JP5517775B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換により光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element that converts light energy into electrical energy by photoelectric conversion.
太陽電池などの光電変換素子では、省資源化や低コスト化を図るために、光電変換層のさらなる薄膜化が望まれている。単純に光電変換層を薄膜化した場合には、光電変換層における光吸収量が減少するため、光電変換層における吸収量を増加させる技術が不可欠である。 In photoelectric conversion elements such as solar cells, further reduction in the thickness of the photoelectric conversion layer is desired in order to save resources and reduce costs. When the photoelectric conversion layer is simply thinned, the amount of light absorption in the photoelectric conversion layer decreases, so a technique for increasing the amount of absorption in the photoelectric conversion layer is essential.
このような技術として、光電変換層の表面および/または裏面にテクスチャ構造を作製し、光電変換層の表面、裏面において、それぞれ入射光、反射光を散乱させて、光電変換層での光路長を増大させる方法がある。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する技術が知られている。この場合には、光電変換層を透過しようとする光が周期的な微細パターンによって回折し、反射した光が光電変換層において全反射する条件を設定することで光が光電変換層内に閉じ込められ、光電変換効率の向上が図られる。 As such a technique, a texture structure is produced on the front surface and / or back surface of the photoelectric conversion layer, and incident light and reflected light are scattered on the front surface and back surface of the photoelectric conversion layer, respectively, so that the optical path length in the photoelectric conversion layer is increased. There are ways to increase it. In addition, a technique for processing a periodic fine structure in a photoelectric conversion element is known. In this case, the light to be transmitted through the photoelectric conversion layer is diffracted by the periodic fine pattern, and the light is confined in the photoelectric conversion layer by setting the condition that the reflected light is totally reflected in the photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion efficiency is improved.
従来のように、光電変換層の表面および/または裏面にテクスチャ構造を作製する構成では、テクスチャ構造がランダムであるため光の散乱性に規則性がなく、光電変換素子の外部に放射される光を低減することが本質的に困難である。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する場合には、周期配列の作製がコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。 In a conventional structure in which a texture structure is formed on the front surface and / or back surface of a photoelectric conversion layer, the texture structure is random, so there is no regularity in light scattering, and light emitted outside the photoelectric conversion element. Is inherently difficult to reduce. Further, when a periodic fine structure is processed in the photoelectric conversion element, it is expensive to produce a periodic array, and it is difficult to reduce the cost of the photoelectric conversion element.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑えながら、光電変換素子の光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることのできる技術の提供にある。 This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to provide the technique which can raise the light absorption rate of a photoelectric conversion element and improve photoelectric conversion efficiency, suppressing manufacturing cost.
本発明のある態様は、光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、受光面とは反対側の光電変換層の主表面側に2次元配列して設けられている複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子の数密度が5.0×108個/cm2以上3.0×109個/cm2以下の範囲であることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles provided in a two-dimensional array on the main surface side of the photoelectric conversion layer opposite to the light receiving surface, and the plurality of metal nanoparticles. The number density is in a range of 5.0 × 10 8 pieces / cm 2 or more and 3.0 × 10 9 pieces / cm 2 or less.
この態様の光電変換素子によれば、光電変換素子で吸収しきれなかった入射光が、受光面とは反対側の光電変換素子の主表面側に設けられた複数の金属ナノ粒子によって散乱反射されるため、光電変換層内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。 According to the photoelectric conversion element of this aspect, incident light that could not be absorbed by the photoelectric conversion element is scattered and reflected by the plurality of metal nanoparticles provided on the main surface side of the photoelectric conversion element opposite to the light receiving surface. Therefore, the optical path length of the incident light in the photoelectric conversion layer is increased, and the incident light can be efficiently absorbed.
上記態様の光電変換素子において、金属ナノ粒子が、Au、Ag、Al、Cuまたはこれらの金属の合金からなっていてもよい。金属ナノ粒子の表面を被覆する屈折率が1.3以上の誘電体層をさらに備えてもよい。金属ナノ粒子と光電変換層との間に設けられた透明薄膜をさらに備えてもよい。また、透明薄膜の酸素含有量が5atm%以上であってもよい。 In the photoelectric conversion element of the above aspect, the metal nanoparticles may be made of Au, Ag, Al, Cu, or an alloy of these metals. A dielectric layer having a refractive index of 1.3 or more that covers the surface of the metal nanoparticles may be further provided. A transparent thin film provided between the metal nanoparticles and the photoelectric conversion layer may be further provided. Further, the oxygen content of the transparent thin film may be 5 atm% or more.
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.
本発明によれば、製造コストを抑えながら、光電変換素子の光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light absorption rate of a photoelectric conversion element can be raised and photoelectric conversion efficiency can be improved, suppressing manufacturing cost.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1(A)は、実施の形態1に係る光電変換素子の構成を示す概略断面図である。図1(B)は、光電変換素子を受光面とは反対側から平面視したときの、金属ナノ粒子の配列の様子を示す平面図である。図1(A)は、図1(B)のA−A線上の断面図に相当する。図1(A)に示すように、光電変換素子10は、光電変換層20、反射防止膜32、複数の金属ナノ粒子36および誘電体層38を備える。本実施の形態では、光電変換素子10は太陽電池である。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of the photoelectric conversion element according to
光電変換層20は、p型半導体とn型半導体とが接合したpn接合を有し、pn接合の光起電力効果により太陽からの光エネルギーが電気エネルギーに変換される。n型半導体、p型半導体にそれぞれ電極(図示せず)を取り付けることにより、直流電流を光電変換素子10の外部に取り出すことができる。光電変換層20は、たとえば、単結晶Si基板であり、IV族半導体基板で構成された太陽電池として周知のpn接合を有する。
The
図1(A)および図1(B)に示すように、反射防止膜32は、光電変換素子10の受光面側において、光電変換層20の第1の主表面に設けられている。反射防止膜32は、光電変換素子10が受光する光の波長領域での透明性と、光電変換素子10が受光する光の反射を防止する機能を兼ね備えていれば、形態および材料は特に限定されないが、たとえば、SiO2、SiNx、TiO2、ITOなどが挙げられる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
複数の金属ナノ粒子36は、光電変換素子10の受光面とは反対側において、光電変換層20の第2の主表面の上に2次元配列して設けられている。言い換えると、複数の金属ナノ粒子36は、光電変換層20の第2の主表面上に2次元アレイ状に点在している。
The plurality of
金属ナノ粒子36の材料は、金属材料であればよく特に限定されないが、Frohlichモード(Bohren and Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983 を参照)の共鳴波長が反射を防止する光の波長と近い物が望ましく、たとえば、Au、Ag、Al、Cu、またはこれらの金属の合金が挙げられる。
The material of the
光電変換層20を平面視した場合の単位面積当たりの金属ナノ粒子36の数密度の好ましい範囲は、5.0×108個/cm2〜3.0×109個/cm2であり、より好ましくは7.0×108〜2.5×109個/cm2、さらに好ましくは1.0×109〜2.0×109個/cm2である。
A preferable range of the number density of the
金属ナノ粒子36の形状は特に限定されないが、たとえば、球状、半球状、円柱状、角柱状、ロッド状、円盤状などの形状が挙げられる。光電変換層20を平面視した場合の金属ナノ粒子36の径Dは、たとえば、80〜400nmの範囲である。光電変換層20の第2の主表面を基準面としたときの金属ナノ粒子36の高さHは、たとえば、5〜500nmの範囲である。
The shape of the
誘電体層38は、少なくとも金属ナノ粒子36の表面を被覆するように、光電変換層20の第2の主表面側に設けられている。誘電体層38の屈折率は1.3以上が好ましい。また、誘電体層38の特性として、光電変換素子10が受光する光に対する透明性が挙げられる。すなわち、誘電体層38のバンドギャップが、光電変換層20のバンドギャップよりも大きい。また、誘電体層38の上に電極を形成する場合には、集電性の向上の観点から導電性を有することが好ましい。誘電体層38の材料としては、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナ、水晶、フッ素樹脂、SnO2、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ITO、ZnO、SiO2、TiO2、ZrO2、Mn3O4、Y2O3、WO3、Nb2O5、La2O3、Ga2O3、Ag2O、CuO、a−Si:H、μc−Si:H、SiOx:H、SiC、SiNx、AlOx:H、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、トリアセチルセルロース、ポリウレタン、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられる。誘電体層38の厚さは、特に限定されないが、たとえば、5〜2000nmである。
The
以上説明した実施の形態1に係る光電変換素子10によれば、光電変換素子10で吸収しきれなかった入射光が、光電変換素子10の第2の主表面側に設けられた複数の金属ナノ粒子36によって散乱反射されるため、光電変換層20内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。
According to the
より詳しくは、単一の金属ナノ粒子36による光散乱には方向性がなく、単一の金属ナノ粒子36と衝突した光はランダム反射される。しかし、複数の金属ナノ粒子36の粒子密度を制御することで、金属ナノ粒子36同士の相互作用から、金属ナノ粒子36からの反射光の方向を制御することができる。特に、複数の金属ナノ粒子36の粒子密度を5.0×108個/cm2〜3.0×109個/cm2の範囲とすることにより、金属ナノ粒子36からの反射光の散乱角度が大きくなり、光電変換層20における光路長を増大させることができる。この結果、光電変換層20において、受光した光が効率的に吸収され、光電変換素子10の光電変換効率を高めることができる。
More specifically, light scattering by the
また、本実施の形態の光電変換素子10では、複数の金属ナノ粒子36が誘電体層38で被覆されている。これにより、金属ナノ粒子36が大気や水に曝されることが抑制されるため、金属ナノ粒子36の安定性を高めることができる。また、光電変換層20において、長波長側の光が透過しやすい場合に、金属ナノ粒子36の活性波長を長波長側にシフトさせつつ、散乱特性を向上させることができる。
In the
(光電変換素子の作製方法)
図2は、実施の形態1に係る光電変換素子の作製方法を示す工程断面図である。実施の形態1に係る光電変換素子の作製方法を図2を参照して説明する。
(Method for manufacturing photoelectric conversion element)
FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to
まず、図2(A)に示すように、受光面となる光電変換層20の第1の主表面S1に膜厚50〜200nmの反射防止膜32を積層する。なお、光電変換層20はp型単結晶Si基板を含み、光電変換層20には、周知の熱拡散法、イオン注入法、真空成膜法などを用いて予めp−n接合が形成されている。反射防止膜32の積層方法は特に限定されないが、たとえば、真空成膜法によりSiNxやITOなどの透明材料を光電変換層20に成膜する方法が挙げられる。
First, as shown in FIG. 2A, an
次に、図2(B)に示すように、受光面とは反対側の光電変換層20の第2の主表面S2にマスク40を形成する。マスク40には、光電変換層20の第2の主表面S2の金属ナノ粒子形成領域が露出するような複数の開口部42が形成されている。マスク40は、たとえば、アルミニウム基板の表面を陽極酸化した後に、陽極酸化された表面(ポーラスアルミナ膜)以外のアルミニウム基板を除去し、リン酸溶液を用いてポーラスアルミナ膜に貫通孔を形成することにより作製することができる。この他、マスク40は、所定の開口部をパターニングしたレジストにより作製することも可能である。マスク40としてレジストを用いることにより、金属ナノ粒子を規則的に2次元配列することができる。
Next, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2(C)に示すように、マスク40を介して光電変換層20の第2の主表面S2に向けて、Ag、Al、Au、Cuなどの金属またはこれらの金属を含む合金を真空蒸着法により堆積させる。金属粒子は、マスク40に設けられた開口部42を通過し、開口部42内で光電変換層20の第2の主表面S2上に選択的に堆積する。これにより、開口部42内に金属ナノ粒子36が形成され、光電変換層20の第2の主表面上に、複数の金属ナノ粒子36が2次元配列される。光電変換層20を平面視したときの、金属ナノ粒子36のサイズは、マスク40に設けられた開口部42のサイズで規定される。マスク40をポーラスアルミナ膜を用いて形成する場合には、開口部42のサイズは、アルミニウムの陽極酸化時の印加電圧に比例する。たとえば、0.3mol/lマロン酸電解液でアルミニウム基板に120V印加した場合には、開口部42の径は150nm程度となり、金属ナノ粒子36の径も150nm程度となる。また、光電変換層20の第2の主表面を基準面したときの金属ナノ粒子36の高さは、真空蒸着の時間を変えることにより制御することができる。真空蒸着の時間が短い場合には、球面が下方(光電変換層20の第2の主表面から遠ざかる方向)を向いた半球状となり、真空蒸着の時間が十分長い場合には、円柱状、角柱状またはフィラー状となる。
Next, as shown in FIG. 2C, a metal such as Ag, Al, Au, Cu, or an alloy containing these metals is directed toward the second main surface S <b> 2 of the
次に、図2(D)に示すように、マスク40を除去した後、金属ナノ粒子36の表面を被覆するように、誘電体層38を積層する。誘電体層38の積層方法は特に限定されないが、反射防止膜32の作製方法と同様に、たとえば、真空成膜法よりZnOなどの誘電材料を成膜する方法が挙げられる。
Next, as shown in FIG. 2D, after the
以上説明した工程により、実施の形態1に係る光電変換素子10を簡便に形成することができ、ひいては光電変換素子10の製造コストを低減することができる。
Through the steps described above, the
(実施の形態2)
図3は、実施の形態2に係る光電変換素子10の構成を示す概略断面図である。本実施の形態の光電変換素子10では、金属ナノ粒子36が光電変換層20の第2の主表面に直に接しておらず、金属ナノ粒子36と光電変換層20の第2の主表面との間に透明薄膜50が介在している。透明薄膜50は、光電変換素子10が受光する光に対して透明である。すなわち、透明薄膜50のバンドギャップが、光電変換層20のバンドギャップよりも大きい。また、光電変換層20の第2の主表面側に電極を形成する場合の集電性向上の観点から、透明薄膜50は導電性を有することが好ましい。透明薄膜50の材料として、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、サファイア、アルミナ、水晶、フッ素樹脂、SnO2、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ITO、ZnO、SiO2、TiO2、ZrO2、Mn3O4、Y2O3、WO3、Nb2O5、La2O3、Ga2O3、Ag2O、CuO、a−Si:H、μc−Si:H、SiOx:H、SiC、SiNx、AlOx:H、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、トリアセチルセルロース、ポリウレタン、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられる。透明薄膜50の厚さは、5〜200nmの範囲が好ましい。また、透明薄膜50中の酸素の含有量を5atm%以上であることが好ましい。この他、透明薄膜50の屈折率n1は、光電変換層20の屈折率n2に対して、n1>0.7n2という関係であることが好ましい。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the
金属ナノ粒子36が光電変換層20と接している構造の場合には、金属ナノ粒子36と光電変換層20の間の金属−半導体界面でキャリアの再結合反応が促進されることや、金属ナノ粒子36を構成する金属原子が光電変換層20の中に拡散して光電変換層20を汚染することで、光電変換素子10の光電変換効率が低下する可能性がある。このため、本実施の形態のように、光電変換層20の第2の主表面と、金属ナノ粒子36との間に透明薄膜50が介在することにより、金属ナノ粒子36と光電変換層20との間でキャリアの再結合が生じることを抑制することができる。さらに、透明薄膜50中の酸素の含有量を5atm%以上とすることにより、金属ナノ粒子36を構成する金属原子が光電変換層20へ拡散することを効果的に抑制することができる。
In the case where the
また、透明薄膜50の屈折率n1が光電変換層20の屈折率n2対してn1>0.7n2という関係にあることにより、金属ナノ粒子36からの反射光の散乱角をより大きくすることができ、光電変換層20における光路長をさらに増大させることができる。
Further, since the refractive index n 1 of the transparent
(実施例1)
<光電変換層の作製>
厚さ100μmのp型シリコンウェハー(抵抗率0.5〜5Ωcm)の一方の表面にi層として厚さ5nmのa−SiOx:Hを積層し、さらにi層の上に厚さ7.5nmのn型のa−Si:Hを積層し、光電変換層を作製した。p型シリコンウェハーの屈折率を分光エリプソメーターで測定した結果、600nmで3.9であった。
Example 1
<Preparation of photoelectric conversion layer>
On one surface of a 100 μm-thick p-type silicon wafer (resistivity 0.5-5 Ωcm), 5 nm thick a-SiO x : H is laminated as an i layer, and 7.5 nm thick on the i layer. N-type a-Si: H was laminated to produce a photoelectric conversion layer. The refractive index of the p-type silicon wafer was measured with a spectroscopic ellipsometer and found to be 3.9 at 600 nm.
<反射防止膜の作製>
n型のa−Si:Hの上に、反射防止膜として厚さ75nmのITOを成膜した。
<Preparation of antireflection film>
On the n-type a-Si: H, ITO having a thickness of 75 nm was formed as an antireflection film.
<透明薄膜層の作製>
p型シリコンウェハーの露出面(裏面)に、透明薄膜層としてp型の微結晶SiOx:Hを30nm成膜した。p型の微結晶SiOx:H膜の酸素含有量をX線光電子分光法で評価した結果、8atm%であった。また、p型の微結晶SiOx:Hの600nmにおける屈折率を分光エリプソメーターで測定した結果、3.4であった。
<Preparation of transparent thin film layer>
On the exposed surface (back surface) of the p-type silicon wafer, 30 nm of p-type microcrystalline SiO x : H was formed as a transparent thin film layer. As a result of evaluating the oxygen content of the p-type microcrystalline SiO x : H film by X-ray photoelectron spectroscopy, it was 8 atm%. The refractive index at 600 nm of p-type microcrystalline SiO x : H was measured with a spectroscopic ellipsometer and found to be 3.4.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.3mol/Lマロン酸水溶液中で120Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が150nm、孔密度が1.8×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ75nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。得られた金属ナノ粒子の径および密度は、真空蒸着の際に使用したアルミナマスクに形成された貫通孔の径および密度とそれぞれ同一であることを走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて確認した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 120 V in a 0.3 mol / L malonic acid aqueous solution, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the number of holes formed in the barrier layer is increased by 20 times. By penetrating using a diluted phosphoric acid aqueous solution, an alumina mask having an average pore diameter of 150 nm and a pore density of 1.8 × 10 9 holes / cm 2 was obtained. An array of metal nanoparticles having a height of 75 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through this alumina mask. It was confirmed by using a scanning electron microscope (SEM) that the diameter and density of the obtained metal nanoparticles were the same as the diameter and density of the through holes formed in the alumina mask used in vacuum deposition. .
<誘電体層の作製>
金属ナノ粒子を被覆する誘電体層として、厚さ200nmのZnOを成膜した。ZnOの屈折率を分光エリプソメーターで測定した結果、600nmで1.9であった。
<電極の作製>
反射防止膜を構成するITOの上にAgを用いて細線電極を形成した。また、誘電体層を構成するZnOの上(光電変換層とは反対側のZnOの主表面上)にAgを用いて全面電極を形成した。
<Preparation of dielectric layer>
A ZnO film having a thickness of 200 nm was formed as a dielectric layer covering the metal nanoparticles. As a result of measuring the refractive index of ZnO with a spectroscopic ellipsometer, it was 1.9 at 600 nm.
<Production of electrode>
A thin wire electrode was formed on the ITO constituting the antireflection film using Ag. Further, a full-surface electrode was formed on the ZnO constituting the dielectric layer (on the main surface of ZnO opposite to the photoelectric conversion layer) using Ag.
以上の工程により、実施例1の光電変換素子(太陽電池)を作製した。 The photoelectric conversion element (solar cell) of Example 1 was produced through the above steps.
(実施例2)
実施例2の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Example 2)
The solar cell of Example 2 was produced in the same procedure as Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.2mol/Lマロン酸と0.2mol/L酒石酸の混合水溶液中で160Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が200nm、孔密度が1.0×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ100nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 160V in a mixed aqueous solution of 0.2 mol / L malonic acid and 0.2 mol / L tartaric acid, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed to form a barrier layer. The formed many holes were penetrated using a phosphoric acid aqueous solution diluted 20 times to obtain an alumina mask having an average pore diameter of 200 nm and a pore density of 1.0 × 10 9 holes / cm 2 . An array of metal nanoparticles having a height of 100 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through the alumina mask.
(実施例3)
実施例3の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Example 3)
The solar cell of Example 3 was produced in the same procedure as in Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.2mol/L酒石酸水溶液中で200Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が250nm、孔密度が7.0×108個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ125nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 200 V in a 0.2 mol / L tartaric acid aqueous solution, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the numerous holes formed in the barrier layer are diluted 20 times. By making the phosphoric acid aqueous solution penetrate, an alumina mask having an average pore diameter of 250 nm and a pore density of 7.0 × 10 8 pieces / cm 2 was obtained. An array of metal nanoparticles having a height of 125 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through the alumina mask.
(実施例4)
実施例4の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
Example 4
The solar cell of Example 4 was produced in the same procedure as Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.3mol/Lマロン酸水溶液中で120Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が150nm、孔密度が1.8×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクにAgを90nm真空蒸着することで平均孔径を100nm、孔密度を1.8×109個/cm2とした。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ50nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 120 V in a 0.3 mol / L malonic acid aqueous solution, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the number of holes formed in the barrier layer is increased by 20 times. By penetrating using a diluted phosphoric acid aqueous solution, an alumina mask having an average pore diameter of 150 nm and a pore density of 1.8 × 10 9 holes / cm 2 was obtained. Ag was vacuum-deposited on this alumina mask by 90 nm to obtain an average pore diameter of 100 nm and a pore density of 1.8 × 10 9 holes / cm 2 . An array of metal nanoparticles having a height of 50 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through this alumina mask.
(実施例5)
実施例5の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Example 5)
The solar cell of Example 5 was produced in the same procedure as in Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.2mol/Lマロン酸と0.2mol/L酒石酸の混合水溶液中で160Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が200nm、孔密度が1.8×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクにAgを300nm真空蒸着することで平均孔径を100nm、孔密度を1.0×109個/cm2とした。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ50nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 160V in a mixed aqueous solution of 0.2 mol / L malonic acid and 0.2 mol / L tartaric acid, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed to form a barrier layer. The formed many holes were penetrated using a phosphoric acid aqueous solution diluted 20 times to obtain an alumina mask having an average pore diameter of 200 nm and a pore density of 1.8 × 10 9 holes / cm 2 . Ag was vacuum-deposited on the alumina mask by 300 nm to obtain an average pore diameter of 100 nm and a pore density of 1.0 × 10 9 holes / cm 2 . An array of metal nanoparticles having a height of 50 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through this alumina mask.
(実施例6)
実施例6の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Example 6)
The solar cell of Example 6 was produced in the same procedure as in Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.3mol/Lマロン酸水溶液中で120Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させ、さらに孔径を拡大することで、平均孔径が200nm、孔密度が1.8×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ100nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 120 V in a 0.3 mol / L malonic acid aqueous solution, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the number of holes formed in the barrier layer is increased by 20 times. By penetrating with a diluted phosphoric acid aqueous solution and further enlarging the pore diameter, an alumina mask having an average pore diameter of 200 nm and a pore density of 1.8 × 10 9 holes / cm 2 was obtained. An array of metal nanoparticles having a height of 100 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through the alumina mask.
(比較例1)
比較例1の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Comparative Example 1)
The solar cell of Comparative Example 1 was produced in the same procedure as Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.1mol/Lシュウ酸と0.1mol/Lマロン酸の混合水溶液中で80Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が100nm、孔密度が3.3×109個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ50nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate at 80 V in a mixed aqueous solution of 0.1 mol / L oxalic acid and 0.1 mol / L malonic acid, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the barrier layer A large number of holes formed in 1 were penetrated using a phosphoric acid aqueous solution diluted 20 times to obtain an alumina mask having an average pore diameter of 100 nm and a pore density of 3.3 × 10 9 holes / cm 2 . An array of metal nanoparticles having a height of 50 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through this alumina mask.
(比較例2)
比較例2の太陽電池は、金属ナノ粒子の作製方法を除き、実施例1と同様な手順にて作製された。
(Comparative Example 2)
The solar cell of Comparative Example 2 was produced in the same procedure as in Example 1 except for the method for producing metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子の作製>
アルミニウム基板の表面を0.15mol/Lクエン酸水溶液中で240Vで陽極酸化した後に、酸化された表面(バリア層)以外のアルミニウム基板を除去し、バリア層に形成された多数の孔を20倍希釈したリン酸水溶液を用いて貫通させることにより、平均孔径が300nm、孔密度が4.0×108個/cm2のアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して微結晶SiOx:H上にAgを真空蒸着することにより、高さ150nmの金属ナノ粒子のアレイを形成した。
<Production of metal nanoparticles>
After anodizing the surface of the aluminum substrate in an aqueous 0.15 mol / L citric acid solution at 240 V, the aluminum substrate other than the oxidized surface (barrier layer) is removed, and the number of holes formed in the barrier layer is increased by 20 times. By penetrating using a diluted phosphoric acid aqueous solution, an alumina mask having an average pore diameter of 300 nm and a pore density of 4.0 × 10 8 holes / cm 2 was obtained. An array of metal nanoparticles having a height of 150 nm was formed by vacuum-depositing Ag on the microcrystalline SiO x : H through this alumina mask.
<量子効率の測定>
実施例1〜6および比較例1、2の太陽電池について、分光感度測定を行った。分光感度測定装置はキセノンランプとハロゲンランプの二灯式で、モノクロメーターで分光した300〜1200nmの単色光を太陽電池に照射しACモードで行い、それぞれの波長の照射光子数と光電流値から量子収率を算出した。基準となる試料として、金属ナノ粒子を形成しないことを除き、実施例1と同様の手順にて太陽電池を作製し、分光感度を測定した。この結果を基準として、実施例1〜6および比較例1、2の太陽電池について、それぞれ基準となる試料に対する相対的な量子収率を算出した。図4は、実施例2の太陽電池の量子収率を示すグラフである。また、実施例1〜6および比較例1、2の太陽電池の波長1100nmにおける量子収率を表1に示す。表1に示すように、実施例1〜6の太陽電池では、比較例1、2の太陽電池に対して量子収率が顕著に増大しており、実施例1〜6の太陽電池では、光吸収が増大する効果が確認された。
<Measurement of quantum efficiency>
Spectral sensitivity measurement was performed on the solar cells of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. The spectral sensitivity measuring device is a two-lamp type of xenon lamp and halogen lamp, and irradiates a monochromatic light of 300 to 1200 nm with a monochromator to a solar cell in an AC mode. From the number of photons and the photocurrent value of each wavelength. The quantum yield was calculated. As a reference sample, a solar cell was prepared in the same procedure as in Example 1 except that metal nanoparticles were not formed, and spectral sensitivity was measured. Based on this result, the relative quantum yields of the solar cells of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 with respect to the reference sample were calculated. FIG. 4 is a graph showing the quantum yield of the solar cell of Example 2. Table 1 shows the quantum yields of the solar cells of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 at a wavelength of 1100 nm. As shown in Table 1, in the solar cells of Examples 1 to 6, the quantum yield is remarkably increased as compared to the solar cells of Comparative Examples 1 and 2, and in the solar cells of Examples 1 to 6, The effect of increasing absorption was confirmed.
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
たとえば、上述した実施の形態では、光電変換層20にp−n接合が形成されているが、光電変換層20は、光電変換が可能が構造であればよく、光電変換層20にp−i−n接合が形成されていてもよい。
For example, in the above-described embodiment, a pn junction is formed in the
10 光電変換素子、20 光電変換層、32 反射防止膜、36 金属ナノ粒子、38 誘電体層、40 マスク、50 透明薄膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
受光面とは反対側の前記光電変換層の主表面側に2次元配列して設けられている複数の金属ナノ粒子と、
を備え、
前記複数の金属ナノ粒子の数密度が5.0×108個/cm2以上3.0×109個/cm2以下の範囲であることを特徴とする光電変換素子。 A photoelectric conversion layer;
A plurality of metal nanoparticles provided in a two-dimensional array on the main surface side of the photoelectric conversion layer opposite to the light receiving surface;
With
The photoelectric conversion element which is a range number density 5.0 × 10 8 / cm 2 or more 3.0 × 10 9 / cm 2 or less of the plurality of metallic nanoparticles.
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