JP2022101623A - 超薄プラズモニック太陽電池、それらの製造方法、及び使用 - Google Patents
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Abstract
Description
L3-edgeにおける高分解能X線吸収分光法による測定で、LSP励起中に電子-正孔対が形成されることを示している。LSP励起によって、イオン化エネルギー閾値の約1.0eVの上昇、及びAuのdバンドの正孔集団の増加が起こり、これらは熱い電子の形成、及びそれらの高エネルギー状態への移行に適合している。
n型半導体の層と;
銅、金、銀、又はアルミニウムからなる群から選択される金属ナノ粒子の層と;
p型半導体の層と;
を含み、
上記層は、基板とバック接点との間に挟まれ;基板、n型半導体、金属ナノ粒子、p型半導体、及びバック接点のそれぞれが、1つ以上の分子リンカーによる共有結合によって連結される、プラズモニック太陽電池を提供する。
Y-P-Z
で表され、式中、Y及びZは、基板又は裏面電極の表面と相互作用又は結合して、それを半導体に連結又は接続する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属ナノ粒子の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体と結合する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体に結合する官能基である。
i)リンカーを含む溶液中に浸漬することによって有機分子リンカーの単層で伝導性基板を改質し、これをn型又はp型のいずれかである半導体の層で被覆するステップと、
ii)金属ナノ粒子を分子リンカーで改質するステップと、
iii)ステップii)で得た改質された金属ナノ粒子を、ステップi)で得た改質された伝導性基板にグラフトするステップと、
iv)ステップiii)で得た基板を、ステップi)中の半導体がn型である場合はp型の半導体の溶液中、ステップi)中の半導体がp型である場合はn型の半導体の溶液中に浸漬するステップと、
v)好ましくは約50~100nmの層厚さで、ステップiv)の半導体の上部にバック接点伝導層を蒸着するステップと、
任意に、ステップi)~v)で形成された層を第2の基板に取り付けるステップと、
を含む製造方法に関する。
Y-P-Z
で表され、式中、Y及びZは、半導体への基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属ナノ粒子の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体と結合する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体に結合する官能基である。
粒子に配位するための少なくとも1つの基とを有する、芳香族誘導体又は短炭素鎖(最大C6)有機化合物及び誘導体から選択される。上記基は、カルボン酸基(カルボキシレート)、ホスホン酸基(ホスフェート)、スルホン酸基(スルホネート)、フェノール基(ジヒドロキシフェノール又はカテコール)、及びシロキサン基から選択される。この層中に使用するための代表的な有機化合物としては、カルボン酸、ホスホネート、スルホネート、フェノール、チオール、及びカテコールが挙げられる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、文脈が明確に他のことを示すのでなければ、単数形の「a」、「an」、及び「the」は、複数の指示対象を含むことに留意する必要がある。
第1の態様によると、本開示は、
n型半導体の層と;
銅、金、銀、又はアルミニウムからなる群から選択される金属ナノ粒子の層と;
p型半導体の層と;
を含み、
上記層は、基板とバック接点との間に挟まれ;基板、n型半導体、金属ナノ粒子、p型半導体、及びバック接点のそれぞれが、1つ以上の分子リンカーによる共有結合によって連結される、太陽電池を提供する。
ステップ1:伝導性透明基板を分子リンカーで改質し、TiO2ナノ粒子の単層をコーティングし、これは分子リンカーの反応性基と共有結合で連結される。
ステップ2:同じ又は別のリンカーで改質された金属ナノ粒子を次にグラフトし、その結果、金属ナノ粒子の単層が形成される。
ステップ3:この構造をNiOナノ粒子の溶液中に浸漬して、この系をp型半導体に連結する。
ステップ4:たとえばNiO層の上部に蒸着することによって、対極又はバック接点を形成する。
込まれる。
フェノール基(ジヒドロキシフェノール又はカテコール)、及びシロキサン基から選択される。この層中に使用するための代表的な有機化合物としては、カルボン酸、ホスホネート、スルホネート、フェノール、チオール、及びカテコールが挙げられる。
Y-P-Z
で表され、式中、Y及びZは、基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合して、それを半導体に連結又は接続する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属ナノ粒子の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体と結合する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体に結合する官能基である。
SR、式中のRはC1-C6アルキルである)、アミノ(たとえばNH2、NHR、又はNR2、式中のRはC1-C6アルキルである)が挙げられる。Wの代表的な官能基としては、カルボン酸基(カルボキシレート、-CO2 -)、ホスホン酸基(ホスフェート、-PO3 2-)、スルホン酸基(スルホネート、-SO3 2-)、フェノール基(ジヒドロキシフェノール又はカテコール)、及びシロキサン基(Si-O)が挙げられる。
i)リンカーを含む溶液中に浸漬することによって有機分子リンカーの単層で伝導性基板を改質し、これをn型又はp型のいずれかである半導体の層で被覆するステップと、
ii)金属ナノ粒子を分子リンカーで改質するステップと、
iii)ステップii)で得た改質された金属ナノ粒子を、ステップi)で得た改質された伝導性基板にグラフトするステップと、
iv)ステップiii)で得た基板を、ステップi)中の半導体がn型である場合はp型、ステップi)中の半導体がp型である場合はn型の半導体の溶液中に浸漬するステップと、
v)好ましくは約50~100nmの層厚さで、ステップiv)の半導体の上部にバック接点伝導層を蒸着するステップと、
任意に、ステップi)~v)で形成された層を第2の基板に取り付けるステップと、
を含む製造方法に関する。
から選択される。
Y-P-Z
で表され、式中、Y及びZは、基板又は裏面電極の表面と相互作用又は結合して、それを半導体に連結又は接続する官能基である。
これを金属ナノ粒子に連結することができるように選択される。電子輸送特性を有する自己組織化単層を形成可能なリンカーが好ましい。これらのリンカーは、一般式
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属ナノ粒子の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体と結合する官能基である。
X-P-W
で表され、式中、Xは、金属基板又はバック接点の表面と相互作用又は結合する官能基であり、Wは半導体に結合する官能基である。
これらは、室温又は室温付近における自己組織化多層堆積によって製造可能である。
この製造は溶液中、好ましくは水性環境中で行うことができ、そのため有害な及び/又は環境的に問題がある化学物質の使用が最小限となる。
構成要素は、共有結合により連結されるので、この方法は室温、又は室温付近、又は少なくとも100℃未満の温度での自己組織化として行うことが可能となる。
銀(Ag)がLSP集光体として使用されることで、これは安全で環境適合性で経済的なシステムとなる。
200nm未満の厚さの活性媒体を有する太陽電池の製造が実際に可能となる。
全ての構成要素がUV抵抗性である。
金、銀、及び銅の金属ナノ粒子を、それぞれの金属前駆体、たとえば限定するものではないがAgNO3、CuSO4、CuCl2、又はHAuCl4と、還元剤と、安定化剤とから合成した。還元剤の例としては、NaBH4、N2H4、アスコルビン酸、ベタニン、ポリオール、たとえばエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールポリエチレングリコールが挙げられる。安定剤又は成長制限剤の例としては、ベタニン、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、たとえばエチレングリコール、ジ-エチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールポリエチレングリコールなどのポリオールが挙げられる。全ての試薬は、Sigma-Aldrich/Merckより購入し、分析用品質のものであった。
Pump、Syrris Ltd.、Royston、UK)中で合成される。多目的遺伝的アルゴリズムによる最適化によって、AgNPのサイズが均一化され、狭い光吸収を示すことが保証される。たとえばFernandesらは、動的光散乱(DLS,NanoS,Malvern Panalytical Ltd.,Malvern、UK)及び原子間力顕微鏡法(AFM、Nanosurf AG、Liestal、Switzerland)によって測定して40~45nmの間のサイズを有し、405nmにおける中心吸収(USB-4000分光計に接続したDH-2000-BAL、Ocean Optics Inc.、Largo、FL、USA)を示す粒子を得た。
NiOは依然として最良のp型半導体であり、概念実証デバイスに好ましい選択となる。NiOナノ粒子は以下の方法を用いて合成される:Ni(II)アセチルアセトネートをオレイルアミン中に溶解させ、激しい撹拌下で110℃まで加熱し、次に90℃まで冷却して90℃を維持する。次に、90℃のこの溶液中にオレイルアミンと混合したボラン-トリエチルアミン錯体を素早く注入し、激しい撹拌下で1時間維持する。次にNiOナノ粒子をエタノールで洗浄し、最後にテトラデカン中に分散させる。この手順によって、直径約4nmの粒子が得られる。3nm及び20nmの粒度を有するTiO2ナノ粉末のアナターゼは、Sachtleben Chemie GmbH、Duisburg、Germanyより入手した。
水溶液中に単に浸漬することによって、分子リンカー、この場合はSigma-Aldrichより入手したテレフタル酸で、伝導性ガラス基板(この場合ITO)表面を改質した。
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Claims (18)
- プラズモニック太陽電池であって、
基板と、
n型半導体の層と;
銅、金、銀、及びアルミニウムからなる群から選択される金属ナノ粒子の層と;
p型半導体の層と、
バック接点と、
を含み、
前記n型半導体、前記金属ナノ粒子、及び前記p型半導体は、前記基板と前記バック接点との間に挟まれ、かつ、第1分子リンカー、及び第2分子リンカーによる共有結合によって連結され、
前記第1分子リンカーは、前記n型半導体の表面を改質し、かつ、前記n型半導体の表面を前記金属ナノ粒子に連結し、
前記第2分子リンカーは、前記p型半導体の表面を改質し、かつ、前記p型半導体の表面を前記金属ナノ粒子に連結し、
前記プラズモニック太陽電池は、透明である、
プラズモニック太陽電池。 - 第3分子リンカー、及び第4分子リンカーの少なくとも一方をさらに含み、
前記第3分子リンカーは、前記バック接点の表面を改質し、かつ、前記バック接点の表面を前記p型半導体の表面に連結し、
前記第4分子リンカーは、前記基板の表面を改質し、かつ、前記基板の表面を前記n型半導体の表面に連結する、請求項1に記載の太陽電池。 - 前記第1分子リンカー、及び前記第2分子リンカーの少なくとも一方が、半導体に配位するための少なくとも1つのカルボン酸又はホスホン酸基、又は、前記金属ナノ粒子に配位するための少なくとも1つのアミン又はチオール基を有する、芳香族誘導体、短炭素鎖(最大C6)有機化合物、又はその誘導体から選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記第1分子リンカー、及び前記第2分子リンカーの少なくとも一方が、4-アミノ安息香酸(pABA)、4-メルカプト安息香酸、3-アミノ安息香酸、3-メルカプト安息香酸、4-ホリル安息香酸(4-forylbenzoic acid)(pFBA)、(4-アミノベンジル)ホスホン酸、2-アミノ安息香酸、2-メルカプト安息香酸、テレフタル酸、4’-アミノ-[1,1’-ビフェニル]-4-カルボン酸、ナフタレン誘導体、及び多環芳香族誘導体から選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記n型半導体が、TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、及びそれらの組合せから選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記p型半導体が、NiO、CuXO2(式中、X=Al、Cr、Ga、Fe)、及びそれらの組合せから選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記基板が、伝導性を有し、インジウムスズ酸化物、フッ素化酸化スズ、及び伝導性ポリマーから選択される、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記基板が透明伝導性物質である、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記金属ナノ粒子が銀ナノ粒子である、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記金属ナノ粒子が、ベタニン及びベタニン誘導体から選択される安定化剤で安定化される、請求項1に記載の太陽電池。
- 絶縁層をさらに含み、
前記絶縁層は、Al2O3、SiO2及び非晶質TiO2から選択される酸化物を含む、請求項1に記載の太陽電池。 - 請求項1に記載のプラズモニック太陽電池の製造方法であって:
i)n型又はp型のいずれかである半導体の層で前記基板を被覆するステップと、
ii)前記第1分子リンカー及び前記第2分子リンカーで前記金属ナノ粒子を改質するステップと、
iii)ステップii)で得た改質された前記金属ナノ粒子を、ステップi)で得た改質された前記基板にグラフトするステップと、
iv)ステップiii)で得た前記基板を、ステップi)中の前記半導体がn型である場合はp型の半導体の溶液中に、ステップi)中の前記半導体がp型である場合はn型の半導体の溶液中に浸漬するステップと、
v)ステップiv)の前記半導体の上部に前記バック接点を蒸着するステップと、
を含む、製造方法。 - ステップi)は、n型又はp型のいずれかである前記半導体の層で前記基板を被覆する前に、第3の有機分子リンカーを含む溶液中に前記基板を浸漬することで、前記第3の有機分子リンカーの単層で前記基板を改質するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 請求項1に記載の太陽電池を含む建築要素。
- 前記要素が、窓、屋根要素、及び壁要素から選択される、請求項14に記載の建築要素。
- 前記金属ナノ粒子の層は、単層である、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記第1分子リンカー、及び前記第2分子リンカーは、自己組織化単層を形成する、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記第3分子リンカー、及び前記第4分子リンカーの少なくとも一方は、自己組織化単層を形成する、請求項2に記載の太陽電池。
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