JP2010186913A - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
その一方で、エネルギー変換効率がシリコン系太陽電池に比べて低い、寿命が短い等の課題を有している。
したがって、有機薄膜太陽電池の実用化のためには、特に、エネルギー変換効率を向上させることが求められている。
したがって、本発明に係る有機薄膜太陽電池によれば、実用レベルのエネルギー変換効率を実現することが可能となり、軽量で、フレキシブルであり、また、着色性に優れ、製造コストが低い等の利点を活かした身近なエネルギー源としての利用が期待される。
図1に、本発明に係る有機薄膜太陽電池の層構成の概要を示す。
図1に示すように、本発明に係る有機薄膜太陽電池は、一対の電極1,2間にp型有機半導体層31およびn型有機半導体層32が積層されているpn接合型の有機薄膜太陽電池である。すなわち、光電変換層3が、p型有機半導体層31およびn型有機半導体層32により構成されたものである。そして、前記n型有機半導体層32と負極2との間に前記n型有機半導体層32に隣接して、上記(化2)で表される化合物からなる励起子失活防止層(ELB)4が形成されているものである。
また、前記R1およびR2における炭素数6以下の直鎖もしくは分岐のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、t−ブトキシ基、ヘプトキシ基、イソヘプトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等が挙げられる。
なお、B4PYMPMの構造式を下記(化4)に示す。
このような材料からなるEBLを、負極側の光電変換層と接触する位置に形成することにより、優れた励起子失活防止効果を得ることができる。
また、前記EBLは、金属電極と光電変換層との界面ラフネスを改善し、リーク電流の低減化を図る効果も有するものである。
したがって、前記EBLの作用により、pn接合型の有機薄膜太陽電池において、エネルギー変換効率の向上を図ることができる。
前記膜厚が1nm未満の場合は、上記のようなEBLによるエネルギー変換効率の向上効果が十分に得られない。
一方、前記膜厚が30nmを超える場合は、EBL自体の膜抵抗により、エネルギー変換効率が低下することとなる。
前記基板は、有機薄膜太陽電池の支持体となるものであり、基板側が受光面となる場合、太陽光の透光性を有する透明基板を用いることが好ましい。光透過率は80%以上であることが好ましく、85%以上であることが好ましい。より好ましくは、90%以上である。
前記透明基板としては、一般に、BK7、BaK1、F2等の光学ガラス、石英ガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス等のガラス基板、PMMA等のアクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホネート、ポリスチレン、ポリオレフィン、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル等のポリマー基板が用いられる。
前記基板の厚さは、通常、0.1〜10mm程度のものが用いられるが、機械的強度、重量等を考慮して、0.3〜5mmであることが好ましく、0.5〜2mmであることがより好ましい。
この透明電極には、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛等の金属酸化物が一般的に用いられ、特に、透明性や導電性等の観点から、ITOが好適に用いられる。
この透明電極の膜厚は、透明性および導電性の確保のため、80〜400nmであることが好ましく、100〜200nmであることがより好ましい。
正極の形成は、通常、スパッタリング法、真空蒸着法等により行われ、透明導電性薄膜として形成されることが好ましい。
前記負極の膜厚は、10〜500nmであることが好ましく、50〜200nmであることがより好ましい。
前記p型有機半導体層は、電子供与性(ドナー)材料により構成され、正孔輸送性があり、LUMOのエネルギー準位が高い化合物を用いることが好ましい。本発明においては、特に限定されるものではなく、公知のものを適宜選択して用いることができる。例えば、銅フタロシアニン等のフタロシアニン系誘導体、ポルフィリン系誘導体等が挙げられる。
一方、前記n型有機半導体層は、電子受容性(アクセプタ)材料により構成され、電子輸送性があり、HOMOのエネルギー準位が低い化合物を用いることが好ましい。本発明においては、特に限定されるものではなく、公知のものを適宜選択して用いることができる。例えば、フラーレン系誘導体、ペリレン系誘導体等が挙げられる。
前記p型およびn型有機半導体層の各厚さは、光電変換能および膜抵抗等を考慮し、0.1〜1500nmであることが好ましく、より好ましくは、5〜300nmである。
[実施例1]
図2に示すような層構造の有機薄膜太陽電池セルを、以下のようにして作製した。
まず、25mm×20mm角のITOガラス基板1の中央部に幅9mmのメンディングテープを貼り(両側各8mmは未貼付)、王水を用いて、15分間、エッチングを行った。
エッチングした基板をイオン交換水にて洗浄した後、テープを剥がし、アセトン洗浄を行った。さらに、THFによるスクラブ洗浄、アセトン超音波洗浄20分間、セミコクリーン(半導体洗浄液)超音波洗浄20分間、イオン交換水超音波洗浄20分間、IPA超音波洗浄20分間、IPA煮沸洗浄、UV−O3洗浄の過程を経て、洗浄を行った。
その上に、p型有機半導体としてCuPcを、n型有機半導体としてC60を順次成膜し、さらに、EBLとしてB4PYMPMを所定膜厚で成膜した。CuPc、C60およびB4PYMPMは、真空蒸着法により成膜した(真空度1.5×10-4Pa)。
実施例1の有機薄膜太陽電池セルにおいて、EBLとして、B4PYMPMに代えてBCPを成膜し、それ以外は、実施例1と同様にして、セルを作製した。
作製したセルの層構成は、ITO/PEDOT:PSS(30nm)/CuPc(20nm)/C60(40nm)/BCP(7.5nm)/LiF(0.5nm)/Al(100nm)である。
実施例1の有機薄膜太陽電池セルにおいて、EBLを形成せず、それ以外は、実施例1と同様にして、セルを作製し、リファレンスとした。
作製したセルの層構成は、ITO/PEDOT:PSS(30nm)/CuPc(20nm)/C60(40nm)/LiF(0.5nm)/Al(100nm)である。
図3に、入射光波長と光電変換効率IPCEの評価結果をグラフとしてまとめて示す。なお、図3のグラフにおいて、Ref.は比較例2を示す。
また、入射光波長610nmにおける短絡電流密度JSC、開放電圧VOC、曲線因子FF、光電変換効率IPCEの評価結果を表1にまとめて示す。
実施例1の有機薄膜太陽電池セルにおいて、負極をアルミニウム(Al)層のみからなる電極とし、B4PYMPMの膜厚を下記表2に示すように変化させ、それ以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。なお、EBLを形成しない場合(比較例3)をリファレンスとした。
作製したセルの層構成は、ITO/PEDOT:PSS(30nm)/CuPc(20nm)/C60(40nm)/B4PYMPM(xnm;x=0,5,7.5)/Al(100nm)である。
図4に、入射光波長と光電変換効率IPCEの評価結果をグラフとしてまとめて示す。なお、図4のグラフにおいて、Ref.は比較例3のセルを示す。
また、入射光波長610nmにおける短絡電流密度JSC、開放電圧VOC、曲線因子FF、光電変換効率IPCEの評価結果を表2にまとめて示す。
2 負極
3 光電変換層
31 p型有機半導体層
32 n型有機半導体層
4 励起子失活防止層(EBL)
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