JP2019208010A - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
第1電極、
第2電極、
前記第1電極および前記第2電極の間に位置する光吸収層、および
前記第1電極および前記光吸収層の間に位置する電子輸送層、
を具備し、
ここで、
前記第1電極および前記第2電極からなる群より選ばれる少なくとも1つの電極が透光性を有し、
前記光吸収層は、化学式ASnX3(ここで、Aは1価のカチオンであり、かつXはハロゲンアニオンである)で示されるペロブスカイト化合物を含有し、
前記電子輸送層は、TiおよびZnを含む電子輸送材料を含有し、かつ
前記電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位および前記ペロブスカイト化合物の伝導帯下端のエネルギー準位の間の差が0.42eV未満である。
本明細書において用いられる用語「ペロブスカイト化合物」とは、化学式ABX3(ここで、Aは1価のカチオン、Bは2価のカチオン、およびXはハロゲンアニオンである)で示されるペロブスカイト結晶構造体およびそれに類似する結晶を有する構造体を意味する。
本明細書において用いられる用語「スズ系ペロブスカイト化合物」とは、スズを含むペロブスカイト化合物を意味する。
本明細書において用いられる用語「スズ系ペロブスカイト太陽電池」とは、スズ系ペロブスカイト化合物を光吸収材料として含む太陽電池を意味する。
以下、本開示の基礎となった知見が説明される。
スズ系ペロブスカイト化合物は光吸収材料として優れた物性値を有するので、スズ系ペロブスカイト太陽電池は高い変換効率を有することが期待される。本発明者は、スズ系ペロブスカイト太陽電池の変換効率をさらに向上させるために、光吸収材料の伝導帯下端のエネルギー準位および電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位のマッチングに着目した。以下、伝導帯下端のエネルギー準位は、「伝導帯準位」と略される。
以下、本開示の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。
基板1は、第1電極2、電子輸送層3、光吸収層4、および第2電極6を保持する。基板1は、透明な材料から形成され得る。基板1の例は、ガラス基板またはプラスチック基板である。プラスチック基板の例は、プラスチックフィルムである。第1電極2が十分な強度を有している場合、第1電極2が、電子輸送層3、光吸収層4、および第2電極6を保持するので、太陽電池100は、基板1を有しなくてもよい。
第1電極2および第2電極6は、導電性を有する。第1電極2および第2電極6の少なくとも一方は透光性を有する。透光性を有する電極は、例えば、可視領域から近赤外領域までの光を透過させ得る。透光性を有する電極は、透明性かつ導電性を有する金属酸化物および金属窒化物の少なくとも1つから形成され得る。
金属酸化物の例は、
(i) リチウム、マグネシウム、ニオブ、およびフッ素からなる群から選択される少なくとも1つによってドープされた酸化チタン、
(ii) 錫およびシリコンからなる群から選択される少なくとも1つによってドープされた酸化ガリウム、
(iii) インジウム−錫複合酸化物、
(iv) アンチモンおよびフッ素からなる群から選択される少なくとも1つによってドープされた酸化錫、または
(v) ホウ素、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムからなる群から選択される少なくとも1つによってドープされた酸化亜鉛
である。
2種以上の金属酸化物が組み合わせられて複合物として用いられ得る。
金属窒化物の例は、シリコンおよび酸素からなる群から選択される少なくとも1つによってドープされた窒化ガリウムである。2種以上の金属窒化物が組み合わせられて用いられ得る。
金属酸化物および金属窒化物は組み合わせられて用いられ得る。
電子輸送層3は、前述されたように、TiおよびZnを含む電子輸送材料を含有している。
光吸収層4は、上述のとおり、化学式ASnX3で示されるペロブスカイト化合物を含む。光吸収層4は、化学式ASnX3で示されるペロブスカイト化合物を主として含んでいてもよい。「光吸収層4が、化学式ASnX3で示されるペロブスカイト化合物を主として含む」とは、光吸収層4が化学式ASnX3で示されるペロブスカイト化合物を70質量%以上含むことを意味する。光吸収層4は当該ペロブスカイト化合物を80質量%以上含んでいてもよい。光吸収層4は、化学式ASnX3で示されるペロブスカイト化合物以外の化合物をさらに含んでいてもよい。光吸収層4は、不純物を含み得る。
正孔輸送層5は、有機物または無機半導体によって構成される。正孔輸送層5のために用いられる代表的な有機物の例は、2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamine)9,9′-spirobifluorene(以下、「spiro−OMeTAD」という)、poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine](以下、「PTAA」という)、poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(以下、「P3HT」という)、またはpoly(3,4-ethylenedioxythiophene)(以下、「PEDOT」という)、銅フタロシアニン(以下、「CuPC」という)である。
多孔質層7は、光吸収層4を形成するための足場となる。多孔質層7は、光吸収層4から第1電極2へ電子が移動することを阻害しない。
以下の実施例を参照しながら、本開示はより詳細に説明される。
実施例1では、図2に示されるスズ系ペロブスカイト太陽電池200が以下のように作製された。
グローブボックス内で、電子輸送層3上に混合溶液(80マイクロリットル)をスピンコート法により塗布し、500ナノメートルの厚みを有する塗布膜を得た。次に、塗布膜を摂氏80度のホットプレート上で焼成し、光吸収層4を形成した。光吸収層4は、化学式FA0.83PEA0.17SnI3のペロブスカイト化合物を主として含有していた。化学式FA0.83PEA0.17SnI3のペロブスカイト化合物の伝導帯下端のエネルギー準位は、真空準位を基準として、−3.47eVであった。ペロブスカイト化合物の伝導帯下端のエネルギー準位は、電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位の測定方法と同様に測定された。当該測定方法は後述される。
実施例2では、以下の事項(i)を除き、実施例1と同様にスズ系ペロブスカイト太陽電池200を得た。
(i)イソプロパノール溶液に含まれるTTITおよびZnCl2の濃度が、それぞれ、6.5mmol/Lおよび8.0mmol/Lであったこと。
実施例2において、電子輸送層3は、Ti0.45Zn0.55O1.45から形成されていた。電子輸送層3の電子輸送材料の組成Ti0.45Zn0.55O1.45は、イソプロパノール溶液に含有されるTiのZnに対する比率に基づいて決定された。
実施例3では、以下の事項(i)を除き、実施例1と同様にスズ系ペロブスカイト太陽電池200を得た。
(i)イソプロパノール溶液に含まれるTTITおよびZnCl2の濃度が、それぞれ、3.0mmol/Lおよび11.5mmol/Lであったこと
実施例3において、電子輸送層3は、Ti0.21Zn0.79O1.21から形成されていた。電子輸送層3の電子輸送材料の組成Ti0.21Zn0.79O1.21は、イソプロパノール溶液に含有されるTiのZnに対する比率に基づいて決定された。
比較例1では、以下の事項(i)を除き、実施例1と同様にスズ系ペロブスカイト太陽電池200を得た。
(i)イソプロパノール溶液に含まれるTTITおよびZnCl2の濃度が、それぞれ、14.5mmol/Lおよび0mmol/Lであったこと。すなわち、比較例1では、ZnCl2は用いられなかった。
比較例1において、電子輸送層3は、TiO2から形成されていた。
比較例2では、以下の事項(i)を除き、実施例1と同様にスズ系ペロブスカイト太陽電池200を得た。
(i)イソプロパノール溶液に含まれるTTITおよびZnCl2の濃度が、それぞれ、0mmol/Lおよび14.5mmol/Lであったこと。すなわち、比較例2では、TTITは用いられなかった。
比較例2において、電子輸送層3は、ZnOから形成されていた。
電子輸送層3の電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位は、紫外電子分光測定および透過率測定に基づいて算出された。具体的には、基板1、第1電極2、および電子輸送層3の積層体が測定用サンプルとして用いられた。測定用サンプルは、光吸収層4、正孔輸送層5、および第2電極6を具備していなかった。言い換えれば、測定用サンプルは、表面に電子輸送層3を有していた。
実施例1〜実施例3および比較例1〜比較例2によるスズ系ペロブスカイト太陽電池200にソーラーシミュレータを用いて100mW/cm2の照度を有する擬似太陽光を照射し、次いで各スズ系ペロブスカイト太陽電池200の変換効率を算出した。表1は、算出結果を示す。図4は、電子輸送材料の化学式TixZn1-xO1+xに含まれるxの値、電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位、および太陽電池の変換効率の間の関係を示すグラフである。
2 第1電極
3 電子輸送層
4 光吸収層
5 正孔輸送層
6 第2電極
7 多孔質層
100,200 太陽電池
Claims (7)
- 太陽電池であって、
第1電極、
第2電極、
前記第1電極および前記第2電極の間に位置する光吸収層、および
前記第1電極および前記光吸収層の間に位置する電子輸送層、
を具備し、
ここで、
前記第1電極および前記第2電極からなる群より選ばれる少なくとも1つの電極が透光性を有し、
前記光吸収層は、化学式ASnX3(ここで、Aは1価のカチオンであり、かつXはハロゲンアニオンである)で示されるペロブスカイト化合物を含有し、
前記電子輸送層は、TiおよびZnを含む電子輸送材料を含有し、かつ
前記電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位および前記ペロブスカイト化合物の伝導帯下端のエネルギー準位の間の差が0.42eV未満である、
太陽電池。 - 請求項1に記載の太陽電池であって、
前記電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位は、真空準位を基準として、−3.89eVを超え、かつ−3.05eV未満である、
太陽電池。 - 請求項2に記載の太陽電池であって、
前記電子輸送材料の伝導帯下端のエネルギー準位は、真空準位を基準として、−3.46eV以上−3.24eV以下である、
太陽電池。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の太陽電池であって、
前記電子輸送材料は、化学式TixZn1-xO1+x(ここで、0<x<1)で示される酸化物から形成されている、
太陽電池。 - 請求項4に記載の太陽電池であって、
前記xの値は、0.20以上0.73以下である、
太陽電池。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載の太陽電池であって、
前記電子輸送層は、前記光吸収層と接しており、かつ
前記電子輸送材料は、前記電子輸送層の前記光吸収層と接する表面に設けられている、
太陽電池。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の太陽電池であって、
前記第2電極および前記光吸収層の間に位置する正孔輸送層をさらに具備している、
太陽電池
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