B shows an example in which the core portion 11 is a multilayer structure having an outer core portion 11a which is a coating layer on the surface side and an inner core portion 11b adjacent to the inside of the outer core portion 11a. It is a sectional view. In the present embodiment, an example in which the core portion 11 has a two-layer structure is shown, but the core portion 11 may be a multi-layer structure having three or more layers.

図1のように、コア部11を球状の粒子とすると、光の入射するコア部11の表面の形状が球面となるので、ナノ構造体10における光反射効果や光散乱効果を向上させることができる。また、コア部11の表面の球面に沿って表面層12を形成することで、後述するようにキャリアの抵抗損失の低減の効果も向上させやすくなると考えられる。
もっとも、コア部11の形状およびナノ構造体10の全体形状は、必ずしも球状に限定されない。例えば、コア部11の形状およびナノ構造体10の全体形状は、ナノメートル規模のワイヤ、チューブ、ファイバ等であってもよい。
As shown in FIG. 1, when the core portion 11 is a spherical particle, the surface shape of the core portion 11 on which light is incident is spherical, so that the light reflection effect and the light scattering effect in the nanostructure 10 can be improved. it can. Further, it is considered that by forming the surface layer 12 along the spherical surface of the surface of the core portion 11, the effect of reducing the resistance loss of the carrier can be easily improved as described later.
However, the shape of the core portion 11 and the overall shape of the nanostructure 10 are not necessarily limited to a spherical shape. For example, the shape of the core portion 11 and the overall shape of the nanostructure 10 may be nanometer-scale wires, tubes, fibers, or the like.

コア部11の大きさは、特に限定するものではないが100nm〜1200nmの範囲とすることができる。例えば、コア部11が球状粒子である場合、コア部11の粒径は100nm〜1200nmの範囲とすることができる。
また、コア部11の大きさは、ナノ構造体10に入射する光の波長に応じて設定され、想定する用途での入射光の波長が長いほど、コア部11の大きさの上限を大きくすることが好ましい。例えば、想定する用途での入射光の中心波長が1000nmである場合、コア部11の大きさは100nm〜1000nmとすることが好ましい。また、上記のケースで中心波長がそれぞれ700nm、450nm、300nmである場合、コア部11の大きさは、順に100nm〜700nm、100nm〜450nm、100nm〜300nmとすることが好ましい。
The size of the core portion 11 is not particularly limited, but can be in the range of 100 nm to 1200 nm. For example, when the core portion 11 is spherical particles, the particle size of the core portion 11 can be in the range of 100 nm to 1200 nm.
Further, the size of the core portion 11 is set according to the wavelength of the light incident on the nanostructure 10, and the longer the wavelength of the incident light in the intended use, the larger the upper limit of the size of the core portion 11. Is preferable. For example, when the central wavelength of the incident light in the intended use is 1000 nm, the size of the core portion 11 is preferably 100 nm to 1000 nm. Further, in the above case, when the center wavelengths are 700 nm, 450 nm, and 300 nm, respectively, the size of the core portion 11 is preferably 100 nm to 700 nm, 100 nm to 450 nm, and 100 nm to 300 nm, respectively.

図1(C)は、図1(B)に示す多層構造体のコア部11に表面層12を形成したナノ構造体10の例を示す断面図である。
図1(B)、(C)に示すように、コア部11が多層構造体である場合、ナノ構造体10に光が入射するとコア部11の各層の界面で光の反射や散乱がそれぞれ発生する。このとき、多層構造体のコア部11において最も外側に位置する外側コア部11aの屈折率を、外側コア部11aの内側に隣接する内側コア部11bの屈折率よりも大きくするとより高い光反射効果を生じさせることができる。
FIG. 1C is a cross-sectional view showing an example of a nanostructure 10 in which a surface layer 12 is formed on a core portion 11 of the multilayer structure shown in FIG. 1B.
As shown in FIGS. 1B and 1C, when the core portion 11 is a multi-layer structure, when light is incident on the nanostructure 10, light is reflected or scattered at the interface of each layer of the core portion 11. To do. At this time, if the refractive index of the outer core portion 11a located on the outermost side of the core portion 11 of the multilayer structure is made larger than the refractive index of the inner core portion 11b adjacent to the inside of the outer core portion 11a, a higher light reflection effect is obtained. Can be caused.

例えば、多層構造体のコア部11において、コア部11表面を被覆する外側コア部11aの材料をチタニア(屈折率2.49)とし、内側コア部11bの材料をシリカ(屈折率1.47)とすることが好ましい。上記の組み合わせによると、多層構造体のコア部11において外側コア部11aと内側コア部11bの屈折率の差を大きくすることができ、外側コア部11aと内側コア部11bの界面での光反射効果や光散乱効果を大きくすることができる。例えば、ナノ構造体10を光電変換素子の光散乱層に適用した場合、上記の構成を備えると光散乱層が配置される面(例えば、発光素子における発光面の裏面側または受光素子における受光面の裏面側)での光反射効果を一層向上させることができる。 For example, in the core portion 11 of the multilayer structure, the material of the outer core portion 11a covering the surface of the core portion 11 is titania (refractive index 2.49), and the material of the inner core portion 11b is silica (refractive index 1.47). Is preferable. According to the above combination, the difference in refractive index between the outer core portion 11a and the inner core portion 11b can be increased in the core portion 11 of the multilayer structure, and the light reflection at the interface between the outer core portion 11a and the inner core portion 11b can be increased. The effect and light scattering effect can be increased. For example, when the nanostructure 10 is applied to the light scattering layer of the photoelectric conversion element, the surface on which the light scattering layer is arranged (for example, the back surface side of the light emitting surface of the light emitting element or the light receiving surface of the light receiving element) is provided with the above configuration. The light reflection effect on the back side) can be further improved.

(表面層12)
図1に示す表面層12は、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC: Transition metal dichalcogenide)で構成され、半導体または導体である。また、表面層12は、入射する光をその内側に透過させることが可能である。
(Surface layer 12)
The surface layer 12 shown in FIG. 1 is composed of a transition metal dichalcogenide (TMDC) and is a semiconductor or a conductor. Further, the surface layer 12 can transmit incident light inside the surface layer 12.

遷移金属ダイカルコゲナイドは、遷移金属元素Mとカルコゲン元素Xとが結合し、MX2の化学組成で表される層状構造を持つ化合物である。表面層12の遷移金属ダイカルコゲナイドにおいては、遷移金属元素Mは少なくともV、Ta、Mo、W、Ti、Nb、Hf、Zrの1つを含み、カルコゲン元素Xは少なくともS、Se、Teの1つを含む。 The transition metal dichalcogenide is a compound having a layered structure represented by the chemical composition of MX 2 in which the transition metal element M and the chalcogen element X are bonded. In the transition metal dichalcogenide of the surface layer 12, the transition metal element M contains at least one of V, Ta, Mo, W, Ti, Nb, Hf, and Zr, and the chalcogen element X contains at least one of S, Se, and Te. Including one.

図2は、積層構造を有する遷移金属ダイカルコゲナイドの結晶構造に関する模式図である。図2は、積層方向(c軸方向)と交差するab面内の方向から結晶構造をみた状態に対応する。
遷移金属ダイカルコゲナイドは、積層構造を有する場合、単層がc軸方向に積層し、それぞれの層は弱いファンデルワールス力によって結合している。そのため、遷移金属ダイカルコゲナイドでは、各層におけるab面内での抵抗率は、積層の方向であるc軸方向の抵抗率よりも低い特性を有する。
FIG. 2 is a schematic view of the crystal structure of a transition metal dichalcogenide having a laminated structure. FIG. 2 corresponds to a state in which the crystal structure is viewed from the direction in the ab plane that intersects the stacking direction (c-axis direction).
When the transition metal dichalcogenide has a laminated structure, a single layer is laminated in the c-axis direction, and each layer is bonded by a weak van der Waals force. Therefore, in the transition metal dichalcogenide, the resistivity in the ab plane in each layer has a characteristic lower than the resistivity in the c-axis direction, which is the direction of lamination.

本実施形態では、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対して垂直になる配向で表面層12を形成することが好ましい。これにより、ナノ構造体10の表面層12では、コア部11の表面に沿った遷移金属ダイカルコゲナイドのab面内をキャリアが移動できる。上記のab面内は積層方向のc軸方向よりも抵抗率が低いので、ナノ構造体10の表面層12を移動するキャリアの抵抗損失を低減できると考えられる。
特に限定するものではないが、例えば、遷移金属元素Mが少なくともMo、W、Hf、Zrの1つを含む遷移金属ダイカルコゲナイドにおいては、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対して垂直になる配向で表面層12を形成することが好ましい。
In the present embodiment, it is preferable to form the surface layer 12 in an orientation in which the c-axis of the transition metal dichalcogenide is perpendicular to the surface of the core portion 11. As a result, in the surface layer 12 of the nanostructure 10, carriers can move in the ab plane of the transition metal dichalcogenide along the surface of the core portion 11. Since the resistivity in the ab plane is lower than that in the c-axis direction in the stacking direction, it is considered that the resistance loss of the carrier moving in the surface layer 12 of the nanostructure 10 can be reduced.
Although not particularly limited, for example, in a transition metal dichalcogenide in which the transition metal element M contains at least one of Mo, W, Hf, and Zr, the c-axis of the transition metal dichalcogenide is relative to the surface of the core portion 11. It is preferable to form the surface layer 12 in a vertical orientation.

また、遷移金属ダイカルコゲナイドの遷移金属元素Mが少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含む場合には、これらを含まない場合よりも抵抗率が低くなり、表面層12でのキャリアの抵抗損失をより低減しうる。 Further, when the transition metal element M of the transition metal dichalcogenide contains at least one of Nb, V, Ta, and Ti, the resistivity is lower than that when these are not included, and the resistivity of the carrier on the surface layer 12 is reduced. The loss can be further reduced.

したがって、遷移金属ダイカルコゲナイドの遷移金属元素Mが少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含む場合には、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対して垂直になる配向で表面層12を形成しなくてもよい。換言すれば、遷移金属ダイカルコゲナイドの遷移金属元素Mが少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含む場合には、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対してランダムあるいは任意の方向に配向されるように表面層12を形成してもよい。 Therefore, when the transition metal element M of the transition metal dichalcogenide contains at least one of Nb, V, Ta, and Ti, the c-axis of the transition metal dichalcogenide is oriented so as to be perpendicular to the surface of the core portion 11. It is not necessary to form the surface layer 12. In other words, when the transition metal element M of the transition metal dichalcogenide contains at least one of Nb, V, Ta and Ti, the c-axis of the transition metal dichalcogenide is random or arbitrary with respect to the surface of the core portion 11. The surface layer 12 may be formed so as to be oriented in the direction of.

ここで、遷移金属元素Mが少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含む場合の遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、(M,Mo)(Se,S)、M(Se,S)、MSeまたはMS(但し、Mは、Nb、V、Ta、Tiのいずれか)を採用することが好ましい。上記の遷移金属ダイカルコゲナイドは、高い仕事関数を有した抵抗率の低い材料となる。 Here, as the transition metal dichalcogenide when the transition metal element M contains at least one of Nb, V, Ta, and Ti, (M, Mo) (Se, S) 2 , M (Se, S) 2 , It is preferable to use MSe 2 or MS 2 (where M is Nb, V, Ta, or Ti). The transition metal dichalcogenide described above is a material having a high work function and a low resistivity.

一般的に、表面層12の厚さを薄く形成すると、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対して垂直になる配向で表面層12を形成しやすくなる。そのため、特に限定するものではないが、ナノ構造体10の表面層12の厚さは、5nm〜50nmであることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。
なお、遷移金属ダイカルコゲナイドのc軸がコア部11の表面に対して垂直になる配向の場合、表面層12の抵抗率が低い。そのため、この場合の表面層12の厚さは、数原子層に相当する厚さであってもよい。
Generally, when the thickness of the surface layer 12 is reduced, the surface layer 12 is easily formed in an orientation in which the c-axis of the transition metal dichalcogenide is perpendicular to the surface of the core portion 11. Therefore, although not particularly limited, the thickness of the surface layer 12 of the nanostructure 10 is preferably 5 nm to 50 nm, and more preferably 30 nm or less.
When the c-axis of the transition metal dichalcogenide is oriented perpendicular to the surface of the core portion 11, the resistivity of the surface layer 12 is low. Therefore, the thickness of the surface layer 12 in this case may be a thickness corresponding to a few atomic layers.

例えば、上記のナノ構造体10を光電変換素子の光電変換層と電極層の間に配置される光散乱層に適用し、光散乱層に臨む電極層が正孔輸送側である場合を想定する。この場合、ナノ構造体10の遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層12は光電変換層よりも大きな仕事関数を有し、ナノ構造体10の表面層12は光電変換層とオーミック接合を形成する。 For example, it is assumed that the nanostructure 10 is applied to a light scattering layer arranged between the photoelectric conversion layer and the electrode layer of the photoelectric conversion element, and the electrode layer facing the light scattering layer is on the hole transport side. .. In this case, the surface layer 12 of the transition metal dichalcogenide of the nanostructure 10 has a larger work function than the photoelectric conversion layer, and the surface layer 12 of the nanostructure 10 forms an ohmic contact with the photoelectric conversion layer.

例えば、上記の光電変換素子が受光素子である場合、光電変換層で生じた正孔は障壁を生じさせずに電極層に輸送される。例えば、上記の光電変換素子が発光素子である場合、電極から注入される正孔は障壁を生じさせずに光電変換層に輸送される。 For example, when the photoelectric conversion element is a light receiving element, the holes generated in the photoelectric conversion layer are transported to the electrode layer without causing a barrier. For example, when the photoelectric conversion element is a light emitting element, the holes injected from the electrodes are transported to the photoelectric conversion layer without causing a barrier.

また、ナノ構造体10の表面層12の屈折率は、コア部11の屈折率より大きいことが好ましい。これにより、ナノ構造体10の表面層12とコア部11の界面での光反射効果を大きくすることができ、ナノ構造体10からの反射光を増加させることができる。 Further, the refractive index of the surface layer 12 of the nanostructure 10 is preferably larger than the refractive index of the core portion 11. As a result, the light reflection effect at the interface between the surface layer 12 of the nanostructure 10 and the core portion 11 can be increased, and the light reflected from the nanostructure 10 can be increased.

例えば、表面層12の材料がMoSe2の場合には屈折率が3.25となり、MoS2の場合には屈折率が4.0となる。一方、コア部11の材料がシリカ、アルミナ、シリコンナイトライド、チタニア、ソーダライムガラスのいずれかの場合、コア部11の屈折率は1.47〜2.49の範囲となる。したがって、表面層12の屈折率をコア部11の屈折率よりも大きくできることが分かる。 For example, when the material of the surface layer 12 is MoSe 2 , the refractive index is 3.25, and when the material of the surface layer 12 is MoS 2 , the refractive index is 4.0. On the other hand, when the material of the core portion 11 is any of silica, alumina, silicon nitride, titania, and soda lime glass, the refractive index of the core portion 11 is in the range of 1.47 to 2.49. Therefore, it can be seen that the refractive index of the surface layer 12 can be made larger than the refractive index of the core portion 11.

<ナノ構造体の製造方法>
以下、図3の流れ図を参照しつつ、本実施形態のナノ構造体10の製造方法について説明する。
<Manufacturing method of nanostructures>
Hereinafter, the method for producing the nanostructure 10 of the present embodiment will be described with reference to the flow chart of FIG.

(ステップS1)
ステップS1として、表面が絶縁性の第1のナノ構造体を準備する。第1のナノ構造体は、上記のコア部11に対応し、例えば、シリカ、アルミナ、シリコンナイトライド、チタニア、ソーダライムガラスなどの材料、または上記のいずれかの材料で表面側が覆われた多層構造体などのナノ粒子が挙げられる。このようなナノ粒子としては市販のものを使用できる(例えば、https://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/nanopowders.html参照)。
(Step S1)
As step S1, a first nanostructure with an insulating surface is prepared. The first nanostructure corresponds to the core portion 11, for example, a material such as silica, alumina, silicon nitride, titania, soda lime glass, or a multilayer whose surface side is covered with any of the above materials. Examples include nanoparticles such as structures. Commercially available nanoparticles can be used (see, for example, https://www.sigmaaldrich.com/japan/materialscience/nano-materials/nanopowders.html ).

(ステップS2)
次に、ステップS2として、第1のナノ構造体の表面にモリブデン等の遷移金属元素Mを含む層を形成して第2のナノ構造体を形成する。遷移金属元素Mは、少なくともV、Ta、Mo、W、Ti、Nb、Hf、Zrの1つを含む。
また、第1のナノ構造体の表面において遷移金属を含む層の膜厚を30nm以下にすると、ナノ構造体10のコア部11の表面に対してc軸が垂直になる配向で遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層12を成膜することができ、好ましい。
(Step S2)
Next, as step S2, a layer containing a transition metal element M such as molybdenum is formed on the surface of the first nanostructure to form the second nanostructure. The transition metal element M contains at least one of V, Ta, Mo, W, Ti, Nb, Hf, and Zr.
Further, when the film thickness of the layer containing the transition metal on the surface of the first nanostructure is 30 nm or less, the transition metal dichalcogenide is oriented so that the c-axis is perpendicular to the surface of the core portion 11 of the nanostructure 10. The surface layer 12 of the above can be formed, which is preferable.

例えば、ステップS2において第1のナノ構造体に遷移金属を含む層を成膜するときには、第1のナノ構造体を投入したバレルを回転させながら成膜を行うバレル方式のスパッタリング成膜装置(バレルスパッタ)を用いることができる。これにより、第1のナノ構造体に対して、均一かつ効率的に遷移金属を含む被膜をコーティングできる。 For example, when forming a layer containing a transition metal on the first nanostructure in step S2, a barrel-type sputtering film forming apparatus (barrel) that forms the film while rotating the barrel into which the first nanostructure is charged. Sputter) can be used. As a result, the first nanostructure can be uniformly and efficiently coated with a coating containing a transition metal.

第1のナノ構造体の表面に遷移金属元素を含む層をスパッタで形成するときには、Nbを含むスパッタ源を使用できる。あるいは、Nb以外の遷移金属元素として例えばMoを含むスパッタ源を、Nbを含むスパッタ源とともに使用してもよい。この場合には、第1のナノ構造体の表面に、遷移金属元素としてNbとMoを含む層を形成できる。 When forming a layer containing a transition metal element on the surface of the first nanostructure by sputtering, a sputtering source containing Nb can be used. Alternatively, a sputtering source containing, for example, Mo as a transition metal element other than Nb may be used together with the sputtering source containing Nb. In this case, a layer containing Nb and Mo as transition metal elements can be formed on the surface of the first nanostructure.

また、ステップS2では、第1のナノ構造体と遷移金属元素を含む溶液を混合した後に乾燥させてもよい。これによっても、第1のナノ構造体の表面に遷移金属元素を含む層を有する第2のナノ構造体を形成できる。 Further, in step S2, the solution containing the first nanostructure and the transition metal element may be mixed and then dried. This also makes it possible to form a second nanostructure having a layer containing a transition metal element on the surface of the first nanostructure.

この場合、遷移金属元素を含む溶液はMoまたはWを含むことが好ましい。例えば、アンモニウムチオモリブデート((NHMoS)やアンモニウムチオタングステート((NHWS)やこれらの水和物を含むものが挙げられる。また、遷移金属元素を含む溶液は、硫黄、セレンまたはテルル(Te)を含んでもよい。
なお、溶液が硫黄、セレンまたはテルルを含む場合には、後述のステップS3にてカルコゲン元素を含まない雰囲気で第2のナノ構造体を加熱しても、第1のナノ構造体の表面に遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層12を有するナノ構造体10(第3のナノ構造体)を形成できる。
In this case, the solution containing the transition metal element preferably contains Mo or W. For example, ammonium thiomolybdate ((NH 4 ) 2 MoS 4 ), ammonium thiotang state ((NH 4 ) 2 WS 4 ) and those containing hydrates thereof can be mentioned. The solution containing the transition metal element may also contain sulfur, selenium or tellurium (Te).
When the solution contains sulfur, selenium or tellurium, even if the second nanostructure is heated in an atmosphere containing no chalcogen element in step S3 described later, it transitions to the surface of the first nanostructure. The nanostructure 10 (third nanostructure) having the surface layer 12 of the metal dichalcogenide can be formed.

(ステップS3)
次に、ステップS3として、第2のナノ構造体における遷移金属元素を含む層をカルコゲン化する。これにより、第1のナノ構造体の表面に遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層12が形成されたナノ構造体10(第3のナノ構造体)が形成される。
(Step S3)
Next, as step S3, the layer containing the transition metal element in the second nanostructure is chalcogenized. As a result, the nanostructure 10 (third nanostructure) in which the surface layer 12 of the transition metal dichalcogenide is formed on the surface of the first nanostructure is formed.

ステップS3においては、カルコゲン元素を含む雰囲気で第2のナノ構造体を加熱処理する。
カルコゲン化としてセレン化する場合、セレンを含むセレン源ガス(例えば、セレン化水素、又はセレン蒸気)の雰囲気中で第2のナノ構造体を加熱する処理が行われる。カルコゲン化として硫化する場合、硫黄を含む硫黄源ガス(例えば、硫化水素、又は硫黄蒸気)の雰囲気中で第2のナノ構造体を加熱する処理が行われる。なお、テルルを含む雰囲気下で第2のナノ構造体を加熱処理してもよい。また、複数のカルコゲン元素を含む雰囲気下で第2のナノ構造体を加熱してもよい。これらの加熱処理での加熱温度は例えば約500℃である。
In step S3, the second nanostructure is heat-treated in an atmosphere containing an element of chalcogen.
When selenium is formed as chalcogenide, a treatment of heating the second nanostructure in an atmosphere of a selenium source gas containing selenium (for example, hydrogen selenide or selenium vapor) is performed. When sulfurizing as chalcogenide, a treatment is performed in which the second nanostructure is heated in an atmosphere of a sulfur source gas containing sulfur (for example, hydrogen sulfide or sulfur vapor). The second nanostructure may be heat-treated in an atmosphere containing tellurium. In addition, the second nanostructure may be heated in an atmosphere containing a plurality of chalcogen elements. The heating temperature in these heat treatments is, for example, about 500 ° C.

例えば、遷移金属元素Mが少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含み、カルコゲン元素を含む雰囲気としてセレンや硫黄を選択することで、遷移金属ダイカルコゲナイドとして、(M,Mo)(Se,S)、M(Se,S)、MSeまたはMS(但し、Mは、Nb、V、Ta、Tiのいずれか)の表面層12を形成できる。 For example, the transition metal element M contains at least one of Nb, V, Ta, and Ti, and by selecting selenium or sulfur as the atmosphere containing the chalcogen element, the transition metal dichalcogenide is (M, Mo) (Se, Se, S) 2 , M (Se, S) 2 , MSe 2 or MS 2 (where M is any of Nb, V, Ta, Ti) can form the surface layer 12.

なお、ステップS2において、硫黄、セレンまたはテルルを含む溶液を用いて遷移金属元素Mを含む層を形成した場合、ステップS3にてカルコゲン元素を含まない雰囲気下で第2のナノ構造体を加熱してもよい。この場合には、遷移金属元素Mを含む層に予めカルコゲン元素が含まれているので、第1のナノ構造体の表面に遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層12を有するナノ構造体10を形成できる。 When the layer containing the transition metal element M is formed by using the solution containing sulfur, selenium or tellurium in step S2, the second nanostructure is heated in the atmosphere containing no chalcogen element in step S3. You may. In this case, since the layer containing the transition metal element M contains the chalcogen element in advance, the nanostructure 10 having the surface layer 12 of the transition metal dichalcogenide can be formed on the surface of the first nanostructure.

また、ステップS3にて第2のナノ構造体を加熱する処理は水素を含む雰囲気で加熱することが好ましい。セレン化や硫化では、特にセレン化水素や硫化水素を使うことが好ましく、これらのガスを使わない場合には雰囲気ガスに水素を含めることが好ましい。水素を含む雰囲気で加熱する場合、水素が存在しない雰囲気でカルコゲン化する場合よりも低温で遷移金属ダイカルコゲナイドを形成できる。水素を含む雰囲気で加熱する場合の加熱温度は、例えば420℃〜500℃である。
以上の工程により、図1(A)又は図1(C)に示すナノ構造体10が完成する。
Further, in the treatment of heating the second nanostructure in step S3, it is preferable to heat in an atmosphere containing hydrogen. In seleniumization and sulfurization, it is particularly preferable to use hydrogen selenide and hydrogen sulfide, and when these gases are not used, it is preferable to include hydrogen in the atmospheric gas. When heated in an atmosphere containing hydrogen, transition metal dichalcogenides can be formed at a lower temperature than in the case of chalcogenide in an atmosphere without hydrogen. The heating temperature when heating in an atmosphere containing hydrogen is, for example, 420 ° C to 500 ° C.
Through the above steps, the nanostructure 10 shown in FIG. 1 (A) or FIG. 1 (C) is completed.

<光電変換素子の構成>
次に、本実施形態のナノ構造体10を使用した光電変換素子の構成例について説明する。
図4(A)は、ナノ構造体10を使用した受光素子20Aの構成例を示す厚さ方向の断面図である。
受光素子20Aは、光電変換素子の一例であって、例えば、光センサ、太陽電池、撮像素子等などを挙げることができる。
<Structure of photoelectric conversion element>
Next, a configuration example of a photoelectric conversion element using the nanostructure 10 of the present embodiment will be described.
FIG. 4A is a cross-sectional view in the thickness direction showing a configuration example of the light receiving element 20A using the nanostructure 10.
The light receiving element 20A is an example of a photoelectric conversion element, and examples thereof include an optical sensor, a solar cell, and an image pickup element.

図4(A)に示す受光素子20Aは、基板21、第1の電極層22、光電変換層23Aおよび第2の電極層24を有する。基板21には、図中下から順に、第1の電極層22、光電変換層23A、第2の電極層24が積層されている。第1の電極層22は受光面の裏側に位置し、第2の電極層24は透明導電膜で構成され、図中上側の受光面側に臨む。なお、図4(A)では、受光面の裏面側に基板21を配置した例を示すが、基板21に代えて、受光面の第2の電極層24側に透光性を有する透明基板を配置してもよい。 The light receiving element 20A shown in FIG. 4A has a substrate 21, a first electrode layer 22, a photoelectric conversion layer 23A, and a second electrode layer 24. The first electrode layer 22, the photoelectric conversion layer 23A, and the second electrode layer 24 are laminated on the substrate 21 in this order from the bottom in the drawing. The first electrode layer 22 is located on the back side of the light receiving surface, and the second electrode layer 24 is made of a transparent conductive film and faces the light receiving surface side on the upper side in the drawing. Although FIG. 4A shows an example in which the substrate 21 is arranged on the back surface side of the light receiving surface, instead of the substrate 21, a transparent substrate having translucency is used on the second electrode layer 24 side of the light receiving surface. It may be arranged.

受光素子20Aの光電変換層23Aの材料には、VI族半導体、I−III−VI族化合物半導体、I−II−IV−VI族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、III−V族化合物半導体、有機半導体を適用することができる。 The material of the photoelectric conversion layer 23A of the light receiving element 20A includes a VI group semiconductor, an I-III-VI group 2 compound semiconductor, an I- 2- II-IV-VI group 4 compound semiconductor, an II-VI group compound semiconductor, and III-V. Group compound semiconductors and organic semiconductors can be applied.

また、光電変換層23Aにおける第1の電極層22との界面には、上記実施形態のナノ構造体10が複数配置されている。ナノ構造体10の構成については重複説明を省略する。
ナノ構造体10の表面層12は第1の電極層22と電気的に接触している。また、光電変換層23Aとナノ構造体10の表面層12は良好なオーミック接合を形成する。
Further, a plurality of nanostructures 10 of the above embodiment are arranged at the interface of the photoelectric conversion layer 23A with the first electrode layer 22. Overlapping description of the structure of the nanostructure 10 will be omitted.
The surface layer 12 of the nanostructure 10 is in electrical contact with the first electrode layer 22. Further, the photoelectric conversion layer 23A and the surface layer 12 of the nanostructure 10 form a good ohmic contact.

光電変換層23Aは、第1の電極層22に臨む面(受光面の裏面側)において、ナノ構造体10に接触する部分と第1の電極層22に接触する部分の両方を有する。換言すると、第1の電極層22は、光電変換層23Aに臨む面において、ナノ構造体10に接触する部分と光電変換層23Aに接触する部分の両方を有する。 The photoelectric conversion layer 23A has both a portion in contact with the nanostructure 10 and a portion in contact with the first electrode layer 22 on the surface facing the first electrode layer 22 (the back surface side of the light receiving surface). In other words, the first electrode layer 22 has both a portion in contact with the nanostructure 10 and a portion in contact with the photoelectric conversion layer 23A on the surface facing the photoelectric conversion layer 23A.

これにより、ナノ構造体10の表面層12と第1の電極層22は、光電変換層23Aとの界面部分において導電性を有する微細な凹凸面を形成する。本実施形態の受光素子20Aでは、ナノ構造体10の表面層12と第1の電極層22がいずれも導電性を有する接合界面となり、キャリアを輸送する機能を担う。
したがって、受光素子20Aの光電変換層23Aで生じたキャリアはナノ構造体10を迂回することなく、表面層12の遷移金属ダイカルコゲナイドを通じても第1の電極層22へと達することができる。そのため、光電変換層23Aから第1の電極層22へのキャリアの抵抗損失を低減することができる。
As a result, the surface layer 12 of the nanostructure 10 and the first electrode layer 22 form a fine uneven surface having conductivity at the interface portion between the photoelectric conversion layer 23A and the surface layer 12. In the light receiving element 20A of the present embodiment, both the surface layer 12 of the nanostructure 10 and the first electrode layer 22 serve as a conductive bonding interface and have a function of transporting carriers.
Therefore, the carriers generated in the photoelectric conversion layer 23A of the light receiving element 20A can reach the first electrode layer 22 through the transition metal dichalcogenide of the surface layer 12 without bypassing the nanostructure 10. Therefore, the resistance loss of the carrier from the photoelectric conversion layer 23A to the first electrode layer 22 can be reduced.

ここで、第1の電極層22と光電変換層23Aの間に絶縁性のナノ粒子を配置した場合、絶縁性のナノ粒子の表面は導電性を有しないので、光電変換層23Aと第1の電極層22が直接接触する部分のみが接合界面となる。つまり、第1の電極層22と光電変換層23Aの間に絶縁性のナノ粒子を配置した場合には、図4(A)に示す受光素子20Aと比べると、光電変換層23Aとの接合界面の面積は小さくなり、キャリアの抵抗損失も大きくなってしまう。 Here, when the insulating nanoparticles are arranged between the first electrode layer 22 and the photoelectric conversion layer 23A, the surface of the insulating nanoparticles does not have conductivity, so that the photoelectric conversion layer 23A and the first Only the portion where the electrode layer 22 comes into direct contact becomes the bonding interface. That is, when the insulating nanoparticles are arranged between the first electrode layer 22 and the photoelectric conversion layer 23A, the bonding interface with the photoelectric conversion layer 23A is compared with the light receiving element 20A shown in FIG. 4 (A). The area of the carrier becomes small, and the resistance loss of the carrier also becomes large.

受光素子20Aに対しては、受光面側から光が入射する。受光素子20Aに入射する光は、第2の電極層24を透過して光電変換層23Aに到達し、その一部はナノ構造体10や第1の電極層22にも到達する。 Light is incident on the light receiving element 20A from the light receiving surface side. The light incident on the light receiving element 20A passes through the second electrode layer 24 and reaches the photoelectric conversion layer 23A, and a part of the light also reaches the nanostructure 10 and the first electrode layer 22.

ナノ構造体10の表面層12に到達した光の一部は表面層12の表面で反射し、再び光電変換層23Aに入射する。また、ナノ構造体10の表面層12に到達した光の残りは、表面層12に入射する。ナノ構造体10の表面層12に入射した光は、一部は表面層12で吸収されるが、その他は表面層12とコア部11の界面に到達する。コア部11の表面では光の反射や散乱が生じ、反射した光は再び表面層12に入射し、更に、表面層12と光電変換層23Aの界面でも光の散乱が生じる。なお、コア部11に入射した光も、コア部11で吸収される光を除いて、再びコア部11と表面層12の界面に到達して反射や散乱を生じさせる。 A part of the light that has reached the surface layer 12 of the nanostructure 10 is reflected by the surface of the surface layer 12 and is incident on the photoelectric conversion layer 23A again. Further, the rest of the light that has reached the surface layer 12 of the nanostructure 10 is incident on the surface layer 12. Part of the light incident on the surface layer 12 of the nanostructure 10 is absorbed by the surface layer 12, but the other reaches the interface between the surface layer 12 and the core portion 11. Light is reflected or scattered on the surface of the core portion 11, the reflected light is incident on the surface layer 12 again, and light is scattered at the interface between the surface layer 12 and the photoelectric conversion layer 23A. The light incident on the core portion 11 also reaches the interface between the core portion 11 and the surface layer 12 again, excluding the light absorbed by the core portion 11, and causes reflection and scattering.

以上のようにして、ナノ構造体10の表面層12やコア部11の界面で光の反射や散乱が生じることで、受光素子20Aにおいて受光面の裏面側からの反射光が増加する。これにより、光電変換層23Aで吸収される光が増加するので、受光素子20Aの光学損失を低減させることができる。 As described above, light is reflected or scattered at the interface between the surface layer 12 and the core portion 11 of the nanostructure 10, so that the reflected light from the back surface side of the light receiving surface in the light receiving element 20A increases. As a result, the light absorbed by the photoelectric conversion layer 23A increases, so that the optical loss of the light receiving element 20A can be reduced.

また、図4(B)は、ナノ構造体10を使用した発光素子20Bの構成例を示す厚さ方向の断面図である。発光素子20Bは、光電変換素子の一例であって、例えば、LED(light emitting diode)、有機EL(electro-luminescence)素子、無機EL素子などを挙げることができる。 Further, FIG. 4B is a cross-sectional view in the thickness direction showing a configuration example of the light emitting element 20B using the nanostructure 10. The light emitting element 20B is an example of a photoelectric conversion element, and examples thereof include an LED (light emitting diode), an organic EL (electro-luminescence) element, and an inorganic EL element.

図4(B)に示す発光素子20Bは、基板21、第1の電極層22、光電変換層23Bおよび第2の電極層24を有する。基板21には、図中下から順に、第1の電極層22、光電変換層23B、第2の電極層24が積層されている。第1の電極層22は発光面の裏側に位置し、第2の電極層24は透明導電膜で構成され、図中上側の発光面側に臨む。なお、図4(B)では、発光面の裏面側に基板21を配置した例を示すが、基板21に代えて、発光面の第2の電極層24側に透光性を有する透明基板を配置してもよい。 The light emitting element 20B shown in FIG. 4B has a substrate 21, a first electrode layer 22, a photoelectric conversion layer 23B, and a second electrode layer 24. The first electrode layer 22, the photoelectric conversion layer 23B, and the second electrode layer 24 are laminated on the substrate 21 in this order from the bottom in the drawing. The first electrode layer 22 is located on the back side of the light emitting surface, and the second electrode layer 24 is made of a transparent conductive film and faces the light emitting surface side on the upper side in the drawing. Although FIG. 4B shows an example in which the substrate 21 is arranged on the back surface side of the light emitting surface, instead of the substrate 21, a transparent substrate having translucency is used on the second electrode layer 24 side of the light emitting surface. It may be arranged.

また、光電変換層23Bにおける第1の電極層22との界面には、上記実施形態のナノ構造体10が複数配置されている。ナノ構造体10の構成および配置は、上記の図4(A)の受光素子20Aの場合と同様であるので重複説明は省略する。 Further, a plurality of nanostructures 10 of the above embodiment are arranged at the interface of the photoelectric conversion layer 23B with the first electrode layer 22. Since the configuration and arrangement of the nanostructure 10 are the same as those of the light receiving element 20A of FIG. 4A, duplicate description will be omitted.

発光素子20Bにおいては、第1の電極層22と第2の電極層24の間に電圧を印加して光電変換層23Bにキャリアを注入し、キャリアが光電変換層23Bで再結合して発光する。この際、ナノ構造体10が配置されている第1の電極層22においては、第1の電極層22に加えてナノ構造体10の表面層12も介してキャリアが注入されるため、抵抗損失が低減する。 In the light emitting element 20B, a voltage is applied between the first electrode layer 22 and the second electrode layer 24 to inject carriers into the photoelectric conversion layer 23B, and the carriers recombine in the photoelectric conversion layer 23B to emit light. .. At this time, in the first electrode layer 22 on which the nanostructure 10 is arranged, carriers are injected through the surface layer 12 of the nanostructure 10 in addition to the first electrode layer 22, so that resistance loss Is reduced.

また、発光素子20Bでは、光電変換層23Bでの発光のうちで第1の電極層22に向かう光は、その一部がナノ構造体10に入射し、表面層12の表面あるいは表面層12とコア部11の界面において反射や散乱を生じさせて、発光面に向かう。
これにより、発光面側から出射する光の量がナノ構造体10により増えるので、発光素子20Bにおける光学損失を低減させることができる。
Further, in the light emitting element 20B, a part of the light emitted from the photoelectric conversion layer 23B toward the first electrode layer 22 is incident on the nanostructure 10 and becomes the surface of the surface layer 12 or the surface layer 12. Reflection or scattering is generated at the interface of the core portion 11 toward the light emitting surface.
As a result, the amount of light emitted from the light emitting surface side is increased by the nanostructure 10, so that the optical loss in the light emitting element 20B can be reduced.

なお、光電変換素子において第1の電極層22と光電変換層(23A、23B)の屈折率の差が小さい場合、これらの界面での反射率は小さくなる。特に、このような仕様の光電変換素子にナノ構造体10を使用して受光面の裏面側または発光面の裏面側からの反射光を増加させると、光学損失の低減の効果はより大きくなる。
なお、ナノ構造体10のコア部11の光吸収係数は、ナノ構造体10の表面層12や光電変換層(23A、23B)よりも小さいことが好ましい。これにより、ナノ構造体10のコア部11での光学損失を低減できる。
When the difference in refractive index between the first electrode layer 22 and the photoelectric conversion layer (23A, 23B) is small in the photoelectric conversion element, the reflectance at these interfaces becomes small. In particular, when the nanostructure 10 is used for the photoelectric conversion element having such specifications to increase the reflected light from the back surface side of the light receiving surface or the back surface side of the light emitting surface, the effect of reducing the optical loss becomes larger.
The light absorption coefficient of the core portion 11 of the nanostructure 10 is preferably smaller than that of the surface layer 12 and the photoelectric conversion layer (23A, 23B) of the nanostructure 10. As a result, the optical loss at the core portion 11 of the nanostructure 10 can be reduced.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することを意図しない。これら実施形態は、上述以外の様々な形態で実施することが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更など、を行える。これら実施形態およびその変形は、本発明の範囲および要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明およびその均等物についても、本発明の範囲および要旨に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the present invention. These embodiments can be implemented in various forms other than those described above, and various omissions, substitutions, changes, etc. can be made without departing from the gist of the present invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the present invention, and the inventions described in the claims and their equivalents are also included in the scope and gist of the present invention.

10 ナノ構造体
11 コア部
11a 外側コア部
11b 内側コア部
12 表面層
20A 受光素子
20B 発光素子
21 基板
22 第1の電極層
23A、23B 光電変換層
24 第2の電極層

10 Nanostructure 11 Core part 11a Outer core part 11b Inner core part 12 Surface layer 20A Light receiving element 20B Light emitting element 21 Substrate 22 First electrode layer 23A, 23B Photoelectric conversion layer 24 Second electrode layer

Claims (15)

絶縁性のコア部と、
前記コア部を被覆する表面層と、を有し、
前記表面層は、遷移金属ダイカルコゲナイドで構成される微小構造体。
Insulating core and
It has a surface layer that covers the core portion, and has
The surface layer is a microstructure composed of a transition metal dichalcogenide.
前記遷移金属ダイカルコゲナイドの遷移金属元素は、少なくともMo、W、Hf、Zrの1つを含む
請求項1に記載の微小構造体。
The microstructure according to claim 1, wherein the transition metal element of the transition metal dichalcogenide contains at least one of Mo, W, Hf, and Zr.
前記表面層は、前記遷移金属ダイカルコゲナイドの積層方向がコア部の表面に対して垂直になる配向で形成される
請求項2に記載の微小構造体。
The microstructure according to claim 2, wherein the surface layer is formed in an orientation in which the stacking direction of the transition metal dichalcogenide is perpendicular to the surface of the core portion.
前記遷移金属ダイカルコゲナイドの遷移金属元素は、少なくともNb、V、Ta、Tiの1つを含む
請求項1に記載の微小構造体。
The microstructure according to claim 1, wherein the transition metal element of the transition metal dichalcogenide contains at least one of Nb, V, Ta, and Ti.
前記遷移金属ダイカルコゲナイドは、(M,Mo)(Se,S)、M(Se,S)、MSeまたはMS(但し、Mは、Nb、V、Ta、Tiのいずれか)から選択される
請求項4に記載の微小構造体。
The transition metal dichalcogenide is derived from (M, Mo) (Se, S) 2 , M (Se, S) 2 , MSe 2 or MS 2 (where M is any of Nb, V, Ta and Ti). The microstructure of claim 4 to be selected.
前記遷移金属ダイカルコゲナイドのカルコゲン元素は、少なくともS、Se、Teの1つを含む
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の微小構造体。
The microstructure according to any one of claims 1 to 5, wherein the interchalcogen element of the transition metal dichalcogenide contains at least one of S, Se, and Te.
前記コア部の屈折率は、前記表面層の屈折率よりも小さい
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の微小構造体。
The microstructure according to any one of claims 1 to 6, wherein the refractive index of the core portion is smaller than the refractive index of the surface layer.
前記コア部は、シリカ、アルミナ、シリコンナイトライド、チタニア、ソーダライムガラスの材料群から選択された材料、または前記材料群のいずれかの材料で表面側が被覆された多層構造体で構成される
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の微小構造体。
The core portion is composed of a material selected from the material group of silica, alumina, silicon nitride, titania, and soda lime glass, or a multilayer structure whose surface side is coated with any material of the material group. The microstructure according to any one of claims 1 to 7.
前記コア部は、コア部表面を被覆する外側コア部と、前記外側コア部の内側に隣接する内側コア部とを有する多層構造体であり、
前記多層構造体の前記外側コア部の屈折率は、前記内側コア部の屈折率より大きい
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の微小構造体。
The core portion is a multi-layer structure having an outer core portion that covers the surface of the core portion and an inner core portion that is adjacent to the inside of the outer core portion.
The microstructure according to any one of claims 1 to 7, wherein the refractive index of the outer core portion of the multilayer structure is larger than the refractive index of the inner core portion.
前記外側コア部の材料がシリカであり、前記内側コア部の材料がチタニアである
請求項9に記載の微小構造体。
The microstructure according to claim 9, wherein the material of the outer core portion is silica and the material of the inner core portion is titania.
前記微小構造体は、ナノメートル規模の粒子である
請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の微小構造体。
The microstructure according to any one of claims 1 to 10, wherein the microstructure is a particle having a nanometer scale.
請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の微小構造体を備えた光電変換素子。 A photoelectric conversion element comprising the microstructure according to any one of claims 1 to 11. 絶縁性のコア部と、前記コア部を被覆する表面層と、を有し、前記表面層は、遷移金属ダイカルコゲナイドで構成される微小構造体の製造方法であって、
表面が絶縁性を有する第1の微小構造体を準備する工程と、
前記第1の微小構造体の表面に遷移金属元素を含む層を形成して第2の微小構造体を形成する工程と、
前記第2の微小構造体の遷移金属元素を含む層をカルコゲン化して、遷移金属ダイカルコゲナイドの表面層を有する第3の微小構造体を形成する工程と、を含む
微小構造体の製造方法。
A method for producing a microstructure having an insulating core portion and a surface layer covering the core portion, wherein the surface layer is composed of a transition metal dichalcogenide.
The process of preparing the first microstructure whose surface is insulating, and
A step of forming a layer containing a transition metal element on the surface of the first microstructure to form a second microstructure, and a step of forming the second microstructure.
A method for producing a microstructure, which comprises a step of chalcogenizing a layer containing a transition metal element of the second microstructure to form a third microstructure having a surface layer of a transition metal dichalcogenide.
前記遷移金属元素は、少なくともMo、W、Hf、Zr、Nb、V、Ta、Tiの1つを含む
請求項13に記載の微小構造体の製造方法。
The method for producing a microstructure according to claim 13, wherein the transition metal element contains at least one of Mo, W, Hf, Zr, Nb, V, Ta, and Ti.
前記遷移金属ダイカルコゲナイドのカルコゲン元素は、少なくともS、Se、Teの1つを含む。
請求項13または請求項14に記載の微小構造体の製造方法。

The chalcogen element of the transition metal dichalcogenide contains at least one of S, Se and Te.
The method for producing a microstructure according to claim 13 or 14.

JP2019160289A 2019-09-03 2019-09-03 Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element Pending JP2021040029A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019160289A JP2021040029A (en) 2019-09-03 2019-09-03 Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019160289A JP2021040029A (en) 2019-09-03 2019-09-03 Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2021040029A true JP2021040029A (en) 2021-03-11

Family

ID=74847371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019160289A Pending JP2021040029A (en) 2019-09-03 2019-09-03 Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2021040029A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10897023B2 (en) All quantum dot based optoelectronic device
KR101575733B1 (en) wavelength converting structure for near-infrared rays and solar cell comprising the same
US20120031486A1 (en) Nanoparticle Plasmon Scattering Layer for Photovoltaic Cells
US9960373B2 (en) Substrate for photoelectric device and photoelectric device comprising same
JP2008270812A (en) Organic optoelectronic element
JP5687765B2 (en) Solar cell
Deng et al. Optical design in perovskite solar cells
JP2013522813A (en) Transparent electrodes based on a combination of transparent conductive oxides, metals, and oxides
WO2011105283A1 (en) Spherical compound semiconductor cell, solar cell module, and methods for manufacturing the spherical compound semiconductor cell and the solar cell module
JP2013149729A (en) Quantum dot structure, wavelength conversion element, and photoelectric conversion device
JP6384003B2 (en) METAL OXIDE THIN FILM SUBSTRATE, ITS MANUFACTURING METHOD, PHOTOBATTERY INCLUDING THE SAME, AND ORGANIC LIGHT EMITTING DEVICE
Furasova et al. Nanophotonics for perovskite solar cells
JP2019050106A (en) Transparent electrode, element including the same, and method for producing element
JP5732410B2 (en) Method for forming quantum dot structure, wavelength conversion element, light-to-light conversion device, and photoelectric conversion device
CN111384255A (en) Quantum dot light-emitting diode and preparation method thereof
US9412904B2 (en) Structured substrate for LEDs with high light extraction
JP2021040029A (en) Microstructure, manufacturing method of microstructure, and photoelectric conversion element
JP6255417B2 (en) Photoelectric conversion device
JP2015076608A (en) Method for forming surface plasmon by utilizing micro configuration
KR101379833B1 (en) Passivaton Structure of Flexibale Display Unit
JP2012216600A (en) Silicon quantum dot device and manufacturing method of the same
JP6175293B2 (en) Quantum dot particles and semiconductor device using the same
CN113097356B (en) On-chip light source, preparation method of on-chip light source and optoelectronic device
WO2022185485A1 (en) Transparent electrode, method for producing same, and electronic device using transparent electrode
JP4768466B2 (en) Light emitting device device

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200205

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220823

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230518

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230627

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20230823

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231019

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240206

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20240402

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240405