ある局面になるとものすごく愚かなことができるというのが人間なのです。善悪二つ
のモノサシしか持っていないと、人間は非常に生きづらさを感じるものなのです。
Takaaki Yoshimoto 25 Nov, 1924 - 16 Mar, 2012
● 今夜の一枚
● 次世代太陽電池実用化に期待：エネルギー変換材料開発と基礎物性評価
今月４日、安くて高効率なペロブスカイト太陽電池の開発が行われているが、性能を左右する因子の
特定が難しく、高速かつ因子の特定が容易な評価法の開発が望まれていた。阪大と京大の研究グルー
プは、新たにデータ科学的統計法と高速スクリーニング法を融合し、素子の性能を決める因子を今ま
での１０分の１以下の時間で評価することが可能となったと公表。これにより、次世代太陽電池の実
用化につながるエネルギー変換材料の開発と基礎物性評価への応用が期待されている。、
それによると、マイクロ波の一種を用いたマイクロ波伝導度法で、ペロブスカイト発電層の電気物性
の評価に有効であることが判明、さらに、太陽電池素子と同じようにペロブスカイト発電層の上に正
孔輸送層を塗布することで、マイクロ波信号が大きく変化することを見出すが（下図２ａ）、どのよ
うな材料が正孔輸送材として適しているのか、またマイクロ波測定の結果をどのように解釈して材料
設計へ反映させるのか不明であった。
今回、数種類の高分子を個別にペロブスカイト層に塗布し、マイクロ波法を用いてナノ秒～マイクロ
秒での電荷の時間挙動を評価。青緑色のレーザー光パルスを照射すると、ペロブスカイト中に瞬間的
に正孔と電子が生成し、大きなマイクロ波信号が観測されるが、正孔輸送層である高分子膜を塗布し
た２層膜ではマイクロ波信号は大きく減少し、減衰速度も速くなることが観測された（図２ｂ）。こ
のマイクロ波信号の減少量を解析することで、正孔移動効率の時間変化を定量することに成功し、さ
らに詳しく解析することで、１つの材料につき４つの実験変数を抽出することができることを発見。
一方で、それぞれの高分子を正孔輸送層に使ったペロブスカイト太陽電池素子を作製し、素子性能を
評価したところ、ペロブスカイト発電層そのものは同一であるにも関わらず、変換効率は１％程度か
ら１７％程度まで大きく異なるが、素子性能とマイクロ波信号の間にどのような関係があるのか分か
らずにいた。そこで、実験変数を個々に扱うだけでなく、和や積などの組み合わせを検討し、評価を
行い８種類の高分子だけでなく、過去に行った低分子材料のデータを加え、データ科学的統計法を用
いて素子性能との相関を調べ、その結果、実験変数のうち、初期正孔移動効率と移動速度の積が、太
陽電池素子の短絡電流密度に最も相関することが分かる（下図）。今回明らかになった実験指標を用
いることで、新規の正孔輸送材開発と評価が格段に容易になり、高効率化に向けた研究を加速できる
という。
※ データ科学的統計法：非常に多くのデータを基に、回帰分析、機械学習、人工知能といった方法
で傾向や特徴量を抽出する手法。
※ マイクロ波伝導度法：時間分解マイクロ波伝導度法。光や放射線パルスを有機物に照射すると短
寿命の電荷が生じ、その電荷がマイクロ波と相互作用してマイクロ波のパワーが減少する。この
現象を観察し電荷の時間挙動やナノスケールの電荷キャリアの局所的な振動速度を評価する手法。
【量子ドット工学講座 １７】
毎度のことだが、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。その量子ドットは、通常、その周囲を、量子ドット自身のバンドギャップ
よりも大きなバンドギャップを有する障壁層によって囲まれている。
このため、理論的には、電子のフォノン放出によるエネルギー緩和が起こりにくく消滅し難いと考え
られているが、量子ドットを集積させて量子ドット集積部を形成した場合には、量子ドット内に生成
したキャリア（電子、正孔）は、障壁層を含む量子ドット集積部内に存在する欠陥と結合して消滅し
やすく、これによりキャリアの密度が低下し、電極まで到達できる電荷量の低下が起こり、光電変換
効率を高められないという問題がある。このような問題に対し、光電変換層内において、キャリアの
収集能力を高めるための構造が種々提案されている。
下図６（ａ）は、従来の光電変換層の一例を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のバンド構造
を模式的に示したものである。ここで、符号Ｅｃはバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル、
Ｅｖは価電子帯のエネルギーレベルを表している。また、符号Ｅｇはエネルギーギャップを表してい
る。図６（ａ）に示した光電変換層１００は、キャリアの収集能力を有するバルク体からなる集電部
１０１を、複数の量子ドットを集積させた量子ドット集積部１０３の一方主面に重ね合わせた構成と
なっている。
この光電変換層の場合、集電部１０１は、その主体が、例えば、酸化亜鉛などの半導体によって形成
されていることから、一定の導電性をもつが、未だ、集電部１０１内におけるキャリアＣの移動度が
低いことから光電変換層の変換効率を高くできないという問題がある。
【符号の説明】Ａ１、Ａ２、Ａ３光電変換層 Ｂ光電変換装置 Ｃキャリア １量子ドット集積部
１ａ量子ドット ３・集電部 ５集電基部 ７（７ａ、７ｂ、７ｃ）・ナノ構造層 ７ａａ量子粒
７ｂｂ量子細線 ７ｃｃ量子薄膜 ９・透明導電膜 １１ガラス基板 １３電極層
特開2016-139735 光電変換層および光電変換装置
従ってこの発明は、集電部におけるキャリアの移動度が高く、光電変換効率を高めることのできる光
電変換層および光電変換装置を提供することを目的とする。この発明の光電変換層は、複数の量子ド
ットを有する量子ドット集積部と、少なくとも一方主面に配置された集電部と、を備えている光電変
換層で、集電部が、量子ドット集積部よりも導電率の高いバルク体からなる集電基部と、集電基部と
同じ材料でなり、集電基部よりもエネルギーギャップの大きいナノ構造層で構成するとともに、ナノ
構造層が量子ドット集積部と集電基部との間に配置されている。この発明の光電変換装置は、光電変
換層が２つの導体層間に配置されている。
上図１は、この発明の光電変換層の第１の実施形態を部分的に示す断面模式図、（ａ）はナノ構造層
が量子ドットの場合、（ｂ）はナノ構造層が量子細線の場合、（ｃ）はナノ構造層が量子薄膜の場合
である。
ここで、（ｃ）の量子薄膜については図面の奥行き側に２次元的に広がった構造を成している。また
図１には光電変換層１が１層の構成を示しているが、これに限られるものではなく、光電変換層１が
２層以上となったものにも適用される。図２は、図１（ａ）の光電変換層のバンド構造の模式図。こ
こで、符号Ｅｃはバンド構造における伝導帯のエネルギーレベル、Ｅｖは価電子帯のエネルギーレベ
ルを表している。また、符号Ｅｇはエネルギーギャップを表している。実線のエネルギー線（Ｌ０）
は集電部３にナノ構造層７が設けられていない場合、破線のエネルギー線（Ｌ１）は集電部３にナノ
構造層７が設けられている場合を表す。 図１に示す実施形態の光電変換層Ａ１、Ａ２およびＡ３は、
複数の量子ドット１ａが集積された量子ドット集積部１と、この量子ドット集積部１の少なくとも、
一方の主面に配置/された膜状の集電部３とを備えている。
この場合、集電部３は、量子ドット集積部１よりも導電率の高い材料のバルク体からなる集電基部５
と、集電基部５と同じ材料からなり、集電基部５よりもエネルギーギャップの大きいナノ構造層７と
を有している。この場合、ナノ構造層７は量子ドット集積部１と集電基部５との間に配置されている。
ここで、量子ドット集積部１は太陽光など特定波長の光を吸収した際に電子やホールといった伝導性
のキャリアＣを生成する層であり、一方、集電部３は量子ドット集積部１にて生成したキャリアＣを
収集する機能をもつ層である。
この実施形態の光電変換層Ａ１、Ａ２、Ａ３によれば、量子ドット集積部１に隣接して設けられてい
る集電部３に、同じ材料で量子効果を有するナノ構造層７を設け、これら量子効果を有するナノ構造
層７が量子ドット集積部１側に隣接するように配置させることにより、集電部３内のバンド構造にお
ける伝導帯のエネルギーレベル（Ｅｃ）が量子ドット集積部１側で高く、量子ドット集積部１とは反
対側の集電基部５側で低くできることから、集電部３の厚み方向に向くエネルギー線（Ｌ１）に勾配
を持たせることができる。これにより集電部３におけるキャリアＣの移動度を高めることができ、光
電変換効率を向上させることができる。これは、集電部３を構成する材料のバルク体を量子効果をも
つナノ構造層５に変化させたことにより、ナノ構造層７はエネルギーギャップ（Ｅｇ）の拡がりが
起こり、これによりナノ構造層７における伝導帯のエネルギーレベル（Ｅｃ）が集電基部５側よりも
高い準位に変化したためで、ここで、バルク体とは、結晶相もしくは非晶質相、あるいはこれらが複
合された相が高い密度で膜状または板状を成しているものを言う。量子ドット集積部１およびバルク
体からなる集電基部５の導電率は、例えば、光電変換層Ａ１の切出し片を測定用試料として４端子法
により求める。
この場合、ナノ構造層７としては、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示すに、量子粒７ａ、量子細
線７ｂおよび量子薄膜７ｃのうちのいずれかであることが望ましい。ナノ構造層７が上記した構造体
であると、電子などのキャリアＣをバルク体（３次元）よりも確実に低い次元（量子薄膜は２次元、
量子細線は１次元、量子粒は０次元）に拘束することができることから、集電基部５と量子ドット集
積部１との間に、集電基部５と量子ドット集積部１との中間領域に位置する、伝導帯のエネルギーレ
ベルを形成することができる。これにより量子ドット集積部１から集電基部５側に及ぶエネルギー線
（Ｌ１）によって高い勾配を形成できる。
また、この光電変換装置Ａ１、Ａ２、Ａ３では、ナノ構造層５は、量子粒７ａａの直径、量子細線７
ｂｂの線径、および量子薄膜７ｃｃの厚みが、量子ドット集積膜１側で小さく、集電基部５側で大き
いことが望ましい。ここで、量子細線７ｂｂは集電基部５側から量子ドット集積部１側に向けて線径
が小さくなっている。量子薄膜７ｃｃは集電基部５側から量子ドット集積部１側に向けて厚みが薄く
なっている。
例えば、上図３（ａ）に示す量子粒７ａａを例に説明すると、ナノ構造層７を構成する量子粒７ａａ
の直径を量子ドット集積部１側が小さく、集電基部５側で大きくなるように配置した場合、ナノ構造
層７を構成する量子粒７ａａは量子ドット集積膜１側のエネルギーレベルを高くでき、集電基部５側
の量子粒７ａａとの間で伝導帯のエネルギーレベル（Ｅｃ）により大きな差を持たせることができる。
同様に、量子細線７ｂｂ、量子薄膜７ｃｃにも同様に量子ドット集積部１側のサイズ（線径、厚み）
を小さくしたものが良い。また、量子粒７ａａの直径、量子細線７ｂｂの線径、量子薄膜７ｃｃの厚
みが、量子ドット集積膜１側から集電基部５側へ向けて次第に大きくなっていることがより望ましい。
量子粒７ａａの直径、量子細線７ｂｂの線径、量子薄膜７ｃｃの厚みが、量子ドット集積膜１側から
集電基部５側へ向けて次第に大きくなっていると、ナノ構造層７の厚み方向（図３におけるＤ０、Ｄ１
の方向）の全体において伝導帯のエネルギーレベル（Ｅｃ）に勾配を形成することができるため、集
電部３におけるキャリアＣの移動度をさらに高めることができる。
量子粒７ａａ、量子細線７ｂｂおよび量子薄膜７ｃｃは、集電基部５との間で低い抵抗になるように
当接されていれば良いが、ナノ構造層７と集電基部５との間がより低い抵抗になるという点で、ナノ
構造層７は集電基部５と一体化しているかまたは集電基部５から成長した構造であることが望ましい。
集電部３（集電基部５およびナノ構造層７）の材料としては、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、
ＳｎおよびＩｎの群から選ばれる少なくとも１種が好適なものとなるが、量子ドット集積部１を構成
する量子ドット１ａの材料にシリコン（Ｓｉ）やＰｂＳ（イオウ化鉛）を適用したときに、これらよ
りもエネルギーギャップ（Ｅｇ）が大きくかつ導体抵抗を低くできるという点で、Ｚｎ、Ｓｎおよび
Ｔｉがより好ましい。
上図４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４には光電変換
装置Ｂとして、上記した光電変換層Ａ１を備えた例を示している。光電変換装置Ｂは、光電変換層Ａ１
の下層側に透明導電膜９およびガラス基板１１を有し、光電変換層Ａ１の上層側に電極層１３を有す
る。この場合、ガラス基板１１の下面側が光の入射面１５ａとなり、電極層９の上面側が光の出射面
１５ｂとなる。なお、光の入射面１５ａ側であるガラス基板７の表面や光の出射面１５ｂである電極
層９の上面には保護層や反射防止材などが設けられる場合がある。
実施形態の光電変換装置Ｂによれば、量子ドット集積部１に隣接して設けられている集電部３に、同
じ材料で量子効果を有するナノ構造層７が設けられていることから、集電部３内のバンド構造におけ
る伝導帯のエネルギーレベル（Ｅｃ）が量子ドット集積部１側で高く、量子ドット集積部１とは反対
側の集電基部３側で低くできる。また、集電部３の厚み方向にエネルギー線に（Ｌ１）勾配を持たせ
ることができる。これにより集電部３におけるキャリアＣの移動度を高めることができ、光電変換効
率を向上させることができる。
上述のように、本実施形態の光電変換層Ａ１および光電変換装置Ｂについて、図１～図４を基に説明
したが、本発明はこれに限らず、光電変換層Ａ１の代わりに、ナノ構造層７に量子細線７ｂｂ、量子
薄膜７ｃｃを適用した光電変換層Ａ２、Ａ３についても同様の効果を得ることができる。上記した光
電変換層Ａ１、Ａ２、Ａ３および光電変換装置Ｂを構成するナノ構造層７の成分分析、形状の判定や
サイズの評価は電子顕微鏡およびこれに付設の分析器によって求める。
上記した量子ドット集積部１を構成する量子ドット１ａの材料としては、種々の半導体材料が適用さ
れるが、そのエネルギーギャップ（Ｅｇ）としては、０．１５～２．５０ｅｖを有するものが好適で
ある。具体的な半導体材料としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム（Ｇａ）、
インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、硫黄（Ｓ）、
鉛（Ｐｂ）、テルル（Ｔｅ）およびセレン（Ｓｅ）から選ばれるいずれか１種またはこれらの化合物
半導体を用いることが望ましい。
また、上記した量子ドット１ａにおいては、電子の閉じ込め効果を高められるという理由から量子ド
ット１ａの表面に障壁層（バリア層）を有していてもよい。障壁層は量子ドット１ａとなる半導体材
料に比較して２～１５倍のエネルギーギャップを有している材料が好ましく、エネルギーギャップ
（Ｅｇ）が１．０～１０．０ｅｖを有するものが好ましい。なお、量子ドット１ａが表面に障壁層を
有する場合には、障壁層の材料としては、Ｓｉ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓ、ＩｎおよびＳｅから選
ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物（半導体、炭化物、酸化物、窒化物）が好ましい。
図５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。まず、図５（ａ）に示すように、
支持体となるガラス基板１１を準備する。次に、このガラス基板１１の一方主面にＩＴＯなどの導体
材料を用いて透明導電膜９を形成する。【図２】図１（ａ）の光電変換層のバンド構造の模式図であ
る。次に、図５（ｂ）に示すように、透明導電膜９の表面に集電基部５となる酸化亜鉛のバルク体を
スパッタ法などにより膜状に形成する。次いで、この集電基部５の表面にナノ構造層７を形成する。
ナノ構造層７を構成する量子粒７ａａは、以下のようにして作製する。例えば、酢酸亜鉛のエタノー
ル溶液中に水酸化リチウムを添加して、室温以下の温度（例えば、－５～５℃）にて混合することに
よってコロイド状の量子粒７ａａを形成する。この混合液にヘキサンとヘプタンを混合させることで
コロイド状の量子粒７ａａのみを沈殿させリチウムと酢酸の残留物を取り除く。その後、コロイド状
の量子粒７ａａをエタノール溶液に再分散させる。
次に、作製した量子粒７ａａを集電基部５の表面にスピンコート等の成膜法により塗布し、乾燥処理
や加圧加熱による緻密化処理を行うことによってナノ構造層７を有する集電部３を形成する。集電部
３内に量子細線７ｂｂや量子薄膜７ｃｃを形成する場合には、酢酸亜鉛を含む溶液を透明導電膜７の
表面に塗布した後、約３５０℃の温度に加熱することによって形成する。量子薄膜７ｃｃを形成する
場合には、量子細線７ｂｂを成長させる条件よりも温度、圧力、保持時間を高めに設定する。この場
合、酢酸亜鉛を含む溶液は、例えば、硝酸亜鉛５００ｍＭ（ミリモル）とヘキサメチレンテトラミン
２５０ｍＭ（ミリモル）とを混合した溶液中に、副成分となる元素（陽イオン）を含む水溶液を加え
ることによって調製する。
次に、図５（ｄ）に示すように、形成した集電部３の上面に量子ドット１ａとなる半導体粒子を充填
し、緻密化処理を行うことによって量子ドット集積部１を形成する。半導体粒子を充填する方法とし
ては、半導体粒子を含む溶液をスピンコート法や沈降法などが好適なものとして選ばれる。緻密化処
理には加熱もしくは加圧、あるいはこれらを同時に行う方法が採られる。量子ドット集積部１の厚み
は堆積させる半導体粒子の量によって調整する。量子ドット集積部１を含む光電変換層Ａ１を多層化
する場合には、図５（ｂ）～（ｄ）の工程を繰り返す。最後に、量子ドット集積部１の上面側に金な
どの導体材料を蒸着して電極層１３となる導体膜を形成し、次いで、必要に応じて、この導体膜の表
面に保護層を形成した後、ガラス膜などで被覆する。
● 今夜の一曲
Little surfer, little one
Made my heart come all undone
Do you love me, do you, surfer girl?
Surfer girl, my little surfer girl
I have watched you on the shore
Standing by the ocean's roar
Do you love me, do you, surfer girl?
Surfer girl, surfer girl
We could ride the surf together
While our love would grow
In my Woody I would take you everywhere I go
So I say from me to you
I will make your dreams come true
Do you love me, do you, surfer girl?
Surfer girl, my little surfer girl
Surfer Girl
Music & Word Brian Wilson
１９６３年、シングルレコードとしてビーチボーイズの曲として、ブライアン・ウィルソンが最初の
オリジナルとして作曲し、後にアルバム「サーファーガール」に挿入される。因みに、シングルのＢ
面の曲は「リトルデュースクーペ」。彼が１９歳の時、３年半交際していた初めてのガールフレンド
のジュディ・ボウルズのために書かれたもの。メロディーはピアノなしで、ホットドッグ・スタンド
で車の中で思いつき、帰宅しハーもーニーを入れ「サーファー・ガール」としたと言う。曲はディオ
ンとザ・ベルモンドズの「星に願いを」に影響を受けている。後にブライアンは、２０１１年にディ
ズニーのキーバージョンでソロでトリビュートアルバムとしてカバーしている。
● コンテンツのないコンテナ
ところで、２０２０年東京オリンピック種目として「サーフィン」が競技種目に採用決定している。
その記録として今宵の一曲として掲載。^^;
リオ・オリンピックも東京・オリンピックも正直もうひとつパッとしないのはなぜか？国威発揚をコ
ンテンツにした北京オリンピックやソチ・オリンピックなどは後進国（失礼、大国です）としてはそ
れなりに妥当性もあるだろうが、「ドーピング」問題に揺れるロシア選手団などは「過剰な政治」が
コンテンツとなり、他国民の失望・失笑をかう始末だし、プロ野球選手の（八百長）賭博やドーピン
グなどと同じで、ファンの楽しみを踏みにじる行為。都知事選挙で小池知事が誕生したが、不透明な
意思決定過程などが話題となり、オリンピック開催のコンテンツやテーマ設定について、わたし(た
ち)の耳には届かず、聞こえるのは土建見積額の ”大きさ”や"箱物"の話題ばかりで「コンテンツの
ないコンテナ」状態。こんなことなら、各競技毎にまとめ分散開催し、４年に一度程度、競技別に都
市ごとで開催すればいいように思う。こんなことが、もうひとつ盛り上がらない理由なのであろう。
新しい考え方や構想力がないなら、いっそう、大がかりなオリンピックなど一時的にやめて様子をみ
たらと思うのだが如何に？！
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