JPWO2020121991A1 - 積層体の製造方法およびペロブスカイト型太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池の光透過性電極層および電子輸送層となる積層体を製造する新規な方法を提供する。上記方法は、Ti成分を含有する処理液中で、上記光透過性電極層となる部材をカソード分極することにより、上記部材の上に、上記電子輸送層となる酸化チタン層を形成する。

Description

本発明は、積層体の製造方法およびペロブスカイト型太陽電池の製造方法に関する。
従来、ペロブスカイト型太陽電池が知られている(特許文献1を参照)。
ペロブスカイト型太陽電池は、例えば、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有する。
特開2015−56430号公報
上述したように、ペロブスカイト型太陽電池は、例えば、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有する。
本発明は、このようなペロブスカイト型太陽電池の光透過性電極層および電子輸送層となる積層体を製造する新規な方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討した結果、下記構成を採用することにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[5]を提供する。
[1]光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池の上記光透過性電極層および上記電子輸送層となる積層体を製造する方法であって、Ti成分を含有する処理液中で、上記光透過性電極層となる部材をカソード分極することにより、上記部材の上に、上記電子輸送層となる酸化チタン層を形成する、積層体の製造方法。
[2]上記処理液中のTi含有量が、0.004mol/L以上1.300mol/L以下である、上記[1]に記載の積層体の製造方法。
[3]上記Ti成分が、六フッ化チタン水素酸、六フッ化チタン酸カリウム、六フッ化チタン酸ナトリウム、六フッ化チタン酸アンモニウム、シュウ酸チタニルアンモニウム、シュウ酸チタニルカリウム二水和物、硫酸チタン、および、チタンラクテートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、上記[1]または[2]に記載の積層体の製造方法。
[4]上記光透過性電極層となる部材をカソードとして、0.01A/dm以上1.00A/dm未満の電流密度で通電する、上記[1]〜[3]のいずれかに記載の積層体の製造方法。
[5]上記[1]〜[4]のいずれかに記載の積層体の製造方法によって得られた積層体を用いて、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池を製造する、ペロブスカイト型太陽電池の製造方法。
本発明によれば、ペロブスカイト型太陽電池の光透過性電極層および電子輸送層となる積層体を製造する新規な方法を提供できる。
[ペロブスカイト型太陽電池]
まず、ペロブスカイト型太陽電池を説明する。
ペロブスカイト型太陽電池は、例えば、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有する。
各層の厚さ等は、適宜設定される。
光透過性電極層としては、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)膜、FTO(Fluorine−doped Tin Oxide)膜などの導電性金属酸化物の膜が挙げられる。光透過性電極層は、ガラス基板、樹脂フィルムなどの透明性基板の上に配置されていてもよい。
電子輸送層としては、例えば、n型半導体である酸化チタン(TiO)を含有する酸化チタン層が挙げられる。
ペロブスカイト結晶層としては、例えば、金属イオンがドープされた1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物を含有する層が挙げられる。
1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物を構成する金属としては、ペロブスカイト構造を構成し、ドーピングが可能という観点から、例えば、周期表の11〜15族に属する金属が挙げられ、鉛、インジウム、亜鉛、スズ、銀、アンチモン、銅が好ましく、鉛、スズがより好ましく、鉛が更に好ましい。
1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物を構成するハロゲンとしては、ヨウ素、塩素、臭素が好ましく、ヨウ素がより好ましい。
このような1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物としては、例えば、(CHNH)PbI、(CNHPbI、(C10CHNHPbI、(C13NHPbIなどの1置換アンモニウム鉛ハロゲン化物が挙げられ、(CHNH)PbIが好ましい。
1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物にドープされている金属イオンとしては、例えば、周期表の11〜15族に属する金属のイオンが挙げられ、インジウムイオン、亜鉛イオン、スズイオン、銀イオン、アンチモンイオン、銅イオン等が好ましく、インジウムイオン、アンチモンイオン等がより好ましい。
金属のドープ量は、1〜4置換または無置換アンモニウム金属ハロゲン化物を構成する金属1モルに対して0.01〜0.5モルが好ましく、0.05〜0.2モルがより好ましい。
ホール輸送層の材料としては、例えば、ヨウ化銅(CuI)などのヨウ化物;層状コバルト酸化物などのコバルト錯体;CuSCN;酸化モリブデン;酸化ニッケル;4CuBr・3S(C);有機ホール輸送材;等が挙げられる。
集電極層としては、例えば、Au電極層、Ag電極層、Al電極層、Ca電極層などが挙げられ、なかでも、Au電極層が好ましい。
[積層体の製造方法]
本発明の積層体の製造方法は、概略的には、上述したペロブスカイト型太陽電池の光透過性電極層および電子輸送層となる積層体を製造する方法である。
より詳細には、Ti成分を含有する処理液中で、光透過性電極層となる部材をカソード分極する。すなわち、光透過性電極層となる部材をカソードとして通電する。これにより、光透過性電極層となる部材の上に、電子輸送層となる酸化チタン層を形成する。なお、対極としては、白金電極などの不溶性電極が適している。
酸化チタン層は、以下のように形成されると推測される。まず、光透過性電極層となる部材の表面では、水素発生に伴うpH上昇が生じる。その結果、例えば、処理液中のTi成分が六フッ化チタン水素酸および/またはその塩である場合、処理液中の六フッ化チタン酸イオンが、脱Fしながら、水酸化チタンを生じる。この水酸化チタンが、光透過性電極層となる部材の表面に付着し、その後の洗浄、乾燥等による脱水縮合を経て、酸化チタン層が形成されると考えられる。ただし、これ以外のメカニズムであっても本発明の範囲内であるとする。
光透過性電極層となる部材は、導電性を有する部材であることが好ましく、例えば、ITO膜、FTO膜などの導電性金属酸化物の膜である。
光透過性電極層となる部材は、ガラス基板、樹脂フィルムなどの透明性基板の上に配置されていてもよい。この場合、光透過性電極層となる部材付き透明性基板(例えば、FTO膜付きガラス基板)をカソード分極する。この場合、得られる積層体も、更に、この透明性基板を有する。
処理液は、形成される酸化チタン層にTi(チタニウム元素)を供給するためのTi成分(Ti化合物)を含有する。
Ti成分としては、六フッ化チタン水素酸(HTiF)、六フッ化チタン酸カリウム(KTiF)、六フッ化チタン酸ナトリウム(NaTiF)、六フッ化チタン酸アンモニウム((NHTiF)、シュウ酸チタニルアンモニウム((NH[TiO(C])、シュウ酸チタニルカリウム二水和物(K[TiO(C]・2HO)、硫酸チタン(Ti(SO)、および、チタンラクテート(Ti(OH)[OCH(CH)COOH])からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
これらのうち、処理液の安定性、入手の容易性などの観点から、六フッ化チタン水素酸および/またはその塩(六フッ化チタン酸カリウム、六フッ化チタン酸ナトリウム、六フッ化チタン酸アンモニウム)が好ましい。
処理液中のTi含有量は、0.004mol/L以上が好ましく、0.010mol/L以上がより好ましく、0.020mol/L以上が更に好ましい。
一方、処理液中のTi含有量は、1.300mol/L以下が好ましく、1.000mol/L以下がより好ましく、0.700mol/L以下が更に好ましく、0.300mol/L以下が特に好ましく、0.150mol/L以下が最も好ましい。
処理液の溶媒としては、水が使用される。
処理液のpHは、特に限定されず、例えば、pH2.0〜5.0である。pHの調整には公知の酸成分(例えば、リン酸、硫酸など)、または、アルカリ成分(例えば、水酸化ナトリウム、アンモニア水など)を使用できる。
処理液には、必要に応じて、ラウリル硫酸ナトリウム、アセチレングリコールなどの界面活性剤が含まれていてもよい。付着挙動の経時的な安定性の観点から、処理液には、ピロリン酸塩などの縮合リン酸塩が含まれていてもよい。
処理液の液温は、20〜80℃が好ましく、40〜60℃がより好ましい。
処理液は、更に、伝導助剤を含有していてもよい。
伝導助剤としては、例えば、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウムなどの硫酸塩;硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムなどの硝酸塩;塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウムなどの塩化物塩;等が挙げられる。
処理液中の伝導助剤の含有量は、0.010〜1.000mol/Lが好ましく、0.020〜0.500mol/Lがより好ましい。
カソード分極を施す際の電流密度は、0.01A/dm以上が好ましく、0.10A/dm以上がより好ましく、0.20A/dm以上が更に好ましい。
一方、カソード分極を施す際の電流密度は、1.00A/dm未満が好ましく、0.80A/dm以下がより好ましく、0.60A/dm以下が更に好ましい。
通電時間は、適宜設定され、例えば、5〜60秒であり、10〜40秒が好ましい。
カソード分極の後に、水洗を施してもよい。
水洗の方法は特に限定されず、例えば、カソード分極の後に水に浸漬する方法などが挙げられる。水洗に用いる水の温度(水温)は、40〜90℃が好ましい。
水洗時間は、0.5秒超が好ましく、1.0〜5.0秒が好ましい。
更に、水洗に代えて、または、水洗の後に、乾燥を行なってもよい。乾燥の際の温度および方式は特に限定されず、例えば、通常のドライヤまたは電気炉を用いた乾燥方式が適用できる。乾燥温度は、100℃以下が好ましい。
[ペロブスカイト型太陽電池の製造方法]
本発明のペロブスカイト型太陽電池の製造方法は、上述した本発明の積層体の製造方法によって得られた積層体を用いて、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池を製造する方法である。
例えば、本発明の積層体の製造方法によって得られた積層体における電子輸送層となる酸化チタン層の上に、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層となる層を順次形成する。
ペロブスカイト結晶層は、例えば、Inイオンがドープされた(CHNH)PbIを含有する層である場合、まず、PbIおよびInClを、PbとInとのモル比が所望のドープ量になるように混合した混合溶液を、電子輸送層となる酸化チタン層の上に、スピンコーティング法などにより成膜し、乾燥する。次いで、CHNHIの溶液中に浸漬させ、乾燥する。混合溶液および溶液の溶媒としては、例えば、γ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、イソプロパノールなどの極性溶媒が挙げられる。乾燥および浸漬の温度および時間などは、適宜設定される。
ホール輸送層は、例えば、ペロブスカイト結晶層の上に、ホール輸送層の材料の溶液を滴下して表面を均す操作を繰り返すことにより形成する。溶液の溶媒としては、例えば、n−プロピルスルフィド等の有機溶媒が挙げられる。
集電極層は、例えば、ホール輸送層の上に、Auなどの金属を蒸着することにより形成する。
各層を形成する方法は、これらの方法に限定されず、従来公知の方法を適宜用いることができる。
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されない。
〈光透過性電極層となる部材の準備〉
ガラス基板(30mm×35mm、厚さ0.7mm)の一方の面上にスパッタリングによってFTO(Fluorine−doped Tin Oxide)膜が積層されたFTO膜付きガラス基板(イデアルスター社製)を準備した。このFTO膜付きガラス基板を、光透過性電極層となる部材付き透明性基板として用いた。
〈光透過性電極層および電子輸送層となる積層体の作製〉
準備したFTO膜付きガラス基板(光透過性電極層となる部材付き透明性基板)を用いて、次のように、光透過性電極層および電子輸送層となる積層体を作製した。
まず、0.040mol/Lの六フッ化チタン酸カリウム(KTiF)および0.10mol/Lの硫酸カリウム(KSO)を含有し、水酸化カリウムにてpHを4.0に調整した処理液(以下、単に「処理液」と略記する)を調製した。
次に、準備したFTO膜付きガラス基板を、セミクリーンM4(横浜油脂工業社製)をイオン交換水で20倍希釈した洗浄液中に浸漬させて、10分間の超音波洗浄を行なった。その後、FTO膜付きガラス基板を、洗浄液から取り出し、イオン交換水に浸漬させて、10分間の超音波洗浄を行なった。
洗浄したFTO膜付きガラス基板を、調製した処理液(液温:50℃)に浸漬させた。処理液中で、FTO膜付きガラス基板を、電流密度0.40A/dm、通電時間20秒の条件で、カソード分極した。その後、25℃の水槽に2.0秒浸漬させて水洗した後、ブロアを用いて室温で乾燥した。これにより、FTO膜付きガラス基板のFTO膜上に、電子輸送層となる酸化チタン層を、厚さ約50nmで形成した。こうして、酸化チタン層を形成したFTO膜付きガラス基板(光透過性電極層および電子輸送層となる積層体)を作製した。
〈ペロブスカイト型太陽電池の作製〉
作製した積層体を用いて、以下のようにして、ペロブスカイト型太陽電池を作製した。
《ペロブスカイト結晶層の形成》
まず、Pb濃度を0.9mol/L、In濃度を0.1mol/Lに調整したPbI−InCl混合溶液を調製した。また、10mg/mgのCHNHIのイソプロパノール溶液を調製した。
室温にて、酸化チタン層を形成したFTO膜付きガラス基板の上に、上記調製したPbI−InCl混合溶液をスピンコーティングすることにより成膜し、70℃で30分間加熱乾燥し、放冷して、InドープPbI層を形成した。これを、上記調製したCHNHIのイソプロパノール溶液に、室温にて20秒間浸漬させ、その後直ちにリンスを行なうためにイソプロパノールに1分間浸漬させ、更に、スピンコートにより余分な溶液を除去した。次いで、70℃で30分間加熱乾燥し、放冷し、その後、エアースプレーガンで余分な溶液を除去した。これにより、酸化チタン層の上に、Inドープ(CHNH)PbI層(ペロブスカイト結晶層)を形成した。
《ホール輸送層の形成》
Inドープ(CHNH)PbI層および酸化チタン層を形成したFTO膜付きガラス基板を65℃のホットプレートに載せた。この状態で、Inドープ(CHNH)PbI層の上に、CuSCN濃度が0.05mol/Lであるn−プロピルスルフィド溶液を、一滴滴下して、ガラス棒で表面を均す操作を30回繰り返して、CuSCN層(ホール輸送層)を厚さ0.5〜2μmで形成した。
《集電極層の形成》
CuSCN層(ホール輸送層)の上に、Au電極層(集電極層)を蒸着法により形成した。より詳細には、電極形状に対応するシャドウマスクおよびホール輸送層までが形成されたガラス基板を、チャンバー内に設置した。減圧にしたチャンバー内で金線を抵抗加熱し、シャドウマスクを介して、ホール輸送層の上に金を成膜した。
このようにして、ガラス基板の一方の面上に、FTO膜(光透過性電極層)、酸化チタン層(電子輸送層)、Inドープ(CHNH)PbI層(ペロブスカイト結晶層)、CuSCN層(ホール輸送層)およびAu電極層(集電極層)がこの順に積層された、ペロブスカイト型太陽電池を作製した。
〈ペロブスカイト型太陽電池の評価〉
作製したペロブスカイト型太陽電池に対して、次の評価を行なった。
太陽擬似光源装置(SAN−EI Electric社製、XES−502S)を用いて、AM1.5Gのスペクトル分布を有し、100mW/cmの光強度を有する擬似太陽光を、ペロブスカイト型太陽電池に対してFTO膜側から照射した。この状態で、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)測定装置(Hokuto Denko社製、HZ−5000)を用いて、ペロブスカイト型太陽電池の光電流−電圧プロフィールを測定した。
このプロフィールから、短絡電流(絶対値、Jsc):8.39mA/cm、開放電圧(Voc):0.540V、曲線因子(FF):0.57、および、エネルギー変換効率(PCE):2.59%が算出された。

Claims (5)

  1. 光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池の前記光透過性電極層および前記電子輸送層となる積層体を製造する方法であって、
    Ti成分を含有する処理液中で、前記光透過性電極層となる部材をカソード分極することにより、前記部材の上に、前記電子輸送層となる酸化チタン層を形成する、積層体の製造方法。
  2. 前記処理液中のTi含有量が、0.004mol/L以上1.300mol/L以下である、請求項1に記載の積層体の製造方法。
  3. 前記Ti成分が、六フッ化チタン水素酸、六フッ化チタン酸カリウム、六フッ化チタン酸ナトリウム、六フッ化チタン酸アンモニウム、シュウ酸チタニルアンモニウム、シュウ酸チタニルカリウム二水和物、硫酸チタン、および、チタンラクテートからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の積層体の製造方法。
  4. 前記光透過性電極層となる部材をカソードとして、0.01A/dm以上1.00A/dm未満の電流密度で通電する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層体の製造方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層体の製造方法によって得られた積層体を用いて、光透過性電極層、電子輸送層、ペロブスカイト結晶層、ホール輸送層および集電極層をこの順に有するペロブスカイト型太陽電池を製造する、ペロブスカイト型太陽電池の製造方法。
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