JP2010147276A - 有機光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第一の電極12と第二の電極14の間に、少なくとも光電変換層13を有し構成される有機光電変換素子において、該第二の電極14が少なくとも二種以上の金属を含むことを特徴とする有機光電変換素子。
【選択図】図1
Description
本発明の光電変換素子について、図1を用いて詳細に説明する。図1は、本発明に係るバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子の基本構造を示す概略断面図である。
基板は、順次積層された第一の電極、光電変換層及び第二の電極を保持する部材である。本実施形態では、少なくとも第一の電極から光電変換される光が入射することが可能なように、光電変換すべき光の波長に対して透明な基板であることが望ましい。例えば、ガラス基板や樹脂基板等が好適に挙げられるが、軽量性と柔軟性の観点から透明樹脂フィルムを用いることが望ましい。本発明で透明基板として好ましく用いることができる透明樹脂フィルムには特に制限がなく、その材料、形状、構造、厚み等については公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)変性ポリエステル等のポリエステル系樹脂フィルム、ポリエチレン(PE)樹脂フィルム、ポリプロピレン(PP)樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、環状オレフィン系樹脂等のポリオレフィン類樹脂フィルム、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂フィルム、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂フィルム、ポリサルホン(PSF)樹脂フィルム、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂フィルム、ポリカーボネート(PC)樹脂フィルム、ポリアミド樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、アクリル樹脂フィルム、トリアセチルセルロース(TAC)樹脂フィルム等を挙げることができるが、可視域の波長(380〜780nm)における透過率が80%以上である樹脂フィルムであれば、本発明に係る透明樹脂フィルムに好ましく適用することができる。中でも透明性、耐熱性、取り扱いやすさ、強度及びコストの点から、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリカーボネートフィルムであることが好ましく、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、二軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルムであることがより好ましい。
第一の電極は、陰極、陽極は特に限定せず、素子構成により選択することができるが、本願では陽極となる。陽極として用いる場合、第一の電極12は、好ましくは300〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、導電性高分子を用いることができる。
光電変換層13は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。
また、上述のバルクヘテロ接合型の有機光電変換素子は、順次に基板上に積層された第一の電極、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部及び第二の電極で構成されたが、これに限られず、例えば第一の電極や第二の電極と光電変換部との間に正孔輸送層、電子輸送層、正孔ブロック層、電子ブロック層、あるいは平滑化層等の他の層を有してバルクヘテロ接合型の有機光電変換素子が構成されてもよい。これらの中でも、バルクヘテロジャンクション層と陽極(通常、第一の電極側)との中間には正孔輸送層または電子ブロック層を、陰極(通常、第二の電極側)との中間には電子輸送層または正孔ブロック層を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
正孔輸送層(電子ブロック層)として好ましく用いられる材料としては、スタルクヴイテック社製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、WO2006/019270号パンフレット等に記載のシアン化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、溶液塗布法で形成することが好ましい。
また電子輸送層(正孔ブロック層)としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。
太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。タンデム型構成の場合、基板上に、順次第一の電極、第一の光電変換部を積層した後、電荷再結合層を積層した後、第二の光電変換部、次いで第二の電極を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第二の光電変換部は、第一の光電変換部の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また、電荷再結合層の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等が好ましい。
また、作製した有機光電変換素子が環境中の酸素、水分等で劣化しないために、公知の手法によって封止することが好ましい。例えば、アルミまたはガラスでできたキャップを接着剤によって接着することによって封止する手法、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等のガスバリア層が形成されたプラスチックフィルムと有機光電変換素子上10を接着剤で貼合する手法、ガスバリア性の高い有機高分子材料(ポリビニルアルコール等)をスピンコートする方法、ガスバリア性の高い無機薄膜(酸化ケイ素、酸化アルミニウム等)を直接堆積する方法、及びこれらを複合的に積層する方法等を挙げることができる。
(有機光電変換素子SC−101の作製)
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と塩酸エッチングとを用いて1cm幅にパターニングして、第一の電極を形成した。
有機光電変換素子SC−101の作製において、アルミニウムと金を1:9質量%の割合で合計膜厚が100nmになるように共蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−102を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、カルシウムと銀を1:9質量%の割合で合計膜厚が100nmになるように共蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−103を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、カルシウムと金を1:9質量%の割合で合計膜厚が100nmになるように共蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−104を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、マグネシウムと銀を1:9質量%の割合で合計膜厚が100nmになるように共蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−105を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、リチウムと銀を1:9質量%の割合で合計膜厚が100nmになるように共蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−106を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、アルミニウムを膜厚が5nmになるように蒸着してから、さらに、その上に銀を膜厚が75nmになるように蒸着することにより膜厚100nmの第二の電極を形成させた以外はSC−101の同様にして、有機光電変換素子SC−107を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、アルミニウムと銀を素子に近い部分はアルミニウムが多くなるように、素子から遠い部分は銀が多くなるように電流を調節しながら共蒸着することにより膜厚100nmの第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−108を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、アルミニウムを膜厚が100nmになるように蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−109を得た。
有機光電変換素子SC−101の作製において、銀が100nmになるように蒸着し、第二の電極を形成させた以外は有機光電変換素子SC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−110を得た。
上述したように封止を行った有機光電変換素子に、1cm角のマスクを使用し、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cm2の強度の光を第一電極側から照射し、I−V特性を測定し、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び開放電圧Voc(V)、フィルファクターFFを測定した。またJsc、Voc、FFから式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求め、SC−110のエネルギー変換効率を100としたときの相対値を表1に示した。
〔温湿度テスト〕
上記で得られた有機光電変換素子の各々を、60℃、90%の温湿度環境に500時間置いた前後のエネルギー変換効率η(%)を上述の方法により求めた。温湿度テスト実施前のエネルギー変換効率に対する温湿度テスト実施後のエネルギー変換効率を測定し、保持率を式2に従って求め、表1に示した。
12 第一の電極
13 光電変換層
14 第二の電極
21 基板
22 第一の電極
23 正孔輸送層
24 光電変換層
25 電子輸送層
26 第二の電極
Claims (5)
- 第一の電極と第二の電極の間に、少なくとも光電変換層を有し構成される有機光電変換素子において、該第二の電極が少なくとも二種以上の金属を含むことを特徴とする有機光電変換素子。
- 前記二種以上の金属が、少なくとも仕事関数の異なる金属の組み合わせであることを特徴とする請求項1記載の有機光電変換素子。
- 前記仕事関数の異なる二種の金属で仕事関数の大きい方の金属が、Au、Pt、及びAgから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項2記載の有機光電変換素子。
- 前記仕事関数の異なる二種の金属で仕事関数の小さい方の金属が、Al、Ca、Cs、Si、Zn、Sn、Ni、Cr、Li、K、Mg、Na、Ba及びこれらの混合物から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項2又は3記載の有機光電変換素子。
- 前記仕事関数の大きい金属はAgであり、仕事関数の小さい金属はLi、Mg、Ca、Alであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載の有機光電変換素子。
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