JP6520349B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換素子に関し、さらに詳しくは、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device using a halide-based organic-inorganic hybrid perovskite as a light absorption layer.

最近、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト(例えば、一般式:CH3NH3MX3で表される化合物。式中、Mは、2価の金属イオン。Xは、F、Cl、Br、又はI。)を光吸収層に用いたペロブスカイト太陽電池が高い変換効率を示すため、次世代の太陽電池として注目されている(特許文献1)。ペロブスカイト太陽電池は、2009年に3.8%の変換効率を示すことが報告されて以来、改良が重ねられ、現在では19.3%の変換効率も報告されている。ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトの広波長域に渡る吸収や高い開放電圧などは、20%を超える変換効率の実現の可能性があることを示唆している。 Recently, a halide organic-inorganic hybrid type perovskite (for example, a compound represented by a general formula: CH 3 NH 3 MX 3 where M is a divalent metal ion, and X is F, Cl, Br, or Perovskite solar cells using the light absorbing layer I.) as a light absorbing layer show high conversion efficiency, and therefore are attracting attention as next-generation solar cells (Patent Document 1). Improvements have been made since perovskite solar cells were reported to show a conversion efficiency of 3.8% in 2009, and a conversion efficiency of 19.3% has also been reported. The absorption over a wide wavelength range and the high open circuit voltage of the halide organic-inorganic hybrid perovskite show that there is a possibility of realizing a conversion efficiency exceeding 20%.

ペロブスカイト太陽電池の変換効率をさらに向上させる一因として、太陽光により励起した荷電キャリアの抽出速度を向上させることが考えられる。しかしながら、ペロブスカイト太陽電池において、電子とホールの抽出速度は、それぞれ、400ps及び600psであり、ホットキャリアクーリング時間(0.4s)も大幅に遅いことが課題である。   As a factor for further improving the conversion efficiency of the perovskite solar cell, it is conceivable to improve the extraction rate of charge carriers excited by sunlight. However, in the perovskite solar cell, the extraction rates of electrons and holes are 400 ps and 600 ps, respectively, and the hot carrier cooling time (0.4 s) is also very slow.

特開2014−072327号公報JP, 2014-072327, A

本発明が解決しようとする課題は、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、電子抽出速度を向上させることにある。   The problem to be solved by the present invention is to improve the electron extraction rate in a photoelectric conversion element using a halide-based organic-inorganic hybrid perovskite as a light absorption layer.

上記課題を解決するために本発明に係る光電変換素子は、以下の構成を備えている。
(1)前記光電変換素子は、
下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層と、
前記電子輸送層の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層と、
前記電子輸送層と前記光吸収層との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェンと、
前記光吸収層の表面に形成されたホール輸送層と、
前記ホール輸送層の表面に形成された対向電極と
を備えている。
(2)前記窒素官能基化ナノグラフェンは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されたものからなる。
(3)前記窒素官能基化ナノグラフェンの平均質量は、1000m/z以上50000m/z以下である。
In order to solve the said subject, the photoelectric conversion element which concerns on this invention is equipped with the following structures.
(1) The photoelectric conversion element is
Lower electrode,
An electron transport layer of a metal oxide semiconductor formed on the surface of the lower electrode;
A light absorbing layer formed of a halide organic-inorganic hybrid perovskite formed on the surface of the electron transporting layer;
Nitrogen-functionalized nanographene inserted at the interface between the electron transport layer and the light absorption layer;
A hole transport layer formed on the surface of the light absorption layer;
And a counter electrode formed on the surface of the hole transport layer.
(2) The nitrogen-functionalized nanographene consists of nanographene in which a π-conjugated nitrogen functional group is introduced.
(3) The average mass of the nitrogen-functionalized nanographene is not less than 1000 m / z and not more than 50000 m / z.

ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、電子輸送層と光吸収層との界面に窒素官能基化ナノグラフェンを挿入すると、電子抽出速度が向上する。これは、光吸収層において励起された電子が窒素官能基化ナノグラフェンを介して電子輸送層に移動するためと考えられる。   In a photoelectric conversion device using a halide-based organic-inorganic hybrid perovskite as a light absorption layer, when nitrogen-functionalized nanographene is inserted at the interface between the electron transport layer and the light absorption layer, the electron extraction rate is improved. This is considered to be because electrons excited in the light absorption layer are transferred to the electron transport layer through the nitrogen-functionalized nanographene.

本発明に係る光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photoelectric conversion element which concerns on this invention. 窒素官能基化ナノグラフェンの模式図、及び、窒素官能基の導入に用いた試薬と導入された窒素官能基との関係を示す図である。FIG. 2 is a schematic view of nitrogen-functionalized nanographene and a diagram showing the relationship between a reagent used for introducing a nitrogen functional group and the introduced nitrogen functional group. 760nmでの過渡吸収の減衰スペクトル、及び電子抽出速度の比較を示す図である。FIG. 6 shows a comparison of the decay spectrum of transient absorption at 760 nm and the electron extraction rate.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 光電変換素子]
図1に、本発明に係る光電変換素子の断面模式図を示す。図1において、光電変換素子10は、以下の構成を備えている。
(1)光電素子10は、
下部電極14と、
下部電極14の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層16と、
電子輸送層16の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層18と、
電子輸送層16と光吸収層18との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェン20と、
光吸収層18の表面に形成されたホール輸送層22と、
ホール輸送層22の表面に形成された対向電極24と
を備えている。
(2)窒素官能基化ナノグラフェン20は、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が結合したものからなる。
(3)窒素官能基化ナノグラフェン20の平均質量は、1000m/z以上50000m/z以下である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Photoelectric conversion element]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion element according to the present invention. In FIG. 1, the photoelectric conversion element 10 has the following configuration.
(1) The photoelectric device 10 is
A lower electrode 14;
An electron transport layer 16 formed of a metal oxide semiconductor formed on the surface of the lower electrode 14;
A light absorbing layer 18 formed of a halide organic-inorganic hybrid perovskite formed on the surface of the electron transport layer 16;
Nitrogen-functionalized nanographene 20 inserted at the interface between the electron transport layer 16 and the light absorption layer 18;
A hole transport layer 22 formed on the surface of the light absorption layer 18;
And a counter electrode 24 formed on the surface of the hole transport layer 22.
(2) Nitrogen Functionalized Nanographene 20 consists of nanographene with a π-conjugated nitrogen functional group attached.
(3) The average mass of the nitrogen functionalized nanographene 20 is 1000 m / z or more and 50000 m / z or less.

[1.1. 下部電極]
下部電極14は、光電変換素子10の一方の電極である。下部電極14は、それ自身で自立可能な厚さを有する膜若しくは板であっても良く、あるいは、基板12上に形成された薄膜であっても良い。また、下部電極14及びこれを支持する基板12は、透光性材料からなるものであっても良く、あるいは、非透光性材料からなるものでも良い。下部電極14、基板12、及び対向電極24がいずれも透光性材料からなる場合、入射光は、下部電極14側又は対向電極24側のいずれの方向からも入射させることができる。一方、下部電極14又は基板12が非透光性材料からなる場合、入射光は、対向電極24側から入射させる。
[1.1. Lower electrode]
The lower electrode 14 is one of the electrodes of the photoelectric conversion element 10. The lower electrode 14 may be a film or a plate having a thickness capable of supporting itself, or may be a thin film formed on the substrate 12. Further, the lower electrode 14 and the substrate 12 for supporting the same may be made of a translucent material, or may be made of a non-transmissive material. When the lower electrode 14, the substrate 12, and the counter electrode 24 are all made of a translucent material, incident light can be made incident from any direction on the lower electrode 14 side or the counter electrode 24 side. On the other hand, when the lower electrode 14 or the substrate 12 is made of a non-light transmitting material, incident light is made to enter from the side of the counter electrode 24.

下部電極14としては、例えば、
(a)スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In23)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)などの導電性金属酸化物の自立膜、
(b)ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系などの導電性高分子の自立膜、
(c)基板12上に形成された導電性金属酸化物や導電性高分子の薄膜、
などがある。
As the lower electrode 14, for example,
(A) Tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), tin oxide (SnO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), etc. Self-supporting film of conductive metal oxide,
(B) Free-standing films of conductive polymers such as polyacetylene type, polypyrrole type, polythiophene type and polyphenylene vinylene type
(C) a thin film of conductive metal oxide or conductive polymer formed on the substrate 12
and so on.

また、基板12としては、例えば、
(a)硝子板、
(b)ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドなどの合成樹脂板又は合成樹脂フィルム、
などがある。
Also, as the substrate 12, for example,
(A) Glass plate,
(B) Synthetic resin plate or synthetic resin film such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyester, polycarbonate, polyimide, etc.
and so on.

下部電極14の表面抵抗は、低いほど良い。高い変換効率を得るためには、下部電極14の表面抵抗は、20Ω/□以下が好ましい。表面抵抗は、さらに好ましくは、5Ω/□以下である。
下部電極14の厚さは、特に限定されるものではなく、下部電極14の材料や下部電極14に求められる特性などに応じて、最適な厚さを選択する。
The lower the surface resistance of the lower electrode 14, the better. In order to obtain high conversion efficiency, the surface resistance of the lower electrode 14 is preferably 20 Ω / □ or less. The surface resistance is more preferably 5 Ω / □ or less.
The thickness of the lower electrode 14 is not particularly limited, and an optimum thickness is selected according to the material of the lower electrode 14, the characteristics required for the lower electrode 14, and the like.

[1.2. 電子輸送層]
電子輸送層16は、光吸収層18で励起された電子を下部電極14側に輸送するためのものであり、下部電極14の表面に形成される。本発明において、電子輸送層16には、金属酸化物半導体が用いられる。金属酸化物半導体は、電子を輸送する機能を備えているものであれば良い。
また、金属酸化物半導体は、LUMOエネルギー準位が所定の値を持つものが好ましい。LUMOエネルギー準位については、後述する。
[1.2. Electron transport layer]
The electron transport layer 16 is for transporting the electrons excited by the light absorption layer 18 to the lower electrode 14 side, and is formed on the surface of the lower electrode 14. In the present invention, a metal oxide semiconductor is used for the electron transport layer 16. The metal oxide semiconductor may have any function of transporting electrons.
In addition, as the metal oxide semiconductor, one having a predetermined LUMO energy level is preferable. The LUMO energy level will be described later.

金属酸化物半導体としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、酸化ニオブ(Nb25)、酸化タングステン(WO3)などがある。電子輸送層16は、これらのいずれか1種の金属酸化物半導体からなるものでも良く、あるいは、2種以上の金属酸化物半導体を含む複合体からなるものでも良い。 As the metal oxide semiconductor, for example, titanium oxide (TiO 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 3) )and so on. The electron transport layer 16 may be made of any one of these metal oxide semiconductors, or may be made of a composite containing two or more metal oxide semiconductors.

電子輸送層16は、緻密質であっても良く、あるいは多孔質であっても良い。電子輸送層16として多孔質の金属酸化物半導体を用いた場合、電子輸送層16と光吸収層18との界面の面積が増大する。界面面積の増大は、電子抽出速度の増大に寄与する。
高い電子抽出速度を得るためには、電子輸送層16の比表面積は、20m2/g以上が好ましい。比表面積は、さらに好ましくは、40m2/g以上である。
The electron transport layer 16 may be dense or porous. When a porous metal oxide semiconductor is used as the electron transport layer 16, the area of the interface between the electron transport layer 16 and the light absorption layer 18 is increased. An increase in interface area contributes to an increase in electron extraction rate.
In order to obtain a high electron extraction rate, the specific surface area of the electron transport layer 16 is preferably 20 m 2 / g or more. The specific surface area is more preferably 40 m 2 / g or more.

電子輸送層16の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。一般に、電子輸送層16の厚さが薄くなりすぎると、リーク電流が生じる。従って、電子輸送層16の厚さは、10nm以上が好ましい。電子輸送層16の厚さは、さらに好ましくは、20nm以上である。
一方、電子輸送層16の厚さが厚くなりすぎると、光吸収層18からの電子の収集が抑制される。従って、電子輸送層16の厚さは、2μm以下が好ましい。電子輸送層16の厚さは、さらに好ましくは、1μm以下である。
The thickness of the electron transport layer 16 is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose. In general, if the thickness of the electron transport layer 16 is too thin, leakage current will occur. Therefore, the thickness of the electron transport layer 16 is preferably 10 nm or more. The thickness of the electron transport layer 16 is more preferably 20 nm or more.
On the other hand, if the thickness of the electron transport layer 16 is too thick, the collection of electrons from the light absorption layer 18 is suppressed. Therefore, the thickness of the electron transport layer 16 is preferably 2 μm or less. The thickness of the electron transport layer 16 is more preferably 1 μm or less.

[1.3. 光吸収層]
本発明において、光吸収層18は、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる。光吸収層18は、電子輸送層16の表面に形成される。
「ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト(以下、単に「ハイブリッド型ペロブスカイト」ともいう)」とは、金属元素MとハロゲンXからなる金属ハロゲン化物八面体MX6が頂点共有した八面体ネットワークと、MX6八面体ネットワーク間の12配位の孔に位置した有機骨格Aとを備えた化合物をいう。
ハイブリッド型ペロブスカイトとしては、
(a)一般式:ABX3(A:有機骨格、B:金属元素、X:ハロゲン)で表される単純ペロブスカイト、
(b)一般式:A2BX4で表される層状ペロブスカイト
などがある。
[1.3. Light absorbing layer]
In the present invention, the light absorption layer 18 is made of a halide organic-inorganic hybrid perovskite. The light absorption layer 18 is formed on the surface of the electron transport layer 16.
“Halide organic-inorganic hybrid perovskite (hereinafter, also simply referred to as“ hybrid perovskite ”)” means an octahedral network in which a metal halide octahedron MX 6 consisting of a metal element M and a halogen X shares a vertex, and A compound having an organic framework A located in 12 coordination holes between six octahedral networks.
As a hybrid perovskite,
(A) Simple perovskite represented by general formula: ABX 3 (A: organic skeleton, B: metal element, X: halogen)
(B) There are layered perovskites represented by the general formula: A 2 BX 4 and the like.

ハイブリッド型ペロブスカイトの無機骨格は、頂点を共有する金属ハロゲン化物八面体からなる。陽イオン性の有機骨格からの正の電荷と平衡をとるため、金属ハロゲン化物八面体は、陰イオン性となる。そのため、金属イオンMは、2価である。
ハイブリッド型ペロブスカイトを構成する金属イオンMとしては、具体的には、Pb2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+、Pd2+、Ge2+などがある。
ハイブリッド型ペロブスカイトを構成するハロゲン化物は、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、又はこれらの組み合わせである。
The inorganic framework of hybrid-type perovskites consists of metal halide octahedra that share an apex. The metal halide octahedra become anionic in order to balance the positive charge from the cationic organic backbone. Therefore, the metal ion M is divalent.
Specific examples of the metal ion M constituting the hybrid type perovskite include Pb 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Pd 2+ , Ge 2+ and the like. is there.
The halide constituting the hybrid perovskite is fluoride, chloride, bromide, iodide or a combination thereof.

ハイブリッド型ペロブスカイトとしては、具体的には、
(a)CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3などの一般式:CH3NH3MX3で表される単純ペロブスカイト(但し、Mは、2価の金属イオン。Xは、F、Cl、Br、又はI。以下同じ。)、
(b)(CH3(CH2)nCHCH3NH3)2PbI4(n=5〜8)などの一般式:(CH3(CH2)nCHCH3NH3)2MX4(n=5〜8)で表される層状ペロブスカイト、
(c)(C6524NH3)2PbBr4などの一般式:(C6524NH3)2MX4で表される層状ペロブスカイト、
などがある。
光吸収層18は、これらのいずれか1種のハイブリッド型ペロブスカイトからなるものでも良く、あるいは、2種以上のハイブリッド型ペロブスカイトからなるものでも良い。
Specifically as a hybrid perovskite,
(A) CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3, etc. A simple perovskite represented by the general formula: CH 3 NH 3 MX 3 (where M is a divalent metal ion, X is F, Cl, Br or I. The same shall apply hereinafter),
(B) General formula such as (CH 3 (CH 2 ) n CHCH 3 NH 3 ) 2 PbI 4 (n = 5 to 8): (CH 3 (CH 2 ) n CHCH 3 NH 3 ) 2 MX 4 (n = Layered perovskites represented by 5 to 8),
(C) Layered perovskites represented by the general formula: (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 MX 4 such as (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 ) 2 PbBr 4 ,
and so on.
The light absorption layer 18 may be made of any one of these hybrid perovskites, or may be made of two or more hybrid perovskites.

光吸収層18の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。   The thickness of the light absorption layer 18 is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose.

[1.4. 窒素官能基化ナノグラフェン]
本発明において、電子輸送層16と光吸収層18との界面には、窒素官能基化ナノグラフェン20が挿入されている。この点が、従来とは異なる。
[1.4. Nitrogen Functionalized Nano Graphene]
In the present invention, nitrogen-functionalized nanographene 20 is inserted at the interface between the electron transport layer 16 and the light absorption layer 18. This point is different from the conventional one.

[1.4.1. 定義]
「窒素官能基化ナノグラフェン」とは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されているものをいう。
「ナノグラフェン」とは、炭素の環構造及びsp2結合性の芳香環で構成された2次元のシート状構造を有するものをいる。ナノグラフェンは、単層のシートからなる場合と、多層のシートからなる場合とがある。
[1.4.1. Definition]
“Nitrogen-functionalized nanographene” refers to nanographene in which a π-conjugated nitrogen functional group is introduced.
The “nano-graphene” includes one having a two-dimensional sheet-like structure composed of a ring structure of carbon and an aromatic ring capable of sp 2 bonding. The nanographene may be composed of a single layer sheet or may be composed of a multilayer sheet.

「π共役性窒素官能基」とは、非共有電子対を有する窒素原子を構成元素として含む官能基をいう。
π共役性窒素官能基としては、例えば、アミン基、ジメチルアミン基、アゾ基、ナフタレンジアミン基、フェニレンジアミン基、ニトロフェニル基、メチルレッド基、ジアミノナフタレン基などがある。窒素官能基化ナノグラフェンは、これらのいずれか1種のπ共役性窒素官能基を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
The “π-conjugated nitrogen functional group” refers to a functional group containing a nitrogen atom having a noncovalent electron pair as a constituent element.
Examples of the π-conjugated nitrogen functional group include an amine group, a dimethylamine group, an azo group, a naphthalenediamine group, a phenylenediamine group, a nitrophenyl group, a methyl red group and a diaminonaphthalene group. The nitrogen-functionalized nanographene may contain any one of these π-conjugated nitrogen functional groups, or may contain two or more kinds.

「π共役性窒素官能基が導入されている」とは、
(a)ナノグラフェンを構成する炭素の一部がπ共役性窒素官能基で置換されていること、
(b)ナノグラフェンのエッジ及び/又は基底面にπ共役性窒素官能基が結合していること、又は、
(b)ナノグラフェンの表面又はシート間に、π共役性窒素官能基を持つ化合物が吸着していること
をいう。
ナノグラフェンに導入されたπ共役性窒素官能基は、置換、結合又は吸着のいずれか1種の形態で存在していても良く、あるいは、2種以上の形態で存在していても良い。
π共役性窒素官能基を持つ化合物の詳細については、後述する。
“The π conjugated nitrogen functional group is introduced” means
(A) A part of carbon constituting nanographene is substituted by a π-conjugated nitrogen functional group,
(B) that a π-conjugated nitrogen functional group is bonded to the edge and / or basal plane of nanographene, or
(B) It means that a compound having a π-conjugated nitrogen functional group is adsorbed between the surface or sheet of nanographene.
The π-conjugated nitrogen functional group introduced into nanographene may be present in any one form of substitution, bonding or adsorption, or may be present in two or more forms.
Details of the compound having a π-conjugated nitrogen functional group will be described later.

[1.4.2. 平均質量]
窒素官能基化ナノグラフェン20の質量数(サイズ)は、太陽光の透過率に影響を与える。窒素官能基化ナノグラフェン20が大きくなりすぎると、可視領域での透過率が低下する。従って、窒素官能基化ナノグラフェン20の平均質量は、50000m/z以下が好ましい。平均質量は、さらに好ましくは、10000m/z以下、さらに好ましくは、5000m/z以下である。
一方、窒素官能基化ナノグラフェン20の平均質量が小さくなりすぎると、LUMOエネルギー準位が大きくなり、電子抽出層として機能しない。従って、窒素官能基化ナノグラフェン20の平均質量は、1000m/z以上が好ましい。平均質量は、さらに好ましくは、1100m/z以上、さらに好ましくは、1200m/z以上である。
[1.4.2. Average mass]
The mass number (size) of the nitrogen-functionalized nanographene 20 affects the transmittance of sunlight. If the nitrogen functionalized nanographene 20 becomes too large, the transmission in the visible region will be reduced. Accordingly, the average mass of the nitrogen functionalized nanographene 20 is preferably 50000 m / z or less. The average mass is more preferably 10000 m / z or less, still more preferably 5000 m / z or less.
On the other hand, when the average mass of the nitrogen-functionalized nanographene 20 becomes too small, the LUMO energy level becomes large and it does not function as an electron extraction layer. Therefore, the average mass of the nitrogen functionalized nanographene 20 is preferably 1000 m / z or more. The average mass is more preferably 1100 m / z or more, still more preferably 1200 m / z or more.

[1.4.3. LUMOエネルギー準位]
窒素官能基化ナノグラフェン20のLUMOエネルギー準位は、電子抽出速度に影響を与える。窒素官能基化ナノグラフェン20を含まない光電変換素子の場合、励起された電子は、光吸収層18から直接、電子輸送層16に移動する。
一方、光吸収層18と電子輸送層16の界面に窒素官能基化ナノグラフェン20を介在させた場合において、窒素官能基化ナノグラフェン20のLUMOエネルギー準位を最適化すると、励起された電子は、光吸収層18から窒素官能基化ナノグラフェン20を介して電子輸送層16に移動する。その結果、電子が易移動化し、電子抽出速度が高速化する。
[1.4.3. LUMO energy level]
The LUMO energy level of nitrogen functionalized nanographene 20 influences the electron extraction rate. In the case of a photoelectric conversion element that does not include the nitrogen-functionalized nanographene 20, excited electrons move from the light absorption layer 18 directly to the electron transport layer 16.
On the other hand, when nitrogen-functionalized nanographene 20 is intervened at the interface between light absorbing layer 18 and electron transport layer 16, when the LUMO energy level of nitrogen-functionalized nanographene 20 is optimized, excited electrons are Transfer from the absorber layer 18 to the electron transport layer 16 via the nitrogen functionalized nanographene 20. As a result, the electrons move easily, and the electron extraction speed increases.

電子抽出速度を高速化するためには、窒素官能基化ナノグラフェン20のLUMOエネルギー準位は、光吸収層18のLUMOエネルギー準位と電子輸送層16のLUMOエネルギー準位の中間にあるのが好ましい。
窒素官能基化ナノグラフェン20のLUMOエネルギー準位は、主として、ナノグラフェンに導入されるπ共役性窒素官能基の種類に依存する。そのため、光吸収層18及び電子輸送層16の材料に応じて、最適なπ共役性窒素官能基を選択すれば、窒素官能基化ナノグラフェン20のLUMOエネルギー準位を最適化することができる。
In order to accelerate the electron extraction rate, the LUMO energy level of the nitrogen-functionalized nanographene 20 is preferably between the LUMO energy level of the light absorption layer 18 and the LUMO energy level of the electron transport layer 16 .
The LUMO energy level of the nitrogen functionalized nanographene 20 mainly depends on the type of π-conjugated nitrogen functional group introduced into the nanographene. Therefore, the LUMO energy level of the nitrogen-functionalized nanographene 20 can be optimized by selecting the optimum π-conjugated nitrogen functional group according to the materials of the light absorption layer 18 and the electron transport layer 16.

[1.4.4. 挿入量]
窒素官能基化ナノグラフェン20の挿入量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。
なお、窒素官能基化ナノグラフェン20は、少なくとも電子輸送層16と光吸収層18との界面に挿入されていれば良い。電子輸送層16が多孔質層からなる場合において、電子輸送層16の表面に窒素官能基化ナノグラフェン20の分散液を塗布すると、窒素官能基化ナノグラフェン20が電子輸送層16と光吸収層18の界面に挿入されるだけでなく、窒素官能基化ナノグラフェン20が下部電極14の近傍まで侵入することがある。図1は、このような状態を模式的に表している。
[1.4.4. Insertion amount]
The amount of insertion of the nitrogen-functionalized nanographene 20 is not particularly limited, and an optimum amount can be selected according to the purpose.
In addition, the nitrogen functionalization nano graphene 20 should just be inserted in the interface of the electron transport layer 16 and the light absorption layer 18 at least. In the case where the electron transport layer 16 is a porous layer, when a dispersion liquid of nitrogen-functionalized nanographene 20 is applied to the surface of the electron transport layer 16, the nitrogen-functionalized nanographene 20 becomes the electron transport layer 16 and the light absorption layer 18. In addition to being inserted at the interface, the nitrogen functionalized nanographene 20 may penetrate to the vicinity of the lower electrode 14. FIG. 1 schematically shows such a state.

[1.5. ホール輸送層]
ホール輸送層22は、光吸収層18で励起されたホールを対向電極24側に輸送するためのものであり、光吸収層18の表面に形成される。本発明において、ホール輸送層22の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[1.5. Hole transport layer]
The hole transport layer 22 is for transporting the holes excited by the light absorption layer 18 to the counter electrode 24 side, and is formed on the surface of the light absorption layer 18. In the present invention, the material of the hole transport layer 22 is not particularly limited, and various materials can be used according to the purpose.

ホール輸送層22の材料としては、例えば、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)、ポリ[2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシオキシ)−1,4−フェニレンビニレン](MEH−PPV)、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−co−N−(4−(3−メチルピロピル)−ジフェニルアミン))(TFB)、2,2’−7,7’−tetrakis(N,N’−ジ(4−メトキシフェニル)アミン)−9,9’−スピロビフルオレン(Spiro−OMeTAD)、フラーレン、カーボンナノチューブなどがある。   As a material of the hole transport layer 22, for example, poly (3-hexylthiophene) (P3HT), poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexoxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) ), Poly (9,9-dioctylfluorene-co-N- (4- (3-methylpyropyl) -diphenylamine)) (TFB), 2,2'-7,7'-tetrakis (N, N'-di (2) 4-methoxyphenyl) amine) -9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), fullerene, carbon nanotube and the like.

ホール輸送層22の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。   The thickness of the hole transport layer 22 is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose.

[1.6. 対向電極]
対向電極24は、光電変換素子10の他方の電極であり、ホール輸送層22の表面に形成される。本発明において、対向電極24の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
[1.6. Counter electrode]
The counter electrode 24 is the other electrode of the photoelectric conversion element 10, and is formed on the surface of the hole transport layer 22. In the present invention, the material of the counter electrode 24 is not particularly limited, and various materials can be used according to the purpose.

対向電極24の材料としては、例えば、
(a)アルミニウム、金、銀、白金、パラジウムなどの金属、
(b)スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In23)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)などの導電性金属酸化物、
(c)アセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系などの導電性高分子、
などがある。
As a material of the counter electrode 24, for example,
(A) Metals such as aluminum, gold, silver, platinum, palladium, etc.
(B) Tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), tin oxide (SnO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), etc. Conductive metal oxide,
(C) Conducting polymers such as acetylene type, polypyrrole type, polythiophene type, polyphenylene vinylene type,
and so on.

対向電極24の厚さや形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。   The thickness and shape of the counter electrode 24 are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose.

[1.7. 電子抽出速度]
上述したように、光吸収層18と電子輸送層16の間に窒素官能基化ナノグラフェン20を介在させると、電子抽出速度が変化する。また、光吸収層18及び電子輸送層16の材料に応じて窒素官能基化ナノグラフェン20の材料を最適化すると、電子抽出速度が高速化する。
[1.7. Electron extraction rate]
As discussed above, interposing the nitrogen functionalised nanographene 20 between the light absorbing layer 18 and the electron transport layer 16 changes the electron extraction rate. In addition, when the material of the nitrogen-functionalized nanographene 20 is optimized according to the materials of the light absorption layer 18 and the electron transport layer 16, the electron extraction rate is accelerated.

具体的には、材料の組み合わせを最適化することによって、次の(a)式で表される相対電子抽出速度(R)が10%以上60%以下となる。
R=r1×100/r2 ・・・(a)
但し、
1は、760nmでの過渡吸収の減衰時間測定により算出した、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含む前記光電変換素子の電子抽出速度(ps)、
2は、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含まない以外は前記r 1 の測定に用いた前記光電変換素子と同一の構成を備えた光電変換素子を用いて、前記r1と同一条件下で測定及び算出された電子抽出速度(ps)。
Specifically, the relative electron extraction rate (R) represented by the following equation (a) is 10% or more and 60% or less by optimizing the combination of materials.
R = r 1 × 100 / r 2 (a)
However,
r 1 is the electron extraction rate (ps) of the photoelectric conversion device containing the nitrogen-functionalized nanographene, which is calculated by measuring the decay time of the transient absorption at 760 nm,
r 2 is the addition of nitrogen-free functionalized nanographene by using a photoelectric conversion element having the same structure as the photoelectric conversion device used for measurement of the r 1, before Symbol r 1 and under the same conditions Measured and calculated electron extraction rate (ps).

[2. 窒素官能基化ナノグラフェンの製造方法(1)]
窒素官能基化ナノグラフェンを製造するための第1の方法は、
π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液に酸化グラファイト又はグラフェン酸化物を分散させる分散工程と、
前記水溶液を60℃以上で加熱する加熱工程と
を備えている。
[2. Method for producing nitrogen functionalized nanographene (1)]
The first method for producing nitrogen functionalized nanographene is
dispersing the graphite oxide or graphene oxide in an aqueous solution in which a compound having a π-conjugated nitrogen functional group is dissolved;
And heating the aqueous solution at 60 ° C. or higher.

[2.1. 分散工程]
まず、π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液に酸化グラファイト又はグラフェン酸化物を分散させる(分散工程)。
[2.1. Dispersion process]
First, graphite oxide or graphene oxide is dispersed in an aqueous solution in which a compound having a π-conjugated nitrogen functional group is dissolved (dispersion step).

[2.1.1. π共役性窒素官能基を持つ化合物]
「π共役性窒素官能基を持つ化合物(以下、「窒素含有化合物」ともいう)」とは、非共有電子対を有する窒素原子を構成元素として含む官能基を持つ化合物であって、水に溶解又は分散可能なものをいう。出発原料には、いずれか1種の窒素含有化合物を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。
窒素含有化合物は、水に溶解又は分散させた水溶液の状態で使用される。水溶液に含まれる窒素含有化合物の濃度は、特に限定されるものではなく、出発原料の種類や要求される特性などに応じて最適な濃度を選択すればよい。窒素含有化合物の濃度は、通常、0.1〜10mol/Lである。
[2.1.1. Compound Having a π-Conjugating Nitrogen Functional Group]
The “compound having a π-conjugated nitrogen functional group (hereinafter also referred to as“ nitrogen-containing compound ”)” is a compound having a functional group containing a nitrogen atom having an unshared electron pair as a constituent element, and is soluble in water Or it means something that can be dispersed. As the starting material, any one of nitrogen-containing compounds may be used, or two or more may be used.
The nitrogen-containing compound is used in the form of an aqueous solution dissolved or dispersed in water. The concentration of the nitrogen-containing compound contained in the aqueous solution is not particularly limited, and an optimum concentration may be selected according to the type of the starting material, the required characteristics, and the like. The concentration of the nitrogen-containing compound is usually 0.1 to 10 mol / L.

窒素含有化合物としては、例えば、2,3−ジアミノナフタレン(DAN)、o−フェニレンジアミン(o−PD)、アニリン、アンモニア、ジメチルホルムアミド、ジフェニルリン酸アジド、パラメチルレッドなどがある。   Examples of the nitrogen-containing compound include 2,3-diaminonaphthalene (DAN), o-phenylenediamine (o-PD), aniline, ammonia, dimethylformamide, diphenylphosphate azide, and paramethyl red.

[2.1.2. 酸化グラファイト及びグラフェン酸化物]
「酸化グラファイト」とは、グラファイトを構成するグラフェン層のエッジ及び/又は基底面上に酸素含有官能基(例えば、−COOH基、−OH基、−C−O−C−基など)が結合しているものをいう。酸化グラファイトは、例えば、強酸(濃硫酸)中で酸化剤(過マンガン酸カリウム、硝酸カリウムなど)を用いてグラファイトを酸化させることにより得られる。
[2.1.2. Graphite oxide and graphene oxide]
In “graphite oxide”, an oxygen-containing functional group (eg, —COOH group, —OH group, —C—O—C— group, etc.) is bonded to the edge and / or basal plane of the graphene layer constituting the graphite Say what you are doing. Graphite oxide is obtained, for example, by oxidizing graphite in a strong acid (concentrated sulfuric acid) using an oxidizing agent (such as potassium permanganate or potassium nitrate).

「グラフェン酸化物」とは、酸化グラファイトの層間を剥離させることにより得られるシート状物質をいう。グラフェン酸化物は、例えば、酸化グラファイトを水溶液中に分散させ、超音波を照射することにより得られる。
本発明において、出発原料には、層間剥離を行う前の酸化グラファイト又は層間剥離させたグラフェン酸化物のいずれか一方を用いても良く、あるいは、双方を用いても良い。
The “graphene oxide” refers to a sheet-like substance obtained by peeling the layers of graphite oxide. Graphene oxide can be obtained, for example, by dispersing graphite oxide in an aqueous solution and irradiating it with ultrasonic waves.
In the present invention, as the starting material, either one of graphite oxide before delamination or graphene oxide separated by delamination may be used, or both of them may be used.

酸化グラファイト及び/又はグラフェン酸化物は、窒素含有化合物を含む水溶液に添加される。水溶液に含まれる酸化グラファイト及び/又はグラフェン酸化物の量は、特に限定されるものではなく、出発原料の種類や要求される特性などに応じて最適な量を選択すればよい。酸化グラファイト及び/又はグラフェン酸化物の量は、通常、0.1〜50g/Lである。   Graphite oxide and / or graphene oxide are added to the aqueous solution containing the nitrogen-containing compound. The amount of graphite oxide and / or graphene oxide contained in the aqueous solution is not particularly limited, and an optimum amount may be selected according to the type of the starting material, the required characteristics, and the like. The amount of graphite oxide and / or graphene oxide is usually 0.1 to 50 g / L.

[2.2. 加熱工程]
次に、窒素含有化合物を分散させた水溶液に酸化グラファイト及び/又はグラフェン酸化物を分散させた後、水溶液を加熱する(加熱工程)。
加熱は、反応速度を速くするために行う。加熱温度が水溶液の沸点を超える場合、加熱は、密閉容器内で行う。
[2.2. Heating process]
Next, after graphite oxide and / or graphene oxide are dispersed in an aqueous solution in which a nitrogen-containing compound is dispersed, the aqueous solution is heated (heating step).
Heating is performed to accelerate the reaction. When the heating temperature exceeds the boiling point of the aqueous solution, the heating is performed in a closed vessel.

加熱温度が低すぎると、現実的な時間内に反応が十分進行しない。従って、加熱温度は、60℃以上である必要がある。加熱温度は、さらに好ましくは、70℃以上、さらに好ましくは、80℃以上である。
一方、加熱温度が高くなりすぎると、置換や結合した窒素が脱離するおそれがある。また、高価な耐圧容器が必要となり、製造コストが増大する。従って、加熱温度は、200℃以下が好ましい。加熱温度は、さらに好ましくは、180℃以下、さらに好ましくは、160℃以下である。
If the heating temperature is too low, the reaction does not proceed sufficiently in a realistic time. Therefore, the heating temperature needs to be 60 ° C. or more. The heating temperature is more preferably 70 ° C. or more, still more preferably 80 ° C. or more.
On the other hand, if the heating temperature becomes too high, there is a risk that the substituted or bonded nitrogen may be eliminated. In addition, an expensive pressure-resistant container is required, which increases the manufacturing cost. Therefore, the heating temperature is preferably 200 ° C. or less. The heating temperature is more preferably 180 ° C. or less, still more preferably 160 ° C. or less.

加熱時間は、加熱温度に応じて最適な時間を選択する。一般に、加熱温度が高くなるほど、短時間で反応を進行させることができる。加熱時間は、通常、1〜20時間である。   The heating time is selected in accordance with the heating temperature. Generally, the higher the heating temperature, the shorter the reaction can be progressed. The heating time is usually 1 to 20 hours.

加熱条件を最適化すると、窒素官能基化ナノグラフェンの窒素含有量、平均厚さ、及び平均サイズを制御できる。一般に、加熱温度が高くなるほど、及び/又は、加熱時間が長くなるほど、窒素含有量が減少し、平均厚さが薄くなり、あるいは、平均サイズが小さくなる。
得られた窒素官能基化ナノグラフェンは、そのまま光電変換素子の製造に用いても良く、あるいは、必要に応じて、洗浄、ろ過及び/又は透析を行っても良い。
Optimizing the heating conditions can control the nitrogen content, average thickness, and average size of the nitrogen functionalized nanographene. Generally, the higher the heating temperature and / or the longer the heating time, the lower the nitrogen content, the thinner the average thickness or the smaller the average size.
The obtained nitrogen-functionalized nanographene may be used as it is for the production of a photoelectric conversion device, or, if necessary, washing, filtration and / or dialysis may be performed.

[3. 窒素官能基化ナノグラフェンの製造方法(2)]
窒素官能基化ナノグラフェンを製造するための第2の方法は、
ナノグラフェンを製造するナノグラフェン製造工程と、
π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液にナノグラフェンを分散させる分散工程と、
前記水溶液を60℃以上で加熱する加熱工程と
を備えている。
[3. Method for producing nitrogen functionalized nanographene (2)]
A second method for producing nitrogen functionalized nanographene is
A nanographene manufacturing process for manufacturing nanographene,
dispersing nanographene in an aqueous solution in which a compound having a π-conjugated nitrogen functional group is dissolved;
And heating the aqueous solution at 60 ° C. or higher.

[3.1. ナノグラフェン製造工程]
ナノグラフェンは、酸化グラファイト又はグラフェン酸化物をアルカリ性水溶液中に分散させ、密閉容器中で60℃以上に加熱することで合成することができる。あるいは、ナノグラファイト粒子を、例えば、強酸(濃硫酸)中で酸化剤(過マンガン酸カリウム、硝酸カリウムなど)を用いて酸化させることにより合成することができる。
[3.1. Nano-graphene manufacturing process]
Nanographene can be synthesized by dispersing graphite oxide or graphene oxide in an aqueous alkaline solution and heating the dispersion in a closed vessel at 60 ° C. or higher. Alternatively, nanographite particles can be synthesized, for example, by oxidation using an oxidizing agent (such as potassium permanganate or potassium nitrate) in a strong acid (concentrated sulfuric acid).

[3.2. 分散工程、加熱工程]
次に、π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液にナノグラフェンを分散(分散工程)させ、前記水溶液を60℃以上で加熱する(加熱工程)。これにより、π共役性窒素官能基がナノグラフェンに導入される。
分散工程、及び加熱工程のその他の点については、第1の方法と同様であるので、説明を省略する。
[3.2. Dispersion process, heating process]
Next, nanographene is dispersed in an aqueous solution in which a compound having a π-conjugated nitrogen functional group is dissolved (dispersion step), and the aqueous solution is heated at 60 ° C. or higher (heating step). Thereby, the π-conjugated nitrogen functional group is introduced into the nanographene.
The other steps of the dispersing step and the heating step are the same as in the first method, and thus the description thereof is omitted.

[4. 光電変換素子の製造方法]
本発明に係る光電変換素子は、
(1)下部電極14の表面に電子輸送層16を形成し(電子輸送層形成工程)、
(2)電子輸送層16の表面に窒素官能基化ナノグラフェン20を吸着させ(窒素官能基化ナノグラフェン形成工程)、
(3)窒素官能基化ナノグラフェン20を吸着させた電子輸送層16の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層18を形成し(光吸収層形成工程)、
(4)光吸収層18の表面にホール輸送層22を形成し(ホール輸送層形成工程)、
(5)ホール輸送層22の表面に対向電極24を形成する(対向電極形成工程)
ことにより製造することができる。
[4. Method of manufacturing photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element according to the present invention is
(1) forming an electron transport layer 16 on the surface of the lower electrode 14 (electron transport layer forming step);
(2) nitrogen-functionalized nanographene 20 is adsorbed on the surface of the electron transport layer 16 (nitrogen-functionalized nanographene formation step),
(3) A light absorbing layer 18 made of a halide organic-inorganic hybrid perovskite is formed on the surface of the electron transporting layer 16 on which the nitrogen-functionalized nanographene 20 is adsorbed (light absorbing layer forming step)
(4) forming a hole transport layer 22 on the surface of the light absorption layer 18 (hole transport layer forming step);
(5) The counter electrode 24 is formed on the surface of the hole transport layer 22 (counter electrode forming step)
Can be manufactured by

[4.1. 電子輸送層形成工程]
まず、下部電極14の表面に電子輸送層16を形成する(電子輸送層形成工程)。電子輸送層16の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。
例えば、多孔質の電子輸送層16は、金属酸化物半導体のナノ粒子又はコロイドを下部電極14の表面に塗布し、加熱することにより製造することができる。電子輸送層16の厚さは、ナノ粒子又はコロイドの塗布量により制御することができる。また、電子輸送層16の比表面積は、ナノ粒子又はコロイドの粒径や加熱温度により制御することができる。
緻密質の電子輸送層16は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法、PVD法などにより製造することができる。
[4.1. Electron transport layer formation process]
First, the electron transport layer 16 is formed on the surface of the lower electrode 14 (electron transport layer formation step). The method of forming the electron transport layer 16 is not particularly limited, and various methods can be used depending on the purpose.
For example, the porous electron transport layer 16 can be manufactured by applying a metal oxide semiconductor nanoparticle or colloid to the surface of the lower electrode 14 and heating it. The thickness of the electron transport layer 16 can be controlled by the amount of nanoparticles or colloid applied. The specific surface area of the electron transport layer 16 can be controlled by the particle size of the nanoparticles or colloid and the heating temperature.
The dense electron transport layer 16 can be manufactured by, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method, a CVD method, a PVD method, or the like.

[4.2. 窒素官能基化ナノグラフェン形成工程]
次に、電子輸送層16の表面に窒素官能基化ナノグラフェン20を吸着させる(窒素官能基化ナノグラフェン形成工程)。
具体的には、窒素官能基化ナノグラフェン20を分散媒に分散させた分散液を電子輸送層16の表面に塗布し、溶媒を揮発させる。電子輸送層16が多孔質層である場合、分散液の一部は、電子輸送層16の表面だけでなく、開気孔内にも侵入する場合がある(図1参照)。分散媒の種類、分散液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
[4.2. Nitrogen-functionalized nanographene formation process]
Next, nitrogen-functionalized nanographene 20 is adsorbed on the surface of the electron transport layer 16 (nitrogen-functionalized nanographene formation step).
Specifically, a dispersion liquid in which nitrogen-functionalized nanographene 20 is dispersed in a dispersion medium is applied to the surface of the electron transport layer 16 to evaporate the solvent. When the electron transport layer 16 is a porous layer, part of the dispersion may penetrate not only to the surface of the electron transport layer 16 but also into open pores (see FIG. 1). The type of dispersion medium, the concentration of the dispersion, the drying conditions and the like are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose.

[4.3. 光吸収層形成工程]
次に、窒素官能基化ナノグラフェン20を吸着させた電子輸送層16の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層18を形成する(光吸収層形成工程)。
具体的には、ハイブリッド型ペロブスカイトを溶媒に溶解させた溶液を電子輸送層16の表面に塗布し、溶媒を揮発させる。電子輸送層16が多孔質層である場合、溶液の一部は、電子輸送層16の開気孔内にも侵入する場合がある。溶媒の種類、溶液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
[4.3. Light Absorbing Layer Forming Step]
Next, the light absorption layer 18 made of a halide organic-inorganic hybrid perovskite is formed on the surface of the electron transport layer 16 to which the nitrogen-functionalized nanographene 20 is adsorbed (light absorption layer formation step).
Specifically, a solution in which the hybrid perovskite is dissolved in a solvent is applied to the surface of the electron transport layer 16 to evaporate the solvent. When the electron transport layer 16 is a porous layer, part of the solution may penetrate into the open pores of the electron transport layer 16. The type of solvent, the concentration of the solution, the drying conditions and the like are not particularly limited, and an optimal one can be selected according to the purpose.

[4.4. ホール輸送層形成工程]
次に、光吸収層18の表面にホール輸送層22を形成する(ホール輸送層形成工程)。
ホール輸送層は、溶液塗布法などにより作製することができる。具体的には、ホール輸送層22を構成する材料を溶媒に溶解させた溶液又は分散媒に分散させた分散液を光吸収層18の表面に塗布し、溶媒又は分散媒を揮発させる。溶媒又は分散媒の種類、溶液又は分散液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
[4.4. Hole transport layer formation process]
Next, the hole transport layer 22 is formed on the surface of the light absorption layer 18 (hole transport layer formation step).
The hole transport layer can be produced by a solution coating method or the like. Specifically, a solution in which a material constituting the hole transport layer 22 is dissolved in a solvent or a dispersion in which a dispersion medium is dispersed is applied to the surface of the light absorption layer 18, and the solvent or dispersion medium is volatilized. The type of solvent or dispersion medium, the concentration of the solution or dispersion, the drying conditions, and the like are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose.

[4.5. 対向電極形成工程]
次に、ホール輸送層22の表面に対向電極24を形成する(対向電極形成工程)。対向電極24の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。対向電極24の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、溶液塗布法などがある。
[4.5. Counter electrode formation process]
Next, the counter electrode 24 is formed on the surface of the hole transport layer 22 (counter electrode forming step). The method of forming the counter electrode 24 is not particularly limited, and an optimal method can be selected according to the purpose. Examples of a method of forming the counter electrode 24 include a vacuum evaporation method, a sputtering method, a solution coating method, and the like.

[5. 作用]
ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、光吸収層において励起された電子は、通常、光吸収層から電子輸送層に移動する。
このような光電変換素子において、電子輸送層と光吸収層との界面に窒素官能基化ナノグラフェンを挿入すると、電子抽出速度が変化する。特に、窒素官能基化ナノグラフェンのLUMOエネルギー準位が、光吸収層のLUMOエネルギー準位と電子輸送層のLUMOエネルギー準位の中間にある場合、電子抽出速度が高速化する。
これは、励起された電子が光吸収層から窒素官能基化ナノグラフェンを介して電子輸送層に移動するため、及び、これによって電子が易移動化するためと考えられる。
[5. Action]
In a photoelectric conversion element using a halide organic-inorganic hybrid perovskite as a light absorption layer, electrons excited in the light absorption layer generally move from the light absorption layer to the electron transport layer.
In such a photoelectric conversion device, when nitrogen-functionalized nanographene is inserted at the interface between the electron transport layer and the light absorption layer, the electron extraction rate changes. In particular, when the LUMO energy level of the nitrogen-functionalized nanographene is between the LUMO energy level of the light absorption layer and the LUMO energy level of the electron transport layer, the electron extraction speed is increased.
This is considered to be because the excited electrons move from the light absorption layer to the electron transport layer through the nitrogen-functionalized nanographene and thereby the electrons are easily moved.

(参考例1、実施例2、参考例3〜4、実施例5、比較例1)
[1. 試料の作製]
[1.1. 比較例1]
[1.1.1. TiO2層の形成]
透明導電性基板として、ガラス基板上にスズ添加酸化インジウム(ITO)膜が形成された基板を用いた。TiO2層(電子輸送層)の形成には、0.75gの無水エタノール中に0.3gのチタンペースト(DYESOL社製、18NR−T)を溶解した溶液を用いた。
透明導電性基板の表面をUV/オゾンにより洗浄した後、TiO2溶液を、スピンコーターを用いて2,000rpmで30秒の条件で基板上に塗布した。この基板を、空気中、550℃で30分間加熱処理することで、多孔性を有したTiO2層を形成した。
(Reference Example 1, Example 2, Reference Examples 3 to 4, Example 5 and Comparative Example 1)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Comparative Example 1]
[1.1.1. Formation of TiO 2 layer]
As a transparent conductive substrate, a substrate in which a tin-doped indium oxide (ITO) film was formed on a glass substrate was used. For formation of the TiO 2 layer (electron transport layer), a solution of 0.3 g of titanium paste (manufactured by DYESOL, 18 NR-T) dissolved in 0.75 g of absolute ethanol was used.
After cleaning the surface of the transparent conductive substrate with UV / ozone, a TiO 2 solution was applied on the substrate under conditions of 2,000 rpm for 30 seconds using a spin coater. The substrate was heat-treated in air at 550 ° C. for 30 minutes to form a porous TiO 2 layer.

[1.1.2. CH3NH3PbI3の合成]
エタノール中に33wt%のメチルアミン(CH3NH2)を溶解させたメチルアミン溶液、及び、水に57wt%のヨウ化水素(HI)を溶解させたヨウ化水素溶液を調製した。38mL(0.3mol)のメチルアミン溶液に、40mL(0.3mol)のヨウ化水素溶液を窒素バブリングを行いながら滴下し、氷浴下で2時間攪拌した。この溶液をロータリーエバポレーターを用いて乾固させ、再精製することでヨウ化メチルアミン(CH3NH3I)を合成した。
次に、合成したヨウ化メチルアミンとヨウ化鉛(PbI2)とをモル比1:1の割合で、ジメチルスルホキシド((CH3)2SO)に30wt%濃度になるように溶解し、CH3NH3PbI3のジメチルスルホキシド溶液を調製した。
[1.1.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
A methylamine solution in which 33 wt% methylamine (CH 3 NH 2 ) was dissolved in ethanol, and a hydrogen iodide solution in which 57 wt% hydrogen iodide (HI) was dissolved in water were prepared. To 38 mL (0.3 mol) of methylamine solution, 40 mL (0.3 mol) of a hydrogen iodide solution was dropped while nitrogen bubbling was performed, and the mixture was stirred for 2 hours in an ice bath. This solution was dried using a rotary evaporator and repurified to synthesize methyl iodide (CH 3 NH 3 I).
Next, the synthesized methyl iodide and lead iodide (PbI 2 ) are dissolved in dimethylsulfoxide ((CH 3 ) 2 SO) in a molar ratio of 1: 1 so that the concentration becomes 30 wt%, and CH A solution of 3 NH 3 PbI 3 in dimethyl sulfoxide was prepared.

[1.1.3. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト(CH3NH3PbI3)のジメチルスルホキシド溶液を、3,000回転で300秒間展開して被覆した。次いで、100℃で45分間乾燥させることで、ハイブリッド型ペロブスカイト化合物(CH3NH3PbI3)の茶褐色結晶を多孔性TiO2層の表面に形成した。
次に、この表面にホール輸送層としてSpiro薄膜を形成した。最後に、これらの積層膜の最上層に、銀の薄膜を対向電極として成膜することで、光電変換素子を作製した。
[1.1.3. Fabrication of photoelectric conversion element]
A solution of a halide organic-inorganic hybrid perovskite (CH 3 NH 3 PbI 3 ) in dimethyl sulfoxide was spread on the surface of a porous TiO 2 layer on a transparent conductive substrate for 300 seconds at 3,000 rpm. Next, by drying at 100 ° C. for 45 minutes, brown-brown crystals of the hybrid perovskite compound (CH 3 NH 3 PbI 3 ) were formed on the surface of the porous TiO 2 layer.
Next, a Spiro thin film was formed on this surface as a hole transport layer. Finally, a thin film of silver was formed as a counter electrode on the uppermost layer of these stacked films to fabricate a photoelectric conversion element.

[1.2. 参考例1
[1.2.1. TiO2層の形成]
比較例1と同様にして、透明導電性基板上に多孔性TiO2層を形成した。
[1.2.2. CH3NH3PbI3の合成]
比較例1と同様にして、CH3NH3PbI3を合成した。
[1.2. Reference Example 1 ]
[1.2.1. Formation of TiO 2 layer]
In the same manner as Comparative Example 1, a porous TiO 2 layer was formed on a transparent conductive substrate.
[1.2.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
In the same manner as Comparative Example 1, CH 3 NH 3 PbI 3 was synthesized.

[1.2.3. ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェンの合成]
ジアミノナフタレン基を有するナノグラフェンの合成は、2,3−ジアミノナフタレン(DAN)を添加した水溶液中にナノグラフェンを分散させ、オートクレーブ中で加熱処理することにより行った。
10mgのナノグラフェンを5mLのイオン交換水に分散させた。得られた分散液に、20mgの2,3−ジアミノナフタレンをさらに加えて分散させた。得られた分散液を密閉容器中、180℃×12時間で加熱した。加熱後、充分に洗浄を行い、ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェンを分離した(図2参照)。
[1.2.3. Synthesis of diaminonaphthalene modified nanographene]
The synthesis of nanographene having a diaminonaphthalene group was performed by dispersing nanographene in an aqueous solution to which 2,3-diaminonaphthalene (DAN) is added, and heat treatment in an autoclave.
10 mg of nanographene was dispersed in 5 mL of ion exchanged water. To the obtained dispersion, 20 mg of 2,3-diaminonaphthalene was further added and dispersed. The obtained dispersion was heated at 180 ° C. for 12 hours in a closed vessel. After heating, thorough washing was performed to separate the diaminonaphthalene group-modified nanographene (see FIG. 2).

[1.2.4. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、スピンコーターを用いて、ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェン溶液を2,000回転で30秒間展開した。次いで、70℃で30分間乾燥し、ナノグラフェン層をTiO2の表面に形成した。
さらに、ナノグラフェン層の上に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト(CH3NH3PbI3)のジメチルスルホキシド溶液を、3,000回転で300秒間展開して被覆した。次いで、100℃で45分間乾燥させることで、ハイブリッド型ペロブスカイト化合物(CH3NH3PbI3)の茶褐色結晶をナノグラフェン層の表面に形成した。
次に、この表面にホール輸送層としてSpiro薄膜を形成した。最後に、これらの積層膜の最上層に、銀の薄膜を対向電極として成膜することで、光電変換素子を作製した。
[1.2.4. Fabrication of photoelectric conversion element]
The diaminonaphthalene group-modified nanographene solution was developed at 2,000 rotations for 30 seconds on the surface of the porous TiO 2 layer on the transparent conductive substrate using a spin coater. Next, it was dried at 70 ° C. for 30 minutes to form a nanographene layer on the surface of TiO 2 .
Furthermore, a dimethylsulfoxide solution of a halide-based organic-inorganic hybrid perovskite (CH 3 NH 3 PbI 3 ) was spread on the nanographene layer for 300 seconds at 3,000 rpm and coated. Next, by drying at 100 ° C. for 45 minutes, brown-brown crystals of the hybrid perovskite compound (CH 3 NH 3 PbI 3 ) were formed on the surface of the nanographene layer.
Next, a Spiro thin film was formed on this surface as a hole transport layer. Finally, a thin film of silver was formed as a counter electrode on the uppermost layer of these stacked films to fabricate a photoelectric conversion element.

[1.3. 実施例2]
[1.3.1. TiO2層の形成]
比較例1と同様にして、透明導電性基板上に多孔性TiO2層を形成した。
[1.3.2. CH3NH3PbI3の合成]
比較例1と同様にして、CH3NH3PbI3を合成した。
[1.3. Example 2]
[1.3.1. Formation of TiO 2 layer]
In the same manner as Comparative Example 1, a porous TiO 2 layer was formed on a transparent conductive substrate.
[1.3.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
In the same manner as Comparative Example 1, CH 3 NH 3 PbI 3 was synthesized.

[1.3.3. フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェンの合成]
フェニレンジアミン基を有するナノグラフェンの合成は、o−フェニレンジアミン(oPD)を添加した水溶液中にナノグラフェンを分散させ、オートクレーブ中で加熱処理することにより行った。
10mgのナノグラフェンを5mLのイオン交換水に分散させた。得られた分散液に、20mgのo−フェニレンジアミンをさらに加えて分散させた。得られた分散液を密閉容器中、180℃×12時間で加熱した。加熱後、充分に洗浄を行い、フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェンを分離した(図2参照)。
[1.3.3. Synthesis of phenylenediamine modified nanographene]
The synthesis of the nanographene having a phenylenediamine group was performed by dispersing the nanographene in an aqueous solution to which o-phenylenediamine (oPD) is added and performing heat treatment in an autoclave.
10 mg of nanographene was dispersed in 5 mL of ion exchanged water. To the obtained dispersion, 20 mg of o-phenylenediamine was further added and dispersed. The obtained dispersion was heated at 180 ° C. for 12 hours in a closed vessel. After heating, thorough washing was performed to separate phenylenediamine group-modified nanographene (see FIG. 2).

[1.3.4. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、スピンコーターを用いて、フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェン溶液を2,000回転で30秒間展開した。次いで、70℃で30分間乾燥し、ナノグラフェン層をTiO2の表面に形成した。
以下、参考例1と同様にして、光電変換素子を作製した。
[1.3.4. Fabrication of photoelectric conversion element]
The phenylenediamine group-modified nanographene solution was spread on the surface of the porous TiO 2 layer on the transparent conductive substrate using a spin coater at 2,000 rotations for 30 seconds. Next, it was dried at 70 ° C. for 30 minutes to form a nanographene layer on the surface of TiO 2 .
Thereafter, in the same manner as in Reference Example 1 , a photoelectric conversion element was produced.

[1.4. 参考例3
[1.4.1. TiO2層の形成]
比較例1と同様にして、透明導電性基板上に多孔性TiO2層を形成した。
[1.4.2. CH3NH3PbI3の合成]
比較例1と同様にして、CH3NH3PbI3を合成した。
[1.4. Reference Example 3 ]
[1.4.1. Formation of TiO 2 layer]
In the same manner as Comparative Example 1, a porous TiO 2 layer was formed on a transparent conductive substrate.
[1.4.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
In the same manner as Comparative Example 1, CH 3 NH 3 PbI 3 was synthesized.

[1.4.3. アゾ基修飾ナノグラフェンの合成]
氷浴下(5℃以下)で濃塩酸(3.4mL)とイオン交換水(4mL)の混合液にアニリン(37.2mg)を加えた後、ゆっくりと亜硝酸ナトリウム(28mg)とイオン交換水(0.24mL)の混合液を加えた。ヨウ化カリウムでんぷん紙が青色を呈したのを確認し、反応溶液を、ナノグラフェン(2.4mg)、イオン交換水(0.4mg)、水酸化ナトリウム(12mg)の混合液にゆっくりと加えると、黒赤色沈殿を生じた。
[1.4.3. Synthesis of azo group modified nanographene]
Aniline (37.2 mg) is added to a mixture of concentrated hydrochloric acid (3.4 mL) and ion-exchanged water (4 mL) in an ice bath (5 ° C. or less), and then slowly sodium nitrite (28 mg) and ion-exchanged water A mixture of (0.24 mL) was added. After confirming that the potassium iodide starch paper turned blue, the reaction solution was slowly added to a mixture of nanographene (2.4 mg), ion exchanged water (0.4 mg) and sodium hydroxide (12 mg), A black-red precipitate formed.

さらに、反応溶液を水酸化ナトリウム(120mg)とイオン交換水(1.2mL)の混合液で微アルカリ性にして1時間攪拌した。反応溶液を遠心分離(13400rpm、30min)し、沈殿物を回収し、イオン交換水で再分散させた。3日間の透析(1000Da)を行い、精製した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるアゾ基修飾ナノグラフェンを得た(図2)。   Furthermore, the reaction solution was slightly alkalized with a mixture of sodium hydroxide (120 mg) and ion-exchanged water (1.2 mL) and stirred for 1 hour. The reaction solution was centrifuged (13400 rpm, 30 min), and the precipitate was collected and redispersed with ion exchanged water. Three days of dialysis (1000 Da) were performed and purified. The purified aqueous dispersion was lyophilized to obtain the desired azo group-modified nanographene (FIG. 2).

[1.4.4. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、スピンコーターを用いて、アゾ基修飾ナノグラフェン溶液を2,000回転で30秒間展開した。次いで、70℃で30分間乾燥し、ナノグラフェン層をTiO2の表面に形成した。
以下、参考例1と同様にして、光電変換素子を作製した。
[1.4.4. Fabrication of photoelectric conversion element]
On the surface of the porous TiO 2 layer on the transparent conductive substrate, an azo group-modified nanographene solution was developed at 2,000 rotations for 30 seconds using a spin coater. Next, it was dried at 70 ° C. for 30 minutes to form a nanographene layer on the surface of TiO 2 .
Thereafter, in the same manner as in Reference Example 1 , a photoelectric conversion element was produced.

[1.5. 参考例4
[1.5.1. TiO2層の形成]
比較例1と同様にして、透明導電性基板上に多孔性TiO2層を形成した。
[1.5.2. CH3NH3PbI3の合成]
比較例1と同様にして、CH3NH3PbI3を合成した。
[1.5. Reference Example 4 ]
[1.5.1. Formation of TiO 2 layer]
In the same manner as Comparative Example 1, a porous TiO 2 layer was formed on a transparent conductive substrate.
[1.5.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
In the same manner as Comparative Example 1, CH 3 NH 3 PbI 3 was synthesized.

[1.5.3. アミン基修飾ナノグラフェンの合成]
イオン交換水(3.1mL)にナノグラフェン(5mg)を分散させ、28%アンモニア水(1.9mL)を加えて超音波処理を30分間施した。分散液をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のオートクレーブ容器に入れて加熱処理(100℃、5h)した。
反応後の分散液を0.2μmのPTFEフィルターで濾過し、濾液を透析チューブ(1000Da)に入れ、3日間透析した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるアミン基修飾ナノグラフェンを得た(図2)。
[1.5.3. Synthesis of amine group modified nanographene]
Nanographene (5 mg) was dispersed in ion-exchanged water (3.1 mL), 28% aqueous ammonia (1.9 mL) was added, and ultrasonication was applied for 30 minutes. The dispersion was placed in an autoclave made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and heat-treated (100 ° C., 5 h).
The reaction dispersion was filtered through a 0.2 μm PTFE filter, and the filtrate was placed in a dialysis tube (1000 Da) and dialyzed for 3 days. The purified aqueous dispersion was freeze-dried to obtain the desired substance, amine group-modified nanographene (FIG. 2).

[1.5.4. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、スピンコーターを用いて、アミン基修飾ナノグラフェン溶液を2,000回転で30秒間展開した。次いで、70℃で30分間乾燥し、ナノグラフェン層をTiO2の表面に形成した。
以下、参考例1と同様にして、光電変換素子を作製した。
[1.5.4. Fabrication of photoelectric conversion element]
On the surface of the porous TiO 2 layer on the transparent conductive substrate, an amine group-modified nanographene solution was developed at 2,000 rotations for 30 seconds using a spin coater. Next, it was dried at 70 ° C. for 30 minutes to form a nanographene layer on the surface of TiO 2 .
Thereafter, in the same manner as in Reference Example 1 , a photoelectric conversion element was produced.

[1.6. 実施例5]
[1.6.1. TiO2層の形成]
比較例1と同様にして、透明導電性基板上に多孔性TiO2層を形成した。
[1.6.2. CH3NH3PbI3の合成]
比較例1と同様にして、CH3NH3PbI3を合成した。
[1.6. Example 5]
[1.6.1. Formation of TiO 2 layer]
In the same manner as Comparative Example 1, a porous TiO 2 layer was formed on a transparent conductive substrate.
[1.6.2. Synthesis of CH 3 NH 3 PbI 3 ]
In the same manner as Comparative Example 1, CH 3 NH 3 PbI 3 was synthesized.

[1.5.3. ジメチルアミン基修飾ナノグラフェンの合成]
ジメチルホルムアミド(5mL)にナノグラフェン(5mg)を分散させ、超音波処理(30min)した後、分散液を還流処理(24h)した。反応後のジメチルホルムアミド分散液を溶媒留去し、イオン交換水で再分散させた。
水分散液を0.2μmのPTFEフィルターで濾過し、濾液を透析チューブ(1000Da)に入れ、3日間透析した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるジメチルアミン基修飾ナノグラフェンを得た(図2)。
[1.5.3. Synthesis of dimethylamine group modified nanographene]
Nanographene (5 mg) was dispersed in dimethylformamide (5 mL), sonicated (30 min), and the dispersion was refluxed (24 h). After the reaction, the dimethylformamide dispersion was evaporated and re-dispersed with ion exchanged water.
The aqueous dispersion was filtered through a 0.2 μm PTFE filter, and the filtrate was placed in a dialysis tube (1000 Da) and dialyzed for 3 days. The purified aqueous dispersion was lyophilized to obtain the target product dimethylamine group-modified nanographene (FIG. 2).

[1.6.4. 光電変換素子の作製]
透明導電性基板上の多孔性TiO2層の表面に、スピンコーターを用いて、ジメチルアミン基修飾ナノグラフェン溶液を2,000回転で30秒間展開した。次いで、70℃で30分間乾燥し、ナノグラフェン層をTiO2の表面に形成した。
以下、参考例1と同様にして、光電変換素子を作製した。
[1.6.4. Fabrication of photoelectric conversion element]
The dimethylamine group-modified nanographene solution was developed at 2,000 rotations for 30 seconds on the surface of the porous TiO 2 layer on the transparent conductive substrate using a spin coater. Next, it was dried at 70 ° C. for 30 minutes to form a nanographene layer on the surface of TiO 2 .
Thereafter, in the same manner as in Reference Example 1 , a photoelectric conversion element was produced.

[2. 試験方法]
[2.1. LUMOエネルギー準位]
LUMOエネルギー準位は、サイクリックボルタンメトリー(CV)法により計測を行った。CV計測は、標準的な3電極系によって行った。ここで、白金線を対向電極に、銀線を参照電極に用いた。作用電極は、グラッシーカーボンディスク上に窒素官能基化ナノグラフェンの分散溶液を滴下乾燥することで作製した。電解液には、0.1Mのヘキサフルオロりん酸テトラブチルアンモニウムを含むアセトニトリル溶液を用いた。計測は、−2Vから2Vの間を作用電極の電位を挿引して電流を計測することにより行った。
[2. Test method]
[2.1. LUMO energy level]
The LUMO energy level was measured by cyclic voltammetry (CV) method. CV measurements were performed with a standard 3-electrode system. Here, a platinum wire was used as a counter electrode, and a silver wire was used as a reference electrode. The working electrode was made by dropping and drying a dispersion solution of nitrogen functionalized nanographene on a glassy carbon disk. As an electrolyte, an acetonitrile solution containing 0.1 M tetrabutylammonium hexafluorophosphate was used. The measurement was performed by measuring the current by drawing the potential of the working electrode between -2V and 2V.

[2.3. 電子抽出速度]
フェムト秒過渡吸収時間分解分光測定装置により、760nmでの過渡吸収の時間変化を計測した。過渡吸収の減衰を指数関数で近似することで、電子抽出速度を算出した。
[2.3. Electron extraction rate]
The time change of transient absorption at 760 nm was measured by a femtosecond transient absorption time-resolved spectrometer. The electron extraction rate was calculated by approximating the decay of transient absorption with an exponential function.

[3. 結果]
[3.1. LUMOエネルギー準位]
図2に、窒素官能基化ナノグラフェンの模式図、及び、窒素官能基の導入に用いた試薬と導入された窒素官能基との関係を示す。
2,3−ジアミノナフタレン基及びo−フェニレンジアミン基は、それぞれ、ナノグラフェンの一つのRに結合している形態(R)と、隣り合う二つのRに結合している形態(R−R)の2種類の結合形態があると考えられる。
[3. result]
[3.1. LUMO energy level]
FIG. 2 shows a schematic diagram of nitrogen-functionalized nanographene and the relationship between a reagent used for introducing a nitrogen functional group and the introduced nitrogen functional group.
The 2,3-diaminonaphthalene group and the o-phenylenediamine group are each in the form (R) bound to one R of nanographene and the form (R-R) bound to two adjacent R It is believed that there are two forms of bonding.

アンモニアでナノグラフェンを処理すると、−CONH2基と−NH2基の二つの官能基が導入される。これらの内、−NH2基はπ共役性窒素官能基であるが、−CONH2基はπ共役性窒素官能基ではない。
同様に、N,N−ジメチルフォルムアミドでナノグラフェンを処理すると、−CON(CH3)2基と−N(CH3)2の二つの官能基が導入される。これらの内、−N(CH3)2基はπ共役性窒素官能基であるが、−CON(CH3)2基はπ共役性窒素官能基ではない。
Treatment of nanographene with ammonia introduces two functional groups, -CONH 2 and -NH 2 groups. Of these, the -NH 2 group is a π-conjugated nitrogen functional group, but the -CONH 2 group is not a π-conjugated nitrogen functional group.
Similarly, N, Treatment of nanographene with N- dimethylformamide, -CON (CH 3) 2 group and -N (CH 3) 2 of the two functional groups are introduced. Of these, it is -N (CH 3) 2 group is a π conjugated nitrogen functionality, -CON (CH 3) 2 group is not a π-conjugated nitrogen functionality.

これらの窒素官能基化ナノグラフェンのLUMOエネルギー準位は、それぞれ、−3.75eV(参考例1)、−4.04eV(実施例2)、−3.72eV(参考例3)、−3.98eV(参考例4)、及び、−4.02eV(実施例5)であった。すなわち、ナノグラフェンに導入するπ共役性窒素官能基の種類に応じて、窒素官能基化ナノグラフェンのLUMOエネルギー準位が変化することがわかった。 The LUMO energy levels of these nitrogen-functionalized nanographenes are -3.75 eV ( Reference Example 1 ), -4.04 eV (Example 2), -3.72 eV ( Reference Example 3 ), -3.98 eV, respectively. ( Reference Example 4 ) and -4.02 eV (Example 5). That is, it was found that the LUMO energy level of nitrogen-functionalized nanographene changes depending on the type of π-conjugated nitrogen functional group introduced into nanographene.

[3.2. 電子抽出速度]
図3に、760nmでの過渡吸収の減衰スペクトル、及び電子抽出速度の比較を示す。比較例1で得られた光電変換素子の電子抽出速度は、283(ps)であった。一方、参考例1、実施例2、参考例3〜4、実施例5で得られた光電変換素子の電子抽出速度は、それぞれ、146(ps)(参考例1)、44(ps)(実施例2)、163(ps)(参考例3)、94(ps)(参考例4)、又は、88(ps)(実施例5)であり、いずれも比較例1と比べて高速化した。また、窒素官能基化ナノグラフェンのLUMOエネルギー準位が小さくなるほど、電子抽出速度が高速化する傾向が認められた。
[3.2. Electron extraction rate]
FIG. 3 shows a comparison of the decay spectrum of transient absorption at 760 nm and the electron extraction rate. The electron extraction rate of the photoelectric conversion element obtained in Comparative Example 1 was 283 (ps). On the other hand, the electron extraction rates of the photoelectric conversion elements obtained in Reference Example 1, Example 2, Reference Examples 3 to 4, and Example 5 are 146 (ps) ( Reference Example 1 ) and 44 (ps) (Implementation Examples 2), 163 (ps) ( Reference Example 3 ), 94 (ps) ( Reference Example 4 ), or 88 (ps) (Example 5), all of which were faster than Comparative Example 1. In addition, as the LUMO energy level of nitrogen-functionalized nanographene decreases, the electron extraction rate tends to increase.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited at all to the said embodiment, A various change is possible within the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明に係る光電変換素子は、太陽光発電装置に用いることができる。   The photoelectric conversion element according to the present invention can be used for a solar power generation device.

10 光電変換素子
14 下部電極
16 電子輸送層
18 光吸収層
20 窒素官能基化ナノグラフェン
22 ホール輸送層
24 対向電極
10 photoelectric conversion element 14 lower electrode 16 electron transport layer 18 light absorption layer 20 nitrogen functionalization nanographene 22 hole transport layer 24 counter electrode

Claims (4)

以下の構成を備えた光電変換素子。
(1)前記光電変換素子は、
下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層と、
前記電子輸送層の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層と、
前記電子輸送層と前記光吸収層との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェンと、
前記光吸収層の表面に形成されたホール輸送層と、
前記ホール輸送層の表面に形成された対向電極と
を備えている。
(2)前記窒素官能基化ナノグラフェンは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されたものからなる。
(3)前記窒素官能基化ナノグラフェンの平均質量は、1000m/z以上50000m/z以下である。
(4)前記π共役性窒素官能基は、ジメチルアミン基、及び/又は、フェニレンジアミン基を含む。
The photoelectric conversion element provided with the following structures.
(1) The photoelectric conversion element is
Lower electrode,
An electron transport layer of a metal oxide semiconductor formed on the surface of the lower electrode;
A light absorbing layer formed of a halide organic-inorganic hybrid perovskite formed on the surface of the electron transporting layer;
Nitrogen-functionalized nanographene inserted at the interface between the electron transport layer and the light absorption layer;
A hole transport layer formed on the surface of the light absorption layer;
And a counter electrode formed on the surface of the hole transport layer.
(2) The nitrogen-functionalized nanographene consists of nanographene in which a π-conjugated nitrogen functional group is introduced.
(3) The average mass of the nitrogen-functionalized nanographene is not less than 1000 m / z and not more than 50000 m / z.
(4) The π-conjugated nitrogen functional group includes a dimethylamine group and / or a phenylenediamine group.
前記ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトは、
(a)CH3NH3MX3(但し、Mは、2価の金属イオン。Xは、F、Cl、Br、又はI。以下同じ。)
(b)(CH3(CH2)nCHCH3NH3)2MX4(n=5〜8)、及び、
(c)(C6524NH3)2MX4
からなる群から選ばれるいずれか1以上からなる請求項1に記載の光電変換素子。
The halide organic-inorganic hybrid perovskite is
(A) CH 3 NH 3 MX 3 (where M is a divalent metal ion, X is F, Cl, Br or I. hereinafter the same.)
(B) (CH 3 (CH 2 ) n CHCH 3 NH 3 ) 2 MX 4 (n = 5 to 8), and
(C) (C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3) 2 MX 4
The photoelectric conversion element according to claim 1, comprising any one or more selected from the group consisting of:
前記窒素官能基化ナノグラフェンのLUMOエネルギー準位は、前記光吸収層のLUMOエネルギー準位と前記電子輸送層のLUMOエネルギー準位の中間にある請求項1又は2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion device according to claim 1 , wherein the LUMO energy level of the nitrogen-functionalized nanographene is intermediate between the LUMO energy level of the light absorption layer and the LUMO energy level of the electron transport layer. 次の(a)式で表される相対電子抽出速度(R)が10%以上60%以下である請求項1から3までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
R=r1×100/r2 ・・・(a)
但し、
1は、760nmでの過渡吸収の減衰時間測定により算出した、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含む前記光電変換素子の電子抽出速度(ps)、
2は、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含まない以外は前記r 1 の測定に用いた前記光電変換素子と同一の構成を備えた光電変換素子を用いて、前記r1と同一条件下で測定及び算出された電子抽出速度(ps)。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein a relative electron extraction rate (R) represented by the following formula (a) is 10% or more and 60% or less.
R = r 1 × 100 / r 2 (a)
However,
r 1 is the electron extraction rate (ps) of the photoelectric conversion device containing the nitrogen-functionalized nanographene, which is calculated by measuring the decay time of the transient absorption at 760 nm,
r 2 is the addition of nitrogen-free functionalized nanographene by using a photoelectric conversion element having the same structure as the photoelectric conversion device used for measurement of the r 1, before Symbol r 1 and under the same conditions Measured and calculated electron extraction rate (ps).
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