CN1825653A - 光电转换元件、太阳能电池和光传感器 - Google Patents

光电转换元件、太阳能电池和光传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光电转换元件和具有此光电转换元件的太阳能电池，它们都具有较高载体产生率。此外，本发明提供一种光电转换元件和具有该光电转换元件的太阳能电池，它们具有较高的能量转换效率。依据本发明，光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池的特征在于，一对电极中间夹着包括电荷产生层和电荷接受层的混合层。电荷产生层由第一有机化合物和无机化合物组成。有机接受层由第二有机化合物组成。

Description

光电转换元件、太阳能电池和光传感器
技术领域
本发明涉及一种光电转换元件、一种太阳能电池和一种光传感器。
背景技术
作为光电转换元件和具有将光能转换为电能的光电转换元件的太阳能电池，已提出了第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的由多个晶体形成的多晶硅太阳能电池和第三代的使用镓砷等的复合半导体太阳能电池，尽管它们在成本等方面还存在许多问题。考虑到这些，提出了由有机半导体形成的太阳能电池。
有机半导体太阳能电池通常是染料薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。染料薄膜太阳能电池具有p-n异质结结构，其中用二萘嵌苯衍生物作为n型染料，铜钛菁作为p型染料。
另一方面，染料敏化太阳能电池被称为第四代电池，此类电池价格不贵，转换效率高，作为光电转换元件是研究的热点。染料敏化太阳能电池是湿型太阳能电池，其中工作电极是半导体电极，是通过向多孔二氧化钛薄膜中加入光敏染料并将光敏染料保持于其中来制备的，半导体电极随后浸入电解质溶液中，并且形成一个相对电极(例如，参见专利文献1)。
在可见光范围内有一定吸收的钌复合物用作光敏染料。电解质溶液通过向乙腈和碳酸亚乙酯的混合溶液中加入碘来制得。当光敏化染料被光激发后，电子从光敏染料中射出进入到工作电极二氧化钛半导体电极中。另一方面，空穴氧化具有空穴传送性能(hole transporting property)的电解质溶液，氧化了的具有空穴传送性能的电解质溶液接受来自相对电极的电子。太阳能电池通过上述步骤的连续进行来运行。
染料敏化太阳能电池不同于p-n异质结太阳能电池，因为在染料敏化太阳能电池中只有电子被射入到电极中。因此，有这样一些优点，即电子和空穴的再结合不那么容易发生，电荷分离能够有效的进行。因此，光能转换为电能的转换效率超过10％。
[专利文献1]
日本特许公开平1-220380号。
发明内容
但是，染料薄膜太阳能电池是有缺陷的，因为光能转换为电能的转换效率仅过1％，是较低的。
已开发出了光能转换为电能的转换效率超过10％的染料敏化太阳能电池，但是，也存在一些缺点，因为适宜作为光敏染料的钌复合物中的中心原子钌是一种稀有资源，因此成本相应提高。
而且，有机半导体太阳能电池在很多方面已得到发展以进行有效的光诱导电子转移，诸如分别控制p型有机半导体和n型有机半导体的HOMO级和LUMO级和控制异质结界面的混合，以拓宽载流子产生的位置。尽管如此，载流子的产生率不够高。
鉴于以上所述，本发明提供一种光电转换元件和具有该光电转换元件的太阳能电池，它们都具有载流子产生率高的结构。而且，本发明提供能量转换效率高的一种光电转换元件和一种具有该光电转换元件的太阳能电池。
本发明提供一种光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池，它们都包括有机/无机混合层，其中电荷接受层叠在由无机化合物和有机化合物形成的电荷产生层上。
也就是说，依据本发明，光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池都具有一对电极，电极中间夹着包括电荷产生层和电荷接受层的混合层。电荷产生层由第一有机化合物和无机化合物形成，而电荷接受层由第二有机化合物形成。
依据本发明的第一结构，形成电荷产生层的第一有机化合物优选具有空穴传送性能的化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。
此时，优选用作无机化合物的是对于具有空穴传送性的有机化合物表现出电子接受性能的金属氧化物或金属氮化物，更优选的是元素周期表中族4至族10中的任一过渡金属的氧化物。在它们中，元素周期表中族4至族8中的任一过渡金属的氧化物大都具有较好的电子接受性能。特别地，优选使用诸如氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼之类的金属氧化物。除此之外，也可使用诸如氧化钛、氧化铬、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化钨和氧化银之类的金属氧化物。
而且，优选使用具有电子传送性能的有机化合物作为第二有机层，形成电荷接受层，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精(methyl viologen)、富勒烯(fullerene)等。
依据本发明的第二结构，优选具有电子传送性能的有机化合物作为第一有机化合物，形成电荷产生层，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精、富勒烯等。
此时，优选使用对于第一有机化合物表现出电子供给性能的金属氧化物或金属氮化物作为无机化合物，更优选碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物和稀土金属氮化物。这些金属氧化物和金属氮化物大部分具有高电子供给性能，优选的是氧化锂、氧化钙、氧化钠、氧化钡、氮化锂、氮化镁、氮化钙等。
形成电荷接受层的有机化合物优选具有空穴传送性能的有机化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。
依据本发明，提供一种光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池，在其中的混合层包括一对电极，这一对电极中夹着第一电荷产生层和第二电荷产生层。第一电荷产生层由第一有机化合物和第一无机化合物形成。第二电荷产生层由第二有机化合物和第二无机化合物形成。
形成第一电荷产生层的第一有机化合物优选具有空穴传送性能的有机化合物，更优选的是具有芳香胺结构的有机化合物。
此时，第一无机化合物优选金属氧化物或金属氮化物，更优选的是元素周期表中族4至族10中的任一过渡金属的氧化物。在它们中，元素周期表中族4至族8中的任一过渡金属的氧化物大都具有较好的电子接受性能。特别地，优选使用诸如氧化钒、氧化钼、氧化铼和氧化钨之类的金属氧化物。
而且，形成第二电荷产生层的第二有机化合物优选具有电子传送性能的有机化合物，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物。此时，第二无机化合物优选金属氧化物或金属氮化物，更优选的是碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物和稀土金属氮化物。这些金属氧化物和金属氮化物大部分具有较好的电子供给性能，优选的是氧化锂、氧化钡、氮化锂、氮化镁、氮化钙等。
要注意到的是，可通过配备放大电路来提供能量转换效率高的光电转换元件和具有光电转换元件的太阳能电池。放大电路是例如由运算放大器和薄膜晶体管(下文中称为TFT)等形成的电路。
依据光电转换元件和具有本发明的光电转换元件的太阳能电池，电荷产生层中的无机化合物和有机化合物都处于电荷分离状态，这是由于具有特定波长的自然光、激光、日光等光的光辐射引起的电子转移所造成的。另一方面，由混合无机化合物和有机化合物形成的电荷转移复合物在被光辐射激发后产生，由此建立电荷分离态。因此，通过混合无机化合物和有机化合物，可以提高电荷分离态中电子和空穴的产生效率。
而且，通过提供电荷接受层，使其与电荷产生层配对，则在电荷产生层中产生的处于电荷分离态的电子和空穴可为电子载流子和空穴载流子，形成光电流。结果光能转换为电能的转换效率得到提高。
其结果是，可提供能量转换效率高的一种光电转换元件和一种具有光电转换元件的太阳能电池。而且，通过使用能量效率高的光电转换元件，能耗得到抑制的光传感器得以实现。
附图说明
图1是光电转换元件的局部剖面示意图。
图2是光电转换元件的局部剖面示意图。
图3是光电转换元件的局部剖面示意图。
图4A和图4B是电荷分离步骤的示意图。
图5A至图5E是可使用本发明的电子器件的透视图。
图6是光电转换元件的剖面示意图。
图7A至图7C是表示太阳能电池制造步骤的剖面示意图。
图8是表示太阳能电池制造步骤的剖面示意图。
图9A至图9C是表示太阳能电池制造步骤的剖面示意图。
图10是表示太阳能电池制造步骤的剖面示意图。
图11A和图11B是表示电荷分离的吸收光谱。
图12A至图12C是各自表示电荷分离的电子自旋共振光谱。
图13A和图13B是各自表示电荷分离的电子自旋共振光谱。
具体实施方式
[实施方式1]
图1表示本发明的光电转换元件的元件结构。其中，电荷产生层由含有有机化合物和无机化合物的层形成，其中的有机化合物和无机化合物都具有空穴传送性能，电荷接受层由具有电子传送性能的有机化合物形成。
光电转换元件具有叠层结构，其中，第一电极101、电荷产生层102、电荷接受层103和第二电极104依次叠置。
第一电极101由导电的、且在入射的激发光的波长范围内光透射率高的材料形成。第一电极101通过真空气相沉积、溅射沉积等方法形成，其厚度不受限制。优选使用金属和金属氧化物，特别是Al、铟锡氧化物(ITO)、SnO2和含有ZnO的In2O3，所形成的膜很薄，足以使光通过。
电荷产生层102由具有空穴传送性能的有机化合物和对具有空穴传送性能的有机化合物表现出电子接受性能的无机化合物形成。具有空穴传送性能的有机化合物可为芳香胺。通常，可以使用酞菁(缩写为H2-Pc)、铜酞菁(缩写为Cu-Pc)、氧钒酞菁(缩写为VOPc)、4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基-氨基]-联苯(缩写为α-NPD)、4，4’，4”-三(N，N-二苯基-氨基)-三苯基胺(缩写为TDATA)、4，4’，4”-三[N-(3-甲基苯基)-N-苯基-氨基]-三苯基胺(缩写为m-TDATA)、4，4’，4”-三[N-(3-甲基苯基)-N-苯基氨基]-三苯基胺(缩写为MTDATA)、1，3，5-三[N，N-二(间甲苯基)氨基]苯(缩写为m-MTDAB)、N，N’-二苯基-N，N’-双(3-甲基苯基)-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(缩写为TPD)、4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯(缩写为NPB)、4，4’-双{N-[4-二(间甲苯基)氨基]苯基-N-苯基氨基}联苯(缩写为DNTPD)、和4，4’，4”-三(N-咔唑基)三苯基胺(缩写为TCTA)等，尽管本发明并不只限于这些。在上述的化合物中，用α-NPD、TDATA、MTDATA、m-MTDAB、TPD、NPB、DNTPD、TCTA为典型的芳香胺化合物和其它易于产生空穴载流子的化合物优选用作第一有机化合物。
对于具有空穴传送性能的有机化合物表现出电子接受性能的无机化合物优选金属氧化物或金属氮化物，更优选的是元素周期表中族4至族10中的任何过渡金属的氧化物。在它们中，元素周期表中族4至族8中的任何过渡金属的氧化物大部分具有较高的电子接受能力。特别地，优选使用如氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼之类的金属氧化物。除了这些，也可以使用如氧化钛、氧化铬、氧化锆、氧化铪、氧化钽、氧化钨和氧化银之类的金属氧化物。
电荷产生层102适合通过共沉积法、施涂法、溶胶-凝胶法等方法来形成。通过提高无机化合物对有机化合物的摩尔比例，电荷转移带中的吸光率增加。也就是说，有更多的分子会被激发，但是，电荷传送性能取决于有机化合物和无机化合物的组合。因此，要适当地确定摩尔比例。电荷产生层102的厚度较优的为30纳米至50纳米。
电荷接受层103优选通过共沉积法、施涂法、溶胶-凝胶法和其它合适的方法形成，厚度为30纳米至50纳米。电荷接受层103优选由具有电子传送性能的有机化合物形成。作为代表，优选使用具有电子传送性能的有机化合物，更优选的是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精、富勒烯等。具体地，可使用三(8-喹啉醇)铝(tris(quinolinolato)aluminium，缩写为Alq3)、三(4-甲基-8-喹啉醇)铝(缩写为Almq3)、双(10-羟基苯并)[h]-喹啉醇)铍(缩写为BeBq2)、双(2-甲基-8-喹啉醇)-4-苯基酚铝(缩写为BAlq)、双[2-(2’-羟基苯基)-苯并噁唑]锌(缩写为Zn(BOX)2)、双[2-(2’-羟基苯基)-苯并噻唑]锌(缩写为Zn(BTZ)2)、红菲绕啉(缩写为BPhen)、浴铜灵(缩写为BCP)、2-(4-联苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4-噁二唑(缩写为PBD)、1，3-双[5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4-噁二唑-2-基]苯(缩写为OXD-7)、2，2’，2”-(1，3，5-苯三基)-三(1-苯基-1H-苯并咪唑(缩写为TPBI)、3-(4-联苯基)-4-苯基-5-(4-叔丁基苯基)-1，2，4-三唑(缩写为TAZ)、3-(4-联苯基)-4-(4-乙基苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，2，4-三唑(缩写为p-EtTAZ)等，尽管本发明不限于此。而且，在上述的化合物中，二萘嵌苯衍生物、醌类、甲基紫精、富勒烯等易于产生电子载流子的化合物适宜用作电荷接受层。
由有机化合物和无机化合物形成的电荷产生层因光辐射而进入电荷分离状态。通过向电荷分离态中的电荷产生层提供一个电荷接受层，在电荷产生层中分离的电荷能够用作载流子。参照图4A和图4B在下文中进行详细阐述。
在由有机化合物和无机化合物形成的电荷产生层中，即这里由氧化钼和α-NPD混合的混合层中，认为氧化钼和α-NPD形成基态的电荷转移复合物。这从氧化钼和α-NPD在其中混合的混合层的吸收光谱中很明显的看出，其具有第三吸光率，该吸光率不同于基于氧化钼的局部激发态的第一吸光率和基于α-NPD过渡为局部激发态的第二吸光率。
局部激发态是受激的电子和空穴在一个分子中成对形成激子的状态。如果在一个处于局部激发态的分子中没有一个电子供体或一个电子受体相邻近，则分子中发生辐射失活并发热，如此则分子返回基态。另一方面，在有氧化钼和α-NPD相邻近的区域内，则电子在处于激发态的α-NPD和处于基态的氧化钼之间给出和接受。这样因光激发而引起的电子转移使电子和空穴相分离的第一电荷分离态得以实现。
另一方面，由氧化钼和α-NPD形成的电荷转移复合物通过光激发变成第二电荷分离态。
这样，认为有上述的两个步骤用于使氧化钼和α-NPD混合的混合层处于电荷分离态。通过电荷分离，具有空穴传送性的氧化钼和α-NPD的混合层611变成其中电子在混合层中滞留的状态(参见图4A)。
鉴于前文所述，提供一个电荷接受层612即电子接受层，使其与由氧化钼和α-NPD形成的混合层611配对，从而使电子从氧化钼和α-NPD的混合层中脱出，产生电流通过(参见图4B)。也就是说，在氧化钼和α-NPD的混合层中有很多通过光激发形成电荷分离态的位置。提供电子接受层有助于由分离的电荷产生许多载流子。结果是，光能转换为电能的转换效率得到提高。
第二电极104由铝、银、钛、镍等通过气相沉积、溅射等已知的方法形成，厚度为10至100纳米。
[实施方式2]
图2表示光电转换元件的元件结构。其中，电荷产生层由含有有机化合物和无机化合物的层形成，其中的有机化合物和无机化合物都具有电子传送性能，电荷接受层由具有空穴传送性能的有机化合物形成。
电荷接受层202在第一电极101之上形成，电荷产生层203在电荷接受层202之上形成。
电荷产生层203由有机化合物和无机化合物形成，其中的有机化合物和无机化合物都具有电子转送性能。具有电子传送性能的有机化合物可由具体描述在实施方式1中的具有电子传送性能的物质形成。无机化合物优选由对于第一有机化合物表现出电子供给性能的金属氧化物或金属氮化物形成，更优选的是碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物和稀土金属氮化物。这些金属氧化物和金属氮化物的典型实例是氧化锂、氧化钙、氧化钠、氧化钡、氮化锂、氮化镁、氮化钙等。
电荷接受层202由具有空穴传送性能的有机化合物形成。具有空穴传送性能的有机化合物可由具体描述在实施方式1中的具有空穴传送性能的物质形成。
[实施方式3]
图3表示本发明的光电转换元件和太阳能电池的元件结构。其中，第一电荷产生层由含有具有空穴传送性能的有机化合物和第一无机化合物的层形成。第二电荷产生层由含有具有电子传送性能的有机化合物和第二无机化合物的层形成。
第一电荷产生层302在第一电极101之上形成，第二电荷产生层303在第一电荷产生层302之上形成。
第一电荷产生层可由具体描述在实施方式1中的电荷产生层102的物质形成。第二电荷产生层303可由具体描述在实施方式2中的电荷产生层203的物质形成。
[实施例1]
此实施例中描述实施方式1中所述的光电转换元件和太阳能电池的制造方法。
在透光的基材上，通过溅射的方法用ITO形成第一电极，并以1∶1的摩尔比例和1×10-4帕至4×10-4帕的压力将氧化钼MoO3作为金属氧化物与芳香胺α-NPD共沉积，由此形成电荷产生层。石英基材按0.4纳米/秒的沉积速率旋转，得到的厚度为50纳米。在这里石英基材用作透光的基材。
随后，通过气相沉积在相似的条件下沉积富勒烯(C60)形成电荷接受层。
然后，沉积200纳米厚的Al，并用玻璃基材密封。用波长500纳米的光从ITO面辐射基材，在此波长发生M0O3和α-NPD的电荷转移吸收，同时在所制造元件的电极之间施加一微小电压，可以观察到光电流。
要注意到的是，透光的基材可为玻璃基材、石英基材、塑料基材等透光的基材。塑料基材通常是由聚碳酸酯(PC)、JSR Corporation生产的由降冰片烯树脂和极性基团所形成的ARTON、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚砜(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSF)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚丙烯酸酯(PAR)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰亚胺、其中分散有直径在几个纳米的无机颗粒的有机材料等所形成的基材。
[实施例2]
这里，参考图6来描述具有放大电路的光电转换元件。要注意到的是，这里使用TFT作为形成放大电路的元件，但是，本发明并不限于此，也可使用运算放大器等。
图6显示光电转换元件的剖面图。第一绝缘层211在透光的基材210上形成，TFT 212在第一绝缘层211上形成。TFT由包括通道形成区域、源极区域和漏极区域的半导体区域213、栅电极214、连接到源极区域的导电层215、和连接到漏极区域的导电层216形成。TFT的通道形成区域、栅电极、源电极和漏电极被多个第一层间绝缘层217绝缘。在此实施方式中，n通道TFT用作TFT212。在图6中，只显示了一个TFT，然而，也可设置多个TFT。
TFT 212的半导体区域可由无定形半导体层、晶体半导体层或微晶半导体层形成。无定形半导体层可通过等离子体CVD法、低压CVD法或溅射法来形成。又，晶体半导体层可通过上述的方法、然后再通过激光结晶法、热结晶法和日本特许公开平8-78329中所描述的结晶法来形成。依据上述专利申请中所描述的技术，选择性地把一种促进结晶的金属元素加入到无定形的硅层中、进行热处理，形成具有以加料区域作为起点延展晶体结构的半导体层。要注意的是，金属元素最好在此结晶处理之后除去。
微晶半导体是一种具有介于无定形和晶体结构之间的中间结构(包括单晶和多晶)、是自由能稳定的第三态、和具有近程有序和点阵畸变的晶体区域的半导体。至少微晶层的一个区域具有0.5纳米至20纳米的晶粒。
微晶半导体层由硅源气体通过辉光放电分解(等离子CVD)来形成。可使用SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等作为硅源气。
导电层216与TFT的源极区域或漏极区域相连，与此导电层216相连的第一电极221在第一层间绝缘层217之上形成。绝缘层222形成在第一电极211之上。第一电极221和第二电极225中的至少一个透光。
电荷产生层223、电荷接受层224和第二电极225依次层叠在第一电极211和绝缘层222之上。第一电极221、电荷产生层223、电荷接受层224和第二电极225形成光电转换元件226。这些结构和物质可适当地采用实施方式1至3中所述的那些。此实施例中，第一电极221由ITO形成，电荷产生层223由α-NPD和氧化钼在其中混合的层形成，电荷接受层224由富勒烯形成，以及第二电极225由钛膜形成。光电转换元件接受透过能透光的基材210的光227。
光电转换元件可通过上述步骤形成。
在此实施方式中，使用的是顶部栅极TFT，但是，本发明不限于此，也可使用底部栅极TFT和反向交错TFT等。
依据本发明，光电转换元件可在绝缘基材上形成。在此实施例中的光电转换元件具有放大电路。因此，光电转换元件甚至可以检测到很微弱的光。因此，可形成高性能的光电转换元件。
[实施例3]
参照图7A至图8描述具有本发明的光电转换元件的太阳能电池的制造方法。
在图7A中，透光的基材用作基材100。此实施例中使用的是玻璃基材。要注意的是，描述在实施例3中的能透光的基材适宜用作基材100。
在此实施方式中制造的太阳能电池具有这样的结构，其中光被与在其上形成光电转换层的表面相对的表面所接收。首先，第一电极层101在基材100上形成。第一电极层101由铟锡氧化物(ITO)合金、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、含有ZnO的ITO合金等形成，形成的厚度为40纳米至200纳米(较优的是50纳米至100纳米)。但是，上述有机树脂材料可连续使用的最高温度为200℃或更低一些。因此，第一电极层101通过溅射法、气相沉积法等方法形成，以使沉积时的基材温度约为室温至150℃。具体的操作条件可根据操作者的判断来确定。
考虑到第一电极层的低电阻，ITO膜是合适的，但是，ITO在随后的步骤中被氢化还原，因此膜不再透光。为了防止出现这一问题，可在ITO膜上形成SnO2膜和ZnO膜。含有1重量％至10重量％镓的ZnO膜(ZnO∶Ga)具有较高的透光率，并且是适宜叠加在ITO膜上的材料。可以提供适宜的光透射率的组合是例如形成50纳米至60纳米厚的ITO膜和在其上形成25纳米厚的ZnO∶Ga膜。
随后，金属氧化物氧化钼MoO3和芳香胺α-NPD以1∶1的摩尔比例和1×10-4帕至4×10-4帕的压力共沉积为电荷产生层。
然后，用真空气相沉积的方法在相似的条件下形成富勒烯(C60)作为电荷接受层。
在此实施例中，应用实施方式1作为电荷产生层和电荷接受层应用，但是，可判断是否应用实施方式2或3。
如图7B所示，孔M0到Mn和C1到Cn通过激光处理方法在电荷接受层103上形成并从电荷接受层103延伸到第一电极层101，以在同一基材上形成多个单元电池。孔M0到Mn是用于电隔离以形成单元电池的孔。孔C1到Cn用来连接第一电极和第二电极。在激光处理方法中，可使用任何种类的激光，但是，使用的是Nd-YAG激光、受激准分子激光等。在任何情况中，通过对层叠的第一电极101和电荷接受层103进行激光处理，可防止第一电极层在过程中从基材上剥落。
这样一来，第一电极层101被分成T1到Tn，光电转换元件层被分成K1到Kn。然后，填充孔M0至Mn并形成绝缘树脂层Z0至Zn以覆盖图7C中所示的顶部部分。
绝缘树脂层Z0至Zn通过丝网印刷法和加热形成。
随后，通过丝网印刷法将导电碳糊印成预定的图案，弄平，干燥，然后在150℃固化30分钟，形成图8所示的第二电极层E0至En。
第二电极层E0至En的形成要使其中的每一个分别通过孔C1至Cn-1中的每一个与第一电极层T1至Tn中的每一个相连。孔C1至Cn中填充与第二电极相同的材料。这样，第二电极En-1与第一电极Tn相连。
最后，通过印刷方法和热处理形成环氧树脂，从而密封树脂层701形成。密封树脂层701通过在第二电极E0至En上形成的孔105和106与电路基材相连。
这样，由第一电极Tn、光电转换元件层Kn和第二电极层En形成的单元电池在基材100上形成。邻近的第二电极En-1通过孔Cn与第一电极Tn相连，从而制成串联的n太阳能电池。第二电极E0成为单元电池U1中的第一电极T1的引电极。
[实施例4]
参照图9A至10描述本发明的另一太阳能电池的制造步骤。在图9A中，基材100、第一电极101、电荷产生层102和电荷接受层103的形成与实施例3中相似。然后，第二电极XEM0至XEMn通过与实施例3中相似的丝网印刷法在电荷接受层103上形成。
随后，如图9B所示，孔XM0到XMn和XC1到XCn通过激光处理方法在电荷接受层103上形成并从电荷接受层103延伸到第一电极层101。孔XM0到XMn是用于电隔离以形成单元电池的孔。孔XC1到XCn用来连接第一电极和第二电极。
在激光处理过程中，残余物可能留在孔的周边。这些残余物是加工材料的飞沫且是不利的，因为这些飞沫被激光加热到高温时会附着在电荷接受层103的表面上，使膜损坏。为了避免此问题，第二电极依据孔的图案形成并用激光进行处理，因此至少可以防止对电荷接受层103的破坏。
在将第一电极层101分成XT1至XTn，且将电荷产生层102和电荷接受层103分成XK1至XKn后，对孔XM0至XMn进行填充，并通过丝网印刷法形成绝缘树脂层XZ0至XZn，以覆盖孔XM0至XMn的顶部部分，图9C所示。
随后，如图10所示，要与第一电极XT1至XTn相连的配线XB0至XBn-1通过丝网印刷法形成，以填充孔XC1至XCn。配线XB0至XBn-1由与第二电极相同的材料形成，该材料是可热固化的碳糊。这样，第二电极XEMn-1分别与第一电极XTn电连接。
最后，通过印刷法形成密封树脂层901。在密封树脂层901中，孔902和903分别在配线XB0和XBn上形成，通过它们，基材与外电路相连。这样，由第一电极XTn、光电转换元件层XKn和第二电极层XEn形成的单元电池在基材100上形成。邻近的第二电极通过孔XEMn-1通过孔XCn与第一电极XTn相连，从而制成串联的n太阳能电池。配线XB0成为单元电池XU1中的第一电极XT1的引电极。
[实施例5]
通过结合光电转换元件或具有本发明的光电转换元件的太阳能电池，可制造各种电子设备。例如，电子设备为图5A所示的便携式电话3500、图5B所示的个人电脑3600、游戏机、导航系统、便携式音频设备、可携式AV设备、图5C所示的照相机3700如数码照相机、摄像机、即时成像相机、室内空调、汽车空调、空气通风/调节设备、电水壶、CRT投影电视、照明、照明装置、图5D所示的手表3800、图5E所示的计算器3900等等。具体的这些电子器件的实例描述在下文中。
作为传感器3501、3601和3901用来控制最佳显示器量度、背照光的强度和开/关并用于节省电池的本发明的光电转换元件可用于便携式电话3500、数码照相机、游戏机、导航系统、便携式音频设备、个人电脑3600、计算器3900等。而且，具有光电转换元件的太阳能电池可在这些电子器件中用作电池。本发明的光电转换元件或具有该光电转换元件的太阳能电池可提高能量转化效率，因此，可提供小型化电子设备。
而且，本发明的光电转换元件可安装在如数码相机、摄像机和即时成像相机之类的相机3700中作为传感器3701，用来控制闪光和光圈。而且，具有光电转换元件的太阳能电池可在这些电子器件中作为电池使用。本发明的光电转换元件或具有该光电转换元件的太阳能电池可提高能量转换效率，因此，可提供小型化电子设备。
而且，本发明的光电转换元件可作为传感器安装在以室内空调机和汽车空调机为代表的空调和空气通风/调节设备中，用来控制风量和温度。本发明的光电转换元件或具有该光电转换元件的太阳能电池可提高能量转换效率，因此，可提供小型化电子设备且实现低电耗。
而且，本发明的光电转换元件可安装在电水壶中作为传感器用来控制保温温度。通过使用本发明的光传感器，在室内灯光被关闭后，保温温度可设置的较低。而且，因为能量转换效率得到提高，设计的小型化和薄型化得以实现，所以本发明可安装在任何地方。结果，使低电耗得以实现。
而且，本发明的光电转换元件可作为传感器安装在CRT投影TV的显示器中，用来控制扫描线定位(校准RGB扫描线(数字自动聚焦))传感器。依据本发明的光电转换元件或太阳能电池，能量转换效率可以得到提高，因此，可以得到小型化电子设备。另外，传感器可安装在任何区域内。而且，可实现CRT投影TV的快速自动控制。
而且，具有本发明的光电转换元件的太阳能电池可用作如手表3800和挂钟之类的表中的电池3801。在图5D中，电池3801设置在时钟字盘3800的下面。光电转换元件或具有本发明的光电转换元件的太阳能电池可提高能量转换效率，因此，可提供小型化电子设备。
本发明的光电转换元件可作为控制各种用于家用照明、室外照明、街道照明、无人居住的公共场所、运动场、车辆等照明和照明设备开/关的传感器。通过使用本发明的传感器，可以实现低电耗。而且，通过向这些电子设备提供本发明的太阳能电池，可以提高能量转换效率，并因此所形成的电池可以更薄一些。因而可以提供小型化电子器件。
测量试样(1)和(4)中每一个的吸收光谱，其中的复合层含有具有芳香胺结构的有机化合物和金属氧化物，通过共沉积的方法在玻璃基材上形成；测量试样(2)和(5)的吸收光谱，其中仅由具有芳香胺结构的有机化合物所形成的层是通过气相沉积的方法在玻璃基材上形成的；测量试样(3)的吸收光谱，其中由金属氧化物所形成的层通过气相沉积的方法在玻璃基材上形成。结果发现，由于电荷转移引起的吸收在试样(1)中出现在波长1000纳米至1900纳米的范围内，在试样(4)中出现在波长900纳米至1200纳米的范围内。在此实施例中，作为具有芳香胺结构的有机化合物用的是NPB或DNTPD，作为金属氧化物用的是氧化钼，形成的每一层的厚度为100纳米，使试样(1)中的重量比为4∶1(＝NPB∶氧化钼)，试样(4)中的重量比为4∶2(＝DNTPD∶氧化钼)。图11A和图11B表示了每个试样的吸收光谱的测量结果。在图11A和图11B中，横坐标表示波长(纳米)，纵坐标表示吸光率(不需要数量单位)。
[实施例7]
对试样(6)和(9)进行电子自旋共振(ESR)测量，在这些试样中，含有具有芳香胺结构的有机化合物和金属氧化物的复合层通过共沉积的方法在石英基材上形成；对试样(7)和(10)进行电子自旋共振测量，在这些试样中，仅由具有芳香胺结构的有机化合物所形成的层是通过室温条件下的气相沉积法在石英基材上形成的。结果发现，含有芳香胺结构的有机化合物和金属氧化物的复合层有未成对电子，即生成了电荷转移复合物。在此实施例中，NPB或DNTPD作为具有芳香胺结构的有机化合物，氧化钼作为金属元素，形成的每一层的厚度为200纳米的层，使试样(6)中的重量比为1∶0.25(＝NPB∶氧化钼)，试样(9)中的重量比为1∶0.5(＝DNTPD∶氧化钼)。图12A至图12C和图13A和图13B表示每一试样的测量结果。试样(6)的g值为2.0024，试样(9)的g值为2.0025。
本申请是基于于2004年12月6日向日本专利局提交的日本专利申请序列号2004-353437，其全文通过引用包括于此。

Claims (30)

1.一种光电转换元件，其包含：
电极对；
电荷产生层；和
电荷接受层；
其中，所述电荷产生层和所述电荷接受层夹在所述电极对之间，
其中，所述电荷产生层包含第一有机化合物以及无机化合物，且
其中，所述电荷接受层包含第二有机化合物。
2.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述电极对中的至少一个透光。
3.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一有机化合物是具有空穴传送性的有机化合物。
4.如权利要求3所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有空穴传送性的有机化合物具有芳香胺骨架。
5.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述无机化合物是金属氧化物或金属氮化物。
6.如权利要求5所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物是属于元素周期表中第4-10族中的任一过渡金属的氧化物。
7.如权利要求5所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物是选自下组的金属氧化物：氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼。
8.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第二有机化合物是具有电子传送性的有机化合物。
9.如权利要求8所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有电子传送性的有机化合物是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精或富勒烯。
10.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一有机化合物是具有电子传送性的有机化合物。
11.如权利要求10所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有电子传送性的有机化合物是螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精或富勒烯。
12.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述无机化合物是金属氧化物或金属氮化物，诸如碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物或稀土金属氮化物。
13.如权利要求12所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物选自下组：氧化锂、氧化钙、氧化钠和氧化钡。
14.如权利要求12所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氮化物选自下组：氮化锂、氮化镁和氮化钙。
15.如权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，所述第二有机化合物是具有空穴传送性的有机化合物。
16.如权利要求15所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有空穴传送性的有机化合物是具有芳香胺骨架的有机化合物。
17.一种光电转换元件，其包含：
电极对；
第一电荷产生层；和
第二电荷产生层；
其中，所述第一电荷产生层和第二电荷产生层夹在电极对之间，
其中，所述第一电荷产生层包含第一有机化合物和第一无机化合物，以及
其中，所述第二电荷产生层包含第二有机化合物和第二无机化合物。
18.如权利要求17所述的光电转换元件，其特征在于，所述电极对中至少一个透光。
19.如权利要求17所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一有机化合物是具有空穴传送性的有机化合物。
20.如权利要求19所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有空穴传送性的有机化合物具有芳香胺结构。
21.如权利要求17所述的光电转换元件，其特征在于，所述第一无机化合物是金属氧化物或金属氮化物。
22.如权利要求21所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物是属于元素周期表中第4-10族中的任一过渡金属的氧化物。
23.如权利要求21所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物选自下组：氧化钼、氧化钒、氧化钌和氧化铼。
24.如权利要求17所述的光电转换元件，其特征在于，所述第二有机化合物是具有电子传送性的有机化合物。
25.如权利要求24所述的光电转换元件，其特征在于，所述具有电子传送性的有机化合物选自下组：螯合配体中含有芳环的螯合金属络合物、具有菲咯啉骨架的有机化合物、具有噁二唑骨架的有机化合物、二萘嵌苯衍生物、萘衍生物、醌类、甲基紫精和富勒烯。
26.如权利要求17所述的光电转换元件，其特征在于，所述第二无机化合物是金属氧化物或金属氮化物，诸如碱金属氧化物、碱土金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氮化物、碱土金属氮化物或稀土金属氮化物。
27.如权利要求26所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氧化物选自下组：氧化锂、氧化钙、氧化钠和氧化钡。
28.如权利要求26所述的光电转换元件，其特征在于，所述金属氮化物选自下组：氮化锂、氮化镁和氮化钙。
29.一种太阳能电池，其使用权利要求1-28中任一项所述的光电转换元件。
30.一种光传感器，其使用权利要求1-28中任一项所述的光电转换元件。
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