JP7068934B2 - 太陽電池および太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
[項目1]
第1電極と、
前記第1電極上に位置し、ニッケルを含む第1正孔輸送層と、
前記第1正孔輸送層上に位置し、チタンを含む無機材料層と、
前記無機材料層上に位置し前記無機材料層と接する、光を電荷に変換する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置し、前記第1電極と対向する第2電極と、
を備え、
前記光吸収層は、Aを1価のカチオンとし、Mを2価のカチオンとし、Xを1価のアニオンとしたとき、組成式AMX3で示されるペロブスカイト型化合物を含む、
太陽電池。
[項目2]
前記第1正孔輸送層は、マグネシウムをさらに含む、項目1に記載の太陽電池。
[項目3]
前記第1正孔輸送層は、リチウムをさらに含む、項目1または2に記載の太陽電池。
[項目4]
前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に位置し、ニッケルおよびリチウムを含む第2正孔輸送層をさらに備え、
前記第2正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比よりも小さい、項目3に記載の太陽電池。
[項目5]
前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に位置し、ニッケルを含み、かつ、リチウムを実質的に含まない第2正孔輸送層をさらに備える、項目3に記載の太陽電池。
[項目6]
前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、1%以上30%以下である、項目1から5のいずれか1項に記載の太陽電池。
[項目7]
前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、5%以上20%以下である、項目6に記載の太陽電池。
[項目8]
前記無機材料層は、前記第1正孔輸送層よりも薄い、項目1から7のいずれか1項に記載の太陽電池。
[項目9]
前記無機材料層の厚さは、1nm以上20nm以下である、項目1から8のいずれか1項に記載の太陽電池。
[項目10]
前記無機材料層の厚さは、3nm以上10nm以下である、項目9に記載の太陽電池。
[項目11]
基板と、
前記基板上に位置し、互いに直列に接続された第1ユニットセルおよび第2ユニットセルと、
を備え、
前記第1ユニットセルおよび前記第2ユニットセルのそれぞれは、
前記基板上に位置する第1電極と、
前記第1電極上に位置し、ニッケルを含む第1正孔輸送層と、
前記第1正孔輸送層上に位置し、チタンを含む無機材料層と、
前記無機材料層上に位置し前記無機材料層と接する、光を電荷に変換する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置し前記第1電極と対向する第2電極と、
を備え、
前記光吸収層は、Aを1価のカチオンとし、Mを2価のカチオンとし、Xを1価のアニオンとしたとき、組成式AMX3で示されるペロブスカイト型化合物を含み、
前記第1ユニットセルの前記第1電極、前記第1正孔輸送層および前記無機材料層と、前記第2ユニットセルの前記第1電極、前記第1正孔輸送層および前記無機材料層とは、溝によって分離されており、
前記第1ユニットセルの前記光吸収層は、前記溝において前記第1ユニットセルの前記第1正孔輸送層および前記第2ユニットセルの前記第1正孔輸送層と接している、
太陽電池モジュール。
[項目12]
前記第1正孔輸送層は、マグネシウムをさらに含む、項目11に記載の太陽電池モジュール。
[項目13]
前記第1正孔輸送層は、リチウムをさらに含む、項目11または12記載の太陽電池モジュール。
[項目14]
前記第1ユニットセルおよび前記第2ユニットセルのそれぞれは、前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に配置され、ニッケルおよびリチウムを含む第2正孔輸送層をさらに備え、
前記第2正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比よりも小さい、項目13に記載の太陽電池モジュール。
[項目15]
前記第1ユニットセルおよび前記第2ユニットセルのそれぞれは、前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に配置され、ニッケルを含み、かつ、リチウムを実質的に含まない第2正孔輸送層をさらに備える、項目13に記載の太陽電池モジュール。
[項目16]
前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、1%以上30%以下である、項目11から15のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[項目17]
前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、5%以上20%以下である、項目16に記載の太陽電池モジュール。
[項目18]
前記無機材料層は、前記第1正孔輸送層よりも薄い、項目11から17のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[項目19]
前記無機材料層の厚さは、1nm以上20nm以下である、項目11から18のいずれか1項に記載の太陽電池モジュール。
[項目20]
前記無機材料層の厚さは、3nm以上10nm以下である、項目19に記載の太陽電池モジュール。
図1は、第1実施形態の太陽電池100を模式的に示す断面図である。
基板1は、太陽電池100の補助的な構成要素である。基板1は、太陽電池100を構成する際に、太陽電池100の積層される各層を物理的に膜として保持する。基板1は、透光性を有する。基板1としては、例えば、ガラス基板またはプラスチック基板(プラスチックフィルムを含む)などを用いることができる。後述する第1電極2が各層を膜として保持できる場合には、基板1を省略してもよい。
第1電極2は、導電性を有する。また、第1電極2は、透光性を有する。第1電極2は、例えば、可視光および近赤外光を透過する。第1電極2は、透明であり導電性を有する金属酸化物などの材料で形成することができる。透明であり導電性を有する金属酸化物は、例えば、インジウム-錫複合酸化物、アンチモンをドープした酸化錫、フッ素をドープした酸化錫、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、またはインジウムをドープした酸化亜鉛あるいはこれらの複合物である。また、第1電極2は、透明でない材料を用いて、光が透過するパターンを設けて形成することができる。
光吸収層5は、組成式AMX3で示されるペロブスカイト構造を有する化合物を光吸収材料として含む。Aは一価のカチオンである。Aの例としては、アルカリ金属カチオンまたは有機カチオンのような一価のカチオンが挙げられる。さらに具体的には、Aの例として、メチルアンモニウムカチオン(CH3NH3 +)、ホルムアミジニウムカチオン(NH2CHNH2 +)、セシウムカチオン(Cs+)、ルビジウムカチオン(Rb+)が挙げられる。
第1正孔輸送層3は、半導体を含む。第1正孔輸送層3は、無機のp型半導体であってもよい。無機のp型半導体の例として、酸化ニッケル、および、酸化ニッケルにおけるニッケルの一部を他の元素で置換した材料が挙げられる。置換元素としては、例えばリチウム、マグネシウムが挙げられる。
無機材料層4は、光吸収層5を形成する際の土台(下地層)となる。無機材料層4は、光吸収層5の材料液の濡れ性が高い(親水性の高い)材料を含み得る。本実施形態では、無機材料層4は主としてチタン(Ti)を含む。特に、無機のn型半導体材料である酸化チタンを含むことが望ましい。無機材料層4は、チタンに加えて、例えばAl、In、Ga、Cr、Mo、W、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn等の金属元素の酸化物材料を含んでもよい。
第2電極6は、導電性を有する。第2電極6は、透光性を有していなくてもよい。第2電極6は、光吸収層5を挟んで、第1電極2と対向するように配置される。つまり、第2電極6は、光吸収層5に対して、第1電極2と反対側に配置される。
本実施形態に係る太陽電池200は、第2正孔輸送層7をさらに備える点で、第1実施形態に係る太陽電池100と異なる。
本実施形態に係る太陽電池300は、電子輸送層8をさらに備える点で、第1実施形態に係る太陽電池100と異なる。
第2電極26は、導電性を有する。第2電極26は、第2電極6と同様の構成とすることもできる。本実施形態では、電子輸送層8を用いるため、第2電極26は、ペロブスカイト型化合物からの正孔に対するブロック性を有さなくてもよい。すなわち、第2電極26の材料は、ペロブスカイト型化合物とオーミック接触する材料であってもよい。
電子輸送層8は、半導体を含む。電子輸送層8は、バンドギャップが3.0eV以上の半導体であってもよい。バンドギャップが3.0eV以上の物質で電子輸送層8を形成することにより、可視光および赤外光を光吸収層5まで透過させることができる。半導体の例としては、有機または無機のn型半導体が挙げられる。有機のn型半導体としては、イミド化合物、キノン化合物、ならびにフラーレンおよびその誘導体などが挙げられる。また無機半導体としては、例えば金属元素の酸化物、ペロブスカイト酸化物を用いることができる。金属元素の酸化物としては、例えばCd、Zn、In、Pb、Mo、W、Sb、Bi、Cu、Hg、Ti、Ag、Mn、Fe、V、Sn、Zr、Sr、Ga、Crの酸化物を用いることができる。より具体的な例としては、TiO2が挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えばSrTiO3、CaTiO3を用いることができる。また、電子輸送層8は、バンドギャップが6eVよりも大きな物質によって形成されてもよい。バンドギャップが6eVよりも大きな物質としては、フッ化リチウムまたはフッ化カルシウムなどのアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化マグネシウムなどのアルカリ金属酸化物、二酸化ケイ素などが挙げられる。この場合、電子輸送層8の電子輸送性を確保するために、電子輸送層8はおおむね10nm以下に構成される。電子輸送層8は、材料の異なる複数の層を含む積層構造を有していてもよい。
上述した実施形態で説明したような構成を有する太陽電池について、各層の構成元素および各層の厚さを同定する方法として、以下の方法が挙げられる。
図4A~4Cは、それぞれ、TOF-SIMSによる太陽電池サンプル1~3の深さ方向の元素分析結果を示す図である。横軸は、第2電極表面からの深さ、縦軸は強度(イオンカウント数)である。分析に用いた太陽電池サンプル1の構成は、次の通りである。第2電極6:Al/光吸収層5:CH3NH3PbI3/無機材料層4:TiOx/第2正孔輸送層7:Ni-O/第1正孔輸送層3:NiLi-O/第1電極2:ITO。
図5Aおよび図5Bは、それぞれ、上記の太陽電池サンプル1に対し、走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope;STEM)によるEDS組成分析を行った結果を示す図であり、それぞれ、TiおよびNiの分析結果を示す。図6Aおよび図6Bは、それぞれ、上記の太陽電池サンプル2に対し、STEMによるEDS組成分析を行った結果を示す図であり、それぞれ、TiおよびNiの分析結果を示す。
以下、本開示を実施例によって具体的に説明する。実施例1~8および比較例1~3の太陽電池を作製し、特性を評価した。なお、各実施例および各比較例の太陽電池における各層の構成元素および厚さは、断面TEM観察、EDS分析およびXPS分析により確認した。
実施例1の太陽電池は、図3に示した太陽電池300と実質的に同じ構造を有する。ただし、電子輸送層8と第2電極26との間にバッファー層を有している。実施例1の太陽電池における各構成要素の材料および厚さを以下に示す。
基板1:ガラス基板、厚さ:0.7mm
第1電極2:フッ素ドープSnO2層(表面抵抗:10Ω/sq.)
第1正孔輸送層3:Ni0.9Li0.1O、厚さ:10nm
無機材料層4:TiOx、厚さ:5nm
光吸収層5:CH3NH3PbI3、厚さ:300nm
電子輸送層8:PCBM、厚さ:40nm
バッファー層:Ti0.9Nb0.1O2、厚さ:10nm
第2電極26:Al、厚さ:100nm
図2に示した太陽電池200と実質的に同じ構造を有する太陽電池を作製した。ただし、光吸収層5と第2電極26との間に電子輸送層8およびバッファー層をこの順で設けた。実施例2の太陽電池における各構成要素の材料および厚さを以下に示す。
基板1:ガラス基板、厚さ:0.7mm
第1電極2:フッ素ドープSnO2層(表面抵抗:10Ω/sq.)
第1正孔輸送層3:Ni0.9Li0.1O、厚さ:10nm
第2正孔輸送層7:NiO、厚さ:5nm
無機材料層4:TiOx、厚さ:5nm
光吸収層5:CH3NH3PbI3、厚さ:300nm
電子輸送層8:PCBM、厚さ:40nm
バッファー層:Ti0.9Nb0.1O2、厚さ:10nm
第2電極26:Al、厚さ:100nm
第1正孔輸送層3として厚さが約10nmのNiO層を形成した点以外は、実施例1と同様の方法で実施例3の太陽電池を作製した。NiO層は、0.1mol/Lの硝酸ニッケル・六水和物の水溶液を用いて、スプレー法によって形成した。第1正孔輸送層3以外の構成要素は、実施例1と同様とした。
第1正孔輸送層3として厚さが約10nmのNi0.8Mg0.2O層を形成した点以外は、実施例1と同様の方法で実施例4の太陽電池を作製した。Ni0.8Mg0.2O層は、0.1mol/Lの硝酸ニッケル・六水和物の水溶液および0.1mol/Lの硝酸マグネシウム・六水和物の水溶液を、所望の膜組成となるように混合した水溶液を用いて、スプレー法によって形成した。第1正孔輸送層3以外の構成要素は、実施例1と同様とした。
第1正孔輸送層3として厚さが約10nmのNi0.7Li0.1Mg0.2O層を形成した点以外は、実施例1と同様の方法で実施例5の太陽電池を作製した。Ni0.7Li0.1Mg0.2O層は、0.1mol/Lの硝酸ニッケル・六水和物、硝酸リチウム、および硝酸マグネシウム・六水和物の水溶液を、所望の膜組成となるように混合した水溶液を用いて、スプレー法によって形成した。第1正孔輸送層3以外の構成要素は、実施例1と同様とした。
無機材料層4として厚さが約3nmのTiOx層を形成した点以外は、実施例1と同様の方法で実施例6の太陽電池を作製した。無機材料層4以外の構成要素は、実施例1と同様とした。
無機材料層4として厚さが約3nmのTiOx層を形成した点以外は、実施例1と同様の方法で実施例7の太陽電池を作製した。無機材料層4以外の構成要素は、実施例1と同様とした。
第1正孔輸送層3として厚さ約10nmのNi0.8Li0.2O層、第2正孔輸送層7として厚さ約5nmのNi0.75Li0.05Mg0.20O層を形成した点以外は、実施例2の太陽電池と同様の方法で実施例8の太陽電池を作製した。第1正孔輸送層3のNi0.8Li0.2O層は、0.1mol/Lの硝酸ニッケル・六水和物の水溶液および0.1mol/Lの硝酸リチウムの水溶液を、所望の膜組成となるように混合した水溶液を用いて、スプレー法によって形成した。また、第2正孔輸送層7のNi0.75Li0.05Mg0.20O層は、0.3mol/Lの酢酸ニッケル・四水和物、0.3mol/Lの酢酸リチウム・二水和物および0.3mol/Lの酢酸マグネシウム・四水和物の2-メトキシエタノール溶液を、所望の膜組成となるように混合した溶液をスピンコート法で塗布した後、大気中で550℃の焼成を行うことにより形成した。なお、第1正孔輸送層3および第2正孔輸送層7以外の構成要素は、実施例2と同様とした。
比較例1の太陽電池は、無機材料層4を有していない点以外は、実施例1の太陽電池と同様の構成を有する。比較例1の太陽電池における各構成要素の材料および厚さを以下に示す。
基板1:ガラス基板、厚さ:0.7mm
第1電極2:フッ素ドープSnO2層(表面抵抗:10Ω/sq.)
第1正孔輸送層3:Ni0.9Li0.1O、厚さ:10nm
光吸収層5:CH3NH3PbI3、厚さ:300nm
電子輸送層8:PCBM、厚さ:40nm
バッファー層:Ti0.9Nb0.1O2、厚さ:10nm
第2電極26:Al、厚さ:100nm
第1正孔輸送層3として厚さ約10nmのNi0.8Li0.2O層を形成した点以外は、比較例1と同様の方法で、比較例2の太陽電池を作製した。第1正孔輸送層3以外の構成要素は、比較例1と同様とした。
第1正孔輸送層3として厚さ約10nmのNi0.8Li0.1Mg0.1O層を形成した点以外は、比較例1と同様の方法で、比較例3の太陽電池を作製した。第1正孔輸送層3以外の構成要素は、比較例1と同様とした。
実施例1~8および比較例1~3の太陽電池に対し、ソーラーシミュレータを用いて100mW/cm2の照度の光を照射して、電流-電圧特性を測定した。また、安定化後の電流-電圧特性から、各太陽電池における開放電圧(V)、短絡電流密度(mA/cm2)、曲線因子、変換効率(%)を求めた。
本実施形態に係る太陽電池モジュール400は、実施形態3の太陽電池300をユニットセル30として直列に接続した、集積型の太陽電池モジュールである。
2 第1電極
3 第1正孔輸送層
4 無機材料層
5 光吸収層
6、26 第2電極
7 第2正孔輸送層
8 電子輸送層
100、200、300 太陽電池
Claims (6)
- 第1電極と、
前記第1電極上に位置し、ニッケルおよびリチウムを含む第1正孔輸送層と、
前記第1正孔輸送層上に位置し、チタンを含む無機材料層と、
前記無機材料層上に位置し前記無機材料層と接する、光を電荷に変換する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置し、前記第1電極と対向する第2電極と、
を備え、
前記無機材料層はTiOxを含み、
前記無機材料層の厚さは、3nm以上10nm以下であり、
前記光吸収層は、Aを1価のカチオンとし、Mを2価のカチオンとし、Xを1価のアニオンとしたとき、組成式AMX3で示されるペロブスカイト型化合物を含み、
前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に位置し、ニッケルおよびリチウムを含む第2正孔輸送層をさらに備え、
前記第2正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比よりも小さい、
太陽電池。 - 第1電極と、
前記第1電極上に位置し、ニッケルおよびリチウムを含む第1正孔輸送層と、
前記第1正孔輸送層上に位置し、チタンを含む無機材料層と、
前記無機材料層上に位置し前記無機材料層と接する、光を電荷に変換する光吸収層と、
前記光吸収層上に位置し、前記第1電極と対向する第2電極と、
を備え、
前記無機材料層はTiOxを含み、
前記無機材料層の厚さは、3nm以上10nm以下であり、
前記光吸収層は、Aを1価のカチオンとし、Mを2価のカチオンとし、Xを1価のアニオンとしたとき、組成式AMX 3 で示されるペロブスカイト型化合物を含み、
前記第1正孔輸送層と前記無機材料層との間に位置し、ニッケルを含み、かつ、リチウムを実質的に含まない第2正孔輸送層をさらに備える、
太陽電池。 - 前記第1正孔輸送層は、マグネシウムをさらに含む、請求項1または2に記載の太陽電池。
- 前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、1%以上30%以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の太陽電池。
- 前記第1正孔輸送層における全金属元素に対するリチウムの原子数比は、5%以上20%以下である、請求項4に記載の太陽電池。
- 前記無機材料層は、前記第1正孔輸送層よりも薄い、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の太陽電池。
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