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JP2022168820A - Photoelectric conversion element, photoelectric conversion module having the same, photoelectric conversion device, mobile body, and building material - Google Patents

Photoelectric conversion element, photoelectric conversion module having the same, photoelectric conversion device, mobile body, and building material Download PDF

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JP2022168820A
JP2022168820A JP2022015369A JP2022015369A JP2022168820A JP 2022168820 A JP2022168820 A JP 2022168820A JP 2022015369 A JP2022015369 A JP 2022015369A JP 2022015369 A JP2022015369 A JP 2022015369A JP 2022168820 A JP2022168820 A JP 2022168820A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
particles
conversion element
electrode
layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2022015369A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
博之 渡部
Hiroyuki Watabe
俊太郎 渡邉
Toshitaro Watanabe
賢一 加来
Kenichi Kako
純平 久野
Junpei Kuno
晃洋 丸山
Akihiro Maruyama
修平 岩崎
Shuhei Iwasaki
康平 牧角
Kohei Makikado
侑奈 山本
Yuna Yamamoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Priority to CN202280031302.8A priority patent/CN117242914A/en
Priority to EP22795544.0A priority patent/EP4333088A1/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

To provide a photoelectric conversion element with a higher photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: The photoelectric conversion element has a first electrode 7, a second electrode 3, and a photoelectric conversion layer 5 including an organic-inorganic perovskite compound arranged between the first electrode 7 and the second electrode 3. A particle layer 6 composed of particles mainly of a phthalocyanine compound is arranged between the photoelectric conversion layer 5 and the first electrode 7.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子、及び該光電変換素子を有する光電モジュール、光電変換装置、移動体、建材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a photoelectric conversion element, and a photoelectric module, a photoelectric conversion device, a moving body, and a building material having the photoelectric conversion element.

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、水力等のように、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。その中でも、太陽光から直接電気的エネルギーを変化させる太陽電池に関する関心が大きく増大している。ここで、太陽電池とは、太陽光から光エネルギーを吸収し、電子及び電荷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。
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。
一方、有機材料を用いた太陽電池(以下、「有機太陽電池」という)は、高温工程を必要とせず、シート状基板で所謂roll to roll方式での生産が可能で低コスト化が可能である。有機太陽電池の実用化のため発電効率と耐久性の更なる向上が望まれている。
特にフタロシアニン化合物は光吸収性、電荷輸送性、化学的安定性に優れるため有機太陽電池の実用化に向けた材料として開発が進んでいる。例えば特許文献1では、バルクヘテロ型構造の有機太陽電池において、フタロシアニン粒子を光吸収材として使用することで光電変換効率が向上することが開示されている。また特許文献2では光電変換層にペロブスカイト化合物を用いた有機太陽電池において、有機修飾したフタロシアニン化合物を有機溶媒中に溶解し、光電変換層上に塗布成膜することで、発電効率が向上することが開示されている。
In order to solve the problem of fossil energy depletion and the global environmental problems caused by the use of fossil energy, researches on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, water power, etc. are being actively conducted. there is Among them, interest in solar cells, which convert electrical energy directly from sunlight, has increased significantly. Here, the solar cell refers to a cell that absorbs light energy from sunlight and generates current-voltage using a photovoltaic effect in which electrons and charges are generated.
Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal-based solar cells with light energy conversion efficiencies exceeding 20% are widely known and actually used for photovoltaic power generation. However, these have the problem of high cost per unit power, since they require a high-temperature treatment process and the material itself is expensive. Moreover, from the aspect of silicon resources, there is also a problem of supply.
On the other hand, solar cells using organic materials (hereinafter referred to as “organic solar cells”) do not require high-temperature processes, and can be produced using a sheet-like substrate by a so-called roll-to-roll method, enabling cost reduction. . Further improvements in power generation efficiency and durability are desired for the practical use of organic solar cells.
In particular, phthalocyanine compounds are being developed as materials for practical use of organic solar cells because they are excellent in light absorption, charge transport and chemical stability. For example, Patent Document 1 discloses that the photoelectric conversion efficiency is improved by using phthalocyanine particles as a light absorbing material in an organic solar cell having a bulk heterostructure. Further, in Patent Document 2, in an organic solar cell using a perovskite compound in a photoelectric conversion layer, an organically modified phthalocyanine compound is dissolved in an organic solvent and coated on the photoelectric conversion layer to form a film, thereby improving power generation efficiency. is disclosed.

特開2012-119405号公報JP 2012-119405 A 特開2016-139805号公報JP 2016-139805 A

特許文献1に開示された方法では高い発電効率を獲得するために、電荷輸送材、電子輸送材、光吸収材を均等な距離で配置する必要があり、実用化が難しいという課題があった。また、特許文献2に開示された方法ではフタロシアニン化合物が非晶質の状態で成膜されるため、本来の電荷輸送能が発現できず、高い光電変換効率を獲得しづらいという課題があった。
本発明の目的は、光電変換効率がさらに高い光電変換素子を提供し、さらには、係る光電変換素子を用いて、光電変換装置等の装置を提供することにある。
In the method disclosed in Patent Document 1, in order to obtain high power generation efficiency, it is necessary to dispose the charge transport material, the electron transport material, and the light absorber at equal distances, which poses the problem of being difficult to put into practical use. In addition, in the method disclosed in Patent Document 2, since the phthalocyanine compound is formed into a film in an amorphous state, the original charge transport ability cannot be expressed, and there is a problem that it is difficult to obtain high photoelectric conversion efficiency.
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element with higher photoelectric conversion efficiency, and to provide a device such as a photoelectric conversion device using the photoelectric conversion element.

本発明の第1は、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置されている有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、を有する光電変換素子であって、
前記光電変換層と前記第一電極との間に、フタロシアニン化合物を主体とする粒子からなる粒子層を有することを特徴とする。
本発明の第2は、上記本発明の第1の光電変換素子を複数有することを特徴とする光電変換モジュールである。
本発明の第3は、上記本発明の第1の光電変換素子と、前記光電変換素子に接続されている蓄電部、或いはインバーターを有することを特徴とする光電変換装置である。
本発明の第4は、光電変換素子と、前記光電変換素子を備えた機体と、を有することを特徴とする移動体である。
本発明の第5は、上記本発明の第1の光電変換素子と、前記光電変換素子を保護する保護部材と放熱部材と、を有することを特徴とする建材である。
A first aspect of the present invention is a photoelectric conversion device having a first electrode, a second electrode, and a photoelectric conversion layer containing an organic-inorganic perovskite compound disposed between the first electrode and the second electrode. and
A particle layer composed of particles mainly composed of a phthalocyanine compound is provided between the photoelectric conversion layer and the first electrode.
A second aspect of the present invention is a photoelectric conversion module comprising a plurality of photoelectric conversion elements according to the first aspect of the present invention.
A third aspect of the present invention is a photoelectric conversion device comprising a photoelectric conversion element according to the first aspect of the present invention, and a power storage unit or an inverter connected to the photoelectric conversion element.
A fourth aspect of the present invention is a moving body comprising a photoelectric conversion element and a body provided with the photoelectric conversion element.
A fifth aspect of the present invention is a building material comprising the photoelectric conversion element of the first aspect of the present invention, a protective member for protecting the photoelectric conversion element, and a heat radiating member.

本発明によれば、光電変換効率がさらに高い光電変換素子が提供され、係る光電変換素子を用いて、光電変換効率の高い光電変換モジュール、光電変換装置、移動体、建材を提供することができる。 According to the present invention, a photoelectric conversion element having a higher photoelectric conversion efficiency is provided, and the photoelectric conversion element can be used to provide a photoelectric conversion module, a photoelectric conversion device, a moving object, and a building material having a high photoelectric conversion efficiency. .

本発明の光電変換素子の一実施形態の厚さ方向の断面模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram of one Embodiment of the photoelectric conversion element of this invention of the thickness direction. 本発明の光電変換素子を備えた移動体の一実施形態を模式的に示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of a moving body provided with a photoelectric conversion element of the present invention; 本発明の光電変換素子を備えた建材の一実施形態を模式的に示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of a building material provided with a photoelectric conversion element of the present invention;

本発明の光電変換素子は、第一電極と、第二電極と、該第一電極と第二電極との間に配置されている有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、を有する光電変換素子である。そして、本発明においては、上記光電変換層と第一電極との間に、フタロシアニン化合物を主体とする粒子からなる粒子層を有することを特徴とする。 A photoelectric conversion device of the present invention has a first electrode, a second electrode, and a photoelectric conversion layer containing an organic-inorganic perovskite compound disposed between the first electrode and the second electrode. is. In the present invention, a particle layer composed of particles mainly composed of a phthalocyanine compound is provided between the photoelectric conversion layer and the first electrode.

本発明に係る粒子層は、フタロシアニン化合物を有する粒子を有機溶媒中に分散し、光電変換層上に塗布して、形成する。本発明者らは検討の結果、係る粒子層を有することで、光電変換効率に優れた光電変換素子となることを見出した。本発明において高い光電変換効率が得られる理由について、詳細は明らかではないが、次のように考えられる。フタロシアニン化合物を粒子状態で成膜することで、高い結晶性が維持され、フタロシアニン本来の電荷輸送能が発現できる。そして、さらに、光電変換層が有無機ペロブスカイト化合物を含む場合には表面にサブミクロンスケールの凹凸が生じるため、係る凹凸をフタロシアニン粒子で充填することで、界面接合が良化し、極めて高い光電変換効率が獲得できるものと推定される。 The particle layer according to the present invention is formed by dispersing particles containing a phthalocyanine compound in an organic solvent and applying the dispersion onto the photoelectric conversion layer. As a result of studies, the present inventors have found that a photoelectric conversion element having an excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained by having such a particle layer. Although the details are not clear, the reason why the high photoelectric conversion efficiency is obtained in the present invention is considered as follows. By forming a film of the phthalocyanine compound in the form of particles, high crystallinity is maintained and the original charge transport ability of phthalocyanine can be exhibited. Furthermore, when the photoelectric conversion layer contains an inorganic or organic perovskite compound, submicron-scale unevenness occurs on the surface. By filling the unevenness with phthalocyanine particles, interfacial bonding is improved, resulting in extremely high photoelectric conversion efficiency. is estimated to be obtained.

本明細書中、「層」とは、明確な境界を有する層や平坦な薄膜状の層だけではなく、含有元素が徐々に変化する濃度勾配のある層や、他の層と一緒になって複雑に入り組んだ構造を形成しうる層をも意味する。また、層の元素分析は、例えば、光電変換素子の断面のFE-TEM/EDS線分析測定を行い、特定元素の元素分布を確認する等によって行うことができる。 In this specification, the term "layer" refers not only to a layer having a clear boundary or a flat thin film layer, but also to a layer having a concentration gradient in which the contained elements gradually change, and a layer together with other layers. It also means a layer capable of forming a complicated and intricate structure. Further, the elemental analysis of the layer can be performed, for example, by performing FE-TEM/EDS line analysis measurement of the cross section of the photoelectric conversion element and confirming the elemental distribution of the specific element.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対して適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に含まれる。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and appropriate modifications, improvements, etc., are made to the following embodiments based on the ordinary knowledge of those skilled in the art within the scope of the present invention. is included in the scope of the present invention.

図1は、本発明の光電変換素子の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。基板2上に、第二電極3、電子輸送層4、光電変換層5、粒子層6、第一電極7を有する。第一電極7と第二電極3は、一方が陽極、他方が陰極であり、第一電極7と第二電極3とを外部回路でつないだ構成に電流が生じる。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of one embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention. It has a second electrode 3 , an electron transport layer 4 , a photoelectric conversion layer 5 , a particle layer 6 and a first electrode 7 on a substrate 2 . One of the first electrode 7 and the second electrode 3 is an anode and the other is a cathode, and an electric current is generated in the configuration in which the first electrode 7 and the second electrode 3 are connected by an external circuit.

光電変換層5は基板2と第二電極3と電子輸送層4、又は第一電極7、粒子層6を通して入射した光によって励起され、電子又は正孔を生じる。即ち、光電変換層5は、第一電極7と第二電極3との間に電流を生じる。電子輸送層4は、光電変換層5と二つの電極3,7との間に配置される層であり、場合によっては形成しなくてもよい。電子輸送層4及び光電変換層5が複数積層された形態であってよい。このような形態はタンデム構造と呼ぶこともできる。 The photoelectric conversion layer 5 is excited by light incident through the substrate 2, the second electrode 3 and the electron transport layer 4, or the first electrode 7 and the particle layer 6 to generate electrons or holes. That is, the photoelectric conversion layer 5 generates current between the first electrode 7 and the second electrode 3 . The electron transport layer 4 is a layer arranged between the photoelectric conversion layer 5 and the two electrodes 3 and 7, and may not be formed in some cases. A plurality of electron transport layers 4 and photoelectric conversion layers 5 may be laminated. Such a form can also be called a tandem structure.

(基板)
本発明の光電変換素子1は、基板2を備えていても良く、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス等の透明ガラス基板、セラミック基板、透明プラスチック基板等が挙げられる。第一電極7側から光を取り込む場合、基板2は不透明な材料を用いることができ、第二電極3側から光を取り込む場合は、基板2は透明な材料で構成する。
(substrate)
The photoelectric conversion element 1 of the present invention may have a substrate 2, and examples thereof include transparent glass substrates such as soda lime glass and non-alkali glass substrates, ceramic substrates, and transparent plastic substrates. When light is taken in from the first electrode 7 side, the substrate 2 can be made of an opaque material, and when light is taken in from the second electrode 3 side, the substrate 2 is made of a transparent material.

(電極)
第一電極7、第二電極3の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができる。例えば、金、銀、チタン、銅等の金属、ナトリウム、ナトリウム-カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム-銀混合物、マグネシウム-インジウム混合物、アルミニウム-リチウム合金、Al/Al23混合物、Al/LiF混合物等が挙げられる。透明電極材として、例えば、CuI、ITO(インジウムスズ酸化物)、SnO2、AZO(アルミニウム亜鉛酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、GZO(ガリウム亜鉛酸化物)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)等の導電性透明材、導電性透明ポリマー等が挙げられる。これらの材は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。第一電極7、第二電極3は、少なくとも光入射側の一方の電極が透明電極であり、他方は透明電極であっても光反射性材料で形成された反射層を兼ねるものであってもよく、光入射側とは反対側に反射層を備えた透明電極でも良い。第一電極7が光入射側の場合には、第二電極3を透明電極として、基板2を反射層としても良い。尚、前記透明電極は、パターニングされた電極であることが多い。
(electrode)
Materials for the first electrode 7 and the second electrode 3 are not particularly limited, and conventionally known materials can be used. For example, metals such as gold, silver, titanium, copper, sodium, sodium-potassium alloys, lithium, magnesium, aluminum, magnesium-silver mixtures, magnesium-indium mixtures, aluminum-lithium alloys, Al/Al 2 O 3 mixtures, Al /LiF mixture and the like. Examples of transparent electrode materials include CuI, ITO (indium tin oxide), SnO 2 , AZO (aluminum zinc oxide), IZO (indium zinc oxide), GZO (gallium zinc oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), ), conductive transparent materials such as ATO (antimony-doped tin oxide), and conductive transparent polymers. These materials may be used alone, or two or more of them may be used in combination. In the first electrode 7 and the second electrode 3, at least one of the electrodes on the light incident side is a transparent electrode, and the other is a transparent electrode, even if it also serves as a reflective layer formed of a light reflective material. Alternatively, a transparent electrode having a reflective layer on the side opposite to the light incident side may be used. When the first electrode 7 is on the light incident side, the second electrode 3 may be a transparent electrode and the substrate 2 may be a reflective layer. Incidentally, the transparent electrode is often a patterned electrode.

(光電変換層)
光電変換層5は、一般式R-M-X3(Rは有機分子、Mは金属原子、Xはハロゲン原子又はカルコゲン原子である。)で表される有機無機ペロブスカイト化合物を含む。光電変換層5に前記有機無機ペロブスカイト化合物を用いることにより、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
(Photoelectric conversion layer)
The photoelectric conversion layer 5 contains an organic/inorganic perovskite compound represented by the general formula RMX 3 (R is an organic molecule, M is a metal atom, and X is a halogen atom or a chalcogen atom). By using the organic-inorganic perovskite compound for the photoelectric conversion layer 5, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved.

上記一般式中のRは有機分子であり、Cpmn(p、m、nはいずれも正の整数)で示されることが好ましい。前記Rは、具体的には例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、エチルメチルアミン、メチルプロピルアミン、ブチルメチルアミン、メチルペンチルアミン、ヘキシルメチルアミン、エチルプロピルアミン、エチルブチルアミン、イミダゾール、アゾール、ピロール、アジリジン、アジリン、アゼチジン、アゼト、イミダゾリン、カルバゾール、アニリン、ピリジン、メチルカルボキシアミン、エチルカルボキシアミン、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ヘキシルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジンのイオン(例えば、メチルアンモニウム(CH3NH3)等)やフェネチルアンモニウム等が挙げられる。中でも、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、アニリン、ピリジン、プロピルカルボキシアミン、ブチルカルボキシアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジンのイオンやフェネチルアンモニウムが好ましく、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ペンチルカルボキシアミン、ホルムアミジニウム、グアニジンのイオンがより好ましい。 R in the general formula above is an organic molecule, and is preferably represented by CpNmHn ( p , m , and n are all positive integers). Specifically, R is, for example, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dipentylamine, dihexylamine, trimethylamine, triethylamine, tripropyl amine, tributylamine, tripentylamine, trihexylamine, ethylmethylamine, methylpropylamine, butylmethylamine, methylpentylamine, hexylmethylamine, ethylpropylamine, ethylbutylamine, imidazole, azole, pyrrole, aziridine, azirine, Ions of azetidine, azeto, imidazoline, carbazole, aniline, pyridine, methylcarboxamine, ethylcarboxamine, propylcarboxamine, butylcarboxamine, pentylcarboxamine, hexylcarboxamine, formamidinium, guanidine (e.g. methylammonium (CH 3 NH 3 ), etc.) and phenethylammonium. Among them, methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, aniline, pyridine, propylcarboxamine, butylcarboxamine, pentylcarboxamine, formamidinium, guanidine ions and phenethylammonium are preferred. Ethylamine, propylamine, pentylcarboxyamine, formamidinium and guanidine ions are more preferred.

上記Mは金属原子であり、例えば、鉛、スズ、ビスマス、亜鉛、チタン、アンチモン、ニッケル、鉄、コバルト、銀、銅、ガリウム、ゲルマニウム、マグネシウム、カルシウム、インジウム、アルミニウム、マンガン、クロム、モリブデン、ユーロピウム等が挙げられる。なかでも、電子軌道の重なりの観点から鉛、スズ、ビスマスが好ましい。これらの金属原子は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。 M is a metal atom such as lead, tin, bismuth, zinc, titanium, antimony, nickel, iron, cobalt, silver, copper, gallium, germanium, magnesium, calcium, indium, aluminum, manganese, chromium, molybdenum, europium and the like. Among them, lead, tin, and bismuth are preferable from the viewpoint of overlap of electron orbits. These metal atoms may be used alone, or two or more of them may be used in combination.

上記Xはハロゲン原子又はカルコゲン原子であり、例えば、塩素、臭素、ヨウ素、硫黄、セレン等が挙げられる。これらのハロゲン原子又はカルコゲン原子は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。中でも、構造中にハロゲンを含有することで、上記有機無機ペロブスカイト化合物が有機溶媒に可溶になり易く、安価な印刷法等への適用が可能になることから、ハロゲン原子が好ましい。更に、前記有機無機ペロブスカイト化合物のエネルギーバンドギャップが狭くなることから、ヨウ素がより好ましい。 The above X is a halogen atom or a chalcogen atom such as chlorine, bromine, iodine, sulfur, selenium and the like. These halogen atoms or chalcogen atoms may be used alone, or two or more of them may be used in combination. Among them, a halogen atom is preferable because the organic-inorganic perovskite compound becomes easily soluble in an organic solvent by containing a halogen in the structure, and application to inexpensive printing methods and the like becomes possible. Furthermore, iodine is more preferable because it narrows the energy bandgap of the organic-inorganic perovskite compound.

上記有機無機ペロブスカイト化合物は、体心に金属原子M、各頂点に有機分子R、面心にハロゲン原子又はカルコゲン原子Xが配置された立方晶系の構造を有することが好ましい。詳細は明らかではないが、係る構造を有することにより、結晶格子内の八面体の向きが容易に変わることができるため、有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、光電変換素子の光電変換効率が向上すると推定される。 The organic-inorganic perovskite compound preferably has a cubic structure in which a metal atom M is arranged at the center of the body, an organic molecule R is arranged at each vertex, and a halogen atom or a chalcogen atom X is arranged at the center of the face. Although the details are not clear, by having such a structure, the orientation of the octahedron in the crystal lattice can be easily changed. It is estimated that the conversion efficiency is improved.

本発明に用いる有機無機ペロブスカイト化合物は、結晶性半導体であることが好ましい。結晶性半導体とは、X線散乱強度分布を測定し、散乱ピークが検出できる半導体を意味している。有機無機ペロブスカイト化合物が結晶性半導体であることにより、有機無機ペロブスカイト化合物中の電子の移動度が高くなり、光電変換素子の光電変換効率が向上する。 The organic/inorganic perovskite compound used in the present invention is preferably a crystalline semiconductor. A crystalline semiconductor means a semiconductor whose X-ray scattering intensity distribution can be measured and a scattering peak can be detected. Since the organic-inorganic perovskite compound is a crystalline semiconductor, the mobility of electrons in the organic-inorganic perovskite compound is increased, and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element is improved.

本発明に係る光電変換層の厚みは、好ましくは5nm以上1000nm以下である。厚みが5nm以上であれば、光を充分に吸収することができ、1000nm以下であれば、生成した電荷を各電極に輸送させることができる。より好ましい下限は10nm以上、より好ましい上限は700nmであり、更に好ましい下限は15nm、更に好ましい上限は500nmである。 The thickness of the photoelectric conversion layer according to the present invention is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less. If the thickness is 5 nm or more, light can be sufficiently absorbed, and if the thickness is 1000 nm or less, the generated charge can be transported to each electrode. A more preferable lower limit is 10 nm or more, a more preferable upper limit is 700 nm, a still more preferable lower limit is 15 nm, and a further preferable upper limit is 500 nm.

本発明おいて、光電変換層5の表面粗さの最大高さRzは以下のように測定する。先ず光電変換層5の表面を、レーザー顕微鏡(キーエンス製「VK-X200」)を用い、標準倍率150倍で、0.2μmピッチでレーザー解析を行う。得られたレーザー観察像をカットオフ値λs=0.25μm、λc=0.25mmで前処理し、表面粗さの最大高さRzを取得する。 In the present invention, the maximum height Rz of surface roughness of the photoelectric conversion layer 5 is measured as follows. First, the surface of the photoelectric conversion layer 5 is subjected to laser analysis using a laser microscope ("VK-X200" manufactured by Keyence) at a standard magnification of 150 times and a pitch of 0.2 μm. The obtained laser observation image is pretreated with cutoff values λs=0.25 μm and λc=0.25 mm to obtain the maximum height Rz of surface roughness.

(粒子層)
本発明の光電変換素子1は、光電変換層5と第一電極7との間に、フタロシアニン化合物を主体とした粒子からなる粒子層6を有する。係る粒子はフタロシアニン化合物をICP/MS等で測定した元素分析比で50質量%以上含んでいると好ましく、80質量%以上99質量%以下含んでいることがより好ましい。フタロシアニン化合物が50質量%以上の場合は、粒子の安定性が高いので好ましい。フタロシアニン化合物が80質量%以上の場合は、粒子内のπ-πスタックが強固になり電荷輸送能が向上する。
(particle layer)
The photoelectric conversion element 1 of the present invention has a particle layer 6 composed of particles mainly composed of a phthalocyanine compound between the photoelectric conversion layer 5 and the first electrode 7 . Such particles preferably contain 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more and 99% by mass or less of the phthalocyanine compound in elemental analysis ratio measured by ICP/MS or the like. When the phthalocyanine compound is 50% by mass or more, the stability of the particles is high, which is preferable. When the phthalocyanine compound is 80% by mass or more, the π-π stack in the particles is strengthened and the charge transport ability is improved.

粒子層6の厚みは、好ましくは、20nm以上800nm以下である。厚みが20nm以上であれば、光電変換層5を十分被覆でき、電荷輸送をスムーズに行え、厚みが800nm以下であれば、電荷を各電極に良好に輸送させることができる。より好ましくは、50nm以上600nm以下であり、更に好ましくは50nm以上400nm以下である。 The thickness of the particle layer 6 is preferably 20 nm or more and 800 nm or less. When the thickness is 20 nm or more, the photoelectric conversion layer 5 can be sufficiently covered and charge transport can be performed smoothly. It is more preferably 50 nm or more and 600 nm or less, and still more preferably 50 nm or more and 400 nm or less.

本発明において、フタロシアニン化合物を主体とする粒子の平均粒径は、好ましい上限が300nmで、好ましい下限が20nmである。平均粒径が300nm以下であれば光電変換層5の凹凸を充填でき、光電変換層5で発生した電荷をスムーズに抜き取れる。平均粒径が20nm以上であれば、光電変換層5の凹凸を充填する際の粒子間の界面抵抗を低減でき、電荷輸送能をスムーズに行える。粒子の平均粒径のより好ましい上限は250nm、より好ましい下限は60nmで、さらに好ましい上限は150nm、さらに好ましい下限は70nmである。 In the present invention, the average particle diameter of the particles mainly composed of the phthalocyanine compound has a preferred upper limit of 300 nm and a preferred lower limit of 20 nm. If the average particle diameter is 300 nm or less, the unevenness of the photoelectric conversion layer 5 can be filled, and the charges generated in the photoelectric conversion layer 5 can be extracted smoothly. If the average particle diameter is 20 nm or more, the interfacial resistance between particles when filling the unevenness of the photoelectric conversion layer 5 can be reduced, and the charge transport performance can be smoothly performed. A more preferable upper limit of the average particle diameter of the particles is 250 nm, a more preferable lower limit is 60 nm, a still more preferable upper limit is 150 nm, and a further preferable lower limit is 70 nm.

フタロシアニン化合物を主体とする粒子の平均粒径は、フタロシアニン化合物の結晶粒子の1次粒径を測定できるのであれば、例えば、動的光散乱法・レーザー回折法・重力沈降法・超音波減衰法・画像イメージング法などを利用して得ればよい。本発明の実施例においては、SEM(走査電子顕微鏡)による画像イメージング法により導出した。具体的には先ず、粒子層6の10万倍のSEM画像を用い、画像処理ソフト Photoshop(Adobe製)を用いて結晶粒子(10,000個以上)を抽出する。次いで、各結晶粒子の面積Sを求め、この面積と同面積円の直径(=2×(S/π)1/2)を平均粒径とした。 The average particle size of the particles mainly composed of the phthalocyanine compound can be obtained by, for example, dynamic light scattering method, laser diffraction method, gravity sedimentation method, ultrasonic attenuation method, if the primary particle size of crystal particles of the phthalocyanine compound can be measured.・It can be obtained by using an image imaging method or the like. In the examples of the present invention, it was derived by an image imaging method using a SEM (scanning electron microscope). Specifically, first, using an SEM image of the particle layer 6 at a magnification of 100,000, crystal particles (10,000 or more) are extracted using image processing software Photoshop (manufactured by Adobe). Next, the area S of each crystal grain was determined, and the diameter of a circle having the same area as this area (=2×(S/π) 1/2 ) was taken as the average grain size.

本発明において、フタロシアニン化合物を主体とする粒子は、CuKα線を用いたX線回折スペクトルにおけるブラッグ角度2θの7.4°±0.3°及び28.2°±0.3°にピークを示す結晶型のフタロシアニン化合物の結晶粒子を含むことが好ましい。また、係る粒子は、小角X線散乱を用いて測定した結晶粒子サイズ分布において20nm以上50nm以下にピークを有し、そのピークの半値幅が50nm以下であるフタロシアニン化合物の結晶粒子を含むことが好ましい。 In the present invention, particles mainly composed of a phthalocyanine compound show peaks at Bragg angles 2θ of 7.4°±0.3° and 28.2°±0.3° in an X-ray diffraction spectrum using CuKα rays. It preferably contains crystal particles of a crystalline phthalocyanine compound. Further, such particles preferably include crystal particles of a phthalocyanine compound having a peak at 20 nm or more and 50 nm or less in a crystal grain size distribution measured using small-angle X-ray scattering, and having a half-value width of the peak of 50 nm or less. .

フタロシアニン化合物を主体とした粒子の粉末X線回折測定は、次の条件で行ったものである。 Powder X-ray diffraction measurement of particles mainly composed of a phthalocyanine compound was carried out under the following conditions.

〔粉末X線回折測定〕
使用測定機:理学電気(株)製、X線回折装置「RINT-TTRII」
X線管球:Cu
X線波長:Kα1
管電圧:50KV
管電流:300mA
スキャン方法:2θスキャン
スキャン速度:4.0°/min
サンプリング間隔:0.02°
スタート角度2θ:5.0°
ストップ角度2θ:35.0°
ゴニオメータ:ローター水平ゴニオメータ(TTR-2)
アタッチメント:キャピラリ回転試料台
フィルター:なし
検出器:シンチレーションカウンター
インシデントモノクロ:使用する
スリット:可変スリット(平行ビーム法)
カウンターモノクロメータ:不使用
発散スリット:開放
発散縦制限スリット:10.00mm
散乱スリット:開放
受光スリット:開放
[Powder X-ray diffraction measurement]
Measuring machine used: Rigaku Denki Co., Ltd., X-ray diffractometer "RINT-TTRII"
X-ray tube: Cu
X-ray wavelength: Kα1
Tube voltage: 50KV
Tube current: 300mA
Scanning method: 2θ scan Scanning speed: 4.0°/min
Sampling interval: 0.02°
Start angle 2θ: 5.0°
Stop angle 2θ: 35.0°
Goniometer: Rotor horizontal goniometer (TTR-2)
Attachment: Capillary rotation sample stage Filter: None Detector: Scintillation counter Incident monochrome: Used Slit: Variable slit (parallel beam method)
Counter monochromator: Not used Divergence slit: Open Divergence vertical limiting slit: 10.00 mm
Scattering slit: open Receiving slit: open

本発明において、フタロシアニン化合物は金属配位子を有していてもよい。配位金属としては例えば、Ga,Cu,Tiなどが挙げられ、中でもGaは結晶性の観点で好ましい。上記配位金属は置換基を有していても良い。置換基としては例えば、ヒドロキシ基、ハロゲン基などが挙げられ、中でも電荷輸送能の観点でヒドロキシ基が好ましい。これらの観点から、前記フタロシアニン化合物はヒドロキシガリウムフタロシアニンが特に好ましい。 In the present invention, the phthalocyanine compound may have a metal ligand. Examples of coordinating metals include Ga, Cu, and Ti, among which Ga is preferred from the viewpoint of crystallinity. The coordination metal may have a substituent. Examples of the substituent include a hydroxy group and a halogen group, and among them, a hydroxy group is preferable from the viewpoint of charge transport ability. From these points of view, the phthalocyanine compound is particularly preferably hydroxygallium phthalocyanine.

本発明の光電変換素子においては、第一電極7と光電変換層5との間、及び/又は第二電極3と光電変換層5との間に、電子輸送層が配置されていてもよい。図1に示した光電変換素子1は、第二電極3と光電変換層5との間に電子輸送層4を配置した例である。 In the photoelectric conversion element of the present invention, an electron transport layer may be arranged between the first electrode 7 and the photoelectric conversion layer 5 and/or between the second electrode 3 and the photoelectric conversion layer 5 . A photoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1 is an example in which an electron transport layer 4 is arranged between a second electrode 3 and a photoelectric conversion layer 5 .

電子輸送層4の材料は特に限定されず、例えば、N型導電性高分子、N型低分子有機半導体、N型金属酸化物、N型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属、界面活性剤等が挙げられ、具体的には例えば、シアノ基含有ポリフェニレンビニレン、ホウ素含有ポリマー、バソキュプロイン、バソフェナントレン、ヒドロキシキノリナトアルミニウム、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸化合物、ペリレン誘導体、ホスフィンオキサイド化合物、ホスフィンスルフィド化合物、フルオロ基含有フタロシアニン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、硫化スズ、硫化インジウム、硫化亜鉛等が挙げられる。 The material of the electron transport layer 4 is not particularly limited. Specific examples include cyano group-containing polyphenylene vinylene, boron-containing polymer, bathocuproine, bathophenanthrene, hydroxyquinolinatoaluminum, oxadiazole compound, benzimidazole compound, naphthalenetetracarboxylic acid compound, perylene derivative, Phosphine oxide compounds, phosphine sulfide compounds, fluoro group-containing phthalocyanines, titanium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, gallium oxide, tin sulfide, indium sulfide, zinc sulfide and the like.

電子輸送層4は、薄膜状の電子輸送層のみからなっていてもよいが、多孔質状の電子輸送層を含むことが好ましい。特に、光電変換層5が、有機無機ペロブスカイト化合物を含む複合膜である場合、より複雑な複合膜(より複雑に入り組んだ構造)が得られ、光電変換効率が高くなることから、多孔質状の電子輸送層4上に複合膜の光電変換層5が成膜されていることが好ましい。 The electron transport layer 4 may consist of only a thin-film electron transport layer, but preferably includes a porous electron transport layer. In particular, when the photoelectric conversion layer 5 is a composite film containing an organic-inorganic perovskite compound, a more complicated composite film (a more complicated structure) is obtained, and the photoelectric conversion efficiency is increased. A composite photoelectric conversion layer 5 is preferably formed on the electron transport layer 4 .

電子輸送層4の厚みは、好ましい下限が1nm、好ましい上限が2000nmである。係る厚みが1nm以上であれば、充分にホールをブロックできるようになり、2000nm以下であれば、電子輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率が高くなる。厚みのより好ましい下限は3nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は5nm、更に好ましい上限は500nmである。 The thickness of the electron transport layer 4 has a preferred lower limit of 1 nm and a preferred upper limit of 2000 nm. If the thickness is 1 nm or more, holes can be sufficiently blocked, and if the thickness is 2000 nm or less, it is difficult to become a resistance during electron transport, resulting in a high photoelectric conversion efficiency. A more preferable lower limit to the thickness is 3 nm, a more preferable upper limit is 1000 nm, a still more preferable lower limit is 5 nm, and a further preferable upper limit is 500 nm.

(光電変換装置)
本発明の光電変換装置は、本発明の光電変換素子を複数有しており、光電変換素子を複数つなげている場合は、光電変換モジュールということもできる。光電変換素子は、出力の電圧を高めるために積層されていてもよい。また、光電変換装置は、本発明の光電変換素子と、インバーターを有する。インバーターは、直流を交流に変換する変換器であってよい。光電変換装置は、光電変換素子に接続されている蓄電部を有してよい。蓄電部は、電気を蓄えられるものであれば、限定されるものではない。例えば、リチウムイオン等を用いた二次電池、全固体電池、電気二重層キャパシタ等が挙げられる。
(Photoelectric conversion device)
A photoelectric conversion device of the present invention has a plurality of photoelectric conversion elements of the present invention, and when a plurality of photoelectric conversion elements are connected, it can be called a photoelectric conversion module. The photoelectric conversion elements may be stacked in order to increase the output voltage. A photoelectric conversion device includes the photoelectric conversion element of the present invention and an inverter. An inverter may be a converter that converts direct current to alternating current. The photoelectric conversion device may have a power storage unit connected to the photoelectric conversion element. The power storage unit is not limited as long as it can store electricity. For example, a secondary battery using lithium ion or the like, an all-solid battery, an electric double layer capacitor, and the like can be mentioned.

(移動体)
図2は、本発明の光電変換素子を備えた移動体の一実施形態を模式的に示す斜視図である。移動体30は、本発明の光電変換素子31と、この光電変換素子31を備えた機体32と、を有する。光電変換素子31は、機体32の外光を受けられる位置に配置される。移動体30が自動車であれば、屋根に配置されてよい。光電変換素子31により得られた電気エネルギーは、移動体30の動力となっても、他の電気機器の動力となってもよい。移動体30の動力から発生する電気エネルギーを光電変換素子31の動力に用いてもよい。移動体30が自動車であれば、ブレーキにより発生する摩擦エネルギーを電気エネルギーに変換し、光電変換素子31の制御に用いてよい。
移動体30は、例えば、自動車、船舶、航空機、ドローンであってよい。移動体30の機体32の構成は特に限定されないが、強度が高い材料で構成されていることが好ましい。
(moving object)
FIG. 2 is a perspective view schematically showing one embodiment of a moving body provided with the photoelectric conversion element of the present invention. A moving body 30 has a photoelectric conversion element 31 of the present invention and a body 32 having this photoelectric conversion element 31 . The photoelectric conversion element 31 is arranged at a position where the airframe 32 can receive external light. If the moving body 30 is an automobile, it may be placed on the roof. The electrical energy obtained by the photoelectric conversion element 31 may be used to power the moving body 30 or other electrical equipment. Electric energy generated from the power of the moving body 30 may be used to power the photoelectric conversion element 31 . If the moving body 30 is an automobile, frictional energy generated by braking may be converted into electrical energy and used to control the photoelectric conversion element 31 .
The mobile object 30 may be, for example, an automobile, a ship, an aircraft, or a drone. Although the structure of the body 32 of the moving body 30 is not particularly limited, it is preferably made of a material with high strength.

(建材)
図3は、本発明の光電変換素子を備えた建材の一実施形態を模式的に示す斜視図である。建材40は建物の屋根であってよい。本実施形態の建材40は、本発明の光電変換素子41と、この光電変換素子41を保護する保護部材42と、放熱部材43と、外装44a,44bと、を有する。
(building materials)
FIG. 3 is a perspective view schematically showing one embodiment of a building material provided with the photoelectric conversion element of the present invention. Building material 40 may be the roof of a building. A building material 40 of the present embodiment has a photoelectric conversion element 41 of the present invention, a protective member 42 that protects the photoelectric conversion element 41, a heat dissipation member 43, and exteriors 44a and 44b.

本発明の建材40は、光電変換素子41よりも熱伝導率が高い放熱部材43を有していてもよい。屋根等に用いられた場合、太陽光により光電変換素子41の温度が上昇する場合があり、光電変換効率が低下する可能性がある。放熱部材43を用いることで光電変換効率の低下を低減することができる。放熱部材43は、金属、合金、液体金属、液体樹脂等があげられる。 The building material 40 of the present invention may have a heat radiating member 43 having a higher thermal conductivity than the photoelectric conversion element 41 . When used on a roof or the like, the temperature of the photoelectric conversion element 41 may rise due to sunlight, and the photoelectric conversion efficiency may decrease. A decrease in photoelectric conversion efficiency can be reduced by using the heat radiating member 43 . Metals, alloys, liquid metals, liquid resins, and the like can be used for the heat radiating member 43 .

また、本発明の建材40は、外装44a,44bを有していてもよい。外装44aと、外装44bは異なる色を発してもよいし、同じであってもよい。44aと44bは同じ部材で構成されても、異なる部材で構成されてもよい。外装としては、塗料、透明基板が用いられてよい。光吸収が小さく、遮熱性が高いものが好ましい。 Further, the building material 40 of the present invention may have exteriors 44a and 44b. The exterior 44a and the exterior 44b may emit different colors or may be the same. 44a and 44b may be composed of the same member or may be composed of different members. Paint and a transparent substrate may be used as the exterior. Those having low light absorption and high heat shielding properties are preferable.

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。また、以下の説明における「部」は、特に記載がない限り、「質量部」である。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples below, but the present invention is not limited to these Examples. Also, "parts" in the following description are "parts by mass" unless otherwise specified.

〔フタロシアニン化合物を主体とした粒子の作製〕
〈粒子1の作製〉
工程(1)
窒素フローの雰囲気下、オルトフタロニトリル5.46部及びα-クロロナフタレン45部を反応釜に投入した後、加熱し、温度30℃まで昇温させ、この温度を維持した。次に、この温度(30℃)で三塩化ガリウム3.75部を投入した。投入時の混合液の水分濃度は150ppmであった。その後、温度200℃まで昇温させた。次に、窒素フローの雰囲気下、温度200℃で4.5時間反応させた後、冷却し、温度150℃に達した時に生成物を濾過した。得られた濾過物をN,N-ジメチルホルムアミドを用いて温度140℃で2時間分散洗浄した後、濾過した。得られた濾過物をメタノールで洗浄した後、乾燥させ、クロロガリウムフタロシアニン粒子を収率71%で得た。
[Preparation of Particles Mainly Containing Phthalocyanine Compound]
<Preparation of Particle 1>
Step (1)
In a nitrogen flow atmosphere, 5.46 parts of orthophthalonitrile and 45 parts of α-chloronaphthalene were charged into the reactor, heated to 30° C., and maintained at this temperature. Next, 3.75 parts of gallium trichloride were added at this temperature (30° C.). The water concentration of the mixed liquid at the time of charging was 150 ppm. After that, the temperature was raised to 200°C. The reaction was then carried out at a temperature of 200°C for 4.5 hours under an atmosphere of nitrogen flow, then cooled and the product was filtered when the temperature reached 150°C. The obtained filtrate was dispersed and washed with N,N-dimethylformamide at a temperature of 140° C. for 2 hours, and then filtered. The resulting filtrate was washed with methanol and then dried to obtain chlorogallium phthalocyanine particles with a yield of 71%.

工程(2)
前記クロロガリウムフタロシアニン粒子4.65部を、温度10℃で濃硫酸139.5部に溶解させ、攪拌下、氷水620部中に滴下して再析出させて、フィルタープレスを用いて減圧濾過した。この時にフィルターとして、No.5C(アドバンテック社製)を用いた。得られたウエットケーキ(濾過物)を2%アンモニア水で30分間分散洗浄した後、フィルタープレスを用いて濾過した。次いで、得られたウエットケーキ(濾過物)をイオン交換水で分散洗浄した後、フィルタープレスを用いた濾過を3回繰り返した。最後にフリーズドライ(凍結乾燥)を行い、固形分23質量%のヒドロキシガリウムフタロシアニン粒子(含水ヒドロキシガリウムフタロシアニン粒子)を収率71%で得た。前記ヒドロキシガリウムフタロシアニン粒子をハイパー・ドライ乾燥機(商品名:HD-06R、周波数(発振周波数):2455MHz±15MHz、日本バイオコン製)を乾燥させ、含水率1.0質量%以下のヒドロキシガリウムフタロシアニン粒子(結晶)を得た。
Step (2)
4.65 parts of the chlorogallium phthalocyanine particles were dissolved in 139.5 parts of concentrated sulfuric acid at a temperature of 10.degree. At this time, as a filter, No. 5C (manufactured by Advantech) was used. The resulting wet cake (filtrate) was dispersed and washed with 2% aqueous ammonia for 30 minutes, and then filtered using a filter press. Then, the obtained wet cake (filtrate) was dispersed and washed with ion-exchanged water, and then filtered three times using a filter press. Finally, freeze-drying (freeze-drying) was performed to obtain hydroxygallium phthalocyanine particles (hydrated hydroxygallium phthalocyanine particles) having a solid content of 23% by mass with a yield of 71%. The hydroxygallium phthalocyanine particles are dried with a hyper dry dryer (trade name: HD-06R, frequency (oscillation frequency): 2455 MHz ± 15 MHz, manufactured by Biocon Japan) to obtain hydroxygallium phthalocyanine particles having a water content of 1.0% by mass or less. (crystal) was obtained.

工程(3)
前記ヒドロキシガリウムフタロシアニン粒子5部をDMF溶媒5部とガラスビーズ5部を封入したサンドミル(K-800、五十嵐機械製造(現アイメックス)製、ディスク径70mm、ディスク枚数5枚)を用いて6時間分散処理し、濾過、乾燥させることで粒子1を得た。
Step (3)
5 parts of the hydroxygallium phthalocyanine particles were dispersed for 6 hours using a sand mill (K-800, manufactured by Igarashi Kikai Seisakusho (now Imex), disk diameter 70 mm, number of disks 5) containing 5 parts of DMF solvent and 5 parts of glass beads. Particle 1 was obtained by processing, filtering and drying.

また、工程(3)における分散時間とガラスビーズ量を変化させることで、粒径と結晶性が異なる表1に示す粒子2乃至16を作製した。表1中の「Pc化合物」はフタロシアニン化合物を意味する。 Particles 2 to 16 shown in Table 1 having different particle sizes and crystallinities were produced by changing the dispersion time and the amount of glass beads in step (3). "Pc compound" in Table 1 means a phthalocyanine compound.

Figure 2022168820000002
Figure 2022168820000002

(実施例1)
〔基板及び第二電極の洗浄〕
ITO付ガラス基板(ジオマテック社製)を純水、アセトン、メタノールをこの順に用いて各10分間超音波洗浄した後、乾燥させた。その後、前記ITO付ガラス基板上にUVオゾン処理を20分施した。
(Example 1)
[Washing of substrate and second electrode]
A glass substrate with ITO (manufactured by Geomatec) was ultrasonically cleaned using pure water, acetone and methanol in this order for 10 minutes each, and then dried. Thereafter, the ITO-attached glass substrate was subjected to UV ozone treatment for 20 minutes.

〔電子輸送層の形成〕
前記ITO付ガラス基板上に、2質量%に調整したチタンイソプロポキシドエタノール溶液をスピンコート法により塗布した後、400℃で10分間焼成し、厚み20nmの薄膜状の電子輸送層を形成した。更に、薄膜状の電子輸送層上に、有機バインダとしてのポリイソブチルメタクリレートと酸化チタン(平均粒子径25nm)とエタノールとを含有する酸化チタンペーストをスピンコート法により塗布した後、500℃で10分間焼成し、厚み500nmの多孔質状の電子輸送層を形成した。
[Formation of electron transport layer]
A titanium isopropoxide ethanol solution adjusted to 2% by mass was applied onto the ITO-attached glass substrate by spin coating, and then baked at 400° C. for 10 minutes to form a thin-film electron transport layer with a thickness of 20 nm. Further, a titanium oxide paste containing polyisobutyl methacrylate as an organic binder, titanium oxide (average particle size: 25 nm), and ethanol was applied onto the thin-film electron-transporting layer by spin coating, and then heated at 500° C. for 10 minutes. It was baked to form a porous electron transport layer having a thickness of 500 nm.

〔光電変換層の形成〕
ヨウ化鉛4gとヨウ化メチルアンモニウム1.4gを溶剤としてのジメチルホルムアミド4.5gに溶解させ、60℃で24時間攪拌し、溶解させることで、光電変換層塗布液を調製した。この塗布液を前記電子輸送層上にスピンコートすることで、厚み500nmの光電変換層を形成した。この時、光電変換層の表面粗さの最大高さRzは270nmであった。
[Formation of photoelectric conversion layer]
A photoelectric conversion layer coating solution was prepared by dissolving 4 g of lead iodide and 1.4 g of methylammonium iodide in 4.5 g of dimethylformamide as a solvent and stirring at 60° C. for 24 hours for dissolution. A photoelectric conversion layer having a thickness of 500 nm was formed by spin-coating this coating liquid on the electron transport layer. At this time, the maximum height Rz of the surface roughness of the photoelectric conversion layer was 270 nm.

〔粒子層の形成〕
表1の粒子1を5g、クロロベンゼンを45g、ガラスビーズ50gをガラス瓶に封入し、ペイントシェーカーを用いて6時間分散することで粒子層塗布液を調整し、前記光電変換層上にスピンコートすることで、厚み100nmの粒子のみで粒子層を形成した。
[Formation of particle layer]
5 g of particles 1 in Table 1, 45 g of chlorobenzene, and 50 g of glass beads are enclosed in a glass bottle, dispersed for 6 hours using a paint shaker to prepare a particle layer coating solution, and spin-coated on the photoelectric conversion layer. A particle layer was formed with only particles having a thickness of 100 nm.

〔粒子層への電荷輸送材の導入〕
電荷輸送材料としてのSpiro-OMeTAD(180mg)をクロロベンゼン(1mL)に溶解させた。このクロロベンゼン溶液に、リチウム-ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(170mg)をアセトニトリル(1mL)に溶解させたアセトニトリル溶液(37.5μL)と、t-ブチルピリジン(TBP、17.5μL)とを加えて混合し、電荷輸送材料溶液を調製した。これを上記粒子のみで形成した粒子層上にスピンコート法により塗布することで、粒子が電荷輸送材で覆われた、全体の厚みが200nmの粒子層を形成した。
[Introduction of charge-transporting material into particle layer]
Spiro-OMeTAD (180 mg) as a charge transport material was dissolved in chlorobenzene (1 mL). To this chlorobenzene solution, an acetonitrile solution (37.5 μL) obtained by dissolving lithium-bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (170 mg) in acetonitrile (1 mL) and t-butylpyridine (TBP, 17.5 μL) were added. mixed to prepare a charge transport material solution. This was applied onto the particle layer formed of only the above particles by a spin coating method to form a particle layer with a total thickness of 200 nm in which the particles were covered with the charge transport material.

〔第一電極の形成〕
前記粒子層上に厚さ80nm、面積0.09cm2の金電極を真空蒸着法によって形成し、光電変換素子を得た。
[Formation of first electrode]
A gold electrode having a thickness of 80 nm and an area of 0.09 cm 2 was formed on the particle layer by vacuum evaporation to obtain a photoelectric conversion element.

(実施例2)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子4を用い、電荷輸送材は用いず、粒子のみで膜厚が700nmの粒子層を形成した以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 2)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 1 except that Particles 4 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound, and a particle layer having a thickness of 700 nm was formed only with particles without using a charge transporting material.

(実施例3)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子10を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 3)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 10 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例4)
光電変換層の表面粗さの最大高さRzが190nmであること以外は実施例3と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 4)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 3, except that the maximum height Rz of the surface roughness of the photoelectric conversion layer was 190 nm.

(実施例5)
光電変換層の表面粗さの最大高さRzが300nmであること以外は実施例3と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 5)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 3, except that the maximum height Rz of the surface roughness of the photoelectric conversion layer was 300 nm.

(実施例6)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子3を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 6)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 3 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例7)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子9を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 7)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 9 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例8)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子8を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 8)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 8 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例9)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子2を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 9)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 2 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例10)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子5を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 10)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 5 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例11)
実施例1と同様にして粒子のみの粒子層を形成した後に電荷輸送材を導入して粒子層を形成した以外は、実施例2と同様にして光電変換素子を得た。粒子層全体の厚さは、粒子のみの厚さより100nm厚くなるようにした。
(Example 11)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 2, except that after forming a particle layer of only particles in the same manner as in Example 1, a charge transporting material was introduced to form a particle layer. The thickness of the entire particle layer was made 100 nm thicker than the thickness of the particles alone.

(実施例12)
粒子層膜厚を500nmとした以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 12)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that the particle layer thickness was changed to 500 nm.

(実施例13)
粒子層膜厚を40nmとし、フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子5を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 13)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that the particle layer thickness was set to 40 nm and Particles 5 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例14)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子6を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 14)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2, except that Particles 6 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例15)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子7を用いた以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 15)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 2 except that Particles 7 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例16)
粒子層膜厚を400nmとした以外は実施例2と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 16)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 2, except that the particle layer thickness was changed to 400 nm.

(実施例17)
実施例1と同様にして粒子のみの粒子層を形成した後、電荷輸送材を導入して粒子層を形成した以外は実施例9と同様にして光電変換素子を得た。粒子層全体の厚さは、粒子のみの厚さより100nm厚くなるようにした。
(Example 17)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 9, except that after forming a particle layer of only particles in the same manner as in Example 1, a charge transporting material was introduced to form a particle layer. The thickness of the entire particle layer was made 100 nm thicker than the thickness of the particles alone.

(実施例18)
粒子層膜厚を200nmとした以外は実施例9と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 18)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 9, except that the particle layer thickness was changed to 200 nm.

(実施例19)
実施例1と同様にして粒子のみの粒子層を形成した後、電荷輸送材を導入して粒子層を形成した以外は実施例18と同様にして光電変換素子を得た。粒子層全体の厚さは、粒子のみの厚さより100nm厚くなるようにした。
(Example 19)
A photoelectric conversion element was obtained in the same manner as in Example 18, except that after forming a particle layer of only particles in the same manner as in Example 1, a charge transporting material was introduced to form a particle layer. The thickness of the entire particle layer was made 100 nm thicker than the thickness of the particles alone.

(実施例20)
〔基板の洗浄〕
ガラス基板を純水、アセトン、メタノールをこの順に用いて各10分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
(Example 20)
[Washing of substrate]
The glass substrate was ultrasonically cleaned using pure water, acetone and methanol in this order for 10 minutes each, and then dried.

〔第二電極の形成〕
前記ガラス基板に厚み1000nmのAl電極を真空蒸着法によって形成した。
[Formation of second electrode]
An Al electrode having a thickness of 1000 nm was formed on the glass substrate by a vacuum deposition method.

〔電子輸送層の形成〕
前記Al電極上に酸化スズ分散水コロイド液(Alfa Aesar製)をスピンコートし、150℃30分で乾燥させることで厚み50nmの電子輸送層を形成した。
[Formation of electron transport layer]
A tin oxide dispersed water colloidal solution (manufactured by Alfa Aesar) was spin-coated on the Al electrode and dried at 150° C. for 30 minutes to form an electron transport layer having a thickness of 50 nm.

〔光電変換層及び粒子層の形成〕
実施例1と同様に行った。
[Formation of photoelectric conversion layer and particle layer]
It was carried out in the same manner as in Example 1.

〔第一電極の形成〕
前記粒子層上にスズが5質量%ドープされたITOターゲットを用い、O2(5モル%)を含むArガスを用い、圧力0.5Paという条件で、スパッタリング法にて、厚さ150nm、面積0.09cm2のITO電極を形成した。
[Formation of first electrode]
Using an ITO target doped with 5% by mass of tin on the particle layer, using an Ar gas containing O 2 (5 mol%), a sputtering method was performed under the conditions of a pressure of 0.5 Pa to a thickness of 150 nm and an area of 150 nm. A 0.09 cm 2 ITO electrode was formed.

(実施例21)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子11を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 21)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1 except that Particles 11 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例22)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子12を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 22)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1, except that Particles 12 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例23)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子13を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 23)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1, except that Particles 13 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例24)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子14を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 24)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1 except that Particles 14 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例25)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子15を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 25)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1 except that Particles 15 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(実施例26)
フタロシアニン化合物を主体とした粒子として粒子16を用いた以外は実施例1と同様にして光電変換素子を得た。
(Example 26)
A photoelectric conversion device was obtained in the same manner as in Example 1 except that Particles 16 were used as particles mainly composed of a phthalocyanine compound.

(比較例1)
〔基板及び第二電極の洗浄〕
実施例1と同様に行った。
(Comparative example 1)
[Washing of substrate and second electrode]
It was carried out in the same manner as in Example 1.

〔注入層の形成〕
前記第二電極上に厚さ0.5nmのLiF膜を真空蒸着法によって形成した。
[Formation of injection layer]
A LiF film having a thickness of 0.5 nm was formed on the second electrode by a vacuum deposition method.

〔バルクヘテロ層の形成〕
ポリ(3-ヘキシルチオフェン)を1g、フラーレン誘導体(PCBM:Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester)を1g、粒子1を8gとクロロベンゼン15gに溶解、分散させることでバルクヘテロ層用塗布液を調製した。上記塗布液を前記注入層上にスピンコートすることで、厚み300nmのバルクヘテロ層を形成した。
[Formation of Bulk Heterolayer]
1 g of poly(3-hexylthiophene), 1 g of fullerene derivative (PCBM: Phenyl-C61-Butyric-Acid-Methyl Ester), 8 g of Particle 1, and 15 g of chlorobenzene were dissolved and dispersed to prepare a bulk heterolayer coating liquid. did. A bulk hetero layer having a thickness of 300 nm was formed by spin-coating the coating solution on the injection layer.

〔第一電極の形成〕
実施例1と同様に行った。
[Formation of first electrode]
It was carried out in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
〔基板の洗浄〕
チタン基板を純水、アセトン、メタノールをこの順に用いて各10分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
(Comparative example 2)
[Washing of substrate]
The titanium substrate was ultrasonically cleaned using pure water, acetone and methanol in this order for 10 minutes each, and then dried.

〔第二電極の形成〕
実施例20と同様に行った。
[Formation of second electrode]
It was carried out in the same manner as in Example 20.

〔電子輸送層及び光電変換層の形成〕
実施例1と同様に行った。
[Formation of electron transport layer and photoelectric conversion layer]
It was carried out in the same manner as in Example 1.

〔電荷輸送層の形成〕
Phthalocyanine (purified by sublimation) [for organic electronics](TCI製)を1g、クロロベンゼン9g中に溶解させ、電荷輸送層用塗布液を調製した。該塗布液を前記光電変換層上にスピンコートすることで、厚さ100nmの電荷輸送層を形成した。
[Formation of charge transport layer]
1 g of Phthalocyanine (purified by sublimation) [for organic electronics] (manufactured by TCI) was dissolved in 9 g of chlorobenzene to prepare a coating liquid for charge transport layer. A charge transport layer having a thickness of 100 nm was formed by spin-coating the coating liquid onto the photoelectric conversion layer.

〔第一電極の形成〕
実施例20と同様に行った。
[Formation of first electrode]
It was carried out in the same manner as in Example 20.

<評価>
各実施例、比較例で得られた光電変換素子について、以下の評価を行った。
<Evaluation>
The photoelectric conversion elements obtained in Examples and Comparative Examples were evaluated as follows.

(発電効率評価)
光電変換素子の電極間に、電源(KEITHLEY社製、236モデル)を接続し、強度100mW/cm2のソーラーシミュレーター(山下電装社製)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧とを測定することにより、光電変換効率を評価した。結果を表2に示す。
(Evaluation of power generation efficiency)
A power supply (236 model manufactured by KEITHLEY) is connected between the electrodes of the photoelectric conversion element, and a constant light is irradiated using a solar simulator (manufactured by Yamashita Denso) with an intensity of 100 mW/cm 2 to generate current and voltage. The photoelectric conversion efficiency was evaluated by measuring . Table 2 shows the results.

Figure 2022168820000003
Figure 2022168820000003

1,31,41:光電変換素子、2:基板、3:第二電極、5:光電変換層、6:粒子層、7:第一電極、30:移動体、32:機体、40:建材、42:保護部材、43:放熱部材 1, 31, 41: photoelectric conversion element, 2: substrate, 3: second electrode, 5: photoelectric conversion layer, 6: particle layer, 7: first electrode, 30: moving object, 32: fuselage, 40: building material, 42: Protective member, 43: Heat radiating member

Claims (15)

第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に配置されている有機無機ペロブスカイト化合物を含む光電変換層と、を有する光電変換素子であって、
前記光電変換層と前記第一電極との間に、フタロシアニン化合物を主体とする粒子からなる粒子層を有することを特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element having a first electrode, a second electrode, and a photoelectric conversion layer containing an organic-inorganic perovskite compound disposed between the first electrode and the second electrode,
A photoelectric conversion element comprising a particle layer composed of particles mainly composed of a phthalocyanine compound between the photoelectric conversion layer and the first electrode.
前記粒子の平均粒径が、前記光電変換層の表面粗さの最大高さRzより小さいことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the average particle size of the particles is smaller than the maximum height Rz of the surface roughness of the photoelectric conversion layer. 前記粒子の平均粒径が、300nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。 3. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the particles have an average particle size of 300 nm or less. 前記粒子の平均粒径が、20nm以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光電変換素子。 4. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the particles have an average particle size of 20 nm or more. 前記粒子層は、前記粒子と電荷輸送材料からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光電変換素子。 5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the particle layer comprises the particles and a charge transport material. 前記粒子層の膜厚が20nm以上800nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光電変換素子。 6. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the particle layer has a film thickness of 20 nm or more and 800 nm or less. 前記粒子層の膜厚が50nm以上400nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光電変換素子。 6. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the particle layer has a film thickness of 50 nm or more and 400 nm or less. 前記粒子が、CuKα線を用いたX線回折スペクトルにおけるブラッグ角度2θの7.4°±0.3°及び28.2°±0.3°にピークを示す結晶型のフタロシアニン化合物の結晶粒子を含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光電変換素子。 The particles are crystal particles of a crystalline phthalocyanine compound exhibiting peaks at Bragg angles 2θ of 7.4°±0.3° and 28.2°±0.3° in an X-ray diffraction spectrum using CuKα rays. 8. The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, comprising: 前記粒子が、小角X線散乱を用いて測定した結晶粒子サイズ分布において20nm以上50nm以下にピークを有し、前記ピークの半値幅が50nm以下であるフタロシアニン化合物の結晶粒子を含むことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光電変換素子。 The particles include crystal particles of a phthalocyanine compound having a peak at 20 nm or more and 50 nm or less in a crystal particle size distribution measured using small-angle X-ray scattering and a half width of the peak of 50 nm or less. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 8. 前記粒子が、フタロシアニン化合物を元素分析比で80質量%以上99質量%以下含んでいることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光電変換素子。 10. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the particles contain the phthalocyanine compound in an elemental analysis ratio of 80% by mass or more and 99% by mass or less. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光電変換素子を複数有することを特徴とする光電変換モジュール。 A photoelectric conversion module comprising a plurality of photoelectric conversion elements according to claim 1 . 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子に接続されている蓄電部と、を有することを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device comprising: the photoelectric conversion element according to claim 1 ; and a power storage unit connected to the photoelectric conversion element. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子に接続されているインバーターとを有することを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion device comprising: the photoelectric conversion element according to claim 1 ; and an inverter connected to the photoelectric conversion element. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子を備えた機体と、を有することを特徴とする移動体。 A moving object comprising: the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 10; and a body provided with the photoelectric conversion element. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光電変換素子と、前記光電変換素子を保護する保護部材と放熱部材と、を有することを特徴とする建材。 A building material comprising: the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 10; a protective member for protecting the photoelectric conversion element; and a heat radiating member.
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