JP2011210952A - 有機光電変換素子、太陽電池及び光センサアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
2.前記一般式(1)のL1、L2が、sp3混成軌道を有する置換または無置換の原子を表すことを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。
5.前記一般式(2)のm、lがそれぞれ1であることを特徴とする前記4に記載の有機光電変換素子。
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなるシングル構成(バルクヘテロジャンクション層が1層の構成)の太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、透明電極(陽極)12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の光電変換部14、電子輸送層(またはバッファ層とも言う)18及び対極(陰極)13が順次積層されている。
本発明の有機光電変換素子は、対極と透明電極の間に、少なくとも1つ以上の前記一般式(1)で表される化合物を含有する有機層を有することが特徴である。
本発明のバルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマーが挙げられるが、本発明のタンデム型有機光電変換素子には2種類以上のバルクヘテロジャンクション層を有しているため、それぞれの層に適したp型半導体材料を使用することが好ましい。
電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また塗布法は、製造速度にも優れている。
本発明において対極(陰極)とは、電子を取り出す電極を意味する。例えば、陰極として用いる場合、導電材単独層であってもよいが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用してもよい。
本発明において透明電極とは、正孔を取り出す電極を意味する。例えば、陽極として用いる場合、好ましくは380〜800nm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、金属ナノワイヤー、カーボンナノチューブ用いることができる。
また、タンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、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、前記透明電極で用いたような材料(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またはナノ粒子・ナノワイヤーを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
本発明の有機光電変換素子は、バルクヘテロジャンクション層と透明電極との中間には正孔輸送層を、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。
本発明の有機光電変換素子は、バルクヘテロジャンクション層と対極との中間には電子輸送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。
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層等を挙げることができる。
基板側から光電変換される光が入射する場合、基板はこの光電変換される光を透過させることが可能な、即ちこの光電変換すべき光の波長に対して透明な部材であることが好ましい。基板は、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(380〜800nm)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。
本発明の有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてよい。光学機能層としては、例えば、反射防止膜、マイクロレンズアレイ等の集光層、対極で反射した光を散乱させて再度バルクヘテロジャンクション層に入射させることができるような光拡散層等を設けてもよい。
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
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、有機光電変換素子だけでなく有機エレクトロルミネッセンス素子等で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)または有機膜(パリレン等)を真空下で堆積する方法、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。
次に、以上説明したバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子を応用した光センサアレイについて詳細に説明する。光センサアレイは、前記のバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子が受光によって電流を発生することを利用して、前記の光電変換素子を細かく画素状に並べて作製し、光センサアレイ上に投影された画像を電気的な信号に変換する効果を有するセンサである。
バルクヘテロジャンクション層のp型材料として、Macromolecules 2007,40,1981に記載の低バンドギャップポリマー、PCPDTBTを前記非特許文献1に記載の文献を参考として合成し、使用した。またn型材料として、PCBM(フロンティアカーボン社より購入)、bis−PCBM(Sollene社より購入)、SIMEF(前記非特許文献2を参考に合成した)、ICMA(前記非特許文献4を参考に合成した)、ICBA(前記非特許文献4を参考に合成した)及び本発明のフラーレン誘導体を使用した。
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を140nm堆積したものを、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2mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
上記有機光電変換素子1の作製において、n型半導体材料のPCBMを表1に記載した比較例及び本発明に係る例示化合物に変更した以外は、有機光電変換素子1と同様にして有機光電変換素子2〜16を得た。
(変換効率の評価)
封止を行った有機光電変換素子に、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を4.0mm2にしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び開放電圧Voc(V)、曲線因子(フィルファクター)FFを、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、平均値を求めた。また、Jsc、Voc、FFから下記式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
(外部量子効率の測定)
上記作製した有機光電変換素子を、相馬光学製分光感度測定装置S−9210を用いて、400〜1100nmまでの外部量子効率を測定し、この波長範囲での最大の外部量子効率を最大EQEとして評価した。
11 基板
12 透明電極(陽極)
13 対極(陰極)
14 光電変換部(バルクヘテロジャンクション層)
14p p層
14i i層
14n n層
14′ 第1の光電変換部
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換部
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
20 光センサアレイ
21 基板
22 陽極
23 陰極
24 光電変換部
24a バッファ層
24b 光電変換層
Claims (11)
- 前記一般式(1)のL1、L2が、sp3混成軌道を有する置換または無置換の原子を表すことを特徴とする請求項1に記載の有機光電変換素子。
- 前記一般式(1)のm、lの和が2または3であ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。
- 前記一般式(2)のm、lがそれぞれ1であることを特徴とする請求項4に記載の有機光電変換素子。
- 前記一般式(2)の芳香環が、アルキル基、アルコキシル基、アミノ基またはアルキルチオ基で置換されていることを特徴とする請求項4または5に記載の有機光電変換素子。
- 前記一般式(2)のnが2以上の整数を表すことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 前記有機層が、溶液プロセスによって形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 前記有機層が、前記一般式(1)で表される化合物及び共役高分子材料を含有するバルクヘテロジャンクション層であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を具備することを特徴とする太陽電池。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機光電変換素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする光センサアレイ。
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