光発電可能な調光素子およびその製造方法
【課題】 可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる光発電可能な調光素子およびその製造方法の提供。
【解決手段】 光発電可能な調光素子は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする。光発電可能な調光素子においては、前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましい。
【解決手段】 光発電可能な調光素子は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする。光発電可能な調光素子においては、前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光発電可能な調光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可視光の透過率を変化させることができる調光機能を有する調光素子が開発されており（非特許文献１参照。）、例えば、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができるＮｉＯなどの調光材料（非特許文献２、３参照。）などが知られており、また、可視光を透過させた状態と可視光を透過させずに反射させた状態が切り替えられる調光ミラーとして、２つの透明導電膜間に液晶などの化合物を挿入した構成のもの（特許文献１、２参照。）や、マグネシウム・カルシウム合金薄膜を用いた構成のもの（非特許文献４参照。）などが提案されている。
【０００３】
一方、エネルギー資源問題や地球環境問題に対応するための有望な技術として、太陽光発電が注目されており、近年は、例えば建築物や車の窓ガラス、ビニールハウスなどの採光部を太陽電池化して、採光しながら光発電をする技術が検討されている（例えば、特許文献３、４および非特許文献５参照。）。
【０００４】
然るに、現在のところ、調光機能および光発電機能を共に備えた機能層を有し、透光状態であっても遮光状態であっても光発電をすることができる調光素子は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４０３４４号公報
【特許文献２】特開２００９−３６９６７号公報
【特許文献３】特開２００２−１７０９６７号公報
【特許文献４】特開２００５−１９７２０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】河原秀夫、斎藤靖弘「光を制御するニューガラス」応用物理、第６２巻、第４号、３４３−３５１ページ、１９９３年
【非特許文献２】Solar Energy Materials and Solar Cells 31 (1993) 291-299
【非特許文献３】Solid State Ionics 113-115 (1998) 449-456
【非特許文献４】プレスリリース 無色性と高い可視光透過率を両立した新規調光ミラー材料を開発、［online］２０１０年８月４日、産総研、［平成２３年１１月１４日検索］、インターネット＜URL:http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20100804/pr20100804.html＞
【非特許文献５】プレスリリース 透明な太陽電池の試作に成功、［online］、２００３年６月２５日、産総研、［平成２３年１１月１４日検索］、インターネット＜URL:http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2003/pr20030625/pr20030625.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、その目的は、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる光発電可能な調光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光発電可能な調光素子は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、
調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、
当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光発電可能な調光素子においては、前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましい。
【００１０】
本発明の光発電可能な調光素子の製造方法は、上記の光発電可能な調光素子の製造方法であって、
ｎ型半導体層上に、不活性ガスおよびＯ2 ガスからなる混合ガス雰囲気中においてＮｉまたは酸化ニッケル類をスパッタすることにより、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層を形成する工程を有し、
前記混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が０．０１〜５体積％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光発電可能な調光素子によれば、特定の、ｐ型のＮｉＯよりなる調光機能層が備えられているために、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる。
また、本発明の製造方法によれば、上記の特定の、ｐ型のＮｉＯよりなる調光機能層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光発電可能な調光素子の構成の一例を示す説明用断面図である。
【図２】調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれの透過スペクトルを示すグラフである。
【図３】調光素子〔１〕の波長領域２８０〜１６００ｎｍの透過スペクトルを示すグラフである。
【図４】調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれのＸＲＤパターンを示すグラフである。
【図５】調光素子〔１〕のＩＶ特性を示すグラフである。
【図６】調光素子〔１Ｈ2 〕のＩＶ特定を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について具体的に説明する。
【００１４】
〔光発電可能な調光素子〕
図１は、本発明の光発電可能な調光素子の構成の一例を示す説明用断面図である。
この光発電可能な調光素子１０は、透光性基板１５上に裏面電極層１３が形成された当該裏面電極層１３上にｐｎ接合界面を有する光電変換層２０が積層され、さらにこの光電変換層２０上に透明導電層１１が積層されてなる固体状のものである。
この光発電可能な調光素子１０は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能を有すると共に、調光機能による可視光の透過率の程度に関わらず、すなわち、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができるものである。
【００１５】
〔光電変換層〕
光電変換層２０は、裏面電極層１３上に形成されたｎ型半導体層２０ｎと、当該ｎ型半導体層２０ｎ上にｐｎ接合するよう形成された、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層２０ｐとよりなる。
【００１６】
〔調光機能層〕
光電変換層２０を構成する調光機能層２０ｐは、ｐ型のＮｉＯからなるものである。ここに、ＮｉＯは、不純物をドーピングしない状態においてｐ型の性質を示すものであるが、調光機能層２０ｐを構成するＮｉＯは、不純物としてＬｉ、Ｃｕなどをドーピングさせたものであってもよい。
【００１７】
調光機能層２０ｐのキャリア密度は、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１×１０16〜５×１０17ｃｍ-3であることがより好ましく、１×１０17ｃｍ-3であることが特に好ましい。
調光機能層２０ｐのキャリア密度が上記の範囲にあることにより、酸化状態において高い可視光の透過率が確実に得られる。
【００１８】
本発明において、調光機能層２０ｐのキャリア密度は、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって、磁場を印加しない場合の電流と電圧の関係が直線的となる電流値に設定して２５℃で０．７５テスラの磁場を印加した状態で測定されるものである。
【００１９】
また、調光機能層２０ｐの抵抗率は、１×１０4 〜１×１０0 Ωｃｍであることが好ましく、１×１０3 〜１×１０2 Ωｃｍであることがより好ましい。
【００２０】
調光機能層２０ｐの厚みは、例えば１００〜１０００ｎｍとされることが好ましい。
【００２１】
調光機能層２０ｐは、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させる調光機能を発揮し、また、当該調光機能層２０ｐは、ｐ型半導体としての性質を有して光発電機能に係る正孔輸送作用を担うものでもある。すなわち、当該調光機能層２０ｐを有することによって、本発明の光発電可能な調光素子１０が調光機能および光発電機能を共に有するものとなる。
【００２２】
調光機能層２０ｐは、酸化または還元することによって可視光の透過率を任意に変化させることができる。具体的には、調光機能層２０ｐを酸化することによって可視光の透過率を高くすることができ、還元することによって透過率を低くすることができる。
調光機能層２０ｐの可視光の透過率の変化は、透光状態と遮光状態とを２値的に切り替える構成とされてもよく、任意の透過率となるよう制御することができる構成とされてもよい。
【００２３】
本発明の光発電可能な調光素子１０においては、調光機能層２０ｐにおいて吸収される光が光発電に寄与する。具体的には、可視光の透過率が例えば１０％以下の遮光状態の場合においては、おおよそ、調光機能層２０ｐによって吸収された２００〜３８０ｎｍ程度の紫外光と、３８０〜７８０ｎｍ程度の可視光との両方によって光発電され、一方、可視光の透過率が例えば８０％程度の透光状態の場合においては、主に紫外光によって光発電される。
【００２４】
〔ｎ型半導体層〕
光電変換層２０を構成するｎ型半導体層２０ｎを形成する半導体としては、ｎ型の性質を示すと共に、可視光を透過し、高抵抗のものであれば特に限定されず、具体的には、例えばＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 などの酸化物半導体が挙げられ、これらの２種以上よりなる複合体を用いることもできる。また、これらは２種以上を混合して用いることもできる。
ｎ型半導体層２０ｎを構成する半導体としては、酸化物半導体であるという材料面の理由と、ｐｎ接合界面のバンド不連続量や内蔵電界の大きさなどの半導体物性の理由とから、特にＺｎＯを用いることが好ましい。
【００２５】
ｎ型半導体層２０ｎのキャリア密度は、調光機能層２０ｐと同等のキャリア密度であることが好ましく、例えば１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１×１０16〜５×１０17ｃｍ-3であることがより好ましく、１×１０17ｃｍ-3であることが特に好ましい。
【００２６】
ｎ型半導体層２０ｎの抵抗率は、１×１０4 〜１×１０0 Ωｃｍであることが好ましく、１×１０3 〜１×１０2 Ωｃｍであることがより好ましい。
【００２７】
ｎ型半導体層２０ｎの厚みは、調光機能層２０ｐと同等の厚みであることが好ましく、例えば１００〜１０００ｎｍとされることが好ましい。
【００２８】
〔透光性基板〕
透光性基板１５としては、可視光を透過することができ、裏面電極層１３、ｎ型半導体層２０ｎ、調光機能層２０ｐおよび透明導電層１１を保持することができる材料からなるものであればよく、例えばガラス、石英、プラスチックなど種々の材料よりなるものを用いることができる。透光性基板１５は、板状のものであってもよいが、フィルム状やシート状のフレキシブルなものとすることもできる。
【００２９】
透光性基板１５の厚みは、特に限定されず材質や用途に応じて選択することができ、例えば１〜５０ｍｍとすることができる。
【００３０】
〔裏面電極層〕
透光性基板１５の一面に形成される裏面電極層１３は、可視光を透過し、かつ、導電性を示す膜であればよく、例えば、ＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム、Ｉｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎ）、ＩＺＯ（酸化インジウム・亜鉛、Ｉｎ2 Ｏ3 ：ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（酸化インジウムガリウム亜鉛）、ＦＴＯ（フッ素添加酸化スズ、ＳｎＯ2 ：Ｆ）、ＡＺＯ（アルミ添加酸化亜鉛、ＺｎＯ：Ａｌ）、ＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛、ＺｎＯ：Ｇａ）、導電性プラスチックなどよりなるものが挙げられる。
【００３１】
裏面電極層１３の厚みは、特に限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００３２】
〔透明導電層〕
透明導電層１１は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ、ＦＴＯなどのバンドギャップが３．７ｅＶ以上であるものよりなるものとすることができる。透明導電層１１を構成する材料は、裏面電極層１３を構成する材料と同じものであってもよく、異なるものであってもよい。
【００３３】
透明導電層１１の厚みは、特に限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００３４】
以上のような光発電可能な調光素子１０によれば、特定のＮｉＯよりなる調光機能層２０ｐが備えられているために、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる。
【００３５】
〔光発電可能な調光素子の製造方法〕
以上のような光発電可能な調光素子１０は、例えば、透光性基板１５上に、裏面電極層１３、ｎ型半導体層２０ｎ、調光機能層２０ｐおよび透明導電層１１の各層を、例えばＲＦマグネトロンスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法などによって形成させることにより製造することができ、特に、各層を連続的に形成させる連続スパッタプロセスを経ることによって製造することが好ましい。
具体的には、例えばＲＦマグネトロンスパッタ法による各層の形成は、同一のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、各層に係る適宜のターゲットを用いて、不活性ガスをプラズマソース源とし、Ｏ2 ガスを原料ガスとして、これらの混合ガスにおける各ガスの供給割合と総流量を調整して行うことができる。
不活性ガスとしては、特にＡｒガスを用いることが好ましい。
【００３６】
そして、本発明においては、連続スパッタプロセスにおける調光機能層２０ｐの形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は０．０１〜５体積％、好ましくは０．２〜０．５体積％とされる。
混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が上記の範囲であることにより、調光機能層２０ｐのキャリア密度を上記の範囲に調整することができ、その結果、当該調光機能層２０ｐを酸化状態において高い可視光の透過率を得られるものとすることができる。
調光機能層２０ｐの形成に用いられるターゲットはＮｉまたは酸化ニッケル類である。酸化ニッケル類としてはＮｉＯやＮｉＯ2 などの種々の組成のものが挙げられる。
【００３７】
また、ｎ型半導体層２０ｎの形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は、例えば０〜５０体積％とすることが好ましく、さらには２０〜３０体積％とすることが好ましい。
ｎ型半導体層２０ｎの形成に用いられるターゲットは、例えばＺｎＯである。
【００３８】
また、裏面電極層１３および透明導電層１１の形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は、例えば０〜３体積％とすることができる。
裏面電極層１３および透明導電層１１の形成に用いられるターゲットは、例えばＩＴＯである。
【００３９】
以上のような製造方法によれば、連続スパッタプロセスを経ることにより、上記の特定のＮｉＯよりなる調光機能層２０ｐが形成された光発電可能な調光素子１０を簡単に製造することができる。
しかも、積極的な加熱を要さないために、省エネルギー化が図られると共に、透光性基板１５としてフレキシブルなシート状のプラスチックよりなるものを用いることにより、Ｒｏｌｌ−ｔｏ−Ｒｏｌｌ法で製造することができ、工業上有利に製造することができる。
また、積極的な加熱を要さないことから、透光性基板１５として耐熱性の小さい既存の太陽電池を選択することができ、これにより、積層型太陽電池を作製することができる。従って、例えば、色素増感型太陽電池は緑色や赤色などの多彩な色を発現するところ、例えば赤色の色素増感型太陽電池を透光性基板１５として光発電可能な調光素子１０を作製することにより黒色の積層型太陽電池を得ることができる。
また、有機溶剤、エッチング溶剤、特定高圧ガスなどの有害な物質を用いずに環境負荷を小さく抑制することができる。
【００４０】
以上、本発明の光発電可能な調光素子について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
＜実施例１＞
裏面電極層、調光機能層、ｎ型半導体層、および透明導電層を、ＲＦマグネトロンスパッタ法によって連続的に形成させる連続スパッタプロセスを経て、それぞれ成長させた。
ＲＦマグネトロンスパッタ法による各層の成長は、ＲＦマグネトロンスパッタ装置（河合光学社製）を用い、電極に高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加し、Ａｒガス（純度９９．９９９９％）をプラズマソース源とし、Ｏ2 ガス（純度９９．９９％）を原料ガスとして、これらからなる混合ガス中のＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（Ａｒガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）と総流量を下記のように変化させ、また、適宜のターゲットを用いて行った。
また、透光性基板としては厚み１．０ｍｍのソーダライムガラス基板（松浪硝子工業社製）を用いた。
【００４３】
（１）裏面電極層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＩＴＯ（日鉱金属社製）を用い、透光性基板上に、ＩＴＯを３５分間成長させて裏面電極層〔Ａ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１１．５ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を１．０体積％、ガス総流量を１５ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．４Ｐａとした。
得られた裏面電極層〔Ａ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４４】
（２）ｎ型半導体層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＺｎＯ（豊島製作所社製）を用い、裏面電極層〔Ａ〕上にＺｎＯを１４０分間成長させてｎ型半導体層〔Ｂ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１７ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を３０体積％、ガス総流量を５０ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．８Ｐａとした。
得られたｎ型半導体層〔Ｂ〕の厚みは３００ｎｍ（デポレートは０．０３〜０．０４ｎｍ／ｓ）であった。
【００４５】
（３）調光機能層の形成
ターゲットとして純度９９．６％、φ=４ｉｎｃｈのＮｉ金属（ジャパンメタルサービス社製）を用い、ｎ型半導体層〔Ｂ〕上にＮｉＯを２７０分間成長させて調光機能層〔Ｃ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１７ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を０．５体積％、ガス総流量を１１０ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を３．８Ｐａとした。
得られた調光機能層〔Ｃ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．０２〜０．０３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４６】
（４）透明導電層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＩＴＯ（日鉱金属社製）を用い、調光機能層〔Ｃ〕上に、ＩＴＯを３５分間成長させて透明導電層〔Ｄ〕を形成し、これにより、調光素子〔１〕を得た。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１１．５ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を１．０体積％、ガス総流量を１５ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．４Ｐａとした。
得られた透明導電層〔Ｄ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４７】
なお、上記の連続スパッタプロセス中、すなわち裏面電極層〔Ａ〕、ｎ型半導体層〔Ｂ〕、調光機能層〔Ｃ〕および透明導電層〔Ｄ〕の形成中の全期間にわたって、積極的な加熱は行わず、試料面の温度が７０℃を超えることはなかった。
【００４８】
＜調光機能層サンプルの作製例１＞
また、本発明の光発電可能な調光素子を構成する調光機能層の性能を確認するための実験を行うための調光機能層のみを有するサンプルを作製した。
具体的には、実施例１において、ソーダライムガラス基板上に、直接、調光機能層〔Ｃ〕のみを成長させた。このようにして得られたサンプルを調光機能層サンプル〔α〕とする。
【００４９】
＜実験例１：還元＞
得られた調光素子〔１〕および調光機能層サンプル〔α〕について、水素アニールを行った。具体的には、１体積％のＨ2 ガスおよび９９体積％のＡｒガスからなる混合ガス中において、４００℃で５分間加熱した。これらをそれぞれ調光素子〔１Ｈ2 〕および調光機能層サンプル〔αＨ2 〕とする。
【００５０】
＜実験例２：酸化＞
水素アニールを行って得られた調光機能層サンプル〔αＨ2 〕に対して、酸素アニールを行った。具体的には、１００体積％のＯ2 ガス中において、４００℃で５分間加熱した。これを調光機能層サンプル〔αＯ2 〕とする。
【００５１】
以上の調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕および調光機能層サンプル〔αＯ2 〕について、それぞれ、透過スペクトル、および、ＸＲＤパターンを測定した。結果を図２および図３にそれぞれ示す。
図２は、調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれの透過スペクトルを示すグラフであり、図中の「ａｓ ｄｅｐｏ」、「Ｈ2 ａｎｎｅａｌ」、「Ｏ2 ａｎｎｅａｌ」は、それぞれ調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕を示す。
図３は、調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕および調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれのＸＲＤパターンを示すグラフであり、図中の「ａｓ ｄｅｐｏ」、「Ｈ2 ａｎｎｅａｌ」、「Ｏ2 ａｎｎｅａｌ」は、それぞれ調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕を示す。
図４は、調光素子〔１〕の波長領域２８０〜１６００ｎｍの透過スペクトルを示すグラフである。
【００５２】
図２から明らかなように、本発明に係る調光素子においては、酸化反応および還元反応により、透光状態と遮光状態とに可逆的に変化させることができることが確認された。また、図３において、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕のみに金属Ｎｉの存在が認められることから、水素アニールを行ったときだけ光が透過しなくなると考えられる。
また、図４から、調光素子〔１〕が可視光を高い割合で透過することが確認された。
【００５３】
また、調光素子〔１〕および調光素子〔１Ｈ2 〕について、それぞれ、ＩＶ特性を測定し、光電変換効率を算出した。
具体的には、「ソーラーシミュレータ」（分光計器社製）を用いて、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2 の擬似太陽光を照射しながら「６２４１型ソースメータ」（ＡＤＣＭＴ社製）を用いてＩＶ特性を測定して短絡電流、開放電圧、形状因子ｆｆの値を得ると共に、これらの値を用いて下記式（１）により、光電変換効率を算出した。結果を図５および図６に示す。
式（１）；光電変換効率（％）＝［短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2 ）×開放電圧値（Ｖ）×｛形状因子ｆｆ／入射光（１００ｍＷ／ｃｍ2 ）｝］×１００
【００５４】
調光素子〔１〕の光電変換効率は３．２×１０-5％であり、調光素子〔１Ｈ2 〕の光電変換効率は１．４×１０-6％であった。
図５は、調光素子〔１〕のＩＶ特性を示すグラフである。
図６は、調光素子〔１Ｈ2 〕のＩＶ特性を示すグラフである。
【００５５】
図５および図６から明らかなように、本発明に係る調光素子においては、透光状態においても遮光状態においても光発電することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の光発電可能な調光素子は、ブラインド機能を有する光発電窓ガラス、光発電することができる紫外線カットフィルター、遮光率を任意に変更することができる光発電ビニールハウス、スマートフォンなどの携帯機器におけるプライバシー保護機能を有する光発電表示部材、既存の太陽電池上に形成させた積層型太陽電池などとして利用することができる可能性がある。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 光発電可能な調光素子
１１ 透明導電層
１３ 裏面電極層
１５ 透光性基板
２０ 光電変換層
２０ｎ ｎ型半導体層
２０ｐ 調光機能層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光発電可能な調光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可視光の透過率を変化させることができる調光機能を有する調光素子が開発されており（非特許文献１参照。）、例えば、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができるＮｉＯなどの調光材料（非特許文献２、３参照。）などが知られており、また、可視光を透過させた状態と可視光を透過させずに反射させた状態が切り替えられる調光ミラーとして、２つの透明導電膜間に液晶などの化合物を挿入した構成のもの（特許文献１、２参照。）や、マグネシウム・カルシウム合金薄膜を用いた構成のもの（非特許文献４参照。）などが提案されている。
【０００３】
一方、エネルギー資源問題や地球環境問題に対応するための有望な技術として、太陽光発電が注目されており、近年は、例えば建築物や車の窓ガラス、ビニールハウスなどの採光部を太陽電池化して、採光しながら光発電をする技術が検討されている（例えば、特許文献３、４および非特許文献５参照。）。
【０００４】
然るに、現在のところ、調光機能および光発電機能を共に備えた機能層を有し、透光状態であっても遮光状態であっても光発電をすることができる調光素子は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４０３４４号公報
【特許文献２】特開２００９−３６９６７号公報
【特許文献３】特開２００２−１７０９６７号公報
【特許文献４】特開２００５−１９７２０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】河原秀夫、斎藤靖弘「光を制御するニューガラス」応用物理、第６２巻、第４号、３４３−３５１ページ、１９９３年
【非特許文献２】Solar Energy Materials and Solar Cells 31 (1993) 291-299
【非特許文献３】Solid State Ionics 113-115 (1998) 449-456
【非特許文献４】プレスリリース 無色性と高い可視光透過率を両立した新規調光ミラー材料を開発、［online］２０１０年８月４日、産総研、［平成２３年１１月１４日検索］、インターネット＜URL:http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20100804/pr20100804.html＞
【非特許文献５】プレスリリース 透明な太陽電池の試作に成功、［online］、２００３年６月２５日、産総研、［平成２３年１１月１４日検索］、インターネット＜URL:http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2003/pr20030625/pr20030625.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、その目的は、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる光発電可能な調光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光発電可能な調光素子は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、
調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、
当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光発電可能な調光素子においては、前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましい。
【００１０】
本発明の光発電可能な調光素子の製造方法は、上記の光発電可能な調光素子の製造方法であって、
ｎ型半導体層上に、不活性ガスおよびＯ2 ガスからなる混合ガス雰囲気中においてＮｉまたは酸化ニッケル類をスパッタすることにより、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層を形成する工程を有し、
前記混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が０．０１〜５体積％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光発電可能な調光素子によれば、特定の、ｐ型のＮｉＯよりなる調光機能層が備えられているために、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる。
また、本発明の製造方法によれば、上記の特定の、ｐ型のＮｉＯよりなる調光機能層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光発電可能な調光素子の構成の一例を示す説明用断面図である。
【図２】調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれの透過スペクトルを示すグラフである。
【図３】調光素子〔１〕の波長領域２８０〜１６００ｎｍの透過スペクトルを示すグラフである。
【図４】調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれのＸＲＤパターンを示すグラフである。
【図５】調光素子〔１〕のＩＶ特性を示すグラフである。
【図６】調光素子〔１Ｈ2 〕のＩＶ特定を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について具体的に説明する。
【００１４】
〔光発電可能な調光素子〕
図１は、本発明の光発電可能な調光素子の構成の一例を示す説明用断面図である。
この光発電可能な調光素子１０は、透光性基板１５上に裏面電極層１３が形成された当該裏面電極層１３上にｐｎ接合界面を有する光電変換層２０が積層され、さらにこの光電変換層２０上に透明導電層１１が積層されてなる固体状のものである。
この光発電可能な調光素子１０は、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能を有すると共に、調光機能による可視光の透過率の程度に関わらず、すなわち、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができるものである。
【００１５】
〔光電変換層〕
光電変換層２０は、裏面電極層１３上に形成されたｎ型半導体層２０ｎと、当該ｎ型半導体層２０ｎ上にｐｎ接合するよう形成された、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層２０ｐとよりなる。
【００１６】
〔調光機能層〕
光電変換層２０を構成する調光機能層２０ｐは、ｐ型のＮｉＯからなるものである。ここに、ＮｉＯは、不純物をドーピングしない状態においてｐ型の性質を示すものであるが、調光機能層２０ｐを構成するＮｉＯは、不純物としてＬｉ、Ｃｕなどをドーピングさせたものであってもよい。
【００１７】
調光機能層２０ｐのキャリア密度は、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１×１０16〜５×１０17ｃｍ-3であることがより好ましく、１×１０17ｃｍ-3であることが特に好ましい。
調光機能層２０ｐのキャリア密度が上記の範囲にあることにより、酸化状態において高い可視光の透過率が確実に得られる。
【００１８】
本発明において、調光機能層２０ｐのキャリア密度は、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によって、磁場を印加しない場合の電流と電圧の関係が直線的となる電流値に設定して２５℃で０．７５テスラの磁場を印加した状態で測定されるものである。
【００１９】
また、調光機能層２０ｐの抵抗率は、１×１０4 〜１×１０0 Ωｃｍであることが好ましく、１×１０3 〜１×１０2 Ωｃｍであることがより好ましい。
【００２０】
調光機能層２０ｐの厚みは、例えば１００〜１０００ｎｍとされることが好ましい。
【００２１】
調光機能層２０ｐは、酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させる調光機能を発揮し、また、当該調光機能層２０ｐは、ｐ型半導体としての性質を有して光発電機能に係る正孔輸送作用を担うものでもある。すなわち、当該調光機能層２０ｐを有することによって、本発明の光発電可能な調光素子１０が調光機能および光発電機能を共に有するものとなる。
【００２２】
調光機能層２０ｐは、酸化または還元することによって可視光の透過率を任意に変化させることができる。具体的には、調光機能層２０ｐを酸化することによって可視光の透過率を高くすることができ、還元することによって透過率を低くすることができる。
調光機能層２０ｐの可視光の透過率の変化は、透光状態と遮光状態とを２値的に切り替える構成とされてもよく、任意の透過率となるよう制御することができる構成とされてもよい。
【００２３】
本発明の光発電可能な調光素子１０においては、調光機能層２０ｐにおいて吸収される光が光発電に寄与する。具体的には、可視光の透過率が例えば１０％以下の遮光状態の場合においては、おおよそ、調光機能層２０ｐによって吸収された２００〜３８０ｎｍ程度の紫外光と、３８０〜７８０ｎｍ程度の可視光との両方によって光発電され、一方、可視光の透過率が例えば８０％程度の透光状態の場合においては、主に紫外光によって光発電される。
【００２４】
〔ｎ型半導体層〕
光電変換層２０を構成するｎ型半導体層２０ｎを形成する半導体としては、ｎ型の性質を示すと共に、可視光を透過し、高抵抗のものであれば特に限定されず、具体的には、例えばＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、Ｉｎ2 Ｏ3 などの酸化物半導体が挙げられ、これらの２種以上よりなる複合体を用いることもできる。また、これらは２種以上を混合して用いることもできる。
ｎ型半導体層２０ｎを構成する半導体としては、酸化物半導体であるという材料面の理由と、ｐｎ接合界面のバンド不連続量や内蔵電界の大きさなどの半導体物性の理由とから、特にＺｎＯを用いることが好ましい。
【００２５】
ｎ型半導体層２０ｎのキャリア密度は、調光機能層２０ｐと同等のキャリア密度であることが好ましく、例えば１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１×１０16〜５×１０17ｃｍ-3であることがより好ましく、１×１０17ｃｍ-3であることが特に好ましい。
【００２６】
ｎ型半導体層２０ｎの抵抗率は、１×１０4 〜１×１０0 Ωｃｍであることが好ましく、１×１０3 〜１×１０2 Ωｃｍであることがより好ましい。
【００２７】
ｎ型半導体層２０ｎの厚みは、調光機能層２０ｐと同等の厚みであることが好ましく、例えば１００〜１０００ｎｍとされることが好ましい。
【００２８】
〔透光性基板〕
透光性基板１５としては、可視光を透過することができ、裏面電極層１３、ｎ型半導体層２０ｎ、調光機能層２０ｐおよび透明導電層１１を保持することができる材料からなるものであればよく、例えばガラス、石英、プラスチックなど種々の材料よりなるものを用いることができる。透光性基板１５は、板状のものであってもよいが、フィルム状やシート状のフレキシブルなものとすることもできる。
【００２９】
透光性基板１５の厚みは、特に限定されず材質や用途に応じて選択することができ、例えば１〜５０ｍｍとすることができる。
【００３０】
〔裏面電極層〕
透光性基板１５の一面に形成される裏面電極層１３は、可視光を透過し、かつ、導電性を示す膜であればよく、例えば、ＩＴＯ（スズ添加酸化インジウム、Ｉｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎ）、ＩＺＯ（酸化インジウム・亜鉛、Ｉｎ2 Ｏ3 ：ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（酸化インジウムガリウム亜鉛）、ＦＴＯ（フッ素添加酸化スズ、ＳｎＯ2 ：Ｆ）、ＡＺＯ（アルミ添加酸化亜鉛、ＺｎＯ：Ａｌ）、ＧＺＯ（ガリウム添加酸化亜鉛、ＺｎＯ：Ｇａ）、導電性プラスチックなどよりなるものが挙げられる。
【００３１】
裏面電極層１３の厚みは、特に限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００３２】
〔透明導電層〕
透明導電層１１は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ、ＦＴＯなどのバンドギャップが３．７ｅＶ以上であるものよりなるものとすることができる。透明導電層１１を構成する材料は、裏面電極層１３を構成する材料と同じものであってもよく、異なるものであってもよい。
【００３３】
透明導電層１１の厚みは、特に限定されないが、例えば１００〜３０００ｎｍとすることができる。
【００３４】
以上のような光発電可能な調光素子１０によれば、特定のＮｉＯよりなる調光機能層２０ｐが備えられているために、可視光の透過率を変化させることができ、さらに、透光状態にあっても遮光状態にあっても光発電することができる。
【００３５】
〔光発電可能な調光素子の製造方法〕
以上のような光発電可能な調光素子１０は、例えば、透光性基板１５上に、裏面電極層１３、ｎ型半導体層２０ｎ、調光機能層２０ｐおよび透明導電層１１の各層を、例えばＲＦマグネトロンスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法などによって形成させることにより製造することができ、特に、各層を連続的に形成させる連続スパッタプロセスを経ることによって製造することが好ましい。
具体的には、例えばＲＦマグネトロンスパッタ法による各層の形成は、同一のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、各層に係る適宜のターゲットを用いて、不活性ガスをプラズマソース源とし、Ｏ2 ガスを原料ガスとして、これらの混合ガスにおける各ガスの供給割合と総流量を調整して行うことができる。
不活性ガスとしては、特にＡｒガスを用いることが好ましい。
【００３６】
そして、本発明においては、連続スパッタプロセスにおける調光機能層２０ｐの形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は０．０１〜５体積％、好ましくは０．２〜０．５体積％とされる。
混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が上記の範囲であることにより、調光機能層２０ｐのキャリア密度を上記の範囲に調整することができ、その結果、当該調光機能層２０ｐを酸化状態において高い可視光の透過率を得られるものとすることができる。
調光機能層２０ｐの形成に用いられるターゲットはＮｉまたは酸化ニッケル類である。酸化ニッケル類としてはＮｉＯやＮｉＯ2 などの種々の組成のものが挙げられる。
【００３７】
また、ｎ型半導体層２０ｎの形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は、例えば０〜５０体積％とすることが好ましく、さらには２０〜３０体積％とすることが好ましい。
ｎ型半導体層２０ｎの形成に用いられるターゲットは、例えばＺｎＯである。
【００３８】
また、裏面電極層１３および透明導電層１１の形成において、混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（不活性ガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）は、例えば０〜３体積％とすることができる。
裏面電極層１３および透明導電層１１の形成に用いられるターゲットは、例えばＩＴＯである。
【００３９】
以上のような製造方法によれば、連続スパッタプロセスを経ることにより、上記の特定のＮｉＯよりなる調光機能層２０ｐが形成された光発電可能な調光素子１０を簡単に製造することができる。
しかも、積極的な加熱を要さないために、省エネルギー化が図られると共に、透光性基板１５としてフレキシブルなシート状のプラスチックよりなるものを用いることにより、Ｒｏｌｌ−ｔｏ−Ｒｏｌｌ法で製造することができ、工業上有利に製造することができる。
また、積極的な加熱を要さないことから、透光性基板１５として耐熱性の小さい既存の太陽電池を選択することができ、これにより、積層型太陽電池を作製することができる。従って、例えば、色素増感型太陽電池は緑色や赤色などの多彩な色を発現するところ、例えば赤色の色素増感型太陽電池を透光性基板１５として光発電可能な調光素子１０を作製することにより黒色の積層型太陽電池を得ることができる。
また、有機溶剤、エッチング溶剤、特定高圧ガスなどの有害な物質を用いずに環境負荷を小さく抑制することができる。
【００４０】
以上、本発明の光発電可能な調光素子について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
＜実施例１＞
裏面電極層、調光機能層、ｎ型半導体層、および透明導電層を、ＲＦマグネトロンスパッタ法によって連続的に形成させる連続スパッタプロセスを経て、それぞれ成長させた。
ＲＦマグネトロンスパッタ法による各層の成長は、ＲＦマグネトロンスパッタ装置（河合光学社製）を用い、電極に高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加し、Ａｒガス（純度９９．９９９９％）をプラズマソース源とし、Ｏ2 ガス（純度９９．９９％）を原料ガスとして、これらからなる混合ガス中のＯ2 ガス濃度（｛Ｏ2 ガス／（Ａｒガス＋Ｏ2 ガス）｝×１００）と総流量を下記のように変化させ、また、適宜のターゲットを用いて行った。
また、透光性基板としては厚み１．０ｍｍのソーダライムガラス基板（松浪硝子工業社製）を用いた。
【００４３】
（１）裏面電極層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＩＴＯ（日鉱金属社製）を用い、透光性基板上に、ＩＴＯを３５分間成長させて裏面電極層〔Ａ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１１．５ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を１．０体積％、ガス総流量を１５ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．４Ｐａとした。
得られた裏面電極層〔Ａ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４４】
（２）ｎ型半導体層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＺｎＯ（豊島製作所社製）を用い、裏面電極層〔Ａ〕上にＺｎＯを１４０分間成長させてｎ型半導体層〔Ｂ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１７ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を３０体積％、ガス総流量を５０ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．８Ｐａとした。
得られたｎ型半導体層〔Ｂ〕の厚みは３００ｎｍ（デポレートは０．０３〜０．０４ｎｍ／ｓ）であった。
【００４５】
（３）調光機能層の形成
ターゲットとして純度９９．６％、φ=４ｉｎｃｈのＮｉ金属（ジャパンメタルサービス社製）を用い、ｎ型半導体層〔Ｂ〕上にＮｉＯを２７０分間成長させて調光機能層〔Ｃ〕を形成した。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１７ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を０．５体積％、ガス総流量を１１０ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を３．８Ｐａとした。
得られた調光機能層〔Ｃ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．０２〜０．０３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４６】
（４）透明導電層の形成
ターゲットとして純度９９．９９％、φ=４ｉｎｃｈのＩＴＯ（日鉱金属社製）を用い、調光機能層〔Ｃ〕上に、ＩＴＯを３５分間成長させて透明導電層〔Ｄ〕を形成し、これにより、調光素子〔１〕を得た。
具体的な条件としては、ＲＦ出力を１５０Ｗ、ターゲット−基板間距離を１１．５ｃｍとし、成長中のＯ2 ガス濃度を１．０体積％、ガス総流量を１５ｓｃｃｍとし、また、成長中の真空度を０．４Ｐａとした。
得られた透明導電層〔Ｄ〕の厚みは５００ｎｍ（デポレートは０．２〜０．３ｎｍ／ｓ）であった。
【００４７】
なお、上記の連続スパッタプロセス中、すなわち裏面電極層〔Ａ〕、ｎ型半導体層〔Ｂ〕、調光機能層〔Ｃ〕および透明導電層〔Ｄ〕の形成中の全期間にわたって、積極的な加熱は行わず、試料面の温度が７０℃を超えることはなかった。
【００４８】
＜調光機能層サンプルの作製例１＞
また、本発明の光発電可能な調光素子を構成する調光機能層の性能を確認するための実験を行うための調光機能層のみを有するサンプルを作製した。
具体的には、実施例１において、ソーダライムガラス基板上に、直接、調光機能層〔Ｃ〕のみを成長させた。このようにして得られたサンプルを調光機能層サンプル〔α〕とする。
【００４９】
＜実験例１：還元＞
得られた調光素子〔１〕および調光機能層サンプル〔α〕について、水素アニールを行った。具体的には、１体積％のＨ2 ガスおよび９９体積％のＡｒガスからなる混合ガス中において、４００℃で５分間加熱した。これらをそれぞれ調光素子〔１Ｈ2 〕および調光機能層サンプル〔αＨ2 〕とする。
【００５０】
＜実験例２：酸化＞
水素アニールを行って得られた調光機能層サンプル〔αＨ2 〕に対して、酸素アニールを行った。具体的には、１００体積％のＯ2 ガス中において、４００℃で５分間加熱した。これを調光機能層サンプル〔αＯ2 〕とする。
【００５１】
以上の調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕および調光機能層サンプル〔αＯ2 〕について、それぞれ、透過スペクトル、および、ＸＲＤパターンを測定した。結果を図２および図３にそれぞれ示す。
図２は、調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれの透過スペクトルを示すグラフであり、図中の「ａｓ ｄｅｐｏ」、「Ｈ2 ａｎｎｅａｌ」、「Ｏ2 ａｎｎｅａｌ」は、それぞれ調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕を示す。
図３は、調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕および調光機能層サンプル〔αＯ2 〕それぞれのＸＲＤパターンを示すグラフであり、図中の「ａｓ ｄｅｐｏ」、「Ｈ2 ａｎｎｅａｌ」、「Ｏ2 ａｎｎｅａｌ」は、それぞれ調光機能層サンプル〔α〕、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕、調光機能層サンプル〔αＯ2 〕を示す。
図４は、調光素子〔１〕の波長領域２８０〜１６００ｎｍの透過スペクトルを示すグラフである。
【００５２】
図２から明らかなように、本発明に係る調光素子においては、酸化反応および還元反応により、透光状態と遮光状態とに可逆的に変化させることができることが確認された。また、図３において、調光機能層サンプル〔αＨ2 〕のみに金属Ｎｉの存在が認められることから、水素アニールを行ったときだけ光が透過しなくなると考えられる。
また、図４から、調光素子〔１〕が可視光を高い割合で透過することが確認された。
【００５３】
また、調光素子〔１〕および調光素子〔１Ｈ2 〕について、それぞれ、ＩＶ特性を測定し、光電変換効率を算出した。
具体的には、「ソーラーシミュレータ」（分光計器社製）を用いて、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2 の擬似太陽光を照射しながら「６２４１型ソースメータ」（ＡＤＣＭＴ社製）を用いてＩＶ特性を測定して短絡電流、開放電圧、形状因子ｆｆの値を得ると共に、これらの値を用いて下記式（１）により、光電変換効率を算出した。結果を図５および図６に示す。
式（１）；光電変換効率（％）＝［短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2 ）×開放電圧値（Ｖ）×｛形状因子ｆｆ／入射光（１００ｍＷ／ｃｍ2 ）｝］×１００
【００５４】
調光素子〔１〕の光電変換効率は３．２×１０-5％であり、調光素子〔１Ｈ2 〕の光電変換効率は１．４×１０-6％であった。
図５は、調光素子〔１〕のＩＶ特性を示すグラフである。
図６は、調光素子〔１Ｈ2 〕のＩＶ特性を示すグラフである。
【００５５】
図５および図６から明らかなように、本発明に係る調光素子においては、透光状態においても遮光状態においても光発電することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の光発電可能な調光素子は、ブラインド機能を有する光発電窓ガラス、光発電することができる紫外線カットフィルター、遮光率を任意に変更することができる光発電ビニールハウス、スマートフォンなどの携帯機器におけるプライバシー保護機能を有する光発電表示部材、既存の太陽電池上に形成させた積層型太陽電池などとして利用することができる可能性がある。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 光発電可能な調光素子
１１ 透明導電層
１３ 裏面電極層
１５ 透光性基板
２０ 光電変換層
２０ｎ ｎ型半導体層
２０ｐ 調光機能層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、
調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、
当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする光発電可能な調光素子。
【請求項２】
前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１に記載の光発電可能な調光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光発電可能な調光素子の製造方法であって、
ｎ型半導体層上に、不活性ガスおよびＯ2 ガスからなる混合ガス雰囲気中においてＮｉまたは酸化ニッケル類をスパッタすることにより、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層を形成する工程を有し、
前記混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が０．０１〜５体積％であることを特徴とする光発電可能な調光素子の製造方法。
【請求項１】
酸化還元反応によって可視光の透過率を変化させることができる調光機能層を有する調光素子であって、
調光機能層がｐ型のＮｉＯからなり、
当該調光機能層が、透光性基板上に裏面電極層およびｎ型半導体層がこの順に積層された当該ｎ型半導体層上に積層され、さらに当該調光機能層上に透明導電層が積層された構成を有し、光発電することができることを特徴とする光発電可能な調光素子。
【請求項２】
前記調光機能層のキャリア密度が、１×１０15〜５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１に記載の光発電可能な調光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光発電可能な調光素子の製造方法であって、
ｎ型半導体層上に、不活性ガスおよびＯ2 ガスからなる混合ガス雰囲気中においてＮｉまたは酸化ニッケル類をスパッタすることにより、ｐ型のＮｉＯからなる調光機能層を形成する工程を有し、
前記混合ガスにおけるＯ2 ガス濃度が０．０１〜５体積％であることを特徴とする光発電可能な調光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０９０７６（Ｐ２０１３−１０９０７６Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２６３２（Ｐ２０１１−２５２６３２）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
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