JP6745214B2 - 太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
N(T,I)/N(0,I)<5 (1)
以下、本発明を詳述する。
しかしながら、光電変換層が有機無機ペロブスカイト化合物を含む太陽電池は、光照射を開始した直後は高い光電変換効率を示すものの、光を照射し続けると光電変換効率が低下していくことが新たに明らかとなった(光劣化)。これに対して、本発明者らは、太陽電池に強度ImW/cm2の光照射を開始した直後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度をN(0,I)、太陽電池に強度ImW/cm2の光照射をT時間続けた後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度をN(T,I)としたとき、下記式(1)を満たす太陽電池は、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)が抑制されることを見出し、本発明を完成させるに至った。
N(T,I)/N(0,I)<5 (1)
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。
電極材料として、例えば、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、金、銀、チタン、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混合物等が挙げられる。対向電極材料として、例えば、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)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)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、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。
N(T,I)/N(0,I)<5 (1)
なお、有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度(N(0,I)及びN(T,I))は、例えば、吸収スペクトル、光電子分光法、C−V測定等により求めることができる。具体的には例えば、有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度は、C−V測定により得られたC−Vグラフをもとにモット−ショットキープロットに変換することにより求めることができる。
電極と、対向電極と、上記電極と上記対向電極との間に配置された光電変換層とを有する太陽電池であって、上記光電変換層は、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、上記有機無機ペロブスカイト化合物が結晶化度70%以上の結晶性半導体であり、かつ、上記光電変換層が周期表2族元素、周期表11族元素、マンガン、アンチモン、チタン、ネオジム、イリジウム及びランタンからなる群から選択される1種以上の元素を含有する部位を有する太陽電池もまた、本発明の1つである。
なお、本明細書において結晶性半導体とは、X線散乱強度分布を測定し、散乱ピークが検出できる半導体を意味している。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度が70%以上であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度が上記式(1)を満たしやすくなり、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。上記結晶化度の好ましい下限は80%、更に好ましい下限は90%である。
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、上記有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度が上記式(1)を満たしやすくなり、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。
上記熱アニール(加熱処理)を行う場合、上記有機無機ペロブスカイト化合物を加熱する温度は特に限定されないが、100℃以上、200℃未満であることが好ましい。上記加熱温度が100℃以上であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度及び結晶子径を充分に上げることができる。上記加熱温度が200℃未満であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物を熱劣化させることなく加熱処理を行うことができる。より好ましい加熱温度は、120℃以上、170℃以下である。また、加熱時間も特に限定されないが、3分以上、2時間以内であることが好ましい。上記加熱時間が3分以上であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度及び結晶子径を充分に上げることができる。上記加熱時間が2時間以内であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物を熱劣化させることなく加熱処理を行うことができる。なお、有機無機ペロブスカイト化合物が熱劣化すると、結晶性が崩れる。
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。
上記有機無機ペロブスカイト化合物は、一般に、ハロゲン化金属化合物とアミン化合物とを反応させることにより調製される。得られた有機無機ペロブスカイト化合物には、上記有機無機ペロブスカイト化合物を形成する反応工程において、反応しきれずに残ったアミン化合物等の成分が残存している。このような残存アミン化合物は、短絡電流の低下をもたらし、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)の原因となる。上記光電変換層中における上記有機無機ペロブスカイト化合物1モルに対する残存したアミン化合物の量が0.5モル以下とすることにより、残存アミン化合物の悪影響を抑えて、上記有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度を、上記式(1)を満たすようにすることができる。上記残存した上記アミン化合物の量は、好ましい上限が0.3モル、より好ましい上限が0.1モルであり、最も好ましい上限は0.05モルである。
電極と、対向電極と、上記電極と上記対向電極との間に配置された光電変換層とを有する太陽電池であって、上記光電変換層は、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、上記有機無機ペロブスカイト化合物は、ハロゲン化金属化合物とアミン化合物との反応物であり、上記光電変換層中における上記有機無機ペロブスカイト化合物1モルに対する残存したアミン化合物の量が0.5モル以下である太陽電池もまた、本発明の1つである。
原料となるアミン化合物は、有機無機ペロブスカイト化合物において上記有機分子R及び上記ハロゲン原子Xを構成するものである。従って、上記アミン化合物としては、例えば、上記有機分子R及び上記ハロゲン原子Xを含む化合物が挙げられ、より具体的には例えば、ヨウ化メチルアンモニウム、臭化メチルアンモニウム、塩化メチルアンモニウム、ヨウ化ホルムアミジニウム、臭化ホルムアミジニウム、塩化ホルムアミジニウム、ヨウ化グアニジン、臭化グアニジン、塩化グアニジン等が挙げられる。これらのアミン化合物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。上記アミン化合物におけるハロゲン原子Xと、上記ハロゲン化金属化合物におけるハロゲン原子Xとは、異なるものであってもよい。
これらのハロゲン化金属化合物及びアミン化合物は、目的とする有機無機ペロブスカイト化合物の構造にあわせて、適宜組み合わせることができる。
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。
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。
上記ハロゲン化金属化合物と、上記アミン化合物とを反応させる方法としては、特に限定されず、気相反応法(CVD)、電気化学沈積法等であってもよいが、上記ハロゲン化金属化合物を含有する溶液と、上記アミン化合物を含有する溶液とを用いた印刷法が好ましい。具体的には、基板(必要に応じて、基板上に上記電極及び上記電子輸送層を有する)をこれらの溶液に浸漬したり、これらの溶液を基板に塗布したりしてもよい。この際、上記ハロゲン化金属化合物を製膜後に、上記アミン化合物を含有する溶液を塗布してもよい。予め上記ハロゲン化金属化合物を含有する溶液と、上記アミン化合物を含有する溶液とを混合した後に該混合液に、基板(必要に応じて、基板上に上記電極及び上記電子輸送層を有する)を浸漬したり、予め上記ハロゲン化金属化合物を含有する溶液と、上記アミン化合物を含有する溶液とを混合した後に該混合液を基板に塗布したりしてもよい。
印刷法を採用することで、高い光電変換効率を発揮できる太陽電池を大面積で簡易に形成することができる。塗布する方法として、例えば、スピンコート法、キャスト法等が挙げられ、印刷法を用いた方法としてはロールtoロール法等が挙げられる。
上記光電変換層を加熱する工程における加熱温度は100℃以上、200℃未満であることが好ましく、120℃以上、170℃以下であることがより好ましい。
上記光電変換層を加熱する工程における加熱時間は特に限定されないが、上記有機無機ペロブスカイト化合物を熱劣化させない観点からは、3分以上、2時間以内であることが好ましい。
上記光電変換層を加熱する工程における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。
なお、上記光電変換層を加熱する工程は、上記光電変換層を形成した直後に行ってもよいが、後述する光電変換層中の残存するアミン化合物を減少させる工程を更に行う場合には、該工程の後に行った方が、残存したアミン化合物を効率よく減少させることができる。
上記光電変換層中の残存するアミン化合物を減少させる工程としては、例えば、上記有機無機ペロブスカイト化合物は溶解せず、上記アミン化合物が溶解する溶媒に上記光電変換層を浸漬させる方法等が挙げられる。このような溶媒に上記光電変換層を浸漬させることにより、残存したアミン化合物を効率よく減少させ、残存したアミン化合物の量を上記範囲に調整することができる。
上記溶媒に上記光電変換層を浸漬させる温度は、特に限定されないが、10〜100℃が好ましく、15〜80℃がより好ましい。
上記溶媒に上記光電変換層を浸漬させる時間は、特に限定されないが、1秒以上、1時間以下が好ましい。1秒以上浸漬させることにより効率よく上記アミン化合物を減少させることができ、1時間以下であることにより上記溶媒中に微少量存在する水等による影響を抑制できる。
(1)チタンを含有する塗布液の作製
チタン粉末10mmolを精秤し、ビーカーに入れ、過酸化水素水40gを加え、さらにアンモニア水10gを加えた。これを2時間水冷した後、L−乳酸30mmolを添加し、80℃に設定したホットプレートで一日加温し、そこへ蒸留水10mlを添加しチタンを含有する塗布液を作製した。
ガラス基板上に、電極(陰極)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。
チタンを含有する塗布液を回転数1500rpmの条件でスピンコート法により塗布した。塗布後、大気中550℃で10分間焼成し、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300nmの多孔質状の電子輸送層を形成した。
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の溶液を調製した。さらに銅を添加するために、上記ヨウ化鉛のDMF溶液に0.01Mの濃度になるように添加物として塩化銅を溶解させて、これを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。浸漬後、得られたサンプルに対して80℃にて30分間加熱処理を行った。
更に、Poly(4−butylphenyl−diphenyl−amine)(1−Material社製)の1wt%クロロベンゼン溶液を有機無機ペロブスカイト化合物部位上にスピンコート法によって50nmの厚みに積層し、ホール輸送層を形成した。
得られたホール輸送層上に、対向電極(陽極)として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、太陽電池を得た。
X線散乱強度分布測定により検出されたスペクトルの2θが13°〜15°の領域において、結晶質由来の散乱ピークと非晶質部由来のハローとをフィッティングにより分離し、それぞれの強度積分を求めて、全体のうちの結晶部分の比を算出することにより、結晶化度を求めた。また、得られたスペクトルから、rigaku data analysis softwareのpdxlを用い、halder−wagner法にて結晶子径を算出した。
朝日分光社製のHAL−320を用いて、太陽電池に100mW/cm2の擬似太陽光を照射しながら、インピーダンスアナライザ(ソーラートロン社製、Sl1287)を用いて、太陽電池のC−V測定を行った。測定は周波数1000Hzにて行い、+2Vから−2Vまで100mV/sの挿引速度で測定した。光照射を開始した直後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度N(0,I)と光照射を1時間続けた後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度N(T,I)とを、C−V測定により得られたC−Vグラフをもとにモット−ショットキープロットに変換することにより求め、N(T,I)/N(0,I)を算出した。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に実施例1の塩化銅0.01Mを表1に記載の化合物・添加量に変更したこと、またホール輸送層を表1に記載の材料に変更し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1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
実施例1の多孔質状の電子輸送層上に有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液として、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を溶媒としてCH3NH3IとPbI2をモル比1:1で溶かし、Pbの濃度が1Mになるように調製した。さらにストロンチウム、又はチタンを添加するために、上記の調製した溶液に0.01Mの濃度になるように添加物として塩化ストロンチウム又はヨウ化チタンを溶解させて、これを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、ホール輸送層としてPoly(4−butylphenyl−diphenyl−amine)(1−Material社製)の1wt%クロロベンゼン溶液を有機無機ペロブスカイト化合物部位上にスピンコート法によって50nmの厚みに積層し、光電変換層を形成した。光電変換層上に、対向電極(陽極)として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、太陽電池を得た。
実施例1の多孔質状の電子輸送層上に有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液として、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を溶媒としてCH3NH3IとPbCl2をモル比3:1で溶かし、Pbの濃度が1Mになるように調製した。さらにストロンチウムを添加するために、上記の調製した溶液に0.01Mの濃度になるように塩化ストロンチウムを溶解させて、これを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、ホール輸送層としてPoly(4−butylphenyl−diphenyl−amine)(1−Material社製)の1wt%クロロベンゼン溶液を有機無機ペロブスカイト化合物部位上にスピンコート法によって50nmの厚みに積層し、光電変換層を形成した。光電変換層上に、対向電極(陽極)として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、太陽電池を得た。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に添加物を使用しないこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。実施例1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に添加物を使用しないこと以外は実施例3と同様にして、太陽電池を得た。実施例1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に使用した添加物の種類及び濃度を、表1に記載の通りに変更し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1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に添加物を使用しないこと以外は実施例15と同様にして、太陽電池を得た。実施例1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液を調製する際に添加物を使用しないこと以外は実施例17と同様にして、太陽電池を得た。実施例1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
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後、得られたサンプルに対して200℃にて30分間加熱処理し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1と同様にして、有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度やキャリア密度等の測定を行った。
実施例1〜12、14〜17、比較例1〜9及び参考例1で得られた太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表1に示した。
太陽電池の電極間に電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、ソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて強度100mW/cm2の光を照射した。光照射を開始した直後の光電変換効率と光照射を1時間続けた後の光電変換効率とをそれぞれ測定した。光照射を1時間続けた後の光電変換効率/光照射を開始した直後の光電変換効率の値を求め、その値が0.9以上であった場合を○○○、0.8以上、0.9未満であった場合を○○、0.6以上、0.8未満であった場合を○、0.6未満であった場合を×とした。
太陽電池の電極間に電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、ソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて強度100mW/cm2の光を照射し光電変換効率を測定した。実施例1−14、比較例2−7については比較例1の変換効率を1に規格化した際、1以上であった場合を○、1未満であった場合を×とし、実施例15−16については比較例8の変換効率を1に規格化した際、1以上であった場合を○、1未満であった場合を×とし、実施例17については比較例9の変換効率を1に規格化した際、1以上であった場合を○、1未満であった場合を×とした。
(1)太陽電池の作製
ガラス基板上に、電極(陰極)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。
チタンを含有する塗布液を回転数1500rpmの条件でスピンコート法により塗布した。塗布後、大気中550℃で10分間焼成し、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300nmの多孔質状の電子輸送層を形成した。
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の溶液を調製した。これを上記酸化チタンの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。更に得られた層を2−プロパノール(ヨウ化メチルアンモニウムが溶解する溶媒)に20秒間浸漬させる処理(洗浄処理)を行った。浸漬させる処理後、得られたサンプルに対して150℃にて30分間加熱処理を行った。
更に、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(trifluoromethylsulfonyl)imide塩を9mM溶解させた溶液を有機無機ペロブスカイト化合物部位上にスピンコート法によって50nmの厚みに積層し、ホール輸送層を形成した。
得られたホール輸送層上に、対向電極(陽極)として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、太陽電池を得た。
朝日分光社製のHAL−320を用いて、太陽電池に100mW/cm2の擬似太陽光を照射しながら、インピーダンスアナライザ(ソーラートロン社製、Sl1287)を用いて、太陽電池のC−V測定を行った。測定は周波数1000Hzにて行い、+2Vから−2Vまで100mV/sの挿引速度で測定した。光照射を開始した直後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度N(0,I)と光照射を1時間続けた後の有機無機ペロブスカイト化合物のキャリア密度N(T,I)とを、C−V測定により得られたC−Vグラフをもとにモット−ショットキープロットに変換することにより求め、N(T,I)/N(0,I)を算出した。
浸漬させる処理(洗浄処理)後の加熱処理における加熱温度又は加熱時間を変更するか、加熱処理を行わなかった以外は参考例2と同様にして太陽電池を得た。
ヨウ化メチルアンモニウムの代わりにヨウ化ホルムアミジニウムを用い、浸漬させる処理(洗浄処理)後の加熱処理における加熱温度又は加熱時間を変更した以外は参考例2と同様にして太陽電池を得た。
2−プロパノールに浸漬させる処理(洗浄処理)の時間を変更することで、有機無機ペロブスカイト化合物を含む層中における残存したアミン化合物の量(残存量)を表2に示される数値に変更し、また、ハロゲン化金属化合物の種類、アミン化合物の種類を表2に示されるものに変更したこと以外は参考例2と同様にして太陽電池を得た。
浸漬させる処理(洗浄処理)を行う溶媒として2−プロパノールの代わりにエタノールを用いた以外は参考例2と同様にして太陽電池を得た。
CH3NH3PbI3を含む層を形成後、2−プロパノール(ヨウ化メチルアンモニウムが溶解する溶媒)に浸漬させる処理(洗浄処理)を行わなかったこと以外は実施例18と同様にして太陽電池を得た。
浸漬させる処理(洗浄処理)後の加熱処理を行わなかったこと以外は比較例11と同様にして太陽電池を得た。
参考例2〜10及び比較例11、12で得られた太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表2に示した。
太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、ソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて強度100mW/cm2の光を照射し、光照射を開始した直後の光電変換効率を測定した。
○:光電変換効率が10%以上
△:光電変換効率が10%未満、7%以上
×:光電変換効率が7%未満
太陽電池の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、ソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて強度100mW/cm2の光を照射し、光照射を開始した直後の開放電圧及び短絡電流と光を20分間照射した後の開放電圧及び短絡電流とをそれぞれ測定した。光を20分間照射した後の開放電圧/光照射を開始した直後の開放電圧の値(開放電圧の相対値)、及び、光を20分間照射した後の短絡電流/光照射を開始した直後の短絡電流の値(短絡電流の相対値)を求めた。
光劣化試験終了後、太陽電池を2−プロパノール(ヨウ化メチルアンモニウム及びヨウ化ホルムアミジニウムのみが溶出する溶媒)で洗浄し、洗浄液をガスクロマトグラフ質量分析法(GCMS)(JMS−Q1050GC、日本電子社製)により元素分析した。その後、DMFにより有機無機ハイブリッド化合物を溶出させた洗浄液をRBS法により元素分析することで有機無機ペロブスカイト化合物1モルに対し、残存したアミン化合物の量(モル)を定量化した。
Claims (5)
- 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、
前記有機無機ペロブスカイト化合物が結晶化度70%以上の結晶性半導体であり、かつ、前記光電変換層が周期表2族元素、周期表11族元素、マンガン、チタン、ネオジム、イリジウム及びランタンからなる群から選択される1種以上の元素を含有する部位を有する
ことを特徴とする太陽電池。 - 一般式R−M−X3で表される有機無機ペロブスカイト化合物において、Mが鉛又はスズであることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 一般式R−M−X3で表される有機無機ペロブスカイト化合物において、Xがヨウ素又は臭素であることを特徴とする請求項1又は2記載の太陽電池。
- 一般式R−M−X3で表される有機無機ペロブスカイト化合物において、Rがホルムアミジニウム又はそのイオンであることを特徴とする請求項1、2又は3記載の太陽電池。
- 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、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む光電変換層を有する太陽電池の製造方法であって、
ハロゲン化金属化合物を含有する溶液とアミン化合物を含有する溶液とを用いた印刷法により有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層を加熱温度100℃以上、200℃未満、加熱時間3分以上、2時間以内の条件で加熱する工程とを有し、
前記ハロゲン化金属化合物を含有する溶液とアミン化合物を含有する溶液とのいずれか一方又は両方に周期表2族元素、周期表11族元素、マンガン、チタン、ネオジム、イリジウム及びランタンからなる群から選択される1種以上の元素を含有させる
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
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