JP5013571B2 - 有機半導体分子の配向制御方法及び有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
Appl. Phys. Lett. 58巻, 1062頁 (1991)
態様1は、有機半導体分子の配向制御をそれに隣接する配向制御層によって行うものである。配向制御される有機半導体は、p型でもn型でもよい。p型有機半導体としては、配向制御されれば特に限定はないが、具体的には例えば、中心に金属を有さないメタルフリーフタロシアニン(以下、「H2Pc」と略記する)、中心に種々の金属を有する金属フタロシアニン、種々の置換基が結合した(金属)フタロシアニン誘導体等のフタロシアニン誘導体;ペンタセン誘導体等が挙げられる。
次に態様2について述べる。態様2は、有機半導体層を構成する有機半導体分子の配向制御を、配向制御剤を含有する配向制御層を該有機半導体層に1又は2以上の仲介層を介して行う態様である。態様2の場合、配向制御される有機半導体や配向制御される層については上記態様1と同様である。また、配向制御剤や配向制御層についても上記態様1と同様である。すなわち、配向制御される層は、p型有機半導体を含有するp層でも、n型有機半導体を含有するn層でも、2種以上の有機半導体を含有するi層でもよい。配向制御層も、それ自体がp層又はn層であってもよく、また、別途設けてもよい。また、好ましい配向制御剤や配向制御層の厚さ等も態様1と同様である。
[態様1と態様2に共通事項について]
図1(a)は、態様1の層構成の具体例であり、金属酸化膜である透明導電膜\配向制御層\i層\金属電極からなる有機薄膜太陽電池である。本発明において、一般に「層r\層s」という表現は、先ず層rを形成し、その後その上に層sを形成させたことによって、層rの上に層sが存在している状態を示す。3層以上の場合も同様である。また、以下、同様である。
実際に各層の有機半導体分子を配向させることができたことを確認したので、以下に示す。以下の実施例では、実験の便宜上、基板として、ガラス基板、二酸化ケイ素薄膜等を用いたが、酸化亜鉛、酸化マグネシウム亜鉛、酸化インジウム、酸化錫インジウム等の酸化物;金属等でも、ガラス基板上と同様の配向結果が得られることを確認してある。すなわち、実際に有機薄膜太陽電池の電極基板として用いられる透明導電膜等を基板として用いても、全ての層の配向に関して結果は同じである。
まず、図2のように、ガラス基板上に配向制御層とi層を作製した。すなわち、ガラス基板上に、基板温度を25℃、蒸着速度を0.2Å/sに保ちながら、PTCDAよりなる配向制御層を10nm、真空蒸着法により形成した。続いて、PTCDAとH2Pcを蒸着比率(質量比)1:1、蒸着速度0.2Å/sで、300nmのi層を形成した。
[X線回折パターン測定]
本発明の態様2について、概略断面図である図6のようなp−i−n接合構造について、銅Kα線を用いたX線回折パターンを測定した。すなわち、態様1と同様、ガラス基板上に基板温度を25℃、蒸着速度を0.2Å/sに保ちながら、PTCDA配向膜を10nm、真空蒸着法により形成した。なお、このPTCDAはn型の有機半導体とみなすことができる。続いて、PTCDAとH2Pcを蒸着比率(質量比)1:1、蒸着速度0.2Å/sで、膜厚50nmで形成した。この膜はi層であるが、仲介層でもある。次いで、これらの層構造上に、基板温度を25℃、蒸着速度を0.2Å/sに保ちながら、p型の有機半導体であるH2Pcを膜厚300nmで形成した。
図8及び図9に、ガラス基板上に膜厚10nmのPTCDA配向制御層(図8の場合)又はH2Pc配向制御層(図9の場合)上に、膜厚15nmのi層(H2Pc:PTCDA=1:1(質量比))を形成し、さらにその上に膜厚70nmのH2Pc薄膜を形成した構造の断面SEM写真(それぞれ(a))及び平面SEM写真(それぞれ(b))を示す。
PTCDAよりなる膜厚8.5nmの配向制御層上に、H2Pc:PTCDA=1:1(質量比)よりなる膜厚65nmのi層を蒸着し、続いて、膜厚200nmでH2Pc薄膜(p層に該当)を形成した試料(以下、「試料1」と略記する)について、可視光領域の吸収スペクトルを測定した。全ての層の形成は、25℃で、蒸着速度を0.2Å/sに保ちながら行った。
Claims (22)
- 有機半導体分子で構成された有機半導体層を有する有機薄膜太陽電池において、配向制御剤を含有する配向制御層を、配向が制御される有機半導体分子を含有する有機半導体層に、隣接して、又は、1若しくは2以上の仲介層を介して、設けることによって行うことを特徴とする有機半導体分子の配向制御方法。
- 配向が制御される有機半導体分子を含有する有機半導体層がi層である請求項1記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 配向が制御される有機半導体分子を含有する有機半導体層がp層又はn層であり、仲介層の少なくとも1つがi層である請求項1記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 仲介層が、そこに含有されている少なくとも1種の有機半導体が微結晶状態であるものである請求項1ないし請求項3の何れかの請求項記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 配向制御層が、それ自体p層又はn層である請求項1ないし請求項4の何れかの請求項記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 配向制御剤がペリレン誘導体である請求項1ないし請求項5の何れかの請求項記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 配向が制御される有機半導体分子がフタロシアニン誘導体である請求項1ないし請求項6の何れかの請求項記載の有機半導体分子の配向制御方法。
- 有機半導体層を有する有機薄膜太陽電池において、該有機半導体層を構成する有機半導体分子の配向を制御して変換効率を上げた有機薄膜太陽電池であって、有機半導体層を構成する有機半導体分子の配向制御が、配向制御剤を含有する配向制御層を、該有機半導体層に、隣接して、又は、1若しくは2以上の仲介層を介して、設けることによってなされていることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
- 配向制御された有機半導体分子を含有する有機半導体層がi層である請求項8記載の有機薄膜太陽電池。
- 仲介層が、そこに含有されている少なくとも1種の有機半導体が微結晶状態であるものである請求項8又は請求項9記載の有機薄膜太陽電池。
- 配向制御された有機半導体分子を含有する有機半導体層がp層又はn層であり、仲介層の1つがi層である請求項8ないし請求項10の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 配向制御層が、それ自体p層又はn層である請求項8ないし請求項11の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 配向制御層が酸化物基板に隣接して設けられている請求項8ないし請求項12の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 配向制御剤がペリレン誘導体である請求項8ないし請求項13の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 有機半導体層を構成する配向制御された有機半導体分子がフタロシアニン誘導体である請求項8ないし請求項14の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する有機薄膜太陽電池であって、層(a)を最表面に露出させて測定した面外方向のX線回折パターンにおいて、銅Kα線を用いた時の回折角2θが27°±3°に現れる回折ピークの強度が、2θが5°〜30°の範囲で最大となるように有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する請求項8ないし請求項15の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する有機薄膜太陽電池であって、層(a)を最表面に露出させて測定した面外方向のX線回折において、銅Kα線を用いた時の回折角2θが6.7°±1°に、実質的にピークが現れないように有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する請求項8ないし請求項16の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する有機薄膜太陽電池であって、層(a)を最表面に露出させて測定した面内方向のX線回折において、銅Kα線を用いた時の回折角2θχが27°±3°に、実質的にピークが現れないように有機半導体分子の配向が制御された層(a)を有する請求項8ないし請求項17の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 平滑表面上に、順次、金反射膜、二酸化ケイ素薄膜を形成した基板上に、配向制御層を作成し、更にその上に、有機半導体分子を含有する厚さ0.3μmの層(b)を作成した試料について、基板法線を基準とした入射角70°以上のp偏向赤外光を用いて測定した赤外反射吸収スペクトルにおいて、740cm−1近傍のC−H面外変角振動に帰属されるピーク強度が、1120cm−1近傍のC−H面内変角振動に帰属されるピーク強度に対して5倍以上となるように配向制御された層(b)と、厚さ以外は同一の方法で作成された層(a)を有する請求項8ないし請求項18の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 平滑表面上に、順次、金反射膜、二酸化ケイ素薄膜を形成した基板上に、順次、配向制御層、仲介層を作成し、更にその上に、有機半導体分子を含有する厚さ0.3μmの層(b)を作成した試料について、基板法線を基準とした入射角70°以上のp偏向赤外光を用いて測定した赤外反射吸収スペクトルにおいて、740cm−1近傍のC−H面外変角振動に帰属されるピーク強度が、1120cm−1近傍のC−H面内変角振動に帰属されるピーク強度に対して5倍以上となるように配向制御された層(b)と厚さ以外は同一の方法で作成された層(a)を有する請求項8ないし請求項18の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- フタロシアニン誘導体からなる層を有する有機薄膜太陽電池であって、該層の630nmにおけるフタロシアニン誘導体に起因する吸光係数が、6×104cm−1以上である請求項8ないし請求項20の何れかの請求項記載の有機薄膜太陽電池。
- 請求項1ないし請求項7の何れかの請求項記載の有機半導体分子の配向制御方法を用いた有機薄膜太陽電池の製造方法。
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