JP2022088091A - Photoelectric conversion element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a method for manufacturing the same.
光電変換素子は、例えば、光センサー、複写機、及び太陽電池に用いられている。この中で、太陽電池は、再生可能エネルギーの代表的な利用方法として本格的に普及しつつある。太陽電池としては、無機系光電変換素子を用いた太陽電池(例えば、シリコン系太陽電池、CIGS系太陽電池、及びCdTe系太陽電池)が普及している。 Photoelectric conversion elements are used in, for example, optical sensors, copiers, and solar cells. Among these, solar cells are becoming widespread in earnest as a typical method of using renewable energy. As the solar cell, a solar cell using an inorganic photoelectric conversion element (for example, a silicon-based solar cell, a CIGS-based solar cell, and a CdTe-based solar cell) has become widespread.
太陽電池としては、有機系光電変換素子を用いた太陽電池(例えば、有機薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池など)も検討されている。このような有機系光電変換素子を用いた太陽電池は、塗布処理で製造できるため、製造コストを低減できる可能性がある。そのため、有機系光電変換素子を用いた太陽電池は、次世代の太陽電池として期待されている。特に、ペロブスカイト型太陽電池が盛んに研究されている(例えば、特許文献1、2参照)。 As the solar cell, a solar cell using an organic photoelectric conversion element (for example, an organic thin film solar cell, a dye-sensitized solar cell, a perovskite type solar cell, etc.) is also being studied. Since a solar cell using such an organic photoelectric conversion element can be manufactured by a coating process, there is a possibility that the manufacturing cost can be reduced. Therefore, a solar cell using an organic photoelectric conversion element is expected as a next-generation solar cell. In particular, perovskite solar cells have been actively studied (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
しかし、ペロブスカイト化合物の結晶粒子の形状は、その製造環境に存在する水分(湿度)の影響を受け易い。具体的には、ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子を大気雰囲気下(特に、湿度50%RH以上の大気雰囲気下)で形成すると、水分の影響によってペロブスカイト化合物の針状結晶粒子が形成され、多孔質の光吸収層が形成される。このような多孔質の光吸収層上に電荷輸送層を塗布により形成した場合、多孔質である光吸収層の細孔(空隙)内に電荷輸送材料が浸透し、短絡により光電変換効率が低下する。そのため、ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子は、可能な限り湿度を低くした環境(例えば、グローブボックス内)で製造することが一般的である。このような環境であれば、ペロブスカイト化合物の板状結晶粒子が形成されるため、上述の短絡による光電変換効率の低下を抑制できる。しかし、ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子をこのような環境で製造すると、製造コストが増大する。さらに、ペロブスカイト太陽電池は、吸湿するとペロブスカイト結晶が分解して光電変換特性が低下する。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、光電変換効率に優れ、製造コストが低い光電変換素子及びその製造方法を提供する。
However, the shape of the crystal particles of the perovskite compound is easily affected by the moisture (humidity) present in the production environment. Specifically, when a photoelectric conversion element using a perovskite compound is formed in an atmospheric atmosphere (particularly, in an atmospheric atmosphere with a humidity of 50% RH or more), needle-like crystal particles of the perovskite compound are formed due to the influence of moisture and are porous. A quality light absorption layer is formed. When the charge transport layer is formed by coating on such a porous light absorption layer, the charge transport material permeates into the pores (voids) of the porous light absorption layer, and the photoelectric conversion efficiency is lowered due to a short circuit. do. Therefore, the photoelectric conversion element using the perovskite compound is generally manufactured in an environment where the humidity is as low as possible (for example, in a glove box). In such an environment, since plate-like crystal particles of the perovskite compound are formed, it is possible to suppress a decrease in photoelectric conversion efficiency due to the above-mentioned short circuit. However, if a photoelectric conversion element using a perovskite compound is manufactured in such an environment, the manufacturing cost increases. Further, when the perovskite solar cell absorbs moisture, the perovskite crystals are decomposed and the photoelectric conversion characteristics are deteriorated.
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency and low manufacturing cost, and a method for manufacturing the same.
本発明は、電子輸送層と、ホール輸送層と、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に配置された光吸収層とを備え、前記光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有し、前記ホール輸送層は、ホール輸送材料と、下記構造式で表されるポリカーボネート樹脂とを含むことを特徴とする光電変換素子を提供する。 The present invention includes an electron transport layer, a hole transport layer, and a light absorption layer arranged between the electron transport layer and the hole transport layer, and the light absorption layer is a needle-like crystal particle of a perovskite compound. Provided is a photoelectric conversion element having a porous region containing, wherein the hole transport layer contains a hole transport material and a polycarbonate resin represented by the following structural formula.
前記光吸収層はペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有する。このため、大気雰囲気下で光吸収層を形成することが可能となり、光電変換素子の製造コストを低減することができる。
ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有する前記光吸収層上(細孔内を含む)にホール輸送層を形成した場合であっても、前記ホール輸送層はポリカーボネート樹脂を含むため、ホール輸送層に含まれるホール輸送材料が電子輸送層と接触することを抑制することができ、短絡による光電変換効率が低下を抑制することができる。また、このポリカーボネート樹脂は、ガスバリア性に優れ、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子とホール輸送材料との電荷のやり取りが可能な状態で、光吸収層をコーティングするため、水分や酸化性ガスなどが光吸収層に浸入することによるペロブスカイト化合物の劣化を抑制することができる。このため、光電変換素子の耐久性及び耐湿性を向上させることができる。また、ポリカーボネート樹脂は可とう性を有し機械的強度に優れるため、光電変換素子の機械的強度を向上させることができる。
ホール輸送層は、化1の構造式で表されるポリカーボネート樹脂を含むため、ホール輸送層を塗布法で形成する際にトルエン、クロロベンゼンなどのペロブスカイト化合物を侵食することのない溶媒を使用することができ、溶媒によりペロブスカイト化合物が劣化することを抑制することができる。
The light absorbing layer has a porous region containing acicular crystal particles of a perovskite compound. Therefore, the light absorption layer can be formed in the atmosphere of the atmosphere, and the manufacturing cost of the photoelectric conversion element can be reduced.
Even when the hole transport layer is formed on the light absorption layer (including the inside of the pores) having the porous region containing the acicular crystal particles of the perovskite compound, since the hole transport layer contains the polycarbonate resin, It is possible to prevent the hole transport material contained in the hole transport layer from coming into contact with the electron transport layer, and it is possible to suppress a decrease in photoelectric conversion efficiency due to a short circuit. In addition, this polycarbonate resin has excellent gas barrier properties and coats the light absorption layer in a state where electric charges can be exchanged between the needle-shaped crystal particles of the perovskite compound and the hole transport material, so that moisture and oxidizing gas are emitted. Deterioration of the perovskite compound due to infiltration into the absorption layer can be suppressed. Therefore, the durability and moisture resistance of the photoelectric conversion element can be improved. Further, since the polycarbonate resin has flexibility and is excellent in mechanical strength, the mechanical strength of the photoelectric conversion element can be improved.
Since the hole transport layer contains the polycarbonate resin represented by the structural formula of Chemical formula 1, it is possible to use a solvent that does not erode perovskite compounds such as toluene and chlorobenzene when the hole transport layer is formed by the coating method. It is possible to prevent the perovskite compound from being deteriorated by the solvent.
本発明の光電変換素子は、電子輸送層と、ホール輸送層と、前記電子輸送層と前記ホール輸送層との間に配置された光吸収層とを備え、前記光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有し、前記ホール輸送層は、ホール輸送材料と、下記構造式で表されるポリカーボネート樹脂とを含むことを特徴とする。 The photoelectric conversion element of the present invention includes an electron transport layer, a hole transport layer, and a light absorption layer arranged between the electron transport layer and the hole transport layer, and the light absorption layer is made of a perovskite compound. It has a porous region containing needle-shaped crystal particles, and the hole transport layer is characterized by containing a hole transport material and a polycarbonate resin represented by the following structural formula.
本発明は、第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層を形成する第1電荷輸送層形成工程と、第1電荷輸送層上に、光吸収層を形成する光吸収層形成工程と、前記光吸収層上に、第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層を形成する第2電荷輸送層形成工程とを含む光電変換素子の製造方法も提供する。ここで、第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層、及び第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層のうち、一方が電子輸送材料を含有する電子輸送層であり、他方がホール輸送材料を含有するホール輸送層であり、前記光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有し、前記ホール輸送層は、ポリカーボネート樹脂と、前記ホール輸送材料とを含有する。 The present invention comprises a first charge transport layer forming step of forming a first charge transport layer containing a first charge transport material, and a light absorption layer forming step of forming a light absorption layer on the first charge transport layer. Also provided is a method for manufacturing a photoelectric conversion element including a second charge transport layer forming step of forming a second charge transport layer containing a second charge transport material on the light absorption layer. Here, of the first charge transport layer containing the first charge transport material and the second charge transport layer containing the second charge transport material, one is an electron transport layer containing an electron transport material and the other is an electron transport layer. It is a hole transport layer containing a hole transport material, the light absorption layer has a porous region containing acicular crystal particles of a perovskite compound, and the hole transport layer contains a polycarbonate resin and the hole transport material. contains.
以下、本発明の複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。但し、本発明は、実施形態に何ら限定されず、本発明の目的の範囲内で適宜変更を加えて実施できる。なお、図中、同一又は相当部分については、同一の参照符号を付して説明を省略することがある。本発明の実施形態において説明する各材料は、特に断りのない限り、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the object of the present invention. In the drawings, the same or corresponding parts may be referred to with the same reference numerals and description thereof may be omitted. Unless otherwise specified, each material described in the embodiment of the present invention may be used alone or in combination of two or more.
<第1実施形態:光電変換素子>
第1実施形態は、光電変換素子に関する。本実施形態に係る光電変換素子は、電子輸送層と、ホール輸送層と、光吸収層とを備える。光吸収層は、電子輸送層及びホール輸送層の間に配設される。光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含有する。ホール輸送層は、ポリカーボネート樹脂と、カーボンナノチューブ(ホール輸送材料)または特定の有機電荷輸送材料(ホール輸送材料)を含有する。
<First Embodiment: Photoelectric conversion element>
The first embodiment relates to a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element according to the present embodiment includes an electron transport layer, a hole transport layer, and a light absorption layer. The light absorption layer is arranged between the electron transport layer and the hole transport layer. The light absorption layer contains acicular crystal particles of the perovskite compound. The hole transport layer contains a polycarbonate resin and carbon nanotubes (hole transport material) or a specific organic charge transport material (hole transport material).
図1、2は、本実施形態の光電変換素子の概略断面図である。
以下、図1及び図2を参照して、本実施形態に係る光電変換素子20を説明する。図1に示す光電変換素子20は、一方の面から順番に、基体2と、第1導電層3と、電子輸送層4と、光吸収層6と、ホール輸送層7と、第2導電層8とを備える。電子輸送層4は、図1に示しように、第1導電層3側の緻密酸化チタン層11と、光吸収層6側の多孔質酸化チタン層12とを含む2層構造である。但し、図2に示すように、電子輸送層4は、緻密酸化チタン層11のみを含む1層構造であってもよい。光電変換素子20は、使用時に、例えば基体2側の面に光(例えば、太陽光)が照射される(この場合、基体2は、透明基板とすることができる)。但し、光電変換素子20は、使用時に、第2導電層8側の面に光が照射されてもよい。
1 and 2 are schematic cross-sectional views of the photoelectric conversion element of the present embodiment.
Hereinafter, the
既に述べたように、光吸収層6は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含有する。ホール輸送層7は、カーボンナノチューブ(ホール輸送材料)または特定の有機電荷輸送材料(ホール輸送材料)と、ポリカーボネート樹脂とを含有する。このような構成を有する本実施形態に係る光電変換素子20は、以下の第1~第5の利点を有する。
As described above, the
第1の利点を説明する。光吸収層6は、ペロブスカイト化合物の複数の針状結晶粒子により形成された多孔質領域を有する。ホール輸送層を形成する際に、光吸収層6が有する多孔質領域の細孔(空隙)に、ホール輸送材料が浸透した場合、電子輸送層4が含有する電子輸送材料とホール輸送材料とが接近又は接触して、電気抵抗が低下し、導電層間(即ち、第1導電層3と第2導電層8との間)の短絡が引き起こされることがある。また、ホール輸送層にピンホールなどの開口がある場合、第2導電層8を形成する際に、金属が開口に入り込み短絡を引き起こす場合がある。
しかし、本実施形態においては、ホール輸送層7が、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブだけでなく、ポリカーボネート樹脂を含有する。さらに特定構造のポリカーボネート樹脂であるため溶媒に対して溶解性が高く良好な塗布膜を形成しやすい。本発明者らは、ポリカーボネート樹脂により適度な絶縁性が付与されたカーボンナノチューブであれば、光吸収層6が有する多孔質領域の空隙にホール輸送層用塗布液が浸透した場合であっても、導電層間の短絡を抑制できることを見出した。導電層間の短絡が抑制されることにより、光電変換素子20の光電変換効率が向上する。
The first advantage will be described. The
However, in the present embodiment, the
第2の利点を説明する。第1の利点で説明したように、本実施形態に係る光電変換素子20は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を用いた場合であっても、導電層間の短絡を抑制できる。このため、可能な限り湿度を低くした環境(例えば、グローブボックス内)でペロブスカイト化合物の板状結晶粒子を製造する必要がない。従って、本実施形態に係る光電変換素子20は、大気雰囲気下にて製造できるため、製造コストが低い。
The second advantage will be described. As described in the first advantage, the
第3の利点を説明する。
ホール輸送層7に含まれるポリカーボネート樹脂は、ポリビニルブチラール樹脂のように水酸基を持たないため水分を吸収しにくい、また、ガスバリア性に優れる。このため、ホール輸送層7が大気中の水分や酸化性ガスが光吸収層6へと浸透するのを防ぐバリア層として機能することができ、水分や酸化性ガスによりペロブスカイト化合物が劣化することを抑制することができる。従って、光電変換効率が経時的に低下することを抑制することができ、光電変換素子20の耐久性、耐湿性、耐環境性などを向上させることができる。
The third advantage will be described.
Unlike the polyvinyl butyral resin, the polycarbonate resin contained in the
第4の利点を説明する。
ホール輸送層7に含まれるポリカーボネート樹脂は、可とう性、耐摩耗性を有し機械的強度に優れるため、光電変換素子の機械的強度、機械的耐久性を向上させることができる。なお、ポリカーボネート樹脂は耐摩耗性を有するため、複写機などに用いられる有機感光体の表面層に用いられている。
The fourth advantage will be described.
Since the polycarbonate resin contained in the
第5の利点を説明する。
ホール輸送層7に含まれる特定の有機電荷輸送材料(ホール輸送材料)はカーボンナノチューブと異なり可視光に対して透明であり反対面(第2導電層8側)から光吸収層6に光を照射することができる。このため、第1導電層3側と第2導電層8側の両側から光吸収層6に光を照射することが可能になり、両面からの光を利用可能である。
The fifth advantage will be described.
Unlike carbon nanotubes, the specific organic charge transport material (hole transport material) contained in the
次に、光電変換素子20を構成する構成要素について説明する。
[基体]
基体2の形状としては、例えば、平板状、フィルム状、及び円筒形状が挙げられる。光電変換素子20の基体2側の面に光を照射する場合、基体2は透明である。この場合、基体2の材質としては、例えば、透明ガラス(より具体的には、ソーダライムガラス、及び無アルカリガラス等)、及び耐熱性を有する透明樹脂が挙げられる。光電変換素子20の第2導電層8側の面に光を照射する場合、基体2は不透明でもよい。この場合、基体2の材質としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、クロム、マグネシウム、鉄、錫、チタン、金、銀、銅、タングステン、これらの合金(例えば、ステンレス鋼)及びセラミックが挙げられる。
Next, the constituent elements constituting the
[Hypokeimenon]
Examples of the shape of the
[第1導電層]
第1導電層3は、光電変換素子20の陰極に相当する。第1導電層3を構成する材料としては、例えば、透明導電性材料及び非透明導電性材料が挙げられる。透明導電性材料としては、例えば、ヨウ化銅(CuI)、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化スズ(SnO2)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、及びガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)が挙げられる。非透明導電性材料としては、例えば、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、アルミニウム-酸化アルミニウム混合物(Al/Al2O3)及びアルミニウム-フッ化リチウム混合物(Al/LiF)が挙げられる。第1導電層3の膜厚は、特に限定されず、所望の特性(例えば、電子の輸送性及び透明性)を発揮し得る膜厚であればよい。
[First conductive layer]
The first
[電子輸送層]
電子輸送層4は、光吸収層6において光励起により発生した電子を第1導電層3に輸送する層である。このため、電子輸送層4は、光吸収層6で発生した電子を第1導電層3に移動させ易い材料を含有することが好ましい。電子輸送層4は、電子輸送材料として、例えば、酸化チタンを含有する。電子輸送層4における酸化チタンの含有割合は、95質量%以上であることが好ましく、100質量%であることがより好ましい。
図1に示したように、電子輸送層4は、例えば、緻密酸化チタン層11と、多孔質層である多孔質酸化チタン層12とを含んでもよい。また、図2に示すように、電子輸送層4は、1層の緻密酸化チタン層11であってもよい。以下、緻密酸化チタン層11、及び多孔質酸化チタン層12について説明する。
[Electron transport layer]
The
As shown in FIG. 1, the
(緻密酸化チタン層)
緻密酸化チタン層11の空隙率は、多孔質酸化チタン層12よりも低い。このため、光電変換素子20の製造時に、光吸収層6の形成に用いる光吸収材料(ペロブスカイト化合物)が、多孔質酸化チタン層12を通過した場合であっても、緻密酸化チタン層11の層内に浸透し難い。このため、光電変換素子20が緻密酸化チタン層11を備えることで、光吸収材料と第1導電層3との接触が抑制される。また、光電変換素子20が緻密酸化チタン層11を備えることで、起電力低下の要因となる第1導電層3及び第2導電層8の接触が抑制される。図1のように、電子輸送層4が緻密酸化チタン層11と多孔質酸化チタン層12との2層を含む場合、緻密酸化チタン層11の膜厚としては、5nm以上200nm以下が好ましく、10nm以上100nm以下がより好ましい。図2のように、電子輸送層4が1層の緻密酸化チタン層11である場合、緻密酸化チタン層11の膜厚としては、2層を含む場合よりも厚く、200nm以上1000nm以下が好ましい。
(Dense titanium oxide layer)
The porosity of the dense
(多孔質酸化チタン層)
光電変換素子20が多孔質酸化チタン層12を備えることで、次の利点が得られる。多孔質酸化チタン層12の空隙率は、緻密酸化チタン層11よりも高い。このため、光電変換素子20の製造時に、光吸収層6の形成に用いる光吸収材料が多孔質酸化チタン層12の細孔に浸透し、光吸収層6と電子輸送層4との接触面積が増大する。これにより、光吸収層6において光励起により発生した電子が、効率よく電子輸送層4に移動する。また、多孔質酸化チタン層12の表面の凹凸は、緻密酸化チタン層11よりも大きい。表面の凹凸が大きい多孔質酸化チタン層12の上に光吸収層6が形成される場合、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子は、成長し過ぎず、適度な大きさとなる。適度な大きさの複数のペロブスカイト化合物針状結晶粒子により形成された多孔質領域の空隙は、ホール輸送材料が浸透し過ぎない適度な大きさとなり、導電層間の短絡が更に抑制される。多孔質酸化チタン層12の膜厚としては、100nm以上2,000nm以下が好ましく、200nm以上1,500nm以下がより好ましい。
(Porous titanium oxide layer)
When the
[光吸収層]
光吸収層6は、光電変換素子20に入射された光を吸収して電子及びホールを発生させる層である。詳しくは、光吸収層6に光が入射すると、光吸収材料に含まれる低いエネルギーの電子が光励起され、高いエネルギーの電子とホールとが発生する。発生した電子は、電子輸送層4へ移動する。発生したホールは、ホール輸送層7へ移動する。このような電子及びホールの移動により、電荷分離が行われる。
光吸収層6は、光吸収材料として、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含有する。光吸収層6は、複数のペロブスカイト化合物針状結晶粒子により形成された多孔質領域を有する。光吸収層6の多孔質領域の空隙の少なくとも一部には、ホール輸送層7を形成する際に浸透したポリカーボネート樹脂とホール輸送材料(カーボンナノチューブなど)が充填されている。
[Light absorption layer]
The
The
(ペロブスカイト化合物)
ペロブスカイト化合物は、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物である。本実施形態で用いられるペロブスカイト化合物の結晶粒子は、針状結晶粒子である。本明細書において、針状結晶粒子とは、粒子の短軸長さに対する粒子の長軸長さの比(アスペクト比)が5以上である結晶粒子をいう。
ペロブスカイト化合物の結晶粒子の長軸長さとしては、5μm以上50μm以下が好ましく、7μm以上20μm以下がより好ましい。ペロブスカイト化合物の結晶粒子のアスペクト比としては、5以上20以下が好ましく、7以上15以下がより好ましい。ペロブスカイト化合物の結晶粒子の長軸長さ及びアスペクト比が上述の範囲であることで、ホール輸送層7を形成する際に、複数のペロブスカイト化合物結晶粒子により形成される多孔質領域の空隙に、ポリカーボネート樹脂とホール輸送材料(カーボンナノチューブもしくは有機電荷輸送材料)が充填され易くなる。
(Perovskite compound)
The perovskite compound is a compound having a perovskite-type crystal structure. The crystal particles of the perovskite compound used in this embodiment are acicular crystal particles. In the present specification, the needle-shaped crystal particles refer to crystal particles in which the ratio (aspect ratio) of the major axis length of the particles to the minor axis length of the particles is 5 or more.
The major axis length of the crystal particles of the perovskite compound is preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 7 μm or more and 20 μm or less. The aspect ratio of the crystal particles of the perovskite compound is preferably 5 or more and 20 or less, and more preferably 7 or more and 15 or less. Since the major axis length and aspect ratio of the crystal particles of the perovskite compound are within the above ranges, the polycarbonate is formed in the voids of the porous region formed by the plurality of perovskite compound crystal particles when the
本明細書において、ペロブスカイト化合物の結晶粒子の長軸長さ、及びアスペクト比は、各々、ペロブスカイト化合物結晶粒子の長軸長さの算術平均値、及びアスペクト比の算術平均値を意味する。これらの算術平均値は、実施例に記載の方法により測定される。
ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子の大きさや形状は、次の方法で変更できる。例えば、光吸収層6を形成する際の製造環境の湿度が高くなるほど、ペロブスカイト化合物の結晶粒子のアスペクト比は大きくなる。また、製造に使用される材料の含水率が高くなるほど、ペロブスカイト化合物の結晶粒子のアスペクト比は大きくなる。また、凹凸の少ない面上でペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を形成するほど、針状結晶粒子の長軸長さ及び短軸長さが短くなる。
In the present specification, the major axis length and the aspect ratio of the crystal particles of the perovskite compound mean the arithmetic mean value of the major axis length of the perovskite compound crystal particles and the arithmetic mean value of the aspect ratio, respectively. These arithmetic mean values are measured by the method described in the examples.
The size and shape of the acicular crystal particles of the perovskite compound can be changed by the following method. For example, the higher the humidity of the manufacturing environment when forming the
光電変換効率を向上させる観点から、光吸収層6に含まれるペロブスカイト化合物としては、一般式:ABX3 (1)で表される化合物(以下、ペロブスカイト化合物(1)と記載することがある)が好ましい。
一般式(1)中、Aは有機分子であり、Bは金属原子であり、Xはハロゲン原子である。一般式(1)中、3つのXは、互いに同一のハロゲン原子を表してもよく、異なるハロゲン原子を表してもよい。
ペロブスカイト化合物(1)は、有機無機ハイブリッド化合物である。有機無機ハイブリッド化合物とは、無機成分と有機成分とで構成される化合物である。有機無機ハイブリッド化合物であるペロブスカイト化合物(1)を用いた光電変換素子20は、有機無機ハイブリッド光電変換素子とも呼ばれる。
From the viewpoint of improving the photoelectric conversion efficiency, the perovskite compound contained in the
In the general formula (1), A is an organic molecule, B is a metal atom, and X is a halogen atom. In the general formula (1), the three Xs may represent the same halogen atom or different halogen atoms.
The perovskite compound (1) is an organic-inorganic hybrid compound. The organic-inorganic hybrid compound is a compound composed of an inorganic component and an organic component. The
ペロブスカイト化合物(1)が有する結晶構造の立方晶系の基本単位格子を図3に示す。この基本単位格子は、各頂点に配置された有機分子Aと、体心に配置された金属原子Bと、各面心に配置されたハロゲン原子Xとを備えている。
光吸収材料が立方晶系の基本単位格子を有することは、X線回折法を用いて確認できる。詳しくは、ガラス板上に光吸収材料を含有する光吸収層6を作製し、光吸収層6を粉末状で回収し、粉末X線回折装置を用いて回収された粉末状の光吸収層6(光吸収材料)の回折パターンを測定する。或いは、光電変換素子20から光吸収層6を粉末状で回収し、粉末X線回折装置を用いて回収された粉末状の光吸収層6(光吸収材料)の回折パターンを測定する。
FIG. 3 shows the basic unit cell of the cubic system of the crystal structure of the perovskite compound (1). This basic unit cell includes an organic molecule A arranged at each vertex, a metal atom B arranged at the body center, and a halogen atom X arranged at each face center.
It can be confirmed by using the X-ray diffraction method that the light absorbing material has a cubic basic unit cell. Specifically, a
一般式(1)中、Aで表される有機分子としては、例えば、アルキルアミン、アルキルアンモニウム、及び含窒素複素環式化合物等が挙げられる。ペロブスカイト化合物(1)において、Aで表される有機分子は、1種の有機分子のみであってもよく、2種以上の有機分子であってもよい。 Examples of the organic molecule represented by A in the general formula (1) include alkylamines, alkylammoniums, nitrogen-containing heterocyclic compounds and the like. In the perovskite compound (1), the organic molecule represented by A may be only one kind of organic molecule or two or more kinds of organic molecules.
アルキルアミンとしては、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、及びエチルブチルアミン等が挙げられる。 Examples of the alkylamine include methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine and tri. Examples thereof include butylamine, tripentylamine, trihexylamine, ethylmethylamine, methylpropylamine, butylmethylamine, methylpentylamine, hexylmethylamine, ethylpropylamine, ethylbutylamine and the like.
アルキルアンモニウムは、上述のアルキルアミンのイオン化物である。アルキルアンモニウムとしては、例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)、エチルアンモニウム、プロピルアンモニウム、ブチルアンモニウム、ペンチルアンモニウム、ヘキシルアンモニウム、ジメチルアンモニウム、ジエチルアンモニウム、ジプロピルアンモニウム、ジブチルアンモニウム、ジペンチルアンモニウム、ジヘキシルアンモニウム、トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、トリプロピルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、トリペンチルアンモニウム、トリヘキシルアンモニウム、エチルメチルアンモニウム、メチルプロピルアンモニウム、ブチルメチルアンモニウム、メチルペンチルアンモニウム、ヘキシルメチルアンモニウム、エチルプロピルアンモニウム、及びエチルブチルアンモニウム等が挙げられる。 Alkylammonium is an ionized product of the above-mentioned alkylamine. Examples of the alkylammonium include methylammonium (CH 3 NH 3 ), ethylammonium, propylammonium, butylammonium, pentylammonium, hexylammonium, dimethylammonium, diethylammonium, dipropylammonium, dibutylammonium, dipentylammonium, dihexylammonium, and the like. Trimethylammonium, triethylammonium, tripropylammonium, tributylammonium, tripentylammonium, trihexylammonium, ethylmethylammonium, methylpropylammonium, butylmethylammonium, methylpentylammonium, hexylmethylammonium, ethylpropylammonium, ethylbutylammonium, etc. Can be mentioned.
含窒素複素環式化合物としては、例えば、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、及びカルバゾール等が挙げられる。含窒素複素環式化合物は、イオン化物であってもよい。イオン化物である含窒素複素環式化合物としては、フェネチルアンモニウムが好ましい。
Aで表される有機分子としては、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、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム、プロピルアンモニウム、ブチルアンモニウム、ペンチルアンモニウム、ヘキシルアンモニウム又は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、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム、又はプロピルアンモニウムがより好ましく、メチルアンモニウムが更に好ましい。
Examples of the nitrogen-containing heterocyclic compound include imidazole, azole, pyrrole, aziridine, azirine, azetidine, azete, azole, imidazoline, and carbazole. The nitrogen-containing heterocyclic compound may be an ionized product. As the nitrogen-containing heterocyclic compound which is an ionized product, phenethylammonium is preferable.
As the organic molecule represented by A, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, methylammonium, ethylammonium, propylammonium, butylammonium, pentylammonium, hexylammonium or phenethylammonium are preferable. Amines, ethylamines, propylamines, methylammoniums, ethylammoniums, or propylammoniums are more preferred, and methylammoniums are even more preferred.
一般式(1)中、Bで表される金属原子としては、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、及びユーロピウム等が挙げられる。ペロブスカイト化合物(1)において、Bで表される金属原子は、1種の金属原子のみであってもよく、2種以上の金属原子であってもよい。光吸収層6の光吸収特性及び電荷発生特性を向上させる観点から、Bで表される金属原子としては、鉛原子が好ましい。
In the general formula (1), examples of the metal atom represented by B include lead, tin, zinc, titanium, antimony, bismuth, nickel, iron, cobalt, silver, copper, gallium, germanium, magnesium, calcium and indium. , Aluminum, manganese, chromium, molybdenum, and europium. In the perovskite compound (1), the metal atom represented by B may be only one kind of metal atom or two or more kinds of metal atoms. From the viewpoint of improving the light absorption characteristics and the charge generation characteristics of the
一般式(1)中、Xで表され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、及びヨウ素原子等が挙げられる。ペロブスカイト化合物(1)において、Xで表されるハロゲン原子は、1種のハロゲン原子であってもよく、2種以上のハロゲン原子であってもよい。Xで表されるハロゲン原子としては、ペロブスカイト化合物(1)のエネルギーバンドギャップを狭くする観点から、ヨウ素原子が好ましい。詳しくは、3つのXのうち、少なくとも1つのXがヨウ素原子を表すことが好ましく、3つのXがヨウ素原子を表すことがより好ましい。 Examples of the halogen atom represented by X in the general formula (1) include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom and the like. In the perovskite compound (1), the halogen atom represented by X may be one kind of halogen atom or two or more kinds of halogen atoms. As the halogen atom represented by X, an iodine atom is preferable from the viewpoint of narrowing the energy band gap of the perovskite compound (1). Specifically, it is preferable that at least one of the three Xs represents an iodine atom, and it is more preferable that the three Xs represent an iodine atom.
ペロブスカイト化合物(1)としては、一般式「CH3NH3PbX3(但し、Xはハロゲン原子を表す)」で表される化合物が好ましく、CH3NH3PbI3がより好ましい。ペロブスカイト化合物(1)として一般式「CH3NH3PbX3」で表される化合物(特に、CH3NH3PbI3)を用いることで、光吸収層6において電子とホールとをより効率良く発生させることができ、その結果、光電変換素子20の光電変換効率をより向上できる。
As the perovskite compound (1), a compound represented by the general formula “CH 3 NH 3 PbX 3 (where X represents a halogen atom)” is preferable, and CH 3 NH 3 PbI 3 is more preferable. By using a compound represented by the general formula "CH 3 NH 3 PbX 3 " (particularly CH 3 NH 3 PbI 3 ) as the perovskite compound (1), electrons and holes are generated more efficiently in the
[ホール輸送層]
ホール輸送層7は、光吸収層6で発生したホールを捉えて、陽極である第2導電層8に輸送する層である。ホール輸送層7の膜厚としては、20nm以上2,000nm以下が好ましく、200nm以上600nm以下がより好ましい。ホール輸送層7の膜厚を20nm以上2,000nm以下とすることで、光吸収層6で発生したホールを円滑かつ効率的に第2導電層8に移動させることができる。
ホール輸送層7は、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブまたは特定の有機電荷輸送材料と、結着樹脂であるポリカーボネート樹脂とを含有する。
[Hall transport layer]
The
The
(カーボンナノチューブ)
カーボンナノチューブとしては、例えば、単層カーボンナノチューブ、及び多層カーボンナノチューブが挙げられる。カーボンナノチューブとしては、多層カーボンナノチューブが好ましい。ホール輸送層7は、ホール輸送材料として、カーボンナノチューブのみを含有してもよい。カーボンナノチューブの形状は、外径5nm~40nm、好ましくは10nm~20nm、長さ0.1μm~10μm、好ましくは1μm~2μmである。
ホール輸送層7におけるカーボンナノチューブの含有割合としては、10質量%以上80質量%以下が好ましく、25質量%以上60質量%以下がより好ましく、40質量%以上60質量%以下が更に好ましい。なお、第2導電層8側から光を入射する場合には、カーボンナノチューブの含有量を減らし、ホール輸送層7が半透明になる程度の含有割合でカーボンナノチューブを含有することが好ましい。
ポリカーボネート樹脂の質量MRに対する、カーボンナノチューブの質量MCの比率MC/MRは、好ましくは0.3以上1.5以下、より好ましくは0.5以上1.0以下であることが好ましい。比率MC/MRが上述の範囲内であると、ポリカーボネート樹脂によってカーボンナノチューブに適度な絶縁性が付与され、導電層間の短絡を更に抑制できる。
(carbon nanotube)
Examples of carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes. As the carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube is preferable. The
The content ratio of the carbon nanotubes in the
The ratio MC / MR of the mass MC of the carbon nanotube to the mass MR of the polycarbonate resin is preferably 0.3 or more and 1.5 or less, and more preferably 0.5 or more and 1.0 or less. When the ratio MC / MR is within the above range, the polycarbonate resin imparts appropriate insulating properties to the carbon nanotubes, and short circuits between the conductive layers can be further suppressed.
(有機電荷輸送材料)
ホール輸送層7は、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブに替えてホール輸送材料である有機電荷輸送材料を含有することができる。この場合、ホール輸送層7は、ホール輸送材料である有機電荷輸送材料と、結着樹脂であるポリカーボネート樹脂とを含有する。
なお、第2導電層8側から光を入射する場合でも、ホール輸送層7が可視光に対してほぼ透明になるのでカーボンナノチューブの場合のような含有量に制限はない。
ポリカーボネート樹脂の質量MRに対する、有機電荷輸送材料の質量MCの比率MC/MRは、好ましくは4以上15以下、より好ましくは5以上10以下である。比率MC/MRが上述の範囲内であると、有機電荷輸送材料はカーボンナノチューブより導電性が低いためより多く含有する必要がある。また、比率MC/MRが上述の範囲内であると、ポリカーボネート樹脂によって有機電荷輸送材料に適度な絶縁性が付与され、導電層間の短絡を更に抑制できる。
有機電荷輸送材料は、例えば、下記構造式で表される化合物である。
(Organic charge transport material)
The
Even when light is incident from the second
The ratio MC / MR of the mass MC of the organic charge transport material to the mass MR of the polycarbonate resin is preferably 4 or more and 15 or less, and more preferably 5 or more and 10 or less. When the ratio MC / MR is within the above range, the organic charge transport material has lower conductivity than carbon nanotubes, and therefore needs to be contained in a larger amount. Further, when the ratio MC / MR is within the above range, the polycarbonate resin imparts appropriate insulating properties to the organic charge transport material, and short circuit between the conductive layers can be further suppressed.
The organic charge transport material is, for example, a compound represented by the following structural formula.
例えば、有機電荷輸送材料は、表1に示したR7~R10を有する化合物例1~11である。
For example, the organic charge transport material is Compound Examples 1 to 11 having R 7 to R 10 shown in Table 1.
例えば、化合物例4は、下記構造式で表される化合物である。 For example, Compound Example 4 is a compound represented by the following structural formula.
(ポリカーボネート樹脂)
カーボンナノチューブとの親和性に優れ、カーボンナノチューブに適度な絶縁性を付与できることから、光吸収層6は、特定のポリカーボネート樹脂を含有する。ポリカーボネート樹脂は、光吸収層6に含有されるペロブスカイト化合物の結晶構造に影響を与え難い溶媒(例えば、トルエン、又はクロロベンゼン)に、可溶である。このため、このような溶媒と、溶媒に溶解したポリカーボネート樹脂とを含有するホール輸送層用塗布液を、光吸収層6に塗布してホール輸送層7を形成する際に、光吸収層6に含有されるペロブスカイト化合物の結晶構造が変化することを抑制できる。
特定のポリカーボネート樹脂は、下記構造式で表される構造単位を主要繰り返し単位として有するポリカーボネート樹脂である。
(Polycarbonate resin)
The light
The specific polycarbonate resin is a polycarbonate resin having a structural unit represented by the following structural formula as a main repeating unit.
また、ポリカーボネート樹脂は、下記構造式で表される樹脂であってもよい。
Further, the polycarbonate resin may be a resin represented by the following structural formula.
このようなポリカーボネート樹脂は水酸基を有さないため、水分を含有しにくい。このため、ホール輸送層7中のポリカーボネート樹脂は大気中の水分が光吸収層6に浸透することを防ぐバリアとなり、水分によるペロブスカイト化合物の劣化を抑制することができる。なお、ISOに規定されているポリカーボネート樹脂の水分率の測定値は、0.1~1%である。
また、化6のようなビスフェノールZ構造を有するポリカーボネート樹脂は、特にガスバリア性に優れるため、ホール輸送層7中のポリカーボネート樹脂は大気中の酸化性ガス(例えば酸素ガス)が光吸収層6に浸透することを防ぐバリアとなり、酸化性ガスによるペロブスカイト化合物の劣化を抑制することができる。なお、複写機などに用いられている有機感光体では、ビスフェノールZ構造を有するポリカーボネート樹脂は、耐オゾン性及び耐酸化性ガスの向上のために用いられている。
Since such a polycarbonate resin does not have a hydroxyl group, it is difficult to contain water. Therefore, the polycarbonate resin in the
Further, since the polycarbonate resin having a bisphenol Z structure such as
[第2導電層]
第2導電層8は、光電変換素子20の陽極に相当する。第2導電層8を構成する材料としては、例えば、金属、透明導電性無機材料、導電性微粒子、及び導電性ポリマー(特に、透明導電性ポリマー)が挙げられる。金属としては、例えば、金、銀、及び白金が挙げられる。透明導電性無機材料としては、例えば、ヨウ化銅(CuI)、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化スズ(SnO2)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、及びガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)が挙げられる。導電性微粒子としては、例えば、銀ナノワイヤー及びカーボンナノファイバーが挙げられる。透明導電性ポリマーとしては、例えば、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸とを含むポリマー(PEDOT/PSS)が挙げられる。
[Second conductive layer]
The second
第2導電層8側から光電変換素子20に光が入射する場合、入射した光を光吸収層6に到達させるため、第2導電層8は透明または半透明であることがより好ましい。透明又は半透明の第2導電層8を構成する材料としては、透明導電性無機材料又は透明導電性ポリマーが好ましい。第2導電層8の膜厚としては、50nm以上1,000nm以下が好ましく、100nm以上300nm以下がより好ましい。
When light is incident on the
[その他]
以上、図1、2を参照して、本実施形態に係る光電変換素子の一例である光電変換素子20について説明した。但し、本実施形態に係る光電変換素子は、光電変換素子20に限定されず、例えば以下の点を変更可能である。
本実施形態に係る光電変換素子は、第2導電層上に表面層を更に備えてもよい。表面層は、空気中の水分及び酸素による光電変換素子の内部の劣化を抑制する層である。また、表面層は、光電変換素子の使用時に衝撃及び傷から外面を保護する層である。表面層を構成する材料としては、ガスバリア性の高い材料が好ましい。ポリカーボネート樹脂によるガスバリア性をさらに補強するからである。表面層は、例えば、樹脂組成物、シュリンクフィルム、ラップフィルム、又はクリア塗料を用いて形成できる。一方、密閉容器に収容して使用される光電変換素子は、表面層を備えないことが好ましい。光電変換素子の表面層側から光を入射する場合、表面層は、透明又は半透明であることが好ましく、透明であることがより好ましい。
[others]
As described above, the
The photoelectric conversion element according to the present embodiment may further include a surface layer on the second conductive layer. The surface layer is a layer that suppresses deterioration of the inside of the photoelectric conversion element due to moisture and oxygen in the air. The surface layer is a layer that protects the outer surface from impacts and scratches when the photoelectric conversion element is used. As the material constituting the surface layer, a material having a high gas barrier property is preferable. This is because the gas barrier property of the polycarbonate resin is further reinforced. The surface layer can be formed using, for example, a resin composition, a shrink film, a wrap film, or a clear paint. On the other hand, it is preferable that the photoelectric conversion element housed in a closed container and used does not have a surface layer. When light is incident from the surface layer side of the photoelectric conversion element, the surface layer is preferably transparent or translucent, and more preferably transparent.
本実施形態に係る光電変換素子の電子輸送層は、酸化チタンを含有していなくてもよい。例えば、電子輸送層は、酸化チタン以外の材料で構成された緻密層と、酸化チタン以外の材料で構成された多孔質層とを備えていてもよい。また、電子輸送層は、単層であってもよく、3層以上の多層構造であってもよい。 The electron transport layer of the photoelectric conversion element according to the present embodiment does not have to contain titanium oxide. For example, the electron transport layer may include a dense layer made of a material other than titanium oxide and a porous layer made of a material other than titanium oxide. Further, the electron transport layer may be a single layer or may have a multi-layer structure of three or more layers.
本実施形態に係る光電変換素子は、基体、第1導電層、及び第2導電層を備えなくてもよい。即ち、光電変換素子において、基体、第1導電層、及び第2導電層は、各々、省略されてもよい。また、本実施形態に係る光電変換素子が基体を備える場合、基体は導電性を有していてもよい。この場合、基体は、第1導電層としての機能も果たす。 The photoelectric conversion element according to the present embodiment does not have to include a substrate, a first conductive layer, and a second conductive layer. That is, in the photoelectric conversion element, the substrate, the first conductive layer, and the second conductive layer may be omitted. Further, when the photoelectric conversion element according to the present embodiment includes a substrate, the substrate may have conductivity. In this case, the substrate also functions as a first conductive layer.
<第2実施形態:光電変換素子の製造方法>
第2実施形態は、光電変換素子の製造方法に関する。本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、第1電荷輸送層形成工程と、光吸収層形成工程と、第2電荷輸送層形成工程とを含む。第1電荷輸送層形成工程において、第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層を形成する。光吸収層形成工程において、第1電荷輸送層上に、光吸収層を形成する。第2電荷輸送層形成工程において、光吸収層上に、第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層を形成する。第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層、及び第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層のうちの一方が、電子輸送材料を含有する電子輸送層である。第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層、及び第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層のうちの他方が、ホール輸送材料を含有するホール輸送層である。光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含有する。ホール輸送層は、ポリカーボネート樹脂と、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブまたは有機電荷輸送材料とを含有する。
本実施形態に係る製造方法により得られる光電変換素子は、例えば、第1実施形態に係る光電変換素子である。本実施形態に係る製造方法により得られる光電変換素子は、第1実施形態で述べた理由と同じ理由により、光電変換効率に優れ、製造コストが低い。
<Second Embodiment: Manufacturing Method of Photoelectric Conversion Element>
The second embodiment relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion element. The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present embodiment includes a first charge transport layer forming step, a light absorption layer forming step, and a second charge transport layer forming step. In the first charge transport layer forming step, the first charge transport layer containing the first charge transport material is formed. In the light absorption layer forming step, the light absorption layer is formed on the first charge transport layer. In the second charge transport layer forming step, the second charge transport layer containing the second charge transport material is formed on the light absorption layer. One of the first charge transport layer containing the first charge transport material and the second charge transport layer containing the second charge transport material is the electron transport layer containing the electron transport material. The other of the first charge transport layer containing the first charge transport material and the second charge transport layer containing the second charge transport material is the hole transport layer containing the hole transport material. The light absorption layer contains acicular crystal particles of the perovskite compound. The hole transport layer contains a polycarbonate resin and a carbon nanotube or an organic charge transport material which is a hole transport material.
The photoelectric conversion element obtained by the manufacturing method according to the present embodiment is, for example, the photoelectric conversion element according to the first embodiment. The photoelectric conversion element obtained by the manufacturing method according to the present embodiment has excellent photoelectric conversion efficiency and low manufacturing cost for the same reason as described in the first embodiment.
本実施形態に係る光電変換素子の製造方法では、第1電荷輸送材料を含有する第1電荷輸送層が、電子輸送材料を含有する電子輸送層であり、第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層が、ホール輸送材料を含有するホール輸送層であることが好ましい。即ち、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法では、第1電荷輸送層形成工程において電子輸送層を形成し、第2電荷輸送層形成工程においてホール輸送層を形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present embodiment, the first charge transport layer containing the first charge transport material is an electron transport layer containing an electron transport material, and the second charge transport material is contained. The charge transport layer is preferably a hole transport layer containing a hole transport material. That is, in the method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present embodiment, it is preferable to form an electron transport layer in the first charge transport layer forming step and to form a hole transport layer in the second charge transport layer forming step.
再び図1及び図2を参照して、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法の一例として、光電変換素子20の製造方法を説明する。図1に示す光電変換素子20の製造方法は、例えば、基体2及び第1導電層3を備える積層体を準備する積層体準備工程と、積層体における第1導電層3上に、電子輸送材料を含有する電子輸送層4を形成する電子輸送層形成工程と、電子輸送層4上に光吸収層6を形成する光吸収層形成工程と、光吸収層6上に、ホール輸送材料を含有するホール輸送層7を形成するホール輸送層形成工程と、ホール輸送層7上に第2導電層8を形成する第2導電層形成工程とを備える。この製造方法では、電子輸送材料が第1電荷輸送材料であり、電子輸送層4が第1電荷輸送層であり、電子輸送層形成工程が第1電荷輸送層形成工程であり、ホール輸送材料が第2電荷輸送材料であり、ホール輸送層7が第2電荷輸送層であり、ホール輸送層形成工程が第2電荷輸送層形成工程である。
The manufacturing method of the
[積層体準備工程]
本工程では、基体2及び第1導電層3を備える積層体を準備する。積層体は、例えば、基体2上に第1導電層3を形成することで得られる。基体2上に第1導電層3を形成する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、及びメッキ法が挙げられる。
[Laminate preparation process]
In this step, a laminated body including the
[電子輸送層形成工程]
本工程では、積層体の第1導電層3上に、電子輸送材料を含有する電子輸送層4を形成する。詳しくは、図1に示す光電変換素子20を製造する場合、本工程は、緻密酸化チタン層形成工程と、多孔質酸化チタン層形成工程とを含む。もしくは、図2に示す光電変換素子20を製造する場合、本工程は、緻密酸化チタン層形成工程のみを含む。
[Electron transport layer forming process]
In this step, an
(緻密酸化チタン層形成工程)
本工程では、積層体の第1導電層3上に緻密酸化チタン層11を形成する。第1導電層3上に緻密酸化チタン層11を形成する方法としては、例えば、チタンキレート化合物を含有する緻密酸化チタン層用塗布液を第1導電層3上に塗布した後、焼成する方法が挙げられる。緻密酸化チタン層用塗布液を第1導電層3上に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、スクリーン印刷法、キャスト法、浸漬塗布法、ロールコート法、スロットダイ法、スプレーパイロリシス法、及びエアロゾルデポジション法が挙げられる。焼成後、形成された緻密酸化チタン層11を四塩化チタン水溶液に浸漬させるとよい。この処理により、緻密酸化チタン層11の緻密性を増大させることができる。
(Dense titanium oxide layer forming process)
In this step, the dense
緻密酸化チタン層用塗布液の溶媒としては、例えば、アルコール(特に、1-ブタノール)が挙げられる。緻密酸化チタン層用塗布液が含有するチタンキレート化合物としては、例えば、アセト酢酸エステルキレート基を有する化合物、及びβ-ジケトンキレート基を有する化合物が挙げられる。 Examples of the solvent of the coating liquid for the dense titanium oxide layer include alcohol (particularly 1-butanol). Examples of the titanium chelate compound contained in the coating liquid for the dense titanium oxide layer include a compound having an acetoacetic ester chelate group and a compound having a β-diketone chelate group.
アセト酢酸エステルキレート基を有する化合物としては、特に限定されないが、例えば、ジイソプロポキシチタニウムビス(メチルアセトアセテート)、ジイソプロポキシチタニウムビス(エチルアセトアセテート)、ジイソプロポキシチタニウムビス(プロピルアセトアセテート)、ジイソプロポキシチタニウムビス(ブチルアセトアセテート)、ジブトキシチタニウムビス(メチルアセトアセテート)、ジブトキシチタニウムビス(エチルアセトアセテート)、トリイソプロポキシチタニウム(メチルアセトアセテート)、トリイソプロポキシチタニウム(エチルアセトアセテート)、トリブトキシチタニウム(メチルアセトアセテート)、トリブトキシチタニウム(エチルアセトアセテート)、イソプロポキシチタニウムトリ(メチルアセトアセテート)、イソプロポキシチタニウムトリ(エチルアセトアセテート)、イソブトキシチタニウムトリ(メチルアセトアセテート)、及びイソブトキシチタニウムトリ(エチルアセトアセテート)が挙げられる。 The compound having an acetoacetic acid ester chelating group is not particularly limited, and for example, diisopropoxytitanium bis (methylacetate), diisopropoxytitanium bis (ethylacetate), diisopropoxytitanium bis (propylacetacetate). , Diisopropoxytitanium bis (butylacetate), dibutoxytitanium bis (methylacetate), dibutoxytitanium bis (ethylacetate), triisopropoxytitanium (methylacetate), triisopropoxytitanium (ethylacetate acetate) ), Tributoxytitanium (methylacetacetate), Tributoxytitanium (ethylacetate acetate), Isopropoxytitanium tri (methylacetate acetate), Isopropoxytitanium tri (ethylacetacetate), Isobutoxytitanium tri (methylacetacetate), And isobutoxytitanium tri (ethylacetacetate).
β-ジケトンキレート基を有する化合物としては、特に限定されないが、例えば、ジイソプロポキシチタニウムビス(アセチルアセトネート)、ジイソプロポキシチタニウムビス(2,4-ヘプタンジオネート)、ジブトキシチタニウムビス(アセチルアセトネート)、ジブトキシチタニウムビス(2,4-ヘプタンジオネート)、トリイソプロポキシチタニウム(アセチルアセトネート)、トリイソプロポキシチタニウム(2,4-ヘプタンジオネート)、トリブトキシチタニウム(アセチルアセトネート)、トリブトキシチタニウム(2,4-ヘプタンジオネート)、イソプロポキシチタニウムトリ(アセチルアセトネート)、イソプロポキシチタニウムトリ(2,4-ヘプタンジオネート)、イソブトキシチタニウムトリ(アセチルアセトネート)、及びイソブトキシチタニウムトリ(2,4-ヘプタンジオネート)が挙げられる。 The compound having a β-diketone chelating group is not particularly limited, and for example, diisopropoxytitanium bis (acetylacetonate), diisopropoxytitanium bis (2,4-heptandionate), and dibutoxytitanium bis (acetyl). Acetonate), Dibutoxytitanium Bis (2,4-Heptangionate), Triisopropoxytitanium (Acetylacetonate), Triisopropoxytitanium (2,4-Heptangionate), Tributoxytitanium (Acetylacetonate) , Tributoxytitanium (2,4-heptanionate), Isopropoxytitaniumtri (acetylacetonate), Isopropoxytitaniumtri (2,4-heptangionate), Isobutoxytitaniumtri (acetylacetonate), and Iso Butoxytitanium tri (2,4-heptangionate) can be mentioned.
チタンキレート化合物としては、アセト酢酸エステルキレート基を有する化合物が好ましく、ジイソプロポキシチタニウムビス(アセチルアセトネート)がより好ましい。チタンキレート化合物としては、デュポン社製「TYZOR(登録商標)AA」シリーズのような市販品を用いてもよい。 As the titanium chelate compound, a compound having an acetoacetic ester chelate group is preferable, and diisopropoxytitanium bis (acetylacetonate) is more preferable. As the titanium chelate compound, a commercially available product such as the "TYZOR® AA" series manufactured by DuPont may be used.
(多孔質酸化チタン層形成工程)
本工程では、緻密酸化チタン層11上に多孔質酸化チタン層12を形成する。多孔質酸化チタン層12を形成する方法としては、例えば、酸化チタンを含有する多孔質酸化チタン層用塗布液を緻密酸化チタン層11上に塗布した後、焼成する方法が挙げられる。多孔質酸化チタン層用塗布液は、例えば、溶媒及び有機バインダーを更に含有してもよい。多孔質酸化チタン層用塗布液が有機バインダーを含有する場合、有機バインダーは焼成で除去される。多孔質酸化チタン層用塗布液を緻密酸化チタン層11に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、スクリーン印刷法、キャスト法、浸漬塗布法、ロールコート法、スロットダイ法、スプレーパイロリシス法、及びエアロゾルデポジション法が挙げられる。
(Porous titanium oxide layer forming process)
In this step, the porous titanium oxide layer 12 is formed on the dense
多孔質酸化チタン層12の細孔径及び空隙率は、例えば、多孔質酸化チタン層用塗布液が含有する酸化チタン粒子の粒子径、並びに有機バインダーの種類及び含有量によって調整できる。
多孔質酸化チタン層用塗布液に含有される酸化チタンとしては、特に限定されないが、例えば、アナターゼ型の酸化チタンが挙げられる。多孔質酸化チタン層用塗布液は、例えば、酸化チタン粒子(より具体的には、日本アエロジル株式会社製「AEROXIDE(登録商標)TiO2 P25」等)をアルコール(より具体的には、エタノール等)に分散させることで調製できる。多孔質酸化チタン層用塗布液は、例えば、酸化チタンペースト(より具体的には、日揮触媒化成株式会社製「PST-18NR」等)をアルコール(より具体的には、エタノール等)で希釈することでも調製できる。
The pore diameter and porosity of the porous titanium oxide layer 12 can be adjusted, for example, by adjusting the particle size of the titanium oxide particles contained in the coating liquid for the porous titanium oxide layer, and the type and content of the organic binder.
The titanium oxide contained in the coating liquid for the porous titanium oxide layer is not particularly limited, and examples thereof include anatase-type titanium oxide. The coating liquid for the porous titanium oxide layer may be, for example, titanium oxide particles (more specifically, "AEROXIDE (registered trademark) TiO 2 P25" manufactured by Nippon Aerodil Co., Ltd.) and alcohol (more specifically, ethanol or the like). ) Can be prepared. For the coating liquid for the porous titanium oxide layer, for example, the titanium oxide paste (more specifically, "PST-18NR" manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd., etc.) is diluted with alcohol (more specifically, ethanol, etc.). It can also be prepared.
多孔質酸化チタン層用塗布液が有機バインダーを含有する場合、有機バインダーとしては、エチルセルロース、又はアクリル樹脂が好ましい。アクリル樹脂は、低温分解性に優れ、低温で焼成を行う場合であっても多孔質酸化チタン層12内に有機物が残存し難い。アクリル樹脂としては、300℃程度の温度で分解するものが好ましい。アクリル樹脂としては、例えば、少なくとも1種の(メタ)アクリルモノマーの重合体が挙げられる。(メタ)アクリルモノマーとしては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、tert-ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、イソボロニル(メタ)アクリレート、n-ステアリル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、及びポリオキシアルキレン構造を有する(メタ)アクリルモノマーが挙げられる。 When the coating liquid for the porous titanium oxide layer contains an organic binder, ethyl cellulose or acrylic resin is preferable as the organic binder. The acrylic resin has excellent low-temperature decomposability, and organic substances are unlikely to remain in the porous titanium oxide layer 12 even when firing at a low temperature. The acrylic resin preferably decomposes at a temperature of about 300 ° C. Examples of the acrylic resin include a polymer of at least one (meth) acrylic monomer. Examples of the (meth) acrylic monomer include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, tert-butyl (meth) acrylate, and isobutyl (meth) acrylate. Examples thereof include cyclohexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, isoboronyl (meth) acrylate, n-stearyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, and (meth) acrylic monomer having a polyoxyalkylene structure.
[光吸収層形成工程]
本工程では、電子輸送層4上(詳しくは、図1に示す多孔質酸化チタン層12上、又は図2に示す緻密酸化チタン層11上)に光吸収層6を形成する。光吸収層6は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含有する多孔質層である。ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子は、ペロブスカイト化合物の板状結晶粒子よりも安定的に製造でき、歩留まりに優れる。
[Light absorption layer forming step]
In this step, the
光吸収層6に含まれるペロブスカイト化合物がペロブスカイト化合物(1)(一般式:ABX3 (1)で表される化合物)である場合、光吸収層6は、例えば、以下の1段階法又は2段階法により形成できる。
1段階法では、一般式「AX」で表される化合物(以下、化合物(AX)と記載する)を含有する溶液と、一般式「BX2」で表される化合物(以下、化合物(BX2)と記載する)を含有する溶液とを混合して、混合液を得る。一般式「AX」及び一般式「BX2」中のA、B、及びXは、各々、一般式(1)中のA、B、及びXと同義である。この混合液を、電子輸送層4上に塗布して、乾燥させることにより、一般式「ABX3」で表されるペロブスカイト化合物(1)を含有する多孔質層が形成される。混合液を電子輸送層4上に塗布する方法としては、例えば、浸漬塗布法、ロールコート法、スピンコート法、及びスロットダイ法が挙げられる。
When the perovskite compound contained in the
In the one-step method, a solution containing a compound represented by the general formula "AX" (hereinafter referred to as compound (AX)) and a compound represented by the general formula "BX 2 " (hereinafter referred to as compound (BX 2 )). ) And the solution containing) are mixed to obtain a mixed solution. A, B, and X in the general formula "AX" and the general formula "BX 2 " are synonymous with A, B, and X in the general formula (1), respectively. By applying this mixed solution on the
2段階法では、化合物(BX2)を含有する溶液を電子輸送層4上に塗布して、塗布膜を形成する。この塗布膜上に、化合物(AX)を含有する溶液を塗布して、塗布膜中で化合物(BX2)と化合物(AX)とを反応させる。次いで、塗布膜を乾燥させることにより、一般式「ABX3」で表されるペロブスカイト化合物(1)を含有する多孔質層が形成される。化合物(BX2)を含有する溶液を電子輸送層4に塗布する方法、及び化合物(AX)を含有する溶液を塗布膜上に塗布する方法としては、例えば、浸漬塗布法、ロールコート法、スピンコート法、及びスロットダイ法が挙げられる。
In the two-step method, a solution containing the compound (BX 2 ) is applied onto the
大気雰囲気化下(通常環境下)で光吸収層6を形成した場合、1段階法及び2段階法の何れであっても、湿気の影響によってペロブスカイト化合物(1)の針状結晶粒子が形成される。大気雰囲気下での塗布により光吸収層6を形成できるため、本実施形態に係る製造方法によれば、低コストで光電変換素子20を製造できる。
光吸収層形成工程では、上述の方法以外にも、例えば、電子輸送層4上に、ペロブスカイト化合物及び結着樹脂を含有する光吸収層用塗布液を塗布してもよい。
When the
In the light absorption layer forming step, in addition to the above method, for example, a coating liquid for a light absorption layer containing a perovskite compound and a binder resin may be applied onto the
[ホール輸送層形成工程]
本工程では、光吸収層6上に、ホール輸送材料を含有するホール輸送層7を形成する。詳しくは、光吸収層6上に、ホール輸送層用塗布液を塗布することで、ホール輸送層7が形成される。このホール輸送層用塗布液は、ポリカーボネート樹脂と、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブと、溶媒とを含有する。または、ホール輸送層用塗布液は、ポリカーボネート樹脂と、有機電荷輸送材料と溶媒とを含有する。
[Hole transport layer forming process]
In this step, a
ホール輸送層用塗布液に含有される溶媒としては、有機溶媒が好ましく、光吸収層6が溶解されず且つポリカーボネート樹脂が溶解する有機溶媒であることがより好ましく、トルエン、又はクロロベンゼンが更に好ましい。光吸収層6が溶解されない溶媒を用いることで、光吸収層6におけるペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を好適に維持できる。また、ポリカーボネート樹脂が溶解する溶媒を用いることで、溶解状態のポリカーボネート樹脂によりカーボンナノチューブが薄く均一に被覆され、カーボンナノチューブに適度な絶縁性を付与できる。ホール輸送層用塗布液におけるカーボンナノチューブの含有割合は、例えば、0.5質量%以上5.0質量%以下である。また、ホール輸送層用塗布液におけるポリカーボネート樹脂の含有割合は、例えば、0.5質量%以上5.0質量%以下である。
As the solvent contained in the coating liquid for the hole transport layer, an organic solvent is preferable, an organic solvent in which the
有機電荷輸送材料の場合は電荷輸送速度が遅いためポリカーボネート樹脂に対する含有比率は高くする必要がある。ホール輸送層用塗布液における有機電荷輸送材料の含有割合は、例えば、2.0質量%以上5.0質量%以下である。また、ホール輸送層用塗布液におけるポリカーボネート樹脂の含有割合は、例えば、0.5質量%以上5.0質量%以下である。 In the case of an organic charge transport material, the charge transport rate is slow, so it is necessary to increase the content ratio with respect to the polycarbonate resin. The content ratio of the organic charge transport material in the coating liquid for the hole transport layer is, for example, 2.0% by mass or more and 5.0% by mass or less. The content ratio of the polycarbonate resin in the coating liquid for the hole transport layer is, for example, 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less.
ホール輸送層用塗布液は、カーボンナノチューブとポリカーボネート樹脂とを溶媒に入れ分散することで調製される。分散には、例えば、ホモジナイザー、又は超音波分散装置が用いられる。強いシェアがかかるとカーボンナノチューブが壊れるため、緩やかな分散条件に設定することが好ましい。 The coating liquid for the hole transport layer is prepared by putting carbon nanotubes and a polycarbonate resin in a solvent and dispersing them. For dispersion, for example, a homogenizer or an ultrasonic disperser is used. Since carbon nanotubes are broken when a strong share is applied, it is preferable to set loose dispersion conditions.
または、ホール輸送層用塗布液は、有機電荷輸送材料とポリカーボネート樹脂とを溶媒に入れ溶解することで調製される。有機電荷輸送材料は溶媒に可溶のため撹拌装置だけでも塗布液調製が可能である。 Alternatively, the coating liquid for the hole transport layer is prepared by dissolving the organic charge transport material and the polycarbonate resin in a solvent. Since the organic charge transport material is soluble in the solvent, the coating liquid can be prepared only with a stirrer.
ホール輸送層用塗布液の塗布方法としては、例えば、浸漬塗布法、スプレー塗布法、スライドホッパー塗布法、ロールコート法、スピンコート法、スクリーンコート法、バーコート法、アプリケータ塗布法が挙げられる。ホール輸送層用塗布液は、浸漬塗布法、ロールコート法、又はスピンコート法により、塗布されることが好ましい。 Examples of the coating method for the hole transport layer include a dip coating method, a spray coating method, a slide hopper coating method, a roll coating method, a spin coating method, a screen coating method, a bar coating method, and an applicator coating method. .. The coating liquid for the hole transport layer is preferably applied by a dip coating method, a roll coating method, or a spin coating method.
[第2導電層形成工程]
本工程では、ホール輸送層7上に第2導電層8を形成する。ホール輸送層7上に第2導電層8を形成する方法としては、特に限定されず、第1導電層3の形成方法と同じ方法(より具体的には、真空蒸着法、スパッタリング法、及びメッキ法等)を用いることができる。
[Second conductive layer forming step]
In this step, the second
[その他]
以上、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法の一例として、図1及び図2に示す光電変換素子20の製造方法を説明した。但し、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、上述の製造方法に限定されず、例えば以下の点を変更可能である。
本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、第2導電層上に表面層を形成する表面層形成工程を更に備えてもよい。また、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、積層体準備工程及び第2導電層形成工程を備えなくてもよい。更に、電子輸送層形成工程では、上述の緻密酸化チタン層形成工程及び多孔質酸化チタン層形成工程以外の方法で電子輸送層を形成してもよい。
また、第1実施形態の光電変換素子についての記載は矛盾がない限り第2実施形態についても当てはまる。
[others]
As described above, as an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element according to the present embodiment, the manufacturing method of the
The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present embodiment may further include a surface layer forming step of forming a surface layer on the second conductive layer. Further, the method for manufacturing a photoelectric conversion element according to the present embodiment does not have to include a laminate preparation step and a second conductive layer forming step. Further, in the electron transport layer forming step, the electron transport layer may be formed by a method other than the above-mentioned dense titanium oxide layer forming step and porous titanium oxide layer forming step.
Further, the description of the photoelectric conversion element of the first embodiment also applies to the second embodiment as long as there is no contradiction.
以下、実施例を示して本発明を更に説明する。ただし、本発明は、実施例に限定されるものではない。
<光電変換素子の製造>
以下の方法により、表2に示す光電変換素子(A-1)~(A-11)及び(B-1)~(B-3)を製造した。各光電変換素子の製造環境は、温度25℃且つ湿度60%RHの環境下であった。
Hereinafter, the present invention will be further described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples.
<Manufacturing of photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion elements (A-1) to (A-11) and (B-1) to (B-3) shown in Table 2 were manufactured by the following methods. The manufacturing environment of each photoelectric conversion element was an environment of a temperature of 25 ° C. and a humidity of 60% RH.
[光電変換素子(A-1)]
(積層体準備工程)
フッ素ドープ酸化スズが蒸着された透明ガラス板(シグマアルドリッチ社製、膜厚:2.2mm)を、横25mm及び縦25mmの大きさに切断した。これにより、基体(透明ガラス板)及び第1導電層(フッ素ドープ酸化スズの蒸着膜)を備える積層体を準備した。この積層体に対して、エタノール中での超音波洗浄処理(10分間)、及びUV洗浄処理(15分間)を行った。
[Photoelectric conversion element (A-1)]
(Laminate preparation process)
A transparent glass plate on which fluorine-doped tin oxide was vapor-deposited (manufactured by Sigma-Aldrich, film thickness: 2.2 mm) was cut into a size of 25 mm in width and 25 mm in length. As a result, a laminate having a substrate (transparent glass plate) and a first conductive layer (fluorine-doped tin oxide film) was prepared. The laminate was subjected to ultrasonic cleaning treatment (10 minutes) and UV cleaning treatment (15 minutes) in ethanol.
(緻密酸化チタン層形成工程)
チタンキレート化合物であるジイソプロポキシチタニウムビス(アセチルアセトネート)を75質量%の濃度で含有する1-ブタノール溶液(シグマアルドリッチ社製)を、1-ブタノールで希釈した。これにより、チタンキレート化合物の濃度が0.02mol/Lである緻密酸化チタン層用塗布液を調製した。スピンコート法により、上述の積層体における第1導電層上に、緻密酸化チタン層用塗布液を塗布し、450℃で15分間加熱した。これにより、第1導電層上に、膜厚50nmの緻密酸化チタン層を形成した。
(Dense titanium oxide layer forming process)
A 1-butanol solution (manufactured by Sigma-Aldrich) containing diisopropoxytitanium bis (acetylacetonate), which is a titanium chelate compound, at a concentration of 75% by mass was diluted with 1-butanol. As a result, a coating liquid for a dense titanium oxide layer having a concentration of the titanium chelate compound of 0.02 mol / L was prepared. By the spin coating method, a coating liquid for a dense titanium oxide layer was applied onto the first conductive layer in the above-mentioned laminated body, and the mixture was heated at 450 ° C. for 15 minutes. As a result, a dense titanium oxide layer having a film thickness of 50 nm was formed on the first conductive layer.
(多孔質酸化チタン層形成工程)
酸化チタン及びエタノールを含有する酸化チタンペースト(日揮触媒化成株式会社製「PST-18NR」)1gをエタノール2.5gで希釈することにより、多孔質酸化チタン層用塗布液を調製した。上述の緻密酸化チタン層上に、スピンコート法により多孔質酸化チタン層用塗布液を塗布した後、450℃で1時間焼成した。これにより、緻密酸化チタン層上に、膜厚300nmの多孔質酸化チタン層を形成した。
(Porous titanium oxide layer forming process)
A coating liquid for a porous titanium oxide layer was prepared by diluting 1 g of titanium oxide paste (“PST-18NR” manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) containing titanium oxide and ethanol with 2.5 g of ethanol. A coating liquid for a porous titanium oxide layer was applied onto the above-mentioned dense titanium oxide layer by a spin coating method, and then calcined at 450 ° C. for 1 hour. As a result, a porous titanium oxide layer having a film thickness of 300 nm was formed on the dense titanium oxide layer.
(光吸収層形成工程)
光吸収層の形成は、大気雰囲気下にて行った。PbI2(東京化成工業株式会社製)922mgと、CH3NH3I(東京化成工業株式会社製)318mgとを、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)1.076mLに加熱溶解させた。PbI2及びCH3NH3Iのモル比は1:1であった。これにより、固形分濃度が55質量%である混合液を調製した。スピンコート法により、上述の多孔質酸化チタン層上にこの混合液を塗布した。塗布直後の液膜にトルエンを数滴滴下したところ、液膜が黄色から黒色に変化した。これにより、ペロブスカイト化合物(CH3NH3PbI3)が形成されたことを確認した。その後、液膜を100℃で60分間乾燥させた。これにより、多孔質酸化チタン層上に、ペロブスカイト化合物を含有する膜厚500nmの光吸収層が形成された。
(Light absorption layer forming step)
The light absorption layer was formed in an atmospheric atmosphere. 922 mg of PbI 2 (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 318 mg of CH 3 NH 3 I (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were dissolved in 1.076 mL of N, N-dimethylformamide (DMF) by heating. The molar ratio of PbI 2 and CH 3 NH 3 I was 1: 1. As a result, a mixed solution having a solid content concentration of 55% by mass was prepared. This mixed solution was applied onto the above-mentioned porous titanium oxide layer by a spin coating method. When a few drops of toluene were dropped on the liquid film immediately after application, the liquid film changed from yellow to black. As a result, it was confirmed that the perovskite compound (CH 3 NH 3 PbI 3 ) was formed. Then, the liquid film was dried at 100 ° C. for 60 minutes. As a result, a light absorption layer having a film thickness of 500 nm containing a perovskite compound was formed on the porous titanium oxide layer.
(ホール輸送層形成工程)
超音波分散装置を用いて、カーボンナノチューブ(多層タイプカーボンナノチューブ) 0.2gと、下記構造式で表されるポリカーボネート樹脂(三菱瓦斯化学株式会社製「PCZ200」、表2ではPCZと記載)0.2gとを、トルエン12.21mLに分散させた(ポリカーボネート樹脂:カーボンナノチューブ=1:1(質量比))。これにより、ホール輸送層用塗布液を調製した。上述の光吸収層上に、スピンコート法を用いてホール輸送層用塗布液を塗布した。その後、塗布したホール輸送層用塗布液を、100℃で30分間乾燥させることで、有機溶媒(トルエン)を除去した。これにより、上述の光吸収層上に、膜厚500nmのホール輸送層を形成した。
(Hole transport layer forming process)
Using an ultrasonic disperser, 0.2 g of carbon nanotubes (multi-walled carbon nanotubes) and a polycarbonate resin represented by the following structural formula (“PCZ200” manufactured by Mitsubishi Gas Chemicals Corporation, described as PCZ in Table 2) 0. 2 g was dispersed in 12.21 mL of toluene (polycarbonate resin: carbon nanotubes = 1: 1 (mass ratio)). As a result, a coating liquid for the hole transport layer was prepared. A coating liquid for a hole transport layer was applied onto the above-mentioned light absorption layer by a spin coating method. Then, the coated liquid for the hole transport layer was dried at 100 ° C. for 30 minutes to remove the organic solvent (toluene). As a result, a hole transport layer having a film thickness of 500 nm was formed on the above-mentioned light absorption layer.
(第2導電層形成工程)
真空蒸着法により、上述のホール輸送層上に、第2導電層を形成した。第2導電層は、膜厚150nm、横5mm及び縦5mmの金蒸着膜であり、陽極として備えられた。これにより、基体と、第1導電層と、電子輸送層(詳しくは、緻密酸化チタン層及び多孔質酸化チタン層)と、光吸収層と、ホール輸送層と、第2導電層とを備える、光電変換素子(A-1)を得た。
(Second conductive layer forming step)
A second conductive layer was formed on the above-mentioned hole transport layer by a vacuum vapor deposition method. The second conductive layer was a gold-deposited film having a film thickness of 150 nm, a width of 5 mm and a length of 5 mm, and was provided as an anode. Thereby, the substrate, the first conductive layer, the electron transport layer (specifically, the dense titanium oxide layer and the porous titanium oxide layer), the light absorption layer, the hole transport layer, and the second conductive layer are provided. A photoelectric conversion element (A-1) was obtained.
以下の点を変更した以外は、光電変換素子(A-1)の製造と同じ方法により、光電変換素子(A-2)~(A-11)及び(B-1)~(B-3)を製造した。 The photoelectric conversion elements (A-2) to (A-11) and (B-1) to (B-3) are manufactured by the same method as the photoelectric conversion element (A-1) except that the following points are changed. Manufactured.
[光電変換素子(A-2)]
光電変換素子(A-2)の製造では、ホール輸送層形成工程において、ホール輸送層用塗布液の溶媒として、トルエンの代わりにクロロベンゼンを用いた。なお、溶媒の沸点が高いため140℃で30分間乾燥させた。
[Photoelectric conversion element (A-2)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-2), chlorobenzene was used instead of toluene as the solvent of the coating liquid for the hole transport layer in the hole transport layer forming step. Since the boiling point of the solvent is high, it was dried at 140 ° C. for 30 minutes.
[光電変換素子(A-3)]
光電変換素子(A-3)の製造では、ホール輸送層形成工程において、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブ0.2gの代わりに、化合物例4である下記構造で表されるホール輸送材料1.0gを用いて、膜厚100nmのホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:ホール輸送材料=1:5(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-3)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-3), in the hole transport layer forming step, instead of 0.2 g of carbon nanotubes, which is a hole transport material, 1.0 g of a hole transport material represented by the following structure, which is Compound Example 4, is used. Was used to form a hole transport layer having a film thickness of 100 nm (polycarbonate resin: hole transport material = 1: 5 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-4)]
光電変換素子(A-4)の製造では、ホール輸送層形成工程において、ホール輸送層用塗布液の溶媒として、トルエンの代わりにクロロベンゼンを用いた。なお、溶媒の沸点が高いため140℃で30分間乾燥させた。また、ホール輸送材料であるカーボンナノチューブ0.2gの代わりに、化合物例4である上記構造式で表されるホール輸送材料1.0gを用いて、膜厚100nmのホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:ホール輸送材料=1:5(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-4)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-4), chlorobenzene was used instead of toluene as the solvent of the coating liquid for the hole transport layer in the hole transport layer forming step. Since the boiling point of the solvent is high, it was dried at 140 ° C. for 30 minutes. Further, instead of 0.2 g of carbon nanotubes, which is a hole transport material, 1.0 g of a hole transport material represented by the above structural formula, which is Compound Example 4, was used to form a hole transport layer having a film thickness of 100 nm (polycarbonate). Resin: Hall transport material = 1: 5 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-5)]
光電変換素子(A-5)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ0.2gと、ポリカーボネート樹脂0.4gとを用いてホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:カーボンナノチューブ=2:1(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-5)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-5), a hole transport layer was formed by using 0.2 g of carbon nanotubes and 0.4 g of a polycarbonate resin in the hole transport layer forming step (polycarbonate resin: carbon nanotubes = 2: 1 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-6)]
光電変換素子(A-6)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ0.2gと、ポリカーボネート樹脂0.3gとを用いてホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:カーボンナノチューブ=3:2(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-6)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-6), a hole transport layer was formed by using 0.2 g of carbon nanotubes and 0.3 g of a polycarbonate resin in the hole transport layer forming step (polycarbonate resin: carbon nanotubes = 3: 2 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-7)]
光電変換素子(A-7)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ 0.1gと、ポリカーボネート樹脂0.3gとを用いてホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:カーボンナノチューブ=3:1(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-7)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-7), a hole transport layer was formed by using 0.1 g of carbon nanotubes and 0.3 g of a polycarbonate resin in the hole transport layer forming step (polycarbonate resin: carbon nanotubes = 3: 1 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-8)]
光電変換素子(A-8)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ0.2gの代わりに、化合物例4である電荷輸送材料0.6gを用いて 膜厚100nmのホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:ホール輸送材料=1:3(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-8)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-8), in the hole transport layer forming step, instead of 0.2 g of carbon nanotubes, 0.6 g of the charge transport material of Compound Example 4 is used to form a hole transport layer having a film thickness of 100 nm. Formed (polycarbonate resin: hole transport material = 1: 3 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-9)]
光電変換素子(A-9)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ 0.3gと、ポリカーボネート樹脂0.2gとを用いてホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:カーボンナノチューブ=2:3(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-9)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-9), a hole transport layer was formed by using 0.3 g of carbon nanotubes and 0.2 g of a polycarbonate resin in the hole transport layer forming step (polycarbonate resin: carbon nanotubes = 2: 3 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-10)]
光電変換素子(A-10)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ0.2gの代わりに、化合物例4である電荷輸送材料2.2gを用いて 膜厚100nmのホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:ホール輸送材料=1:11(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-10)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-10), in the hole transport layer forming step, instead of 0.2 g of carbon nanotubes, 2.2 g of the charge transport material which is Compound Example 4 is used to form a hole transport layer having a thickness of 100 nm. Formed (polycarbonate resin: hole transport material = 1:11 (mass ratio)).
[光電変換素子(A-11)]
光電変換素子(A-11)の製造では、ホール輸送層形成工程において、カーボンナノチューブ0.2gの代わりに、化合物例4である電荷輸送材料2.0gを用いて 膜厚100nmのホール輸送層を形成した(ポリカーボネート樹脂:ホール輸送材料=1:10(質量比))。
[Photoelectric conversion element (A-11)]
In the production of the photoelectric conversion element (A-11), in the hole transport layer forming step, instead of 0.2 g of carbon nanotubes, 2.0 g of the charge transport material which is Compound Example 4 is used to form a hole transport layer having a film thickness of 100 nm. Formed (polycarbonate resin: hole transport material = 1:10 (mass ratio)).
[光電変換素子(B-1)]
光電変換素子(B-1)の製造では、ホール輸送層形成工程において、ポリカーボネート樹脂0.2gに替えて、ポリビニルブチラール樹脂(積水化学工業株式会社製「エスレックBL-S」)0.2gを用いてホール輸送層を形成した(ポリビニルブチラール樹脂:カーボンナノチューブ=1:1(質量比))。
[Photoelectric conversion element (B-1)]
In the production of the photoelectric conversion element (B-1), 0.2 g of polyvinyl butyral resin (“ESREC BL-S” manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) is used instead of 0.2 g of polycarbonate resin in the hole transport layer forming step. A hole transport layer was formed (polyvinyl butyral resin: carbon nanotubes = 1: 1 (mass ratio)).
[光電変換素子(B-2)]
光電変換素子(B-2)の製造では、カーボンナノチューブ0.2gをトルエン12.21mLに分散させたホール輸送層用塗布液(結着樹脂を含まないカーボンナノチューブ分散液)を用いてホール輸送層を形成した。
[Photoelectric conversion element (B-2)]
In the production of the photoelectric conversion element (B-2), a hole transport layer is used as a coating liquid for a hole transport layer (a carbon nanotube dispersion liquid that does not contain a binder resin) in which 0.2 g of carbon nanotubes is dispersed in 12.21 mL of toluene. Formed.
[光電変換素子(B-3)]
光電変換素子(B-3)の製造では、化合物例4である電荷輸送材料0.2gをクロロベンゼン12.21mLに溶解させたホール輸送層用塗布液(結着樹脂を含まない有機電荷輸送材料溶解液)を用いてホール輸送層を形成した。
[Photoelectric conversion element (B-3)]
In the production of the photoelectric conversion element (B-3), a coating liquid for a hole transport layer (organic charge transport material not containing a binder resin) in which 0.2 g of the charge transport material of Compound Example 4 is dissolved in 12.21 mL of chlorobenzene is dissolved. Liquid) was used to form a hole transport layer.
<光吸収層の観察>
光吸収層形成工程後、ホール輸送層形成工程前に、光電変換素子(A-1)及び(A-3)の光吸収層を観察した。
<Observation of light absorption layer>
After the light absorption layer forming step and before the hole transport layer forming step, the light absorption layers of the photoelectric conversion elements (A-1) and (A-3) were observed.
(光電変換素子(A-1)の光吸収層の観察)
光電変換素子(A-1)の光吸収層の表面を、光学顕微鏡を用いて2000倍の倍率で観察した。図4に、観察された光電変換素子(A-1)の光吸収層の表面の写真を示す。なお、図4及び後述する図5~図7の写真中に示されるスケールバーは、10.00μmの長さを示す。図4に示す写真から、光電変換素子(A-1)の光吸収層がペロブスカイト化合物の複数の針状結晶粒子Yによって構成されていること、及びペロブスカイト化合物の複数の針状結晶粒子Yによって多孔質領域が形成されていることが確認できた。
図5は、光吸収層上にホール輸送層用塗布液を塗布し乾燥させることにより形成したホール輸送層の表面の写真である。
(Observation of the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1))
The surface of the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1) was observed at a magnification of 2000 times using an optical microscope. FIG. 4 shows a photograph of the surface of the observed light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1). The scale bars shown in the photographs of FIGS. 4 and 5 to 7, which will be described later, have a length of 10.00 μm. From the photograph shown in FIG. 4, the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1) is composed of a plurality of needle-shaped crystal particles Y of the perovskite compound, and is porous by the plurality of needle-shaped crystal particles Y of the perovskite compound. It was confirmed that the quality region was formed.
FIG. 5 is a photograph of the surface of the hole transport layer formed by applying the coating liquid for the hole transport layer on the light absorption layer and drying it.
(光電変換素子(A-3)の光吸収層の観察)
光電変換素子(A-3)の光吸収層の表面を、光学顕微鏡を用いて2000倍の倍率で観察した。図6に、観察された光電変換素子(A-3)の光吸収層の表面の写真を示す。図6に示す写真から、光電変換素子(A-3)の光吸収層がペロブスカイト化合物の複数の針状結晶粒子Yによって構成されていること、及びペロブスカイト化合物の複数の針状結晶Yによって多孔質領域が形成されていることが確認できた。
図7は、光吸収層上にホール輸送層用塗布液を塗布し乾燥させることにより形成したホール輸送層の表面の写真である。
図6及び図7に示す写真から、光電変換素子(A-3)のホール輸送層が透明であることがわかる。
(Observation of the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-3))
The surface of the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-3) was observed at a magnification of 2000 times using an optical microscope. FIG. 6 shows a photograph of the surface of the observed light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-3). From the photograph shown in FIG. 6, the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-3) is composed of a plurality of needle-like crystal particles Y of the perovskite compound, and is porous due to the plurality of needle-like crystals Y of the perovskite compound. It was confirmed that the region was formed.
FIG. 7 is a photograph of the surface of the hole transport layer formed by applying the coating liquid for the hole transport layer on the light absorption layer and drying it.
From the photographs shown in FIGS. 6 and 7, it can be seen that the hole transport layer of the photoelectric conversion element (A-3) is transparent.
<ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子の長軸長さ及びアスペクト比の測定>
光吸収層形成工程後、ホール輸送層形成工程前に、光電変換素子(A-1)の光吸収層を観察し、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子の長軸長さと、アスペクト比とを測定した。
<Measurement of major axis length and aspect ratio of needle-shaped crystal particles of perovskite compound>
After the light absorption layer forming step and before the hole transport layer forming step, the light absorbing layer of the photoelectric conversion element (A-1) was observed, and the major axis length and the aspect ratio of the acicular crystal particles of the perovskite compound were measured. ..
(光電変換素子(A-1)の測定)
光電変換素子(A-1)の光吸収層の表面を、光学顕微鏡を用いて2000倍の倍率で観察した。光吸収層の表面に確認されたペロブスカイト化合物の針状結晶粒子の任意の20個について、長軸長さ及びアスペクト比を測定し、20個の測定値の合計を測定個数(20個)で除することにより、その算術平均値を求めた。光電変換素子(A-1)の光吸収層に含有されるペロブスカイト化合物の針状結晶粒子について、長軸長さの算術平均値は20μmであり、アスペクト比の算術平均値は15であった。
(Measurement of photoelectric conversion element (A-1))
The surface of the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1) was observed at a magnification of 2000 times using an optical microscope. For any 20 needle-like crystal particles of the perovskite compound confirmed on the surface of the light absorption layer, the major axis length and aspect ratio were measured, and the total of the 20 measured values was divided by the number of measurements (20). By doing so, the arithmetic mean value was calculated. For the needle-shaped crystal particles of the perovskite compound contained in the light absorption layer of the photoelectric conversion element (A-1), the arithmetic mean value of the major axis length was 20 μm, and the arithmetic mean value of the aspect ratio was 15.
<ホール輸送層の観察>
ホール輸送層形成工程後、第2導電層形成工程前に、光電変換素子(A-1)及び(A-3)のホール輸送層の表面を、光学顕微鏡を用いて2000倍の倍率で観察した。図5に、観察された光電変換素子(A-1)のホール輸送層の表面の写真を示す。図7に、観察された光電変換素子(A-3)のホール輸送層の表面の写真を示す。図5に示す写真から、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子Yにより形成された光吸収層の多孔質領域の空隙に、カーボンナノチューブとポリカーボネート樹脂とが充填されていることが確認できた。更に、図7に示す写真から、光吸収層の多孔質領域の空隙に、有機電荷輸送材料とポリカーボネート樹脂とが充填されていることが確認できた。ホール輸送層の表面にピンホールがないことから、導電層間の短絡が防止されていると判断される。
<Observation of hall transport layer>
After the hole transport layer forming step and before the second conductive layer forming step, the surfaces of the hole transport layers of the photoelectric conversion elements (A-1) and (A-3) were observed at a magnification of 2000 times using an optical microscope. .. FIG. 5 shows a photograph of the surface of the hole transport layer of the observed photoelectric conversion element (A-1). FIG. 7 shows a photograph of the surface of the hole transport layer of the observed photoelectric conversion element (A-3). From the photograph shown in FIG. 5, it was confirmed that the voids in the porous region of the light absorption layer formed by the acicular crystal particles Y of the perovskite compound were filled with the carbon nanotubes and the polycarbonate resin. Further, from the photograph shown in FIG. 7, it was confirmed that the voids in the porous region of the light absorption layer were filled with the organic charge transport material and the polycarbonate resin. Since there are no pinholes on the surface of the hole transport layer, it is judged that a short circuit between the conductive layers is prevented.
<光電変換特性の評価>
光電変換素子(A-1)~(A-11)及び(B-1)~(B-3)の各々について、短絡電流、開放電圧、曲線因子、及び光電変換効率を、ソーラーシミュレータ(株式会社ワコム電創製)を用いて測定した。光電変換素子の表面層側の第2導電層が陽極となり、基体側の第1導電層が陰極となるように、ソーラーシミュレータに光電変換素子を接続した。キセノンランプの光をエアマスフィルター(株式会社ニコン製「AM-1.5」)を通過させることにより得られた100mW/cm2の疑似太陽光を、光電変換素子に照射した。照射したときの光電変換素子の電流-電圧特性を測定し、電流-電圧曲線を得た。電流-電圧曲線から、短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)を求め、光電変換効率(η)を算出した。
<Evaluation of photoelectric conversion characteristics>
For each of the photoelectric conversion elements (A-1) to (A-11) and (B-1) to (B-3), the short-circuit current, open circuit voltage, curve factor, and photoelectric conversion efficiency are measured by Solar Simulator (Co., Ltd.). It was measured using Wacom Denso). The photoelectric conversion element was connected to the solar simulator so that the second conductive layer on the surface layer side of the photoelectric conversion element became the anode and the first conductive layer on the substrate side became the cathode. The photoelectric conversion element was irradiated with pseudo-sunlight of 100 mW / cm 2 obtained by passing the light of a xenon lamp through an air mass filter (“AM-1.5” manufactured by Nikon Corporation). The current-voltage characteristics of the photoelectric conversion element at the time of irradiation were measured, and a current-voltage curve was obtained. From the current-voltage curve, the short-circuit current (Jsc), open circuit voltage (Voc), and curve factor (FF) were obtained, and the photoelectric conversion efficiency (η) was calculated.
光電変換効率が10%以上であった素子の評価を「◎」とし、光電変換効率が8%以上10%未満であった素子の評価を「〇」とし、光電変換効率が4%以上8%未満であった素子の評価を「△」とし、光電変換効率が4%未満であった素子の評価を「×」とした。
さらに1か月後に同様に測定を行い 光電変換効率の変化を測定した。
光電変換効率の保持率が90%以上であった素子の評価を「◎」とし、光電変換効率の保持率が80%以上90%未満であった素子の評価を「〇」とし、光電変換効率の保持率が60%以上80%未満であった素子の評価を「△」とし、光電変換効率の保持率が60%未満であった素子の評価を「×」とした。結果を表2に示す。
An element having a photoelectric conversion efficiency of 10% or more is evaluated as "◎", an element having a photoelectric conversion efficiency of 8% or more and less than 10% is evaluated as "○", and a photoelectric conversion efficiency is 4% or more and 8%. The evaluation of the element having less than 4% was given as "Δ", and the evaluation of the element having the photoelectric conversion efficiency of less than 4% was given as "x".
After another month, the same measurement was performed to measure the change in photoelectric conversion efficiency.
An element having a photoelectric conversion efficiency retention rate of 90% or more is evaluated as "◎", and an element having a photoelectric conversion efficiency retention rate of 80% or more and less than 90% is evaluated as "○". The evaluation of the element having a retention rate of 60% or more and less than 80% was given as "Δ", and the evaluation of the element having a retention rate of photoelectric conversion efficiency of less than 60% was given as "x". The results are shown in Table 2.
表2に示すように、光電変換素子(A-1)~(A-11)は、光電変換素子(B-1)~(B-3)と比較し、1か月後の変換効率が良好であった。
なお、素子(A-7)のように樹脂成分が多い場合には光電変換効率はやや低いが、劣化は少なかった。また、素子(A-8)のように有機電荷輸送材料においても樹脂成分が多い場合には光電変換効率はやや低いが、劣化は少なかった。
また、素子(A-9)のように樹脂成分が少ない場合には光電変換効率は高いが 劣化はやや大きかった。また、素子(A-10)のように有機電荷輸送材料においても樹脂成分が少ない場合には光電変換効率は高いが、劣化はやや大きかった。
As shown in Table 2, the photoelectric conversion elements (A-1) to (A-11) have better conversion efficiency after one month than the photoelectric conversion elements (B-1) to (B-3). Met.
When the resin component was large as in the element (A-7), the photoelectric conversion efficiency was slightly low, but the deterioration was small. Further, even in the organic charge transport material such as the device (A-8), when the resin component is large, the photoelectric conversion efficiency is slightly low, but the deterioration is small.
Further, when the resin component was small as in the element (A-9), the photoelectric conversion efficiency was high, but the deterioration was slightly large. Further, even in the organic charge transport material such as the element (A-10), when the resin component is small, the photoelectric conversion efficiency is high, but the deterioration is slightly large.
一方、光電変換素子(B-1)は、光電変換素子(A-1)~(A-11)と比較し、初期においては良好であったが、1か月後の光電変換効率が良好でなかった。これは、光電変換素子(B-1)は、ホール輸送層のポリビニルブチラール樹脂が水分の透過性が高いため光吸収層のペロブスカイト結晶が水分により劣化したためであると考えられる。
また、素子(B-2)、(B-3)のようにホール輸送層が樹脂成分を含まない場合は吸湿によるペロブスカイト結晶の劣化が大きく1か月後には素子が使用できない状態となった。
On the other hand, the photoelectric conversion element (B-1) was better in the initial stage than the photoelectric conversion elements (A-1) to (A-11), but the photoelectric conversion efficiency after one month was good. There wasn't. It is considered that this is because the polyvinyl butyral resin in the hole transport layer has high moisture permeability in the photoelectric conversion element (B-1), and the perovskite crystals in the light absorption layer are deteriorated by the moisture.
Further, when the hole transport layer does not contain a resin component as in the elements (B-2) and (B-3), the deterioration of the perovskite crystal due to moisture absorption is large, and the element cannot be used after one month.
本発明に係る光電変換素子は、メガソーラーシステムのような太陽光発電システム、太陽電池、及び小型携帯機器用の電源等に利用できる。 The photoelectric conversion element according to the present invention can be used for a photovoltaic power generation system such as a mega solar system, a solar cell, a power source for a small portable device, and the like.
2:基体 3:第1導電層 4:電子輸送層 6:光吸収層 7:ホール輸送層 8:第2導電層 11:緻密酸化チタン層 12:多孔質酸化チタン層 20:光電変換素子 2: Base 3: First conductive layer 4: Electron transport layer 6: Light absorption layer 7: Hole transport layer 8: Second conductive layer 11: Dense titanium oxide layer 12: Porous titanium oxide layer 20: Photoelectric conversion element
Claims (10)
前記光吸収層は、ペロブスカイト化合物の針状結晶粒子を含む多孔質領域を有し、
前記ホール輸送層は、ホール輸送材料と、下記構造式で表されるポリカーボネート樹脂とを含むことを特徴とする光電変換素子。
The light absorption layer has a porous region containing acicular crystal particles of a perovskite compound.
The hole transport layer is a photoelectric conversion element containing a hole transport material and a polycarbonate resin represented by the following structural formula.
第1電荷輸送層上に、光吸収層を形成する光吸収層形成工程と、前記光吸収層上に、第2電荷輸送材料を含有する第2電荷輸送層を形成する第2電荷輸送層形成工程とを含み、
第2電荷輸送層形成工程において、ポリカーボネート樹脂と、第2電荷輸送材料であるホール輸送材料とをトルエン又はクロロベンゼンに溶解させた塗布液を浸漬塗布法、ロールコート法、スピンコート法、スクリーンコート法、バーコート法、スプレー塗布法またはアプリケータ塗布法により塗布することにより第2電荷輸送層を形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。 The first charge transport layer forming step of forming the first charge transport layer containing the first charge transport material, and
A light absorption layer forming step of forming a light absorption layer on the first charge transport layer, and a second charge transport layer forming a second charge transport layer containing a second charge transport material on the light absorption layer. Including the process
In the second charge transport layer forming step, a coating liquid in which a polycarbonate resin and a hole transport material which is a second charge transport material are dissolved in toluene or chlorobenzene is immersed and coated, a roll coating method, a spin coating method, and a screen coating method. , A method for manufacturing a photoelectric conversion element, which comprises forming a second charge transport layer by coating by a bar coating method, a spray coating method or an applicator coating method.
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