JP5596872B1 - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、酸化チタンの吸収波長は紫外領域と重複していることから、電子輸送層の材料として酸化チタンを用いた有機太陽電池において紫外線を遮断すると、酸化チタンの光伝導性が低下して電子輸送層の機能が充分に発揮されず、光電変換効率が大幅に低下するという問題があった。
以下、本発明を詳述する。
上記陰極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができるが、例えば、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Al/Al2O3混合物、Al/LiF混合物、SnO2、FTO、AZO、IZO、GZO、ITO等が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記陽極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができるが、例えば、金等の金属、CuI、ITO(インジウムスズ酸化物)、SnO2、AZO、IZO、GZO等の導電性透明材料、導電性透明ポリマー等が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
酸化チタンに5価及び/又は6価の元素を添加することにより、電子輸送層の価数を変化させて、紫外線を遮断することによる酸化チタンの光伝導性の低下を抑制することができる。このため、本発明の太陽電池は、紫外線を遮断した場合であっても光電変換効率が高くなる。
なかでも、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)及びリンからなる群から選択される一種以上が更に好ましく、光電変換効率が高くなることから、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)が特に好ましい。
上記5価及び/又は6価の元素の単体とは、価数が5価及び/又は6価である元素のみからなる物質である。上記5価及び/又は6価の元素の単体としては、5価及び/又は6価の金属が好ましい。
また、上記電子輸送層が上記5価及び/又は6価の元素がドープされた酸化チタンを含有する場合には、上記電子輸送層において、チタンと5価及び/又は6価の元素との比率は、99.9:0.1〜60:40(モル比)であることが好ましく、99.9:0.1〜90:10(モル比)であることがより好ましい。
なお、各元素の含有量は、EDS(エネルギー分散形元素分析装置)測定等により求めることができる。
具体的には、上記電子輸送層の陰極側から60%の厚みの範囲内に、上記電子輸送層に含まれる5価及び/又は6価の元素の90重量%以上が存在していることが好ましく、95重量%以上が存在していることがより好ましい。また、上記電子輸送層の陰極側から30%の厚みの範囲内に、上記電子輸送層に含まれる5価及び/又は6価の元素の90重量%以上が存在していることが好ましく、95重量%以上が存在していることがより好ましい。
上記5価及び/又は6価の元素がドープされた酸化チタンからなる粒子を作製する方法は特に限定されず、例えば、チタンイソプロポキシドと5価及び/又は6価の金属アルコキシドとの混合物に硝酸を滴下した後、加熱攪拌する方法等が挙げられる。上記5価及び/又は6価の元素がドープされた酸化チタンからなる粒子の平均粒子径は特に限定されないが、製膜性が良好となり光電変換効率がより高くなることから、5〜100nmが好ましく、10〜60nmがより好ましい。
なお、平均粒子径は、動的光散乱法等により求めることができる。
なかでも、上記光電変換層は、太陽電池の耐久性が高くなることから、無機半導体を含有する層を含むことが好ましく、該無機半導体を含有する層が金属硫化物を含有する層であることがより好ましい。更に、本発明の太陽電池は、金属硫化物を含有する層(以下、硫化物層ともいう)と、有機半導体を含有する層(以下、有機半導体層ともいう)とを含む光電変換層を有する有機薄膜太陽電池であることがより好ましい。このような光電変換層においては、上記硫化物層が主にN型半導体として、上記有機半導体層が主にP型半導体として働くと推測されるが、上記硫化物層は、部分的にはP型半導体として働いていてもよいし、上記有機半導体層は、部分的にはN型半導体として働いていてもよい。また、このような光電変換層は、上記硫化物層と上記有機半導体層とを含む積層体であってもよいし、上記硫化物層と上記有機半導体層とを複合化した複合膜であってもよいが、有機半導体の電荷分離効率を向上させることができるため、複合膜であることがより好ましい。
上記硫化物層に含まれる金属硫化物は、2種以上の元素を同一の分子に含有する複合硫化物であってもよい。
なお、結晶性半導体とは、X線回折測定等で測定し、散乱ピークが検出できる半導体を意味する。
なお、結晶化度は、X線回折測定等により検出された結晶質由来の散乱ピークと、非晶質部由来のハローとをフィッティングにより分離し、それぞれの強度積分を求めて、全体のうちの結晶質部分の比を算出することにより求めることができる。
上記正孔輸送層の材料は特に限定されず、例えば、P型導電性高分子、P型低分子有機半導体、P型金属酸化物、P型金属硫化物、界面活性剤等が挙げられ、具体的には例えば、ポリエチレンジオキシチオフェンのポリスチレンスルホン酸付加物、カルボキシル基含有ポリチオフェン、フタロシアニン、ポルフィリン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化銅、酸化スズ、硫化モリブデン、硫化タングステン、硫化銅、硫化スズ等、フルオロ基含有ホスホン酸、カルボニル基含有ホスホン酸等が挙げられる。
なお、紫外線を遮断することにより、有機半導体の劣化を抑制し、太陽電池の耐久性を高めることができる。
透明電極(陰極)としてのITO膜の表面上に、ニオブエトキシドのエタノール溶液をスピンコート法により塗布し、乾燥後の厚みが10nmの塗膜を形成した。この塗膜の表面上に酸化チタン層(アナターゼ型酸化チタン、平均粒子径16nm)をスピンコート法により0.4μmの厚みに製膜し、400℃で大気下において10分間焼成を行い、酸化チタンと酸化ニオブ(価数5)とを含有する電子輸送層を形成した。
次いで、電子輸送層の表面上に、硫化アンチモンを蒸着法により積層し、250℃で低圧下において10分間焼成を行った。得られた硫化アンチモンからなる層の表面上に、P3HT(3位にヘキシル基を有するチオフェン骨格を有する共役ポリマー)をスピンコート法により塗布し、光電変換層を形成した。次いで、光電変換層の表面上に、PEDOT:PSSを積層し、正孔輸送層を形成した。更に、正孔輸送層の表面上に、金属電極(陽極)として蒸着法により金を積層し、太陽電池を得た。
硫化アンチモンの代わりに硫化カドミウムを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
硫化アンチモンの代わりに酸化亜鉛を用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
硫化アンチモンの代わりにフラーレン誘導体PCBMを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにタンタルエトキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにバナジウムエトキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりに酸化リンを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドのエタノール溶液をスピンコート法により塗布した代わりに酸化モリブデン層をスピンコート法により製膜したこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドのエタノール溶液の塗布を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドのエタノール溶液の塗布を行わなかったこと以外は実施例2と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドのエタノール溶液の塗布を行わなかったこと以外は実施例3と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドのエタノール溶液の塗布を行わなかったこと以外は実施例4と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにジルコニウムブトキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにアルミニウムブトキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにマグネシウムエトキシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
(ニオブドープ酸化チタン粒子の調製)
チタンイソプロポキシド3gに対し、ニオブエトキシド0.1gを混合した。この混合物に対し、0.1Mの硝酸20mLを滴下した後、80℃で8時間攪拌した。攪拌後、得られた固体を純水で洗浄し、ニオブドープ酸化チタン粒子(ニオブがドープされた酸化チタンからなる粒子、Ti:Nb=30:1、平均粒子径10nm)を調製した。
(太陽電池の製造)
透明電極(陰極)としてのFTO膜の表面上に、ニオブドープ酸化チタン粒子のエタノール分散液をスピンコート法により塗布し、乾燥後の厚みが60nmの塗膜を形成した後、600℃で大気下において30分間焼成を行った。この塗膜の表面上に酸化チタン層(アナターゼ型酸化チタン、平均粒子径16nm)をスピンコート法により0.2μmの厚みに製膜し、400℃で大気下において10分間焼成を行い、ニオブ(価数5)がドープされた酸化チタンを含有する層と酸化チタン層とを含む電子輸送層を形成した。
次いで、電子輸送層の表面上に、硫化アンチモンを蒸着法により積層し、250℃で低圧下において10分間焼成を行った。得られた硫化アンチモンからなる層の表面上に、P3HT(3位にヘキシル基を有するチオフェン骨格を有する共役ポリマー)をスピンコート法により塗布し、光電変換層を形成した。次いで、光電変換層の表面上に、PEDOT:PSSを積層し、正孔輸送層を形成した。更に、正孔輸送層の表面上に、金属電極(陽極)として蒸着法により金を積層し、太陽電池を得た。
ニオブドープ酸化チタン粒子(Ti:Nb=30:1)を用いて形成した塗膜の乾燥後の厚みを100nmとし、この塗膜の表面上に形成した酸化チタン層(アナターゼ型酸化チタン、平均粒子径16nm)の厚みを100nmとしたこと以外は実施例9と同様にして、太陽電池を得た。
ニオブエトキシドの代わりにタンタルエトキシドを用いたこと以外は実施例9と同様にして、タンタルドープ酸化チタン粒子(タンタルがドープされた酸化チタンからなる粒子、Ti:Ta=30:1、平均粒子径10nm)を調製した。ニオブドープ酸化チタン粒子の代わりにタンタルドープ酸化チタン粒子を用いたこと以外は実施例9と同様にして、太陽電池を得た。
透明電極(陰極)としてのFTO膜の表面上に、実施例9で得られたニオブドープ酸化チタン粒子のエタノール分散液をスピンコート法により塗布して0.2μm堆積した後、600℃で大気下において30分間焼成を行い、ニオブ(価数5)がドープされた酸化チタンを含有する電子輸送層を形成した。
次いで、電子輸送層の表面上に、硫化アンチモンを蒸着法により積層し、250℃で低圧下において10分間焼成を行った。得られた硫化アンチモンからなる層の表面上に、P3HT(3位にヘキシル基を有するチオフェン骨格を有する共役ポリマー)をスピンコート法により塗布し、光電変換層を形成した。次いで、光電変換層の表面上に、PEDOT:PSSを積層し、正孔輸送層を形成した。更に、正孔輸送層の表面上に、金属電極(陽極)として蒸着法により金を積層し、太陽電池を得た。
ニオブドープ酸化チタン粒子の代わりに、実施例11で得られたタンタルドープ酸化チタン粒子を用いたこと以外は実施例12と同様にして、太陽電池を得た。
仕込みのニオブエトキシドの量を変化させたこと以外は実施例9と同様にして、ニオブドープ酸化チタン粒子(ニオブがドープされた酸化チタンからなる粒子、Ti:Nb=900:1、平均粒子径16nm)を調製した。得られたニオブドープ酸化チタン粒子を用いたこと以外は実施例12と同様にして、太陽電池を得た。
仕込みのニオブエトキシドの量を変化させたこと以外は実施例9と同様にして、ニオブドープ酸化チタン粒子(ニオブがドープされた酸化チタンからなる粒子、Ti:Nb=2:1、平均粒子径12nm)を調製した。得られたニオブドープ酸化チタン粒子を用いたこと以外は実施例12と同様にして、太陽電池を得た。
仕込みのニオブエトキシドの量を変化させたこと以外は実施例9と同様にして、ニオブドープ酸化チタン粒子(ニオブがドープされた酸化チタンからなる粒子、Ti:Nb=10:1、平均粒子径16nm)を調製した。得られたニオブドープ酸化チタン粒子を用いたこと以外は実施例12と同様にして、太陽電池を得た。
実施例及び比較例で得られた太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表1及び2に示した。
太陽電池特性評価システムCEP−015(分光計器社製)を用いて、AM1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下での太陽電池の電流密度電圧特性を測定し、光電変換効率を求めた。以下の基準で評価した。
○:比較例1で得られた太陽電池の光電変換効率を1とした場合、光電変換効率が0.7以上のもの
△:比較例1で得られた太陽電池の光電変換効率を1とした場合、光電変換効率が0.3以上0.7未満のもの
×:比較例1で得られた太陽電池の光電変換効率を1とした場合、光電変換効率が0.3未満のもの
紫外線吸収材料を含むフィルムを用い、400nm以下の波長を遮断した状態で上記(1)と同様にして太陽電池の電流密度電圧特性を測定し、光電変換効率を求めた。400nm以下の波長を遮断する前後の光電変換効率の変化率(遮断後/遮断前)を求めた。
太陽電池をガラス封止し、温度60℃、湿度30%の条件下で72時間経過した後、上記(1)と同様にして太陽電池の電流密度電圧特性を測定し、光電変換効率を求めた。以下の基準で評価した。
○:72時間経過前に比べ、72時間経過後の光電変換効率が80%以上保持されているもの
△:72時間経過前に比べ、72時間経過後の光電変換効率が40%以上80%未満保持されているもの
×:72時間経過前に比べ、72時間経過後の光電変換効率が40%未満であるもの
下記の基準で評価した。
◎:紫外線遮断時の光電変換効率の変化率が0.7以上であり、光電変換効率及び耐久性評価がともに○であるもの
○:紫外線遮断時の光電変換効率の変化率が0.7以上であり、光電変換効率は△であるが、耐久性評価は○であるもの
△:紫外線遮断時の光電変換効率の変化率が0.7以上であり、光電変換効率及び耐久性評価がともに△であるもの
×:紫外線遮断時の光電変換効率の変化率が0.7未満のもの
Claims (7)
- 陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記陰極と前記光電変換層との間に配置された電子輸送層とを有し、
前記電子輸送層は、酸化チタンと、5価及び/又は6価の元素と、を含有することを特徴とする太陽電池。 - 電子輸送層は、酸化チタンと、5価及び/又は6価の元素の酸化物と、を含有することを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 電子輸送層は、5価及び/又は6価の元素がドープされた酸化チタンを含有することを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 5価及び/又は6価の元素が、ニオブ、バナジウム、タンタル、モリブデン、クロム、タングステン、リン及びヨウ素からなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の太陽電池。
- 光電変換層は、無機半導体を含有する層を含むことを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の太陽電池。
- 無機半導体を含有する層が、金属硫化物を含有する層であることを特徴とする請求項5記載の太陽電池。
- 光電変換層は、有機半導体を含有する層を含むことを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載の太陽電池。
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