JPWO2020144885A1 - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
第1電極、
第2電極、
前記第1電極および第2電極の間に設けられた光電変換層、および
前記第1電極および前記光電変換層の間に設けられた電子輸送層
を具備し、
前記第1電極および前記第2電極からなる群から選択される少なくとも1つの電極が透光性を有し、
前記光電変換層は、1価のカチオン、Snカチオン、およびハロゲンアニオンから構成されるペロブスカイト化合物を含有し、
前記電子輸送層は、多孔質のTiZnO3を含有する。
本明細書において用いられる用語「ペロブスカイト化合物」とは、化学式ABX3(ここで、Aは1価のカチオン、Bは2価のカチオン、およびXはハロゲンアニオンである)で示されるペロブスカイト結晶構造体およびそれに類似する結晶を有する構造体を意味する。
以下、本開示の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
光電変換層4は、光電変換材料として、1価のカチオン、Snカチオン、およびハロゲンアニオンから構成されるペロブスカイト化合物を含有する。光電変換材料は、光吸収材料である。
Aサイトに位置している1価のカチオンは、限定されない。1価のカチオンAの例は、有機カチオンまたはアルカリ金属カチオンである。有機カチオンの例は、メチルアンモニウムカチオン(すなわち、CH3NH3 +)、ホルムアミジニウムカチオン(すなわち、NH2CHNH2 +)、フェニルエチルアンモニウムカチオン(すなわち、C6H5C2H4NH3 +)、またはグアニジニウムカチオン(すなわち、CH6N3 +)である。アルカリ金属カチオンの例は、セシウムカチオン(すなわち、Cs+)である。
Xサイトに位置しているハロゲンアニオンの例は、ヨウ化物イオンである。Xサイトに位置しているハロゲンアニオンは、2種以上のハロゲンイオンから構成されていてもよい。高い光電変換効率のために、Xサイトに位置しているハロゲンアニオンは、例えば、ヨウ化物イオンを含むことが望ましい。
光電変換層4は、1価のカチオン、Snカチオン、およびハロゲンアニオンから構成されるペロブスカイト化合物を主として含んでいてもよい。
電子輸送層3は、多孔質のTiZnO3を電子輸送材料として含有する。スズ系ペロブスカイト化合物の伝導帯下端のエネルギー準位およびTiZnO3の伝導帯下端のエネルギー準位の間の差が小さい。一例として、当該差の絶対値は、0.2eV未満であり得る。この小さい差のため、多孔質のTiZnO3は電子輸送材料として優れている。
基板1は、第1電極2、光電変換層4、および第2電極6を保持する。基板1は、透明な材料から形成され得る。基板1の例は、ガラス基板またはプラスチック基板である。プラスチック基板の例は、プラスチックフィルムである。第1電極2が十分な強度を有している場合、第1電極2が、光電変換層4および第2電極6を保持するので、太陽電池100は、基板1を有しなくてもよい。
第1電極2および第2電極6は、導電性を有する。第1電極2および第2電極6からなる群から選択される少なくとも一方の電極は透光性を有する。透光性を有する電極を可視領域から近赤外領域の光が透過し得る。透光性を有する電極は、透明でありかつ導電性を有する材料から形成され得る。
(i) リチウム、マグネシウム、ニオブ、およびフッ素からなる群から選択される少なくとも1つをドープした酸化チタン、
(ii) 錫およびシリコンからなる群から選択される少なくとも1つをドープした酸化ガリウム、
(iii) シリコンおよび酸素からなる群から選択される少なくとも1つをドープした窒化ガリウム、
(iv) インジウム−錫複合酸化物、
(v) アンチモンおよびフッ素からなる群から選択される少なくとも1つをドープした酸化錫、
(vi) ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムの少なくとも1種をドープした酸化亜鉛、または、
(vii) これらの複合物
である。
正孔輸送層5は、有機物または無機半導体によって構成される。正孔輸送層5として用いられる代表的な有機物の例は、2,2′,7,7′−tetrakis−(N,N−di−p−methoxyphenylamine)9,9′−spirobifluorene(以下、「spiro−OMeTAD」という)、poly[bis(4−phenyl)(2,4,6−trimethylphenyl)amine](以下、「PTAA」という)、poly(3−hexylthiophene−2,5−diyl)(以下、「P3HT」という)、poly(3,4−ethylenedioxythiophene)(以下、「PEDOT」という)、または銅フタロシアニン(以下、「CuPC」という)である。
bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(以下、「LiTFSI」という)、LiPF6、LiBF4、過塩素酸リチウム、または四フッ化ホウ酸カリウムである。
太陽電池100は、例えば以下の方法によって作製することができる。
溶液は第1電極2上にスピンコート法により塗布され、塗布膜を形成する。塗布膜は、空気中で摂氏30度以上摂氏700度以下の温度で焼成される。
本開示の基礎となった知見は以下のとおりである。
以下、本開示が、以下の実施例を参照しながらより詳細に説明される。以下に説明されるように、実施例1〜4および比較例1〜5において、電子輸送層3およびペロブスカイト化合物を含有する光電変換層4を具備する太陽電池が作製された。さらに、各太陽電池の特性が評価された。実施例1〜4および比較例1〜3による各太陽電池は、図1に示されるペロブスカイト太陽電池100と同じ構造を有するスズ系ペロブスカイト太陽電池であった。比較例4〜5による太陽電池もまた、図1に示されるペロブスカイト太陽電池100と同じ構造を有していた。比較例4〜5による太陽電池は、スズ系鉛ペロブスカイト太陽電池ではなく、鉛系ペロブスカイト太陽電池であることに注意せよ。
インジウムによってドープされたSnO2層を表面に有するガラス基板(日本板硝子製)が用意された。ガラス基板およびSnO2層は、それぞれ、基板1および第1電極2として機能した。ガラス基板は、1ミリメートルの厚みを有していた。
実施例2では、TiZnO3分散液およびエチルセルロースのエタノール溶液を1:1.2のTiZnO3:エチルセルロース質量比を有するように混合して多孔質TiZnO 3原料溶液が調製されたことを除き、実施例1と同様の方法で、実施例2の太陽電池が得られた。
実施例3では、TiZnO3分散液およびエチルセルロースのエタノール溶液が、1:7.2のTiZnO3:エチルセルロース質量比を有するように混合されて多孔質TiZnO3原料溶液が調製されたことを除き、実施例1と同様の方法で、実施例3の太陽電池が得られた。
実施例4では、以下の2つの事項(i)および(ii)を除き、実施例1と同様の方法で、実施例4の太陽電池が得られた。
(i) 緻密層3aの形成において、出発物質に含まれるTi:Znのモル比が1:1に等しくなるように、IPA溶液に含有されるTTITおよび塩化亜鉛の濃度が、それぞれ、10.8mmol/Lおよび10.8mmol/Lであったこと、
(ii) 実施例3の場合と同様に、TiZnO3分散液およびエチルセルロースのエタノール溶液が、1:7.2のTiZnO3:エチルセルロース質量比を有するように混合されて多孔質TiZnO3原料溶液が調製されたこと。
比較例1では、多孔質層3bが形成されなかったことを除き、実施例1と同様の方法で、比較例1の太陽電池が得られた。すなわち、比較例1の太陽電池の電子輸送層3は、多孔質のTiZnO3を含有していなかった。
比較例2では、以下の2つの事項(i)および(ii)を除き、実施例1と同様の方法で、比較例2の太陽電池が得られた。
(i) 緻密層3aが、スパッタ法によって第1電極2上に化学式TiO2により表される酸化チタンを形成することにより形成されたこと。
(ii) 多孔質層3bが、以下のように形成されたこと。
比較例3では、以下の(i)の事項を除き、実施例1と同様の方法で、比較例3の太陽電池が得られた。
(i) 多孔質層3bの形成において、硝酸亜鉛六水和物の重量が1.356グラムであったこと。比較例3では、出発物質に含まれるTi:Znのモル比が3:1に等しく、かつエタノール溶液に含有される硝酸亜鉛六水和物は、0.48mol/Lであった。
比較例4では、光電変換層4が、組成式FA0.83PEA0.17SnI3により表されるスズ系ペロブスカイト化合物ではなく、FA0.83PEA0.17PbI3により表される鉛系ペロブスカイト化合物であったこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例4の太陽電池が得られた。
比較例5では、以下の3つの事項(i)〜(iii)を除き、実施例1と同様の方法で、比較例5の太陽電池が得られた。
(i) 比較例2の場合と同様に、緻密層3aが、スパッタ法によって第1電極2上に化学式TiO2により表される酸化チタンを形成することにより形成されたこと。
(ii) 比較例2の場合と同様に、多孔質層3bが、以下のように形成されたこと。まず、30ナノメートルの平均1次粒子径を有する酸化チタン粉末(GreatCell
Solar社製)をエチルセルロースのエタノール溶液に分散させて、TiO2ペーストを調製した。次に、TiO2ペーストは緻密層3a上に塗布され、塗布膜を得た。塗布膜は摂氏100度で仮焼成された。最後に、仮焼成された塗布膜は、摂氏500度で30分間空気中で焼成され、多孔質層3bを形成した。
(iii) 比較例4の場合と同様に、光電変換層4が、組成式FA0.83PEA0 .17SnI3により表されるスズ系ペロブスカイト化合物ではなく、FA0.83PEA0.17PbI3により表される鉛系ペロブスカイト化合物であったこと。
各実施例および比較例において、基板1、第1電極2、および電子輸送層3から構成されるサンプルが用意された。サンプルは、光電変換層4、正孔輸送層5、および第2電極6を具備していなかった。すなわち、電子輸送層3の表面が露出していた。
多孔質TiZnO3 −3.20eV
多孔質TiO2 −3.70eV
多孔質Ti1.5Zn0.5O3 −4.01eV
緻密Ti1.5Zn0.5O3 −3.24eV
実施例および比較例の多孔質層3bの空孔率は、ガス吸着装置(Micromeritics社製、商品名:ASAP)を用いたガス吸着測定法によって得られた多孔質層3bの空孔体積、および多孔質層3bに含有される電子輸送材料(すなわち、TiZnO3またはTiO2)の密度から算出された。
実施例および比較例の太陽電池のインピーダンスが、インピーダンス測定システム(Solartron analytical社製、商品名:ModuLab XM)を用いて測定され、非特許文献3に記載の方法に基づいて、フラットバンド電位およびキャリア密度を算出した。
実施例および比較例の太陽電池に含有されるペロブスカイト化合物の色が変化しているかどうかを、本発明者らは目視で観察した。
表1および表2に示されている電子輸送材料は、電子輸送層3に含まれ、かつ光電変換層4と接している部分の電子輸送材料である。
2 第1電極
3 電子輸送層
3a 緻密層
3b 多孔質層
4 光電変換層
5 正孔輸送層
6 第2電極
100 太陽電池
200 太陽電池
Claims (7)
- 太陽電池であって、
第1電極、
第2電極、
前記第1電極および第2電極の間に設けられた光電変換層、および
前記第1電極および前記光電変換層の間に設けられた電子輸送層
を具備し、
前記第1電極および前記第2電極からなる群から選択される少なくとも1つの電極が透光性を有し、
前記光電変換層は、1価のカチオン、Snカチオン、およびハロゲンアニオンから構成されるペロブスカイト化合物を含有し、
前記電子輸送層は、多孔質のTiZnO3を含有する、
太陽電池。 - 請求項1に記載の太陽電池であって、
前記多孔質のTiZnO3は、20%以上70%以下の空孔率を有する、
太陽電池。 - 請求項2に記載の太陽電池であって、
前記多孔質のTiZnO3は、48%以上60%以下の空孔率を有する、
太陽電池。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の太陽電池であって、
前記1価のカチオンは、ホルムアミジニウムカチオンおよびメチルアンモニウムカチオンからなる群から選択される少なくとも1つを含む、
太陽電池。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の太陽電池であって、
前記ハロゲンアニオンは、ヨウ化物イオンを含む、
太陽電池。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載の太陽電池であって、さらに
前記第2電極および前記光電変換層の間に設けられている正孔輸送層
を具備する、太陽電池。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の太陽電池であって、
前記多孔質のTiZnO3が、前記光電変換層と接している、
太陽電池。
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