CN112534597A - 光电转换元件，光电转换元件模块，有机薄膜太阳能电池，电子设备和电源模块 - Google Patents

光电转换元件，光电转换元件模块，有机薄膜太阳能电池，电子设备和电源模块 Download PDF

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Abstract

提供一种光电转换元件，其包括分别覆盖基材的第一电极、电子传输层、光电转换层、空穴传输层、第二电极、和绝缘层。第一电极包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层，和透明导电薄膜层(b)。电子传输层包含金属氧化物颗粒。光电转换层包含两种或更多种有机材料。光电转换元件满足以下关系：7.0≤T/D≤40.0。其中，D表示金属氧化物颗粒的平均粒径，T表示光电转换层的平均厚度。

Description

光电转换元件，光电转换元件模块，有机薄膜太阳能电池，电 子设备和电源模块
技术领域
本公开涉及光电转换元件，光电转换元件模块，有机薄膜太阳能电池，电子设备以及电源模块。
背景技术
近年来，电子电路的驱动功率变得非常小。现在可以用弱电功率(微瓦级)驱动各种类型的电子组件，例如传感器。传感器用作独立电源，可以在现场产生和消耗电力，有望应用于环境发电元件。其中，光电转换元件作为可以在任何地方用光发电的元件，引起人们的关注。特别地，期望将具有挠性的光电转换元件应用于能够跟随各种弯曲表面的可穿戴设备。
通常，期望有机薄膜太阳能电池作为具有挠性的高效光电转换元件。
关于挠性有机薄膜太阳能电池，已经提出了各种建议。
例如，专利文献1描述在支撑体上依次具有负极、电子传输层、包含有机材料的光电转换层、空穴传输层、以及正极的有机薄膜太阳能电池。
专利文献1进一步描述可以在正极上设置密封部件。
引文列表
专利文献
【专利文献1】日本未审查的专利申请公开第2014-60351号。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种光电转换元件，该光电转换元件具有优异的光电转换性能和优异的抗弯曲性，即使施以弯曲处理也能够维持高的光电转换性能。
解决问题的方案
根据本发明的实施例，提供一种光电转换元件，其包括：
基材；
第一电极，覆盖所述基材，其包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层，以及透明导电薄膜层(b)；
电子传输层，覆盖所述基材，其包含金属氧化物颗粒；
光电转换层，覆盖所述基材，其包含两种或更多种有机材料；
空穴传输层，覆盖所述基材；
第二电极，覆盖所述基材；以及
绝缘层，覆盖所述基材，
其中，满足以下关系：
7.0≤T/D≤40.0
在此，D表示所述金属氧化物颗粒的平均粒径，T表示所述光电转换层的平均厚度。
本发明的效果
根据本发明的实施例，提供一种光电转换元件，该光电转换元件具有优异的光电转换性能和优异的抗弯曲性，即使施以弯曲处理也能够维持高的光电转换性能。
附图说明
附图旨在描绘本发明的示例实施例，并且不应被解释为限制其范围。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。同样，在几个视图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。
图1是根据本发明实施例的光电转换元件的截面图。
图2是图1所示的光电转换元件中包括的第一电极的截面图。
图3是根据本发明实施例的用于作为计算机的个人计算机的鼠标的框图。
图4是图3所示的鼠标的示意性外观图。
图5是根据本发明实施例的用于作为电子设备的个人计算机的键盘的框图。
图6是图5所示的键盘的示意性外观图。
图7是图6所示的键盘的另一示意性外观图。
图8是根据本发明实施例的作为电子设备的传感器的框图。
图9是根据本发明的实施例的作为电子设备的转盘的框图。
图10是根据本发明的实施例的电子设备的框图。
图11是图10所示的电子设备的框图，进一步包括电源IC。
图12是图11所示的电子设备的框图，进一步包括蓄电装置。
图13是根据本发明的实施例的电源模块的框图。
图14是图13所示的电源模块的框图，进一步包括蓄电装置。
具体实施方式
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
在描述附图中示出的实施例时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本说明书的公开内容不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元件包括具有相似功能，以相似方式操作并且获得相似结果的所有技术等同物。
在本公开的上下文内，如果说第一层“被覆盖”在第二层上或“覆盖”第二层，则第一层可以与第二层的一部分或全部直接接触，或者可以在第一层和第二层之间有一个或多个中间层，第二层比第一层更靠近基材。
对于诸如有机薄膜太阳能电池的光电转换元件，为了粘附到例如汽车的车身或建筑物的屋顶等的平坦表面以外的弯曲表面或复杂形状使用，要求它们即使在弯曲后也要表现出优异的光电转换效率。
本发明的发明人制备挠性有机薄膜太阳能电池，关于弯曲试验进行了各种研究。
有机薄膜太阳能电池使用众所周知的构件制备。具体地说，在基板上，形成包括铟掺杂的氧化锡(ITO)的透明电极、包含诸如氧化锌和氧化钛的金属氧化物的电子传输层、包含至少两种或更多种有机材料的光电转换层、空穴传输层、以及金属电极。将其上堆叠有这些结构构件的基材用密封剂粘合。
制备这样的有机薄膜太阳能电池，实施弯曲试验的结果，确认光电转换效率的大幅降低。
本发明人研究其原因，发现由于在三处即ITO电极、电子传输层、和金属电极产生弯曲引起缺陷，这些缺陷导致光电转换效率的降低。当有机薄膜太阳能电池弯曲时，应力施加到每一层上，由此，在ITO电极和电子传输层中产生裂纹，在密封剂和金属电极之间的粘合界面产生剥离。
专利文献1中描述的有机薄膜太阳能电池也不能充分解决所述裂纹和剥离的问题，在提高抗弯曲性方面具有改进的空间。
本发明的发明人发现，具有以下构造的光电转换元件或有机薄膜太阳能电池具有优异的光电转换性和优异的耐弯曲性，即使施以弯曲处理也能够维持高的光电转换性能。
光电转换元件
光电转换元件在基材上包括第一电极、至少包含金属氧化物颗粒的电子传输层、至少包含两种以上有机材料的光电转换层、空穴传输层、第二电极、以及绝缘体。
以下，参照附图说明作为光电转换元件的一例的有机薄膜太阳能电池。注意，本发明不限于以下描述的实施例，而是包括其他实施例。在本领域技术人员可以想到的范围内，可以对这些实施例进行任何添加，修改或删除。只要证明本发明的特征和效果，这些实施例中的任何一个都包括在本发明的范围内。
在本公开中，所谓光电转换元件是指将光能转换为电能的元件或将电能转换为光能的元件。光电转换元件的具体实例包括但不限于太阳能电池、光电二极管。
图1是有机薄膜太阳能电池的截面图。参照图1，有机薄膜太阳能电池1包括基材2，第一电极3，电子传输层4，光电转换层5，空穴传输层6，第二电极7，绝缘层8，以及密封构件9。
在基材2上，顺序叠层第一电极3、电子传输层4、光电转换层5、空穴传输层6、第二电极7、和绝缘层8。此外，如图1所示，密封构件9从绝缘层8上覆盖形成在基材2上的叠层体，粘结绝缘层8和基材2。
基材
基材由具有透明性和挠性的膜构成。
膜的实例包括但不限于例如聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的聚酯膜，聚碳酸酯膜，聚酰亚胺膜，聚甲基丙烯酸甲酯膜，聚砜膜和聚醚醚酮膜。膜的实例还包括厚度为200μm或更小的薄膜玻璃。
在这些膜中，从易制造性、成本角度考虑，优选聚酯膜，聚酰亚胺膜，和薄膜玻璃。
由树脂构成的基材优选具有阻气层。
所谓阻气层是指具有防止水蒸气和氧气渗透的功能的层，只要具有这种功能的层，作为能使用的层，没有特别限制，可以使用公知者。例如，可以使用铝涂覆树脂基材，或在日本专利第5339655号或日本未审查专利申请公开第2014-60351号中描述的阻气层。
第一电极
第一电极包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层和透明导电薄膜层(b)。
更具体地说，在第一电极中，透明导电薄膜层(a)、金属薄膜层、和透明导电薄膜层(b)依次层叠。
图2是第一电极的截面图。如图2所示，第一电极3包括透明导电薄膜层(a)31，金属薄膜层32和透明导电薄膜层(b)33。如图2所示，在第一电极3中，透明导电薄膜层(a)31，金属薄膜层32和透明导电薄膜层(b)33依次层叠。
夹着金属薄膜层的透明导电薄膜层(a)和透明导电薄膜层(b)可以由相同材料或不同材料制成。用于透明导电薄膜层的优选材料是透明性和导电性尽可能优异的材料。
适合用于透明导电薄膜层的材料包括但不限于锡掺杂的氧化铟(ITO)，锌掺杂的氧化铟(IZO)，氧化锌(ZnO)，铝掺杂的氧化锌(AZO)，镓掺杂的氧化锌(GZO)，和氧化锡(SnO2)。其中，优选诸如ITO、IZO、和AZO的氧化物。
透明导电薄膜层的厚度通常为30nm以上，优选40～150nm。
第一电极的表面电阻优选50Ω/□以下，更优选30Ω/□以下，最优选20Ω/□以下。
第一电极的透过性从转换效率角度考虑，优选透过性高者，通常为60％或更高，优选70％或更高。上限没有特别限制，但是，通常为90％以下。
用于金属薄膜层的材料，优选具有尽可能高的电导率的材料，例如银或银合金。
金属薄膜层的膜厚小于15nm，优选10nm以下，更优选8nm以下。另外，膜厚优选5nm以上，更优选6nm以上，最优选7nm以上。
由透明导电薄膜层(a)、金属薄膜层、和透明导电薄膜层(b)的叠层形成的第一电极的合计膜厚是考虑光学特性和电特性来决定各层膜厚，作为其合计而得。
由透明导电性薄膜层(a)、金属薄膜层、和透明导电性薄膜层(b)构成的三层结构的第一电极弯曲时不易产生裂纹，具有较高的弯曲性。与传统的一层透明导电膜相比，机械耐久性更高。
电子传输层
电子传输层形成在第一电极上。
电子传输层至少包含金属氧化物颗粒。电子传输层可以是由纳米颗粒化的金属氧化物的分散涂布液制膜形成。
金属氧化物颗粒优选包含氧化锌、氧化钛、和氧化锡中的至少一种。金属氧化物颗粒可以掺杂有其他金属。
用于电子传输层的金属氧化物的具体实例包括但不限于氧化锌、掺杂铝的氧化锌、掺杂镓的氧化锌、氧化钛、和氧化锡。
纳米颗粒化的金属氧化物颗粒的平均粒径(D)优选1～50nm，更优选5～20nm。
电子传输层的膜厚度优选10～60nm，更优选15～40nm。
金属氧化物颗粒的平均粒径(D)可以如下测定。
测量平均粒径(D)的步骤
使用微量移液器将纳米颗粒溶液放入玻璃雾化器中。从雾化器将溶液喷雾到带有用于TEM(透射电子显微镜)的胶棉膜的格栅上，散布溶剂。通过PVD(物理气相沉积)方法对栅格进行碳沉积，然后，用透射电子显微镜进行观察以获取颗粒的图像。对获取的图像进行图像处理以测量颗粒的粒径。
另外，用透射电子显微镜观察有机薄膜太阳能电池的截面以获取图像，对图像进行图像处理以进行颗粒识别，测量金属氧化物颗粒的粒径。取得横截面的方法和TEM设备是常规已知的处理。
在本公开中，通过测量至少100个随机选择的金属氧化物颗粒的粒径，计算其平均值，确定平均粒径。
优选地，电子传输层包括包含金属氧化物颗粒的第一电子传输层，以及形成在第一电子传输层和光电转换层之间的第二电子传输层。
第二电子传输层优选包含由以下通式(4)表示的胺化合物。
[化学式1]
Figure BDA0002913614350000061
在通式(4)中，R4和R5各自独立地表示具有1～4个碳原子的取代或未取代的烷基。X表示具有6～14个碳原子的二价芳族基或具有1～4个碳原子的烷基。R4和R5可以键合形成环。A表示以下任何取代基。
[化学式2]
-COOH
-P(＝O)(OH)2
-Si(OH)3
光电转换层
光电转换层形成在电子传输层上。
光电转换层包含至少两种或更多种有机材料。光电转换层还根据需要包含其他成分。
优选地，包含在光电转换层中的两种或更多种有机材料之一(以下称为“第一有机材料”)是供体有机材料(donor organic material)。优选地，两种或更多种有机材料中的另一种(以下称为“第二有机材料”)是受体有机材料(acceptor organic material)。优选地，光电转换层可以具有其中混合了这些材料的整体异质结构。
供体有机材料没有特别限制。优选的实例包括具有5.1至5.5eV的最高占据分子轨道(HOMO)能级的π电子共轭化合物。
更具体的实例包括但不限于通过偶联各种芳族衍生物(例如噻吩，芴，咔唑，噻吩并噻吩，苯并二噻吩二噻吩甲硅烷基，喹喔啉，和苯并噻二唑)获得的共轭聚合物，以及具有明确确定的如卟啉和酞菁的低分子共轭化合物。另外，也可以使用在分子中具有电子给予部位和电子接受部位的供体-受体连接的有机材料。
在供体有机材料中，更优选数均分子量为10,000以下的低分子共轭化合物构成的电子供体材料(P型半导体)。
数均分子量更优选为5,000以下。
光电转换层中包含的两种以上有机材料中的第一有机材料的具体实例包括由以下通式(1)表示的化合物。特别地，由以下通式(1)表示的化合物是电子供体(P型半导体)的优选实例，该电子供体的最高占据分子轨道(HOMO)能级为5.1至5.5eV，且数均分子量为10,000以下，是供体有机材料的一个实施例。
[化学式3]
Figure BDA0002913614350000081
在通式(1)中，R1表示具有2至8个碳原子的烷基。n表示1或2的整数。X表示以下通式(2)或通式(3)之中任一个。
[化学式4]
Figure BDA0002913614350000082
[化学式5]
Figure BDA0002913614350000083
在通式(2)和(3)中，R2和R3各自独立地表示直链或支链的烷基。
作为第二有机材料的受体有机材料没有特别限制。其优选实例包括具有3.5至4.5eV的最低未占据分子轨道(LUMO)能级的π电子共轭化合物。
第二有机材料的具体实例包括但不限于电子受体(N型半导体)，例如富勒烯及其衍生物，萘四甲酰亚胺衍生物，和四羧酸酰亚胺衍生物。其中，优选富勒烯衍生物。
富勒烯衍生物的具体实例包括但不限于C60，甲基苯基-C61-丁酸酯(即，在文献中描述为PCBM，[60]PCBM或PC61BM的富勒烯衍生物)，C70，甲基苯基-C71-丁酸酯(即，在文献中描述为PCBM，[70]PCBM或PC71BM的富勒烯衍生物)，和在大金工业公司网站上描述的富勒烯衍生物。
光电转换层的平均厚度优选为50至400nm，更优选为60至250nm。当平均厚度为50nm以上时，可以有效地防止因光电转换层的光吸收小导致载体的产生不足的问题。当平均厚度为400nm以下时，可以有效地防止由光吸收产生的载体的输送效率下降。
经研究发现，电子传输层的厚度与光电转换层的厚度之间的关系是使挠性元件的耐弯曲性更优异的主要因素。
因此，本发明的实施例规定金属氧化物颗粒的平均粒径D与光电转换层的平均厚度T之间的关系，满足7.0≤T/D≤40.0。
当T/D小于7.0时，当有机薄膜太阳能电池弯曲时，经常发生由于泄漏引起的缺陷。通过使光电转换层的膜厚为金属氧化物颗粒的平均粒径的7倍以上，可以防止有机薄膜太阳能电池的泄漏。当T/D在7.0至40.0的范围内时，在元件弯曲时，有效地防止金属氧化物颗粒破坏光电转换层而与空穴传输层接触。当T/D大于40.0时，光电转换层的电荷传输性显着降低，从而使初始特性劣化。
光电转换层的平均厚度T可以如下测量：
平均厚度T的测定方法
将光电转换层涂布在基板上之后，用溶剂擦去该层的9个随机选择的点，使用由Bruker公司制的仪器DEKTAK测量每个点的水平差，将由此测得的水平差平均以确定光电转换层的平均厚度T。
备选地，光电转换层的厚度也可以通过TEM观察层的截面图像测量。
在本公开中，可以顺序地形成有机材料以形成平面的接合界面。然而，为了增大接合界面面积，优选将其形成三维混合的整体异质结合。
为了形成整体异质结合，当有机材料是高可溶性材料的情况下，可以溶于溶剂，制作各有机材料以分子状混合的溶液，涂布后使其干燥，以去除溶剂。此外，也可以进一步执行加热处理，以优化每种有机材料的凝集状态。
即使当使用难溶性材料时，也可以将这种材料分散在溶解有其他有机材料的溶液中，通过涂布溶液形成混合层。在这种情况下，可以进一步执行加热处理以优化每种有机材料的凝集状态。
有机材料的薄膜可以通过例如旋涂、刮刀涂布、狭缝模头涂布、丝网印刷涂布、棒涂、铸模涂布、转印涂布、浸涂、喷墨、喷涂、和真空蒸涂沉积形成。可以根据厚度控制和取向控制等、要制作的有机材料薄膜的特性，从这些方法中适当地选择形成方法。
例如，在进行旋涂时，优选使用以5～40mg/mL的浓度含有上述通式(1)表示的P型半导体材料和N型半导体材料的溶液。在此，所谓浓度是指相对于含有通式(1)表示的P型半导体材料、N型半导体材料、和溶剂的溶液的体积，通式(1)表示的P型半导体材料和N型半导体材料的总质量。通过使浓度在上述范围内，容易使所得的光电转换层均匀。
为了除去有机溶剂，可以在减压下或在惰性气氛(例如，氮气气氛，氩气气氛)下对所得的光电转换层进行退火处理。退火处理优选在40～300℃的温度下进行，更优选在50～150℃的温度下进行。通过进行退火处理，有时使叠层在界面处相互渗透而增加接触的实行面积，能增加短路电流。可以在电极形成之后执行退火处理。
作为与由通式(1)表示的P型半导体材料和N型半导体材料混合的溶剂，没有特别的限制，可以根据目的适当地选择。其实例包括但不限于甲醇，乙醇，丁醇，甲苯，二甲苯，邻氯苯酚，丙酮，乙酸乙酯，乙二醇，四氢呋喃，二氯甲烷，氯仿，二氯乙烷，氯苯，二氯苯，三氯苯，氯萘，二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，N-甲基吡咯烷酮，和γ-丁内酯。这些材料中的每一种可以单独使用或与其他材料组合使用。其中，优选氯苯，氯仿，和邻二氯苯。
该溶液可以根据需要进一步包含其他组分。
作为上述其他成分，没有特别限制，可以根据目的适当地选择。其实例包括但不限于各种添加剂，例如二碘辛烷，十八碳二酚，和氯萘。
空穴传输层
提供空穴传输层，以提高空穴收集效率。
用于空穴传输层的化合物的实例包括但不限于诸如PEDOT：PSS(聚乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸)之类的导电性聚合物，诸如芳香族胺衍生物之类的空穴传输性有机化合物，以及诸如氧化钼、氧化钨、氧化钒、和氧化镍之类的具有空穴传输性的无机化合物。
包含这些化合物的空穴传输层可以通过旋涂、溶胶-凝胶法、或溅射形成。
在本公开中，优选使用氧化钼。
空穴输送层的平均厚度没有特别限定，可以根据目的适当选择，优选1至50nm，以使层可以尽可能地薄薄地覆盖整个表面。
第二电极
第二电极是设置在空穴传输层上的电极层。
优选地，第二电极是由功函数较小的金属制成的金属电极层。
用于第二电极的材料的实例包括但不限于金，银，铝，镁，和银镁合金。
第二电极的膜厚没有特别限制，但从光电转换性能的观点出发，优选为20～300nm，更优选为50～200nm。
第二电极可以通过各种方法中的任何一种形成，例如，湿膜形成，如气相沉积或溅射等的干膜形成，以及印刷。
绝缘层
设置绝缘层用于防止第二电极和密封构件之间的直接接触。绝缘层有效地防止具有粘合性的密封构件在弯曲时导致电极剥离。
用于绝缘层的绝缘材料没有特别限制，其实例包括但不限于如SiOx、SiOxNy、和Al2O3的金属氧化物，以及如聚乙烯、氟类聚合物、和聚对二甲苯的聚合物。其中，优选金属氧化物。
绝缘层的形成方法没有特别限定，绝缘层可以通过例如真空沉积、溅射、反应性溅射、MBE(分子束外延)、等离子体CVD(等离子体增强化学气相沉积)、激光CVD、热CVD、气源CVD、涂覆、印刷、或转印法来形成。
密封构件
提供密封构件以阻止气体和水分侵入。
密封构件的构成没有特别限定，通常由粘接层、阻气层、和基材构成，以具有防止水分和氧气渗透的膜结构。
对密封构件所要求的能力通常由水蒸气透过率表示。尽管取决于光电转换元件和有机薄膜太阳能电池的类型，但是，水蒸气透过率优选小于1×10-2g/m2/天，越低越好。
密封构件的具体优选实例包括具有阻气层的基材。
当密封构件设置在与光接收表面相反的位置时，不需要透光性。
作为密封构件的粘合层没有特别限制，只要确保上述性质即可。为此，可以使用通常用于密封有机电致发光元件或有机晶体管的材料。这种材料的实例包括但不限于热固化性树脂组合物，热塑性树脂组合物，和光固化性树脂组合物。其更具体的实例包括但不限于乙烯-乙酸乙烯酯共聚物树脂组合物，苯乙烯-异丁烯树脂组合物，烃类树脂组合物，环氧类树脂组合物，聚酯类树脂组合物，丙烯酸类树脂组合物，聚氨酯类树脂组合物，和有机硅类树脂组合物。通过主链、支链、或末端的化学改性，分子量的调节，和/或添加剂的添加，可以赋予这些聚合组合物热固化性，热塑性，或光固化性。
其他构件
根据本发明实施例的光电转换元件可以经由一个或多个中间电极叠层以形成串列化的两层或更多层的光电转换层。
用途
近年来，特别是作为环境发电元件，需要即使在弱光下也能有效地发电的光电转换元件。从LED灯或荧光灯发出的光是弱光的示例。这种弱光通常称为室内光，因为它主要在室内使用。这种光的照度约为20至1,000Lux，比直接日照的光线(约100,000Lux)要弱得多。
根据本发明实施例的光电转换元件即使在诸如室内光之类的弱光下也表现出高转换效率，可以通过与控制产生的电流的电路板结合而应用于电源装置。这样的电源装置可以用于诸如电子台式计算器和手表的设备。另外，可以将具有根据本发明实施例的光电转换元件的电源装置应用于手机，电子记事本，和电子纸。
此外，使用根据本发明实施例的光电转换元件的电源装置，还可以用作辅助电源，以延长充电式或干电池式的电气设备的连续工作时间。
此外，电源装置可以应用于图像传感器。另一方面，可穿戴电子设备的开发正在进行中，要求包括光电转换元件的电源装置是挠性的。根据本发明的实施例的光电转换元件可以充分地用作需要挠性的电子设备的电源和辅助电源。
有机薄膜太阳能电池
上述根据本发明实施例的光电转换元件可以用作有机薄膜太阳能电池。
该有机薄膜太阳能电池在基材上包括第一电极，至少包含金属氧化物颗粒的电子传输层，至少包含两种以上有机材料的光电转换层，空穴传输层，第二电极，和绝缘层。第一电极包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层，和透明导电薄膜层(b)。金属氧化物颗粒的平均粒径D和光电转换层的平均厚度T满足7.0≤T/D≤40.0的关系。
基材，第一电极，电子传输层，光电转换层，空穴传输层，第二电极，绝缘层，和密封构件与上述光电转换元件相同。
根据本发明实施例的有机薄膜太阳能电池的优选实例包括基材2侧的表面成为光接收表面的所谓逆型有机薄膜太阳能电池。
光电转换元件模块
根据本发明实施例的光电转换元件模块设有多个根据本发明实施例的光电转换元件。多个光电转换元件分别配置在容易地接收光的位置，可以串联或并联连接。
电子设备
根据本发明实施例的电子设备包括根据本发明实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块，以及通过由所述光电转换元件和/或光电元件模块进行光电转换而产生的电力进行动作的装置。
电源模块
根据本发明实施例的电源模块包括根据本发明实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块，以及电源IC(集成电路)，根据需要还包括其他装置。
下面描述包含光电转换元件和/或光电转换元件模块，以及通过所述光电转换元件和/或光电转换元件模块产生的电力进行动作的装置的电子设备的具体示例。
图3是作为根据本发明实施例的电子设备的用于个人计算机的鼠标的框图。
如图3所示，将光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12组合，将供给的电力连接到鼠标控制电路13的电源。由此，当不使用鼠标时，向蓄电装置12充电。鼠标可以通过存储的电力进行动作，而无需任何接线或更换电池。由于不需要电池，因此，也可以减轻重量。
图4是图3所示的鼠标的示意性外观图。
如图4所示，光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12安装在鼠标的内部。然而，光电转换元件10的上部用透明壳体覆盖，使得光可以照到光电转换元件10。也可以用透明树脂形成鼠标的整个外壳。光电转换元件10的配置不限于此。例如，光电转换元件10也可以配置在即使当鼠标被手覆盖时也能被光照射的位置。
接下来，描述包含光电转换元件和/或光电转换元件模块、以及通过由所述光电转换元件和/或光电转换元件模块产生的电力进行动作的装置的电子设备的另一实施例。
图5是作为根据本发明实施例的电子设备的个人计算机的键盘的框图。
如图5所示，将光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12组合，将供给的电力连接到键盘控制电路14的电源。由此，当不使用键盘时，向蓄电装置12充电。键盘可通过存储的电力进行动作，而无需任何接线或更换电池。由于不需要电池，因此，也可以减轻重量。
图6是图5所示的键盘的示意性外观图。
如图6所示，光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12安装在键盘内部。然而，光电转换元件10的上部用透明壳体覆盖，使得光可以照到光电转换元件10。也可以用透明树脂形成键盘的整个外壳。光电转换元件10的配置不限于此。
在用于安装光电转换元件10的小空间的小型键盘的情况下，如图7所示，可以将具有小尺寸的光电转换元件10嵌入键的一部分中。
接下来，描述包含光电转换元件和/或光电转换元件模块以及通过由所述光电转换元件和/或光电转换元件模块产生的电力进行动作的装置的电子设备的另一实施例。
图8是作为根据本发明的实施例的电子设备的传感器的框图。
如图8所示，光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12组合，将供给的电力连接到传感器电路15的电源。因此，传感器模块A配置为既不需要连接到外部电源，也不需要更换电池。传感器模块A可以应用于各种传感器，以用于感测例如温度、湿度、照度、人体运动、CO2、加速度、UV、噪声、地磁、或大气压力。传感器模块A配置为周期性地感测测量目标，将读取的数据发送到PC(个人计算机)、智能手机等，在图8中用B表示，通过无线通讯。
随着物联网(IoT)社会的到来，传感器预料激增。一一更换无数传感器的电池需要大量时间和精力，这是不现实的。另外，传感器可能位于难以更换电池的地方，例如天花板和墙壁上，这也会影响可操作性。由光电转换元件供电是一个很大的优点。还有一个很大的优点是，根据本发明实施例的光电转换元件即使在低照度下也提供高输出，而对输出的光入射角的依赖性很小，因此，提供了高的安装自由度。
接下来，描述包含光电转换元件和/或光电转换元件模块以及通过由所述光电转换元件和/或光电转换元件模块产生的电力进行动作的装置的电子设备的另一实施例。
图9是作为根据本发明的实施例的电子设备的转盘的框图。
如图9所示，光电转换元件10、电源IC11、和蓄电装置12组合，将供给的电力连接到转盘控制电路16的电源。因此，能构成既不需要连接到外部电源也不需要更换电池的转盘。
该转盘可用于在陈列柜中展示货物，如果电源线裸露，转盘看起来很糟。更换电池时，必须拆除显示的商品，这需要大量的时间和精力。使用根据本发明实施例的光电转换元件可以解决这样的问题。
用途
上面出于说明的目的，描述了包括根据本发明实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块、和通过由光电转换元件和/或光电转换元件模块产生的电力进行动作的装置的电子设备，以及电源模块，但光电转换元件和光电转换元件模块的应用不限于此。
光电转换元件或光电转换元件模块可以与控制所产生的电流的电路板等组合，例如，应用于电源装置。
这样的电源装置可以用于诸如电子台式计算器，手表，手机，电子记事本，和电子纸。
此外，使用光电转换元件的电源装置还可以用作辅助电源，以延长充电式或干电池式电子设备的连续工作时间。
根据本发明的一些实施例的光电转换元件和光电转换元件模块可以用作独立电源，可以使用在光电转换时产生的电力使得装置动作。由于根据本发明的一些实施例的光电转换元件和光电转换元件模块可以在光照射时产生电力，因此，不必将电子设备连接至电源或更换电池。因此，即使在没有供电设施的地方，也可以使得电子设备动作，或徒手携带电子设备，或者在难以更换电池的地方，不更换电池就可以使得电子设备动作。在使用干电池的情况下，电子设备可能会变大或变重，这可能会妨碍电子设备在墙壁或天花板上的安装或电子设备的携带。另一方面，根据本发明的一些实施例的光电转换元件和光电转换元件模块是轻量且薄，提供了安装的高度自由度以及在佩戴和携带方面的优点。
如上所述，根据本发明的一些实施例的光电转换元件和光电转换元件模块可以用作独立电源，可以组合到各种电子设备。例如，可以与诸如电子台式计算器、手表、手机、电子记事本、电子纸等显示设备、鼠标或键盘等的PC配件、温湿度传感器或感人传感器等的各种传感器设备、信标或GPS(全球定位系统)等的发信器、辅助灯、遥控器等电子设备组合使用。
根据本发明的一些实施例的光电转换元件和光电转换元件模块，即使在低照度光下也可以发电，因此，它们可以在室内甚至在阴影下发电，从而提供了广泛的应用。此外，还提供了高度的安全性，因为没有干电池那样的液体泄漏，也没有像纽扣电池那样意外摄入的危险。此外，光电转换元件和光电转换元件模块还可以用作辅助电源，以延长充电式或干电池式电子设备的连续工作时间。这样，通过将根据本发明实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块与通过在光电转换元件和/或光电转换元件模块的光电转换时产生的电力而动作的装置组合，提供了一种轻便的电子设备，易于使用，设置自由度高，不需要更换，安全性优异，且对减少环境负荷也有效。
图10是根据本发明实施例的电子设备的框图，其中，电子设备组合根据本发明实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块，以及由通过光电转换时产生的电力进行动作的装置。光照射光电转换元件10时产生电力，可以提取电力。设备的电路(“装置电路17”)可以由电源使其动作。
但是，由于光电转换元件10的输出根据周围的照度而变动，因此，图10所示的电子设备有时会受到干扰，不能稳定动作。在这种情况下，如图11所示，为了向电路侧供给稳定的电压，可以将光电转换元件10用的电源IC11安装在光电转换元件10和装置电路17之间。
尽管光电转换元件可以在照射具有足够照度的光时产生电力，但是，如果照度不足，则不能产生期望的电力，这可能是光电转换元件的缺点。在这种情况下，如图12所示，可以在电源IC11和装置电路17之间安装诸如电容器的蓄电装置12，以使得来自光电转换元件10的剩余电力向蓄电装置12充电。即使当照度太低或光没有照到光电转换元件10时，也可以将存储在蓄电装置12中的电力提供给装置电路17，以使装置可靠地工作。
这样，在将根据本发明的实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块与装置电路组合的电子设备中，通过使得电源IC和/或蓄电装置组合，即使在没有电源的环境下，电子设备也能动作，无需更换电池就能可靠地驱动，充分利用了光电转换元件的优点。
另一方面，根据本发明的实施例的光电转换元件和/或光电转换元件模块也可以用于电源模块。例如，如图13所示，通过将根据本发明实施例的光电转换元件10连接到用于光电转换元件10的电源IC11，可以构成直流电源模块，电源IC11能以恒定电压电平供给光电转换元件通过光电转换而产生的电力。
此外，如图14所示，通过将蓄电装置12安装到电源IC11，可以用光电转换元件10产生的电力对蓄电装置12进行充电。因此，构成了能够供电的电源模块。即使当照度太低或没有光到达光电转换元件10时，也能保持电力。
图13和图14中表示的本发明的电源模块可以用作电源模块，而无需像传统的一次电池那样更换电池。
实施例
可以通过某些特定示例来获得进一步的理解，在此提供这些特定示例仅出于说明的目的，而无意于进行限制。
实施例1
透明电极
从GEOMATEC公司购买带有阻气膜的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板，在其上形成IAI膜(厚度分别为40nm/7nm/40nm的ITO/Ag/ITO)。
太阳能电池的制备
1.电子传输层的形成
向已形成IAI膜的阻气PET膜(15Ω/□)上以3,000rpm旋涂氧化锌纳米颗粒(可从Sigma-Aldrich公司获得，平均粒径12nm)，在80℃下干燥10分钟，形成膜厚为30nm的电子传输层。
2.光电转换层的形成
光电转换层涂布液A的制备
首先，将10mg的P3HT(可从Sigma-Aldrich公司获得，Mn(数均分子量)＝54,000)和10mg的PC61BM(可从Sigma-Aldrich公司获得)溶解于1mL的氯苯中。
在电子传输层上以1,000rpm旋涂光电转换层涂布液A，形成厚度约为150nm的光电转换层。
3.空穴传输层和上电极的形成
在光电转换层上，通过真空气相沉积依次形成厚度为10nm的氧化钼(可从高纯度化学公司获得)的空穴传输层，以及厚度为100nm的银的电极层。
因此，制备了太阳能电池元件(光电转换元件)。
4.绝缘层的形成
将上述制备的太阳能电池元件用氧化铝纳米颗粒分散液(可从Sigma-Aldrich公司获得)以1,500rpm旋涂，形成厚度为300nm的绝缘层。
5.密封
在铝包覆的PET上，形成粘合层，构成密封基材，使用辊层压机，涂布所述密封基材，以覆盖太阳能电池元件的绝缘层，在常温氮气气氛下粘合太阳能电池元件的PET基板和密封基材，进行密封。
由此，制备太阳能电池。
HOMO能级的测定
使用理研计器公司制的AC-2，在光电转换层中测量HOMO能级。
结果，HOMO能级为4.9eV。
太阳能电池特性评价
测定上述制备的太阳能电池在白色LED照射(0.07mW/cm2)下的输出特性(Pmax)。
所使用的白色LED可从Cosmotechno公司制台灯CDS-90α获得，所使用的测试仪是可从NF公司获得的太阳能电池评价系统As-510-PV03。LED光源的输出通过SEKONIC公司制的分光色度计SPECTROMASTER C-7000进行测定。结果表示在表1的“初始阶段”列中。
弯曲测试和测试后的太阳能电池特性评价
使用直径为32mm的心轴，根据日本工业标准(JIS)K5600-5-1的弯曲试验，重复100次。随后，以与上述“太阳能电池特性的评价”中的步骤相同的方式，评价弯曲试验后的太阳能电池特性(测定输出特性)。结果列于表1中的“弯曲测试后”的列。
实施例2
重复实施例1中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液B代替光电转换层涂布液A，并将光电转换层的膜厚度改变为90nm。结果列于表1。
HOMO能级为5.1eV。
光电转换层涂布液B的制备
光电转换层涂布液B是通过将10mg的PTB-7(可从Ossila公司获得，Mn＝78,000)和15mg的PC61BM(可从Sigma-Aldrich公司获得)溶解于包含3vol％的1.8-二碘辛烷的1mL氯苯中，制备光电转换层涂布液B。
实施例3
重复实施例1中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液C代替光电转换层涂布液A，并且如下所述改变制备太阳能电池的处理。结果列于表1。
HOMO能级为5.2eV。
光电转换层涂布液C的制备
通过将15mg的示例化合物1(Mn＝1,554)和10mg的示例化合物2溶解在1mL的氯仿中，制备光电转换层涂布液C。
[化学式6]
Figure BDA0002913614350000191
[化学式7]
Figure BDA0002913614350000192
太阳能电池的制备
1.电子传输层的形成
向已形成IAI膜的阻气PET膜(15Ω/□)上以1,000rpm旋涂氧化锌纳米颗粒(可从Sigma-Aldrich公司获得，平均粒径12nm)，在80℃下干燥10分钟。因此，形成膜厚为40nm的电子传输层。
2.光电转换层的形成
以600rpm将光电转换层涂布液C旋涂在电子传输层上，形成厚度约为150nm的光电转换层。
3.空穴传输层和上电极的形成
在光电转换层上，通过真空气相沉积依次形成厚度为10nm的氧化钼(可从高纯度化学公司获得)的空穴传输层，以及厚度为100nm的银的电极层。
因此，制备了太阳能电池元件。
4.绝缘层的形成
将上述制备的太阳能电池元件用氧化铝纳米颗粒分散液(可从Sigma-Aldrich公司获得)以1,500rpm旋涂，形成厚度为300nm的绝缘层。
5.密封
在铝包覆的PET上，形成粘合层，构成密封基材，使用辊层压机，涂布所述密封基材，以覆盖太阳能电池元件的绝缘层，在常温氮气气氛下粘合太阳能电池元件的PET基板和密封基材，进行密封。
由此，制备太阳能电池。
实施例4
重复实施例3的步骤，不同之处在于如下所述改变制备太阳能电池的处理。结果列于表1。
太阳能电池的制备
1.电子传输层的形成
向已形成IAI膜的阻气PET膜(15Ω/□)上以1,000rpm旋涂氧化锌纳米颗粒(可从Sigma-Aldrich公司获得，平均粒径12nm)，在80℃下干燥10分钟。因此，形成膜厚为40nm的电子传输层。
此外，制备浓度为1mg/mL的二甲基氨基苯甲酸的乙醇溶液，以1500rpm在氧化锌纳米颗粒上形成膜。
2.光电转换层的形成
此后，在电子传输层上以600rpm旋涂光电转换层涂布液C，形成厚度约150nm的光电转换层。
3.空穴传输层和上电极的形成
在光电转换层上，通过真空气相沉积依次形成厚度为10nm的氧化钼(可从高纯度化学公司获得)的空穴传输层，以及厚度为100nm的银的电极层。
因此，制备了太阳能电池元件。
4.绝缘层的形成
将上述制备的太阳能电池元件用氧化铝纳米颗粒分散液(可从Sigma-Aldrich公司获得)以1,500rpm旋涂，形成厚度为300nm的绝缘层。
5.密封
在铝包覆的PET上，形成粘合层，构成密封基材，使用辊层压机，涂布所述密封基材，以覆盖太阳能电池元件的绝缘层，在常温氮气气氛下粘合太阳能电池元件的PET基板和密封基材，进行密封。
由此，制备太阳能电池。
实施例5
重复实施例4中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液D代替光电转换层涂布液C。结果列于表1。
光电转换层涂布液D的制备
光电转换层涂布液D通过将15mg的示例化合物1和10mg的PC61BM(FrontierCarbon公司制，E100H)溶解于1mL的氯仿中，制备光电转换层涂布液D。
实施例6
重复实施例4中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液E代替光电转换层涂布液C。结果列于表1。
HOMO能级为5.3eV。
光电转换层涂布液E的制备
通过将15mg的示例化合物3(Mn＝1,463)和10mg的示例化合物2溶解于1mL氯仿中，制备光电转换层涂布液E。
[化学式8]
Figure BDA0002913614350000211
实施例7
重复实施例4中的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为90nm。结果列于表1。
实施例8
重复实施例4的步骤，不同之处在于用平均粒径为30nm的氧化锌纳米颗粒(可从Tayca公司获得)形成电子传输层，并将光电转换层的膜厚改变为220nm。结果列于表1。
实施例9
重复实施例4的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为300nm。结果列于表1。
实施例10
重复实施例4中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液F代替光电转换层涂布液C。结果列于表1。
HOMO能级为5.3eV。
光电转换层涂布液F的制备
通过将12.5mg的示例化合物4(Mn＝2,029)和12.5mg的示例化合物2溶解于1mL的氯仿中，制备光电转换层涂布液F。
[化学式9]
Figure BDA0002913614350000221
实施例11
重复实施例4中的步骤，不同之处在于用如下制备的光电转换层涂布液G代替光电转换层涂布液C，并将光电转换层的膜厚改变为100nm。结果列于表1。
HOMO能级是5.4eV。
光电转换层涂布液G的制备
通过将12.5mg的PCDTBT(可从Ossila公司获得，Mn＝16,200)和12.5mg的示例化合物2溶解于1mL的氯仿中，制备光电转换层涂布液G。
实施例12
重复实施例4的步骤，不同之处在于如下所述改变用于制备电子传输层的处理，并将光电转换层的膜厚改变为100nm。结果列于表1。
电子传输层的制备
向已形成IAI膜的阻气PET膜(15Ω/□)上以1,000rpm旋涂掺杂铝的氧化锌纳米颗粒(可从Sigma-Aldrich公司获得，平均粒径12nm)，在80℃下干燥10分钟。因此，形成膜厚为40nm的电子传输层。
实施例13
重复实施例4的步骤，不同之处在于如下所述改变用于制备电子传输层的处理，并将光电转换层的膜厚改变为60nm。结果列于表1。
电子传输层的制备
向已形成IAI膜的阻气PET膜(15Ω/□)上以1,000rpm旋涂氧化锡纳米颗粒(可从Sigma-Aldrich公司获得，平均粒径7nm)，在80℃下干燥10分钟。因此，形成膜厚为20nm的电子传输层。
实施例14
重复实施例4中的步骤，不同之处在于如下所述改变用于制备空穴传输层的处理。结果列于表1。
空穴传输层的制备
通过气相沉积氧化钨(可从高纯度化学公司获得)在光电转换层上，形成厚度为10nm的空穴传输层。
实施例15
重复实施例4中的步骤，不同之处在于如下所述改变用于制备空穴传输层的处理。结果列于表1。
空穴传输层的制备
通过气相沉积氧化钒(可从高纯度化学公司获得)在光电转换层上，形成厚度为10nm的空穴传输层。
实施例16
重复实施例4中的步骤，不同之处在于如下所述改变用于制备空穴传输层的处理。结果列于表1。
空穴传输层的制备
通过将P-30(可以从Avantama AG公司获得，PEDTT：含有PSS的氧化钼纳米颗粒分散液)旋涂在光电转换层上，形成厚度为30nm的空穴传输层。
实施例17
重复实施例4中的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为360nm。结果列于表1。
实施例18
重复实施例4的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为480nm。结果列于表1。
比较例1
重复实施例4的步骤，不同之处在于将透明电极设为ITO(厚度为100nm，可从GEOMATEC公司获得)。结果列于表1。
比较例2
重复实施例4的步骤，不同之处在于用平均粒径为30nm的氧化锌纳米颗粒(可从Tayca公司获得)形成电子传输层。结果列于表1。
比较例3
重复实施例4的步骤，只是省去形成绝缘层的处理。结果列于表1。
比较例4
重复实施例4中的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为80nm。结果列于表1。
比较例5
重复实施例4中的步骤，不同之处在于将光电转换层的膜厚改变为600nm。结果列于表1。
表1
初始 弯曲测试后 T/D
实施例1 7.6％ 7.4％ 12.5
实施例2 9.3％ 9.3％ 7.5
实施例3 12.5％ 12.6％ 12.5
实施例4 16.8％ 16.7％ 12.5
实施例5 14.4％ 14.2％ 12.5
实施例6 18.3％ 18.4％ 12.5
实施例7 12.5％ 12.4％ 7.5
实施例8 13.2％ 13.5％ 7.3
实施例9 10.5％ 10.7％ 25.0
实施例10 12.4％ 11.3％ 12.5
实施例11 10.1％ 10.0％ 8.3
实施例12 13.5％ 13.3％ 8.3
实施例13 12.7％ 11.9％ 8.6
实施例14 12.7％ 11.9％ 12.5
实施例15 14.3％ 13.9％ 12.5
实施例16 13.2％ 13.1％ 12.5
实施例17 9.5％ 9.7％ 30.0
实施例18 8.9％ 9.0％ 40.0
比较例1 13.5％ 13.7％ 12.5
比较例2 13.9％ 5.5％ 5.0
比较例3 13.8％ 1.3％ 12.5
比较例4 10.1％ 0.9％ 6.7
比较例5 3.1％ 2.9％ 50.0
如以上实施例所示，具有本发明的一个实施例的光电转换元件的有机薄膜太阳能电池显示出高输出特性，即使在弯曲试验后也没有降低，并且显示出高的光电转换效率。相反，比较例的有机薄膜太阳能电池与实施例相比，显示出较低的输出特性。此外，在多个比较例中，弯曲试验后，输出特性和转换效率显著降低。
因此，提供了一种光电转换元件，该光电转换元件具有优异的光电转换性能和优异的抗弯曲性，即使施以弯曲处理也能够保持高的光电转换性能。
上述实施例是说明性的，不限制本发明。因此，根据以上教导，许多附加的修改和变化是可能的。例如，在本发明的范围内，不同说明性实施例的元件和/或特征可以彼此组合和/或彼此替代。
本专利申请基于并根据35U.S.C.§119(a)要求分别于2018年7月31日和2019年2月1日向日本专利局提交的日本专利申请No.2018-143869和2019-016996的优先权,其全部公开内容通过引用作为参考。
附图标记列表
1 有机薄膜太阳能电池
2 基材
3 第一电极
4 电子传输层
5 光电转换层
6 空穴传输层
7 第二电极
8 绝缘层
9 密封构件
31 透明导电薄膜层(a)
32 金属薄膜层
33 透明导电薄膜层(b)
10 光电转换元件
11 电源IC
12 蓄电装置
13 鼠标控制电路
14 键盘控制电路
15 传感器电路
16 转盘控制电路
17 装置电路
A 传感器模块
B 个人电脑、智能手机等

Claims (14)

1.一种光电转换元件，包括：
基材；
第一电极，覆盖所述基材，其包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层，以及透明导电薄膜层(b)；
电子传输层，覆盖所述基材，其包含金属氧化物颗粒；
光电转换层，覆盖所述基材，其包含两种或更多种有机材料；
空穴传输层，覆盖所述基材；
第二电极，覆盖所述基材；以及
绝缘层，覆盖所述基材，
其中，满足以下关系：
7.0≤T/D≤40.0
在此，D表示所述金属氧化物颗粒的平均粒径，T表示所述光电转换层的平均厚度。
2.根据权利要求1所述的光电转换元件，其中，所述金属氧化物颗粒包括氧化锌、氧化钛、和氧化锡中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的光电转换元件，其中，所述空穴传输层包含选自氧化钼、氧化钨、和氧化钒中的至少一种金属氧化物。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光电转换元件，其中，所述两种或更多种有机材料中的一种包含供体有机材料。
5.根据权利要求4所述的光电转换元件，其中，所述供体有机材料包括具有5.1～5.5eV的最高被占分子轨道(HOMO)能级的π电子共轭化合物。
6.根据权利要求4所述的光电转换元件，其中，所述供体有机材料包括P型半导体，其包含数均分子量为10,000或更小的低分子量共轭化合物。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光电转换元件，其中，所述两种或更多种有机材料中的一种包含下述通式(1)表示的化合物：
[化学式10]
Figure FDA0002913614340000021
其中，R1表示具有2至8个碳原子的烷基，n表示1或2的整数，X表示以下通式(2)或(3)：
[化学式11]
Figure FDA0002913614340000022
[化学式12]
Figure FDA0002913614340000023
其中，R2和R3各自独立地表示直链或支链的烷基。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的光电转换元件，其中，所述两种或更多种有机材料中的另一种包括富勒烯衍生物。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的光电转换元件，其中，所述电子传输层包括：
第一电子传输层，包含金属氧化物颗粒；以及
第二电子传输层，设置在所述第一电子传输层和所述光电转换层之间，所述第二电子传输层包含由以下通式(4)表示的胺化合物：
[化学式13]
Figure FDA0002913614340000031
其中，R4和R5各自独立地表示具有1-4个碳原子的取代或未取代的烷基，或R4和R5共享键连接，形成环；X表示碳原子数6～14的2价的芳香族基团或碳原子数1～4的烷基。A表示以下任意的取代基:
[化学式14]
-COOH
-P(＝O)(OH)2
-Si(OH)3
10.根据权利要求1～9中任一项所述的光电转换元件，其中，所述光电转换元件用作有机薄膜太阳能电池。
11.一种光电转换元件模块，其包括多个光电转换元件，各光电转换元件是根据权利要求1～10中任一项所述的光电转换元件。
12.一种有机薄膜太阳能电池，包括：
基材；
第一电极，覆盖所述基材，其包括透明导电薄膜层(a)，金属薄膜层，以及透明导电薄膜层(b)；
电子传输层，覆盖所述基材，其包含金属氧化物颗粒；
光电转换层，覆盖所述基材，其包含两种或更多种有机材料；
空穴传输层，覆盖所述基材；
第二电极，覆盖所述基材；以及
绝缘层，覆盖所述基材，
其中，满足以下关系：
7.0≤T/D≤40.0
在此，D表示所述金属氧化物颗粒的平均粒径，T表示所述光电转换层的平均厚度。
13.一种电子设备，包括：
根据权利要求1～10中任一项所述的光电转换元件和根据权利要求11所述的光电转换元件模块中的至少一个；以及
装置，配置为通过所述光电转换元件和所述光电转换元件模块中的至少一个光电转换时产生的电力而动作。
14.电源模块，包括：
根据权利要求1～10中任一项所述的光电转换元件和根据权利要求11所述的光电转换元件模块中的至少一个；以及
电源集成电路。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115298844A (zh) * 2020-03-16 2022-11-04 株式会社理光 光电转换元件，光电转换模块，电子设备，和电源模块
JP2022085070A (ja) 2020-11-27 2022-06-08 株式会社リコー 光電変換モジュール、電子機器、及び電源モジュール
JP2022085206A (ja) * 2020-11-27 2022-06-08 株式会社リコー 光電変換モジュール、電子機器、及び電源モジュール

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040018380A1 (en) * 2002-07-26 2004-01-29 Xerox Corporation Display device with anthracene and triazine derivatives
US20100078075A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-01 Jiro Tsukahara Organic solar cell device
JP2012023407A (ja) * 2011-10-28 2012-02-02 Dainippon Printing Co Ltd 有機薄膜太陽電池
WO2014045748A1 (ja) * 2012-09-19 2014-03-27 富士フイルム株式会社 有機薄膜太陽電池
US20140202527A1 (en) * 2013-01-23 2014-07-24 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Solar cell and method of manufacturing the solar cell
US20160260912A1 (en) * 2015-03-06 2016-09-08 Ricoh Company, Ltd. Organic compound and photoelectric conversion element
JP2016195175A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 株式会社東芝 光発電モジュール
CN107615506A (zh) * 2015-05-08 2018-01-19 株式会社理光 光电转换元件
JP2018107350A (ja) * 2016-12-27 2018-07-05 株式会社リコー 光電変換素子

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS52145936A (en) 1976-05-29 1977-12-05 Tanaka Seisakusho Kk Door mirror for vehicle
JP2012064645A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Mitsubishi Chemicals Corp 有機光電変換素子及びその製造方法
JP2014150081A (ja) * 2011-05-24 2014-08-21 Panasonic Corp 有機発電素子
JP2013089807A (ja) * 2011-10-19 2013-05-13 Dainippon Printing Co Ltd 有機薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池モジュール、および有機薄膜太陽電池の製造方法
JP2013115084A (ja) * 2011-11-25 2013-06-10 Rohm Co Ltd 有機薄膜太陽電池およびその製造方法
DE102012214325B4 (de) * 2012-08-10 2017-06-08 Osram Oled Gmbh Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelementes und Verfahren zum Strukturieren eines organischen, optoelektronischen Bauelementes
CN103570743B (zh) * 2012-10-26 2015-08-19 中国科学院化学研究所 可溶液加工两维共轭有机分子光伏材料及其制备方法与应用
JP6671599B2 (ja) * 2016-05-20 2020-03-25 株式会社リコー 有機材料および光電変換素子
KR20180035057A (ko) * 2016-09-28 2018-04-05 코오롱인더스트리 주식회사 유기 태양전지 및 이의 제조 방법
JP6880726B2 (ja) * 2016-12-27 2021-06-02 株式会社リコー 光電変換素子
JP6932439B2 (ja) 2017-07-11 2021-09-08 日本無線株式会社 デジタル信号処理装置
JP2018143869A (ja) 2018-07-02 2018-09-20 株式会社大一商会 遊技機

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040018380A1 (en) * 2002-07-26 2004-01-29 Xerox Corporation Display device with anthracene and triazine derivatives
US20100078075A1 (en) * 2008-10-01 2010-04-01 Jiro Tsukahara Organic solar cell device
JP2012023407A (ja) * 2011-10-28 2012-02-02 Dainippon Printing Co Ltd 有機薄膜太陽電池
WO2014045748A1 (ja) * 2012-09-19 2014-03-27 富士フイルム株式会社 有機薄膜太陽電池
US20140202527A1 (en) * 2013-01-23 2014-07-24 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Solar cell and method of manufacturing the solar cell
US20160260912A1 (en) * 2015-03-06 2016-09-08 Ricoh Company, Ltd. Organic compound and photoelectric conversion element
JP2016195175A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 株式会社東芝 光発電モジュール
CN107615506A (zh) * 2015-05-08 2018-01-19 株式会社理光 光电转换元件
JP2018107350A (ja) * 2016-12-27 2018-07-05 株式会社リコー 光電変換素子

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NICOLAS BLOUIN, ALEXANDRE MICHAUD, DAVID GENDRON, ETC: "《Toward a Rational Design of Poly(2, 7-Carbazole) Derivatives for Solar Cells》", 《JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY》, vol. 130, 21 December 2007 (2007-12-21), pages 732 - 742 *
SUNG-HYUN PARK，SANG-JIN LEE，JAE HEUNG LEE, ETC: "《Large area roll-to-roll sputtering of transparent ITO/Ag/ITO cathodes for flexible inverted organic solar cell modules》", 《ORGANIC ELECTRONICS》, vol. 30, 28 December 2015 (2015-12-28), pages 112 - 121 *
XUEWEN GUO, YUEXING ZHANG, XIANJIE LIU, ETC: "《Novel small-molecule zwitterionic electrolyte with ultralow work function as cathode modifier for inverted polymer solar cells》", 《ORGANIC ELECTRONICS》, vol. 59, 22 April 2018 (2018-04-22), pages 15 - 20 *

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