JP2011228458A - Solar cell and manufacturing method thereof, and electrode for solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池用の電極に係り、特に、局在表面プラズモン電場を利用して光電変換を促進する太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池用の電極に関する。 The present invention relates to a solar cell, a manufacturing method thereof, and an electrode for a solar cell, and more particularly to a solar cell that promotes photoelectric conversion using a localized surface plasmon electric field, a manufacturing method thereof, and an electrode for a solar cell. .
近年、枯渇が懸念される化石燃料を中心としたエネルギー利用から、環境にやさしい自然エネルギーの利用への移行が推し進められている。なかでも、無尽蔵で無公害な太陽エネルギーを利用するものとして、太陽電池の開発が広く行われている。 In recent years, the shift from energy use centering on fossil fuels, which are feared to be depleted, to the use of environmentally friendly natural energy has been promoted. In particular, solar cells have been widely developed to utilize inexhaustible and non-polluting solar energy.
このような状況の中、これまでに様々なタイプの太陽電池が提案されている。例えば、シリコン、GaS化合物等の無機半導体を用いた太陽電池や、フタロシアニン、ポリアセチレン等の有機半導体を用いた太陽電池や、両極間に充填した電解液中に色素を担持するTiO2粒子を配置した湿式の太陽電池が挙げられる。 Under such circumstances, various types of solar cells have been proposed so far. For example, a solar cell using an inorganic semiconductor such as silicon or a GaS compound, a solar cell using an organic semiconductor such as phthalocyanine or polyacetylene, or TiO 2 particles carrying a dye in an electrolyte filled between both electrodes are disposed. A wet solar cell is mentioned.
一方、金属の微粒子に光を照射すると、微粒子中の電子が光と相互作用し、局在表面プラズモン共鳴が起こり、結果として、微粒子表面における電場が著しく増強されることが知られている。そして、この局在表面プラズモン共鳴を利用して、太陽電池の変換効率を高める技術が提案されている。 On the other hand, it is known that when light is applied to metal fine particles, electrons in the fine particles interact with light, local surface plasmon resonance occurs, and as a result, the electric field on the surface of the fine particles is remarkably enhanced. And the technique which raises the conversion efficiency of a solar cell using this localized surface plasmon resonance is proposed.
例えば、特許文献1には、導電性基板上に金属のナノ粒子を薄膜状に堆積させ、このナノ粒子の表面に金属−イオウ結合を介して電子供与性色素分子および/または電子受容性色素分子を固定した光電変換素子が記載されている。 For example, in Patent Document 1, metal nanoparticles are deposited in a thin film on a conductive substrate, and electron donating dye molecules and / or electron accepting dye molecules are formed on the surfaces of the nanoparticles via metal-sulfur bonds. A photoelectric conversion element in which is fixed is described.
また特許文献2には、n−ドープされた電荷輸送層とp−ドープされた電荷輸送層との間に、表面プラズモン又はポーラロン機構を通じて光を吸収する0.1〜500nmのサイズのナノ粒子又はナノ構造を含む感光層を設けた太陽電池が記載されている。なお、特許文献2には、幅広い波長領域で光吸収を行う観点から、異なる組成及び/又はサイズを有するナノ粒子又はナノ構造を組み合わせることも記載されている。 In addition, Patent Document 2 discloses a nanoparticle having a size of 0.1 to 500 nm that absorbs light through a surface plasmon or polaron mechanism between an n-doped charge transport layer and a p-doped charge transport layer. A solar cell provided with a photosensitive layer comprising nanostructures is described. Patent Document 2 also describes combining nanoparticles or nanostructures having different compositions and / or sizes from the viewpoint of light absorption in a wide wavelength range.
特許文献1及び2に記載されているように局在表面プラズモン共鳴を利用することで太陽電池の変換効率は確かに向上する。特に、特許文献2に記載されているように、異なる組成及び/又はサイズを有するナノ粒子又はナノ構造を組み合わせることで、太陽光の幅広い波長領域で適切に光吸収が起こるようになり、太陽電池の変換効率は改善される。 As described in Patent Documents 1 and 2, the conversion efficiency of the solar cell is surely improved by utilizing localized surface plasmon resonance. In particular, as described in Patent Document 2, by combining nanoparticles or nanostructures having different compositions and / or sizes, light absorption occurs appropriately in a wide wavelength range of sunlight, and a solar cell The conversion efficiency is improved.
しかしながら、太陽電池を広く一般に普及させるためには、従来の局在表面プラズモン共鳴を利用した太陽電池と比較して、ドラスティックに変換効率を向上させるとともに、製造コストを低減することが必要である。 However, in order to disseminate solar cells widely and generally, it is necessary to drastically improve the conversion efficiency and reduce the manufacturing cost as compared with conventional solar cells using localized surface plasmon resonance. .
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、変換効率が高く、低コストで製造可能な太陽電池及びその製造方法、並びに太陽電池用の電極構造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 an object of the present invention is to provide a solar cell that has high conversion efficiency and can be manufactured at low cost, a method for manufacturing the solar cell, and an electrode structure for the solar cell.
本発明に係る太陽電池は、光の照射によって電子が励起される電子供与体と、前記光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層とを備え、前記金属層は電解めっきにより形成されていることを特徴とする。 The solar cell according to the present invention includes an electron donor in which electrons are excited by light irradiation, and a metal layer that generates a localized surface plasmon electric field by the light irradiation and promotes excitation of the electrons of the electron donor. The metal layer is formed by electrolytic plating.
本発明者らは、鋭意検討の結果、電解めっきにより形成した金属層を用いることで、金属層への光照射時に発生する局在表面プラズモン電場が格段に強くなることを見出した。また、照射光散乱効果についてもその存在を確認した。
上述の太陽電池は、本発明者らによるこの知見に基づいて考案されたものであり、局在表面プラズモン電場の発生によって電子供与体の電子の励起を促進する金属層が電解めっきで形成されている。これにより、格段に強い局在表面プラズモン電場によって、電子供与体の電子の励起が著しく促進されるので、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
また、上述の太陽電池では、電解めっきで形成した金属層を用いているので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the use of a metal layer formed by electrolytic plating significantly increases the localized surface plasmon electric field generated when light is applied to the metal layer. The existence of the irradiation light scattering effect was also confirmed.
The above-described solar cell was devised based on this finding by the present inventors, and a metal layer that promotes excitation of electrons of an electron donor by the generation of a localized surface plasmon electric field is formed by electrolytic plating. Yes. Thereby, the excitation of electrons of the electron donor is remarkably accelerated by the remarkably strong localized surface plasmon electric field, so that the conversion efficiency of the solar cell can be improved.
Moreover, in the above-mentioned solar cell, since the metal layer formed by electrolytic plating is used, mass production is easy and the manufacturing cost of a solar cell can be reduced.
上記太陽電池において、前記金属層は、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有し、前記突起の突起角は10〜170度であり、前記金属層の見かけ表面積に対する前記微細構造の実効表面積の比は10〜1000であることが好ましい。 In the solar cell, the metal layer has a porous fine structure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions, and the protrusion angle of the protrusions is 10 to 170 degrees, and the metal layer has an apparent surface area. The ratio of the effective surface area of the microstructure is preferably 10 to 1000.
このように突起角が10〜170度の突起を有する金属粒状物の集合体からなる微細構造の金属層を用いることで、金属層への光照射時に発生する局在表面プラズモン電場を増強し、太陽電池の変換効率をより一層向上させることができる。なお、金属層を構成する微細構造が有する突起の「突起角」とは、電解めっきによって作製された金属の粒子状形成物表面に凹凸状の突起の角度を意味するものであり、直上から観察した時の粒子外周の角状部位の角度である。
また、金属層の見かけ表面積に対する微細構造の実効表面積の比を10〜1000とすることで、金属層と電子供与体との反応場を広くとることができるので、局在表面プラズモン電場による電子供与体の電子の励起をさらに促進し、太陽電池の変換効率をより一層向上させることができる。なお、ここで、「金属層の見かけ表面積」は、金属層が形成されている領域の面積を指し、「微細構造の実効表面積」は、微細構造の凹凸及び細孔を考慮した表面積であり、具体的には、金属表面に生成する酸化膜を電気化学酸化還元法によって測定したものをいう。
In this way, by using a fine-structured metal layer composed of an aggregate of metal particulates having protrusions having a protrusion angle of 10 to 170 degrees, the localized surface plasmon electric field generated upon light irradiation to the metal layer is enhanced, The conversion efficiency of the solar cell can be further improved. Note that the “projection angle” of the protrusions of the fine structure constituting the metal layer means the angle of the uneven protrusions on the surface of the metal particulate formed by electrolytic plating, and is observed from directly above. This is the angle of the angular part of the outer periphery of the particle.
Further, by setting the ratio of the effective surface area of the microstructure to the apparent surface area of the metal layer to 10 to 1000, a wide reaction field between the metal layer and the electron donor can be taken, so that the electron donation by the localized surface plasmon electric field The excitation of the body electrons can be further promoted, and the conversion efficiency of the solar cell can be further improved. Here, the “apparent surface area of the metal layer” refers to the area of the region where the metal layer is formed, and the “effective surface area of the fine structure” is a surface area considering the irregularities and pores of the fine structure, Specifically, the oxide film formed on the metal surface is measured by an electrochemical redox method.
上記太陽電池において、前記金属層は、金、銀、銅、プラチナ及びパラジウムの少なくとも一つを含むことが好ましい。 In the solar cell, the metal layer preferably includes at least one of gold, silver, copper, platinum, and palladium.
このように、局在表面プラズモン共鳴を起こしやすい金属(金、銀、銅、プラチナ、パラジウム)を金属層の材料として用いることで、電子供与体の電子の励起をさらに促進し、太陽電池の変換効率をより一層向上させることができる。 In this way, the use of metals that easily cause localized surface plasmon resonance (gold, silver, copper, platinum, palladium) as the material of the metal layer further promotes the excitation of electrons in the electron donor and conversion of solar cells. Efficiency can be further improved.
上記太陽電池は、前記金属層を担持する第1電極と、前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、p型有機半導体およびn型有機半導体を含む有機薄膜層とをさらに備え、前記電子供与体は、前記p型有機半導体と前記n型有機半導体との接合部における前記p型有機半導体であってもよい。 The solar cell is disposed between the first electrode carrying the metal layer, the second electrode disposed to face the first electrode, the first electrode and the second electrode, and p-type And an organic thin film layer including an organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, and the electron donor may be the p-type organic semiconductor at a junction between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor.
有機薄膜層を有する太陽電池(いわゆる有機薄膜太陽電池)では、一般に、近赤外域を含む長波長域(およそ550nmよりも長い波長領域)での変換効率が低いことが問題になっているが、上述のように、電解めっきにより形成した金属層が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、近赤外域を含む長波長域における変換効率を著しく改善することができる。 In solar cells having an organic thin film layer (so-called organic thin film solar cells), in general, there is a problem that conversion efficiency in a long wavelength region including the near infrared region (wavelength region longer than about 550 nm) is low. As described above, the conversion efficiency in the long wavelength region including the near infrared region can be remarkably improved by using the strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer formed by electrolytic plating.
この場合、上記太陽電池は、前記金属層および前記第1電極の間に配置され、前記第1電極に正孔を供給する正孔輸送層をさらに備え、前記金属層は、前記正孔輸送層との接触面とは反対側の表面において、前記有機薄膜層に接触していることが好ましい。 In this case, the solar cell further includes a hole transport layer that is disposed between the metal layer and the first electrode and supplies holes to the first electrode, and the metal layer includes the hole transport layer. It is preferable that the organic thin film layer is in contact with the surface opposite to the contact surface.
このように、金属層および第1電極の間に、第1電極に正孔を供給する正孔輸送層を設けることによって、太陽電池の光電変換プロセスにおいて、正孔の輸送が律速になることを防止し、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
さらに、正孔輸送層との接触面とは反対側の表面において、金属層が有機薄膜層に接触しているので、金属層が形成する局在表面プラズモン電場によって、有機薄膜層中の電子供与体(pn接合部におけるp型有機半導体)の電子の励起をより確実に促進することができる。
In this way, by providing a hole transport layer that supplies holes to the first electrode between the metal layer and the first electrode, the hole transport is rate-limiting in the photoelectric conversion process of the solar cell. It is possible to prevent and improve the conversion efficiency of the solar cell.
Furthermore, since the metal layer is in contact with the organic thin film layer on the surface opposite to the contact surface with the hole transport layer, electron donation in the organic thin film layer is caused by the localized surface plasmon electric field formed by the metal layer. Electron excitation of the body (p-type organic semiconductor at the pn junction) can be more reliably promoted.
さらに、上記太陽電池において、前記有機薄膜層は、前記p型有機半導体と前記n型有機半導体との混合物からなることが好ましい。 Furthermore, in the solar cell, the organic thin film layer is preferably composed of a mixture of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor.
このようにp型有機半導体とn型有機半導体との混合物からなる有機薄膜層を有する太陽電池(いわゆる、バルクへテロ型の有機薄膜太陽電池)とすることで、pn接合面積が増大するとともに、金属層とpn接合面との距離が縮まる。したがって、金属層の局在表面プラズモン電場によって、電子供与体(pn接合部におけるp型有機半導体)の電子の励起をさらに促進させることができる。 In this way, by using a solar cell having an organic thin film layer made of a mixture of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor (so-called bulk hetero-type organic thin-film solar cell), the pn junction area increases, The distance between the metal layer and the pn junction surface is reduced. Therefore, the excitation of electrons of the electron donor (p-type organic semiconductor at the pn junction) can be further promoted by the localized surface plasmon electric field of the metal layer.
あるいは、上記太陽電池は、前記金属層を担持する第1電極と、前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、前記第1電極および前記第2電極の間に充填される電解液とをさらに備え、前記電子供与体は、前記金属層に固定された色素であってもよい。 Alternatively, the solar cell is filled between the first electrode carrying the metal layer, the second electrode arranged to face the first electrode, and the first electrode and the second electrode. An electrolyte solution, and the electron donor may be a dye fixed to the metal layer.
電極間に充填される電解液中に色素が固定された金属層を配置した太陽電池(いわゆる、色素増感型の太陽電池)では、一般に、近赤外域を含む長波長域(およそ550nmよりも長い波長領域)での変換効率が低いことが問題になっているが、上述のように、電解めっきにより形成した金属層が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、近赤外域を含む長波長域における変換効率を著しく改善することができる。
なお、色素増感型の太陽電池では、従来から色素の新規開発により変換効率を改善する試みがなされているが、上記太陽電池によれば、色素自体の分子構造を変えずに変換効率を向上させるので、色素の分子設計の自由度が増す。
In a solar cell (so-called dye-sensitized solar cell) in which a metal layer having a dye fixed in an electrolyte solution filled between electrodes is generally used, a long wavelength region including the near infrared region (about 550 nm or more) Low conversion efficiency in the long wavelength region) is a problem, but as described above, by using the strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer formed by electrolytic plating, the near infrared region is reduced. It is possible to significantly improve the conversion efficiency in the long wavelength region including the same.
In dye-sensitized solar cells, attempts have been made to improve conversion efficiency by developing new dyes. However, according to the solar cell, conversion efficiency is improved without changing the molecular structure of the dye itself. This increases the degree of freedom in the molecular design of the dye.
あるいは、上記太陽電池は、前記金属層を担持する第1電極と、前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、前記金属層および前記第2電極の間に配置されるp型無機半導体およびn型無機半導体とをさらに備え、前記電子供与体は、前記p型無機半導体と前記n型無機半導体との接合部における前記p型無機半導体であってもよい。 Alternatively, the solar cell includes a first electrode that carries the metal layer, a second electrode that is disposed to face the first electrode, and a p that is disposed between the metal layer and the second electrode. The electron donor may further include a p-type inorganic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, and the electron donor may be the p-type inorganic semiconductor at a junction between the p-type inorganic semiconductor and the n-type inorganic semiconductor.
無機半導体を用いた太陽電池では、一般に、p型無機半導体およびn型無機半導体の吸収係数が低いため、十分な変換効率を得るには半導体を厚くする必要があった。しかし、上述のように、電解めっきにより形成した金属層が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、半導体を薄くしても十分な変換効率が得られるので、太陽電池を軽量化するとともに、材料費を低減することができる。 In a solar cell using an inorganic semiconductor, the p-type inorganic semiconductor and the n-type inorganic semiconductor generally have a low absorption coefficient. Therefore, it is necessary to increase the thickness of the semiconductor in order to obtain sufficient conversion efficiency. However, as described above, by using the strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer formed by electrolytic plating, sufficient conversion efficiency can be obtained even if the semiconductor is thinned, so that the solar cell is reduced in weight. At the same time, material costs can be reduced.
本発明に係る太陽電池の製造方法は、電子供与体に光が照射されることで光電変換を行う太陽電池の製造方法であって、光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層を電解めっきにより第1電極上に形成する工程と、前記金属層が形成された前記第1電極上に前記電子供与体を設ける工程と、前記電子供与体を挟んで前記第1電極と対向するように第2電極を設ける工程とを備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a solar cell according to the present invention is a method for manufacturing a solar cell that performs photoelectric conversion by irradiating light to an electron donor, and generates a localized surface plasmon electric field by irradiation with light, and Forming a metal layer that promotes excitation of the electrons of the donor on the first electrode by electroplating; providing the electron donor on the first electrode on which the metal layer is formed; and And a step of providing a second electrode so as to face the first electrode across a donor.
この太陽電池の製造方法は、電解めっきにより形成した金属層を用いることで、金属層への光照射時に発生する局在表面プラズモン電場が格段に強くなるという本発明者らの知見に基づいて考案されたものであり、局在表面プラズモン電場の発生によって電子供与体の電子の励起を促進する金属層を電解めっきで形成している。したがって、格段に強い局在表面プラズモン電場によって、電子供与体の電子の励起が著しく促進されるので、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
また、この太陽電池の製造方法では、金属層を電解めっきで形成するので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。
This solar cell manufacturing method is devised based on the knowledge of the present inventors that a localized surface plasmon electric field generated when light is applied to a metal layer is remarkably increased by using a metal layer formed by electrolytic plating. A metal layer that promotes excitation of electrons of the electron donor by generation of a localized surface plasmon electric field is formed by electrolytic plating. Therefore, since the excitation of electrons of the electron donor is remarkably accelerated by the extremely strong localized surface plasmon electric field, the conversion efficiency of the solar cell can be improved.
Moreover, in this solar cell manufacturing method, since the metal layer is formed by electrolytic plating, mass production is easy, and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
本発明に係る太陽電池用の電極構造は、電子供与体に光が照射されることで光電変換を行う太陽電池に用いられる電極構造であって、導電性を有する電極と、前記電極上に電解めっきにより形成され、光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層とを備えることを特徴とする。 The electrode structure for a solar cell according to the present invention is an electrode structure used for a solar cell that performs photoelectric conversion by irradiating light to an electron donor, and has an electrode having conductivity and electrolysis on the electrode. A metal layer that is formed by plating, generates a localized surface plasmon electric field by irradiation of light, and promotes excitation of the electrons of the electron donor.
この太陽電池用の電極構造は、電解めっきにより形成した金属層を用いることで、金属層への光照射時に発生する局在表面プラズモン電場が格段に強くなるという本発明者らの知見に基づいて考案されたものであり、局在表面プラズモン電場の発生によって電子供与体の電子の励起を促進する金属層が電解めっきで形成されている。したがって、格段に強い局在表面プラズモン電場によって、電子供与体の電子の励起が著しく促進されるので、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
また、この太陽電池用の電極構造では、金属層を電解めっきで形成するので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。
This electrode structure for solar cells is based on the knowledge of the present inventors that a localized surface plasmon electric field generated when light is applied to a metal layer is remarkably strong by using a metal layer formed by electrolytic plating. Invented, a metal layer that promotes excitation of electrons of an electron donor by generation of a localized surface plasmon electric field is formed by electrolytic plating. Therefore, since the excitation of electrons of the electron donor is remarkably accelerated by the extremely strong localized surface plasmon electric field, the conversion efficiency of the solar cell can be improved.
Moreover, in this electrode structure for solar cells, since the metal layer is formed by electrolytic plating, mass production is easy, and the manufacturing cost of the solar cells can be reduced.
本発明では、局在表面プラズモン電場の発生によって電子供与体の電子の励起を促進する金属層が電解めっきで形成されるので、この金属層に光が照射されると、格段に強い局在表面プラズモン電場が発生し、電子供与体の電子の励起が著しく促進される。したがって、太陽電池の変換効率を向上させることができる。
さらに、大量生産に適した電解めっきで金属層を形成するので、太陽電池の製造コストを低減できる。
In the present invention, a metal layer that promotes excitation of electrons of the electron donor by the generation of a localized surface plasmon electric field is formed by electrolytic plating. Therefore, when this metal layer is irradiated with light, the localized surface is much stronger. A plasmon electric field is generated, and the excitation of electrons in the electron donor is significantly accelerated. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell can be improved.
Furthermore, since the metal layer is formed by electrolytic plating suitable for mass production, the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely illustrative examples. Only.
[第1実施形態]
まず、第1実施形態に係る太陽電池について説明する。
図1は、第1実施形態に係る太陽電池の構成例を示す断面図である。同図に示すように、太陽電池1は、主として、光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生する金属層2と、金属層2を担持する第1電極4と、第1電極4に対向するように配置される第2電極6と、第1電極4および第2電極6の間に配置される有機薄膜層8とで構成される。
[First Embodiment]
First, the solar cell according to the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the solar cell according to the first embodiment. As shown in the figure, the solar cell 1 mainly faces a metal layer 2 that generates a localized surface plasmon electric field by light irradiation, a first electrode 4 that carries the metal layer 2, and the first electrode 4. And the organic thin film layer 8 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 6.
本発明者らは、鋭意検討の結果、電解めっき法を採用することで、光照射によって従来よりも格段に強い局在表面プラズモン電場を発生する金属層2を形成できることを見出した。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that a metal layer 2 that generates a localized surface plasmon electric field that is much stronger than before can be formed by light irradiation by employing an electrolytic plating method.
本実施形態に係る太陽電池1は本発明者らによるこの知見に基づいて考案されたものであり、金属層2を電解めっきで形成している。これにより、強い局在表面プラズモン電場が発生しやすい微細構造、具体的には、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する金属層2が得られる。 The solar cell 1 according to this embodiment has been devised based on this finding by the present inventors, and the metal layer 2 is formed by electrolytic plating. As a result, a metal layer 2 having a fine structure in which a strong localized surface plasmon electric field is likely to be generated, specifically, a porous fine structure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions is obtained.
金属層2を構成する金属材料は、局在表面プラズモン電場を発生させるものであれば特に限定されないが、例えば、金、銀、銅、プラチナ及びパラジウムや、これらの金属の混合物や、これらの金属を含む合金を用いることができる。なかでも、金および銀は、強力な局在表面プラズモン電場を形成しうる金属材料であるため、金属層2の材料として好適である。 The metal material constituting the metal layer 2 is not particularly limited as long as it generates a localized surface plasmon electric field. For example, gold, silver, copper, platinum and palladium, a mixture of these metals, and these metals An alloy containing can be used. Among these, gold and silver are metal materials that can form a strong localized surface plasmon electric field, and thus are suitable as materials for the metal layer 2.
金属層2の電着条件は特に限定されないが、例えば、1wt%のHAuCl4溶液を用いて、電流密度が1〜60mA/cm2で処理時間が1〜600秒の条件で電解めっきを行ってもよい。なかでも、電流密度が30mA/cm2で処理時間15秒の条件で電解めっきを行うことで、格段に強い局在表面プラズモン電場を形成する金属層2を得ることができる。金属層2では可視領域における吸光度が最大で2程度であり、透過光による分光測定を行う事が可能である程度の光透過性を備えている。 The electrodeposition conditions for the metal layer 2 are not particularly limited. For example, electrolytic plating is performed using a 1 wt% HAuCl 4 solution at a current density of 1 to 60 mA / cm 2 and a treatment time of 1 to 600 seconds. Also good. Especially, the metal layer 2 which forms a remarkably strong localized surface plasmon electric field can be obtained by performing electroplating on conditions with a current density of 30 mA / cm 2 and a treatment time of 15 seconds. In the metal layer 2, the absorbance in the visible region is about 2 at the maximum, and it is possible to perform spectroscopic measurement with transmitted light and has a certain degree of light transmittance.
金属層2は、上述のように、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する。ここで、金属層2の微細構造における金属粒状物の突起は、金属層2への光照射時に発生する局在表面プラズモン電場を増強する観点から、突起角が10〜170度であることが好ましく、10〜90度であることがより好ましい。また、金属層2の微細構造は、金属層2と後述の電子供与体との反応場を広くする観点から、金属層2の見かけ表面積に対する実効表面積の比が10〜1000であることが好ましく、30〜1000であることがより好ましい。また、表面プラズモン電場をより一層増強する観点から、金属層2の微細構造は、これを構成する金属粒状物が多層に積み重なった構造であることが好ましい。 As described above, the metal layer 2 has a porous microstructure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions. Here, the protrusion of the metal granular material in the fine structure of the metal layer 2 preferably has a protrusion angle of 10 to 170 degrees from the viewpoint of enhancing the localized surface plasmon electric field generated when the metal layer 2 is irradiated with light. 10 to 90 degrees is more preferable. The fine structure of the metal layer 2 is preferably such that the ratio of the effective surface area to the apparent surface area of the metal layer 2 is 10 to 1000 from the viewpoint of widening the reaction field between the metal layer 2 and the electron donor described later. More preferably, it is 30-1000. From the viewpoint of further enhancing the surface plasmon electric field, the fine structure of the metal layer 2 is preferably a structure in which metal particulates constituting the metal layer 2 are stacked in multiple layers.
第1電極4は、金属層2を担持する電極であり、その構成材料は、光の入射方向や、第1電極4を正孔取出し電極および電子取出し電極のいずれにしたいかを考慮して、適宜決定される。 The first electrode 4 is an electrode that carries the metal layer 2, and the constituent material of the first electrode 4 takes into account the incident direction of light and whether the first electrode 4 is to be a hole extraction electrode or an electron extraction electrode. It is determined appropriately.
例えば、第1電極4側(図1のhνで示した矢印方向)から光が入射し、第1電極4を正孔取出し電極とする場合、第1電極4は、仕事関数が比較的大きく、かつ、入射光の少なくとも一部を透過する材料で構成することが好ましい。具体的には、In−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、ZnO−Al、Zn−Sn−O等の透明薄膜を透明基板(ガラス基板、プラスチック基板等)上に形成して第1電極4としてもよいし、金、銀、コバルト、ニッケル、プラチナ、銅などの金属薄膜を透明基板上に形成して第1電極4としてもよい。なかでも、In−Zn−O(IZO)、In−Sn−O(ITO)、ZnO−Al、Zn−Sn−O等の透明薄膜を用いたものは、可視光域を含む波長領域の光の透過率が非常に高いので、第1電極4が光入射側である場合には、第1電極4の材料として好適である。 For example, when light is incident from the first electrode 4 side (arrow direction indicated by hν in FIG. 1) and the first electrode 4 is a hole extraction electrode, the first electrode 4 has a relatively large work function, And it is preferable to comprise with the material which permeate | transmits at least one part of incident light. Specifically, a transparent thin film such as In—Zn—O (IZO), In—Sn—O (ITO), ZnO—Al, Zn—Sn—O is formed on a transparent substrate (glass substrate, plastic substrate, etc.). The first electrode 4 may be used, or a metal thin film such as gold, silver, cobalt, nickel, platinum, or copper may be formed on the transparent substrate to form the first electrode 4. Among them, those using a transparent thin film such as In—Zn—O (IZO), In—Sn—O (ITO), ZnO—Al, and Zn—Sn—O are used for light in the wavelength region including the visible light region. Since the transmittance is very high, it is suitable as a material for the first electrode 4 when the first electrode 4 is on the light incident side.
第2電極6は、第1電極4に対向して配置される対向電極であり、その構成材料は、光の入射方向や、第2電極6を正孔取出し電極および電子取出し電極のいずれにしたいかを考慮して、適宜決定される。 The second electrode 6 is a counter electrode disposed to face the first electrode 4, and the constituent material thereof is the incident direction of light, and the second electrode 6 is desired to be either a hole extraction electrode or an electron extraction electrode. It is determined as appropriate.
例えば、第1電極4側(図1のhνで示した矢印方向)から光が入射し、第2電極6が電子取出し電極である場合、第2電極6は、光透過性を有するか否かを問わず、仕事関数が比較的小さい材料で構成することが好ましい。具体的には、Li,In,Al,Ca,Mg,Sm,Tb,Yb,Zr,LiF等の材料で第2電極6を構成してもよい。 For example, when light is incident from the first electrode 4 side (in the arrow direction indicated by hν in FIG. 1) and the second electrode 6 is an electron extraction electrode, whether or not the second electrode 6 has optical transparency. However, it is preferable to use a material having a relatively small work function. Specifically, the second electrode 6 may be made of a material such as Li, In, Al, Ca, Mg, Sm, Tb, Yb, Zr, or LiF.
有機薄膜層8は、第1電極4と第2電極6との間に設けられ、電子供与性を有するp型有機半導体(ドナー)と、電子受容性を有するn型有機半導体(アクセプター)とを含んで構成される。 The organic thin film layer 8 is provided between the first electrode 4 and the second electrode 6, and includes a p-type organic semiconductor (donor) having an electron donating property and an n-type organic semiconductor (acceptor) having an electron accepting property. Consists of including.
有機薄膜層8に用いるp型有機半導体としては、例えば、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)のようなポリチオフェン誘導体や、ポリ−2−メトキシ−5−(3’7’−ジメチルオクチロキシ)−1,4−フェニレンビニレン(MDMO−PPV)のようなポリパラフェニレンビニレン誘導体や、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレニル−2,7−ジイル)(PFO)のようなポリフルオレン誘導体などの可視光域に光吸収領域を有する共役高分子を用いることができる。一方、有機薄膜層8に用いるn型有機半導体としては、例えば、[6,6]−フェニル−C61ブチルカルボン酸メチルエステル(PCBM)のようなフラーレン誘導体や、ペリレン誘導体などを挙げることができる。 Examples of the p-type organic semiconductor used for the organic thin film layer 8 include polythiophene derivatives such as poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly-2-methoxy-5- (3′7′-dimethyloctyloxy)- Visibility of polyparaphenylene vinylene derivatives such as 1,4-phenylene vinylene (MDMO-PPV) and polyfluorene derivatives such as poly (9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO) A conjugated polymer having a light absorption region in the light region can be used. On the other hand, the n-type organic semiconductor used in the organic thin film layer 8, for example, [6,6] - or fullerene derivative, such as phenyl -C 61 butyl carboxylic acid methyl ester (PCBM), perylene derivatives can be cited .
なお、有機薄膜層8は、p型有機半導体およびn型有機半導体が別個の層として積層されていてもよいし、p型有機半導体およびn型有機半導体の混合物によって形成されていてもよい。特に、有機薄膜層8をp型有機半導体およびn型有機半導体の混合物で形成した太陽電池1(いわゆる、バルクへテロ型の有機薄膜太陽電池)は、pn接合面積が増大するとともに、金属層2とpn接合面との距離が縮まり、金属層2の局在表面プラズモン電場による電子供与体(pn接合部におけるp型有機半導体)の電子の励起をより一層促進させることができる点で好ましい。 The organic thin film layer 8 may be formed by laminating a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor as separate layers, or may be formed of a mixture of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor. In particular, the solar cell 1 in which the organic thin film layer 8 is formed of a mixture of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor (so-called bulk hetero-type organic thin-film solar cell) has an increased pn junction area and a metal layer 2. This is preferable in that the distance between the pn junction surface and the pn junction surface is reduced, and the excitation of electrons of the electron donor (p-type organic semiconductor in the pn junction portion) by the localized surface plasmon electric field of the metal layer 2 can be further promoted.
上記構成の太陽電池1では、例えば図1に示すように第1電極4側から入射する光によって、電解めっきで形成された金属層2において従来よりも格段に強い局在表面プラズモン電場が発生し、この局在表面プラズモン電場によって有機薄膜層8の電子供与体(pn接合部におけるp型有機半導体)の電子の励起が促進される。したがって、太陽電池1の変換効率を大幅に向上させることができる。また、この太陽電池1では、金属層2を電解めっきで形成しているので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。 In the solar cell 1 having the above configuration, for example, as shown in FIG. 1, a localized surface plasmon electric field that is much stronger than before is generated in the metal layer 2 formed by electrolytic plating by light incident from the first electrode 4 side. The localized surface plasmon electric field promotes the excitation of electrons of the electron donor (p-type organic semiconductor at the pn junction) of the organic thin film layer 8. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell 1 can be greatly improved. Moreover, in this solar cell 1, since the metal layer 2 is formed by electrolytic plating, mass production is easy and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
また太陽電池1のように有機薄膜層8を有する有機薄膜太陽電池では、一般に、近赤外域を含む長波長域(およそ550nmよりも長い波長領域)での変換効率が低いことが問題になっているが、本実施形態のように、電解めっきにより形成した金属層2が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、近赤外域を含む長波長域における変換効率を著しく改善することができる。 Moreover, in the organic thin film solar cell having the organic thin film layer 8 like the solar cell 1, generally, the conversion efficiency in a long wavelength region including the near infrared region (a wavelength region longer than about 550 nm) is low. However, as in this embodiment, by using a strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer 2 formed by electrolytic plating, the conversion efficiency in the long wavelength region including the near infrared region can be remarkably improved. it can.
なお太陽電池1には、金属層2、第1電極4、第2電極6および有機薄膜層8以外にも、必要に応じて、図1に示す正孔輸送層10や電子輸送層12を設けてもよいし、不図示の保護シート、充填材層、バリア層、保護ハードコート層、強度支持層、防汚層、高光反射層、光封じ込め層等の機能層を設けてもよい。 In addition to the metal layer 2, the first electrode 4, the second electrode 6, and the organic thin film layer 8, the solar cell 1 is provided with a hole transport layer 10 and an electron transport layer 12 shown in FIG. Alternatively, functional layers such as a protective sheet (not shown), a filler layer, a barrier layer, a protective hard coat layer, a strength support layer, an antifouling layer, a high light reflection layer, and a light containment layer may be provided.
ここで、正孔輸送層10は、太陽電池1の正孔取出し電極側に配置され、有機薄膜層8側から正孔取出し電極側に正孔(ホール)を輸送するための正孔取出し層である。正孔輸送層10は、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、トリフェニルジアミン(TPD)、ポリスチレンスルフォン酸(PSS)等を用いることができる。なお、図1には、第1電極4が正孔取出し電極であり、正孔輸送層10を第1電極4側に配置した例を示した。 Here, the hole transport layer 10 is disposed on the hole extraction electrode side of the solar cell 1 and is a hole extraction layer for transporting holes from the organic thin film layer 8 side to the hole extraction electrode side. is there. For the hole transport layer 10, for example, polyethylene dioxythiophene (PEDOT), triphenyldiamine (TPD), polystyrene sulfonic acid (PSS), or the like can be used. FIG. 1 shows an example in which the first electrode 4 is a hole extraction electrode and the hole transport layer 10 is disposed on the first electrode 4 side.
正孔輸送層10を設けることで、太陽電池1の光電変換プロセスにおいて正孔の輸送が律速になることを防止して、太陽電池1の変換効率を向上させることができる。なお、図1には、正孔輸送層10を金属層2と有機薄膜層8との間に配置した例を示したが、正孔輸送層10は金属層2と第1電極4との間に配置してもよい。 By providing the hole transport layer 10, it is possible to prevent the rate of hole transport from becoming rate-limiting in the photoelectric conversion process of the solar cell 1, and to improve the conversion efficiency of the solar cell 1. FIG. 1 shows an example in which the hole transport layer 10 is disposed between the metal layer 2 and the organic thin film layer 8, but the hole transport layer 10 is disposed between the metal layer 2 and the first electrode 4. You may arrange in.
図2は、正孔輸送層10を金属層2と第1電極4との間に配置した太陽電池1の構成例を示す断面図である。同図に示す例では、正孔輸送層10が金属層2と第1電極4との間に配置されるとともに、金属層2は、正孔輸送層10との接触面と反対側の表面において有機薄膜層8と接触している。このように、正孔輸送層10を金属層2と第1電極4との間に設けて、金属層2を有機薄膜層8のpn接合面により近い位置に配置することで、金属層2が形成する局在表面プラズモン電場によって、有機薄膜層8中の電子供与体(pn接合部におけるp型有機半導体)の電子の励起をより確実に促進することができる。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the solar cell 1 in which the hole transport layer 10 is disposed between the metal layer 2 and the first electrode 4. In the example shown in the figure, the hole transport layer 10 is disposed between the metal layer 2 and the first electrode 4, and the metal layer 2 is on the surface opposite to the contact surface with the hole transport layer 10. It is in contact with the organic thin film layer 8. Thus, by providing the hole transport layer 10 between the metal layer 2 and the first electrode 4 and disposing the metal layer 2 closer to the pn junction surface of the organic thin film layer 8, the metal layer 2 The local surface plasmon electric field to be formed can more surely promote the excitation of electrons of the electron donor (p-type organic semiconductor at the pn junction) in the organic thin film layer 8.
なお、電子輸送層12(図1及び2参照)は、太陽電池1の電子取出し電極側に配置され、有機薄膜層8側から電子取出し電極側に電子を輸送するための電子取出し層である。電子輸送層12は、例えば、LiFや、n−型半導体(TiO2)を挙げることができる。 The electron transport layer 12 (see FIGS. 1 and 2) is an electron extraction layer that is disposed on the electron extraction electrode side of the solar cell 1 and transports electrons from the organic thin film layer 8 side to the electron extraction electrode side. Examples of the electron transport layer 12 include LiF and n-type semiconductor (TiO 2 ).
続いて、本実施形態の太陽電池1の製造方法について説明する。図1及び2に示す太陽電池1を得るには、まず、第1電極4を準備する。次に、第1電極4上に金属層2を電解めっきで形成する。ここで、金属層2は、第1電極4の表面に直接形成してもよいし、図2に示すように正孔輸送層10を介して第1電極4上に形成してもよい。この後、ダイコート、スピンコート、ディップコート、ロールコート、スプレーコート等の塗布法をはじめとする任意の手法により、金属層2が形成された第1電極4上に有機薄膜層8(すなわち、p型有機半導体およびn型有機半導体)を設ける。そして、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等のPVD法をはじめとする任意の手法により、有機薄膜層8を挟んで第1電極4と対向するように第2電極6を形成する。これにより、太陽電池1が得られる。 Then, the manufacturing method of the solar cell 1 of this embodiment is demonstrated. In order to obtain the solar cell 1 shown in FIGS. 1 and 2, first, the first electrode 4 is prepared. Next, the metal layer 2 is formed on the first electrode 4 by electrolytic plating. Here, the metal layer 2 may be formed directly on the surface of the first electrode 4 or may be formed on the first electrode 4 via the hole transport layer 10 as shown in FIG. Thereafter, the organic thin film layer 8 (i.e., p) is formed on the first electrode 4 on which the metal layer 2 is formed by an arbitrary method including a coating method such as die coating, spin coating, dip coating, roll coating, and spray coating. Type organic semiconductor and n-type organic semiconductor). Then, the second electrode 6 is formed so as to face the first electrode 4 with the organic thin film layer 8 interposed therebetween by an arbitrary method such as vacuum deposition, sputtering, or ion plating. Thereby, the solar cell 1 is obtained.
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る太陽電池について説明する。
図3は、第2実施形態に係る太陽電池の構成例を示す断面図である。本実施形態に係る太陽電池20は、金属層2を担持する第1電極4と、第1電極4に対向するように配置された第2電極6と、第1電極4および第2電極6の間に設けられた電解質層22と、金属層2に固定された色素24とを有する。なお、太陽電池20の金属層2、第1電極4および第2電極6は、上述の第1実施形態と同一であるから、ここではその説明を省略し、電解質層22および色素24を中心に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a solar cell according to the second embodiment will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the solar cell according to the second embodiment. The solar cell 20 according to this embodiment includes a first electrode 4 that carries the metal layer 2, a second electrode 6 that is disposed so as to face the first electrode 4, and the first electrode 4 and the second electrode 6. It has an electrolyte layer 22 provided therebetween and a dye 24 fixed to the metal layer 2. In addition, since the metal layer 2, the first electrode 4, and the second electrode 6 of the solar cell 20 are the same as those in the first embodiment described above, the description thereof is omitted here, and the electrolyte layer 22 and the dye 24 are mainly described. explain.
電解質層22は、酸化状態にある色素24に電子を受け渡して酸化されるとともに、第2電極6側から流れ込む電子を受け取って還元される電荷輸送材料を含有する。例えば、酸化還元対イオンが溶媒に溶解した電解液や、酸化還元対イオンを含有する常温溶融塩や、酸化還元対イオンの溶液を低分子ゲル化剤等に含浸したゲル状電解質などを電解質層22として用いることができる。 The electrolyte layer 22 contains a charge transport material that delivers electrons to the dye 24 in the oxidized state and is oxidized, and receives and reduces electrons flowing from the second electrode 6 side. For example, an electrolyte layer containing an electrolyte solution in which a redox counter ion is dissolved in a solvent, a room temperature molten salt containing the redox counter ion, a gel electrolyte in which a solution of the redox counter ion is impregnated in a low molecular gelling agent, or the like 22 can be used.
色素24は、光の照射によって電子が励起される電子供与体としての役割を有しており、第1電極4および電解質層22と電子を授受するようになっている。色素24としては、例えば、トリス(2,2’−ビピリジン)ルテニウム(II)錯体をはじめとするルテニウム金属錯体色素や、ポルフィリン色素、フタロシアニン色素、シアニン色素、メロシアニン色素などの有機系色素を用いることができる。 The dye 24 has a role as an electron donor in which electrons are excited by light irradiation, and exchanges electrons with the first electrode 4 and the electrolyte layer 22. As the dye 24, for example, a ruthenium metal complex dye such as a tris (2,2′-bipyridine) ruthenium (II) complex, or an organic dye such as a porphyrin dye, a phthalocyanine dye, a cyanine dye, or a merocyanine dye is used. Can do.
ここで、色素24が固定される金属層2は、上述の第1実施形態で説明したように、電解めっきで形成されており、強い局在表面プラズモン電場が発生しやすい微細構造、具体的には、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する。このため、光が照射されると金属層2に強力な局在表面プラズモン電場が発生し、この局在表面プラズモン電場によって色素24(電子供与体)の電子の励起が促進される。したがって、太陽電池20の変換効率を大幅に向上させることができる。また、この太陽電池20では、金属層2を電解めっきで形成しているので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。 Here, as described in the first embodiment, the metal layer 2 to which the dye 24 is fixed is formed by electrolytic plating, and has a fine structure in which a strong localized surface plasmon electric field is likely to be generated. Has a porous microstructure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions. Therefore, when irradiated with light, a strong localized surface plasmon electric field is generated in the metal layer 2, and excitation of electrons of the dye 24 (electron donor) is promoted by the localized surface plasmon electric field. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell 20 can be greatly improved. Moreover, in this solar cell 20, since the metal layer 2 is formed by electroplating, mass production is easy and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
また太陽電池20のように電解質層22を有する色素増感型太陽電池では、一般に、近赤外域を含む長波長域(およそ550nmよりも長い波長領域)での変換効率が低いことが問題になっているが、本実施形態のように、電解めっきにより形成した金属層2が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、近赤外域を含む長波長域における変換効率を著しく改善することができる。
また、色素増感型太陽電池では、従来から色素24の新規開発により変換効率を改善する試みがなされているが、本実施形態のように、電解めっきにより形成した金属層2が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、色素24自体の分子構造を変えずに変換効率を向上させることができる。
Further, in the dye-sensitized solar cell having the electrolyte layer 22 like the solar cell 20, generally, the conversion efficiency in the long wavelength region including the near infrared region (wavelength region longer than about 550 nm) is low. However, the conversion efficiency in the long wavelength region including the near infrared region is remarkably improved by using the strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer 2 formed by electrolytic plating as in this embodiment. Can do.
In addition, in the dye-sensitized solar cell, attempts have been made to improve the conversion efficiency by the new development of the dye 24. However, as in this embodiment, a strong station where the metal layer 2 formed by electrolytic plating is generated. By using the surface plasmon electric field, the conversion efficiency can be improved without changing the molecular structure of the dye 24 itself.
続いて、本実施形態の太陽電池20の製造方法について説明する。図3に示す太陽電池20を得るには、まず第1電極4を準備する。次に、第1電極4上に金属層2を電解めっきで形成する。この後、共有結合又は静電相互作用によって、金属層2に色素24を固定化する。そして、色素24を担持する金属層2が形成された第1電極4に対向するように第2電極6を設ける。最後に、第1電極4と第2電極6との間に、電解質層22を充填し、接着剤等で密封することで太陽電池20が得られる。 Then, the manufacturing method of the solar cell 20 of this embodiment is demonstrated. In order to obtain the solar cell 20 shown in FIG. 3, first, the first electrode 4 is prepared. Next, the metal layer 2 is formed on the first electrode 4 by electrolytic plating. Thereafter, the dye 24 is immobilized on the metal layer 2 by covalent bonding or electrostatic interaction. Then, the second electrode 6 is provided so as to face the first electrode 4 on which the metal layer 2 carrying the pigment 24 is formed. Finally, the solar cell 20 is obtained by filling the electrolyte layer 22 between the first electrode 4 and the second electrode 6 and sealing with an adhesive or the like.
[第3実施形態]
次に、第3実施形態に係る太陽電池について説明する。
図4は、本実施形態に係る太陽電池の構成例を示す断面図である。本実施形態に係る太陽電池30は、金属層2を担持する第1電極4と、第1電極4に対向するように配置された第2電極6と、第1電極4および第2電極6の間に設けられたp型無機半導体32およびn型無機半導体34とを有する。なお、太陽電池30の金属層2、第1電極4および第2電極6は、上述の第1実施形態と同一であるから、ここではその説明を省略し、p型無機半導体32およびn型無機半導体34を中心に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a solar cell according to the third embodiment will be described.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the solar cell according to the present embodiment. The solar cell 30 according to this embodiment includes a first electrode 4 that carries the metal layer 2, a second electrode 6 that is disposed so as to face the first electrode 4, and the first electrode 4 and the second electrode 6. A p-type inorganic semiconductor 32 and an n-type inorganic semiconductor 34 are provided therebetween. In addition, since the metal layer 2, the first electrode 4, and the second electrode 6 of the solar cell 30 are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted here, and the p-type inorganic semiconductor 32 and the n-type inorganic will be omitted. The semiconductor 34 will be mainly described.
p型無機半導体32およびn型無機半導体34は、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、多結晶シリコンなどの結晶系半導体材料や、アモルファスシリコンなどのアモルファス系半導体材料や、GaAs、InP、AlGaAs、CdS、CdTe、Cu2S、CuInSe2、CuInS2などの化合物系半導体材料にホウ素、アルミニウム、リン、ヒ素などの不純物をドープしたものを用いることができる。 The p-type inorganic semiconductor 32 and the n-type inorganic semiconductor 34 are made of a crystalline semiconductor material such as single crystal silicon, single crystal germanium, and polycrystalline silicon, an amorphous semiconductor material such as amorphous silicon, GaAs, InP, AlGaAs, CdS, A compound semiconductor material such as CdTe, Cu 2 S, CuInSe 2 , or CuInS 2 doped with an impurity such as boron, aluminum, phosphorus, or arsenic can be used.
p型無機半導体32は、pn接合面においてn型無機半導体34と接しており、pn接合面を含む空乏層には、n型無機半導体34からp型無機半導体32に向かう内部電界が形成されている。光の照射によってp型無機半導体32の電子が励起されると、空乏層に形成された内部電界によってn型無機半導体34に移動し、第2電極6から取り出される。一方、光の照射によって発生した空孔(ホール)は、空乏層に形成された内部電界によってp型無機半導体32に移動し、第1電極4から取り出される。すなわち、pn接合部におけるp型無機半導体32が「電子供与体」としての役割を果たす。 The p-type inorganic semiconductor 32 is in contact with the n-type inorganic semiconductor 34 at the pn junction surface, and an internal electric field from the n-type inorganic semiconductor 34 toward the p-type inorganic semiconductor 32 is formed in the depletion layer including the pn junction surface. Yes. When the electrons of the p-type inorganic semiconductor 32 are excited by light irradiation, they move to the n-type inorganic semiconductor 34 by the internal electric field formed in the depletion layer and are taken out from the second electrode 6. On the other hand, vacancies (holes) generated by light irradiation move to the p-type inorganic semiconductor 32 by an internal electric field formed in the depletion layer and are taken out from the first electrode 4. That is, the p-type inorganic semiconductor 32 at the pn junction serves as an “electron donor”.
ここで、金属層2は、上述の第1実施形態で説明したように、電解めっきで形成されており、強い局在表面プラズモン電場が発生しやすい微細構造、具体的には、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する。このため、光が照射されると金属層2に強力な局在表面プラズモン電場が発生し、この局在表面プラズモン電場によって電子供与体(pn接合部におけるp型無機半導体32)の電子の励起が促進される。したがって、太陽電池30の変換効率を大幅に向上させることができる。また、この太陽電池30では、金属層2を電解めっきで形成しているので、大量生産することが容易であり、太陽電池の製造コストを低減できる。 Here, as described in the first embodiment, the metal layer 2 is formed by electrolytic plating, and has a fine structure in which a strong localized surface plasmon electric field is likely to be generated, specifically, a metal having protrusions. It has a porous microstructure consisting of aggregates of granular materials. Therefore, when irradiated with light, a strong localized surface plasmon electric field is generated in the metal layer 2, and the electron excitation of the electron donor (p-type inorganic semiconductor 32 at the pn junction) is excited by this localized surface plasmon electric field. Promoted. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell 30 can be greatly improved. Moreover, in this solar cell 30, since the metal layer 2 is formed by electrolytic plating, mass production is easy and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced.
無機半導体を用いた太陽電池では、一般に、p型無機半導体およびn型無機半導体の吸収係数が低いため、十分な変換効率を得るには半導体を厚くする必要があった。しかし、本実施形態のように、電解めっきにより形成した金属層2が発生する強い局在表面プラズモン電場を利用することで、半導体を薄くしても十分な変換効率が得られるので、太陽電池30を軽量化するとともに、材料費を低減することができる。 In a solar cell using an inorganic semiconductor, the p-type inorganic semiconductor and the n-type inorganic semiconductor generally have a low absorption coefficient. Therefore, it is necessary to increase the thickness of the semiconductor in order to obtain sufficient conversion efficiency. However, as in this embodiment, by using a strong localized surface plasmon electric field generated by the metal layer 2 formed by electrolytic plating, sufficient conversion efficiency can be obtained even if the semiconductor is thinned. Can be reduced in weight and the material cost can be reduced.
本発明に係る太陽電池の変換効率を評価するために、以下のようなサンプルを作製して光電流を測定する実験を行った。 In order to evaluate the conversion efficiency of the solar cell according to the present invention, the following samples were prepared and experiments for measuring photocurrent were performed.
[実施例1]
表面にITO薄膜を蒸着したガラス基板(第1電極4に相当)に、ガルバノスタット(株式会社扶桑製作所製、HECS 315B)を用いて、金からなる金属層2を電解めっきで形成した。電解めっきは、1wt%のHAuCl4が溶解した水溶液をめっき浴として用い、ITO薄膜をアノード、プラチナ電極をカソードとして、電流密度が30mA/cm2でめっき時間が15秒の条件で行った。
[Example 1]
A metal layer 2 made of gold was formed by electrolytic plating on a glass substrate (corresponding to the first electrode 4) having an ITO thin film deposited on the surface, using galvanostat (manufactured by Fuso Seisakusho, HECS 315B). Electrolytic plating was performed using an aqueous solution in which 1 wt% of HAuCl 4 was dissolved as a plating bath, using an ITO thin film as an anode and a platinum electrode as a cathode, with a current density of 30 mA / cm 2 and a plating time of 15 seconds.
図5は、実施例1において得られた金属層2の微細構造を示すSEM写真である。図5から分かるように、電解めっきにより得られた金属層2は、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する。なお、この微細構造のSEM写真においては、金属粒状物の突起の突起角は90度以下のものが大半であり、金属層2の見かけ表面積に対する実効表面積の比は50程度であること、金属粒状物が多層に重なった構造であることが分かった。
なお、金属層2の膜厚は、金属層2の膜密度(≒30%)を考慮に入れてめっき条件から算出したところ、約420nmであった。
FIG. 5 is an SEM photograph showing the fine structure of the metal layer 2 obtained in Example 1. As can be seen from FIG. 5, the metal layer 2 obtained by electrolytic plating has a porous microstructure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions. In the SEM photograph of this fine structure, the projection angle of the projections of the metal granular material is mostly 90 degrees or less, and the ratio of the effective surface area to the apparent surface area of the metal layer 2 is about 50. It was found that the structure was a multilayered structure.
The film thickness of the metal layer 2 was about 420 nm as calculated from the plating conditions in consideration of the film density (≈30%) of the metal layer 2.
一方、電子供与体として、ポルフィリン誘導体([Po]2)を合成し、このポルフィリン誘導体を含むCH2Cl2溶液に上述の金属層2を形成した第1電極4を5日間含浸させて、金属層2の表面にポルフィリンを固定化した。このときのポルフィリンの被覆率は、サイクリック・ボルタンメトリーを用いて、0.5mol/dm3のn−Bu4NClO4を含むCH2Cl2溶液中でPo部の酸化波を測定することで評価したところ、9.8×10−11mol/cm2であった。 On the other hand, a porphyrin derivative ([Po] 2 ) is synthesized as an electron donor, and the first electrode 4 having the metal layer 2 formed thereon is impregnated for 5 days in a CH 2 Cl 2 solution containing the porphyrin derivative. Porphyrin was immobilized on the surface of layer 2. The coverage of porphyrin at this time was evaluated by measuring the oxidation wave of the Po part in a CH 2 Cl 2 solution containing 0.5 mol / dm 3 of n-Bu 4 NClO 4 using cyclic voltammetry. However, it was 9.8 × 10 −11 mol / cm 2 .
このようにして得られたサンプルに流れる光電流を、0.1MのNaClO4水溶液中において犠牲的電子受容体としてのメチルビオロゲン(5mM)の存在下で、ポテンショスタット(株式会社扶桑製作所製、HECS 318)を用いて測定した。 The photocurrent flowing through the sample thus obtained was subjected to potentiostat (manufactured by Fuso Mfg. Co., Ltd., HECS) in the presence of methyl viologen (5 mM) as a sacrificial electron acceptor in a 0.1 M NaClO 4 aqueous solution. 318).
図6は、サンプルに流れた光電流の測定結果を示すグラフである。なお、図6には、比較対照として、金を真空蒸着して形成した平滑金属層を金属層2に代えた場合の光電流も示した。
図6から分かるように、金属層が真空蒸着で形成した平滑構造である場合(図中の□で示したグラフ)に比べて、本実施例のように、金属層が電解めっきで形成した微細構造である場合(図中の●で示したグラフ)、格段に大きな光電流が得られた(特に、550nmを超える長波長域において、50〜300倍近く大きな光電流が得られた)。
FIG. 6 is a graph showing the measurement result of the photocurrent flowing through the sample. In addition, in FIG. 6, the photoelectric current at the time of replacing the smooth metal layer formed by vacuum-depositing gold | metal | money with the metal layer 2 was also shown as a comparison.
As can be seen from FIG. 6, compared to the case where the metal layer has a smooth structure formed by vacuum deposition (graph indicated by □ in the figure), the metal layer is formed by electrolytic plating as in this example. In the case of a structure (a graph indicated by ● in the figure), a remarkably large photocurrent was obtained (in particular, a photocurrent nearly 50 to 300 times larger was obtained in a long wavelength region exceeding 550 nm).
[実施例2]
めっき時間を1秒にした以外は、実施例1と同様の条件でサンプルを作製した。
図7は、実施例2において得られた金属層2の微細構造を示すSEM写真である。図5から分かるように、電解めっきにより得られた金属層2は、突起を有する金属粒状物の集合体からなる多孔性の微細構造を有する。なお、この微細構造のSEM写真においては、金属粒状物の突起の突起角は実施例1と同様に90度以下であったが、角状の形状部位が実施例1に比較して顕著に少なく丸みを帯びた表面形状の部位が顕著に広く、金属層2の見かけ表面積に対する実効表面積の比は約5であることが分かった。
このサンプルを用いて、実施例1と同様に光電流を測定したところ、金属層が真空蒸着で形成した平滑構造である場合に比べて格段に大きな光電流が得られた。
[Example 2]
A sample was produced under the same conditions as in Example 1 except that the plating time was 1 second.
FIG. 7 is an SEM photograph showing the fine structure of the metal layer 2 obtained in Example 2. As can be seen from FIG. 5, the metal layer 2 obtained by electrolytic plating has a porous microstructure composed of an aggregate of metal particulates having protrusions. In the SEM photograph of this fine structure, the projection angle of the projection of the metal granular material was 90 degrees or less as in the first embodiment, but the angular shape portion was significantly fewer than in the first embodiment. It was found that the rounded surface-shaped portion was remarkably wide, and the ratio of the effective surface area to the apparent surface area of the metal layer 2 was about 5.
Using this sample, the photocurrent was measured in the same manner as in Example 1. As a result, a much larger photocurrent was obtained as compared with the case where the metal layer had a smooth structure formed by vacuum deposition.
[比較例1]
平均粒径が14nmの金粒子を含むコロイド溶液とヘキサンとの液液界面を形成した状態で、メタノールを注ぎ込み、液液界面に金粒子膜を形成し、この金粒子膜をITO薄膜上にすくい取った。この後、実施例1と同様な手法で金粒子膜の表面にポルフィリンを固定化した。
[Comparative Example 1]
In a state where a liquid-liquid interface between a colloidal solution containing gold particles having an average particle diameter of 14 nm and hexane is formed, methanol is poured to form a gold particle film on the liquid-liquid interface, and this gold particle film is scooped on the ITO thin film. I took it. Thereafter, porphyrin was immobilized on the surface of the gold particle film in the same manner as in Example 1.
このようにして得られたサンプルに流れる光電流を、0.1MのNaClO4水溶液中において犠牲的電子受容体としての酸素の存在下で、ポテンショスタット(株式会社扶桑製作所製、HECS 318)を用いて測定した。 The photocurrent flowing through the sample thus obtained was subjected to potentiostat (manufactured by Fuso Seisakusho, HECS 318) in the presence of oxygen as a sacrificial electron acceptor in 0.1 M NaClO 4 aqueous solution. It was measured.
図8は、サンプルに流れた光電流の測定結果を示すグラフである。なお、図8には、比較対照として、金属層が真空蒸着で形成した平滑構造である場合の光電流も示した。
図8から分かるように、金属層が真空蒸着で形成した平滑構造である場合(図中の□で示したグラフ)に比べて、本比較例のように、金属層が金粒子膜である場合(図中の●で示したグラフ)、ある程度大きな高電流が得られた。
FIG. 8 is a graph showing the measurement result of the photocurrent flowing through the sample. FIG. 8 also shows the photocurrent when the metal layer has a smooth structure formed by vacuum deposition as a comparative control.
As can be seen from FIG. 8, when the metal layer is a gold particle film as in this comparative example, compared to the case where the metal layer has a smooth structure formed by vacuum deposition (graph indicated by □ in the figure). A large current was obtained to some extent (graph indicated by ● in the figure).
しかしながら、図6と図8を比較すれば分かるように、実施例1のほうが比較例1よりも著しく大きな光電流が得られた。この傾向は、550nmを超える長波長域において特に顕著であった。これは、実施例1のように電解めっきにより形成した金属層2を用いることで、金属層2への光照射時に発生する局在プラズモン電場が比較例1に比べて格段に強くなったためと考えられる。 However, as can be seen by comparing FIG. 6 and FIG. 8, the photocurrent in Example 1 was significantly greater than that in Comparative Example 1. This tendency was particularly remarkable in a long wavelength region exceeding 550 nm. This is considered to be because the localized plasmon electric field generated when the metal layer 2 is irradiated with light is remarkably stronger than that of Comparative Example 1 by using the metal layer 2 formed by electrolytic plating as in Example 1. It is done.
このように、電解めっきにより形成した金属層2を用いることで、金属層2への光照射時に発生する局在プラズモン電場が格段に強くなり、太陽電池の変換効率のドラスティックな向上が期待できることが確認された。 As described above, by using the metal layer 2 formed by electrolytic plating, the local plasmon electric field generated when the metal layer 2 is irradiated with light is remarkably strengthened, and drastic improvement in the conversion efficiency of the solar cell can be expected. Was confirmed.
1 太陽電池
2 金属層
4 第1電極
6 第2電極
8 有機薄膜層
10 正孔輸送層
12 電子輸送層
20 太陽電池
22 電解質層
24 色素
30 太陽電池
32 p型無機半導体
34 n型無機半導体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solar cell 2 Metal layer 4 1st electrode 6 2nd electrode 8 Organic thin film layer 10 Hole transport layer 12 Electron transport layer 20 Solar cell 22 Electrolyte layer 24 Dye 30 Solar cell 32 p-type inorganic semiconductor 34 n-type inorganic semiconductor
Claims (10)
前記光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層とを備え、
前記金属層は電解めっきにより形成されていることを特徴とする太陽電池。 An electron donor in which electrons are excited by light irradiation;
A local surface plasmon electric field is generated by irradiation with the light, and a metal layer that promotes excitation of the electrons of the electron donor, and
The solar cell, wherein the metal layer is formed by electrolytic plating.
前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、p型有機半導体およびn型有機半導体を含む有機薄膜層とをさらに備え、
前記電子供与体は、前記p型有機半導体と前記n型有機半導体との接合部における前記p型有機半導体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の太陽電池。 A first electrode carrying the metal layer;
A second electrode disposed to face the first electrode;
An organic thin film layer disposed between the first electrode and the second electrode and including a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor;
The solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electron donor is the p-type organic semiconductor at a junction between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor.
前記金属層は、前記正孔輸送層との接触面とは反対側の表面において、前記有機薄膜層に接触していることを特徴とする請求項4に記載の太陽電池。 A hole transport layer disposed between the metal layer and the first electrode and supplying holes to the first electrode;
The solar cell according to claim 4, wherein the metal layer is in contact with the organic thin film layer on a surface opposite to a contact surface with the hole transport layer.
前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に充填される電解液とをさらに備え、
前記電子供与体は、前記金属層に固定された色素であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の太陽電池。 A first electrode carrying the metal layer;
A second electrode disposed to face the first electrode;
An electrolyte solution filled between the first electrode and the second electrode,
The solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electron donor is a dye fixed to the metal layer.
前記第1電極に対向するように配置される第2電極と、
前記金属層および前記第2電極の間に配置されるp型無機半導体およびn型無機半導体とをさらに備え、
前記電子供与体は、前記p型無機半導体と前記n型無機半導体との接合部における前記p型無機半導体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の太陽電池。 A first electrode carrying the metal layer;
A second electrode disposed to face the first electrode;
A p-type inorganic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor disposed between the metal layer and the second electrode;
4. The solar cell according to claim 1, wherein the electron donor is the p-type inorganic semiconductor at a junction between the p-type inorganic semiconductor and the n-type inorganic semiconductor. 5.
光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層を電解めっきにより第1電極上に形成する工程と、
前記金属層が形成された前記第1電極上に前記電子供与体を設ける工程と、
前記電子供与体を挟んで前記第1電極と対向するように第2電極を設ける工程とを備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。 A method for producing a solar cell that performs photoelectric conversion by irradiating light to an electron donor,
Forming a localized surface plasmon electric field by light irradiation and forming a metal layer on the first electrode by electrolytic plating to promote excitation of the electrons of the electron donor;
Providing the electron donor on the first electrode on which the metal layer is formed;
And a step of providing a second electrode so as to face the first electrode with the electron donor in between.
導電性を有する電極と、
前記電極上に電解めっきにより形成され、光の照射によって局在表面プラズモン電場を発生し、前記電子供与体の前記電子の励起を促進する金属層とを備えることを特徴とする太陽電池用の電極構造。 An electrode structure used in a solar cell that performs photoelectric conversion by irradiating light to an electron donor,
An electrode having conductivity;
An electrode for a solar cell, comprising: a metal layer formed by electrolytic plating on the electrode, generating a localized surface plasmon electric field by light irradiation, and promoting excitation of the electrons of the electron donor. Construction.
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