(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた光電変換素子。
（１）前記光電変換素子は、
下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層と、
前記電子輸送層の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層と、
前記電子輸送層と前記光吸収層との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェンと、
前記光吸収層の表面に形成されたホール輸送層と、
前記ホール輸送層の表面に形成された対向電極と
を備えている。
（２）前記窒素官能基化ナノグラフェンは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されたものからなる。
（３）前記窒素官能基化ナノグラフェンの平均質量は、１０００ｍ／ｚ以上５００００ｍ／ｚ以下である。
（４）前記π共役性窒素官能基は、ジメチルアミン基、及び／又は、フェニレンジアミン基を含む。
【請求項２】
前記ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトは、
（ａ）ＣＨ3ＮＨ3ＭＸ3（但し、Ｍは、２価の金属イオン。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ。以下同じ。）
（ｂ）(ＣＨ3(ＣＨ2)nＣＨＣＨ3ＮＨ3)2ＭＸ4（ｎ＝５〜８）、及び、
（ｃ）(Ｃ6Ｈ5Ｃ2Ｈ4ＮＨ3)2ＭＸ4
からなる群から選ばれるいずれか１以上からなる請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記窒素官能基化ナノグラフェンのＬＵＭＯエネルギー準位は、前記光吸収層のＬＵＭＯエネルギー準位と前記電子輸送層のＬＵＭＯエネルギー準位の中間にある請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
次の（ａ）式で表される相対電子抽出速度（Ｒ）が１０％以上６０％以下である請求項１から３までのいずれか１項に記載の光電変換素子。
Ｒ＝ｒ1×１００／ｒ2      ・・・（ａ）
但し、
ｒ1は、７６０ｎｍでの過渡吸収の減衰時間測定により算出した、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含む前記光電変換素子の電子抽出速度（ｐｓ）、
ｒ2は、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含まない以外は前記ｒ1の測定に用いた前記光電変換素子と同一の構成を備えた光電変換素子を用いて、前記ｒ1と同一条件下で測定及び算出された電子抽出速度（ｐｓ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関し、さらに詳しくは、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト（例えば、一般式：ＣＨ3ＮＨ3ＭＸ3で表される化合物。式中、Ｍは、２価の金属イオン。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ。）を光吸収層に用いたペロブスカイト太陽電池が高い変換効率を示すため、次世代の太陽電池として注目されている（特許文献１）。ペロブスカイト太陽電池は、２００９年に３．８％の変換効率を示すことが報告されて以来、改良が重ねられ、現在では１９．３％の変換効率も報告されている。ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトの広波長域に渡る吸収や高い開放電圧などは、２０％を超える変換効率の実現の可能性があることを示唆している。
【０００３】
ペロブスカイト太陽電池の変換効率をさらに向上させる一因として、太陽光により励起した荷電キャリアの抽出速度を向上させることが考えられる。しかしながら、ペロブスカイト太陽電池において、電子とホールの抽出速度は、それぞれ、４００ｐｓ及び６００ｐｓであり、ホットキャリアクーリング時間（０．４ｓ）も大幅に遅いことが課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０７２３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、電子抽出速度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明に係る光電変換素子は、以下の構成を備えている。
（１）前記光電変換素子は、
下部電極と、
前記下部電極の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層と、
前記電子輸送層の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層と、
前記電子輸送層と前記光吸収層との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェンと、
前記光吸収層の表面に形成されたホール輸送層と、
前記ホール輸送層の表面に形成された対向電極と
を備えている。
（２）前記窒素官能基化ナノグラフェンは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されたものからなる。
（３）前記窒素官能基化ナノグラフェンの平均質量は、１０００ｍ／ｚ以上５００００ｍ／ｚ以下である。
【発明の効果】
【０００７】
ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、電子輸送層と光吸収層との界面に窒素官能基化ナノグラフェンを挿入すると、電子抽出速度が向上する。これは、光吸収層において励起された電子が窒素官能基化ナノグラフェンを介して電子輸送層に移動するためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る光電変換素子の断面模式図である。
【図２】窒素官能基化ナノグラフェンの模式図、及び、窒素官能基の導入に用いた試薬と導入された窒素官能基との関係を示す図である。
【図３】７６０ｎｍでの過渡吸収の減衰スペクトル、及び電子抽出速度の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  光電変換素子］
図１に、本発明に係る光電変換素子の断面模式図を示す。図１において、光電変換素子１０は、以下の構成を備えている。
（１）光電素子１０は、
下部電極１４と、
下部電極１４の表面に形成された、金属酸化物半導体からなる電子輸送層１６と、
電子輸送層１６の表面に形成された、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層１８と、
電子輸送層１６と光吸収層１８との界面に挿入された窒素官能基化ナノグラフェン２０と、
光吸収層１８の表面に形成されたホール輸送層２２と、
ホール輸送層２２の表面に形成された対向電極２４と
を備えている。
（２）窒素官能基化ナノグラフェン２０は、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が結合したものからなる。
（３）窒素官能基化ナノグラフェン２０の平均質量は、１０００ｍ／ｚ以上５００００ｍ／ｚ以下である。
【００１０】
［１．１．  下部電極］
下部電極１４は、光電変換素子１０の一方の電極である。下部電極１４は、それ自身で自立可能な厚さを有する膜若しくは板であっても良く、あるいは、基板１２上に形成された薄膜であっても良い。また、下部電極１４及びこれを支持する基板１２は、透光性材料からなるものであっても良く、あるいは、非透光性材料からなるものでも良い。下部電極１４、基板１２、及び対向電極２４がいずれも透光性材料からなる場合、入射光は、下部電極１４側又は対向電極２４側のいずれの方向からも入射させることができる。一方、下部電極１４又は基板１２が非透光性材料からなる場合、入射光は、対向電極２４側から入射させる。
【００１１】
下部電極１４としては、例えば、
（ａ）スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性金属酸化物の自立膜、
（ｂ）ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系などの導電性高分子の自立膜、
（ｃ）基板１２上に形成された導電性金属酸化物や導電性高分子の薄膜、
などがある。
【００１２】
また、基板１２としては、例えば、
（ａ）硝子板、
（ｂ）ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドなどの合成樹脂板又は合成樹脂フィルム、
などがある。
【００１３】
下部電極１４の表面抵抗は、低いほど良い。高い変換効率を得るためには、下部電極１４の表面抵抗は、２０Ω／□以下が好ましい。表面抵抗は、さらに好ましくは、５Ω／□以下である。
下部電極１４の厚さは、特に限定されるものではなく、下部電極１４の材料や下部電極１４に求められる特性などに応じて、最適な厚さを選択する。
【００１４】
［１．２．  電子輸送層］
電子輸送層１６は、光吸収層１８で励起された電子を下部電極１４側に輸送するためのものであり、下部電極１４の表面に形成される。本発明において、電子輸送層１６には、金属酸化物半導体が用いられる。金属酸化物半導体は、電子を輸送する機能を備えているものであれば良い。
また、金属酸化物半導体は、ＬＵＭＯエネルギー準位が所定の値を持つものが好ましい。ＬＵＭＯエネルギー準位については、後述する。
【００１５】
金属酸化物半導体としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ2）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化タングステン（ＷＯ3）などがある。電子輸送層１６は、これらのいずれか１種の金属酸化物半導体からなるものでも良く、あるいは、２種以上の金属酸化物半導体を含む複合体からなるものでも良い。
【００１６】
電子輸送層１６は、緻密質であっても良く、あるいは多孔質であっても良い。電子輸送層１６として多孔質の金属酸化物半導体を用いた場合、電子輸送層１６と光吸収層１８との界面の面積が増大する。界面面積の増大は、電子抽出速度の増大に寄与する。
高い電子抽出速度を得るためには、電子輸送層１６の比表面積は、２０ｍ2／ｇ以上が好ましい。比表面積は、さらに好ましくは、４０ｍ2／ｇ以上である。
【００１７】
電子輸送層１６の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。一般に、電子輸送層１６の厚さが薄くなりすぎると、リーク電流が生じる。従って、電子輸送層１６の厚さは、１０ｎｍ以上が好ましい。電子輸送層１６の厚さは、さらに好ましくは、２０ｎｍ以上である。
一方、電子輸送層１６の厚さが厚くなりすぎると、光吸収層１８からの電子の収集が抑制される。従って、電子輸送層１６の厚さは、２μｍ以下が好ましい。電子輸送層１６の厚さは、さらに好ましくは、１μｍ以下である。
【００１８】
［１．３．  光吸収層］
本発明において、光吸収層１８は、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる。光吸収層１８は、電子輸送層１６の表面に形成される。
「ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト（以下、単に「ハイブリッド型ペロブスカイト」ともいう）」とは、金属元素ＭとハロゲンＸからなる金属ハロゲン化物八面体ＭＸ6が頂点共有した八面体ネットワークと、ＭＸ6八面体ネットワーク間の１２配位の孔に位置した有機骨格Ａとを備えた化合物をいう。
ハイブリッド型ペロブスカイトとしては、
（ａ）一般式：ＡＢＸ3（Ａ：有機骨格、Ｂ：金属元素、Ｘ：ハロゲン）で表される単純ペロブスカイト、
（ｂ）一般式：Ａ2ＢＸ4で表される層状ペロブスカイト
などがある。
【００１９】
ハイブリッド型ペロブスカイトの無機骨格は、頂点を共有する金属ハロゲン化物八面体からなる。陽イオン性の有機骨格からの正の電荷と平衡をとるため、金属ハロゲン化物八面体は、陰イオン性となる。そのため、金属イオンＭは、２価である。
ハイブリッド型ペロブスカイトを構成する金属イオンＭとしては、具体的には、Ｐｂ2+、Ｍｎ2+、Ｃｕ2+、Ｎｉ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｐｄ2+、Ｇｅ2+などがある。
ハイブリッド型ペロブスカイトを構成するハロゲン化物は、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、又はこれらの組み合わせである。
【００２０】
ハイブリッド型ペロブスカイトとしては、具体的には、
（ａ）ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3などの一般式：ＣＨ3ＮＨ3ＭＸ3で表される単純ペロブスカイト（但し、Ｍは、２価の金属イオン。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩ。以下同じ。）、
（ｂ）(ＣＨ3(ＣＨ2)nＣＨＣＨ3ＮＨ3)2ＰｂＩ4（ｎ＝５〜８）などの一般式：(ＣＨ3(ＣＨ2)nＣＨＣＨ3ＮＨ3)2ＭＸ4（ｎ＝５〜８）で表される層状ペロブスカイト、
（ｃ）(Ｃ6Ｈ5Ｃ2Ｈ4ＮＨ3)2ＰｂＢｒ4などの一般式：(Ｃ6Ｈ5Ｃ2Ｈ4ＮＨ3)2ＭＸ4で表される層状ペロブスカイト、
などがある。
光吸収層１８は、これらのいずれか１種のハイブリッド型ペロブスカイトからなるものでも良く、あるいは、２種以上のハイブリッド型ペロブスカイトからなるものでも良い。
【００２１】
光吸収層１８の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。
【００２２】
［１．４．  窒素官能基化ナノグラフェン］
本発明において、電子輸送層１６と光吸収層１８との界面には、窒素官能基化ナノグラフェン２０が挿入されている。この点が、従来とは異なる。
【００２３】
［１．４．１．  定義］
「窒素官能基化ナノグラフェン」とは、ナノグラフェンにπ共役性窒素官能基が導入されているものをいう。
「ナノグラフェン」とは、炭素の環構造及びｓｐ2結合性の芳香環で構成された２次元のシート状構造を有するものをいる。ナノグラフェンは、単層のシートからなる場合と、多層のシートからなる場合とがある。
【００２４】
「π共役性窒素官能基」とは、非共有電子対を有する窒素原子を構成元素として含む官能基をいう。
π共役性窒素官能基としては、例えば、アミン基、ジメチルアミン基、アゾ基、ナフタレンジアミン基、フェニレンジアミン基、ニトロフェニル基、メチルレッド基、ジアミノナフタレン基などがある。窒素官能基化ナノグラフェンは、これらのいずれか１種のπ共役性窒素官能基を含むものでも良く、あるいは、２種以上を含むものでも良い。
【００２５】
「π共役性窒素官能基が導入されている」とは、
（ａ）ナノグラフェンを構成する炭素の一部がπ共役性窒素官能基で置換されていること、
（ｂ）ナノグラフェンのエッジ及び／又は基底面にπ共役性窒素官能基が結合していること、又は、
（ｂ）ナノグラフェンの表面又はシート間に、π共役性窒素官能基を持つ化合物が吸着していること
をいう。
ナノグラフェンに導入されたπ共役性窒素官能基は、置換、結合又は吸着のいずれか１種の形態で存在していても良く、あるいは、２種以上の形態で存在していても良い。
π共役性窒素官能基を持つ化合物の詳細については、後述する。
【００２６】
［１．４．２．  平均質量］
窒素官能基化ナノグラフェン２０の質量数（サイズ）は、太陽光の透過率に影響を与える。窒素官能基化ナノグラフェン２０が大きくなりすぎると、可視領域での透過率が低下する。従って、窒素官能基化ナノグラフェン２０の平均質量は、５００００ｍ／ｚ以下が好ましい。平均質量は、さらに好ましくは、１００００ｍ／ｚ以下、さらに好ましくは、５０００ｍ／ｚ以下である。
一方、窒素官能基化ナノグラフェン２０の平均質量が小さくなりすぎると、ＬＵＭＯエネルギー準位が大きくなり、電子抽出層として機能しない。従って、窒素官能基化ナノグラフェン２０の平均質量は、１０００ｍ／ｚ以上が好ましい。平均質量は、さらに好ましくは、１１００ｍ／ｚ以上、さらに好ましくは、１２００ｍ／ｚ以上である。
【００２７】
［１．４．３．  ＬＵＭＯエネルギー準位］
窒素官能基化ナノグラフェン２０のＬＵＭＯエネルギー準位は、電子抽出速度に影響を与える。窒素官能基化ナノグラフェン２０を含まない光電変換素子の場合、励起された電子は、光吸収層１８から直接、電子輸送層１６に移動する。
一方、光吸収層１８と電子輸送層１６の界面に窒素官能基化ナノグラフェン２０を介在させた場合において、窒素官能基化ナノグラフェン２０のＬＵＭＯエネルギー準位を最適化すると、励起された電子は、光吸収層１８から窒素官能基化ナノグラフェン２０を介して電子輸送層１６に移動する。その結果、電子が易移動化し、電子抽出速度が高速化する。
【００２８】
電子抽出速度を高速化するためには、窒素官能基化ナノグラフェン２０のＬＵＭＯエネルギー準位は、光吸収層１８のＬＵＭＯエネルギー準位と電子輸送層１６のＬＵＭＯエネルギー準位の中間にあるのが好ましい。
窒素官能基化ナノグラフェン２０のＬＵＭＯエネルギー準位は、主として、ナノグラフェンに導入されるπ共役性窒素官能基の種類に依存する。そのため、光吸収層１８及び電子輸送層１６の材料に応じて、最適なπ共役性窒素官能基を選択すれば、窒素官能基化ナノグラフェン２０のＬＵＭＯエネルギー準位を最適化することができる。
【００２９】
［１．４．４．  挿入量］
窒素官能基化ナノグラフェン２０の挿入量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な量を選択することができる。
なお、窒素官能基化ナノグラフェン２０は、少なくとも電子輸送層１６と光吸収層１８との界面に挿入されていれば良い。電子輸送層１６が多孔質層からなる場合において、電子輸送層１６の表面に窒素官能基化ナノグラフェン２０の分散液を塗布すると、窒素官能基化ナノグラフェン２０が電子輸送層１６と光吸収層１８の界面に挿入されるだけでなく、窒素官能基化ナノグラフェン２０が下部電極１４の近傍まで侵入することがある。図１は、このような状態を模式的に表している。
【００３０】
［１．５．  ホール輸送層］
ホール輸送層２２は、光吸収層１８で励起されたホールを対向電極２４側に輸送するためのものであり、光吸収層１８の表面に形成される。本発明において、ホール輸送層２２の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
【００３１】
ホール輸送層２２の材料としては、例えば、ポリ(３−ヘキシルチオフェン)（Ｐ３ＨＴ）、ポリ[２−メトキシ−５−(２−エチルヘキシオキシ)−１，４−フェニレンビニレン]（ＭＥＨ−ＰＰＶ）、ポリ(９，９−ジオクチルフルオレン−co−Ｎ−(４−(３−メチルピロピル)−ジフェニルアミン))（ＴＦＢ）、２，２’−７，７’−tetrakis(Ｎ，Ｎ’−ジ(４−メトキシフェニル)アミン)−９，９’−スピロビフルオレン（Spiro−ＯＭｅＴＡＤ）、フラーレン、カーボンナノチューブなどがある。
【００３２】
ホール輸送層２２の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。
【００３３】
［１．６．  対向電極］
対向電極２４は、光電変換素子１０の他方の電極であり、ホール輸送層２２の表面に形成される。本発明において、対向電極２４の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
【００３４】
対向電極２４の材料としては、例えば、
（ａ）アルミニウム、金、銀、白金、パラジウムなどの金属、
（ｂ）スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性金属酸化物、
（ｃ）アセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系などの導電性高分子、
などがある。
【００３５】
対向電極２４の厚さや形状は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
【００３６】
［１．７．  電子抽出速度］
上述したように、光吸収層１８と電子輸送層１６の間に窒素官能基化ナノグラフェン２０を介在させると、電子抽出速度が変化する。また、光吸収層１８及び電子輸送層１６の材料に応じて窒素官能基化ナノグラフェン２０の材料を最適化すると、電子抽出速度が高速化する。
【００３７】
具体的には、材料の組み合わせを最適化することによって、次の（ａ）式で表される相対電子抽出速度（Ｒ）が１０％以上６０％以下となる。
Ｒ＝ｒ1×１００／ｒ2      ・・・（ａ）
但し、
ｒ1は、７６０ｎｍでの過渡吸収の減衰時間測定により算出した、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含む前記光電変換素子の電子抽出速度（ｐｓ）、
ｒ2は、前記窒素官能基化ナノグラフェンを含まない以外は前記ｒ1の測定に用いた前記光電変換素子と同一の構成を備えた光電変換素子を用いて、前記ｒ1と同一条件下で測定及び算出された電子抽出速度（ｐｓ）。
【００３８】
［２．  窒素官能基化ナノグラフェンの製造方法（１）］
窒素官能基化ナノグラフェンを製造するための第１の方法は、
π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液に酸化グラファイト又はグラフェン酸化物を分散させる分散工程と、
前記水溶液を６０℃以上で加熱する加熱工程と
を備えている。
【００３９】
［２．１．  分散工程］
まず、π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液に酸化グラファイト又はグラフェン酸化物を分散させる（分散工程）。
【００４０】
［２．１．１．  π共役性窒素官能基を持つ化合物］
「π共役性窒素官能基を持つ化合物（以下、「窒素含有化合物」ともいう）」とは、非共有電子対を有する窒素原子を構成元素として含む官能基を持つ化合物であって、水に溶解又は分散可能なものをいう。出発原料には、いずれか１種の窒素含有化合物を用いても良く、あるいは、２種以上を用いても良い。
窒素含有化合物は、水に溶解又は分散させた水溶液の状態で使用される。水溶液に含まれる窒素含有化合物の濃度は、特に限定されるものではなく、出発原料の種類や要求される特性などに応じて最適な濃度を選択すればよい。窒素含有化合物の濃度は、通常、０．１〜１０ｍｏｌ／Ｌである。
【００４１】
窒素含有化合物としては、例えば、２，３−ジアミノナフタレン（ＤＡＮ）、ｏ−フェニレンジアミン（ｏ−ＰＤ）、アニリン、アンモニア、ジメチルホルムアミド、ジフェニルリン酸アジド、パラメチルレッドなどがある。
【００４２】
［２．１．２．  酸化グラファイト及びグラフェン酸化物］
「酸化グラファイト」とは、グラファイトを構成するグラフェン層のエッジ及び／又は基底面上に酸素含有官能基（例えば、−ＣＯＯＨ基、−ＯＨ基、−Ｃ−Ｏ−Ｃ−基など）が結合しているものをいう。酸化グラファイトは、例えば、強酸（濃硫酸）中で酸化剤（過マンガン酸カリウム、硝酸カリウムなど）を用いてグラファイトを酸化させることにより得られる。
【００４３】
「グラフェン酸化物」とは、酸化グラファイトの層間を剥離させることにより得られるシート状物質をいう。グラフェン酸化物は、例えば、酸化グラファイトを水溶液中に分散させ、超音波を照射することにより得られる。
本発明において、出発原料には、層間剥離を行う前の酸化グラファイト又は層間剥離させたグラフェン酸化物のいずれか一方を用いても良く、あるいは、双方を用いても良い。
【００４４】
酸化グラファイト及び／又はグラフェン酸化物は、窒素含有化合物を含む水溶液に添加される。水溶液に含まれる酸化グラファイト及び／又はグラフェン酸化物の量は、特に限定されるものではなく、出発原料の種類や要求される特性などに応じて最適な量を選択すればよい。酸化グラファイト及び／又はグラフェン酸化物の量は、通常、０．１〜５０ｇ／Ｌである。
【００４５】
［２．２．  加熱工程］
次に、窒素含有化合物を分散させた水溶液に酸化グラファイト及び／又はグラフェン酸化物を分散させた後、水溶液を加熱する（加熱工程）。
加熱は、反応速度を速くするために行う。加熱温度が水溶液の沸点を超える場合、加熱は、密閉容器内で行う。
【００４６】
加熱温度が低すぎると、現実的な時間内に反応が十分進行しない。従って、加熱温度は、６０℃以上である必要がある。加熱温度は、さらに好ましくは、７０℃以上、さらに好ましくは、８０℃以上である。
一方、加熱温度が高くなりすぎると、置換や結合した窒素が脱離するおそれがある。また、高価な耐圧容器が必要となり、製造コストが増大する。従って、加熱温度は、２００℃以下が好ましい。加熱温度は、さらに好ましくは、１８０℃以下、さらに好ましくは、１６０℃以下である。
【００４７】
加熱時間は、加熱温度に応じて最適な時間を選択する。一般に、加熱温度が高くなるほど、短時間で反応を進行させることができる。加熱時間は、通常、１〜２０時間である。
【００４８】
加熱条件を最適化すると、窒素官能基化ナノグラフェンの窒素含有量、平均厚さ、及び平均サイズを制御できる。一般に、加熱温度が高くなるほど、及び／又は、加熱時間が長くなるほど、窒素含有量が減少し、平均厚さが薄くなり、あるいは、平均サイズが小さくなる。
得られた窒素官能基化ナノグラフェンは、そのまま光電変換素子の製造に用いても良く、あるいは、必要に応じて、洗浄、ろ過及び／又は透析を行っても良い。
【００４９】
［３．  窒素官能基化ナノグラフェンの製造方法（２）］
窒素官能基化ナノグラフェンを製造するための第２の方法は、
ナノグラフェンを製造するナノグラフェン製造工程と、
π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液にナノグラフェンを分散させる分散工程と、
前記水溶液を６０℃以上で加熱する加熱工程と
を備えている。
【００５０】
［３．１．  ナノグラフェン製造工程］
ナノグラフェンは、酸化グラファイト又はグラフェン酸化物をアルカリ性水溶液中に分散させ、密閉容器中で６０℃以上に加熱することで合成することができる。あるいは、ナノグラファイト粒子を、例えば、強酸（濃硫酸）中で酸化剤（過マンガン酸カリウム、硝酸カリウムなど）を用いて酸化させることにより合成することができる。
【００５１】
［３．２．  分散工程、加熱工程］
次に、π共役性窒素官能基を持つ化合物を溶解させた水溶液にナノグラフェンを分散（分散工程）させ、前記水溶液を６０℃以上で加熱する（加熱工程）。これにより、π共役性窒素官能基がナノグラフェンに導入される。
分散工程、及び加熱工程のその他の点については、第１の方法と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
［４．  光電変換素子の製造方法］
本発明に係る光電変換素子は、
（１）下部電極１４の表面に電子輸送層１６を形成し（電子輸送層形成工程）、
（２）電子輸送層１６の表面に窒素官能基化ナノグラフェン２０を吸着させ（窒素官能基化ナノグラフェン形成工程）、
（３）窒素官能基化ナノグラフェン２０を吸着させた電子輸送層１６の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層１８を形成し（光吸収層形成工程）、
（４）光吸収層１８の表面にホール輸送層２２を形成し（ホール輸送層形成工程）、
（５）ホール輸送層２２の表面に対向電極２４を形成する（対向電極形成工程）
ことにより製造することができる。
【００５３】
［４．１．  電子輸送層形成工程］
まず、下部電極１４の表面に電子輸送層１６を形成する（電子輸送層形成工程）。電子輸送層１６の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。
例えば、多孔質の電子輸送層１６は、金属酸化物半導体のナノ粒子又はコロイドを下部電極１４の表面に塗布し、加熱することにより製造することができる。電子輸送層１６の厚さは、ナノ粒子又はコロイドの塗布量により制御することができる。また、電子輸送層１６の比表面積は、ナノ粒子又はコロイドの粒径や加熱温度により制御することができる。
緻密質の電子輸送層１６は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより製造することができる。
【００５４】
［４．２．  窒素官能基化ナノグラフェン形成工程］
次に、電子輸送層１６の表面に窒素官能基化ナノグラフェン２０を吸着させる（窒素官能基化ナノグラフェン形成工程）。
具体的には、窒素官能基化ナノグラフェン２０を分散媒に分散させた分散液を電子輸送層１６の表面に塗布し、溶媒を揮発させる。電子輸送層１６が多孔質層である場合、分散液の一部は、電子輸送層１６の表面だけでなく、開気孔内にも侵入する場合がある（図１参照）。分散媒の種類、分散液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
【００５５】
［４．３．  光吸収層形成工程］
次に、窒素官能基化ナノグラフェン２０を吸着させた電子輸送層１６の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトからなる光吸収層１８を形成する（光吸収層形成工程）。
具体的には、ハイブリッド型ペロブスカイトを溶媒に溶解させた溶液を電子輸送層１６の表面に塗布し、溶媒を揮発させる。電子輸送層１６が多孔質層である場合、溶液の一部は、電子輸送層１６の開気孔内にも侵入する場合がある。溶媒の種類、溶液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
【００５６】
［４．４．  ホール輸送層形成工程］
次に、光吸収層１８の表面にホール輸送層２２を形成する（ホール輸送層形成工程）。
ホール輸送層は、溶液塗布法などにより作製することができる。具体的には、ホール輸送層２２を構成する材料を溶媒に溶解させた溶液又は分散媒に分散させた分散液を光吸収層１８の表面に塗布し、溶媒又は分散媒を揮発させる。溶媒又は分散媒の種類、溶液又は分散液の濃度、乾燥条件等は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
【００５７】
［４．５．  対向電極形成工程］
次に、ホール輸送層２２の表面に対向電極２４を形成する（対向電極形成工程）。対向電極２４の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。対向電極２４の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、溶液塗布法などがある。
【００５８】
［５．  作用］
ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイトを光吸収層に用いた光電変換素子において、光吸収層において励起された電子は、通常、光吸収層から電子輸送層に移動する。
このような光電変換素子において、電子輸送層と光吸収層との界面に窒素官能基化ナノグラフェンを挿入すると、電子抽出速度が変化する。特に、窒素官能基化ナノグラフェンのＬＵＭＯエネルギー準位が、光吸収層のＬＵＭＯエネルギー準位と電子輸送層のＬＵＭＯエネルギー準位の中間にある場合、電子抽出速度が高速化する。
これは、励起された電子が光吸収層から窒素官能基化ナノグラフェンを介して電子輸送層に移動するため、及び、これによって電子が易移動化するためと考えられる。
【実施例】
【００５９】
（参考例１、実施例２、参考例３〜４、実施例５、比較例１）
［１．  試料の作製］
［１．１．  比較例１］
［１．１．１．  ＴｉＯ2層の形成］
透明導電性基板として、ガラス基板上にスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）膜が形成された基板を用いた。ＴｉＯ2層（電子輸送層）の形成には、０．７５ｇの無水エタノール中に０．３ｇのチタンペースト（ＤＹＥＳＯＬ社製、１８ＮＲ−Ｔ）を溶解した溶液を用いた。
透明導電性基板の表面をＵＶ／オゾンにより洗浄した後、ＴｉＯ2溶液を、スピンコーターを用いて２，０００ｒｐｍで３０秒の条件で基板上に塗布した。この基板を、空気中、５５０℃で３０分間加熱処理することで、多孔性を有したＴｉＯ2層を形成した。
【００６０】
［１．１．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
エタノール中に３３ｗｔ％のメチルアミン（ＣＨ3ＮＨ2）を溶解させたメチルアミン溶液、及び、水に５７ｗｔ％のヨウ化水素（ＨＩ）を溶解させたヨウ化水素溶液を調製した。３８ｍＬ（０．３ｍｏｌ）のメチルアミン溶液に、４０ｍＬ（０．３ｍｏｌ）のヨウ化水素溶液を窒素バブリングを行いながら滴下し、氷浴下で２時間攪拌した。この溶液をロータリーエバポレーターを用いて乾固させ、再精製することでヨウ化メチルアミン（ＣＨ3ＮＨ3Ｉ）を合成した。
次に、合成したヨウ化メチルアミンとヨウ化鉛（ＰｂＩ2）とをモル比１：１の割合で、ジメチルスルホキシド（(ＣＨ3)2ＳＯ）に３０ｗｔ％濃度になるように溶解し、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3のジメチルスルホキシド溶液を調製した。
【００６１】
［１．１．３．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト（ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3）のジメチルスルホキシド溶液を、３，０００回転で３００秒間展開して被覆した。次いで、１００℃で４５分間乾燥させることで、ハイブリッド型ペロブスカイト化合物（ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3）の茶褐色結晶を多孔性ＴｉＯ2層の表面に形成した。
次に、この表面にホール輸送層としてSpiro薄膜を形成した。最後に、これらの積層膜の最上層に、銀の薄膜を対向電極として成膜することで、光電変換素子を作製した。
【００６２】
［１．２．  参考例１］
［１．２．１．  ＴｉＯ2層の形成］
比較例１と同様にして、透明導電性基板上に多孔性ＴｉＯ2層を形成した。
［１．２．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
比較例１と同様にして、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を合成した。
【００６３】
［１．２．３．  ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェンの合成］
ジアミノナフタレン基を有するナノグラフェンの合成は、２，３−ジアミノナフタレン（ＤＡＮ）を添加した水溶液中にナノグラフェンを分散させ、オートクレーブ中で加熱処理することにより行った。
１０ｍｇのナノグラフェンを５ｍＬのイオン交換水に分散させた。得られた分散液に、２０ｍｇの２，３−ジアミノナフタレンをさらに加えて分散させた。得られた分散液を密閉容器中、１８０℃×１２時間で加熱した。加熱後、充分に洗浄を行い、ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェンを分離した（図２参照）。
【００６４】
［１．２．４．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、スピンコーターを用いて、ジアミノナフタレン基修飾ナノグラフェン溶液を２，０００回転で３０秒間展開した。次いで、７０℃で３０分間乾燥し、ナノグラフェン層をＴｉＯ2の表面に形成した。
さらに、ナノグラフェン層の上に、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト（ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3）のジメチルスルホキシド溶液を、３，０００回転で３００秒間展開して被覆した。次いで、１００℃で４５分間乾燥させることで、ハイブリッド型ペロブスカイト化合物（ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3）の茶褐色結晶をナノグラフェン層の表面に形成した。
次に、この表面にホール輸送層としてSpiro薄膜を形成した。最後に、これらの積層膜の最上層に、銀の薄膜を対向電極として成膜することで、光電変換素子を作製した。
【００６５】
［１．３．  実施例２］
［１．３．１．  ＴｉＯ2層の形成］
比較例１と同様にして、透明導電性基板上に多孔性ＴｉＯ2層を形成した。
［１．３．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
比較例１と同様にして、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を合成した。
【００６６】
［１．３．３．  フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェンの合成］
フェニレンジアミン基を有するナノグラフェンの合成は、ｏ−フェニレンジアミン（ｏＰＤ）を添加した水溶液中にナノグラフェンを分散させ、オートクレーブ中で加熱処理することにより行った。
１０ｍｇのナノグラフェンを５ｍＬのイオン交換水に分散させた。得られた分散液に、２０ｍｇのｏ−フェニレンジアミンをさらに加えて分散させた。得られた分散液を密閉容器中、１８０℃×１２時間で加熱した。加熱後、充分に洗浄を行い、フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェンを分離した（図２参照）。
【００６７】
［１．３．４．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、スピンコーターを用いて、フェニレンジアミン基修飾ナノグラフェン溶液を２，０００回転で３０秒間展開した。次いで、７０℃で３０分間乾燥し、ナノグラフェン層をＴｉＯ2の表面に形成した。
以下、参考例１と同様にして、光電変換素子を作製した。
【００６８】
［１．４．  参考例３］
［１．４．１．  ＴｉＯ2層の形成］
比較例１と同様にして、透明導電性基板上に多孔性ＴｉＯ2層を形成した。
［１．４．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
比較例１と同様にして、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を合成した。
【００６９】
［１．４．３．  アゾ基修飾ナノグラフェンの合成］
氷浴下（５℃以下）で濃塩酸（３．４ｍＬ）とイオン交換水（４ｍＬ）の混合液にアニリン（３７．２ｍｇ）を加えた後、ゆっくりと亜硝酸ナトリウム（２８ｍｇ）とイオン交換水（０．２４ｍＬ）の混合液を加えた。ヨウ化カリウムでんぷん紙が青色を呈したのを確認し、反応溶液を、ナノグラフェン（２．４ｍｇ）、イオン交換水（０．４ｍｇ）、水酸化ナトリウム（１２ｍｇ）の混合液にゆっくりと加えると、黒赤色沈殿を生じた。
【００７０】
さらに、反応溶液を水酸化ナトリウム（１２０ｍｇ）とイオン交換水（１．２ｍＬ）の混合液で微アルカリ性にして１時間攪拌した。反応溶液を遠心分離（１３４００ｒｐｍ、３０ｍｉｎ）し、沈殿物を回収し、イオン交換水で再分散させた。３日間の透析（１０００Ｄａ）を行い、精製した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるアゾ基修飾ナノグラフェンを得た（図２）。
【００７１】
［１．４．４．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、スピンコーターを用いて、アゾ基修飾ナノグラフェン溶液を２，０００回転で３０秒間展開した。次いで、７０℃で３０分間乾燥し、ナノグラフェン層をＴｉＯ2の表面に形成した。
以下、参考例１と同様にして、光電変換素子を作製した。
【００７２】
［１．５．  参考例４］
［１．５．１．  ＴｉＯ2層の形成］
比較例１と同様にして、透明導電性基板上に多孔性ＴｉＯ2層を形成した。
［１．５．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
比較例１と同様にして、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を合成した。
【００７３】
［１．５．３．  アミン基修飾ナノグラフェンの合成］
イオン交換水（３．１ｍＬ）にナノグラフェン（５ｍｇ）を分散させ、２８％アンモニア水（１．９ｍＬ）を加えて超音波処理を３０分間施した。分散液をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のオートクレーブ容器に入れて加熱処理（１００℃、５ｈ）した。
反応後の分散液を０．２μｍのＰＴＦＥフィルターで濾過し、濾液を透析チューブ（１０００Ｄａ）に入れ、３日間透析した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるアミン基修飾ナノグラフェンを得た（図２）。
【００７４】
［１．５．４．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、スピンコーターを用いて、アミン基修飾ナノグラフェン溶液を２，０００回転で３０秒間展開した。次いで、７０℃で３０分間乾燥し、ナノグラフェン層をＴｉＯ2の表面に形成した。
以下、参考例１と同様にして、光電変換素子を作製した。
【００７５】
［１．６．  実施例５］
［１．６．１．  ＴｉＯ2層の形成］
比較例１と同様にして、透明導電性基板上に多孔性ＴｉＯ2層を形成した。
［１．６．２．  ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3の合成］
比較例１と同様にして、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を合成した。
【００７６】
［１．５．３．  ジメチルアミン基修飾ナノグラフェンの合成］
ジメチルホルムアミド（５ｍＬ）にナノグラフェン（５ｍｇ）を分散させ、超音波処理（３０ｍｉｎ）した後、分散液を還流処理（２４ｈ）した。反応後のジメチルホルムアミド分散液を溶媒留去し、イオン交換水で再分散させた。
水分散液を０．２μｍのＰＴＦＥフィルターで濾過し、濾液を透析チューブ（１０００Ｄａ）に入れ、３日間透析した。精製後の水分散液を凍結乾燥し、目的物であるジメチルアミン基修飾ナノグラフェンを得た（図２）。
【００７７】
［１．６．４．  光電変換素子の作製］
透明導電性基板上の多孔性ＴｉＯ2層の表面に、スピンコーターを用いて、ジメチルアミン基修飾ナノグラフェン溶液を２，０００回転で３０秒間展開した。次いで、７０℃で３０分間乾燥し、ナノグラフェン層をＴｉＯ2の表面に形成した。
以下、参考例１と同様にして、光電変換素子を作製した。
【００７８】
［２．  試験方法］
［２．１．  ＬＵＭＯエネルギー準位］
ＬＵＭＯエネルギー準位は、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）法により計測を行った。ＣＶ計測は、標準的な３電極系によって行った。ここで、白金線を対向電極に、銀線を参照電極に用いた。作用電極は、グラッシーカーボンディスク上に窒素官能基化ナノグラフェンの分散溶液を滴下乾燥することで作製した。電解液には、０．１Ｍのヘキサフルオロりん酸テトラブチルアンモニウムを含むアセトニトリル溶液を用いた。計測は、−２Ｖから２Ｖの間を作用電極の電位を挿引して電流を計測することにより行った。
【００７９】
［２．３．  電子抽出速度］
フェムト秒過渡吸収時間分解分光測定装置により、７６０ｎｍでの過渡吸収の時間変化を計測した。過渡吸収の減衰を指数関数で近似することで、電子抽出速度を算出した。
【００８０】
［３．  結果］
［３．１．  ＬＵＭＯエネルギー準位］
図２に、窒素官能基化ナノグラフェンの模式図、及び、窒素官能基の導入に用いた試薬と導入された窒素官能基との関係を示す。
２，３−ジアミノナフタレン基及びｏ−フェニレンジアミン基は、それぞれ、ナノグラフェンの一つのＲに結合している形態（Ｒ）と、隣り合う二つのＲに結合している形態（Ｒ−Ｒ）の２種類の結合形態があると考えられる。
【００８１】
アンモニアでナノグラフェンを処理すると、−ＣＯＮＨ2基と−ＮＨ2基の二つの官能基が導入される。これらの内、−ＮＨ2基はπ共役性窒素官能基であるが、−ＣＯＮＨ2基はπ共役性窒素官能基ではない。
同様に、Ｎ，Ｎ−ジメチルフォルムアミドでナノグラフェンを処理すると、−ＣＯＮ(ＣＨ3)2基と−Ｎ(ＣＨ3)2の二つの官能基が導入される。これらの内、−Ｎ(ＣＨ3)2基はπ共役性窒素官能基であるが、−ＣＯＮ(ＣＨ3)2基はπ共役性窒素官能基ではない。
【００８２】
これらの窒素官能基化ナノグラフェンのＬＵＭＯエネルギー準位は、それぞれ、−３．７５ｅＶ（参考例１）、−４．０４ｅＶ（実施例２）、−３．７２ｅＶ（参考例３）、−３．９８ｅＶ（参考例４）、及び、−４．０２ｅＶ（実施例５）であった。すなわち、ナノグラフェンに導入するπ共役性窒素官能基の種類に応じて、窒素官能基化ナノグラフェンのＬＵＭＯエネルギー準位が変化することがわかった。
【００８３】
［３．２．  電子抽出速度］
図３に、７６０ｎｍでの過渡吸収の減衰スペクトル、及び電子抽出速度の比較を示す。比較例１で得られた光電変換素子の電子抽出速度は、２８３（ｐｓ）であった。一方、参考例１、実施例２、参考例３〜４、実施例５で得られた光電変換素子の電子抽出速度は、それぞれ、１４６（ｐｓ）（参考例１）、４４（ｐｓ）（実施例２）、１６３（ｐｓ）（参考例３）、９４（ｐｓ）（参考例４）、又は、８８（ｐｓ）（実施例５）であり、いずれも比較例１と比べて高速化した。また、窒素官能基化ナノグラフェンのＬＵＭＯエネルギー準位が小さくなるほど、電子抽出速度が高速化する傾向が認められた。
【００８４】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係る光電変換素子は、太陽光発電装置に用いることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  光電変換素子
１４  下部電極
１６  電子輸送層
１８  光吸収層
２０  窒素官能基化ナノグラフェン
２２  ホール輸送層
２４  対向電極
【図１】
0006520349.tif 000002
【図２】
0006520349.tif 000003
【図３】
0006520349.tif 000004