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公開番号2025022707
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-14
出願番号2024032815
出願日2024-03-05
発明の名称光電変換素子
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類H10K 30/50 20230101AFI20250206BHJP()
要約【課題】外部環境からのブロック能を高めて特性劣化を抑制した上で、電子効率及び導電性を向上させた光電変換素子を提供する。
【解決手段】実施形態の光電変換素子100は、基板110と、第1電極120と、ABX₃で表される組成を有するペロブスカイト結晶を含む光電変換膜130と、電子輸送層140と、第2電極150を具備する。第2電極は、電子輸送層140上に配置され、Ti、Sn、Zn、Ce、In及びNbから選ばれる少なくとも1つの第1金属、及び第1金属の酸化物を含む第1層160と、第2金属及び第2金属の酸化物を含む第2層170とを備える。第2層170は、第1層160側に存在する第1領域171と、第1領域171上に存在し、第1領域171より低い酸素濃度を有する第2領域172と、第2領域172上に存在し、第2領域172より高い酸素濃度を有する第3領域173とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された第１電極と、
前記第１の電極上に配置され、
組成式：ＡＢＸ
３
（式中、Ａはアミン化合物の１価陽イオンであり、Ｂは金属元素の２価陽イオンであり、Ｘはハロゲン元素の１価陰イオンである。）
で表される組成を有するペロブスカイト結晶を含む光電変換膜と、
前記光電変換膜上に配置された電子輸送層と、
前記電子輸送層上に配置された第２電極とを具備する光電変換素子であって、
前記第２電極は、前記電子輸送層上に配置され、チタン、スズ、亜鉛、セリウム、インジウム、及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも１つの第１金属、及び前記第１金属の酸化物を含む第１層と、前記第１層上に配置され、第２金属及び前記第２金属の酸化物を含む第２層とを備え、
前記第２層は、前記第１層側に存在する第１領域と、前記第１領域上に存在し、前記第１領域より低い酸素濃度を有する第２領域と、前記第２領域上に存在し、前記第２領域より高い酸素濃度を有する第３領域とを備える、光電変換素子。
続きを表示（約 540 文字）【請求項２】
前記第２金属は、前記第１金属より高い導電性を有する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記第２金属は、アルミニウム、モリブデン、ニッケル、銅、及び銀からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記第１領域及び前記第３領域は、前記第２金属と酸素との結合を有する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記第２電極は、さらに、前記第２層上に配置され、第３金属を含む第３層を備える、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記第３金属は、前記第２金属より酸化しづらい金属を含む、請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記第３金属は、銅、銀、及び金からなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項６に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記第３金属は、前記第２金属より不働態を形成しやすい金属を含む、請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記第３金属は、チタン、アルミニウム、及びモリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項８に記載の光電変換素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電変換素子に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
光電変換材料としてペロブスカイト型材料を用いた太陽電池、光センサ、発光素子、光ダイオード、光メモリ等の光電変換素子は、層形成に安価な塗布法が適用できるため、低コストの光電変換素子として期待されている。光電変換材料として用いられるペロブスカイト型材料のうちでも、ＡＢＸ
３
で表される組成を有し、３次元結晶構造を持つペロブスカイト結晶は、光電変換効率に優れるため、それを用いて変換効率を向上させた太陽電池等が報告されている。そのような太陽電池の課題の１つとして、光電変換層上に形成される電極（陰極）の耐食性や導電性等が挙げられる。
【０００３】
ペロブスカイト型材料を用いた光電変換素子は、例えば透明基板上に陽極、光電変換層、電子輸送層、及び陰極を積層した構造を有している。このような光電変換素子において、陰極にはクロム（Ｃｒ）とＣｒ酸化物とを含む層と、その上に形成された金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の層との積層構造等が提案されている。しかしながら、Ｃｒ酸化物はｐ型半導体であるため、電子輸送層側に配置した場合、電子輸送の障壁となり、そのために効率の低下を招くことになる。さらに、陰極内に酸化物を含む層が１層しか配置されていないため、外部環境からのブロック能を十分に高めることができない。このため、上層側のＡｕ層等は外部環境からの腐食により劣化が進行しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許第６９８９３９１号
【非特許文献】
【０００５】
Ｎａｔｕｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ１４．１０（２０１５）：１０３２－１０３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、外部環境からのブロック能を十分に高めて特性劣化を抑制した上で、電子効率及び導電性を向上させた光電変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の光電変換素子は、基板と、前記基板上に配置された第１電極と、前記第１の電極上に配置され、
組成式：ＡＢＸ
３
（式中、Ａはアミン化合物の１価陽イオンであり、Ｂは金属元素の２価陽イオンであり、Ｘはハロゲン元素の１価陰イオンである。）
で表される組成を有するペロブスカイト結晶を含む光電変換膜と、前記光電変換膜上に配置された電子輸送層と、前記電子輸送層上に配置された第２電極とを具備する。実施形態の光電変換素子において、前記第２電極は、前記電子輸送層上に配置され、チタン、スズ、亜鉛、セリウム、インジウム、及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも１つの第１金属、及び前記第１金属の酸化物を含む第１層と、前記第１層上に配置され、第２金属及び前記第２金属の酸化物を含む第２層とを備え、前記第２層は、前記第１層側に存在する第１領域と、前記第１領域上に存在し、前記第１領域より低い酸素濃度を有する第２領域と、前記第２領域上に存在し、前記第２領域より高い酸素濃度を有する第３領域とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
実施形態の光電変換素子の第１の例を示す断面図である。
実施形態の光電変換素子の第２の例を示す断面図である。
実施例１の光電変換素子のＩ－Ｖ曲線図である。
比較例１の光電変換素子のＩ－Ｖ曲線図である。
実施例１の光電変換素子の作製１００時間後のＡｌ電極の様子を示す拡大写真である。
比較例１の光電変換素子の作製１００時間後のＡｌ電極の様子を示す拡大写真である。
実施例１の光電変換素子のＡｌ電極における第３領域、第２領域、及び第１領域に相当する箇所のＡｌ成分のＸＰＳ分析結果を示す図である。
実施例１の光電変換素子の第１領域付近のＴｉ成分のＸＰＳ分析結果を示す図である。
実施例１の光電変換素子におけるＡｌ電極及びＴｉ電極の元素存在比を示すグラフである。
比較例１の光電変換素子のＡｌ電極における第３領域、第２領域、及び第１領域に相当する箇所のＡｌ成分のＸＰＳ分析結果を示す図である。
比較例１の光電変換素子におけるＡｌ電極及びＴｉ電極の元素存在比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の光電変換素子及びその製造方法について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下等の方向を示す用語は、特に明記が無い場合には後述する基板の各層の形成面を上とした場合の相対的な方向を示し、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。
【００１０】
図１は実施形態の光電変換素子の第１の例を示す断面図である。図１に示す光電変換素子１００は、支持基板としての透明基板１１０と、透明基板１１０上に配置された第１電極１２０と、第１電極１２０上に配置された光電変換膜１３０と、光電変換膜１３０上に配置された電子輸送層１４０と、電子輸送層１４０に配置された第２電極１５０とを具備している。以下に、各構成層について詳述する。
（【００１１】以降は省略されています）

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