(57)【要約】  太陽電池は、第１電極と、第１電極に対向する第２電極と、第１電極および第２電極との間に位置し、第１層と第２層とを含む光吸収層と、を備え、第１層は、Ａ１を１価のカチオンとし、Ｍ１を２価のカチオンとし、Ｘ１をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有する第１化合物を含み、第２層は、Ａ２を１価のカチオンとし、Ｍ２を２価のカチオンとし、Ｘ２をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有し、第１化合物とは組成が異なる第２化合物を含み、第１層における第１化合物、および、第２層における第２化合物の少なくとも一方は単一の配向性を有している。
2018123402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極に対向する第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極との間に位置し、第１層と第２層とを含む光吸収層と、
を備え、
前記第１層は、Ａ１を１価のカチオンとし、Ｍ１を２価のカチオンとし、Ｘ１をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有する第１化合物を含み、
前記第２層は、Ａ２を１価のカチオンとし、Ｍ２を２価のカチオンとし、Ｘ２をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有し、前記第１化合物とは組成が異なる第２化合物を含み、
前記第１層における前記第１化合物、および、前記第２層における前記第２化合物の少なくとも一方は単一の配向性を有している、
太陽電池。
【請求項２】
前記第１層において、前記第１化合物は単一の配向性を有しており、
前記第２層において、前記第２化合物は単一の配向性を有している、
請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１化合物の配向と前記第２化合物の配向とは揃っている、請求項１または請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
ＣｕＫα線を用いた前記第１層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１８°以上２３°以下の範囲に第１ピークが存在し、前記第１ピークの回折強度は、回折角１３°以上１６°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上であり、
ＣｕＫα線を用いた、前記第２層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１８°以上２３°以下の範囲に第２ピークが存在し、前記第２ピークの回折強度は、回折角１３°以上１６°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
ＣｕＫα線を用いた前記第１層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１３°以上１６°以下の範囲に第１ピークが存在し、前記第１ピークの回折強度は、回折角１８°以上２３°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上であり、
ＣｕＫα線を用いた前記第２層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１３°以上１６°以下の範囲に第２ピークが存在し、前記第２ピークの回折強度は、回折角１８°以上２３°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第１電極と前記第１層との間に第１キャリア輸送層をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１電極は負極であり、前記第２電極は正極であり、前記第１キャリア輸送層は電子輸送層である、請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第２層と前記第２電極との間に第２キャリア輸送層をさらに備える、請求項６または請求項７に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記第１電極は負極であり、前記第２電極は正極であり、前記第２キャリア輸送層は正孔輸送層である、請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さの１／４以下である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記第１化合物におけるＡ1はＣＨ3ＮＨ3+、Ｂ1はＰｂ2+であり、前記第２化合物におけるＡ2はＮＨ2ＣＨＮＨ2+、Ｂ2はＰｂ2+である、
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の太陽電池。
【請求項１２】
Ａ１を１価のカチオンとし、Ｍ１を２価のカチオンとし、Ｘ１をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有する第１化合物を含む第１層と、
Ａ２を１価のカチオンとし、Ｍ２を２価のカチオンとし、Ｘ２をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有する、前記第１化合物とは組成が異なる第２化合物を含む第２層と、
を備え、
前記第１層における前記第１化合物、および、前記第２層における前記第２化合物の少なくとも一方は単一の配向性を有している、
光吸収層。
【請求項１３】
前記第１層において、前記第１化合物は単一の配向性を有しており、
前記第２層において、前記第２化合物は単一の配向性を有している、
請求項１２に記載の光吸収層。
【請求項１４】
前記第１化合物の配向と前記第２化合物の配向とは揃っている、請求項１２または請求項１３に記載の光吸収層。
【請求項１５】
（Ａ）１価のカチオンＡ１、２価のカチオンＭ１、およびハロゲンアニオンＸ１を含む第１溶液を基板上に配置し、前記第１溶液を乾燥させることにより、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有し、単一の配向性を有する第１化合物を含む第１層を形成し、
（Ｂ）１価のカチオンＡ２、２価のカチオンＭ２、およびハロゲンアニオンＸ２を含む第２溶液を前記第１層上に配置し、前記第２溶液を乾燥させることにより、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有し、単一の配向性を有する、前記第１化合物とは異なる第２化合物を含む第２層を前記第１層上に形成する、
光吸収層の形成方法。
【請求項１６】
前記第２溶液はラクトン系溶媒を含む、請求項１５に記載の光吸収層の形成方法。
【請求項１７】
前記（Ｂ）において、前記基板を第２溶液が飽和もしくは過飽和状態となる温度に加熱し、加熱した前記基板を前記第２溶液に浸漬させる、請求項１５または請求項１６に記載の光吸収層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、太陽電池、光吸収層および光吸収層の形成方法に関する。ここで、太陽電池とはいわゆるペロブスカイト型太陽電池を包含している。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡＭＸ3という組成式で示されるペロブスカイト型結晶構造およびその類似の結晶構造を有する化合物を光吸収材料として用いた太陽電池の研究開発が進められている。以下、「ＡＭＸ3という組成式で示されるペロブスカイト型結晶構造およびその類似の結晶構造を有する化合物」を「ペロブスカイト型化合物」と呼ぶ。【０００３】
ペロブスカイト型化合物を用いた太陽電池は、対向して配置された２つの電極と、その間に位置し、光吸収および光電荷分離を行う光吸収層とを含む積層構造を有している。以下、「ペロブスカイト型化合物を用いた太陽電池」を「ペロブスカイト太陽電池」と呼ぶ。光吸収層は、ペロブスカイト型化合物を含む。以下、「ペロブスカイト型化合物を含む層」を「ペロブスカイト層」と呼ぶ。ペロブスカイト型化合物として、例えばＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3で示される化合物が用いられる。【０００４】
また、特許文献１および２、非特許文献１および２には、ペロブスカイト層が単一の配向性を持つペロブスカイト太陽電池が示される。これらの文献には、このようなペロブスカイト層を用いることによって、ペロブスカイト太陽電池の変換効率を向上できることが示唆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２５１７０号公報
【特許文献２】特開２０１６−９２２９３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｇｉｕｌｉａ  Ｇｒａｎｃｉｎｉ、他１０名、“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ”（米国）、２０１４年５月，  ｐ．３８３６―３８４２
【非特許文献２】Ｆｅｎｇ  Ｗａｎｇ、他２名、“Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”（独国）、２０１５年２月、第２５巻、第７号、ｐ．１１２０−１１２６
【発明の開示】
【０００７】
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ことが求められている。
【０００８】
本開示の一態様は、より変換効率の高い太陽電池を提供する。
【０００９】
本開示の一態様に係る太陽電池は、第１電極と、第１電極上に位置し、光を電荷に変換する光吸収層と、光吸収層上に位置する第２電極とを備え、光吸収層は、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13（式中、Ａ1は１価のカチオンであり、Ｍ1は２価のカチオンであり、Ｘ1はハロゲンアニオンである）で示される第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層と、第１層上に位置し、組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23（式中、Ａ2は１価のカチオンであり、Ｍ2は２価のカチオンであり、Ｘ2はハロゲンアニオンである）で示される第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層とを含み、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物とは異なる組成を有する。
【００１０】
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【００１１】
本開示の一態様によれば、より変換効率の高い太陽電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施形態の太陽電池１００の一例を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、光吸収層３の形成方法の概略を説明するための模式的な断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、光吸収層３の形成方法の概略を説明するための模式的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、典型的な方法で形成された光吸収層３０の模式的な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、光吸収層３の形成方法の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、光吸収層３の形成方法の一例を示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、光吸収層３の形成方法の一例を示す模式図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、光吸収層３の形成方法の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、第２の実施形態の太陽電池１０１の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、第３の実施形態の太陽電池１０２の一例を模式的に示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施例１における光吸収層３の第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施例１における光吸収層３の第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施例２における光吸収層３の第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、実施例２における光吸収層３の第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施例３における光吸収層３の第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施例３における光吸収層３の第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施例４における光吸収層３の第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施例４における光吸収層３の第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施例５における光吸収層３の第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施例５における光吸収層３の第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図１１】図１１は、比較例１における光吸収層のＸＲＤ測定結果を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１および実施例２の太陽電池の外部量子効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本開示の基礎となった知見）
太陽電池の変換効率の向上のために、例えば、短絡電流密度Ｊｓｃを高くすることが考えられる。ここで、変換効率は、短絡電流密度をＪｓｃ（Ａ／Ｃｍ2）、開放電圧をＶｏｃ（Ｖ）、曲線因子をＦＦ（％）とすると、Ｊｓｃ×Ｖｏｃ×ＦＦを入射光強度で割ることで求められる。短絡電流密度Ｊｓｃは、短絡電流を受光面積で割った値である。短絡電流とは、太陽電池の電圧が０Ｖのときに流れる電流である。
【００１４】
本願発明者の検討によると、前述した文献に開示された典型的なペロブスカイト太陽電池では、光励起によって生じたキャリアを、高い効率で電流として取り出すことが困難である。それにより電流のロスが生じるおそれがある。このため、短絡電流密度Ｊｓｃをさらに高めることが難しい。この原因は、キャリアである電子および正孔を外部に取り出す前に、太陽電池内で電子と正孔との再結合が生じているからと考えられる。
【００１５】
そこで、本願発明者は、太陽電池の変換効率を高めることの可能な光吸収層の構造および形成方法を検討した。その結果、複数のペロブスカイト層を積み重ねた構造を有する光吸収層を用いることで、太陽電池の短絡電流密度を高めることができ、それによって太陽電池の変換効率をさらに向上できることを見出した。以下、より詳しく説明する。
【００１６】
ペロブスカイト層は、典型的にはスピンコート法などの塗布法によって形成される。塗布法では、例えばペロブスカイト型化合物の構成元素と溶媒とを含む溶液である塗布液を基板上に塗布し、加熱して乾燥させることでペロブスカイト層を形成する。しかし、塗布法を用いて複数のペロブスカイト層を積み重ねた構造を形成することは困難である。下層となるペロブスカイト層の上に、上層となるペロブスカイト層を形成するための塗布液を付与すると、下層のペロブスカイト層に含まれるペロブスカイト型化合物がその塗布液に溶けてしまうおそれがある。
【００１７】
これに対し、本願発明者は、下層となるペロブスカイト層をシード層として用い、上層となるペロブスカイト層を下層となるペロブスカイト層上に析出させることで、積層構造を有する光吸収層を形成できることを見出した。
【００１８】
上記方法によると、組成の異なる２つのペロブスカイト層を積み重ねた構造を有する光吸収層を形成することが可能になる。このような光吸収層では、２つのペロブスカイト層の価電子帯および伝導帯のエネルギー準位の差を利用して、太陽電池内で生じるキャリアの再結合を抑制できる。したがって、このような光吸収層を用いることにより、太陽電池の変換効率をより高くすることができる。詳細は後述する。
【００１９】
また、本願発明者の見出した方法によると、典型的な方法と比べて、より容易にペロブスカイト層中のペロブスカイト型化合物の結晶の配向を制御することが可能である。さらに、結晶の配向が制御されたペロブスカイト層を所望の厚さで形成できる。ペロブスカイト層内の結晶の配向が揃っていると、ペロブスカイト層内でキャリアが移動しやすくなる。それにより、太陽電池の短絡電流密度を高めることができる。
【００２０】
本開示の一実施形態の概要は以下のとおりである。
【００２１】
［項目１］
第１電極と、
第１電極に対向する第２電極と、
第１電極および第２電極との間に位置し、第１層と第２層とを含む光吸収層と、
を備え、
第１層は、Ａ１を１価のカチオンとし、Ｍ１を２価のカチオンとし、Ｘ１をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有する第１化合物を含み、
第２層は、Ａ２を１価のカチオンとし、Ｍ２を２価のカチオンとし、Ｘ２をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有し、第１化合物とは組成が異なる第２化合物を含み、
前記第１層における前記第１化合物、および、前記第２層における前記第２化合物の少なくとも一方は単一の配向性を有している、
太陽電池。
【００２２】
［項目２］
第１層において、第１化合物は単一の配向性を有しており、
第２層において、第２化合物は単一の配向性を有している、
項目１に記載の太陽電池。
【００２３】
［項目３］
第１化合物の配向と第２化合物の配向とは揃っている、項目１または項目２に記載の太陽電池。
【００２４】
［項目４］
ＣｕＫα線を用いた第１層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１８°以上２３°以下の範囲に第１ピークが存在し、第１ピークの回折強度は、回折角１３°以上１６°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上であり、
ＣｕＫα線を用いた、第２層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１８°以上２３°以下の範囲に第２ピークが存在し、第２ピークの回折強度は、回折角１３°以上１６°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上である、項目１から項目３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【００２５】
［項目５］
ＣｕＫα線を用いた第１層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１３°以上１６°以下の範囲に第１ピークが存在し、第１ピークの回折強度は、回折角１８°以上２３°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上であり、
ＣｕＫα線を用いた第２層のＸ線回折パターンにおいて、回折角１３°以上１６°以下の範囲に第２ピークが存在し、第２ピークの回折強度は、回折角１８°以上２３°以下の範囲における回折強度の最大値の１０倍以上である、項目１から項目３のいずれか一項に記載の太陽電池。
【００２６】
［項目６］
第１電極と第１層との間に第１キャリア輸送層をさらに備える、項目１から項目５のいずれか一項に記載の太陽電池。
【００２７】
［項目７］
第１電極は負極であり、第２電極は正極であり、第１キャリア輸送層は電子輸送層である、項目６に記載の太陽電池。
【００２８】
［項目８］
第２層と第２電極との間に第２キャリア輸送層をさらに備える、項目６または項目７に記載の太陽電池。
【００２９】
［項目９］
第１電極は負極であり、第２電極は正極であり、第２キャリア輸送層は正孔輸送層である、項目８に記載の太陽電池。
【００３０】
［項目１０］
第１層の厚さは、第２層の厚さの１／４以下である、項目１から項目９のいずれか一項に記載の太陽電池。
【００３１】
［項目１１］
第１化合物におけるＡ1はＣＨ3ＮＨ3+、Ｂ1はＰｂ2+であり、第２化合物におけるＡ2はＮＨ2ＣＨＮＨ2+、Ｂ2はＰｂ2+である、
項目１から項目１０のいずれか一項に記載の太陽電池。
【００３２】
［項目１２］
Ａ１を１価のカチオンとし、Ｍ１を２価のカチオンとし、Ｘ１をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有する第１化合物を含む第１層と、
Ａ２を１価のカチオンとし、Ｍ２を２価のカチオンとし、Ｘ２をハロゲンアニオンとしたとき、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有する、第１化合物とは組成が異なる第２化合物を含む第２層と、
を備え、
第１層における第１化合物、および、第２層における第２化合物の少なくとも一方は単一の配向性を有している、
光吸収層。
【００３３】
［項目１３］
第１層において、第１化合物は単一の配向性を有しており、
第２層において、第２化合物は単一の配向性を有している、
項目１２に記載の光吸収層。
【００３４】
［項目１４］
第１化合物の配向と第２化合物の配向とは揃っている、
項目１２または項目１３に記載の光吸収層。
【００３５】
［項目１５］
（Ａ）１価のカチオンＡ１、２価のカチオンＭ１、およびハロゲンアニオンＸ１を含む第１溶液を基板上に配置し、第１溶液を乾燥させることにより、組成式Ａ１Ｍ１Ｘ１３で示されるペロブスカイト構造を有し、単一の配向性を有する第１化合物を含む第１層を形成し、
（Ｂ）１価のカチオンＡ２、２価のカチオンＭ２、およびハロゲンアニオンＸ２を含む第２溶液を第１層上に配置し、第２溶液を乾燥させることにより、組成式Ａ２Ｍ２Ｘ２３で示されるペロブスカイト構造を有し、単一の配向性を有する、第１化合物とは異なる第２化合物を含む第２層を第１層上に形成する、
光吸収層の形成方法。
【００３６】
［項目１６］
第２溶液はラクトン系溶媒を含む、項目１５に記載の光吸収層の形成方法。
【００３７】
［項目１７］
（Ｂ）において、基板を第２溶液が飽和もしくは過飽和状態となる温度に加熱し、加熱した基板を第２溶液に浸漬させる、項目１５または項目１６に記載の光吸収層の形成方法。
【００３８】
また、本開示の一実施形態の概要は以下のとおりである。
【００３９】
本開示の一実施形態の太陽電池は、第１電極と、第１電極上に位置し、光を電荷に変換する光吸収層と、光吸収層上に位置する第２電極とを備え、光吸収層は、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13（式中、Ａ1は１価のカチオンであり、Ｍ1は２価のカチオンであり、Ｘ1はハロゲンアニオンである）で示される第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層と、第１層上に位置し、組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23（式中、Ａ2は１価のカチオンであり、Ｍ2は２価のカチオンであり、Ｘ2はハロゲンアニオンである）で示される第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層とを含み、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物とは異なる組成を有する。
【００４０】
第１層内で結晶の配向が揃っており、第２層内で結晶の配向が揃っていてもよい。
【００４１】
第１層と第２層との結晶の配向が揃っていてもよい。
【００４２】
ＣｕＫα線を用いたＸ線回折において、角度２θが１３°以上１６°以下の範囲を第１範囲とし、角度２θが１８°以上２３°以下の範囲を第２範囲とし、第１層は、第２範囲に第１ピークを有し、第１ピークの強度は、例えば、第１層の第１範囲における強度の最大値の１０倍以上であり、第２層は、第２範囲に第２ピークを有し、第２ピークの強度は、例えば、第２層の第１範囲における強度の最大値の１０倍以上であってもよい。
【００４３】
ＣｕＫα線を用いたＸ線回折において、角度２θが１３°以上１６°以下の範囲を第１範囲とし、角度２θが１８°以上２３°以下の範囲を第２範囲とし、第１層は、第１範囲に第１ピークを有し、第１ピークの強度は、例えば、第１層の第２範囲における強度の最大値の１０倍以上であり、第２層は、第１範囲に第２ピークを有し、第２ピークの強度は、例えば、第２層の第２範囲における強度の最大値の１０倍以上であってもよい。
【００４４】
上記太陽電池は、第１電極と第１層との間に位置する第１のキャリア輸送層をさらに含んでもよい。
【００４５】
第１電極は負極、第２電極は正極であり、第１のキャリア輸送層は電子輸送層であってもよい。
【００４６】
上記太陽電池は、第２層と第２電極との間に位置する第２のキャリア輸送層をさらに含んでもよい。
【００４７】
第１電極は負極、第２電極は正極であり、第２のキャリア輸送層は正孔輸送層であってもよい。
【００４８】
第１層の厚さは、例えば、第２層の厚さの１／４以下であってもよい。
【００４９】
第１ペロブスカイト型化合物の組成式におけるＡ1はＣＨ3ＮＨ3+、Ｂ1はＰｂ2+であり、第２ペロブスカイト型化合物の組成式におけるＡ2はＮＨ2ＣＨＮＨ2+、Ｂ2はＰｂ2+であってもよい。
【００５０】
本開示の一実施形態の光吸収層は、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13（式中、Ａ1は１価のカチオンであり、Ｍ1は２価のカチオンであり、Ｘ1はハロゲンアニオンである）で示される第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層と、第１層上に、第１層の上面と接するように配置された第２層であって、組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23（式中、Ａ2は１価のカチオンであり、Ｍ2は２価のカチオンであり、Ｘ2はハロゲンアニオンである）で示される第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層とを含み、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物とは異なる組成を有する。
【００５１】
第１層内で結晶の配向が揃っており、第２層内で結晶の配向が揃っていてもよい。
【００５２】
第１層と第２層との結晶の配向が揃っていてもよい。
【００５３】
本開示の光吸収層の形成方法は、（Ａ）基板上に、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13（式中、Ａ1は１価のカチオンであり、Ｍ1は２価のカチオンであり、Ｘ1はハロゲンアニオンである）で示される第１ペロブスカイト型化合物の構成元素を含む第１の溶液を付与し、第１の溶液を乾燥させることにより、第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層を形成する工程と、（Ｂ）組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23（式中、Ａ2は１価のカチオンであり、Ｍ2は２価のカチオンであり、Ｘ2はハロゲンアニオンである）で示される第２ペロブスカイト型化合物の構成元素を含む第２の溶液を、第１層の上面に接触させた状態で、基板を静置することにより、第１層上に、第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層を析出させる工程とを包含し、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物とは同じまたは異なる組成を有する。
【００５４】
第２の溶液はラクトン系溶媒を含んでもよい。
【００５５】
工程（Ｂ）では、基板を第２の溶液５２が飽和もしくは過飽和状態となる温度に加熱し、加熱した基板を第２の溶液に浸漬させることにより、第２の溶液を第１層の上面に接触させてもよい。
【００５６】
第２層は、第１層内の結晶の配向を反映した配向を有していてもよい。
【００５７】
（第１の実施形態）
図面を参照しながら、本開示の第１の実施形態の太陽電池を説明する。
【００５８】
図１は、本実施形態の太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。
【００５９】
太陽電池１００は、第１電極２と、光吸収層３と、第２電極４とを備える。光吸収層３は、第１電極２上に位置し、光を電荷に変換する。第２電極４は、光吸収層３上に位置する。光吸収層３は、第１層１１と、第１層１１上に位置する第２層１２とを含む。第１層１１は、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13で示される第１ペロブスカイト型化合物を含む。式中、Ａ1は１価のカチオンであり、Ｍ1は２価のカチオンであり、Ｘ1はハロゲンアニオンである。第２層１２は、組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23で示される第２ペロブスカイト型化合物を含む。式中、Ａ2は１価のカチオンであり、Ｍ2は２価のカチオンであり、Ｘ2はハロゲンアニオンである。Ａ1、Ａ2、Ｍ1、Ｍ2、Ｘ1、Ｘ2は１種類の元素であってもよいし、２種類以上の元素を含んでもよい。第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物とは異なる組成を有する。
【００６０】
次に、太陽電池１００の基本的な作用効果を説明する。太陽電池１００に光が照射されると、光吸収層３が光を吸収し、励起された電子と、正孔とを発生させる。励起された電子は、負極である第１電極２に移動する。一方、光吸収層３で生じた正孔は、正極である第２電極４に移動する。これにより、太陽電池１００は、負極と正極とから電流を取り出すことができる。
【００６１】
ここでは、第１電極２は負極、第２電極４は正極として機能する例を説明したが、第１電極２が正極、第２電極４が負極として機能してもよい。
【００６２】
太陽電池１００は、基板１を備えていてもよい。その場合、第１電極２は基板１上に位置してもよい。
【００６３】
「第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の組成が異なる」とは、第１ペロブスカイト型化合物の組成式における１価のカチオン、２価のカチオンおよびハロゲンアニオンのうちの少なくとも１つが、第２ペロブスカイト型化合物と異なることをいう。すなわち、Ａ1とＡ2、Ｍ1とＭ2、Ｘ1とＸ2の組のうち少なくとも１組において元素が異なることを指す。なお、第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物におけるＡ1、Ａ2、Ｍ1、Ｍ2、Ｘ1、Ｘ2のいずれかが２種以上の元素を含んでいてもよい。その場合には、「第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の組成が異なる」とは、Ａ1とＡ2、Ｍ1とＭ2、Ｘ1とＸ2の組のうち少なくとも１組において含まれる元素比が異なることを指す。
【００６４】
また、本実施形態の太陽電池１００は、第１層１１と、第１層１１上に位置する第２層１２を有し、第１層１１に含まれる第１ペロブスカイト型化合物と、第２層１２に含まれる第２ペロブスカイト型化合物との組成が異なっている。このことにより、単一のペロブスカイト層を有する光吸収層を備えた典型的な太陽電池よりも、短絡電流密度を高めることができる。この理由は以下の通りである。
【００６５】
光吸収層３を構成する第１層１１および第２層１２に含まれるペロブスカイト型化合物の組成は互いに異なる。したがって、第１層１１および第２層１２の価電子帯および伝導帯は異なるエネルギー準位を有する。これにより、光吸収層３では、第１層１１および第２層１２のエネルギー準位の違いから、価電子帯および伝導帯に傾きが生じる。そのことによって、光吸収層３において光照射時に生成したキャリアが特定の方向に移動しやすくなる。例えば、第１ペロブスカイト型化合物の価電子帯および伝導帯のエネルギー準位が、第２ペロブスカイト型化合物の価電子帯および伝導帯のエネルギー準位より高い場合を考える。この場合、電子は第１ペロブスカイト型化合物から第２ペロブスカイト型化合物に向かって移動しやすい。逆に、正孔は第２ペロブスカイト型化合物から第１ペロブスカイト型化合物に向かって移動しやすい。このように、キャリアが移動しやすい方向は、電子と正孔とで逆向きである。このことにより、光照射時に光吸収層で生成された電子と正孔は互いに反対方向に移動するため、分離しやすくなる。したがって、太陽電池１００内においてキャリアの再結合が抑制される。これによって、太陽電池の短絡電流密度が増加し、変換効率を高めることが可能になる。
【００６６】
本実施形態の太陽電池１００は、例えば以下の方法によって作製することができる。まず、基板１の表面にスパッタ法などによって第１電極２を形成する。次に、第１電極２の上に塗布法などによって光吸収層３を形成する。それから、光吸収層３の上に第２電極４をスパッタ法などによって形成することにより、太陽電池１００を得ることができる。
【００６７】
＜太陽電池１００の作用効果および構成要素＞
以下、太陽電池１００を構成する各構成要素を説明する。
【００６８】
＜基板１＞
基板１は、付随的な構成要素である。基板１は、太陽電池１００の各層を保持する。基板１の材料としては、透明な材料を用いることができる。透明な材料の例としては、例えばガラスまたはプラスチックが挙げられる。プラスチック基板としては、プラスチックフィルムを用いることもできる。また、第１電極２が十分な強度を有している場合、第１電極２によって各層を保持することができるので、必ずしも基板１を設けなくてよい。
【００６９】
＜第１電極２＞
第１電極２は、導電性を有する。また、第１電極２は、第１ペロブスカイト型化合物とオーミック接触を形成しない。さらに、第１電極２は、第１ペロブスカイト型化合物からの正孔に対するブロック性を有する。第１ペロブスカイト型化合物からの正孔に対するブロック性とは、光吸収層３内で発生し、第１ペロブスカイト型化合物と第１電極２の界面に位置する電子と正孔のうち、電子のみを通過させ、正孔を通過させない性質のことである。このような性質を有する材料とは、光吸収層３の価電子帯上端のエネルギー準位よりも、フェルミ準位が高い材料である。具体的な材料としては、アルミニウムが挙げられる。
【００７０】
また、第１電極２は、透光性を有する。第１電極２は、例えば、可視光及び近赤外光を透過させる特性を有する。第１電極２は、例えば、透明であり導電性を有する金属酸化物を用いて形成することができる。透明であり導電性を有する金属酸化物は、例えば、インジウム−錫複合酸化物、アンチモンをドープした酸化錫、フッ素をドープした酸化錫、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムをドープした酸化亜鉛あるいはこれらの複合物である。
【００７１】
また、第１電極２は、透明でない材料を用いてもよい。この場合には、部分的に光が透過するように、所定のパターンで透明でない材料を配置してもよい。所定のパターンとしては、例えば、線状、波線状、格子状、多数の微細な貫通孔が規則的または不規則に配列された形状のパターン、または、これらのパターンにおいて、透明でない材料が存在する領域と存在しない領域とを反転させたパターンが挙げられる。第１電極２がこれらのパターンを有すると、電極材料が存在しない部分を光が透過することができる。透明でない電極材料としては、例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム、チタン、鉄、ニッケル、スズ、亜鉛、またはこれらのいずれかを含む合金を挙げることができる。また、電極材料として、導電性を有する炭素材料を用いることもできる。
【００７２】
第１電極２の光の透過率は、例えば５０％以上である。第１電極２の光の透過率は、８０％以上であってもよい。透過すべき光の波長は、光吸収層３の吸収波長に依存する。第１電極２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にある。
【００７３】
＜光吸収層３＞
光吸収層３は、第１層１１および第２層１２を含む積層構造を有する。光吸収層３は、第１層１１および第２層１２に加えて他の層を含んでいてもよい。
【００７４】
第１層１１は、組成式Ａ1Ｍ1Ｘ13で示される第１ペロブスカイト型化合物を主として含む。第２層１２は、組成式Ａ2Ｍ2Ｘ23で示される第２ペロブスカイト型化合物を主として含む。Ａ1およびＡ2は１価のカチオンである。Ａ1およびＡ2の例としては、アルカリ金属カチオンや有機カチオンのような１価のカチオンが挙げられる。さらに具体的には、メチルアンモニウムカチオン（ＣＨ3ＮＨ3+）、ホルムアミジニウムカチオン（ＮＨ2ＣＨＮＨ2+）、セシウムカチオン（Ｃｓ+）が挙げられる。Ｍ1およびＭ2は２価のカチオンである。Ｍ1およびＭ2の例としては、遷移金属元素や第１３族元素〜第１５族元素の２価のカチオンが挙げられる。さらに具体的には、Ｐｂ2+、Ｇｅ2+、Ｓｎ2+が挙げられる。Ｘ1およびＸ2はハロゲンアニオンなどの１価のアニオンである。Ａ1、Ａ2、Ｍ1、Ｍ2、Ｘ1、Ｘ2のそれぞれのサイトは、複数種類のイオンによって占有されていてもよい。ペロブスカイト構造を有する化合物の具体例としては、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3、ＣＨ3ＣＨ2ＮＨ3ＰｂＩ3、ＮＨ2ＣＨＮＨ2ＰｂＩ3、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＣｌ3、ＣｓＰｂＩ3、ＣｓＰｂＢｒ3があげられる。
【００７５】
第１層１１および第２層１２は、それぞれ、単一の配向性を有していてもよい。本開示において、「単一の配向性を有する」とは、層内における結晶の配向が略揃っている状態、すなわち、層内における結晶の大部分がある一方向を向いている状態を指す。例えば、第１層１１において、第１ペロブスカイト型化合物の結晶における（１００）面が、第１層１１と第１電極２との界面に平行になるように結晶成長している場合を考える。この場合、第１層１１は、「（１００）方向に単一の配向性を有する」、あるいは、単に「（１００）配向を有する」と言う。第１層１１および第２層１２の一方、またはその両方が単一の配向性を有していると、配向の揃った層内でキャリアが移動しやすくなる。これにより、太陽電池の短絡電流密度をより効果的に高めることが可能になる。
【００７６】
第１層１１に含まれる第１ペロブスカイト型化合物、および第２層１２に含まれる第２ペロブスカイト型化合物は、それぞれ、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。第１ペロブスカイト型化合物または第２ペロブスカイト型化合物が多結晶である場合、第１層１１または第２層１２が「単一の配向性を有する」とは、第１ペロブスカイト型化合物または第２ペロブスカイト型化合物の複数の結晶領域の配向が互いに略揃っていることをいう。第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の両方が単結晶であってもよいし、両方が多結晶であってもよい。あるいは、第１ペロブスカイト型化合物が単結晶、第２ペロブスカイト型化合物が多結晶であってもよいし、その逆であってもよい。
【００７７】
ペロブスカイト層の配向性は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定によって評価することができる。ペロブスカイト層が単一の配向性を持っている場合、ＸＲＤ測定結果において、ある特定の角度と、その定数倍の角度にのみ強いピークが現れる。例えば、ペロブスカイト型化合物がＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3であり、（１００）方向に単一の配向性を有する場合、角度２θが１４°付近、２８°付近、４２°付近にのみピークが現れる（後述する図８Ａ、図８Ｂ参照）。あるいは、ペロブスカイト型化合物がＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3であり、（１１０）方向に単一の配向性を有する場合、角度２θが２０°付近よび４０°付近にのみピークが現れる（後述する図７Ａ、図７Ｂ参照）。ここで角度２θは回折角を意味する。
【００７８】
第１層１１および第２層１２は同一の配向性を有していてもよい。すなわち、第１層１１に含まれる第１ペロブスカイト型化合物の結晶の配向と、第２層１２に含まれる第２ペロブスカイト型化合物の結晶の配向とは揃っていてもよい。第１ペロブスカイト型化合物の結晶の配向と、第２ペロブスカイト型化合物の結晶との配向が揃っているとは、以下の２つの条件を満たす場合をいう。１つ目の条件は、第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物がいずれも単一の配向性を有することである。２つ目の条件は、第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の、第１層１１および第２層１２の界面に平行な面における面方位が同一であることを指す。例えば、第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の結晶がいずれも立方晶であると仮定する。このとき、両者の結晶の（１００）面がいずれも、第１層１１と第２層１２との界面に平行になるように結晶成長している場合、すなわち、第１層１１および第２層１２がいずれも（１００）方向に単一の配向性を有している場合、２つの層の配向が揃っているという。第１層１１と第２層１２との間で配向が揃っていると、第１層１１と第２層１２との界面においてキャリアの移動が妨げられにくくなる。したがって、太陽電池の短絡電流密度をさらに高めることが可能になる。
【００７９】
層中に含まれるペロブスカイト型化合物の結晶の配向が揃っているか否かは、第１層１１および第２層１２のＸＲＤ測定結果において、同じ面方位に帰属されるピークのみが出現するかどうかによって判断することができる。また、第１ペロブスカイト型化合物の結晶および第２ペロブスカイト型化合物の結晶の配向が揃っており、かつ結晶同士の格子定数が近い場合、第１層１１および第２層１２のＸＲＤ測定結果において、強いピークが近い位置に出現する。例えば、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物の格子定数の差が１０％以内である場合、同じ回折面に由来して現れる強いピークの角度２θの差は５°以内となり得る。
【００８０】
一例として、第１層１１におけるＣｕＫα線を用いたＸ線回折結果において、１３°≦２θ≦１６°を満たす範囲を第１範囲とし、１８°≦２θ≦２３°を満たす範囲を第２範囲としたとき、第２範囲に第１ピークｐ１を有し、かつ、第１ピークｐ１の強度が、第１範囲における強度の最大値の１０倍以上であり、第２層１２におけるＣｕＫα線を用いたＸ線回折結果において、第２範囲に第２ピークｐ２を有し、かつ、第２ピークｐ２の強度が、第１範囲における強度の最大値の１０倍以上である場合を考える。この場合、第１層１１および第２層１２の配向が揃っていると考えられる。すなわち、第１層１１および第２層１２は同じ配向性を有すると考えられる（後述する図７Ａおよび図７Ｂ参照）。またこの場合、第１層１１および第２層１２はいずれも、（１１０）配向を有すると考えられる。
【００８１】
また、他の例として、第１層１１におけるＣｕＫα線を用いたＸ線回折結果において、１３°≦２θ≦１６°を満たす範囲を第１範囲とし、１８°≦２θ≦２３°を満たす範囲を第２範囲としたとき、第１範囲に第３ピークｐ３を有し、かつ、第３ピークｐ３の強度が、第２範囲における強度の最大値の１０倍以上であり、第２層１２におけるＣｕＫα線を用いたＸ線回折結果において、第１範囲に第４ピークｐ４を有し、かつ、第４ピークｐ４の強度が、第２範囲における強度の最大値の１０倍以上である場合を考える。この場合、第１層１１の配向と第２層１２の配向とは揃っていると考えられる（後述する図８Ａおよび図８Ｂ参照）。またこの場合、第１層１１および第２層１２は、いずれも（１００）配向を有すると考えられる。
【００８２】
＜光吸収層３の形成方法＞
次いで、図面を参照しながら、本実施形態における光吸収層３の形成方法を説明する。
【００８３】
図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態における光吸収層３の形成方法の概略を説明するための模式的な断面図である。
【００８４】
まず、表面に第１電極（不図示）が形成された下地基板１０を用意する。
【００８５】
次いで、図２Ａに示すように、下地基板１０上に第１層１１を形成する。第１層１１は、公知の方法で形成され得る。第１層１１は、例えばスピンコート法などの塗布法で形成されてもよい。このとき、第１層１１として、単一の配向性を有するペロブスカイト層を形成してもよい。このようなペロブスカイト層は、プロセス条件を制御することで形成され得る。制御するプロセス条件とは、例えば塗布液に含まれる材料や、塗布液を加熱する温度である。例えば、ヨウ化メチルアンモニウム（ＣＨ3ＮＨ3Ｉ）およびＰｂＩ2をそれぞれ１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含むジメチルスルホキシド溶液を、基板に３０００ｒｐｍでスピンコートする方法が挙げられる。この方法では、ジメチルスルホキシド溶液のスピンコート時にクロロベンゼンの滴下を行わない。この方法では、（１１０）配向を有するＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３のペロブスカイト層が得られる。また、例えば、ＣＨ3ＮＨ3Ｉを３ｍｏｌ／Ｌ、ＰｂＩ2を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含むジメチルスルホキシド溶液を基板に３０００ｒｐｍでスピンコートする方法が挙げられる。この方法では、（１００）配向を有するＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３のペロブスカイト層が得られる。
【００８６】
続いて、図２Ｂに示すように、第１層１１上に第２層１２を形成する。第２層１２は、例えば、第１層１１をシード層として、第１層１１上に第２ペロブスカイト型化合物を析出させることで形成され得る。第１層１１が単一の配向性を有する場合、第１層１１上に、第１層１１の配向性を反映して第２ペロブスカイト型化合物の結晶が成長し得る。これにより、第１層１１と同じ配向性を有する第２層１２が形成される。第２層１２の厚さは、特に限定されない。第２層１２は、例えばシード層である第１層１１よりも厚くてもよい。
【００８７】
ＡＭＸ3で示されるペロブスカイト型化合物を含む光吸収層は、典型的には、塗布法で形成されていた。このため、前述したように、ペロブスカイト層を積み重ねた構造を有する光吸収層を形成することは困難であった。また、光吸収層の厚さを大きくすることが困難であった。これに対し、上記方法によると、積層構造を有する光吸収層３を形成することが可能である。また、上記方法によると、所望の厚さの光吸収層３をより容易に形成できる。例えば第２ペロブスカイト型化合物を析出させる時間などの形成条件を調整することで、第２層１２の厚さを大きくできる。したがって、典型的な方法で作製した場合よりも厚い光吸収層３を形成することが可能である。
【００８８】
さらに、上記方法によると、結晶の配向の揃った光吸収層３を形成することができるので、太陽電池の短絡電流密度をさらに効果的に向上できる。図２Ｃは、典型的な方法で形成された光吸収層３０を例示する断面図である。図２Ｃに示すように、例えば塗布法で比較的厚い光吸収層３０を形成すると、光吸収層３０中のペロブスカイト型化合物の結晶の配向を揃えることは難しかった。これに対し、上記方法によると、シード層となる第１層１１に含まれる第１ペロブスカイト型化合物の結晶の配向を制御することにより、第２層１２に含まれる第２ペロブスカイト型化合物の結晶の配向を制御できる。また、上記方法によれば、第１ペロブスカイト型化合物の結晶の配向を揃えるために第１層１１を薄く形成しても、第２層１２を厚く形成することによって、光吸収層３の厚さを確保できる。従って、所望の厚さを有し、かつ、層内で化合物の結晶の配向が揃った光吸収層３を形成することが可能になる。
【００８９】
第１層１１および第２層１２の厚さは特に限定されない。第１層１１は、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。第１層１１が１０ｎｍ以上であれば、シード層として機能する可能性を高めることができる。一方、第１層が１００ｎｍ以下であれば、単一の配向性を有する第１層１１を形成できる可能性が高まる。一方、第２層１２は、比較的厚くても、単一の配向性を有することが可能である。第２層１２の厚さは、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。第２層１２は、第１層１１よりも厚くてもよい。第２層１２の厚さは、例えば第１層１１の厚さの４倍以上であってもよく、例えば１０倍以上であってもよい。光吸収層３の厚さ、すなわち第１層１１および第２層１２の厚さの合計は、例えば、０．１μｍ以１００μｍ以下であってもよい。
【００９０】
次いで、光吸収層３における各層の形成方法をより具体的に説明する。
【００９１】
図３Ａ〜図３Ｄは、本実施形態における光吸収層３の形成方法の一例を示す模式図である。
【００９２】
まず、図３Ａに示すように、基板１上に第１電極２を形成することにより、下地基板１０を形成する。なお、下地基板１０として、第１電極２上に、第１のキャリア輸送層がさらに形成された基板を用いてもよい。キャリア輸送層の例としては、正孔輸送層および電子輸送層が挙げられる。正孔輸送層および電子輸送層については後述する。
【００９３】
次いで、第１ペロブスカイト型化合物の構成元素を含む第１の溶液５１を用意する。第１の溶液５１は、例えば、第１ペロブスカイト型化合物Ａ1Ｍ1Ｘ13の原料であるＭ1Ｘ12とＡ1Ｘ1と溶媒とを含む。溶媒としては、原料であるＭ1Ｘ12とＡ1Ｘ1を溶解することができるものであればよい。溶媒の例として、有機溶媒が挙げられる。有機溶媒の例として、アルコール溶媒、アミド溶媒、ニトリル溶媒、炭化水素溶媒、ラクトン溶媒が挙げられる。これらの溶媒を２種類以上混合して用いてもよい。また添加剤を溶媒に混合してもよい。添加剤を添加することにより、第１ペロブスカイト型化合物の結晶の核が生成されて、結晶成長が促進されうる。添加剤の例としては、ヨウ化水素、アミン類、界面活性剤が挙げられる。
【００９４】
この後、第１の溶液５１を第１電極２の上面に付与する。第１の溶液５１を付与する方法の例としては、塗布法、印刷法が挙げられる。塗布法の例としては、スピンコート法、ディップコート法が挙げられる。
【００９５】
次いで、第１の溶液５１が付与された下地基板１０を第１の温度で加熱する。第１の温度は、第１の溶液５１の溶媒を乾燥させられる温度であれば良い。第１の温度は、例えば１００℃である。これにより、図３Ｂに示すように、第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層１１が形成される。
【００９６】
続いて、第２ペロブスカイト型化合物の構成元素を含む第２の溶液５２を用意する。第２の溶液５２は、例えば、第２ペロブスカイト型化合物Ａ2Ｍ2Ｘ23の原料であるＭ2Ｘ22とＡ2Ｘ2と溶媒とを含む。溶媒として、第１の溶液５１と同様の溶媒を用いてもよい。第２の溶液５２の溶媒として、ラクトン類を用いてもよい。ラクトン類の例として、γブチルラクトンが挙げられる。
【００９７】
次いで、図３Ｃに示すように、第２の溶液５２に、第１層１１が形成された下地基板１０を浸漬させる。例えば、ＰｂＸ2およびＣＨ（ＮＨ2）2Ｘ（Ｘはハロゲン元素）を含む第２の溶液５２を第２の温度に加熱し、同じ温度に加熱した下地基板１０を浸漬させる。第２の温度は、第１ペロブスカイト型化合物の原料が第２の溶液５２の溶媒に対して飽和もしくは過飽和状態となる温度に設定されうる。これにより、第１層１１中の第１ペロブスカイト型化合物が第２の溶液５２中に溶け出すことが抑制される。例えば、第２の溶液５２がラクトン系溶媒を含む場合、所定の量の第１ペロブスカイト型化合物の原料に対して、第２の溶液５２は室温〜１５０℃で過飽和状態となる。このため、第２の温度は、例えば１３０℃以下に設定されうる。第２の温度は、例えば１００℃である。なお、本工程では、少なくとも下地基板１０を第２の温度に加熱すればよい。例えば、第１ペロブスカイト型化合物の原料に対して第２の溶液５２が飽和もしくは過飽和状態になるのであれば、第２の溶液５２の加熱温度は、下地基板１０の加熱温度よりも低くてもよい。あるいは、第２の溶液５２は加熱されなくてもよい。
【００９８】
第２の溶液５２中で下地基板１０を浸漬することで、第１層１１上に、第２ペロブスカイト型化合物が析出する。この結果、図３Ｄに示すように、第２層１２が形成される。第２の溶液５２中に下地基板１０を静置させる時間を調整することで、第２層１２の厚さを制御できる。なお、第２の溶液５２が過飽和状態であれば、第２の溶液５２を第２の温度に維持したまま、第２ペロブスカイト型化合物を析出させてもよい。
【００９９】
図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明したように、第１層１１内の第１ペロブスカイト型化合物の結晶の配向が揃っている場合、その配向を反映して、第２ペロブスカイト型化合物の結晶が成長する。その結果、第１層１１と同じ配向性を有する第２層１２を形成することができる。その後、下地基板１０を第２の溶液５２から取り出す。このようにして、光吸収層３が形成される。
【０１００】
上記方法を用いると、シード層である第１層１１上に、第２層１２を形成できる。第１層１１に含まれる第１ペロブスカイト型化合物１１と、第２層１２に含まれる第２ペロブスカイト型化合物とは、組成が同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の組成が同じであり、かつ、両者の配向が揃っている場合には、第１層１１と第２層１２との界面が明確に特定できない場合がある。
【０１０１】
なお、第２ペロブスカイト型化合物を析出させる工程は、図３Ｃに示す工程に限定されない。第２の溶液５２を第１層１１の上面に接触させた状態で下地基板１０を保持し、第１層１１上に第２ペロブスカイト型化合物を成長させられればよい。例えば、第２の温度に加熱した第２の溶液５２を第１層１１上に付与し、その状態で静置して第２ペロブスカイト型化合物を成長させてもよい。その後、例えば下地基板１０を回転させることで、残った第２の溶液５２を下地基板１０上から除去してもよい。
【０１０２】
＜第２電極４＞
第２電極４は、導電性を有する。また、第２電極４は、第２ペロブスカイト型化合物とオーミック接触しない。さらに、第２ペロブスカイト型化合物からの電子に対するブロック性を有する。第２ペロブスカイト型化合物からの電子に対するブロック性とは、光吸収層３内で発生し、第２ペロブスカイト型化合物と第２電極４の界面に位置する電子と正孔のうち、正孔のみを通過させ、電子を通過させない性質のことである。このような性質を有する材料とは、光吸収層３の伝導帯下端のエネルギー準位よりも、フェルミ準位が低い材料である。具体的な材料としては、金、グラフェンなどの炭素材料が挙げられる。
【０１０３】
なお、第１電極２および第２電極４のうち、少なくとも光を入射させる側の電極が透光性を有していればよい。例えば、第２電極４が透光性を有する場合、第１電極２は透光性を有していなくてもよい。
【０１０４】
（第２の実施の形態）
第２の実施形態の太陽電池は、電子輸送層をさらに備える点で、図１に示す太陽電池１００と異なる。
【０１０５】
図４は、本実施形態の太陽電池１０１を例示する模式的な断面図である。図４では、太陽電池１００と同一の機能および構成を有する構成要素については、太陽電池１００と共通する符号を付し、説明を適宜省略する。
【０１０６】
太陽電池１０１は、基板１と、第１電極２２と、第１電極２２上に位置する電子輸送層５と、電子輸送層５上に位置する光吸収層３と、光吸収層３上に位置する第２電極４とを備える。光吸収層３は、第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層１１と、第１層１１上に位置し、第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層１２とを有する。この例では、第１電極２２は負極、第２電極４は正極として機能する。第１電極２２と第１層１１との間には、第１のキャリア輸送層として電子輸送層５が設けられている。
【０１０７】
本実施形態の太陽電池１０１の基本的な作用効果を説明する。太陽電池１０１に光が照射されると、光吸収層３が光を吸収し、励起された電子と、正孔とが発生する。励起された電子は、電子輸送層５を介して第１電極２２に移動する。一方、光吸収層３で生じた正孔は第２電極４に移動する。これにより太陽電池１０１は、負極としての第１電極２２と、正極としての第２電極４とから、電流を取り出すことができる。
【０１０８】
本実施の形態においては、電子輸送層５を設けている。そのため、第１電極２２が第１ペロブスカイト型化合物からの正孔に対するブロック性を有さなくてもよい。したがって、第１電極２２の材料選択の幅が広がる。
【０１０９】
本実施形態の太陽電池１０１は、第１の実施の形態の太陽電池１００と同様の方法によって作製することができる。電子輸送層５は、第１電極２２の上に、例えばスパッタ法によって形成する。
【０１１０】
以下、太陽電池１０１の各構成要素について、具体的に説明する。
【０１１１】
＜第１電極２２＞
第１電極２２は、導電性を有する。第１電極２２は、第１電極２と同様の構成とすることもできる。本実施形態では、電子輸送層５を用いるため、第１電極２２は、第１ペロブスカイト型化合物からの正孔に対するブロック性を有さなくてもよい。すなわち、第１電極２２の材料は、第１ペロブスカイト型化合物とオーミック接触する材料であってもよい。
【０１１２】
＜電子輸送層５＞
電子輸送層５は、半導体を含む。電子輸送層５は、バンドギャップが３．０ｅＶ以上の半導体を含んでいてもよい。バンドギャップが３．０ｅＶ以上の半導体で電子輸送層５を形成することにより、可視光及び赤外光を光吸収層３まで透過させることができる。半導体の例としては、有機または無機のｎ型半導体が挙げられる。
【０１１３】
有機のｎ型半導体の例としては、イミド化合物、キノン化合物、並びにフラーレンおよびその誘導体が挙げられる。また無機のｎ型半導体の例としては、金属元素の酸化物、またはペロブスカイト型酸化物が挙げられる。金属元素の酸化物の例としては、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｃｒの酸化物が挙げられる。より具体的な例として、ＴｉＯ2が挙げられる。ペロブスカイト型酸化物の例としては、ＳｒＴｉＯ3、ＣａＴｉＯ3が挙げられる。
【０１１４】
また、電子輸送層５は、バンドギャップが６ｅＶよりも大きな物質によって形成されていてもよい。バンドギャップが６ｅＶよりも大きな物質の例としては、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属の酸化物、二酸化ケイ素が挙げられる。アルカリ金属のハロゲン化物の例としては、フッ化リチウムが挙げられる。アルカリ土類金属のハロゲン化物の例としては、フッ化カルシウムが挙げられる。アルカリ土類金属の酸化物の例としては、酸化マグネシウムが挙げられる。この場合、電子輸送層５の電子輸送性を確保するために、電子輸送層５の厚さを例えば１０ｎｍ以下としてもよい。
【０１１５】
電子輸送層５は、同じ材料を積層して形成してもよく、異なる材料を交互に積層して形成してもよい。
【０１１６】
なお、本実施形態の太陽電池の構成は、図４に示す例に限定されない。第１電極２２が正極、第２電極４が負極として機能してもよい。この場合、電子輸送層５は、第２電極４と第２層１２との間に設けられる。
【０１１７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の太陽電池は、正孔輸送層６をさらに備える点で、図４に示す太陽電池１０１と異なる。
【０１１８】
図５は、本実施形態の太陽電池１０２を例示する模式的な断面図である。図５では、太陽電池１０１と同一の機能および構成を有する構成要素については、太陽電池１０１と共通する符号を付し、説明を適宜省略する。
【０１１９】
太陽電池１０２は、基板３１と、第１電極３２と、第１電極３２上に位置する電子輸送層５と、電子輸送層５上に位置する光吸収層３と、光吸収層３上に位置する正孔輸送層６と、正孔輸送層６上に位置する第２電極３４とを備える。光吸収層３は、第１ペロブスカイト型化合物を含む第１層１１と、第１層１１上に位置し、第２ペロブスカイト型化合物を含む第２層１２とを有する。この例では、第１電極３２は負極、第２電極３４は正極として機能する。第１電極３２と第１層１１との間には、第１のキャリア輸送層として電子輸送層５が設けられている。また、第２電極３４と第２層１２との間には、第２のキャリア輸送層として正孔輸送層６が設けられている。
【０１２０】
太陽電池１０２の基本的な作用効果を説明する。
【０１２１】
太陽電池１０２に光が照射されると、光吸収層３が光を吸収し、励起された電子と、正孔とを発生させる。この励起された電子は電子輸送層５に移動する。一方、光吸収層３で生じた正孔は、正孔輸送層６に移動する。電子輸送層５は第１電極３２に接続され、正孔輸送層６は第２電極３４に接続されている。これにより、太陽電池１０２は、負極としての第１電極３２と、正極としての第２電極３４とから電流を取り出すことができる。
【０１２２】
太陽電池１０２においても、太陽電池１０１と同様の効果が得られる。
【０１２３】
また、太陽電池１０２は、第２層１２と第２電極３４との間に正孔輸送層６を有している。このため、第２電極３４は、第２ペロブスカイト型化合物からの電子に対するブロック性を有さなくてもよい。したがって、第２電極３４の材料選択の幅が広がる。
【０１２４】
太陽電池１０２は、太陽電池１０１と同様の方法によって作製することができる。正孔輸送層は、光吸収層の上に、例えば塗布法によって形成する。
【０１２５】
以下、太陽電池１０２の各構成要素について、具体的に説明する。
【０１２６】
＜第１電極３２および第２電極３４＞
本実施形態では正孔輸送層６を用いるため、第２電極３４は、第２ペロブスカイト型化合物からの電子に対するブロック性を有さなくてもよい。すなわち、第２電極３４の材料は、第２ペロブスカイト型化合物とオーミック接触する材料であってもよい。そのため、第２電極３４も透光性を有するように形成しうる。
【０１２７】
第１電極３２および第２電極３４のうち少なくとも一方は、透光性を有してもよい。第１電極３２および第２電極３４は、第１の実施の形態における第１電極２と同様に構成されてもよい。第１電極３２および第２電極３４の一方は、透光性を有さなくともよい。その場合、第１電極３２および第２電極３４のうち透光性を有さない方は、電極材料が存在しない領域を形成しなくてもよい。
【０１２８】
＜基板３１＞
基板３１は、第１の実施の形態における基板１と同様の構成とすることができる。また、第２電極３４が透光性を有している場合には、基板３１を透明でない材料を用いて形成することができる。透明でない材料の例としては、金属、セラミックス、または透過性の小さい樹脂材料が挙げられる。
【０１２９】
＜正孔輸送層６＞
正孔輸送層６は、例えば、有機半導体、無機半導体によって構成される。正孔輸送層６は、同じ構成材料を積層して形成してもよく、異なる材料を交互に積層して形成してもよい。
【０１３０】
有機半導体の例としては、３級アミンを骨格内に含む化合物、チオフェン構造を含む化合物が挙げられる。３級アミンを骨格内に含む化合物の例としては、フェニルアミン、トリフェニルアミン誘導体が挙げられる。チオフェン構造を含む化合物の例としては、ＰＥＤＯＴが挙げられる。有機半導体の分子量は特に限定されないが、高分子体であってもよい。有機半導体で正孔輸送層６を形成する場合、正孔輸送層６の膜厚は、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよく、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。正孔輸送層６の膜厚がこの範囲内であれば、十分な正孔輸送性を発現できる。また、正孔輸送層６の膜厚がこの範囲内であれば、低抵抗を維持できる。したがって、太陽電池１０２において高効率に光発電を行うことができる。
【０１３１】
無機半導体の例としては、ｐ型の無機半導体が挙げられる。ｐ型の無機半導体の例としては、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＳＣＮ、酸化モリブデン、酸化ニッケルが挙げられる。無機半導体で正孔輸送層６を形成する場合、正孔輸送層６の膜厚は、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。正孔輸送層６の膜厚がこの範囲内であれば、十分な正孔輸送性を発現できる。また、正孔輸送層６の膜厚がこの範囲内であれば、低抵抗を維持できる。したがって、太陽電池１０２において高効率に光発電を行うことができる。
【０１３２】
正孔輸送層６の形成方法としては、例えば、塗布法または印刷法が挙げられる。塗布法としては、例えば、ドクターブレード法、バーコート法、スプレー法、ディップコート法、スピンコート法が挙げられる。印刷法としては、例えばスクリーン印刷法が挙げられる。また、必要に応じて、複数の材料を混合し、加圧または焼成することによって正孔輸送層６を作製してもよい。正孔輸送層６の材料が有機の低分子体または無機半導体である場合には、例えば真空蒸着法によって正孔輸送層６を作製することも可能である。
【０１３３】
正孔輸送層６は、支持電解質および溶媒を含んでいてもよい。支持電解質および溶媒を含むことにより、正孔輸送層６中の正孔が安定化される。
【０１３４】
支持電解質の例としては、アンモニウム塩、アルカリ金属塩が挙げられる。アンモニウム塩の例としては、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、六フッ化リン酸テトラエチルアンモニウム、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩が挙げられる。アルカリ金属塩の例としては、過塩素酸リチウム及び四フッ化ホウ素カリウムが挙げられる。
【０１３５】
正孔輸送層６に含まれる溶媒は、イオン伝導性に優れるものであってもよい。正孔輸送層６に含まれる溶媒の例としては、水および有機溶媒が挙げられる。正孔輸送層６に含まれる溶媒として有機溶媒を用いると、溶質をより安定化することができる。有機溶媒の例としては、複素環化合物溶媒が挙げられる。複素環化合物溶媒の具体例としては、ｔｅｒｔ−ブチルピリジン、ピリジン、ｎ−メチルピロリドンが挙げられる。
【０１３６】
また、溶媒として、イオン液体を単独で用いてもよく、イオン液体を他種の溶媒と混合して用いてもよい。イオン液体は、揮発性が低く、難燃性が高いという利点を有する。
【０１３７】
イオン液体との例としては、イミダゾリウム系、ピリジン系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系、アゾニウムアミン系のイオン液体が挙げられる。イミダゾリウム系のイオン液体の例としては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレートが挙げられる。
【０１３８】
なお、本実施形態の太陽電池の構成は、図５に示す例に限定されない。例えば、第１電極３２が正極、第２電極３４が負極として機能してもよい。この場合、正孔輸送層６は、第１電極３２と第１層１１との間に配置され、電子輸送層５は、第２電極３４と第２層１２との間に配置される。
【０１３９】
（実施例）
以下、本開示の太陽電池を実施例によって具体的に説明する。ここでは、実施例１〜６および比較例１の太陽電池を作製した。
【０１４０】
＜実施例１＞
実施例１の太陽電池は、図１に示した太陽電池１００と実質的に同じ構造を有する。実施例１の太陽電池における各構成要素は、以下の通りである。
基板：ガラス基板  厚さ０．７ｍｍ
第１電極：透明電極  インジウム−錫複合酸化物層
第１層：ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3  厚さ３００ｎｍ
第２層：ＣＨ（ＮＨ2）2ＰｂＩ3  厚さ５０００ｎｍ
第２電極：Ａｕ  厚さ８０ｎｍ
実施例１の太陽電池は、以下のようにして作製した。
【０１４１】
まず、第１電極として機能する透明導電層を表面に有する下地基板１０を用意した。本実施例では、下地基板１０として、インジウム−錫複合酸化物層を表面に有する厚さ０．７ｍｍの導電性ガラス基板（表面抵抗１０Ω／ｓｑ．、日本板硝子製）を用意した。
【０１４２】
次に、第１の溶液５１として、ヨウ化鉛（ＰｂＩ2）を１ｍｏｌ／Ｌ、ヨウ化メチルアンモニウム（ＣＨ3ＮＨ3Ｉ）を１ｍｏｌ／Ｌのモル濃度で含むジメチルスルホキシド溶液を作製した。次いで、図３Ａに示すように、下地基板１０上に、第１の溶液５１をスピンコート法で塗布した。このとき、回転中の下地基板１０上に、クロロベンゼンを２００μＬ滴下した。
【０１４３】
その後、図３Ｂに示すように、１００℃のホットプレート上で下地基板を加熱することによって、下地基板１０上に第１層１１を形成した。
【０１４４】
続いて、第２の溶液５２として、ＰｂＩ2を１ｍｏｌ／Ｌ、ヨウ化ホルムアミジニウム（ＣＨ（ＮＨ2）2Ｉ）を１ｍｏｌ／Ｌのモル濃度で含むγ―ブチロラクトン（ＧＢＬ）溶液を作製した。
【０１４５】
次いで、第２の溶液５２と、第１層１１が形成された下地基板１０とをそれぞれ１００℃に加熱した。この後、図３Ｃに示すように、１００℃に加熱された第２の溶液５２内に、１００℃に加熱された下地基板１０を浸漬し、２０秒間静置した。それにより、第１層１１上に第２層１２を形成した。これによって、図３Ｄに示すように、積層構造を有する光吸収層３が得られた。
【０１４６】
この後、第２層１２上に、蒸着によって厚さが８０ｎｍのＡｕ膜を堆積させることにより、第２電極を形成した。このようにして、実施例１の太陽電池を得た。
【０１４７】
＜実施例２＞
実施例２では、第１層１１をスピンコート法で形成する際にクロロベンゼンを滴下しない点以外は、実施例１と同様の方法で太陽電池を作製した。
【０１４８】
＜実施例３＞
実施例３では、以下の２点以外は、実施例２と同様の方法で太陽電池を作製した。１点目は、第１層１１を形成するときに用いる第１の溶液５１として、ＰｂＩ2を０．５ｍｏｌ／Ｌ、ＣＨ3ＮＨ3Ｉを１．５ｍｏｌ／Ｌのモル濃度で含むＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液を用いた点である。２点目は、第１の溶液５１を下地基板１０上に塗布した後に、１７０℃のホットプレート上で加熱を行った点である。
【０１４９】
＜実施例４＞
実施例４の太陽電池は、第１層１１が第１ペロブスカイト型化合物としてＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3を含む点で、実施例３の太陽電池と異なる。実施例４では、第１層１１を形成するための第１の溶液５１として、臭化鉛（ＰｂＢｒ2）を１ｍｏｌ／Ｌ、臭化メチルアンモニウム（ＣＨ3ＮＨ3ＩＢｒ）を１ｍｏｌ／Ｌのモル濃度で含むジメチルスルホキシド溶液を作製した。第１の溶液５１が異なる点以外は、実施例３と同様の方法で太陽電池を作製した。
【０１５０】
＜実施例５＞
実施例５の太陽電池は、第２層１２が第２ペロブスカイト型化合物としてＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3を含む点で、実施例２の太陽電池と異なる。すなわち、実施例５では、第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の組成が同じである。実施例５では、第２層１２を形成するための第２の溶液５２として、ＰｂＩ2を１ｍｏｌ／Ｌ、ヨウ化メチルアンモニウム（ＣＨ3ＮＨ3Ｉ）を１ｍｏｌ／Ｌのモル濃度で含むジメチルスルホキシド溶液を作製した。第２の溶液５２が異なる点以外は、実施例２と同様の方法で太陽電池を作製した。
【０１５１】
＜比較例１＞
比較例１の太陽電池は、第２層１２を有していない点以外は、実施例１の太陽電池と同様の構成を有する。比較例１の太陽電池の作製方法は、第２層１２を形成しない点以外は、実施例１と同様である。
【０１５２】
＜組成分析＞
実施例１における第１層１１および第２層１２のペロブスカイト型化合物の組成を調べるために、ＲＢＳ／ＮＲＡ（ラザフォード後方散乱分光法／核反応分析法）組成分析を行った。ここでは、下地基板１０上に第１層１１のみを形成した分析用サンプルを作製して、第１層１１の組成分析を行った。また、下地基板１０上に第１層１１および第２層１２のみを形成した分析用サンプルを作製して、第２層１２の組成分析を行った。
【０１５３】
分析結果を表１に示す。表１には、各化合物のＰｂに対する元素比率を示す。
【０１５４】
【表１】
2018123402.tif 000003
【０１５５】
表１に示す結果から、第１層１１および第２層１２は、いずれも、Ａ：Ｍ：Ｘ＝１：１：３の組成を有するペロブスカイト型化合物を含むことが確認された。
【０１５６】
＜結晶構造解析＞
次いで、実施例１から実施例５および比較例１の太陽電池における第１層１１および第２層１２のＸＲＤ測定を行った。Ｘ線にＣｕＫα線を用いた。各実施例では、下地基板１０上に第１層１１のみを形成した分析用サンプルを作製して、第１層１１のＸＲＤ測定を行った。また、下地基板１０上に第１層１１および第２層１２のみを形成した分析用サンプルを作製して、第２層１２のＸＲＤ測定を行った。
【０１５７】
図６Ａは、実施例１における第１層１１のＸＲＤ測定結果を示す図である。図６Ｂは、実施例１における第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。同様に、図７Ａおよび図７Ｂ〜図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、実施例２〜実施例５における第１層１１および第２層１２のＸＲＤ測定結果を示す図である。また、図１１は、比較例１における光吸収層のＸＲＤ測定結果を示す図である。ＸＲＤ測定結果を示す各図では、横軸が角度２θ、縦軸がＸ線回折強度を示す。
【０１５８】
実施例１〜５における第１層１１および第２層１２に対するＸＲＤ測定結果に基づいて、各層の配向性を調べた結果を表２にまとめて示す。表２には、各層が単一の配向性を有する場合にはその方向を記載している。
【０１５９】
この結果から、各実施例において、第２層１２は、第１層１１の結晶配向を反映した配向性を有することが確認できる。例えば実施例１のように、第１層１１の配向性が低い場合には、第２層１２の配向性も低くなる。また、例えば実施例２、３のように、第１層１１内で結晶の配向が揃っていると、結晶の配向が揃い、かつ第１層１１と同じ配向性を有する第２層１２が形成されることが分かる。
【０１６０】
以下、実施例ごとにＸＲＤ測定結果を詳しく説明する。
【０１６１】
図６Ａおよび図６Ｂから、実施例１における第１層１１および第２層１２は、いずれも、単一の配向性を有していないことが分かる。第１層１１の配向性が低い理由としては、第１の溶液５１をスピンコートする間にクロロベンゼンを滴下したために、クロロベンゼン中に第１ペロブスカイト型化合物の微結晶がランダムに形成されるためと考えられる。なお、図６Ａでは、ピーク強度が低いために、バックグラウンドの強度の変化が見られるが、これは光吸収層の特性とは関係しない。
【０１６２】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、実施例２における第１層１１および第２層１２のＸ線回折パターンは、いずれも、２θ＝２０°近傍に位置するピークｐ１およびピークｐ２を有している。ピークｐ１およびピークｐ２は、いずれも（１１０）面に帰属される。また、ピークｐ１およびピークｐ２の強度は、いずれも、第１範囲における強度の最大値の１０倍以上である。従って、実施例２における第１層１１および第２層１２は、いずれも単一の配向性を有する。また、第１層１１および第２層１２は、いずれも、（１１０）配向を有する。したがって、第１層１１と第２層１２とは、同一の配向性を有している。実施例２では、第１の溶液５１のスピンコート中にクロロベンゼンを滴下しなかった。このため、結晶生成の起点が第１の溶液５１と空気の界面に限定されたため、配向の揃った第１層１１が形成されたと考えられる。
【０１６３】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、実施例３における第１層１１および第２層１２のＸ線回折パターンは、いずれも、２θ＝１４°近傍に位置するピークｐ３およびピークｐ４を有している。ピークｐ３およびピークｐ４は、いずれも（１００）面に帰属される。また、ピークｐ３およびピークｐ４の強度は、いずれも、第２範囲における強度の最大値の１０倍以上である。従って、実施例３における第１層１１および第２層１２は、いずれも単一の配向性を有する。また、実施例３における第１層１１および第２層１２は、いずれも（１００）配向を有する。したがって、第１層１１と第２層１２とは、同一の配向性を有している。実施例３では、第１の溶液５１のスピンコート中にクロロベンゼンを滴下しなかった。このため、実施例２と同様の理由で、配向の揃った第１層１１が形成されたと考えられる。
【０１６４】
実施例４では、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、第１層１１および第２層１２のＸ線回折パターンは、いずれも、２θ＝１４°近傍に位置するピークを有している。これらのピークは、いずれも（１００）面に帰属される。また、これらのピーク強度は、いずれも、第２範囲における強度の最大値の１０倍以上である。従って、実施例４における第１層１１および第２層１２は、いずれも単一の配向性を有する。また、実施例４における第１層１１および第２層１２は、いずれも（１００）配向を有する。したがって、第１層１１と第２層１２とは、同一の配向性を有している。実施例４では、第１の溶液５１のスピンコート中にクロロベンゼンを滴下しなかった。このため、実施例２および実施例３と同様の理由で、配向の揃った第１層１１が形成されたと考えられる。
【０１６５】
実施例５では、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、第１層１１および第２層１２のＸ線回折パターンは、いずれも、２θ＝２０°近傍に位置するピークを有している。これらのピークは、いずれも（１１０）面に帰属される。また、これらのピーク強度は、いずれも、第１範囲における強度の最大値の１０倍以上である。従って、実施例５における第１層１１および第２層１２は、いずれも単一の配向性を有する。また、実施例５における第１層１１および第２層１２は、いずれも（１１０）配向を有する。したがって、第１層１１と第２層１２とは、同一の配向性を有している。実施例５では、第１の溶液５１のスピンコート中にクロロベンゼンを滴下しなかった。このため、実施例２、実施例３および実施例４と同様の理由で、配向の揃った第１層１１が形成されたと考えられる。
【０１６６】
なお、比較例１の光吸収層におけるＸ線回折パターンは、図１１に示すように、実施例１の第１層１１と同様である。
【０１６７】
このように、ペロブスカイト型化合物の組成にかかわらず、第１層１１上に、第２層１２を析出させることにより、積層構造を有する光吸収層を形成できることが確認された。
【０１６８】
＜短絡電流密度の測定＞
実施例１〜実施例５および比較例１の太陽電池に対し、単一の波長を有する光を照射した際に流れる電流値を、波長を４００ｎｍ〜１０００ｎｍまで変化させて測定した。この結果から、太陽電池の量子効率を求め、短絡電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を算出した。結果を表２にまとめて示す。
【０１６９】
【表２】
2018123402.tif 000004
【０１７０】
表２に示す結果から、第１層１１および第２層１２が積層された光吸収層を有する実施例１〜５の太陽電池は、単層構造の光吸収層を有する比較例１の太陽電池よりも高い短絡電流密度を有することが確認される。
【０１７１】
また、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物の組成が互いに異なる実施例１〜４の太陽電池は、第１ペロブスカイト型化合物と第２ペロブスカイト型化合物の組成が同じ実施例５の太陽電池よりも、高い短絡電流密度を有する。これは、前述したように、第１層ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の価電子帯および伝導帯のエネルギー準位の差を利用して、光吸収層で発生したキャリアの再結合を抑制できるからと考えられる。
【０１７２】
実施例１〜４の太陽電池のなかでは、第１層１１および第２層１２が同一の配向性を有する実施例２〜実施例４の太陽電池は、第１層１１および第２層１２の配向性が低い実施例１の太陽電池よりも高い短絡電流密度を有する。これは、前述したように、光吸収層３内の第１層１１および第２層１２の配向が揃うと、光吸収層３内でキャリアが移動しやすいからと考えられる。
【０１７３】
これらの結果から、光吸収層を２層のペロブスカイト層で形成すること、および各層中のペロブスカイト型化合物の組成および配向性を制御することにより、太陽電池の短絡電流密度をさらに向上できることが分かる。
【０１７４】
＜外部量子効率の測定＞
実施例１および実施例２の太陽電池の外部量子効率（ＥＱＥ）を測定した。結果を図１２に示す。図１２の横軸は入射光の波長、縦軸は外部量子効率を示す。
【０１７５】
この結果から、可視光の波長領域において、第１層１１および第２層１２の配向性の低い実施例１の太陽電池よりも、第１層１１および第２層１２が同一の配向性を有する実施例２の太陽電池の方が、高い外部量子効率を有することが確認される。
【０１７６】
第１ペロブスカイト型化合物および第２ペロブスカイト型化合物の組成は、上記実施例に挙げた組成に限定されない。例えば、上記実施例と同様の方法で、ＣＨ（ＮＨ2）2ＰｂＩ3を含む第１層上に、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3およびＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3の少なくとも一種類を含む第２層を形成することもできる。また、例えば、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3を含む第１層上に、ＣＨ（ＮＨ2）2ＰｂＩ3、ＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3、およびＣＨ3ＮＨ3ＰｂＢｒ3の少なくとも一種類を含む第２層を形成することもできる。
【０１７７】
上記実施例では、いずれも、負極として機能する透明導電層上に直接光吸収層を形成したが、光吸収層の下地となる層は特に限定されない。例えば、正極として機能する電極層上に光吸収層を形成してもよい。あるいは、電極上にキャリア輸送層を形成した後、キャリア輸送層上に光吸収層を形成してもよい。他の電極層またはキャリア輸送層上にも、上記実施例と同様の方法で光吸収層を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本開示の一実施形態の太陽電池は、太陽光や人工照明光などの光を電気に変換する発電システム用のデバイスとして広く用いられる。一方で、光を電気に変換する機能から、フォトディテクター、イメージセンシングなどの光センサにも適用され得る。
【符号の説明】
【０１７９】
１  基板
２  第１電極
３  光吸収層
４  第２電極
５  電子輸送層
６  正孔輸送層
１１  第１層
１２  第２層
１００，１０１，１０２  太陽電池
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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