JP2947588B2 - 有機太陽電池 - Google Patents
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- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は有機太陽電池に関し、詳しくは透明電極と対
向電極との間に有機化合物を主体とする層が設けられて
いる有機太陽電池に関する。
向電極との間に有機化合物を主体とする層が設けられて
いる有機太陽電池に関する。
（従来の技術） 太陽電池材料として有機化合物を使用した有機太陽電
池は、無機半導体を使用した太陽電池に比べ、コスト、
大面積化、製造工程の容易さ等の点で優れており、従来
より、有機化合物が太陽電池材料として使用された種々
の構成の有機太陽電池が提案されている。
池は、無機半導体を使用した太陽電池に比べ、コスト、
大面積化、製造工程の容易さ等の点で優れており、従来
より、有機化合物が太陽電池材料として使用された種々
の構成の有機太陽電池が提案されている。
例えば、フタロシアニン銅とペリレン系色素の積層膜
を使用した有機太陽電池が提案されており、この有機太
陽電池のエネルギー変換効率は１％程度であると報告さ
れている（C.W.Tang,Applied Physical Letters,Vol.4
8,p.183）。しかし、太陽電池材料として色素のみを使
用した太陽電池は、電気抵抗を低くする必要性から、そ
の膜厚を薄くしなければならない。そのため膜にピンホ
ールが生じ易く、電極が短絡する欠点があった。
を使用した有機太陽電池が提案されており、この有機太
陽電池のエネルギー変換効率は１％程度であると報告さ
れている（C.W.Tang,Applied Physical Letters,Vol.4
8,p.183）。しかし、太陽電池材料として色素のみを使
用した太陽電池は、電気抵抗を低くする必要性から、そ
の膜厚を薄くしなければならない。そのため膜にピンホ
ールが生じ易く、電極が短絡する欠点があった。
一方、導電性高分子を使用した有機太陽電池について
も研究が行なわれており、一対の電極間に共役系高分子
にて形成された層とを接合して配設した太陽電池が報告
されている。しかしながら、これらの材料を用いた有機
太陽電池のエネルギー変換効率は10-3％程度にとどまっ
ており、変換効率が低いという欠点を有していた。例え
ば、電解重合したポリ（３−メチルチオフェン）の層と
真空蒸着したローダミンＢの層の積層膜を使用した有機
太陽電池が報告されているが、この太陽電池のエネルギ
ー変換効率は金属電極による光吸収分を補正しても、2.
4×10-3％である（K.Uehara,A.Maekawa,M.Tanaka,Chemi
stry of Functional Dyes,p.576,Ed Z.Yoshida and T.K
itao（Mita Press,Tokyo,1980））。
も研究が行なわれており、一対の電極間に共役系高分子
にて形成された層とを接合して配設した太陽電池が報告
されている。しかしながら、これらの材料を用いた有機
太陽電池のエネルギー変換効率は10-3％程度にとどまっ
ており、変換効率が低いという欠点を有していた。例え
ば、電解重合したポリ（３−メチルチオフェン）の層と
真空蒸着したローダミンＢの層の積層膜を使用した有機
太陽電池が報告されているが、この太陽電池のエネルギ
ー変換効率は金属電極による光吸収分を補正しても、2.
4×10-3％である（K.Uehara,A.Maekawa,M.Tanaka,Chemi
stry of Functional Dyes,p.576,Ed Z.Yoshida and T.K
itao（Mita Press,Tokyo,1980））。
また、導電性高分子を使用した太陽電池として、ショ
ットキー型のものも報告されている。ここでは導電性高
分子の上にインジウム（In）、ガリウム（Ga）、アルミ
ニウム（Al）、銀（Ag）、鉛（Pb）、ゲルマニウム（G
e）等仕事関数の小さい金属を積層することによってシ
ョットキー接合を形成する手法がとられている。これら
の金属膜は蒸着やスパッタリング等の方法により形成さ
れるが、空気中の酸素により接合界面に酸化膜を形成し
やすく、接合が劣化して性能が低下するという欠点があ
った。
ットキー型のものも報告されている。ここでは導電性高
分子の上にインジウム（In）、ガリウム（Ga）、アルミ
ニウム（Al）、銀（Ag）、鉛（Pb）、ゲルマニウム（G
e）等仕事関数の小さい金属を積層することによってシ
ョットキー接合を形成する手法がとられている。これら
の金属膜は蒸着やスパッタリング等の方法により形成さ
れるが、空気中の酸素により接合界面に酸化膜を形成し
やすく、接合が劣化して性能が低下するという欠点があ
った。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記欠点を解決するためになされたもので
あり、その目的は、エネルギー変換効率が高く、しかも
電極の短絡等の少ない、性能の安定した有機太陽電池を
提供することにある。
あり、その目的は、エネルギー変換効率が高く、しかも
電極の短絡等の少ない、性能の安定した有機太陽電池を
提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明で使用される透明電極は、可視光が透過可能な
公知の電極材料を用いて形成され、通常は透明基板の表
面に真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング
等によって設けられる。
公知の電極材料を用いて形成され、通常は透明基板の表
面に真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング
等によって設けられる。
上記電極材料は、有機太陽電池の特性に与える影響が
小さい材料であれば特に限定されるものでなく、例え
ば、スズがドープされた酸化インジウム（ITO）、金（A
u）、銀（Ag）、アルミニウム（Al）等の半導体および
金属があげられる。特に効率よく光を入射させるために
は、可視光吸収の少ないITOが好適に使用される。
小さい材料であれば特に限定されるものでなく、例え
ば、スズがドープされた酸化インジウム（ITO）、金（A
u）、銀（Ag）、アルミニウム（Al）等の半導体および
金属があげられる。特に効率よく光を入射させるために
は、可視光吸収の少ないITOが好適に使用される。
上記透明基板としては、例えば、ガラスおよびアクリ
ル系、ビニル系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、
ポリアミド系、ポリカーボネート系等の高分子があげら
れる。
ル系、ビニル系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、
ポリアミド系、ポリカーボネート系等の高分子があげら
れる。
本発明で使用される対向電極は、公知の電極材料を用
いて、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティン
グ等により形成される。
いて、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティン
グ等により形成される。
上記電極材料としては、例えば、金（Au）、銀（A
g）、アルミニウム（Al）、スズがドープされた酸化イ
ンジウム（ITO）等の金属および半導体があげられ、特
に酸化の影響の少ないAuが好適に使用される。
g）、アルミニウム（Al）、スズがドープされた酸化イ
ンジウム（ITO）等の金属および半導体があげられ、特
に酸化の影響の少ないAuが好適に使用される。
本発明の第１層に使用される正孔輸送層として作用す
る導電性高分子としては、例えば、ポリチオフェン、ポ
リピロール、ポリアセチレン、ポリフェニルアセチレ
ン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体等があげられ、
ポリ（３−メチルチオフェン）およびポリ（３−メトキ
シチオフェン）が好適に使用される。これらの導電性高
分子には、導電度の高いドープ状態（導電度;10-1〜100
S/cm）にあるものと、導電度の低い脱ドープ状態（導電
度;10-8S/cm）にあるものとがあるが、脱ドープ状態に
あるものを使用するのがエネルギー変換効率が高く安定
性のよい有機太陽電池が得られるので好ましい。
る導電性高分子としては、例えば、ポリチオフェン、ポ
リピロール、ポリアセチレン、ポリフェニルアセチレ
ン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体等があげられ、
ポリ（３−メチルチオフェン）およびポリ（３−メトキ
シチオフェン）が好適に使用される。これらの導電性高
分子には、導電度の高いドープ状態（導電度;10-1〜100
S/cm）にあるものと、導電度の低い脱ドープ状態（導電
度;10-8S/cm）にあるものとがあるが、脱ドープ状態に
あるものを使用するのがエネルギー変換効率が高く安定
性のよい有機太陽電池が得られるので好ましい。
上記導電性高分子は、溶媒中において触媒の存在下で
モノマーを重合させる溶液重合法、触媒にモノマーガス
を接触させて重合させる気相重合法、モノマーを含む電
解溶液中においてモノマーを重合させる電解重合法等に
より調製することができる。そして、透明電極上で導電
性高分子を直接調製することにより上記第１層を形成し
てもよいし、また導電性高分子が溶媒に可溶性のもので
あれば、別途重合した高分子溶液を透明電極に塗布、乾
燥し上記第１層を形成してもよい。特に電解重合法によ
り透明電極表面に直接形成した上記第１層は、その表面
に凹凸を有しているので、本発明の第２層との接合の界
面面積を増大させることができ、且つ、ピンホールの少
ない積層膜が形成可能である。上記第１層の膜厚は特に
限定されるものではないが、薄すぎるとピンホールが発
生しやすくなり、厚すぎると光の吸収が大きくなるため
にエネルギー変換効率が低下するので、150〜1500Åが
好ましい。
モノマーを重合させる溶液重合法、触媒にモノマーガス
を接触させて重合させる気相重合法、モノマーを含む電
解溶液中においてモノマーを重合させる電解重合法等に
より調製することができる。そして、透明電極上で導電
性高分子を直接調製することにより上記第１層を形成し
てもよいし、また導電性高分子が溶媒に可溶性のもので
あれば、別途重合した高分子溶液を透明電極に塗布、乾
燥し上記第１層を形成してもよい。特に電解重合法によ
り透明電極表面に直接形成した上記第１層は、その表面
に凹凸を有しているので、本発明の第２層との接合の界
面面積を増大させることができ、且つ、ピンホールの少
ない積層膜が形成可能である。上記第１層の膜厚は特に
限定されるものではないが、薄すぎるとピンホールが発
生しやすくなり、厚すぎると光の吸収が大きくなるため
にエネルギー変換効率が低下するので、150〜1500Åが
好ましい。
本発明の第２層で使用されるフタロシアニン系色素と
しては、例えば、無金属フタロシアニン、金属フタロシ
アニンおよびそれらの誘導体等があげられ、無金属フタ
ロシアニンおよび銅フタロシアニンが好適に使用され
る。第２層の形成方法としては、例えば、真空容器内で
坩堝中のフタロシアニン系色素を抵抗加熱して昇華さ
せ、上記第１層上にフタロシアニン系色素膜を形成する
真空蒸着法があげられる。
しては、例えば、無金属フタロシアニン、金属フタロシ
アニンおよびそれらの誘導体等があげられ、無金属フタ
ロシアニンおよび銅フタロシアニンが好適に使用され
る。第２層の形成方法としては、例えば、真空容器内で
坩堝中のフタロシアニン系色素を抵抗加熱して昇華さ
せ、上記第１層上にフタロシアニン系色素膜を形成する
真空蒸着法があげられる。
上記第２層は、ごく薄い膜であっても十分な起電力を
生じさせることができ、膜中にピンホールを有していた
り、膜が不連続な状態になっていても同様の効果を発揮
する。その膜厚は特に限定されるものではないが、薄す
ぎると十分な起電力を生じさせることができなくなり、
厚すぎると光の吸収が大きくなるためにエネルギー変換
効率が低下するので、20〜100Åが好ましい。
生じさせることができ、膜中にピンホールを有していた
り、膜が不連続な状態になっていても同様の効果を発揮
する。その膜厚は特に限定されるものではないが、薄す
ぎると十分な起電力を生じさせることができなくなり、
厚すぎると光の吸収が大きくなるためにエネルギー変換
効率が低下するので、20〜100Åが好ましい。
本発明の第３層で使用されるペリレン系色素として
は、例えば、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸ビス
ベンゾイミダゾル、N,N′−ジメチル−3,4,9,10−ペリ
レンテトラカルボン酸ジイミド等があげられる。第３層
の形成方法としては、例えば、真空容器内で坩堝中のペ
リレン系色素を抵抗加熱して昇華させ、上記第２層上に
ペリレン系色素膜を形成する真空蒸着法があげられる。
上記第３層の膜厚は特に限定されるものではないが、薄
すぎるとピンホールが発生しやすくなり、厚すぎると膜
の電気抵抗が高くなるためにエネルギー変換効率が低下
するので、500〜2500Åが好ましい。
は、例えば、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸ビス
ベンゾイミダゾル、N,N′−ジメチル−3,4,9,10−ペリ
レンテトラカルボン酸ジイミド等があげられる。第３層
の形成方法としては、例えば、真空容器内で坩堝中のペ
リレン系色素を抵抗加熱して昇華させ、上記第２層上に
ペリレン系色素膜を形成する真空蒸着法があげられる。
上記第３層の膜厚は特に限定されるものではないが、薄
すぎるとピンホールが発生しやすくなり、厚すぎると膜
の電気抵抗が高くなるためにエネルギー変換効率が低下
するので、500〜2500Åが好ましい。
（作用） 本発明の有機太陽電池においては、透明電極と対向電
極間の透明電極側から順次導電性高分子からなる第１
層、フタロシアニン系色素からなる第２層およびペリレ
ン系色素からなる第３層が設けられており、第１層は正
孔輸送層として作用し、第２層は第１層と第３層との間
で、高い起電力を生じさせる接合層として作用し、第３
層は電子輸送層として作用するため、高いエネルギー変
換効率を有する有機太陽電池を得ることができる。
極間の透明電極側から順次導電性高分子からなる第１
層、フタロシアニン系色素からなる第２層およびペリレ
ン系色素からなる第３層が設けられており、第１層は正
孔輸送層として作用し、第２層は第１層と第３層との間
で、高い起電力を生じさせる接合層として作用し、第３
層は電子輸送層として作用するため、高いエネルギー変
換効率を有する有機太陽電池を得ることができる。
（実施例） 以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１ モノマーとして３−メチルチオフェン0.05モル／、
支持電解質として、過塩素酸テトラエチルアンモニウム
0.1モル／を含むニトロベンゼン溶液の中に、ITOを蒸
着した３×3cmのガラス基板を作用極、プラチナ電極を
対極としてそれぞれ設置し、定電流5mAを５秒間通電
し、過塩素酸がドープされたポリ（３−メチルチオフェ
ン）からなる膜を形成した。この膜に逆電圧を印加して
定電流5mAを３秒間通電することにより、過塩素酸を脱
ドープした後、メチルアルコールで洗浄し空気中で乾燥
させて膜厚500Åの中性のポリ（３−メチルチオフェ
ン）膜を形成した。
支持電解質として、過塩素酸テトラエチルアンモニウム
0.1モル／を含むニトロベンゼン溶液の中に、ITOを蒸
着した３×3cmのガラス基板を作用極、プラチナ電極を
対極としてそれぞれ設置し、定電流5mAを５秒間通電
し、過塩素酸がドープされたポリ（３−メチルチオフェ
ン）からなる膜を形成した。この膜に逆電圧を印加して
定電流5mAを３秒間通電することにより、過塩素酸を脱
ドープした後、メチルアルコールで洗浄し空気中で乾燥
させて膜厚500Åの中性のポリ（３−メチルチオフェ
ン）膜を形成した。
次いで、中性ポリ（３−メチルチオフェン）膜が形成
されたガラス基板を真空蒸着装置の真空容器内に設置し
て１×10-6Torrに減圧し、無金属フタロシアニンをアル
ミナ坩堝中に供給し抵抗加熱して、中性ポリ（３−メチ
ルチオフェン）膜の上に、40μｍの厚さで、無金属フタ
ロシアニンを蒸着した。
されたガラス基板を真空蒸着装置の真空容器内に設置し
て１×10-6Torrに減圧し、無金属フタロシアニンをアル
ミナ坩堝中に供給し抵抗加熱して、中性ポリ（３−メチ
ルチオフェン）膜の上に、40μｍの厚さで、無金属フタ
ロシアニンを蒸着した。
さらにこの膜の上に、無金属フタロシアニンと同様に
して、2000Åの厚さで、3,4,9,10−ペリレンテトラカル
ボン酸ジイミドを蒸着した。
して、2000Åの厚さで、3,4,9,10−ペリレンテトラカル
ボン酸ジイミドを蒸着した。
最後に対向電極としてAuを１×10-6Torrの減圧下で50
0Åの厚さに真空蒸着して、有機太陽電池を得た。
0Åの厚さに真空蒸着して、有機太陽電池を得た。
得られた有機太陽電池の光電変換特性は、白色光（75
mW/cm2）の照射下で、エネルギー変換効率0.12％、開放
端電圧0.36V、電流0.81mA、フィルファクター31％であ
った。
mW/cm2）の照射下で、エネルギー変換効率0.12％、開放
端電圧0.36V、電流0.81mA、フィルファクター31％であ
った。
実施例２ 実施例１において、膜厚が30Åの無金属フタロシアニ
ン膜を形成した以外は、実施例１と同様にして、有機太
陽電池を得た。
ン膜を形成した以外は、実施例１と同様にして、有機太
陽電池を得た。
得られた有機太陽電池の光電変換特性は、白色光（75
mW/cm2）の照射下でエネルギー変換効率0.16％、開放端
電圧0.31V、電流1.12mA、フィルファクター31％であっ
た。
mW/cm2）の照射下でエネルギー変換効率0.16％、開放端
電圧0.31V、電流1.12mA、フィルファクター31％であっ
た。
比較例１ 実施例１において、無金属フタロシアニン膜を取り去
った以外は、実施例１と同様にして、有機太陽電池を得
た。
った以外は、実施例１と同様にして、有機太陽電池を得
た。
得られた有機太陽電池の光電変換特性は、白色光（75
mW/cm2）の照射下で、エネルギー変換効率0.06％、開放
端電圧0.34V、電流0.32mA、フィルファクター31％であ
った。
mW/cm2）の照射下で、エネルギー変換効率0.06％、開放
端電圧0.34V、電流0.32mA、フィルファクター31％であ
った。
（発明の効果） 本発明の有機太陽電池においては、第１層は正孔輸送
層として作用する導電性高分子にて形成され、その第１
層の上にフタロシアニン系色素からなる第２層およびペ
リレン系色素からなる第３層が順次積層されたものが電
極間に設けられているので、従来のように色素のみを電
極間に設けた有機太陽電池に比べて、ピンホールの少な
い均一な膜を形成することができ、電極間の短絡がない
性能の安定した有機太陽電池が作製可能となる。しか
も、第１層の正孔輸送層として作用する導電性高分子層
と第３層のペリレン系色素層との間に、高い起電力を発
生させることのできるフタロシアニン系色素からなる第
２層を設けることにより、従来の２層構造の太陽電池に
比べて、より高いエネルギー変換効率を得ることができ
る。
層として作用する導電性高分子にて形成され、その第１
層の上にフタロシアニン系色素からなる第２層およびペ
リレン系色素からなる第３層が順次積層されたものが電
極間に設けられているので、従来のように色素のみを電
極間に設けた有機太陽電池に比べて、ピンホールの少な
い均一な膜を形成することができ、電極間の短絡がない
性能の安定した有機太陽電池が作製可能となる。しか
も、第１層の正孔輸送層として作用する導電性高分子層
と第３層のペリレン系色素層との間に、高い起電力を発
生させることのできるフタロシアニン系色素からなる第
２層を設けることにより、従来の２層構造の太陽電池に
比べて、より高いエネルギー変換効率を得ることができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04
Claims (1)
- 【請求項１】透明電極と対向電極間の透明電極側から順
次正孔輸送層として作用する導電性高分子からなる第１
層、フタロシアニン系色素からなる第２層およびペリレ
ン系色素からなる第３層が設けられていることを特徴と
する有機太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2113036A JP2947588B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 有機太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2113036A JP2947588B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 有機太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0410576A JPH0410576A (ja) | 1992-01-14 |
| JP2947588B2 true JP2947588B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=14601855
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2113036A Expired - Fee Related JP2947588B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 有機太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2947588B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1234338A1 (en) * | 1999-11-26 | 2002-08-28 | The Trustees of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer |
| EP2846371A1 (en) * | 2013-09-10 | 2015-03-11 | Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) | Inverted solar cell and process for producing the same |
| EP1952455B1 (en) * | 2005-11-02 | 2020-01-15 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05308146A (ja) * | 1992-05-01 | 1993-11-19 | Ricoh Co Ltd | 有機光起電力素子 |
| JP2001148491A (ja) | 1999-11-19 | 2001-05-29 | Fuji Xerox Co Ltd | 光電変換素子 |
| JP5084305B2 (ja) * | 2006-03-08 | 2012-11-28 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 発光素子、発光装置並びに電子機器 |
| TWI475737B (zh) | 2006-03-08 | 2015-03-01 | Semiconductor Energy Lab | 發光元件、發光裝置及電子裝置 |
-
1990
- 1990-04-27 JP JP2113036A patent/JP2947588B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1234338A1 (en) * | 1999-11-26 | 2002-08-28 | The Trustees of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer |
| EP1234338B1 (en) * | 1999-11-26 | 2015-03-25 | The Trustees Of Princeton University | Organic photosensitive optoelectronic device with an exciton blocking layer |
| EP1952455B1 (en) * | 2005-11-02 | 2020-01-15 | The Trustees Of Princeton University | Organic photovoltaic cells utilizing ultrathin sensitizing layer |
| EP2846371A1 (en) * | 2013-09-10 | 2015-03-11 | Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) | Inverted solar cell and process for producing the same |
| WO2015036905A1 (en) * | 2013-09-10 | 2015-03-19 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Inverted solar cell and process for producing the same |
| CN105900255A (zh) * | 2013-09-10 | 2016-08-24 | 洛桑联邦理工学院 | 倒置太阳能电池及用于生产倒置太阳能电池的方法 |
| CN105900255B (zh) * | 2013-09-10 | 2018-09-14 | 洛桑联邦理工学院 | 倒置太阳能电池及用于生产倒置太阳能电池的方法 |
| US10665800B2 (en) | 2013-09-10 | 2020-05-26 | Ecole Polytechnique Federate de Lausanne (EPFL) | Inverted solar cell and process for producing the same |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0410576A (ja) | 1992-01-14 |
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