JP2013089690A - Method for manufacturing quantum dot sensitized type solar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子ドット増感型太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a quantum dot-sensitized solar cell.
太陽電池としては、結晶系シリコンやアモルファスシリコンを用いたシリコン系の太陽電池や、GaAs系、CdTe系、CuIn(1−x)GaxSe2で表される化合物を用いた化合物系太陽電池が既に知られている。最近では、色素を増感剤として用いた色素増感型太陽電池や、無機半導体微粒子を光電変換材として用いた量子ドット増感型太陽電池が研究されている。これらの色素増感型太陽電池や量子ドット増感型太陽電池は、理論上の変換効率が高く、製造コストも低減できる点で有利であり、次世代の太陽電池として有望視されている。 The solar cell, and solar cell silicon with crystalline silicon and amorphous silicon, GaAs-based, CdTe-based, compounds based solar cell using a compound represented by CuIn (1-x) Ga x Se 2 Already known. Recently, dye-sensitized solar cells using dyes as sensitizers and quantum dot-sensitized solar cells using inorganic semiconductor fine particles as photoelectric conversion materials have been studied. These dye-sensitized solar cells and quantum dot-sensitized solar cells are advantageous in that they have high theoretical conversion efficiency and can reduce manufacturing costs, and are promising as next-generation solar cells.
色素増感型太陽電池は、透明電極層上に成膜された酸化物半導体に増感剤として色素を吸着させた電極を備えるが、増感剤に有機色素を用いるため、紫外線や高温に対する耐久性が低いという課題がある。 Dye-sensitized solar cells have an electrode in which a dye is adsorbed as a sensitizer on an oxide semiconductor film formed on a transparent electrode layer. However, since an organic dye is used as a sensitizer, it is resistant to ultraviolet rays and high temperatures. There is a problem of low nature.
これに対し、量子ドット増感型太陽電池は、TiO2等の酸化物半導体に増感剤として無機半導体微粒子を形成した電極を有する構造であり、紫外線や高温に対して高い耐久性を有するという利点がある。しかし量子ドット増感型太陽電池は、現状では研究開発段階であり、量子ドットの材料等については未だ改良の余地がある。例えば、量子ドットとしてCdSやPbSを採用した場合に良好な性能を示すことが開示されているが(特許文献1参照)、毒性を有するCdやPbを工業的に用いることは好ましくない。従って、CdやPbを含有する化合物に替えて、CuInS2等のI‐III‐VI族半導体、いわゆるカルコパイライト系化合物半導体を量子ドットの材料として用いることが発明者らにより提案されている。 On the other hand, the quantum dot sensitized solar cell has a structure having an electrode in which inorganic semiconductor fine particles are formed as a sensitizer on an oxide semiconductor such as TiO 2 and has high durability against ultraviolet rays and high temperatures. There are advantages. However, quantum dot-sensitized solar cells are currently in the research and development stage, and there is still room for improvement in quantum dot materials and the like. For example, although it has been disclosed that good performance is exhibited when CdS or PbS is adopted as the quantum dots (see Patent Document 1), it is not preferable to industrially use Cd or Pb having toxicity. Accordingly, the inventors have proposed that an I-III-VI group semiconductor such as CuInS 2 , a so-called chalcopyrite compound semiconductor, may be used as the quantum dot material in place of the compound containing Cd or Pb.
一方、CdSやPbS等の量子ドットを酸化物半導体に吸着させる方法として、直接吸着法、化学溶液堆積法、金属イオン溶液に交互に浸漬させるイオン層吸着反応法等が用いられている。 On the other hand, as a method for adsorbing quantum dots such as CdS and PbS to an oxide semiconductor, a direct adsorption method, a chemical solution deposition method, an ion layer adsorption reaction method in which the quantum dots are alternately immersed in a metal ion solution, and the like are used.
このうち直接吸着法は、分散媒に量子ドットの材料からなる分散剤を分散させ、その分散剤を酸化物半導体に吸着させる方法であるが、分散剤の疎水部と、酸化物半導体との相性が悪いために量子ドットの吸着率が低い。化学溶液堆積法は、室温以下の温度で量子ドットの前駆体となる溶液に酸化物半導体を浸漬し、金属酸化物表面での化学反応により量子ドットを吸着させる方法であるが、形成される量子ドットの粒径の均一性が良好でなく、堆積時間も長いという問題がある。このうち、イオン層吸着反応法は、量子ドットの粒径の均一性が比較的良好であり、作製時間も短いといった利点がある。 Of these, the direct adsorption method is a method in which a dispersant made of a quantum dot material is dispersed in a dispersion medium, and the dispersant is adsorbed on the oxide semiconductor. The compatibility between the hydrophobic portion of the dispersant and the oxide semiconductor is used. The adsorption rate of quantum dots is low due to the poor quality. The chemical solution deposition method is a method in which an oxide semiconductor is immersed in a solution that becomes a precursor of a quantum dot at a temperature below room temperature, and the quantum dots are adsorbed by a chemical reaction on the surface of the metal oxide. There is a problem that the uniformity of the dot particle size is not good and the deposition time is long. Among these, the ion layer adsorption reaction method has an advantage that the uniformity of the particle size of the quantum dots is relatively good and the production time is short.
しかし、CdSやPbS等といった二元系の量子ドットを生成するためのイオン層吸着反応法を、金属イオン溶液の材料を変えて転用したのみでは、例えばI‐VI族化合物に近い組成の量子ドットが形成される等の問題が生じ、I−III‐VI族半導体からなる量子ドットを生成することが困難であった。 However, if the ion layer adsorption reaction method for generating binary quantum dots such as CdS and PbS is used by changing the material of the metal ion solution, for example, quantum dots having a composition close to that of the I-VI group compound As a result, it was difficult to produce quantum dots made of a group I-III-VI semiconductor.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、I‐III‐VI族半導体からなる量子ドットを形成することができる量子ドット増感太陽電池の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a quantum dot-sensitized solar cell capable of forming quantum dots made of a group I-III-VI semiconductor. It is in.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、導電層を有する基板に形成された酸化物半導体層と、該酸化物半導体層上に形成されたI‐III‐VI族半導体からなる量子ドットとを有する光電極を備えた量子ドット増感型太陽電池の製造方法において、前記基板に、前記酸化物半導体層を形成する工程と、前記酸化物半導体層が形成された基板を、I族元素及びIII族元素を含有する金属イオン溶液と、VI族元素含有溶液とに交互に接触させて、前記酸化物半導体膜上にI‐VI族化合物を主成分とする微粒子を形成する工程と、前記I‐VI族化合物に、少なくともIII族元素をドープする工程とを有することを要旨とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項1に記載の発明によれば、酸化物半導体層が形成された基板を、上記金属イオン溶液及びVI族元素含有溶液に交互に接触させるので、酸化物半導体に対し親和性の高いIII族元素が吸着した後、VI族元素を吸着させ、さらにそのVI族元素に対し親和性の高いI族元素を吸着させることができる。さらに、I‐VI族化合物の微粒子に、III族元素をドープするので、増感効果を有するI‐III‐VI族半導体からなる量子ドットを形成することができる。
According to invention of
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の量子ドット増感型太陽電池の製造方法において、III族元素をドープする工程は、160℃以上に保持されたIII族元素含有溶液に、前記I族‐VI族化合物が形成された前記基板を浸漬することを要旨とする。
Invention of
請求項2に記載の発明によれば、III族元素含有溶液を上記温度に調整するので、I‐VI族化合物を、溶液内に完全に溶解させることなく、I−III−VI族半導体の結晶化を促進させることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the group III element-containing solution is adjusted to the above temperature, the crystal of the group I-III-VI semiconductor can be obtained without completely dissolving the group I-VI compound in the solution. Can be promoted.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の量子ドット増感型太陽電池の製造方法において、前記量子ドットは、CuInS2であって、前記VI族元素含有溶液は、硫黄を含有し、前記III族元素含有溶液は、III族元素であるインジウムと、硫黄とを含有するとともに、インジウムに対する硫黄の比は、2以上5以下であることを要旨とする。
The invention of
請求項3に記載の発明によれば、III族元素含有溶液に含まれる硫黄の比(モル比)は、インジウムに対して2以上5以下であるので、I−VI族化合物に、不足分の硫黄をドープすることができる。このため、増感効果を有するI−III−VI族半導体を形成することができる。
According to the invention described in
以下、本発明の量子ドット増感型太陽電池の製造方法を具体化した一実施形態を図1〜図5に従って説明する。
図1に示すように、量子ドット増感型太陽電池は、ガラス等からなる基板11上に形成された光電極12と、枠状に設けられたシール材14を介して光電極12に対向した対向電極13とを備えている。光電極12及び対向電極13との間に形成された空間には、電解液15が充満している。
Hereinafter, an embodiment embodying a method for producing a quantum dot-sensitized solar cell of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the quantum dot-sensitized solar cell is opposed to the
図2に示すように、光電極12は、基板11上に形成され、透光性を有する導電層としての透明電極層20を備える。透明電極層20は、インジウムドープ酸化スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)等を用いることができる。透明電極層20の膜厚は、通常10nm以上10μmの範囲であるが、100nm以上1μm以下が好ましい。また透明電極層20の抵抗率は低い程好ましいが、5Ω/□以上5000Ω/□以下の抵抗率であればよく、5Ω/□以上50Ω/□以下が好ましい。
As shown in FIG. 2, the
また、光電極12は、透明電極層20の上に形成された、金属酸化物からなる酸化物半導体層21と、酸化物半導体層21の表面に吸着した量子ドット22を備える。酸化物半導体層21は、金属酸化物の微結晶からなる。金属酸化物としては、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブ等を用いることができ、特にTiO2が好ましい。
The
TiO2の粒径は、量子ドット22の吸着量を増加させるために、10nm以上1μm以下が好ましく、10nm以上500nm以下がより好ましい。また、酸化物半導体層21の厚さは、100nm以上100μmであればよく、5μm以上20μm以下が好ましい。
The particle diameter of TiO 2 is preferably 10 nm or more and 1 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 500 nm or less in order to increase the adsorption amount of the
量子ドット22は、いわゆるカルコパイライト型結晶構造を有するI‐III‐VI族半導体からなる。I族元素としては、Cu、Agが好ましく、III族元素としては、In、Ga、Alが好ましく、VI族元素としては、S、Se、Teが好ましい。I‐III‐VI族半導体は、上記したI族元素のうち少なくとも1つの元素と、上記したIII族元素のうち少なくとも1つの元素と、上記したVI族元素のうち少なくとも1つの元素とが組み合わされた組成式で表される。例えばCuInS2、CuInSe2、CuInTe2、CuGaS2、CuGaSe2、CuGaTe2、CuAlS2、CuAlSe2、CuAlTe2、AgInS2、AgInSe2、AgInTe2、AgGaS2、AgGaSe2、AgGaTe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgAlTe2等が挙げられる。また、CuIn(1−x)GaxS2、CuIn(1−x)GaxSe2、CuIn(1−x)GaxTe2、CuIn(1−x)AlxS2、CuIn(1−x)AlxSe2、CuIn(1−x)AlxTe2、CuGa(1−x)AlxS2、CuGa(1−x)AlxSe2、CuGa(1−x)AlxTe2等や、これらの化合物のCuをAgに替えた化合物等、III族元素を複数用いた化合物でもよい(0<x<1)。さらに、Cu(1−x)AgxInS2、Cu(1−x)AgxInSe2、Cu(1−x)AgxInTe2、Cu(1−x)AgxGaS2、Cu(1−x)AgxGaSe2、Cu(1−x)AgxGaTe2、Cu(1−x)AgxAlS2、Cu(1−x)AgxAlSe2、Cu(1−x)AgxAlTe2等、I族元素を複数用いた化合物でもよい(0<x<1)。
The
対向電極13は、特に限定されないが、ガラス等の基板上に形成された透明電極層と、透明電極層に形成された白金やカーボンからなる薄膜を備えている。
電解液15は、特に限定されないが、硫黄を含有する溶液が好ましい。
The
The electrolytic solution 15 is not particularly limited, but a solution containing sulfur is preferable.
この量子ドット増感型太陽電池セルに光が入射すると、量子ドット内で励起された電子が、酸化物半導体層21に注入され、透明電極層20に移動する。また量子ドット22は電子を酸化物半導体層21に注入すると同時に電解液内のイオンを酸化することで再生する。
When light enters the quantum dot-sensitized solar cell, electrons excited in the quantum dot are injected into the
次に、光電極12の製造方法について図3〜図5に従って説明する。まず図3に示すように、透明電極層20が形成された基板11に、酸化物半導体層21を形成する(ステップS1)。透明電極層20を形成する方法は特に限定されないが、例えばTiO2ペーストを、スキージ法等によって塗布し、焼成する方法を採用することができる。焼成温度は、不純物や水分を除去できる温度であればよい。具体的には、100℃以上700℃以下であればよく、400℃以上600℃以下が好ましい。加熱時間は、30分間以上3時間程度である。その結果、多孔質の酸化物半導体層21が形成される。
Next, a method for manufacturing the
次いで、酸化物半導体層21が形成された基板11に対し、金属イオン溶液及びVI族元素含有溶液に交互に浸漬する連続イオン層吸着反応法により、I‐V I族化合物を形成する(ステップS2)。I‐VI族化合物としては、CuS、Cu2S、Cu2Se、CuSe、Cu2Te、CuTe、Ag2S、Ag2Se、Ag2Te等がある。
Next, a group I-VI compound is formed by a continuous ion layer adsorption reaction method in which the
図4に示すように、連続イオン層吸着反応法では、まずI族化合物及びIII族化合物を溶解させた、I族元素及びVI族元素を含有する金属イオン溶液に浸漬する(ステップS2−1)。I族元素の化合物としては、CuやAg等の塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、過塩素酸塩、有機酸塩等が好適に用いられる。また、VI族化合物としては、硫化ナトリウム(Na2S)、セレン化ナトリウム(Na2Se)、テルロジナトリウム(Na2Te)が好適に用いられる。各溶質の濃度は、0.01M以上10M以下が好ましく、特に0.1M程度が好ましい。
As shown in FIG. 4, in the continuous ion layer adsorption reaction method, first, it is immersed in a metal ion solution containing a group I element and a group VI element in which a group I compound and a group III compound are dissolved (step S2-1). . As the group I element compounds, chlorides, bromides, iodides, nitrates, sulfates, acetates, perchlorates, organic acid salts and the like such as Cu and Ag are preferably used. As the VI group compound, sodium sulfide (Na 2 S),
また、浸漬時間は、数分間であればよく、温度も室温程度でよい。具体的には、酸化物半導体層21が形成された基板11を金属イオン溶液に数分間浸漬させた後、エタノール等の洗浄液によって洗浄し(ステップS2−2)、室温で乾燥させる(ステップS2−3)。
The immersion time may be a few minutes and the temperature may be about room temperature. Specifically, after the
その後、上記基板11を、VI族元素含有溶液に数分間浸漬させ(ステップS2−4)、洗浄(ステップS2−5)及び乾燥させる(ステップS2−6)。このステップS2−1〜ステップS2−6、即ち金属イオン溶液への浸漬、洗浄及び乾燥、VI族元素含有溶液への浸漬、洗浄及び乾燥といったフローは、1回だけ行われてもよいが、2回以上20回以下の回数で繰り返すことが好ましい。繰り返すことによって、酸化物半導体粒子へのI‐VI族化合物の吸着量を増加させることができる。また、20回を超えて繰り返しても吸着量がさほど変化しない。
Thereafter, the
この連続イオン層吸着反応法で想定されるメカニズムについて、TiO2からなる酸化物半導体層21に、CuSからなるI−VI族化合物を形成する場合を例にとって説明する。酸化物半導体層21が形成された基板11を、1価のCuイオン101及び3価のInイオン(In3+)102を含む金属イオン溶液に浸漬すると、図5(a)に示すように、TiO2を構成する酸素原子100に、Inイオン102が選択的に吸着すると考えられる。この現象は、いわゆるHSAB則(Hard and Soft Acids and Bases)によって説明することができる。TiO2を構成する酸素原子100は、「硬い(Hard)」及び「塩基(Bases)」のグループに分類される。「硬い塩基」は、イオン半径が小さく、分極しにくい性質を有する傾向があり、「硬い」方の「酸」との親和性が高い。このため、「軟らかい(soft)」及び「酸(Acids)」に分類される1価のCuイオン101よりも、「硬い」及び「酸」のグループに分類されるInイオン102が選択的に酸素原子100に吸着する。その結果、1回目の金属イオン溶液への浸漬では、酸素原子100に、Inイオン102が多く吸着する。
The mechanism assumed in this continuous ion layer adsorption reaction method will be described by taking as an example the case where an I-VI group compound made of CuS is formed in the
さらにVI族元素含有溶液に基板11を浸漬すると、図5(b)に示すように、Inイオン102に、硫黄イオン104が吸着する。硫黄イオン104は、「軟らかい塩基」に分類されるが、VI族元素含有溶液には、他の塩基に分類されるイオンが存在しないので、硫黄イオン104が吸着する。
Further, when the
Inイオン102に硫黄イオン104が吸着した状態で、基板11を金属イオン溶液に再び浸漬すると、図5(c)に示すように、「硬い酸」に分類されるInイオン102に比べ硫黄イオン104に対して親和性の高い「軟らかい」及び「酸」に分類されるCuイオン101が選択的に吸着する。
When the
そして、その基板11を、VI族元素含有溶液に再び浸漬すると、Cuイオン101に硫黄イオン104が吸着する。このように浸漬を繰り返すと、図5(d)に示すようにInを少量含有したCuSからなる微結晶が形成される。この微結晶は、量子ドット22の前駆体となる。
When the
尚、各族の元素は、分極率の傾向が同じであるため、ほぼ同じグループに分類される。I族元素である2価のCuイオンは「軟らかい」と「硬い」との間の「中間」及び「酸」に分類され、Agイオンは、「軟らかい酸」に分類される。III族元素であるInイオン、Gaイオン、Alイオンは、「硬い酸」に分類され、VI族元素であるSeイオン及びTeイオンは、Sイオンとほぼ同じ電気陰性度を有するため、「軟らかい酸」に分類されると推定される。 In addition, since the tendency of a polarizability is the same, the elements of each group are classified into almost the same group. Divalent Cu ions that are Group I elements are classified as “intermediate” and “acid” between “soft” and “hard”, and Ag ions are classified as “soft acid”. In ions, Ga ions, and Al ions that are Group III elements are classified as “hard acids”, and Se ions and Te ions that are Group VI elements have almost the same electronegativity as S ions. It is estimated that
このように連続イオン層吸着反応法を行って、酸化物半導体層21上にI−VI族化合物を形成すると、図3に示すように、I‐VI族化合物からなる量子ドット22の前駆体に対し、III族元素及びVI族元素をドーパントとするドープを行う(ステップS3)。ドープ工程では、高沸点の有機溶媒に、III族元素化合物とVI族元素化合物とを溶解させた混合溶液を、160℃以上に温度調整し、その混合溶液に基板11を浸漬させる。
When the I-VI group compound is formed on the
溶質となるIII族元素化合物は、In、Ga、Alの塩化物、臭化物、ヨウ化物、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、過塩素酸塩、有機酸塩等が好適に用いられる。VI族元素化合物は、VI族元素含有溶液と同じ化合物を用いる。また、ドーパントとして、III族元素だけでなくVI族元素を用いるのは、I‐III‐VI族半導体のうちVI族元素は組成比がI族元素及びIII族元素に比べて大きいためであり、量子ドット22の前駆体であるI‐VI族化合物ではVI族元素が不足していることによる。混合溶液におけるIII族元素に対するVI族元素のモル比は、2以上5以下が好ましい。比率が2未満であると、VI族元素が不足し、比率が5を超えると、混合溶液に含有されるIII族元素が不足する。混合溶液におけるIII族元素に対するVI族元素のモル比を上記範囲にすると、量子ドット22を、1:1:2〜1:5:8等の組成比を有する、カルコパイライト構造のI−III‐VI族半導体とすることができる。
As the group III element compound serving as a solute, chlorides, bromides, iodides, nitrates, sulfates, acetates, perchlorates, organic acid salts of In, Ga, and Al are preferably used. As the group VI element compound, the same compound as the group VI element-containing solution is used. Moreover, the reason why the group VI element as well as the group III element is used as the dopant is because the group VI element in the I-III-VI group semiconductor has a larger composition ratio than the group I element and the group III element, This is because the I-VI group compound, which is the precursor of the
混合溶液に用いられる有機溶媒は、上記した溶質を溶解可能、且つドープの最低温度以上の沸点を有する溶媒であればよく、例えばオレイルアミン(沸点350℃程度)、トリオクチルアミン(沸点184℃)、1−オクタデセン(沸点179℃)を用いることができる。 The organic solvent used in the mixed solution may be any solvent that can dissolve the above-described solute and has a boiling point equal to or higher than the minimum temperature of the dope. For example, oleylamine (boiling point: about 350 ° C.), trioctylamine (boiling point: 184 ° C.), 1-octadecene (boiling point 179 ° C.) can be used.
混合溶液は上述したように160℃以上に保持されることが好ましい。160℃未満である場合には、酸化物半導体層21に吸着したI‐VI族化合物が溶液内に溶解してしまうため、I−III‐VI族半導体を生成することができない。溶液が160℃以上である場合には、I−III−VI族半導体の結晶化が促進されると考えられる。
As described above, the mixed solution is preferably maintained at 160 ° C. or higher. When the temperature is lower than 160 ° C., the I-VI group compound adsorbed on the
図3に示すように、ドープを行って光電極12を作製すると、その光電極12を乾燥させる(ステップS4)。このように作製された光電極12は、熱可塑性樹脂からなるシール材14を介して対向電極13と対向させた状態で封止され、セル内に電解液を注入することで太陽電池セルとなる。
(実施例1)
フッ素ドープ酸化スズ(FTO)からなる透明電極層が形成されたガラス基板に対し、アルコール洗浄及びUVオゾン処理を施した後、透明電極層上に、TiO2ペースト(ソラロニクス社製、T−20/SP、粒径20nm)をスキージ法で3μm以上12μm以下の厚さで塗布した。次に、TiO2ペーストを塗布した基板を450℃で焼成し、酸化物半導体層を形成した。
As shown in FIG. 3, when the
Example 1
The glass substrate on which the transparent electrode layer made of fluorine-doped tin oxide (FTO) was formed was subjected to alcohol cleaning and UV ozone treatment, and then a TiO 2 paste (manufactured by Solaronics, T-20 / SP,
次に、溶媒がアセトニトリルからなるCuCl溶液(0.1M)と、溶媒が水からなるInCl3溶液(0.1M)とのモル比が1:1となるように調整した金属イオン溶液を作製し、金属イオン溶液に上記基板を1分間浸漬した。その後、該基板をエタノールで洗浄し、乾燥した。 Next, a metal ion solution was prepared so that the molar ratio of the CuCl solution (0.1 M) made of acetonitrile to the InCl 3 solution (0.1 M) made of water was 1: 1. The substrate was immersed in a metal ion solution for 1 minute. Thereafter, the substrate was washed with ethanol and dried.
さらに、上記基板を、VI族元素含有溶液であるNa2S水溶液(0.1M)に1分間浸漬し、エタノールで洗浄した後、乾燥した。
そして、このサイクルを、5回繰り返したところ、酸化物半導体粒子にCuSからなる微粒子が形成されたことがラマン散乱分光測定により確認された(図6参照)。尚、サイクルを、2回、3回と重ねると茶色から黒へと色の変化が見られた。また、5サイクル行った基板を、電子顕微鏡で観察したところ、TiO2粒子の上に吸着した、5nm程の微粒子を確認した。
Furthermore, the substrate was immersed for 1 minute in
When this cycle was repeated 5 times, it was confirmed by Raman scattering spectroscopy that fine particles made of CuS were formed on the oxide semiconductor particles (see FIG. 6). When the cycle was repeated twice and three times, a color change from brown to black was observed. Also, the 5 cycles substrate subjected, was observed with an electron microscope, adsorbed onto the TiO 2 particles was confirmed microparticles of about 5 nm.
さらに、InIをオレイルアミンに溶解した溶液と、硫黄粉末をオクタデセンに溶解した溶液を、Inに対するSの比が4となるように混合した混合溶液を作製した。そして、混合溶液を250℃に保持し、CuSからなる微粒子が形成された基板11を浸漬した。
Furthermore, a mixed solution was prepared by mixing a solution in which InI was dissolved in oleylamine and a solution in which sulfur powder was dissolved in octadecene so that the ratio of S to In was 4. Then, the mixed solution was kept at 250 ° C., and the
このようなサンプルを7個作製し、各サンプル毎に混合溶液への浸漬時間を1分、5分、10分、30分、60分、180分に分け、各サンプルをラマン散乱分光測定(KAISER社製)により、CuSの付着量の変化、CuInS2の付着量の変化を調べた。比較のため、CuSのみ酸化物半導体層に担持しドープを行っていないサンプル(浸漬時間0分)、酸化物半導体層のみ担持したサンプルに対しても測定を行った。
Seven such samples were prepared, and the immersion time in the mixed solution was divided into 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes, 60 minutes, and 180 minutes for each sample, and each sample was subjected to Raman scattering spectrometry (KAISER). The change of the adhesion amount of CuS and the change of the adhesion amount of CuInS 2 were investigated by the company). For comparison, measurement was also performed on a sample in which only CuS was supported on the oxide semiconductor layer and was not doped (
図6に示すように、浸漬時間が0分から60分のサンプルでは、470cm−1付近にCuSに相当するピークが見られた。浸漬時間が1分の場合のサンプルでは、そのピークの強度が、浸漬時間が0分の場合とさほど変わらなかったが、浸漬時間が10分から180分と長くなるにつれ、そのピークの強度が小さくなり、180分では殆ど見られなくなった。 As shown in FIG. 6, a peak corresponding to CuS was observed in the vicinity of 470 cm −1 in the sample having an immersion time of 0 to 60 minutes. In the sample with an immersion time of 1 minute, the intensity of the peak was not so different from that when the immersion time was 0 minute, but as the immersion time increased from 10 minutes to 180 minutes, the intensity of the peak decreased. , Almost disappeared in 180 minutes.
また、図7に示すように、295cm−1付近のCuInS2に相当するピークは、浸漬時間が0分のサンプルでは見られなかったが、浸漬時間が1分から180分のサンプルで見られ、浸漬時間が長くなるにつれて強度が大きくなった。これらの結果から、浸漬時間が数分間であっても、ドーパントであるSとInとが、CuSからなる微粒子へドープされ、カルコパイライト結晶構造を有するCuInS2が形成されたことがわかる。 Further, as shown in FIG. 7, a peak corresponding to CuInS 2 in the vicinity of 295 cm −1 was not observed in the sample having an immersion time of 0 minutes, but was observed in the sample having an immersion time of 1 minute to 180 minutes. The strength increased with time. From these results, it can be seen that even when the immersion time is several minutes, dopants S and In are doped into fine particles made of CuS to form CuInS 2 having a chalcopyrite crystal structure.
次にこの光電極を用いて量子ドット増感型太陽電池セルを作製した。フッ素ドープ酸化スズ(FTO)からなる透明導電膜が形成されたガラス基板に対し、白金溶液(ソラロニクス社製、Platisol)をスピンコートによりガラス基板に塗布し、450℃で焼成して、対向電極を作製した。 Next, a quantum dot-sensitized solar cell was produced using this photoelectrode. For a glass substrate on which a transparent conductive film made of fluorine-doped tin oxide (FTO) is formed, a platinum solution (Platisol, manufactured by Solaronics) is applied to the glass substrate by spin coating, and baked at 450 ° C. to form a counter electrode. Produced.
さらに、対向電極と光電極とを、熱可塑性樹脂からなる枠状のハイミラン(三井・デュポン ポリケミカル株式会社製)を介して対向させ、120℃で加熱することで封止した。また、対向電極と光電極との間に形成された空間に、電解液を注入した。電解液は、水とメタノールとを混合させた溶媒に、Na2S(0.6mM)、S(0.2mM)、NaCl(0.2mM)を溶解させたものを使用した。 Furthermore, the counter electrode and the photoelectrode were opposed to each other through a frame-shaped high-milan (made by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) made of a thermoplastic resin, and sealed by heating at 120 ° C. In addition, an electrolytic solution was injected into a space formed between the counter electrode and the photoelectrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving Na 2 S (0.6 mM), S (0.2 mM), and NaCl (0.2 mM) in a solvent obtained by mixing water and methanol was used.
このように作製された太陽電池セルに対し、ソーラーシミュレータ(WXS−50S−1,ワコム電創社製)を用いて、100mW/cm2の擬似太陽光を該セルに入射して、光電変換効率を測定した。このときの光電変換率は、1.2%であった。
(比較例1)
比較例1では、I族及びIII族元素を含有した金属イオン溶液と、VI族元素を含有したVI族元素含有溶液を用いた連続イオン層吸着反応法のみを行って、I‐III‐VI族半導体の作製を試みた。
Using solar simulators (WXS-50S-1, manufactured by Wacom Denso Co., Ltd.), 100 mW / cm 2 of artificial sunlight is incident on the cells, and photoelectric conversion efficiency is obtained. Was measured. The photoelectric conversion rate at this time was 1.2%.
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, only a continuous ion layer adsorption reaction method using a metal ion solution containing Group I and Group III elements and a Group VI element containing solution containing Group VI elements was performed. An attempt was made to make a semiconductor.
まず、実施例1と同様に、基板に酸化物半導体層を形成した。そして、CuCl2溶液(0.1M)とInCl3溶液(0.1M)とのモル比が1:1となるように調整した金属イオン溶液を作製し、金属イオン溶液に上記基板を1分間浸漬した。その後、該基板をエタノールで洗浄し、乾燥した。 First, as in Example 1, an oxide semiconductor layer was formed on a substrate. Then, a metal ion solution adjusted so that the molar ratio of the CuCl 2 solution (0.1M) and the InCl 3 solution (0.1M) is 1: 1 is prepared, and the substrate is immersed in the metal ion solution for 1 minute. did. Thereafter, the substrate was washed with ethanol and dried.
次に、VI族元素含有溶液であるNa2S水溶液(0.1M)に1分間浸漬し、エタノールで洗浄した後、乾燥した。そして、このサイクルを5回繰り返した。
このサンプルを、電子線マイクロアナライザ(株式会社島津製作所製)によって、サイクル毎に元素分析を行った結果、図8に示すように、1サイクルでは、酸化物半導体に、ほぼIn2S3で表される化合物が吸着し、2サイクルから5サイクルにかけて、Cuの組成比が大きくなった。交互イオン層吸着反応を5サイクル行った後では、CuとSとがほぼ1:1となり、Inの比率が極めて低くなった。
Then, for 1 minute to Na 2 S solution is VI group element-containing solution (0.1 M), washed with ethanol and dried. This cycle was repeated 5 times.
This sample was subjected to elemental analysis for each cycle using an electron beam microanalyzer (manufactured by Shimadzu Corporation). As a result, as shown in FIG. 8, in one cycle, the oxide semiconductor was represented by In 2 S 3 . The adsorbed compound was adsorbed, and the Cu composition ratio increased from 2 to 5 cycles. After 5 cycles of the alternating ionic layer adsorption reaction, Cu and S were approximately 1: 1, and the In ratio was extremely low.
尚、CuSのみを酸化物半導体に吸着させた基板では、図9に示すように、吸着を繰り返すに従い、IPCEスペクトルの強度が低下した。即ち、CuSの吸着量が増大すると、量子効率も低下し、電池性能が下がることが示唆された。 In the substrate where only CuS was adsorbed on the oxide semiconductor, as shown in FIG. 9, the intensity of the IPCE spectrum decreased as the adsorption was repeated. That is, it was suggested that when the adsorption amount of CuS increases, the quantum efficiency also decreases, and the battery performance decreases.
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、量子ドット増感型太陽電池の光電極12を製造する際に、透明電極層20が形成された基板11に、酸化物半導体層21を形成した。また、その基板11に対し、I族元素及びIII族元素を含有する金属イオン溶液と、VI族元素含有溶液とに交互に浸漬する連続イオン層吸着反応法を行った。また、その交互浸漬を数サイクル繰り返した。即ち、酸化物半導体層21に対し親和性の高いIII族元素イオンを吸着させた後、III族元素イオンに対し親和性が高いVI族元素イオンを吸着させ、さらにそのVI族元素イオンに、I族元素イオンを吸着させて、I‐VI族化合物からなる量子ドット22の前駆体の微粒子を形成した。さらに、量子ドット22の前駆体が形成された基板11を、160℃以上に保持されたIII族元素及びVI族元素を含有する混合溶液に浸漬した。このため、量子ドット22の前駆体にIII族元素及びVI族元素をドープし、カルコパイライト結晶構造を有するI‐III‐VI族半導体からなる量子ドット22を生成することができる。従って、毒性を有する元素を用いずに、増感効果を有する量子ドット22を生成することができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the said embodiment, when manufacturing the
(2)上記実施形態では、III族元素及びVI族元素をドープする工程で、160℃以上に加熱したIII族元素含有溶液にI族‐VI族化合物が形成された基板11を浸漬した。このため、I族‐VI族化合物を、上記溶液内に完全に溶解させることなく、I−VI族化合物の結晶化を促すことができる。
(2) In the above embodiment, in the step of doping the group III element and the group VI element, the
(3)上記実施形態では、CuInS2からなる量子ドット22を形成する際、混合溶液に含まれるSの比を、同溶液に含まれるInに対して、2以上5以下とした。従って、量子ドット22を、増感効果を有するカルコパイライト結晶構造にすることができる。
(3) In the above embodiment, when the
尚、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、連続イオン層吸着反応法のみによって、I−III‐VI族半導体を構成する全てのVI族元素を酸化物半導体層21に吸着させることができる場合には、ドーパントとして、VI族元素を用いなくてもよい。
In addition, you may change this embodiment as follows.
In the above embodiment, when all the VI group elements constituting the I-III-VI group semiconductor can be adsorbed to the
・上記実施形態では、量子ドット増感型太陽電池を、光電極12側から光を入射するタイプの電池に具体化したが、対向電極13を透光性材料から構成し、対向電極側から光を入射するタイプの電池に具体化してもよい。
In the above embodiment, the quantum dot sensitized solar cell is embodied as a type of battery that receives light from the
11…基板、12…光電極、13…対向電極、14…シール材、15…電解液、21…酸化物半導体層、22…量子ドット。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板に前記酸化物半導体層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層が形成された基板を、I族元素及びIII族元素を含有する金属イオン溶液と、VI族元素含有溶液とに交互に接触させて、前記酸化物半導体層上にI‐VI族化合物を主成分とする微粒子を形成する工程と、
前記I‐VI族化合物に、少なくともIII族元素をドープする工程とを有することを特徴とする量子ドット増感型太陽電池の製造方法。 Quantum dot-sensitized solar comprising a photoelectrode having an oxide semiconductor layer formed on a substrate having a conductive layer and a quantum dot made of a group I-III-VI semiconductor formed on the oxide semiconductor layer In the battery manufacturing method,
Forming the oxide semiconductor layer on the substrate;
The substrate on which the oxide semiconductor layer is formed is alternately brought into contact with a metal ion solution containing a group I element and a group III element and a group VI element-containing solution, so that I-VI is formed on the oxide semiconductor layer. Forming fine particles mainly composed of a group compound;
A method of manufacturing a quantum dot-sensitized solar cell, comprising: doping a group I-VI compound with at least a group III element.
160℃以上に保持されたIII族元素含有溶液に、前記I‐VI族化合物が形成された前記基板を浸漬する請求項1に記載の量子ドット増感型太陽電池の製造方法。 The process of doping group III elements
The method for producing a quantum dot-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the substrate on which the group I-VI compound is formed is immersed in a group III element-containing solution maintained at 160 ° C or higher.
前記VI族元素含有溶液は、硫黄を含有し、
前記III族元素含有溶液は、III族元素であるインジウムと、硫黄とを含有するとともに、インジウムに対する硫黄の比は、2以上5以下である請求項2に記載の量子ドット増感型太陽電池の製造方法。 The quantum dot is a CuInS 2,
The group VI element-containing solution contains sulfur,
3. The quantum dot-sensitized solar cell according to claim 2, wherein the Group III element-containing solution contains Group III element indium and sulfur, and the ratio of sulfur to indium is 2 or more and 5 or less. Production method.
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