JP7792266B2 - Solar cell and solar cell manufacturing method - Google Patents
Solar cell and solar cell manufacturing methodInfo
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Description
本発明は、太陽電池及び太陽電池製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a solar cell manufacturing method.
環境負荷が小さいエネルギー源として、太陽電池の利用が拡大している。様々な機器、車両、建築物等に太陽電池を配設する場合、設置可能面積が限定されるため、太陽電池の光電変換効率が重要となり得る。光電変換効率が高い太陽電池として、有機材料を使用するペロブスカイト太陽電池が研究されている。基本的なペロブスカイト太陽電池は、基材に、第1電極(陽極又は陰極)、正孔輸送層(正孔輸送層又は電子輸送層)、光電変換層(ペロブスカイト層)、電子輸送層(電子輸送層又は正孔輸送層)、及び第1電極(陰極又は陽極)がこの順番に積層されてなる。さらに、第1電極と正孔輸送層との間に第1バッファ層を設けることや、電子輸送層と第2電極との間に第2バッファ層を設けることによって、光電変換効率を向上し得ることも知られている。 The use of solar cells is expanding as an energy source with a low environmental impact. When installing solar cells in various devices, vehicles, buildings, etc., the available installation area is limited, making the photoelectric conversion efficiency of the solar cell important. Perovskite solar cells, which use organic materials, are being researched as solar cells with high photoelectric conversion efficiency. A basic perovskite solar cell consists of a substrate and a first electrode (anode or cathode), a hole transport layer (hole transport layer or electron transport layer), a photoelectric conversion layer (perovskite layer), an electron transport layer (electron transport layer or hole transport layer), and a first electrode (cathode or anode) stacked in this order. It is also known that photoelectric conversion efficiency can be improved by providing a first buffer layer between the first electrode and the hole transport layer, or by providing a second buffer layer between the electron transport layer and the second electrode.
また、特許文献1には、基材に積層した第1電極の表面に単分子膜を形成し、単分子膜に光電変換層を直接積層し、さらに電子輸送層及び透明電極を積層した太陽電池が記載されている。 Patent Document 1 also describes a solar cell in which a monomolecular film is formed on the surface of a first electrode laminated on a substrate, a photoelectric conversion layer is laminated directly on the monomolecular film, and an electron transport layer and a transparent electrode are further laminated.
特許文献1では、電荷をより効率的に取り出すことを可能にするために、単分子膜と光電変換層の間に正孔輸送層を追加することが推奨されている。正孔輸送層は、電子をブロックし、正孔を選択的に電極に到達させることで光電変換効率を向上するものであるが、正孔の移動距離の増大により光電変換効率を制限することにもなる。つまり、特許文献1に記載される太陽電池は、単分子膜の正孔選択(電子ブロック)機能が十分ではないため、正孔輸送層を追加することにより得られる電子ブロック効果向上のメリットが正孔の移動距離の増大によるデメリットを上回るといえる。逆にいうと、正孔選択性の高い単分子膜を形成できれば、正孔輸送層として十分に機能するため、より光電変換効率が高い太陽電池を製造することができる。 Patent Document 1 recommends adding a hole transport layer between the monolayer and the photoelectric conversion layer to enable more efficient extraction of charges. The hole transport layer improves photoelectric conversion efficiency by blocking electrons and selectively allowing holes to reach the electrode, but it also limits photoelectric conversion efficiency by increasing the distance the holes travel. In other words, the solar cell described in Patent Document 1 does not have sufficient hole selection (electron blocking) function of the monolayer, so the benefits of improving the electron blocking effect obtained by adding a hole transport layer outweigh the disadvantages of increasing the distance the holes travel. Conversely, if a monolayer with high hole selectivity can be formed, it will function sufficiently as a hole transport layer, making it possible to manufacture solar cells with higher photoelectric conversion efficiency.
本発明は、光電変換効率が高い太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 The objective of the present invention is to provide a solar cell with high photoelectric conversion efficiency and a method for manufacturing the same.
本発明の一態様に係る太陽電池は、陽極層と、正孔輸送層と、ペロブスカイト化合物を含み、前記正孔輸送層と接する光電変換層と、電子輸送層と、陰極層と、をこの順番に備え、前記正孔輸送層は、2種類のカルバゾール化合物分子により形成される単分子膜であり、前記2種類のカルバゾール化合物分子は、カルバゾールの窒素原子に同じ炭素鎖が結合し、ベンゼン環の置換基のみが異なる。 A solar cell according to one embodiment of the present invention comprises, in this order, an anode layer, a hole transport layer, a perovskite compound, a photoelectric conversion layer in contact with the hole transport layer, an electron transport layer, and a cathode layer, and the hole transport layer is a monolayer formed from two types of carbazole compound molecules, and the two types of carbazole compound molecules have the same carbon chain bonded to the carbazole nitrogen atom and differ only in the substituents on the benzene ring.
上述の太陽電池において、前記2種類のカルバゾール化合物分子は、2PACz及びMeO-2PACzであってもよい。 In the above-mentioned solar cell, the two types of carbazole compound molecules may be 2PACz and MeO-2PACz.
上述の太陽電池において、前記正孔輸送層における前記2PACzと前記MeO-2PACzとの質量比は、1:99以上60:40以下であってもよい。 In the above-mentioned solar cell, the mass ratio of the 2PACz to the MeO-2PACz in the hole transport layer may be 1:99 or more and 60:40 or less.
上述の太陽電池において、前記正孔輸送層における前記2PACzと前記MeO-2PACzとの存在面積率の比は、1:99以上50:50以下であってもよい。 In the above-mentioned solar cell, the ratio of the area ratio of the 2PACz to the MeO-2PACz in the hole transport layer may be 1:99 or more and 50:50 or less.
本発明の別の態様に係る太陽電池製造方法は、基材に導電性材料を積層する工程と、前記導電性材料の層に2種類の自己組織化単分子膜形成分子を含有する単分子膜形成材料溶液を塗布する工程と、前記単分子膜形成材料溶液の塗膜を乾燥する工程と、乾燥後の前記単分子膜形成材料溶液の塗膜に光電変換層形成材料溶液を塗布する工程と、を備え、前記2種類のカルバゾール化合物分子は、カルバゾールの窒素原子に同じ炭素鎖が結合し、ベンゼン環の置換基のみが異なる。 A solar cell manufacturing method according to another aspect of the present invention includes the steps of: laminating a conductive material on a substrate; applying a monolayer-forming material solution containing two types of self-assembled monolayer-forming molecules to the conductive material layer; drying the coating of the monolayer-forming material solution; and applying a photoelectric conversion layer-forming material solution to the dried coating of the monolayer-forming material solution, wherein the two types of carbazole compound molecules have the same carbon chain bonded to the nitrogen atom of the carbazole and differ only in the substituents on the benzene ring.
上述の太陽電池製造方法において、前記2種類のカルバゾール化合物分子は、2PACz及びMeO-2PACzであり、前記光電変換層形成材料溶液における前記2PACzと前記MeO-2PACzとの質量比は、1:99以上70:30以下であってもよい。 In the solar cell manufacturing method described above, the two types of carbazole compound molecules may be 2PACz and MeO-2PACz, and the mass ratio of the 2PACz to the MeO-2PACz in the photoelectric conversion layer-forming material solution may be 1:99 or more and 70:30 or less.
上述の太陽電池製造方法において、前記光電変換層形成材料溶液の塗布は、スピンコートにより行ってもよい。 In the solar cell manufacturing method described above, the application of the photoelectric conversion layer forming material solution may be performed by spin coating.
本発明によれば、光電変換効率が高い太陽電池を提供できる。 The present invention provides solar cells with high photoelectric conversion efficiency.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る太陽電池1の層構造を示す模式断面図である。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of a solar cell 1 according to one embodiment of the present invention.
太陽電池1は、基材10と、基材10の表面に積層されるペロブスカイト太陽電池部20と、基材10の裏面に積層される裏面収集電極31と、ペロブスカイト太陽電池部20の表面に部分的に積層される表面収集電極32と、ペロブスカイト太陽電池部20及び表面収集電極32の表面を覆う反射防止層33と、を備える。太陽電池1は、反射防止層33を通して光が入射し、ペロブスカイト太陽電池部20において光電変換を行う。 The solar cell 1 comprises a substrate 10, a perovskite solar cell section 20 laminated on the surface of the substrate 10, a back collector electrode 31 laminated on the back surface of the substrate 10, a front collector electrode 32 partially laminated on the surface of the perovskite solar cell section 20, and an anti-reflection layer 33 covering the surfaces of the perovskite solar cell section 20 and the front collector electrode 32. Light enters the solar cell 1 through the anti-reflection layer 33, and photoelectric conversion occurs in the perovskite solar cell section 20.
基材10は、ペロブスカイト太陽電池部20を支持する構造体であり、光電変換機能を備えてもよい。具体的には、基材10は、例えばガラス基板、樹脂シート等であってもよいが、本実施形態の太陽電池1において、基材10は、結晶シリコン太陽電池である。太陽電池1では、反射防止層33を通して入射する光を先ずペロブスカイト太陽電池部20により光電変換し、ペロブスカイト太陽電池部20を透過する波長の光を結晶シリコン太陽電池10により光電変換する。結晶シリコン太陽電池は、十分な強度を有するため、ペロブスカイト太陽電池部20を支持する基材10として機能することができるとともに、ペロブスカイト太陽電池部20を透過した光を電気に変換することで、光電変換効率を向上できる。太陽電池1は、基材10となる結晶シリコン太陽電池にペロブスカイト太陽電池部20が積層されることで、結晶シリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池部20とが直列に接続されたものとなっている。 The substrate 10 is a structure that supports the perovskite solar cell unit 20 and may have a photoelectric conversion function. Specifically, the substrate 10 may be, for example, a glass substrate or a resin sheet. However, in the solar cell 1 of this embodiment, the substrate 10 is a crystalline silicon solar cell. In the solar cell 1, light incident through the anti-reflection layer 33 is first photoelectrically converted by the perovskite solar cell unit 20, and light of a wavelength that passes through the perovskite solar cell unit 20 is photoelectrically converted by the crystalline silicon solar cell 10. Because the crystalline silicon solar cell has sufficient strength, it can function as the substrate 10 that supports the perovskite solar cell unit 20 and can improve photoelectric conversion efficiency by converting light that passes through the perovskite solar cell unit 20 into electricity. In the solar cell 1, the perovskite solar cell unit 20 is stacked on the crystalline silicon solar cell that serves as the substrate 10, thereby connecting the crystalline silicon solar cell and the perovskite solar cell unit 20 in series.
本実施形態の基材10は、半導体基板11と、半導体基板11の表面側に積層される第1半導体層12と、半導体基板11の裏面側に積層される第2半導体層13とを備える。 The base material 10 of this embodiment includes a semiconductor substrate 11, a first semiconductor layer 12 laminated on the front side of the semiconductor substrate 11, and a second semiconductor layer 13 laminated on the back side of the semiconductor substrate 11.
ペロブスカイト太陽電池部20は、基材10側から、陽極層21と、正孔輸送層22と、光電変換層23と、電子輸送層24と、バッファ層25と、陰極層26と、をこの順番に備える。 The perovskite solar cell section 20 comprises, in this order from the substrate 10 side, an anode layer 21, a hole transport layer 22, a photoelectric conversion layer 23, an electron transport layer 24, a buffer layer 25, and a cathode layer 26.
陽極層21は、ペロブスカイト太陽電池部20の一方の電極である。陽極層21は、導電性及び光透過性を有する透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conductive Oxide)により形成され得る。陽極層21を形成する透明導電性酸化物としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン及びそれらの複合酸化物等を用いることができる。これらの中でも、酸化インジウムを主成分とするインジウム系複合酸化物が好ましい。高い導電率と透明性の観点からは、インジウム酸化物が特に好ましい。さらに、信頼性またはより高い導電率を確保するために、インジウム酸化物にドーパントを添加することが好ましい。ドーパントとしては、例えば、Sn、W、Zn、Ti、Ce、Zr、Mo、Al、Ga、Ge、As、Si、S等が挙げられる。例えば、インジウム酸化物にスズが添加されたITO(Indium Tin Oxide)が広く知られている。 The anode layer 21 is one of the electrodes of the perovskite solar cell unit 20. The anode layer 21 can be formed from a transparent conductive oxide (TCO) that is conductive and optically transparent. Examples of transparent conductive oxides that can be used to form the anode layer 21 include indium oxide, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, and composite oxides thereof. Among these, indium-based composite oxides containing indium oxide as the main component are preferred. Indium oxide is particularly preferred from the standpoint of high conductivity and transparency. Furthermore, to ensure reliability or higher conductivity, it is preferable to add a dopant to indium oxide. Examples of dopants include Sn, W, Zn, Ti, Ce, Zr, Mo, Al, Ga, Ge, As, Si, and S. For example, ITO (indium tin oxide), in which tin is added to indium oxide, is widely known.
陽極層21は、例えばスパッタリング法、真空蒸着法などの方法で基材10上に積層され得る。陽極層の厚みとしては、ペロブスカイト太陽電池部20から基材10に面で電力を出力する場合(厚み方向に電流が流れる場合)には例えば5nm以上100nm以下とすることができ、陽極層に接続される配線に電力を出力する場合(面方向に電流が流れる場合)には例えば500nm以上1000nm以下とされ得る。 The anode layer 21 can be layered on the substrate 10 by, for example, sputtering or vacuum deposition. The thickness of the anode layer can be, for example, 5 nm to 100 nm when power is output from the perovskite solar cell unit 20 to the substrate 10 on its surface (when current flows in the thickness direction), and can be, for example, 500 nm to 1000 nm when power is output to wiring connected to the anode layer (when current flows in the surface direction).
正孔輸送層(HTL)22は、光電変換層23で発生する正孔を選択的に陽極層21に伝達する。正孔輸送層22は、2種類のカルバゾール化合物分子により形成される自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayers)である。正孔輸送層22を形成する2種類のカルバゾール化合物分子は、カルバゾールの窒素原子に同じ炭素鎖が結合し、ベンゼン環の置換基(一方は水素であってもよい)のみが異なる。2種類のカルバゾール化合物分子は、2PACz([2-(9H-Carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic Acid)及びMeO-2PACz([2-(3,6-Dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic Acid)であることが好ましい。カルバゾールの窒素原子に同じ炭素鎖が結合し、ベンゼン環の置換基のみが異なる2種類のカルバゾール化合物分子、特に2PACz及びMeO-2PACzにより形成される自己組織化単分子膜は、十分な正孔選択機能を有するため、直接光電変換層23を積層しても電子を遮断しつつ正孔を効率よく取り出すことができる。 The hole transport layer (HTL) 22 selectively transports holes generated in the photoelectric conversion layer 23 to the anode layer 21. The hole transport layer 22 is a self-assembled monolayer (SAM) formed from two types of carbazole compound molecules. The two types of carbazole compound molecules forming the hole transport layer 22 have the same carbon chain bonded to the nitrogen atom of the carbazole, and differ only in the substituents on the benzene ring (one of which may be hydrogen). The two types of carbazole compound molecules are preferably 2PACz ([2-(9H-Carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic Acid) and MeO-2PACz ([2-(3,6-Dimethoxy-9H-carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic Acid). Self-assembled monolayers formed from two types of carbazole compound molecules, particularly 2PACz and MeO-2PACz, in which the same carbon chain is bonded to the carbazole nitrogen atom and only the substituents on the benzene ring differ, have sufficient hole-selective function, making it possible to efficiently extract holes while blocking electrons even when a photoelectric conversion layer 23 is directly laminated on top of them.
正孔輸送層22は、2PACz及びMeO-2PACzを例えばエタノール、イソプロパノール等の有機溶媒に溶解してなる単分子膜形成材料溶液の塗工及び乾燥によって形成することができる。単分子膜形成材料溶液における2PACz及びMeO-2PACzの合計濃度としては、0.3mg/mL程度とされる。 The hole transport layer 22 can be formed by coating and drying a monolayer-forming material solution prepared by dissolving 2PACz and MeO-2PACz in an organic solvent such as ethanol or isopropanol. The total concentration of 2PACz and MeO-2PACz in the monolayer-forming material solution is approximately 0.3 mg/mL.
光電変換層23を形成する光電変換層形成材料に対する濡れ性、メトキシ基によるペロブスカイト層とのホール選択性だけを考慮すれば、MeO-2PACzが有利となると考えられる。しかしながら、MeO-2PACzだけを含む単分子膜形成材料溶液では、結晶粒のように別々に成長するMeO-2PACzの単分子膜の個別領域の間にピンホールを生じて陽極層21の表面を完全に被覆することができない。そこで、MeO-2PACzに加えて2PACzを含む単分子膜形成材料溶液を用いることで、図2に模式的に示すように、MeO-2PACzの単分子膜の個別領域の間に、個別領域の形状の自由度が高い2PACzの単分子膜の個別領域を形成し、正孔輸送層22のピンホールを低減できると考えられる。2PACz及びMeO-2PACzを含む単分子膜形成材料溶液では、MeO-2PACzの単分子膜の成長が優位となるため、形成される正孔輸送層22における2PACzの存在面積率のMeO-2PACzの存在面積率に対するの比は、単分子膜形成材料溶液における2PACzの含有量のMeO-2PACzの含有量に対する比よりも小さくなる。 Considering only the wettability of the photoelectric conversion layer-forming material that forms the photoelectric conversion layer 23 and the hole selectivity with the perovskite layer due to the methoxy group, MeO-2PACz is considered to be advantageous. However, a monolayer-forming material solution containing only MeO-2PACz creates pinholes between the individual domains of the MeO-2PACz monolayer, which grow separately like crystal grains, preventing complete coverage of the surface of the anode layer 21. Therefore, by using a monolayer-forming material solution that contains 2PACz in addition to MeO-2PACz, individual domains of 2PACz monolayer, which have a high degree of freedom in the shape of the individual domains, can be formed between the individual domains of the MeO-2PACz monolayer, as shown schematically in Figure 2, and pinholes in the hole transport layer 22 can be reduced. In a monolayer-forming material solution containing 2PACz and MeO-2PACz, the growth of the MeO-2PACz monolayer is dominant, so the ratio of the area ratio of 2PACz to the area ratio of MeO-2PACz in the formed hole transport layer 22 is smaller than the ratio of the 2PACz content to the MeO-2PACz content in the monolayer-forming material solution.
正孔輸送層22における2PACzとMeO-2PACzとの質量比(2PACzの割合)の下限としては、1:99が好ましく、10:90がより好ましい。一方、2PACzとMeO-2PACzとの質量比の上限としては、60:40が好ましく、55:45がより好ましく、50:50がさらに好ましく、30:70が特に好ましい。2PACzとMeO-2PACzとの質量比を前記範囲内とすることにより、正孔輸送層22のピンホールを低減しつつ、光電変換層23を形成するための光電変換層形成材料溶液に対する濡れ性が適切となるので、光電変換層23を適切に形成することができる。これにより、光電変換層23によるキャリア(正孔及び電子)の生成及び光電変換層23から正孔輸送層22への正孔の受け渡しが最適化されるので、太陽電池1の光電変換効率を向上することができる。 The lower limit of the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz (2PACz proportion) in the hole transport layer 22 is preferably 1:99, more preferably 10:90. Meanwhile, the upper limit of the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz is preferably 60:40, more preferably 55:45, even more preferably 50:50, and particularly preferably 30:70. By maintaining the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz within this range, pinholes in the hole transport layer 22 are reduced while the wettability with the photoelectric conversion layer-forming material solution used to form the photoelectric conversion layer 23 is appropriate, thereby enabling the photoelectric conversion layer 23 to be formed appropriately. This optimizes the generation of carriers (holes and electrons) by the photoelectric conversion layer 23 and the transfer of holes from the photoelectric conversion layer 23 to the hole transport layer 22, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell 1.
正孔輸送層22における2PACzとMeO-2PACzとの質量比の下限としては、1:99が好ましく、10:90がより好ましい。一方、2PACzとMeO-2PACzとの存在面積率の上限としては、50:50が好ましく、30:70がより好ましい。2PACzとMeO-2PACzとの存在面積率を前記範囲内とすることにより、正孔輸送層22のピンホールを低減しつつ、光電変換層23を形成するための光電変換層形成材料溶液に対する濡れ性が適切となるので、光電変換層23を適切に形成することができる。 The lower limit of the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz in the hole transport layer 22 is preferably 1:99, more preferably 10:90. On the other hand, the upper limit of the area ratio of 2PACz to MeO-2PACz is preferably 50:50, more preferably 30:70. By keeping the area ratio of 2PACz to MeO-2PACz within this range, pinholes in the hole transport layer 22 are reduced while the wettability with the photoelectric conversion layer-forming material solution used to form the photoelectric conversion layer 23 is appropriate, allowing the photoelectric conversion layer 23 to be formed appropriately.
単分子膜形成材料溶液における2PACzとMeO-2PACzとの質量比の下限としては、1:99が好ましく、30:70がより好ましい。一方、2PACzとMeO-2PACzとの質量比の上限としては、70:30が好ましく、60:40がより好ましい。単分子膜形成材料溶液における2PACzとMeO-2PACzとの質量比を前記下限以上とすることにより、MeO-2PACzの単分子膜の間に2PACzの単分子膜を形成して正孔輸送層22のピンホールを低減できる。また、単分子膜形成材料溶液における2PACzとMeO-2PACzとの質量比を前記上限以下とすることにより、2PACzがMeO-2PACzの単分子膜の成長を阻害しないので、正孔輸送層22の形成が確実となる。 The lower limit of the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz in the monolayer-forming material solution is preferably 1:99, more preferably 30:70. Meanwhile, the upper limit of the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz is preferably 70:30, more preferably 60:40. By ensuring that the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz in the monolayer-forming material solution is equal to or greater than the lower limit, a monolayer of 2PACz can be formed between the monolayers of MeO-2PACz, thereby reducing pinholes in the hole transport layer 22. Furthermore, by ensuring that the mass ratio of 2PACz to MeO-2PACz in the monolayer-forming material solution is equal to or less than the upper limit, the 2PACz does not inhibit the growth of the monolayer of MeO-2PACz, ensuring the formation of the hole transport layer 22.
光電変換層23は、光を吸収してキャリアを生成する。光電変換層23は、ペロブスカイト化合物を含み、正孔輸送層22と接するよう形成される。ペロブスカイト化合物としては、1価の有機アンモニウムイオンおよびアミジニウム系イオンのうちの少なくとも1種を含む有機原子A、2価の金属イオンを生成する金属原子B、及びヨウ化物イオンI、臭化物イオンBr、塩化物イオンCl、およびフッ化物イオンFのうちの少なくとも1種を含むハロゲン原子Xを含み、ABX3で表される化合物を用いることができる。中でも、光電変換層23を蒸着法(ドライプロセス)により形成する場合、有機原子AとしてはメチルアンモニウムMA(CH3NH3)が好ましく、金属原子Bとしては鉛Pbが好ましく、ハロゲン原子Xとしてはヨウ化物I、臭化物イオンBrおよび塩化物イオンClのうちの少なくとも1つが好ましい。 The photoelectric conversion layer 23 absorbs light and generates carriers. The photoelectric conversion layer 23 includes a perovskite compound and is formed in contact with the hole transport layer 22. As the perovskite compound, a compound represented by ABX3 can be used, which includes an organic atom A including at least one of a monovalent organic ammonium ion and an amidinium ion, a metal atom B that generates a divalent metal ion, and a halogen atom X including at least one of an iodide ion I, a bromide ion Br, a chloride ion Cl, and a fluoride ion F. In particular, when the photoelectric conversion layer 23 is formed by a vapor deposition method (dry process), the organic atom A is preferably methylammonium MA (CH 3 NH 3 ), the metal atom B is preferably lead Pb, and the halogen atom X is preferably at least one of an iodide I, a bromide ion Br, and a chloride ion Cl.
具体的に、好ましいペロブスカイト化合物としては、メチルアンモニウムハロゲン化鉛MAPbX3(CH3NH3PbX3)、MAPbI3、MAPbBr3、MAPbCl3等が挙げられる。なお、ハロゲン原子Xとしては複数種類を含んでもよい。ヨウ化物Iと他のハロゲン原子Xとを含むペロブスカイト化合物としては、例えばメチルアンモニウムヨウ化鉛MAPbIyX(3-y)(CH3NH3PbIyX(3-y))、MAPbIyBr(3-y)、MAPbIyCl(3-y)等が挙げられる(yは任意の正の整数)。 Specifically, preferred perovskite compounds include methylammonium lead halide MAPbX 3 (CH 3 NH 3 PbX 3 ), MAPbI 3 , MAPbBr 3 , and MAPbCl 3. Note that multiple types of halogen atoms X may be included. Examples of perovskite compounds containing iodide I and other halogen atoms X include methylammonium lead iodide MAPbI y X (3-y) (CH 3 NH 3 PbI y X (3-y) ), MAPbI y Br (3-y) , and MAPbI y Cl (3-y) (where y is any positive integer).
ペロブスカイト化合物がメチルアンモニウムハロゲン化鉛(MAPbX3(CH3NH3PbX3))である場合、光電変換層23は、ハロゲン化鉛(PbX2)材料およびハロゲン化メチルアンモニウム(MAX)材料を順に製膜し、これらの材料の薄膜を反応温度で反応させることにより形成され得る。例えば、ペロブスカイト化合物がメチルアンモニウムヨウ化鉛(MAPbIyX(3-y)(CH3NH3PbIyX(3-y)))である場合、光電変換層23は、例えばハロゲン化鉛(PbX2)材料およびヨウ化メチルアンモニウム(MAI)材料を順に製膜し、これらの材料の薄膜を反応温度で反応させることにより形成される。また、光電変換層23は、ハロゲン化鉛(PbX2)材料およびヨウ化メチルアンモニウム(MAI)材料を混合して溶媒に溶かし、その溶液を製膜して反応温度で反応させることにより形成してもよい。 When the perovskite compound is methylammonium lead halide (MAPbX 3 (CH 3 NH 3 PbX 3 )), the photoelectric conversion layer 23 can be formed by sequentially depositing films of a lead halide (PbX 2 ) material and a methylammonium halide (MAI) material, and reacting the thin films of these materials at a reaction temperature. For example, when the perovskite compound is methylammonium lead iodide (MAPbI y X (3-y) (CH 3 NH 3 PbI y X (3-y) )), the photoelectric conversion layer 23 can be formed by sequentially depositing films of a lead halide (PbX 2 ) material and a methylammonium iodide (MAI) material, and reacting the thin films of these materials at a reaction temperature. Alternatively, the photoelectric conversion layer 23 may be formed by mixing a lead halide (PbX2) material and a methylammonium iodide (MAI) material, dissolving the mixture in a solvent, forming the solution into a film, and reacting the mixture at a reaction temperature.
光電変換層23を形成する材料の成膜は、均一な薄膜を形成できる点で、光電変換層形成材料を例えばDMF(N,N-dimethylformamide)、DMSO(Dimethyl sulfoxide)等の極性溶媒に溶解した光電変換層形成材料溶液のスピンコートによって行うことが好ましい。また、スピンコートにより材料を成膜する場合、正孔輸送層22の濡れ性を最適化した効果が顕著となる。このため、上述の正孔輸送層22にスピンコートにより材料を積層して光電変換層23を形成することにより、太陽電池1の光電変換効率を特に向上することができる。 The material that forms the photoelectric conversion layer 23 is preferably deposited by spin coating a solution of the photoelectric conversion layer material dissolved in a polar solvent such as DMF (N,N-dimethylformamide) or DMSO (dimethyl sulfoxide), as this allows for the formation of a uniform thin film. Furthermore, when depositing the material by spin coating, the effect of optimizing the wettability of the hole transport layer 22 is significant. Therefore, by forming the photoelectric conversion layer 23 by layering a material on the hole transport layer 22 by spin coating, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell 1 can be particularly improved.
具体例として、光電変換層形成材料溶液は、ヨウ化鉛(II)、ホルムアミジンよう化水素酸塩、臭化鉛(II)、メチルアミン臭化水素酸塩を秤量し、DMF、DMSOに溶解させ、別途調液したヨウ化セシウムのDMSO溶液と混合した混合液として調液され得る。このとき、ホルムアミジンよう化水素酸塩のモル濃度に対するヨウ化鉛(II)のモル濃度は1~1.1倍、メチルアミン臭化水素酸塩のモル濃度に対する臭化鉛(II)のモル濃度は1~1.1倍であることが好ましく、さらにはそれぞれ1.06~1.09倍であることがより好ましい。ヨウ化鉛(II)と臭化鉛(II)のモル濃度の比は、72:28~79:21であることが好ましく、さらには74:26~77:23であることがより好ましい。ホルムアミジンよう化水素酸塩とメチルアミン臭化水素酸塩のモル濃度の合計は、1.5~2.0Mであることが好ましく、1.6~1.8Mであることがより好ましい。ヨウ化鉛(II)、ホルムアミジンよう化水素酸塩、臭化鉛(II)、メチルアミン臭化水素酸塩を溶かす溶媒としてのDMF、DMSOの比率としては、3:1~5:1であることが好ましい。ヨウ化セシウムのDMSO溶液を混ぜて混合液とする場合は、ホルムアミジンよう化水素酸塩のモル濃度に対してヨウ化セシウムのモル濃度が4~6%にすることが好ましい。このような光電変換層形成材料溶液は、上述の単分子膜からなる正孔輸送層22にスピンコートにより適切に成膜することができる。 As a specific example, the photoelectric conversion layer-forming material solution can be prepared by weighing lead(II) iodide, formamidine hydroiodide, lead(II) bromide, and methylamine hydrobromide, dissolving them in DMF and DMSO, and mixing them with a separately prepared DMSO solution of cesium iodide. In this case, the molar concentration of lead(II) iodide relative to the molar concentration of formamidine hydroiodide is preferably 1 to 1.1 times, and the molar concentration of lead(II) bromide relative to the molar concentration of methylamine hydrobromide is preferably 1 to 1.1 times, and more preferably 1.06 to 1.09 times, respectively. The molar concentration ratio of lead(II) iodide to lead(II) bromide is preferably 72:28 to 79:21, and even more preferably 74:26 to 77:23. The total molar concentration of formamidine hydroiodide and methylamine hydrobromide is preferably 1.5 to 2.0 M, and more preferably 1.6 to 1.8 M. The ratio of DMF to DMSO as solvents for dissolving lead(II) iodide, formamidine hydroiodide, lead(II) bromide, and methylamine hydrobromide is preferably 3:1 to 5:1. When mixing a DMSO solution of cesium iodide to form a mixed solution, the molar concentration of cesium iodide relative to the molar concentration of formamidine hydroiodide is preferably 4 to 6%. This photoelectric conversion layer-forming material solution can be appropriately formed by spin coating on the hole transport layer 22 composed of the above-mentioned monolayer.
光電変換層23の厚みとしては、光電変換層形成材料の種類等にもよるが、光の吸収率を大きくしつつ、生成する電荷の移動距離を小さくするために、100nm以上1000nm以下とすることが好ましい。 The thickness of the photoelectric conversion layer 23 depends on the type of material used to form the photoelectric conversion layer, but is preferably between 100 nm and 1000 nm inclusive in order to increase the light absorption rate while reducing the distance traveled by the generated charges.
電子輸送層(ETL)24は、光電変換層23で発生する電子を選択的にバッファ層25を通して陰極層26に伝達する。電子輸送層24の主材料としては、例えば、PTAA(Poly(bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine))、Spiro-MeOTAD、フラーレン等が挙げられる。フラーレンとしては、例えばC60、C70、これらの水素化物、酸化物、金属錯体、アルキル基等を付加した誘導体などが挙げられる。電子輸送層24をリチウムLiを内包させたフラーレンを含む材料から形成することにより、電子の輸送効率を向上することができる。 The electron transport layer (ETL) 24 selectively transports electrons generated in the photoelectric conversion layer 23 to the cathode layer 26 through the buffer layer 25. Examples of primary materials for the electron transport layer 24 include PTAA (Poly(bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine)), Spiro-MeOTAD, and fullerene. Examples of fullerenes include C60, C70, and their hydrides, oxides, metal complexes, and derivatives with alkyl groups added. Forming the electron transport layer 24 from a material containing fullerenes encapsulating lithium (Li) can improve electron transport efficiency.
電子輸送層24は、例えばゾルゲル法、塗布法等の方法により形成され得る。電子輸送層24の厚みとしては、例えば3nm以上30nm以下とされ得る。 The electron transport layer 24 can be formed by, for example, a sol-gel method or a coating method. The thickness of the electron transport layer 24 can be, for example, 3 nm or more and 30 nm or less.
バッファ層25は、陰極層26の金属が電子輸送層24に拡散することひいてはそれによる電荷の再結合を防止する。また、バッファ層25は、陰極層26をスパッタリング等で形成する際に電子輸送層24にダメージを及ぼさないための緩衝層としても機能する。バッファ層25は、例えば酸化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)等の安定な金属酸化物、又は、例えばバソクプロイン(2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)等の有機材料から形成される。 The buffer layer 25 prevents the metal of the cathode layer 26 from diffusing into the electron transport layer 24, thereby preventing the resulting recombination of charges. The buffer layer 25 also functions as a buffer layer to prevent damage to the electron transport layer 24 when the cathode layer 26 is formed by sputtering or the like. The buffer layer 25 is made of a stable metal oxide such as tin oxide (SnO 2 ) or zinc oxide (ZnO), or an organic material such as bathocuproine (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline).
バッファ層25は、真空蒸着法、スパッタリング法、原子層堆積法等の方法により形成され得る。バッファ層25の厚みとしては、例えば3nm以上30nm以下とされ得る。 The buffer layer 25 can be formed by methods such as vacuum deposition, sputtering, and atomic layer deposition. The thickness of the buffer layer 25 can be, for example, 3 nm or more and 30 nm or less.
陰極層26は、ペロブスカイト太陽電池部20の陽極層21と対をなす電極である。陰極層26は反射防止層33を通して入射する光を透過する透明電極であり、アモルファスITOから形成される。また、陰極層26は、酸化錫(SnO2)がドープされることが好ましい。 The cathode layer 26 is an electrode that forms a pair with the anode layer 21 of the perovskite solar cell section 20. The cathode layer 26 is a transparent electrode that transmits light that is incident through the anti-reflection layer 33, and is made of amorphous ITO. Furthermore, the cathode layer 26 is preferably doped with tin oxide (SnO 2 ).
陰極層26は、スパッタリング法により形成することができる。陰極層26の厚みの下限としては、例えば10nm以上200nm以下とされ得る。 The cathode layer 26 can be formed by sputtering. The lower limit of the thickness of the cathode layer 26 can be, for example, 10 nm or more and 200 nm or less.
裏面収集電極31及び表面収集電極32は、結晶シリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池の積層体から電力を取り出して外部に出力するための電極対である。裏面収集電極31は、全面に積層されてもよいが、表面収集電極32は、ペロブスカイト太陽電池部20への光の入射を可能にするため、間隔を空けて配置される複数の線状の部分、いわゆるフィンガー電極を有するものとされる。 The back surface collecting electrode 31 and the front surface collecting electrode 32 are a pair of electrodes that extract power from the laminate of crystalline silicon solar cells and perovskite solar cells and output it to the outside. The back surface collecting electrode 31 may be laminated over the entire surface, but the front surface collecting electrode 32 has multiple linear portions, or so-called finger electrodes, arranged at intervals to allow light to enter the perovskite solar cell section 20.
裏面収集電極31及び表面収集電極32は導電性を有する材料により形成される。裏面収集電極31及び表面収集電極32の形成方法としては、例えばスパッタリング、めっき等の公知の方法を用いることができるが、表面収集電極32については、ペロブスカイト太陽電池部20にダメージを与えずに形成できる方法として、例えば銀の蒸着により形成することが好ましい。裏面収集電極31及び表面収集電極32の厚みとしては、例えば100nm以上300nm以下とすることができる。 The back surface collecting electrode 31 and the front surface collecting electrode 32 are formed from a conductive material. The back surface collecting electrode 31 and the front surface collecting electrode 32 can be formed by known methods such as sputtering and plating, but the front surface collecting electrode 32 is preferably formed by, for example, silver vapor deposition, as this method can be used without damaging the perovskite solar cell section 20. The thickness of the back surface collecting electrode 31 and the front surface collecting electrode 32 can be, for example, 100 nm or more and 300 nm or less.
反射防止層33は、太陽電池1の受光面における光の反射を低減する。反射防止層33は、例えば、フッ化マグネシウム(MgF2)、酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、フッ化セリウム(CeF2)などの低屈折率材料から形成することができる。また、反射防止層33は、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層した多層膜であってもよい。反射防止層33の厚みとしては、例えば50nm以上200nm以下とされ得る。 The antireflection layer 33 reduces light reflection on the light-receiving surface of the solar cell 1. The antireflection layer 33 can be formed from a low-refractive-index material such as magnesium fluoride (MgF 2 ), silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or cerium fluoride (CeF 2 ). The antireflection layer 33 may also be a multilayer film in which low-refractive-index materials and high-refractive-index materials are alternately stacked. The thickness of the antireflection layer 33 can be, for example, 50 nm or more and 200 nm or less.
以上の説明から明らかなように、太陽電池1を製造する本発明に係る太陽電池製造方法の一実施形態は、図3に示すように、基材10に陽極層21を形成する導電性材料を積層することにより工程(ステップS1:陽極導電性材料積層工程)と、導電性材料の層つまり陽極層21に2種類のカルバゾール化合物分子を含有する単分子膜形成材料溶液を塗布する工程(ステップS2:単分子膜形成材料溶液塗布工程)と、単分子膜形成材料溶液の塗膜を乾燥する工程(ステップS3:塗膜乾燥工程)と、乾燥後の単分子膜形成材料溶液の塗膜、つまり正孔輸送層22に光電変換層23を形成する材料を含む光電半乾燥形成材料溶液を塗布する工程(ステップS4:光電変換層形成材料溶液塗布工程)と、光電変換層形成材料を加熱によって反応させることにより光電変換層23を形成する工程(ステップS5:反応工程)と、光電変換層23に電子輸送層24を形成する材料を積層する工程(ステップS6:電子輸送層形成材料積層工程)と、電子輸送層24にバッファ層25を形成する材料を積層する工程(ステップS7:バッファ層形成材料積層工程)と、バッファ層25に陰極層26を形成する導電性材料を積層する工程(ステップS8:陰極導電性材料積層工程)と、を備える。 As is clear from the above description, one embodiment of the solar cell manufacturing method according to the present invention for manufacturing solar cell 1 includes, as shown in FIG. 3, a step of laminating a conductive material that forms an anode layer 21 on substrate 10 (step S1: anode conductive material lamination step), a step of applying a monolayer-forming material solution containing two types of carbazole compound molecules to the conductive material layer, i.e., anode layer 21 (step S2: monolayer-forming material solution application step), a step of drying the monolayer-forming material solution coating (step S3: coating drying step), and a step of forming a photoelectric conversion layer 23 on the dried monolayer-forming material solution coating, i.e., hole transport layer 22. The method includes a step of applying a semi-dry photoelectric conversion layer forming material solution containing the material (step S4: photoelectric conversion layer forming material solution application step), a step of forming a photoelectric conversion layer 23 by reacting the photoelectric conversion layer forming material by heating (step S5: reaction step), a step of laminating a material that forms an electron transport layer 24 on the photoelectric conversion layer 23 (step S6: electron transport layer forming material lamination step), a step of laminating a material that forms a buffer layer 25 on the electron transport layer 24 (step S7: buffer layer forming material lamination step), and a step of laminating a conductive material that forms a cathode layer 26 on the buffer layer 25 (step S8: cathode conductive material lamination step).
このような太陽電池製造方法により製造される太陽電池1は、正孔輸送層22を2種類のカルバゾール化合物分子により形成される単分子膜としたことによって、正孔輸送層22が十分な正孔選択性を有すると共に、光電変換層23を適切に形成できるため、比較的高い光電変換効率を有する。 The solar cell 1 manufactured using this solar cell manufacturing method has a hole transport layer 22 that is a monolayer formed from two types of carbazole compound molecules. This gives the hole transport layer 22 sufficient hole selectivity, and allows the photoelectric conversion layer 23 to be properly formed, resulting in a relatively high photoelectric conversion efficiency.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更および変形が可能である。例として、本発明に係る太陽電池は、透明な基材を用い、基材側から入射する光を電力に変換するものであってもよい。また、本発明に係る太陽電池は、層同士の密着性を向上するために介設される中間層、電荷又は材料の好ましくない層間の移動を防止するブロッキング層、特定の層にドーパントを提供するためのドープ層(例えばフラーレンを含む電子輸送層にフッ化リチウムを提供するために設けられ得るフッ化リチウム薄層)等をさらに有してもよく、例えばバッファ層、反射防止層等の一部の層が省略されたり、複数の層がそれらの機能を併せ持つ単一の層に置換されてもよい。また、本発明に係る太陽電池は製造する太陽電池の構成に応じて工程の省略、追加及び変更がなされ得る。 While the present invention has been described above with reference to exemplary embodiments, it is not limited to these and various modifications and variations are possible. For example, a solar cell according to the present invention may use a transparent substrate and convert light incident from the substrate side into electricity. Furthermore, a solar cell according to the present invention may further include an intermediate layer interposed between layers to improve adhesion, a blocking layer to prevent undesirable interlayer movement of charge or material, a doped layer to provide a dopant to a specific layer (e.g., a thin lithium fluoride layer that may be provided to provide lithium fluoride to an electron transport layer containing fullerene), etc. For example, some layers, such as a buffer layer or anti-reflection layer, may be omitted, or multiple layers may be replaced with a single layer that combines these functions. Furthermore, processes for manufacturing a solar cell according to the present invention may be omitted, added, or modified depending on the configuration of the solar cell being manufactured.
1 太陽電池
10 基材
11 半導体基板
12 第1半導体層
13 第2半導体層
20 ペロブスカイト太陽電池部
21 陽極層
22 正孔輸送層
23 光電変換層
24 電子輸送層
25 バッファ層
26 陰極層
31 裏面収集電極
32 表面収集電極
33 反射防止層
REFERENCE SIGNS LIST 1 Solar cell 10 Base material 11 Semiconductor substrate 12 First semiconductor layer 13 Second semiconductor layer 20 Perovskite solar cell section 21 Anode layer 22 Hole transport layer 23 Photoelectric conversion layer 24 Electron transport layer 25 Buffer layer 26 Cathode layer 31 Rear surface collecting electrode 32 Front surface collecting electrode 33 Antireflection layer
Claims (6)
前記正孔輸送層は、2種類のカルバゾール化合物分子により形成される単分子膜であり、
前記2種類のカルバゾール化合物分子は、2PACz及びMeO-2PACzである、太陽電池。 a cathode layer, an anode layer, a hole transport layer, a photoelectric conversion layer containing a perovskite compound and in contact with the hole transport layer, an electron transport layer, and a cathode layer, in this order;
the hole transport layer is a monomolecular film formed of two types of carbazole compound molecules,
The two types of carbazole compound molecules are 2PACz and MeO-2PACz .
前記導電性材料の層に2種類のカルバゾール化合物分子を含有する単分子膜形成材料溶液を塗布する工程と、
前記単分子膜形成材料溶液の塗膜を乾燥する工程と、
乾燥後の前記単分子膜形成材料溶液の塗膜に光電変換層形成材料溶液を塗布する工程と、
を備え、
前記2種類のカルバゾール化合物分子は、2PACz及びMeO-2PACzである、太陽電池製造方法。 Laminating a conductive material to a substrate;
applying a monomolecular film-forming material solution containing two types of carbazole compound molecules onto the conductive material layer;
a step of drying the coating film of the monolayer-forming material solution;
applying a photoelectric conversion layer forming material solution to the dried coating film of the monomolecular film forming material solution;
Equipped with
The method for manufacturing a solar cell, wherein the two types of carbazole compound molecules are 2PACz and MeO-2PACz .
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