JP6745116B2 - フレキシブル太陽電池 - Google Patents
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Description
しかしながら、フレキシブル基材上に有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層を有するフレキシブル太陽電池を製造した場合、極端に光電変換効率が低下したり、起電しなかったりする不良品が発生することがあるという問題があった。
以下に本発明を詳述する。
本発明者らは、更に鋭意検討の結果、フレキシブル基材の光電変換層側の表面のJIS0601−2001に準拠して測定された最大高さRzを一定以下とすることにより、不良品の発生を抑制できることを見出し、本発明を完成した。
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。
ここで、フレキシブル基材と透明電極との間の平均厚みとは、本発明の太陽電池がフレキシブル基材と透明電極との間に光電変換層のみを有する場合には該光電変換層の平均厚みを意味し、フレキシブル基材と透明電極との間に電子輸送層、光電変換層及びホール輸送層を有する場合には電子輸送層/光電変換層/ホール輸送層積層体の平均厚みを意味し、更に他の層を含む場合には該層を含む積層体の平均厚みを意味する。
なお、上記フレキシブル基材の表面の最大高さRzをフレキシブル基材と透明電極との間の平均厚み以下とする方法は特に限定されず、例えば、フレキシブル基材の表面にミラーリング処理を施す方法等が挙げられる。
上記金属箔を構成する金属としては、耐久性に優れ、かつ、電極として用いることができる導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、アルミニウム、チタン、銅、金等の金属や、ステンレス鋼(SUS)等の合金を用いることができる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記絶縁層としては特に限定されないが、絶縁樹脂層又は金属酸化物層からなる絶縁層が好適である。より具体的には、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等の絶縁樹脂や、ジルコニア、シリカ、ハフニア等の金属酸化物を用いて上記絶縁層を形成することが好ましい。
上記絶縁層の厚みの好ましい下限は0.1μm、好ましい上限は10μmである。上記絶縁層の厚みがこの範囲内であれば、上記金属箔と金属電極とを確実に絶縁することができる。
上記金属電極としては特に限定されず、太陽電池において通常用いられる金属電極を用いることができる。
上記透明電極を構成する材料としては特に限定されず、例えば、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や、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。
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、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、イミダゾリン、カルバゾール、メチルカルボキシアミン、エチルカルボキシアミン、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ヘキシルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン、アニリン、ピリジン及びこれらのイオン(例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)等)や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、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン及びこれらのイオンが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジン及びこれらのイオンがより好ましい。中でも高い光電変換効率が得られることから、メチルアミン、ホルムアミニジウム及びこれらのイオンが更に好ましい。
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が結晶性半導体であれば、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。また、上記有機無機ペロブスカイト化合物が結晶性半導体であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制されやすくなる。
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。上記結晶化度が30%以上であれば、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。また、上記結晶化度が30%以上であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制されやすくなる。上記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(加熱処理)、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。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶子径が5nm以上であれば、太陽電池に光を照射し続けることによる光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流の低下に起因する光劣化が抑制される。また、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。上記結晶子径の好ましい下限は10nm、より好ましい下限は20nmである。
上記光電変換層が有機無機ペロブスカイト化合物と、上記の元素とを含むことにより、太陽電池に光を照射し続けることによるより光電変換効率の低下(光劣化)、特に短絡電流とフィルファクターの低下に起因する光劣化が抑制される。
上記周期表2族元素、周期表11族元素、アンチモン、マンガン、ネオジム、イリジウム、チタン及びランタンからなる群より選択される少なくとも1種の元素として、具体的には例えば、カルシウム、ストロンチウム、銀、銅、アンチモン、マンガン、ネオジム、イリジウム、チタン及びランタン等が挙げられる。なかでも、カルシウム、ストロンチウム、銀、銅、ネオジム、イリジウムが好ましい。また初期変換効率も高くなるという観点からは、カルシウム、ストロンチウム、銀、銅、マンガン、ランタンがより好ましく、カルシウム、ストロンチウム、銀、銅が特に好ましい。
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や、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。
これらの加熱操作は真空又は不活性ガス下で行われることが好ましく、露点温度は10℃以下が好ましく、7.5℃以下がより好ましく、5℃以下が更に好ましい。
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(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、トリフェニルアミン骨格、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、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。
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。
上記スパッタリング法においては、金属ターゲット、及び、酸素ガス又は窒素ガスを原料とし、上記積層体上に原料を堆積して製膜することにより、無機材料からなる無機層を形成することができる。
上記封止材は、上記熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂と、上記無機材料との組み合わせでもよい。
(1)フレキシブル太陽電池の製造
フレキシブル基材として、一方の表面にミラーリング処理を施した厚さ50μmのアルミニウムからなる金属箔を準備した。該金属箔のミラーリング処理を施した側の表面について、JIS0601−2001に準拠して最大高さRzを測定したところ、1μmであった。
次いで、ハロゲン化金属化合物としてヨウ化鉛をN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)に溶解させて1Mの溶液を調製し、上記多孔質状の電子輸送層上にスピンコート法によって製膜した。更に、アミン化合物としてヨウ化メチルアンモニウムを2−プロパノールに溶解させて1Mの溶液を調製した。この溶液内に上記のヨウ化鉛を製膜したサンプルを浸漬させることによって有機無機ペロブスカイト化合物であるCH3NH3PbI3を含む層を形成した。その後、得られたサンプルに対して120℃にて30分間アニール処理を行った。
アニール後の光電変換層の有機無機ペロブスカイト化合物部位上に、Poly(4−butylphenyl−diphenyl−amine)(1−Material社製)の2重量%クロロベンゼン溶液を、スピンコート法によって100nmの厚みに積層してホール輸送層を形成した。次いで、ホール輸送層上に、電子ビーム蒸着法によりITOからなる厚み1000nmの透明電極を形成して、フレキシブル太陽電池を得た。
得られたフレキシブル太陽電池のフレキシブル基材と前記透明電極との間の平均厚み、即ち、電子輸送層/光電変換層/ホール輸送層積層体の平均厚みは1200nm(1.2μm)であった。
得られたフレキシブル太陽電池は、充分なフレキシブル性を示した。
この方法により1000個のフレキシブル太陽電池を製造した。
フレキシブル太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、100mW/cm2の強度のソーラーシミュレータ(山下電装社製)を用いて光電変換効率を測定した。得られた光電変換効率を初期変換効率として、初期変換効率が1%以上であるフレキシブル太陽電池を良品、初期変換効率が1%未満であるフレキシブル太陽電池を不良品と評価した。
1000個のフレキシブル太陽電池のうち、不良品と評価されたものは18個(不良品発生率1.8%)であった。
フレキシブル基材として、参考例1に用いたものとは別の、一方の表面にミラーリング処理を施した厚さ50μmのアルミニウムからなる金属箔を準備した。該金属箔のミラーリング処理を施した側の表面について、JIS0601−2001に準拠して最大高さRzを測定したところ、0.4μmであった。
この金属箔を用いた以外は参考例1と同様にして、フレキシブル太陽電池を製造した。
得られたフレキシブル太陽電池1000個について、参考例1と同様の方法により評価を行ったところ、不良品と評価されたものは14個(不良品発生率1.4%)であった。
フレキシブル基材として、ミラーリング処理を施していない厚さ50μmのアルミニウムからなる金属箔を準備した。該金属箔のミラーリング処理を施した側の表面について、JIS0601−2001に準拠して最大高さRzを測定したところ、1.5μmであった。
この金属箔を用いた以外は参考例1と同様にして、フレキシブル太陽電池を製造した。
得られたフレキシブル太陽電池1000個について、参考例1と同様の方法により評価を行ったところ、不良品と評価されたものは84個(不良品発生率8.4%)であった。
2 フレキシブル基材(金属箔)
3 電子輸送層
4 有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層
5 ホール輸送層
6 透明電極
Claims (4)
- 少なくとも表面に電極を有するフレキシブル基材と、透明電極と、前記フレキシブル基材と前記透明電極との間に配置された光電変換層とを有するフレキシブル太陽電池であって、
前記光電変換層は、一般式R−M−X3(但し、Rは有機分子、Mは金属原子、Xはハロゲン原子又はカルコゲン原子である。)で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含み、
前記フレキシブル基材の前記光電変換層側の表面のJIS0601−2001に準拠して測定された最大高さRzが0.4μm以下であり、
前記フレキシブル基材は、アルミニウム箔である
ことを特徴とするフレキシブル太陽電池。 - フレキシブル基材は、金属箔の光電変換層側の表面に、絶縁層を介して金属電極を有するものであることを特徴とする請求項1記載のフレキシブル太陽電池。
- 絶縁層は、絶縁樹脂層又は金属酸化物層からなることを特徴とする請求項2記載のフレキシブル太陽電池。
- 絶縁層の厚みが0.1μm以上、10μm以下であることを特徴とする請求項2又は3記載のフレキシブル太陽電池。
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