JP6106131B2 - Photoelectric conversion element and solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子および太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a solar cell.
光電変換素子は、各種の光センサー、複写機、太陽電池等に用いられている。太陽電池は、非枯渇性の太陽エネルギーを利用するものとして、その本格的な実用化が期待されている。この中でも、増感剤として有機色素またはRuビピリジル錯体等を用いた色素増感太陽電池は、研究開発が盛んに進められ、光電変換効率が11%程度に到達している。 Photoelectric conversion elements are used in various optical sensors, copying machines, solar cells, and the like. Solar cells are expected to be put into full-scale practical use as non-depleting solar energy. Among these, a dye-sensitized solar cell using an organic dye or a Ru bipyridyl complex as a sensitizer has been actively researched and developed, and the photoelectric conversion efficiency has reached about 11%.
その一方で、近年、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物として金属ハロゲン化物を用いた太陽電池が、比較的高い光電変換効率を達成できるとの研究成果が報告され、注目を集めている。
例えば、非特許文献1には、CH3NH3PbX3(Xは臭素原子またはヨウ素原子を表す。)のペロブスカイト型結晶構造を有する化合物をナノサイズ微粒子として吸着させた、膜厚8〜12μmのTiO2膜と電解質溶液とを有する太陽電池が、記載されている。
特許文献1には、CH3NH3MX3(MはPbまたはSnを表し、Xはハロゲン原子を表す。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する鉛錯体および膜厚8.0μm以下の半導体微粒子層を含む光吸収層と電解液からなる電解質層とを備えた太陽電池が、記載されている。
他にも、CH3NH3PbI2Clのペロブスカイト型結晶構造を有する化合物と正孔輸送材料とを用いた太陽電池が研究されている(非特許文献2)。
On the other hand, recently, research results have been reported that solar cells using metal halides as compounds having a perovskite crystal structure can achieve relatively high photoelectric conversion efficiency, and are attracting attention.
For example, Non-Patent
In addition, a solar cell using a compound having a perovskite crystal structure of CH 3 NH 3 PbI 2 Cl and a hole transport material has been studied (Non-patent Document 2).
上述のように、金属ハロゲン化物のペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を用いた光電変換素子および太陽電池は、光電変換効率の向上に一定の成果が得られている。しかし、この光電変換素子および太陽電池は、近年、注目されたものであり、光電変換効率以外の電池性能についてはほとんど知られていない。
このような状況において、金属ハロゲン化物の、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物を用いて上記の太陽電池を同一の製造方法で繰り返して製造したところ、得られた太陽電池間で光電変換効率のバラツキが大きく変動(以下、太陽電池間の電圧変動ということがある)し、電池性能の安定性が十分ではないことが分かった。
As described above, the photoelectric conversion element and the solar cell using the compound having a perovskite crystal structure of a metal halide have achieved certain results in improving the photoelectric conversion efficiency. However, this photoelectric conversion element and solar cell have attracted attention in recent years, and little is known about battery performance other than photoelectric conversion efficiency.
In such a situation, when the above solar cell was repeatedly manufactured by the same manufacturing method using a metal halide compound having a perovskite crystal structure, there was a variation in photoelectric conversion efficiency between the obtained solar cells. It was found that the battery performance fluctuated greatly (hereinafter sometimes referred to as voltage fluctuation between solar cells) and the stability of the battery performance was not sufficient.
したがって、本発明は、光電変換効率の変動が小さく、安定した電池性能を発揮する光電変換素子およびこれを備えた太陽電池を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that exhibits a small variation in photoelectric conversion efficiency and exhibits stable battery performance, and a solar cell including the photoelectric conversion element.
本発明者らは、ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物(ペロブスカイト化合物ということがある)を用いた太陽電池(ペロブスカイト増感太陽電池ともいう)において、ペロブスカイト化合物を含む感光層を設ける足場としての多孔質層の膜厚が、正孔輸送材料、特に固体状の正孔輸送材料を用いる場合に、光電変換効率の変動に大きな影響を及ぼすことを見出した。さらに詳細な検討を行った結果、膜厚を特定の範囲に設定した多孔質層と正孔輸送材料とを併用すると、光電変換効率の変動を低減でき、光電変換素子および太陽電池が安定した電池性能を発揮することを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。 In the solar cell using a compound having a perovskite-type crystal structure (sometimes referred to as a perovskite compound) (also referred to as a perovskite-sensitized solar cell), the inventors of the present invention are porous as a scaffold for providing a photosensitive layer containing a perovskite compound. It has been found that the film thickness of the layer has a great effect on fluctuations in photoelectric conversion efficiency when a hole transport material, particularly a solid hole transport material is used. As a result of further detailed investigation, when a porous layer having a film thickness set in a specific range and a hole transport material are used in combination, fluctuations in photoelectric conversion efficiency can be reduced, and the photoelectric conversion element and the solar cell are stable. It has been found that it demonstrates its performance. The present invention has been completed based on these findings.
すなわち、上記の課題は以下の手段により解決された。
<1>導電性支持体上に設けられた多孔質層、および光吸収剤を多孔質層の表面に設けてなる感光層を有する第一電極と、第一電極に対向する第二電極と、第一電極および第二電極の間に設けられた正孔輸送層とを有する光電変換素子であって、
光吸収剤が、周期表第一族元素もしくはカチオン性有機基Aのカチオン、周期表第一族元素以外の金属原子Mのカチオンおよびアニオン性原子Xのアニオンを有するペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物を含み、
多孔質層の膜厚が15〜100μmである光電変換素子。
<2>多孔質層の膜厚が、15〜50μmである<1>に記載の光電変換素子。
<3>多孔質層の膜厚が、15〜30μmである<1>または<2>に記載の光電変換素子。
<4>多孔質層が、チタン、スズ、亜鉛、ジルコニウム、アルミニウムおよびケイ素の各酸化物ならびにカーボンナノチューブからなる群より選択された少なくとも1種を含む<1>〜<3>のいずれか1つに記載の光電変換素子。
<5>多孔質層が、酸化チタンまたは酸化アルミニウムを含む<1>〜<4>のいずれか1つに記載の光電変換素子。
<6>ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物が、下記式(I)で表される化合物である<1>〜<5>のいずれか1つに記載の光電変換素子。
That is, the above problem has been solved by the following means.
<1> a porous layer provided on a conductive support, a first electrode having a photosensitive layer provided with a light absorber on the surface of the porous layer, a second electrode facing the first electrode, A photoelectric conversion element having a hole transport layer provided between the first electrode and the second electrode,
A compound having a perovskite crystal structure in which the light absorber has a cation of a
The photoelectric conversion element whose film thickness of a porous layer is 15-100 micrometers.
<2> The photoelectric conversion element according to <1>, wherein the porous layer has a thickness of 15 to 50 μm.
<3> The photoelectric conversion element according to <1> or <2>, wherein the porous layer has a thickness of 15 to 30 μm.
<4> The porous layer contains at least one selected from the group consisting of titanium, tin, zinc, zirconium, aluminum and silicon oxides and carbon nanotubes, and any one of <1> to <3> The photoelectric conversion element as described in 2.
<5> The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <4>, in which the porous layer contains titanium oxide or aluminum oxide.
<6> The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <5>, wherein the compound having a perovskite crystal structure is a compound represented by the following formula (I).
式(I):AaMmXx
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。aは1または2を表し、mは1を表し、a、mおよびxはa+2m=xを満たす。
Formula (I): A a M m X x
In the formula, A represents a
<7>ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物が、下記式(I−1)で表される化合物を含む<1>〜<6>のいずれか1つに記載の光電変換素子。 <7> The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <6>, wherein the compound having a perovskite crystal structure includes a compound represented by the following formula (I-1).
式(I−1):AMX3
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
Formula (I-1): AMX 3
In the formula, A represents a
<8>ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物が、下記式(I−2)で表される化合物を含む<1>〜<7>のいずれか1つに記載の光電変換素子。 <8> The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <7>, wherein the compound having a perovskite crystal structure includes a compound represented by the following formula (I-2).
式(I−2):A2MX4
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
Formula (I-2): A 2 MX 4
In the formula, A represents a
<9>Aが、下記式(1)で表される<6>〜<8>のいずれか1つに記載の光電変換素子。 <9> The photoelectric conversion element according to any one of <6> to <8>, in which A is represented by the following formula (1).
式(1):R1a−NH3
式中、R1aは置換基を表す。
Formula (1): R 1a —NH 3
In the formula, R 1a represents a substituent.
<10>R1aが、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基または下記式(2)で表すことができる基である<9>に記載の光電変換素子。 <10> The photoelectric conversion element according to <9>, wherein R 1a is an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group, or a group that can be represented by the following formula (2).
式中、XaはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表す。R1bおよびR1cは各々独立に水素原子または置換基を表す。***は式(1)のNとの結合位置を表す。 In formula, Xa represents NR <1c> , an oxygen atom, or a sulfur atom. R 1b and R 1c each independently represent a hydrogen atom or a substituent. *** represents a bonding position with N in the formula (1).
<11>Xが、ハロゲン原子である<1>〜<10>のいずれか1つに記載の光電変換素子。
<12>Mが、PbまたはSnである<1>〜<11>のいずれか1つに記載の光電変換素子。
<13>上記<1>〜<12>のいずれか1つに記載の光電変換素子を有する太陽電池。
<11> The photoelectric conversion device according to any one of <1> to <10>, wherein X is a halogen atom.
<12> The photoelectric conversion element according to any one of <1> to <11>, wherein M is Pb or Sn.
<13> A solar cell having the photoelectric conversion element according to any one of <1> to <12>.
本発明において、多孔質層の膜厚は、光電変換素子の断面において、導電性支持体の表面に対して90°の角度で交わる直線方向に沿う、多孔質層が成膜されている下層表面から多孔質層の表面までの平均距離で規定される。
ここで、「多孔質層が成膜されている下層表面」は、導電性支持体と多孔質層との界面を意味する。導電性支持体と多孔質層との間にブロッキング層等の他の層が成膜されている場合には、この他の層と多孔質層との界面を意味する。
また、「多孔質層の表面」は、導電性支持体の表面に対して90°の角度で交わる仮想直線上における、導電性支持体から最も第二電極側に位置する多孔質層の点(仮想直線と多孔質層の輪郭線との交点)をいう。
「平均距離」は、光電変換素子の断面における特定範囲の観測域を、導電性支持体の表面に対して水平(平行)な方向(例えば、図1および図2において左右方向)に沿って10等分してなる区分ごとに下層表面から多孔質層の表面までの最長距離を求め、これらの10区分の最長距離の平均値とする。
多孔質層の膜厚は、光電変換素子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより、測定できる。
In the present invention, the thickness of the porous layer is the lower layer surface on which the porous layer is formed along the linear direction intersecting at an angle of 90 ° with the surface of the conductive support in the cross section of the photoelectric conversion element. Is defined by the average distance from the surface of the porous layer to the surface of the porous layer.
Here, the “lower surface on which the porous layer is formed” means the interface between the conductive support and the porous layer. When another layer such as a blocking layer is formed between the conductive support and the porous layer, it means an interface between the other layer and the porous layer.
Further, the “surface of the porous layer” is a point of the porous layer located closest to the second electrode from the conductive support on a virtual straight line that intersects the surface of the conductive support at an angle of 90 ° ( (Intersection of virtual straight line and outline of porous layer).
The “average distance” is 10 in an observation area of a specific range in the cross section of the photoelectric conversion element along a horizontal (parallel) direction to the surface of the conductive support (for example, the horizontal direction in FIGS. 1 and 2). The longest distance from the lower layer surface to the surface of the porous layer is obtained for each equally divided section, and the average value of the longest distances of these 10 sections is obtained.
The film thickness of the porous layer can be measured by observing the cross section of the photoelectric conversion element with a scanning electron microscope (SEM).
本明細書において、上記各式、特に式(1)、式(2)および式(Aam)は、ペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物の化学構造の理解のために、一部を示性式として表記することもある。これに伴い、各式において、部分構造を基、置換基または原子等と称するが、本明細書において、これらは、上記式で表される基もしくは(置換)基を構成する元素団、または元素を意味する。 In the present specification, each of the above formulas, in particular, the formula (1), the formula (2), and the formula (A am ) are partly shown as qualitative formulas in order to understand the chemical structure of a compound having a perovskite crystal structure. Sometimes written. Accordingly, in each formula, the partial structure is referred to as a group, a substituent, an atom, or the like. Means.
本明細書において、化合物(錯体、色素を含む)の表示については、化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、目的の効果を奏する範囲で、構造の一部を変化させたものを含む意味である。さらに、置換または無置換を明記していない化合物については、所望の効果を奏する範囲で、任意の置換基を有する化合物を含む意味である。このことは、置換基および連結基等(以下、置換基等という)についても同様である。 In this specification, about the display of a compound (a complex and a pigment | dye are included), it uses for the meaning containing its salt and its ion besides the compound itself. In addition, it means that a part of the structure is changed as long as the desired effect is achieved. Furthermore, a compound that does not specify substitution or non-substitution is meant to include a compound having an arbitrary substituent as long as a desired effect is achieved. The same applies to substituents and linking groups (hereinafter referred to as substituents and the like).
本明細書において、特定の符号で表示された置換基等が複数あるとき、または複数の置換基等を同時に規定するときには、特段の断りがない限り、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよい。このことは、置換基等の数の規定についても同様である。また、複数の置換基等が近接するとき(特に、隣接するとき)には、特段の断りがない限り、それらが互いに連結して環を形成してもよい。また、環、例えば脂環、芳香族環、ヘテロ環はさらに縮環して縮合環を形成していてもよい。 In this specification, when there are a plurality of substituents and the like indicated by a specific symbol, or when a plurality of substituents and the like are specified at the same time, the respective substituents are the same as or different from each other unless otherwise specified. May be. The same applies to the definition of the number of substituents and the like. Further, when a plurality of substituents and the like are close to each other (especially when they are adjacent to each other), they may be connected to each other to form a ring unless otherwise specified. In addition, a ring such as an alicyclic ring, an aromatic ring, or a heterocyclic ring may be further condensed to form a condensed ring.
また、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。 Further, in this specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
本発明により、光電変換効率の変動が小さく、安定した電池性能を発揮する光電変換素子およびこれを備えた太陽電池を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion element that exhibits small fluctuations in photoelectric conversion efficiency and exhibits stable battery performance, and a solar cell including the photoelectric conversion element.
<<光電変換素子>>
本発明の光電変換素子は、導電性支持体、多孔質層および感光層を有する第一電極と、第一電極に対向する第二電極と、第一電極および第二電極の間に設けられた正孔輸送層とを有する。多孔質層、感光層、正孔輸送層および第二電極はこの順で導電性支持体上に設けられることが好ましい。
本発明において、多孔質層は15〜100μmの膜厚に形成されている。また、感光層は多孔質層の表面に設けられたペロブスカイト化合物を少なくとも1種含んでいる。そして、多孔質層と感光層とを有する第一電極上に正孔輸送層が設けられている。このような構成を有する本発明の光電変換素子および太陽電池は、光電変換効率の変動が低減され、安定した電池性能が発揮される。
<< Photoelectric conversion element >>
The photoelectric conversion element of the present invention is provided between a first electrode having a conductive support, a porous layer and a photosensitive layer, a second electrode facing the first electrode, and the first electrode and the second electrode. And a hole transport layer. The porous layer, the photosensitive layer, the hole transport layer, and the second electrode are preferably provided on the conductive support in this order.
In the present invention, the porous layer is formed to a thickness of 15 to 100 μm. The photosensitive layer contains at least one perovskite compound provided on the surface of the porous layer. A hole transport layer is provided on the first electrode having the porous layer and the photosensitive layer. The photoelectric conversion element and the solar cell of the present invention having such a configuration exhibit reduced photoelectric conversion efficiency and stable battery performance.
本発明の光電変換素子は、本発明で規定する構成以外の構成は特に限定されず、光電変換素子および太陽電池に関する公知の構成を採用できる。本発明の光電変換素子を構成する各層は、目的に応じて設計され、例えば、単層に形成されても、複層に形成されてもよい。
例えば、本発明において、感光層は、単層であっても2層以上の積層であってもよい。感光層が積層の場合、互いに異なる光吸収剤からなる層の積層であってもよく、また、感光層と感光層の間に正孔輸送材料からなる中間層を有していてもよい。
The photoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited in structure other than the structure defined in the present invention, and a known structure relating to the photoelectric conversion element and the solar cell can be adopted. Each layer constituting the photoelectric conversion element of the present invention is designed according to the purpose, and may be formed in a single layer or multiple layers, for example.
For example, in the present invention, the photosensitive layer may be a single layer or a laminate of two or more layers. When the photosensitive layer is a laminate, it may be a laminate of layers made of different light absorbers, and an intermediate layer made of a hole transport material may be provided between the photosensitive layer and the photosensitive layer.
以下、本発明の光電変換素子の好ましい態様について説明する。
図1および図2において、同じ符号は同じ構成要素(部材)を意味する。
なお、図1および図2は、多孔質層を形成する微粒子の大きさを強調して示してある。これら微粒子は、好ましくは、導電性基板に対して水平方向および垂直方向に詰まり、多孔質構造を形成している。
Hereinafter, the preferable aspect of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated.
In FIG. 1 and FIG. 2, the same code | symbol means the same component (member).
1 and 2 show the size of the fine particles forming the porous layer with emphasis. These fine particles are preferably packed horizontally and vertically with respect to the conductive substrate to form a porous structure.
本明細書において、単に「光電変換素子10」という場合は、特に断らない限り、光電変換素子10Aおよび10Bを意味する。このことは、システム100、第一電極1、感光層13および正孔輸送層3についても同様である。
In this specification, the term “photoelectric conversion element 10” means the
本発明の光電変換素子の好ましい態様として、例えば、図1に示す光電変換素子10Aが挙げられる。図1に示されるシステム100Aは、光電変換素子10Aを外部回路6で動作手段M(例えば電動モーター)に仕事をさせる電池用途に応用したシステムである。
この光電変換素子10Aは、第一電極1Aと第二電極2と正孔輸送層3Aとを有している。第一電極1Aは、支持体11aおよび透明電極11bからなる導電性支持体11と、多孔質層12と、感光層13Aとを有している。また、好ましくは透明電極11b上にブロッキング層14を有し、ブロッキング層14上に多孔質層12が形成される。
As a preferable aspect of the photoelectric conversion element of the present invention, for example, a
The
図2に示す光電変換素子10Bは、図1に示す光電変換素子10Aの感光層13Aを厚く設けた好ましい態様を模式的に示したものである。この光電変換素子10Bにおいて、正孔輸送層3Bは薄く設けられている。光電変換素子10Bは、図1で示した光電変換素子10Aに対して感光層13Bおよび正孔輸送層3Bの膜厚の点で異なるが、これらの点以外は光電変換素子10Aと同様に構成されている。
The
本発明において、感光層は、多孔質層の形状、設ける光吸収剤の量等によって、多孔質層の表面に種々の形態で成膜されうる。したがって、本発明において、感光層は、多孔質層の表面に設けられていれば、その態様は特に限定されない。感光層が多孔質層の表面に形成される態様としては、例えば、感光層が、多孔質層の表面に薄い膜状等に設けられる態様(図1参照)、多孔質層の表面に厚く設けられる態様(図2参照)が挙げられる。感光層は、線状または分散状に設けられてもよいが、好ましくは膜状に設けられる。 In the present invention, the photosensitive layer can be formed in various forms on the surface of the porous layer depending on the shape of the porous layer, the amount of the light absorber provided, and the like. Therefore, in the present invention, the mode is not particularly limited as long as the photosensitive layer is provided on the surface of the porous layer. As a mode in which the photosensitive layer is formed on the surface of the porous layer, for example, a mode in which the photosensitive layer is provided in the form of a thin film or the like on the surface of the porous layer (see FIG. 1), a thickness provided on the surface of the porous layer (See FIG. 2). The photosensitive layer may be provided in a linear or dispersed form, but is preferably provided in a film form.
本発明において、光電変換素子10を応用したシステム100は、以下のようにして、太陽電池として、機能する。
すなわち、光電変換素子10において、導電性支持体11または第二電極2を透過して感光層13に入射した光は光吸収剤を励起する。励起された光吸収剤はエネルギーの高い電子を有しており、この電子が感光層13から導電性支持体11に到達する。このとき、エネルギーの高い電子を放出した光吸収剤は酸化体となっている。導電性支持体11に到達した電子が外部回路6で仕事をしながら第二電極2、次いで正孔輸送層3を経由して、感光層13に戻る。感光層13に戻った電子により光吸収剤が還元される。上記光吸収材の励起および電子移動を繰り返すことにより、システム100が太陽電池として機能する。
In the present invention, the system 100 to which the photoelectric conversion element 10 is applied functions as a solar cell as follows.
That is, in the photoelectric conversion element 10, light that has passed through the
感光層13から導電性支持体11への電子の流れは、多孔質層12の有無およびその種類等により、異なる。光電変換素子10においては、ペロブスカイト化合物間を電子が移動する電子伝導が起こる。したがって、多孔質層12を設ける場合、多孔質層12は従来の半導体以外に絶縁体で形成することができる。多孔質層12が半導体で形成される場合、多孔質層12の半導体微粒子内部や半導体微粒子間を電子が移動する電子伝導も起こる。一方、多孔質層12が絶縁体で形成される場合、多孔質層12での電子伝導は起こらない。
なお、上記他の層としてのブロッキング層14が導体または半導体により形成された場合もブロッキング層14での電子伝導が起こる。
The flow of electrons from the photosensitive layer 13 to the
Even when the
本発明の光電変換素子および太陽電池は、上記の好ましい態様に限定されず、各態様の構成等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各態様間で適宜組み合わせることができる。 The photoelectric conversion element and the solar cell of the present invention are not limited to the above-described preferred embodiments, and the configuration of each embodiment can be appropriately combined between the respective embodiments without departing from the spirit of the present invention.
本発明において、光電変換素子または太陽電池に用いられる材料および各部材は、多孔質層12、増感剤としてのペロブスカイト型光吸収剤および正孔輸送層3を除いて、常法により調製することができる。ペロブスカイト光吸収剤を用いた光電変換素子または太陽電池について、例えば、特許文献1ならびに非特許文献1および2を参照することができる。また、色素増感太陽電池について、例えば、特開2001−291534号公報、米国特許第4,927,721号明細書、米国特許第4,684,537号明細書、米国特許第5,084,365号明細書、米国特許第5,350,644号明細書、米国特許第5,463,057号明細書、米国特許第5,525,440号明細書、特開平7−249790号公報、特開2004−220974号公報、特開2008−135197号公報を参照することができる。
In the present invention, materials and components used for the photoelectric conversion element or solar cell are prepared by a conventional method except for the
以下、本発明の光電変換素子および太陽電池の主たる部材および化合物の好ましい態様について、説明する。 Hereinafter, the preferable aspect of the main member and compound of the photoelectric conversion element of this invention and a solar cell is demonstrated.
<第一電極1>
第一電極1は、導電性支持体11と多孔質層12と感光層13とを有し、光電変換素子10において作用電極として機能する。
第一電極1は、ブロッキング層14を有することが好ましい。
<
The
The
− 導電性支持体11 −
導電性支持体11は、導電性を有し、多孔質層12、感光層13等を支持できるものであれば特に限定されない。導電性支持体は、導電性を有する材料、例えば金属で形成された導電性支持体、または、ガラスもしくはプラスチックの支持体11aとこの支持体11aの表面に成膜された透明電極11bとしての導電膜とを有する導電性支持体11が好ましい。
−
The
なかでも、図1および図2に示されるように、ガラスまたはプラスチックの支持体11aの表面に導電性の金属酸化物を塗設して透明電極11bを成膜した導電性支持体11がさらに好ましい。プラスチックで形成された支持体11aとしては、例えば、特開2001−291534号公報の段落番号0153に記載の透明ポリマーフィルムが挙げられる。支持体11aを形成する材料としては、ガラスおよびプラスチックの他にも、セラミック(特開2005−135902号公報)、導電性樹脂(特開2001−160425号公報)を用いることができる。金属酸化物としては、スズ酸化物(TO)が好ましく、インジウム−スズ酸化物(スズドープ酸化インジウム;ITO)、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等のフッ素ドープスズ酸化物が特に好ましい。このときの金属酸化物の塗布量は、支持体11aの表面積1m2当たり0.1〜100gが好ましい。導電性支持体11を用いる場合、光は支持体11a側から入射させることが好ましい。
In particular, as shown in FIGS. 1 and 2, a
導電性支持体11は、実質的に透明であることが好ましい。本発明において、「実質的に透明である」とは、光(波長300〜1200nm)の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上が好ましく、80%以上が特に好ましい。
支持体11aおよび導電性支持体11の厚みは、特に限定されず、適宜の厚みに設定される。例えば、0.01μm〜10mmであることが好ましく、0.1μm〜5mmであることがさらに好ましく、0.3μm〜4mmであることが特に好ましい。
透明電極11bを設ける場合、透明電極11bの膜厚は、特に限定されず、例えば、0.01〜30μmであることが好ましく、0.03〜25μmであることがさらに好ましく、0.05〜20μmであることが特に好ましい。
The
The thicknesses of the
When providing the
導電性支持体11または支持体11aは、表面に光マネージメント機能を有してもよい。例えば、導電性支持体11または支持体11aの表面に、特開2003−123859号公報に記載の、高屈折膜および低屈折率の酸化物膜を交互に積層した反射防止膜を有してもよく、特開2002−260746号公報に記載のライトガイド機能を有してもよい。
The
− ブロッキング層14 −
本発明においては、好ましくは、透明電極11bの表面に、すなわち導電性支持体11と多孔質層12または正孔輸送層3等との間に、ブロッキング層14を有している。
光電変換素子および太陽電池において、正孔輸送層3と透明電極11bとが直接接触すると逆電流を生じる。ブロッキング層14は、この逆電流を防止する機能を果たす。ブロッキング層14は短絡防止層ともいう。
− Blocking
In the present invention, a
In the photoelectric conversion element and the solar cell, when the hole transport layer 3 and the
ブロッキング層14を形成する材料は、上記機能を果たすことのできる材料であれば特に限定されないが、可視光を透過する物質であって、導電性支持体11(透明電極11b)に対する絶縁性物質であることが好ましい。「導電性支持体11(透明電極11b)に対する絶縁性物質」とは、具体的には、伝導帯のエネルギー準位が、導電性支持体11を形成する材料(透明電極11bを形成する金属酸化物)の伝導帯のエネルギー準位以上であり、かつ、多孔質層12を構成する材料の伝導帯や光吸収剤の基底状態のエネルギー準位より低い化合物(n型半導体化合物)をいう。
ブロッキング層14を形成する材料は、例えば、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、ポリビニルアルコール、ポリウレタン等が挙げられる。また、一般的に光電変換材料に用いられる材料でもよく、例えば、酸化チタン、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化タングステン等も挙げられる。なかでも、酸化チタン、酸化スズ、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等が好ましい。
ブロッキング層14の膜厚は、0.001〜10μmが好ましく、0.005〜1μmがさらに好ましく、0.01〜0.1μmが特に好ましい。
The material for forming the
Examples of the material for forming the
The film thickness of the
− 多孔質層12 −
本発明において、多孔質層12は透明電極11b上に成膜される。ブロッキング層14を有している場合、多孔質層12はブロッキング層14上に形成される。
−
In the present invention, the
多孔質層12は、表面に感光層13を担持する足場として機能する層である。この多孔質層12は、多孔質材料が堆積してなる、細孔を有する微粒子層であることが好ましい。多孔質層は、1種の多孔質材料が堆積してなる層でもよく、2種以上の多孔質材料が堆積してなる層でもよい。
多孔質材料の堆積状態としては、特に限定されるものではなく、多孔質層が細孔を有する層となるように多孔質材料が堆積していることが好ましい。本発明において、堆積した多孔質材料は、多孔質構造を形成できる状態にあるのが好ましい。「多孔質層を形成できる状態」は、多孔質材料が集合した状態、さらに圧縮または充填された状態、加えて多孔質材料同士が密着、融着または焼結等した状態を包含する。
The
The deposition state of the porous material is not particularly limited, and the porous material is preferably deposited so that the porous layer is a layer having pores. In the present invention, the deposited porous material is preferably in a state where a porous structure can be formed. The “state in which a porous layer can be formed” includes a state in which porous materials are gathered, a state in which the porous materials are further compressed or filled, and a state in which the porous materials are closely adhered, fused, or sintered.
多孔質層12が細孔を有する微粒子層であると、光吸収剤の担持量(吸着量)を増量できる。太陽電池において、光吸収効率を高めるためには、少なくとも太陽光等の光を受ける部分の表面積を大きくすることが好ましく、多孔質層12の全体としての表面積を大きくすることがより好ましい。
多孔質層12の表面積を大きくするには、多孔質層12を構成する個々の微粒子の表面積を大きくすることが好ましい。本発明では、多孔質層12を形成する微粒子を導電性支持体11等に塗設した状態で、この微粒子の表面積が投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがより好ましい。この上限には特に制限はないが、通常5000倍程度である。多孔質層12を形成する微粒子の粒径は、投影面積を円に換算したときの直径を用いた平均粒径において、1次粒子として0.001〜1μmが好ましい。微粒子の分散物を用いて多孔質層12を形成する場合、微粒子の上記平均粒径は、分散物の平均粒径として0.01〜100μmが好ましい。
When the
In order to increase the surface area of the
多孔質層12の膜厚は、15〜100μmの範囲にある。多孔質層12の膜厚が15μm未満でも、100μmを越えても、正孔輸送層3を用いた場合に光電変換効率が大きく変動することがある。また、ブロッキング層14を設けない場合には、多孔質層12の膜厚が15μm未満であると、第一電極1と正孔輸送層3とが短絡しやすくなる。光電変換効率の変動を効果的に低減できる点で、多孔質層12の膜厚は、15〜50μmであることが好ましく、15〜30μmであることがさらに好ましい。
The film thickness of the
多孔質層12の膜厚を15〜100μmにしたときに光電変換効率の変動を低減できる理由は、まだ定かではないが、例えば以下の理由が推定される。
太陽電池において、多孔質層12の膜厚が厚くなると、多孔質層12の表面積が大きくなり、光吸収剤の担持量が増大する。これにより、入射光をより多く吸収し、励起電子数が増える。一方、多孔質層12の膜厚が厚くなると、多孔質層12に注入された励起電子の電子移動(電荷輸送)距離が長くなる。これにより、逆電子移動量が起こり、また多孔質層12中で励起電子が失活して、電荷輸送性能が損失し、低下する。しかし、多孔質層12の膜厚が上記範囲にあると、多孔質層12の表面積を大きくできるにもかかわらず、電荷輸送性能の損失を小さく抑えることができると考えられる。これにより、電荷輸送性能の損失が励起電子の増加量に対して相対的に小さくなり、光電変換効率のばらつきが抑えられると考えられる。
また、多孔質層12の表面に成膜される感光層13と正孔輸送層3との接触面積が増大する。この結果、正孔輸送層3と感光層13との全体的な密着性が向上する。これにより、感光層13と正孔輸送層3との界面に生じるうる界面欠陥の影響が、増大した接触面積による影響に対して相対的に小さくなり、光電変換効率のばらつきが抑えられると考えられる。
なお、多孔質層12の膜厚の測定方法は上記の通りである。
The reason why the fluctuation in photoelectric conversion efficiency can be reduced when the film thickness of the
In the solar cell, when the film thickness of the
Further, the contact area between the photosensitive layer 13 formed on the surface of the
The method for measuring the film thickness of the
多孔質層12を形成する材料は、導電性に関しては特に限定されず、絶縁体(絶縁性の材料)であっても、導電性の材料または半導体(半導電性の材料)であってもよい。
多孔質層12を形成する材料としては、例えば、金属のカルコゲニド(例えば酸化物、硫化物、セレン化物等)、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物(後述する光吸収剤を除く。)、ケイ素の酸化物(例えば、二酸化ケイ素、ゼオライト)、またはカーボンナノチューブ(カーボンナノワイヤおよびカーボンナノロッド等を含む)を用いることができる。
The material for forming the
Examples of the material for forming the
金属のカルコゲニドとしては、特に限定されないが、好ましくは、チタン、スズ、亜鉛、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、アルミニウムまたはタンタルの各酸化物、硫化カドミウム、セレン化カドミウム等が挙げられる。金属のカルコゲニドの結晶構造として、アナターゼ型、ブルッカイト型またはルチル型が挙げられ、アナターゼ型、ブルッカイト型が好ましい。 The metal chalcogenide is not particularly limited, but is preferably titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, aluminum or tantalum oxide, cadmium sulfide. , Cadmium selenide and the like. Examples of the crystal structure of the metal chalcogenide include an anatase type, brookite type and rutile type, and anatase type and brookite type are preferable.
ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物としては、特に限定されないが、遷移金属酸化物等が挙げられる。例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ジルコン酸バリウム、スズ酸バリウム、ジルコン酸鉛、ジルコン酸ストロンチウム、タンタル酸ストロンチウム、ニオブ酸カリウム、鉄酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸バリウムランタン、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸ビスマスが挙げられる。なかでも、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム等が好ましい。 Although it does not specifically limit as a compound which has a perovskite type crystal structure, A transition metal oxide etc. are mentioned. For example, strontium titanate, calcium titanate, barium titanate, lead titanate, barium zirconate, barium stannate, lead zirconate, strontium zirconate, strontium tantalate, potassium niobate, bismuth ferrate, strontium barium titanate , Barium lanthanum titanate, calcium titanate, sodium titanate, bismuth titanate. Of these, strontium titanate, calcium titanate and the like are preferable.
カーボンナノチューブは、炭素膜(グラフェンシート)を筒状に丸めた形状を有する。カーボンナノチューブは、1枚のグラフェンシートが円筒状に巻かれた単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、2枚のグラフェンシートが同心円状に巻かれた2層カーボンナノチューブ(DWCNT)、複数のグラフェンシートが同心円状に巻かれた多層カーボンナノチューブ(MWCNT)に分類される。多孔質層12としては、いずれのカーボンナノチューブも特に限定されず、用いることができる。
The carbon nanotube has a shape obtained by rounding a carbon film (graphene sheet) into a cylindrical shape. Carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes (SWCNT) in which one graphene sheet is wound in a cylindrical shape, double-walled carbon nanotubes (DWCNT) in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and multiple graphene sheets are concentric Are classified into multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) wound in a shape. As the
多孔質層12を形成する材料は、なかでも、チタン、スズ、亜鉛、ジルコニウム、アルミニウムもしくはケイ素の酸化物、またはカーボンナノチューブが好ましく、酸化チタンまたは酸化アルミニウムがさらに好ましい。
Among these materials, the material forming the
多孔質層12は、上述の、金属のカルコゲニド、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物、ケイ素の酸化物およびカーボンナノチューブのうち少なくとも1種で形成されていればよく、複数種で形成されていてもよい。
The
多孔質層12を形成する材料は、後述するように好ましくは微粒子として用いられる。多孔質層12を形成する材料は、金属のカルコゲニド、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物およびケイ素の酸化物のナノチューブ、ナノワイヤまたはナノロッドを、金属のカルコゲニド、ペロブスカイト型結晶構造を有する化合物、ケイ素の酸化物およびカーボンナノチューブの微粒子と共に用いることもできる。
The material for forming the
− 感光層(光吸収層)13 −
感光層13は、後述するペロブスカイト化合物を光吸収剤として多孔質層12の表面(この表面が凹凸の場合の内表面を含む)に設けられる。本発明において、光吸収剤は、ペロブスカイト化合物を少なくとも1種含有していればよく、2種以上のペロブスカイト化合物を含有してもよい。また、光吸収剤は、ペロブスカイト化合物と併せて、ペロブスカイト化合物以外の光吸収剤を含んでいてもよい。ペロブスカイト化合物以外の光吸収剤としては、例えば金属錯体色素および有機色素が挙げられる。
− Photosensitive layer (light absorbing layer) 13 −
The photosensitive layer 13 is provided on the surface of the porous layer 12 (including the inner surface when the surface is uneven) using a perovskite compound described later as a light absorber. In the present invention, the light absorber only needs to contain at least one perovskite compound, and may contain two or more perovskite compounds. The light absorber may contain a light absorber other than the perovskite compound in combination with the perovskite compound. Examples of the light absorber other than the perovskite compound include metal complex dyes and organic dyes.
感光層13が導電性支持体11上に形成される形態は、上述した通りであり、感光層13は、好ましくは、励起した電子が導電性支持体11に流れるように、多孔質層12の表面に設けられる。このとき、感光層13は、多孔質層12の表面全体に設けられていてもよく、表面の一部に設けられていてもよい。
The form in which the photosensitive layer 13 is formed on the
感光層13の膜厚は、感光層13が導電性支持体11上に形成される態様に応じて適宜に設定され、特に限定されない。例えば、感光層13の膜厚は、多孔質層12の膜厚との合計膜厚で、15〜100μmが好ましく、15〜50μmがさらに好ましく、15〜30μmが特に好ましい。
ここで、図1に示されるように、感光層13が薄い膜状である場合、感光層13の膜厚は、多孔質層12の表面に垂直な方向に沿う、多孔質層12との界面と正孔輸送層3との界面との距離とする。ここで、感光層13の膜厚(多孔質層12の膜厚との合計膜厚)は、多孔質層12の膜厚と同様にして測定できる。
The film thickness of the photosensitive layer 13 is appropriately set according to the mode in which the photosensitive layer 13 is formed on the
Here, as shown in FIG. 1, when the photosensitive layer 13 is a thin film, the thickness of the photosensitive layer 13 is the interface with the
なお、図2に示す光電変換素子10Bは、図1に示す光電変換素子10Aの感光層13Aよりも厚みが増大した感光層13Bを有している。この場合、光吸収剤としてのペロブスカイト化合物は、上記の、多孔質層12を形成する材料としてのペロブスカイト型結晶構造を有する化合物と同様に、正孔輸送材料となりうるものである。
Note that the
(光吸収剤)
感光層13は、光吸収剤として、周期表第一族元素またはカチオン性有機基A、金属原子M、および、アニオン性原子Xを有するペロブスカイト化合物を含有する。
ペロブスカイト化合物の周期表第一族元素またはカチオン性有機基A、周期表第一族元素以外の金属原子Mおよびアニオン性原子Xは、それぞれ、ペロブスカイト型結晶構造において、カチオン(便宜上、カチオンAということがある)、金属カチオン(便宜上、カチオンMということがある)およびアニオン(便宜上、アニオンXということがある)の各構成イオンとして存在する。
本発明において、カチオン性有機基とは、ペロブスカイト型結晶構造においてカチオンになる性質を有する有機基をいい、アニオン性原子とはペロブスカイト型結晶構造においてアニオンになる性質を有する原子をいう。
本発明において、光吸収剤は少なくとも1種のペロブスカイト化合物を含んでいればよい。この場合、1種のペロブスカイト化合物を単独で使用してもよく、2種以上のペロブスカイト化合物を併用してもよい。
(Light absorber)
The photosensitive layer 13 contains a perovskite compound having a
In the perovskite compound, the
In the present invention, the cationic organic group means an organic group having a property of becoming a cation in the perovskite crystal structure, and the anionic atom means an atom having a property of becoming an anion in the perovskite crystal structure.
In the present invention, the light absorber only needs to contain at least one perovskite compound. In this case, one kind of perovskite compound may be used alone, or two or more kinds of perovskite compounds may be used in combination.
このペロブスカイト化合物は、上記構成イオンを含むペロブスカイト型結晶構造をとりうる化合物であれば特に限定されない。 The perovskite compound is not particularly limited as long as it is a compound capable of having a perovskite crystal structure containing the above constituent ions.
本発明に用いるペロブスカイト化合物において、カチオンAは、周期表第一族元素のカチオンまたはカチオン性有機基Aからなる有機カチオンである。カチオンAは有機カチオンが好ましい。
周期表第一族元素のカチオンは、特に限定されず、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)またはセシウム(Cs)の各元素のカチオン(Li+、Na+、K+、Cs+)が挙げられ、特にセシウムのカチオン(Cs+)が好ましい。
有機カチオンは、下記式(1)で表されるカチオン性有機基の有機カチオンであることがさらに好ましい。
式(1):R1a−NH3
In the perovskite compound used in the present invention, the cation A is a cation of a
The cation of the
The organic cation is more preferably an organic cation of a cationic organic group represented by the following formula (1).
Formula (1): R 1a —NH 3
式中、R1aは置換基を表す。R1aは、有機基であれば特に限定されるものではないが、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基または下記式(2)で表すことができる基が好ましい。なかでも、アルキル基、下記式(2)で表すことができる基がより好ましい。 In the formula, R 1a represents a substituent. R 1a is not particularly limited as long as it is an organic group, but an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group, or a group that can be represented by the following formula (2) preferable. Among these, an alkyl group and a group that can be represented by the following formula (2) are more preferable.
式中、XaはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表す。R1bおよびR1cは各々独立に水素原子または置換基を表す。***は式(1)のNとの結合位置を表す。 In formula, Xa represents NR <1c> , an oxygen atom, or a sulfur atom. R 1b and R 1c each independently represent a hydrogen atom or a substituent. *** represents a bonding position with N in the formula (1).
本発明において、カチオン性有機基Aの有機カチオンは、上記式(1)中のR1aとNH3とが結合してなるアンモニウムカチオン性有機基Aからなる有機アンモニウムカチオンが好ましい。この有機アンモニウムカチオンが共鳴構造をとり得る場合、有機カチオンは有機アンモニウムカチオンに加えて共鳴構造のカチオンを含む。例えば、上記式(2)で表すことができる基においてXaがNH(R1cが水素原子)である場合、有機カチオンは、上記式(2)で表すことができる基とNH3とが結合してなるアンモニウムカチオン性有機基の有機アンモニウムカチオンに加えて、この有機アンモニウムカチオンの共鳴構造の1つである有機アミジニウムカチオンをも包含する。アミジニウムカチオン性有機基からなる有機アミジニウムカチオンとしては、下記式(Aam)で表されるカチオンが挙げられる。なお、本明細書において、下記式(Aam)で表されるカチオンを便宜上、「R1bC(=NH)−NH3」と表記することがある。 In the present invention, the organic cation of the cationic organic group A is preferably an organic ammonium cation composed of an ammonium cationic organic group A formed by bonding R 1a and NH 3 in the above formula (1). When the organic ammonium cation can have a resonance structure, the organic cation includes a cation having a resonance structure in addition to the organic ammonium cation. For example, in the group that can be represented by the above formula (2), when X a is NH (R 1c is a hydrogen atom), the organic cation is bonded to the group that can be represented by the above formula (2) and NH 3. In addition to the organic ammonium cation of the ammonium cationic organic group, an organic amidinium cation which is one of the resonance structures of the organic ammonium cation is also included. Examples of the organic amidinium cation comprising an amidinium cationic organic group include a cation represented by the following formula (A am ). In this specification, for convenience the cation represented by the following formula (A am), may be referred to as "R 1b C (= NH) -NH 3 ".
アルキル基は、炭素数が1〜18のアルキル基が好ましく、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、n−ブチル、t−ブチル、ペンチルまたはヘキシル等が挙げられる。
シクロアルキル基は、炭素数が3〜8のシクロアルキル基が好ましく、例えば、シクロプロピル、シクロペンチルまたはシクロヘキシル等が挙げられる。
The alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, and examples thereof include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl and the like.
The cycloalkyl group is preferably a cycloalkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and examples thereof include cyclopropyl, cyclopentyl, and cyclohexyl.
アルケニル基は、炭素数が2〜18のアルケニル基が好ましく、例えば、ビニル、アリル、ブテニルまたはヘキセニル等が挙げられる。
アルキニル基は、炭素数が2〜18のアルキニル基が好ましく、例えば、エチニル、ブチニルまたはヘキシニル等が挙げられる。
The alkenyl group is preferably an alkenyl group having 2 to 18 carbon atoms, and examples thereof include vinyl, allyl, butenyl and hexenyl.
The alkynyl group is preferably an alkynyl group having 2 to 18 carbon atoms, and examples thereof include ethynyl, butynyl and hexynyl.
アリール基は、炭素数6〜14のアリール基が好ましく、例えば、フェニルが挙げられる。
ヘテロアリール基は、芳香族ヘテロ環のみからなる基と、芳香族ヘテロ環に他の環、例えば、芳香環、脂肪族環やヘテロ環が縮合した縮合ヘテロ環からなる基とを包含する。
芳香族ヘテロ環を構成する環構成ヘテロ原子としては、窒素原子、酸素原子、硫黄原子が好ましい。また、芳香族ヘテロ環の環員数としては、5員環または6員環が好ましい。
5員環の芳香族ヘテロ環および5員環の芳香族ヘテロ環を含む縮合ヘテロ環としては、例えば、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、トリアゾール環、フラン環、チオフェン環、ベンゾイミダゾール環、ベンゾオキサゾール環、ベンゾチアゾール環、インドリン環、インダゾール環の各環基が挙げられる。また、6員環の芳香族ヘテロ環および6員環の芳香族ヘテロ環を含む縮合ヘテロ環としては、例えば、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、キノリン環、キナゾリン環の各環基が挙げられる。
The aryl group is preferably an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, and examples thereof include phenyl.
The heteroaryl group includes a group consisting only of an aromatic heterocycle and a group consisting of a condensed heterocycle obtained by condensing an aromatic heterocycle with another ring such as an aromatic ring, an aliphatic ring or a heterocycle.
As a ring-constituting hetero atom constituting the aromatic hetero ring, a nitrogen atom, an oxygen atom and a sulfur atom are preferable. The number of ring members of the aromatic heterocycle is preferably a 5-membered ring or a 6-membered ring.
Examples of the condensed heterocycle including a 5-membered aromatic heterocycle and a 5-membered aromatic heterocycle include a pyrrole ring, an imidazole ring, a pyrazole ring, an oxazole ring, a thiazole ring, a triazole ring, a furan ring, and a thiophene ring. , Benzimidazole ring, benzoxazole ring, benzothiazole ring, indoline ring, and indazole ring. Examples of the condensed heterocycle including a 6-membered aromatic heterocycle and a 6-membered aromatic heterocycle include, for example, pyridine ring, pyrimidine ring, pyrazine ring, triazine ring, quinoline ring, and quinazoline ring. Is mentioned.
式(2)で表すことができる基において、XaはNR1c、酸素原子または硫黄原子を表し、NR1cが好ましい。ここで、R1cは、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基またはヘテロアリール基が好ましく、水素原子がさらに好ましい。
R1bは、水素原子または置換基を表し、水素原子が好ましい。R1bが取りうる置換基は、水素原子、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基またはヘテロアリール基が挙げられる。
R1bおよびR1cがそれぞれとり得る、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基およびヘテロアリール基は、上記R1aの各基と同義であり、好ましいものも同じである。
In the group that can be represented by the formula (2), Xa represents NR 1c , an oxygen atom or a sulfur atom, and NR 1c is preferable. Here, R 1c is preferably a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group or a heteroaryl group, and more preferably a hydrogen atom.
R 1b represents a hydrogen atom or a substituent, and preferably a hydrogen atom. Examples of the substituent that R 1b can take include a hydrogen atom, an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, and a heteroaryl group.
The alkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, and heteroaryl group that R 1b and R 1c can each have the same meanings as those of R 1a , and the preferred ones are also the same.
式(2)で表すことができる基としては、例えば、ホルムイミドイル(HC(=NH)−)、アセトイミドイル(CH3C(=NH)−)、プロピオンイミドイル(CH3CH2C(=NH)−)等が挙げられる。中でも、ホルムイミドイルが好ましい。 Examples of the group that can be represented by the formula (2) include formimidoyl (HC (═NH) —), acetimidoyl (CH 3 C (═NH) —), propionimidoyl (CH 3 CH 2 C). (= NH)-) and the like. Among these, formimidoyl is preferable.
R1aがとり得る、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基および上記式(2)で表すことができる基は、いずれも、置換基を有していてもよい。R1aが有していてもよい置換基としては、特に限定されないが、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルキルチオ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルアミノ基、スルホンアミド基、カルバモイル基、スルファモイル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヒドロキシ基またはカルボキシ基が挙げられる。R1aが有していてもよい各置換基は、さらに置換基で置換されていてもよい。 The alkyl group, cycloalkyl group, alkenyl group, alkynyl group, aryl group, heteroaryl group and group that can be represented by the above formula (2), which can be represented by R 1a , may have a substituent. Good. The substituent that R 1a may have is not particularly limited, and examples thereof include an alkyl group, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heterocyclic group, an alkoxy group, an alkylthio group, an amino group, Examples include alkylamino group, arylamino group, acyl group, alkoxycarbonyl group, aryloxycarbonyl group, acylamino group, sulfonamido group, carbamoyl group, sulfamoyl group, halogen atom, cyano group, hydroxy group or carboxy group. Each substituent that R 1a may have may be further substituted with a substituent.
本発明に用いるペロブスカイト化合物において、金属カチオンMは、周期表第一族元素以外の金属原子Mのカチオンであって、ペロブスカイト型結晶構造を取りうる金属原子のカチオンであれば、特に限定されない。このような金属原子としては、例えば、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、カドミウム(Cd)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、パラジウム(Pd)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、イッテルビウム(Yb)、ユウロピウム(Eu)およびインジウム(In)の各金属原子が挙げられる。なかでも、金属原子Mは、PbまたはSnが特に好ましい。金属原子Mは1種の金属原子であってもよく、2種以上の金属原子であってもよい。2種以上の金属原子である場合には、PbおよびSnの2種が好ましい。なお、このときの金属原子の割合は特に限定されない。
In the perovskite compound used in the present invention, the metal cation M is not particularly limited as long as it is a cation of a metal atom M other than a
本発明に用いるペロブスカイト化合物において、アニオンXは、アニオン性原子Xのアニオンを表す。このアニオンは、好ましくはハロゲン原子のアニオンである。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子等が挙げられる。アニオンXは、1種のアニオン性原子のアニオンであってもよく、2種以上のアニオン性原子のアニオンであってもよい。2種以上のアニオン性原子のアニオンである場合には、2種のハロゲン原子のアニオン、特に臭素原子のアニオンおよびヨウ素原子のアニオンが好ましい。なお、このときのアニオン性原子のアニオンの割合は特に限定されない。 In the perovskite compound used in the present invention, the anion X represents an anion of the anionic atom X. This anion is preferably an anion of a halogen atom. As a halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, etc. are mentioned, for example. The anion X may be an anion of one kind of anionic atom or an anion of two or more kinds of anionic atoms. In the case of anions of two or more types of anionic atoms, two types of anions of halogen atoms, particularly anions of bromine atoms and iodine atoms are preferred. In addition, the ratio of the anion of the anionic atom at this time is not particularly limited.
本発明に用いるペロブスカイト化合物は、上記の各構成イオンを有するペロブスカイト型結晶構造を有し、下記式(I)で表されるペロブスカイト化合物が好ましい。 The perovskite compound used in the present invention is preferably a perovskite compound having a perovskite crystal structure having each of the above constituent ions and represented by the following formula (I).
式(I):AaMmXx
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。
aは1または2を表し、mは1を表し、a、mおよびxはa+2m=xを満たす。すなわち、xは、aが1のとき3であり、aが2のとき4である。
Formula (I): A a M m X x
In the formula, A represents a
a represents 1 or 2, m represents 1, and a, m, and x satisfy a + 2m = x. That is, x is 3 when a is 1 and 4 when a is 2.
式(I)において、周期表第一族元素またはカチオン性有機基Aは、ペロブスカイト型結晶構造の上記カチオンAを形成する。したがって、周期表第一族元素およびカチオン性有機基Aは、上記カチオンAとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる元素または基であれば、特に限定されない。周期表第一族元素またはカチオン性有機基Aは、上記カチオンAで説明した上記周期表第一族元素またはカチオン性有機基と同義であり、好ましいものも同じである。
In the formula (I), the
金属原子Mは、ペロブスカイト型結晶構造の上記金属カチオンMを形成する金属原子である。したがって、金属原子Mは、周期表第一族元素以外の原子であって、上記金属カチオンMとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる原子であれば、特に限定されない。金属原子Mは、上記金属カチオンMで説明した上記金属原子と同義であり、好ましいものも同じである。
The metal atom M is a metal atom that forms the metal cation M having a perovskite crystal structure. Therefore, the metal atom M is not particularly limited as long as it is an atom other than the
アニオン性原子Xは、ペロブスカイト型結晶構造の上記アニオンXを形成する。したがって、アニオン性原子Xは、上記アニオンXとなってペロブスカイト型結晶構造を構成できる原子であれば、特に限定されない。アニオン性原子Xは、上記アニオンXで説明したアニオン性原子と同義であり、好ましいものも同じである。 The anionic atom X forms the anion X having a perovskite crystal structure. Therefore, the anionic atom X is not particularly limited as long as it is an atom that can form the perovskite crystal structure by becoming the anion X. The anionic atom X is synonymous with the anionic atom demonstrated with the said anion X, and its preferable thing is also the same.
式(I)で表されるペロブスカイト化合物は、aが1である場合、下記式(I−1)で表されるペロブスカイト化合物であり、aが2である場合、下記式(I−2)で表されるペロブスカイト化合物である。
式(I−1):AMX3
式(I−2):A2MX4
When a is 1, the perovskite compound represented by the formula (I) is a perovskite compound represented by the following formula (I-1), and when a is 2, the following formula (I-2) It is a perovskite compound represented.
Formula (I-1): AMX 3
Formula (I-2): A 2 MX 4
式(I−1)および式(I−2)において、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表し、上記式(I)のAと同義であり、好ましいものも同じである。
Mは、周期表第一族元素以外の金属原子を表し、上記式(I)のMと同義であり、好ましいものも同じである。
Xは、アニオン性原子を表し、上記式(I)のXと同義であり、好ましいものも同じである。
In formula (I-1) and formula (I-2), A represents a
M represents a metal atom other than the
X represents an anionic atom, and is synonymous with X of the said formula (I), and its preferable thing is also the same.
ここで、ペロブスカイト型結晶構造について、説明する。
ペロブスカイト型結晶構造は、上記のように、上記カチオンA、金属カチオンM、および、上記アニオンXを各構成イオンとして含有する。
図3(a)は、ペロブスカイト型結晶構造の基本単位格子を示す図であり、図3(b)はペロブスカイト型結晶構造において三次元的に基本単位格子が連続した構造を示す図である。図3(c)はペロブスカイト型結晶構造において無機層と有機層とが交互に積層された層状構造を示す図である。
式(I−1)で表されるペロブスカイト化合物は、図3(a)に示されるように、各頂点にカチオンAが配置され、体心に金属カチオンMが配置され、金属カチオンMを中心とする立方晶の各面心にアニオンXが配置する立方晶系の基本単位格子を有している。そして、図3(b)に示されるように、1つの基本単位格子は、隣接する(周囲を取り囲む)他の26個の各基本単位格子とカチオンAおよびアニオンXを共有しており、三次元的に基本単位格子が連続した構造をとっている。
Here, the perovskite crystal structure will be described.
As described above, the perovskite crystal structure contains the cation A, the metal cation M, and the anion X as constituent ions.
FIG. 3A is a diagram showing a basic unit lattice of a perovskite crystal structure, and FIG. 3B is a diagram showing a structure in which the basic unit lattice is three-dimensionally continuous in the perovskite crystal structure. FIG. 3C is a diagram showing a layered structure in which inorganic layers and organic layers are alternately stacked in a perovskite crystal structure.
In the perovskite compound represented by the formula (I-1), as shown in FIG. 3A, a cation A is arranged at each apex, a metal cation M is arranged at the body center, and the metal cation M is the center. A cubic basic unit cell in which an anion X is arranged at each face center of the cubic crystal. As shown in FIG. 3 (b), one basic unit cell shares the cation A and the anion X with each of the other 26 adjacent basic unit cells (surrounding), and is three-dimensional. The basic unit cell has a continuous structure.
一方、式(I−2)で表されるペロブスカイト化合物は、式(I−1)で表されるペロブスカイト化合物に対して、金属カチオンMとアニオンXとからなるMX6八面体を有している点で同じであるが、基本単位格子およびその配列様式において異なる。すなわち、式(I−2)で表されるペロブスカイト化合物は、図3(c)に示されるように、MX6八面体が二次元的(平面状)に一層に並ぶことによって形成された無機層と、無機層の間にカチオンAが挿入されることによって形成された有機層とが交互に積層された層状構造を有している。
このような層状構造において、基本単位格子は、同一層の面内で隣接する他の基本単位格子とカチオンAおよびアニオンXを共有している。一方、基本単位格子は、異なる層ではカチオンAおよびアニオンXを共有していない。この層状構造においては、カチオンAが有する有機基により無機層が分断された2次元的な層構造となっている。図3(c)に示されるように、カチオンA中の有機基が無機層間のスペーサー有機基として機能する。
層状構造を持つペロブスカイト化合物について、例えば、New.J.Chem.,2008,32,1736を参照することができる。
On the other hand, the perovskite compound represented by the formula (I-2) has an MX 6 octahedron composed of a metal cation M and an anion X with respect to the perovskite compound represented by the formula (I-1). Same in respect, but different in basic unit cell and its arrangement. That is, the perovskite compound represented by the formula (I-2) is an inorganic layer formed by arranging MX 6 octahedrons in a two-dimensional (planar) form as shown in FIG. And an organic layer formed by alternately inserting a cation A between the inorganic layers.
In such a layered structure, the basic unit cell shares the cation A and the anion X with other adjacent basic unit cells in the plane of the same layer. On the other hand, the basic unit cell does not share the cation A and the anion X in different layers. This layered structure has a two-dimensional layer structure in which the inorganic layer is divided by the organic group of the cation A. As shown in FIG. 3C, the organic group in the cation A functions as a spacer organic group between the inorganic layers.
For perovskite compounds having a layered structure, see, for example, New. J. et al. Chem. , 2008, 32, 1736.
ペロブスカイト化合物は、カチオンA(周期表第一族元素またはカチオン性有機基A)によって、とり得る結晶構造が決定される。例えば、カチオンAが周期表第一族元素のカチオンまたは炭素数が1の置換基R1a等を有するカチオン性有機基Aの有機カチオンである場合、ペロブスカイト化合物は式(I−1)で表され、立方晶系の結晶構造を取りやすい。このようなカチオンAとして、例えば、CH3−NH3、および、式(2)で表すことができる基を有する有機カチオンのうちH−C(=NH)−NH3等の各カチオンが挙げられる。
一方、カチオンAが炭素数2以上の置換基R1a等を有するカチオン性有機基Aのカチオンである場合、ペロブスカイト化合物は式(I−2)で表され、層状の結晶構造を取りやすい。このようなカチオンAとして、例えば、置換基R1aとして説明した、炭素数が2以上のアルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基および上記式(2)で表すことができる基(ただし、R1bおよびR1cが置換基である場合)を有するカチオン性有機基Aの有機カチオンが挙げられる。
In the perovskite compound, a possible crystal structure is determined by the cation A (
On the other hand, when the cation A is a cation of a cationic organic group A having a substituent R 1a having 2 or more carbon atoms, the perovskite compound is represented by the formula (I-2) and easily takes a layered crystal structure. As such a cation A, for example, an alkyl group having 2 or more carbon atoms, a cycloalkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, an aryl group, a heteroaryl group, and the above formula (2) described as the substituent R 1a are represented. And an organic cation of the cationic organic group A having a group capable of being substituted (provided that R 1b and R 1c are substituents).
本発明に用いるペロブスカイト化合物は、式(I−1)で表される化合物および式(I−2)で表される化合物のいずれでもよく、これらの混合物でもよい。したがって、本発明において、ペロブスカイト化合物は、光吸収剤として少なくとも1種が存在していればよく、組成式、分子式および結晶構造等により、厳密にいかなる化合物であるかを明確に区別する必要はない。 The perovskite compound used in the present invention may be either a compound represented by formula (I-1) or a compound represented by formula (I-2), or a mixture thereof. Therefore, in the present invention, at least one perovskite compound only needs to be present as a light absorber, and it is not necessary to clearly distinguish which compound is strictly based on the composition formula, molecular formula, crystal structure, and the like. .
以下に、本発明に用いるペロブスカイト化合物の具体例を例示するが、これによって本発明が制限されるものではない。下記においては、式(I−1)で表される化合物と、式(I−2)で表される化合物とを分けて記載する。ただし、式(I−1)で表される化合物として例示した化合物であっても、合成条件等によっては、式(I−2)で表される化合物となる場合もあり、また、式(I−1)で表される化合物と式(I−2)で表される化合物との混合物となる場合もある。同様に、式(I−2)で表される化合物として例示した化合物であっても、式(I−1)で表される化合物となる場合もあり、また、式(I−1)で表される化合物と式(I−2)で表される化合物との混合物となる場合もある。 Specific examples of the perovskite compound used in the present invention are illustrated below, but the present invention is not limited thereby. In the following, the compound represented by the formula (I-1) and the compound represented by the formula (I-2) are described separately. However, even if it is a compound illustrated as a compound represented by a formula (I-1), depending on synthesis conditions etc., it may become a compound represented by a formula (I-2). In some cases, the mixture is a mixture of the compound represented by -1) and the compound represented by formula (I-2). Similarly, even if it is a compound illustrated as a compound represented by a formula (I-2), it may become a compound represented by a formula (I-1), and is represented by a formula (I-1). In some cases, the compound is a mixture of the compound represented by formula (I-2).
式(I−1)で表される化合物の具体例として、例えば、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBrI2、CH3NH3PbBr2I、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnI3、CH(=NH)NH3PbI3が挙げられる。 Specific examples of the compound represented by formula (I-1) include, for example, CH 3 NH 3 PbCl 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBrI 2 , and CH 3 NH 3. PbBr 2 I, include CH 3 NH 3 SnBr 3, CH 3 NH 3 SnI 3, CH (= NH) NH 3 PbI 3.
式(I−2)で表される化合物の具体例として、例えば、(C2H5NH3)2PbI4、(CH2=CHNH3)2PbI4、(CH≡CNH3)2PbI4、(n−C3H7NH3)2PbI4、(n−C4H9NH3)2PbI4、(C6H5NH3)2PbI4、(C6H3F2NH3)2PbI4、(C6F5NH3)2PbI4、(C4H3SNH3)2PbI4が挙げられる。
ここで、(C4H3SNH3)2PbI4におけるC4H3SNH3はアミノチオフェンである。
Specific examples of the compound represented by the formula (I-2) include, for example, (C 2 H 5 NH 3 ) 2 PbI 4 , (CH 2 = CHNH 3 ) 2 PbI 4 , (CH≡CNH 3 ) 2 PbI 4 , (n-C 3 H 7 NH 3) 2 PbI 4, (n-C 4 H 9 NH 3) 2 PbI 4, (C 6 H 5 NH 3) 2 PbI 4, (C 6 H 3
Here, C 4 H 3 SNH 3 in (C 4 H 3 SNH 3) 2 PbI 4 is aminothiophene.
ペロブスカイト化合物は、MX2とAXとから合成することができる。例えば、上記非特許文献1が挙げられる。また、Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, and Tsutomu Miyasaka, “Organometal Halide Perovskites as Visible−Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”, J.Am.Chem.Soc.,2009,131(17),6050−6051も挙げられる。
The perovskite compound can be synthesized from MX 2 and AX. For example, the said
光吸収剤の使用量は、多孔質層12またはブロッキング層14の表面のうち光が入射する表面の少なくとも一部であればよく、表面全体を覆う量が好ましい。
The amount of the light absorber used may be at least a part of the surface on which light is incident among the surfaces of the
<正孔輸送層3>
正孔輸送層3は、光吸収剤の酸化体に電子を補充する機能を有する。この正孔輸送層3は、第一電極1と第二電極2の間に設けられる。正孔輸送層3は、好ましくは感光層13と第二電極2の間に設けられ、正孔輸送層3の少なくとも一部が感光層13に接触して設けられる。正孔輸送層3は、液体電解質等の液層であってもよく、固体状の層(固層)でもよい。本発明においては、正孔輸送層を固体状の層であったとしても光電変換効率のばらつきを低減できる。したがって、正孔輸送層として固体状の層を好ましく選択できる。
<Hole transport layer 3>
The hole transport layer 3 has a function of replenishing electrons to the oxidant of the light absorber. The hole transport layer 3 is provided between the
正孔輸送層3の膜厚は、特に限定されないが、50μm以下が好ましく、1nm〜10μmがより好ましく、5nm〜5μmがさらに好ましく、10nm〜1μmが特に好ましい。なお、正孔輸送層3の膜厚は、第二電極2と多孔質層12の表面または感光層13の表面との距離に相当する。この膜厚は、走査型電子顕微鏡(SEM)等を用いて光電変換素子10の断面を観察することにより、測定できる。
Although the film thickness of the positive hole transport layer 3 is not specifically limited, 50 micrometers or less are preferable, 1 nm-10 micrometers are more preferable, 5 nm-5 micrometers are further more preferable, and 10 nm-1 micrometer are especially preferable. The film thickness of the hole transport layer 3 corresponds to the distance between the
本発明において、多孔質層12と感光層13と正孔輸送層3との合計膜厚は、特に限定されないが、例えば、15〜100μmが好ましく、15〜50μmがより好ましく、15〜30μmがさらに好ましい。多孔質層12と感光層13と正孔輸送層3との合計膜厚は、走査型電子顕微鏡(SEM)等を用いて光電変換素子1の断面を観察し、多孔質層12の膜厚と同様にして、10区画それぞれの最長距離の平均値とする。
In the present invention, the total film thickness of the
正孔輸送層3を形成する正孔輸送材料は、特に限定されないが、CuI、CuNCS等の無機材料、および、特開2001−291534号公報の段落番号0209〜0212に記載の有機正孔輸送材料等が挙げられる。有機正孔輸送材料としては、好ましくは、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールおよびポリシラン等の導電性高分子、2個の環がC、Siなど四面体構造をとる中心原子を共有するスピロ化合物、トリアリールアミン等の芳香族アミン化合物、トリフェニレン化合物、含窒素複素環化合物または液晶性シアノ化合物が挙げられる。
正孔輸送材料は、溶液塗布可能で固体状になる有機正孔輸送材料が好ましく、具体的には、2,2’,7,7’−テトラキス−(N,N−ジ−p−メトキシフェニルアミン)−9,9−スピロビフルオレン(Spiro−OMeTADともいう)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)、4−(ジエチルアミノ)ベンゾアルデヒド ジフェニルヒドラゾン、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)等が挙げられる。
The hole transport material for forming the hole transport layer 3 is not particularly limited, but is an inorganic material such as CuI or CuNCS, and the organic hole transport material described in JP-A-2001-291534, paragraphs 0209-0212. Etc. The organic hole transport material is preferably a conductive polymer such as polythiophene, polyaniline, polypyrrole and polysilane, a spiro compound in which two rings share a tetrahedral structure such as C and Si, and triarylamine. And aromatic amine compounds such as triphenylene compounds, nitrogen-containing heterocyclic compounds, and liquid crystalline cyano compounds.
The hole transport material is preferably an organic hole transport material that can be applied by a solution and becomes a solid. Specifically, 2,2 ′, 7,7′-tetrakis- (N, N-di-p-methoxyphenyl) is preferable. Amine) -9,9-spirobifluorene (also referred to as Spiro-OMeTAD), poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl), 4- (diethylamino) benzaldehyde diphenylhydrazone, polyethylenedioxythiophene (PEDOT), etc. Is mentioned.
<第二電極2>
第二電極2は、太陽電池において正極として機能する。第二電極2は、導電性を有していれば特に限定されず、通常、導電性支持体11と同じ構成とすることができる。強度が十分に保たれる場合は、支持体11aは必ずしも必要ではない。
第二電極2の構造としては、集電効果が高い構造が好ましい。感光層13に光が到達するためには、導電性支持体11と第二電極2との少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の太陽電池においては、導電性支持体11が透明であって太陽光を支持体11a側から入射させるのが好ましい。この場合、第二電極2は光を反射する性質を有することがさらに好ましい。
<
The
The structure of the
第二電極2を形成する材料としては、例えば、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、インジウム(In)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスニウム(Os)等の金属、上述の導電性の金属酸化物、炭素材料等が挙げられる。炭素材料としては、炭素原子同士が結合してなる、導電性を有する材料であればよく、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等が挙げられる。
第二電極2としては、金属もしくは導電性の金属酸化物の薄膜(蒸着してなる薄膜を含む)を有するガラスまたはプラスチックが好ましく、AuもしくはPtの薄膜を有するガラス、または、Ptを蒸着したガラスが特に好ましい。
Examples of the material for forming the
The
第二電極2の膜厚は、特に限定されず、0.01〜100μmが好ましく、0.01〜10μmがさらに好ましく、0.01〜1μmが特に好ましい。
The film thickness of the
<その他の構成>
本発明では、第一電極1と第二電極2との接触を防ぐために、ブロッキング層14に代えて、または、ブロッキング層14とともに、スペーサーやセパレータを用いることもできる。
また、第二電極2と正孔輸送層3の間に正孔ブロッキング層を設けてもよい。
<Other configurations>
In the present invention, in order to prevent contact between the
A hole blocking layer may be provided between the
<<太陽電池>>
本発明の太陽電池は、例えば図1および図2に示されるように、本発明の光電変換素子を外部回路6に対して仕事させるように構成したものである。第一電極1(導電性支持体11)および第二電極2に接続される外部回路は、公知のものを特に制限されることなく、用いることができる。
本発明の太陽電池は、構成物の劣化および蒸散等を防止するために、側面をポリマーや接着剤等で密封することが好ましい。
本発明の光電変換素子が適用される太陽電池は、特に限定されず、例えば特許文献1、非特許文献1および2に記載の太陽電池が挙げられる。
<< Solar cell >>
The solar cell of this invention is comprised so that the photoelectric conversion element of this invention may work with respect to the
In the solar cell of the present invention, it is preferable to seal the side surface with a polymer, an adhesive or the like in order to prevent deterioration of the components and transpiration.
The solar cell to which the photoelectric conversion element of the present invention is applied is not particularly limited, and examples thereof include solar cells described in
上述したように、本発明の光電変換素子およびペロブスカイト増感太陽電池は、膜厚が15〜100μmの多孔質層、好ましくはさらに固体正孔輸送層を有しており、光電変換効率の個体間差が小さく、安定した電池性能を発揮する。 As described above, the photoelectric conversion element and the perovskite sensitized solar cell of the present invention have a porous layer having a film thickness of 15 to 100 μm, preferably a solid hole transport layer, and have an individual photoelectric conversion efficiency. Small difference and stable battery performance.
<<光電変換素子および太陽電池の製造方法>>
本発明の光電変換素子および太陽電池は、公知の製造方法、例えば特許文献1、非特許文献1および2等に記載の方法に準拠して、製造できる。
以下に、本発明の光電変換素子および太陽電池の製造方法を簡単に説明する。
<< Photoelectric Conversion Element and Solar Cell Manufacturing Method >>
The photoelectric conversion element and solar cell of the present invention can be produced according to known production methods, for example, the methods described in
Below, the manufacturing method of the photoelectric conversion element and solar cell of this invention is demonstrated easily.
導電性支持体11の表面に、所望によりブロッキング層14、および、多孔質層12を成膜する。
ブロッキング層14は、例えば、上記絶縁性物質またはその前駆体化合物等を含有する分散物を導電性支持体11の表面に塗布し、焼成する方法またはスプレー熱分解法等によって、成膜できる。
If desired, a
The
多孔質層12を形成する材料は、好ましくは微粒子として用いられ、さらに好ましくは微粒子を含有する分散物として用いられる。
多孔質層12を成膜する方法としては、特に限定されず、例えば、湿式法、乾式法、その他の方法〔例えば、Chemical Review,第110巻,6595頁(2010年刊)に記載の方法〕が挙げられる。これらの方法において、導電性支持体11の表面の表面に分散物(ペースト)を塗布した後に、100〜800℃の温度で10分〜10時間焼成することが好ましい。これにより、微粒子同士を密着させることができる。
焼成を複数回行う場合、最後の焼成以外の焼成の温度(最後以外の焼成温度)を、最後の焼成の温度(最後の焼成温度)よりも低い温度で行うのがよい。例えば、酸化チタンペーストを用いる場合、最後以外の焼成温度を50〜300℃の範囲内に設定することができる。また、最後の焼成温度を、100〜600℃の範囲内において、最後以外の焼成温度よりも高くなるように、設定することができる。支持体11aとしてガラス支持体を用いる場合、焼成温度は60〜500℃が好ましい。
The material forming the
The method for forming the
When firing is performed a plurality of times, the firing temperature other than the last firing (the firing temperature other than the last firing) is preferably performed at a temperature lower than the last firing temperature (the last firing temperature). For example, when a titanium oxide paste is used, the firing temperature other than the last can be set within a range of 50 to 300 ° C. Moreover, the last baking temperature can be set so that it may become higher than the baking temperature other than the last in the range of 100-600 degreeC. When a glass support is used as the
多孔質層12を成膜するときの、多孔質材料の塗布量は、成膜する多孔質層12の膜厚および塗布回数等に応じて適宜に設定され、特に限定されない。導電性支持体11の表面積1m2当たりの多孔質材料の塗布量は、例えば、0.5〜500gが好ましく、さらには5〜100gが好ましい。
The amount of the porous material applied when forming the
次いで、感光層13を設ける。
まず、感光層を形成するための光吸収剤溶液を調製する。光吸収剤溶液は、上記ペロブスカイト化合物の原料であるMX2とAXとを含有する。ここで、AおよびXは上記式(I)のAおよびXと同義である。Mは上記式(I)のMA1およびMA2と同義である。この光吸収剤溶液において、ペロブスカイト化合物のa等に応じて、MX2とAXとのモル比が調整される。
次いで、調製した光吸収剤溶液を、多孔質層12の表面に塗布し、乾燥する。これにより、ペロブスカイト化合物が多孔質層12の表面の表面に形成される。
Next, the photosensitive layer 13 is provided.
First, a light absorber solution for forming a photosensitive layer is prepared. The light absorber solution contains MX 2 and AX, which are raw materials for the perovskite compound. Here, A and X are synonymous with A and X in the above formula (I). M has the same meaning as M A1 and M A2 in the above formula (I). In this light absorber solution, the molar ratio of MX 2 to AX is adjusted according to a or the like of the perovskite compound.
Next, the prepared light absorber solution is applied to the surface of the
このようにして設けられた感光層13上に正孔輸送材料を含有する正孔輸送材料溶液を塗布し、乾燥して正孔輸送層3を成膜する。
正孔輸送材料溶液は、塗布性に優れる点、および多孔質層12の孔内部まで侵入しやすい点で、正孔輸送材料の濃度が0.1〜1.0M(モル/L)であるのが好ましい。
A hole transport material solution containing a hole transport material is applied onto the photosensitive layer 13 thus provided, and dried to form the hole transport layer 3.
The hole transport material solution is excellent in applicability and easily penetrates into the pores of the
正孔輸送層3を成膜した後に第二電極2を形成して、光電変換素子および太陽電池が製造される。
After forming the hole transport layer 3, the
各層の膜厚は、各分散液または溶液の濃度、塗布回数を適宜に変更して、調整できる。例えば、図2に示す膜厚が厚い感光層13Bを設ける場合には、分散液を複数回塗布、乾燥すればよい。
The film thickness of each layer can be adjusted by appropriately changing the concentration of each dispersion or solution and the number of coatings. For example, when the thick
上述の各分散液および溶液は、それぞれ、必要に応じて、分散助剤、界面活性剤等の添加剤を含有していてもよい。 Each of the dispersions and solutions described above may contain additives such as a dispersion aid and a surfactant, if necessary.
光電変換素子および太陽電池の製造方法に使用する溶媒または分散媒としては、特開2001−291534号公報に記載の溶媒が挙げられるが、特にこれに限定されない。本発明においては、有機溶媒が好ましく、さらにアルコール溶媒、アミド溶媒、ニトリル溶媒、炭化水素溶媒、ラクトン溶媒、および、これらの2種以上の混合溶媒がより好ましい。混合溶媒としては、アルコール溶媒と、アミド溶媒、ニトリル溶媒または炭化水素溶媒から選ばれる溶媒との混合溶媒が好ましい。具体的には、メタノール、エタノール、γ−ブチロラクトン、クロロベンゼン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド(DMF)もしくはジメチルアセトアミド、または、これらの混合溶媒が好ましい。 Examples of the solvent or dispersion medium used in the method for manufacturing a photoelectric conversion element and a solar cell include, but are not limited to, the solvents described in JP-A No. 2001-291534. In the present invention, an organic solvent is preferable, and an alcohol solvent, an amide solvent, a nitrile solvent, a hydrocarbon solvent, a lactone solvent, and a mixed solvent of two or more of these are more preferable. As the mixed solvent, a mixed solvent of an alcohol solvent and a solvent selected from an amide solvent, a nitrile solvent, or a hydrocarbon solvent is preferable. Specifically, methanol, ethanol, γ-butyrolactone, chlorobenzene, acetonitrile, dimethylformamide (DMF) or dimethylacetamide, or a mixed solvent thereof is preferable.
各層を形成する溶液または分散剤の塗布方法は、特に限定されず、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット印刷法、浸漬法等、公知の塗布方法を用いることができる。なかでも、スピンコート、スクリーン印刷、浸漬法等が好ましい。 The application method of the solution or dispersant forming each layer is not particularly limited, and spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, inkjet A known coating method such as a printing method or a dipping method can be used. Of these, spin coating, screen printing, dipping, and the like are preferable.
太陽電池は、上記のようにして作製した光電変換素子の第一電極1および第二電極2に外部回路を接続して、製造される。
The solar cell is manufactured by connecting an external circuit to the
以下に実施例に基づき本発明について更に詳細に説明するが、本発明がこれに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.
実施例1
(光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造)
以下に示す手順により、図1に示される光電変換素子10Aおよび太陽電池を製造した。なお、感光層13の膜厚が大きい場合は、図2に示される光電変換素子10Bおよび太陽電池に対応することになる。
Example 1
(Production of photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 101))
The
<ブロッキング層14の成膜>
チタニウム ジイソプロポキシド ビス(アセチルアセトナート)の15質量%イソプロパノール溶液(アルドリッチ社製)を1−ブタノールで希釈して、0.02Mのブロッキング層用溶液を調製した。
<Deposition of blocking
A 15% by mass isopropanol solution of titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) (Aldrich) was diluted with 1-butanol to prepare a 0.02M blocking layer solution.
ガラス基板(支持体11a、厚さ2.2mm)上にフッ素ドープされたSnO2導電膜(透明電極11b)を形成し、導電性支持体11を作製した。調製した0.02Mのブロッキング層用溶液を用いてスプレー熱分解法により、450℃にて、上記SnO2導電膜上にブロッキング層14(膜厚50nm)を成膜した。
A fluorine-doped SnO 2 conductive film (
<多孔質層12の成膜>
<Deposition of
酸化チタン(TiO2、アナターゼ、平均粒径20nm)のエタノール分散液に、エチルセルロース、ラウリン酸およびテルピネオールを加えて、酸化チタンペーストを調製した。 Ethyl cellulose, lauric acid and terpineol were added to an ethanol dispersion of titanium oxide (TiO 2 , anatase, average particle size 20 nm) to prepare a titanium oxide paste.
調製した酸化チタンペーストをブロッキング層14の上にスクリーン印刷法で塗布し、焼成した。この酸化チタンペーストの塗布および焼成をそれぞれ2回行った。焼成温度は、1回目の焼成を130℃で行い、2回目の焼成を500℃で1時間行った。得られた酸化チタンの焼成体を、40mMのTiCl4水溶液に浸した後、60℃で1時間、続けて500℃で30分間加熱して、酸化チタン(TiO2)からなる多孔質層12を成膜した。
The prepared titanium oxide paste was applied onto the
<感光層13Aの形成>
メチルアミンの40%メタノール溶液(27.86mL)と57質量%のヨウ化水素の水溶液(ヨウ化水素酸、30mL)を、フラスコ中、0℃で2時間攪拌した後、濃縮して、CH3NH3Iの粗体を得た。得られた粗体CH3NH3Iをエタノールに溶解し、ジエチルエーテルで再結晶した。析出した結晶をろ取し、60℃で24時間減圧乾燥して、精製CH3NH3Iを得た。
次いで、精製CH3NH3IとPbI2を、モル比で2:1とし、γ−ブチロラクトン中、60℃で12時間攪拌混合した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シリンジフィルターでろ過して、濃度40質量%の光吸収剤溶液Aを調製した。
<Formation of
A 40% methanol solution of methylamine (27.86 mL) and an aqueous solution of 57% by mass of hydrogen iodide (hydroiodic acid, 30 mL) were stirred in a flask at 0 ° C. for 2 hours, and then concentrated to obtain CH 3. A crude NH 3 I was obtained. The obtained crude CH 3 NH 3 I was dissolved in ethanol and recrystallized from diethyl ether. The precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours to obtain purified CH 3 NH 3 I.
Next, the purified CH 3 NH 3 I and PbI 2 were mixed at a molar ratio of 2: 1 and stirred and mixed in γ-butyrolactone at 60 ° C. for 12 hours, and then filtered through a polytetrafluoroethylene (PTFE) syringe filter. A light absorber solution A having a concentration of 40% by mass was prepared.
調製した光吸収剤溶液Aをスピンコート法(2000rpmで60秒、続けて3000rpmで60秒)により導電性支持体11上に成膜した多孔質層12上に塗布した。塗布した光吸収剤溶液Aをホットプレートにより100℃で40分間乾燥して、CH3NH3PbI3で表されるペロブスカイト化合物を含む感光層13を設けた。
このようにして、第一電極1を作製した。
The prepared light absorbent solution A was applied on the
In this way, the
<正孔輸送層3の成膜>
正孔輸送材料としてのSpiro−OMeTAD(180mg)をクロロベンゼン(1mL)に溶解させた。このクロロベンゼン溶液に、リチウム−ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(170mg)をアセトニトリル(1mL)に溶解させたアセトニトリル溶液(37.5μL)と、t−ブチルピリジン(TBP、17.5μL)とを加えて混合し、正孔輸送材料溶液を調製した。
<Film Formation of Hole Transport Layer 3>
Spiro-OMeTAD (180 mg) as a hole transport material was dissolved in chlorobenzene (1 mL). To this chlorobenzene solution, an acetonitrile solution (37.5 μL) in which lithium-bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (170 mg) was dissolved in acetonitrile (1 mL) and t-butylpyridine (TBP, 17.5 μL) were added. A hole transport material solution was prepared by mixing.
次いで、調製した正孔輸送材料溶液を、スピンコート法により、第一電極1の感光層13上に塗布し、塗布した正孔輸送材料溶液を乾燥して、固体状の正孔輸送層3(膜厚0.1μm)を成膜した。
Next, the prepared hole transport material solution is applied onto the photosensitive layer 13 of the
<第二電極2の作製>
蒸着法により金を正孔輸送層3上に蒸着し、第二電極2(膜厚0.3μm)を作製した。
このようにして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.101)を製造した。
<Preparation of the
Gold was vapor-deposited on the hole transport layer 3 by the vapor deposition method, and the 2nd electrode 2 (film thickness of 0.3 micrometer) was produced.
Thus, the photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 101) of this invention were manufactured.
(光電変換素子および太陽電池(試料No.102〜108およびc101〜c103)の製造)
光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造において、酸化チタンペーストを塗布および焼成する回数を変更したこと以外は光電変換素子および太陽電池(試料No.101)と同様にして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.102〜108)、ならびに、比較のための光電変換素子および太陽電池(試料No.c101〜c103)をそれぞれ製造した。
なお、酸化チタンの塗布および焼成を3回以上行う場合は、酸化チタンペーストの焼成温度は、最後以外の焼成温度を130℃に設定し、最後の焼成温度を500℃に設定した。
(Production of photoelectric conversion element and solar cell (sample Nos. 102 to 108 and c101 to c103))
In the production of the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101), the present invention was carried out in the same manner as the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101) except that the number of times of applying and baking the titanium oxide paste was changed. Photoelectric conversion elements and solar cells (Sample Nos. 102 to 108), and photoelectric conversion elements and solar cells (Sample Nos. C101 to c103) for comparison were manufactured, respectively.
In addition, when the application and firing of titanium oxide were performed three times or more, the firing temperature of the titanium oxide paste was set to 130 ° C. except for the last, and the last firing temperature was set to 500 ° C.
(光電変換素子および太陽電池(試料No.109)の製造)
光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造において、上記光吸収剤溶液Aに代えて下記光吸収剤溶液Bを用い、かつ多孔質層12上に塗布した光吸収剤溶液Bを160℃で40分間乾燥したこと以外は光電変換素子および太陽電池(試料No.101)と同様にして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.109)を製造した。
製造した光電変換素子および太陽電池(試料No.109)の感光層は、CH(=NH)NH3PbI3で表されるペロブスカイト化合物を含んでいた。
<光吸収剤溶液B>
ホルムアミジン酢酸塩と、ホルムアミジン酢酸塩に対して2当量のヨウ化水素を含む57質量%のヨウ化水素の水溶液とを、フラスコ中、0℃で1時間攪拌し、次いで、50℃に昇温し、さらに1時間攪拌し、混合した。得られた溶液を濃縮して、ホルムアミジン・ヨウ化水素塩の粗体を得た。得られた粗体をジエチルエーテルで再結晶し、析出した結晶をろ取し、50℃で10時間減圧乾燥して、精製ホルムアミジン・ヨウ化水素塩を得た。次いで、精製ホルムアミジン・ヨウ化水素塩とPbI2を、モル比で2:1とし、ジメチルホルムアミド(DMF)中、60℃で3時間攪拌して混合した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シリンジフィルターでろ過して、40質量%の光吸収剤溶液Bを調製した。
(Manufacture of photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 109))
In the manufacture of the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101), the following light absorbent solution B was used instead of the light absorbent solution A, and 160 of the light absorbent solution B applied on the
The photosensitive layer of the manufactured photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 109) contained a perovskite compound represented by CH (= NH) NH 3 PbI 3 .
<Light absorber solution B>
Formamidine acetate and an aqueous solution of 57% by mass hydrogen iodide containing 2 equivalents of hydrogen iodide with respect to formamidine acetate were stirred in a flask at 0 ° C. for 1 hour and then raised to 50 ° C. Warmed and stirred for an additional hour and mixed. The obtained solution was concentrated to obtain a crude formamidine hydrogen iodide. The obtained crude product was recrystallized with diethyl ether, and the precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 50 ° C. for 10 hours to obtain purified formamidine hydrogen iodide salt. Next, purified formamidine hydrogen iodide and PbI 2 were mixed at a molar ratio of 2: 1 and mixed in dimethylformamide (DMF) with stirring at 60 ° C. for 3 hours, and then a polytetrafluoroethylene (PTFE) syringe. It filtered with the filter and 40 mass% light absorber solution B was prepared.
(光電変換素子および太陽電池(試料No.110)の製造)
光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造において、上記光吸収剤溶液Aに代えて下記光吸収剤溶液Cを用い、かつ多孔質層12上に塗布した光吸収剤溶液Cを130℃で40分間乾燥したこと以外は光電変換素子および太陽電池(試料No.101)と同様にして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.110)を製造した。
製造した光電変換素子および太陽電池(試料No.110)の感光層は、(CH3CH2−NH3)2PbI4で表されるペロブスカイト化合物を含んでいた。
<光吸収剤溶液Cの調製>
エチルアミンの40%エタノール溶液と57質量%のヨウ化水素の水溶液とを、フラスコ中、0℃で2時間攪拌した後、濃縮して、CH3CH2NH3Iの粗体を得た。得られた粗体をエタノールに溶解し、ジエチルエーテルで再結晶した。析出した結晶をろ取し、60℃で12時間減圧乾燥して、精製CH3CH2NH3Iを得た。次いで、精製CH3CH2NH3IとPbI2とを、モル比で3:1とし、ジメチルホルムアミド(DMF)中、60℃で5時間攪拌して混合した後、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シリンジフィルターでろ過して、濃度40質量%の光吸収剤溶液Cを調製した。
(Manufacture of photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 110))
In the manufacture of the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101), the following light absorbent solution C was used in place of the light absorbent solution A, and the light absorbent solution C applied on the
The photosensitive layer of the manufactured photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 110) contained a perovskite compound represented by (CH 3 CH 2 —NH 3 ) 2 PbI 4 .
<Preparation of light absorber solution C>
A 40% ethanol solution of ethylamine and an aqueous solution of 57% by mass of hydrogen iodide were stirred in a flask at 0 ° C. for 2 hours and then concentrated to obtain a CH 3 CH 2 NH 3 I crude product. The obtained crude product was dissolved in ethanol and recrystallized from diethyl ether. The precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 12 hours to obtain purified CH 3 CH 2 NH 3 I. Subsequently, purified CH 3 CH 2 NH 3 I and PbI 2 were mixed at a molar ratio of 3: 1 and mixed in dimethylformamide (DMF) with stirring at 60 ° C. for 5 hours, and then polytetrafluoroethylene (PTFE). It filtered with the syringe filter and prepared the light absorber solution C with a density | concentration of 40 mass%.
(多孔質層の膜厚測定)
製造した太陽電池(試料No.101〜110およびc101〜c103)における多孔質層の膜厚を、上記測定方法に準拠し、以下のようにして測定した。すなわち、各太陽電池の断面を走査型電子顕微鏡「SU−8030」(SEM、商品名、日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて観察し、観察域を導電性支持体11の表面に水平(平行)な方向に沿って10等分に区分けした。これらの区分ごとに、導電性支持体11の表面に対して90°の角度で交わる直線方向に沿う、ブロッキング層14と多孔質層14との界面から多孔質層12の表面までの最長距離を測定した。測定された10個の最長距離の平均値を求めて、各太陽電池における多孔質層12の膜厚とした。その結果を表1に示す。
なお、「多孔質層の表面」は上記した通りである。
(Measurement of film thickness of porous layer)
The film thickness of the porous layer in the manufactured solar cells (Sample Nos. 101 to 110 and c101 to c103) was measured as follows based on the above measurement method. That is, the cross section of each solar cell was observed using a scanning electron microscope “SU-8030” (SEM, trade name, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and the observation area was horizontal (parallel) to the surface of the
The “surface of the porous layer” is as described above.
(光電変換効率のばらつき評価)
太陽電池の試料No.ごとに光電変換効率のばらつきを以下のようにして評価した。
すなわち、各試料No.の太陽電池を上記製造方法と同様にして15検体製造し、10検体それぞれについて、電池特性試験を行って、光電変換効率(η/%)を測定した。電池特性試験は、ソーラーシミュレーター「WXS−85H」(WACOM社製)を用いて、AM1.5フィルタを通したキセノンランプから1000W/m2の疑似太陽光を照射することにより行った。I−Vテスターを用いて電流−電圧特性を測定し、光電変換効率(η/%)を求めた。
(Evaluation of variation in photoelectric conversion efficiency)
Sample No. of solar cell The variation in photoelectric conversion efficiency was evaluated as follows.
That is, each sample No. 15 samples of the solar cell were manufactured in the same manner as in the above manufacturing method, and a battery characteristic test was performed on each of the 10 samples to measure photoelectric conversion efficiency (η /%). The battery characteristic test was performed by irradiating 1000 W / m 2 of pseudo-sunlight from a xenon lamp through an AM1.5 filter using a solar simulator “WXS-85H” (manufactured by WACOM). The current-voltage characteristics were measured using an IV tester, and the photoelectric conversion efficiency (η /%) was determined.
このようにして求めた光電変換効率が高いものから順に1〜15までの番号を付け、そのうち、7〜9番の3検体を選択し、これら3検体の光電変換効率の平均値を算出した。算出された平均値(基準)を「1」に設定した。この基準「1」に対する太陽電池15検体それぞれの光電変換効率(相対値)を求め、求めた光電変換効率(相対値)と基準との差分(絶対値)が0.3以上であった太陽電池の検体数を計数した。計数された検体数によって、光電変換効率のばらつきを下記のように評価した。
評価は、求めた光電変換効率(相対値)が、上記平均値「1」よりも高い光電変換効率を示した6検体(求めた光電変換効率(相対値)が大きい方から1〜6番目の検体群)と、上記平均値「1」よりも低い光電変換効率を示した6検体(求めた光電変換効率(相対値)が大きい方から10〜15番目の検体群)との2群に分けて、行った。
なお、表1において「平均以上」とは平均値よりも高い光電変換効率を示した6検体(1〜6番)の評価を表し、「平均未満」とは平均値よりも低い光電変換効率を示した検体(10〜15番)の評価を表す。
本発明において、光電変換効率のばらつき評価は、各群ともに、C以上であることが目標達成レベルであり、実用上、好ましくはB以上である。
A:1個以下
B:2個
C:3個
D:4個以上
Evaluation is the first to sixth samples from which the obtained photoelectric conversion efficiency (relative value) is higher than the average value “1”, and the six samples (the obtained photoelectric conversion efficiency (relative value) is larger) (Sample group) and 6 groups (10th to 15th sample groups from the larger photoelectric conversion efficiency (relative value) obtained) having a photoelectric conversion efficiency lower than the average value “1”. And went.
In Table 1, “above average” represents the evaluation of 6 specimens (Nos. 1 to 6) that exhibited higher photoelectric conversion efficiency than the average value, and “below average” represents lower photoelectric conversion efficiency than the average value. It represents the evaluation of the specimen (No. 10-15) shown.
In the present invention, the variation evaluation of the photoelectric conversion efficiency is a target achievement level that each group is C or more, and is practically preferably B or more.
A: 1 or less B: 2 C: 3 D: 4 or more
表1に示されるように、膜厚が15〜100μmの多孔質層12を備え、さらにペロブスカイト化合物からなる感光層および固体状の正孔輸送層3を備えた太陽電池(試料No.101〜110)は、いずれも、光電変換効率のばらつきが小さくなることがわかった。特に多孔質層12の膜厚が15〜50μmであると(試料No.101〜106、109および110)、光電変換効率のばらつきがさらに小さくなることがわかった。
これに対して、ペロブスカイト化合物からなる感光層および固体状の正孔輸送層を備えていても、多孔質層の膜厚が15μm未満である場合(太陽電池(試料No.c101およびc102))、ならびに、多孔質層の膜厚が100μmを越える場合(太陽電池(試料No.c103))は、いずれの場合も、光電変換効率のばらつきが大きかった。
As shown in Table 1, a solar cell (Sample Nos. 101 to 110) provided with a
On the other hand, even when a photosensitive layer made of a perovskite compound and a solid hole transport layer are provided, when the film thickness of the porous layer is less than 15 μm (solar cell (sample No. c101 and c102)), In addition, when the film thickness of the porous layer exceeded 100 μm (solar cell (sample No. c103)), variations in photoelectric conversion efficiency were large in any case.
実施例2
(光電変換素子および太陽電池(試料No.201)の製造)
光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造において、酸化チタンペーストの塗布および焼成回数を変更して多孔質層12の膜厚を調整し、かつ光吸収剤溶液Aに代えて下記光吸収剤溶液Dを用いたこと以外は光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造と同様にして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.201)を製造した。
製造した光電変換素子および太陽電池(試料No.201)の感光層は、CH3NH3PbBr3で表されるペロブスカイト化合物を含んでいた。
<光吸収剤溶液Dの調製>
メチルアミンの40%メタノール溶液(27.86mL)と57質量%の臭化水素の水溶液(臭化水素酸、30mL)を、フラスコ中、0℃で2時間攪拌した後、濃縮して、CH3NH3Brの粗体を得た。得られた粗体CH3NH3Brをエタノールに溶解し、ジエチルエーテルで再結晶した。析出した結晶をろ取し、60℃で24時間減圧乾燥して、精製CH3NH3Brを得た。次いで、精製CH3NH3BrとPbBr2を、モル比で2:1とし、γ−ブチロラクトン中、60℃で12時間攪拌混合した後、PTFFシリンジフィルターでろ過して、濃度40質量%の光吸収剤溶液Dを調製した。
Example 2
(Manufacture of photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 201))
In the manufacture of the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101), the number of coating and firing of the titanium oxide paste is changed to adjust the film thickness of the
The photosensitive layer of the manufactured photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 201) contained a perovskite compound represented by CH 3 NH 3 PbBr 3 .
<Preparation of light absorber solution D>
A 40% methanol solution of methylamine (27.86 mL) and an aqueous solution of 57% by mass of hydrogen bromide (hydrobromic acid, 30 mL) were stirred in a flask at 0 ° C. for 2 hours, then concentrated, and CH 3 A crude body of NH 3 Br was obtained. The obtained crude CH 3 NH 3 Br was dissolved in ethanol and recrystallized from diethyl ether. The precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours to obtain purified CH 3 NH 3 Br. Next, purified CH 3 NH 3 Br and PbBr 2 were mixed at a molar ratio of 2: 1, stirred and mixed in γ-butyrolactone at 60 ° C. for 12 hours, filtered through a PTFF syringe filter, and light having a concentration of 40% by mass. Absorbent solution D was prepared.
(光電変換素子および太陽電池(試料No.202)の製造)
光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造において、酸化チタンペーストの塗布および焼成回数を変更して多孔質層12の膜厚を調整し、かつ光吸収剤溶液Aに代えて下記光吸収剤溶液Eを用いたこと以外は光電変換素子および太陽電池(試料No.101)の製造と同様にして、本発明の光電変換素子および太陽電池(試料No.202)を製造した。
製造した光電変換素子および太陽電池(試料No.202)の感光層は、CH3NH3PbI2Clで表されるペロブスカイト化合物を含んでいた。
<光吸収剤溶液Eの調製>
メチルアミンの40%メタノール溶液(27.86mL)と57質量%のヨウ化水素の水溶液(ヨウ化水素酸、30mL)を、フラスコ中、0℃で2時間攪拌した後、濃縮して、CH3NH3Iの粗体を得た。得られた粗体CH3NH3Iをエタノールに溶解し、ジエチルエーテルで再結晶した。析出した結晶をろ取し、60℃で24時間減圧乾燥して、精製CH3NH3Iを得た。次いで、精製CH3NH3IとPbI2とPbCl2を、モル比で4:1:1とし、γ−ブチロラクトン中、60℃で12時間攪拌混合した後、PTFEシリンジフィルターでろ過して、濃度40質量%の光吸収剤溶液Eを調製した。
(Manufacture of photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 202))
In the manufacture of the photoelectric conversion element and the solar cell (sample No. 101), the number of coating and firing of the titanium oxide paste is changed to adjust the film thickness of the
The photosensitive layer of the produced photoelectric conversion element and solar cell (sample No. 202) contained a perovskite compound represented by CH 3 NH 3 PbI 2 Cl.
<Preparation of light absorber solution E>
A 40% methanol solution of methylamine (27.86 mL) and an aqueous solution of 57% by mass of hydrogen iodide (hydroiodic acid, 30 mL) were stirred in a flask at 0 ° C. for 2 hours, and then concentrated to obtain CH 3. A crude NH 3 I was obtained. The obtained crude CH 3 NH 3 I was dissolved in ethanol and recrystallized from diethyl ether. The precipitated crystals were collected by filtration and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours to obtain purified CH 3 NH 3 I. Subsequently, purified CH 3 NH 3 I, PbI 2 and PbCl 2 were mixed at a molar ratio of 4: 1: 1 and stirred and mixed in γ-butyrolactone at 60 ° C. for 12 hours, and then filtered through a PTFE syringe filter to obtain a concentration. A 40 mass% light absorber solution E was prepared.
(多孔質層の膜厚測定)
このようにして製造した太陽電池(試料No.201および202)における多孔質層12の膜厚を、実施例1の「多孔質層の膜厚測定」と同様にして、測定した。その結果を表2に示す。
(Measurement of film thickness of porous layer)
The film thickness of the
(光電変換効率のばらつき評価)
太陽電池(試料No.201および202)における光電変換効率のばらつきを、実施例1の「光電変換効率のばらつき評価」と同様にして、評価した。その結果を表2に示す。
(Evaluation of variation in photoelectric conversion efficiency)
The variation in photoelectric conversion efficiency in the solar cells (Sample Nos. 201 and 202) was evaluated in the same manner as in “Evaluation of variation in photoelectric conversion efficiency” in Example 1. The results are shown in Table 2.
表2に示されるように、膜厚が20μmの多孔質層12を備え、さらにペロブスカイト化合物からなる感光層および固体状の正孔輸送層3を備えた太陽電池(試料No.201および202)は、光吸収剤の種類に関わらず、光電変換効率のばらつきが小さいことがわかった。
As shown in Table 2, a solar cell (sample Nos. 201 and 202) provided with a
1A、1B 第一電極
11 導電性支持体
11a 支持体
11b 透明電極
12 多孔質層
13A、13B 感光層(光吸収層)
14 ブロッキング層
2 第二電極
3A、3B 正孔輸送層
6 外部回路(リード)
10A、10B 光電変換素子
100A、100B 光電変換素子を電池用途に応用したシステム
M 電動モーター
1A,
14
10A, 10B
Claims (13)
前記光吸収剤が、周期表第一族元素もしくはカチオン性有機基Aのカチオン、前記周期表第一族元素以外の金属原子Mのカチオンおよびアニオン性原子Xのアニオンを有するペロブスカイト型結晶構造を持つ化合物を含み、
前記多孔質層の膜厚が15〜100μmである光電変換素子。 A first electrode having a porous layer provided on a conductive support, and a photosensitive layer in which a light absorber is provided on the surface of the porous layer; a second electrode facing the first electrode; A photoelectric conversion element having a hole transport layer provided between the first electrode and the second electrode,
The light absorber has a perovskite crystal structure having a cation of a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group A, a cation of a metal atom M other than the group 1 element of the periodic table, and an anion of an anionic atom X Containing a compound,
The photoelectric conversion element whose film thickness of the said porous layer is 15-100 micrometers.
式(I):AaMmXx
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは前記周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。aは1または2を表し、mは1を表し、a、mおよびxはa+2m=xを満たす。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the compound having a perovskite crystal structure is a compound represented by the following formula (I).
Formula (I): A a M m X x
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than the first group element of the periodic table. X represents an anionic atom. a represents 1 or 2, m represents 1, and a, m, and x satisfy a + 2m = x.
式(I−1):AMX3
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは前記周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the compound having a perovskite crystal structure includes a compound represented by the following formula (I-1).
Formula (I-1): AMX 3
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than the first group element of the periodic table. X represents an anionic atom.
式(I−2):A2MX4
式中、Aは周期表第一族元素またはカチオン性有機基を表す。Mは前記周期表第一族元素以外の金属原子を表す。Xはアニオン性原子を表す。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the compound having a perovskite crystal structure includes a compound represented by the following formula (I-2).
Formula (I-2): A 2 MX 4
In the formula, A represents a group 1 element of the periodic table or a cationic organic group. M represents a metal atom other than the first group element of the periodic table. X represents an anionic atom.
式(1):R1a−NH3
式中、R1aは置換基を表す。 The photoelectric conversion element according to any one of claims 6 to 8, wherein the A is represented by the following formula (1).
Formula (1): R 1a —NH 3
In the formula, R 1a represents a substituent.
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