JP2008091575A - 有機薄膜太陽電池素子および光電変換層形成用塗工液 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、基板と、上記基板上に形成された第1電極層と、上記第1電極層上に形成される光電変換層と、上記光電変換層上に形成され、上記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子であって、上記光電変換層が、フラーレンナノウィスカを含有することを特徴とする有機薄膜太陽電池素子を提供することにより、上記課題を解決するものである。
【選択図】図1
Description
まず、本発明の有機薄膜太陽電池素子について説明する。
本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子は、基板と、上記基板上に形成された第1電極層と、上記第1電極層上に形成され、正孔輸送層および電子輸送層を有する光電変換層と、上記光電変換層上に形成され、上記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子であって、上記電子輸送層が、フラーレンナノウィスカを含有することを特徴とするものである。
本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子は、光電変換層3が、電子受容性の機能を有する電子輸送層5および電子供与性の機能を有する正孔輸送層4から形成され、それらの界面において形成されるpn接合を利用して光電荷分離を生じさせ、電流を得るものである。
本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子に用いられる光電変換層について説明する。本態様における光電変換層は、上記第1電極層上に形成され、正孔輸送層および電子輸送層から構成されるものである。
以下、このような光電変換層を構成する正孔輸送層および電子輸送層に分けて説明する。
本態様において、正孔輸送層はp型有機半導体を有するものである。本態様における正孔輸送層を形成する有機材料はp型有機半導体的性質を示すものであれば、特に限定されるものではないが、具体的には、ポリフェニレンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、ポリアルキルチオフェンおよびその誘導体、ポルフィリン誘導体、フタロシアニン誘導体、有機金属ポリマー等が挙げられ、中でも、ポリアルキルチオフェンおよびその誘導体が好ましい。また、上記有機材料の混合物であってもよい。
本態様において、電子輸送層は、n型有機半導体として少なくともフラーレンナノウィスカを有するものである。
以下、フラーレンナノウィスカを構成するフラーレン等について詳細に説明する。なお、本明細書中において、フラーレンCnを単にCnと記載する場合がある。
本態様におけるフラーレンナノウィスカの合成方法としては、上記フラーレンナノウィスカを合成することができる方法であれば、特に限定されるものではないが、例えば液−液界面析出法を挙げることができる。この液−液界面析出法の一例としては、C60をトルエンに溶解させ飽和溶液とし、この飽和溶液にイソプロピルアルコールを添加し、静置することにより、液−液界面にC60ナノウィスカを形成させ、更に静置することで同沈殿を得る方法が挙げられる。また、例えばC60およびフラーレン誘導体の飽和トルエン溶液を作製し、上記と同様にイソプロピルアルコールを添加し、静置することでC60およびフラーレン誘導体からなるフラーレンナノウィスカを得ることができる。
次に、本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子に用いられる基板について説明する。本態様において、基板は、透明なものであっても不透明なものであっても特に限定されるものではないが、例えば、この基板側が光の受光面となる場合には、透明基板であることが好ましい。この透明基板としては、特に限定されるものではなく、例えば石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を挙げることができる。
次に、本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子に用いられる第1電極層について説明する。本態様において、第1電極層は、上記基板上に形成されるものである。
本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子に用いられる第2電極層について説明する。本態様のバイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子における第2電極層は、上記光電変換層上に形成され、上記第1電極層と対向する電極である。
次に、本発明の有機薄膜太陽電池素子がバルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池素子である態様について説明する。
本態様のバルクへテロ接合型有機薄膜太陽電池素子は、光電変換層3として、電子受容性および電子供与性の両方の機能を有する電子正孔輸送層6とし、電子正孔輸送層内で形成されるpn接合を利用して光電荷分離を生じさせ、電流を得るものである。
本態様における光電変換層は、上記第1電極層上に形成されるものであり、電子受容性および電子供与性の両方の機能を有する電子正孔輸送層から構成されるものである。
以下、このような光電変換層を構成する電子正孔輸送層について説明する。
混合比率としては、良好な電子輸送能を有する電子正孔輸送層を形成すれば特に限定されるものではないが、具体的には、重量比で、p型有機半導体:n型有機半導体=5:1〜5:6の範囲内にあることが好ましい。なお、上記電子正孔輸送層における有機材料の混合比としては、各材料の種類や、第1電極層および第2電極層との組み合わせによっても異なるため、用いる材料により最適な混合比に適宜調整することが好ましい。
また、電子正孔輸送層における層の数は、一層であってもよく、複数層であってもよい。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、素子内部に正孔取出し層および電子取出し層を形成していてもよい。これらの層を形成することによって、正孔および電子が電極にスムーズに移動することができ、エネルギー変換効率を向上させることができるからである。また、本発明の有機薄膜太陽電池素子の光電変換層は、複数の層構成を有していてもよい。光電変換層が複数の層構成を有することによって、さらなるエネルギー変換効率の向上が望めるからである。
以下、正孔取出し層、電子取出し層、および光電変換層の層構成について説明する。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、上記第1電極層と上記光電変換層との間に正孔取出し層が形成されていてもよい。ここで、正孔取出し層とは、上記光電変換層から上記第1電極層への正孔の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から第1電極層への正孔取出し効率が高められるため、エネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、上記光電変換層と上記第2電極層との間に電子取出し層が形成されていてもよい。ここで、電子取出し層とは、上記光電変換層から上記第2電極層への電子の取出しが容易に行われるように設けられる層である。これにより、光電変換層から第2電極層への電子取出し効率が高められるため、エネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子は、上記第1電極層および上記第2電極層間に光電変換層が配置されているものであれば特に限定はされない。例えば、光電変換層を単層のみならず、複数層設ける場合であってもよく、また、光電変換層を複数層形成した場合には、光電変換層間に、別個電極層を設ける場合であってもよい。具体的には、図4に示すように、2層の光電変換層3間に別個、第2電極層7を形成するような場合である。
次に本発明の光電変換層形成用塗工液について説明する。
本発明の光電変換層形成用塗工液は、基板と、上記記基板上に形成された第1電極層と、上記第1電極層上に形成された光電変換層と、上記光電変換層上に形成され、上記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子に用いられる上記光電変換層を形成するための光電変換層形成用塗工液であって、溶媒と、上記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカを有することを特徴とするものである。
以下、それぞれの態様について詳細に説明する。
本態様における光電変換層形成用塗工液は、溶媒および上記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカを有することを特徴とするものである。なお、電子輸送層を形成することを目的としているため、p型有機半導体は通常含有されない。
以下、本態様における光電変換層形成用塗工液の構成成分について詳細に説明する。
本態様に用いられる溶媒は、フラーレンナノウィスカを分散させることができる溶媒であれば特に限定されるものではないが、具体的には、クロロホルム、ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、THF、キシレン等が挙げられる。中でも、ジクロロベンゼンを使用することが好ましい。
本態様におけるフラーレンナノウィスカは、上述した「A.有機薄膜太陽電池素子」の「1.バイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子」に記載され、上記溶媒に分散するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、C60ナノウィスカ、C70ナノウィスカ、(C60+C70)ナノウィスカ、(C60+PCBM)ナノウィスカ、(C60+金属内包フラーレン)ナノウィスカ等のフラーレンナノウィスカが挙げられる。なお、ナノウィスカの表記方法として、例えば(C60+C70)ナノウィスカとは、C60およびC70からなるナノウィスカであることを意味するものとする。
また、本態様においては、光電変換層形成用塗工液の固形分中に上記フラーレンナノウィスカが、70重量%〜100重量%の範囲内、中でも90重量%〜100重量%の範囲内で含まれることが好ましい。上記範囲内に上記フラーレンナノウィスカが含まれることによって、良好な電子輸送性を持った電子輸送層を得ることができるからである。
次に、本態様における光電変換層形成用塗工液の製造方法について説明する。本態様における光電変換層形成用塗工液の製造方法としては、少なくとも上記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカを有し、かつp型有機半導体を通常含有しない光電変換層形成用塗工液を製造する方法であれば、特に限定されるものではない。例えば、所定量のフラーレンナノウィスカ及びn型有機半導体を固体粉末として準備し、これらをまとめて、あるいは別々に選択された溶媒へ添加し、必要に応じて、加熱・撹拌して充分に溶解させた後、別々であれば混合して塗工液とする工程を行うことによって、光電変換層形成用塗工液を得ることができる。
本態様における光電変換層形成用塗工液は、溶媒、上記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカおよびp型有機半導体を有することを特徴とするものである。
以下、本態様における光電変換層形成用塗工液の構成成分について詳細に説明する。
また、本態様に用いられるp型有機半導体についても、上述した「A.有機薄膜太陽電池素子」の「1.バイレイヤー型有機薄膜太陽電池素子」に記載した材料と同様であるので、ここでの説明は省略する。
また、本態様における光電変換層形成用塗工液の固形分中に上記フラーレンナノウィスカが、10重量%〜70重量%の範囲内、中でも30重量%〜50重量%の範囲内で含まれることが好ましい。上記範囲内に上記フラーレンナノウィスカが含まれることによって、良好な電子輸送性を持った電子正孔輸送層を得ることができるからである。
また、本態様における光電変換層形成用塗工液に用いるp型有機半導体とn型有機半導体の混合比率としては、良好な電子輸送能を有する電子正孔輸送層を形成すれば特に限定されるものではないが、例えば、重量比で、p型有機半導体:n型有機半導体=5:1〜5:6の範囲内であることが好ましい。
次に、本態様における光電変換層形成用塗工液の製造方法について説明する。本態様における光電変換層形成用塗工液の製造方法としては、少なくとも上記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカおよびp型有機半導体を有する光電変換層形成用塗工液を製造する方法であれば特に限定されるものではないが、具体的には、上記「1.電子輸送層形成に用いる光電変換層形成用塗工液」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、本態様における光電変換層形成用塗工液の物性としては、充分に溶解されており、1次粒子としても最小単位を取っている状態が好ましい。
本発明における有機薄膜電池素子を使用した太陽電池モジュールについて説明する。一般的に太陽電池モジュールは透明前面基板、充填材シート、太陽電池素子、充填材シート、裏面保護シートを順次積層した構造等を有している。以下、これらについて詳細に説明する。
本発明の有機薄膜太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにおいて、透明前面基板は、モジュール内部を風雨や外部衝撃、火災などから保護し、太陽電池モジュールの屋外暴露における長期信頼性を確保する機能を有するものである。
本発明の有機薄膜太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにおいて、充填材シートは、有機薄膜太陽電池素子の両電極層に設置され、有機薄膜太陽電池素子を封止するために設けられる層である。このような充填材層としては、一般に太陽電池の充填材層として使用されているものであればよく、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂が挙げられる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにおいて、裏面保護シートは、太陽電池モジュール裏面を外界から保護する耐候性フィルムである。裏面保護シートの材質としては、上記目的を達成することができる限り限定されるものではないが、例えばアルミニウム等の金属板もしくは金属箔、フッ素系樹脂シート、環状ポリオレフィン系樹脂シート、ポリカーボネート系樹脂シート、ポリ(メタ)アクリル系樹脂シート、ポリアミド系樹脂シート、ポリエステル系樹脂シート、または耐候性フィルムとバリアフィルムとをラミネート積層した複合シートなどが挙げられる。
本発明の有機薄膜太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにおいて、バリア層が素子の基板表面、または上記裏面保護シートの表面に形成されていてもよい。また、上記基板または上記裏面保護シートが複数層からなる場合は、各層の間にバリア層が形成されていてもよい。本態様に用いられるバリア層は、透明な層であり、かつ外部からの酸素や水蒸気の侵入を妨げ、本発明の有機薄膜太陽電池素子を保護するために設けられる層である。本態様に用いられるバリア層は、酸素透過率が、5cc/m2・day以下であり、中でも10−1cc/m2・day以下であることが好ましい。また水蒸気透過率は、1g/m2・day以下であり、中でも10−1g/m2・day以下であることが好ましい。
本発明の有機薄膜太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールにおいて、上記のほか、太陽光の吸収性、補強、その他の目的のもとに、さらに他の部材を任意に加えることもできる。
(フラーレンナノウィスカの合成)
フラーレンC60をトルエン溶液中に溶解させ、C60の飽和トルエン溶液を作製した。この飽和トルエン溶液にIPA(イソプロピルアルコール)を添加し、静置することによって、液−液界面にC60ナノウィスカを形成させた。更に静置することによりC60ナノウィスカの沈殿を得た。
(第1電極層の形成)
超バリア性フィルム基板の表面にSiO2によるバリア層を形成し、このバリア層上に透明電極であるITO膜(膜厚:150nm、シート抵抗:15Ω/□)をスパッタリング法によりテクスチャー構造となるように成膜し、パターニングした。次いで、上記ITO膜付基板をアセトンで洗浄し、IPAを用いて洗浄して、第1電極層を形成した。
上記第1電極層上に、PEDOT:PSS(ポリ(3,4)−エチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルフォネート水分散液)(Bayer社製、品名BaytronP)をスピンコートし、150℃で30分間乾燥させ、膜厚40nmの正孔取出し層を形成した。
電子正孔輸送層として、ポリフェニレンビニレン誘導体(MEH−PPV)と、上記C60ナノウィスカとをクロロホルム溶媒中に、重量比が1:4となり、濃度が0.5重量%となるように溶解させ、この溶液を振揺撹拌器にて光電変換層形成用塗工液を調製した。この塗工液を、上記正孔取出し層上にスピンコートし、110℃で10分間乾燥させ、膜厚100nmの電子正孔輸送層を形成した。
上記電子正孔輸送層上に、Caを蒸着法により10nmの膜厚となるように成膜し、さらにその上にAlを蒸着法により50nmの膜厚となるように成膜して、第2電極層を形成した。
(フラーレンナノウィスカの合成)
フラーレン誘導体PCBM([6,6]−フェニル−C61ブチリックアシッドメチルエステル)をトルエン溶液中に溶解させ、PCBMの飽和トルエン溶液を作製した。この飽和トルエン溶液にIPA(イソプロピルアルコール)を添加し、静置することによって、液−液界面にPCBMナノウィスカを形成させた。更に静置することによりPCBMナノウィスカの沈殿を得た。
フラーレンナノウィスカとして、上記方法で合成したPCBMナノウィスカを使用した以外は、上記実施例1と同様にしてバルクへテロ接合型の有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
(フラーレンナノウィスカの合成)
フラーレンC60およびフラーレン誘導体PCBM([6,6]−フェニル−C61ブチリックアシッドメチルエステル)を、重量比10:1の割合でトルエン溶液中に溶解させ、飽和トルエン溶液を作製した。この飽和トルエン溶液にIPA(イソプロピルアルコール)を添加し、静置することによって、液−液界面に(C60+PCBM)ナノウィスカを形成させた。更に静置することにより、(C60+PCBM)ナノウィスカの沈殿を得た。
フラーレンナノウィスカとして、上記方法で合成した(C60+PCBM)ナノウィスカを使用した以外は、上記実施例1と同様にしてバルクヘテロ接合型の有機薄膜太陽電池モジュールを作製した。
本実施例の評価として、フラーレンナノウィスカの電子輸送性の評価、およびこれらを用いて作製した有機薄膜太陽電池素子のエネルギー変換効率の評価を行なった。
キャリアの輸送速度の評価方法としては、基準となるSiウエハ上へ該有機薄膜を所定膜厚で形成し、さらにその上に評価用電極として通常はAu電極を形成し、FETを形成することで評価した。
また、上記エネルギー変換効率は、AM1.5、擬似太陽光(100mW/cm2)を照射光源として有機薄膜太陽電池素子に照射し、ソースメジャーユニット(HP社製、HP4100)にて電流電圧特性を測定することによって求めた。評価結果を下記表1に示す。
2 … 第1電極層
3 … 光電変換層
4 … 正孔輸送層
5 … 電子輸送層
6 … 電子正孔輸送層
7 … 第2電極層
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に形成された第1電極層と、前記第1電極層上に形成され、正孔輸送層および電子輸送層を有する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子であって、
前記電子輸送層が、フラーレンナノウィスカを含有することを特徴とする有機薄膜太陽電池素子。 - 基板と、前記基板上に形成された第1電極層と、前記第1電極層上に形成され、電子正孔輸送層である光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子であって、
前記電子正孔輸送層が、フラーレンナノウィスカを含有することを特徴とする有機薄膜太陽電池素子。 - 前記フラーレンナノウィスカが、フラーレンCn(n=60以上)、前記フラーレンCn(n=60以上)の誘導体、および前記フラーレンCn(n=60以上)もしくは前記フラーレンCn(n=60以上)の誘導体を骨格とし炭素ゲージ内に金属原子を内包した金属内包フラーレン、からなる群から選択される少なくとも1つの化合物から構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記フラーレンCn(n=60以上)が、C60またはC70であることを特徴する請求項3に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 前記フラーレンCn(n=60以上)の誘導体が、前記フラーレンCn(n=60以上)の水素付加体、臭素付加体、アルキル鎖付加体、水酸基付加体、アミノ基付加体、シアノ基付加体、フェニル基付加体、およびPCMB([6,6]−フェニル−C61ブチリックアシッドメチルエステル)からなる群から選択される化合物であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の有機薄膜太陽電池素子。
- 基板と、前記基板上に形成された第1電極層と、前記第1電極層上に形成され、正孔輸送層および電子輸送層を有する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子に用いられる前記電子輸送層を形成するための光電変換層形成用塗工液であって、
溶媒と、前記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカとを有することを特徴とする光電変換層形成用塗工液。 - 基板と、前記基板上に形成された第1電極層と、前記第1電極層上に形成され、電子正孔輸送層である光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記第1電極層と対向する電極である第2電極層とを有する有機薄膜太陽電池素子に用いられる前記電子正孔輸送層を形成するための光電変換層形成用塗工液であって、
溶媒と、前記溶媒に分散したフラーレンナノウィスカおよびp型有機半導体とを有することを特徴とする光電変換層形成用塗工液。
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