JP6913310B2 - Semiconductor devices, solar cells, and solar cell modules - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイス、太陽電池、及び太陽電池モジュールに関する。 The present invention relates to semiconductor devices, solar cells, and solar cell modules.
電界効果トランジスタ、電界発光素子(LED)、及び光電変換素子のような半導体デバイスの性能は、半導体層の特性に大きい影響を受ける。このため、性能の高い半導体デバイスを製造するための研究において、半導体層の改善は主要なターゲットとなっている。例えば非特許文献1には、ペロブスカイト半導体を活性層として用いた太陽電池が開示されている。とりわけ非特許文献1には、ヨウ化鉛とヨウ化メチルアミンとから得られるペロブスカイト塗布液に対して、ヨウ化メチルアミンを製造するための原料であるヨウ化水素酸を追加することが記載されている。非特許文献1によれば、ヨウ化水素酸の追加によりペロブスカイトの溶解性が向上するため、ペロブスカイト半導体層の塗布成膜時にヨウ化鉛が析出することを防ぐことができるとされている。 The performance of semiconductor devices such as field effect transistors, electroluminescent devices (LEDs), and photoelectric conversion elements is greatly affected by the characteristics of the semiconductor layer. For this reason, improvement of the semiconductor layer has become a major target in research for manufacturing high-performance semiconductor devices. For example, Non-Patent Document 1 discloses a solar cell using a perovskite semiconductor as an active layer. In particular, Non-Patent Document 1 describes that hydroiodic acid, which is a raw material for producing methylamine iodide, is added to a perovskite coating solution obtained from lead iodide and methylamine iodide. ing. According to Non-Patent Document 1, since the solubility of perovskite is improved by adding hydroiodic acid, it is possible to prevent lead iodide from being precipitated during the coating film formation of the perovskite semiconductor layer.
半導体デバイスのさらなる性能向上のために、半導体層にさらなる工夫を加えることが求められている。 In order to further improve the performance of semiconductor devices, it is required to further devise the semiconductor layer.
本発明は、半導体デバイスの性能を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the performance of a semiconductor device.
本発明者らは、ペロブスカイト半導体層に添加剤を添加することによりペロブスカイト半導体層を有する半導体デバイスの性能が向上することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させた。 The present inventors have found that the performance of a semiconductor device having a perovskite semiconductor layer is improved by adding an additive to the perovskite semiconductor layer, and completed the present invention based on this finding.
すなわち、本発明の要旨は、以下に存する。
[1]一対の電極と、前記一対の電極間に配置された半導体層と、を有する半導体デバイスであって、前記半導体層は、添加剤を含有する、1価のカチオン、2価のカチオン及び1価のアニオンにより構成されるペロブスカイト半導体層であり、前記添加剤は前記1価のカチオンのpKa値よりも低いpKa値を有するとともに、そのpKa値が0.99以上4.17以下(ただし、pKa値が3.09である場合を除く)である化合物であることを特徴とする、半導体デバイス。
[2]前記化合物が、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基又は無水カルボン酸基を有する化合物であることを特徴とする[1]に記載の半導体デバイス。
[3]前記化合物の沸点が100℃以上であることを特徴とする[1]又は[2]のいずれかに記載の半導体デバイス。
[4]前記化合物の融点が100℃以上であることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体デバイス。
[5]光電変換素子であることを特徴とする、[1]〜[4]のいずれかに記載の半導体デバイス。
[6][5]に記載の半導体デバイスを備える太陽電池。
[7][6]に記載の太陽電池を備える太陽電池モジュール。
That is, the gist of the present invention lies below.
[1] A semiconductor device having a pair of electrodes and a semiconductor layer arranged between the pair of electrodes, wherein the semiconductor layer contains a monovalent cation, a divalent cation, and a divalent cation containing an additive. It is a perovskite semiconductor layer composed of a monovalent anion, and the additive has a pKa value lower than the pKa value of the monovalent cation, and the pKa value is 0.99 or more and 4.17 or less (however, however). A semiconductor device comprising a compound having a pKa value of 3.09).
[2] The semiconductor device according to [1], wherein the compound is a compound having a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or an anhydrous carboxylic acid group.
[3] The semiconductor device according to any one of [1] and [2], wherein the compound has a boiling point of 100 ° C. or higher.
[4] The semiconductor device according to any one of [1] to [3], wherein the compound has a melting point of 100 ° C. or higher.
[5] The semiconductor device according to any one of [1] to [4], which is a photoelectric conversion element.
[6] A solar cell including the semiconductor device according to [5].
[7] A solar cell module including the solar cell according to [6].
半導体デバイスの性能を向上させることができる。 The performance of the semiconductor device can be improved.
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定はされない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below is an example (representative example) of the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents as long as the gist thereof is not exceeded.
<1.半導体デバイス>
本発明に係る半導体デバイスは、一対の電極と、一対の電極間に配置されたペロブスカイト半導体層と、を有する。また、ペロブスカイト半導体層は、特定の添加剤を含有している。以下、ペロブスカイト半導体層のことを単に半導体層と呼ぶことがある。
<1. Semiconductor device >
The semiconductor device according to the present invention has a pair of electrodes and a perovskite semiconductor layer arranged between the pair of electrodes. In addition, the perovskite semiconductor layer contains a specific additive. Hereinafter, the perovskite semiconductor layer may be simply referred to as a semiconductor layer.
本明細書において半導体デバイスとは、半導体化合物を含有する半導体層を備える電子デバイスのことを指す。電子デバイスとは、2個以上の電極とを有し、その電極間に流れる電流若しくは生じる電圧を、電気、光、磁気若しくは化学物質等により制御するデバイス、又は、その電極間に印加した電圧若しくは電流により、光、電場若しくは磁場等を発生させるデバイスのことを指す。具体例としては、電圧若しくは電流の印加により電流若しくは電圧を制御する素子、磁場の印加により電圧若しくは電流を制御する素子、又は化学物質を作用させて電圧若しくは電流を制御する素子等が挙げられる。制御の具体例としては、整流、スイッチング、増幅又は発振等が挙げられる。 As used herein, the term "semiconductor device" refers to an electronic device including a semiconductor layer containing a semiconductor compound. An electronic device is a device that has two or more electrodes and controls the current or generated voltage flowing between the electrodes by electricity, light, magnetism, chemical substances, etc., or the voltage applied between the electrodes or It refers to a device that generates light, electric field, magnetic field, etc. by electric current. Specific examples include an element that controls a current or a current by applying a voltage or a current, an element that controls a voltage or a current by applying a magnetic field, an element that controls a voltage or a current by acting a chemical substance, and the like. Specific examples of control include rectification, switching, amplification, oscillation, and the like.
なお、本明細書において「半導体」とは、固体状態におけるキャリア移動度の大きさによって定義される。キャリア移動度とは、周知であるように、電荷(電子又は正孔)がどれだけ速く(又は多く)移動されうるかを示す指標となるものである。具体的には、本明細書における「半導体」は、室温におけるキャリア移動度が好ましくは1.0x10−6cm2/V・s以上、より好ましくは1.0x10−5cm2/V・s以上、さらに好ましくは5.0x10−5cm2/V・s以上、特に好ましくは1.0x10−4cm2/V・s以上である。なお、キャリア移動度は、例えば電界効果トランジスタのIV特性の測定、又はタイムオブフライト法等により測定できる。 In addition, in this specification, "semiconductor" is defined by the magnitude of carrier mobility in a solid state. As is well known, carrier mobility is an index showing how quickly (or many) charges (electrons or holes) can be transferred. Specifically, the "semiconductor" in the present specification preferably has a carrier mobility at room temperature of 1.0 x 10-6 cm 2 / V · s or more, and more preferably 1.0 x 10-5 cm 2 / V · s or more. More preferably, it is 5.0 x 10-5 cm 2 / V · s or more, and particularly preferably 1.0 × 10 -4 cm 2 / V · s or more. The carrier mobility can be measured, for example, by measuring the IV characteristics of the field-effect transistor, the time-of-flight method, or the like.
半導体デバイスの例としては、抵抗器、整流器(ダイオード)、スイッチング素子(トランジスタ、サイリスタ)、増幅素子(トランジスタ)、メモリー素子若しくは化学センサー等、又はこれらの素子を組み合わせ若しくは集積化して得られたデバイスが挙げられる。また、半導体デバイスのさらなる例としては光素子が挙げられ、光素子には光電流を生じるフォトダイオード若しくはフォトトランジスタ、電界を印加することにより発光する電界発光素子、又は光により起電力を生じる光電変換素子若しくは太陽電池等が含まれる。 Examples of semiconductor devices include resistors, rectifiers (diodes), switching elements (transistors, thyristors), amplification elements (transistors), memory elements, chemical sensors, etc., or devices obtained by combining or integrating these elements. Can be mentioned. Further, a further example of the semiconductor device is an optical element, and the optical element is a photodiode or phototransistor that generates a photocurrent, an electroluminescent element that emits light by applying an electric field, or a photoelectric conversion that generates an electromotive force by light. Elements, solar cells, etc. are included.
半導体デバイスのより具体的な例としては、S.M.Sze著、Physics of Semiconductor Devices、2nd Edition(Wiley Interscience 1981)に記載されているものを挙げることができる。なかでも、一実施形態に係る半導体デバイスの好ましい例としては、電界効果トランジスタ素子(FET)、電界発光素子(LED)、光電変換素子又は太陽電池が挙げられる。 More specific examples of semiconductor devices include S.I. M. Examples include those described by Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Edition (Wiley Interscience 1981). Among them, preferable examples of the semiconductor device according to one embodiment include a field effect transistor element (FET), an electroluminescent element (LED), a photoelectric conversion element, or a solar cell.
電極の種類は特に限定さない。半導体デバイスの種類に応じて、適切な材料を用いて電極を作製することができる。電極の具体例は、いくつかの半導体デバイスに関して後に説明する。 The type of electrode is not particularly limited. Depending on the type of semiconductor device, electrodes can be made using suitable materials. Specific examples of electrodes will be described later with respect to some semiconductor devices.
ペロブスカイト半導体層とは、半導体特性を有する層であって、ペロプスカイト半導体化合物を含んでいる。ペロブスカイト半導体化合物とは、ペロブスカイト構造を有する半導体化合物のことを指す。ペロブスカイト半導体化合物としては、特段の制限はないが、例えば、Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7 - Perovskite type and related structuresで挙げられているものから選ぶことができる。例えば、ペロブスカイト半導体化合物としては、一般式AMX3で表されるもの又は一般式A2MX4で表されるものが挙げられる。ここで、Mは2価のカチオンを、Aは1価のカチオンを、Xは1価のアニオンを指す。ペロブスカイト半導体化合物としては、半導体デバイスの種類に応じて適切なものを選択することができる。 The pelops-skite semiconductor layer is a layer having semiconductor characteristics and contains a pelops-skite semiconductor compound. The perovskite semiconductor compound refers to a semiconductor compound having a perovskite structure. The perovskite semiconductor compound is not particularly limited, but can be selected from, for example, those listed in Galasso et al. Structure and Properties of Inorganic Solids, Chapter 7 --Perovskite type and related structures. For example, examples of the perovskite semiconductor compound include those represented by the general formula AMX 3 and those represented by the general formula A 2 MX 4 . Here, M refers to a divalent cation, A refers to a monovalent cation, and X refers to a monovalent anion. As the perovskite semiconductor compound, an appropriate one can be selected according to the type of semiconductor device.
1価のカチオンAに特段の制限はないが、例えば、上記Galassoの著書に記載されているものを用いることができる。より具体的な例としては、周期表第1族及び第13族〜第16族元素を含むカチオンが挙げられる。これらの中でも、セシウムイオン、ルビジウムイオン、置換基を有していてもよいアンモニウムイオン又は置換基を有していてもよいホスホニウムイオンが好ましい。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの例としては、1級アンモニウムイオン又は2級アンモニウムイオンが挙げられる。置換基にも特段の制限はない。置換基を有していてもよいアンモニウムイオンの具体例としては、アルキルアンモニウムイオン又はアリールアンモニウムイオンが挙げられる。特に、立体障害を避けるために、3次元の結晶構造となるモノアルキルアンモニウムイオンが好ましく、安定性向上の観点からは、一つ以上のフッ素基を置換したアルキルアンモニウムイオンを用いることが好ましい。また、カチオンAとして2種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。 The monovalent cation A is not particularly limited, but for example, the one described in the above-mentioned Galasso's book can be used. More specific examples include cations containing Group 1 and Group 13-16 elements of the Periodic Table. Among these, cesium ion, rubidium ion, ammonium ion which may have a substituent, or phosphonium ion which may have a substituent is preferable. Examples of ammonium ions that may have a substituent include primary ammonium ions or secondary ammonium ions. There are no particular restrictions on the substituents. Specific examples of ammonium ions that may have a substituent include alkylammonium ions or arylammonium ions. In particular, monoalkylammonium ions having a three-dimensional crystal structure are preferable in order to avoid steric hindrance, and from the viewpoint of improving stability, alkylammonium ions substituted with one or more fluorine groups are preferably used. Further, a combination of two or more kinds of cations can be used as the cation A.
1価のカチオンAの具体例としては、メチルアンモニウムイオン、モノフッ化メチルアンモニウムイオン、ジフッ化メチルアンモニウムイオン、トリフッ化メチルアンモニウムイオン、エチルアンモニウムイオン、イソプロピルアンモニウムイオン、n−プロピルアンモニウムイオン、イソブチルアンモニウムイオン、n−ブチルアンモニウムイオン、t−ブチルアンモニウムイオン、ジメチルアンモニウムイオン、ジエチルアンモニウムイオン、フェニルアンモニウムイオン、ベンジルアンモニウムイオン、フェネチルアンモニウムイオン、グアニジウムイオン、ホルムアミジニウムイオン、アセトアミジニウムイオン又はイミダゾリウムイオン等が挙げられる。 Specific examples of the monovalent cation A include methylammonium ion, monofluoromethylammonium ion, difluoride methylammonium ion, trifluoride methylammonium ion, ethylammonium ion, isopropylammonium ion, n-propylammonium ion, and isobutylammonium ion. , N-butylammonium ion, t-butylammonium ion, dimethylammonium ion, diethylammonium ion, phenylammonium ion, benzylammonium ion, phenethylammonium ion, guanidium ion, formamidinium ion, acetamidinium ion or imidazolium Ions and the like can be mentioned.
2価のカチオンMにも特段の制限はないが、2価の金属カチオン又は半金属カチオンであることが好ましい。具体的な例としては周期表第14族元素のカチオンが挙げられ、より具体的な例としては、鉛カチオン(Pb2+)、スズカチオン(Sn2+)、ゲルマニウムカチオン(Ge2+)が挙げられる。また、カチオンMとして2種類以上のカチオンの組み合わせを用いることもできる。なお、安定な光電変換素子を得る観点からは、鉛カチオン又は鉛カチオンを含む2種以上のカチオンを用いることが特に好ましい。
The divalent cation M is also not particularly limited, but is preferably a divalent metal cation or a metalloid cation. Specific examples include cations of
1価のアニオンXの例としては、ハロゲン化物イオン、酢酸イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ホウ酸イオン、アセチルアセトナートイオン、炭酸イオン、クエン酸イオン、硫黄イオン、テルルイオン、チオシアン酸イオン、チタン酸イオン、ジルコン酸イオン、2,4−ペンタンジオナトイオン又はケイフッ素イオン等が挙げられる。バンドギャップを調整するためには、Xは1種類のアニオンであってもよいし、2種類以上のアニオンの組み合わせであってもよい。なかでも、Xとしてはハロゲン化物イオン、又はハロゲン化物イオンとその他のアニオンとの組み合わせを用いることが好ましい。ハロゲン化物イオンXの例としては、塩化物イオン、臭化物イオン又はヨウ化物イオン等が挙げられる。半導体のバンドギャップを広げすぎない観点から、ヨウ化物イオンを用いることが好ましい。 Examples of monovalent anion X include halide ion, acetate ion, nitrate ion, sulfate ion, borate ion, acetylacetonate ion, carbonate ion, citrate ion, sulfur ion, tellurium ion, thiocyanate ion, and titanoic acid. Examples thereof include an ion, a zirconate ion, a 2,4-pentandionato ion, a siliceous fluorine ion and the like. In order to adjust the bandgap, X may be one kind of anion or a combination of two or more kinds of anions. Among them, it is preferable to use a halide ion or a combination of a halide ion and another anion as X. Examples of the halide ion X include chloride ion, bromide ion, iodide ion and the like. It is preferable to use iodide ions from the viewpoint of not widening the band gap of the semiconductor too much.
ペロブスカイト半導体化合物の好ましい例としては、有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられ、特にハライド系有機−無機ペロブスカイト半導体化合物が挙げられる。ペロブスカイト半導体化合物の具体例としては、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnCl3、CH3NH3PbI(3−x)Clx、CH3NH3PbI(3−x)Brx、CH3NH3PbBr(3−x)Clx、CH3NH3Pb(1−y)SnyI3、CH3NH3Pb(1−y)SnyBr3、CH3NH3Pb(1−y)SnyCl3、CH3NH3Pb(1−y)SnyI(3−x)Clx、CH3NH3Pb(1−y)SnyI(3−x)Brx、及びCH3NH3Pb(1−y)SnyBr(3−x)Clx、並びに、上記の化合物においてCH3NH3の代わりにCFH2NH3、CF2HNH3、又はCF3NH3を用いたもの、等が挙げられる。なお、xは0以上3以下、yは0以上1以下の任意の値を示す。 Preferred examples of the perovskite semiconductor compound include an organic-inorganic perovskite semiconductor compound, and in particular, a halide-based organic-inorganic perovskite semiconductor compound. Specific examples of perovskite semiconductor compound, CH 3 NH 3 PbI 3, CH 3 NH 3 PbBr 3, CH 3 NH 3 PbCl 3, CH 3 NH 3 SnI 3, CH 3 NH 3 SnBr 3, CH 3 NH 3 SnCl 3 , CH 3 NH 3 PbI (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 PbI (3-x) Br x , CH 3 NH 3 PbBr (3-x) Cl x , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Cl 3 , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3) -X) Cl x , CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y I (3-x) Br x , and CH 3 NH 3 Pb (1-y) Sn y Br (3-x) Cl x , and , CFH 2 NH 3 , CF 2 HNH 3 , or CF 3 NH 3 is used instead of CH 3 NH 3 in the above compounds. Note that x indicates an arbitrary value of 0 or more and 3 or less, and y indicates an arbitrary value of 0 or more and 1 or less.
半導体層は、2種類以上のペロブスカイト半導体化合物を含有していてもよい。例えば、A、B及びXのうちの少なくとも1つが異なる2種類以上のペロブスカイト半導体化合物が半導体層に含まれていてもよい。 The semiconductor layer may contain two or more types of perovskite semiconductor compounds. For example, two or more types of perovskite semiconductor compounds in which at least one of A, B, and X is different may be contained in the semiconductor layer.
半導体層に含まれるペロブスカイト半導体化合物の量は、良好な半導体特性が得られるように、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上である。上限に特に制限はない。 The amount of the perovskite semiconductor compound contained in the semiconductor layer is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more so that good semiconductor characteristics can be obtained. .. There is no particular upper limit.
半導体層は、さらに添加剤を含んでいる。添加剤としては、ペロブスカイト半導体化合物を構成する1価のカチオンAのpKa値(1価のカチオンAからプロトンが脱離する際のpKa値)よりも低いpKa値を有する化合物が挙げられる。なお、本明細書において、pKa値は、水中での25℃における値を指し、各化合物のpKa値は、日本化学会編「改訂5版化学便覧」に記載の値に従うものとする。但し、日本化学会編「改訂5版化学便覧」にpKa値が記載されていない化合物に関しては、全自動物性パラメータ測定装置(Sirius analytical T3、CTCライフサイエンス株式会社製)を用いて算出することができる。 The semiconductor layer further contains additives. Examples of the additive include a compound having a pKa value lower than the pKa value of the monovalent cation A constituting the perovskite semiconductor compound (the pKa value when the proton is desorbed from the monovalent cation A). In the present specification, the pKa value refers to the value at 25 ° C. in water, and the pKa value of each compound shall be in accordance with the value described in "Revised 5th Edition Chemistry Handbook" edited by the Chemical Society of Japan. However, for compounds for which the pKa value is not described in the "Revised 5th Edition Chemistry Handbook" edited by the Chemical Society of Japan, it can be calculated using a fully automatic physical property parameter measuring device (Sirius analytical T3, manufactured by CTC Life Science Corporation). can.
なお、添加剤の化合物が、複数のpKaを有する場合、1段階目の電離(最初にプロトンが脱離する際)のpKa値を参照するものとする。添加剤は、2種類以上の物質の混合物であってもよい。 When the compound of the additive has a plurality of pKa, the pKa value of the first stage ionization (when the proton is first desorbed) shall be referred to. The additive may be a mixture of two or more substances.
本発明者らによれば、半導体層が上記の化合物を含んでいることにより、半導体デバイスの性能が向上すること、例えば光電変換素子において短絡電流密度及び光電変換効率が向上することが見出された。その理由は明確ではないが、以下の理由が考えられる。例えば、ペロブスカイト化合物は後述するように、例えば、AX(Aは1価のカチオン、Xは1価のアニオン)及びMX2(Mは2価のカチオン、Xは1価のアニオン)を前駆体として形成することができる。この際に、ペロブスカイト半導体化合物を構成する1価のカチオンAが1価のアニオンXに配位することが重要になるが、該1価のカチオンAのpKaよりも低いpKa値を有する化合物を添加することにより、1価のカチオン塩の活性化を促進することができるものと考えられる。そのため、該ペロブスカイト半導体を構成する(MX2)との反応性を高めることができ、ペロブスカイト半導体の結晶化を促進することができて結晶サイズの大きなペロブスカイト半導体が得られるものと考えられる。この結果、短絡電流密度及び光電変換効率が向上したものと考えられる。 According to the present inventors, it has been found that when the semiconductor layer contains the above compound, the performance of the semiconductor device is improved, for example, the short-circuit current density and the photoelectric conversion efficiency are improved in the photoelectric conversion element. rice field. The reason is not clear, but the following reasons can be considered. For example, the perovskite compound uses, for example, AX (A is a monovalent cation, X is a monovalent anion) and MX 2 (M is a divalent cation, X is a monovalent anion) as precursors, as described later. Can be formed. At this time, it is important that the monovalent cation A constituting the perovskite semiconductor compound is coordinated with the monovalent anion X, but a compound having a pKa value lower than the pKa of the monovalent cation A is added. It is considered that the activation of the monovalent cation salt can be promoted by the above. Therefore, it is considered that the reactivity with the perovskite semiconductor (MX 2 ) constituting the perovskite semiconductor can be enhanced, the crystallization of the perobskite semiconductor can be promoted, and the perovskite semiconductor having a large crystal size can be obtained. As a result, it is considered that the short-circuit current density and the photoelectric conversion efficiency are improved.
上記のなかでも、1価のカチオン塩をより活性化させるために、添加剤は、pKa値が7以下の化合物であることが好ましく、6以下の化合物であることがさらに好ましく、5以下の化合物であることが特に好ましい。一方、半導体デバイスの性能向上のために、添加剤は、pKa値が−5以上の化合物であることが好ましい。また、pKa値が−5以上の化合物を用いることは、溶液プロセスを用いて半導体層を形成する際に、よく用いられるN,N−ジメチルホルムアミド等の極性溶媒と添加剤が反応しにくい点でも好ましい。より好ましくは、添加剤はpKaが−2以上の化合物であり、さらに好ましくは0以上の化合物である。 Among the above, in order to further activate the monovalent cationic salt, the additive is preferably a compound having a pKa value of 7 or less, more preferably a compound having a pKa value of 6 or less, and a compound having a pKa value of 5 or less. Is particularly preferable. On the other hand, in order to improve the performance of the semiconductor device, the additive is preferably a compound having a pKa value of −5 or more. In addition, using a compound having a pKa value of -5 or more also means that when a semiconductor layer is formed by using a solution process, it is difficult for the additive to react with a polar solvent such as N, N-dimethylformamide, which is often used. preferable. More preferably, the additive is a compound having a pKa of -2 or more, and even more preferably a compound having a pKa of 0 or more.
上記化合物としては、特段の制限はないが、ペロブスカイト前駆体溶液への溶解性向上のためにオキソ基(X=O、Xは第14族、第15族、第16族の元素から選ばれる原子)及び水酸基を有する有機化合物であることが好ましい。なかでも、ペロブスカイト半導体との相互作用を促進するために上記化合物は、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基、又は無水カルボン酸基を有する化合物が好ましい。また、上記化合物の分子量は50以上であることが好ましく、80以上であることがさらに好ましく、一方、半導体層中において絶縁性を高めないために、当該分子量は500以下であることが好ましく、300以下であることがさらに好ましい。
The above compound is not particularly limited, but is an atom selected from the elements of the oxo group (X = O, X are
カルボキシル基を有する化合物としては、特段の制限はないが、例えば、酒石酸、L−アスコルビン酸、リンゴ酸、クエン酸、安息香酸、o−クロロ安息香酸、m−ニトロ安息香酸、サリチル酸、トリクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、又はフタル酸が挙げられる。 The compound having a carboxyl group is not particularly limited, but for example, tartaric acid, L-ascorbic acid, malic acid, citric acid, benzoic acid, o-chlorobenzoic acid, m-nitrobenzoic acid, salicylic acid, trichloroacetic acid, etc. Dichloroacetic acid or phthalic acid can be mentioned.
カルボキシル基には、L−アスコルビン酸が有するような、ビニル性カルボン酸基(C(=O)−C=C−OH)も含まれる。 The carboxyl group also includes a vinyl carboxylic acid group (C (= O) -C = C-OH) as that L-ascorbic acid has.
リン酸基を有する化合物としては、特段の制限はないが、例えば、グリホサート、2−アミノプロピルホスホン酸、アミノメチルホスホン酸、又はメチレンジホスホン酸が挙げられる。 The compound having a phosphoric acid group is not particularly limited, and examples thereof include glyphosate, 2-aminopropylphosphonic acid, aminomethylphosphonic acid, and methylene diphosphonic acid.
スルホン酸基を有する化合物としては、特段の制限はないが、例えば、スルファミン酸、アミノエチルスルホン酸、4−モルホリンエタンスルホン酸、又はアミノメチルスルホン酸が挙げられる。 The compound having a sulfonic acid group is not particularly limited, and examples thereof include sulfamic acid, aminoethyl sulfonic acid, 4-morpholine ethane sulfonic acid, and aminomethyl sulfonic acid.
無水カルボン酸基を有する化合物としては、特段の制限はないが、L−アスコルビン酸、コハク酸無水物、又はフタル酸無水物が挙げられる。 The compound having an carboxylic acid anhydride group is not particularly limited, and examples thereof include L-ascorbic acid, succinic anhydride, and phthalic anhydride.
無水カルボン酸基を有する化合物としては、水和して得られる化合物のpKa値が、1価のカチオンAのpKa値よりも低くなるような化合物であってもよい。 The compound having an carboxylic acid anhydride group may be a compound in which the pKa value of the compound obtained by hydration is lower than the pKa value of the monovalent cation A.
上記のなかでも、添加剤としては不揮発性の化合物又は難揮発性の化合物を用いることが好ましい。例えば非特許文献1に記載されているように添加剤としてヨウ化水素を用いる場合、半導体層の成膜中にヨウ化水素が揮発してしまうため、半導体層中に添加剤は残らない。そのため、ペロブスカイト半導体化合物の結晶サイズを大きくすることができないために効率を向上させることができない。そのため、添加剤の揮発を防ぐ観点から、添加剤は25℃1気圧において固体であることが好ましい。なお、半導体層を形成する際に揮発するのを防ぎ半導体層中に化合物を残存させるという観点からは、該化合物の1気圧における沸点は100℃以上であることが好ましく、150℃以上であることがさらに好ましく、200℃以上であることが特に好ましい。また、該化合物は半導体層中において固体酸として存在することが好ましいために、該化合物の25℃1気圧における融点は100℃以上であることが好ましい。 Among the above, it is preferable to use a non-volatile compound or a non-volatile compound as the additive. For example, when hydrogen iodide is used as an additive as described in Non-Patent Document 1, hydrogen iodide volatilizes during the film formation of the semiconductor layer, so that no additive remains in the semiconductor layer. Therefore, the efficiency cannot be improved because the crystal size of the perovskite semiconductor compound cannot be increased. Therefore, from the viewpoint of preventing the additive from volatilizing, the additive is preferably solid at 25 ° C. and 1 atm. From the viewpoint of preventing volatilization when forming the semiconductor layer and leaving the compound in the semiconductor layer, the boiling point of the compound at 1 atm is preferably 100 ° C. or higher, preferably 150 ° C. or higher. Is more preferable, and it is particularly preferable that the temperature is 200 ° C. or higher. Further, since the compound preferably exists as a solid acid in the semiconductor layer, the melting point of the compound at 25 ° C. and 1 atm is preferably 100 ° C. or higher.
添加剤としては、ペロブスカイト半導体の構成成分以外の材料を用いることができ、例えば、半導体層が上記のようにAMX3又はA2MX4で表されるペロブスカイト半導体を含有している場合、AMX3、A2MX4、AX又はMX2以外の添加剤を用いることができる。また、一実施形態においては、HX又はXの塩ではない添加剤が用いられ、さらなる実施形態においては、A又はMの塩ではない添加剤が用いられる。また、ペロブスカイト半導体の構成成分とは性質の異なる添加剤を用いることができる。例えば、半導体層がハライド系有機−無機ペロブスカイト半導体化合物を含有する場合、ハロゲン化水素又はハロゲン化物塩ではない添加剤を用いることができる。 As the additive, a material other than the constituent components of the perovskite semiconductor can be used. For example, when the semiconductor layer contains the perovskite semiconductor represented by AMX 3 or A 2 MX 4 as described above, AMX 3 , A 2 MX 4 , AX or MX 2 but other additives can be used. Further, in one embodiment, an additive that is not a salt of HX or X is used, and in a further embodiment, an additive that is not a salt of A or M is used. In addition, additives having properties different from those of the constituents of the perovskite semiconductor can be used. For example, when the semiconductor layer contains a halide-based organic-inorganic perovskite semiconductor compound, an additive other than a hydrogen halide or a halide salt can be used.
半導体層中に含まれる添加剤の量は、効果が得られるのであれば特に限定されない。添加剤の効果がよりよく発揮されるように、半導体層中に含まれる添加剤の量は、半導体層中に含まれるペロブスカイト半導体化合物を構成する2価のカチオンMの量に対して1.0mol%以上であることが好ましく、2.0mol%以上であることがより好ましく、5.0mol%以上であることがさらに好ましく、10mol%以上であってもよい。一方で、半導体特性を良好に維持できるように、半導体層中に含まれる添加剤の量は、半導体層中に含まれるペロブスカイト半導体化合物を構成する2価のカチオンMの量に対して100mol%以下であることが好ましく、75mol%以下であることがより好ましく、50mol%以下であることがさらに好ましい。 The amount of the additive contained in the semiconductor layer is not particularly limited as long as the effect can be obtained. The amount of the additive contained in the semiconductor layer is 1.0 mol with respect to the amount of the divalent cation M constituting the perovskite semiconductor compound contained in the semiconductor layer so that the effect of the additive is more exerted. % Or more is preferable, 2.0 mol% or more is more preferable, 5.0 mol% or more is further preferable, and 10 mol% or more may be used. On the other hand, the amount of the additive contained in the semiconductor layer is 100 mol% or less with respect to the amount of the divalent cation M constituting the perovskite semiconductor compound contained in the semiconductor layer so that the semiconductor characteristics can be maintained well. It is preferably 75 mol% or less, more preferably 50 mol% or less.
半導体層には、ペロブスカイト半導体化合物及び添加剤以外に、他の化合物が添加されていてもよい。他の化合物の例としては、ハロゲン化物、酸化物、又は硫化物、硫酸塩、硝酸塩若しくはアンモニウム塩等の無機塩のような、無機化合物が挙げられる。この場合、半導体層の半導体特性がよく発揮されるように、半導体層中のペロブスカイト半導体化合物及び上述の添加剤の割合は、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上である。また半導体層は、異なる材料を含み又は異なる成分を有する複数の層で形成される積層構造を有していてもよい。 In addition to the perovskite semiconductor compound and the additive, other compounds may be added to the semiconductor layer. Examples of other compounds include inorganic compounds such as halides, oxides, or inorganic salts such as sulfides, sulfates, nitrates or ammonium salts. In this case, the ratio of the perovskite semiconductor compound and the above-mentioned additive in the semiconductor layer is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more so that the semiconductor characteristics of the semiconductor layer are well exhibited. , More preferably 90% by mass or more. Further, the semiconductor layer may have a laminated structure formed by a plurality of layers containing different materials or having different components.
半導体層の厚さは特に限定されず、半導体層の用途に応じて適宜選択することができる。一例としては、半導体層の厚さは0.5nm以上500nm以下であってもよい。 The thickness of the semiconductor layer is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the use of the semiconductor layer. As an example, the thickness of the semiconductor layer may be 0.5 nm or more and 500 nm or less.
半導体層の形成方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、上記の添加剤を含有する塗布液を用いて塗布法により半導体層を形成することができる。特にこのように塗布法を用いて半導体層を形成する場合、上述の通り、添加剤のpKaは、7以下の化合物であることが好ましく、6以下であることがさらに好ましく、5以下であることが特に好ましく、一方、−5以上であることが好ましく、−2以上であることがより好ましく、0以上であることがさらに好ましい。具体例としては、具体例としては、ペロブスカイト半導体化合物又はその前駆体と、添加剤と、を含有する塗布液を塗布することにより半導体層を形成する方法が挙げられる。 The method for forming the semiconductor layer is not particularly limited, and any method can be used. For example, a semiconductor layer can be formed by a coating method using a coating liquid containing the above additives. In particular, when the semiconductor layer is formed by the coating method in this way, as described above, the pKa of the additive is preferably a compound of 7 or less, more preferably 6 or less, and 5 or less. On the other hand, it is preferably −5 or more, more preferably −2 or more, and further preferably 0 or more. Specific examples include a method of forming a semiconductor layer by applying a coating liquid containing a perovskite semiconductor compound or a precursor thereof and an additive.
ペロブスカイト半導体化合物前駆体とは、塗布液を塗布した後にペロブスカイト半導体化合物へと変換可能な材料のことを指す。具体的な例としては、加熱することによりペロブスカイト半導体化合物へと変換可能なペロブスカイト半導体化合物前駆体がある。例えば、塗布液を塗布することにより得られた膜を加熱することにより、ペロブスカイト半導体化合物前駆体をペロブスカイト半導体化合物へと変換し、ペロブスカイト半導体化合物及び添加剤を含有する半導体層を形成することができる。ペロブスカイト半導体化合物前駆体の具体例としては、加熱により下記(1)で表されるペロブスカイト半導体化合物へと変換可能である、下記式(2)で表される化合物及び/又は下記式(3)で表される化合物が挙げられる。 The perovskite semiconductor compound precursor refers to a material that can be converted into a perovskite semiconductor compound after the coating liquid is applied. As a specific example, there is a perovskite semiconductor compound precursor that can be converted into a perovskite semiconductor compound by heating. For example, by heating the film obtained by applying the coating liquid, the perovskite semiconductor compound precursor can be converted into the perovskite semiconductor compound to form a semiconductor layer containing the perovskite semiconductor compound and the additive. .. Specific examples of the perovskite semiconductor compound precursor include a compound represented by the following formula (2) and / or the following formula (3), which can be converted into a perovskite semiconductor compound represented by the following formula (1) by heating. Examples include the compounds represented.
一例としては、下記式(2)で表される化合物と、下記式(3)で表わされる化合物と、添加剤と、溶媒と、を含有する塗布液を作製し、この塗布液を塗布する方法が挙げられる。このような塗布液は、化合物を溶液中で加熱攪拌することにより作製することができる。この方法によれば、下記式(1)で表される化合物と添加剤とを含有する活性層103を作製することができる。
As an example, a method of preparing a coating liquid containing a compound represented by the following formula (2), a compound represented by the following formula (3), an additive, and a solvent, and applying the coating liquid. Can be mentioned. Such a coating liquid can be prepared by heating and stirring the compound in the solution. According to this method, the
AMX3 ・・・(1)
AX ・・・(2)
MX2 ・・・(3)
A、M及びXの定義は上述の通りである。AXの具体例としてはハロゲン化アルキルアンモニウム塩が挙げられ、MX2の具体例としては金属ハロゲン化物が挙げられる。AX及びMX2は、ベロブスカイト半導体化合物AMX3の前駆体である。
AMX 3 ... (1)
AX ・ ・ ・ (2)
MX 2 ... (3)
The definitions of A, M and X are as described above. Specific examples of AX include alkylammonium halides, and specific examples of MX 2 include metal halides. AX and MX 2 are precursors of the belobskite semiconductor compound AMX 3.
加熱攪拌又は加熱アニールの際の加熱温度は、化合物の反応を十分に促進する観点から、60℃以上であることが好ましく、一方、副反応を避ける観点から、80℃以下であることが好ましい。また、加熱攪拌時間は、化合物の反応を十分に促進する観点から、2時間以上であることが好ましく、生産効率を向上させる観点から、24時間以下であることが好ましい。加熱攪拌温度は、60℃以上であることが好ましく、65℃以上であることがさらに好ましい。なお、アニールの方法は、特段の制限はなく、常圧下、または、減圧下、ホットプレートにより行ってもよいし、近赤外線加熱装置(NIR)により行ってもよい。 The heating temperature at the time of heating stirring or heating annealing is preferably 60 ° C. or higher from the viewpoint of sufficiently promoting the reaction of the compound, while it is preferably 80 ° C. or lower from the viewpoint of avoiding side reactions. The heating and stirring time is preferably 2 hours or more from the viewpoint of sufficiently promoting the reaction of the compound, and preferably 24 hours or less from the viewpoint of improving the production efficiency. The heating and stirring temperature is preferably 60 ° C. or higher, and more preferably 65 ° C. or higher. The annealing method is not particularly limited, and may be performed by a hot plate under normal pressure or reduced pressure, or by a near-infrared heating device (NIR).
式(3)で表される化合物に対する式(2)で表される化合物のモル分率(2/3)は、特段の制限はない。しかしながら、活性層中に式(3)で表される化合物が残存すると光電変換素子の変換効率が低下する傾向がある。また、後述する加熱処理により式(2)で表される化合物を除去できても、式(3)で表される化合物は加熱により除去することが困難であることが多い。そのため、式(3)で表される化合物が層中に残存しないように活性層103を形成することが好ましい。この点から、式(3)で表される化合物に対する式(2)で表される化合物のモル分率(2/3)は100モル%以上であることが好ましく、一方、600モル%以下であることが好ましく、400モル%以下であることが特に好ましい。
The mole fraction (2/3) of the compound represented by the formula (2) with respect to the compound represented by the formula (3) is not particularly limited. However, if the compound represented by the formula (3) remains in the active layer, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element tends to decrease. Further, even if the compound represented by the formula (2) can be removed by the heat treatment described later, it is often difficult to remove the compound represented by the formula (3) by heating. Therefore, it is preferable to form the
塗布法に用いられる塗布液は、ペロブスカイト半導体化合物又はその前駆体と、添加剤と、を溶媒に溶解させることにより作製することができる。溶媒としては、ペロブスカイト半導体化合物及び添加剤が溶解するのであれば特に限定されない。溶媒の例としては、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、ノナン若しくはデカン等の脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン、メシチレン、シクロヘキシルベンゼン、クロロベンゼン若しくはオルトジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、テトラリン若しくはデカリン等の脂環式炭化水素類;メタノール、エタノール若しくはプロパノール等の低級アルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、ジメチルスルホキシド、若しくはシクロヘキサノン等の脂肪族ケトン類;アセトフェノン若しくはプロピオフェノン等の芳香族ケトン類;酢酸エチル、酢酸ブチル、γ−ブチロラクトン、若しくは乳酸メチル等のエステル類;クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタン若しくはトリクロロエチレン等のハロゲン炭化水素類;エチルエーテル、テトラヒドロフラン若しくはジオキサン等のエーテル類;又は、ジメチルホルムアミド若しくはジメチルアセトアミド等のアミド類等が挙げられる。 The coating liquid used in the coating method can be prepared by dissolving a perovskite semiconductor compound or a precursor thereof and an additive in a solvent. The solvent is not particularly limited as long as the perovskite semiconductor compound and the additive are dissolved. Examples of solvents include aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, isooctane, nonane or decane; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, mesitylene, cyclohexylbenzene, chlorobenzene or orthodichlorobenzene; cyclopentane, Aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, methylcyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, tetraline or decalin; lower alcohols such as methanol, ethanol or propanol; fats such as acetone, methylethylketone, cyclopentanone, dimethylsulfoxide or cyclohexanone Group Ketones; Aromatic Ketones such as Acetphenone or Propiophenone; Esters such as Ethyl Acetate, Butyl Acetate, γ-Butyrolactone, or Methyl Lactate; Halogen Hydrocarbons such as Chloride, Methylene Chloride, Dichloroethane, Trichloroethane or Trichloroethylene ; Ethers such as ethyl ether, tetrahydrofuran or dioxane; or amides such as dimethylformamide or dimethylacetamide can be mentioned.
ペロブスカイト半導体化合物を使用する場合、塗布液の溶媒としては、Brandrup,J.ら編「Polymer Handbook, 4th Ed.」に記載の溶解度パラメータ(SP値)が、9以上であるものが好ましく、10以上であるものが特に好ましい。例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、ピリジン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。溶媒としては、2種類以上の溶媒の混合溶媒を用いてもよい。なお、混合溶媒を用いる場合も、混合溶媒のうち少なくとも1種の溶媒の溶解度パラメータは10以上であることが好ましい。 When a perovskite semiconductor compound is used, the solvent of the coating liquid is Blandrup, J. Mol. The solubility parameter (SP value) described in "Polymer Handbook, 4th Ed." Is preferably 9 or more, and particularly preferably 10 or more. For example, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, pyridine, γ-butyrolactone and the like can be mentioned. As the solvent, a mixed solvent of two or more kinds of solvents may be used. Even when a mixed solvent is used, the solubility parameter of at least one of the mixed solvents is preferably 10 or more.
このような、ペロブスカイト半導体化合物又はペロブスカイト半導体化合物前駆体と、上記の添加剤と、を含有する組成物は、半導体層形成用の組成物として用いることができる。上記の例では、ペロブスカイト半導体化合物又はその前駆体、添加剤、及び溶媒を含有する塗布液が、半導体層形成用の組成物として用いられる。組成物はさらなる化合物を含有していてもよいが、組成物中のペロブスカイト半導体化合物又はその前駆体及び上述の添加剤の割合(溶媒を除く)は、好ましくは50質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上である。 Such a composition containing a perovskite semiconductor compound or a perovskite semiconductor compound precursor and the above-mentioned additives can be used as a composition for forming a semiconductor layer. In the above example, a coating liquid containing a perovskite semiconductor compound or a precursor thereof, an additive, and a solvent is used as a composition for forming a semiconductor layer. The composition may contain an additional compound, but the proportion of the perovskite semiconductor compound or its precursor and the above-mentioned additive in the composition is preferably 50% by mass or more, more preferably 50% by mass or more. Is 70% by mass or more, more preferably 90% by mass or more.
組成物中に含まれるペロブスカイト半導体化合物又はその前駆体と添加剤との比率は、特に限定されない。添加剤の効果がよりよく発揮されるように、組成物中に含まれる添加剤の量は、組成物中に含まれるペロブスカイト半導体化合物の材料となる2価のカチオンMの量に対して1.0mol%以上であることが好ましく、2.0mol%以上であることがより好ましく、5.0mol%以上であることがさらに好ましく、10mol%以上であってもよい。一方で、半導体特性を良好に維持できるように、半導体層中に含まれる添加剤の量は、半導体層中に含まれるペロブスカイト半導体化合物を構成する2価のカチオンMの量に対して100mol%以下であることが好ましく、75mol%以下であることがより好ましく、50mol%以下であることがさらに好ましい。 The ratio of the perovskite semiconductor compound or its precursor and the additive contained in the composition is not particularly limited. In order to better exert the effect of the additive, the amount of the additive contained in the composition is 1. It is preferably 0 mol% or more, more preferably 2.0 mol% or more, further preferably 5.0 mol% or more, and may be 10 mol% or more. On the other hand, the amount of the additive contained in the semiconductor layer is 100 mol% or less with respect to the amount of the divalent cation M constituting the perovskite semiconductor compound contained in the semiconductor layer so that the semiconductor characteristics can be maintained well. It is preferably 75 mol% or less, more preferably 50 mol% or less.
また、組成物中に含まれるペロブスカイト半導体化合物の前駆体の濃度も、特に限定されず、適切な厚さの半導体層が形成されるように適宜選択することができる。塗布成膜が円滑に進むように、ペロブスカイト半導体化合物の前駆体の濃度は好ましくは10重量%以上であり、さらに好ましくは15重量%以上であり、一方で好ましくは60重量%以下であり、さらに好ましくは45重量%以下である。 Further, the concentration of the precursor of the perovskite semiconductor compound contained in the composition is not particularly limited, and can be appropriately selected so as to form a semiconductor layer having an appropriate thickness. The concentration of the precursor of the perovskite semiconductor compound is preferably 10% by weight or more, more preferably 15% by weight or more, while preferably 60% by weight or less, and further, so that the coating film formation proceeds smoothly. It is preferably 45% by weight or less.
塗布液の塗布方法としては任意の方法を用いることができるが、例えば、スピンコート法、インクジェット法、ドクターブレード法、ドロップキャスティング法、リバースロールコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法又はカーテンコート法等が挙げられる。 Any method can be used as the coating method of the coating liquid, and for example, a spin coating method, an inkjet method, a doctor blade method, a drop casting method, a reverse roll coating method, a gravure coating method, a kiss coating method, a roll brushing method, etc. Examples thereof include a spray coating method, an air knife coating method, a wire barber coating method, a pipe doctor method, an impregnation / coating method, and a curtain coating method.
塗布液を塗布した後に乾燥を行うとともに、必要に応じてペロブスカイト半導体化合物前駆体をペロブスカイト半導体化合物へと変換する処理を行うことにより、半導体層を形成することができる。乾燥方法は特に限定されず、例えば加熱乾燥を行ってもよい。 The semiconductor layer can be formed by applying the coating liquid and then drying it, and if necessary, performing a treatment of converting the perovskite semiconductor compound precursor into a perovskite semiconductor compound. The drying method is not particularly limited, and for example, heat drying may be performed.
ここまで、上記式(2)で表される化合物と、上記式(3)で表わされる化合物と、添加剤と、溶媒と、を含有する塗布液を用いて半導体層を形成する場合について説明したが、塗布法による半導体層の形成方法はこれに限られない。例えば、上記式(2)で表されるペロブスカイト半導体化合物前駆体を含有する塗布液と、上記式(3)で表されるペロブスカイト半導体化合物前駆体を含有する塗布液とのうち、一方を塗布した後に、さらに他方を塗布してもよい。その後、ペロブスカイト半導体化合物前駆体をペロブスカイト半導体化合物へと変換する処理を行うことにより、半導体層を形成することができる。この場合、添加剤は上記式(2)で表される化合物を含有する塗布液と、上記式(3)で表される化合物を含有する塗布液とのうちの少なくとも一方に含まれていればよい。また、上記式(2)で表される化合物を含有する塗布液、及び上記式(3)で表される化合物を含有する塗布液に加えて、添加剤を含有する塗布液が塗布されてもよい。このように、上記の添加剤を含有する塗布液を用いて、様々な方法により半導体層を形成することができる。 Up to this point, a case where a semiconductor layer is formed by using a coating liquid containing a compound represented by the above formula (2), a compound represented by the above formula (3), an additive, and a solvent has been described. However, the method of forming the semiconductor layer by the coating method is not limited to this. For example, one of a coating liquid containing a perovskite semiconductor compound precursor represented by the above formula (2) and a coating liquid containing a perovskite semiconductor compound precursor represented by the above formula (3) was applied. Later, the other may be further applied. After that, a semiconductor layer can be formed by performing a process of converting the perovskite semiconductor compound precursor into a perovskite semiconductor compound. In this case, if the additive is contained in at least one of the coating liquid containing the compound represented by the above formula (2) and the coating liquid containing the compound represented by the above formula (3). good. Further, even if a coating liquid containing an additive is applied in addition to the coating liquid containing the compound represented by the above formula (2) and the coating liquid containing the compound represented by the above formula (3). good. As described above, the semiconductor layer can be formed by various methods using the coating liquid containing the above-mentioned additives.
本発明に係る半導体デバイスの製造方法は特に限定されないが、例えば以下の方法で製造することができる。すなわち、電極が形成された基材上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に電極を形成する工程と、により半導体デバイスを製造することができる。半導体層を形成する工程においては、前述した方法により半導体層を形成することができる。 The method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention is not particularly limited, and for example, it can be manufactured by the following method. That is, a semiconductor device can be manufactured by a step of forming a semiconductor layer on a base material on which an electrode is formed and a step of forming an electrode on the semiconductor layer. In the step of forming the semiconductor layer, the semiconductor layer can be formed by the method described above.
以下、本発明に係る半導体デバイスの例として、電界効果トランジスタ素子、電界発光素子、光電変換素子、及び太陽電池について詳細に説明する。 Hereinafter, as an example of the semiconductor device according to the present invention, a field effect transistor element, an electroluminescent element, a photoelectric conversion element, and a solar cell will be described in detail.
<2.電界効果トランジスタ(FET)>
本発明に係る電界効果トランジスタ(FET)素子は、半導体層と、一対の電極であるソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極とを有する。この半導体層は、上述のようにペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。
<2. Field effect transistor (FET)>
The field effect transistor (FET) element according to the present invention has a semiconductor layer, a source electrode and a drain electrode which are a pair of electrodes, and a gate electrode. This semiconductor layer contains a perovskite semiconductor compound and an additive as described above.
以下、一実施形態に係るFET素子について詳細に説明する。図1は、本発明に係るFET素子の構造例を模式的に表す図である。図1において、51が半導体層、52が絶縁体層、53及び54がソース電極及びドレイン電極、55がゲート電極、56が基材をそれぞれ示す。半導体層51は、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。もっとも、別の実施形態において、FET素子は、ソース電極53とドレイン電極54との間のチャネルとして働く半導体層51とは異なる、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有する半導体層を有していてもよい。図1(A)〜(D)にはそれぞれ異なる構造のFET素子が記載されているが、どれも本発明に係るFET素子の構造例を示している。FET素子を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。
Hereinafter, the FET element according to the embodiment will be described in detail. FIG. 1 is a diagram schematically showing a structural example of the FET element according to the present invention. In FIG. 1, 51 is a semiconductor layer, 52 is an insulator layer, 53 and 54 are source electrodes and drain electrodes, 55 is a gate electrode, and 56 is a substrate. The
一実施形態に係るFET素子において、半導体層51は、基材56上に直接又は他の層を介して半導体を膜状に形成することにより作製される。半導体層51の膜厚に制限は無く、例えば横型の電界効果トランジスタ素子の場合、所定の膜厚以上であれば素子の特性は半導体層51の膜厚には依存しない。ただし、膜厚が厚くなりすぎると漏れ電流が増加してくることが多いため、半導体層の膜厚は、好ましくは0.5nm以上、さらに好ましくは10nm以上であり、コストの観点から好ましくは1μm以下、さらに好ましくは200nm以下である。
In the FET element according to one embodiment, the
半導体層51の特性としては、室温におけるキャリア移動度が好ましくは1.0x10−6cm2/V・s以上、さらに好ましくは1.0x10−5cm2/V・s以上、より好ましくは5.0x10−5cm2/V・s以上、特に好ましくは1.0x10−4cm2/V・s以上である。
As the characteristics of the
<3.電界発光素子(LED)>
本発明に係る電界発光素子(LED)は、一対の電極である陽極及び陰極と、電極間に配置された半導体層である発光層と、を有する。電界発光素子は、電界を印加することにより、陽極より注入された正孔と陰極より注入された電子との再結合エネルギーによって蛍光性物質が発光する原理を利用した自発光素子である。一実施形態において、この発光層は、上述のようにペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。しかしながら、別の実施形態において、電界発光素子が、発光層とは異なる、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有する半導体層を有していてもよい。例えば、電子輸送層又は正孔輸送層等が、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有する半導体層であってもよい。
<3. Electroluminescent element (LED)>
The electroluminescent device (LED) according to the present invention has a pair of electrodes, an anode and a cathode, and a light emitting layer, which is a semiconductor layer arranged between the electrodes. The electroluminescent device is a self-luminous device that utilizes the principle that a fluorescent substance emits light by the recombination energy of holes injected from an anode and electrons injected from a cathode by applying an electric field. In one embodiment, the light emitting layer contains a perovskite semiconductor compound and an additive as described above. However, in another embodiment, the electroluminescent device may have a semiconductor layer containing a perovskite semiconductor compound and an additive, which is different from the light emitting layer. For example, the electron transport layer or the hole transport layer may be a semiconductor layer containing a perovskite semiconductor compound and an additive.
図2は、本発明に係る電界発光素子の一実施形態を模式的に示す断面図である。図2において、符号31は基材、32は陽極、33は正孔注入層、34は正孔輸送層、35は発光層、36は電子輸送層、37は電子注入層、38は陰極、39は電界発光素子を示している。発光層35は、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。なお、電界発光素子がこれらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。例えば、必ずしも、正孔注入層33、正孔輸送層34、電子輸送層36、及び電子注入層37を設ける必要はない。電界発光素子を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of an electroluminescent device according to the present invention. In FIG. 2,
発光層35の形成方法に制限はない。例えば、湿式成膜法又は乾式成膜法を用いることができる。また、素子の発光効率を向上させる目的、発光色を変える目的、及び素子の駆動寿命を改善する目的等で、ホスト材料に蛍光色素や燐光性金属錯体等の別の化合物をドープすることにより発光層35を作製してもよい。例えば、蛍光色素をドープすることで、
1)高効率の蛍光色素による発光効率の向上
2)蛍光色素の選択による発光波長の可変化
3)濃度消光を起こす蛍光色素が使用可能となる
4)薄膜性の悪い蛍光色素も使用可能となる
5)電荷トラップ解消により駆動安定性が向上する、等の効果が期待される。
There is no limitation on the method of forming the
1) Improvement of emission efficiency by high-efficiency fluorescent dye 2) Variable emission wavelength by selection of fluorescent dye 3) Fluorescent dye that causes concentration quenching can be used 4) Fluorescent dye with poor thin film property can also be used 5) It is expected that the drive stability will be improved by eliminating the charge trap.
また、発光層35中に正孔輸送材料を混合することも、特に素子の駆動安定性を向上させる目的のために有効である。発光層35中に混合される正孔輸送材料の量は、5〜50質量%の範囲であることが好ましい。
Further, mixing a hole transporting material in the
発光層35の膜厚に制限はなく、発光層35に望まれる条件を満たしながら発光量を確保できるように、好ましくは3nm以上、さらに好ましくは10nm以上であり、好ましくは300nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。
The film thickness of the
なお、図2は本発明に係る電界発光素子の一実施形態を示すものにすぎず、本発明に係る電界発光素子が図示された構成に限定されるわけではない。例えば、図2とは逆の積層構造とすること、すなわち、基板31上に陰極38、電子注入層37、電子輸送層36、発光層35、正孔輸送層34、正孔注入層33及び陽極32をこの順に積層することも可能である。
Note that FIG. 2 is merely an embodiment of the electroluminescent device according to the present invention, and the electroluminescent device according to the present invention is not limited to the illustrated configuration. For example, the laminated structure opposite to that shown in FIG. 2, that is, the
本発明に係る電界発光素子の構成は特に限定されず、単一の素子であっても、アレイ状に配置された構造からなる素子であっても、陽極と陰極とがX−Yマトリックス状に配置された構造の素子であってもよい。 The configuration of the electroluminescent device according to the present invention is not particularly limited, and the anode and cathode form an XY matrix regardless of whether the device is a single device or an device having a structure arranged in an array. It may be an element having an arranged structure.
<4.光電変換素子>
本発明に係る光電変換素子は、一対の電極であるカソード及びアノードと、電極間に配置された半導体層である活性層と、を有する。また、一実施形態に係る光電変換素子は、基材、電子取り出し層、及び正孔取り出し層を含むその他の構成要素を有していてもよい。一実施形態において、活性層は、上述のようにペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。しかしながら、別の実施形態において、光電変換素子が、活性層とは異なる、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有する半導体層を有していてもよい。例えば、電子取り出し層又は正孔取り出し層等が、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有する半導体層であってもよい。
<4. Photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element according to the present invention has a cathode and an anode which are a pair of electrodes, and an active layer which is a semiconductor layer arranged between the electrodes. Further, the photoelectric conversion element according to one embodiment may have other components including a base material, an electron extraction layer, and a hole extraction layer. In one embodiment, the active layer contains the perovskite semiconductor compound and additives as described above. However, in another embodiment, the photoelectric conversion element may have a semiconductor layer containing a perovskite semiconductor compound and an additive, which is different from the active layer. For example, the electron extraction layer, the hole extraction layer, or the like may be a semiconductor layer containing a perovskite semiconductor compound and an additive.
図3は、本発明に係る光電変換素子の一実施形態を模式的に表す断面図である。図3に示される光電変換素子は、一般的な薄膜太陽電池に用いられる光電変換素子であるが、本発明に係る光電変換素子が図3に示されるものに限られるわけではない。本発明の一実施形態に係る光電変換素子100は、基材108、アノード(電極)101、正孔取り出し層(バッファ層)102、活性層103、絶縁体層104、電子取り出し層(バッファ層)105、仕事関数チューニング層106及びカソード(電極)107がこの順に形成された層構造を有する。活性層103は、ペロブスカイト半導体化合物と添加剤とを含有している。なお、必ずしも正孔取り出し層102、絶縁体層104、電子取り出し層105及び仕事関数チューニング層106を設ける必要はない。また、仕事関数チューニング層がアノード101と正孔取り出し層102との間に存在してもよい。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of the photoelectric conversion element according to the present invention. The photoelectric conversion element shown in FIG. 3 is a photoelectric conversion element used in a general thin-film solar cell, but the photoelectric conversion element according to the present invention is not limited to the one shown in FIG. The
本発明に係る光電変換素子の構成は、図3に示されるものには限られない。例えば、光電変換素子100は、基材108、カソード107、活性層103、及びアノード101がこの順に形成された層構造を有していてもよく、さらに仕事関数チューニング層106、電子取り出し層105、絶縁体層104、及び正孔取り出し層102等を有していてもよい。また、光電変換素子100は、図3に示す構成要素以外の構成要素を有していてもよい。
The configuration of the photoelectric conversion element according to the present invention is not limited to that shown in FIG. For example, the
<4−1.活性層(103)>
活性層103は光電変換が行われる層である。光電変換素子100が光を受けると、光が活性層103に吸収されてキャリアが発生し、発生したキャリアはアノード101及びカソード107から取り出される。
<4-1. Active layer (103)>
The
本実施形態において、活性層103としては上記の半導体層を用いることができ、具体的にはペロブスカイト半導体化合物及び添加剤を含有する半導体層を活性層103として用いることができる。このような活性層103を有する太陽電池はペロブスカイト太陽電池として知られている。ペロブスカイト半導体においては、ペロブスカイト構造を有するペロブスカイト半導体化合物が結晶を形成している。このような結晶においては速い電荷分離が起こるとともに正孔及び電子の拡散距離が長いため、効率のよい電荷分離が起こる。ペロブスカイト半導体化合物としては、特段の制限はなく、上述したものを用いることができる。光電変換効率を向上させる観点から、ペロブスカイト半導体化合物としては、1.0eV以上3.5eV以下のエネルギーバンドギャップを有する半導体化合物を用いることが好ましい。
In the present embodiment, the above-mentioned semiconductor layer can be used as the
もっとも、活性層103以外の層がペロブスカイト半導体化合物及び添加剤を含有する層である場合、活性層103の構造は特に限定されない。例えば、活性層103は、p型半導体化合物を含有する層とn型半導体化合物を含有する層とを含むヘテロ接合型の活性層、又はp型半導体化合物とn型半導体化合物とが混合した層(i層)を有するバルクヘテロ型の活性層でありうる。
However, when the layer other than the
活性層103の厚さに特段の制限はない。より多くの光を吸収できる点で、活性層103の厚さは、好ましくは5nm以上、さらに好ましくは10nm以上、より好ましくは50nm以上、特に好ましくは120nm以上である。一方で、直列抵抗が下がる点で、活性層103の厚さは、好ましくは500nm以下、さらに好ましくは400nm以下、より好ましくは300nm以下である。
There is no particular limitation on the thickness of the
活性層103の形成方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。具体例としては、塗布法及び蒸着法(又は共蒸着法)が挙げられる。簡易に活性層103を形成できる点で、塗布法を用いることは好ましい。塗布法により活性層103を形成する方法としては、上述の半導体層を形成する方法と同様の方法を用いることができる。
The method for forming the
塗布液を塗布した後には加熱乾燥を行うことが好ましい。加熱により配位している溶媒及び残存する式(2)で表わされる化合物が層中から除去されて結晶化が促進され、光電変換効率が向上する傾向にある。結晶化の進行は塗布液の濃度に依存するため、塗布液の濃度が薄い場合又は溶媒の含有量が少ない場合には、加熱時間を短くすることが好ましい。 After applying the coating liquid, it is preferable to perform heat drying. The solvent coordinated by heating and the remaining compound represented by the formula (2) are removed from the layer to promote crystallization, and the photoelectric conversion efficiency tends to be improved. Since the progress of crystallization depends on the concentration of the coating liquid, it is preferable to shorten the heating time when the concentration of the coating liquid is low or the content of the solvent is low.
この際の加熱温度は、特段の制限はないが、十分に結晶化を促進する観点から、好ましくは70℃以上、さらに好ましくは90℃以上であり、一方、ペロブスカイト半導体化合物の分解及び副反応を抑制するために、好ましくは150℃以下、さらに好ましくは130℃以下、より好ましくは120℃以下である。加熱する時間にも特段の制限はないが、十分に結晶化を促進する観点から、好ましくは10分以上、さらに好ましくは30分以上、より好ましくは1時間以上であり、一方、生産効率を向上させる観点から、好ましくは3時間以下、さらに好ましくは2時間以下である。これらの加熱は、常圧下、または、減圧下、で行ってよい。 The heating temperature at this time is not particularly limited, but is preferably 70 ° C. or higher, more preferably 90 ° C. or higher, from the viewpoint of sufficiently promoting crystallization, while decomposing and side reactions of the perovskite semiconductor compound. In order to suppress it, it is preferably 150 ° C. or lower, more preferably 130 ° C. or lower, and more preferably 120 ° C. or lower. The heating time is also not particularly limited, but from the viewpoint of sufficiently promoting crystallization, it is preferably 10 minutes or more, more preferably 30 minutes or more, and more preferably 1 hour or more, while improving production efficiency. From the viewpoint of allowing the mixture to grow, it is preferably 3 hours or less, more preferably 2 hours or less. These heatings may be performed under normal pressure or reduced pressure.
<4−2.バッファ層(102,105)>
バッファ層は通常、電子取り出し層と正孔取り出し層とに分類することができる。一実施形態において、光電変換素子100は、アノード101と活性層103との間に正孔取り出し層102を有し、活性層103とカソード107との間に電子取り出し層105を有する。もっとも、光電変換素子100は、正孔取り出し層102と電子取り出し層105との一方のみを有していてもよいし、正孔取り出し層102と電子取り出し層105とのどちらも有さなくてもよい。
<4-2. Buffer layer (102,105)>
The buffer layer can usually be classified into an electron extraction layer and a hole extraction layer. In one embodiment, the
正孔取り出し層102と電子取り出し層105とは、一対の電極(101,107)間に、活性層103を挟むように配置されることが好ましい。すなわち、光電変換素子100が正孔取り出し層102と電子取り出し層105の両者を含む場合、アノード(電極)101、正孔取り出し層102、活性層103、電子取り出し層105、及びカソード(電極)107をこの順に配置することができる。光電変換素子100が正孔取り出し層102を含み電子取り出し層105を含まない場合は、アノード(電極)101、正孔取り出し層102、活性層103、及びカソード(電極)107をこの順に配置することができる。また、正孔取り出し層102と電子取り出し層105の少なくとも一方が異なる複数の膜により構成されていてもよい。
The
(正孔取り出し層)
正孔取り出し層102の材料に特に限定は無く、活性層103からアノード101への正孔の取り出し効率を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。具体的には、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、酸化銅、酸化ニッケル、酸化マンガン、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム又は酸化タングステン等の金属酸化物が挙げられる。また、有機化合物としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、トリフェニレンジアミン又はポリアニリン等に、スルホン酸及びヨウ素等がドーピングされた導電性ポリマー(例えば、PEDOT:PSS又はドーピングされたP3HT)、スルホニル基を置換基に有するポリチオフェン誘導体、アリールアミン等の導電性有機化合物、ナフィオン、又はリチウムドーピングされたspiro−OMeTADが挙げられる。
(Hole extraction layer)
The material of the
正孔取り出し層102の全体の膜厚に特に限定はないが、好ましくは0.5nm以上である。一方、好ましくは400nm以下、さらに好ましくは200nm以下である。正孔取り出し層102の膜厚が0.5nm以上であることでバッファ材料としての機能をよく果たすことになり、正孔取り出し層102の膜厚が400nm以下であることで、正孔が取り出し易くなり、光電変換効率が向上しうる。
The overall film thickness of the
正孔取り出し層102の形成方法に制限はない。昇華性を有する化合物を用いる場合は真空蒸着法等の乾式成膜法により形成することができる。また、溶媒に可溶な化合物を用いる場合は、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法により形成することができる。なお、溶媒としては、活性層103の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。
There is no limitation on the method of forming the
(電子取り出し層)
電子取り出し層105の材料に特に限定は無く、活性層103からカソード107への電子の取り出し効率を向上させることが可能な材料であれば特に限定されない。具体的には、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の無機化合物、有機化合物、又は本発明に係る有機無機ペロブスカイト化合物が挙げられる。例えば、無機化合物としては、リチウム、ナトリウム、カリウム又はセシウム等のアルカリ金属の塩、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム又は酸化インジウム等の金属酸化物が挙げられる。有機化合物としては、バソキュプロイン(BCP)、バソフェナントレン(Bphen)、(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(Alq3)、ホウ素化合物、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物(NTCDA)、ペリレンテトラカルボン酸無水物(PTCDA)、フラーレン化合物、又はホスフィンオキシド化合物若しくはホスフィンスルフィド化合物等の周期表第16族元素と二重結合を有するホスフィン化合物が挙げられる。
(Electronic extraction layer)
The material of the
電子取り出し層105の形成方法に特に制限はない。昇華性を有する化合物を材料として用いる場合は、真空蒸着法等の乾式成膜法により形成することができる。また、溶媒に可溶な化合物を材料として用いる場合は、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法により形成することができる。なお、溶媒としては、活性層103の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。湿式成膜法を用いる場合の、電子取り出し層105の材料を含有する塗布液の塗布方法としては、任意の方法を用いることができる。例えば、スピンコート法、グラビアコート法、キスコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアナイフコート法、ワイヤーバーバーコート法、パイプドクター法、含浸・コート法及びカーテンコート法が挙げられる。また、塗布法として1種の方法のみを用いてもよいし、2種以上の方法を組み合わせて用いることもできる。
There is no particular limitation on the method of forming the
電子取り出し層105の全体の膜厚に特に限定はないが、好ましくは0.5nm以上、さらに好ましくは1nm以上、より好ましくは5nm以上、特に好ましくは10nm以上である。一方、好ましくは1μm以下、さらに好ましくは700nm以下、より好ましくは400nm以下、特に好ましくは200nm以下である。電子取り出し層105の膜厚が上記の範囲内にあることで、均一な塗布が容易となり、電子取り出し機能もよく発揮されうる。
The overall film thickness of the
<4−3.電極(101,107)>
電極は、光吸収により生じた正孔及び電子を捕集する機能を有する。したがって、一対の電極としては、正孔の捕集に適したアノード101と、電子の捕集に適したカソード107とを用いることが好ましい。一対の電極は、いずれか一方が透光性であればよく、両方が透光性であっても構わない。透光性があるとは、太陽光が40%以上透過することを指す。また、透明電極の太陽光線透過率は70%以上であることが、より多くの光が透明電極を透過して活性層103に到達するために好ましい。光の透過率は、分光光度計(例えば、日立ハイテク社製U−4100)で測定できる。
<4-3. Electrodes (101, 107)>
The electrode has a function of collecting holes and electrons generated by light absorption. Therefore, as the pair of electrodes, it is preferable to use an
アノード101及びカソード107の構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の部材及びその製造方法を使用することができる。
There are no particular restrictions on the constituent members of the
<4−4.仕事関数チューニング層(106)>
仕事関数チューニング層106は、アノード101又はカソード107の仕事関数を調整する。しかしながら、アノード101又はカソード107が適切に機能しうるのであれば、仕事関数チューニング層106を設ける必要はない。
<4-4. Work function tuning layer (106)>
The work
仕事関数チューニング層106の種類は特に限定されず、公知のものを使用することができる。仕事関数チューニング層106の材料の例としては、ポリエチレンイミンエトキシレート(PEIE)若しくは分岐ポリエチレンイミン(PEI)等のアミン系ポリマー若しくはオリゴマーが、塗布による成膜が容易な点で好ましい。この場合、有機溶媒への溶解性を上げる観点から、仕事関数チューニング層106の材料の分子量は、好ましくは100以上、より好ましくは1000以上、特に好ましくは10000であり、一方で、好ましくは1000000以下、好ましくは500000以下であり、特に好ましくは200000以下である。
The type of the work
仕事関数チューニング層106の形成方法に制限はない。昇華性を有する化合物を用いる場合は真空蒸着法等の乾式成膜法により形成することができる。また、溶媒に可溶な化合物を用いる場合は、スピンコート法やインクジェット法等の湿式成膜法により形成することができる。なお、溶媒としては、活性層103の形成方法の説明において挙げた溶媒を用いることができる。
There is no limitation on the method of forming the work
<4−5.絶縁体層(104)>
絶縁体層104は、直流電流を通さない絶縁体を含有する層のことを指す。このような絶縁体層を設けることにより、水分等の物質が活性層103に到達することを効果的に抑制することができる。その一方で、薄い絶縁体層を設けても光電変換素子100の機能は保たれる。これは、トンネル効果のために電子又は正孔であるキャリアが絶縁体層を透過するためであると考えられる。
<4-5. Insulator layer (104)>
The
絶縁体層104の位置は、活性層103と電子取り出し層105との間に限られるわけではない。光電変換素子100は、活性層103と電極(101,107)との間の別の位置に絶縁体層を有していてもよい。例えば、水分等が活性層103に到達することを抑制するように、活性層103と、水分が侵入しやすい面(例えばカソード107)との間に絶縁体層104を設けることができる。
The position of the
絶縁体層104の材料に特に制限はないが、例えばフッ素樹脂又はケイ素樹脂を用いることができる。絶縁体層による防湿性を向上させる観点から、絶縁体層の厚さは、1.0nm以上であることが好ましく、5.0nm以上であることがさらに好ましく、10nm以上であることが特に好ましい。また、トンネル効果によるキャリアの移動を促進する観点から、絶縁体層の厚さは、30nm以下であることが好ましく、25nm以下であることがさらに好ましく、20nm以下であることが特に好ましい。
The material of the
<4−6.基材(108)>
光電変換素子100は、通常は支持体となる基材108を有する。もっとも、本発明に係る光電変換素子は基材108を有さなくてもよい。基材108の材料は、本発明の効果を著しく損なわない限り特に限定されず、例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の材料を使用することができる。
<4-6. Base material (108)>
The
<4−7.光電変換素子の作製方法>
上述の方法に従って、光電変換素子100を構成する各層を形成することにより、光電変換素子100を作製することができる。光電変換素子100を構成する各層の形成方法に特段の制限はなく、シートツゥーシート(万葉)方式、又はロールツゥーロール方式で形成することができる。
<4-7. Manufacturing method of photoelectric conversion element>
The
なお、ロールツゥーロール方式とは、ロール状に巻かれたフレキシブルな基材を繰り出して、間欠的、或いは連続的に搬送しながら、巻き取りロールにより巻き取られるまでの間に加工を行う方式である。ロールツゥーロール方式によれば、kmオーダの長尺基板を一括処理することが可能であるため、ロールツゥーロール方式はシートツゥーシート方式に比べて量産化に適している。一方、ロールツゥーロール方式で各層を成膜しようとすると、その構造上、成膜面とロールとが接触することにより膜に傷がついたり、部分的に剥がれてしまったりする場合がある。 The roll-to-roll method is a method in which a flexible base material wound in a roll shape is unwound and processed intermittently or continuously while being wound by a winding roll. be. According to the roll-to-roll method, long substrates on the order of km can be collectively processed, so that the roll-to-roll method is more suitable for mass production than the sheet-to-sheet method. On the other hand, when each layer is to be formed by the roll-to-roll method, the film may be scratched or partially peeled off due to the contact between the film-forming surface and the roll due to its structure.
ロールツゥーロール方式に用いることのできるロールの大きさは、ロールツゥーロール方式の製造装置で扱える限り特に限定されないが、外径の上限は、好ましくは5m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは1m以下である。一方、下限は好ましくは10cm以上、さらに好ましくは20cm以上、より好ましくは30cm以上である。ロール芯の外径の上限は、好ましくは4m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは0.5m以下である。一方、下限は好ましくは1cm以上、さらに好ましくは3cm以上、より好ましくは5cm以上、さらに好ましくは10cm以上、特に好ましくは20cm以上である。これらの径が上記上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは各工程で成膜される層が曲げ応力により破壊される可能性が低くなる点で好ましい。ロールの幅の下限は、好ましくは5cm以上、さらに好ましくは10cm以上、より好ましくは20cm以上である。一方、上限は、好ましくは5m以下、さらに好ましくは3m以下、より好ましくは2m以下である。幅が上限以下であることはロールの取り扱い性が高い点で好ましく、下限以上であることは光電変換素子100の大きさの自由度が高くなるため好ましい。
The size of the roll that can be used in the roll-to-roll method is not particularly limited as long as it can be handled by the roll-to-roll method manufacturing apparatus, but the upper limit of the outer diameter is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably. It is 1 m or less. On the other hand, the lower limit is preferably 10 cm or more, more preferably 20 cm or more, and more preferably 30 cm or more. The upper limit of the outer diameter of the roll core is preferably 4 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably 0.5 m or less. On the other hand, the lower limit is preferably 1 cm or more, more preferably 3 cm or more, more preferably 5 cm or more, still more preferably 10 cm or more, and particularly preferably 20 cm or more. It is preferable that these diameters are not more than the above upper limit because the roll is easy to handle, and more than the lower limit is preferable because the layer formed in each step is less likely to be broken by bending stress. .. The lower limit of the width of the roll is preferably 5 cm or more, more preferably 10 cm or more, and more preferably 20 cm or more. On the other hand, the upper limit is preferably 5 m or less, more preferably 3 m or less, and more preferably 2 m or less. It is preferable that the width is not more than the upper limit from the viewpoint of high roll handleability, and it is preferable that the width is not more than the lower limit because the degree of freedom in the size of the
また、アノード101又はカソード107を積層した後に、光電変換素子100を好ましくは50℃以上、さらに好ましくは80℃以上、一方、好ましくは300℃以下、さらに好ましくは280℃以下、より好ましくは250℃以下の温度範囲において、加熱することが好ましい(この工程をアニーリング処理工程と称する場合がある)。アニーリング処理工程を50℃以上の温度で行うことにより、光電変換素子100の各層間の密着性、例えば正孔取り出し層102とアノード101、正孔取り出し層102と活性層103等の層間の密着性が向上する効果が得られるため、好ましい。各層間の密着性が向上することにより、光電変換素子の熱安定性や耐久性等が向上しうる。アニーリング処理工程の温度を300℃以下にすることは、光電変換素子100に含まれる有機化合物が熱分解する可能性が低くなるため、好ましい。アニーリング処理工程においては、上記の温度範囲内において異なる温度を用いた段階的な加熱を行ってもよい。
Further, after laminating the
加熱時間としては、熱分解を抑えながら密着性を向上させるために、好ましくは1分以上、さらに好ましくは3分以上、一方、好ましくは180分以下、さらに好ましくは60分以下である。アニーリング処理工程は、太陽電池性能のパラメータである開放電圧、短絡電流及びフィルファクターが一定の値になったところで終了させることが好ましい。また、アニーリング処理工程は、構成材料の熱酸化を防ぐ上でも、常圧下、かつ不活性ガス雰囲気中で実施することが好ましい。加熱方法としては、ホットプレート等の熱源に光電変換素子を載せてもよいし、オーブン等の加熱雰囲気中に光電変換素子を入れてもよい。また、加熱はバッチ式で行っても連続方式で行ってもよい。 The heating time is preferably 1 minute or more, more preferably 3 minutes or more, while preferably 180 minutes or less, still more preferably 60 minutes or less, in order to improve adhesion while suppressing thermal decomposition. It is preferable that the annealing process is terminated when the open circuit voltage, short-circuit current, and fill factor, which are the parameters of the solar cell performance, reach constant values. Further, the annealing treatment step is preferably carried out under normal pressure and in an atmosphere of an inert gas in order to prevent thermal oxidation of the constituent materials. As a heating method, the photoelectric conversion element may be placed on a heat source such as a hot plate, or the photoelectric conversion element may be placed in a heating atmosphere such as an oven. Further, the heating may be performed by a batch method or a continuous method.
<4−8.光電変換特性>
光電変換素子100の光電変換特性は次のようにして求めることができる。光電変換素子100にソーラシュミレーターでAM1.5G条件の光を照射強度100mW/cm2で照射して、電流−電圧特性を測定する。得られた電流−電圧曲線から、光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(Jsc)、開放電圧(Voc)、フィルファクター(FF)、直列抵抗、シャント抵抗といった光電変換特性を求めることができる。
<4-8. Photoelectric conversion characteristics>
The photoelectric conversion characteristics of the
光電変換素子100の光電変換効率は、特段の制限はないが、好ましくは1%以上、さらに好ましくは1.5%以上、より好ましくは2%以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。また、光電変換素子100のフィルファクターは、特段の制限はないが、好ましくは0.6以上、さらに好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。一方、上限に特段の制限はなく、高ければ高いほどよい。
The photoelectric conversion efficiency of the
また、光電変換素子を実用化するには、製造が簡便かつ安価であること以外に、高い光電変換効率及び高い耐久性を有することが重要である。この観点から、光電変換素子100を1週間大気暴露する前後での光電変換効率の耐久性は、60%以上が好ましく、80%以上がより好ましく、高ければ高いほどよい。光電変換効率の耐久性は、光電変換素子100を大気暴露する前後での光電変換効率に基づいて、以下のように算出することができる。
耐久性(%)=((大気暴露N時間後の光電変換効率)/(大気暴露直前の光電変換効率))×100
Further, in order to put the photoelectric conversion element into practical use, it is important to have high photoelectric conversion efficiency and high durability in addition to being simple and inexpensive to manufacture. From this point of view, the durability of the photoelectric conversion efficiency before and after exposing the
Durability (%) = ((photoelectric conversion efficiency after N hours of atmospheric exposure) / (photoelectric conversion efficiency immediately before atmospheric exposure)) × 100
<5.太陽電池>
本発明に係る光電変換素子100は、太陽電池、なかでも薄膜太陽電池の太陽電池素子として使用されることが好ましい。図4は本発明の一実施形態に係る太陽電池の構成を模式的に表す断面図であり、図4には本発明の一実施形態に係る太陽電池である薄膜太陽電池が示されている。図4に表すように、本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、耐候性保護フィルム1と、紫外線カットフィルム2と、ガスバリアフィルム3と、ゲッター材フィルム4と、封止材5と、太陽電池素子6と、封止材7と、ゲッター材フィルム8と、ガスバリアフィルム9と、バックシート10と、をこの順に備える。本実施形態に係る薄膜太陽電池14は、太陽電池素子6として、本発明に係る光電変換素子を有している。そして、耐候性保護フィルム1が形成された側(図4中下方)から光が照射されて、太陽電池素子6が発電するようになっている。なお、薄膜太陽電池14は、これらの構成部材を全て有する必要はなく、必要な構成部材を任意に選択することができる。
<5. Solar cells >
The
薄膜太陽電池を構成するこれらの構成部材及びその製造方法について特段の制限はなく、周知技術を用いることができる。例えば、国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等の公知文献に記載の技術を使用することができる。 There are no particular restrictions on these constituent members constituting the thin-film solar cell and the manufacturing method thereof, and well-known techniques can be used. For example, the techniques described in publicly known documents such as International Publication No. 2013/171517, International Publication No. 2013/180230, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-191194 can be used.
本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14の用途に制限はなく、任意の用途に用いることができる。例えば、一実施形態に係る太陽電池は、建材用太陽電池、自動車用太陽電池、インテリア用太陽電池、鉄道用太陽電池、船舶用太陽電池、飛行機用太陽電池、宇宙機用太陽電池、家電用太陽電池、携帯電話用太陽電池又は玩具用太陽電池として用いることができる。
The use of the solar cell according to the present invention, particularly the thin-film
本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14はそのまま用いてもよいし、太陽電池モジュールの構成要素として用いられてもよい。例えば、図5に示すように、本発明に係る太陽電池、特には上述した薄膜太陽電池14を基材12上に備える太陽電池モジュール13を作製し、この太陽電池モジュール13を使用場所に設置して用いることができる。基材12としては周知技術を用いることができ、例えば、基材12の材料としては国際公開第2013/171517号、国際公開第2013/180230号又は特開2012−191194号公報等に記載の材料を用いることができる。例えば、基材12として建材用板材を使用する場合、この板材の表面に薄膜太陽電池14を設けることにより、太陽電池モジュール13として、建物の外壁用太陽電池パネルを作製することができる。
The solar cell according to the present invention, particularly the thin-film
以下に、実施例により本発明の実施形態を説明する。しかしながら、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例には限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
[実施例1]
(活性層塗布液の調製)
モル比が1:1:4となるようにヨウ化鉛(II)(211mg)、塩化鉛(II)(127mg)及びヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I,291mg)をバイアルに量りとり、スルファミン酸(鉛化合物の総量(ヨウ化鉛(II)と塩化鉛(II)の合計量)に対して13mol%)及びN,N−ジメチルホルムアミド(2mL)を加えて混合液を得た。なお、メチルアンモニウムイオンのpKa値は10.6であった。次に、得られた混合液を70℃で2時間加熱撹拌した。その後、得られた溶液をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルター(孔径0.2μm)で濾過することにより、活性層塗布液を作製した。得られた活性層塗布液中での、ヨウ化鉛(II)、塩化鉛(II)とヨウ化メチルアンモニウムとの合計濃度は、25質量%であった。こうして作製された活性層塗布液を用いることにより、モル比1:1:2のヨウ化鉛(II)、塩化鉛(II)、及びヨウ化メチルアンモニウムで構成されるペロブスカイト半導体化合物(484mg)及びスルファミン酸を含む半導体層を形成できると考えられた。
[Example 1]
(Preparation of active layer coating solution)
Lead (II) iodide (211 mg), lead (II) chloride (127 mg) and methylammonium iodide (CH 3 NH 3 I, 291 mg) were weighed into vials so that the molar ratio was 1: 1: 4. Sulfamic acid (13 mol% with respect to the total amount of lead compounds (total amount of lead (II) iodide and lead (II) chloride)) and N, N-dimethylformamide (2 mL) were added to obtain a mixed solution. The pKa value of the methylammonium ion was 10.6. Next, the obtained mixed solution was heated and stirred at 70 ° C. for 2 hours. Then, the obtained solution was filtered through a polytetrafluoroethylene (PTFE) filter (pore size 0.2 μm) to prepare an active layer coating solution. The total concentration of lead (II) iodide, lead (II) chloride and methylammonium iodide in the obtained active layer coating solution was 25% by mass. By using the active layer coating solution thus prepared, a perovskite semiconductor compound (484 mg) composed of lead (II) iodide, lead (II) chloride, and methylammonium iodide having a molar ratio of 1: 1: 2 and It was considered that a semiconductor layer containing sulfamic acid could be formed.
(光電変換素子の作製)
パターニングされた酸化インジウムスズ(ITO)透明導電膜を備えるガラス基板(ジオマテック社製)に対して、洗浄剤(横浜油脂工業社製,精密ガラス基板用洗浄剤セミクリーンM−LO,15mL)を用いた超音波洗浄、超純水を用いた超音波洗浄、窒素ブローによる乾燥、及びUV−オゾン処理を行った。
(Manufacturing of photoelectric conversion element)
For a glass substrate (manufactured by Geomatec) equipped with a patterned indium tin oxide (ITO) transparent conductive film, a cleaning agent (manufactured by Yokohama Yushi Kogyo Co., Ltd., cleaning agent for precision glass substrate Semiclean M-LO, 15 mL) is used. Ultrasonic cleaning with ultrapure water, ultrasonic cleaning with ultrapure water, drying with nitrogen blow, and UV-ozone treatment were performed.
次に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホン酸)分散液(PEDOT:PSS,ヘレウス社製)をオートバイアル(孔径0.45μm)でろ過した後、室温で、上記の基板上に3000rpmの速度でスピンコートすることにより、厚さ約35nmの正孔取り出し層を形成した。得られた基板を120℃で30分間加熱した。 Next, a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrene sulfonic acid) dispersion (PEDOT: PSS, manufactured by Heleus) was filtered through a motorcycle al (pore size 0.45 μm), and then at room temperature, the above. A hole extraction layer having a thickness of about 35 nm was formed on the substrate by spin coating at a speed of 3000 rpm. The obtained substrate was heated at 120 ° C. for 30 minutes.
次に、基板をグローブボックスに導入し、窒素雰囲気下115℃で20分間加熱処理した。冷却後、基板上に活性層塗布液(130μL)を4000rpmの速度でスピンコートすることにより、厚さ約120nmの層を形成し、さらにホットプレート上100℃で25分間加熱アニールした。以上のようにして、活性層を形成した。 Next, the substrate was introduced into a glove box and heat-treated at 115 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. After cooling, the active layer coating liquid (130 μL) was spin-coated on the substrate at a speed of 4000 rpm to form a layer having a thickness of about 120 nm, and further heat-annealed on a hot plate at 100 ° C. for 25 minutes. As described above, the active layer was formed.
次に、活性層上に、アモルファスフッ素樹脂ポリマー溶液CYTOP(旭硝子社製,0.4質量%に調製,0.05mL)を、6000rpmの回転下で添加することにより、絶縁体層を形成した。絶縁体層の厚さは5nmであった。 Next, an amorphous fluororesin polymer solution CYTOP (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., adjusted to 0.4% by mass, 0.05 mL) was added onto the active layer under a rotation of 6000 rpm to form an insulator layer. The thickness of the insulator layer was 5 nm.
なお、CYTOPの特性は、体積抵抗率:>1017Ωcm(JIS K6911)、比誘電率:2.0〜2.1(100Hz〜1MHz,室温,JEC−6150)、屈折率:1.34(JIS K7142,25℃〜)、水接触角:110°、ガラス転移温度:108℃である。また200μm厚のCYTOPフィルムの可視光線透過率は95%である。さらに、100μm厚のCYTOPフィルムの水蒸気透過率は、0.2g/m2(24時間)であった。 The characteristics of CYTOP are volume resistivity:> 10 17 Ωcm (JIS K6911), relative permittivity: 2.0 to 2.1 (100 Hz to 1 MHz, room temperature, JEC-6150), refractive index: 1.34 ( JIS K7142, 25 ° C ~), water contact angle: 110 °, glass transition temperature: 108 ° C. The visible light transmittance of the 200 μm thick CYTOP film is 95%. Further, the water vapor transmittance of the 100 μm thick CYTOP film was 0.2 g / m 2 (24 hours).
次に、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM,フロンティアカーボン社製,20mg)をクロロベンゼン(1mL)に溶解させた溶液を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルター(孔径0.2μm)で濾過した。得られた溶液(100μL)を活性層上に1000rpmの速度でスピンコートすることにより、厚さ約80nmの電子取り出し層を形成した。 Next, a solution of phenyl C 61 butyrate methyl ester (PCBM, manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd., 20 mg) dissolved in chlorobenzene (1 mL) was filtered through a polytetrafluoroethylene (PTFE) filter (pore size 0.2 μm). The obtained solution (100 μL) was spin-coated on the active layer at a speed of 1000 rpm to form an electron extraction layer having a thickness of about 80 nm.
次に、電子取り出し層上に、ポリエチレンイミンエトキシレート(PEIE)のメタノール溶液(0.2質量%,0.1mL)を、6000rpmの回転下で添加することにより、厚さ約10nmの仕事関数チューニング層を形成した。 Next, a methanol solution (0.2% by mass, 0.1 mL) of polyethyleneimine ethoxylate (PEIE) was added onto the electron extraction layer under a rotation of 6000 rpm to tune the work function to a thickness of about 10 nm. A layer was formed.
次に、仕事関数チューニング層上に、抵抗加熱型真空蒸着法によりパターニングマスクを用いて厚さ約150nmの銀膜を蒸着させ、電極を形成した。こうして、25×30mm角の光電変換素子を作製した。 Next, a silver film having a thickness of about 150 nm was deposited on the work function tuning layer using a patterning mask by a resistance heating type vacuum deposition method to form an electrode. In this way, a 25 × 30 mm square photoelectric conversion element was manufactured.
[実施例2]
活性層塗布液を調製する際に用いたスルファミン酸の量を鉛化合物の総量に対して17mol%としたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 2]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of sulfamic acid used in preparing the active layer coating solution was 17 mol% with respect to the total amount of lead compounds.
[実施例3]
活性層塗布液を調製する際に用いたスルファミン酸の量を鉛化合物の総量に対して26mol%としたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 3]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of sulfamic acid used in preparing the active layer coating solution was 26 mol% with respect to the total amount of lead compounds.
[実施例4]
活性層塗布液を調製する際に用いたスルファミン酸の量を鉛化合物の総量に対して34mol%としたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 4]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of sulfamic acid used in preparing the active layer coating liquid was 34 mol% with respect to the total amount of lead compounds.
[実施例5]
活性層塗布液を調製する際に用いたスルファミン酸の量を鉛化合物の総量に対して43mol%としたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 5]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of sulfamic acid used in preparing the active layer coating solution was 43 mol% with respect to the total amount of lead compounds.
[実施例6]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりに酒石酸(鉛化合物の総量に対して8.3mol%)用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 6]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that tartaric acid (8.3 mol% with respect to the total amount of lead compounds) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution.
[実施例7]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりにL−アルコルビン酸(鉛化合物の総量に対して17.6mol%)用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 7]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that L-alcorbic acid (17.6 mol% with respect to the total amount of lead compounds) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution. ..
[実施例8]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりにリンゴ酸(鉛化合物の総量に対して9.3mol%)用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 8]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that malic acid (9.3 mol% with respect to the total amount of lead compounds) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution.
[実施例9]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりにクエン酸(鉛化合物の総量に対して16.1mol%)用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 9]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that citric acid (16.1 mol% with respect to the total amount of lead compounds) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution.
[実施例10]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりにクエン酸(鉛化合物の総量に対して21.6mol%)用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 10]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that citric acid (21.6 mol% with respect to the total amount of lead compounds) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution.
[実施例11]
活性層塗布液を調整する際に、スルファミン酸の代わりにクエン酸(鉛化合物の層量に対して35.2mol%)を用いたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Example 11]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that citric acid (35.2 mol% with respect to the layer amount of the lead compound) was used instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating liquid. ..
[比較例1]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸を加えなかったことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
[Comparative Example 1]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that sulfamic acid was not added when the active layer coating solution was prepared.
[比較例2]
活性層塗布液を調製する際に、スルファミン酸の代わりにヨウ化水素酸水溶液(54.0mol%水溶液,200μL)を加えたことを除き、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。なお、ヨウ化水素酸の沸点は約−35℃であることを考慮すると、加熱の際にヨウ化水素酸は揮発してしまい、成膜後の活性層中には残らなかったものと考えられる。
[Comparative Example 2]
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that an aqueous solution of hydrogen iodide (54.0 mol% aqueous solution, 200 μL) was added instead of sulfamic acid when preparing the active layer coating solution. Considering that the boiling point of hydroiodic acid is about −35 ° C., it is considered that hydroiodic acid volatilized during heating and did not remain in the active layer after film formation. ..
[光電変換素子の評価]
実施例1〜11及び比較例1〜2で得られた光電変換素子に1mm角のメタルマスクを付け、ITO電極と銀電極との間における電流−電圧特性を測定した。測定にはソースメーター(ケイスレー社製,2400型)を用い、照射光源としてはエアマス(AM)1.5G、放射照度100mW/cm2のソーラシミュレータを用いた。この測定結果から、開放電圧Voc(V)、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、形状因子FF、及び光電変換効率PCE(%)を算出した。光電変換素子を作製した直後の測定結果に基づいて算出されたこれらの値を表1に示す。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
A 1 mm square metal mask was attached to the photoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2, and the current-voltage characteristics between the ITO electrode and the silver electrode were measured. A source meter (2400 type manufactured by Keithley Co., Ltd.) was used for the measurement, and a solar simulator with an air mass (AM) of 1.5 G and an irradiance of 100 mW / cm 2 was used as the irradiation light source. From this measurement result, the open circuit voltage Voc (V), the short-circuit current density Jsc (mA / cm 2 ), the shape factor FF, and the photoelectric conversion efficiency PCE (%) were calculated. Table 1 shows these values calculated based on the measurement results immediately after the photoelectric conversion element was manufactured.
ここで、開放電圧Vocとは電流値=0(mA/cm2)の際の電圧値であり、短絡電流密度Jscとは電圧値=0(V)の際の電流密度である。形状因子FFとは内部抵抗を表すファクターであり、最大出力をPmaxとすると次式で表される。
FF = Pmax/(Voc×Jsc)
また、光電変換効率PCEは、入射エネルギーをPinとすると次式で与えられる。
PCE = (Pmax/Pin)×100
= (Voc×Jsc×FF/Pin)×100
Here, the open circuit voltage Voc is the voltage value when the current value = 0 (mA / cm 2 ), and the short-circuit current density Jsc is the current density when the voltage value = 0 (V). The scherrer FF is a factor representing the internal resistance, and is expressed by the following equation where the maximum output is Pmax.
FF = Pmax / (Voc × Jsc)
Further, the photoelectric conversion efficiency PCE is given by the following equation, where the incident energy is Pin.
PCE = (Pmax / Pin) x 100
= (Voc x Jsc x FF / Pin) x 100
表1に示すように、活性層に添加剤が加えられている実施例1〜11では、短絡電流密度Jsc及び光電変換効率PCEが向上することが見いだされた。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 11 in which the additive was added to the active layer, it was found that the short-circuit current density Jsc and the photoelectric conversion efficiency PCE were improved.
なお、実施例11により得られた活性層の走査型電子顕微鏡により測定すると、比較例1により得られた活性層の結晶サイズよりも大きいことが確認できた。また、二次元X線回折により、実施例11の活性層は高い結晶配向を有していることが確認できた。この結果、添加剤を加えることで高い変換効率が得られていると考えられる。また、TOF−SIMSにより実施例11の活性層を測定すると、添加剤が一方に偏っていることが確認できた。この結果から、結晶成長中に添加剤が寄与していることと考えられる。 When the active layer obtained in Example 11 was measured with a scanning electron microscope, it was confirmed that it was larger than the crystal size of the active layer obtained in Comparative Example 1. Further, it was confirmed by two-dimensional X-ray diffraction that the active layer of Example 11 had a high crystal orientation. As a result, it is considered that high conversion efficiency is obtained by adding the additive. Moreover, when the active layer of Example 11 was measured by TOF-SIMS, it was confirmed that the additives were biased to one side. From this result, it is considered that the additive contributes during the crystal growth.
1 耐候性保護フィルム
2 紫外線カットフィルム
3,9 ガスバリアフィルム
4,8 ゲッター材フィルム
5,7 封止材
6 太陽電池素子
10 バックシート
12 基材
13 太陽電池モジュール
14 薄膜太陽電池
31 基材
32 陽極
33 正孔注入層
34 正孔輸送層
35 発光層
36 電子輸送層
37 電子注入層
38 陰極
39 電界発光素子
51 半導体層
52 絶縁体層
53,54 ソース電極及びドレイン電極
55 ゲート電極
56 基材
100 光電変換素子
101 アノード
102 正孔取り出し層
103 活性層
104 絶縁体層
105 電子取り出し層
106 仕事関数チューニング層
107 カソード
108 基材
1 Weather-resistant protective film 2 Ultraviolet cut film 3, 9 Gas barrier film 4, 8 Getter film 5, 7 Encapsulant 6
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