JP5574181B2 - Inorganic photovoltaic cell - Google Patents

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Description

本発明は3つの無機固体材料を含む固体光起電力セルに関わるものであり、以下をそれぞれ含む:
・透明なn型半導体化合物の多孔質層(2)、
・少なくとも一部が前記多孔質層の複数の孔の中に充填される透明P型半導体化合物の層(3)、および
・前記n型およびp型層の2つの半導体化合物の間に凝集体(4)を形成する無機吸収体化合物。
The present invention relates to a solid photovoltaic cell comprising three inorganic solid materials, each comprising:
A transparent n-type semiconductor compound porous layer (2),
A layer of transparent P-type semiconductor compound (3) at least partially filled into the plurality of pores of the porous layer, and an aggregate between the two semiconductor compounds of the n-type and p-type layers ( 4) an inorganic absorber compound which forms

このような光起電力装置はよく知られており、特に以下の特許文献(1〜3)に記載されており、これらは参照として本出願に組み入れられる。   Such photovoltaic devices are well known and are described in particular in the following patent documents (1-3), which are incorporated herein by reference.

この装置の作用原理は以下のとおりである。放射物(光子)は吸収体材料によってのみ吸収され;次に電子が透明な(あるいは非吸収)n型半導体に移動され、その間に正電荷がp型半導体に移動される。この原理によれば、異なった符号の電荷担体の移動は2つの異なった相で行われる。このことは理論的には電荷再結合により、かなりの量の性能ロスが軽減される。投影面積に対して、フィルムの中に十分な量の吸収体を含めるための十分な内部面積を供給するためには多孔質ナノ結晶体あるいはマイクロ結晶体フィルムが使用されねばならない。   The principle of operation of this device is as follows. The radiation (photons) is absorbed only by the absorber material; electrons are then transferred to the transparent (or non-absorbing) n-type semiconductor, during which positive charges are transferred to the p-type semiconductor. According to this principle, the movement of charge carriers of different signs takes place in two different phases. This theoretically reduces a significant amount of performance loss due to charge recombination. In order to provide a sufficient internal area to include a sufficient amount of absorber in the film relative to the projected area, a porous nanocrystalline or microcrystalline film must be used.

0.36太陽において、ZnO/CdSe/CuSCNセルにより、2.3%の光起電力変換効率が得られたとの報告がある(非特許文献1参照。)。 また、1太陽において、ZnO/In2S3/CuSCN セルの0.03cm2の面積内で3.4%の光起電力変換効率が得られたとの報告もある(非特許文献2参照。)。 There is a report that a photovoltaic conversion efficiency of 2.3% was obtained by a ZnO / CdSe / CuSCN cell in the 0.36 sun (see Non-Patent Document 1). There is also a report that a photovoltaic conversion efficiency of 3.4% was obtained in the area of 0.03 cm 2 of a ZnO / In 2 S 3 / CuSCN cell in one sun (see Non-Patent Document 2). .

1太陽において、高度な内面ナノ結晶体TiO2 および〜5nm -10nmの厚さのCdSコーティングをした0.54cm2 のTiO2/CdS/CuSCN セルで1.3%の光起電力変換効率が得られたとの報告がある (非特許文献3参照。)。 続いて、フランス特許(特許文献4)には、バンドギャップが〜1.65 eV (〜750nm)のTiO2/Sb2S3/CuSCNセルにより、3.4%の効率を提供できると開示している。最善の外部量子効率(EQE)は最大で80%を得ている。この値はTCOガラス基板による吸収・反射による少なくとも〜15%ロスを考慮すると、得られる中の最大の値である。近年、面積0.15cm2のTiO2/In-OH-S/Sb2S3/(KSCN) CuSCN構造において、同様なSb2S3ナノ多孔質ソーラセルが3.37%の変換効率 を得たとの報告があった。この報告の中で、著者は、以前、非特許文献4において報告していたCuSCN 含浸の前にチオシアン酸塩予備処理を行うと有益な効果も奏することも確認している。 Photovoltaic conversion efficiency of 1.3% is obtained in a 0.54 cm 2 TiO 2 / CdS / CuSCN cell with a highly internal nanocrystalline TiO 2 and a CdS coating of ~ 5 nm-10 nm thick in one sun (See Non-Patent Document 3). Subsequently, a French patent (Patent Document 4) discloses that a TiO 2 / Sb 2 S 3 / CuSCN cell with a band gap of ˜1.65 eV (˜750 nm) can provide an efficiency of 3.4%. ing. The best external quantum efficiency (EQE) is up to 80%. This value is the maximum value obtained in consideration of at least ˜15% loss due to absorption and reflection by the TCO glass substrate. In recent years, a similar Sb 2 S 3 nanoporous solar cell has obtained a conversion efficiency of 3.37% in a TiO 2 / In—OH—S / Sb 2 S 3 / (KSCN) CuSCN structure with an area of 0.15 cm 2. There was a report. In this report, the authors have also confirmed that the thiocyanate pretreatment prior to CuSCN impregnation previously reported in Non-Patent Document 4 has a beneficial effect.

仏国特許第2 881 880 (仏国特許第05 01 114)French Patent No. 2 881 880 (French Patent No. 05 01 114) 仏国特許第2 881 881 (仏国特許第05 01 113)French Patent No. 2 881 881 (French Patent No. 05 01 113) 仏国特許第2 899 381 (仏国特許第06 02791)French Patent No. 2 899 381 (French Patent No. 06 02791) 仏国特許第2899381French Patent No. 2899381

Levy-Clement, C.; Tena-Zaera, R.; Ryan, M.A.; Katty, A.; Hodes, G. Adv. Mater. 2005, 17, 1512Levy-Clement, C .; Tena-Zaera, R .; Ryan, M.A .; Katty, A .; Hodes, G. Adv. Mater. 2005, 17, 1512 Belaidi, A.; Dittrich, T.; Kieven, D.; Tornow, J.; Schwarzburg, K.; Lux-Steiner, M.Ch. Phys. Status Solidi, Rapid Res. Lett. 2008, 2, 172Belaidi, A .; Dittrich, T .; Kieven, D .; Tornow, J .; Schwarzburg, K .; Lux-Steiner, M.Ch. Phys. Status Solidi, Rapid Res. Lett. 2008, 2, 172 Larramona, G.; Chone, C.; Jacob, A.; Sakakura, D.; Delatouche, B.; Pere, D.; Cieren, X.; Nagino, M.; Bayon, R. Chem. Mater. 2006, 18, 1688)Larramona, G .; Chone, C .; Jacob, A .; Sakakura, D .; Delatouche, B .; Pere, D .; Cieren, X .; Nagino, M .; Bayon, R. Chem. Mater. 2006, 18, 1688) Larramona, G et al. Chem. Mater. 2006, 18, 1688Larramona, G et al. Chem. Mater. 2006, 18, 1688

こうしたセルの光起電力性能の安定性と再現性は、実用面での使用には十分ではない。周囲の空気との接触による酸化作用を避けるために、セルが封止されると、セル性能は極端に下がる。   The stability and reproducibility of the photovoltaic performance of these cells is not sufficient for practical use. When the cell is sealed to avoid oxidative effects due to contact with ambient air, the cell performance is drastically reduced.

上記したセルの光起電力性能の安定性と再現性の欠如の問題は、セルが封止された箱の中のガス雰囲気を変化させる場合においても、あるいは初期の、密封されていないセルの光起電力性能に有益な効果をもたらすアルカリ金属チオシアン酸塩MSCNのような反応物質を添加する場合においても残る。こうした性能低下の理由・原因は従来技術の教示からは理解されていない。   The problems of the stability and reproducibility of the cell's photovoltaic performance described above can be caused by changing the gas atmosphere in the box in which the cell is sealed, or by the initial, unsealed cell light. It also remains when adding reactants such as alkali metal thiocyanate MSCN which has a beneficial effect on the electromotive force performance. The reason and cause of such performance degradation are not understood from the teachings of the prior art.

この発明の目的は、改善された性能を示す、新しい光起電力装置を提供することであり、特に、実際の使用のために密封された後のセルの光起電力性能の安定性と再現性が更に改善される光起電力装置を提供することである。本発明の目的は、安価で安定した高い有毒性のない環境に配慮した材料を使用して満足いく光起電力性能、特に改善された光起電力性能、短絡回路光電流値が放射照度1000 W/m2のもとで2 mA/cm2より大きく、更には5 mA/cm2より大きい光起電力性能と、セルが封止された後、高い光電変換効率を有し、特に1%より大きく、更には2%より大きい変換効率と、を得ることである。 The object of the present invention is to provide a new photovoltaic device exhibiting improved performance, in particular the stability and reproducibility of the photovoltaic performance of the cell after it has been sealed for practical use. Is to provide a further improved photovoltaic device. The object of the present invention is to achieve satisfactory photovoltaic performance, especially improved photovoltaic performance, short circuit photocurrent value with an irradiance of 1000 W using inexpensive, stable and highly toxic and environmentally friendly materials. Photovoltaic performance greater than 2 mA / cm 2 under / m 2 and even greater than 5 mA / cm 2 and high photoelectric conversion efficiency after cell sealing, especially from 1% To obtain a conversion efficiency which is large and even greater than 2%.

ここから以下に述べるように、上記課題の元となる原因を明瞭にするためいくつかの実験が行われた。光起電力性能の再現性の欠如は、セルの雰囲気内における酸素と水の濃度、最初に吸着された、セル内部の酸素と水の含有量など、管理不能な要素に関わるように思われる。高い光起電力性能を得るためには、セルの構造中で様々な化学種の制限された酸化を作り出すため、製造段階の中間ステップにおいてセルは酸素と接触する必要があることがわかった。   As described below, several experiments were conducted to clarify the cause of the above problem. The lack of reproducibility of photovoltaic performance appears to involve uncontrollable factors such as the concentration of oxygen and water in the cell's atmosphere and the initial adsorbed oxygen and water content inside the cell. In order to obtain high photovoltaic performance, it has been found that the cell needs to come into contact with oxygen in an intermediate step of the manufacturing stage in order to create limited oxidation of various chemical species in the structure of the cell.

もっと特定すれば、光起電力性能は、酸素が含まれているガスの存在の中で可視光照明をスタートさせる時に(以後、この処理を光ソーキング処理という)漸次改善されていくことが判明した。これは酸素、水(周囲空気の雰囲気の場合に)そして他の残余物を含むセルの内部で、ある種の光触媒酸化反応が起きていることを示していた。この反応はその界面で電荷移動機構を改善するためCuSCN やSb2S3といったセル組成物との反応である。一旦光ソーキングがある期間行われると雰囲気が乾燥窒素ガスとなった後でも直列抵抗が小さいままで光起電力性能は高くなる。しかし、こうした改善は、吸収体の部分的で限定された酸化が起きることを必要とすることが分かった。実際、この光ソーキング処理が長く続くと、初期の改善のあと、セル光起電力性能の低下を誘起する。酸素の存在する中での照明が長いと、たとえば吸収体が酸素の存在の中で、徐々に全部が光酸化される限りは吸収体の酸化といった追加の光触媒反応が生じてセルの低下がもたらされる。 More specifically, it has been found that the photovoltaic performance is gradually improved when visible light illumination is started in the presence of a gas containing oxygen (hereinafter, this process is called optical soaking process). . This indicated that some sort of photocatalytic oxidation reaction occurred inside the cell containing oxygen, water (in the case of ambient air atmosphere) and other residues. This reaction is a reaction with a cell composition such as CuSCN or Sb 2 S 3 to improve the charge transfer mechanism at the interface. Once the optical soaking is performed for a period of time, the photovoltaic performance is enhanced while the series resistance remains small even after the atmosphere becomes dry nitrogen gas. However, it has been found that such improvements require partial and limited oxidation of the absorber. In fact, if this optical soaking process continues for a long time, after the initial improvement, a decrease in cell photovoltaic performance is induced. Long illumination in the presence of oxygen can lead to cell degradation due to additional photocatalytic reactions, such as the oxidation of the absorber as long as the absorber is gradually photooxidized in the presence of oxygen. It is.

もっと正確に上記の課題を解決するためには、本発明は3つの無機および固体の材料を含む固体光起電力セルに関わるものであり、それぞれ以下を含み、
・透明n型半導体化合物の多孔質層、
・前記多孔質層の孔の、少なくとも一部を充填する透明P型半導体化合物の層、
・少なくとも一部は接触していない、前記n型およびp型層の2つの半導体化合物の間に凝集体を形成する無機吸収体化合物、
更に前記半導体化合物とは違った酸化生成物と前記吸収体とを含み、前記酸化生成物は、前記吸収体化合物、および/あるいは前記p型半導体化合物の部分酸化に起因する化学種を含み、前記2つのn型およびそれぞれp型の半導体化合物の2つの層の間および/あるいは前記吸収体凝集とp型半導体化合物との間に配置される、界面層の不連続な部分を形成し、前記P型半導体化合物はCuSCNで、前記吸収体は熱的に焼きなましされた硫化アンチモン基アンチモン化合物であり、前記セルは更にチオシアン酸塩化合物のMSCNを含んでおり、この中のMはアルカリ金属を示し、前記界面層は(SCN) 2 および/あるいはポリマー(SCN) n であることを特徴とする。
To more accurately solve the above problems, the present invention relates to a solid state photovoltaic cell comprising three inorganic and solid materials, each comprising:
A porous layer of a transparent n-type semiconductor compound,
A layer of a transparent P-type semiconductor compound that fills at least part of the pores of the porous layer,
An inorganic absorber compound that forms an aggregate between the two semiconductor compounds of the n-type and p-type layers, at least partly not in contact;
Further, an oxidation product different from the semiconductor compound and the absorber are included, and the oxidation product includes a chemical species resulting from partial oxidation of the absorber compound and / or the p-type semiconductor compound, It is disposed between the two during and / or the absorber aggregation and p-type semiconductor compound layer of two n-type and semiconductor compounds of p-type respectively, to form a discontinuous portion of the interfacial layer, the P Type semiconductor compound is CuSCN, the absorber is a thermally annealed antimony sulfide antimony compound, the cell further contains MSCN of thiocyanate compound, in which M represents an alkali metal, the interfacial layer is characterized by (SCN) 2 and / or polymer (SCN) n der Rukoto.

その界面層の不連続な部分は、吸収体の酸化が制限されており、従って部分のみである、ということを反映している。こうした酸化種の存在は赤外分光により検出できる。   The discontinuous portion of the interface layer reflects the limited oxidation of the absorber, and thus only the portion. The presence of such oxidizing species can be detected by infrared spectroscopy.

本発明のひとつの好ましい実施例においては、P型半導体化合物はCuSCNで、吸収体は熱的に焼きなました、たとえばSb2S3 のような硫化アンチモン基アンチモン化合物である。 In one preferred embodiment of the invention, the P-type semiconductor compound is CuSCN and the absorber is a thermally annealed antimony sulfide-based antimony compound such as Sb 2 S 3 .

Mは、好ましくはリチウム、ナトリウム、あるいはカリウムである M is preferably lithium, sodium or potassium .

前記界面層は、Sb2S3とCuSCNの間の界面に形成される。これはP型半導体CuSCN および/あるいは添加MSCNを含む、セルに存在するSCN-誘導体の酸化に起因して生じる、チオンシアン酸塩SCNあるいは(SCN)nのような酸化生成物から成り立っている。アルカリ金属のチオシアン酸塩MSCN がセルに添加されていない場合には前記界面層はまたCuSCN の光触媒酸化から形成される。しかし、MSCNの添加は光起電力性能を高めるためには好ましいのである。 The interface layer is formed at the interface between Sb 2 S 3 and CuSCN. This consists of oxidation products such as thionocyanate SCN 2 or (SCN) n resulting from the oxidation of SCN - derivatives present in the cell, including the P-type semiconductor CuSCN and / or doped MSCN. If no alkali metal thiocyanate MSCN is added to the cell, the interface layer is also formed from the photocatalytic oxidation of CuSCN. However, the addition of MSCN is preferable for improving the photovoltaic performance.

MSCNが使用されなかった場合にでも、改善された性能が観察された。しかし、MSCNの存在は、光ソーキング(light soaking)処理により、光起電力性能の改善を促進させた。   Improved performance was observed even when MSCN was not used. However, the presence of MSCN promoted the improvement of photovoltaic performance by the light soaking process.

更に特定すると、MSCNの、CuSCNに対する重量比は0.001 から 2である。最適な比率はMSCN内のアルカリ金属の種類や吸収体の種類によって変動する。   More specifically, the weight ratio of MSCN to CuSCN is 0.001 to 2. The optimal ratio will vary depending on the type of alkali metal in MSCN and the type of absorber.

光起電力性能の改善は、以下のように説明できる。本来、効率的な電荷移動のためのSb2S3とCuSCNの間の接触は、それらの間のギャップのためにうまくいかない。こうしてSb2S3 の内部にある光誘導孔がCuSCN に移動されず、その結果、不十分なセル性能となってしまうのである。しかし、Sb2S3 とCuSCNとの間のギャップにはM+(Li+、 Na+、あるいは K+) とSCN- がMSCNの吸湿性に起因した少量の水で溶融している。Sb2S3は光触媒として知られている。 これは光が照射されると、孔を形成し、電子が形成される。この電子はTiO2に移動され、あるいは電子を与えることによりSb2S3の表面上の化学種の原子価を低減する。もし酸素とH+が存在すると、H2O あるいは H2O2 がこれらの電子によって形成される。Sb2S3の中に光により生成された孔は、その表面の化学種を酸化する。Sb2S3自身がまたその孔により酸化され、Sおよび Sb3+を形成している可能性が高い。SCN-は、酸化されて導電性ポリマーとして知られる(SCN)2 あるいは (SCN)x ポリマーになる。これにより前記CuSCNとSb2S3間の界面のギャップが充填され、ソーラセルの電荷移動を容易にすることができる。仮にMSCNが添加されていなくても、残余のジプロピル硫化物、これはCuSCN層を蒸着するための溶剤として用いられるが、から少量のSCN- が得られる。何が酸化されるかは各酸化の起こる機構によって決められる。Sb2S3に形成された孔がMSCNを酸化してチオシアン(SCN)2 あるいは重合チオシアン(SCN)xを形成する間、生成された電子は酸素を減らす。そのため酸素が存在しないと、電子は孔と再結合し、結果としてMSCNの非酸化をもたらす。 The improvement in photovoltaic performance can be explained as follows. Naturally, the contact between Sb 2 S 3 and CuSCN for efficient charge transfer does not work because of the gap between them. Thus, the light guide holes inside Sb 2 S 3 are not moved to CuSCN, resulting in insufficient cell performance. However, in the gap between Sb 2 S 3 and CuSCN, M + (Li + , Na + , or K + ) and SCN are melted with a small amount of water due to the hygroscopic nature of MSCN. Sb 2 S 3 is known as a photocatalyst. When this is irradiated with light, holes are formed and electrons are formed. This electron is transferred to TiO 2 or reduces the valence of the chemical species on the surface of Sb 2 S 3 by giving the electron. If oxygen and H + are present, H 2 O or H 2 O 2 is formed by these electrons. The pores created by light in Sb 2 S 3 oxidize the surface species. Sb 2 S 3 itself is also likely to be oxidized by the pores to form S and Sb 3+ . SCN - is oxidized to (SCN) 2 or (SCN) x polymer, known as a conductive polymer. Thereby, the gap at the interface between the CuSCN and Sb 2 S 3 is filled, and the charge transfer of the solar cell can be facilitated. Even if not if added MSCN is, dipropyl sulfide remaining, this is used as a solvent for depositing a CuSCN layer, a small amount of SCN from - is obtained. What is oxidized is determined by the mechanism of each oxidation. The generated electrons reduce oxygen while the pores formed in Sb 2 S 3 oxidize MSCN to form thiocyan (SCN) 2 or polymerized thiocyan (SCN) x . Thus, in the absence of oxygen, the electrons recombine with the holes, resulting in non-oxidation of MSCN.

ルは壁の中に密封され、その壁は少なくとも一部が透明で、セルは乾燥ガス雰囲気を含むとよい。セルの密閉を作製後直ちに行うことは、酸素や湿気がセル内に侵入することを減少させ、更なる酸化によるセルの質低下を防ぐ、もしくは最小化とすることができる。 Cell Le is sealed into the wall, the wall of that is at least partially transparent, the cell may comprise a Drying gas atmosphere. Immediately after the cell is sealed, oxygen and moisture can be prevented from entering the cell, and further deterioration of the cell due to oxidation can be prevented or minimized.

更に特定すると、前記透明なn型半導体材料は、TiO2、 ZnO あるいは SnO2のような金属酸化物、好ましくはTiO2である。 More specifically, the transparent n-type semiconductor material is a metal oxide such as TiO 2 , ZnO or SnO 2 , preferably TiO 2 .

平坦積載層セルでの光ソーキング処理が実験された。しかし、相互貫通型のセルと比較して改善された高い光起電力性能は観察されなかった。   An optical soaking process in a flat load cell was tested. However, no improved high photovoltaic performance was observed compared to the interpenetrating cell.

セルは、貫通型構造を示すと良い。n型半導体化合物の多孔質基板が、孔径10mm〜100mmで、孔の内面は、少なくとも一部分は吸収体の組成の凝集体でコーティングされており、孔は、容積比で少なくとも10%、好ましくは15%より多い割合で、他方のp型の固体半導体化合物でできているカバー層で充填されており、そして酸化生成物の界面層部分は厚さ0.1nmから5nmで、好ましくは0.1nmから1nmである。   The cell may exhibit a through structure. A porous substrate of an n-type semiconductor compound has a pore diameter of 10 mm to 100 mm, and the inner surface of the pore is at least partially coated with an aggregate of the composition of the absorber, and the pore is at least 10% by volume, preferably 15 And filled with a cover layer made of the other p-type solid semiconductor compound, and the interface layer portion of the oxidation product has a thickness of 0.1 nm to 5 nm, preferably from 0.1 nm. 1 nm.

本発明のセルの他の特別有利な特徴によれば、
・前記吸収体を蒸着する前の多孔質基板の粗度係数は50より大きく、好ましくは100より大きい、
・多孔質基板は粒子もしくは結晶体でできており、その粒子もしくは結晶体の大きさの平均は30nmと50nmの間で、平均孔径は20nmと50nmの間である、
・前記n型半導体化合物は、金属酸化物の多孔質基板として存在し、カバー層は前記p型の固体半導体化合物でできている、
・多孔質基板の、n型半導体金属酸化物は平均粒子径が30nmと50nmの間で、平均孔径が20nmと50nmの間であるTiO2である、そして、
・前記カバー層は、また少なくとも厚さ10nm の上方層を形成し、多孔質基板の一面上に配置される。
According to another particularly advantageous feature of the cell of the invention,
The roughness coefficient of the porous substrate before depositing the absorber is greater than 50, preferably greater than 100;
The porous substrate is made of particles or crystals, the average size of the particles or crystals is between 30 nm and 50 nm, and the average pore size is between 20 nm and 50 nm,
The n-type semiconductor compound is present as a metal oxide porous substrate, and the cover layer is made of the p-type solid semiconductor compound;
The n-type semiconductor metal oxide of the porous substrate is TiO 2 with an average particle size between 30 nm and 50 nm and an average pore size between 20 nm and 50 nm; and
The cover layer also forms an upper layer of at least 10 nm thickness and is disposed on one surface of the porous substrate.

他の無機吸収体、たとえばCdSが試験され、この発明の方法はうまく作用し、TiO2 および CuSCNと組み合わされる他の吸収体にも有効的に適用できることが示された。 Other inorganic absorbers, such as CdS, have been tested and shown that the method of the invention works well and can be applied effectively to other absorbers combined with TiO 2 and CuSCN.

表現「アンチモン硫化基」は、ここでは前記化合物が少なくとも多くは、好ましくは基本的にアンチモン硫化物Sb2S3により作られるということを意味する。そうしたアンチモン硫化物化合物は、硫化イオンの部分置換としてSb あるいはSの元素、および/あるいは酸化イオン、および/あるいは水酸化イオンの一つより多くをあるパーセントで含むことができる。 The expression “antimony sulfide group” here means that said compound is at least mostly made preferably by antimony sulfide Sb 2 S 3 . Such antimony sulfide compounds may contain in some percent more than one of Sb or S elements, and / or oxide ions, and / or hydroxide ions as a partial substitution of sulfide ions.

表現「透明な」は、ここでは前記材料が大きく吸収しないこと、つまり、400nmと1200nm の間の波長での放射に対して、〜35%未満の吸収割合であり、好ましくは450nmと1200nmの間の波長での放射に対して10%未満の吸収割合であることを意味する。   The expression “transparent” here means that the material does not absorb much, ie an absorption ratio of less than ˜35% for radiation at wavelengths between 400 nm and 1200 nm, preferably between 450 nm and 1200 nm. Means an absorption ratio of less than 10% for radiation at a wavelength of.

表現「吸収体」は、ここでは前記材料が400nmと、600nmと1200nmの間に位置する吸収開始点と、の間の波長での放射に対して少なくとも50%の吸収割合で吸収することを意味する。   The expression “absorber” here means that the material absorbs at an absorption rate of at least 50% for radiation at wavelengths between 400 nm and an absorption starting point located between 600 nm and 1200 nm. To do.

好ましくは熱的焼きなまし処理は、熱処理温度約300oCで 、好ましくは窒素ガス雰囲気で、前記吸収体材料がnもしくはp型の半導体のフィルム上に蒸着された後に行われる。 Preferably, the thermal annealing treatment is performed after the absorber material is deposited on the n- or p-type semiconductor film at a heat treatment temperature of about 300 ° C., preferably in a nitrogen gas atmosphere.

本発明の光起電力装置は、3つの固体化合物(2つは透明な半導体nおよびp型と1つの吸収体)に基づいており、低製造コストで満足すべき光起電力性能を示すという利点を有しており、本発明の複数の実施例にとって優れた性能でさえある。   The photovoltaic device of the present invention is based on three solid compounds (two transparent semiconductors n and p-type and one absorber) and has the advantage of exhibiting satisfactory photovoltaic performance at low manufacturing costs And even superior performance for embodiments of the present invention.

表現「孔径」は、ここでは孔の開口径を意味する、言い換えれば、その縦断面における平均寸法であって、フィルムの厚さを通る長手方向や深さ方向ではない。   The expression “hole diameter” here means the opening diameter of the hole, in other words, the average dimension in the longitudinal section, not the longitudinal direction or depth direction through the thickness of the film.

表現「粗度係数」は、ここでは多孔質フィルムの内面(これはフィルムに存在する孔の内面も同様である)と基板へのフィルムの投影面積との間の割合を意味する。この多孔性は、フィルムが粒子や結晶体でできているという事実に起因する。これらの凝集性は、フィルムを製造する間にそうした粒子や結晶体の間に残った裂け目の空間に孔を生成する。そして/あるいはそれは粒子境界を含まない単一材料への直接的な孔の生成に起因するかもしれない。このような粗度係数は、BET活性面の計算で分かる窒素の吸着・脱着技術を用いての多孔質性(及び孔寸法の分布)の計測により、近似値方法で推計される(孔径が2nm より大きく、球状に近い形状の場合)。   The expression “roughness factor” here means the ratio between the inner surface of the porous film (this is the same as the inner surface of the holes present in the film) and the projected area of the film on the substrate. This porosity is due to the fact that the film is made of particles or crystals. These agglomerates create pores in the space of the rift that remains between such particles and crystals during film production. And / or it may be due to the creation of pores directly into a single material that does not contain particle boundaries. Such roughness coefficient is estimated by the approximate value method (pore diameter is 2 nm) by measuring the porosity (and pore size distribution) using nitrogen adsorption / desorption technology that can be understood by calculating the BET active surface. For larger and nearly spherical shapes).

多孔質基板は、粒子や結晶体で生成される。これは、孔の内面がその粒子や結晶体の表面を構成することを意味する。   The porous substrate is formed of particles or crystals. This means that the inner surface of the hole constitutes the surface of the particle or crystal.

好ましくは、前記n型半導体金属酸化物は、30nmと50nm の間の平均粒子径と20nmと 50 nm の間の平均孔径とを有するTiO2 でできている。TiO2の場合、粒子径は、吸収体が蒸着される前の前記多孔質基板のBET面に対応し、25m2/g より大きく、更に好ましくは25m2/g と 50m2/g の間である。 Preferably, the n-type semiconductor metal oxide is made of TiO 2 having an average particle size between 30 nm and 50 nm and an average pore size between 20 nm and 50 nm. In the case of TiO 2 , the particle size corresponds to the BET surface of the porous substrate before the absorber is deposited and is greater than 25 m 2 / g, more preferably between 25 m 2 / g and 50 m 2 / g. is there.

有利な面として、本発明のセルは、前記半導体多孔質フィルムと「前接触」と呼ばれる透明な導電性基板との間に介在する、透明な半導体化合物の第1成形体(compact)層(非多孔質)を含む。このような薄い層(バリア層と呼ばれる)は、同一部材もしくは多孔質フィルムの材料より同一型(n か p)の材料で形成され、孔を充填する半導体と「前接触」と呼ばれる透明な導電性基板との間の短絡回路を避けることを可能にしている。この透明な導電性基板あるいは「前接触」は、市販されている透明な導電性のガラスでもよい。   Advantageously, the cell of the present invention comprises a first compact layer of non-transparent semiconductor compound (non-contained) interposed between the porous semiconductor film and a transparent conductive substrate called “pre-contact”. Porous). Such a thin layer (called a barrier layer) is made of the same type (n or p) material from the same member or porous film material, and a transparent conductive material called “pre-contact” with the semiconductor filling the hole. This makes it possible to avoid a short circuit with the conductive substrate. The transparent conductive substrate or “pre-contact” may be a commercially available transparent conductive glass.

本発明のセルの更なる有利な面として、セルは前記半導体多孔質基板と「後接触」と呼ばれる前記導電性の基板の層との間に配置される半導体化合物で生成される少なくとも、10nm の厚さの層を含む。この薄い上方層は、同一の半導体材料、もしくは、孔を充填する方と同一の型の別の半導体材料でできており、半導体多孔質基板と「後接触」と呼ばれる導電性の基板の層との間における短絡回路の回避を許容する。この導電性基板あるいは「後接触」はカーボン、もしくは金属のような別の導電性材料からできていてもよい。   As a further advantageous aspect of the cell of the present invention, the cell is formed of a semiconductor compound disposed between the semiconductor porous substrate and a layer of the conductive substrate referred to as “post contact” of at least 10 nm. Includes a layer of thickness. This thin upper layer is made of the same semiconductor material, or another semiconductor material of the same type as the one that fills the holes, and a layer of conductive substrate called “post contact” with the semiconductor porous substrate. Allow avoidance of short circuit between. This conductive substrate or “post-contact” may be made of another conductive material such as carbon or metal.

更に特定すれば、本発明のセルは以下に特徴付けられる:
・前記多孔質基板の第1の面は、成形体(非多孔質)の透明バリアー層、好ましくはn型半導体金属酸化物でできている、導電性ガラスのような導電性があり透明な「前接触」の第1基板上に蒸着され、そして
・前記多孔質基板は、厚さが1μmより大きく、好ましくは2μmと10μm の間の厚さのフィルムを構成しており、そして
・前記吸収体組成はそのサイズが10nm−200nmの凝集体を形成しており、そして
・P 型半導体化合物の前記カバー層は、少なくとも孔の容積の10%、好ましくは15%以上を充填し、そして
・前記多孔質基板の第2の面は、第2の導電性基板「後接触」によりカバーされており、そして
・好ましくは、前記カバー層はまた前記多孔質基板と「後接触」の前記第2の導電性基板「後接触」の電導層との間に置かれた少なくとも10nm の厚さの上方層を構成し、そして、
・前記多孔質基板とその吸収体とカバー層とは、前接触と後接触として作用する前記2つの導電性の基板間に収められている。後接触の第2の前記導電性基板は、透明でもそうでなくともよく、とりわけ金属或いはカーボンでできているとよい。
More specifically, the cells of the present invention are characterized as follows:
-The first surface of the porous substrate is a transparent barrier layer of a molded body (non-porous), preferably made of an n-type semiconductor metal oxide, and is conductive and transparent like conductive glass. Deposited on a "pre-contact" first substrate, and the porous substrate constitutes a film with a thickness greater than 1 μm, preferably between 2 μm and 10 μm, and
The absorber composition forms aggregates of 10 nm-200 nm in size, and the cover layer of P-type semiconductor compound fills at least 10% of the pore volume, preferably 15% or more, And the second surface of the porous substrate is covered by a second conductive substrate “post-contact”, and preferably, the cover layer is also “post-contact” with the porous substrate Constituting an upper layer of at least 10 nm thickness placed between the conductive layer of the second conductive substrate “post-contact” and
The porous substrate, its absorber and cover layer are housed between the two conductive substrates that act as pre-contact and post-contact. The second conductive substrate in post contact may or may not be transparent, and is preferably made of metal or carbon.

TiO2のような半導体金属酸化物をベースとするナノ結晶性多孔質フィルムの堆積は、TiO2のような前記金属酸化物のコロイド状分散剤のドクターブレード(あるいはテープ成形)或いはたとえば前記TiO2金属酸化物に基づくペーストのスクリーン印刷などの低コスト製造技術で行われる。 Deposition of nanocrystalline porous films based on semiconductor metal oxides such as TiO 2 is a doctor blade (or tape casting) colloidal dispersion agent for the metal oxide such as TiO 2 or for example the TiO 2 It is performed by a low-cost manufacturing technique such as screen printing of a paste based on a metal oxide.

吸収体層の堆積は、化学浴堆積あるいは電気化学堆積のような低コスト製造技術で行なわれる。   The absorber layer is deposited by low cost manufacturing techniques such as chemical bath deposition or electrochemical deposition.

第2の「透明な」半導体で孔の自由体積をカバーすることは、低コスト製造技術で行われる。たとえば溶解した材料の溶液での含漬とこれに続く溶媒蒸発、あるいはスピンコーティング法を用いての材料前駆体溶液での含漬手法、あるいは電気化学堆積で行われる。   Covering the free volume of the holes with a second “transparent” semiconductor is done with low cost manufacturing techniques. For example, impregnation with a solution of a dissolved material and subsequent solvent evaporation, impregnation with a material precursor solution using a spin coating method, or electrochemical deposition is performed.

本発明のセルは、熱処理などのような、さまざまな管理された酸化プロセスに従って作製される。   The cells of the present invention are made according to various controlled oxidation processes, such as heat treatment.

しかしながら、ある好ましい実施態様では、本発明は更に、本発明に従ったセルを製作するプロセス(工法)も提供するものである。そのプロセスにおいて、前記した界面層の酸化生成物は、前記セルの以下の組成部材を含む装置の酸素を含むガス状雰囲気における可視光照射を含む、いわゆる光ソーキング処理によって得られる。
・透明なn型半導体化合物の前記多孔質層、
・少なくとも前記多孔質層の孔の一部分を充填する透明なp型半導体化合物の前記層、および
・少なくとも一部は接触していない、それぞれp型およびn型の半導体化合物の2つの前記層の間に位置する凝集体を提示する無機吸収体化合物。
However, in certain preferred embodiments, the present invention further provides a process for making a cell according to the present invention. In the process, the oxidation product of the interface layer described above is obtained by a so-called optical soaking process including visible light irradiation in a gaseous atmosphere containing oxygen in an apparatus including the following composition members of the cell.
The porous layer of a transparent n-type semiconductor compound,
The transparent layer of p-type semiconductor compound filling at least a portion of the pores of the porous layer, and at least a portion of the two layers of p-type and n-type semiconductor compounds, respectively, that are not in contact with each other An inorganic absorber compound presenting an aggregate located in the region.

乾燥O2、湿気のない乾燥合成空気、周囲空気(室内空気)、純粋N2ガス、加湿N2など多くの雰囲気が実験された。そして酸素を含むガス、好ましくは周囲空気での可視光放射が光起電力性能を改善すると結論付けられた。確かに、周囲空気のなかに適宜湿気が含まれているとよい結果が得られる。しかし、多すぎる湿気は、セルの光起電力性能を低下させる。N2雰囲気の中でも、その性能進展率は低く、低い光ソーキング効果が観察された。この場合は、しかしながら、初期にセルの中に吸着された酸素が可視光照明のもとで反応していると考えられている。この発見に従い、セルが光照射の前に吸着された酸素や水を取り除いておくため熱処理がされていると、N2下での光ソーキング効果が小さくなることが観察された。 Many atmospheres were tested, including dry O 2 , dry synthetic air without moisture, ambient air (room air), pure N 2 gas, and humidified N 2 . It was concluded that visible light radiation in a gas containing oxygen, preferably ambient air, improved photovoltaic performance. Certainly, good results can be obtained if the ambient air appropriately contains moisture. However, too much moisture reduces the photovoltaic performance of the cell. Even in the N 2 atmosphere, the performance progress rate was low, and a low light soaking effect was observed. In this case, however, it is considered that the oxygen adsorbed in the cell in the initial stage reacts under visible light illumination. In accordance with this discovery, it was observed that the light soaking effect under N 2 was reduced if the cell was heat treated to remove the adsorbed oxygen and water before light irradiation.

「可視光」とは、波長が400nmから1200nmを意味する。   “Visible light” means a wavelength of 400 nm to 1200 nm.

好ましくは、光ソーキング処理の間、酸素を含むガス雰囲気は周囲空気、好ましくは周囲温度下で前記周囲空気の過飽和湿気割合より低い湿気割合を含む空気である。実際、水が電荷の移動に関連していることを示し、セルの光起電力性能は、周囲空気の湿気の度合とリンクしている。水は、光ソーキングの間にH+が存在している中でのO2の減少により生成される可能性が極めて高い。しかし、本発明によれば、非常に少ない水、たとえば過飽和以下の周囲空気内に通常存在する水が十分役に立ち、高い水の保有量では光起電力性能を下げることが観察されている。 Preferably, during the light soaking process, the gas atmosphere containing oxygen is ambient air, preferably air containing a moisture percentage lower than the supersaturated moisture percentage of said ambient air at ambient temperature. In fact, it shows that water is involved in charge transfer, and the photovoltaic performance of the cell is linked to the humidity level of the ambient air. Water is most likely generated by the reduction of O 2 in the presence of H + during light soaking. However, according to the present invention, it has been observed that very little water, such as water normally present in ambient air below supersaturation, is sufficiently useful and lowers photovoltaic performance at high water retention.

本発明のプロセスの別の特定な利点によれば、前記光ソーキング処理は、0.1kW/m2から5kW/m2の可視光パワーで5分から20時間の間、セルを照射することを含んでいる。 According to another particular advantage of the process of the invention, the optical soaking process comprises irradiating the cell with a visible light power of 0.1 kW / m 2 to 5 kW / m 2 for 5 minutes to 20 hours. It is out.

更に有利なことには、前記した光ソーキング処理は、オープン回路状態でセルを照明することを含んでいる。   More advantageously, the optical soaking process described above includes illuminating the cell in an open circuit condition.

オープン回路状態とは、ソーラセルに負荷が接続されていなくて、プラス電極もマイナス電極もオープンとなっており、電流が流れていないことを意味する。電子がセルの外へ出られないため、最も高い光ソーキング効果と光起電力性能が観察される。何故なら、セルがオープン回路状態であるからである。この反対の状態は短絡(ショート)回路状態である。この場合には、プラスとマイナスとが、負荷なしで直接繋がっており、電子がセルの外へ出て行く。   The open circuit state means that no load is connected to the solar cell, the plus electrode and the minus electrode are open, and no current flows. Since electrons cannot get out of the cell, the highest optical soaking effect and photovoltaic performance is observed. This is because the cell is in an open circuit state. The opposite state is a short circuit state. In this case, plus and minus are directly connected without load, and electrons go out of the cell.

本発明のプロセスの更に別の特定な有利な特徴に従えば、直列抵抗と光起電力変換効率が依存する、たとえば短絡回路の光電流Jscやオープン回路電圧Vocなどのパラメーターがモニターされ、光ソーキング処理は、以下のようにセルを照明することを含む。   According to yet another specific advantageous feature of the process of the invention, parameters such as short circuit photocurrent Jsc and open circuit voltage Voc are monitored and optical soaking dependent on the series resistance and photovoltaic conversion efficiency. The process includes illuminating the cell as follows.

・光起電力変換効率が増大している限り照明し、そして前記変換効率が最も高くなったとき前記照明を停止し、そして/あるいは、
・セルの直列抵抗が減少している限り照明し、そして前記抵抗が最低値となったとき前記照明を停止する。
Illuminate as long as the photovoltaic conversion efficiency is increased, and stop the illumination when the conversion efficiency is highest, and / or
Illuminate as long as the series resistance of the cell is reduced, and stop the illumination when the resistance is at its lowest value.

光起電力変換効率は、短絡回路電流Jsc、オープン回路電圧Voc、充填係数ffに関連する。典型的には、これらすべてのパラメーターJsc、 Voc、 ff は、光ソーキングが行われるとき、酸化種の界面層が生じるにつれて改善される。前記直列抵抗と上記のパラメーターとの関係は、以下に詳細に説明される。   The photovoltaic conversion efficiency is related to the short circuit current Jsc, the open circuit voltage Voc, and the filling factor ff. Typically, all these parameters Jsc, Voc, ff improve as an interfacial layer of oxidizing species occurs when light soaking is performed. The relationship between the series resistance and the above parameters will be described in detail below.

本発明の第1実施例において、前記光ソーキング処理は、密閉されていないセルにおいて施され、セルは、その光ソーキング処理が行われた直後に密閉される。その光ソーキング処理は、好ましくは乾燥ガス雰囲気のもと、更に好ましくは、乾燥窒素ガスあるいは乾燥合成空気のもとで行われる。   In the first embodiment of the present invention, the optical soaking process is performed in an unsealed cell, and the cell is sealed immediately after the optical soaking process is performed. The optical soaking treatment is preferably performed under a dry gas atmosphere, more preferably under dry nitrogen gas or dry synthetic air.

表現「密閉されたセル」とはセルが壁の中に閉じ込められていることを意味する。   The expression “sealed cell” means that the cell is confined in a wall.

更に特定すれば、装置はMSCN化合物を含み、以下の連続したステップを経て製作される。
・吸着体をn型半導体の多孔質層へ蒸着し、
・アルカリ金属チオシアン酸塩M SCN(6)(Mは好ましくはLi、Na、あるいはKである)を、前記吸収体によりカバーされている多孔質基板に鋳込むことにより、導入し、
・CuSCN を含むP型半導体化合物の前記カバー層を、多孔質基板に、その溶液を、好ましくはジプロピル硫化物の溶液を鋳込むことにより蒸着し、そして
・前記得られた装置に光ソーキング処理が施される。
More specifically, the device contains an MSCN compound and is fabricated through the following sequential steps.
・ Vapor is deposited on the porous layer of n-type semiconductor,
Introducing an alkali metal thiocyanate M SCN (6) (M is preferably Li, Na or K) by casting into a porous substrate covered by the absorber;
Depositing the cover layer of the P-type semiconductor compound containing CuSCN on a porous substrate by casting the solution, preferably by casting a solution of dipropyl sulfide, and optical soaking treatment on the resulting device Applied.

本発明による新規な光起電力装置の利点は、それが低製造コストで、密閉状態での保管時高い光起電力性能が得られることである。なぜなら、高い純度を必要としない材料を使用でき、それらの材料は低コスト製造技術で製造できるからである(特に、これらの材料は、シリコン系のデバイスに使用されるような高真空技術を必要としないからである)。 The advantages of the novel photovoltaic device according to the invention are that it is low in production cost and provides high photovoltaic performance when stored in a sealed state. This is because materials that do not require high purity can be used and these materials can be manufactured with low-cost manufacturing techniques (especially these materials require high vacuum technology as used in silicon-based devices. Because it does not.)

本発明の光起電力セルは、過去の同様なコンセプトのものと比較してより良い光起電力性能を示す。特に、短絡回路における高い光電流と、より高い光起電力変換効率を示す。もう少し正確に言えば、本発明は1000 W/m2の照射において、短絡回路の光電流が10 mA/cm2或いはそれ以上であり、オープン回路電圧Voc (I=0における)が0.50 V より大きく、変換効率が3%より大きい値を示し、光起電力性能の安定性が少なくとも300日より多く安定に保たれるセルを提供する。 The photovoltaic cell of the present invention exhibits better photovoltaic performance compared to previous similar concepts. In particular, it shows a high photocurrent and higher photovoltaic conversion efficiency in the short circuit. To be more precise, the present invention shows that the short circuit photocurrent is 10 mA / cm 2 or more at 1000 W / m 2 and the open circuit voltage Voc (at I = 0) is 0.50 V. It provides a cell that is larger and exhibits a conversion efficiency greater than 3% and that the stability of photovoltaic performance remains stable for at least more than 300 days.

この貫通型に加え、3つの化合物は、ある条件、特にそれぞれのエネルギーバンドの一致、を満足させる。バンドモデルを半導体に取れば、第1次近似として吸収体の導電帯は、n型半導体の導電帯より更に小さな負の値とならねばならない(もっともよく使用される場合には、エネルギーレベルは、負の値であり、ゼロ、つまり空レベルからスタートする)。そして吸収体の価電子帯は、p 型半導体の価電子帯よりも更に負でなければならない。そしてこれはすべて、電子と穴の注入をそれぞれ許容するためである。   In addition to this penetration type, the three compounds satisfy certain conditions, in particular the agreement of the respective energy bands. If the band model is taken for a semiconductor, as a first approximation, the conduction band of the absorber must be a negative value that is even smaller than the conduction band of the n-type semiconductor (when most commonly used, the energy level is Negative value, starting from zero, or empty level). And the valence band of the absorber must be more negative than the valence band of the p-type semiconductor. And all this is to allow injection of electrons and holes respectively.

3つの化合物が無機質固体部材であることの事実は、戸外での適用、もっと特定すると、家屋の屋根上での適用に対してより長い耐久性の優位なポテンシャルを与える。   The fact that the three compounds are inorganic solid members gives the superior potential of longer durability for outdoor applications, and more particularly for application on the roof of a house.

本発明の更なる利点と特徴とは、下記の実施例のさまざまな例の詳細な説明と下記図面に記載の結果から明らかになろう。   Further advantages and features of the present invention will become apparent from the detailed description of various examples of the following examples and the results described in the following drawings.

オープン回路での周囲空気のもと、光ソーキングを開始したあとの異なった時間tで計測した1太陽(1006W/m 2)で照明されるTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの電圧(V)(I-V曲線)に対する光電流の密度(mA/cm2)曲線を表しており(セルのアクティブ領域は、0.54 cm2)、 (a) t=0; (b) t=10 分; (c) t=20分; (d) t=100 分、である。TiO 2 / Sb 2 S 3 / (LiSCN) CuSCN cell illuminated by one sun (1006 W / m 2 ) measured at different times t after the start of optical soaking in the open air The photocurrent density (mA / cm 2 ) curve for voltage (V) (IV curve) (cell active area is 0.54 cm 2 ), (a) t = 0; (b) t = 10 min (c) t = 20 minutes; (d) t = 100 minutes. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの、時間変化 (t = 0から 3000 分) における短絡回路電流密度Jscの曲線進展(展開)を表している。これらは3つの異なったセルタイプを示し、(○) は、光ソーキング前(室温で15時間Nグローブボックス内に保管)には熱的な処理がされていないタイプ; (●)は 80oC で15時間、Nグローブボックス内で加熱されるタイプ、(▲) は80oC で15時間、合成乾燥空気グローブボックス内で加熱されるタイプをそれぞれ示す。˜1 solar TiO 2 / Sb 2 S 3 in an open circuit state during light soaking, initially in dry N 2 (A), then dry air (B), and finally in a dry N 2 atmosphere (C) / (LiSCN) represents the curve evolution (development) of the short-circuit current density Jsc over time (t = 0 to 3000 minutes) of the CuSCN cell. It shows three different cell types, (○), the light soaking before type to (stored in 15 hours N 2 glove box at room temperature) are not thermal treatment; (●) is 80 o The type heated in the N 2 glove box for 15 hours at C, and (▲) indicates the type heated in the synthetic dry air glove box at 80 ° C. for 15 hours. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの、時間変化 (t = 0から 3000 分) におけるオープン回路電圧Vocの曲線進展(展開)を表している。これらは3つの異なったセルタイプを示し、(○) は、光ソーキング前(室温で15時間Nグローブボックス内に保管)には熱的な処理がされていないタイプ; (●)は 80oC で15時間、Nグローブボックス内で加熱されるタイプ、(▲) は80oC で15時間、合成乾燥空気グローブボックス内で加熱されるタイプをそれぞれ示す。˜1 solar TiO 2 / Sb 2 S 3 in an open circuit state during light soaking, initially in dry N 2 (A), then dry air (B), and finally in a dry N 2 atmosphere (C) / (LiSCN) represents the curve evolution (development) of the open circuit voltage Voc over time (t = 0 to 3000 minutes) in the CuSCN cell. It shows three different cell types, (○), the light soaking before type to (stored in 15 hours N 2 glove box at room temperature) are not thermal treatment; (●) is 80 o The type heated in the N 2 glove box for 15 hours at C, and (▲) indicates the type heated in the synthetic dry air glove box at 80 ° C. for 15 hours. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの、時間変化 (t = 0から 3000 分) における充填係数ffの曲線進展(展開)を表している。これらは3つの異なったセルタイプを示し、(○) は、光ソーキング前(室温で15時間Nグローブボックス内に保管)には熱的な処理がされていないタイプ; (●)は 80oC で15時間、Nグローブボックス内で加熱されるタイプ、(▲) は80oC で15時間、合成乾燥空気グローブボックス内で加熱されるタイプをそれぞれ示す。˜1 solar TiO 2 / Sb 2 S 3 in an open circuit state during light soaking, initially in dry N 2 (A), then dry air (B), and finally in a dry N 2 atmosphere (C) / (LiSCN) represents the curve evolution (development) of the filling factor ff over time (t = 0 to 3000 minutes) of the CuSCN cell. It shows three different cell types, (○), the light soaking before type to (stored in 15 hours N 2 glove box at room temperature) are not thermal treatment; (●) is 80 o The type heated in the N 2 glove box for 15 hours at C, and (▲) indicates the type heated in the synthetic dry air glove box at 80 ° C. for 15 hours. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの、時間変化 (t = 0から 3000 分) における効率η (%)の曲線進展(展開)を表している。これらは3つの異なったセルタイプを示し、(○) は、光ソーキング前(室温で15時間Nグローブボックス内に保管)には熱的な処理がされていないタイプ; (●)は 80oC で15時間、Nグローブボックス内で加熱されるタイプ、(▲) は80oC で15時間、合成乾燥空気グローブボックス内で加熱されるタイプをそれぞれ示す。˜1 solar TiO 2 / Sb 2 S 3 in an open circuit state during light soaking, initially in dry N 2 (A), then dry air (B), and finally in a dry N 2 atmosphere (C) / (LiSCN) represents the curve evolution (development) of the efficiency η (%) with time change (t = 0 to 3000 minutes) of the CuSCN cell. It shows three different cell types, (○), the light soaking before type that is not the thermal treatment to (stored in 15 hours N 2 glove box at room temperature); (●) in 80oC The type heated in the N 2 glove box for 15 hours, and (▲) indicates the type heated in the synthetic dry air glove box at 80 ° C. for 15 hours. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNセルの、時間変化 (t = 0から 3000 分) における直列抵抗Rs (Ω) の曲線進展(展開)を表している。これらは3つの異なったセルタイプを示し、(○) は、光ソーキング前(室温で15時間Nグローブボックス内に保管)には熱的な処理がされていないタイプ; (●)は 80oC で15時間、Nグローブボックス内で加熱されるタイプ、(▲) は80oC で15時間、合成乾燥空気グローブボックス内で加熱されるタイプをそれぞれ示す。˜1 solar TiO 2 / Sb 2 S 3 in an open circuit state during light soaking, initially in dry N 2 (A), then dry air (B), and finally in a dry N 2 atmosphere (C) / (LiSCN) represents the curve evolution (development) of the series resistance Rs (Ω) over time (t = 0 to 3000 minutes) of the CuSCN cell. It shows three different cell types, (○), the light soaking before type that is not the thermal treatment to (stored in 15 hours N 2 glove box at room temperature); (●) in 80oC The type heated in the N 2 glove box for 15 hours, and (▲) indicates the type heated in the synthetic dry air glove box at 80 ° C. for 15 hours. 1太陽で規格化した4つの性能パラメーター(以下に示す)の時間変化(t = 0 から400 日)における光電流 Jsc (mA/cm2)の曲線進展を示す。3つのセルタイプTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNの 〜1 太陽で継続的に照射した状態で、異なった3つの条件における管理された雰囲気大気の流れのもとでの曲線進展を示す。この3つの流れは (◆) N2 フロー、オープン回路 (O.C.) 状態; (△) N2 フロー、短絡回路 (S.C.) 状態; (●) 合成空気流、オープン回路 (O.C.) 状態である。Curve evolution of photocurrent Jsc (mA / cm 2 ) over time (t = 0 to 400 days) of four performance parameters normalized to one sun (shown below) is shown. Three cell types TiO 2 / Sb 2 S 3 / (LiSCN) CuSCN ˜1 With continuous irradiation in the sun, curve evolution under controlled atmospheric air flow in three different conditions Show. These three flows are (◆) N 2 flow, open circuit (OC) state; (△) N 2 flow, short circuit (SC) state; (●) synthetic air flow, open circuit (OC) state. 1太陽で規格化した4つの性能パラメーター(以下に示す)の時間変化(t = 0 から400 日)におけるオープン回路電圧Voc (V)の曲線進展を示す。3つのセルタイプTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNの 〜1 太陽で継続的に照射した状態で、異なった3つの条件における管理された雰囲気大気の流れのもとでの曲線進展を示す。この3つの流れは (◆) N2 フロー、オープン回路 (O.C.) 状態; (△) N2 フロー、短絡回路 (S.C.) 状態; (●) 合成空気流、オープン回路 (O.C.) 状態である。The curve development of the open circuit voltage Voc (V) in the time change (t = 0 to 400 days) of four performance parameters normalized to one sun (shown below) is shown. Three cell types TiO 2 / Sb 2 S 3 / (LiSCN) CuSCN ˜1 With continuous irradiation in the sun, curve evolution under controlled atmospheric air flow in three different conditions Show. These three flows are (◆) N 2 flow, open circuit (OC) state; (△) N 2 flow, short circuit (SC) state; (●) synthetic air flow, open circuit (OC) state. 1太陽で規格化した4つの性能パラメーター(以下に示す)の時間変化(t = 0 から400 日)における効率(%)の曲線進展を示す。3つのセルタイプTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNの 〜1 太陽で継続的に照射した状態で、異なった3つの条件における管理された雰囲気大気の流れのもとでの曲線進展を示す。この3つの流れは (◆) N2 フロー、オープン回路 (O.C.) 状態; (△) N2 フロー、短絡回路 (S.C.) 状態; (●) 合成空気流、オープン回路 (O.C.) 状態である。It shows the curve evolution of efficiency (%) over time (t = 0 to 400 days) of four performance parameters normalized to one sun (shown below). Three cell types TiO 2 / Sb 2 S 3 / (LiSCN) CuSCN ˜1 With continuous irradiation in the sun, curve evolution under controlled atmospheric air flow in three different conditions Show. These three flows are (◆) N 2 flow, open circuit (OC) state; (△) N2 flow, short circuit (SC) state; (●) synthetic air flow, open circuit (OC) state. 1太陽で規格化した4つの性能パラメーター(以下に示す)の時間変化(t = 0 から400 日)における充填係数の曲線進展を示す。3つのセルタイプTiO2/Sb2S3/(LiSCN) CuSCNの 〜1 太陽で継続的に照射した状態で、異なった3つの条件における管理された雰囲気大気の流れのもとでの曲線進展を示す。この3つの流れは (◆) N2 フロー、オープン回路 (O.C.) 状態; (△) N2 フロー、短絡回路 (S.C.) 状態; (●) 合成空気流、オープン回路 (O.C.) 状態である。The curve evolution of the filling factor over time (t = 0 to 400 days) of four performance parameters normalized to one sun (shown below) is shown. Three cell types TiO 2 / Sb 2 S 3 / (LiSCN) CuSCN ˜1 With continuous irradiation in the sun, curve evolution under controlled atmospheric air flow in three different conditions Show. These three flows are (◆) N 2 flow, open circuit (OC) state; (△) N 2 flow, short circuit (SC) state; (●) synthetic air flow, open circuit (OC) state. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥Nガス(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥Nガス雰囲気(C)における〜1太陽でのTiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCNセルの、t =0から3000分までの時間変化における効率ηの曲線進展を示す。これらは4つの異なったチオシアン酸塩処理と各チオシアン酸塩処理に対する3つの異なった熱処理を示し、(●)は非塩処理、(▲) はLiSCN 処理、 (■)は KSCN 処理、 (◆)は 非熱処理セルへのNaSCN 処理であり、対応する白色の記号(シンボル)は、N熱処理されたセルを示す。またグレーの記号は、乾燥空気熱処理されたセルを示す。Between light soaking, in an open circuit condition, the initial dry N 2 gas (A), then dry air (B), and finally dried N 2 TiO 2 / Sb at ~ 1 sun in a gas atmosphere (C) 2 shows the evolution of the efficiency η curve over time from t = 0 to 3000 minutes for the 2 S 3 / (alkali metal thiocyanate) CuSCN cell. These show four different thiocyanate treatments and three different heat treatments for each thiocyanate treatment, (●) for non-salt treatment, (▲) for LiSCN treatment, (■) for KSCN treatment, (◆) Is the NaSCN treatment on the non-heat treated cell, and the corresponding white symbol indicates the N 2 heat treated cell. Gray symbols indicate cells that have been heat-treated with dry air. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥Nガス(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥Nガス雰囲気(C)における〜1太陽でのTiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCNセルの、t =0から3000分までの時間変化における充填係数ffの曲線進展を示す。これらは4つの異なったチオシアン酸塩処理と各チオシアン酸塩処理に対する3つの異なった熱処理を示し、(●)は非塩処理、(▲) はLiSCN 処理、 (■)は KSCN 処理、 (◆)は 非熱処理セルへのNaSCN 処理であり、対応する白色の記号(シンボル)は、N熱処理されたセルを示す。またグレーの記号は、乾燥空気熱処理されたセルを示す。Between light soaking, in an open circuit condition, the initial dry N 2 gas (A), then dry air (B), and finally dried N 2 TiO 2 / Sb at ~ 1 sun in a gas atmosphere (C) 2 S 3 / (alkali metal thiocyanate) shows the curve evolution of the filling factor ff of the CuSCN cell over time from t = 0 to 3000 minutes. These show four different thiocyanate treatments and three different heat treatments for each thiocyanate treatment, (●) for non-salt treatment, (▲) for LiSCN treatment, (■) for KSCN treatment, (◆) Is the NaSCN treatment on the non-heat treated cell, and the corresponding white symbol indicates the N 2 heat treated cell. Gray symbols indicate cells that have been heat-treated with dry air. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥Nガス(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥Nガス雰囲気(C)における〜1太陽でのTiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCNセルの、t =0から3000分までの時間変化における短絡回路電流密度Jscの曲線進展を示す。これらは4つの異なったチオシアン酸塩処理と各チオシアン酸塩処理に対する3つの異なった熱処理を示し、(●)は非塩処理、(▲) はLiSCN 処理、 (■)は KSCN 処理、 (◆)は 非熱処理セルへのNaSCN 処理であり、対応する白色の記号(シンボル)は、N熱処理されたセルを示す。またグレーの記号は、乾燥空気熱処理されたセルを示す。Between light soaking, in an open circuit condition, the initial dry N 2 gas (A), then dry air (B), and finally dried N 2 TiO 2 / Sb at ~ 1 sun in a gas atmosphere (C) 2 S 3 / (alkali metal thiocyanate) shows the curve evolution of the short circuit current density Jsc over time from t = 0 to 3000 minutes for the CuSCN cell. These show four different thiocyanate treatments and three different heat treatments for each thiocyanate treatment, (●) for non-salt treatment, (▲) for LiSCN treatment, (■) for KSCN treatment, (◆) Is the NaSCN treatment on the non-heat treated cell, and the corresponding white symbol indicates the N 2 heat treated cell. Gray symbols indicate cells that have been heat-treated with dry air. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥Nガス(A)、次に乾燥空気(B)、そして最後は乾燥Nガス雰囲気(C)における〜1太陽でのTiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCNセルの、t =0から3000分までの時間変化におけるオープン回路電圧Voc の曲線進展を示す。これらは4つの異なったチオシアン酸塩処理と各チオシアン酸塩処理に対する3つの異なった熱処理を示し、(●)は非塩処理、(▲) はLiSCN 処理、 (■)は KSCN 処理、 (◆)は 非熱処理セルへのNaSCN 処理であり、対応する白色の記号(シンボル)は、N熱処理されたセルを示す。またグレーの記号は、乾燥空気熱処理されたセルを示す。Between light soaking, in an open circuit condition, the initial dry N 2 gas (A), then dry air (B), and finally dried N 2 TiO 2 / Sb at ~ 1 sun in a gas atmosphere (C) 2 S 3 / (alkali metal thiocyanate) shows the curve evolution of open circuit voltage Voc over time from t = 0 to 3000 minutes for a CuSCN cell. These show four different thiocyanate treatments and three different heat treatments for each thiocyanate treatment, (●) for non-salt treatment, (▲) for LiSCN treatment, (■) for KSCN treatment, (◆) Is the NaSCN treatment on the non-heat treated cell, and the corresponding white symbol indicates the N 2 heat treated cell. Gray symbols indicate cells that have been heat-treated with dry air. 光ソーキングの間における、オープン回路状態で、初期は乾燥N(A)、次に乾燥空気(B)そして最後は乾燥N雰囲気(C)における〜1太陽のTiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCNセルの、t =0から3000分までの時間変化におけるセル直列抵抗の曲線進展を示す。これらは4つの異なったチオシアン酸塩処理と各チオシアン酸塩処理に対する3つの異なった熱処理を示し、(●)は非塩処理、(▲) はLiSCN 処理、 (■)は KSCN 処理、 (◆) は非熱処理されたセルへのNaSCN 処理であり、 対応する白色の記号(シンボル)はN熱処理されたセルを示す。またグレーの記号は、乾燥空気熱処理されたセルを示す。Between light soaking, in an open circuit condition, the initial dry N 2 (A), then dry air (B) and finally dried N 2 atmosphere (C) in to 1 sun TiO 2 / Sb 2 S 3 / (Alkali metal thiocyanate) The curve progression of the cell series resistance of CuSCN cell over time from t = 0 to 3000 minutes is shown. These show four different thiocyanate treatments and three different heat treatments for each thiocyanate treatment, (●) for non-salt treatment, (▲) for LiSCN treatment, (■) for KSCN treatment, (◆) Is the NaSCN treatment on the non-heat treated cell, and the corresponding white symbol indicates the N 2 heat treated cell. Gray symbols indicate cells that have been heat-treated with dry air. TiO2/ Sb2S3/(KSCN) CuSCN のセルの、1太陽で、さまざまなKSCNの浸漬溶液濃度における電圧(V) (I-V 曲線)に対する光起電力密度(mA/cm2)曲線を示す。Photovoltaic density (mA / cm 2 ) curves for TiO 2 / Sb 2 S 3 / (KSCN) CuSCN cells versus voltage (V) (IV curve) at different concentrations of KSCN immersion solution in one sun . 本発明の一部分が酸化された界面層を有するセルの内部構造で、透過型電子顕微鏡(TEM)解析により観察された構造を概略的に示す。1 schematically shows a structure observed by a transmission electron microscope (TEM) analysis of an internal structure of a cell having an oxidized interface layer according to the present invention.

(1-実験セクション)
<1.1. TiO2 成形体と多孔質層の作製>
旭ガラスからのFドープSnO2 透明導電性酸化物(TCO)ガラスが「前接触」として使用された。厚さ〜20 nm(SEMおよびTEMで確認)の正孔障壁コンパクト(compact)TiO2 層がスプレー熱分解により蒸着された。〜3μmの厚さ、平均粒子径が〜40nm−50nm、粗度係数150−300の多孔質ナノ結晶体TiO2フィルムが先行文献に記載のように製造された。
<1.2. TiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCN セルの作製>
アンチモン硫化物が多孔質ナノ結晶体TiO2 上に、以下に記載のような化学浴析出(CBD)3-9 により蒸着された。このCBDは、最終的な濃度がそれぞれ、〜0.025M Sb3+ および〜0.25M S2O3 2-となるように、アセトン中にSbCl3 溶液を最初〜1Mを準備して、これを〜1M のNa2S2O3冷水溶液と冷水で希釈し、行われた。サンプルが浴槽に対して垂直方向に浸され、5−10oCの冷蔵庫に入れられた。 CBD 反応は典型的に2時間放置された。その後、サンプルは、蒸留水が入っている2つのビーカーの各々に浸され、5秒くらい振って、窒素ガスをサンプルの表面に水平にして数秒間吹き付けて乾燥させることにより、2つのビーカー内で2回洗浄された。その後、サンプルは 15−30分くらい300−320oCの温度の窒素グローブボックス内で焼きなましされた。
(1-Experiment section)
<1.1. Preparation of TiO2 compact and porous layer>
F-doped SnO 2 transparent conductive oxide (TCO) glass from Asahi Glass was used as “pre-contact”. A hole barrier compact TiO 2 layer of thickness ˜20 nm (confirmed by SEM and TEM) was deposited by spray pyrolysis 1 . A porous nanocrystalline TiO 2 film with a thickness of ˜3 μm, an average particle size of ˜40 nm-50 nm and a roughness coefficient of 150-300 was prepared as described in the prior art.
<1.2. Fabrication of TiO 2 / Sb 2 S 3 / (Alkali Metal Thiocyanate) CuSCN Cell>
Antimony sulfide was deposited on the porous nanocrystalline TiO 2 by chemical bath deposition (CBD) 3-9 as described below. This CBD is prepared by first preparing 1M of SbCl 3 solution in acetone so that the final concentrations are ˜0.025M Sb 3+ and ˜0.25M S 2 O 3 2- , respectively. Was diluted with ˜1 M Na 2 S 2 O 3 cold aqueous solution and cold water. Samples were immersed perpendicular to the bath and placed in a 5-10 ° C refrigerator. The CBD reaction was typically left for 2 hours. The sample is then immersed in each of two beakers containing distilled water, shaken for about 5 seconds, and blown with nitrogen gas horizontally on the surface of the sample for several seconds to dry in the two beakers. Washed twice. The sample was then annealed in a nitrogen glove box at a temperature of 300-320 ° C. for about 15-30 minutes.

その後、サンプルは、LiSCN、KSCNあるいは NaSCN 塩のいずれかの0.5M水溶液内に30秒間浸された。非塩処理サンプルも同じように比較のため作製された。KSCN塩に対しては、比較のため他の濃度も準備された。それから、数秒間、窒素ガスを表面に吹き付けてサンプルが乾燥させられた。   The sample was then immersed for 30 seconds in a 0.5 M aqueous solution of either LiSCN, KSCN, or NaSCN salt. Non-salt treated samples were made for comparison as well. For KSCN salt, other concentrations were prepared for comparison. The sample was then dried by blowing nitrogen gas over the surface for several seconds.

このプロセスの後に、CuSCN充填が、ジプロピル硫化物の中のCuSCN 溶液の含浸と蒸発とにより行われた。そしてCuSCN充填の直後に、厚さ約〜40 nm のゴールド層の「後接触」がエドワード306蒸発器を用いて熱による蒸発作用で蒸着された。
<1.3 熱処理によるセルの乾燥>
完成されたセルのいくつかは、下記の3つの異なった条件における特性評価が済むまで保管された。
After this process, CuSCN filling was performed by impregnation and evaporation of CuSCN solution in dipropyl sulfide. And immediately after CuSCN filling, a “post-contact” of about ˜40 nm thick gold layer was evaporated by thermal evaporation using an Edward 306 evaporator.
<1.3 Cell drying by heat treatment>
Some of the completed cells were stored until they were characterized in three different conditions:

1.窒素グローブボックス内に室温状態で15時間 (以降、これを非熱処理セルという)
2.窒素グローブボックスに置かれる80℃の加熱板上で15時間(以降、これをN熱処理セルという)
3.合成乾燥空気グローブボックスに置かれる80℃の加熱板上で15時間(以降、これを乾燥空気熱処理セルという)
後接触電極蒸着の後のこれら後処理、つまり、セルの最終製作過程は、セルの乾燥効果をチェックするため試験された(たとえば、CuSCN 充填で用いられたジプロピル硫化物の可能な痕跡の取り除きとかセル内に残っている湿気の効果など)。
1. 15 hours at room temperature in a nitrogen glove box (hereinafter referred to as non-heat-treated cell)
2. 15 hours on an 80 ° C heating plate placed in a nitrogen glove box (hereinafter referred to as N 2 heat treatment cell)
3. 15 hours on an 80 ° C heating plate placed in a synthetic dry air glove box (hereinafter referred to as dry air heat treatment cell)
These post-treatments after post-contact electrode deposition, ie the final fabrication process of the cell, were tested to check the drying effect of the cell (eg removal of possible traces of dipropyl sulfide used in CuSCN filling). Effect of moisture remaining in the cell).

電流―電圧I-V曲線の測定や量子効率 (QE、 IPCEとしても知られている)は、報告されたセットアップ2で記録された。
<1.4 光ソーキング処理>
セルは、ガスの効果と熱処理を観察するため色々なガス雰囲気のもとで光ソーキングがなされた。この光ソーキング処理は、管理されたガス雰囲気の中で20分から1200分間、オープン回路状態において、〜1太陽(=およそ1000W/m2) の照射をすることである。セルは、1太陽に近い照射でもって連続した照明のもと、太陽シミュレーターに晒された。セルの温度は管理されてはいなかったが、〜30−35℃の範囲であった。
Current-voltage IV curve measurements and quantum efficiencies (also known as QE, IPCE) were recorded in reported setup 2 .
<1.4 Optical soaking process>
The cell was light soaked in various gas atmospheres to observe the effect of gas and heat treatment. This optical soaking process is to irradiate ˜1 sun (= approximately 1000 W / m 2 ) in an open circuit state in a controlled gas atmosphere for 20 to 1200 minutes. The cell was exposed to a solar simulator under continuous illumination with illumination close to one sun. The cell temperature was not controlled, but was in the range of ~ 30-35 ° C.

光ソーキングは以下の3つの条件
(a)周囲空気(室内空気)、あるいは
(b)合成された乾燥空気の管理された雰囲気、あるいは
(c)Nガス流、
で行われた。
Optical soaking is performed under the following three conditions (a) ambient air (room air), or (b) a controlled atmosphere of synthesized dry air, or
(C) N 2 gas flow,
Made in

光ソーキングの間、I-V曲線が定期的に計測された。   During light soaking, I-V curves were measured regularly.

光ソーキングの前に、セルは以下のように密封された。セルは、光照明のためのガラス窓と以下のいずれかの管理されたガス流の下で管理されたガス雰囲気を可能にするガスインレットとガスアウトレットとがついた金属ボックスでできたセル容器に入れられた。
(a)乾燥N2、あるいは
(b)乾燥合成空気。
Prior to light soaking, the cell was sealed as follows. The cell is in a cell container made of a metal box with a glass window for light illumination and a gas inlet and gas outlet that allows a controlled gas atmosphere under one of the following controlled gas flows: It was put.
(a) dry N 2 or
(b) Dry synthetic air.

そして、そのように管理された雰囲気における、密封されたセルの計測が実施された。   And the measurement of the sealed cell in the atmosphere controlled in that way was implemented.

セルは最初、数時間乾燥合成空気の中で光ソーキングされた。ガス雰囲気は、Nに変更されるか或いは乾燥空気のままであり、そのようなガスの少しだけの流れが継続された。セルは、オープン回路か短絡回路かにされ、適宜時間に性能が計測された。異なった条件の下での3つのセルに対する性能パラメーターの進展が、こうした数々の安定試験の中でほぼ1年間にわたってモニターされた。
<1.5. 計測>
Jsc (mA/cm2)、 Voc (V)、 ff、 直列抵抗Rs (Ω)、 効率 η (%)などの進展と同様に、I-V 曲線も定期的に計測された。
The cell was initially light soaked in dry synthetic air for several hours. The gas atmosphere was changed to N 2 or remained dry air and a slight flow of such gas continued. The cell was either an open circuit or a short circuit, and performance was measured at appropriate times. The evolution of performance parameters for the three cells under different conditions was monitored over the course of almost a year in these numerous stability tests.
<1.5. Measurement>
Similar to the progress of Jsc (mA / cm 2 ), Voc (V), ff, series resistance Rs (Ω), and efficiency η (%), IV curves were also measured regularly.

それは、(-dV/dI)対Vのプロット上に平坦部を作るように、十分高い電圧フォワードバイアスまで走査したI−V曲線(単一照射での)の微分係数を作ることであり、直接Rsの値を与える。SEM画像は、電界放射型走査電子顕微鏡日立S-4700で得られた。この顕微鏡にはEDX (エネルギー分散X線微量分析) ノランシステムSIXが付加されていた。TEM 分析は、JEOL 2100F FEG-200kV 顕微鏡で行われ、この顕微鏡は、STEM アクセサリー、および一体型JEOL JED-2300T EDX 分析器を備えていた。
(2. 実施例)
下記の実施例1から4は、上記第1パラグラフで開示した方法に従って、その材料で実施された。そして、その結果は、第3パラグラフに詳しく説明されている。
[比較例(1)]
処理されていない密閉されたセルTCO/ナノ結晶体TiO2/Sb2S3/CuSCN/Auが使用のため作製され、N雰囲気の中で光起電力性能が評価された。エネルギー変換効率は、0.1%より小さかった。
[実施例(2)]
比較例(1)と同じセルが本発明の光ソーキングにより処理され、雰囲気空気(室内空気)のもとで特性評価された。酸化種の前記界面層の形成により、照明開始後15時間で効率は1.2%に増加した。しかし、雰囲気をNに変えたら、このセルの組成との界面層の不十分な形成により、性能は0.4%に低下した。
[比較例(3)]
TCO/ナノ結晶体-TiO2/Sb2S3/LiSCN、CuSCN/Auセルが作製され、照明処理でのN雰囲気の下における光起電力性能の特性評価が行われた。CuSCN蒸着の前に、0.05MのLiSCN水溶液の中にサンプルを浸漬することによりLiSCNがセルに導入された。照明の始めの初期効率は〜0.2%であった。その後、照明された状態でオープン回路にしてセルを5日間放置したら1.5%に増加した。その性能のゆっくりした進展は、界面層を形成するための酸素が欠乏しているためである。初期に吸着してセル内に存在している酸素のみが機能するようにみえる。界面層の形成は、制限された量の酸素により、明白ではない。
[本発明の実施例(4)]
比較例(3)と同じセルが乾燥空気中で照明され、計測された。初期効率は〜0.2 % であり、その後、照明状態にて、オープン回路で2時間放置したら 3.8 %に増加した。性能の早い進展は、酸素と照明の存在での界面層の形成による。光ソーキング処理の後、N雰囲気に変更したら、1.7%より高い効率が300日より多く続いた。
(3. 結果と考察)
<3.1. 周囲空気の中での光ソーキングでのセル性能>
セルは、光ソーキングと保管の間に周囲空気と接触すると、セル性能が典型的には初期の低い効率からより高いものに上昇するという重要な光ソーキング効果を示した。酸素がこの効果に関連していることが示された。セルの最善のセル効率、はLiSCNで処理されたセルに対して〜1太陽で3.7%であった。セルは、〜1太陽で1.5%より高い効率を維持して、300日より長く動作することが示された。
It is to create the derivative of the IV curve (at single exposure) scanned to a sufficiently high voltage forward bias to create a flat on the (-dV / dI) vs. V plot. Gives the value of Rs. SEM images were obtained with a field emission scanning electron microscope Hitachi S-4700. This microscope was equipped with EDX (energy dispersive X-ray microanalysis) Nolan system SIX. TEM analysis was performed with a JEOL 2100F FEG-200kV microscope, which was equipped with a STEM accessory and an integrated JEOL JED-2300T EDX analyzer.
(2. Examples)
Examples 1 to 4 below were performed on the materials according to the methods disclosed in the first paragraph above. The results are explained in detail in the third paragraph.
[Comparative Example (1)]
An untreated sealed cell TCO / nanocrystal TiO 2 / Sb 2 S 3 / CuSCN / Au was made for use and photovoltaic performance was evaluated in an N 2 atmosphere. The energy conversion efficiency was less than 0.1%.
[Example (2)]
The same cell as Comparative Example (1) was treated by the optical soaking of the present invention and characterized under ambient air (room air). Due to the formation of the interfacial layer of oxidizing species, the efficiency increased to 1.2% 15 hours after the start of illumination. However, if changing the atmosphere N 2, the insufficient formation of the interface layer between the composition of the cell, the performance dropped to 0.4%.
[Comparative Example (3)]
TCO / nanocrystal-TiO 2 / Sb 2 S 3 / LiSCN, CuSCN / Au cells were fabricated and characterized for photovoltaic performance under N 2 atmosphere in the illumination process. Prior to CuSCN deposition, LiSCN was introduced into the cell by immersing the sample in 0.05M LiSCN aqueous solution. The initial efficiency at the beginning of the illumination was ˜0.2%. After that, when the cell was left open for 5 days in an illuminated state, it increased to 1.5%. The slow progress in performance is due to the lack of oxygen to form the interface layer. It appears that only oxygen that is initially adsorbed and present in the cell functions. The formation of the interface layer is not evident due to the limited amount of oxygen.
[Embodiment (4) of the present invention]
The same cell as Comparative Example (3) was illuminated in dry air and measured. The initial efficiency was ˜0.2%, and then increased to 3.8% after 2 hours in an open circuit under illumination. The rapid progress in performance is due to the formation of an interface layer in the presence of oxygen and illumination. After the light soaking process, changing to the N 2 atmosphere, the efficiency higher than 1.7% lasted more than 300 days.
(3. Results and discussion)
<Cell performance in optical soaking in ambient air>
The cell showed an important light soaking effect that when exposed to ambient air during light soaking and storage, the cell performance typically increased from an initial low efficiency to a higher one. Oxygen has been shown to be related to this effect. The best cell efficiency of the cell was 3.7% with ~ 1 sun for the cell treated with LiSCN. The cell was shown to operate for more than 300 days, maintaining an efficiency higher than 1.5% at ~ 1 sun.

セルは、計測前にNグローブボックスに一晩保管された。セルがセル光ソーキング状態で1太陽において周囲空気の中に、20分から200分の間オープン回路で放置された後に、高いセル効率が得られた。光ソーキングの前には、セルは、その第1のI-V 計測において典型的に、1%より小さい(<1%)効率を示した。図1は、光ソーキング中のもっとも良いセルの一つのI-V 曲線の進展を示す。この図にみられるように、性能は時間とともに改善され、最も高いセル効率ηは、〜1太陽(1006W/m2)で、照明を始めてからt=100分で、3.7%である。これは1太陽で11.6mA/cm2に規格化された光電流 Jsc、0.56Vのオープン回路電圧Vocおよび0.58の充填係数ffを示している。これに対して、照明を始める前(t=0)の初期効率は、わずか0.8%であった。最大効率になるまでの時間は、セルによりまちまちであった。LiSCN 処理と同様な条件で作られて測定された36セルからなる系統的な実験においては、セル効率が1.5−3.7% (平均3.9%)の範囲で、 Jsc が 6.1−13.2mA/cm2 (平均10.5mA/cm2)の範囲、 Vocが0.43−0.58V (平均 0.53V)の範囲、 そして ffが0.44−0.60(平均0.52)の範囲であった。 The cell was stored overnight in a N 2 glove box prior to measurement. High cell efficiency was obtained after the cell was left in open circuit for 20 to 200 minutes in ambient air at 1 sun in cell light soaking condition. Prior to light soaking, the cell typically showed less than 1% (<1%) efficiency in its first IV measurement. Figure 1 shows the evolution of the IV curve of one of the best cells during optical soaking. As seen in this figure, the performance improves with time, the highest cell efficiency η is 3.7% at ˜1 sun (1006 W / m 2 ), t = 100 minutes after starting the illumination. This shows a photocurrent Jsc normalized to 11.6 mA / cm 2 per sun, an open circuit voltage Voc of 0.56 V, and a filling factor ff of 0.58. In contrast, the initial efficiency before starting illumination (t = 0) was only 0.8%. The time to maximum efficiency varied from cell to cell. In a systematic experiment consisting of 36 cells made and measured under the same conditions as the LiSCN treatment, the cell efficiency is in the range of 1.5-3.7% (average 3.9%) and the Jsc is 6. 1-13.2mA / cm 2 (average 10.5mA / cm 2 ), Voc is 0.43-0.58V (average 0.53V), and ff is 0.44-0.60 (average) 0.52).

その高い性能の故、TiO2/Sb2S3/CuSCN 構造を有するセルに対してLiSCN 処理が導入されたにもかかわらず、非塩処理セルもまた、1太陽で0.5%より小さい初期効率から1−1.5%の最終効率 (Jsc 〜6−9 mA/cm2、Voc 〜0.4、ff〜0.4)への光ソーキング効果を示すことがわかった。光ソーキングの間のこれらの性能進展は、 LiSCNセルより遅く、最大性能になるまでの時間は、典型的には〜10−20時間であった。高い直列抵抗と低い電圧Vocが非塩処理セルの特徴である。異なった塩処理セルも、異なったチオシアン酸塩、たとえばKSCN やNaSCNを用いて調査された。これらは少し違った動作を示したが、一般的な傾向はLiSCNのそれと同様であった。動作の相違は、吸湿性の違い或いはカチオンタイプや容積の違いに関連していると思われる。詳細な報告は以下に述べる。 Despite the introduction of LiSCN treatment for cells with TiO 2 / Sb 2 S 3 / CuSCN structure due to its high performance, unsalt-treated cells are also initially less than 0.5% at 1 sun The efficiency was found to show a light soaking effect from 1 to 1.5% final efficiency (Jsc -6-9 mA / cm 2 , Voc ˜0.4, ff ˜0.4). These performance evolutions during light soaking were slower than LiSCN cells, and the time to maximum performance was typically -10-20 hours. High series resistance and low voltage Voc are the characteristics of the unsalted cell. Different salt treatment cells were also investigated using different thiocyanates such as KSCN and NaSCN. These behaved slightly differently, but the general trend was similar to that of LiSCN. The difference in operation seems to be related to the difference in hygroscopicity or the difference in cation type or volume. A detailed report is given below.

この光ソーキング効果は、UV部分を除いた放射(UVカット−オフフィルターで500nm未満を100%カット)でも生じた。したがって、他のナノ結晶体TiO2セルを用いて報告されたUV効果に反して、そのような光ソーキング効果はUVのみに限らない10This light soaking effect was also generated by radiation excluding the UV portion (100% less than 500 nm was cut with a UV cut-off filter). Thus, contrary to the UV effect reported using other nanocrystalline TiO 2 cells, such a light soaking effect is not limited to UV alone 10 .

上記の結果に続いて、N雰囲気で作製された密閉されたセルの安定性評価が開始された。それから、周囲空気に晒されたセルには同様な光ソーキング効果が見られなかったようであった。このことは、酸素および/あるいは湿気が観察された光ソーキング効果に関わっていることを示唆している。これらの影響を明らかにするため、以下のような管理された雰囲気の下で実験が行われた。
<3.2. 光ソーキングにおけるガスと熱の効果>
パラグラフ1.3に開示されたような、熱処理或いは非熱処理に出された3つの異なったタイプのセルが光ソーキング処理された。この処理は、ガスと熱処理との効果を観察するため、異なったガス雰囲気のもとで行われ、光ソーキングは〜1太陽(セルの温度は40℃に維持して)で、まず乾燥Nで500分(〜8時間)、次は乾燥空気で1000分(〜16.5時間), 最後はもう一度乾燥Nで1200min (〜20時間)行われた。オープン回路状態で光ソーキングの間I-V曲線が定期的に計測された。図2は、光ソーキング中のJsc (mA/cm2)、Voc (V)、ff、直列抵抗Rs (Ω) および効率η(%)の進展状況を示す。すべての3つの異なるタイプのセルに対して、第1の乾燥Nと次の乾燥空気の光ソーキングとの間には、すべてのパラメーターで明確な相違があるのがわかる。セル性能の改善には酸素が重要な役割を果たしていることが明らかである。
Following the above results, stability evaluation of sealed cells made in N 2 atmosphere was started. Then, it seemed that a similar light soaking effect was not seen in cells exposed to ambient air. This suggests that oxygen and / or moisture are involved in the observed light soaking effect. To clarify these effects, experiments were conducted under the following controlled atmosphere.
<3.2. Effects of gas and heat in optical soaking>
Three different types of cells subjected to heat treatment or non-heat treatment, as disclosed in paragraph 1.3, were light soaked. This treatment is performed under different gas atmospheres to observe the effect of gas and heat treatment, light soaking is ~ 1 sun (cell temperature maintained at 40 ° C.), first dry N 2 in 500 minutes (8 hours), 1000 minutes following the dry air (16.5 hours), last took place 1200Min (to 20 hours) at once dry N 2. IV curves were measured regularly during optical soaking in an open circuit condition. FIG. 2 shows the progress of Jsc (mA / cm 2 ), Voc (V), ff, series resistance Rs (Ω), and efficiency η (%) during optical soaking. It can be seen that for all three different types of cells, there is a clear difference in all parameters between the first dry N 2 and the light soaking of the next dry air. It is clear that oxygen plays an important role in improving cell performance.

図2に見られる、最初のN光ソーキングにおいて、N熱処理されたセルは、3つのセルタイプの中で最も低いηを最も低いJsc とVoc と共に示した。このN熱処理されたセルにとっても、VocやffおよびRsのような性能パラメーターの中では少し性能進展があるが、ηはずっと一定の低い値となっていた。ここで留意したいのは、N熱処理されたセルの初期の直列抵抗が他のセルに比較してきわめて高いことである。非熱処理セルについては、図に示すように、このN熱処理セルと対比してηの明白な進展が見られた。その初期直列抵抗値は、3つのタイプのセルの中で一番低かった。乾燥空気熱処理セルにおいては、始まりにおいて、3つのセルの中でもっとも高いJsc、Voc、およびηを示し、N熱処理セルよりかなり低いRs を示していることがわかる。それから、乾燥空気熱処理セルのJsc、Voc、およびηは、光ソーキングを始めて30分以内の非熱処理セルのそれらの値より低くなった。第1の乾燥N光ソーキングにおけるこうした動きは、以下のように解釈される。非熱処理セルは、全部のセルの中で最も多くの残留した水を含んでおり、光ソーキングの前には最も小さいRsを有している。更にこの非熱処理セルは、セル製造中に吸着された酸素を含み、酸素に関わる光ソーキング効果を高める。残留の水は、セル作製のウエット化学プロセスに関わる吸湿性LiSCNから生じた。直列抵抗と水分含有割合との関係は、別々の実験で得られた結果に基づいている。その実験では、直列抵抗が周囲ガスの中の湿気によって極めて多く減少する。N熱処理セルは、セル内にほとんど水も吸着酸素も含まない。そのため、最も高いRsをもたらし、性能改善という意味においては酸素と関連する光ソーキング効果がほとんどなくなる。しかし、このセルの場合、図において光ソーキングの間のRsの驚くべき減少に気づくであろう。これは、セルが、照明でこの変化を生じさせる少量の酸素を未だ含んでいる結果であると解釈される。酸素と照明とを関与させる下記の可能な反応が考えられる: ジプロピル硫化物溶液のような有機不純物の光触媒的な酸化および/あるいはSCN-の光触媒酸化により形成される(SCN)2と、あるいはOH基のような活性酸素種と、CuSCN の添加。乾燥空気熱処理セルは、非熱処理セルより少ない水を含み、N熱処理セルより多くの吸着酸素を含むと考えられる。このように、高い酸素含有量は、光ソーキングの前に、より少ない水を含んでいたにもかかわらず、光ソーキングが始まった直後においてさえ、初期Rsを低くする。他の可能性のある解釈は、吸着酸素がなくても光ソーキングはN中で生じるが、光電流の増加はもっと長い時間スパン(数日)で生じる、という解釈である。その場合には、このプロセスはガス流動中の有機的な不純物の排除とか或いは光分解に起因すると考えられる。 たぶんこの場合には、光活性アンチモン硫化物の助勢がある可能性がある。しかし、以下に説明するように、Vocや直列抵抗への有利な酸素効果はN下では得られない。そして、数日間の継続的な照明のあとでのN雰囲気における最終効率は、乾燥空気雰囲気の中より低くなるであろう。 In the first N 2 optical soaking seen in FIG. 2, the N 2 heat treated cell showed the lowest η among the three cell types with the lowest Jsc and Voc. Even for this N 2 heat-treated cell, there was a little progress in performance parameters such as Voc, ff and Rs, but η was a much lower constant value. Note that the initial series resistance of the N 2 heat treated cell is very high compared to the other cells. For the non-heat treated cell, as shown in the figure, a clear progress of η was observed in comparison with this N 2 heat treated cell. The initial series resistance value was the lowest among the three types of cells. It can be seen that the dry air heat treatment cell shows the highest Jsc, Voc, and η among the three cells at the beginning and a much lower Rs than the N 2 heat treatment cell. Then, the Jsc, Voc, and η of the dry air heat treatment cell were lower than those of the non-heat treatment cell within 30 minutes of starting light soaking. These movements in the first dry N 2 light soaking are interpreted as follows. Non-heat treated cells contain the most residual water of all cells and have the lowest Rs before light soaking. Furthermore, this non-heat treated cell contains oxygen adsorbed during cell manufacture and enhances the optical soaking effect associated with oxygen. Residual water originated from hygroscopic LiSCN involved in the wet chemical process of cell fabrication. The relationship between series resistance and moisture content is based on results obtained in separate experiments. In that experiment, the series resistance is greatly reduced by the humidity in the surrounding gas. The N 2 heat treatment cell contains almost no water or adsorbed oxygen in the cell. This results in the highest Rs, and in the sense of performance improvement, there is almost no light soaking effect associated with oxygen. However, for this cell you will notice a surprising decrease in Rs during light soaking in the figure. This is interpreted as a result of the cell still containing a small amount of oxygen that causes this change in illumination. Possible the following reaction to involve oxygen and illumination can be considered: dipropyl sulfide solution organic impurities photocatalytic oxidation and / or SCN, such as - with (SCN) 2 is formed by the photocatalytic oxidation, or OH Addition of reactive oxygen species such as radicals and CuSCN. The dry air heat treatment cell is believed to contain less water than the non-heat treatment cell and contain more adsorbed oxygen than the N 2 heat treatment cell. Thus, a high oxygen content lowers the initial Rs even immediately after light soaking has begun, even though it contained less water prior to light soaking. Another possible interpretation is that photosoaking occurs in N 2 without adsorbed oxygen, but the increase in photocurrent occurs over a longer time span (several days). In that case, this process may be due to the removal of organic impurities in the gas flow or photolysis. Maybe in this case there may be assistance of photoactive antimony sulfide. However, as explained below, an advantageous oxygen effect on Voc and series resistance cannot be obtained under N 2 . And the final efficiency in the N 2 atmosphere after several days of continuous lighting will be lower than in the dry air atmosphere.

次の乾燥空気光ソーキングにおいて、Jsc、Voc、およびηの急激な進展が図2に見られる。ここで注目すべきは、図において乾燥空気光ソーキングに変更した直後、3つのセルタイプすべてにおいてffの初期減少がみられることである。このような減少は、図にみられるJscの増加に対応する。ffの減少は、セル性能の進展が必ずしも直列抵抗だけに関連しているわけではないことを示唆している。発明者はこの振る舞いを以下のように解釈する。乾燥空気光ソーキングのスタートに際して、光電流がある種のメカニズムにより増加する。しかし、直列抵抗は、乾燥空気光ソーキングの初期段階で増加した光電流で、高いff値を維持するほど十分低くはなく、そのためffは減少してしまう。しかし、Rsの減少は、プロセスを伴って、最小値に到達後、ゆっくりffを回復させる。乾燥空気でのVocの増加もffの回復に貢献している。これは特に、乾燥窒素ガス熱処理セルに明瞭に見られる。以上の議論から、酸素は2つの独立した役割を担っていると結論される:最初の1つは、Rsを減少させること、2つ目は、そのRsとは独立して、JscとVocを増加させること、である。水が特に酸素で、セルの劣化を助長していることはわかってはいるが、セル内に存在する残留水の役割は、この時点ではまだ明確ではない。   In the next dry air light soaking, a rapid evolution of Jsc, Voc and η can be seen in FIG. It should be noted here that immediately after changing to dry air light soaking in the figure, there is an initial decrease in ff in all three cell types. Such a decrease corresponds to the increase in Jsc seen in the figure. The decrease in ff suggests that cell performance evolution is not necessarily related only to series resistance. The inventor interprets this behavior as follows. At the start of dry air light soaking, the photocurrent is increased by some sort of mechanism. However, the series resistance is not low enough to maintain a high ff value with the photocurrent increased in the early stages of dry air photosoaking, and therefore ff will decrease. However, the decrease in Rs, along with the process, slowly recovers ff after reaching the minimum value. The increase in Voc with dry air also contributed to the recovery of ff. This is particularly evident in dry nitrogen gas heat treatment cells. From the above discussion, it can be concluded that oxygen has two independent roles: the first one is to reduce Rs, the second is to make Jsc and Voc independent of its Rs. To increase. Although it has been found that water is particularly oxygen, which promotes cell degradation, the role of residual water present in the cell is not yet clear at this point.

乾燥空気光ソーキングに続く、最後の乾燥N光ソーキングにおいて、すべての3つのセルタイプのJscは、最初の数時間は増加し、それからはゆっくり減少していく。図2にみられるように、乾燥Nに変更した直後にVocは減少を始める。N熱処理セルにおいては、ffの減少とRsの増加が図2にみられる。しかし、他のセルにはそのような変化は図2に見られない。次のパラグラフのセル安定性試験にみられるように、N雰囲気に変更してからのセル性能の初期減少は、時間とともに安定化し、効率は光ソーキングの後、オープン回路で300日を越える時間、1.5%より大きい値を維持する。これがLiSCN処理セルの最も重要な特性の一つである。乾燥空気光ソーキングにより1.2%くらいの効率に到達した、非塩処理セルの場合、その効率はN雰囲気に変更した後、典型的には〜15時間で0.5% より小さい値まで落ちた(このプロットは図2には示されていない)。
<3.3. セル安定性試験>
セルは、LiSCN 処理で上記の標準的な手順に従って作製された。これらのセルは、最初、乾燥した合成空気において数時間、光ソーキングされた。ガス雰囲気は、Nに変えたか或いは乾燥空気のまま維持されたかのいずれかで、そのようなガスが少量継続的に流された。セルはオープン回路か短絡回路かのいずれかの状態にあり、時々のタイミングで性能計測がなされた。図3は、異なった条件で、ほぼ1年以上に渡ったこれらの安定性試験での3つのセルの性能パラメーターの進展を示す。短絡回路でのN下のセルは、安定しているが、オープン回路(Nかあるいは空気)の他の2つのセルは、最初の100日から150日で性能を低下させている。その後は安定化の傾向にある。1年後の効率は、3つのセルで1.5%を越えている。そして1太陽でのJscは、7.5−10mA/cm2内に維持されている。プロット内で観察される上下シフト(移動)は、これらの安定性試験で用いた古いランプ(いかに上手に校正されていても)の放射照度のドリフトに起因するものである。また計測点間のセル温度変化によるものかもしれない。周囲空気での安定性試験に比較して、周囲湿気がセル劣化の原因のようでもあり、これは回避されなければならない。
In the last dry N 2 light soaking following dry air light soaking, the Jsc of all three cell types increases for the first few hours and then decreases slowly. As seen in FIG. 2, Voc begins to decrease immediately after changing to dry N 2 . In the N 2 heat treatment cell, a decrease in ff and an increase in Rs are seen in FIG. However, such changes are not seen in FIG. 2 for other cells. As seen in the cell stability test in the next paragraph, the initial decrease in cell performance after changing to the N 2 atmosphere has stabilized with time, and the efficiency has exceeded 300 days in open circuit after light soaking. , Maintaining a value greater than 1.5%. This is one of the most important characteristics of LiSCN processing cell. In the case of non-salt treatment cells that have reached an efficiency of about 1.2% by dry air light soaking, the efficiency is typically less than 0.5% in ~ 15 hours after changing to an N 2 atmosphere. (This plot is not shown in FIG. 2).
<3.3. Cell stability test>
The cell was made according to the standard procedure described above with LiSCN treatment. These cells were initially light soaked in dry synthetic air for several hours. The gas atmosphere was either changed to N 2 or maintained as dry air, and such gases were continuously flowed in small quantities. The cell was in either an open circuit or a short circuit, and performance measurements were taken from time to time. FIG. 3 shows the evolution of the performance parameters of the three cells in these stability tests over almost a year under different conditions. The cells under N 2 in the short circuit are stable, but the other two cells in the open circuit (N 2 or air) have degraded performance in the first 100 to 150 days. After that, it tends to stabilize. The efficiency after one year is over 1.5% with three cells. The Jsc at 1 sun is maintained within 7.5-10 mA / cm 2 . The vertical shift (movement) observed in the plot is due to the irradiance drift of the old lamp used in these stability tests, no matter how well calibrated. It may also be due to cell temperature changes between measurement points. Compared to the stability test in ambient air, ambient moisture also seems to be the cause of cell degradation, which must be avoided.

最初のMSCNあるいはCuSCNの酸化の活性化のためには、水が有効であるが、最高の効率に到達後は、水がさらなる吸収体の酸化の要因あるいは促進させる要因ともなり、その結果セルの劣化を引き起こす。
<3.4. TiO2/Sb2S3/(アルカリ金属チオシアン酸塩) CuSCN セル>
すでに上記で確認されたように、セル製作におけるLiSCNと、計測における周囲ガスとによる処理は、大きくセル性能に影響を及ぼすが、KSCN、NaSCNおよび非塩などの他のチオシアン酸塩により処理される複数の異なる種類のセルは、チオシアン酸塩や周囲ガスの効果の源への本質を得るために、I-V曲線計測により特性評価された。各チオシアン酸塩処理セルおよび非塩処理セルに対して、セル製作が完了した後、後述の3つのセルタイプ(実験のセクションを参照のこと)を作製するため、サンプル保管について3つの異なった条件が採用された。3つのセルタイプは、N熱処理セル、乾燥空気熱処理セル、そして非熱処理セルである。そして、これらの3つの異なったタイプのセルは、異なったガス雰囲気のもとで、ガスと熱処理の効果を観察すべく、光ソーキングされた。光ソーキングは、〜1太陽で(セルの温度を40℃に維持して)初めは乾燥Nで500分、次は乾燥空気で1000分、最終的には再び乾燥Nで1200分行われた。光ソーキングは、可視光照明の、〜1太陽でオープン回路状態である。この光ソーキングの間、I-V 曲線が定期的に計測された。図1はエネルギー変換効率η(%)、短絡回路電流密度Jsc (mA/cm2)、 オープン回路電圧 Voc (V)そして充填係数 ffの展開を示し、それぞれチオシアン酸塩処理された各タイプの、3つの異なったサンプル保管状態にある非塩、LiSCN、NaSCN および KSCN処理セルからなる12の異なったセルの光ソーキング中を示す。
Water is effective for the activation of the initial MSCN or CuSCN oxidation, but after reaching the highest efficiency, water can also cause or promote further absorber oxidation, resulting in cell Causes deterioration.
< 3.4. TiO 2 / Sb 2 S 3 / (Alkali metal thiocyanate) CuSCN cell>
As already confirmed above, treatment with LiSCN in cell fabrication and ambient gas in measurement greatly affects cell performance, but is treated with other thiocyanates such as KSCN, NaSCN and non-salts. Several different types of cells were characterized by IV curve measurements to gain the essence of thiocyanate and ambient gas effects. For each thiocyanate-treated cell and non-salt-treated cell, three different conditions for sample storage were used to create the three cell types (see experimental section) described below after cell fabrication was completed. Was adopted. The three cell types are an N 2 heat treatment cell, a dry air heat treatment cell, and a non-heat treatment cell. These three different types of cells were then optically soaked to observe the effects of gas and heat treatment under different gas atmospheres. Light soaking was done at ~ 1 sun (maintaining cell temperature at 40 ° C.), initially 500 minutes with dry N 2 , then 1000 minutes with dry air, and finally again with dry N 2 for 1200 minutes. . Light soaking is an open circuit state with ~ 1 sun of visible light illumination. During this light soaking, IV curves were measured regularly. Figure 1 shows the development of energy conversion efficiency η (%), short circuit current density Jsc (mA / cm 2 ), open circuit voltage Voc (V), and filling factor ff, for each type treated with thiocyanate. Shown during light soaking of 12 different cells consisting of non-salt, LiSCN, NaSCN and KSCN treated cells in 3 different sample storage conditions.

最初に、非チオシアン酸塩処理セルに焦点をあてた。最も高い効率は、〜1.2%で、これは乾燥N光ソーキングをt = 〜1450分行ったタイプのセルであった。図4にみられるように、この実験から離れて、現状、記録された最も高い効率は1.5%である。 Initially, the non-thiocyanate treatment cell was focused. The highest efficiency was ˜1.2%, which was a type of cell with dry N 2 light soaking t = ˜1450 minutes. As seen in FIG. 4, apart from this experiment, the highest efficiency currently recorded is 1.5%.

光ソーキングの間、すべてのセルは、性能パラメーターの進展において同様な特性を示している。図4で注目することは、乾燥空気熱処理されたセルが乾燥Nにおいてスタートする光ソーキングの始まりのときの、3つの異なる熱処理の中で、初期効率、Voc、およびJscは最も高く、ffは最も低かったことである。それから、η、Vocおよび Jsc は、時間に連れて乾燥N内では減少していき、ffは増加していった。次に続く乾燥空気雰囲気においては、図4にみられるように、3つのセルはすべて、すばやく空気の導入に反応し、η、Voc、Jsc は増加し、ffは小さくなっていった。乾燥空気光ソーキングの終わりには、非熱処理セルが最高効率ηを示した。図にみられるように、注目すべきは、乾燥空気光ソーキングの中間地点でこのffは回復を始めていることである。続く、t = 〜1500minでの第2のNの導入において、η、Voc、およびJscが徐々に落ち始めた。しかし、初期のうちの一時的なJscの増加が非熱処理セルで観察された。こうした非熱処理セルの結果は、酸素が光起電力プロセスに関与していることを明白に示している。熱処理が光ソーキングの間で展開の差をもたらす酸素や水の吸着に影響を与えるとみなされる。 During light soaking, all cells show similar characteristics in the evolution of performance parameters. Note in FIG. 4 that the initial efficiency, Voc, and Jsc are the highest among the three different heat treatments when the dry air heat treated cell is the beginning of light soaking starting in dry N 2 and ff is It was the lowest. Then, η, Voc and Jsc decreased in dry N 2 with time and ff increased. In the subsequent dry air atmosphere, as seen in FIG. 4, all three cells responded quickly to the introduction of air, η, Voc, Jsc increased and ff decreased. At the end of the dry air light soaking, the non-heat treated cell showed the highest efficiency η. As can be seen, it should be noted that this ff has begun to recover at the midpoint of dry air light soaking. In subsequent introduction of the second N 2 at t = ˜1500 min, η, Voc, and Jsc began to drop gradually. However, a temporary increase in Jsc during the initial period was observed in the non-heat treated cell. The results of these non-heat treated cells clearly show that oxygen is involved in the photovoltaic process. It is considered that the heat treatment affects the adsorption of oxygen and water, which causes developmental differences between light soaking.

次に焦点をあてたのはチオシアン酸塩処理セルであった。図4Aの9つのチオシアン酸塩処理されたセルの効率は、1.8%から3%であり、KSCN処理で乾燥空気熱処理されたセルがもっとも高い効率を示した。しかし、観察したセル特性の相違は、チオシアン酸塩の差あるいは他の不明な要因による実験のばらつきによる可能性がある。なぜなら、別々の分離された実験において、LiSCNで 処理された36の同一セルに対して1.5%と3.5%の間(平均:2.9%)のよく似たばらつき度合いが見られるからである。また、計測雰囲気中の湿気が光ソーキングの間のセル性能における進展に影響を与えることもわかった。こうした事実は、計測がこの研究における乾燥ガス状態で熱処理が行われた由であるからである。以下の一般的なルールが、同様な実験を数回繰り返すことによって抽出された。チオシアン酸塩処理されたセルは、乾燥空気光ソーキングの後には、たえず非塩処理セルより高い性能を示している。乾燥N光ソーキングされたKSCN 処理セルは、4つの異なったチオシアン酸塩処理の中で最も高いη、Jsc、およびVocを示している。KSCN処理セルに対しては、3つの異なった熱処理の中で乾燥空気熱処理セルが最も高いセル性能を示している。LiSCN処理セルに対しては、その中で非熱処理セルがたえずもっとも高いセル性能を示している。KSCN 処理セルのffは、最も高く、LiSCNのそれ(ff)は最も低い。乾燥空気のもとでの光ソーキングの後に続いて行われる第2の乾燥Nの導入の際に、最初の一時的なJsc増加の後で続いてそのゆっくりとした減少が始まり、Voc の同時減少も観察される。 The next focus was on the thiocyanate treatment cell. The efficiency of the nine thiocyanate treated cells of FIG. 4A was 1.8% to 3%, with the cell treated with dry air heat treatment with KSCN treatment showing the highest efficiency. However, the observed differences in cell characteristics may be due to experimental variation due to thiocyanate differences or other unknown factors. Because, in separate isolated experiments, a similar degree of variability between 1.5% and 3.5% (average: 2.9%) is seen for 36 identical cells treated with LiSCN Because. It was also found that moisture in the measurement atmosphere affects the progress in cell performance during light soaking. These facts are because the heat treatment was performed in the dry gas state in this study. The following general rules were extracted by repeating the same experiment several times. The thiocyanate treated cell consistently performs better than the non-salt treated cell after dry air light soaking. The dry N 2 light soaked KSCN treatment cell shows the highest η, Jsc, and Voc of the four different thiocyanate treatments. For the KSCN treatment cell, the dry air heat treatment cell shows the highest cell performance among the three different heat treatments. For LiSCN-treated cells, non-heat treated cells consistently show the highest cell performance. The ff of the KSCN treatment cell is the highest, and that of LiSCN (ff) is the lowest. During the introduction of the second dry N 2 followed by light soaking under dry air, the slow decrease begins after the first temporary Jsc increase, A decrease is also observed.

データは示していないが、特に酸素や湿気の効果が確認される前においては、光ソーキングは今までいつも、チオシアン酸塩を含む非熱処理セルに対して周囲空気(室内空気)で行われていた。以下の一般的な特徴がそうした条件で確認されていた。KSCNやNaSCN処理セルの場合、初期の光ソーキング進展は、水の含有量に再現可能に依存しない。これらは、周囲空気からくる水や初めセル内に存在していた水に対して非常に敏感である。高い水含有量は、非常に低い性能をもたらす。LiSCN処理されたセルにおいて、高い水含有量においてさえ、その進展は初期の、高いJsc、少ないff、そして歪んだS字型I-V曲線で観察される。セルの特性は典型的に、セルによって、また時間によって変化する。周囲空気状態(室内空気状態)で、光ソーキング時に性能進展が適切な湿気で行われたとしても、性能は、初期光ソーキングによる最大値の性能に到達してからはゆっくり下落し始める。典型的には、湿気の度合によって数日で効率が1%より少ないところまで落ちる。これらのセルの性能が湿気状態で落ち始めたら、乾燥しても回復しない。このことは、水によって不可逆な変化が生じることを示唆している。一方、非塩処理セルは、時間でいうと数十時間のスケールではそういった湿気効果というものに見舞われない。典型的には、これらの効率は、湿めった空気の導入の際に、ffを改善し且つセル直列抵抗を減少させることにより増加し始める。   Data not shown, but light soaking has always been performed in ambient air (room air) for non-heat treated cells containing thiocyanate, especially before the effects of oxygen and moisture were confirmed . The following general characteristics were confirmed under such conditions. In the case of KSCN and NaSCN treatment cells, the initial light soaking progress is not reproducibly dependent on the water content. They are very sensitive to water coming from ambient air and water that was originally present in the cell. A high water content results in very low performance. In LiSCN treated cells, even at high water content, the progress is observed with an initial, high Jsc, low ff, and distorted S-shaped IV curve. Cell characteristics typically vary from cell to cell and over time. Even if the performance progress is performed at an appropriate humidity during the optical soaking in the ambient air condition (in the room air condition), the performance starts to decline slowly after reaching the maximum performance by the initial optical soaking. Typically, the degree of humidity drops to less than 1% efficiency in a few days. If the performance of these cells begins to damp in moisture, they will not recover even after drying. This suggests that irreversible changes occur with water. On the other hand, non-salt treatment cells do not suffer from such moisture effects on a scale of tens of hours. Typically, these efficiencies begin to increase upon introduction of moist air by improving ff and reducing cell series resistance.

図5は、上記12の異なるセルのセル直列抵抗を示し、それらは光ソーキングの間、数回、色々な時間に計測された。t=0 (実際には順次データ取得に起因して照明を始める時間より遅い数十秒から数分)で、KSCN、LiSCN、NaSCN、 および非塩の4つのN熱処理セルの全ては、図にみられるように、他のものと比較すると、より高い直列抵抗を有していた。ここで注目すべきは、図において、チオシアン酸塩処理と非塩処理のセルの間には明らかな相違があり、前者は低い抵抗を示すことである。熱処理が直列抵抗に相違をもたらすという事実から、t=0での初期直列抵抗は初期の吸着された酸素とセル内の水の量に関わりがあると仮定できる。したがって、図5に示される結果は、酸素、チオシアン酸塩、水、そして他の残留不純物を介在させる光ソーキングの間に起こる光触媒反応の結果であると解釈できる。しかし、ここで思い出しておくべきことは、乾燥N雰囲気内で計測された直列抵抗は、Jscを十分に抑えることができるほど高くないことである。つまり、図1において、直列抵抗そのものは、乾燥N光ソーキングの間のηとJscが低い主要な要因ではない、ということである。したがって、酸素を導入した際に観察されたセル性能の改善は、なんらかの理由のため光-生成キャリアの改善された注入の結果と解釈できる。
<3.5. KSCN処理に用いられた、溶液濃度の効果>
図6は、色々な濃度のKSCN浸漬溶液でKSCN処理されたセルの1太陽でのI-V曲線を示す。周囲空気(室内空気)光ソーキングの間に得られた、最も高い性能に対するI-V 曲線が、各KSCN浸漬溶液濃度に対して図に示されている。非常に驚いたことに、5Mの浸漬溶液により処理されたセルでさえもかなりの性能を示している。チオシアン酸塩は、吸収体-埋め込みTiO2層上に蒸着され、これらとCuSCN層の境界にのみ存在する、と信じられていたからである。なぜなら、TiO2/CdS/CuSCN セルに対するチオシアン酸塩の効果が最初に発見されたところだからである。この最初の考察を明瞭にするため、TEM分析が行われた。TEM分析は、5MのKSCN処理されたセルの断面中央のSTEM-HAADFイメージングと、そのイメージのインセットに対応する領域のEDXスペクトラムとで行われた。K/Cu の推計原子比は、この標本に対しては〜1.7であった。しかし、その値は位置によってばらばらに散らばっており、0.3から2の間であった。異なったモードでの数個のTEMとSTEMイメージングから、CuSCNとKSCN層は、〜5nmのサイズのナノ結晶体ドットからできていることがわかった。各材料は、TEM画像からは区別できなかった。しかしながら、データはKSCNが多孔質TiO2を介してCuSCN と一緒に分布していることを示している。同様な分析が0.5M KSCN処理セルにも行われた。推計されたK/Cu原子比は0.03 から 0.07であった。同じように、KSCNがCuSCNと一緒に分布していた。
<3.6. 構造分析>
TEM、STEM/HAADFイメージングとSTEM/EDXマッピングを用いた分析は、本発明によるセル構造の形態が図7のように模式的に表されることを示しており、この中で、セル(1)は以下を含む:
・1μmより厚みが大きく、好ましくは2μmから3μmの厚さのフィルムを構成している10nmから100nmのTiO2ナノ結晶体で形成される多孔質基板(2)、
・前記多孔質基板の第1面が、導電ガラスのように、導電性があり透明な、そして更に、コンパクト(非多孔質)でかつ透明な、好ましくはn型半導体金属酸化物でできているバリアー層(7a)でコーティングされている、前接触(7)の第1基板上に蒸着されている、そして
・前記吸収体は、サイズ10nm−200nmの凝集体(4)を形成し、前記吸収体の凝集体は、より小さいCuSCNの凝集体と共に、TiO2ナノ結晶体内に埋め込まれている。そして前記吸収体はSb2S3蒸着プロセスにおいてTiO2を均一に或いは完全にはカバーしていない、そして
・よく結晶化された〜3nm−5nmサイズのナノ−ドメイン(3a)により形成されるCuSCNのカバー層(3)は、多孔質TiO2基板の孔(2a)の容積の少なくとも10%、好ましくは15%より多くを充填している、そして
・MSCN 微粒子(6)は、Sb2S3吸収体(4)と共に埋め込まれた多孔質TiO2構造(2)と同じようにCuSCNのカバー層(3)の中に入れられる。そしてMSCN(6)とCuSCN 凝集体(3a)は、混合され、多孔質構造内およびCuSCNの上層(3)の中にまで均等に分布される、そして
・酸化種の界面層の部分(5)は、いくつかの前記吸収体の凝集体と前記TiO2粒子(2b)もしくはCuSCN 粒子(3)の間に形成され、前記界面層部分は、0.1nmから5nmの厚さを有している、
・多孔質基板(2)の第2の面は、後接触(8)の第2の導電基板によりカバーされている、そして
・前記カバー層もまた、少なくとも10nmの厚さの、前記多孔質基板2と前記導電基板の後接触(8a)の導電層間に配置された上層を形成している、そして
・前記多孔質基板とその吸収体とカバー層(1、2、3)は、前接触(7)の2つの前記導電基板と後接触(8)の間に閉じ込められている。
FIG. 5 shows the cell series resistance of the 12 different cells, which were measured several times during various times during light soaking. At t = 0 (actually several tens of seconds to several minutes later than the time to start lighting due to sequential data acquisition), all of the four N 2 heat treatment cells of KSCN, LiSCN, NaSCN, and non-salt As can be seen, it had a higher series resistance compared to the others. It should be noted here that in the figure there is a clear difference between the thiocyanate-treated and non-salt-treated cells, the former showing low resistance. From the fact that heat treatment makes a difference in series resistance, it can be assumed that the initial series resistance at t = 0 is related to the amount of initial adsorbed oxygen and water in the cell. Thus, the results shown in FIG. 5 can be interpreted as the result of a photocatalytic reaction that occurs during photosoaking involving oxygen, thiocyanate, water, and other residual impurities. However, it should be remembered here that the series resistance measured in a dry N 2 atmosphere is not high enough to suppress Jsc sufficiently. That is, in FIG. 1, the series resistance itself is not the main factor with low η and Jsc during dry N 2 optical soaking. Thus, the improvement in cell performance observed when oxygen is introduced can be interpreted as a result of improved injection of photo-generated carriers for some reason.
<3.5. Effect of solution concentration used for KSCN treatment>
FIG. 6 shows the IV curve at 1 sun of a cell that was KSCN treated with various concentrations of KSCN immersion solution. The IV curves for the highest performance obtained during ambient air (room air) light soaking are shown in the figure for each KSCN soak solution concentration. Very surprisingly, even cells treated with a 5M dipping solution show considerable performance. This is because it was believed that thiocyanate was deposited on the absorber-buried TiO 2 layer and was present only at the boundary between them and the CuSCN layer. This is because the effect of thiocyanate on the TiO 2 / CdS / CuSCN cell was first discovered. To clarify this initial consideration, a TEM analysis was performed. TEM analysis was performed with STEM-HAADF imaging at the center of the cross section of a 5M KSCN-treated cell and an EDX spectrum in the region corresponding to the inset of the image. The estimated atomic ratio of K / Cu was ~ 1.7 for this sample. However, the values were scattered depending on the position and were between 0.3 and 2. Several TEM and STEM imaging in different modes showed that the CuSCN and KSCN layers were made of nanocrystalline dots with a size of ˜5 nm. Each material was indistinguishable from the TEM image. However, data indicate that KSCN is distributed with CuSCN through the porous TiO 2. A similar analysis was performed on a 0.5M KSCN treated cell. The estimated K / Cu atomic ratio was 0.03 to 0.07. Similarly, KSCN was distributed with CuSCN.
<3.6. Structural analysis>
Analysis using TEM, STEM / HAADF imaging and STEM / EDX mapping shows that the morphology of the cell structure according to the present invention is schematically represented as in FIG. 7, in which cell (1) Includes:
A porous substrate (2) formed of TiO 2 nanocrystals with a thickness of more than 1 μm, preferably 10 to 100 nm constituting a film with a thickness of 2 to 3 μm,
The first surface of the porous substrate is made of an n-type semiconductor metal oxide, preferably conductive and transparent, and more compact (non-porous) and transparent, like conductive glass. Coated with a barrier layer (7a), deposited on the first substrate of the pre-contact (7), and the absorber forms an aggregate (4) of size 10nm-200nm, said absorption Body aggregates are embedded in TiO 2 nanocrystals, with smaller CuSCN aggregates. And the absorber does not cover TiO 2 uniformly or completely in the Sb 2 S 3 deposition process, and • CuSCN formed by well-crystallized ~ 3-5 nm nano-domains (3a) The cover layer (3) of at least 10%, preferably more than 15%, of the volume of the pores (2a) of the porous TiO 2 substrate, and MSCN fine particles (6) are Sb 2 S 3 It is placed in the CuSCN cover layer (3) in the same way as the porous TiO 2 structure (2) embedded with the absorber (4). And MSCN (6) and CuSCN agglomerates (3a) are mixed and evenly distributed within the porous structure and into the upper layer of CuSCN (3), and • part of the interface layer of oxidizing species (5) Is formed between several agglomerates of the absorber and the TiO 2 particles (2b) or CuSCN particles (3), and the interface layer portion has a thickness of 0.1 nm to 5 nm. ,
The second surface of the porous substrate (2) is covered by a second conductive substrate in post-contact (8), and the porous substrate is also at least 10 nm thick 2 and an upper layer disposed between the conductive layers of the back contact (8a) of the conductive substrate, and the porous substrate, its absorber and cover layers (1, 2, 3) are in front contact ( 7) being confined between the two conductive substrates and the back contact (8).

ガラス窓付きの金属ボックスは、上記の実験で、便宜上これらのセルを密閉するために用いられた。しかし、実際のセルは、透明なガラスか或いは樹脂のフィルムによって壁9でセルを密封するためカバーされるであろう。電極9bは、壁9を通り、前接触セットと後接触セット8とが接触できるようになっている。
<書誌参照:>
(1) Kavan, L.; Gratzel, M. Electrochim. Acta 1995, 40, 643.
(2) Larramona, G.; Chone, C.; Jacob, A.; Sakakura, D.; Delatouche, B.; Pere, D.; Cieren, X.; Nagino, M.; Bayon, R. Chem. Mater. 2006, 18, 1688.
(3) Mandal, K.C.; Mondal, A. J. Phys. Chem. Solids 1990, 51, 1339.
(4) Deshmukh, L.P.; Holikatti, S.G.; Rane, B.P.; More, B.M.; Hankare, P.P. J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 1779.
(5) Lokhande, C.D.; Sankapal, B.R.; Mane, R.S.; Pathan, H.M.; Muller, M.; Giersig, M.; Ganesan, V. Appl. Surface Sci. 2002, 193, 1.
(6) Grozdanov, I.T. Semicond. Sci. Technol. 1994, 9, 1234.
(7) Nair, M.T.S.; Pena, Y.; Campos, J.; Garcia, V. M.; Nair, P.K. J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 2113.
(8) Salem, A.M.; Selim, M.S. J. Phys. D: Appl. Phys.. 2001, 34, 12.
(9) Yesugade, N.S.; Lokhande, C.D.; Bhosale, C.H. Thin Solid Films 1995, 263, 145.
(10) O’Regan, B.; Schwartz, D.T., Chem. Mater. 1998, 10, 1501.
A metal box with a glass window was used in the above experiment to conveniently seal these cells. However, the actual cell will be covered to seal the cell with the wall 9 by a transparent glass or resin film. The electrode 9b passes through the wall 9 so that the front contact set and the rear contact set 8 can come into contact with each other.
<Refer to bibliography:>
(1) Kavan, L .; Gratzel, M. Electrochim. Acta 1995, 40, 643.
(2) Larramona, G .; Chone, C .; Jacob, A .; Sakakura, D .; Delatouche, B .; Pere, D .; Cieren, X .; Nagino, M .; Bayon, R. Chem. Mater 2006, 18, 1688.
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(10) O'Regan, B .; Schwartz, DT, Chem. Mater. 1998, 10, 1501.

Claims (12)

3つの無機で固体の材料を含むタイプの固体光起電力セル(1)であって、それぞれ以下を含み、
・透明なn型半導体化合物の多孔質層(2)、
・前記多孔質層の孔の少なくとも一部を充填する、透明なp型半導体化合物の層(3)、および
・少なくとも一部が接触していない、前記n型およびp型層の2つの半導体化合物間に凝集体(4)を形成する無機吸収体化合物、
更に、前記半導体化合物と前記凝集体とは異なる酸化生成物(5)を含み、前記酸化生成物は、前記吸収体化合物および/あるいは前記p型半導体化合物の部分酸化に起因して生じる化学種を含み、前記n型とそれぞれp型の半導体化合物の2つの層の間、および/あるいは前記吸収体の凝集体とp型半導体化合物の層との間に配置される界面層の不連続部分を形成し、
前記p型半導体化合物はCuSCNであり、前記吸収体は熱的に焼きなましをされた硫化アンチモン基のアンチモン化合物であり、
前記セルは更にチオシアン酸塩化合物MSCN(6)を含み、Mはアルカリ金属であり、前記界面層は(SCN) 2 および/あるいはポリマー (SCN) n を含むことを特徴とする固体光起電力セル
A solid photovoltaic cell (1) of the type comprising three inorganic and solid materials, each comprising:
A porous layer of transparent n-type semiconductor compound (2),
A transparent p-type semiconductor compound layer (3) that fills at least some of the pores of the porous layer, and two semiconductor compounds of the n-type and p-type layers that are not at least partially in contact An inorganic absorber compound which forms an aggregate (4) between,
Further, the semiconductor compound and the agglomerate include different oxidation products (5), and the oxidation products contain chemical species caused by partial oxidation of the absorber compound and / or the p-type semiconductor compound. Including a discontinuous portion of the interface layer disposed between the two layers of the n-type and each of the p-type semiconductor compound and / or between the aggregate of the absorber and the layer of the p-type semiconductor compound. And
The p-type semiconductor compound is CuSCN, and the absorber is a thermally annealed antimony sulfide-based antimony compound;
Said cell further comprises a thiocyanate compound MSCN (6), M is an alkali metal, wherein the interfacial layer (SCN) 2 and / or polymer (SCN) solid photovoltaic cell, which comprises an n .
MSCNのCuSCNに対する重量比は、0.001から2である請求項に記載の固体光起電力セル。 Weight ratio CuSCN of MSCN a solid photovoltaic cell of claim 1 which is 2 0.001. 前記セルは、壁(9)内に密閉され、前記壁は、少なくとも一部が透明であり、該セルは、乾燥ガス雰囲気を含む請求項1あるいは2に記載の固体光起電力セル。 The solid photovoltaic cell according to claim 1 or 2 , wherein the cell is sealed within a wall (9), the wall being at least partially transparent, the cell comprising a dry gas atmosphere. 前記透明なn型半導体化合物は、TiO2、ZnOあるいはSnO2を含む金属酸化物である請求項1ないしのいずれか1項に記載の固体光起電力セル。 The transparent n-type semiconductor compounds, solid photovoltaic cell according to any one of claims 1 to 3 is a metal oxide containing TiO 2, ZnO or SnO 2. 前記セルは、互いに貫通する形状をしており、n型半導体化合物の前記多孔質基板(2)は、孔径が10nmから100nm の大きさの孔(2a)を有しており、前記孔の内面の少なくとも一部分は、前記吸収体化合物の前記凝集体(4)で覆われ、前記孔は、少なくとも容積比で10%が、他方の前記p型固体半導体化合物でできたカバー層(3)により充填され、酸化生成物(5)の前記界面層部分は、厚さが0.1nmから5nmである請求項1ないしのいずれか1項に記載の固体光起電力セル。 The cell has a shape penetrating each other, and the porous substrate (2) of the n-type semiconductor compound has a hole (2a) having a hole diameter of 10 nm to 100 nm, and an inner surface of the hole. Is covered with the aggregate (4) of the absorber compound, and the pores are filled with a cover layer (3) made of at least 10% by volume of the other p-type solid semiconductor compound. The solid photovoltaic cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the interface layer portion of the oxidation product (5) has a thickness of 0.1 nm to 5 nm. 請求項1からいずれか1項のセルを作製するプロセスであって、前記界面層の前記酸化生成物(5)は、いわゆる光ソーキング(soaking)処理による酸化処理によって得られ、該光ソーキング処理は、前記セルの以下の構成要素を含むデバイスの、酸素含有ガス雰囲気での可視光照射を含んでいる:
・透明なn型半導体化合物の前記多孔質層(2)、
・前記多孔質層の前記孔の少なくとも一部を充填する透明なp型半導体化合物の前記層(3)および、
・少なくとも一部で接触しないn型及びそれぞれp型の前記半導体化合物の2つの前記層の間に位置する凝集体(4)として存在する無機吸収体化合物。
A process for producing a cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the oxidation product (5) of the interfacial layer is obtained by oxidation treatment by so-called light soaking treatment, the light soaking. Processing involves irradiation with visible light in an oxygen-containing gas atmosphere of a device comprising the following components of the cell:
The porous layer (2) of a transparent n-type semiconductor compound,
The layer (3) of a transparent p-type semiconductor compound filling at least part of the pores of the porous layer; and
An inorganic absorber compound present as an aggregate (4) located between two layers of the n-type and p-type semiconductor compounds that do not contact at least partly.
前記酸素含有ガス雰囲気は、周囲空気であり、周囲温度での前記周囲空気の過飽和湿気割合より低い湿気割合を含む請求項に記載のプロセス。 Said oxygen-containing gas atmosphere, the process according to claim 6 including the lower moisture ratio than the supersaturation moisture percentage of the ambient air in the ambient air der is, ambient temperature. 前記光ソーキング処理は、0.1kW/m2から5kW/m2の可視光パワーで5分から20時間の間、前記セルを照射することを含んでいる請求項6或いは7に記載のプロセス。 The process according to claim 6 or 7 , wherein the optical soaking process includes irradiating the cell with visible light power of 0.1 kW / m 2 to 5 kW / m 2 for 5 minutes to 20 hours. 前記光ソーキング処理は、オープン回路状態での前記セルを照明することを含んでいる請求項からのいずれか1項に記載のプロセス。 9. A process according to any one of claims 6 to 8 , wherein the light soaking process comprises illuminating the cell in an open circuit state. 直列抵抗と、光起電力変換効率が依存する短絡回路の光電流(Jsc)およびオープン回路の電圧(Voc)とが観察され、光ソーキング処理は、前記セルを以下のように照明することを含む、
・光電変換効率が増大している限り照明し、そして前記変換効率が最大となったときに前記照射を停止し、そして/あるいは
・セルの直列抵抗が減少しているかぎり照明し、そして前記抵抗が最小となったとき前記照射を停止する、
請求項からのいずれか1項に記載のプロセス。
The series resistor, and the voltage of the photocurrent (Jsc) and the open circuit of the photovoltaic conversion efficiency that depend short fault circuit (Voc) is observed, light soaking process, illuminating as follows the cell including,
Illuminate as long as the photoelectric conversion efficiency is increased, and stop the irradiation when the conversion efficiency is maximized, and / or illuminate as long as the series resistance of the cell is reduced, and the resistance Stop the irradiation when becomes the minimum,
A process according to any one of claims 6 to 9 .
前記光ソーキング処理は、非密閉セルに対して行われ、そのセルは、光ソーキング処理の直後に、乾燥ガス雰囲気のもとで密閉される請求項から10のいずれか1項に記載のプロセス。 The process according to any one of claims 6 to 10 , wherein the optical soaking process is performed on an unsealed cell, and the cell is sealed under a dry gas atmosphere immediately after the optical soaking process. . 前記セルは、以下のステップを踏んで製作される、
・前記吸収体化合物は、n型半導体の前記多孔質層上に堆積され、そして
・前記アルカリ金属チオシアン酸塩MSCN塩が導入され、前記吸収体化合物で覆われた多孔質基板上に注入される、そして
・p型半導体化合物の前記充填層は、前記吸収体化合物を含む前記多孔質基板上にCuSCNを含み、前記アルカリ金属チオシアン酸塩MSCNは、CuSCN溶液をかけることで堆積され、そして
・前記光ソーキング処理は、こうして得られたデバイス上に実行される、
請求項から11のいずれか1項に記載のプロセス。
The cells are fabricated by stepping the following steps:,
The absorber compound is deposited on the porous layer of an n-type semiconductor, and the alkali metal thiocyanate MSCN salt is introduced and injected onto the porous substrate covered with the absorber compound and the said filler layer of · p-type semiconductor compound comprises CuSCN said porous substrate containing said absorbent compound, wherein the alkali metal thiocyanate MSCN is deposited by applying a CuSCN solvent liquid, and, The optical soaking process is performed on the device thus obtained.
12. Process according to any one of claims 6 to 11 .
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