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公開番号2024119749
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-03
出願番号2024012369
出願日2024-01-31
発明の名称ペロブスカイト太陽電池およびその製造方法
出願人国立研究開発法人物質・材料研究機構
代理人
主分類H10K 39/10 20230101AFI20240827BHJP()
要約【課題】低コストで光電変換効率および出力が高くかつコンパクトなタンデム構造型のペロブスカイト太陽電池を提供すること。
【解決手段】太陽光を透過する1枚の透明基板を有し、透明基板の第1主表面側に第1と第2の端子電極を有する第1のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、透明基板の第2主表面側に第3と第4の端子電極を有する第2のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、第1および第3の端子電極は透明基板に接しているペロブスカイト太陽電池とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
太陽光を透過する１枚の透明基板を有し、
前記透明基板の第１主表面側に第１と第２の端子電極を有する第１のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、
前記透明基板の第２主表面側に第３と第４の端子電極を有する第２のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、
前記第１および第３の端子電極は前記透明基板に接している、ペロブスカイト太陽電池。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記透明基板は、第１の主表面上に第１の透明電極層、および第２の主表面上に第２の透明電極層が形成されており、
前記第１の透明電極層は前記第１の端子電極と電気的に接触しており、
前記第２の透明電極層は前記第３の端子電極と電気的に接触しており、
前記第１および第２のペロブスカイト太陽電池セルは共に、電子輸送層、ペロブスカイト層およびホール輸送層を有し、
前記ペロブスカイト層は前記電子輸送層および前記ホール輸送層に接している、請求項１記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項３】
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルは、前記第１の端子電極に電気的に接続する第1の透明電極層、第１のホール輸送層、第１のペロブスカイト層、第１の電子輸送層、第１のホールブロッキング層および前記第２の端子電極に電気的に接続する第１の電極層を有し、
前記第２のペロブスカイト太陽電池セルは、前記第３の端子電極に電気的に接続する第２の透明電極層、第２のホール輸送層、第２のペロブスカイト層、第２の電子輸送層、第２のホールブロッキング層および前記第４の端子電極に電気的に接続する第２の電極層を有する、請求項１または２に記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項４】
前記第１のホール輸送層と前記第１のペロブスカイト層の間に表面補償帯が形成されている、請求項３記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項５】
前記表面補償帯は、［２－（３，６－ジメトキシ－９Ｈ－カルバゾール－９－イル）エチル］ホスホン酸からなる、請求項４記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項６】
前記第１の電子輸送層側の前記第１のペロブスカイト層の表面、および前記第２の電子輸送層側の前記第２のペロブスカイト層の表面は、共にピペラジン二ヨウ化水素酸塩で修飾されている、請求項３から５の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項７】
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップと異なる、請求項１から６の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項８】
前記第１のペロブスカイト太陽電池セル側が太陽光入射側であり、
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップより広い、請求項１から７の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項９】
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、１．５ｅＶ以上３．０ｅＶ以下である、請求項８記載のペロブスカイト太陽電池。
【請求項１０】
前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、１．２ｅＶ以上３．０ｅＶ以下である、請求項８または９に記載のペロブスカイト太陽電池。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペロブスカイト太陽電池およびその製造方法に関する。
続きを表示（約 4,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などの地球環境問題の観点から化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる太陽電池が注目されている。特に、持続可能な低炭素社会実現には太陽電池の大量導入が不可欠と考えられている。
【０００３】
現在実用化されているシリコン太陽電池の効率が理論限界に近づく中、より高い効率を目指してタンデム太陽電池が注目されている。特に、低温・塗布プロセスで成膜可能なペロブスカイト材料を用いたオールペロブスカイトのタンデム型太陽電池が実現すれば、究極の軽量・低コスト・高効率太陽電池の実現が期待できる。
【０００４】
タンデム型太陽電池は、例えば、非特許文献１、２にその開示があるが、大別すると、（ａ）１枚の透明基板の上に２つのペロブスカイト太陽電池をＩＴＯなどによるバリア層を介して積層させた２端子型オールペロブスカイトのタンデム型太陽電池、（ｂ）２端子型のペロブスカイト太陽電池を機械的に２個直列に配置した端子数が計４個あるメカニカルスタックペロブスカイト太陽電池、および（ｃ）分光板を介して太陽光を２方向に分光し、その分光先の各々に計２個の２端子型のペロブスカイト太陽電池を配置したオプティカルスタックペロブスカイト太陽電池（特許文献１参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
再公表特許ＷＯ２０１６／００９９５６
【非特許文献】
【０００６】
ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０２１，４１１－４２５
ＡｄｖａｎｃｅｄＳｃｉｅｎｃｅ，２０１９，６，１８０１７０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記２端子型オールペロブスカイトのタンデム型太陽電池は、タンデム配置されたペロブスカイト太陽電池の各サブセル（広バンドギャップのサブセルと狭バンドギャップのサブセル）間の電流マッチングを必要とすることから、設計自由度が低く、高い光電変換効率や高い出力を得にくいという問題が知られている。
メカニカルスタックペロブスカイト太陽電池は、上部配置と下部配置のセル間の設計制約事項が少なく、高い光電変換効率や高い出力を得やすいという特徴があるが、デバイスコストの半分近くを占める透明基板を２枚必要とし、コストが高いという問題がある。
オプティカルスタックペロブスカイト太陽電池は、透明基板２枚に加え分光板も必要とすることからコストが高く、加えて分光板が透明基板に対して斜めに配置されることから嵩（デバイスの体積）が大きくなるという問題がある。さらに、太陽光に対して常に適切な角度で向き合う必要があるため、２軸追尾システム等が必要という問題がある。
【０００８】
本発明の課題は、上記従来のタンデム型ペロブスカイト太陽電池の問題を解決し、低コストで光電変換効率および出力が高くかつコンパクトなタンデム構造型のペロブスカイト太陽電池、およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決するための本発明の構成を下記に示す。
【００１０】
（構成１）
太陽光を透過する１枚の透明基板を有し、
前記透明基板の第１主表面側に第１と第２の端子電極を有する第１のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、
前記透明基板の第２主表面側に第３と第４の端子電極を有する第２のペロブスカイト太陽電池セルが形成されており、
前記第１および第３の端子電極は前記透明基板に接している、ペロブスカイト太陽電池。
（構成２）
前記透明基板は、第１の主表面上に第１の透明電極層、および第２の主表面上に第２の透明電極層が形成されており、
前記第１の透明電極層は前記第１の端子電極と電気的に接触しており、
前記第２の透明電極層は前記第３の端子電極と電気的に接触しており、
前記第１および第２のペロブスカイト太陽電池セルは共に、電子輸送層、ペロブスカイト層およびホール輸送層を有し、
前記ペロブスカイト層は前記電子輸送層および前記ホール輸送層に接している、構成１記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成３）
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルは、前記第１の端子電極に電気的に接続する第1の透明電極層、第１のホール輸送層、第１のペロブスカイト層、第１の電子輸送層、第１のホールブロッキング層および前記第２の端子電極に電気的に接続する第１の電極層を有し、
前記第２のペロブスカイト太陽電池セルは、前記第３の端子電極に電気的に接続する第２の透明電極層、第２のホール輸送層、第２のペロブスカイト層、第２の電子輸送層、第２のホールブロッキング層および前記第４の端子電極に電気的に接続する第２の電極層を有する、構成１または２に記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成４）
前記第１のホール輸送層と前記第１のペロブスカイト層の間に表面補償帯が形成されている、構成３記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成５）
前記表面補償帯は、［２－（３，６－ジメトキシ－９Ｈ－カルバゾール－９－イル）エチル］ホスホン酸からなる、構成４記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成６）
前記第１の電子輸送層側の前記第１のペロブスカイト層の表面、および前記第２の電子輸送層側の前記第２のペロブスカイト層の表面は、共にピペラジン二ヨウ化水素酸塩で修飾されている、構成３から５の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成７）
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップと異なる、構成１から６の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成８）
前記第１のペロブスカイト太陽電池セル側が太陽光入射側であり、
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップより広い、構成１から７の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成９）
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、１．５ｅＶ以上３．０ｅＶ以下である、構成８記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成１０）
前記第２のペロブスカイト太陽電池セルのペロブスカイトのバンドギャップは、１．２ｅＶ以上３．０ｅＶ以下である、構成８または９に記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成１１）
前記第1および第２の端子電極に電気的に接続する第１のＤＣ－ＤＣコンバータ回路と、
前記第３および第４の端子電極に電気的に接続する第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路を有する、構成１から１０の何れか１項記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成１２）
前記第１および第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路は、前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力電流が前記第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力電流と等しくなるように出力調整がなされた回路であり、
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力端子は前記第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力端子と電気的に直列に接合された、構成１１記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成１３）
前記第１および第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路は、前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力電圧が前記第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力電圧と等しくなるように出力調整がなされた回路であり、
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力端子は前記第２のＤＣ－ＤＣコンバータ回路の出力端子と電気的に並列に接合された、構成１１記載のペロブスカイト太陽電池。
（構成１４）
第１主表面および第２主表面に透明電極が形成された１枚の太陽光を透過する透明基板を準備することと、
第２の透明電極である前記第２主表面上に形成されている前記透明電極を機械的接触および汚染から保護することと、
第１の透明電極である前記第１主表面上に形成されている前記透明電極の上に第１のペロブスカイト太陽電池セルを形成することと、
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルを形成後に、前記第２の透明電極の上に第２のペロブスカイト太陽電池セルを形成することからなり、
前記第１のペロブスカイト太陽電池セルの形成は、第１のホール輸送層、表面補償帯層および第１のペロブスカイト層を順次形成することと、前記第１のペロブスカイト層の表面をピペラジン二ヨウ化水素酸塩で第１の表面処理することと、前記第１の表面処理後、第１の電子輸送層、第１のホールブロッキング層、第１の透明電極層およびグリッド電極を順次形成することからなり、
前記第２のペロブスカイト太陽電池セルの形成は、第２のホール輸送層および第２のペロブスカイト層を順次形成することと、前記第２のペロブスカイト層の表面をエチレンジアミンで第２の表面処理することと、前記第２の表面処理後、第２の電子輸送層、第２のホールブロッキング層および電極を順次形成することからなり、
前記第１のペロブスカイト層は、前記第２のペロブスカイト層の材料よりバンドギャップの広い材料である、ペロブスカイト太陽電池の製造方法。
（構成１５）
前記第２の透明電極を機械的接触および汚染から保護する方法は、前記第２の透明電極を保護膜で覆う方法であり、前記保護膜は前記第２のホール輸送層形成前に除去する、構成１４記載のペロブスカイト太陽電池の製造方法。
（構成１６）
前記表面補償帯層は、［２－（３，６－ジメトキシ－９Ｈ－カルバゾール－９－イル）エチル］ホスホン酸からなる、構成１４または１５に記載のペロブスカイト太陽電池の製造方法。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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