(57)【要約】【課題】光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層に好適なバンドギャップを有する材料が適用された、多接合型光エネルギー変換素子を提供する。【解決手段】本開示の多接合型光エネルギー変換素子１００は、所定の方向から光を入射させる多接合型光エネルギー変換素子であって、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを第１光エネルギー変換材料として含む第１光エネルギー変換層１１０と、多接合型光エネルギー変換素子１００に対する光の入射方向において第１光エネルギー変換層１１０よりも下流側に配置され、かつ、第１光エネルギー変換材料よりも狭いバンドギャップを有する第２光エネルギー変換材料を含む第２光エネルギー変換層１２０と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向から光を入射させる多接合型光エネルギー変換素子であって、
Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを第１光エネルギー変換材料として含む第１光エネルギー変換層と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において前記第１光エネルギー変換層よりも下流側に配置され、かつ、前記第１光エネルギー変換材料よりも狭いバンドギャップを有する第２光エネルギー変換材料を含む第２光エネルギー変換層と、
を具備する、多接合型光エネルギー変換素子。
【請求項２】
デバイスであって、
請求項１に記載の多接合型光エネルギー変換素子と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において前記第１光エネルギー変換層よりも上流側または、前記光の入射方向において前記第２光エネルギー変換層よりも下流側に配置された第１電極と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において、前記第１光エネルギー変換層および前記第２光エネルギー変換層を前記第１電極とで挟む第２電極と、
を具備する、デバイス。
【請求項３】
デバイスであって、
請求項１に記載の多接合型光エネルギー変換素子と、
前記多接合型光エネルギー変換素子と電気的に接続された電極と、
溶液と、
前記多接合型光エネルギー変換素子、前記電極および前記溶液を収容する容器と、
を具備する、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、多接合型光エネルギー変換素子、およびそれを具備するデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体に、当該半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光が照射されることにより、当該半導体に電子−正孔のペアが発生する。半導体は、前記ペアを電荷分離して電気エネルギーとして取り出す太陽電池等のデバイス、前記ペアを化学反応に用いることで水を分解して直接水素を製造するデバイス、および、光検出素子等の光エネルギー変換用途に応用でき、有望である。
【０００３】
非特許文献１は、太陽光エネルギーによる水分解（以下、「太陽光水分解」ということがある）に適した半導体のバンドギャップを開示している。非特許文献１は、互いに異なるバンドギャップを有する２種の半導体を積層させたタンデム型構造を有するデバイスにおいて、光入射側に位置するトップセルの半導体のバンドギャップはおよそ１．８ｅＶが好適であり、ボトムセルの半導体のバンドギャップはおよそ１．２ｅＶが好適であることを開示している。
【０００４】
非特許文献２は、太陽電池に適した半導体のバンドギャップを開示している。非特許文献２は、互いに異なるバンドギャップを有する複数種の半導体を光エネルギー変換層として積層させた、多接合型の太陽電池を開示している。非特許文献２は、互いに異なるバンドギャップを有する２種の半導体を積層させたタンデム型太陽電池について、最も光入射側に位置する第１光エネルギー変換層の半導体のバンドギャップはおよそ１．７ｅＶが好適であり、第２光エネルギー変換層の半導体のバンドギャップはおよそ１．１ｅＶが好適であることを開示している。さらに、非特許文献２は、互いに異なるバンドギャップを有する３種の半導体を積層させたタンデム型太陽電池について、最も光入射側に位置する第１光エネルギー変換層の半導体のバンドギャップはおよそ１．９ｅＶが好適であり、その次に位置する第２光エネルギー変換層の半導体のバンドギャップはおよそ１．４ｅＶが好適であり、第３光エネルギー変換層の半導体のバンドギャップはおよそ１．０ｅＶが好適であることを開示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Linsey C. Seitz et al., ChemSusChem, 7, 1372-1385 (2014)
【非特許文献２】Lin Z. et al., Optics Express, 24, A740-A751 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層に好適なバンドギャップを有する材料が適用された、多接合型光エネルギー変換素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、所定の方向から光を入射させる多接合型光エネルギー変換素子であって、
Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを第１光エネルギー変換材料として含む第１光エネルギー変換層と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において前記第１光エネルギー変換層よりも下流側に配置され、かつ、前記第１光エネルギー変換材料よりも狭いバンドギャップを有する第２光エネルギー変換材料を含む第２光エネルギー変換層と、
を具備する、
多接合型光エネルギー変換素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層に好適なバンドギャップを有する材料が適用された、多接合型光エネルギー変換素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の第１実施形態による多接合型光エネルギー変換素子の一例の断面図を示す。
【図２】図２は、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3の結晶構造を示す。
【図３】図３は、第一原理計算により得られたＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3の光吸収係数スペクトルを示す。
【図４】図４は、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2の結晶構造を示す。
【図５】図５は、第一原理計算により得られた直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2の光吸収係数スペクトルを示す。
【図６】図６は、本開示の第２実施形態によるデバイスの一例の断面図を示す。
【図７】図７は、本開示の第３実施形態によるデバイスの一例の断面図を示す。
【図８】図８は、本開示の第３実施形態によるデバイスの別の例の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜本開示に係る一態様の概要＞
本開示の第１の態様に係る多接合型光エネルギー変換素子は、所定の方向から光を入射させる多接合型光エネルギー変換素子であって、
Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを第１光エネルギー変換材料として含む第１光エネルギー変換層と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において前記第１光エネルギー変換層よりも下流側に配置され、かつ、前記第１光エネルギー変換材料よりも狭いバンドギャップを有する第２光エネルギー変換材料を含む第２光エネルギー変換層と、
を具備する。
【００１１】
第１の態様に係る多接合型光エネルギー変換素子では、光の入射方向において上流側に位置する第１光エネルギー変換層が、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを光エネルギー変換材料として含んでいる。Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、化合物としては認知されているものの、多接合型光エネルギー変換素子の光エネルギー変換材料としては検討が行われていなかった。本発明者らは、鋭意研究により、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2が、多接合型光エネルギー変換素子の光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層の材料として適していることを新たに見出した。したがって、本開示の第１の態様によれば、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層に好適なバンドギャップを有する材料が適用された、多接合型光エネルギー変換素子が提供され得る。
【００１２】
本開示の第２の態様に係るデバイスは、
第１の態様の多接合型光エネルギー変換素子と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において前記第１光エネルギー変換層よりも上流側または、前記光の入射方向において前記第２光エネルギー変換層よりも下流側に配置された第１電極と、
前記多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において、前記第１光エネルギー変換層および前記第２光エネルギー変換層を前記第１電極とで挟む第２電極と、
を具備する。
【００１３】
第２の態様に係るデバイスは、第１の態様の多接合型光エネルギー変換素子を具備しているので、光エネルギー変換効率の向上が期待され得る。
【００１４】
本開示の第３の態様に係るデバイスは、
第１の態様の多接合型光エネルギー変換素子と、
前記多接合型光エネルギー変換素子と電気的に接続された電極と、
溶液と、
前記多接合型光エネルギー変換素子、前記電極および前記溶液を収容する容器と、
を具備する。
【００１５】
第３の態様に係るデバイスは、第１の態様の多接合型光エネルギー変換素子を具備しているので、光エネルギー変換効率の向上が期待され得る。
【００１６】
＜実施形態＞
以下、本開示の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態による多接合型光エネルギー変換素子の一例の断面図を示す。図１に示された多接合型光エネルギー変換素子（以下、単に「素子」ということがある）１００は、所定の方向から光５００を入射させる素子である。素子１００は、第１光エネルギー変換層１１０と、第２光エネルギー変換層１２０とを具備している。第２光エネルギー変換層１２０は、素子１００に対する光の入射方向において、第１光エネルギー変換層よりも下流側に配置されている。なお、図１中、符号１３０は、電極（第１電極１３０）を示している。
【００１８】
図１に示された素子１００は、互いに異なる２つの光エネルギー変換層が積層された２層構造を有する。含まれる光エネルギー変換層が２つである多接合型光エネルギー変換素子は、タンデム型光エネルギー変換素子と呼ばれることがある。
【００１９】
光の入射方向において上流側に位置する第１光エネルギー変換層に含まれる第１光エネルギー変換材料、および、下流側に位置する第２光エネルギー変換層に含まれる第２光エネルギー変換材料には、それぞれに適切なバンドギャップを有することが求められる。第１光エネルギー変換材料は、例えば、１．５ｅＶ以上２．２ｅＶ以下の範囲内にバンドギャップを有する。第２光エネルギー変換材料は、例えば、０．８ｅＶ以上１．５ｅＶ以下の範囲内にバンドギャップを有する。
【００２０】
第１光エネルギー変換層１１０は、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2からなる群より選ばれる少なくとも一つを第１光エネルギー変換材料として含む。前述のとおり、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、化合物としては認知されているものの、多接合型光エネルギー変換素子の光エネルギー変換材料としては検討が行われていなかった材料である。Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、前述の、第１光エネルギー変換材料として適切なバンドギャップを満たしている。
【００２１】
第２光エネルギー変換層１２０は、第１光エネルギー変換材料よりも狭いバンドギャップを有する第２光エネルギー変換材料を含む。第２光エネルギー変換材料のバンドギャップは、第１光エネルギー変換材料のバンドギャップよりも０．２ｅＶ以上１．０ｅＶ以下の範囲で狭くてもよい。第２光エネルギー変換材料としては、例えば、Ｓｉが挙げられる。
【００２２】
図１では、第１電極１３０は、光の入射方向において第２光エネルギー変換層１２０よりも下流側に配置されている。なお、第１電極の位置は、図１に示されている位置に限定されない。第１電極は、光の入射方向において第１光エネルギー変換層よりも上流側であってもよいし、下流側であってもよい。第１電極は、可視光に対する透明性を有する導電体であってもよい。光の入射方向に対して、第１電極が第２光エネルギー変換層よりも上流側にある場合、第１電極は可視光に対して透明性を有する導電体である必要がある。
【００２３】
なお、図１に示された素子１００は、含まれる光エネルギー変換層が２層である。しかし、本開示の多接合型光エネルギー変換素子は、３層以上の光エネルギー変換層を含んでいてもよい。多接合型光エネルギー変換素子が光エネルギー変換層を３層以上含む場合は、第１光エネルギー変換層および第２光エネルギー変換層は、多接合型光エネルギー変換素子に対する光の入射方向において、上流側に第１光エネルギー変換層が位置し、かつ、下流側に第２光エネルギー変換層が位置していればよい。したがって、光の入射方向において、第１光エネルギー変換層よりも上流側に別の光エネルギー変換層がさらに設けられていてもよいし、第１光エネルギー変換層と第２光エネルギー変換層との間に別の光エネルギー変換層がさらに設けられていてもよいし、第２光エネルギー変換層よりも下流側に別の光エネルギー変換層がさらに設けられていてもよい。なお、図１では第１光エネルギー変換層と第２光エネルギー変換層とが互いに接しているが、第１光エネルギー変換層と第２光エネルギー変換層との間に接合層が設けられていてもよい。
【００２４】
以下、第１光エネルギー変換材料として用いられるＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3および直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2が説明される。
【００２５】
（Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3）
図２は、三方晶系のＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3の結晶構造を示す。図２に示された結晶構造を用いて、第一原理計算によるＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3の結晶構造最適化が行われた。第一原理計算は、密度汎関数理論に基づき、ＰＡＷ（Projector Augmented Wave）法を用いて行われた。結晶構造最適化において、電子間の相互作用である交換相関項を表現する電子密度の記述には、ＧＧＡ−ＰＢＥが用いられた。最適化された結晶構造を用いて、第一原理計算によって、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3のバンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量および光吸収係数スペクトルが算出された。バンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量および光吸収係数スペクトルの計算では、ＨＳＥ（Heyd-Scuseria-Ernzerhof）０６が用いられた。ＨＳＥ０６を用いると、半導体の物性値を高い精度で予測可能なことが知られている。
【００２６】
電子の有効質量は、エネルギー分散における伝導帯の底が放物線状であると仮定し、状態密度より計算された。同様に、正孔の有効質量は、エネルギー分散における価電子帯の頂上が放物線状であると仮定し、状態密度より計算された。光吸収係数スペクトルは、第一原理計算により算出された誘電関数より計算された。計算されたＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3のバンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量、および、バンドギャップよりも０．２ｅＶ大きいエネルギーにおける光吸収係数が、表１に示されている。表１には、電子の有効質量および正孔の有効質量について、電子の静止質量（m0）に対する電子の有効質量（me*）の比（表１中では「me*/m0」と表記されている）、および、電子の静止質量（m0）に対する正孔の有効質量（mh*）の比（表１中では「mh*/m0」と表記されている）が示されている。図３は、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3の光吸収係数スペクトルを示す。
【００２７】
表１および図３から、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3は、太陽電池等のデバイスおよび太陽光水分解のデバイス等に適用される多接合型光エネルギー変換素子において、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層の材料に適したバンドギャップを有していることがわかる。さらに、光エネルギー変換素子では、光によって励起された電子と正孔とが失活せずに電極に到達する、または、化学反応が起こる界面に到達する必要がある。このため、光エネルギー変換材料では、電子の有効質量および正孔の有効質量が小さいこと、例えば電子の静止質量に対する電子の有効質量の比（以下、「電子の有効質量比」ということがある）および電子の静止質量に対する正孔の有効質量の比（以下、「正孔の有効質量比」ということがある）が１．５を下回ること、が望ましい。Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3では、電子の有効質量比および正孔の有効質量比が１を下回っている。したがって、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3は、半導体材料としては非常に小さな有効質量を有していると言える。また、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3は、バンドギャップから０．２ｅＶ大きいエネルギーにおいて１×１０4ｃｍ-1を超える大きな光吸収係数を有している。
【００２８】
加えて、Ｓｎの５ｓ軌道は、Ｏの２ｐ軌道と同程度のエネルギーに軌道を持つ。その場合、両者の混成による反結合軌道が価電子帯を形成する。そのような電子構造を持つ材料は、欠陥が導入された場合には、深い欠陥準位を作らず、浅い欠陥準位を作ることが期待される。深い欠陥準位は、キャリアの再結合サイトとして働き、キャリア輸送特性に悪い影響を与える。このため、深い欠陥準位を作りにくいことは、光エネルギー変換素子の材料として望ましい特性である。
【００２９】
以上のことから、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3は、光エネルギー変換素子の材料として非常に有望である。すなわち、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3が多接合型光エネルギー変換素子の第１光エネルギー変換層に用いられた場合、その多接合型光エネルギー変換素子は、適切な波長の太陽光を効率よく吸収し、良好なキャリア移動特性を示すことができるので、高いエネルギー変換効率を実現し得る。
【００３０】
Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3は、公知の製法により作製し得る。例えば、文献「R. Hoppe et al., Z. anorg. allg. Chem., 509, 145-152 (1984)」に開示されているＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3の製法は、以下のとおりである：
ＲｂＳｎを３６０−３８０℃で６時間、酸素ガスで酸化させた後、アニール処理をして、Ｒｂ2Ｓｎ2Ｏ3を得ることができる。
また、文献「Von R. M. Braun et al., Z. anorg. allg. Chem., 485, 15-22 (1982)」にもＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3の製法が記載されている。
【００３１】
（直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2）
図４は、直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の結晶構造を示す。図４に示された結晶構造を用いて、第一原理計算による直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の結晶構造最適化が行われた。第一原理計算は、密度汎関数理論に基づき、ＰＡＷ法を用いて行われた。結晶構造最適化において、電子間の相互作用である交換相関項を表現する電子密度の記述には、ＧＧＡ−ＰＢＥが用いられた。最適化された結晶構造を用いて、第一原理計算によって、直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2のバンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量および光吸収係数スペクトルが算出された。バンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量および光吸収係数スペクトルの計算では、ＨＳＥ０６が用いられた。
【００３２】
電子の有効質量は、エネルギー分散における伝導帯の底が放物線状であると仮定し、状態密度より計算された。同様に、正孔の有効質量は、エネルギー分散における価電子帯の頂上が放物線状であると仮定し、状態密度より計算された。光吸収係数スペクトルは、第一原理計算により算出した誘電関数より算出された。計算された直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2のバンドギャップ、電子の有効質量、正孔の有効質量、および、バンドギャップよりも０．２ｅＶ大きいエネルギーにおける光吸収係数が、表１に示されている。表１には、電子の有効質量および正孔の有効質量について、電子の静止質量（m0）に対する電子の有効質量（me*）の比（表１中では「me*/m0」と表記されている）、および、電子の静止質量（m0）に対する正孔の有効質量（mh*）の比（表１中では「mh*/m0」と表記されている）が示されている。図５は、直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の光吸収係数スペクトルを示す。
【００３３】
表１および図５から、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、太陽電池等の光電変換デバイスおよび太陽光水分解デバイス等のデバイスに適用される多接合型光エネルギー変換素子において、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層の材料に適したバンドギャップを有していることがわかる。さらに、光エネルギー変換素子では、前述のとおり、電子の有効質量および正孔の有効質量が小さいこと、例えば電子の有効質量比および正孔の有効質量比が１．５を下回ることが望ましい。直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2では、電子の有効質量比および正孔の有効質量比が１を下回っている。したがって、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、半導体材料としては非常に小さな有効質量を有していると言える。また、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、バンドギャップから０．２ｅＶ大きいエネルギーにおいて１０3ｃｍ-1台後半の大きな光吸収係数を有している。
【００３４】
加えて、Ｃｕの３ｄ軌道は、Ｓの３ｐ軌道と同程度のエネルギーに軌道を持つ。その場合、両者の混成による反結合軌道が価電子帯を形成する。そのような電子構造を持つ材料は、欠陥が導入された場合には、深い欠陥準位を作らず、浅い欠陥準位を作ることが期待される。深い欠陥準位はキャリアの再結合サイトとして働きキャリア輸送特性に悪い影響を与える。このため、深い欠陥準位を作りにくいことは光エネルギー変換素子の材料として望ましい特性である。
【００３５】
以上のことから、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、光エネルギー変換素子の材料として非常に有望である。すなわち、直方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2が多接合型光エネルギー変換素子の第１光エネルギー変換層に用いられた場合、その多接合型光エネルギー変換素子は、適切な波長の太陽光を効率よく吸収し、良好なキャリア移動特性を示すことができるので、高いエネルギー変換効率を実現し得る。
【００３６】
直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2は、公知の製法により作製し得る。例えば、文献「T. Ohtani et al., Journal of Alloys and Compounds, 317-318, 201-207 (2001)」に開示されている直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の製法は、以下のとおりである：
両論比のＢａ、ＣｕおよびＳの単体を混合し、石英管に真空封入する。バリウムと管との反応を防ぐために、菅の内側はカーボンフィルムで覆われている。１０７３Ｋまで徐々に昇温し、５日間加熱する。生成物をペレット化して石英管に封入し、８７３Ｋで３日間焼成したのち、室温まで徐冷する。
【００３７】
例えば、文献「Z. Ma et al., RSC Adv., 4, 28937 (2014)」に開示されている直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の製法は、以下のとおりである：
ＣｕおよびＳｂの混合物を均一に粉砕混合し、得られた混合物を脱イオン水が入ったフッ素樹脂ライナーに加える。その後、このフッ素樹脂ライナー内にＢａ（ＯＨ）2・８Ｈ2Ｏを添加し、混合する。オートクレーブ内に密閉されたフッ素樹脂ライナーを、２００℃で４８から８２時間加熱する。得られた生成物を脱イオン水およびエタノールで複数回洗浄する。
【００３８】
例えば、文献「Y. Wang et al., Chem. Mater., 19, 3102-3104 (2007)」に開示されている直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の製法は、以下のとおりである：
ＢａＳ溶液とＣｕ2Ｓ溶液との混合溶液を不活性（窒素、アルゴン）雰囲気下で数週間（６週間）静置する。１２０℃でこの混合溶液から溶媒を除去し、さらに３００℃で３０分間熱処理を実施することにより、ＢａＣｕ2Ｓ2の粉体が得られる。
【００３９】
例えば、文献「S. Park et al., Appl. Phys. Lett., 80, 4393 (2002)」に開示されている直方晶系ＢａＣｕ2Ｓ2の製法は、以下のとおりである：
ガラス基板およびＫＢｒ基板上に、ＢａＣｕ2Ｓ2のスパッタリングターゲット、および、ＡｒとＨｅとの混合ガスを用い、ＲＦスパッタリングによってＢａＣｕ2Ｓ2膜を成膜する。このスパッタリングにおいて、スパッタ圧力は３５ｍＴｏｒｒであり、ガス流量は８０ｓｃｃｍである。スパッタリング時の基板温度は５７３Ｋに維持される。その後、成膜された膜を、同じ温度のＡｒ雰囲気下で、５分間アニールする。ＢａＣｕ2Ｓ2のスパッタリングターゲットは、粉末を４トンの圧力で加圧して、Ａｒ雰囲気下で１０４８Ｋで５時間アニールすることによって作製される。この粉末は、ＢａＣＯ3とＣｕ2Ｓとの混合物を、Ｈ2Ｓガス流下で９２３Ｋで１時間加熱した後、Ａｒガス流下で室温まで冷却することによって作製される。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
［第２実施形態］
図６は、本開示の第２実施形態によるデバイスの一例の断面図を示す。図６に示されたデバイス２００は、第１実施形態で説明した多接合型光エネルギー変換素子１００を具備している。デバイス２００は、さらに、第１電極１３０および第２電極２１０を具備する。第１電極１３０は、実施形態１で説明したとおりである。ただし、第２実施形態のデバイスにおいては、第１電極の配置位置は、光の入射方向において第１光エネルギー変換層よりも上流側または、光の入射方向において第２光エネルギー変換層よりも下流側である。第２電極２１０は、光の入射方向において、第１光エネルギー変換層１１０および第２光エネルギー変換層１２０を第１電極１３０とで挟む。第１光エネルギー変換層１１０と第２光エネルギー変換層１２０との間に接合層が設けられていてもよい。
【００４２】
デバイス２００は、多接合型光エネルギー変換素子１００を利用し、当該素子１００に光を照射することによって光を電気に変換する光電変換デバイスである。図６に示されたデバイス２００は、光の入射方向において、第２電極２１０が多接合型光エネルギー変換素子１００よりも上流側に配置されている。したがって、この構成の場合、第２電極２１０は、可視光に対する透明性を有する導電体である。なお、多接合型光エネルギー変換素子の第１電極が光の入射方向において第１光エネルギー変換層よりも上流側に配置されている場合は、第２電極は第２光エネルギー変換層よりも下流側に配置される。したがって、その場合、第２電極は可視光に対する透明性を有していなくてもよい。
【００４３】
デバイス２００に光が照射されると、第２電極２１０を透過した光のうち、第１光エネルギー変換層１１０で第１光エネルギー変換材料であるＲｂ2Ｓｎ2Ｏ3および／またはＢａＣｕ2Ｓ2（直方晶系）により、これらのバンドギャップに対応する短波長側の光が吸収される。第１光エネルギー変換層１１０で吸収されなかった長波長側の光は、第２光エネルギー変換層１２０で第２光エネルギー変換材料に吸収される。第１光エネルギー変換層１１０および第２光エネルギー変換層１２０で吸収された光エネルギーは、電気エネルギーに変換されて、第１電極１３０および第２電極２１０を介して取り出される。
【００４４】
［第３実施形態］
図７は、本開示の第３実施形態によるデバイスの一例の断面図を示す。図７に示されたデバイス３００は、第１実施形態による多接合型光エネルギー変換素子１００を具備している。デバイス３００は、第１電極１３０、電極３１０、溶液３３０および容器３４０をさらに具備する。デバイス３００は、多接合型光エネルギー変換素子１００を利用し、当該素子１００に光を照射することによって水を分解する気体生成デバイスである。なお、第１電極１３０は、実施形態１で説明したとおりである。
【００４５】
電極３１０は、導線３２０を介して素子１００の第１電極１３０に電気的に接続されている。
【００４６】
溶液３３０は、水または電解質溶液である。電解質溶液は酸性またはアルカリ性である。具体的には、電解質溶液の例は、硫酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、リン酸緩衝液、またはホウ酸緩衝液である。
【００４７】
容器３４０は、素子１００、電極３１０および溶液３３０を収容する。容器３３０は、例えば透明である。具体的には、光が容器３３０の外部から容器３３０の内部に伝わるように、容器３３０の少なくとも一部分が透明であってもよい。
【００４８】
素子１００に光が照射されると、素子１００の表面上で酸素または水素が発生し、電極３１０の表面上で水素または酸素が発生する。太陽光等の光が容器３３０を通って、素子１００に到達する。光を吸収した第１光エネルギー変換層１１０および第２光エネルギー変換層１２０の光エネルギー変換材料の伝導帯および価電子帯に、それぞれ、電子および正孔が生じる。これらの電子および正孔により、水分解反応が生じる。素子１００の光エネルギー変換材料として含まれる半導体がｎ型半導体である場合、素子１００の表面上で、下記反応式（１）に示されるように水が分解されて、酸素が発生する。その場合は、電極３１０の表面上で、下記反応式（２）に示されるように、水素が発生する。素子１００の光エネルギー変換材料として含まれる半導体がｐ型半導体である場合、電極３１０の表面上で、下記反応式（１）に示されるように水が分解されて、酸素が発生する。その場合は、素子１００の表面上で、下記反応式（２）に示されるように、水素が発生する。
【００４９】
（化１）
４ｈ+  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑  ＋  ４Ｈ+      （１）
（ｈ+は正孔を表す）
（化２）
４ｅ-  ＋  ４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑      （２）
【００５０】
図７に示されたデバイス３００の場合、光は、素子１００側からデバイス３００に入射してもよいし、電極３１０側からデバイス３００に入射してもよい。ただし、電極３１０から光が入射する場合は、電極３１０には、可視光に対する透明性を有する導電体が用いられる。
【００５１】
本開示のデバイスは、図７に示された構成、すなわち、溶液３３０が、素子１００に対する光の入射方向において、素子１００と電極３１０との間に位置する構成に限定されない。図８に示されるデバイス４００ように、溶液３３０が、素子１００に対する光の入射方向において、素子１００の第１光エネルギー変換層１１０と素子１００の第２光エネルギー変換層１２０との間に位置していてもよい。この構成の場合、光の吸収効率をさらに向上させるため、第１光エネルギー変換層と第２光エネルギー変換層との表面積に違いがあってもよい。具体的には、第２光エネルギー変換層の表面積を第１光エネルギー変換層より大きくしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本開示の多接合型光エネルギー変換素子には、光の入射方向において上流側に位置する光エネルギー変換層に好適なバンドギャップを有する材料が適用されている。したがって、本開示の多接合型光エネルギー変換素子は、太陽電池等のデバイスおよび太陽光水分解のデバイスに好適に利用され得る。
【符号の説明】
【００５３】
１００    多接合型光エネルギー変換素子
１１０    第１光エネルギー変換層
１２０    第２光エネルギー変換層
１３０    第１電極
２００    デバイス
２１０    第２電極
３００，４００    デバイス
３１０    電極
３２０    導線
３３０    溶液
３４０    容器
５００    光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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