JP2002076391A - 有機半導体薄膜太陽電池 - Google Patents
有機半導体薄膜太陽電池Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光電変換能力を向上させて高い光電エネルギ
ー変換効率を実現する。 【解決手段】 有機半導体層１はメタルフリーフタロシ
アニン顔料(Ｈ2Ｐｃ)とペリレン顔料(Ｍｅ−ＰＴＣ)か
らなる混合比率１：１の共蒸着薄膜である。その有機半
導体層１の一方の面には半透明金蒸着膜からなる金属電
極２が形成されており、有機半導体層１の他方の面には
金属電極３として透明電極であるＩＴＯ蒸着膜が形成さ
れている。
ー変換効率を実現する。 【解決手段】 有機半導体層１はメタルフリーフタロシ
アニン顔料(Ｈ2Ｐｃ)とペリレン顔料(Ｍｅ−ＰＴＣ)か
らなる混合比率１：１の共蒸着薄膜である。その有機半
導体層１の一方の面には半透明金蒸着膜からなる金属電
極２が形成されており、有機半導体層１の他方の面には
金属電極３として透明電極であるＩＴＯ蒸着膜が形成さ
れている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電変換機能を有す
る有機半導体薄膜を組み込んだ太陽電池に関するもので
ある。
る有機半導体薄膜を組み込んだ太陽電池に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】本発明者らは、新しい固体太陽電池とし
て、２種の有機半導体の共蒸着薄膜を電極で挟み込んだ
構造の有機半導体薄膜太陽電池を提案している（M. Hir
amoto,H. Fujiwara, and M. Yokoyama, Applied Physic
s Letters, 58, 1062 (1991)参照）。そこで用いられて
いる有機半導体の共蒸着薄膜は、２種の異なった有機半
導体を同一基板に同時に蒸着して作製されたものである
が、その蒸着時の基板温度は特に制御することなく、室
温で蒸着されたものである。そのため、得られた共蒸着
薄膜の微細な複合構造は全く制御されていない。
て、２種の有機半導体の共蒸着薄膜を電極で挟み込んだ
構造の有機半導体薄膜太陽電池を提案している（M. Hir
amoto,H. Fujiwara, and M. Yokoyama, Applied Physic
s Letters, 58, 1062 (1991)参照）。そこで用いられて
いる有機半導体の共蒸着薄膜は、２種の異なった有機半
導体を同一基板に同時に蒸着して作製されたものである
が、その蒸着時の基板温度は特に制御することなく、室
温で蒸着されたものである。そのため、得られた共蒸着
薄膜の微細な複合構造は全く制御されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そのような有機共蒸着
膜を組み込んだ太陽電池においては、共蒸着薄膜の光電
変換能力が有機材料同士の微細な混合状態によって決定
的な影響を受けることがわかってきた。しかし、これま
では、どのような混合状態であるか全く未解明のまま、
単に共蒸着の各有機材料成分の単独薄膜と両者の共蒸着
膜の示す光電変換能力を比較評価してきたに過ぎなかっ
た。すなわち、従来の基板温度が室温のもとで作製され
た有機共蒸着薄膜は、光キャリア生成に最適な混合状態
で使用されているとはとても考えられず、本来可能であ
るはずの非常に高い光電変換能力が引き出せていない虞
れがある。
膜を組み込んだ太陽電池においては、共蒸着薄膜の光電
変換能力が有機材料同士の微細な混合状態によって決定
的な影響を受けることがわかってきた。しかし、これま
では、どのような混合状態であるか全く未解明のまま、
単に共蒸着の各有機材料成分の単独薄膜と両者の共蒸着
膜の示す光電変換能力を比較評価してきたに過ぎなかっ
た。すなわち、従来の基板温度が室温のもとで作製され
た有機共蒸着薄膜は、光キャリア生成に最適な混合状態
で使用されているとはとても考えられず、本来可能であ
るはずの非常に高い光電変換能力が引き出せていない虞
れがある。
【０００４】上述した微細構造の制御されていない有機
半導体薄膜太陽電池に対し、本発明は有機半導体層を組
み込んだ太陽電池において、その有機半導体層の微細な
混合状態を積極的に制御することによって光電変換能力
を向上させて高い光電エネルギー変換効率を実現するこ
とを目的とするものである。
半導体薄膜太陽電池に対し、本発明は有機半導体層を組
み込んだ太陽電池において、その有機半導体層の微細な
混合状態を積極的に制御することによって光電変換能力
を向上させて高い光電エネルギー変換効率を実現するこ
とを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】高い光電エネルギー変換
効率を実現するように有機半導体層の光電変換能力を向
上させるために、本発明では、その有機半導体層は、少
なくとも一方の有機半導体が結晶微粒子となっているよ
うに微細構造を制御する。複数種類の有機半導体からな
る有機半導体層を作製する１つの方法は、それらの有機
半導体を共通の基板に同時に蒸着させる共蒸着法であ
る。その共蒸着法では、蒸着時の基板温度を冷却又は加
熱により制御することによって、得られる有機半導体層
の微細な混合状態を制御できることがわかった。
効率を実現するように有機半導体層の光電変換能力を向
上させるために、本発明では、その有機半導体層は、少
なくとも一方の有機半導体が結晶微粒子となっているよ
うに微細構造を制御する。複数種類の有機半導体からな
る有機半導体層を作製する１つの方法は、それらの有機
半導体を共通の基板に同時に蒸着させる共蒸着法であ
る。その共蒸着法では、蒸着時の基板温度を冷却又は加
熱により制御することによって、得られる有機半導体層
の微細な混合状態を制御できることがわかった。
【０００６】本発明において微細な混合状態の制御され
た有機半導体層は、一の有機半導体の結晶微粒子表面を
他の有機半導体のアモルファス層が均一に覆った微細構
造や、異種の有機半導体の微結晶同士からなる微細構造
をとることがてきる。そのような微細構造の有機半導体
層を太陽電池に組み込んだことにより、高い効率の光電
エネルギー変換を行なうことができるようになる。
た有機半導体層は、一の有機半導体の結晶微粒子表面を
他の有機半導体のアモルファス層が均一に覆った微細構
造や、異種の有機半導体の微結晶同士からなる微細構造
をとることがてきる。そのような微細構造の有機半導体
層を太陽電池に組み込んだことにより、高い効率の光電
エネルギー変換を行なうことができるようになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明で使用する有機半導体層の
１つの態様は、２種類の有機半導体からなり、一方の有
機半導体が結晶微粒子状態となり、他方の有機半導体が
アモルファス状態となって、一方の有機半導体の結晶微
粒子の表面を他方の有機半導体のアモルファス層が均一
に覆った微細構造となっているものである。本発明で使
用する有機半導体層の他の態様は、２種類の有機半導体
からなり、ともに微結晶状態となって混合している微細
構造となっているものである。
１つの態様は、２種類の有機半導体からなり、一方の有
機半導体が結晶微粒子状態となり、他方の有機半導体が
アモルファス状態となって、一方の有機半導体の結晶微
粒子の表面を他方の有機半導体のアモルファス層が均一
に覆った微細構造となっているものである。本発明で使
用する有機半導体層の他の態様は、２種類の有機半導体
からなり、ともに微結晶状態となって混合している微細
構造となっているものである。
【０００８】そのような微細構造の有機半導体層は、異
種有機半導体界面における電子移動効果、又は光生成し
た電子-ホール対の空間的分離促進効果によって、大き
な光電流を生じるのに好都合な構造である。また、その
ような微細構造の有機半導体層はｐｎ接合を形成する有
機半導体異種接合が全体に張り巡らされた構造を持ち全
体が光キャリア生成に活性に働く構造であることが好ま
しい。
種有機半導体界面における電子移動効果、又は光生成し
た電子-ホール対の空間的分離促進効果によって、大き
な光電流を生じるのに好都合な構造である。また、その
ような微細構造の有機半導体層はｐｎ接合を形成する有
機半導体異種接合が全体に張り巡らされた構造を持ち全
体が光キャリア生成に活性に働く構造であることが好ま
しい。
【０００９】本発明において有機半導体層に用いられる
有機半導体として、光電導性有機半導体（光照射によっ
てキャリアを発生出来る有機半導体）を用いるのが好ま
しい。特に、ｐ型性を示す有機半導体（ｐ型有機半導
体）とｎ型性を示す有機半導体（ｎ型有機半導体）の組
み合わせが望ましい。本発明で使用する主な有機半導体
を図２に例示する。
有機半導体として、光電導性有機半導体（光照射によっ
てキャリアを発生出来る有機半導体）を用いるのが好ま
しい。特に、ｐ型性を示す有機半導体（ｐ型有機半導
体）とｎ型性を示す有機半導体（ｎ型有機半導体）の組
み合わせが望ましい。本発明で使用する主な有機半導体
を図２に例示する。
【００１０】ｎ型有機半導体には、ペリレン顔料とその
誘導体（窒素原子に付いている置換基の異なる誘導体は
多種知られており、例えば、ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ，Ｐ
ｈＥｔ−ＰＴＣなどがあり、高い光電変換能を持つＩｍ
−ＰＴＣもある。）、ナフタレン誘導体（ペリレン顔料
のペリレン骨格がナフタレンになっているもので、例え
ばＮＴＣＤＡ）、Ｃ６０等が挙げられる。
誘導体（窒素原子に付いている置換基の異なる誘導体は
多種知られており、例えば、ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ，Ｐ
ｈＥｔ−ＰＴＣなどがあり、高い光電変換能を持つＩｍ
−ＰＴＣもある。）、ナフタレン誘導体（ペリレン顔料
のペリレン骨格がナフタレンになっているもので、例え
ばＮＴＣＤＡ）、Ｃ６０等が挙げられる。
【００１１】ｐ型有機半導体には、フタロシアニン顔料
とその誘導体（中心に種々の金属をもつＭＰｃ、金属を
もたないＨ2Ｐｃや、周りに種々の置換基の付いたも
の）、キナクリドン顔料（ＤＱ）、ポルフィリン、メロ
シアニン等とその誘導体が挙げられる。また、２種類の
有機半導体を混合する場合、一方が光電導性有機半導体
で、他方がＴＰＤのようなキャリア輸送剤という組合わ
せも好ましい。有機半導体層の好ましい一例は、フタロ
シアニン顔料とペリレン顔料との共蒸着薄膜である。
とその誘導体（中心に種々の金属をもつＭＰｃ、金属を
もたないＨ2Ｐｃや、周りに種々の置換基の付いたも
の）、キナクリドン顔料（ＤＱ）、ポルフィリン、メロ
シアニン等とその誘導体が挙げられる。また、２種類の
有機半導体を混合する場合、一方が光電導性有機半導体
で、他方がＴＰＤのようなキャリア輸送剤という組合わ
せも好ましい。有機半導体層の好ましい一例は、フタロ
シアニン顔料とペリレン顔料との共蒸着薄膜である。
【００１２】その有機半導体層を挟み込む金属電極は互
いに仕事関数の異なる金属からなることが好ましい。有
機半導体層を複数層で構成することもできる。その場
合、有機半導体層をｎ型、ｐ型の有機又は無機の半導体
層でサンドイッチ状に挟み込み、金属電極はそれらの半
導体層の外側に配置するとともに、その金属電極の材質
は接している半導体層とオーミック接合をとれる金属か
らなるような構造することが好ましい。
いに仕事関数の異なる金属からなることが好ましい。有
機半導体層を複数層で構成することもできる。その場
合、有機半導体層をｎ型、ｐ型の有機又は無機の半導体
層でサンドイッチ状に挟み込み、金属電極はそれらの半
導体層の外側に配置するとともに、その金属電極の材質
は接している半導体層とオーミック接合をとれる金属か
らなるような構造することが好ましい。
【００１３】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の太陽電池の一実施例を示す概略断面
図であり、有機半導体層を単層で用いた場合のセル構造
を示している。１は有機半導体層であり、メタルフリー
フタロシアニン顔料(Ｈ2Ｐｃ)とペリレン顔料(Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ)からなる混合比率１：１の共蒸着薄膜である。こ
こでは、有機半導体層１の膜厚は１５０ｎｍであるが、
膜厚は変えることができる。有機半導体層１の一方の面
には半透明金蒸着膜（膜厚２０ｎｍ）からなる金属電極
２が形成されており、有機半導体層１の他方の面には金
属電極３として透明電極であるＩＴＯ（indium tin oxi
de）蒸着膜（膜厚は約６０ｎｍ）が形成されている。金
属電極３としてのＩＴＯ蒸着膜は透明ガラス基板（図示
略）上に蒸着により形成されたものである。
る。図１は本発明の太陽電池の一実施例を示す概略断面
図であり、有機半導体層を単層で用いた場合のセル構造
を示している。１は有機半導体層であり、メタルフリー
フタロシアニン顔料(Ｈ2Ｐｃ)とペリレン顔料(Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ)からなる混合比率１：１の共蒸着薄膜である。こ
こでは、有機半導体層１の膜厚は１５０ｎｍであるが、
膜厚は変えることができる。有機半導体層１の一方の面
には半透明金蒸着膜（膜厚２０ｎｍ）からなる金属電極
２が形成されており、有機半導体層１の他方の面には金
属電極３として透明電極であるＩＴＯ（indium tin oxi
de）蒸着膜（膜厚は約６０ｎｍ）が形成されている。金
属電極３としてのＩＴＯ蒸着膜は透明ガラス基板（図示
略）上に蒸着により形成されたものである。
【００１４】このような構造の有機半導体薄膜太陽電池
は、透明ガラス基板上に金属電極３としてＩＴＯ蒸着膜
を形成し、その上にメタルフリーフタロシアニン顔料と
ペリレン顔料とを基板温度を所定の温度に制御しながら
同時に蒸着して形成し、さらにその上に金属電極２とし
て金蒸着膜を形成することにより作製することができ
る。
は、透明ガラス基板上に金属電極３としてＩＴＯ蒸着膜
を形成し、その上にメタルフリーフタロシアニン顔料と
ペリレン顔料とを基板温度を所定の温度に制御しながら
同時に蒸着して形成し、さらにその上に金属電極２とし
て金蒸着膜を形成することにより作製することができ
る。
【００１５】この実施例の太陽電池の性能を評価するた
めに、自然の太陽光に代えて擬似太陽光（１００ｍＷ／
ｃｍ2，ＡＭ１.５）を照射する。太陽光はＩＴＯ透明電
極３側から照射する。反対側の電極２としてこの実施例
の金のように反射率の高い金属を用いれば、有機半導体
層１を通り抜けた光がその電極２で反射して有機半導体
層１側に戻るので、出力を大きくする上で有利である。
なお、擬似太陽光は白色光であるが、セル特性評価には
光電流の波長依存性も測定するので、電極２側又は電極
３側から単色光による照射も行なう。
めに、自然の太陽光に代えて擬似太陽光（１００ｍＷ／
ｃｍ2，ＡＭ１.５）を照射する。太陽光はＩＴＯ透明電
極３側から照射する。反対側の電極２としてこの実施例
の金のように反射率の高い金属を用いれば、有機半導体
層１を通り抜けた光がその電極２で反射して有機半導体
層１側に戻るので、出力を大きくする上で有利である。
なお、擬似太陽光は白色光であるが、セル特性評価には
光電流の波長依存性も測定するので、電極２側又は電極
３側から単色光による照射も行なう。
【００１６】図３はＩＴＯ電極３側から擬似太陽光を照
射したときの光電流−電圧（Ｊ−Ｖ）特性である。この
図の第１象限が太陽光照射によって発生した光電流と電
圧を表している。Ｖ＝０Ｖのときの光電流を短絡光電流
Ｊｓｃ、Ｊ＝０ｍＡ／ｃｍ2のときの電圧を開放端電圧
Ｖｏｃという。図中に示した共蒸着膜堆積時の基板温度
が低くなるほど光電流量が大きくなっていくことが分か
る。
射したときの光電流−電圧（Ｊ−Ｖ）特性である。この
図の第１象限が太陽光照射によって発生した光電流と電
圧を表している。Ｖ＝０Ｖのときの光電流を短絡光電流
Ｊｓｃ、Ｊ＝０ｍＡ／ｃｍ2のときの電圧を開放端電圧
Ｖｏｃという。図中に示した共蒸着膜堆積時の基板温度
が低くなるほど光電流量が大きくなっていくことが分か
る。
【００１７】図４に短絡光電流Ｊｓｃの共蒸着膜堆積時
基板温度依存性を示す。基板温度−１６７℃で作製した
場合、室温作製に比べて約１５倍にあたる０.４６ｍＡ
／ｃｍ2に達した。
基板温度依存性を示す。基板温度−１６７℃で作製した
場合、室温作製に比べて約１５倍にあたる０.４６ｍＡ
／ｃｍ2に達した。
【００１８】図５にＪｓｃの光電流量子収率の照射光波
長依存性を示す。量子収率は共蒸着膜に吸収されたフォ
トンの数に対するセルを流れた短絡光電流の電子の数を
表している。光電流量子収率は１.０（すなわち１００
％）が最大の効率となる。量子収率は、基板温度−１６
７℃で作製した場合、最大値を示した波長（６００ｎ
ｍ）で１５％が得られた。一方、室温作製では約１％に
過ぎない。共蒸着単独膜の太陽電池としては、量子収率
１５％は非常に大きな値である。
長依存性を示す。量子収率は共蒸着膜に吸収されたフォ
トンの数に対するセルを流れた短絡光電流の電子の数を
表している。光電流量子収率は１.０（すなわち１００
％）が最大の効率となる。量子収率は、基板温度−１６
７℃で作製した場合、最大値を示した波長（６００ｎ
ｍ）で１５％が得られた。一方、室温作製では約１％に
過ぎない。共蒸着単独膜の太陽電池としては、量子収率
１５％は非常に大きな値である。
【００１９】１０倍以上の光電流の増大は共蒸着薄膜の
微細構造に密接な関係がある。図６に基板冷却下で作製
した共蒸着薄膜の極微細構造の模式図を示す。１０−２
０ｎｍ程度の大きさのＭｅ−ＰＴＣ微結晶がアモルファ
ス状のＨ2Ｐｃ分子によって均一に覆われている構造と
考えられる。大きな光電流が得られた理由は、Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ微結晶の表面をアモルファス状のＨ2Ｐｃが覆うこ
とで接触面積の大きな界面が形成され、高効率の光キャ
リア生成が起こり、かつ、光生成した電子とホールを別
々に取り出せるルートが形成されたためと考えられる。
微細構造に密接な関係がある。図６に基板冷却下で作製
した共蒸着薄膜の極微細構造の模式図を示す。１０−２
０ｎｍ程度の大きさのＭｅ−ＰＴＣ微結晶がアモルファ
ス状のＨ2Ｐｃ分子によって均一に覆われている構造と
考えられる。大きな光電流が得られた理由は、Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ微結晶の表面をアモルファス状のＨ2Ｐｃが覆うこ
とで接触面積の大きな界面が形成され、高効率の光キャ
リア生成が起こり、かつ、光生成した電子とホールを別
々に取り出せるルートが形成されたためと考えられる。
【００２０】図７に基板温度を制御した共蒸着薄膜で作
ることができる微細構造を概略的に示す。まず、室温で
作製した共蒸着薄膜は、図７（ａ）に示すように、２つ
の顔料分子が分子レベルで微細に混合したアモルファス
構造であると考えられる。分子レベル混合の場合、Ｈ2
ＰｃとＭｅ−ＰＴＣ分子間の接触は図７の３つの構造の
中で最も多く、異種分子間の電子移動効果（後述）によ
って光キャリア生成効率は１００％近いと考えられる
が、生成した電子とホールを別々に空間的に分離して取
り出せるルートが無く、せっかく生成した電子とホール
が電極にたどり着くまでに容易に出会い、再結合によっ
て消滅してしまう確率が非常に高い。そのために、室温
で作製した共蒸着膜の光電流量子収率は１％の低い値で
あったと考えられる。
ることができる微細構造を概略的に示す。まず、室温で
作製した共蒸着薄膜は、図７（ａ）に示すように、２つ
の顔料分子が分子レベルで微細に混合したアモルファス
構造であると考えられる。分子レベル混合の場合、Ｈ2
ＰｃとＭｅ−ＰＴＣ分子間の接触は図７の３つの構造の
中で最も多く、異種分子間の電子移動効果（後述）によ
って光キャリア生成効率は１００％近いと考えられる
が、生成した電子とホールを別々に空間的に分離して取
り出せるルートが無く、せっかく生成した電子とホール
が電極にたどり着くまでに容易に出会い、再結合によっ
て消滅してしまう確率が非常に高い。そのために、室温
で作製した共蒸着膜の光電流量子収率は１％の低い値で
あったと考えられる。
【００２１】冷却下（−１６７℃）で作製した共蒸着膜
は、図７（ｂ）に示すように、結晶微粒子とアモルファ
ス層との混合状態になっている。この場合、先に述べた
ように、異種分子間の接触の多さと、電子とホールの空
間分離取り出しとが両立している。高温（５０℃以上）
で作製した共蒸着膜は、図７（ｃ）に示すように、結晶
微粒子同士の混合となっている。この場合は、異種分子
の接触は３つの構造の中で最も少ないが、電子とホール
との空間分離取り出しには有利と考えられる。以上のこ
とから、図７（ｂ）の微細構造が最も効率が高いと推定
される。図４で、短絡光電流が基板温度５０℃で増大の
兆候があるのは、図７（ｃ）の微細構造の場合も良い効
率が得られる可能性を示している。
は、図７（ｂ）に示すように、結晶微粒子とアモルファ
ス層との混合状態になっている。この場合、先に述べた
ように、異種分子間の接触の多さと、電子とホールの空
間分離取り出しとが両立している。高温（５０℃以上）
で作製した共蒸着膜は、図７（ｃ）に示すように、結晶
微粒子同士の混合となっている。この場合は、異種分子
の接触は３つの構造の中で最も少ないが、電子とホール
との空間分離取り出しには有利と考えられる。以上のこ
とから、図７（ｂ）の微細構造が最も効率が高いと推定
される。図４で、短絡光電流が基板温度５０℃で増大の
兆候があるのは、図７（ｃ）の微細構造の場合も良い効
率が得られる可能性を示している。
【００２２】共蒸着膜を用いた太陽電池においては、Ｈ
2ＰｃとＭｅ−ＰＴＣの組み合わせに限らず、結晶性又
はアモルファス性の強い分子を組み合わせて図７の構造
を自由に作製し、光電変換能力の最大化を図っていくこ
とが可能である。また、共蒸着比率１：１が最も高い効
率を与えるというものでなく、各構造に応じた比率の最
適化も必要である。
2ＰｃとＭｅ−ＰＴＣの組み合わせに限らず、結晶性又
はアモルファス性の強い分子を組み合わせて図７の構造
を自由に作製し、光電変換能力の最大化を図っていくこ
とが可能である。また、共蒸着比率１：１が最も高い効
率を与えるというものでなく、各構造に応じた比率の最
適化も必要である。
【００２３】有機半導体層が高い光電変換能力を示す原
理について、これまでの議論と重複するところもある
が、以下にまとめる。第１に、以下に述べる異種分子間
（有機／有機界面）の電子移動によって光キャリア生成
効率が向上する効果があげられる。図８は光キャリア生
成が効率よく起こる２つの有機半導体分子の組合わせの
エネルギー関係を示した図である。７，８は有機半導体
分子ＡのＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）とＬＵＭＯ（最
低非占有分子軌道）準位、９と１０は有機半導体分子Ｂ
のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）とＬＵＭＯ（最低非占
有分子軌道）準位とする。１１は有機半導体分子Ａの光
励起、１２は有機半導体分子Ｂから有機半導体分子Ａへ
の電子移動、１３は電子のエネルギーを示す。また、黒
丸は電子、白丸は電子が励起された後に残された空孔
（ホール）である。
理について、これまでの議論と重複するところもある
が、以下にまとめる。第１に、以下に述べる異種分子間
（有機／有機界面）の電子移動によって光キャリア生成
効率が向上する効果があげられる。図８は光キャリア生
成が効率よく起こる２つの有機半導体分子の組合わせの
エネルギー関係を示した図である。７，８は有機半導体
分子ＡのＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）とＬＵＭＯ（最
低非占有分子軌道）準位、９と１０は有機半導体分子Ｂ
のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）とＬＵＭＯ（最低非占
有分子軌道）準位とする。１１は有機半導体分子Ａの光
励起、１２は有機半導体分子Ｂから有機半導体分子Ａへ
の電子移動、１３は電子のエネルギーを示す。また、黒
丸は電子、白丸は電子が励起された後に残された空孔
（ホール）である。
【００２４】単一の有機半導体分子のみの場合、励起状
態は励起された分子内に局在化し、励起電子とホールは
強いクーロン引力で束縛されたフレンケル型の励起子を
形成しているため、通常はほとんどの励起状態が失活し
て、光電流となる自由な電子とホールが生成する効率は
非常に低い。それに対して、２種の有機半導体分子が組
み合わされ、エネルギー関係が図８に示した関係になっ
ている場合、有機半導体分子Ａを光励起した時は有機半
導体分子Ｂから電子移動１２が起こるため、有機半導体
分子Ａの励起状態にある電子はもはや失活できなくな
る。その結果、有機半導体分子Ａに電子が、有機半導体
分子Ｂに空孔（ホール）ができて（電荷移動（ＣＴ）型
励起子）、電子とホールが分離されるため、自由な電子
とホールの生成効率が大きく向上する。図には示してい
ないが、有機半導体分子Ｂが励起された場合はＬＵＭＯ
準位１０に励起された電子が有機半導体分子ＡのＬＵＭ
Ｏ準位８に電子移動するため、同様に有機半導体分子Ａ
に電子が、有機半導体分子Ｂにホールが分離される。
態は励起された分子内に局在化し、励起電子とホールは
強いクーロン引力で束縛されたフレンケル型の励起子を
形成しているため、通常はほとんどの励起状態が失活し
て、光電流となる自由な電子とホールが生成する効率は
非常に低い。それに対して、２種の有機半導体分子が組
み合わされ、エネルギー関係が図８に示した関係になっ
ている場合、有機半導体分子Ａを光励起した時は有機半
導体分子Ｂから電子移動１２が起こるため、有機半導体
分子Ａの励起状態にある電子はもはや失活できなくな
る。その結果、有機半導体分子Ａに電子が、有機半導体
分子Ｂに空孔（ホール）ができて（電荷移動（ＣＴ）型
励起子）、電子とホールが分離されるため、自由な電子
とホールの生成効率が大きく向上する。図には示してい
ないが、有機半導体分子Ｂが励起された場合はＬＵＭＯ
準位１０に励起された電子が有機半導体分子ＡのＬＵＭ
Ｏ準位８に電子移動するため、同様に有機半導体分子Ａ
に電子が、有機半導体分子Ｂにホールが分離される。
【００２５】なお、実施例のＭｅ−ＰＴＣ（有機半導体
分子Ａ）とＨ2Ｐｃ（有機半導体分子Ｂ）との組合わせ
の場合は、Ｍｅ−ＰＴＣのＨＯＭＯ準位はＨ2ＰｃのＨ
ＯＭＯ準位よりも低いが、Ｍｅ−ＰＴＣのＬＵＭＯ準位
がＨ2ＰｃのＬＵＭＯ準位よりも少し高いエネルギー位
置にあるため、Ｍｅ−ＰＴＣ励起では電子移動効果が起
こるが、Ｈ2Ｐｃ励起では電子移動があまり起こらない
可能性がある。図５の４００−６００ｎｍのＭｅ−ＰＴ
Ｃの吸収域では光電流量子収率が大きいのに、６００ｎ
ｍより長波長のＨ2Ｐｃのみの吸収領域で量子収率があ
まり大きくないのはこの原因による可能性がある。
分子Ａ）とＨ2Ｐｃ（有機半導体分子Ｂ）との組合わせ
の場合は、Ｍｅ−ＰＴＣのＨＯＭＯ準位はＨ2ＰｃのＨ
ＯＭＯ準位よりも低いが、Ｍｅ−ＰＴＣのＬＵＭＯ準位
がＨ2ＰｃのＬＵＭＯ準位よりも少し高いエネルギー位
置にあるため、Ｍｅ−ＰＴＣ励起では電子移動効果が起
こるが、Ｈ2Ｐｃ励起では電子移動があまり起こらない
可能性がある。図５の４００−６００ｎｍのＭｅ−ＰＴ
Ｃの吸収域では光電流量子収率が大きいのに、６００ｎ
ｍより長波長のＨ2Ｐｃのみの吸収領域で量子収率があ
まり大きくないのはこの原因による可能性がある。
【００２６】以上説明したように、電子移動による光キ
ャリア生成の増感効果が起こるためには、有機半導体分
子ＡのＨＯＭＯ準位が有機半導体分子ＢのＨＯＭＯ準位
よりも低いエネルギー位置にあること、及び、有機半導
体分子ＡのＬＵＭＯ準位が有機半導体分子ＢのＬＵＭＯ
準位よりも低いエネルギー位置にあることが必要で、異
種の有機半導体分子を組み合わせて共蒸着化するに当た
って、高い光キャリア生成効率を得るにはこのエネルギ
ー的関係を満たした有機半導体分子種の組合わせを選ぶ
ことが望ましい。
ャリア生成の増感効果が起こるためには、有機半導体分
子ＡのＨＯＭＯ準位が有機半導体分子ＢのＨＯＭＯ準位
よりも低いエネルギー位置にあること、及び、有機半導
体分子ＡのＬＵＭＯ準位が有機半導体分子ＢのＬＵＭＯ
準位よりも低いエネルギー位置にあることが必要で、異
種の有機半導体分子を組み合わせて共蒸着化するに当た
って、高い光キャリア生成効率を得るにはこのエネルギ
ー的関係を満たした有機半導体分子種の組合わせを選ぶ
ことが望ましい。
【００２７】以上は分子レベルの議論であったが、ここ
でエネルギー構造について有機半導体分子の集合体であ
る半導体とみなした立場からの議論を行なう。有機半導
体分子Ａ（Ｍｅ−ＰＴＣ）と有機半導体分子Ｂ（Ｈ2Ｐ
ｃ）が微結晶化又はアモルファス化して分子集団として
存在する時（図７（ｂ）又は（ｃ））、Ｍｅ−ＰＴＣは
ｎ型半導体、Ｈ2Ｐｃはｐ型半導体の挙動を示すため、
両者の界面にｐｎ接合が形成されると捉えることができ
る。
でエネルギー構造について有機半導体分子の集合体であ
る半導体とみなした立場からの議論を行なう。有機半導
体分子Ａ（Ｍｅ−ＰＴＣ）と有機半導体分子Ｂ（Ｈ2Ｐ
ｃ）が微結晶化又はアモルファス化して分子集団として
存在する時（図７（ｂ）又は（ｃ））、Ｍｅ−ＰＴＣは
ｎ型半導体、Ｈ2Ｐｃはｐ型半導体の挙動を示すため、
両者の界面にｐｎ接合が形成されると捉えることができ
る。
【００２８】図９はｐ型有機半導体とｎ型有機半導体
が、分子レベル（図７（ａ））でなく、ある程度の大き
さを持つ集団として微細に混合した複合構造をもつ有機
半導体層（図７（ｂ），（ｃ））のエネルギー構造を模
式的に表わした図である。１４はｐ型有機半導体、１５
はｎ型有機半導体、１６は太陽光、１７は異種有機ｐｎ
接合界面で光生成した電子−ホール対、１８はｐ型有機
半導体中を輸送される光生成ホール、１９はｎ型無機半
導体中を輸送される光生成電子、２０は伝導帯（分子と
してみればＬＵＭＯ準位）、２１は価電子帯（分子とし
てみればＨＯＭＯ準位）、２２は電子のエネルギーであ
る。図７（ｂ），（ｃ）の有機半導体層は、ｎ型有機半
導体とｐ型有機半導体がお互いに入り組んだ微細構造を
持ち、両者の界面に形成されるｐｎ接合が共蒸着薄膜全
体に張り巡らされたエネルギー構造を持つ。照射された
太陽光は有機半導体６又は有機半導体７で吸収され、接
合界面で電子−ホール対１７を光生成する。光生成電子
１９はｎ型無機半導体１５側に、光生成ホール１８はｐ
型有機半導体１４側に分離されて別々に輸送される。な
お、図７（ａ）に示される構造は新物質であり、ｐ型で
もｎ型でもないｉ（intrinsic）層ととらえることがで
きる。
が、分子レベル（図７（ａ））でなく、ある程度の大き
さを持つ集団として微細に混合した複合構造をもつ有機
半導体層（図７（ｂ），（ｃ））のエネルギー構造を模
式的に表わした図である。１４はｐ型有機半導体、１５
はｎ型有機半導体、１６は太陽光、１７は異種有機ｐｎ
接合界面で光生成した電子−ホール対、１８はｐ型有機
半導体中を輸送される光生成ホール、１９はｎ型無機半
導体中を輸送される光生成電子、２０は伝導帯（分子と
してみればＬＵＭＯ準位）、２１は価電子帯（分子とし
てみればＨＯＭＯ準位）、２２は電子のエネルギーであ
る。図７（ｂ），（ｃ）の有機半導体層は、ｎ型有機半
導体とｐ型有機半導体がお互いに入り組んだ微細構造を
持ち、両者の界面に形成されるｐｎ接合が共蒸着薄膜全
体に張り巡らされたエネルギー構造を持つ。照射された
太陽光は有機半導体６又は有機半導体７で吸収され、接
合界面で電子−ホール対１７を光生成する。光生成電子
１９はｎ型無機半導体１５側に、光生成ホール１８はｐ
型有機半導体１４側に分離されて別々に輸送される。な
お、図７（ａ）に示される構造は新物質であり、ｐ型で
もｎ型でもないｉ（intrinsic）層ととらえることがで
きる。
【００２９】第２に共蒸着薄膜全体が光キャリア生成に
活性に働くことがあげられる。すなわち、金属又は無機
半導体と有機半導体の間の単純な接合を持つ従来の有機
太陽電池では、接合のごく近傍の活性層でしか有機半導
体の光キャリア生成が起こらず、接合から遠く離れた有
機半導体層は光吸収してもキャリアを生成しないために
deadlayerとなり、結果として薄膜全体としての光キャ
リア生成効率は非常に低い値となっていた。しかし、本
発明の有機半導体層においては、異種分子接合（ｐｎ接
合）が膜全体に張り巡らされた構造のため、deadlayer
がなく、膜全体が光キャリア生成に対して活性に働き、
膜で吸収された光すべてがキャリア生成に寄与するた
め、大きな光電流が得られる効果がある。
活性に働くことがあげられる。すなわち、金属又は無機
半導体と有機半導体の間の単純な接合を持つ従来の有機
太陽電池では、接合のごく近傍の活性層でしか有機半導
体の光キャリア生成が起こらず、接合から遠く離れた有
機半導体層は光吸収してもキャリアを生成しないために
deadlayerとなり、結果として薄膜全体としての光キャ
リア生成効率は非常に低い値となっていた。しかし、本
発明の有機半導体層においては、異種分子接合（ｐｎ接
合）が膜全体に張り巡らされた構造のため、deadlayer
がなく、膜全体が光キャリア生成に対して活性に働き、
膜で吸収された光すべてがキャリア生成に寄与するた
め、大きな光電流が得られる効果がある。
【００３０】図１０に、基板温度−１６７℃で作製した
有機共蒸着膜を用いた太陽電池セルについて、Ａｕ電極
側およびＩＴＯ電極側から照射した場合のＪｓｃの波長
依存性を、同一セルに用いた共蒸着膜の吸収スペクトル
とあわせて示す。光電流の山と谷は吸収の山と谷とほぼ
一致しており、ＩＴＯ電極とＡｕ電極のどちら側から光
照射しても、光電流波長依存性の形は変わらない。これ
は上に述べたように、deadlayerがなく共蒸着膜全体が
光キャリア生成に対して活性に働いていることを実際に
確認できた結果である。Ａｕ電極との接合界面近傍のみ
キャリア生成を起こしている場合は、Ａｕ側照射時は吸
収と光電流のスペクトルの形は一致するが、ＩＴＯ側照
射時はマスキング効果（ＩＴＯ近傍で吸収された光は光
電流を発生しないため、吸収の強いところで光電流が小
さく、吸収の弱いところでＡｕ界面近くまで光が侵入す
るため光電流が大きい）のために、吸収スペクトルの山
が光電流のスペクトルの谷となる、吸収強度と光電流量
がひっくり返った関係になるはずである。ＩＴＯ電極と
の界面近傍のみキャリア生成を起こす場合は上に述べた
のと逆になるはずである。なお、Ａｕ側照射の光電流が
ＩＴＯ側照射の場合の約１／５であるのは、Ａｕ電極の
透過率が約２０％であるためである。
有機共蒸着膜を用いた太陽電池セルについて、Ａｕ電極
側およびＩＴＯ電極側から照射した場合のＪｓｃの波長
依存性を、同一セルに用いた共蒸着膜の吸収スペクトル
とあわせて示す。光電流の山と谷は吸収の山と谷とほぼ
一致しており、ＩＴＯ電極とＡｕ電極のどちら側から光
照射しても、光電流波長依存性の形は変わらない。これ
は上に述べたように、deadlayerがなく共蒸着膜全体が
光キャリア生成に対して活性に働いていることを実際に
確認できた結果である。Ａｕ電極との接合界面近傍のみ
キャリア生成を起こしている場合は、Ａｕ側照射時は吸
収と光電流のスペクトルの形は一致するが、ＩＴＯ側照
射時はマスキング効果（ＩＴＯ近傍で吸収された光は光
電流を発生しないため、吸収の強いところで光電流が小
さく、吸収の弱いところでＡｕ界面近くまで光が侵入す
るため光電流が大きい）のために、吸収スペクトルの山
が光電流のスペクトルの谷となる、吸収強度と光電流量
がひっくり返った関係になるはずである。ＩＴＯ電極と
の界面近傍のみキャリア生成を起こす場合は上に述べた
のと逆になるはずである。なお、Ａｕ側照射の光電流が
ＩＴＯ側照射の場合の約１／５であるのは、Ａｕ電極の
透過率が約２０％であるためである。
【００３１】第３に、生成したフリーな電子とホールが
空間的に分離されて輸送されるために、両者の再結合が
抑制され、薄膜全体としての最終的な光キャリア生成効
率、すなわち光電流量を高める効果があげられる。この
効果は、先に議論したように図７（ａ）の構造では不利
であり、図７（ｂ），（ｃ）の微細構造で顕著に現れ
る。これは、基板温度室温での作製に比べて基板温度低
温での作製の共蒸着膜の光電流量が１０倍以上になった
主たる原因であると考えられる。
空間的に分離されて輸送されるために、両者の再結合が
抑制され、薄膜全体としての最終的な光キャリア生成効
率、すなわち光電流量を高める効果があげられる。この
効果は、先に議論したように図７（ａ）の構造では不利
であり、図７（ｂ），（ｃ）の微細構造で顕著に現れ
る。これは、基板温度室温での作製に比べて基板温度低
温での作製の共蒸着膜の光電流量が１０倍以上になった
主たる原因であると考えられる。
【００３２】次に内蔵電界に関する議論を行なう。有機
共蒸着膜を太陽電池として用いるためには、電池のなか
に組み込まれた内蔵電界によって光電流を得ることが必
要である。実施例のセルは、Ａｕがプラスの光起電力を
示し（図３参照）、開放端電圧（Ｖｏｃ）の値はＡｕと
ＩＴＯと仕事関数の差０.２Ｖ（注：大気中の仕事関数
の実測値は、Ａｕが４.９ｅＶ、ＩＴＯが４.７ｅＶ。）
に近く、内蔵電界は電極金属の接触電位差に由来するも
のと考えられる。また、ＩＴＯ電極、Ａｕ電極どちら側
から光照射しても光キャリア生成が同等に起こるのは
（図１０の結果参照）、図１１（ａ）に示したように共
蒸着薄膜内にほぼ均一に内蔵電界がかかっていることを
意味していると考えられる。実施例の内蔵電界は０.２
Ｖという小さな値であり、これはかなり大きくすること
ができる。このような小さな内蔵電界にもかかわらず、
１５％近い短絡光電流量子収率が得られたということ
は、内蔵電界増大による光電流量増大の大きな余地があ
る。図３の光電流−電圧特性は以上の意味において全く
最適化されていない初歩的結果にすぎない。
共蒸着膜を太陽電池として用いるためには、電池のなか
に組み込まれた内蔵電界によって光電流を得ることが必
要である。実施例のセルは、Ａｕがプラスの光起電力を
示し（図３参照）、開放端電圧（Ｖｏｃ）の値はＡｕと
ＩＴＯと仕事関数の差０.２Ｖ（注：大気中の仕事関数
の実測値は、Ａｕが４.９ｅＶ、ＩＴＯが４.７ｅＶ。）
に近く、内蔵電界は電極金属の接触電位差に由来するも
のと考えられる。また、ＩＴＯ電極、Ａｕ電極どちら側
から光照射しても光キャリア生成が同等に起こるのは
（図１０の結果参照）、図１１（ａ）に示したように共
蒸着薄膜内にほぼ均一に内蔵電界がかかっていることを
意味していると考えられる。実施例の内蔵電界は０.２
Ｖという小さな値であり、これはかなり大きくすること
ができる。このような小さな内蔵電界にもかかわらず、
１５％近い短絡光電流量子収率が得られたということ
は、内蔵電界増大による光電流量増大の大きな余地があ
る。図３の光電流−電圧特性は以上の意味において全く
最適化されていない初歩的結果にすぎない。
【００３３】内蔵電界を大きくするには、仕事関数（フ
ェルミレベル）の差の大きな材料で有機共蒸着膜をはさ
むことが必要である（図１１（ｂ））。第１の方法は、
電極に用いる金属の組合わせとして仕事関数差の大きな
ものを選択することである。具体的には、図１のセル構
造で、金属電極２として仕事関数の大きな（小さな）金
属、金属電極３として仕事関数の小さな（大きな）金属
を用いることである。ただし、片方の金属は太陽光を吸
収しないＩＴＯのような透明電極であることが望まし
い。
ェルミレベル）の差の大きな材料で有機共蒸着膜をはさ
むことが必要である（図１１（ｂ））。第１の方法は、
電極に用いる金属の組合わせとして仕事関数差の大きな
ものを選択することである。具体的には、図１のセル構
造で、金属電極２として仕事関数の大きな（小さな）金
属、金属電極３として仕事関数の小さな（大きな）金属
を用いることである。ただし、片方の金属は太陽光を吸
収しないＩＴＯのような透明電極であることが望まし
い。
【００３４】第２の方法はフェルミレベルの異なるｐ型
とｎ型の半導体で有機共蒸着膜をはさんだ図１２のよう
な構造とすることである。２３は有機半導体層、２４が
ｎ型半導体、２５がｐ型半導体、２６が透明電極、２７
が金属電極、２８が太陽光である。例えば、ｎ型、ｐ型
半導体としてＭｅ−ＰＴＣとＨ2Ｐｃの単独層を用いる
ことが考えられるが、一般的には、ｎ型層２４とｐ型層
２５として、ｎ型、ｐ型有機半導体、ｎ型、ｐ型無機半
導体、金属の中から自由に選んで組み合わせて用いれば
よい。電極２６の金属はｎ型層２４とオーミック接合と
形成するものが望ましい。電極２７の金属はｐ型層２５
とオーミック接合を形成するものが望ましい。電極２６
側から太陽光を照射する場合は、電極２６は透明電極で
あることが望ましく、また、ｎ型層２４の層も可視域に
吸収を持たず光キャリア生成効率の良い共蒸着層２３に
なるべく多くのフォトンが吸収されるようにすることが
望ましい。
とｎ型の半導体で有機共蒸着膜をはさんだ図１２のよう
な構造とすることである。２３は有機半導体層、２４が
ｎ型半導体、２５がｐ型半導体、２６が透明電極、２７
が金属電極、２８が太陽光である。例えば、ｎ型、ｐ型
半導体としてＭｅ−ＰＴＣとＨ2Ｐｃの単独層を用いる
ことが考えられるが、一般的には、ｎ型層２４とｐ型層
２５として、ｎ型、ｐ型有機半導体、ｎ型、ｐ型無機半
導体、金属の中から自由に選んで組み合わせて用いれば
よい。電極２６の金属はｎ型層２４とオーミック接合と
形成するものが望ましい。電極２７の金属はｐ型層２５
とオーミック接合を形成するものが望ましい。電極２６
側から太陽光を照射する場合は、電極２６は透明電極で
あることが望ましく、また、ｎ型層２４の層も可視域に
吸収を持たず光キャリア生成効率の良い共蒸着層２３に
なるべく多くのフォトンが吸収されるようにすることが
望ましい。
【００３５】共蒸着の膜厚は入射太陽光のほとんどを吸
収でき、かつ、光キャリア生成量子収率の低下しない膜
厚に最適化する必要がある。膜厚を大きくすると、光を
すべて吸収できるようになり光の利用効率（吸収率）は
向上するが、内蔵電界強度は減少するため光キャリア生
成効率が減少する可能性が高く、トレードオフの関係が
あるため最適化は必要である。
収でき、かつ、光キャリア生成量子収率の低下しない膜
厚に最適化する必要がある。膜厚を大きくすると、光を
すべて吸収できるようになり光の利用効率（吸収率）は
向上するが、内蔵電界強度は減少するため光キャリア生
成効率が減少する可能性が高く、トレードオフの関係が
あるため最適化は必要である。
【００３６】共蒸着膜は太陽光スペクトルの全域に吸収
を持つようにできるのが望ましい。すなわち有機半導体
の組合わせとして、同一の波長領域に吸収を持つものは
望ましくなく、相補う波長域に吸収をもち可視域全体を
網羅できる組合わせが好ましい。実施例の共蒸着薄膜で
は、Ｍｅ−ＰＴＣが４００−６００ｎｍ、Ｈ2Ｐｃが４
００ｎｍより短波長と５５０ｎｍより長波長に吸収を持
ち、吸収は可視域全体に及んでおり（図１０下図参
照）、かなり良好な組合わせである。なお、３つ以上の
有機材料の組み合わせでスペクトル全域を網羅すること
も考えられる。
を持つようにできるのが望ましい。すなわち有機半導体
の組合わせとして、同一の波長領域に吸収を持つものは
望ましくなく、相補う波長域に吸収をもち可視域全体を
網羅できる組合わせが好ましい。実施例の共蒸着薄膜で
は、Ｍｅ−ＰＴＣが４００−６００ｎｍ、Ｈ2Ｐｃが４
００ｎｍより短波長と５５０ｎｍより長波長に吸収を持
ち、吸収は可視域全体に及んでおり（図１０下図参
照）、かなり良好な組合わせである。なお、３つ以上の
有機材料の組み合わせでスペクトル全域を網羅すること
も考えられる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、有機半
導体結晶微粒子相と有機半導体アモルファス相との有機
半導体層、又は有機半導体微結晶同士の混合状態からな
る有機半導体層を太陽電池に組み込んだので、高い効率
の光電エネルギー変換を行なうことができる。
導体結晶微粒子相と有機半導体アモルファス相との有機
半導体層、又は有機半導体微結晶同士の混合状態からな
る有機半導体層を太陽電池に組み込んだので、高い効率
の光電エネルギー変換を行なうことができる。
【図１】有機半導体層を単独で用いた本発明の第１の実
施例のセル構造を示す概略断面図である。
施例のセル構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明で使用する主な有機半導体を示す化学構
造式である。
造式である。
【図３】同実施例における光電流−電圧（Ｊ−Ｖ）特性
である。
である。
【図４】同実施例における短絡光電流Ｊｓｃの基板温度
依存性である。
依存性である。
【図５】同実施例における短絡光電流の光電流量子収率
の照射光波長依存性を示す図である。
の照射光波長依存性を示す図である。
【図６】基板冷却下で作製した共蒸着薄膜の極微細構造
を示す模式図である。
を示す模式図である。
【図７】異種顔料共蒸着薄膜の極微細構造を模式的に描
いた図であり、（ａ）は分子レベルの混合、（ｂ）は結
晶微粒子相とアモルファス相との混合、（ｃ）は結晶微
粒子同士の混合である。
いた図であり、（ａ）は分子レベルの混合、（ｂ）は結
晶微粒子相とアモルファス相との混合、（ｃ）は結晶微
粒子同士の混合である。
【図８】高い光キャリア生成を示す２つの有機半導体分
子のエネルギー関係を示した図である。
子のエネルギー関係を示した図である。
【図９】ｐ型とｎ型有機半導体が微細に混合した有機半
導体層（図７（ｂ），（ｃ））のエネルギー構造を模式
的に表した図である。
導体層（図７（ｂ），（ｃ））のエネルギー構造を模式
的に表した図である。
【図１０】基板温度−１６７℃で作製した有機半導体層
を用いたセルの短絡光電流の波長依存性と共蒸着膜の吸
収スペクトルを示す図である。
を用いたセルの短絡光電流の波長依存性と共蒸着膜の吸
収スペクトルを示す図である。
【図１１】共蒸着薄膜内の内蔵電界分布を示す図であ
る。
る。
【図１２】フェルミレベルの異なるｐ型とｎ型の半導体
で有機共蒸着膜をはさんだ３層構造セルの構造を示す概
略断面図である。
で有機共蒸着膜をはさんだ３層構造セルの構造を示す概
略断面図である。
１，２３ 有機半導体層 ２，３，２６，２７ 金属電極 ４，１６，２８ 太陽光 ７ 有機半導体分子ＡのＨＯＭＯ（最高占有分子軌
道）準位 ８ 有機半導体分子ＡのＬＵＭＯ（最低非占有分子
軌道）準位 ９ 有機半導体分子ＢのＨＯＭＯ（最高占有分子軌
道）準位 １０ 有機半導体分子ＢのＬＵＭＯ（最低非占有分
子軌道）準位 １１ 有機半導体分子Ａの光励起 １２ 有機半導体分子Ｂから有機半導体分子Ａへの
電子移動 １３，２３ 電子のエネルギー １４ ｐ型有機半導体 １５ ｎ型有機半導体 １７ 異種有機ｐｎ接合界面で光生成した電子−ホ
ール対 １８ ｐ型有機半導体中を輸送される光生成ホール １９ ｎ型無機半導体中を輸送される光生成電子 ２０ 伝導帯 ２１ 価電子帯 ２４ ｎ型半導体 ２５ ｐ型半導体
道）準位 ８ 有機半導体分子ＡのＬＵＭＯ（最低非占有分子
軌道）準位 ９ 有機半導体分子ＢのＨＯＭＯ（最高占有分子軌
道）準位 １０ 有機半導体分子ＢのＬＵＭＯ（最低非占有分
子軌道）準位 １１ 有機半導体分子Ａの光励起 １２ 有機半導体分子Ｂから有機半導体分子Ａへの
電子移動 １３，２３ 電子のエネルギー １４ ｐ型有機半導体 １５ ｎ型有機半導体 １７ 異種有機ｐｎ接合界面で光生成した電子−ホ
ール対 １８ ｐ型有機半導体中を輸送される光生成ホール １９ ｎ型無機半導体中を輸送される光生成電子 ２０ 伝導帯 ２１ 価電子帯 ２４ ｎ型半導体 ２５ ｐ型半導体
Claims (10)
- 【請求項１】 複数種類の有機半導体からなる有機半導
体層を金属電極で挟み込んだ有機半導体薄膜太陽電池に
おいて、 前記有機半導体層は、少なくとも一方の有機半導体が結
晶微粒子となっていることを特徴とする太陽電池。 - 【請求項２】 前記有機半導体層は２種類の有機半導体
からなり、一方の有機半導体が結晶微粒子状態となり、
他方の有機半導体がアモルファス状態となって、前記一
方の有機半導体の結晶微粒子の表面を前記他方の有機半
導体のアモルファス層が均一に覆った微細構造となって
いる請求項１に記載の太陽電池。 - 【請求項３】 前記有機半導体層は２種類の有機半導体
からなり、ともに微結晶状態となって混合している微細
構造となっている請求項１に記載の太陽電池。 - 【請求項４】 前記有機半導体層は異種有機半導体界面
における電子移動効果、又は光生成した電子-ホール対
の空間的分離促進効果によって、大きな光電流を生じる
ことのできる構造となっている請求項１から３のいずれ
かに記載の太陽電池。 - 【請求項５】 前記有機半導体層はｐｎ接合を形成する
有機半導体異種接合が全体に張り巡らされた構造を持ち
全体が光キャリア生成に活性に働く構造である請求項１
から３のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項６】 前記有機半導体は光電導性有機半導体を
含む請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項７】 前記有機半導体はｐ型有機半導体とｎ型
有機半導体を含む請求項１から６のいずれかに記載の太
陽電池。 - 【請求項８】 前記有機半導体層はフタロシアニン顔料
とペリレン顔料との共蒸着薄膜である請求項７に記載の
太陽電池。 - 【請求項９】 前記有機半導体層を挟み込む金属電極は
互いに仕事関数の異なる金属からなる請求項１から８の
いずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項１０】 前記有機半導体層をｎ型、ｐ型の有機
又は無機の半導体層でサンドイッチ状に挟み込み、前記
金属電極はそれらの半導体層の外側に配置するととも
に、前記金属電極の材質は接している前記半導体層とオ
ーミック接合をとれる金属からなるようにした請求項１
から９のいずれかに記載の太陽電池。
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| JP2000265227A JP3423279B2 (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 有機半導体薄膜太陽電池 |
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| JP2000265227A JP3423279B2 (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 有機半導体薄膜太陽電池 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002076391A true JP2002076391A (ja) | 2002-03-15 |
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