JP2011040435A - Method for manufacturing photoelectric transducer material, and method for manufacturing organic solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子材料の製造方法及び有機太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a photoelectric conversion element material and a method for producing an organic solar cell.
地球温暖化、環境汚染、エネルギー問題等が深刻さを増す中、環境に優しい電気エネルギー源として太陽電池が注目されている。現在、太陽電池の光起電力素子の半導体素材としては、アモルファスシリコンに代表される無機半導体が広く使用されている。しかし、無機半導体を用いて製造される無機太陽電池はコストが高く、一般家庭に広く普及するには至っていない。コスト高の要因は主として、真空かつ高温下で半導体薄膜を製造するプロセスにある。
これに対して、共役系重合体や有機結晶などの有機半導体や有機色素を用いた有機太陽電池は、その原材料の大量生産が容易であること、及び薄膜化・大面積化が容易であることから、実用化が検討されている。
As global warming, environmental pollution, and energy problems become more serious, solar cells are attracting attention as environmentally friendly electrical energy sources. At present, inorganic semiconductors typified by amorphous silicon are widely used as semiconductor materials for photovoltaic elements of solar cells. However, inorganic solar cells manufactured using inorganic semiconductors are expensive and have not been widely used in general households. The high cost factor is mainly in the process of manufacturing a semiconductor thin film under vacuum and high temperature.
In contrast, organic solar cells using organic semiconductors and organic dyes such as conjugated polymers and organic crystals are easy to mass-produce their raw materials, and are easy to reduce the thickness and area. Therefore, practical application is being studied.
このような有機太陽電池の中で現在実用化に近いと考えられているものとして、色素増感型太陽電池(グレツェルセル)がある(特許文献1)。しかし、グレツェルセルは電解質が溶液であること、耐久性が低いこと等が実用化のネックになっている。 Among such organic solar cells, there is a dye-sensitized solar cell (Gretzel cell) that is considered to be close to practical use at present (Patent Document 1). However, the Grezel cell is a practical bottleneck because the electrolyte is a solution and its durability is low.
そこで、新たにグレツェルセルとは異なるコンセプトから成る、バルクへテロ接合を利用した有機太陽電池が最近脚光を浴びている。ここで、バルクへテロ接合とは、半導体界面(空乏層)が通常のヘテロ接合のように二次元的ではなく、膜の内部において三次元的に広がっている状態を意味する。 Therefore, an organic solar cell using a bulk heterojunction, which has a new concept different from that of the Gretzel cell, has recently attracted attention. Here, the bulk heterojunction means a state in which the semiconductor interface (depletion layer) is not two-dimensional like a normal heterojunction but spreads three-dimensionally inside the film.
サリチフチ、ヒーガーらは、p型半導体とn型半導体とみなせる共役系ポリマーとフラーレン誘導体とを混合して得られた薄膜から、バルクへテロ接合を利用した有機太陽電池を作製している(非特許文献1,2)。バルクへテロ接合を利用した有機太陽電池では、通常のへテロ接合に基づく有機太陽電池とは異なり、混合薄膜内部の全領域で空乏層が形成されるため、非常に効率よく電荷分離が起こる。 Salichifuchi, Heger et al. Have produced organic solar cells using bulk heterojunctions from thin films obtained by mixing conjugated polymers that can be regarded as p-type semiconductors and n-type semiconductors and fullerene derivatives. References 1, 2). In an organic solar cell using a bulk heterojunction, unlike an organic solar cell based on a normal heterojunction, a depletion layer is formed in the entire region inside the mixed thin film, so that charge separation occurs very efficiently.
しかし、このような非常に高効率な電荷分離が起こるにもかかわらず、実際のところ、この方式の太陽電池のエネルギー変換効率は無機系のものと比較して非常に低く、数%程度の値しか得られていない。これは、従来のバルクへテロ接合を利用した方式では、電荷の分離が起こっても、すぐに電子とホールが再結合することが原因であると考えられる。このことから、電子とホールが再結合することを防ぎ、更には、電荷分離した電子とホールの輸送が効率的に行われるようにすれば、バルクへテロ接合を利用した有機太陽電池でも高いエネルギー変換効率が得られるようになると推測される。 However, in spite of this very high-efficiency charge separation, in fact, the energy conversion efficiency of this type of solar cell is very low compared to inorganic ones, which is about several percent. It has only been obtained. This is considered to be caused by the fact that in the conventional method using the bulk heterojunction, even if charge separation occurs, electrons and holes are immediately recombined. For this reason, it is possible to prevent recombination of electrons and holes, and to achieve high energy even in organic solar cells using bulk heterojunctions if the transport of electrons and holes separated by charge is performed efficiently. It is estimated that conversion efficiency can be obtained.
そこで、本発明者は、単層カーボンナノチューブとフラーレン類から成る複合クラスターを形成し、この複合クラスターを用いた光電変換系を構築することにより、電子とホールの再結合を防止し、なおかつ効率的な電荷輸送が可能となることを見出した(非特許文献3)。 Accordingly, the present inventor forms a composite cluster composed of single-walled carbon nanotubes and fullerenes, and constructs a photoelectric conversion system using the composite cluster, thereby preventing recombination of electrons and holes, and efficiently. It has been found that stable charge transport is possible (Non-patent Document 3).
単層カーボンナノチューブ(single-walled carbon nano tube,SWNT)は高効率な電荷輸送材料として知られており、フラーレン類と共に有機光電変換素子(有機太陽電池、光センサー等)への適用が期待されている。単層カーボンナノチューブは、π−π相互作用により水性溶媒及び有機溶媒のいずれに対しても貧溶性を示すことから、本発明者は、化学修飾により単層カーボンナノチューブを可溶化し、この可溶化単層カーボンナノチューブ(functionalized-SWNT,f-SWNT)をフラーレン類とを混合溶媒中で複合クラスター化して金属スズ電極上に付着させた。得られた修飾電極の膜構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、可溶化単層カーボンナノチューブの側壁にフラーレン分子が密に配列着している様子が明らかになった。このような特徴的な膜構造により、効率的な電荷輸送が可能になり、光電流発生効率の著しい向上が見られたものと考えられた。 Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are known as highly efficient charge transport materials, and are expected to be applied to organic photoelectric conversion elements (organic solar cells, photosensors, etc.) together with fullerenes. Yes. Since single-walled carbon nanotubes are poorly soluble in both aqueous and organic solvents due to π-π interaction, the present inventors have solubilized single-walled carbon nanotubes by chemical modification. Single-walled carbon nanotubes (functionalized-SWNT, f-SWNT) were combined with fullerenes in a mixed solvent and deposited on a metal tin electrode. When the film structure of the obtained modified electrode was observed using a scanning electron microscope, it was revealed that fullerene molecules were densely arranged on the side wall of the solubilized single-walled carbon nanotube. It was considered that such a characteristic film structure enabled efficient charge transport and markedly improved photocurrent generation efficiency.
ところで、単層カーボンナノチューブは、優れた電荷輸送能力を有する光電変換素子材料として知られているものの、光捕集能が低いため、有機太陽電池材料として用いるには改善が必要であった。 By the way, although the single-walled carbon nanotube is known as a photoelectric conversion element material having an excellent charge transport capability, it has been required to be improved for use as an organic solar cell material because of its low light collecting ability.
本発明が解決しようとする課題は、光捕集能に優れた、高いエネルギー変換効率を有する光電変換素子材料の製造方法及びこの光電変換素子材料を用いた有機太陽電池並びに該有機太陽電池の製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is a method for producing a photoelectric conversion element material having excellent light collection ability and high energy conversion efficiency, an organic solar cell using the photoelectric conversion element material, and production of the organic solar cell Is to provide a method.
上記課題を解決するために成された本発明の第1の態様である光電変換素子材料の製造方法は、
a) ポルフィリン骨格を有する化合物にフラーレン類を結合させることによりポルフィリン-フラーレン連結体を形成する工程と、
b) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体を有機溶媒に溶解させる工程と、
c) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体が溶解した有機溶媒に貧溶媒を注入することにより、多数の前記ポルフィリン-フラーレン連結体がクラスター状に連結して成る光電変換素子材料を形成する工程とを備えることを特徴とする。
The manufacturing method of the photoelectric conversion element material which is the first aspect of the present invention made to solve the above problems is as follows.
a) forming a porphyrin-fullerene conjugate by bonding fullerenes to a compound having a porphyrin skeleton;
b) dissolving the porphyrin-fullerene conjugate in an organic solvent;
c) a step of forming a photoelectric conversion element material in which a number of the porphyrin-fullerene conjugates are connected in a cluster by injecting a poor solvent into the organic solvent in which the porphyrin-fullerene conjugate is dissolved. It is characterized by.
又、本発明の第2の態様である光電変換素子材料の製造方法は、
a) ポルフィリン骨格を有する化合物にフラーレン類を結合させることによりポルフィリン-フラーレン連結体を形成する工程と、
b) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体と可溶性の単層カーボンナノチューブとを有機溶媒に溶解させる工程と、
c) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体と可溶性の単層カーボンナノチューブとが溶解した有機溶媒に貧溶媒を注入することにより、前記ポルフィリン-フラーレン連結体と前記単層カーボンナノチューブがクラスター状に連結して成る光電変換素子材料を形成する工程とを備えることを特徴とする。
Moreover, the manufacturing method of the photoelectric conversion element material which is the 2nd aspect of this invention is the following.
a) forming a porphyrin-fullerene conjugate by bonding fullerenes to a compound having a porphyrin skeleton;
b) dissolving the porphyrin-fullerene conjugate and the soluble single-walled carbon nanotube in an organic solvent;
c) By injecting a poor solvent into an organic solvent in which the porphyrin-fullerene conjugate and the soluble single-walled carbon nanotube are dissolved, the porphyrin-fullerene conjugate and the single-walled carbon nanotube are joined in a cluster. And a step of forming a photoelectric conversion element material.
また、本発明の第3の態様である有機太陽電池の製造方法は、上記第1の態様又は第2の態様の方法によって製造される光電変換素子材料を、金属酸化物が載置された光透明電極と対向電極との間に介挿することを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the organic solar cell which is the 3rd aspect of this invention is the light by which the metal oxide was mounted in the photoelectric conversion element material manufactured by the method of the said 1st aspect or the 2nd aspect. It is characterized by being interposed between the transparent electrode and the counter electrode.
さらに、本発明の第4の態様である有機太陽電池の製造方法は、上記第1の態様又は第2の態様の方法によって製造される光電変換素子材料を、電気泳動電着法により、金属酸化物が載置された光透明電極上に堆積させることによって、該金属酸化物上に前記光電変換素子材料が集積化された集積構造体を形成することを特徴とする。 Furthermore, the method for producing an organic solar cell according to the fourth aspect of the present invention is a method in which a photoelectric conversion element material produced by the method of the first aspect or the second aspect is oxidized by electrophoretic electrodeposition. An integrated structure in which the photoelectric conversion element material is integrated on the metal oxide is formed by depositing on an optically transparent electrode on which an object is placed.
ポルフィリン骨格を有する化合物(以下、ポルフィリン類ともいう)にフラーレン類を結合させることにより得られるポルフィリン-フラーレン連結体から、クラスター状の光電変換素子材料、及び集積構造体が形成される様子を、図1を用いて説明する。なお、図1の(a)は第1の態様の方法で光電変換素子材料及び有機太陽電池の集積構造体を製造する工程を、(b)は第2の態様の方法で光電変換素子材料及び有機太陽電池の集積構造体を製造する工程を示している。 Fig. 2 shows how a cluster-like photoelectric conversion element material and an integrated structure are formed from a porphyrin-fullerene conjugate obtained by bonding fullerenes to a compound having a porphyrin skeleton (hereinafter also referred to as porphyrins). 1 will be used for explanation. 1A shows a process of manufacturing an integrated structure of a photoelectric conversion element material and an organic solar cell by the method of the first aspect, and FIG. 1B shows a process of manufacturing the photoelectric conversion element material and the organic solar cell integrated structure by the method of the second aspect. 3 shows a process for manufacturing an integrated structure of an organic solar cell.
第1及び第2の態様のいずれにおいても、まず、ポルフィリン類の側鎖部とフラーレン類を還元剤等の存在下で反応させ、ポルフィリン類とフラーレン類とを連結することにより、ポルフィリン-フラーレン連結体を形成する。 In both the first and second embodiments, first, the porphyrin-fullerene linkage is obtained by reacting the side chain portion of the porphyrins with the fullerenes in the presence of a reducing agent, etc., and linking the porphyrins with the fullerenes. Form the body.
ポルフィリン類としては一般的なポルフィリンを適宜使用することが可能であり、その構造は問わないが、安定性を考慮すると一般式(1)
炭素数1〜15のアルキル基又はアルケニル基又はシクロアルキル基は、その水素原子が、ハロゲン基(F,Cl,Br,I)、水酸基、ニトロ基、アミノ基、スルホニル基、シアノ基、シリル基、ホスホン酸基、ジアゾ基、メルカプト基などで置換されていてもよい。また、任意の位置のC-C単結合の間に-O-、-COO-、-CO-を一個又は複数個介在させて、エーテル、エステル、ケトン構造としてもよい。 The alkyl group, alkenyl group or cycloalkyl group having 1 to 15 carbon atoms is such that the hydrogen atom is a halogen group (F, Cl, Br, I), hydroxyl group, nitro group, amino group, sulfonyl group, cyano group, silyl group. , A phosphonic acid group, a diazo group, a mercapto group and the like. Further, an ether, ester, or ketone structure may be formed by interposing one or more —O—, —COO—, or —CO— between C—C single bonds at arbitrary positions.
ポルフィリン類の側鎖部R1〜R20のうちフラーレン類が結合する側鎖部は、フレキシブルな構造を有していることが望ましく、特に、炭素数1〜6のアルキル基、アルコキシ基又はこれらの誘導体から選択することが望ましい。図2は、ポルフィリン-フラーレン連結体の合成例を示している。図2に示す合成方法により得られるポルフィリン-フラーレン連結体は、ポルフィリン類とフラーレン類との連結部に二重結合や三重結合がないため、フレキシブルな構造となっている。 Of the side chain parts R 1 to R 20 of the porphyrins, the side chain part to which fullerenes are bonded preferably has a flexible structure, in particular, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group, or these It is desirable to select from these derivatives. FIG. 2 shows a synthesis example of a porphyrin-fullerene conjugate. The porphyrin-fullerene conjugate obtained by the synthesis method shown in FIG. 2 has a flexible structure because there is no double bond or triple bond at the junction between the porphyrins and fullerenes.
第1の態様では、多数のポルフィリン-フラーレン連結体が溶解した有機溶媒(例えばo-ジクロロベンゼン)溶液に貧溶媒(例えばアセトニトリル)を急速注入することにより、多数のポルフィリン-フラーレン連結体がクラスター状に結合した光電変換素子材料(複合クラスターともいう)を形成する。 In the first embodiment, a large number of porphyrin-fullerene conjugates are clustered by rapidly injecting a poor solvent (eg acetonitrile) into an organic solvent (eg o-dichlorobenzene) solution in which many porphyrin-fullerene conjugates are dissolved. A photoelectric conversion element material (also referred to as a composite cluster) bonded to is formed.
第2の態様では、多数のポルフィリン-フラーレン連結体及び多数の可溶性単層カーボンナノチューブが溶解した有機溶媒(例えばo-ジクロロベンゼン)溶液に貧溶媒(例えばアセトニトリル)を急速注入することにより、多数のポルフィリン-フラーレン連結体と多数の単層カーボンナノチューブがクラスター状に結合した光電変換素子材料(複合クラスター)を形成する。 In the second embodiment, by rapidly injecting a poor solvent (eg, acetonitrile) into an organic solvent (eg, o-dichlorobenzene) solution in which a large number of porphyrin-fullerene conjugates and a large number of soluble single-walled carbon nanotubes are dissolved, A photoelectric conversion element material (composite cluster) in which a porphyrin-fullerene conjugate and a large number of single-walled carbon nanotubes are bonded in a cluster form is formed.
単層カーボンナノチューブは水性溶媒、有機溶媒のいずれに対しても難溶性であるが、単層カーボンナノチューブを酸処理し、それによって該単層カーボンナノチューブの両端を開放端とし、そられ開放端に炭素数が4以上の長鎖アルキル基を導入することで可溶性となる。図3に可溶性の単層カーボンナノチューブを形成する工程の一例を示す。 Single-walled carbon nanotubes are sparingly soluble in both aqueous and organic solvents, but single-walled carbon nanotubes are treated with an acid so that both ends of the single-walled carbon nanotubes are open ends, and the open ends thereof are opened. It becomes soluble by introducing a long-chain alkyl group having 4 or more carbon atoms. FIG. 3 shows an example of a process for forming soluble single-walled carbon nanotubes.
このようにして形成された光電変換素子材料である複合クラスターを、FTO(フッ素−酸化スズ)電極等の透明電極に載置されたSnO2、TiO2等の透明導電性金属酸化物上に、電気泳動電着法により堆積させることにより、前記複合クラスターが集積化した集積構造体を形成する。この集積構造体では、複合クラスターが凝集してネットワークを形成していると考えられる。特に、ポルフィリン類とフラーレン類がフレキシブルな構造の側鎖部を介して結合されていると、複合クラスターが透明導電性金属酸化物上に集積し易く、規則的なネットワークを構築することができる。 The composite cluster which is the photoelectric conversion element material formed in this way is placed on a transparent conductive metal oxide such as SnO 2 and TiO 2 placed on a transparent electrode such as an FTO (fluorine-tin oxide) electrode. By depositing by electrophoretic electrodeposition, an integrated structure in which the composite clusters are integrated is formed. In this integrated structure, it is considered that the composite clusters are aggregated to form a network. In particular, when porphyrins and fullerenes are bonded via a side chain portion having a flexible structure, the composite cluster is easily accumulated on the transparent conductive metal oxide, and a regular network can be constructed.
ポルフィリン類は優れた電子供与体であると同時に良好な光捕集分子である。このため、集積構造体では、光照射により容易に電荷分離が起こり、ポルフィリン類からフラーレン類への電子移動、ポルフィリン類によって形成されたネットワークによるホールの輸送、フラーレン類により形成されたネットワークによる電子の輸送がそれぞれ効率よく行われることになる。
また、単層カーボンナノチューブを含む複合クラスターを用いた有機太陽電池では、集積構造体において、ポルフィリン-フラーレン連結体からなるクラスターの間を繋ぐように単層カーボンナノチューブが存在する。このため、単層カーボンナノチューブが電子移動経路、電荷輸送経路として働き、より一層効率よく電子の輸送が行われることになる。
Porphyrins are not only excellent electron donors but also good light collecting molecules. For this reason, in an integrated structure, charge separation occurs easily by light irradiation, electron transfer from porphyrins to fullerenes, transport of holes by a network formed by porphyrins, and electron transfer by a network formed by fullerenes. Each transport will be carried out efficiently.
Further, in an organic solar cell using a composite cluster including single-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes exist in the integrated structure so as to connect the clusters composed of porphyrin-fullerene linkages. For this reason, the single-walled carbon nanotube functions as an electron transfer path and a charge transport path, and more efficiently transports electrons.
本発明によれば、光捕集能に優れたポルフィリン類をフラーレン類と連結してポルフィリン-フラーレン連結体を形成し、多数のポルフィリン-フラーレン連結体をクラスター状に連結させて光電変換素子材料を得、該光電変換素子材料と電極などとを組み合わせることにより、高いエネルギー変換効率を有する太陽電池を得ることができる。また、単層カーボンナノチューブを含む光電変換素子材料では、電荷輸送がより一層効率よく行われるため、エネルギー変換効率の一層の向上を図ることができる。 According to the present invention, porphyrins having excellent light collection ability are linked to fullerenes to form porphyrin-fullerene linkages, and a large number of porphyrin-fullerene linkages are linked in a cluster to produce a photoelectric conversion element material. In addition, a solar cell having high energy conversion efficiency can be obtained by combining the photoelectric conversion element material and an electrode. Moreover, in the photoelectric conversion element material containing a single-walled carbon nanotube, charge transport is performed more efficiently, so that the energy conversion efficiency can be further improved.
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
[実施例]
(光電変換素子材料の作製及びその性能評価)
化学式(2)
[Example]
(Production of photoelectric conversion element material and performance evaluation)
Chemical formula (2)
次に、H2P-C60(0.55mM)と可溶性単層カーボンナノチューブ(以下、「f-SWNT(functionalized-single-walled carbon nano tube)」ともいう)(0.044gl-1)が溶解したo-ジクロロベンゼン溶液(0.46ml)に、アセトニトリル(1.14ml)を急速注入することにより、H2P-C60とf-SWNTとがクラスター状に連結した複合クラスター(以下、「(f-SWNT+H2P-C60)m」とする)を生成した。
また、同様の方法により、H2P-C60がクラスター状に連結した複合クラスター(以下、「(H2P-C60)m」とする)、f-SWNTがクラスター状に連結した単独クラスター(以下、「(f-SWNT)m」とする)を生成した。
Next, H 2 PC 60 (0.55 mM) and soluble single-walled carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “f-SWNT (functionalized-single-walled carbon nanotube)”) (0.044gl −1 ) dissolved By rapidly injecting acetonitrile (1.14 ml) into a chlorobenzene solution (0.46 ml), a composite cluster in which H 2 PC 60 and f-SWNT are linked in a cluster (hereinafter referred to as “(f-SWNT + H 2 PC 60 ) m ”).
In addition, by the same method, a composite cluster in which H 2 PC 60 is connected in a cluster (hereinafter referred to as “(H 2 PC 60 ) m ”), and a single cluster in which f-SWNT is connected in a cluster (hereinafter referred to as “ (f-SWNT) m ”).
以上によって得られた(f-SWNT+H2P-C60)m、(H2P-C60)m、(f-SWNT)mを、走査電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を図4に示す。図4(a)から明らかなように、(f-SWNT+H2P-C60)mでは、H2P-C60の集合体(細長い菱形状の塊、(H2P-C60)mに相当)の表面に多数のf-SWNTが付着している様子が明らかになった。 The (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , (H 2 PC 60 ) m , and (f-SWNT) m obtained as described above were observed using a scanning electron microscope. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 4 (a), in (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , the surface of an aggregate of H 2 PC 60 (elongated rhombus-shaped lump, corresponding to (H 2 PC 60 ) m ) It was revealed that a large number of f-SWNTs were attached to the surface.
また、o-ジクロロベンゼン溶液にアセトニトリルを注入する前後の吸収スペクトルを測定した結果を図5に示す。アセトニトリルを注入する前は、f-SWNT+H2P-C60、H2P-C60、f-SWNTがクラスターを形成する前の吸収スペクトルであり、アセトニトリルを注入した後は、(f-SWNT+H2P-C60)m、(H2P-C60)m、(f-SWNT)mの吸収スペクトルである。尚、図5(a)中、破線はH2P-C60とf-SWNTの吸収スペクトルを合算したものを、図5(b)中、破線は(H2P-C60)mと(f-SWNT)mの吸収スペクトルを合算したものをそれぞれ示す。 Moreover, the result of having measured the absorption spectrum before and behind inject | pouring acetonitrile into an o-dichlorobenzene solution is shown in FIG. Before injecting acetonitrile, the absorption spectrum before f-SWNT + H 2 PC 60 , H 2 PC 60 , and f-SWNT form a cluster.After injecting acetonitrile, (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , (H 2 PC 60 ) m , and (f-SWNT) m absorption spectra. In FIG. 5 (a), the broken line indicates the sum of the absorption spectra of H 2 PC 60 and f-SWNT, and in FIG. 5 (b), the broken line indicates (H 2 PC 60 ) m and (f-SWNT). The sum of the absorption spectra of m is shown respectively.
図5から明らかなように、(f-SWNT+H2P-C60)m、(H2P-C60)mの吸収スペクトルは、クラスター形成前の吸収スペクトルに比べてブロードなスペクトルとなった。特に、ポルフィリンにみられる500-700nm付近のQ帯と呼ばれる吸収帯が、クラスター形成前は4つに分裂していたのに対して、クラスター形成によって分裂しなくなった。一方、ポルフィリンにみられる400-500nm付近のソーレー帯と呼ばれる鋭い吸収帯がクラスター形成により長波長側にシフト(レッドシフト)した。
また、f-SWNTはクラスター形成前後のいずれにおいても吸収スペクトルが観察されなかったことから、光捕集能が低いことが明らかとなった。
As is clear from FIG. 5, the absorption spectra of (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m and (H 2 PC 60 ) m are broader than the absorption spectrum before cluster formation. In particular, the absorption band called the Q band near 500-700 nm found in porphyrins was split into four before cluster formation, but it was not split by cluster formation. On the other hand, a sharp absorption band called a Soret band near 400-500 nm found in porphyrin shifted to the long wavelength side (red shift) due to cluster formation.
In addition, no absorption spectrum was observed for f-SWNT before and after cluster formation, indicating that the light collection ability was low.
(太陽電池の作製及びその性能評価)
3種のクラスター((f-SWNT+H2P-C60)m、(H2P-C60)m、(f-SWNT)m)を、フッ素−酸化スズ(FTO)電極にSnO2の透明導電性金属酸化物を載置したFTO/SnO2電極上に、電気泳動電着法(DC200V,120秒)により堆積させ、各クラスターをFTO/SnO2電極上に集積化させた(図6参照)。以上によって得られた集積構造体(以下、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)m、FTO/SnO2/(f-SWNT)m)とする)を走査電子顕微鏡を用いて観察した結果を図7に示す。図7(c)から明らかなように、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)mでは、(H2P-C60)m(細長い菱形状の塊)が集積し、且つ、集積構造体を構成する(H2P-C60)mの表面に多数のf-SWNTが付着している様子が明らかになった。また、多数のf-SWNTが(H2P-C60)mの間に跨って付着している様子も明らかになった。
(Production of solar cells and performance evaluation)
Three types of clusters ((f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , (H 2 PC 60 ) m , (f-SWNT) m ), SnO 2 transparent conductive metal on fluorine-tin oxide (FTO) electrode It was deposited on the FTO / SnO 2 electrode on which the oxide was placed by electrophoretic deposition (DC 200 V, 120 seconds), and each cluster was integrated on the FTO / SnO 2 electrode (see FIG. 6). Integrated structure (FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (f-SWNT) the) m) to) the results of observation with the scanning electron microscope are shown in Figure 7. As apparent from FIG. 7 (c), in FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , (H 2 PC 60 ) m (elongated rhombus-shaped lump) accumulates and accumulates. It became clear that many f-SWNTs were attached to the surface of (H 2 PC 60 ) m constituting the structure. It was also clarified that a large number of f-SWNTs were attached across (H 2 PC 60 ) m .
集積構造体(FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m)の底部付近(電極に近い側)におけるf-SWNTの付着状態を表面付近(電極に遠い側)の付着状態と比較するために、泳動電着時間を10秒にしたときの集積構造体を走査電子顕微鏡で観察した。その結果を図8に示す。図8(a)は泳動電着時間を10秒にしたときの集積構造体を、図8(b)は泳動電着時間を120秒にしたときの集積構造体の走査電子顕微鏡像を示す。図8(b)は図7(c)と同じ走査電子顕微鏡像を示している。 The adhesion state of f-SWNT near the bottom of the integrated structure (FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m ) (side closer to the electrode) For comparison, the integrated structure was observed with a scanning electron microscope when the electrophoretic deposition time was 10 seconds. The result is shown in FIG. FIG. 8 (a) shows an integrated structure when the electrophoretic electrodeposition time is 10 seconds, and FIG. 8 (b) shows a scanning electron microscope image of the integrated structure when the electrophoretic electrodeposition time is 120 seconds. FIG. 8 (b) shows the same scanning electron microscope image as FIG. 7 (c).
泳動電着時間が120秒のときに比べると、泳動電着時間が10秒のときに集積する(f-SWNT+H2P-C60)mの量は少ないことから、図8(a)は(FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m)の底部付近を、図8(b)は(FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m)の表面付近を表しているとみなすことができる。
図8の(a)と(b)の比較から、底部付近でも表面付近と同様に、(H2P-C60)mの表面に多数のf-SWNTが付着していることが明らかである。
Since the amount of (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m accumulated when the electrophoretic electrodeposition time is 10 seconds is smaller than when the electrophoretic electrodeposition time is 120 seconds, FIG. FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m ) near the bottom, Figure 8 (b) shows the surface near (FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m ) It can be regarded as representing.
From comparison between (a) and (b) of FIG. 8, it is clear that a large number of f-SWNTs are attached to the surface of (H 2 PC 60 ) m near the bottom as well as near the surface.
また、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)m、FTO/SnO2/(f-SWNT)mの吸収スペクトルを測定した(図9参照)。この結果、広範囲の波長領域で、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)mの吸収スペクトルは、FTO/SnO2/(H2P-C60)mの吸収スペクトルに比べて吸光度が高くなっていた。 In addition, absorption spectra of FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m were measured ( (See FIG. 9). As a result, the absorption spectrum of FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m has a greater absorbance than the absorption spectrum of FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m in a wide wavelength range. It was high.
以上のように作製されたデバイスの能力を測定するために模擬太陽電池を作製し、光電気化学測定を行った。 In order to measure the capability of the device fabricated as described above, a simulated solar cell was fabricated and a photoelectrochemical measurement was performed.
光電気化学測定は、図10に示すような、作用電極、Ptワイヤー対電極、及びAg/AgNO3参照電極からなる標準三極配列を備え、Ptワイヤー対電極に170mV(対SCE(Saturated Calomel Electrode))のバイアス電圧を印加し、電解液として0.5MのLiI及び0.01MのI2を含むアセトニトリル溶液を収容したパイレックス(登録商標)UVセル(5 mL)を使用して行った(光電流測定にはALS 630A 電気化学分析装置を使用した)。ここで、SnO2上に形成したFTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)m、FTO/SnO2/(f-SWNT)m膜の励起は、500 Wのキセノンランプ(Ushio XB-50101AA-A)からモノクロメータ(Ritsu MC-10N)を通過した単色光を、カットオフフィルターを介して照射することによって行った。 As shown in FIG. 10, the photoelectrochemical measurement is provided with a standard triode array composed of a working electrode, a Pt wire counter electrode, and an Ag / AgNO 3 reference electrode, and the Pt wire counter electrode has 170 mV (vs SCE (Saturated Calomel Electrode). )) Bias voltage was applied using a Pyrex (registered trademark) UV cell (5 mL) containing an acetonitrile solution containing 0.5 M LiI and 0.01 M I 2 as the electrolyte (photocurrent measurement) ALS 630A electrochemical analyzer was used). Here, FTO / SnO formed on SnO 2 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60) m, FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60) m, FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m Excitation of the film was performed by irradiating a monochromatic light that passed through a monochromator (Ritsu MC-10N) from a 500 W xenon lamp (Ushio XB-50101AA-A) through a cutoff filter.
光電変換効率(IPCE)は、IPCE(%)=100×1240×I/(Win×λ)により求めた。Iは光電流(Acm-2)、Winは入射光強度(Wcm-2)、λは励起波長(nm)を表す。 The photoelectric conversion efficiency (IPCE) was determined by IPCE (%) = 100 × 1240 × I / (W in × λ). I is the photocurrent (Acm -2), W in the incident light intensity (Wcm -2), λ represents the excitation wavelength (nm).
図11は、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m、FTO/SnO2/(f-SWNT)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)mを使用したシステムのIPCEの測定結果を示した図である。図11の(a)〜(c)は、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)m、FTO/SnO2/(f-SWNT)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)mを使用したシステムのIPCE値を、(d)は、FTO/SnO2/(f-SWNT)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)mのIPCE値を合算したものを示している。 FIG. 11 shows a system using FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m , FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m It is the figure which showed the measurement result of IPCE. (A) to (c) in FIG. 11 show FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m , FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m , FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) The IPCE value of the system using m , (d) shows the sum of the IPCE values of FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m and FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m ing.
図11に示すように、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)mを使用したシステムのIPCE値は、FTO/SnO2/(f-SWNT)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)mを使用したシステムのIPCE値、及びこれらの合算したIPCE値、のいずれと比べて増加した。特に、波長440nmのときに大きく増加し、FTO/SnO2/(H2P-C60)mシステムのIPCE値が約11%であるのに対して、FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)mシステムのIPCE値は約22%であった。また、FTO/SnO2/(f-SWNT)m、FTO/SnO2/(H2P-C60)mシステムの合算したIPCE値も12%程度であったことから、ポリフィリン−フラーレン連結体と単層カーボンナノチューブの複合クラスターの形成が、光電気化学特性の改善に非常に有効であることを明確に示している。 As shown in FIG. 11, the IPCE value of the system using FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 PC 60 ) m is FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m , FTO / SnO 2 / ( Increased compared to both the IPCE value of the system using H 2 PC 60 ) m and the combined IPCE value. In particular, it greatly increases at a wavelength of 440 nm, while the FCE / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m system has an IPCE value of about 11%, while FTO / SnO 2 / (f-SWNT + H 2 The IPCE value of the PC 60 ) m system was about 22%. Moreover, since the IPCE value of the combined FTO / SnO 2 / (f-SWNT) m and FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m systems was about 12%, the porphyrin-fullerene conjugate and the single layer It clearly shows that the formation of composite clusters of carbon nanotubes is very effective in improving the photoelectrochemical properties.
なお、従来の光電変換素子材料のIPCE値が0.4%であったことから、FTO/SnO2/(H2P-C60)mを使用したシステムも、光電気化学特性の改善に十分に有効であった。 Since the IPCE value of the conventional photoelectric conversion element material was 0.4%, the system using FTO / SnO 2 / (H 2 PC 60 ) m was also sufficiently effective for improving the photoelectrochemical characteristics. It was.
FTO/SnO2/(f-SWNT+H2P-C60)mを使用したシステムのIPCE値が大きく増加した理由を図12及び図13を参照して説明する。
ポルフィリン-フラーレン連結体がクラスター状に連結してなる光電変換素子材料(複合クラスター、(H2P-C60)m)では、ポルフィリン-フラーレン連結体(H2P-C60)が整然と配列する(図12(a)参照)。この結果、(H2P-C60)m)において、ポルフィリン類によって形成されたネットワークによるホールの輸送、フラーレン類により形成されたネットワークによる電子の輸送がそれぞれ効率よく行われる。
また、複合クラスター((H2P-C60)m)が集積して成る集積構造体では、複合クラスター間に単層カーボンナノチューブのクラスター((f-SWNT)m)が跨って付着する(図12(b)参照)。このため、各複合クラスターにおける電荷(ホール及び電子)の輸送に加えて、(f-SWNT)mにより、複合クラスター間の電子移動、電荷輸送が効率よく行われる。
The reason why the IPCE value of the system using FTO / SnO 2 / (f−SWNT + H 2 PC 60 ) m has increased greatly will be described with reference to FIGS.
In a photoelectric conversion element material (composite cluster, (H 2 PC 60 ) m ) in which porphyrin-fullerene conjugates are linked in a cluster, porphyrin-fullerene conjugates (H 2 PC 60 ) are arranged in an orderly manner (FIG. 12 ( see a)). As a result, in (H 2 PC 60 ) m ), holes are transported efficiently by a network formed by porphyrins and electrons are transported by a network formed by fullerenes.
In an integrated structure formed by integrating composite clusters ((H 2 PC 60 ) m ), single-walled carbon nanotube clusters ((f-SWNT) m ) are attached across the composite clusters (FIG. 12 ( b)). For this reason, in addition to transport of charges (holes and electrons) in each composite cluster, electron transfer and charge transport between the composite clusters are efficiently performed by (f-SWNT) m .
図13の(c)は、(a)及び(b)に示すポルフィリン-フラーレン連結体(H2P-C60)及びポルフィリン(TBPP)の蛍光減衰カーブを示している。図13に示すように、TBPPは、励起後、徐々に蛍光強度が減衰したのに対して、H2P-C60は励起後、直ぐに蛍光強度が消失した。このことは、励起により電荷分離した電子とホールが、TBPPでは直ぐに再結合したのに対して、H2P-C60ではポルフィリンからフラーレンへの速やかな電子移動が行われたことを示している。 (C) of FIG. 13 shows the fluorescence decay curves of the porphyrin-fullerene conjugate (H 2 PC 60 ) and porphyrin (TBPP) shown in (a) and (b). As shown in FIG. 13, the fluorescence intensity of TBPP gradually attenuated after excitation, whereas the fluorescence intensity of H 2 PC 60 disappeared immediately after excitation. This indicates that the electrons and holes separated by charge upon excitation recombined immediately in TBPP, whereas in H 2 PC 60 , rapid electron transfer from porphyrin to fullerene was performed.
このことから、ポルフィリン-フラーレン連結体から成る複合クラスターを集積した集積構造体を金属酸化物が載置された光透明電極上に形成した有機太陽電池では、光捕集能に優れ、エネルギー変換効率が向上することが示された。 Therefore, organic solar cells in which an integrated structure in which composite clusters composed of porphyrin-fullerene conjugates are integrated is formed on a light transparent electrode on which a metal oxide is placed has excellent light collection ability and energy conversion efficiency. Has been shown to improve.
Claims (14)
b) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体を有機溶媒に溶解させる工程と、
c) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体が溶解した有機溶媒に貧溶媒を注入することにより、多数の前記ポルフィリン-フラーレン連結体がクラスター状に連結して成る光電変換素子材料を形成する工程と
を備えることを特徴とする光電変換素子材料の製造方法。 a) forming a porphyrin-fullerene conjugate by bonding fullerenes to a compound having a porphyrin skeleton;
b) dissolving the porphyrin-fullerene conjugate in an organic solvent;
c) forming a photoelectric conversion element material in which a number of the porphyrin-fullerene conjugates are connected in a cluster by injecting a poor solvent into the organic solvent in which the porphyrin-fullerene conjugate is dissolved. The manufacturing method of the photoelectric conversion element material characterized by these.
b) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体と可溶性の単層カーボンナノチューブとを有機溶媒に溶解させる工程と、
c) 前記ポルフィリン-フラーレン連結体と可溶性の単層カーボンナノチューブとが溶解した有機溶媒に貧溶媒を注入することにより、前記ポルフィリン-フラーレン連結体と前記単層カーボンナノチューブがクラスター状に連結して成る光電変換素子材料を形成する工程と
を備えることを特徴とする光電変換素子材料の製造方法。 a) forming a porphyrin-fullerene conjugate by bonding fullerenes to a compound having a porphyrin skeleton;
b) dissolving the porphyrin-fullerene conjugate and the soluble single-walled carbon nanotube in an organic solvent;
c) By injecting a poor solvent into an organic solvent in which the porphyrin-fullerene conjugate and the soluble single-walled carbon nanotube are dissolved, the porphyrin-fullerene conjugate and the single-walled carbon nanotube are joined in a cluster. And a step of forming a photoelectric conversion element material. A method for producing a photoelectric conversion element material.
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