JP7009898B2 - Photoelectric conversion element and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、ペロブスカイト型構造を有する化合物と、ポリシランとを含むペロブスカイト層を有する光電変換素子(例えば、太陽電池など)及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element (for example, a solar cell or the like) having a perovskite layer containing a compound having a perovskite type structure and polysilane, and a method for producing the same.
太陽電池分野において、ペロブスカイト型構造を有する化合物を光吸収層として用いたペロブスカイト型太陽電池が注目を浴びている。ペロブスカイト型太陽電池は、真空プロセスを必要とすることなく塗布などの容易な方法で成形可能であり、原料も比較的安価であることから、従来の太陽電池に比べて製造コストを大幅に低減できる。近年、ペロブスカイト型太陽電池の研究開発が急速に進められ、その変換効率は従来の太陽電池に匹敵する状況にあるため、今後、実用化に向けた研究開発がより一層期待されている。 In the field of solar cells, perovskite-type solar cells using a compound having a perovskite-type structure as a light absorption layer are attracting attention. Perovskite solar cells can be molded by an easy method such as coating without the need for a vacuum process, and the raw materials are relatively inexpensive, so the manufacturing cost can be significantly reduced compared to conventional solar cells. .. In recent years, research and development of perovskite-type solar cells have been rapidly advanced, and their conversion efficiencies are comparable to those of conventional solar cells. Therefore, further research and development for practical use are expected in the future.
このような状況下、ペロブスカイト型太陽電池の耐久性向上に関して開発が進められている。例えば、特開2017-69533号公報(特許文献1)には、ペロブスカイト型化合物(例えば、CH3NH3PbI3など)が、光や水分などの影響により低分子成分に分解することが記載され、例えば、下記式に示すように低分子成分に分解し、次いで、生成したヨウ化鉛PbI2から金属鉛Pbが生成して、この金属鉛Pbにより、光励起で生成キャリアがトラップされてしまうため、光電変換素子の特性が低下することが記載されている。 Under these circumstances, development is underway to improve the durability of perovskite solar cells. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-69533 (Patent Document 1) describes that a perovskite-type compound (for example, CH 3 NH 3 PbI 3 or the like) is decomposed into low molecular weight components by the influence of light, moisture, or the like. For example, as shown in the following formula, it is decomposed into low molecular weight components, and then metallic lead Pb is generated from the produced lead iodide PbI 2 , and the generated carriers are trapped by photoexcitation by this metallic lead Pb. , It is described that the characteristics of the photoelectric conversion element are deteriorated.
そのため、特許文献1では、キノン系化合物とペロブスカイト型化合物とを含有する混合物を用いることにより、キノン系化合物の酸化作用で金属の生成が抑制でき、安定駆動可能な光電変換素子を実現できることが開示されている。
Therefore,
しかし、特許文献1には金属ハロゲン化物の生成を抑制できず、光電変換素子の劣化を十分に抑えることができない。
However,
なお、特開2016-51891号公報(特許文献2)には、基板/第1電極/電子輸送層/所定の光電変換層/ペロブスカイト構造の化合物の層/正孔輸送層/第2電極をこの順で積層する太陽電池の製造方法が開示され、ポリシランなどを正孔輸送層として用いてもよいことが記載されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-51891 (Patent Document 2), the substrate / first electrode / electron transport layer / predetermined photoelectric conversion layer / compound layer having a perovskite structure / hole transport layer / second electrode is described. A method for manufacturing a solar cell to be laminated in order is disclosed, and it is described that polysilane or the like may be used as a hole transport layer.
しかし、特許文献2には、ペロブスカイト層にポリシランを添加することや、光電変換素子の劣化を抑制することについては記載されておらず、素子の耐久性を十分に向上できない。
However,
従って、本発明の他の目的は、素子の劣化を有効に抑制できるペロブスカイト型の光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, another object of the present invention is to provide a perovskite type photoelectric conversion element capable of effectively suppressing deterioration of the element and a method for manufacturing the same.
本発明の他の目的は、高い光電変換効率(以下、単に変換効率ともいう)を有するペロブスカイト型の光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a perovskite type photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency (hereinafter, also simply referred to as conversion efficiency) and a method for manufacturing the same.
本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、ペロブスカイト型の光電変換素子において、ペロブスカイト型構造を有する化合物とポリシランとを含むペロブスカイト層を形成すると、素子の劣化の原因となるPbI2などのハロゲン化金属の生成を抑制できることを見いだし、本発明を完成した。 As a result of diligent studies to achieve the above problems, the present inventors have formed a perovskite layer containing a compound having a perovskite-type structure and polysilane in a perovskite-type photoelectric conversion element, which causes deterioration of the element. We have found that the formation of metal halides such as 2 can be suppressed, and completed the present invention.
すなわち、本発明の光電変換素子は、ペロブスカイト型構造を有する化合物を含むペロブスカイト層を含む光電変換素子であって、前記ペロブスカイト層が、ポリシランを含む。 That is, the photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element including a perovskite layer containing a compound having a perovskite-type structure, and the perovskite layer contains polysilane.
前記ポリシランは、下記式(2a)及び(2b)で表される構造単位から選択される少なくとも1種の構造単位を含んでいてもよい。 The polysilane may contain at least one structural unit selected from the structural units represented by the following formulas (2a) and (2b).
(式中、R1~R3は、それぞれ独立して水素原子、ヒドロキシル基、有機基又はシリル基を示す。) (In the formula, R 1 to R 3 independently represent a hydrogen atom, a hydroxyl group, an organic group or a silyl group, respectively.)
前記式(2a)において、R1及びR2のうち、少なくとも一方がアリール基含有基であってもよく、式(2b)において、R3がアリール基含有基であってもよい。また、前記式(2a)において、R1及びR2の双方がアリール基含有基であってもよい。前記アリール基含有基は、C6-12アリール基、C6-12アリール-C1-6アルキル基、C6-12アリールオキシ基又はC6-12アリール-C1-6アルコキシ基であってもよい。前記式(2a)で表される構造単位の割合は、ポリシラン全体に対して、50モル%以上であってもよい。前記ポリシランは環状ポリシランであってもよい。前記ポリシランの重量平均分子量は、300~25000程度であってもよい。前記ポリシランの割合は、ペロブスカイト型構造を有する化合物100重量部に対して、0.01~10重量部程度であってもよい。 In the formula (2a), at least one of R 1 and R 2 may be an aryl group-containing group, and in the formula (2b), R 3 may be an aryl group-containing group. Further, in the above formula (2a), both R 1 and R 2 may be aryl group-containing groups. The aryl group-containing group is a C 6-12 aryl group, a C 6-12 aryl-C 1-6 alkyl group, a C 6-12 aryl oxy group or a C 6-12 aryl-C 1-6 alkoxy group. May be good. The ratio of the structural unit represented by the formula (2a) may be 50 mol% or more with respect to the entire polysilane. The polysilane may be cyclic polysilane. The weight average molecular weight of the polysilane may be about 300 to 25,000. The ratio of the polysilane may be about 0.01 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the compound having a perovskite type structure.
前記ペロブスカイト型構造を有する化合物は、式AMX3(式中、Aは有機アンモニウム、Mは2価の原子、Xはハロゲン原子を示す。)で表される化合物であって、AがC1-4アルキルアンモニウム及びC1-4アミジニウムから選択される少なくとも1種の有機アンモニウム、Mが周期表第14族元素及び周期表第2族元素から選択される少なくとも1種の原子、Xがヨウ素I、臭素Br及び塩素Clから選択される少なくとも1種のハロゲン原子であってもよい。
The compound having a perovskite-type structure is a compound represented by the formula AMX 3 (in the formula, A is an organic ammonium, M is a divalent atom, and X is a halogen atom), and A is C 1- . 4 At least one organic ammonium selected from alkylammonium and C 1-4 amidinium, M is at least one atom selected from
また、本発明は、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物と、前記ポリシランとを含むペロブスカイト層を形成して前記光電変換素子を製造する方法も包含する。 The present invention also includes a method for producing the photoelectric conversion element by forming a perovskite layer containing the compound having the perovskite type structure and the polysilane.
本発明では、ペロブスカイト型の光電変換素子において、ペロブスカイト型構造を有する化合物とポリシランとを含むペロブスカイト層を形成するため、素子の劣化を有効に抑制できる。また、高い光電変換効率(以下、単に変換効率ともいう)を有するペロブスカイト型の光電変換素子を製造することもできる。 In the present invention, in a perovskite-type photoelectric conversion element, a perovskite layer containing a compound having a perovskite-type structure and polysilane is formed, so that deterioration of the element can be effectively suppressed. It is also possible to manufacture a perovskite-type photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency (hereinafter, also simply referred to as conversion efficiency).
[光電変換素子の構成]
本発明の光電変換素子は、ペロブスカイト型構造を有する化合物(単にペロブスカイト化合物ともいう)を含むペロブスカイト層を含む光電変換素子であって、前記ペロブスカイト層が、ポリシランを含んでいる。ペロブスカイト型の光電変換素子は、ペロブスカイト層に加えて、例えば、第1の電極(透明電極)、電子輸送層(ETL)、正孔(又はホール)輸送層(HTL)、第2の電極(金属又は炭素電極)などを含んでいてもよい。
[Structure of photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element including a perovskite layer containing a compound having a perovskite-type structure (also simply referred to as a perovskite compound), and the perovskite layer contains polysilane. In addition to the perovskite layer, the perovskite-type photoelectric conversion element includes, for example, a first electrode (transparent electrode), an electron transport layer (ETL), a hole (or hole) transport layer (HTL), and a second electrode (metal). Alternatively, it may contain a carbon electrode) or the like.
前記光電変換素子の代表的な構造としては、例えば、第1の電極/電子輸送層(ETL)/ペロブスカイト層/正孔輸送層/第2の電極がこの順に積層された平面ヘテロ接合型;前記平面ヘテロ接合型に対して、第1の電極と第2の電極との順序を入れ替えた逆構造型;前記平面ヘテロ接合型におけるペロブスカイト層の電子輸送層との界面近傍において、電子輸送層に隣接して多孔質酸化物を含む多孔質部が形成され、この多孔質部にペロブスカイト型構造を有する化合物が浸入(又は含浸)した層(後述する第1のペロブスカイト層)を含むナノ構造型などが挙げられる。光電変換素子の構造は、いずれの構造であってもよく、表面積が大きく、変換効率などの特性を向上しやすい観点から、通常、ナノ構造型、すなわち、図1に示すように、第1の電極1/電子輸送層2/多孔質部及びペロブスカイト化合物を含む第1のペロブスカイト層3a/ペロブスカイト化合物を含む第2のペロブスカイト層3b/正孔輸送層4/第2の電極5がこの順に積層された構造である場合が多い。
As a typical structure of the photoelectric conversion element, for example, a plane heterojunction type in which a first electrode / an electron transport layer (ETL) / a perovskite layer / a hole transport layer / a second electrode are laminated in this order; Inverse structure type in which the order of the first electrode and the second electrode is changed with respect to the plane heterojunction type; adjacent to the electron transport layer in the vicinity of the interface of the perovskite layer with the electron transport layer in the plane heterojunction type. A porous portion containing a porous oxide is formed, and a nanostructured type including a layer (a first perovskite layer described later) in which a compound having a perovskite type structure is infiltrated (or impregnated) into the porous portion is formed. Can be mentioned. The structure of the photoelectric conversion element may be any structure, and from the viewpoint of having a large surface area and easily improving characteristics such as conversion efficiency, it is usually a nanostructure type, that is, as shown in FIG. 1, the first structure is used. The
(ペロブスカイト層)
ペロブスカイト層(又は第1のペロブスカイト層3a及び/又は第2のペロブスカイト層3b)は、ペロブスカイト型構造を有する化合物及びポリシランを含んでいる。
(Perovskite layer)
The perovskite layer (or the
(1)ペロブスカイト化合物
ペロブスカイト化合物は特に制限されず、通常、式AMX3(1)(式中、Aは有機アンモニウム、Mは2価の原子、Xはハロゲン原子を示す。)で表される化合物などの有機無機ペロブスカイト化合物が使用される場合が多い。
(1) Perovskite compound The perovskite compound is not particularly limited, and is usually a compound represented by the formula AMX 3 (1) (in the formula, A represents an organic ammonium, M represents a divalent atom, and X represents a halogen atom). Organic and inorganic perovskite compounds such as are often used.
式(1)において、Aで表される有機アンモニウムとしては、例えば、メチルアンモニウム、エチルアンモニウム、n-プロピルアンモニウム、i-プロピルアンモニウム、n-ブチルアンモニウム、i-ブチルアンモニウム、s-ブチルアンモニウム、t-ブチルアンモニウムなどのC1-6アルキルアンモニウム;アニリニウムなどのC6-10アリールアンモニウム;ベンジルアンモニウム、フェネチルアンモニウムなどのC6-10アリールC1-6アルキルアンモニウム;ホルムアミジニウム、アセトアミジニウムなどのC1-6アミジニウムなどが挙げられる。 In the formula (1), examples of the organic ammonium represented by A include methylammonium, ethylammonium, n-propylammonium, i-propylammonium, n-butylammonium, i-butylammonium, s-butylammonium, and t. -C 1-6 alkylammonium such as butylammonium; C 6-10arylammonium such as anilinium; C 6-10aryl C 1-6 alkylammonium such as benzylammonium and phenethylammonium; formamidinium, acetoamidinium, etc. C 1-6 Amidinium and the like can be mentioned.
これらの有機アンモニウムは単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの有機アンモニウムのうち、C1-4アルキルアンモニウム、C1-4アミジニウムなどが好ましく、なかでも、メチルアンモニウムなどのC1-2アルキルアンモニウム、ホルムアミジニウムなどのC1-2アミジニウム(特に、メチルアンモニウム)が好ましい。 These organic ammoniums can be used alone or in combination of two or more. Among these organic ammoniums, C 1-4 alkylammonium, C 1-4 amidinium and the like are preferable, and among them, C 1-2 alkylammonium such as methylammonium and C1-2 amidinium such as formamidinium (particularly). Methylammonium) is preferred.
式(1)において、Mで表される2価の原子としては、例えば、Pb、Sn、Geなどの周期表第14族元素;Ra、Ba、Sr、Ca、Mgなどの周期表第2族元素(又はアルカリ土類金属)などが挙げられる。これらの2価の原子は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの2価の原子のうち、Pb、Sn、Geなどのなどの周期表第14族元素、Ba、Sr、Ca、Mgなどのなどの周期表第2族元素などが好ましく、なかでも、Pb、Snなどのなどの周期表第14族元素(特にPb)が好ましい。
In the formula (1), examples of the divalent atom represented by M include elements of
式(1)において、Xで表されるハロゲン原子としては、例えば、ヨウ素I、臭素Br、塩素Clなどが挙げられる。これらのハロゲン原子は単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらのハロゲン原子のうち、ヨウ素I、塩素Cl(特にヨウ素I)が好ましい。 Examples of the halogen atom represented by X in the formula (1) include iodine I, bromine Br, chlorine Cl and the like. These halogen atoms can be used alone or in combination of two or more. Of these halogen atoms, iodine I and chlorine Cl (particularly iodine I) are preferable.
代表的な式(1)で表される化合物としては、例えば、Aがメチルアンモニウム、MがPbである化合物、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbI3-nBrn、CH3NH3PbI3-nCln、CH3NH3PbBr3-nClnなど;Aがメチルアンモニウム、MがSnである化合物、CH3NH3SnI3、CH3NH3SnBr3、CH3NH3SnCl3、CH3NH3SnI3-nBrn、CH3NH3SnI3-nCln、CH3NH3SnBr3-nClnなどが挙げられる。なお、nはハロゲン原子Xのドーピング量(又は割合)を表し、例えば、0.01~2、好ましくは0.03~1.5、さらに好ましくは0.05~1(例えば、0.1~0.5)程度であってもよい。nが大きすぎると、光電変換効率が低下するおそれがある。 Typical compounds represented by the formula (1) include, for example, a compound in which A is methylammonium and M is Pb, CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbCl 3 , and the like. CH 3 NH 3 PbI 3-n Br n , CH 3 NH 3 PbI 3-n Cl n , CH 3 NH 3 PbBr 3-n Cl n , etc .; compounds in which A is methylammonium and M is Sn, CH 3 NH 3 SnI 3 , CH 3 NH 3 SnBr 3 , CH 3 NH 3 SnCl 3 , CH 3 NH 3 SnI 3-n Br n , CH 3 NH 3 SnI 3 - n Cl n , CH 3 NH 3 SnCl Can be mentioned. Note that n represents the doping amount (or ratio) of the halogen atom X, for example, 0.01 to 2, preferably 0.03 to 1.5, and more preferably 0.05 to 1 (for example, 0.1 to 1). It may be about 0.5). If n is too large, the photoelectric conversion efficiency may decrease.
これらのペロブスカイト化合物は単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらのペロブスカイト化合物のうち、式(1)において、Aがメチルアンモニウム、MがPbである化合物が好ましく、なかでも、CH3NH3PbI3、CH3NH3PbI3-nBrn、CH3NH3PbI3-nClnなどのXが少なくともヨウ素Iを含む化合物(特に、CH3NH3PbI3)が好ましい。 These perovskite compounds can also be used alone or in combination of two or more. Among these perovskite compounds, the compound in which A is methylammonium and M is Pb is preferable in the formula (1), and among them, CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbI 3-n Br n , CH 3 Compounds such as NH 3 PbI 3-n Cl n containing at least iodine I in X (particularly CH 3 NH 3 PbI 3 ) are preferred.
(2)ポリシラン
ポリシランは、Si-Si結合を有する直鎖状、環状、分岐鎖状、及び/又は網目状(又はネットワーク状)の化合物であれば特に限定されないが、通常、下記式(2a)及び(2b)で表される構造単位のうち少なくとも1種の構造単位を有する場合が多い。
(2) Polysilane The polysilane is not particularly limited as long as it is a linear, cyclic, branched chain, and / or network-like (or network-like) compound having a Si—Si bond, but is usually expressed in the following formula (2a). In many cases, the structural unit represented by (2b) and (2b) has at least one structural unit.
(式中、R1~R3は、それぞれ独立して水素原子、ヒドロキシル基、有機基又はシリル基を示す)。 (In the formula, R 1 to R 3 independently represent a hydrogen atom, a hydroxyl group, an organic group or a silyl group).
前記式(2a)及び(2b)において、基(又は側鎖)R1~R3で表される有機基としては、炭化水素基(アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アリール基、アラルキル基)、これらの炭化水素基に対応するエーテル基(アルコキシ基、シクロアルキルオキシ基、アリールオキシ基、アラルキルオキシ基など)などが挙げられる。通常、前記有機基は、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基などの炭化水素基である場合が多い。また、水素原子やヒドロキシル基、アルコキシ基、シリル基などは末端に置換している場合が多い。 In the formulas (2a) and (2b), the organic group represented by the groups (or side chains) R 1 to R 3 includes a hydrocarbon group (alkyl group, alkenyl group, cycloalkyl group, cycloalkenyl group, aryl). Groups, aralkyl groups), ether groups corresponding to these hydrocarbon groups (alkoxy groups, cycloalkyloxy groups, aryloxy groups, aralkyloxy groups, etc.) and the like can be mentioned. Usually, the organic group is often a hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, an aryl group or an aralkyl group. In addition, hydrogen atoms, hydroxyl groups, alkoxy groups, silyl groups, etc. are often substituted at the ends.
前記式(2a)及び(2b)のR1~R3において、アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、i-ブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基などのC1-14アルキル基(好ましくはC1-10アルキル基、さらに好ましくはC1-6アルキル基など)などが挙げられる。 In R 1 to R 3 of the formulas (2a) and (2b), the alkyl group includes a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an i-butyl group, an s-butyl group, and t. -C 1-14 alkyl groups such as butyl group, pentyl group and hexyl group (preferably C 1-10 alkyl group, more preferably C 1-6 alkyl group and the like) and the like can be mentioned.
アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、n-ブトキシ基、i-ブトキシ基、s-ブトキシ基、t-ブトキシ基、ペンチルオキシ基などのC1-14アルコキシ基などが挙げられる。 Examples of the alkoxy group include a C 1-14 alkoxy group such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, an isopropoxy group, an n-butoxy group, an i-butoxy group, an s-butoxy group, a t-butoxy group and a pentyloxy group. Can be mentioned.
アルケニル基としては、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基などのC2-14アルケニル基などが挙げられる。 Examples of the alkenyl group include a C 2-14 alkenyl group such as a vinyl group, an allyl group, a butenyl group and a pentenyl group.
シクロアルキル基としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基などのC5-14シクロアルキル基などが挙げられる。 Examples of the cycloalkyl group include a C 5-14 cycloalkyl group such as a cyclopentyl group, a cyclohexyl group and a methylcyclohexyl group.
シクロアルキルオキシ基としては、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基などのC5-14シクロアルキルオキシ基などが挙げられる。 Examples of the cycloalkyloxy group include C 5-14 cycloalkyloxy groups such as cyclopentyloxy group and cyclohexyloxy group.
シクロアルケニル基としては、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基などのC5-14シクロアルケニル基などが挙げられる。 Examples of the cycloalkenyl group include a C 5-14 cycloalkenyl group such as a cyclopentenyl group and a cyclohexenyl group.
アリール基としては、フェニル基、メチルフェニル基(トリル基)、ジメチルフェニル基(キシリル基)、ナフチル基などのC6-20アリール基(好ましくはC6-15アリール基、さらに好ましくはC6-12アリール基(例えば、フェニル基などのC6-10アリール基)など)などが挙げられる。 Examples of the aryl group include C 6-20 aryl groups (preferably C 6-15 aryl groups, more preferably C 6- ) such as phenyl group, methyl phenyl group (tolyl group), dimethyl phenyl group (chysilyl group) and naphthyl group. Examples thereof include a 12 aryl group (for example, a C6-10 aryl group such as a phenyl group).
アリールオキシ基としては、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などのC6-20アリールオキシ基などが挙げられる。 Examples of the aryloxy group include a C6-20 aryloxy group such as a phenoxy group and a naphthyloxy group.
アラルキル基としては、ベンジル基、フェネチル基、フェニルプロピル基などのC6-20アリール-C1-6アルキル基などが挙げられる。 Examples of the aralkyl group include a C 6-20 aryl-C 1-6 alkyl group such as a benzyl group, a phenethyl group and a phenylpropyl group.
アラルキルオキシ基としては、ベンジルオキシ基、フェネチルオキシ基、フェニルプロピルオキシ基などのC6-20アリール-C1-6アルキルオキシ基などが挙げられる。 Examples of the aralkyloxy group include a C 6-20 aryl-C 1-6 alkyloxy group such as a benzyloxy group, a phenethyloxy group and a phenylpropyloxy group.
シリル基としては、シリル基、ジシラニル基、トリシラニル基などのSi1-10シラニル基(好ましくはSi1-6シラニル基)などが挙げられる。 Examples of the silyl group include a Si 1-10 silanyl group (preferably Si 1-6 silanyl group) such as a silyl group, a disilanyl group and a trisilanyl group.
また、R1~R3が、前記有機基(アルキル基、アリール基など)又はシリル基である場合には、その水素原子の少なくとも1つが、置換基(又は官能基)により置換されていてもよい。このような置換基(又は官能基)は、例えば、ヒドロキシル基、アルキル基、アリール基、アルコキシ基などの前記例示の基と同様であってもよい。 Further, when R 1 to R 3 are the organic group (alkyl group, aryl group, etc.) or silyl group, at least one of the hydrogen atoms is substituted with a substituent (or functional group). good. Such a substituent (or functional group) may be the same as the above-exemplified group such as, for example, a hydroxyl group, an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group and the like.
また、式(2a)において、R1及びR2の種類は、互いに異なっていてもよく、通常、同一である場合が多い。 Further, in the formula (2a), the types of R 1 and R 2 may be different from each other, and are usually the same in many cases.
これらのR1~R3うち、通常、アルキル基(例えば、メチル基などのC1-4アルキル基)、アリール基含有基[アリール基(例えば、フェニル基などのC6-20アリール基)など]などである場合が多く、電荷分離後の正孔(ホール)輸送効率を向上し易い観点から、少なくともアリール基含有基を含むのが好ましい。すなわち、前記式(2a)において、R1及びR2のうち、少なくとも一方がアリール基含有基(特に、R1及びR2の双方がアリール基含有基)であり、前記式(2b)において、R3がアリール基含有基であるのが好ましい。 Of these R 1 to R 3 , usually an alkyl group (for example, a C 1-4 alkyl group such as a methyl group), an aryl group-containing group [an aryl group (for example, a C 6-20 aryl group such as a phenyl group), etc.) and the like. ], Etc., and it is preferable to contain at least an aryl group-containing group from the viewpoint of easily improving the hole transport efficiency after charge separation. That is, in the above formula (2a), at least one of R 1 and R 2 is an aryl group-containing group (particularly, both R 1 and R 2 are aryl group-containing groups), and in the above formula (2b). It is preferable that R 3 is an aryl group-containing group.
アリール基含有基としては、例えば、前記有機基として例示したアリール基、アラルキル基、アリールオキシ基、アラルキルオキシ基と同様の基が挙げられる。好ましいアリール基含有基としては、C6-12アリール基(例えば、フェニル基、ナフチル基、ビフェニリル基など)、C6-12アリール-C1-6アルキル基(例えば、C6-10アリール-C1-4アルキル基)、C6-12アリールオキシ基(例えば、C6-10アリールオキシ基)、C6-12アリール-C1-6アルコキシ基(例えば、C6-10アリール-C1-4アルコキシ基)などが挙げられ、特に、アリール基(例えば、C6-10アリール基、特に、フェニル基)が好ましい。 Examples of the aryl group-containing group include an aryl group, an aralkyl group, an aryloxy group, and a group similar to the aralkyloxy group exemplified as the organic group. Preferred aryl group-containing groups include C 6-12 aryl groups (eg, phenyl groups, naphthyl groups, biphenylyl groups, etc.) and C 6-12 aryl-C 1-6 alkyl groups (eg, C 6-10 aryl-C). 1-4 alkyl groups), C 6-12 aryloxy groups (eg, C 6-10 aryloxy groups), C 6-12 aryl-C 1-6 alkoxy groups (eg, C 6-10 aryl-C 1- ). 4 alkoxy groups) and the like, and in particular, an aryl group (for example, a C6-10 aryl group, particularly a phenyl group) is preferable.
好ましい構造単位として、代表的には、式(2a)において、R1及びR2のうち、一方がアリール基含有基、他方がアルキル基である構造単位[例えば、アルキル-アリール-シラン単位(例えば、メチル-フェニル-シラン単位などのC1-6アルキル-C6-10アリール-シラン単位など)など];R1及びR2の双方がアリール基含有基である構造単位[例えば、ジアリール-シラン単位(例えば、ジフェニル-シラン単位などのジC6-10アリール-シラン単位など)など];前記式(2b)において、R3がアリール基含有基である構造単位[例えば、アリール-シラン単位(例えば、フェニル-シラン単位などのC6-10アリール-シラン単位など)など]などが挙げられ、なかでも、式(2a)において、R1及びR2の双方がアリール基含有基である構造単位(特に、ジフェニル-シラン単位)が特に好ましい。これらの構造単位は、単独で又は2種以上組み合わせてもよい。 As a preferred structural unit, typically, in formula (2a), one of R 1 and R 2 is an aryl group-containing group and the other is an alkyl group [for example, an alkyl-aryl-silane unit (for example, an alkyl-aryl-silane unit). , C 1-6 alkyl-C 6-10 aryl-silane units such as methyl-phenyl-silane units)]; Structural units in which both R 1 and R 2 are aryl group-containing groups [eg, diaryl-silanes]. Units (eg, diC 6-10 aryl-silane units such as diphenyl-silane units)]; In the formula (2b) above, structural units in which R3 is an aryl group - containing group [eg, aryl-silane units (eg, aryl-silane units). For example, C6-10 aryl-silane unit such as phenyl-silane unit)], etc.], among others, in the formula (2a), both R 1 and R 2 are aryl group-containing groups. (Especially, a diphenyl-silane unit) is particularly preferable. These structural units may be used alone or in combination of two or more.
ポリシランの側鎖におけるアリール基含有基の割合は、ポリシランの側鎖全体(例えば、R1~R3の総量)に対して、例えば、10モル%以上(例えば、30~100モル%)程度の範囲から選択でき、例えば、50モル%以上(例えば、60~99.9モル%)、好ましくは70モル%以上(例えば、80~99モル%)、さらに好ましくは90モル%以上(例えば、90~95モル%)程度であってもよく、95モル%以上(例えば、実質的に100モル%)程度であってもよい。アリール基含有基の割合が少なすぎると、光電変換効率が低下するおそれがある。 The ratio of the aryl group-containing group in the side chain of the polysilane is, for example, about 10 mol% or more (for example, 30 to 100 mol%) with respect to the entire side chain of the polysilane (for example, the total amount of R 1 to R 3 ). It can be selected from the range, for example, 50 mol% or more (for example, 60 to 99.9 mol%), preferably 70 mol% or more (for example, 80 to 99 mol%), and more preferably 90 mol% or more (for example, 90 mol%). It may be about 95 mol%) or about 95 mol% or more (for example, substantially 100 mol%). If the proportion of aryl group-containing groups is too small, the photoelectric conversion efficiency may decrease.
なお、ポリシランが非環状構造(直鎖状、分岐鎖状、網目状)である場合、末端は、封止されていてもよく、封止されていなくてもよい。末端が封止されていないポリシランにおいて、末端のケイ素原子は、通常、前記有機基(メチル基、フェニル基など)に加えて、水素原子、ヒドロキシル基、ハロゲン原子(塩素原子など)など(特にヒドロキシル基)を有している場合が多い。また、ポリシランは、反応性基(例えば、ラジカル重合性基など)を含んでいてもよく、実質的に含んでいなくてもよい。 When the polysilane has a non-cyclic structure (straight chain, branched chain, mesh), the terminal may or may not be sealed. In polysilanes whose ends are not sealed, the silicon atom at the end is usually a hydrogen atom, a hydroxyl group, a halogen atom (chlorine atom, etc.), etc. (particularly hydroxyl) in addition to the organic group (methyl group, phenyl group, etc.). In many cases, it has a group). Further, polysilane may contain a reactive group (for example, a radically polymerizable group), and may or may not contain substantially.
代表的なポリシランとしては、例えば、前記式(2a)で表される構造単位を有する直鎖状又は環状ポリシラン、前記式(2b)で表される構造単位を有するポリシラン(網目状ポリシラン)、前記式(2a)及び(2b)で表される構造単位を組み合わせて有するポリシラン(分岐鎖状又は網目状ポリシラン)などが挙げられる。これらのポリシランにおいて、前記式(2a)及び(2b)で表される構造単位は、それぞれ、単独で又は2種以上組み合わせてもよい。なお、分岐鎖状又は網目状ポリシランは、下記式(2c)で表される構造単位をさらに含んでいてもよい。 Typical polysilanes include, for example, linear or cyclic polysilane having a structural unit represented by the formula (2a), polysilane having a structural unit represented by the formula (2b) (mesh polysilane), and the above. Examples thereof include polysilane (branched chain-shaped or network-shaped polysilane) having a combination of structural units represented by the formulas (2a) and (2b). In these polysilanes, the structural units represented by the formulas (2a) and (2b) may be used alone or in combination of two or more. The branched chain or network polysilane may further contain a structural unit represented by the following formula (2c).
ポリシランの形状は特に制限されず、直鎖状、環状、分岐鎖状、網目状のいずれであってもよいが、通常、直鎖状、環状又は網目状であることが多く、直鎖状又は環状(特に、環状)であると、変換効率を向上し易い場合が多いようである。そのため、ポリシランは、式(2a)及び(2b)で表される構造単位のうち、少なくとも式(2a)で表される構造単位を含むのが好ましい。 The shape of polysilane is not particularly limited and may be linear, cyclic, branched chain, or mesh-like, but usually, it is often linear, cyclic, or mesh-like, and is linear or linear. When it is annular (particularly annular), it seems that it is easy to improve the conversion efficiency. Therefore, polysilane preferably contains at least the structural unit represented by the formula (2a) among the structural units represented by the formulas (2a) and (2b).
ポリシランが式(2a)で表される構造単位を含む場合、式(2a)で表される構造単位の割合は、ポリシランの構造単位全体に対して、例えば、10モル%以上(例えば、30~100モル%)程度の範囲から選択でき、例えば、50モル%以上(例えば、60~99モル%)、好ましくは70モル%以上(例えば、80~97モル%)、さらに好ましくは90モル%以上(例えば、実質的に100モル%程度)であってもよい。式(2a)で表される構造単位の割合が少なすぎると、光電変換効率が向上できないおそれがある。 When the polysilane contains the structural unit represented by the formula (2a), the ratio of the structural unit represented by the formula (2a) is, for example, 10 mol% or more (for example, 30 to 30 to the total structural unit of the polysilane). It can be selected from a range of about 100 mol%), for example, 50 mol% or more (for example, 60 to 99 mol%), preferably 70 mol% or more (for example, 80 to 97 mol%), and more preferably 90 mol% or more. (For example, substantially 100 mol%) may be used. If the ratio of the structural unit represented by the formula (2a) is too small, the photoelectric conversion efficiency may not be improved.
前記式(2a)で表される構造単位を有する具体的な鎖状又は環状ポリシランとしては、例えば、ポリジアルキルシラン[例えば、ポリジメチルシラン、ポリメチルプロピルシラン、ポリメチルブチルシラン、ポリメチルペンチルシラン、ポリジブチルシラン、ポリジヘキシルシラン、ジメチルシラン-メチルへキシルシラン共重合体など];ポリアルキルアリールシラン[例えば、ポリメチルフェニルシラン、メチルフェニルシラン-フェニルヘキシルシラン共重合体など];ポリジアリールシラン(例えば、ポリジフェニルシランなど);ジアルキルシラン-アルキルアリールシラン共重合体(例えば、ジメチルシラン-メチルフェニルシラン共重合体、ジメチルシラン-フェニルヘキシルシラン共重合体、ジメチルシラン-メチルナフチルシラン共重合体など);アルキルアリールシラン-ジアリールシラン共重合体(例えば、メチルフェニルシラン-ジフェニルシラン共重合体など)などが挙げられる。 Specific examples of the chain or cyclic polysilane having the structural unit represented by the formula (2a) include polydialkylsilanes [for example, polydimethylsilane, polymethylpropylsilane, polymethylbutylsilane, and polymethylpentylsilane. , Polydibutylsilane, polydihexylsilane, dimethylsilane-methylhexylsilane copolymer, etc.]; Polyalkylarylsilane [eg, polymethylphenylsilane, methylphenylsilane-phenylhexylsilane copolymer, etc.]; For example, polydiphenylsilane); dialkylsilane-alkylarylsilane copolymer (eg, dimethylsilane-methylphenylsilane copolymer, dimethylsilane-phenylhexylsilane copolymer, dimethylsilane-methylnaphthylsilane copolymer, etc.) ); Alkylarylsilane-diarylsilane copolymer (for example, methylphenylsilane-diphenylsilane copolymer, etc.) and the like.
前記式(2b)で表される構造単位を有する網目状ポリシランとしては、例えば、ポリアルキルシラン(例えば、ポリメチルシラン、ポリプロピルシラン、ポリブチルシラン、ポリヘキシルシランなど);ポリアリールシラン(例えば、ポリフェニルシランなど)などが挙げられる。 Examples of the network-like polysilane having the structural unit represented by the formula (2b) include polyalkylsilane (for example, polymethylsilane, polypropylsilane, polybutylsilane, polyhexylsilane, etc.); polyarylsilane (for example). , Polyphenylsilane, etc.).
これらのポリシランは、単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。これらのポリシランのうち、直鎖状又は環状ポリアルキルアリールシラン(例えば、ポリメチルフェニルシランなどの直鎖状又は環状ポリC1-6アルキル-C6-12アリールシランなど)、直鎖状又は環状ポリジアリールシラン(例えば、ポリジフェニルシランなどの直鎖状又は環状ポリジC6-12アリールシランなど)、直鎖状又は環状アルキルアリールシラン-ジアリールシラン共重合体(例えば、直鎖状又は環状メチルフェニルシラン-ジフェニルシラン共重合体などの直鎖状又は環状C1-6アルキル-C6-12アリールシラン-ジC6-12アリールシラン共重合体)、網目状ポリアリールシラン(例えば、網目状ポリフェニルシランなどの網目状ポリC6-12アリールシラン)が好ましく、なかでも、直鎖状又は環状ポリジアリールシラン(例えば、ポリジフェニルシランなどの直鎖状又は環状ポリジC6-10アリールシランなど、特に、デカフェニルシクロペンタシランなどの環状ポリジC6-10アリールシランなど)が特に好ましい。 These polysilanes can be used alone or in combination of two or more. Of these polysilanes, linear or cyclic polyalkylarylsilanes (eg, linear or cyclic polyC 1-6 alkyl-C 6-12 arylsilanes such as polymethylphenylsilane), linear or cyclic Polydiarylsilane (eg, linear or cyclic polydiC 6-12arylsilane such as polydiphenylsilane), linear or cyclic alkylarylsilane-diarylsilane copolymer (eg, linear or cyclic methylphenyl) Linear or cyclic C 1-6 alkyl-C 6-12 arylsilane-di C 6-12 arylsilane copolymers such as silane-diphenylsilane copolymers), reticulated polyarylsilanes (eg, reticulated poly). Reticulated polyC 6-12 arylsilanes such as phenylsilanes) are preferred, among others linear or cyclic polydiarylsilanes (eg, linear or cyclic polydiC 6-10arylsilanes such as polydiphenylsilanes). In particular, cyclic polydi C 6-10 arylsilane such as decaphenylcyclopentasilane) is particularly preferable.
ポリシランの重量平均分子量Mwは、GPC(ポリスチレン換算)による測定方法において、例えば、300以上(例えば、300~50000程度)の範囲から選択でき、例えば、300~25000(例えば、350~20000)、好ましくは400~14000(例えば、450~10000)、さらに好ましくは500~3000(例えば、500~1000、特に700~1000)程度であってもよい。重量平均分子量が小さすぎると、光電変換素子の劣化を有効に抑制できないおそれがあり、大きすぎると、溶媒に対する溶解性(又は分散性)が低下して、光電変換素子の作製が困難になるおそれがある。 The weight average molecular weight Mw of polysilane can be selected from, for example, in the range of 300 or more (for example, about 300 to 50,000) in the measurement method by GPC (polystyrene conversion), and is, for example, 300 to 25,000 (for example, 350 to 20,000), preferably. May be 400 to 14000 (for example, 450 to 10000), more preferably 500 to 3000 (for example, 500 to 1000, particularly 700 to 1000). If the weight average molecular weight is too small, deterioration of the photoelectric conversion element may not be effectively suppressed, and if it is too large, the solubility (or dispersibility) in the solvent may decrease, making it difficult to manufacture the photoelectric conversion element. There is.
ポリシランの平均重合度は、ケイ素原子換算(すなわち、一分子当たりのケイ素原子の平均数)で、例えば、3~500(好ましくは3~100)程度の広い範囲から選択でき、例えば、3~50、好ましくは4~10、さらに好ましくは5~7(例えば、5~6、特に5)程度であってもよい。 The average degree of polymerization of polysilane can be selected from a wide range of, for example, about 3 to 500 (preferably 3 to 100) in terms of silicon atoms (that is, the average number of silicon atoms per molecule), for example, 3 to 50. It may be preferably about 4 to 10, more preferably about 5 to 7 (for example, 5 to 6, especially 5).
ポリシランは、室温(例えば、20℃程度)で、液体状であってもよく、固体状であってもよい。 Polysilane may be in a liquid state or a solid state at room temperature (for example, about 20 ° C.).
ポリシランは、慣用の方法、例えば、マグネシウムを還元剤としてハロシラン類を脱ハロゲン縮重合させる方法(「マグネシウム還元法」、WO98/29476号公報など)、アルカリ金属の存在下でハロシラン類を脱ハロゲン縮重合させる方法(「キッピング法」、J.Am.Chem.Soc.,110,124(1988)、Macromolecules,23,3423(1990)など)、電極還元によりハロシラン類を脱ハロゲン縮重合させる方法(J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1161(1990)、J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,897(1992)など)、金属触媒の存在下にヒドロシラン類を脱水素縮重合させる方法(特開平4-334551号公報など)、ビフェニルなどで架橋されたジシレンのアニオン重合による方法(Macromolecules,23,4494(1990)など)、環状シラン類の開環重合による方法などにより得ることができる。 Polysilane is a conventional method, for example, a method of dehalogenating and polycondensing halosilanes using magnesium as a reducing agent (“Magazine reduction method”, WO98 / 29476, etc.), and dehalogenation of halosilanes in the presence of an alkali metal. Polymerization method ("Kipping method", J.Am.Chem.Soc., 110,124 (1988), Macromolecules, 23,3423 (1990), etc.), Dehalogenation polycondensation method of halosilanes by electrode reduction (J.Chem) .Soc., Chem.Commun., 1161 (1990), J.Chem.Soc., Chem.Commun., 897 (1992), etc.), Method of dehydrocondensation polymerizing hydrosilanes in the presence of metal catalyst (special It can be obtained by a method by anionic polymerization of disylene crosslinked with biphenyl or the like (Macromolecules, 23,4494 (1990), etc.), a method by ring-opening polymerization of cyclic silanes, etc.
ポリシランの割合は、ペロブスカイト型構造を有する化合物100重量部に対して、例えば、0.01~10重量部(例えば、0.05~5重量部)、好ましくは0.1~2重量部(例えば、0.3~1.5重量部)、さらに好ましくは0.5~1重量部(例えば、0.6~0.9重量部)程度であってもよい。ポリシランの割合が少なすぎると、ヨウ化鉛PbI2などのハロゲン化金属の生成を有効に抑制できなかったり、ペロブスカイト結晶の成長を促進できないおそれがある。ポリシランの割合が多すぎると、ポリシランが溶解し難くペロブスカイト層の形成が困難になったり、変換効率が低下するおそれがある。 The ratio of polysilane is, for example, 0.01 to 10 parts by weight (for example, 0.05 to 5 parts by weight), preferably 0.1 to 2 parts by weight (for example) with respect to 100 parts by weight of the compound having a perovskite-type structure. , 0.3 to 1.5 parts by weight), more preferably about 0.5 to 1 part by weight (for example, 0.6 to 0.9 parts by weight). If the proportion of polysilane is too small, the formation of metal halides such as lead iodide PbI 2 may not be effectively suppressed, or the growth of perovskite crystals may not be promoted. If the proportion of polysilane is too large, polysilane may be difficult to dissolve, making it difficult to form a perovskite layer, or the conversion efficiency may decrease.
光電変換素子が前記ナノ構造型である場合、ペロブスカイト層は、電子輸送層に隣接して多孔質酸化物を含む多孔質部、及びこの多孔質部に浸入(又は含浸)したペロブスカイト化合物で形成された第1のペロブスカイト層と、この第1のペロブスカイト層及び正孔輸送層の間に介在し、ペロブスカイト化合物を有する第2のペロブスカイト層とを含んでいてもよい。 When the photoelectric conversion element is of the nanostructure type, the perovskite layer is formed of a porous portion containing a porous oxide adjacent to an electron transport layer and a perovskite compound infiltrated (or impregnated) into the porous portion. It may also include a first perovskite layer and a second perovskite layer intervening between the first perovskite layer and the hole transport layer and having a perovskite compound.
第1のペロブスカイト層において、多孔質部を構成する多孔質酸化物として代表的には、例えば、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)、酸化スズ(IV)、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム(IV)などの金属酸化物が挙げられる。これらの金属酸化物は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの金属酸化物のうち、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)、酸化スズ(IV)などの光活性能を有する(電荷輸送に関与する)金属酸化物(特に、酸化チタン(IV))が好ましい。多孔質酸化物は、後述する電子輸送層を形成する電子輸送材料と異なっていてもよいが、通常、同一であることが多い。 In the first perovskite layer, typical porous oxides constituting the porous portion include, for example, titanium oxide (IV), zinc oxide (II), tin oxide (IV), aluminum oxide, and zirconium oxide (IV). ) And other metal oxides. These metal oxides can also be used alone or in combination of two or more. Among these metal oxides, metal oxides (particularly, titanium oxide (IV)) having photoactive ability (participating in charge transport) such as titanium oxide (IV), zinc oxide (II), and tin oxide (IV). ) Is preferable. The porous oxide may be different from the electron transport material forming the electron transport layer described later, but is usually the same.
第1のペロブスカイト層の平均厚みは、例えば、100~1000nm程度の範囲から選択でき、例えば、150~980nm、好ましくは200~950nm、さらに好ましくは300~900nm程度であってもよい。第1のペロブスカイト層の平均厚みが大きすぎると、製造効率が低下するおそれがあり、小さすぎると変換効率が低下するおそれがある。なお、第1のペロブスカイト層(又は多孔質部)の厚みは、透過型電子顕微鏡(TEM)や原子間力顕微鏡(AFM)などにより測定してもよい。 The average thickness of the first perovskite layer can be selected from the range of, for example, about 100 to 1000 nm, and may be, for example, about 150 to 980 nm, preferably about 200 to 950 nm, and more preferably about 300 to 900 nm. If the average thickness of the first perovskite layer is too large, the production efficiency may decrease, and if it is too small, the conversion efficiency may decrease. The thickness of the first perovskite layer (or porous portion) may be measured by a transmission electron microscope (TEM), an atomic force microscope (AFM), or the like.
第2のペロブスカイト層は、多孔質部を含むことなく、ペロブスカイト化合物を含んでいいる。また、第2のペロブスカイト層に用いるペロブスカイト化合物の種類は、第1のペロブスカイト層に用いるペロブスカイト化合物の種類と互いに同一又は異なっていてもよく、通常、同一である。 The second perovskite layer contains a perovskite compound without containing a porous portion. Further, the type of the perovskite compound used for the second perovskite layer may be the same as or different from the type of the perovskite compound used for the first perovskite layer, and is usually the same.
第2のペロブスカイト層の平均厚み(光電変換素子が平面ヘテロ接合型又は逆構造型の場合は、ペロブスカイト層の平均厚み)は、例えば、5~1000nm程度の範囲から選択でき、例えば、10~500nm、好ましくは30~300nm、さらに好ましくは50~200nm程度であってもよい。第2のペロブスカイト層の平均厚みが大きすぎると、製造効率及び変換効率が低下するおそれがある。 The average thickness of the second perovskite layer (the average thickness of the perovskite layer when the photoelectric conversion element is a planar heterozygotes type or an inverse structure type) can be selected from the range of, for example, about 5 to 1000 nm, for example, 10 to 500 nm. It may be preferably about 30 to 300 nm, more preferably about 50 to 200 nm. If the average thickness of the second perovskite layer is too large, the production efficiency and conversion efficiency may decrease.
(第1の電極)
第1の電極は、透明基板(例えば、ガラスなどの無機材料、メタクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などの透明樹脂など)の一方の面の少なくとも一部に、例えば、FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、ZnO(Zinc Oxide)などの透明導電性金属酸化物を塗布又はコーティング(例えば、真空蒸着など)することにより形成された透明電極である。前記金属酸化物のうち、耐熱性の観点から、FTOが好ましい。
(First electrode)
The first electrode is attached to at least a part of one surface of a transparent substrate (for example, an inorganic material such as glass, a transparent resin such as a methacrylic resin or a polycarbonate resin), for example, FTO (Fluorine-doped Tin Oxide), ITO. A transparent electrode formed by applying or coating a transparent conductive metal oxide such as (Indium Tin Oxide) or ZnO (Zinc Oxide) (for example, vacuum vapor deposition). Of the metal oxides, FTO is preferable from the viewpoint of heat resistance.
また、前記金属酸化物は、エッチングなどにより、所望のパターンを形成してもよい。さらに、透明基板の他方の面には、反射防止層、ハードコート層などの機能層を形成してもよい。第1の電極は、陽極であってもよいが、通常、陰極である場合が多い。 Further, the metal oxide may form a desired pattern by etching or the like. Further, a functional layer such as an antireflection layer or a hard coat layer may be formed on the other surface of the transparent substrate. The first electrode may be an anode, but is usually a cathode in many cases.
第1の電極における透明導電性金属酸化物の塗布膜の平均厚みは、例えば、5~2000nm程度の範囲から選択でき、例えば、100~1500nm、好ましくは500~1200nm、さらに好ましくは800~1000nm程度であってもよい。平均厚みが大きすぎると、光電変換素子の重量が増加するおそれがあり、小さすぎると耐久性が低下するおそれがある。また、第1の電極における透明基板の平均厚みは、材質に応じて選択でき、例えば、0.1~3mm、好ましくは1~2mm程度であってもよい。 The average thickness of the transparent conductive metal oxide coating film on the first electrode can be selected from the range of, for example, about 5 to 2000 nm, for example, about 100 to 1500 nm, preferably about 500 to 1200 nm, and more preferably about 800 to 1000 nm. May be. If the average thickness is too large, the weight of the photoelectric conversion element may increase, and if it is too small, the durability may decrease. The average thickness of the transparent substrate in the first electrode can be selected depending on the material, and may be, for example, about 0.1 to 3 mm, preferably about 1 to 2 mm.
(電子輸送層(ETL))
電子輸送層は、電子を効率的に移動させて、変換効率などの特性を向上し、ペロブスカイト層や正孔輸送層が陰極に接触して短絡するのを抑制できる。電子輸送層は、通常、第1の電極の金属酸化物が塗布された面(逆構造型の場合は第2の電極の一方の面)に、電子輸送材料が緻密に(多孔質ではなく)堆積され形成されている。
(Electron Transport Layer (ETL))
The electron transport layer can efficiently move electrons to improve properties such as conversion efficiency, and can prevent the perovskite layer and the hole transport layer from coming into contact with the cathode and short-circuiting. In the electron transport layer, the electron transport material is usually densely (not porous) on the surface of the first electrode coated with the metal oxide (one surface of the second electrode in the case of the reverse structure type). It is deposited and formed.
前記電子輸送材料としては、例えば、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)、酸化スズ(IV)などの金属酸化物、[6,6]-フェニル-C61-ブチリックアシッドメチルエステル([60]PCBM)などのフラーレン類などが挙げられる。これらの電子輸送材料は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの電子輸送材料のうち、金属酸化物が好ましく、なかでも、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)[特に、酸化チタン(IV)]が好ましい。 Examples of the electron transporting material include metal oxides such as titanium oxide (IV), zinc oxide (II), and tin (IV) oxide, and [6,6] -phenyl -C61-butyric acid methyl ester ([]. 60] Fullerenes such as PCBM) and the like can be mentioned. These electron transport materials can also be used alone or in combination of two or more. Among these electron transport materials, metal oxides are preferable, and titanium oxide (IV) and zinc oxide (II) [particularly titanium (IV) oxide] are preferable.
電子輸送層には、他の原子をドーピングしてもよい。電子輸送材料が金属酸化物である場合、金属酸化物中の金属原子より価数が大きい原子をドーピングしてもよく、例えば、酸化チタン(IV)では、5価の原子(例えば、Nb、V、Taなど)をドーピングしてもよく、酸化亜鉛(II)では、3価の原子(例えば、Ga、In、Alなど)をドーピングしてもよい。 The electron transport layer may be doped with other atoms. When the electron transport material is a metal oxide, an atom having a higher valence than the metal atom in the metal oxide may be doped. For example, in titanium oxide (IV), a pentavalent atom (for example, Nb, V) may be doped. , Ta, etc.), and in zinc oxide (II), trivalent atoms (eg, Ga, In, Al, etc.) may be doped.
電子輸送層の平均厚みは、例えば、5~100nm程度の範囲から選択でき、例えば、10~80nm、好ましくは20~60nm、さらに好ましくは30~50nm程度であってもよい。平均厚みが大きすぎると、電気抵抗が増加するおそれがあり、小さすぎると電子を効率よく移動できないおそれがある。 The average thickness of the electron transport layer can be selected from the range of, for example, about 5 to 100 nm, and may be, for example, about 10 to 80 nm, preferably about 20 to 60 nm, and more preferably about 30 to 50 nm. If the average thickness is too large, the electrical resistance may increase, and if it is too small, electrons may not move efficiently.
(正孔(ホール)輸送層)
正孔(ホール)輸送層は、正孔(ホール)輸送材料を含んでいる。正孔輸送材料としては、慣用の正孔輸送材料、例えば、金属塩[例えば、チオシアン酸銅(I)など]、金属酸化物[例えば、酸化ニッケル(II)、酸化バナジウム(V)、酸化銅アルミニウム(CuAlO2)など]、金属ヨウ化物[例えば、ヨウ化銅(I)、ヨウ化セシウムスズ(CsSnI3)など]、炭素材(例えば、酸化グラフェンなど)、ポリシラン(例えば、前記ペロブスカイト層において例示したポリシランなど)の無機化合物;フタロシアニン類(例えば、フタロシアニン、ナフタロシアニン、サブフタロシアニンなど)、カルバゾール類[例えば、1,3,5-トリス[2,7-(N,N-(p-メトキシフェニル)アミノ)-9H-カルバゾール-9-イル]ベンゼン(SGT405)など]、チオフェン類[例えば、2,5-ビス[4-(N,N-ビス(p-メトキシフェニル)アミノ)フェニル]-3,4-エチレンジオキシチオフェン(H101)、2,3,4,5-テトラキス[4-(N,N-ビス(p-メトキシフェニル)アミノ)フェニル]チオフェン(H111)など]、トリプチセン類[例えば、2,6,14-トリス[5’-(4-(N,N-ビス(p-メトキシフェニル)アミノ)フェニル)-チオフェン-2’-イル]トリプチセン(T103)など]、スピロビフルオレン類(例えば、後述する下記式(3)で表される化合物など)などの低分子化合物;ポリチオフェン類[例えば、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)(P3HT)、ポリ[N-9’-ヘプタデカニル-2,7-カルバゾール-alt-5,5-(4’,7’-ジ-2-チエニル-2’,1’,3’-ベンゾチアジアゾール)](PCDTBT)、ポリ[N-9’-ヘプタデカニル-2,7-カルバゾール-alt-3,6-ビス(チオフェン-5-イル)-2,5-ジオクチル-2,5-ジヒドロピロロ[3,4]ピロール-1,4-ジオン](PCBTDPP)、ポリ[2,6-(4,4-ビス-(2-エチルヘキシル)-4H-シクロペンタ[2,1-b;3,4-b’]ジチオフェン)-alt-4,7-(2,1,3-ベンゾチアジアゾール)](PCPDTBT)など]、ポリトリアリールアミン類[例えば、ポリ[ビス(フェニル-4-イル)-(2,4,6-トリメチルフェニル)-アミン](PTAA)、ポリ[ビス(フェニル-4-イル)-(4-ブチルフェニル)-アミン](PolyTPD)など]、ポリフルオレン類[例えば、ポリ[9,9-ジオクチルフルオレン-co-ビス-N,N’-(4-ブチルフェニル)-ビス-N,N’-フェニル-1,4-フェニレンジアミン](PFB)など]などの高分子化合物などが挙げられる。
(Hole transport layer)
The hole transport layer contains a hole transport material. Examples of the hole transporting material include conventional hole transporting materials such as metal salts [eg, copper (I) thiocyanate], metal oxides [eg, nickel (II) oxide, vanadium (V) oxide, copper oxide). Aluminum (CuAlO 2 ), etc.], metal iodides [eg, copper (I) iodide, cesium tin iodide (CsSnI 3 ), etc.], carbon materials (eg, graphene oxide, etc.), polysilanes (eg, the perovskite layer). Inorganic compounds such as polysilanes; phthalocyanines (eg, phthalocyanine, naphthalocyanine, subphthalocyanine, etc.), carbazoles [eg, 1,3,5-tris [2,7- (N, N- (p-methoxyphenyl)) ) Amino) -9H-carbazole-9-yl] benzene (SGT405), etc.], thiophenes [for example, 2,5-bis [4- (N, N-bis (p-methoxyphenyl) amino) phenyl] -3 , 4-ethylenedioxythiophene (H101), 2,3,4,5-tetrakis [4- (N, N-bis (p-methoxyphenyl) amino) phenyl] thiophene (H111), etc.], triptycene [eg , 2,6,14-Tris [5'-(4- (N, N-bis (p-methoxyphenyl) amino) phenyl) -thiophene-2'-yl] trypticene (T103), etc.], Spirovifluorenes Low molecular weight compounds such as (for example, a compound represented by the following formula (3) described later); polythiophenes [for example, poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), poly [N-9 '-Heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4', 7'-di-2-thienyl-2', 1', 3'-benzothiazol)] (PCDTBT), poly [N- 9'-Heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-3,6-bis (thiophene-5-yl) -2,5-dioctyl-2,5-dihydropyrroro [3,4] pyrrole-1,4-dione ] (PCBTDPP), Poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b'] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-Benzothiazol)] (PCPDTBT)], polytriarylamines [eg, poly [bis (phenyl-4-yl)-(2,4,6-trimethylphenyl) -amine] ( PTAA), poly [bis (phenyl-4-yl)-(4-butylfene) Enyl) -amine] (PolyTPD)], polyfluorene [eg, poly [9,9-dioctylfluorene-co-bis-N, N'-(4-butylphenyl) -bis-N, N'-phenyl -1,4-phenylenediamine] (PFB) and the like] and the like.
これらの正孔輸送材料は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの正孔輸送材料のうち、スピロビフルオレン類、例えば、下記式(3)で表される化合物が汎用される。 These hole transporting materials can also be used alone or in combination of two or more. Among these hole transport materials, spirobifluorenes, for example, compounds represented by the following formula (3) are widely used.
(式中、Zはそれぞれ独立してアレーン環、R4はそれぞれ独立してアルコキシ基、kはそれぞれ独立して0以上の整数を示す)。 (In the formula, Z independently represents an arene ring, R 4 independently represents an alkoxy group, and k independently represents an integer of 0 or more).
前記式(3)において、Zで表される芳香族炭化水素環(アレーン環)としては、例えば、ベンゼン環などの単環式芳香族炭化水素環(単環式アレーン環)、多環式芳香族炭化水素環(多環式アレーン環)などが挙げられ、多環式芳香族炭化水素環には、例えば、縮合多環式芳香族炭化水素環(縮合多環式アレーン環)、環集合芳香族炭化水素環(環集合アレーン環)などが含まれる。 In the above formula (3), examples of the aromatic hydrocarbon ring (arene ring) represented by Z include a monocyclic aromatic hydrocarbon ring (monocyclic arene ring) such as a benzene ring and a polycyclic aromatic. Examples thereof include group hydrocarbon rings (polycyclic arene rings), and examples of the polycyclic aromatic hydrocarbon rings include fused polycyclic aromatic hydrocarbon rings (condensed polycyclic arene rings) and ring aggregate fragrances. Group hydrocarbon rings (ring-aggregated arene rings) and the like are included.
縮合多環式アレーン環としては、例えば、縮合二環式アレーン環(例えば、ナフタレン環などの縮合二環式C10-16アレーン環)、縮合三環式アレーン環(例えば、アントラセン環、フェナントレン環など)などの縮合二乃至四環式アレーン環などが挙げられる。好ましい縮合多環式アレーン環としては、ナフタレン環、アントラセン環などの縮合多環式C10-16アレーン環(好ましくは縮合多環式C10-14アレーン環)が挙げられ、特に、ナフタレン環が好ましい。 Examples of the fused polycyclic arene ring include a fused bicyclic arene ring (for example, a fused bicyclic C10-16 arene ring such as a naphthalene ring) and a fused tricyclic arene ring (for example, an anthracene ring and a phenanthrene ring). Etc.), such as fused two- to four-cyclic arene rings. Preferred fused polycyclic arene rings include fused polycyclic C 10-16 arene rings (preferably fused polycyclic C 10-14 arene rings) such as naphthalene rings and anthracene rings, and naphthalene rings are particularly preferable. preferable.
環集合アレーン環としては、ビアレーン環(例えば、ビフェニル環、ビナフチル環、フェニルナフタレン環(1-フェニルナフタレン環、2-フェニルナフタレン環など)などのビC6-12アレーン環など)、テルアレーン環(例えば、テルフェニレン環などのテルC6-12アレーン環など)などが例示できる。好ましい環集合アレーン環は、ビC6-10アレーン環などが挙げられ、特にビフェニル環が好ましい。 The ring-assembled arene ring includes a bi-C 6-12 arene ring such as a biphenyl ring, a binaphthyl ring, a phenylnaphthalene ring (1-phenylnaphthalene ring, 2-phenylnaphthalene ring, etc.), a tellarene ring (for example, a biphenyl ring, a biphenyl ring, a 2-phenylnaphthalene ring, etc.), and a tellarene ring (for example, a bi-C 6-12 arene ring). For example, a tel C 6-12 arene ring such as a terphenylene ring) can be exemplified. Preferred ring-set arene rings include biC 6-10 arene rings and the like, with biphenyl rings being particularly preferred.
これらの環Zのうち、ベンゼン環、ナフタレン環、ビフェニル環などのC6-12アレーン環が好ましく、特にベンゼン環などのC6-10アレーン環(特に、ベンゼン環)が好ましい。また、8つの環Zの種類は、互いに異なっていてもよく、通常、同一である。なお、環Zが結合する窒素原子の位置は、特に制限されず、任意の位置であってもよい。 Among these rings Z, a C6-12 arene ring such as a benzene ring, a naphthalene ring, and a biphenyl ring is preferable, and a C6-10 arene ring such as a benzene ring (particularly a benzene ring) is particularly preferable. Also, the types of the eight rings Z may be different from each other and are usually the same. The position of the nitrogen atom to which the ring Z is bonded is not particularly limited and may be any position.
前記式(3)において、R4で表されるアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、n-ブトキシ基、i-ブトキシ基、s-ブトキシ基、t-ブトキシ基などの直鎖状又は分岐鎖状C1-6アルコキシ基(好ましくは直鎖状又は分岐鎖状C1-4アルコキシ基、さらに好ましくはメトキシ基などのC1-2アルコキシ基)などが挙げられる。 In the above formula (3), the alkoxy group represented by R4 is a straight chain such as a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, an n-butoxy group, an i-butoxy group, an s-butoxy group, and a t-butoxy group. Examples thereof include a linear or branched C 1-6 alkoxy group (preferably a linear or branched C 1-4 alkoxy group, and more preferably a C 1-2 alkoxy group such as a methoxy group).
基R4の置換数kは、環Zの種類に応じて選択でき、例えば、0~8の整数(例えば、0~6の整数)、好ましくは0~4の整数(例えば、0~2の整数)、さらに好ましくは0又は1(特に、1)程度であってもよい。8つのkは、互いに異なっていてもよく、通常、同一であってもよい。また、kが2以上である場合、同一の環Zに置換する基R4の種類は互いに同一又は異なっていてもよい。 The substitution number k of the group R4 can be selected according to the type of the ring Z, for example, an integer of 0 to 8 (for example, an integer of 0 to 6), preferably an integer of 0 to 4 (for example, 0 to 2). It may be an integer), more preferably 0 or 1 (particularly 1). The eight ks may be different from each other and may usually be the same. Further, when k is 2 or more, the types of the groups R4 substituting for the same ring Z may be the same or different from each other.
基R4の置換位置は、環Zと窒素原子との結合する位置以外の位置である限り、特に制限されない。例えば、環Zがベンゼン環、kが1である場合、基R4の置換位置は、環Zの窒素原子との結合位置に対して、o-位、m-位、p-位のいずれの位置であってもよく、好ましくはm-位又はp-位、さらに好ましくはp-位であってもよい。 The substitution position of the group R 4 is not particularly limited as long as it is a position other than the position where the ring Z and the nitrogen atom are bonded. For example, when the ring Z is a benzene ring and k is 1, the substitution position of the group R4 is any of the o-position, the m-position, and the p-position with respect to the bond position of the ring Z with the nitrogen atom. It may be a position, preferably an m-position or a p-position, and more preferably a p-position.
前記式(3)において、4つの窒素原子が、スピロビフルオレン骨格を形成する4つのベンゼン環それぞれに結合する位置は、特に制限されず、例えば、4つの窒素原子のそれぞれが、スピロビフルオレン環の2-位~4-位のうちいずれか1つの位置、5-位~7-位のうちいずれか1つの位置、2’-位~4’-位のうちいずれか1つの位置及び5’-位~7’-位のうちいずれか1つの位置に結合していてもよい。4つの窒素原子は、好ましくはスピロビフルオレン環の2,2’,7,7’-位に結合していてもよい。 In the above formula (3), the position where the four nitrogen atoms are bonded to each of the four benzene rings forming the spirobifluorene skeleton is not particularly limited, and for example, each of the four nitrogen atoms is a spirobifluorene ring. Any one position from 2-position to 4-position, any one position from 5-position to 7-position, any one position from 2'-position to 4'-position, and 5' It may be bonded to any one position from the − position to the 7'-position. The four nitrogen atoms may preferably be attached to the 2,2', 7,7'-position of the spirobifluorene ring.
前記式(3)で表される化合物として、代表的には、例えば、前記式(3)において、8つの環Zがベンゼン環、8つのkが1であるテトラキス[ビス(アルコキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレン類、例えば、2,2’,7,7’-テトラキス-[N,N-ビス(4-メトキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレン(Spiro-OMeTAD)、2,2’,7,7’-テトラキス-[N-(4-メトキシフェニル)-N-(3-メトキシフェニル)-アミノ]-9,9’-スピロビフルオレン、2,2’,7,7’-テトラキス-[N-(4-メトキシフェニル)-N-(2-メトキシフェニル)-アミノ]-9,9’-スピロビフルオレン、2,2’,7,7’-テトラキス-[N,N-ビス(4-エトキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレンなどのテトラキス[ビス(C1-4アルコキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレンなどが挙げられる。 As the compound represented by the formula (3), for example, in the formula (3), eight rings Z are benzene rings and eight k are one tetrakis [bis (alkoxyphenyl) amino]. -9,9'-spirobifluorenes, eg 2,2', 7,7'-tetrakis- [N, N-bis (4-methoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene (Spiro) -OMeTAD), 2,2', 7,7'-tetrakis- [N- (4-methoxyphenyl) -N- (3-methoxyphenyl) -amino] -9,9'-spirobifluorene, 2,2 ', 7,7'-Tetrakiss- [N- (4-methoxyphenyl) -N- (2-methoxyphenyl) -amino] -9,9'-spirobifluorene, 2,2', 7,7'- Tetrakiss- [N, N-bis (4-ethoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene, etc. Tetrakiss [bis (C 1-4 alkoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene, etc. Can be mentioned.
これらの前記式(3)で表される化合物は単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの前記式(3)で表される化合物のうち、Spiro-OMeTADなどのテトラキス[ビス(C1-2アルコキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレンなどが好ましい。なお、これらの前記式(3)で表される化合物は、市販品などを利用してもよい。 These compounds represented by the formula (3) can be used alone or in combination of two or more. Among these compounds represented by the formula (3), tetrakis [bis (C 1-2 alkoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene such as Spiro-OMeTAD is preferable. As the compound represented by the above formula (3), a commercially available product or the like may be used.
正孔輸送材料全体に対する前記式(3)で表される化合物の割合は、例えば、10重量%以上(例えば、30~100重量%)、好ましくは50重量%以上(例えば、60~99重量%)、さらに好ましくは70重量%以上(例えば、80~95重量%)であってもよく、90重量%以上(95重量%以上、例えば、実質的に100重量%(前記式(3)で表される化合物のみ)程度)であってもよい。 The ratio of the compound represented by the formula (3) to the entire hole transport material is, for example, 10% by weight or more (for example, 30 to 100% by weight), preferably 50% by weight or more (for example, 60 to 99% by weight). ), More preferably 70% by weight or more (for example, 80 to 95% by weight), 90% by weight or more (95% by weight or more, for example, substantially 100% by weight (represented by the above formula (3)). It may be about)).
また、正孔輸送材料が前記式(3)で表される化合物を含む場合、さらに、ポリシランを含んでいてもよい。前記式(3)で表される化合物とポリシランとの割合は、例えば、前者/後者(重量比)=10/90~99.9/0.1(例えば、30/70~99.5/0.5)程度の範囲から選択でき、例えば、50/50~99/1(例えば、60/40~97/3)、好ましくは70/30~95/5(例えば、75/25~93/7)、さらに好ましくは80/20~91/9(例えば、85/15~90/10)程度であってもよい。 Further, when the hole transport material contains the compound represented by the above formula (3), polysilane may be further contained. The ratio of the compound represented by the formula (3) to polysilane is, for example, the former / the latter (weight ratio) = 10/90 to 99.9 / 0.1 (for example, 30/70 to 99.5 / 0). It can be selected from a range of about .5), for example, 50/50 to 99/1 (for example, 60/40 to 97/3), preferably 70/30 to 95/5 (for example, 75/25 to 93/7). ), More preferably about 80/20 to 91/9 (for example, 85/15 to 90/10).
正孔輸送層は、前記正孔輸送材料に加えて、添加剤を必ずしも含んでいなくてもよいが、必要に応じて、慣用の添加剤(例えば、ドーパントなど)をさらに含んでいてもよい。ドーパント(又はp型ドーパント)としては、例えば、金属塩[例えば、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Li-TFSI)など]、金属錯体[例えば、トリス(p-ブロモフェニル)アンモニウムヘキサクロロアンチモネート、トリス(2-(1H-ピラゾール-1-イル)ピリジン)コバルト(III)トリス[ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド]、モリブデントリス[1,2-ビス(トリフルオロメチル)エタン-1,2-ジチオレン]など]、金属塩化物[例えば、塩化スズ(IV)、塩化アンチモン(V)、塩化鉄(III)など]、金属酸化物[例えば、酸化タングステン(VI)など]などの金属化合物;2,3,5,6-テトラフルオロ-7,7,8,8-テトラシアノ-キノジメタンなどの非金属化合物などが挙げられる。 The hole transport layer does not necessarily have to contain an additive in addition to the hole transport material, but may further contain a conventional additive (for example, a dopant), if necessary. .. Examples of the dopant (or p-type dopant) include a metal salt [for example, lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (Li-TFSI)], a metal complex [for example, tris (p-bromophenyl) ammonium hexachloroantimonate). , Tris (2- (1H-pyrazole-1-yl) pyridine) Cobalt (III) Tris [bis (trifluoromethylsulfonyl) imide], Molybdenum Tris [1,2-bis (trifluoromethyl) ethane-1,2 -Dithiolen], etc.], metal chlorides [eg, tin chloride (IV), antimony chloride (V), iron (III) chloride, etc.], metal oxides [eg, tungsten oxide (VI), etc.] and other metal compounds; Examples thereof include non-metal compounds such as 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyano-quinodimethane.
正孔輸送材料を添加剤と組み合わせる場合、添加剤(例えば、ドーパントなど)の割合は、正孔輸送材料の総量100重量部に対して、例えば、0.1~30重量部、好ましくは1~20重量部、さらに好ましくは5~15重量部程度であってもよい。 When the hole transport material is combined with an additive, the proportion of the additive (eg, dopant, etc.) is, for example, 0.1 to 30 parts by weight, preferably 1 to 1 to 100 parts by weight of the total amount of the hole transport material. It may be about 20 parts by weight, more preferably about 5 to 15 parts by weight.
正孔輸送層の厚み(平均厚み)は、5~50nm程度の範囲から選択でき、例えば、10~50nm、好ましくは20~47nm、さらに好ましくは30~45nm程度であってもよい。正孔輸送層の平均厚みが小さすぎると正孔を効率よく移動できなくなるおそれがあり、大きすぎると電気抵抗が増加するおそれがある。なお、厚みは透過型電子顕微鏡(TEM)などを用いて測定してもよい。 The thickness (average thickness) of the hole transport layer can be selected from the range of about 5 to 50 nm, and may be, for example, 10 to 50 nm, preferably 20 to 47 nm, and more preferably about 30 to 45 nm. If the average thickness of the hole transport layer is too small, holes may not move efficiently, and if it is too large, the electrical resistance may increase. The thickness may be measured using a transmission electron microscope (TEM) or the like.
(第2の電極)
第2の電極は、通常、正孔輸送層(逆型構造の場合は電子輸送層)に隣接して、金属(例えば、Au、Ag、Cu、Alなど);Cなどの仕事関数が5.2eV以下の導電体で形成された金属又は炭素電極である。これらの導電体(又は電極形成材料)のうち、Auが好ましい。また、第2の電極は、第1の電極に対応して、陰極であってもよいが、通常、陽極である場合が多い。
(Second electrode)
The second electrode is usually adjacent to the hole transport layer (electron transport layer in the case of an inverted structure) and has a work function such as metal (eg, Au, Ag, Cu, Al, etc.); C. It is a metal or carbon electrode formed of a conductor of 2 eV or less. Of these conductors (or electrode forming materials), Au is preferable. Further, the second electrode may be a cathode corresponding to the first electrode, but is usually an anode in many cases.
第2の電極の平均厚みは、例えば、100~500nm程度の範囲から選択でき、例えば、120~300nm、好ましくは150~250nm、さらに好ましくは180~220nm程度であってもよい。平均厚みが大きすぎると、製造効率が低下するおそれがあり、小さすぎると効率よく集電できないおそれがある。 The average thickness of the second electrode can be selected from the range of, for example, about 100 to 500 nm, and may be, for example, about 120 to 300 nm, preferably about 150 to 250 nm, and more preferably about 180 to 220 nm. If the average thickness is too large, the manufacturing efficiency may decrease, and if it is too small, the current may not be collected efficiently.
[光電変換素子の製造方法及び特性]
光電変換素子を形成する各層は、慣用の方法(スピンコート法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法などの塗布又は印刷法、真空蒸着法などの蒸着法など)により形成(又は積層)でき、特に制限されない。各層の代表的な製造方法としては、下記のような方法が挙げられる。
[Manufacturing method and characteristics of photoelectric conversion element]
Each layer forming the photoelectric conversion element can be formed (or laminated) by a conventional method (spin coating method, doctor blade method, coating or printing method such as screen printing method, vapor deposition method such as vacuum vapor deposition method, etc.), and is particularly limited. Not done. As a typical manufacturing method of each layer, the following methods can be mentioned.
(電子輸送層形成工程)
電子輸送層形成工程では、第1の電極の導電性金属酸化物がコーティングされた面に、前記電子輸送材料又はその前駆体と溶媒(又は分散媒)とを含む電子輸送層前駆体溶液(又は分散液)を塗布(又はコーティング)して、電子輸送層を形成する。
(Electron transport layer forming process)
In the electron transport layer forming step, the electron transport layer precursor solution (or the electron transport layer precursor solution) containing the electron transport material or its precursor and a solvent (or dispersion medium) on the surface coated with the conductive metal oxide of the first electrode. Dispersion solution) is applied (or coated) to form an electron transport layer.
第1の電極には、前記前駆体溶液の塗布前に洗浄処理を施してもよい。洗浄処理の方法は、特に制限されず、例えば、ケトン類(アセトンなど)やアルコール類(メタノールなど)に浸漬して超音波洗浄し、不活性ガス(窒素ガス、希ガスなど)下で乾燥する方法;UV-オゾン処理する方法;これらを組み合わせた方法などが挙げられる。 The first electrode may be subjected to a cleaning treatment before the application of the precursor solution. The method of cleaning treatment is not particularly limited. For example, it is immersed in ketones (acetone, etc.) or alcohols (methanol, etc.) for ultrasonic cleaning, and dried under an inert gas (nitrogen gas, noble gas, etc.). Method; UV-ozone treatment method; a method combining these methods and the like.
電子輸送材料の前駆体としては、前記電子輸送層の項に例示した電子輸送材料に対応する化合物、例えば、酸化チタン(IV)前駆体[例えば、チタンジイソプロポキシドビス(アセチルアセトナート)などのチタン錯体、テトライソプロポキシチタン(IV)などのチタン酸アルキルなど];酸化亜鉛(II)前駆体[例えば、炭酸亜鉛など]などが挙げられる。 As the precursor of the electron transport material, a compound corresponding to the electron transport material exemplified in the section of the electron transport layer, for example, a titanium oxide (IV) precursor [for example, titanium diisopropoxidebis (acetylacetonate) or the like, etc. Titanium complex, alkyl titanate such as tetraisopropoxytitanium (IV), etc.]; zinc oxide (II) precursor [eg, zinc carbonate, etc.] and the like.
溶媒としては、例えば、水;アルコール類(例えば、メタノール、エタノール、2-プロパノール、n-ブタノール、t-ブタノールなどのC1-6アルカンモノオール;アルカンジオールなど);エーテル類(テトラヒドロフランなど);グリコールエーテル類[例えば、セロソルブ類、カルビトール類;(ポリ)アルキレングリコールジアルキルエーテルなど];グリコールエーテルアセテート類[例えば、セロソルブアセテート類、カルビトールアセテート類など)、(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテルアセテートなど];ケトン類(アセトンなど);エステル類(酢酸エチルなどなど);カーボネート類(プロピレンカーボネートなど);カルボン酸類(酢酸など);ニトリル類(アセトニトリルなど);アミド類(N,N-ジメチルホルムアミドなど);スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど);炭化水素類(ヘキサン、シクロヘキサン、トルエンなど);ハロゲン化炭化水素類(例えば、クロロホルム、クロロベンゼンなど);及びこれらの混合溶媒などが挙げられる。これらの溶媒のうち、n-ブタノールなどのC1-5アルカンモノオールなどが好ましい。 Solvents include, for example, water; alcohols (eg, C 1-6 alkane monools such as methanol, ethanol, 2-propanol, n-butanol, t-butanol; alkanediols, etc.); ethers (tetratetra, etc.); Glycol ethers [eg, cellosolves, carbitols; (poly) alkylene glycol dialkyl ethers, etc.]; Glycol ether acetates [eg, cellosolves acetates, carbitol acetates, etc.), (poly) alkylene glycol monoalkyl ether acetates. Etc.]; Ketones (such as acetone); Esters (such as ethyl acetate); Carbonates (such as propylene carbonate); Carous acids (such as acetic acid); nitriles (such as acetonitrile); Amides (N, N-dimethylformamide, etc.) Etc.); Sulfoxides (dimethylsulfoxide, etc.); Hydrocarbons (hexane, cyclohexane, toluene, etc.); Halogenated hydrocarbons (eg, chloroform, chlorobenzene, etc.); and mixed solvents thereof and the like. Among these solvents, C 1-5 alkane monool such as n-butanol is preferable.
電子輸送層前駆体溶液における前記電子輸送材料又はその前駆体の濃度は、例えば0.01~1M、好ましくは0.1~0.4M程度であってもよい。なお、電子輸送層を第1の電極に密着して、かつ緻密に形成するために、濃度の異なる2種類以上の溶液を調製し、溶液の濃度が濃くなる順に塗布してもよい。 The concentration of the electron transport material or the precursor thereof in the electron transport layer precursor solution may be, for example, about 0.01 to 1 M, preferably about 0.1 to 0.4 M. In addition, in order to form the electron transport layer in close contact with the first electrode and densely, two or more kinds of solutions having different concentrations may be prepared and applied in order of increasing concentration of the solutions.
塗布後、溶媒を除去するために熱処理を行ってもよく、その加熱温度は、例えば、80~200℃、好ましくは100~150℃程度であってもよい。また、前記前駆体から金属酸化物を形成するために、さらに高温で熱処理を行ってもよく、その加熱温度は、前記前駆体に応じて選択でき、例えば、300~800℃、好ましくは400~600℃程度であってもよい。 After the coating, a heat treatment may be performed to remove the solvent, and the heating temperature thereof may be, for example, about 80 to 200 ° C., preferably about 100 to 150 ° C. Further, in order to form a metal oxide from the precursor, heat treatment may be further performed at a high temperature, and the heating temperature thereof can be selected according to the precursor, for example, 300 to 800 ° C., preferably 400 to 400 ° C. It may be about 600 ° C.
(ペロブスカイト層形成工程)
ペロブスカイト層形成工程では、前記電子輸送層形成工程で形成した積層体の電子輸送層の面に、ペロブスカイト化合物前駆体と、ポリシランと、溶媒(又は分散媒)とを含むペロブスカイト層前駆体溶液(又は分散液)を塗布(又はコーティング)し、さらに、熱処理することによりペロブスカイト層を形成する。
(Perovskite layer formation process)
In the perovskite layer forming step, a perovskite layer precursor solution (or a dispersion medium) containing a perovskite compound precursor, polysilane, and a solvent (or dispersion medium) is contained on the surface of the electron transport layer of the laminate formed in the electron transport layer forming step. The dispersion liquid) is applied (or coated), and further heat-treated to form a perovskite layer.
なお、光電変換素子がナノ構造型である場合、ペロブスカイト層前駆体溶液の塗布前に、ペロブスカイト化合物を広い表面積で接触させるための前記多孔質部(第1のペロブスカイト層の多孔質部)を電子輸送層に形成してもよい。多孔質部は、金属酸化物と、高分子化合物と、水と、有機化合物と、界面活性剤とを含む多孔質部形成溶液を塗布し、さらに、熱処理することにより形成される。 When the photoelectric conversion element is of the nanostructure type, the porous portion (the porous portion of the first perovskite layer) for contacting the perovskite compound over a wide surface area is electron-generated before the application of the perovskite layer precursor solution. It may be formed in the transport layer. The porous portion is formed by applying a porous portion-forming solution containing a metal oxide, a polymer compound, water, an organic compound, and a surfactant, and further heat-treating the porous portion.
金属酸化物としては、前記第1のペロブスカイト層の項において多孔質酸化物として例示した金属酸化物と好ましい態様も含めて同様のものが挙げられる。金属酸化物は粉末状などであってもよい。 Examples of the metal oxide include the same as the metal oxide exemplified as the porous oxide in the section of the first perovskite layer, including preferable embodiments. The metal oxide may be in the form of powder or the like.
高分子化合物としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリ(メタ)アクリル酸誘導体(例えば、ポリ(メタ)アクリル酸又はその塩、ポリ(メタ)アクリルアミドなど)、セルロース誘導体(例えば、カルボキシメチルセルロース又はその塩、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロースエーテルなど)などの水溶性高分子化合物などが挙げられる。高分子化合物の数平均分子量又は重量平均分子量は、例えば、10000~30000、好ましくは15000~25000程度であってもよい。高分子化合物の割合は、金属酸化物100重量部に対して、例えば、1~30重量部、好ましくは5~15重量部程度であってもよい。 Examples of the polymer compound include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, poly (meth) acrylic acid derivative (for example, poly (meth) acrylic acid or a salt thereof, poly (meth) acrylamide, etc.), cellulose derivative (for example, carboxymethyl cellulose or). Examples thereof include water-soluble polymer compounds such as salts thereof and cellulose ethers such as hydroxypropyl cellulose). The number average molecular weight or the weight average molecular weight of the polymer compound may be, for example, about 10,000 to 30,000, preferably about 15,000 to 25,000. The ratio of the polymer compound may be, for example, about 1 to 30 parts by weight, preferably about 5 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of the metal oxide.
水は、超純水であるのが好ましい。水の割合は、金属酸化物100重量部に対して、例えば、100~1000重量部、好ましくは300~700重量部程度であってもよい。 The water is preferably ultrapure water. The ratio of water may be, for example, about 100 to 1000 parts by weight, preferably about 300 to 700 parts by weight, based on 100 parts by weight of the metal oxide.
有機化合物としては、例えば、アセチルアセトンなどの錯体形成性有機化合物などが挙げられる。有機化合物の割合は、水100体積部に対して、例えば、0.1~10体積部、好ましくは1~5体積部程度であってもよい。 Examples of the organic compound include complex-forming organic compounds such as acetylacetone. The ratio of the organic compound may be, for example, about 0.1 to 10 parts by volume, preferably about 1 to 5 parts by volume with respect to 100 parts by volume of water.
界面活性剤としては、例えば、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤などが挙げられ、ノニオン系界面活性剤[例えば、ポリエチレングリコール-(t-オクチルフェニル)エーテルなどのポリオキシエチレン(C6-20アルキル-フェニル)エーテルなど]が好ましい。界面活性剤の割合は、水100体積部に対して、例えば、0.05~5体積部、好ましくは0.1~3体積部程度であってもよい。 Examples of the surfactant include nonionic surfactants, anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants and the like, and nonionic surfactants [for example, polyethylene glycol- (t-octyl). Polyoxyethylene (C 6-20 alkyl-phenyl) ethers such as phenyl) ethers] are preferred. The ratio of the surfactant may be, for example, about 0.05 to 5 parts by volume, preferably about 0.1 to 3 parts by volume with respect to 100 parts by volume of water.
多孔質部形成溶液の調製は、金属酸化物と高分子化合物とを水と混合して撹拌後、この液に、さらに、有機化合物と界面活性剤とを加えて撹拌して調製してもよい。また、前記溶液から気泡を除去するために、調製後1時間~2日(例えば、12時間~1日)程度静置してもよい。 The porous portion forming solution may be prepared by mixing a metal oxide and a polymer compound with water and stirring, and then adding an organic compound and a surfactant to this solution and stirring. .. Further, in order to remove air bubbles from the solution, the solution may be allowed to stand for about 1 hour to 2 days (for example, 12 hours to 1 day) after preparation.
前記多孔質部形成溶液の塗布後の熱処理温度は、例えば、300~800℃、好ましくは400~600℃程度であってもよい。 The heat treatment temperature after the application of the porous portion forming solution may be, for example, about 300 to 800 ° C., preferably about 400 to 600 ° C.
ペロブスカイト層前駆体溶液に含まれるペロブスカイト化合物前駆体としては、前記式(1)に対応する前駆体、すなわち、式AX(1a)(式中、A及びXはそれぞれ前記式(1)に同じ)で表される化合物、及び式MX2(1b)(式中、M及びXはそれぞれ前記式(1)に同じ)で表される化合物であってもよい。式(1a)及び(1b)において、A、M及びXは、前記式(1)の項に例示したA、M及びXと好ましい態様も含めて同様である。 The perovskite compound precursor contained in the perovskite layer precursor solution is a precursor corresponding to the above formula (1), that is, the formula AX (1a) (in the formula, A and X are the same as the above formula (1), respectively). It may be a compound represented by the above formula and a compound represented by the formula MX 2 (1b) (wherein M and X are the same in the formula (1), respectively). In the formulas (1a) and (1b), A, M and X are the same as those of A, M and X exemplified in the section of the formula (1), including preferred embodiments.
前記式(1a)で表される代表的な化合物としては、例えば、CH3NH3I、CH3NH3Br、CH3NH3Clなどの式(1a)において、AがメチルアンモニウムなどのC1-6アルキルアンモニウムである化合物などが挙げられる。これらの化合物は単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの化合物のうち、CH3NH3Iが好ましい。 As a typical compound represented by the above formula (1a), for example, in the formula (1a) such as CH 3 NH 3 I, CH 3 NH 3 Br, CH 3 NH 3 Cl, A is C such as methyl ammonium. Examples thereof include compounds which are 1-6 alkylammonium. These compounds may be used alone or in combination of two or more. Of these compounds, CH 3 NH 3 I is preferred.
前記式(1b)で表される代表的な化合物としては、例えば、PbI2、PbBr2、PbCl2などの式(1b)において、MがPb、Snなどの第14族元素(特に、Pb)である化合物などが挙げられる。これらの化合物は単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの化合物のうち、PbI2が好ましい。
As a typical compound represented by the above formula (1b), for example, in the formula (1b) such as PbI 2 , PbBr 2 , PbCl 2 , M is a
前記式(1a)で表される化合物と前記式(1b)で表される化合物との割合は、例えば、前者/後者(モル比)=1/0.9~1/1.1、好ましくは1/0.95~1/1.05程度であってもよく、実質的に当モル(1/1)程度であるのが好ましい。 The ratio of the compound represented by the formula (1a) to the compound represented by the formula (1b) is, for example, the former / the latter (molar ratio) = 1 / 0.9 to 1 / 1.1, preferably 1 / 0.9 to 1 / 1.1. It may be about 1 / 0.95 to 1 / 1.05, and it is preferably about 1 / 0.95 to 1 / 1.05.
ポリシランとしては、前記ペロブスカイト層の項に例示したポリシランを利用できる。ポリシランの割合は、前記式(1a)で表される化合物及び前記式(1b)で表される化合物の総量100重量部に対して、例えば、0.01~10重量部(例えば、0.05~5重量部)、好ましくは0.1~2重量部(例えば、0.3~1.5重量部)、さらに好ましくは0.5~1重量部(例えば、0.6~0.9重量部)程度であってもよい。 As the polysilane, the polysilane exemplified in the section of the perovskite layer can be used. The ratio of polysilane is, for example, 0.01 to 10 parts by weight (for example, 0.05) with respect to 100 parts by weight of the total amount of the compound represented by the formula (1a) and the compound represented by the formula (1b). Up to 5 parts by weight), preferably 0.1 to 2 parts by weight (for example, 0.3 to 1.5 parts by weight), more preferably 0.5 to 1 part by weight (for example, 0.6 to 0.9 parts by weight). Part) may be about.
溶媒は、ラクトン類(例えば、γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、ε-カプロラクトンなどのC3-7ラクトン類など);アミド類(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-2-ピロリドン(NMP)など)などが挙げられる。これらの溶媒は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの溶媒のうち、γ-ブチロラクトン、N,N-ジメチルホルムアミドが好ましい。溶媒は、通常、ラクトン類(例えば、γ-ブチロラクトン)とアミド類(例えば、DMF)との混合溶媒を用いることが多い。前記混合溶媒を用いる場合、ラクトン類及びアミド類の割合は、例えば、前者/後者(体積比)=1/99~99/1(10/90~90/10)、好ましくは30/70~80/20(50/50~70/30)程度であってもよい。また、溶媒の割合は、前記式(1a)及び(1b)で表される化合物並びにポリシランの合計量100重量部に対して、例えば、50~200重量部、好ましくは100~180重量部(例えば、120~150重量部)程度であってもよい。 Solvents include lactones (eg, C 3-7 lactones such as γ-butyrolactone, δ-valerolactone, ε-caprolactone); amides (eg, N, N-dimethylformamide (DMF), N, N- Dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), etc.) and the like. These solvents can also be used alone or in combination of two or more. Of these solvents, γ-butyrolactone and N, N-dimethylformamide are preferable. As the solvent, a mixed solvent of lactones (for example, γ-butyrolactone) and amides (for example, DMF) is often used. When the mixed solvent is used, the ratio of the lactones and the amides is, for example, the former / the latter (volume ratio) = 1/99 to 99/1 (10/90 to 90/10), preferably 30/70 to 80. It may be about / 20 (50/50 to 70/30). The ratio of the solvent is, for example, 50 to 200 parts by weight, preferably 100 to 180 parts by weight (for example) with respect to 100 parts by weight of the total amount of the compounds represented by the formulas (1a) and (1b) and polysilane. , 120 to 150 parts by weight).
前記式(1a)で表される化合物、前記式(1b)で表される化合物、ポリシラン及び溶媒は、溶媒の沸点以下の温度に加熱しつつ混合してもよく、加熱温度は、例えば、40~80℃、好ましくは50~70℃程度であってもよい。このように調製したペロブスカイト層前駆体溶液は、前記多孔質部(又は電子輸送層)に溶媒の沸点以下の温度に加熱しながら塗布してもよく、加熱温度は、例えば、50~90℃、好ましくは60~80℃程度であってもよい。ペロブスカイト層前駆体溶液は調製分を一度に塗布してもよいが、多孔質部に効率よく含浸又は浸漬させる観点から、複数回に分けて塗布するのが好ましい。 The compound represented by the formula (1a), the compound represented by the formula (1b), polysilane and the solvent may be mixed while being heated to a temperature equal to or lower than the boiling point of the solvent, and the heating temperature is, for example, 40. It may be about 80 ° C., preferably about 50 to 70 ° C. The perovskite layer precursor solution thus prepared may be applied to the porous portion (or electron transport layer) while being heated to a temperature equal to or lower than the boiling point of the solvent, and the heating temperature is, for example, 50 to 90 ° C. It may be preferably about 60 to 80 ° C. The perovskite layer precursor solution may be applied at one time, but it is preferably applied in a plurality of times from the viewpoint of efficiently impregnating or immersing the porous portion.
ペロブスカイト層前駆体溶液塗布後の熱処理温度は、例えば、80~120℃、好ましくは90~110℃程度であってもよい。熱処理は、通常、大気雰囲気下で行ってもよい。なお、複数回に亘り塗布する場合、塗布する度に熱処理を行ってもよく、複数回の塗布を終えた後に一度に熱処理を行ってもよい。 The heat treatment temperature after applying the perovskite layer precursor solution may be, for example, about 80 to 120 ° C., preferably about 90 to 110 ° C. The heat treatment may usually be performed in an atmospheric atmosphere. In the case of coating over a plurality of times, the heat treatment may be performed each time the coating is applied, or the heat treatment may be performed at one time after the plurality of coatings are completed.
(正孔輸送層形成工程)
正孔輸送層形成工程では、前記ペロブスカイト層形成工程で形成した積層体のペロブスカイト層の面に、前記正孔輸送材料(例えば、前記式(3)で表される化合物、ポリシランなど)と溶媒(又は分散媒)を含む正孔輸送層形成溶液(又は分散液)を塗布(又はコーティング)することにより正孔輸送層を形成する。
(Hole transport layer forming step)
In the hole transport layer forming step, the hole transport material (for example, the compound represented by the formula (3), polysilane, etc.) and the solvent (for example, polysilane) are placed on the surface of the perovskite layer of the laminate formed in the perovskite layer forming step. Alternatively, the hole transport layer is formed by applying (or coating) a hole transport layer forming solution (or dispersion) containing (or a dispersion medium).
溶媒は、例えば、炭化水素類(例えば、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素類、シクロヘキサンなどの脂環族炭化水素類、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類など);ハロゲン化炭化水素類(例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2-ジクロロエタン、クロロベンゼンなど);アルコール類(例えば、メタノール、エタノール、2-プロパノール、n-ブタノール、t-ブタノールなどのC1-6アルカンモノオール;エチレングリコールなどのC2-4アルカンジオールなど);エーテル類(ジイソプロピルエーテルなどの鎖状エーテル類、テトラヒドロフランなどの環状エーテル類など);グリコールエーテル類[例えば、セロソルブ類(メチルセロソルブなど)、カルビトール類(メチルカルビトールなど)、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルなどの(ポリ)C2-4アルキレングリコールモノC1-4アルキルエーテル;エチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテルなどの(ポリ)C2-4アルキレングリコールジC1-4アルキルエーテルなど];グリコールエーテルアセテート類[例えば、セロソルブアセテート類(例えば、メチルセロソルブアセテートなどのC1-4アルキルセロソルブアセテートなど)、カルビトールアセテート類(例えば、メチルカルビトールアセテートなどのC1-4アルキルカルビトールアセテートなど)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどの(ポリ)C2-4アルキレングリコールモノC1-4アルキルエーテルアセテートなど];ケトン類(アセトン、メチルエチルケトンなどの鎖状ケトン、シクロヘキサノンなどの環状ケトンなど);エステル類(酢酸エチルなどの酢酸エステル、乳酸メチルなどの乳酸エステルなど);カーボネート類(ジメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状カーボネートなど);カルボン酸類(酢酸、プロピオン酸など);ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリルなど);アミド類(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-メチル-2-ピロリドンなど);スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど);水;及びこれらの混合溶媒などが挙げられる。 The solvent is, for example, hydrocarbons (eg, aliphatic hydrocarbons such as hexane, alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, etc.); halogenated hydrocarbons (eg,). , Dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, etc.); Alcohols (eg, methanol, ethanol, 2-propanol, n-butanol, t-butanol, etc. C 1-6 alkanemonool; C, ethylene glycol, etc. 2-4 Alcandiol, etc.); Ethers (chain ethers such as diisopropyl ether, cyclic ethers such as tetrahydrofuran, etc.); Glycol ethers [for example, cellosolves (methylcellosolve, etc.), carbitols (methylcarbitol, etc.) Etc.), (poly) C 2-4 alkylene glycol mono C 1-4 alkyl ethers such as triethylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monomethyl ether; (poly) C 2-4 alkylene such as ethylene glycol dimethyl ether and dipropylene glycol dimethyl ether. Glycoldi C 1-4 alkyl ethers, etc.]; Glycol ether acetates [eg, cellosolve acetates (eg, C 1-4 alkyl cellosolve acetates such as methyl cellosolve acetate), carbitol acetates (eg, methyl carbitol acetate, etc.) C 1-4 alkyl carbitol acetate, etc.), propylene glycol monomethyl ether acetate, dipropylene glycol monobutyl ether acetate, etc. (poly) C 2-4 alkylene glycol mono C 1-4 alkyl ether acetate, etc.]; Ketones ( Chain ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, cyclic ketones such as cyclohexanone, etc.); Esters (acetate esters such as ethyl acetate, lactic acid esters such as methyl lactate, etc.); Carbonates (chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethylene carbonate, etc.) Cyclic carbonates such as propylene carbonate); Carbodies (acetic acid, propionic acid, etc.); nitriles (acetoether, propionitrile, etc.); Amidos (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl) -2-Pyrolidone, etc.); Sulfoxides (dimethylsulfoxide, etc.); Water; and mixed solvents thereof And so on.
これらの溶媒のうち、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素類が好ましい。溶媒の割合は、正孔輸送材料の総量100重量部に対して、例えば、500~2000重量部、好ましくは1000~1500重量部程度であってもよい。 Of these solvents, halogenated hydrocarbons such as chlorobenzene are preferred. The ratio of the solvent may be, for example, about 500 to 2000 parts by weight, preferably about 1000 to 1500 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total amount of the hole transport material.
また、正孔輸送層形成溶液は、必要に応じて、正孔輸送層の項に例示した添加剤(例えば、Li-TFSIなどのドーパントなど)などを含んでいてもよく、これらの添加剤の割合は、前記正孔輸送層の項に記載の割合と好ましい態様を含めて同様であってもよい。ドーパントなどの添加剤は、前記正孔輸送材料と同様の溶媒(例えば、アセトニトリルなどのニトリル類など)に溶解又は分散してから添加してもよい。 Further, the hole transport layer forming solution may contain the additives exemplified in the section of the hole transport layer (for example, dopants such as Li-TFSI) and the like, if necessary, and these additives may be contained. The ratio may be the same as the ratio described in the section of the hole transport layer, including the preferred embodiment. Additives such as dopants may be added after being dissolved or dispersed in a solvent similar to the hole transport material (for example, nitriles such as acetonitrile).
また、正孔輸送層形成溶液は、擬フェルミ準位の変化により開放電圧を向上できる観点から、必要に応じてアミン類を含んでいてもよい。アミン類としては、例えば、複素環アミン(例えば、4-t-ブチルピリジンなどのC1-6アルキルピリジンなど)、第3級アミン(例えば、トリエチルアミンなどのトリC1-6アルキルアミン、トリエタノールアミンなどのトリC1-6アルカノールアミンなど)などが挙げられる。これらのアミン類は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらのアミン類のうち、4-t-ブチルピリジンなどの複素環アミンなどが好ましい。アミン類の割合は、溶媒100体積部に対して、例えば、0.1~10体積部、好ましくは1~5体積部程度であってもよい。 Further, the hole transport layer forming solution may contain amines, if necessary, from the viewpoint of improving the open circuit voltage by changing the quasi Fermi level. Examples of amines include heterocyclic amines (eg, C 1-6 alkyl pyridines such as 4-t-butyl pyridine), tertiary amines (eg, tri C 1-6 alkyl amines such as triethylamine, triethanol). Tri-C 1-6 alkanolamines such as amines) and the like. These amines can also be used alone or in combination of two or more. Among these amines, heterocyclic amines such as 4-t-butylpyridine are preferable. The ratio of amines may be, for example, about 0.1 to 10 parts by volume, preferably about 1 to 5 parts by volume with respect to 100 parts by volume of the solvent.
正孔輸送層形成溶液は加熱しながら調製してもよく、加熱温度は、例えば、50~100℃、好ましくは60~80℃程度であってもよい。なお、正孔輸送層形成溶液は、正孔輸送材料(例えば、前記式(3)で表される化合物など)の分解を抑制する観点から、塗布後に熱処理しなくてもよい。 The hole transport layer forming solution may be prepared while heating, and the heating temperature may be, for example, about 50 to 100 ° C, preferably about 60 to 80 ° C. The hole transport layer forming solution does not have to be heat-treated after coating from the viewpoint of suppressing decomposition of the hole transport material (for example, the compound represented by the formula (3)).
(第2の電極形成工程)
第2の電極形成工程では、前記正孔輸送層形成工程で形成した積層体の正孔輸送層の面に、前記第2の電極の項に例示した導電体(金属又は炭素)を蒸着(例えば、真空蒸着など)することにより第2の電極を形成する。
(Second electrode forming step)
In the second electrode forming step, the conductor (metal or carbon) exemplified in the section of the second electrode is vapor-deposited (for example) on the surface of the hole transporting layer of the laminate formed in the hole transporting layer forming step. , Vacuum vapor deposition, etc.) to form a second electrode.
第2の電極形成後、必要に応じて、配線を接続したり、カバーを装着したりして光電変換素子を作製してもよい。 After forming the second electrode, a photoelectric conversion element may be manufactured by connecting wiring or attaching a cover, if necessary.
(光電変換素子の特性)
本発明で得られる光電変換素子は高い短絡電流密度及び変換効率を有している。照度100mWcm-2、AM1.5、照射面積0.090cm2、室温(25℃程度)の条件下で測定した短絡電流密度は、例えば、5~30mAcm-2、好ましくは7~25mAcm-2、さらに好ましくは10~20mAcm-2程度であってもよい。また、変換効率は、例えば、2~20%、好ましくは3~15%、さらに好ましくは5~12%程度であってもよい。
(Characteristics of photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion element obtained by the present invention has a high short-circuit current density and conversion efficiency. The short-circuit current density measured under the conditions of illuminance 100mWcm -2 , AM1.5, irradiation area 0.090cm2 , and room temperature (about 25 ° C.) is, for example, 5 to 30mAcm -2 , preferably 7 to 25mAcm -2 , and further. It may be preferably about 10 to 20 mAcm − 2 . The conversion efficiency may be, for example, 2 to 20%, preferably 3 to 15%, and more preferably 5 to 12%.
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。なお、使用した原料の調製方法について下記に示す。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples. The method for preparing the raw materials used is shown below.
[原料の調製]
(FTO基板(第1の電極))
フッ素ドープ酸化スズ(Fluorine-doped tin oxide)にコーティングされたガラス基板(ガラス基板の厚み:1.8mm、FTO塗布膜の厚み:約900nm)をアセトン中で超音波洗浄後、メタノール中で超音波洗浄した。さらに、この基板を窒素ガス下で乾燥後、UV-オゾン処理を20分施したものを用いた。
[Preparation of raw materials]
(FTO substrate (first electrode))
A glass substrate coated with fluorine-doped tin oxide (thickness of glass substrate: 1.8 mm, thickness of FTO coating film: about 900 nm) is ultrasonically washed in acetone and then ultrasonically in methanol. Washed. Further, this substrate was dried under nitrogen gas and then subjected to UV-ozone treatment for 20 minutes.
(電子輸送層前駆体溶液(0.15M))
チタンジイソプロポキシドビス(アセチルアセトナート)[Titanium diisopropoxide bis(acetyl acetonate)、Sigma-Aldrich社製]0.055mLと1-ブタノール(ナカライテスク(株)製、純度99%)1mLとを混合し、撹拌して調製した。
(Electron transport layer precursor solution (0.15M))
Titanium diisopropoxide bis (acetyl acetonate) [Titanium diisopropoxide bis (acetyl acetonate), manufactured by Sigma-Aldrich] 0.055 mL and 1-butanol (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd., purity 99%) 1 mL are mixed. , Stirred and prepared.
(電子輸送層前駆体溶液(0.30M))
チタンジイソプロポキシドビス(アセチルアセトナート)を0.11mLと1-ブタノール1mLとを混合し、撹拌して調製した。
(Electron transport layer precursor solution (0.30M))
Titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) was prepared by mixing 0.11 mL and 1 mL of 1-butanol and stirring.
(多孔質部形成溶液)
TiO2粉末(日本アエロジル(株)製「AEROXIDE TiO2 P25」)100mgとポリエチレングリコール(ナカライテスク(株)製「PEG(♯20000)」)10mgとに超純水0.5mLを加えて撹拌した。さらに、アセチルアセトン(和光純薬工業(株)製、純度99%)10.0μL、4-(1,1,3,3-テトラメチルブチル)フェニル-ポリエチレングリコール(Sigma-Aldrich社製「Triton-X-100」)を5.0μL加えて30分撹拌後、12時間静置して調製した。
(Porous part forming solution)
To 100 mg of TiO 2 powder (“AEROXIDE TiO 2 P25” manufactured by Nippon Aerodil Co., Ltd.) and 10 mg of polyethylene glycol (“PEG (# 20000)” manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.), 0.5 mL of ultrapure water was added and stirred. .. Furthermore, acetylacetone (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99%) 10.0 μL, 4- (1,1,3,3-tetramethylbutyl) phenyl-polyethylene glycol (manufactured by Sigma-Aldrich) "Triton-X" -100 ”) was added in an amount of 5.0 μL, stirred for 30 minutes, and then allowed to stand for 12 hours to prepare.
(ペロブスカイト層前駆体溶液)
CH3NH3I(モノメチルアミンヨウ化水素酸塩、昭和化学工業(株)製、純度95%)98.8mg、PbI2(ヨウ化鉛(II)、Sigma-Aldrich社製、純度99.999%)289.3mg、ポリシラン3mg、γ-ブチロラクトン(ナカライテスク(株)製、純度98%)0.3mL、及びN,N-ジメチルホルムアミド(DMF、Sigma-Aldrich社製)0.2mLを混合し、60℃に加熱して一夜撹拌した。
(Perovskite layer precursor solution)
CH 3 NH 3 I (monomethylamine hydroiodide, Showa Chemical Industry Co., Ltd., purity 95%) 98.8 mg, PbI 2 (lead iodide (II), manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.999 %) 289.3 mg, polysilane 3 mg, γ-butyrolactone (manufactured by Nakaraitesk Co., Ltd., purity 98%) 0.3 mL, and N, N-dimethylformamide (DMF, manufactured by Sigma-Aldrich) 0.2 mL are mixed. , 60 ° C. and stirred overnight.
(正孔(ホール)輸送層形成溶液)
2,2’,7,7’-テトラキス-[N,N-ジ(4-メトキシフェニル)アミノ]-9,9’-スピロビフルオレン(2,2',7,7'-tetrakis-[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-
9,9'-spirobifluorene、Luminescence Technology社製、単にSpiro-OMeTADという)36.1mgをクロロベンゼン(和光純薬工業(株)製)0.5mLに加え、12時間撹拌して溶液Aを調製した。また、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Li-TFSI、東京化成工業(株)製)260mgを、アセトニトリル(和光純薬工業(株)製)0.5mLに加え、12時間撹拌して溶液Bを調製した。前記溶液A全量と前記溶液B 8.8μLと4-t-ブチルピリジン(Sigma-Aldrich社製)14.4μLとを混合し、70℃で30分撹拌して正孔輸送層形成溶液を調製した。
(Hole transport layer forming solution)
2,2', 7,7'-tetrakis- [N, N-di (4-methoxyphenyl) amino] -9,9'-spirobifluorene (2,2', 7,7'-tetrakis- [N , N-di (4-methoxyphenyl) amino]-
Solution A was prepared by adding 36.1 mg of 9,9'-spirobifluorene, manufactured by Luminescence Technology, simply referred to as Spiro-OMeTAD) to 0.5 mL of chlorobenzene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stirring for 12 hours. In addition, 260 mg of lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (Li-TFSI, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is added to 0.5 mL of acetonitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the solution is stirred for 12 hours. B was prepared. The total amount of the solution A, 8.8 μL of the solution B and 14.4 μL of 4-t-butyl pyridine (manufactured by Sigma-Aldrich) were mixed and stirred at 70 ° C. for 30 minutes to prepare a hole transport layer forming solution. ..
[光電変換素子の作製]
(実施例1)
上記原料を用いて、図1に示す光電変換素子を作製した。すなわち、FTO基板上に電子輸送層前駆体溶液(0.15M)を滴下し、スピンコータ―(ミカサ(株)製「MS-A100」)を使用して、スピンコート(3000rpm、30秒)した後に、ホットプレートで熱処理(125℃、5分)した。次いで、電子輸送層前駆体溶液(0.30M)を滴下し、スピンコート(3000rpm、30秒)した。この電子輸送層前駆体溶液(0.30M)のスピンコートを2回した後に、ホットプレートで熱処理(125℃、5分)した。さらに、電気炉(アズワン(株)製「MSF-1」)で熱処理(500℃、30分)して、厚み約40nmの電子輸送層(緻密なTiO2層)を形成した。
[Manufacturing of photoelectric conversion element]
(Example 1)
The photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured using the above raw materials. That is, after the electron transport layer precursor solution (0.15M) was dropped onto the FTO substrate and spin-coated (3000 rpm, 30 seconds) using a spin coater (“MS-A100” manufactured by Mikasa Co., Ltd.). , Heat-treated on a hot plate (125 ° C., 5 minutes). Then, the electron transport layer precursor solution (0.30 M) was added dropwise, and spin coating (3000 rpm, 30 seconds) was performed. The electron transport layer precursor solution (0.30 M) was spin-coated twice and then heat-treated (125 ° C., 5 minutes) on a hot plate. Further, heat treatment (500 ° C., 30 minutes) was performed in an electric furnace (“MSF-1” manufactured by AS ONE Co., Ltd.) to form an electron transport layer (dense TiO 2 layer) having a thickness of about 40 nm.
前記電子輸送層の上に、多孔質部形成溶液を滴下し、スピンコート(5000rpm、30秒)した後に、電気炉で熱処理(500℃、30分)して、厚み約300~900nm程度の多孔質部(多孔質TiO2部)を形成した。 A porous portion-forming solution is dropped onto the electron transport layer, spin-coated (5000 rpm, 30 seconds), and then heat-treated in an electric furnace (500 ° C., 30 minutes) to form a porous material having a thickness of about 300 to 900 nm. A quality part ( 2 parts of porous TiO) was formed.
前記多孔質部の内部(又は空隙)に、70℃に加熱したペロブスカイト層前駆体溶液が浸入するように滴下し、スピンコート(2000rpm、60秒)した。この操作を4回行った後、ホットプレートで熱処理(100℃、30分、大気雰囲気下)し、厚み約300~900nm程度の第1のペロブスカイト層(多孔質部の空隙にCH3NH3PbI3及びポリシランが含浸又は浸入した層)及び厚み約100nm程度の第2のペロブスカイト層(CH3NH3PbI3及びポリシランを含む層)を形成した。なお、ペロブスカイト層前駆体溶液の調製において、ポリシランとして、ポリ(メチルフェニルシラン)(大阪ガスケミカル(株)製「OGSOL SI-10-10」、以下、単にPMPSという)を使用した。 A perovskite layer precursor solution heated to 70 ° C. was added dropwise to the inside (or void) of the porous portion so as to infiltrate, and spin coating (2000 rpm, 60 seconds) was performed. After performing this operation four times, heat treatment is performed on a hot plate (100 ° C., 30 minutes, in an atmospheric atmosphere), and a first perovskite layer having a thickness of about 300 to 900 nm (CH 3 NH 3 PbI in the voids of the porous portion) is used. 3 and a layer impregnated or infiltrated with polysilane) and a second perovskite layer (layer containing CH 3 NH 3 PbI 3 and polysilane) having a thickness of about 100 nm were formed. In the preparation of the perovskite layer precursor solution, poly (methylphenylsilane) (“OGSOL SI-10-10” manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., hereinafter simply referred to as PMPS) was used as polysilane.
前記第2のペロブスカイト層の上に、正孔輸送層形成溶液を滴下してスピンコート(4000rpm、30秒)し、厚み約40nmの正孔輸送層を形成した。 A hole transport layer forming solution was dropped onto the second perovskite layer and spin coated (4000 rpm, 30 seconds) to form a hole transport layer having a thickness of about 40 nm.
前記正孔輸送層の上に、真空蒸着装置(アルバック機工(株)製「VPC-260F」)により金Auを蒸着(又は製膜)して、厚み約200nmの第2の電極(金属電極)とした。このようにして、図1記載の光電変換素子を作製した。 Gold Au is vapor-filmed (or film-formed) on the hole transport layer by a vacuum vapor deposition apparatus (“VPC-260F” manufactured by ULVAC Kiko Co., Ltd.), and a second electrode (metal electrode) having a thickness of about 200 nm is formed. And said. In this way, the photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured.
(実施例2)
ペロブスカイト層前駆体溶液の調製で使用するポリシランを、PMPSに代えて、ポリフェニルシラン(大阪ガスケミカル(株)製「OGSOL SI-20-10」、以下、単にPPSという)を使用する以外は、実施例1と同様の方法により光電変換素子を作製した。
(Example 2)
Except for using polyphenylsilane (“OGSOL SI-20-10” manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., hereinafter simply referred to as PPS) instead of PMPS, the polysilane used in the preparation of the perovskite layer precursor solution is used. A photoelectric conversion element was produced by the same method as in Example 1.
(実施例3)
ペロブスカイト層前駆体形成溶液の調製で使用するポリシランを、PMPSに代えて、デカフェニルシクロペンタシラン(大阪ガスケミカル(株)製「OGSOL SI-30-10」、以下、単にDPPSという)を使用する以外は、実施例1と同様の方法により光電変換素子を作製した。
(Example 3)
The polysilane used in the preparation of the perovskite layer precursor formation solution is decaphenylcyclopentasilane (“OGSOL SI-30-10” manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., hereinafter simply referred to as DPPS) instead of PMPS. Except for this, a photoelectric conversion element was produced by the same method as in Example 1.
(比較例1)
ポリシランを添加することなく調製したペロブスカイト層前駆体溶液を用いる以外は、実施例1と同様の方法により光電変換素子を作製した。
(Comparative Example 1)
A photoelectric conversion element was produced by the same method as in Example 1 except that the perovskite layer precursor solution prepared without adding polysilane was used.
[XRD(X-ray diffraction)測定]
実施例1~3及び比較例1で作製した光電変換素子を、X線回折装置(Bruker AXS社製「D2 PHASER」)を用いて測定した。結果を図2及び表1に示す。なお、結晶子サイズDは、下記シェラーの式(Scherrer's equation)により算出した。
[XRD (X-ray diffraction) measurement]
The photoelectric conversion elements produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured using an X-ray diffractometer (“D2 PHASER” manufactured by Bruker AXS). The results are shown in FIG. 2 and Table 1. The crystallite size D was calculated by the following Scherrer's equation.
D=0.9xλ/(βxcosθ)
[式中、Dは結晶子サイズ、λは使用するX線の波長(0.15405nm)、βは半値全幅(FWHM)、θはブラッグ角を示す]。
D = 0.9xλ / (βxcosθ)
[In the formula, D is the crystallite size, λ is the wavelength of the X-ray used (0.15405 nm), β is the full width at half maximum (FWHM), and θ is the Bragg angle].
図2から明らかなように、比較例1では、PbI2に由来するピークが見られるのに対して、ポリシランを添加した実施例1~3では前記ピークが消失(又は強度が低下)していることから、PbI2の生成が有効に抑制されていることが分かった。また、実施例1~3では(100)面のピーク強度が増大しており、表1の結果からも結晶子サイズDが上昇していることから、ポリシランの添加によりPbI2の生成が有効に抑制されるとともに、ペロブスカイト結晶の成長が促進されることが分かった。この理由は定かではないが、ペロブスカイト層前駆体溶液において、γ-ブチロラクトン及びDMFの混合溶媒と、CH3NH3I(モノメチルアミンヨウ化水素酸塩)、PbI2(ヨウ化鉛(II))、及びポリシランとの親和性が影響しているのではないかと推測される。また、実施例では、比較例1に対して面間距離dがやや小さくなっていることから、バンドギャップが若干大きくなることが予想される。 As is clear from FIG. 2, in Comparative Example 1, a peak derived from PbI 2 is observed, whereas in Examples 1 to 3 to which polysilane is added, the peak disappears (or the intensity decreases). From this, it was found that the production of PbI 2 was effectively suppressed. Further, in Examples 1 to 3, the peak intensity of the (100) plane was increased, and the crystallite size D was also increased from the results in Table 1. Therefore, the addition of polysilane effectively produced PbI 2 . It was found that the growth of perovskite crystals was promoted while being suppressed. The reason for this is not clear, but in the perovskite layer precursor solution, a mixed solvent of γ-butyrolactone and DMF, CH 3 NH 3 I (monomethylamine hydroiodide), PbI 2 (lead iodide (II)). , And the affinity with polysilane is presumed to have an effect. Further, in the example, since the inter-plane distance d is slightly smaller than that of Comparative Example 1, it is expected that the band gap will be slightly larger.
[光学顕微鏡による観察]
実施例1~3及び比較例1で作製した光電変換素子を、光学顕微鏡(Nikon(株)製「ECLIPSE E600」)を用いて、Au電極が形成されていない部分の表面を観察した。結果を図3に示す。
[Observation with an optical microscope]
The photoelectric conversion elements produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were observed using an optical microscope (“ECLIPSE E600” manufactured by Nikon Corporation) on the surface of a portion where an Au electrode was not formed. The results are shown in FIG.
図3から明らかなように、いずれの例においても、ペロブスカイト結晶の微粒子が均一なサイズで形成されていることが確認された。また、実施例1~2及び比較例1では、微粒子の粒子径が約10μm程度であるのに対して、実施例3では、約20~40μmと大きく成長しており、粒子同士の間隔が狭く、緻密な構造が形成されていることが分かった。 As is clear from FIG. 3, it was confirmed that the fine particles of the perovskite crystals were formed in a uniform size in all the examples. Further, in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the particle size of the fine particles is about 10 μm, whereas in Example 3, the particles grow as large as about 20 to 40 μm, and the distance between the particles is narrow. It was found that a dense structure was formed.
[光電変換素子の特性評価]
オートマチックポラリゼーションシステム(北斗電工(株)製「HSV-110」)、ソーラーシミュレータ((株)三永電機製作所製「XES-301S」、光源:キセノンランプ、照度:100mWcm-2)を用い、AM1.5、照射面積0.090cm2、室温(25℃程度)の条件下で、実施例1~3及び比較例1で得られた光電変換素子の電流密度-電圧曲線を測定した。なお、光電変換素子のFTO基板側を通して光を照射した。測定結果を表1及び図4に示す。表1において、Jscは短絡電流密度、Vocは解放電圧、FFは曲線因子、η及びηaveは光電変換効率(単に、変換効率ともいう)の最大値及び平均値をそれぞれ示す。詳しくは、η及びηaveは、光電変換素子の異なる4か所で測定した変換効率の最大値及び平均値である。各測定箇所では、Forward(フォワードスキャン、電圧が上がる方向に走査)及びReverse(リバーススキャン、電圧が下がる方向に走査)の条件で各1回ずつ(計2回)測定して、この2回の測定値の平均値を、各測定箇所における変換効率とした。また、図4は、Forward及びReverseの測定を平均したグラフを示している。
[Characteristic evaluation of photoelectric conversion element]
Using an automatic polarization system ("HSV-110" manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), a solar simulator ("XES-301S" manufactured by Sannaga Denki Seisakusho Co., Ltd., light source: xenon lamp, illuminance: 100 mWcm -2 ). The current density-voltage curves of the photoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were measured under the conditions of AM1.5, an illuminance area of 0.090 cm 2 , and room temperature (about 25 ° C.). Light was irradiated through the FTO substrate side of the photoelectric conversion element. The measurement results are shown in Table 1 and FIG. In Table 1, J sc indicates the short-circuit current density, V oc indicates the release voltage, FF indicates the curve factor, and η and η ave indicate the maximum value and the average value of the photoelectric conversion efficiency (simply also referred to as conversion efficiency). Specifically, η and η ave are the maximum and average values of conversion efficiencies measured at four different locations of the photoelectric conversion element. At each measurement point, measurement is performed once (twice in total) under the conditions of Forward (forward scan, scanning in the direction of voltage increase) and Reverse (reverse scan, scanning in the direction of voltage decrease), and these two times. The average value of the measured values was taken as the conversion efficiency at each measurement point. In addition, FIG. 4 shows a graph averaging the measurements of Forward and Reverse.
また、実施例1~3及び比較例1で得られた光電変換素子の外部量子効率(又は光電変換量子収率、IPCE)を、Enli Technology社製「QE-R3011」を使用して、室温(25℃程度)、波長300~800nmの条件下で測定した。結果を図5に示す。 Further, the external quantum efficiency (or photoelectric conversion quantum yield, IPCE) of the photoelectric conversion element obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was measured at room temperature using "QE-R3011" manufactured by Enli Technology. It was measured under the conditions of (about 25 ° C.) and a wavelength of 300 to 800 nm. The results are shown in FIG.
表2及び図4から明らかなように、いずれの実施例においても、開放電圧Vocが向上した。特に、実施例3では、実施例1~2よりも大きく向上していることから、多くのフェニル基を有するDPPSが、キャリアの移動性改善に大きく寄与したためと推測される。一般的な単結晶シリコン太陽電池の開放電圧の値は最高でも0.706V程度であるため、より高い電圧を必要とする分野での利用などが期待される。また、実施例1~2では、比較例1に比べて、変換効率ηがやや低下するものの、実施例3では、短絡電流密度Jscが大きく上昇し、変換効率の最大値ηが10.15%(Reverse条件では最大10.46%)となり、比較例1の約2倍近くに向上した。 As is clear from Table 2 and FIG. 4, the open circuit voltage Voc was improved in each of the examples. In particular, in Example 3, since it is significantly improved as compared with Examples 1 and 2, it is presumed that DPPS having many phenyl groups greatly contributed to the improvement of carrier mobility. Since the open circuit voltage value of a general single crystal silicon solar cell is about 0.706V at the maximum, it is expected to be used in fields that require a higher voltage. Further, in Examples 1 and 2, the conversion efficiency η is slightly lower than that in Comparative Example 1, but in Example 3, the short-circuit current density J sc is greatly increased, and the maximum conversion efficiency η is 10.15. % (Maximum 10.46% under Reverse conditions), which is almost twice as high as that of Comparative Example 1.
図5から明らかなように、実施例1~2では、比較例1に対して、ペロブスカイト層の価電子帯のエネルギー値が低下してバンドギャップが0.02eV程度大きくなっている可能性が示唆されており、バンドギャップの変化と前記表2の結果との間に相関性があるように思われる。一方、DPPSを添加した実施例3では、開放電圧が向上するにもかかわらずバンドギャップの変化が少ないことから、ペロブスカイト層の価電子帯及び伝導帯のエネルギー値が同程度低下していることが考えられる。また、400~750nm辺りの広い波長領域において、IPCEが比較例1よりも向上していることから、実施例3の光電変換素子の短絡電流密度Jscが向上したものと考えられる。 As is clear from FIG. 5, in Examples 1 and 2, it is suggested that the energy value of the valence band of the perovskite layer may decrease and the band gap may increase by about 0.02 eV as compared with Comparative Example 1. It seems that there is a correlation between the change in bandgap and the results in Table 2 above. On the other hand, in Example 3 to which DPPS was added, the energy values of the valence band and the conduction band of the perovskite layer were reduced to the same extent because the change in the bandgap was small even though the open circuit voltage was improved. Conceivable. Further, since the IPCE is improved in the wide wavelength region around 400 to 750 nm as compared with Comparative Example 1, it is considered that the short-circuit current density J sc of the photoelectric conversion element of Example 3 is improved.
DPPSの添加により、短絡電流密度Jsc及び変換効率ηが大きく向上したメカニズムは定かではないが、ペロブスカイト結晶の粒成長促進と表面被覆率の向上による緻密な界面構造の形成;PbI2の生成抑制によるペロブスカイト結晶の成長促進;DPPSが有する多くのフェニル基による電荷分離後のホール輸送効率の向上などが影響していると推測される。特にペロブスカイト結晶の成長に関して、前述の光学顕微鏡による観察結果から、実施例3ではペロブスカイト結晶粒子が大きく成長し、緻密な構造が形成されたことが、変換効率の向上に寄与したものと推測される。すなわち、結晶粒径が大きくなるにつれて、キャリア(電子やホールなど)の散乱の原因となる結晶粒界の面積が減少し、電気抵抗が低下することにより変換効率が向上したものと考えられる。 The mechanism by which the short-circuit current density J sc and the conversion efficiency η were greatly improved by the addition of DPPS is not clear, but the formation of a dense interface structure by promoting the grain growth of perovskite crystals and improving the surface coverage; It is presumed that the promotion of perovskite crystal growth due to the above; improvement of hole transport efficiency after charge separation by many phenyl groups of DPPS is affected. In particular, regarding the growth of perovskite crystals, it is presumed from the observation results obtained by the above-mentioned optical microscope that the perovskite crystal particles grew large in Example 3 and formed a dense structure, which contributed to the improvement of the conversion efficiency. .. That is, it is considered that as the crystal grain size increases, the area of the crystal grain boundaries that cause scattering of carriers (electrons, holes, etc.) decreases, and the electrical resistance decreases, so that the conversion efficiency improves.
本発明は、高い変換効率を有するペロブスカイト型の光電変換素子(又は太陽電池)として有効に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used as a perovskite-type photoelectric conversion element (or solar cell) having high conversion efficiency.
1…第1の電極
2…電子輸送層(ETL)
3a…第1のペロブスカイト層
3b…第2のペロブスカイト層
4…正孔(又はホール)輸送層(HTL)
5…第2の電極
1 ...
3a ...
5 ... Second electrode
Claims (6)
前記ペロブスカイト層が、ポリシランを含み、
前記ペロブスカイト型構造を有する化合物が、式AMX 3 (式中、Aは有機アンモニウム、Mは2価の原子、Xはハロゲン原子を示す。)で表される化合物であり、
前記式において、AがC 1-4 アルキルアンモニウム及びC 1-4 アミジニウムから選択される少なくとも1種の有機アンモニウム、Mが周期表第14族元素及び周期表第2族元素から選択される少なくとも1種の原子、Xがヨウ素I、臭素Br及び塩素Clから選択される少なくとも1種のハロゲン原子であり、
前記ポリシランが、下記式(2a)及び(2b)
で表される構造単位から選択される少なくとも1種の構造単位を含み、
前記式(2a)において、R 1 及びR 2 のうち、少なくとも一方がアリール基含有基であり、前記式(2b)において、R 3 がアリール基含有基であり、
前記ポリシランの重量平均分子量が、300~25000であり、かつ
前記ポリシランの割合が、前記ペロブスカイト型構造を有する化合物100重量部に対して、0.01~10重量部である光電変換素子。 A photoelectric conversion element including a perovskite layer containing a compound having a perovskite-type structure.
The perovskite layer contains polysilane and contains
The compound having a perovskite-type structure is a compound represented by the formula AMX 3 (in the formula, A represents an organic ammonium, M represents a divalent atom, and X represents a halogen atom).
In the above formula, A is at least one organic ammonium selected from C 1-4 alkylammonium and C 1-4 amidinium, and M is at least one selected from the Group 14 element of the Periodic Table and the Group 2 element of the Periodic Table. The species atom, X, is at least one halogen atom selected from iodine I, bromine Br and chlorine Cl.
The polysilane is the following formulas (2a) and (2b).
Contains at least one structural unit selected from the structural units represented by
In the formula (2a), at least one of R 1 and R 2 is an aryl group-containing group, and in the formula (2b), R 3 is an aryl group-containing group.
The weight average molecular weight of the polysilane is 300 to 25,000, and the weight average molecular weight is 300 to 25,000.
A photoelectric conversion element in which the proportion of polysilane is 0.01 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the compound having the perovskite type structure .
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