JP4857427B2 - Light transmissive electrode for semiconductor device, semiconductor device, and method of manufacturing electrode - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置用の光透過性電極、半導体装置および電極の製造方法に関し、詳しくは、少なくとも片面側の電極に光透過性を必要とされる半導体装置に使用される光透過性電極と、このような光透過性電極を備えた半導体装置と、このような光透過性電極を製造する方法とを対象にしている。   The present invention relates to a light transmissive electrode for a semiconductor device, a semiconductor device, and a method for manufacturing the electrode. More specifically, the present invention relates to a light transmissive electrode used in a semiconductor device that requires light transmissive at least on one side of the electrode. The present invention is directed to a semiconductor device including such a light transmissive electrode and a method for manufacturing such a light transmissive electrode.

半導体装置は、基本的に、一対の電極とその間に配置された半導体層とを備えている。半導体層あるいは半導体層と電極との相互作用によって目的とする電子的な機能を果たす。
半導体装置として、少なくとも片面側の電極が光透過性を有する必要がある半導体装置がある。例えば、片面側の電極から入射した光のエネルギーを起電力に変換する太陽電池や光センサがある。電力を供給されることで光を発生し光透過性の電極を通して外部に光を放射するEL素子がある。外部から供給される光に通過遮断などの制御を行う液晶表示装置がある。
A semiconductor device basically includes a pair of electrodes and a semiconductor layer disposed therebetween. The intended electronic function is achieved by the interaction between the semiconductor layer or the semiconductor layer and the electrode.
As a semiconductor device, there is a semiconductor device in which at least one electrode needs to have light transmittance. For example, there is a solar cell or an optical sensor that converts the energy of light incident from an electrode on one side into an electromotive force. There is an EL element that generates light by being supplied with power and emits light to the outside through a light-transmissive electrode. There is a liquid crystal display device that performs control such as blocking passage of light supplied from the outside.

例えば、Al/ZnPc/Auの3層構造からなるショットキー型電池が提案されている。(非特許文献1参照)。
このような半導体装置に使用される光透過性電極には、高い導電性および透明性が要求される。従来、一般的に使用されている技術に、ITO(酸化インジウムスズ)がある。ITO電極は、透明性および導電性の何れにも優れ取扱い易い透明電極として広く利用されている。ITO以外にも、様々な透明導電材料が知られている。前記した非特許文献1に記載されたAl電極も、厚みを十分に薄くすれば透明電極として機能する。
ITOを初めとする透明電極の性能向上を図る技術が提案されている。
For example, a Schottky battery having a three-layer structure of Al / ZnPc / Au has been proposed. (Refer nonpatent literature 1).
A light transmissive electrode used in such a semiconductor device is required to have high conductivity and transparency. Conventionally, a commonly used technique is ITO (indium tin oxide). The ITO electrode is widely used as a transparent electrode that is excellent in both transparency and conductivity and easy to handle. In addition to ITO, various transparent conductive materials are known. The Al electrode described in Non-Patent Document 1 described above also functions as a transparent electrode if the thickness is sufficiently reduced.
Technologies for improving the performance of transparent electrodes such as ITO have been proposed.

非特許文献2には、有機EL素子において、ITO層の上に導電性ポリマーであるポリアニリンを塗布しておくことで、有機EL素子の性能が向上することが報告されている。
非特許文献3には、非特許文献2と同様のITO層と導電性ポリマーとを組み合わせた電極構造において、導電性ポリマーにPEDT(ポリエチレンジオキシチオフェン。本明細書ではPEDOTと表記する)を用いることで、有機EL素子の性能が向上することが報告されている。
技術論文「Susanne Siebentritt 他、JUCTION EFFECTS IN PHTHALOCYANINE THIN SOLAR CELLS 、Synthetic Metals,41-43(1991)1173-1176」 技術論文「Y.Yang 他、Polyaniline as a transparent electrode for polymer light-emitting diode: Lower operating voltage and higher efficiency, Applied Physics Letters, Vol.64,No.10,pp.1245-1247(1994)」 技術論文「S.A.Carter 他、Polymeric anodes for improved polymer light-emitting diode performance, Applied Physics Letters, Vol.70,No.16,pp.2067-2069(1994)」
Non-Patent Document 2 reports that, in an organic EL element, the performance of the organic EL element is improved by applying polyaniline, which is a conductive polymer, on the ITO layer.
Non-Patent Document 3 uses PEDT (polyethylenedioxythiophene, referred to as PEDOT in this specification) as the conductive polymer in an electrode structure in which an ITO layer and a conductive polymer are combined as in Non-Patent Document 2. This has been reported to improve the performance of organic EL elements.
Technical paper `` Susanne Siebentritt et al., JUCTION EFFECTS IN PHTHALOCYANINE THIN SOLAR CELLS, Synthetic Metals, 41-43 (1991) 1173-1176 '' Technical paper `` Y. Yang et al., Polyaniline as a transparent electrode for polymer light-emitting diode: Lower operating voltage and higher efficiency, Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 10, pp. 1245-1247 (1994) '' Technical paper `` SACarter et al., Polymeric anodes for improved polymer light-emitting diode performance, Applied Physics Letters, Vol. 70, No. 16, pp. 2067-2069 (1994) ''

ところが、前記した従来における光透過性電極でも、透明性と電気的性能との両方を十分に達成することは難しかった。
例えば、ITO電極あるいはITO電極と導電性ポリマー層とを組み合わせた透明電極は、ITOの特性によって、仕事関数の大きな電極として機能する。しかし、半導体装置の構造や用途によっては、仕事関数の小さな透明電極が必要とされる場合がある。このような目的には、ITO透明電極は使用できなかった。
また、ITO電極あるいはITO電極と導電性ポリマー層とを組み合わせた透明電極は、Auなどの金属電極と比べると、透明性には優れているが電気的性能に劣る部分があり、性能向上が要望されている。
However, it has been difficult to sufficiently achieve both transparency and electrical performance even with the above-described conventional light transmissive electrode.
For example, an ITO electrode or a transparent electrode obtained by combining an ITO electrode and a conductive polymer layer functions as an electrode having a large work function depending on the properties of ITO. However, depending on the structure and application of the semiconductor device, a transparent electrode having a small work function may be required. For such purposes, ITO transparent electrodes could not be used.
In addition, transparent electrodes combining ITO electrodes or ITO electrodes and conductive polymer layers are superior to metal electrodes such as Au in transparency but have inferior electrical performance. Has been.

具体的な用途として、例えば、有機太陽電池において、半導体層に、理論的あるいは経験的に高性能が達成できる材料の組み合わせを選択しても、電流値や光電変換効率の点で予期したほどの性能が達成できないことがある。その原因を種々検討したところ、半導体層と透明電極との間における電気的性能が十分でないことが考えられた。
本発明の課題は、前記したような有機太陽電池などの半導体装置における透明電極の材料および構造を改良し、従来の透明電極を用いた半導体装置に比べて、性能の向上を図ることである。特に、種々の型式の太陽電池において、半導体層や電極層の材料選択だけでは限界があった電流値や光電変換効率の向上を達成することである。
As a specific application, for example, in an organic solar cell, even if a combination of materials that can achieve high performance theoretically or empirically is selected for a semiconductor layer, the current value and photoelectric conversion efficiency are as expected. Performance may not be achieved. When various causes were examined, it was considered that the electrical performance between the semiconductor layer and the transparent electrode was not sufficient.
An object of the present invention is to improve the material and structure of a transparent electrode in a semiconductor device such as an organic solar cell as described above, and to improve performance as compared with a semiconductor device using a conventional transparent electrode. In particular, in various types of solar cells, it is to achieve an improvement in current value and photoelectric conversion efficiency that are limited only by material selection of semiconductor layers and electrode layers.

本発明にかかる半導体装置用の光透過性電極は、半導体装置において半導体層に隣接して配置され光透過性を有する電極であって、前記半導体層に隣接して配置される微粒子状導電層と、前記微粒子状導電層に隣接して配置される有機材料層と、前記有機材料層に隣接して配置される透明導電層とを備え
前記微粒子状導電層が、In、Ag、Au、Al、Ca、MgおよびLiFからなる群より選ばれる導電性金属またはその導電性金属化合物からなる微粒子状導電層であり、
前記有機材料層が、PEDOT:PSS〔ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォン酸〕、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールおよびポリ(p−フェニレンビニレン)からなる群より選ばれる導電性ポリマーからなる導電性ポリマー層であり、
前記透明導電層が、ITO(酸化インジウムスズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)およびZnO(酸化亜鉛)からなる群より選ばれる導電性材料からなる透明導電層である。
〔半導体装置〕
少なくとも一部に光透過性を有する電極を備えた半導体装置であれば、その他の構造については特に制限されない。
半導体装置は、基本的に、一対の電極で挟まれた半導体層を有している。半導体層の材料および構造、半導体層と半導体層に隣接する電極との電気的相互作用によって、目的の機能が発揮される。
A light transmissive electrode for a semiconductor device according to the present invention is a light transmissive electrode disposed adjacent to a semiconductor layer in a semiconductor device, the fine particle conductive layer disposed adjacent to the semiconductor layer, and An organic material layer disposed adjacent to the particulate conductive layer, and a transparent conductive layer disposed adjacent to the organic material layer ,
The fine particle conductive layer is a fine particle conductive layer made of a conductive metal selected from the group consisting of In, Ag, Au, Al, Ca, Mg and LiF or a conductive metal compound thereof,
The organic material layer is a conductive polymer layer made of a conductive polymer selected from the group consisting of PEDOT: PSS [polyethylenedioxythiophene: polystyrene sulfonic acid], polyaniline, polythiophene, polypyrrole and poly (p-phenylene vinylene). ,
The transparent conductive layer, ITO (indium tin oxide), FTO Ru (fluorine-doped tin oxide) and ZnO transparent conductive layer der made of a conductive material selected from the group consisting of (zinc oxide).
[Semiconductor device]
Other structures are not particularly limited as long as the semiconductor device includes at least a part of a light-transmitting electrode.
A semiconductor device basically has a semiconductor layer sandwiched between a pair of electrodes. The target function is exhibited by the material and structure of the semiconductor layer and the electrical interaction between the semiconductor layer and the electrode adjacent to the semiconductor layer.

半導体装置の具体例として、太陽電池がある。太陽電池は、半導体あるいは半導体と電極との間における光電変換作用により起電力を発生する。少なくとも光が入射する側の電極は、光透過性を有する電極が使用される。半導体層に有機半導体材料を使用した有機太陽電池がある。太陽電池には、光電変換作用の違いによって、ショットキー型太陽電池や、PIN型太陽電池、PN型太陽電池などが知られている。光電変換作用の違いは、半導体層および電極層の材料の組み合わせと構造の違いによって生じる。
半導体装置として、EL素子がある。EL素子は、電流を流すことによって光を放出する半導体層を有している。光を外部に放出する側には光透過性のある電極が使用される。
A specific example of the semiconductor device is a solar cell. A solar cell generates an electromotive force by a photoelectric conversion action between a semiconductor or a semiconductor and an electrode. An electrode having optical transparency is used at least for the electrode on which light is incident. There is an organic solar cell using an organic semiconductor material for a semiconductor layer. As the solar cell, a Schottky solar cell, a PIN solar cell, a PN solar cell, or the like is known depending on the photoelectric conversion effect. The difference in photoelectric conversion effect is caused by the combination of materials and structures of the semiconductor layer and the electrode layer.
There is an EL element as a semiconductor device. The EL element has a semiconductor layer that emits light when an electric current flows. A light transmissive electrode is used on the side from which light is emitted to the outside.

半導体装置として、半導体層および電極層で構成され基本的な機能を果たす構造単位を、複数単位で積層した積層型(スタック構造あるいはタンデム構造と呼ばれる)の半導体装置もある。この場合、光が通過する位置に配置される片面側および中間層を含む複数の電極を光透過性電極で構成することになる。
光透過性電極は、微粒子状導電層、有機材料層および透明導電層を備える。通常の製造工程において作製される順番に各層について説明する。
〔透明導電層〕
基本的には、通常の太陽電池における光透過性電極に使用されている透明導電層の材料や構造が適用できる。
As a semiconductor device, there is a stacked type semiconductor device (referred to as a stack structure or a tandem structure) in which a plurality of structural units each including a semiconductor layer and an electrode layer and performing basic functions are stacked. In this case, a plurality of electrodes including one side and the intermediate layer arranged at a position where light passes are formed of light transmissive electrodes.
The light transmissive electrode includes a particulate conductive layer, an organic material layer, and a transparent conductive layer. Each layer will be described in the order of production in a normal manufacturing process.
[Transparent conductive layer]
Basically, the material and structure of the transparent conductive layer used for the light transmissive electrode in a normal solar cell can be applied.

透明性の高い導電性材料として、ITO(酸化インジウムスズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ZnO(酸化亜鉛)などが挙げられる。これらの材料には、比較的に仕事関数の大きな材料が多い。例えば、ITO、FTOは仕事関数が大きい。
通常の導電金属からなる層であっても、その厚みを薄くすれば、実質的に十分な透明性を示し、透明導電層として使用できる場合もある。
透明導電層の光透過性は、50〜100%であることが望ましい。
通常、ガラスや樹脂などの基板上に形成される透明導電層の表面は、比較的に大きな凹凸面になることが多い。例えば、蒸着法などの薄膜形成技術で基板上に堆積される導電材料は、導電材料の粒子が集積して一体化された構造を有しているため、堆積粒子の配置形状に伴う大きな凹凸が表面に形成され易い。製造条件によっては、比較的に表面凹凸が少ないものを得ることも可能である。
Examples of highly transparent conductive materials include ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), and ZnO (zinc oxide). Many of these materials have a relatively large work function. For example, ITO and FTO have a large work function.
Even a layer made of a normal conductive metal can be used as a transparent conductive layer by showing substantially sufficient transparency if its thickness is reduced.
The light transmittance of the transparent conductive layer is desirably 50 to 100%.
Usually, the surface of a transparent conductive layer formed on a substrate such as glass or resin often has a relatively large uneven surface. For example, a conductive material deposited on a substrate by a thin film formation technique such as a vapor deposition method has a structure in which conductive material particles are integrated and integrated. It is easy to form on the surface. Depending on the manufacturing conditions, it is also possible to obtain a product with relatively few surface irregularities.

〔有機材料層〕
透明導電層に隣接して配置される。透明導電層と半導体層とを物理的に隔離する。例えば、半導体層と透明導電層との間の電気的障壁を確実に構成する機能を果たす。透明導電層の表面に大きな凹凸が存在しても、その凹凸を埋めて、微粒子状導電層の配置面を平坦化する機能を果したり、透明導電層の表面凹凸に沿って確実に覆ったりすることができる。
有機材料としては、このような基本的な機能が達成できればよい。各種の電子回路技術で利用されている導電性ポリマーが使用できる。充分に厚みが薄いものであれば、絶縁性ポリマーも使用できる。有機材料が可溶性材料からなるものであれば、透明導電層の表面に塗布して全面を隙間なく確実に覆うことができる。透明導電層の凹凸面に流し込んだりして凹凸を埋めることも容易である。有機材料層が、光が半導体層に到達するまでの経路間に配置される場合は、透明性に優れた材料が好ましい。
[Organic material layer]
It arrange | positions adjacent to a transparent conductive layer. The transparent conductive layer and the semiconductor layer are physically separated. For example, it functions to reliably configure an electrical barrier between the semiconductor layer and the transparent conductive layer. Even if there are large irregularities on the surface of the transparent conductive layer, it fills the irregularities and flattens the arrangement surface of the particulate conductive layer, or covers the surface of the transparent conductive layer with certainty. can do.
As an organic material, it is only necessary to achieve such a basic function. Conductive polymers used in various electronic circuit technologies can be used. An insulating polymer can also be used if it is sufficiently thin. If the organic material is made of a soluble material, it can be applied to the surface of the transparent conductive layer to reliably cover the entire surface without any gaps. It is also easy to fill the unevenness by pouring into the uneven surface of the transparent conductive layer. In the case where the organic material layer is disposed between paths until light reaches the semiconductor layer, a material having excellent transparency is preferable.

導電性ポリマーの具体例として、PEDOT:PSS〔ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォン酸〕、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリ(p−フェニレンビニレン)などが挙げられる。
有機材料層の厚みは、透明導電層と半導体層との隔離が確実に行えるように設定しておく。また、透明導電層の凹凸を実質的に埋めることができる厚みを備えていることができる。透明導電層の凹凸面に可溶性材料の液膜を形成したときに、液膜が透明導電層の凹凸面を埋めた上で、液膜の表面が平坦になる程度に、液膜あるいは液膜を硬化させる有機材料層の厚みを設定しておくことができる。
Specific examples of the conductive polymer include PEDOT: PSS [polyethylenedioxythiophene: polystyrenesulfonic acid], polyaniline, polythiophene, polypyrrole, poly (p-phenylene vinylene), and the like.
The thickness of the organic material layer is set so that the transparent conductive layer and the semiconductor layer can be reliably separated. Moreover, the thickness which can substantially fill the unevenness | corrugation of a transparent conductive layer can be provided. When a liquid film of a soluble material is formed on the uneven surface of the transparent conductive layer, the liquid film or the liquid film is placed so that the liquid film fills the uneven surface of the transparent conductive layer and the surface of the liquid film becomes flat. The thickness of the organic material layer to be cured can be set.

透明導電層に隣接して配置された有機材料層の表面を実質的に平坦にできる。実質的に平坦とは、数学的な意味での厳密な平面でなくてもよい。有機材料層に隣接して配置される微粒子状導電層が、有機材料層の表面の凹凸に完全に埋没したりせずに、表面に並んで露出した状態で配置される程度に平坦にしておくことができる。有機材料層を形成した段階では平坦であるが、その上に微粒子状導電層を形成したときに、微粒子状導電層を構成する導電性微粒子の一部分が有機材料層に埋め込まれて、有機材料層の表面にわずかな凹凸が形成されてもよい。有機材料層の表面に透明導電層の表面凹凸に対応する凹凸が残っていてもよい。透明導電層の表面が比較的に平坦であれば、有機材料層の表面も平坦になり易い。   The surface of the organic material layer disposed adjacent to the transparent conductive layer can be made substantially flat. “Substantially flat” does not have to be a strict plane in a mathematical sense. The particulate conductive layer arranged adjacent to the organic material layer is not flatly buried in the irregularities on the surface of the organic material layer, but is made flat enough to be arranged side by side on the surface. be able to. It is flat at the stage of forming the organic material layer, but when the fine particle conductive layer is formed thereon, a part of the conductive fine particles constituting the fine particle conductive layer is embedded in the organic material layer, and the organic material layer Slight irregularities may be formed on the surface of the film. Irregularities corresponding to the surface irregularities of the transparent conductive layer may remain on the surface of the organic material layer. If the surface of the transparent conductive layer is relatively flat, the surface of the organic material layer is also likely to be flat.

有機材料層の厚みは、透明導電層の凹凸構造や深さによって、面方向の場所によるバラツキが生じることがあるが、全体の平均厚みを、500nm以下、好ましくは5〜100nm、より好ましくは10〜80nmに設定しておくことができる。有機材料層の厚みが適切な範囲であれば、微粒子導電層と集電極層との間の通電性能を阻害せず、しかも、半導体層と集電極層との短絡を防止して、適切な電気的障壁を構成することができる。
有機材料層の光透過性が、50〜100%であることが望ましい。
〔微粒子状導電層〕
有機材料層に隣接して配置される。
The thickness of the organic material layer may vary depending on the location in the plane direction depending on the uneven structure and depth of the transparent conductive layer, but the overall average thickness is 500 nm or less, preferably 5 to 100 nm, more preferably 10 It can be set to ˜80 nm. When the thickness of the organic material layer is in an appropriate range, the current-carrying performance between the fine particle conductive layer and the collector electrode layer is not hindered, and short circuit between the semiconductor layer and the collector electrode layer is prevented, so Can constitute a dynamic barrier.
The light transmittance of the organic material layer is desirably 50 to 100%.
[Fine particle conductive layer]
Located adjacent to the organic material layer.

基本的には、通常の太陽電池その他の電子製品技術で利用されている微粒子状の導電層の材料や構造、製造技術が適用できる。
微粒子状導電層の材料として、In、Ag、Au、Al、Ca、Mg、LiFなどの導電性金属あるいは金属化合物その他の導電材料が挙げられる。微粒子状導電層を構成する導電材料として、仕事関数の小さな材料を使用すれば、仕事関数の大きな透明導電層を使用しても、光透過性電極のうち半導体層と隣接する側における仕事関数を小さくすることができる。仕事関数の小さな材料として、Ca、In、Mg、Al、LiFが挙げられる。
Basically, the material, structure, and manufacturing technology of the fine-particle conductive layer used in ordinary solar cells and other electronic product technologies can be applied.
Examples of the material for the particulate conductive layer include conductive metals such as In, Ag, Au, Al, Ca, Mg, and LiF, metal compounds, and other conductive materials. If a material having a small work function is used as the conductive material constituting the fine particle conductive layer, the work function on the side adjacent to the semiconductor layer of the light transmissive electrode can be obtained even if a transparent conductive layer having a large work function is used. Can be small. Examples of materials having a small work function include Ca, In, Mg, Al, and LiF.

これら導電材料は、導電性微粒子の状態で堆積させて微粒子状導電層を構成する。例えば、導電性金属材料を、蒸着法などの薄膜形成手段で膜形成させることで、上記したような導電性微粒子の堆積構造が得られる。
微粒子状導電層を構成する導電性微粒子の粒径が小さいほど、半導体層との接触面積が増大し、半導体装置の性能向上に有効となる。微粒子状導電層の作成条件によっても制限を受けるが、通常は、平均粒径100nm以下、好ましくは20nm以下、より好ましくは1〜10nmに設定される。
導電性微粒子は、面方向において最密構造で配置されていてもよいが、通常は、ランダムに配置されている。導電性微粒子同士は、密接して配置されていたり、隙間をあけて配置されていたりする。最密構造で配置されていたとしても、粒子形状によって、粒子間には隙間が形成される。
These conductive materials are deposited in the form of conductive fine particles to form a fine particle conductive layer. For example, the conductive metal material is formed into a film by thin film forming means such as a vapor deposition method, whereby the conductive fine particle deposition structure as described above can be obtained.
The smaller the particle size of the conductive fine particles constituting the fine particle conductive layer, the larger the contact area with the semiconductor layer, which is effective in improving the performance of the semiconductor device. Although it is also limited by the preparation conditions of the fine particle conductive layer, it is usually set to an average particle size of 100 nm or less, preferably 20 nm or less, more preferably 1 to 10 nm.
The conductive fine particles may be arranged in a close-packed structure in the plane direction, but are usually arranged randomly. The conductive fine particles are arranged in close contact with each other or are arranged with a gap. Even if they are arranged in a close-packed structure, gaps are formed between the particles depending on the particle shape.

微粒子状導電層は、導電性微粒子が単層で堆積していてもよいし、複層で堆積していてもよい。微粒子状導電層は、半導体層との接触面積を増大する機能が果たせれば、薄くても構わない。薄いほうが、光透過性などは良好になる。通常、微粒子状導電層の厚みを、100nm以下、好ましくは50nm以下、より好ましくは3〜20nmに設定する。
微粒子状導電層を構成する粒子は、個々の粒子の一部が有機材料層の表面から内部に埋め込まれた状態になっていてもよい。粒子の一部が有機材料層に、残りの一部が半導体層に埋め込まれている状態にすることで、有機材料層および半導体層の両方に対する接触面積を増やすことができる。
In the fine particle conductive layer, the conductive fine particles may be deposited as a single layer or may be deposited as a multilayer. The fine particle conductive layer may be thin as long as the function of increasing the contact area with the semiconductor layer can be achieved. The thinner, the better the light transmission. Usually, the thickness of the particulate conductive layer is set to 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 3 to 20 nm.
The particles constituting the fine particle conductive layer may be in a state where a part of each particle is embedded from the surface of the organic material layer. When a part of the particles is embedded in the organic material layer and the other part is embedded in the semiconductor layer, the contact area with both the organic material layer and the semiconductor layer can be increased.

〔半導体層〕
微粒子状導電層に隣接して配置される。半導体装置の機能を果たす基本構造である。例えば、太陽電池では、起電力を発生させる。
半導体装置の目的や機能に合わせて、通常の半導体装置と同様の材料、構造あるいは製造技術が適用できる。
半導体は、通常、構成元素や分子構造、ドーピング物質の違いなどによって、p型半導体、n型半導体、i型半導体(真性半導体とも呼ぶ)に分けられ、これらの半導体を単独あるいは混合、積層して、半導体層を構成することができる。
[Semiconductor layer]
It is arranged adjacent to the fine particle conductive layer. It is a basic structure that functions as a semiconductor device. For example, in a solar cell, an electromotive force is generated.
Depending on the purpose and function of the semiconductor device, the same material, structure, or manufacturing technique as that of a normal semiconductor device can be applied.
Semiconductors are usually divided into p-type semiconductors, n-type semiconductors, and i-type semiconductors (also referred to as intrinsic semiconductors) depending on the constituent elements, molecular structures, doping materials, and the like. A semiconductor layer can be formed.

〔その他の電極〕
半導体装置の電極は、光透過性電極のみで構成される場合もあるし、光透過性電極と光透過性を有しない通常の電極とを組み合わせて構成する場合もある。
通常、半導体層の片面側には光透過性電極、反対面側には光透過性を有しない第2の電極が配置される。但し、前記した半導体装置の単位構造が積層されるスタック構造の半導体装置では、中間層の電極には光透過性電極が配置される場合がある。この場合、半導体層の両面に光透過性電極が配置されることになる。
光透過性を有しない電極としては、通常の電極材料および構造が採用できる。例えば、Au、Ag、Al、In、Mg,Caなどの導電金属材料が使用される。なお、これらの導電金属であっても、その厚みを薄くすれば、実質的に十分な透明性を示し、光透過性電極の透明導電層に使用できる場合もある。
[Other electrodes]
An electrode of a semiconductor device may be configured only by a light transmissive electrode, or may be configured by combining a light transmissive electrode and a normal electrode having no light transmissive property.
Usually, a light transmissive electrode is disposed on one side of the semiconductor layer, and a second electrode having no light transmissive property is disposed on the opposite side. However, in a semiconductor device having a stack structure in which the unit structures of the semiconductor device are stacked, a light-transmitting electrode may be disposed as an intermediate layer electrode. In this case, light transmissive electrodes are disposed on both sides of the semiconductor layer.
As an electrode that does not have optical transparency, ordinary electrode materials and structures can be employed. For example, conductive metal materials such as Au, Ag, Al, In, Mg, and Ca are used. In addition, even if these conductive metals are made thin, they will show substantially sufficient transparency and may be used for the transparent conductive layer of a light transmissive electrode.

〔半導体装置の製造〕
本発明にかかる上記の光透過性電極を備える半導体装置を製造する方法であって、基本的には、通常の半導体装置の製造装置、製造条件などの製造技術が適用できる。
基本的な製造工程は以下の工程を含む。
前記透明導電層を準備する工程(a)。
前記透明導電層の上に、前記有機材料層を構成する可溶性材料を含む液膜を形成し硬化させて、表面が実質的に平坦な有機材料層を形成する工程(b)。
前記有機材料層の上に微粒子状導電層を形成する工程(c)。
前記微粒子状導電層の上に前記半導体層を形成する工程(d)。
[Manufacture of semiconductor devices]
A method of manufacturing a semiconductor device including the above-described light transmissive electrode according to the present invention, and basically, manufacturing techniques such as a normal semiconductor device manufacturing apparatus and manufacturing conditions can be applied.
The basic manufacturing process includes the following steps.
Preparing the transparent conductive layer (a);
(B) forming a liquid film containing a soluble material constituting the organic material layer on the transparent conductive layer and curing it to form an organic material layer having a substantially flat surface.
A step (c) of forming a particulate conductive layer on the organic material layer;
Forming the semiconductor layer on the particulate conductive layer (d);

半導体層の上には、通常、第2の電極が形成される。さらに、半導体層および電極を複数単位で積層して形成することもできる。
工程(a)は、通常、透明ガラスや透明樹脂からなる透明基板の表面に導電性材料の薄膜すなわち透明導電層を形成してなる導電性透明基板が使用される。このような導電性透明基板は、市販品として入手することもできる。
工程(b)は、有機材料層を構成する有機材料であって可溶性のある材料を、水、有機溶媒、無機溶媒などの溶媒に溶解あるいは分散させて、液膜の形成を可能にしておく。
液膜の形成は、スピンコートなどの薄い液膜の形成に適した手段が採用できる。液膜が、透明導電層の表面全体を確実に覆うようにする。液膜で、透明導電層の表面に存在する凹凸の内部までを充分に埋めるとともに、液膜の表面が平坦になるようにすることが望ましい。液膜を形成したあと、一定の時間をおいてから硬化を行ったり、液膜に圧力や振動を加えて、透明導電層の表面凹凸を埋めたり表面が平坦になったりすることを促進することができる。液膜の硬化は、乾燥、熱硬化、放射線硬化などの手段が採用できる。
A second electrode is usually formed on the semiconductor layer. Furthermore, a semiconductor layer and an electrode can be stacked by a plurality of units.
In the step (a), a conductive transparent substrate formed by forming a thin film of a conductive material, that is, a transparent conductive layer, on the surface of a transparent substrate made of transparent glass or transparent resin is usually used. Such a conductive transparent substrate can also be obtained as a commercial product.
In the step (b), a soluble material, which is an organic material constituting the organic material layer, is dissolved or dispersed in a solvent such as water, an organic solvent, or an inorganic solvent, so that a liquid film can be formed.
The liquid film can be formed by means suitable for forming a thin liquid film such as spin coating. Ensure that the liquid film covers the entire surface of the transparent conductive layer. It is desirable that the liquid film sufficiently fills up the irregularities present on the surface of the transparent conductive layer and that the surface of the liquid film be flat. After forming a liquid film, curing is performed after a certain period of time, or pressure or vibration is applied to the liquid film to promote filling the surface irregularities of the transparent conductive layer or flattening the surface. Can do. For curing the liquid film, means such as drying, heat curing, and radiation curing can be employed.

工程(c)は、有機材料層が完全に硬化したあとで行うこともできるし、有機材料層が完全に硬化する前に行うこともできる。微粒子状導電層の形成は、真空蒸着法などの微粒子堆積技術が利用できる。微粒子状導電層の形成条件のうち、粒子の加速エネルギーなどを調整することで、微粒子状導電層を構成する粒子が、有機材料層の内部に完全に埋めこまれてしまわないようにすることが望ましい。
工程(d)は、通常の半導体装置における半導体層の形成技術が適用できる。半導体層の構成材料に合わせて、蒸着などの薄膜形成手段が採用される。有機材料であれば、スピンコートなども採用できる。
The step (c) can be performed after the organic material layer is completely cured, or can be performed before the organic material layer is completely cured. For the formation of the fine particle conductive layer, a fine particle deposition technique such as a vacuum evaporation method can be used. By adjusting the acceleration energy of the particles among the formation conditions of the fine particle conductive layer, the particles constituting the fine particle conductive layer can be prevented from being completely embedded inside the organic material layer. desirable.
For the step (d), a technique for forming a semiconductor layer in a normal semiconductor device can be applied. A thin film forming means such as vapor deposition is employed in accordance with the constituent material of the semiconductor layer. If it is an organic material, spin coating or the like can be employed.

半導体装置を構成する材料層が、上記各層以外にも存在する場合には、それぞれの層材料に適した形成手段を組み合わせることができる。
〔半導体層の具体的構成〕
半導体層の具体的構成として、以下に示す層構造が採用できる。
<ショットキー型太陽電池>
光透過性電極に隣接して配置される半導体層を、光透過性電極との間にショットキー障壁を構成するp型半導体層で構成する。
<PIN型太陽電池>
光透過性電極に隣接して配置される半導体層を、光透過性電極に近い側から、n型半導体層、i型(真性)半導体層およびp型半導体層の順番で配置する。n型半導体層と光透過性電極とがオーム接触を行う。
In the case where the material layer constituting the semiconductor device is present in addition to the above layers, formation means suitable for each layer material can be combined.
[Specific structure of semiconductor layer]
As a specific configuration of the semiconductor layer, the following layer structure can be adopted.
<Schottky solar cell>
The semiconductor layer disposed adjacent to the light transmissive electrode is formed of a p-type semiconductor layer that forms a Schottky barrier with the light transmissive electrode.
<PIN solar cell>
The semiconductor layer disposed adjacent to the light transmissive electrode is disposed in the order of the n-type semiconductor layer, the i-type (intrinsic) semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer from the side near the light transmissive electrode. The n-type semiconductor layer and the light transmissive electrode make ohmic contact.

<PN型太陽電池>
光透過性電極に隣接して配置される半導体層を、光透過性電極に近い側から、n型半導体層およびp型半導体層の順番で配置する。この場合も、n型半導体層と光透過性電極とがオーム接触を行う。
<有機EL素子>
光透過性電極に隣接して配置される半導体層を、光透過性電極に近い側から、n型半導体層、発光層およびp型半導体層の順番で配置する。この場合も、n型半導体層と光透過性電極とがオーム接触を行う。但し、n型半導体層あるいはp型半導体層が発光層を兼用する場合は、別に発光層を設けない場合もある。
<PN type solar cell>
The semiconductor layer disposed adjacent to the light transmissive electrode is disposed in the order of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer from the side close to the light transmissive electrode. Also in this case, the n-type semiconductor layer and the light transmitting electrode make ohmic contact.
<Organic EL device>
The semiconductor layer disposed adjacent to the light transmissive electrode is disposed in the order of the n-type semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type semiconductor layer from the side close to the light transmissive electrode. Also in this case, the n-type semiconductor layer and the light transmitting electrode make ohmic contact. However, when the n-type semiconductor layer or the p-type semiconductor layer also serves as the light emitting layer, the light emitting layer may not be provided separately.

本発明にかかる光透過性電極は、透明導電層と有機材料層とを組み合わせることによって、電気的性能を向上させ得るととともに、さらに微粒子状導電層を備えることで、微粒子状導電層を構成する個々の導電微粒子の表面全体が半導体層と接触することができ、光透過性電極とそれに隣接する半導体層との間における接触界面を大幅に増大させることができる。
また、半導体層と直接に接触するのが微粒子状導電層であるため、微粒子状導電層の材料を適切に選択することで、半導体層との接触界面における電気的特性を、透明導電層および有機材料層の材料だけでは達成困難な特性に変えることができる。例えば、透明導電層に仕事関数が大きな材料を用いていても、微粒子状導電層の材料に仕事関数の小さな材料を使用すれば、光透過性電極の片面側では仕事関数の小さな材料として機能させることができる。光透過性電極の両面に半導体層が配置されるような場合は、光透過性電極の片面は仕事関数の大きな電極として機能し、光透過性電極の反対面は仕事関数の小さな電極として機能することになる。
The light transmissive electrode according to the present invention can improve electrical performance by combining a transparent conductive layer and an organic material layer, and further includes a fine particle conductive layer, thereby forming a fine particle conductive layer. The entire surface of each conductive fine particle can be in contact with the semiconductor layer, and the contact interface between the light transmissive electrode and the adjacent semiconductor layer can be greatly increased.
In addition, since the particulate conductive layer is in direct contact with the semiconductor layer, the electrical characteristics at the contact interface with the semiconductor layer can be changed by selecting the material for the particulate conductive layer appropriately. It can be changed to a property that is difficult to achieve with only the material of the material layer. For example, even if a material having a high work function is used for the transparent conductive layer, if a material having a low work function is used for the material of the fine particle conductive layer, the transparent conductive layer functions as a material having a low work function on one side of the light-transmitting electrode. be able to. When semiconductor layers are arranged on both sides of the light transmissive electrode, one surface of the light transmissive electrode functions as an electrode having a high work function, and the opposite surface of the light transmissive electrode functions as an electrode having a small work function. It will be.

しかも、透明導電層の上に直接に微粒子状導電層を形成した場合には、微粒子状導電層を構成する導電微粒子の間に生じる隙間で、透明導電層と半導体層とが直接に接触することになってしまい、前記した機能が発揮できなくなるが、有機材料層が存在していれば、半導体層が透明導電層と直接に接触することはない。微粒子状導電層による前記特性の向上が良好に発揮される。半導体層と透明導電層とが短絡したり電気的障壁が失われたりすることが確実に防止できる。透明導電層の表面に大きな凹凸があったとしても、有機材料層で透明導電層の表面凹凸を埋めることができる。このようにして得られた凹凸が少ない有機材料層の表面に微粒子状導電層が配置されれば、微粒子状導電層が、透明導電層の大きな凹凸に落ち込んでしまうことがない。間に有機材料層を介在することで、透明導電層と微粒子状導電層との電気的接触は良好である。   In addition, when the fine particle conductive layer is formed directly on the transparent conductive layer, the transparent conductive layer and the semiconductor layer are in direct contact with each other through a gap generated between the conductive fine particles constituting the fine particle conductive layer. However, if the organic material layer is present, the semiconductor layer is not in direct contact with the transparent conductive layer. The improvement of the above characteristics due to the fine particle conductive layer is satisfactorily exhibited. It can be reliably prevented that the semiconductor layer and the transparent conductive layer are short-circuited or the electrical barrier is lost. Even if the surface of the transparent conductive layer has large unevenness, the surface unevenness of the transparent conductive layer can be filled with the organic material layer. If the fine particle conductive layer is arranged on the surface of the organic material layer with few unevenness obtained in this way, the fine particle conductive layer does not fall into the large unevenness of the transparent conductive layer. By interposing the organic material layer between them, the electrical contact between the transparent conductive layer and the particulate conductive layer is good.

以上の結果、太陽電池を初めとして、光透過性電極を用いる半導体装置の性能向上を効率的に達成することが可能になる。   As a result, it becomes possible to efficiently achieve the performance improvement of the semiconductor device using the light transmissive electrode including the solar cell.

〔ショットキー型太陽電池〕
図1は、本発明の実施形態となる半導体装置として、ショットキー型の太陽電池の模式的構造を表す。
太陽電池は、透明導電層10、有機材料層20、微粒子状導電層30、半導体層40および第2電極層50が順次積層された構造を有する。両端の透明導電層10および第2電極層50に接続された配線60、60から電流を取り出す。
図の下側に配置された透明導電層10は、ITO層からなる。ITOは仕事関数の大きな材料である。図示を省略しているが、ガラス基板やPET樹脂シートなどの表面に、ITOを膜形成することでITO層が形成される。透明導電層10には、外部回路につながる配線60が接続されている。図2に示すように、ITO層からなる透明導電層10の表面には、大きな凹凸あるいはうねりが生じている。これは、ITO材料の特性および作製法によって生じたものである。
[Schottky type solar cell]
FIG. 1 shows a schematic structure of a Schottky solar cell as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
The solar cell has a structure in which a transparent conductive layer 10, an organic material layer 20, a particulate conductive layer 30, a semiconductor layer 40, and a second electrode layer 50 are sequentially stacked. A current is taken out from the wirings 60 and 60 connected to the transparent conductive layer 10 and the second electrode layer 50 at both ends.
The transparent conductive layer 10 disposed on the lower side of the figure is made of an ITO layer. ITO is a material having a large work function. Although not shown, an ITO layer is formed by forming an ITO film on the surface of a glass substrate or a PET resin sheet. A wiring 60 connected to an external circuit is connected to the transparent conductive layer 10. As shown in FIG. 2, large irregularities or undulations are generated on the surface of the transparent conductive layer 10 made of an ITO layer. This is caused by the properties of ITO material and the manufacturing method.

有機材料層20は、PEDOT:PSS層からなる。PEDOT:PSSを含有する溶液を、透明導電層10の上にスピンコートしたあと乾燥硬化させることによって形成できる。図2に示すように、有機材料層20の片面は、透明導電層10の表面の大きな凹凸あるいはうねりに沿った曲面状を呈している。有機材料層20の反対面は、実質的に平坦面になっている。したがって、有機材料層20の厚みは、面方向で場所によって異なる。透明導電層10の全面が有機材料層20で覆われていて、有機材料層20の表面側には透明導電層10が全く露出していない。
図2に示すように、微粒子状導電層30は、模式的に球形であらわすIn金属からなる導電性微粒子32がランダムに堆積した状態である。Inは、仕事関数の小さな材料である。導電性微粒子32は、有機材料層20の表面に並んで配置されている。導電性微粒子32が、有機材料層20の下側の透明導電層10と接触することはない。導電性微粒子32同士の間隔は一定ではない。導電性微粒子32同士が密接しているところや、隙間があいているところがある。図では、導電性微粒子32が単層で整列した状態で表示しているが、実際には、複層であったり、導電性微粒子32が部分的に重なったりしていることもある。
The organic material layer 20 is composed of a PEDOT: PSS layer. A solution containing PEDOT: PSS can be formed by spin-coating on the transparent conductive layer 10 and then drying and curing. As shown in FIG. 2, one side of the organic material layer 20 has a curved surface shape along large irregularities or undulations on the surface of the transparent conductive layer 10. The opposite surface of the organic material layer 20 is a substantially flat surface. Therefore, the thickness of the organic material layer 20 varies depending on the location in the plane direction. The entire surface of the transparent conductive layer 10 is covered with the organic material layer 20, and the transparent conductive layer 10 is not exposed at all on the surface side of the organic material layer 20.
As shown in FIG. 2, the fine particle conductive layer 30 is in a state where conductive fine particles 32 made of In metal, which are schematically represented in a spherical shape, are randomly deposited. In is a material having a small work function. The conductive fine particles 32 are arranged side by side on the surface of the organic material layer 20. The conductive fine particles 32 do not come into contact with the transparent conductive layer 10 below the organic material layer 20. The interval between the conductive fine particles 32 is not constant. There are places where the conductive fine particles 32 are in close contact with each other and where there is a gap. In the drawing, the conductive fine particles 32 are displayed in a state of being arranged in a single layer. However, in reality, the conductive fine particles 32 may be multilayered or the conductive fine particles 32 may partially overlap.

半導体層40は、ZnPcなどのp型半導体材料からなる。微粒子状導電層30を完全に覆って配置されている。微粒子状導電層30のうち、導電性微粒子32同士の隙間個所では、半導体層40の材料が直接に有機材料層20の表面まで到達している個所もある。但し、半導体層40が直接に透明導電層10と接触することはない。
上方の第2電極層50は、Au層からなる。図1に示すように、第2電極層50には配線60が接続されている。
図1において、白矢印で示す方向から光が当たり、下方の透明導電層10側から入射した光は、半導体層40に到達して光電変換作用を生じる。半導体層40と、仕事関数が小さな微粒子状導電層30との間に構成されるショットキー障壁の作用で、両端の透明導電層10および第2電極50間に効率的に電流が発生する。
The semiconductor layer 40 is made of a p-type semiconductor material such as ZnPc. The fine particle conductive layer 30 is completely covered. In the fine particle conductive layer 30, there is a portion where the material of the semiconductor layer 40 directly reaches the surface of the organic material layer 20 at a gap portion between the conductive fine particles 32. However, the semiconductor layer 40 does not directly contact the transparent conductive layer 10.
The upper second electrode layer 50 is made of an Au layer. As shown in FIG. 1, a wiring 60 is connected to the second electrode layer 50.
In FIG. 1, light hits from the direction indicated by the white arrow, and light incident from the lower transparent conductive layer 10 side reaches the semiconductor layer 40 and causes a photoelectric conversion action. A current is efficiently generated between the transparent conductive layer 10 and the second electrode 50 at both ends by the action of the Schottky barrier formed between the semiconductor layer 40 and the fine particle conductive layer 30 having a small work function.

このとき、半導体層40と微粒子状導電層30とは、導電性微粒子32の粒子による立体的な表面積に相当する大きな接触面積で接触しているので、両者間の電気的接触性能は極めて良好であり、大きな起電力あるいは電流が発生する。微粒子状導電層30は導電性ポリマーからなる有機材料層20を介して透明導電層10と良好な電気的接触を有しているので、発生した起電力あるいは電流を、効率的に透明導電層10から配線60へと取り出すことができる。
さらに、半導体層40の一部に、微粒子状導電層30における導電性微粒子32同士の隙間に入り込む部分が存在しても、透明導電層10との間には有機材料層20が存在しているので、半導体層40が透明導電層10と直接に短絡してしまったり、電気的障壁が失われてしまったりすることは、確実に防止される。
At this time, since the semiconductor layer 40 and the fine particle conductive layer 30 are in contact with each other with a large contact area corresponding to the three-dimensional surface area of the conductive fine particles 32, the electrical contact performance between them is extremely good. There is a large electromotive force or current. Since the particulate conductive layer 30 has good electrical contact with the transparent conductive layer 10 via the organic material layer 20 made of a conductive polymer, the generated electromotive force or current can be efficiently transferred to the transparent conductive layer 10. To the wiring 60 can be taken out.
Furthermore, even if there is a part of the semiconductor layer 40 that enters the gap between the conductive fine particles 32 in the fine particle conductive layer 30, the organic material layer 20 exists between the transparent conductive layer 10. Therefore, it is reliably prevented that the semiconductor layer 40 is directly short-circuited with the transparent conductive layer 10 and the electrical barrier is lost.

その結果、ショットキー型電池で発生する電流値や光電変換効率などの性能が格段に向上することになる。
〔PIN型太陽電池〕
図3は、別の実施形態となるPIN型太陽電池の模式的構造を表す。基本的な構造は前記ショットキー型電池と共通しているので、相違する構造を主に説明する。
ITO層からなる透明導電層10、PEDOT:PSS層からなる有機材料層20、Inからなる微粒子状導電層30、半導体層40、および、Auからなる第2電極層50が順次積層されている。両端の透明導電層10および第2電極層50に接続された配線60、60から電流を取り出す。ここまでの基本構造は、前記実施形態と共通している。
As a result, performance such as a current value and photoelectric conversion efficiency generated in the Schottky battery is remarkably improved.
[PIN solar cell]
FIG. 3 shows a schematic structure of a PIN solar cell according to another embodiment. Since the basic structure is the same as that of the Schottky battery, different structures will be mainly described.
A transparent conductive layer 10 made of an ITO layer, an organic material layer 20 made of a PEDOT: PSS layer, a particulate conductive layer 30 made of In, a semiconductor layer 40, and a second electrode layer 50 made of Au are sequentially laminated. A current is taken out from the wirings 60 and 60 connected to the transparent conductive layer 10 and the second electrode layer 50 at both ends. The basic structure so far is common to the above embodiment.

PIN型電池では、半導体層40が、微粒子状導電層30側から順に、n型半導体層42、i型半導体層44、および、p型半導体層46の3層からなる。具体例として、n型半導体層42をC60層、i型半導体層44をC60:ZnPc層、p型半導体層46をZnPc層で構成することができる。
なお、有機材料層20の周辺の詳細構造は、前記実施形態における図2と共通する構造を備えている。
このようなPIN型電池では、図3の白矢印で示す方向から光を当てる。下方の透明導電層10側から入射した光が、半導体層40に到達してPIN型の半導体構造において光電変換作用を生じる。両端の透明導電層10と第2電極層50の間に効率的に電流が発生する。
In the PIN type battery, the semiconductor layer 40 includes three layers of an n-type semiconductor layer 42, an i-type semiconductor layer 44, and a p-type semiconductor layer 46 in order from the particulate conductive layer 30 side. As a specific example, the n-type semiconductor layer 42 can be composed of a C60 layer, the i-type semiconductor layer 44 can be composed of a C60: ZnPc layer, and the p-type semiconductor layer 46 can be composed of a ZnPc layer.
The detailed structure around the organic material layer 20 has the same structure as FIG. 2 in the above embodiment.
In such a PIN battery, light is applied from the direction indicated by the white arrow in FIG. Light incident from the lower transparent conductive layer 10 side reaches the semiconductor layer 40 and causes a photoelectric conversion action in the PIN type semiconductor structure. A current is efficiently generated between the transparent conductive layer 10 and the second electrode layer 50 at both ends.

前記同様に、有機材料層20の存在によって、半導体層40と微粒子状導電層30との電気的接触面積が有効に増大したり、微粒子状導電層30から有機材料層20を介して透明導電層10までの電気的抵抗が低減されたり、半導体層40と透明導電層10とが短絡することが防止できたりすることになる。
その結果、PIN型電池の性能も格段に向上する。
Similarly to the above, the presence of the organic material layer 20 effectively increases the electrical contact area between the semiconductor layer 40 and the particulate conductive layer 30, or the transparent conductive layer from the particulate conductive layer 30 through the organic material layer 20. The electrical resistance up to 10 can be reduced, or the semiconductor layer 40 and the transparent conductive layer 10 can be prevented from being short-circuited.
As a result, the performance of the PIN type battery is also greatly improved.

本発明の実施形態となる太陽電池を製造し、その性能を評価した。
〔ショットキー型太陽電池の製造〕
表1に示す層構造の太陽電池を製造した。具体的な製造手順は以下のとおりである。
<実施例10、11>
市販のITO基板(I)〔ジオマテック社製〕を用意した。ガラス基板の表面に透明電極層となるITO層が形成されている。
ITO基板(I)のITO層の上に、PEDOT:PSS(以下では、PEDOTと略称する)(バイエルン社製、4083グレード)を用いて、PEDOT膜を、常法によりスピンコート(処理条件:5000rpm、5secのあと、3000rpm、180sec)した。製膜後、100℃で10分以上をかけて乾燥させ、水分を完全に除去した。これは、PEDOT材料は水分を含んでおり、PEDOT膜に水分が含まれたままでは充分な性能が発揮し難いためである。
The solar cell used as embodiment of this invention was manufactured, and the performance was evaluated.
[Manufacture of Schottky solar cells]
Solar cells having the layer structure shown in Table 1 were manufactured. The specific manufacturing procedure is as follows.
<Examples 10 and 11>
A commercially available ITO substrate (I) [manufactured by Geomatek Co.] was prepared. An ITO layer serving as a transparent electrode layer is formed on the surface of the glass substrate.
On the ITO layer of the ITO substrate (I), PEDOT: PSS (hereinafter abbreviated as PEDOT) (manufactured by Bayern, 4083 grade) is used, and the PEDOT film is spin-coated by a conventional method (processing conditions: 5000 rpm). 5 seconds later, 3000 rpm, 180 seconds). After film formation, the film was dried at 100 ° C. for 10 minutes or more to completely remove moisture. This is because the PEDOT material contains moisture, and it is difficult to exhibit sufficient performance if moisture is contained in the PEDOT film.

PEDOT膜の上に、In層、ZnPc層およびAu層をこの順番で蒸着形成した。
ZnPcは、亜鉛フタロシアニンである。
<比較例10〜12>
実施例10、11の製造手順を基準にして、一部の層を省略したり、別の材料を用いたりした。
〔性能評価試験〕
作製された太陽電池について、以下の試験を行なった。
500Wのキセノンランプ(ウシオ社製)から照射された光を、分光フィルター(Oriel社製、AM1.5)に通すことで、擬似太陽光を得る装置(関西科学機械社製)を用いた。擬似太陽光の強度は、100mW/cmであった。
On the PEDOT film, an In layer, a ZnPc layer, and an Au layer were deposited in this order.
ZnPc is zinc phthalocyanine.
<Comparative Examples 10-12>
Based on the manufacturing procedures of Examples 10 and 11, some layers were omitted or another material was used.
[Performance evaluation test]
The produced solar cell was subjected to the following test.
A device (manufactured by Kansai Scientific Machinery Co., Ltd.) for obtaining simulated sunlight by passing light irradiated from a 500 W xenon lamp (manufactured by Ushio Inc.) through a spectral filter (manufactured by Oriel, AM1.5) was used. The intensity of the simulated sunlight was 100 mW / cm 2 .

光電変換面積0.04cmの太陽電池に対して、各集電極につながる配線にワニ口クリップを接続して、発生した電気を、太陽電池の性能評価に用いられる電流電圧測定装置で測定した。測定装置は、電流計、ファンクションジェネレータ、ポテンシオスタッドなどを備えている。
短絡光電流密度(Isc)、開放光電圧(Voc)、フィルファクター(f.f.)などが測定され、これらの値から下式でエネルギー変換効率(η)を算出した。
フィルファクター(f.f.)=
〔太陽電池の最大起電力〕/(Voc×Isc) …(1)
ここで、太陽電池の最大起電力は、
〔太陽電池の最大起電力〕=〔(電流値×電圧値)の最大値〕である。
With respect to a solar cell having a photoelectric conversion area of 0.04 cm 2 , an alligator clip was connected to the wiring connected to each collector electrode, and the generated electricity was measured with a current-voltage measuring device used for performance evaluation of the solar cell. The measuring device includes an ammeter, a function generator, a potentio stud, and the like.
Short-circuit photocurrent density (Isc), open-circuit photovoltage (Voc), fill factor (f.f.), etc. were measured, and energy conversion efficiency (η) was calculated from these values using the following equation.
Fill factor (f.f.) =
[Maximum electromotive force of solar cell] / (Voc × Isc) (1)
Here, the maximum electromotive force of the solar cell is
[Maximum electromotive force of solar cell] = [maximum value of (current value × voltage value)].

エネルギー変換効率η(%)=
Voc×Isc×f.f./100(mW/cm)×100 …(2)
試験の結果を表1に示す。
〔測定結果〕
Energy conversion efficiency η (%) =
Voc × Isc × f. f. / 100 (mW / cm 2 ) × 100 (2)
The test results are shown in Table 1.
〔Measurement result〕

Figure 0004857427
Figure 0004857427

<評 価>
(1) 比較例10は、ITO層とZnPc層との間にIn層は存在するがPEDOT層を有しない。そのため、短絡を生じてしまい、太陽電池としての機能が全く発揮できない。
これに対し、各実施例では、ITO層とZnPc層との間にIn層とPEDOT層の両方を備えている。その結果、良好な電流値(Isc)および電圧(Voc)が得られている。
(2) 比較例11のように、In層を設けず、PEDOT層だけを設けていても、太陽電池としての機能が発揮できない。In層の存在がなければ、ショットキー障壁による電池機能は生じない。
<Evaluation>
(1) In Comparative Example 10, the In layer exists between the ITO layer and the ZnPc layer but does not have the PEDOT layer. Therefore, a short circuit occurs and the function as a solar cell cannot be exhibited at all.
On the other hand, in each embodiment, both the In layer and the PEDOT layer are provided between the ITO layer and the ZnPc layer. As a result, a good current value (Isc) and voltage (Voc) are obtained.
(2) As in Comparative Example 11, even when only the PEDOT layer is provided without providing the In layer, the function as a solar cell cannot be exhibited. If there is no In layer, the battery function due to the Schottky barrier does not occur.

(3) 比較例12に示すように、ITO/ZnPc/Al構造でも、ショットキー型太陽電池が構成できる。この場合、AlとZnPcとの間にショットキー障壁が構成される。但し、その性能は、実施例に比べて明らかに劣る。
(4) 前記背景技術の欄で説明した非特許文献1では、Au/ZnPc/Al構造のショットキー型太陽電池の性能について、電流値=3.5×10−4mA/cm、電圧=0.59V、フィルファクターf.f.=0.1、エネルギー変換効率η=3×10−4%(光強度0.1mW/cm)というデータが記載されている。
各実施例は、非特許文献1のショットキー型電池に比べて、格段に大きな電流値やエネルギー変換効率が得られており、実用的価値の高いものである。
(3) As shown in Comparative Example 12, a Schottky solar cell can also be configured with an ITO / ZnPc / Al structure. In this case, a Schottky barrier is formed between Al and ZnPc. However, the performance is clearly inferior to the examples.
(4) In Non-Patent Document 1 described in the section of the background art, the current value = 3.5 × 10 −4 mA / cm 2 , voltage = about the performance of the Au / ZnPc / Al structure Schottky solar cell. 0.59V, fill factor f. f. = 0.1, energy conversion efficiency η = 3 × 10 −4 % (light intensity 0.1 mW / cm 2 ) is described.
Each example has a much higher current value and energy conversion efficiency than the Schottky battery of Non-Patent Document 1, and has a high practical value.

〔In層の厚みと性能評価〕
前記実施例10のショットキー型太陽電池において、In層の厚みを種々に変更して、同様の試験を行なった。In層の厚み以外は、実施例10と同じ製造条件であった。また、In層における微粒子の形態を、透過型電子顕微鏡観察によって確認した。
図4は、得られた太陽電池のエネルギー変換効率ηをグラフで示す。グラフ中、黒点は測定値を示し、一部の黒点の上下に延びる細線は、測定のバラツキ範囲を示す。太線は、測定データから推測された相関曲線である。
図4の結果から、In層の厚みが5〜6nm付近で最も高い性能が発揮できることが判る。
[In layer thickness and performance evaluation]
In the Schottky solar cell of Example 10, the same test was performed by changing the thickness of the In layer in various ways. The production conditions were the same as in Example 10 except for the thickness of the In layer. The form of fine particles in the In layer was confirmed by observation with a transmission electron microscope.
FIG. 4 is a graph showing the energy conversion efficiency η of the obtained solar cell. In the graph, black dots indicate measured values, and thin lines extending above and below some black dots indicate measurement variation ranges. A thick line is a correlation curve estimated from measurement data.
From the result of FIG. 4, it can be seen that the highest performance can be exhibited when the thickness of the In layer is around 5 to 6 nm.

In層の厚みが0では、光透過性電極はITO/PEDOTからなる仕事関数の大きな電極になるため、ショットキー障壁が形成されず、太陽電池として機能しない。In層の厚み15nm近くでは、微粒子構造を形成できず、平坦層になってしまう。これでは、接触面積は小さくなるため、エネルギー変換効率は低下している。In層の厚み5nm付近で、最も接触面積が増大した微粒子構造が得られており、変換効率も高くなっている。このときのIn微粒子の平均粒径は10〜20nm程度であり、個々の微粒子が単結晶状態になっていた。
〔PIN型太陽電池の製造〕
前記実施例と基本的に共通する技術で、PIN型電池を作製し、その性能を評価した。
When the thickness of the In layer is 0, the light-transmitting electrode is an electrode having a large work function made of ITO / PEDOT, so that no Schottky barrier is formed and the solar cell does not function. If the thickness of the In layer is close to 15 nm, a fine particle structure cannot be formed, resulting in a flat layer. In this case, the contact area is reduced, and the energy conversion efficiency is reduced. In the vicinity of the In layer thickness of 5 nm, a fine particle structure with the largest contact area is obtained, and the conversion efficiency is also high. At this time, the average particle diameter of the In fine particles was about 10 to 20 nm, and the individual fine particles were in a single crystal state.
[Manufacture of PIN solar cells]
A PIN-type battery was fabricated using a technique that is basically the same as that of the above-described embodiment, and its performance was evaluated.

実施例10において、半導体層の構造と製造工程を一部変更した以外は、実施例10と共通する材料、処理工程を採用した。
C60は、フラーレン−C60であり、蒸着によって膜形成した。
C60:ZnPcは、C60とZnPcとが体積比1:1の割合の混合層を、真空共蒸着によって膜形成した。
〔性能評価〕
前記ショットキー型太陽電池と同様の性能評価試験を行い、その結果を、表2、3に示す。
In Example 10, materials and processing steps common to Example 10 were adopted except that the structure of the semiconductor layer and the manufacturing process were partially changed.
C60 is fullerene-C60, and a film was formed by vapor deposition.
For C60: ZnPc, a mixed layer of C60 and ZnPc in a volume ratio of 1: 1 was formed by vacuum co-evaporation.
[Performance evaluation]
The same performance evaluation test as that of the Schottky solar cell was performed, and the results are shown in Tables 2 and 3.

Figure 0004857427
Figure 0004857427

Figure 0004857427
Figure 0004857427

<評 価>
(1) PIN型電池においても、In層およびPEDOT層を組み合わせることで、良好な電流値(Isc)および電圧(Voc)が得られることが実証された。
(2) In層およびPEDOT層のない比較例20では、太陽電池を構成できない。これは、仕事関数の大きなITO層が、半導体層のうち、n型であるC60層に隣接しているためである。
(3) 比較例21のように、半導体層のn型であるC60層の側になる電極にAl層を用い、p型であるZnPc層の側になる電極をITO層にすれば、PEDOT層、In層が無くても、PIN型電池は構成できる。
<Evaluation>
(1) It has been demonstrated that a good current value (Isc) and voltage (Voc) can be obtained by combining the In layer and the PEDOT layer even in a PIN type battery.
(2) In Comparative Example 20 having no In layer and PEDOT layer, a solar cell cannot be formed. This is because the ITO layer having a large work function is adjacent to the n-type C60 layer among the semiconductor layers.
(3) As in Comparative Example 21, if an Al layer is used as the electrode on the n-type C60 layer side of the semiconductor layer and the ITO layer is used as the electrode on the p-type ZnPc layer side, the PEDOT layer Even without the In layer, a PIN battery can be constructed.

しかし、その性能は、実施例20のほうが、電流値が大きく、フィルファクター、光電変換効率も高い。電圧については、比較例21のほうがわずかに高いが、実施例20でも実用的に十分な電圧を発生できている。
また、比較例21では、ITO電極に対向する電極として、化学的に不安定で劣化し易いAl電極を使用しているのに対し、実施例20では、化学的に安定で劣化し難いAu電極を使用できるので、太陽電池の経時的な性能劣化が少なくなるという利点がある。
〔PN型電池の製造〕
前記実施例と基本的に共通する技術で、PN型電池を作製し、その性能を評価した。
However, in Example 20, the current value is larger, the fill factor, and the photoelectric conversion efficiency are higher in Example 20. As for the voltage, Comparative Example 21 is slightly higher, but Example 20 can generate a practically sufficient voltage.
In Comparative Example 21, an Al electrode that is chemically unstable and easily deteriorated is used as an electrode facing the ITO electrode, whereas in Example 20, an Au electrode that is chemically stable and hardly deteriorated is used. Therefore, there is an advantage that the deterioration of performance of the solar cell with time is reduced.
[Manufacture of PN battery]
A PN-type battery was fabricated by using a technique that is basically the same as that of the above example, and its performance was evaluated.

基本的に、実施例20において、半導体層の構造と製造工程を一部変更した以外は、実施例20と共通する材料、処理工程を行った。
ITO層に隣接するPEDOT層は、スピンコート(処理条件:8000rpm、120sec)で形成した。その後、真空度3×10−5torr、100℃、5minで乾燥させ、45分かけて50℃以下まで降温させた。
PV層は、ビスベンズイミダゾ〔2,1−a:1´,2´−b´〕アンセラ〔2,1,9−def:6,5,10−d´e´f´〕ジイソキノリン−6,11−ジオン〕であり、n型半導体層を構成する。蒸着により形成した。
Basically, in Example 20, the materials and processing steps common to Example 20 were performed, except that the structure of the semiconductor layer and the manufacturing process were partially changed.
The PEDOT layer adjacent to the ITO layer was formed by spin coating (processing conditions: 8000 rpm, 120 sec). Thereafter, the film was dried at a vacuum degree of 3 × 10 −5 torr and 100 ° C. for 5 minutes, and the temperature was lowered to 50 ° C. or less over 45 minutes.
PV layer is bisbenzimidazo [2,1-a: 1 ′, 2′-b ′] ancera [2,1,9-def: 6,5,10-d′e′f ′] diisoquinoline-6 , 11-dione] and constitutes an n-type semiconductor layer. It was formed by vapor deposition.

PA−PPV層は、ポリ(フェニルイミノ−1,4−フェニレン−1,2−エチニレン−2,5−ジヘキシロキシ−1,4−フェニレン−1,2−エチニレン−1,4−フェニレン)であり、p型半導体層を構成する。PEDOT層と同様にスピンコートで形成した。
PA−PPV層の上に形成したPEDOT層も、前記同様のスピンコートで作製した。こちら側のPEDOT層にはIn層を組み合わせていないが、PA−PPV層とAu層との電気的接触性を向上させる機能がある。
〔性能評価〕
前記実施例と同様の性能評価試験を行い、その結果を、表4に示す。
The PA-PPV layer is poly (phenylimino-1,4-phenylene-1,2-ethynylene-2,5-dihexyloxy-1,4-phenylene-1,2-ethynylene-1,4-phenylene), A p-type semiconductor layer is formed. It was formed by spin coating in the same manner as the PEDOT layer.
The PEDOT layer formed on the PA-PPV layer was also produced by spin coating similar to the above. The PEDOT layer on this side is not combined with an In layer, but has a function of improving electrical contact between the PA-PPV layer and the Au layer.
[Performance evaluation]
The same performance evaluation test as in the above example was performed, and the results are shown in Table 4.

Figure 0004857427
Figure 0004857427

<評 価>
(1) PN型電池においても、In層およびPEDOT層を設けることで、良好な電流値(Isc)および電圧(Voc)が得られることが実証された。
<Evaluation>
(1) It was demonstrated that a good current value (Isc) and voltage (Voc) can be obtained by providing an In layer and a PEDOT layer in a PN type battery.

本発明の太陽電池は、太陽光を効率的に電力に変換でき、移動体や建築物その他の各種機器装置における電源あるいは補助電源として有用である。   The solar cell of the present invention can efficiently convert sunlight into electric power, and is useful as a power source or an auxiliary power source in various mobile devices, buildings, and other various device devices.

本発明の実施形態を表すショットキー型太陽電池の模式的断面構造図Schematic cross-sectional structure diagram of a Schottky solar cell representing an embodiment of the present invention 有機材料層周辺の拡大模式構造図Expanded schematic structure diagram around the organic material layer PIN型太陽電池の模式的断面構造図Schematic cross-sectional structure of PIN type solar cell ショットキー型太陽電池におけるIn層の厚みと変換効率との関係図Relationship diagram between In layer thickness and conversion efficiency in Schottky solar cells

符号の説明Explanation of symbols

10 透明導電層
20 有機材料層
30 微粒子状導電層
32 導電性微粒子
40 半導体層
42 n型半導体層
44 i型半導体層
46 p型半導体層
50 第2の電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Transparent conductive layer 20 Organic material layer 30 Particulate conductive layer 32 Conductive fine particle 40 Semiconductor layer 42 N-type semiconductor layer 44 i-type semiconductor layer 46 p-type semiconductor layer 50 2nd electrode

Claims (10)

半導体装置において半導体層に隣接して配置され光透過性を有する電極であって、
前記半導体層に隣接して配置される微粒子状導電層と、
前記微粒子状導電層に隣接して配置される有機材料層と、
前記有機材料層に隣接して配置される透明導電層と、
を備え
前記微粒子状導電層が、In、Ag、Au、Al、Ca、MgおよびLiFからなる群より選ばれる導電性金属またはその導電性金属化合物からなる微粒子状導電層であり、
前記有機材料層が、PEDOT:PSS〔ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルフォン酸〕、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールおよびポリ(p−フェニレンビニレン)からなる群より選ばれる導電性ポリマーからなる導電性ポリマー層であり、
前記透明導電層が、ITO(酸化インジウムスズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)およびZnO(酸化亜鉛)からなる群より選ばれる導電性材料からなる透明導電層である、半導体装置用の光透過性電極。
An electrode that is disposed adjacent to a semiconductor layer in a semiconductor device and has optical transparency,
A particulate conductive layer disposed adjacent to the semiconductor layer;
An organic material layer disposed adjacent to the particulate conductive layer;
A transparent conductive layer disposed adjacent to the organic material layer;
Equipped with a,
The fine particle conductive layer is a fine particle conductive layer made of a conductive metal selected from the group consisting of In, Ag, Au, Al, Ca, Mg and LiF or a conductive metal compound thereof,
The organic material layer is a conductive polymer layer made of a conductive polymer selected from the group consisting of PEDOT: PSS [polyethylenedioxythiophene: polystyrene sulfonic acid], polyaniline, polythiophene, polypyrrole and poly (p-phenylene vinylene). ,
The transparent conductive layer, ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide) and ZnO Ru transparent conductive layer der made of a conductive material selected from the group consisting of (zinc oxide), light transmission for a semiconductor device Sex electrode.
前記微粒子状導電層が、導電性微粒子から構成され、該導電性微粒子が導電性金属からなるものである、請求項1に記載の光透過性電極。   The light transmissive electrode according to claim 1, wherein the fine particle conductive layer is made of conductive fine particles, and the conductive fine particles are made of a conductive metal. 前記微粒子状導電層が、導電性微粒子が単層で堆積することで形成されたものである、請求項1または2に記載の光透過性電極。   The light transmissive electrode according to claim 1, wherein the fine particle conductive layer is formed by depositing conductive fine particles as a single layer. 前記有機材料層と前記透明導電層との境界面が凹凸面であり
記有機材料層と前記微粒子状導電層との境界面が実質的に平坦であり、
前記有機材料層の平均厚みが10〜80nmである、
請求項1から3までのいずれかに記載の光透過性電極。
The boundary surface between the organic material layer and the transparent conductive layer is an uneven surface ,
Interface between the pre-Symbol organic material layer and the particulate conductive layer is substantially flat,
The average thickness of the organic material layer is 10 to 80 nm.
The light transmissive electrode according to claim 1.
前記導電性微粒子の平均粒径が1〜10nmであり、
前記微粒子状導電層の厚みが3〜20nmである、
請求項2から4までのいずれかに記載の光透過性電極。
The conductive fine particles have an average particle size of 1 to 10 nm,
The fine particle conductive layer has a thickness of 3 to 20 nm.
The light transmissive electrode according to claim 2.
請求項1から5までのいずれかに記載の光透過性電極からなる第1の電極と、
前記第1電極に隣接して配置される半導体層と、
前記半導体層のうち前記第1電極の反対側に隣接して配置される第2の電極と、
を備える、半導体装置。
A first electrode comprising the light transmissive electrode according to any one of claims 1 to 5;
A semiconductor layer disposed adjacent to the first electrode;
A second electrode disposed adjacent to the opposite side of the first electrode of the semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
請求項6に記載の半導体装置であって、
前記半導体層が有機半導体層を含み、
前記第1電極側から入射した光により起電力を発生する有機太陽電池である、
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6,
The semiconductor layer includes an organic semiconductor layer;
It is an organic solar cell that generates an electromotive force by light incident from the first electrode side.
Semiconductor device.
請求項6または7に記載の半導体装置であって、
前記有機半導体層が前記第1電極との間にショットキー障壁を構成するp型半導体層からなるショットキー型の有機太陽電池である、
半導体装置。
A semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein
The organic semiconductor layer is a Schottky type organic solar cell comprising a p-type semiconductor layer constituting a Schottky barrier between the first electrode and the organic semiconductor layer.
Semiconductor device.
請求項6または7に記載の半導体装置であって、
前記有機半導体層が前記第1電極とオーム接触を行うオーム接触型の有機太陽電池である、
半導体装置。
A semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein
The organic semiconductor layer is an ohmic contact type organic solar cell in ohmic contact with the first electrode,
Semiconductor device.
請求項1から5までのいずれかに記載の光透過性電極を備える半導体装置を製造する方法であって、
前記透明導電層を準備する工程(a)と、
前記透明導電層の上に、前記有機材料層を構成する可溶性材料を含む液膜を形成し硬化させて、表面が実質的に平坦な有機材料層を形成する工程(b)と、
前記有機材料層の上に微粒子状導電層を形成する工程(c)と、
前記微粒子状導電層の上に前記半導体層を形成する工程(d)と、
を含む、半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device comprising the light transmissive electrode according to claim 1,
Preparing the transparent conductive layer (a);
(B) forming a liquid film containing a soluble material constituting the organic material layer on the transparent conductive layer and curing it to form an organic material layer having a substantially flat surface;
A step (c) of forming a particulate conductive layer on the organic material layer;
Forming the semiconductor layer on the particulate conductive layer (d);
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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