JP2010135665A - 有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
2.有機半導体材料を厚膜化・タンデム化による光吸収率の向上
有機半導体材料の励起子拡散長は、励起子の寿命と励起子の移動度の積であるため、励起子の移動度を高めることが有用であるが、一般的に移動度の高い有機半導体材料は結晶性が高い材料であり、逆に言えば溶解性の低い材料であった。したがって、これらの材料を生産性の高い塗布方式で生産する際には厚い塗布膜を得ることができないといった、トレードオフを有していた。
A.Heeger:Nature Mat.;vol.6(2007),p497 Fukuoka:Technical Digest of the International PVSEC−17,2007予稿集、p287 A.Heeger:Science;vol.317(2007),p222
7.前記光学活性中心を有する有機化合物単体からなる層が、前記バルクへテロジャンクション層に接して形成されていることを特徴とする前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、透明電極12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部14、電子輸送層18及び対極13が順次積層されている。
本発明の有機光電変換素子は、n型半導体材料及びp型半導体材料を混合したバルクヘテロジャンクション層に、少なくとも1つ以上の光学活性中心を有する有機化合物を用いることが好ましい。
本発明の有機光電変換素子は、n型半導体材料及びp型半導体材料を混合したバルクヘテロジャンクション層に、少なくとも1つ以上の光学活性中心を有する有機化合物を用いることが好ましい。したがって、p型有機半導体材料に光学活性中心を有する有機化合物を用いても良い。他方で、n型有機半導体材料に光学活性中心を有する有機化合物を用いている場合には、p型有機半導体材料に光学活性中心を有さない有機化合物を用いても良い。
本発明の有機光電変換素子10は、バルクへテロジャンクション層と透明電極(陽極)との中間には正孔輸送層17を、バルクへテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
本発明の有機光電変換素子10は、バルクへテロジャンクション層と対極(陰極)との中間には電子輸送層18を形成することで、バルクへテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層などを挙げることができる。
本発明の透明電極は、陰極、陽極は特に限定せず、素子構成により選択することができるが、通常陽極として用いることが一般的である。なお本発明において陽極とは、正孔を取り出す電極のことを意味する。例えば、陽極として用いる場合、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
本発明の対電極は、陰極、陽極は特に限定せず、素子構成により選択することができるが、通常陰極として用いることが一般的である。なお本発明において陰極とは、電子を取り出す電極のことを意味する。例えば、陰極として用いる場合、対電極は導電材単独層であっても良いが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用しても良い。対電極は導電材単独層であっても良いが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用しても良い。対電極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。対電極はこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。
また、前記図3のようなタンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記透明電極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜800nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していて良い。光学機能層としては、たとえば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、対極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層などを設けても良い。
電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層、および輸送層・電極の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、バルクへテロジャンクション層の形成方法としては、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
また、作製した有機光電変換素子10が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、有機光電変換素子だけでなく有機エレクトロルミネッセンス素子などで公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上10を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
<比較の有機光電変換素子1の作製>
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
比較の有機光電変換素子1の作製において、p型半導体材料をアルドリッチ製Poly(2−Methoxy−5−(2−ethylhexyloxy)−1,4−phenylenevinylene)に代えて、側鎖のエチルヘキシルオキシ基が光学活性である本発明の例示化合物P6に変更した以外は、比較の有機光電変換素子1と同様にして有機光電変換素子2を得た。なお光学活性な2−エチル−1−ヘキサノールは、J.A,/CChem.Soc.,Vol118(1996)p1577、Tetrahedron Letters,vol.46(2005),p7217などを参考として合成することができる。またこの材料のMnは35000であった。
<比較の有機光電変換素子11の作製>
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて2mm幅にパターニングして、透明電極(陽極)を形成した。
本発明の有機光電変換素子11の作製において、n型半導体材料を表3に記載の化合物に変更した以外は、比較の有機光電変換素子11と同様にして有機光電変換素子12〜15を得た。
本発明の有機光電変換素子11の作製において、n型半導体材料を例示化合物N6に変更してバルクへテロジャンクション層(i層)を形成し、乾燥させた後、トルエンに例示化合物N6だけを1.2質量%を溶解した液を作製し、0.45μmのフィルタでろ過をかけながら2000rpmで60秒のスピンコートを行い、室温で5分放置後、160℃で30分加熱し、例示化合物N6単体からなるn層を30nmの厚さで形成した。
本発明の有機光電変換素子16の作製において、Baytron PH510(スタルクヴィテック社製)を30nmの膜厚でスピンコートした後、140℃で大気中10分間加熱乾燥した後、 まずp層として、クロロベンゼンに前記p型半導体材料として、BP−1前駆体を0.5質量%で溶解し、0.45μmのフィルタでろ過をかけた後、25nmの膜厚となるようにスピンコートし、180℃で20分間加熱することで、BP−1前駆体をBP−1へと変換し、p層を得た。
11 基板
12 透明電極
13 対極
14 光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
14p p層
14i i層
14n n層
14′ 第1の光電変換部
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換部
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
20 光センサアレイ
21 基板
22 透明電極
23 対電極
24 光電変換部
24a バッファ層
24b 光電変換層
Claims (10)
- 対極と透明電極の間に、光学活性中心を有する有機化合物を含有する有機層を有することを特徴とする有機光電変換素子。
- 前記光学活性中心を有する有機化合物を含有する有機層が、溶液プロセスによって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。
- 前記光学活性中心を有する有機化合物が、n型半導体材料としてバルクへテロジャンクション層に含まれることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機光電変換素子。
- 前記光学活性中心が、炭素原子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 前記光学活性中心を有する有機化合物が、フラーレン誘導体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 前記光学活性中心を有する有機化合物単体からなる層が、前記バルクへテロジャンクション層に接して形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 前記有機光電変換素子は光電変換層を有し、かつ、該光電変換層がp型半導体単体からなるp層、p型半導体とn型半導体の混合物からなるバルクへテロジャンクション層(i層)、n型半導体単体からなるn層、の3層積層からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子からなることを特徴とする太陽電池。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。
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