JP2016092293A - Photoelectric conversion element and solar battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a photoelectric conversion element arranged to use a perovskite compound as a light absorbent, which is enhanced in short circuit current density, and hard to cause the drop in photoelectric conversion efficiency even under a high-humidity environment; and a solar battery arranged by use of such a photoelectric conversion element.SOLUTION: A photoelectric conversion element comprises: a first electrode having a photosensitive layer including a light absorbent on a conductive support body; and a second electrode opposed to the first electrode. In the photoelectric conversion element, the photosensitive layer includes a nanorod made of a metal oxide and as the light absorbent, a compound having a perovskite type crystal structure; the aspect ratio of the nanorod is larger than one; and the compound having the perovskite type crystal structure is expressed by the following formula (I): Formula (I) AMX(where A represents an element of Group I of the periodic table or a cationic organic group; M represents a metal atom other than an element of Group I of the periodic table; and X represents an anionic atom). A solar battery comprises the photoelectric conversion element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子および太陽電池に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element and a solar cell.

光電変換素子は、各種の光センサー、複写機、太陽電池等に用いられている。太陽電池は、非枯渇性の太陽エネルギーを利用するものとして、その本格的な実用化が期待されている。この中でも、増感剤として有機色素またはRuビピリジル錯体等を用いた色素増感太陽電池は、研究開発が盛んに進められ、光電変換効率が11%程度に到達している。   Photoelectric conversion elements are used in various optical sensors, copying machines, solar cells, and the like. Solar cells are expected to be put into full-scale practical use as non-depleting solar energy. Among these, a dye-sensitized solar cell using an organic dye or a Ru bipyridyl complex as a sensitizer has been actively researched and developed, and the photoelectric conversion efficiency has reached about 11%.

その一方で、近年、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物として金属ハロゲン化物を用いた太陽電池が、比較的高い光電変換効率を達成できるとの研究成果が報告され、注目を集めている。
例えば、特許文献1には、第1カチオンと、第2カチオンと、少なくとも1つのハライドアニオンまたはカルコゲニドアニオンとを含むペロブスカイト型結晶構造を有する光起電装置(photovoltaic device)が記載されている。特許文献1によれば、第1カチオンは、式:(RN)、または、式:(RN=CH−Rで表される有機カチオンであり、R〜Rは、各々、水素原子、置換もしくは無置換のC〜C20のアルキル基または置換もしくは無置換のアリール基であるとされている(同特許文献の請求項28および29)。
また、非特許文献1には、CHNHPbIで表されるペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物を、ナノロッドを形成させた導電性ガラス基板上に有する太陽電池が、優れた光電変換効率を示したことが記載されている。
On the other hand, recently, research results have been reported that solar cells using metal halides as compounds having a perovskite crystal structure can achieve relatively high photoelectric conversion efficiency, and are attracting attention.
For example, Patent Document 1 describes a photovoltaic device having a perovskite crystal structure including a first cation, a second cation, and at least one halide anion or chalcogenide anion. According to Patent Document 1, the first cation is represented by the formula: (R 1 R 2 R 3 R 4 N) + or the formula: (R 5 R 6 N═CH—R 7 R 8 ) +. It is an organic cation, and R 1 to R 8 are each considered to be a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted C 1 to C 20 alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group. Item 28 and 29).
Non-Patent Document 1 discloses that a solar cell having a compound having a perovskite crystal structure represented by CH 3 NH 3 PbI 3 on a conductive glass substrate on which nanorods are formed has excellent photoelectric conversion efficiency. It has been described.

国際公開第2014/045021号パンフレットInternational Publication No. 2014/045021 Pamphlet

THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY,2014年,第118巻,p.16567〜16573THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY, 2014, Vol. 118, p. 16567-16573

上述のように、ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物(以下、「ペロブスカイト化合物」ともいう。)を用いた光電変換素子ないし太陽電池は、近年、注目されたものであり、ペロブスカイト化合物の結晶構造、化学組成等と光電変換効率との関係(例えば短絡電流密度や開放電圧との関係)は未だ不明な点が多い。
また、光電変換素子および太陽電池には、高い光電変換効率に加え、これらが実際に使用される現場環境において、初期性能を維持できる耐久性が求められる。しかし、ペロブスカイト化合物は高湿環境下で損傷を受けやすいことが知られている。実際、ペロブスカイト化合物を光吸収剤として用いた光電変換素子ないし太陽電池は、高湿環境下において光電変換効率が低下してしまう。
本発明は、ペロブスカイト化合物を光吸収剤として用いた光電変換素子であって、短絡電流密度が高められ、且つ、高湿環境下においても光電変換効率が低下しにくい光電変換素子、および、この光電変換素子を用いた太陽電池を提供することを課題とする。
As described above, photoelectric conversion elements or solar cells using a compound having a perovskite crystal structure (hereinafter also referred to as “perovskite compound”) have attracted attention in recent years. The relationship between the composition and the photoelectric conversion efficiency (for example, the relationship between the short circuit current density and the open circuit voltage) is still unclear.
Moreover, in addition to high photoelectric conversion efficiency, the photoelectric conversion element and the solar cell are required to have durability capable of maintaining initial performance in a field environment where they are actually used. However, it is known that perovskite compounds are susceptible to damage in a high humidity environment. In fact, photoelectric conversion elements or solar cells using a perovskite compound as a light absorber have a reduced photoelectric conversion efficiency in a high humidity environment.
The present invention relates to a photoelectric conversion element using a perovskite compound as a light absorber, a short-circuit current density is increased, and a photoelectric conversion element in which photoelectric conversion efficiency is hardly reduced even in a high humidity environment, and the photoelectric conversion element It is an object to provide a solar cell using a conversion element.

本発明者らは、ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子ないし太陽電池において、導電性支持体上に、金属酸化物からなるナノロッドと、特定の化学組成のペロブスカイト化合物とを共存させて感光層を形成した場合に、短絡電流密度が高まり、且つ、耐湿性にも優れた光電変換素子ないし太陽電池が得られることを見い出した。本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成されるに至ったものである。   In the photoelectric conversion element or solar cell using the perovskite compound, the present inventors formed a photosensitive layer by coexisting a nanorod made of a metal oxide and a perovskite compound having a specific chemical composition on a conductive support. In this case, it has been found that a photoelectric conversion element or a solar cell having an increased short-circuit current density and excellent moisture resistance can be obtained. The present invention has been further studied based on these findings and has been completed.

すなわち、本発明の上記の課題は以下の手段により解決された。
〔1〕
光吸収剤を含む感光層を導電性支持体上に有する第一電極と、第一電極に対向する第二電極とを有する光電変換素子であって、
上記感光層が、金属酸化物からなるナノロッドと、上記光吸収剤としてのペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物とを含み、
上記ナノロッドのアスペクト比が1より大きく、
上記のペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物が下記式(I)で表される化合物である、光電変換素子:
式(I) AMX
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
〔2〕
上記Aが、下記式(1)で表されるカチオン性有機基である、〔1〕に記載の光電変換素子。
式(1) R1a−NH
式中、R1aは炭素数2以上の置換基を示す。
〔3〕
上記式(1)中、R1aが、アルキル基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基または下記式(2)で表すことができる基である、〔2〕に記載の光電変換素子。
That is, the above-described problems of the present invention have been solved by the following means.
[1]
A photoelectric conversion element having a first electrode having a photosensitive layer containing a light absorber on a conductive support, and a second electrode facing the first electrode,
The photosensitive layer includes a nanorod made of a metal oxide and a compound having a perovskite crystal structure as the light absorber,
The nanorod has an aspect ratio greater than 1,
The photoelectric conversion element in which the compound having the perovskite crystal structure is a compound represented by the following formula (I):
Formula (I) A 2 MX 4
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than Group 1 elements of the periodic table. X represents an anionic atom.
[2]
The photoelectric conversion element according to [1], wherein A is a cationic organic group represented by the following formula (1).
Formula (1) R 1a —NH 3
In the formula, R 1a represents a substituent having 2 or more carbon atoms.
[3]
In the above formula (1), R 1a is an alkyl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group or a group represented by the following formula (2): [2 ] The photoelectric conversion element of description.

Figure 2016092293
Figure 2016092293

式中、XはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表す。R1bは置換基を表す。R1cは水素原子または置換基を表す。*は式(1)のN原子との結合位置を表す。
〔4〕
上記Xが、ハロゲン原子である、〔1〕〜〔3〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔5〕
上記Mが、Pb原子またはSn原子である、〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔6〕
上記ナノロッドの長辺の長さが1000nm以下である、〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔7〕
上記ナノロッドの長辺の長さが300〜500nmである、〔6〕に記載の光電変換素子。
〔8〕
上記ナノロッドのアスペクト比が1.5〜20である、〔1〕〜〔7〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔9〕
上記ナノロッドのアスペクト比が5〜20である、〔8〕に記載の光電変換素子。
〔10〕
上記ナノロッドの長辺の長さが300〜500nmであり、且つ、アスペクト比が5〜20である、〔1〕〜〔9〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔11〕
上記ナノロッドが、チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、テクネチウム、レニウム、鉄、オスミウム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオディミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群から選択される金属の酸化物からなる、〔1〕〜〔10〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔12〕
上記ナノロッドが、酸化チタンおよび酸化亜鉛から選ばれる金属酸化物からなる、〔11〕に記載の光電変換素子。
〔13〕
上記ナノロッドの長軸が、上記導電性支持体表面に対して垂直方向に向いている、〔1〕〜〔12〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔14〕
上記第一電極と、上記第二電極との間に正孔輸送層を有する、〔1〕〜〔13〕のいずれか1つに記載の光電変換素子。
〔15〕
〔1〕〜〔14〕のいずれか1つに記載の光電変換素子を用いた太陽電池。
In formula, Xa represents NR <1c> , an oxygen atom, or a sulfur atom. R 1b represents a substituent. R 1c represents a hydrogen atom or a substituent. * Represents a bonding position with the N atom in the formula (1).
[4]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [3], wherein X is a halogen atom.
[5]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [4], wherein M is a Pb atom or a Sn atom.
[6]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [5], wherein a length of a long side of the nanorod is 1000 nm or less.
[7]
The photoelectric conversion element according to [6], wherein a length of a long side of the nanorod is 300 to 500 nm.
[8]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [7], wherein the nanorod has an aspect ratio of 1.5 to 20.
[9]
The photoelectric conversion element according to [8], wherein the nanorod has an aspect ratio of 5 to 20.
[10]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [9], wherein a length of a long side of the nanorod is 300 to 500 nm and an aspect ratio is 5 to 20.
[11]
The nanorods are titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium, rhenium, iron, osmium, cobalt, nickel, copper, zinc, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseody Mium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, boron, aluminum, gallium, indium, thallium, silicon, germanium, tin, lead, magnesium, calcium, The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [10], comprising an oxide of a metal selected from the group consisting of strontium and barium.
[12]
The photoelectric conversion element according to [11], wherein the nanorod is made of a metal oxide selected from titanium oxide and zinc oxide.
[13]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [12], wherein a major axis of the nanorod is oriented in a direction perpendicular to the surface of the conductive support.
[14]
The photoelectric conversion element according to any one of [1] to [13], which has a hole transport layer between the first electrode and the second electrode.
[15]
The solar cell using the photoelectric conversion element as described in any one of [1]-[14].

本明細書において、各化学式は、ペロブスカイト化合物の化学構造の理解のために、一部を示性式として表記することもある。これに伴い、各化学式において、部分構造を(置換)基、イオンまたは原子等と称するが、本明細書において、これらは、(置換)基、イオンまたは原子等のほかに、上記式で表される(置換)基もしくはイオンを構成する元素団、または、元素を意味することがある。   In the present specification, a part of each chemical formula may be expressed as a formula for understanding the chemical structure of the perovskite compound. Accordingly, in each chemical formula, the partial structure is referred to as a (substituted) group, ion, atom, or the like. In this specification, these are represented by the above formula in addition to the (substituted) group, ion, atom, or the like. It may mean an element group or an element constituting a (substituent) group or ion.

本明細書において、化合物の表示については、化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、置換または無置換を明記していない基ないし化合物については、所望の効果を奏する範囲で、任意の置換基を有する基ないし化合物を含む意味である。このことは、置換基および連結基等(以下、置換基等という)についても同様である。   In the present specification, the term “compound” is used to mean not only the compound itself but also its salt and its ion. In addition, a group or compound that does not specify substitution or non-substitution is meant to include a group or compound having an arbitrary substituent within a range that exhibits a desired effect. The same applies to substituents and linking groups (hereinafter referred to as substituents and the like).

本明細書において、特定の符号で表示された置換基等が複数あるとき、または複数の置換基等を同時に規定するときには、特段の断りがない限り、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよい。このことは、置換基等の数の規定についても同様である。また、複数の置換基等が近接するとき(特に、隣接するとき)には、特段の断りがない限り、それらが互いに連結して環を形成してもよい。また、環、例えば脂環、芳香族環、ヘテロ環はさらに縮環して縮合環を形成していてもよい。   In this specification, when there are a plurality of substituents and the like indicated by a specific symbol, or when a plurality of substituents and the like are specified at the same time, the respective substituents are the same as or different from each other unless otherwise specified. May be. The same applies to the definition of the number of substituents and the like. Further, when a plurality of substituents and the like are close to each other (especially when they are adjacent to each other), they may be connected to each other to form a ring unless otherwise specified. In addition, a ring such as an alicyclic ring, an aromatic ring, or a heterocyclic ring may be further condensed to form a condensed ring.

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、光電変換素子を構成する導電性支持体、シード層、感光層等の「表面」というときは、特に断りのない限り、第二電極側に位置する表面を意味する。
In this specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
In this specification, “surface” of a conductive support, a seed layer, a photosensitive layer and the like constituting a photoelectric conversion element means a surface located on the second electrode side unless otherwise specified.

本発明の光電変換素子および太陽電池は、ペロブスカイト化合物を光吸収剤として用いてなり、短絡電流密度が高められ、且つ、高湿環境下においても光電変換効率が低下しにくい。   The photoelectric conversion element and solar cell of the present invention use a perovskite compound as a light absorber, increase the short-circuit current density, and do not easily decrease the photoelectric conversion efficiency even in a high humidity environment.

本発明の光電変換素子の好ましい態様について模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically about the preferable aspect of the photoelectric conversion element of this invention.

<<光電変換素子>>
本発明の光電変換素子は、導電性支持体と、金属酸化物からなるナノロッド(以下、単に「ナノロッド」ともいう)と光吸収剤とを含む感光層とを有する第一電極と、第一電極に対向する第二電極とを有し、好ましくは、第一電極と第二電極の間に設けられた正孔輸送層とを有する。感光層および第二電極はこの順で導電性支持体上に設けられている。また、光電変換素子が正孔輸送層を有する場合には、感光層、正孔輸送層および第二電極はこの順で導電性支持体上に設けられている。
光吸収剤は、後述するペロブスカイト化合物を少なくとも1種含んでいる。光吸収剤は、ペロブスカイト化合物と併せて、ペロブスカイト化合物以外の光吸収剤を含んでいてもよい。ペロブスカイト化合物以外の光吸収剤としては、例えば金属錯体色素および有機色素が挙げられる。
<< Photoelectric conversion element >>
The photoelectric conversion element of the present invention includes a first electrode having a conductive support, a photosensitive material layer including a nanorod made of a metal oxide (hereinafter also simply referred to as “nanorod”) and a light absorber, and a first electrode. And a hole transport layer provided between the first electrode and the second electrode. The photosensitive layer and the second electrode are provided on the conductive support in this order. Moreover, when a photoelectric conversion element has a positive hole transport layer, the photosensitive layer, the positive hole transport layer, and the 2nd electrode are provided on the electroconductive support body in this order.
The light absorber contains at least one perovskite compound described later. The light absorber may contain a light absorber other than the perovskite compound in combination with the perovskite compound. Examples of the light absorber other than the perovskite compound include metal complex dyes and organic dyes.

本発明において、「感光層を導電性支持体上に有する」とは、導電性支持体の表面に接して感光層を有する態様、および、導電性支持体の表面上方に他の層を介して感光層を有する態様を含む意味である。   In the present invention, “having a photosensitive layer on a conductive support” means an embodiment having a photosensitive layer in contact with the surface of the conductive support, and another layer above the surface of the conductive support. The meaning includes an embodiment having a photosensitive layer.

本発明の光電変換素子は、本発明で規定する構成以外の構成は特に限定されず、光電変換素子および太陽電池に関する公知の構成を採用できる。本発明の光電変換素子を構成する各層は、目的に応じて設計され、例えば、単層に形成されても、複層に形成されてもよい。   The photoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited in structure other than the structure defined in the present invention, and a known structure relating to the photoelectric conversion element and the solar cell can be adopted. Each layer constituting the photoelectric conversion element of the present invention is designed according to the purpose, and may be formed in a single layer or multiple layers, for example.

以下、本発明の光電変換素子の好ましい態様について説明する。   Hereinafter, the preferable aspect of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated.

本発明の光電変換素子の好ましい態様として、例えば、図1に示す光電変換素子10が挙げられる。図1に示されるシステム100は、光電変換素子10を外部回路6で動作手段M(例えば電動モーター)に仕事をさせる電池用途に応用したシステムである。
この光電変換素子10は、第一電極1と、第二電極2と、第一電極1と第二電極2の間に後述する正孔輸送材料を含む正孔輸送層3とを有している。
第一電極1は、支持体11aおよび透明電極11bからなる導電性支持体11と、金属酸化物からなるナノロッド12とペロブスカイト化合物を含む光吸収剤とを含む感光層13とを有している。
As a preferable aspect of the photoelectric conversion element of the present invention, for example, a photoelectric conversion element 10 shown in FIG. A system 100 shown in FIG. 1 is a system applied to a battery application that causes an operation circuit M (for example, an electric motor) to perform work on the photoelectric conversion element 10 by an external circuit 6.
This photoelectric conversion element 10 has a first electrode 1, a second electrode 2, and a hole transport layer 3 containing a hole transport material described later between the first electrode 1 and the second electrode 2. .
The first electrode 1 has a conductive support 11 made of a support 11a and a transparent electrode 11b, and a photosensitive layer 13 containing a nanorod 12 made of a metal oxide and a light absorber containing a perovskite compound.

本発明において、光電変換素子10を応用したシステム100は、以下のようにして、太陽電池として、機能する。
すなわち、光電変換素子10において、導電性支持体11を透過して、または第二電極2を透過して感光層13に入射した光は光吸収剤を励起する。励起された光吸収剤はエネルギーの高い電子を有しており、この電子が感光層13から導電性支持体11に到達する。このとき、エネルギーの高い電子を放出した光吸収剤は酸化体となっている。導電性支持体11に到達した電子が外部回路6で仕事をした後、第二電極2を経由して(正孔輸送層3がある場合にはさらに正孔輸送層3を経由して)、感光層13に戻る。感光層13に戻った電子により光吸収剤が還元される。上記光吸収剤の励起および電子移動のサイクルを繰り返すことにより、システム100が太陽電池として機能する。
光電変換素子10においては、ペロブスカイト化合物間を電子が移動する電子伝導が起こる。
In the present invention, the system 100 to which the photoelectric conversion element 10 is applied functions as a solar cell as follows.
That is, in the photoelectric conversion element 10, light that has passed through the conductive support 11 or passed through the second electrode 2 and entered the photosensitive layer 13 excites the light absorber. The excited light absorber has high-energy electrons, and these electrons reach the conductive support 11 from the photosensitive layer 13. At this time, the light absorber that has released electrons with high energy is an oxidant. After the electrons that have reached the conductive support 11 work in the external circuit 6, via the second electrode 2 (if there is a hole transport layer 3, further via the hole transport layer 3), Return to the photosensitive layer 13. The light absorber is reduced by the electrons returning to the photosensitive layer 13. By repeating the cycle of excitation and electron transfer of the light absorber, the system 100 functions as a solar cell.
In the photoelectric conversion element 10, electron conduction occurs in which electrons move between perovskite compounds.

本発明の光電変換素子および太陽電池は、上記の好ましい態様に限定されず、各態様の構成等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各態様間で適宜組み合わせることができる。   The photoelectric conversion element and the solar cell of the present invention are not limited to the above-described preferred embodiments, and the configuration of each embodiment can be appropriately combined between the respective embodiments without departing from the spirit of the present invention.

本発明において、光電変換素子または太陽電池に用いられる材料および各部材は、本発明に特有の構成を除いて、常法により調製することができる。ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子または太陽電池について、例えば、特許文献1や非特許文献1を参照することができる。また、色素増感太陽電池について、例えば、特開2001−291534号公報、米国特許第4,927,721号明細書、米国特許第4,684,537号明細書、米国特許第5,084,365号明細書、米国特許第5,350,644号明細書、米国特許第5,463,057号明細書、米国特許第5,525,440号明細書、特開平7−249790号公報、特開2004−220974号公報、特開2008−135197号公報を参照することができる。   In the present invention, the material and each member used for the photoelectric conversion element or the solar cell can be prepared by a conventional method except for the constitution specific to the present invention. For a photoelectric conversion element or a solar cell using a perovskite compound, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 can be referred to. As for the dye-sensitized solar cell, for example, JP-A No. 2001-291534, US Pat. No. 4,927,721, US Pat. No. 4,684,537, US Pat. No. 5,084, 365, US Pat. No. 5,350,644, US Pat. No. 5,463,057, US Pat. No. 5,525,440, JP-A-7-249790, JP 2004-220974 A and JP 2008-135197 A can be referred to.

以下、本発明の光電変換素子および太陽電池の主たる部材および化合物の好ましい態様について、説明する。   Hereinafter, the preferable aspect of the main member and compound of the photoelectric conversion element of this invention and a solar cell is demonstrated.

<第一電極1>
第一電極1は、導電性支持体11と感光層13とを有し、光電変換素子10において作用電極として機能する。
<First electrode 1>
The first electrode 1 has a conductive support 11 and a photosensitive layer 13 and functions as a working electrode in the photoelectric conversion element 10.

− 導電性支持体11 −
導電性支持体11は、導電性を有し、感光層13等を支持できるものであれば特に限定されない。導電性支持体11は、導電性を有する材料、例えば金属で形成された構成、または、ガラスもしくはプラスチックの支持体11aとこの支持体11aの表面に形成された導電膜としての透明電極11bとを有する構成が好ましい。
− Conductive support 11 −
The conductive support 11 is not particularly limited as long as it has conductivity and can support the photosensitive layer 13 and the like. The conductive support 11 includes a conductive material such as a metal, or a glass or plastic support 11a and a transparent electrode 11b as a conductive film formed on the surface of the support 11a. The structure which has is preferable.

なかでも、図1に示されるように、ガラスまたはプラスチックの支持体11aの表面に導電性の金属酸化物を塗設して透明電極11bを成膜した導電性支持体11がさらに好ましい。プラスチックで形成された支持体11aとしては、例えば、特開2001−291534号公報の段落番号0153に記載の透明ポリマーフィルムが挙げられる。支持体11aを形成する材料としては、ガラスおよびプラスチックの他にも、セラミック(特開2005−135902号公報)、導電性樹脂(特開2001−160425号公報)を用いることができる。金属酸化物としては、スズ酸化物(TO)が好ましく、インジウム−スズ酸化物(スズドープ酸化インジウム;ITO)、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等のフッ素ドープスズ酸化物が特に好ましい。このときの金属酸化物の塗布量は、支持体11aの表面積1m当たり0.1〜100gが好ましい。導電性支持体11を用いる場合、光は支持体11a側から入射させることが好ましい。 In particular, as shown in FIG. 1, a conductive support 11 in which a transparent metal electrode 11b is formed by coating a conductive metal oxide on the surface of a glass or plastic support 11a is more preferable. Examples of the support 11a made of plastic include a transparent polymer film described in paragraph No. 0153 of JP-A No. 2001-291534. As a material for forming the support 11a, ceramic (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-135902) and conductive resin (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-160425) can be used in addition to glass and plastic. As the metal oxide, tin oxide (TO) is preferable, and fluorine-doped tin oxide such as indium-tin oxide (tin-doped indium oxide; ITO) and fluorine-doped tin oxide (FTO) is particularly preferable. The coating amount of the metal oxide at this time is preferably 0.1 to 100 g per 1 m 2 of the surface area of the support 11a. When the conductive support 11 is used, light is preferably incident from the support 11a side.

導電性支持体11は、実質的に透明であることが好ましい。本発明において、「実質的に透明である」とは、光(波長300〜1200nm)の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上が好ましく、80%以上が特に好ましい。
支持体11aおよび導電性支持体11の厚みは、特に限定されず、適宜の厚みに設定される。例えば、0.01μm〜10mmであることが好ましく、0.1μm〜5mmであることがさらに好ましく、0.3μm〜4mmであることが特に好ましい。
透明電極11bを設ける場合、透明電極11bの膜厚は、特に限定されず、例えば、0.01〜30μmであることが好ましく、0.03〜25μmであることがさらに好ましく、0.05〜20μmであることが特に好ましい。
The conductive support 11 is preferably substantially transparent. In the present invention, “substantially transparent” means that the transmittance of light (wavelength 300 to 1200 nm) is 10% or more, preferably 50% or more, and particularly preferably 80% or more.
The thicknesses of the support 11a and the conductive support 11 are not particularly limited, and are set to appropriate thicknesses. For example, the thickness is preferably 0.01 μm to 10 mm, more preferably 0.1 μm to 5 mm, and particularly preferably 0.3 μm to 4 mm.
When providing the transparent electrode 11b, the film thickness of the transparent electrode 11b is not specifically limited, For example, it is preferable that it is 0.01-30 micrometers, It is more preferable that it is 0.03-25 micrometers, 0.05-20 micrometers It is particularly preferred that

導電性支持体11または支持体11aは、表面に光マネージメント機能を有してもよい。例えば、導電性支持体11または支持体11aの表面に、特開2003−123859号公報に記載の、高屈折膜および低屈折率の酸化物膜を交互に積層した反射防止膜を有してもよく、特開2002−260746号公報に記載のライトガイド機能を有してもよい。   The conductive support 11 or the support 11a may have a light management function on the surface. For example, even if the surface of the conductive support 11 or the support 11a has an antireflection film in which high refractive films and low refractive index oxide films are alternately stacked as described in JP-A-2003-123859. The light guide function described in JP-A-2002-260746 may be provided.

− 感光層(光吸収層)13 −
感光層13は、後述するペロブスカイト化合物を光吸収剤として有する。すなわち、光吸収剤は、金属酸化物からなるナノロッド12の間を埋めるように存在している。
本発明において、光吸収剤は、ペロブスカイト化合物を少なくとも1種含有していればよく、2種以上のペロブスカイト化合物を含有してもよい。
感光層13は、単層であっても2層以上の積層であってもよい。感光層13が2層以上の積層構造である場合、互いに異なった光吸収剤からなる層を積層してもよく、また感光層と感光層の間に正孔輸送材料を含む中間層を積層してもよい。
− Photosensitive layer (light absorbing layer) 13 −
The photosensitive layer 13 has a perovskite compound described later as a light absorber. That is, the light absorber exists so as to fill in the space between the nanorods 12 made of a metal oxide.
In the present invention, the light absorber only needs to contain at least one perovskite compound, and may contain two or more perovskite compounds.
The photosensitive layer 13 may be a single layer or a laminate of two or more layers. When the photosensitive layer 13 has a laminated structure of two or more layers, layers composed of different light absorbers may be laminated, and an intermediate layer containing a hole transport material is laminated between the photosensitive layer and the photosensitive layer. May be.

感光層13を導電性支持体11上に有する形態は、上述した通りである。感光層13は、好ましくは、励起した電子が導電性支持体11へと流れるように、導電性支持体11上に設けられる。   The form having the photosensitive layer 13 on the conductive support 11 is as described above. The photosensitive layer 13 is preferably provided on the conductive support 11 so that excited electrons flow to the conductive support 11.

感光層13の膜厚は、ナノロッドのサイズ等に応じて適宜に設定され、特に限定されない。例えば、感光層13の膜厚を0.1〜5μmとすることができ、0.1〜3μmとすることが好ましく、0.2〜1.5μmとすることがさらに好ましい。   The film thickness of the photosensitive layer 13 is appropriately set according to the size of the nanorods and the like, and is not particularly limited. For example, the thickness of the photosensitive layer 13 can be 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 3 μm, and more preferably 0.2 to 1.5 μm.

本発明において、各層の膜厚は、走査型電子顕微鏡(SEM)等を用いて光電変換素子10の断面を観察することにより、測定できる。   In the present invention, the film thickness of each layer can be measured by observing the cross section of the photoelectric conversion element 10 using a scanning electron microscope (SEM) or the like.

〔感光層13中のナノロッド12〕
感光層13は、金属酸化物からなるナノロッド12を含有する。本発明におけるナノロッドとは、ナノメートルサイズの(すなわち、後述する長辺および短辺の長さがおよそ1〜1000nmの範囲内にある)、棒状の金属酸化物構造体である。本発明におけるナノロッド12は、後述するアスペクト比が1より大きい。すなわち、本発明におけるナノロド12は、長辺と短辺の長さが異なる形態である。
[Nanorods 12 in the photosensitive layer 13]
The photosensitive layer 13 contains nanorods 12 made of a metal oxide. The nanorod in the present invention is a rod-shaped metal oxide structure having a nanometer size (that is, a long side and a short side to be described later are in the range of about 1 to 1000 nm). The nanorod 12 in the present invention has an aspect ratio, which will be described later, larger than 1. That is, the nanorod 12 in the present invention has a form in which the lengths of the long side and the short side are different.

ナノロッド12を構成する金属酸化物としては、チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、テクネチウム、レニウム、鉄、オスミウム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオディミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムからなる群から選択される金属の酸化物が挙げられる。
なかでも、ナノロッドの形状制御のしやすさの観点から、ナノロッド12は酸化チタンまたは酸化亜鉛で構成されていることが好ましい。
Examples of the metal oxide constituting the nanorod 12 include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium, rhenium, iron, osmium, cobalt, nickel, copper, zinc, scandium, yttrium. , Lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, boron, aluminum, gallium, indium, thallium, silicon, germanium, tin And oxides of metals selected from the group consisting of lead, magnesium, calcium, strontium and barium.
Especially, it is preferable that the nanorod 12 is comprised with the titanium oxide or the zinc oxide from a viewpoint of the ease of shape control of a nanorod.

感光層13中のナノロッド12の存在形態に特に制限はなく、感光層13中にナノロッドが、その長軸方向が統一されずにランダムに存在していてもよいが、ナノロッド12の長軸が、導電性支持体11表面に対して垂直方向に向いていることが好ましい。より好ましくは、図1に示すようにナノロッド12の長軸が、導電性支持体11表面に対して垂直方向に向いており、且つ、ナノロッド12の一端が導電性支持体11(導電性支持体11表面に後述するシード層が存在する場合にはシード層)に連結していることが好ましい。   There is no particular limitation on the form of the nanorods 12 in the photosensitive layer 13, and the nanorods may be present in the photosensitive layer 13 at random without unifying the major axis direction, but the major axis of the nanorods 12 is It is preferable to face in the direction perpendicular to the surface of the conductive support 11. More preferably, as shown in FIG. 1, the long axis of the nanorod 12 is oriented in the direction perpendicular to the surface of the conductive support 11, and one end of the nanorod 12 is connected to the conductive support 11 (conductive support). 11 is preferably connected to a seed layer when a seed layer described later is present on the surface.

本明細書において、ナノロッドの長軸が、導電性支持体表面に対して垂直方向に向いているとは、感光層中に存在するナノロッドのうち50%以上(半数以上)のナノロッドが、ナノロッドの長軸方向と、導電性支持体11表面の法線とのなす角度が0〜45度の間にあることを意味する(このことは、後述する実施例中、「<酸化チタンナノロッド基板の調製>」及び「<酸化亜鉛ナノロッド基板の調製>」の記載においても同様である)。
本明細書において、「ナノロッドの長軸方向」とは、ナノロッドの一端から他端までを結ぶ直線が最長となるとき、この最長の直線と平行方向を意味する。
本明細書において「ナノロッドの長辺」とは、ナノロッドの一端から他端までを結ぶ直線が最長となるときの、この最長の直線を意味する。
本明細書において「ナノロッドの短辺」とは、ナノロッドを、その長辺に対して垂直に切断して得られる断面のうち、断面の一端から他端までを結ぶ直線が最長となる断面における、この最長の直線を意味する。
In the present specification, the major axis of the nanorods is oriented in the direction perpendicular to the surface of the conductive support. More than 50% (more than half) of the nanorods present in the photosensitive layer are nanorods. It means that the angle formed between the major axis direction and the normal line of the surface of the conductive support 11 is between 0 and 45 degrees (this is described in the examples described later, “<Preparation of Titanium Oxide Nanorod Substrate”). > ”And“ <Preparation of Zinc Oxide Nanorod Substrate> ”).
In this specification, the “major axis direction of the nanorod” means a direction parallel to the longest straight line when the straight line connecting one end to the other end of the nanorod is the longest.
In this specification, the “long side of the nanorod” means the longest straight line when the straight line connecting one end to the other end of the nanorod is the longest.
In the present specification, the “short side of the nanorod” is a cross section obtained by cutting the nanorod perpendicularly to the long side, and the longest straight line connecting from one end to the other end of the cross section. This means the longest straight line.

また、ナノロッド12が導電性支持体11に連結している場合(後述するシード層上に連結している態様を含む)には、ナノロッドの導電性支持体11側の末端は、導電性支持体11の表面(導電性支持体11上にシード層が設けられている場合にはシード層表面)から、第二電極側に向けて、導電性支持体11の表面に対して垂直方向(この場合における垂直方向とは、導電性支持体11の表面に対して90°の方向を意味する)に5nmの距離に位置する部位とする。   Moreover, when the nanorod 12 is connected to the conductive support 11 (including an embodiment where the nanorod 12 is connected to a seed layer described later), the end of the nanorod on the conductive support 11 side is the conductive support. From the surface of 11 (the seed layer surface when a seed layer is provided on the conductive support 11) from the surface of the conductive support 11 toward the second electrode side (in this case) The vertical direction in (means a direction of 90 ° with respect to the surface of the conductive support 11) is a portion located at a distance of 5 nm.

ナノロッド12は、長辺の長さが1000nm以下であることが好ましく、100〜800nmであることがより好ましく、200〜700nmであることがさらに好ましく、200〜600nmであることがさらに好ましく、300〜500nmであることがさらに好ましい。ナノロッド12の長辺の長さを上記好ましい長さとすることにより、ペロブスカイト化合物の配向性が高まり、短絡電流密度がより向上しうる。
また、ナノロッド12のアスペクト比(長辺の長さ/短辺の長さ)は、1.5〜20が好ましく、5〜20がより好ましく、5〜15がさらに好ましく、5〜12がさらに好ましい。ナノロッド12のアスペクト比を上記好ましい範囲とすることにより、ナノロッド12の長軸方向と略垂直方向にペロブスカイト結晶構造が成長しやすく、結晶構造の配向が揃って電子移動がスムーズになり、短絡電流密度がより向上しうる。
本明細書において、ナノロッド12の長辺の長さは、感光層13中に存在するナノロッド12のうち、無作為に選んだ20個のナノロッドについて、それぞれ長辺の長さを測定し、得られた20の測定値の平均値とする。
また、本明細書において、ナノロッド12のアスペクト比は、感光層13中に存在するナノロッド12のうち、無作為に選んだ20個のナノロッドについて、それぞれアスペクト比を測定し、得られた20の測定値の平均値とする。
The nanorods 12 preferably have a long side length of 1000 nm or less, more preferably 100 to 800 nm, further preferably 200 to 700 nm, further preferably 200 to 600 nm, and 300 to 600 nm. More preferably, it is 500 nm. By setting the length of the long side of the nanorod 12 to the above-mentioned preferable length, the orientation of the perovskite compound is increased, and the short-circuit current density can be further improved.
Further, the aspect ratio (long side length / short side length) of the nanorods 12 is preferably 1.5 to 20, more preferably 5 to 20, further preferably 5 to 15, and further preferably 5 to 12. . By making the aspect ratio of the nanorods 12 within the above preferred range, a perovskite crystal structure is likely to grow in a direction substantially perpendicular to the major axis direction of the nanorods 12, the orientation of the crystal structure is aligned, the electron transfer is smooth, and the short-circuit current density Can be improved.
In this specification, the length of the long side of the nanorod 12 is obtained by measuring the length of the long side of each of the 20 nanorods randomly selected from the nanorods 12 present in the photosensitive layer 13. The average value of 20 measured values.
Further, in this specification, the aspect ratio of the nanorods 12 is the 20 measurements obtained by measuring the aspect ratios of 20 nanorods randomly selected from the nanorods 12 present in the photosensitive layer 13. The average value.

感光層13にナノロッドを含有させる方法として、後述する光吸収剤溶液中にナノロッドを含有させて、感光層13を形成する方法が挙げられる。
また、導電性支持体11上に、導電性支持体11表面に対して略垂直方向に金属酸化物の結晶を成長させて、金属酸化物からなるナノロッドを導電性支持体11上に形成する方法(結晶成長法)を採用することもできる。本発明においては、ペロブスカイト結晶構造の配向性をより高める観点から、結晶成長法によりナノロッドを形成することが好ましい。
Examples of the method for causing the photosensitive layer 13 to contain nanorods include a method for forming the photosensitive layer 13 by containing nanorods in a light absorbent solution described later.
Also, a method of forming a metal oxide crystal on the conductive support 11 by growing a metal oxide crystal on the conductive support 11 in a direction substantially perpendicular to the surface of the conductive support 11. (Crystal growth method) can also be employed. In the present invention, it is preferable to form nanorods by a crystal growth method from the viewpoint of further improving the orientation of the perovskite crystal structure.

(結晶成長法)
上記結晶成長法による金属酸化物の結晶成長は常法により行うことができる。例えば、THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY,2014年,第118巻,p.16567〜16573や、J.Am.Chem.Soc.2009年,131,p.3985-3990、Angew.Chem.Int.Ed.2003年,42,p.3031−3034の記載を参照し、金属酸化物の結晶を導電性支持体11上に成長させることができる。なお、後述する実施例に記載されるように、導電性支持体11表面にシード層が形成される場合、このシード層は感光層13を構成する。
本明細書において「シード層」とは、ナノロッド形成の足場となる層を意味する。シード層は逆電流を防止する機能も有する。
(Crystal growth method)
Crystal growth of the metal oxide by the crystal growth method can be performed by a conventional method. For example, THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY, 2014, Vol. 118, p. 16567-16573, J. Org. Am. Chem. Soc. 2009, 131, p. 3985-3990, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, p. With reference to the description in 3031-3034, a metal oxide crystal can be grown on the conductive support 11. In addition, as described in Examples described later, when a seed layer is formed on the surface of the conductive support 11, this seed layer constitutes the photosensitive layer 13.
In the present specification, the “seed layer” means a layer that serves as a scaffold for nanorod formation. The seed layer also has a function of preventing reverse current.

本発明において、感光層13は、ナノロッド12の長辺の長さよりも厚く設けられることが好ましい。こうすることで、光吸収剤が第一電極と、正孔輸送層あるいは第二電極との間を埋めることができるため、電子の流れがスムーズになる。ナノロッド12の長辺の長さは、感光層13の厚みの1/2以上であることが好ましい。本明細書において、ナノロッド12の長辺の長さが、感光層13の厚みの1/2以上であるとは、導電性支持体11上に存在するナノロッド12のうち半数以上のナノロッド12の長辺の長さが、感光層13の厚みの1/2以上であることを意味する。   In the present invention, the photosensitive layer 13 is preferably provided thicker than the length of the long side of the nanorod 12. By doing so, the light absorber can fill the space between the first electrode and the hole transport layer or the second electrode, so that the flow of electrons becomes smooth. The length of the long side of the nanorod 12 is preferably 1/2 or more of the thickness of the photosensitive layer 13. In this specification, the length of the long side of the nanorods 12 is equal to or greater than ½ of the thickness of the photosensitive layer 13, and the length of the nanorods 12 that are half or more of the nanorods 12 existing on the conductive support 11. It means that the length of the side is 1/2 or more of the thickness of the photosensitive layer 13.

感光層13中に占める全ナノロッドの体積は、光の吸収率の観点から、30〜95体積%が好ましく、50〜70体積%がより好ましい。   The volume of all nanorods in the photosensitive layer 13 is preferably 30 to 95% by volume and more preferably 50 to 70% by volume from the viewpoint of light absorption.

〔感光層13中の光吸収剤〕
感光層13は、光吸収剤として、「周期表第一族元素またはカチオン性有機基A」と、「周期表第一族元素以外の金属原子M」と、「アニオン性原子X」とを有する、後述する式(I)で表されるペロブスカイト化合物を含有する。
ペロブスカイト化合物の周期表第一族元素またはカチオン性有機基A、金属原子Mおよびアニオン性原子Xは、それぞれ、ペロブスカイト型結晶構造において、カチオン(便宜上、カチオンAということがある)、金属カチオン(便宜上、カチオンMということがある)およびアニオン(便宜上、アニオンXということがある)の各構成イオンとして存在する。
本発明において、カチオン性有機基とは、ペロブスカイト型結晶構造においてカチオンになる性質を有する有機基をいい、アニオン性原子とはペロブスカイト型結晶構造においてアニオンになる性質を有する原子をいう。
[Light absorber in photosensitive layer 13]
The photosensitive layer 13 has, as a light absorber, “Group 1 element or cationic organic group A of the periodic table”, “Metal atom M other than Group 1 element of the periodic table”, and “Anionic atom X”. And a perovskite compound represented by the formula (I) described later.
In the perovskite type crystal structure, the periodic table group 1 element or the cationic organic group A, the metal atom M, and the anionic atom X of the perovskite compound are each a cation (for convenience, sometimes referred to as cation A), a metal cation (for convenience). , Sometimes referred to as cation M) and anion (sometimes referred to as anion X for convenience).
In the present invention, the cationic organic group means an organic group having a property of becoming a cation in the perovskite crystal structure, and the anionic atom means an atom having a property of becoming an anion in the perovskite crystal structure.

本発明に用いるペロブスカイト化合物において、カチオンAは、周期表第一族元素のカチオンまたはカチオン性有機基Aからなる有機カチオンである。カチオンAは有機カチオンが好ましい。
周期表第一族元素のカチオンは、特に限定されず、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)またはセシウム(Cs)の各元素のカチオン(Li、Na、K、Cs)が挙げられ、特にセシウムのカチオン(Cs)が好ましい。
有機カチオンは、下記式(1)で表されるカチオン性有機基の有機カチオンであることがさらに好ましい。
式(1):R1a−NH
In the perovskite compound used in the present invention, the cation A is a cation of a group 1 element of the periodic table or an organic cation composed of a cationic organic group A. The cation A is preferably an organic cation.
The cation of the Group 1 element of the periodic table is not particularly limited, and for example, the cation (Li + , Na + , K + of each element of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), or cesium (Cs). Cs + ), and a cesium cation (Cs + ) is particularly preferable.
The organic cation is more preferably an organic cation of a cationic organic group represented by the following formula (1).
Formula (1): R 1a —NH 3

式中、R1aは炭素数2以上の置換基を示す。この炭素数2以上の置換基としては、アルキル基(炭素数2以上のアルキル基)、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基(炭素数2以上のヘテロアリール基)または下記式(2)で表すことができる基が好ましい。なかでも、アルキル基、またはアラルキル基であることが好ましい。 In the formula, R 1a represents a substituent having 2 or more carbon atoms. Examples of the substituent having 2 or more carbon atoms include alkyl groups (alkyl groups having 2 or more carbon atoms), aralkyl groups, cycloalkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups (heteroaryls having 2 or more carbon atoms). Group) or a group that can be represented by the following formula (2). Of these, an alkyl group or an aralkyl group is preferable.

Figure 2016092293
Figure 2016092293

式中、XはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表す。R1bは置換基を表す。R1cは水素原子または置換基を表す。但し、上記式(2)で表すことができる基の炭素数は2以上である。*は式(1)のN原子との結合位置を表す。 In formula, Xa represents NR <1c> , an oxygen atom, or a sulfur atom. R 1b represents a substituent. R 1c represents a hydrogen atom or a substituent. However, the number of carbon atoms of the group that can be represented by the above formula (2) is 2 or more. * Represents a bonding position with the N atom in the formula (1).

本発明において、カチオン性有機基Aの有機カチオン(すなわち、Aがカチオン性有機基である場合における有機カチオン)は、上記式(1)中のR1aとNHとが結合してなるアンモニウムカチオン性有機基Aからなる有機アンモニウムカチオンが好ましい。この有機アンモニウムカチオンが共鳴構造をとり得る場合、有機カチオンは有機アンモニウムカチオンに加えて共鳴構造のカチオンを含む。例えば、上記式(2)で表すことができる基においてXがNH(R1cが水素原子)である場合、有機カチオンは、上記式(2)で表すことができる基とNHとが結合してなるアンモニウムカチオン性有機基の有機アンモニウムカチオンに加えて、この有機アンモニウムカチオンの共鳴構造の1つである有機アミジニウムカチオンをも包含する。アミジニウムカチオン性有機基からなる有機アミジニウムカチオンとしては、下記式(Aam)で表されるカチオンが挙げられる。なお、本明細書において、下記式(Aam)で表されるカチオンを便宜上、「R1bC(=NH)−NH」と表記することがある。 In the present invention, the organic cation of the cationic organic group A (that is, the organic cation when A is a cationic organic group) is an ammonium cation formed by bonding R 1a in the above formula (1) and NH 3. An organic ammonium cation composed of a functional organic group A is preferred. When the organic ammonium cation can have a resonance structure, the organic cation includes a cation having a resonance structure in addition to the organic ammonium cation. For example, in the group that can be represented by the above formula (2), when X a is NH (R 1c is a hydrogen atom), the organic cation is bonded to the group that can be represented by the above formula (2) and NH 3. In addition to the organic ammonium cation of the ammonium cationic organic group, an organic amidinium cation which is one of the resonance structures of the organic ammonium cation is also included. Examples of the organic amidinium cation comprising an amidinium cationic organic group include a cation represented by the following formula (A am ). In this specification, for convenience the cation represented by the following formula (A am), may be referred to as "R 1b C (= NH) -NH 3 ".

Figure 2016092293
Figure 2016092293

1aがアルキル基の場合、このアルキル基は直鎖でも分岐構造を有していてもよい。R1aがアルキル基の場合、このアルキル基の炭素数は2〜10が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜4がさらに好ましい。R1aがアルキル基の場合の具体例として、例えば、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、tert−ブチル、ペンチルおよびヘキシルが挙げられる。
1aがアラルキル基の場合、このアラルキル基の炭素数は7〜20が好ましく、7〜15がより好ましく、7〜13がさらに好ましい。このアラルキル基を構成するアリール基はフェニル基またはナフチル基が好ましい。また、このアラルキル基を構成するアルキル基(すなわち上記アリール基を置換基として有するアルキル基)の炭素数(置換基であるアリール基を除いた炭素数)は1〜5が好ましく、1〜3がより好ましく、さらに好ましくはメチルまたはエチルである。
1aがシクロアルキル基の場合、このシクロアルキル基は、炭素数が3〜8のシクロアルキル基が好ましく、例えば、シクロプロピル、シクロペンチルまたはシクロヘキシル等が挙げられる。
When R 1a is an alkyl group, the alkyl group may be linear or have a branched structure. When R 1a is an alkyl group, the alkyl group preferably has 2 to 10 carbon atoms, more preferably 2 to 6 carbon atoms, and still more preferably 2 to 4 carbon atoms. Specific examples when R 1a is an alkyl group include, for example, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, tert-butyl, pentyl and hexyl.
When R 1a is an aralkyl group, the aralkyl group preferably has 7 to 20 carbon atoms, more preferably 7 to 15 carbon atoms, and still more preferably 7 to 13 carbon atoms. The aryl group constituting the aralkyl group is preferably a phenyl group or a naphthyl group. Moreover, 1-5 are preferable, as for carbon number (carbon number except the aryl group which is a substituent) of the alkyl group (namely, alkyl group which has the said aryl group as a substituent) which comprises this aralkyl group, 1-3 are More preferred is methyl or ethyl.
When R 1a is a cycloalkyl group, the cycloalkyl group is preferably a cycloalkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and examples thereof include cyclopropyl, cyclopentyl, and cyclohexyl.

1aがアルケニル基の場合、このアルケニル基は、炭素数が2〜18のアルケニル基が好ましく、例えば、ビニル、アリル、ブテニルまたはヘキセニル等が挙げられる。
1aがアルキニル基の場合、このアルキニル基は、炭素数が2〜18のアルキニル基が好ましく、例えば、エチニル、ブチニルまたはヘキシニル等が挙げられる。
When R 1a is an alkenyl group, the alkenyl group is preferably an alkenyl group having 2 to 18 carbon atoms, and examples thereof include vinyl, allyl, butenyl, hexenyl and the like.
When R 1a is an alkynyl group, the alkynyl group is preferably an alkynyl group having 2 to 18 carbon atoms, and examples thereof include ethynyl, butynyl, and hexynyl.

1aがアリール基の場合、このアリール基は、炭素数6〜14のアリール基が好ましく、例えば、フェニルが挙げられる。
1aがヘテロアリール基の場合、このヘテロアリール基は、芳香族ヘテロ環のみからなる基と、芳香族ヘテロ環に他の環、例えば、芳香環、脂肪族環やヘテロ環が縮合した縮合ヘテロ環からなる基とを包含する。
芳香族ヘテロ環を構成する環構成ヘテロ原子としては、窒素原子、酸素原子、硫黄原子が好ましい。また、芳香族ヘテロ環の環員数としては、5員環または6員環が好ましい。
5員環の芳香族ヘテロ環および5員環の芳香族ヘテロ環を含む縮合ヘテロ環としては、例えば、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、トリアゾール環、フラン環、チオフェン環、ベンゾイミダゾール環、ベンゾオキサゾール環、ベンゾチアゾール環、インドリン環、インダゾール環の各環基が挙げられる。また、6員環の芳香族ヘテロ環および6員環の芳香族ヘテロ環を含む縮合ヘテロ環としては、例えば、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、キノリン環、キナゾリン環の各環基が挙げられる。
When R 1a is an aryl group, the aryl group is preferably an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, and examples thereof include phenyl.
When R 1a is a heteroaryl group, the heteroaryl group includes a group consisting only of an aromatic heterocycle, and a condensed heterocycle in which an aromatic heterocycle is condensed with another ring such as an aromatic ring, an aliphatic ring or a heterocycle. And a group consisting of a ring.
As a ring-constituting hetero atom constituting the aromatic hetero ring, a nitrogen atom, an oxygen atom and a sulfur atom are preferable. The number of ring members of the aromatic heterocycle is preferably a 5-membered ring or a 6-membered ring.
Examples of the condensed heterocycle including a 5-membered aromatic heterocycle and a 5-membered aromatic heterocycle include a pyrrole ring, an imidazole ring, a pyrazole ring, an oxazole ring, a thiazole ring, a triazole ring, a furan ring, and a thiophene ring. , Benzimidazole ring, benzoxazole ring, benzothiazole ring, indoline ring, and indazole ring. Examples of the condensed heterocycle including a 6-membered aromatic heterocycle and a 6-membered aromatic heterocycle include, for example, pyridine ring, pyrimidine ring, pyrazine ring, triazine ring, quinoline ring, and quinazoline ring. Is mentioned.

式(2)で表すことができる基において、XはNR1cが好ましい。ここで、R1cは、水素原子、アルキル基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基またはヘテロアリール基が好ましく、水素原子がさらに好ましい。
1bとして採りうる置換基は、アルキル基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基またはヘテロアリール基が挙げられる。
1bおよびR1cがそれぞれとり得るアルキル基は、炭素数は1〜10が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜4がさらに好ましい。このアルキル基の場合の具体例として、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、tert−ブチル、ペンチルおよびヘキシルが挙げられる。
1bおよびR1cがそれぞれとり得る、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基およびヘテロアリール基は、それぞれ上記R1aが採り得る、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基およびヘテロアリール基と同義であり、好ましいものも同じである。
In the group that can be represented by the formula (2), X a is preferably NR 1c . Here, R 1c is preferably a hydrogen atom, an alkyl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group or a heteroaryl group, and more preferably a hydrogen atom.
Examples of the substituent that can be adopted as R 1b include an alkyl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, and a heteroaryl group.
1-10 are preferable, as for the alkyl group which R < 1b> and R <1c> can respectively take, 1-6 are more preferable, 1-4 are more preferable. Specific examples in the case of this alkyl group include, for example, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, tert-butyl, pentyl and hexyl.
The aralkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group and heteroaryl group which R 1b and R 1c can each take are the aralkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl each of which R 1a can take. It is synonymous with a group, an aryl group, and a heteroaryl group, and a preferable thing is also the same.

1aとしてとり得る、上記のアルキル基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基および上記式(2)で表すことができる基は、いずれも、置換基を有していてもよい。R1aが有していてもよい置換基としては、特に限定されず、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルアミノ基、スルホンアミド基、カルバモイル基、スルファモイル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヒドロキシ基またはカルボキシ基が挙げられる。R1aが有していてもよい各置換基は、さらに置換基で置換されていてもよい。 The alkyl group, aralkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group, and group that can be represented by the above formula (2), which can be taken as R 1a , are all substituted. You may have. The substituent that R 1a may have is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkoxy group, an alkylthio group, an amino group, Examples include alkylamino group, arylamino group, acyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, acylamino group, sulfonamido group, carbamoyl group, sulfamoyl group, halogen atom, cyano group, hydroxy group or carboxy group. Each substituent that R 1a may have may be further substituted with a substituent.

本発明に用いるペロブスカイト化合物において、金属カチオンMは、周期表第一族元素以外の金属原子Mのカチオンであって、ペロブスカイト型結晶構造を取りうる金属原子のカチオンであれば、特に限定されない。このような金属原子としては、例えば、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、カドミウム(Cd)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、パラジウム(Pd)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、イッテルビウム(Yb)、ユウロピウム(Eu)、インジウム(In)が挙げられる。なかでも、金属原子MはPb原子またはSn原子が特に好ましい。Mは1種の金属原子であってもよく、2種以上の金属原子であってもよい。2種以上の金属原子である場合には、Pb原子およびSn原子の2種が好ましい。なお、このときの金属原子の割合は特に限定されない。   In the perovskite compound used in the present invention, the metal cation M is not particularly limited as long as it is a cation of a metal atom M other than a group 1 element of the periodic table and a cation of a metal atom capable of taking a perovskite crystal structure. Examples of such metal atoms include calcium (Ca), strontium (Sr), cadmium (Cd), copper (Cu), nickel (Ni), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), Examples include palladium (Pd), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), ytterbium (Yb), europium (Eu), and indium (In). Among these, the metal atom M is particularly preferably a Pb atom or an Sn atom. M may be one type of metal atom or two or more types of metal atoms. In the case of two or more kinds of metal atoms, two kinds of Pb atoms and Sn atoms are preferable. In addition, the ratio of the metal atom at this time is not specifically limited.

本発明に用いるペロブスカイト化合物において、アニオンXは、アニオン性原子Xのアニオンを表す。このアニオンは、好ましくはハロゲン原子のアニオンである。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子等が挙げられる。アニオンXは、1種のアニオン性原子のアニオンであってもよく、2種以上のアニオン性原子のアニオンであってもよい。2種以上のアニオン性原子のアニオンである場合には、2種のハロゲン原子のアニオン、特に臭素原子のアニオンおよびヨウ素原子のアニオンが好ましい。なお、このときのアニオン性原子のアニオンの割合は特に限定されない。   In the perovskite compound used in the present invention, the anion X represents an anion of the anionic atom X. This anion is preferably an anion of a halogen atom. As a halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, etc. are mentioned, for example. The anion X may be an anion of one kind of anionic atom or an anion of two or more kinds of anionic atoms. In the case of anions of two or more types of anionic atoms, two types of anions of halogen atoms, particularly anions of bromine atoms and iodine atoms are preferred. In addition, the ratio of the anion of the anionic atom at this time is not particularly limited.

本発明に用いるペロブスカイト化合物は、上記の各構成イオンを有する、下記式(I)で表されるペロブスカイト化合物である。   The perovskite compound used in the present invention is a perovskite compound represented by the following formula (I) having each of the above constituent ions.

式(I):AMX
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
Formula (I): A 2 MX 4
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than Group 1 elements of the periodic table. X represents an anionic atom.

式(I)において、周期表第一族元素またはカチオン性有機基Aは、ペロブスカイト型結晶構造の上記カチオンAを形成する。したがって、上記カチオンAを構成する周期表第一族元素およびカチオン性有機基は、上記カチオンAとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる元素または基であれば、特に限定されない。周期表第一族元素またはカチオン性有機基Aは、上記カチオンAで説明した上記周期表第一族元素またはカチオン性有機基と同義であり、好ましいものも同じである。   In the formula (I), the periodic table group 1 element or the cationic organic group A forms the cation A having a perovskite crystal structure. Therefore, the periodic table first group element and the cationic organic group constituting the cation A are not particularly limited as long as they are elements or groups that can form the perovskite crystal structure as the cation A. The Periodic Table Group 1 element or the cationic organic group A has the same meaning as the Periodic Table Group 1 element or the cationic organic group described above for the cation A, and the preferred ones are also the same.

金属原子Mは、ペロブスカイト型結晶構造の上記金属カチオンMを形成する金属原子である。したがって、金属原子Mは、周期表第一族元素以外の原子であって、上記金属カチオンMとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる原子であれば、特に限定されない。金属原子Mは、上記金属カチオンMで説明した上記金属原子と同義であり、好ましいものも同じである。   The metal atom M is a metal atom that forms the metal cation M having a perovskite crystal structure. Therefore, the metal atom M is not particularly limited as long as it is an atom other than the Group 1 element of the periodic table and can form the perovskite crystal structure by becoming the metal cation M. The metal atom M is synonymous with the metal atom described in the metal cation M, and the preferred ones are also the same.

アニオン性原子Xは、ペロブスカイト型結晶構造の上記アニオンXを形成する。したがって、アニオン性原子Xは、上記アニオンXとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる原子であれば、特に限定されない。アニオン性原子Xは、上記アニオンXで説明したアニオン性原子と同義であり、好ましいものも同じである。   The anionic atom X forms the anion X having a perovskite crystal structure. Therefore, the anionic atom X is not particularly limited as long as it is an atom that can form the perovskite crystal structure by becoming the anion X. The anionic atom X is synonymous with the anionic atom demonstrated with the said anion X, and its preferable thing is also the same.

本発明に用いるペロブスカイト化合物は上述のとおり、AMXで表される化合物であり、AMXで表される化合物ではない。すなわち、本発明に用いるペロブスカイト化合物は、三次元的に基本単位格子が連続した構造をとるものではなく、無機層と有機層とが交互に積層された層状構造をとるものである。 As described above, the perovskite compound used in the present invention is a compound represented by A 2 MX 4 and not a compound represented by AMX 3 . That is, the perovskite compound used in the present invention does not have a structure in which basic unit cells are three-dimensionally continuous, but has a layered structure in which inorganic layers and organic layers are alternately stacked.

本発明において、光吸収剤として用いるペロブスカイト化合物の具体例として、例えば、(CNHPbI、(CH=CHNHPbI、(CH≡CNHPbI、(n−CNHPbI、(n−CNHPbI、(CNHPbI、(CNHPbI、(CNHPbI、(CSNHPbI、(C10CHCHNHPbI、(CFCHNHPbIが挙げられる。
ここで、(C10CHCHNHPbIにおけるC10はナフチル、(CFCHNHPbIにおけるCFはフルオロフェニルである。
In the present invention, specific examples of the perovskite compound used as the light absorber include, for example, (C 2 H 5 NH 3 ) 2 PbI 4 , (CH 2 ═CHNH 3 ) 2 PbI 4 , (CH≡CNH 3 ) 2 PbI 4 , (n-C 3 H 7 NH 3) 2 PbI 4, (n-C 4 H 9 NH 3) 2 PbI 4, (C 6 H 5 NH 3) 2 PbI 4, (C 6 H 3 F 2 NH 3 ) 2 PbI 4 , (C 6 F 5 NH 3 ) 2 PbI 4 , (C 4 H 3 SNH 3 ) 2 PbI 4 , (C 10 H 7 CH 2 CH 2 NH 3 ) 2 PbI 4 , (C 6 H 4 FCH 2 NH 3) 2 PbI 4 and the like.
Here, the C 10 H 7 in (C 10 H 7 CH 2 CH 2 NH 3) 2 PbI 4 naphthyl, is C 6 H 4 F is Fluorophenyl in (C 6 H 4 FCH 2 NH 3) 2 PbI 4 .

ペロブスカイト化合物は、MXとAXとから合成することができる。例えば、上記特許文献1や非特許文献1を参照してペロブスカイト化合物を合成することができる。また、Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, and Tsutomu Miyasaka, “Organometal Halide Perovskites as Visible−Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”, J.Am.Chem.Soc.,2009,131(17),6050−6051も適宜に参照し、ペロブスカイト化合物を合成することができる。 The perovskite compound can be synthesized from MX 2 and AX. For example, a perovskite compound can be synthesized with reference to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1. Also, Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, and Tsutomu Miyasaka, “Organometric Halide Perovskites as Visible Slightly.” Am. Chem. Soc. , 2009, 131 (17), 6050-6051 as appropriate, a perovskite compound can be synthesized.

<正孔輸送層3>
本発明の光電変換素子は、第一電極と第二電極との間に正孔輸送層3を有することが好ましい。
正孔輸送層3は、光吸収剤の酸化体に電子を補充する機能を有し、好ましくは固体状の層である。正孔輸送層3は、好ましくは第一電極1の感光層13と第二電極2の間に設けられる。
<Hole transport layer 3>
The photoelectric conversion element of the present invention preferably has a hole transport layer 3 between the first electrode and the second electrode.
The hole transport layer 3 has a function of replenishing electrons to the oxidant of the light absorber, and is preferably a solid layer. The hole transport layer 3 is preferably provided between the photosensitive layer 13 of the first electrode 1 and the second electrode 2.

正孔輸送層3を形成する正孔輸送材料は、特に限定されないが、CuI、CuNCS等の無機材料、および、特開2001−291534号公報の段落番号0209〜0212に記載の有機正孔輸送材料等が挙げられる。有機正孔輸送材料としては、好ましくは、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールおよびポリシラン等の導電性高分子、2個の環がC、Siなど四面体構造をとる中心原子を共有するスピロ化合物、トリアリールアミン等の芳香族アミン化合物、トリフェニレン化合物、含窒素複素環化合物または液晶性シアノ化合物が挙げられる。
正孔輸送材料は、溶液塗布可能で固体状になる有機正孔輸送材料が好ましく、具体的には、2,2’,7,7’−テトラキス−(N,N−ジ−p−メトキシフェニルアミン)−9,9−スピロビフルオレン(Spiro−OMeTADともいう)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)、4−(ジエチルアミノ)ベンゾアルデヒド ジフェニルヒドラゾン、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)等が挙げられる。
The hole transport material for forming the hole transport layer 3 is not particularly limited, but is an inorganic material such as CuI or CuNCS, and the organic hole transport material described in JP-A-2001-291534, paragraphs 0209-0212. Etc. The organic hole transport material is preferably a conductive polymer such as polythiophene, polyaniline, polypyrrole and polysilane, a spiro compound in which two rings share a tetrahedral structure such as C and Si, and triarylamine. And aromatic amine compounds such as triphenylene compounds, nitrogen-containing heterocyclic compounds, and liquid crystalline cyano compounds.
The hole transport material is preferably an organic hole transport material that can be applied by a solution and becomes a solid. Specifically, 2,2 ′, 7,7′-tetrakis- (N, N-di-p-methoxyphenyl) is preferable. Amine) -9,9-spirobifluorene (also referred to as Spiro-OMeTAD), poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl), 4- (diethylamino) benzaldehyde diphenylhydrazone, polyethylenedioxythiophene (PEDOT), etc. Is mentioned.

正孔輸送層3の膜厚は、特に限定されないが、50μm以下が好ましく、1nm〜10μmがより好ましく、5nm〜5μmがさらに好ましく、10nm〜1μmが特に好ましい。   Although the film thickness of the positive hole transport layer 3 is not specifically limited, 50 micrometers or less are preferable, 1 nm-10 micrometers are more preferable, 5 nm-5 micrometers are further more preferable, and 10 nm-1 micrometer are especially preferable.

本発明において、感光層13と正孔輸送層3との合計膜厚は、特に限定されないが、例えば、0.1〜55μmが好ましく、0.5〜15μmがより好ましく、0.5〜7μmがさらに好ましい。   In the present invention, the total film thickness of the photosensitive layer 13 and the hole transport layer 3 is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 55 μm, more preferably 0.5 to 15 μm, and 0.5 to 7 μm, for example. Further preferred.

<第二電極2>
第二電極2は、太陽電池において正極として機能する。第二電極2は、導電性を有していれば特に限定されず、通常、導電性支持体11と同じ構成とすることができる。強度が十分に保たれる場合は、支持体11aは必ずしも必要ではない。
第二電極2の構造としては、集電効果が高い構造が好ましい。感光層13に光が到達するためには、導電性支持体11と第二電極2との少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の太陽電池においては、導電性支持体11が透明であって太陽光を支持体11a側から入射させるのが好ましい。この場合、第二電極2は光を反射する性質を有することがさらに好ましい。
<Second electrode 2>
The second electrode 2 functions as a positive electrode in the solar cell. The 2nd electrode 2 will not be specifically limited if it has electroconductivity, Usually, it can be set as the same structure as the electroconductive support body 11. FIG. If the strength is sufficiently maintained, the support 11a is not necessarily required.
The structure of the second electrode 2 is preferably a structure having a high current collecting effect. In order for light to reach the photosensitive layer 13, at least one of the conductive support 11 and the second electrode 2 must be substantially transparent. In the solar cell of this invention, it is preferable that the electroconductive support body 11 is transparent and sunlight is entered from the support body 11a side. In this case, it is more preferable that the second electrode 2 has a property of reflecting light.

第二電極2を形成する材料としては、例えば、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、インジウム(In)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスニウム(Os)等の金属、上述の導電性の金属酸化物、炭素材料等が挙げられる。炭素材料としては、炭素原子同士が結合してなる、導電性を有する材料であればよく、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等が挙げられる。
第二電極2としては、金属もしくは導電性の金属酸化物の薄膜(蒸着してなる薄膜を含む)を有するガラスまたはプラスチックが好ましく、金もしくは白金の薄膜を有するガラス、または、白金を蒸着したガラスが特に好ましい。
Examples of the material for forming the second electrode 2 include platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), indium (In), ruthenium (Ru), palladium ( Examples thereof include metals such as Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), and osnium (Os), the above-described conductive metal oxides, and carbon materials. The carbon material may be a conductive material formed by bonding carbon atoms to each other, and examples thereof include fullerene, carbon nanotube, graphite, and graphene.
The second electrode 2 is preferably a glass or plastic having a metal or conductive metal oxide thin film (including a thin film formed by vapor deposition), a glass having a gold or platinum thin film, or a glass vapor deposited with platinum. Is particularly preferred.

第二電極2の膜厚は、特に限定されず、0.01〜100μmが好ましく、0.01〜10μmがさらに好ましく、0.01〜1μmが特に好ましい。   The film thickness of the 2nd electrode 2 is not specifically limited, 0.01-100 micrometers is preferable, 0.01-10 micrometers is more preferable, 0.01-1 micrometer is especially preferable.

<その他の構成>
本発明では、第一電極1と第二電極2との接触を防ぐために、スペーサーやセパレータを用いることもできる。
また、第二電極2と正孔輸送層3の間に正孔ブロッキング層を設けてもよい。
<Other configurations>
In the present invention, a spacer or a separator can be used in order to prevent contact between the first electrode 1 and the second electrode 2.
A hole blocking layer may be provided between the second electrode 2 and the hole transport layer 3.

<<太陽電池>>
本発明の太陽電池は、本発明の光電変換素子を用いて構成される。例えば図1に示されるように、外部回路6に対して仕事させるように構成した光電変換素子10を太陽電池として用いることができる。第一電極1(導電性支持体11)および第二電極2に接続される外部回路は、公知のものを特に制限されることなく、用いることができる。
本発明の太陽電池は、構成物の劣化および蒸散等を防止するために、側面をポリマーや接着剤等で密封することが好ましい。
本発明の太陽電池は、特に限定されず、本発明に特有の構成以外は、例えば特許文献1や非特許文献1に記載の太陽電池の構成を採用することができる。
<< Solar cell >>
The solar cell of this invention is comprised using the photoelectric conversion element of this invention. For example, as shown in FIG. 1, a photoelectric conversion element 10 configured to cause the external circuit 6 to work can be used as a solar cell. The external circuit connected to the first electrode 1 (conductive support 11) and the second electrode 2 can be used without particular limitation.
In the solar cell of the present invention, it is preferable to seal the side surface with a polymer, an adhesive or the like in order to prevent deterioration of the components and transpiration.
The solar cell of this invention is not specifically limited, For example, the structure of the solar cell of patent document 1 and nonpatent literature 1 is employable except the structure peculiar to this invention.

<<光電変換素子および太陽電池の製造方法>>
本発明の光電変換素子および太陽電池は、本発明に特有の構成以外は、公知の製造方法、例えば、特許文献1や非特許文献1に記載の方法等に準拠して、製造できる。
以下に、本発明の好ましい実施形態(図1の態様)にかかる光電変換素子および太陽電池の製造方法を簡単に説明する。
<< Photoelectric Conversion Element and Solar Cell Manufacturing Method >>
The photoelectric conversion element and the solar cell of the present invention can be produced according to a known production method, for example, the method described in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 except for the configuration specific to the present invention.
Below, the manufacturing method of the photoelectric conversion element and solar cell concerning preferable embodiment (aspect of FIG. 1) of this invention is demonstrated easily.

導電性支持体11の表面に感光層13を設ける。
<ナノロッドの形成>
ナノロッドは、上述のように常法により形成することができる。例えば、THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY,2014年,第118巻,p.16567〜16573や、J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, p.3985-3990、Angew.Chem.Int.Ed.2003, 42, p.3031−3034の記載を参照し、金属酸化物の結晶を導電性支持体11上に成長させることで形成することができる。
A photosensitive layer 13 is provided on the surface of the conductive support 11.
<Formation of nanorods>
Nanorods can be formed by conventional methods as described above. For example, THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY, 2014, Vol. 118, p. 16567-16573 and J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, p. 3985-3990, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, p. With reference to the description of 3031-3034, the metal oxide crystal can be formed on the conductive support 11 by growth.

<光吸収剤溶液の調製>
光吸収剤溶液は、上記ペロブスカイト化合物の原料であるMXとAXと溶媒とを含有する。ここで、Aは上述のカチオン性有機基A、Mは上述の金属原子M、Xは上述のアニオン性原子Xである。この光吸収剤溶液において、MXとAXとのモル比は目的に応じて適宜に調整される。
次いで、調製した光吸収剤溶液を、ナノロッド12を形成した導電性支持体11表面(シード層表面)に塗布し、乾燥する。これにより、ナノロッド12とペロブスカイト化合物とを有する感光層13が形成される。
<Preparation of light absorber solution>
The light absorber solution contains MX 2 , AX, which is a raw material for the perovskite compound, and a solvent. Here, A is the above-described cationic organic group A, M is the above-described metal atom M, and X is the above-described anionic atom X. In this light absorber solution, the molar ratio of MX 2 to AX is appropriately adjusted according to the purpose.
Next, the prepared light absorber solution is applied to the surface of the conductive support 11 (the seed layer surface) on which the nanorods 12 are formed, and is dried. Thereby, the photosensitive layer 13 having the nanorods 12 and the perovskite compound is formed.

このようにして設けられた感光層13上に正孔輸送材料を含有する正孔輸送材料溶液を塗布し、乾燥して正孔輸送層3を形成する。
正孔輸送材料溶液は、塗布性に優れる点で、正孔輸送材料の濃度が0.1〜1.0M(モル/L)であるのが好ましい。
A hole transport material solution containing a hole transport material is applied on the photosensitive layer 13 thus provided and dried to form the hole transport layer 3.
The hole transport material solution preferably has a hole transport material concentration of 0.1 to 1.0 M (mol / L) in terms of excellent coating properties.

正孔輸送層3を形成した後に第二電極2を形成して、光電変換素子および太陽電池が製造される。   After forming the positive hole transport layer 3, the 2nd electrode 2 is formed and a photoelectric conversion element and a solar cell are manufactured.

各層の膜厚は、各分散液または溶液(塗布液)の濃度、塗布回数を適宜に変更して、調整できる。   The film thickness of each layer can be adjusted by appropriately changing the concentration of each dispersion or solution (coating solution) and the number of coatings.

上述の各塗布液は、それぞれ、必要に応じて、分散助剤、界面活性剤等の添加剤を含有していてもよい。   Each of the above-mentioned coating liquids may contain additives such as a dispersion aid and a surfactant as necessary.

光電変換素子および太陽電池の製造方法に使用する溶媒または分散媒としては、特開2001−291534号公報に記載の溶媒が挙げられるが、特にこれに限定されない。本発明においては、有機溶媒が好ましく、さらにアルコール溶媒、アミド溶媒、ニトリル溶媒、炭化水素溶媒、ラクトン溶媒、および、これらの2種以上の混合溶媒がより好ましい。混合溶媒としては、アルコール溶媒と、アミド溶媒、ニトリル溶媒または炭化水素溶媒から選ばれる溶媒との混合溶媒が好ましい。具体的には、メタノール、エタノール、γ−ブチロラクトン、クロロベンゼン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド(DMF)もしくはジメチルアセトアミド、または、これらの混合溶媒が好ましい。   Examples of the solvent or dispersion medium used in the method for manufacturing a photoelectric conversion element and a solar cell include, but are not limited to, the solvents described in JP-A No. 2001-291534. In the present invention, an organic solvent is preferable, and an alcohol solvent, an amide solvent, a nitrile solvent, a hydrocarbon solvent, a lactone solvent, and a mixed solvent of two or more of these are more preferable. As the mixed solvent, a mixed solvent of an alcohol solvent and a solvent selected from an amide solvent, a nitrile solvent, or a hydrocarbon solvent is preferable. Specifically, methanol, ethanol, γ-butyrolactone, chlorobenzene, acetonitrile, dimethylformamide (DMF) or dimethylacetamide, or a mixed solvent thereof is preferable.

各層を形成する溶液または分散剤の塗布方法は、特に限定されず、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット印刷法、浸漬法等、公知の塗布方法を用いることができる。なかでも、スピンコート、スクリーン印刷、浸漬法等が好ましい。   The application method of the solution or dispersant forming each layer is not particularly limited, and spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, inkjet A known coating method such as a printing method or a dipping method can be used. Of these, spin coating, screen printing, dipping, and the like are preferable.

上記のようにして作製した光電変換素子は、第一電極1および第二電極2に外部回路を接続して、太陽電池として用いることができる。   The photoelectric conversion element produced as described above can be used as a solar cell by connecting an external circuit to the first electrode 1 and the second electrode 2.

以下に実施例に基づき本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

[光電変換素子の製造と評価]
<酸化チタンナノロッド基板の調製>
ガラス基板(支持体11a、厚さ2.2mm)上にフッ素ドープされたSnO導電膜(透明電極11b)を形成し、導電性支持体11を作製した。得られた導電性支持体11の表面をエタノール、蒸留水、アセトンを用いて洗浄し、次いで、UVオゾン洗浄して有機物を除去した。
チタニウムイソプロポキシドのエタノール溶液を、洗浄した導電性支持体11に滴下してスピンコートした(2000rpmで20秒)。10秒静置後、500℃で30分焼成することにより酸化チタンのシード層を作製した。
シード層を形成した導電性支持体11を、20mlの蒸留水に20mlの37質量%塩酸を加えた溶液に浸漬し、5分間超音波処理を行った。
オートクレーブ内に、酸化チタンのシード層を形成した導電性支持体11を設置して、そこに0.7mlのチタニウム(IV)n−ブトキシドを加えた。オートクレーブを密閉し、170℃まで加熱することにより酸化チタンナノロッドを形成させた。反応時間を制御することにより酸化チタンナノロッド12の長辺の長さを調節した。
酸化チタンナノロッド12のアスペクト比は、エチレンジアミン、エチレンジアミン4酢酸、ドデシル硫酸ナトリウム、臭化セチルトリメチルアンモニウムブロミド、ポリビニルピロリドン、塩化ナトリウムを添加剤として使用することにより調節した。
得られた酸化チタンナノロッド12は、その長軸方向が、導電性支持体11表面に対して垂直方向に向いていた。
[Manufacture and evaluation of photoelectric conversion elements]
<Preparation of titanium oxide nanorod substrate>
A fluorine-doped SnO 2 conductive film (transparent electrode 11b) was formed on a glass substrate (support 11a, thickness 2.2 mm) to produce a conductive support 11. The surface of the obtained conductive support 11 was washed with ethanol, distilled water, and acetone, and then washed with UV ozone to remove organic substances.
An ethanol solution of titanium isopropoxide was dropped onto the washed conductive support 11 and spin-coated (20 seconds at 2000 rpm). After standing for 10 seconds, a titanium oxide seed layer was produced by firing at 500 ° C. for 30 minutes.
The conductive support 11 on which the seed layer was formed was immersed in a solution obtained by adding 20 ml of 37% by mass hydrochloric acid to 20 ml of distilled water and subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes.
A conductive support 11 on which a titanium oxide seed layer was formed was placed in an autoclave, and 0.7 ml of titanium (IV) n-butoxide was added thereto. The autoclave was sealed and heated to 170 ° C. to form titanium oxide nanorods. The length of the long side of the titanium oxide nanorods 12 was adjusted by controlling the reaction time.
The aspect ratio of the titanium oxide nanorods 12 was adjusted by using ethylenediamine, ethylenediaminetetraacetic acid, sodium dodecyl sulfate, cetyltrimethylammonium bromide, polyvinylpyrrolidone, and sodium chloride as additives.
The obtained titanium oxide nanorods 12 had their major axis direction perpendicular to the surface of the conductive support 11.

<酸化亜鉛ナノロッド基板の調製>
ガラス基板(支持体11a、厚さ2.2mm)上にフッ素ドープされたSnO導電膜(透明電極11b)を形成し、導電性支持体11を作製した。得られた導電性支持体11の表面をエタノール、蒸留水、アセトンを用いて洗浄し、次いで、UVオゾン洗浄して有機物を除去した。
5mMの酢酸亜鉛二水和物(アルドリッチ)のエタノール溶液を、洗浄した導電性支持体11に滴下してスピンコートした(2000rpmで20秒)。10秒静置後、150℃で15分間アニールを行った。この操作を3回繰り返すことにより酸化亜鉛のシード層を作製した。
酸化亜鉛ナノロッドを形成させるための溶液は、当量の硝酸亜鉛六水和物とヘキサメチレンテトラミンを蒸留水に溶解させることにより調製した。
酸化亜鉛ナノロッドの短辺の長さは、溶液濃度を20〜35mMの間で調節することにより制御した。酸化亜鉛シード層を形成させた導電性支持体11を上記溶液に浸漬させることによりシード層上に酸化亜鉛ナノロッド12を形成させた。
酸化亜鉛ナノロッドの長辺の長さは浸漬時間を制御することにより調節した。
得られた酸化亜鉛ナノロッド12は、その長軸方向が、導電性支持体11表面に対して垂直方向に向いていた。
<Preparation of zinc oxide nanorod substrate>
A fluorine-doped SnO 2 conductive film (transparent electrode 11b) was formed on a glass substrate (support 11a, thickness 2.2 mm) to produce a conductive support 11. The surface of the obtained conductive support 11 was washed with ethanol, distilled water, and acetone, and then washed with UV ozone to remove organic substances.
An ethanol solution of 5 mM zinc acetate dihydrate (Aldrich) was dropped onto the washed conductive support 11 and spin-coated (20 seconds at 2000 rpm). After standing for 10 seconds, annealing was performed at 150 ° C. for 15 minutes. This operation was repeated three times to produce a zinc oxide seed layer.
A solution for forming zinc oxide nanorods was prepared by dissolving equivalent amounts of zinc nitrate hexahydrate and hexamethylenetetramine in distilled water.
The short side length of the zinc oxide nanorods was controlled by adjusting the solution concentration between 20-35 mM. The conductive support 11 on which the zinc oxide seed layer was formed was immersed in the above solution to form zinc oxide nanorods 12 on the seed layer.
The long side length of the zinc oxide nanorods was adjusted by controlling the immersion time.
The obtained zinc oxide nanorods 12 had their major axis direction perpendicular to the surface of the conductive support 11.

− ナノロッドのアスペクト比の測定 −
ナノロッドのアスペクト比は、走査型電子顕微鏡を用いてナノロッドの長辺と短辺を測定することにより算出した。上記で得られた酸化チタンナノロッドと酸化亜鉛ナノロッド12のアスペクト比および長辺の長さを下記表1〜7に示した。
− Measurement of nanorod aspect ratio −
The aspect ratio of the nanorod was calculated by measuring the long side and the short side of the nanorod using a scanning electron microscope. The aspect ratios and long side lengths of the titanium oxide nanorods and zinc oxide nanorods 12 obtained above are shown in Tables 1 to 7 below.

実施例1
<感光層13Aの形成>
エチルアミンの40%エタノール溶液と57質量%のヨウ化水素の水溶液とを、フラスコ中、0℃で2時間攪拌した後、濃縮して、CHCHNHIの粗体を得た。得られた粗体をエタノールに溶解し、ジエチルエーテルで再結晶した。析出した結晶をろ取し、60℃で12時間減圧乾燥して、精製CHCHNHIを得た。
次いで、精製CHCHNHIとPbIを、モル比で3:1とし、ジメチルホルムアミド(DMF)中、60℃で5時間攪拌して混合した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シリンジフィルターでろ過して、40質量%の光吸収剤溶液を調製した。
Example 1
<Formation of photosensitive layer 13A>
A 40% ethanol solution of ethylamine and an aqueous solution of 57% by mass of hydrogen iodide were stirred in a flask at 0 ° C. for 2 hours and then concentrated to obtain a CH 3 CH 2 NH 3 I crude product. The obtained crude product was dissolved in ethanol and recrystallized from diethyl ether. The precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 12 hours to obtain purified CH 3 CH 2 NH 3 I.
Next, purified CH 3 CH 2 NH 3 I and PbI 2 were mixed at a molar ratio of 3: 1 and mixed in dimethylformamide (DMF) with stirring at 60 ° C. for 5 hours, and then a polytetrafluoroethylene (PTFE) syringe. It filtered with the filter and 40 mass% light absorber solution was prepared.

調製した光吸収剤溶液をスピンコート法(2000rpmで60秒、続けて3000rpmで60秒)により、酸化チタンナノロッド12(アスペクト比:10、長辺の長さ:1000nm)を形成した導電性支持体11上に塗布した。塗布した光吸収剤溶液(a)をホットプレートにより140℃で40分間乾燥して、ペロブスカイト化合物を有する感光層13を形成した。得られたペロブスカイト化合物は(CHCH−NHPbIであった。また、感光層13の厚みはシード層を含めて1.2μmであった。 Conductive support on which titanium oxide nanorods 12 (aspect ratio: 10, long side length: 1000 nm) are formed by spin coating (2000 rpm for 60 seconds, followed by 3000 rpm for 60 seconds) with the prepared light absorber solution 11 was applied. The applied light absorbent solution (a) was dried with a hot plate at 140 ° C. for 40 minutes to form a photosensitive layer 13 having a perovskite compound. The resulting perovskite compound was (CH 3 CH 2 -NH 3) 2 PbI 4. The thickness of the photosensitive layer 13 including the seed layer was 1.2 μm.

<正孔輸送層3の形成>
正孔輸送材料としての2,2’,7,7’−Tetrakis[N,N−di(4−methoxyphenyl)amino]−9,9’−spirobifluorene(Spiro−OMeTAD、180mg)をクロロベンゼン(1mL)に溶解させた。このクロロベンゼン溶液に、リチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(170mg)をアセトニトリル(1mL)に溶解させたアセトニトリル溶液(37.5μL)と、t−ブチルピリジン(TBP、17.5μL)とを加えて混合し、正孔輸送材料溶液を調製した。
次いで、正孔輸送材料溶液を、スピンコート法により、上記感光層13上に塗布し、塗布した正孔輸送材料溶液を乾燥して、正孔輸送層3(膜厚0.5μm)を形成した。
<Formation of hole transport layer 3>
2,2 ′, 7,7′-Tetrakis [N, N-di (4-methoxyphenyl) amino] -9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD, 180 mg) as a hole transport material in chlorobenzene (1 mL) Dissolved. To this chlorobenzene solution, an acetonitrile solution (37.5 μL) in which lithium-bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (170 mg) was dissolved in acetonitrile (1 mL) and t-butylpyridine (TBP, 17.5 μL) were added. A hole transport material solution was prepared by mixing.
Next, a hole transport material solution was applied onto the photosensitive layer 13 by spin coating, and the applied hole transport material solution was dried to form a hole transport layer 3 (film thickness 0.5 μm). .

<第二電極2の作製>
蒸着法により金を正孔輸送層3上に蒸着して、第二電極2(膜厚0.3μm)を作製した。
このようにして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
<Preparation of the second electrode 2>
Gold was vapor-deposited on the hole transport layer 3 by the vapor deposition method, and the 2nd electrode 2 (film thickness of 0.3 micrometer) was produced.
Thus, the photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was manufactured.

実施例2〜12、比較例1
上記実施例1において、酸化チタンナノロッド12を下記表1に記載のとおりに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 2 to 12, Comparative Example 1
A photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the titanium oxide nanorods 12 were changed as shown in Table 1 below.

実施例13〜24、比較例2
上記実施例1において、CHCHNHIをC10CHCHNHIに変更し、さらに、酸化チタンナノロッド12を下記表2に記載のとおりに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 13 to 24, Comparative Example 2
In the first embodiment, to change the CH 3 CH 2 NH 3 I to C 10 H 7 CH 2 CH 2 NH 3 I, further, except for changing as described titanium oxide nanorod 12 in Table 2 below, The photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as Example 1.

実施例25〜36、比較例3
上記実施例1において、CHCHNHIをCFCHNHIに変更し、さらに、酸化チタンナノロッド12を下記表3に記載のとおりに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 25-36, Comparative Example 3
In Example 1, except that CH 3 CH 2 NH 3 I was changed to C 6 H 4 FCH 2 NH 3 I, and titanium oxide nanorods 12 were changed as shown in Table 3 below, the examples 1 was manufactured in the same manner as in FIG.

実施例37〜46、比較例4
上記実施例1において、酸化チタンナノロッド12を下記表4に記載の酸化亜鉛ナノロッドに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 37 to 46, Comparative Example 4
A photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the titanium oxide nanorods 12 were changed to the zinc oxide nanorods described in Table 4 below.

実施例47〜56、比較例5
上記実施例1において、CHCHNHIをC10CHCHNHIに変更し、さらに、酸化チタンナノロッド12を下記表5に記載の酸化亜鉛ナノロッドに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 47 to 56, Comparative Example 5
In the first embodiment, to change the CH 3 CH 2 NH 3 I to C 10 H 7 CH 2 CH 2 NH 3 I, further, was changed to zinc oxide nanorods according titanium oxide nanorod 12 in Table 5 Produced the photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 in the same manner as in Example 1.

実施例57〜66、比較例6
上記実施例1において、CHCHNHIをCFCHNHIに変更し、さらに、酸化チタンナノロッド12を下記表6に記載の酸化亜鉛ナノロッドに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Examples 57 to 66, Comparative Example 6
In Example 1 above, except that CH 3 CH 2 NH 3 I was changed to C 6 H 4 FCH 2 NH 3 I, and the titanium oxide nanorods 12 were changed to zinc oxide nanorods described in Table 6 below, The photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as Example 1.

比較例7、8
上記実施例1において、CHCHNHIをCHNHIに変更し、且つ、精製CHNHIとPbIを、モル比で2:1として混合し、さらに、酸化チタンナノロッド12を表7に記載の酸化チタンナノロッドまたは酸化亜鉛ナノロッドに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示される光電変換素子10を製造した。
Comparative Examples 7 and 8
In the first embodiment, to change the CH 3 CH 2 NH 3 I in CH 3 NH 3 I, and the purified CH 3 NH 3 I and PbI 2, in a molar ratio of 2: mixed as 1, further titanium oxide The photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the nanorods 12 were changed to titanium oxide nanorods or zinc oxide nanorods described in Table 7.

上記実施例2〜66、比較例1〜8において、感光層13の厚みはシード層を含めて下記の通りであった。
ナノロッドの長辺が1000nmのとき、1.2μm
ナノロッドの長辺が800nmのとき、1.0μm
ナノロッドの長辺が500nmのとき、700nm
ナノロッドの長辺が300nmのとき、500nm
ナノロッドの長辺が100nmのとき、300nm
ナノロッドの長辺が50nmのとき、250nm
In Examples 2 to 66 and Comparative Examples 1 to 8, the thickness of the photosensitive layer 13 including the seed layer was as follows.
1.2 μm when the long side of the nanorod is 1000 nm
When the long side of the nanorod is 800 nm, 1.0 μm
700 nm when the long side of the nanorod is 500 nm
500 nm when the long side of the nanorod is 300 nm
300 nm when the long side of the nanorod is 100 nm
250 nm when the long side of the nanorod is 50 nm

試験例1 短絡電流密度(Jsc)の評価
ソーラーシミュレーター(WACOM製、WXS−85H)を用い、AM1.5フィルターを通したキセノンランプから1000W/mの擬似太陽光を照射し、I−Vテスターを用いて電流−電圧特性を測定することによりJscを測定した。ナノロッドを形成していない導電性支持体11上に光吸収剤溶液を塗布し、乾燥してペロブスカイト化合物を含む感光層を形成した光電変換素子(表1〜7中の参考例1〜4)のJscを基準として、この基準に対するJscの増加率を下記評価基準により評価した。結果を下記表1に示す。
− Jsc増加率の評価基準 −
A:Jscが基準の1.3倍超
B:Jscが基準の1.2倍超1.3倍以下
C:Jscが基準の1.1倍超1.2倍以下
D:Jscが基準の1.1倍以下
Test Example 1 Evaluation of Short-Circuit Current Density (Jsc) Using a solar simulator (manufactured by WACOM, WXS-85H), 1000 W / m 2 simulated sunlight was irradiated from a xenon lamp that passed through an AM1.5 filter, and an I-V tester Jsc was measured by measuring current-voltage characteristics using Photoelectric conversion elements (Reference Examples 1 to 4 in Tables 1 to 7) in which a light absorbent solution was applied on a conductive support 11 on which nanorods were not formed and dried to form a photosensitive layer containing a perovskite compound. Using Jsc as a reference, the increase rate of Jsc relative to this reference was evaluated according to the following evaluation criteria. The results are shown in Table 1 below.
− Evaluation criteria for Jsc increase rate −
A: Jsc is more than 1.3 times the standard B: Jsc is more than 1.2 times the standard and 1.3 times or less C: Jsc is more than 1.1 times the standard and 1.2 times or less D: Jsc is the standard 1 .1 times or less

試験例2 耐湿性の評価
− 初期の光電変換効率の測定 −
光電変換効率を以下のようにして評価した。
上記で調製した各光電変換素子について電池特性試験を行って、光電変換効率(η/%)を測定し、初期の光電変換効率(η/%)とした。電池特性試験は、ソーラーシミュレーター「WXS−85H」(WACOM社製)を用いて、AM1.5フィルタを通したキセノンランプから1000W/mの擬似太陽光を照射することにより行った。I−Vテスターを用いて電流−電圧特性を測定し、光電変換効率(η/%)を求めた。
Test Example 2 Evaluation of moisture resistance-Measurement of initial photoelectric conversion efficiency-
Photoelectric conversion efficiency was evaluated as follows.
A battery characteristic test was performed on each of the photoelectric conversion elements prepared above, and the photoelectric conversion efficiency (η /%) was measured to obtain the initial photoelectric conversion efficiency (η /%). The battery characteristic test was performed by irradiating 1000 W / m 2 of simulated sunlight from a xenon lamp through an AM1.5 filter using a solar simulator “WXS-85H” (manufactured by WACOM). The current-voltage characteristics were measured using an IV tester, and the photoelectric conversion efficiency (η /%) was determined.

− 耐湿性の評価 −
各光電変換素子の耐湿性を以下のようにして評価した。
上記で初期の光電変換効率を測定した各光電変換素子を、温度45℃、湿度60%RHの暗所に80時間保存してから、上記と同様にして電池特性試験を行って、光電変換効率(η/%)を測定し、保存後の光電変換効率(η/%)とした。
下記式によって表される光電変換効率の低下率から、光電変換素子の耐湿性を下記評価基準に基づき評価した。

低下率(%)=100−{100×(保存後の光電変換効率)/(初期の光電変換効率)}

− 耐湿性評価基準 −
A: 低下率が5%未満
B: 低下率が5%以上20%未満
C: 低下率が20%以上
結果を下記表1〜7に示す。
− Evaluation of moisture resistance −
The moisture resistance of each photoelectric conversion element was evaluated as follows.
Each photoelectric conversion element whose initial photoelectric conversion efficiency was measured above was stored in a dark place at a temperature of 45 ° C. and a humidity of 60% RH for 80 hours, and then a battery characteristic test was performed in the same manner as described above to obtain a photoelectric conversion efficiency. (Η /%) was measured and taken as the photoelectric conversion efficiency (η /%) after storage.
From the rate of decrease in photoelectric conversion efficiency represented by the following formula, the moisture resistance of the photoelectric conversion element was evaluated based on the following evaluation criteria.

Decreasing rate (%) = 100− {100 × (photoelectric conversion efficiency after storage) / (initial photoelectric conversion efficiency)}

− Evaluation criteria for moisture resistance −
A: Reduction rate is less than 5% B: Reduction rate is 5% or more and less than 20% C: Reduction rate is 20% or more The results are shown in Tables 1 to 7 below.

Figure 2016092293
Figure 2016092293

Figure 2016092293
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上記の結果から、ナノロッドのアスペクト比が1の場合(長辺と短辺の長さが同じである場合、すなわち、長辺と短辺の区別がない場合)、感光層中にペロブスカイト化合物とナノロッドを共存させても、光電変換素子のJscはほとんど増加せず、耐湿性にも劣る結果となった(比較例1〜6)。
また、感光層が、アスペクト比が1より大きいナノロッドを含む場合であっても、感光層に含まれるペロブスカイト化合物がAMXで表されるものである場合には、光電変換素子のJscはほとんど向上せず、且つ、耐湿性にも劣る結果となった(比較例7、8)。
これに対し、アスペクト比が1より大きいナノロッドと、AMXで表されるペロブスカイト化合物を共存させた感光層を有する本発明で規定する光電変換素子は、Jscが高められ、優れた光電変換効率を実現可能な素子であることが示され、且つ、耐湿性も高められていることがわかった(実施例1〜66)。
From the above results, when the aspect ratio of the nanorod is 1 (when the long side and the short side have the same length, that is, when there is no distinction between the long side and the short side), the perovskite compound and the nanorod are contained in the photosensitive layer. Even if coexisting, Jsc of the photoelectric conversion element hardly increased, and the moisture resistance was inferior (Comparative Examples 1 to 6).
Further, even when the photosensitive layer contains nanorods having an aspect ratio larger than 1, when the perovskite compound contained in the photosensitive layer is represented by AMX 3 , the Jsc of the photoelectric conversion element is almost improved. And the results were inferior in moisture resistance (Comparative Examples 7 and 8).
On the other hand, the photoelectric conversion element defined in the present invention having a photosensitive layer in which a nanorod having an aspect ratio of greater than 1 and a perovskite compound represented by A 2 MX 4 coexisted has an improved Jsc and excellent photoelectric conversion. It was shown that the device can realize the efficiency, and the moisture resistance was improved (Examples 1 to 66).

以上の結果から、本発明の光電変換素子ないし太陽電池が優れた光電変換効率を実現可能であり、且つ、優れた耐湿性をも示すことがわかった。   From the above results, it was found that the photoelectric conversion element or the solar cell of the present invention can achieve excellent photoelectric conversion efficiency and also exhibits excellent moisture resistance.

1 第一電極
11 導電性支持体
11a 支持体
11b 透明電極
12 ナノロッド(金属酸化物)
13 感光層(光吸収層)
2 第二電極
3 正孔輸送層
6 外部回路(リード)
10 光電変換素子
100 光電変換素子を電池用途に応用したシステム
M 電動モーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode 11 Conductive support 11a Support 11b Transparent electrode 12 Nanorod (metal oxide)
13 Photosensitive layer (light absorption layer)
2 Second electrode 3 Hole transport layer 6 External circuit (lead)
10 Photoelectric conversion element 100 System M applying photoelectric conversion element for battery use Electric motor

Claims (15)

光吸収剤を含む感光層を導電性支持体上に有する第一電極と、第一電極に対向する第二電極とを有する光電変換素子であって、
前記感光層が、金属酸化物からなるナノロッドと、前記光吸収剤としてのペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物とを含み、
前記ナノロッドのアスペクト比が1より大きく、
前記のペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物が下記式(I)で表される化合物である、光電変換素子:
式(I) AMX
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
A photoelectric conversion element having a first electrode having a photosensitive layer containing a light absorber on a conductive support, and a second electrode facing the first electrode,
The photosensitive layer includes a nanorod made of a metal oxide, and a compound having a perovskite crystal structure as the light absorber,
The nanorod has an aspect ratio greater than 1,
The photoelectric conversion element in which the compound having the perovskite crystal structure is a compound represented by the following formula (I):
Formula (I) A 2 MX 4
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than Group 1 elements of the periodic table. X represents an anionic atom.
前記Aが、下記式(1)で表されるカチオン性有機基である、請求項1に記載の光電変換素子。
式(1) R1a−NH
式中、R1aは炭素数2以上の置換基を示す。
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein A is a cationic organic group represented by the following formula (1).
Formula (1) R 1a —NH 3
In the formula, R 1a represents a substituent having 2 or more carbon atoms.
前記式(1)中、R1aが、アルキル基、アラルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基または下記式(2)で表すことができる基である、請求項2に記載の光電変換素子。
Figure 2016092293

式中、XはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表す。R1bは置換基を表す。R1cは水素原子または置換基を表す。*は式(1)のN原子との結合位置を表す。
In the formula (1), R 1a is an alkyl group, an aralkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group, or a group that can be represented by the following formula (2). 2. The photoelectric conversion element according to 2.
Figure 2016092293

In formula, Xa represents NR <1c> , an oxygen atom, or a sulfur atom. R 1b represents a substituent. R 1c represents a hydrogen atom or a substituent. * Represents a bonding position with the N atom in the formula (1).
前記Xが、ハロゲン原子である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein X is a halogen atom. 前記Mが、Pb原子またはSn原子である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein M is a Pb atom or a Sn atom. 前記ナノロッドの長辺の長さが1000nm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element of any one of Claims 1-5 whose length of the long side of the said nanorod is 1000 nm or less. 前記ナノロッドの長辺の長さが300〜500nmである、請求項6に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 6 whose length of the long side of said nanorod is 300-500 nm. 前記ナノロッドのアスペクト比が1.5〜20である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element of any one of Claims 1-7 whose aspect-ratio of the said nanorod is 1.5-20. 前記ナノロッドのアスペクト比が5〜20である、請求項8に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 8, wherein the nanorod has an aspect ratio of 5 to 20. 前記ナノロッドの長辺の長さが300〜500nmであり、且つ、アスペクト比が5〜20である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element of any one of Claims 1-9 whose length of the long side of the said nanorod is 300-500 nm, and whose aspect-ratio is 5-20. 前記ナノロッドが、チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、テクネチウム、レニウム、鉄、オスミウム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオディミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウムからなる群から選択される金属の酸化物からなる、請求項1〜10のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The nanorods are titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium, rhenium, iron, osmium, cobalt, nickel, copper, zinc, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseody Mium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium, boron, aluminum, gallium, indium, thallium, silicon, germanium, tin, lead, magnesium, calcium, The photoelectric conversion element of any one of Claims 1-10 which consists of a metal oxide selected from the group which consists of strontium and barium. 前記ナノロッドが、酸化チタンおよび酸化亜鉛から選ばれる金属酸化物からなる、請求項11に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 11, wherein the nanorod is made of a metal oxide selected from titanium oxide and zinc oxide. 前記ナノロッドの長軸が、前記導電性支持体表面に対して垂直方向に向いている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element of any one of Claims 1-12 in which the long axis of the said nanorod has faced the orthogonal | vertical direction with respect to the said electroconductive support body surface. 前記第一電極と、前記第二電極との間に正孔輸送層を有する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a hole transport layer between the first electrode and the second electrode. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光電変換素子を用いた太陽電池。   The solar cell using the photoelectric conversion element of any one of Claims 1-14.
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