JP2006032636A - Organic solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic solar cell for improving photoelectric conversion efficiency and simplifying manufacturing. <P>SOLUTION: This organic solar cell is formed with a photoelectric conversion layer 107 having bulk a heterojunction formed of at least a first organic material 103 and a second organic material 104, and a pair of electrodes 102 and 105 by which the photoelectric conversion layer 107 is interposed. At least either the first organic material 103 or the second organic material 104 of the photoelectric conversion layer 107 is constituted as a conductive polymer, and one end of the conductive polymer is chemically connected to one electrode 102. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は有機太陽電池に関し、詳しくは異種の有機材料を用いたバルクへテロ接合による電荷分離を利用した太陽電池とその製造方法に関する。   The present invention relates to an organic solar cell, and more particularly to a solar cell using charge separation by bulk heterojunction using different organic materials and a method for manufacturing the solar cell.

有機半導体を用いた太陽電池は、多様性があること、毒性が低いこと、加工性・生産性が良好で大量生産によるコストダウンが可能であること、フレキシブル化が容易であり使用範囲が広いなどの優れた特長を有する。
有機太陽電池は現在主に2つの形式が研究されている。一つは無機太陽電池の方式を模した、異種の有機材料を基板上に順次積層したpn接合有機太陽電池であり、もう一つは有機材料特有の性質を生かした、二つの有機材料を混合させて成膜したバルクヘテロ接合型有機太陽電池である。
Solar cells using organic semiconductors are versatile, have low toxicity, good workability and productivity, can be reduced in cost by mass production, are easily flexible, and have a wide range of use. It has excellent features.
Two main types of organic solar cells are currently being studied. One is a pn-junction organic solar cell in which different organic materials are sequentially stacked on the substrate, imitating the inorganic solar cell system, and the other is a mixture of two organic materials that take advantage of the unique properties of organic materials. It is a bulk heterojunction type organic solar cell formed into a film.

バルクへテロ接合型有機太陽電池は、異種の有機材料を混合させるため、その二つの有機材料の接合面積が広く電荷分離する領域も広くなっている。
導電性高分子であるポリフェニレンビニレンの誘導体のポリ[(2−メトキシ−5−(2'エチルヘキシロキシ)1−4−フェニレンビニレン]とフラーレンの混合膜を用いた太陽電池(米国特許第5331183号明細書(特許文献1))や、ポリ[(2−メトキシ−5−(2'エチルヘキシロキシ)1−4−フェニレンビニレン]とポリ[2−メトキシ−5−(2' −エチルヘキシロキシ)−1,4−(1− シアノビニレン)フェニレン]の混合膜を用いた太陽電池 (G.Yu and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.Vol.78,p4510(非特許文献1))のようなバルクへテロ接合型太陽電池も提案されている。
Since bulk heterojunction organic solar cells are mixed with different organic materials, the junction area between the two organic materials is wide, and the region where charges are separated is also wide.
A solar cell using a mixed film of poly [(2-methoxy-5- (2′ethylhexyloxy) 1-4-phenylenevinylene], a fullerene derivative of polyphenylene vinylene which is a conductive polymer (US Pat. No. 5,331,183) Description (Patent Document 1)) and poly [(2-methoxy-5- (2′ethylhexyloxy) 1-4-phenylenevinylene] and poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexyloxy)] Of 1,4- (1-cyanovinylene) phenylene] (G. Yu and AJ Heeger, Appl. Phys. Lett. Vol. 78, p4510 (non-patent document 1)) Such a bulk heterojunction solar cell has also been proposed.

しかしながら、バルクへテロ接合型太陽電池は、光電変換層で電荷分離されたキャリアは、分子間のホッピング過程を経て電極まで移動するため、キャリアが電極まで到達すること困難であり、電極に辿り着く前に失活してしまう確率が高い。また物理的に接触した有機層と電極の接触抵抗は大きい。上記のことから、エネルギー変換効率が低いという問題がある。   However, in the bulk heterojunction solar cell, carriers separated by charge in the photoelectric conversion layer move to the electrode through an intermolecular hopping process, so it is difficult for the carrier to reach the electrode, and it reaches the electrode. There is a high probability of being deactivated before. Further, the contact resistance between the physically contacting organic layer and the electrode is large. From the above, there is a problem that the energy conversion efficiency is low.

米国特許第5331183号明細書US Pat. No. 5,331,183 G.Yu and A.J.Heeger,Appl.Phys.Lett.Vol.78,p4510G. Yu and A.J. J. et al. Heeger, Appl. Phys. Lett. Vol. 78, p4510

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、光電変換効率の向上および製造の容易化を可能とする有機太陽電池およびその製造方法を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of said problem, and makes it a subject to provide the organic solar cell which enables the improvement of photoelectric conversion efficiency, and easy manufacture, and its manufacturing method.

本発明によれば、少なくとも第1有機材料と第2有機材料から形成されるバルクヘテロ接合を有する光電変換層と、この光電変換層を挟持する一対の電極とを備え、前記光電変換層は、前記第1有機材料と第2有機材料のうちの少なくとも一方が導電性高分子であり、この導電性高分子が、前記一対の電極のうちの一方の電極と化学的に結合している有機太陽電池が提供される。
また、本発明は、別の観点によれば、基板上に第1電極を形成する工程(a)と、前記第1電極の表面官能基に、末端に官能基を有する導電性高分子からなる第1有機材料の前記官能基を化学的に結合させて、前記第1有機材料の膜を形成する工程(b)と、前記第1有機材料に第2有機材料を接触させて、第1有機材料と前記第2有機材料とが混合した状態の光電変換層を形成する工程(c)と、前記光電変換層上に第2電極を形成する工程(d)を備えた有機太陽電池の製造方法、あるいは、
第1基板上に第1電極を形成する工程(a)と、前記第1電極の第1表面官能基に、末端に第1官能基を有する導電性高分子からなる第1有機材料の前記第1官能基を化学的に結合させる工程(b)と、第2基板上に第2電極を形成する工程(e)と、前記第2電極の第2表面官能基に、末端に第2官能基を有する導電性高分子からなる第2有機材料の前記第2官能基を化学的に結合させる工程(f)と、前記第1基板と第2基板を貼り合せる工程(g)と、貼り合わせた第1基板および第2基板間を一部を除いて封止する工程(h)と、第1基板および第2基板間の封止されていない部分から前記光電変換層内に溶媒を注入する工程(i)と、前記溶媒を機能層から揮発させる工程(j)を備えた有機太陽電池の製造方法が提供される。
According to the present invention, it comprises a photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction formed of at least a first organic material and a second organic material, and a pair of electrodes sandwiching the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion layer comprising An organic solar cell in which at least one of the first organic material and the second organic material is a conductive polymer, and the conductive polymer is chemically bonded to one of the pair of electrodes. Is provided.
According to another aspect, the present invention includes a step (a) of forming a first electrode on a substrate, and a conductive polymer having a functional group at a terminal at a surface functional group of the first electrode. A step (b) of chemically bonding the functional groups of the first organic material to form a film of the first organic material; and a second organic material in contact with the first organic material to form a first organic material A method for producing an organic solar cell, comprising: a step (c) of forming a photoelectric conversion layer in a state where a material and the second organic material are mixed; and a step (d) of forming a second electrode on the photoelectric conversion layer. Or
A step (a) of forming a first electrode on a first substrate; and the first organic material comprising a conductive polymer having a first functional group at a terminal at a first surface functional group of the first electrode. A step (b) for chemically bonding one functional group, a step (e) for forming a second electrode on the second substrate, and a second functional group at the end of the second surface functional group of the second electrode. A step (f) of chemically bonding the second functional group of the second organic material made of a conductive polymer having a step, and a step (g) of bonding the first substrate and the second substrate. A step (h) of sealing between the first substrate and the second substrate except for a part, and a step of injecting a solvent into the photoelectric conversion layer from an unsealed portion between the first substrate and the second substrate There is provided a method for producing an organic solar cell, comprising (i) and a step (j) for volatilizing the solvent from a functional layer.

本発明の有機太陽電池によれば、光電変換層を形成している導電性高分子と電極が化学的に結合しているために、光電変換層で生成されたキャリアが電極まで円滑に動くことができるとともに、導電性高分子と電極間の接触抵抗も低減できる。よって、大きな電荷分離領域を有しつつ、キャリアの取り出し効率も高まり、光電変換効率が向上する。
また、本発明の有機太陽電池の製造方法によれば、第1有機材料と第2有機材料のうち少なくとも一方が導電性高分子であって、その導電性高分子の末端が一方の電極と化学的に結合しているバルクへテロ接合を有する有機太陽電池を容易に作製することができる。
また、本発明の別の有機太陽電池の製造方法によれば、第1有機材料と第2有機材料の両方が導電性高分子であって、一方の導電性高分子の末端が一方の電極と化学的に結合し、かつ、他方の導電性高分子の末端が他方の電極に化学的に結合しているバルクへテロ接合を有する有機太陽電池を容易に作製することができる。
According to the organic solar cell of the present invention, since the conductive polymer forming the photoelectric conversion layer and the electrode are chemically bonded, the carriers generated in the photoelectric conversion layer move smoothly to the electrode. In addition, the contact resistance between the conductive polymer and the electrode can be reduced. Therefore, while having a large charge separation region, the carrier extraction efficiency is also increased, and the photoelectric conversion efficiency is improved.
According to the method for manufacturing an organic solar cell of the present invention, at least one of the first organic material and the second organic material is a conductive polymer, and the terminal of the conductive polymer is chemically connected to one electrode. Organic solar cells having bulk heterojunctions that are bonded together can be easily produced.
According to another method for manufacturing an organic solar cell of the present invention, both the first organic material and the second organic material are conductive polymers, and one terminal of the conductive polymer is connected to one electrode. An organic solar cell having a bulk heterojunction that is chemically bonded and the terminal of the other conductive polymer is chemically bonded to the other electrode can be easily manufactured.

[有機太陽電池の構成の説明]
本発明は、以下の実施の形態1及び2の構成の有機太陽電池が挙げられる。
(実施の形態1)
第1有機材料と第2有機材料から形成されるバルクヘテロ接合を有する光電変換層と、この光電変換層を挟持する一対の電極とを備え、光電変換層は、第1有機材料が導電性高分子であり、この導電性高分子の一端が一方の電極と化学的に結合している。この場合、一対の電極の外面側に基板をそれぞれ設けた構成でもよく、あるいは一方の電極側(導電性高分子と化学的に結合した電極側)のみに基板を設けた構成でもよい。
(実施の形態2)
第1有機材料と第2有機材料から形成されるバルクヘテロ接合を有する光電変換層と、この光電変換層を挟持する一対の電極とを備え、光電変換層は、第1有機材料および第2有機材料が導電性高分子であり、一方の導電性高分子の一端が一方の電極と化学的に結合し、かつ、他方の導電性高分子の一端が他方の電極と化学的に結合している。この場合、一対の電極の外面側に基板をそれぞれ設けた構成とされる。
[Description of Organic Solar Cell Configuration]
The present invention includes organic solar cells having the configurations of the following first and second embodiments.
(Embodiment 1)
A photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction formed from a first organic material and a second organic material, and a pair of electrodes sandwiching the photoelectric conversion layer, wherein the first organic material is a conductive polymer One end of this conductive polymer is chemically bonded to one electrode. In this case, a configuration in which a substrate is provided on each of the outer surfaces of the pair of electrodes may be used, or a configuration in which a substrate is provided only on one electrode side (the electrode side chemically bonded to the conductive polymer) may be used.
(Embodiment 2)
A photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction formed from a first organic material and a second organic material, and a pair of electrodes sandwiching the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion layer including a first organic material and a second organic material Is a conductive polymer, one end of one conductive polymer is chemically bonded to one electrode, and one end of the other conductive polymer is chemically bonded to the other electrode. In this case, it is set as the structure which each provided the board | substrate in the outer surface side of a pair of electrode.

ここで、本発明の有機太陽電池において、「バルクへテロ接合を有する光電変換層」とは、異種の有機材料を接触(例えば混合)させて形成された光電変換層を意味する。
また、本発明において、導電性高分子と電極との「化学的な結合」とは、物理的な接触ではなく、π結合やσ結合などによって導電性高分子と電極とが結合している状態を意味する。例えば、シリコン原子と酸素原子によって導電性高分子と電極とが結合している状態を化学的結合として挙げることができる。
Here, in the organic solar cell of the present invention, “a photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction” means a photoelectric conversion layer formed by contacting (for example, mixing) different kinds of organic materials.
In the present invention, “chemical bond” between the conductive polymer and the electrode is a state in which the conductive polymer and the electrode are bonded not by physical contact but by π bond or σ bond. Means. For example, a state in which the conductive polymer and the electrode are bonded by silicon atoms and oxygen atoms can be cited as the chemical bond.

また、本発明は、電極と化学的に結合している導電性高分子の電極に対する占有面積率が30〜70%であることが好ましく、45〜65%がさらに好ましい。ここで、占有面積率とは、電極の表面官能基が最も密に形成されているとした時、その官能基に対してすべての導電性高分子が結合している状態を100%とすることを意味する。この占有面積率が70%を越えると、他方の有機材料とのバルクヘテロ接合を形成する際、化学的に結合された電極側の導電性高分子の密度が高くなり過ぎて他方の有機材料との均一な混合状態の形成が困難となり、電荷分離する領域が減少する。また、化学的結合率が30%よりも小さいと、導電性高分子と電極との間でキャリアが移動し難くなる。さらに、化学的結合率が極端に大きい場合および小さい場合は、二つの有機材料の混合バランスが悪くなり、電荷分離する領域が減少する。このことから、化学的結合率は30〜70%が好ましい。   In the present invention, the occupation area ratio of the conductive polymer chemically bonded to the electrode to the electrode is preferably 30 to 70%, and more preferably 45 to 65%. Here, the occupied area ratio means that when the surface functional groups of the electrode are formed most densely, the state in which all the conductive polymers are bonded to the functional groups is defined as 100%. Means. If this occupied area ratio exceeds 70%, when forming a bulk heterojunction with the other organic material, the density of the conductive polymer on the side of the chemically bonded electrode becomes too high, so that It becomes difficult to form a uniform mixed state, and the area for charge separation is reduced. On the other hand, if the chemical bonding rate is less than 30%, it becomes difficult for carriers to move between the conductive polymer and the electrode. Furthermore, when the chemical bond rate is extremely large and small, the mixing balance of the two organic materials is deteriorated, and the region for charge separation is reduced. Therefore, the chemical bonding rate is preferably 30 to 70%.

また、本発明は、光電変換層において、バルクヘテロ接合を形成する異種の第1有機材料と第2有機材料が、同一溶媒に可溶な有機材料からなっていてもよい。このようすれば、異種の第1・第2有機材料が均一に混合して接合面積が広く電荷分離領域が広い良好な光電変換層が得られる。
以下、本発明の有機太陽電池の各構成要素について説明する。
In the photoelectric conversion layer of the present invention, the different first organic material and second organic material forming the bulk heterojunction may be made of an organic material soluble in the same solvent. In this way, a good photoelectric conversion layer having a wide junction area and a wide charge separation region can be obtained by uniformly mixing different kinds of first and second organic materials.
Hereinafter, each component of the organic solar cell of this invention is demonstrated.

<基板>
基板は、電極を表面に保持することが可能であれば、材質や厚みには制限されない。そのため、基板は板状でもフィルム状でもよく、材料としてはアルミニウム、ステンレスなどの金属や、合金類、ポリカーボネート、ポリエステルなどのプラスチックなどが使用できる。また、光透過性の材料として、ガラス、透明プラスチックなどが使用できる。ここで、本発明において光透過性とは、有機太陽電池において使用される所定波長領域、例えば可視領域の光を高効率(80%以上)で透過させる性質を意味する。
<Board>
The substrate is not limited by the material and thickness as long as the electrode can be held on the surface. Therefore, the substrate may be in the form of a plate or a film, and materials such as metals such as aluminum and stainless steel, alloys, plastics such as polycarbonate and polyester can be used. Moreover, glass, transparent plastic, etc. can be used as a light transmissive material. Here, the light-transmitting property in the present invention means a property of transmitting light in a predetermined wavelength region used in an organic solar cell, for example, visible region with high efficiency (80% or more).

<光電変換層の材料>
導電性高分子と、該導電性高分子とバルクへテロ接合を形成する有機材料は、前者が電子受容性有機材料であり、後者が電子供与性有機材料である。
電子受容性有機材料は、共役系の広がったπ電子化合物で電荷キャリアが電子であること、空気中で安定なn型半導体特性を示す材料であること、電極との化学結合を実現するための置換基を有すことを満たせば、特に限定されるものではない。
一方、電子供与性有機材料は、共役系の広がったπ電子化合物で電荷キャリアが正孔であることと、空気中で安定なp型半導体特性を示す材料であれば、特に限定されるものではない。
なお、一方が導電性高分子の場合、他方は導電性高分子あるいは低分子とすることができ、このとき、一方が電子供与体であるとき、他方が電子受容体であればよく、その関係が成立していればどちらでもかまわないが、電子受容性有機材料が低分子であれば、電子供与性有機材料は導電性高分子であることが好ましい。
以下、光電変換層の具体的な材料について説明する。
<Material for photoelectric conversion layer>
As for the organic material that forms a conductive polymer and a bulk heterojunction with the conductive polymer, the former is an electron-accepting organic material, and the latter is an electron-donating organic material.
An electron-accepting organic material is a π-electron compound with a wide conjugated system, a charge carrier is an electron, a material that exhibits stable n-type semiconductor characteristics in air, and a chemical bond with an electrode. There is no particular limitation as long as it has a substituent.
On the other hand, the electron-donating organic material is not particularly limited as long as it is a π-electron compound having a conjugated system and charge carriers are holes, and a material exhibiting stable p-type semiconductor characteristics in air. Absent.
In addition, when one is a conductive polymer, the other can be a conductive polymer or a low molecule. In this case, when one is an electron donor, the other may be an electron acceptor. However, if the electron-accepting organic material is a low molecule, the electron-donating organic material is preferably a conductive polymer.
Hereinafter, specific materials for the photoelectric conversion layer will be described.

電子受容性材料としては、ピリジンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、キノリンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ベンゾフェナンスロリン類およびその誘導体によるラダーポリマー、シアノポリフェニレンビニレンなどの高分子、フッ素化無金属フタロシアニン、フッ素化金属フタロシアニン類およびその誘導体、ペリレンおよびその誘導体、ナフタレン誘導体、バソキュプロインおよびその誘導体などの低分子が利用され得る。   Examples of electron-accepting materials include oligomers and polymers having pyridine and its derivatives as a skeleton, oligomers and polymers having quinoline and its derivatives as a skeleton, ladder polymers using benzophenanthrolines and derivatives thereof, and polymers such as cyanopolyphenylene vinylene. Small molecules such as fluorinated metal-free phthalocyanines, fluorinated metal phthalocyanines and derivatives thereof, perylene and derivatives thereof, naphthalene derivatives, bathocuproine and derivatives thereof can be used.

電子供与性材料としてはチオフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、フェニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、チエニレンビニレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ビニルカルバゾールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ピロールおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、アセチレンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、イソチアナフェンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマー、ヘプタジエンおよびその誘導体を骨格にもつオリゴマーやポリマーなどの高分子、無金属フタロシアニン、金属フタロシアニン類およびそれらの誘導体、ジアミン類、フェニルジアミン類およびそれらの誘導体、ペンタセンなどのアセン類およびその誘導体、ポルフィリン、テトラメチルポルフィリン、テトラフェニルポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、モノアゾテトラベンズポルフィリン、ジアゾテトラベンズポルフィリン、トリアゾテトラベンズポルフィリン、オクタエチルポルフィリン、オクタアルキルチオポルフィラジン、オクタアルキルアミノポルフィラジン、ヘミポルフィラジン、クロロフィルなどの無金属ポルフィリンや金属ポルフィリンおよびその誘導体、シアニン色素、メロシア、ベンゾキノン、ナフトキノンなどのキノン系色素などの低分子が利用され得る。金属フタロシアニンや金属ポルフィリンの中心金属としては、マグネシウム、亜鉛、銅、銀、アルミニウム、珪素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、白金、鉛などの金属、金属酸化物、金属ハロゲン化物が用いられる。   As electron donating materials, oligomers and polymers having thiophene and its derivatives in the skeleton, oligomers and polymers having phenylene vinylene and its derivatives in the skeleton, oligomers and polymers having thienylene vinylene and its derivatives in the skeleton, vinyl carbazole and its derivatives Oligomers and polymers with skeletons, oligomers and polymers with pyrrole and its derivatives as skeletons, oligomers and polymers with acetylene and its derivatives as skeletons, oligomers and polymers with isothiaphene and its derivatives as skeletons, heptadiene and its derivatives Polymers such as oligomers and polymers having a skeleton, metal-free phthalocyanines, metal phthalocyanines and their derivatives, diamines, phenyldiamines and their derivatives, penta Acenes and derivatives thereof, porphyrin, tetramethylporphyrin, tetraphenylporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, monoazotetrabenzporphyrin, diazotetrabenzporphyrin, triazotetrabenzporphyrin, octaethylporphyrin, octaalkylthioporphyrazine, octa Low molecules such as metal-free porphyrins such as alkylaminoporphyrazine, hemiporphyrazine and chlorophyll, metalloporphyrins and derivatives thereof, quinone dyes such as cyanine dyes, merocyanates, benzoquinones and naphthoquinones can be used. As the central metal of metal phthalocyanine and metal porphyrin, magnesium, zinc, copper, silver, aluminum, silicon, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, tin, platinum, lead and other metals, metal oxides, Metal halides are used.

<電極の材料>
一方の電極と他方の電極(以下、対向電極と称する場合がある)は以下の材料が用いられ得る。光電変換層を挟んでいる電極または対向電極のうち少なくとも一方は光透過性を有する。
一方の電極の材料としては、電子受容性有機材料とオーミックな接触を形成するために、例えばアルミニウム、インジウムなどの仕事関数の小さな金属材料を選択することが好ましく、電極が受光面側である場合にはこれらの金属材料を光が透過可能な厚みに薄くする(10〜20nm)、あるいは光透過性を有する例えばスズドープされた酸化インジウム(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズなどを用いることができる。
また、対向電極の材料としては、電子供与性有機材料とオーミックな接触を形成するために、例えば金、白金などの仕事関数の大きい金属材料を選択することが好ましく、対向電極が受光面側である場合にはこれらの金属材料を光が透過可能な厚みに薄くする(10〜20nm)、あるいは光透過性を有する例えばスズドープされた酸化インジウム(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズなどを用いることができる。
<Material of electrode>
The following materials can be used for one electrode and the other electrode (hereinafter sometimes referred to as a counter electrode). At least one of the electrode or the counter electrode sandwiching the photoelectric conversion layer has light transmittance.
As the material of one electrode, in order to form ohmic contact with the electron-accepting organic material, it is preferable to select a metal material having a small work function such as aluminum or indium, and when the electrode is on the light receiving surface side In order to reduce the thickness of these metal materials (10 to 20 nm), such as tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide, or the like having light transmittance is used. it can.
In addition, as a material for the counter electrode, in order to form an ohmic contact with the electron donating organic material, it is preferable to select a metal material having a high work function such as gold or platinum. In some cases, these metal materials are thinned to a thickness allowing light transmission (10 to 20 nm), or light-transmitting, for example, tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide, or the like is used. be able to.

(有機太陽電池の製造方法の説明)
本発明の上記実施の形態1の有機太陽電池の製造方法は、基板上に第1電極を形成する工程(a)と、前記第1電極表面に導電性高分子からなる第1有機材料を化学的に結合させる工程(b)と、前記第1有機材料に第2有機材料を接触させて、第1有機材料と前記第2有機材料とが混合して形成されるバルクヘテロ接合を有する光電変換層を形成する工程(c)と、前記光電変換層上に第2電極を形成する工程(d)を備える。
(Description of manufacturing method of organic solar cell)
The method for manufacturing an organic solar cell according to Embodiment 1 of the present invention includes a step (a) of forming a first electrode on a substrate and a first organic material made of a conductive polymer on the surface of the first electrode. A photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction formed by bringing the second organic material into contact with the first organic material and mixing the first organic material and the second organic material. (C) and (d) forming a second electrode on the photoelectric conversion layer.

また、本発明の上記実施の形態2の有機太陽電池の製造方法は、第1基板上に第1電極を形成する工程(a)と、前記第1電極表面に導電性高分子からなる第1有機材料を化学的に結合させる工程(b)と、第2基板上に第2電極を形成する工程(e)と、前記第2電極表面に導電性高分子からなる第2有機材料を化学的に結合させる工程(f)と、前記第1基板と第2基板を貼り合せる工程(g)と、貼り合わせた第1基板および第2基板間を一部を除いて封止する工程(h)と、第1基板および第2基板間の封止されていない部分から前記光電変換層内に溶媒を注入する工程(i)と、前記溶媒を光電変換層から揮発させる工程(j)を備える。   Moreover, the manufacturing method of the organic solar cell of the said Embodiment 2 of this invention WHEREIN: The process (a) which forms a 1st electrode on a 1st board | substrate, and the 1st which consists of a conductive polymer on the said 1st electrode surface. A step (b) of chemically bonding an organic material; a step (e) of forming a second electrode on the second substrate; and a second organic material made of a conductive polymer on the surface of the second electrode. A step (f) for bonding to the substrate, a step (g) for bonding the first substrate and the second substrate, and a step (h) for sealing the bonded first substrate and the second substrate except for a part. And a step (i) of injecting a solvent into the photoelectric conversion layer from an unsealed portion between the first substrate and the second substrate, and a step (j) of volatilizing the solvent from the photoelectric conversion layer.

実施の形態1および2の有機太陽電池の製造方法において、有機材料を電極に化学的に結合させる方法としては、化学吸着法が好ましい。化学吸着法を用いれば、反応時間および/または反応温度によって基板に吸着させる導電性高分子の量を容易に制御することができる。そのため、異種の有機材料の混合状態が良好、すなわち異種の有機材料がバランスよく均一に混ざり合い、電荷分離する領域を大きく確保することができるバルクヘテロ接合を形成することができる。   In the method for manufacturing the organic solar cell according to Embodiments 1 and 2, the chemical adsorption method is preferable as a method for chemically bonding the organic material to the electrode. If the chemical adsorption method is used, the amount of the conductive polymer adsorbed on the substrate can be easily controlled by the reaction time and / or reaction temperature. Therefore, it is possible to form a bulk heterojunction in which a mixed state of different organic materials is good, that is, different organic materials are mixed uniformly in a well-balanced manner and a large region for charge separation can be secured.

また、有機太陽電池の製造方法において、導電性高分子を電極に化学的に結合させるに際して、電極の表面を親水化処理(前処理)してもよい。この場合、導電性高分子の末端基をクロルシリル基またはクロルシラン基とすることにより、導電性高分子の末端基を電極表面の水酸基等とπ結合および/またはσ結合により化学結合させることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態としての有機太陽電池およびその製造方法について詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
In the method for producing an organic solar cell, when the conductive polymer is chemically bonded to the electrode, the surface of the electrode may be subjected to a hydrophilic treatment (pretreatment). In this case, by setting the terminal group of the conductive polymer to a chlorosilyl group or a chlorosilane group, the terminal group of the conductive polymer can be chemically bonded to a hydroxyl group or the like on the electrode surface by a π bond and / or a σ bond.
Hereinafter, an organic solar cell as an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment.

(実施の形態1の有機太陽電池の製造方法)
図1は本発明の実施の形態1としての有機太陽電池の概略構成を説明するための説明図であって、(a)は拡大断面図、(b)は導電性高分子と電極との化学的な結合状態を示す図である。
(Method for Manufacturing Organic Solar Cell of Embodiment 1)
1A and 1B are explanatory views for explaining a schematic configuration of an organic solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view, and FIG. It is a figure which shows a typical coupling state.

図1(a)に示すように、本発明の有機太陽電池は基板101と、第1電極102と、その一端が第1電極102と化学的に結合している第1有機材料である導電性高分子103および導電性高分子103とバルクへテロ接合を形成する第2有機材料104からなる光電変換層107と、対向電極105が順次積層された構造を有する。ここで、光が基板側から照射する場合、前記基板101および前記第1電極102は光透過性の材料で形成される。一方、光が対向電極側から照射する場合、対向電極105は光透過性の材料で形成される。   As shown in FIG. 1 (a), the organic solar cell of the present invention is a conductive material that is a substrate 101, a first electrode 102, and a first organic material whose one end is chemically bonded to the first electrode 102. The photoelectric conversion layer 107 made of the second organic material 104 that forms a bulk heterojunction with the polymer 103 and the conductive polymer 103, and the counter electrode 105 are sequentially stacked. Here, when light is irradiated from the substrate side, the substrate 101 and the first electrode 102 are formed of a light-transmitting material. On the other hand, when light is irradiated from the counter electrode side, the counter electrode 105 is formed of a light transmissive material.

図1(b)に示すように、導電性高分子103と電極102との化学的な結合とは、物理的な接触ではなく、π結合やσ結合などによって電極102と導電性高分子103が結合している状態である。例えば、シリコン原子(Si)と酸素原子(O)によって、導電性高分子103と電極102が結合している状態である。   As shown in FIG. 1B, the chemical bond between the conductive polymer 103 and the electrode 102 is not physical contact, but the electrode 102 and the conductive polymer 103 are bonded by π bond or σ bond. It is in a connected state. For example, the conductive polymer 103 and the electrode 102 are bonded by silicon atoms (Si) and oxygen atoms (O).

<製造方法1>
実施の形態1の有機太陽電池は、例えば以下の製造方法1によって作製される。先ず、基板101の上に電極102を形成する。電極102は、真空蒸着、イオンスパッタリング、化学気相成長法などの方法で膜厚5〜200nm程度の薄膜として形成することができる。
基板101上に電極102を形成した後、電極102の表面を洗浄することが好ましい。例えば、基板101をイソプロピルアルコール、アセトン、クロロホルムなどの有機溶媒中に浸漬し、超音波により電極表面を洗浄することにより不純物などを取り除く。
<Manufacturing method 1>
The organic solar cell of Embodiment 1 is produced by the following manufacturing method 1, for example. First, the electrode 102 is formed on the substrate 101. The electrode 102 can be formed as a thin film having a thickness of about 5 to 200 nm by a method such as vacuum deposition, ion sputtering, or chemical vapor deposition.
After the electrode 102 is formed over the substrate 101, the surface of the electrode 102 is preferably washed. For example, the substrate 101 is immersed in an organic solvent such as isopropyl alcohol, acetone, or chloroform, and impurities are removed by washing the electrode surface with ultrasonic waves.

次に、導電性高分子103と有機材料104のバルクへテロ接合を形成する光電変換層107を作製するに際して、先ず、導電性高分子103を電極102の表面に化学的に結合させる工程を行う。
電極102と導電性高分子103を化学的に結合する方法は、例えば以下のような化学吸着法が用いられる。化学吸着法は有機分子を基板表面に接触させることにより、有機分子を基板表面に化学吸着させる方法である。
先ず、電極102の表面を親水化処理する。親水化処理の方法については、特に限定するものではないが、例えば、基板をフッ酸に浸漬することにより表面親水化処理を行う。あるいは、酸素プラズマによって親水化することもできる。
電極102を表面親水化処理した後、導電性高分子103の末端の置換基と表面親水化処理によってできた水酸基などと結合させる。導電性高分子103を基板101の表面に接触させると、基板101の表面の活性水素と、導電性高分子103の末端に修飾された置換基が反応し、化学結合が形成される。
上記の化学吸着法において、導電性高分子103の末端に修飾された置換基と電極102の表面を修飾する官能基のペアとしては、−COOHと−NH2、−COOHと−OH、−Clと−OH、−Si(OCH33と−OHなどの組み合わせが例に挙げられる。
Next, when the photoelectric conversion layer 107 that forms a bulk heterojunction between the conductive polymer 103 and the organic material 104 is manufactured, first, a process of chemically bonding the conductive polymer 103 to the surface of the electrode 102 is performed. .
As a method of chemically bonding the electrode 102 and the conductive polymer 103, for example, the following chemical adsorption method is used. The chemical adsorption method is a method in which organic molecules are chemically adsorbed on the substrate surface by bringing the organic molecules into contact with the substrate surface.
First, the surface of the electrode 102 is hydrophilized. The method for hydrophilization treatment is not particularly limited. For example, the surface hydrophilization treatment is performed by immersing the substrate in hydrofluoric acid. Alternatively, it can be hydrophilized by oxygen plasma.
After the electrode 102 is subjected to a surface hydrophilization treatment, it is bonded to a terminal substituent of the conductive polymer 103 and a hydroxyl group formed by the surface hydrophilization treatment. When the conductive polymer 103 is brought into contact with the surface of the substrate 101, active hydrogen on the surface of the substrate 101 reacts with a substituent group modified at the terminal of the conductive polymer 103 to form a chemical bond.
In the chemisorption method described above, pairs of a substituent modified at the terminal of the conductive polymer 103 and a functional group modifying the surface of the electrode 102 include —COOH and —NH 2 , —COOH and —OH, —Cl For example, a combination of —OH, —Si (OCH 3 ) 3 , —OH, and the like is given.

また、導電性高分子103の電極102の面積に対する密度が高い場合は(占有面積率が70%を超える)、バルクへテロ接合の作製時、他方の有機材料104との混合状態を均一に作るのが困難になる。また、密度が高い場合ならびに低い場合、二つの導電性高分子103と有機材料104の混合状態に偏りが生じ、有効な電荷分離界面を形成することができない。このため、導電性高分子103は電極102の表面に対して約30〜70%を占有している状態が好ましい。占有面積率は、吸光度から見積もり可能であり、100%の吸光度から占有面積率を見積もることができる。具体的には、基板上のすべての官能基に結合した場合、それ以上反応させても飽和状態になる。その状態の吸光度を100%として見積もることができる。
また、上述のように、占有面積率を約30〜70%とするには、導電性高分子103の末端基と電極102の表面を修飾する置換基とが反応するときの反応温度および/または反応時間により制御することができる。これについて詳しくは後述する。
In addition, when the density of the conductive polymer 103 with respect to the area of the electrode 102 is high (occupied area ratio exceeds 70%), when the bulk heterojunction is formed, the mixed state with the other organic material 104 is uniformly formed. It becomes difficult. Also, when the density is high and low, the mixed state of the two conductive polymers 103 and the organic material 104 is biased, and an effective charge separation interface cannot be formed. For this reason, it is preferable that the conductive polymer 103 occupies about 30 to 70% of the surface of the electrode 102. The occupied area ratio can be estimated from the absorbance, and the occupied area ratio can be estimated from 100% absorbance. Specifically, when all the functional groups on the substrate are bonded, they are saturated even if they are reacted further. The absorbance in that state can be estimated as 100%.
Further, as described above, in order to make the occupation area ratio about 30 to 70%, the reaction temperature and / or the reaction time when the terminal group of the conductive polymer 103 and the substituent that modifies the surface of the electrode 102 react with each other. The reaction time can be controlled. This will be described in detail later.

さらに具体的に導電性高分子103を電極102に化学的に結合させる工程を説明すると、この工程では、導電性高分子103を溶媒で溶かした溶液中に、電極付きの基板101を浸漬し、60〜130℃(好ましくは90〜110℃)、15〜90分間(好ましくは30〜60分間)加熱する。これによって導電性高分子103の末端基と電極102の表面の置換基が反応し、上記の範囲で反応温度および/または反応時間を制御することにより化学的結合率が約30〜70%で導電性高分子103が電極102に化学的に結合する。例えば、導電性高分子103の末端基が−Si(OCH33、電極102の表面の置換基が−OHの場合、図1(b)に示すように導電性高分子103と電極102がシリコン原子と酸素原子を介して化学的にπ結合および/またはσ結合する。
その後、溶液中から基板を引き上げ、50〜150℃、30〜90分間加熱して乾燥させる。
More specifically, the step of chemically bonding the conductive polymer 103 to the electrode 102 will be described. In this step, the substrate 101 with the electrode is immersed in a solution obtained by dissolving the conductive polymer 103 with a solvent. Heat at 60 to 130 ° C. (preferably 90 to 110 ° C.) for 15 to 90 minutes (preferably 30 to 60 minutes). As a result, the terminal groups of the conductive polymer 103 react with the substituents on the surface of the electrode 102, and the chemical bonding rate is about 30 to 70% by controlling the reaction temperature and / or reaction time within the above range. The conductive polymer 103 is chemically bonded to the electrode 102. For example, when the terminal group of the conductive polymer 103 is —Si (OCH 3 ) 3 and the substituent on the surface of the electrode 102 is —OH, the conductive polymer 103 and the electrode 102 are formed as shown in FIG. It is chemically π-bonded and / or σ-bonded through silicon atoms and oxygen atoms.
Thereafter, the substrate is pulled up from the solution and dried by heating at 50 to 150 ° C. for 30 to 90 minutes.

次に、有機材料104を溶媒中に溶解した溶液をスピンコートにより基板101上の導電性高分子103の膜上に塗布する。あるいは、基板101を溶液中に浸漬してもよい。
この際、結合前の導電性高分子103と有機材料104が共に溶媒に溶けることが、双方の分子が均一に混合できる観点から好ましい。ここで、スピンコートなどに使用する溶媒としては、例えば、アルコール類(メタノール、エタノール、t−ブタノール、ベンジルアルコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等)、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素(ジクロロメタン、ジクロエタン、クロロホルム、クロロベンゼン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、ジメチルスルホキシド、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセタミド等)、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類(酢酸エチル、酢酸ブチル等)、炭酸エステル類(炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等)、ケトン類(アセトン、2−ブタノン、シクロヘキサノン等)、炭化水素(ヘキサン、石油エーテル、ベンゼン、トルエン等)やこれらの混合溶媒が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Next, a solution obtained by dissolving the organic material 104 in a solvent is applied onto the conductive polymer 103 film on the substrate 101 by spin coating. Alternatively, the substrate 101 may be immersed in the solution.
At this time, it is preferable that both the conductive polymer 103 and the organic material 104 before bonding are dissolved in a solvent from the viewpoint that both molecules can be mixed uniformly. Here, examples of the solvent used for spin coating include alcohols (methanol, ethanol, t-butanol, benzyl alcohol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, 3-methoxypropionitrile, etc.), nitromethane, and the like. Halogenated hydrocarbons (dichloromethane, dichloroethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), dimethyl sulfoxide, amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc.), N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters (ethyl acetate, butyl acetate, etc.), carbonates (diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), ketones (acetone, - butanone, cyclohexanone), hydrocarbons (hexane, petroleum ether, benzene, toluene, etc.), but mixtures of these solvents, but are not limited thereto.

その後、溶液中から基板を引き上げ、100〜250℃、30〜60分間焼成して乾燥させる。
このようにして形成した光電変換層107の膜厚は50〜2000nm程度が好ましく、100〜500nmがより好ましい。膜厚が50nmよりも薄いと電気的短絡を起こし光電変換特性を示さず、2000nmよりも厚いと光透過率の低下および膜の電気抵抗が高くなり光電流が減少する。
Thereafter, the substrate is pulled up from the solution, and baked at 100 to 250 ° C. for 30 to 60 minutes to be dried.
The film thickness of the photoelectric conversion layer 107 thus formed is preferably about 50 to 2000 nm, and more preferably 100 to 500 nm. If the film thickness is less than 50 nm, an electrical short circuit is caused and no photoelectric conversion characteristics are exhibited. If the film thickness is more than 2000 nm, the light transmittance is lowered and the electric resistance of the film is increased, thereby reducing the photocurrent.

次に、光電変換層107の表面に対向電極105を膜厚100〜150nm程度で形成する。具体的な形成方法としては、例えば、真空蒸着、イオンスパッタリング、化学気相成長法などが挙げられる。このようにして図1(a)に示すような有機太陽電池が作製される。
なお、光電変換層および電極作製において、光酸化を防ぐために、真空中あるいは窒素などの不活性ガス中で行うのが好ましい。さらには、全ての工程を一度も大気中にさらすことなく行うことがより好ましい。
Next, the counter electrode 105 is formed with a thickness of about 100 to 150 nm on the surface of the photoelectric conversion layer 107. Specific examples of the forming method include vacuum deposition, ion sputtering, and chemical vapor deposition. In this way, an organic solar cell as shown in FIG.
Note that the photoelectric conversion layer and the electrode are preferably produced in vacuum or in an inert gas such as nitrogen in order to prevent photooxidation. Furthermore, it is more preferable to carry out all the steps without exposing them to the atmosphere.

(実施の形態2の有機太陽電池の製造方法)
図2は本発明の実施の形態2としての有機太陽電池の概略構成を説明するための拡大断面である。この有機太陽電池は、第1基板201と、第1電極202と、その一端が第1電極202と化学的に結合している第1導電性高分子203と、第1導電性高分子203とバルクへテロ接合を形成し、かつ、第2電極205と化学的に結合している有機材料204と、上記第2電極205と、第2基板206とがこの順に積層された構造を有する。ここで、光が第1基板201側から照射する場合、第1基板201および第1電極202は光透過性の材料で形成される。一方、光が第2基板206側から照射する場合、第2基板206および第1電極206は光透過性の材料で形成される。
(Method for Producing Organic Solar Cell of Embodiment 2)
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view for explaining a schematic configuration of the organic solar battery as the second embodiment of the present invention. The organic solar cell includes a first substrate 201, a first electrode 202, a first conductive polymer 203 whose one end is chemically bonded to the first electrode 202, a first conductive polymer 203, The organic material 204 that forms a bulk heterojunction and is chemically bonded to the second electrode 205, the second electrode 205, and the second substrate 206 are stacked in this order. Here, when light is irradiated from the first substrate 201 side, the first substrate 201 and the first electrode 202 are formed of a light-transmitting material. On the other hand, when light is irradiated from the second substrate 206 side, the second substrate 206 and the first electrode 206 are formed of a light transmissive material.

<製造方法2−1>
次に、この実施の形態2の有機太陽電池の製造方法2−1を説明する。
先ず、第1基板201の上に第1電極202を形成する。その形成方法としては、蒸着法、イオンスパッタリング、化学気相成長法などの方法を用いることができ、膜厚5〜200nm程度の薄膜の第1電極202を形成することができる。
基板の洗浄を行った後、実施の形態1と同様に、第1電極202の表面を親水化処理し、第1導電性高分子203を第1電極202に化学的に結合させて第1導電性高分子203の膜を形成し、その後乾燥させる。
<Manufacturing method 2-1>
Next, the manufacturing method 2-1 of the organic solar cell of this Embodiment 2 is demonstrated.
First, the first electrode 202 is formed on the first substrate 201. As a formation method thereof, a method such as vapor deposition, ion sputtering, or chemical vapor deposition can be used, and the first electrode 202 having a thin film thickness of about 5 to 200 nm can be formed.
After cleaning the substrate, as in the first embodiment, the surface of the first electrode 202 is subjected to a hydrophilic treatment, and the first conductive polymer 203 is chemically bonded to the first electrode 202 to thereby perform the first conductivity. A film of the conductive polymer 203 is formed and then dried.

次に、第1基板201側と同様に、第2基板206の上に膜厚5〜200nm程度の第2電極205を形成し、第2基板206の洗浄後、第2電極205の表面を親水化処理し、第2導電性高分子204を第2電極205に化学的に結合させて第2導電性高分子204の膜を形成し、その後乾燥させる。   Next, similarly to the first substrate 201 side, a second electrode 205 having a thickness of about 5 to 200 nm is formed on the second substrate 206. After the second substrate 206 is washed, the surface of the second electrode 205 is made hydrophilic. The second conductive polymer 204 is chemically bonded to the second electrode 205 to form a film of the second conductive polymer 204, and then dried.

次に、第1基板201/第1電極202/第1導電性高分子203の膜の積層体と、第2基板206/第2電極205/第2導電性高分子204の膜の積層体を用い、第1導電性高分子203と第2導電性高分子204のバルクヘテロ接合を以下のようにして形成する。先ず、第1導電性高分子203の膜と第2導電性高分子204の膜を接触した状態にして第1基板201と第2基板206を物理的に貼り合わせる。その後、第1・第2基板201、206間の周囲の一部を除いて封止する。封止材としては熱可塑性樹脂を用いることができる。その後、第1導電性高分子203の膜と第2導電性高分子204の膜の間に封止されていない部分からに溶媒を注入する。この溶媒としては、実施の形態1と同様に、第1導電性高分子203と第2導電性高分子204の両方が可溶なものを用いることが好ましい。溶媒注入後、5〜10分経過してから、加熱により電極間から溶媒を除去し乾燥させて光電変換層207を形成し、それによって有機太陽電池を得る。   Next, a laminate of the first substrate 201 / first electrode 202 / first conductive polymer 203 film and a laminate of the second substrate 206 / second electrode 205 / second conductive polymer 204 film are formed. In use, a bulk heterojunction of the first conductive polymer 203 and the second conductive polymer 204 is formed as follows. First, the first substrate 201 and the second substrate 206 are physically bonded together with the first conductive polymer 203 film and the second conductive polymer 204 film in contact with each other. Thereafter, sealing is performed except for a part of the periphery between the first and second substrates 201 and 206. A thermoplastic resin can be used as the sealing material. Thereafter, a solvent is injected from a portion not sealed between the film of the first conductive polymer 203 and the film of the second conductive polymer 204. As the solvent, it is preferable to use a solvent in which both the first conductive polymer 203 and the second conductive polymer 204 are soluble, as in the first embodiment. After 10 to 10 minutes have passed since the solvent injection, the solvent is removed from between the electrodes by heating and dried to form the photoelectric conversion layer 207, thereby obtaining an organic solar cell.

<製造方法2−2>
また、実施の形態2の太陽電池は、以下の製造方法2−2によっても作製することができる。この場合、実施の形態1と同様に各電極表面を親水化処理するが、第1電極202と第2電極205には異なった官能基を有するように処理する。つまり、第1導電性高分子203の末端に修飾された置換基と第1電極202を修飾する置換基とのペアの反応と、第2導電性高分子204の末端に修飾された置換基と第2電極205を修飾する置換基とのペアの反応が行われ、異なるペア間は相互に反応しない組み合わせであれば、特に限定されない。反応が行われるペアとしては−COOHと−NH2、−COOHと−OH、−Clと−OH、−Si(OCH33と−OHなどの組み合わせを挙げることができる。例えば、第1導電性高分子は第2電極とは反応せず、第2導電性高分子は第1電極とは反応しない官能基の組み合わせとしては、第1電極を−COOH、第2電極を−OHとして、かつ第1導電性高分子を−NH2、第2導電性高分子を−Si(OCH33とする組み合わせが挙げられる。
<Manufacturing method 2-2>
Moreover, the solar cell of Embodiment 2 can also be produced by the following production method 2-2. In this case, the surface of each electrode is hydrophilized as in Embodiment 1, but the first electrode 202 and the second electrode 205 are treated so as to have different functional groups. That is, a reaction of a pair of a substituent modified at the terminal of the first conductive polymer 203 and a substituent modifying the first electrode 202, a substituent modified at the terminal of the second conductive polymer 204, and A pair reaction with a substituent that modifies the second electrode 205 is performed, and there is no particular limitation as long as the pair does not react with each other between different pairs. Examples of pairs in which the reaction is performed include combinations of —COOH and —NH 2 , —COOH and —OH, —Cl and —OH, —Si (OCH 3 ) 3 and —OH, and the like. For example, as a combination of functional groups in which the first conductive polymer does not react with the second electrode and the second conductive polymer does not react with the first electrode, the first electrode is -COOH and the second electrode is As the —OH, a combination in which the first conductive polymer is —NH 2 and the second conductive polymer is —Si (OCH 3 ) 3 can be mentioned.

続いて、第1の基板201の第1電極202と第2基板206の第2電極205を対向させ、第1・第2電極202、205間を一定の隙間に保つための支持体(例えばプラスチック、ガラス等の絶縁体)を、例えば電極間のコーナー部に配置する。処理の方法は実施の形態1に示されたような方法を用いる。続いて、製造方法2−1と同様に第1・第2基板201、206間の外周を一部を除いて封止する。
その後、電極間の間隙に第1導電性高分子203と第2導電性高分子204の混合溶液を封入し、第1導電性高分子203が第1電極202に、第2導電性高分子203が第2電極204にそれぞれ化学的結合率30〜70%で結合するまで反応させる。その後、電極間の溶媒を乾燥させて光電変換層207を形成し、それによって有機太陽電池を得る。
Subsequently, the first electrode 202 of the first substrate 201 and the second electrode 205 of the second substrate 206 are opposed to each other, and a support (for example, plastic) is used to maintain a certain gap between the first and second electrodes 202 and 205. Insulators such as glass) are disposed at the corners between the electrodes, for example. As a processing method, the method shown in the first embodiment is used. Subsequently, as in the manufacturing method 2-1, the outer periphery between the first and second substrates 201 and 206 is sealed except for a part.
Thereafter, a mixed solution of the first conductive polymer 203 and the second conductive polymer 204 is sealed in the gap between the electrodes, and the first conductive polymer 203 is inserted into the first electrode 202 and the second conductive polymer 203. Are reacted with the second electrode 204 at a chemical bonding rate of 30 to 70%. Thereafter, the solvent between the electrodes is dried to form the photoelectric conversion layer 207, thereby obtaining an organic solar cell.

なお、上記製造方法2−1および2−2において、光電変換層および電極の作製に際しては、光酸化を防ぐために、真空中あるいは窒素などの不活性ガス中で行うのが好ましい。さらには、全ての工程を一度も大気中にさらすことなく行うことがより好ましい。   In the production methods 2-1 and 2-2, the photoelectric conversion layer and the electrode are preferably produced in vacuum or in an inert gas such as nitrogen in order to prevent photooxidation. Furthermore, it is more preferable to carry out all the steps without exposing them to the atmosphere.

(実施例1)
石英基板上に、スパッタ法を用いてITO(酸化インジウム錫)電極を作製した。次に、ITOをコーティングした石英基板を25×25mmの大きさに切り出した。その後、塩酸を用いて電極をエッチングしてパターニングを行った。その基板をクロロホルムで20分超音波洗浄し、その後アセトンとエタノールの混合溶液で20分洗浄した。酸素プラズマによるアッシングにより清浄表面を露出した後、超純水に10分浸漬することで酸素ラジカル表面を水酸化することによりITO表面を親水化処理した。
Example 1
An ITO (indium tin oxide) electrode was formed on a quartz substrate by sputtering. Next, the quartz substrate coated with ITO was cut into a size of 25 × 25 mm. Thereafter, the electrode was etched using hydrochloric acid for patterning. The substrate was ultrasonically washed with chloroform for 20 minutes, and then washed with a mixed solution of acetone and ethanol for 20 minutes. After exposing the clean surface by ashing with oxygen plasma, the ITO surface was hydrophilized by hydroxylating the oxygen radical surface by immersing in ultrapure water for 10 minutes.

次に光電変換層の作製に際して、第1の有機材料である電子供与性材料として、末端をクロルシリル基で修飾されたポリ[2−メトキシ−5−(2'−エチルへキシロキシ)−1,4−フェニレンビニレン](以下、MEH−PPVと称する)、第2の有機材料である電子受容性材料としてフラーレン(C60)の誘導体である[6,6]−フェニレン C61−ブチリックアシッドエスター(以下、PCBMと称する)を用意した。
なお、MEH−PPVは、アルドリッチ社製(平均分子量125000)を用いた。また、PCBMは、Journal of Applied Physics― May 1, 1999― Volume 85, Issue 9, pp. 6866−6872に記載の方法にて作製したが、市販品(例えばフロンティアカーボン社製)を用いてもよい。
Next, in the production of the photoelectric conversion layer, poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexyloxy) -1,4 whose end is modified with a chlorosilyl group is used as an electron donating material which is the first organic material. -Phenylene vinylene] (hereinafter referred to as MEH-PPV), [6,6] -phenylene C 61 -butyric acid ester that is a derivative of fullerene (C 60 ) as an electron-accepting material that is the second organic material ( (Hereinafter referred to as PCBM).
In addition, MEH-PPV used the product made from Aldrich (average molecular weight 125000). PCBM is also published in Journal of Applied Physics- May 1, 1999-Volume 85, Issue 9, pp. Although it produced by the method of 6866-6872, a commercial item (for example, Frontier Carbon company make) may be used.

次に、親水化処理されたITO表面に、末端をクロルシリル基で修飾されたMEH−PPVを化学的に結合した。結合方法は、ITOのコーティングされた基板を、末端がクロルシリル基で修飾されたMEH−PPVの2wt%キシレン溶液に浸漬し、100℃、40分間加熱し、ITO電極とMEH−PPVを化学的に結合した。
次に、PCBMのクロロホルム溶液を作製した。PCBMの濃度はおよそ2wt%であった。この作製した溶液を、ITO表面上に化学的に結合したMEH−PPV膜にスピンコートした。スピンコート後、クロロホルムを揮発させて光電変換層を形成した。光電変換層の膜厚はおよそ1000nmであった。
光電変換層作製後、ITO石英基板上に形成された光電変換層の上に2×25mmのパターンを形成することのできるマスクを形成し、マスクをつけた状態で、真空度:約4.0×10-4Paで真空蒸着によりAl電極を形成し、その後マスクを除去して有機太陽電池を得た。
Next, MEH-PPV whose end was modified with a chlorosilyl group was chemically bonded to the hydrophilic ITO surface. In the bonding method, the ITO-coated substrate is immersed in a 2 wt% xylene solution of MEH-PPV whose end is modified with a chlorosilyl group, heated at 100 ° C. for 40 minutes, and the ITO electrode and MEH-PPV are chemically bonded. Combined.
Next, a chloroform solution of PCBM was prepared. The concentration of PCBM was approximately 2 wt%. This prepared solution was spin-coated on a MEH-PPV film chemically bonded onto the ITO surface. After spin coating, chloroform was volatilized to form a photoelectric conversion layer. The film thickness of the photoelectric conversion layer was about 1000 nm.
After producing the photoelectric conversion layer, a mask capable of forming a 2 × 25 mm pattern is formed on the photoelectric conversion layer formed on the ITO quartz substrate, and the degree of vacuum is about 4.0 with the mask attached. An Al electrode was formed by vacuum deposition at × 10 −4 Pa, and then the mask was removed to obtain an organic solar cell.

このようにして得られた実施例1の有機太陽電池の特性をすべて空気中で測定した。光源として150Wハロゲンタングステンランプからの白色光を有機太陽電池上に集光したものを用いた。光パワーメーターで測定した光強度は100mW/cm2であった。光電変換効率を求めるために電流−電圧特性は電圧をかけながらエレクトロメーター(KEITHLEY社製236型)で電流値を測定し、GP−IBインターフェイスによりコンピューターに取り込み記録した。この電流−電圧曲線により開放起電力(Voc)、短絡光電流密度(Jsc)、フィルファクター(FF)および光電変換効率(η)といった太陽電池特性を求めた。
ここで、フィルファクターはFF=(有機太陽電池の作動により実際取り出すことのできる最大出力/有機太陽電池が理想的に作動すれば取り出すことのできるJsc×Vocワットの出力)とする割合で与えられる値である。さらに光電変換効率は、η(%)=(取り出すことができた電気出力/入射した光エネルギー)×100により与えられる。
なお、フィルファクター(FF)および光電変換効率(η)の測定結果を表1に示した。
All the characteristics of the organic solar cell of Example 1 thus obtained were measured in air. As the light source, white light from a 150 W halogen tungsten lamp condensed on an organic solar cell was used. The light intensity measured with an optical power meter was 100 mW / cm 2 . In order to obtain the photoelectric conversion efficiency, the current-voltage characteristic was measured with an electrometer (type 236 manufactured by KEITHLEY) while applying voltage, and the current value was recorded in a computer through a GP-IB interface. Solar cell characteristics such as open electromotive force (V oc ), short-circuit photocurrent density (J sc ), fill factor (FF), and photoelectric conversion efficiency (η) were determined from this current-voltage curve.
Here, the fill factor is a ratio of FF = (maximum output that can be actually taken out by the operation of the organic solar cell / output of J sc × V oc watt that can be taken out if the organic solar cell is ideally operated). This is the value given. Further, the photoelectric conversion efficiency is given by η (%) = (electric output that can be taken out / incident light energy) × 100.
The measurement results of fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency (η) are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1において、光電変換層の作製方法を以下のように変えたほかは、実施例1と同様にして比較例1の光電変換素子を作製した。
実施例1で行ったITO電極表面の親水化処理を行わず、MEH−PPVの濃度2wt%のクロロホルム溶液とPCBMの濃度2wt%のクロロホルム溶液を1:1の重量比で混合したクロロホルム混合溶液を、ITO表面上にスピンコートした。スピンコート後、クロロホルムを揮発させた。光電変換層の膜厚はおよそ1000nmであった。
このようにして得られた比較例1の有機太陽電池の特性の測定方法は実施例1と同様であり、その測定結果を表1に示した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, the photoelectric conversion element of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the method for producing the photoelectric conversion layer was changed as follows.
A chloroform mixed solution obtained by mixing a 2 wt% MEH-PPV chloroform solution and a PCBM 2 wt% chloroform solution in a weight ratio of 1: 1 without performing the hydrophilization treatment on the ITO electrode surface performed in Example 1. Spin coated on the ITO surface. After spin coating, chloroform was volatilized. The film thickness of the photoelectric conversion layer was about 1000 nm.
The method of measuring the characteristics of the organic solar cell of Comparative Example 1 obtained in this way was the same as that of Example 1, and the measurement results are shown in Table 1.

(実施例2)
石英基板上に、スパッタ法を用いてITO(酸化インジウム錫)電極を作製した。次に、ITOをコーティングした石英基板を25×25mmの大きさに切り出した。その後、塩酸を用いて電極をエッチングしてパターニングを行った。その基板をクロロホルムで20分超音波洗浄し、その後アセトンとエタノールの混合溶液で20分洗浄した。さらに、もう一つ別の石英基板を25×25mmの大きさに切り出し、マスクをつけた状態で、真空度:約4.0×10-4Paで真空蒸着によりAl電極の作製を行った。
(Example 2)
An ITO (indium tin oxide) electrode was formed on a quartz substrate by sputtering. Next, the quartz substrate coated with ITO was cut into a size of 25 × 25 mm. Thereafter, the electrode was etched using hydrochloric acid for patterning. The substrate was ultrasonically washed with chloroform for 20 minutes, and then washed with a mixed solution of acetone and ethanol for 20 minutes. Furthermore, another quartz substrate was cut into a size of 25 × 25 mm, and an Al electrode was produced by vacuum deposition at a vacuum degree of about 4.0 × 10 −4 Pa with a mask attached.

この二つの基板の各電極に、酸素プラズマによるアッシングにより清浄表面を露出した後、超純水に10分浸漬することで、酸素ラジカル表面を水酸化して親水化処理を施した。
親水化処理後、末端がクロルシラン基で修飾されたMEH−PPVとITO電極、ならびに末端がクロルシラン基で修飾されたポリ[2−メトキシ−5−(2' −エチルヘキシロキシ)−1,4−(1− シアノビニレン)フェニレン](以下、CN−PPVと称する)とAl電極を、各々、実施例1と同様に化学的に結合させた。
なお、CN−PPVは、アルドリッチ社製(平均分子量86000)を用いた。
A clean surface was exposed to each electrode of the two substrates by ashing with oxygen plasma, and then immersed in ultrapure water for 10 minutes to hydroxylate the oxygen radical surface and perform a hydrophilic treatment.
After hydrophilization treatment, MEH-PPV and ITO electrode modified with chlorosilane groups at the ends and poly [2-methoxy-5- (2′-ethylhexyloxy) -1,4- modified with chlorsilane groups at the ends (1-Cyanovinylene) phenylene] (hereinafter referred to as CN-PPV) and an Al electrode were each chemically bonded in the same manner as in Example 1.
In addition, CN-PPV used the Aldrich company make (average molecular weight 86000).

次に、MEH−PPVが結合したITO電極を有する基板とCN−PPVが結合したAl電極を有する基板を貼り合わせた。貼り合わせた後、一部を除いて接着剤などで封止した。その封止していない部分にクロロホルムを注入した。注入し攪拌を行った後、基板に圧力を加えながらクロロホルムを揮発させて乾燥させた。このようにして形成された光電変換層の膜厚はおよそ1000nmであった。
このようにして得られた実施例2の有機太陽電池の特性の測定方法は実施例1と同様であり、その測定結果を表1に示した。
Next, a substrate having an ITO electrode bonded with MEH-PPV and a substrate having an Al electrode bonded with CN-PPV were bonded together. After pasting, it was sealed with an adhesive or the like except for a part. Chloroform was injected into the unsealed part. After injecting and stirring, chloroform was volatilized and dried while applying pressure to the substrate. The film thickness of the photoelectric conversion layer thus formed was about 1000 nm.
The measurement method of the characteristics of the organic solar cell of Example 2 obtained in this way was the same as that of Example 1, and the measurement results are shown in Table 1.

(比較例2)
実施例1において、光電変換層の作製方法を以下のように変えたほかは、実施例1と同様にして比較例2の光電変換素子を作製した。
実施例1で行ったITO電極表面の親水化処理を行わずMEH−PPVの濃度2wt%のクロロホルム溶液とCN−PPVの濃度2wt%のクロロホルム溶液を1:1の重量比で混合したクロロホルム混合溶液を、ITO表面上にスピンコートした。スピンコート後、クロロホルムを揮発させた。光電変換層の膜厚はおよそ1000nmであった。
このようにして得られた比較例2の有機太陽電池の特性の測定方法は実施例1と同様であり、その測定結果を表1に示した。
(Comparative Example 2)
In Example 1, a photoelectric conversion element of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the method for producing the photoelectric conversion layer was changed as follows.
The chloroform mixed solution which mixed the chloroform solution of concentration 2wt% of MEH-PPV and the concentration of 2wt% of CN-PPV by the weight ratio of 1: 1 without performing the hydrophilization treatment of the ITO electrode surface performed in Example 1. Was spin coated on the ITO surface. After spin coating, chloroform was volatilized. The film thickness of the photoelectric conversion layer was about 1000 nm.
Thus, the measuring method of the characteristic of the organic solar cell of the comparative example 2 obtained was the same as that of Example 1, and the measurement result was shown in Table 1.

Figure 2006032636
Figure 2006032636

表1から、実施例1、2は比較例1、2に比してフィルファクター(FF)および光電変換効率(η)ともに良好であることがわかった。   From Table 1, it was found that Examples 1 and 2 had better fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency (η) than Comparative Examples 1 and 2.

本発明の有機太陽電池は、屋外ならびに屋内用の発電システム等に利用でき、特にモバイル機器用等の太陽電池として好適である。   The organic solar cell of the present invention can be used for power generation systems for outdoor and indoor use, and is particularly suitable as a solar cell for mobile devices.

本発明の実施の形態1としての有機太陽電池の概略構成を説明するための説明図であって、(a)は拡大断面図、(b)は導電性高分子と電極との化学的な結合状態を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing for demonstrating schematic structure of the organic solar cell as Embodiment 1 of this invention, Comprising: (a) is an expanded sectional view, (b) is the chemical coupling | bonding of a conductive polymer and an electrode. It is a figure which shows a state. 本発明の実施の形態2としての有機太陽電池の概略構成を説明するための拡大断面である。It is an expanded section for demonstrating schematic structure of the organic solar cell as Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 電極
103 導電性高分子(第1有機材料)
104 有機材料(第2有機材料)
105 対向電極
107、207 光電変換層
201 第1基板
202 第1電極
203 第1導電性高分子(第1有機材料)
204 第2導電性高分子(第2有機材料)
205 第2電極
206 第2基板
101 Substrate 102 Electrode 103 Conductive polymer (first organic material)
104 Organic material (second organic material)
105 Counter electrode 107, 207 Photoelectric conversion layer 201 First substrate 202 First electrode 203 First conductive polymer (first organic material)
204 Second conductive polymer (second organic material)
205 Second electrode 206 Second substrate

Claims (7)

少なくとも第1有機材料と第2有機材料から形成されるバルクヘテロ接合を有する光電変換層と、この光電変換層を挟持する一対の電極とを備え、
前記光電変換層は、前記第1有機材料と第2有機材料のうちの少なくとも一方が導電性高分子であり、この導電性高分子が、前記一対の電極のうちの一方の電極と化学的に結合していることを特徴とする有機太陽電池。
A photoelectric conversion layer having a bulk heterojunction formed from at least a first organic material and a second organic material, and a pair of electrodes sandwiching the photoelectric conversion layer;
In the photoelectric conversion layer, at least one of the first organic material and the second organic material is a conductive polymer, and the conductive polymer is chemically coupled to one of the pair of electrodes. An organic solar cell characterized by being bonded.
電極と化学的に結合している導電性高分子の電極に対する占有面積率が30〜70%である請求項1に記載の有機太陽電池。   The organic solar cell according to claim 1, wherein the occupation area ratio of the conductive polymer chemically bonded to the electrode to the electrode is 30 to 70%. 第1有機材料と第2有機材料が、同一溶媒に可溶な有機材料からなる請求項1または2に記載の有機太陽電池。   The organic solar cell according to claim 1 or 2, wherein the first organic material and the second organic material are organic materials soluble in the same solvent. 化学的な結合が、π結合および/またはσ結合である請求項1〜3の何れか1つに記載の有機太陽電池。   The organic solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the chemical bond is a π bond and / or a σ bond. 基板上に第1電極を形成する工程(a)と、
前記第1電極の表面官能基に、末端に官能基を有する導電性高分子からなる第1有機材料の前記官能基を化学的に結合させて、前記第1有機材料の膜を形成する工程(b)と、
前記第1有機材料に第2有機材料を接触させて、第1有機材料と前記第2有機材料とが混合した状態の光電変換層を形成する工程(c)と、
前記光電変換層上に第2電極を形成する工程(d)を備えたことを特徴とする有機太陽電池の製造方法。
Forming a first electrode on the substrate (a);
A step of chemically bonding the functional group of the first organic material made of a conductive polymer having a functional group at a terminal to the surface functional group of the first electrode to form a film of the first organic material ( b) and
A step (c) of forming a photoelectric conversion layer in a state where the first organic material and the second organic material are mixed by bringing the second organic material into contact with the first organic material;
The manufacturing method of the organic solar cell characterized by including the process (d) which forms a 2nd electrode on the said photoelectric converting layer.
第1基板上に第1電極を形成する工程(a)と、
前記第1電極の第1表面官能基に、末端に第1官能基を有する導電性高分子からなる第1有機材料の前記第1官能基を化学的に結合させる工程(b)と、
第2基板上に第2電極を形成する工程(e)と、
前記第2電極の第2表面官能基に、末端に第2官能基を有する導電性高分子からなる第2有機材料の前記第2官能基を化学的に結合させる工程(f)と、
前記第1基板と第2基板を貼り合せる工程(g)と、
貼り合わせた第1基板および第2基板間を一部を除いて封止する工程(h)と、
第1基板および第2基板間の封止されていない部分から前記光電変換層内に溶媒を注入する工程(i)と、
前記溶媒を光電変換層から揮発させる工程(j)を備えたことを特徴とする有機太陽電池の製造方法。
Forming a first electrode on the first substrate (a);
(B) chemically bonding the first functional group of the first organic material made of a conductive polymer having a first functional group at the end to the first surface functional group of the first electrode;
Forming a second electrode on the second substrate (e);
(F) chemically bonding the second functional group of the second organic material made of a conductive polymer having a second functional group at the end to the second surface functional group of the second electrode;
A step (g) of bonding the first substrate and the second substrate;
A step (h) of sealing a portion between the bonded first substrate and second substrate except for a part thereof;
Injecting a solvent into the photoelectric conversion layer from an unsealed portion between the first substrate and the second substrate (i);
The manufacturing method of the organic solar cell characterized by including the process (j) which volatilizes the said solvent from a photoelectric converting layer.
化学的に結合させる方法が、化学吸着法である請求項5または6に記載の有機太陽電池の製造方法。   The method for producing an organic solar cell according to claim 5 or 6, wherein the chemical bonding method is a chemical adsorption method.
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