JP2014090093A - Tandem type organic thin-film solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タンデム型有機薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a tandem organic thin film solar cell and a method for manufacturing the same.
有機太陽電池(有機薄膜太陽電池)は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードや撮像素子、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に代表されるように、光入力に対して電気出力を示す装置である。 Organic solar cells (organic thin-film solar cells) provide electrical output with respect to light input, as typified by photodiodes and imaging devices that convert optical signals into electrical signals, and solar cells that convert optical energy into electrical energy. It is a device to show.
太陽電池は、化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題を背景に、クリーンエネルギー源として近年大変注目され、研究開発が盛んに行なわれている。
従来、実用化されてきたのは、単結晶Si、多結晶Si、アモルファスSi等に代表されるシリコン系太陽電池であるが、高価であることや原料Siの不足問題等が表面化するにつれて、次世代太陽電池への要求が高まりつつある。このような背景の中で、有機太陽電池は、安価で毒性が低く、原材料不足の懸念もないことから、シリコン系太陽電池に次ぐ次世代の太陽電池として大変注目を集めている。
In recent years, solar cells have attracted a great deal of attention as a clean energy source against the background of fossil fuel depletion problems and global warming problems, and research and development have been actively conducted.
Conventionally, silicon solar cells represented by single crystal Si, polycrystal Si, amorphous Si, etc. have been put into practical use. However, as the cost and raw material Si shortage problems surface, The demand for next generation solar cells is increasing. Against this background, organic solar cells are attracting much attention as next-generation solar cells next to silicon-based solar cells because they are inexpensive, have low toxicity, and do not have a fear of shortage of raw materials.
有機太陽電池及びそれを用いた有機太陽電池モジュールにおいて、高効率化及び低コスト化が求められている。
有機太陽電池素子では、光照射により生成された励起子から、正孔と電子の両電荷が分離生成される。従って、有機太陽電池における高効率化は、光活性な光電変換層の中での励起子の失活を抑制し、電荷分離を効果的に行うことによって実現することが可能である。
In an organic solar cell and an organic solar cell module using the same, high efficiency and low cost are required.
In the organic solar cell element, both holes and electrons are separated and generated from excitons generated by light irradiation. Therefore, high efficiency in the organic solar cell can be realized by suppressing deactivation of excitons in the photoactive photoelectric conversion layer and effectively performing charge separation.
励起子の再結合を伴わずに励起子拡散を制御することは、有機太陽電池の高効率化において非常に重要である。
励起子の拡散距離は、構造及び化学的な純度に関して完璧な単結晶を用いれば大きくすることができると考えられるが、汎用に単結晶有機材料を使用することは不可能である。
Controlling exciton diffusion without exciton recombination is very important in increasing the efficiency of organic solar cells.
The diffusion distance of excitons can be increased by using a perfect single crystal in terms of structure and chemical purity, but it is impossible to use a single crystal organic material for general purposes.
励起子の拡散距離を長くする代わりに、電荷分離をもたらすpn界面までの平均的な距離を小さくすることが提案されている。i層(p材料とn材料の混合層)やバルクヘテロ構造を導入して、光生成された励起子が非常に短い距離を拡散するだけでpn界面に到達すればよいことになり、変換効率が向上することが見出された。 Instead of increasing the exciton diffusion distance, it has been proposed to reduce the average distance to the pn interface that results in charge separation. By introducing an i layer (mixed layer of p and n materials) or a bulk heterostructure, the photogenerated excitons only have to reach the pn interface by diffusing a very short distance, and the conversion efficiency is improved. It has been found to improve.
また、低分子材料と同様に高分子材料を用いた有機太陽電池においても、p材料として導電性高分子、n材料として可溶性C60誘導体を用いて、それらを混合、熱処理してミクロ相分離を誘起してヘテロ界面を増やすことにより変換効率を向上させる、所謂バルクヘテロ構造の研究が主に行なわれている。 In addition, in organic solar cells using polymer materials as well as low molecular materials, using conductive polymers as p materials and soluble C60 derivatives as n materials, they are mixed and heat-treated for microphase separation. Research on so-called bulk heterostructures, in which conversion efficiency is improved by inducing heterointerfaces by induction, is mainly performed.
また、有機太陽電池の特性を改善する策として、他のアプローチは以下のようなものが挙げられる。
有機太陽電池の変換効率を向上させるための策として、多接合化が考えられる。多接合化は、Si又は化合物半導体で検討されている。コストを考慮し、中間層を介してトップとボトムの2つのシングルセルを積層した所謂タンデム化が各社で検討されている。
As other measures for improving the characteristics of the organic solar cell, other approaches include the following.
Multi-junction is conceivable as a measure for improving the conversion efficiency of the organic solar cell. Multi-junction has been studied with Si or compound semiconductors. In consideration of cost, so-called tandem formation in which two single cells of top and bottom are stacked via an intermediate layer is being studied by each company.
現在精力的に検討が行われているのは、例えば特許文献1等に記載される高分子(塗布)/高分子(塗布)型、又は特許文献2等で代表される低分子(蒸着)/低分子(蒸着)型である。 For example, the polymer (coating) / polymer (coating) type described in Patent Document 1 or the like, or low molecules (deposition) represented by Patent Document 2 / Low molecular (vapor deposition) type.
高分子(塗布)/高分子(塗布)型は、下層への溶解を防ぐことができる好適な中間層が見いだせていない。特に数mm角レベルのセルは、報告例はあるものの、サイズが大きくなったセル又はモジュールを試作した例の報告は未だない。また、低分子(蒸着)/低分子(蒸着)型は長波長側のp材料の分子設計が困難である。
即ち、実用化に対し、高効率かつ低コストで、性能ばらつきが十分抑制された材料及びその製造プロセスが未だ確定していない。
本発明の目的は、性能ばらつきが抑制された、高効率、高耐久性、かつ低コストの有機太陽電池を提供することである。
In the polymer (coating) / polymer (coating) type, no suitable intermediate layer that can prevent dissolution in the lower layer has been found. In particular, there are reports on cells of several mm square level, but there are no reports on examples of cells or modules whose size has been increased. Moreover, it is difficult to design the molecule of the p-material on the long wavelength side in the low molecule (evaporation) / low molecule (evaporation) type.
That is, for practical use, a material with high efficiency and low cost and sufficiently suppressed performance variation and its manufacturing process have not yet been determined.
An object of the present invention is to provide an organic solar cell with high efficiency, high durability, and low cost, in which performance variations are suppressed.
本発明によれば、以下のタンデム型有機薄膜太陽電池等が提供される。
1.基板上に、第1の電極、低分子材料を含む塗布型の第1の有機薄膜太陽電池セル、低分子材料を含む蒸着型の中間層、低分子材料を含む蒸着型の第2の有機薄膜太陽電池セル及び第2の電極をこの順に含むタンデム型有機薄膜太陽電池。
2.前記第1の有機薄膜太陽電池セルに含まれる低分子材料の分子量が5,000以下である1に記載のタンデム型有機薄膜太陽電池。
3.前記第1の有機薄膜太陽電池に含まれる低分子材料の繰返し単位数が10以下である1又は2に記載のタンデム型有機薄膜太陽電池。
4.前記第1の有機薄膜太陽電池セルが有機溶媒を0.01%〜0.1%含む1〜3のいずれかに記載のタンデム型有機薄膜太陽電池。
5.電極が形成された基板上に、窒素雰囲気又は水分濃度が100ppm以下である雰囲気において、低分子材料を含む第1の有機薄膜太陽電池セルを塗布法により形成する塗布工程、及び1×10−3Pa以下で中間層及び第2の有機薄膜太陽電池セルを蒸着法により形成する蒸着工程を含む1〜4のいずれかに記載のタンデム型有機薄膜太陽電池の製造方法。
6.前記第1の有機薄膜太陽電池セルを形成した直後に前記第1の有機薄膜太陽電池セルに残留した有機溶媒が前記中間層の形成時に除去され、前記第1の有機薄膜太陽電池セルにおける含有量が0.1%以下となる5に記載のタンデム型有機薄膜太陽電池の製造方法。
According to the present invention, the following tandem organic thin film solar cell and the like are provided.
1. On a substrate, a first electrode, a coating type first organic thin film solar cell containing a low molecular material, a vapor deposition type intermediate layer containing a low molecular material, and a vapor deposition type second organic thin film containing a low molecular material A tandem organic thin-film solar battery including a solar battery cell and a second electrode in this order.
2. 2. The tandem organic thin film solar cell according to 1, wherein the molecular weight of the low molecular weight material contained in the first organic thin film solar cell is 5,000 or less.
3. The tandem organic thin film solar cell according to 1 or 2, wherein the number of repeating units of the low molecular weight material contained in the first organic thin film solar cell is 10 or less.
4). The tandem organic thin film solar cell according to any one of 1 to 3, wherein the first organic thin film solar cell includes 0.01% to 0.1% of an organic solvent.
5. A coating step of forming a first organic thin-film solar cell containing a low-molecular material by a coating method in a nitrogen atmosphere or an atmosphere having a moisture concentration of 100 ppm or less on a substrate on which an electrode is formed; and 1 × 10 −3 The manufacturing method of the tandem-type organic thin-film solar cell in any one of 1-4 containing the vapor deposition process of forming an intermediate | middle layer and a 2nd organic thin-film solar cell by vapor deposition method below Pa.
6). Immediately after forming the first organic thin film solar cell, the organic solvent remaining in the first organic thin film solar cell is removed during the formation of the intermediate layer, and the content in the first organic thin film solar cell The manufacturing method of the tandem-type organic thin-film solar cell of 5 with which becomes 0.1% or less.
本発明によれば、性能ばらつきが抑制された、高効率、高耐久性、かつ低コストの有機太陽電池が提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an organic solar battery with high efficiency, high durability, and low cost, in which performance variation is suppressed.
本発明の有機薄膜太陽電池はタンデム型であり、基板上に、第1の電極(下部電極)、低分子材料を含む塗布型の第1の有機薄膜太陽電池セル、低分子材料を含む蒸着型の中間層、低分子材料を含む蒸着型の第2の有機薄膜太陽電池セル、及び第2の電極(上部電極)をこの順に含む。 The organic thin film solar cell of the present invention is a tandem type, and a first electrode (lower electrode), a coating type first organic thin film solar cell including a low molecular material, and a vapor deposition type including a low molecular material on a substrate. The intermediate layer, the vapor deposition type second organic thin film solar cell containing the low molecular material, and the second electrode (upper electrode) are included in this order.
第1、第2の有機薄膜太陽電池セル及び中間層に低分子材料(分子量分布がない)を用いることにより、本発明の有機薄膜太陽電池は性能再現性に優れ、即ち、性能のばらつきが少なく、生産性が高い。また、上記層に低分子材料を用いることにより、耐久性に優れる。
本発明のタンデム型有機薄膜太陽電池は、第1の有機薄膜太陽電池セルを塗布型、第2の有機薄膜太陽電池セルを蒸着型とすることにより、材料選択による吸収波長の分離が容易であり、即ち、高効率とすることができる。具体的には、第1の有機薄膜太陽電池セルはより長波長の太陽光を吸収し、第2の有機薄膜太陽電池セルはより短波長の太陽光を吸収する構成とすることができる。
By using a low molecular material (no molecular weight distribution) for the first and second organic thin film solar cells and the intermediate layer, the organic thin film solar cell of the present invention is excellent in performance reproducibility, that is, there is little variation in performance. High productivity. Moreover, it is excellent in durability by using a low molecular material for the said layer.
In the tandem organic thin film solar cell of the present invention, the first organic thin film solar cell is a coating type, and the second organic thin film solar cell is a vapor deposition type. That is, high efficiency can be achieved. Specifically, the first organic thin film solar cell can absorb longer wavelength sunlight, and the second organic thin film solar cell can absorb shorter wavelength sunlight.
本発明に用いる第1の有機薄膜太陽電池セルは塗布法によって成膜したものであり、通常1層からなる。塗布法を用いることにより、製造コストを低く抑えることができる。また、塗布した後の乾燥工程等により、第1の有機薄膜太陽電池セルを後述する混合材料(バルクへテロジャンクション(BHJ))で形成した場合に、不安定なナノ構造(P−N接合)を安定化することができ、耐久性をさらに高めることができる。
塗布法は、公知の方法を用いることができるが、具体的には後述する通りである。
The first organic thin-film solar battery cell used in the present invention is formed by a coating method and usually consists of one layer. By using the coating method, the manufacturing cost can be kept low. In addition, when the first organic thin-film solar battery cell is formed of a mixed material (bulk heterojunction (BHJ)), which will be described later, by a drying process after coating, etc., an unstable nanostructure (PN junction) Can be stabilized, and durability can be further enhanced.
As the coating method, a known method can be used, and specifically, as described later.
第1の有機薄膜太陽電池セルは、好ましくは有機溶媒含有量が0.1%以下、より好ましくは0.05%以下である。有機溶媒含有量は、通常0.01%以上である。
有機溶媒含有量は、精密電子天秤により測定できる。
The first organic thin film solar cell preferably has an organic solvent content of 0.1% or less, more preferably 0.05% or less. The organic solvent content is usually 0.01% or more.
The organic solvent content can be measured with a precision electronic balance.
第1の有機薄膜太陽電池セルに用いる低分子材料の分子量は、好ましくは5,000以下であり、より好ましくは2,000以下である。分子量はTOF−MASS(Time of Flight Mass Spectrometry)等の質量分析機にて測定する。
また、上記低分子材料が繰り返し単位からなっている場合、好ましくは、繰返し単位数が10以下であり、より好ましくは5以下である。
The molecular weight of the low molecular weight material used for the first organic thin film solar cell is preferably 5,000 or less, and more preferably 2,000 or less. The molecular weight is measured with a mass spectrometer such as TOF-MASS (Time of Flight Mass Spectrometry).
Moreover, when the said low molecular material consists of a repeating unit, Preferably, the number of repeating units is 10 or less, More preferably, it is 5 or less.
第1の有機薄膜太陽電池セルに用いる低分子材料は、通常p材料であり、より長波長の太陽光を吸収するp材料とすることが好ましい。低分子材料としては、NATURE MATERIALS vol.11,p44 (2012)に記載される化合物等が挙げられる。
第1の有機薄膜太陽電池セルに用いる場合、低分子量のp材料と低分子量のn材料(例えば、フラーレン誘導体であるPC60BM、PC70BM等)とのバルクヘテロジャンクション(BHJ)が好ましい。
When used for the first organic thin film solar cell, a bulk heterojunction (BHJ) of a low molecular weight p material and a low molecular weight n material (for example, PC60BM, PC70BM, etc. which are fullerene derivatives) is preferable.
本発明に用いる中間層は蒸着法によって製造したものである。
中間層としては、中間電極、p型もしくはn型のドーピング層、又はこれらの両方を積層したものが挙げられる。
The intermediate layer used in the present invention is produced by a vapor deposition method.
Examples of the intermediate layer include an intermediate electrode, a p-type or n-type doping layer, or a laminate in which both are stacked.
中間電極の材料は特に限定されず、後述する正極及び負極を形成する材料を用いることができ、好ましくは、Pt及びAu、Ca、Mg、Ni、Cu、Zn、Pd、Ag、Cd、Mo、V、Ti、In及びSnの金属及び酸化物、並びにMg:Ag、Mg:InやAl:Li等の2成分金属系から選択される1以上からなる。
上記Ca、Mg、Ni、Cu、Zn、Pd、Ag、Cd、Mo、V、Ti、In、Snの酸化物としては、例えばMoO3、VO、ZnO、TiO、TiO2、In2O3、SnO2及びV2O5等が挙げられる。
中間電極は、より好ましくは、銀からなる層、銀及び酸化モリブデン(MoO3)の合金又は積層膜からなる層、金及びカルシウムからなる層、又は酸化モリブデン(MoO3)からなる層である。
The material of the intermediate electrode is not particularly limited, and materials for forming a positive electrode and a negative electrode, which will be described later, can be used. Preferably, Pt and Au, Ca, Mg, Ni, Cu, Zn, Pd, Ag, Cd, Mo, V, Ti, In, and Sn metals and oxides, and one or more selected from binary metal systems such as Mg: Ag, Mg: In, and Al: Li.
Examples of the oxides of Ca, Mg, Ni, Cu, Zn, Pd, Ag, Cd, Mo, V, Ti, In, and Sn include, for example, MoO 3 , VO, ZnO, TiO, TiO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 and V 2 O 5 and the like.
The intermediate electrode is more preferably a layer made of silver, a layer made of an alloy or a laminated film of silver and molybdenum oxide (MoO 3 ), a layer made of gold and calcium, or a layer made of molybdenum oxide (MoO 3 ).
p型又はn型のドーピング層を用いる場合、ドーピング層に用いる低分子材料の分子量は、好ましくは1,000以下である。
p型又はn型のドーピング層としてはp型のドーピング層が好ましい。p型ドーピング層としては、正孔輸送性材料(ドナー材料)へアクセプター材料をドープしたものを用いることができる。
When a p-type or n-type doping layer is used, the molecular weight of the low molecular weight material used for the doping layer is preferably 1,000 or less.
As the p-type or n-type doping layer, a p-type doping layer is preferable. As the p-type doping layer, a hole transporting material (donor material) doped with an acceptor material can be used.
ドナー材料としては、例えば有機化合物であれば、N,N’−ビス(3−トリル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(mTPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニルベンジジン(NPD)、4,4’,4’’−トリス(フェニル−3−トリルアミノ)トリフェニルアミン(MTDATA)等に代表されるアミン化合物;フタロシアニン(Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、チタニルフタロシアニン(TiOPc)等のフタロシアニン類;オクタエチルポルフィリン(OEP)、白金オクタエチルポルフィリン(PtOEP)、亜鉛テトラフェニルポルフィリン(ZnTPP)等に代表されるポルフィリン類;アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン類;及びチオフェン基等をπ共役として導入した化合物が挙げられ;高分子化合物であれば、ポリヘキシルチオフェン(P3HT)、メトキシエチルヘキシロキシフェニレンビニレン(MEHPPV)等の主鎖型共役高分子類、ポリビニルカルバゾール等に代表される側鎖型高分子類等が挙げられる。
これら化合物は1種単独で、又は2種以上の混合物として使用できる。
As the donor material, for example, in the case of an organic compound, N, N′-bis (3-tolyl) -N, N′-diphenylbenzidine (mTPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenylbenzidine ( NPD), 4,4 ′, 4 ″ -tris (phenyl-3-tolylamino) triphenylamine (MTDATA) and other amine compounds; phthalocyanine (Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc) Phthalocyanines such as titanyl phthalocyanine (TiOPc); porphyrins typified by octaethylporphyrin (OEP), platinum octaethylporphyrin (PtOEP), zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPP); and acenes such as anthracene, tetracene and pentacene And a thiophene group etc. In the case of a high molecular compound, main chain conjugated polymers such as polyhexylthiophene (P3HT) and methoxyethylhexyloxyphenylene vinylene (MEHPPV), and side chains represented by polyvinylcarbazole and the like. Type polymers.
These compounds can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
アクセプター材料は、例えば電子吸引性の置換基を有する有機化合物であり、具体的には、電子吸引性の置換基を有するキノイド誘導体、電子吸引性の置換基を有するピラジン誘導体、電子吸引性の置換基を有するアリールボラン誘導体、電子吸引性の置換基を有するイミド誘導体等が挙げられる。
例えば上記キノイド誘導体としては、キノジメタン誘導体、チオピランジオキシド誘導体、チオキサンテンジオキシド誘導体、キノン誘導体等が挙げられ、電子吸引性の置換基として、フルオロ基、シアノ基が挙げられ、これら化合物は1種単独で、又は2種以上の混合物として使用できる。
これらのうち、好ましくは電子吸引性基の置換基がシアノ基であるシアノ化合物である。
The acceptor material is, for example, an organic compound having an electron-withdrawing substituent, and specifically, a quinoid derivative having an electron-withdrawing substituent, a pyrazine derivative having an electron-withdrawing substituent, and an electron-withdrawing substitution. And arylborane derivatives having a group, imide derivatives having an electron-withdrawing substituent, and the like.
For example, examples of the quinoid derivative include quinodimethane derivatives, thiopyran dioxide derivatives, thioxanthene dioxide derivatives, quinone derivatives, and the like, and examples of electron-withdrawing substituents include fluoro groups and cyano groups. The species can be used alone or as a mixture of two or more species.
Of these, preferred are cyano compounds in which the substituent of the electron-withdrawing group is a cyano group.
アクセプター材料であるシアノ化合物としては、好ましくは下記式(1)で表わされるテトラシアノキノジメタン誘導体である。式(1)で表わされるテトラシアノキノジメタン誘導体は、より好ましくは4つのRのうち少なくとも1つがシアノ基であり、さらに好ましくは4つのRのうち少なくとも2つがシアノ基である。
本発明に用いる第2の有機薄膜太陽電池セルは蒸着法によって製造したものであり、1層又は2層以上の積層構造であると好ましく、このような積層構造としては、例えば、(p層/n層)、(p層/i層(p材料とn材料の混合層)/n層)、(i層)等が挙げられる。
第2の有機薄膜太陽電池セルに用いる低分子材料の分子量は、好ましくは1,000以下である。第2の有機薄膜太陽電池セルに用いる低分子材料としては、後述するp層材料、n層材料等が挙げられる。
The second organic thin film solar cell used in the present invention is produced by a vapor deposition method, and preferably has a single layer or a laminated structure of two or more layers. As such a laminated structure, for example, (p layer / n layer), (p layer / i layer (mixed layer of p material and n material) / n layer), (i layer), and the like.
The molecular weight of the low molecular weight material used for the second organic thin film solar cell is preferably 1,000 or less. Examples of the low-molecular material used for the second organic thin-film solar battery include a p-layer material and an n-layer material described later.
蒸着法は、公知の方法を用いることができるが、具体的には後述する通りである。中間層以降を蒸着により形成することにより、塗布層を積層する場合と異なり、濡れ性への配慮が大きく低減される。 As a vapor deposition method, a known method can be used, and specifically, as described later. By forming the intermediate layer and the subsequent layers by vapor deposition, unlike in the case of laminating the coating layer, consideration for wettability is greatly reduced.
本発明の有機薄膜太陽電池のセル構造は、一対の電極の間に塗布型のシングルセル(第1の有機薄膜太陽電池セル)、蒸着型の中間層、蒸着型のシングルセル(第2の有機薄膜太陽電池セル)を有する構造であれば特に限定されるものでない。具体的には、基板上に下記の構成を有する構造が挙げられる。 The cell structure of the organic thin film solar cell of the present invention includes a coating type single cell (first organic thin film solar cell), a vapor deposition type intermediate layer, and a vapor deposition type single cell (second organic) between a pair of electrodes. The structure is not particularly limited as long as it has a structure having a thin film solar battery cell. Specifically, the structure which has the following structure on a board | substrate is mentioned.
(1)下部電極/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/第2の有機薄膜太陽電池セル(p層/n層)/上部電極
(2)下部電極/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/第2の有機薄膜太陽電池セル(p層/i層(p材料とn材料の混合層)/n層)/上部電極
(3)下部電極/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/第2の有機薄膜太陽電池セル(i層)/上部電極
(1) Lower electrode / first organic thin film solar cell / intermediate layer / second organic thin film solar cell (p layer / n layer) / upper electrode (2) lower electrode / first organic thin film solar cell / Intermediate layer / second organic thin film solar cell (p layer / i layer (mixed layer of p and n materials) / n layer) / upper electrode (3) lower electrode / first organic thin film solar cell / Intermediate layer / second organic thin film solar cell (i layer) / upper electrode
また、必要に応じて、電極と有機層の間にバッファー層を設けてもよい。上記の構成にバッファー層を設けた構成を以下に例示する。
(4)下部電極/バッファー層/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/バッファー層/第2の有機薄膜太陽電池セル(p層/n層)/バッファー層/上部電極
(5)下部電極/バッファー層/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/バッファー層/第2の有機薄膜太陽電池セル(p層/i層/n層)/バッファー層/上部電極
Moreover, you may provide a buffer layer between an electrode and an organic layer as needed. A configuration in which a buffer layer is provided in the above configuration is exemplified below.
(4) Lower electrode / buffer layer / first organic thin film solar cell / intermediate layer / buffer layer / second organic thin film solar cell (p layer / n layer) / buffer layer / upper electrode (5) lower electrode / Buffer layer / first organic thin film solar cell / intermediate layer / buffer layer / second organic thin film solar cell (p layer / i layer / n layer) / buffer layer / upper electrode
また、第1及び第2の有機薄膜太陽電池セルを逆構成とすることもできる。逆構成とした場合を以下に例示する。
(6)下部電極/バッファー層/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/バッファー層/第2の有機薄膜太陽電池セル(n層/p層)/バッファー層/上部電極
(7)下部電極/バッファー層/第1の有機薄膜太陽電池セル/中間層/バッファー層/第2の有機薄膜太陽電池セル(n層/i層/p層)/バッファー層/上部電極
In addition, the first and second organic thin-film solar cells can be reversed. An example of the reverse configuration will be described below.
(6) Lower electrode / buffer layer / first organic thin film solar cell / intermediate layer / buffer layer / second organic thin film solar cell (n layer / p layer) / buffer layer / upper electrode (7) lower electrode / Buffer layer / first organic thin film solar cell / intermediate layer / buffer layer / second organic thin film solar cell (n layer / i layer / p layer) / buffer layer / upper electrode
下部電極と上部電極のいずれか又は両方が透明電極である。下部電極側から光を取り込む場合は、下部電極が透明であり、基板も透明である。 Either or both of the lower electrode and the upper electrode are transparent electrodes. When taking in light from the lower electrode side, the lower electrode is transparent and the substrate is also transparent.
また、第1の有機薄膜太陽電池セルと第2の有機薄膜太陽電池セルを構成する材料を互いに異なる吸収スペクトルを有する層として吸収スペクトルを補完し合う構成とし、幅広い太陽光スペクトルを吸収できる構造とすることが好ましい。 Further, the material constituting the first organic thin film solar cell and the second organic thin film solar cell is configured to complement the absorption spectrum as layers having different absorption spectra, and has a structure capable of absorbing a wide solar spectrum. It is preferable to do.
以下、各構成部材について簡単に説明する。
1.p層、n層、i層
p層とは、正孔を輸送する層であり、p層として用いる材料は特に限定されないが、電子供与性材料としての機能を有する化合物が好ましく、正孔の移動度が高い材料が好ましい。太陽光を吸収して発電に寄与する機能層であるので、
太陽光を強く吸収することが好ましい。
例えば、N,N’−ビス(3−トリル)−N,N’−ジフェニルベンジジン(mTPD)、N,N’−ジナフチル−N,N’−ジフェニルベンジジン(NPD)、4,4’,4’’−トリス(フェニル−3−トリルアミノ)トリフェニルアミン(MTDATA)等に代表されるアミン化合物、フタロシアニン(Pc)、銅フタロシアニン(CuPc)、亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、チタニルフタロシアニン(TiOPc)、ホウ素フタロシアニン(SubPc)等のフタロシアニン錯体、ナフタロシアニン錯体、ベンゾポルフィリン(BP)、オクタエチルポルフィリン(OEP)、白金オクタエチルポルフィリン(PtOEP)、亜鉛テトラフェニルポルフィリン(ZnTPP)等に代表されるポルフィリン錯体、チエノアセン類が挙げられる。また、溶液による塗布プロセスを用いる高分子化合物であれば、メトキシエチルヘキシロキシフェニレンビニレン(MEHPPV)、ポリヘキシルチオフェン(P3HT)、シクロペンタジチオフェン‐ベンゾチアジアゾール(PCPDTBT)等の主鎖型共役高分子類、ポリビニルカルバゾール等に代表される側鎖型高分子類等が挙げられる。
p層は結晶性でも非晶性でもよいが、結晶性であることが好ましい。ただし結晶性が強すぎる場合、白濁するなど薄膜形成ができないことがあり、好ましくない。
Hereinafter, each component will be briefly described.
1. p-layer, n-layer, i-layer The p-layer is a layer that transports holes, and the material used as the p-layer is not particularly limited, but is preferably a compound having a function as an electron-donating material, and the movement of holes A high degree of material is preferred. Because it is a functional layer that absorbs sunlight and contributes to power generation,
It is preferable to strongly absorb sunlight.
For example, N, N′-bis (3-tolyl) -N, N′-diphenylbenzidine (mTPD), N, N′-dinaphthyl-N, N′-diphenylbenzidine (NPD), 4,4 ′, 4 ′ Amine compounds represented by '-tris (phenyl-3-tolylamino) triphenylamine (MTDATA), etc., phthalocyanine (Pc), copper phthalocyanine (CuPc), zinc phthalocyanine (ZnPc), titanyl phthalocyanine (TiOPc), boron phthalocyanine ( Subphycline complexes such as phthalocyanine complexes such as SubPc), naphthalocyanine complexes, benzoporphyrin (BP), octaethylporphyrin (OEP), platinum octaethylporphyrin (PtOEP), zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPP), and thienoacenes Be mentioned . Moreover, if it is a high molecular compound using the application | coating process by a solution, main chain type conjugated polymers, such as methoxyethyl hexyloxy phenylene vinylene (MEHPPV), polyhexyl thiophene (P3HT), cyclopentadithiophene-benzothiadiazole (PCPDTBT) And side chain polymers represented by polyvinylcarbazole and the like.
The p layer may be crystalline or amorphous, but is preferably crystalline. However, if the crystallinity is too strong, it may not be possible to form a thin film, such as white turbidity.
n層とは、電子を輸送する層であり、n層として用いる材料は特に限定されないが、電子受容性材料としての機能を有する化合物が好ましい。
例えば、C60、C70等のフラーレン又はフラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ペリレン誘導体、多環キノン、キナクリドン等、高分子系ではCN−ポリ(フェニレン−ビニレン)、MEH−CN−PPV、−CN基又はCF3基含有ポリマー、それらの−CF3置換ポリマー、ポリ(フルオレン)誘導体等を挙げることができる。その中でも特に、フラーレン、フラーレン誘導体が好ましい。
また、無機化合物であってもよい。具体的にはn−Si、GaAs、CdS、PbS、CdSe、InP、Nb2O5、WO3、Fe2O3等のドーピング半導体及び化合物半導体、また、二酸化チタン(TiO2)、一酸化チタン(TiO)、三酸化二チタン(Ti2O3)等の酸化チタン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)等の導電性酸化物が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The n layer is a layer that transports electrons, and the material used for the n layer is not particularly limited, but a compound having a function as an electron accepting material is preferable.
For example, a fullerene or fullerene derivatives such as C 60, C 70, carbon nanotube, perylene derivatives, polycyclic quinone, quinacridone, the polymeric CN- poly (phenylene - vinylene), MEH-CN-PPV, -CN group or CF 3 group-containing polymers, their -CF 3 substituted polymers, poly (fluorene) derivatives and the like can be mentioned. Of these, fullerenes and fullerene derivatives are particularly preferable.
Moreover, an inorganic compound may be sufficient. Specifically, doped semiconductors and compound semiconductors such as n-Si, GaAs, CdS, PbS, CdSe, InP, Nb 2 O 5 , WO 3 , Fe 2 O 3 , titanium dioxide (TiO 2 ), and titanium monoxide (TiO), titanium oxides such as dititanium trioxide (Ti 2 O 3 ), and conductive oxides such as zinc oxide (ZnO) and tin oxide (SnO 2 ), and one or two of them A combination of the above may also be used.
i層は電子供与性材料と電子受容性材料との混合層である。電子供与性材料、電子受容性材料の種類は特に限定されない。
電子供与性材料には上記p層として用いる材料が好ましく、電子受容性材料には上記n層として用いる材料が好ましい。
i層は、電子供与性材料と電子受容性材料を共蒸着することで形成できる。このとき、電子供与性材料の混合割合は1重量%〜99重量%である。
The i layer is a mixed layer of an electron donating material and an electron accepting material. The kind of electron donating material and electron accepting material is not particularly limited.
The material used for the p layer is preferable for the electron donating material, and the material used for the n layer is preferable for the electron accepting material.
The i layer can be formed by co-evaporating an electron donating material and an electron accepting material. At this time, the mixing ratio of the electron donating material is 1% by weight to 99% by weight.
2.上部電極、下部電極
上部電極、下部電極の材料は特に制限はなく、公知の導電性材料を使用できる。例えば、p層と接続する電極としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO)や金(Au)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の金属が使用でき、n層と接続する電極としては、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、カルシウム(Ca)、白金(Pt)、リチウム(Li)等の金属やMg:Ag、Mg:InやAl:Li等の二成分金属系、さらには上記p層と接続する電極例示材料が使用できる。
尚、高効率の光電変換特性を得るためには、例えば有機薄膜太陽電池の場合、該太陽電池の少なくとも一方の面は太陽光スペクトルに対して充分透明にすることが望ましい。透明電極は、公知の導電性材料を使用して、蒸着やスパッタリング等の方法で所定の透光性を確保するように形成する。受光面の電極の光透過率は10%以上とすることが望ましい。一対の電極構成の好ましい構成では、電極部の一方が仕事関数の大きな金属を含み、他方は仕事関数の小さな金属を含む。
2. Upper electrode, lower electrode The material of the upper electrode and the lower electrode is not particularly limited, and a known conductive material can be used. For example, a metal such as tin-doped indium oxide (ITO), gold (Au), osmium (Os), palladium (Pd) can be used as the electrode connected to the p layer, and silver as the electrode connected to the n layer. Metals such as (Ag), aluminum (Al), indium (In), calcium (Ca), platinum (Pt), lithium (Li) and the like, and binary metal systems such as Mg: Ag, Mg: In and Al: Li, Furthermore, the electrode example material connected with the said p layer can be used.
In order to obtain highly efficient photoelectric conversion characteristics, for example, in the case of an organic thin film solar cell, it is desirable that at least one surface of the solar cell be sufficiently transparent to the sunlight spectrum. The transparent electrode is formed using a known conductive material so as to ensure a predetermined translucency by a method such as vapor deposition or sputtering. The light transmittance of the electrode on the light receiving surface is preferably 10% or more. In a preferred configuration of the pair of electrode configurations, one of the electrode portions includes a metal having a high work function, and the other includes a metal having a low work function.
3.バッファー層
バッファー層に好ましい化合物としては、膜厚を厚くしても短絡電流が低下しないようにキャリア移動度が充分に高い化合物が好ましい。例えば、低分子化合物であれば下記に示すNTCDAに代表される芳香族環状酸無水物等が挙げられ、高分子化合物であればポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェン:ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)、ポリアニリン:カンファースルホン酸(PANI:CSA)等に代表される公知の導電性高分子等が挙げられる。
3. Buffer Layer A preferred compound for the buffer layer is preferably a compound having sufficiently high carrier mobility so that the short-circuit current does not decrease even when the film thickness is increased. For example, if it is a low molecular compound, the aromatic cyclic acid anhydride represented by NTCDA shown below etc. will be mentioned, and if it is a high molecular compound, poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene: polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), polyaniline: camphorsulfonic acid (PANI: CSA), and other known conductive polymers.
また、バッファー層には、励起子が電極まで拡散して失活してしまうのを防止する役割を持たせることも可能である。このように励起子阻止層としてバッファー層を挿入することは、高効率化のために有効である。励起子阻止層は正極側、負極側のいずれにも挿入することができ、両方同時に挿入することも可能である。この場合、励起子阻止層として好ましい材料としては、例えば有機エレクトロルミネッセンス素子用途で公知な正孔障壁層用材料又は電子障壁層用材料等が挙げられる。正孔障壁層として好ましい材料は、イオン化ポテンシャルが充分に大きい化合物であり、電子障壁層として好ましい材料は、電子親和力が充分に小さい化合物である。具体的には有機エレクトロルミネッセンス素子用途で公知な材料であるバソクプロイン(BCP)、バソフェナントロリン(BPhen)等が負極側の正孔障壁層材料として挙げられる。 In addition, the buffer layer may have a role of preventing excitons from diffusing to the electrodes and deactivating. Inserting a buffer layer as an exciton blocking layer in this way is effective for increasing efficiency. The exciton blocking layer can be inserted on either the positive electrode side or the negative electrode side, or both can be inserted simultaneously. In this case, examples of a preferable material for the exciton blocking layer include a hole barrier layer material or an electron barrier layer material known for use in organic electroluminescence device. A preferable material for the hole blocking layer is a compound having a sufficiently large ionization potential, and a preferable material for the electron blocking layer is a compound having a sufficiently small electron affinity. Specifically, bathocuproin (BCP), bathophenanthroline (BPhen), and the like, which are well-known materials for organic electroluminescence device applications, can be cited as the hole blocking layer material on the negative electrode side.
さらに、バッファー層には、上記電子受容性材料として例示した無機半導体化合物を用いてもよい。また、p型無機半導体化合物としてはCdTe、p−Si、SiC、GaAs、WO3等を用いることができる。 Furthermore, you may use the inorganic semiconductor compound illustrated as said electron-accepting material for a buffer layer. As the p-type inorganic semiconductor compound, CdTe, p-Si, SiC, GaAs, WO 3 or the like can be used.
4.基板
基板は、機械的、熱的強度を有し、透明性を有するものが好ましい。例えば、ガラス基板及び透明性樹脂フィルムがある。透明性樹脂フィルムとしては、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリプロピレン等が挙げられる。
4). Substrate The substrate preferably has mechanical and thermal strength and transparency. For example, there are a glass substrate and a transparent resin film. Transparent resin films include polyethylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polypropylene, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, nylon, polyether ether ketone. , Polysulfone, polyethersulfone, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polyvinyl fluoride, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, Polyvinylidene fluoride, polyester, polycarbonate, polyurethane, polyimide, polyetherimide, polyimide, polypropylene, etc. That.
各層の膜厚は特に限定されないが、適切な膜厚に設定する。一般に有機薄膜の励起子拡散長は短いことが知られているため、膜厚が厚すぎると励起子がヘテロ界面に到達する前に失活してしまうため光電変換効率が低くなる。膜厚が薄すぎるとピンホール等が発生してしまうため、充分なダイオード特性が得られないため、変換効率が低下する。通常の膜厚は1nm〜10μmの範囲が適しているが、5nm〜0.2μmの範囲がさらに好ましい。 The thickness of each layer is not particularly limited, but is set to an appropriate thickness. Since it is generally known that the exciton diffusion length of an organic thin film is short, if the film thickness is too thick, the exciton is deactivated before reaching the heterointerface, resulting in low photoelectric conversion efficiency. If the film thickness is too thin, pinholes and the like are generated, so that sufficient diode characteristics cannot be obtained, resulting in a decrease in conversion efficiency. The normal film thickness is suitably in the range of 1 nm to 10 μm, but more preferably in the range of 5 nm to 0.2 μm.
続いて、本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、下部電極(第1の電極)が形成された基板上に、第1の有機薄膜太陽電池セルを塗布法により形成する塗布工程、及び中間層及び第2の有機薄膜太陽電池セルを蒸着法により形成する蒸着工程を含む。具体的には、基板上に第1の電極を形成し、第1の有機薄膜太陽電池セルを塗布して形成し、中間層及び第2の有機薄膜太陽電池セルを蒸着し、第2の電極を形成する。
Then, the manufacturing method of the organic thin film solar cell of this invention is demonstrated.
The manufacturing method of the present invention includes a coating step of forming a first organic thin-film solar cell by a coating method on a substrate on which a lower electrode (first electrode) is formed, and an intermediate layer and a second organic thin-film solar. A vapor deposition step of forming the battery cell by a vapor deposition method is included. Specifically, the first electrode is formed on the substrate, the first organic thin film solar cell is applied and formed, the intermediate layer and the second organic thin film solar cell are deposited, and the second electrode Form.
塗布工程は、通常、窒素雰囲気又は水分濃度を100ppm以下に調整した雰囲気で行う。水分濃度は10ppm以下であると好ましい。 The coating process is usually performed in a nitrogen atmosphere or an atmosphere adjusted to a water concentration of 100 ppm or less. The moisture concentration is preferably 10 ppm or less.
塗布法は、公知のスピンコーティング、ディップコート、キャスティング、ロールコート、フローコーティング、インクジェット等の湿式成膜法を適用することができる。 As the coating method, a known wet film forming method such as spin coating, dip coating, casting, roll coating, flow coating, and ink jet can be applied.
湿式成膜法において、低分子材料を、適切な有機溶媒に溶解又は分散させて溶液を調製し、薄膜を形成するが、溶媒は任意の溶媒を使用できる。例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素、テトラクロロエタン、トリクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエン等のハロゲン系炭化水素系溶媒や、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソール等のエーテル系溶媒、メタノールやエタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール等のアルコール系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ヘキサン、オクタン、デカン、テトラリン等の炭化水素系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル等のエステル系溶媒等が挙げられる。なかでも、炭化水素系溶媒又はエーテル系溶媒が好ましい。また、これらの溶媒は単独で使用しても複数混合して用いてもよい。尚、使用可能な溶媒は、これらに限定されるものではない。 In the wet film forming method, a low molecular material is dissolved or dispersed in an appropriate organic solvent to prepare a solution to form a thin film, and any solvent can be used as the solvent. For example, halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, dichloroethane, chloroform, carbon tetrachloride, tetrachloroethane, trichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, chlorotoluene, ether solvents such as dibutyl ether, tetrahydrofuran, dioxane, anisole, methanol, Alcohol solvents such as ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, cyclohexanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, hexane, octane, decane, tetralin, Examples include ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, and amyl acetate. Of these, hydrocarbon solvents or ether solvents are preferable. These solvents may be used alone or in combination. In addition, the solvent which can be used is not limited to these.
塗布の後、乾燥することにより第1の有機薄膜太陽電池セルを形成することができる(乾燥工程)。 A 1st organic thin film photovoltaic cell can be formed by drying after application | coating (drying process).
次に、蒸着工程により中間層及び第2の有機薄膜太陽電池セルを形成する。蒸着は、通常1×10−3Pa以下、好ましくは1×10−4Paで行う。 Next, an intermediate | middle layer and a 2nd organic thin film photovoltaic cell are formed by a vapor deposition process. The vapor deposition is usually performed at 1 × 10 −3 Pa or less, preferably 1 × 10 −4 Pa.
尚、蒸着は、第1の有機薄膜太陽電池セルを形成した基板を、例えば真空チャンバーに搬送し、真空チャンバー内を上記圧力まで減圧してから行うが(減圧工程)、この減圧工程により、上記塗布層(第1の有機薄膜太陽電池セル)に含有する溶媒を乾燥し、取り除くことができる。即ち、塗布後に乾燥工程を設けなくても減圧工程を塗布層の乾燥工程と兼ねることができる。 Vapor deposition is performed after the substrate on which the first organic thin-film solar cells are formed is transported to, for example, a vacuum chamber and the vacuum chamber is depressurized to the above pressure (decompression step). The solvent contained in the coating layer (first organic thin-film solar battery cell) can be dried and removed. That is, the decompression step can be combined with the drying step of the coating layer without providing a drying step after coating.
この場合、塗布層を形成した直後は、塗布層に有機溶媒が微量(例えば、1%以下)残留しているが、減圧工程の後、即ち中間層の形成時には、塗布層の有機溶媒含有量は好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.05%以下となる。
塗布層の有機溶媒含有量は精密電子天秤にて測定する。
In this case, a small amount (for example, 1% or less) of organic solvent remains in the coating layer immediately after forming the coating layer, but the organic solvent content of the coating layer after the decompression step, that is, when the intermediate layer is formed. Is preferably 0.1% or less, more preferably 0.05% or less.
The organic solvent content of the coating layer is measured with a precision electronic balance.
蒸着法としては、公知の抵抗加熱法を用いることができる。抵抗加熱法は、金属ボート又はるつぼに材料を充填し、加熱することによって材料を昇華させて成膜する方法である。
具体的には、蒸着源を、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、カーボン(C)等からなるボートに乗せ、電圧をかけて加熱する方法や、アルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)等のるつぼに入れ、ヒーターで加熱する方法を用いることができる。
蒸着源として用いる金属ボートやるつぼ等の材質及び形状は限定されない。
As a vapor deposition method, a known resistance heating method can be used. The resistance heating method is a method in which a metal boat or crucible is filled with a material and heated to sublimate the material to form a film.
Specifically, a deposition source is placed on a boat made of molybdenum (Mo), tungsten (W), carbon (C), etc., and heated by applying voltage, or alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride ( A method of heating in a crucible such as AlN) and heating with a heater can be used.
The material and shape of a metal boat or crucible used as a deposition source are not limited.
本発明の製造方法において、上記の層以外の層の形成方法は特に限定されず、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ、イオンプレーティング等の乾式成膜法やスピンコーティング、ディップコート、キャスティング、ロールコート、フローコーティング、インクジェット等の湿式成膜法を適用することができる。 In the production method of the present invention, a method for forming a layer other than the above-mentioned layers is not particularly limited, and a dry film forming method such as vacuum deposition, sputtering, plasma, ion plating, spin coating, dip coating, casting, roll coating, Wet film formation methods such as flow coating and ink jet can be applied.
次に、本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法の一例を、図1を参照しながら説明する。
25mm×75mm×0.7mm厚のITO透明電極付きガラス基板10を、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄を5分間行なった後、UVオゾン洗浄を15分間行う。
Next, an example of the manufacturing method of the organic thin film solar cell of this invention is demonstrated, referring FIG.
The glass substrate 10 with an ITO transparent electrode having a thickness of 25 mm × 75 mm × 0.7 mm is subjected to ultrasonic cleaning in isopropyl alcohol for 5 minutes and then UV ozone cleaning for 15 minutes.
この基板10上にPEDOT:PSSを30nmの膜厚となるように、大気中、スピンコーターにて成膜する。その後、140℃に加熱したホットプレートにて乾燥させ、溶媒を除去してpバッファー層20を形成する。さらに、上部電極の取出しパターンが邪魔にならないように、ジクロロメタンを染みこませたふき取り機構でパターニングを行う。 A film of PEDOT: PSS is formed on the substrate 10 with a spin coater in the atmosphere so as to have a film thickness of 30 nm. Then, it dries on a hot plate heated to 140 ° C., removes the solvent, and forms the p buffer layer 20. Further, patterning is performed by a wiping mechanism soaked with dichloromethane so that the extraction pattern of the upper electrode does not get in the way.
上記とは別に、残留水分及び酸素の濃度が0.1ppm以下の窒素雰囲気のグローブボックス内で、カラム精製等によって十分に純度が高められた(例えば99.9%以上の)塗布用の低分子材料(p材料)と、PC60BM(n材料)を1:4の重量比で混ぜ合わせ、クロロベンゼン等の有機溶媒で濃度4wt%の溶液(BHJ(バルクへテロジャンクション)層塗布材料)を調製する。 Separately from the above, in a glove box with a residual moisture and oxygen concentration of 0.1 ppm or less, the purity is sufficiently increased by column purification or the like (for example, 99.9% or more). The material (p material) and PC60BM (n material) are mixed at a weight ratio of 1: 4 to prepare a 4 wt% solution (BHJ (bulk heterojunction) layer coating material) with an organic solvent such as chlorobenzene.
BHJ層塗布材料を調製したグローブボックス内に、pバッファー層20を形成した基板10を投入し、pバッファー層20上に、上記BHJ層塗布材料を膜厚が60nmとなるようにスピンコーターで塗布し、低分子塗布層(第1の有機薄膜太陽電池セル30)を成膜する。pバッファー層20と同様に、ジクロロメタンにて余分な部分を完全にふき取る。 The substrate 10 on which the p buffer layer 20 is formed is put into the glove box where the BHJ layer coating material is prepared, and the BHJ layer coating material is coated on the p buffer layer 20 with a spin coater so that the film thickness is 60 nm. Then, a low molecular coating layer (first organic thin film solar cell 30) is formed. As with the p buffer layer 20, the excess portion is completely wiped off with dichloromethane.
次に、第1の有機薄膜太陽電池セル30を積層した基板10を、グローブボックスから蒸着装置に搬送する。蒸着装置は、ゲートバルブを介してグローブボックスに接続されており、蒸着装置をSレベル以上の高純度窒素にて大気圧にベントしてから、ゲートバルブを開けて窒素雰囲気にて蒸着装置へ基板を搬送する。 Next, the board | substrate 10 which laminated | stacked the 1st organic thin film photovoltaic cell 30 is conveyed from a glove box to a vapor deposition apparatus. The vapor deposition device is connected to the glove box via a gate valve. The vapor deposition device is vented to atmospheric pressure with high-purity nitrogen of S level or higher, and then the gate valve is opened to the vapor deposition device in a nitrogen atmosphere. Transport.
その後、ゲートバルブを閉めてから、蒸着装置を1×10−4Paまで真空排気する。この時、残留溶媒と分子量15〜100の炭化水素の存在を示す四重極質量分析計における信号レベルが、基板導入前の通常運転状態と同レベルとなっていることを確認する。また、第1の有機薄膜太陽電池セル30と同じ成膜領域となるように、蒸着マスクにてパターニングを行う。 Then, after closing the gate valve, the vapor deposition apparatus is evacuated to 1 × 10 −4 Pa. At this time, it is confirmed that the signal level in the quadrupole mass spectrometer indicating the presence of the residual solvent and the hydrocarbon having a molecular weight of 15 to 100 is the same level as the normal operation state before the substrate introduction. Further, patterning is performed using a vapor deposition mask so as to be the same film formation region as that of the first organic thin film solar battery cell 30.
溶媒を除去した第1の有機薄膜太陽電池セル30の上に、Caを電子輸送層として5Å成膜してnバッファー層42を形成し、MoO3を20Å積層してpバッファー層44を形成して中間電極とする。また、上記と同様に蒸着マスクにてパターニングを行う。
真空度等が安定した後、上記と同様の有機膜用マスクパターンにより、100Åの膜厚調整層(p型ドーピング層)46(NPV01:NPV07)を成膜し、中間層40を形成する。
On the first organic thin-film solar battery cell 30 from which the solvent has been removed, 5 nm of Ca is formed as an electron transport layer to form an n buffer layer 42, and 20% of MoO 3 is stacked to form a p buffer layer 44. Intermediate electrode. Further, patterning is performed using a vapor deposition mask in the same manner as described above.
After the degree of vacuum is stabilized, a 100 膜厚 film thickness adjusting layer (p-type doping layer) 46 (NPV01: NPV07) is formed by the same organic film mask pattern as above, and the intermediate layer 40 is formed.
続いて、p材料としてNPV03、n材料としてC70を用いてp層62、i層64及びn層66を成膜し、pin型素子を作製する(第2の有機薄膜太陽電池セル60)。続けてその上に、10nmのバソクプロイン(BCP)を抵抗加熱蒸着により1Å/sで成膜し、バッファー層70とする。最後に、連続して対向電極80として金属Alを膜厚100nm蒸着させ、有機薄膜太陽電池1とする。 Subsequently, the p layer 62, i layer 64 and the n layer 66 is formed using C 70 as a NPV03, n material p material, to produce a pin-type element (second organic thin film solar cell 60). Subsequently, 10 nm bathocuproin (BCP) is formed thereon by resistance heating vapor deposition at 1 Å / s to form a buffer layer 70. Finally, metal Al is continuously deposited as a counter electrode 80 with a film thickness of 100 nm to obtain the organic thin film solar cell 1.
上記各層の材料を以下に示す。
本発明のタンデム型有機薄膜太陽電池は時計、携帯電話及びモバイルパソコン等の各種装置、電化製品等の電源又は補助電源として使用できる。充電機能のある二次電池と組み合わせ、暗所においても使用可能とし、適用用途を拡げることも可能である。 The tandem organic thin-film solar cell of the present invention can be used as a power source or auxiliary power source for various devices such as watches, mobile phones, and mobile personal computers, and electrical appliances. Combined with a rechargeable battery with a charging function, it can be used in the dark, and the application can be expanded.
1 タンデム型有機薄膜太陽電池
10 基板
20 pバッファー層
30 第1有機太陽電池セル
40 中間層
42 nバッファー層
44 pバッファー層
46 膜厚調整層
60 第2有機太陽電池セル
62 p層
64 i層
66 n層
70 バッファー層
80 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tandem type organic thin film solar cell 10 Substrate 20 p buffer layer 30 1st organic solar cell 40 Intermediate layer 42 n buffer layer 44 p buffer layer 46 Film thickness adjustment layer 60 2nd organic solar cell 62 p layer 64 i layer 66 n layer 70 buffer layer 80 electrode
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