JP2014017411A - Photovoltaic element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve light utilization efficiency by improving photoelectric conversion efficiency.SOLUTION: A photovoltaic element 10 is constituted by sequentially laminating a transparent insulating substrate 1, a transparent electrode 2 (first electrode) serving as a surface electrode, an n-type semiconductor layer 3, a p-type semiconductor layer 4 (first p-type semiconductor layer), a p-type semiconductor layer 5 (second p-type semiconductor layer), and a back electrode layer 6 (second electrode). The first p-type semiconductor layer contains an electron-donating organic pigment and an organic metal compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation.

Description

本発明は、太陽電池、光センサ、フォトダイオードなどの光起電力素子、及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、ヘテロpn接合による内部電界を利用した光起電力素子、及びその製造方法の改良に関する。   The present invention relates to a photovoltaic element such as a solar cell, a photosensor, and a photodiode, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a photovoltaic element using an internal electric field by a hetero pn junction and an improvement of the manufacturing method. .

近年、太陽電池(光起電力素子)は、再生可能エネルギーとして注目を浴びており、活発な研究開発が行われている。太陽電池には、単結晶、多結晶あるいはアモルファスのSiを用いたシリコン系太陽電池、GaAs,CdS等を用いた化合物半導体系太陽電池、有機色素や導電性高分子を用いた有機半導体系太陽電池、あるいは金属酸化物系(色素増感型)太陽電池等がある。   In recent years, solar cells (photovoltaic elements) have attracted attention as renewable energy, and active research and development has been performed. For solar cells, silicon-based solar cells using monocrystalline, polycrystalline or amorphous Si, compound semiconductor-based solar cells using GaAs, CdS, etc., organic-semiconductor-based solar cells using organic dyes or conductive polymers Or metal oxide (dye sensitized) solar cells.

この中でも、シリコン系太陽電池や化合物半導体系太陽電池は最も普及している。これらの太陽電池は、光電変換効率が高いという特徴を有するが、再生可能エネルギーとして重要となる材料調達・製造〜使用〜廃棄にかかるコストであるライフサイクルコストが高い。   Among these, silicon solar cells and compound semiconductor solar cells are most popular. These solar cells are characterized by high photoelectric conversion efficiency, but have high life cycle costs, which are costs related to material procurement / manufacturing / use / disposal, which are important as renewable energy.

一方、有機半導体を用いた光起電力素子は、単結晶、多結晶あるいはアモルファスのSiでは達成が困難とされている安価で毒性のないものであり、また製造に大規模設備や大量のエネルギーを必要とせず、ライフサイクルコストのダウンが期待できる。しかし、有機半導体を用いた光起電力素子はシリコン系太陽電池や化合物半導体系太陽電池に比べて光電変換効率(エネルギー変換効率)が低く、光電変換効率の向上を狙った研究開発が行なわれている。   On the other hand, photovoltaic devices using organic semiconductors are inexpensive and non-toxic, which are difficult to achieve with monocrystalline, polycrystalline or amorphous Si, and require large-scale equipment and a large amount of energy for production. It is not necessary and the life cycle cost can be expected to be reduced. However, photovoltaic devices using organic semiconductors have lower photoelectric conversion efficiency (energy conversion efficiency) than silicon-based solar cells and compound semiconductor-based solar cells, and research and development aimed at improving photoelectric conversion efficiency are being conducted. Yes.

例えば、特許文献1においては、電子受容性有機物質層またはn型無機半導体層と、第1電子供与性有機物質層と、この第1電子供与性有機物質層とは異なる材料の第2電子供与性有機物質層とからなる3層構造の光起電力素子が提案されている。特許文献2においては、上記第1電子供与性有機物質層を電子受容性有機物質と電子供与性有機物質の混合層とすることが提案されている。特許文献3においては、特に塗布による積層が可能な層構造を種々検討し、電子受容性無機物のn型半導体層と、p型半導体層とを組み合わせるとともに、このp型半導体層をそれぞれ異なる電子供与性有機物から構成された第1p型半導体層と第2p型半導体層を形成し、第1p型半導体層に電子受容性化合物を含有することが提案されている。   For example, in Patent Document 1, an electron-accepting organic material layer or an n-type inorganic semiconductor layer, a first electron-donating organic material layer, and a second electron-donating material different from the first electron-donating organic material layer A photovoltaic device having a three-layer structure composed of a conductive organic material layer has been proposed. Patent Document 2 proposes that the first electron-donating organic material layer be a mixed layer of an electron-accepting organic material and an electron-donating organic material. In Patent Document 3, various layer structures that can be laminated by coating are examined, and an electron-accepting inorganic n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are combined. It has been proposed to form a first p-type semiconductor layer and a second p-type semiconductor layer made of a conductive organic material, and to contain an electron-accepting compound in the first p-type semiconductor layer.

特許文献1や特許文献2に記載された電子供与性有機物質からなる第1、第2層は、それぞれ特許文献3の第1p型半導体層及び第2p型半導体層に相当している。ここで、3層構造の組み合わせの重要性は、光起電力素子において、n型半導体層と第2p型半導体層に挟まれる第1p型半導体層が、キャリア発生層として機能することである。特許文献2や特許文献3のように、中間層を電子供与性有機物質と電子受容性有機物質の混合層とすると、特許文献1のように単に中間層を追加して3層構造とした場合よりも、高い光電変換効率が得られる。これらは、混合層に含有させた電子受容性有機物質がキャリア移動度を向上させ、導電性に寄与したためと推測される。   The first and second layers made of the electron donating organic material described in Patent Document 1 and Patent Document 2 correspond to the first p-type semiconductor layer and the second p-type semiconductor layer of Patent Document 3, respectively. Here, the importance of the combination of the three-layer structure is that in the photovoltaic element, the first p-type semiconductor layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the second p-type semiconductor layer functions as a carrier generation layer. When the intermediate layer is a mixed layer of an electron-donating organic substance and an electron-accepting organic substance as in Patent Document 2 and Patent Document 3, when the intermediate layer is simply added to form a three-layer structure as in Patent Document 1 Higher photoelectric conversion efficiency can be obtained. This is presumably because the electron-accepting organic material contained in the mixed layer improved carrier mobility and contributed to conductivity.

特開平5−152594号公報JP-A-5-152594 特開平6−318725号公報JP-A-6-318725 特開2009−81388号公報JP 2009-81388 A

しかしながら、シリコン系太陽電池や化合物半導体系太陽電池などの高い光電変換効率を目指し、有機半導体を用いた光起電力素子においても、前記特許文献2、特許文献3に記載された光起電力素子よりも、さらに高い光電変換効率が得られる光起電力素子が要望される。   However, with the aim of high photoelectric conversion efficiency such as silicon-based solar cells and compound semiconductor-based solar cells, photovoltaic devices using organic semiconductors are also more effective than the photovoltaic devices described in Patent Document 2 and Patent Document 3. However, there is a demand for a photovoltaic device that can achieve higher photoelectric conversion efficiency.

本発明は、上述した課題に対処するためになされたものであり、安価で且つより光電変換効率を向上させたヘテロpn接合型の光起電力素子と、この光起電力素子を歩留まり良く高効率に低コストで作製しライフサイクルコストを低減でき、大面積化にも対応可能な製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to address the above-described problems, and is a hetero pn-junction type photovoltaic device that is inexpensive and has further improved photoelectric conversion efficiency, and the photovoltaic device has high yield and high efficiency. An object of the present invention is to provide a manufacturing method that can be manufactured at a low cost, can reduce the life cycle cost, and can cope with a large area.

本発明の光起電力素子は、n型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層及び前記p型半導体層に挟まれたキャリア発生層とを備え、前記キャリア発生層は電子供与性有機顔料と、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物とを含有していることを特徴とする。   The photovoltaic device of the present invention includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a carrier generation layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and the carrier generation layer is provided with an electron donor. And an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation.

上記の光起電力素子によると、電子供与性有機顔料を含有するキャリア発生層に電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物を含有したことにより、隣接するp型半導体層に流れるホールが増加し、その結果、ホール密度が増加してホール電流が増大することにより光電変換効率を飛躍的に向上できる。   According to the above photovoltaic device, the hole that flows in the adjacent p-type semiconductor layer by containing the organometallic compound having the electron-withdrawing functional group and the counter cation in the carrier generation layer containing the electron-donating organic pigment. As a result, the hole density increases and the hole current increases, so that the photoelectric conversion efficiency can be dramatically improved.

また、本発明の光起電力素子は、n型半導体層と、p型半導体層と、前記n型半導体層及び前記p型半導体層に挟まれたキャリア発生層を備え、前記キャリア発生層は電子供与性有機顔料と、電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ有機金属化合物とを含有していることを特徴とする。   The photovoltaic device of the present invention includes an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a carrier generation layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and the carrier generation layer is an electron. It contains a donating organic pigment, an organometallic compound having an electron donating functional group and a counter anion.

上記の光起電力素子によると、電子供与性有機顔料を含有するキャリア発生層に電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ有機金属化合物を含有したことにより、隣接するn型半導体層に流れる電子が増加し、その結果、電子密度が増加して電流が増大することにより光電変換効率を飛躍的に向上できる。   According to the above photovoltaic element, the electron flowing into the adjacent n-type semiconductor layer is obtained by including the organometallic compound having the electron donating functional group and the counter anion in the carrier generation layer containing the electron donating organic pigment. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be dramatically improved by increasing the electron density and increasing the current.

本発明の光起電力素子の製造方法は、電子受容性無機顔料に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したn型半導体塗布液と、電子供与性有機顔料、並びに電子吸引性官能基及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したキャリア発生層塗布液と、電子供与性有機顔料に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したp型半導体塗布液とを、電極基板上に順次塗布して積層することを特徴とする。   The method for producing a photovoltaic device of the present invention comprises an n-type semiconductor coating solution obtained by adding a predetermined amount of a binder resin and a solvent to an electron-accepting inorganic pigment, an electron-donating organic pigment, an electron-withdrawing functional group, and a counter cation. A carrier generation layer coating solution obtained by adding a predetermined amount of a binder resin and a solvent to an organometallic compound having a p-type semiconductor coating solution obtained by adding a predetermined amount of a binder resin and a solvent to an electron donating organic pigment on an electrode substrate It is characterized by sequentially applying and laminating.

本発明の光起電力素子の製造方法によると、半導体層を塗布のみで形成することができる。これにより、従来のような真空プロセスを必要とせず製造に大規模設備や大量のエネルギーがかからなく、ライフサイクルコストの大幅な低減ができる。また、真空プロセスを用いないことから連続生産設備が容易に構築でき、光起電力素子の大面積化への対応も容易になる。   According to the photovoltaic element manufacturing method of the present invention, the semiconductor layer can be formed only by coating. This eliminates the need for a conventional vacuum process, does not require large-scale equipment and a large amount of energy, and can greatly reduce the life cycle cost. Moreover, since a vacuum process is not used, a continuous production facility can be easily constructed, and it becomes easy to cope with an increase in the area of the photovoltaic device.

本実施形態に係る光起電力素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the photovoltaic element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る光起電力素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the photovoltaic element which concerns on this embodiment. 本実施形態における有機金属化合物の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the organometallic compound in this embodiment. 本実施形態における有機金属化合物が励起子に与える効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect which the organometallic compound in this embodiment has on an exciton. 本実施形態におけるボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩へ電子が吸引する仕組みを示す図である。It is a figure which shows the mechanism in which an electron attracts | sucks to the borobis (1, 1- diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt in this embodiment. 本実施形態におけるボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩の最適含有量を示す図である。It is a figure which shows the optimal content of the borobis (1, 1- diphenyl- 1-oxo- acetyl) potassium salt in this embodiment. 本実施形態におけるアルキルサリチル酸クロム化合物の最適含有量を示す図である。It is a figure which shows the optimal content of the alkyl salicylate chromium compound in this embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

安価で且つ安定性良く、しかも大面積化にも対応できる光起電力素子を考えた場合、n型半導体層、p型半導体層などの光起電力素子を構成する各層を、真空プロセスを必要としない塗布製法により積層して形成できれば、製造に大規模設備や大量のエネルギーを必要とせず、ライフサイクルコストの大幅な低減ができる。以下、3層半導体層を塗布製法により積層して形成が可能な実施形態について説明する。   When considering a photovoltaic device that is inexpensive, stable, and capable of dealing with a large area, each layer constituting the photovoltaic device such as an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer requires a vacuum process. If it can be formed by lamination by a coating method that does not, large-scale equipment and a large amount of energy are not required for production, and the life cycle cost can be significantly reduced. Hereinafter, an embodiment in which a three-layer semiconductor layer can be formed by stacking by a coating method will be described.

図1は、本実施形態に係る光起電力素子の概略構成図である。図1に示すように、本実施形態に係る光起電力素子10は、透明絶縁性基板1と、表面電極となる透明電極2(第1電極)と、n型半導体層3と、キャリア発生層として機能するp型半導体層4(以下、第1p型半導体層4とも称す)と、p型半導体層5(以下、第2p型半導体層5とも称す)と、背面電極層6(第2電極)とが順に積層されて構成されている。なお、電極に取り付けられるリード(電線)や光起電力素子10への水分の浸入を防止する防護樹脂などは、図示を省略している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photovoltaic element according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a photovoltaic device 10 according to the present embodiment includes a transparent insulating substrate 1, a transparent electrode 2 (first electrode) serving as a surface electrode, an n-type semiconductor layer 3, and a carrier generation layer. P-type semiconductor layer 4 (hereinafter also referred to as first p-type semiconductor layer 4), p-type semiconductor layer 5 (hereinafter also referred to as second p-type semiconductor layer 5), and back electrode layer 6 (second electrode). Are stacked in order. Note that illustrations of leads (electric wires) attached to the electrodes and protective resin for preventing moisture from entering the photovoltaic element 10 are omitted.

透明絶縁性基板1は、可視光領域の波長を広く透過するものが好ましく、例えば、ガラスやプラスチックフィルムなどの材料をシート状あるいはプレート状など適宜の形で用いることができる。   The transparent insulating substrate 1 is preferably one that transmits a wide range of wavelengths in the visible light region. For example, a material such as glass or plastic film can be used in an appropriate form such as a sheet or plate.

透明電極2は、透明絶縁性基板1と同様に、可視光領域の波長を広く透過するものが好ましく、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化スズ(NESA)、酸化インジウムなどが用いられる。   As with the transparent insulating substrate 1, the transparent electrode 2 preferably transmits a wide wavelength in the visible light region, and indium tin oxide (ITO), tin oxide (NESA), indium oxide, or the like is used.

n型半導体層3は、電子受容性無機顔料とバインダー樹脂とを含有している。n型半導体層3に用いる電子受容性無機顔料としては、酸化亜鉛(ZnO)、二酸化チタン(TiO2)などの金属酸化物半導体が挙げられるが、特に好ましくは、酸化亜鉛顔料が使用される。なお、この酸化亜鉛顔料は、粉末の平均粒径が数nm〜数百nm程度のものが好ましく、さらに光電変換効率の観点からすると、平均粒径が80〜120nmであるものを用いることが望ましい。   The n-type semiconductor layer 3 contains an electron-accepting inorganic pigment and a binder resin. Examples of the electron-accepting inorganic pigment used for the n-type semiconductor layer 3 include metal oxide semiconductors such as zinc oxide (ZnO) and titanium dioxide (TiO 2), and zinc oxide pigments are particularly preferably used. The zinc oxide pigment preferably has an average particle size of several nanometers to several hundreds of nanometers, and from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, it is desirable to use one having an average particle size of 80 to 120 nm. .

また、n型半導体層3に用いるバインダー樹脂は、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂などの広範囲な絶縁性樹脂から選択することができる。これらのバインダー樹脂は、単独または2種以上を混合して使用してもよい。なお、本実施形態においては、ポリビニルブチラール樹脂を採用した。また、電子受容性無機物とバインダー樹脂との好ましい配合比(重量)は、100:1〜100:30、好ましくは100:5〜100:20の範囲である。   The binder resin used for the n-type semiconductor layer 3 can be selected from a wide range of insulating resins such as polyvinyl butyral resin, polyvinyl formal resin, polystyrene resin, polyester resin, and cellulose resin. These binder resins may be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, polyvinyl butyral resin is used. Moreover, the preferable compounding ratio (weight) of an electron-accepting inorganic substance and binder resin is the range of 100: 1-100: 30, Preferably it is the range of 100: 5-100: 20.

第1p型半導体層4は、電子供与性有機顔料、有機金属化合物、及びバインダー樹脂を含有している。第1p型半導体層4に用いる主成分である電子供与性有機顔料としては、アゾ系、フタロシアニン系、アントラキノン系、キナクリドン系、シアニン系、メロシアニン系、フラーレン系、ジオキサジン系、アントラピリミジン系、アントラピリドン系、アンサンスロン系、インダンスロン系、フラバンスロン系、ペリノン系、チオインジコ系、アントラキノン系、ポリジアセチレン系化合物などの有機系顔料が用いられる。特に好ましくは、フタロシアニン系顔料のオキシチタニウムフタロシアニン(チタニルフタロシアニン)、並びにこの環の一部を適当な置換基によって置換したものが使用される。尚、チタニルフタロシアニンは、粉末の平均粒径が0.01μm〜数十μm程度のものを用いることが望ましい。   The first p-type semiconductor layer 4 contains an electron donating organic pigment, an organometallic compound, and a binder resin. Examples of the electron donating organic pigment that is the main component used in the first p-type semiconductor layer 4 include azo, phthalocyanine, anthraquinone, quinacridone, cyanine, merocyanine, fullerene, dioxazine, anthrapyrimidine, and anthrapyridone. Organic pigments such as those based on phenanthrene, anthanthrone, indanthrone, flavanthrone, perinone, thioindico, anthraquinone and polydiacetylene are used. Particularly preferably, the phthalocyanine pigment oxytitanium phthalocyanine (titanyl phthalocyanine) and a part of this ring substituted with an appropriate substituent are used. As titanyl phthalocyanine, it is desirable to use a powder having an average particle size of about 0.01 μm to several tens of μm.

また、第1p型半導体層4に用いる有機金属化合物は、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物である。この有機金属化合物は、例えば、アルキル基、フェニル基、ヒドロキシ基、カルボニル基、アミド基、アリール基、硫酸基、スルホ基、ハロゲン化物などを電子吸引性官能基として持つもので、また、カウンターカチオンを持っている。電子供与性有機顔料と有機金属化合物との好ましい配合比は、電子供与性有機物100重量部に対して、有機金属化合物15〜100重量部の範囲が好適である。さらに、溶液中に溶解し、分散した顔料中に分子分散化させることが好ましい。具体例として、好ましくは、中心金属にホウ素を持ちフェニル基を持つボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩や、中心金属にクロムを持ちアルキル基を持つアルキルサリチル酸クロム化合物などが挙げることができる。本実施形態においては、ボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩とアルキルサリチル酸クロム化合物を採用した。なお、これらの化合物は、特にトナー用の電荷制御剤としてよく知られている材料であり入手が容易である。   The organometallic compound used for the first p-type semiconductor layer 4 is an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation. This organometallic compound has, for example, an alkyl group, a phenyl group, a hydroxy group, a carbonyl group, an amide group, an aryl group, a sulfuric acid group, a sulfo group, a halide, etc. as an electron-withdrawing functional group. have. A preferable blending ratio of the electron donating organic pigment and the organometallic compound is preferably in the range of 15 to 100 parts by weight of the organometallic compound with respect to 100 parts by weight of the electron donating organic substance. Furthermore, it is preferable to disperse molecules in a pigment dissolved and dispersed in a solution. As specific examples, preferably, borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt having boron as a central metal and having a phenyl group, or alkylsalicylic acid chromium compound having chromium as a central metal and an alkyl group, etc. Can be mentioned. In this embodiment, a borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt and a chromium alkylsalicylate compound are employed. These compounds are particularly well-known materials as charge control agents for toner and are easily available.

第1p型半導体層4に用いるバインダー樹脂は、n型半導体層3における例と同様に、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂などの広範囲な絶縁性樹脂から選択することができる。これらのバインダー樹脂は、単独または2種以上を混合して使用してもよい。なお、本実施形態においては、第1p型半導体層4においても、ポリビニルブチラール樹脂を採用した。また、第1p型半導体層4おける電子供与性有機顔料とバインダー樹脂との好ましい配合比(重量)は、100:10〜100:100、さらに好ましくは100:40〜100:60の範囲である。   The binder resin used for the first p-type semiconductor layer 4 is selected from a wide range of insulating resins such as polyvinyl butyral resin, polyvinyl formal resin, polystyrene resin, polyester resin, and cellulose resin, as in the example of the n-type semiconductor layer 3. be able to. These binder resins may be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, polyvinyl butyral resin is also used in the first p-type semiconductor layer 4. Moreover, the preferable compounding ratio (weight) of the electron donating organic pigment and the binder resin in the first p-type semiconductor layer 4 is in the range of 100: 10 to 100: 100, more preferably 100: 40 to 100: 60.

第2p型半導体層5は、主成分として電子供与性有機顔料を含有している。この第2p型半導体層5に用いる電子供与性有機顔料としては、アゾ系、フタロシアニン系、アントラキノン系、キナクリドン系、シアニン系、メロシアニン系、フラーレン系、ジオキサジン系、アントラピリミジン系、アントラピリドン系、アンサンスロン系、インダンスロン系、フラバンスロン系、ペリノン系、チオインジコ系、アントラキノン系、ポリジアセチレン系化合物などの有機系顔料で、光起電力素子のエネルギーバンドの関係から第1p型半導体層4の材料と異なる材料が用いることが望ましい。その中でも、例えば、第1p型半導体層4にチタニルフタロシアニンを用いた場合は、フタロシアニン系顔料の無金属フタロシアニン、並びにこの環の一部を適当な置換基によって置換したものとの組合せが好ましい。なお、無金属フタロシアニンは、粉末の平均粒径が0.01μm〜数十μm程度のものを用いることが望ましい   The second p-type semiconductor layer 5 contains an electron donating organic pigment as a main component. Examples of the electron donating organic pigment used in the second p-type semiconductor layer 5 include azo, phthalocyanine, anthraquinone, quinacridone, cyanine, merocyanine, fullerene, dioxazine, anthrapyrimidine, anthrapyridone, anthane. Organic pigments such as throne, indanthrone, flavanthrone, perinone, thioindico, anthraquinone, polydiacetylene, etc. The material of the first p-type semiconductor layer 4 due to the energy band of the photovoltaic device It is desirable to use different materials. Among these, for example, when titanyl phthalocyanine is used for the first p-type semiconductor layer 4, a combination with a metal-free phthalocyanine of a phthalocyanine pigment and a part of this ring substituted with an appropriate substituent is preferable. As the metal-free phthalocyanine, it is desirable to use a powder having an average particle diameter of about 0.01 μm to several tens of μm.

また、第2p型半導体層5はバインダー樹脂も含有している。この第2p型半導体層5に用いるバインダー樹脂は、n型半導体層3における例と同様に、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂などの広範囲な絶縁性樹脂から選択することができる。これらのバインダー樹脂は、単独または2種以上を混合して使用してもよい。なお、本実施形態においては、第2p型半導体層5においても、ポリビニルブチラール樹脂を採用した。また、第2p型半導体層5における電子供与性有機顔料とバインダー樹脂との好ましい配合比(重量)は、100:10〜100:100、さらに好ましくは100:10〜100:30の範囲である。   The second p-type semiconductor layer 5 also contains a binder resin. The binder resin used for the second p-type semiconductor layer 5 is selected from a wide range of insulating resins such as polyvinyl butyral resin, polyvinyl formal resin, polystyrene resin, polyester resin, and cellulose resin, as in the example of the n-type semiconductor layer 3. can do. These binder resins may be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, polyvinyl butyral resin is also used in the second p-type semiconductor layer 5. Moreover, the preferable compounding ratio (weight) of the electron donating organic pigment and the binder resin in the second p-type semiconductor layer 5 is in the range of 100: 10 to 100: 100, more preferably 100: 10 to 100: 30.

なお、第1p型半導体層4には、電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ有機金属化合物を含有させてもよい。上記の有機金属化合物は、例えば、水酸基、メトキシ基、アルコキシ基、アミノ基、メチルアミノ基、アルキルアミノ基、ジアルキルアミノ基、トリアルキルアミノ基、メチル基などを電子供与性官能基として持ち、また、カウンターアニオンを持っているものなら使用可能である。   The first p-type semiconductor layer 4 may contain an organometallic compound having an electron donating functional group and a counter anion. The organometallic compound has, for example, a hydroxyl group, a methoxy group, an alkoxy group, an amino group, a methylamino group, an alkylamino group, a dialkylamino group, a trialkylamino group, a methyl group, and the like as an electron-donating functional group. Anything that has a counter anion can be used.

以上の構成により、本実施形態における光起電力素子は、従来の光起電力素子に比べて、光の利用効率を向上させ、光電変換効率を向上させることができる。   With the above configuration, the photovoltaic device in the present embodiment can improve the light utilization efficiency and the photoelectric conversion efficiency as compared with the conventional photovoltaic device.

次に、本実施形態における光起電力素子を製造する方法について、図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係る光起電力素子の製造工程を示す図である。この光起電力素子は、電子受容性無機顔料(酸化亜鉛顔料)に所定量のバインダー樹脂(ポリビニルブチラール樹脂)及び溶剤を添加したn型半導体塗布液と、電子供与性有機顔料(チタニルフタロシアニン顔料)、並びに電子吸引性官能基及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物(ボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩)に所定量のバインダー樹脂(ポリビニルブチラール樹脂)及び溶剤を添加した第1のp型半導体塗布液(第1p型半導体塗布液)と、電子供与性有機顔料(無金属フタロシアニン顔料)に所定量のバインダー樹脂(ポリビニルブチラール樹脂)及び溶剤を添加した第2のp型半導体塗布液(第2p型半導体塗布液)を透明電極2の上に順次塗布して積層させた後、これら半導体層の上に、樹脂中に導電性物質を分散させた導電性ペーストを塗布し、透明電極2に対向する背面電極層6を形成する方法により形成されている。   Next, a method for manufacturing the photovoltaic element in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the photovoltaic device according to the present embodiment. This photovoltaic device is composed of an n-type semiconductor coating solution in which a predetermined amount of a binder resin (polyvinyl butyral resin) and a solvent are added to an electron-accepting inorganic pigment (zinc oxide pigment), and an electron-donating organic pigment (titanyl phthalocyanine pigment). And a first compound in which a predetermined amount of a binder resin (polyvinyl butyral resin) and a solvent are added to an organometallic compound (borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt) having an electron-withdrawing functional group and a counter cation. P-type semiconductor coating solution (first p-type semiconductor coating solution), and a second p-type semiconductor coating obtained by adding a predetermined amount of a binder resin (polyvinyl butyral resin) and a solvent to an electron-donating organic pigment (metal-free phthalocyanine pigment) After sequentially applying and laminating a liquid (second p-type semiconductor coating liquid) on the transparent electrode 2, on these semiconductor layers, A conductive paste obtained by dispersing a conductive material in the fat coating, is formed by a method of forming a back electrode layer 6 facing the transparent electrode 2.

半導体塗布液の作製は、これら所定の原料を溶媒により分散させることにより行われる。溶媒としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノールなどのアルコール類、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン、ジメチルセロソルブなどの環状または鎖状のエーテル類、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類などを、単独または2種以上混合して用いることができる。   The semiconductor coating liquid is produced by dispersing these predetermined raw materials with a solvent. Solvents include alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol and i-propanol, ketones such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone, cyclic or chain ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, dioxolane and dimethyl cellosolve, benzene, toluene, Aromatic hydrocarbons such as xylene can be used alone or in admixture of two or more.

なお、各半導体塗布液は、電子受容性無機顔料又は異なる種類の電子供与性有機顔料の微粒子をそれぞれ塗布液中に分散させたものであることから、その微粒子の分散には、ホモジナイザー、超音波、ボールミル、サンドミル、アトライターなどの従来公知の方法を用いることが出来る。   Each semiconductor coating liquid is obtained by dispersing fine particles of an electron-accepting inorganic pigment or different types of electron-donating organic pigments in the coating liquid, so that the dispersion of the fine particles includes a homogenizer, an ultrasonic wave Conventionally known methods such as ball mill, sand mill, and attritor can be used.

半導体層の作製は、図2(a)に示すように、透明絶縁性基板1の上に透明電極2を載置した後、前述の半導体塗布液を用いて、例えば、ディップコート法、エアナイフコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、スピンコート法、ESD(エレクトロ スプレー デポジション)法などにより、図2(b)〜図2(d)に示すように、n型半導体層3、第1p型半導体層4及び第2p型半導体層5を順次積層した。膜厚は、それぞれ一般的には0.01〜3.0μm程度が好ましく、さらに好ましくは0.05〜0.4μmである。   As shown in FIG. 2A, for example, the semiconductor layer is prepared by placing the transparent electrode 2 on the transparent insulating substrate 1 and then using, for example, the dip coating method or the air knife coating using the semiconductor coating solution described above. As shown in FIGS. 2 (b) to 2 (d), the n-type semiconductor layer 3 and the first p are formed by the method, the roller coating method, the wire bar coating method, the spin coating method, the ESD (electrospray deposition) method, and the like. A type semiconductor layer 4 and a second p-type semiconductor layer 5 were sequentially stacked. In general, the thickness is preferably about 0.01 to 3.0 μm, more preferably 0.05 to 0.4 μm.

積層された半導体層を十分乾燥させた後、図2(e)に示すように、この半導体層の上に、背面電極層6を形成する。この背面電極層6を形成するのに用いられる導電性ペーストには、導電性のカーボンブラックを樹脂中に分散させたカーボンペーストや金属微粒子を樹脂中に分散させた金属ペーストなどが用いられる。この背面電極層6の膜厚は、1〜100μm程度が好ましい。   After the laminated semiconductor layers are sufficiently dried, the back electrode layer 6 is formed on the semiconductor layers as shown in FIG. As the conductive paste used to form the back electrode layer 6, a carbon paste in which conductive carbon black is dispersed in a resin, a metal paste in which metal fine particles are dispersed in a resin, or the like is used. The thickness of the back electrode layer 6 is preferably about 1 to 100 μm.

以上の製造方法により、本実施形態における光起電力素子10は、従来の製造方法で必須であった蒸着などの真空プロセスや高温プロセス、あるいは安全上問題のあるガスや脱酸素環境を用いることなく、透明絶縁性基板1及び透明電極2を除く半導体層及び背面電極層6を、通常の大気圧(常温)環境下で形成することが可能となる。また、この製造方法は、従来の光起電力素子で用いられているようなバッチ式生産設備だけでなく、長尺・大面積の光起電力素子を製造することのできる連続生産設備の構築も容易となる。   By the above manufacturing method, the photovoltaic device 10 according to the present embodiment can be used without using a vacuum process such as vapor deposition or a high temperature process, or a gas or deoxygenated environment that has a safety problem, which is essential in the conventional manufacturing method. The semiconductor layer excluding the transparent insulating substrate 1 and the transparent electrode 2 and the back electrode layer 6 can be formed in a normal atmospheric pressure (normal temperature) environment. Moreover, this manufacturing method is not only a batch type production facility used in conventional photovoltaic elements, but also a continuous production facility capable of producing a long and large area photovoltaic element. It becomes easy.

なお、本発明における背面電極の構成は、本実施形態における例に限られるものではなく、半導体層とオーミックに接合させることのできるその他の導電性膜でもよい。例えば、蒸着法あるいはスパッタリング法により、Au、Agなどの仕事関数の大きい金属による被膜を形成してもよい。   In addition, the structure of the back electrode in this invention is not restricted to the example in this embodiment, The other electroconductive film which can be joined to a semiconductor layer ohmic may be sufficient. For example, a film made of a metal having a high work function such as Au or Ag may be formed by vapor deposition or sputtering.

次に、本実施形態における光起電力素子の効果を確認すべく、本発明のより具体的な実施例1及び2を、比較例1と合わせて、実際に光電変換特性を測定して説明する。   Next, in order to confirm the effect of the photovoltaic element in the present embodiment, more specific examples 1 and 2 of the present invention will be described by actually measuring photoelectric conversion characteristics together with the comparative example 1. .

[実施例1]
本発明の実施例1として作製した素子は、上述した実施形態で説明した3層構造のヘテロpn接合型半導体層を有する光起電力素子である。まず、光起電力素子の作製に先立ち、半導体塗布液の調整を行った。
[Example 1]
The element manufactured as Example 1 of the present invention is a photovoltaic element having the hetero-pn junction type semiconductor layer having the three-layer structure described in the above-described embodiment. First, prior to the production of the photovoltaic element, the semiconductor coating solution was adjusted.

n型半導体塗布液は、酸化亜鉛粉末(住友大阪セメント社製:ZnO ―410、平均粒径5〜15nm)100重量部に対して、バインダー樹脂として8.5重量部のポリビニルブチラール樹脂(積水化学社製:エスレックBM−1)と、溶剤として560重量部の2−プロパノールを配合し、0.5mmΦのジルコニアビーズとともに容器に入れ、ビーズミルを用いて60分攪拌し、スラリー状のn型半導体塗布液を作製した。   The n-type semiconductor coating liquid is 8.5 parts by weight of polyvinyl butyral resin (Sekisui Chemical Co., Ltd.) as binder resin with respect to 100 parts by weight of zinc oxide powder (Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd .: ZnO-410, average particle size 5 to 15 nm). Co., Ltd .: Esreck BM-1) and 560 parts by weight of 2-propanol as a solvent are mixed, put in a container with 0.5 mmφ zirconia beads, stirred for 60 minutes using a bead mill, and applied in a slurry n-type semiconductor. A liquid was prepared.

また、第1のp型半導体塗布液は、チタニルフタロシアニン顔料(保土谷化学工業社製)100重量部に対して、バインダー樹脂として65重量部のポリビニルブチラール樹脂(積水化学社製:エスレックBM−1)と、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物として65重量部のボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩(日本カーリット社製:LR―147)と、溶剤として3000重量部の1,3‐ジオキソランを配合し、0.5mmΦのガラスビーズとともに容器に入れ、ビーズミルを用いて120分攪拌し、スラリー状の第1のp型半導体塗布液を作製した。   In addition, the first p-type semiconductor coating solution is 65 parts by weight of polyvinyl butyral resin (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd .: ESREC BM-1) with respect to 100 parts by weight of titanyl phthalocyanine pigment (Hodogaya Chemical Co., Ltd.). ), 65 parts by weight of a borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt (manufactured by Carlit Japan Ltd .: LR-147) as an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation, As a solvent, 3000 parts by weight of 1,3-dioxolane was blended, placed in a container together with 0.5 mmφ glass beads, and stirred for 120 minutes using a bead mill to prepare a slurry-like first p-type semiconductor coating solution.

さらに、第2のp型半導体塗布液は、無金属フタロシアニン顔料(山陽色素社製、平均粒径2〜10μm)を100重量部に対して、バインダー樹脂として25重量部のポリビニルブチラール樹脂(積水化学社製:エスレックBX−1)と、溶剤として3000重量部の1,4−ジオキサンとを配合し、0.5mmΦのガラスビーズとともに容器に入れ、ビーズミルを用いて20分攪拌し、スラリー状の第2のp型半導体塗布液を作製した。   Furthermore, the second p-type semiconductor coating solution contains 25 parts by weight of polyvinyl butyral resin (Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder resin with respect to 100 parts by weight of a metal-free phthalocyanine pigment (manufactured by Sanyo Dye Co., Ltd., average particle size 2 to 10 μm). Co., Ltd .: ESREC BX-1) and 3000 parts by weight of 1,4-dioxane as a solvent are mixed, put in a container with 0.5 mmφ glass beads, stirred for 20 minutes using a bead mill, 2 p-type semiconductor coating solution was prepared.

実施例1における光起電力素子の作製は、まず、ガラスからなる透明絶縁性基板1の上にインジウムスズの酸化物からなる透明電極を設けたITOガラスを水平に載置し、このITOガラス上に、上述したn型半導体塗布液をバーコート法により塗布して、膜厚150nmのn型半導体層3を形成した。このn型半導体層3を室温下で十分に乾燥させた後、このn型半導体層3の上に、上述した第1のp型半導体塗布液を同じくバーコート法により塗布して、膜厚300nmの第1p型半導体層4を形成した。この第1p型半導体層4を室温下で十分に乾燥させた後、この第1p型半導体層4の上に、上述した第2のp型半導体塗布液を同じくバーコート法により塗布して、膜厚200nmの第2p型半導体層5を形成した。   In the production of the photovoltaic device in Example 1, first, ITO glass provided with a transparent electrode made of an oxide of indium tin was placed horizontally on a transparent insulating substrate 1 made of glass. The n-type semiconductor coating solution described above was applied by a bar coating method to form an n-type semiconductor layer 3 having a thickness of 150 nm. After the n-type semiconductor layer 3 is sufficiently dried at room temperature, the above-described first p-type semiconductor coating solution is applied onto the n-type semiconductor layer 3 by the same bar coating method to obtain a film thickness of 300 nm. The first p-type semiconductor layer 4 was formed. After the first p-type semiconductor layer 4 is sufficiently dried at room temperature, the above-described second p-type semiconductor coating solution is similarly applied onto the first p-type semiconductor layer 4 by the bar coating method. A second p-type semiconductor layer 5 having a thickness of 200 nm was formed.

得られた3層構造のヘテロpn接合半導体層を十分乾燥させた後、この半導体層の上に、導電性カーボンペースト(呉竹社製)をスクリーン印刷法により塗布し、膜厚50μmの背面電極層を形成することにより、実施例1の光起電力素子を作製した。   After the obtained hetero pn junction semiconductor layer having a three-layer structure is sufficiently dried, a conductive carbon paste (manufactured by Kuretake Co., Ltd.) is applied on the semiconductor layer by a screen printing method, and a back electrode layer having a film thickness of 50 μm. Thus, the photovoltaic element of Example 1 was produced.

[実施例2]
実施例2の光起電力素子は、第1p型半導体層4に含有させる電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物としてアルキルサリチル酸クロム化合物(オリヱント化学工業製)を用い、チタニルフタロシアニン顔料(保土谷化学工業社製)を100重量部に対して35重量部含有させ、それ以外は上記実施例1と同様の方法で作成した。
[Example 2]
The photovoltaic element of Example 2 uses an alkylsalicylic acid chromium compound (manufactured by Orient Chemical Co., Ltd.) as an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation contained in the first p-type semiconductor layer 4, and a titanyl phthalocyanine pigment ( (Hodogaya Chemical Co., Ltd.) was added in an amount of 35 parts by weight with respect to 100 parts by weight, and the others were prepared in the same manner as in Example 1 above.

[比較例1]
実施例1、2における比較例として、第1p型半導体層4として特許文献3に記載の電子受容性化合物(TBDQ)を10重量部含有させたものを用い、それ以外は実施例1、2と同様の方法で、比較例1の光起電力素子を作製した。なお、比較例1は特許文献3よりも配合割合、材料の一部を実施例1、2と同様に変える事により性能が向上している。
[Comparative Example 1]
As a comparative example in Examples 1 and 2, the first p-type semiconductor layer 4 containing 10 parts by weight of the electron-accepting compound (TBDQ) described in Patent Document 3 was used. A photovoltaic device of Comparative Example 1 was produced in the same manner. In Comparative Example 1, the performance is improved by changing the blending ratio and part of the material in the same manner as in Examples 1 and 2 compared to Patent Document 3.

これら作製した各光起電力素子の光電変換特性の測定は、暗状態及び擬似光AM1.5−100mWcm−2照射下における電流−電圧(I−V)測定で行った。また、測定は室温、大気中で行った。以下の「表1」に、測定により得られた各光起電力素子の光電変換特性を示す。 The photoelectric conversion characteristics of each of the produced photovoltaic elements were measured by current-voltage (IV) measurement in the dark state and under irradiation with pseudo light AM1.5-100 mWcm- 2 . The measurement was performed at room temperature and in the air. Table 1 below shows the photoelectric conversion characteristics of the photovoltaic elements obtained by the measurement.

この表から、実施例1と実施例2のように、第1p型半導体層4に電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物を含有させると、短絡電流密度(Jsc)が増大し、従来の光起電力素子(比較例1)と比較して、変換効率ηを格段に高めることができた。   From this table, as in Example 1 and Example 2, when the first p-type semiconductor layer 4 contains an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation, the short-circuit current density (Jsc) increases, Compared with the conventional photovoltaic element (Comparative Example 1), the conversion efficiency η could be remarkably increased.

実施例1における光電変換効率と、電子供与性有機物100重量部に対する有機金属化合物の含有量との関係を図6に示す。また、実施例2における光電変換効率と、電子供与性有機物100重量部に対する有機金属化合物の含有量との関係を図7に示す。図6、及び図7からも分かるように、実施例1と実施例2において、電子供与性有機物100重量部に対する有機金属化合物の含有量は15〜100重量部の範囲が好適である。   FIG. 6 shows the relationship between the photoelectric conversion efficiency in Example 1 and the content of the organometallic compound with respect to 100 parts by weight of the electron-donating organic substance. FIG. 7 shows the relationship between the photoelectric conversion efficiency in Example 2 and the content of the organometallic compound relative to 100 parts by weight of the electron donating organic substance. As can be seen from FIGS. 6 and 7, in Examples 1 and 2, the content of the organometallic compound relative to 100 parts by weight of the electron donating organic material is preferably in the range of 15 to 100 parts by weight.

このように本発明は、第1p型半導体層4、いわゆるキャリア発生層に電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物を含有させることにより光電変換効率の向上を図ったものであるが、比較例1からも明らかなように短絡電流密度が増大し光電変換効率は大幅に向上している。これは、2つの要因により短絡電流密度が増大したものと考えられる。   As described above, in the present invention, the photoelectric conversion efficiency is improved by including an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation in the first p-type semiconductor layer 4, a so-called carrier generation layer. As is clear from Comparative Example 1, the short-circuit current density is increased and the photoelectric conversion efficiency is greatly improved. This is considered that the short circuit current density increased due to two factors.

ここで、図3及び図4を参照して、光起電力素子の電流発生のメカニズムについて説明する。なお、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物は、キャリア発生層の電子供与性有機顔料に対して分子結合しており、アクセプタとして作用してキャリアの移動度に寄与する。   Here, with reference to FIG.3 and FIG.4, the mechanism of the electric current generation of a photovoltaic element is demonstrated. Note that the organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation is molecularly bonded to the electron-donating organic pigment in the carrier generation layer, and acts as an acceptor to contribute to carrier mobility.

まず、図3(a)、及び図4(a)に示すように光照射によりキャリア発生層に励起子(電子・正孔がクーロン力により結びついた状態のこと)が発生する。そして、発生した励起子が拡散によりn型半導体層・第1p型半導体層(キャリア発生層)、および第1p型半導体層(キャリア発生層)・第2p型半導体層の界面に移動する。その後、図4(b)に示すように、界面において、エネルギー準位の差により励起子が電子とホールに解離されキャリアとなる。このとき、図3(b)に示すように、一部のホールと電子は再結合し失活する。   First, as shown in FIGS. 3A and 4A, excitons (a state in which electrons and holes are combined by Coulomb force) are generated in the carrier generation layer by light irradiation. The generated excitons move to the interfaces of the n-type semiconductor layer, the first p-type semiconductor layer (carrier generation layer), and the first p-type semiconductor layer (carrier generation layer) / second p-type semiconductor layer by diffusion. Thereafter, as shown in FIG. 4B, at the interface, excitons are dissociated into electrons and holes due to the difference in energy levels, and become carriers. At this time, as shown in FIG. 3B, some holes and electrons are recombined and deactivated.

しかしながら、本実施形態の光起電力素子では、キャリア発生層に電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物を含有させることにより、図3(c)に示されるように、第1p型半導体層(キャリア発生層)・第2p型半導体層界面において、カウンターカチオンに電子が捉えられて、ホールと電子の再結合確率が減るため、ホール寿命が延びる。このことによりホール密度が増え、ホール電流も増加し短絡電流密度が増大する。   However, in the photovoltaic device of the present embodiment, the first p-type is formed as shown in FIG. 3C by containing an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation in the carrier generation layer. At the interface between the semiconductor layer (carrier generation layer) and the second p-type semiconductor layer, electrons are captured by counter cations and the recombination probability of holes and electrons is reduced, so that the hole lifetime is extended. This increases the hole density, increases the hole current, and increases the short-circuit current density.

また、このとき、図4(c)に示すように、界面近傍以外でも、励起子を構成する電子がカウンターカチオンに引き抜かれてキャリア分離し、ホール密度が増え、ホール電流が増加し短絡電流密度が増大する。このように、本実施形態の光起電力素子では、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物をキャリア発生層に含有させることにより、有機金属化合物がキャリア移動だけではなく電流密度の増加に寄与したものと考えられる。一方、比較例1において含有させている電子受容性化合物はキャリアの移動度のみに寄与していると推測される。   At this time, as shown in FIG. 4C, electrons other than the vicinity of the interface are extracted by the counter cation and separated by carriers, and the hole density increases, the hole current increases, and the short circuit current density. Will increase. As described above, in the photovoltaic device of this embodiment, the organometallic compound having the electron-withdrawing functional group and the counter cation is included in the carrier generation layer, so that the organometallic compound has not only the carrier movement but also the current density. This is thought to have contributed to the increase. On the other hand, it is presumed that the electron-accepting compound contained in Comparative Example 1 contributes only to carrier mobility.

図6と図7に示すように有機金属化合物の含有量を増やしていくと光電変換効率ηは飽和し低下していく。この光電変換効率ηは下式(1)により表される。   As shown in FIG. 6 and FIG. 7, when the content of the organometallic compound is increased, the photoelectric conversion efficiency η is saturated and decreases. This photoelectric conversion efficiency η is expressed by the following formula (1).

ここで、VOC:開放電圧、JSC:短絡電流密度、FF:曲線因子、Pinc:入射光エネルギーである。式(1)からも分かるように変換効率ηは短絡電流密度JSCに比例する。 Here, V OC is an open circuit voltage, J SC is a short circuit current density, FF is a fill factor, and P inc is incident light energy. The conversion efficiency η as can be seen from equation (1) is proportional to the short-circuit current density J SC.

また、短絡電流密度JSCはn:キャリア密度(分離されるホール・電子の密度)、μ:移動度、q:素電荷量、E:電界としたときに下式(2)となる。 The short-circuit current density JSC is expressed by the following equation (2) when n: carrier density (separated hole / electron density), μ: mobility, q: elementary charge amount, and E: electric field.

式(2)より、短絡電流密度JSCは、有機金属化合物の含有量を増やしキャリア密度nが増加すると比例し増え光電変換効率ηが増加するのが分かる。しかしながら、式(2)のキャリアの移動度μは、τ:平均緩和時間、m:電子の有効質量としたとき、下式(3)で表される。なお、平均緩和時間τはキャリアが、不純物原子あるいは他の散乱体との衝突し移動する距離である平均自由行程を移動する時間である。 From equation (2), short-circuit current density J SC, it seen that proportion increasing photoelectric conversion efficiency and the carrier density n increased content increases organometallic compounds η increases. However, the carrier mobility μ in the formula (2) is expressed by the following formula (3), where τ C is an average relaxation time, and mn is an effective mass of electrons. Note that the average relaxation time τ C is the time for the carrier to move in the mean free path, which is the distance that the carrier collides with the impurity atom or other scatterer and moves.

このとき、図6と図7に示すように有機金属化合物(不純物)の含有量を増やしていくと、イオン化不純物の総量が増え、キャリアがイオン化した不純物(ドナーやアクセプタイオン)の側を通り抜けるときにクーロン力により生じる不純物散乱が大きくなり、不純物とキャリアの衝突回数が増える。キャリアの平均緩和時間τの逆数である1/τは単位時間中に起きる衝突回数を表す。この衝突回数1/τは、下記式(4)に示すように格子振動による衝突回数1/τC,格子と不純物散乱による衝突回数1/τC,不純物の和である。 At this time, when the content of the organometallic compound (impurities) is increased as shown in FIGS. 6 and 7, the total amount of ionized impurities increases, and the carriers pass through the ionized impurities (donor and acceptor ions) side. Impurity scattering caused by Coulomb force increases and the number of collisions between impurities and carriers increases. 1 / τ C, which is the reciprocal of the average carrier relaxation time τ C , represents the number of collisions that occur during a unit time. The number of collisions 1 / τ C is the number of collisions 1 / τ C due to lattice vibration, the number of collisions 1 / τ C due to lattice and impurity scattering , and the sum of impurities as shown in the following formula (4).

この式(4)より有機金属化合物を増やし不純物散乱が大きくなると平均緩和時間τは短くなりキャリアの移動度μは低下する。これらのことから、有機金属化合物の含有量を増やしていくとキャリア密度nは増加し光電変換効率ηは増加するが、含有量が過多になると不純物散乱が大きくなり平均緩和時間τは短くなり、移動度μが低下し、短絡電流密度JSCが減少して、光電変換効率ηは低下する。このため、図6と図7に示すように有機金属化合物の含有量を増やしていくと光電変換効率ηは飽和し低下していくと考えられる。(参考文献:S・M・ジィー著『半導体デバイス』) When the organometallic compound is increased from this formula (4) and the impurity scattering is increased, the average relaxation time τ C is shortened and the carrier mobility μ is lowered. From these facts, as the content of the organometallic compound is increased, the carrier density n increases and the photoelectric conversion efficiency η increases. However, if the content is excessive, the impurity scattering increases and the average relaxation time τ C decreases. , Mobility μ decreases, short circuit current density JSC decreases, and photoelectric conversion efficiency η decreases. For this reason, as shown in FIGS. 6 and 7, it is considered that when the content of the organometallic compound is increased, the photoelectric conversion efficiency η is saturated and decreases. (Reference: "Semiconductor Device" by SM GE)

電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物が電子を吸引する仕組みは、具体的には、図5に示すように、ボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩にあるカウンターカチオンのカリウムイオンがキャリアまたは励起子を構成する電子を引き寄せ、そしてこの電子がさらにフェニル基のπ電子系へと伝搬していくためと考えられる。これは、実施例2のアルキルサリチル酸クロム化合物においても同様で、カチオン性のカウンターイオンからサリチル酸のベンゼン環のπ電子系にチャージされると考えられる。   The mechanism by which an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation withdraws electrons is specifically described in borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt as shown in FIG. This is probably because the potassium ion of a certain counter cation attracts electrons constituting carriers or excitons, and this electron further propagates to the π electron system of the phenyl group. The same applies to the alkyl salicylate chromium compound of Example 2, and it is considered that the π electron system of the benzene ring of salicylic acid is charged from a cationic counter ion.

上記実施例は、ボロビス(1,1−ジフェニル−1−オキソ−アセチル)カリウム塩とアルキルサリチル酸クロム化合物を用いたが、これらに限られるものではなく、他の電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物でも同様である。
また、実施例においては第1p型半導体層4に顔料としてチタルフタロシアニンを使用したが、アゾ系、フタロシアニン系、アントラキノン系、キナクリドン系、シアニン系、メロシアニン系、フラーレン系、ジオキサジン系、アントラピリミジン系、アントラピリドン系、アンサンスロン系、インダンスロン系、フラバンスロン系、ペリノン系、チオインジコ系、アントラキノン系、ポリジアセチレン系化合物などの有機系顔料のキャリア発生材料でも同様である。
In the above examples, borobis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl) potassium salt and a chromium alkylsalicylate compound were used, but the present invention is not limited thereto, and other electron-withdrawing functional groups and counter cations are used. The same applies to the organometallic compound possessed.
Moreover, although tital phthalocyanine was used as a pigment in the first p-type semiconductor layer 4 in Examples, azo, phthalocyanine, anthraquinone, quinacridone, cyanine, merocyanine, fullerene, dioxazine, anthrapyrimidine, The same applies to carrier generating materials for organic pigments such as anthrapyridone, ansanthrone, indanthrone, flavanthrone, perinone, thioindico, anthraquinone, and polydiacetylene compounds.

本実施形態では、電子供与性有機顔料を主成分とする第1p型半導体層のキャリア発生層に電子吸引性官能基、及びカウンターカチオン持つ有機金属化合物を含有させるものについて説明したが、キャリア発生層に電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ有機金属化合物を含有しても同様の効果がある。この場合、キャリア発生層において上記有機金属化合物がドナーとして作用し、電子、ホールのキャリア移動度の改善に寄与するとともに、発生したキャリアのホールがカウンターアニオンを媒介として電子供与性官能基に吸引されることによってキャリアの電子、ホールの再結合確率を減少させ、隣接する第n型半導体層に流れる電子が増加し電流が増大する。また、界面近傍以外では励起子を構成するホールが有機金属化合物のカウンターアニオンに引き抜かれてキャリア分離し、電子密度が増え、電流が増加し短絡電流密度が増大することによりエネルギー変換効率を向上できる。   In the present embodiment, the carrier generation layer of the first p-type semiconductor layer containing the electron donating organic pigment as a main component has been described as containing an organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation. The same effect can be obtained by containing an organometallic compound having an electron donating functional group and a counter anion. In this case, the organometallic compound acts as a donor in the carrier generation layer and contributes to improvement of the carrier mobility of electrons and holes, and the generated carrier holes are attracted to the electron donating functional group through the counter anion. As a result, the probability of recombination of electrons and holes of carriers is decreased, the number of electrons flowing in the adjacent n-type semiconductor layer is increased, and the current is increased. Except for the vicinity of the interface, exciton holes are extracted by the counter anion of the organometallic compound to separate carriers, increasing electron density, increasing current, and increasing short-circuit current density, thereby improving energy conversion efficiency. .

上述の実施形態では、第1p型半導体層のキャリア発生層に、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ1種類の有機金属化合物を含有させる、又は電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ1種類の有機金属化合物を含有させているが、2種類以上の有機金属化合物を含有させてもよい。   In the above-described embodiment, the carrier generation layer of the first p-type semiconductor layer contains one type of organometallic compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation, or has an electron-donating functional group and a counter anion. Although one kind of organometallic compound is contained, two or more kinds of organometallic compounds may be contained.

また、本実施形態ではn型半導体層3の主成分が電子受容性無機顔料であるものについて説明したが、電子受容性有機材料であってもよい。なお、電子受容性無機顔料を用いる場合は、電子受容性有機材料のような、空気中で不安定であり酸素と結合するとその性質が変化するとか、電荷移動度が低いなどの問題がない点で有用である。   In the present embodiment, the main component of the n-type semiconductor layer 3 is the electron-accepting inorganic pigment, but an electron-accepting organic material may be used. In the case of using an electron-accepting inorganic pigment, there are no problems such as an electron-accepting organic material that is unstable in the air and changes its properties when combined with oxygen or has low charge mobility. It is useful in.

1 透明絶縁性基板
2 透明電極
3 n型半導体層
4 第1p型半導体層(キャリア発生層)
5 第2p型半導体層
6 背面電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent insulating substrate 2 Transparent electrode 3 N-type semiconductor layer 4 1st p-type semiconductor layer (carrier generation layer)
5 Second p-type semiconductor layer 6 Back electrode layer

Claims (5)

n型半導体層と、
p型半導体層と、
前記n型半導体層及び前記p型半導体層に挟まれたキャリア発生層と
を備え、
前記キャリア発生層は電子供与性有機顔料と、電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物とを含有していることを特徴とする光起電力素子。
an n-type semiconductor layer;
a p-type semiconductor layer;
A carrier generation layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer,
The photovoltaic device, wherein the carrier generation layer contains an electron donating organic pigment, an organometallic compound having an electron withdrawing functional group and a counter cation.
n型半導体層と、
p型半導体層と、
前記n型半導体層及び前記p型半導体層に挟まれたキャリア発生層と
を備え、
前記キャリア発生層は電子供与性有機顔料と、電子供与性官能基、及びカウンターアニオンを持つ有機金属化合物とを含有していることを特徴とする光起電力素子。
an n-type semiconductor layer;
a p-type semiconductor layer;
A carrier generation layer sandwiched between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer,
The photovoltaic element, wherein the carrier generation layer contains an electron donating organic pigment, an organometallic compound having an electron donating functional group and a counter anion.
前記キャリア発生層において、前記電子吸引性官能基、及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物は、前記電子供与性有機顔料100重量部に対して15〜100重量部含有されていることを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子。   In the carrier generation layer, the electron-withdrawing functional group and the organometallic compound having a counter cation are contained in an amount of 15 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electron-donating organic pigment. Item 2. The photovoltaic device according to Item 1. 前記p型半導体層は電子供与性有機顔料を含有しており、
前記p型半導体層の前記電子供与性有機顔料と、前記キャリア発生層の前記電子供与性有機顔料とは、互いに異なるフタロシアニン系顔料からなることを特徴とする請求項1〜3いずれか一項に記載の光起電力素子。
The p-type semiconductor layer contains an electron-donating organic pigment;
The electron-donating organic pigment of the p-type semiconductor layer and the electron-donating organic pigment of the carrier generation layer are made of phthalocyanine pigments different from each other. The photovoltaic element as described.
電子受容性無機顔料に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したn型半導体塗布液と、電子供与性有機顔料、並びに電子吸引性官能基及びカウンターカチオンを持つ有機金属化合物に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したキャリア発生層塗布液と、電子供与性有機顔料に所定量のバインダー樹脂及び溶剤を添加したp型半導体塗布液とを、電極基板上に順次塗布して積層することを特徴とする光起電力素子の製造方法。   An n-type semiconductor coating solution obtained by adding a predetermined amount of a binder resin and a solvent to an electron-accepting inorganic pigment, an electron-donating organic pigment, and a predetermined amount of a binder resin and an organic metal compound having an electron-withdrawing functional group and a counter cation; A carrier generation layer coating solution to which a solvent is added and a p-type semiconductor coating solution to which an electron-donating organic pigment is added with a predetermined amount of a binder resin and a solvent are sequentially applied and laminated on an electrode substrate. Photovoltaic element manufacturing method.
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