JP2011135095A - 光起電活性層および有機性光起電素子の処理方法 - Google Patents

光起電活性層および有機性光起電素子の処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光起電活性層の最大吸収を長波長領域側に偏移させることができ、および／または光起電活性層の効率を向上させる方法を提供する。
【解決手段】光起電活性層を溶媒分子に接触させることと、起電活性層を加熱することとによって、光起電活性層を処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機性光起電素子に関し、特に青色領域に吸収をもつ光起電活性層を備えた太陽電池に関する。
有機性太陽電池は、１９９４年の米国特許第５，３３１，１８４号および数々の後続の出版物より知られている。
特に知られているものとして、ポリアルキルチオフェン（Ｐ３ＡＴ）に基づく有機太陽電池である。この光起電素子に対する典型的なセル構造は次のような層を含む。例えばＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）からなるアノードの上に、アニオンとしてＰＳＳを有するＰＥＤＯＴの混合物などの共重合体の正孔伝導層が積層される。その上には、光起電活性層である、Ｐ３ＡＴ：ＰＣＢＭ［ポリ（３−ヘキシルチオフェン）とフェニルＣ６１−ブトキシメトキシとの混合物］の層が設けられる。その上には、例えばアルミニウムまたはＣａ／Ａｇ合金などの金属からなるカソード層が設けられる。しかしながら、個々の層は、この案とは異なるものであってもよく、特に、電極と受容体（ＰＣＢＭ）はいずれも別の材料で構成してもよい。例えば、シアン置換ＰＰＶ（ＣＮ ＰＰＶ）が、すでに受容体として使用されているが、ポリチオフェンに対する多くの添加物が任意で含まれていてもよい。
ポリチオフェンをフラーレンと混合すると、最大吸収が青色側に偏移することから、光起電活性層の最大吸収を長波長側に移動させる必要がある。これにより、ミスマッチ、すなわち最大吸収と太陽光放射ピークとの間の相違を大きくする。
本発明の目的は、光起電活性層の最大吸収を長波長領域側に偏移させることができ、かつ／またはその効率を向上させる（例えば、短絡回路電流を増加させることにより）方法を提供することにある。本発明の目的は、特に、フラーレンとの混合物中にポリ（アルキル）チオフェンを含む光起電活性層の最大吸収を長波長側に移動させることのできる方法を提供することにある。
本発明は、溶媒によるか、アニーリングによるかの少なくともいずれかによって光起電活性層を処理する方法に関する。該方法は、前記光起電活性層を溶媒分子と接触させること、および前記光起電活性層を加熱することの少なくともいずれかを特徴とする。本発明はまた、混合物中にポリアルキルチオフェンを含む光起電活性層を備え、深紅領域に吸収を有する光起電素子に関する。
光起電活性層は、好ましくは、混合物中に、フラーレン、特にメタノフラーレンなどの添加物とともに存在するポリアルキルチチオフェンである。フラーレン以外のさらに可能な添加剤としては、例えば、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）に基づく無機ナノ粒子、例えば、シアン置換ＰＰＶ（ＣＮ−ＰＰＶ）などの高い電子親和性を有するポリマー類、または例えばテトラシアノキノン（ＴＣＮＱ）やテトラシアノアントラキノジメタン（ＴＣＡＱ）などの高い電子親和性を有する小分子が挙げられる。
ガラス上に、フラーレンの共存または非共存下でクロロホルムでスピンコートしたＰ３ＡＴ薄膜の吸収に対して観察された溶媒蒸気の効果を示す図。 層のアニーリング温度による、短絡回路電流Ｉｓｃおよび効率の変化を示す図。 単一温度処理を行ったセルの、溶媒蒸気処理の前または後の電流／電圧（Ｉ／Ｖ）特性を示す図。
本発明の一実施形態において、光起電活性層を、室温において溶媒蒸気に曝露する。これは、例えば、光起電活性層を溶媒を含む容器に通過させる（保持する）こと、および溶媒蒸気を光起電活性層上に導くことの少なくともいずれかにより行うことができる。
一実施形態において、光起電活性層を、非常に短時間、すなわち、１分未満、あるいは、例えば、秒またはミリ秒の範囲で溶媒蒸気に曝露する。
本発明の一実施形態において、光起電活性層を最低でも７０℃、好ましくは約８０℃以上でアニールする。アニーリングの進行は、短絡回路電流の増加によって監視することができる。その他の温度および時間の組み合わせも考えられ、光起電パラメータの増大が止まるとすぐにプロセスが終了するものと想定される。光起電活性層を乾燥機内またはホットプレートなどの上に置くことによって、アニーリングを実施することができる。溶媒処理を、アニーリングと同時に行ってもよい。
使用する溶媒は、例えば、キシレン、トルエンなどの芳香族溶媒、または、クロロホルムなどのハロゲン含有溶媒である。適切な溶媒は、光起電活性層を構成する材料の混合物に応じて選択される。溶媒の効果は、例えば、溶媒、すなわち、キシレン、トルエン、ブタノン、および／または、クロロホルム、および／またはさらなる溶媒または前記溶媒の任意の混合物が、少なくとも部分的にポリアルキルチオフェンを腐食および／または軟化させるということである。
光起電活性層は、従来の方法によって、例えば、最先端の技術に従って、Ｐ３ＡＴ［ポリ（３−アルキルチオフェン）］／ＰＣＢＭ（フェニルＣ６１−ブトキシメトキシ）溶液からスピンコートした薄膜を形成するか、あるいは標準的な印刷方法（シルクスクリーン印刷、フレキソ印刷など）により塗布することによって製造される。
試験結果を反映する３つのグラフに基づいた図面について、以下により詳細に説明する。
図１は、ガラス上に、フラーレンの共存または非共存下でクロロホルムでスピンコートしたＰ３ＡＴ薄膜の吸収に対して観察された溶媒蒸気の効果を示している。三角は、ガラス上の純粋なＰ３ＡＴ薄膜を表し、黒四角は、Ｐ３ＡＴ／ＰＣＢＭ薄膜を表す。この薄膜が、Ｐ３ＡＴに典型的な５５０ｎｍ付近の波長範囲における吸収に寄与しないことが明確に示されている。薄膜を一旦クロロホルム蒸気に曝露すると（白菱形）、その吸収挙動が変化し、Ｐ３ＡＴに典型的な吸収特性が再びはっきりと見られるようになる。
図２は、層のアニーリング温度による、短絡回路電流Ｉｓｃ（黒四角）および効率（黒丸）の変化を示した図である。各試料（構造：ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ／Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ／Ｃａ／Ａｇ）を２０分間アニーリングし、その電気特性（Ｉｓｃおよび効率）を室温にて、キセノンランプからの７０ｍＷ／ｃｍ２白色光による照明下で測定した。短絡回路電流、したがって効率は、温度が８０℃を越えると増大することがわかる。
図３は、単一温度処理を行ったセルの、溶媒蒸気処理の前（黒丸）または後（黒四角）の電流／電圧（Ｉ／Ｖ）特性である。短絡回路電流（Ｉｓｃ）および効率の増加は、（図１に示すような）セルの吸収挙動における赤色偏移を反映している。
Ｐ３ＡＴ、特にポリヘキシルチオフェンをフラーレンと混合すると、Ｐ３ＡＴの最大吸収が、青色スペクトル領域に１００ｎｍ以上移動する。これによって、太陽電池と太陽光スペクトルとの間の不整合が増大する。本発明は以下の問題を解決する、すなわち、
ａ）Ｐ３ＡＴ／フラーレン薄膜の吸収を、溶媒アニーリングによって赤色スペクトル領域に引き戻し、さらに
ｂ）温度アニーリングによって太陽電池の効率を増加させる。
アニーリングとは、本発明の文中においては、目的、すなわち層の最大吸収を赤色側に偏移させることを達成するための、光起電活性層の処理のことをいう。

Claims (8)

  1. 溶媒およびアニーリングの少なくともいずれかによって光起電活性層を処理する方法であって、前記光起電活性層を溶媒分子に接触させること、および前記光起電活性層を加熱することの少なくともいずれかを特徴とする方法。
  2. 前記光起電活性層は、フラーレン、特にメタノフラーレンなどの添加物とともに、混合物中に存在するポリアルキルチオフェンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記光起電活性層は、溶媒蒸気に曝露されることを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の方法。
  4. 前記光起電活性層は、室温において前記溶媒蒸気に曝露されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記光起電活性層は、１分未満の間、前記溶媒蒸気に曝露されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記溶媒、キシレン、トルエン、ブタノン、およびクロロホルム、およびさらなる溶媒および前記溶媒の任意の混合物の少なくともいずれかは、少なくとも部分的に前記ポリアルキルチオフェンを腐食または軟化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記光起電活性層は、最低でも７０℃の温度においてアニーリングすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 混合物中のポリアルキルチオフェンを含む光起電活性層を備えた光起電素子であって、光起電層が深紅領域に吸収を有することを特徴とする光起電素子。
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