JP6070943B2

JP6070943B2 - 光電変換素子及び太陽電池セル

Info

Publication number: JP6070943B2
Application number: JP2013067943A
Authority: JP
Inventors: 細野　聡; 聡細野; 木村　里至; 里至木村; 岩下　節也; 節也岩下; ▲濱▼田　泰彰; 泰彰 ▲濱▼田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: JP2014192414A; US9774295B2; US20140290734A1

Description

本発明は、酸化物半導体を用いた光電変換素子及び太陽電池セルに関する。

従来より、環境にやさしい電源として、シリコンを用いた太陽電池（光電変換素子）が注目を集めている。シリコンを用いた太陽電池としては、単結晶、多結晶シリコン基板にＰＮ接合を形成したものである（特許文献１参照）。

しかしながら、このような太陽電池は、製造コストが高く、また、製造条件を高度に制御する必要があり、さらに製造に多大なエネルギーを必要とし、必ずしも省エネルギーな電源とは言えない。

また、これに替わる次世代の太陽電池として、製造コストが安く、また、製造エネルギーが少ないとされる色素増感型太陽電池が開発されている。しかしながら、色素増感型太陽電池には、蒸気圧の高い電解液を用いているため、電解液が揮発するという問題がある。
さらに、最近新たに開発されるようになった方式の太陽電池として、強誘電体材料のドメイン構造を用いた方式（例えば、非特許文献１参照）がある。

特開平１−２２０３８０号公報

S.Y.Yang, J.Seidel, S.J.Byrnes, P.Shafer, C.-H.Yang, M.D.Rossell, P.Yu, Y.-H.Chu, J.F.Scott, J.W.Ager, III, L.W.Martin, and R.Ramesh: Nature Nanotechnology 5(2010)143

しかしながら、非特許文献１は、単結晶の強誘電体にドメイン構造を有していると、光照射により発電されるという報告であり、実用化に向けては全く未知数である。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、新規な光電変換素子及び太陽電池セルを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、強誘電体材料からなる強誘電体層と、前記強誘電体層の表面又は表層部に設けられた第１電極及び第２電極と、前記強誘電体層の前記第１電極及び前記第２電極が設けられた側とは反対側の表面又は表層部に設けられた共通電極と、前記強誘電体層から電力を取り出す一対の取出電極とを具備し、前記第１電極と前記第２電極とが所定方向に亘って交互に配置されていることを特徴とする光電変換素子にある。
かかる態様では、第１電極と共通電極との間、第２電極と共通電極の間に電圧を印加すると、前記強誘電体層の第１電極及び第２電極と共通電極との間の領域に交互に異なる分極が生じ、第１電極と第２電極との間の領域に対向する領域である異なる分極を有する領域の間にウォール部が形成されてドメイン構造が形成され、これにより、光照射により取出電極間から電力を取り出すことができる。

ここで、前記第１電極及び前記第２電極が、櫛形電極又は渦型電極であることが好ましい。これによれば、高密度で効率的に第１電極及び第２電極を配置でき、効率的にドメイン構造を形成できる。

また、前記取出電極が前記第１電極及び前記第２電極が設けられた領域の外側に配置されていることが好ましい。これによれば、ドメイン構造で発電された電力を効率的に取出電極から取り出すことができる。

また、前記第１電極及び前記第２電極と、前記共通電極との少なくとも一方が、前記強誘電体層よりも大きなバンドギャップを有することが好ましい。これによれば、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。

また、前記強誘電体層が基体上に形成されていることが好ましい。これによれば、強誘電体層を簡便且つ効率的に形成することができる。

また、前記基体の全体あるいは表面が導電性を有して前記共通電極を兼ねており、前記基体上に前記強誘電体層が形成され、前記強誘電体層の上面に前記第１電極及び第２電極が形成されていることが好ましい。これによれば、第１電極及び第２電極、強誘電体層及び共通電極を、簡便且つ効率的に形成することができる。

また、前記基体上に前記共通電極が形成され、前記共通電極上に前記強誘電体層が形成されており、前記強誘電体層の上面に前記第１電極及び第２電極が形成されていることが好ましい。これによれば、第１電極及び第２電極、強誘電体層及び共通電極を、簡便且つ効率的に形成することができる。

また、前記第１電極及び前記第２電極と、前記基体及び前記共通電極との少なくとも一方が、前記強誘電体層よりも大きなバンドギャップを有することが好ましい。これによれば、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。

また、前記基体上前記第１電極及び前記第２電極が形成され、前記基体、前記第１電極、前記第２電極上に前記強誘電体層が形成され、前記強誘電体層の上に前記共通電極が形成されていることが好ましい。これによれば、第１電極及び第２電極、強誘電体層及び共通電極を、簡便且つ効率的に形成することができる。

本発明の他の態様は、光電変換素子を用いたことを特徴とする太陽電池セルにある。
かかる態様では、ドメイン構造により光電変換する光電変換素子を具備するので、比較的簡便に且つ再現性よく且つ低コストでの太陽電池が実現できる。

本発明の実施形態１に係る光電変換素子の概略構成を示す図である。図１のＡ−Ａ′線断面図である。本発明の実施形態２に係る光電変換素子の概略構成を示す図である。図３のＢ−Ｂ′線断面図である。本発明の実施形態３に係る光電変換素子の概略構成を示す図である。図５のＣ−Ｃ′線断面図である。本発明の実施形態４に係る光電変換素子の概略構成を示す図である。図７のＤ−Ｄ′線断面図である。分極処理結果を示す図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子（太陽電池）の概略構成を示す図であり、図２はそのＡ−Ａ′線断面図である。
図１に示すように、光電変換素子１は、板状に形成された強誘電体層１０上に、一対の第１電極２１及び第２電極２２が相対向して設けられている。実施形態１の第１電極２１及び第２電極２２は、組み合った一対の櫛型電極であり、第１電極２１及び第２電極２２のそれぞれの櫛歯の歯の部分が一方向（櫛歯の歯の延びる方向とは直交方向）に所定間隔で交互に配置されるようになっている。第１電極２１及び第２電極２２の前記一方向の一端に電圧を印加するための端子部２１ａ及び２２ａが設けられている。また、第１電極２１及び第２電極２２の歯の部分が設けられた領域の前記一方向の両外側に取出電極３１及び３２が設けられている。さらに、強誘電体層１０の第１電極２１及び第２電極２２の設けられた面とは反対側の面に共通電極４０が設けられている。これにより、共通電極４０と、第１電極２１、第２電極２２との間に電圧を印加することができる。

ここで、強誘電体層１０としては例えば、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ_３、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）ＴｉＯ_３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ_３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）、およびこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体が挙げられるが、強誘電性を有する材料であれば前記の材料に限定されるものでははく、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と三フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）のコポリマー（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））等の、有機強誘電体材料を用いることもできる。強誘電体層１０の形成方法として、原料粉末あるいは原料溶液を所望の形状に成形して焼結する方法、単結晶あるいは多結晶基板を成長させて切り出す方法、等が例示されるが、塊状の強誘電体層１０が得られれば前述の方法に限定されない。また、強誘電体層１０の厚さは、後述するように表面近傍のみを分極させるため極薄くても構わないが、構造としての機械的強度を保つためある程度の厚さがあっても問題ない。また、強誘電体層１０の電極を配置する面の平坦性は、平坦であるほど好ましいが、電極が導電性を有する範囲であれば、多少の表面粗さを有するものであっても問題ない。また、強誘電体層は、好ましくは、所定方向に配向、例えば、（１００）面に配向しているものを用いるのが好ましい。

第１電極２１及び第２電極２２と、取出電極３１及び３２と、共通電極４０とを形成する材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼、等の金属元素、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化錫系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム、等の酸化物導電材料、導電性ポリマー、等が挙げられるが、導電性を有する材料であれば前記の材料に限定されるものではない。第１電極２１及び第２電極２２並びに取出電極３１及び３２の形成方法として、ＣＶＤ法等の気相法、塗布法等の液相法、スパッタ法等の固相法、印刷法、等が例示されるが、この限りではない。第１電極２１及び第２電極２２、取出電極３１及び３２、並びに共通電極４０との厚さは導電性を有することができる範囲であれば限定されない。第１電極２１及び第２電極２２と、取出電極３１及び３２と、共通電極４０とは同じ材料で形成してもよいが、異なる材料としてもよいことは言うまでもない。

本実施形態による光電変換素子１は、最初に強誘電体層１０の分極処理を行う。図２には強誘電体層１０の分極処理の模式図を示す。
第１電極２１、第２電極２２と共通電極４０との間に、強誘電体層１０の厚さおよび強誘電体材料の抗電界から求められる抗電圧以上の電圧を印加することで、分極処理を行う。これにより、図２に矢印で示したように、第１電極２１及び第２電極２２の歯と共通電極との間の領域に交互異なる分極方向になるように分極が行われる。この分極は強誘電体層１０の第１電極２１及び第２電極２２の歯と共通電極との間の領域に形成され、強誘電体層１０の厚さ方向に平行な分極方向となる。また、第１電極２１及び第２電極２２の間と共通電極４０との間の領域には、分極の境界となるウォール部が形成される。なお、電圧の印加の方法は、上述したようなドメイン構造が形成される方法であれば、特に限定されないが、第１電極２１、第２電極２２に順次印加してもよいし、同時に印加してもよい。

この分極処理を行うことにより、強誘電体層１０にはドメイン構造が確実に形成され、これにより、光電変換素子として機能することとなる。なお、分極処理は、最初に行っただけでもよいが、所定期間毎に行うようにしてもよい。

分極処理を容易に行なうためには第１電極２１及び第２電極２２の櫛歯の歯の間隔は狭い方がより好ましい。また、分極がされていない領域（ウォール部に対応する）が多く存在すると機能の一部が損なわれるため、第１電極２１及び第２電極２２の櫛歯の歯の部分の幅（電極幅）も狭い方がより好ましい。

このように分極処理された光電変換素子１は、光が照射されると電力が発生する。かかる発電のための光は、第１電極２１及び第２電極２２が、対象とする光、特に可視光を反射、あるいは吸収する材料の場合、強誘電体層１０の第１電極２１及び第２電極２２を配置していない面から照射させるのが好ましい。第１電極２１及び第２電極２２が、対象とする光を反射、吸収しない場合には、いずれの面から光を照射させても良い。
光を照射させることにより発生する電力は、取出電極３１及び３２より配線を通じて取り出され、外部の負荷に送ることができる。

（実施形態２）
図３には、本実施形態の光電変換素子１Ａの概略構成を示す図であり、図４はそのＢ−Ｂ′線断面図である。
本実施形態では、共通電極４０Ａ、強誘電体層１０Ａは、基体５０上に形成されている。
基体５０として、例えば、各種ガラス材料、石英やサファイア等の透明セラミック材料、ポリイミド等のポリマー材料、Ｓｉ等の半導体材料、その他ＳｉＣ等の各種化合物が挙げられるが、後述の制約を満たせば前記の材料に限定されるものではない。

強誘電体層１０Ａ、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａ、取出電極３１Ａ及び３２Ａ並びに共通電極４０Ａについては実施形態１と同様な材料および条件を使うことができる。ここで、強誘電体層１０Ａの形成方法として、前述の塊状の強誘電体層を基体５０に貼り付ける方法以外に、ＣＶＤ法等の気相法、塗布法等の液相法、スパッタ法等の固相法、印刷法、等の薄膜形成方法も用いることができる。

本実施形態においては、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａと、共通電極４０Ａ及び基体５０とが強誘電体層１０Ａの異なる面に配置されているので、これらの少なくとも一方が、強誘電体層１０Ａに用いられている強誘電体材料よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。このような材料を用いることにより、強誘電体層に効率よく光を取り込むことができる。例えば、強誘電体材料がＢｉＦｅＯ_３（バンドギャップ＝２．６ｅＶ）であれば、もし基体５０がＳｉ（バンドギャップ＝１．１ｅＶ）であれば第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの材料は酸化物導電材料（バンドギャップ＞３．２ｅＶ）が好ましいし、第１電極２１Ａ及び第２電極２２Ａの材料が金属（バンドギャップなし）であれば基体５０の材料はポリマー、ガラス、石英（バンドギャップ＞７．８ｅＶ）等の材料が好ましい。
本実施形態の光電変換素子１Ａの分極処理、及び発電については、上述した実施形態１と同様である。

（実施形態３）
図５には、本実施形態の光電変換素子１Ｂの概略構成を示す図であり、図６はそのＣ−Ｃ′線断面図である。

本実施形態の光電変換素子１Ｂは、図５および図６に示すように、基体５０上に第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂを形成し、その上に強誘電体層１０Ｂを形成している。また、電力取り出し用の取出電極３１Ｂ及び３２Ｂ及び共通電極４０Ｂは、強誘電体層１０Ｂの基体５０と接する面と反対側の面に配置されている。

取出電極３１Ｂ及び３２Ｂは、本実施形態のように強誘電体層１０Ｂの基体５０と接する面と反対側の面に設けてもよいが、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂと同じ面に設けてもよい。また、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂは、本実施形態のように、基体５０上に形成してもよいが、基体５０に埋め込んで形成してもよい。

その他の条件については実施形態２で前述した内容と同じであるが、分極処理を行う際に電圧を印加するため、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂの端子部２１ａ及び２２ａは、強誘電体層１０Ｂから露出させて設けられている。
なお、本実施形態では、第１電極２１Ｂ及び第２電極２２Ｂと基体５０が強誘電体層１０Ｂの同じ面側にあるため、実施形態バンドギャップの制約がないことが挙げられる。
本実施形態の光電変換素子１Ｂの分極処理、及び発電については、上述した実施形態１、２と同様である。

（実施形態４）
図７には、本実施形態の光電変換素子１Ｃの概略構成を示す図であり、図８はそのＤ−Ｄ′線断面図である。

本実施形態の光電変換素子１Ｃは、図７および図８に示すように、櫛型電極の代わりに、渦型に形成された第１電極２１Ｃ及び第２電極２２Ｃを強誘電体層１０Ｃ上に有し反対側に共通電極４０Ｃが設けられている以外は、実施形態１と同様である。また、電力取り出し用の取出電極３１Ｃ及び３２Ｃは、強誘電体層１０Ｃの一方向両端に設けられているが、これに交差する方向の両側に設けてもよく、両方に設けてもよい。

本実施形態の光電変換素子１Ｃの分極処理、及び発電については、上述した実施形態１〜３と同様である。なお、本実施形態の渦型電極の構造は、実施形態２、３の櫛型電極の代わりに設けてもよいことは言うまでもない。

＜実施例＞
Ｐｔ共通電極を形成したＳｉ基板上にＢｉＦｅＯ_３系強誘電体材料の薄膜を形成して、ＩＴＯ櫛型電極および電力取り出し用電極を形成した光電変換素子を作製した。

まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１０７０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＲＦマグネトロンスパッタ法により膜厚２０ｎｍのチタン膜を作製し、７００℃で熱酸化することで膜厚４０ｎｍの酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上にＤＣスパッタ法により、（１１１）面に配向した膜厚１３０ｎｍの白金膜を形成して共通電極とした。

この上に、ＢｉＦｅＯ_３系強誘電体材料の薄膜はスピンコート法により形成した。配位子に２−エチルヘキサン酸を、溶媒にｎ−オクタンを使用したＢｉ、Ｌａ、Ｆｅ、及びＭｎの各種溶液を、８０：２０：９５：５の物質量比で混合することで、溶液を合成した。次に、合成した溶液を、ＩＴＯ櫛型電極のパターンを形成したガラス基板上にスピンコート法にて２，０００ｒｐｍで塗布し、１５０℃で２分間加熱した後に３５０℃で２分間加熱した。この工程を３回繰り返した後に、ＲＴＡを使用し６５０℃で５分間加熱した。以上の工程を３回繰り返すことで、計９層、膜厚６５０ｎｍのＢｉＦｅＯ_３系薄膜を作製した。

次に、このＢｉＦｅＯ_３系薄膜にレジストで櫛型電極および電力取り出し用電極のパターンを形成し、ＲＦスパッタ法によりＩＴＯ電極を形成した後にレジストを除去してＩＴＯ櫛型電極および電力取出し用電極を形成した。櫛型電極は、電極幅と電極間隔の組み合わせとして１２０μｍと５０μｍ、７０μｍと１００μｍの２種類の組み合わせにより形成されている。

作製した素子に対して６０Ｖ、１ｋＨｚの三角波で分極処理を行なった。図９に分極処理結果を示す。分極処理されていることが確認された。

１、１Ａ〜１Ｃ光電変換素子、１０、１０Ａ〜１０Ｃ強誘電体層、２１、２１Ａ〜２１Ｃ第１電極、２２、２２Ａ〜２２Ｃ第２電極、３１、３１Ａ〜３１Ｃ、３２、３２Ａ〜３２Ｃ取出電極、４０、４０Ａ〜４０Ｃ共通電極、５０基体

Claims

強誘電体層と、前記強誘電体層の表面又は表層部に設けられた第１電極及び第２電極と、前記強誘電体層の前記第１電極及び前記第２電極が設けられた側とは反対側の表面又は表層部に設けられた共通電極と、前記強誘電体層から電力を取り出す一対の取出電極とを具備し、
前記第１電極と前記第２電極とが所定方向に亘って交互に配置されていることを特徴とする光電変換素子。
前記第１電極及び前記第２電極が、櫛形電極又は渦型電極であることを特徴とする請求項１記載の光電変換素子。
前記取出電極が、前記第１電極及び前記第２電極が設けられた領域の外側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子。
前記第１電極及び前記第２電極と、前記共通電極との少なくとも一方が、前記強誘電体層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記強誘電体層が基体上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記基体の全体あるいは表面が導電性を有して前記共通電極を兼ねており、前記基体上に前記強誘電体層が形成され、前記強誘電体層の上面に前記第１電極及び第２電極が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換素子。
前記基体上に前記共通電極が形成され、前記共通電極上に前記強誘電体層が形成されており、前記強誘電体層の上面に前記第１電極及び第２電極が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換素子。
前記第１電極及び前記第２電極と、前記基体及び前記共通電極との少なくとも一方が、前記強誘電体層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項６又は７に記載の光電変換素子。
前記基体上に前記第１電極及び前記第２電極が形成され、前記基体、前記第１電極、前記第２電極上に前記強誘電体層が形成され、前記強誘電体層の上に前記共通電極が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換素子。
前記第１電極及び前記第２電極と、前記共通電極との少なくとも一方が、前記強誘電体層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
請求項１〜１０の何れか一項に記載の光電変換素子を用いたことを特徴とする太陽電池セル。