JP2014072327A - 有機無機ハイブリッド構造からなる光電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルファクター（ＦＦ）と光電変換効率が改善された固体薄膜型の有機無機ハイブリッド構造からなる太陽電池を提供する。
【解決手段】導電性基板上に、ナノ多孔構造を持つ金属酸化物半導体、一般式ＣＨ_３ＮＨ_３Ｍ^１Ｘ_３（式中、Ｍ１は、２価の金属イオンであり、Ｘは、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉである。）で示されるペロブスカイト型結晶構造を持つ感光性材料、カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が順次積層されてなることを特徴とする光電変換素子である。有機無機複合型の半導体材料であるペロブスカイト結晶材料を適用し、この複合材料がもつ強い光吸収と高効率の光電荷分離機能に、伝導性に優れたカーボンナノチューブを電荷輸送層として組み合わせる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、無機化合物と有機化合物を化学的に複合化して作製する有機無機ハイブリッド構造をもつ薄膜太陽電池に関するものである。

シリコン結晶、シリコン薄膜、銅・インジウム・セレンの接合（ＣＩＳ型）などの無機材料を用いる物理接合型の太陽電池に対して、有機化合物を発電材料もしくは導電材料に用いる有機系太陽電池は、塗布技術等を使った低コストの生産が可能であり、光発電特性においても低照度の光に対する高感度応答や高い電圧出力などの特長を有することから、開発研究が活発である。このなかでも、色素増感型太陽電池は、金属酸化物半導体に色素を吸着させて作る色素増感半導体が光発電を担う光電極として用いられ、これに酸化還元化合物を含む液体電解液を接合した固体−液体界面が発電の原理に関わる湿式の電気化学セルであり、製造が簡単であり、薄膜シリコン太陽電池を超える１１％以上の光エネルギー変換効率を与えることで知られる（非特許文献１）。一方、有機薄膜型太陽電池は、その構造と原理が色素増感型とは大きく異なり、有機材料の固体−固体物理接合が光発電を担う薄膜として用いられ、光発電の原理は無機材料による物理接合型太陽電池に近く、感光性もしくは電荷輸送能力をもつ有機材料のｎ型（電子ドナー）とｐ型（電子アクセプター）の接合が作る界面が発電の原理に関わっている（非特許文献２）。

色素増感太陽電池と有機薄膜太陽電池は、いずれの太陽電池も光吸収にかかわる材料が有機化合物である点が共通するが、接合構造と発電の原理が異なることから、光発電の特性ならびに耐久性が大きく異なる傾向がある。これらの二つの形式の太陽電池の中間にある有機系太陽電池として、酸化還元化合物を含む液体電解液を電荷輸送の可能な固体の無機材料もしくは有機材料によって置き換えた固体型色素増感太陽電池が研究されている（非特許文献３）。しかし、固体型色素増感太陽電池の性能は、従来の液体型色素増感太陽電池の性能に到達していない。一方で、有機薄膜太陽電池の構造中に、電子移動を整流化する目的で酸化チタン等の半導体薄膜を積層構成中に挿入した全固体構造の有機薄膜太陽電池が試みられている（非特許文献２）。しかし、これらの有機材料を用いた薄膜太陽電池は、有機材料固有の低い伝導性に起因する内部抵抗の高さが出力の低下につながることが今後の改良の課題となっている。

有機系の太陽電池に用いられる感光性の材料すなわち光電応答を担う材料に関しては、有機薄膜太陽電池においては一般に可視光感光性有機材料として、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン類、フタロシアニン類、ベンゾポルフィリン類などが代表的に用いられ、その種類が限られている。これに対して、色素増感太陽電池においては様々な種類の有機材料や無機材料が感光性の増感剤に用いられており、有機材料では、代表的なルテニウム錯体色素のほか、金属ポルフィリン類、金属フタロシアニン類、金属を含まないインドリン系、オキサゾール系などの有機色素、ポリチオフェンなどの高分子材料などが用いられている。また、無機材料として、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｄＳに代表される量子ドットも増感剤として研究されている。さらに最近では、有機無機の複合化合物としてペロブスカイト構造を持つ結晶ナ材料が可視光の増感剤として用いられており比較的高い電圧と効率が得られている（非特許文献４）。

上記の感光性材料に対して電子伝導を仲介する電荷輸送材料としては、色素増感太陽電池においては、ヨウ素イオン等の酸化還元剤を含む電解液が用いられるのが一般的である。一方で、電解液を用いない固体型の色素増感太陽電池が研究されており、電解液に代えて、有機化合物としてSpiroOMeTADに代表される正孔輸送機能を持つ材料を用いる方法が知られている（非特許文献５）。また、無機化合物としては、ＣｕＩI等のｐ型の無機化合物半導体の粒子を用いる方法が古くから知られ、最近では、ＣｓＳｎＩ３の構造のようなペロブスカイト化合物を正孔輸送剤に用いる方法が開示されている（非特許文献６）。しかしながら、これらの有機、無機の固体の電荷輸送材料は、有機材料に固有の伝導性の低さと半導体多孔膜表面との接触抵抗の大きさなどが原因して、電気伝導性の点で液体の電解液に比べて十分とは言えず、セルの内部抵抗が高まり、抵抗因子であるフィルファクター（ＦＦ）が減少することがしばしば効率低下の原因となっている。

以上の有機系太陽電池は、太陽電池を構成する感光材料あるいは電荷輸送材料の種類が原因となって、従来のシリコン等の固体接合太陽電池に比較して、光発電時におけるセルの内部抵抗が高いことが共通の欠点であり、これによってセルの抵抗因子であるフィルファクター（ＦＦ）の値が低くなり、結果としてエネルギー変換効率が減少する。この問題はとくに、強い光量のもとで光電流の密度が増加するときに顕著となり、ＩＲ損失が増加する結果としてＦＦが低下し変換効率が低下する。したがって、有機系の太陽電池の性能向上には、高抵抗の原因となる有機材料の使用量を低減しながら、セルの内部抵抗を低くする構造設計が必要である。

宮坂力 監修,新コンセプト太陽電池と製造プロセス，シーエムシー出版，2009年 上原赫，吉川暹監修，有機薄膜太陽電池の最新技術II，シーエムシー出版，2009年 A. Konno, G. R. A. Kumara, S. Kaneko, B. Onwona-Agyeman, K.Tennakone,Chemistry Letters, 2007年, 36巻,p716−717. A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, Journal of American Chemical Society, 2009年, 131巻, p6050−6051. I. K. Ding, N. Tetreault, J. Brillet, B. E. Hardin, E. H. Smith, S.J. Rosenthal, F. Sauvage, M. Graetzel, and M. D.McGehee, Advanced Functional Materials, 2009年, 19巻, p2431−2436. I. Chung, B. Lee, J. He, R. P. H. Chang,and M. G. Kanatzidis,Nature, 2012年,485巻,p486−489.

有機材料を感光材料、電荷輸送材料のいずれかに用いる有機系太陽電池においては一般的に内部抵抗が高く、とくに電荷輸送材料に固体の有機材料等を用いた固体型色素増感太陽電池においては抵抗増加によるフィルファクター（ＦＦ）や変換効率の低下が起こり、太陽電池性能の範囲を限定する傾向にある。
そこで、本願発明は、感光材料に、有機無機複合型の半導体材料であるペロブスカイト結晶材料を適用し、この複合材料がもつ強い光吸収と高効率の光電荷分離機能に、伝導性に優れたカーボンナノチューブを電荷輸送層として組み合わせることで、フィルファクター（ＦＦ）と光電変換効率が改善された固体薄膜型の有機無機ハイブリッド構造からなる太陽電池を提供することを目的とする。

本願発明は、下記（１）乃至（５）の態様で上記課題を解決することができる。
（態様１） 導電性基板上に、ナノ多孔構造を持つ金属酸化物半導体、一般式ＣＨ_３ＮＨ_３Ｍ^１Ｘ_３（式中、Ｍ^１は、２価の金属イオンであり、Ｘは、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉである。）で示されるペロブスカイト型結晶構造を持つ感光性材料、カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が順次積層されてなることを特徴とする光電変換素子である。

（態様２） 前記カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が、カーボンナノチューブを重量として５％以上５０％以下の範囲で含む導電性有機化合物であることを特徴とする前記（態様１）に記載する光電変換素子である。カーボンナノチューブの含有量が５重量％に満たない薄膜は、導電性が不足し、内部抵抗の上昇によって光電変換の性能が低下する。カーボンナノチューブの含有量が５０重量％を超える薄膜では、有機化合物中でカーボンナノチューブが凝集等を引き起こすことによって薄膜が不均一となり電流の整流性が悪化し光電変換の性能が低下する問題が生じる。

（態様３） 前記カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が、カーボンナノチューブを重量として５％以上５０％以下の範囲で含む導電性無機化合物であることを特徴とする前記（態様１）に記載する光電変換素子である。カーボンナノチューブの含有量が５重量％に満たない薄膜は、導電性が不足し、内部抵抗の上昇によって光電変換の性能が低下する。カーボンナノチューブの含有量が５０重量％を超える薄膜では、ナノ多孔構造を持つ金属酸化物中への導電性無機化合物の充填が不良になり、光電変換の性能が低下する問題が生じる。

（態様４） 前記導電性有機化合物が、波長４００ｎｍから波長１５００ｎｍまでの範囲において光吸収性を持つ感光性のある有機化合物をさらに含むことを特徴とする前記（態様１）または（態様２）に記載する光電変換素子である。ペロブスカイト感光性材料の多くが、その光吸収波長が可視光の波長領域に限られることから、可視光から赤外光にかけて光吸収を行う有機化合物を加えることで、光吸収（集光）の能力を高め光電変換素子の効率を高める。特に、波長６００ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲で光吸収を持つ感光性の有機化合物を含むことが、さらに好ましい。

（態様５） 前記導電性無機化合物が、波長４００ｎｍから波長１５００ｎｍまでの範囲において光吸収性を持つｐ型の無機半導体であることを特徴とする前記（態様１）または（態様３）に記載する光電変換素子である。ペロブスカイト感光性材料の多くが、その光吸収波長が可視光の波長領域に限られることから、可視光から赤外光にかけて光吸収を行うｐ型の無機半導体を加えることで、光吸収（集光）の能力を高めるとともに、ｐ型の無機半導体がもつ正孔輸送能力を利用した導電性の向上によって、光電変換素子の効率を高める。特に、波長６００ｎｍから１５００ｎｍまでの範囲で光吸収を持つ感光性の無機半導体を含むことが、さらに好ましい。

上記のカーボンナノチューブを含む有機無機積層構造からなる光電変換素子によると、感光材料となるペロブスカイト材料と電荷輸送材料であるカーボンナノチューブを電極上に平易な溶液塗布によって短時間に成膜することができ、光電変換特性に優れた薄膜固体型の太陽電池を低コストなプロセスで製造することができる。

本願発明の実施の形態１に係る光電変換素子の概略構成を示す断面図である。

以下、本願発明の実施の形態1に係る光電変換素子（有機系薄膜太陽電池）の構成とその製造方法について説明する。
図１に示すように、本願発明の光電変換素子は、透明電極１と、対向電極２と、これら両電極（１，２）間に、ペロブスカイト型結晶構造を持つ感光性材料（以下、「感光性ペロブススカイト化合物」という。）３２が被覆された金属酸化物半導体多孔膜３１からなる発電層３と、カーボンナノチューブからなる電荷輸送層４が順次積層されている。透明電極１は、透明基板１１および透明基板１１の表面に形成（配置）された透明導電膜１２から構成されており、透明導電膜１２の表面にはこれを覆うバッファー層５が設けられている。また、対向電極２は、導電性金属薄膜あるいは導電性酸化物を含む薄膜から構成されている。

透明基板１１には、合成樹脂板、ガラス板などが適宜使用される。合成樹脂板としては、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）フィルムなどの熱可塑性樹脂、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリイミド、テフロン（登録商標）などが用いられる。

透明導電膜１２としては、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）あるいはそれらの積層膜が使用され、この他に、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性金属酸化物を含む薄膜を使用することができる。また高い導電性を持つ高分子材料の薄膜を用いることもできる。このような高分子は、例えば、ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系の高分子等が選ばれる。これらの透明導電膜の表面抵抗は１５Ω/□以下であることが好ましく、５Ω/□以下であることがさらに好ましい。

対向電極２としては、例えば、アルミニウム、金、銀、白金などの金属、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性金属酸化物、導電性高分子等を含む有機系の導電材料が用いられる。これらは、薄膜として蒸着またはスパッタリング法などにより形成したもの、またはこれらの材料を含む分散物を塗布によって被覆したものが用いられる。対向電極２には、上記の金属、金属酸化物薄膜、炭素材料などによって構成される固体基板を用いることもできる。

金属酸化物半導体多孔膜３１は、酸化物半導体としては、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ又はタンタルのなどの金属の酸化物等が用いられる。好ましくは酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化チタンストロンチウム（ＴｉＳｒＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化タングステン（ＷＯ₃）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）などの金属酸化物が用いられ、とくに好ましくは、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化チタンストロンチウム（ＴｉＳｒＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられる。これらの酸化物半導体の２種以上を複合させて半導体多孔層として用いてもよい。半導体多孔層は、上記の酸化物半導体のナノ粒子もしくはその前駆体を溶媒に分散して調製する粘性のコロイドもしくはペーストを準備し、この粘性分散物を基板に塗布したのち、塗布層を加熱もしくは焼成することによって固体薄膜として得ることができる。このような固体薄膜はナノ粒子の作る多孔性によって光学的に半透明な特徴を与える。

金属酸化物半導体多孔膜３１の下層には、透明電極の透明導電膜を覆うバッファー層５が設けられる。バッファー層は、電荷輸送層と透明導電膜を隔離し、両者の電気的接触を防止する役目を行う。バッファー層は、細孔を持たない緻密な構造からなる透明な導電材料であり、有機もしくは無機のｎ型半導体であることが好ましい。バッファー層として好ましいものは、金属酸化物であり、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムなどが好ましい。バッファー層の厚みは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であることが、特に好ましい。

本願発明の太陽電池で用いる金属酸化物多孔質半導体膜は、その比表面積が２０（m²/g）以上の薄膜であり、その薄膜の厚みが１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。ここで、比表面積は４０（m²/g）以上であることが、特に好ましく、薄膜の厚みは５００ｎｍ以上５μｍ以下であることが、特に好ましい。また、金属酸化物多孔質半導体膜は、その表面粗さ係数が５０以上であることが好ましく、１００以上であることが特に好ましい。ここで表面粗さ係数Ｒ（roughness factor）とは見かけの投影面積に対する材料が実際にもつ表面積の比を意味し、この比は材料の比表面積Ｓ（m²/g）と該材料の電極基板上の担持量Ｍ（g/m²）を用いて、Ｒ＝ＳＭで示される。

本願発明の太陽電池の光発電層３は、上記の多孔質金属酸化物を構成する金属酸化物の表面に、感光性ペロブススカイト化合物３２が物理的に接合しており、感光性ペロブススカイト化合物としては、下記の一般式で表わされるものが用いられる。
ＣＨ_３ＮＨ_３Ｍ^１Ｘ_３（式中、Ｍ^１は、２価の金属イオンであり、Ｘは、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉである。）

本願発明の感光性ペロブススカイト化合物における無機枠組みは、頂点を共有する金属ハロゲン化物八面体の層を有する。陽イオン性有機層からの正の電荷と平衡をとるため、陰イオン性金属ハロゲン化物層（例えば、［Ｍ¹Ｘ₆］^4-）は一般に２価の金属である。本願発明の感光性ペロブススカイト化合物の陰イオン性金属ハロゲン化物層を構成する金属は、具体的には、Ｍ^１（例、Ｃｕ²⁺，Ｎｉ²⁺，Ｍｎ²⁺，Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｐｄ2+、Ｇｅ²⁺、Ｓｎ²⁺、Ｐｂ²⁺、Ｅｕ²⁺）である。

本願発明の感光性ペロブススカイト化合物の陰イオン性金属ハロゲン化物層を構成するハロゲン化物は、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、またはこれらの組合せである。このハロゲン化物は、臭化物、ヨウ化物が好ましい。ペロブスカイト化合物の具体例としては、ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＩ_３、ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＢｒ_３、（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｎＣＨＣＨ_３ＮＨ_３）_２ＰｂＩ_４［ｎ＝５〜８］、（Ｃ_６Ｈ_５Ｃ_２Ｈ_４ＮＨ_３）_２ＰｂＢｒ_４がある。

本願発明の感光性ペロブススカイト化合物は、前駆体溶液を用いた自己組織化反応により合成することができる。本願発明の感光性ペロブススカイト化合物の被膜あるいは吸着体は、感光性ペロブススカイト化合物を有機溶剤に溶解した後、グラビア塗布法、バー塗布法、印刷法、スプレー法、スピンコーティング法、ディップ法、ダイコート法等の塗布方法によって形成できる。

感光性ペロブススカイト化合物を金属酸化物多孔質半導体膜の表面に塗布するための溶液の調製において、溶液に用いる溶剤は、ペロブスカイトを溶解できるものであれば特に限定するものではない。エステル類（例、メチルホルメート、エチルホルメート、プロピルホルメート、ペンチルホルメート、メチルアセテート、エチルアセテート、ペンチルアセテート等）、ケトン類（例、γ-ブチロラクトン、Nメチル-２-ピロリドン、アセトン、ジメチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン等）、エーテル類（例、ジエチルエーテル、メチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジメトキシメタン、ジメトキシエタン、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、４−メチルジオキソラン、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール等）、アルコール類（例、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、１−ペンタノール、２−メチル−２−ブタノール、メトキシプロパノール、ジアセトンアルコール、シクロヘキサノール、２−フルオロエタノール、２，２，２−トリフルオロエタノール、２，２，３，３−テトラフルオロ−１−プロパノール等）、グリコールエーテル(セロソルブ)類（例、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールジメチルエーテル等）、アミド系溶剤（例、N，N-ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N，N-ジメチルアセトアミド等）、ニトリル系溶剤（例、アセトニトリル、イソブチロニトリル、プロピオニトリル、メトキシアセトニトリル等）、カーボート系剤（例、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等）、ハロゲン化炭化水素（例、塩化メチレン、ジクロロメタン、クロロホルム等）、炭化水素（例、ｎ−ペンタン、シクロヘキサン、ｎ−ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン等）、ジメチルスルホキシドがある。これらは分岐構造若しくは環状構造を有していてもよい。エステル類、ケトン類、エーテル類およびアルコール類の官能基（即ち、−Ｏ−、−ＣＯ−、−ＣＯＯ−、−ＯＨ）のいずれかを二つ以上有していてもよい。エステル類、ケトン類、エーテル類およびアルコール類の炭化水素部分における水素原子は、ハロゲン原子（特に、フッ素原子）で置換されていてもよい。

本願発明の感光性ペロブススカイト化合物は、他の有機系あるいは無機系の感光材料と共存させて用いることができる。ここで、有機系の感光材料としては、色素増感太陽電池の増感剤として用いられる多くの有機色素が含まれる。これらは、例えば、ビピリジン構造若しくはターピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体や鉄錯体、ポルフィリン化合物、フタロシアニン誘導体、エオシン、シアニン色素、メロシアニン色素、クマリン系色素、インドリン色素、オキサゾール系色素、トリフェニルアミン系色素、スクワリリウム系色素、オリゴチオフェン誘導体、ポリチオフェン等の高分子化合物などが挙げられる。無機系の感光材料としては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＰｂＳなどに代表される化合物半導体のナノ粒子あるいは量子ドットなどが挙げられる。

以下、上記実施の形態をより具体的に示した実施例によって、本願発明の固体薄膜型の有機無機ハイブリッド太陽電池における構造と製造方法について説明する。

［実施例１］
（１）金属酸化物多孔質半導体膜の作製
透明電極（透明導電性基板）としてガラス基板上のスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）またはフッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）の積層膜を用いた。この表面に、チタンイソプロポキシドのアセチルアセトン溶液をスプレーし、空気中２００℃以上で熱分解することによって、厚さが約４０ｎｍの二酸化チタンの緻密な薄膜を、バッファー層として被覆した。この薄膜上にナノ結晶粒子を含むペーストをスクリーン印刷法によって、塗布し、２００℃で２０分乾燥脱水して、膜厚みが約５μｍのニ酸化チタンの多孔膜を成膜した。多孔膜は、細孔径が平均25nm、細孔率は約60％であった。

（２）感光性ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＸ_３〕の合成
三口フラスコ内に、メチルアミン〔ＣＨ_３ＮＨ_２〕１ｇとメタノール〔ＣＨ₃ＯＨ〕１００ｍｌを入れ、窒素バブリングを行いながらヨウ化水素酸〔ＨI〕を加えてｐＨを３〜４程度に調整した後、マグネッチックスターラーにより１時間撹拌した。この溶液をエバポレーターで蒸留した後、４０℃で乾燥し、再精製することによりヨウ化メチルアミン〔ＣＨ_３ＮＨ_３I〕を合成した。次に合成したヨウ化メチルアミン〔ＣＨ_３ＮＨ_３I〕とヨウ化鉛〔ＰｂI_２〕をモル比１：１の割合で、ジメチルホルムアルデヒド〔(ＣＨ₃)₂ＮＣＨＯ〕に５重量％濃度となるように混合して溶解し、有機無機混成のペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３〕のジメチルホルムアルデヒド溶液を調製した。また、同様な方法によって臭化水素酸〔ＨＢｒ〕より合成した臭化メチルアミン〔ＣＨ_３ＮＨ_３Ｂｒ〕と臭化鉛〔ＰｂＢｒ_２〕から、ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＢｒ_３〕のジメチルホルムアルデヒド溶液を調製した。また、同様な方法によって、塩化物である〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＣｌ_３〕。そして２種のハロゲンが混合したペロブスカイト化合物も合成した。

（３）無機の電荷輸送剤ペロブスカイト化合物〔ＣｓＳｎＩ₃〕の合成
ヨウ化セシウム〔ＣｓＩ〕とヨウ化錫〔ＳｎＩ₂〕をモル比１：１の割合で、ジメチルホルムアルデヒド〔(ＣＨ₃)₂ＮＣＨＯ〕に５重量％濃度となるように溶解し、無機ペロブスカイト化合物〔ＣｓＳｎＩ₃〕のジメチルホルムアルデヒド〔(ＣＨ₃)₂ＮＣＨＯ〕溶液を調製した。

（４）電荷輸送剤カーボンナノチューブの分散物の調製
市販の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）（アスペクト比５０〜１００）を機械的に粉砕したのち、分級を行い、アスペクト比が２０〜３０、平均長が１ｍｍ以下のSWCNTを用意した。このＳＷＣＮＴをクロロベンゼンとイソプロパン―ルの混合溶媒中に分散して超音波処理したのち、有機化合物として2,2(7,7(-テトラキス-(N,N−ジ-メトキシフェニルアミン)9,9(-スピロビフルオレン))) (Ｓｐｉｒｏ)、分散助剤として微量の有機系界面活性剤を添加し溶解し、さらに超音波で分散を行った。ここで、Ｓｐｉｒｏに対するＳＷＣＮＴの重量比を変えた各種の液体分散物を調製した。

（５）光電変換素子の作製
透明電極上のニ酸化チタン多孔膜の表面に、スピンコーターを用いて、有機無機混成ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３〕のジメチルホルムアルデヒド溶液を、１５００回転で30秒展開して被覆し、100℃で30分乾燥させて、ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３〕の黄色結晶をニ酸化チタンの表面に形成した。同様にして別のニ酸化チタン多孔膜表面には臭化物である〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂＢｒ_３〕の結晶の薄膜も形成した。ペロブスカイトを被覆したニ酸化チタン膜は、光学特性において、半導体であるペロブスカイトの示す強いバンドギャップ吸収を示し、とくに、ヨウ化物のＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３では、８００ｎｍまでの長波長に及んで可視光をほぼ全吸収して黒色を示した。これらのペロブスカイト被覆ニ酸化チタン薄膜は次いで、この表面にＳＷＣＮＴ分散液を２０００回転で３０秒展開して被覆して、暗中で終夜放置して乾燥させ、ＳＷＣＮＴとＳｐｉｒｏからなる薄膜（厚さ約０．５μｍ）を形成した。これらの積層膜の最上層に、真空蒸着機を使って銀の薄膜（厚さ約１００ｎｍ）を対極として被覆し、光電変換素子を作製した。

［実施例２］
ＳＷＣＮＴに混合するＳｐｉｒｏに代えて、可視光の波長４５０ｎｍから７００ｎｍにかけて感光性を持つ無機ペロブスカイト化合物〔ＣｓＳｎＩ₃〕を用い、この無機ペロブスカイト化合物のジメチルホルムアルデヒド溶液に、ＳＷＣＮＴ粉末を添加して超音波処理によって分散したＳＷＣＮＴとＣｓＳｎＩ₃の分散物（ＳＷＣＮＴの重量濃度４０％）を、ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３〕の被覆されたニ酸化チタン多孔膜の表面にスピンコーターによって被覆した以外は、実施例１と同様の方法によって、光電変換素子を作製した。

［実施例３］
実施例１において、ＳＷＣＮＴとＳｐｉｒｏからなる薄膜（ＳＷＣＮＴの重量分率４０％）に、さらに波長４００ｎｍから７００ｎｍにかけて感光性をもつ有機顔料として可溶性マグネシウムフタロシアニン（ＭｇＰｃ）をＳＷＣＮＴの重量に対して２０％添加した薄膜を、ペロブスカイト化合物〔ＣＨ_３ＮＨ_３ＰｂI_３〕の被覆された二酸化チタン多孔膜の表面にスピンコーターによって被覆した以外は、実施例１と同様の方法によって、光電変換素子を作製した。

上記のように作製した固体接合型の光電変換素子の光電変換特性の評価を行った。セルの受光面積は遮光マスクによって０．２５ｃｍ²に設定した。セルの内部抵抗の影響によってフィルファクター（ＦＦ）が減少する傾向は、出力の光電流密度が増加するほど大きくなる。そこで、光源として、３００Ｗキセノンランプ光源装置にＡＭ１．５Ｇフィルターを装着した擬似太陽光源を用い、照射光量は通常の条件より高めの１．５ｓｕｎ（ＡＭ１．５Ｇ、１５０ｍＷｃｍ^−２）の強い光量に設定した。この条件のもとで、上記の方法で作製した固体接合型光電変換素子をソースメータ（２４００型ソースメータ、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社製）に接続し、バイアス電圧を、０Ｖから０．８Ｖまで、０．０１Ｖ単位で変化させながら光発電の出力電流を測定し、ＦＦとエネルギー変換効率を計測した。

上記実施例で製作した異なった材料構成の固体薄膜太陽電池について、表１に、光電変換特性を比較して示した。

表１に示すように、本願発明の構成に従った太陽電池においては、フィルファクターの増加と変換効率の向上によって、太陽電池の発電特性が改善されたことが明らかである。感光性ペロブスカイト化合物は、ヨウ化物と臭化物（セル８）のいずれも良好なフィルファクター（ＦＦ）が得られている。ヨウ化物は臭化物よりも感光波長領域が広いことから効率は高い値となっている。電荷輸送層であるカーボンナノチューブ層の構成においては、単層カーボンナノチューブＳＷＣＮＴの単独（１００％）に対して、ＳＷＣＮＴとＳｐｉｒｏを混合した系では、ＳＷＣＮＴの含量が５％から５０％の範囲で、フィルファクター（ＦＦ）とエネルギー変換効率が改善されている。また、Ｓｐｉｒｏに替えて無機の導電材料であり感光性を有するＣｓＳｎＩ3を混合した系（セル９）でも、良好な性能が得られている。また、ＷＣＮＴとＳｐｉｒｏの混合系において、感光性を有するＭｇＰｃをさらに添加した系（セル１０）では、これを加えない系（セル４）に比べて効率が多少改善している。

本発明の構成と製造方法に従って作製した有カーボンナノチューブを含む有機無機積層構造からなる光電変換素子は、平易な溶液塗布によって短時間に成膜することができ、光電変換特性に優れた薄膜固体型の太陽電池を低コストなプロセスで製造することができる。

１ 透明電極
１１ 透明基板
１２ 透明導電膜
２ 対向電極
３ 発電層
３１ 金属酸化物半導体多孔膜
３２ 感光性ペロブスカイト化合物
４ カーボンナノチューブ電荷輸送層
５ バッファー層

Claims (5)

1. 導電性基板上に、ナノ多孔構造を持つ金属酸化物半導体、一般式ＣＨ_３ＮＨ_３Ｍ^１Ｘ_３（式中、Ｍ^１は、２価の金属イオンであり、Ｘは、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉである。）で示されるペロブスカイト型結晶構造を持つ感光性材料、カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が順次積層されてなることを特徴とする光電変換素子。
2. 前記カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が、カーボンナノチューブを重量として５％以上５０％以下の範囲で含む導電性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載する光電変換素子。
3. 前記カーボンナノチューブからなる導電材料の薄層が、カーボンナノチューブを重量として５％以上５０％以下の範囲で含む導電性無機化合物であることを特徴とする請求項１に記載する光電変換素子。
4. 前記導電性有機化合物が、波長４００ｎｍから波長１５００ｎｍまでの範囲において光吸収性を持つ感光性のある有機化合物をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載する光電変換素子。
5. 前記導電性無機化合物が、波長４００ｎｍから波長１５００ｎｍまでの範囲において光吸収性を持つｐ型の無機半導体であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載する光電変換素子。