JP2010067642A - 光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池 - Google Patents

光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、バルクへテロ接合型の有機薄膜光電変換素子に関し、活性層に色素を加えるとともにドナー及びアクセプタのドメインを形成することにより光−電気のエネルギー変換効率を向上させる技術を提供することを課題にする。
【解決手段】照射光(H)を当てると活性層(20)の両側に対向配置される一対の電極層(11,12)に電位差が生じる光電変換素子(10)であって、活性層(20)は、照射光(H)を吸収して励起した電子を供与する第1ドメイン(21)と前記電子を受容する第2ドメイン(22)とが混在した構造を有し、照射光(H)を吸収して励起した電子を第2ドメイン(22)に供与する有機色素(23)が、第1ドメイン(21)及び第2ドメイン(22)の界面に偏在していることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、バルクへテロ接合型の有機薄膜に関連する技術分野に属し、特に、光−電気のエネルギー変換効率を向上させる光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池に関する発明である。
近年、有機薄膜を用いた太陽電池として、ドナードメイン及びアクセプタドメインを混在させた活性層を備えるバルクヘテロ接合型(bulk-heterojunction)の太陽電池が、高い発電効率を実現するとして脚光を浴びている。
照射光を吸収した活性層は、ドナードメインの内部に、電子と正孔がペアとなって互いに強く束縛しあう励起子を発生させる。そして、この発生した励起子のうち、ドナードメインとアクセプタドメインとの界面(以下、ドメイン界面という)に到達したもののみが電荷分離して発電に関与する。
そして、分離した電子は、アクセプタドメインを移動して負極に到達し、分離した正孔は、ドナードメインを移動して正極に到達し、電極間に電位差が発生する。
バルクヘテロ接合型の太陽電池では、活性層の内部に形成されているドメイン界面が広いため、発生した励起子のうち多くが途中で失活することなくドメイン界面に到達し電荷分離するために、高効率発電が実現される。
そして、バルクヘテロ接合型太陽電池のさらなる発電効率の向上を目指し、励起子を多く発生させるために、活性層に色素を加える研究がなされている(例えば、非特許文献1、2参照)。また、ドメイン界面に到達できず失活していた励起子を電荷分離させるために、ドナー及びアクセプタのドメインサイズを最適化する研究がなされている(例えば、非特許文献3参照)。
Sol.Energy Mater.Sol.Cells,91,447(2007) Eur.Phys.J.Appl.Phys.,40,169(2007) Adv.Funct.Mater.,15,1193(2005)
しかし、活性層に有機色素を加える試みは、逆に発電効率が低下する報告例もあり、期待される成果が挙がっていない。この理由については明らかではないが、従来用いられていた有機色素が、一般的に見て凝集性が高いものであることに関連すると推察される。
また、ドメインサイズを最適化する試みも、サイズを小さくするとドメイン界面が広がり、電荷分離が促進する点は望ましいが、同時に電荷移動の円滑性が妨げられ、発電性能の向上の施策としては限界が見えている。
本発明は、活性層に有機色素を加えるとともにドナードメイン及びアクセプタドメインの組織を制御して、光−電気のエネルギー変換効率を向上させる光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池を提供することを課題にする。
前記した課題を解決するために本発明は、照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子において、前記活性層は、前記照射光を吸収して励起した電子を供与する第1ドメインと前記電子を受容する第2ドメインとが混在した構造を有し、前記照射光を吸収して励起する有機色素が、前記第1ドメイン及び第2ドメインの界面に偏在していることを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、有機色素は、ドメイン界面に薄く広範に亘って分布していることになる。これにより、第1ドメインの内部に発生した励起子は、ドメイン界面に到達した後に電荷分離して発電に関与する。また、照射光を吸収して有機色素に発生した励起子は、発生したその場で電荷分離し、ほとんど失活することなく発電に関与する。
また本発明の光電変換素子は、前記有機色素は、隣接するもの同士のπ共役分子軌道の重なり合いを阻害する官能基を含むことを特徴とする。
さらには、前記有機色素は、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体であることを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、有機色素は、一般的性質として、その平面構造体の積層方向に凝集しやすいものであるが、前記官能基により凝集が阻害されることになる。これにより、有機色素は、自己凝集することなく、ドメインの界面に安定して定着することになる。
また本発明の光電変換素子は、前記有機色素の光吸収スペクトルの吸収ピークは、前記第1ドメイン又は第2ドメインの吸収ピークよりも長波長側に位置することを特徴とする。
また前記有機色素のHOMO準位およびLUMO準位は、前記第1ドメインを機能させるドナー分子及び前記第2ドメインを機能させるアクセプタ分子のものの間にそれぞれ位置し、前記有機色素のHOMO−LUMOギャップは、前記ドナー分子のものより小さいことを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、ドメイン界面から離れた位置に発生した励起子であっても、ドメイン界面に効率よく到達してから有機色素を励起させて電荷分離に至ることができる。これにより、第1ドメインに発生した励起子のほとんどは、失活することなく発電に貢献することができる。
また本発明の光電変換素子の製造方法は、照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子の製造方法であって、前記照射光を吸収して励起した電子を供与するドナー分子及び前記電子を受容するアクセプタ分子の合計100重量部と0.1〜10重量部の有機色素とを溶媒に溶解させた溶液を作製する段階と、前記電極層の一方が設けられている基板上に前記溶液を塗布するとともに前記溶媒を揮発させる段階と、前記ドナー分子からなる第1ドメイン及び前記アクセプタ分子からなる第2ドメインを相分離させて混在した構造を発現させて前記活性層を形成する段階とを含み、前記有機色素は、HOMO−LUMOギャップが前記ドナー分子のものより小さく、HOMO準位およびLUMO準位が前記ドナー分子及びアクセプタ分子のものの間にそれぞれ位置するとともに、前記ドナー分子及び前記アクセプタ分子に対し非相溶でかつこれらよりも自己凝集性が小さいことを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、作製された溶液をスピンキャスト法等の公知手段で塗布することによりドナー分子、アクセプタ分子及び有機色素が混合した有機薄膜を基板上に形成することができる。さらに、加熱処理等によりドナー分子を第1ドメインとして成長させ、アクセプタ分子を第2ドメインとして成長させれば、有機色素は、ドメイン界面に優先的に析出することになる。
さらに、この有機色素の析出相は、HOMO準位及びLUMO準位が前記規定した関係を有することにより、ドメイン界面から離れた位置で発生した励起子であってもこのドメイン界面に分布する有機色素を励起させてから電荷分離して発電に寄与できる。
本発明によれば、加えられた有機色素が、ドナー及びアクセプタのドメイン界面に薄く分布することに起因して、光−電気のエネルギー変換効率に優れた光電変換素子、その製造方法、及び太陽電池が提供される。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
(第1実施形態)
図1(a)の概念図に示されるように、第1実施形態に係る光電変換素子10は、活性層20と、その両端の側に対向配置される一対の正極層11(電極層)及び負極層12(電極層)から構成されている。
そして、一対の電極層11,12のうち透明に構成される透明電極(図では正極層11)から照射光Hが当たると、活性層20から負極層12に電子が移動し活性層20から正極層11に正孔が移動すること(正極層11から活性層20に電子が移動することと同義)により、電極層11,12に電位差が生じる。
活性層20は、厚さが10nmから1000nmである有機薄膜であり、微細化した第1ドメイン21(以下、「ドナードメイン21」ともいう)及び第2ドメイン22(以下、「アクセプタドメイン22」ともいう)が混在した構造を有し、両ドメインの界面付近には有機色素23が偏在している。
ドナードメイン21は、照射光Hを吸収すると励起してその内部に励起子が発生するものである。ここで励起とは、照射光Hの光エネルギーにより、図1(b)に示されるように、分子内の最高被占分子軌道(HOMO)にある電子が最低空分子軌道(LUMO)に遷移した状態を意味する。
HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)は、エネルギー準位の低い安定な分子軌道から順番に電子が充填されるとして、最後に充填された不安定な電子が存在する分子軌道を意味する。一方LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)は、HOMOよりもエネルギー準位が一つ上の分子軌道であって、それ以上のエネルギー準位の軌道に電子が存在していない軌道を意味する。
励起子とは、LUMOに遷移した電子と、HOMOの電子が空位となってできた正孔とが互いに束縛しあってペアになっている状態を指す。発生した励起子は、エネルギー移動によりドナードメイン21内でその位置を変化させることができ、これによりドメイン界面から離れた位置に発生した励起子であってもドメイン界面に到達することができる。
そして、ドナードメイン21を形成するドナー分子Dの発光スペクトルと有機色素23の吸収スペクトルとの重なりが大きい場合には、ドナー分子Dで発生した励起子は有機色素23へエネルギー移動し、効率よくドメイン界面に到達することができる。
励起子は、吸収した光エネルギーが蛍光や熱として消費されると、LUMOに遷移した電子が再びHOMOに戻り失活する。またLUMOに遷移した電子は、エネルギー準位の高いLUMOよりも低いLUMOに入っているほうが安定であるために、その差が小さければドメイン界面を突っ切ってLUMO準位の低い物質に電荷移動することができる。
このために、失活するまでにエネルギー移動によりドメイン界面に到達できた励起子は、ペアになっている正孔と電子が電荷分離して、電子がLUMOを経由して負極層12の方向に移動し、正孔がHOMOを経由して正極層11の方向に移動することになる。
このドナードメイン21は、照射光Hを吸収すると、図1(b)に示されるように、HOMOのエネルギー準位(HOMO準位)にある電子がLUMOのエネルギー準位(LUMO準位)に励起する。そして、ドナードメイン21の任意の位置において複数の励起子が同時に発生することになる(図2の(a)及び(d)参照)。
ドナードメイン21を構成するドナー分子Dとしては、チオフェン系、フェニレンビニレン系、フルオレン系、ルテニウム錯体系、フラーレン系、クマリン系、カルバゾール系、ポルフィリン系、フタロシアニン系、スピロ系、フェロセン系、フルオレノン系、フルギド系、イミダゾール系、ペリレン系、フェナジン系、フェノチアジン系、ポリエン系、アゾ系、キノン系、インジゴ系、ジフェニルメタン系、トリフェニルメタン系、ポリメチン系、アクリジン系、アクリジノン系、カルボスチリル系、クマリン系、ジフェニルアミン系、クナクリドン系、キノフタロン系、フェノキサジン系、フタロペリノン系、ポルフィン系、クロロフィル系、フタロシアニン系、クラウン系、スクアリリウム系、チアフルバレン系の官能基等が具体的に挙げられる。
アクセプタドメイン22は、有機色素23が分布するドメイン界面を介してドナードメイン21に接し、このドナードメイン21及び有機色素23から電子を受容するものである。またアクセプタドメイン22の機能は、そのような電子を受容するだけにとどまらず、自身が照射光Hを吸収し励起して、正孔を有機色素23に、あるいは電子を負極層12(又は電子輸送層40(図3))に供与する場合もある。
アクセプタドメイン22は、そのLUMOのエネルギー準位(LUMO準位)が、ドナードメイン21及び有機色素23のLUMO準位よりも小さくかつ、負極層12の伝導帯準位よりも高いことが好ましい。
アクセプタドメイン22を構成するアクセプタ分子Aとしては、フラーレン、オキサジアゾール、オキサドール、ペリレン、ペリレンジイミド、ベンゾジイミダゾール、ナフタレンの誘導体、金属錯体等の物質が具体的に挙げられる。
活性層20の内部では、前記した通り、ドメイン界面において励起子が電荷分離するために、このドメイン界面の面積が広範に亘っている程、電荷分離の頻度が向上する。そして、電荷分離した後の正孔及び電子は、それぞれドナードメイン21及びアクセプタドメイン22を経由して正極層11及び負極層12に電荷移動する。よって、それぞれのドメイン21,22は、電荷の移動先に対応する電極層に接するように二相混合状態が形成されている必要がある。
つまり、ドナードメイン21又はアクセプタドメイン22が閉領域となって活性層20の内部に存在したとしても、分離した電子及び正孔は対応する電極層に到達できないために、再結合して発電に貢献できないことになる。
有機色素23は、ドメイン界面に、単分子から数十分子程度の厚さをもって一様に分布していることが好ましいが、欠損している部分があってもやむを得ない。
有機色素23は、照射光を吸収して、HOMOからLUMOに電子が遷移して、励起子を発生するものである。
この有機色素23の吸収スペクトルは、光吸収を担うドメイン(ここではドナードメイン21)を形成するドナー分子Dの発光スペクトルと良好な重なりを有し、HOMO−LUMOのエネルギーギャップEg2はドナードメイン21のEg1より小さいものが望ましい。
また、有機色素23のHOMOおよびLUMO準位はドナードメイン21とアクセプタドメイン22のものの間にそれぞれ位置することが好ましい。
さらに、有機色素23は、両側に隣接するドナードメイン21及びアクセプタドメイン22に対し、HOMO準位間のギャップ、及びLUMO準位間のギャップが、電荷分離に必要とされる最小限の大きさをとるように選択されることが好ましい。
この有機色素23(ドナー分子Dの場合も含む)のように、光照射により励起子が発生する物質としては、π共役系化合物を主成分としたものが挙げられる。
ここでπ共役系とは、炭素原子間の共有結合が単結合及び二重結合が交互である結合状態を指す。このような結合状態では、炭素原子同士をつないだ直線に対して垂直な分子軌道面を持つπ電子がπ共役系化合物の分子全体に広がって存在(非局在化)しているために、π電子が分子軌道内を自由に動き回れる性質を備えている。
また有機色素23は、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22に対し非相溶でかつこれらを構成する分子よりも自己凝集性が小さいことが望ましい。これにより、有機色素23は、ドメイン界面に広範かつ安定的に定着することができる。さらに、後記するようにドナードメイン21及びアクセプタドメイン22の二相分離構造を発現させる過程において、ドメイン界面に有機色素23を析出させることができる。
しかし、前記したπ共役系化合物は、一般的性質として、π電子の分子軌道の重なり合いが原因である分子間の相互作用により凝集しやすい性質を有している。
そこで、有機色素23は、嵩高い置換基により分子間の凝集が阻害され、強く自己凝集することのないものが好ましい。これにより、有機色素23はドメイン界面に広範かつ安定的に定着することができる。
さらに有機色素23は、ドメイン界面において接するドナードメイン21の最も長波長側の吸収ピークよりも長波長側に溶液状態に類似した強い吸収ピークを示すものであることが好ましい。これにより、有機色素23は、ドナードメイン21で発生した励起子のエネルギーを効率よく受け取ることができる。
このような有機色素23は、たとえば、嵩高い置換基を導入した分子構造のもの、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体などが好ましい。これにより、有機色素23の分子間距離が数オングストローム離され、そのπ電子分子軌道の重なり合いを阻害することができる。
そのような嵩高い置換基としては、たとえばターシャリーブチル基、4級アンモニウム塩、アルキルリン酸塩のような4級化元素を持つものが挙げられるが、これらに制限されることはない。そのような嵩高い置換基を持つ有機色素23は、ドナーの最も長波長側の吸収ピークよりも長波長側に吸収ピークを持つものであればいずれでもよく、たとえば、アゾ色素、キノン系色素、ジアリールおよびトリアリールメタン系色素、シアニン色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、インジゴ系、縮合多環系色素、スチリル系色素、スピロピラン系色素、スピロオキサジン系色素、スクワリリウム系色素、クロコニウム系色素、ピロメテン系色素等を挙げることができるが、これらに制限されることはない。
また非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体としては、アゾ金属錯体、金属ポルフィリン類、金属フタロシアン類、金属ナフタロシアニン類、ビピリジン錯体 等を挙げることができ、また中心原子としては配位数が6をとるSi,Ge等を挙げることができ、軸配位子としてはトリヘキシルシリロキサイド等を挙げることができる。
このような嵩高い官能基は分子間距離を数オングストローム引き離す働きを有するが、本発明の光電変換素子を構成する電荷移動に必要な分子間距離である10オングストローム以内の条件を実現しており、この官能基によって光電変換素子としての性能を何ら阻害されることはない。
正極層11(電極層)は、図1(b)に示されるように、自由電子の伝導帯のエネルギー準位(以下、伝導帯準位という)が、ドナードメイン21のHOMO準位よりも高くそのギャップが小さいことが好ましい。これにより、ドナードメイン21から正極層11への正孔の移動が容易になる。
正極層11は、第1実施形態においては、照射光Hが透過する透明電極が用いられている。そのような、透明電極を構成する物質として、ITO(インジウム・スズ酸化物)、IZO(インジウム・亜鉛酸化膜)、TiO、SnO、ZnOが、具体的に挙げられる。
負極層12(電極層)は、その伝導帯準位が前記した正極層11の伝導帯準位よりも高く、かつ、ドメイン界面を介して接するアクセプタドメイン22のLUMO準位よりも低くそのギャップが小さいことが好ましい。これにより、アクセプタドメイン22から負極層12への電子の移動が容易になる。
負極層12は、第1実施形態においては、透明電極に対向する金属性の対向電極が用いられている。そのような、対向電極を構成する物質としては、Ca,Mg,Al,Ag等が具体的に挙げられる。
(動作説明)
図2に基づいて(適宜、図1参照)、第1実施形態に係る光電変換素子の動作説明をする。この図2は、図1(a)の活性層20内の破線領域部分の拡大図である。
まず、照射光Hが透明電極(図1では正極層11)を透過して活性層20に入射すると、ドナードメイン21の内部に励起子が発生する(図2の(a)及び(d))。この発生した励起子は、ドナードメイン21をエネルギー移動して、ドメイン界面に到達する。
このドメイン界面に偏在している有機色素23のHOMO−LUMOのエネルギーギャップEg2は前記した通りドナー分子DのEg1よりも小さく、ドナー分子の発光スペクトルと有機色素23の吸収スペクトルが重なり合っている。このため、ドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23に効率よくエネルギー移動し直ちに電荷分離する(図2(b))。
このように、ドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23にエネルギー移動してから電荷分離するために、ドメイン界面から離れた位置のドナードメイン21に発生した励起子であっても(図2(d))、失活することなく電荷分離に至る(図2(e))。
このエネルギー移動により、有機色素23に生じた励起子は、ドメイン界面において電荷分離し、発生した電子は、アクセプタドメイン22のLUMOを経由して負極層12の伝導帯に移動し、発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMOを経由して正極層11の伝導帯に移動する(図2(c))。
また図示省略するが、有機色素23の膜が厚い部分においては、ドナードメイン21に発生した励起子は、有機色素23の両端の界面のいずれか一方に移動してから、電荷分離する場合もある。
この場合、分離した電子及び正孔のうちいずれか一方の電荷は、電荷輸送を担当するドメインを経て対応する電極層に到達するが、他方の電荷は、有機色素23の膜を貫通してから、輸送を担当するドメインに移動し、対応する電極層に到達することになる。
このように有機色素23の膜が厚く形成されたドメイン界面は、薄く形成された部分と対比して、有機色素23の内部に電荷移動を伴いエネルギー損失が生じる。
次に、ドナードメイン21で吸収されずに通過した照射光Hは、有機色素23に入射して直接この有機色素23の内部に励起子を発生させる(図2(f))。このようにして有機色素23で発生した励起子は、移動することなくその場で電荷分離して、発生した電子は、アクセプタドメイン22のLUMOを経由して負極層12の伝導帯に移動し、発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMOを経由して正極層11の伝導帯に移動する(図2(g))。
このように、ドメイン界面に偏在している有機色素23が、薄く広く均一に分布していることにより、照射光を吸収して活性層20の内部に発生する励起子のほとんどは、失活することなく高い確率で電荷分離を起こし発電に関与する。
(第2実施形態)
図3(a)の概念図に示されるように、第2実施形態に係る光電変換素子10´は、正極層11及び活性層20の間に正孔輸送層30が、負極層12及び活性層20の間に電子輸送層40が配置されている。
この正孔輸送層30又は電子輸送層40の厚さは、用いる材料によりそれぞれ最適化されることが望ましい。例えば、正孔輸送層30として後述するPEDOT−PSSのような導電性高分子を用いた場合は、10nm〜200nmであることが望ましい。電子輸送層40として後述するTiOxのような金属酸化物を用いた場合は、0.5nm〜50nmであることが望ましい。最適膜厚よりも厚い場合は光電変換素子10´の内部抵抗が増大して特性が低下するためであり、薄い場合は厚みむらが大きくなり特性や品質が不安定になるからである。
正孔輸送層30は、そのHOMO準位が、正極層11の伝導帯準位とドナードメイン21のHOMO準位との間をとりギャップ間隔が小さいことが好ましい。このように正孔輸送層30が構成されることにより、活性層20からの正孔を円滑に正極層11に移動させることができる。
正孔輸送層30に用いられる物質としては、チオフェン系、フェロセン系、パラフェニレンビニレン系、カルバゾール系、ピロール系、アニリン系、ジアミン系、フタロシアニン系、ヒドラゾン系の官能基を有する物質等ならびにV、MoO、NiO等の金属酸化物が具体的に挙げられる。
電子輸送層40は、そのLUMO準位あるいは伝導帯準位が、負極層12の伝導帯準位とアクセプタドメイン22のLUMO準位との間をとりギャップ間隔が小さいことが好ましい。このように電子輸送層40が構成されることにより、活性層20からの電子を円滑に負極層12に移動させることができる。
電子輸送層40に用いられる物質としては、TiOx、ZnO、CsO等の金属酸化物ならびにバソクプロイン、フラーレン、オキサジアゾール、オキサドール、ペリレン、ナフタレン等の誘導体、金属錯体等の物質が具体的に挙げられる。
図3(b)に基づいて第2実施形態に係る光電変換素子の発電原理について説明する。なお図3(b)では正孔輸送層30はPEDOT−PSSを主成分とし(適宜図6参照)、ドナードメイン21はドナー分子Dとしてポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)を主成分とし、有機色素23はシリコンフタロシアニン誘導体(SiPc)を主成分とし、アクセプタドメイン22はアクセプタ分子Aとしてフラーレン誘導体(C61−PCBM)を主成分とし、電子輸送層40はTiOxを主成分とした場合が示されており、それぞれのHOMO・LUMO・伝導帯のエネルギー準位が真空準位を基準(Evac=0)にして表記されている。
ここで照射光Hにより、ドナードメイン21(P3HT)には、エネルギー準位が−5.1eVのHOMOの電子が−3.2eVのエネルギー準位のLUMOに遷移させた励起子が発生する。
このドナードメイン21で発生した励起子は、有機色素23にエネルギー移動して、エネルギー準位が−5.2eVのHOMOの電子を−3.5eVのエネルギー準位のLUMOに遷移させる。
このLUMO(−3.5eV)に遷移した電子は、ドメイン界面において電荷分離した後、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達する。
一方、ドナードメイン21で発生した一部の励起子は、LUMO(−3.2eV)に遷移した電子を、有機色素23のLUMO(−3.5eV)、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して電荷移動させ、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達させる。
そして照射光Hにより、有機色素23には、エネルギー準位が−5.2eVのHOMOの電子が−3.5eVのエネルギー準位のLUMOに遷移した励起子を発生する。
このLUMO(−3.5eV)に遷移した電子は、ドメイン界面において電荷分離した後、アクセプタドメイン22のLUMO(−3.7eV)、電子輸送層40の伝導帯(−4.1eV)を経由して、伝導帯準位が−4.3eVのAlの負極層12に到達する。
そして、電荷分離により発生した正孔は、ドナードメイン21のHOMO(−5.1eV)、正孔輸送層30のHOMO(−5.0eV)を経由して伝導帯準位が−4.5eVのITOの正極層11に到達する。
この結果、対向する一対の電極層11,12に電位差が生じることになる。
(第3実施形態)
図4(a)の概念図に示されるように、第3実施形態に係る光電変換素子10”は、活性層20の両側に配置する電極層として、透明電極(ITO)を負極層12として適用した場合を示している。この場合、適用される正極層11は、伝導帯準位がITO(−4.5eV)よりも低いAu(−5.2eV)を用いている。
第3実施形態に係る光電変換素子10”の構成は、第2実施形態に係る光電変換素子10´と対比して、正孔輸送層30を省略し、正極層11及び負極層12に用いる電極として、ITO及びAlの組み合わせに代えてAu及びITOに組み合わせを適用したこと以外は、共通している。よってこの光電変換素子10”の発電原理等の説明は、第2実施形態の説明を援用して記載を省略することにする。
ところで、第2及び第3実施形態に例示される光電変換素子10の具体的な実施例において、電気化学測定や分光測定により求めたLUMO準位、HOMO準位及び伝導帯準位の値は、必ずしも、理想的なエネルギー勾配を有しているとは限らない。
しかし、現実には、このような理想的なエネルギー勾配を有していなくても、ドメイン界面を介して接する二つの物質のHOMO,LUMOのエネルギー準位が近接していれば、このドメイン界面を突っ切って電子及び正孔は移動する。
(太陽電池の構成)
図5は本発明の太陽電池の実施形態を示す断面拡大図である。ここで太陽電池50に適用される光電変換素子10´として、第2実施形態で説明したものを例示している。
この太陽電池50は、光電変換素子10´の支持体としての透明な電極基板13と、正極層11及び負極層12上の端子接点14,14に一端が固定され外部負荷26に接続する配線とから構成される。そして、太陽電池50は、電極基板13から入射する照射光Hを光電変換し、電流を外部負荷26に導いてこの外部負荷26に仕事をさせるものである。
そして、電極基板13は、照射光Hを吸収せずに透過して、光電変換素子10を安定して支持するものであれば何でもよく、ガラス製やプラスチック製等の透明なものであれば適用することができる。また、電極基板13の片面には、公知の方法で電極層(正極層11)が設けられているが、ITO膜が蒸着されたものが市販され広く流通している。
なお、本発明の光電変換素子10,10´,10”の用途は、太陽電池50に限定されるものでなく、例えば光センサ等の用途にも利用することができる。
(製造方法の説明)
次に、図6(a)(b)、図7(c)(d)(e)に示す工程図に基づいて本発明に係る光電変換素子の製造方法の実施形態を説明する。
まず図6(a)に示されるように、公知方法により基板上に設けられたITO透明電極(図では正極層11)の上に、正孔輸送層30を形成する。(なお、ITO透明電極を負極層12とする場合は、電子輸送層40を先に形成する。)
次に、ドナードメイン21の主成分であるドナー分子D(P3HT)、アクセプタドメイン22の主成分であるアクセプタ分子A(C61−PCBM)及び有機色素23(SiPc)を有機溶媒に混合し、撹拌し、均一な混合溶液を作製する。
ここで、ドナー分子D及びアクセプタ分子Aの合計100重量部に対し0.1〜10重量部の有機色素23を有機溶媒に配合するものとする。
ここで、有機色素23の配合量が10重量部よりも多い場合は、後記する図12に示されるように、光電変換素子の発電特性が低下する。これは、ドメイン界面に析出した有機色素23の膜が厚くなるか又は塊状となるために、前記したように有機色素23内の電荷移動に伴うエネルギー損失が増大するためと考えられる。また有機色素23の配合量が0.1重量部よりも少ない場合は、電荷分離に至らず失活してしまう励起子の割合が改善されないと考えられる。
次に作製した混合溶液を電極基板13に設けられた正孔輸送層30の基板上に塗布する(図6(b)参照)。このように基板上に溶液を塗布する方法としては、スピンコート法が代表されるがこれ以外の公知の方法を採用してもよい。
スピンコートとは、固定した電極基板13に所定の回転速度を付与し、上から混合溶液を滴下して、遠心力の作用により基板上に液膜を均一に塗布する方法である。
そして、このように基板上に混合溶液を塗布した電極基板13を、所定の温度、圧力、非酸化性に調整した雰囲気において有機溶媒を取り除き(脱溶媒)、ドナー分子D、アクセプタ分子A及び有機色素23が混在して成る有機薄膜層を得る(図7(c))。
この有機薄膜層は、図7(c)のように、自己凝集により形成されたドナー分子D及びアクセプタ分子Aの微細な塊状体の集合体に、凝集力の弱い有機色素23(不図示)が分散した状態になっていると考えられる。
そして、活性層20におけるドナードメイン21、アクセプタドメイン22及び有機色素23の組織を制御する目的で、さらに非酸化性雰囲気で、所定温度で所定時間の熱処理を行う。熱処理は、ドナー分子D及びアクセプタ分子Aのガラス転移温度よりも高温で実施することが望ましい。
ドメイン界面には、界面をできる限り小さくして界面自由エネルギーを低下させようとする界面張力が作用している。このように、ガラス転移温度よりも高温に設定されることにより分子鎖の運動性が向上すると、ドメイン界面を小さくしようとして隣接する同種の塊状体が連結することにより、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が成長する。
このような界面張力及び凝集力によって、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が成長するのに伴って、固溶している有機色素23は、相分離したドメイン界面に優先的に析出することになる。これは、有機色素23(SiPc)は、ドメインを構成するP3HT及びC61−PCBMに対して非相溶性を示し自己凝集性が小さいことによる。これにより、ドナードメイン21及びアクセプタドメイン22が相分離して混在した構造のドメイン界面に、有機色素23が偏在した構造体が発現することになる(図7(d))。
最後に、電子輸送層40(ITO透明電極を負極層12として用いる場合は正孔輸送層30)及び対向電極(図では負極層12)を形成し光電変換素子が完成する。
電子輸送層40は、正孔輸送層と同様に公知の方法により設ける。対向電極は、Al等の金属を、蒸着等することにより作製することができる(図7(e))。
以下、図6から図17を参照して、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
<正孔輸送層30の作製>
正孔輸送層30はポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT:polyethylenedioxythiophene)とポリスチレンスルホン酸(PSS:poly(4-styrenesulfonate))の錯体であるPEDOT−PSSを主成分として構成した。
トルエン、アセトン、エタノール溶液により超音波処理を各15分間行って洗浄したITO透明電極の表面に1.0−1.4wt%のPEDOT−PSS水溶液をキャストし、スピンコートを施した。回転速度は、最初の10秒間が400rpm、その後99秒間は3000rpmにて行った。このスピンコートにより得た高分子膜を140℃にて10分間の乾燥により溶媒を除去し、膜厚40nmの正孔輸送層30を得た(図6(a)参照)。
<活性層20の作製>
次に、1mLのクロロベンゼンに、ドナードメイン21の主成分であるドナー分子Dとしてポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT:poly(3-hexylthiophene))を10mg、アクセプタドメイン22の主成分であるアクセプタ分子Aとしてフラーレン誘導体(C61−PCBM:phenyl-C61-butyric acid methyl ester)を10mg、有機色素23としてシリコンフタロシアニン誘導体(SiPc:silicon(IV) phthalocyanine bis(trihexylsilyloxide))を0.7mg加えて、均一溶液を得た。
この溶液を正孔輸送層30の表面にキャストし、スピンコートを施した。回転速度は1200rpmにて、60秒間行った。このスピンコートにより有機薄膜を得る(図6(b))。得た有機薄膜を真空乾燥して溶媒を除去するとP3HTの微結晶体とC61−PCBMの微結晶体との集合体にSiPcが分散している有機薄膜(図7(c))が得られる。次に、窒素雰囲気下150℃で30分間アニール(熱処理)すると、これら微結晶体が連結し合って成長しドメイン21,22が形成するとともに、その界面にSiPcが析出する(図7(d))。
<電子輸送層40の作製>
次に、チタニウムイソプロポキシドを脱水エタノールにより100倍に希釈したものを、4000rpm、60秒間の条件で活性層20の表面にスピンコートし、大気中、冷暗所にて一晩保存することで、ゾル・ゲル法により電子輸送層40としてTiOx層を得る(図7(e))。
<対向電極12の作製>
真空蒸着装置を用いて、電子輸送層40の上にアルミニウムを蒸着して対向電極とした。なお条件は、<1nm・s−1の蒸着速度にて400秒間蒸着を行い、厚さ70nmのアルミニウム電極層12を得た(図7(e))。
以上のようにして、実施例に係る光電変換素子を作製した(図3参照)。
<比較例1>
次に、比較例1として、実施例と比較してアニール処理を行わない場合の光電変換素子を作製した。
実施例と同じ方法で作製された有機薄膜(図7(c))を比較例1に係る活性層とする。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例1に係る光電変換素子を得る(図7(f))。
<比較例2>
次に、比較例2として、実施例と比較して有機色素23を含まずアニール処理も行わない場合の光電変換素子を作製した。
実施例と同じ方法で作製された電極基板の正孔輸送層30の上に、SiPcを配合しないことを除き同じ方法で溶液を塗布し(図6(b´))、さらに溶媒を揮発させて比較例2に係る活性層を得る(図8(c´))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例2に係る光電変換素子を得る(図8(f´))。
<比較例3>
次に、比較例3として、実施例と比較して有機色素23を含まないが、アニール処理は行っている場合の光電変換素子を作製した。
前記した比較例2に係る活性層(図8(c´))にアニール処理を行なって比較例3に係る活性層を得(図8(d´))、さらに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例3に係る光電変換素子を得る(図8(e´))。
<比較例4>
次に、比較例4として(図14参照)、実施例と比較して有機色素としてSiPcに代えて軸配位子を有さない亜鉛フタロシアニン誘導体(ZnPc)を採用し、アニール処理を行わない場合の活性層を作製した。このZnPcは、軸配位子を有さないことに起因してSiPcよりも凝集性が高い性質を備える。
実施例と同じ方法で作製された電極基板の正孔輸送層30の上に、SiPcに代えてZnPcを配合した溶液を塗布し(図14(b”))、さらに溶媒を揮発させて比較例4に係る活性層を得る(図14(c”))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例4に係る光電変換素子を得る(図14(f”))。
<比較例5>
次に、比較例5として、実施例と比較して有機色素としてSiPcに代えて凝集性の高いZnPcを採用した場合の活性層を作製した。
前記した比較例4に係る有機薄膜(図14(c”))にアニール処理を行ない、比較例5に係る活性層を得る(図14(d”))。これにアニール処理を行わずに電子輸送層40と対向電極12を作製して比較例5に係る光電変換素子を得る(図14(e”))。
<比較検討結果>
図9は、実施例及び比較例1,2,3に係る活性層における、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。
この吸光度の測定結果は、透明基板11に設けられた状態の活性層に、紫外−可視光を透過させて紫外可視吸収スペクトルを得、後で透明基板11のみのスペクトルを差し引いた結果である。
吸光度の測定グラフ(図9)における400−650nmの吸収帯はP3HTに由来し、670nmの鋭いピーク状の吸収帯はSiPcに由来するものである。なお、スケールアウトしているが、C61−PCBMに由来する吸収帯が340nm近傍に観測されている。
これより、アニール処理を実施することにより、SiPcに由来する吸光度は変化しないが、P3HTに由来する吸光度は向上することが観測される。これは、アニール処理により、SiPcの結晶構造は変化しないが、P3HTでは非晶(アモルファス)が結晶化したことによる。
図10は、実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子における、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。
なお、照射光源には500Wのキセノンランプを用い、100mW・cm−2、AM1.5Gの擬似太陽光(光線)をITO基板側から照射した。
比較例1と比較例2の結果を対比して明らかなように、アニール処理を行わない場合は、SiPcの配合の有無にかかわらず短絡電流密度は1.8mA・cm−2程度を示し大きな差異は観測されなかった。
しかし、アニール処理を行うことによりSiPc配合が無い場合は短絡電流密度は6.2mA・cm−2に増加し、さらにSiPcを配合した場合は短絡電流密度は8.0mA・cm−2まで増加する。
図11は、実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
この測定結果から、アニール処理を実施することにより、SiPcに由来するEQEスペクトルは向上し、P3HTに由来するEQEスペクトルの向上も観測される。
そして、このアニール処理に起因するP3HT由来のEQEスペクトルの向上度合は、図9における吸収スペクトルの向上度合よりも顕著であるといえる。
これは、結晶化により成長したP3HTのドナードメイン21と、C61−PCBMのアクセプタドメイン22とが相分離して混在した構造が形成されていることを裏付けている。つまり、ドメイン界面で電荷分離した後の電荷(電子及び正孔)は、他のドメイン界面に阻害されることなく対応する電極層に円滑に到達することができるためと推察される。
さらに、アニール処理されている実施例と比較例3の対比から、SiPcが配合されている実施例の方が、未配合の比較例3よりもP3HT由来のEQEスペクトルの向上が観測される。一方、アニールが未処理である比較例1,2のものについては、SiPcの有無は、P3HT由来のEQEスペクトルの変化に無関係である。
図15は、比較例2,3,4,5に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。
有機色素としてZnPcを含む比較例4と比較例5の測定結果から、凝集性の高いZnPcを適用した場合、この有機色素に由来する670nm近傍の光吸収スペクトルの強度は極めて弱いといえる。
なお、測定結果の掲載を省略するが、確認的にZnPcを含む活性層を溶媒に再溶解させて吸光スペクトルを観測すると、670nm近傍にZnPcに由来する高強度のスペクトルが検出されることから、ZnPcは活性層に間違いなく存在している。
このように有機薄膜にするとZnPc由来の吸光スペクトルが消失するのは、有機色素として加えたZnPcは、活性層の内部で凝集して塊状となって局所的に点在することとなり、照射光が有機色素に入射する実効面積が実質的に低下したためと考えられる。
一方において、有機色素として凝集性の低いSiPcを採用した実施例及び比較例1の吸光スペクトル(図9)について検討すると、SiPc由来の吸収スペクトルは、アニール処理の有無とは無関係に同じ強度で観測されている。このことから、有機色素として凝集性の低いSiPcを採用した場合は、照射光が有機色素に入射する実効面積は、アニール処理を経ても実質的に変化せず、発生する励起子の量も同一であることを示している。
図16は比較例2,3,4,5に係る光電変換素子における、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。
比較例4と比較例5の結果を対比するとZnPcが配合される場合もアニール処理を行うことにより短絡電流密度の増加は観測されるが、有機色素が無配合である場合(比較例2→比較例3)よりもその効き目が劣っている。
図17は比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
比較例4と比較例5の結果を対比から、ZnPcを有機色素に用いた場合であっても、アニール処理の実施により、P3HTに由来するEQEスペクトルの向上が観測される。しかし、有機色素が無配合である場合(比較例2→比較例3)よりも、向上したEQEスペクトルの強度が弱いという結果が得られた。
つまり、有機色素として凝集性の高いZnPcを採用した場合は、光電変換素子の特性向上に寄与せずに、逆に低下させていることを示している。これは、アニール処理により塊状に凝集したZnPcがさらに成長し、ドメイン界面で分離した電荷の移動の円滑性を阻害しているためと推察される。
次に、軸配位子を官能基として備え凝集性が抑制されたSiPcを有機色素として採用した実施例について検討する。
図11の実施例及び比較例1の測定結果において、アニール処理によって、SiPc由来のEQEスペクトル強度が増加している。よって、実施例では、アニール処理によって、有機色素(SiPc)の光吸収による電流発生が増加したことを示している。
このことは、SiPc由来の吸収スペクトル(図9)にはアニール処理の有無に起因する強度変化が無かったことから、アニール処理が未実施の場合は、SiPcで発生した励起子は失活する割合が高いことを意味している。
つまり、アニール処理を実施した場合には、有機色素(SiPc)で発生した励起子はその場で電荷分離し、発生した正孔及び電子はそれぞれP3HT及びC61−PCBMに素早く移動することを示唆している。この測定結果より、アニール処理を実施すると、SiPcは、ドメイン界面に析出し、広く薄く分布することを裏付けている。
さらに、図11における実施例と比較例3の対比から、アニール処理が実施されている光電変換素子において、SiPc配合に起因して、P3HTに由来する吸収スペクトルでの光電流の向上も観測される。このことから、SiPcが無配合であるとP3HTで励起子が発生しても失活する割合が高いが、SiPcを配合することによって励起子を効率よくドメイン界面に捕集し、電荷分離に至る割合が増えることを示唆している。
つまり、SiPcのHOMO−LUMOのEg(1.7eV)とP3HTのEg(1.9eV)との関係により(図3参照)、SiPcの吸収スペクトルとP3HTの発光スペクトルとが良好に重なり合っている。これにより、ドメイン界面から遠い位置に発生したP3HTの励起子であっても、ドメイン界面までの長距離をエネルギー移動してからSiPcを励起させ、電荷分離することを裏付けている。
以上の測定結果より、アニール処理が実施されることにより、P3HTとC61−PCBMが二相分離して混在するドメイン構造を形成するとともに、SiPcは析出し、ドメイン界面に偏在する構造が形成されることを裏付けている。このように、SiPcが、P3HT及びC61−PCBMのドメイン界面に偏在するのは、結晶性の高いP3HT及びC61−PCBMが結晶化によりドメイン成長をする際に、P3HT及びC61−PCBMの両相からSiPcが析出し界面に集合するためと考えられる。
図12及び表1は、実施例に係る光電変換素子(図7(e))において、有機色素(SiPc)の配合量を変化させて擬似太陽光照射下でのJ−V曲線を測定し、短絡電流密度(Jsc),フィルファクタ(FF),エネルギー変換効率(η)の計測値を示したものである。参考までに比較例5に係る光電変換素子の計測値も付記した。
なお測定は、ドナー分子(P3HT)及びアクセプタ分子(C61−PCBM)の重量配合比を1:1とし、P3HTとC61−PCBMの合計100重量部に対して配合されるSiPcの相対重量を0,0.5,1.5,3.5,10重量部と変化させた活性層を設けた光電変換素子を作製して行った。なお、この0重量部及び3.5重量部のEQEスペクトルは、図10,11における比較例3及び実施例に対応する結果である。
図12及び表1より、0重量部から3.5重量部までは、有機色素(SiPc)の配合量が増えるに従い短絡電流密度(Jsc)及びエネルギー変換効率(η)の諸性能は向上する。一方、3.5重量部を超えると配合量の増加に従い諸性能は低下し、10重量部を超えたところでエネルギー変換効率(η)は0重量部の場合よりも悪化する。これより、有機色素(SiPc)は、配合量が10重量部を超えない範囲で、光電変換素子の特性を向上させるという知見が得られる。
Figure 2010067642
図13は、表1に示される有機色素(SiPc)の配合量を変化させた実施例に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
この図13の測定結果によれば、有機色素(SiPc)に由来するEQEスペクトルの強度は、SiPcの配合量に対応して向上している。一方、ドナー分子(P3HT)に由来するEQEスペクトルの強度は、SiPcの配合量に対し極大値を有することがわかる。これは、EQEスペクトルが極大値を示すまでは、SiPcの配合量が増えるに従い、ドメイン界面に占めるSiPcの分布面積が拡大するためと考えられる。一方、EQEスペクトルが極大値を過ぎた後は、SiPcの配合量が増えるに従いSiPcの膜が厚くなり、この膜を突っ切る電荷移動によるエネルギー損失が増大するものと考えられる。
以上の測定結果により、活性層の光吸収スペクトルに添加した色素の吸収が認められる場合には、太陽電池の性能が改善されることは明らかである。
(a)は本発明の光電変換素子の第1実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。 本実施形態に係る光電変換素子の活性層を構成するドメインの境界部分を拡大して示す部分拡大図である。 (a)は本発明の光電変換素子の第2実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。 (a)は本発明の光電変換素子の第3実施形態を示す概念図であり、(b)はその発電原理の説明図である。 (a)は本発明の太陽電池の実施形態を示す断面拡大図である。 (a)(b)は本発明の光電変換素子の製造方法における塗布工程の実施形態を示す概念図であって、有機色素(SiPc)及びその他の成分の分子構造式が図示されている。また(b´)には比較例の構成成分の分子構造式が図示されている。 (c)(d)は本発明の光電変換素子の製造方法における熱処理工程の実施形態を示す概念図であって、(e)は図3(a)と同じ光電変換素子を示している。また(f)には比較例1として図7(c)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。 (c´)(d´)(e´)は比較例3として図6(b´)の段階からアニール工程を経て光電変換素子を作製する工程が示されている。また(f´)には比較例2として図8(c´)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。 実施例及び比較例1,2,3に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。 実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。 実施例及び比較例1,2,3に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。 実施例に係る光電変換素子において、有機色素の配合量を変化させて測定した擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の短絡電流密度(Jsc),フィルファクタ(FF),エネルギー変換効率(η)の計測値である。 実施例に係る光電変換素子において、有機色素の配合量を変化させた場合の、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。 (b”)(c”)(d”)(e”)は比較例4,5として、実施例の場合と異なり軸配位子を有さない有機色素(ZnPc)を用いた場合の光電変換素子の作製工程が示されている。また(f”)には比較例4として図14(c”)の段階からアニール工程を省略して光電変換素子を作製したものが示されている。 比較例2,3,4,5に係る活性層において、照射光の各波長に対する吸光度の測定グラフである。 比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、擬似太陽光照射下でのJ−V曲線の測定グラフである。 比較例2,3,4,5に係る光電変換素子において、照射光の各波長に対する外部量子収率(EQE)の測定グラフである。
符号の説明
10,10´,10” 光電変換素子
11 正極層(電極層)
12 負極層(電極層)
20 活性層
21 ドナードメイン(第1ドメイン)
22 アクセプタドメイン(第2ドメイン)
23 有機色素
30 正孔輸送層
40 電子輸送層
50 太陽電池
A アクセプタ分子
D ドナー分子
H 照射光
R 軸配位子
R’ 置換基

Claims (9)

  1. 照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子であって、
    前記活性層は、
    前記照射光を吸収して励起した電子を供与する第1ドメインと前記電子を受容する第2ドメインとが混在した構造を有し、
    前記照射光を吸収して励起する有機色素が、前記第1ドメイン及び第2ドメインの界面に偏在していることを特徴とする光電変換素子。
  2. 請求項1に記載の光電変換素子において、
    前記有機色素は、隣接するもの同士のπ共役分子軌道の重なり合いを阻害する官能基を含むことを特徴とする光電変換素子。
  3. 請求項2に記載の光電変換素子において、
    前記有機色素は、非平面配位構造を取ることが可能な原子との錯体であることを特徴とする光電変換素子。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子において、
    前記有機色素の光吸収スペクトルの吸収ピークは、前記第1ドメイン又は第2ドメインの吸収ピークよりも長波長側に位置することを特徴とする光電変換素子。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光電変換素子において、
    前記有機色素のHOMO準位およびLUMO準位は、前記第1ドメインを機能させるドナー分子及び前記第2ドメインを機能させるアクセプタ分子のものの間にそれぞれ位置し、
    前記有機色素のHOMO−LUMOギャップは、前記ドナー分子のものより小さいことを特徴とする光電変換素子。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光電変換素子において、
    前記電極層及び前記活性層の間に正孔輸送層及び電子輸送層の少なくともいずれか一方が配置されることを特徴とする光電変換素子。
  7. 照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子であって、
    前記活性層は、
    前記照射光を吸収して励起した電子を供与する第1ドメインと前記電子を受容する第2ドメインとが混在した構造を有し、
    前記活性層の紫外−可視−近赤外光吸収スペクトルを測定すると有機色素の光吸収スペクトルの少なくとも一部が観察されることを特徴とする光電変換素子。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の光電変換素子を備え、連結した外部負荷に仕事をさせる太陽電池。
  9. 照射光を当てると活性層の両側に対向配置される一対の電極層に電位差が生じる光電変換素子の製造方法であって、
    前記照射光を吸収して励起した電子を供与するドナー分子及び前記電子を受容するアクセプタ分子の合計100重量部と0.1〜10重量部の有機色素とを溶媒に溶解させた溶液を作製する段階と、
    前記電極層の一方が設けられている基板上に前記溶液を塗布するとともに前記溶媒を揮発させる段階と、
    前記ドナー分子からなる第1ドメイン及び前記アクセプタ分子からなる第2ドメインを相分離させて混在した構造を発現させて前記活性層を形成する段階とを含み、
    前記有機色素は、
    HOMO−LUMOギャップが前記ドナー分子のものより小さく、HOMO準位およびLUMO準位が前記ドナー分子及びアクセプタ分子のものの間にそれぞれ位置するとともに、
    前記ドナー分子及び前記アクセプタ分子に対し非相溶でかつこれらよりも自己凝集性が小さいことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
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