JP2009212477A - 高分子太陽電池の有機活性層材料溶液およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高分子太陽電池の製造工程を簡素化し、高分子太陽電池の光電変換効率を高める。
【解決手段】有機活性層材料溶液は、有機活性層材料、第1の有機溶媒及びより沸点の高い第2の有機溶媒から構成される。第1の有機溶媒の沸点は50〜200℃であり、第2の有機溶媒の沸点は150〜300℃である。第2の有機溶媒を第1の有機溶媒に加え、有機活性層材料を溶解する。第2の有機溶媒の沸点は高い(揮発速度が遅い)ので有機活性層溶液の揮発速度を低下させるため、溶液アニールにおける環境を有機活性層溶液を高飽和蒸気圧環境または密閉環境に維持する必要がなく、高分子太陽電池の製造工程を簡素化し、高分子太陽電池の光電変換効率を高めることができる。
【選択図】図2
【解決手段】有機活性層材料溶液は、有機活性層材料、第1の有機溶媒及びより沸点の高い第2の有機溶媒から構成される。第1の有機溶媒の沸点は50〜200℃であり、第2の有機溶媒の沸点は150〜300℃である。第2の有機溶媒を第1の有機溶媒に加え、有機活性層材料を溶解する。第2の有機溶媒の沸点は高い(揮発速度が遅い)ので有機活性層溶液の揮発速度を低下させるため、溶液アニールにおける環境を有機活性層溶液を高飽和蒸気圧環境または密閉環境に維持する必要がなく、高分子太陽電池の製造工程を簡素化し、高分子太陽電池の光電変換効率を高めることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、高分子太陽電池の有機活性層材料溶液およびその製造方法に関し、特に、高分子太陽電池の製造工程の簡素化および高分子太陽電池の光電変換効率向上に応用される有機活性層材料溶液およびその製造方法に関する。
図1は、高分子太陽電池10の構造を示す模式図である。図1に示すように、高分子太陽電池10は基板11、導電層12、導電高分子層13、有機活性層14および電極15を備える。高分子太陽電池10は、光エネルギを吸収することによって有機活性層14内の電子および正孔がそれぞれ励起され、電子および正孔が導電層12と電極15との間で移動し、導電層12と電極15との間で電位差が発生し、高分子太陽電池10に電力が発生する。
基板11は、例えばプラスチック基板などの可撓性を有する基板を使用することができる。導電層12は、例えば酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide,ITO)などである。高分子太陽電池10の製造方法は、先ず導電層12を基板11上に成長させ、次に導電高分子層13を塗布し、その後、導電高分子層13上に有機活性層14を堆積させる。アニールなどのステップによって有機活性層14を処理した後、電極15を蒸着する。電極15は、カルシウム電極とし、カルシウム電極を保護するために、アルミニウム電極を蒸着する。以上のステップによって高分子有機太陽電池10が製造される。
高分子太陽電池10の光電変換効率を高めるために、有機活性層14をアニール処理する。アニール処理は、例えば加熱アニールまたは溶液アニールなどの方式である。その中で、溶液アニールは先ず有機活性層材料を有機溶媒に溶解した後、導電高分子層13上に堆積させ、有機溶媒の揮発速度を低下させ、有機活性層14内の有機高分子を有機溶媒が揮発する過程において新たに配列させ、それによって有機活性層14内の有機高分子の配列を整列させるものである。有機活性層14の材料は、例えばP3HT(poly(3‐Hexyl Thiophene))とPCBM([6,6]‐Phenyl C61‐Butyric acid Methyl ester)との混合物などを使用する。
しかし、有機溶媒の揮発速度を低下させるためには高分子太陽電池10を高飽和蒸気圧環境または密閉環境内に静置する必要があり、静置時間は数十時間以上にも及ぶ。従って、溶液アニールによる方法を量産時に応用する場合、高飽和蒸気圧環境または密閉環境が必要なだけでなく、その製造工程も非常に時間が掛かり、経済的に効率が悪い。
特開2001−93588号公報
本発明の目的は、高沸点(揮発性が低い)の特性を有する第2の有機溶媒を低沸点(揮発性が高い)の特性を有する第1の有機溶媒内に加えて有機活性層材料を溶解し、沸点の高い第2の有機溶媒を加えることによって有機活性層溶液を溶液アニールするとき、有機活性層溶液の揮発速度を低下させ、高飽和蒸気圧環境または密閉環境が必要なく、溶液アニールに必要な時間を短縮でき、高分子太陽電池の製造工程を簡素化でき、また、高分子太陽電池の光電変換効率を高めることができる高分子太陽電池の有機活性層溶液およびその製造方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明は高分子太陽電池の有機活性層溶液を提供するものであり、有機活性層材料と、沸点が50〜200℃である第1の有機溶媒と、沸点が150〜300℃である第2の有機溶媒と、から構成される。
上述の目的を達成するために、本発明は高分子太陽電池の有機活性層溶液の製造方法を提供するものであり、有機活性層材料を準備するステップと、有機活性層材料を沸点が50〜200℃である第1の有機溶媒に溶解するステップと、沸点が150〜300℃である第2の有機溶媒を第1の有機溶媒に加えるステップと、からなる。
本発明は、高分子太陽電池の有機活性層溶液およびその製造方法を提供するものであり、本発明の実施によって、溶液アニールの時間を短縮でき、高分子太陽電池の製造工程を簡素化でき、特殊な製造環境が必要ないので、高分子太陽電池の製造コストを低減できる。
本発明の目的、特徴および効果を示す実施例を図に沿って詳細に説明する。また、当該技術に熟知する者は本発明の明細書、特許請求の範囲および図面に基づいて本発明の目的および長所を簡単に理解でき、ここでは本発明の詳細な特徴および長所を詳細に述べる。
図2は、本発明の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法S10を示すフロー図である。図3は、1.2‐ジクロロベンゼンの化学式である。図4は、1‐クロロナフタレンの化学式である。図5は、本発明の様々な体積百分率の第2の有機溶媒を加えた有機活性層材料溶液によって製造された高分子太陽電池の電圧‐電流密度の関係を示す図である。図6は、本発明の様々な体積百分率の第2の有機溶媒を加えた有機活性層材料溶液によって製造された高分子太陽電池の特性を示す図である。図7は、本発明の様々な体積百分率の第2の有機溶媒を加えた有機活性層材料溶液の紫外線吸収のスペクトログラムである。図8は、本発明の様々な体積百分率の第2の有機溶媒を加えた有機活性層材料溶液のX線回析図である。
有機活性層材料溶液の実施例:本実施例は高分子太陽電池の有機活性層材料溶液を示し、有機活性層材料、第1の有機溶媒および第2の有機溶媒から構成される。
有機活性層材料は、P型半導体材料とN型半導体材料とを組み合わせたものである。有機活性層は、光への反応に使用され、P型半導体材料内の正孔およびN型半導体材料内の電子が励起され、励起された電子および正孔は有機活性層材料層中で移動し、電流が発生する。
高分子太陽電池の光電変換効率を高めるために、有機活性層材料における有機高分子の配列性を高める必要があり、有機高分子が好適な結晶性および秩序性を持った配列方式で配列すると、有機高分子は長い共役長および好適なキャリア移動度を有するようになり、それによって電子および正孔の移動速度を高めることができる。即ち、有機高分子の配列性がより低く、より混雑しているほど、電子および正孔の移動は妨害され、有機活性層の直列抵抗値が増加する。反対に、有機高分子の配列性が高いほど、電子および正孔の移動速度は速く、有機活性層の直列抵抗値は低減され、高分子太陽電池の光電変換効率は高められる。
P型半導体材料は、ポリチオフェン(polythiophene)、ポリフルオレン(polyfluorene)、ポリフェニレンビニレン(polyphenylenevinylene)、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、共役オリゴマーおよび小分子から構成される群から選択される一つとする。
上述のポリチオフェン誘導体は、P3HTが適する。ポリフルオレン誘導体はポリジオクチルフルオレン(poly(dioctylfluorene))材料。ポリフェニレンビニレン誘導体はポリ[2‐メトキシ‐5‐(2‐エチル‐ヘキシルオキシ)‐1,4‐フェニレンビニレン](poly[2‐methoxy‐5‐(2‐ethyl‐hexyloxy)‐1,4‐phenylenevinylene])が適する。共役オリゴマーはセクシチオフェン(sexithiophene)とすることができる。小分子はペンタセン(pentacene)、テトラセン(tetracene)、ヘキサベンゾコロネン(hexabenzocoronene)、フタロシアニン(phthalocyanine)、ポルフィリン化合物(porphyrines)、ペンタセン誘導体、テトラセン誘導体、ヘキサベンゾコロネン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリン化合物誘導体から構成される群から選択される一つとする。
N型半導体の材料は、C60、C60誘導体、C70、C70誘導体、カーボンナノチューブ(Carbon nanotubes)、カーボンナノチューブ誘導体、PTCBI(3,4,9,10‐perylenetetracarboxylic‐bis‐benzimidazole)、Me‐PTCDI(N,N’‐dimethyl‐3,4,9,10‐Perylenetetracarboxylic acid diimide)、PTCBI誘導体、Me‐PTCDI誘導体、高分子および半導体ナノ粒子から構成される群から選択される一つとする。
上述のC60誘導体は、PCBM(phenyl C61‐butyric acid methyl ester)とする。高分子は、CN‐PPV(poly(2,5,2’,5’‐tetrahexyloxy‐7,8’‐dicyano‐di‐p‐phenylenevinylene)およびF8BT(poly(9,9‐dioctylfluorene‐co‐benzothiadiazole)から構成される群から選択される一つとする。カーボンナノチューブはマルチウォールカーボンナノチューブおよびシングルウォールカーボンナノチューブから構成される群から選択され、カーボンナノチューブの断面直径は100ナノメートルより小さい。半導体のナノ粒子は二酸化チタン、セレン化カドミウムおよび硫化カドミウムから構成される群から選択される一つとする。
第1の有機溶媒は、沸点が50〜200℃であり、第1の有機溶媒は有機活性層材料の溶解に使用される。第1の有機溶媒は1.2‐ジクロロベンゼン(1.2‐dichlorobenzene)、クロロホルム(chloroform)、クロロベンゼン(chlorobenzene)、トルエン(toluene)またはキシレン(xylenes)などとする。
第2の有機溶媒は、沸点が150〜300℃であり、第2の有機溶媒は第1の有機溶媒に加えられ、加えられる第2の有機溶媒の体積百分率は2〜50%である。例えば、先に第1の有機溶媒に有機活性層材料を溶解し、次に第2の有機溶媒を有機活性層材料が溶解された第1の有機溶媒に加えるか、或いは先に第2の有機溶媒を第1の有機溶媒中に加え、次に有機活性層材料を第1の有機溶媒および第2の有機溶媒中に溶解する。第2の有機溶媒は1‐クロロナフタレン(1‐chloronaphthalene)、1‐メチルナフタレン(1‐methylnaphthalene)または1,2,4‐トリクロロベンゼン(1,2,4‐trichlorobenzene)などである。
第2の有機溶媒は高沸点(揮発性が低い)という特性を有するので、第2の有機溶媒は揮発しにくく、即ち、第2の有機溶媒の揮発速度は遅い。従って、第2の有機溶媒によって有機活性層溶液の揮発速度を低下させることができ、有機活性層溶液中の有機高分子は新たに配列しなおすのに十分な時間を有し、有機高分子の配列性が高められ、高分子太陽電池の光電変換効率を高めることができる。また、有機活性層材料溶液を高飽和蒸気圧環境または密閉環境に放置する必要がないので、高分子太陽電池の製造工程を簡素化することができる。
有機活性層溶液の製造方法の実施例:図2に示すように、本実施例の高分子太陽電池の有機活性層溶液の製造方法S10は、下記のステップを含む。
有機活性層材料を準備するステップS11:有機活性層材料はP型半導体材料とN型半導体材料を組合せたものであり、P型半導体材料およびN型半導体材料は有機活性層溶液の実施例の説明において述べたのでここでは説明を行わない。
有機活性層材料を第1の有機溶媒に溶解するステップS12:有機活性層材料は固体状態であるので、第1の有機溶媒によって有機活性層材料を溶解する。第1の有機溶媒の沸点は50〜200℃であり、第2の有機溶媒の沸点と比較して、第1の有機溶媒は低い沸点を有する。即ち、第1の有機溶媒の揮発速度は速い。第1の有機溶媒は1.2‐ジクロロベンゼン、クロロホルム、クロロベンゼン、トルエンまたはキシレンなどとする。
第2の有機溶媒を第1の有機溶媒に溶解するステップS13:第2の有機溶媒を有機活性層材料が溶解された第1の溶媒中に加え、有機活性層材料溶液を取得する。また、先に第2の有機溶媒を第1の有機溶媒中に加え、有機主動層材料を第1の有機溶媒および第2の有機溶媒内に溶解することもできる。第2の有機溶媒の沸点は150〜300℃であり、第1の有機溶媒と比較して、第2の有機溶媒は高い沸点を有する。即ち、第2の有機溶媒の揮発速度は遅い。
第2の有機溶媒の揮発速度は遅いので、第2の有機溶媒によって有機活性層溶液の揮発速度を低下させることができ、有機活性層溶液を高飽和蒸気圧環境または密閉環境に放置する必要がなく、それによって高分子太陽電池の製造工程を簡素化することができる。また、第2の有機溶媒の揮発速度は遅いので、有機活性層溶液中の有機高分子が第2の有機溶媒が揮発するときに配列しなおされる時間を増加させることができ、有機高分子は好適な結晶性および秩序ある配列方式によって配列しなおされるので、高分子太陽エネルギ電池の光電変換効率を高めることができる。
第2の有機溶媒は1‐クロロナフタレン、1‐メチルナフタレンまたは1,2,4‐トリクロロベンゼンなどを使用することができる。異なる体積百分率の第2の有機溶媒を加えることによって、有機活性層材料溶液の揮発時間の長さおよび高分子太陽電池の特性に影響を与えることができ、第2の有機溶媒の体積百分率は2〜50%とすることができる。
本実施例の効果を明らかにするのに便利なように、P3HT/PCBMを有機活性層材料とし、1.2‐ジクロロベンゼンを第1の有機溶媒とし、1‐クロロナフタレン(以下クロロナフタレン)を第2の有機溶媒として有機活性層材料溶液を製造し、異なる体積百分率のクロロナフタレンを添加した活性層有機溶液から製造された高分子太陽電池の特性によって本実施例の効果を述べる。図3は1.2‐ジクロロベンゼンの化学式である。1.2‐ジクロロベンゼンの沸点は178℃から180℃の間に介し、20℃の時の飽和蒸気圧は約1.2ミリ水銀柱である。図4は1‐クロロナフタレンの化学式である。1‐クロロナフタレンの沸点は約259℃であり、20℃の時の飽和蒸気圧は約0.038ミリ水銀柱である。
先ず、高分子太陽電池の各特性の定義を説明する。高分子太陽電池の負荷抵抗が無限大の状態の下、即ち、外部電流が遮断(電流値が零)時の電圧を回路電圧(VOC)と称す。電圧が零の時、取得される電流密度をショート電流密度(JSC)と称す。高分子太陽電池の電流密度‐電圧特性曲線において、作業点の出力パワー(P)は作業点に対応する電圧(V)と電流密度(J)の積(P=V×J)に等しく、作業点(Vm,Jm)は最大出力パワー(Pm,Pm=Vm×Jm)を有する。最大出力パワーと、開路電圧とショート電圧密度の積の比は充填率(Filling Factor,FF)(FF=(Vm×Jm)/(VOC×JSC))と定義される。
好適な特性を有する高分子太陽電池は、高い開路電圧およびショート電流密度を有する必要がある以外に、充填率の数値はなるべく1に接近する必要があるので、充填率は最大出力パワーと、開路電圧とショート電流密度の積との接近程度を示す。高分子太陽電池の光電変換効率(η)は出力エネルギと入力光エネルギ(Pin)の比較値(η=(VOC×JSC×FF)/Pin)であるので、充填率の数値が1に接近するほど、光電変換効率が高いことを表す。
図5は、3%、9%、15%および30%のクロロナフタレンを加えた有機活性層材料溶液によって製造された高分子太陽電池の異なる電圧の下でのショート電流密度を示す。図6は3%、9%、15%および30%のクロロナフタレンを加えた有機活性層材料溶液を導電高分子層13上に沈積させた厚さ、揮発時間および高分子太陽電池の各特性を示す。
図5に示すように、クロロナフタレンを加える体積百分率が増加したとき、高分子太陽電池の開路電圧はクロロナフタレンの体積百分率の増加に伴って増加しない。図6に示すように、有機活性層溶液の沈積厚さが約250ナノメートルのとき、高分子太陽電池の開路電圧は約0.6ボルトである。図5に示すように、クロロナフタレンを加える体積百分率が増加するに従って、高分子太陽電池のショート電流および充填率は上昇する。図6に示すように、15%のクロロナフタレンを加えたとき、高分子太陽電池のショート電流の最大値は約11ミリアンペアであり、高分子太陽電池の光電変換効率の最大値は約4.32%である。
図6に示すように、15%のクロロナフタレンを加えて製造される高分子太陽電池は最大光電変換効率を有し、有機活性層溶液が必要な揮発時間も約18分間に短縮することができる。従って、本実施例の実施によって有機活性層溶液の揮発時間は数時間から数十分間に大幅に短縮され、高分子太陽電池の光電変換効率も上昇する。
図7は、3%、9%、15%および30%のクロロナフタレンの揮発後の有機活性層の紫外線吸収スペクトログラムである。図7に示すように、スペクトルが右方向に偏移するとき、有機活性層の吸収光量が増加することを表す。即ち、15%および30%のクロロナフタレンの揮発後の有機活性層は3%および9%のクロロナフタレンの揮発後の有機活性層と比較して更に多くの光量を吸収することができる。また、スペクトルがピーク(peak)を表示したとき、有機活性層内の有機高分子の配列は整列し、有機活性層内の直列抵抗は小さくなり、有機活性層内を導通する電流値は高くなる。
図8は、オランダのパナリティカル(PANalytical)社のX'Pert Proと称するX線回析装置を使用して3%、9%、15%および30%のクロロナフタレンの揮発後のP3HTに対して回析を行い、取得されたX線回析図である。図8から分かるように、X線回析の二倍の入射角(2θ角)が5.4度のとき、15%のクロロナフタレン加えたものの回析強度は最高であり、即ち、有機活性層の有機高分子の配列性が最高であることを表す。
第2の有機溶媒を加えることによって、直接、有機活性層溶液に低揮発性特性を持たせて有機活性層溶液の揮発速度を低下させ、有機活性層溶液中の有機高分子の配列性を高めることができる。また、高飽和蒸気圧環境または密閉環境などの特殊な製造環境を準備しなくても高分子太陽電池の光電変換効率を高めることができ、高分子太陽電池の製造工程を簡素化することができる。
上述の実施例は、本発明の特徴を説明するために使用されるものであり、その目的は当該技術に熟知する者に本発明の内容を理解させて実施させることにあり、本発明の特許請求の範囲を限定するものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲における同等効果の修飾または変更は全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。
10 高分子太陽電池
11 基板
12 導電層
13 導電高分子層
14 有機活性層
15 電極
11 基板
12 導電層
13 導電高分子層
14 有機活性層
15 電極
Claims (14)
- 有機活性層材料と、沸点が50〜200℃である第1の有機溶媒と、沸点が150〜300℃である第2の有機溶媒と、から構成されることを特徴とする高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記有機活性層材料は、P型半導体材料とN型半導体材料を組合せたものであり、前記P型半導体材料は、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、共役オリゴマーおよび小分子から構成される群から選択される一つであり、前記N型半導体材料は、C60、C60誘導体、C70、C70誘導体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ誘導体、PTCDI、Me‐PTCDI、PTCDI誘導体、Me‐PTCDI誘導体、高分子および半導体ナノ粒子から構成される群から選択される一つであることを特徴とする請求項1記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記ポリチオフェン誘導体は、P3HTであることを特徴とする請求項2記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記C60誘導体は、PCBMであることを特徴とする請求項2記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記第1の有機溶媒は、1.2‐ジクロロベンゼン、クロロホルム、クロロベンゼン、トルエンまたはキシレンであることを特徴とする請求項1記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記第2の有機溶媒は、1‐クロロナフタレン、1‐メチルナフタレンまたは1,2,4‐トリクロロベンゼンであることを特徴とする請求項1記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 前記第2の有機溶媒の体積百分率は、2〜50%であることを特徴とする請求項1記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液。
- 有機活性層材料を準備するステップと、
前記有機活性層材料を沸点が50〜200℃である第1の有機溶媒に溶解するステップと、
沸点が150〜300℃である第2の有機溶媒を前記第1の有機溶媒に加えるステップと、を含むことを特徴とする高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。 - 前記有機活性層材料は、P型半導体材料とN型半導体材料を組合せたものであり、前記P型半導体材料は、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、共役オリゴマーおよび小分子から構成される群から選択される一つであり、前記N型半導体材料は、C60、C60誘導体、C70、C70誘導体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ誘導体、PTCDI、Me‐PTCDI、PTCDI誘導体、Me‐PTCDI誘導体、高分子および半導体ナノ粒子から構成される群から選択される一つであることを特徴とする請求項8記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
- 前記ポリチオフェン誘導体は、P3HTであることを特徴とする請求項9記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
- 前記C60誘導体は、PCBMであることを特徴とする請求項9記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
- 前記第1の有機溶媒は、1.2‐ジクロロベンゼン、クロロホルム、クロロベンゼン、トルエンまたはキシレンであることを特徴とする請求項8記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
- 前記第2の有機溶媒は、1‐クロロナフタレン、1‐メチルナフタレンまたは1,2,4‐トリクロロベンゼンであることを特徴とする請求項8記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
- 前記第2の有機溶媒の体積百分率は、2〜50%であることを特徴とする請求項8記載の高分子太陽電池の有機活性層材料溶液の製造方法。
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