JP2005294303A - Organic photoelectric converter and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機光電変換素子およびその製造方法に係り、特に太陽電池や光センサとしての応用が期待される安定した特性をもつ有機光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to an organic photoelectric conversion element and a method for producing the same, and more particularly to an organic photoelectric conversion element having stable characteristics expected to be applied as a solar cell or an optical sensor.
アモルファスシリコンなどシリコンを用いた無機太陽電池は実用化が進められているクリーンデバイスである。しかしながら、このようにクリーンな発電装置である無機太陽電池も廃棄に対する環境負荷が近年深刻な問題となっている。このような状況の中で、廃棄に対する環境負荷が小さく、製造コストが低いことから、有機半導体材料を用いた光電変換素子は、実用化にむけて開発が進められている(特許文献1参照)。 Inorganic solar cells using silicon such as amorphous silicon are clean devices that are being put into practical use. However, inorganic solar cells, which are clean power generators, have become a serious problem in recent years in terms of environmental burdens for disposal. Under such circumstances, since the environmental load for disposal is small and the manufacturing cost is low, photoelectric conversion elements using organic semiconductor materials are being developed for practical use (see Patent Document 1). .
このような有機光電変換素子は、光が有機半導体材料に入射することにより当該光電現象により電極間に起電力を発生するようにしたもので、概略構成は図5に示すように、基板1、陽極2、電荷輸送層3、光電変換層4、陰極5(5a,5b)を積層して形成されている。
Such an organic photoelectric conversion element is configured to generate an electromotive force between electrodes by light incident on an organic semiconductor material, and the schematic configuration is as shown in FIG. The
光電変換層4は電子供与性材料と、電子受容性材料とを具備している。
The
そして、光が光電変換層4に入射すると、ここで光吸収が生じ、電子−ホール対の励起子が形成され、この後キャリアが分離されて電子は電子受容性の半導体材料を通して陰極5に、ホールは電子供与性の半導体材料を通して陽極2に移動する。これにより両電極間に起電力が発生し、これらの電極と外部回路とを接続することにより、電力を取り出すことが可能となる。
When light enters the
このような光電現象は、電子親和力やイオン化ポテンシャルが異なる材料同士が接触する界面で起こり易く、高効率の光電変換素子を作製するためには、上記電子親和力等が異なる複数の材料をより広い界面で接触させることが必要になる。また、発生したキャリアの有効利用の観点から、励起子が再結合せずに効率的に陽極2や陰極5に輸送されるようにするのが望ましい。さらに、キャリアが欠陥等にトラップされたり、リーク電流を生じたりしないように光電変換層4における欠陥を少なくすることが重要となる。
Such a photoelectric phenomenon is likely to occur at an interface where materials having different electron affinities and ionization potentials are in contact with each other, and in order to produce a highly efficient photoelectric conversion element, a plurality of materials having different electron affinities and the like are connected to a wider interface. It is necessary to contact with. Further, from the viewpoint of effective use of generated carriers, it is desirable that excitons are efficiently transported to the
このような種々の要求に応じるべく、有機光電変換素子の研究開発は材料面及びプロセス面の両面から鋭意検討され、現在では色素増感方式のもので10%程度、また固体薄膜方式でもキャリアの分離効率を向上させることによって3%というエネルギー変換効率を得るに至っている。 In order to meet such various demands, research and development of organic photoelectric conversion elements have been intensively studied from both the material side and the process side. Currently, the dye sensitizing type is about 10%, and even in the case of a solid thin film type, the carrier By improving the separation efficiency, an energy conversion efficiency of 3% has been obtained.
しかしながら、上記有機光電変換素子は、特性劣化が生じ易く、寿命が短いという問題があった。即ち、有機光電変換素子を太陽電池や光センサ等の製品に利用する場合には、これらの製品に要求される寿命は異なるものの、現在の有機光電変換素子では、何れの用途であっても未だ十分に要求寿命を満たすことができないという問題があった。 However, the organic photoelectric conversion element has a problem in that characteristic deterioration is likely to occur and the lifetime is short. That is, when organic photoelectric conversion elements are used in products such as solar cells and optical sensors, the lifetime required for these products is different, but the current organic photoelectric conversion elements are still used for any purpose. There was a problem that the required life could not be sufficiently satisfied.
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、特性の安定化をはかるとともに、長寿命の有機光電変換素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the conventional problems, and an object thereof is to provide a long-life organic photoelectric conversion element while stabilizing characteristics.
本発明の有機光電変換素子は、少なくとも1対の電極と、前記電極間に、配置され、少なくとも電子供与性有機材料と電子受容性材料とを含む光電変換領域と、前記光電変換領域と前記1対の電極の少なくとも一方との間に介在せしめられた少なくとも1種類の無機物からなるバッファ層とを有することを特徴とする。
この構成により、素子構成物質の拡散を抑制して、特性の安定化を図ることにより長寿命の有機光電変換素子を得ることができる。
The organic photoelectric conversion element of the present invention includes at least one pair of electrodes, a photoelectric conversion region disposed between the electrodes, and including at least an electron donating organic material and an electron accepting material, the photoelectric conversion region, and the 1 And a buffer layer made of at least one inorganic material interposed between at least one of the pair of electrodes.
With this configuration, it is possible to obtain a long-life organic photoelectric conversion element by suppressing the diffusion of the element constituent material and stabilizing the characteristics.
また本発明の有機光電変換素子は、前記光電変換領域が、有機薄膜を含む。 Moreover, as for the organic photoelectric conversion element of this invention, the said photoelectric conversion area | region contains an organic thin film.
また本発明の有機光電変換素子は、前記有機薄膜が、前記電極の一方の上に塗布形成された高分子膜を含む。
この構成により、光電変換領域を塗布法で形成することができるため、真空工程を経ることなく形成することができる。またバッファ層をも塗布法で形成しても良い。
In the organic photoelectric conversion device of the present invention, the organic thin film includes a polymer film formed by coating on one of the electrodes.
With this configuration, since the photoelectric conversion region can be formed by a coating method, it can be formed without going through a vacuum process. The buffer layer may also be formed by a coating method.
また本発明の有機光電変換素子は、前記電子供与性材料が導電性高分子材料で構成されたものを含む。 The organic photoelectric conversion element of the present invention includes those in which the electron donating material is composed of a conductive polymer material.
また本発明の有機光電変換素子は、前記電子受容性材料が、修飾又は未修飾のフラーレン類、カーボンナノチューブ類の少なくとも1つを含む。 In the organic photoelectric conversion device of the present invention, the electron-accepting material includes at least one of modified or unmodified fullerenes and carbon nanotubes.
この構成により、修飾又は未修飾のフラーレン類、カーボンナノチューブ類によって電子移動度が高められるため、電子供与性有機材料から供与された電子は、電子受容性材料の高い電子移動度により高速で陰極に輸送できるようになり光電変換効率が向上すると共に、これら電子供与性有機材料と電子受容性材料とを混合させて利用でき、コストダウンが可能になる。 With this configuration, the electron mobility is increased by the modified or unmodified fullerenes and carbon nanotubes, so that the electrons donated from the electron donating organic material can be rapidly transferred to the cathode due to the high electron mobility of the electron accepting material. It becomes possible to transport and the photoelectric conversion efficiency is improved, and these electron-donating organic material and electron-accepting material can be mixed and used, and the cost can be reduced.
理由は明らかではないが、上記構成によれば、バッファ層を介在させることにより、素子特性の安定化および信頼性の向上をはかることができた。これはあくまで推測に過ぎないが以下のような理由によるものと考えられる。
有機光電変換素子では、光吸収によって光電変換層に供給される光エネルギーにより励起子が形成され、この励起電子が材料間で受け渡されることにより光起電力を生じる。通常、発生した起電力は1.0V以下と非常に小さなものであり、発生する電流量も僅かであるため素子内部の直列抵抗が高い場合には発生した電子が電極まで到達せず、起電力を取り出すことが出来なくなってしまう。この直列抵抗を低減するために構成材料間をオーミックに接合するなどの手段がとられるが、もう一つ重要なファクターとして構成材料間の物理的な接合が挙げられる。バッファ層はこの接合面の密着性の向上に寄与し、長時間安定して接合状態を保つことで長寿命な有機光電変換素子を実現することができると考えられる。
また、構成材料の劣化を抑制することも可能であると考えられる。一般的な固体薄膜型有機光電変換素子では変換効率向上のためにPEDOT:PSS層(ポリチオフェンとポリスチレンスルホン酸の混合物)が用いられている。このPEDOT:PSS層は初期の特性向上には有効であるが長時間の安定性が問題となっており、特に還元されるとイオン性成分を出しこれが有機半導体材料をはじめとする他の構成材料の劣化を引き起こす。バッファ層はこのPEDOT:PSS層の還元を抑制し、またイオン性成分の拡散をも低減することで長寿命な有機光電変換素子を実現することができると考えられる。
Although the reason is not clear, according to the above configuration, the element characteristics can be stabilized and the reliability can be improved by interposing the buffer layer. This is only a guess, but it is thought to be due to the following reasons.
In the organic photoelectric conversion element, excitons are formed by light energy supplied to the photoelectric conversion layer by light absorption, and a photoelectromotive force is generated by passing these excited electrons between materials. Usually, the generated electromotive force is as very small as 1.0 V or less, and since the amount of generated current is very small, when the series resistance inside the element is high, the generated electrons do not reach the electrode, and the electromotive force It becomes impossible to take out. In order to reduce the series resistance, means such as ohmic bonding between the constituent materials is taken. Another important factor is physical bonding between the constituent materials. It is considered that the buffer layer contributes to the improvement of the adhesion of the bonding surface, and a long-life organic photoelectric conversion element can be realized by maintaining the bonding state stably for a long time.
It is also considered possible to suppress deterioration of the constituent materials. In general solid thin film type organic photoelectric conversion elements, a PEDOT: PSS layer (mixture of polythiophene and polystyrene sulfonic acid) is used to improve conversion efficiency. This PEDOT: PSS layer is effective for improving the initial characteristics, but long-term stability is a problem, and when it is reduced, an ionic component is produced, which is another constituent material such as organic semiconductor materials. Cause deterioration. The buffer layer is considered to be able to realize a long-life organic photoelectric conversion element by suppressing the reduction of the PEDOT: PSS layer and also reducing the diffusion of ionic components.
また、本発明の有機光電変換素子は、バッファ層が、酸化物を含む。
前述したように有機薄膜、特にPEDOT:PSS層は還元には弱いという特性をもつが、酸化物を介して光電変換領域に接続されているため、PEDOT:PSS層は還元されにくく、より長寿命化をはかることができる。
Moreover, as for the organic photoelectric conversion element of this invention, a buffer layer contains an oxide.
As mentioned above, organic thin films, especially PEDOT: PSS layers, have the property of being vulnerable to reduction, but because they are connected to the photoelectric conversion region via oxides, PEDOT: PSS layers are less likely to be reduced and have a longer lifetime. Can be realized.
また、本発明の有機光電変換素子は、バッファ層が、遷移金属の酸化物を含む。 In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the buffer layer contains an oxide of a transition metal.
また、本発明の有機光電変換素子は、バッファ層が、モリブデンまたはバナジウムの酸化物からなるものを含む。 Moreover, the organic photoelectric conversion element of this invention contains that a buffer layer consists of an oxide of molybdenum or vanadium.
なお、ここで用いられる酸化物としては、バナジウムの酸化物、モリブデンの酸化物の他、クロム(Cr)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、トリウム(Tr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)あるいは、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までのいわゆる希土類元素などの酸化物を挙げることができる。なかでも酸化アルミニウム(AlO)、酸化銅(CuO)、酸化シリコン(SiO)は、特に長寿命化に有効である。 As oxides used here, in addition to oxides of vanadium and molybdenum, chromium (Cr), tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), zirconium ( Zr), hafnium (Hf), scandium (Sc), yttrium (Y), thorium (Tr), manganese (Mn), iron (Fe), ruthenium (Ru), osmium (Os), cobalt (Co), nickel ( Ni), copper (Cu), zinc (Zn), cadmium (Cd), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lead ( Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi) or oxides such as so-called rare earth elements from lanthanum (La) to lutetium (Lu) can be mentioned. Among these, aluminum oxide (AlO), copper oxide (CuO), and silicon oxide (SiO) are particularly effective for extending the life.
このように特に、バッファ層は、モリブデン、バナジウムなどをはじめとする遷移金属の酸化物や窒化物の中から選択して使用することが出来る。
例えば遷移金属の化合物は、複数の酸化数をとるため、これにより、複数の電位レベルをとることができ、光電変換層としての有機半導体層からの電荷の取り出しが容易となり、安定化をはかるとともに発電効率を高めることができるものと考えられる。
In this way, in particular, the buffer layer can be selected from oxides or nitrides of transition metals such as molybdenum and vanadium.
For example, since transition metal compounds have a plurality of oxidation numbers, it is possible to take a plurality of potential levels, thereby facilitating the extraction of charges from the organic semiconductor layer as the photoelectric conversion layer, and achieving stabilization. It is thought that power generation efficiency can be increased.
また、本発明の有機光電変換素子では、バッファ層が、窒化物を含む。
窒化物は安定であり、密着性の向上効果に加え、PEDOT:PSS層の還元を抑制し、より長寿命化をはかることができる。
Moreover, in the organic photoelectric conversion element of this invention, a buffer layer contains nitride.
Nitride is stable, and in addition to the effect of improving adhesion, the reduction of the PEDOT: PSS layer can be suppressed, and the lifetime can be further increased.
また、本発明の有機光電変換素子では、バッファ層が、遷移金属の窒化物を含む。 In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the buffer layer contains a transition metal nitride.
窒化物には非常に多くの種類があり、その多くが機能材料として活用されている。主にスパッタリングやCVD法によって成膜を行うことができる。半導体として用いられるものから、非常に絶縁性の高いものまでさまざまな化合物が知られているが、種々の実験の結果、絶縁性の高い化合物については成膜の際にその膜厚をおおむね5nm付近以下にすることで電荷の取り出しが可能になることがわかった。具体的な化合物として以下のものを挙げることができ、好ましくは窒化チタン(TiN)である。TiNは非常に堅牢な材料として知られており、熱に対して安定である。 There are numerous types of nitrides, many of which are used as functional materials. Films can be formed mainly by sputtering or CVD. Various compounds are known, ranging from those used as semiconductors to those with very high insulation properties. However, as a result of various experiments, the film thickness of highly insulating compounds is about 5 nm during film formation. It was found that the charge can be taken out by the following. Specific examples of the compound include the following, and titanium nitride (TiN) is preferable. TiN is known as a very robust material and is stable to heat.
この他、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)、窒化珪素(SiN)、窒化マグネシウム(MgN)、窒化モリブデン(MoN)、窒化カルシウム(CaN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化タンタル(TaN)、窒化バナジウム(BaN)、窒化亜鉛(ZnN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化鉄(FeN)、窒化銅(CuN)、窒化バリウム(BaN)、窒化ランタン(LaN)、窒化クロム(CrN)、窒化イットリウム(YN)、窒化リチウム(LiN)、窒化チタン(TiN)、及びこれらの複合窒化物等も適用可能である。 In addition, gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), silicon nitride (SiN), magnesium nitride (MgN), molybdenum nitride (MoN), calcium nitride (CaN) Niobium nitride (NbN), tantalum nitride (TaN), vanadium nitride (BaN), zinc nitride (ZnN), zirconium nitride (ZrN), iron nitride (FeN), copper nitride (CuN), barium nitride (BaN), nitride Lanthanum (LaN), chromium nitride (CrN), yttrium nitride (YN), lithium nitride (LiN), titanium nitride (TiN), and composite nitrides thereof are also applicable.
また、本発明の有機光電変換素子では、バッファ層が、酸窒化物を含む。
酸窒化物は、耐酸素性が強く、緻密で信頼性の高い膜となるため、界面を安定に維持することができる。
Moreover, in the organic photoelectric conversion element of this invention, a buffer layer contains an oxynitride.
Since the oxynitride has a strong oxygen resistance and becomes a dense and highly reliable film, the interface can be stably maintained.
また、本発明の有機光電変換素子は、バッファ層が、遷移金属の酸窒化物を含む。
例えば、ルテニウム(Ru)の酸窒化物結晶Ru4Si2O7N2等も極めて耐熱性(1500℃)が高く安定な物質であることから薄く成膜することにより、バッファ層として適用可能である。この場合はゾルゲル法で成膜した後、熱処理を行なうことにより成膜することができる。
In the organic photoelectric conversion device of the present invention, the buffer layer contains a transition metal oxynitride.
For example, ruthenium (Ru) oxynitride crystals such as Ru 4 Si 2 O 7 N 2 are also extremely heat-resistant (1500 ° C) and stable, so they can be applied as a buffer layer by forming a thin film. is there. In this case, the film can be formed by performing a heat treatment after forming the film by a sol-gel method.
この他、バリウムサイアロン(BaSiAlON)、カルシウムサイアロン(CaSiAlON)、セリウムサイアロン(CeSiAlON)、リチウムサイアロン(LiSiAlON)、マグネシウムサイアロン(MgSiAlON)、スカンジウムサイアロン(ScSiAlON)、イットリウムサイアロン(YSiAlON)、エルビウムサイアロン(ErSiAlON)、ネオジムサイアロン(NdSiAlON)などのIA、IIA、IIIA族のサイアロン、または多元サイアロン等の酸窒化物が適用可能である。これらはCVD法、スパッタリング法などで形成可能である。この他、窒化珪素酸ランタン(LaSiON)、窒化珪素酸ランタンユーロピウム(LaEuSi2O2N3)、酸窒化珪素(SiON3)等も適用可能である。これらはおおむね絶縁体であることが多いため、膜厚は1nmから5nm程度と薄くする必要がある。 In addition, barium sialon (BaSiAlON), calcium sialon (CaSiAlON), cerium sialon (CeSiAlON), lithium sialon (LiSiAlON), magnesium sialon (MgSiAlON), scandium sialon (ScSiAlON), yttrium sialon (YSiAlON), erbium sialon (E) IA, IIA, IIIA sialons such as Neodymium Sialon (NdSiAlON), or oxynitrides such as multiple sialons are applicable. These can be formed by CVD, sputtering, or the like. In addition, lanthanum silicon oxynitrate (LaSiON), lanthanum silicon lanthanum europium (LaEuSi 2 O 2 N 3 ), silicon oxynitride (SiON 3 ), and the like are also applicable. Since these are mostly insulators, it is necessary to reduce the film thickness to about 1 nm to 5 nm.
また、本発明の有機光電変換素子は、バッファ層が、遷移金属の複合酸化物を含む。
理由は明らかではないが、遷移金属の複合酸化物をバッファ層に用いた場合、安定な特性をもつことができる。
In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the buffer layer includes a transition metal composite oxide.
Although the reason is not clear, when a transition metal composite oxide is used for the buffer layer, stable characteristics can be obtained.
また、複合酸化物には非常に多くの種類があり、そのうち多くのものが電子的に興味深い物性を持っている。具体的には以下のような化合物を挙げることができる。 In addition, there are a great many types of complex oxides, and many of them have electronically interesting properties. Specific examples include the following compounds.
例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)の他、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ビスマス酸化鉄(BiFeO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、バナジウム酸ナトリウム(Na3VO4)、バナジウム酸鉄(FeVO3)、チタン酸バナジウム(TiVO3)、クロム酸バナジウム(CrVO3)、バナジウム酸ニッケル(NiVO3)、バナジウム酸マグネシウム(MgVO3)、バナジウム酸カルシウム(CaVO3)、バナジウム酸ランタン(LaVO3)、モリブデン酸バナジウム(VMoO5)、モリブデン酸バナジウム(V2MoO8)、バナジウム酸リチウム(LiV2O5)、珪酸マグネシウム(Mg2SiO4)、珪酸マグネシウム(MgSiO3)、チタン酸ジルコニウム(ZrTiO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、マグネシウム酸鉛(PbMgO3)、ニオブ酸鉛(PbNbO3)、ホウ酸バリウム(BaB2O4)、クロム酸ランタン(LaCrO3)、チタン酸リチウム(LiTi2O4)、銅酸ランタン(LaCuO4)、チタン酸亜鉛(ZnTiO3)、タングステン酸カルシウム(CaWO4)等を用いることができる。 For example, barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), bismuth iron oxide (BiFeO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3) ), sodium vanadate (Na 3 VO 4), vanadium iron (FeVO 3), titanate vanadium (TiVO 3), chromic acid vanadium (CRVO 3), vanadium, nickel (NiVO 3), magnesium vanadate (MgVO 3 ), calcium vanadate (Cavo 3), vanadium lanthanum (LaVO 3), molybdate vanadium (VMoO 5), molybdate vanadium (V 2 MoO 8), lithium vanadate (LiV 2 O 5), magnesium silicate (Mg 2 SiO 4 ), magnesium silicate (MgSiO 3 ), zirconium titanate (ZrTiO 4 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), lead magnesium acid (P bMgO 3 ), lead niobate (PbNbO 3 ), barium borate (BaB 2 O 4 ), lanthanum chromate (LaCrO 3 ), lithium titanate (LiTi 2 O 4 ), lanthanum cuprate (LaCuO 4 ), titanate Zinc (ZnTiO 3 ), calcium tungstate (CaWO 4 ), or the like can be used.
これらのいずれを用いることでも本発明を実施することができるが、好ましくはたとえばチタン酸バリウム(BaTiO3)を挙げることができる。BaTiO3は代表的な誘電体であって、高い絶縁性を持つ複酸化物であるが、種々の実験を行なった結果から薄い膜で用いられる場合には電荷取り出しを行うことが可能であることがわかった。BaTiO3やチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)は化合物として安定であり、かつ誘電率が非常に大きいので効率的に電荷取り出しを行うことが可能である。成膜に際してはスパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法など適宜選択可能である。 Although any of these can be used to carry out the present invention, barium titanate (BaTiO 3 ) is preferably used. BaTiO 3 is a typical dielectric and is a complex oxide with high insulating properties, but it is possible to extract charges when used in thin films based on the results of various experiments. I understood. BaTiO 3 and strontium titanate (SrTiO 3 ) are stable as compounds and have a very large dielectric constant, so that it is possible to efficiently extract charges. For film formation, a sputtering method, a sol-gel method, a CVD method, or the like can be selected as appropriate.
なお、上記化合物においては価数の異なる化合物も存在し易く、例示したもの以外にも価数の異なる化合物の形をとるものも含むものとする。 In addition, in the said compound, the compound from which a valence differs easily exists, and what takes the form of the compound from which a valence differs other than what was illustrated is also included.
また本発明の有機光電変換素子は、基板表面に形成された電極と、前記電極上に形成されたPEDOT:PSS層と、この上層に形成された無機膜を含むバッファ層と、有機半導体層と、前記有機半導体層上に、電極が形成される。
この構成によれば、PEDOT:PSS層と光電変換層との界面に無機膜を含むバッファ層を介在させることにより、PEDOT:PSS層の相分離を抑制し、安定に電荷輸送性を維持することができ、高効率で長期にわたって特性の安定な光電変換素子を提供することができる。
The organic photoelectric conversion element of the present invention includes an electrode formed on the substrate surface, a PEDOT: PSS layer formed on the electrode, a buffer layer including an inorganic film formed on the upper layer, an organic semiconductor layer, An electrode is formed on the organic semiconductor layer.
According to this configuration, by interposing a buffer layer including an inorganic film at the interface between the PEDOT: PSS layer and the photoelectric conversion layer, the phase separation of the PEDOT: PSS layer is suppressed, and the charge transport property is stably maintained. It is possible to provide a photoelectric conversion element having high efficiency and stable characteristics over a long period of time.
これは以下のようなメカニズムによるものと考えられる。このPEDOT:PSS層は、スピンコートなどによって容易に成膜することができ、また、電極と光電変換層との間に介在させることにより、起電力の増大をはかることができ、電荷輸送層として事実上の標準となっている材料である。 This is thought to be due to the following mechanism. This PEDOT: PSS layer can be easily formed by spin coating or the like, and by interposing between the electrode and the photoelectric conversion layer, the electromotive force can be increased, and as a charge transport layer It is a de facto standard material.
しかしながら、このPEDOT:PSS層は前述したようにポリスチレンスルホン酸とポリチオフェンという二つの高分子物質の混合物であって、前者はイオン性、後者は高分子鎖に局所的な極性がある。このような電荷の異方性に起因するクーロン相互作用により両者は緩やかな結合をし、それにより優れたキャリア(電荷)輸送性を発揮している。 However, this PEDOT: PSS layer is a mixture of two polymeric substances, polystyrene sulfonic acid and polythiophene, as described above, the former being ionic and the latter having local polarity in the polymer chain. Both are loosely coupled by the Coulomb interaction resulting from the anisotropy of the charge, thereby exhibiting excellent carrier (charge) transportability.
PEDOT:PSS層が優れた特性を発揮する為には両者の密な相互作用が不可欠であるが、一般に高分子物質の混合物は溶媒に対する微妙な溶解性の違いにより相分離を起こしやすいものである。これはPEDOT:PSS層についても例外ではない。相分離を生じるということは2つの高分子の緩やかな結合は比較的容易に外れてしまうということを意味しており、駆動中、PEDOT:PSSが、不安定である可能性や、相分離の結果結合に寄与しなかった成分、特にイオン性の成分が光照射によって発生する内部電場によって拡散し、他の機能層に望ましくない作用を及ぼす可能性があることを示している。このようにPEDOT:PSS層は優れた電荷輸送性を持っているが、決して安定な物質であるとは言えない。 In order for the PEDOT: PSS layer to exhibit excellent properties, close interaction between the two is indispensable, but in general, a mixture of polymer substances is prone to phase separation due to subtle differences in solubility in solvents. . This is no exception for the PEDOT: PSS layer. The occurrence of phase separation means that the loose bond between the two macromolecules can be removed relatively easily. During driving, PEDOT: PSS may be unstable, As a result, it has been shown that components that have not contributed to bonding, particularly ionic components, can be diffused by an internal electric field generated by light irradiation and have an undesirable effect on other functional layers. Thus, although the PEDOT: PSS layer has excellent charge transport properties, it cannot be said to be a stable substance.
しかしながらこのPEDOT:PSS層と光電変換層との界面にバッファ層を介在させることによりPEDOTの相分離を抑制し、安定に電荷輸送性を維持することができる。 However, by interposing a buffer layer at the interface between the PEDOT: PSS layer and the photoelectric conversion layer, the phase separation of PEDOT can be suppressed and the charge transport property can be stably maintained.
本発明の有機光電変換素子は、前記光電変換領域が、電子供与性有機材料を含む電子供与性層と、電子受容性材料を含む電子受容性層とを含む。 In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion region includes an electron donating layer containing an electron donating organic material and an electron accepting layer containing an electron accepting material.
本発明の有機光電変換素子は、前記バッファ層が、前記電子供与性層と前記電極との間に介在されるものを含む。 In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the buffer layer includes an element interposed between the electron donating layer and the electrode.
本発明の有機光電変換素子は、前記バッファ層が、前記電子受容性層と前記電極との間に介在されるものを含む。 The organic photoelectric conversion element of the present invention includes one in which the buffer layer is interposed between the electron-accepting layer and the electrode.
本発明の有機光電変換素子は、前記光電変換領域が、電子供与性有機材料と電子受容性有機材料とが分散せしめられた有機半導体層を含む。 In the organic photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion region includes an organic semiconductor layer in which an electron donating organic material and an electron accepting organic material are dispersed.
本発明の有機光電変換素子の製造方法は、電極を形成する工程と、無機物を含むバッファ領域を形成する工程と、前記バッファ領域上に有機光電変換領域を形成する工程と、前記有機光電変換領域上に電極を形成する工程とを含む。 The method for producing an organic photoelectric conversion element of the present invention includes a step of forming an electrode, a step of forming a buffer region containing an inorganic substance, a step of forming an organic photoelectric conversion region on the buffer region, and the organic photoelectric conversion region. Forming an electrode thereon.
この構成により、バッファ層の形成工程を付加するのみで容易に長寿命の有機光電変換素子を形成することができる。 With this configuration, a long-life organic photoelectric conversion element can be easily formed simply by adding a buffer layer forming step.
また本発明の有機光電変換素子は、前記バッファ領域を形成する工程が、前記電極上に湿式法によりバッファ層を形成する工程を含む。
この構成により、例えば無機膜をゾルゲル法などによって成膜するもので、この方法によれば、真空工程を必要とすることなく容易に形成することができる。
In the organic photoelectric conversion device of the present invention, the step of forming the buffer region includes a step of forming a buffer layer on the electrode by a wet method.
With this configuration, for example, an inorganic film is formed by a sol-gel method or the like, and according to this method, it can be easily formed without requiring a vacuum process.
本発明は、少なくとも一方の電極が、無機材料からなるバッファ層を介して有機半導体膜と接するようにしているため、素子作製後の特性劣化を抑制することができ長寿命の有機光電変換素子を提供することができるものである。 In the present invention, since at least one of the electrodes is in contact with the organic semiconductor film through a buffer layer made of an inorganic material, it is possible to suppress deterioration in characteristics after the device is manufactured and to provide a long-life organic photoelectric conversion device. It can be provided.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態では、図1に示すように、有機光電変換層15と陽極12との間に、酸化モリブデン(MoO3)からなる無機膜からなるバッファ層14を介在させたことを特徴とする。
(Embodiment 1)
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, as shown in FIG. 1, a
すなわち、図1に示すように、電荷輸送層13を構成する物質、特にイオン性物質が有機光電変換層15中に拡散するのを防止すべく、無機物からなるバッファ層14を電荷輸送層13と有機光電変換層15との間に設けたもので、基板11上に、陽極12、電荷輸送層13、バッファ層14、有機光電変換層15、陰極16を順次積層してなるものである。
That is, as shown in FIG. 1, the
この構成により、高効率でかつ特性の安定した有機光電変換素子を得ることができる。
このように、高効率と特性の安定化を得ることができるのは、以下のような理由によるものと考えられる。
この有機光電変換素子において、電荷の輸送効率を高めて発生した励起子の再結合確率を小さくするためにイオン性物質と分極性物質との混合物質からなる電荷輸送層13を設けている。
With this configuration, an organic photoelectric conversion element with high efficiency and stable characteristics can be obtained.
The reason why high efficiency and stable characteristics can be obtained in this way is considered to be as follows.
In this organic photoelectric conversion element, a
この電荷輸送層13が優れた電荷輸送特性を発揮するためには、イオン性物質と分極性物質とにおける緩やかな結合が不可欠であるが、一般に高分子物質の混合物は溶媒に対する微妙な溶解性の違いにより相分離を起こし易く、相分離が生じると2つの高分子の緩やかな結合は比較的容易に切れてしまう。従って、このような結合が不安定であったり、相分離の結果、結合に寄与しなかった成分が多かったりすると、所望の輸送特性を発揮することができなくなる。
In order for the
特に、イオン性物質が有機光電変換層中に熱や内部電界によって拡散してしまうと、電荷輸送層における成分比率が変化して輸送効率が劣化したり、有機光電変換層に拡散した成分が励起子の発生効率自体に悪影響を与えたり、またキャリアトラップとして作用したりすることが予期される。このような拡散は、時間や温度等の使用環境により変わるため、特性が安定しないものと考えられる。
そこで安定な無機物を含むバッファ層を介在させることにより、このイオン性物質の拡散を防止し、特性の安定化を図ることができるものと考えられる。
In particular, if an ionic substance diffuses into the organic photoelectric conversion layer due to heat or an internal electric field, the component ratio in the charge transport layer changes to deteriorate the transport efficiency, or the component diffused into the organic photoelectric conversion layer is excited. It is expected that the generation efficiency of the child itself will be adversely affected, or it may act as a carrier trap. Such diffusion varies depending on the usage environment such as time and temperature, and is considered to have unstable characteristics.
Therefore, it is considered that by interposing a buffer layer containing a stable inorganic substance, the diffusion of the ionic substance can be prevented and the characteristics can be stabilized.
なお、バッファ層14としては、モリブデン酸化物やバナジウムや銅、ニッケル、ルテニウム、チタン、ジルコニウム、イットリウム、ランタン等多くの遷移金属の酸化物や窒化物などを用いることができる。
As the
また基板11としては、一般にガラスが用いられるが、有機材料の柔軟性を活かすためにプラスチックフィルム等の柔軟な素材を用いることも可能である。また、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート、非晶質ポリオレフィン、フッ素系樹脂等の各種高分子材料、シリコンウエハー、ガリウム砒素、窒化ガリウムなどの化合物半導体基板等が適用可能である。
Glass is generally used as the
陽極12としては、ITO(酸化インジウム錫)、ATO(SbをドープしたSn02)、AZO(AlをドープしたZnO)等が適用可能であり、また陰極17としてはAl、Ag、Au等の金属材料が適用可能である。このとき、陽極12の材料は透光性を有するので、基板11からの光は有機光電変換層15に入射できるが、陰極16から光を入射させる場合には、透光性をもたせるように膜厚を設定する等の工夫が必要である。
The
陰極16は、アルミニウムなどの金属電極16bと陰極側の電子の取出効率を改善するための層16aとの2層構造で形成されており、この16aにはLiF等の無機誘電体薄膜や金属フッ化物や酸化物等が利用できる。なお、この層16aは本発明において必須ではなく、必要に応じて用いるようにすればよい。
The
陽極側の電荷輸送層13としては、PEDOT:PSS層(ポリチオフエンとポリスチレンスルホン酸の混合物)が適用可能である。なお、この電荷輸送層として、PEDOTに代えて、MoOxなどの多値酸化物など、無機物を用いることにより、さらなる寿命の向上をはかることができる。
As the
有機光電変換層15は、電子供与性有機材料と電子受容性材料とを含む。
電子供与性有機材料としては、メトキシーエチルヘキソシキーポリフェニレンビニレン(MEH−PPV)などのフェニレンビニレン、フルオレン、力ルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の誘導体を繰り返し単位として有する重合体及び他のモノマーとの共重合体、その誘導体、またデンドリマーとして総称される一群の高分子材料が用いられる。
The organic
As an electron-donating organic material, phenylene vinylene such as methoxy-ethylhexoxy polyphenylene vinylene (MEH-PPV), fluorene, rubazole, indole, pyrene, pyrrole, picoline, thiophene, acetylene, diacetylene and the like are repeated. A polymer having a unit and a copolymer with another monomer, a derivative thereof, and a group of polymer materials collectively referred to as a dendrimer are used.
なお、高分子に限定されるものではなく、例えばポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物、1,1−ビス{4−(ジーP−トリルアミノ)フェニル}シクロヘキサン、4,4’,4”−トリメチルトリフェニルアミン、N,N,N’,N’−テトラキス(P−トリル)−P−フェニレンジアミン、1−(N,N−ジーP−トリルアミノ)ナフタレン、4,4’−ビス(ジメチルアミノ)−2−2’−ジメチルトリフェニルメタン、N,N,N’,N’−テトラフェニル−4,4’一ジアミノピフェニル、N,N’−ジフェニル−N、N’−ジ−m−トリル−4、4’−ジアミノビフェニル、N−フェニルカルバゾール等の芳香族第三級アミンや、4−ジ−P−トリルアミノスチルベン、4−(ジーP−トリルアミノ)−4’−〔4−(ジーP−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン等のスチルベン化合物や、トリアゾール誘導体や、オキサジザゾール誘導体や、イミダゾール誘導体や、ポリアリールアルカン誘導体や、ピラゾリン誘導体や、ピラゾロン誘導体や、フェニレンジアミン誘電体や、アニールアミン誘導体や、アミノ置換カルコン誘導体や、オキサゾール誘導体や、スチリルアントラセン誘導体や、フルオレノン誘導体や、ヒドラゾン誘導体や、シラザン誘導体や、ポリシラン系アニリン系共重合体や、高分子オリゴマーや、スチリルアミン化合物や、芳香族ジメチリディン系化合物や、ポリ3−メチルチオフェン等も適用可能である。 In addition, it is not limited to a polymer, for example, porphyrin compounds such as porphine, tetraphenylporphine copper, phthalocyanine, copper phthalocyanine, titanium phthalocyanine oxide, 1,1-bis {4- (di-P-tolylamino) phenyl} cyclohexane 4,4 ′, 4 ″ -trimethyltriphenylamine, N, N, N ′, N′-tetrakis (P-tolyl) -P-phenylenediamine, 1- (N, N-di-P-tolylamino) naphthalene, 4,4′-bis (dimethylamino) -2-2′-dimethyltriphenylmethane, N, N, N ′, N′-tetraphenyl-4,4′monodiaminopiphenyl, N, N′-diphenyl- Aromatic tertiary compounds such as N, N′-di-m-tolyl-4,4′-diaminobiphenyl and N-phenylcarbazole , Stilbene compounds such as 4-di-P-tolylaminostilbene, 4- (di-P-tolylamino) -4 ′-[4- (di-P-tolylamino) styryl] stilbene, triazole derivatives, oxazizazole derivatives, Imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, pyrazolone derivatives, phenylenediamine dielectrics, annealed amine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazones Derivatives, silazane derivatives, polysilane aniline copolymers, polymer oligomers, styrylamine compounds, aromatic dimethylidin compounds, poly-3-methylthiophene, and the like are also applicable.
また電子受容性材料としては、C60,C70をはじめとするフラーレン類やカーボンナノチューブ、およびこれらの誘導体や、1,3−ビス(4−tert−ブチルフェニル−1,3,4−オキサジアゾリル)フェニレン(0XD−7)等のオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフエニルキノン誘導体等を用いることができる。 Examples of the electron-accepting material include fullerenes such as C60 and C70, carbon nanotubes, and derivatives thereof, 1,3-bis (4-tert-butylphenyl-1,3,4-oxadiazolyl) phenylene ( Oxadiazole derivatives such as 0XD-7), anthraquinodimethane derivatives, diphenylquinone derivatives, and the like can be used.
なお、有機光電変換層15としては、上記材料に限定されるものではななく例えば膜中に、アクリル酸、アセトアミド、ジメチルアミノ基、シアノ基、カルボキシル基、ニトロ基などの官能基を有する材料や、ベンゾキノン誘導体、テトラシアノエチレンおよびテトラシアノキノジメタンやそれらの誘導体などのように電子を受容するアクセプターとなる材料や、たとえばアミノ基、トリフェニル基、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、フェニル基などの官能基を有する材料、フェニレンジアミンなどの置換アミン類、アントラセン、ベンゾアントラセン、置換ベンゾアントラセン類、ピレン、置換ピレン、カルバゾールおよびその誘導体、テトラチアフルバレンとその誘導体などのように電子の供与体であるドナーとなるような材料を含有させ、いわゆるドーピング処理を施すようにしてもよい。
Note that the organic
なお、ドーピングとは電子受容性分子(アクセプター)または電子供与性分子(ドナー)をドーパントとしてこの有機半導体膜に導入することを意味する。従って、ドーピングが施された有機半導体膜は、前記の縮合多環芳香族化合物とドーパントを含有する膜である。本発明に用いるドーパントとしては、アクセプター、ドナーのいずれも使用可能である。このアクセプターとしてCl2、Br2、I2、ICl、ICl3、IBr、IFなどのハロゲン、PF5、AsF5、SbF5、BF3、BC13、BBr3、SO3などのルイス酸、HF、HC1、HNO3、H2SO4、HClO4、FSO3H、ClSO3H、CF3SO3Hなどのプロトン酸、酢酸、蟻酸、アミノ酸などの有機酸、FeCl3、FeOCl、TiCl4、ZrCl4、HfCl4、NbF5、NbCl5、TaCl5、MoCl5、WF5、WCl6、UF6、LnCl3(Ln=La、Ce、Nd、Pr、などのランタノイドとY)などの遷移金属化合物、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、PF6 -、AsF5 -、SbF6 -、BF4 -、スルホン酸アニオンなどの電解質アニオンなどを挙げることができる。またドナーとしては、Li、Na、K、Rb、Csなどのアルカリ金属、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなどの希土類金属、アンモニウムイオン、R4P+、R4As+、R3S+、アセチルコリンなどをあげることができる。
Doping means introducing an electron accepting molecule (acceptor) or an electron donating molecule (donor) into the organic semiconductor film as a dopant. Therefore, the doped organic semiconductor film is a film containing the condensed polycyclic aromatic compound and the dopant. As the dopant used in the present invention, either an acceptor or a donor can be used. As this acceptor, a halogen such as Cl 2 , Br 2 , I 2 , ICl, ICl 3 , IBr, IF, Lewis acid such as PF 5 , AsF 5 , SbF 5 , BF 3 ,
これらのドーパントの導入方法としては、予め有機半導体膜を成膜しておき、ドーパントを後で導入する方法、有機半導体膜の成膜時にドーパントを導入する方法のいずれも使用可能である。前者の方法におけるドーピング方法としては、ガス状態のドーパントを用いる気相ドーピング、溶液あるいは液体のドーパントを該薄膜に接触させてドーピングする液相ドーピング、固体の状態のドーパントを該薄膜に接触させてドーパントを拡散ドーピングする固相ドーピングなどの方法をあげることができる。また液相ドーピングにおいては電解処理を施すことによってドーピング効率を調整し、ドーパント濃度を調整することができる。後者の方法では、有機半導体化合物とドーパントの混合溶液あるいは分散液を同時に塗布、乾燥してもよい。たとえば真空蒸着法を用いる場合、有機半導体化合物とともにドーパントを共蒸着することによりドーパントを導入することができる。またスパッタリング法で薄膜を成膜する場合、有機半導体化合物とドーパントの二元ターゲットを用いてスパッタリングすることにより、薄膜中にドーパントを導入させることも可能である。 As a method for introducing these dopants, it is possible to use either a method in which an organic semiconductor film is formed in advance and a dopant is introduced later, or a method in which a dopant is introduced at the time of forming an organic semiconductor film. As the doping method in the former method, gas phase doping using a dopant in a gas state, liquid phase doping in which a solution or a liquid dopant is brought into contact with the thin film, and a dopant in a solid state in contact with the thin film are added. Examples of the method include solid phase doping for diffusion doping. In liquid phase doping, the doping efficiency can be adjusted and the dopant concentration can be adjusted by performing electrolytic treatment . In the latter method, a mixed solution or dispersion of an organic semiconductor compound and a dopant may be simultaneously applied and dried. For example, when using a vacuum evaporation method, a dopant can be introduce | transduced by co-evaporating a dopant with an organic-semiconductor compound. In addition, when a thin film is formed by a sputtering method, the dopant can be introduced into the thin film by sputtering using a binary target of an organic semiconductor compound and a dopant.
これら有機半導体膜の成膜方法としては、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、プラズマ重合法、電解重合法、化学重合法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法およびLB法等が挙げられ、材料に応じて使用できる。ただし、この中で生産性の点で、有機半導体の溶液をもちいて簡単かつ精密に薄膜が形成できるスピンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法等が好ましい。これら有機半導体からなる薄膜の膜厚としては、特に制限はないが、得られた光電変換素子の特性は、有機半導体膜の膜厚に大きく左右される場合が多く、その膜厚は、有機半導体の種類により異なるが、一般に1μm以下、特に10〜300nmが好ましい。 As a method for forming these organic semiconductor films, a vacuum deposition method, a molecular beam epitaxial growth method, an ion cluster beam method, a low energy ion beam method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, a plasma polymerization method, an electrolytic polymerization method, Examples include chemical polymerization, spray coating, spin coating, blade coating, dip coating, casting, roll coating, bar coating, die coating, and LB, and can be used depending on the material. However, in terms of productivity, spin coating method, blade coating method, dip coating method, roll coating method, bar coating method, die coating method, etc. that can form a thin film easily and precisely using an organic semiconductor solution. preferable. Although there is no restriction | limiting in particular as the film thickness of the thin film which consists of these organic semiconductors, The characteristic of the obtained photoelectric conversion element is largely influenced by the film thickness of an organic semiconductor film, and the film thickness is organic semiconductor. Generally, it is 1 μm or less, particularly 10 to 300 nm.
なおバッファ層としては上記材料の他、モリブデン酸化物、クロム、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタンからルテチウムまでのいわゆる希土類元素、トリウム、マンガン、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カドミウム、アルミニュームニウム、ガリウム、インジウム、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマスなどの酸化物や窒化物、さらにこれら相互の、及びこれらとアルカリ及びアルカリ土類金属との複合酸化物、窒化物を挙げることができる。 As the buffer layer, in addition to the above materials, molybdenum oxide, chromium, tungsten, vanadium, niobium, tantalum, titanium, zirconium, hafnium, scandium, yttrium, so-called rare earth elements from lanthanum to lutetium, thorium, manganese, iron, ruthenium , Oxides and nitrides of osmium, cobalt, nickel, copper, zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, silicon, germanium, tin, lead, antimony, bismuth, etc. Examples thereof include complex oxides and nitrides with alkaline earth metals.
そして、これらの材料を、抵抗加熱方式による真空蒸着法、電子ビーム蒸着、スパッタリング、CVD、PVDなど一般的な薄膜作成法を用いて形成することができる。 These materials can be formed by using a general thin film forming method such as a vacuum evaporation method by resistance heating method, electron beam evaporation, sputtering, CVD, PVD or the like.
その際の膜厚は、使用する材料によって適宜最適な値が選択されるべきものである。一般的には、1nm〜1μmの範囲が好ましい。例えば、モリブデン酸化物の場合は3nm〜100nmの範囲が好ましい。 The film thickness at that time should be appropriately selected depending on the material used. In general, the range of 1 nm to 1 μm is preferable. For example, in the case of molybdenum oxide, the range of 3 nm to 100 nm is preferable.
バッファ層の膜厚が、薄いと均一な薄膜を得ることが困難になり、逆に厚いと電気抵抗が大きくなりキャリアの取り出し効率が低下したり、膜の均一性が低下するなどするため望ましくない。 When the buffer layer is thin, it is difficult to obtain a uniform thin film. On the other hand, when the buffer layer is thick, the electrical resistance increases and the carrier extraction efficiency decreases and the film uniformity decreases. .
また、バッファ層の材料や膜厚は、有機光電変換素子に期待される動作によって適宜決定される。 Further, the material and film thickness of the buffer layer are appropriately determined depending on the operation expected for the organic photoelectric conversion element.
陰極としては、一般的に金属等の導電性の薄膜が用いられ、例えば金、銅、アルミニウム、白金、クロム、パラジウム、インジウム、ニッケル、マグネシウム、銀、ガリウム等の金属やこれらの合金、スズ・インジウム酸化物、ポリシリコン、アモルファスシリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、酸化チタン等の酸化物半導体、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の化合物半導体等が適用可能である As the cathode, a conductive thin film such as a metal is generally used. For example, a metal such as gold, copper, aluminum, platinum, chromium, palladium, indium, nickel, magnesium, silver, gallium or an alloy thereof, tin, Oxide semiconductors such as indium oxide, polysilicon, amorphous silicon, tin oxide, indium oxide, and titanium oxide, and compound semiconductors such as gallium arsenide and gallium nitride are applicable.
(実施例1)
次に、実施例について説明する。先ず、スパッタリング法によりガラス基板11上に膜厚150nmのITO膜12を成膜し、このITO膜の上部にレジスト材(東京応化製、OFPR−800)をスピンコート法により塗布して厚さ5μmのレジスト膜を形成した。そして、マスキング、露光、現像を行いレジストを陽極12の形状にパターニングした。
(Example 1)
Next, examples will be described. First, an
その後、このガラス基板11を60℃、18Nの塩酸水溶液中に浸潰し、レジスト膜が形成されていない部分のITO膜12をエッチングした後水洗し、最後にレジスト膜を除去して所定のパターン形状のITO膜からなる陽極12を形成した。
Thereafter, the
次に、このガラス基板11を洗剤(フルウチ化学社製、セミコクリーン)による5分間の超音波洗浄、純水による10分間の超音波洗浄、アンモニア水1(体積比)に対して過酸化水素水1と水5を混合した溶液による5分間の超音波洗浄、70℃の純水による5分間の超音波洗浄の順に洗浄処理した後、窒素ブロアーでガラス基板11に付着した水分を除去し、さらに250℃で加熱して乾燥させた。
Next, the
続いて、このITO膜12の形成されたガラス基板11上に、ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフオネート(PEDT/PSS)を0.45μmのフィルターを通して滴下し、スピンコート法によって均一に塗布した。これを200℃のクリーンオーブン中で10分間加熱することで厚さ60nmの電荷輸送層13を形成した。
Subsequently, poly (3,4) ethylenedioxythiophene / polystyrene sulphonate (PEDT / PSS) is dropped on the
次に、このようにして電荷輸送層13の形成されたガラス基板11を抵抗加熱蒸着装置内に入れ、0.27mPa(=2×10−6Torr)以下の真空度となるまで減圧した状態で酸化モリブデンを蒸着し、5nmのバッファ層14を形成した。
Next, the
そして、図2に示すような分子構造の電子供与性有機材料として機能するポリ(2−メトキシ−5−(2’一エチルヘキシルオキシ)−1、4−フェニレンビニレン)(MEH−PPV)及び電子受容性材料として機能する[5、6]−フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル([5、6]−PCBM)とが重量比1:4からなるクロロベンゼン溶液をスピンコートした後、100℃のクリーンオーブン中で30分間加熱処理し、約100nmの有機光電変換層15を形成した。
Then, poly (2-methoxy-5- (2′-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) functioning as an electron-donating organic material having a molecular structure as shown in FIG. After spin-coating a chlorobenzene solution consisting of [5,6] -phenyl C61 butyric acid methyl ester ([5,6] -PCBM) having a weight ratio of 1: 4, which functions as a functional material, in a clean oven at 100 ° C. For 30 minutes to form an organic
なお、MEH−PPVはP型有機半導体であり、[5、6]−PCBMはn型有機半導体で、光吸収により発生した励起子の電子は図3に示すようにコンダクションバンドを拡散して[5、6]−PCBMに、またホールはバレンスバンドを拡散してMEH−PPVに供与されて、これらを伝導して陰極16及び陽極12に伝導する。
Note that MEH-PPV is a P-type organic semiconductor, [5, 6] -PCBM is an n-type organic semiconductor, and exciton electrons generated by light absorption diffuse a conduction band as shown in FIG. The holes are diffused to the [5, 6] -PCBM and to the MEH-PPV by diffusing the valence band and conducted to the
この[5、6]−PCBMは、修飾されたフラーレン類であり、電子移動度が非常に大きく、加えて電子供与材料であるMEH−PPVとの混合物が利用できることから、電子−ホール対の分離搬送を効率的に行うことができ、光電効率が高くなると共に低コストの作製が可能となるという利点がある。 This [5,6] -PCBM is a modified fullerene, has a very high electron mobility, and in addition, a mixture with MEH-PPV, which is an electron donating material, can be used. There is an advantage that the transfer can be efficiently performed, the photoelectric efficiency is increased, and the low-cost production is possible.
最後に、この有機光電変換層15の上部に0.27mPa(=2×10−6Torr)以下の真空度まで減圧した抵抗加熱蒸着装置内にて、LiFを約1nm、続いてAlを約10nmの膜厚で成膜して陰極16を形成した。
Finally, LiF is about 1 nm and then Al is about 10 nm in a resistance heating vapor deposition apparatus reduced in pressure to 0.27 mPa (= 2 × 10 −6 Torr) or less on the organic
その後、この上に図示しないパッシベーション膜を形成することにより有機光電変換素子を得た。 Then, the organic photoelectric conversion element was obtained by forming the passivation film which is not illustrated on this.
このような構成の有機光電変換素子は、バッファ層14を用いない従来の有機光電変換素子に比べ、高温下等の様々な環境であっても特性が安定しており長寿命となっている。
Compared with the conventional organic photoelectric conversion element which does not use the
(実施の形態2)
次に本発明の実施の形態2について説明する。前記実施の形態1では光電変換層15を単層で構成し、この光電変換層15内に電子供与性材料と電子受容性材料を含むようにしたが、本実施の形態では、図4に示すように、電子受容性層15aと電子供与性層15bとの2層構造で構成し、この界面でpn接合を形成するものである。他部については構造的には前記実施の形態1で説明した有機光電変換素子と同様である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the
このような構成の光電変換素子ではキャリアの授受がpn接合界面のみに限られるため、この界面から遠い電子供与性層内部で発生した励起子は電子受容性材料へ電子を渡すことができない。そのためPEDOT:PSS層等に悪影響を及ぼすことが考えられるが、バッファ層の導入によりこれを抑制することができ、
有機光電変換素子の特性の安定化及び長寿命化を図ることができる。
なおバッファ層の介在位置は電子供与性層と電極との間だけでなく、電子受容性層と電極との間であっても良く、この場合も長寿命化を図ることができる。
In the photoelectric conversion element having such a configuration, since transfer of carriers is limited to only the pn junction interface, excitons generated inside the electron donating layer far from the interface cannot pass electrons to the electron accepting material. Therefore, it can be considered to adversely affect the PEDOT: PSS layer etc., but this can be suppressed by introducing a buffer layer,
The characteristics of the organic photoelectric conversion element can be stabilized and the lifetime can be increased.
Note that the buffer layer may be interposed not only between the electron-donating layer and the electrode, but also between the electron-accepting layer and the electrode. In this case, the life can be extended.
(実施例2)
次に、実施例2について説明する。実施例1と同様、先ず、スパッタリング法によりガラス基板11上に所定のパターン形状のITO膜からなる陽極12を形成した。
(Example 2)
Next, Example 2 will be described. As in Example 1, first, an
次に、このガラス基板11を洗浄後、加熱して乾燥させ、この基板11上に、ポリ(3,4)エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフオネートPEDOT:PSS層からなる電荷輸送層13を形成した。
Next, the
次に、この基板11を抵抗加熱蒸着装置内に入れ、0.27mPa(=2×10−6Torr)以下の真空度となるまで減圧した状態で酸化モリブデンを蒸着し、5nmのバッファ層14を形成した。
Next, this
そして、ポリ(2−メトキシ−5−(2’一エチルヘキシルオキシ)−1、4−フェニレンビニレン)(MEH−PPV)を含む高分子層からなる電子供与性有機材料層15aをスピンコートで、またフラーレン(C60)からなる電子受容性材料層15bを真空蒸着法によってそれぞれ形成し、約100nmの有機光電変換層15を形成した。
Then, an electron donating
なお、MEH−PPVはP型有機半導体であり、C60はn型半導体で、光吸収により発生した励起子の電子は図3に示すようにコンダクションバンドを拡散してC60に、またホールはバレンスバンドを拡散してMEH−PPVに供与されて、これらを伝導して陰極16及び陽極12に伝導する。
Note that MEH-PPV is a P-type organic semiconductor, C60 is an n-type semiconductor, and exciton electrons generated by light absorption diffuse into a conduction band as shown in FIG. 3, and holes are valence. The band is diffused and supplied to the MEH-PPV, which is conducted to the
このC60は電子移動度が非常に大きく、電子−ホール対の分離搬送を効率的に行うことができる。 This C60 has a very high electron mobility, and can efficiently carry out separation and transport of electron-hole pairs.
そして最後に、実施例1と同様に、この有機光電変換層15の上部にLiFを約1nm、続いてAlを約10nmの膜厚で成膜して陰極16を形成した。
Finally, in the same manner as in Example 1, a
その後、この上に図示しないパッシベーション膜を形成することにより有機光電変換素子を得た。 Then, the organic photoelectric conversion element was obtained by forming the passivation film which is not illustrated on this.
このような構成の有機光電変換素子は、特性が安定しており長寿命となっている。 The organic photoelectric conversion element having such a configuration has stable characteristics and a long lifetime.
なお前記実施例では、電荷輸送層としてPEDOT:PSS層を用いた例について説明したが、PEDOT:PSS層に代えて、無機材料にしたりあるいは、無機物からなるバッファ層のみを光電変換層と電極との間に介在させることにより、不安定要因がなくなるため、さらなる安定化を図ることができる。 In the above-described embodiment, an example in which a PEDOT: PSS layer is used as a charge transport layer has been described, but instead of the PEDOT: PSS layer, an inorganic material or only a buffer layer made of an inorganic material is used as a photoelectric conversion layer and an electrode. By interposing between them, an unstable factor is eliminated, so that further stabilization can be achieved.
本発明は、長時間駆動に際しても光電変換効率の低下を招くことなく安定に動作し、また高温下等の様々な環境で使用可能であることから、太陽電池や、イメージセンサ、光センサなどに適用可能である。 The present invention operates stably without causing a decrease in photoelectric conversion efficiency even when driven for a long time, and can be used in various environments such as high temperatures, so that it can be used in solar cells, image sensors, optical sensors, etc. Applicable.
1 基板
2 陽極
3 電荷輸送層
4 光電変換層
5 陰極
11 基板
12 陽極
13 電荷輸送層
14 バッファ層
15 光電変換層
16 陰極
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記電極間に、配置され、少なくとも電子供与性有機材料と電子受容性材料とを含む光電変換領域と、
前記光電変換領域と前記1対の電極の少なくとも一方との間に介在せしめられた少なくとも1種類の無機物からなるバッファ層とを有することを特徴とする有機光電変換素子。 At least one pair of electrodes;
A photoelectric conversion region disposed between the electrodes and including at least an electron-donating organic material and an electron-accepting material;
An organic photoelectric conversion element comprising: a buffer layer made of at least one inorganic material interposed between the photoelectric conversion region and at least one of the pair of electrodes.
前記光電変換領域は、有機薄膜を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 1,
The photoelectric conversion region is an organic photoelectric conversion element including an organic thin film.
前記有機薄膜は、前記電極の一方の表面に塗布形成された高分子膜を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 2,
The organic thin film is an organic photoelectric conversion element including a polymer film formed by coating on one surface of the electrode.
前記電子供与性材料が導電性高分子材料で構成されたものを含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 2,
An organic photoelectric conversion element comprising the electron donating material composed of a conductive polymer material.
前記電子受容性材料が、修飾又は未修飾のフラーレン類、カーボンナノチューブ類の少なくとも1つを含む有機光電変換素子。 It is an organic photoelectric conversion element in any one of Claims 1 thru | or 4, Comprising:
The organic photoelectric conversion element in which the electron-accepting material includes at least one of modified or unmodified fullerenes and carbon nanotubes.
前記バッファ層が酸化物を含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5,
An organic photoelectric conversion element in which the buffer layer contains an oxide.
前記バッファ層が遷移金属の酸化物を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 6,
The organic photoelectric conversion element in which the buffer layer contains an oxide of a transition metal.
前記バッファ層がモリブデンまたはバナジウムの酸化物を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion element according to claim 7,
An organic photoelectric conversion element in which the buffer layer contains an oxide of molybdenum or vanadium.
前記バッファ層が窒化物を含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5,
An organic photoelectric conversion element in which the buffer layer contains a nitride.
前記バッファ層が遷移金属の窒化物を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 9,
The organic photoelectric conversion element in which the buffer layer contains a nitride of a transition metal.
前記バッファ層が酸窒化物を含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5,
The organic photoelectric conversion element in which the said buffer layer contains an oxynitride.
前記バッファ層が遷移金属の酸窒化物を含む有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 11,
The organic photoelectric conversion element in which the said buffer layer contains the oxynitride of a transition metal.
前記バッファ層が遷移金属を含む複合酸化物を含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5,
The organic photoelectric conversion element in which the said buffer layer contains the complex oxide containing a transition metal.
前記光電変換領域は、電子供与性有機材料を含む電子供与性層と、電子受容性材料を含む電子受容性層とを含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 13,
The photoelectric conversion region is an organic photoelectric conversion element including an electron donating layer containing an electron donating organic material and an electron accepting layer containing an electron accepting material.
前記バッファ層は、前記電子供与性層と前記電極との間に介在される有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 14,
The buffer layer is an organic photoelectric conversion element interposed between the electron donating layer and the electrode.
前記バッファ層は、前記電子受容性層と前記電極との間に介在される有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15,
The buffer layer is an organic photoelectric conversion element interposed between the electron-accepting layer and the electrode.
前記光電変換領域は、電子供与性有機材料と電子受容性材料とが分散せしめられた有機半導体層を含む有機光電変換素子。 An organic photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 13,
The photoelectric conversion region is an organic photoelectric conversion element including an organic semiconductor layer in which an electron donating organic material and an electron accepting material are dispersed.
無機物を含むバッファ領域を形成する工程と、
有機光電変換領域を形成する工程と、
前記有機光電変換領域上に電極を形成する工程とを含む有機光電変換素子の製造方法。 Forming an electrode;
Forming a buffer region containing an inorganic substance;
Forming an organic photoelectric conversion region;
Forming an electrode on the organic photoelectric conversion region.
前記バッファ領域を形成する工程は、
湿式法によりバッファ層を形成する工程を含む有機光電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the organic photoelectric conversion element according to claim 18,
The step of forming the buffer region includes:
The manufacturing method of the organic photoelectric conversion element including the process of forming a buffer layer with a wet method.
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