JP2011119702A

JP2011119702A - 有機光電変換素子

Info

Publication number: JP2011119702A
Application number: JP2010243119A
Authority: JP
Inventors: Takehito Kato; 岳仁加藤; Ken Yoshimura; 研吉村; Toshihiro Onishi; 敏博大西
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US20120216866A1; CN102598337A; WO2011052568A1; CN102598337B

Abstract

【課題】有機活性層の電子供与性化合物材料として複数種の材料を所定の組み合わせ基準に基づき選定することにより光電変換効率が高い有機光電変換素子を提供する。
【解決手段】本発明にかかる有機光電変換素子は、陽極と、陰極と、該陽極と該陰極との間に設けられる有機活性層とを有し、有機活性層中に第１の電子供与性化合物と第２の電子供与性化合物と電子受容性化合物とを有し、前記第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと前記第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差が０．２０ｅＶ以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、太陽電池、光センサーなどの光電デバイスに用いられる有機光電変換素子に関する。

有機光電変換素子は、陽極及び陰極からなる一対の電極と、該一対の電極間に設けられる有機活性層とを備える素子である。有機光電変換素子では、いずれかの電極を透明材料から構成し、透明とした電極側から有機活性層に光を入射させる。有機活性層に入射した光のエネルギー（ｈν）によって、有機活性層において電荷（正孔及び電子）が生成し、生成した正孔は陽極に向かい、電子は陰極に向かう。したがって、電極に外部回路を接続することにより、外部回路に電流（Ｉ）が供給される。

上記有機活性層は、ｎ型半導体材料である電子受容性化合物とｐ型半導体材料である電子供与性化合物とから構成されている。電子受容性化合物と電子供与性化合物とが混合されて用いられ、１層構造の有機活性層とされる場合と、電子受容性化合物を含む電子受容性層と電子供与性化合物を含む電子供与性層とが接合され、２層構造の有機活性層とされる場合とがある（例えば、特許文献１を参照）。
通常、前者の１層構造の有機活性層はバルクへテロ型有機活性層と呼称され、後者の２層積層構造の有機活性層はヘテロジャンクション型有機活性層と呼称される。

前者のバルクへテロ型有機活性層では、電子受容性化合物と電子供与性化合物は、一方の電極側から他方の電極側に亘って連続した微細かつ複雑な形状の相を構成しており、相互に分離しつつ複雑な界面を構成している。したがって、バルクへテロ型有機活性層では、電子受容性化合物材料を含む相と電子供与性化合物材料を含む相とは、大変広い面積の界面を介して接している。そのため、バルクへテロ型有機活性層を有する有機光電変換素子は、平坦な１つの界面を介して電子受容性化合物を含む層と電子供与性化合物を含む層とが接しているヘテロジャンクション型有機活性層を有する有機光電変換素子に比べて、より高い光電変換効率が得られる。

有機光電変換素子の有機活性層に用いる有機材料として、光吸収をπ−π^＊遷移に基づいて実現する有機高分子化合物が提案されている（特許文献２）。しかしながら、従来の有機光電変換素子では、有機活性層の光吸収を主に担う有機材料として通常使用されている電子供与性化合物は、１種類であり、しかもその吸収帯域が光電変換に有効な太陽光の波長域をカバーしていない。

これに対して、吸収波長の異なる電子供与性化合物材料を２種以上組み合わせることで、吸収領域を広げて有効な太陽光の波長域をカバーすることが提案されている（特許文献３）。
しかしながら、特許文献３で開示されている２種以上組み合わせた電子供与性化合物材料では、エネルギーの高い励起状態から低い状態へエネルギーが移動し、フラーレンなどの電子受容性化合物への電子移動が不十分であったり、２種以上組み合わせたそれぞれの電子供与性化合物材料のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）エネルギーレベルおよびＬＵＭＯ（最低非占有分子軌道）エネルギーレベルが整合されていないため、正孔の輸送が妨げられ、その結果、光電変換効率が必ずしも高くなっていない。

特開２００９−０８４２６４号公報特表平８−５００７０１号公報特開２００５−３２７９３号公報

本発明は、有機活性層の電子供与性化合物として複数種の材料を所定の組み合わせ基準に基づき選定することにより光電変換効率が高い有機光電変換素子を提供するものである。

上述した課題を解決するために、本発明は、下記構成を採用した有機光電変換素子を提供する。

［１］陽極と、陰極と、該陽極と該陰極との間に設けられる有機活性層とを有し、有機活性層が第１の電子供与性化合物と第２の電子供与性化合物と電子受容性化合物とを含み、前記第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと前記第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差が０．２０ｅＶ以下である有機光電変換素子。
［２］第１の電子供与性化合物が、下記構造式（１）で示される構造単位及び下記一般式（２）で示される構造単位の少なくとも一方の構造単位を有する有機高分子化合物であることを特徴とする、上記［１］に記載の有機光電変換素子。

〔式中、Ａｒ^１及びＡｒ^２は、同一又は相異なり、３価の複素環基を表す。Ｘ^１は、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｓ（＝Ｏ）−、−ＳＯ_２−、−Ｓｉ（Ｒ^３）（Ｒ^４）−、−Ｎ（Ｒ^５）−、−Ｂ（Ｒ^６）−、−Ｐ（Ｒ^７）−又は−Ｐ（＝Ｏ）（Ｒ^８）−を表す。Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６、Ｒ^７及びＲ^８は、同一又は相異なり、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５０は、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５１は、炭素数６以上のアルキル基、炭素数６以上のアルキルオキシ基、炭素数６以上のアルキルチオ基、炭素数６以上のアリール基、炭素数６以上のアリールオキシ基、炭素数６以上のアリールチオ基、炭素数７以上のアリールアルキル基、炭素数７以上のアリールアルキルオキシ基、炭素数７以上のアリールアルキルチオ基、炭素数６以上のアシル基又は炭素数６以上のアシルオキシ基を表す。Ｘ^１とＡｒ^２は、Ａｒ^１に含まれる複素環の隣接位に結合し、Ｃ（Ｒ^５０）（Ｒ^５１）とＡｒ^１は、Ａｒ^２に含まれる複素環の隣接位に結合している。〕
［３］有機活性層の光吸収帯域３００ｎｍから９００ｎｍの領域で内部量子収率が０．０５以上を有していることを特徴とする、上記［１］または［２］のいずれか１つに記載の光電変換素子。

本発明にかかる有機光電変換素子では、有機活性層を構成する電子供与性化合物材料として、それぞれ異なった波長の吸収帯域を持つ複数の材料を混合させ、かつそれぞれの材料のＨＯＭＯエネルギーレベルの差が０．２０ｅＶ以内に設定しており、それにより、広域波長帯で光吸収を行い、光電変換に寄与する光量を増やして光電変換効率を向上させることができる。

上述のように、本発明に係る有機光電変換素子は、陽極と、陰極と、該陽極と該陰極との間に設けられる有機活性層とを有し、有機活性層が第１の電子供与性化合物と第２の電子供与性化合物と電子受容性化合物とを含み、前記第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと前記第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差が０．２０ｅＶ以下であることを特徴とする。
本発明に係る有機光電変換素子を構成する、陽極、有機活性層、有機活性層を構成する電子供与性化合物及び電子受容性化合物材料、陰極、および必要に応じて形成される他の構成要素について、以下に詳しく説明する。

（光電変換素子の基本的形態）
本発明の光電変換素子の基本的形態としては、少なくとも一方が透明又は半透明である一対の電極と、電子供与性化合物と電子受容性化合物との有機組成物から形成されるバルクへテロ型の有機活性層を有する。そして、有機活性層を構成する電子供与性化合物として、少なくとも２種を用い、第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差を０．２０ｅＶ以下に設定する。

（光電変換素子の基本動作）
透明又は半透明の電極から入射した光エネルギーがフラーレン誘導体等の電子受容性化合物及び／又は共役高分子化合物等の電子供与性化合物に吸収され、電子と正孔がクーロン結合してなる励起子を生成する。生成した励起子が移動して、電子受容性化合物と電子供与性化合物が隣接しているヘテロ接合界面に達すると、界面でのそれぞれのＨＯＭＯエネルギー及びＬＵＭＯエネルギーの違いにより電子と正孔が分離し、独立に動くことができる電荷（電子と正孔）が発生する。発生したそれぞれの電荷は、それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー（電流）として取り出すことができる。さらに、本発明では、有機活性層を構成する電子供与性化合物として、少なくとも２種を用い、第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差を０．２０ｅＶ以下に設定する。かかる構成により、有機活性層の光吸収波長域を広げることができ、しかも正孔の移動も容易とすることができる。

（基板）
本発明の光電変換素子は、通常、基板上に形成される。この基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に化学的に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、高分子フィルム、シリコン等が挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極（即ち、基板から遠い方の電極）が透明又は半透明であることが好ましい。

（電極）
前記の透明又は半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド（ＩＺＯ）、ＮＥＳＡ等の導電性材料を用いて作製された膜や、金、白金、銀、銅等が用いられる。これら電極材料の中でも、ＩＴＯ、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等が挙げられる。また、電極材料として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体等の有機の透明導電膜を用いてもよい。

他方の電極は透明でなくてもよく、該電極の電極材料としては、金属、導電性高分子等を用いることができる。電極材料の具体例としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム等の金属、及びそれらのうち２つ以上の合金、又は、１種以上の前記金属と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン及び錫からなる群から選ばれる１種以上の金属との合金、グラファイト、グラファイト層間化合物、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体が挙げられる。合金としては、例えば、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

（中間層）
光電変換効率を向上させるための手段として有機活性層以外の付加的な中間層（電荷輸送層など）を使用しても良い。中間層として用いられる材料としては、例えば、フッ化リチウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化物等を用いることができる。また、酸化チタン等の無機半導体の微粒子、ＰＥＤＯＴ（ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン）などが挙げられる。

（有機活性層）
本発明の光電変換素子に含まれる有機活性層は、第１の電子供与性化合物と第２の電子供与性化合物と電子受容性化合物とを含む。前記第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと前記第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差が０．２０ｅＶ以下である。ＨＯＭＯのエネルギーレベルの差は０．１０ｅＶ以上が好ましい。

（電子供与性化合物：ｐ型半導体ポリマー）
前記電子供与性化合物としては、例えば、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェン及びその誘導体、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、側鎖又は主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体等のｐ型半導体ポリマーが挙げられる。
さらに、好適なｐ型半導体ポリマーとして、下記構造式（１）で示される構造単位及び下記一般式（２）で示される構造単位の少なくとも一方の構造単位を有する有機高分子化合物を挙げることができる。

〔式中、Ａｒ^１及びＡｒ^２は、同一又は相異なり、３価の複素環基を表す。Ｘ^１は、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｓ（＝Ｏ）−、−ＳＯ_２−、−Ｓｉ（Ｒ^３）（Ｒ^４）−、−Ｎ（Ｒ^５）−、−Ｂ（Ｒ^６）−、−Ｐ（Ｒ^７）−又は−Ｐ（＝Ｏ）（Ｒ^８）−を表す。Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６、Ｒ^７及びＲ^８は、同一又は相異なり、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５０は、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５１は、炭素数６以上のアルキル基、炭素数６以上のアルキルオキシ基、炭素数６以上のアルキルチオ基、炭素数６以上のアリール基、炭素数６以上のアリールオキシ基、炭素数６以上のアリールチオ基、炭素数７以上のアリールアルキル基、炭素数７以上のアリールアルキルオキシ基、炭素数７以上のアリールアルキルチオ基、炭素数６以上のアシル基又は炭素数６以上のアシルオキシ基を表す。Ｘ^１とＡｒ^２は、Ａｒ^１に含まれる複素環の隣接位に結合し、Ｃ（Ｒ^５０）（Ｒ^５１）とＡｒ^１は、Ａｒ^２に含まれる複素環の隣接位に結合している。〕

上記有機高分子化合物としては、上記構造式（１）で示される構造単位と、上記一般式（２）で示される構造単位の両方の構造単位を含む化合物がより好ましい。

上記両方の構造単位を含む化合物としては、具体的には、例えば、下記構造式（３）に示される２種の化合物の共重合体である高分子化合物Ａや、下記構造式（４）で示される高分子化合物Ｂが用いられる。

（電子受容性化合物：ｎ型半導体ポリマーなどのｎ型半導体）
電子受容性化合物としては、例えば、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン及びその誘導体、ベンゾキノン及びその誘導体、ナフトキノン及びその誘導体、アントラキノン及びその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタン及びその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレン及びその誘導体、ジフェノキノン誘導体、８−ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、ポリキノリン及びその誘導体、ポリキノキサリン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、Ｃ₆₀等のフラーレン類及びその誘導体、バソクプロイン等のフェナントレン誘導体、酸化チタンなどの金属酸化物、カーボンナノチューブ等が挙げられる。電子受容性化合物としては、好ましくは、酸化チタン、カーボンナノチューブ、フラーレン、フラーレン誘導体であり、特に好ましくはフラーレン、フラーレン誘導体である。

フラーレンの例としては、Ｃ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン、Ｃ_７６フラーレン、Ｃ_７８フラーレン、Ｃ_８４フラーレンなどが挙げられる。
フラーレン誘導体としてはＣ₆₀フラーレン誘導体、Ｃ₇₀フラーレン誘導体、Ｃ_7６フラーレン誘導体、Ｃ_7８フラーレン誘導体、Ｃ₈₄フラーレン誘導体が挙げられる。フラーレンの誘導体の具体的構造としては、以下のようなものが挙げられる。

また、フラーレン誘導体の例としては、[６，６]フェニル−Ｃ６１酪酸メチルエステル（Ｃ６０ＰＣＢＭ、[6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester）、[６，６]フェニル−Ｃ７１酪酸メチルエステル（Ｃ７０ＰＣＢＭ、[6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester）、[６，６]フェニル−Ｃ８５酪酸メチルエステル（Ｃ８４ＰＣＢＭ、[6,6]-Phenyl C85 butyric acid methyl ester）、[６，６]チェニル−Ｃ６１酪酸メチルエステル（[6,6]-Thienyl C61 butyric acid methyl ester）などが挙げられる。

電子受容性化合物としてフラーレン誘導体を用いる場合、フラーレン誘導体の割合が、電子供与性化合物１００重量部に対して、１０〜１０００重量部であることが好ましく、２０〜５００重量部であることがより好ましい。

有機活性層の厚さは、通常、１ｎｍ〜１００μｍが好ましく、より好ましくは２ｎｍ〜１０００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは２０ｎｍ〜２００ｎｍである。

（その他の成分）
有機活性層に、種々の機能を発現させるために、必要に応じて他の成分を含有させてもよい。例えば、紫外線吸収剤、酸化防止剤、吸収した光により電荷を発生させる機能を増感するためのため増感剤、紫外線からの安定性を増すための光安定剤、等が挙げられる。

有機活性層を構成する電子供与性化合物及び電子受容性化合物以外の成分は、電子供与性化合物及び電子受容性化合物の合計量１００重量部に対し、それぞれ５重量部以下、特には０．０１〜３重量部の割合で配合するのが効果的である。
また、有機活性層は、機械的特性を高めるため、本発明の電子供与性化合物及び電子受容性化合物以外の高分子化合物を高分子バインダーとして含んでいてもよい。高分子バインダーとしては、電子輸送性又はホール輸送性を阻害しないものが好ましく、また可視光に対する吸収が強くないものが好ましく用いられる。前記高分子バインダーとしては、ポリ（Ｎ-ビニルカルバゾール）、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリ（ｐ-フェニレンビニレン）及びその誘導体、ポリ（２，５-チェニレンビニレン）及びその誘導体、ポリカーポネート、ポリアクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリシロキサン等が挙げられる。

（有機活性層の製造方法）
本願発明では、有機活性層は、バルクへテロ型であり、上記電子供与性化合物、電子受容性化合物、および必要に応じて配合される他の成分とを含む溶液からの成膜により形成することができる。

溶液からの成膜に用いる溶媒は、上述の電子供与性化合物および電子受容性化合物を溶解させるものであれば、特に制限はない。かかる溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル類溶媒等が挙げられる。有機活性層を構成する有機材料は、通常、前記溶媒に０．１重量％以上溶解させることができる。

成膜には、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、グラビア印刷、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を用いることができる。前記塗布法のうち、スピンコート法、フレキソ印刷法、グラビア印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法が好ましい。

（素子の用途）
本発明の光電変換素子は、透明又は半透明の電極から太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。

また、電極間に電圧を印加した状態、あるいは無印加の状態で、透明又は半透明の電極から光を入射させることにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。

（太陽電池モジュール）
有機薄膜太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうる。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池などで用いられる基板一体型モジュール構造等が知られている。本発明の有機光電変換素子を適用した有機薄膜太陽電池でも使用目的や使用場所および環境により、適宜これらのモジュール構造を選択できる。

代表的なスーパーストレートタイプあるいはサブストレートタイプのモジュールは、片側または両側が透明で反射防止処理を施された支持基板の間に一定間隔にセルが配置され、隣り合うセル同士が金属リードまたはフレキシブル配線等によって接続され、外縁部に集電電極が配置されており、発生した電力を外部に取り出す構造となっている。基板とセルの間には、セルの保護や集電効率向上のため、目的に応じエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等様々な種類のプラスチック材料をフィルムまたは充填樹脂の形で用いてもよい。また、外部からの衝撃が少ないところなど表面を硬い素材で覆う必要のない場所において使用する場合には、表面保護層を透明プラスチックフィルムで構成し、または上記充填樹脂を硬化させることによって保護機能を付与し、片側の支持基板をなくすことが可能である。支持基板の周囲は、内部の密封およびモジュールの剛性を確保するため金属製のフレームでサンドイッチ状に固定し、支持基板とフレームの間は封止材料で密封シールする。また、セルそのものや支持基板、充填材料および封止材料に可撓性の素材を用いれば、曲面の上に太陽電池を構成することもできる。

ポリマーフィルム等のフレキシブル支持体を用いた太陽電池の場合、ロール状の支持体を送り出しながら順次セルを形成し、所望のサイズに切断した後、周縁部をフレキシブルで防湿性のある素材でシールすることにより電池本体を作製できる。また、Solar Energy Materials and Solar Cells, 48,p383-391記載の「ＳＣＡＦ」とよばれるモジュール構造とすることもできる。更に、フレキシブル支持体を用いた太陽電池は曲面ガラス等に接着固定して使用することもできる。

以下、本発明の実施例を説明する。以下に示す実施例は、本発明を説明するための好適な例示であり、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
（透明基板−透明陽極−正孔輸送層の形成）
スパッタ法にて成膜された約１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯがパターニングされてなる透明電極（陽極）を表面に有する透明ガラス基板を準備した。このガラス基板を有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾かした。乾かした基板にＵＶオゾン装置（ＵＶ−０_３装置、テクノビジョン社製、型番「ＵＶ−３１２」）にてＵＶ−０_３処理を行った。
正孔輸送層材料としてポリ（３，４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＨＣスタルクビーテック社製、商品名「ＢｙｔｒｏｎＰＴＰＡＩ４０８３」）の懸濁液を用意し、この懸濁液を孔径０．５ミクロンのフィルターでろ過した。濾過した懸濁液を、前記基板の透明電極がある面側に、スピンコートにより７０ｎｍの厚みで成膜した。得られた膜を大気環境下のホットプレート上で２００℃で１０分間乾燥して、透明電極上に正孔輸送層を形成した。

（有機活性層の形成）
次に、下記構造式（３）に示される２種の化合物の共重合体であって高分子化合物Ａ（第１の電子供与性化合物）と、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）（第２の電子供与性化合物）と、電子受容性化合物である［６，６］−フェニルＣ６１ブチリックアシッドメチルエステル（［６，６］−ＰＣＢＭ）の重量比２：１：４のクロロベンゼン溶液を調整した。

得られた溶液を上記基板の正孔輸送層の表面にスピンコートした後、Ｎ_２雰囲気中で乾燥を行った。これにより正孔輸送層上にバルクへテロ型の有機活性層が形成された。

上記構造式（３）に示される２種の化合物の共重合体である高分子化合物Ａは、ポリスチレン換算の重量平均分子量が１７０００であり、ポリスチレン換算の数平均分子量が５０００であった。また、この高分子重合体Ａの光吸収端波長は９２５ｎｍであった。また、第２の電子供与性化合物（Ｐ３ＨＴ）のＨＯＭＯエネルギーレベルは５．１であり、第１の電子供与性化合物（高分子化合物Ａ）のＨＯＭＯエネルギーレベルは５．０であった。

（電子輸送層−陰極の形成及び封止処理）
最後に、上記基板を抵抗加熱蒸着装置内に置き、有機活性層の上部にＬｉＦを約２．３ｎｍ制膜して電子輸送層を形成し、続いてＡｌを約７０ｎｍの膜厚で成膜して陰極を形成した。その後、さらに封止材としてエポキシ樹脂（急速硬化型アラルダイト）を用いて陰極上に封止用のガラス板を接着することで封止処理を施し、有機光電変換素子を得た。
得られた光電変換素子の形状は、２ｍｍ×２ｍｍの正四角形であった。また、得られた光電変換素子の内部量子収率は３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で０．０５以上であった。

（実施例２）
（透明基板−透明陽極−正孔輸送層の形成）
スパッタ法にて成膜された約１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯがパターニングされてなる透明電極（陽極）を表面に有する透明ガラス基板を準備した。このガラス基板を有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾かした。乾かした基板にＵＶオゾン装置（ＵＶ−０_３装置、テクノビジョン社製、型番「ＵＶ−３１２」）にてＵＶ−０_３処理を行った。
正孔輸送層材料としてポリ（３，４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＨＣスタルクビーテック社製、商品名「ＢｙｔｒｏｎＰＴＰＡＩ４０８３」）の懸濁液を用意し、この懸濁液を孔径０．５ミクロンのフィルターでろ過した。濾過した懸濁液を、前記基板の透明電極がある面側に、スピンコートにより７０ｎｍの厚みで成膜した。得られた膜を大気環境下のホットプレート上で２００℃で１０分間乾燥して、透明電極上に正孔輸送層を形成した。

（有機活性層の形成）
次に、下記構造式（４）に表される高分子化合物Ｂ（第１の電子供与性化合物）と、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）（第２の電子供与性化合物）と、電子受容性化合物である［６，６］−フェニルＣ６１ブチリックアシッドメチルエステル（［６，６］−ＰＣＢＭ）の重量比２：１：４のクロロベンゼン溶液を調整した。

上記構造式（４）で示される高分子化合物Ｂは、ポリスチレン換算の重量平均分子量が１７８８７であり、ポリスチレン換算の数平均分子量が５０００であった。また、この高分子重合体Ｂの光吸収端波長は６４５ｎｍであった。また、第２の電子供与性化合物（Ｐ３ＨＴ）のＨＯＭＯエネルギーレベルは５．１であり、第１の電子供与性化合物（高分子化合物Ｂ）のＨＯＭＯエネルギーレベルは５．３であった。

（比較例１）
（透明基板−透明陽極−正孔輸送層の形成）
スパッタ法にて成膜された約１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯがパターニングされてなる透明電極（陽極）を表面に有する透明ガラス基板を準備した。このガラス基板を有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾かした。乾かした基板にＵＶオゾン装置（ＵＶ−０_３装置、テクノビジョン社製、型番「ＵＶ−３１２」）にてＵＶ−０_３処理を行った。
正孔輸送層材料としてポリ（３，４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＨＣスタルクビーテック社製、商品名「ＢｙｔｒｏｎＰＴＰＡＩ４０８３」）の懸濁液を用意し、この懸濁液を孔径０．５ミクロンのフィルターでろ過した。濾過した懸濁液を、前記基板の透明電極がある面側に、スピンコートにより７０ｎｍの厚みで成膜した。得られた膜を大気環境下のホットプレート上で２００℃で１０分間乾燥して、透明電極上に正孔輸送層を形成した。

（有機活性層の形成）
次に、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）（電子供与性化合物）と、電子受容性化合物である［６，６］−フェニルＣ６１ブチリックアシッドメチルエステル（［６，６］−ＰＣＢＭ）の重量比１：０．８のクロロベンゼン溶液を調整した。

（電子輸送層−陰極の形成及び封止処理）
最後に、上記基板を抵抗加熱蒸着装置内に置き、有機活性層の上部にＬｉＦを約２．３ｎｍ制膜して電子輸送層を形成し、続いてＡｌを約７０ｎｍの膜厚で成膜して陰極を形成した。その後、さらに封止材としてエポキシ樹脂（急速硬化型アラルダイト）を用いて陰極上に封止用のガラス板を接着することで封止処理を施し、有機光電変換素子を得た。
得られた光電変換素子の形状は、２ｍｍ×２ｍｍの正四角形であった。また、得られた光電変換素子の内部量子収率は３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で０．０５未満であり、光電変換効率の波長範囲が狭い。

（比較例２）
（透明基板−透明陽極−正孔輸送層の形成）
スパッタ法にて成膜された約１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯがパターニングされてなる透明電極（陽極）を表面に有する透明ガラス基板を準備した。このガラス基板を有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾かした。乾かした基板にＵＶオゾン装置（ＵＶ−０_３装置、テクノビジョン社製、型番「ＵＶ−３１２」）にてＵＶ−０_３処理を行った。
正孔輸送層材料としてポリ（３，４）エチレンジオキシチオフェン／ポリスチレンスルフォン酸（ＨＣスタルクビーテック社製、商品名「ＢｙｔｒｏｎＰＴＰＡＩ４０８３」）の懸濁液を用意し、この懸濁液を孔径０．５ミクロンのフィルターでろ過した。濾過した懸濁液を、前記基板の透明電極がある面側に、スピンコートにより７０ｎｍの厚みで成膜した。得られた膜を大気環境下のホットプレート上で２００℃で１０分間乾燥して、透明電極上に正孔輸送層を形成した。

（有機活性層の形成）
次に、ポリ（２−メトキシ−５−（２’−エチルヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン）（ＭＥＨ−ＰＰＶ）（第１の電子供与性化合物）と、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）（第２の電子供与性化合物）と、電子受容性化合物である［６，６］−フェニルＣ６１ブチリックアシッドメチルエステル（［６，６］−ＰＣＢＭ）の重量比２：１：４のクロロベンゼン溶液を調整した。

第２の電子供与性化合物（Ｐ３ＨＴ）のＨＯＭＯエネルギーレベルは５．１であり、第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯエネルギーレベルは４．８であった。

（光電変換素子の光電変換効率の測定）
実施例１，２および比較例１，２で得た光電変換素子の光電変換効率は、以下のようにして求めた。
得られた光電変換素子（有機薄膜太陽電池を想定：形状は、２ｍｍ×２ｍｍの正四角形）の光電変換効率をソーラシミュレーター(分光計器製、商品名「ＣＥＰ−２０００型、放射照度１００ｍＷ／ｃｍ²」)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定した。

表１に示すように、実施例１〜２で作製した光電変換効率は比較例１〜２で作製した光電変換素子に比べて高い光電変換特性を示した。

本発明にかかる有機光電変換素子は、光電変換効率を向上させることができ、太陽電池や光センサーなどの光電デバイスに有用であり、特に、有機太陽電池に適している。

Claims

陽極と、陰極と、該陽極と該陰極との間に設けられる有機活性層とを有し、有機活性層が第１の電子供与性化合物と第２の電子供与性化合物と電子受容性化合物とを含み、前記第１の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルと前記第２の電子供与性化合物のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）のエネルギーレベルとの差が０．２０ｅＶ以下である光電変換素子。
第１の電子供与性化合物が、下記構造式（１）で示される構造単位及び下記一般式（２）で示される構造単位の少なくとも一方の構造単位を有する有機高分子化合物であることを特徴とする請求項１に記載の有機光電変換素子。

〔式中、Ａｒ^１及びＡｒ^２は、同一又は相異なり、３価の複素環基を表す。Ｘ^１は、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｃ（＝Ｏ）−、−Ｓ（＝Ｏ）−、−ＳＯ_２−、−Ｓｉ（Ｒ^３）（Ｒ^４）−、−Ｎ（Ｒ^５）−、−Ｂ（Ｒ^６）−、−Ｐ（Ｒ^７）−又は−Ｐ（＝Ｏ）（Ｒ^８）−を表す。Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６、Ｒ^７及びＲ^８は、同一又は相異なり、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５０は、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、１価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。Ｒ^５１は、炭素数６以上のアルキル基、炭素数６以上のアルキルオキシ基、炭素数６以上のアルキルチオ基、炭素数６以上のアリール基、炭素数６以上のアリールオキシ基、炭素数６以上のアリールチオ基、炭素数７以上のアリールアルキル基、炭素数７以上のアリールアルキルオキシ基、炭素数７以上のアリールアルキルチオ基、炭素数６以上のアシル基又は炭素数６以上のアシルオキシ基を表す。Ｘ^１とＡｒ^２は、Ａｒ^１に含まれる複素環の隣接位に結合し、Ｃ（Ｒ^５０）（Ｒ^５１）とＡｒ^１は、Ａｒ^２に含まれる複素環の隣接位に結合している。〕
有機活性層の光吸収帯域３００ｎｍから９００ｎｍの領域で内部量子収率が０．０５以上を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の有機光電変換素子。