JP6849673B2 - Solid-state junction type photoelectric conversion element and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、固体接合型光電変換素子、及びその製造方法に関する。本願は、2016年5月17日に、日本に出願された特願2016−098417号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a solid-state junction type photoelectric conversion element and a method for manufacturing the same. The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-098417 filed in Japan on May 17, 2016, the contents of which are incorporated herein by reference.
近年、ペロブスカイト化合物を含む発電層を備えた固体接合型光電変換素子が高い光電変換効率を示すことが報告され(非特許文献1)、新たな光電変換素子として注目を集めている。この報告を皮切りに、更なる光電変換効率の向上が相次いで報告されている(例えば、非特許文献2)。 In recent years, it has been reported that a solid-bonded photoelectric conversion element provided with a power generation layer containing a perovskite compound exhibits high photoelectric conversion efficiency (Non-Patent Document 1), and is attracting attention as a new photoelectric conversion element. Starting with this report, further improvements in photoelectric conversion efficiency have been reported one after another (for example, Non-Patent Document 2).
本発明者らは、上記の固体接合型光電変換素子を実用化する観点から、製造歩留りを検討したところ、従来の製造方法ではリーク電流が発生し易く、多数の欠陥品が生じる問題に突き当たった。 When the present inventors examined the manufacturing yield from the viewpoint of putting the above-mentioned solid-state junction type photoelectric conversion element into practical use, they encountered a problem that a leakage current is likely to occur in the conventional manufacturing method and a large number of defective products are generated. ..
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、リーク電流が発生し難い構造を備えた固体接合型光電変換素子、及びその製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a solid-state junction type photoelectric conversion element having a structure in which a leak current is unlikely to occur, and a method for manufacturing the same.
本発明者らは上記のリーク電流が発生する原因を検討したところ、ペロブスカイト層にピンホール及び/又はクラックが生じていることが分かった。このため、ペロブスカイト層を挟む第一導電層側と第二導電層側とがピンホールやクラックを通して短絡し、リーク電流が発生すると考えられた。このピンホールやクラックが発生するメカニズムとして、固体接合型光電変換素子の製造プロセスにおいて、ペロブスカイト化合物を含む溶液を導電性の支持層(後述の隣接層)に塗布し、その塗膜に含まれる溶媒を乾燥して結晶化する際にピンホールやクラックが生じていると考えられた。
そこで、乾燥時にピンホールやクラックが発生することを抑制する製造プロセスを鋭意検討したところ、ペロブスカイト化合物の溶液を塗布する支持層の表面の粗さを粗くすることにより、目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。本発明は以下の通りである。When the present inventors investigated the cause of the above-mentioned leak current, it was found that pinholes and / or cracks were generated in the perovskite layer. Therefore, it is considered that the first conductive layer side and the second conductive layer side sandwiching the perovskite layer are short-circuited through pinholes and cracks, and a leak current is generated. As a mechanism for generating pinholes and cracks, in the manufacturing process of a solid-bonded photoelectric conversion element, a solution containing a perovskite compound is applied to a conductive support layer (adjacent layer described later), and a solvent contained in the coating film is applied. It was considered that pinholes and cracks were generated when the solvent was dried and crystallized.
Therefore, as a result of diligent studies on a manufacturing process that suppresses the occurrence of pinholes and cracks during drying, it was found that the purpose can be achieved by roughening the surface roughness of the support layer to which the solution of the perovskite compound is applied. The present invention has been completed. The present invention is as follows.
[1] 第一導電層、ペロブスカイト層、第二導電層をこの順に備えた固体接合型光電変換素子であって、前記ペロブスカイト層の両側に隣接する2つの隣接層のうち、少なくとも1つの隣接層における前記ペロブスカイト層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz)が1nm以上であり、前記Rzは、前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、固体接合型光電変換素子。
[2] 厚さ方向における前記接合面を含む断面視で、前記基準長さ(L)を横辺にとり、前記Rzを縦辺にとった四角形の面積S(=L×Rz)のうち、前記隣接層の占有率が10〜90%である、[1]に記載の固体接合型光電変換素子。
[3] 前記第一導電層は、前記Rzが1nm以上の隣接層である、[1]又は[2]に記載の固体接合型光電変換素子。
[4] 前記第一導電層と前記ペロブスカイト層の間に、微粒子を含むアンカー層が備えられ、前記アンカー層は、前記Rzが1nm以上の隣接層である、[1]又は[2]に記載の固体接合型光電変換素子。
[5] 前記第一導電層と前記ペロブスカイト層の間に、N型半導体層が備えられ、前記N型半導体層は、前記Rzが1nm以上の隣接層である、[1]又は[2]に記載の固体接合型光電変換素子。
[6] 前記第一導電層と前記ペロブスカイト層の間に、N型半導体層、微粒子を含むアンカー層がこの順で備えられ、前記アンカー層は、前記Rzが1nm以上の隣接層である、[1]又は[2]に記載の固体接合型光電変換素子。
[7] 前記第一導電層と前記ペロブスカイト層の間に、N型半導体層が備えられ、前記N型半導体層は、前記Rzが1nm以上の隣接層であり、前記N型半導体層に前記第一導電層が隣接し、前記第一導電層における前記N型半導体層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz’)が1nm以上であり、前記Rz’は、前記第一導電層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、[1]又は[2]に記載の固体接合型光電変換素子。
[8] 前記ペロブスカイト層と前記第二導電層の間に、P型半導体層が備えられ、前記P型半導体層は、前記Rzが1nm以上の隣接層である、[1]〜[7]の何れか一項に記載の固体接合型光電変換素子。
[9] 前記第一導電層の前記ペロブスカイト層と反対側の面に接する基材が備えられ、前記基材における前記第一導電層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz”)が1nm以上であり、前記Rz”は、前記基材の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、[1]〜[8]の何れか一項に記載の固体接合型光電変換素子。
[10] 前記第一導電層側の前記隣接層における前記Rz(Rz-a)、及び前記第二導電層側の前記隣接層における前記Rz(Rz-b)が1nm以上であり、前記(Rz-a)/前記(Rz-b)で表される粗さ比が0.1以上1000以下である、[1]〜[9]の何れか一項に記載の固体接合型光電変換素子。
[11] ペロブスカイト層と、これに接する接合面を有する隣接層と、を備えた固体接合型光電変換素子の製造方法であって、前記隣接層の前記接合面に、前記ペロブスカイト層を形成する化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する工程と、前記塗膜を乾燥することにより前記ペロブスカイト層を形成する工程と、を有し、前記接合面の最大高さ粗さ(Rz)が1nm以上であり、前記Rzは、前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、固体接合型光電変換素子の製造方法。
[12] 前記塗膜に40〜60℃の温風を吹き付けることによって前記塗膜を乾燥し、前記ペロブスカイト層を形成する、[11]に記載の固体接合型光電変換素子の製造方法。
[13] 前記塗膜に、前記化合物に対する貧溶媒を滴下した後、前記塗膜を乾燥し、前記ペロブスカイト層を形成する、[11]又は[12]に記載の固体接合型光電変換素子の製造方法。[1] A solid-bonded photoelectric conversion element having a first conductive layer, a perovskite layer, and a second conductive layer in this order, and at least one adjacent layer among two adjacent layers adjacent to both sides of the perovskite layer. The maximum height roughness (Rz) of the joint surface in contact with the perovskite layer is 1 nm or more, and the Rz is the maximum peak height (Rp) and valley depth within the reference length (L) of the joint surface. A solid-state junction type photoelectric conversion element which is the sum of the maximum values (Rv).
[2] Of the area S (= L × Rz) of a quadrangle having the reference length (L) as the horizontal side and the Rz as the vertical side in a cross-sectional view including the joint surface in the thickness direction, the said The solid-state junction type photoelectric conversion element according to [1], wherein the occupancy of the adjacent layer is 10 to 90%.
[3] The solid-state junction type photoelectric conversion element according to [1] or [2], wherein the first conductive layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more.
[4] The method according to [1] or [2], wherein an anchor layer containing fine particles is provided between the first conductive layer and the perovskite layer, and the anchor layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more. Solid-state junction type photoelectric conversion element.
[5] An N-type semiconductor layer is provided between the first conductive layer and the perovskite layer, and the N-type semiconductor layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more, according to [1] or [2]. The solid-state junction type photoelectric conversion element described.
[6] An N-type semiconductor layer and an anchor layer containing fine particles are provided in this order between the first conductive layer and the perovskite layer, and the anchor layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more. The solid-state junction type photoelectric conversion element according to 1] or [2].
[7] An N-type semiconductor layer is provided between the first conductive layer and the perovskite layer, the N-type semiconductor layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more, and the N-type semiconductor layer is combined with the first. The maximum height roughness (Rz') of the joint surface in which one conductive layer is adjacent and is in contact with the N-type semiconductor layer in the first conductive layer is 1 nm or more, and the Rz'is the said in the first conductive layer. The solid-state junction type photoelectric conversion element according to [1] or [2], which is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) on the junction surface.
[8] The P-type semiconductor layer is provided between the perovskite layer and the second conductive layer, and the P-type semiconductor layer is an adjacent layer having an Rz of 1 nm or more, according to [1] to [7]. The solid-state junction type photoelectric conversion element according to any one item.
[9] A base material in contact with the surface of the first conductive layer opposite to the perovskite layer is provided, and the maximum height roughness (Rz ") of the joint surface of the base material in contact with the first conductive layer is 1 nm. As described above, the Rz ”is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface of the base material, [1] to The solid-state junction type photoelectric conversion element according to any one of [8].
[10] The Rz (Rz-a) in the adjacent layer on the first conductive layer side and the Rz (Rz-b) in the adjacent layer on the second conductive layer side are 1 nm or more, and the above (Rz). -a) / The solid-state junction type photoelectric conversion element according to any one of [1] to [9], wherein the roughness ratio represented by (Rz-b) is 0.1 or more and 1000 or less.
[11] A method for manufacturing a solid-state bonding photoelectric conversion element including a perovskite layer and an adjacent layer having a bonding surface in contact with the perovskite layer, wherein the perovskite layer is formed on the bonding surface of the adjacent layer. It has a step of applying a solution containing the above to form a coating film and a step of forming the perovskite layer by drying the coating film, and the maximum height roughness (Rz) of the joint surface is 1 nm. As described above, the Rz is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the junction surface, and is a method for manufacturing a solid junction photoelectric conversion element. ..
[12] The method for producing a solid-bonded photoelectric conversion element according to [11], wherein the coating film is dried by blowing warm air at 40 to 60 ° C. to form the perovskite layer.
[13] Production of the solid-bonded photoelectric conversion element according to [11] or [12], wherein the coating film is dried after dropping a poor solvent for the compound onto the coating film to form the perovskite layer. Method.
本発明の固体接合型光電変換素子においては、ペロブスカイト層に接合する隣接層の接合面が特定の粗さを有しているため、ペロブスカイト層と隣接層との接合面積が増加している。この構造により、製造時に生じ得るクラック発生だけでなく、使用時の撓みや歪みによって生じ得るクラック発生も抑制し、リーク電流の発生を低減することができる。
本発明の固体接合型光電変換素子の製造方法によれば、隣接層の上に形成されるペロブスカイト層にピンホールやクラックが発生することを抑制できるので、リーク電流が発生し難い固体接合型光電変換素子を簡便に製造することができる。In the solid-state bonding photoelectric conversion element of the present invention, the bonding area between the perovskite layer and the adjacent layer is increased because the bonding surface of the adjacent layer bonded to the perovskite layer has a specific roughness. With this structure, not only the generation of cracks that may occur during manufacturing but also the generation of cracks that may occur due to bending or strain during use can be suppressed, and the generation of leakage current can be reduced.
According to the method for manufacturing a solid-state junction type photoelectric conversion element of the present invention, it is possible to suppress the occurrence of pinholes and cracks in the perovskite layer formed on the adjacent layer, so that the solid-bonded photoelectric conversion element in which leakage current is unlikely to occur is unlikely to occur. The conversion element can be easily manufactured.
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments.
本明細書において、「膜」と「層」は特に明記しない限り区別しない。固体接合型の光電変換素子を単に「光電変換素子」といい、有機無機ペロブスカイト化合物を単に「ペロブスカイト化合物」ということがある。 In the present specification, "membrane" and "layer" are not distinguished unless otherwise specified. A solid-bonded photoelectric conversion element may be simply referred to as a "photoelectric conversion element", and an organic-inorganic perovskite compound may be simply referred to as a "perovskite compound".
《固体接合型光電変換素子》
本発明の第一態様の固体接合型光電変換素子は、第一導電層、ペロブスカイト層、第二導電層をこの順に備えた固体接合型光電変換素子である。
第一導電層とペロブスカイト層の間には、例えば、微粒子を含むアンカー層、N型半導体層等の他の層が備えられていてもよい。第一導電層側においてペロブスカイト層に隣接する隣接層(第一隣接層)は、第一導電層であってもよく、上記他の層であってもよい。第一導電層はアノード(外部回路へ電子が流出する電極)として機能することができる。
ペロブスカイト層と第二導電層の間には、例えば、微粒子を含むアンカー層、P型半導体層等の他の層が備えられていてもよい。第二導電層側においてペロブスカイト層に隣接する隣接層(第二隣接層)は、第二導電層であってもよく、上記他の層であってもよい。第二導電層はカソード(外部回路から電子が流入する電極)として機能することができる。<< Solid-state junction type photoelectric conversion element >>
The solid-state bonded photoelectric conversion element according to the first aspect of the present invention is a solid-bonded photoelectric conversion element including a first conductive layer, a perovskite layer, and a second conductive layer in this order.
Another layer such as an anchor layer containing fine particles or an N-type semiconductor layer may be provided between the first conductive layer and the perovskite layer. The adjacent layer (first adjacent layer) adjacent to the perovskite layer on the first conductive layer side may be the first conductive layer or the other layer. The first conductive layer can function as an anode (an electrode through which electrons flow out to an external circuit).
Another layer such as an anchor layer containing fine particles or a P-type semiconductor layer may be provided between the perovskite layer and the second conductive layer. The adjacent layer (second adjacent layer) adjacent to the perovskite layer on the second conductive layer side may be the second conductive layer or the other layer. The second conductive layer can function as a cathode (an electrode through which electrons flow from an external circuit).
本発明の第一態様の固体接合型光電変換素子は、少なくとも第一導電層、ペロブスカイト層、及び第二導電層をこの順に備え、更に、前記第一導電層と前記ペロブスカイト層の間にN型半導体層及びアンカー層の少なくとも一方を任意に備え、更に、前記第二導電層と前記ペロブスカイト層の間にP型半導体層を任意に備える。前記ペロブスカイト層の第一の面には前記第一導電層、前記N型半導体層又は前記アンカー層が直接積層されており、前記ペロブスカイト層の第二の面には前記第二導電層又は前記P型半導体層が直接積層されている。前記ペロブスカイト層の第一の面に直接積層されている第一の隣接層(前記第一導電層、前記N型半導体層又は前記アンカー層)及び前記ペロブスカイト層の第二の面に直接積層されている第二の隣接層(前記第二導電層又は前記P型半導体層)のうち、少なくとも一方の隣接層における前記ペロブスカイト層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz)が1nm以上である。ここでRzは、後述の通り、RpとRvの和である。 The solid-state junction type photoelectric conversion element of the first aspect of the present invention includes at least a first conductive layer, a perovskite layer, and a second conductive layer in this order, and further, an N-type between the first conductive layer and the perovskite layer. At least one of a semiconductor layer and an anchor layer is optionally provided, and a P-type semiconductor layer is optionally provided between the second conductive layer and the perovskite layer. The first conductive layer, the N-type semiconductor layer, or the anchor layer is directly laminated on the first surface of the perovskite layer, and the second conductive layer or the P is on the second surface of the perovskite layer. The type semiconductor layer is directly laminated. Directly laminated on the first adjacent layer (the first conductive layer, the N-type semiconductor layer or the anchor layer) directly laminated on the first surface of the perovskite layer and the second surface of the perovskite layer. The maximum height roughness (Rz) of the bonding surface in contact with the perovskite layer in at least one of the second adjacent layers (the second conductive layer or the P-type semiconductor layer) is 1 nm or more. Here, Rz is the sum of Rp and Rv, as will be described later.
ペロブスカイト層は、ペロブスカイト化合物が結晶化又は固化してなる層であり、ドーピングされ得る微量物質を除いて基本的にはペロブスカイト化合物を主な材料とする層であることが好ましい。 The perovskite layer is a layer formed by crystallizing or solidifying a perovskite compound, and is preferably a layer mainly made of a perovskite compound except for trace substances that can be doped.
本発明にかかる光電変換素子の厚さ方向の部分断面図を図8に例示する。この断面において、ペロブスカイト層と、任意の隣接層との境界線は、ペロブスカイト層と任意の隣接層との接合面Kの破断面をトレースした線である。 FIG. 8 illustrates a partial cross-sectional view of the photoelectric conversion element according to the present invention in the thickness direction. In this cross section, the boundary line between the perovskite layer and the arbitrary adjacent layer is a line that traces the fracture surface of the joint surface K between the perovskite layer and the arbitrary adjacent layer.
本発明にかかる光電変換素子においては、図8に例示したように、ペロブスカイト層の両側に隣接する2つの隣接層(第一隣接層、第二隣接層)のうち、少なくとも1つの隣接層におけるペロブスカイト層に接する接合面Kの最大高さ粗さ(Rz)が1nm以上である。
ここで、Rzは、接合面Kにおける基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である。このRzは、JIS B0601−2001(ISO 4287:1997)で規定された最大高さ粗さ(Rz)と同義であり、同規格に準拠して、次のように測定される。基準長さ(L)は、例えば1μm以上10μm以下の範囲で任意に設定されるが、ペロブスカイト層に大きなクラックが生じている場合には、そのクラックを除いた領域を測定するように基準長さ(L)を設定する。また、基準長さ(L)は、複数箇所のRzが測定可能であればよく(例えば5箇所)、ペロブスカイト化合物の結晶サイズに応じて適宜設定することができる。
Rzの具体的な測定方法としては、測定対象の固体接合型光電変換素子の厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、画像処理により接合面Kを特定し、上記Rzを測長する方法が好ましい。同一の測定対象について、複数箇所(例えば5箇所)のRzを測定し、その算術平均をRzとすることが好ましい。In the photoelectric conversion element according to the present invention, as illustrated in FIG. 8, the perovskite in at least one of the two adjacent layers (first adjacent layer and second adjacent layer) adjacent to both sides of the perovskite layer. The maximum height roughness (Rz) of the joint surface K in contact with the layer is 1 nm or more.
Here, Rz is the sum of the maximum mountain height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface K. This Rz is synonymous with the maximum height roughness (Rz) specified in JIS B0601-2001 (ISO 4287: 1997), and is measured as follows in accordance with the standard. The reference length (L) is arbitrarily set in the range of, for example, 1 μm or more and 10 μm or less, but when a large crack is generated in the perovskite layer, the reference length is measured so as to measure the region excluding the crack. Set (L). Further, the reference length (L) may be appropriately set according to the crystal size of the perovskite compound, as long as the Rz at a plurality of locations can be measured (for example, 5 locations).
As a specific measurement method of Rz, the cross section cut in the thickness direction of the solid-state junction type photoelectric conversion element to be measured is observed with a scanning electron microscope, the junction surface K is specified by image processing, and the above Rz is measured. The lengthening method is preferred. It is preferable to measure Rz at a plurality of points (for example, 5 points) for the same measurement target and set the arithmetic mean as Rz.
接合面KのRzが1nm以上であることにより、ペロブスカイト層に含まれた残留応力が光電変換素子の使用時に開放されてピンホールやクラックが発生することを防止することができる。
このメカニズムとしては、隣接層が複数箇所においてペロブスカイト層に食い込んでいる状態にすることで、ペロブスカイト層内部の残留応力により、互いに離間する向き(接合面Kに沿う向き)の滑りが防止されると考えられる。また、上記滑りにつながるような、残留応力が集中する部分が低減される、あるいは、ペロブスカイト層内部の残留応力が分散されているためと考えられる。
上記の残留応力は、光電変換素子の製造時にペロブスカイト化合物を含む溶液を塗布し、乾燥し、塗膜を形成する際、あるいは形成した後に生じる可能性が考えられる。When the Rz of the joint surface K is 1 nm or more, it is possible to prevent the residual stress contained in the perovskite layer from being released when the photoelectric conversion element is used and causing pinholes and cracks.
As this mechanism, by making the adjacent layers bite into the perovskite layer at a plurality of places, the residual stress inside the perovskite layer prevents slipping in the direction away from each other (direction along the joint surface K). Conceivable. Further, it is considered that the portion where the residual stress is concentrated, which leads to the slippage, is reduced, or the residual stress inside the perovskite layer is dispersed.
It is conceivable that the above-mentioned residual stress may occur when a solution containing a perovskite compound is applied and dried at the time of manufacturing the photoelectric conversion element to form a coating film, or after the coating film is formed.
接合面KのRzが1nm以上であることにより、Rzが1nm未満の場合と比べて、ペロブスカイト層と隣接層の接合面積(隣接層の表面積)が増加する。これにより、ペロブスカイト層と隣接層の間での電子輸送の効率が高まり、光電変換効率を向上させることができる。 When the Rz of the joint surface K is 1 nm or more, the joint area (surface area of the adjacent layer) between the perovskite layer and the adjacent layer increases as compared with the case where the Rz is less than 1 nm. As a result, the efficiency of electron transport between the perovskite layer and the adjacent layer is increased, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
上記のピンホールやクラックの発生を防止し、光電変換効率を向上させる観点から、Rzは、1nm〜1000nmが好ましく、1nm〜500nmがより好ましく、5nm〜200nmがさらに好ましい。
上記下限値以上であると上記の効果がより一層高まり、上記上限値以下であると、ペロブスカイト層及び/又は隣接層の機械的強度が弱まったり、接合面Kの凹凸自体がリーク原因となったりすることを防止できる。
Rzは、隣接層の厚みより大きくても構わないが、リーク頻度の低減及び光電変換効率の向上の観点から、隣接層の厚みよりも小さいことが好ましい。From the viewpoint of preventing the occurrence of the above-mentioned pinholes and cracks and improving the photoelectric conversion efficiency, Rz is preferably 1 nm to 1000 nm, more preferably 1 nm to 500 nm, and even more preferably 5 nm to 200 nm.
If it is at least the above lower limit value, the above effect is further enhanced, and if it is at least the above upper limit value, the mechanical strength of the perovskite layer and / or the adjacent layer is weakened, or the unevenness of the joint surface K itself causes leakage. Can be prevented.
Rz may be larger than the thickness of the adjacent layer, but is preferably smaller than the thickness of the adjacent layer from the viewpoint of reducing the leakage frequency and improving the photoelectric conversion efficiency.
図9は、ペロブスカイト層と隣接層の境界を含む、光電変換素子を厚さ方向に切断した断面図である。
本発明にかかる光電変換素子においては、ペロブスカイト層の厚さ方向における接合面Kを含む断面視(図9参照)で、前記基準長さ(L)を横辺にとり、前記Rz(=Rp+Rv)を縦辺にとった四角形の面積S(=L×Rz)のうち、隣接層の占有率が10〜90%であることが好ましい。ここで、ペロブスカイト層の占有率は、100%−(隣接層の占有率)である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion element cut in the thickness direction, including the boundary between the perovskite layer and the adjacent layer.
In the photoelectric conversion element according to the present invention, the reference length (L) is set as a horizontal side and the Rz (= Rp + Rv) is set in a cross-sectional view (see FIG. 9) including the joint surface K in the thickness direction of the perovskite layer. Of the area S (= L × Rz) of the quadrangle taken on the vertical side, the occupancy rate of the adjacent layer is preferably 10 to 90%. Here, the occupancy rate of the perovskite layer is 100% − (occupancy rate of the adjacent layer).
図9において、前記四角形が囲む領域をSで表し、ペロブスカイト層の占有領域をs1で表し、隣接層の占有領域をs2で表している。ここで、四角形の面積S=(ペロブスカイト層の占有領域の面積s1)+(隣接層の占有領域の面積s2)である。 In FIG. 9, the area surrounded by the quadrangle is represented by S, the occupied area of the perovskite layer is represented by s1, and the occupied area of the adjacent layer is represented by s2. Here, the area S of the quadrangle = (area s1 of the occupied area of the perovskite layer) + (area s2 of the occupied area of the adjacent layer).
隣接層の上記占有率は、10〜90%が好ましく、10〜70%がより好ましく、30〜70%がさらに好ましい。
上記下限値以上であると、ピンホールやクラックの発生を防止し、光電変換効率を向上させる効果が一層高まり、上記上限値以下であると、隣接層の機械的強度を充分に維持することができる。
隣接層の上記占有率の測定方法としては、測定対象の固体接合型光電変換素子の厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、画像処理によって、接合面Kを特定し、上記の面積s1及び面積s2を求める方法が好ましい。同一の測定対象について、複数箇所(例えば5箇所)の面積s1及び面積s2を測定し、その算術平均をそれぞれ面積s1及び面積s2とすることが好ましい。The occupancy of the adjacent layer is preferably 10 to 90%, more preferably 10 to 70%, and even more preferably 30 to 70%.
When it is at least the above lower limit value, the effect of preventing the occurrence of pinholes and cracks and improving the photoelectric conversion efficiency is further enhanced, and when it is at least the above upper limit value, the mechanical strength of the adjacent layer can be sufficiently maintained. it can.
As a method for measuring the occupancy of the adjacent layer, a cross section cut in the thickness direction of the solid-state junction type photoelectric conversion element to be measured is observed with a scanning electron microscope, and the junction surface K is specified by image processing. The method of obtaining the area s1 and the area s2 of the above is preferable. It is preferable to measure the area s1 and the area s2 at a plurality of locations (for example, 5 locations) for the same measurement target, and set the arithmetic mean thereof to the area s1 and the area s2, respectively.
以下、図面を参照して具体的な光電変換素子の実施形態を例示する。
[第一実施形態]
図1は光電変換素子10Aを厚さ方向に切断した断面図である。
図1に示す光電変換素子10Aにおいては、基材4、第一導電層1、ペロブスカイト層3、及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層である第一導電層1におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)が1nm以上である凹凸形状が形成されている。
第二隣接層である第二導電層2におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。Hereinafter, specific embodiments of the photoelectric conversion element will be illustrated with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz—a) of the joint surface K (Ka) in contact with the
The Rz (Rz-b) of the joint surface K (K-b) in contact with the
[第二実施形態]
図2は光電変換素子10Bを厚さ方向に切断した断面図である。
図2に示す光電変換素子10Bにおいては、基材4、第一導電層1、微粒子を含むアンカー層5、ペロブスカイト層3、及び第二導電層2が順に積層されている。
第一隣接層であるアンカー層5におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
アンカー層5は緻密膜であってもよいし、多孔質膜であってもよい。多孔質膜である場合、その細孔内部にペロブスカイト層3の一部が含まれていても構わない。多孔質のアンカー層5の内部にペロブスカイト層3の一部が含まれ、その一部によってペロブスカイト層3と第一導電層1との導通が確保される場合、アンカー層5を構成する微粒子は絶縁性微粒子であっても構わない。
第二隣接層である第二導電層2におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。[Second Embodiment]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz-a) of the joint surface K (K-a) in contact with the
The anchor layer 5 may be a dense film or a porous film. In the case of a porous film, a part of the
The Rz (Rz-b) of the joint surface K (K-b) in contact with the
[第三実施形態]
図3は光電変換素子10Cを厚さ方向に切断した断面図である。
図3に示す光電変換素子10Cにおいては、基材4、第一導電層1、ペロブスカイト層3、及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層である第一導電層1におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
第二隣接層である第二導電層2におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。
基材4における第一導電層1に接する接合面J1には、接合面K(K-a)と同様の凹凸形状が形成されており、基材4における第一導電層1に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz”)が1nm以上とされている。これにより、第一導電層1と基材4との密着性が向上している。
ここで、Rz”は、基材4の接合面J1における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である。このRz”は、JIS B0601−2001で規定された最大高さ粗さ(Rz)と同義であり、同規格に準拠して、前述した方法により測定される。[Third Embodiment]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion element 10C cut in the thickness direction.
In the photoelectric conversion element 10C shown in FIG. 3, the
The Rz (Rz—a) of the joint surface K (Ka) in contact with the
The Rz (Rz-b) of the joint surface K (K-b) in contact with the
The joint surface J1 in contact with the first
Here, Rz "is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface J1 of the
[第四実施形態]
図4は光電変換素子10Dを厚さ方向に切断した断面図である。
図4に示す光電変換素子10Dにおいては、基材4、第一導電層1、N型半導体層6、ペロブスカイト層3、P型半導体層7及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層であるN型半導体層6におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
N型半導体層6は第一導電層1と異なる材料からなり、N型半導体によって形成されている。N型半導体層6が備えられたことにより、ペロブスカイト層3で生じた光電子がN型半導体層6に流入し、第一導電層1側へ流れることを促進することができる。
P型半導体層7は第二導電層2と異なる材料からなり、P型半導体によって形成されている。P型半導体層7が備えられたことにより、ペロブスカイト層3で生じた正孔がP型半導体層7に流入し、第二導電層2側へ流れることを促進することができる。
第二隣接層であるP型半導体層7におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。[Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz-a) of the joint surface K (K-a) in contact with the
The N-
The P-
The Rz (Rz-b) of the bonding surface K (K-b) in contact with the
[第五実施形態]
図5は光電変換素子10Eを厚さ方向に切断した断面図である。
図5に示す光電変換素子10Eにおいては、基材4、第一導電層1、N型半導体層6、微粒子を含むアンカー層5、ペロブスカイト層3、P型半導体層7及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層であるアンカー層5におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
アンカー層5は緻密膜であってもよいし、多孔質膜であってもよい。多孔質膜である場合、その細孔内部にペロブスカイト層3の一部が含まれていても構わない。多孔質のアンカー層5の内部にペロブスカイト層3の一部が含まれ、その一部によってペロブスカイト層3とN型半導体層6との導通が確保される場合、アンカー層5を構成する微粒子は絶縁性微粒子であっても構わない。
N型半導体層6は第一導電層1と異なる材料からなり、P型半導体層7は第二導電層2と異なる材料からなり、各半導体層の役割は、第四実施形態と同様である。
第二隣接層であるP型半導体層7におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。[Fifth Embodiment]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz-a) of the joint surface K (K-a) in contact with the
The anchor layer 5 may be a dense film or a porous film. In the case of a porous film, a part of the
The N-
The Rz (Rz-b) of the bonding surface K (K-b) in contact with the
[第六実施形態]
図6は光電変換素子10Fを厚さ方向に切断した断面図である。
図6に示す光電変換素子10Fにおいては、基材4、第一導電層1、N型半導体層6、ペロブスカイト層3、P型半導体層7及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層であるN型半導体層6におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
N型半導体層6は第一導電層1と異なる材料からなり、P型半導体層7は第二導電層2と異なる材料からなり、各半導体層の役割は、第四実施形態と同様である。
第二隣接層であるP型半導体層7におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。[Sixth Embodiment]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz-a) of the joint surface K (K-a) in contact with the
The N-
The Rz (Rz-b) of the bonding surface K (K-b) in contact with the
第一導電層1におけるN型半導体層6に接する接合面J1には、接合面Kと同様の凹凸形状が形成されており、第一導電層1におけるN型半導体層6に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz’)が1nm以上とされている。これにより、N型半導体層6と第一導電層1との密着性が向上し、さらに接合面積が増加したことにより光電変換効率が向上し得る。
ここで、Rz’は、第一導電層1の接合面J1における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である。このRz’は、JIS B0601−2001で規定された最大高さ粗さ(Rz)と同義であり、同規格に準拠して、前述した方法により測定される。The joint surface J1 in contact with the N-
Here, Rz'is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface J1 of the first
[第七実施形態]
図7は光電変換素子10Gを厚さ方向に切断した断面図である。
図7に示す光電変換素子10Gにおいては、基材4、第一導電層1、N型半導体層6、ペロブスカイト層3、P型半導体層7及び第二導電層2が順に積層されてなる。
第一隣接層であるN型半導体層6におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は1nm以上である。接合面K(K-a)にはRz(Rz-a)を1nm以上とする凹凸形状が形成されている。
N型半導体層6は第一導電層1と異なる材料からなり、P型半導体層7は第二導電層2と異なる材料からなり、各半導体層の役割は、第四実施形態と同様である。
第二隣接層であるP型半導体層7におけるペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)は1nm以上であることが好ましい。図の接合面K-bにおける凹凸形状は省略して描いていない。[Seventh Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
In the
The Rz (Rz-a) of the joint surface K (K-a) in contact with the
The N-
The Rz (Rz-b) of the bonding surface K (K-b) in contact with the
第一導電層1におけるN型半導体層6に接する接合面J1には、接合面Kと同様の凹凸形状が形成されており、第一導電層1におけるN型半導体層6に接する接合面のRz’が1nm以上とされている。これにより、N型半導体層6と第一導電層1との密着性が向上し、さらに接合面積が増加したことにより光電変換効率が向上し得る。
The joint surface J1 in contact with the N-
基材4における第一導電層1に接する接合面J2には、接合面J1と同様の凹凸形状が形成されており、基材4における第一導電層1に接する接合面のRz”が1nm以上とされている。これにより、第一導電層1と基材4との密着性が向上している。
上記Rz’及びRz”の説明は、前述のRz’及びRz”の説明と同様であるため省略する。The joint surface J2 in contact with the first
The above description of Rz'and Rz'is the same as the above description of Rz'and Rz', and will be omitted.
以上で例示した第一実施形態〜第七実施形態の光電変換素子は何れも基材4を備えているが、基材4以外の層、例えば第一導電層1、が充分に厚く自立性を有する場合には、基材4を省いた構成としてもよい。
The photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments exemplified above all include the
本発明かかる光電変換素子の製造歩留り及び光電変換効率を向上させる観点から、(Rz-a)/(Rz-b)で表される粗さ比は、0.1以上1000以下が好ましく、0.2以上100以下がより好ましく、0.3以上80以下がより一層好ましく、0.5以上50以下がさらに好ましく、0.8以上40以下がさらに一層に好ましく、1.0以上30以下が特に好ましく、2.0以上20以下が最も好ましい。光電変換素子の製造時に先に形成される隣接層(例えば、第一隣接層)がペロブスカイト層3に接する接合面K(K-a)のRz(Rz-a)は、製造時に後に形成される隣接層(例えば、第二隣接層)がペロブスカイト層3に接する接合面K(K-b)のRz(Rz-b)よりも大きいことが好ましい。
From the viewpoint of improving the production yield and photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element of the present invention, the roughness ratio represented by (Rz-a) / (Rz-b) is preferably 0.1 or more and 1000 or less, and 0. 2 or more and 100 or less are more preferable, 0.3 or more and 80 or less are further preferable, 0.5 or more and 50 or less are further preferable, 0.8 or more and 40 or less are further preferable, and 1.0 or more and 30 or less are particularly preferable. , 2.0 or more and 20 or less is most preferable. The Rz (Rz-a) of the bonding surface K (Ka) in which the adjacent layer (for example, the first adjacent layer) formed earlier in the manufacture of the photoelectric conversion element is in contact with the
本発明にかかる光電変換素子において、(Rz-a)+(Rz-b)の足し算で求められる合計の粗さは、ペロブスカイト層の厚さよりも小さい値であることが好ましく、ペロブスカイト層の厚さの80%以下であることがより好ましく、ペロブスカイト層の厚さの60%以下であることがさらに好ましい。 In the photoelectric conversion element according to the present invention, the total roughness obtained by adding (Rz-a) + (Rz-b) is preferably a value smaller than the thickness of the perovskite layer, and the thickness of the perovskite layer. It is more preferably 80% or less, and further preferably 60% or less of the thickness of the perovskite layer.
以下、各層の材料及び厚みを説明する。
各層の厚さを測定する方法は、次の方法が好ましい。測定対象の固体接合型光電変換素子の厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察し、画像処理により各層間の境界を特定し、各層の無作為に選んだ10箇所について、各層の厚さを測定し、その算術平均を各々の層の厚さとする。Hereinafter, the material and thickness of each layer will be described.
The following method is preferable as a method for measuring the thickness of each layer. The cross section cut in the thickness direction of the solid-state junction type photoelectric conversion element to be measured was observed with a scanning electron microscope, the boundary between each layer was identified by image processing, and 10 randomly selected points of each layer were selected for each layer. The thickness is measured and the arithmetic mean is taken as the thickness of each layer.
(第一導電層1)
第一導電層1の材料は、導電性を有する層であれば特に限定されず、透明層を形成し得る材料が好ましく、例えば、スズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、二酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)などの金属酸化物が好適である。また、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、ニッケル及びクロムからなる群から選択される何れか1種以上の金属や、カーボン材料、導電性高分子材料、ゾルゲル法で形成され得る半導体材料等が適用できる。
第一導電層1を構成する材料の種類は、1種類でもよく、2種類以上でもよい。
第一導電層1の厚みは特に限定されず、例えば、100nm〜500nmが好ましい。
第一導電層1がRz(Rz-a)1nm以上又はRz’1nm以上の接合面Kを形成する場合、その厚みは10nm以上が好ましい。(First conductive layer 1)
The material of the first
The type of the material constituting the first
The thickness of the first
When the first
(第二導電層2)
第二導電層2の材料及び厚みの説明は、第一導電層1の材料及び厚みの説明と同様であるため省略する。
なお、光電変換素子の発電層であるペロブスカイト層3に光を照射する観点から、第一導電層1及び第二導電層2のうち少なくとも一方の導電層は透明であることが好ましい。(Second conductive layer 2)
The description of the material and thickness of the second
From the viewpoint of irradiating the
(ペロブスカイト層3)
ペロブスカイト層3は、ペロブスカイト化合物を含む層であり、ペロブスカイト化合物のみから形成されていてもよいし、その他の物質を含んでいてもよい。
ペロブスカイト化合物の種類は、特に限定されず、公知の太陽電池に使用されるペロブスカイト化合物が適用可能であり、結晶構造を有し、典型的な化合物半導体と同様にバンドギャップ励起による光吸収を示すものが好ましい。例えば、公知のペロブスカイト化合物であるCH3NH3PbI3は、色素増感太陽電池の増感色素と比べて、単位厚さ当たりの吸光係数(cm-1)が1桁高いことが知られている。(Perovskite layer 3)
The
The type of perovskite compound is not particularly limited, and a known perovskite compound used in a solar cell can be applied, has a crystal structure, and exhibits light absorption by bandgap excitation like a typical compound semiconductor. Is preferable. For example, CH 3 NH 3 PbI 3 , a known perovskite compound, is known to have an extinction coefficient (cm -1 ) per unit thickness that is an order of magnitude higher than that of the sensitizing dye of a dye-sensitized solar cell. There is.
ペロブスカイト層3の厚みは、例えば、10nm〜10μmが好ましく、50nm〜1μmがより好ましく、100nm〜500nmがさらに好ましく、300nm〜500nmが特に好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、ペロブスカイト層3における光の吸収効率が高まり、より優れた光電変換効率が得られる。
上記範囲の上限値以下であると、ペロブスカイト層3内で発生した光電子が第一導電層1に到達する効率が高まり、より優れた光電変換効率が得られる。The thickness of the
When it is at least the lower limit of the above range, the light absorption efficiency in the
When it is not more than the upper limit of the above range, the efficiency of the photoelectrons generated in the
(基材4)
基材4の種類は特に制限されず、例えば従来の太陽電池の光電極に使用される透明基材が挙げられる。前記透明基材としては、例えばガラス又は合成樹脂からなる基板、合成樹脂製の可撓性を有するフィルム等が挙げられる。(Base material 4)
The type of the
前記透明基材の材料が合成樹脂である場合、その合成樹脂としては、例えば、ポリアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、ポリエステル樹脂、特にポリエチレンナフタレート(PEN)やポリエチレンテレフタレート(PET)が、薄く、軽く、かつフレキシブルな光電変換素子を製造する観点から好ましい。 When the material of the transparent base material is a synthetic resin, examples of the synthetic resin include polyacrylic resin, polycarbonate resin, polyester resin, polyimide resin, polystyrene resin, polyvinyl chloride resin, and polyamide resin. Among these, polyester resins, particularly polyethylene naphthalate (PEN) and polyethylene terephthalate (PET), are preferable from the viewpoint of producing a thin, light and flexible photoelectric conversion element.
基材4の厚みと材料の組み合わせは特に限定されず、例えば1mm〜10mm厚のガラス基板、0.01mm〜3mm厚の樹脂フィルム等が挙げられる。
The combination of the thickness of the
(アンカー層5)
アンカー層5は、多数の微粒子が互いに接合又は結着して形成された層であり、緻密膜であってもよいし、多孔質膜であってもよい。(Anchor layer 5)
The anchor layer 5 is a layer formed by bonding or binding a large number of fine particles to each other, and may be a dense film or a porous film.
前記微粒子の材料は特に限定されず、導電性を有する材料が好ましい。例えば、スズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)などの金属酸化物;金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、ニッケル及びクロムからなる群から選択される何れか1種以上の金属;カーボン材料;導電性高分子材料等が挙げられる。 The material of the fine particles is not particularly limited, and a material having conductivity is preferable. For example, metal oxides such as tin-doped tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped tin oxide (ATO); selected from the group consisting of gold, silver, copper, aluminum, tungsten, nickel and chromium. Any one or more metals; carbon materials; conductive polymer materials and the like can be mentioned.
また、前記微粒子の材料として、N型半導体を用いることもできる。例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO,SnO2)、IGZO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)等の電子伝導性に優れたN型の酸化物半導体が挙げられる。Further, an N-type semiconductor can also be used as the material for the fine particles. Examples thereof include N-type oxide semiconductors having excellent electron conductivity such as titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO, SnO 2 ), IGZO, and strontium titanate (SrTiO 3). ..
アンカー層5が多孔質膜である場合、前記微粒子の材料として絶縁体を適用でき、従来の半導体デバイスの絶縁層を構成する酸化物が挙げられる。具体的には、二酸化ジルコニウム、二酸化珪素、酸化アルミニウム(AlO,Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ニッケル(NiO)等が挙げられる。これらのうち、特に酸化アルミニウム(III)(Al2O3)が、好適なRzを形成できる観点から好ましい。When the anchor layer 5 is a porous film, an insulator can be applied as a material for the fine particles, and an oxide constituting the insulating layer of a conventional semiconductor device can be mentioned. Specifically, zirconium dioxide, silicon dioxide, aluminum oxide (AlO, Al 2 O 3) , magnesium oxide (MgO), and nickel oxide (NiO) can be mentioned. Of these, aluminum oxide (III) (Al 2 O 3 ) is particularly preferable from the viewpoint of forming a suitable Rz.
アンカー層5を構成する前記微粒子の平均粒子径は特に限定されず、例えば、1〜500nmが好ましく、5〜300nmがより好ましく、10〜500nmがさらに好ましい。これらの好適な範囲であると、Rz(Rz-a)1nm以上となる凹凸形状を容易に形成することができる。
ここで、平均粒子径とは、JIS Z 8901:2006「試験用粉体及び試験用粒子」で定義されている「粒子の直径の算術平均値」であり、同規格の「附属書(規定)試験用粒子1の平均粒子径の測定方法」の3.透過形電子顕微鏡法に基づいて求められる値である。The average particle size of the fine particles constituting the anchor layer 5 is not particularly limited, and for example, 1 to 500 nm is preferable, 5 to 300 nm is more preferable, and 10 to 500 nm is further preferable. Within these suitable ranges, a concave-convex shape having an Rz (Rz-a) of 1 nm or more can be easily formed.
Here, the average particle size is the "arithmetic average value of the particle size" defined in JIS Z 8901: 2006 "Test powder and test particles", and the "Annex (regulation)" of the same standard. Method for measuring the average particle size of
アンカー層5を構成する微粒子の種類は、1種類でもよく、2種類以上でもよい。
アンカー層5の厚みは特に限定されず、例えば、10nm〜300nmが好ましい。アンカー層5がRz(Rz-a)1nm以上の接合面Kを形成する場合、その厚みは10nm以上が好ましい。The type of fine particles constituting the anchor layer 5 may be one type or two or more types.
The thickness of the anchor layer 5 is not particularly limited, and is preferably 10 nm to 300 nm, for example. When the anchor layer 5 forms a joint surface K having an Rz (Rz-a) of 1 nm or more, the thickness thereof is preferably 10 nm or more.
(N型半導体層6)
N型半導体層6は緻密膜であってもよく、多孔質膜であってもよいが、N型半導体層6の役割として電子の逆流(逆電流の発生)を防止することを考慮すると、緻密膜であることが好ましい。
N型半導体層6が多孔質膜である場合、その細孔内部にペロブスカイト層3の一部が含まれることを許容することになる。これを許容すると、ペロブスカイト層3と第一導電層1とが直接に導通して、N型半導体層6の上記役割が果たせない懸念がある。N型半導体層6が緻密膜であれば、この懸念はない。(N-type semiconductor layer 6)
The N-
When the N-
N型半導体層6の材料は特に限定されず、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO,SnO2)、IGZO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)等の電子伝導性に優れたN型の酸化物半導体が例示できる。
N型半導体層6を構成するN型半導体の種類は、1種類でもよく、2種類以上でもよい。
N型半導体層6の材料と、第一導電層1の材料は互いに異なることが好ましい。
N型半導体層6の材料と、アンカー層5の材料は互いに異なることが好ましい。The material of the N-
The type of the N-type semiconductor constituting the N-
It is preferable that the material of the N-
It is preferable that the material of the N-
N型半導体層6の厚みは特に限定されず、例えば1nm〜1μm程度が挙げられる。1nm以上であると上記役割を充分に果たし、1μm以下であると内部抵抗を低く抑えることができる。N型半導体層6がRz(Rz-a)1nm以上の接合面K(K-a)を形成する場合、N型半導体層6の厚みは10nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましい。N型半導体層6の厚みは、Rz-a値よりも大きいことが好ましく、Rz-a値の2倍以上の厚みであることがより好ましい。
The thickness of the N-
(P型半導体層7)
P型半導体層7の材料であるP型半導体の種類は特に限定されず、有機材料であってもよく、無機材料であってもよい。
例えば、公知の太陽電池の正孔輸送層のP型半導体が適用できる。前記有機材料として、例えば、2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenilamine)-9,9'-spirobifluorene(略称:spiro-OMeTAD)、Poly(3-hexylthiophene)(略称:P3HT)、polytriarylamine(略称:PTAA) などが挙げられる。
前記無機材料としては、例えば、CuI、CuSCN、CuO、Cu2O等の銅化合物やNiOなどのニッケル化合物などが挙げられる。
P型半導体層7を構成するP型半導体の種類は、1種類でもよく、2種類以上でもよい。
P型半導体層7の材料と、第二導電層2の材料は互いに異なることが好ましい。(P-type semiconductor layer 7)
The type of the P-type semiconductor that is the material of the P-
For example, a known P-type semiconductor of a hole transport layer of a solar cell can be applied. Examples of the organic material include 2,2', 7,7'-tetrakis (N, N-di-p-methoxyphenilamine) -9,9'-spirobifluorene (abbreviation: spiro-OMeTAD), Poly (3-hexylthiophene). (Abbreviation: P3HT), polytriarylamine (abbreviation: PTAA), etc. can be mentioned.
Examples of the inorganic materials, for example, CuI, CuSCN, CuO, and nickel compounds such as copper compounds and NiO of Cu 2 O and the like.
The type of the P-type semiconductor constituting the P-
It is preferable that the material of the P-
P型半導体層7の厚みは特に限定されず、例えば、1nm〜1000nmが好ましく、5nm〜500nmがより好ましく、30nm〜500nmがさらに好ましく、50nm〜200nmが特に好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、高い起電力を得ることができる。
上記範囲の上限値以下であると、内部抵抗をより低減することができる。
P型半導体層7がRz(Rz-b)1nm以上の接合面K(K-b)を形成する場合、P型半導体層7の厚みは10nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましく、100nm以上がさらに好ましい。P型半導体層7の厚みは、Rz-b値よりも大きいことが好ましく、Rz-b値の2倍以上の厚みであることがより好ましい。The thickness of the P-
When it is equal to or more than the lower limit of the above range, a high electromotive force can be obtained.
When it is not more than the upper limit value in the above range, the internal resistance can be further reduced.
When the P-
《固体接合型光電変換素子の発電》
ペロブスカイト層3が光を吸収すると、層内で光電子及び正孔が発生する。光電子は、アンカー層5、N型半導体層6が備えられている場合にはこれらを介して、第一導電層1が構成する作用極(正極)に移動する。一方、正孔は、P型半導体層7が備えられている場合にはこれを介して、第二導電層2が構成する対極(負極)に移動する。
光電変換素子によって発電された電流は、第一導電層1及び第二導電層2に接続された各引出電極を介して外部回路へ取り出される。<< Power generation of solid-state junction type photoelectric conversion element >>
When the
The current generated by the photoelectric conversion element is taken out to an external circuit via each of the extraction electrodes connected to the first
《固体接合型光電変換素子の製造方法》
本発明の第二態様は、ペロブスカイト層と、これに接する接合面を有する隣接層と、を備えた固体接合型光電変換素子の製造方法である。この製造方法は、前記隣接層の前記接合面に、前記ペロブスカイト層を形成する化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する工程(塗膜形成工程)と、前記塗膜を乾燥することにより前記ペロブスカイト層を形成する工程(硬化工程)と、を有する。
前記接合面の最大高さ粗さ(Rz)が1nm以上であり、前記Rzは、前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である。このRzは、JIS B0601−2001で規定された最大高さ粗さ(Rz)と同義であり、同規格に準拠して、前述した方法によって測定される。<< Manufacturing method of solid-state junction type photoelectric conversion element >>
A second aspect of the present invention is a method for manufacturing a solid-state junction type photoelectric conversion element including a perovskite layer and an adjacent layer having a junction surface in contact with the perovskite layer. This production method involves applying a solution containing a compound for forming the perovskite layer to the joint surface of the adjacent layer to form a coating film (coating film forming step), and drying the coating film. It has a step of forming the perovskite layer (curing step).
The maximum height roughness (Rz) of the joint surface is 1 nm or more, and the Rz is the maximum mountain height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) of the joint surface. Is the sum of. This Rz is synonymous with the maximum height roughness (Rz) defined by JIS B0601-2001, and is measured by the method described above in accordance with the same standard.
前記硬化工程において、ペロブスカイト化合物を含む溶液を塗布し、乾燥し、徐々に塗膜が収縮し、硬化又は結晶化したペロブスカイト層が形成される。この際、塗膜が収縮しながら徐々に形成されるペロブスカイト層の内部で、互いに離間する向き(接合面に沿う向き)の応力が発生する。
例えば、図1の光電変換素子10Aを製造する場合に、第一導電層1の接合面Kの上で前記塗膜が徐々に収縮しながらペロブスカイト層3が形成される状況を考える。この状況において、図1の断面視で、塗膜(ペロブスカイト層3)の左半分の領域と、右半分の領域とが互いに独立に凝集して、中央にクラック(又はピンホール)が生じ、左半分と右半分とに分離したペロブスカイト層3を形成するような応力が発生する。この応力は、塗膜を構成する溶液の表面張力等の物性に起因して、乾燥に伴い自然に発生するものである。In the curing step, a solution containing a perovskite compound is applied and dried, and the coating film gradually shrinks to form a cured or crystallized perovskite layer. At this time, stress is generated inside the perovskite layer, which is gradually formed while the coating film shrinks, in a direction away from each other (direction along the joint surface).
For example, when manufacturing the
しかしながら、上記の応力が発生しても、本発明にかかる製造方法においては、接合面Kに凹凸形状が形成され、接合面KのRzが1nm以上となっているので、上記のクラック(又はピンホール)は発生せず、リーク電流が発生し難いペロブスカイト層3を形成することができる。
このメカニズムとしては、接合面に形成された凹凸形状は、上記応力に対する物理的な抵抗として機能するため、応力による塗膜の流動化、あるいは断片化を防ぐと考えられる。However, even if the above stress is generated, in the manufacturing method according to the present invention, a concave-convex shape is formed on the joint surface K, and the Rz of the joint surface K is 1 nm or more. It is possible to form the
As this mechanism, since the uneven shape formed on the joint surface functions as a physical resistance to the above stress, it is considered that the fluidization or fragmentation of the coating film due to the stress is prevented.
前記硬化工程において、塗膜を乾燥するとは、塗膜に含まれる溶媒を揮発させて、硬化したペロブスカイト層3が得られる程度に前記溶媒を除去することをいう。
ペロブスカイト層3に残留する溶媒は少ないほど好ましく、ペロブスカイト層3の総質量(100%)に対する残留溶媒の含有量は、0.1%以下が好ましく、0.01%以下がより好ましい。In the curing step, drying the coating film means volatilizing the solvent contained in the coating film and removing the solvent to the extent that a cured
The smaller the amount of solvent remaining in the
以下、本発明にかかる固体接合型光電変換素子の各層の形成方法、及びRz1nm以上とする粗面化方法(凹凸形状の形成方法)を説明する。
<基材4の準備>
基材4は常法により作製可能であり、市販品を使用してもよい。
基材4を粗面化する方法としては、例えば、公知のナノインプリント法が挙げられる。
形成する凹凸形状としては、例えばラインパターン、ドットパターン、ホールパターン等が挙げられる。Hereinafter, a method for forming each layer of the solid-state junction type photoelectric conversion element according to the present invention and a roughening method (method for forming an uneven shape) having an Rz of 1 nm or more will be described.
<Preparation of
The
Examples of the method for roughening the
Examples of the uneven shape to be formed include a line pattern, a dot pattern, a hole pattern, and the like.
<第一導電層1の形成>
基材4の表面に、第一導電層1を形成する方法は特に限定されず、例えば、スパッタ法、蒸着法等の公知の成膜方法が適用できる。半導体前駆体を含む分散液を基材4の表面に塗布して半導体からなる導電層を形成する公知のゾルゲル法も適用できる。<Formation of the first
The method of forming the first
第一導電層1を粗面化する方法としては、例えば、グラインダー、サンドペーパー、バフなどによって第一導電層1の表面を機械的に研磨する方法;第一導電層1の表面をエッチング溶液に接触させて、化学的に凹凸を形成する方法;第一導電層1の表面にレーザーを照射することにより物理的に凹凸を形成する方法;等が挙げられる。
基材4の表面に凹凸形状が予め形成されている場合、その表面に第一導電層1を形成することにより、基材4の凹凸形状に追随した凹凸形状を有する第一導電層1を形成することができる。As a method of roughening the first
When the uneven shape is formed in advance on the surface of the
<N型半導体層6の形成>
第一導電層1の上にN型半導体層6を形成する方法は特に限定されず、例えば、スパッタ法、蒸着法、N型半導体の前駆体を含む分散液を第一導電層1の表面に塗布するゾルゲル法等が挙げられる。<Formation of N-
The method for forming the N-
N型半導体の前駆体としては、例えば、四塩化チタン(TiCl4)、ペルオキソチタン酸(PTA)や、チタンエトキシド、チタンイソプロポキシド(TTIP)等のチタンアルコキシド、亜鉛アルコキシド、アルコキシシラン、ジルコニウムアルコキシド等の金属アルコキシドが挙げられる。Examples of the precursor of the N-type semiconductor include titanium tetrachloride (TiCl 4 ), peroxotitanic acid (PTA), titanium alkoxide such as titanium ethoxyoxide and titanium isopropoxide (TTIP), zinc alkoxide, alkoxysilane, and zirconium. Examples thereof include metal alkoxides such as alkoxides.
N型半導体層6を粗面化する方法としては、例えば、前述の第一導電層1を粗面化する方法と同様の方法が挙げられる。
第一導電層1の表面に凹凸形状が予め形成されている場合、その表面にN型半導体層6を形成することにより、第一導電層1の凹凸形状に追随した凹凸形状を有するN型半導体層6を形成することができる。Examples of the method for roughening the N-
When an uneven shape is formed in advance on the surface of the first
<アンカー層5の形成>
第一導電層1又はN型半導体層6の上に、微粒子を含むアンカー層5を形成する方法は特に限定されず、例えば、従来の色素増感太陽電池の増感色素を担持する半導体層を形成する方法が適用できる。
具体的には、例えば、導電体又はN型半導体からなる微粒子を含むスラリーをスピンコート法で第一導電層1又はN型半導体層6の表面に塗布し、乾燥することによって、微粒子からなるアンカー層5を形成することができる。
前記微粒子を第一導電層1又はN型半導体層6の表面に吹き付けることによって、当該微粒子からなる多孔質膜又は緻密膜(非多孔質膜)のアンカー層5を形成することができる。<Formation of anchor layer 5>
The method of forming the anchor layer 5 containing fine particles on the first
Specifically, for example, an anchor made of fine particles is obtained by applying a slurry containing fine particles made of a conductor or an N-type semiconductor to the surface of the first
By spraying the fine particles onto the surface of the first
前記微粒子の吹き付け方法としては、公知方法が適用可能であり、例えば、エアロゾルデポジション法(AD法)、静電力により微粒子を加速する静電微粒子コーティング法(静電スプレー法)、コールドスプレー法等が挙げられる。 As the method of spraying the fine particles, a known method can be applied, for example, an aerosol deposition method (AD method), an electrostatic fine particle coating method (electrostatic spray method) for accelerating fine particles by electrostatic force, a cold spray method, and the like. Can be mentioned.
アンカー層5の表面に凹凸形状を形成する方法としては、例えば、前述の第一導電層1を粗面化する方法と同様の方法が挙げられる。
前記スラリーに含ませる微粒子の粒径分布を二峰性分布又は多峰性分布として、大径粒子と小径粒子の混合割合を適宜調整する方法が挙げられる。
前記微粒子の吹き付けにおいて、吹き付けノズルの掃引速度、吹き付け速度、吹き付ける粉体と搬送ガスとの混合割合(吹き付け粉体密度)等を適宜調整する方法が挙げられる。Examples of the method of forming the uneven shape on the surface of the anchor layer 5 include the same method as the above-mentioned method of roughening the first
Examples thereof include a method in which the particle size distribution of the fine particles contained in the slurry is a bimodal distribution or a multimodal distribution, and the mixing ratio of the large diameter particles and the small diameter particles is appropriately adjusted.
In the spraying of the fine particles, a method of appropriately adjusting the sweeping speed of the spray nozzle, the spraying speed, the mixing ratio of the sprayed powder and the conveyed gas (spraying powder density), and the like can be mentioned.
<ペロブスカイト層3の形成>
隣接層(例えば、第一導電層1、アンカー層5又はN型半導体層6)の上にペロブスカイト層3を形成する方法としては、例えば、ペロブスカイト化合物又はペロブスカイト化合物の前駆体を溶解した原料溶液を前記隣接層の表面に塗布し、所望の厚みの溶液からなる塗膜を形成し、この塗膜に含まれる溶媒を乾燥することによってペロブスカイト層を形成する方法が挙げられる。<Formation of
As a method of forming the
前記隣接層が多孔質層である場合、隣接層の細孔内部に前記原料溶液が浸透し、隣接層の内部にペロブスカイト層3の一部が形成される。
When the adjacent layer is a porous layer, the raw material solution permeates into the pores of the adjacent layer, and a part of the
前記隣接層の表面に前記原料溶液を塗布する方法は特に限定されず、例えば、グラビア塗布法、バー塗布法、印刷法、スプレー法、スピンコーティング法、ディップ法、ダイコート法等の公知方法を適用できる。 The method of applying the raw material solution to the surface of the adjacent layer is not particularly limited, and for example, a known method such as a gravure coating method, a bar coating method, a printing method, a spray method, a spin coating method, a dip method, or a die coating method is applied. it can.
前記原料溶液中の原料の濃度は特に限定されず、充分に溶解又は分散され、前記塗布方法により原料溶液を均一な厚みで塗布可能な程度の粘度を呈する濃度であることが好ましい。 The concentration of the raw material in the raw material solution is not particularly limited, and it is preferable that the concentration is such that the raw material solution is sufficiently dissolved or dispersed and the raw material solution can be coated with a uniform thickness by the coating method.
前記隣接層に原料溶液を塗布したことにより形成された直後(乾燥前)の塗膜の厚みとしては、前記隣接層の接合面のRz値よりも厚い範囲で、例えば、10nm〜10μmの範囲で塗布することが好ましい。 The thickness of the coating film immediately after being formed by applying the raw material solution to the adjacent layer (before drying) is in a range thicker than the Rz value of the joint surface of the adjacent layer, for example, in the range of 10 nm to 10 μm. It is preferable to apply.
前記塗膜を乾燥する方法は特に限定されず、自然乾燥、減圧乾燥、温風乾燥等の方法を適用できる。
前記塗膜の乾燥温度は、ペロブスカイト化合物の結晶化(塗膜の硬化)が充分に進行する温度であればよく、例えば40〜150℃の範囲が挙げられる。
乾燥処理の程度としては、硬化したペロブスカイト層の総質量(100%)に対する溶媒の含有量が、0.1%以下になるまで乾燥することが好ましく、0.01%以下になるまで乾燥することがより好ましい。
前記塗膜の乾燥方法としては、10〜40℃の室温で自然に乾燥させる方法、又は35〜70℃程度の温風を前記原料溶液の塗布面に穏やかに吹き付けて乾燥させる方法が好ましい。これにより、先に形成される第一隣接層のRz-aが後に形成される第二隣接層のRz-bよりも大きい、という関係を容易に得ることが出来る。The method for drying the coating film is not particularly limited, and methods such as natural drying, vacuum drying, and warm air drying can be applied.
The drying temperature of the coating film may be a temperature at which crystallization of the perovskite compound (curing of the coating film) proceeds sufficiently, and examples thereof include a range of 40 to 150 ° C.
The degree of the drying treatment is preferably such that the content of the solvent with respect to the total mass (100%) of the cured perovskite layer is 0.1% or less, and it is dried until 0.01% or less. Is more preferable.
As a method for drying the coating film, a method of naturally drying at room temperature of 10 to 40 ° C. or a method of gently blowing warm air of about 35 to 70 ° C. on the coated surface of the raw material solution to dry the coating film is preferable. Thereby, it is possible to easily obtain the relationship that the Rz-a of the first adjacent layer formed earlier is larger than the Rz-b of the second adjacent layer formed later.
前記原料溶液を前記隣接層に塗布した後、その塗布面が完全に乾燥する前に、その塗布面に対してペロブスカイト化合物を溶解し難い貧溶媒を滴下し、前記塗布面上に前記貧溶媒を拡散させた後、10〜40℃の室温で自然に乾燥させる方法、又は40〜70℃程度の温風を前記原料溶液の塗布面に穏やかに吹き付けて乾燥させる方法によって、ペロブスカイト層を形成することがより好ましい。これにより、前記Rz-a>Rz-bの関係をより容易に得ることが出来る。 After applying the raw material solution to the adjacent layer, before the coated surface is completely dried, a poor solvent in which the perovskite compound is difficult to dissolve is dropped onto the coated surface, and the poor solvent is applied onto the coated surface. After diffusion, the perovskite layer is formed by a method of naturally drying at room temperature of 10 to 40 ° C. or a method of gently blowing warm air of about 40 to 70 ° C. on the coated surface of the raw material solution to dry. Is more preferable. Thereby, the relationship of Rz-a> Rz-b can be obtained more easily.
前記貧溶媒の溶解パラメータ(δ、SP値)は、8.5以上が好ましく、9.0以上がより好ましく、9.5以上がさらに好ましい。SP値の上限値の目安として、例えば12.0が挙げられる。 The solubility parameter (δ, SP value) of the poor solvent is preferably 8.5 or more, more preferably 9.0 or more, and further preferably 9.5 or more. As a guideline for the upper limit of the SP value, for example, 12.0 can be mentioned.
ペロブスカイト化合物は、光吸収により起電力を発生させ得るものであれば特に限定されず、公知のペロブスカイト化合物が適用可能である。なかでも、ペロブスカイト型の結晶を形成可能であり、単一の化合物内に有機成分及び無機成分を有する下記組成式(1):
ABX3 ・・・(1)
で表されるペロブスカイト化合物が好ましい。The perovskite compound is not particularly limited as long as it can generate an electromotive force by light absorption, and a known perovskite compound can be applied. Among them, the following composition formula (1): which can form perovskite-type crystals and has an organic component and an inorganic component in a single compound:
ABX 3 ... (1)
The perovskite compound represented by is preferable.
組成式(1)において、Aは有機カチオンを表し、Bは金属カチオンを表し、Xはハロゲンイオンを表す。ペロブスカイト結晶構造において、Bサイトは、Xサイトに対して八面体配位をとり得る。Bサイトの金属カチオンと、Xサイトのハロゲンイオンの原子軌道とが混成し、光電変換に関わる価電子帯と伝導帯が形成される、と考えられる。 In the composition formula (1), A represents an organic cation, B represents a metal cation, and X represents a halogen ion. In the perovskite crystal structure, the B site may be octahedrally coordinated with respect to the X site. It is considered that the metal cation of the B site and the atomic orbital of the halogen ion of the X site are mixed to form a valence band and a conduction band involved in photoelectric conversion.
組成式(1)のBで表される金属カチオンを構成する金属は特に限定されず、例えばCu、Ni、Mn、Fe、Co、Pd、Ge、Sn、Pb、Euが挙げられる。なかでも、Xサイトのハロゲンイオンの原子軌道との混成により伝導性の高いバンドを容易に形成することが可能な、Pb及びSnが好ましい。
Bサイトを構成する金属カチオンは1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。The metal constituting the metal cation represented by B in the composition formula (1) is not particularly limited, and examples thereof include Cu, Ni, Mn, Fe, Co, Pd, Ge, Sn, Pb, and Eu. Of these, Pb and Sn, which can easily form a highly conductive band by hybridizing the halogen ion of the X site with the atomic orbital, are preferable.
The metal cations constituting the B site may be one kind or two or more kinds.
組成式(1)のXで表されるハロゲンイオンを構成するハロゲンは特に限定されず、例えばF、Cl、Br、Iが挙げられる。なかでも、Bサイトの金属カチオンとの混成軌道により伝導性の高いバンドを容易に形成することが可能な、Cl、Br及びIが好ましい。
Xサイトを構成するハロゲンイオンは1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。The halogen constituting the halogen ion represented by X in the composition formula (1) is not particularly limited, and examples thereof include F, Cl, Br, and I. Of these, Cl, Br and I, which can easily form a highly conductive band due to the hybrid orbital of the B site with the metal cation, are preferable.
The halogen ions constituting the X site may be one type or two or more types.
組成式(1)のAで表される有機カチオンを構成する有機基は特に限定されず、例えばアルキルアンモニウム誘導体、ホルムアミジニウム誘導体が挙げられる。
Aサイトを構成する有機カチオンは1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。The organic group constituting the organic cation represented by A in the composition formula (1) is not particularly limited, and examples thereof include an alkylammonium derivative and a formamidinium derivative.
The organic cations constituting the A site may be one kind or two or more kinds.
前記アルキルアンモニウム誘導体として、例えば、メチルアンモニウム、ジメチルアンモニウム、トリメチルアンモニウム、エチルアンモニウム、プロピルアンモニウム、イソプロピルアンモニウム、tert-ブチルアンモニウム、ペンチルアンモニウム、ヘキシルアンモニウム、オクチルアンモニウム、フェニルアンモニウム等の、炭素数1〜6のアルキル基を有する1級又は2級のアンモニウムが挙げられる。なかでも、ペロブスカイト結晶が容易に得られる、メチルアンモニウムが好ましい。 Examples of the alkylammonium derivative include methylammonium, dimethylammonium, trimethylammonium, ethylammonium, propylammonium, isopropylammonium, tert-butylammonium, pentylammonium, hexylammonium, octylammonium, phenylammonium and the like, and have 1 to 6 carbon atoms. Primary or secondary ammonium having an alkyl group of. Of these, methylammonium is preferable because perovskite crystals can be easily obtained.
前記ホルムアミジニウム誘導体として、例えば、ホルムアミジニウム、メチルホルムアミジニウム、ジメチルホルムアミジニウム、トリメチルホルムアミジニウム、テトラメチルホルムアミジニウムが挙げられる。なかでも、ペロブスカイト結晶が容易に得られる、ホルムアミジニウムが好ましい。 Examples of the formamidinium derivative include formamidinium, methylformamidinium, dimethylformamidinium, trimethylformamidinium, and tetramethylformamidinium. Of these, formamidinium, in which perovskite crystals can be easily obtained, is preferable.
組成式(1)で表される好適なペロブスカイト化合物として、例えば、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-hClh(hは0〜3を表す。)、CH3NH3PbI3-jBrj(jは0〜3を表す。)等の下記組成式(2):
RNH3PbX3 ・・・(2)
で表されるアルキルアミノ鉛ハロゲン化物が挙げられる。組成式(2)において、Rはアルキル基を表し、Xはハロゲンイオンを表す。この組成式を有するペロブスカイト化合物は、その吸収波長域が広く、太陽光の広い波長範囲を吸収できるので、優れた光電変換効率が得られる。Suitable perovskite compounds represented by the composition formula (1) include, for example, CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbI 3-h Cl h (h represents 0 to 3 ),
RNH 3 PbX 3 ... (2)
Examples thereof include alkylamino lead halides represented by. In the composition formula (2), R represents an alkyl group and X represents a halogen ion. Since the perovskite compound having this composition formula has a wide absorption wavelength range and can absorb a wide wavelength range of sunlight, excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
組成式(2)のRで表されるアルキル基は、炭素数1〜6の直鎖状、分岐鎖状若しくは環状の飽和又は不飽和アルキル基であることが好ましく、炭素数1〜6の直鎖状飽和アルキル基であることがより好ましく、メチル基、エチル基又はn−プロピル基であることがさらに好ましい。これらの好適なアルキル基であると、ペロブスカイト結晶が容易に得られる。 The alkyl group represented by R in the composition formula (2) is preferably a linear, branched or cyclic saturated or unsaturated alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and is a direct group having 1 to 6 carbon atoms. It is more preferably a chain saturated alkyl group, and even more preferably a methyl group, an ethyl group or an n-propyl group. With these suitable alkyl groups, perovskite crystals can be easily obtained.
ペロブスカイト層3の形成において、前記原料溶液に含まれる前記前駆体としては、例えば、前述したBサイトの金属イオン及びXサイトのハロゲンイオンが含有されたハロゲン化物(BX)、前述したAサイトの有機カチオン及びXサイトのハロゲンイオンが含有されたハロゲン化物(AX)、が挙げられる。
ハロゲン化物(AX)及びハロゲン化物(BX)が含まれた単一の原料溶液を前記隣接層に塗布してもよいし、各ハロゲン化物が個別に含まれた2つの原料溶液を順に前記隣接層に塗布してもよい。In the formation of the
A single raw material solution containing a halide (AX) and a halide (BX) may be applied to the adjacent layer, or two raw material solutions containing each halide individually may be applied to the adjacent layer in order. May be applied to.
前記原料溶液の溶媒は、原料を溶解又は分散し、前記隣接層を損なわない溶媒であれば特に限定されず、例えば、エステル、ケトン、エーテル、アルコール、グリコールエーテル、アミド、ニトリル、カーボネート、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、スルホン、スルホキシド、ホルムアミド等の化合物が挙げられる。 The solvent of the raw material solution is not particularly limited as long as it is a solvent that dissolves or disperses the raw material and does not damage the adjacent layer, and is, for example, ester, ketone, ether, alcohol, glycol ether, amide, nitrile, carbonate, or hydrocarbon. Examples thereof include compounds such as hydrocarbons, hydrocarbons, solvents, sulfoxides, and formamides.
一例として、ハロゲン化アルキルアミンとハロゲン化鉛を、γ-ブチロラクトン(GBL)及びジメチルスルホキシド(DMSO)の混合溶媒に溶かし、その溶液を前記隣接層に塗布して乾かすことによって、前記組成式(2)で表されるペロブスカイト化合物からなるペロブスカイト結晶が得られる。さらに、非特許文献2に記載されているように、ペロブスカイト結晶の上に、当該結晶を溶解せず、GBLやDMSOと混和する溶媒、例えばトルエン、クロロホルムなどを塗布した後、100℃程度でアニーリングする処理を加えてもよい。この追加処理によって、結晶の安定性が向上し、光電変換効率が高まる場合がある。
As an example, the composition formula (2) is obtained by dissolving an alkylamine halide and lead halide in a mixed solvent of γ-butyrolactone (GBL) and dimethyl sulfoxide (DMSO), applying the solution to the adjacent layer, and drying the solution. ), A perovskite crystal composed of the perovskite compound represented by) can be obtained. Further, as described in
<P型半導体層7の形成>
ペロブスカイト層3の上にP型半導体層7を形成する方法は特に限定されず、例えば、ペロブスカイト層3を構成するペロブスカイト化合物を溶解しにくい溶媒に、P型半導体を溶解又は分散した溶液を調製し、この溶液をペロブスカイト層3の表面に塗布し、乾かすことにより、P型半導体層7を得る方法が挙げられる。<Formation of P-
The method for forming the P-
<第二導電層2の形成>
ペロブスカイト層3又はP型半導体層7の上に第二導電層2を形成する方法は特に限定されず、例えば、前述の第一導電層1の形成方法が適用できる。<Formation of the second
The method of forming the second
以上の工程により、基材4、第一導電層1、N型半導体層6、アンカー層5、ペロブスカイト層3、P型半導体層7、第二導電層2がこの順で積層された光電変換素子を製造することができる。
By the above steps, a photoelectric conversion element in which a
以上では、第一導電層1から第二導電層2へ向けて各層を順次積層する方法を説明した。本発明にかかる光電変換素子の製造方法においては、上記順序に限られず、第二導電層2から第一導電層1へ向けて各層を順次積層する方法を採用してもよい。
In the above, the method of sequentially laminating each layer from the first
[実施例1]
ITOからなる透明導電層(第一導電層)が表面に形成された透明樹脂基板(PEN基板)を準備した。この第一導電層のうち不要部分を塩酸でエッチングし、第一導電層の不要部分が意図せずに他の導電性部材に接触して短絡したりリーク電流が発生したりする可能性を排除した。
次に、ITOの表面にバフを擦り付けることで、その表面を粗面化した。
続いて、1MのCH3NH3IとPbI2が溶解したDMF溶液を基板上にスピンコートし、100℃で60分加熱乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層(発電層)を形成した。さらに、物理蒸着法によってペロブスカイト層の上に、厚さ100nmのAu膜からなる第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製した。[Example 1]
A transparent resin substrate (PEN substrate) having a transparent conductive layer (first conductive layer) made of ITO formed on the surface was prepared. The unnecessary part of the first conductive layer is etched with hydrochloric acid to eliminate the possibility that the unnecessary part of the first conductive layer unintentionally contacts other conductive members to cause a short circuit or a leak current. did.
Next, by rubbing a buff on the surface of ITO, the surface was roughened.
Subsequently, a DMF solution in which 1 M of CH 3 NH 3 I and Pb I 2 was dissolved was spin-coated on the substrate and dried by heating at 100 ° C. for 60 minutes to form a perovskite layer (power generation layer) having a thickness of 300 nm. Further, a second conductive layer made of an Au film having a thickness of 100 nm was formed on the perovskite layer by a physical vapor deposition method to produce a solid-bonded photoelectric conversion element.
本素子の断面をSEMにて観察し、ITO層とペロブスカイト層とをコントラストで区別し、ITO層とペロブスカイト層の接合面に沿う水平方向の1μmの基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和であるRz-aを複数箇所(5箇所)で測長した。Rz-a値はいずれも4〜12nmであり、Rz-aの平均値は8nmであった。
前記断面をSEMにて観察し、ペロブスカイト層とAu膜とをコントラストで区別し、ペロブスカイト層とAu膜の接合面に沿う水平方向の1μmの基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和であるRz-bを複数箇所(5箇所)で測長した。Rz-bの平均値は268nmであった。
上記の測定から、Rz-a平均値/Rz-b平均値=0.03であった。The cross section of this device is observed by SEM, the ITO layer and the perovskite layer are distinguished by contrast, and the maximum mountain height within the reference length (L) of 1 μm in the horizontal direction along the joint surface between the ITO layer and the perovskite layer. Rz-a, which is the sum of (Rp) and the maximum valley depth (Rv), was measured at a plurality of points (5 points). The Rz-a values were all 4 to 12 nm, and the average value of Rz-a was 8 nm.
The cross section is observed by SEM, the perovskite layer and the Au film are distinguished by contrast, and the maximum mountain height (Rp) within the reference length (L) of 1 μm in the horizontal direction along the joint surface between the perovskite layer and the Au film. ) And Rz-b, which is the sum of the maximum valley depth (Rv), was measured at a plurality of points (5 points). The average value of Rz-b was 268 nm.
From the above measurement, Rz-a mean value / Rz-b mean value = 0.03.
以上の方法で作製した20個の固体接合型光電変換素子について、リーク電流が発生する頻度(リーク頻度)を以下の方法で評価した。その結果、15個が合格であり、5個(25%)が不合格であった。 The frequency of leakage current generation (leakage frequency) of the 20 solid-state junction type photoelectric conversion elements manufactured by the above method was evaluated by the following method. As a result, 15 passed and 5 (25%) failed.
各光電変換素子のリーク頻度を暗状態時の電流-電圧特性をソースメーターにて測定し、並列抵抗Rshを測定することで評価した。ここで、暗状態でのRshを0V付近の|電流の電圧に対する傾き|=|電圧の変位|/|電流の変位|と定義した。この定義において、Rshの絶対値が小さくなればなるほど、リーク電流が流れやすいことを意味する。そこでRshの絶対値が1000以下であった光電変換素子を、リーク電流が発生した不良品であると評価した。 The leakage frequency of each photoelectric conversion element was evaluated by measuring the current-voltage characteristic in a dark state with a source meter and measuring the parallel resistance Rsh. Here, Rsh in the dark state is defined as | current gradient with respect to voltage | = | voltage displacement | / | current displacement | near 0V. In this definition, the smaller the absolute value of Rsh, the easier it is for leak current to flow. Therefore, the photoelectric conversion element having an absolute value of Rsh of 1000 or less was evaluated as a defective product in which a leak current was generated.
前記20個の固体接合型光電変換素子の電極間に電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2の1光源型ソーラシミュレーター(山下電装社製)を用いて光電変換効率を測定した。これらの測定値の算術平均を平均光電変換効率(平均効率)として求めた。
以上の結果を表1に示す。A power supply (manufactured by KEITHLEY, 236 models) is connected between the electrodes of the 20 solid-state junction type photoelectric conversion elements, and photoelectric conversion efficiency is achieved using a one-light source type solar simulator (manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.) with an intensity of 100 mW / cm 2. Was measured. The arithmetic mean of these measured values was determined as the average photoelectric conversion efficiency (average efficiency).
The above results are shown in Table 1.
[実施例2]
実施例1と同様にエッチングしたITO上に、粒径20nmのITOナノ粒子をエタノールに20wt%分散させた分散液をスピンコート法により塗布し、ITOナノ粒子からなる厚さ150nmのアンカー層を形成した。その後、実施例1と同様に、ペロブスカイト層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Example 2]
A dispersion liquid in which 20 wt% of ITO nanoparticles having a particle size of 20 nm is dispersed in ethanol is applied onto the etched ITO in the same manner as in Example 1 by a spin coating method to form an anchor layer having a thickness of 150 nm composed of ITO nanoparticles. did. Then, in the same manner as in Example 1, a perovskite layer and a second conductive layer were formed, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
[実施例3]
実施例1と同様にエッチングしたITO上に、粒径15nmのTiO2ナノ粒子をエタノールに20wt%分散させた分散液をスピンコート法により塗布し、TiO2ナノ粒子からなる厚さ150nmのアンカー層を形成した。その後、実施例1と同様に、ペロブスカイト層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Example 3]
On the ITO etched in the same manner as in Example 1, a dispersion liquid in which 20 wt% of TiO 2 nanoparticles having a particle size of 15 nm was dispersed in ethanol was applied by a spin coating method, and an anchor layer having a thickness of 150 nm composed of TiO 2 nanoparticles was applied. Was formed. Then, in the same manner as in Example 1, a perovskite layer and a second conductive layer were formed, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
[実施例4]
実施例1と同様にエッチングしたITO上に、スパッタ法にて厚さ50nmのTiO2膜(N型半導体層)を成膜した。次いで、TiO2膜の表面にバフを擦り付けることで、表面を粗面化した。
続いて、実施例1と同様にペロブスカイト層を形成した後、65mMのspiro-OMeTADが溶解したクロロベンゼン溶液をスピンコートすることで厚さ100nmのP型半導体層を形成した。このP型半導体層の上に、厚さ100nmのAu膜からなる第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例1と同様の方法で評価した。[Example 4]
A TiO 2 film (N-type semiconductor layer) having a thickness of 50 nm was formed on the ITO etched in the same manner as in Example 1 by a sputtering method. Next, the surface was roughened by rubbing a buff on the surface of the TiO 2 film.
Subsequently, after forming a perovskite layer in the same manner as in Example 1, a P-type semiconductor layer having a thickness of 100 nm was formed by spin-coating a chlorobenzene solution in which 65 mM spiro-OMeTAD was dissolved. A second conductive layer made of an Au film having a thickness of 100 nm was formed on the P-type semiconductor layer to produce a solid-state junction type photoelectric conversion element. This was evaluated in the same manner as in Example 1.
[実施例5]
実施例1と同様の方法でエッチングしたITO上に、スパッタ法にて厚さ50nmのTiO2膜(N型半導体層)を成膜した。次いで、粒径15nmのTiO2ナノ粒子をエタノールに20wt%分散させた分散液をスピンコート法により塗布し、TiO2ナノ粒子からなる厚さ150nmのアンカー層を形成した。続いて実施例4と同様の方法でペロブスカイト層、P型半導体層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Example 5]
A TiO 2 film (N-type semiconductor layer) having a thickness of 50 nm was formed on the ITO etched by the same method as in Example 1 by a sputtering method. Next, a dispersion in which 20 wt% of TiO 2 nanoparticles having a particle size of 15 nm was dispersed in ethanol was applied by a spin coating method to form an anchor layer having a thickness of 150 nm composed of TiO 2 nanoparticles. Subsequently, a perovskite layer, a P-type semiconductor layer, and a second conductive layer were formed in the same manner as in Example 4, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
[実施例6]
実施例1と同様の方法でエッチングしたITO上に、スパッタ法にて厚さ50nmのTiO2膜(N型半導体層)を成膜した。次いで、粒径20nmのAl2O3ナノ粒子をエタノールに20wt%分散させた分散液をスピンコート法により塗布し、Al2O3ナノ粒子からなる厚さ150nmのアンカー層を形成した。続いて実施例4と同様にペロブスカイト層、P型半導体層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Example 6]
A TiO 2 film (N-type semiconductor layer) having a thickness of 50 nm was formed on the ITO etched by the same method as in Example 1 by a sputtering method. Next, a dispersion in which 20 wt% of Al 2 O 3 nanoparticles having a particle size of 20 nm was dispersed in ethanol was applied by a spin coating method to form an anchor layer having a thickness of 150 nm composed of Al 2 O 3 nanoparticles. Subsequently, a perovskite layer, a P-type semiconductor layer, and a second conductive layer were formed in the same manner as in Example 4, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
[実施例7]
実施例1と同様にエッチングしたITO表面にバフを擦り付けることで、表面を粗面化した。次いで、スパッタ法にて厚さ50nmのTiO2膜(N型半導体膜)を成膜した。このTiO2膜には、ITOの凹凸が反映された凹凸が形成された。続いて、実施例4と同様にペロブスカイト層、P型半導体層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Example 7]
The surface was roughened by rubbing a buff on the etched ITO surface in the same manner as in Example 1. Next, a TiO 2 film (N-type semiconductor film) having a thickness of 50 nm was formed by a sputtering method. The TiO 2 film was formed with irregularities reflecting the irregularities of ITO. Subsequently, a perovskite layer, a P-type semiconductor layer, and a second conductive layer were formed in the same manner as in Example 4, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
[実施例8]
実施例4において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面に40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例4と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例4と同様の方法で評価した。[Example 8]
In Example 4, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, and warm air at 40 ° C. was gently blown onto the coating film surface to dry the perovskite layer, except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed. , A solid-state junction type photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 4. This was evaluated in the same manner as in Example 4.
[実施例9]
実施例2において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面に40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例2と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例2と同様の方法で評価した。[Example 9]
In Example 2, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, and warm air at 40 ° C. was gently blown onto the coating film surface to dry the perovskite layer, except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed. , A solid-state junction type photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2. This was evaluated in the same manner as in Example 2.
[実施例10]
実施例5において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面に40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例5と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例5と同様の方法で評価した。[Example 10]
In Example 5, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, and warm air at 40 ° C. was gently blown onto the coating film surface to dry the perovskite layer, except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed. , A solid-bonded photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 5. This was evaluated in the same manner as in Example 5.
[実施例11]
実施例8において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面にトルエンを適量滴下して塗膜面全体にトルエンを拡散させた後、40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例8と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例8と同様の方法で評価した。[Example 11]
In Example 8, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, an appropriate amount of toluene was dropped on the coating film surface to diffuse the toluene over the entire coating film surface, and then warm air at 40 ° C. was gently blown. A solid-bonded photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 8 except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed by spraying and drying. This was evaluated in the same manner as in Example 8.
[実施例12]
実施例9において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面にトルエンを適量滴下して塗膜面全体にトルエンを拡散させた後、40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例9と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例9と同様の方法で評価した。[Example 12]
In Example 9, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, an appropriate amount of toluene was dropped on the coating film surface to diffuse the toluene over the entire coating film surface, and then warm air at 40 ° C. was gently blown. A solid-bonded photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 9 except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed by spraying and drying. This was evaluated in the same manner as in Example 9.
[実施例13]
実施例10において、ペロブスカイト層を形成するためのDMF溶液をスピンコートし、その塗膜面にトルエンを適量滴下して塗膜面全体にトルエンを拡散させた後、40℃の温風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例10と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例10と同様の方法で評価した。[Example 13]
In Example 10, a DMF solution for forming a perovskite layer was spin-coated, an appropriate amount of toluene was dropped on the coating film surface to diffuse the toluene over the entire coating film surface, and then warm air at 40 ° C. was gently blown. A solid-bonded photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 10 except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed by spraying and drying. This was evaluated in the same manner as in Example 10.
[実施例14]
実施例12において、塗膜面全体にトルエンを拡散させた後、100℃の熱風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例12と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例9と同様の方法で評価した。[Example 14]
In Example 12, a solid as in Example 12 except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed by diffusing toluene over the entire coating film surface and then gently blowing hot air at 100 ° C. to dry it. A junction type photoelectric conversion element was manufactured. This was evaluated in the same manner as in Example 9.
[実施例15]
実施例13において、塗膜面全体にトルエンを拡散させた後、100℃の熱風を穏やかに吹き付けて乾燥させることで厚さ300nmのペロブスカイト層を形成したこと以外は、実施例13と同様に固体接合型光電変換素子を作製した。これを実施例13と同様の方法で評価した。[Example 15]
In Example 13, a solid as in Example 13 except that a perovskite layer having a thickness of 300 nm was formed by diffusing toluene over the entire coating film surface and then gently blowing hot air at 100 ° C. to dry it. A junction type photoelectric conversion element was manufactured. This was evaluated in the same manner as in Example 13.
[比較例1]
実施例1と同様にエッチングしたITO表面を有するPEN基板を得た。このITO表面を粗面化せず、実施例1と同様の方法で、ペロブスカイト層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。
その結果、Rzは前記測定手法の測定限界である1nm未満であった。[Comparative Example 1]
A PEN substrate having an etched ITO surface was obtained in the same manner as in Example 1. The perovskite layer and the second conductive layer were formed by the same method as in Example 1 without roughening the ITO surface, and a solid-bonded photoelectric conversion element was produced and evaluated.
As a result, Rz was less than 1 nm, which is the measurement limit of the measurement method.
[比較例2]
実施例4と同様にTiO2膜を成膜し、この表面を粗面化せず、続いて実施例4と同様の方法で、ペロブスカイト層、P型半導体層、第二導電層を形成し、固体接合型光電変換素子を作製して評価した。[Comparative Example 2]
A TiO 2 film was formed in the same manner as in Example 4, the surface was not roughened, and then a perovskite layer, a P-type semiconductor layer, and a second conductive layer were formed in the same manner as in Example 4. A solid-state junction type photoelectric conversion element was manufactured and evaluated.
以上で作製した固体接合型光電変換素子の構成と、評価結果を表1に示す。表1の各記号は次の意味;S:基材、C1:第一導電層、N:N型半導体層、A(ITO):ITOアンカー層、A(TiO2):TiO2アンカー層、A(Al2O3): Al2O3アンカー層、E:ペロブスカイト層、P:P型半導体層、C2:第二導電層を表す。Table 1 shows the configuration of the solid-state junction type photoelectric conversion element manufactured above and the evaluation results. Each symbol in Table 1 has the following meanings: S: base material, C1: first conductive layer, N: N-type semiconductor layer, A (ITO): ITO anchor layer, A (TiO 2 ): TiO 2 anchor layer, A (Al 2 O 3 ): Represents Al 2 O 3 anchor layer, E: perovskite layer, P: P-type semiconductor layer, C2: second conductive layer.
図10に、各実施例及び各比較例のRz-aの平均値とリーク発生頻度との関係をプロットしたグラフを示す。
図11に、各実施例及び各比較例の(Rz-aの平均値)/(Rz-bの平均値)で表される粗さ比と光電変換効率の平均値との関係をプロットしたグラフを示す。FIG. 10 shows a graph plotting the relationship between the average value of Rz-a of each example and each comparative example and the leak occurrence frequency.
FIG. 11 is a graph plotting the relationship between the roughness ratio represented by (average value of Rz-a) / (average value of Rz-b) of each Example and each comparative example and the average value of photoelectric conversion efficiency. Is shown.
実施例8〜13から、ペロブスカイト層の形成時に温風を穏やかに吹き付けたことによって、Rz-b値が格段に低下するとともに、製造歩留り及び光電変換効率が格段に向上することが明らかである。
実施例11〜13から、ペロブスカイト層の形成時に、ペロブスカイト層の上に貧溶媒の層を積層した後、温風を穏やかに吹き付けたことによって、Rz-b値がより一層低下するとともに、製造歩留り及び光電変換効率がより一層向上することが理解される。
実施例14〜15から、ペロブスカイト層の形成時に吹き付ける温風の温度は、100℃未満であることが好ましく、40〜70℃程度がより好ましいことが理解される。
以上の結果から、本発明にかかる固体接合型光電変換素子は、リーク電流が発生し難く、歩留り良く製造されることが明らかである。
なお、実施例1〜8,11,14〜15は比較例である。
From Examples 8 to 13, it is clear that by gently blowing warm air during the formation of the perovskite layer, the Rz-b value is remarkably lowered, and the production yield and the photoelectric conversion efficiency are remarkably improved.
From Examples 11 to 13, when the perovskite layer was formed, a layer of a poor solvent was laminated on the perovskite layer, and then warm air was gently blown to further reduce the Rz-b value and the production yield. And it is understood that the photoelectric conversion efficiency is further improved.
From Examples 14 to 15, it is understood that the temperature of the warm air blown at the time of forming the perovskite layer is preferably less than 100 ° C, more preferably about 40 to 70 ° C.
From the above results, it is clear that the solid-state junction type photoelectric conversion element according to the present invention is less likely to generate a leak current and is manufactured with a good yield.
Examples 1 to 8, 11, 14 to 15 are comparative examples.
以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。 The configurations and combinations thereof in each of the embodiments described above are examples, and the configurations can be added, omitted, replaced, and other changes are possible without departing from the spirit of the present invention.
1…第一導電層、2…第二導電層、3…ペロブスカイト層、4…基材、5…アンカー層、6…N型半導体層、7…P型半導体層、K…接合面、J1,J2…接合面、10A〜10G…固体接合型光電変換素子 1 ... 1st conductive layer, 2 ... 2nd conductive layer, 3 ... Perobskite layer, 4 ... Base material, 5 ... Anchor layer, 6 ... N-type semiconductor layer, 7 ... P-type semiconductor layer, K ... Bonding surface, J1, J2 ... Bonding surface, 10A-10G ... Solid junction type photoelectric conversion element
Claims (12)
前記ペロブスカイト層の両側に隣接する2つの隣接層において、第一隣接層の前記ペロブスカイト層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz-a)、及び、第二隣接層の前記ペロブスカイト層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz-b)が1nm以上であり、
前記(Rz-a)は、前記第一隣接層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和であり、
前記(Rz-b)は、前記第二隣接層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和であり、
前記(Rz-a)/前記(Rz-b)で表される粗さ比が1.51以上20以下である、固体接合型光電変換素子。 A solid-state junction type photoelectric conversion element having a first conductive layer, a perovskite layer, and a second conductive layer in this order.
In two adjacent layers adjacent to both sides of the perovskite layer, the maximum height roughness of the bonding surface in contact with the perovskite layer of the first adjacent layer (Rz-a), and, in contact with the perovskite layer of the second adjacent layer The maximum height roughness (Rz-b) of the joint surface is 1 nm or more,
The (Rz-a) is the sum of the maximum mountain height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface of the first adjacent layer.
The (Rz-b) is the sum of the maximum mountain height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface of the second adjacent layer.
A solid-state junction type photoelectric conversion element having a roughness ratio represented by (Rz-a) / (Rz-b) of 1.51 or more and 20 or less.
前記アンカー層は、前記第一隣接層である、請求項1又は2に記載の固体接合型光電変換素子。 An anchor layer containing fine particles is provided between the first conductive layer and the perovskite layer.
The solid-state junction type photoelectric conversion element according to claim 1 or 2 , wherein the anchor layer is the first adjacent layer.
前記N型半導体層は、前記第一隣接層である、請求項1又は2に記載の固体接合型光電変換素子。 An N-type semiconductor layer is provided between the first conductive layer and the perovskite layer.
The solid-state junction type photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the N-type semiconductor layer is the first adjacent layer.
前記アンカー層は、前記第一隣接層である、請求項1又は2に記載の固体接合型光電変換素子。 An N-type semiconductor layer and an anchor layer containing fine particles are provided between the first conductive layer and the perovskite layer in this order.
The solid-state junction type photoelectric conversion element according to claim 1 or 2 , wherein the anchor layer is the first adjacent layer.
前記N型半導体層は、前記第一隣接層であり、
前記N型半導体層に前記第一導電層が隣接し、前記第一導電層における前記N型半導体層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz’)が1nm以上であり、
前記Rz’は、前記第一導電層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、請求項1又は2に記載の固体接合型光電変換素子。 An N-type semiconductor layer is provided between the first conductive layer and the perovskite layer.
The N-type semiconductor layer is the first adjacent layer.
The first conductive layer is adjacent to the N-type semiconductor layer, and the maximum height roughness (Rz') of the joint surface of the first conductive layer in contact with the N-type semiconductor layer is 1 nm or more.
The Rz'is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) of the first conductive layer at the joint surface, according to claim 1 or 2. The solid-state junction type photoelectric conversion element described.
前記P型半導体層は、前記第二隣接層である、請求項1〜7の何れか一項に記載の固体接合型光電変換素子。 A P-type semiconductor layer is provided between the perovskite layer and the second conductive layer.
The solid-state junction type photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7 , wherein the P-type semiconductor layer is the second adjacent layer.
前記基材における前記第一導電層に接する接合面の最大高さ粗さ(Rz”)が1nm以上であり、
前記Rz”は、前記基材の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、請求項1〜8の何れか一項に記載の固体接合型光電変換素子。 A base material in contact with the surface of the first conductive layer opposite to the perovskite layer is provided.
The maximum height roughness (Rz ") of the joint surface of the base material in contact with the first conductive layer is 1 nm or more.
The Rz ”is any one of claims 1 to 8, which is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface of the base material. The solid-state junction type photoelectric conversion element according to claim 1.
前記第一隣接層の前記接合面に、前記ペロブスカイト層を形成する化合物を含む溶液を塗布して塗膜を形成する工程と、前記塗膜を乾燥することにより前記ペロブスカイト層を形成する工程と、
前記ペロブスカイト層の前記第二隣接層の前記接合面に、前記第二隣接層を形成する工程と、を有し、
前記第一隣接層の前記接合面の最大高さ粗さ(Rz-a)が1nm以上であり、
前記第二隣接層の前記接合面の最大高さ粗さ(Rz-b)が1nm以上であり、
前記(Rz-a)/前記(Rz-b)で表される粗さ比が、1.51以上20以下であり、
前記(Rz-a)は、前記第一隣接層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和であり、
前記(Rz-b)は、前記第二隣接層の前記接合面における基準長さ(L)内の山高さ最大値(Rp)と谷深さ最大値(Rv)の和である、固体接合型光電変換素子の製造方法。 A solid-bonded photoelectric having a perovskite layer, a first adjacent layer having a bonding surface in contact with the perovskite layer, and a second adjacent layer having a bonding surface in contact with the first adjacent layer of the perovskite layer on the opposite side. It is a method of manufacturing a conversion element.
A step of applying a solution containing a compound for forming the perovskite layer to the joint surface of the first adjacent layer to form a coating film, and a step of forming the perovskite layer by drying the coating film.
A step of forming the second adjacent layer on the joint surface of the second adjacent layer of the perovskite layer.
The maximum height roughness (Rz-a) of the joint surface of the first adjacent layer is 1 nm or more.
The maximum height roughness (Rz-b) of the joint surface of the second adjacent layer is 1 nm or more.
The roughness ratio represented by (Rz-a) / (Rz-b) is 1.51 or more and 20 or less.
The (Rz-a) is the sum of the maximum mountain height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the joint surface of the first adjacent layer.
The (Rz-b) is a solid junction type which is the sum of the maximum peak height (Rp) and the maximum valley depth (Rv) within the reference length (L) at the junction surface of the second adjacent layer. A method for manufacturing a photoelectric conversion element.
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