JP6921582B2 - Solar cell - Google Patents

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Description

本発明は、開放電圧が大きく、光電変換効率に優れた太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell having a large open circuit voltage and excellent photoelectric conversion efficiency.

従来から、対向する電極間にN型半導体層とP型半導体層とを配置した積層体(光電変換層)を備えた太陽電池が開発されている。このような太陽電池では、光励起により光キャリア(電子−ホール対)が生成し、電子がN型半導体を、ホールがP型半導体を移動することで、電界が生じる。 Conventionally, a solar cell having a laminate (photoelectric conversion layer) in which an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer are arranged between facing electrodes has been developed. In such a solar cell, an optical carrier (electron-hole pair) is generated by photoexcitation, and an electric field is generated by moving electrons through an N-type semiconductor and holes moving through a P-type semiconductor.

現在、実用化されている太陽電池の多くは、シリコン等の無機半導体を用いて製造される無機太陽電池である。しかしながら、無機太陽電池は製造にコストがかかるうえ大型化が困難であり、利用範囲が限られてしまうことから、無機半導体の代わりに有機半導体を用いて製造される有機太陽電池や、有機半導体と無機半導体とを組み合わせた有機無機太陽電池が注目されている。 Most of the solar cells currently in practical use are inorganic solar cells manufactured by using an inorganic semiconductor such as silicon. However, inorganic solar cells are expensive to manufacture, difficult to increase in size, and have a limited range of use. Therefore, organic solar cells manufactured using organic semiconductors instead of inorganic semiconductors and organic semiconductors are used. Organic-inorganic solar cells combined with inorganic semiconductors are attracting attention.

なかでも、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ペロブスカイト太陽電池は、高い光電変換効率が期待できるうえに、印刷法によって製造できることから製造コストを大幅に削減することができる(例えば、特許文献1、非特許文献1)。しかしながら、このようなペロブスカイト太陽電池であっても依然として光電変換効率は充分ではなく、更なる光電変換効率の向上が望まれている。 Among them, a perovskite solar cell having a photoelectric conversion layer containing an organic-inorganic perovskite compound can be expected to have high photoelectric conversion efficiency and can be manufactured by a printing method, so that the manufacturing cost can be significantly reduced (for example, Patent Documents). 1. Non-patent document 1). However, even with such a perovskite solar cell, the photoelectric conversion efficiency is still insufficient, and further improvement in the photoelectric conversion efficiency is desired.

特開2014−72327号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-72227

M.M.Lee,et al,Science,2012,338,643M. M. Lee, et al, Science, 2012, 338, 643

本発明は、開放電圧が大きく、光電変換効率に優れた太陽電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solar cell having a large open circuit voltage and excellent photoelectric conversion efficiency.

本発明は、陰極、電子輸送層、光電変換層及び陽極をこの順に有する太陽電池であって、前記光電変換層は、一般式R−M−X(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、更に、前記電子輸送層と前記光電変換層との間に配置された、アルカリ金属を含む層を有する太陽電池である。
以下、本発明を詳述する。
The present invention is a solar cell having a cathode, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer and an anode in this order, and the photoelectric conversion layer is of the general formula RMX 3 (where R is an organic molecule and M is a metal. The atom and X contain an organic-inorganic perovskite compound represented by a halogen atom or a chalcogen atom), and further have a layer containing an alkali metal arranged between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer. It is a solar cell.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明者らは、陰極、電子輸送層、光電変換層及び陽極をこの順に有する太陽電池について検討した。
本発明者らは、このような太陽電池の光電変換層に特定の有機無機ペロブスカイト化合物を用い、更に、電子輸送層と光電変換層との間にアルカリ金属を含む層を設けることにより、太陽電池の開放電圧を増大させ、優れた光電変換効率を得ることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
なお、光電変換効率は、例えば、開放電圧、短絡電流及びフィルファクター(FF)の三つの積により求められ、開放電圧が大きいほど、光電変換効率は高くなる。
The present inventors examined a solar cell having a cathode, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer, and an anode in this order.
The present inventors use a specific organic-inorganic perovskite compound for the photoelectric conversion layer of such a solar cell, and further provide a layer containing an alkali metal between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer to provide the solar cell. We have found that it is possible to obtain excellent photoelectric conversion efficiency by increasing the open circuit voltage of the above, and have completed the present invention.
The photoelectric conversion efficiency is obtained by, for example, the product of the open circuit voltage, the short circuit current, and the fill factor (FF). The larger the open circuit voltage, the higher the photoelectric conversion efficiency.

本発明の太陽電池は、陰極、電子輸送層、光電変換層及び陽極をこの順に有する。
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。
The solar cell of the present invention has a cathode, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer, and an anode in this order.
In the present specification, the layer means not only a layer having a clear boundary but also a layer having a concentration gradient in which the contained elements gradually change. The elemental analysis of the layer can be performed, for example, by performing FE-TEM / EDS line analysis measurement of the cross section of the solar cell and confirming the elemental distribution of the specific element. Further, in the present specification, the layer means not only a flat thin film layer but also a layer capable of forming a complicated and intricate structure together with other layers.

上記陰極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができる。
陰極材料として、例えば、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Al/Al混合物、Al/LiF混合物、金、銀、チタン、モリブデン、タンタル、タングステン、カーボン、ニッケル、クロム等が挙げられる。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。
The material of the cathode is not particularly limited, and conventionally known materials can be used.
As the cathode material, for example, FTO (fluorine-doped tin oxide), sodium, sodium-potassium alloy, lithium, magnesium, aluminum, magnesium-silver mixture, magnesium-indium mixture, aluminum-lithium alloy, Al / Al 2 O 3 mixture, Al / LiF mixture, gold, silver, titanium, molybdenum, tantalum, tungsten, carbon, nickel, chromium and the like can be mentioned. These materials may be used alone or in combination of two or more.

上記電子輸送層の材料は特に限定されず、例えば、n型金属酸化物、N型導電性高分子、N型低分子有機半導体、界面活性剤等が挙げられ、具体的には例えば、酸化チタン、酸化スズ、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等が挙げられる。なかでも、後述するアルカリ金属を含む層の濡れ性が良好となることから、酸化チタン、酸化スズが好ましい。 The material of the electron transport layer is not particularly limited, and examples thereof include n-type metal oxides, N-type conductive polymers, N-type low-molecular-weight organic semiconductors, and surfactants. Specific examples thereof include titanium oxide. , Tin oxide, cyano group-containing polyphenylene vinylene, boron-containing polymer, vasocuproin, vasofenantrene, hydroxyquinolinatoaluminum, oxadiazole compound, benzoimidazole compound, naphthalenetetracarboxylic acid compound, perylene derivative, phosphine oxide compound, phosphine sulfide compound, Fluorogroup-containing phthalocyanines and the like can be mentioned. Of these, titanium oxide and tin oxide are preferable because the wettability of the layer containing an alkali metal, which will be described later, is improved.

上記電子輸送層は、薄膜状の電子輸送層のみからなっていてもよいが、多孔質状の電子輸送層を含むことが好ましい。特に、上記光電変換層が、有機半導体又は無機半導体部位と有機無機ペロブスカイト化合物部位とを複合化した複合膜である場合、より複雑な複合膜(より複雑に入り組んだ構造)が得られ、光電変換効率が高くなることから、多孔質状の電子輸送層上に複合膜が製膜されていることが好ましい。 The electron transport layer may be composed of only a thin-film electron transport layer, but preferably includes a porous electron transport layer. In particular, when the photoelectric conversion layer is a composite film in which an organic semiconductor or an inorganic semiconductor moiety and an organic-inorganic perovskite compound moiety are composited, a more complicated composite film (more complicated structure) can be obtained, and photoelectric conversion can be obtained. Since the efficiency is high, it is preferable that the composite film is formed on the porous electron transport layer.

上記電子輸送層の厚みは、好ましい下限が1nm、好ましい上限が2000nmである。上記厚みが1nm以上であれば、充分にホールをブロックできるようになる。上記厚みが2000nm以下であれば、電子輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率が高くなる。上記電子輸送層の厚みのより好ましい下限は3nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は5nm、更に好ましい上限は500nmである。 The preferred lower limit of the thickness of the electron transport layer is 1 nm, and the preferred upper limit is 2000 nm. If the thickness is 1 nm or more, holes can be sufficiently blocked. When the thickness is 2000 nm or less, it is unlikely to become a resistance during electron transport, and the photoelectric conversion efficiency becomes high. The more preferable lower limit of the thickness of the electron transport layer is 3 nm, the more preferable upper limit is 1000 nm, the further preferable lower limit is 5 nm, and the further preferable upper limit is 500 nm.

上記光電変換層は、一般式R−M−X(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。上記光電変換層が上記有機無機ペロブスカイト化合物を含む太陽電池は、有機無機ハイブリッド型太陽電池とも呼ばれる。
上記光電変換層に上記有機無機ペロブスカイト化合物を用いることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
The photoelectric conversion layer contains an organic-inorganic perovskite compound represented by the general formula R-MX 3 (where R is an organic molecule, M is a metal atom, and X is a halogen atom or a chalcogen atom). A solar cell in which the photoelectric conversion layer contains the organic-inorganic perovskite compound is also called an organic-inorganic hybrid solar cell.
By using the organic-inorganic perovskite compound in the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved.

上記Rは有機分子であり、C(l、m、nはいずれも正の整数)で示されることが好ましい。
上記Rは、具体的には例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、エチルメチルアミン、メチルプロピルアミン、ブチルメチルアミン、メチルペンチルアミン、ヘキシルメチルアミン、エチルプロピルアミン、エチルブチルアミン、ホルムアミジン、アセトアミジン、グアニジン、イミダゾール、アゾール、ピロール、アジリジン、アジリン、アゼチジン、アゼト、アゾール、イミダゾリン、カルバゾール及びこれらのイオン(例えば、メチルアンモニウム(CHNH)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、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ホルムアミジン、アセトアミジン及びこれらのイオンやフェネチルアンモニウムが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ホルムアミジン及びこれらのイオンがより好ましい。
The above R is an organic molecule, and is preferably represented by C l N m H n (all l, m, and n are positive integers).
Specifically, the R is, for example, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, trimethylamine, triethylamine, tripropyl. Amine, tributylamine, tripentylamine, trihexylamine, ethylmethylamine, methylpropylamine, butylmethylamine, methylpentylamine, hexylmethylamine, ethylpropylamine, ethylbutylamine, formamidine, acetamidine, guanidine, imidazole, Examples thereof include azole, pyrrole, aziridine, azirin, azetidine, azeto, azole, imidazoline, carbazole, ions thereof (for example, methylammonium (CH 3 NH 3 ), etc.), phenethylammonium and the like. Among them, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, formamidine, acetamidine and their ions and phenethylamidine are preferable, and methylamine, ethylamine, propylamine, formamidine and these ions are more preferable. preferable.

上記Mは金属原子であり、例えば、鉛、スズ、亜鉛、チタン、アンチモン、ビスマス、ニッケル、鉄、コバルト、銀、銅、ガリウム、ゲルマニウム、マグネシウム、カルシウム、インジウム、アルミニウム、マンガン、クロム、モリブデン、ユーロピウム等が挙げられる。これらの金属原子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。なかでも、バンドギャップが適切であり、かつ、結晶性が良好であることから、鉛、スズが好ましい。 The above M is a metal atom, for example, lead, tin, zinc, titanium, antimony, bismuth, nickel, iron, cobalt, silver, copper, gallium, germanium, magnesium, calcium, indium, aluminum, manganese, chromium, molybdenum, Europium and the like can be mentioned. These metal atoms may be used alone or in combination of two or more. Of these, lead and tin are preferable because the bandgap is appropriate and the crystallinity is good.

上記Xはハロゲン原子又はカルコゲン原子であり、例えば、塩素、臭素、ヨウ素、酸素、硫黄、セレン等が挙げられる。上記Xがハロゲン原子又はカルコゲン原子であることで、上記有機無機ペロブスカイト化合物の吸収波長が広がり、高い光電変換効率を達成することができる。これらのハロゲン原子又はカルコゲン原子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。なかでも、構造中にハロゲンを含有することで、上記有機無機ペロブスカイト化合物が有機溶媒に可溶になり、安価な印刷法等への適用が可能になることから、ハロゲン原子が好ましい。更に、上記有機無機ペロブスカイト化合物のエネルギーバンドギャップが狭くなることから、ヨウ素がより好ましい。 The X is a halogen atom or a chalcogen atom, and examples thereof include chlorine, bromine, iodine, oxygen, sulfur, and selenium. When the X is a halogen atom or a chalcogen atom, the absorption wavelength of the organic-inorganic perovskite compound is widened, and high photoelectric conversion efficiency can be achieved. These halogen atoms or chalcogen atoms may be used alone or in combination of two or more. Among them, a halogen atom is preferable because the inclusion of halogen in the structure makes the organic-inorganic perovskite compound soluble in an organic solvent and can be applied to an inexpensive printing method or the like. Further, iodine is more preferable because the energy band gap of the organic-inorganic perovskite compound is narrowed.

上記有機無機ペロブスカイト化合物は、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を有することが好ましい。
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。
The organic-inorganic perovskite compound preferably has a cubic structure in which a metal atom M is arranged at the body center, an organic molecule R is arranged at each apex, and a halogen atom or a chalcogen atom X is arranged at the face center.
FIG. 1 shows an example of the crystal structure of an organic-inorganic perovskite compound, which is a cubic structure in which a metal atom M is arranged at the body center, an organic molecule R is arranged at each apex, and a halogen atom or a chalcogen atom X is arranged at the face center. It is a schematic diagram. Although the details are not clear, the orientation of the octahedron in the crystal lattice can be easily changed by having the above structure, so that the mobility of electrons in the organic-inorganic perovskite compound is high, and the photoelectric of the solar cell is high. It is estimated that the conversion efficiency will improve.

上記有機無機ペロブスカイト化合物は、結晶性半導体であることが好ましい。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が結晶性半導体であることにより、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。 The organic-inorganic perovskite compound is preferably a crystalline semiconductor. The crystalline semiconductor means a semiconductor capable of measuring the X-ray scattering intensity distribution and detecting the scattering peak. Since the organic-inorganic perovskite compound is a crystalline semiconductor, the mobility of electrons in the organic-inorganic perovskite compound is increased, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved.

また、結晶化の指標として結晶化度を評価することもできる。結晶化度は、X線散乱強度分布測定により検出された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求めることができる。
上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度の好ましい下限は30%である。結晶化度が30%以上であると、上記有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、太陽電池の光電変換効率が向上する。結晶化度のより好ましい下限は50%、更に好ましい下限は70%である。
また、上記有機無機ペロブスカイト化合物の結晶化度を上げる方法として、例えば、熱アニール、レーザー等の強度の強い光の照射、プラズマ照射等が挙げられる。
It is also possible to evaluate the degree of crystallization as an index of crystallization. The crystallinity is determined by separating the scattering peak derived from the crystalline substance and the halo derived from the amorphous part detected by the X-ray scattering intensity distribution measurement by fitting, and obtaining the intensity integration of each to obtain the crystal part of the whole. It can be obtained by calculating the ratio of.
The preferable lower limit of the crystallinity of the organic-inorganic perovskite compound is 30%. When the degree of crystallization is 30% or more, the mobility of electrons in the organic-inorganic perovskite compound becomes high, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved. A more preferable lower limit of crystallinity is 50%, and a more preferable lower limit is 70%.
Further, as a method for increasing the crystallinity of the organic-inorganic perovskite compound, for example, thermal annealing, irradiation with strong light such as a laser, plasma irradiation and the like can be mentioned.

上記光電変換層が上記有機無機ペロブスカイト化合物を含む場合、上記光電変換層は、本発明の効果を損なわない範囲内であれば、上記有機無機ペロブスカイト化合物に加えて、更に、有機半導体又は無機半導体を含んでいてもよい。なお、ここでいう有機半導体又は無機半導体は、ホール輸送層、又は、電子輸送層としての役割を果たしてもよい。
上記有機半導体として、例えば、ポリ(3−アルキルチオフェン)等のチオフェン骨格を有する化合物等が挙げられる。また、例えば、ポリパラフェニレンビニレン骨格、ポリビニルカルバゾール骨格、ポリアニリン骨格、ポリアセチレン骨格等を有する導電性高分子等も挙げられる。更に、例えば、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ペンタセン骨格、ベンゾポルフィリン骨格等のポルフィリン骨格、スピロビフルオレン骨格等を有する化合物や、表面修飾されていてもよいカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン等のカーボン含有材料も挙げられる。
When the photoelectric conversion layer contains the organic-inorganic perovskite compound, the photoelectric conversion layer may further contain an organic semiconductor or an inorganic semiconductor in addition to the organic-inorganic perovskite compound as long as the effect of the present invention is not impaired. It may be included. The organic semiconductor or the inorganic semiconductor referred to here may play a role as a hole transport layer or an electron transport layer.
Examples of the organic semiconductor include compounds having a thiophene skeleton such as poly (3-alkylthiophene). Further, for example, a conductive polymer having a polyparaphenylene vinylene skeleton, a polyvinylcarbazole skeleton, a polyaniline skeleton, a polyacetylene skeleton and the like can be mentioned. Further, for example, a compound having a porphyrin skeleton such as a phthalocyanine skeleton, a naphthalocyanine skeleton, a pentacene skeleton, a benzoporphyrin skeleton, a spirobifluorene skeleton, and carbon-containing materials such as carbon nanotubes, graphene, and fullerene which may be surface-modified. Can also be mentioned.

上記無機半導体として、例えば、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、CuSCN、CuO、CuI、MoO、V、WO、MoS、MoSe、CuS等が挙げられる。 Examples of the inorganic semiconductor include titanium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, gallium oxide, tin sulfide, indium sulfide, zinc sulfide, CuSCN, Cu 2 O, CuI, MoO 3 , V 2 O 5 , WO 3 , and so on. Examples thereof include MoS 2 , MoSe 2 , Cu 2 S and the like.

上記光電変換層は、上記有機無機ペロブスカイト化合物と上記有機半導体又は上記無機半導体とを含む場合、薄膜状の有機半導体又は無機半導体部位と薄膜状の有機無機ペロブスカイト化合物部位とを積層した積層体であってもよいし、有機半導体又は無機半導体部位と有機無機ペロブスカイト化合物部位とを複合化した複合膜であってもよい。製法が簡便である点では積層体が好ましく、上記有機半導体又は上記無機半導体中の電荷分離効率を向上させることができる点では複合膜が好ましい。 When the organic-inorganic perovskite compound and the organic semiconductor or the inorganic semiconductor are contained, the photoelectric conversion layer is a laminate in which a thin-film organic semiconductor or inorganic semiconductor moiety and a thin-film organic-inorganic perovskite compound moiety are laminated. It may be a composite film in which an organic semiconductor or an inorganic semiconductor moiety and an organic-inorganic perovskite compound moiety are composited. A laminated body is preferable in terms of simple manufacturing method, and a composite film is preferable in that the charge separation efficiency in the organic semiconductor or the inorganic semiconductor can be improved.

上記薄膜状の有機無機ペロブスカイト化合物部位の厚みは、好ましい下限が5nm、好ましい上限が5000nmである。上記厚みが5nm以上であれば、充分に光を吸収することができるようになり、光電変換効率が高くなる。上記厚みが5000nm以下であれば、電荷分離できない領域が発生することを抑制できるため、光電変換効率の向上につながる。上記厚みのより好ましい下限は10nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は20nm、更に好ましい上限は500nmである。 The thickness of the thin-film organic-inorganic perovskite compound moiety has a preferable lower limit of 5 nm and a preferable upper limit of 5000 nm. When the thickness is 5 nm or more, light can be sufficiently absorbed and the photoelectric conversion efficiency becomes high. When the thickness is 5000 nm or less, it is possible to suppress the occurrence of a region where charge separation is not possible, which leads to an improvement in photoelectric conversion efficiency. The more preferable lower limit of the thickness is 10 nm, the more preferable upper limit is 1000 nm, the further preferable lower limit is 20 nm, and the further preferable upper limit is 500 nm.

上記光電変換層が、有機半導体又は無機半導体部位と有機無機ペロブスカイト化合物部位とを複合化した複合膜である場合、上記複合膜の厚みの好ましい下限は30nm、好ましい上限は3000nmである。上記厚みが30nm以上であれば、充分に光を吸収することができるようになり、光電変換効率が高くなる。上記厚みが3000nm以下であれば、電荷が電極に到達しやすくなるため、光電変換効率が高くなる。上記厚みのより好ましい下限は40nm、より好ましい上限は2000nmであり、更に好ましい下限は50nm、更に好ましい上限は1000nmである。 When the photoelectric conversion layer is a composite film in which an organic semiconductor or an inorganic semiconductor moiety and an organic-inorganic perovskite compound moiety are composited, the preferable lower limit of the thickness of the composite film is 30 nm, and the preferable upper limit is 3000 nm. When the thickness is 30 nm or more, light can be sufficiently absorbed and the photoelectric conversion efficiency becomes high. When the thickness is 3000 nm or less, the electric charge easily reaches the electrode, so that the photoelectric conversion efficiency is high. The more preferable lower limit of the thickness is 40 nm, the more preferable upper limit is 2000 nm, the further preferable lower limit is 50 nm, and the further preferable upper limit is 1000 nm.

上記光電変換層を形成する方法は特に限定されず、真空蒸着法、スパッタリング法、気相反応法(CVD)、電気化学沈積法、印刷法等が挙げられる。なかでも、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。印刷法として、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ロールtoロール法等が挙げられる。 The method for forming the photoelectric conversion layer is not particularly limited, and examples thereof include a vacuum deposition method, a sputtering method, a vapor phase reaction method (CVD), an electrochemical deposition method, and a printing method. In particular, by adopting the printing method, it is possible to easily form a solar cell capable of exhibiting high photoelectric conversion efficiency in a large area. Examples of the printing method include a spin coating method and a casting method, and examples of the method using the printing method include a roll-to-roll method.

上記陽極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができる。なお、上記陽極は、パターニングされた電極であることが多い。
陽極材料として、例えば、金等の金属、CuI、ITO(インジウムスズ酸化物)、SnO、AZO(アルミニウム亜鉛酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、GZO(ガリウム亜鉛酸化物)等の導電性透明材料、導電性透明ポリマー、等が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
The material of the anode is not particularly limited, and conventionally known materials can be used. The anode is often a patterned electrode.
Examples of the anode material include metals such as gold, and conductivity such as CuI, ITO (indium tin oxide), SnO 2 , AZO (aluminum zinc oxide), IZO (indium zinc oxide), and GZO (gallium zinc oxide). Examples thereof include sex-transparent materials and conductive transparent polymers. These materials may be used alone or in combination of two or more.

本発明の太陽電池は、更に、上記電子輸送層と上記光電変換層との間に配置された、アルカリ金属を含む層を有する。
上記電子輸送層と上記光電変換層との間に上記アルカリ金属を含む層を設けることにより、太陽電池の開放電圧を増大させ、優れた光電変換効率を得ることができる。この理由としては、上記アルカリ金属を含む層に対する、上述したような有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層の濡れ性が良好であるため、上記光電変換層の界面における欠陥密度が小さくなるためと考えられる。
なお、アルカリ金属を含む層を有するとは、アルカリ金属を含む層を層として有することを意味し、上記電子輸送層又は上記光電変換層にアルカリ金属がドープされていることは意味しない。アルカリ金属を含む層が層として存在していることは、太陽電池の断面をTEM−EDSで観察することにより確認することができる。
The solar cell of the present invention further has a layer containing an alkali metal, which is arranged between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer.
By providing the layer containing the alkali metal between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer, the open circuit voltage of the solar cell can be increased and excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained. It is considered that the reason for this is that the wettability of the photoelectric conversion layer containing the organic-inorganic perovskite compound as described above with respect to the layer containing the alkali metal is good, so that the defect density at the interface of the photoelectric conversion layer becomes small. Be done.
In addition, having a layer containing an alkali metal means having a layer containing an alkali metal as a layer, and does not mean that the electron transport layer or the photoelectric conversion layer is doped with an alkali metal. The existence of the layer containing the alkali metal as a layer can be confirmed by observing the cross section of the solar cell with TEM-EDS.

上記アルカリ金属として、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム及びこれらのイオンが挙げられる。これらのアルカリ金属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。なかでも、上記光電変換層の濡れ性がより良好であることから、カリウム、ルビジウム、セシウムが好ましい。 Examples of the alkali metal include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and ions thereof. These alkali metals may be used alone or in combination of two or more. Of these, potassium, rubidium, and cesium are preferable because the wettability of the photoelectric conversion layer is better.

上記アルカリ金属を含む層の厚みは特に限定されないが、好ましい下限は0.5nm、好ましい上限は100nmである。上記厚みが0.5nm以上であれば、上記電子輸送層及び上記光電変換層との間の濡れ性が改善され、太陽電池の開放電圧が大きくなり光電変換効率が向上する。上記厚みが100nm以下であれば、上記光電変換層から上記電子輸送層への電子移動の際の抵抗にならない。
上記厚みのより好ましい下限は1nm、より好ましい上限は50nmである。
The thickness of the layer containing the alkali metal is not particularly limited, but the preferable lower limit is 0.5 nm and the preferable upper limit is 100 nm. When the thickness is 0.5 nm or more, the wettability between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer is improved, the open circuit voltage of the solar cell is increased, and the photoelectric conversion efficiency is improved. When the thickness is 100 nm or less, it does not become a resistance during electron transfer from the photoelectric conversion layer to the electron transport layer.
The more preferable lower limit of the thickness is 1 nm, and the more preferable upper limit is 50 nm.

上記アルカリ金属を含む層を形成する方法として、例えば、上記電子輸送層上に、アルカリ金属塩を10〜100mM程度の濃度で溶媒に溶解させた溶液を塗工し、溶媒を乾燥させる方法、上記電子輸送層上に、上記アルカリ金属を含む金属を蒸着により成膜する方法等が挙げられる。溶液を塗工する法として、例えば、スピンコート、ダイコート等が挙げられる。
上記アルカリ金属塩は、上述したようなアルカリ金属を含む塩であれば特に限定されないが、上記アルカリ金属がカリウムの場合、例えば、酢酸カリウム、ヨウ化カリウム、塩化カリウム、炭酸カリウム等が挙げられる。上記アルカリ金属がリチウムの場合、例えば、酢酸リチウム、水酸化リチウム等が挙げられる。上記アルカリ金属がナトリウムの場合、例えば、酢酸ナトリウム等が挙げられる。上記アルカリ金属がルビジウムの場合、例えば、酢酸ルビジウム、ヨウ化ルビジウム、炭酸ルビジウム、塩化ルビジウム等が挙げられる。上記アルカリ金属がセシウムの場合、例えば、酢酸セシウム等が挙げられる。
As a method for forming the layer containing the alkali metal, for example, a method of applying a solution of an alkali metal salt in a solvent at a concentration of about 10 to 100 mM on the electron transport layer and drying the solvent. Examples thereof include a method of forming a metal containing an alkali metal on the electron transport layer by vapor deposition. Examples of the method of applying the solution include spin coating and die coating.
The alkali metal salt is not particularly limited as long as it is a salt containing an alkali metal as described above, but when the alkali metal is potassium, for example, potassium acetate, potassium iodide, potassium chloride, potassium carbonate and the like can be mentioned. When the alkali metal is lithium, for example, lithium acetate, lithium hydroxide and the like can be mentioned. When the alkali metal is sodium, for example, sodium acetate and the like can be mentioned. When the alkali metal is rubidium, for example, rubidium acetate, rubidium iodide, rubidium carbonate, rubidium chloride and the like can be mentioned. When the alkali metal is cesium, for example, cesium acetate and the like can be mentioned.

本発明の太陽電池においては、上記光電変換層と上記陽極の間に、ホール輸送層が配置されていてもよい。
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。
In the solar cell of the present invention, a hole transport layer may be arranged between the photoelectric conversion layer and the anode.
The material of the hole transport layer is not particularly limited, and examples thereof include a P-type conductive polymer, a P-type low molecular weight organic semiconductor, a P-type metal oxide, a P-type metal sulfide, and a surfactant. Examples thereof include compounds having a thiophene skeleton such as poly (3-alkylthiophene). Further, for example, a conductive polymer having a triphenylamine skeleton, a polyparaphenylene vinylene skeleton, a polyvinylcarbazole skeleton, a polyaniline skeleton, a polyacetylene skeleton and the like can be mentioned. Further, for example, a compound having a porphyrin skeleton such as a phthalocyanine skeleton, a naphthalocyanine skeleton, a pentacene skeleton, a benzoporphyrin skeleton, a spirobifluorene skeleton, molybdenum oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, nickel oxide, copper oxide, tin oxide, sulfide. Examples thereof include molybdenum, tungsten sulfide, copper sulfide, tin sulfide and the like, fluorogroup-containing phosphonic acid, carbonyl group-containing phosphonic acid, copper compounds such as CuSCN and CuI, and carbon-containing materials such as carbon nanotubes and graphene.

上記ホール輸送層は、その一部が上記光電変換層に浸漬していてもよいし、上記光電変換層上に薄膜状に配置されてもよい。上記ホール輸送層が薄膜状に存在する時の厚みは、好ましい下限は1nm、好ましい上限は2000nmである。上記厚みが1nm以上であれば、充分に電子をブロックできるようになる。上記厚みが2000nm以下であれば、ホール輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率が高くなる。上記厚みのより好ましい下限は3nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は5nm、更に好ましい上限は500nmである。 A part of the hole transport layer may be immersed in the photoelectric conversion layer, or may be arranged in a thin film on the photoelectric conversion layer. When the hole transport layer is present as a thin film, the preferable lower limit is 1 nm and the preferable upper limit is 2000 nm. When the thickness is 1 nm or more, electrons can be sufficiently blocked. When the thickness is 2000 nm or less, it is unlikely to become a resistance during hole transportation, and the photoelectric conversion efficiency becomes high. The more preferable lower limit of the thickness is 3 nm, the more preferable upper limit is 1000 nm, the further preferable lower limit is 5 nm, and the further preferable upper limit is 500 nm.

本発明の太陽電池は、更に、基板等を有していてもよい。上記基板は特に限定されず、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス等の透明ガラス基板、セラミック基板、プラスチック基板、金属基板等が挙げられる。 The solar cell of the present invention may further have a substrate or the like. The substrate is not particularly limited, and examples thereof include transparent glass substrates such as soda lime glass and non-alkali glass, ceramic substrates, plastic substrates, and metal substrates.

本発明の太陽電池においては、上述したような上記陰極、上記電子輸送層、上記光電変換層及び上記陽極をこの順に有し、更に、上記電子輸送層と上記光電変換層との間に配置された、上記アルカリ金属を含む層を有する積層体が、バリア層で封止されていてもよい。
上記バリア層の材料としてはバリア性を有していれば特に限定されないが、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又は無機材料等が挙げられる。
上記熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ブチルゴム、ポリエステル、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、ポリブタジエン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリイソブチレン等が挙げられる。
The solar cell of the present invention has the cathode, the electron transport layer, the photoelectric conversion layer, and the anode as described above in this order, and is further arranged between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer. Further, the laminate having the layer containing the alkali metal may be sealed with a barrier layer.
The material of the barrier layer is not particularly limited as long as it has a barrier property, and examples thereof include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and an inorganic material.
Examples of the thermosetting resin or thermoplastic resin include epoxy resin, acrylic resin, silicone resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, butyl rubber, polyester, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl alcohol, and poly. Examples thereof include vinyl acetate, ABS resin, polybutadiene, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyisobutylene and the like.

上記バリア層の材料が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂である場合、バリア層(樹脂層)の厚みは、好ましい下限が100nm、好ましい上限が100000nmである。上記厚みのより好ましい下限は500nm、より好ましい上限は50000nmであり、更に好ましい下限は1000nm、更に好ましい上限は20000nmである。 When the material of the barrier layer is a thermosetting resin or a thermoplastic resin, the thickness of the barrier layer (resin layer) has a preferable lower limit of 100 nm and a preferable upper limit of 100,000 nm. A more preferable lower limit of the thickness is 500 nm, a more preferable upper limit is 50,000 nm, a further preferable lower limit is 1000 nm, and a further preferable upper limit is 20000 nm.

上記無機材料としては、Si、Al、Zn、Sn、In、Ti、Mg、Zr、Ni、Ta、W、Cu若しくはこれらを2種以上含む合金の酸化物、窒化物又は酸窒化物が挙げられる。なかでも、上記バリア層に水蒸気バリア性及び柔軟性を付与するために、Zn、Snの両金属元素を含む金属元素の酸化物、窒化物又は酸窒化物が好ましい。 Examples of the inorganic material include oxides, nitrides or oxynitrides of Si, Al, Zn, Sn, In, Ti, Mg, Zr, Ni, Ta, W, Cu or alloys containing two or more of them. .. Of these, oxides, nitrides or oxynitrides of metal elements containing both Zn and Sn metal elements are preferable in order to impart water vapor barrier properties and flexibility to the barrier layer.

上記バリア層の材料が無機材料である場合、バリア層(無機層)の厚みは、好ましい下限が30nm、好ましい上限が3000nmである。上記厚みが30nm以上であれば、上記無機層が充分な水蒸気バリア性を有することができ、太陽電池の耐久性が向上する。上記厚みが3000nm以下であれば、上記無機層の厚みが増した場合であっても、発生する応力が小さいため、上記無機層と上記積層体との剥離を抑制することができる。上記厚みのより好ましい下限は50nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は100nm、更に好ましい上限は500nmである。
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。
When the material of the barrier layer is an inorganic material, the thickness of the barrier layer (inorganic layer) has a preferable lower limit of 30 nm and a preferable upper limit of 3000 nm. When the thickness is 30 nm or more, the inorganic layer can have a sufficient water vapor barrier property, and the durability of the solar cell is improved. When the thickness is 3000 nm or less, even when the thickness of the inorganic layer is increased, the stress generated is small, so that peeling between the inorganic layer and the laminated body can be suppressed. The more preferable lower limit of the thickness is 50 nm, the more preferable upper limit is 1000 nm, the further preferable lower limit is 100 nm, and the further preferable upper limit is 500 nm.
The thickness of the inorganic layer can be measured using an optical interference type film thickness measuring device (for example, FE-3000 manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).

上記バリア層の材料のうち、上記熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂で上記積層体を封止する方法は特に限定されず、例えば、シート状のバリア層の材料を用いて上記積層体をシールする方法、バリア層の材料を有機溶媒に溶解させた溶液を上記積層体に塗布する方法、バリア層となる液状モノマーを上記積層体に塗布した後、熱又はUV等で液状モノマーを架橋又は重合させる方法、バリア層の材料に熱をかけて融解させた後に冷却させる方法等が挙げられる。 Among the materials of the barrier layer, the method of sealing the laminate with the thermosetting resin or the thermoplastic resin is not particularly limited, and for example, the material of the sheet-shaped barrier layer is used to seal the laminate. Method, a method of applying a solution of a barrier layer material dissolved in an organic solvent to the laminate, a method of applying a liquid monomer to be a barrier layer to the laminate, and then cross-linking or polymerizing the liquid monomer with heat or UV or the like. Examples thereof include a method, a method in which the material of the barrier layer is heated to melt it, and then cooled.

上記バリア層の材料のうち、上記無機材料で上記積層体を封止する方法として、真空蒸着法、スパッタリング法、気相反応法(CVD)、イオンプレーティング法が好ましい。なかでも、緻密な層を形成するためにはスパッタリング法が好ましく、スパッタリング法のなかでもDCマグネトロンスパッタリング法がより好ましい。
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。
上記バリア層の材料は、上記熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂と、上記無機材料との組み合わせでもよい。
Among the materials for the barrier layer, a vacuum deposition method, a sputtering method, a vapor phase reaction method (CVD), and an ion plating method are preferable as a method for sealing the laminate with the inorganic material. Among them, the sputtering method is preferable for forming a dense layer, and the DC magnetron sputtering method is more preferable among the sputtering methods.
In the sputtering method, an inorganic layer made of an inorganic material can be formed by using a metal target and oxygen gas or nitrogen gas as raw materials and depositing the raw materials on the laminate to form a film.
The material of the barrier layer may be a combination of the thermosetting resin or the thermoplastic resin and the inorganic material.

本発明の太陽電池においては、更に、上記バリア層上を、例えば樹脂フィルム、無機材料を被覆した樹脂フィルム等のその他の材料が覆っていてもよい。即ち、本発明の太陽電池は、上記積層体と上記その他の材料との間を、上記バリア層によって封止、充填又は接着している構成であってもよい。これにより、仮に上記バリア層にピンホールがあった場合にも充分に水蒸気をブロックすることができ、太陽電池の耐久性をより向上させることができる。 In the solar cell of the present invention, the barrier layer may be further covered with another material such as a resin film or a resin film coated with an inorganic material. That is, the solar cell of the present invention may have a configuration in which the laminate and the other material are sealed, filled or adhered by the barrier layer. As a result, even if there is a pinhole in the barrier layer, water vapor can be sufficiently blocked, and the durability of the solar cell can be further improved.

図2は、本発明の太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。
図2に示す太陽電池1は、陰極2上に電子輸送層3(薄膜状の電子輸送層31と多孔質状の電子輸送層32)、上述したような有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層4、ホール輸送層5及び陽極6をこの順に有し、更に、電子輸送層3と光電変換層4との間に配置された、アルカリ金属を含む層7を有する。このようなアルカリ金属を含む層7を有することにより、太陽電池1は、開放電圧が大きく、光電変換効率に優れたものとなる。なお、図2に示す太陽電池1において、陽極6はパターニングされた電極である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the solar cell of the present invention.
The solar cell 1 shown in FIG. 2 has an electron transport layer 3 (thin-film electron transport layer 31 and a porous electron transport layer 32) on the cathode 2, and a photoelectric conversion layer 4 containing an organic-inorganic perovskite compound as described above. , The hole transport layer 5 and the anode 6 are provided in this order, and further, a layer 7 containing an alkali metal is provided between the electron transport layer 3 and the photoelectric conversion layer 4. By having the layer 7 containing such an alkali metal, the solar cell 1 has a large open circuit voltage and is excellent in photoelectric conversion efficiency. In the solar cell 1 shown in FIG. 2, the anode 6 is a patterned electrode.

本発明の太陽電池を製造する方法は特に限定されず、例えば、上記基板上に上記陰極、上記電子輸送層、上記アルカリ金属を含む層、上記光電変換層、上記ホール輸送層及び上記陽極をこの順で形成する方法等が挙げられる。 The method for producing the solar cell of the present invention is not particularly limited, and for example, the cathode, the electron transport layer, the layer containing the alkali metal, the photoelectric conversion layer, the hole transport layer, and the anode are placed on the substrate. Examples thereof include a method of forming in order.

本発明によれば、開放電圧が大きく、光電変換効率に優れた太陽電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solar cell having a large open circuit voltage and excellent photoelectric conversion efficiency.

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。It is a schematic diagram which shows an example of the crystal structure of an organic-inorganic perovskite compound. 本発明の太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the solar cell of this invention.

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
ガラス基板上に、厚み200nmのアルミニウム膜、厚み50nmのモリブデン膜を電子ビーム蒸着法により立て続けに製膜し、これを陰極とした。
次に、陰極の表面上に酸化チタンをスパッタリング装置(アルバック社製)を用いてスパッタすることで厚み30nmの薄膜状の電子輸送層を形成した。更に、薄膜状の電子輸送層上に、酸化チタン(平均粒子径10nmと30nmとの混合物)のエタノール分散液をスピンコート法により塗布した後、200℃で10分間焼成し、厚み150nmの多孔質状の電子輸送層を形成した。
(Example 1)
An aluminum film having a thickness of 200 nm and a molybdenum film having a thickness of 50 nm were continuously formed on a glass substrate by an electron beam vapor deposition method, and this was used as a cathode.
Next, titanium oxide was sputtered on the surface of the cathode using a sputtering device (manufactured by ULVAC, Inc.) to form a thin-film electron transport layer having a thickness of 30 nm. Further, an ethanol dispersion of titanium oxide (a mixture of an average particle size of 10 nm and 30 nm) is applied onto the thin-film electron transport layer by a spin coating method, and then fired at 200 ° C. for 10 minutes to form a porous body having a thickness of 150 nm. An electron transport layer was formed.

次いで、エタノールにアルカリ金属塩として酢酸カリウムを25mM溶解させた溶液を調製した。この溶液を電子輸送層上にスピンコート法によって塗工した後、200℃で10分間乾燥させ、厚み5nmのアルカリ金属を含む層を形成した。 Then, a solution was prepared in which 25 mM of potassium acetate was dissolved as an alkali metal salt in ethanol. This solution was applied onto the electron transport layer by a spin coating method and then dried at 200 ° C. for 10 minutes to form a layer containing an alkali metal having a thickness of 5 nm.

次いで、有機無機ペロブスカイト化合物形成用溶液として、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を溶媒としてCHNHIとPbIをモル比1:1で溶かし、CHNHIとPbIの合計重量濃度を20%に調整した。この溶液を、アルカリ金属を含む層上にスピンコート法によって積層した後、100℃で10分間焼成し、光電変換層を形成した。 Next, as a solution for forming an organic-inorganic perovskite compound, CH 3 NH 3 I and Pb I 2 were dissolved in a molar ratio of 1: 1 using N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent, and the sum of CH 3 NH 3 I and PbI 2 was added. The weight concentration was adjusted to 20%. This solution was laminated on a layer containing an alkali metal by a spin coating method, and then calcined at 100 ° C. for 10 minutes to form a photoelectric conversion layer.

次いで、クロロベンゼン1mLにSpiro−OMeTAD(スピロビフルオレン骨格を有する)を68mM、t−ブチルピリジンを55mM、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド・銀塩を9mM溶解させた溶液をスピンコート法により塗布して、厚み150nmのホール輸送層を形成した。 Next, a solution prepared by dissolving 68 mM of Spiro-OMeTAD (having a spirobifluorene skeleton), 55 mM of t-butylpyridine, and 9 mM of bis (trifluoromethylsulfonyl) imide / silver salt in 1 mL of chlorobenzene was applied by a spin coating method. A hole transport layer having a thickness of 150 nm was formed.

得られたホール輸送層上に、スパッタリング装置(アルバック社製)を用いてスパッタすることで陽極として厚み200nmのITO膜を形成し、陰極/電子輸送層/アルカリ金属を含む層/光電変換層/ホール輸送層/陽極が積層された太陽電池を得た。 An ITO film having a thickness of 200 nm is formed as an anode on the obtained hole transport layer by sputtering using a sputtering device (manufactured by ULVAC), and a cathode / electron transport layer / layer containing an alkali metal / photoelectric conversion layer / A solar cell having a laminated hole transport layer / anode was obtained.

(実施例2〜3)
アルカリ金属塩である酢酸カリウムの濃度を表1に示すように変更することにより、アルカリ金属を含む層の厚みを表1に示すよう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。
(Examples 2 to 3)
By changing the concentration of potassium acetate, which is an alkali metal salt, as shown in Table 1, the thickness of the layer containing the alkali metal was changed as shown in Table 1. Got

(実施例4〜11)
アルカリ金属塩の種類を表1に示すよう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。
(Examples 4 to 11)
A solar cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the type of alkali metal salt was changed as shown in Table 1.

(比較例1)
アルカリ金属を含む層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
(Comparative Example 1)
A solar cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that a layer containing an alkali metal was not formed.

(比較例2〜4)
アルカリ金属塩の代わりに表1に示す化合物を用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。
(Comparative Examples 2 to 4)
A solar cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the compounds shown in Table 1 were used instead of the alkali metal salt.

<評価>
実施例及び比較例で得られた太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表1に示した。
<Evaluation>
The solar cells obtained in Examples and Comparative Examples were evaluated as follows. The results are shown in Table 1.

(1)開放電圧及び光電変換効率の測定
太陽電池の電極間に電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cmのソーラーシミュレーション(山下電装社製)を用いて電流−電圧曲線を描画し、開放電圧及び光電変換効率を算出した。
光電変換効率については、比較例1で得られた光電変換効率に対して100%以上の値であった場合を〇、100%未満80%以上の値であった場合を△、80%未満の値であった場合を×とした。
(1) Measurement of open circuit voltage and photoelectric conversion efficiency A power supply (236 model manufactured by KEITHLEY) is connected between the electrodes of the solar cell, and a current-voltage is used using a solar simulation (manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.) with a strength of 100 mW / cm 2. A curve was drawn and the open circuit voltage and photoelectric conversion efficiency were calculated.
Regarding the photoelectric conversion efficiency, the value of 100% or more with respect to the photoelectric conversion efficiency obtained in Comparative Example 1 is 〇, the value of less than 100% and the value of 80% or more is Δ, and the value is less than 80%. The case where it was a value was regarded as x.

Figure 0006921582
Figure 0006921582

本発明によれば、開放電圧が大きく、光電変換効率に優れた太陽電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solar cell having a large open circuit voltage and excellent photoelectric conversion efficiency.

1 太陽電池
2 陰極
3 電子輸送層
31 薄膜状の電子輸送層
32 多孔質状の電子輸送層
4 光電変換層
5 ホール輸送層
6 陽極(パターニングされた電極)
7 アルカリ金属を含む層
1 Solar cell 2 Cathode 3 Electron transport layer 31 Thin-film electron transport layer 32 Porous electron transport layer 4 Photoelectric conversion layer 5 Hole transport layer 6 Anode (patterned electrode)
7 Layer containing alkali metal

Claims (2)

陰極、電子輸送層、光電変換層及び陽極をこの順に有する太陽電池であって、
前記光電変換層は、一般式R−M−X(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、
更に、前記電子輸送層と前記光電変換層との間に配置された、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びこれらのイオンからなる群より選択される少なくとも1つを含む層を有することを特徴とする太陽電池。
A solar cell having a cathode, an electron transport layer, a photoelectric conversion layer, and an anode in this order.
The photoelectric conversion layer contains an organic-inorganic perovskite compound represented by the general formula R-MX 3 (where R is an organic molecule, M is a metal atom, and X is a halogen atom or a chalcogen atom).
Further, it is characterized by having a layer arranged between the electron transport layer and the photoelectric conversion layer and containing at least one selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium and ions thereof. Solar cell.
電子輸送層は、酸化チタン又は酸化スズを含むことを特徴とする請求項1記載の太陽電池。 The solar cell according to claim 1, wherein the electron transport layer contains titanium oxide or tin oxide.
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