JP2006527491A - 非対称的な輸送特性を備えた中間層を含む有機太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は有機太陽電池に関し、該有機太陽電池は、二つの分子成分即ち電子供与体及び電子受容体から構成される光活性層と、該光活性層のいずれかの側に設けられる二つの電極と、該電極の少なくとも一方と該光活性層との間に配置される非対称導電性を備えた中間層と、を含む。

Description

本発明は、二つの分子成分、即ち電池供与体及び電子受容体から構成される光活性層を含み、かつ該光活性層のいずれかの側に提供される二つの電極を含む有機太陽電池に関する。
有機太陽電池及び光検出器（特に、バルクへテロ接合ポリマー太陽電池）において、並列抵抗の減少は光強度の増大に伴って観察される。この現象はフォトシャント（Ｐｈｏｔｏ−ｓｈｕｎｔ）として知られている。フォトシャントは充填要素の減少を引き起こし、それにより太陽電池の効率が低下する。
直列抵抗及び接触子の選択性を増大させる一つの方法は、国際特許出願公開第ＷＯ０１／８４６４５Ａ１号において周知である。
しかしながら、これまでのところ、並列抵抗を増大させるのに適した解決法は知られていない。
従って、本発明の目的は、低い並列抵抗の結果として起こる損失を減少させる目的にて、有機太陽電池の並列抵抗を増大させることである。
一態様に従って、本発明は光活性層及び二つの電極を含む光起電力電池（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｓｃｈｅ Ｚｅｌｌｅ）を提供し、該光起電力電池は、該電極の少なくとも一方と該光活性層との間に配置された非対称的な導電性を備えた少なくとも一つの中間層により特徴付けられる。
「非対称的な導電性（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｓｃｈｅ Ｌｅｉｔｆａｅｈｉｇｋｅｉｔ）」なる用語は、種々の電荷担体に対する非対称的な移動を意味する。本発明の一つの利点は、中間層の材料が適切に選択されている限り、特に有機太陽電池の場合においては、中間層のドーピングを必要としない点にある。これはまた、特に有機層において、ドーパントに伴う安定化の問題のような全ての欠点を排除する。
中間層は好ましくは、光活性層のバンドギャップに少なくとも等しいか、またはそれよりも大きい（大きな）バンドギャップを有する。例えば、それは１．７乃至６．１ｅＶ（電子ボルト）の範囲であり、好ましくは２．５乃至３．７ｅＶの範囲である。
大きなバンドギャップを備えた層は、好ましくは少なくとも半透明であるか、又は完全に透明である。
この種の層を用いることにより、一つのタイプの電荷担体（電子、又は欠陥電子（Ｄｅｆｅｋｔ−ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎ）［又は空孔若しくは正孔］）が一方の電極から他方の電極へ移動することを回避する。（少なくとも１つのタイプの電荷担体に対する）並列抵抗はこの様式においてかなり増大するであろう。
本発明の好ましい実施形態において、光起電力電池は、二つの電極の各々と光活性層との間に、大きなバンドギャップと非対称的な導電性を備えた中間層を含む。
大きなバンドギャップを備えた層は、実質的には透明又は少なくとも半透明である。「非対称的な導電性」なる用語は、種々の電荷担体に対する非対称的な移動を意味する。そのような二つの層が使用される場合、一方の層は電子を導電し、他方の層は電子を失う。二つの層を直列に接続すると、いずれの電荷担体に対しても並列抵抗が大きく増大する。これは、電荷担体の二つのタイプの一方が一つの電極から他方の電極へ移動することを回避する。これはまた、太陽電池の電極における少数の電荷担体の再結合による損失を低減する。
本発明の更なる実施形態において、光活性層は電子供与体を備えた一つの領域と電子受容体を備えた一つの領域とを含む。電子受容体領域はカソードと称される。光起電力電池は、中間層が、電子受容体領域とカソード（負極）との間に配置されるとともに、電子を介して主として電流を導電する材料を含むことにより特徴付けられる。
本発明の別の実施形態において、光活性層は電子供与体を備えた一つの領域と電子受容体を備えた一つの領域とを含む。電子供与体領域はアノード（正極）と称される。光起電力電池は、中間層が、電子供与体領域とアノードとの間に配置されるとともに、欠陥電子（正孔、陽電荷）を介して主として電流を導電する材料を含むことにより特徴付けられる。
従って、導電性の非対称性は電極の一方若しくは活性層の一方に与えられる。即ち、カソードと電子受容体領域との間に導電体から構成される層が存在する。加えて、アノードと電子供与体領域との間には、欠陥電子伝導体から構成される層が存在する。
本発明の別の好ましい実施形態において、電子受容体とカソードとの間にある電子伝導性中間層は、ＴｉＯ２又はＣ６０を含む。
本発明の好ましい実施形態において、光起電力電池は、欠陥電子伝導性中間層がＰＥＤＯＴを含むことにより特徴付けられる。ＰＥＤＯＴ（ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン）は、ジエーテル架橋により重合化した複素環式チオフェンに基づく導電性ポリマーである。
本発明の更なる有利な実施形態は、電子伝導性中間層の伝導バンドが電子受容体の最高占有分子軌道に一致されることにより特徴付けられる。これは、太陽電池の出力と効率においてマイナス影響を与える中間層と電子受容体領域との間の電位差の形成を回避する。
本発明の別の有利な実施形態は、欠陥電子（正孔）伝導性中間層の伝導バンドが電子供与体の最低非占有分子軌道に一致されることにより特徴付けられる。これは、太陽電池の出力と効率においてマイナス影響を与える中間層と電子供与体領域との間の電位差の形成を回避する。
本発明の光起電力電池は好ましくは有機光起電力電池である。
本発明は添付された図面を参照して以下に記載される。
図１は、本発明に従う太陽電池の断面図を示す。該太陽電池は、保持材料、即ち基質４に適用される。基質４は、ガラス、プラスチック、結晶又は同様の材料から形成され得る。基質４の厚みが本発明には無関係であり、かつ変更可能であることを示すために、該基質４は切断部６を備えた状態にて記載されている。該基質は、適切な機械的強度、そして選択的に表面保護を備えた太陽電池を提供するための機能を備えるのみである。該基質は入射光に対面する側に設けられているが、反射による損失を低減又は回避するために反射防止コーティング２（又は処理）が施されている。
基質上の第一の層８は、太陽電池の電極８を構成する。電極がカソードであるか、又はアノードであるかは実質的には重要な問題ではない。
非限定的ではあるが、光は下方から基質４を介して図示された太陽電池に進入するものと仮定する。従って、第一の電極８は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、…ＩＴＯ（インジウム／すず酸化物）等から形成されるべきである。入射光に対面する電極（この場合は電極８）は透明若しくは半透明である、及び／又は格子構造を有すると好ましいことを明記したい。
簡略化のために、基質４上に配置された電極８がカソードであると仮定する。該カソードに適用されるのは、大きなバンドギャップと、非対称導電性即ち（過剰な）電子の移動により提供される導電性と、を備えた第一の中間層１０である。大きなバンドギャップにより、該材料はほぼ透明か、又は少なくとも半透明である。この中間層を通過することが可能であるのは電子のみである。第一の中間層１０の材料及び寸法は、活性層又は電子受容体の特性に適するように選択される。有機太陽電池の場合、バンドギャップを電子受容体の最高占有分子軌道に一致させることにより達成され得る。
厚み及び屈折率のような中間層１０の更なる特性は、該中間層１０が電極８とその後に続く層との間において反射防止層として作用するように選択され得る。
入射光、即ち好ましくは電極８に対面する中間層１０は格子構造を有することを明記したい。
中間層１０はそれ自体が活性層により積層される。活性層１２の組成は、本発明においては実質的に重要ではない。活性層は通常、電子供与体１６を備えた一つの領域と、電子受容体１４を備えた一つの領域とを含み、例えばこの二つの領域は、空乏層を介して混ざり合う、及び／又は互いに連結される。入射光により活性層内において発生される電荷担体（電子孔対）は各々が別々に隣接する層内にドレインされる。
活性層はまた、例えば、ｐｎ接合を備えた従来のアモルファス半導体から構成され得る。しかしながら、本発明は、例えば、Ｐ３ＨＴ／ＰＢＣＭ、ＣｕＰｃ／ＰＴＣＢＩ、ＺＮＰＣ／Ｃ６０又は結合ポリマー成分及びフラーレン成分を含む有機太陽電池において使用するために特に有用である。
図示された太陽電池において、活性層１２の基質に対面する側１４は電子受容体の役割を担い、基質に対面していない側１６は電子供与体の役割を担う。
電子供与体１６側の活性層１２上には、大きなバンドギャップと非対称導電性を備えた第二の中間層１８が配置されている。第二の中間層１８の導電性は、欠陥電子の移動度に基づく。その大きなバンドギャップにより、該材料はまた、ほぼ透明か、又は少なくとも半透明である。欠陥電子のみがこの中間層を通過することが可能である。この第二の中間層１８の材料及び寸法は、活性層即ち電子供与体の特性に適するように選択される。有機太陽電池の場合、これは、中間層のバンドギャップを電子供与体の最低非占有分子軌道に一致させることにより達成され得る。
要するに、第一の中間層又は第二の中間層のいずれかが通過不可能なバリアを構成することにより、電子も欠陥電子も二つの直列に接続された非対称的に導電する中間層１０及び１８を介して一方の電極から他方の電極へ直接移動することはない。従って、一方の電極から他方の電極へいかなる電荷担体も直接移動することはない。それ故、従来法により構成された太陽電池と比較して並列抵抗が増大し、該太陽電池の効率もそれに伴い増大する。
厚み及び屈折率のような中間層１８の更なる特性は、該中間層１８が活性層１２とその後に続く層との間において反射防止層を形成するように選択され得る。これは、タンデム型光起電力電池又はマルチ電池においては特に有利である。
厚み及び屈折率のような中間層１８の更なる特性は、該中間層１８が（その後に続く電極とともに）活性層１２とその後に続く層との間において反射層を形成するように選択され得る。これは、活性層を通過し、その後に反射される光が再び欠乏層において電荷担体対を形成するので、単一の光起電力電池の場合には特に有利である。
入射光に対面していない中間層（実施形態に依存して層１０又は１８）は、必ずしも透明又は半透明である必要はない。これは、入射光に対面していない中間層のバンドギャップを絶対的に大きくする必要がないことを意味する。
他方、入射光に対面する中間層（実施形態に依存して層１０又は１８）は、該入射光が活性層に到達するように透明又は少なくとも半透明であることが必要である。このことは、入射光に対面する中間層のバンドギャップが、入射光に対面する活性層材料のバンドギャップと最低でも全く同じ大きさとすることが必要であることを意味する。
第二の中間層１８に続くのは電極層２０であり、与えられた実施例においてはアノードである。アノードの電極材料は、本実施形態においては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、…ＩＴＯ等から構成され得る。本実施例において、アノードは入射光に対向した面にはないが、厚み、透明度又は任意のその他の制限に関して任意の種類に制限されることはない。アノードは更に、保護層（図示しない）でコーティングされ得る。
波状の矢印２２は入射光の方向を示す。
言うまでもないことであるが、太陽電池はまた逆に、例えば非透明性の基質４から構成することも可能であり、その場合、光は上方から入射する。しかしながら、この種の「逆の」構造は、入射光に面した構造及び層が大気中の酸素、塵等のような環境の影響にさらされて該太陽電池を迅速に損傷させ、又は使用不能にする可能性があるという欠点を伴う。
仮に「逆の」構造が使用される場合、例えば、反射防止コーティング２を太陽電池の他方の側に施す必要があろう。
本発明は、従来の単結晶又は多結晶太陽電池と共に使用され得る。再び述べるが、中間層１０，１８は電極と活性層との間に配置される。
本発明は太陽電池及び光検出器の並列抵抗を増大させることが可能である。これは、「フォトシャント」効果を低減し、よって充填要素を増大し、太陽電池の効率を高める。結果として、ダイオードの理想的な性質もまた増大する。
本発明は、種々の電荷担体のための大きなバンドギャップと非対称移動性を備えた中間層の使用に基づく。本発明の更なる利点は、中間層のドーピングが不必要であり、従って有機材料中のドーパントの安定性によりもたらされる問題を回避できる点にある。
中間層は、ガス相及び溶液の両方から堆積可能であり、それにより、中間層を加工及び生成する費用が削減できる。
大きなバンドギャップ及び電極と光活性半導体層との間の鋭い非対称導電性を備えた（半）透明層の使用に関連して、活性層と負の電極との間に高い電子移動度を備えた層を適用すべきであり、活性層と正の電極との間に高い正孔（欠陥電子）移動度を備えた層を適用すべきであることを明記したい。また、高い電子移動度を備えた層の伝導バンドは電子受容体の最高占有分子軌道に一致されるべきであり、かつ高い正孔移動度を備えた層の価電子帯は電子供与体の最低非占有分子軌道に一致させるべきであることも明記したい。
中間層において電荷担体に十分な移動度が与えられているので、更なるドーピングは必要ではない。
更に、少なくとも二つの中間層のバンドギャップが異なることは明白である。加えて、複数の中間層を含むデザインは、この種の複数層の中間層がまた単一の「複合中間層」とみなされることから本発明の保護範囲であることが意図されていることも理解されよう。更に、本発明は当然のことながらタンデム型太陽電池又はマルチ太陽電池とともに使用されることも明白である。太陽電池の個々の層及びタンデム型太陽電池全体としてのいずれを考慮するうえにおいても、光活性層と電極との間にある少なくとも一つの中間層、並びに各光活性層と電極との間に中間層が存在するという構成を含む全ての可能な組み合わせもまた本発明の保護範囲内にある。
中間層の非対称輸送特性は一つのタイプの電荷担体に対してのみの連続的な導電経路を形成することを回避するために提供される。これは並列抵抗を増大する。同時に、少数の電荷担体が対応するその他の電極に到達する可能性が低減され、それにより金属電極中において相対向する電荷の電荷担体との再結合による損失が低減される。
本発明の一実施形態に従う太陽電池の断面図を示す。

Claims (11)

  1. 光活性層と二つの電極を含む光起電力電池において、
    前記電極の少なくとも一つと前記光活性層との間に非対称的な導電性を備えた中間層が配置されることを特徴とする光起電力電池。
  2. 前記二つの電極の各々と前記光活性層との間に非対称的な導電性を備えた中間層が配置されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力電池。
  3. 前記中間層は前記光活性層のバンドギャップより大きいか、又は等しいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光起電力電池。
  4. 前記中間層は半透明であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  5. 前記光活性層は、電子供与体を備えた一つの領域と、電子受容体を備えた一つの領域とを含み、カソードが前記電子受容体領域に付与されており、前記中間層は前記電子受容体領域と前記カソードとの間に配置されるとともに電子を介して主として電流が流れる材料を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  6. 前記電子伝導中間層は、ＴｉＯ２又はＣ６０からなることを特徴とする請求項５に記載の光起電力電池。
  7. 前記電子伝導中間層の伝導バンドは前記電子受容体の最高占有分子軌道に一致されることを特徴とする請求項５又は６に記載の光起電力電池。
  8. 前記光活性層は電子供与体を備えた一つの領域と、電子受容体を備えた一つの領域とを含み、アノードが前記電子供与体領域に付与されており、前記中間層は前記電子供与体領域と前記アノードとの間に配置されるとともに欠陥電子を介して主として電流が流れる材料を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  9. 前記欠陥電子伝導中間層はＰＤＯＴを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光起電力電池。
  10. 前記欠陥電子伝導中間層の価電子帯は前記電子供与体の最低非占有分子軌道に一致されることを特徴とする請求項８又は９に記載の光起電力電池。
  11. 前記光起電力電池は有機光起電力電池であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光起電力電池。
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