JP7482362B2 - 光電変換素子及び太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
[1]下部電極と上部電極から構成される一対の電極と、前記一対の電極間にある活性層と、前記一対の電極の一方と前記活性層との間にあるバッファ層と、を備える光電変換素子であって、
前記バッファ層は、有機半導体化合物と金属酸化物半導体粒子が混ざっており、
前記バッファ層における、前記有機半導体化合物に対する前記金属酸化物半導体粒子の比率が、0.5質量%を超え、5質量%以下である
ことを特徴とする、光電変換素子。
[2]前記金属酸化物半導体粒子は無機ナノ粒子であり、前記有機半導体化合物に対する前記無機ナノ粒子の比率が、1質量%を超え、5質量%以下であることを特徴とする、[1]に記載の光電変換素子。
[3]前記有機半導体化合物がフラーレン化合物を含むことを特徴とする、[1]又は[2]に記載の光電変換素子。
[4]前記バッファ層が、前記金属酸化物半導体粒子とは異なる金属元素をさらに含むことを特徴とする、[1]から[3]のいずれか1項に記載の光電変換素子。
[5]前記バッファ層は電子取り出し層であり、前記電子取り出し層の膜厚が70nmを超え700nm未満であることを特徴とする、[1]から[4]のいずれかに記載の光電変換素子。
[6]前記バッファ層は前記上部電極と前記活性層との間に位置することを特徴とする、[1]から[5]のいずれかに記載の光電変換素子。
[7]前記バッファ層が前記下部電極又は前記上部電極と直接接触し、前記バッファ層が直接接触する前記下部電極又は前記上部電極は金属電極であることを特徴とする、[1]から[6]のいずれかに記載の光電変換素子。
[8]前記活性層がペロブスカイト化合物を含有することを特徴とする、[1]から[7]のいずれかに記載の光電変換素子。
[9]前記金属酸化物半導体粒子は、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、及び酸化ニッケルのうちの少なくともいずれかの粒子であることを特徴とする、[1]から[8]のいずれかに記載の光電変換素子。
[10][1]から[9]のいずれかに記載の光電変換素子を有する太陽電池モジュール。
本実施形態に係る光電変換素子は、下部電極と上部電極から構成される一対の電極と、一対の電極間にある活性層と、一対の電極の一方と活性層との間にあるバッファ層と、を備える。このバッファ層には、半導体粒子が混ざっている。
活性層103は光電変換が行われる層である。光電変換素子100が光を受けると、光が活性層103に吸収されてキャリアが発生し、発生したキャリアは下部電極101及び上部電極107から取り出される。
AX ・・・(2)
MX2 ・・・(3)
A、M及びXの定義は上述の通りである。AXの具体例としてはハロゲン化アルキルアンモニウム塩が挙げられ、MX2の具体例としては金属ハロゲン化物が挙げられる。AX及びMX2は、ベロブスカイト半導体化合物AMX3の前駆体である。
電極は、光吸収により生じた正孔及び電子を捕集する機能を有する。したがって、一対の下部電極101及び上部電極107としては、正孔の捕集に適したアノードと、電子の捕集に適したカソードとを用いることが好ましい。下部電極101及び上部電極107は、いずれか一方が透光性であればよく、両方が透光性であっても構わない。透光性があるとは、太陽光が40%以上透過することを指す。また、透光性ある電極の太陽光線透過率は70%以上であることが、より多くの光が透明電極を透過して活性層103に到達するために好ましい。光の透過率は、分光光度計(例えば、日立ハイテク社製U-4100)で測定できる。
本実施形態において、バッファ層には半導体粒子が混ざっている。バッファ層は通常、電子取り出し層と正孔取り出し層とに分類することができる。上述の通り、光電変換素子100が順型構成を有する一実施形態においてバッファ層102は電子取り出し層であり、バッファ層105は正孔取り出し層である。また、光電変換素子100が逆型構成を有する一実施形態においてバッファ層102は正孔取り出し層であり、バッファ層105は電子取り出し層である。本実施形態において、バッファ層102とバッファ層105との少なくとも一方には半導体粒子が混ざっている。また、本実施形態において、正孔取り出し層と電子取り出し層との少なくとも一方には半導体粒子が混ざっている。なお、半導体粒子は、バッファ層に均一に混ざっていてもよいし、活性層103の近くに、又は活性層103から離れるように、偏在して分散していてもよい。
光電変換素子100は、通常は支持体となる基材108を有する。もっとも、本発明に係る光電変換素子は基材108を有さなくてもよい。基材108の材料は、本発明の効果を著しく損なわない限り特に限定されず、例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012-191194号公報等の公知文献に記載の材料を使用することができる。
上述の方法に従って、光電変換素子100を構成する各層を形成することにより、光電変換素子100を作製することができる。例えば、基材108の上に、下部電極101、バッファ層102、活性層103、バッファ層105、及び上部電極107をこの順に順次積層することにより、光電変換素子100を製造することができる。この場合、支持体となる基材108は形成される各層より厚くてもよい。例えば、基材108の厚さは200nm以上であってもよく、好ましくは500nm以上である。また、耐久性を向上させるため、光電変換素子100をさらに封止してもよい。例えば、上部電極107にさらに封止板を積層し、基材108と封止板とを接着剤で固定することにより、光電変換素子100を封止することができる。
光電変換素子100の光電変換特性は次のようにして求めることができる。光電変換素子100にソーラシミュレーターでAM1.5G条件の光を照射強度100mW/cm2で照射して、電流-電圧特性を測定する。得られた電流-電圧曲線から、光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)、直列抵抗、シャント抵抗といった光電変換特性を求めることができる。
本実施形態に係る光電変換素子100は、太陽電池、なかでも薄膜太陽電池の太陽電池素子として使用されることが好ましい。図2は本発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を模式的に表す断面図であり、図2には本発明の一実施形態に係る太陽電池である薄膜太陽電池が示されている。図2に表すように、本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、耐候性保護フィルム1と、紫外線カットフィルム2と、ガスバリアフィルム3と、ゲッター材フィルム4と、封止材5と、太陽電池素子6と、封止材7と、ゲッター材フィルム8と、ガスバリアフィルム9と、バックシート10と、をこの順に備える。本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、太陽電池素子6として、本実施形態に係る光電変換素子を有している。そして、耐候性保護フィルム1が形成された側(図2中下方)から光が照射されて、太陽電池素子6が発電するようになっている。なお、薄膜太陽電池14は、これらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。
(活性層塗布液の調製)
モル比が1:1:1となるようにヨウ化鉛(II)(623mg)、ヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I,215mg)、及びジメチルスルホキシド(106mg)をバイアル瓶に量りとり、N,N-ジメチルホルムアミド(1mL)を加えた。次に、得られた混合液を室温で1時間加熱撹拌した。その後、得られた溶液をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルター(孔径0.2μm)で濾過することにより、活性層塗布液を作製した。
パターニングされた酸化インジウムスズ(ITO)透明導電膜を備えるガラス基板(ジオマテック社製)に対して、洗浄剤(横浜油脂工業社製、精密ガラス基板用洗浄剤セミクリーンM-LO,15mL)を用いた超音波洗浄、超純水を用いた超音波洗浄、窒素ブローによる乾燥、及びUV-オゾン処理を行った。
酸化亜鉛ナノ粒子をPC61BMに対して5質量%含むように作製した電子取り出し層用分散液を使用したことを除き、実施例1と同様の方法を用いて光電変換素子を作製した。
フェニルC61酪酸メチルエステル(PC61BM,フロンティアカーボン社製)のクロロベンゼン溶液(30mg/mL,10mL)に、酸化チタンナノ粒子のトルエン分散液(シーアイ化成社製,平均一次粒径15nm,15質量%,100mg)を加えることで、PC61BMに対して酸化チタンを5質量%含む電子取り出し層用分散液を作製したことを除き、実施例1と同様の方法を用いて光電変換素子を作製した。
電子取り出し層用分散液に酸化亜鉛ナノ粒子を加えなかったことを除き、実施例1と同様の方法を用いて光電変換素子を作製した。
実施例1~3及び比較例1で得られた光電変換素子のそれぞれに4mm角のメタルマスクを付け、ITO電極と銀電極との間における電流-電圧特性を測定した。測定にはソースメーター(ケイスレー社製,2400型)を用い、照射光源としてはエアマス(AM)1.5G、放射照度100mW/cm2のソーラシミュレーターを用いた。この測定結果から、それぞれの光電変換素子のフィルファクター(FF)及び初期変換効率PCE(%)を算出した。測定結果を表1に示す。なお、表1において、添加量は、PCBMに対する質量%を表す。
2 紫外線カットフィルム
3,9 ガスバリアフィルム
4,8 ゲッター材フィルム
5,7 封止材
6 太陽電池素子
10 バックシート
12 基材
13 太陽電池モジュール
14 薄膜太陽電池
100 光電変換素子
101 下部電極
102 バッファ層
103 活性層
105 バッファ層
107 上部電極
108 基材
Claims (10)
- 下部電極と上部電極から構成される一対の電極と、前記一対の電極間にある活性層と、前記一対の電極の一方と前記活性層との間にあるバッファ層と、を備える光電変換素子であって、
前記バッファ層は、有機半導体化合物と金属酸化物半導体粒子が混ざっており、
前記バッファ層における、前記有機半導体化合物に対する前記金属酸化物半導体粒子の比率が、0.5質量%を超え、5質量%以下である
ことを特徴とする、光電変換素子。 - 前記金属酸化物半導体粒子は無機ナノ粒子であり、前記有機半導体化合物に対する前記無機ナノ粒子の比率が、1質量%を超え、5質量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記有機半導体化合物がフラーレン化合物を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の光電変換素子。
- 前記バッファ層が、前記金属酸化物半導体粒子とは異なる金属元素をさらに含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記バッファ層は電子取り出し層であり、前記電子取り出し層の膜厚が70nmを超え700nm未満であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記バッファ層は前記上部電極と前記活性層との間に位置することを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記バッファ層が前記下部電極又は前記上部電極と直接接触し、前記バッファ層が直接接触する前記下部電極又は前記上部電極は金属電極であることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記活性層がペロブスカイト化合物を含有することを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 前記金属酸化物半導体粒子は、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、及び酸化ニッケルのうちの少なくともいずれかの粒子であることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の光電変換素子を有する太陽電池モジュール。
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