(57)【要約】      （修正有）【課題】正孔伝導部を備えた場合でも、光の透過性および光電変換効率を高めることのできる光電変換装置を提供する。【解決手段】光透過性を有し、光の入射面とは反対側の主面に、厚み方向に延伸してなる複数の柱状体１ｂを有する基材１と、該基材１の柱状体１ｂを含む表面形状に沿って設けられた膜状の正孔伝導部３と、該正孔伝導部３の基材１とは反対側の表面に設けられた、複数の量子ドット５ａを有する量子ドット集積部５と、該量子ドット集積部５の正孔伝導部３とは反対側の表面に設けられた電極層７と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有し、光の入射面とは反対側の主面に、厚み方向に延伸してなる複数の柱状体を有する基材と、
該基材の前記柱状体を含む表面形状に沿って設けられた膜状の正孔伝導部と、
該正孔伝導部の前記基材とは反対側の表面に設けられた、複数の量子ドットを有する量子ドット集積部と、
該量子ドット集積部の前記正孔伝導部とは反対側の表面に設けられた電極層と、を備えていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記正孔伝導部は、前記基材上において、厚みが均一であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記正孔伝導部が前記基材の表面に接するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記柱状体は、側面に複数の凸部を有していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを利用した光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット太陽電池として知られる光電変換装置は、量子ドットに特定波長の太陽光が当たり励起される電子と、その電子が価電子帯から伝導帯まで励起されたときに生じる正孔とをキャリアとして利用する。
【０００３】
量子ドットを利用した光電変換装置では、電子や正孔が量子ドット集積部内を移動する際に再結合し易く、このため光電変換効率を高められないという問題を有している。
【０００４】
そこで、近年、量子ドット集積部におけるキャリアの収集能力を高めるための構造として、例えば、図５に示すように、量子ドット集積部１０７と電極層１０３との間に、特定のキャリア（この場合、正孔）だけを選択的に通過させることのできる伝導層（以下、正孔伝導層１０９という。）を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
図５に示す光電変換装置をより詳細に説明すると、この光電変換装置１００は、対向する２つの電極層１０１、１０３間に電子伝導部１０５、量子ドット集積部１０７および正孔伝導部１０９がこの順に配置された構成となっている。この場合、電極層１０３側が太陽光の入射側となる。
【０００６】
ここで、電子伝導部１０５は、一方の電極層１０１上に積層するように配置された基部１０５ａと、この基部１０５ａの表面から厚み方向に伸びる柱状体１０５ｂとを備えている。量子ドット集積部１０７は電子伝導部１０５の基部１０５ａおよび柱状体１０５ｂの表面に複数の量子ドット１０７ａが付着した状態となって形成されている。正孔伝導部１０９は電子伝導部１０５と電極層１０３との間において量子ドット集積部１０７を除く空間を埋めるように配置されている。
【０００７】
この場合、量子ドット１０７ａには周期表第１２〜１６族の半導体材料が用いられ、電子伝導部１０５には酸化チタンや酸化亜鉛などの金属酸化物が用いられ、さらに、正孔伝導部１０９にはＰ３ＨＴ（Poly(3-hexylthiophene-2,5- diyl)）やＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Poly(3,4-ethylenedioxiy-thiophene):poly(styrenesulfonate）)と呼ばれる有機物が用
いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００９−５３２８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した光電変換装置１００では、正孔伝導部１０９が電極層１０３と電子伝導部１０５との間において、量子ドット集積部１０７を除く領域を埋めるように配置されていることから、正孔伝導部１０９は厚みの厚い部分が多くなっている（図８における矢印ｔ１、ｔ２のうちのｔ２）。
【００１０】
このため、上記した従来の光電変換装置１００では、正孔伝導部１０９の部位によって
は光の透過性が低くなる部分が存在することから、光電変換効率を高められないという問題がある。
【００１１】
従って本発明は、正孔伝導部を備えた場合でも、光の透過性および光電変換効率を高めることのできる光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光電変換装置は、光透過性を有し、光の入射面とは反対側の主面に、厚み方向に延伸してなる複数の柱状体を有する基材と、該基材の前記柱状体を含む表面形状に沿って設けられた膜状の正孔伝導部と、該正孔伝導部の前記基材とは反対側の表面に設けられた、複数の量子ドットを有する量子ドット集積部と、該量子ドット集積部の前記正孔伝導部とは反対側の表面に設けられた電極層と、を備えているものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正孔伝導部を備えた場合でも、光の透過性および光電変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に示す断面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ａ）は端子電極の形状が帯状、（ｂ）は端子電極の形状がフレーム状である。
【図３】本実施形態の光電変換装置の他の態様を示す断面模式図である。
【図４】本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。
【図５】従来の光電変換装置を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の光電変換装置の一実施形態を部分的に示す断面模式図である。図１に示す光電変換装置は、基材１と、正孔伝導部３と、量子ドット集積部５と、電極層７とが、この順に積層された構成となっている。
【００１６】
基材１は、光透過性を有する材料からなり、一方の主面が光の入射面となる基材本体１ａと、この基材本体１ａの光の入射面とは反対側の主面に、厚み方向に延伸してなる複数の柱状体１ｂを有する構成となっている。この場合、複数の柱状体１ｂが基材本体１ａの主面に対して厚み方向に延伸しているとは、主面に対して垂直な方向だけではなく、主面に対して斜めの方向に向いたものも含まれることを意味する。
【００１７】
正孔伝導部３は、基材１を構成する基材本体１ａおよび柱状体１ｂの表面形状に沿って膜状に設けられている。
【００１８】
量子ドット集積部５は、基材１上に設けられた正孔伝導部３の表面上に複数の量子ドット５ａが積み重ねられて電極層７との間に形成されている。
【００１９】
本実施形態の光電変換装置によれば、基材１と量子ドット集積部５との間に設けられた正孔伝導部３が基材１の表面形状に沿って膜状に設けられていることから、正孔伝導部３には、面内における厚み差が小さくなっている（図１における矢印ｔ１、ｔ２）。
【００２０】
これにより、正孔伝導部３による光の透過を均一にでき、かつ光の透過性の低下を小さくすることができることから光電変換効率を向上させることができる。この場合、基材１を構成する柱状体１ｂが量子ドット集積部５に厚み方向に食い込むように配置されていることから、量子ドット集積部５内において正孔伝導部３と量子ドット５ａとの接触面積を
大きくすることができるため、この点も加わり光電変換効率を高めることができる。
【００２１】
ここで、本実施形態の光電変換装置を構成する基材１の材料としては、ガラスやプラスチックなど、透明かつ電気絶縁性の高い材料が好ましい。量子ドット５ａの材料としては、周期表１２〜１６族の群から選ばれる１種の元素もしくは複数の元素の組合せが好ましいが、コストメリットの点でＳｉが好ましいものとなる。また、量子ドット５ａとしては、光の照射によって生成した電子ｅおよび正孔ｈの閉じ込め効果を高めるという理由から、量子ドット５ａの周囲に中間層となる有機成分を主体とするリガンド（配位子）を有しているものが良い。電極層１、３の材料としては、金、銀および白金などの貴金属やＮｉ、Ｃｕなどの卑金属、あるいはＡｌを適用するのが良い。
【００２２】
正孔伝導部３の材料としては、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（Poly(3,4-ethylenedioxiy-thiophene):poly(styrenesulfonate）)などの有機物が好適なものとなる。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ
は、光の透光性を有するとともに、電気抵抗の低い材料であることから、量子ドット５ａとの接触界面においてショットキー障壁を形成することができる。その結果、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳが量子ドット集積部５において生成した正孔ｈを選択的に透過させることができるため、量子ドット集積部５における正孔ｈと電子ｅとの再結合を抑えることができ、光電変換効率に寄与する電子ｅおよび正孔ｈの頻度を増やすことができる。
【００２３】
また、この光電変換装置では、正孔伝導部３は基材１上において厚みｔ（ｔ１、ｔ２）が均一であることが望ましい。基材１を構成する基材本体１ａの主面から柱状体１ｂの側面および頂部にかけて、正孔伝導部３の厚みｔが均一であると、基材１を透過してきた光を、正孔伝導部３と接している量子ドット集積部５に均等に入射させることができるため、光電変換効率をさらに高めることができる。
【００２４】
このとき、正孔伝導部３の平均厚みｔは、正孔ｈを多く捕獲することができるという点および光の透過性を低下させないという点から３０〜２００ｎｍが望ましい範囲となる。このとき正孔伝導部３の最小厚みと最大厚みとの差としては１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２５】
また、この光電変換装置では、正孔伝導部３と基材１との間に必要に応じて他の機能性を有する膜を設けても良いが、正孔伝導部３は基材１の表面に接するように配置されていることが望ましい。正孔伝導部３が基材１の表面に接するように配置されていると、正孔伝導部３と基材１との間に、例えば、透明導電膜などの集電部材が設けられている場合と比較して、正孔伝導部３を透過して量子ドット集積部５へ入る光の量の低下を抑えることができる。
【００２６】
この場合、正孔伝導部３を集電部材および引出電極として利用することになるが、対向する電極層７との間で電気的な結線を行うための端子電極９は、基材１の主面における光の透過性を確保するという点で、正孔伝導部３の周縁部に設置するのが良い。このとき、正孔伝導部３の厚みｔ１が厚い場合には、正孔伝導部３の側面（端面）に形成することもできるが、正孔伝導部３の厚みｔ１が薄く、正孔伝導部３の側面（端面）に形成し難い場合には、図１に示すように、正孔伝導部３と基材１との界面に一方を介在させた端子電極９を形成しておくのが良い。
【００２７】
このとき端子電極９の形状としては、正孔伝導部３との間での接触面積を大きくして端子電極９と正孔伝導部３との界面における電気抵抗を低くするという理由から、正孔伝導部３の周縁部を這うような形状であることが望ましい。具体的は、図２に示しているように、帯状もしくはフレーム状とするのが良い。さらには、端子電極９と外部配線との接続を容易にするという理由から、端子電極９は基材１の端面側に折れ曲がっているかもしく
は端面側から光の入射面側まで回り込んでいるのが良い。
【００２８】
図３は、本実施形態の光電変換装置の他の態様を示す断面模式図である。図３に示す光電変換装置では、基材１を構成する柱状体１ｂが、その側面１ｓに複数の凸部１ｃを有している。この場合も、正孔伝導部３は柱状体１ｂの側面１ｓに設けられた複数の凸部１ｃをも覆うように設けられている。
【００２９】
この場合、図３を例にすると、正孔伝導部３は、柱状体１ｂに設けられた凸部１ｃによって凸部１ｃが伸びた方向である２つの柱状体１ｂ間へも向いた形状となっている。正孔伝導部３が、柱状体１ｂに設けられた凸部１ｃによって柱状体１ｂ間へも向いた形状となり、２つの柱状体１ｂ間の距離を縮めるようになると、量子ドット集積部５の中で柱状体１ｂの側面に沿うように設けられている正孔伝導部３から遠い部位（図２では、２つの柱状体１ｂ間の中央付近）で生成した正孔ｈについても正孔伝導部３との距離を近づけることができるため、正孔ｈを正孔伝導部３へ取り込みやすくなり、電子ｅとの再結合する割合を減らすことができる。これにより光電変換効率をさらに高めることができる。
【００３０】
次に、本実施形態の光電変換装置の製造方法について説明する。図４は、本実施形態の光電変換装置の製造方法を示す工程図である。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、まず、基材本体１ａの一方主面に柱状体１ｂを有する基材１を準備する。この場合、基材１にはガラス基板またはプラスチック板を切削加工して柱状体１ｂを形成したものを用いるのが良い。また、基材１の周縁部に図２に示すような形状で金属膜を形成しておくと、光電変換装置を完成した後に端子電極９として用いることができる。端子電極９が図２に示すような形状であると、基材１の主面の大部分の領域で光を透過させることができることから、端子電極９にも電極層７と同様の有色系で導電率の高い金属材料を用いることができる。
【００３２】
次に、図４（ｂ）に示すように、この基材１上に正孔伝導部３を形成する。正孔伝導部３は基材１の表面形状に沿って膜状となるように形成する。正孔伝導部３としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの有機物を用いる場合には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの溶液を調製した後、スピンコート法や印刷法などのコーティング法を用いて膜を形成する。基材本体１ａの表面に柱状体１ｂを有するような凹凸による段差の大きい表面に均一な正孔伝導部３の膜を形成するには、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの溶液がチキソトロピー性の粘度特性を持つようにすると良い。塗布膜となる溶液がトキソトロピー性であると、柱状体１ｂの側面１ｓに溶液が付着した際にも高い粘度が保たれ垂れ難いため、側面１ｓでの膜厚を確保することができる。このとき、基材１の表面に正孔導電部３を形成する前に基材１の表面に、インジウム錫酸化物などからなる透明導電膜を形成しても良いが、基材１から量子ドット集積部５に至る領域の光の透過性を高める上では、基材１の表面に正孔伝導部３が直接張り合わされるように形成するのが良い。
【００３３】
次に、図４（ｃ）に示すように、基材１上に形成した正孔導電膜３の上面に量子ドット５ａとして複数の半導体粒子をスピンコート法や沈降法などにより堆積させて量子ドット集積部５を形成する。量子ドット５ａとしては、中間層としてオクタデカン（炭素数：１８）などを表面に付着させたものを用いる。
【００３４】
最後に、形成した量子ドット集積膜５の表面に、蒸着法またはスパッタ法などの物理的成膜法により電極層７を形成することによって、図１に示すような本実施形態の光電変換装置を得る。
【００３５】
以上、図１に示した光電変換装置を例として述べたが、図３に示す光電変換装置につい
ても、柱状体１ｂの形状の異なる基材１を適用することによって得ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・・・・・・・・・基材
１ａ・・・・・・・・・・基材本体
１ｂ・・・・・・・・・・柱状体
１ｃ・・・・・・・・・・（柱状体の）側面
３・・・・・・・・・・・正孔伝導部
５・・・・・・・・・・・量子ドット集積膜
５ａ・・・・・・・・・・量子ドット
７・・・・・・・・・・・電極層
９・・・・・・・・・・・端子電極
【図１】
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【図３】
2016207930.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図２】
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