JP2007134444A

JP2007134444A - Solar cell

Info

Publication number: JP2007134444A
Application number: JP2005324874A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Murata; 英幸村田; Tomoyuki Nunome; 智之布目
Original assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology
Current assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP4238324B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic thin-film solar cell which is superior in utilization efficiency of an incident light. <P>SOLUTION: The solar cell is provided with a first electrode (positive electrode 12) and a second electrode (negative electrode 16), and an electron donor (electron donor layer 14) and an electron acceptor (electron acceptor layer 15) which are arranged between the positive electrode 12 and the negative electrode 16. An energy transfer layer (α) (energy transfer layers 13a, 13b, 13A, and 13B) comprised mainly of organic molecules is also provided between the positive electrode 12 and the negative electrode 16. The energy transfer layer (α) can transfer energy to at least any one selected from the electron donors and the electron acceptor. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機分子層を含む太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell including an organic molecular layer.

従来から、有機薄膜太陽電池が研究されてきた（たとえば非特許文献１および２）。有機薄膜太陽電池の光電変換は、「有機薄膜の光吸収」→「励起子発生」→「励起子拡散」→「電子供与性物質と電子受容性物質との界面（電荷分離領域）に到達した励起子による電荷分離」→「電荷の電極への移動」という過程を経て起こることが知られている。このような有機薄膜太陽電池の問題点としては、以下の点が挙げられる。
（１）有機薄膜太陽電池が薄い有機膜によって形成されているために光吸収量が少ない。（２）有機膜中での励起子の拡散距離が短いため、電荷分離領域から離れた領域で吸収された光は、光電流の発生に寄与しない。（３）電極の近傍の有機層中で生成した励起子は電極の金属によって失活してしまう。 Conventionally, organic thin-film solar cells have been studied (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). The photoelectric conversion of organic thin-film solar cells has reached the interface between the electron-donating substance and the electron-accepting substance (charge separation region) → "light absorption of organic thin film" → "exciton generation" → "exciton diffusion" It is known to occur through a process of “charge separation by exciton” → “transfer of charge to electrode”. The following points are mentioned as problems of such an organic thin film solar cell.
(1) Since the organic thin film solar cell is formed of a thin organic film, the amount of light absorption is small. (2) Since the exciton diffusion distance in the organic film is short, light absorbed in a region away from the charge separation region does not contribute to generation of photocurrent. (3) Excitons generated in the organic layer near the electrode are deactivated by the metal of the electrode.

これらの課題に対して、これまで多くの解決策が提案されてきた。例えば、バルクへテロ接合型と呼ばれる方法では、電子供与性物質と電子受容性物質とを混合することによって、電荷分離領域を飛躍的に増大させ、電荷分離の効率を向上させている（特許文献１参照）。 Many solutions have been proposed for these problems. For example, in a method called a bulk heterojunction type, by mixing an electron-donating substance and an electron-accepting substance, the charge separation region is dramatically increased and the efficiency of charge separation is improved (Patent Document) 1).

一方、励起子のエネルギーが電極金属側へ移動し、金属の格子振動に変換されて熱失活する問題に対しては、励起子失活防止層を導入する技術が報告されている。
特開２００４−１０３５２１号公報シー・ダブリュー・タン（C. W. Tang）, アプライド・フィジックス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）, Vol.４８, １９８６年, p.１８３−１８５ピー・ヒューマン（P.Peumans）ら，アプライド・フィジックス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）, Vol.７６, ２０００年, ｐ.２６５０−２６５２ On the other hand, a technique for introducing an exciton deactivation prevention layer has been reported for the problem of exciton energy moving to the electrode metal side and being converted into metal lattice vibrations to cause thermal deactivation.
JP 2004-103521 A CW Tang, Appl. Phys. Lett., Vol. 48, 1986, p. 183-185 P.Peumans et al., Applied Phys. Lett., Vol. 76, 2000, p. 2650-2652.

上記先行技術は、電荷分離領域の増大や、金属電極―有機層界面での励起子の失活防止という点で優れており、有効な手段であることが報告されている。しかし、それらの技術を用いても有機薄膜太陽電池の光電変換効率はシリコン系太陽電池に比べて低く、現在まで、実用に足る有機薄膜太陽電池の開発には至っていない。その原因の１つは、有機薄膜太陽電池における入射光の利用効率が低いことである。 The above prior art is excellent in terms of increasing the charge separation region and preventing deactivation of excitons at the metal electrode-organic layer interface, and is reported to be an effective means. However, even if these techniques are used, the photoelectric conversion efficiency of the organic thin film solar cell is lower than that of the silicon-based solar cell, and until now, no organic thin film solar cell that is practically used has been developed. One of the causes is low utilization efficiency of incident light in the organic thin film solar cell.

光吸収量を上げるためには、光吸収層を厚くすればよい。しかし、励起子の拡散距離よりも離れた領域で吸収された光は光電変換には寄与しないため、光吸収層を励起子の拡散距離よりも厚くしても、変換効率の向上には寄与しない。むしろ、光吸収層を厚くすることによる内部抵抗の上昇は、変換効率を低下させる要因となる。したがって、単に光吸収層を厚くしただけでは、変換効率の向上は期待できない。 In order to increase the amount of light absorption, the light absorption layer may be thickened. However, light absorbed in a region far from the exciton diffusion distance does not contribute to photoelectric conversion, so even if the light absorption layer is made thicker than the exciton diffusion distance, it does not contribute to improvement in conversion efficiency. . Rather, the increase in internal resistance caused by increasing the thickness of the light absorption layer is a factor that decreases the conversion efficiency. Therefore, improvement in conversion efficiency cannot be expected simply by increasing the thickness of the light absorption layer.

このような状況を考慮し、本発明の目的の１つは、入射光の利用効率が高い有機薄膜太陽電池を提供することである。 In view of such a situation, one of the objects of the present invention is to provide an organic thin film solar cell with high utilization efficiency of incident light.

上記目的を達成するため、本発明の太陽電池は、第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された電子供与体および電子受容体とを備える太陽電池であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、有機分子を主要構成要素とするエネルギー移動層（α）を備え、前記エネルギー移動層（α）は、前記電子供与体および前記電子受容体から選ばれる少なくとも１つにエネルギーを移動することが可能な層である。 In order to achieve the above object, a solar cell of the present invention includes a first electrode and a second electrode, and an electron donor and an electron acceptor disposed between the first electrode and the second electrode. Comprising an energy transfer layer (α) having an organic molecule as a main component between the first electrode and the second electrode, wherein the energy transfer layer (α) , A layer capable of transferring energy to at least one selected from the electron donor and the electron acceptor.

なお、この明細書において「層の主要構成要素」とは、その層に求められる機能を発現する構成要素をいい、通常、その層の５０質量％以上を占める構成要素である。その層は、主要構成要素以外の物質を含んでもよいが、典型的な一例では、その層は主要構成要素のみによって構成される。 In this specification, the “main constituent element of a layer” means a constituent element that expresses a function required for the layer, and is usually a constituent element that occupies 50% by mass or more of the layer. The layer may contain materials other than the main component, but in a typical example, the layer is constituted only by the main component.

本発明によれば、有機薄膜太陽電池における入射光の利用効率を高めることができる。そのため、本発明によれば、高い変換効率を実現することが可能な太陽電池が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the utilization efficiency of the incident light in an organic thin film solar cell can be improved. Therefore, according to this invention, the solar cell which can implement | achieve high conversion efficiency is obtained.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the following embodiments and examples.

［太陽電池］
本発明の太陽電池は、第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された電子供与体および電子受容体とを備える。この太陽電池は、さらに、第１の電極と第２の電極との間に、有機分子を主要構成要素とするエネルギー移動層（α）を備える。エネルギー移動層（α）は、電子供与体および電子受容体から選ばれる少なくとも１つにエネルギーを移動することが可能な層である。 [Solar cell]
The solar cell of the present invention includes a first electrode and a second electrode, and an electron donor and an electron acceptor disposed between the first electrode and the second electrode. This solar cell further includes an energy transfer layer (α) having an organic molecule as a main component between the first electrode and the second electrode. The energy transfer layer (α) is a layer capable of transferring energy to at least one selected from an electron donor and an electron acceptor.

電子供与体および電子受容体のうち、エネルギー移動層（α）からエネルギーを受けるものは有機分子であり、通常、電子供与体および電子受容体は、ともに有機分子であるが、エネルギー移動が可能である限り、他の材料（たとえば有機・無機複合材料）であってもよい。 Among electron donors and electron acceptors, those that receive energy from the energy transfer layer (α) are organic molecules. Usually, both electron donors and electron acceptors are organic molecules, but they can transfer energy. Other materials (for example, organic / inorganic composite materials) may be used as long as they are present.

本発明の太陽電池を構成する各部の詳細については、後述する。本発明の太陽電池では、エネルギー移動層で吸収されたエネルギーが、電荷分離領域（電子供与体層と電子受容体層との界面近傍）に移動される。そのため、電荷分離領域近傍で吸収された光だけでなく、電荷分離領域から離れた領域で吸収された光のエネルギーも、光電変換に利用することが可能である。また、この構成によれば、幅広い波長域の光を効率よく光電変換することが可能である。そのため、本発明の太陽電池では、入射光の利用効率を高めることが可能である。 The detail of each part which comprises the solar cell of this invention is mentioned later. In the solar cell of the present invention, the energy absorbed by the energy transfer layer is transferred to the charge separation region (near the interface between the electron donor layer and the electron acceptor layer). Therefore, not only the light absorbed in the vicinity of the charge separation region but also the energy of the light absorbed in the region away from the charge separation region can be used for photoelectric conversion. Further, according to this configuration, it is possible to efficiently photoelectrically convert light in a wide wavelength range. Therefore, in the solar cell of this invention, it is possible to improve the utilization efficiency of incident light.

本発明の太陽電池では、第１の電極と、電子供与体を主要構成要素とする電子供与体層と、電子受容体を主要構成要素とする電子受容体層と、第２の電極とが、この順序で配置されていてもよい。この場合、エネルギー移動層（α）は、第１の電極と電子供与体層との間の領域、および、電子受容体層と第２の電極との間の領域から選ばれる少なくとも１つの領域に配置されている。エネルギー移動層（α）は、第１の電極と電子供与体層との間の領域、および、電子受容体層と第２の電極との間の領域の両方に配置されてもよい。その場合、２つのエネルギー移動層（α）は、異なる材料で形成される。 In the solar cell of the present invention, the first electrode, an electron donor layer having an electron donor as a main component, an electron acceptor layer having an electron acceptor as a main component, and a second electrode, They may be arranged in this order. In this case, the energy transfer layer (α) is in at least one region selected from a region between the first electrode and the electron donor layer and a region between the electron acceptor layer and the second electrode. Has been placed. The energy transfer layer (α) may be disposed both in a region between the first electrode and the electron donor layer and in a region between the electron acceptor layer and the second electrode. In that case, the two energy transfer layers (α) are formed of different materials.

本発明の太陽電池では、エネルギー移動層（α）の吸収端の波長が、電子供与体層の吸収端の波長および電子受容体層の吸収端の波長よりも短波長側に存在してもよい。特に、光入射側に存在するエネルギー移動層がこのような構成を有する場合、電荷分離領域まで到達しにくい短波長の光を、エネルギー移動層で吸収して効率よく光電変換することが可能である。 In the solar cell of the present invention, the wavelength of the absorption edge of the energy transfer layer (α) may exist on the shorter wavelength side than the wavelength of the absorption edge of the electron donor layer and the wavelength of the absorption edge of the electron acceptor layer. . In particular, when the energy transfer layer existing on the light incident side has such a configuration, it is possible to efficiently photoelectrically convert light having a short wavelength that does not easily reach the charge separation region by the energy transfer layer. .

本発明の太陽電池は、エネルギー移動層（α）の外側（エネルギー移動層（α）に対して電荷分離領域とは反対側）に隣接するエネルギー移動層（β）をさらに備えてもよい。この場合、エネルギー移動層（β）は、エネルギー移動層（α）にエネルギーを移動することが可能な層である。この構成では、エネルギー移動層（β）における光吸収によって生じたエネルギーが、エネルギー移動層（β）→エネルギー移動層（α）→電荷分離領域と移動する。また、エネルギー移動層（α）における光吸収によって生じたエネルギーが、エネルギー移動層（α）→電荷分離領域と移動する。したがって、この構成によれば、入射光の利用効率をより高めることが可能である。 The solar cell of the present invention may further include an energy transfer layer (β) adjacent to the outside of the energy transfer layer (α) (on the side opposite to the charge separation region with respect to the energy transfer layer (α)). In this case, the energy transfer layer (β) is a layer capable of transferring energy to the energy transfer layer (α). In this configuration, energy generated by light absorption in the energy transfer layer (β) moves from the energy transfer layer (β) → the energy transfer layer (α) → the charge separation region. Further, energy generated by light absorption in the energy transfer layer (α) moves from the energy transfer layer (α) to the charge separation region. Therefore, according to this configuration, the utilization efficiency of incident light can be further increased.

本発明の太陽電池は、エネルギー移動層（α）および前記エネルギー移動層（β）を含む積層された複数のエネルギー移動層を備えてもよい。そして、積層されたこれらの複数のエネルギー移動層において、１つのエネルギー移動層の吸収端の波長が、それよりも外側に隣接するエネルギー移動層の吸収端の波長に比べて１０ｎｍ以上長波長であってもよい。この構成によれば、外側（表面側）のエネルギー移動層で短波長側の光を吸収し、電荷分離領域に近づくにつれて長波長側の光を吸収することができ、幅広い波長域の光を光電変換に利用できる。 The solar cell of the present invention may include an energy transfer layer (α) and a plurality of stacked energy transfer layers including the energy transfer layer (β). In these stacked energy transfer layers, the wavelength of the absorption edge of one energy transfer layer is 10 nm or more longer than the wavelength of the absorption edge of the energy transfer layer adjacent to the outside. May be. According to this structure, light on the short wavelength side can be absorbed by the energy transfer layer on the outer side (surface side), and light on the long wavelength side can be absorbed as it approaches the charge separation region. Can be used for conversion.

本発明の太陽電池では、エネルギー移動層（α）がペンタセンまたはペンタセン誘導体を主要構成要素とし、電子供与体がフタロシアニン系顔料（たとえば銅フタロシアニン）であってもよい。 In the solar cell of the present invention, the energy transfer layer (α) may be mainly composed of pentacene or a pentacene derivative, and the electron donor may be a phthalocyanine pigment (for example, copper phthalocyanine).

［実施形態１］
本発明の太陽電池の一例の構成を図１に模式的に示す。 [Embodiment 1]
The structure of an example of the solar cell of the present invention is schematically shown in FIG.

図１の太陽電池１０は、基板１１と、基板１１上に順に形成された、正極（第１の電極）１２、エネルギー移動層１３ｂ、エネルギー移動層１３ａ、電子供与体層１４、電子受容体層１５、エネルギー移動層１３Ａ、エネルギー移動層１３Ｂおよび負極（第２の電極）１６とを備える。電子供与体層１４と電子受容体層１５との界面１７の近傍は、電荷分離領域として機能する。 1 includes a substrate 11, and a positive electrode (first electrode) 12, an energy transfer layer 13b, an energy transfer layer 13a, an electron donor layer 14, and an electron acceptor layer, which are sequentially formed on the substrate 11. 15, an energy transfer layer 13A, an energy transfer layer 13B, and a negative electrode (second electrode) 16. The vicinity of the interface 17 between the electron donor layer 14 and the electron acceptor layer 15 functions as a charge separation region.

基板１１の材料に特に限定はないが、基板１１側から入射した光で発電を行う場合、基板１１には透光性の基板（たとえばガラス基板や透光性樹脂基板）が用いられる。 Although the material of the substrate 11 is not particularly limited, a light-transmitting substrate (for example, a glass substrate or a light-transmitting resin substrate) is used as the substrate 11 when power generation is performed using light incident from the substrate 11 side.

正極１２および負極１６は、ともに導電性の材料からなる電極である。正極１２および負極１６のうち少なくとも光入射側の電極は、透光性の電極である。透光性の電極としては、一般的な透明導電膜、たとえばインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）の膜などを用いることができる。透光性でない電極としては、金属からなる電極などを用いることができる。正極１２は、電荷分離領域で発生した正孔を収集する。負極１６は、電荷分離領域で発生した電子を収集する。 Both the positive electrode 12 and the negative electrode 16 are electrodes made of a conductive material. At least the light incident side electrode of the positive electrode 12 and the negative electrode 16 is a translucent electrode. As the translucent electrode, a general transparent conductive film such as an indium tin oxide (ITO) film can be used. As the non-light-transmitting electrode, a metal electrode or the like can be used. The positive electrode 12 collects holes generated in the charge separation region. The negative electrode 16 collects electrons generated in the charge separation region.

エネルギー移動層で吸収された光のエネルギーは、エネルギー移動層から電荷分離領域（電子供与体層・電子受容体層）に移動し、光電変換に寄与する。ここで、これらのエネルギー移動層は、次の条件を満たす必要がある。
（１）エネルギー移動層の規格化された発光スペクトルが、そのエネルギー移動層からエネルギーを受けとる層（そのエネルギー移動層に対して界面１７側に隣接して存在する層）の規格化された吸収スペクトルと重なっていること。 The energy of light absorbed in the energy transfer layer moves from the energy transfer layer to the charge separation region (electron donor layer / electron acceptor layer) and contributes to photoelectric conversion. Here, these energy transfer layers must satisfy the following conditions.
(1) A normalized absorption spectrum of a layer in which the normalized emission spectrum of the energy transfer layer receives energy from the energy transfer layer (a layer adjacent to the interface 17 side with respect to the energy transfer layer) It overlaps with.

良好なエネルギー移動を生じさせるには、エネルギー移動層の規格化された発光スペクトルが、そのエネルギー移動層からエネルギーを受けとる層の規格化された吸収スペクトルと面積で１０％以上（たとえば５０％以上）重なっていることが好ましい。ここで、規格化は、最大のピーク強度に基づいて行われる規格化である。 To produce good energy transfer, the normalized emission spectrum of the energy transfer layer is 10% or more (eg 50% or more) in terms of the normalized absorption spectrum and area of the layer that receives energy from the energy transfer layer. It is preferable that they overlap. Here, normalization is normalization performed based on the maximum peak intensity.

この条件を満たすことによって、エネルギー移動層における光吸収によって発生した励起子は、フェルスター型のエネルギー移動によって、界面１７側の層に順次移動する。例えば、図１の太陽電池１０では、「エネルギー移動層１３ｂ」→「エネルギー移動層１３ａ」→「電子供与体層１４」、および、「エネルギー移動層１３Ｂ」→「エネルギー移動層１３Ａ」→「電子受容体層１５」という経路でエネルギー移動が生じる（図１の矢印参照）。このため、太陽電池１０では、エネルギー移動層１３ａ、１３ｂ、１３Ａおよび１３Ｂ、ならびに電子供与体層１４および電子受容体層１５で吸収された光のエネルギーを光電変換に利用することが可能である。 By satisfying this condition, excitons generated by light absorption in the energy transfer layer sequentially move to the layer on the interface 17 side by Forster energy transfer. For example, in the solar cell 10 of FIG. 1, “energy transfer layer 13b” → “energy transfer layer 13a” → “electron donor layer 14” and “energy transfer layer 13B” → “energy transfer layer 13A” → “electron” Energy transfer takes place in the path of the “receptor layer 15” (see arrow in FIG. 1). For this reason, in the solar cell 10, the energy of light absorbed by the energy transfer layers 13a, 13b, 13A and 13B, the electron donor layer 14 and the electron acceptor layer 15 can be used for photoelectric conversion.

なお、高い光電変換効率を達成するためには、エネルギー移動層を移動するキャリア（ラジカルのカチオンまたはラジカルのアニオン）と、エネルギー移動層の励起状態との相互作用が、全くないか、または少ないことが好ましい。エネルギー移動層内のキャリアと励起状態の相互作用が無い材料としては、エネルギー移動層の励起状態のエネルギー（蛍光スペクトル）とラジカル状態の吸収スペクトルとが重ならない材料であることが好ましい。 In order to achieve high photoelectric conversion efficiency, there is no or little interaction between the carrier (radical cation or radical anion) moving through the energy transfer layer and the excited state of the energy transfer layer. Is preferred. The material having no interaction between the carriers in the energy transfer layer and the excited state is preferably a material in which the energy (fluorescence spectrum) in the excited state of the energy transfer layer and the absorption spectrum in the radical state do not overlap.

エネルギー移動によって電子供与体層１４と電子受容体層１５とに集中させられたエネルギーは、電子供与体層１４を構成する分子および電子受容体層１５を構成する分子を励起する。そして、励起された分子は、これらの界面１７で電荷分離を起こし、電子と正孔を生じる。本発明の太陽電池では、界面１７から遠いエネルギー移動層における光吸収によって発生した励起子も電荷分離に寄与するため、高い光電変換効率を実現することが可能となる。 The energy concentrated on the electron donor layer 14 and the electron acceptor layer 15 by the energy transfer excites the molecules constituting the electron donor layer 14 and the molecules constituting the electron acceptor layer 15. The excited molecules cause charge separation at these interfaces 17 to generate electrons and holes. In the solar cell of the present invention, excitons generated by light absorption in the energy transfer layer far from the interface 17 also contribute to charge separation, so that high photoelectric conversion efficiency can be realized.

エネルギー移動層１３ｂ、エネルギー移動層および電子供与体層１４の吸収・発光スペクトルおよびバンドプロファイルの好ましい一例を、図２に示す。エネルギー移動層１３ｂとエネルギー移動層１３ａとの間、およびエネルギー移動層１３ａと電子供与体層１４との間で効率的なエネルギー移動を実現するためには、各層の吸収スペクトルおよび発光スペクトルが図２に示すように重なっていることが必要である。すなわち、１つの層（Ｘ）の発光スペクトルと、層（Ｘ）の内側（界面１７側）に隣接する層（Ｙ）の吸収スペクトルとの重なりが大きいことが必要である。 A preferred example of the absorption / emission spectrum and band profile of the energy transfer layer 13b, the energy transfer layer and the electron donor layer 14 is shown in FIG. In order to realize efficient energy transfer between the energy transfer layer 13b and the energy transfer layer 13a and between the energy transfer layer 13a and the electron donor layer 14, the absorption spectrum and emission spectrum of each layer are shown in FIG. It is necessary that they overlap as shown in. That is, the overlap between the emission spectrum of one layer (X) and the absorption spectrum of the layer (Y) adjacent to the inner side (interface 17 side) of the layer (X) needs to be large.

図２に示す例では、エネルギー移動層１３ｂの発光スペクトルとエネルギー移動層１３ａの吸収スペクトルとの重なりが大きく、また、エネルギー移動層１３ａの発光スペクトルと電子供与体層１４の吸収スペクトルとの重なりが大きい。同様に、エネルギー移動層１３Ｂの発光スペクトルとエネルギー移動層１３Ａの吸収スペクトルとの重なりが大きく、また、エネルギー移動層１３Ａの発光スペクトルと電子受容体層１５の吸収スペクトルとの重なりが大きいことが好ましい。 In the example shown in FIG. 2, the overlap between the emission spectrum of the energy transfer layer 13b and the absorption spectrum of the energy transfer layer 13a is large, and the overlap between the emission spectrum of the energy transfer layer 13a and the absorption spectrum of the electron donor layer 14 is large. large. Similarly, the overlap between the emission spectrum of the energy transfer layer 13B and the absorption spectrum of the energy transfer layer 13A is large, and the overlap between the emission spectrum of the energy transfer layer 13A and the absorption spectrum of the electron acceptor layer 15 is preferably large. .

本発明の太陽電池の一例では、界面１７よりも光入射側に存在するエネルギー移動層における各層の吸収・発光ピークのピーク波長は、「層（Ｘ）の吸収ピークのピーク波長」＜「層（Ｘ）の発光ピークのピーク波長」および「層（Ｙ）の吸収ピークのピーク波長」＜「層（Ｙ）の発光ピークのピーク波長」の順で大きくなる。「層（Ｘ）の発光ピークのピーク波長」と「層（Ｙ）の吸収ピークのピーク波長」との差は、たとえば２０ｎｍ以下である。 In an example of the solar cell of the present invention, the peak wavelength of the absorption / emission peak of each layer in the energy transfer layer existing on the light incident side from the interface 17 is “peak wavelength of absorption peak of layer (X)” <“layer ( X) peak wavelength of emission peak "and" peak wavelength of absorption peak of layer (Y) "<" peak wavelength of emission peak of layer (Y) "in this order. The difference between the “peak wavelength of the emission peak of layer (X)” and the “peak wavelength of the absorption peak of layer (Y)” is, for example, 20 nm or less.

また、エネルギー移動層で生じた正孔および電子を正極および負極へ効率的に移動させるためには、正極１２と電子供与体層１４との間のエネルギー移動層は、（１）正孔を輸送する能力を有すること、（２）正極側への電子の移動を防止すること、の２つの条件を満たすように構成されることが好ましい。また、電子受容体層１５と負極１６との間のエネルギー移動層は、（１）電子を輸送する能力を有すること、（２）負極側への正孔の移動を防止すること、の２つの条件を満たすように構成されることが好ましい。そのため、各層のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位は、図３に示すように、階段状に構成されることが好ましい。すなわち、正極に近くなるほどＨＯＭＯおよびＬＵＭＯの準位が真空準位に近づくようにすることが好ましい。 In addition, in order to efficiently transfer holes and electrons generated in the energy transfer layer to the positive electrode and the negative electrode, the energy transfer layer between the positive electrode 12 and the electron donor layer 14 (1) transports holes. It is preferable to be configured so as to satisfy the following two conditions: (2) preventing movement of electrons to the positive electrode side. In addition, the energy transfer layer between the electron acceptor layer 15 and the negative electrode 16 has two functions: (1) having the ability to transport electrons, and (2) preventing the movement of holes to the negative electrode side. It is preferable to be configured to satisfy the conditions. Therefore, the energy levels of HOMO and LUMO of each layer are preferably configured in a step shape as shown in FIG. That is, it is preferable that the HOMO and LUMO levels be closer to the vacuum level as the position is closer to the positive electrode.

正極１２と電子供与体層１４との間のエネルギー移動層の材料としては、（１）正孔を輸送する能力を有し、（２）正極１２側への電子の移動を防止する能力を有し、（３）その発光スペクトルと、その層よりも界面１７側に隣接する層の吸収スペクトルとが重なりを有する、という条件を満たす化合物（有機分子）を挙げることができる。正極１２と電子供与体層１４との間のエネルギー移動層の材料の一例としては、ペンタセンおよびペンタセン誘導体が挙げられる。ペンタセン誘導体としては、たとえば、図４（ａ）〜（ｄ）の化合物が挙げられる。図４（ａ）〜（ｄ）の化合物において、Ｒは、たとえば、フェニル基、メチル基、水素原子を示す。１つの化合物に結合する複数のＲは、同じであってもよいし、互いに異なってもよい。典型的な一例では、すべてのＲが水素原子である。 The material of the energy transfer layer between the positive electrode 12 and the electron donor layer 14 includes (1) the ability to transport holes and (2) the ability to prevent the movement of electrons to the positive electrode 12 side. And (3) compounds (organic molecules) that satisfy the condition that the emission spectrum and the absorption spectrum of the layer adjacent to the interface 17 side from the layer overlap. Examples of the material of the energy transfer layer between the positive electrode 12 and the electron donor layer 14 include pentacene and a pentacene derivative. Examples of pentacene derivatives include the compounds shown in FIGS. 4 (a) to (d). In the compounds of FIGS. 4A to 4D, R represents, for example, a phenyl group, a methyl group, or a hydrogen atom. Several R couple | bonded with one compound may be the same, and may mutually differ. In a typical example, all R are hydrogen atoms.

電子供与体層１４を構成する材料としては、（１）正孔を輸送する能力を有し、（２）ＬＵＭＯのエネルギーが大きい、という条件を満たす化合物（有機分子）を挙げることができる。電子供与体層１４の材料の一例としては、フタロシアニン系顔料（たとえば銅フタロシアニン）や、ポルフィリン系顔料が挙げられる。 Examples of the material constituting the electron donor layer 14 include compounds (organic molecules) that satisfy the conditions that (1) the ability to transport holes and (2) the LUMO energy is large. Examples of the material of the electron donor layer 14 include phthalocyanine pigments (for example, copper phthalocyanine) and porphyrin pigments.

電子受容体層１５を構成する材料としては、（１）電子を輸送する能力を有し、（２）ＨＯＭＯのエネルギーが大きい、という条件を満たす化合物（有機分子）を挙げることができる。電子受容体層１５の材料の一例としては、フラーレンおよびフラーレン誘導体や、ペリレン系顔料が挙げられる。 Examples of the material constituting the electron acceptor layer 15 include compounds (organic molecules) that satisfy the conditions that (1) the ability to transport electrons and (2) the energy of HOMO is large. Examples of the material for the electron acceptor layer 15 include fullerene, fullerene derivatives, and perylene pigments.

なお、特定の層を構成する材料として上述した化合物は、太陽電池の構成によっては他の層の材料として適用される場合もある。 In addition, the compound mentioned above as a material which comprises a specific layer may be applied as a material of another layer depending on the structure of a solar cell.

電子受容体層１５と負極１６との間のエネルギー移動層の材料としては、（１）電子を輸送する能力を有し、（２）負極１６側への正孔の移動を防止する能力を有し、（３）その発光スペクトルと、その層よりも界面１７側に隣接する層の吸収スペクトルとが重なりを有する、という条件を満たす化合物（有機分子）を挙げることができる。電子受容体層１５と負極１６との間のエネルギー移動層の材料の一例としては、シロール誘導体が挙げられ、たとえば、図５に示す化合物（以下、「ＰｙＰｙＳＰｙＰｙ」と記す場合がある）が挙げられる。 The material of the energy transfer layer between the electron acceptor layer 15 and the negative electrode 16 includes (1) the ability to transport electrons and (2) the ability to prevent the movement of holes to the negative electrode 16 side. And (3) compounds (organic molecules) that satisfy the condition that the emission spectrum and the absorption spectrum of the layer adjacent to the interface 17 side from the layer overlap. An example of the material of the energy transfer layer between the electron acceptor layer 15 and the negative electrode 16 is a silole derivative, for example, a compound shown in FIG. 5 (hereinafter, sometimes referred to as “PyPySPyPy”). .

本発明の太陽電池の一例（図１に示した太陽電池のエネルギー移動層１３Ｂがない太陽電池）の各層の材料の好ましい組み合わせの一例としては、（正極１２）ＩＴＯ／（エネルギー移動層１３ｂ）ルブレン／（エネルギー移動層１３ａ）ペンタセン／（電子供与体層）銅フタロシアニン／（電子受容体層）フラーレン／（エネルギー移動層１３Ａ）ＰｙＰｙＳＰｙＰｙ／（負極）アルミニウム、といった組み合わせが挙げられる。 As an example of a preferable combination of materials of each layer of an example of the solar cell of the present invention (a solar cell without the energy transfer layer 13B of the solar cell shown in FIG. 1), (positive electrode 12) ITO / (energy transfer layer 13b) rubrene / (Energy transfer layer 13a) pentacene / (electron donor layer) copper phthalocyanine / (electron acceptor layer) fullerene / (energy transfer layer 13A) PyPySPyPy / (negative electrode) aluminum.

本発明の太陽電池では、励起子の拡散距離よりも厚いエネルギー移動層が形成されることが好ましい。具体的には、電荷分離領域よりも正極側に存在するエネルギー移動層の合計の厚さ、および、電荷分離領域よりも負極側に存在するエネルギー移動層の合計の厚さは、それぞれ、４０ｎｍ以上（たとえば５０ｎｍ以上や、６０ｎｍ以上や、７０ｎｍ以上）であることが好ましく、たとえば４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲（一例では５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲や、６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲や、７０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲）である。また、１つのエネルギー移動層の厚さ（エネルギー移動層１３ａ、１３ｂ、１３Ａおよび１３Ｂのそれぞれの厚さ）は、エネルギー移動が生じやすいこと、および光吸収量を考慮して、２０ｎｍ以上（たとえば、３０ｎｍ以上や、４０ｎｍ以上や、５０ｎｍ以上や、６０ｎｍ以上や、７０ｎｍ以上）であることが好ましく、１５０ｎｍ以下であることが好ましい。 In the solar cell of the present invention, it is preferable that an energy transfer layer thicker than the diffusion distance of excitons is formed. Specifically, the total thickness of the energy transfer layer present on the positive electrode side from the charge separation region and the total thickness of the energy transfer layer present on the negative electrode side from the charge separation region are each 40 nm or more. (For example, 50 nm or more, 60 nm or more, 70 nm or more), for example, a range of 40 nm to 200 nm (in one example, a range of 50 nm to 200 nm, a range of 60 nm to 200 nm, or a range of 70 nm to 200 nm). . In addition, the thickness of one energy transfer layer (the thickness of each of the energy transfer layers 13a, 13b, 13A, and 13B) is 20 nm or more (for example, considering energy transfer and light absorption) 30 nm or more, 40 nm or more, 50 nm or more, 60 nm or more, or 70 nm or more), and preferably 150 nm or less.

図１では、正極１２側に２つのエネルギー移動層が存在し、負極１６側に２つのエネルギー移動層が存在する太陽電池を示した。しかし、本発明の太陽電池は、少なくとも１つのエネルギー移動層を備えればよい。界面１７よりも光入射側には、少なくとも１層のエネルギー移動層が存在していることが好ましい。 FIG. 1 shows a solar cell in which two energy transfer layers exist on the positive electrode 12 side and two energy transfer layers exist on the negative electrode 16 side. However, the solar cell of the present invention only needs to include at least one energy transfer layer. It is preferable that at least one energy transfer layer exists on the light incident side from the interface 17.

正極が光入射側に存在し、正極と電子供与体層との間に１つのエネルギー移動層を備える太陽電池の好ましい一例は、実施例で説明する。 A preferred example of a solar cell in which the positive electrode is present on the light incident side and one energy transfer layer is provided between the positive electrode and the electron donor layer will be described in Examples.

また、負極と電子受容体層との間に１つのエネルギー移動層を備える太陽電池の材料の好ましい一例は、（正極）ＩＴＯ／（電子供与体層）銅フタロシアニン／（電子受容体層）フラーレン／（エネルギー移動層）ＰｙＰｙＳＰｙＰｙ／（負極）アルミニウム、といった組み合わせが挙げられる。 A preferred example of a material for a solar cell having one energy transfer layer between a negative electrode and an electron acceptor layer is (positive electrode) ITO / (electron donor layer) copper phthalocyanine / (electron acceptor layer) fullerene / (Energy transfer layer) The combination of PyPySPyPy / (negative electrode) aluminum is mentioned.

また、本発明の太陽電池は、励起子の失活を防止するための層を含むことが好ましい。励起子失活防止層が配置される位置は、金属電極とエネルギー移動層との間である。正極と電荷分離領域との間に失活防止層が配置される場合、その失活防止層は、高い正孔輸送能を有することが好ましい。また、負極と電荷分離領域との間に失活防止層が配置される場合、その失活防止層は、高い電子輸送能を有することが好ましい。失活防止層の材料の例としては、バソキュプロイン（ＢＣＰ）が挙げられる。 Moreover, it is preferable that the solar cell of this invention contains the layer for preventing the deactivation of an exciton. The position where the exciton deactivation preventing layer is disposed is between the metal electrode and the energy transfer layer. When a deactivation preventing layer is disposed between the positive electrode and the charge separation region, the deactivation preventing layer preferably has a high hole transport ability. Moreover, when a deactivation prevention layer is arrange | positioned between a negative electrode and a charge separation area | region, it is preferable that the deactivation prevention layer has high electron transport ability. An example of the material for the deactivation prevention layer is bathocuproine (BCP).

以下、本発明の太陽電池を作製した一例について説明する。 Hereinafter, an example of producing the solar cell of the present invention will be described.

［実施例１］
まず、ＩＴＯ膜が表面に形成されたガラス基板を用意した。そして、ＩＴＯ膜上に、ペンタセンの層（エネルギー移動層、厚さ５０ｎｍ）、銅フタロシアニンの層（電子供与体層、厚さ３ｎｍ）、フラーレン（Ｃ₆₀）の層（電子受容体層、厚さ４０ｎｍ）、バソキュプロイン（ＢＣＰ）の層（励起子失活防止層、厚さ１０ｎｍ）、Ａｌの層（負極、厚さ１００ｎｍ）を蒸着法によって順次成膜した。このようにして、実施例１の太陽電池を得た。 [Example 1]
First, a glass substrate having an ITO film formed on the surface was prepared. On the ITO film, a pentacene layer (energy transfer layer, thickness 50 nm), a copper phthalocyanine layer (electron donor layer, thickness 3 nm), and a fullerene (C ₆₀ ) layer (electron acceptor layer, thickness) 40 nm), a bathocuproine (BCP) layer (exciton deactivation preventing layer, thickness 10 nm), and an Al layer (negative electrode, thickness 100 nm) were sequentially formed by vapor deposition. Thus, the solar cell of Example 1 was obtained.

［比較例１］
比較例１として、ガラス基板／ＩＴＯ膜／銅フタロシアニンの層（電子供与体層、厚さ２０ｎｍ）／フラーレン（Ｃ₆₀）の層（電子受容体層、厚さ４０ｎｍ）／バソキュプロイン（ＢＣＰ）の層（励起子失活防止層、厚さ１０ｎｍ）／Ａｌの層（負極、厚さ１００ｎｍ）という構成を有する太陽電池を、実施例１と同様の方法で作製した。 [Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, glass substrate / ITO film / copper phthalocyanine layer (electron donor layer, thickness 20 nm) / fullerene (C ₆₀ ) layer (electron acceptor layer, thickness 40 nm) / vasocuproin (BCP) layer A solar cell having a configuration of (exciton deactivation prevention layer, thickness 10 nm) / Al layer (negative electrode, thickness 100 nm) was produced in the same manner as in Example 1.

上記２種類の太陽電池を、ソースメーター（ＫＥＩＴＨＬＥＹモデル２４００）に接続し、ソーラーシミュレータを用いて１００ｍＷ／ｃｍ²の擬似太陽光（ＡＭ１．５）を照射して電流−電圧特性（Ｊ−Ｖ特性）を測定した。そして、測定結果から変換効率を計算した。また、投射光子変換効率（ＩＰＣＥ）も測定した。 The above two types of solar cells are connected to a source meter (KEITHLEY model 2400) and irradiated with 100 mW / cm ² of artificial sunlight (AM1.5) using a solar simulator, and current-voltage characteristics (JV characteristics) ) Was measured. And conversion efficiency was computed from the measurement result. The projected photon conversion efficiency (IPCE) was also measured.

また、石英基板上にペンタセンの層（５０ｎｍ）が形成されたサンプルと、石英基板上に銅フタロシアニンの層（２０ｎｍ）が形成されたサンプルとを作製した。そして、それぞれのサンプルについて、紫外域〜可視域における光吸収スペクトルの測定を行った
Ｊ−Ｖ特性の測定結果を図６に示し、投射光子変換効率の測定結果を図７に示し、光吸収スペクトルの測定結果を図８に示す。 In addition, a sample in which a pentacene layer (50 nm) was formed on a quartz substrate and a sample in which a copper phthalocyanine layer (20 nm) was formed on a quartz substrate were prepared. And about each sample, the measurement result of the light absorption spectrum in the ultraviolet region-visible region was shown in FIG. 6, the measurement result of the projection photon conversion efficiency is shown in FIG. The measurement results are shown in FIG.

比較例１の太陽電池の変換効率は０．６８％であったのに対し、実施例１の太陽電池の変換効率は０．９０％であった。これは、図７に示されるように、実施例１の太陽電池は、比較例１の太陽電池に比べて光の利用効率が高いためである。 The conversion efficiency of the solar cell of Comparative Example 1 was 0.68%, whereas the conversion efficiency of the solar cell of Example 1 was 0.90%. This is because the solar cell of Example 1 has higher light utilization efficiency than the solar cell of Comparative Example 1, as shown in FIG.

実施例１の投射光子変換効率のスペクトルには、５８０ｎｍ近傍および６７５ｎｍ近傍にスペクトルが見られる。これらはそれぞれ、図８に示す、ペンタセンの吸収スペクトルに対応している。このことから、実施例１の太陽電池では、ペンタセンによる光吸収が光電変換に寄与していることがわかる。 In the spectrum of the projected photon conversion efficiency of Example 1, the spectrum is seen near 580 nm and 675 nm. Each of these corresponds to the absorption spectrum of pentacene shown in FIG. From this, it can be seen that in the solar cell of Example 1, light absorption by pentacene contributes to photoelectric conversion.

本発明の太陽電池は、有機分子層を備える太陽電池に適用できる。 The solar cell of this invention is applicable to a solar cell provided with an organic molecular layer.

本発明の太陽電池の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of the solar cell of this invention. 図１に示した太陽電池における、エネルギー移動と吸収・発光スペクトルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an energy transfer in the solar cell shown in FIG. 1, and an absorption and light emission spectrum. 図１に示した太陽電池について、各層のエネルギー準位の好ましい一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a preferable example of the energy level of each layer about the solar cell shown in FIG. エネルギー移動層の材料の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the material of an energy transfer layer. エネルギー移動層の材料の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the material of an energy transfer layer. 実施例１および比較例１の太陽電池について、光照射時の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic at the time of light irradiation about the solar cell of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例１および比較例１の太陽電池について投射光子変換効率のスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the spectrum of a projection photon conversion efficiency about the solar cell of Example 1 and Comparative Example 1. 銅フタロシアニン薄膜およびペンタセン薄膜の吸収スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the absorption spectrum of a copper phthalocyanine thin film and a pentacene thin film.

符号の説明Explanation of symbols

１０太陽電池
１１基板
１２正極
１３ａ、１３Ａエネルギー移動層（エネルギー移動層（α））
１３ｂ、１３Ｂエネルギー移動層（エネルギー移動層（β））
１４電子供与体層
１５電子受容体層
１６負極
１７界面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solar cell 11 Board | substrate 12 Positive electrode 13a, 13A Energy transfer layer (energy transfer layer ((alpha)))
13b, 13B Energy transfer layer (energy transfer layer (β))
14 Electron Donor Layer 15 Electron Acceptor Layer 16 Negative Electrode 17 Interface

Claims

第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された電子供与体および電子受容体とを備える太陽電池であって、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、有機分子を主要構成要素とするエネルギー移動層（α）を備え、
前記エネルギー移動層（α）は、前記電子供与体および前記電子受容体から選ばれる少なくとも１つにエネルギーを移動することが可能な層である太陽電池。 A solar cell comprising a first electrode and a second electrode, and an electron donor and an electron acceptor disposed between the first electrode and the second electrode,
Between the first electrode and the second electrode, an energy transfer layer (α) mainly composed of organic molecules is provided,
The energy transfer layer (α) is a solar cell that is a layer capable of transferring energy to at least one selected from the electron donor and the electron acceptor.

前記第１の電極と、前記電子供与体を主要構成要素とする電子供与体層と、前記電子受容体を主要構成要素とする電子受容体層と、前記第２の電極とが、この順序で配置されており、
前記エネルギー移動層（α）が、前記第１の電極と前記電子供与体層との間の領域、および、前記電子受容体層と前記第２の電極との間の領域から選ばれる少なくとも１つの領域に配置されている請求項１に記載の太陽電池。 The first electrode, an electron donor layer having the electron donor as a main component, an electron acceptor layer having the electron acceptor as a main component, and the second electrode in this order. Has been placed,
The energy transfer layer (α) is at least one selected from a region between the first electrode and the electron donor layer and a region between the electron acceptor layer and the second electrode. The solar cell according to claim 1, which is disposed in the region.

前記エネルギー移動層（α）の吸収端の波長が、前記電子供与体層の吸収端の波長および前記電子受容体層の吸収端の波長よりも短波長側に存在する請求項２に記載の太陽電池。 The sun according to claim 2, wherein the wavelength of the absorption edge of the energy transfer layer (α) is present on a shorter wavelength side than the wavelength of the absorption edge of the electron donor layer and the wavelength of the absorption edge of the electron acceptor layer. battery.

前記エネルギー移動層（α）の外側に隣接するエネルギー移動層（β）をさらに備え、
前記エネルギー移動層（β）は、前記エネルギー移動層（α）にエネルギーを移動することが可能な層である請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。 An energy transfer layer (β) adjacent to the outside of the energy transfer layer (α);
The solar cell according to claim 1, wherein the energy transfer layer (β) is a layer capable of transferring energy to the energy transfer layer (α).

前記エネルギー移動層（α）および前記エネルギー移動層（β）を含む積層された複数のエネルギー移動層を備え、
積層された前記複数のエネルギー移動層において、１つのエネルギー移動層の吸収端の波長が、それよりも外側に隣接するエネルギー移動層の吸収端の波長に比べて１０ｎｍ以上長波長である請求項４に記載の太陽電池。 A plurality of stacked energy transfer layers including the energy transfer layer (α) and the energy transfer layer (β);
5. The wavelength of the absorption edge of one energy transfer layer in the plurality of stacked energy transfer layers is longer than that of the absorption edge of the energy transfer layer adjacent to the outside by 10 nm or more. The solar cell as described in.

前記エネルギー移動層（α）がペンタセンまたはペンタセン誘導体を主要構成要素とし、前記電子供与体がフタロシアニン系顔料である請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。 The solar cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the energy transfer layer (α) has pentacene or a pentacene derivative as a main component, and the electron donor is a phthalocyanine pigment.

前記エネルギー移動層（α）の厚さが５０ｎｍ以上である請求項１〜６のいずれか
１項に記載の太陽電池。
The solar cell according to claim 1, wherein the energy transfer layer (α) has a thickness of 50 nm or more.