JP2007273939A - 有機薄膜光電変換素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換層と電極の間に、湿式法により作製されたTiO2ホールブロック層を設ける。TiO2ホールブロック層作製の際、大気中で乾燥させることにより、TiO2ホールブロック層をアモルファス化する。また、PCBM:P3HT層とTiO2ホールブロック層の間に、TiO2ホールブロック層の近くにおいてPCBMの濃度を高めたPCBM/P3HTの傾斜濃度層を設けるようにしてもよい。これにより、その部分の電気抵抗が減少し、光電変換素子としての電流損が最小限に抑えられる。また、TiO2ホールブロック層の近くにおいて導電性材料であるPCBMの濃度が高いため、電子がTiO2層に流入しやすくなる。これらにより、本実施例の傾斜構造有機薄膜光電変換素子は高い光電変換効率を有し、また、高い耐久性を有する。
【選択図】図1
Description
また、電極としてAlを用いた場合、有機薄膜太陽電池の活性層有機物とAlが反応してAlが腐食するという現象が生ずる。ホールブロック層として介挿されるTiO2層は、このAlの腐食を防止するという効果も有する。
本発明の第1実施例である有機薄膜太陽電池の概略の構造を図1及び図2に示す。図3に、真空準位におけるITO、PEDOT:PSS、P3HT、PCBM、TiO2、Alの各層のHOMO−LUMOのエネルギー準位を示す。
洗浄したITO透明電極ガラス基板上にポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリ(スチレンスルホン酸)(PEDOT:PSS)をスピンコートし、110℃で10分間乾燥させた。そこに、n型有機半導体のフラーレン誘導体([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester:PCBM):p型有機半導体のポリ-3-ヘキシルチオフェン(P3HT)(1:1wt比)のクロロベンゼン溶液(PCBM 5.0mg/0.5ml:P3HT 5.0mg/0.5ml)をスピンコートで成膜し、10Pa以下の減圧下で1時間乾燥した。形成された活性層の厚さは約100nmであった。その上にTiアルコキシド(Ti(OC3H7)4)(TIPT)のエタノール溶液をスピンコートし、乾燥して厚さ約50nmのTiO2層を形成した。ここで、TiO2層の乾燥は、大気中にて、加熱することなく行った。これにより、TiO2層は大気中の水分によりアモルファス状態となる。最後に、対極として100nm厚のAlを蒸着した。
なお、透明電極にはITOの他、FTO等も用いることができるが、導電性と透明度の点より、ITOが最も良好である。
TiO2層の厚さはアルファステッパー及びUV-vis分光法により測定した。図4はTiO2層の吸光スペクトルを示している。層の厚さのコントロールは、チタニアプリカーサーであるTIPTの濃度を変えることにより、行った。また、ステッププロファイルからは、直接厚さと関係付けることが可能となった。例えば、吸光度−膜厚のキャリブレーションカーブより0.143mol/lと0.071mol/lの場合の厚さは、150〜170nmと約100nmと推定される。これより、0.036mol/lでは約50nm、0.018mol/lでは約25nmと推定される。
図5には、TiO2層作製時の溶液濃度の変換効率に及ぼす効果を示している。TIPT濃度が0.02〜0.05mol/lの時に最高の変換効率を示すことがわかる。ここでは、Denatron P-NHC(ナガセケムテックス)をPEDOT:PSS層に用いている。
Ti02以外に、一般的にMxOy層が同様の効果を有するかを調べるため、ZrO2、Nb2O5、SnO2、WO3、TiO2の各酸化物のLUMOを調べた。図6は、真空の準位に対するZrO2、Nb2O5、SnO2、WO3、TiO2のLUMO、及び比較のためにAl電極のフェルミ準位を示している。
これら金属酸化物ZrO2、Nb2O5、SnO2、WO3について、TiO2と同様、各種濃度のものをスピンコート法により光電変換層の上にコートし、光電変換効率を測定した。図7からわかるように、LUMO準位がアルミのフェルミ準位に近いものの改善効果が認められる。これより、その効果は同じくホールブロック層としてのものと考えられる。なお、バッファー層としてはDenatron #5002LA(ナガセケムテックス)を用いた。
図8は、この最高効率を示したセルのI-Vカーブである。このセルでは、変換効率は3%、開放電圧Vocは0.6 V、短絡電流Iscは14.2mA/cm2、フィルファクターFFは0.37である。
図9に示すように、アセトン、エタノールで洗浄されたITO電極の付いたガラス基板に、PEDOT:PSS 150μLを5000rpmでスピンコートした。そして、P3HT:PCBM:クロロベンゼン(良溶媒):有機溶媒(貧溶媒)=14mg:6mg:1mL:xmL混合液(有機溶媒の量xは各種値に変化させた)50μLを2000rpmでスピンコートした。その上に、アルミニウムを真空蒸着法にて150nm厚となるように製膜し、有機薄膜光電変換素子を完成した。
次に、PCBM:P3HT層に対して傾斜構造を設けた実施例について説明する。本発明者らは、光電変換層であるPCBM:P3HT層に、その厚さ方向にPCBMとP3HTの濃度傾斜を設けることにより、光電変換効率が向上することも見いだした。その製造方法は次の通りである(図15)。まず、上記同様、洗浄したITO透明電極ガラス基板上にPEDOT:PSS層を形成し、そこに、PCBM:P3HT=3:7(wt比)のクロロベンゼン溶液(PCBM 3mg/0.5ml:P3HT 7mg/0.5ml)をスピンコートで成膜し、10Pa以下の減圧下で1時間乾燥してPCBM:P3HT層を形成した。厚さは約100nmであった。その上に、有機溶媒1-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)を吹き付けた(塗布でも構わない)(図15(a))。NMPはPCBMに対して溶解性を有し、クロロベンゼンよりも高沸点であるが室温において真空下で留去可能な溶媒である。これにより、PCBM:P3HT層の表面付近においてPCBM成分のみがNMPに溶解し、PCBM:P3HT層の表面付近に両者の濃度差による傾斜構造が形成される。真空下で1時間から3日間保持することにより乾燥し、PCBM:P3HT層の傾斜構造を固定する(図15(b))。その後、上記同様、Tiアルコキシド(Ti(OC3H7)4)(TIPT)のエタノール溶液をスピンコート・乾燥して厚さ約50nmのTiO2層を形成し、最後に対極として100nm厚のAlを蒸着した(図15(c))。
次の方法で光電変換素子を作製した。洗浄したITO透明電極ガラス基板上にポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリ(スチレンスルホン酸)(PEDOT:PSS)をスピンコートし、110℃で10分間乾燥させた。そこに、n型有機半導体のフラーレン誘導体([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester:PCBM):p型有機半導体のポリ-3-ヘキシルチオフェン(P3HT)(3:7wt比)のクロロベンゼン溶液(PCBM 3.0mg/0.5ml:P3HT 7.0mg/0.5ml)をスピンコートで成膜し、10Pa以下の減圧下で1時間乾燥した。形成された活性層の厚さは約100nmであった。このようにして形成した光電変換層を140℃で5分間熱処理した。その上にTiアルコキシド(Ti(OC3H7)4)(TIPT)のエタノール溶液(0.036mol/l)をスピンコートし、乾燥して厚さ約50nmのTiO2層を形成した。ここで、TiO2層の乾燥は、大気中にて、加熱することなく行った。これにより、TiO2層は大気中の水分によりアモルファス状態となる。最後に、対極として100nm厚のAlを蒸着した。
図18は、TiO2層を持つセルと介挿しないセル(共にアニーリング有り)のIPCEスペクトル(光電流スペクトル)である。また、図19は、暗部における、TiO2層のある場合とない場合のI-Vカーブを示す。これらの図より、TiO2層は光を吸収せず、活性層とAl電極の間にあってホール電流を阻止(ブロック)し、逆電流バリアを上げていることがわかる。
Claims (13)
- 大気下において、電極を有する基板上にバッファー層及び光電変換層を形成した後、湿式法によりTiO2ホールブロック層を設け、その上に対向電極を設けることを特徴とする有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- 前記TiO2ホールブロック層が、Tiアルコキシド溶液を塗布し、常温乾燥することにより形成されることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- TiO2アルコキシドを0.02〜0.05mol/lの割合でエタノールに溶解させたTiO2アルコキシド溶液を用い、前記TiO2ホールブロック層を形成させることを特徴とする請求項2に記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- n型有機半導体成分に対して溶解性を有し、光電変換層形成時に使用する良溶媒よりも高沸点であるが室温において留去可能な貧溶媒を、光電変換層形成後、その表面に付着させ、貧溶媒を留去することにより、光電変換層にn型有機半導体成分とp型有機半導体成分の厚さ方向の濃度傾斜を設けることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- n型有機半導体成分がPCBM、p型有機半導体成分がP3HT、良溶媒がクロロベンゼン、貧溶媒がNMP、ベンゾニトリル及びアニソールのいずれか1種又はその混合物であることを特徴とする請求項4に記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- n型有機半導体成分であるPCBM及びp型有機半導体成分であるP3HTを良溶媒であるクロロベンゼンと貧溶媒であるNMP、ベンゾニトリル及びアニソールのいずれか1種又はその混合物で溶解した溶液を用いて光電変換層を形成することを特徴とする請求項4又は5に記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- 良溶媒であるクロロベンゼンに貧溶媒であるNMP、ベンゾニトリル及びアニソールのいずれか1種又はその混合物を体積比で1〜20%加えた混合溶媒1mlに、n型有機半導体成分であるPCBMを1〜30mg、p型半導体成分であるP3HTを0.2〜20mgの割合で溶解させたセル溶液を用いて光電変換層を作製することを特徴とする有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- 貧溶媒がNMPであり、前記良溶媒に対して該貧溶媒を体積比で1.5〜3%加えた混合溶媒1mlに、n型有機半導体成分であるPCBMを1〜30mg、p型半導体成分であるP3HTを0.2〜20mgの割合で溶解させたセル溶液を用いて光電変換層を作製することを特徴とする請求項7に記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- n型有機半導体成分であるPCBMを及びp型半導体成分であるP3HTを、良溶媒であるクロロベンゼンと貧溶媒であるNMP、ベンゾニトリル及びアニソールのいずれか1種又はその混合物の混合溶媒に溶解し、該溶液を回転数500〜10000rpmでスピンコートして膜厚20〜200nmの光電変換層を形成したことを特徴とする有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- 光電変換層を形成後、アニーリング処理を施すことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の有機薄膜光電変換素子の製造方法。
- 光電変換層と電極の間に、アモルファスTiO2から成るホールブロック層を設けたことを特徴とする有機薄膜光電変換素子。
- 光電変換層において、n型有機半導体成分とp型有機半導体成分が厚さ方向に濃度傾斜を有することを特徴とする請求項11に記載の有機薄膜光電変換素子。
- n型有機半導体成分がPCBM、p型有機半導体成分がP3HTであることを特徴とする請求項12に記載の有機薄膜光電変換素子。
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