JP2010050159A - Organic power generation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を受けて電気を発生する有機発電素子(有機太陽電池)に関するものである。 The present invention relates to an organic power generation element (organic solar battery) that generates electricity upon receiving light.
産業の発展に伴ってエネルギーの使用量が飛躍的に増加している。その中で、地球環境に負荷を与えない、経済的で高性能な新しいクリーンエネルギーの生産技術の開発が求められている。そして太陽電池は、無限にあるといってよい太陽光を利用することから新しいエネルギー源として注目されている。 With the development of industry, the amount of energy used has increased dramatically. Under these circumstances, development of economical and high-performance new clean energy production technology that does not burden the global environment is required. Solar cells are attracting attention as a new energy source because they use sunlight, which can be said to be infinite.
現在実用化されている太陽電池の大部分は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いた無機太陽電池である。しかし、これら無機シリコン系太陽電池は、その製造プロセスが複雑でコストが高いという欠点を有するため、広く一般家庭に普及するには至ってない。このような欠点を解消するために、簡単なプロセスで低コスト化・大面積化が可能な、有機材料を用いた有機太陽電池(有機発電素子)の研究が盛んになってきている。 Most of the solar cells currently in practical use are inorganic solar cells using single crystal silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon. However, these inorganic silicon solar cells have the disadvantages that their manufacturing process is complicated and expensive, so they have not been widely used in general households. In order to eliminate such drawbacks, research on organic solar cells (organic power generation elements) using organic materials, which can reduce costs and increase the area by a simple process, has been actively conducted.
そして、有機太陽電池(有機発電素子)における種類の中で、近年、スイスのローザンヌ工科大学のGratzel教授により、多孔質酸化チタン、ルテニウム色素、ヨウ素とヨウ素イオンを用いた光化学反応に基づく色素増感型太陽電池が、10%という高い変換効率を有することが発表された(B. O’ Regan, M. Gratzel, Nature,353, 737(1991))。 Among the types of organic solar cells (organic power generation elements), in recent years, Professor Gratzel of Lausanne University of Technology, Switzerland, proposed dye sensitization based on photochemical reaction using porous titanium oxide, ruthenium dye, iodine and iodine ion. It has been announced that type solar cells have a high conversion efficiency of 10% (B. O 'Regan, M. Gratzel, Nature, 353, 737 (1991)).
一方、他の種類の有機太陽電池に分類される有機薄膜型太陽電池においても、低分子材料の電子供与性材料(ドナー)と電子受容性材料(アクセプター)を用いて真空蒸着法により形成した低分子型有機薄膜太陽電池について、3.6%の変換効率が得られたたことが報告されている(P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (2001))。 On the other hand, organic thin-film solar cells, which are classified as other types of organic solar cells, are low-evaporation materials formed by vacuum deposition using low-molecular-weight electron-donating materials (donors) and electron-accepting materials (acceptors). It has been reported that a conversion efficiency of 3.6% was obtained for molecular organic thin-film solar cells (P. Peumans and SR Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (2001)).
また有機発電素子に形成される発電層の材料として、高分子材料を用いることの検討も進んでいる。これは、発電層の形成にコストの掛かる真空蒸着法を利用しないため、より低コスト化が期待できるものである。 Studies are also underway on the use of polymer materials as materials for the power generation layer formed in organic power generation elements. This can be expected to further reduce the cost because it does not use a costly vacuum deposition method for forming the power generation layer.
そして共役系ポリマーとフラーレン誘導体との混合膜で発電層を形成したタイプの有機太陽電池で、近年、5.5%の変換効率を得たことが報告されており(非特許文献1)、様々な研究機関で高効率な有機発電素子を得るための工夫・検討がなされている。 In recent years, it has been reported that a conversion efficiency of 5.5% is obtained in an organic solar battery of a type in which a power generation layer is formed of a mixed film of a conjugated polymer and a fullerene derivative (Non-patent Document 1). Various research institutes have been devised and studied to obtain highly efficient organic power generation elements.
すなわち更なる高効率化のために、例えば、有機太陽電池を形成した後、適度に加温することにより、共役系ポリマーの再配列やホール輸送材料と電子輸送材料の適度な混合状態を実現し、電荷分離を向上させる方法(非特許文献2)、発電層を形成する際に、ソルベントアニーリングと称される低速乾燥を行ない、発電材料のミクロ相分離現象を利用して効率を向上させる方法(非特許文献3)、発電材料を溶媒に溶解してこれを塗布することによって発電層を形成するにあたって、2種類の溶媒を等量で混合した混合溶媒を用いて発電材料の溶解性を向上させることにより効率を向上させる方法(非特許文献4)、などが提案されている。
上記のように、発電材料を溶媒に溶解してこれを塗布することにより発電層を形成するにあたって、溶媒を変更することで、有機発電素子を高効率化することが検討されている。しかし、沸点の高い溶媒を単一で用いて作製した発電層や、2種類の溶媒を等量で混合した混合溶媒を用いて形成した発電層は、表面の凹凸が大きく、また発電層を形成する下の層(例えば正孔輸送層)との間で濡れ性が悪いために、発電層の膜面が不均一になって膜厚のばらつきが大きくなり易いものであり、大きな発電面積を有する有機発電素子を得る場合、効率が低下したり、特性がばらついたりする等の問題を有するものであった。 As described above, when forming a power generation layer by dissolving a power generation material in a solvent and applying it, it has been studied to increase the efficiency of the organic power generation element by changing the solvent. However, a power generation layer made using a single solvent with a high boiling point or a power generation layer formed using a mixed solvent in which two types of solvents are mixed in equal amounts have large surface irregularities and form a power generation layer. Since the wettability with the lower layer (for example, hole transport layer) is poor, the film surface of the power generation layer becomes non-uniform and the film thickness tends to vary greatly, and has a large power generation area. In the case of obtaining an organic power generation element, there are problems such as reduced efficiency and variations in characteristics.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、変換効率が高い有機発電素子を提供することを目的とするものであり、また発電層を平坦にかつ均一な厚みに形成することができる有機発電素子を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and aims to provide an organic power generation element with high conversion efficiency. Further, the power generation layer can be formed flat and with a uniform thickness. An object of the present invention is to provide an organic power generation element.
本発明に係る有機発電素子は、電子供与性半導体とホール供与性半導体とを混合して形成される発電層を、少なくとも一方は外来光に対して透明である電極の間に備えた有機発電素子において、発電層の表面の面平均自乗粗さが2nm以下であり、かつ発電層の膜厚のばらつきが、発電層の全体で±10%以内であることを特徴とするものである。 An organic power generation element according to the present invention includes a power generation layer formed by mixing an electron donating semiconductor and a hole donating semiconductor, at least one of which is between electrodes that are transparent to external light. The surface average square roughness of the surface of the power generation layer is 2 nm or less, and the variation in the film thickness of the power generation layer is within ± 10% for the entire power generation layer.
このように、発電層の表面の面平均自乗粗さが2nm以下であって、発電層の表面の平坦性が高いと共に、発電層の膜厚のばらつきが±10%以内であって、発電層の膜厚の均一性が高いものであり、変換効率を高く得ることができるものである。 Thus, the surface mean square roughness of the surface of the power generation layer is 2 nm or less, the surface flatness of the power generation layer is high, and the variation in the film thickness of the power generation layer is within ± 10%. The film thickness is highly uniform and the conversion efficiency can be increased.
また本発明において、上記発電層は、混合溶媒に電子供与性半導体とホール供与性半導体を溶解したものを塗布して形成したものであり、この混合溶媒は、主溶媒と、この主溶媒に対し蒸気圧が2桁以上高い添加溶媒とからなり、かつ主溶媒と添加溶媒との容量比が、主溶媒>添加溶媒の関係にあることを特徴とするものである。 In the present invention, the power generation layer is formed by applying a mixed solvent in which an electron-donating semiconductor and a hole-donating semiconductor are dissolved, and the mixed solvent is composed of a main solvent and the main solvent. It consists of an additive solvent whose vapor pressure is two orders of magnitude higher, and the volume ratio of the main solvent and the additive solvent is in the relationship of main solvent> added solvent.
このような主溶媒と添加溶媒からなる混合溶媒を用いることによって、濡れ性を改善して、上記のように表面の平坦性が高く、膜厚の均一性が高い発電層を形成することができるものである。 By using such a mixed solvent composed of the main solvent and the additive solvent, wettability can be improved, and a power generation layer with high surface flatness and high film thickness uniformity can be formed as described above. Is.
本発明によれば、発電層を平坦にかつ均一な厚みに形成することができ、変換効率が高い有機発電素子を得ることができるものである。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an electric power generation layer can be formed in flat and uniform thickness, and an organic electric power generation element with high conversion efficiency can be obtained.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明に係る有機発電素子(有機太陽電池)の層構成の一例を図1に示す。基板1の上に、正電極2、正孔輸送層3、発電層4、電子輸送層5、負電極6がこの順に積層してあり、正極層2、正孔輸送層3、発電層4、電子輸送層5、負極層6の表面を表面保護層7で覆うことによって、これらが外部に露出しないようにしてある。発電層4を挟む一対の電極2,6のうち、少なくとも一方を透明電極として形成し、外来光が発電層4に導入されるようにしてある。図1の実施の形態では、基板1を透明板で形成すると共に正電極2を透明電極で形成し、基板1と正電極2を通して外来光が発電層4に導入されるようにしてある。
An example of the layer structure of the organic power generation element (organic solar cell) according to the present invention is shown in FIG. On the substrate 1, a
そして本発明では、発電層4を、発電層4の表面の面平均自乗粗さが2nm以下であり、かつ発電層4の膜厚のばらつきが層内で±10%以内となるように形成してある。このように発電層4の表面を平坦な面に形成し、また発電層4の膜厚を均一に形成することによって、隣接する正孔輸送層3や電子輸送層5との接触が均一になり、高効率な有機発電素子を実現することができるものである。発電層4の表面の面平均自乗粗さが2nmを超える場合、また発電層の膜厚のばらつきが±10%の範囲を超える場合、効率が低下し、また特性のばらつきも大きくなるおそれがある。面平均自乗粗さや膜厚のばらつきは小さいほど好ましいので、下限は特に設定されない。
In the present invention, the
ここで、本発明において面平均自乗粗さとは、面内の膜厚の平均値から実測膜厚までの偏差の自乗を平均して平方根をとったもので、面の粗さを決める値であってRmsで表されるものである。また膜厚のばらつきが±10%とは、面内の膜厚の平均値に対して、その上下10%を意味する。 Here, in the present invention, the surface mean square roughness is a value that determines the roughness of the surface by averaging the square of the deviation from the average value of the in-plane film thickness to the measured film thickness and taking the square root. Rms. The variation in film thickness of ± 10% means 10% above and below the average value of the in-plane film thickness.
この発電に寄与する発電層4に用いる有機化合物において、電子供与性半導体としては、フタロシアニン系顔料、インジゴ、チオインジゴ系顔料、キナクリドン系顔料、メロシアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化合物、多環芳香族化合物、また有機電子写真感光体に用いられる電荷移動剤、電気伝導性有機電荷移動錯体、更には導電性高分子などを挙げることができるが、溶媒に可溶であればよく、これに限定されるものではない。
In the organic compound used for the
フタロシアニン系顔料としては、中心金属がCu、Zn、Co、Ni、Pb、Pt、Fe、Mg等の2価のもの、無金属フタロシアニン、アルミニウムクロロフタロシアニン、インジウムクロロフタロシアニン、ガリウムクロロフタロシアニン等のハロゲン原子が配位した3価金属のフタロシアニン、その他バアナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の酸素が配位したフタロシアニン等があるが、特にこれらに限定されるものではない。 As the phthalocyanine pigments, halogen atoms such as divalent pigments such as Cu, Zn, Co, Ni, Pb, Pt, Fe, Mg, metal-free phthalocyanine, aluminum chlorophthalocyanine, indium chlorophthalocyanine, gallium chlorophthalocyanine, etc. Although there are phthalocyanines coordinated with oxygen, such as trivalent metal phthalocyanine coordinated with, and other baanadyl phthalocyanine, titanyl phthalocyanine, etc., it is not particularly limited thereto.
多環芳香族化合物としては、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、またそれらの誘導体などがあるが、特にこれらに限定されるものではない。 Examples of the polycyclic aromatic compound include anthracene, tetracene, pentacene, and derivatives thereof, but are not particularly limited thereto.
電荷移動剤としては、ヒドラゾン化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルメタン化合物、トリフェニルアミン化合物等があるが、特にこれらに限定されるものではない。 Examples of the charge transfer agent include hydrazone compounds, pyrazoline compounds, triphenylmethane compounds, and triphenylamine compounds, but are not particularly limited thereto.
電気伝導性有機電荷移動錯体としては、テトラチオフルバレン、テトラフェニルテトラチオフラバレン等があるが、特にこれらに限定されるものではない。 Examples of the electroconductive organic charge transfer complex include tetrathiofulvalene and tetraphenyltetrathioflavalene, but are not particularly limited thereto.
電子を供与する導電性高分子としては、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、チオフェン系ポリマー、導電性高分子のオリゴマー等の有機溶媒に可溶なものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。 Examples of the conductive polymer that donates electrons include those that are soluble in organic solvents such as poly (3-alkylthiophene), polyparaphenylene vinylene derivatives, polyfluorene derivatives, thiophene polymers, and conductive polymer oligomers. However, the present invention is not limited to this.
また、電子を授受し輸送する材料であるホール供与性半導体としては、化合物半導体を挙げることができ、特に化合物半導体ナノ結晶を用いることができる。ここで、ナノ結晶とは、サイズが1〜100nmであるものをいう。またナノ結晶の形状にはロッド状、球状、テトラポッド状が含まれる。具体的な材料としてはInP、InAs、GaP、GaAs等のIII-V族化合物半導体結晶、CdSe、CdS、CdTe、ZnS等のII-VI族化合物半導体結晶、ZnO、SiO2、TiO2、Al2O3等の酸化物半導体結晶、CuInSe2、CuInS等を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。また、上記化合物半導体が、電子輸送層5と接して櫛歯状に形成されていてもよく、この場合、径は1〜100nm、間隔は最大で200nmで配置されていることが好ましいが、電子を授受し輸送できれば、このサイズに限らない。また、電子を輸送する材料であれば、これら化合物半導体に限らず、C60やC70、C84などの高次フラーレンを含有するフラーレン誘導体などからなる低分子材料や導電性高分子、カーボンナノチューブなどを用いることもできる。
In addition, as a hole-donating semiconductor that is a material that transmits and receives electrons, a compound semiconductor can be given, and in particular, a compound semiconductor nanocrystal can be used. Here, the nanocrystal means one having a size of 1 to 100 nm. The shape of the nanocrystal includes a rod shape, a spherical shape, and a tetrapod shape. Specific materials include III-V compound semiconductor crystals such as InP, InAs, GaP, and GaAs, II-VI compound semiconductor crystals such as CdSe, CdS, CdTe, and ZnS, ZnO, SiO 2 , TiO 2 , and Al 2. Examples thereof include oxide semiconductor crystals such as O 3 , CuInSe 2 , and CuInS, but are not particularly limited thereto. The compound semiconductor may be formed in a comb shape in contact with the
上記の各材料において高分子材料であろうと低分子材料であろうと、溶媒に溶解して塗布することによって、発電層4を成膜することができるものであればよく、特に限定されるものでない。
Regardless of whether each of the above materials is a high molecular material or a low molecular material, any material can be used as long as it can form the
そして発電層4は、混合溶媒にこれらの材料を溶解し、この溶液を正孔輸送層3(あるいは電子輸送層5)の上に塗布することよって形成することができるものである。ここで本発明は、この混合溶媒として、主溶媒と、この主溶媒に対し蒸気圧が2桁以上高い添加溶媒からなり、かつ混合溶媒中で主溶媒の容量比が添加溶媒の容量比よりも高い(主溶媒>添加溶媒)の関係にあるものを用いるものである。
The
ここで、主溶媒に対し蒸気圧が2桁以上高い添加溶媒とは、添加溶媒の蒸気圧が主溶媒の蒸気圧の100倍以上であることをいうものであり、なかでも100倍〜999倍程度が特に好ましい。また混合溶媒中での主溶媒の容量比が添加溶媒の容量比より高ければ、特に限定されるものではないが、主溶媒と添加溶媒を5.5:4.5〜9.5:0.5の容量比の範囲で混合して用いることが好ましい。 Here, the additive solvent whose vapor pressure is two orders of magnitude higher than that of the main solvent means that the vapor pressure of the additive solvent is 100 times or more the vapor pressure of the main solvent, and in particular, 100 times to 999 times. The degree is particularly preferred. Moreover, if the volume ratio of the main solvent in a mixed solvent is higher than the volume ratio of an addition solvent, it will not specifically limit, but a main solvent and an addition solvent are 5.5: 4.5-9.5: 0. It is preferable to use a mixture in a volume ratio range of 5.
このような混合溶媒を用いることによって、発電層4を形成する材料を溶解させた溶液を塗布する際に、添加溶媒は主溶媒の表面張力を下げる効果があり、そのために塗布する下地となる正孔輸送層3との濡れ性が改善することができるものであり、上記のように発電層4の表面を平坦に、且つ均一な膜厚で形成することができるものである。また添加溶媒は蒸気圧が高いので、発電層4として成膜する際に即座に揮発し、発電層4内に残留しない。このため、光を受けて発電層4に生じたキャリア(正孔や電子)が残留不純物による電荷トラップを受けることを低減でき、有機発電素子の発電効率、特に光から変換された短絡電流値が向上するものである。
By using such a mixed solvent, when applying a solution in which the material for forming the
本発明において主溶媒や添加溶媒として用いられる溶媒は、特に限定されるものではないが、1,2−ジクロロベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼン、クロロベンゼン、クロロホルム、キシレン、トルエン、1−クロロナフタレン、アセトン、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、シクロヘキサンなどの有機溶媒を挙げることができ、その蒸気圧から適宜、主溶媒と添加溶媒として組み合わせて用いることができる。例えば、主溶媒に1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧:160Pa(20℃))、添加溶媒にクロロホルム(蒸気圧:21.2kPa(20℃))という組み合わせを挙げることができるが、蒸気圧に2桁以上の違いがあり、混合の容積比が主溶媒>添加溶媒の関係にあればよく、溶媒の組み合わせはこれに限定されるものではない。また主溶媒に複数の溶媒、あるいは添加溶媒に複数の溶媒を用いても、蒸気圧の関係、混合の容積比の関係が上記のようであれば、特に構わない。 The solvent used as the main solvent or additive solvent in the present invention is not particularly limited, but 1,2-dichlorobenzene, 1,2,4-trichlorobenzene, chlorobenzene, chloroform, xylene, toluene, 1-chloro Organic solvents such as naphthalene, acetone, isopropyl alcohol, ethanol, methanol, cyclohexane and the like can be mentioned. From the vapor pressure, they can be used in combination as a main solvent and an additional solvent as appropriate. For example, a combination of 1,2-dichlorobenzene (vapor pressure: 160 Pa (20 ° C.)) as the main solvent and chloroform (vapor pressure: 21.2 kPa (20 ° C.)) as the added solvent can be cited. There is a difference of two or more digits, and the volume ratio of the mixture only needs to be in the relationship of main solvent> added solvent, and the combination of the solvents is not limited to this. Even if a plurality of solvents are used as the main solvent or a plurality of solvents are used as the additive solvent, there is no particular limitation as long as the relationship between the vapor pressure and the volume ratio of mixing is as described above.
また、発電層を形成する上記の材料を混合溶媒に溶解させるにあたっては、例えば主溶媒に溶解させた後、添加溶媒を加えるという手順や、逆に添加溶媒に溶解させた後に主溶媒を加えるという手順、主溶媒と添加溶媒を混合した後にこれに溶解させるという手順などがあるが、最終的に主溶媒と添加溶媒の混合溶媒に発電層を形成する材料が溶解されていればよく、溶解順序はこれに限られるものではない。 In addition, when dissolving the above-mentioned materials forming the power generation layer in the mixed solvent, for example, the procedure of adding the added solvent after dissolving in the main solvent, or conversely, adding the main solvent after dissolving in the added solvent There is a procedure, such as mixing the main solvent and the added solvent and then dissolving them, but it is sufficient if the material that forms the power generation layer is finally dissolved in the mixed solvent of the main solvent and the added solvent. Is not limited to this.
発電層を形成する材料を混合溶媒に溶解した溶液を塗布して発電層4を形成する方法は、特に限定されるものではないが、スピンコート法、ディップコート法、ダイコート法、グラビア印刷法など直接溶液を基板に接触させて膜を設ける方法やインクジェット、スプレーコート法など溶液を気相中に噴霧して成膜する方法などがある。また発電層4の膜厚は、特に限定されるものではないが、一般的に、80〜240nmの範囲が好ましい。
A method for forming the
次に、有機発電素子を構成する他の部材について説明する。 Next, other members constituting the organic power generation element will be described.
上記の基板1は、光入射面側に設ける場合、光透過性を有するものであり、無色透明の他に、多少着色されているものであっても、すりガラス状のものであってもよい。例えば、ソーダライムガラスや無アルカリガラスなどの透明ガラス板や、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂、フッ素系樹脂等から任意の方法によって作製されたプラスチックフィルムやプラスチック板などを用いることができる。また、基板1内に基板母剤と屈折率の異なる粒子、粉体、泡等を含有することによって、光拡散効果を有するものも使用可能である。基板1を光入射面側に設けない場合は、材質等は特に規定されるものではなく、太陽電池部分を支持できるものであれば何でも良い。 When the substrate 1 is provided on the light incident surface side, the substrate 1 has light transparency, and may be slightly colored or ground glass in addition to being colorless and transparent. For example, a transparent glass plate such as soda lime glass or non-alkali glass, a plastic film or a plastic plate produced by an arbitrary method from a resin such as polyester, polyolefin, polyamide, or epoxy, or a fluorine resin can be used. . Moreover, what has a light-diffusion effect by containing the particle | grains, powder, foam, etc. with a different refractive index from a base material in the board | substrate 1 can also be used. When the substrate 1 is not provided on the light incident surface side, the material and the like are not particularly defined, and any material can be used as long as it can support the solar cell portion.
上記の正電極2は、発電層4中に発生したホールを効率よく収集するための電極であり、仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物からなる電極材料を用いることが好ましく、仕事関数が4eV以上のものを用いるのがよい。このような正電極2の材料としては、例えば、金などの金属、CuI、ITO(インジウム−スズ酸化物)、SnO2、ZnO、IZO(インジウム−亜鉛酸化物)等、PEDOT、ポリアニリン等の導電性高分子及び任意のアクセプタ等でドープした導電性高分子、カーボンナノチューブなどの導電性光透過性材料を挙げることができる。正電極2は、例えば、これらの電極材料を基板1の表面に真空蒸着法やスパッタリング法、塗布等の方法により薄膜に形成することによって作製することができる。また、外来光を正電極2を透過させて発電層4に入射させるためには、正電極2の光透過率を70%以上にすることが好ましい。さらに、正電極2のシート抵抗は数百Ω/□以下とすることが好ましく、特に好ましくは100Ω/□以下とするものである。ここで、正電極2の膜厚は、正電極2の光透過率、シート抵抗等の特性を上記のように制御するために、材料により異なるが、500nm以下、好ましくは10〜200nmの範囲に設定するのがよい。
The
また上記の負電極6は、発電層4中に発生した電子を効率よく収集するための電極であり、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物からなる電極材料を用いることが好ましく、仕事関数が5eV以下のものであることが好ましい。このような負電極6の電極材料としては、アルカリ金属、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属、希土類等、およびこれらと他の金属との合金、例えばナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Al/LiF混合物を例として挙げることができる。またアルミニウム、Al/Al2O3混合物なども使用可能である。また、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のハロゲン化物、あるいは金属酸化物を負電極6の下地として用い、さらに上記の仕事関数が5eV以下である材料(あるいはこれらを含有する合金)を1層以上積層して用いてもよい。例えば、アルカリ金属/Alの積層、アルカリ金属のハロゲン化物/アルカリ土類金属/Alの積層、Al2O3/Alの積層などが例として挙げられる。負電極6は、例えば、これらの電極材料を真空蒸着法やスパッタリング法等の方法により、薄膜に形成することによって作製することができる。
The
また上記の正孔輸送層3を構成する正孔輸送材料としては、正孔を輸送する能力を有し、発電層4からの正孔移動効果を有するとともに、正電極2に対して優れた正孔移動効果を有し、また電子をブロックするような特性を有し、かつ薄膜形成能力の優れた化合物が挙げられる。具体的にはフタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、4,4’,4”−トリス(N−(3−メチルフェニル)N−フェニルアミノ)トリフェニルアミン(m−MTDATA)、及びポリビニルカルバゾール、ポリシラン、アミノピリジン誘導体、ポリエチレンジオイサイドチオフェン(PEDOT)等の導電性高分子等の高分子材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、ホール輸送性を有する三酸化モリブデン、五酸化バナジウム、三酸化タングステン、酸化レニウムなどの無機酸化物やp型半導体である酸化ニッケル、酸化銅などの無機酸化物なども用いることができ、無機材料であってもホール輸送性であればこれらに限られることなく使用することができる。
In addition, the hole transport material constituting the
また上記の電子輸送層5に用いられる材料としては、例えば、バソクプロイン、バソフェナントロリン、及びそれらの誘導体、TPBi、シロール化合物、トリアゾール化合物、トリス(8−ヒドロキシキノリナート)アルミニウム錯体、ビス(4−メチル−8−キノリナート)アルミニウム錯体、オキサジアゾール化合物、ジスチリルアリレーン誘導体、シロール化合物、TPBI(2,2’,2″−(1,3,5−ベンゼントリル)トリス−[1−フェニル−1H−ベンツイミダゾール])などがあげられるが、電子輸送性の材料であればよく、特にこれらに限定されるものでない。また、発電層4に用いられる電子を授受し輸送する材料である化合物半導体や、C60やC70、C84などの高次フラーレンを含有するフラーレン誘導体などからなる低分子材料や、導電性高分子、カーボンナノチューブなども用いることができ、電子輸送性材料であれば特に限定されることなく使用することができる。ここで、電子輸送層5に用いられる材料は電子移動度が10−6cm2/Vs以上のものが好ましく、より好ましくは10−5cm2/Vs以上の材料である。
Examples of the material used for the
さらに上記の表面保護層7は、ガスバリア性を有する材料で形成されるものであり、例えば、Al等の金属をスパッタで積層したり、フッ素系化合物、フッ素系高分子、その他の有機分子、高分子等を、蒸着、スパッタ、CVD、プラズマ重合の方法で薄膜として形成したりすることができるものであり、また塗布して紫外線硬化、熱硬化させる方法や、その他の方法で薄膜として形成することも可能である。さらに、光透過性で、且つガスバリア性を有するフィルム状や板状の構造体で表面保護層7を形成することも可能である。このような光透過性の表面保護層7は光の入射面側に設けることができるものであり、このときには有機発電層4に光を到達させるために、表面保護層7の光透過率を70%以上にすることが好ましい。
Further, the surface
上記の図1の実施の形態では、正電極/正孔輸送層/発電層/電子輸送層/負電極の層構成の有機発電素子を示したが、有機発電素子の層構成は、正電極/発電層/負電極が基本であり、その他、正電極/正孔輸送層/発電層/負電極、正電極/発電層/電子輸送層/負電極などの層構成であってもよい。 In the embodiment of FIG. 1 described above, an organic power generation element having a layer configuration of positive electrode / hole transport layer / power generation layer / electron transport layer / negative electrode is shown. The power generation layer / negative electrode is fundamental, and other layer configurations such as positive electrode / hole transport layer / power generation layer / negative electrode, positive electrode / power generation layer / electron transport layer / negative electrode, and the like may be used.
次に、本発明を実施例によって具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically described with reference to examples.
(実施例1)
正電極2としてITO膜が設けられたITO付き硝子基板1(倉元製作所(株)製)を用い、アセトン、イソプロピルアルコール(共に(株)関東化学製)、セミコクリーン(フルウチ科学社製)、超純水で各10分間超音波洗浄を行なった後、イソプロピルアルコールの蒸気で洗浄し、乾燥させた。さらに、大気圧プラズマ表面処理装置(松下電工(株)製)で3分間、このITO付き基板1の表面処理を行った。
Example 1
A glass substrate 1 with ITO provided with an ITO film as a positive electrode 2 (manufactured by Kuramoto Seisakusho), acetone, isopropyl alcohol (both manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), semi-clean (manufactured by Furuuchi Kagaku), After ultrasonic cleaning with pure water for 10 minutes each, it was cleaned with isopropyl alcohol vapor and dried. Further, the surface treatment of the substrate 1 with ITO was performed for 3 minutes by an atmospheric pressure plasma surface treatment apparatus (Matsushita Electric Works Co., Ltd.).
そしてITOからなる正電極2の上に、正孔輸送層3として、ポリ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(PEDOT:PSS)(スタルク社製)を40nmの膜厚で形成した。
On the
一方、電子供与性半導体としてポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HTと略す;メルク社製、レジオレギュラータイプ)を、ホール供与性半導体としてフラーレン誘導体である[6,6]−フェニルC61−ブチリック アシッド メチル エステル(PCBMと略す;Solenne社製)を用いた。また主溶媒として1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧;160Pa(20℃))を、添加溶媒としてクロロホルム(蒸気圧;21.2kPa(20℃))を用い、1,2−ジクロロベンゼンにクロロホルムを容積比6:4で混合した混合溶媒に、P3HTとPCBMを質量比1:0.7の割合で混合した材料を、固形分濃度が51mg/mlとなるように溶解した。 On the other hand, poly (3-hexylthiophene) (abbreviated as P3HT; manufactured by Merck, regioregular type) is used as an electron-donating semiconductor, and [6,6] -phenyl C61-butylic acid methyl is a fullerene derivative as a hole-donating semiconductor. Esters (abbreviated as PCBM; manufactured by Solenne) were used. In addition, 1,2-dichlorobenzene (vapor pressure; 160 Pa (20 ° C.)) was used as the main solvent, chloroform (vapor pressure; 21.2 kPa (20 ° C.)) was used as the additive solvent, and chloroform was added to 1,2-dichlorobenzene. A material obtained by mixing P3HT and PCBM at a mass ratio of 1: 0.7 in a mixed solvent mixed at a volume ratio of 6: 4 was dissolved so that the solid content concentration was 51 mg / ml.
そして正孔輸送層3を形成した上記の基板1を露点−76℃以下、酸素1ppm以下のドライ窒素雰囲気のグローブボックスに移送し、正孔輸送層3の上に、P3HTとPCBMを混合溶媒に溶解した上記の溶液をスピンコートし、膜厚200nmの発電層4を形成した。
Then, the substrate 1 on which the
次にこの基板1を、真空蒸着装置(アルバック社製)にセットし、真空蒸着法を用いてLiFを0.5nmの膜厚で、その上にAlを100nmの膜厚で成膜し、負電極6を形成した。
Next, this substrate 1 is set in a vacuum deposition apparatus (manufactured by ULVAC), and LiF is deposited to a thickness of 0.5 nm and Al is deposited thereon to a thickness of 100 nm using a vacuum deposition method. An
次に、この各層を積層して形成した基板1を、露点−76℃以下のドライ窒素雰囲気のグローブボックスに大気に暴露することなく搬送した。一方、吸水材として酸化カルシウムを練り込んだゲッターをガラス製の封止板に粘着剤で貼り付けておき、また、封止板の外周部には予め紫外線硬化樹脂製のシール剤を塗布しておき、グローブボックス内において基板1に封止板をシール剤で張り合わせ、UVでシール剤を硬化させることによって、表面保護層7で被覆した有機発電素子を得た。
Next, the substrate 1 formed by laminating these layers was transported to a glove box in a dry nitrogen atmosphere having a dew point of −76 ° C. or less without being exposed to the air. On the other hand, a getter kneaded with calcium oxide as a water-absorbing material is attached to a glass sealing plate with an adhesive, and a sealing agent made of an ultraviolet curable resin is applied in advance to the outer periphery of the sealing plate. Then, a sealing plate was bonded to the substrate 1 with a sealing agent in the glove box, and the sealing agent was cured with UV to obtain an organic power generation element coated with the surface
(実施例2)
主溶媒として1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧;160Pa(20℃))と1,2,4−トリクロロベンゼン(蒸気圧;40Pa(25℃))を用い、添加溶媒としてクロロホルム(蒸気圧;21.2kPa(20℃))を用い、これらを容積比5:1:4で混合した混合溶媒に、実施例1と同様にしてP3HTとPCBMを溶解させた溶液を調製した。そしてこの溶液を、スピンコーティングして膜厚200nmの発電層4を形成した。その他は実施例1と同様にして有機発電素子を得た。
(Example 2)
1,2-dichlorobenzene (vapor pressure; 160 Pa (20 ° C.)) and 1,2,4-trichlorobenzene (vapor pressure; 40 Pa (25 ° C.)) were used as the main solvent, and chloroform (vapor pressure; 21) was used as the additive solvent. .2 kPa (20 ° C.)), and a solution in which P3HT and PCBM were dissolved in a mixed solvent obtained by mixing these at a volume ratio of 5: 1: 4 was prepared in the same manner as in Example 1. This solution was spin-coated to form a
(比較例1)
主溶媒として1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧;160Pa(20℃))を用い、添加溶媒としてクロロホルム(蒸気圧;21.2kPa(20℃))を用い、これを容積比4:6で混合した混合溶媒に、実施例1と同様にしてP3HTとPCBMを溶解させた溶液を調製した。そしてこの溶液を、スピンコーティングして膜厚200nmの発電層4を形成した。その他は実施例1と同様にして有機発電素子を得た。
(Comparative Example 1)
1,2-dichlorobenzene (vapor pressure; 160 Pa (20 ° C.)) is used as the main solvent, and chloroform (vapor pressure; 21.2 kPa (20 ° C.)) is used as the additive solvent, and this is mixed at a volume ratio of 4: 6. A solution in which P3HT and PCBM were dissolved in the mixed solvent was prepared in the same manner as in Example 1. This solution was spin-coated to form a
(比較例2)
溶媒として1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧;160Pa(20℃))の単一溶媒を用い、実施例1と同様にしてP3HTとPCBMを溶解させた溶液を調製した。そしてこの溶液を、スピンコーティングして膜厚200nmの発電層4を形成した。その他は実施例1と同様にして有機発電素子を得た。
(Comparative Example 2)
Using a single solvent of 1,2-dichlorobenzene (vapor pressure: 160 Pa (20 ° C.)) as a solvent, a solution in which P3HT and PCBM were dissolved was prepared in the same manner as in Example 1. This solution was spin-coated to form a
(比較例3)
主溶媒として1,2−ジクロロベンゼン(蒸気圧:160Pa(20℃))を用い、添加溶媒としてクロロベンゼン(蒸気圧:1.17kPa(20℃))を用い、これを容積比6:4で混合した混合溶媒に、実施例1と同様にしてP3HTとPCBMを溶解させた溶液を調製した。そしてこの溶液を、スピンコーティングして膜厚200nmの発電層4を形成した。その他は実施例1と同様にして有機発電素子を得た。
(Comparative Example 3)
1,2-dichlorobenzene (vapor pressure: 160 Pa (20 ° C.)) is used as the main solvent, and chlorobenzene (vapor pressure: 1.17 kPa (20 ° C.)) is used as the additive solvent, which is mixed at a volume ratio of 6: 4. A solution in which P3HT and PCBM were dissolved in the mixed solvent was prepared in the same manner as in Example 1. This solution was spin-coated to form a
上記のようにして実施例1〜2及び比較例1〜3で得られた有機発電素子について、発電層4の表面凹凸を原子間力顕微鏡(AFM)で測定し、発電層4の表面の面平均自乗粗さを求めた。また発電層4の膜厚を表面形状測定装置(Dektak8)で測定し、200nmに対する厚みのばらつきを計算した。そして、有機発電素子の変換効率を、ソーラーシミュレータ(山下電装社製)により擬似太陽光(AM1.5,1sun)を照射して求めた。結果を表1に示す。
About the organic power generation element obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 as described above, the surface unevenness of the
表1にみられるように、実施例1,2の有機発電素子は、発電層4の面平均自乗粗さが2nm以下であり、且つ発電層4の厚みのばらつきが±10%以下であり、高い発光効率が得られることが確認された。
As can be seen from Table 1, in the organic power generation elements of Examples 1 and 2, the surface average square roughness of the
1 基板
2 正電極
3 正孔輸送層
4 発電層
5 電子輸送層
6 負電極
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