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JP5667510B2 - 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.

特開昭61−288473号公報JP-A-61-288473 特開平4−133360号公報JP-A-4-133360 特開2000−294818号公報JP 2000-294818 A 特開2001−127313号公報JP 2001-127313 A 特表2009−533875号公報Special table 2009-533875 gazette

しかしながら、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、比較的多くの光が光電変換層に向けて反射されずに光電変換素子の外部に漏れていた。この外部に漏れる光を低減する方法としては、テクスチャ構造を周期的に配列することが考えられるが、周期配列されたテクスチャ構造の作製はコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する場合も、同様にコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。   However, in a configuration in which a texture structure is formed on the front surface and / or back surface of the photoelectric conversion layer as in the past, a relatively large amount of light leaks outside the photoelectric conversion element without being reflected toward the photoelectric conversion layer. As a method for reducing the light leaking to the outside, it is conceivable to periodically arrange the texture structure. However, the production of the periodically arranged texture structure is expensive, and the cost of the photoelectric conversion element is reduced. Becomes difficult. Further, when a periodic fine structure is processed in the photoelectric conversion element, the cost is similarly high, 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、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち0.3%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.3以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and a metal having a number of 0.3% or more among the plurality of metal nanoparticles. Nanoparticles are characterized by a circularity of greater than 0 and less than or equal to 0.3 when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち1%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.4以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 1% or more of the plurality of metal nanoparticles Is characterized in that the circularity when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer is greater than 0 and 0.4 or less.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち3%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.5以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 3% or more of the plurality of metal nanoparticles. Is characterized in that the circularity when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer is greater than 0 and 0.5 or less.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち6%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.6以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 6% or more among the plurality of metal nanoparticles. Is characterized in that the circularity when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer is greater than 0 and less than or equal to 0.6.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち1%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.3以上0.4以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 1% or more of the plurality of metal nanoparticles Has a circularity of 0.3 or more and 0.4 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち3%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.4以上0.5以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 3% or more of the plurality of metal nanoparticles. Has a circularity of 0.4 or more and 0.5 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子のうち4%以上の数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.5以上0.6以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the number of metal nanoparticles of 4% or more among the plurality of metal nanoparticles. Has a circularity of 0.5 or more and 0.6 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの平均円形度が0.8以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the plurality of metal nanoparticles are substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. The average circularity when viewed from various directions is 0.8 or less.

本発明の他の態様もまた光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、複数の金属ナノ粒子は、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの10%円形度が0.6以下であることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is also a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element includes a photoelectric conversion layer and a plurality of metal nanoparticles two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer, and the plurality of metal nanoparticles are substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. 10% circularity when viewed from various directions is 0.6 or less.

上記いずれかの態様の光電変換素子によれば、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。   According to the photoelectric conversion element of any one of the above aspects, the light absorption rate of the photoelectric conversion element can be increased and the photoelectric conversion efficiency can be improved while suppressing the manufacturing cost.

上記いずれかの態様の光電変換素子において、複数の金属ナノ粒子は、受光面とは反対側の光電変換層の主表面側に設けられてもよい。また、複数の金属ナノ粒子が、Au、Ag、Al、Cuまたはこれらの金属を含む合金からなってもよい。また、複数の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、光電変換層は、pn接合を有する単結晶シリコンまたはpn接合を有する多結晶シリコンであってもよい。また、複数の金属ナノ粒子は、金属薄膜の加熱処理によって形成されたものであってもよい。   In the photoelectric conversion element of any one of the above aspects, the plurality of metal nanoparticles may be provided on the main surface side of the photoelectric conversion layer on the side opposite to the light receiving surface. The plurality of metal nanoparticles may be made of Au, Ag, Al, Cu, or an alloy containing these metals. Moreover, you may further provide the transparent thin film provided between the some metal nanoparticle and the photoelectric converting layer. In addition, the photoelectric conversion layer may be single crystal silicon having a pn junction or polycrystalline silicon having a pn junction. The plurality of metal nanoparticles may be formed by heat treatment of a metal thin film.

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.

図1(A)は、実施形態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、半導体基板を裏面側から平面視したときの、金属ナノ粒子の配置の様子を示す平面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the photoelectric conversion element according to the embodiment. FIG. 1B is a plan view showing the arrangement of the metal nanoparticles when the semiconductor substrate is viewed from the back side. 図2(A)〜図2(E)は、実施形態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。2A to 2E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the embodiment.

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、実施形態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、金属ナノ粒子の配置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(B)では誘電体層38の図示を省略している。   FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the photoelectric conversion element according to the embodiment. FIG. 1B is a plan view showing the arrangement of the metal nanoparticles when the photoelectric conversion element is viewed in plan from the side opposite to the light receiving surface. FIG. 1A corresponds to a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. In FIG. 1B, the dielectric layer 38 is not shown.

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、誘電体層38および透明薄膜50を備える。本実施形態では、光電変換素子10は太陽電池である。   As shown in FIG. 1A, the photoelectric conversion element 10 includes a photoelectric conversion layer 20, an antireflection film 32, a plurality of metal nanoparticles 36, a dielectric layer 38, and a transparent thin film 50. In this embodiment, the photoelectric conversion element 10 is a solar cell.

光電変換層20は、たとえば、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、単結晶シリコン基板であり、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。なお、光電変換層20は、多結晶シリコン基板であってもよい。また、光電変換層20は、光電変換が可能な構造であればその構造は特に限定されず、光電変換層20にp−i−n接合が形成されていてもよい。   The photoelectric conversion layer 20 has, for example, a pn junction in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined, and light energy from the sun is converted into electrical energy by the photovoltaic effect of the pn junction. Direct current can be taken out of the photoelectric conversion element 10 by attaching electrodes (not shown) to the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, respectively. The photoelectric conversion layer 20 is, for example, a single crystal silicon substrate, and has a pn junction that is well-known as a solar cell formed of a group IV semiconductor substrate. Note that the photoelectric conversion layer 20 may be a polycrystalline silicon substrate. In addition, the structure of the photoelectric conversion layer 20 is not particularly limited as long as it is a structure capable of photoelectric conversion, and a p-i-n junction may be formed in the photoelectric conversion layer 20.

光電変換層20は、互いに対向する第1主表面S1と第2主表面S2とを有する。光電変換層20は、第1主表面S1が光電変換素子10の受光面側(図1(A)の上面側)に位置し、第2主表面S2が光電変換素子10の受光面とは反対側(図1(A)の下面側)に位置するように設けられている。   The photoelectric conversion layer 20 has a first main surface S1 and a second main surface S2 that face each other. In the photoelectric conversion layer 20, the first main surface S1 is positioned on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 10 (the upper surface side in FIG. 1A), and the second main surface S2 is opposite to the light receiving surface of the photoelectric conversion element 10. It is provided so that it may be located in the side (lower surface side of FIG. 1 (A)).

反射防止膜32は、光電変換層20の第1主表面S1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、SiO、SiN、TiO、ITOなどが挙げられる。 The antireflection film 32 is provided on the first main surface S <b> 1 of the photoelectric conversion layer 20. The antireflection film 32 is not particularly limited in form and material as long as it has both transparency in the wavelength region of light received by the photoelectric conversion element 10 and a function of preventing reflection of light received by the photoelectric conversion element 10. but, for example, SiO 2, SiN x, etc. TiO 2, ITO and the like.

複数の金属ナノ粒子36は、光電変換層20の主表面側に2次元配置されている。本実施形態では、複数の金属ナノ粒子36は、光電変換層20の第2主表面S2側に、2次元配置されている。より詳細には、複数の金属ナノ粒子36は、光電変換層20の第2主表面S2側に配置された後述する透明薄膜50の表面上に点在している。   The plurality of metal nanoparticles 36 are two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer 20. In the present embodiment, the plurality of metal nanoparticles 36 are two-dimensionally arranged on the second main surface S2 side of the photoelectric conversion layer 20. More specifically, the plurality of metal nanoparticles 36 are scattered on the surface of a transparent thin film 50 described later arranged on the second main surface S2 side of the photoelectric conversion layer 20.

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を含む合金が挙げられる。   The material of the metal nanoparticle 36 is not particularly limited as long as it is a metal material. The thing close | similar to the wavelength of this is desirable, for example, Au, Ag, Al, Cu or the alloy containing these metals is mentioned.

金属ナノ粒子36の3次元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。また、光電変換層20の主表面に略垂直な方向から見たとき、すなわち光電変換層20を平面視した場合、金属ナノ粒子36の形状は、円形度について以下の(1)〜(9)の条件の少なくとも1つを満たす。   The three-dimensional shape of the metal nanoparticles 36 is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a hemispherical shape, a cylindrical shape, a prismatic shape, a rod shape, and a disc shape. Further, when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer 20, that is, when the photoelectric conversion layer 20 is viewed in plan, the shape of the metal nanoparticles 36 is the following (1) to (9) with respect to the circularity. Satisfy at least one of the following conditions.

ここで、前記「円形度」とは、光電変換層20の主表面に略垂直な方向から見たとき(平面視したとき)の金属ナノ粒子36の形状がどれだけ円に近いかを示す指標であり、以下の式(1)で表される。円形度が1に近いほど、金属ナノ粒子36の形状が円に近い。
円形度=4πS/L・・・(1)
S:平面視したときの金属ナノ粒子36の面積
L:平面視したときの金属ナノ粒子36の周囲長
Here, the “circularity” is an index indicating how close the shape of the metal nanoparticles 36 is when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer 20 (when viewed in plan). And is represented by the following formula (1). The closer the circularity is to 1, the closer the shape of the metal nanoparticles 36 is to a circle.
Circularity = 4πS / L 2 (1)
S: Area of the metal nanoparticles 36 in a plan view L: Perimeter length of the metal nanoparticles 36 in a plan view

条件(1):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち0.3%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0より大きく0.3以下である。   Condition (1): Among the plurality of metal nanoparticles 36, 0.3% or more of the metal nanoparticles 36 have a circularity of more than 0 and 0.3 or less when viewed in plan.

条件(2):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち1%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0より大きく0.4以下である。   Condition (2): Among the plurality of metal nanoparticles 36, the circularity of the metal nanoparticles 36 of 1% or more of them when viewed in plan is greater than 0 and 0.4 or less.

条件(3):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち3%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0より大きく0.5以下である。   Condition (3): Among the plurality of metal nanoparticles 36, 3% or more of the metal nanoparticles 36 have a circularity greater than 0 and 0.5 or less when viewed in plan.

条件(4):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち6%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0より大きく0.6以下である。   Condition (4): Among the plurality of metal nanoparticles 36, the number of metal nanoparticles 36 of 6% or more has a circularity of greater than 0 and 0.6 or less when viewed in plan.

条件(5):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち1%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0.3以上0.4以下である。   Condition (5): The plurality of metal nanoparticles 36 have a circularity of 0.3 or more and 0.4 or less when the number of metal nanoparticles 36 of 1% or more is viewed in plan.

条件(6):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち3%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0.4以上0.5以下である。   Condition (6): The plurality of metal nanoparticles 36 have a circularity of 0.4 or more and 0.5 or less when 3% or more of the metal nanoparticles 36 are viewed in plan.

条件(7):複数の金属ナノ粒子36は、そのうち4%以上の数の金属ナノ粒子36が、平面視したときの円形度が0.5以上0.6以下である。   Condition (7): The plurality of metal nanoparticles 36 have a circularity of 0.5 or more and 0.6 or less when 4% or more of the metal nanoparticles 36 are viewed in plan.

条件(8):複数の金属ナノ粒子36は、平面視したときの平均円形度が0.8以下である。   Condition (8): The plurality of metal nanoparticles 36 have an average circularity of 0.8 or less when viewed in plan.

条件(9):複数の金属ナノ粒子36は、平面視したときの以下に定義される10%円形度が0.6以下である。
10%円形度:複数の金属ナノ粒子36の個数の10%をNとした場合、複数の金属ナノ粒子36を円形度の低い順に並べたときのN番目の金属ナノ粒子36の円形度。
Condition (9): The plurality of metal nanoparticles 36 have a 10% circularity defined below when viewed in plan of 0.6 or less.
10% circularity: When 10% of the number of the plurality of metal nanoparticles 36 is N, the circularity of the Nth metal nanoparticle 36 when the plurality of metal nanoparticles 36 are arranged in descending order of circularity.

複数の金属ナノ粒子36が上述した(1)〜(9)のいずれかの条件を満たす形状を有する場合、複数の金属ナノ粒子36が幅広い円形度の分布を持つ。これにより、より幅広い波長領域の光を効率よく光電変換層20に吸収させることができる。その結果、光電変換素子10の光電変換効率が向上する。   When the plurality of metal nanoparticles 36 have a shape that satisfies any of the above conditions (1) to (9), the plurality of metal nanoparticles 36 have a wide distribution of circularity. Thereby, light in a wider wavelength region can be efficiently absorbed by the photoelectric conversion layer 20. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 10 is improved.

光電変換層20を平面視した場合に略円形の金属ナノ粒子36については、その直径Dが、たとえば約10nm〜約1000nmの範囲である。光電変換層20と反対側の透明薄膜50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、約5nm〜約500nmの範囲である。   When the photoelectric conversion layer 20 is viewed in plan, the substantially circular metal nanoparticles 36 have a diameter D in the range of, for example, about 10 nm to about 1000 nm. The height H of the metal nanoparticles 36 when the main surface of the transparent thin film 50 opposite to the photoelectric conversion layer 20 is the reference plane is, for example, in the range of about 5 nm to about 500 nm.

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、1.0×10個/cm〜1.0×1010個/cmであり、より好ましくは1.0×10〜5.0×10個/cm、さらに好ましくは5.0×10〜2.0×10個/cmである。 A preferable range of the number density of the metal nanoparticles 36 per unit area when the photoelectric conversion layer 20 is viewed in plan is 1.0 × 10 7 / cm 2 to 1.0 × 10 10 / cm 2 , more preferably 1.0 × 10 8 ~5.0 × 10 9 pieces / cm 2, more preferably 5.0 × 10 8 ~2.0 × 10 9 pieces / cm 2.

透明薄膜50は、複数の金属ナノ粒子36と光電変換層20との間に設けられている。すなわち、透明薄膜50は、光電変換層20の第2主表面S2に設けられている。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主表面S2側に電極を形成する場合には、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。   The transparent thin film 50 is provided between the plurality of metal nanoparticles 36 and the photoelectric conversion layer 20. That is, the transparent thin film 50 is provided on the second main surface S <b> 2 of the photoelectric conversion layer 20. The transparent thin film 50 is transparent to the light received by the photoelectric conversion element 10. That is, the band gap of the transparent thin film 50 is larger than the band gap of the photoelectric conversion layer 20. Moreover, when forming an electrode in the 2nd main surface S2 side of the photoelectric converting layer 20, it is preferable that the transparent thin film 50 has electroconductivity from a viewpoint of a current collection improvement.

透明薄膜50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、SnO、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ITO、ZnO、SiO、TiO、ZrO、Mn、Y、WO、Nb、La、Ga、AgO、CuO、a−Si:H、μc−Si:H、SiO:H、SiC、SiN、AlO: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。 The material of the transparent thin film 50 includes calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, silicon carbide, sapphire, alumina, crystal, fluororesin, SnO 2 , FTO (fluorine-doped tin oxide), ITO, ZnO. , SiO 2, TiO 2, ZrO 2, Mn 3 O 4, Y 2 O 3, WO 3, Nb 2 O 5, La 2 O 3, Ga 2 O 3, Ag 2 O, CuO, a-Si: H, μc-Si: H, SiO x : H, SiC, SiN x , AlO x : H, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, polystyrene, polyimide, polyamide, poly Butylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polysulfone, Examples include polyethersulfone, polyetheretherketone, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, triacetyl cellulose, polyurethane, and cycloolefin polymer.

透明薄膜50の厚さは、約5nm〜約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nは、光電変換層20の屈折率nに対して、n>0.7nという関係であることが好ましい。 The thickness of the transparent thin film 50 is preferably in the range of about 5 nm to about 200 nm. Further, the oxygen content in the transparent thin film 50 is preferably 5 atm% or more. In addition, the refractive index n 1 of the transparent thin film 50 is preferably in a relationship of n 1 > 0.7n 2 with respect to the refractive index n 2 of the photoelectric conversion layer 20.

本実施形態に係る光電変換素子10では、金属ナノ粒子36と光電変換層20の第2主表面S2との間に透明薄膜50が介在している。そのため、金属ナノ粒子36は、光電変換層20の第2主表面S2に接していない。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。これに対し、本実施形態では、光電変換層20の第2主表面S2面と金属ナノ粒子36との間に透明薄膜50が介在しているため、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 photoelectric conversion element 10 according to this embodiment, the transparent thin film 50 is interposed between the metal nanoparticles 36 and the second main surface S2 of the photoelectric conversion layer 20. Therefore, the metal nanoparticles 36 are not in contact with the second main surface S2 of the photoelectric conversion layer 20. In the case where the metal nanoparticles 36 are in contact with the photoelectric conversion layer 20, the carrier recombination reaction is promoted at the metal-semiconductor interface between the metal nanoparticles 36 and the photoelectric conversion layer 20. The metal atoms constituting the particles 36 may diffuse into the photoelectric conversion layer 20 and contaminate the photoelectric conversion layer 20, which may reduce the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 10. On the other hand, in this embodiment, since the transparent thin film 50 is interposed between the second main surface S2 surface of the photoelectric conversion layer 20 and the metal nanoparticles 36, the metal nanoparticles 36 and the photoelectric conversion layer 20 It is possible to suppress recombination of carriers between the two. Furthermore, by setting the oxygen content in the transparent thin film 50 to 5 atm% or more, it is possible to effectively suppress the diffusion of metal atoms constituting the metal nanoparticles 36 into the photoelectric conversion layer 20.

また、透明薄膜50の屈折率nが光電変換層20の屈折率nに対してn>0.7n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 thin film 50 is in a relationship of n 1 > 0.7n 2 with respect to the refractive index n 2 of the photoelectric conversion layer 20, the scattering angle of the reflected light from the metal nanoparticles 36 is further increased. The optical path length in the photoelectric conversion layer 20 can be further increased.

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主表面S2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。誘電体層38は、光電変換素子10が受光する光に対して透明性を有する。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誘電体層38は導電性を有することが好ましい。   The dielectric layer 38 is provided on the second main surface S2 side of the photoelectric conversion layer 20 so as to cover at least the surface of the metal nanoparticles 36. The refractive index of the dielectric layer 38 is preferably 1.3 or more. The dielectric layer 38 is transparent to the light received by the photoelectric conversion element 10. That is, the band gap of the dielectric layer 38 is larger than the band gap of the photoelectric conversion layer 20. Moreover, when forming an electrode on the dielectric layer 38, it is preferable that the dielectric layer 38 has electroconductivity from a viewpoint of improvement of current collection property.

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、SnO、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ITO、ZnO、SiO、TiO、ZrO、Mn、Y、WO、Nb、La、Ga、AgO、CuO、a−Si:H、μc−Si:H、SiO:H、SiC、SiN、AlO: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、約5nm〜約2000nmである。 The material of the dielectric layer 38 includes calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride, lithium fluoride, silicon carbide, sapphire, alumina, crystal, fluororesin, SnO 2 , FTO (fluorine-doped tin oxide), ITO, ZnO, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, Mn 3 O 4, Y 2 O 3, WO 3, Nb 2 O 5, La 2 O 3, Ga 2 O 3, Ag 2 O, CuO, a-Si: H , Μc-Si: H, SiO x : H, SiC, SiN x , AlO x : H, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, polystyrene, polyimide, polyamide, Polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polysulfone, Examples include polyethersulfone, polyetheretherketone, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, triacetyl cellulose, polyurethane, and cycloolefin polymer. Although the thickness of the dielectric material layer 38 is not specifically limited, For example, they are about 5 nm-about 2000 nm.

(光電変換素子の作製方法)
本実施形態に係る光電変換素子10の作製方法を図2(A)〜図2(E)を参照して説明する。図2(A)〜図2(E)は、実施形態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。
(Method for manufacturing photoelectric conversion element)
A method for manufacturing the photoelectric conversion element 10 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2A to 2E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the embodiment.

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主表面S1に膜厚50〜200nmの反射防止膜32が積層される。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SiN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 antireflection film 32 having a thickness of 50 to 200 nm is laminated on the first main surface S1 of the photoelectric conversion layer 20 serving as a light receiving surface. The photoelectric conversion layer 20 includes a p-type single crystal Si substrate, and a pn junction is formed in advance in the photoelectric conversion layer 20 by using a known thermal diffusion method, ion implantation method, vacuum film formation method, or the like. . The method of laminating the antireflection film 32 is not particularly limited, and examples thereof include a method of forming a transparent material such as SiN x or ITO on the photoelectric conversion layer 20 by a vacuum film formation method.

次に、図2(B)に示すように、光電変換層20の第2主表面S2に膜厚5〜200nmの透明薄膜50が積層される。透明薄膜50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、真空成膜法によりμc−Si:H(微結晶Si:H)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。   Next, as illustrated in FIG. 2B, a transparent thin film 50 having a thickness of 5 to 200 nm is stacked on the second main surface S <b> 2 of the photoelectric conversion layer 20. The method for laminating the transparent thin film 50 is not particularly limited. As with the method for producing the antireflection film 32, for example, a transparent material such as μc-Si: H (microcrystalline Si: H) or ITO is photoelectrically applied by a vacuum film formation method. A method of forming a film on the conversion layer 20 is exemplified.

次に、図2(C)に示すように、透明薄膜50の主表面に、たとえば膜厚1〜200nmの金属薄膜35が積層される。金属薄膜35の積層方法は特に限定されないが、たとえば、真空蒸着法によりAg、Al、Au、Cuなどの金属またはこれらの金属を含む合金を透明薄膜50に堆積させて金属薄膜35を形成する方法が挙げられる。   Next, as shown in FIG. 2C, a metal thin film 35 having a thickness of, for example, 1 to 200 nm is laminated on the main surface of the transparent thin film 50. The method of laminating the metal thin film 35 is not particularly limited. For example, a method of forming a metal thin film 35 by depositing a metal such as Ag, Al, Au, Cu or an alloy containing these metals on the transparent thin film 50 by a vacuum evaporation method. Is mentioned.

次に、図2(D)に示すように、金属薄膜35が加熱され、これにより金属薄膜35が複数の粒子状に変形する。金属薄膜35の加熱温度は、たとえば100〜500℃である。その結果、透明薄膜50上に、複数の金属ナノ粒子36が2次元配置される。複数の金属ナノ粒子36の円形度は、金属薄膜35の膜厚や加熱温度等を変えることで調整することができる。   Next, as shown in FIG. 2D, the metal thin film 35 is heated, whereby the metal thin film 35 is deformed into a plurality of particles. The heating temperature of the metal thin film 35 is, for example, 100 to 500 ° C. As a result, the plurality of metal nanoparticles 36 are two-dimensionally arranged on the transparent thin film 50. The circularity of the plurality of metal nanoparticles 36 can be adjusted by changing the thickness of the metal thin film 35, the heating temperature, or the like.

次に、図2(E)に示すように、金属ナノ粒子36の表面を被覆するように誘電体層38が積層される。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、真空成膜法によりITOや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. 2E, a dielectric layer 38 is laminated so as to cover the surface of the metal nanoparticles 36. Although the method for laminating the dielectric layer 38 is not particularly limited, a method of forming a dielectric material such as ITO or ZnO by a vacuum film forming method can be cited as with the method for forming the antireflection film 32, for example.

以上説明した工程により、本実施形態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 photoelectric conversion element 10 according to this embodiment can be easily formed, and as a result, the manufacturing cost of the photoelectric conversion element 10 can be reduced.

以上説明した実施形態に係る光電変換素子10によれば、複数の金属ナノ粒子36が有する、局在表面プラズモン起因の強い光散乱性によって、光電変換層20で吸収しきれなかった入射光が散乱反射される。そのため、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。また、複数の金属ナノ粒子36は、幅広い円形度の分布を持つため、幅広い波長領域の光を効率よく光電変換層20に吸収させることができる。その結果、光電変換素子10の光電変換効率が向上する。   According to the photoelectric conversion element 10 according to the embodiment described above, incident light that could not be absorbed by the photoelectric conversion layer 20 is scattered due to the strong light scattering property caused by the localized surface plasmon that the plurality of metal nanoparticles 36 have. Reflected. Therefore, the optical path length of the incident light in the photoelectric conversion layer 20 is increased, and the incident light can be efficiently absorbed. Further, since the plurality of metal nanoparticles 36 have a wide circularity distribution, the photoelectric conversion layer 20 can efficiently absorb light in a wide wavelength region. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 10 is improved.

また、本実施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。   Further, in the photoelectric conversion element 10 of the present embodiment, the plurality of metal nanoparticles 36 are covered with the dielectric layer 38. Thereby, since it is suppressed that the metal nanoparticle 36 is exposed to air | atmosphere or water, stability of the metal nanoparticle 36 can be improved. Moreover, in the photoelectric converting layer 20, when long wavelength side light is easy to permeate | transmit, a scattering characteristic can be improved, shifting the active wavelength of the metal nanoparticle 36 to the long wavelength side.

以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described in detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(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−Si: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 to 5 Ωcm), 5 nm thick a-Si: 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.

<透明薄膜の作製>
p型シリコンウェハーの露出面(裏面)に、透明薄膜としてp型の微結晶Si:Hを30nm成膜した。
<Preparation of transparent thin film>
A p-type microcrystalline Si: H film having a thickness of 30 nm was formed as a transparent thin film on the exposed surface (back surface) of the p-type silicon wafer.

<金属ナノ粒子の作製>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を5nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, a 5 nm Ag thin film was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

<誘電体層の作製>
Ag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。
<Preparation of dielectric layer>
A ZnO film having a thickness of 200 nm was formed as a dielectric layer covering Ag nanoparticles.

<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(透明薄膜とは反対側のZnOの主表面上)にAgを用いて全面電極を形成した。
<Production of electrode>
A thin wire electrode was formed on the ITO constituting the antireflection film using Ag. A full-surface electrode was formed on the ZnO constituting the dielectric layer (on the main surface of ZnO opposite to the transparent thin film) 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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を10nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, an Ag thin film having a thickness of 10 nm was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を15nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, an Ag thin film having a thickness of 15 nm was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を20nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, an Ag thin film having a thickness of 20 nm was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を25nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, an Ag thin film having a thickness of 25 nm was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を30nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, a 30 nm Ag thin film was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(実施例7)
実施例7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 7)
The solar cell of Example 7 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>
透明薄膜の表面に、蒸着法によって金属薄膜としてAg薄膜を35nm成膜した。このAg薄膜に200℃で加熱処理を施し、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
On the surface of the transparent thin film, a 35 nm Ag thin film was formed as a metal thin film by vapor deposition. The Ag thin film was heat-treated at 200 ° C. to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(比較例1)
比較例1の太陽電池は、金属ナノ粒子を作製しなかったことを除き、実施例1と同様の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 in Example 1 except that no metal nanoparticles were produced.

(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0.1mol/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、複数の貫通孔を有するアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して透明薄膜上にAgを真空蒸着することにより、高さ50nmの複数のAgナノ粒子を形成した。
<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 An alumina mask having a plurality of through-holes was obtained by penetrating a large number of holes formed in the substrate using a phosphoric acid aqueous solution diluted 20 times. A plurality of Ag nanoparticles having a height of 50 nm were formed by vacuum-depositing Ag on the transparent thin film through this alumina mask.

(比較例3)
比較例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。
(Comparative Example 3)
The solar cell of Comparative Example 3 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0.15mol/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、複数の貫通孔を有するアルミナマスクを得た。このアルミナマスクを通して透明薄膜上にAgを真空蒸着することにより、高さ50nmの複数のAgナノ粒子を形成した。
<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 making it penetrate using the diluted phosphoric acid aqueous solution, the alumina mask which has a some through-hole was obtained. A plurality of Ag nanoparticles having a height of 50 nm were formed by vacuum-depositing Ag on the transparent thin film through this alumina mask.

(比較例4)
比較例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。
(Comparative Example 4)
The solar cell of Comparative Example 4 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>
湿式混合法によって作製したAgナノ粒子分散液(平均粒子径:150nm)を透明薄膜に塗布して、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
An Ag nanoparticle dispersion (average particle size: 150 nm) prepared by a wet mixing method was applied to a transparent thin film to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

(比較例5)
比較例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。
(Comparative Example 5)
The solar cell of Comparative 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>
湿式混合法によって作製したAgナノ粒子分散液(平均粒子径:200nm)を透明薄膜に塗布して、複数のAgナノ粒子を透明薄膜上に形成した。
<Production of metal nanoparticles>
An Ag nanoparticle dispersion liquid (average particle size: 200 nm) prepared by a wet mixing method was applied to a transparent thin film to form a plurality of Ag nanoparticles on the transparent thin film.

<金属ナノ粒子の円形度の測定>
実施例1〜7および比較例1〜5の太陽電池について、光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときのAgナノ粒子の円形度を測定した。Agナノ粒子の円形度は、走査型電子顕微鏡(SEM)で得られた画像を解析することで測定した。画像解析には、ImageJ version 1.42qを用いた。SEM画像から測定対象となるAgナノ粒子の領域を抽出する手法として、Li法(Li, CH & Tam, PKS (1998),"An Iterative Algorithm for Minimum Cross Entropy Thresholding", Pattern Recognition Letters 18(8):771-776)を用い、SEM画像上で明度の高い領域を抽出した。抽出された領域は、ImageJ付属の粒子検出機能を用いて粒子検出を行い、当該領域中のAgナノ粒子個々の円形度を算出した。また、当該領域中のAgナノ粒子の平均円形度と、10%円形度とを算出した。各実施例および各比較例における円形度の分布、平均円形度および10%円形度を表1に示す。
<Measurement of circularity of metal nanoparticles>
For the solar cells of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, the circularity of Ag nanoparticles when measured from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer was measured. The circularity of the Ag nanoparticles was measured by analyzing an image obtained with a scanning electron microscope (SEM). ImageJ version 1.42q was used for image analysis. Li method (Li, CH & Tam, PKS (1998), "An Iterative Algorithm for Minimum Cross Entropy Thresholding", Pattern Recognition Letters 18 (8) : 771-776), a region with high brightness was extracted from the SEM image. The extracted region was subjected to particle detection using the particle detection function attached to ImageJ, and the circularity of each Ag nanoparticle in the region was calculated. Further, the average circularity and 10% circularity of Ag nanoparticles in the region were calculated. Table 1 shows the circularity distribution, average circularity, and 10% circularity in each example and each comparative example.

Figure 0005667510
Figure 0005667510

表1に示すように、実施例1〜7では、円形度が0〜0.3の範囲にあるAgナノ粒子の数が0.3%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は0.3%未満であった。   As shown in Table 1, in Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0 to 0.3 was 0.3% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 0.3%.

また、実施例1〜7では、円形度が0〜0.4の範囲にあるAgナノ粒子の数が1%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は1%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0 to 0.4 was 1% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 1%.

また、実施例1〜7では、円形度が0〜0.5の範囲にあるAgナノ粒子の数が3%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は3%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0 to 0.5 was 3% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 3%.

また、実施例1〜7では、円形度が0〜0.6の範囲にあるAgナノ粒子の数が6%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は6%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0 to 0.6 was 6% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 6%.

また、実施例1〜7では、円形度が0.3〜0.4の範囲にあるAgナノ粒子の数が1%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は1%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0.3 to 0.4 was 1% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 1%.

また、実施例1〜7では、円形度が0〜0.4の範囲にあるAgナノ粒子の数が1%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は1%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0 to 0.4 was 1% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 1%.

また、実施例1〜7では、円形度が0.4〜0.5の範囲にあるAgナノ粒子の数が3%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は3%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0.4 to 0.5 was 3% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 3%.

また、実施例1〜7では、円形度が0.5〜0.6の範囲にあるAgナノ粒子の数が4%以上であることが確認された。一方、比較例2〜5では、そのようなAgナノ粒子の数は4%未満であった。   In Examples 1 to 7, it was confirmed that the number of Ag nanoparticles having a circularity in the range of 0.5 to 0.6 was 4% or more. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the number of such Ag nanoparticles was less than 4%.

また、実施例1〜7では、平均円形度が0.8以下であることが確認された。一方、比較例2〜5では、平均円形度が0.8を上回っていた。   Moreover, in Examples 1-7, it was confirmed that an average circularity is 0.8 or less. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the average circularity exceeded 0.8.

また、実施例1〜7では、10%円形度が0.6以下であることが確認された。一方、比較例2〜5では、10%円形度が0.6を上回っていた。   Moreover, in Examples 1-7, it was confirmed that 10% circularity is 0.6 or less. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, the 10% circularity exceeded 0.6.

<太陽電池の性能評価>
実施例1〜7および比較例1〜5の太陽電池について、100mW/cm擬似太陽光を照射して電流−電位特性を評価した。Agナノ粒子を形成しなかった比較例1を基準として、実施例1〜7および比較例2〜5について、短絡電流密度の相対値を算出した。その結果を表2に示す。
<Performance evaluation of solar cells>
About the solar cell of Examples 1-7 and Comparative Examples 1-5, 100 mW / cm < 2 > simulated sunlight was irradiated and the electric current-potential characteristic was evaluated. The relative value of the short circuit current density was calculated about Examples 1-7 and Comparative Examples 2-5 on the basis of the comparative example 1 which did not form Ag nanoparticle. The results are shown in Table 2.

Figure 0005667510
Figure 0005667510

表2に示すように、実施例1〜7の太陽電池では、比較例1〜5の太陽電池に対して短絡電流密度が顕著に増大しており、光吸収が増大する効果が確認された。このことから、実施例1〜7が満たす上述の円形度分布が、太陽電池の性能向上に寄与していることが分かる。   As shown in Table 2, in the solar cells of Examples 1 to 7, the short-circuit current density was significantly increased as compared with the solar cells of Comparative Examples 1 to 5, and the effect of increasing light absorption was confirmed. From this, it turns out that the above-mentioned circularity distribution which Examples 1-7 satisfy | fills has contributed to the performance improvement of a solar cell.

本発明は、上述の実施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 embodiment, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The embodiment to which such a modification is added is also the present embodiment. It can be included in the scope of the invention.

たとえば、上述した実施形態では、光電変換層20の第2主表面S2側に複数の金属ナノ粒子36が形成されているが、複数の金属ナノ粒子36は、光電変換層20の第1主表面S1側に形成されていてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the plurality of metal nanoparticles 36 are formed on the second main surface S2 side of the photoelectric conversion layer 20, but the plurality of metal nanoparticles 36 are formed on the first main surface of the photoelectric conversion layer 20. It may be formed on the S1 side.

S1 第1主表面、 S2 第2主表面、 10 光電変換素子、 20 光電変換層、 32 反射防止膜、 35 金属薄膜、 36 金属ナノ粒子、 38 誘電体層、 50 透明薄膜。   S1 1st main surface, S2 2nd main surface, 10 photoelectric conversion element, 20 photoelectric conversion layer, 32 antireflection film, 35 metal thin film, 36 metal nanoparticle, 38 dielectric layer, 50 transparent thin film.

Claims (14)

光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち0.3%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.3以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
Among the plurality of metal nanoparticles, the number of metal nanoparticles of 0.3% or more has a circularity greater than 0 and less than or equal to 0.3 when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち1%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.4以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
The number of metal nanoparticles of 1% or more among the plurality of metal nanoparticles has a circularity of more than 0 and 0.4 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A characteristic photoelectric conversion element.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち3%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.5以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
The number of metal nanoparticles of 3% or more of the plurality of metal nanoparticles has a circularity of more than 0 and 0.5 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A characteristic photoelectric conversion element.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち6%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0より大きく0.6以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
Among the plurality of metal nanoparticles, the number of metal nanoparticles of 6% or more has a circularity of more than 0 and 0.6 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A characteristic photoelectric conversion element.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち1%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.3以上0.4以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
Of the plurality of metal nanoparticles, 1% or more of the metal nanoparticles have a circularity of 0.3 or more and 0.4 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A photoelectric conversion element characterized by the above.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち3%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.4以上0.5以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
Of the plurality of metal nanoparticles, 3% or more of the metal nanoparticles have a circularity of 0.4 or more and 0.5 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A photoelectric conversion element characterized by the above.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された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うち4%以上の数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの円形度が0.5以上0.6以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
4% or more of the plurality of metal nanoparticles has a circularity of 0.5 or more and 0.6 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer. A photoelectric conversion element characterized by the above.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、
前記複数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの平均円形度が0.8以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
The plurality of metal nanoparticles have an average circularity of 0.8 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.
光電変換層と、
前記光電変換層の主表面側に2次元配置された複数の金属ナノ粒子と、を備え、
前記複数の金属ナノ粒子は、前記光電変換層の主表面に略垂直な方向から見たときの10%円形度が0.6以下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 two-dimensionally arranged on the main surface side of the photoelectric conversion layer,
The plurality of metal nanoparticles have a 10% circularity of 0.6 or less when viewed from a direction substantially perpendicular to the main surface of the photoelectric conversion layer.
前記複数の金属ナノ粒子は、受光面とは反対側の前記光電変換層の主表面側に設けられている請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the plurality of metal nanoparticles are provided on a main surface side of the photoelectric conversion layer on a side opposite to the light receiving surface. 前記複数の金属ナノ粒子が、Au、Ag、Al、Cuまたはこれらの金属を含む合金からなる請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 10, wherein the plurality of metal nanoparticles are made of Au, Ag, Al, Cu, or an alloy containing these metals. 前記複数の金属ナノ粒子と前記光電変換層との間に設けられた透明薄膜をさらに備える請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a transparent thin film provided between the plurality of metal nanoparticles and the photoelectric conversion layer. 前記光電変換層は、pn接合を有する単結晶シリコンまたはpn接合を有する多結晶シリコンである請求項1及至12のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 12, wherein the photoelectric conversion layer is single crystal silicon having a pn junction or polycrystalline silicon having a pn junction. 前記複数の金属ナノ粒子は、金属薄膜の加熱処理によって形成されたものである請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the plurality of metal nanoparticles are formed by heat treatment of a metal thin film.
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