JP6151378B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
以下、本発明を詳述する。
しかしながら、有機無機ペロブスカイト化合物を用いた光電変換層を含む積層体を、封止樹脂層により封止したところ、封止時に光電変換効率が低下してしまうことがわかった(初期劣化)。また、封止後の太陽電池を高温下に放置した場合にも、光電変換効率の低下が進むことがわかった(高温劣化)。
そこで本発明者らは、有機無機ペロブスカイト化合物を用いた光電変換層を含む積層体を、封止樹脂層により封止したときの劣化の原因について詳しく検討した。その結果、封止時又は高温時に、有機無機ペロブスカイト化合物中の有機成分が封止樹脂層に溶け込んでしまい、有機無機ペロブスカイト化合物が劣化してしまうことが原因であることを見出した。
本発明者らは、鋭意検討の結果、封止樹脂層を構成する樹脂の溶解パラメータ(SP値)を特定範囲に調整することにより、封止時又は高温時に有機無機ペロブスカイト化合物中の有機成分が溶出してしまうのを抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
なお、本明細書中、層とは、明確な境界を有する層だけではなく、含有元素が徐々に変化する濃度勾配のある層をも意味する。なお、層の元素分析は、例えば、太陽電池の断面のFE−TEM/EDS線分析測定を行い、特定元素の元素分布を確認する等によって行うことができる。また、本明細書中、層とは、平坦な薄膜状の層だけではなく、他の層と一緒になって複雑に入り組んだ構造を形成しうる層をも意味する。
上記電極及び上記対向電極の材料として、例えば、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、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、金等の金属、CuI、ITO(インジウムスズ酸化物)、SnO2、AZO(アルミニウム亜鉛酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、GZO(ガリウム亜鉛酸化物)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。
また、上記電極及び上記対向電極は、それぞれ陰極になっても、陽極になってもよい。
上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
上記Rは、具体的には例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、エチルメチルアミン、メチルプロピルアミン、ブチルメチルアミン、メチルペンチルアミン、ヘキシルメチルアミン、エチルプロピルアミン、エチルブチルアミン、ホルムアミジン,イミダゾール、アゾール、ピロール、アジリジン、アジリン、アゼチジン、アゼト、アゾール、イミダゾリン、カルバゾール及びこれらのイオン(例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)等)、及び、フェネチルアンモニウム等が挙げられる。なかでも、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ホルムアミジン、グアニジン及びこれらのイオン、及び、フェネチルアンモニウムが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ホルムアミジン、グアニジン及びこれらのイオンがより好ましい。
図1は、体心に金属原子M、各頂点に有機分子R、面心にハロゲン原子又はカルコゲン原子Xが配置された立方晶系の構造である、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶構造の一例を示す模式図である。詳細は明らかではないが、上記構造を有することにより、結晶格子内の八面体の向きが容易に変わることができるため、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上すると推定される。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度の好ましい下限は30%である。結晶化度が30%以上であると、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上する。結晶化度のより好ましい下限は50%、更に好ましい下限は70%である。
また、上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度を上げる方法として、例えば、熱アニール、レーザー等の強度の強い光の照射、プラズマ照射等が挙げられる。
上記有機半導体として、例えば、ポリ(3−アルキルチオフェン)等のチオフェン骨格を有する化合物等が挙げられる。また、例えば、ポリパラフェニレンビニレン骨格、ポリビニルカルバゾール骨格、ポリアニリン骨格、ポリアセチレン骨格等を有する導電性高分子等も挙げられる。更に、例えば、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ペンタセン骨格、ベンゾポルフィリン骨格等のポルフィリン骨格、スピロビフルオレン骨格等を有する化合物、及び、表面修飾されていてもよいカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン等のカーボン含有材料も挙げられる。
上記電子輸送層の材料は特に限定されず、例えば、N型導電性高分子、N型低分子有機半導体、N型金属酸化物、N型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属、界面活性剤等が挙げられ、具体的には例えば、シアノ基含有ポリフェニレンビニレン、ホウ素含有ポリマー、バソキュプロイン、バソフェナントレン、ヒドロキシキノリナトアルミニウム、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸化合物、ペリレン誘導体、ホスフィンオキサイド化合物、ホスフィンスルフィド化合物、フルオロ基含有フタロシアニン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、硫化スズ、硫化インジウム、硫化亜鉛等が挙げられる。
上記ホール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、CuSCN、CuI等の銅化合物、カーボンナノチューブ、グラフェン等のカーボン含有材料等が挙げられる。
上記積層体を、上記対向電極上を覆う封止樹脂層で封止することにより、太陽電池の耐久性を向上させることができる。これは、上記封止樹脂層で封止を行うことにより、水分が内部に浸透することを抑制できるためと考えられる。ここで、上記封止樹脂層は、その端部を閉じるようにして上記積層体全体を覆うことが好ましい。これにより、水分が内部に浸透することを確実に防止することができる。
上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いた場合、封止時又は高温時に上記有機無機ペロブスカイト化合物中の有機成分が上記封止樹脂層に溶け込んでしまい、上記有機無機ペロブスカイト化合物が劣化する(初期劣化、高温劣化)。これに対して、本発明の太陽電池においては、上記封止樹脂層を構成する樹脂(以下、単に「封止樹脂」ともいう。)の溶解パラメータ(SP値)を上記範囲に調整することにより、上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いていても、封止時又は高温時に上記有機無機ペロブスカイト化合物中の有機成分の溶出を抑えて、光電変換層が劣化してしまうのを防止することができる。
上記封止樹脂の溶解パラメータ(SP値)は、6以上であることが好ましい。溶解パラメータ(SP値)が6以上であれば、樹脂の選択肢が広がり、成型が容易となる。上記封止樹脂の溶解パラメータ(SP値)のより好ましい下限は6.5、更に好ましい下限は7、特に好ましい下限は7.5である。
また、Tg≧25℃の場合、主鎖骨格原子数をnとして、n≧3の時は2n、n<3の時は4nをΔvに加えて計算する。
なお、太陽電池の封止樹脂として汎用されているエポキシ樹脂は、溶解パラメータ(SP値)が10.5程度であり、上記範囲の溶解パラメータ(SP値)を満たさない。
上記封止樹脂のSP値を好適な範囲に調整する方法としては、SP値の異なる2種な材料を適切な範囲で混合させることや、重合する際のモノマーとして適切な骨格を有するモノマーを選択する方法、及び適切な骨格を有する反応性化合物を付加反応させる等の方法が挙げられる。
上記反応性官能基として、例えば、エポキシ基、水酸基、カルボキシル基、アルケニル基、イソシアネート基等が挙げられる。
上記無機層に上記一般式ZnaSnbOcで表される金属酸化物を用いることにより、上記金属酸化物がスズ(Sn)原子を含むため、上記無機層に適度な可撓性を付与することができ、上記無機層の厚みが増した場合であっても応力が小さくなるため、上記無機層、電極、半導体層等の剥離を抑えることができる。これにより、上記無機層の水蒸気バリア性を高め、太陽電池の耐久性をより向上させることができる。一方、上記金属酸化物が亜鉛(Zn)原子を含むため、上記無機層は特に高いバリア性を発揮することができる。
なお、上記無機層中の上記一般式ZnaSnbOcで表される金属酸化物に含まれる亜鉛(Zn)、スズ(Sn)及び酸素(O)の元素比率は、X線光電子分光(XPS)表面分析装置(例えば、VGサイエンティフィックス社製のESCALAB−200R等)を用いて測定することができる。
上記無機層にケイ素(Si)及び/又はアルミニウム(Al)を添加することにより、上記無機層の透明性を高め、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
なお、上記無機層の厚みは、光学干渉式膜厚測定装置(例えば、大塚電子社製のFE−3000等)を用いて測定することができる。
図2に示す太陽電池1においては、基板6上に電極2と、対向電極3と、この電極2と対向電極3との間に配置された光電変換層4とを有する積層体が、対向電極3上を覆う封止樹脂層5で封止されている。ここで封止樹脂層5の端部は、基板6に密着することにより閉じている。なお、図2に示す太陽電池1において、対向電極3はパターニングされた電極である。図示はしないが、積層体と封止樹脂5の間、又は、封止樹脂5上に無機層が配置されていてもよい。
上記スパッタ法においては、金属ターゲット、及び、酸素ガス又は窒素ガスを原料とし、上記封止樹脂上に原料を堆積して成膜することにより、無機層を形成することができる。
(積層体の作製)
ガラス基板上に、電極として厚み1000nmのFTO膜を形成し、純水、アセトン、メタノールをこの順に用いて各10分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
FTO膜の表面上に、2%に調整したチタンイソプロポキシドエタノール溶液をスピンコート法により塗布した後、400℃で10分間焼成し、厚み20nmの薄膜状の電子輸送層を形成した。更に、薄膜状の電子輸送層上に、有機バインダとしてのポリイソブチルメタクリレートと酸化チタン(平均粒子径10nmと30nmとの混合物)とを含有する酸化チタンペーストをスピンコート法により塗布した後、500℃で10分間焼成し、厚み500nmの多孔質状の電子輸送層を形成した。
次いで、有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液として、N,N−Dimethylformamide(DMF)を溶媒としてCH3NH3IとPbI2をモル比1:1で溶かし、CH3NH3IとPbI2の合計重量濃度を20%に調製した。この溶液を電子輸送層上にスピンコート法によって積層して、光電変換層を形成した。
更に、クロロベンゼン25μLにSpiro−OMeTAD(スピロビフルオレン骨格を有する)を68mM、Tert−butylpyridineを55mM、Lithium Bis(trifluoromethylsufonyl)imide塩を9mM溶解させた溶液を調製した。この溶液を光電変換層上にスピンコート法によって300nmの厚みに積層し、ホール輸送層を形成した。
ホール輸送層上に、対向電極として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、積層体を得た。
得られた積層体上に、封止樹脂としてのポリイソブチレン樹脂(BASF社製のOPPANOL100、SP値7.2)を10μm積層したアルミホイルを100℃でラミネートし、太陽電池を得た。
積層体の作製において、有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液の配合成分を変更することによって表1に示す光電変換層(有機無機ペロブスカイト化合物)を形成したこと以外は参考例1と同様にして、太陽電池を得た。
なお、参考例2では、N,N−Dimethylformamide(DMF)を溶媒としてCH3NH3Br、CH3NH3I、PbBr2、PbI2をモル比1:2:1:2で溶かした。参考例3では、N,N−Dimethylformamide(DMF)を溶媒としてCH3NH3IとPbCl2をモル比3:1で溶かした。参考例4では、N,N−Dimethylformamide(DMF)を溶媒としてCH3NH3BrとPbBr2をモル比1:1で溶かした。参考例5では、N,N−Dimethylformamide(DMF)を溶媒としてCH3(NH3)2IとPbI2をモル比1:1で溶かした。
積層体の封止において、表1に示す封止樹脂(SP値)を用いたこと以外は参考例1と同様にして、太陽電池を得た。
なお、参考例6では、封止樹脂として、シリコーン樹脂を用い、ラミネート後に120℃加熱して硬化させた。参考例7では、ポリエチレン樹脂(和光純薬社製社製、SP値8.6)、参考例8では、ポリブタジエン樹脂(和光純薬工業社製、SP値8.4)を用いた。参考例9では、硬化剤としての4mol%の過酸化物(パークミルD、日油社製)と、エチルメタクリレート(共栄社化学社製、ライトエステルE、SP値9.4)との混合物を用い、ラミネート後に120℃1時間加熱して硬化させた。参考例10では、ポリメチルメタクリレート(PMMA)(和光純薬工業社製、SP値9.6)を用いた。
温度計、滴下装置及び攪拌機を備えた1000mLのセパラブルフラスコに、ジメチルジメトキシシラン164.1g、メチルビニルジメトキシシラン6.6g、及び、1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン4.7gを入れ、50℃で攪拌した。その中に、水酸化カリウム2.2gを水35.1gに溶かした溶液をゆっくりと滴下し、滴下後に50℃で6時間攪拌し、反応させて、反応液を得た。次に、減圧して揮発成分を除去し、反応液に酢酸2.4gを加え、減圧下で加熱した。その後、酢酸カリウムをろ過により除去して、ポリマーAを得た。
次に温度計、滴下装置及び攪拌機を備えた1000mLのセパラブルフラスコに、ジメチルジメトキシシラン80.6g、及び、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン45gを入れ、50℃で攪拌した。その中に、酢酸100gと水27gの溶液をゆっくりと滴下し、滴下後に50℃で6時間攪拌し、反応させて、反応液を得た。次に、減圧して揮発成分を除去してポリマーを得た。得られたポリマーにヘキサン150gと酢酸エチル150gとを添加し、イオン交換水300gで10回洗浄を行い、減圧して揮発成分を除去してポリマーBを得た。
ポリマーA90重量部とポリマーB12重量部と0.2重量%のヒドロシリル化反応触媒(白金の1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン錯体)を混合し、シリコーン樹脂を得た。
積層体上に表1に示す無機層を形成してから、封止樹脂を積層したアルミホイルをラミネートしたこと以外は参考例1と同様にして、太陽電池を得た。
(無機層の製膜方法)
得られた積層体をスパッタリング装置の基板ホルダーに取り付け、更に、スパッタリング装置のカソードAにZnSn合金(Zn:Sn=95:5重量%)ターゲットを、カソードBにSiターゲットを取り付けた。スパッタリング装置の成膜室を真空ポンプにより排気し、5.0×10−4Paまで減圧した。その後、スパッタ条件Aに示す条件でスパッタリングし、積層体(ペロブスカイト太陽電池セル)に無機層としてZnSnO(Si)薄膜を形成した。
<スパッタ条件A>
アルゴンガス流量:50sccm、酸素ガス流量:50sccm
電源出力:カソードA=500W、カソードB=1500W
なお、SiO2からなる無機層を形成した場合には、金属ターゲットとしてSiターゲットを用い、SnO2からなる無機層を形成した場合には、金属ターゲットとしてSnターゲットを用いた。
積層体の封止において、表1に示す封止樹脂(SP値)を用いたこと以外は参考例1と同様にして、太陽電池を得た。
なお、実施例14では、イソボルニルメタクリレート(ライトエステルIB−X、共栄社化学社製)の重合体のシクロヘキサン溶液をドクターブレードにより、積層体(ペロブスカイト太陽電池セル)に厚み10μmの封止樹脂を積層し、100℃10分で溶媒を乾燥させた。その後実施例11と同様の方法で無機層としてZnSnO(Si)薄膜を形成した。
積層体の封止において、表1に示す太陽電池セル構成を用いたこと以外は参考例1と同様にして、太陽電池を得た。
なお、参考例15では、ポリイソブチレンのシクロヘキサン溶液をドクターブレードにより、積層体(ペロブスカイト太陽電池セル)に厚み10μmの封止樹脂を積層し、100℃10分で溶媒を乾燥させた。
積層体の封止において、表1に示す封止樹脂(SP値)を用いたこと以外は参考例15と同様にして、太陽電池を得た。
なお、参考例16では、ノルボルネン樹脂(TOPAS6013、Polyplastics社製)のシクロヘキサン溶液をドクターブレードにより、積層体(ペロブスカイト太陽電池セル)に厚み10μmの封止樹脂を積層し、100℃10分で溶媒を乾燥させた。参考例17ではイソボルニルメタクリレート(ライトエステルIB−X、共栄社化学社製)の重合体のシクロヘキサン溶液をドクターブレードにより、積層体(ペロブスカイト太陽電池セル)に厚み10μmの封止樹脂を積層し、100℃10分で溶媒を乾燥させた。
表1に示したように、積層体の封止において封止樹脂として、ポリビニルアルコール(PVA)(和光純薬社製、160−11485、SP値14.1)、ビスフェノールA型エポキシ重合体(三菱化学社製、エピコート828、SP値10.8)、フェノール樹脂(大日本インキ化学工業社製、TD−2090、SP値13.5)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。なおビスフェノールA型エポキシ重合体、フェノール樹脂については硬化剤としてそれぞれ2−エチル−4メチルイミダゾール、ヘキサメチレンテトラミンを樹脂に対して4重量%添加し、ラミネート後120℃1時間で硬化させた。
積層体の封止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。
実施例、参考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。
封止直後の太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2のソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて光電変換効率を測定し、封止直後の光電変換効率/初期変換効率の値を求めた。
○:封止直後の光電変換効率/初期変換効率の値が0.5以上
×:封止直後の光電変換効率/初期変換効率の値が0.5未満
太陽電池を100℃の条件下に24時間、又は、120℃の条件下に72時間置いて高温時での耐久試験を行った。耐久試験後の太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2のソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて光電変換効率を測定し、耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値を求めた。
○:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.5以上
△:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.2以上0.5未満
×:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.2未満
太陽電池30℃80%の条件下に24時間置いて高湿時での耐久試験を行った。耐久試験後の太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2のソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて光電変換効率を測定し、耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値を求めた。
○○○:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.95以上
○○:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.9以上、0.95未満
○:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.5以上、0.9未満
×:耐久試験後の光電変換効率/封止直後の光電変換効率の値が0.5未満
2 電極
3 対向電極(パターニングされた電極)
4 光電変換層
5 封止樹脂層
6 基板
Claims (1)
- 電極と、対向電極と、前記電極と前記対向電極との間に配置された光電変換層とを有する積層体と、前記対向電極上を覆って前記積層体を封止する封止樹脂層とを有する太陽電池であって、
前記対向電極はパターニングされており、
前記光電変換層は、一般式R−M−X3(但し、RはCH 3 NH 3 又はCH 3 (NH 3 ) 2 、Mは金属原子、XはI、Br又はClである。)で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
前記封止樹脂層は、溶解パラメータ(SP値)が10以下である樹脂からなり、
前記封止樹脂層は、前記光電変換層と接しており、
前記積層体と前記封止樹脂層との間、又は、前記封止樹脂層上に、金属酸化物、金属窒化物又は金属酸窒化物を含む無機層を有しており、
前記無機層は、前記積層体又は前記封止樹脂層上を覆うように、前記積層体又は前記封止樹脂層上に形成されている
ことを特徴とする太陽電池。
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