JP2013026432A - Organic photoelectric conversion element, method for manufacturing the same, and organic solar cell using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic photoelectric conversion element which has high photoelectric conversion efficiency and excellent durability, a method for manufacturing the same, and a solar cell using the organic photoelectric conversion element.SOLUTION: The organic photoelectric conversion element includes, between a first electrode 12 and a second electrode 13, a photoelectric conversion layer 14 and at least one of a hole transport layer 17 and an electron transport layer 18. The one of the hole transport layer 17 and the electron transport layer 18 contains an organic compound subjected to polymerization treatment in the presence of a metal compound.

Description

本発明は、有機光電変換素子に関し、更に詳しくは、有機太陽電池に用いることのできる有機光電変換素子に関し、更に詳しくは、発電性能と素子耐久性とを両立させた有機光電変換素子とその製造方法、およびそれを用いた有機太陽電池に関する。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion element, and more particularly to an organic photoelectric conversion element that can be used for an organic solar cell, and more specifically, to an organic photoelectric conversion element that achieves both power generation performance and element durability and its manufacture. The present invention relates to a method and an organic solar cell using the method.

近年の化石エネルギーの高騰によって、自然エネルギーから直接電力を発電できるシステムが求められており、単結晶・多結晶・アモルファスのSiを用いた太陽電池、GaAsやCIGS(銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなる半導体材料)等の化合物系の太陽電池、あるいは色素増感型光電変換素子(グレッツェルセル)等が提案・実用化されている。   Due to the recent rise in fossil energy, a system that can generate electric power directly from natural energy has been demanded. Solar cells using single crystal, polycrystal, and amorphous Si, GaAs, CIGS (copper (Cu), indium (In) ), Semiconductor materials such as gallium (Ga) and selenium (Se)), and dye-sensitized photoelectric conversion elements (Gretzel cells) have been proposed and put to practical use.

しかしながら、これらの太陽電池で発電するコストは、未だ化石燃料を用いて発電・送電される電気の価格よりも高いものとなっており、普及の妨げとなっていた。また、基板に重いガラスを用いなければならないため、設置時に補強工事が必要であり、これらも発電コストが高くなる一因であった。   However, the cost of generating electricity with these solar cells is still higher than the price of electricity generated and transmitted using fossil fuels, which has hindered widespread use. In addition, since heavy glass must be used for the substrate, reinforcement work is required at the time of installation, which is one of the causes that increase the power generation cost.

このような状況に対し、化石燃料による発電コストよりも低い発電コストを達成しうる太陽電池として、透明電極と対電極との間に電子供与体層(p型半導体層)と電子受容体層(n型半導体層)とが混合された光電変換層を挟んだバルクヘテロジャンクション型光電変換素子が提案され、5%を超える光電変換効率が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。   For such a situation, as a solar cell that can achieve a power generation cost lower than that of fossil fuel, an electron donor layer (p-type semiconductor layer) and an electron acceptor layer (p-type semiconductor layer) are provided between the transparent electrode and the counter electrode. A bulk heterojunction photoelectric conversion element sandwiching a photoelectric conversion layer mixed with an n-type semiconductor layer) has been proposed, and a photoelectric conversion efficiency exceeding 5% has been reported (for example, see Non-Patent Document 1).

これらのバルクヘテロジャンクション型光電変換素子を用いた太陽電池においては、アノード・カソード以外は塗布により形成することができるため、高速且つ安価に製造が可能であり、前述の発電コストの課題を解決できる可能性がある。更に、上記のSi系太陽電池、半導体系太陽電池、色素増感太陽電池等と異なり、160℃より高温の製造工程がないため、安価且つ軽量なプラスチック基板上への形成も可能であると期待される。   Solar cells using these bulk heterojunction type photoelectric conversion elements can be formed by coating other than the anode and cathode, so that they can be manufactured at high speed and at low cost, and the above-mentioned problem of power generation cost can be solved. There is sex. Furthermore, unlike the Si-based solar cells, semiconductor-based solar cells, dye-sensitized solar cells, etc., since there is no manufacturing process at a temperature higher than 160 ° C., it is expected that it can be formed on a cheap and lightweight plastic substrate. Is done.

しかしながら、実用化に向けては高効率化のほかに耐久性の向上も求められている。このような課題に対しては、電極等の劣化が起こりにくい、高い仕事関数を有する金属を対電極として用い、太陽光入射側をカソードとするタイプの太陽電池(いわゆる逆層型太陽電池)において耐久性が向上することが知られているため(例えば、特許文献1参照)、逆層構成において高い光電変換効率を出せる材料が求められている。   However, for practical use, in addition to high efficiency, improvement in durability is also required. For such a problem, in a type of solar cell (so-called reverse layer type solar cell) in which a metal having a high work function, which is unlikely to deteriorate, is used as a counter electrode and the sunlight incident side is a cathode. Since it is known that the durability is improved (see, for example, Patent Document 1), a material capable of providing high photoelectric conversion efficiency in the reverse layer configuration is demanded.

バルクヘテロジャンクション型光電変換素子の光電変換効率自体は光電変換層のp型半導体とn型半導体の組み合わせによって決まる部分が多いが、それらの組み合わせによって得られる性能を最大限に引き出すためには正孔輸送層や電子輸送層といった中間層の開発が不可欠である。   The photoelectric conversion efficiency of a bulk heterojunction photoelectric conversion element itself depends on the combination of the p-type semiconductor and n-type semiconductor of the photoelectric conversion layer, but in order to maximize the performance obtained by these combinations, hole transport Development of intermediate layers such as layers and electron transport layers is essential.

例えば、開放端電圧(以下、Vocとも言う)はp型半導体のHOMOとn型半導体LUMOの差で決まってくるが、実際は正孔輸送層と電子輸送層の仕事関数の差以上のVocを得ることはできないため、準位の設計通りのVocを得るためには正孔輸送層と電子輸送層の仕事関数の差をp型半導体のHOMOとn型半導体LUMOの差以上に設計する必要がある。また、中間層の仕事関数差を大きくすることにより素子内の内部電場が増強されることから、整流性や曲線因子(FF)が向上することにもつながり高効率化が期待される。   For example, the open-circuit voltage (hereinafter also referred to as Voc) is determined by the difference between the HOMO of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor LUMO, but in reality, a Voc greater than the difference in work function between the hole transport layer and the electron transport layer is obtained. Therefore, in order to obtain Voc as designed at the level, the work function difference between the hole transport layer and the electron transport layer needs to be designed to be greater than the difference between the HOMO of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor LUMO. . In addition, since the internal electric field in the device is enhanced by increasing the work function difference of the intermediate layer, the rectification and the fill factor (FF) are improved, and high efficiency is expected.

よって光電変換素子の構成によらず、電子輸送層はより仕事関数を浅くし、正孔輸送層はより仕事関数を深くすることが求められている。   Therefore, it is required that the electron transport layer has a shallower work function and the hole transport layer has a deeper work function regardless of the configuration of the photoelectric conversion element.

これまで中間層に金属塩等をドープし、仕事関数を調製する方法はいくつか知られている(例えば、非特許文献2、3)。   Until now, several methods for preparing a work function by doping a metal salt or the like in an intermediate layer have been known (for example, Non-Patent Documents 2 and 3).

特開2009−146981号公報JP 2009-146981 A

A.Heeger et.al.,Nature Mat.,vol.6(2007),p497A. Heeger et. al. , Nature Mat. , Vol. 6 (2007), p497 Mi−Hyae Park et al.,adv.Funct.Mater.2009,19,1241−1246Mi-Hyae Park et al. , Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1241-1246 Y.Sato et.al.,Thin Solid Film.,vol.516(2008),p5758−5762Y. Sato et. al. , Thin Solid Film. , Vol. 516 (2008), p5758-5762

しかしながら、金属塩等を中間層にドープし、ドーパントによって仕事関数を調整している素子は、本発明者らの鋭意検討の結果、長時間の光照射で光電変換素子の性能が著しく劣化することが分かった。これはドーパントが経時で光電変換層内に拡散してしまったためと考えている。   However, the device in which the intermediate layer is doped with a metal salt or the like and the work function is adjusted by the dopant is a result of intensive studies by the present inventors, and as a result, the performance of the photoelectric conversion device is significantly deteriorated by long-time light irradiation. I understood. This is considered because the dopant has diffused into the photoelectric conversion layer over time.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光電変換効率が高く耐久性に優れた有機光電変換素子、その製造方法及びその有機光電変換素子を用いた太陽電池を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said subject, The objective provides the photoelectric conversion element with the high photoelectric conversion efficiency and the durability, the manufacturing method, and the solar cell using the organic photoelectric conversion element. There is.

本発明者らは、正孔輸送層と電子輸送層においてドーパントを用いて仕事関数を制御した場合でも、該ドーパントを含有する層の重合処理を行えばドーパントの光電変換層内への拡散を抑制することができ、有機光電変換素子の高効率と高耐久性を両立できることを見出した。   Even when the work function is controlled using a dopant in the hole transport layer and the electron transport layer, the present inventors suppress the diffusion of the dopant into the photoelectric conversion layer if the layer containing the dopant is polymerized. It was found that both high efficiency and high durability of the organic photoelectric conversion element can be achieved.

1.第1の電極と第2の電極の間に光電変換層と、正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方を有する有機光電変換素子において、該正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方が、金属化合物の存在下に重合処理された有機化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。   1. In the organic photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer and at least one of a hole transport layer or an electron transport layer between the first electrode and the second electrode, at least one of the hole transport layer or the electron transport layer is An organic photoelectric conversion element comprising an organic compound polymerized in the presence of a metal compound.

2.前記金属化合物が金属塩または金属酸化物であることを特徴とする前記1に記載の有機光電変換素子。   2. 2. The organic photoelectric conversion element as described in 1 above, wherein the metal compound is a metal salt or a metal oxide.

3.前記重合処理において、処理方法は熱重合であることを特徴とする前記1又は2に記載の有機光電変換素子。   3. 3. The organic photoelectric conversion device as described in 1 or 2 above, wherein in the polymerization treatment, the treatment method is thermal polymerization.

4.前記正孔輸送層に含有されている金属酸化物はVまたはMoの金属塩または金属酸化物であることを特徴とする前記1から3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   4). 4. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 3, wherein the metal oxide contained in the hole transport layer is a metal salt or metal oxide of V or Mo.

5.前記電子輸送層に含有されている金属塩はCs、Liの金属塩であることを特徴とする前記1から3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   5). 4. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 3, wherein the metal salt contained in the electron transport layer is a metal salt of Cs and Li.

6.前記正孔輸送層が金属酸化物を含有している層であり、前記電子輸送層が金属塩を含有している層であり、かつ両方の層がそれぞれ重合処理された有機化合物を含有することを特徴とする前記1から5のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。   6). The hole transport layer is a layer containing a metal oxide, the electron transport layer is a layer containing a metal salt, and both layers each contain a polymerized organic compound. 6. The organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 5, wherein:

7.前記第1の電極がカソードであり、前記第2の電極がアノードである前記1〜6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有機太陽電池。   7). 7. The organic solar battery comprising the organic photoelectric conversion element according to any one of 1 to 6, wherein the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode.

8.前記1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を製造する有機光電変換素子の製造方法であって、金属化合物と反応性基を有する化合物の存在下で重合処理することを特徴とする有機光電変換素子の製造方法。   8). It is a manufacturing method of the organic photoelectric conversion element which manufactures the organic photoelectric conversion element of any one of said 1-6, Comprising: It superposes | polymerizes in presence of the compound which has a metal compound and a reactive group, A method for producing an organic photoelectric conversion element.

本発明により、高い曲線因子(FF)と高い開放端電圧(Voc)の値を有し、光電変換効率が高く、耐久性に優れた有機光電変換素子、その製造方法及びその有機光電変換素子を用いた太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, an organic photoelectric conversion element having a high fill factor (FF) and a high open-circuit voltage (Voc), high photoelectric conversion efficiency and excellent durability, a manufacturing method thereof, and the organic photoelectric conversion element The used solar cell can be provided.

本発明の順層型有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the example of a structure of the normal layer type organic photoelectric conversion element of this invention. 本発明の逆層型有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the example of a structure of the reverse layer type organic photoelectric conversion element of this invention. タンデム型の光電変換層を備えた、本発明の有機光電変換素子の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the example of the organic photoelectric conversion element of this invention provided with the tandem type photoelectric conversion layer.

本発明は、第1の電極と第2の電極の間に光電変換層と、正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方を有する有機光電変換素子において、該正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方が、金属化合物が含有された層であり、かつ重合処理されていることを特徴とする有機光電変換素子に関する発明である。本発明により、高い曲線因子(FF)と高い開放端電圧(Voc)を有し光電変換効率が高く、耐久性に優れる有機光電変換素子を提供することができた。   The present invention relates to an organic photoelectric conversion device having a photoelectric conversion layer and at least one of a hole transport layer and an electron transport layer between a first electrode and a second electrode. The invention relates to an organic photoelectric conversion element, wherein at least one of the layers contains a metal compound and is polymerized. According to the present invention, an organic photoelectric conversion element having a high fill factor (FF) and a high open-circuit voltage (Voc), high photoelectric conversion efficiency, and excellent durability can be provided.

本発明では、本発明者らの鋭意検討の結果により、正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方に金属化合物を用いて仕事関数を制御させた場合でも、同時に当該金属化合物を有する層を重合させることにより、経時での金属化合物の光電変換層内への拡散を抑制することができるため、高効率と高耐久性を両立した素子が得られることを見出した。   In the present invention, as a result of intensive studies by the present inventors, even when the work function is controlled using a metal compound in at least one of the hole transport layer and the electron transport layer, the layer having the metal compound is simultaneously polymerized. As a result, the diffusion of the metal compound into the photoelectric conversion layer over time can be suppressed, and it has been found that an element having both high efficiency and high durability can be obtained.

(有機光電変換素子の構成)
図1は、本発明に関わる順層型有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図である。
(Configuration of organic photoelectric conversion element)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a normal layer type organic photoelectric conversion element according to the present invention.

有機光電変換素子10は、基板11上に、第1の電極12を有し、第1の電極12の上に正孔輸送層17を有し、正孔輸送層17の上に光電変換層14を有し、光電変換層14の上に電子輸送層18を有し、電子輸送層18の上に第2の電極13を有する構成である。   The organic photoelectric conversion element 10 has a first electrode 12 on a substrate 11, a hole transport layer 17 on the first electrode 12, and a photoelectric conversion layer 14 on the hole transport layer 17. The electron transport layer 18 is provided on the photoelectric conversion layer 14, and the second electrode 13 is provided on the electron transport layer 18.

本発明の一態様として、基板11及び第1の電極12は透明であり、光電変換に用いられる光は、図1の矢印の方向から入射される。   As one embodiment of the present invention, the substrate 11 and the first electrode 12 are transparent, and light used for photoelectric conversion enters from the direction of the arrow in FIG.

光電変換層14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを含有する。   The photoelectric conversion layer 14 is a layer that converts light energy into electrical energy, and contains a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material.

p型半導体材料は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。   The p-type semiconductor material functions relatively as an electron donor (donor), and the n-type semiconductor material functions relatively as an electron acceptor (acceptor).

ここで、電子供与体及び電子受容体は、“光を吸収した際に、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)を形成する電子供与体及び電子受容体”であり、電極のように単に電子を供与あるいは受容するものではなく、光反応によって、電子を供与あるいは受容するものである。   Here, the electron donor and the electron acceptor are “an electron donor in which, when light is absorbed, electrons move from the electron donor to the electron acceptor to form a hole-electron pair (charge separation state)”. And an electron acceptor ”, which does not simply donate or accept electrons like an electrode, but donates or accepts electrons by a photoreaction.

図1において、基板11を介して第1の電極12から入射された光は、光電変換層14の光電変換層14における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。   In FIG. 1, light incident from the first electrode 12 through the substrate 11 is absorbed by the electron acceptor or the electron donor in the photoelectric conversion layer 14 of the photoelectric conversion layer 14, and from the electron donor to the electron acceptor. Electrons move and a hole-electron pair (charge separation state) is formed.

発生した電荷は内部電界、例えば、第1の電極12と第2の電極13との仕事関数が異なる場合では第1の電極12と第2の電極13との電位差によって、電子は電子受容体間を通り、また正孔は電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。   The generated electric charge is generated between the electron acceptors due to the internal electric field, for example, when the work functions of the first electrode 12 and the second electrode 13 are different, due to the potential difference between the first electrode 12 and the second electrode 13. And the holes pass between the electron donors and are carried to different electrodes, and a photocurrent is detected.

図1の例では、第1の電極12の仕事関数は第2の電極13の仕事関数よりも大きいため、正孔は第1の電極12へ、電子は第2の電極13へ輸送される。この場合、第2の電極13には仕事関数が小さく酸化されやすい金属が用いられる。この場合、第1の電極はアノード(陽極)として、第2の電極はカソード(陰極)として機能する。   In the example of FIG. 1, the work function of the first electrode 12 is larger than the work function of the second electrode 13, so that holes are transported to the first electrode 12 and electrons are transported to the second electrode 13. In this case, the second electrode 13 is made of a metal that has a small work function and is easily oxidized. In this case, the first electrode functions as an anode (anode) and the second electrode functions as a cathode (cathode).

図2に本発明に関わる逆層型有機光電変換素子の構成の例を示す概略断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a reverse layer type organic photoelectric conversion element according to the present invention.

図2においては、図1の場合とは反対に、第1の電極12の仕事関数よりも第2の電極13の仕事関数を大きくすることで、電子を第1の電極12へ、正孔を第2の電極13へと輸送するように設計した場合を示した。この場合には、第1の電極12と光電変換層14との間に電子輸送層18を有し、光電変換層14と第2の電極13との間に後述する正孔輸送層17を有し、第1の電極はカソード(陰極)として、第2の電極はアノード(陽極)として機能する。   In FIG. 2, contrary to the case of FIG. 1, the work function of the second electrode 13 is made larger than the work function of the first electrode 12, whereby electrons are transferred to the first electrode 12. The case where it designed so that it might convey to the 2nd electrode 13 was shown. In this case, the electron transport layer 18 is provided between the first electrode 12 and the photoelectric conversion layer 14, and the hole transport layer 17 described later is provided between the photoelectric conversion layer 14 and the second electrode 13. The first electrode functions as a cathode (cathode) and the second electrode functions as an anode (anode).

本発明においては、第2の電極の耐久性の面から、特に図2に示す構成、即ち、第1の電極がカソード(陰極)であり、第2の電極がアノード(陽極)であることが好ましい態様である。本発明の太陽電池に用いる有機光電変換素子は、図2の構成が好ましい。   In the present invention, from the viewpoint of durability of the second electrode, the configuration shown in FIG. 2 in particular, that is, the first electrode is a cathode (cathode) and the second electrode is an anode (anode). This is a preferred embodiment. The organic photoelectric conversion element used for the solar cell of the present invention preferably has the configuration shown in FIG.

なお、図1、図2には記載していないが、本発明の有機光電変換素子は、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の層を有していてもよい。   Although not shown in FIGS. 1 and 2, the organic photoelectric conversion element of the present invention has a layer such as a hole blocking layer, an electron blocking layer, an electron injection layer, a hole injection layer, or a smoothing layer. You may have.

更に、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層した、タンデム型の構成としてもよい。図3は、タンデム型の光電変換層を備える有機光電変換素子を示す断面図である。   Furthermore, it is good also as a tandem-type structure which laminated | stacked such a photoelectric conversion element for the purpose of the improvement of sunlight utilization factor (photoelectric conversion efficiency). FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an organic photoelectric conversion element including a tandem photoelectric conversion layer.

タンデム型構成の場合、基板11上に第1の電極12、第1の光電変換層14′を積層し、電荷再結合層15を積層した後、第2の光電変換層16、次いで第2の電極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。   In the case of the tandem configuration, the first electrode 12 and the first photoelectric conversion layer 14 ′ are stacked on the substrate 11, the charge recombination layer 15 is stacked, the second photoelectric conversion layer 16, and then the second By stacking the electrodes 13, a tandem configuration can be obtained.

第2の光電変換層16は、第1の光電変換層14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。   The second photoelectric conversion layer 16 may be a layer that absorbs the same spectrum as the absorption spectrum of the first photoelectric conversion layer 14 'or may be a layer that absorbs a different spectrum, but is preferably a layer that absorbs a different spectrum. is there.

また、第1の光電変換層14′、第2の光電変換層16と各電極の間には、正孔輸送層17や電子輸送層18を有していてもよいが、本発明においてはタンデム構成においてもそれぞれの光電変換層は、図2に示されるような構成を有していることが好ましい。   Further, a hole transport layer 17 and an electron transport layer 18 may be provided between the first photoelectric conversion layer 14 'and the second photoelectric conversion layer 16 and each electrode. Also in the configuration, each photoelectric conversion layer preferably has a configuration as shown in FIG.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

〔金属化合物〕
本発明において、正孔輸送層または電子輸送層の仕事関数を調整するためのドーパントとして、金属化合物を用いる。電子輸送層または正孔輸送層にドーパントを添加すると、層内にドーパントによる不純物準位が形成されるため、任意に準位を変更させることができる。
[Metal compounds]
In the present invention, a metal compound is used as a dopant for adjusting the work function of the hole transport layer or the electron transport layer. When a dopant is added to the electron transport layer or the hole transport layer, an impurity level due to the dopant is formed in the layer, so that the level can be arbitrarily changed.

本発明における金属化合物は、以下に示すような無機金属化合物または有機金属化合物の中から選択されるが、これらに限定されるものではない。無機金属化合物としては、ハロゲン化物、酸化物、硫化物、窒化物、炭酸塩が挙げられる。有機金属化合物としては、ギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸、酪酸塩、吉草酸塩、カプロン酸塩、エナント酸塩、カプリル酸塩、シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、安息香酸塩、フタル酸塩、イソフタル酸塩、テレフタル酸塩、サリチル酸塩、ピルビン酸塩、乳酸塩、リンゴ酸塩、アジピン酸塩、メシル酸塩、トシル酸塩、ベンゼンスルホン酸塩が挙げられ、好ましくはギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、酪酸塩、吉草酸塩、カプロン酸塩、エナント酸塩、カプリル酸塩、シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、安息香酸塩、より好ましくはギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩などの脂肪族カルボン酸塩が挙げられる。   The metal compound in the present invention is selected from the following inorganic metal compounds or organometallic compounds, but is not limited thereto. Examples of inorganic metal compounds include halides, oxides, sulfides, nitrides, and carbonates. Organometallic compounds include formate, acetate, propionic acid, butyrate, valerate, caprate, enanthate, caprylate, oxalate, malonate, succinate, benzoate, Phthalate, isophthalate, terephthalate, salicylate, pyruvate, lactate, malate, adipate, mesylate, tosylate, benzenesulfonate, preferably formate , Acetate, propionate, butyrate, valerate, caprate, enanthate, caprylate, oxalate, malonate, succinate, benzoate, more preferably formate, acetic acid Examples thereof include aliphatic carboxylates such as salts and propionates.

電子輸送層には仕事関数を浅くする効果があるものをドーパントとして用いることができる。電子輸送層に用いる金属化合物としては、無機金属化合物及び有機金属化合物の中でも金属塩が好ましく用いられる。金属塩の金属としては、アルカリ金属が用いられることが好ましい。アルカリ金属の種類としては特に制限はないが、Li、Na、K、Csが挙げられ、好ましくはLi、Cs、さらに好ましくはCsである。金属化合物としては、フッ化Li、フッ化K、フッ化Na、フッ化Cs、炭酸Li、炭酸K、炭酸Na、炭酸Cs、ギ酸Li、ギ酸K、ギ酸Na、ギ酸Cs、酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、プロピオン酸Li、プロピオン酸Na、プロピオン酸K、プロピオン酸Cs、シュウ酸Li、シュウ酸Na、シュウ酸K、シュウ酸Cs、マロン酸Li、マロン酸Na、マロン酸K、マロン酸Cs、コハク酸Li、コハク酸Na、コハク酸K、コハク酸Cs、安息香酸Li、安息香酸Na、安息香酸K、安息香酸Csが挙げられ、好ましくは炭酸Li、炭酸K、炭酸Na、炭酸Cs、酢酸Li、酢酸K、酢酸Na、酢酸Cs、最も好ましくは炭酸Cs、酢酸Csである。   As the electron transport layer, a material having an effect of reducing the work function can be used as a dopant. As the metal compound used for the electron transport layer, a metal salt is preferably used among inorganic metal compounds and organic metal compounds. As the metal of the metal salt, an alkali metal is preferably used. The type of alkali metal is not particularly limited, and examples thereof include Li, Na, K, and Cs, preferably Li, Cs, and more preferably Cs. Examples of the metal compound include Li fluoride, K fluoride, Na fluoride, C fluoride, Li carbonate, K carbonate, Na carbonate, Cs, formic acid Li, formic acid K, formic acid Na, formic acid Cs, Li acetate, and K acetate. , Na acetate, Cs, Li propionate, Na propionate, K propionate, C propionate, Li oxalate, Na oxalate, K oxalate, Cs, Li malonate, Na malonate, K malonic acid , Malonic acid Cs, succinic acid Li, succinic acid Na, succinic acid K, succinic acid Cs, benzoic acid Li, benzoic acid Na, benzoic acid K, benzoic acid Cs, preferably Li carbonate, K carbonate, Na carbonate Carbonic acid Cs, Li acetate, K acetate, Na acetate, Cs acetate, and most preferably Cs carbonate and Cs acetate.

正孔輸送層には仕事関数を深くする効果があるものをドーパントとして用いることができる。正孔輸送層に用いる金属化合物の金属としては、V、Nb、Mo、Tiが挙げられ、好ましくはV、Mo、Ti、さらに好ましくはMo、Vである。   As the hole transport layer, one having an effect of deepening the work function can be used as a dopant. Examples of the metal of the metal compound used for the hole transport layer include V, Nb, Mo and Ti, preferably V, Mo and Ti, more preferably Mo and V.

正孔輸送層に用いられる金属化合物としては、金属酸化物等が挙げられ、具体的にはMoO、MoO、TiO、TiO、NbO、V、Nb、VF、TiCl、NbCl、VCl、NbB、VBr、VI、VClO、MoSが挙げられる。好ましくはMoO、TiO、V、MoSであり、最も好ましくはMoO、Vである。 Examples of the metal compound used for the hole transport layer include metal oxides, and specifically, MoO 2 , MoO 3 , TiO, TiO 2 , NbO, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , VF 3 , TiCl 2 , NbCl 5 , VCl 3 , NbB 2 , VBr 3 , VI 3 , VCl 3 O, MoS 2 may be mentioned. Preferred are MoO 2 , TiO 2 , V 2 O 5 and MoS 2 , and most preferred are MoO 2 and V 2 O 5 .

金属化合物の添加量としては、添加する電子輸送層や正孔輸送層の1.5〜35質量%であり、より好ましくは3〜25質量%であり、最も好ましくは5〜15質量%である。   As addition amount of a metal compound, it is 1.5-35 mass% of the electron carrying layer and hole transport layer to add, More preferably, it is 3-25 mass%, Most preferably, it is 5-15 mass%. .

〔重合処理、重合材料〕
本発明は該正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方に、前記金属化合物の存在下に重合処理された有機化合物を含有することを特徴とする。本発明における重合処理とは、有機の重合材料が重合されるように処理することを言う。
[Polymerization treatment, polymerization material]
The present invention is characterized in that at least one of the hole transport layer and the electron transport layer contains an organic compound polymerized in the presence of the metal compound. The polymerization treatment in the present invention refers to treatment so that an organic polymerization material is polymerized.

本発明に係る有機の重合材料とは、少なくとも一つの反応性基を有する化合物として定義される。反応性基としては、例えば、ビニル基、エポキシ基、オキセタン基、イソシアネート基等が挙げられる。以下に反応性基の具体的例を挙げるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   The organic polymer material according to the present invention is defined as a compound having at least one reactive group. Examples of the reactive group include a vinyl group, an epoxy group, an oxetane group, and an isocyanate group. Although the specific example of a reactive group is given to the following, this invention is not limited to these.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

これらの中でも比較的低温の熱で重合可能なビニル基、エポキシ基が好ましく用いられる。本発明に係る重合反応はエネルギー照射によって行われる。照射エネルギーとしては、紫外線、電子、イオン、熱、ラジカルビームまたは放射線のエネルギー等が挙げられ、他の有機層への影響が少ないことから熱での重合が好ましく用いられる。   Among these, a vinyl group and an epoxy group that can be polymerized by heat at a relatively low temperature are preferably used. The polymerization reaction according to the present invention is performed by energy irradiation. Examples of the irradiation energy include ultraviolet light, electrons, ions, heat, radical beam, or radiation energy. Polymerization with heat is preferably used because it has little influence on other organic layers.

本発明において、反応性基を少なくとも一つ有する化合物を重合することにより不溶化された層を得ることができるが、重合度を調製するには、反応の停止が起こりやすい重合条件でモノマーの重合反応を行うことにより簡便に得ることができる。例えば、重合開始剤もしくは触媒濃度をコントロールすること、連鎖移動剤もしくは重合停止剤を併用すること、または紫外線、電子、イオン、熱、ラジカルビームまたは放射線の照射エネルギーをコントロールすること等が挙げられる。   In the present invention, an insolubilized layer can be obtained by polymerizing a compound having at least one reactive group, but in order to adjust the degree of polymerization, the polymerization reaction of monomers under a polymerization condition where the reaction is likely to stop. Can be easily obtained. For example, the polymerization initiator or catalyst concentration is controlled, a chain transfer agent or a polymerization terminator is used in combination, or the irradiation energy of ultraviolet rays, electrons, ions, heat, radical beams or radiation is controlled.

重合処理は、金属化合物の存在下に行うことが必要であるが、正孔輸送層または電子輸送層を形成する塗布液を調製する段階の何れかであっても、また塗布液を塗布して正孔輸送層または電子輸送層を形成した後重合処理を行っても良い。   The polymerization treatment needs to be performed in the presence of a metal compound, but it may be performed at any stage of preparing a coating solution for forming a hole transport layer or an electron transport layer. Polymerization treatment may be performed after forming the hole transport layer or the electron transport layer.

反応性基を有する化合物としては、例えば、スチレン、メタアクリル酸メチル、アクリル酸−2−ヒドロキシエチル、アクリルアミド、アクリロニトリル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル(TMPTGE)、グリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテル(DEG)、Threebond3101(スリーボンド社製、紫外線硬化性樹脂)等、を挙げることが出来る。   Examples of the compound having a reactive group include styrene, methyl methacrylate, -2-hydroxyethyl acrylate, acrylamide, acrylonitrile, trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTGE), glycerol propoxylate triglycidyl ether (DEG), Threebond 3101 (manufactured by Three Bond Co., Ltd., ultraviolet curable resin) can be used.

〔電子輸送層〕
電子輸送層とは、カソードと光電変換層の中間に位置して、光電変換層と電極との間で電子の授受をより効率的にすることのできる層のことである。本発明においては、第1の電極がカソードである場合に特に好ましく適用できる。
(Electron transport layer)
The electron transport layer is a layer that is located between the cathode and the photoelectric conversion layer and can more efficiently transfer electrons between the photoelectric conversion layer and the electrode. The present invention can be particularly preferably applied when the first electrode is a cathode.

本発明においては、電子輸送層が金属化合物を有することによって仕事関数を浅くしており、かつ重合していることが好ましい。電子輸送層における仕事関数とは電子輸送層自体のHOMO−LUMO準位を指すが、単分子膜のように極薄膜の電子輸送層の積層により隣接する電極の仕事関数が変化させる場合は電極の仕事関数を電子輸送層の仕事関数として記述した。   In the present invention, it is preferable that the electron transport layer has a metal compound so as to have a shallow work function and is polymerized. The work function in the electron transport layer refers to the HOMO-LUMO level of the electron transport layer itself. However, when the work function of the adjacent electrode is changed by stacking the electron transport layer of a very thin film like a monomolecular film, the work function of the electrode The work function is described as the work function of the electron transport layer.

電子輸送層の中には、バルクヘテロジャンクション型の光電変換層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔をカソード側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。   In the electron transport layer, the electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor material used in the bulk heterojunction type photoelectric conversion layer includes a hole generated in the bulk heterojunction layer as a cathode. A hole blocking function having a rectifying effect that does not flow to the side is provided.

このような電子輸送層は、正孔ブロック層とも呼ばれる。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する材料を電子輸送層として用いることである。また、正孔を阻止する特性から、正孔移動度が10−6よりも低い化合物を用いることが好ましい。 Such an electron transport layer is also referred to as a hole blocking layer. More preferably, a material having a HOMO level deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used for the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use the compound whose hole mobility is lower than 10 <-6> from the characteristic which blocks a hole.

電子輸送層としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、国際公開第04/095889号に記載のカルボリン化合物等を用いることができるが、同様に、光電変換層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、光電変換層で生成した正孔をカソード側には流さないような整流効果を有する、正孔ブロック機能が付与される。より好ましくは、n型半導体のHOMO準位よりも深い材料を電子輸送層として用いることである。また、電子を輸送する特性から、電子移動度の高い化合物を用いることが好ましい。より好ましくは、電子移動度が10−4以上の化合物である。 As the electron transport layer, octaazaporphyrin, p-type semiconductor perfluoro compounds (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), carboline compounds described in International Publication No. 04/095889, and the like can be used. The electron transport layer having a HOMO level deeper than the HOMO level of the p-type semiconductor material used for the photoelectric conversion layer has a rectifying effect so that holes generated in the photoelectric conversion layer do not flow to the cathode side. The hole blocking function is imparted. More preferably, a material deeper than the HOMO level of the n-type semiconductor is used as the electron transport layer. Moreover, it is preferable to use a compound with high electron mobility from the characteristic of transporting electrons. More preferably, it is a compound having an electron mobility of 10 −4 or more.

このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、WO2008134492公報に記載のアミン系シランカップリング剤のようなアミン化合物、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物を用いることができる。また、光電変換層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。   Examples of such materials include phenanthrene compounds such as bathocuproine, n-type semiconductor materials such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, and perylenetetracarboxylic acid diimide, and WO2001343442. An amine compound such as an amine-based silane coupling agent and an n-type inorganic oxide such as titanium oxide, zinc oxide, or gallium oxide can be used. Moreover, the layer which consists of a n-type semiconductor material single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used.

これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。   The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method.

〔正孔輸送層(電子ブロック層)〕
正孔輸送層とは、アノードと光電変換層の中間に位置して、光電変換層と電極との間で正孔の授受をより効率的にすることのできる層のことである。本発明においては、第1の電極がアノードである場合に特に好ましく適用できる。
[Hole transport layer (electron blocking layer)]
The hole transport layer is a layer that is located between the anode and the photoelectric conversion layer, and that can transfer holes more efficiently between the photoelectric conversion layer and the electrode. The present invention can be particularly preferably applied when the first electrode is an anode.

本発明においては、正孔輸送層が金属化合物を有することによって仕事関数を深くしており、かつ重合していることを好ましい態様としている。正孔輸送層における仕事関数とは正孔輸送層自体のHOMO−LUMO準位を指すが、単分子膜のように極薄膜の電子輸送層の積層により隣接する電極の仕事関数が変化させる場合は電極の仕事関数を正孔輸送層の仕事関数として記述した。正孔輸送材料の最高占有軌道(HOMO)レベルと透明電極表面の仕事関数は、例えば光電子放出測定法(UPS)等を用いることで求めることができる。   In the present invention, it is preferable that the hole transport layer has a metal compound to increase the work function and is polymerized. The work function in the hole transport layer refers to the HOMO-LUMO level of the hole transport layer itself. However, when the work function of the adjacent electrode is changed by stacking the electron transport layer of a very thin film like a monomolecular film, The work function of the electrode was described as the work function of the hole transport layer. The highest occupied orbital (HOMO) level of the hole transport material and the work function of the transparent electrode surface can be determined by using, for example, a photoelectron emission measurement method (UPS).

これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層としては、スタルクヴイテック製、商品名BaytronP等のPEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)−PSS(ポリスチレンスルホン酸)、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第06/019270号等に記載のシアン化合物、等を用いることができる。なお、光電変換層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、光電変換層で生成した電子をアノード側には流さないような整流効果を有する、電子ブロック機能が付与される。このような正孔輸送層は電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用する方が好ましい。   As a material constituting these layers, for example, as a hole transport layer, PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene) -PSS (polystyrene sulfonic acid) such as Stark Vitec, trade name BaytronP, Polyaniline and a doping material thereof, cyan compounds described in International Publication No. 06/019270, and the like can be used. Note that the hole transport layer having a LUMO level shallower than the LUMO level of the n-type semiconductor material used for the photoelectric conversion layer has a rectifying effect that prevents electrons generated in the photoelectric conversion layer from flowing to the anode side. It has an electronic block function. Such a hole transport layer is also called an electron block layer, and it is preferable to use a hole transport layer having such a function.

このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。また、光電変換層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。さらに上述した材料の他にも、銀ナノ粒子などの無機材料を用いることも可能である。また、これらの無機材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。光電変換層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。   As such a material, a triarylamine compound described in JP-A-5-271166 or a metal oxide such as molybdenum oxide, nickel oxide, or tungsten oxide can be used. Moreover, the layer which consists of a p-type semiconductor material single-piece | unit used for the photoelectric converting layer can also be used. In addition to the materials described above, it is also possible to use inorganic materials such as silver nanoparticles. Moreover, these inorganic materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. The means for forming these layers may be either a vacuum deposition method or a solution coating method, but is preferably a solution coating method. Forming a coating film in the lower layer before forming the photoelectric conversion layer is preferable because it has the effect of leveling the coating surface and reduces the influence of leakage and the like.

また、同様に正孔を輸送する特性から10−4よりも高い正孔移動度を有していることが好ましく、また電子を阻止する特性から、電子移動度が10−6よりも低い化合物を用いることが好ましい。 Similarly, it preferably has a hole mobility higher than 10 −4 due to the property of transporting holes, and a compound with electron mobility lower than 10 −6 due to the property of blocking electrons. It is preferable to use it.

〔その他の層〕
本発明の有機光電変換素子の構成としては、光電変換効率の向上や、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。
[Other layers]
As a structure of the organic photoelectric conversion element of this invention, it is good also as a structure which has various intermediate | middle layers in an element for the purpose of the improvement of a photoelectric conversion efficiency, and the improvement of element lifetime.

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。   Examples of the intermediate layer include a hole block layer, an electron block layer, a hole injection layer, an electron injection layer, an exciton block layer, a UV absorption layer, a light reflection layer, and a wavelength conversion layer.

(光電変換層)
光電変換層は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。光電変換層は、光電変換材料として、p型有機半導体材料およびn型有機半導体材料を含有する。これらの光電変換材料に光が吸収されると、励起子が発生し、これがpn接合界面において、正孔と電子とに電荷分離される。
(Photoelectric conversion layer)
The photoelectric conversion layer has a function of converting light energy into electric energy using the photovoltaic effect. The photoelectric conversion layer contains a p-type organic semiconductor material and an n-type organic semiconductor material as a photoelectric conversion material. When light is absorbed by these photoelectric conversion materials, excitons are generated, which are separated into holes and electrons at the pn junction interface.

本発明に係る光電変換層に使用されるp型有機半導体材料は、p型共役系高分子を含有する。このp型共役系高分子は、主鎖に電子供与性基(ドナー性ユニット)および電子吸引性基(アクセプター性ユニット)を有する共重合体である。より具体的には、p型共役系高分子は、ドナー性ユニットとアクセプター性ユニットとが交互に配列するように重合された構造を有する。このように、ドナー性ユニットとアクセプター性ユニットとが交互に配列することにより、p型有機半導体の吸収域を長波長域に拡大することができる。すなわち、p型共役系高分子は、従来のp型有機半導体の吸収域(例えば、400〜700nm)に加え、長波長域(例えば、700〜100nm)の光も吸収することができるため、太陽光スペクトルの広い範囲にわたる放射エネルギーを効率よく吸収させることが可能となる。   The p-type organic semiconductor material used for the photoelectric conversion layer according to the present invention contains a p-type conjugated polymer. This p-type conjugated polymer is a copolymer having an electron donating group (donor unit) and an electron withdrawing group (acceptor unit) in the main chain. More specifically, the p-type conjugated polymer has a structure in which donor units and acceptor units are alternately arranged. Thus, by arranging the donor unit and the acceptor unit alternately, the absorption region of the p-type organic semiconductor can be expanded to a long wavelength region. That is, the p-type conjugated polymer can absorb light in a long wavelength region (for example, 700 to 100 nm) in addition to the absorption region (for example, 400 to 700 nm) of a conventional p-type organic semiconductor. It becomes possible to efficiently absorb radiant energy over a wide range of the optical spectrum.

p型共役系高分子に含まれうるドナー性ユニットとしては、同じπ電子数を有する炭化水素芳香環(ベンゼン、ナフタレン、アントラセンなど)よりもLUMO準位またはHOMO準位が浅くなるようなユニットであれば、制限なく使用できる。例えば、チオフェン環、フラン環、ピロール環、シクロペンタジエン若しくはシラシクロペンタジエンなどの複素5員環、およびこれらの縮合環を含むユニットである。   The donor unit that can be included in the p-type conjugated polymer is a unit in which the LUMO level or the HOMO level is shallower than a hydrocarbon aromatic ring (benzene, naphthalene, anthracene, etc.) having the same number of π electrons. If there is, it can be used without restriction. For example, a unit including a thiophene ring, a furan ring, a pyrrole ring, a hetero 5-membered ring such as cyclopentadiene or silacyclopentadiene, and a condensed ring thereof.

具体的には、フルオレン、シラフルオレン、カルバゾール、ジチエノシクロペンタジエン、ジチエノシラシクロペンタジエン、ジチエノピロール、ベンゾジチオフェンなどを挙げることができる。   Specific examples include fluorene, silafluorene, carbazole, dithienocyclopentadiene, dithienosylcyclopentadiene, dithienopyrrole, and benzodithiophene.

ドナー性ユニットは、好ましくは下記化学式1で表される構造である。   The donor unit preferably has a structure represented by the following chemical formula 1.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

式中、Zは、炭素原子、ケイ素原子、またはゲルマニウムを表し、Rは、それぞれ独立して、炭素原子数1〜20の置換または非置換のアルキル基、炭素原子数1〜20の置換または非置換のフッ化アルキル基、炭素原子数3〜30の置換または非置換のシクロアルキル基、炭素原子数6〜30の置換または非置換のアリール基、炭素原子数1〜20の置換または非置換のヘテロアリール基、または炭素原子数1〜20の置換または非置換のアルキルシリル基を表し、2つのRは互いに結合して環を形成してもよい。また、Rは互いに異なっていても良い。 In the formula, Z 1 represents a carbon atom, a silicon atom, or germanium, and each R 1 independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or a substitution having 1 to 20 carbon atoms. Or an unsubstituted fluorinated alkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or non-substituted group having 1 to 20 carbon atoms It represents a substituted heteroaryl group, or a substituted or unsubstituted alkylsilyl group having 1 to 20 carbon atoms, and two R 1 's may be bonded to each other to form a ring. R 1 may be different from each other.

また、下記化学式2で表される構造もドナー性ユニットとして好適である。   A structure represented by the following chemical formula 2 is also suitable as the donor unit.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

式中、Rは、それぞれ独立して、炭素原子数1〜20の置換または非置換のアルキル基、炭素原子数1〜20の置換または非置換のアルキルエーテル基、または炭素原子数1〜20の置換または非置換のアルキルエステル基を表し、2つのRは互いに結合して環を形成してもよい。また、Rは互いに異なっていてもよい。 In the formula, each R 2 independently represents a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkyl ether group having 1 to 20 carbon atoms, or 1 to 20 carbon atoms. In the formula (1), a substituted or unsubstituted alkyl ester group, and two R 2 may be bonded to each other to form a ring. R 2 may be different from each other.

なお、上記化学式1および化学式2において、アルキル基、フッ化アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基、またはアルキルシリル基に場合によって存在する置換基としては、例えば、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、アシル基、アルキル基、フェニル基、アルコキシル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン化アルコキシル基、ニトロ基、アミノ基、アルキルアミノ基、アルキルカルボニルアミノ基、アリールアミノ基、アリールカルボニルアミノ基、カルボニル基、アルコキシカルボニル基、アルキルアミノカルボニル基、アルコキシスルホニル基、アルキルチオ基、カルバモイル基、アリールオキシカルボニル基、オキシアルキルエーテル基、シアノ基などが例示できるが、これらに限定されるものではない。   In the above chemical formulas 1 and 2, the substituent that may be present in the alkyl group, the fluorinated alkyl group, the cycloalkyl group, the aryl group, the heteroaryl group, or the alkylsilyl group may be, for example, a halogen atom (fluorine atom) , Chlorine atom, bromine atom, iodine atom), acyl group, alkyl group, phenyl group, alkoxyl group, halogenated alkyl group, halogenated alkoxyl group, nitro group, amino group, alkylamino group, alkylcarbonylamino group, arylamino Group, arylcarbonylamino group, carbonyl group, alkoxycarbonyl group, alkylaminocarbonyl group, alkoxysulfonyl group, alkylthio group, carbamoyl group, aryloxycarbonyl group, oxyalkylether group, cyano group, etc. The present invention is not limited to.

上記化学式1および2で表されるドナー性ユニットは、移動度の高いチオフェン構造が縮合して大きなπ共役平面を有しつつも、置換基により溶解性が付与されている。このようなドナー性ユニットは、溶解性と移動度が共に優れているため、より一層、光電変換効率を向上させることが可能となる。   The donor unit represented by the above chemical formulas 1 and 2 has a solubility imparted by a substituent while the thiophene structure having a high mobility is condensed to have a large π-conjugated plane. Since such a donor unit is excellent in both solubility and mobility, the photoelectric conversion efficiency can be further improved.

一方、p型共役系高分子に含まれうるアクセプター性ユニットとしては、例えば、キノキサリン骨格、ピラジノキノキサリン骨格、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾオキサジアゾール骨格、ベンゾセレナジアゾール骨格、ベンゾトリアゾール骨格、ピリドチアジアゾール骨格、チエノピラジン骨格、フタルイミド骨格、3,4−チオフェンジカルボン酸イミド骨格、イソインディゴ骨格、チエノチオフェン骨格、ジケトピロロピロール骨格、4−アシル−チエノ[3,4−b]チオフェン骨格、ピラゾロ[5,1−c][1,2,4]トリアゾール骨格などが挙げられる。なお、本形態のp型共役高分子に含まれるドナー性ユニットまたはアクセプター性は、それぞれ、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。   On the other hand, acceptor units that can be included in the p-type conjugated polymer include, for example, quinoxaline skeleton, pyrazinoquinoxaline skeleton, benzothiadiazole skeleton, benzooxadiazole skeleton, benzoselenadiazole skeleton, benzotriazole skeleton, pyrido Thiadiazole skeleton, thienopyrazine skeleton, phthalimide skeleton, 3,4-thiophenedicarboxylic acid imide skeleton, isoindigo skeleton, thienothiophene skeleton, diketopyrrolopyrrole skeleton, 4-acyl-thieno [3,4-b] thiophene skeleton, pyrazolo [ 5,1-c] [1,2,4] triazole skeleton and the like. In addition, the donor unit or acceptor property contained in the p-type conjugated polymer of this embodiment may be used alone or in combination of two or more.

本形態において、好ましいp型共役高分子としては、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第08/000664号パンフレットに記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv.Mater.,2007,p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体、Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBTなどのポリチオフェン共重合体などが挙げられる。なかでも下記PCPDTBTなどのポリチオフェン共重合体が特に好ましい。   In the present embodiment, preferable p-type conjugated polymers include Nature Material, (2006) vol. 5, p328, polythiophene-thienothiophene copolymer, polythiophene-diketopyrrolopyrrole copolymer described in WO08 / 000664, Adv. Mater. , 2007, p4160, a polythiophene-thiazolothiazole copolymer, Nature Mat. vol. 6 (2007), p497, and a polythiophene copolymer such as PCPDTBT. Of these, polythiophene copolymers such as the following PCPDTBT are particularly preferred.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

上記p型共役高分子の分子量は、特に制限はないが、数平均分子量が5000〜500000であることが好ましく、10000〜100000であることがより好ましく、15000〜50000であることがさらに好ましい。数平均分子量が5000以上であると、曲線因子向上の効果がより一層顕著になる。一方、数平均分子量が500000以下であると、p型共役高分子の溶解性が向上するため、生産性を上げることができる。なお、本明細書において、数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した値を採用する。   The molecular weight of the p-type conjugated polymer is not particularly limited, but the number average molecular weight is preferably 5,000 to 500,000, more preferably 10,000 to 100,000, and further preferably 15,000 to 50,000. When the number average molecular weight is 5000 or more, the effect of improving the fill factor becomes more remarkable. On the other hand, when the number average molecular weight is 500000 or less, the solubility of the p-type conjugated polymer is improved, so that productivity can be increased. In addition, in this specification, the value measured by gel permeation chromatography (GPC) is employ | adopted for a number average molecular weight.

なお、本発明における光電変換層は、上述したp型共役系高分子を有するが、その他のp型有機半導体材料を含んでもよい。このようなその他のp型有機半導体材料としては、例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。ただし、本発明の作用効果を顕著に発現させるという観点からは、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料に占めるp型共役系高分子の質量割合は、好ましくは5質量%以上であり、より好ましくは10質量%以上であり、さらに好ましくは50質量%以上であり、特に好ましくは90質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。   In addition, although the photoelectric converting layer in this invention has the p-type conjugated polymer mentioned above, it may also contain other p-type organic-semiconductor materials. Examples of such other p-type organic semiconductor materials include triarylamine compounds, benzidine compounds, pyrazoline compounds, styrylamine compounds, hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, carbazole compounds, polysilane compounds, thiophene compounds, phthalocyanine compounds, Cyanine compounds, merocyanine compounds, oxonol compounds, polyamine compounds, indole compounds, pyrrole compounds, pyrazole compounds, polyarylene compounds, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, Fluoranthene derivatives) and metal complexes having a nitrogen-containing heterocyclic compound as a ligand. However, from the viewpoint of remarkably expressing the effects of the present invention, the mass ratio of the p-type conjugated polymer in the p-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably 5% by mass or more, More preferably, it is 10 mass% or more, More preferably, it is 50 mass% or more, Especially preferably, it is 90 mass% or more, Most preferably, it is 100 mass%.

本発明において、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料のバンドギャップは、1.8eV以下であることが好ましく、1.6〜1.1eVであることがより好ましい。バンドギャップが1.8eV以下であると、幅広く太陽光を吸収できる。一方、バンドギャップが1.1eV以上であると、開放電圧Voc(V)が出やすくなり、変換効率が向上しうる。なお、本形態において、p型有機半導体は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても勿論構わない。   In the present invention, the band gap of the p-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably 1.8 eV or less, and more preferably 1.6 to 1.1 eV. When the band gap is 1.8 eV or less, sunlight can be widely absorbed. On the other hand, when the band gap is 1.1 eV or more, the open circuit voltage Voc (V) is easily generated, and the conversion efficiency can be improved. In this embodiment, the p-type organic semiconductor may be used alone or in combination of two or more.

一方、本形態の光電変換層に使用されるn型有機半導体材料も、アクセプター性(電子受容性)の有機化合物であれば特に制限はなく、本技術分野で使用されうる材料を適宜採用することができる。このような化合物としては、例えば、フラーレン、カーボンナノチューブ、オクタアザポルフィリンなど、上記p型有機半導体材料の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(例えば、パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニンなど)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミドなどの芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む高分子化合物などが挙げられる。   On the other hand, the n-type organic semiconductor material used for the photoelectric conversion layer of this embodiment is not particularly limited as long as it is an acceptor (electron-accepting) organic compound. Can do. As such a compound, for example, a perfluoro product in which a hydrogen atom of the p-type organic semiconductor material is substituted with a fluorine atom, such as fullerene, carbon nanotube, and octaazaporphyrin (for example, perfluoropentacene or perfluorophthalocyanine), Examples thereof include aromatic carboxylic acid anhydrides such as naphthalenetetracarboxylic acid anhydride, naphthalenetetracarboxylic acid diimide, perylenetetracarboxylic acid anhydride, and perylenetetracarboxylic acid diimide, and polymer compounds containing an imidized product thereof as a skeleton.

このうち、p型有機半導体材料と高速(〜50fs)かつ効率的に電荷分離を行うことができるという観点から、フラーレンもしくはカーボンナノチューブまたはこれらの誘導体を用いることが好ましい。より具体的には、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン(円錐型)など、およびこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、置換されたまたは非置換の、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基などによって置換されたフラーレン誘導体が挙げられる。   Of these, fullerenes, carbon nanotubes, or derivatives thereof are preferably used from the viewpoint that charge separation can be efficiently performed with a p-type organic semiconductor material at high speed (up to 50 fs). More specifically, fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotube, multi-walled carbon nanotube, single-walled carbon nanotube, carbon nanohorn (conical type), etc. , And some of these are hydrogen atoms, halogen atoms (fluorine atoms, chlorine atoms, bromine atoms, iodine atoms), substituted or unsubstituted alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, aryl groups, heteroaryl groups, And a fullerene derivative substituted with a cycloalkyl group, a silyl group, an ether group, a thioether group, an amino group, or the like.

特に、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nヘキシルエステル(PCBH)、[6,6]−フェニルC71−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PC71BM)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報に記載のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報に記載のメタロセン化フラーレン、米国特許第7,329,709号明細書に記載の環状エーテル基を有するフラーレンなどのような、置換基により溶解性が向上されてなるフラーレン誘導体を用いることが好ましい。なお、本形態において、n型有機半導体材料は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。   In particular, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (abbreviation PCBM), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-nbutyl ester (PCBnB), [6,6] -phenyl C61- Butyric acid-isobutyl ester (PCBiB), [6,6] -phenyl C61-butyric acid-n hexyl ester (PCBH), [6,6] -phenyl C71-butyric acid methyl ester (abbreviation PC71BM), Adv . Mater. , Vol. 20 (2008), p2116, aminated fullerene described in JP-A 2006-199674, metallocene fullerene described in JP-A 2008-130889, US Pat. No. 7,329,709 It is preferable to use a fullerene derivative whose solubility is improved by a substituent, such as fullerene having a cyclic ether group described in the specification. In this embodiment, the n-type organic semiconductor material may be used alone or in combination of two or more.

本形態の光電変換層における、p型有機半導体およびn型有機半導体の接合形態は、特に制限はなく、平面ヘテロ接合であってもよいし、バルクヘテロ接合であってもよい。平面ヘテロ接合とは、p型有機半導体を含むp型有機半導体層と、n型有機半導体を含むn型有機半導体層とが積層され、これら2つの層が接触する面がpn接合界面となる接合形態である。一方、バルクヘテロ接合(バルクヘテロジャンクション)とは、p型有機半導体とn型有機半導体との混合物を塗布することにより形成され、この単一の層中において、p型有機半導体のドメインとn型有機半導体のドメインとがミクロ相分離構造をとっている。したがって、バルクヘテロ接合では、平面ヘテロ接合と比較して、pn接合界面が層全体に亘って数多く存在することになる。よって、光吸収により生成した励起子の多くがpn接合界面に到達できることになり、電荷分離に至る効率を高めることができる。このような理由から、本形態の光電変換層における、p型有機半導体とn型有機半導体との接合は、バルクヘテロ接合であることが好ましい。   The junction form of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer of this embodiment is not particularly limited, and may be a planar heterojunction or a bulk heterojunction. A planar heterojunction is a junction in which a p-type organic semiconductor layer containing a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor layer containing an n-type organic semiconductor are stacked, and the surface where these two layers contact is the pn junction interface. It is a form. On the other hand, a bulk heterojunction (bulk heterojunction) is formed by applying a mixture of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor, and the domain of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in this single layer. And have a microphase separation structure. Therefore, in a bulk heterojunction, as compared with a planar heterojunction, many pn junction interfaces exist over the entire layer. Therefore, most of the excitons generated by light absorption can reach the pn junction interface, and the efficiency leading to charge separation can be increased. For these reasons, the junction between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer of this embodiment is preferably a bulk heterojunction.

本発明において、光電変換層に含まれるp型有機半導体材料とn型有機半導体材料との混合比は、質量比で2:8〜8:2の範囲が好ましく、より好ましくは4:6〜6:4の範囲である。また、光電変換層の膜厚は、好ましくは50〜400nmであり、より好ましくは80〜300nmである。   In the present invention, the mixing ratio of the p-type organic semiconductor material and the n-type organic semiconductor material contained in the photoelectric conversion layer is preferably in the range of 2: 8 to 8: 2, more preferably 4: 6 to 6 in terms of mass ratio. : 4 range. Moreover, the film thickness of a photoelectric converting layer becomes like this. Preferably it is 50-400 nm, More preferably, it is 80-300 nm.

〔電極〕
本発明の有機光電変換素子においては、第1の電極と第2の電極を有するが、タンデム構成をとる場合には、中間電極を用いることでタンデム構成を達成することができる。
〔electrode〕
The organic photoelectric conversion element of the present invention has the first electrode and the second electrode. When the tandem configuration is adopted, the tandem configuration can be achieved by using the intermediate electrode.

本発明において、第1の電極は、透明な電極であることが好ましい。   In the present invention, the first electrode is preferably a transparent electrode.

「透明な」とは、光透過率が50%以上であるものをいう。   “Transparent” means that the light transmittance is 50% or more.

光透過率とは、JIS K 7361−1(ISO 13468−1に対応)の「プラスチック−透明材料の全光線透過率の試験方法」に準拠した方法で測定した可視光波長領域における全光線透過率をいう。   The light transmittance is the total light transmittance in the visible light wavelength region measured by a method according to “Testing method of total light transmittance of plastic-transparent material” of JIS K 7361-1 (corresponding to ISO 13468-1). Say.

本発明の第1の電極は、前述のように透明なカソード(陰極)であり、第2の電極はアノード(陽極)であることが好ましい。   The first electrode of the present invention is preferably a transparent cathode (cathode) as described above, and the second electrode is preferably an anode (anode).

〔第1の電極〕
本発明の第1の電極に用いられる材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、AZO、FTO、SnO、ZnO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au、Pt等の非常に薄い金属層または金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノワイヤやナノ粒子を含有する層、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。
[First electrode]
Examples of the material used for the first electrode of the present invention include transparent metal oxides such as indium tin oxide (ITO), AZO, FTO, SnO 2 , ZnO, and titanium oxide, Ag, Al, Au, and Pt. A very thin metal layer, a metal nanowire, a nanowire such as a carbon nanotube or a layer containing nanoparticles, a conductive polymer material such as PEDOT: PSS, polyaniline, or the like can be used.

また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせてカソードとすることもできる。   Also selected from the group consisting of derivatives of polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, polyazulene, polyisothianaphthene, polycarbazole, polyacetylene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene and polynaphthalene. Conductive polymers can also be used. Further, a plurality of these conductive compounds can be combined to form a cathode.

〔第2の電極〕
第2の電極は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。
[Second electrode]
The second electrode may be a single layer of a conductive material, but in addition to a conductive material, a resin that holds these may be used in combination.

カソードである透明電極の仕事関数がおよそ−5.0〜−4.0eVであるため、バルクヘテロジャンクション型の光電変換層で生成したキャリアが拡散してそれぞれの電極に到達するためには、ビルトインポテンシャル、すなわちアノードとカソード間の仕事関数の差がなるべく大きいことが好ましい。   Since the work function of the transparent electrode, which is the cathode, is approximately −5.0 to −4.0 eV, the built-in potential is necessary for the carriers generated in the bulk heterojunction photoelectric conversion layer to diffuse and reach each electrode. That is, it is preferable that the work function difference between the anode and the cathode is as large as possible.

したがって、アノードの導電材としては、仕事関数の大きい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。このような電極物質の具体例としては、金、銀、銅、白金、ロジウム、インジウム、ニッケル、パラジウム等が挙げられる。   Therefore, as the conductive material for the anode, a material having a work function (4 eV or less) metal, alloy, electrically conductive compound and a mixture thereof as an electrode material is used. Specific examples of such an electrode material include gold, silver, copper, platinum, rhodium, indium, nickel, palladium, and the like.

これらの中で、正孔の取り出し性能、光の反射率、及び酸化等に対する耐久性の点から、銀が最も好ましい。   Among these, silver is most preferable from the viewpoints of hole extraction performance, light reflectance, and durability against oxidation.

カソードはこれらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。   The cathode can be produced by forming a thin film of these electrode materials by a method such as vapor deposition or sputtering. The film thickness is usually selected in the range of 10 nm to 5 μm, preferably 50 to 200 nm.

また、アノード側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等のアノードに適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、上記透明電極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性アノードとすることができる。   In addition, when the anode side is made light transmissive, for example, a conductive material suitable for the anode such as aluminum and aluminum alloy, silver and silver compound is made thin with a film thickness of about 1 to 20 nm, and then the transparent electrode A light-transmitting anode can be obtained by providing the conductive light-transmitting material film mentioned in the description.

なお上記は耐久性向上に有利な、いわゆる逆層型素子とするための第2の電極材料に好ましい材料を記載したが、いわゆる順層型(第1の電極がアノードで第2の電極がカソード)とするためには、前述のように第1電極と第2の電極の仕事関数の関係を逆転させればよいが、実質的に透明な電極は種類が限られておりその仕事関数は比較的深いものが多いため、実際には第2の電極側に仕事関数の浅い(−4.0eV未満)金属を使用することで順層型の有機薄膜太陽電池とすることができる。そのような金属としては、たとえば、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、リチウム、ナトリウム、カリウム等である。一般的には反射率が高く導電性の高いアルミニウムが使用される。また、第2電極は、透明な電極であっても良い。「透明な」とは、前述の第1電極の記載と同様の意味を有する。   In the above description, preferred materials for the second electrode material for making a so-called reverse layer type element, which is advantageous for improving durability, have been described. ), The relationship between the work functions of the first electrode and the second electrode may be reversed as described above, but the types of substantially transparent electrodes are limited, and the work functions are compared. In many cases, a deep layer organic thin film solar cell can be obtained by using a metal having a shallow work function (less than −4.0 eV) on the second electrode side. Examples of such metal include aluminum, calcium, magnesium, lithium, sodium, potassium, and the like. In general, aluminum having high reflectivity and high conductivity is used. Further, the second electrode may be a transparent electrode. “Transparent” has the same meaning as described above for the first electrode.

〔中間電極〕
また、前記図3のような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、前記アノードで用いたような材料(ITO、AZO、FTO、SnO、ZnO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au、Pt等の非常に薄い金属層または金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等のナノワイヤやナノ粒子を含有する層、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。
[Intermediate electrode]
Further, the material of the intermediate electrode required in the case of the tandem configuration as shown in FIG. 3 is preferably a layer using a compound having both transparency and conductivity. Transparent metal oxides such as ITO, AZO, FTO, SnO 2 , ZnO and titanium oxide, very thin metal layers such as Ag, Al, Au and Pt, or layers containing nanowires and nanoparticles such as metal nanowires and carbon nanotubes PEDOT: PSS, conductive polymer materials such as polyaniline, etc.) can be used.

なお、前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。   In addition, in the hole transport layer and the electron transport layer described above, there is also a combination that works as an intermediate electrode (charge recombination layer) by appropriately combining and laminating. Is preferable.

〔透明な基板〕
本発明において、基板は透明な基板であるが、「透明な」とは前述の第1電極の記載と同様の意味を有する。
[Transparent substrate]
In the present invention, the substrate is a transparent substrate, but “transparent” has the same meaning as described for the first electrode.

基板としては、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。   As the substrate, for example, a glass substrate, a resin substrate, and the like are preferably exemplified, but it is desirable to use a transparent resin film from the viewpoint of lightness and flexibility. There is no restriction | limiting in particular in the transparent resin film which can be preferably used as a transparent substrate by this invention, The material, a shape, a structure, thickness, etc. can be suitably selected from well-known things.

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。   For example, polyolefins such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyester resin film such as modified polyester, polyethylene (PE) resin film, polypropylene (PP) resin film, polystyrene resin film, cyclic olefin resin, etc. Resin films, vinyl resin films such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride, polyether ether ketone (PEEK) resin films, polysulfone (PSF) resin films, polyether sulfone (PES) resin films, polycarbonate (PC) resin films , Polyamide resin film, polyimide resin film, acrylic resin film, triacetyl cellulose (TAC) resin film, and the like. If the resin film transmittance of 80% or more in from zero to eight hundred nanomolar), can be preferably applied to a transparent resin film according to the present invention.

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。   Among them, from the viewpoint of transparency, heat resistance, ease of handling, strength and cost, it is preferably a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, a biaxially stretched polyethylene naphthalate film, a polyethersulfone film, or a polycarbonate film. More preferred are a stretched polyethylene terephthalate film and a biaxially stretched polyethylene naphthalate film.

本発明に用いられる透明基板には、塗布液の濡れ性や接着性を確保するために、表面処理を施すことや易接着層を設けることができる。表面処理や易接着層については従来公知の技術を使用できる。例えば、表面処理としては、コロナ放電処理、火炎処理、紫外線処理、高周波処理、グロー放電処理、活性プラズマ処理、レーザー処理等の表面活性化処理を挙げることができる。また、易接着層としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ビニル系共重合体、ブタジエン系共重合体、アクリル系共重合体、ビニリデン系共重合体、エポキシ系共重合体等を挙げることができる。   The transparent substrate used in the present invention can be subjected to a surface treatment or an easy adhesion layer in order to ensure the wettability and adhesiveness of the coating solution. A conventionally well-known technique can be used about a surface treatment or an easily bonding layer. For example, the surface treatment includes surface activation treatment such as corona discharge treatment, flame treatment, ultraviolet treatment, high frequency treatment, glow discharge treatment, active plasma treatment, and laser treatment. Examples of the easy adhesion layer include polyester, polyamide, polyurethane, vinyl copolymer, butadiene copolymer, acrylic copolymer, vinylidene copolymer, and epoxy copolymer.

また、酸素及び水蒸気の透過を抑制する目的で、透明基板にはバリアコート層が予め形成されていてもよいし、透明導電層を転写する反対側にはハードコート層が予め形成されていてもよい。   Further, for the purpose of suppressing the permeation of oxygen and water vapor, a barrier coat layer may be formed in advance on the transparent substrate, or a hard coat layer may be formed in advance on the opposite side to which the transparent conductive layer is transferred. Good.

〔光学機能層〕
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、カソードで反射した光を散乱させて再度発電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。
(Optical function layer)
The organic photoelectric conversion element of the present invention may have various optical functional layers for the purpose of more efficient reception of sunlight. As the optical functional layer, for example, a light condensing layer such as an antireflection film or a microlens array, a light diffusing layer that can scatter the light reflected by the cathode and enter the power generation layer again may be provided. .

反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。屈折率を調整する方法としては、酸化錫ゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。   Various known antireflection layers can be provided as the antireflection layer. For example, when the transparent resin film is a biaxially stretched polyethylene terephthalate film, the refractive index of the easy adhesion layer adjacent to the film is 1.57. It is more preferable to set it to ˜1.63 because the interface reflection between the film substrate and the easy adhesion layer can be reduced and the transmittance can be improved. The method of adjusting the refractive index can be carried out by appropriately adjusting the ratio of the oxide sol having a relatively high refractive index such as tin oxide sol or cerium oxide sol and the binder resin. The easy adhesion layer may be a single layer, but may be composed of two or more layers in order to improve adhesion.

集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。   As the condensing layer, for example, it is processed so as to provide a structure on the microlens array on the sunlight receiving side of the support substrate, or the amount of light received from a specific direction is increased by combining with a so-called condensing sheet. Conversely, the incident angle dependency of sunlight can be reduced.

マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。   As an example of the microlens array, quadrangular pyramids having a side of 30 μm and an apex angle of 90 degrees are two-dimensionally arranged on the light extraction side of the substrate. One side is preferably 10 to 100 μm. If it becomes smaller than this, the effect of diffraction will generate | occur | produce and color, and if too large, thickness will become thick and is not preferable.

また、光散乱層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤ等を無色透明なポリマーに分散した層等を挙げることができる。   Examples of the light scattering layer include various antiglare layers, layers in which nanoparticles or nanowires such as metals or various inorganic oxides are dispersed in a colorless and transparent polymer, and the like.

〔パターニング〕
本発明に係る各々の電極、光電変換層や、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。
[Patterning]
The method and process for patterning each electrode, photoelectric conversion layer, hole transport layer, electron transport layer and the like according to the present invention are not particularly limited, and known methods can be appropriately applied.

光電変換層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取ってもよいし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしてもよい。   If it is a soluble material such as a photoelectric conversion layer and a transport layer, only unnecessary portions may be wiped after the entire surface of die coating, dip coating, etc., or patterning is directly performed at the time of coating using a method such as an ink jet method or screen printing. May be.

電極材料等の不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着を行ったり、エッチングまたはリフトオフ等の公知の方法によってパターニングしたりすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成してもよい。   In the case of an insoluble material such as an electrode material, the electrode can be subjected to mask vapor deposition during vacuum deposition or patterned by a known method such as etching or lift-off. Alternatively, the pattern may be formed by transferring a pattern formed on another substrate.

〔太陽電池〕
本発明の太陽電池は、上記の有機光電変換素子を有する。
[Solar cell]
The solar cell of this invention has said organic photoelectric conversion element.

本発明の太陽電池は、上記有機光電変換素子を具備し、太陽光に最適の設計並びに回路設計が行われ、太陽光を光源として用いたときに最適な光電変換が行われるような構造を有する。   The solar cell of the present invention comprises the above-described organic photoelectric conversion element, has a structure in which optimum design and circuit design are performed for sunlight, and optimum photoelectric conversion is performed when sunlight is used as a light source. .

即ち、光電変換層に太陽光が照射されうる構造となっており、本発明の太陽電池を構成する際には、前記光電変換層及び各々の電極をケース内に収納して封止するか、あるいはそれら全体を樹脂封止することが好ましい。   That is, the photoelectric conversion layer has a structure that can be irradiated with sunlight, and when the solar cell of the present invention is configured, the photoelectric conversion layer and each electrode are housed in a case and sealed, Alternatively, it is preferable to seal them entirely with resin.

封止の方法としては、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。   As a sealing method, since the produced organic photoelectric conversion element is not deteriorated by oxygen, moisture, etc. in the environment, it is preferable to seal not only the organic photoelectric conversion element but also an organic electroluminescence element by a known method. .

例えば、アルミまたはガラスで出来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、酸化珪素、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(酸化珪素、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。   For example, a method of sealing a cap made of aluminum or glass by bonding with an adhesive, a plastic film on which a gas barrier layer such as aluminum, silicon oxide, or aluminum oxide is formed and an organic photoelectric conversion element are pasted with an adhesive. Method, spin coating of organic polymer material with high gas barrier property (polyvinyl alcohol, etc.), inorganic thin film with high gas barrier property (silicon oxide, aluminum oxide, etc.) or organic film (parylene etc.) are deposited under vacuum. Examples thereof include a method and a method of laminating these in a composite manner.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

(電子輸送層液の調製)
(電子輸送層溶液ETL−1の調製)
Tiイソプロポキシド7.0mgをエタノール1mlに入れ、室温で1日中撹拌することにより、ETL−1を調製した。
(Preparation of electron transport layer solution)
(Preparation of electron transport layer solution ETL-1)
ETL-1 was prepared by placing 7.0 mg of Ti isopropoxide in 1 ml of ethanol and stirring at room temperature throughout the day.

(電子輸送層液ETL−2の調製)
Tiイソプロポキシドに対して、10質量%のCsCOを添加した以外はETL−1と同様にしてETL−2を調製した。
(Preparation of electron transport layer liquid ETL-2)
ETL-2 was prepared in the same manner as ETL-1, except that 10% by mass of CsCO 3 was added to Ti isopropoxide.

(電子輸送層液ETL−3の調製)
イソプロパノール1mlにポリエチレンイミン(PEI)20mgと、グリセロールプロポキシレートトリグリシジルエーテル20mgを混合し、30分間撹拌することによりETL−3を調製した。
(Preparation of electron transport layer liquid ETL-3)
ETL-3 was prepared by mixing 20 mg of polyethyleneimine (PEI) and 20 mg of glycerol propoxylate triglycidyl ether in 1 ml of isopropanol and stirring for 30 minutes.

(電子輸送層液ETL−4の調製)
ポリエチレンイミンに対し、5質量%のHCOONaを添加した以外はETL−3と同様にしてETL−4を調製した。
(Preparation of Electron Transport Layer Liquid ETL-4)
ETL-4 was prepared in the same manner as ETL-3 except that 5% by mass of HCOONa was added to polyethyleneimine.

(電子輸送層液ETL−5〜ETL−9の調製)
電子輸送層液に添加する金属化合物の種類を下記の表1のように変更した以外はETL−4と同様にしてETL−5〜ETL−9までそれぞれ調製した。
(Preparation of electron transport layer liquids ETL-5 to ETL-9)
ETL-5 to ETL-9 were prepared in the same manner as ETL-4, except that the type of metal compound added to the electron transport layer solution was changed as shown in Table 1 below.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

(正孔輸送層液の調製)
(正孔輸送層溶液HTL−1の調製)
導電性高分子及びポリアニオンからなるPEDOT−PSS(CLEVIOS(登録商標) P VP AI 4083、ヘレオス株式会社製、導電率1×10−3S/cm)を等量のイソプロパノールで希釈した液を1時間撹拌し、HTL−1を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution)
(Preparation of hole transport layer solution HTL-1)
A solution obtained by diluting PEDOT-PSS (CLEVIOS (registered trademark) PVP AI 4083, manufactured by Helios Co., Ltd., conductivity 1 × 10 −3 S / cm) composed of a conductive polymer and a polyanion with an equal amount of isopropanol for 1 hour. Stir to prepare HTL-1.

(正孔輸送層液HTL−2の調製)
PEDOT:PPSに対して1質量%の紫外線硬化型シランカップリング剤Threebond3101(スリーボンド社製、紫外線硬化型)を加えた以外はHTL−1と同様にしてHTL−2を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution HTL-2)
HTL-2 was prepared in the same manner as HTL-1, except that 1% by mass of UV curable silane coupling agent Threebond 3101 (manufactured by ThreeBond Co., Ltd., UV curable) was added to PEDOT: PPS.

(正孔輸送層液HTL−3の調製)
PEDOT:PSSに対して5mgのトリメチロールプロパントリグリシジルエーテル(TMPTGE)および5mgのトリエチレンテトラミン(TETA)を加えた以外はHTL−1と同様にしてHTL−3を調製した。
(Preparation of hole transport layer liquid HTL-3)
HTL-3 was prepared in the same manner as HTL-1, except that 5 mg of trimethylolpropane triglycidyl ether (TMPTGE) and 5 mg of triethylenetetramine (TETA) were added to PEDOT: PSS.

(正孔輸送層液HTL−4の調製)
PEDOT:PSSに対して5質量%のTiO微粒子(TECNAN社製TiOナノパウダー:品番TECNANPOW−TiO)を加えた以外はHTL−3と同様にしてHTL−4を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution HTL-4)
HTL-4 was prepared in the same manner as HTL-3 except that 5% by mass of TiO 2 fine particles (TiO 2 nanopowder manufactured by TECNAN, product number: TECNANPOW-TiO 2 ) was added to PEDOT: PSS.

(正孔輸送層液HTL−5の調製)
正孔輸送層液に添加する金属化合物を5質量%のNbに変更した以外はHTL−4と同様にしてHTL−5を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution HTL-5)
HTL-5 was prepared in the same manner as HTL-4 except that the metal compound added to the hole transport layer solution was changed to 5 % by mass of Nb 2 O 5 .

(正孔輸送層液HTL−6の調製)
正孔輸送層液に添加する重合剤をPEDOT:PPSに対して1質量%のThreebond3101に変更した以外はHTL−5と同様にしてHTL−6を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution HTL-6)
HTL-6 was prepared in the same manner as HTL-5 except that the polymerization agent added to the hole transport layer solution was changed to 1% by weight of Threebond 3101 with respect to PEDOT: PPS.

(正孔輸送層液HTL−7〜HTL−8の調製)
正孔輸送層液に添加する金属化合物を下記の表2にあるように変更した以外はHTL−4と同様にしてHTL−7〜HTL−8を調製した。
(Preparation of hole transport layer solutions HTL-7 to HTL-8)
HTL-7 to HTL-8 were prepared in the same manner as HTL-4, except that the metal compound added to the hole transport layer solution was changed as shown in Table 2 below.

(正孔輸送層液HTL−9の調製)
PEDOT:PPSに対して5質量%のMoOを加えた以外はHTL−1と同様にしてHTL−9を調製した。
(Preparation of hole transport layer solution HTL-9)
PTLOT: HTL-9 was prepared in the same manner as HTL-1, except that 5% by mass of MoO 3 was added to PPS.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

〔仕事関数の測定〕
ITO基板上に電子輸送層は5nm程度、正孔輸送層は100nm程度の膜厚になるように塗布したサンプルを作製し150℃で10分間加熱処理した後、紫外光電子分光法(UPS)を利用した仕事関数測定法に従って仕事関数を測定した。
[Measurement of work function]
A sample coated on an ITO substrate with a thickness of about 5 nm for the electron transport layer and about 100 nm for the hole transport layer is prepared, heat treated at 150 ° C. for 10 minutes, and then used for ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). The work function was measured according to the work function measurement method.

〔逆層構成型光電変換素子SC−101の作製〕
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を150nm堆積したもの(シート抵抗12Ω/□)を、通常のフォトリソグラフィ技術と湿式エッチングとを用いて10mm幅にパターニングし、第1の電極を形成した。パターン形成した第1電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。これ以降は基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。
[Production of Reverse Layer Configuration Type Photoelectric Conversion Element SC-101]
A first indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 150 nm (sheet resistance 12 Ω / □) is patterned to a width of 10 mm using a normal photolithography technique and wet etching. The electrode was formed. The patterned first electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried by nitrogen blowing, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning. After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere.

この第1の電極上に、電子輸送層液ETL−1を乾燥膜厚が約5nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、ホットプレート上で120℃、1分間加熱処理をして、電子輸送層を製膜した。   On this 1st electrode, the electron carrying layer liquid ETL-1 was apply | coated and dried using the blade coater so that the dry film thickness might be set to about 5 nm. Thereafter, heat treatment was performed on a hot plate at 120 ° C. for 1 minute to form an electron transport layer.

次いで、o−ジクロロベンゼンに、p型有機半導体材料であるPCPDTBTを0.6質量%、n型有機半導体材料であるPC71BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E110)を1.2質量%で混合した溶液を調製し、オーブンで100℃に加熱しながら撹拌(60分間)してPCPDTBTとPC71BMを溶解した後、0.20μmのフィルタでろ過をかけながら、乾燥膜厚が約100nmになるようにブレードコーターを用いて塗布し、80℃で2分間乾燥して、光電変換層を製膜した。   Next, a solution obtained by mixing 0.6 mass% of PCPDTBT, which is a p-type organic semiconductor material, and 1.2 mass% of PC71BM, which is an n-type organic semiconductor material, with o-dichlorobenzene at a mass ratio of 1.2 mass%. Prepare and stir (60 minutes) while heating to 100 ° C. in an oven to dissolve PCPDTBT and PC71BM, and then apply a blade coater so that the dry film thickness is about 100 nm while filtering through a 0.20 μm filter. And then dried at 80 ° C. for 2 minutes to form a photoelectric conversion layer.

続いて、正孔輸送層として、HTL−1を乾燥膜厚が約100nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、ホットプレート上で150℃、10分間加熱処理して、正孔輸送層を形成した。   Subsequently, as a hole transport layer, HTL-1 was applied and dried using a blade coater so that the dry film thickness was about 100 nm. Then, it heated at 150 degreeC for 10 minute (s) on the hotplate, and the positive hole transport layer was formed.

次に、10mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、1×10−3Pa以下にまで真空蒸着装置内を減圧した後、蒸着速度0.5nm/秒でAgメタルを200nm積層して、第2の電極を形成した。得られた積層体を窒素チャンバーに移動し、2枚の凸版印刷製透明バリアフィルムGX(水蒸気透過率0.05g/m/d)の間に挟みこみ、UV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出し、受光部が約10×10mmサイズの有機光電変換素子SC−101を得た。 Next, the element was set so that the shadow mask with a width of 10 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum deposition apparatus was depressurized to 1 × 10 −3 Pa or less. A second electrode was formed by stacking 200 nm. The obtained laminate was moved to a nitrogen chamber and sandwiched between two relief printing transparent barrier films GX (water vapor transmission rate 0.05 g / m 2 / d), and UV curable resin (Nagase ChemteX Corporation). Manufactured, manufactured by UV RESIN XNR5570-B1) and then taken out into the atmosphere to obtain an organic photoelectric conversion element SC-101 having a light receiving portion of about 10 × 10 mm size.

〔光電変換素子SC−102の作製〕
有機光電変換素子SC−101の作製において、電子輸送層液をETL−2に変更した以外はSC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−102を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Element SC-102]
In production of the organic photoelectric conversion element SC-101, an organic photoelectric conversion element SC-102 was obtained in the same manner as SC-101 except that the electron transport layer liquid was changed to ETL-2.

〔光電変換素子SC−103の作製〕
有機光電変換素子SC−101の作製において、正孔輸送層液をHTL−2に変更し、UVランプを1分間照射して正孔輸送層を重合させた以外はSC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−103を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Element SC-103]
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, the hole transport layer solution was changed to HTL-2, and the same procedure as SC-101 was performed except that the hole transport layer was polymerized by irradiation with a UV lamp for 1 minute. Organic photoelectric conversion element SC-103 was obtained.

〔光電変換素子SC−104〜105の作製〕
有機光電変換素子SC−101の作製において、電子輸送層液と正孔輸送層液の組み合わせを以下の表3にあるように変更した以外はSC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−104〜105を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Elements SC-104 to 105]
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, an organic photoelectric conversion element SC-101 was prepared in the same manner as SC-101 except that the combination of the electron transport layer liquid and the hole transport layer liquid was changed as shown in Table 3 below. 104-105 were obtained.

〔光電変換素子SC−106の作製〕
有機光電変換素子SC−103の作製において、正孔輸送層液をHTL−6に変更し、UVランプを1分間照射して正孔輸送層を重合させた以外はSC−103と同様にして、有機光電変換素子SC−106を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Element SC-106]
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-103, the hole transport layer solution was changed to HTL-6, and the hole transport layer was polymerized by irradiating with a UV lamp for 1 minute. Organic photoelectric conversion element SC-106 was obtained.

〔光電変換素子SC−107〜110の作製〕
有機光電変換素子SC−101の作製において、電子輸送層液と正孔輸送層液の組み合わせを以下の表3にあるように変更した以外はSC−101と同様にして、有機光電変換素子SC−107〜110を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Elements SC-107 to 110]
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-101, an organic photoelectric conversion element SC-101 was prepared in the same manner as SC-101 except that the combination of the electron transport layer liquid and the hole transport layer liquid was changed as shown in Table 3 below. 107-110 were obtained.

〔有機光電変換素子の評価〕
(光電変換効率の評価)
上記の方法により作製し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/cmの強度の光を照射し、有効面積を4.0mmにしたマスクを受光部に重ね、短絡電流密度Jsc(mA/cm)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箇所の受光部についてそれぞれ測定し、平均値と最大値と最小値の差を求めた。また、Jsc、Voc、FFから下記数式1に従ってエネルギー変換効率η(%)を求めた。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
(Evaluation of photoelectric conversion efficiency)
The organic photoelectric conversion device manufactured by the above method is irradiated with light of 100 mW / cm 2 of solar simulator (AM1.5G filter), and a mask having an effective area of 4.0 mm 2 is overlaid on the light receiving portion, and short-circuited. The current density Jsc (mA / cm 2 ), the open circuit voltage Voc (V), and the fill factor (fill factor) FF were respectively measured for the four light receiving portions formed on the same element, and the average value, maximum value, and minimum value were measured. The difference was calculated. Further, the energy conversion efficiency η (%) was obtained from Jsc, Voc, and FF according to the following formula 1.

[数式1]
η(%)=Jsc(mA/cm)×Voc(V)×FF
評価の結果を下記の表1に示す。平均値の数字が大きい程エネルギー変換効率(光電変換効率)が良好であることを示す。また最大値と最小値の差が小さいほど安定な変換効率が得られていることを示す。
[Formula 1]
η (%) = Jsc (mA / cm 2 ) × Voc (V) × FF
The evaluation results are shown in Table 1 below. It shows that energy conversion efficiency (photoelectric conversion efficiency) is so favorable that the number of an average value is large. In addition, the smaller the difference between the maximum value and the minimum value, the more stable conversion efficiency is obtained.

(光電変換効率の耐久性評価)
光電変換効率の評価を行った有機光電変換素子を、陽極と陰極との間に抵抗を接続したまま80℃に加熱し、ソーラシュミレーター(AM1.5G)の光を10倍の1000mW/cmの照射強度で100h暴露し続けた。その後、有機光電変換素子を室温に冷却し、上記と同様に同素子上に形成した4箇所の受光部についてそれぞれ光電変換効率η(%)を求めた。下記数式2に従って変換効率の相対効率低下を算出した。
(Durability evaluation of photoelectric conversion efficiency)
The organic photoelectric conversion element for which the photoelectric conversion efficiency was evaluated was heated to 80 ° C. with a resistor connected between the anode and the cathode, and the light of a solar simulator (AM1.5G) was 10 times 1000 mW / cm 2 . Exposure continued for 100 hours at irradiation intensity. Thereafter, the organic photoelectric conversion element was cooled to room temperature, and the photoelectric conversion efficiency η (%) was determined for each of the four light receiving portions formed on the same element as described above. The relative efficiency reduction of the conversion efficiency was calculated according to the following formula 2.

[数式2]
変換効率の相対効率低下(%)=(1−暴露後の変換効率/暴露前の変換効率)×100
評価の結果を下記の表3に示す。平均値の数字が小さい程、エネルギー変換効率の耐久性(光電変換効率の耐久性)が良好であることを示す。
[Formula 2]
Reduction in relative efficiency of conversion efficiency (%) = (1−conversion efficiency after exposure / conversion efficiency before exposure) × 100
The evaluation results are shown in Table 3 below. It shows that durability of energy conversion efficiency (durability of photoelectric conversion efficiency) is so favorable that the number of an average value is small.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

本発明の構成により、高い変換効率と同時に高い耐久性が得られた。   With the configuration of the present invention, high durability was obtained at the same time as high conversion efficiency.

〔順層構成型光電変換素子SC−201の作製〕
ガラス基板上に、インジウム・スズ酸化物(ITO)透明導電膜を110nm堆積したもの(シート抵抗13Ω/□)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10mm幅にパターニングして、透明電極を形成した。
[Preparation of normal layer type photoelectric conversion element SC-201]
An indium tin oxide (ITO) transparent conductive film deposited on a glass substrate with a thickness of 110 nm (sheet resistance 13 Ω / □) is patterned to a width of 10 mm using ordinary photolithography technology and hydrochloric acid etching, and transparent An electrode was formed.

パターン形成した透明電極を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行った。   The patterned transparent electrode was washed in the order of ultrasonic cleaning with a surfactant and ultrapure water, followed by ultrasonic cleaning with ultrapure water, dried with nitrogen blow, and finally subjected to ultraviolet ozone cleaning.

次に、正孔輸送層として、HTL−1を乾燥膜厚が約50nmになるようにブレードコーターを用いて塗布乾燥した。その後、150℃のホットプレートで10分間加熱処理して、正孔輸送層を形成した。   Next, as a hole transport layer, HTL-1 was applied and dried using a blade coater so that the dry film thickness was about 50 nm. Then, it heat-processed for 10 minutes with a 150 degreeC hotplate, and formed the positive hole transport layer.

これ以降は基板をグローブボックス中に持ち込み、窒素雰囲気下で作業した。まず、窒素雰囲気下で上記基板を140℃で3分間加熱処理した。   After this, the substrate was brought into the glove box and operated under a nitrogen atmosphere. First, the substrate was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere.

次いで、o−ジクロロベンゼンに、p型有機半導体材料であるPCDTBTを0.6質量%、n型有機半導体材料であるPC71BM(フロンティアカーボン製nanom spectra E110)を1.2質量%で混合した溶液を調製し、オーブンで100℃に加熱しながら撹拌(60分間)してPCDTBTとPC71BMを溶解した後、0.20μmのフィルタでろ過をかけながら、700rpmで60秒、次いで2000rpmで2秒間のスピンコートを行い、100nmの膜厚の光電変換層を得た。その後120℃、5分のアニール処理を施して、光電変換層を形成した。   Next, a solution obtained by mixing PCDTBT, which is a p-type organic semiconductor material, with 0.6 mass% and PC71BM, which is an n-type organic semiconductor material, with 1.2 mass% in o-dichlorobenzene. Prepare and stir while heating to 100 ° C in an oven (60 minutes) to dissolve PCDTBT and PC71BM, then filter through a 0.20 µm filter, spin coat at 700 rpm for 60 seconds, then 2000 rpm for 2 seconds And a photoelectric conversion layer having a thickness of 100 nm was obtained. Thereafter, an annealing treatment was performed at 120 ° C. for 5 minutes to form a photoelectric conversion layer.

次に、上記光電変換層を成膜した基板を真空蒸着装置内に設置した。そして、10mm幅のシャドウマスクが透明電極と直交するように素子をセットし、10−3Pa以下にまでに真空蒸着機内を減圧した後、バソキュプロイン(BCP)を10nm蒸着し電子輸送層を形成した後、Alを80nm蒸着して、第2の電極を形成した。蒸着速度はいずれも2nm/秒とした。 Next, the substrate on which the photoelectric conversion layer was formed was placed in a vacuum evaporation apparatus. Then, the element was set so that the shadow mask with a width of 10 mm was orthogonal to the transparent electrode, and the inside of the vacuum vapor deposition machine was depressurized to 10 −3 Pa or less, and then 10 nm of bathocuproine (BCP) was deposited to form an electron transport layer. Thereafter, Al was evaporated to 80 nm to form a second electrode. The vapor deposition rate was 2 nm / second.

得られた有機光電変換素子を、窒素雰囲気下でアルミニウムキャップとUV硬化樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、UV RESIN XNR5570−B1)を用いて封止を行った後に大気下に取り出し、受光部が10mm角のサイズの有機光電変換素子SC−201を得た。   The obtained organic photoelectric conversion element was sealed with an aluminum cap and a UV curable resin (manufactured by Nagase ChemteX Corporation, UV RESIN XNR5570-B1) in a nitrogen atmosphere, and then taken out into the atmosphere. An organic photoelectric conversion element SC-201 having a size of 10 mm square was obtained.

〔光電変換素子SC−202、203の作製〕
有機光電変換素子SC−201の作製において、正孔輸送層液の組み合わせを以下の表4にあるように変更した以外はSC−201と同様にして、有機光電変換素子SC−202、203を得た。
[Production of Photoelectric Conversion Elements SC-202 and 203]
In the production of the organic photoelectric conversion element SC-201, organic photoelectric conversion elements SC-202 and 203 were obtained in the same manner as SC-201 except that the combination of the hole transport layer liquids was changed as shown in Table 4 below. It was.

〔有機光電変換素子の評価〕
SC−101と同様の評価を行い、その結果を表4に示した。
[Evaluation of organic photoelectric conversion elements]
Evaluation similar to that of SC-101 was performed, and the results are shown in Table 4.

Figure 2013026432
Figure 2013026432

本発明の構成により、高い変換効率と同時に高い耐久性が得られた。   With the configuration of the present invention, high durability was obtained at the same time as high conversion efficiency.

10 バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子
11 基板
12 透明電極
13 対電極
14 光電変換層
14′ 第1の光電変換層
15 電荷再結合層
16 第2の光電変換層
17 正孔輸送層
18 電子輸送層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Bulk heterojunction type organic photoelectric conversion element 11 Substrate 12 Transparent electrode 13 Counter electrode 14 Photoelectric conversion layer 14 '1st photoelectric conversion layer 15 Charge recombination layer 16 2nd photoelectric conversion layer 17 Hole transport layer 18 Electron transport layer 18

Claims (8)

第1の電極と第2の電極の間に光電変換層と、正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方を有する有機光電変換素子において、該正孔輸送層または電子輸送層の少なくとも一方が、金属化合物の存在下に重合処理された有機化合物を含有することを特徴とする有機光電変換素子。 In the organic photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer and at least one of a hole transport layer or an electron transport layer between the first electrode and the second electrode, at least one of the hole transport layer or the electron transport layer is An organic photoelectric conversion element comprising an organic compound polymerized in the presence of a metal compound. 前記金属化合物が金属塩または金属酸化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。 The organic photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the metal compound is a metal salt or a metal oxide. 前記重合処理において、処理方法は熱重合であることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機光電変換素子。 The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein in the polymerization treatment, the treatment method is thermal polymerization. 前記正孔輸送層に含有されている金属酸化物はVまたはMoの金属塩または金属酸化物であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 4. The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the metal oxide contained in the hole transport layer is a metal salt or metal oxide of V or Mo. 5. 前記電子輸送層に含有されている金属塩はCs、Liの金属塩であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 4. The organic photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the metal salt contained in the electron transport layer is a metal salt of Cs and Li. 5. 前記正孔輸送層が金属酸化物を含有している層であり、前記電子輸送層が金属塩を含有している層であり、かつ両方の層がそれぞれ重合処理された有機化合物を含有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の有機光電変換素子。 The hole transport layer is a layer containing a metal oxide, the electron transport layer is a layer containing a metal salt, and both layers each contain a polymerized organic compound. The organic photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein 前記第1の電極がカソードであり、前記第2の電極がアノードである請求項1〜6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有機太陽電池。 The organic solar cell comprising the organic photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the first electrode is a cathode and the second electrode is an anode. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機光電変換素子を製造する有機光電変換素子の製造方法であって、金属化合物と反応性基を有する化合物の存在下で重合処理することを特徴とする有機光電変換素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the organic photoelectric conversion element which manufactures the organic photoelectric conversion element of any one of Claims 1-6, Comprising: It superposes | polymerizes in presence of the compound which has a metal compound and a reactive group. The manufacturing method of the organic photoelectric conversion element made into.
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