JP2006013097A - Organic/inorganic composite solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は有機半導体と無機半導体の膜を備えた太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a solar cell provided with a film of an organic semiconductor and an inorganic semiconductor.
太陽電池は、従来その光電変換効率の高さから、シリコン、CdS、CdTe、CdAsなどの無機半導体が用いられてきた。これらの変換効率は、例えばシリコンを用いた場合には約15%にも達する。しかしながら、これら無機半導体を用いた太陽電池では、単結晶作製、ドーピングプロセスなどの多くのプロセスが電池作製に必要であるため、生産コストが非常に高くなるという問題点を有している。 Conventionally, an inorganic semiconductor such as silicon, CdS, CdTe, CdAs has been used for the solar cell because of its high photoelectric conversion efficiency. These conversion efficiencies reach about 15% when silicon is used, for example. However, solar cells using these inorganic semiconductors have a problem that the production cost is very high because many processes such as single crystal production and doping process are necessary for battery production.
有機半導体を用いる太陽電池は、無機半導体を用いた太陽電池に比べ製造工程が容易であり、低コストで大面積化が可能であるという利点を持つところから、この太陽電池に用いられる光電変換素子に関し種々の提案がなされている(下記非特許文献1,2)。
これまでの有機材料を用いた太陽電池は大きく分けて、(1)金属/p型(n型)有機半導体膜/金属(ショットキー型)、(2)金属/p型有機半導体膜/n型有機半導体膜/金属(bi−layer型)、(3)金属/p型有機半導体とn型無機半導体との混合膜/金属、の三種類に分類できる。しかし、これらの太陽電池は開放電圧は高いものの電子の移動度が低いために短絡電流は小さく、太陽電池としての変換効率は低かった。 Conventional solar cells using organic materials can be broadly divided into (1) metal / p-type (n-type) organic semiconductor film / metal (Schottky type) and (2) metal / p-type organic semiconductor film / n-type. There are three types: organic semiconductor film / metal (bi-layer type), and (3) mixed film / metal of metal / p-type organic semiconductor and n-type inorganic semiconductor. However, although these solar cells have a high open circuit voltage, the short circuit current is small because of the low mobility of electrons, and the conversion efficiency as a solar cell is low.
本発明は、変換効率が高く、特に短絡電流を向上することができる有機無機複合太陽電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an organic-inorganic composite solar cell that has high conversion efficiency and can particularly improve a short-circuit current.
請求項1の有機無機複合太陽電池は、1対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、該半導体膜は、p型無機半導体膜/p型有機半導体膜/n型有機半導体膜/n型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とするものである。 2. The organic-inorganic composite solar cell according to claim 1, wherein a semiconductor film is provided between a pair of electrodes, the semiconductor film being p-type inorganic semiconductor film / p-type organic semiconductor film / n-type organic semiconductor film. It is characterized by comprising a stacked body of / n-type inorganic semiconductor films.
請求項2の有機無機複合太陽電池は、1対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、該半導体膜は、p型無機半導体膜/p型有機半導体とn型有機半導体の混合膜/n型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
3. The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項3の有機無機複合太陽電池は、請求項1又は2において、p型無機半導体はCu2O又はNiOであり、n型無機半導体はZnO、TiO2、SnO2又はIn2O3であることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項4の有機無機複合太陽電池は、請求項1ないし3のいずれか1項において、該電極が金属膜又は透明導電膜よりなることを特徴とするものである。 The organic-inorganic composite solar cell according to claim 4 is characterized in that, in any one of claims 1 to 3, the electrode is made of a metal film or a transparent conductive film.
請求項5の有機無機複合太陽電池は、請求項1において、前記半導体膜は、Cu2O/MEH−PPV/フラーレン類/ZnOの積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項6の有機無機複合太陽電池は、請求項5において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Al/Cu2O/MEH−PPV/フラーレン類/ZnO/ITOの積層体よりなることを特徴とするものである。
An organic-inorganic composite solar cell according to
請求項7の有機無機複合太陽電池は、請求項2において、前記半導体膜は、NiO/MEH−PPVとフラーレン類との有機混合膜/TiO2の積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項8の有機無機複合太陽電池は、請求項7において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、Al/NiO/MEH−PPVとフラーレン類との有機混合膜/TiO2/ITOの積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項9の有機無機複合太陽電池は、1対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、一方の電極がp型透明導電膜であり、他方の電極がn型透明導電膜であり、全体として、p型透明導電膜/p型有機半導体膜/n型有機半導体膜/n型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項10の有機無機複合太陽電池は、1対の電極間に半導体膜が設けられている太陽電池において、一方の電極がp型透明導電膜であり、他方の電極がn型透明導電膜であり、全体として、p型透明導電膜/p型有機半導体とn型有機半導体の混合膜/n型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項11の有機無機複合太陽電池は、請求項9において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、CuAlO2/MEH−PPV/フラーレン類/ITOの積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項12の有機無機複合太陽電池は、請求項10において、該有機無機複合太陽電池は、全体として、CuAlO2/MEH−PPVとフラーレン類との混合膜/ITOの積層体よりなることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項13の有機無機複合太陽電池は、請求項5〜8,11,12のいずれか1項において、フラーレン類がフラーレン又はフラーレン誘導体であることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell according to
請求項14の有機無機複合太陽電池は、請求項13において、フラーレン誘導体がPCBMであることを特徴とするものである。
The organic-inorganic composite solar cell of
なお、MEH−PPVは下記構造式(化1)で示されるポリ[2−メトキシ−5−(2’−エチルヘキロキシ)−1,4−フェニレンビニレンであり、PCBMは、下記構造式(化2)で表わされるものである。 Note that MEH-PPV is poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene represented by the following structural formula (Chemical Formula 1), and PCBM is the following structural formula (Chemical Formula 2). It is represented by
請求項1の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をp型有機半導体膜とn型有機半導体膜との積層体で構成している。また、請求項2の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をp型有機半導体とn型有機半導体との混合膜で構成している。いずれの有機無機複合太陽電池においても、上記の光吸収層の両側をp型無機半導体膜及びn型無機半導体膜で挟み込んでいるので光照射によって励起された電子を効率良く取り出すことができる。
In the organic-inorganic composite solar cell according to claim 1, the light absorption layer is composed of a laminate of a p-type organic semiconductor film and an n-type organic semiconductor film. In the organic-inorganic composite solar cell according to
請求項9の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をp型有機半導体膜とn型有機半導体膜との積層体で構成している。また、請求項10の有機無機複合太陽電池は、光吸収層をp型有機半導体とn型有機半導体との混合膜で構成している。いずれの有機無機複合太陽電池においても、上記の光吸収層の両側をp型透明導電膜及びn型透明導電膜で挟み込んでいるので光照射によって励起された電子を効率良く取り出すことができる。
In the organic-inorganic composite solar cell according to
なお、請求項3〜8,11,12はより具体的な構造を特定したものであり、請求項13,14はフラーレン類を特定したものである。
以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1(a)は請求項1の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜1、n型無機半導体膜2、n型有機半導体膜3、p型有機半導体膜4、p型無機半導体膜5及び金属電極6がこの順に積層されている。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the organic-inorganic composite solar cell of claim 1, and includes a transparent conductive film 1, an n-type
図1(b)は請求項2の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜7、n型無機半導体膜8、p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜9、p型無機半導体膜10及び金属電極11がこの順に積層されている。
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the organic-inorganic composite solar cell of
図1(c)は請求項9の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、n型透明導電膜12、n型有機半導体膜13、p型有機半導体膜14及びp型透明導電膜15がこの順に積層されている。
FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the organic-inorganic composite solar cell of
図1(d)は請求項10の有機無機複合太陽電池の構成を示す模式的な断面図であり、n型透明導電膜16、p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜17及びp型透明導電膜18がこの順に積層されている。
FIG. 1 (d) is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the organic-inorganic composite solar cell of
透明導電膜としては、ITO(インジウム・錫酸化物)、AZO(アンチモン・亜鉛酸化物)等が好適であり、その膜厚は5〜200nm程度が好適である。 As the transparent conductive film, ITO (indium / tin oxide), AZO (antimony / zinc oxide), or the like is preferable, and the film thickness is preferably about 5 to 200 nm.
p型無機半導体膜としては、Cu2OやNiOなどの光透過性を有する無機化合物、特に金属酸化物が好適である。この膜厚は30〜800nm程度が好適である。 As the p-type inorganic semiconductor film, a light-transmitting inorganic compound such as Cu 2 O or NiO, particularly a metal oxide is suitable. This film thickness is preferably about 30 to 800 nm.
n型無機半導体膜としては、ZnO、TiO2、SnO2、In2O3などの光透過性を有する無機化合物、特に金属酸化物が好適である。 As the n-type inorganic semiconductor film, a light-transmitting inorganic compound such as ZnO, TiO 2 , SnO 2 , or In 2 O 3 , particularly a metal oxide is preferable.
p型透明導電膜としては、CuAlO2等が好適であり、その膜厚は30nm〜1μm程度が好適である。 As the p-type transparent conductive film, CuAlO 2 or the like is suitable, and the film thickness is preferably about 30 nm to 1 μm.
n型透明導電膜としては、ITO、AZO等が好適であり、その膜厚は30nm〜1μm程度が好適である。 As the n-type transparent conductive film, ITO, AZO or the like is suitable, and the film thickness is preferably about 30 nm to 1 μm.
金属電極としては、アルミニウム、白金などが好適であり、その膜厚は30nm〜1μm程度が好適である。 As the metal electrode, aluminum, platinum or the like is suitable, and the film thickness is preferably about 30 nm to 1 μm.
これらの金属膜や金属酸化物膜はスパッタリングにより形成することができる。 These metal films and metal oxide films can be formed by sputtering.
p型有機半導体膜としては、MEH−PPVが好適であり、特に分子量が1万〜30万程度のMEH−PPVが好適である。n型有機半導体膜としては、フラーレン(C60)やフラーレン誘導体が好適である。フラーレン誘導体としては、前記化学構造式で表わされるPCBMが好適である。これらの有機半導体膜の膜厚は3〜500nm程度が好適である。 As the p-type organic semiconductor film, MEH-PPV is preferable, and MEH-PPV having a molecular weight of about 10,000 to 300,000 is particularly preferable. As the n-type organic semiconductor film, fullerene (C 60 ) or a fullerene derivative is suitable. As the fullerene derivative, PCBM represented by the above chemical structural formula is preferable. The thickness of these organic semiconductor films is preferably about 3 to 500 nm.
p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜における両者の混合割合は、50:1〜1:50であることが好ましい。 The mixing ratio of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the mixed film is preferably 50: 1 to 1:50.
この有機半導体膜は、クロロベンゼン等の有機溶媒にMEH−PPV、フラーレン類等を溶解ないし分散させ、スピンコート法等によって薄膜化させ、次いで溶媒を蒸発させることにより成膜することができる。 This organic semiconductor film can be formed by dissolving or dispersing MEH-PPV, fullerenes or the like in an organic solvent such as chlorobenzene, thinning the film by a spin coating method, and then evaporating the solvent.
上記の図1(a),(b)ではいずれも図の下側から光が照射される。図1(c),(d)では光は上側、下側のいずれから照射されてもよいが、下側の方が好適である。図1(a),(b)では最下段の層を透明導電膜1,7としているが、これを金属電極とし、代わりに最上層の層6,11を透明導電膜とし、図の上側から光が照射される構成としてもよい。
In FIGS. 1A and 1B, light is irradiated from the lower side of the figure. In FIGS. 1C and 1D, light may be emitted from either the upper side or the lower side, but the lower side is preferred. In FIGS. 1A and 1B, the lowermost layer is the transparent
図2(a)は図1(a)の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜としてのITO膜1’、n型無機半導体膜としてのZnO膜2’、n型有機半導体膜としてのフラーレン膜3’、p型有機半導体膜としてのMEH−PPV膜4’、p型無機半導体膜としてのCu2O膜5’及び金属電極としてのAl膜6’がこの順に積層されている。
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of FIG. 1A, in which an ITO film 1 ′ as a transparent conductive film, a
図2(b)は図1(b)の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、透明導電膜としてのITO膜7’、n型無機半導体膜としてのTiO2膜8’、p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜としてのMEH−PPVとPCBMとの混合膜9’、p型無機半導体膜としてのNiO膜10’及び金属電極としてのAl膜11’がこの順に積層されている。
FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of FIG. 1B, in which an
図2(b)の有機無機複合太陽電池にあっては、光照射によって励起された混合膜9’中の電子がPCBMに局在するが、隣接するn型半導体のTiO2膜8’に電子が受け渡される。一方、MEH−PPVからはホールがp型半導体のNiO膜10’に受け渡され、電子・正孔対が効率的に電極7’,11’に流れていく。
In the organic-inorganic hybrid solar cell of FIG. 2B, electrons in the
図2(c)は図1(c)の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、n型透明導電膜としてのITO膜12’、n型有機半導体膜としてのフラーレン膜13’、p型有機半導体膜としてのMEH−PPV膜14’及びp型透明導電膜としてのCuAlO2膜15’がこの順に積層されている。
FIG. 2C is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration of FIG. 1C, in which an
図2(d)は図1(d)の具体的な構成を示す模式的な断面図であり、n型透明導電膜としてのITO膜16’、p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜としてのMEH−PPVとフラーレンとの混合膜17’及びp型透明導電膜としてのCuAlO2膜18’がこの順に積層されている。
FIG. 2 (d) is a schematic cross-sectional view showing the specific configuration of FIG. 1 (d), in which an
1,7 透明導電膜
2,8 n型無機半導体膜
3,13 n型有機半導体膜
4,14 p型有機半導体膜
5,10 p型無機半導体膜
6,11 金属電極
9,17 p型有機半導体とn型有機半導体との混合膜
12,16 n型透明導電膜
15,18 p型透明導電膜
1,7 Transparent
Claims (14)
該半導体膜は、p型無機半導体膜/p型有機半導体膜/n型有機半導体膜/n型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。 In a solar cell in which a semiconductor film is provided between a pair of electrodes,
The organic / inorganic composite solar cell, wherein the semiconductor film is a laminate of p-type inorganic semiconductor film / p-type organic semiconductor film / n-type organic semiconductor film / n-type inorganic semiconductor film.
該半導体膜は、p型無機半導体膜/p型有機半導体とn型有機半導体の混合膜/n型無機半導体膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。 In a solar cell in which a semiconductor film is provided between a pair of electrodes,
The organic / inorganic composite solar cell, wherein the semiconductor film is a laminate of a p-type inorganic semiconductor film / a mixed film of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor / an n-type inorganic semiconductor film.
一方の電極がp型透明導電膜であり、他方の電極がn型透明導電膜であり、
全体として、p型透明導電膜/p型有機半導体膜/n型有機半導体膜/n型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。 In a solar cell in which a semiconductor film is provided between a pair of electrodes,
One electrode is a p-type transparent conductive film, the other electrode is an n-type transparent conductive film,
As a whole, an organic-inorganic composite solar cell comprising a laminate of p-type transparent conductive film / p-type organic semiconductor film / n-type organic semiconductor film / n-type transparent conductive film.
一方の電極がp型透明導電膜であり、他方の電極がn型透明導電膜であり、
全体として、p型透明導電膜/p型有機半導体とn型有機半導体の混合膜/n型透明導電膜の積層体よりなることを特徴とする有機無機複合太陽電池。 In a solar cell in which a semiconductor film is provided between a pair of electrodes,
One electrode is a p-type transparent conductive film, the other electrode is an n-type transparent conductive film,
An organic-inorganic composite solar cell comprising a laminate of a p-type transparent conductive film / p-type organic semiconductor and a mixed film of n-type organic semiconductor / n-type transparent conductive film as a whole.
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