JP2013214712A - 光電変換材料及びそれを用いた有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、縮合芳香環を構成単位とするポリマーからなる光電変換材料及び該光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池に関する。
ロールツーロール法等のコストが低廉なプロセスによって作製することが容易な太陽電池として、有機材料を用いた有機薄膜太陽電池が着目されている。この種の有機薄膜太陽電池として、バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池(以下、「BHJ太陽電池」ともいう)が知られている。
BHJ太陽電池は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメインと、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメインとが混在し、光を電気に変換する機能を営む光電変換層を具備する。具体的には、該光電変換層は正極及び負極に介装されており、正極を介して太陽光が光電変換層に入射し、励起子が発生する。
この励起子は、ドナードメインとアクセプタドメインとの界面に到達すると、電子と正孔に分離する。この中、電子は、アクセプタドメイン内を移動して負極に到達する。一方、正孔は、ドナードメイン内を移動し、正極に到達する。これら正孔及び電子は、負極及び正極に電気的に接続された外部回路を付勢する電気エネルギーとなる。
以上のような機能を営む光電変換層における光電変換材料、すなわち、ドナー及びアクセプタの代表的な例としては、特許文献1に示されるように、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT、図6参照)、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM、図7参照)がそれぞれ挙げられる。
ここで、P3HT、PCBMの各々の最高被占軌道(HOMO)及び最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位は、図8に示すようになる。上記のようにして光電変換層に光が入射すると、先ず、ドナーであるP3HTのHOMOからLUMOへ電子が遷移する。すなわち、P3HTのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差がバンドギャップ(Eg)に対応する。
P3HTのLUMOに遷移した電子は、次に、アクセプタであるPCBMのLUMOに電子移動することで電子と正孔が発生する。すなわち、P3HTとPCBMのLUMO同士のエネルギー準位差によってエネルギーの損失が生じ、P3HTのHOMOとPCBMのLUMOとのエネルギー準位差が開放電圧(Voc)に対応する。
ところで、太陽電池では、同一の発電量を得ようとする場合、光電変換効率が大きいものほど面積を小さくすることができる。これにより重量が低減するとともに、設置面積が小さくなるので設置レイアウトの自由度が大きくなるという利点が得られる。
BHJ太陽電池等の有機薄膜太陽電池において、光電変換効率をさらに向上させるためには、(a)光の吸収量を高め、励起子の生成を活発化する、(b)長波長(近赤外側)の光の吸収を高め、太陽光の利用効率を高める、(c)開放電圧Vocを大きくする等すればよい。そして、これら(a)〜(c)を実現するべく、(A)吸光係数が大きい、(B)HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さい、(C)LUMOのエネルギー準位がアクセプタのLUMOの準位に近いドナーを選定することが考えられる。
上記(A)〜(C)を満足する可能性がある物質として、特許文献2〜5に記載される縮合芳香環、すなわち、π電子共役化合物が想起される。なお、この種の縮合芳香環は、「グラフェン」と呼称されるときもある(特許文献4参照)。
特許文献2記載の技術は、ヘキサベンゾコロネン(HBC)に官能基を結合するとともに、この官能基を介して自己集積化させることで、いわゆるナノチューブ状の集積体を得ようとするものである。従って、最終的な半導体を得るための工程数が多く、しかも、得られた集積体がp型(ドナー)であるのか、又はn型(アクセプタ)であるのかが明確ではない。
特許文献3には、HBCの集積体であるナノチューブは、正孔及び電子の伝導経路を同時に有する、との示唆がある。この特許文献3記載の技術は、ナノチューブの内面及び外面をフラーレンで被覆するとともに、その被覆率でHBCにおける正孔移動度を制御するものであるが、このことから諒解されるように、特許文献2、3記載の技術では、HBCそれ自体のドナーとしての特性を向上させることはできない。
また、特許文献4記載の技術は、グラフェン誘導体に対し、フッ素原子を有する官能基を結合させ、これにより、n型半導体を得るものである。すなわち、この技術では、アクセプタが得られるに留まり、ドナーを得ることはできない。
さらに、特許文献2〜5のいずれにおいても、低分子有機化合物が開示されるのみである。周知のように、低分子有機化合物は溶媒に溶解し難く、このため、光電変換層を得る際にロールツーロール法等を行うことが困難となるという不具合が顕在化している。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ドナー(電子供与体)あるいはアクセプタ(電子受容体)として優れた特性を示し、しかも、光電変換層を簡便且つ容易に得ることが可能となる光電変換材料及びこの光電変換材料を含む光電変換層を具備する有機薄膜太陽電池を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、電子を供与する電子供与体(ドナー)あるいは電子を受容する電子受容体(アクセプタ)として機能する光電変換材料において、一般式(1)〜(4)で表されるグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなることを特徴とする。
本発明の光電変換材料は、全体にわたってπ電子雲が広がった縮合芳香環を構成単位とするπ共役系ポリマーからなる(以下、「ナノグラフェンポリマー」ともいう)。このポリマーでは、主鎖に沿ってπ電子雲が広がっているので、吸光係数が大きくなり、励起子が活発に生成されるようになる。
特に、このポリマーでは、HOMOとLUMOとの間のエネルギー準位差が小さい。すなわち、バンドギャップEgが小さい。このために極大吸収波長が長波長側にシフトするので、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、これに伴って、太陽光の利用効率が向上する。
さらに、このポリマーのLUMOのエネルギー準位は、P3HT等に比して低い(深い)。従って、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとする場合には、エネルギー損失がP3HTをドナーとする場合に比して小さくなる。その結果、有機薄膜太陽電池では、開放電圧Vocが大きくなる。
以上のような理由から、このポリマーをドナーとする有機薄膜太陽電池では、変換効率が向上する。
なお、本発明においては、前記特許文献4と同様に、一般式(1)〜(4)に示されるような縮合芳香環を「グラフェン」という。また、「ナノグラフェン」とは、1つの構成単位がナノメートルスケールであることを表す。
ポリマーの重合度(構成単位の個数)は、10〜150であることが好ましい。10未満の場合、吸光係数を十分に高くすることや、Egを十分に小さくすることが容易ではない。一方、150よりも大きいと、重合に要する時間が長くなり、ポリマーの生産効率が低下する。
換言すれば、ポリマーの重合度を上記の範囲内に設定することにより、ドナーとして優れた特性を示すポリマーを効率よく得ることができる。
ここで、構成単位が上記したグラフェンである場合、ポリマーの分子量は7400〜111500である。
また、本発明は、前記光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池であって、該光電変換材料を電子供与体として含む光電変換層を具備することを特徴とする。
この有機薄膜太陽電池においては、PCBMをアクセプタとした場合、P3HTをドナーとして用いたときに比して、光電変換層の吸光係数が大きくなるとともに、ドナーのHOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さくなる。その上、ドナーのLUMOのエネルギー準位が、アクセプタであるPCBMのLUMOの準位に近くなる。
従って、該有機薄膜太陽電池では、励起子の生成が活発化するとともに、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。以上のような理由から、変換効率が向上する。
このように変換効率が大きな有機薄膜太陽電池は、同一の発電量が得られる太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので、設置場所に加わる負荷が小さくなる。また、設置面積が小さくなるので、設置レイアウトの自由度も向上する。
有機薄膜太陽電池の好適な例は、ドナードメインとアクセプタドメインが混在する光電変換層を備えるバルクへテロ接合型のものである。この場合、例えば、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型のものに比して、ドナードメインとアクセプタドメインとの接触面積が大きい。有機薄膜太陽電池では、主にドナードメインとアクセプタドメインの界面で励起子が電子と正孔に分離して発電に関与するので、両者の接触面積が大きいバルクへテロ接合型として構成することにより、変換効率を向上させることが可能となる。
本発明によれば、π電子雲の広がりが大きいπ共役系ポリマーからなるため、吸光係数が大きくなるとともに、HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さく、また、HOMOのエネルギー準位が低いドナーとなる。この結果、LUMOのエネルギー準位が、PCBMのLUMOのエネルギー準位に近い。
このため、該ポリマーをドナー、PCBMをアクセプタとして有機薄膜太陽電池を構成すると、励起子が活発に生成される。また、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになり、太陽光の利用効率が向上する。さらに、開放電圧Vocが大きくなる。従って、変換効率が大きく、小面積で軽量な有機薄膜太陽電池を構成することができる。
以下、本発明に係る光電変換材料につき、該光電変換材料を含む光電変換層を具備するBHJ太陽電池との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施の形態に係るBHJ太陽電池10の要部概略縦断面図である。このBHJ太陽電池10は、透明電極12に対し、正孔輸送層14、光電変換層16、裏面電極18が下方からこの順で重畳されることで構成される。
透明電極12は、正極として機能する。すなわち、該透明電極12には、正孔24が移動する。なお、透明電極12としては、例えばインジウム−スズ複合酸化物(ITO)等、太陽光をはじめとする光を十分に透過するものが選定される。
正孔輸送層14は、光電変換層16にて生成した正孔24が透明電極12に移動することを支援する層であり、一般的には、ポリスチレンスルホン酸でドープされたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、すなわち、いわゆるPEDOT:PSSからなる。
光電変換層16は、電子供与体(ドナー)として作用する光電変換材料からなるドナードメイン26と、電子受容体(アクセプタ)として作用する光電変換材料からなるアクセプタドメイン28とが混在する層として形成されている。この中、アクセプタとなる光電変換材料の好適な例としては、上記のPCBMが挙げられる。
一方、ドナーとなるp型半導体、すなわち、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)に示すグラフェンを構成単位とするポリマーからなる。
このポリマーは、例えば、一般式(5)及び図2に示すポリフェニレンをさらに反応させて作製することができる。
図2に示すように、ポリフェニレンの構成単位30において、ベンゼン核39は、ベンゼン核32の32a、32bのいずれにも結合し得る。このため、構成単位30には構造異性体が含まれる。
さらに、構成単位30は、中心のベンゼン核34に対して、トリフェニルベンゼン骨格36、38が単結合した構造となっている。これらトリフェニルベンゼン骨格36、38は、ベンゼン核34に対する単結合を軸とする回転位置に応じ、異なる立体配座を取り得る。
具体的には、下記に示す構造U1〜U4が挙げられる。結局、ポリフェニレンには、これらの構造の少なくともいずれか1つが含まれる。
すなわち、本実施の形態に係る光電変換材料は、上記の構造を構成単位30として有するポリフェニレンを反応させて得られるポリマーである。従って、該ポリマーの構成単位(繰り返し単位)は、反応前のポリフェニレンがU1〜U4のいずれであるかによって相違する。すなわち、U1〜U4のそれぞれが反応した場合、下記の一般式(1)〜(4)で示されるナノグラフェンが構成単位となる。
以上のように、本実施の形態に係る光電変換材料は、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのうち、少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーである。すなわち、ポリマーは、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれか1つのみが互いに結合したものに限定されるものではなく、例えば、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンがランダムに結合したものであってもよい。
なお、該ポリマーの重合度は、10〜150であることが好ましい。重合度が10未満、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が10個未満であると、吸光係数が小さくなる傾向がある。また、重合度が150超、すなわち、互いに結合したナノグラフェンの個数が150個超であると、光電変換材料であるポリマーを得るまでの重合に要する時間が長くなり、生産効率が低下する。
換言すれば、重合度を上記の範囲に設定することで、吸光係数が十分に向上した光電変換材料を効率よく作製することができる。
換言すれば、重合度を上記の範囲に設定することで、吸光係数が十分に向上した光電変換材料を効率よく作製することができる。
一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンのいずれにおいても、分子量は743である。従って、ポリマーの重合度を10〜150としたとき、該ポリマーの分子量は7400〜111500の範囲内となる。
BHJ太陽電池10(図1参照)においては、このようなポリマーからなる光電変換材料を含む光電変換層16上に、裏面電極18が重畳される。該裏面電極18は、電子40が到達する負極として機能する。
本実施の形態に係るBHJ太陽電池10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。
BHJ太陽電池10の透明電極12に光(例えば、太陽光)が照射されると、該光は、正孔輸送層14を通過して光電変換層16に到達する。その結果、該光電変換層16において、励起子42が生成する。
生成した励起子42は、ドナードメイン26内を移動して、該ドナードメイン26とアクセプタドメイン28との界面に到達する。そして、この界面において、電子40と正孔24に分離する。上記と同様に、この中の電子40は、アクセプタドメイン28内を移動し、負極である裏面電極18に到達する。一方、正孔24は、ドナードメイン26内を移動し、正孔輸送層14を経由した後、正極である透明電極12に到達する。
ここで、本実施の形態では、光電変換層16中のドナードメイン26が、一般式(1)〜(4)で示すナノグラフェンの少なくともいずれか1つを構成単位とするポリマーからなる。
一般式(1)〜(4)から諒解される通り、ナノグラフェンにおいては、その全体にπ電子雲が広がっている。すなわち、ドナードメイン26をなすポリマーは、π共役系ポリマーである。必然的に、該ポリマーでは、ナノグラフェン単体(モノマー)に比して、π電子雲が広範囲にわたって広がる。
このようにπ電子雲の広がりが大きいポリマーでは、極大吸収波長が長波長側にシフトするとともに吸光係数が大きくなり、これによって、HOMO−LUMO間のエネルギー準位差に相当するバンドギャップ(Eg)が小さくなる。従って、ドナードメイン26において、励起子42の生成が活発となるとともに、太陽光の利用効率が向上する。
また、この場合、ドナーである上記ポリマーのLUMOのエネルギー準位は約−3.9eVであり、P3HTのLUMOのエネルギー準位(約−2.5eV)に比して深くなる。よって、該ポリマーのLUMOのエネルギー準位は、アクセプタドメイン28をなすPCBM(フラーレン誘導体)のLUMOのエネルギー準位に近い。
この理由は、上記ポリマーの構成単位であるナノグラフェンが炭化水素芳香環を基本骨格とする縮合芳香環であり、PCBMの構造に類似するためであると推察される。そして、この結果、BHJ太陽電池10の開放電圧Vocが大きくなる。
以上のことが相俟って、BHJ太陽電池10は、優れた光電変換効率を示す。このため、該BHJ太陽電池10では、同一の発電量が得られる他の太陽電池に比して面積を小さくすることができる。従って、重量が低減するので設置場所に加わる負荷が小さくなり、また、設置レイアウトの自由度が向上する。
次に、本実施の形態に係る光電変換材料を製造する方法につき、上記ポリマーの製造方法との関係で説明する。
上記した通り、このポリマーは、ポリフェニレンの反応生成物として得ることができる。
ポリフェニレンは、例えば、下記の反応式(6)に示すように、ビスシクロペンタジエノンにジアセチレンを反応させることで得ることができる。
なお、ビスシクロペンタジエノンは、既知の方法によって製造することができる。例えば、先ず、1,4−ビスベンジル及びジベンジルケトン(1,3−ジフェニル−2−プロパノン)と、n−ブタノールとを混合して混合溶液を調製する。そして、この混合溶液を加熱しながら、TritonB(水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム)のメタノール溶液を添加すればよい。
このようにして得たポリフェニレンを、次に、塩化鉄(FeCl3)を触媒として反応させる。ポリフェニレンの構造が上記の構造U1〜U4のいずれかである場合を例示すると、以下の反応式(7)〜(10)に示すように、一般式(1)〜(4)で示す縮合芳香環であるナノグラフェンを構成単位とするポリマーが得られる。
上記したように、該ポリマーの重合度は10〜150であることが好ましい。10未満である場合、吸光係数がさほどは向上しない。また、150超の場合、重合が終了するまでに長時間を要するので、ポリマーの生産効率が低下するからである。
図3は、ポリフェニレンと、上記のようにして得られたポリマーとのラマンスペクトルである。この図3に示すように、ポリフェニレンのスペクトルには側鎖のフェニル基に由来するピークが検出されたが、前記ポリマーのスペクトルには、該ピークが検出されなかった。このことから、ポリフェニレンの側鎖のフェニル基が反応することにより、ナノグラフェンを構成単位とするポリマーが生成されていると判断し得る。
また、このポリマーにつき、紫外可視吸収スペクトル(UV−Vis)の吸収端より求めたHOMO−LUMO間のバンドギャップEgと、光電子収量分光法(PYS)により求めたHOMOのエネルギー準位とを、P3HTの特性とともに図4に併せて示す。
図4から、このポリマーは、バンドギャップEgが小さいことが分かる。また、ポリマー及びP3HTの各バンドギャップEgが2.0eV、2.2eV、各HOMOのエネルギー準位が−5.9eV、−4.7eVであることから、ポリマー及びP3HTの各LUMOのエネルギー準位を求めると、−3.9eV、−2.5eVとなる。
上記ポリマー、P3HT及びPCBMのHOMO及びLUMOのエネルギー準位を図5に示す。この図5から、ポリマーのHOMOのエネルギー準位がP3HTよりも低い(深い)ことが分かる。
また、図5を参照することにより、ポリマーのLUMOとPCBMのLUMOとの間のエネルギー準位が、P3HTのLUMOとPCBMのLUMOとの間のエネルギー準位よりも小さいことが諒解される。
以上のような理由から、このポリマーをドナーとして光電変換層16を形成した本実施の形態に係るBHJ太陽電池10では、P3HTをドナーとして用いた従来技術に係るBHJ太陽電池に比して、エネルギー損失が小さくなり、開放電圧Vocが大きくなる。
なお、このポリマーを含む光電変換層16は、以下のようにして形成することができる。
なお、このポリマーを含む光電変換層16は、以下のようにして形成することができる。
先ず、トルエン、クロロホルム、クロロベンゼン等の適切な溶媒に、上記ポリマーとPCBMを個別に、又は上記ポリマーとPCBMの混合物を添加する。上記ポリマー及びPCBMが溶媒に溶解することにより、溶液が形成される。
次に、この溶液を、スピンコーティング、インクジェット印刷、ローラキャスティング、ロールツーロール法等のいずれかの手法によって、正孔輸送層14上に塗布する。
次に、該正孔輸送層14上の溶液を加熱すると、該溶液が硬化し、光電変換層16が得られる。必要に応じて、アニール処理を施す事でドナードメイン26とアクセプタドメイン28との相分離をさらに促進する事が可能である。その結果、ドナードメイン26とアクセプタドメイン28の接合界面の面積が増大し、性能を向上させることも可能である。
ドナーとしてモノマーを用いる場合、モノマーが溶媒に溶解し難いことから、光電変換層16を得る際に上記したような手法を採用することは困難である。これに対し、本実施の形態では、ポリマーをドナーとして用いる。ポリマーが所定の溶媒に可溶であることから、上記したプロセスによって、光電変換層16を容易且つ簡便に、しかも、低コストで形成することが可能である。
なお、本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、この実施の形態では、光電変換層16にドナーとアクセプタが混在するバルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池(BHJ太陽電池)10を例示して説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、ドナーからなる層と、アクセプタからなる層とが個別に形成される平面ヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池であってもよい。この場合、ドナーからなる層を、上記ポリマーから形成するようにすればよい。
また、この実施の形態では、上記ポリマー(光電変換材料)を有機薄膜太陽電池のドナーとして用いる例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。上記ポリマーを有機薄膜太陽電池のアクセプタとして採用することも可能である。
さらに、上記ポリマー(光電変換材料)の用途は、有機薄膜太陽電池の光電変換層16に限定されるものではない。例えば、光センサに採用することも可能である。
10…バルクヘテロ接合型有機薄膜太陽電池
12…透明電極 14…正孔輸送層
16…光電変換層 18…裏面電極
24…正孔 26…ドナードメイン
28…アクセプタドメイン 30…構成単位
32、34、39…ベンゼン核 40…電子
42…励起子
12…透明電極 14…正孔輸送層
16…光電変換層 18…裏面電極
24…正孔 26…ドナードメイン
28…アクセプタドメイン 30…構成単位
32、34、39…ベンゼン核 40…電子
42…励起子
Claims (5)
- 請求項1記載の光電変換材料において、前記ポリマーの重合度が10〜150であることを特徴とする光電変換材料。
- 請求項2記載の光電変換材料において、前記ポリマーの分子量が7400〜111500であることを特徴とする光電変換材料。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換材料を用いた有機薄膜太陽電池であって、前記光電変換材料を電子供与体として含む光電変換層を具備することを特徴とする有機薄膜太陽電池。
- 請求項4記載の有機薄膜太陽電池において、前記電子供与体と、該電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体とが混在する光電変換層を具備するバルクへテロ接合構造をなすことを特徴とする有機薄膜太陽電池。
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