(57)【要約】【課題】光の入射方向において下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、第１光エネルギー変換材料を含む第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。第２光エネルギー変換材料は、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮからなる群より選ばれる少なくとも一つである。【選択図】図１
2019134054.tif 000002
【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、
第１光エネルギー変換材料を含む第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、
を具備し、
前記第２光エネルギー変換材料は、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮからなる群より選ばれる少なくとも一つである、
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。
【０００５】
非特許文献３は、ＳｒＣｕＮ等の様々な銅窒化物が光エネルギー変換材料として使用し得ることを開示している。ただし、非特許文献３では、それぞれの銅窒化物について、タンデム型のデバイスにおける使用可能性については検討されておらず、積層された複数の光エネルギー変換層のうちボトム側の光エネルギー変換層の材料に適しているかどうかついても開示されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【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)
【非特許文献３】Andriy Zakutayev et al., Chem. Mater. 2014, 26, 4970-4977
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、光の入射方向において下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】
【０００８】
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、
第１光エネルギー変換材料を含む第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、
を具備し、
前記第２光エネルギー変換材料は、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮからなる群より選ばれる少なくとも一つである、
多接合型光エネルギー変換素子を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、光の入射方向において下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】
【００１０】
【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、第一原理計算により得られたＫＺｎＳｂの光吸収係数スペクトルを示す。
【図３】図３は、第一原理計算により得られたＫＣｕＳｅの光吸収係数スペクトルを示す。
【図４】図４は、第一原理計算により得られたＢａ3ＢｉＮの光吸収係数スペクトルを示す。
【図５】図５は、第一原理計算により得られたＢａＣｕ2Ｓ2の光吸収係数スペクトルを示す。
【図６】図６は、第一原理計算により得られたＳｒＣｕＮの光吸収係数スペクトルを示す。
【図７】図７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８】図８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９】図９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】
【００１１】
＜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、
第１光エネルギー変換材料を含む第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、
を具備し、
前記第２光エネルギー変換材料は、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮからなる群より選ばれる少なくとも一つである。
【００１２】
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下流側に位置する第２光エネルギー変換層が、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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。ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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下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下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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
＜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。
【００１８】
［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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
第２光エネルギー変換材料は、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は、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮからなる群より選ばれる少なくとも一つである。前述のとおり、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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。ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮは、前述の、第２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。
【００２２】
第１光エネルギー変換材料は、第２光エネルギー変換材料よりも広いバンドギャップを有する。第１光エネルギー変換材料のバンドギャップは、第２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以下の範囲で広くてもよい。第１光エネルギー変換材料としては、例えば、太陽電池の光吸収材料として使用され得るペロブスカイト化合物が挙げられる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
以下、第２光エネルギー変換材料として用いられるＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮが説明される。
【００２６】
ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮの結晶構造を用いて、これらの化合物の第一原理計算による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、各化合物のバンドギャップ、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。
【００２７】
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。計算された各化合物のバンドギャップ、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２から図６は、それぞれ、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮの光吸収係数スペクトルを示す。
【００２８】
表１、および、図２から図６から、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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下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。ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮの全ての化合物において、電子の有効質量比が１．５を下回っている。またＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮおよび正方晶系のＢａＣｕ2Ｓの化合物において、正孔の有効質量比が１．５を下回っている。さらに、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅおよびＢａ3ＢｉＮ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、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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。
【００２９】
加えて、Ｚｎの４ｓ軌道、Ｃｕの４ｓ軌道、およびＢｉの６ｓ軌道は、アニオンであるＳの３ｐ軌道、Ｓｅの５ｐ軌道、Ｓｂの５ｐ軌道、およびＮ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、欠陥が導入された際に、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。
【００３０】
以上のことから、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮ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、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮが多接合型光エネルギー変換素子の第２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。
【００３１】
次に、ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮの製造方法が説明される。ＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2およびＳｒＣｕＮは、公知の製法により作製し得る。
【００３２】
ＫＺｎＳｂは、例えば、文献「Gerhard Savelsberg et al., Z. Naturforsch. 33b, 370-373 (1978)」に開示されている製法により作製し得る。この文献に開示されている製法は、以下のとおりである：
乾燥アルゴンの下、両論比に秤量したＫ、ＺｎおよびＳｂの単体をねじ込み式の銅坩堝に入れる。この坩堝をボルト付きの鉄製のボンベに入れて７００℃で１日加熱し、その後、生成物をアルゴンが封入された鉄製ボンベの中で１日冷ます。
【００３３】
ＫＣｕＳｅは、例えば、文献「Gerhard Savelsberg et al., Z. Naturforsch. 33b, 370-373 (1978)」に開示されている製法により作製し得る。この文献に開示されている製法は、以下のとおりである：
乾燥アルゴンの下、両論比に秤量したＫ、ＣｕおよびＳｅの単体をねじ込み式の銅坩堝に入れる。この坩堝をボルト付きの鉄製のボンベに入れて７００℃で１日加熱し、その後、生成物をアルゴンが封入された鉄製ボンベの中で１日冷ます。
【００３４】
Ｂａ3ＢｉＮは、例えば、文献「Frank Gabler et al., Z. Anorg. Allg. Chem., 630, 2292-2298 (2004)」に開示されている製法により作製し得る。この文献に開示されている製法は、以下のとおりである:
Ｂｉ（９９．９９９％）とＢａ（９９．９％）の単体を、モル比１：３でアーク炉でアルゴン雰囲気で溶融する。続いてモレキュラーシーブで純化する。生成した金属片を９９．９９９％の窒素雰囲気中で最高１１２０Ｋで熱する。
【００３５】
正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2は、例えば、文献「T. Ohtan et al., Journal of Alloys and Compounds 201, 317-318, 201-207 (2001)」に開示されている製法により作製し得る。この文献に開示されている製法は、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、８７３Ｋから水温まで急冷する。
【００３６】
ＳｒＣｕＮは、例えば、文献「F. J. DiSalvo et al., Journal of Alloys and Compounds 225, 122-129 (1997)」に開示されている製法により作製し得る。この文献に開示されている製法は、以下のとおりである：
Ｓｒ、Ｃｕ、ＮａＮ3のモル比が２：１：１０になるようにＳｒ、Ｃｕ3Ｎ、ＮａＮ3を調製し、インコネル製のオートクレーブ中に供し、Ａｒ雰囲気で焼成する。
【００３７】
【表１】
2019134054.tif 000003
【００３８】
［第２実施形態］
図７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。
【００３９】
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７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。
【００４０】
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により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であるＫＺｎＳｂ、ＫＣｕＳｅ、Ｂａ3ＢｉＮ、正方晶系のＢａＣｕ2Ｓ2および／またはＳｒＣｕＮにより吸収される。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。
【００４１】
［第３実施形態］
図８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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（化１）
４ｈ+  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2↑  ＋  ４Ｈ+      （１）
（ｈ+は正孔を表す）
（化２）
４ｅ-  ＋  ４Ｈ+  →  ２Ｈ2↑      （２）
【００４７】
図８に示された水分解デバイス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。
【００４８】
本開示のデバイスは、図８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９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】
【００４９】
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下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】
【００５０】
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】
2019134054.tif 000004
【図２】
2019134054.tif 000005
【図３】
2019134054.tif 000006
【図４】
2019134054.tif 000007
【図５】
2019134054.tif 000008
【図６】
2019134054.tif 000009
【図７】
2019134054.tif 000010
【図８】
2019134054.tif 000011
【図９】
2019134054.tif 000012