DE10197130B4 - Method for producing a photoelectric converter and photoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines fotoelektrischen Umwandlers (1), mit den folgenden Schritten:
Ausbilden eines Blockier-/Trennungsfilms (7) umfassend Titanoxid mit einer amorphen Struktur und mit einem Mischverhältnis von Sauerstoff/Titan von 1,8 oder mehr auf einem transparenten Elektrodenfilm (5) zur Vermeidung von Kurzschlüssen,
Ausbilden eines Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilms (9) aus Elektrontransportpartikeln (9a) und aus einem Lochtransportmaterial (9c) auf dem Blockier-/Trennungsfilm (7), und
Ausbilden eines Gegenelektrodenfilms (11) auf dem Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilm (9), wobei
der Blockier-/Trennungsfilm (7) auf Basis eines Vakuum-Filmausbildungsprozesses hergestellt wird.Process for producing a photoelectric converter (1), comprising the following steps:
Forming a blocking / separating film (7) comprising titanium oxide having an amorphous structure and having a mixing ratio of oxygen / titanium of 1.8 or more on a transparent electrode film (5) for preventing short-circuiting,
Forming a current / voltage generation layer film (9) of electron transport particles (9a) and a hole transport material (9c) on the blocking / separation film (7), and
Forming a counter electrode film (11) on the current / voltage generation layer film (9), wherein
the blocking / separating film (7) is produced on the basis of a vacuum film forming process.
Description
Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Umwandler sowie ein Herstellungsverfahren eines derartigen Umwandlers. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für einen als Festkörper-Solarzelle verwendbaren fotoelektrischen Umwandler.The invention relates to a photoelectric converter and a manufacturing method of such a converter. More particularly, the invention relates to a manufacturing method for a photoelectric converter usable as a solid-state solar cell.
Zur Deckung des weltweiten Energiebedarf wurden unter anderem große Anstrengungen auf dem Gebiet der Solarzellen unternommen. Ein als Solarzelle eingesetzter fotoelektrischer Umwandler muss die Erfordernisse (1) niedriger Herstellungskosten, (2) weltweiter Verfügbarkeit bzw. Einsetzbarkeit, und (3) umweltfreundlicher Herstellungsweise genügen und darf auf keinen knappen Resourcen basieren.Major efforts have been made in the field of solar cells to meet global energy needs. A photoelectric converter used as a solar cell must satisfy the requirements of (1) low manufacturing cost, (2) worldwide availability, and (3) environmentally friendly manufacturing, and must not rely on scarce resources.
In der letzten Zeit haben Siliziumsolarzellen (einkristallin oder polykristallin) große Verwendung gefunden. Des Weiteren ist es üblich geworden, amorphe Siliziumsolarzellen einzusetzen. Diese Solarzellen genügen jedoch im Allgemeinen nicht den oben genannten Forderungen (1) bis (3). Ein Beispiel einer Solarzelle, die den oben genannten Bedingungen (1) bis (3) genügt, ist eine farbsensibilisierende bzw. farbsensitive Solarzelle. Ein repräsentatives Beispiel hierfür ist eine Graetzel-Zelle. Eine derartige Solarzelle verwendet jedoch eine elektrolytische Lösung, die bei Beschädigung verdampft, usw., womit Probleme hinsichtlich der Langzeit-Stabilität der Solarzelle bestehen. Deshalb wurden Anstrengungen unternommen, um farbsensibilisierende bzw. farbsensitive (im Folgenden als ”farbsensitive” Solarzellen bezeichnet) zu stabilisieren.Recently, silicon solar cells (single crystal or polycrystalline) have been widely used. Furthermore, it has become common practice to use amorphous silicon solar cells. However, these solar cells generally do not satisfy the above-mentioned requirements (1) to (3). An example of a solar cell satisfying the above-mentioned conditions (1) to (3) is a color-sensitizing solar cell. A representative example of this is a Graetzel cell. However, such a solar cell uses an electrolytic solution which evaporates in case of damage, etc., thus posing problems of long-term stability of the solar cell. Therefore, efforts have been made to stabilize color-sensitizing (hereinafter referred to as "color-sensitive" solar cells).
Zur Stabilisierung einer farbsensitiven Solarzelle wurde vorgeschlagen, als Alternative zur elektrolytischen Lösung amorphes Loch-Transport-Material zu verwenden, um einen Positivladungs-Transportabschnitt auszubilden. Ein Beispiel eines Aufbaus einer derartigen farbsensitiven Solarzelle wird unter Bezugnahme auf
Die Solarzelle
Die Funktionsweise einer Solarzelle mit einem derartigen Aufbau wird unter Verwendung eines Energiediagramms aus
In einer Solarzelle mit dem oben beschriebenen Aufbau dient der Blockierfilm
Weiterhin ist der Blockierfilm
Deshalb ist es wünschenswert, dass der Blockierfilm
Die
Die
In einem Filmherstellungsverfahren wie der oben beschriebenen Sprüh-Pyrolyse gibt es gegenüber dem Vorteil, dass ein relativ transparenter Film erhalten wird, auch den Nachteil, dass die Filmdicke nur äußerst schwer kontrolliert werden kann und eine Dickenreduzierung des Blockierfilms schwierig ist. Weiterhin ist es notwendig, das Substrat
Dieses Problem wird durch ein Verfahren und einen fotoelektrischen Umwandler gemäß den unabgängigen Patentansprüchen gelöst.This problem is solved by a method and a photoelectric converter according to the independent claims.
In einem derartigen Herstellungsverfahren bzw. in einem dadurch erhaltenen fotoelektrischen Umwandler wird durch Einsatz einer Einrichtung, die den Blockierfilm mittels eines Vakuum-Filmausbildungsprozesses herstellt, ein Blockierfilm mit einer guten Qualität und gut kontrollierbarer Dicke erhalten. Damit wird ein fotoelektrischer Umwandler erhalten, der einen Blockierfilm mit einer guten Schichtqualität und reduzierter Dicke aufweist, der Lichtabsorption im Blockierfilm unterdrückt, und der durch den Blockierfilm das Lochtransportmaterial, das den Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilm bildet, und den transparenten Elektrodenfilm verlässlich voneinander trennt.In such a production method and in a photoelectric converter obtained thereby, by employing a device which produces the blocking film by means of a vacuum film forming process, a blocking film having a good quality and a good controllable thickness is obtained. Thus, there is obtained a photoelectric converter having a blocking film having a good film quality and a reduced thickness, suppressing light absorption in the blocking film, and reliably separating the hole transporting material constituting the current / voltage generating film film and the transparent electrode film by the blocking film.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren die Erfindung in beispielsweiser Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen:In the following, the invention will be described in more detail by way of example with reference to the accompanying figures. Show it:
Zunächst wird ein Substrat
Ein derartiges Substrat
Nun wird der transparente Elektrodenfilm
Der Blockierfilm
Der Blockierfilm
Wenn der Blockierfilm
Hier wird der Blockierfilm
Ein Blockierfilm
Wenn der Blockierfilm
Nach der oben beschriebenen Ausbildung des Blockierfilms
Zu dieser Zeit werden zuerst die Elektrontransportpartikel
Um zu bewirken, dass die Fläche bzw. Oberfläche der Elektrontransportpartikel
In diesem Sinne können, wenn die Elektrontransportpartikel
- (1)
Lösen der Elektrontransportpartikel 9a in einem Binder oder einem viskositätserhöhenden Mittel, und Aufsprühen bzw. Aufbringen des Ergebnisses aufden Blockierfilm 7 , dann Trocknen und Sintern bei einer Temperatur von 150 bis 600°C. - (2) Abdecken des Blockierfilms
7 mit einer Lösung aus Titanium-Alkoxid oder Titanium-Acetonat, dann Trocknen und bei Bedarf Sintern bei einer Temperatur von 150 bis 600°C. - (3) Gelieren von Titaniumoxid-Sol
auf den Blockierfilm 7 . - (4) Besprühen bzw. Bedecken des Blockierfilms
7 mit Titaniumoxidpartikeln, die durch Hydrolyse einer Titaniumverbindung erhalten werden, in Anwesenheit von nuklearen Spezies, dann Trocknen, und anschließend Sintern bei einer Temperatur von 150 bis 600°C je nach Bedarf.
- (1) dissolving the
electron transport particles 9a in a binder or viscosifier, and spraying the result onto the blockingfilm 7 , then drying and sintering at a temperature of 150 to 600 ° C. - (2) Cover the
blocking film 7 with a solution of titanium alkoxide or titanium acetonate, then drying and, if necessary, sintering at a temperature of 150 to 600 ° C. - (3) Gelling titanium oxide sol on the blocking
film 7 , - (4) spraying or covering the
blocking film 7 with titanium oxide particles obtained by hydrolysis of a titanium compound in the presence of nuclear species, then drying, and then sintering at a temperature of 150 to 600 ° C as occasion demands.
Dann wird bewirkt, dass die Elektrontransportpartikel
Was den Metallkomplex anbetrifft, so kann Kupfer-Phthalocyanin, Titanyl-Phthalocyanin, oder ein weiteres Metall-Phthalocyanin, Chlorophyll oder Ableitungen davon, Hemin, und Metallkomplexe aus Ruthenium, Osmium, Eisen, Zink und dergleichen Verwendung finden, wie in der ungeprüften japanischen Offenlegungsschrift
Erfindungsgemäß wird vom Standpunkt der sensitiven Effizienz her gesehen vorzugsweise ein Metallkomplex als sensitiver Farbstoff
Hier kann zur Absorption des sensitiven Farbstoffs
Nun wird die Schicht aus Elektrotransportpartikeln
Als Dopant zum Verbessern der Elektroninjektioneffizienz von dem sensitiven Farbstoff
Was die Materialeigenschaften anbetrifft, so ist die Viskosität vorzugsweise sehr niedrig, der Tg-Punkt ist hoch, und die Struktur ist amorph.As for the material properties, the viscosity is preferably very low, the Tg point is high, and the structure is amorphous.
Hier wird das Lochtransportmaterial
Weiterhin ist es möglich, die Ecken bzw. Kanten des Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilms
Danach wird, wenn der fotoelektrische Umwandler
Der Gegenelektrodenfilm
Wie oben erklärt wurde, wird ein fotoelektrischer Umwandler
In dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann durch Einsatz einer Einrichtung, die den Blockierfilm
Es ist zu beachten, dass in der beschriebenen Ausführungsform der Aufbau eines fotoelektrischen Umwandlers vom farbstoff-sensitiven Typ beschrieben wurde, der durch die Elektrontransportpartikel
Unter derartigen fotoelektrischen Umwandlern ist es möglich, Elektrontransportpartikel
Im Folgenden werden spezielle Beispiele 1 bis 4 der Erfindung, ein Vergleichsbeispiel und entsprechende Auswerteergebnisse beschrieben. In den Beispielen 1 bis 4 und dem Vergleichsergebnis wurden fotoelektrische Umwandler hergestellt unter Änderung der Ausbildungsbedingungen hinsichtlich des Blockierfilms
Herstellungsverfahrenproduction method
Die fotoelektrischen Umwandler der Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels wurden durch das folgende Verfahren hergestellt:
Zuerst wurde die gesamte Fläche bzw. Oberfläche eines 25 mm × 25 mm-Substrats
First, the entire surface of a 25 mm x 25
Dann wurde der transparente Elektrodenfilm
Hier wurden fünf Auswerteproben für Beispiele 1 bis 4 und das Vergleichsbeispiel präpariert. Es wurden Blockierfilme mit fünf Dicketypen von 10 nm, 20 nm, 60 nm, 100 nm und 150 nm auf Gebieten von 20 mm × 25 mm auf dem transparenten Elektrodenfilm
Die Blockierfilme
Dann wurde der Blockierfilm
Dann wurde eine Probe, auf die die Elektrontransportpartikel
Dann wurde mittels Sputtern Au auf dem Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilm
Auswerteergebnisseevaluation results
Die in Beispielen 1 bis 4 und im Vergleichsbeispiel präparierten fotoelektrischen Umwandler wurden hinsichtlich der fotoelektrischen Umwandlungseffizienz (Batterieeigenschaft) untersucht. Weiterhin wurde der Blockierfilm eines jeden fotoelektrischen Umwandlers hinsichtlich des Anteils des Titaniumoxids unter Verwendung eines Röntgenstrahl-Mikroanalysators (XMA) untersucht, die Kristallstruktur wurde unter Verwendung eines Röntgenstrahl-Diffraktionsgeräts (MRD) analysiert, und die Lichtabsorptionsrate für Licht mit einer Wellenlänge mit 550 nm wurde gemessen. Es ist zu beachten, dass die Lichtabsorptionsrate für einen Blockierfilm von 100 nm gemessen wurde.The photoelectric converters prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example were examined for the photoelectric conversion efficiency (battery property). Furthermore, the The blocking film of each photoelectric converter was examined for the content of the titanium oxide using an X-ray microanalyzer (XMA), the crystal structure was analyzed by using an X-ray diffraction apparatus (MRD), and the light absorption rate for light having a wavelength of 550 nm was measured. It should be noted that the light absorption rate for a blocking film of 100 nm was measured.
Die folgende Tabelle 2 zeigt die Auswerteergebnisse für das Vergleichsbeispiel. Die Lichtabsorptionsrate für den Blockierfilm (Filmdicke von 100 nm) des Vergleichsbeispiels betrug 11%. Tabelle 2 Vergleichsbeispiel
Die folgende Tabelle 3 zeigt die Auswerteergebnisse hinsichtlich Beispiel 1. Die Lichtabsorptionsrate des Blockierfilms (Filmdicke von 100 nm) von Beispiel 1 betrug 1%. Tabelle 3 Beispiel 1
Die folgende Tabelle 4 zeigt die Auswerteergebniss hinsichtlich Beispiel 2. Die Lichtabsorptionsrate des Blockierfilms (Filmdicke von 100 nm) von Beispiel 2 betrug 1%. Tabelle 4 Beispiel 2
Die folgende Tabelle 5 zeigt die Auswerteergebniss hinsichtlich Beispiel 3. Die Lichtabsorptionsrate des Blockierfilms (Filmdicke von 100 nm) von Beispiel 3 betrug 1%. Tabelle 5 Beispiel 3
Die folgende Tabelle 6 zeigt die Auswerteergebniss hinsichtlich Beispiel 5. Die Lichtabsorptionsrate des Blockierfilms (Filmdicke von 100 nm) von Beispiel 3 betrug 1%. Tabelle 6 Beispiel 4
Aus den obigen Ergebnissen kann abgelesen werden, dass bei Verwendung von Titaniumoxid im Blockierfilm
Wie voranstehend beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß durch Verwenden eines Aufbaus zur Herstellung des Blockierfilms zwischen den Strom-/Spannungserzeugungsschichtfilm und dem transparenten Elektrodenfilm durch Vakuum-Filmausbildung ein dünner Blockierfilm mit einer hohen Filmqualität erhalten werden, so dass ein fotoelektrischer Umwandler mit einer hohen Umwandlungseffizienz resultiert. Damit wird es möglich, eine Solarzelle vom Festkörpertyp zu realisieren, die bei Verwendung eines derartigen fotoelektrischen Umwandlers eine gute Batterieeffizienz aufweist.As described above, according to the invention, by using a structure for producing the blocking film between the current / voltage generating layer film and the transparent electrode film by vacuum film formation, a thin blocking film having a high film quality can be obtained, thus resulting in a photoelectric converter having a high conversion efficiency. With this, it becomes possible to realize a solid-state type solar cell having good battery efficiency by using such a photoelectric converter.
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