JP2017199893A - 光吸収材料およびそれを用いた太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
光吸収材料は、ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(N
H2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が位置し、X線光電子分光法による組成分析におけるPbに対するIの元素比率が1.8以上2.7以下である化合物を主として含む。
【選択図】なし
Description
本発明の基礎となった知見は以下のとおりである。
<組成>
本開示の一実施形態の光吸収材料は、ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(NH2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が配置されたペロブスカイト型化合物を主として含む。ペロブスカイト化合物のPbに対するIの元素比率は3未満である。言い換えると、Pbの元素比率を1、Iの元素比率を3×(1−x)とすると、x>0である。本明細書では、このxの値を、Pbに対するヨウ素の欠損率(以下、「ヨウ素欠損率」と略す)と呼ぶ。
本実施形態におけるペロブスカイト型化合物の、X線としてCuKα線を用いたX線回折(XRD)パターンは、例えば、13.9〜14.1°、19〜21°、23.5〜24.5°、27〜29°、30.5〜32.5°、33.5〜35.5°、39〜41°にピークを有する。本開示の光吸収材料が混合物でない場合には、これらのピークは単一ピークとして表れ、上記範囲内で複数のピークが存在することはない。また、混合物でない場合には、回折角40°以下において、上記以外のピークは存在しない。
本実施形態におけるペロブスカイト型化合物では、蛍光スペクトルのピークは、従来のFAPbI3よりも長波長側に位置している。従来のFAPbI3は、可視光(例えば532nm)の励起によって830nmにピークトップを有する蛍光スペクトルを示すのに対し、本実施形態のペロブスカイト型化合物は、例えば、880nm以上905nm以下にピークトップを有する蛍光スペクトルを示す。これは、本実施形態におけるペロブスカイト型化合物による長波長吸収は、不純物準位によるものではなく、伝導帯と価電子帯に、いわゆる直接遷移型半導体のように、高い電子密度分布を有していることを示している。
本実施形態におけるペロブスカイト型化合物は、太陽電池用の光吸収材料として有用な以下の物性を示し得る。
本実施形態におけるペロブスカイト型化合物は、従来のFAPBI3(バンドギャップ1.49eV)よりも1.4eVに近いバンドギャップを有し得る。本実施形態のペロブスカイト型化合物のバンドギャップは、好ましくは1.4eV程度、例えば1.35eV以上1.45eV未満である。
「蛍光寿命」とは、電荷分離後に、伝導帯の電子と価電子帯のホールとが再結合する際に発生する蛍光の寿命(減衰速度定数)をいう。図1は、本発明者の検討によって得られた、ペロブスカイト太陽電池におけるペロブスカイト型化合物の蛍光寿命と変換効率との関係を示す図である。図1から分かるように、太陽電池では、この蛍光寿命が長いほど、再結合する速度が小さくなる。この結果、取り出すことのできる電子とホールとが多くなるので、変換効率が高くなる。
次に、図面を参照しながら、本実施形態におけるペロブスカイト型化合物の作製方法の一例を説明する。ここでは、液相での結晶成長法を例に説明するが、本実施形態の作製方法はこれに限定されない。
2I- → I2 + 2e-
O2 +4e- +4H2O → 4OH-
保存時間Tsは、他のプロセス条件によっても変わるため一概にはいえないが、例えば1時間以上30日以内であってもよい。
4<σh<14 (1)
10<σp<22 (2)
あるいは、σhおよびσpは以下の範囲にあってもよい。
5<σh<8 (3)
13<σp<18 (4)
実施例および比較例のペロブスカイト型化合物(以下、単に「化合物」と略す)を作製し、物性を評価したので、その方法および結果を説明する。
[実施例1〜10]
図2Aから図2Cを参照しながら前述した方法で、実施例の化合物を作製した。具体的には、γ−ブチルラクトン(γ−BL)に1mol/LのPbI2(東京化成製)と、1mol/LのFAI(東京化成製)とを添加し、80℃に加熱したオイルバス中で溶解させ、黄色の溶液(第1の溶液)を得た。次いで、第1の溶液を一度室温まで冷却したのち、体積比率で0.7vol%の純水をよく攪拌しながら混合させた。得られた液体(第2の溶液)を室温で所定の時間(保存時間Ts)保存した。
まず、PbI2を1mol/L、FAIを1mol/Lの濃度で含むDMSO(ジメチルスルホキシド)溶液を用意した。次に、この溶液を基板上にスピンコート法で塗布した。基板として、フッ素ドープSnO2層が形成された厚さ1mmの導電性ガラス基板(日本板硝子製)を用いた。この後、基板を150℃のホットプレート上で熱処理することにより、比較例1から比較例3の化合物(FAPbI3膜)を得た。
各実施例および比較例の化合物の組成分析を行った。ここでは、実施例1および比較例1の化合物に、RBS、NRA測定を行い、実施例2から実施例5および比較例2の化合物に、XPS測定を行った。また、実施例6、7および比較例3の化合物に、EPMA(電子線マイクロアナライザ)測定を行った。
実施例1から実施例5および比較例1の化合物について、XRD測定を行った。
実施例1から5および比較例1の化合物に対し、532nmのレーザーを光源として蛍光測定および蛍光寿命測定を行った。
実施例1から5および比較例1の化合物の吸光度測定を行い、バンドギャップおよび吸収端の波長を算出した。
以下、図面を参照しながら、本実施形態の光吸収材料を用いた太陽電池の構造および製造方法を説明する。
基板1は、付随的な構成要素である。基板1は、太陽電池100の各層を保持する役割を果たす。基板1は、透明な材料から形成することができる。例えば、ガラス基板またはプラスチック基板(プラスチックフィルムを含む)を用いることができる。また、第1電極2が十分な強度を有している場合、第1電極2によって各層を保持することができるので、必ずしも基板1を設けなくてもよい。
第1電極2は、導電性を有する。また、第1電極2は、光吸収層5とオーミック接触を形成しない。さらに、第1電極2は、光吸収層5からの正孔に対するブロック性を有する。光吸収層5からの正孔に対するブロック性とは、光吸収層5で発生した電子のみを通過させ、正孔を通過させない性質のことである。このような性質を有する材料とは、光吸収層5の価電子帯下端のエネルギー準位よりも、フェルミ準位が低い材料である。具体的な材料としては、アルミニウムが挙げられる。
光吸収層5の光吸収材料は、本実施形態のペロブスカイト型化合物を含む。光吸収層5の厚さは、その光吸収の大きさにもよるが、例えば100nm以上1000nm以下である。光吸収層5は、前述したように、FAPbI3結晶を切り出すことによって形成されてもよい。なお、光吸収層5の形成方法は、特に限定されない。例えば、ペロブスカイト型化合物を含む溶液による塗布法を用いて形成することもできる。
第2電極6は、導電性を有する。また、第2電極6は、光吸収層5とオーミック接触しない。さらに、光吸収層5からの電子に対するブロック性を有する。光吸収層5からの電子に対するブロック性とは、光吸収層5で発生した正孔のみを通過させ、電子を通過させない性質のことである。このような性質を有する材料とは、光吸収層5の伝導帯上端のエネルギー準位よりも、フェルミ準位が高い材料である。具体的な材料としては、金、グラフェンなどの炭素材料が挙げられる。
第1電極22は、導電性を有する。第1電極22は、第1電極2と同様の構成とすることもできる。本実施形態では、電子輸送層3を用いるため、第1電極22は、光吸収層からの正孔に対するブロック性を有さなくてもよい。すなわち、第1電極22の材料は、光吸収層とオーミック接触する材料であってもよい。
電子輸送層3は、半導体を含む。電子輸送層3は、バンドギャップが3.0eV以上の半導体であってもよい。バンドギャップが3.0eV以上の半導体で電子輸送層3を形成することにより、可視光および赤外光を光吸収層5まで透過させることができる。半導体の例としては、有機または無機のn型半導体が挙げられる。
多孔質層4は、光吸収層5を形成する際の土台となる。多孔質層4は、光吸収層5の光吸収や、光吸収層5から電子輸送層3への電子移動を阻害しない。
上述したように、第2電極36は、光吸収層5からの電子に対するブロック性を有さなくてもよい。すなわち、第2電極36の材料は、光吸収層5とオーミック接触する材料であってもよい。そのため、第2電極36を、透光性を有するように形成することができる。
図9に示す基板1と同様の構成とすることができる。また、第2電極36が透光性を有している場合には、基板31の材料は、透光性を有さない材料であってもよい。例えば、基板31の材料として、金属やセラミックス、透過性の小さい樹脂材料を用いることができる。
正孔輸送層7は、有機物や、無機半導体などによって構成される。正孔輸送層7は、互いに異なる材料からなる複数の層を含んでいてもよい。
実施例および比較例の太陽電池を作製し、素子特性を評価したので、その方法および結果を説明する。
[実施例11]
実施例11として、図10に示す構成を有する太陽電池を作製した。光吸収層5として、前述の実施例1の化合物(FAPbI3結晶)を用いた。
基板1:ガラス基板 7mm×7mm、厚さ0.7mm
第1電極22:ITO (表面抵抗10Ω/□)
電子輸送層3:SnO2 厚さ20nm
光吸収層5:実施例1の化合物 厚さ200μm
第2電極6:Au 厚さ80nm
電子輸送層3であるSnO2層上に、比較例1と同様の方法で、光吸収層5としてFAPbI3膜を形成した点以外は、実施例11と同様の構成を有する太陽電池を作成した。
実施例11および比較例4の太陽電池の特性を評価するために、IPCE効率測定(incident photon to current conversion efficiency:波長ごとの量子効率測定)を行った。測定には、ソーラシミュレーター(分光計器社製、OTENTO−SUNV)を用いた。また、光源のエネルギーは、波長ごとに5mW/cm2とした。
2、22、32 第1電極
3 電子輸送層
4 多孔質層
5 光吸収層
6、36 第2電極
7 正孔輸送層
41 オイルバス
51 第1の溶液
52 第2の溶液
54 結晶
100、200、300、400 太陽電池
Claims (8)
- ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(NH2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が位置し、
X線光電子分光法による組成分析におけるPbに対するIの元素比率が1.8以上2.7以下である化合物を主として含む、光吸収材料。 - X線光電子分光法による組成分析におけるPbに対するIの元素比率は2.1以上2.7以下である、請求項1に記載の光吸収材料。
- ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(NH2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が位置し、Pbに対するIの元素比率が3未満である化合物を主として含み、
前記化合物は、880nm以上905nm以下に蛍光スペクトルのピークを有する、光吸収材料。 - ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(NH2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が位置し、Pbに対するIの元素比率が3未満である化合物を主として含み、
前記化合物のX線回折パターンは、13.9°≦2θ≦14.1°に位置する第1ピークと、23.5°≦2θ≦24.5°に位置する第2ピークと、27°≦2θ≦29°に位置する第3ピークとを有し、
前記第2ピークの強度は、前記第1ピークの強度の40%以下であり、
前記第3ピークの強度は、前記第1ピークの強度よりも大きい、光吸収材料。 - 前記化合物のX線回折パターンは、19.65°≦2θ≦19.71°に位置する第4ピークをさらに有する、請求項4に記載の光吸収材料。
- 前記化合物のX線回折パターンは、39.98°≦2θ≦40.10°に位置する第5ピークをさらに有する、請求項4または5に記載の光吸収材料。
- ABX3で示されるペロブスカイト型結晶構造を有し、Aサイトに(NH2)2CH+、BサイトにPb2+、XサイトにI-が位置し、
ラザフォード後方散乱分光法による組成分析におけるPbに対するIの元素比率が2.9以下である化合物を主として含む、光吸収材料。 - 導電性を有する第1電極と、
前記第1電極上に位置し、入射光を電荷に変換する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置し、導電性を有する第2電極と
を備え、
前記光吸収層は、請求項1から7のいずれかに記載の光吸収材料を含む、太陽電池。
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