JP2017034056A

JP2017034056A - 太陽電池

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Publication number: JP2017034056A
Application number: JP2015151698A
Authority: JP
Inventors: 元彦浅野; Motohiko Asano; 明伸早川; Akinobu Hayakawa; 麻由美堀木; Mayumi HORIKI; 智仁宇野; Tomohito Uno; 雄一郎福本; Yuichiro Fukumoto; 哲也榑林; Tetsuya Kurebayashi
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: JP6725219B2

Abstract

【課題】有機無機ペロブスカイト化合物を有する光電変換層の上に配置された有機半導体層からの電極の剥離が生じ難い、太陽電池を提供する。
【解決手段】導電性基板１１と、電極層１５との間に、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層１３の上に配置された有機半導体層１４が、電極層１５に接するように設けられており、電極層１５が、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる、太陽電池１。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層を有する太陽電池に関する。

従来、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層を有する太陽電池が知られている。例えば下記の非特許文献１には、この種の太陽電池の一例が開示されている。この太陽電池では、ガラスからなる基板上に、ＦＴＯ層、ＴｉＯ_２からなる電子輸送層、有機無機ペロブスカイト層、ホール輸送層及びＡｕからなる電極が積層されている。

ＣＨＥＭＩＳＴＲＹＯＦＭＡＴＥＲＩＡＬＳ２０１５，２７，３３９７−３４０７，ＲｅｖｅｒｓｉｂｌｅＨｙｄｒａｔｉｏｎｏｆＣＨ３ＮＨ３Ｐｂｌ３ｉｎＦｉｌｍｓ，ＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ

従来、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層を用いた場合、この光電変換層上には、非特許文献１に記載のように、Ａｕからなる電極が用いられていた。しかしながら、上記構造では、Ａｕからなる電極の接合強度が十分でなかった。そのため、例えばフレキシブル基板を用いて太陽電池を構成した場合、Ａｕからなる電極が、半導体層から剥離するおそれがあった。

本発明の目的は、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の上に配置された有機半導体層からの電極の剥離が生じ難い、太陽電池を提供することにある。

本発明によれば、導電性基板と、前記導電性基板と対向するように配置された電極層と、前記導電性基板と、前記電極層との間に配置された有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、前記電極層と前記光電変換層との間に配置された有機半導体層とを備え、前記電極層が、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる、太陽電池が提供される。

本発明に係る太陽電池のある特定の局面では、前記有機無機ペロブスカイト化合物が、一般式Ｒ−Ｍ−Ｘ（但し、Ｒは有機分子、Ｍは金属原子、Ｘはハロゲン原子またはカルコゲン原子である。）で表される。

本発明に係る太陽電池の他の特定の局面では、前記導電性基板が、フレキシブル基板である。この場合には、フレキシブル性を有するにも関わらず、光電変換層からの電極層の剥離が生じ難い。

本発明に係る太陽電池の別の特定の局面では、前記導電性基板が、金属箔からなる。

本発明に係る太陽電池のさらに他の特定の局面では、前記電極層が、ＩＴＯからなる。

本発明に係る太陽電池のさらに他の特定の局面では、前記電極層が、スパッタリング膜からなる。

本発明に係る太陽電池のさらに別の特定の局面では、前記電極層が、イオンプレーティング膜からなる。

本発明に係る太陽電池のさらに他の特定の局面では、前記導電性基板と、前記光電変換層との間に設けられている電子輸送層がさらに備えられている。

本発明に係る太陽電池によれば、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の上に配置された有機半導体層上に、直接、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる電極層が設けられており、該電極層の有機半導体層に対する密着強度が十分に高くなるため、電極層の剥離が生じ難い。

本発明の一実施形態に係る太陽電池の模式的平面図である。図１のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の模式的平面図であり、図２は、図１中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。

図２に示すように、太陽電池１は、導電性基板１１を有する。導電性基板１１は、適宜の導電性材料からなるが、好ましくは、フレキシブルな導電性材料からなる。このようなフレキシブルな導電性材料としては、公知の材料を用いることができ、例えば、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３混合物、Ａｌ／ＬｉＦ混合物等が挙げられる。陽極材料として、例えば、金等の金属、ＣｕＩ、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＳｎＯ_２、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）等の透明導電性材料、導電性透明ポリマー、金属箔等が挙げられる。なかでも、耐熱性に優れることから、金属箔が好適に用いられる。金属箔を構成する金属は特に限定されず、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉまたはステンレスなどの適宜の金属もしくは合金から用いることができる。なお、導電性基板１１は、フレキシブル性を有しておらずともよい。

導電性基板１１上に、太陽電池セル部３が積層されている。すなわち、太陽電池セル部３は、導電性基板１１側から順に、電子輸送層１２、光電変換層１３、有機半導体層１４及び電極層１５を有する。光電変換層１３は有機無機ペロブスカイト化合物を含む層である。太陽電池１では、有機無機ペロブスカイト化合物により光電変換が行われ、電力が取り出される。

本実施形態の太陽電池１の特徴は、上記有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層１３上の有機半導体層１４上に、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる電極層１５が直接積層されていることにある。

有機無機ペロブスカイト化合物からなる光電変換層は、従来、水に弱いため、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層上に有機半導体層を設け、更にＡｕなどからなる電極層を設けた場合、剥離しやすいと考えられていた。特に、フレキシブルな太陽電池に用いた場合、太陽電池に曲げ応力が加わるような、気候や環境下では、水分により電極の剥離が生じやすいと考えられていた。

本願発明者は、このような問題を種々検討した結果、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の上に配置された有機半導体層上に、直接、特定の材料からなる電極層を設けた場合には、剥離が生じ難いことを見出した。すなわち、電極層として、金属酸化物を含む透明導電性材料を用いれば、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の上に配置された有機半導体層に対する密着性が効果的に高められ、太陽電池が屈曲した場合でも、上記剥離が生じ難いことを見出し、本発明をなすに至った。上記有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層１３、有機半導体層１４及び上記金属酸化物を含む透明導電性材料からなる電極層１５について、より詳細に説明する。

上記光電変換層１３は、一般式Ｒ−Ｍ−Ｘ（但し、Ｒは有機分子、Ｍは金属原子、Ｘはハロゲン原子またはカルコゲン原子である。）で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含む。上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。

上記Ｒは有機分子であり、Ｃ_ｌＮ_ｍＨ_ｎ（ｌ、ｍ、ｎはいずれも正の整数）で示されることが好ましい。

上記Ｒは、具体的には例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、エチルメチルアミン、メチルプロピルアミン、ブチルメチルアミン、メチルペンチルアミン、ヘキシルメチルアミン、エチルプロピルアミン、エチルブチルアミン、イミダゾール、アゾール、ピロール、アジリジン、アジリン、アゼチジン、アゼト、アゾール、イミダゾリン、カルバゾール及びこれらのイオン（例えば、メチルアンモニウム（ＣＨ_３ＮＨ_３）など）やフェネチルアンモニウムなどが挙げられる。なかでも、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン及びこれらのイオンやフェネチルアンモニウムが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン及びこれらのイオンがより好ましい。

上記Ｍは金属原子であり、例えば、鉛、スズ、亜鉛、チタン、アンチモン、ビスマス、ニッケル、鉄、コバルト、銀、銅、ガリウム、ゲルマニウム、マグネシウム、カルシウム、インジウム、アルミニウム、マンガン、クロム、モリブデン、ユーロピウムなどが挙げられる。これらの金属原子は単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。

上記Ｘはハロゲン原子またはカルコゲン原子であり、例えば、塩素、臭素、ヨウ素、硫黄、セレンなどが挙げられる。これらのハロゲン原子またはカルコゲン原子は単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。なかでも、構造中にハロゲンを含有することで、上記有機無機ペロブスカイト化合物が有機溶媒に可溶になり、安価な印刷法などへの適用が可能になることから、ハロゲン原子が好ましい。更に、上記有機無機ペロブスカイト化合物のエネルギーバンドギャップが狭くなることから、ヨウ素がより好ましい。

上記有機無機ペロブスカイト化合物は、体心に金属原子Ｍ、各頂点に有機分子Ｒ、面心にハロゲン原子またはカルコゲン原子Ｘが配置された立方晶系の構造を有することが好ましい。

上記有機半導体層１４を得るための有機半導体としては、例えば、ポリ（３−アルキルチオフェン）などのチオフェン骨格を有する化合物などが挙げられる。また、例えば、ポリパラフェニレンビニレン骨格、ポリビニルカルバゾール骨格、ポリアニリン骨格、ポリアセチレン骨格などを有する導電性高分子なども挙げられる。更に、例えば、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ペンタセン骨格、ベンゾポルフィリン骨格などのポルフィリン骨格、スピロビフルオレン骨格などを有する化合物や、表面修飾されていてもよいカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどのカーボン含有材料も挙げられる。

電極層１５は、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる。このような材料としては、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの金属酸化物を含む透明導電材料が好適に用いられる。なかでも、透明性及び導電性に優れているので、ＩＴＯが好ましい。これらの材料は単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。

電極層１５は、上記のような金属酸化物を含む透明導電性材料からなるが、このような透明導電性材料は、上記有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の上に配置された有機半導体層に対しての密着性に優れている。そのため、前述した導電性基板１１がフレキシブル性を有し、太陽電池１全体がフレキシブル太陽電池である場合であっても、電極層１５の光電変換層１３からの剥離が生じ難い。

太陽電池１におけるその他の構造は、特に限定されるものではない。

上記電極層１５の形成方法については、好ましくは、スパッタリングまたはイオンプレーティングが用いられる。このよう粒子エネルギーの高い成膜方法を用いることにより、電極層１５の光電変換層１３の上に配置された有機半導体層１４に対する密着性を効果的に高めることができる。すなわち、スパッタリングやイオンプレーティングなどの粒子エネルギーの高い成膜方法を用いて、電極層１５を形成することが望ましい。従って、電極層１５は、好ましくは、スパッタリング膜あるいはイオンプレーティング膜である。

上記電子輸送層１２は設けられずともよいが、電子輸送層１２を設けることにより、光電変換効率を高めることができる。電子輸送層１２の材料は特に限定されず、例えば、Ｎ型導電性高分子、Ｎ型低分子有機半導体、Ｎ型金属酸化物、Ｎ型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属、界面活性剤などが挙げられる。具体的には例えば、シアノ基含有ポリフェニレンビニレン、ホウ素含有ポリマー、バソキュプロイン、バソフェナントレン、ヒドロキシキノリナトアルミニウム、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸化合物、ペリレン誘導体、ホスフィンオキサイド化合物、ホスフィンスルフィド化合物、フルオロ基含有フタロシアニン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、硫化スズ、硫化インジウム、硫化亜鉛などが挙げられる。

また、上記電子輸送層１２は、薄膜状の電子輸送層のみからなっていてもよいが、図２に示す第１の実施形態の太陽電池１のように、多孔質状の電子輸送層である第２の電子輸送層１２ｂを含むことが好ましい。より具体的には、本実施形態では、導電性基板１１上に薄膜状の第１の電子輸送層１２ａが積層されており、第１の電子輸送層１２ａ上に第２の電子輸送層１２ｂが積層されている。

さらに、本実施形態では、第２の電子輸送層１２ｂと導電性基板１１との間に位置する第１の電子輸送層１２ａにより、ホールをブロックすることができる。上記電子輸送層１２の厚みは、好ましい下限が１ｎｍ、好ましい上限が２０００ｎｍである。上記厚みが１ｎｍ以上であれば、充分にホールをブロックできるようになる。上記厚みが２０００ｎｍ以下であれば、電子輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率が高くなる。上記電子輸送層１２の厚みのより好ましい下限は３ｎｍ、より好ましい上限は１０００ｎｍであり、更に好ましい下限は５ｎｍ、更に好ましい上限は５００ｎｍである。

本実施形態では、上記特定の金属酸化物を含む透明導電性材料からなる電極層１５が、有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層１３の上に配置された有機半導体層１４に直接積層され、密着されている。従って、水分の侵入による劣化が生じ難く、信頼性を高めることができる。

次に、上記太陽電池１のその他の構造を説明する。

太陽電池セル部３上には、必須ではないが補助配線８が設けられている。図１に示すように、補助配線８は、格子状の形状を有する。もっとも、補助配線８は格子状の形状を有するものに限定されない。

図１及び図２に示すように、太陽電池セル部３の外側側面３Ａを封止するように、導電性基板１１上に、必須ではないが絶縁層５が設けられている。

太陽電池セル部の側面が露出している従来の太陽電池では、第１の電極と第２の電極とが短絡することがあった。太陽電池セル部の側面から、水分が侵入し易かったため、発電効率が低下することもあった。さらに、太陽電池セル部の光電変換層がＰｂを含んでいた場合、太陽電池セル部の側面からＰｂイオンが溶出し易かった。

これに対して、太陽電池セル部３の外側側面３Ａに絶縁層５が設けられている。絶縁層５は、電極層１５の上端に至っている。それによって、導電性基板１１と電極層１５とは、絶縁層５により確実に電気的に絶縁されている。さらに、例えば、太陽電池１の側面に異物が付着したとしても、異物は絶縁層５上に位置することになる。よって、付着した異物は電極層１５には接触し難い。このように、導電性基板１１と電極層１５とは短絡し難い。

なお、絶縁層５は、導電性基板１１の側面や裏面にも至っていてもよい。この場合、封止性を効果的に高めることができ、導電性基板１１と電極層１５との短絡はより一層生じ難くなる。

図１に示すように、補助配線８上及び電極層１５上に第２の端子７が接合されている。第２の端子７は、複数設けられていることが好ましい。他方、図２に示すように、第２の端子７が設けられている部分の下方に第１の端子９が設けられている。第１の端子９は、導電性基板１１と電気的に接合されている。

上記補助配線８、第１の端子９及び第２の端子７を構成する材料としては、導電性材料である限り、特に限定されるものではない。もっとも、好ましくは、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｇなどの金属もしくは合金を用いることが好ましい。第１の端子９及び第２の端子７は、表面が半田でめっきされていることが好ましい。この種の金属もしくは合金を用いることによりコストを低減することができる。さらに、電気的接続部分の電気抵抗を低め、より大きな電力を取り出すことができる。

１…太陽電池
３…太陽電池セル部
３Ａ…外側側面
５…絶縁層
７…第２の端子
８…補助配線
９…第１の端子
１１…導電性基板
１２…電子輸送層
１２ａ…第１の電子輸送層
１２ｂ…第２の電子輸送層
１３…光電変換層
１４…有機半導体層
１５…電極層

Claims

導電性基板と、
前記導電性基板と対向するように配置された電極層と、
前記導電性基板と、前記電極層との間に配置された有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、前記電極層と前記光電変換層との間に配置された有機半導体層と、
を備え、
前記電極層が、金属酸化物を含む透明導電性材料からなる、太陽電池。
前記有機無機ペロブスカイト化合物が、一般式Ｒ−Ｍ−Ｘ（但し、Ｒは有機分子、Ｍは金属原子、Ｘはハロゲン原子またはカルコゲン原子である。）で表される、請求項１に記載の太陽電池。
前記導電性基板が、フレキシブル基板である、請求項１または２に記載の太陽電池。
前記導電性基板が、金属箔からなる、請求項３に記載の太陽電池。
前記電極層が、ＩＴＯからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
前記電極層が、スパッタリング膜からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
前記電極層が、イオンプレーティング膜からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
前記導電性基板と、前記光電変換層との間に設けられている電子輸送層をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。