JP2013521634A - 有機太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
互いに反対側にある第1の表面及び第2の表面を有する透明絶縁層を提供する工程と、
前記透明絶縁層の第1の表面上に、透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に、少なくとも、電子供与体材料と電子受容体材料とを混合してなる混合ヘテロ接合構造を含む光増感層を形成する工程と、
前記光増感層上に、光反射性電極を形成する工程と、
前記透明絶縁層の第2の表面上に、スペクトルに対しアップコンバージョン機能を有するアップコンバージョン材料を含むアップコンバージョン構造を形成して、透明絶縁層を前記透明電極とアップコンバージョン構造との間に位置させる工程と、
を含むことを特徴とする。
以下、図面及び実施形態に基づいて、本発明を更に具体的に説明する。
S01:互いに反対側にある第1の表面及び第2の表面を有する透明絶縁層を提供する工程と、
S02:透明絶縁層の第1の表面上に、透明電極を形成する工程と、
S03:透明電極上に、少なくとも、電子供与体材料と電子受容体材料とを混合してなる混合ヘテロ接合構造を含む光増感層を形成する工程と、
S04:光増感層上に、光反射性電極を形成する工程と、
S05:透明絶縁層の第2の表面上に、スペクトルに対しアップコンバージョン機能を有するアップコンバージョン材料を含むアップコンバージョン構造を形成して、透明絶縁層を透明電極とアップコンバージョン構造との間に位置させる工程と、
を含むことを特徴とする。
本実施例の構造は図1を参照する。その中で、光反射性電極11はアルミ(Al)薄膜電極を用い、第1のバッファ層12はLiF薄膜を用い、光増感層13はP3HT:PC70BMポリマー混合体ヘテロ接合薄膜を用い、第2のバッファ層15はPEDOT:PSSポリマー薄膜を用いる。透明電極16はITOストライプ電極を用い、かつ、可視光領域の透過率が85%より大きい。透明絶縁層17は石英ガラスを用い、アップコンバージョン構造18はYb3+/Er3+を共ドープしたフッ化イットリウムナトリウム薄膜を用い、各層の厚さは、以下の製造方法に記載する通りである。
(1) 石英ガラスをサブマウントとし、スパッタリング法により、石英ガラスの一側面に、1層のITO導電薄膜をメッキした。石英ガラスの厚さは約1.1mmであり、ITO薄膜の厚さは約110nmであり、そのシート抵抗は15〜17Ω/□である。
(2) フォトリソグラフィ一法により、ITO導電薄膜を所望のストライプ電極パターンにエッチングして陽極とし、かつ、ITO電極板を製作した。
(3) ITO電極板の全体を、無水メタノール、アセトンでスクラブ洗浄し、そして無水メタノール中で1〜1.5時間の超音波洗浄を行い、その後、ITO電極板を150℃(摂氏度)の高温炉内に入れて15分間ベーキングして、ITO電極板表面の前処理を行った。
(4) スピンコート法を用いて、ITO電極板上にPEDOT:PSS薄膜を、スピンコート回転速度5000rpmで薄膜の厚さが35nm程度になるようにスピンコートし、スピンコートした後の産物をオーブンに入れて、90℃で25分間ベーキングした。
(5) P3HT:PC70BM混合薄膜を湿式で作成するための溶媒として、クロロホルム5mlを用い、ここで、P3HT及びPC70BMの質量比が1:0.8であり、P3HTのクロロホルム溶液における質量比濃度が1wt%であり、PC70BMのクロロホルム溶液における質量比濃度が0.8wt%である。配合した溶液を、マグネチックスターラーで十分に撹拌・溶解しておき、スピンコートによる湿式製膜に用いる。
(6) PEDOT:PSS薄膜上に、スピンコート法により、前記の工程(5)で配合したPC70BM溶液及びP3HT溶液をスピンコートして、P3HT:PC70BM光増感層を作成した。スピンコートの回転速度は1500rpmであり、その薄膜の厚さは150nm程度である。
(7) 工程(6)で形成した産物を真空オーブン内に入れて、80℃の温度で10分間ベーキングした後に取り出した。
(8) 工程(7)で形成した生成物を、真空度10-6Pa以上の真空蒸着室内に転送した。P3HT:PC70BM混合光増感層上に、真空蒸着法により、フッ化リチウム(LiF)薄膜を形成し、ここで、フッ化リチウム薄膜の厚さは0.5nmであり、蒸着成長速度は0.005nm/sである。
(9) LiF薄膜上に、ストライプ電極のマスク板を介して、120nm厚さのアルミニウム・ストライプ電極を真空蒸着して、ポリマー太陽電池の陰極とした。
(10) 石英ガラスのメッキされていない側の面に、ゾル−ゲル法により、Yb3+/Er3+を共ドープしたフッ化イットリウム・ナトリウム薄膜を1層形成し、最後に、構造全体において、外部バイアス電圧2.5VをITO陽極に印加し、同時に、160℃で5分間アニールすることで、本実施例の有機太陽電池10を実現した。
本実施例の構造は図2を参照する。その中で、光反射性電極11は酸化亜鉛(ZnO)薄膜電極を用い、第1のバッファ層12はAlq3薄膜を用い、第1の光増感層23aはC60薄膜を用い、第3の光増感層23cはCuPcフタロシアニン銅及びC60により混合蒸着された混合体ヘテロ接合薄膜を用い、第2の光増感層23bはCuPcフタロシアニン銅薄膜を用い、第2のバッファ層15はPEDOT:PSSポリマー薄膜を用いる。また、透明電極16はITOストライプ電極を用い、そのシート抵抗は15Ω/□であり、かつ、可視光領域の透過率が85%より大きい。透明絶縁層17は石英ガラスを用い、アップコンバージョン構造18はYb3+/Er3+を共ドープしたフッ化イットリウムナトリウム薄膜を用い、各層の厚さは、以下の製造方法に記載する通りである。
(1) 石英ガラスをサブマウントとし、スパッタリング法により、石英ガラスの一側の面に、ITO導電薄膜を1層メッキした。ここで、石英ガラスの厚さは1.1mmであり、サイズは37cm×48cmである。
(2) ITO導電薄膜を、フォトリソグラフィ一法により所望のストライプ電極パターンにエッチングして、太陽電池の陽極とした。
(3) スピンコート法を用いて、ITO透明電極上にPEDOT:PSS薄膜をスピンコートし、そのスピンコート産物をオーブンに入れて、85℃で25分間ベーキングした。
(4) スピンコート産物をオーブンから取り出して、真空度10−8Torr程度の真空蒸着システムの成長チャンバーに転送し、真空蒸着方式により、成長速度0.3nm/sで、厚さ20nmのCuPcフタロシアニン銅の電子供与体層を成長させた。
(5) CuPc薄膜上に、体積比1:0.5でCuPc及びC60を混合して混合蒸着層を成長させ、ここで、CuPcの成長速度は0.3nm/sであり、C60の成長速率は0.15nm/sであり、その混合蒸着層の厚さは10nmであった。このように、供与体及び受容体材料の混合ヘテロ接合構造を形成した。
(6) CuPc薄膜上に、成長速度0.4nm/sで厚さ35nmのC60電子受容体層を真空蒸着した。
(7) C60薄膜上に、成長速度0.2nm/sで厚さ5nmのトリス(8−ヒドロキシキノリナト)アルミニウム(Alq3)を真空蒸着した。
(8) Alq3薄膜の上に、ストライプマスク板を介して、厚さ110nmの酸化亜鉛ストライプ電極を真空蒸着した。
(9) 石英ガラスのメッキされていない側の面に、ゾル−ゲル法により、Yb3+/Er3+を共ドープしたフッ化イットリウム・ナトリウム薄膜を1層形成し、最後に、構造全体に対し115℃で15分間アニールすることで、本実施例の有機太陽電池20を実現した。
Claims (14)
- 光反射性電極、前記光反射性電極上に位置する光増感層、前記光増感層上に位置する透明電極を備える有機太陽電池であって、
さらに、前記透明電極上に位置するアップコンバージョン構造、及び前記透明電極と前記アップコンバージョン構造との間に位置する透明絶縁層を備え、
前記アップコンバージョン構造は、スペクトルに対してアップコンバージョン機能を有するアップコンバージョン材料を含み、
前記光増感層は、少なくとも、電子供与体材料と電子受容体材料とを混合してなる混合ヘテロ接合構造を備えることを特徴とする、有機太陽電池。 - 前記アップコンバージョン材料が、希土類イオンを単一ドープ又は二重ドープしたハロゲン化物、酸化物、硫化物、又はそれらの組成物であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。
- 前記アップコンバージョン材料が、希土類イオンを単一ドープ又は二重ドープしたBaY2F8、KZnF3、NaYF4、NaYb(WO4)2、Ga2S3−La2O3、Y2O3、Gd2O3、ZrO2、ZnO、BaTiO3、ZrF2−SiO2、又はZnO−SiO2であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。
- 前記単一ドープ又は二重ドープした希土類イオンが、Er3+、Ho3+、Tm3+、Pr3+、Yb3+/Ho3+、Yb3+/Tm3+、Yb3+/Pr3+、Yb3+/Er3+、又はTb3+/Er3+であることを特徴とする、請求項2又は請求項3に記載の有機太陽電池。
- 前記アップコンバージョン構造が、前記アップコンバージョン材料の薄膜、又は酸化物薄膜を用いてアップコンバージョン材料を被覆した複合構造であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。
- 前記光増感層は、さらに第1の光増感層及び第2の光増感層を含み、
前記混合ヘテロ接合構造は第3の光増感層であり、かつ、前記第1の光増感層と第2の光増感層との間に挟まれ、
前記第1の光増感層は、前記混合ヘテロ接合構造における電子供与体材料を含み、
前記第2の光増感層は、前記混合ヘテロ接合構造における電子受容体材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - さらに、前記光反射性電極と光増感層との間に位置する第1のバッファ層、及び前記光増感層と透明電極との間に位置する第2のバッファ層を含み、
前記第1のバッファ層、第2のバッファ層の材料は、ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸複合材料、チタンの酸化物、BCP、Alq3、又はLiFから選ばれたものであることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - 前記光増感層の電子供与体材料は、ポリ(バラフェニレンビニレン)もしくはその誘導体、ポリチオフェン材料、ポリフルオレン材料、ポリカルバゾール材料、ポリシクロペンタジチオフェン材料、又はキノキサリン、チエノピロール及びチエノピラジンの単位を含有するポリマーから選択され、
前記光増感層の電子受容体材料はペリレンポリイミド材料であり、
前記の各バッファ層の材料は、ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸複合材料であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - 前記光増感層の電子供与体材料は、フタロシアニン染料、ペンタセン、ポルフィリン化合物、又はシアニン染料から選ばれたものであり、
前記光増感層の電子受容体材料は、テトラカルボキシルペリレン誘導体、C60、C70、ペリレン、又はペリレン誘導体から選ばれたものであり、
前記の各バッファ層の材料は、チタンの酸化物、BCP、Alq3、又はLiFから選ばれたものであることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - 互いに反対側にある第1の表面及び第2の表面を有する透明絶縁層を提供する工程と、
前記透明絶縁層の第1の表面上に、透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に、少なくとも、電子供与体材料と電子受容体材料とを混合してなる混合ヘテロ接合構造を含む光増感層を形成する工程と、
前記光増感層上に、光反射性電極を形成する工程と、
前記透明絶縁層の第2の表面上に、スペクトルに対しアップコンバージョン機能を有するアップコンバージョン材料を含むアップコンバージョン構造を形成して、透明絶縁層を前記透明電極とアップコンバージョン構造との間に位置させる工程と、
を含むことを特徴とする、有機太陽電池の製造方法。 - 前記光増感層は、さらに第1の光増感層及び第2の光増感層を含み、
前記混合ヘテロ接合構造は第3の光増感層であり、かつ、前記第1の光増感層と第2の光増感層との間に挟まれ、
前記第1の光増感層は、前記混合ヘテロ接合構造における電子供与体材料を含み、
前記第2の光増感層は、前記混合ヘテロ接合構造における電子受容体材料を含むことを特徴とする、請求項10に記載の有機太陽電池の製造方法。 - 前記3層の光増感層が、いずれも、スピンコート法、又は真空メッキ法から選ばれる1つの方法により形成されることを特徴とする、請求項11に記載の有機太陽電池の製造方法。
- 前記アップコンバージョン構造は、ゾル−ゲル法により、前記アップコンバージョン材料を前記透明絶縁層の第2の表面に成長させることで形成され、又は化学共沈法により、酸化物薄膜が被覆されたアップコンバージョン材料を前記透明絶縁層の第2の表面に形成することで形成されることを特徴とする、請求項10に記載の有機太陽電池の製造方法。
- 前記光増感層はスピンコート法により形成され、かつ、スピンコートする前に、有機溶媒を用いて電子供与体材料及び電子受容体材料を予め溶解させると共に、マグネティックスターラーで十分に撹拌して、電子供与体材料及び電子受容体材料を含有する溶液を配合した後、電子供与体材料溶液及び電子受容体材料溶液をスピンコートして、前記光増感層を得ることを特徴とする、請求項10に記載の有機太陽電池の製造方法。
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