(57)【要約】【課題】太陽電池で電気的に変換されない波長領域の太陽光を吸収するとともに、その給した太陽光を太陽電池で用いることができる波長の光に変換させることによって、エネルギー変換効率を高める手段を提供する。【解決手段】量子ドットを含むエネルギー変換膜、および量子ドットを含むカットオフフィルター用の量子ドット薄膜である。【選択図】図４
2006216560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットを含むことを特徴とする、エネルギー変換膜。
【請求項２】
高いエネルギー領域の光を吸収し、それをさらに低いエネルギー領域の光に変換することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換膜。
【請求項３】
前記量子ドットは、ａ）２族元素、１２族元素、１３族元素、および１４族元素から選択される第１元素と１６族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ｂ）１３族元素から選択される第１元素と１５族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ならびにｃ）１４族元素から選択される元素を含む化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質、またはこれらのコア・シェル構造体から形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー変換膜。
【請求項４】
前記量子ドットは、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＯ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＯ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＯ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴＥ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｓ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはこれらのコア・シェル構造体から形成されることを特徴とする、請求項３に記載のエネルギー変換膜。
【請求項５】
前記量子ドットは、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ／ＺｎＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＳ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＣｄＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅコア・シェル構造体、およびＣｄＳｅ／ＺｎＴｅコア・シェル構造体からなる群より選択される少なくとも１種から形成されることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー変換膜。
【請求項６】
吸光および発光エネルギー間のストークスシフトが２０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエネルギー変換膜。
【請求項７】
前記量子ドットが単独で含まれているか、または無機物質もしくはポリマー樹脂のマトリックス中に混合されているかまたは組み込まれている状態で含まれていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエネルギー変換膜。
【請求項８】
量子ドットを含むことを特徴とする、カットオフフィルター用の量子ドット薄膜。
【請求項９】
高いエネルギー領域の光を吸収し、これを遮断することを特徴とする、請求項８に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１０】
前記量子ドット薄膜は、ａ）２族元素、１２族元素、１３族元素、および１４族元素から選択される第１元素と１６族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ｂ）１３族元素から選択される第１元素と１５族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ならびにｃ）１４族元素から選択される元素を含む化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質、またはこれらのコア・シェル構造体から形成される量子ドットを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１１】
前記量子ドット薄膜は、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＯ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＯ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＯ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴＥ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｓ3、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはこれらのコア・シェル構造体から形成される量子ドットを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１２】
前記量子ドット薄膜は、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ／ＺｎＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＳ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＣｄＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅコア・シェル構造体、およびＣｄＳｅ／ＺｎＴｅコア・シェル構造体からなる群より選択される少なくとも１種から形成される量子ドットを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１３】
前記量子ドットが単独で含まれているか、または無機物質もしくはポリマー樹脂のマトリックス中に、混合されているかもしくは組み込まれている状態で含まれていることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１４】
前記量子ドットの平均直径は、１．０ないし１０ｎｍであることを特徴とする、請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の量子ドット薄膜。
【請求項１５】
前記量子ドット薄膜の厚さは、２０ｎｍないし１０ミクロンであることを特徴とする、請求項８ないし１４のいずれか１項に記載のカットオフフィルター用の量子ドット薄膜。
【請求項１６】
請求項８ないし１５のいずれか１項に記載の量子ドット薄膜を少なくとも１つ備えることを特徴とする、エネルギー変換層。
【請求項１７】
高いエネルギー領域の光を吸収して遮断すると同時に、これをさらに低いエネルギー領域の光に変換することを特徴とする、請求項１６に記載のエネルギー変換層。
【請求項１８】
前記量子ドット薄膜が、基板の少なくとも１つの表面上に形成されることを特徴とする、請求項１６または１７に記載のエネルギー変換層。
【請求項１９】
導電性基板と、
前記導電性基板の少なくとも１つの表面上に形成された請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載のエネルギー変換層と、
光吸収層と、
対向電極と、
を備えることを特徴とする、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを含むエネルギー変換膜及び量子ドット薄膜に係り、具体的には、量子ドットの吸収と発光の効果とを利用して特定エネルギー以上の光を遮断するカットオフフィルターの機能、および高いエネルギーの光を低いエネルギーに変換させる機能を行う量子ドットを含むエネルギー変換膜、ならびに量子ドット薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、直面するエネルギー問題を解決するために、既存の化石燃料を代替しうる多様な研究が進行しつつある。特に数十年以内に枯渇すると予想される石油資源の代替として、風力、原子力、太陽エネルギーなどの自然エネルギーを活用するための広範囲な研究が進行しつつある。これらのうち、太陽エネルギーを用いた太陽電池は、その他のエネルギー源とは違って資源が無限であり、環境にやさしい。それゆえ、１９８３年に最初にセレン太陽電池が開発され、現在では、シリコン太陽電池およびポリマー太陽電池（例えば、色素増感型太陽電池）などが脚光を浴びている。
【０００３】
このような太陽電池は、エネルギー出力を改善するために、電気に変換されない太陽光のスペクトル部分を反射すべくオプティカルコーティングを用いている。オプティカルコーティングを用いない場合には、スペクトル応答の波長領域外の太陽光（スペクトル応答の波長領域より長いか、または短い波長を有する太陽光）が電池に吸収されて電池の温度が上昇すると同時に、光変換効率が減少する。この点に関して、シリコン太陽電池では３５０ｎｍ以上の波長の光が、ポリマー太陽電池では４００ｎｍ以上の波長の光が、それぞれフィルターを通した後で使用されている。
【０００４】
特許文献１には、多層構造のドープされた半導体フィルターを使用して、３５０ｎｍ以下の紫外線および赤外線領域の光が電池の表面で反射されるシリコン太陽電池、特に宇宙船、人工衛星などに使われる太陽電池を開示している。しかし、複雑な構造とフィルターの重さによって、製造コストおよび運搬コストが高くなり、経済性が低下するという問題がある。さらに、フィルターは、短波長領域の光を単純な反射によって選別するため、エネルギーの利用効率が低いという問題がある。
【０００５】
非特許文献１は、商業用ポリマー太陽電池に用いられるフィルターの例として、ポリエステルフィルムの使用を開示している。これらのフィルムは比較的低コストで製造可能であるが、４００ｎｍ以下の波長の光を遮断しうるのみである。
【特許文献１】米国特許第５，４４９，４１３号明細書
【非特許文献１】Ｐｅｔｔｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．、Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ、２００１、７０、ｐ２０３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽電池で電気的に変換されない波長領域の太陽光を吸収し、かつ太陽電池で電気的に変換されない波長領域の太陽光を太陽電池で用いることができる波長の光に変換させることによって、エネルギー変換効率を高める手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明は、量子ドットを含むエネルギー変換膜を提供する。
【０００８】
また、本発明は、量子ドットを含むことを特徴とする、カットオフフィルター用の量子ドット薄膜を提供する。
【０００９】
前記エネルギー変換膜は、高いエネルギー領域の光を吸収して、これを低いエネルギー領域の光に変換する。
【００１０】
前記エネルギー変換膜を構成する量子ドットとしては、ａ）２族元素、１２族元素、１３族元素、および１４族元素から選択される第１元素と１６族元素から選択された第２元素とを含む化合物、ｂ）１３族元素から選択される第１元素と１５族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ならびにｃ）１４族元素を含む化合物からなる群より選択される少なくとも１つの化合物、またはこれらのコア・シェル構造体から形成される量子ドットを例として挙げることができる。
【００１１】
さらに具体的には、前記量子ドットの例としては、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＯ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＯ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＯ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴＥ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｓ3、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはこれらのコア・シェル構造体から形成されるものが挙げられる。
【００１２】
前記量子ドットの平均直径は、約１．０ないし１０ｎｍであることが望ましい。
【００１３】
前記エネルギー変換膜の厚さは、２０ｎｍないし１０ミクロンであることが望ましい。
【００１４】
前記エネルギー変換膜は、吸光および発光エネルギーのストークスシフトが２０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００１５】
前記エネルギー変換膜が含んでいる量子ドットは、単独で含まれているか、または無機物質もしくはポリマー樹脂のマトリックス中に、混合されているかもしくは埋め込まれている状態で含まれていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、太陽電池で電気的に変換されない波長領域の太陽光を吸収するとともに、その吸収した太陽光を太陽電池で用いることができる波長の光に変換させることによって、エネルギー変換効率を高める手段が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１８】
本発明の一実施形態によるエネルギー変換膜は、電気的に変換されない特定波長帯の入射太陽光を吸収するとともに、その吸収した高いエネルギーを有する光、例えば２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満の波長である紫外線などを、低いエネルギー、例えば３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長である可視光などに変換する。
【００１９】
このために、本発明によるエネルギー変換膜は、量子ドットを含む。前記量子ドットは、ａ）２族元素、１２族元素、１３族元素、および１４族元素から選択される第１元素と１６族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ｂ）１３族元素から選択される第１元素および１５族元素から選択される第２元素とを含む化合物、ｃ）１４族元素から選択される元素を含む化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質、またはこれらのコア・シェル構造体から形成されたものを、望ましい例として挙げることができる。
【００２０】
さらに具体的には、前記量子ドットの非制限的な例としては、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＯ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＯ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＯ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴＥ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｓ３、Ａｌ２Ｓｅ３、Ａｌ２Ｔｅ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｓ３、Ｇａ２Ｓｅ３、Ｇａ２Ｔｅ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＢＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、またはこれらのコア・シェル構造体から形成されたものが挙げられる。
【００２１】
特に、量子ドットとしては、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＨｇＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅから形成される量子ドットが望ましい。また、コア・シェル構造体から形成される量子ドットとしては、ＣｄＳ／ＺｎＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＳ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＣｄＳコア・シェル構造体、ＣｄＳｅ／ＺｅＳｅコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＺｎＳコア・シェル構造体、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅコア・シェル構造体、またはＣｄＳｅ／ＺｎＴｅコア・シェル構造体から形成される量子ドットが望ましい。
【００２２】
このような量子ドットは、太陽光の特定の波長帯で吸収ピークを有し、高いエネルギー帯で光の吸収度が増加するので、高エネルギー波長帯の光をカットオフする機能を有する。量子ドットはまた、低いエネルギー領域で吸収した光を放ち、それにより発光が起こる。図１は、地球上に到達する太陽光のエネルギー分布を示す。一般的に量子ドットの発光効率は最大約４０ないし９５％に達するので、２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満の波長を有する紫外線は、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの領域の可視光のエネルギーの約２０％に至るまで、可視光に変換されうる。そのため、本発明によるエネルギー変換膜が太陽電池に利用される場合、エネルギー変換効率が約１０％にまで達しうる。
【００２３】
特に、本発明によるエネルギー変換膜の場合、エネルギー変換膜に含まれる量子ドットの大きさを制御することによって、吸収波長領域が調節されうる。すなわち、紫外線から可視光線に至る領域で、前記量子ドットの大きさを調節するだけで、吸収波長領域および発光波長領域を選択的に制御できる。それゆえ、前記量子ドットをエネルギー変換膜に使用する場合、所望のエネルギー変換が達成され、エネルギー変換膜は多様な用途に活用されうる。
【００２４】
したがって、本発明によるエネルギー変換膜を含まれる量子ドットは、平均粒径が約１．０ないし１０ｎｍであることが望ましい。平均粒径が約１．０ｎｍ未満である場合には、量子ドットを調製することが難しく、量子ドットを調製できたとしても、量子ドットが不安定な状態になる場合がある。平均粒径が１０ｎｍを超える場合には、量子ドットの大きさによる量子閉じ込め効果が得られない場合があって、望ましくない。
【００２５】
このような量子ドットを用いて、基板上にエネルギー変換膜を形成する場合は、多様な方法が使われうる。エネルギー変換膜の厚さは２０ｎｍないし１０μｍの範囲であることが望ましい。厚さが２０ｎｍ未満である場合には、エネルギー変換膜の光吸収が少なすぎて効果的な光のカットオフ機能を果たすことができない場合があり、効果的にエネルギーが変換されない場合がある。厚さが１０μｍを超える場合には、エネルギー変換膜が光を大量に吸収し、カットオフ機能を十分に実現できるが、大量の量子ドットが必要とされるので、非経済的であり、エネルギー変換された光が再吸収されてしまうか、または分散される可能性があって望ましくない。
【００２６】
本発明によるエネルギー変換膜を形成する場合、粒子形態の量子ドットが直接基板に組み入れられるか、または無機物質のマトリックスもしくはポリマー樹脂に混合もしくは埋め込まれた後形成されうる。後者の場合、基板に対する結着力が強化され、エネルギー変換膜は容易に形成され、エネルギー変換膜の安定性が向上しうる。前記無機物質のマトリックスとしては、ガラス、酸化物系、バンドギャップの大きな半導体物質などが用いられうるがこれらに制限されるものではない。前記ポリマー樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリスチレン、ポリプロピレンなどが用いられうるが、これらに制限されるものではない。
【００２７】
本発明によるエネルギー変換膜は、高エネルギー領域の光を低エネルギー領域の光に変換させる。この場合、エネルギー変換膜は、エネルギー変換効率を増加させる所定のストークスシフトの値を有しうる。ストークスシフトの値は、高エネルギー領域での最高吸収波長と低エネルギー領域での最高発光波長との差を表す。ストークスシフトの値は２０ｎｍ以上であることが望ましい。前記ストークスシフトの値が２０ｎｍ未満である場合には、変換されたエネルギーが再吸収されて、エネルギー変換効率が低下する場合があり望ましくない。さらに、吸収された紫外線を可視光に変換させるのが難しい。特に、ＣｄＳ量子ドットは、大きなストークスシフトの値を有している物質として知られている（参照：Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．、Ｂ２００３、ｖｏｌ  １０７、ｐ５６７０）。最近では、ｔｙｐｅＩＩ  コア・シェル薄膜が担体（電子または正孔）を選択的に制限して、２００ｎｍ以上のストークスシフトの値を有するコア／シェル構造体から形成された量子ドットの製造例がある（参照：Ｊ．  Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００３、ｖｏｌ  １２５、ｐ１１４６６）。
【００２８】
このようなエネルギー変換膜は、量子ドットの粒子を石英、ガラスなどの基板上に、スピンコーティング、ドロップキャスティング、沈降法、溶媒蒸発法、自己組織化などの方法で塗布することにより調製されうる。
【００２９】
特に本発明によるエネルギー変換膜に用いられる量子ドットは、単一量子ドットでありうる。市販されている量子ドットは、制限なしに用いられうる。エネルギー変換膜の物性を改良するために、コア・シェル構造を有するか、またはコアとシェルとが逆になった構造を有する量子ドットも使用できる。市販されているコア・シェル構造を有するいかなる量子ドットも、制限なしに用いられうる。コア・シェル構造を有するが入手困難であるか、または新規な構造を有する量子ドットが必要とされる場合には、量子ドットは次のように合成されうる。
【００３０】
一般的には、コア・シェル構造を有する量子ドットは、湿式化学合成法を用いて調製されうる。いくつかのコア・シェル構造を有する量子ドットは入手可能である。しかし、入手困難なコア・シェル構造を有する量子ドットや新規なコア・シェル構造を有する量子ドットは、合成されうる。一般的に、分散溶媒および単一前駆体を用いて、分散溶媒に配位された量子ドットが合成される。化学的方法で量子ドットを合成するためには、前記分散溶媒が量子ドットを安定的に分散させなければならない。換言すれば、前記分散溶媒は、個々の量子ドットを配位させることができ、結晶成長速度を制御するために十分な分子の大きさを有し、結晶成長温度で配位された量子ドットをコロイド状態で安定的に分散させなければならない。このような溶媒の例としては、アルキルホスフィン、アルキルホスフィンオキシド、アルキルアミン、またはこれらの溶媒の少なくとも２種の混合物などが挙げられる。前記分散溶媒で、リン原子、リン酸塩、または窒素原子は、量子ドットの表面に配位する働きをし、分散溶媒に用いられうる物質中のアルキル基は、分散溶媒の沸点を上昇させ、分散溶媒の分子の大きさを増大させるために、８個以上の炭素原子を有することが望ましい。前記分散溶媒は、空気中に比較的安定であるが、高温では酸化されうる。それゆえ、必要ならば、反応中加圧下で不活性雰囲気を維持しなければならない。反応温度は、結晶成長速度に影響を与えるので、量子ドットの前駆体の特性を考慮して２５ないし３５０℃の範囲で選択されうる。前駆体を用いて量子ドットを合成する方法は、金属前駆体およびカルコゲナイド前駆体を別々に添加して反応させる方法と単一の前駆体を用いて熱分解する方法とを含む。
【００３１】
分散溶媒を含む反応系の温度が一定レベルに保持されている間、すべての量子ドットの前駆体が分散溶媒に速やかにいっせいに注入されることが重要である。したがって、量子ドットの前駆体は、分散溶媒内に迅速かつ均一に分散するために、特定の溶媒に溶解されなければならず、注入速度を制御できるように前駆体溶液の粘度を調節しなければならない。前記特定の溶媒は、反応中に分解されず、前駆体を溶解し、粘度調節が容易でなければならない。前記特定の溶媒としては、ピリジン、アルキルアミン類、またはホスフィン類が望ましい。
【００３２】
反応を通して量子ドットのコアが形成されたらすぐに、コアの表面にシェルを形成する無機の前駆体がさらに注入される。シェルを形成する前駆体を注入する場合には、反応系内にゆっくりと前駆体を注入しなければならず、前駆体の量は、前駆体がコアの表面に堆積し核を形成しないように、所定の量を超えないようにしなければならない。
【００３３】
所望のコア・シェル構造を有する量子ドットが形成されれば、量子ドットの結晶成長を停止させるために、反応溶媒の温度を急いで降下させる。このために、反応溶媒の気化エネルギーの熱を吸収させ、反応系の温度を所定の温度より低くするために、沸点の低い有機溶媒が添加され、反応溶媒の量を制御することによって、結晶成長を抑制する。量子ドットの大きさは、反応時間を変えることによって制御されうる。
【００３４】
合成された量子ドットは、コロイド状態で溶媒中に分散する。量子ドットは、遠心分離により溶媒から分離される。この工程で、合成された後大きさの分布を有する量子ドットの均質性は、選択的沈殿法を用いて増加されうる。選択的沈殿法では、量子ドットの大きさを分類するために、量子ドットの表面に置換されているキャッピング物質の特性、および量子ドットに対して親和度の良い溶媒と親和度のよくない溶媒との比率を変えることによって、遠心分離の間、沈降速度が調節される。量子ドットの表面は、合成時に使われた分散溶媒が配位しているので、量子ドットは大部分の有機溶媒に容易に分散されうる。
【００３５】
合成された量子ドットの形状は、反応条件によって変化し、例えば球状、棒状、または星状などの形状を有しうる。多様な物性を有するナノマトリックスは、このような量子ドットを用いて製造されうる。
【００３６】
本発明によるエネルギー変換膜は、高いエネルギー変換効率であることを示す、２０ｎｍ以上のストークスシフトの値を有する。本発明によるエネルギー変換膜はエネルギー変換層として有用である。すなわち、前記エネルギー変換層が前記エネルギー変換膜を含む場合、エネルギー変換層は高エネルギーの紫外線を低エネルギーの可視光に変換できるので、太陽電池などで効果的に活用されうる。
【００３７】
前記エネルギー変換膜が単一層として形成されうることに加えて、エネルギー変換膜は、光吸収および発光効率を改良するために、光を遮蔽する領域とエネルギーを変換する領域とが別々に定義されうる多層として形成されることができる。例えば、多層を含むエネルギー変換膜は、基板の少なくとも一面上に形成されうる。
【００３８】
前述したように、単一の量子ドットがエネルギー変換膜を形成するために使われていても、量子ドットの粒子サイズを変えることによって、エネルギー変換膜の吸光領域および発光領域が別々に定義されうる。それゆえ、エネルギー変換膜の吸光効率および発光効率は、多層の膜を形成することによって改善されうる。
【００３９】
このような量子ドットを含むエネルギー変換膜は、エネルギー変換を行うと同時に、光をカットオフする機能を有するために、カットオフフィルターとして用いられうる。よって、本発明はまたカットオフフィルター用の量子ドット薄膜を提供する。
【００４０】
本発明による量子ドット薄膜は量子ドットを含む。前述したような量子ドットは量子ドット薄膜に用いられうる。
【００４１】
本発明による前記カットオフフィルター用の量子ドット薄膜は、カットオフフィルター機能と共に、エネルギー変換機能を有する。したがって、量子ドット薄膜はエネルギー変換層として用いられうる。量子ドット薄膜を用いたエネルギー変換層は、光遮断およびエネルギー変換が要求される多様な分野、例えば、太陽電池、省エネルギー窓、光エネルギー変換素子などに使用されうる。
【００４２】
本発明によるエネルギー変換層を太陽電池に使用する場合、エネルギー変換層は、高いエネルギー領域の紫外線を遮断すると同時に、紫外線を電気的に活用可能な低エネルギー領域の可視光に変換させうる。結果として、紫外線の吸収による電池の温度上昇を抑制でき、エネルギーの効率的な利用が可能になって光電変換効率を改善することが可能である。
【００４３】
図２は色素増感型太陽電池の構造の概略図である。図２に示したように、色素増感型太陽電池は、導電性透明基板１１、光吸収層１２、電解質層１３、および対向電極１４を含む。前記光吸収層１２は金属酸化物１２ａおよび色素１２ｂを含む。色素１２ｂは、導電性透明基板１１を通して透過した光を吸収することによって励起される。一般的には、ルテニウム色素のような錯体が色素１２ｂとして用いられうる。
【００４４】
本発明によるカットオフフィルター用の量子ドット薄膜を含むエネルギー変換層は、前記導電性透明基板１１の少なくとも１つの表面上に形成される。エネルギー変換層は、高エネルギー領域の波長の光を遮断すると同時に、高エネルギー領域の波長の光を低エネルギー領域の波長の光に変換して光電変換効率を向上させる。
【００４５】
太陽電池に用いられる一般的な構成要素はいかなるものでも、本発明において制限なしに使用されうる。
【００４６】
前記光吸収層１２に使われる色素１２ｂとしては、太陽電池または光電池分野で一般的に使われているものならば、いかなるものでも制限なしに使用されうる。なかでもルテニウム錯体が望ましい。しかし、電荷分離機能を有し、感光性であれば、いかなる色素でも制限なしに用いられうる。ルテニウム錯体以外に、色素の例としては、ローダミンＢ、ローズベンガル、エオシン、エリスロシンなどのキサンチン系色素、キノシアニン、クリプトシアニンなどのシアニン系色素、フェノサフラニン、カプリブルー、チオシン、メチレンブルーなどの塩基性色素、クロロフィル、亜鉛ポルフィリン、マグネシウムポルフィリンなどのポルフィリン系化合物、その他にアゾ色素、フタロシアニン化合物、Ｒｕトリスビピリジンなどの錯化合物、アントラキノン系色素、キノリン系色素などが挙げられ、これらは単独でまたは２種以上混合して使用されうる。前記ルテニウム錯体の例としては、ＲｕＬ２（ＳＣＮ）２、ＲｕＬ２（Ｈ２Ｏ）２、ＲｕＬ３、ＲｕＬ２などが挙げられる（式中、Ｌは、２，２’−ビピリジル−４，４’ジカルボン酸を表す）。
【００４７】
前記光吸収層１２に含まれる金属酸化物１２ａは、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＳｒＯ３などの微粒子である半導体物質が用いられうる。望ましくは、アナターゼ型のＴｉＯ２である。半導体物質の種類は、これらに限定されるものではなく、これらは単独でまたは２種以上混合して使用されうる。このような半導体微粒子は、表面に吸着された色素がさらに多くの光を吸収できるように、大きな表面積を有することが望ましい。このため、半導体微粒子の粒径は約２０ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００４８】
前記導電性透明基板１１は、ガラス基板、シリカ基板などのいかなる透明基板でもよい。前記透明基板に導電性を与えるための物質としては、導電性および透明性を有するいかなるものでも用いられうる。しかし、より高い導電性、透明性、特に高い耐熱性を有するという点から、酸化スズが好適である。一方、コスト削減の点からは、ＩＴＯ、特にフッ素がドープされたインジウムスズ酸化物（ＦＴＯ）が望ましい。
【００４９】
前記金属酸化物１２ａおよび色素１２ｂを含む光吸収層１２の厚さは、１５ミクロン以下が望ましい。なぜならば、光吸収層は、構造上の理由で直列抵抗が大きく、直列抵抗の増大は光電変換効率の低下を招く。しかし、膜厚を１５ミクロン以下にすることによって、光吸収層の機能を維持しながら、直列抵抗が低いままで、変換効率の低下を防止しうる。
【００５０】
電解質層１３は、電解質を含む。電解質層１３は、光吸収層１２とは別に形成されるか、または電解質が光吸収層１２の中に浸潤するように形成される。本発明に用いられうる電解質は、例えば、ヨウ素のアセトニトリル溶液などが用いられうるが、これに限定されるものではない。正孔運搬機能を有するいかなる電解質でも、制限なしに使用されうる。
【００５１】
対向電極１４は、いかなる導電性物質からでも制限なしに形成されうる。対向電極１４は、半導体電極に相対して導電層が設置されているならば、絶縁性物質からも形成されうる。しかし、電気化学的に安定した物質、例えば、白金、金、およびカーボンなどを対向電極１４の材料として使用することが望ましい。酸化還元の触媒効果を向上させるために、半導体電極と向かい合っている対向電極１４の側は、大きな表面積を有する微細構造であることが望ましい。例えば、白金ならば白金黒状態、カーボンならば多孔質状態で用いられることが望ましい。白金黒状態は、白金の陽極酸化法、または塩化白金酸用いた処理などにより得られうる。多孔質状態のカーボンは、例えばカーボン微粒子の焼結、有機ポリマーの焼成などにより形成されうる。
【００５２】
上述のような構造を有する、本発明による色素感応型太陽電池の製造方法は、特に制限されず、従来のいかなる方法でも制限なしに用いられうる。
【実施例】
【００５３】
以下では、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
量子ドットとして、粒子の平均直径が２．３ｎｍであるＣｄＳから形成される量子ドットを用い、スピンコーティング法により、ガラス基板上に厚さ４２０ｎｍの薄膜を作製した。
【００５５】
（実施例２）
量子ドットとして、粒子の平均直径が３．２ｎｍであるＣｄＳから形成される量子ドットを用い、スピンコーティング法により、ガラス基板上に厚さ４５０ｎｍの薄膜を作製した。
【００５６】
（実施例３）
量子ドットとして、粒子の平均直径が４．２ｎｍであるＣｄＳから形成される量子ドット用い、スピンコーティング法により、ガラス基板上に厚さ４７０ｎｍの薄膜を作製した。
【００５７】
（評価）
前記実施例１ないし３から得られた薄膜の吸光度および光ルミネセンス（ＰＬ：ＰｈｏｔｏＬｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）を測定して、その結果を図３に示した。比較例として、ポリエステルフィルムを用いたカットオフフィルターの吸光度を測定し、その結果を図５に示した。
【００５８】
図３から分かるように、本発明による薄膜は、４００ｎｍの波長付近で最大吸光度を示した。エネルギーが増大するほど、それぞれの薄膜の吸光度が増大する。これは、本発明による薄膜が、特定の波長帯のエネルギーを遮断するカットオフフィルターとして効果的に用いられうることを示している。このような光を吸収してより低エネルギー領域で吸収した光を放つ性質は、本発明による薄膜が、高いエネルギーの紫外線光を可視光に変換できることを意味する。
【００５９】
特に、３．２ｎｍの粒子サイズを有する量子ドットを用いて得られた実施例２の薄膜を用いて得られた吸光度のチャートを、さらに拡大して図４に示した。図４のように、４０９ｎｍ付近で最大吸光度を有しており、エネルギーが増大するほど吸光度が増加することを示している。吸収ピークの半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）は、約３０ｎｍ程度で、ポリエステルフィルムを用いたカットオフフィルターの吸光度を示す図５と同様に吸光度の増大が急激であり、これは高エネルギーの紫外線を遮断するフィルターとしての本発明の量子ドット薄膜の効果を立証するものである。また、４０９ｎｍ以下の波長の光を吸収して４３０ｎｍ以上の波長の光を放つ性質は、薄膜が高いエネルギーの紫外線光を可視光に変換する、エネルギー変換効果を有することを意味する。特にストークスシフトの値が２５ｎｍに達して、エネルギー変換効率が優れていることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の量子ドットを含むエネルギー変換膜及び量子点薄膜は、例えば、太陽電池関連の技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】地球上に到達する太陽光のエネルギー分布を示すグラフである。
【図２】色素感応型太陽電池の構造を示す概略図である。
【図３】本発明の実施例１ないし３による量子ドット薄膜の吸光度および光ルミネセンスを示すグラフである。
【図４】本発明の実施例２による量子ドット薄膜の吸光度および光ルミネセンスを示すグラフである。
【図５】従来技術によるポリエステルフィルムの透過度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０    半導体電極、
１１    導電性透明基板、
１２    光吸収層、
１２ａ    金属酸化物、
１２ｂ    色素、
１３    電解質層、
１４    対向電極。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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