WO2025135104A1 - Perovskite precursor solution, method for manufacturing solar cell, and solar cell - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a perovskite precursor liquid, a solar cell manufacturing method, and a solar cell.
- Perovskite solar cells which have a photoelectric conversion layer mainly made of a perovskite compound, are known as one type of solar cell.
- a basic perovskite solar cell is formed by stacking a first electrode layer, a first charge transport layer, a perovskite photoelectric conversion layer, a second charge transport layer, and a second electrode layer in this order on a substrate.
- perovskite solar cells have a different absorption wavelength from solar cells that use a crystalline silicon substrate as a photoelectric conversion layer, they can also be stacked on crystalline silicon solar cells for use.
- the charge transport layer is a layer that selectively passes electrons or holes, but it also has electrical resistance that causes internal losses. For this reason, in order to reduce electrical resistance, a technology has been proposed in which a thin charge transport layer is formed using a self-assembled monolayer made of a carbazole compound or the like that has a charge selection function (see, for example, Patent Document 1).
- the formation of a self-assembled monolayer requires that the material solution be applied thinly and evenly by spin coating or the like.
- spin coating When enlarging a solar cell, it is difficult to employ spin coating, and it is desirable to apply the material by a method such as die coating or bar coating.
- the perovskite photoelectric conversion layer is generally also formed by coating, when the first charge transport layer is formed by coating, it is necessary to repeat coating and drying.
- the objective of the present invention is to provide a perovskite precursor liquid that can simultaneously form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, and a passivation layer while suppressing the formation of a layer that inhibits electron transport, a solar cell manufacturing method, and a solar cell that can be easily manufactured.
- the perovskite precursor liquids (1) to (4) may further contain an organic hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
- a solar cell includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and containing the hole transport layer-forming compound, a passivation layer laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent, the passivation layer containing an organic compound having a chain hydrocarbon group having 5 or more carbon atoms and an ionic functional group that may be substituted, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and the one side of the passivation layer.
- the photoelectric conversion layer may have an impurity film containing a halide of a metal atom in the perovskite compound at the grain boundary of the crystal of the perovskite compound.
- the solar cell of (8) to (9) may further include an electron transport layer laminated between the excess material layer and the passivation layer and the second electrode layer.
- the perovskite precursor liquid according to the fourth aspect of the present invention includes a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer-forming compound that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability, and at least one of a piperazine derivative and a piperazine derivative.
- the piperazine derivative may be a halide salt.
- the piperazine derivative may have an alkyl chain or a fluorine-containing organic group bonded to one of the nitrogen atoms.
- the perovskite precursor liquids (12) to (14) may further contain a fluorine-containing organic compound.
- the fluorine-containing organic compound may have at least one of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphocholine group, a phosphate group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfonyl group, or an ionized form thereof at its terminal, and may have a carbon skeleton containing an alkyl chain or benzene in which hydrogen is replaced by fluorine or a trifluoromethyl group.
- the perovskite precursor may contain a metal halide including a lead halide, and an organic halide or an alkali metal halide, and the molar concentration of the metal may be in excess of the sum of the molar concentration of the organic compound and the molar concentration of the alkali metal by 0.5 mol % or more and 10 mol % or less.
- the above-mentioned perovskite precursor liquid may further contain a hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
- a solar cell manufacturing method includes the steps of applying the above-mentioned perovskite precursor liquid to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate, and volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound.
- a solar cell includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and made of the hole transport layer-forming compound, a passivation layer containing at least one of piperazine and a piperazine derivative laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and the one side of the passivation layer.
- the photoelectric conversion layer may have an impurity film containing a halide of a metal atom in the perovskite compound at the grain boundary of the crystal of the perovskite compound.
- the solar cell of (19) to (20) may further include an electron transport layer laminated between the excess material layer and the passivation layer and the second electrode layer.
- the perovskite precursor liquid according to the seventh aspect of the present invention includes a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer-forming compound that forms a self-assembled monolayer, and a polymer passivation compound that has a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle.
- the polymer passivation compound may have a polyvinyl skeleton.
- the nitrogen-containing heterocycle may be any one of pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof.
- the perovskite compound may have an ABX3 structure in which X is a halogen atom, and the molar concentration of X may be higher than the molar concentration of at least one of A and B.
- a solar cell manufacturing method includes the steps of applying the above-mentioned perovskite precursor liquid to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate, and volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound.
- a solar cell includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and made of the hole transport layer-forming compound, a passivation layer laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent and containing a polymer passivation compound having a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and on the one side of the passivation layer.
- the passivation layer may contain a halide of the polymer passivation compound.
- the present invention provides a perovskite precursor liquid that can simultaneously form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, and a passivation layer while suppressing the formation of a layer that inhibits electron transport, a solar cell manufacturing method, and a solar cell that can be easily manufactured.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a solar cell according to a first embodiment of the present invention.
- 1 is a flowchart showing the steps of a solar cell manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a solar cell according to a second embodiment of the present invention.
- 10 is a flowchart showing the steps of a solar cell manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a solar cell according to a third embodiment of the present invention.
- 10 is a flowchart showing the steps of a solar cell manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
- the solar cell 1 comprises a plate- or sheet-shaped substrate 10, a first electrode layer 20 laminated on one main surface of the substrate 10 (the lower side in FIG. 1), a hole transport layer 30 laminated on one surface of the first electrode layer 20, a photoelectric conversion layer 40 laminated on one surface of the hole transport layer 30, an excess material layer 50 partially laminated on one surface of the photoelectric conversion layer 40, a passivation layer 60 laminated in an area where the excess material layer 50 is absent on one surface of the photoelectric conversion layer 40, an electron transport layer 70 laminated on one side of the excess material layer 50 and the passivation layer 60, and a second electrode layer 80 laminated on one side of the electron transport layer 70.
- the first electrode layer 20 collects holes generated in the photoelectric conversion layer 40 through the hole transport layer 30 and outputs them to the outside.
- the first electrode layer 20 can be formed of a transparent conductive oxide (TCO) having electrical conductivity and optical transparency.
- TCO transparent conductive oxide
- the transparent conductive oxide that forms the first electrode layer 20 include indium oxide, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, and composite oxides thereof.
- indium-based composite oxides mainly composed of indium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, etc., or fluorine-doped tin oxide are preferred. From the viewpoint of high electrical conductivity and transparency, indium oxide is particularly preferred.
- the photoelectric conversion layer 40 includes a perovskite compound that performs photoelectric conversion, and absorbs incident light to generate photocarriers.
- the perovskite compound included in the photoelectric conversion layer 40 includes an organic atom A that includes at least one of an alkali metal (Am), a monovalent organic ammonium ion, and an amidinium-based ion, a metal atom B that generates a divalent metal ion, and a halogen atom X that includes at least one of an iodide ion I, a bromide ion Br, a chloride ion Cl, and a fluoride ion F, and is represented by ABX3 .
- the excess material layer 50 is formed from a material containing the same hole transport layer forming compound as that forming the hole transport layer 30.
- the excess material layer 50 may be composed of only the hole transport layer forming compound, or may contain other materials contained in the perovskite precursor liquid.
- the weight content of the hole transport layer forming compound in the excess material layer 50 is preferably 10% or more, and more preferably 30% or more.
- the weight content of the hole transport layer forming compound is preferably 90% or less, and more preferably 70% or less.
- the weight content in the excess material layer can be calculated based on the composition of the excess material layer measured by combining transmission electron microscope observation and energy dispersive X-ray analysis, etc.
- the number of carbon atoms in the chain hydrocarbon is preferably 5 or more, and preferably 24 or less. It is important to have a size that is less susceptible to crystallization, and the longer the carbon number, the easier it will be oriented, and more preferably the number of carbons is 8 or more. On the other hand, the orientation will be poor if the number of carbons is large and the length is long.
- the chain hydrocarbon group may be linear or branched.
- Having a sufficient number of carbon atoms prevents incorporation into the crystals of the perovskite material, and the number of carbon atoms in one chain hydrocarbon is short, which reduces electrical resistance. It is preferable to partially have a double chain (alkene), triple chain (alkyne), or aromatic ring.
- a double chain alkene
- triple chain alkyne
- aromatic ring By having a ⁇ bond such as a double chain, triple chain, or aromatic ring, the insulation property decreases even if the hydrocarbon group is long.
- L- ⁇ -phosphatidylcholine is bifurcated and contains a chain hydrocarbon with 15 carbon atoms and a chain hydrocarbon with 17 carbon atoms.
- a chain hydrocarbon with 17 carbon atoms requires a partial double chain.
- by creating a halide it is easy to ionize when dissolved in a solvent, and the halogen ions also act to fill in defects in the perovskite material, preventing a decrease in
- the ionic functional group binds to defects in the crystal of the perovskite compound, thereby preventing the recombination of photocarriers. Since defects in the crystal of the perovskite compound can be both positive and negative, the ionic functional group may form either a positive or negative ion. Specifically, the ionic functional group is preferably any of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, and a sulfonyl group.
- an ionic functional group that has both a positive ion and an negative ion, such as a phosphocholine group, and that becomes a zwitterion, since this compensates for defects of both charges on the perovskite surface.
- the tip is a trifluoromethyl group or a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group, and the end is a lyophilic group.
- the tip containing fluorine is oriented toward the electron transport layer side, and the end containing the lyophilic group is oriented toward the perovskite surface side. It is preferable that the straight chain skeleton excluding the tip and end has 1 to 17 carbon atoms.
- the number of carbon atoms is 5 or more and 16 or less.
- the longer the alkyl chain the better the orientation and the better the passivation, but the higher the insulating property and the lower the conductivity. Therefore, by providing an alkyl chain that is equal to or greater than the upper limit, it is possible to provide sufficient orientation, and by being equal to or less than the lower limit, it is possible to achieve both passivation and conductivity.
- the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton and the tip is a trifluoromethyl group, it is preferable that the alkyl chain continuing from the tip contains fluorinated carbons in succession.
- the carbons except one or two carbons adjacent to the end are fluorinated.
- the lyophobicity is increased, and the formation of the passivation layer 60 can be promoted by selectively precipitating on the surface.
- Another example of a fluorine-containing organic compound having an alkyl chain skeleton is a polymer structure.
- the partially fluorinated polymer structure unlike the one in which the tip containing fluorine is oriented on the electron transport layer side and the end containing lyophilic groups is oriented on the perovskite surface side by containing a lot of fluorine, tends to be oriented on the surface in a planar manner.
- the fluorine-containing organic compound has both a cationic end group and an anionic end group in order to compensate for defects that exist with different charges, such as iodine defects, lead defects, and halogen defects on the surface of the perovskite layer.
- ends that have both a cationic end group and an anionic end group include a phosphocholine group and a carbamic acid group.
- the specific organic compound and the fluorine-containing organic compound tend to be oriented due to interactions between the individual molecules and the film boundaries between the specific organic compound, which tends to be charged positively, and the fluorine-containing compound, which tends to be charged negatively, making it possible to form a dense passivation layer.
- orientation becomes easier.
- fluorine-containing organic compounds include those having a benzene skeleton substituted with fluorine and a trifluoromethyl group, such as 4-fluorophenethylamine hydroiodide (FPEAI), 4-(trifluoromethyl)phenylammonium hydroiodide, 2,6-difluoroaniline, 3,4,5-trifluoroaniline, pentafluorophenylphosphonic acid (5FPAc), pentafluorophenylhydrazine (5FPHZ), and pentafluorobenzene-amino-carboxylic acid (carbamic acid) hydroiodide.
- FPEAI 4-fluorophenethylamine hydroiodide
- FPAc pentafluorophenylphosphonic acid
- 5FPHZ pentafluorophenylhydrazine
- pentafluorobenzene-amino-carboxylic acid carboxybenzene-amino-carbox
- examples of compounds having a trifluoromethyl group at the end and a lyophilic end include 1H,1H-undecafluorohexylamine ( CF3 ( CF2 ) 4CH2NH2 ) , 1H,1H-pentadecafluorooctylamine ( CF3 ( CF2 ) 6CH2NH2 ), (fluorinated) Fos-Choline- 8 (registered trademark: C13H17F13NO4P ), 2,2,2 - trifluoroethylamine ( CF3CH2NH2 ), and 3,3,4,4,5,5,6,6 - nonafluorohexylphosphonic acid (FHPA), and examples of compounds having a polymer structure include polyvinylidene fluoride (PVDF).
- PVDF polyvinylidene fluoride
- the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton
- an example of a compound having a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group is 12-pentafluorophenoxydodecylphosphonic acid (C 18 H 26 F 5 O 4 P). It can be confirmed by observing the contact angle that the fluorine-containing organic compound is deposited on the surface as a passivation layer. For example, when evaluated with chlorobenzene, the contact angle increases with the addition of a small amount of a linear fluoroalkyl chain, 1H,1H-undecafluorohexylamine, (fluorinated)Fos-Choline-8, etc., which have high lyophilicity.
- piperazine compounds exhibit a high passivation effect on the perovskite surface, they have low solubility in solvents, making it difficult to dissolve a sufficient amount to cover the surface, and if there are any undissolved areas, they become impurities and are likely to cause poor solar cell characteristics. Therefore, by combining them with specific compounds, a synergistic effect can be produced.
- Piperazine compounds tend to be poorly soluble at room temperature in solvents including aprotic polar solvents such as dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), ⁇ -butyrolactone (GBL), and acetonitrile, which are used to form the photoelectric conversion layer 40. Therefore, compared to the excess material layer 50, the piperazine compounds are less likely to be involved in the crystal growth of the perovskite material, and precipitate on the surface and grain boundaries of the photoelectric conversion layer 40. It is known that the crystallization process occurs from the surface, and the poorly soluble piperazine compounds precipitate on the surface first, followed by the perovskite compounds containing the hole transport forming compounds.
- aprotic polar solvents such as dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), ⁇ -butyrolactone (GBL), and acetonitrile
- the piperazine compounds are more likely to transport electrons while maintaining passivation properties.
- a halide salt of the piperazine compound by forming a halide salt of the piperazine compound and making it an ionic material, it becomes more poorly soluble and more likely to precipitate on the surface.
- a hydrophobic group such as an alkyl chain or a fluorine-containing organic group bonded to one of the nitrogen groups, precipitation on the surface can be further promoted.
- the fluorine-containing organic group is preferably a fluorinated alkyl group.
- piperazine compound refers to at least one of piperazine and piperazine derivatives (including halogenated salts) represented by the following chemical formulas 1 to 3, and may be a mixture of two or more of these.
- R1 to R8 are hydrogen or any substituent
- RA1 to RA4 are hydrogen or an alkyl group
- X is a halogen.
- piperazine derivatives include piperazine-1,4-diium iodide, piperazineinium iodide, pentylpiperazine hydrochloride, and 1-(2-fluoroethyl) piperazine dihydrochloride.
- Polymer passivation compounds with repeating units that have nitrogen-containing heterocycles have the advantage that nitrogen ions easily combine with halogen ions to form polymer passivation halides, which play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface when perovskite compounds are formed. These compounds have the unique effect of being polymers. On the other hand, they can be difficult to control, such as by causing aggregation, so by combining them with specific organic compounds that are monomolecular, a denser passivation layer can be created.
- the polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle is a polymer and has a large size, when the photoelectric conversion layer 40 is formed using the perovskite precursor liquid described later, it is not incorporated into the perovskite crystal and is preferentially precipitated on the surface. Therefore, the formation of the excess material layer 50 can be suppressed to form the passivation layer 60.
- the molecular weight of the polymer passivation compound is preferably 5,000 to 5,000,000 in weight average.
- the polymer passivation compound has a nitrogen-containing heterocycle in the repeating unit, which prevents recombination and allows electrons to pass efficiently. It may also be a polymer passivation halide.
- a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle is easy to form a polymer passivation compound with halogen ions in the precursor liquid.
- the nitrogen-containing heterocycle of the polymer passivation compound is preferably pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof.
- the polymer passivation compound preferably has a larger band gap than the perovskite compound. More preferably, the highest occupied molecular orbital of the polymer passivation compound is larger than the valence band of the perovskite compound (farther than the vacuum level), and the lowest unoccupied molecular orbital of the polymer passivation compound is smaller than the conduction band of the perovskite compound (closer to the vacuum level).
- a heterocycle having an alkyl chain composed of locally highly insulating vinyl groups and having high conductivity carriers can be transported efficiently while maintaining passivation properties.
- pyrrolidone, phthalimide, and caprolactam have oxygen in the skeleton, and in skeletons that have hydrogen halide ions and pyridine, imidazole, imidazolium, triazole, and thiazole, nitrogen ions are likely to combine with halogen ions to form polymer passivation halides. Therefore, when forming the passivation layer from the precursor liquid, halogen ions that are not used in the formation of the perovskite compound are taken in to partially form polymer passivation halides.
- Polymer passivation halides play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface during the formation of the perovskite compound, improving the passivation properties of the perovskite compound surface.
- polymer passivation halides can also compensate for halogen defects on the surface of the perovskite compound that occur due to aging, improving the reliability of the solar cell characteristics. Therefore, if the molar concentration of halogen ions X in the precursor liquid is 1% or more in excess of at least one of the molar concentrations of the materials related to the A site and the B site of the perovskite compound, it is possible to effectively form a halide with the polymer passivation compound.
- halogen ions it is possible to more effectively incorporate halogen ions.
- the excess amount is 20% or less, and the formation of defects occurring in the perovskite compound can be suppressed. If the excess amount is 10% or less, it can be more effectively suppressed.
- a precursor liquid containing excess halogen can be formed by adding a halide of the polymer passivation compound to the precursor. It is preferable that the polymer passivation halide in the passivation layer after the solar cell is formed is formed in 1% or more of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound from the viewpoint of improving reliability.
- the stable state of the polymer passivation compound can be maintained without steric hindrance. Furthermore, by keeping it below 80%, a more stable state can be maintained.
- the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit. That is, the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit substituted with a nitrogen-containing heterocycle.
- the polymer passivation compound may be a compound having a polyvinyl skeleton obtained by vinyl polymerization of a monomer having a nitrogen-containing heterocycle and a vinyl group. That is, the polymer passivation compound may be a compound in which a nitrogen-containing heterocycle is bonded to every two carbons of the alkyl chain.
- the polymer passivation compound is a compound having an alkyl chain as the main chain, the polymer can be synthesized relatively easily and the desired molecular weight can be obtained, so that the passivation layer 60 can be formed more reliably.
- the presence of the alkyl chain makes it easy to control the orientation, and the arrangement of the heterocycles can be aligned.
- the polymer passivation compound may include a repeating structure of other skeletons, such as a fluorinated alkyl chain skeleton, in addition to a structure having a nitrogen-containing heterocycle or a vinyl skeleton.
- the polymer passivation compound may have a skeleton having a fluorinated alkyl chain as a branch of the alkyl chain between the skeletons of poly(vinylimidazole). Fluorinated alkyl chains tend to exhibit lyophobic properties and can be more selectively deposited on the surface of perovskite compounds.
- polymeric passivation compounds with repeating units of alkyl units substituted with nitrogen-containing heterocycles include poly(vinylpyrrolidone), poly(4-vinylpyridine), poly(2-vinylpyridine), poly(1-vinylimidazole), poly(2-vinylimidazole), poly(4-vinylimidazole), poly(vinylazole), poly(vinylphthalimide), poly(vinylimidazole), poly(vinylcaprolactam), poly(vinyltriazole), poly(5-vinylthiazole), and poly(4-methyl-5-vinylthiazole).
- halides include poly(vinylpyrrolidone) iodine complexes.
- the passivation layer 60 may contain two or more types of fluorine-containing organic compounds, piperazine and piperazine derivatives, and polymeric passivation compounds having repeating units with nitrogen-containing heterocycles. By using appropriate combinations, it is possible to obtain a higher effect than if one type were used alone.
- the coverage of the photoelectric conversion layer 40 by the passivation layer 60 is 50% or more, electron transport can be performed effectively. Furthermore, if it is 90% or more, the effect is enhanced, which is preferable. Furthermore, if it is 99% or less, the resistance loss caused by partial thickening of the polymer passivation compound can be reduced. Furthermore, if it is 95% or less, the resistance loss can be suppressed more effectively.
- the concentration of the specific organic compound is increased to improve the coverage, it may be taken into the perovskite compound and act as an impurity, making it easier for recombination to occur, or forming multiple layers may cause resistance, which may result in a decrease in performance. Therefore, as with the hole transport layer forming compound, the molecular length is assumed to be the unit (lattice constant) of the monomolecular film, the number of specific organic compounds per coating area is estimated, and the concentration is determined so that the number of specific organic compounds contained in the coating film is smaller than that. If the specific organic compound is an ionic material, the molecular weight is determined by the ions containing the specific organic compound.
- the dried coating film of the perovskite precursor liquid may be further heated.
- the second electrode layer 180 is formed by a method such as sputtering, vacuum deposition, plating, or coating, depending on the material used.
- the perovskite precursor liquid according to one embodiment of the present invention contains a perovskite precursor, a hole transport layer forming compound, and a piperazine compound, and therefore a hole transport layer 130 and a photoelectric conversion layer 140 can be simultaneously formed on the first electrode layer 120 by a single coating, while a passivation layer 160 is formed on the surface of the photoelectric conversion layer 140, thereby preventing the photoelectric conversion layer 140 from being completely covered with an excess material layer 150 that inhibits the transport of electrons. Therefore, the solar cell manufacturing method according to one embodiment of the present invention can easily manufacture a solar cell 101 having a relatively high photoelectric conversion efficiency.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a solar cell 101 according to a third embodiment of the present invention.
- the solar cell 201 includes a plate-like or sheet-like base material 210, a first electrode layer 220 laminated on one main surface (the lower side of FIG.
- the substrate 210 is a structure that supports the other layers and ensures the strength of the solar cell 201.
- the substrate 210 is formed from a transparent material.
- the substrate 210 may be formed from glass, or a resin such as polyimide, polyamide, or polyethylene terephthalate.
- the substrate 210 may be formed from a composite material including a metal layer.
- the first electrode layer 220 is preferably subjected to a surface treatment such as ozone treatment, and may have a multilayer structure having a layer of a p-type oxide semiconductor mainly composed of nickel oxide, niobium oxide, etc. on the surface.
- Examples of the organic atomic group A include methylammonium MA (CH 3 NH 3 ) and formamidinium FA (CH 3 N 2 ).
- Examples of the alkali metal Am include potassium K, cesium Cs, and rubidium Rb. Among them, when the power generation efficiency of the solar cell 201 is important, cesium Cs and rubidium Rb are preferable as the alkali metal Am, and cesium Cs is particularly preferable from the viewpoint of cost and availability.
- Examples of the metal atom B include lead Pb and tin Sn. The amount of lead and tin is adjusted according to the required band gap.
- the halogen atom X is preferably at least one of iodide I, bromide Br, and chloride Cl.
- preferred perovskite compounds include methylammonium lead halides (MAPbX 3 ) such as MAPbI 3 , MAPbBr 3 , and MAPbCl 3 , and formamidinium lead halides (FAPbX 3 ) such as FAPbI 3 , FAPbBr 3 , and FAPbCl 3 .
- the halogen atom X may include multiple types, and may be FA y MA 1-y PbX 3 containing both methylammonium and formamidinium as the organic atomic group A.
- examples include Am y FA z MA 1-y-z PbI X and Am y FA 1-y PbI X.
- Am may be a single type of Cs, Rb, or K, or may include multiple types (y and z are any positive integers).
- the excess material layer 250 is not formed, but when the hole transport layer 230 and the photoelectric conversion layer 240 are formed in the same process, in order to form a continuous hole transport layer 230 that covers the entire surface of the first electrode layer 220, it is necessary to mix a slightly larger amount of the hole transport layer forming compound, and the excess of the hole transport layer forming compound forms the excess material layer 250.
- the excess material layer 250 may be composed of only the hole transport layer forming compound, or may contain other materials contained in the perovskite precursor liquid.
- the weight content of the hole transport layer forming compound in the excess material layer 250 is preferably 10% or more, more preferably 30% or more.
- the weight content of the hole transport layer forming compound in the excess material layer 250 is preferably 90% or less, more preferably 70% or less.
- the perovskite compound in the region where the passivation layer is not formed, the perovskite compound is partially in direct contact with the electron transport layer, which enables electron transport.
- the hole transport layer forming compound is formed on the perovskite compound surface to repel the electrons again into the perovskite compound layer, rather than forming a surface containing many defects.
- the weight content of the hole transport layer forming compound in the excess material layer can be calculated based on the composition of the excess material layer measured by combining transmission electron microscope observation and energy dispersive X-ray analysis.
- the molecular length is the unit (lattice constant) of the monolayer, estimate the number of hole transport-forming compounds per coating area, and determine the concentration so that the number of hole transport-forming compounds contained in the coating film is greater than that.
- the passivation layer 260 prevents the recombination of photocarriers at the interface with the photoelectric conversion layer 240 and promotes the arrival of electrons at the electron transport layer 270.
- the passivation layer 260 is formed so as to compete with the surface of the excess material layer 250 and the photoelectric conversion layer 240, and prevents the excess material layer 250 from covering the entire surface of the photoelectric conversion layer 240 and reducing the photoelectric conversion efficiency.
- the passivation layer 260 contains a polymer passivation compound having a repeating unit having a heterocycle containing nitrogen.
- the polymer passivation compound is a polymer and has a large size, when the photoelectric conversion layer 240 is formed using the perovskite precursor liquid described later, it is not incorporated into the perovskite crystal and is preferentially precipitated on the surface. Therefore, the formation of the excess material layer 250 can be suppressed to form the passivation layer 260.
- the molecular weight of the polymer passivation compound is preferably 5,000 to 5,000,000 in weight average. A molecular weight of 10,000 or more is more preferable to ensure that the compound is not incorporated into the perovskite compound, and a molecular weight of 2.5 million or less is more preferable to maintain solubility in the solvent.
- the polymer passivation compound has a nitrogen-containing heterocycle in the repeating unit, which prevents recombination and allows electrons to pass efficiently.
- a polymer passivation halide may also be used.
- a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle is easy to form a polymer passivation compound with halogen ions in the precursor liquid.
- the coverage of the photoelectric conversion layer 240 by the passivation layer 260 is 50% or more, electron transport can be performed effectively. Furthermore, if it is 90% or more, the effect is enhanced, which is preferable. Furthermore, if it is 99% or less, the resistance loss caused by partial thickening of the polymer passivation compound can be reduced. Furthermore, if it is 95% or less, the resistance loss can be suppressed more effectively.
- the nitrogen-containing heterocycle of the polymer passivation compound is preferably pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof.
- the polymer passivation compound preferably has a larger band gap than the perovskite compound. More preferably, the highest occupied molecular orbital of the polymer passivation compound is larger than the valence band of the perovskite compound (farther than the vacuum level), and the lowest unoccupied molecular orbital of the polymer passivation compound is smaller than the conduction band of the perovskite compound (closer to the vacuum level).
- a heterocycle having an alkyl chain composed of locally highly insulating vinyl groups and having high conductivity carriers can be transported efficiently while maintaining passivation properties.
- pyrrolidone, phthalimide, and caprolactam have oxygen in the skeleton, and in skeletons that have hydrogen halide ions and pyridine, imidazole, imidazolium, triazole, and thiazole, nitrogen ions are likely to combine with halogen ions to form polymer passivation halides. Therefore, when forming the passivation layer from the precursor liquid, halogen ions that are not used in the formation of the perovskite compound are taken in to partially form polymer passivation halides.
- Polymer passivation halides play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface during the formation of the perovskite compound, improving the passivation properties of the perovskite compound surface.
- polymer passivation halides can also compensate for halogen defects on the surface of the perovskite compound that occur due to aging, improving the reliability of the solar cell characteristics. Therefore, if the molar concentration of halogen ions X in the precursor liquid is 1% or more in excess of at least one of the molar concentrations of the materials related to the A site and the B site of the perovskite compound, it is possible to effectively form a halide with the polymer passivation compound.
- halogen ions it is possible to more effectively incorporate halogen ions.
- the excess amount is 20% or less, and the formation of defects occurring in the perovskite compound can be suppressed. If the excess amount is 10% or less, it can be more effectively suppressed.
- a precursor liquid containing excess halogen can be formed by adding a halide of the polymer passivation compound to the precursor. It is preferable that the polymer passivation halide in the passivation layer after the solar cell is formed is formed in 1% or more of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound from the viewpoint of improving reliability.
- the stable state of the polymer passivation compound can be maintained without steric hindrance. Furthermore, by keeping it below 80%, a more stable state can be maintained.
- the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit. That is, the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit substituted with a nitrogen-containing heterocycle.
- the polymer passivation compound may be a compound having a polyvinyl skeleton obtained by vinyl polymerization of a monomer having a nitrogen-containing heterocycle and a vinyl group. That is, the polymer passivation compound may be a compound in which a nitrogen-containing heterocycle is bonded to every two carbons of the alkyl chain.
- the polymer passivation compound is a compound having an alkyl chain as the main chain, the polymer can be synthesized relatively easily and the desired molecular weight can be obtained, so that the passivation layer 260 can be formed more reliably.
- the presence of the alkyl chain makes it easy to control the orientation, and the arrangement of the heterocycles can be aligned.
- the polymer passivation compound may include a repeating structure of other skeletons, such as a fluorinated alkyl chain skeleton, in addition to a structure having a nitrogen-containing heterocycle or a vinyl skeleton.
- the polymer passivation compound may have a skeleton having a fluorinated alkyl chain as a branch of the alkyl chain between the skeletons of poly(vinylimidazole). Fluorinated alkyl chains tend to exhibit lyophobic properties and can be more selectively deposited on the surface of perovskite compounds.
- polymeric passivation compounds with repeating units of alkyl units substituted with nitrogen-containing heterocycles include poly(vinylpyrrolidone), poly(4-vinylpyridine), poly(2-vinylpyridine), poly(1-vinylimidazole), poly(2-vinylimidazole), poly(4-vinylimidazole), poly(vinylazole), poly(vinylphthalimide), poly(vinylimidazole), poly(vinylcaprolactam), poly(vinyltriazole), poly(5-vinylthiazole), and poly(4-methyl-5-vinylthiazole).
- halides include poly(vinylpyrrolidone) iodine complexes.
- the electron transport layer 270 transports electrons and transfers them to the second electrode layer 280.
- the electron transport layer 270 may be formed of a material mainly composed of fullerene, for example.
- fullerene include C60, C70, their hydrides, oxides, metal complexes, and derivatives with alkyl groups added thereto, for example PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester).
- a hole blocking layer such as pasocuproine (BCP), lithium fluoride (LiF), tin oxide (SnO 2 ), aluminum-doped zinc oxide (ZnO), or titanium oxide (TiO 2 ) may be included between the electron transport layer 270 and the second electrode layer 280.
- the inorganic oxide layer may be doped with another metal material.
- the second electrode layer 280 preferably includes a metal layer made of, for example, copper, in order to reduce electrical resistance.
- the second electrode layer 280 may be made of a transparent conductive oxide.
- the solar cell 201 having the above configuration is manufactured by a solar cell manufacturing method according to one embodiment of the present invention shown in Figure 6.
- the solar cell manufacturing method of this embodiment includes a first electrode layer forming step (step S21), a precursor liquid application step (step S22), a crystallization step (step S23), an electron transport layer forming step (step S24), and a second electrode layer forming step (step S25).
- the first electrode layer 220 is formed on one main surface of the substrate 210.
- the first electrode layer 220 can be laminated using a vacuum film forming technique such as sputtering.
- Specific methods for modifying the surface of the first electrode layer 220 include, for example, hydroxylation of the surface by ultraviolet light-ozone treatment or ozone water washing, film formation by vacuum film forming techniques such as sputtering of oxides such as nickel oxide, which is prone to growing a self-assembled film, film formation by coating technology of oxide nanoparticles, and heat treatment for activating the surface and removing impurities so that a self-assembled film is likely to grow.
- the perovskite precursor liquid is applied to the first electrode layer 220.
- the perovskite precursor liquid can be applied using, for example, a die coater, a bar coater, or the like.
- the perovskite precursor liquid applied in the precursor liquid application process is itself one embodiment of the perovskite precursor liquid according to the present invention.
- the perovskite precursor liquid contains a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer, and a polymer passivation compound.
- the perovskite precursor liquid preferably further contains a hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
- the solvent may be, for example, an amide solvent such as N,N-dimethylformamide (DMF), N,N-dimethylacetamide (DMAc), or N-methylpyrrolidone (NMP), a sulfoxide such as dimethyl sulfoxide (DMSO), diethyl sulfoxide, or dibutyl sulfoxide, an ester such as ⁇ -valerolactone (GBL), or an aprotic polar solvent such as acetonitrile, used alone or as a mixture of multiple types, or may further contain other types of organic solvents.
- the boiling points of these organic solvents are preferably as low as possible because they need to be distilled off when forming the perovskite crystals.
- Specific boiling points under atmospheric pressure are preferably 300°C or lower, more preferably 200°C or lower, and even more preferably 180°C or lower.
- the polymer passivation compound may be different from the solvent that dissolves the perovskite compound. In order to grow the polymer passivation compound uniformly on the surface of the perovskite compound, it is preferable that the polymer passivation compound is dispersed in the solvent. Therefore, it is preferable to add a small amount of a non-polar solvent in addition to the polar solvent and mix them. By adding a small amount of a non-polar solvent, it is possible to disperse the polymer passivation compound while preventing the perovskite compound from crystallizing in the liquid.
- the hole transport layer forming compound As described above, a material that forms a self-assembled monolayer is used as the hole transport layer forming compound.
- the hole transport layer forming compound preferentially self-assembles at the interface with the first electrode layer 220 to form a film (hole transport layer 230).
- the remaining hole transport layer forming compound that has formed a film at the interface with the first electrode layer 220 also self-assembles on the surface of the coating of the perovskite precursor liquid (the side opposite to the first electrode layer 220) to form a film (excess material layer 250).
- the concentration of the hole transport layer forming compound in the perovskite precursor liquid can be 0.1 mmol/L or more and 5.0 mmol/L or less. A concentration of 0.5 mmol/L or more and 2.0 mmol/L or less is more preferable. Within the range in which the substrate surface can be covered, a lower concentration can suppress the formation of the excess material layer 250.
- the film of the perovskite precursor liquid is dried (the solvent is evaporated) to react with the perovskite precursor to generate crystals of the perovskite compound.
- the passivation layer 260 contains a polymer passivation halide, halogen ions are released from the polymer passivation compound and bond to defects on the surface of the perovskite compound, suppressing carrier recombination.
- the perovskite precursor liquid film As a method for promoting the formation of crystals of the perovskite compound in the perovskite precursor liquid film, for example, poor solvent quenching, vacuum quenching, gas quenching, laser treatment, etc. are preferably adopted. Poor solvent quenching, vacuum quenching, and gas quenching, in which crystallization starts from the surface, are more preferable. Furthermore, in order to facilitate the uniform growth of the passivation layer on the surface side of the perovskite precursor liquid coating film, it is preferable to cause the crystallization of the perovskite compound to proceed slowly relative to the precipitation of the passivation layer. From this viewpoint, vacuum quenching and gas quenching are more preferable. In the crystallization process of step S23, the dried coating film of the perovskite precursor liquid may be further heated.
- the electron transport layer 270 is formed by a method such as a coating method or a vacuum deposition method.
- a hole blocking layer may be formed on the electron transport layer 270 by a vacuum deposition method or an atomic deposition method.
- the perovskite precursor liquid was prepared by dissolving 1.2 mol/L of perovskite precursor (PbI 2 , CsI, FAI), 1.0 mmol/L of Me-4PACz (hole transport layer forming compound), and 0.2 mmol/L of n-Octylphosphocholine (specific organic compound) in a mixed solvent of DMF and NMP in a volume ratio of 90:10.
- the perovskite precursor contained FA and Cs in a molar ratio of 90:10 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I as a halogen atom for the formation of the X site.
- Example 8 A solar cell of Example 8 was produced under the same conditions as in Example 5, except that MeO-4PACz was used as the hole transport layer forming material.
- Example 11 of a solar cell was produced under the same conditions as Example 10, except that 2 mM of MDACl2 was further added to the perovskite precursor liquid.
- Example 12 of a solar cell was produced under the same conditions as Example 10, except that 2 mM of RbCl was further added to the perovskite precursor liquid.
- Example 13 A solar cell of Example 13 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.5 mmol/L of piperazine compound, piperazine iodide, was added to the perovskite precursor liquid instead of piperazine-1,4-diium iodide.
- Example 14 A solar cell of Example 15 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.4 mmol/L of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, which is a fluorine-containing organic compound, was used instead of piperazine-1,4-diium iodide.
- Example 15 Furthermore, a solar cell of Example 15 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.4 mmol/L of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended. Further, a solar cell of Example 16 was produced under the same conditions as Example 13, except that 0.4 mM of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended.
- Example 17 A solar cell of Example 17 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.4 mmol of pentafluorophenylphosphonic acid, a fluorine-containing organic compound, was used in place of piperazine-1,4-diium iodide.
- Example 18 Furthermore, a solar cell of Example 18 was prepared under the same conditions as Example 17, except that 2 mM of MDAC12 was additionally blended.
- Example 19 Furthermore, a solar cell of Example 19 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.4 mmol of pentafluorophenylphosphonic acid, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended.
- Example 20 A solar cell of Example 20 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.2 mmol of (fluorinated) Fos-Choline-8, a fluorine-containing organic compound, was used in place of piperazine-1,4-diium iodide.
- Example 21 Furthermore, a solar cell of Example 21 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.2 mmol of (fluorinated)Fos-Choline-8 was additionally blended.
- Example 22 A solar cell of Example 22 was produced under the same conditions as in Example 12, except that 0.1 mg/mL of poly(vinylpyrrolidone)-iodine complex, which is a polymer passivation compound having a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle, was added instead of piperazine-1,4-diium iodide.
- Example 23 A solar cell of Example 23 was produced under the same conditions as in Example 19, except that MeO-4PACz was used instead of Me-4PACz as the hole transport layer forming material.
- Comparative Example 2 A solar cell of Comparative Example 11 was produced under the same conditions as those of Example 11, except that a perovskite precursor liquid not containing the specific organic compound and other passivation materials, and not containing an excess of a perovskite compound-forming material, was used.
- Example 9 was 1.05
- Example 10 was 1.07
- Example 11 was 1.08
- Example 12 was 1.09
- Example 13 was 1.08
- Example 14 was 1.07
- Example 15 was 1.11
- Example 16 was 1.13
- Example 17 was 1.04
- Example 18 was 1.06
- Example 19 was 1.11
- Example 20 was 1.07
- Example 21 was 1.13
- Example 24 was 1.06
- Example 23 was 1.07.
- the photoelectric conversion efficiency can be improved by blending a hole transport layer-forming compound and a specific organic substance into the perovskite precursor liquid. It was also confirmed that the photoelectric conversion efficiency can be improved by adding a fluorine-containing organic compound, a piperazine compound, and a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle in addition to the specific organic compound.
- Example 24 A commercially available glass/ITO substrate (a substrate with a first electrode layer laminated thereon, 3 cm square) was used as the substrate. First, NiOx was formed as an electron blocking layer. Next, a perovskite precursor liquid was applied, and a crystallization process and heating were performed to generate crystals of a perovskite compound to form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, an excess material layer, and a passivation layer. The crystallization process used a vacuum quenching method. Furthermore, an electron transport layer was formed by coating PCBM, BCP was formed by deposition as a hole blocking layer, and Ag was laminated by deposition to form a second electrode layer, thereby creating Example 1 of a solar cell.
- the perovskite precursor liquid was prepared by dissolving 1.2 mol/L of perovskite precursor (PbI 2 , CsI, FAI), 1.0 mmol/L of Me4PACz (hole transport layer forming compound), and 0.3 mmol/L of piperazine-1,4-diium iodide in a mixed solvent of DMF and NMP in a volume ratio of 90:10.
- the perovskite precursor contained FA and Cs in a molar ratio of 90:10 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I as a halogen atom for the formation of the X site.
- the molecular lengths of Me-4PACz and piperazine (only the piperazine skeleton is considered) can be estimated to be 1 nm and 0.3 nm, respectively, by molecular orbital calculation. Assuming that these are grown densely on the substrate as a unit lattice, Me-4PACz and piperazine should grow at 9.0x1014 and 1.0x1016 , respectively (these numbers of molecules are the standard close-packed molecular number).
- the concentration of Me-4PACz is determined to be equal to or greater than the standard close-packed molecular number
- the concentration of piperazine-1,4-diium iodide is determined to be equal to or less than the standard close-packed molecular number.
- Example 25 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM piperazine iodide was used as the piperazine compound.
- Solar cell Example 26 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.15 mM piperazine was used as the piperazine compound.
- Solar cell Example 27 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM pentylpiperazine hydrochloride was added as the piperazine compound.
- Solar cell Example 28 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM 1-(Trifluoromethyl)piperazine hydrochloride was added as the piperazine compound.
- Solar cell Example 29 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 10 mol% MACl was further added to the perovskite precursor.
- a solar cell of Example 30 was produced under the same conditions as in Example 29, except that DMAcPA was used as the hole transport layer-forming compound.
- Comparative Example 3 Example 24, except that the perovskite precursor liquid did not contain a piperazine compound.
- a solar cell of Comparative Example 3 was prepared under the same conditions as those in the above.
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Abstract
Description
本発明は、ペロブスカイト前駆体液、太陽電池製造方法および太陽電池に関する。 The present invention relates to a perovskite precursor liquid, a solar cell manufacturing method, and a solar cell.
環境負荷が小さいエネルギー源として、太陽電池の利用が拡大している。太陽電池の一種として、ペロブスカイト化合物を主体とする光電変換層を有するペロブスカイト太陽電池が知られている。基本的なペロブスカイト太陽電池は、基材に、第1電極層、第1電荷輸送層、ペロブスカイト光電変換層、第2電荷輸送層、および第2電極層がこの順番に積層されて形成される。また。ペロブスカイト太陽電池は、結晶シリコン基板を光電変換層とする太陽電池と吸収波長が異なるため、結晶シリコン太陽電池に積層して使用することもできる。電荷輸送層は、電子または正孔を選択的に通過させる層であるが、内部損失を生じる電気抵抗でもある。このため、電気抵抗を小さくするために、電荷選択機能を有するカルバゾール化合物等からなる自己組織化単分子膜によって厚みの小さい電荷輸送層を形成する技術も提案されている(例えば、特許文献1参照)。 The use of solar cells is expanding as an energy source with a small environmental impact. Perovskite solar cells, which have a photoelectric conversion layer mainly made of a perovskite compound, are known as one type of solar cell. A basic perovskite solar cell is formed by stacking a first electrode layer, a first charge transport layer, a perovskite photoelectric conversion layer, a second charge transport layer, and a second electrode layer in this order on a substrate. In addition, since perovskite solar cells have a different absorption wavelength from solar cells that use a crystalline silicon substrate as a photoelectric conversion layer, they can also be stacked on crystalline silicon solar cells for use. The charge transport layer is a layer that selectively passes electrons or holes, but it also has electrical resistance that causes internal losses. For this reason, in order to reduce electrical resistance, a technology has been proposed in which a thin charge transport layer is formed using a self-assembled monolayer made of a carbazole compound or the like that has a charge selection function (see, for example, Patent Document 1).
一般的に、自己組織化単分子膜の形成には、材料溶液をスピンコート等で薄く均等に塗布することが要求される。太陽電池を大型化する場合、スピンコートを採用することは難しく、例えばダイコート、バーコート等の方法によって塗工できることが望ましい。また、一般にペロブスカイト光電変換層も塗工により形成されるため、第1電荷輸送層を塗工により形成する場合、塗工および乾燥を繰り返し行うことが必要になる。効率的に太陽電池を製造するために、ペロブスカイト前駆体液に正孔選択性自己組織化単分子膜を形成するカルバゾール化合物を配合して塗工することにより、塗膜の電極層との界面にカルバゾール化合物が自己組織化単分子膜を形成して正孔輸送層とペロブスカイト光電変換層を同時に形成できることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 In general, the formation of a self-assembled monolayer requires that the material solution be applied thinly and evenly by spin coating or the like. When enlarging a solar cell, it is difficult to employ spin coating, and it is desirable to apply the material by a method such as die coating or bar coating. In addition, since the perovskite photoelectric conversion layer is generally also formed by coating, when the first charge transport layer is formed by coating, it is necessary to repeat coating and drying. In order to efficiently manufacture solar cells, it has been reported that by blending a carbazole compound that forms a hole-selective self-assembled monolayer into a perovskite precursor liquid and applying the mixture, the carbazole compound forms a self-assembled monolayer at the interface with the electrode layer of the coating film, thereby simultaneously forming a hole transport layer and a perovskite photoelectric conversion layer (for example, see Non-Patent Document 1).
非特許文献1のように、ペロブスカイト前駆体液にカルバゾール化合物を配合する場合、切れ間のない正孔輸送層を形成するために塗工面積に対してカルバゾール化合物を過剰に配合することが必要になる。本発明者らの検証の結果、前駆体溶液中の過剰なカルバゾール化合物は、塗膜の表面に層を形成し、電子の伝達を阻害し得ることが確認された。 As in Non-Patent Document 1, when a carbazole compound is added to a perovskite precursor liquid, it is necessary to add an excess of the carbazole compound relative to the coating area in order to form a continuous hole transport layer. As a result of the inventors' verification, it was confirmed that an excess of the carbazole compound in the precursor solution can form a layer on the surface of the coating film and inhibit the transfer of electrons.
本発明は、電子の伝達を阻害する層の形成を抑制しつつ、正孔輸送層、光電変換層およびパッシベーション層を同時に形成できるペロブスカイト前駆体液、太陽電池製造方法、および容易に製造できる太陽電池を提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a perovskite precursor liquid that can simultaneously form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, and a passivation layer while suppressing the formation of a layer that inhibits electron transport, a solar cell manufacturing method, and a solar cell that can be easily manufactured.
(1) 本発明の第1の態様に係るペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、置換されてもよい炭素数5以上の鎖状炭化水素基およびイオン性官能基を有する有機化合物と、を含む。 (1) The perovskite precursor liquid according to the first aspect of the present invention includes a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer-forming compound that forms a self-assembled monolayer that has hole selective permeability, and an organic compound that has a chain hydrocarbon group having 5 or more carbon atoms that may be substituted and an ionic functional group.
(2) (1)のペロブスカイト前駆体液において、前記イオン性官能基は、アミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、ホスホコリン基、ホスホン酸基、リン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基のいずれかであってもよい。 (2) In the perovskite precursor liquid of (1), the ionic functional group may be any one of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphocholine group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, and a sulfonyl group.
(3) (1)のペロブスカイト前駆体液において、前記有機化合物は、ハロゲン化塩であってもよい。 (3) In the perovskite precursor liquid of (1), the organic compound may be a halide salt.
(4) (1)~(3)のペロブスカイト前駆体液において、前記ペロブスカイト前駆体は、ハロゲン化鉛もしくはハロゲン化錫の少なくとも一方を含むハロゲン化金属と、ハロゲン化有機化合物またはハロゲン化アルカリ金属とを含み、前記ハロゲン化金属の金属部のモル濃度が前記有機化合物のモル濃度と前記アルカリ金属のモル濃度との和に対して0.5mol%以上10mol%以下過剰であってもよい。 (4) In the perovskite precursor liquids of (1) to (3), the perovskite precursor may contain a metal halide including at least one of a lead halide and a tin halide, and an organic halide or an alkali metal halide, and the molar concentration of the metal portion of the metal halide may be in excess of the sum of the molar concentration of the organic compound and the molar concentration of the alkali metal by 0.5 mol % to 10 mol %.
(5) (1)~(4)のペロブスカイト前駆体液は、前記ペロブスカイト化合物の結晶の成長を促進する有機塩酸塩をさらに含んでもよい。 (5) The perovskite precursor liquids (1) to (4) may further contain an organic hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
(6) (1)~(5)のペロブスカイト前駆体液は、フッ素含有有機化合物、ピペラジンおよびピペラジン誘導体のいずれか、並びに窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物の少なくともいずれかをさらに含んでもよい。 (6) The perovskite precursor liquids (1) to (5) may further contain at least one of a fluorine-containing organic compound, piperazine, or a piperazine derivative, and a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle.
(7) (6)のペロブスカイト前駆体液において、前記フッ素含有有機化合物は、末端に、アミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、ホスホコリン基、リン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基、並びにこれらのイオン化物のうち、少なくとも1つ以上を有し、水素がフッ素またはトリフルオロメチル基で置換されたアルキル鎖またはベンゼンを含む炭素骨格を有していてもよい。 (7) In the perovskite precursor liquid of (6), the fluorine-containing organic compound may have at least one of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphocholine group, a phosphate group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfonyl group, or an ionized form thereof at its terminal, and may have a carbon skeleton containing an alkyl chain or benzene in which hydrogen is replaced by fluorine or a trifluoromethyl group.
(8) 本発明の第2の態様に係る太陽電池製造方法は、基材の一主面に形成された第1電極層に上述のペロブスカイト前駆体液を塗工する工程と、前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、を備える。 (8) A solar cell manufacturing method according to a second aspect of the present invention includes a step of applying the above-mentioned perovskite precursor liquid to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate, and a step of volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound.
(9) 本発明の第3の態様に係る太陽電池は、板状またはシート状の基材と、基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、前記第1電極層に積層され、正孔選択透過性を有する正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物を含む過剰材料層と、前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層される置換されてもよい炭素数5以上の鎖状炭化水素基およびイオン性官能基を有する有機化合物を含むパッシベーション層と、前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層される第2電極層と、を備える。 (9) A solar cell according to a third aspect of the present invention includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and containing the hole transport layer-forming compound, a passivation layer laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent, the passivation layer containing an organic compound having a chain hydrocarbon group having 5 or more carbon atoms and an ionic functional group that may be substituted, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and the one side of the passivation layer.
(10) (8)の太陽電池において、前記光電変換層は、前記ペロブスカイト化合物の結晶の粒界に、ペロブスカイト化合物中の金属原子のハロゲン化物を含む不純物膜を有してもよい。 (10) In the solar cell of (8), the photoelectric conversion layer may have an impurity film containing a halide of a metal atom in the perovskite compound at the grain boundary of the crystal of the perovskite compound.
(11) (8)~(9)の太陽電池は、前記過剰材料層および前記パッシベーション層と前記第2電極層との間に積層される電子輸送層をさらに備えてもよい。 (11) The solar cell of (8) to (9) may further include an electron transport layer laminated between the excess material layer and the passivation layer and the second electrode layer.
(12) 本発明の第4の態様に係るペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、ピペラジン誘導体およびピペラジン誘導体の少なくともいずれかと、を含む。 (12) The perovskite precursor liquid according to the fourth aspect of the present invention includes a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer-forming compound that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability, and at least one of a piperazine derivative and a piperazine derivative.
(13) (12)のペロブスカイト前駆体液において、前記ピペラジン誘導体は、ハロゲン化塩であってもよい。 (13) In the perovskite precursor liquid of (12), the piperazine derivative may be a halide salt.
(14) (12)~(13)のペロブスカイト前駆体液において、前記ピペラジン誘導体は、一方の窒素に結合するアルキル鎖またはフッ素含有有機基を有してもよい。 (14) In the perovskite precursor liquid of (12) to (13), the piperazine derivative may have an alkyl chain or a fluorine-containing organic group bonded to one of the nitrogen atoms.
(15) (12)~(14)のペロブスカイト前駆体液は、フッ素含有有機化合物をさらに含んでもよい。 (15) The perovskite precursor liquids (12) to (14) may further contain a fluorine-containing organic compound.
(16) (12)~(15)のペロブスカイト前駆体液において、前記フッ素含有有機化合物は、末端に、アミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、ホスホコリン基、リン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基、並びにこれらのイオン化物のうち、少なくとも1つ以上を有し、水素がフッ素またはトリフルオロメチル基で置換されたアルキル鎖またはベンゼンを含む炭素骨格を有していてもよい。 (16) In the perovskite precursor liquids of (12) to (15), the fluorine-containing organic compound may have at least one of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphocholine group, a phosphate group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfonyl group, or an ionized form thereof at its terminal, and may have a carbon skeleton containing an alkyl chain or benzene in which hydrogen is replaced by fluorine or a trifluoromethyl group.
(17) (11)~(16)のペロブスカイト前駆体液において、前記ペロブスカイト前駆体は、ハロゲン化鉛を含むハロゲン化金属と、ハロゲン化有機化合物またはハロゲン化アルカリ金属とを含み、前記金属のモル濃度が前記有機化合物のモル濃度と前記アルカリ金属のモル濃度との和に対して0.5mol%以上10mol%以下過剰であってもよい。 (17) In the perovskite precursor liquids of (11) to (16), the perovskite precursor may contain a metal halide including a lead halide, and an organic halide or an alkali metal halide, and the molar concentration of the metal may be in excess of the sum of the molar concentration of the organic compound and the molar concentration of the alkali metal by 0.5 mol % or more and 10 mol % or less.
(18) (11)~(17)上述のペロブスカイト前駆体液は、前記ペロブスカイト化合物の結晶の成長を促進する塩酸塩をさらに含んでもよい。 (18) (11) to (17) The above-mentioned perovskite precursor liquid may further contain a hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
(19) 本発明の第5の態様に係る太陽電池製造方法は、基材の一方側の主面に形成された第1電極層に上述のペロブスカイト前駆体液を塗工する工程と、前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、を備える。 (19) A solar cell manufacturing method according to a fifth aspect of the present invention includes the steps of applying the above-mentioned perovskite precursor liquid to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate, and volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound.
(20) 本発明の第6の態様に係る太陽電池は、板状またはシート状の基材と、基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、前記第1電極層に積層され、正孔選択透過性を有する正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物からなる過剰材料層と、前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層されるピペラジンおよびピペラジン誘導体の少なくともいずれかを含むパッシベーション層と、前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層される第2電極層と、を備える。 (20) A solar cell according to a sixth aspect of the present invention includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and made of the hole transport layer-forming compound, a passivation layer containing at least one of piperazine and a piperazine derivative laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and the one side of the passivation layer.
(21) (19)の太陽電池において、前記光電変換層は、前記ペロブスカイト化合物の結晶の粒界に、ペロブスカイト化合物中の金属原子のハロゲン化物を含む不純物膜を有してもよい。 (21) In the solar cell of (19), the photoelectric conversion layer may have an impurity film containing a halide of a metal atom in the perovskite compound at the grain boundary of the crystal of the perovskite compound.
(22) (19)~(20)の太陽電池は、前記過剰材料層および前記パッシベーション層と前記第2電極層との間に積層される電子輸送層をさらに備えてもよい。 (22) The solar cell of (19) to (20) may further include an electron transport layer laminated between the excess material layer and the passivation layer and the second electrode layer.
(23) 本発明の第7の態様に係るペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物と、を含む。 (23) The perovskite precursor liquid according to the seventh aspect of the present invention includes a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer-forming compound that forms a self-assembled monolayer, and a polymer passivation compound that has a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle.
(24) (23)のペロブスカイト前駆体液において、前記高分子パッシベーション化合物は、ポリビニル骨格を有してもよい。 (24) In the perovskite precursor liquid of (23), the polymer passivation compound may have a polyvinyl skeleton.
(25) (23)~(24)のペロブスカイト前駆体液において、前記窒素を含む複素環は、ピリジン、ピロリドン、フタルイミド、カプロラクタム、イミダゾール、イミダゾリウム、トリアゾール、チアゾール、ピペリジウム、およびそれらの誘導体のいずれかであってもよい。 (25) In the perovskite precursor liquids (23) to (24), the nitrogen-containing heterocycle may be any one of pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof.
(26) (23)~(25)のペロブスカイト前駆体液において、前記ペロブスカイト化合物は、Xがハロゲン原子からなるABX3構造を有し、Xのモル濃度が、AおよびBの少なくとも一方のモル濃度よりも高くてもよい。 (26) In the perovskite precursor liquid of (23) to (25), the perovskite compound may have an ABX3 structure in which X is a halogen atom, and the molar concentration of X may be higher than the molar concentration of at least one of A and B.
(27) 本発明の第8の態様に係る太陽電池製造方法は、基材の一方側の主面に形成された第1電極層に上述のペロブスカイト前駆体液を塗工する工程と、前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、を備える。 (27) A solar cell manufacturing method according to an eighth aspect of the present invention includes the steps of applying the above-mentioned perovskite precursor liquid to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate, and volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound.
(28) 本発明の第9の態様に係る太陽電池は、板状またはシート状の基材と、基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、前記第1電極層に積層され、正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物からなる過剰材料層と、前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層され、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物を含むパッシベーション層と、前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層される第2電極層と、を備える。 (28) A solar cell according to a ninth aspect of the present invention includes a plate- or sheet-shaped substrate, a first electrode layer laminated on one main surface of the substrate, a hole transport layer laminated on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound, a photoelectric conversion layer laminated on the hole transport layer and containing a perovskite compound, an excess material layer partially laminated on the photoelectric conversion layer and made of the hole transport layer-forming compound, a passivation layer laminated in an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is absent and containing a polymer passivation compound having a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle, and a second electrode layer laminated on the excess material layer and on the one side of the passivation layer.
(29) (28)の太陽電池において、前記パッシベーション層は、前記高分子パッシベーション化合物のハロゲン化物を含んでもよい。 (29) In the solar cell of (28), the passivation layer may contain a halide of the polymer passivation compound.
本発明によれば、電子の伝達を阻害する層の形成を抑制しつつ、正孔輸送層、光電変換層およびパッシベーション層を同時に形成できるペロブスカイト前駆体液、太陽電池製造方法、および容易に製造できる太陽電池を提供できる。 The present invention provides a perovskite precursor liquid that can simultaneously form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, and a passivation layer while suppressing the formation of a layer that inhibits electron transport, a solar cell manufacturing method, and a solar cell that can be easily manufactured.
[第1実施形態]
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る太陽電池1の構成を示す模式断面図である。なお、図面における種々部材の寸法は、便宜上、見やすいように調整されている。
[First embodiment]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a solar cell 1 according to a first embodiment of the present invention. For the sake of convenience, the dimensions of various members in the drawings have been adjusted for ease of viewing.
太陽電池1は、板状またはシート状の基材10と、基材10の一方(図1の下側)の主面に積層される第1電極層20と、第1電極層20の一方側の面に積層される正孔輸送層30と、正孔輸送層30の一方側の面に積層される光電変換層40と、光電変換層40の一方側の面に部分的に積層される過剰材料層50と、光電変換層40の一方側の面の過剰材料層50の不存在領域に積層されるパッシベーション層60と、過剰材料層50およびパッシベーション層60の一方側に積層される電子輸送層70と、電子輸送層70の一方側に積層される第2電極層80と、を備える。
The solar cell 1 comprises a plate- or sheet-
基材10は、他の層を支持し、太陽電池1の強度を担保する構造体である。太陽電池1が基材10の側から受光する場合、基材10は透明な材料から形成される。具体的には、基材10は、ガラス、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂などから形成され得る。また、太陽電池1が第2電極層80の側から受光する場合、基材10は、金属層を含む複合材等から形成されてもよい。
The
第1電極層20は、正孔輸送層30を通して光電変換層40で生成された正孔を収集して外部に出力する。第1電極層20は、導電性および光透過性を有する透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conductive Oxide)により形成され得る。第1電極層20を形成する透明導電性酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタンおよびそれらの複合酸化物等を用いることができる。これらの中でも、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン等を主成分とするインジウム系複合酸化物、またはフッ素ドープ酸化錫が好ましい。高い導電率と透明性の観点からは、インジウム酸化物が特に好ましい。第1電極層20は、正孔輸送層30の成形性を向上するために、例えばオゾン処理等の表面処理がなされることが好ましく、表面に例えば酸化ニッケル、酸化ニオブ等を主成分とするp型酸化物半導体の層を有する多層の構造を有してもよい。
The
正孔輸送層30は、自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayers)を形成する正孔輸送層形成化合物の膜から形成される。正孔輸送層30は、光電変換層40で生成される正負の光キャリア(正孔および電子)のうち、正孔のみを第1電極層20に伝達する。正孔輸送層形成化合物は、正孔を伝達しやすいように、最高被占軌道が、光電変換を行うペロブスカイト化合物の価電子帯と近いことが好ましく、また、電子をブロックするために、最低空軌道が伝導帯より小さいことが好ましい。正孔輸送層30を形成する正孔輸送層形成化合物としては、カルバゾール系、フェノチアジン系、ジメチルアクリジン系等を正孔輸送可能な機能性官能基、とリン酸およびカルボン酸をはじめとする基板と化学結合をする自己組織化末端基があることが好ましい。正孔輸送層30にパッシベーション性を付与するために、機能性官能基と自己組織化末端基の間には、アルキル鎖などの直鎖状構造を有することが好ましい。機能性官能基と自己組織化末端基の間のアルキル鎖は、炭素数4以上であることが好ましい。具体的には、正孔輸送層30を形成する正孔輸送層形成化合物としては、例えばMe-4PACz([4-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid)、MeO-4PACz([4-(3,6-Dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid)、DMAcPA((4-(2,7-dibromo-9,9-dimethylacridin-10(9H)-yl)butyl)phosphonic acid)等が挙げられる。
The
光電変換層40は、光電変換を行うペロブスカイト化合物を含み、入射光を吸収して光キャリアを生成する。光電変換層40に含まれるペロブスカイト化合物としては、アルカリ金属(Am)、1価の有機アンモニウムイオンおよびアミジニウム系イオンのうちの少なくとも1種を含む有機原子A、2価の金属イオンを生成する金属原子B、およびヨウ化物イオンI、臭化物イオンBr、塩化物イオンCl、およびフッ化物イオンFのうちの少なくとも1種を含むハロゲン原子Xを含み、ABX3で表される化合物を用いることができる。Aサイトのアルカリ金属としては、カリウムK、セシウムCs、ルビジウムRb等が挙げられ、有機原子Aとしては、メチルアンモニウムMA(CH3NH3)、ホルムアミジニウムFA(CH3N2)等が挙げられる。金属原子Bとしては、鉛Pb、錫Snが挙げられる。鉛Pbおよび錫Snの少なくともどちらか一方を含むことが好ましく、それらの混合物であってもよい。ハロゲン原子Xとしてはヨウ化物I、臭化物Brおよび塩化物Clのうちの少なくとも1つが好ましい。
The
具体的に、好ましいペロブスカイト化合物としては、例えばMAPbI3、MAPbBr3、MAPbCl3等のメチルアンモニウムハロゲン化鉛(MAPbX3)、およびFAPbI3、FAPbBr3、FAPbCl3等のホルムアミジニウムハロゲン化鉛(FAPbX3)が挙げられる。なお、ハロゲン原子Xとしては複数種類を含んでもよい。メチルアンモニウム、ホルムアミジニウムを両方含んだ形である、FAyMA1-yPbX3であってもよい。また、アルカリ金属を含む場合、AmyFAzMA1-y-zPbIX、AmyFA1-yPbIX等が挙げられる。Amは、Cs、Rb、Kの単一種であっても、複数種類を含んでもよい。(y、zは任意の正の整数)。 Specifically, preferred perovskite compounds include methylammonium lead halides (MAPbX 3 ) such as MAPbI 3 , MAPbBr 3 , and MAPbCl 3 , and formamidinium lead halides (FAPbX 3 ) such as FAPbI 3 , FAPbBr 3 , and FAPbCl 3. The halogen atom X may include multiple types. It may be FA y MA 1-y PbX 3 , which contains both methylammonium and formamidinium. In addition, when an alkali metal is included, examples include Am y FA z MA 1-y-z PbIX and Am y FA 1-y PbIX. Am may be a single type of Cs, Rb, or K, or may include multiple types. (y and z are any positive integers).
光電変換層40は、ペロブスカイト化合物の結晶の粒界に、Pb、PbI2、PbBr2、PbCl2,といったペロブスカイト化合物中の金属原子のハロゲン化物を含む不純物膜41を有することが好ましい。このような不純物膜41を形成するために、ペロブスカイト化合物中の金属Bは、鉛Pbもしくは錫Snの少なくとも一方を含むことが好ましい。光電変換層40が金属原子Bおよび金属化合物を含む不純物膜41を有することにより、光電変換層40の形成時に正孔輸送層30を形成する正孔輸送層形成化合物およびパッシベーション層60を形成する材料がペロブスカイト化合物の結晶の粒界に取り残されることを抑制し、光電変換効率を向上できる。
The
過剰材料層50は、正孔輸送層30を形成するものと同じ正孔輸送層形成化合物を含んだ材料から形成される。過剰材料層50は正孔輸送層形成化合物だけから構成されてもよく、ペロブスカイト前駆体液に含まれる他の材料を含んでもよい。過剰材料層に正孔輸送層形成化合物を含ませる場合、過剰材料層50における正孔輸送層形成化合物の重量含有率は10%以上であることが好ましく、30%以上であることがより好ましい。また、正孔輸送層形成化合物の重量含有率は90%以下であることが好ましく、70%以下であることがより好ましい。過剰材料層における重量含有率は透過型電子顕微鏡観察とエネルギー分散型X線分析などを組み合わせることで測定した過剰材料層の組成をもとに算出することができる。正孔輸送層30として用いられる正孔輸送層形成化合物は、電子輸送をブロックするためにペロブスカイト化合物の伝導帯より低い(真空準位に近い)最低空軌道としているため、光電変換層40と電子輸送層との間に存在すると、過剰材料層50により、光電変換層40で生じた電子が電子輸送層に到達されづらくなり、抵抗としてふるまう可能性がある。このため、過剰材料層50が適切な状態で形成されるようにする必要がある。例えば、正孔輸送層30と光電変換層40を同一プロセスで形成する場合、第1電極層20の全面を覆う切れ間のない正孔輸送層30を形成するためには、正孔輸送層形成化合物を、塗布面を緻密に覆うのに必要な正孔輸形成化合物の数よりわずかに多くなるよう濃度調整したペロブスカイト前駆体液を用いることが好ましい。また、ペロブスカイト前駆体液に含まれる材料を過剰材料層50に含ませ、過剰材料層50を通過する電子の輸送を妨げにくくしてもよい。TCO表面における正孔輸送層形成化合物の成長状態を把握するための簡易的な方法として、分子長を単分子膜の単位ユニット(格子定数)と仮定し、塗布面積あたりの正孔輸形成化合物の数を見積もり、それより塗布膜に含まれる正孔輸形成化合物の数が多くなるように濃度を決定する方法がある。ハロゲン化物となる場合は、ハロゲンを含まないイオンの分子長を単位ユニットとすればよい。
The
パッシベーション層60は、光電変換層40との界面における光キャリアの再結合を防止して、電子輸送層70への電子の到達を促進する。また、パッシベーション層60は、過剰材料層50と光電変換層40の表面を取り合うように形成され、過剰材料層50が光電変換層40の全面を覆って光電変換効率を低下させることを防止する。パッシベーション層60は、置換されてもよい炭素数5以上の鎖状炭化水素基およびイオン性官能基を有する有機化合物(以下、「特定有機化合物」という)を含む。なお、「置換されてもよい鎖状炭化水素基」とは、鎖状炭化水素基の水素原子を他の原子または基に置換したものを含むことを意味する。具体的な特定有機化合物としては、n-Octylphosphocholine、2,8-Dimethyl-5-Nonylphosphocholine、10-Undecylenyl-1-phosphocholine、n-Octylammonium Iodide、L-α-Phosphatidylcholineがあげられる。特定有機化合物の表面への析出は、飛行時間型二次イオン質量分析法によって確認できる。
The
特定有機化合物は、光電変換層40を形成するために使う溶媒であるジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチルピロリドン(NMP)、γ―ブチロラクタン(GBL)、アセトニトリル等の非プロトン極性溶媒を含む溶媒に混合される。サイズの大きな材料は、ペロブスカイト材料の結晶化に影響されづらく、表面および界面に押し出される。その際に、互いに相互作用し配向効果を持つアルキル鎖を用いることで、2次元的に配列しやすくなる。また、末端がイオン性を有することで、ペロブスカイト材料表面の欠陥に付着しやすくなり、分子の配向を制御できる。配向が悪いと、互いに折り重なるように成長するなど、被覆率が悪くなり、パッシベーション性が乏しかったり、抵抗となってしまい、電子を輸送しづらくなる。鎖状炭化水素の炭素数は5以上が好ましく、24以下が好ましい。結晶化に影響されづらい程度のサイズを有することが大事であり、炭素数が長いほど配向しやすく、より好ましくは炭素数が8以上である。一方で、炭素数が大きく長さが長くなると配向性が悪くなる。鎖状炭化水素基は、直鎖であってもよく、分岐鎖であってもよい。十分な炭素数を有することでペロブスカイト材料の結晶内に取り込まれることを回避するのに加え、1本の鎖状炭化水素の炭素数が短く、電気抵抗を減らすことできる。部分的に二重鎖(アルケン)、三重鎖(アルキン)、芳香環を保有することが好ましい。二重鎖、三重鎖、芳香環といったπ結合を有することで、長い炭化水素基を有しても絶縁性が低下する。例えば、L-α-Phosphatidylcholineは、二股に分かれており、炭素数15個の鎖状炭化水素と炭素数17個の鎖状炭化水素を含む。炭素数17個の鎖状炭化水素には、部分的に二重鎖を要する。また、ハロゲン化物を作ることで、溶媒に溶けた際に、イオン化しやすく、またハロゲンイオンもペロブスカイト材料の欠陥を埋める作用をすることで特性低下を防止する。
The specific organic compound is mixed in a solvent containing aprotic polar solvents such as dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), γ-butyrolactone (GBL), and acetonitrile, which are used to form the
イオン性官能基がペロブスカイト化合物の結晶の欠陥に結合することにより、光キャリアの再結合を防止する。ペロブスカイト化合物の結晶の欠陥には正負両方が存在し得るため、イオン性官能基は、陽イオン、陰イオンのいずれイオンを形成するものであってもよい。具体的には、イオン性官能基は、アミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、ホスホン酸基、リン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基のいずれかであることが好ましい。特に、ホスホコリン基をはじめとする、陽イオンと陰イオンの両方を持つ、双性イオンとなるイオン性官能基を有することで、ペロブスカイト表面の両電荷の欠陥を補えるため、より好ましい。 The ionic functional group binds to defects in the crystal of the perovskite compound, thereby preventing the recombination of photocarriers. Since defects in the crystal of the perovskite compound can be both positive and negative, the ionic functional group may form either a positive or negative ion. Specifically, the ionic functional group is preferably any of an amino group, a hydrazine group, a trialkylamino group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxyl group, a carboxyl group, and a sulfonyl group. In particular, it is more preferable to have an ionic functional group that has both a positive ion and an negative ion, such as a phosphocholine group, and that becomes a zwitterion, since this compensates for defects of both charges on the perovskite surface.
パッシベーション層60は、特定有機化合物に加え、フッ素含有有機化合物、ピペラジンおよびピペラジン誘導体、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物の少なくともいずれかをさらに含んでもよい。単一の材料だけでは、ペロブスカイト層表面への析出が不十分な場合が生じるため、異なる析出方法、異なるパッシベーション性を有する材料と混合することで、より確実に表面を覆うことができ、パッシベーション性を向上することができる。
In addition to the specific organic compound, the
フッ素含有有機化合物は、表面への析出性が高く、電子輸送能力も高い。その一方で、表面エネルギーが低く、その上に成長させる材料との密着性が低い。また、塗布で形成する場合、疎液性を示しやすく、塗工不良を起こす。そのため、特定有機化合物との組み合わせることで、密着性や塗工性を改善できる。 Fluorine-containing organic compounds have high surface deposition properties and high electron transport capabilities. On the other hand, they have low surface energy and low adhesion to materials grown on them. In addition, when formed by coating, they tend to exhibit lyophobic properties, which can cause coating defects. Therefore, by combining them with specific organic compounds, it is possible to improve adhesion and coatability.
フッ素含有有機化合物は、アルキル鎖やベンゼンを含む炭素骨格を有し、部分的に水素がフッ素やトリフルオロメチル基、などに置換された構造を持つことが好ましい。炭素骨格は、フッ素が結合する炭素を連続して含むことがより好ましい。フッ素含有有機化合物が、ベンゼン骨格を有する場合、ベンゼンの6個の水素のうち、5個のいずれかが、フッ素もしくはトリフルオロメチル基に置換され、1個が末端となる親液基とつながっていることが好ましい。フッ素およびトリフルオロメチル基の置換数が多い程、疎液性が高くなり、選択的に表面に配向する効果が大きくなる。そのため、フッ素で置換される場合、末端につながる1個以外の水素すべてがフッ素に置換された5フッ化ベンゼンの構造を持つことが好ましい。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、先端がトリフルオロメチル基もしくはフッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基、末端が親液基となっていることが好ましい。フッ素を含む先端が電子輸送層側、親液基を含む末端がペロブスカイト表面側に配向する。先端、末端を除く直鎖上の骨格が炭素数1個以上17個以下であることが好ましい。さらに好ましくは、炭素数5個以上炭素数16個以下である。フッ素含有有機化合物は、自己組織化によるパッシベーション層60の形成を促進するために、アルキル鎖は長くなるほど配向性が向上し、パッシベーション性が向上する一方、絶縁性が高くなってしまい、導電性が低下してしまう。そのため、上限以上のアルキル鎖を付与することで十分な配向を持たせることができ、下限以下であることで、パッシベーション性と導電性を両立できる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有し、先端がトリフルオロメチル基の場合、先端から続くアルキル鎖は、フッ化された炭素を連続して含んでいることが好ましい。より好ましくは、末端に隣接する1個もしくは2個の炭素を除き、全てフッ化していることが好ましい。連続してフッ化していることで、疎液性が上がり、表面により選択的に析出させることで、パッシベーション層60の形成を促進できる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合の別の例として、ポリマー構造が挙げられる。部分的にフッ素化されたポリマー構造は、多くのフッ素を含むことで、フッ素を含む先端が電子輸送層側、親液基を含む末端がペロブスカイト表面側に配向するものとは異なり、平面的に表面に配向しやすくなる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有し、先端がフッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基の場合、上記同様、フッ素およびトリフルオロメチル基の置換数が多い程、効果が大きくなる。そのため、フェニル基の水素がフッ素に置換される場合、5フッ化ベンゼンであることが好ましい。また、フッ素およびトリフルオロメチル基を有するフェニル基とアルキル鎖が両立することで、ベンゼン骨格のみ場合に比べ、より選択的に表面への析出を促進することができる。また、フッ素含有有機化合物は、末端に、親液基、具体的にはアミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、リン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基、並びにこれらのイオン化物のうち、少なくとも1つ以上を有することが好ましい。これらは、光電変換層40を作る溶媒である、非プロトン性極性溶媒に対して、親液性を有し、疎液性であるフッ素を含有する骨格と組み合わせることで、乾燥工程の前の段階から光電変換層40の表面上に位置させることができる。直鎖上の骨格、または親液基、またその両方を有することで、各フッ素含有有機化合物が整列しやすく、薄く、均一な膜を形成でき、シリーズ抵抗を軽減できる。これらの末端は、イオン化することで、ペロブスカイト層表面のヨウ素欠陥、鉛欠陥、ハロゲン欠陥といった欠陥を補うことができ、性能を向上させる効果を有する。またフッ素含有有機化合物は、複数種であってもよい。また、溶媒中にてこれらの末端基は、イオン化していてもよい。フッ素含有有機化合物は、ペロブスカイト層表面のヨウ素欠陥、鉛欠陥、ハロゲン欠陥など異なる電荷をもって存在する欠陥を補うために、陽イオン化する末端基と陰イオン化する末端基の両方を有することがより好ましい。陽イオン化する末端基と陰イオン化する末端基の両方を有する末端として、ホスホコリン基やカルバミン酸基があげられる。また、特定有機化合物とフッ素含有有機化合物は、陽イオンに帯電しやすい特定有機化合物と陰イオンに帯電しやすいフッ素含有化合物の間で、個々の分子間、互いの膜境界の相互作用によって配向しやすくなり、密なパッシベーション層を形成することが可能である。特に、特定有機化合物と同様の、鎖状構造をしたフッ素含有有機化合物を選ぶことで、より配向しやすくなる。
The fluorine-containing organic compound preferably has a carbon skeleton containing an alkyl chain or benzene, and has a structure in which hydrogen is partially replaced by fluorine or a trifluoromethyl group. It is more preferable that the carbon skeleton contains consecutive carbons to which fluorine is bonded. When the fluorine-containing organic compound has a benzene skeleton, it is preferable that any of the six hydrogens of benzene are replaced by fluorine or a trifluoromethyl group, and one is connected to a lyophilic group at the end. The greater the number of fluorine and trifluoromethyl group replacements, the higher the lyophobicity becomes, and the greater the effect of selectively orienting to the surface. Therefore, when replaced by fluorine, it is preferable to have a structure of pentafluorinated benzene in which all hydrogens except one connected to the end are replaced by fluorine. When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, it is preferable that the tip is a trifluoromethyl group or a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group, and the end is a lyophilic group. The tip containing fluorine is oriented toward the electron transport layer side, and the end containing the lyophilic group is oriented toward the perovskite surface side. It is preferable that the straight chain skeleton excluding the tip and end has 1 to 17 carbon atoms. More preferably, the number of carbon atoms is 5 or more and 16 or less. In order to promote the formation of the
具体的なフッ素含有有機化合物としては、フッ素およびトリフルオロメチル基に置換されたベンゼン骨格を持つものとして、4-フルオロフェネチルアミンよう化水素酸塩(FPEAI)、4-(3フッ化メチル)フェニルアンモニウムよう化水素酸塩、2,6-ジフルオロアニリン、3,4,5-トリフルオロアニリン、五フッ化フェニルホスホン酸(5FPAc)、五フッ化フェニルヒドラジン(5FPHZ)、5フッ化ベンゼンーアミノーカルボン酸(カルバミン酸)ヨウ化水素塩などが挙げられる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、先端がトリフルオロメチル基をもち、親液性末端を持つものとして、1H、1H-ウンデカフロオロヘキシルアミン(CF3(CF2)4CH2NH2)、1H,1H-ペンタデカフルオロオクチルアミン(CF3(CF2)6CH2NH2)、(フッ化)Fos-Choline-8(登録商標:C13H17F13NO4P)、2,2,2-トリフルオロエチルアミン(CF3CH2NH2)、3,3,4,4,5,5,6,6-ノナフルオロヘキシルホスホン酸(FHPA)、ポリマー構造を持つものとして、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、などを挙げることができる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、フッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基をもつものとして、5フッ化フェノキシドデシルホスホン酸(12-Pentafluorophenoxydodecylphosphonic acid:C18H26F5O4P)、などが挙げられる。フッ素含有有機化合物がパッシベーション層として表面に析出していることは、接触角を見ることで確認できる。例えば、クロロベンゼンによって評価すると、直鎖状のフルオロアルキル鎖、親液性の高い1H、1H-ウンデカフロオロヘキシルアミン、(フッ化)Fos-Choline-8などは少量の添加にて接触角が高くなる。 Specific examples of fluorine-containing organic compounds include those having a benzene skeleton substituted with fluorine and a trifluoromethyl group, such as 4-fluorophenethylamine hydroiodide (FPEAI), 4-(trifluoromethyl)phenylammonium hydroiodide, 2,6-difluoroaniline, 3,4,5-trifluoroaniline, pentafluorophenylphosphonic acid (5FPAc), pentafluorophenylhydrazine (5FPHZ), and pentafluorobenzene-amino-carboxylic acid (carbamic acid) hydroiodide. When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, examples of compounds having a trifluoromethyl group at the end and a lyophilic end include 1H,1H-undecafluorohexylamine ( CF3 ( CF2 ) 4CH2NH2 ) , 1H,1H-pentadecafluorooctylamine ( CF3 ( CF2 ) 6CH2NH2 ), (fluorinated) Fos-Choline- 8 (registered trademark: C13H17F13NO4P ), 2,2,2 - trifluoroethylamine ( CF3CH2NH2 ), and 3,3,4,4,5,5,6,6 - nonafluorohexylphosphonic acid (FHPA), and examples of compounds having a polymer structure include polyvinylidene fluoride (PVDF). When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, an example of a compound having a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group is 12-pentafluorophenoxydodecylphosphonic acid (C 18 H 26 F 5 O 4 P). It can be confirmed by observing the contact angle that the fluorine-containing organic compound is deposited on the surface as a passivation layer. For example, when evaluated with chlorobenzene, the contact angle increases with the addition of a small amount of a linear fluoroalkyl chain, 1H,1H-undecafluorohexylamine, (fluorinated)Fos-Choline-8, etc., which have high lyophilicity.
ピペラジン化合物は、ペロブスカイト表面において高いパッシベーション効果を示す一方で、溶媒への溶解性が低く、表面を覆うのに十分な量を溶解させるのが難しい場合があったり、溶解していない部分があると、不純物となってしまい、太陽電池特性として不良を起こしやすい。そのため、特定化合物と組み合わせることで、相乗効果を生じることができる。 While piperazine compounds exhibit a high passivation effect on the perovskite surface, they have low solubility in solvents, making it difficult to dissolve a sufficient amount to cover the surface, and if there are any undissolved areas, they become impurities and are likely to cause poor solar cell characteristics. Therefore, by combining them with specific compounds, a synergistic effect can be produced.
ピペラジン化合物は、光電変換層40を形成するために使う溶媒であるジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチルピロリドン(NMP)、γ―ブチロラクタン(GBL)、アセトニトリル等の非プロトン極性溶媒を含む溶媒に対して室温にて難溶性を示しやすいため、過剰材料層50に比べ、ペロブスカイト材料の結晶成長に関与しづらく、光電変換層40表面、粒界に析出する。結晶化工程は表面から起こることが知られており、難溶であるピペラジン化合物が先に表面に析出した後に、正孔輸送形成化合物を含むペロブスカイト化合物が析出する。ピペラジン化合物は、表面に析出することによって、パッシベーション性を維持しながら、電子を輸送しやすくなる。特に、ピペラジン化合物のハロゲン化塩を形成し、イオン性材料とすることで、より難溶性が高くなり、表面に析出しやすくなる。また、一方の窒素基に結合するアルキル鎖やフッ素含有有機基などの疎水基を有することで、より表面への析出を促進できる。フッ素含有有機基としては、フッ化アルキル基であることが好ましい。ここで、「ピペラジン化合物」とは、次の化学式1~3により表されるピペラジンおよびピペラジン誘導体(ハロゲン化塩を含む)の少なくともいずれかであって、これらの複数種の混合物であってもよい。なお、式中のR1~R8は水素または任意の置換基、RA1~RA4は水素またはアルキル基、Xはハロゲンである。ピペラジン化合物の表面への析出は、飛行時間型二次イオン質量分析法によって確認できる。
Piperazine compounds tend to be poorly soluble at room temperature in solvents including aprotic polar solvents such as dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), γ-butyrolactone (GBL), and acetonitrile, which are used to form the
具体的なピペラジン誘導体としては、例えば、Piperazine-1,4-diium Iodide、piperazinium iodide、Pentylpiperazine hydrochloride、1-(2-Fluoroethyl)piperazine dihydrochlorideがあげられる。 Specific examples of piperazine derivatives include piperazine-1,4-diium iodide, piperazineinium iodide, pentylpiperazine hydrochloride, and 1-(2-fluoroethyl) piperazine dihydrochloride.
窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物は、窒素イオンがハロゲンイオンと、高分子パッシベーションハロゲン化物を作りやすく、高分子パッシベーションハロゲン化物は、ペロブスカイト化合物形成時に表面に発生するハロゲン欠陥を補う役割を果たす、などポリマー特有の効果を有している。その一方で、凝集が生じるなど、制御が難しく、単分子である特定有機化合物と組み合わせることで、より密なパッシベーション層を作ることができる。 Polymer passivation compounds with repeating units that have nitrogen-containing heterocycles have the advantage that nitrogen ions easily combine with halogen ions to form polymer passivation halides, which play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface when perovskite compounds are formed. These compounds have the unique effect of being polymers. On the other hand, they can be difficult to control, such as by causing aggregation, so by combining them with specific organic compounds that are monomolecular, a denser passivation layer can be created.
窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物は、高分子でありサイズが大きいため、後述するペロブスカイト前駆体液を用いて光電変換層40を形成する際に、ペロブスカイト結晶内に取り込まれず、表面に優先的に析出する。そのため、過剰材料層50の形成を抑制してパッシベーション層60を形成し得る。パッシベーション層60の形成を確実にするために、高分子パッシベーション化合物の分子量としては、重量平均で5000以上500万以下が好ましい。確実にペロブスカイト化合物に取り込まれないために10000以上がより好ましく、溶媒への溶解度を維持するため、250万以下がより好ましい。また、高分子パッシベーション化合物は、繰り返し単位の中に窒素を含む複素環を有することにより、再結合を防ぐとともに効率よく電子を通過させる。また、高分子パッシベーションハロゲン化物でもよい。窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物は、前駆体液内のハロゲンイオンとの高分子パッシベーション化物を作りやすい。高分子パッシベーションハロゲン化物を作ることで、ペロブスカイト化合物表面の経年劣化で生じるハロゲン欠陥を補うことができるため、太陽電池特性の信頼性を向上させることができる。
Since the polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle is a polymer and has a large size, when the
高分子パッシベーション化合物の窒素を含む複素環としては、ピリジン、ピロリドン、フタルイミド、カプロラクタム、イミダゾール、イミダゾリウム、トリアゾール、チアゾール、ピペリジウム、およびそれらの誘導体が好ましい。高分子パッシベーション化合物は、ペロブスカイト化合物よりバンドギャップが大きいことが好ましい。より好ましくは、高分子パッシベーション化合物の最高被占分子軌道がペロブスカイト化合物の価電子帯より大きく(真空準位より遠い)、かつ、高分子パッシベーション化合物の最低空軌道がペロブスカイト化合物の伝導帯より小さい(真空準位に近い)。また、局所的に絶縁性の高いビニル基で構成されるアルキル鎖を有し、伝導性の高い複素環を用いることで、パッシベーション性を維持しながら、キャリアを効率的に運搬できる。 The nitrogen-containing heterocycle of the polymer passivation compound is preferably pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof. The polymer passivation compound preferably has a larger band gap than the perovskite compound. More preferably, the highest occupied molecular orbital of the polymer passivation compound is larger than the valence band of the perovskite compound (farther than the vacuum level), and the lowest unoccupied molecular orbital of the polymer passivation compound is smaller than the conduction band of the perovskite compound (closer to the vacuum level). In addition, by using a heterocycle having an alkyl chain composed of locally highly insulating vinyl groups and having high conductivity, carriers can be transported efficiently while maintaining passivation properties.
また、ピロリドン、フタルイミド、カプロラクタムは、骨格内に酸素を有しており、ハロゲン化水素イオンと、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリウム、トリアゾール、チアゾールを有する骨格では、窒素イオンがハロゲンイオンと、高分子パッシベーションハロゲン化物を作りやすい。そのため、前駆体液からパッシベーション層形成時に、ペロブスカイト化合物形成に使用されないハロゲンイオンを取り込み、部分的に高分子パッシベーションハロゲン化物を作る。高分子パッシベーションハロゲン化物は、ペロブスカイト化合物形成時に表面に発生するハロゲン欠陥を補う役割を果たし、ペロブスカイト化合物表面のパッシベーション性を向上させる。また、完成した太陽電池においても、高分子パッシベーションハロゲン化物は、経年劣化により生じるペロブスカイト化合物表面のハロゲン欠陥を補うことができ、太陽電池特性の信頼性を向上させることができる。そのため、前駆体液のハロゲンイオンXのモル濃度が、ペロブスカイト化合物のAサイトおよびBサイトに関わる材料の少なくとも一方のモル濃度に比べ、1%以上過剰であれば、高分子パッシベーション化合物と効果的にハロゲン化物を形成することができる。さらに3%以上過剰であれば、より効果的にハロゲンイオンを取り込むことができる。また、過剰量が20%以下であることが好ましく、ペロブスカイト化合物内で生じる欠陥形成を抑制できる。さらに過剰量が10%以下であれば、より効果的に抑制できる。また、高分子パッシベーション化合物のハロゲン化物を前駆体に加えることでも、過剰なハロゲンを含む、前駆体液を形成できる。太陽電池形成後のパッシベーション層内の高分子パッシベーションハロゲン化物は、高分子パッシベーション化合物の繰り返し構造の総数のうち、信頼性向上の観点から1%以上形成されていることが好ましい。さらに5%以上形成されることでより、より効果的にペロブスカイト化合物内に生じる欠陥を補うことができる。また、高分子パッシベーションハロゲン化物が、高分子パッシベーション化合物の繰り返し構造の総数のうち、90%以下とすることで立体障害なく、高分子パッシベーション化合物の安定な状態を維持できる。さらに、80%以下であることで、より安定な状態を維持できる。 In addition, pyrrolidone, phthalimide, and caprolactam have oxygen in the skeleton, and in skeletons that have hydrogen halide ions and pyridine, imidazole, imidazolium, triazole, and thiazole, nitrogen ions are likely to combine with halogen ions to form polymer passivation halides. Therefore, when forming the passivation layer from the precursor liquid, halogen ions that are not used in the formation of the perovskite compound are taken in to partially form polymer passivation halides. Polymer passivation halides play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface during the formation of the perovskite compound, improving the passivation properties of the perovskite compound surface. In addition, in completed solar cells, polymer passivation halides can also compensate for halogen defects on the surface of the perovskite compound that occur due to aging, improving the reliability of the solar cell characteristics. Therefore, if the molar concentration of halogen ions X in the precursor liquid is 1% or more in excess of at least one of the molar concentrations of the materials related to the A site and the B site of the perovskite compound, it is possible to effectively form a halide with the polymer passivation compound. If it is 3% or more in excess, it is possible to more effectively incorporate halogen ions. In addition, it is preferable that the excess amount is 20% or less, and the formation of defects occurring in the perovskite compound can be suppressed. If the excess amount is 10% or less, it can be more effectively suppressed. In addition, a precursor liquid containing excess halogen can be formed by adding a halide of the polymer passivation compound to the precursor. It is preferable that the polymer passivation halide in the passivation layer after the solar cell is formed is formed in 1% or more of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound from the viewpoint of improving reliability. Furthermore, by forming 5% or more, it is possible to more effectively compensate for defects occurring in the perovskite compound. In addition, by making the polymer passivation halide 90% or less of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound, the stable state of the polymer passivation compound can be maintained without steric hindrance. Furthermore, by keeping it below 80%, a more stable state can be maintained.
高分子パッシベーション化合物の繰り返し単位は、アルキル単位とされ得る。つまり、高分子パッシベーション化合物の繰り返し単位は、窒素を含む複素環で置換されたアルキル単位であってもよい。典型例として、高分子パッシベーション化合物は、窒素を含む複素環とビニル基とを有する単量体のビニル重合によって得られるポリビニル骨格を有する化合物とされ得る。つまり、高分子パッシベーション化合物はアルキル鎖の2炭素ごとに窒素を含む複素環が結合したものとされ得る。このように、高分子パッシベーション化合物がアルキル鎖を主鎖とする化合物であることにより、比較適容易にポリマーを合成でき、所望の分子量を得ることができるので、より確実にパッシベーション層60を形成できる。また、アルキル鎖があることで配向制御しやすく、複素環の配列もそろえることができる。さらには、高分子パッシベーション化合物は、窒素を含む複素環やビニル骨格を有する構造以外に、例えば、フッ化アルキル鎖骨格などの他の骨格の繰り返し構造を含んでもよい。例えば、ポリ(ビニルイミダゾール)の骨格の間のアルキル鎖の分岐として、フッ化アルキル鎖を有する骨格を有してもよい。フッ化アルキル鎖は、疎液性を示しやすく、より選択的にペロブスカイト化合物表面へ析出させることができる。
The repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit. That is, the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit substituted with a nitrogen-containing heterocycle. As a typical example, the polymer passivation compound may be a compound having a polyvinyl skeleton obtained by vinyl polymerization of a monomer having a nitrogen-containing heterocycle and a vinyl group. That is, the polymer passivation compound may be a compound in which a nitrogen-containing heterocycle is bonded to every two carbons of the alkyl chain. In this way, since the polymer passivation compound is a compound having an alkyl chain as the main chain, the polymer can be synthesized relatively easily and the desired molecular weight can be obtained, so that the
窒素を含む複素環で置換されたアルキル単位を繰り返し単位とする高分子パッシベーション化合物としては、例えば、ポリ(ビニルピロリドン)、ポリ(4-ビニルピリジン)、ポリ(2-ビニルピリジン)、ポリ(1-ビニルイミダゾール)、ポリ(2-ビニルイミダゾール)、ポリ(4-ビニルイミダゾール)、ポリ(ビニルアゾール)、ポリ(ビニルフタルイミド)、ポリ(ビニルイミダゾール)、ポリ(ビニルカプロラクタム)、ポリ(ビニルトリアゾール)、ポリ(5-ビニルチアゾール)、ポリ(4-メチルー5-ビニルチアゾール)、があげられる。また、ハロゲン化物として、例えば、ポリ(ビニルピロリドン)ヨウ素錯体があげられる。 Examples of polymeric passivation compounds with repeating units of alkyl units substituted with nitrogen-containing heterocycles include poly(vinylpyrrolidone), poly(4-vinylpyridine), poly(2-vinylpyridine), poly(1-vinylimidazole), poly(2-vinylimidazole), poly(4-vinylimidazole), poly(vinylazole), poly(vinylphthalimide), poly(vinylimidazole), poly(vinylcaprolactam), poly(vinyltriazole), poly(5-vinylthiazole), and poly(4-methyl-5-vinylthiazole). Examples of halides include poly(vinylpyrrolidone) iodine complexes.
パッシベーション層60は、特定有機化合物に加え、フッ素含有有機化合物、ピペラジンおよびピペラジン誘導体、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物は2種以上加えてもよい。適切な組み合わせを行うことで、1種より高い効果を得ることが可能である。
In addition to the specific organic compound, the
パッシベーション層60による光電変換層40の被覆率としては、50%以上であれば、効果的に電子輸送が行える。さらに90%以上であれば、その効果が高まるため好ましい。また、99%以下であれば、部分的な高分子パッシベーション化合物の厚膜化で生じる抵抗ロスを軽減できる。さらに、95%以下であれば、より効果的に抵抗ロスを抑制できる。
If the coverage of the
電子輸送層70は、電子を選択的に透過して第2電極層80に伝達する。電子輸送層70は、例えば、フラーレン等を主体とする材料から形成される。フラーレンとしては、例えばC60、C70、これらの水素化物、酸化物、金属錯体、アルキル基等を付加した誘導体、例えば、PCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)などが挙げられる。また、電子輸送層70と第2電極層80の間に、ホールブロック層であるパソクプロイン(BCP)、フッ化リチウム(LiF)、酸化錫(SnO2)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)を含んでいてもよい。無機酸化物層は別の金属材料をドープしてもよい。
The
第2電極層80は、太陽電池1が基材10の側から受光する場合、電気抵抗を小さくするために、例えば銅等から形成される金属層を含むことが好ましい。また、太陽電池1が第2電極層80の側から受光する場合、第2電極層80は透明導電性酸化物から形成され得る。
When the solar cell 1 receives light from the
以上の構成を有する太陽電池1は、図2に示す本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法によって製造される。本実施形態の太陽電池製造方法は、第1電極層形成工程(ステップS1)と、前駆体液塗工工程(ステップS2)と、結晶化工程(ステップS3)と、電子輸送層形成工程(ステップS4)と、第2電極層形成工程(ステップS5)と、を備える。 The solar cell 1 having the above configuration is manufactured by a solar cell manufacturing method according to one embodiment of the present invention shown in Figure 2. The solar cell manufacturing method of this embodiment includes a first electrode layer forming step (step S1), a precursor liquid application step (step S2), a crystallization step (step S3), an electron transport layer forming step (step S4), and a second electrode layer forming step (step S5).
ステップS1の第1電極層形成工程では、基材10の一主面に第1電極層20を形成する。第1電極層20は、例えばスパッタリング法等の真空製膜技術を用いて積層され得る。また、第1電極層工程では、次工程での正孔輸送層30の形成を促進するために、製膜した第1電極層20の表面を改質することが好ましい。具体的な第1電極層20の表面改質方法としては、例えば、紫外線―オゾン処理やオゾン水洗浄による表面の水酸化、また自己組織化膜が成長しやすい酸化ニッケルをはじめとする酸化物をスパッタリング法等の真空製膜技術による製膜、酸化物ナノパーティクルの塗布技術による製膜、自己組織化膜が成長しやすいように表面の活性化および不純物の除去を行う加熱処理などが挙げられる。
In the first electrode layer forming process of step S1, the
ステップS2の前駆体液塗工工程では、第1電極層20にペロブスカイト前駆体液を塗工する。ペロブスカイト前駆体液の塗工は、例えばダイコーター、バーコーター等を用いて行うことができる。前駆体液塗工工程において塗工されるペロブスカイト前駆体液は、それ自体が本発明に係るペロブスカイト前駆体液の一実施形態である。
In the precursor liquid application process of step S2, the perovskite precursor liquid is applied to the
ペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、特定有機化合物と、を含む。また、ペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト化合物の結晶の成長を促進する有機塩酸塩をさらに含むことが好ましい。 The perovskite precursor liquid contains a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer that has hole selective permeability, and a specific organic compound. In addition, it is preferable that the perovskite precursor liquid further contains an organic hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
溶媒としては、例えばDMF、DMSO、NMP、GBL、アセトニトリル等の極性非プロトン性溶媒が、単独または複数種類の混合液として用いられ、さらに他の種類の溶媒を含んでもよい。 The solvent may be a polar aprotic solvent such as DMF, DMSO, NMP, GBL, or acetonitrile, either alone or in a mixture of multiple types, and may further contain other types of solvents.
ペロブスカイト前駆体としては、ハロゲン化金属BX、ハロゲン化有機化合物もしくはハロゲン化アルカリ金属で構成されるAXとが所定の割合で用いられる。金属原子B(ハロゲン化金属の金属部)のモル濃度は、有機化合物のモル濃度とアルカリ金属のモル濃度との和に対して0.5mol%以上10mol%以下過剰であることが好ましい。これにより、結晶化工程において他の材料をペロブスカイト前駆体液の表裏の界面に追い出し、生成されるペロブスカイト化合物の結晶の間に形成される不純物膜41の中に他の材料が取り残されることを抑制し、他の材料の残留による光電変換効率の低下を抑制できる。
As the perovskite precursor, a metal halide BX and AX composed of an organic halide or an alkali metal halide are used in a predetermined ratio. The molar concentration of the metal atom B (the metal part of the metal halide) is preferably 0.5 mol% to 10 mol% in excess of the sum of the molar concentration of the organic compound and the molar concentration of the alkali metal. This expels other materials to the front and back interfaces of the perovskite precursor liquid in the crystallization process, suppresses other materials from being left behind in the
正孔輸送層形成化合物としては、上述のように、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する材料が用いられる。ペロブスカイト前駆体液が第1電極層20の上に塗工されると、正孔輸送層形成化合物は、第1電極層20との界面に優先的に自己組織化して膜(正孔輸送層30)を形成する。第1電極層20との界面に膜を形成した残りの正孔輸送層形成化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面(第1電極層20と反対側)にも自己組織化して膜(過剰材料層50)を形成する。ペロブスカイト前駆体液における正孔輸送層形成化合物の濃度としては、0.1mmol/L以上5.0mmol/L以下とされ得る。濃度が0.5mmol/L以上2.0mmmol/L以上がより好ましい。基板表面を被覆できる範囲で、濃度は低い方が過剰材料層50の形成を抑制することができる。
As described above, the hole transport layer forming compound is a material that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability. When the perovskite precursor liquid is applied onto the
特定有機化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面に膜状に凝集し、ペロブスカイト前駆体から生成されるペロブスカイト化合物の層(光電変換層40)の表面を部分的に覆うことにより、光電変換層40の界面における光キャリア(正孔および電子)の再結合を抑制するパッシベーション層60を形成する。また、特定有機化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面において、正孔輸送層形成化合物の膜の成長を阻害することにより、過剰材料層50が存在せず、パッシベーション層60が存在する領域を確実に形成する。ペロブスカイト前駆体液における特定有機化合物の濃度としては、1μmol/L以上5mmol/L以下とされ得る。より好ましい範囲は、50μmol/L以上2mmol/L以下である。高い性能を得るためには、特定有機化合物の表面における被覆率が高い方が好ましく、さらに好ましくは、特定有機化合物が略全面(例えば、90%以上の領域など)とすることで、正孔輸送層形成化合物による電子輸送の阻害を抑制できる。一方で、被覆率の向上のため、特定有機化合物の濃度をあげると、ペロブスカイト化合物内に取り込まれ不純物として働き、再結合が生じやすくなったり、また、複数層を形成すると抵抗となるため、性能を低下させる恐れがある。そのため、正孔輸送層形成化合物と同様に、分子長を単分子膜の単位ユニット(格子定数)と仮定し、塗布面積辺りの特定有機化合物の数を見積もり、それより塗布膜に含まれる特定有機化合物の数が少なくなるように濃度を決定している。特定有機化合物がイオン性材料である場合、特定有機化合物を含むイオンにて分子量を決定する。
パッシベーション層60と過剰材料層50にて、光電変換層40表面全体を被覆していない場合もある。その場合、追加で別途パッシベーション層を製膜してもよい。追加のパッシベーション層としては、有機化合物により溶液で製膜されてもいいし、フッ化リチウムや二フッ化マグネシウムなど無機材料を蒸着法にて製膜されてもよい。
The specific organic compound aggregates in a film shape on the surface of the coating film of the perovskite precursor liquid, and partially covers the surface of the layer of the perovskite compound (photoelectric conversion layer 40) generated from the perovskite precursor, thereby forming a
There are cases where the
有機塩酸塩は、ペロブスカイト化合物の結晶化を促進し、ペロブスカイト結晶の粒径を大きくする機能を有するものがある。例えば、メチルアンモニウム塩酸塩(MACl)、ホルムアミジニウム塩酸塩(FACl)、メチレンジアミニウム塩酸塩(MDACl2)などがあげられる。これらの有機塩酸塩は、有機部のみ、ペロブスカイト結晶内に残り、塩酸部は結晶粒を結合させる働きをする。これにより、光電変換層40の中の粒界の面積を小さくし、ペロブスカイト結晶の間における不純物の発生を抑制し、高い光電変換効率を実現することができる。塩酸塩以外の部分に関しては、ペロブスカイト結晶の結晶格子以下のサイズであり、アミノ基を有することが好ましい。ペロブスカイト前駆体液における塩酸塩の濃度としてはペロブスカイト化合物の結晶の中心(Bサイト)に配置される金属イオンのモル濃度に対して0.05mol%以上40mol%以下とされ得る。アルキル金属を含む塩化物でも似たような効果をもたらす場合がある。例えば、塩化セシウム(CsCl)、塩化ルビジウム(RbCl)があげられる。
Some organic hydrochlorides have the function of promoting the crystallization of the perovskite compound and increasing the grain size of the perovskite crystal. Examples include methylammonium hydrochloride (MACl), formamidinium hydrochloride (FACl), and methylenediaminium hydrochloride (MDACl 2 ). In these organic hydrochlorides, only the organic portion remains in the perovskite crystal, and the hydrochloric acid portion functions to bond the crystal grains. This reduces the area of the grain boundaries in the
ステップS3の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の塗膜から溶媒を揮発させて塗膜を乾燥させることにより、ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する。これにより、ペロブスカイト化合物を主体とする光電変換層40が形成され、正孔輸送層30、過剰材料層50およびパッシベーション層60を固定する。また、ペロブスカイト化合物の結晶が成長すると、ペロブスカイト化合物の結晶粒の間には、過剰な金属Bおよび金属化合物を含む不純物膜41が形成される。ペロブスカイト化合物の結晶は、表面側(第1電極層20と反対側)から成長するので、不純物膜41も表面側から第1電極層20に向かって成長する。ペロブスカイト前駆体液の膜におけるペロブスカイト化合物の結晶の生成を促進する方法としては、例えば貧溶媒クエンチング、真空クエンチング、ガスクエンチング、レーザー処理等を採用することができる。ペロブスカイト化合物の結晶化が速すぎると、特定有機化合物が、表面に到達する前に結晶成長を終えてしまうため、十分に表面に成長しやすくするために、ペロブスカイト化合物の結晶化を遅く進行させることが好ましい。この観点では、真空クエンチングやガスクエンチングがより好ましい。ステップS3の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の乾燥塗膜をさらに加熱してもよい。有機塩酸塩の塩酸部を取り除く手法としては、加熱が望ましい。
In the crystallization process of step S3, the solvent is evaporated from the coating of the perovskite precursor liquid to dry the coating, and the perovskite precursor is reacted to generate crystals of the perovskite compound. This forms a
ステップS4の電子輸送層形成工程では、例えば塗布法や真空蒸着法等の方法により電子輸送層70を形成する。電子輸送層70の上に真空蒸着法や原子堆積法によってホールブロック層を形成してもよい。
In the electron transport layer formation step S4, the
ステップS5の第2電極形成工程では、形成材料に応じて、スパッタリング法、真空蒸着法、めっき法、塗布法等の方法により第2電極層80を形成する。
In the second electrode formation process of step S5, the
以上のように、本発明の一実施形態に係るペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト前駆体と、正孔輸送層形成化合物と、特定有機化合物とを含むため、1回の塗工により第1電極層20の上に正孔輸送層30と光電変換層40とを同時に形成しつつ、光電変換層40の表面にパッシベーション層60を形成し、光電変換層40が電子の伝達を阻害する過剰材料層50で完全に覆われることを防止できる。このため、本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法は、比較的高い光電変換効率を有する太陽電池1を容易に製造できる。
As described above, the perovskite precursor liquid according to one embodiment of the present invention contains a perovskite precursor, a hole transport layer forming compound, and a specific organic compound, and therefore a
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態に係る太陽電池101の構成を示す模式断面図である。太陽電池101は、板状またはシート状の基材110と、基材110の一方(図3の下側)の主面に積層される第1電極層120と、第1電極層120の一方側の面に積層される正孔輸送層130と、正孔輸送層130の一方側の面に積層される光電変換層140と、光電変換層140の一方側の面に部分的に積層される過剰材料層150と、光電変換層140の一方側の面の過剰材料層150の不存在領域に積層されるパッシベーション層160と、過剰材料層150およびパッシベーション層160の一方側に積層される電子輸送層170と、電子輸送層170の一方側に積層される第2電極層180と、を備える。
[Second embodiment]
3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a
基材110は、他の層を支持し、太陽電池101の強度を担保する構造体である。太陽電池101が基材110の側から受光する場合、基材110は透明な材料から形成される。具体的には、基材110は、ガラス、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂などから形成され得る。また、太陽電池101が第2電極層180の側から受光する場合、基材110は、金属層を含む複合材等から形成されてもよい。
The
第1電極層120は、正孔輸送層130を通して光電変換層140で生成された正孔を収集して外部に出力する。第1電極層120は、導電性および光透過性を有する透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conductive Oxide)により形成され得る。第1電極層120を形成する透明導電性酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタンおよびそれらの複合酸化物等を用いることができる。これらの中でも、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン等を主成分とするインジウム系複合酸化物、またはフッ素ドープ酸化錫が好ましい。高い導電率と透明性の観点からは、インジウム酸化物が特に好ましい。第1電極層120は、正孔輸送層130の成形性を向上するために、例えばオゾン処理等の表面処理がなされることが好ましく、表面に例えば酸化ニッケル、酸化ニオブ等を主成分とするp型酸化物半導体の層を有する多層の構造を有してもよい。
The
正孔輸送層130は、自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayers)を形成する正孔輸送層形成化合物の膜から形成される。正孔輸送層130は、光電変換層140で生成される正負の光キャリア(正孔および電子)のうち、正孔のみを第1電極層120に伝達する。正孔輸送層形成化合物は、正孔を伝達しやすいように、最高被占軌道が、光電変換を行うペロブスカイト化合物の価電子帯と近いことが好ましく、また、電子をブロックするために、最低空軌道が伝導帯より小さいことが好ましい。正孔輸送層130を形成する正孔輸送層形成化合物としては、カルバゾール系、フェノチアジン系、ジメチルアクリジン系等を正孔輸送可能な機能性官能基、とリン酸およびカルボン酸をはじめとする基板と化学結合をする自己組織化末端基があることが好ましい。正孔輸送層130にパッシベーション性を付与するために、機能性官能基と自己組織化末端基の間には、アルキル鎖などの直鎖状構造を有することが好ましい。アルキル鎖は、炭素鎖4以上であることが好ましい。具体的には、正孔輸送層130を形成する正孔輸送層形成化合物としては、例えばMe-4PACz([4-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid)、MeO-4PACz([4-(3,6-Dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid)、DMAcPA((4-(2,7-dibromo-9,9-dimethylacridin-10(9H)-yl)butyl)phosphonic acid)等が挙げられる。
The
光電変換層140は、光電変換を行うペロブスカイト化合物を含み、入射光を吸収して光キャリアを生成する。光電変換層140に含まれるペロブスカイト化合物としては、アルカリ金属(Am)、1価の有機アンモニウムイオンおよびアミジニウム系イオンのうちの少なくとも1種を含む有機原子A、2価の金属イオンを生成する金属原子B、およびヨウ化物イオンI、臭化物イオンBr、塩化物イオンCl、およびフッ化物イオンFのうちの少なくとも1種を含むハロゲン原子Xを含み、ABX3で表される化合物を用いることができる。Aサイトのアルカリ金属としては、カリウムK、セシウムCs、ルビジウムRb等が挙げられ、有機原子Aとしては、メチルアンモニウムMA(CH3NH3)、ホルムアミジニウムFA(CH3N2)等が挙げられる。金属原子Bとしては、鉛Pb、錫Snが挙げられ、鉛を主体とすることが好ましい。ハロゲン原子Xとしてはヨウ化物I、臭化物Brおよび塩化物Clのうちの少なくとも1つが好ましい。
The
具体的に、好ましいペロブスカイト化合物としては、例えばMAPbI3、MAPbBr3、MAPbCl3等のメチルアンモニウムハロゲン化鉛(MAPbX3)、およびFAPbI3、FAPbBr3、FAPbCl3等のホルムアミジニウムハロゲン化鉛(FAPbX3)が挙げられる。なお、ハロゲン原子Xとしては複数種類を含んでもよい。メチルアンモニウム、ホルムアミジニウムを両方含んだ形である、FAyMA1-yPbX3であってもよい。また、アルカリ金属を含む場合、AmyFAzMA1-y-zPbIX、AmyFA1-yPbIX等があげられる。Amは、Cs、Rb、Kの単一種であっても、複数種類を含んでもよい。(y、zは任意の正の整数)。 Specifically, preferred perovskite compounds include methylammonium lead halides (MAPbX 3 ) such as MAPbI 3 , MAPbBr 3 , and MAPbCl 3 , and formamidinium lead halides (FAPbX 3 ) such as FAPbI 3 , FAPbBr 3 , and FAPbCl 3. The halogen atom X may include multiple types. It may be FA y MA 1-y PbX 3 , which contains both methylammonium and formamidinium. In addition, when an alkali metal is included, examples include Am y FA z MA 1-y-z PbIX and Am y FA 1-y PbIX. Am may be a single type of Cs, Rb, or K, or may include multiple types. (y and z are any positive integers).
光電変換層140は、ペロブスカイト化合物の結晶の粒界に、Pb、PbI2、PbBr2、PbCl2,といったペロブスカイト化合物中の金属原子のハロゲン化物を含む不純物膜141を有することが好ましい。このような不純物膜141を形成するために、ペロブスカイト化合物中の金属Bは、鉛Pbであることが好ましい。光電変換層140が金属原子Bおよび金属化合物を含む不純物膜141を有することにより、光電変換層140の形成時に正孔輸送層130を形成する正孔輸送層形成化合物およびパッシベーション層160を形成する材料がペロブスカイト化合物の結晶の粒界に取り残されることを抑制し、光電変換効率を向上できる。
The
過剰材料層150は、正孔輸送層130を形成するものと同じ正孔輸送層形成化合物から形成される。正孔輸送層130として用いられる正孔輸送層形成化合物は、電子輸送をブロックするために、ペロブスカイト化合物の伝導帯より最低空軌道としているため、電子輸送層に電子が到達されづらくなり、抵抗としてふるまう。理想的には、過剰材料層150が形成されないことが好ましいが、正孔輸送層130と光電変換層140を同一プロセスで形成する場合、第1電極層120の全面を覆う切れ間のない正孔輸送層130を形成するためには、正孔輸送層形成化合物をわずかに多めに配合することが必要であり、正孔輸送層形成化合物の過剰分が過剰材料層150を形成する。TCO表面における正孔輸送層形成化合物の成長状態を正確に把握することは難しいため、ここでは簡易に、分子長を単分子膜の単位ユニット(格子定数)と仮定し、塗布面積辺りの正孔輸形成化合物の数を見積もり、それより塗布膜に含まれる正孔輸形成化合物の数が多くなるように濃度を決定している。
The
パッシベーション層160は、光電変換層140との界面における光キャリアの再結合を防止して、電子輸送層170への電子の到達を促進する。また、パッシベーション層160は、過剰材料層150と光電変換層140の表面を取り合うように形成され、過剰材料層150が光電変換層140の全面を覆って光電変換効率を低下させることを防止する。パッシベーション層160は、ピペラジン化合物を含み、光電変換層140を形成するために使う溶媒であるジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチルピロリドン(NMP)、γ―ブチロラクタン(GBL)、アセトニトリル等の非プロトン極性溶媒を含む溶媒に対して室温にて難溶性を示しやすいため、過剰材料層150に比べ、ペロブスカイト材料の結晶成長に関与しづらく、光電変換層140表面、粒界に析出する。結晶化工程は表面から起こることが知られており、難溶であるピペラジン化合物が先に表面に析出した後に、正孔輸送形成化合物を含むペロブスカイト化合物が析出する。ピペラジン化合物は、表面に析出することによって、パッシベーション性を維持しながら、電子を輸送しやすくなる。特に、ピペラジン化合物のハロゲン化塩を形成し、イオン性材料とすることで、より難溶性が高くなり、表面に析出しやすくなる。また、一方の窒素基に結合するアルキル鎖やフッ素含有有機基などの疎水基を有することで、より表面への析出を促進できる。フッ素含有有機基としては、フッ化アルキル基であることが好ましい。ここで、「ピペラジン化合物」とは、次の化学式1~3により表されるピペラジンおよびピペラジン誘導体(ハロゲン化塩を含む)の少なくともいずれかであって、これらの複数種の混合物であってもよい。なお、式中のR1~R8は水素または任意の置換基、RA1~RA4は水素またはアルキル基、Xはハロゲンである。ピペラジン化合物の表面への析出は、飛行時間型二次イオン質量分析法によって確認できる。
The
具体的なピペラジン誘導体としては、例えば、Piperazine-1,4-diium Iodide、piperazinium iodide、Pentylpiperazine hydrochloride、1-(2-Fluoroethyl)piperazine dihydrochlorideがあげられる。 Specific examples of piperazine derivatives include piperazine-1,4-diium iodide, piperazineinium iodide, pentylpiperazine hydrochloride, and 1-(2-fluoroethyl) piperazine dihydrochloride.
パッシベーション層160は、フッ素含有有機化合物をさらに含むことが好ましい。フッ素含有有機化合物は、表面への析出性が高く、電子輸送能力も高い。その一方で、表面エネルギーが低く、その上に成長させる材料との密着性が低い。また、塗布で形成する場合、疎液性を示しやすく、塗工不良を起こす。そのため、特定有機化合物との組み合わせることで、密着性や塗工性を改善できる。
The
フッ素含有有機化合物は、アルキル鎖やベンゼンを含む炭素骨格を有し、部分的に水素がフッ素やトリフルオロメチル基、などに置換された構造を持つことが好ましい。炭素骨格は、フッ素が結合する炭素を連続して含むことがより好ましい。フッ素含有有機化合物が、ベンゼン骨格を有する場合、ベンゼンの6個の水素のうち、5個のいずれかが、フッ素もしくはトリフルオロメチル基に置換され、1個が末端となる親液基とつながっていることが好ましい。フッ素およびトリフルオロメチル基の置換数が多い程、疎液性が高くなり、選択的に表面に配向する効果が大きくなる。そのため、フッ素で置換される場合、末端につながる1個以外の水素すべてがフッ素に置換された5フッ化ベンゼンの構造を持つことが好ましい。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、先端がトリフルオロメチル基もしくはフッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基、末端が親液基となっていることが好ましい。フッ素を含む先端が電子輸送層側、親液基を含む末端がペロブスカイト表面側に配向する。先端、末端を除く直鎖上の骨格が炭素数1個以上17個以下であることが好ましい。さらに好ましくは、炭素数5個以上炭素数16個以下である。フッ素含有有機化合物は、自己組織化によるパッシベーション層160の形成を促進するために、アルキル鎖は長くなるほど配向性が向上し、パッシベーション性が向上する一方、絶縁性が高くなってしまい、導電性が低下してしまう。そのため、上限以上のアルキル鎖を付与することで十分な配向を持たせることができ、下限以下であることで、パッシベーション性と導電性を両立できる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有し、先端がトリフルオロメチル基の場合、先端から続くアルキル鎖は、フッ化された炭素を連続して含んでいることが好ましい。より好ましくは、末端に隣接する1個もしくは2個の炭素を除き、全てフッ化していることが好ましい。連続してフッ化していることで、疎液性が上がり、表面により選択的に析出させることで、パッシベーション層160の形成を促進できる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合の別の例として、ポリマー構造が挙げられる。部分的にフッ素化されたポリマー構造は、多くのフッ素を含むことで、フッ素を含む先端が電子輸送層側、親液基を含む末端がペロブスカイト表面側に配向するものとは異なり、平面的に表面に配向しやすくなる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有し、先端がフッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基の場合、上記同様、フッ素およびトリフルオロメチル基の置換数が多い程、効果が大きくなる。そのため、フェニル基の水素がフッ素に置換される場合、5フッ化ベンゼンであることが好ましい。また、フッ素およびトリフルオロメチル基を有するフェニル基とアルキル鎖が両立することで、ベンゼン骨格のみ場合に比べ、より選択的に表面への析出を促進することができる。また、フッ素含有有機化合物は、末端に、親液基、具体的にはアミノ基、ヒドラジン基、トリアルキルアミノ基、リン酸基、ホスホン酸基、ヒドロキシル基、カルボキシル基およびスルホニル基、並びにこれらのイオン化物のうち、少なくとも1つ以上を有することが好ましい。これらは、光電変換層140を作る溶媒である、非プロトン性極性溶媒に対して、親液性を有し、疎液性であるフッ素を含有する骨格と組み合わせることで、乾燥工程の前の段階から光電変換層140の表面上に位置させることができる。直鎖上の骨格、または親液基、またその両方を有することで、各フッ素含有有機化合物が整列しやすく、薄く、均一な膜を形成でき、シリーズ抵抗を軽減できる。これらの末端は、イオン化することで、ペロブスカイト層表面のヨウ素欠陥、鉛欠陥、ハロゲン欠陥といった欠陥を補うことで、性能を向上させる効果を有する。またフッ素含有有機化合物は、複数種であってもよい。また、溶媒中にてこれらの末端基は、イオン化していてもよい。フッ素含有有機化合物は、ペロブスカイト層表面のヨウ素欠陥、鉛欠陥、ハロゲン欠陥など異なる電荷をもって存在する欠陥を補うために、陽イオン化する末端基と陰イオン化する末端基の両方を有することがより好ましい。陽イオン化する末端基と陰イオン化する末端基の両方を有する末端として、ホスホコリン基やカルバミン酸基があげられる。
The fluorine-containing organic compound preferably has a carbon skeleton containing an alkyl chain or benzene, and has a structure in which hydrogen is partially replaced by fluorine or a trifluoromethyl group. It is more preferable that the carbon skeleton contains consecutive carbons to which fluorine is bonded. When the fluorine-containing organic compound has a benzene skeleton, it is preferable that any of the six hydrogens of benzene are replaced by fluorine or a trifluoromethyl group, and one is connected to a lyophilic group at the end. The greater the number of fluorine and trifluoromethyl group replacements, the higher the lyophobicity becomes, and the greater the effect of selectively orienting to the surface. Therefore, when replaced by fluorine, it is preferable to have a structure of pentafluorinated benzene in which all hydrogens except one connected to the end are replaced by fluorine. When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, it is preferable that the tip is a trifluoromethyl group or a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group, and the end is a lyophilic group. The tip containing fluorine is oriented toward the electron transport layer side, and the end containing the lyophilic group is oriented toward the perovskite surface side. It is preferable that the straight chain skeleton excluding the tip and end has 1 to 17 carbon atoms. More preferably, the number of carbon atoms is 5 or more and 16 or less. In order to promote the formation of the
具体的なフッ素含有有機化合物としては、フッ素およびトリフルオロメチル基に置換されたベンゼン骨格を持つものとして、4-フルオロフェネチルアミンよう化水素酸塩(FPEAI)、4-(3フッ化メチル)フェニルアンモニウムよう化水素酸塩、2,6-ジフルオロアニリン、3,4,5-トリフルオロアニリン、五フッ化フェニルホスホン酸(5FPAc)、五フッ化フェニルヒドラジン(5FPHZ)、5フッ化ベンゼンーアミノーカルボン酸(カルバミン酸)ヨウ化水素塩などが挙げられる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、先端がトリフルオロメチル基をもち、親液性末端を持つものとして、1H、1H-ウンデカフロオロヘキシルアミン(CF3(CF2)4CH2NH2)、1H,1H-ペンタデカフルオロオクチルアミン(CF3(CF2)6CH2NH2)、(フッ化)Fos-Choline-8(登録商標:C13H17F13NO4P)、2,2,2-トリフルオロエチルアミン(CF3CH2NH2)、3,3,4,4,5,5,6,6-ノナフルオロヘキシルホスホン酸(FHPA)、ポリマー構造を持つものとして、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、などを挙げることができる。フッ素含有有機化合物が、アルキル鎖骨格を有する場合、フッ素やトリフルオロメチル基を含むフェニル基をもつものとして、5フッ化フェノキシドデシルホスホン酸(12-Pentafluorophenoxydodecylphosphonic acid:C18H26F5O4P)、などが挙げられる。フッ素含有有機化合物がパッシベーション層として表面に析出していることは、接触角を見ることで確認できる。例えば、クロロベンゼンによって評価すると、直鎖状のフルオロアルキル鎖、親液性の高い1H、1H-ウンデカフロオロヘキシルアミン、(フッ化)Fos-Choline-8などは少量の添加にて接触角が高くなる。 Specific examples of fluorine-containing organic compounds include those having a benzene skeleton substituted with fluorine and a trifluoromethyl group, such as 4-fluorophenethylamine hydroiodide (FPEAI), 4-(trifluoromethyl)phenylammonium hydroiodide, 2,6-difluoroaniline, 3,4,5-trifluoroaniline, pentafluorophenylphosphonic acid (5FPAc), pentafluorophenylhydrazine (5FPHZ), and pentafluorobenzene-amino-carboxylic acid (carbamic acid) hydroiodide. When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, examples of compounds having a trifluoromethyl group at the end and a lyophilic end include 1H,1H-undecafluorohexylamine ( CF3 ( CF2 ) 4CH2NH2 ) , 1H,1H-pentadecafluorooctylamine ( CF3 ( CF2 ) 6CH2NH2 ), (fluorinated) Fos-Choline- 8 (registered trademark: C13H17F13NO4P ), 2,2,2 - trifluoroethylamine ( CF3CH2NH2 ), and 3,3,4,4,5,5,6,6 - nonafluorohexylphosphonic acid (FHPA), and examples of compounds having a polymer structure include polyvinylidene fluoride (PVDF). When the fluorine-containing organic compound has an alkyl chain skeleton, an example of a compound having a phenyl group containing fluorine or a trifluoromethyl group is 12-pentafluorophenoxydodecylphosphonic acid (C 18 H 26 F 5 O 4 P). It can be confirmed by observing the contact angle that the fluorine-containing organic compound is deposited on the surface as a passivation layer. For example, when evaluated with chlorobenzene, the contact angle increases with the addition of a small amount of a linear fluoroalkyl chain, 1H,1H-undecafluorohexylamine, (fluorinated)Fos-Choline-8, etc., which have high lyophilicity.
電子輸送層170は、電子を選択的に透過して第2電極層180に伝達する。電子輸送層170は、例えば、フラーレン等を主体とする材料から形成される。フラーレンとしては、例えばC60、C70、これらの水素化物、酸化物、金属錯体、アルキル基等を付加した誘導体、例えば、PCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)などが挙げられる。また、電子輸送層170と第2電極層180の間に、ホールブロック層であるパソクプロイン(BCP)、フッ化リチウム(LiF)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)を含んでいてもよい。無機酸化物層は別の金属材料をドープしてもよい。
The
第2電極層180は、太陽電池101が基材110の側から受光する場合、電気抵抗を小さくするために、例えば銅等から形成される金属層を含むことが好ましい。また、太陽電池101が第2電極層180の側から受光する場合、第2電極層180は透明導電性酸化物から形成され得る。
When the
以上の構成を有する太陽電池101は、図4に示す本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法によって製造される。本実施形態の太陽電池製造方法は、第1電極層形成工程(ステップS11)と、前駆体液塗工工程(ステップS12)と、結晶化工程(ステップS13)と、電子輸送層形成工程(ステップS14)と、第2電極層形成工程(ステップS15)と、を備える。
The
ステップS11の第1電極層形成工程では、基材110の一方側の主面に第1電極層120を形成する。第1電極層120は、例えばスパッタリング法等の真空製膜技術を用いて積層され得る。また、第1電極層工程では、次工程での正孔輸送層130の形成を促進するために、製膜した第1電極層120の表面を改質することが好ましい。具体的な第1電極層120の表面改質方法としては、例えば、紫外線―オゾン処理やオゾン水洗浄による表面の水酸化、また自己組織化膜が成長しやすい酸化ニッケルをはじめとする酸化物をスパッタリング法等の真空製膜技術による製膜、酸化物ナノパーティクルの塗布技術による製膜、自己組織化膜が成長しやすいように表面の活性化および不純物の除去を行う加熱処理などがあげられる。
In the first electrode layer forming process of step S11, the
ステップS12の前駆体液塗工工程では、第1電極層120にペロブスカイト前駆体液を塗工する。ペロブスカイト前駆体液の塗工は、例えばダイコーター、バーコーター等を用いて行うことができる。前駆体液塗工工程において塗工されるペロブスカイト前駆体液は、それ自体が本発明に係るペロブスカイト前駆体液の一実施形態である。
In the precursor liquid application process of step S12, the perovskite precursor liquid is applied to the
ペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、ピペラジン化合物と、を含む。また、ペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト化合物の結晶の成長を促進する塩酸塩をさらに含むことが好ましい。 The perovskite precursor liquid contains a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer that has hole selective permeability, and a piperazine compound. In addition, the perovskite precursor liquid preferably further contains a hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
溶媒としては、例えばDMF、DMSO、NMP、GBL、アセトニトリル等の極性非プロトン性溶媒が、単独または複数種類の混合液として用いられ、さらに他の種類の溶媒を含んでもよい。 The solvent may be a polar aprotic solvent such as DMF, DMSO, NMP, GBL, or acetonitrile, either alone or in a mixture of multiple types, and may further contain other types of solvents.
ペロブスカイト前駆体としては、ハロゲン化金属BX、ハロゲン化有機化合物もしくはハロゲン化アルカリ金属で構成されるAXとが所定の割合で用いられる。金属原子Bのモル濃度は、有機化合物のモル濃度とアルカリ金属のモル濃度との和に対して0.5mol%以上10mol%以下過剰であることが好ましい。これにより、結晶化工程において他の材料をペロブスカイト前駆体液の表裏の界面に追い出し、生成されるペロブスカイト化合物の結晶の間に形成される不純物膜141の中に他の材料が取り残されることを抑制し、他の材料の残留による光電変換効率の低下を抑制できる。
As the perovskite precursor, a metal halide BX and AX composed of an organic halide or an alkali metal halide are used in a predetermined ratio. The molar concentration of the metal atom B is preferably 0.5 mol% to 10 mol% in excess of the sum of the molar concentration of the organic compound and the molar concentration of the alkali metal. This expels other materials to the front and back interfaces of the perovskite precursor liquid in the crystallization process, suppresses other materials from being left behind in the
正孔輸送層形成化合物としては、上述のように、正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する材料が用いられる。ペロブスカイト前駆体液が第1電極層120の上に塗工されると、正孔輸送層形成化合物は、第1電極層120との界面に優先的に自己組織化して膜(正孔輸送層130)を形成する。第1電極層120との界面に膜を形成した残りの正孔輸送層形成化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面(第1電極層120と反対側)にも自己組織化して膜(過剰材料層150)を形成する。ペロブスカイト前駆体液における正孔輸送層形成化合物の濃度としては、0.1mmol/L以上5.0mmol/L以下とされ得る。濃度が0.5mmol/L以上2.0mmol/L以下がより好ましい。基板表面を被覆できる範囲で、濃度は低い方が過剰材料層150の形成を抑制することができる。
As described above, the hole transport layer forming compound is a material that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability. When the perovskite precursor liquid is applied onto the
ピペラジン化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面に膜状に凝集し、ペロブスカイト前駆体から生成されるペロブスカイト化合物の層(光電変換層140)の表面を部分的に覆うことにより、光電変換層140の界面における光キャリア(正孔および電子)の再結合を抑制するパッシベーション層160を形成する。また、ピペラジン化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面において、優先的に析出するため、正孔輸送層形成化合物の膜の成長を阻害することにより、過剰材料層150が存在せず、パッシベーション層160が存在する領域を確実に形成する。ペロブスカイト前駆体液におけるピペラジン化合物の濃度としては、1μmol/L以上5mmol/Lとされ得る。より好ましい範囲は、50μmol/L以上2mmol/L以下である。高い性能を得るためには、ピペラジン化合物の表面における被覆率が高い方が好ましく、さらに好ましくは、ピペラジン化合物が略全面(例えば、90%以上の領域など)とすることで、正孔輸送層による電子輸送の阻害を抑制できる。一方で、被覆率の向上のため、ピペラジン化合物の濃度をあげると、ペロブスカイト化合物内に取り込まれ不純物として働き、再結合が生じやすくなったり、また、複数層を形成すると抵抗となるため、性能を低下させる恐れがある。そのため、正孔輸送層形成化合物と同様に、分子長を単分子膜の単位ユニット(格子定数)と仮定し、塗布面積辺りのピペラジン化合物の数を見積もり、それより塗布膜に含まれるピペラジン化合物の数が少なくなるように濃度を決定している。ピペラジン化合物がイオン性材料である場合、ピペラジン環を含むイオンにて分子量を決定する。
The piperazine compound aggregates in a film on the surface of the coating of the perovskite precursor liquid, partially covering the surface of the layer of the perovskite compound (photoelectric conversion layer 140) generated from the perovskite precursor, thereby forming a
塩酸塩は、ペロブスカイト化合物の結晶化を促進し、ペロブスカイト結晶の粒径を大きくする。これにより、光電変換層140の中の粒界の面積を小さくし、ペロブスカイト結晶の間の不純物による光電変換効率低下を抑制する。塩酸塩としては、メチルアンモニウム塩酸塩(MACl)、ホルムアミジニウム塩酸塩(FACl)、メチレンジアミニウム塩酸塩(MDACl2)。塩酸塩以外の部分に関しては、ペロブスカイト結晶の結晶格子以下のサイズであり、アミノ基を有することが好ましい。ペロブスカイト前駆体液における塩酸塩の濃度としてはペロブスカイト化合物の結晶の中心(Bサイト)に配置される金属イオンのモル濃度に対して0.05mol%以上40mol%以下とされ得る。アルキル金属を含む塩化物でも似たような効果をもたらす場合がある。例えば、塩化セシウム(CsCl)、塩化ルビジウム(RbCl)があげられる。
The hydrochloride promotes the crystallization of the perovskite compound and increases the grain size of the perovskite crystal. This reduces the area of the grain boundaries in the
ステップS13の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の膜を乾燥(溶媒を揮発)させることにより、ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する。これにより、ペロブスカイト化合物を主体とする光電変換層140が形成され、正孔輸送層130、過剰材料層150およびパッシベーション層160を固定する。また、ペロブスカイト化合物の結晶が成長すると、ペロブスカイト化合物の結晶粒の間には、過剰な金属Bおよび金属化合物を含む不純物膜141が形成される。ペロブスカイト化合物の結晶は、表面側(第1電極層120と反対側)から成長するので、不純物膜141も表面側から第1電極層120に向かって成長する。ペロブスカイト前駆体液の膜におけるペロブスカイト化合物の結晶の生成を促進する方法としては、例えば貧溶媒クエンチング、真空クエンチング、ガスクエンチング、レーザー処理等を採用することが好ましい。表面から結晶化が始まる貧溶媒クエンチング、真空クエンチング、ガスクエンチングがより好ましい。さらに、パッシベーション層をペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面側に均一に成長しやすくするためには、パッシベーション層の析出に対して、ペロブスカイト化合物の結晶化を遅く進行させることが好ましい。この観点では、真空クエンチングやガスクエンチングがより好ましい。ステップS13の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の乾燥塗膜をさらに加熱してもよい。
In the crystallization process of step S13, the film of the perovskite precursor liquid is dried (the solvent is evaporated) to react the perovskite precursor to generate crystals of the perovskite compound. This forms a
ステップS14の電子輸送層形成工程では、例えば塗布法や真空蒸着法等の方法により電子輸送層170を形成する。電子輸送層170の上に真空蒸着法や原子堆積法によってホールブロック層を形成してもよい。
In step S14, the electron transport layer formation process, the
ステップS15の第2電極層形成工程では、形成材料に応じて、スパッタリング法、真空蒸着法、めっき法、塗布法等の方法により第2電極層180を形成する。
In the second electrode layer formation process of step S15, the
以上のように、本発明の一実施形態に係るペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト前駆体と、正孔輸送層形成化合物と、ピペラジン化合物とを含むため、1回の塗工により第1電極層120の上に正孔輸送層130と光電変換層140とを同時に形成しつつ、光電変換層140の表面にパッシベーション層160を形成し、光電変換層140が電子の伝達を阻害する過剰材料層150で完全に覆われることを防止できる。このため、本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法は、比較的高い光電変換効率を有する太陽電池101を容易に製造できる。
As described above, the perovskite precursor liquid according to one embodiment of the present invention contains a perovskite precursor, a hole transport layer forming compound, and a piperazine compound, and therefore a
[第3実施形態]
図5は、本発明の第3実施形態に係る太陽電池101の構成を示す模式断面図である。太陽電池201は、板状またはシート状の基材210と、基材210の一方(図5の下側)の主面に積層される第1電極層220と、第1電極層220の一方側の面に積層される正孔輸送層230と、正孔輸送層230の一方側の面に積層される光電変換層240と、光電変換層240の一方側の面に部分的に積層される過剰材料層250と、光電変換層240の一方側の面の過剰材料層250の不存在領域に積層されるパッシベーション層260と、過剰材料層250およびパッシベーション層260の一方側に積層される電子輸送層270と、電子輸送層270の一方側に積層される第2電極層280と、を備える。
[Third embodiment]
5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a
基材210は、他の層を支持し、太陽電池201の強度を担保する構造体である。太陽電池201が基材210の側から受光する場合、基材210は透明な材料から形成される。具体的には、基材210は、ガラス、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂などから形成され得る。また、太陽電池201が第2電極層280の側から受光する場合、基材210は、金属層を含む複合材等から形成されてもよい。
The
第1電極層220は、正孔輸送層230を通して光電変換層240で生成された正孔を収集して外部に出力する。第1電極層220は、導電性および光透過性を有する透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conductive Oxide)により形成され得る。第1電極層220を形成する透明導電性酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタンおよびそれらの複合酸化物等を用いることができる。これらの中でも、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化モリブデン等を主成分とするインジウム系複合酸化物、またはフッ素ドープ酸化錫が好ましい。高い導電率と透明性の観点からは、インジウム酸化物が特に好ましい。第1電極層220は、正孔輸送層230の成形性を向上するために、例えばオゾン処理等の表面処理がなされることが好ましく、表面に例えば酸化ニッケル、酸化ニオブ等を主成分とするp型酸化物半導体の層を有する多層の構造を有してもよい。
The
正孔輸送層230は、正孔を輸送(選択的に透過)し得る自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayers)を形成する正孔輸送層形成化合物の膜から形成される。正孔輸送層230は、光電変換層240で生成される正負の光キャリア(正孔および電子)のうち、正孔を第1電極層220に伝達する。正孔輸送層形成化合物は、正孔を伝達しやすいように、最高被占軌道が、光電変換を行うペロブスカイト化合物の価電子帯と近いことが好ましく、また、電子をブロックするために、最低空軌道が伝導帯より小さい(真空準位に近い)ことが好ましい。正孔輸送層230を形成する正孔輸送層形成化合物としては、カルバゾール系、フェノチアジン系、ジメチルアクリジン系等を正孔輸送可能な機能性官能基、とリン酸およびカルボン酸をはじめとする基板と化学結合をする自己組織化末端基があることが好ましい。正孔輸送層230にパッシベーション性を付与するために、機能性官能基と自己組織化末端基の間には、アルキル鎖などの直鎖状構造を有することが好ましい。アルキル鎖は、炭素鎖4以上であることが好ましい。具体的には、正孔輸送層230を形成する正孔輸送層形成化合物としては、例えばMe-4PACz([4-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid))、Me-6PACz([6-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic Acid))等が挙げられる。
The
光電変換層240は、光電変換を行うペロブスカイト化合物を含み、入射光を吸収して光キャリアを生成する。光電変換層240に含まれるペロブスカイト化合物としては、1価の有機アンモニウムイオンおよびアミジニウム系イオンのうちの少なくとも1種を含む有機原子団Aと、2価の金属イオンを生成する金属原子Bと、ヨウ化物イオンI、臭化物イオンBr、塩化物イオンCl、およびフッ化物イオンFのうちの少なくとも1種を含むハロゲン原子Xと、を含み、ABX3で表される化合物を用いることができる。また、有機原子団Aの一部または全部をアルカリ金属Amに置換したペロブスカイト化合物も本発明から除外されない。
The
有機原子団Aとしては、メチルアンモニウムMA(CH3NH3)、ホルムアミジニウムFA(CH3N2)等が挙げられる。アルカリ金属Amとしては、カリウムK、セシウムCs、ルビジウムRb等が挙げられる。中でも、アルカリ金属Amとしては、太陽電池201の発電効率を重視する場合セシウムCs、ルビジウムRbが好ましく、コストや入手性の観点からはセシウムCsが特に好ましい。金属原子Bとしては、鉛Pb、錫Snが挙げられる。必要とされるバンドギャップに応じて、鉛と錫の量は調整される。ハロゲン原子Xとしてはヨウ化物I、臭化物Brおよび塩化物Clのうちの少なくとも1つが好ましい。
Examples of the organic atomic group A include methylammonium MA (CH 3 NH 3 ) and formamidinium FA (CH 3 N 2 ). Examples of the alkali metal Am include potassium K, cesium Cs, and rubidium Rb. Among them, when the power generation efficiency of the
具体的に、好ましいペロブスカイト化合物としては、例えばMAPbI3、MAPbBr3、MAPbCl3等のメチルアンモニウムハロゲン化鉛(MAPbX3)、およびFAPbI3、FAPbBr3、FAPbCl3等のホルムアミジニウムハロゲン化鉛(FAPbX3)が挙げられる。なお、ハロゲン原子Xとしては複数種類を含んでもよく、有機原子団Aとしてメチルアンモニウム、ホルムアミジニウムを両方含んだFAyMA1-yPbX3であってもよい。また、アルカリ金属Amを含む場合、AmyFAzMA1-y-zPbIX、AmyFA1-yPbIX等が挙げられる。Amは、Cs、Rb、Kの単一種であっても、複数種類を含んでもよい(なお、y、zは任意の正の整数である)。 Specifically, preferred perovskite compounds include methylammonium lead halides (MAPbX 3 ) such as MAPbI 3 , MAPbBr 3 , and MAPbCl 3 , and formamidinium lead halides (FAPbX 3 ) such as FAPbI 3 , FAPbBr 3 , and FAPbCl 3 . The halogen atom X may include multiple types, and may be FA y MA 1-y PbX 3 containing both methylammonium and formamidinium as the organic atomic group A. In addition, when the alkali metal Am is included, examples include Am y FA z MA 1-y-z PbI X and Am y FA 1-y PbI X. Am may be a single type of Cs, Rb, or K, or may include multiple types (y and z are any positive integers).
過剰材料層250は、正孔輸送層230を形成するものと同じ正孔輸送層形成化合物から形成される。正孔輸送層230として用いられる正孔輸送層形成化合物は、ペロブスカイト化合物の伝導帯より低い(真空準位に近い)最低空軌道を持つため電子輸送がブロックされ、電子輸送層に電子が到達されづらくなり、抵抗としてふるまう。理想的には、過剰材料層250が形成されないことが好ましいが、正孔輸送層230と光電変換層240を同一プロセスで形成する場合、第1電極層220の全面を覆う切れ間のない正孔輸送層230を形成するためには、正孔輸送層形成化合物をわずかに多めに配合することが必要であり、正孔輸送層形成化合物の過剰分が過剰材料層250を形成する。過剰材料層250は正孔輸送層形成化合物だけから構成されてもよく、ペロブスカイト前駆体液に含まれる他の材料を含んでもよい。過剰材料層250における正孔輸送層形成化合物の重量含有率は10%以上であることが好ましく、30%以上であることがより好ましい。過剰材料層250における正孔輸送層形成化合物の重量含有率は90%以下であることが好ましく、70%以下であることがより好ましい。つまり、パッシベーション層が形成されない領域にて、部分的にペロブスカイト化合物が直接電子輸送層と接触することで電子輸送は可能となるが、欠陥を多く含む表面を形成するよりは、正孔輸送層形成化合物がペロブスカイト化合物表面に形成されることで、電子を再度ペロブスカイト化合物層内に追い返す方が好ましい。過剰材料層における正孔輸送層形成化合物の重量含有率は透過型電子顕微鏡観察とエネルギー分散型X線分析などを組み合わせることで測定した過剰材料層の組成をもとに算出することができる。TCO表面における正孔輸送層形成化合物の成長状態を正確に把握することは難しいため、ここでは簡易に、分子長を単分子膜の単位ユニット(格子定数)と仮定し、塗布面積辺りの正孔輸形成化合物の数を見積もり、それより塗布膜に含まれる正孔輸形成化合物の数が多くなるように濃度を決定している。
The
パッシベーション層260は、光電変換層240との界面における光キャリアの再結合を防止して、電子輸送層270への電子の到達を促進する。また、パッシベーション層260は、過剰材料層250と光電変換層240の表面を取り合うように形成され、過剰材料層250が光電変換層240の全面を覆って光電変換効率を低下させることを防止する。パッシベーション層260は、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物を含む。高分子パッシベーション化合物は、高分子でありサイズが大きいため、後述するペロブスカイト前駆体液を用いて光電変換層240を形成する際に、ペロブスカイト結晶内に取り込まれず、表面に優先的に析出する。そのため、過剰材料層250の形成を抑制してパッシベーション層260を形成し得る。パッシベーション層260の形成を確実にするために、高分子パッシベーション化合物の分子量としては、重量平均で5000以上500万以下が好ましい。確実にペロブスカイト化合物に取り込まれないために10000以上がより好ましく、溶媒への溶解度を維持するため、250万以下がより好ましい。また、高分子パッシベーション化合物は、繰り返し単位の中に窒素を含む複素環を有することにより、再結合を防ぐとともに効率よく電子を通過させる。また、高分子パッシベーションハロゲン化物でもよい。窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物は、前駆体液内のハロゲンイオンとの高分子パッシベーション化物を作りやすい。高分子パッシベーションハロゲン化物を作ることで、ペロブスカイト化合物表面の経年劣化で生じるハロゲン欠陥を補うことができるため、太陽電池特性の信頼性を向上させることができる。
The
パッシベーション層260による光電変換層240の被覆率としては、50%以上であれば、効果的に電子輸送が行える。さらに90%以上であれば、その効果が高まるため好ましい。また、99%以下であれば、部分的な高分子パッシベーション化合物の厚膜化で生じる抵抗ロスを軽減できる。さらに、95%以下であれば、より効果的に抵抗ロスを抑制できる。
If the coverage of the
高分子パッシベーション化合物の窒素を含む複素環としては、ピリジン、ピロリドン、フタルイミド、カプロラクタム、イミダゾール、イミダゾリウム、トリアゾール、チアゾール、ピペリジウム、およびそれらの誘導体が好ましい。高分子パッシベーション化合物は、ペロブスカイト化合物よりバンドギャップが大きいことが好ましい。より好ましくは、高分子パッシベーション化合物の最高被占分子軌道がペロブスカイト化合物の価電子帯より大きく(真空準位より遠い)、かつ、高分子パッシベーション化合物の最低空軌道がペロブスカイト化合物の伝導帯より小さい(真空準位に近い)。また、局所的に絶縁性の高いビニル基で構成されるアルキル鎖を有し、伝導性の高い複素環を用いることで、パッシベーション性を維持しながら、キャリアを効率的に運搬できる。 The nitrogen-containing heterocycle of the polymer passivation compound is preferably pyridine, pyrrolidone, phthalimide, caprolactam, imidazole, imidazolium, triazole, thiazole, piperidium, and derivatives thereof. The polymer passivation compound preferably has a larger band gap than the perovskite compound. More preferably, the highest occupied molecular orbital of the polymer passivation compound is larger than the valence band of the perovskite compound (farther than the vacuum level), and the lowest unoccupied molecular orbital of the polymer passivation compound is smaller than the conduction band of the perovskite compound (closer to the vacuum level). In addition, by using a heterocycle having an alkyl chain composed of locally highly insulating vinyl groups and having high conductivity, carriers can be transported efficiently while maintaining passivation properties.
また、ピロリドン、フタルイミド、カプロラクタムは、骨格内に酸素を有しており、ハロゲン化水素イオンと、ピリジン、イミダゾール、イミダゾリウム、トリアゾール、チアゾールを有する骨格では、窒素イオンがハロゲンイオンと、高分子パッシベーションハロゲン化物を作りやすい。そのため、前駆体液からパッシベーション層形成時に、ペロブスカイト化合物形成に使用されないハロゲンイオンを取り込み、部分的に高分子パッシベーションハロゲン化物を作る。高分子パッシベーションハロゲン化物は、ペロブスカイト化合物形成時に表面に発生するハロゲン欠陥を補う役割を果たし、ペロブスカイト化合物表面のパッシベーション性を向上させる。また、完成した太陽電池においても、高分子パッシベーションハロゲン化物は、経年劣化により生じるペロブスカイト化合物表面のハロゲン欠陥を補うことができ、太陽電池特性の信頼性を向上させることができる。そのため、前駆体液のハロゲンイオンXのモル濃度が、ペロブスカイト化合物のAサイトおよびBサイトに関わる材料の少なくとも一方のモル濃度に比べ、1%以上過剰であれば、高分子パッシベーション化合物と効果的にハロゲン化物を形成することができる。さらに3%以上過剰であれば、より効果的にハロゲンイオンを取り込むことができる。また、過剰量が20%以下であることが好ましく、ペロブスカイト化合物内で生じる欠陥形成を抑制できる。さらに過剰量が10%以下であれば、より効果的に抑制できる。また、高分子パッシベーション化合物のハロゲン化物を前駆体に加えることでも、過剰なハロゲンを含む、前駆体液を形成できる。太陽電池形成後のパッシベーション層内の高分子パッシベーションハロゲン化物は、高分子パッシベーション化合物の繰り返し構造の総数のうち、信頼性向上の観点から1%以上形成されていることが好ましい。さらに5%以上形成されることでより、より効果的にペロブスカイト化合物内に生じる欠陥を補うことができる。また、高分子パッシベーションハロゲン化物が、高分子パッシベーション化合物の繰り返し構造の総数のうち、90%以下とすることで立体障害なく、高分子パッシベーション化合物の安定な状態を維持できる。さらに、80%以下であることで、より安定な状態を維持できる。 In addition, pyrrolidone, phthalimide, and caprolactam have oxygen in the skeleton, and in skeletons that have hydrogen halide ions and pyridine, imidazole, imidazolium, triazole, and thiazole, nitrogen ions are likely to combine with halogen ions to form polymer passivation halides. Therefore, when forming the passivation layer from the precursor liquid, halogen ions that are not used in the formation of the perovskite compound are taken in to partially form polymer passivation halides. Polymer passivation halides play a role in compensating for halogen defects that occur on the surface during the formation of the perovskite compound, improving the passivation properties of the perovskite compound surface. In addition, in completed solar cells, polymer passivation halides can also compensate for halogen defects on the surface of the perovskite compound that occur due to aging, improving the reliability of the solar cell characteristics. Therefore, if the molar concentration of halogen ions X in the precursor liquid is 1% or more in excess of at least one of the molar concentrations of the materials related to the A site and the B site of the perovskite compound, it is possible to effectively form a halide with the polymer passivation compound. If it is 3% or more in excess, it is possible to more effectively incorporate halogen ions. In addition, it is preferable that the excess amount is 20% or less, and the formation of defects occurring in the perovskite compound can be suppressed. If the excess amount is 10% or less, it can be more effectively suppressed. In addition, a precursor liquid containing excess halogen can be formed by adding a halide of the polymer passivation compound to the precursor. It is preferable that the polymer passivation halide in the passivation layer after the solar cell is formed is formed in 1% or more of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound from the viewpoint of improving reliability. Furthermore, by forming 5% or more, it is possible to more effectively compensate for defects occurring in the perovskite compound. In addition, by making the polymer passivation halide 90% or less of the total number of repeating structures of the polymer passivation compound, the stable state of the polymer passivation compound can be maintained without steric hindrance. Furthermore, by keeping it below 80%, a more stable state can be maintained.
高分子パッシベーション化合物の繰り返し単位は、アルキル単位とされ得る。つまり、高分子パッシベーション化合物の繰り返し単位は、窒素を含む複素環で置換されたアルキル単位であってもよい。典型例として、高分子パッシベーション化合物は、窒素を含む複素環とビニル基とを有する単量体のビニル重合によって得られるポリビニル骨格を有する化合物とされ得る。つまり、高分子パッシベーション化合物はアルキル鎖の2炭素ごとに窒素を含む複素環が結合したものとされ得る。このように、高分子パッシベーション化合物がアルキル鎖を主鎖とする化合物であることにより、比較適容易にポリマーを合成でき、所望の分子量を得ることができるので、より確実にパッシベーション層260を形成できる。また、アルキル鎖があることで配向制御しやすく、複素環の配列もそろえることができる。さらには、高分子パッシベーション化合物は、窒素を含む複素環やビニル骨格を有する構造以外に、例えば、フッ化アルキル鎖骨格などの他の骨格の繰り返し構造を含んでもよい。例えば、ポリ(ビニルイミダゾール)の骨格の間のアルキル鎖の分岐として、フッ化アルキル鎖を有する骨格を有してもよい。フッ化アルキル鎖は、疎液性を示しやすく、より選択的にペロブスカイト化合物表面へ析出させることができる。
The repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit. That is, the repeating unit of the polymer passivation compound may be an alkyl unit substituted with a nitrogen-containing heterocycle. As a typical example, the polymer passivation compound may be a compound having a polyvinyl skeleton obtained by vinyl polymerization of a monomer having a nitrogen-containing heterocycle and a vinyl group. That is, the polymer passivation compound may be a compound in which a nitrogen-containing heterocycle is bonded to every two carbons of the alkyl chain. In this way, since the polymer passivation compound is a compound having an alkyl chain as the main chain, the polymer can be synthesized relatively easily and the desired molecular weight can be obtained, so that the
窒素を含む複素環で置換されたアルキル単位を繰り返し単位とする高分子パッシベーション化合物としては、例えば、ポリ(ビニルピロリドン)、ポリ(4-ビニルピリジン)、ポリ(2-ビニルピリジン)、ポリ(1-ビニルイミダゾール)、ポリ(2-ビニルイミダゾール)、ポリ(4-ビニルイミダゾール)、ポリ(ビニルアゾール)、ポリ(ビニルフタルイミド)、ポリ(ビニルイミダゾール)、ポリ(ビニルカプロラクタム)、ポリ(ビニルトリアゾール)、ポリ(5-ビニルチアゾール)、ポリ(4-メチルー5-ビニルチアゾール)、があげられる。また、ハロゲン化物として、例えば、ポリ(ビニルピロリドン)ヨウ素錯体があげられる。 Examples of polymeric passivation compounds with repeating units of alkyl units substituted with nitrogen-containing heterocycles include poly(vinylpyrrolidone), poly(4-vinylpyridine), poly(2-vinylpyridine), poly(1-vinylimidazole), poly(2-vinylimidazole), poly(4-vinylimidazole), poly(vinylazole), poly(vinylphthalimide), poly(vinylimidazole), poly(vinylcaprolactam), poly(vinyltriazole), poly(5-vinylthiazole), and poly(4-methyl-5-vinylthiazole). Examples of halides include poly(vinylpyrrolidone) iodine complexes.
電子輸送層270は、電子を輸送して第2電極層280に伝達する。電子輸送層270は、例えば、フラーレン等を主体とする材料から形成され得る。フラーレンとしては、例えばC60、C70、これらの水素化物、酸化物、金属錯体、アルキル基等を付加した誘導体、例えば、PCBM([6,6]-Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)などが挙げられる。また、電子輸送層270と第2電極層280の間に、ホールブロック層であるパソクプロイン(BCP)、フッ化リチウム(LiF)、酸化錫(SnO2)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)を含んでいてもよい。無機酸化物層は別の金属材料をドープしてもよい。
The
第2電極層280は、太陽電池201が基材210の側から受光する場合、電気抵抗を小さくするために、例えば銅等から形成される金属層を含むことが好ましい。また、太陽電池201が第2電極層280の側から受光する場合、第2電極層280は透明導電性酸化物から形成され得る。
When the
以上の構成を有する太陽電池201は、図6に示す本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法によって製造される。本実施形態の太陽電池製造方法は、第1電極層形成工程(ステップS21)と、前駆体液塗工工程(ステップS22)と、結晶化工程(ステップS23)と、電子輸送層形成工程(ステップS24)と、第2電極層形成工程(ステップS25)と、を備える。
The
ステップS21の第1電極層形成工程では、基材210の一方側の主面に第1電極層220を形成する。第1電極層220は、例えばスパッタリング法等の真空製膜技術を用いて積層され得る。また、第1電極層工程では、次工程での正孔輸送層230の形成を促進するために、製膜した第1電極層220の表面を改質することが好ましい。具体的な第1電極層220の表面改質方法としては、例えば、紫外線―オゾン処理やオゾン水洗浄による表面の水酸化、また自己組織化膜が成長しやすい酸化ニッケルをはじめとする酸化物をスパッタリング法等の真空製膜技術による製膜、酸化物ナノパーティクルの塗布技術による製膜、自己組織化膜が成長しやすいように表面の活性化および不純物の除去を行う加熱処理などがあげられる。
In the first electrode layer forming process of step S21, the
ステップS22の前駆体液塗工工程では、第1電極層220にペロブスカイト前駆体液を塗工する。ペロブスカイト前駆体液の塗工は、例えばダイコーター、バーコーター等を用いて行うことができる。前駆体液塗工工程において塗工されるペロブスカイト前駆体液は、それ自体が本発明に係るペロブスカイト前駆体液の一実施形態である。
In the precursor liquid application process of step S22, the perovskite precursor liquid is applied to the
ペロブスカイト前駆体液は、溶媒と、光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、高分子パッシベーション化合物と、を含む。また、ペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト化合物の結晶の成長を促進する塩酸塩をさらに含むことが好ましい。 The perovskite precursor liquid contains a solvent, a perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion, a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer, and a polymer passivation compound. In addition, the perovskite precursor liquid preferably further contains a hydrochloride that promotes the growth of crystals of the perovskite compound.
溶媒としては、例えばN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリドン(NMP)等のアミド系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジエチルスルホキシド、ジブチルスルホキシド等のスルホキシド類、γ―バレロラクトン(GBL)等のエステル類や、アセトニトリル等の非プロトン性極性溶媒が、単独または複数種類の混合液として用いられ、さらに他の種類の有機溶媒を含んでもよい。これらの有機溶媒の沸点は、ペロブスカイト結晶の形成の際に留去する必要があるため、なるべく低いことが好ましい。具体的な沸点としては、大気圧下での沸点として、300℃以下が好ましく、200℃以下がより好ましく、180℃以下がさらに好ましい。また、高分子パッシベーション化合物は、ペロブスカイト化合物を溶解する溶媒と異なっていてもよい。高分子パッシベーション化合物をペロブスカイト化合物表面に均一に成長させるには、溶媒内で高分子パッシベーション化合物が分散していることが好ましい。そのため、極性溶媒だけでなく、非極性溶媒を微量添加し、混合させることが好ましい。非極性溶媒の微量添加によってペロブスカイト化合物が液中で結晶化することを防止しながら、高分子パッシベーション化合物の分散可能である。また、高分子パッシベーション化合物を非極性溶媒に溶解させた後、ペロブスカイト化合物、正孔輸送層形成化合物を溶解させた溶媒に加えることができる。非極性溶媒としては、イソプロパノール等があげられる。 The solvent may be, for example, an amide solvent such as N,N-dimethylformamide (DMF), N,N-dimethylacetamide (DMAc), or N-methylpyrrolidone (NMP), a sulfoxide such as dimethyl sulfoxide (DMSO), diethyl sulfoxide, or dibutyl sulfoxide, an ester such as γ-valerolactone (GBL), or an aprotic polar solvent such as acetonitrile, used alone or as a mixture of multiple types, or may further contain other types of organic solvents. The boiling points of these organic solvents are preferably as low as possible because they need to be distilled off when forming the perovskite crystals. Specific boiling points under atmospheric pressure are preferably 300°C or lower, more preferably 200°C or lower, and even more preferably 180°C or lower. The polymer passivation compound may be different from the solvent that dissolves the perovskite compound. In order to grow the polymer passivation compound uniformly on the surface of the perovskite compound, it is preferable that the polymer passivation compound is dispersed in the solvent. Therefore, it is preferable to add a small amount of a non-polar solvent in addition to the polar solvent and mix them. By adding a small amount of a non-polar solvent, it is possible to disperse the polymer passivation compound while preventing the perovskite compound from crystallizing in the liquid. In addition, after dissolving the polymer passivation compound in a non-polar solvent, it can be added to the solvent in which the perovskite compound and the hole transport layer forming compound are dissolved. Examples of non-polar solvents include isopropanol.
正孔輸送層形成化合物としては、上述のように、自己組織化単分子膜を形成する材料が用いられる。ペロブスカイト前駆体液が第1電極層220の上に塗工されると、正孔輸送層形成化合物は、第1電極層220との界面に優先的に自己組織化して膜(正孔輸送層230)を形成する。第1電極層220との界面に膜を形成した残りの正孔輸送層形成化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面(第1電極層220と反対側)にも自己組織化して膜(過剰材料層250)を形成する。ペロブスカイト前駆体液における正孔輸送層形成化合物の濃度としては、0.1mmol/L以上5.0mmol/L以下とされ得る。濃度が0.5mmol/L以上2.0mmmol/L以下がより好ましい。基板表面を被覆できる範囲で、濃度は低い方が過剰材料層250の形成を抑制することができる。
As described above, a material that forms a self-assembled monolayer is used as the hole transport layer forming compound. When the perovskite precursor liquid is applied onto the
高分子パッシベーション化合物は、ペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面に膜状に凝集し、ペロブスカイト前駆体から生成されるペロブスカイト化合物の層(光電変換層240)の表面を部分的に覆うことにより、光電変換層240の界面における光キャリア(正孔および電子)の再結合を抑制するパッシベーション層260を形成する。他の材料と比べて分子量が大きい高分子パッシベーション化合物は、高分子でありサイズが大きいため、ペロブスカイト結晶内に取り込まれず、光電変換層240の表面に優先的に析出するため、正孔輸送層形成化合物の膜の成長を阻害することにより、過剰材料層250の析出を抑制し、パッシベーション層260が存在する領域を確実に形成する。
The polymer passivation compound aggregates in a film on the surface of the coating of the perovskite precursor liquid, partially covering the surface of the layer of perovskite compound (photoelectric conversion layer 240) generated from the perovskite precursor, forming a
ステップS23の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の膜を乾燥(溶媒を揮発)させることにより、ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する。これにより、ペロブスカイト化合物を主体とする光電変換層240が形成され、正孔輸送層230、過剰材料層250およびパッシベーション層260を固定する。また、パッシベーション層260が、高分子パッシベーションハロゲン化物を含む場合、ハロゲンイオンが高分子パッシベーション化合物から脱離してペロブスカイト化合物表面の欠陥に結合し、キャリアの再結合を抑制する。
In the crystallization process of step S23, the film of the perovskite precursor liquid is dried (the solvent is evaporated) to react with the perovskite precursor to generate crystals of the perovskite compound. This forms a
ペロブスカイト前駆体液の膜におけるペロブスカイト化合物の結晶の生成を促進する方法としては、例えば貧溶媒クエンチング、真空クエンチング、ガスクエンチング、レーザー処理等を採用することが好ましい。表面から結晶化が始まる貧溶媒クエンチング、真空クエンチング、ガスクエンチングがより好ましい。さらに、パッシベーション層をペロブスカイト前駆体液の塗膜の表面側に均一に成長しやすくするためには、パッシベーション層の析出に対して、ペロブスカイト化合物の結晶化を遅く進行させることが好ましい。この観点では、真空クエンチングやガスクエンチングがより好ましい。ステップS23の結晶化工程では、ペロブスカイト前駆体液の乾燥塗膜をさらに加熱してもよい。 As a method for promoting the formation of crystals of the perovskite compound in the perovskite precursor liquid film, for example, poor solvent quenching, vacuum quenching, gas quenching, laser treatment, etc. are preferably adopted. Poor solvent quenching, vacuum quenching, and gas quenching, in which crystallization starts from the surface, are more preferable. Furthermore, in order to facilitate the uniform growth of the passivation layer on the surface side of the perovskite precursor liquid coating film, it is preferable to cause the crystallization of the perovskite compound to proceed slowly relative to the precipitation of the passivation layer. From this viewpoint, vacuum quenching and gas quenching are more preferable. In the crystallization process of step S23, the dried coating film of the perovskite precursor liquid may be further heated.
ステップS24の電子輸送層形成工程では、例えば塗布法や真空蒸着法等の方法により電子輸送層270を形成する。電子輸送層270の上に真空蒸着法や原子堆積法によってホールブロック層を形成してもよい。
In the electron transport layer formation process of step S24, the
ステップS25の第2電極層形成工程では、形成材料に応じて、スパッタリング法、真空蒸着法、めっき法、塗布法等の方法により第2電極層280を形成する。
In the second electrode layer formation process of step S25, the
以上のように、本発明の一実施形態に係るペロブスカイト前駆体液は、ペロブスカイト前駆体と、正孔輸送層形成化合物と、高分子パッシベーション化合物とを含むため、1回の塗工により第1電極層220の上に正孔輸送層230と光電変換層240とを同時に形成しつつ、光電変換層240の表面にパッシベーション層260を形成し、光電変換層240が電子の伝達を阻害する過剰材料層250で完全に覆われることを防止できる。このため、本発明の一実施形態に係る太陽電池製造方法は、比較的高い光電変換効率を有する太陽電池201を容易に製造できる。
As described above, the perovskite precursor liquid according to one embodiment of the present invention contains a perovskite precursor, a hole transport layer forming compound, and a polymer passivation compound, and therefore a
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更および変形が可能である。本発明に係る太陽電池は、さらなる機能層を備えてもよく、例として、過剰材料層およびパッシペーション層と電子輸送層との間に過剰材料層およびパッシペーション層の一方側の面を覆う第2のパッシベーション層を備えてもよい。この第2のパッシベーション層は、過剰材料層の不存在領域に積層される第1のパッシベーション層と同様の材料から形成され得る。また、本発明に係る太陽電池において、電子輸送層は省略されてもよい。また、発明に係る太陽電池において、結晶シリコン太陽電池等の光電変換体を基材としてタンデム太陽電池の形成に使用してもよい。 The above describes the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications and variations are possible. The solar cell according to the present invention may include an additional functional layer, and for example, may include a second passivation layer between the excess material layer and the passivation layer and the electron transport layer, covering one side of the excess material layer and the passivation layer. This second passivation layer may be formed from the same material as the first passivation layer that is laminated in the area where the excess material layer is not present. In the solar cell according to the present invention, the electron transport layer may be omitted. In the solar cell according to the invention, a photoelectric converter such as a crystalline silicon solar cell may be used as a substrate to form a tandem solar cell.
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be specifically explained below based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
基板として、市販のガラス/ITO基板(予め第1電極が積層されたガラス基板)を使用した。はじめに、電子ブロック層として、NiOxを製膜した。次に、ペロブスカイト前駆体液を塗工して、結晶化工程、加熱してペロブスカイト化合物の結晶を生成することにより正孔輸送層、光電変換層、過剰材料層およびパッシベーション層を形成した。結晶化工程は、真空クエンチ法を使用した。さらに、PCBMの塗工により電子輸送層を形成し、BCPの蒸着によりホールブロック層を形成し、Agの蒸着により第2電極を形成することで、太陽電池の実施例1を作成した。ペロブスカイト前駆体液としては、DMFとNMPの体積比90:10の混合溶媒に、1.2mol/Lのペロブスカイト前駆体(PbI2、CsI、FAI)と、1.0mmol/LのMe-4PACz(正孔輸送層形成化合物)と、0.2mmol/Lのn-Octylphosphocholine(特定有機化合物)と、を溶解したものを用いた。ペロブスカイト前駆体は、Aサイト形成のためにモル比90:10のFAおよびCsと、Bサイト形成のためにPb、Xサイト形成のためのハロゲン原子としてIを含むものとした。ここで、Me-4PACz、n-Octylphosphocholineの分子長は分子軌道計算により、それぞれ1nm、1.8nmと見積もることができる。これらを単位格子として、密に基板に成長することを仮定すると、Me-4PACz、n-Octylphosphocholineはそれぞれ、9.0×1014個、5.0×1014個成長するはずである(これらの分子数を基準最密分子数)。ペロブスカイト層が500nmとなることを仮定すると、ここで選定されたMe-4PACzの濃度から析出する分子は、1.3×1015個、n-Octylphosphocholineの濃度から算出される析出数は2.6×1014個となる。そのため、Me-4PACzは基準最密分子数以上、n-Octylphosphocholine基準最密分子数以下となるように濃度を決めている。
Example 1
A commercially available glass/ITO substrate (glass substrate with a first electrode laminated thereon in advance) was used as the substrate. First, NiOx was formed as an electron blocking layer. Next, a perovskite precursor liquid was applied, and a crystallization process and heating were performed to generate crystals of a perovskite compound to form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, an excess material layer, and a passivation layer. The crystallization process used a vacuum quench method. Furthermore, an electron transport layer was formed by coating PCBM, a hole blocking layer was formed by vapor deposition of BCP, and a second electrode was formed by vapor deposition of Ag, thereby creating Example 1 of a solar cell. The perovskite precursor liquid was prepared by dissolving 1.2 mol/L of perovskite precursor (PbI 2 , CsI, FAI), 1.0 mmol/L of Me-4PACz (hole transport layer forming compound), and 0.2 mmol/L of n-Octylphosphocholine (specific organic compound) in a mixed solvent of DMF and NMP in a volume ratio of 90:10. The perovskite precursor contained FA and Cs in a molar ratio of 90:10 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I as a halogen atom for the formation of the X site. Here, the molecular lengths of Me-4PACz and n-Octylphosphocholine can be estimated to be 1 nm and 1.8 nm, respectively, by molecular orbital calculation. Assuming that these are grown densely on the substrate as unit lattices, Me-4PACz and n-Octylphosphocholine should grow at 9.0×10 14 and 5.0×10 14 , respectively (these numbers of molecules are the standard close-packed molecular number). Assuming that the perovskite layer is 500 nm, the number of molecules precipitated from the concentration of Me-4PACz selected here is 1.3×10 15 , and the number of precipitates calculated from the concentration of n-Octylphosphocholine is 2.6×10 14 . Therefore, the concentration of Me-4PACz is determined so that it is equal to or greater than the standard close-packed molecular number and equal to or less than the standard close-packed molecular number of n-Octylphosphocholine.
(実施例2~5)
特定有機化合物として0.2mmol/Lの2,8-Dimethyl-5-Nonylphosphocholineを用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例2を作成した。特定有機化合物として0.2mmol/Lの10-Undecylenyl-1-phosphocholineを用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例3を作成した。特定有機化合物として0.2mol/Lのn-Octylammonium Iodideを用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例4を作成した。特定有機化合物として0.13mol/LのL-α-Phosphatidylcholineを用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例5を作成した。
(Examples 2 to 5)
A solar cell of Example 2 was produced under the same conditions as Example 1, except that 0.2 mmol/L of 2,8-Dimethyl-5-Nonylphosphocholine was used as the specific organic compound. A solar cell of Example 3 was produced under the same conditions as Example 1, except that 0.2 mmol/L of 10-Undecylenyl-1-phosphocholine was used as the specific organic compound. A solar cell of Example 4 was produced under the same conditions as Example 1, except that 0.2 mol/L of n-Octylammonium Iodide was used as the specific organic compound. A solar cell of Example 5 was produced under the same conditions as Example 1, except that 0.13 mol/L of L-α-Phosphatidylcholine was used as the specific organic compound.
(実施例6~7)
ペロブスカイト前駆体液のMAClを10mol%を混合した以外は、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例5を作成した。正孔輸送層形成化合物のMe-4PACzをDMAcPAにしたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例6を作成した。
(Examples 6 to 7)
A solar cell of Example 5 was produced under the same conditions as Example 1, except that 10 mol % of MACl was mixed in the perovskite precursor liquid. A solar cell of Example 6 was produced under the same conditions as Example 1, except that the hole transport layer forming compound Me-4PACz was replaced with DMAcPA.
(実施例8)
正孔輸送層形成材料としてMeO-4PACzを用いたことを除いて、実施例5と同じ条件で太陽電池の実施例8を作成した。
(Example 8)
A solar cell of Example 8 was produced under the same conditions as in Example 5, except that MeO-4PACz was used as the hole transport layer forming material.
(比較例1)
鎖状炭化水素基を有する有機化合物を含まないペロブスカイト前駆体液を用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の比較例1を作成した。
(Comparative Example 1)
A solar cell of Comparative Example 1 was produced under the same conditions as in Example 1, except that a perovskite precursor liquid not containing an organic compound having a chain hydrocarbon group was used.
実施例1~8および比較例1について、光電変換効率を測定し、比較例1の光電変換効率に対する比率を算出した。この結果、実施例1は1.15、実施例2は1.16、実施例3は1.18、実施例4は1.08、実施例5は1.17、実施例6は1.16、実施例7は1.10、実施例8は1.18、であった。なお、太陽電池の光電変換効率は、25℃、1000W/m2下の電流・電圧特性測定によって算出した。具体的には、電流・電圧特性測定から決定された最大出力を、発電面積で割ることによって、光電変換効率を算出した。 The photoelectric conversion efficiency was measured for Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, and the ratio to the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 1 was calculated. As a result, Example 1 had a photoelectric conversion efficiency of 1.15, Example 2 had a photoelectric conversion efficiency of 1.16, Example 3 had a photoelectric conversion efficiency of 1.18, Example 4 had a photoelectric conversion efficiency of 1.17, Example 6 had a photoelectric conversion efficiency of 1.16, Example 7 had a photoelectric conversion efficiency of 1.18, and Example 8 had a photoelectric conversion efficiency of 1.18. The photoelectric conversion efficiency of the solar cell was calculated by measuring the current-voltage characteristics at 25 °C and 1000 W/m2. Specifically, the photoelectric conversion efficiency was calculated by dividing the maximum output determined from the current-voltage characteristics measurement by the power generation area.
(実施例9)
ペロブスカイト前駆体液に、ペロブスカイト前駆体として、Aサイト形成のためにモル比80:20のFAおよびCsと、Bサイト形成のためにPb、Xサイト形成のためのハロゲン原子としてモル比90:10のIをおよびBrを含むものを用い、1.0mmol/LのMe-4PACz(正孔輸送層形成化合物)と、特定有機化合物として0.13mmol/LのL-α-Phosphatidylcholineを用いたことを除いて、実施例1と同じ条件で太陽電池の実施例9を作成した。
Example 9
The perovskite precursor liquid contained FA and Cs in a molar ratio of 80:20 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I and Br in a molar ratio of 90:10 as halogen atoms for the formation of the X site. Except for using 1.0 mmol/L Me-4PACz (a hole transport layer forming compound) and 0.13 mmol/L L-α-Phosphatidylcholine as a specific organic compound, a solar cell of Example 9 was produced under the same conditions as Example 1.
(実施例10)
さらにピペラジン化合物として、0.3mmol/LのPiperazine-1,4-diium iodideを配合した以外は実施例9と同じ条件で太陽電池の実施例10を作成した。
Example 10
A solar cell of Example 10 was produced under the same conditions as in Example 9, except that 0.3 mmol/L of piperazine-1,4-diium iodide was further added as the piperazine compound.
(実施例11,12)
ペロブスカイト前駆体液にさらに2mMのMDACl2を追加で配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例11を作成した。ペロブスカイト前駆体液にさらに2mMのRbClを配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例12を作成した。
(Examples 11 and 12)
Example 11 of a solar cell was produced under the same conditions as Example 10, except that 2 mM of MDACl2 was further added to the perovskite precursor liquid. Example 12 of a solar cell was produced under the same conditions as Example 10, except that 2 mM of RbCl was further added to the perovskite precursor liquid.
(実施例13)
ペロブスカイト前駆体液に、Piperazine-1,4-diium iodideに替えてピペラジン化合物である、0.5mmol/LのPiperazinium iodideを配合した以外は、実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例13を作成した。
Example 13
A solar cell of Example 13 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.5 mmol/L of piperazine compound, piperazine iodide, was added to the perovskite precursor liquid instead of piperazine-1,4-diium iodide.
(実施例14)
Piperazine-1,4-diium iodideに替えて、フッ素含有有機化合物である、0.4mmol/Lの4-フルオロフェネチルアミンよう化水素酸塩を配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例15を作成した。
(Example 14)
A solar cell of Example 15 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.4 mmol/L of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, which is a fluorine-containing organic compound, was used instead of piperazine-1,4-diium iodide.
(実施例15、16)
さらに、フッ素含有有機化合物である、0.4mmol/Lの4-フルオロフェネチルアミンよう化水素酸塩を追加で配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例15を作成した。さらに、フッ素含有有機化合物である、0.4mMの4-フルオロフェネチルアミンよう化水素酸塩を追加で配合した以外は実施例13と同じ条件で太陽電池の実施例16を作成した。
(Examples 15 and 16)
Furthermore, a solar cell of Example 15 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.4 mmol/L of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended. Further, a solar cell of Example 16 was produced under the same conditions as Example 13, except that 0.4 mM of 4-fluorophenethylamine hydroiodide, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended.
(実施例17)
Piperazine-1,4-diium iodideに替えて、フッ素含有有機化合物である0.4mmolの五フッ化フェニルホスホン酸を配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例17を作成した。
(Example 17)
A solar cell of Example 17 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.4 mmol of pentafluorophenylphosphonic acid, a fluorine-containing organic compound, was used in place of piperazine-1,4-diium iodide.
(実施例18)
さらに、2mMのMDACl2を追加で配合した以外は実施例17と同じ条件で太陽電池の実施例18を作成した。
(Example 18)
Furthermore, a solar cell of Example 18 was prepared under the same conditions as Example 17, except that 2 mM of MDAC12 was additionally blended.
(実施例19)
さらに、フッ素含有有機化合物である0.4mmolの五フッ化フェニルホスホン酸を追加で配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例19を作成した。
Example 19
Furthermore, a solar cell of Example 19 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.4 mmol of pentafluorophenylphosphonic acid, a fluorine-containing organic compound, was additionally blended.
(実施例20)
Piperazine-1,4-diium iodideに替えて、フッ素含有有機化合物である0.2mmolの(フッ化)Fos-Choline-8を配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例20を作成した。
(Example 20)
A solar cell of Example 20 was produced under the same conditions as in Example 10, except that 0.2 mmol of (fluorinated) Fos-Choline-8, a fluorine-containing organic compound, was used in place of piperazine-1,4-diium iodide.
(実施例21)
さらに、0.2mmolの(フッ化)Fos-Choline-8を追加で配合した以外は実施例10と同じ条件で太陽電池の実施例21を作成した。
(実施例22)
Piperazine-1,4-diium iodideに替えて、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物である、0.1mg/mLのポリ(ビニルピロリドン)-ヨウ素錯体を配合した以外は実施例12と同じ条件で太陽電池の実施例22を作成した。
(Example 21)
Furthermore, a solar cell of Example 21 was produced under the same conditions as Example 10, except that 0.2 mmol of (fluorinated)Fos-Choline-8 was additionally blended.
(Example 22)
A solar cell of Example 22 was produced under the same conditions as in Example 12, except that 0.1 mg/mL of poly(vinylpyrrolidone)-iodine complex, which is a polymer passivation compound having a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle, was added instead of piperazine-1,4-diium iodide.
(実施例23)
正孔輸送層形成材料として、Me-4PACzに替えて、MeO-4PACzを用いた以外は実施例19と同じ条件で太陽電池の実施例23を作成した。
(Example 23)
A solar cell of Example 23 was produced under the same conditions as in Example 19, except that MeO-4PACz was used instead of Me-4PACz as the hole transport layer forming material.
(比較例2)
特定有機化合物および他のパッシベーション材料、並びに過剰なペロブスカイト化合物形成材料を含まないペロブスカイト前駆体液を用いたことを除いて、実施例11と同じ条件で太陽電池の比較例11を作成した。
(Comparative Example 2)
A solar cell of Comparative Example 11 was produced under the same conditions as those of Example 11, except that a perovskite precursor liquid not containing the specific organic compound and other passivation materials, and not containing an excess of a perovskite compound-forming material, was used.
実施例9~23および比較例2について、光電変換効率を測定し、比較例2の光電変換効率に対する比率を算出した。この結果、実施例9は1.05、実施例10は1.07、実施例11は1.08、実施例12は1.09、実施例13は1.08、実施例14は1.07、実施例15は1.11、実施例16は1.13、実施例17は1.04、実施例18は1.06、実施例19は1.11、実施例20は1.07、実施例21は1.13、実施例24は1.06、実施例23は1.07であった。 The photoelectric conversion efficiency was measured for Examples 9 to 23 and Comparative Example 2, and the ratio to the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 2 was calculated. As a result, Example 9 was 1.05, Example 10 was 1.07, Example 11 was 1.08, Example 12 was 1.09, Example 13 was 1.08, Example 14 was 1.07, Example 15 was 1.11, Example 16 was 1.13, Example 17 was 1.04, Example 18 was 1.06, Example 19 was 1.11, Example 20 was 1.07, Example 21 was 1.13, Example 24 was 1.06, and Example 23 was 1.07.
以上のように、ペロブスカイト前駆体液に、正孔輸送層形成化合物と特定有機物を配合することによって、光電変換効率を向上できることが確認された。また、特定有機化合物に加え、フッ素含有有機化合物、ピペラジン化合物、窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物を加えることでより、光電変換効率が向上できることが確認できた。 As described above, it was confirmed that the photoelectric conversion efficiency can be improved by blending a hole transport layer-forming compound and a specific organic substance into the perovskite precursor liquid. It was also confirmed that the photoelectric conversion efficiency can be improved by adding a fluorine-containing organic compound, a piperazine compound, and a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle in addition to the specific organic compound.
(実施例24)
基板として、市販のガラス/ITO基板(第1電極層積層済み基板、3cm角)を使用した。はじめに、電子ブロック層として、NiOxを製膜した。次に、ペロブスカイト前駆体液を塗工して、結晶化工程、加熱させてペロブスカイト化合物の結晶を生成することにより正孔輸送層、光電変換層、過剰材料層およびパッシベーション層を形成した。結晶化工程は、真空クエンチ法を使用した。さらに、PCBMを塗工により電子輸送層を形成し、BCPをホールブロック層として蒸着にて形成し、蒸着法によりAgを積層して第2電極層を形成することで、太陽電池の実施例1を作成した。ペロブスカイト前駆体液としては、DMFとNMPの体積比90:10の混合溶媒に、1.2mol/Lのペロブスカイト前駆体(PbI2、CsI、FAI)と、1.0mmol/LのMe4PACz(正孔輸送層形成化合物)と、0.3mmol/LのPiperazine-1,4-diium Iodideと、を溶解したものを用いた。ペロブスカイト前駆体は、Aサイト形成のためにモル比90:10のFAおよびCsと、Bサイト形成のためにPb、Xサイト形成のためのハロゲン原子としてIを含むものとした。ここで、Me-4PACz、Piperazine(Piperazine骨格のみ考慮)の分子長は分子軌道計算により、それぞれ1nm、0.3nmと見積もることができる。これらを単位格子として、密に基板に成長することを仮定すると、Me-4PACz、Piperazineはそれぞれ、9.0x1014個、1.0x1016個成長するはずである(これらの分子数を基準最密分子数)。ペロブスカイト層が500nmとなることを仮定すると、ここで選定されたMe-4PACzの濃度から析出する分子は、1.3x1015個、Piperazine-1,4-diium Iodideの濃度から析出されるPiperazineの析出数は1.5x1015個となる。そのため、Me-4PACzは基準最密分子数以上、Piperazine-1,4-diium Iodideは基準最密分子数以下となるように濃度を決めている。
(Example 24)
A commercially available glass/ITO substrate (a substrate with a first electrode layer laminated thereon, 3 cm square) was used as the substrate. First, NiOx was formed as an electron blocking layer. Next, a perovskite precursor liquid was applied, and a crystallization process and heating were performed to generate crystals of a perovskite compound to form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, an excess material layer, and a passivation layer. The crystallization process used a vacuum quenching method. Furthermore, an electron transport layer was formed by coating PCBM, BCP was formed by deposition as a hole blocking layer, and Ag was laminated by deposition to form a second electrode layer, thereby creating Example 1 of a solar cell. The perovskite precursor liquid was prepared by dissolving 1.2 mol/L of perovskite precursor (PbI 2 , CsI, FAI), 1.0 mmol/L of Me4PACz (hole transport layer forming compound), and 0.3 mmol/L of piperazine-1,4-diium iodide in a mixed solvent of DMF and NMP in a volume ratio of 90:10. The perovskite precursor contained FA and Cs in a molar ratio of 90:10 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I as a halogen atom for the formation of the X site. Here, the molecular lengths of Me-4PACz and piperazine (only the piperazine skeleton is considered) can be estimated to be 1 nm and 0.3 nm, respectively, by molecular orbital calculation. Assuming that these are grown densely on the substrate as a unit lattice, Me-4PACz and piperazine should grow at 9.0x1014 and 1.0x1016 , respectively (these numbers of molecules are the standard close-packed molecular number). Assuming that the perovskite layer is 500 nm, the number of molecules precipitated from the concentration of Me-4PACz selected here is 1.3x1015 , and the number of piperazine precipitated from the concentration of piperazine-1,4-diium iodide is 1.5x1015 . Therefore, the concentration of Me-4PACz is determined to be equal to or greater than the standard close-packed molecular number, and the concentration of piperazine-1,4-diium iodide is determined to be equal to or less than the standard close-packed molecular number.
(実施例25~30)
ピペラジン化合物として0.5mMのPiperazinium iodideを用いたことを除いて、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例25を作成した。ピペラジン化合物として0.15mMのPiperazineを用いたことを除いて、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例26を作成した。ピペラジン化合物として0.5mMのPentylpiperazine hydrochlorideを配合した以外は、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例27を作成した。ピペラジン化合物として0.5mMの1-(Trifluoromethyl)piperazine hydrochlorideを配合した以外は、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例28を作成した。ペロブスカイト前駆体にさらに10mol%のMAClを配合した以外は、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例29を作成した。正孔輸送層形成化合物としてDMAcPAを用いた以外は、実施例29と同じ条件で太陽電池の実施例30を作成した。
(Examples 25 to 30)
Solar cell Example 25 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM piperazine iodide was used as the piperazine compound. Solar cell Example 26 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.15 mM piperazine was used as the piperazine compound. Solar cell Example 27 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM pentylpiperazine hydrochloride was added as the piperazine compound. Solar cell Example 28 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 0.5 mM 1-(Trifluoromethyl)piperazine hydrochloride was added as the piperazine compound. Solar cell Example 29 was prepared under the same conditions as Example 24, except that 10 mol% MACl was further added to the perovskite precursor. A solar cell of Example 30 was produced under the same conditions as in Example 29, except that DMAcPA was used as the hole transport layer-forming compound.
(比較例3)
ペロブスカイト前駆体液がピペラジン化合物を含まないことを除いて、実施例24
と同じ条件で太陽電池の比較例3を作成した。
(Comparative Example 3)
Example 24, except that the perovskite precursor liquid did not contain a piperazine compound.
A solar cell of Comparative Example 3 was prepared under the same conditions as those in the above.
実施例24~30および比較例3について、光電変換効率を測定し、比較例3の光電変換効率に対する比率を算出した。この結果、実施例24は1.12、実施例25は1.14、実施例26は1.06、実施例27は1.15、実施例28は1.17、実施例29は1.14、実施例30は1.10であった。 The photoelectric conversion efficiency was measured for Examples 24 to 30 and Comparative Example 3, and the ratio to the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 3 was calculated. As a result, Example 24 was 1.12, Example 25 was 1.14, Example 26 was 1.06, Example 27 was 1.15, Example 28 was 1.17, Example 29 was 1.14, and Example 30 was 1.10.
(実施例31)
ペロブスカイト前駆体として、Aサイト形成のためにモル比80:20のFAおよびCsと、Bサイト形成のためにPb、Xサイト形成のためのハロゲン原子としてモル比90:10のIをおよびBrを含むものを用いたことを除いて、実施例24と同じ条件で太陽電池の実施例31を作成した。
(Example 31)
A solar cell of Example 31 was produced under the same conditions as Example 24, except that the perovskite precursor used contained FA and Cs in a molar ratio of 80:20 for the A site formation, Pb for the B site formation, and I and Br in a molar ratio of 90:10 as halogen atoms for the X site formation.
(実施例32)
さらに、0.4mMの五フッ化フェニルホスホン酸を用いた以外は、実施例31と同じ条件で太陽電池の実施例32を作成した。
(Example 32)
Furthermore, a solar cell of Example 32 was produced under the same conditions as Example 31, except that 0.4 mM of pentafluorophenylphosphonic acid was used.
(比較例4)
ピペラジン化合物、他のパッシベーション材料を含まないことを除いて、実施例31と同じ条件で太陽電池の比較例4を作成した。
(Comparative Example 4)
A solar cell of Comparative Example 4 was prepared under the same conditions as in Example 31, except that the piperazine compound and other passivation materials were not included.
実施例31~32および比較例4について、光電変換効率を測定し、比較例4の光電変換効率に対する比率を算出した。この結果、実施例31は1.04、実施例32は1.09であった。 The photoelectric conversion efficiency was measured for Examples 31 and 32 and Comparative Example 4, and the ratio to the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 4 was calculated. As a result, Example 31 was 1.04, and Example 32 was 1.09.
以上のように、ペロブスカイト前駆体液に、正孔輸送層形成化合物と、ピペラジン化合物と、を配合することによって、光電変換効率をより向上できることが確認された。また、ピペラジン化合物に加え、フッ素含有有機化合物を加えることでより、光電変換効率が向上できることが確認できた。 As described above, it was confirmed that the photoelectric conversion efficiency can be further improved by blending a hole transport layer-forming compound and a piperazine compound in the perovskite precursor liquid. It was also confirmed that the photoelectric conversion efficiency can be further improved by adding a fluorine-containing organic compound in addition to the piperazine compound.
(実施例33)
基板として、市販のガラス/ITO基板(第1電極層積層済み基板、3cm角)を使用した。はじめに、電子ブロック層として、NiOxを製膜した。次に、ペロブスカイト前駆体液を塗工して、結晶化工程、加熱させてペロブスカイト化合物の結晶を生成することにより正孔輸送層、光電変換層、過剰材料層およびパッシベーション層を形成した。結晶化工程は、真空クエンチ法を使用した。さらに、PCBMを塗工により電子輸送層を形成し、BCPをホールブロック層として蒸着にて形成し、蒸着法によりAgを積層して第2電極層を形成することで、太陽電池の実施例61を作成した。ペロブスカイト前駆体液としては、DMFとNMPの体積比90:10の混合溶媒に、ヨウ素を5mol%過剰に含む、1.2mol/Lのペロブスカイト前駆体(PbI2、CsI、FAI)と、1.0mmol/LのMe4PACz(正孔輸送層形成化合物)と、0.1mg/mLのポリ(ビニルピロリドン)-ヨウ素錯体と、を溶解したものを用いた。ペロブスカイト前駆体は、Aサイト形成のためにモル比90:10のFAおよびCsと、Bサイト形成のためにPb、Xサイト形成のためのハロゲン原子としてIを含むものとした。
(Example 33)
A commercially available glass/ITO substrate (a substrate with a first electrode layer laminated thereon, 3 cm square) was used as the substrate. First, NiOx was formed as an electron blocking layer. Next, a perovskite precursor liquid was applied, and a crystallization process and heating were performed to generate crystals of a perovskite compound to form a hole transport layer, a photoelectric conversion layer, an excess material layer, and a passivation layer. The crystallization process used a vacuum quenching method. Furthermore, an electron transport layer was formed by coating PCBM, BCP was formed by deposition as a hole blocking layer, and Ag was laminated by deposition to form a second electrode layer, thereby creating Example 61 of a solar cell. The perovskite precursor liquid was prepared by dissolving 1.2 mol/L of perovskite precursor (PbI 2 , CsI, FAI) containing 5 mol% excess iodine, 1.0 mmol/L of Me4PACz (a hole transport layer forming compound), and 0.1 mg/mL of poly(vinylpyrrolidone)-iodine complex in a mixed solvent of DMF and NMP at a volume ratio of 90:10. The perovskite precursor contained FA and Cs at a molar ratio of 90:10 for the formation of the A site, Pb for the formation of the B site, and I as a halogen atom for the formation of the X site.
(比較例5)
ポリ(ビニルピロリドン)-ヨウ素錯体を含まないペロブスカイト前駆体液を用いたことを除いて、実施例33と同じ条件で太陽電池の比較例5を作成した。
(Comparative Example 5)
A solar cell of Comparative Example 5 was produced under the same conditions as in Example 33, except that a perovskite precursor liquid not containing a poly(vinylpyrrolidone)-iodine complex was used.
実施例33および比較例5について、光電変換効率を測定し、比較例5の光電変換効率に対する比率を算出した。この結果、実施例33は1.17であった。なお、太陽電池の光電変換効率は、25℃、1000W/m2下の電流・電圧特性測定によって算出した。具体的には、電流・電圧特性測定から決定された最大出力を、発電面積で割ることによって、光電変換効率を算出した。 The photoelectric conversion efficiency of Example 33 and Comparative Example 5 was measured, and the ratio to the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 5 was calculated. As a result, the photoelectric conversion efficiency of Example 33 was 1.17. The photoelectric conversion efficiency of the solar cell was calculated by measuring the current-voltage characteristics at 25°C and 1000 W/ m2 . Specifically, the photoelectric conversion efficiency was calculated by dividing the maximum output determined from the current-voltage characteristic measurement by the power generation area.
以上のように、ペロブスカイト前駆体液に、正孔輸送層形成化合物と窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物であるポリ(ビニルピロリドン)-ヨウ素錯体を配合することによって、光電変換効率を向上できることが確認された。 As described above, it was confirmed that photoelectric conversion efficiency can be improved by blending a hole transport layer-forming compound and a poly(vinylpyrrolidone)-iodine complex, which is a polymer passivation compound having a repeating unit with a nitrogen-containing heterocycle, into the perovskite precursor liquid.
1,101,201 太陽電池
10,110,210 基材
20,120,220 第1電極層
30,130,230 正孔輸送層
40,140,240 光電変換層
41,141 不純物膜
50,150,250 過剰材料層
60,160,260 パッシベーション層
70,170,270 電子輸送層
80,180,280 第2電極層
Claims (29)
光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、
正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、
置換されてもよい炭素数5以上の鎖状炭化水素基およびイオン性官能基を有する有機化合物と、
を含むペロブスカイト前駆体液。 A solvent;
A perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion;
a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability;
an organic compound having a chain hydrocarbon group having 5 or more carbon atoms which may be substituted and an ionic functional group;
A perovskite precursor liquid comprising:
前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、
を備える、太陽電池製造方法。 A step of applying the perovskite precursor liquid according to any one of claims 1 to 3 to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate;
volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound;
A solar cell manufacturing method comprising:
基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、
前記第1電極層に積層され、正孔選択透過性を有する正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、
前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、
前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物を含む過剰材料層と、
前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層される置換されてもよい炭素数5以上の鎖状炭化水素基およびイオン性官能基を有する有機化合物を含むパッシベーション層と、
前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層される第2電極層と、
を備える、太陽電池。 A plate-shaped or sheet-shaped substrate;
A first electrode layer laminated on one main surface of the substrate;
a hole transport layer formed on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability;
a photoelectric conversion layer that is laminated on the hole transport layer and contains a perovskite compound;
an excess material layer that is partially laminated on the photoelectric conversion layer and contains the hole transport layer-forming compound;
a passivation layer that is laminated on an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is not present, the passivation layer including an organic compound having a chain hydrocarbon group having 5 or more carbon atoms that may be substituted and an ionic functional group;
a second electrode layer disposed on the one side of the excess material layer and the passivation layer;
A solar cell comprising:
光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、
正孔選択透過性を有する自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、
ピペラジンおよびピペラジン誘導体の少なくともいずれかと、
を含むペロブスカイト前駆体液。 A solvent;
A perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion;
a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer having hole selective permeability;
At least one of piperazine and a piperazine derivative,
A perovskite precursor liquid comprising:
前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、
を備える、太陽電池製造方法。 A step of applying the perovskite precursor liquid according to any one of claims 12 to 14 to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate;
volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound;
A solar cell manufacturing method comprising:
基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、
前記第1電極層に積層され、正孔選択透過性を有する正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、
前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、
前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物からなる過剰材料層と、
前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層されるピペラジンおよびピペラジン誘導体の少なくともいずれかを含むパッシベーション層と、
前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層さる第2電極層と、
を備える、太陽電池。 A plate-shaped or sheet-shaped substrate;
A first electrode layer laminated on one main surface of the substrate;
a hole transport layer formed on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound having hole selective permeability;
a photoelectric conversion layer that is laminated on the hole transport layer and contains a perovskite compound;
an excess material layer formed of the hole transport layer-forming compound and partially laminated on the photoelectric conversion layer;
a passivation layer including at least one of piperazine and a piperazine derivative, the passivation layer being laminated on an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is not present;
a second electrode layer disposed on the one side of the excess material layer and the passivation layer;
A solar cell comprising:
光電変換を行うペロブスカイト化合物を形成するペロブスカイト前駆体と、
自己組織化単分子膜を形成する正孔輸送層形成化合物と、
窒素を含む複素環を有する繰り返し単位を有する高分子パッシベーション化合物と、
を含むペロブスカイト前駆体液。 A solvent;
A perovskite precursor that forms a perovskite compound that performs photoelectric conversion;
a hole transport layer forming compound that forms a self-assembled monolayer;
a polymeric passivation compound having a repeating unit having a nitrogen-containing heterocycle;
A perovskite precursor liquid comprising:
前記ペロブスカイト前駆体液の塗膜から前記溶媒を揮発させるとともに、前記ペロブスカイト前駆体を反応させてペロブスカイト化合物の結晶を生成する工程と、
を備える、太陽電池製造方法。 A step of applying the perovskite precursor liquid according to claim 23 or 24 to a first electrode layer formed on one main surface of a substrate;
volatilizing the solvent from the coating of the perovskite precursor liquid and reacting the perovskite precursor to generate crystals of a perovskite compound;
A solar cell manufacturing method comprising:
基材の一方側の主面に積層される第1電極層と、
前記第1電極層に積層され、正孔輸送層形成化合物の膜からなる正孔輸送層と、
前記正孔輸送層に積層され、ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、
前記光電変換層に部分的に積層され、前記正孔輸送層形成化合物を含む過剰材料層と、
前記光電変換層の前記過剰材料層の不存在領域に積層され、窒素を含む複素環を有する高分子パッシベーション化合物を含むパッシベーション層と、
前記過剰材料層および前記パッシベーション層の前記一方側に積層される第2電極層と、
を備える、太陽電池。 A plate-shaped or sheet-shaped substrate;
A first electrode layer laminated on one main surface of the substrate;
a hole transport layer formed on the first electrode layer and made of a film of a hole transport layer-forming compound;
a photoelectric conversion layer that is laminated on the hole transport layer and contains a perovskite compound;
an excess material layer that is partially laminated on the photoelectric conversion layer and contains the hole transport layer-forming compound;
a passivation layer that is laminated on an area of the photoelectric conversion layer where the excess material layer is not present and that contains a polymer passivation compound having a nitrogen-containing heterocycle;
a second electrode layer disposed on the one side of the excess material layer and the passivation layer;
A solar cell comprising:
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