JP5837405B2

JP5837405B2 - 光電変換素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP5837405B2
Application number: JP2011259465A
Authority: JP
Inventors: 岡野　寛; 寛岡野; 剛桟敷; 雅弥矢野; 哲也幸; 敏弘細川; 伊藤　正之; 正之伊藤
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: JP2013114872A

Description

本発明は、光電変換素子及びその製造方法に関する。

近年、化学電池の電力を高める試みがなされている。このような試みとして、例えば化学電池の電極の上に受光部を配した電池（以下、光電変換素子という）が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。このような光電変換素子では、一般的な化学電池で生じる電流に加えて、受光部に光が照射されることによって起こる光電変換反応によっても電流が生じる。このため、このような光電変換素子の電力は、一般的な化学電池の電力よりも高い。

特開２００８−２４３５７３号公報特開２００９−１８７７６０号公報

近年、上記のような光電変換素子を、軽量化するとともに、光電変換素子に可撓性を付与したいという要望が高まってきている。

本発明は、軽量で可撓性を有する光電変換素子を提供することを主な目的とする。

本発明の光電変換素子は、蓄電部と、受光部と、半導体層と、膨張黒鉛シートとを備える。蓄電部は、正極、負極、及び電解質を有する。電解質は、正極と負極との間に配されている。受光部は、正極の上に配されている。受光部は、第１の半導体からなる。半導体層は、負極の上に配されている。半導体層は、第２の半導体からなる。膨張黒鉛シートは、蓄電部の正極と電解質との間に配されている。

負極の上に、膨張黒鉛シートがさらに配されていることが好ましい。

本発明の光電変換素子の製造方法は、上記の光電変換素子の製造方法であって、膨張黒鉛シートの上に正極を形成する工程と、正極の上に、受光部を形成する工程とを含む。

スパッタリング法により、正極を形成することが好ましい。

本発明によれば、軽量で可撓性を有する光電変換素子を提供することができる。

本発明の一実施形態における光電変換素子の略図的断面図である。本発明の実施例１における結果を示すグラフである。本発明の比較例１における結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態などにおいて参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１に示されるように、光電変換素子１は、蓄電部１０を備える。蓄電部１０は、正極２、負極４、及び電解質６を有する。

電解質６は、正極２と負極４との間に配されている。電解質６は、水や、塩化アルミニウム水溶液、硝酸カリウム水溶液などの導電性液体により構成されている。

正極２は、アルミニウム、鉛などの金属により構成されている。正極２の厚みは、１０ｎｍ〜０．５ｍｍ程度であることが好ましく、５０ｎｍ〜０．１ｍｍ程度であることがより好ましい。

正極２の上には、受光部２０が配されている。受光部２０は、第１の半導体からなる。受光部２０においては、受光すると光電変換反応が起こり、電流が生じる。受光部２０は、第１の半導体層２２を含む。

第１の半導体層２２は、正極２の少なくとも一部の上に配されている。具体的には、第１の半導体層２２は、正極２の表面２ａの少なくとも一部の上に配されており、表面２ａの他の部分の上には、第１の半導体層２２は配されていない。即ち、第１の半導体層２２は、複数のアイランド部を有する。複数のアイランド部のそれぞれは、凸状である。正極２の表面２ａの面積のうち、第１の半導体層２２が配された部分の面積の割合（（第１の半導体層２２が配された部分の面積）/（正極２の表面２ａの面積）×１００）は、５％〜１００％程度であることが好ましく、２０％〜８０％程度であることがより好ましい。

正極２と電解質６との間には、第１の膨張黒鉛シート３が配されている。具体的には、第１の膨張黒鉛シート３は、正極２の受光部２０とは反対側の表面２ｂの上に配されている。本発明において、膨張黒鉛シートは、例えば特開２００６−６２９２２号公報に記載されているような、天然黒鉛などを硫酸などに浸漬して熱処理した後、シート状に圧縮したものである。膨張黒鉛シートは、導電性を有し、金属などに比べて軽量で、可撓性を有する。また膨張黒鉛シートは面方向の熱伝導性が高く放熱性に優れるため、温度上昇による光電変換素子の変換効率の低下を抑制することができる。

第１の膨張黒鉛シート３は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、天然黒鉛、キャッシュ黒鉛などを、硫酸、硝酸などに浸漬し、４００℃以上で熱処理を行うことによって、膨張黒鉛を得る。次に、膨張黒鉛を圧縮して、第１の膨張黒鉛シート３を得る。第１の膨張黒鉛シート３としては、ハロゲンガスなどを接触させ、原シートに含まれる硫黄、鉄などの不純物を除去した純化シートを用いても良い。

第１の膨張黒鉛シート３の厚みは、０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることがより好ましい。第１の膨張黒鉛シート３のかさ密度は、０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３程度であることが好ましく、０．７〜２．０ｇ／ｃｍ^３程度であることがより好ましい。第１の膨張黒鉛シート３の表面粗さは、Ｒａ＝５０以下であることが好ましく、Ｒａ＝２５以下であることがより好ましい。なお、本発明において、表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に規定される算術平均粗さである。

負極４は、正極２を構成する金属よりも酸化還元電位の高い金属により構成されている。負極４を構成する金属としては、例えば、銅などが挙げられる。負極４の厚みは、１０μｍ〜０．５ｍｍ程度であることが好ましく、５０μｍ〜０．１ｍｍ程度であることがより好ましい。

負極４の上には、第２の半導体層４０が配されている。具体的には、第２の半導体層４０は、負極４の電解質６側の表面４ｂの上に配されている。第２の半導体層４０は、第２の半導体からなる。第２の半導体は、金属酸化物により構成されていることが好ましく、負極４を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物により構成されていることがより好ましい。第２の半導体の具体例としては、酸化銅などが挙げられる。第２の半導体層４０の厚みは、通常５ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。

負極４の上には、第２の膨張黒鉛シート５が配されている。具体的には、第２の膨張黒鉛シート５は、負極４の電解質６とは反対側の表面４ａの上に配されている。第２の膨張黒鉛シート５は、第１の膨張黒鉛シート３と同様にして製造されるものである。第２の膨張黒鉛シート５のかさ密度及び表面粗さは、第１の膨張黒鉛シート３と同様である。第２の膨張黒鉛シート５の厚みは、０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることがより好ましい。

蓄電部１０、受光部２０、第２の半導体層４０、並びに第１及び第２の膨張黒鉛シート３，５は、第１の保護部材７と第２の保護部材８との間に配されている。第１の保護部材７は、受光部２０の上に配されている。第２の保護部材８は、第２の膨張黒鉛シート５の負極４とは反対側の表面５ａの上に配されている。第１及び第２の保護部材７，８は、蓄電部１０、受光部２０、第２の半導体層４０、並びに第１及び第２の膨張黒鉛シート３，５を保護している。第１及び第２の保護部材７，８のそれぞれは、アクリル酸樹脂、ポリカーボネート樹脂などの可撓性を有する透明材料により構成されている。第１の保護部材７の厚みは、通常０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。第２の保護部材８の厚みは、通常０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。なお、第２の保護部材８は、透明な材料でなくともよい。また、第２の保護部材８は、設けなくてもよい。

上述の通り、第１の膨張黒鉛シート３は、導電性を有し、金属などに比べて軽量で、可撓性を有する。光電変換素子１においては、正極２と電解質６との間に、第１の膨張黒鉛シート３が配されているため、導電性を損なうことなく金属からなる正極２の厚みを薄くすることができる。よって、光電変換素子１は、軽量で可撓性を有する。

負極４の上に、第２の膨張黒鉛シート５がさらに配されている場合、導電性を損なうことなく金属からなる負極４の厚みを薄くすることができる。よって、この場合、光電変換素子１は、より軽量で、優れた可撓性を有する。

次に、光電変換素子１の製造方法の一例について説明する。まず、第１の膨張黒鉛シート３の上に正極２を形成する。次に、正極２の上に、受光部２０を形成する。具体的には、第１の膨張黒鉛シート３の表面３ａの上に、スパッタリング法などにより、正極２を構成する金属層を形成する。次に、スパッタリング法などにより、正極２の表面２ａの一部の上に、複数の第１の半導体層２２を形成する。このようにして、正極２及び受光部２０が配された第１の膨張黒鉛シート３を得る。同様にして、第２の膨張黒鉛シート５の上に負極４及び第２の半導体層４０を形成する。具体的には、第２の黒鉛シート５の表面５ｂの上に、スパッタリング法などにより、負極４を構成する金属層を形成する。この金属層を空気中に曝すことにより、金属層の表層部分を酸化し、負極４と第２の半導体層４０とを形成する。このようにして、負極４及び第２の半導体層４０が配された第２の膨張黒鉛シート５を得る。次に、正極２及び受光部２０が配された第１の膨張黒鉛シート３と、負極４及び第２の半導体層４０が配された第２の膨張黒鉛シート５との間に電解質６を挟み、さらにこれを第１の保護部材７と第２の保護部材８との間に配することにより、光電変換素子１が得られる。

なお、光電変換素子１の製造においては、正極２を構成する金属板の上に複数の第１の半導体層２２を形成し、これを第１の膨張黒鉛シート３の上に配して、正極２及び受光部２０が配された第１の膨張黒鉛シート３を得てもよい。同様に、負極４を構成する金属板を空気中に曝して、負極４と第２の半導体層４０とを形成し、これを第２の膨張黒鉛シート５の上に配して、負極４及び第２の半導体層４０が配された第２の膨張黒鉛シート５を得てもよい。

（変形例）
上記の実施形態に係る光電変換素子１において、受光部２０は、正極２の表面２ａの上に配されている場合について説明した。但し、本発明は、この実施形態に限定されない。変形例において、受光部２０は、正極２の表面２ａ及びこれに対向する表面２ｂの両表面の上に配されていてもよい。

上記の実施形態に係る光電変換素子１において、第２の半導体層４０は、負極４の表面４ｂの上に配されている場合について説明した。但し、本発明は、この実施形態に限定されない。変形例において、第２の半導体層４０は、負極４の表面４ａ及びこれに対向する表面４ｂの両表面の上に配されていてもよいし、表面４ｂの上のみに配されていてもよい。

上記の実施形態に係る光電変換素子１において、負極４は、金属により構成されている場合について説明した。但し、本発明は、この実施形態に限定されない。負極４は、金属ではなく、第２の半導体層４０を構成する第２の半導体により構成されていてもよい。

上記の実施形態に係る光電変換素子１においては、第２の膨張黒鉛シート５を有する場合について説明した。但し、本発明は、この実施形態に限定されない。変形例において、第２の膨張黒鉛シート５を有さなくてもよい。

上記の実施形態に係る光電変換素子１においては、複数の第１の半導体層２２が、正極２の表面２ａの一部の上に、凸状に配されている場合について説明した。但し、本発明は、この実施形態に限定されない。変形例において、第１の半導体層２２が、正極２の表面２ａの全面に一様な厚みで配されていてもよい。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１）
以下のようにして、図１に示されるような光電変換素子を作製した。

銅箔（厚さ０．０５ｍｍ）の表面を空気中に曝して、酸化銅層を形成した銅板を膨張黒鉛シート（東洋炭素株式会社製のＰＦ−２０、厚さ０．２ｍｍ、かさ密度１．０ｇ／ｃｍ^３）の上に配した。銅箔を負極とし、酸化銅層を第２の半導体層とした。

アルミニウム箔（厚さ０．０５ｍｍ）を膨張黒鉛シート（東洋炭素株式会社製のＰＦ−２０、厚さ０．２ｍｍ、かさ密度１．０ｇ／ｃｍ^３）の上に配した。アルミニウム箔の上には、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、複数の凸状をした酸化ニオブ層を形成した。アルミニウム箔を正極とし、酸化ニオブ層を第１の半導体層とした。なお、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法の条件は、以下の通りである。

スパッタリングのターゲット：ニオブ（Ｎｄ９９．９％）
ターゲットと酸化アルミニウム層との距離：６０ｍｍ
Ａｒガス：９９．９％、６．０ｃｃｍ
Ｏ_２ガス：９９．９％、６．０ｃｃｍ
出力：７２Ｗ、１３．５６ＭＨｚ
堆積速度：５．７２ｎｍ／分

次に、第１の半導体層及び正極を配した膨張黒鉛シートの膨張黒鉛シート側と、第２の半導体層及び負極を配した膨張黒鉛シートの第２の半導体層側との間に、電解質として純水を染み込ませたポリプロピレン樹脂を挟み、これを２枚の透明なアクリル酸樹脂板（厚さ０．１ｍｍ）で挟み、光電変換素子を得た。光電変換素子は、軽量で可撓性を有していた。

得られた光電変換素子の電流を測定しながら、受光部側から、紫外線（波長３７５ｎｍ）を照射した。紫外線照射前後の電流の変化を図２のグラフに示す。図２に示されるように、光電変換素子に紫外線を照射すると同時に、電流が０．４μＡ上昇し、安定した電流が観測された。

（比較例１）
第１の半導体層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同一の構成として、比較例１の積層体を得た。この積層体に、第１の保護部材側から紫外線（波長３７５ｎｍ）を照射したが、電流の上昇は確認されなかった。紫外線照射前後の電流の変化を図３のグラフに示す。

１…光電変換素子
２…正極
２ａ，２ｂ…正極の表面
３…第１の膨張黒鉛シート
３ａ…表面
４…負極
４ａ、４ｂ…負極の表面
５…第２の膨張黒鉛シート
５ａ，５ｂ…第２の膨張黒鉛シートの表面
６…電解質
７…第１の保護部材
８…第２の保護部材
１０…蓄電部
２０…受光部
２２…第１の半導体層
４０…第２の半導体層

Claims

正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に配された電解質を有する蓄電部と、
前記負極及び前記電解質が設けられる側と反対側の前記正極の上に配され、第１の半導体からなる受光部と、
前記負極と前記電解質との間に配され、第２の半導体からなる半導体層と、
前記蓄電部の前記正極と前記電解質との間に配された第１の膨張黒鉛シートと、
を備え、
前記正極は、金属により構成され、その厚みは１０ｎｍ〜０．５ｍｍであり、
前記負極は、前記正極を構成する金属よりも酸化還元電位の高い金属により構成され、その厚みは１０μｍ〜０．５ｍｍであり、
前記電解質は、導電性液体により構成されており、
前記第１の膨張黒鉛シートは、かさ密度が０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３であり、その厚みは０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍである、光電変換素子。
前記半導体層が設けられる側と反対側の前記負極の上に、かさ密度が０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３であり、厚みが０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍである第２の膨張黒鉛シートが配されている、請求項１に記載の光電変換素子。
請求項１または２に記載の光電変換素子の製造方法であって、
前記第１の膨張黒鉛シートの上に前記正極を形成する工程と、
前記正極の上に、前記受光部を形成する工程と、
を含む、光電変換素子の製造方法。
スパッタリング法により、前記正極を形成する、請求項３に記載の光電変換素子の製造方法。