JP2005526404A

JP2005526404A - 光起電電池の後処理方法

Info

Publication number: JP2005526404A
Application number: JP2004506107A
Authority: JP
Inventors: サリキフチ、セダー; グレッツル、エアハルト; デンク、パトリック; リットベルガー、ロマン; パディンガー、フランツ
Original assignee: コナルカオーストリアフォルシュングスウントエントヴィックルングスゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2005-09-02
Also published as: AU2003232901A1; TW200405559A; EP1506582B1; CA2482579A1; EP1506582A1; US20060011233A1; CN1653627A; DE50313347D1; ATE492914T1; AT411305B; ATA7752002A; WO2003098715A1

Abstract

本発明は、二種の分子成分、即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を含む感光層と、同感光層の両面上に配置されたニ個の金属電極とを備え、電子供与体のガラス転移温度よりも高い温度で所定の処理時間だけ熱処理される光起電電池の後処理方法において、前記光起電電池の後処理は、処理時間の少なくとも一部の間、光起電電池の電極に印加され、かつ光起電電池の無負荷電圧を超過するフィールド電圧により誘起された電場の作用下で行われる。

Description

本発明は、二種の分子成分、即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を含む感光層と、同感光層の両面上に配置された二個の金属電極とを備え、電子供与体のガラス転移温度よりも高温で所定の時間だけ熱処理される光起電電池の後処理方法に関する。

交互に配置された単結合と二重結合との連続を備えた共役合成体として公知の合成物質は、電子エネルギーの観点から半導体と類似するエネルギー帯を有し、不純物を添加することによって非伝導状態から金属的伝導状態へと転換し得る。このような共役化合物の例には、ポリフェニレン、ポリビニルフェニレン（ＰＰＶ）、ポリチオフェンおよびポリアニリンがある。しかしながら、共役ポリマーから形成された感光性ポリマー電池のエネルギー変換効率は、一般に１０^−３から１０^−２％の間にある。このエネルギー変換効率を向上させるために、感光層を、一方は電子供与体としての共役ポリマー、他方は電子受容体としてのフラーレン、特にバックミンスターフラーレン（Buckminsterfulleren)（Ｃ_６０）の二種の分子成分から形成することが公知である（特許文献１）。これら成分間の界面の光誘起された電子の非常に速い動きは、より頻繁なキャリアの再結合を防止して、対応する電荷分離をもたらす。しかしながら、この有効な電荷分離は、電子供与体と電子受容体との間の界面領域内でのみ発生するため、電子受容体として作用するフラーレン成分を、電子供与体を構成するポリマー成分内にて出来る限り均一に分散させるための努力が行われている。

電子の可動性は、アモルファスマトリクスと比較すると、結晶性ポリマーマトリクス内で増大し、かつガラス転移温度より高温で結晶化が促進されることが発見されているため、光起電電池を熱で後処理して効率を上昇させることが既に提案されている。これを目的として、光起電電池は、６０〜１５０℃の処理温度で１時間だけ処理される。しかしながら、効率の上限は約３％であると証明されており、熱処理の最適化により効率を更に上昇させることは不可能であった。
米国公開特許公報第５，４５４，８８０Ａ号明細書

従って、本発明の目的は、本願の当初に説明したタイプの、効率が更に上昇された光起電電池の後処理方法を提供することにある。

本発明は、上述の目的を、光起電電池の熱処理を、処理時間の少なくとも一部の間、光起電電池の電極に印加され、かつ光起電電池の無負荷電圧を超過するフィールド電圧により誘起された電場の作用下で行うことによって達成される。

光起電電池の効率は、熱処理中に光起電電池の電極全体に誘起された電場の作用によって驚く程上昇し得る。この効率上昇の可能な解釈の一つとして、電場が、電極間の感光層内に付加的なキャリアを注入することが挙げられる。この付加的なキャリアは、ポリマー成分が誘起された電場の方向へ整列することを促進する。ポリマーが整列するためには、ポリマー分子が適度な可動性を有する必要がある。このことは光起電電池をポリマー成分のガラス転移温度よりも高い温度に加熱することにより実現することが可能である。ポリマーの整列が顕著になるにつれて、キャリアの伝導性が増大する。電極と感光層との間の
電気接触も序々に向上されて、光起電電池内の直列抵抗が減少する。さらに、直列抵抗の減少には、短絡電流の増大と曲線因子の上昇が伴う。

電場を介してキャリアが感光層ポリマー成分内に注入されるためには、光起電電池の電極に印可されて電場を誘起するフィールド電圧は、光起電電池の無負荷電圧を超過する必要がある。良好な効果を得るためには、フィールド電圧は、無負荷電圧を少なくとも１Ｖ超過する必要がある。殆どの場合、フィールド電圧が２．５〜３Ｖの間に設定されると、特に良好な状況が実現される。フィールド電圧の上限は、印可された電場に光起電電池が耐え得る能力に決定される。いずれの場合でも、フィールド電圧を上述した２．５〜３Ｖの範囲よりも高く上昇させても、一般に感光性ポリマー成分の指向性は向上しない。

熱処理の、感光性ポリマー成分の結晶化傾向に対する好ましい影響は、所定の処理時間が経過すると消滅する。従って、光起電電池が電場の作用下で熱処理される時間を制限することが好ましい。２〜８分の処理時間にて熱処理の好ましい状況が得られ、４〜５分の範囲内にて最適に実現化される。

本発明による光起電電池の後処理方法を、図面を参照してより詳細に説明する。
図１において、光起電電池は、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）から形成された電極２により被覆された透明ガラス基板１を備える。通常、不純物添加によって導電性を付与されたポリマー、一般にはポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）の平滑化層が被覆された電極２上に、二種の分子成分、特に共役ポリマー成分とフラーレン成分とから形成された感光層３が堆積されている。感光層３は、次に、対向電極４を支持し、この対向電極４はアルミニウム層から形成されており、ＩＴＯが正孔収集電極２として使用される場合に、電子収集電極を形成する。

典型的な実施形態において、ポリマー成分は、良好な正孔伝導性に必須の卓越した結晶化特性を示すポリチオフェンであった。ポリチオフェンとしてポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）が用いられ、メタノフラーレン、特に[６，６]−フェニルＣ_６１ブチル[ｓｉｃ]酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）が電子受容体として用いられた。１２５ｎｍの層厚を有するＩＴＯ電極２上に、層厚約５０ｎｍのポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ）が堆積された後、約４５分間の乾燥時間の後、１０^−１〜１０^−２ｍｂａｒの真空下で、特に溶媒１ｍｌにつきＰ３ＨＴ１０ｍｇとＰＣＢＭ２０ｍｇとを含む溶液の形態にて、感光層が堆積された。使用した溶媒は、１，２−ジクロロベンゼンであった。その後、１０^−１〜１０^−２ｍｂａｒの真空下で約４５分乾燥した後、同一の高真空工程（１０^−６ｍｂａｒ）において、最初に０．６ｎｍのフッ化リチウム層が、次に層厚７０ｎｍのアルミニウム電極が蒸着された。

このように形成された光起電電池を、特に電場と組み合わせて、熱で後処理した。この目的において、光起電電池はホットプレート５上に配置されて、電極２と電極４とが電源６に対して接続された。ポリマー成分のガラス転移温度よりも高温の７０〜７５℃の処理温度にて加熱された直後、感光層３は、電圧２．７Ｖが印加された電極２と電極４との間において、このフィールド電圧で誘起された電場の作用下に晒された。この後処理は、処理時間が４分経過した後に停止された。光起電電池は、室温に冷却した。加熱と、それと同時の電場の誘起とにより達成され得る効果を視認化するため、上述した状況下で、後処理を受けていない電場の作用下で熱処理された、電場の作用下になく熱処理された、同一に構成された光起電電池の各々について、図２および図３の特性曲線を得た。

図２の特性曲線は、白色光（８０ｍＷ／ｃｍ^２）を照射して記録された。後処理を受けなかった光起電電池について記録した特性曲線ａでは、無負荷電圧は３００ｍＶ、短絡電
流の電流密度は約２．５ｍＡ／ｃｍ^２であり、曲線因子は０．４であった。この光起電電池の効率は、約０．４％と示し得る。特性曲線ｂは、熱のみで後処理された光起電電池について記録した。特性曲線ａと比較すると、無負荷電圧は５００ｍＶ、短絡電流密度は約７．５ｍＡ／ｃｍ^２に上昇している。曲線因子は、０．５７と算出された。この光起電電池の効率は、２．５％であった。電場の作用下で熱処理された光起電電池では、特性曲線ｃにおいて、無負荷電圧は約５５０ｍＶ、短絡電流密度は約８．５ｍＡ／ｃｍ^２と示される。曲線因子は０．６であり、効率は３．５％に上昇した。

ｎｍで測定された波長λにおける入射光パワー当たりの電荷収集率
ＩＰＣＥ[％]＝１２４０・ｌ_ｋ/λ・ｌ_ｌ
を、比較されるべき各光起電電池について図３に示す。Ｉ_ｋは、μＡ／ｃｍ^２で測定された短絡電流密度を式に導入し、ｌ_ｌは、Ｗ／ｍ^２で測定された光パワーを導入する。後処理を受けなかった光起電電池の量子効率ＩＰＣＥ（入射光子−電流変換効率）は、特性曲線ａに示し得るように、波長４４０ｎｍにて約３０％の最大値に到達する。電場の作用下になく熱処理されたケースでは、量子効率ＩＰＣＥはほぼ倍増し、より高波長側へのシフトが見られる。従って、太陽放射のこの波長範囲をより有効に利用し得る。電場の作用下で熱により後処理すると、特性曲線ｃに示すように、量子効率ＩＰＣＥは、更に上昇して６１％に到達した。

図４に、電場の作用下で熱処理された光起電電池と、電場の作用下になく熱処理された光起電電池の効率を、処理時間の関数として示す。図４から、効率は、処理時間とともに変動する事が直ちに明らかになろう。電場の作用下になく熱処理された光起電電池では、効率の最大値は、６分前後の処理時間で到達した。電場の作用下で熱処理された光起電電池では、効率の最大値は、約４分のオーダーの、より短い処理時間で到達することが見出された。

後処理を受けるべき電池の概略断面図。基本的に同一構造を有するが、熱処理されていない、熱処理された、および電場の作用下で熱処理された光起電電池の、電圧と電流密度との関係を表す特性曲線のグラフ。電場の作用下で、熱処理された、および熱処理されていない同様の構造を有する光起電電池の、光励起の波長に関連する入射光パワー当たりの電荷収集率を示すグラフ。電場の作用下で、および電場の作用下にない熱処理の継続時間中の、光起電電池の獲得可能な効率の従属を示すグラフ。

Claims

二種の分子成分、即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を含む感光層と、同感光層の両面上に配置されたニ個の金属電極とを備え、電子供与体のガラス転移温度よりも高温で所定の時間だけ熱処理される光起電電池の後処理方法において、前記光起電電池の後処理は、処理時間の少なくとも一部の間、光起電電池の電極に印加され、かつ光起電電池の無負荷電圧を超過するフィールド電圧により誘起された電場の作用下で行われる方法。
前記電場は、光起電電池の無負荷電圧を少なくとも１Ｖ超過するフィールド電圧により誘起される請求項１に記載の方法。
前記フィールド電圧は、２．５〜３Ｖの間から選択される請求項２に記載の方法。
前記光起電電池は、電場の作用下で、２〜８分間、好ましくは４〜５分間熱処理される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。