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公開番号2025073973
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-13
出願番号2024085998
出願日2024-05-28
発明の名称光電変換素子、及び光電変換装置
出願人キヤノン株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H10K 30/50 20230101AFI20250502BHJP()
要約【課題】高い初期光電変換効率を持ちながら、耐久性が向上した光電変換素子を提供すること。
【解決手段】第一電極と、第二電極と、ペロブスカイト構造の結晶を含む光電変換層とを有する光電変換素子であって、第一電極の電極面積及び第二電極の電極面積のうち小さい方の電極面積をS[cm²]とし、インピーダンスの測定結果に基づくナイキストプロットにおいて、低周波数範囲の位相の極大値に対応する円弧を、抵抗素子と定位相素子の並列回路でフィッティングして得られる抵抗値の中で最大の値R_rec[Ω]が、下記式(E1)を満たし、1.0×10⁴<R_rec×S<1.0×10⁷ (E1)
高周波数範囲の位相の極大値に対応する円弧を、抵抗素子と定位相素子の並列回路でフィッティングして得られる抵抗値の中で最大の値R_ct[Ω]と該R_rec[Ω]とが、下記式(E2)を満たす、R_rec/R_ct≧25 (E2)ことを特徴とする光電変換素。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
第一電極と、第二電極と、該第一電極と該第二電極との間に配置されているペロブスカイト構造の結晶を含む光電変換層と、を有する光電変換素子であって、
第一電極の電極面積及び第二電極の電極面積のうち小さい方の電極面積をＳ［ｃｍ
２
］とし、
該光電変換素子に直流電圧成分Ｖ
ＤＣ
＝０［Ｖ］、交流電圧成分の二乗平均平方根Ｖ
ｒｍｓ
＝５０［ｍＶ］の交流電圧を周波数１．０×１０
－２
［Ｈｚ］～１．０×１０
６
［Ｈｚ］の間で変化させながら印加してインピーダンスを測定した場合に、
該インピーダンスの測定結果に基づく、横軸が周波数［Ｈｚ］、縦軸が位相［ｄｅｇ］のプロットにおいて、
１．０×１０
－２
［Ｈｚ］以上１．０×１０
２
［Ｈｚ］未満の低周波数範囲に該インピーダンスの位相が、極大値を持ち、
１．０×１０
２
［Ｈｚ］以上１．０×１０
６
［Ｈｚ］以下の高周波数範囲に該インピーダンスの位相が、極大値を持ち、
該インピーダンスの測定結果に基づく、横軸がインピーダンス実部Ｚ’［Ω］、縦軸がインピーダンス虚部Ｚ’’［Ω］のナイキストプロットにおいて、
該低周波数範囲の位相の極大値に対応する円弧を抵抗素子と定位相素子の並列回路でフィッティングして得られる抵抗値の中で最大の値Ｒ
ｒｅｃ
［Ω］が、下記式（Ｅ１）を満たし、
１．０×１０
４
≦Ｒ
ｒｅｃ
×Ｓ≦１．０×１０
７
（Ｅ１）
該高周波数範囲の位相の極大値に対応する円弧を、抵抗素子と定位相素子の並列回路でフィッティングして得られる抵抗値の中で最大の値Ｒ
ｃｔ
［Ω］と該Ｒ
ｒｅｃ
［Ω］とが、下記式（Ｅ２）を満たす、
Ｒ
ｒｅｃ
／Ｒ
ｃｔ
≧２５（Ｅ２）
ことを特徴とする光電変換素子。
続きを表示（約 880 文字）【請求項２】
前記Ｒ
ｒｅｃ
［Ω］を得るために行ったフィッティングで得られる定位相素子の指数Ｐ
ｒｅｃ
が下記式（Ｅ３）を満たす、請求項１に記載の光電変換素子。
Ｐ
ｒｅｃ
≧０．８０（Ｅ３）
【請求項３】
前記Ｒ
ｃｔ
［Ω］を得るために行ったフィッティングで得られる定位相素子の指数Ｐ
ｃｔ
が下記式（Ｅ４）を満たす、請求項１に記載の光電変換素子。
Ｐ
ｃｔ
≦０．９５（Ｅ４）
【請求項４】
前記Ｒ
ｒｅｃ
［Ω］が、下記式（Ｅ５）を満たす、請求項１に記載の光電変換素子。
１．０×１０
５
＜Ｒ
ｒｅｃ
×Ｓ＜１．０×１０
６
（Ｅ５）
【請求項５】
前記Ｒ
ｃｔ
［Ω］と前記Ｒ
ｒｅｃ
［Ω］とが下記式（Ｅ６）を満たす、請求項１に記載の光電変換素子。
Ｒ
ｒｅｃ
／Ｒ
ｃｔ
≧５０（Ｅ６）
【請求項６】
前記光電変換素子が、前記光電変換層と前記第一電極との間に電荷輸送層を有し、該電荷輸送層は、該光電変換層の表面上に電荷輸送材料と絶縁性樹脂を含有する、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記電荷輸送材料が、電荷輸送性粒子である、請求項６に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記電荷輸送性粒子の平均粒径が、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記絶縁性樹脂に対する前記電荷輸送材料の体積比が、５倍以上３０倍以下である、請求項６に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記電荷輸送材料が、フタロシアニン化合物である、請求項６に記載の光電変換素子。
（【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】
本発明は光電変換素子、及び光電変換装置に関する。
続きを表示（約 1,200 文字）【背景技術】
【０００２】
化石エネルギーの枯渇問題及び化石エネルギーの使用による地球の環境問題を解決するために、太陽エネルギー、風力、水力などのように、再生可能であって清浄な代替エネルギー源に関する研究が活発に行われている。そのなかでも、太陽光を直接電気的エネルギーに変化させる太陽電池に関する関心が増大している。ここで、太陽電池とは、太陽光から光エネルギーを吸収し、電子及び正孔が発生する光起電効果を利用して電流－電圧を生成する電池を意味する。
【０００３】
現在、２０％を超える光エネルギー変換効率を有するｎ－ｐダイオード型シリコン（Ｓｉ）単結晶ベースの太陽電池が広く知られ、実際に太陽光発電に用いられている。しかしながら、これらは、高温処理工程を必要とし、また材料自体の価格も高いため、単位電力あたりのコストが高いという問題を有している。また、シリコン資源の面から、供給性にも問題を有している。
【０００４】
他方、有機材料を用いた太陽電池（以下、「有機太陽電池」という）は、高温処理工程を必要とせず、シート状基板で所謂ｒｏｌｌｔｏｒｏｌｌ方式での生産が可能で低コスト化が見込める。しかし、有機太陽電池の実用化のためには発電効率と耐久性の更なる向上が望まれている。特に光電変換層としてペロブスカイト構造の結晶を有するペロブスカイト型太陽電池は、光電変換特性に優れるため太陽電池の実用化に向けた開発が進められている。
【０００５】
特許文献１には、ホール輸送層に有機半導体と、ガラス転移温度が１００℃以上の高分子化合物とを含むことで電極との剥離を改善する技術が記載されている。
【０００６】
特許文献２には、ペロブスカイト層とホール輸送層の間にキナクリドン顔料からなる層を設けた構成と、該構成のインピーダンス測定結果が記載されている。
【０００７】
非特許文献１には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳに置換基を有するニッケルフタロシアニンをドープすることで光電変換効率を向上させる逆層用の電荷輸送層の技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１８－１７０３８２号公報
米国特許出願公開第２０２２／０２８５６４２号明細書
【非特許文献】
【０００９】
Ｘ．－Ｆ．Ｚｈａｎｇ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ａ，２０１８，６、１２５１５－１２５２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らの検討によると、特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１に記載の光電変換素子では、耐久性に改善の余地があることが分かった。
（【００１１】以降は省略されています）

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