JP2003533034A - 光電池 - Google Patents

光電池

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Abstract

(57)【要約】 ２個の分子成分、電子供与体および電子受容体、特に共役ポリマー成分およびフラーレン成分からなる光活性層（４）および光活性層の両側に備えられた２つの金属電極（２，５）を有する光電池が記載される。有利な構造を提供するために、少なくとも電極（５）と光活性層（４）の間に多くても５ｎｍの厚さを有する電気的に絶縁性の移行層（６）が備えられることが提案される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、２個の分子成分、すなわち電子供与体および電子受容体、特に共役
ポリマー成分およびフラーレン（Ｆｕｌｌｅｒｅｎ）成分からなる光活性層およ
び光活性層の両側に備えられた２つの金属電極を有する光電池に関する。
【０００２】 単結合および二重結合が交互に連続する、延長したπ−電子系を有するプラス
チックは共役プラスチックと呼ばれる。この共役プラスチックは電子エネルギー
に関して半導体に匹敵するエネルギー帯域を有し、ドーピングにより非導電性の
状態から金属導電性の状態に移行することができる。この共役プラスチックの例
は、ポリフェニレン、ポリビニルフェニレン（ＰＰＶ）、ポリチオフェンまたは
ポリアニリンである。しかし共役ポリマーからなる光電池ポリマーセルのエネル
ギー変換効率は典型的に１０−３〜１０−２％である。この効率を改良するため
に、すでに電子供与体として１つのポリマー成分および電子受容体として他のポ
リマー成分を使用する２つの共役ポリマー成分からなる不均一の層が提案された
（米国特許第５６７０７９１号明細書）。電子受容体としてフラーレン（Ｆｕｌ
ｌｅｒｅｎｅ）、特にバックミンスターフラーレン（Ｂｕｃｋｍｉｎｓｔｅｒｆ
ｕｌｌｅｒｅｎｅ）Ｃ６０の使用により（米国特許第５４５４８８０号明細書）
そのほかの通常の光活性層中の電荷担体再結合を十分に回避することができ、こ
れがＡＭ（エアーマス）１.５条件下で０.６〜１％に効率を上昇する。それにも
かかわらず達成される効率は、光電池を形成するためのこの光活性層の経済的な
技術的な使用に関して低すぎる。
【０００３】 従って本発明の課題は、冒頭に記載の形式の光電池を、エネルギー変換効率を
更に上昇することを可能にするように形成することである。
【０００４】 前記課題は、本発明により、少なくとも電極と光活性層の間に多くても５ｎｍ
の厚さを有する電気的に絶縁性の移行層が備えられることにより解決される。
【０００５】 本発明は、光活性層と電極の間の移行領域に電荷担体の移行に対するかなりの
抵抗が生じ、これがおそらく金属電極と有機光活性層との反応に帰因するという
事情に基づく。従ってこの直接の影響を阻止できる場合は、そのほかは一定の条
件で電荷移行の改良が予想されるはずであり、これが効率の上昇を生じる。電気
的に絶縁性の移行層を備えることにより光活性層と電極とのこの直接の反応を十
分に排除することができ、しかし電気的絶縁性の移行層の厚さは多くても５ｎｍ
に制限され、従ってこの移行層の高い電気抵抗は光活性層と電極の間の電荷担体
の緩和された移行を阻止しない。意想外にも、光活性層と電極の間にいかなる貫
通する、閉鎖された中間層も予想できないきわめて少ない層厚により、電荷担体
の移行を更に悪化させずに、電極と光活性層の間に生じるそのほかのバリアを十
分に排除することができる。この電気的に絶縁性の移行層を用いて、この移行層
を有しないそのほかは同じ構造のセルに比べて光電池の効率を２０〜２５％にま
で高めることができる。しかしこの目的のために電気的に絶縁性の移行層の最適
化が必要である。
【０００６】 この最適化は移行層の厚さを多くても２ｎｍまでに減少することにより行われ
る。もちろん化学的な層構造により求める作用に影響させることもできる。従っ
て塩、特にアルカリ金属ハロゲン化物からなる移行層が有利であり、その際フッ
化リチウムからなる移行層を使用する処理に関して特に良好な特性を確認するこ
とができ、フッ化リチウムは真空下で光活性層または電極の上に所望の層厚で蒸
着することができる。
【０００７】 図面には本発明の対象が例示的に示される。
【０００８】 図１は本発明による光電池の断面図が示され、図２は従来の光電池および本発
明による光電池の電流−電圧の特性曲線を示す。
【０００９】 図１により光電池は光透過性ガラス支持体１からなり、この支持体上にインジ
ウム／錫−酸化物（ＩＴＯ）からなる電極層２が付着されている。この電極層２
は一般に比較的粗い表面構造を有し、ドーピングにより導電性のポリマー、一般
にＰＥＤＯＴからなる平滑層３で覆われている。この平滑層３の上に、被覆法に
応じて、例えば１００ｎｍから数μｍまでの層厚を有する２つの成分からなる光
活性層４が被覆されている。光活性層４は電子供与体として共役ポリマー、有利
にはＰＰＶ誘導体および電子受容体としてフラーレン、特に機能性フラーレンＰ
ＣＢＭからなる。この場合にポリマーの語はホモポリマーおよびオリゴマーであ
ると理解される。２つの成分を溶剤と混合し、溶液として平滑層３の上に回転塗
布または滴下により被覆する。この光活性層４を使用して大きな面積を被覆する
ために、ドクター塗布法または印刷法を使用することができる。溶剤として従来
のトルエンの代わりに有利にはクロロベンゼンのようなリファイニング剤（ｒｅ
ｆｉｎｉｎｇａｇｅｎｔ）を使用し、不均一層４の微細構造を保証し、不均一層
はこの場合に５００ｎｍ未満の平均粒度を有する。これにより電子供与体と電子
受容体の接触位置の数をかなり増加することができ、これは模擬的ＡＭ１.５条
件下で改良された電荷分離および約２.６％の効率上昇の結果を生じる。
【００１０】 対向電極５を被覆する前に、光活性層４の上に、例えば０.６ｎｍの層厚を有
する薄い移行層６を被覆し、この層は電気的に絶縁性に作用しなければならない
。この移行層はこの実施例ではアルカリ金属ハロゲン化物、すなわちフッ化リチ
ウムからなり、フッ化リチウムは２×１０−６トルの真空で０.２ｎｍ／分の速
度で蒸着するが、この場合に少ない層厚により光活性層４のいかなる貫通する閉
鎖された被覆も予想できない。
【００１１】 孔が集まる電極としてＩＴＯを使用する場合に電子が集まる電極としてアルミ
ニウムを使用し、アルミニウムを電気的に絶縁性の移行層６の上に蒸着する。光
活性層４と電極５の間の電気的に絶縁性の移行層６の挿入により、電極５と活性
フォト層４の直接の境界領域では、電極５が大きな領域で直接光活性層４に隣接
していないために、光活性層４と電極５の間の電荷の移行に妨害作用する反応を
十分に回避することができるので、光活性層４から電極５への電荷担体の移行が
、移行層６が光活性層４と電極５の間に付加的なバリアを形成しない条件で改良
され、これは移行層６の層厚の制限により保証される。その際移行層６の電気的
絶縁性は、特に光活性層４から移行層６への移行領域で電荷担体の移行を阻止す
る作用が発揮されることを明らかに阻止する。
【００１２】 図２において、２個の光電池の模擬的ＡＭ１.５条件下で８０ｍＷ／ｃｍ２の
励起エネルギーで電圧Ｕに対して電流密度Ｉをプロットし、２個の電池は本発明
による移行層６の存在によってのみ異なる。本発明による光電池の特性曲線７と
移行層６を除いて一致する構造の比較セルの特性曲線８との比較から、ほぼ同じ
約５.２ｍＡ／ｃｍ２の短絡電流で７７０ｍＶから８１０ｍＶへの無効電圧の上
昇が測定できることが示される。付加的に充填係数が０.５２から０.６２に改良
するので、本発明の光電池の効率は比較セルの２.６％から３.２％に高めること
ができ、これは２０％から２５％までのエネルギー変換の改良に相当する。
【００１３】 本発明は、もちろん電子が集まる電極５と光活性層４の間に電気的に絶縁性の
移行層６が示される図示された実施例に限定されない。従って電気的に絶縁性の
移行層６を、孔が集まる電極２とこれに続く有機層、実施例では平滑層３の間に
備えることができる。更に電気的に絶縁性の移行層６は電極２の領域にのみ備え
ることができる。電気的に絶縁性の移行層６の作用が電子供与体として共役ポリ
マーおよび電子受容体としてフラーレンに限定されないので、本発明の作用は電
子供与体および電子受容体からなる分子の二成分層を有するすべての光電池に認
めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による光電池の断面図である。
【図２】 従来の光電池および本発明による光電池の電流−電圧の特性曲線の比較を示す
グラフである。
【符号の説明】
２ 電極、 ４ 光活性層、 ５ 電極、 ６ 移行層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 クリストフ ブラーベク オーストリア国 リンツ エートミュール ヴェーク 14 (72)発明者 トーマス フロムヘルツ オーストリア国 ロッテネック ヴィース ホフ ６ (72)発明者 フランツ パディンガー オーストリア国 ザンクト フローリアン ヴィーナー シュトラーセ 46 (72)発明者 セダル サリシフチ オーストリア国 リンツ パハマイルシュ トラーセ 135 (72)発明者 エアハルト グレッツル オーストリア国 リンツ グルーバーシュ トラーセ 40−42 Ｆターム(参考） 5F051 AA11 FA04 FA06 GA03 5H032 AA06 AS09 AS16 EE01 EE03 EE04 EE18 HH04

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２個の分子成分、すなわち電子供与体および電子受容体、特
    に共役ポリマー成分およびフラーレン成分からなる光活性層（４）および光活性
    層の両側に備えられた２つの金属電極（２，５）を有する光電池において、少な
    くとも電極（５）と光活性層（４）の間に多くても５ｎｍの厚さを有する電気的
    に絶縁性の移行層（６）が備えられていることを特徴とする光電池。
  2. 【請求項２】 移行層（６）が多くても２ｎｍの厚さを有する請求項１記載
    の光電池。
  3. 【請求項３】 移行層（６）が塩、特にアルカリ金属ハロゲン化物からなる
    請求項１または２記載の光電池。
  4. 【請求項４】 移行層（６）がフッ化リチウムからなる請求項３記載の光電
    池。
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