JP2014112610A - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】有機半導体と無機半導体とを含有する有機薄膜太陽電池であって、前記有機半導体は、金属錯体型のP型半導体を含有する有機薄膜太陽電池。
【選択図】なし
Description
以下、本発明を詳述する。
このような有機薄膜太陽電池においては、光励起によりP型半導体又はN型半導体で光キャリア(電子−ホール対)が生成し、電子がN型半導体を、ホールがP型半導体を移動することで、電界が生じる。
また、N型半導体とP型半導体とがいずれも無機半導体である場合はこれらの固溶体が界面で析出する可能性があるのに対し、本発明の有機薄膜太陽電池においては固溶体の析出がなく、高温時においても高い安定性を得ることができる。また、有機半導体を用いることにより、本発明の有機薄膜太陽電池は、耐衝撃性、フレキシビリティ等にも優れたものとなる。
上記金属錯体型のP型半導体において、中心金属は特に限定されず、例えば、Mg、Zn、Co、Ni、Pb、Al、Li、Sn、In、Ga、Ti、Be、Mn、Fe,Cu、Ag、Na等が挙げられる。なかでも、金属拡散が生じにくく、有機薄膜太陽電池の耐久性が高くなることから、Mg、Zn、Co、Ni、Cu、Pb、Al、Li、Sn、In、Ga、Ti、又は、Beが好ましい。
上記金属硫化物は特に限定されないが、周期表15族元素の硫化物が好ましい。周期表15族元素の硫化物は耐久性が高いことから、周期表15族元素の硫化物を用いることにより、有機薄膜太陽電池の耐久性が高くなる。
硫化アンチモンは、有機半導体とのエネルギー準位の相性がよく、かつ、従来の酸化亜鉛、酸化チタン等より可視光に対する吸収が大きい。このため、上記周期表15族元素の硫化物が硫化アンチモンであることにより、有機薄膜太陽電池の電荷分離効率が極めて高くなり、光電変換効率が高くなる。
なお、光電変換効率の再現性とは、同一の方法で有機薄膜太陽電池を複数個作製したときの各有機薄膜太陽電池間での光電変換効率の再現性を意味する。
上記他の元素の含有量は、上記無機半導体中の好ましい上限が50重量%である。上記含有量が50重量%を超えると、上記無機半導体と上記有機半導体との相性が悪くなり、光電変換効率が低下することがある。
なお、結晶性半導体とは、X線回折測定等で測定し、散乱ピークが検出できる半導体を意味する。
なお、結晶化度は、X線回折測定等により検出された結晶質由来の散乱ピークと、非晶質部由来のハローとをフィッティングにより分離し、それぞれの強度積分を求めて、全体のうちの結晶質部分の比を算出することにより求めることができる。
有機半導体層と無機半導体層とを含む積層体を有する本発明の有機薄膜太陽電池の一例を図1に模式的に示す。図1に示す有機薄膜太陽電池1においては、基板2、透明電極(陽極)3、有機半導体層4、無機半導体層5、電子輸送層6、電極(陰極)7がこの順で積層されている。
有機半導体成分と無機半導体成分とを混合して複合化した複合膜を有する本発明の有機薄膜太陽電池の一例を図2に模式的に示す。図2に示す有機薄膜太陽電池8においては、基板9、透明電極(陽極)10、ホール輸送層11、有機半導体成分12と無機半導体成分13との複合膜14、電子輸送層15、電極(陰極)16がこの順で積層されている。
本発明の有機薄膜太陽電池を製造する際には、スピンコート法等の印刷法により安定的かつ簡便に有機半導体層を形成することができるため、有機半導体層の形成コストを削減することができる。上記無機半導体層を形成する際にも、真空蒸着法の代わりに、無機半導体の前躯体溶液又はナノ粒子分散液をスピンコート法等の印刷法により成膜することもできる。
<陰極>
ガラス基板上に、陰極として厚み240nmのITO膜を形成し、アセトン、メタノール及びイソプロピルアルコールをこの順に用いて各10分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
<電子輸送層>
ITO膜の表面上に、電子輸送層として酸化亜鉛ナノ粒子の分散液をスピンコート法により50nmの厚みに成膜した。
<光電変換層(積層体)>
電子輸送層の表面上に、無機半導体として硫化アンチモン(Sb2S3)を真空蒸着法により40nmの厚みに成膜して、260℃で2分間アニーリングを行った。更に、この硫化アンチモンからなる層の表面上に、有機半導体としてMgフタロシアニン(Mgの価数は2価、イオン半径は65pm)を真空蒸着法により15nmの厚みに成膜した。
<陽極>
Mgフタロシアニンからなる層の表面上に、陽極として真空蒸着により厚み100nmの金膜を形成し、有機薄膜太陽電池を得た。
有機半導体及び/又は無機半導体を表1、2及び3に示すように変更したこと以外は実施例1と同様にして、有機薄膜太陽電池を得た。
比較例1で用いたP3HTとは、ポリ−3−ヘキシルチオフェン(アルドリッチ社製)であり、比較例2で用いたMDMO−PPVとは、ポリ[2−メトキシ−5−(3’,7’−ジメチルオクチルオキシ)−1,4−フェニレンビニレン](アルドリッチ社製)である。P3HT及びMDMO−PPVは、金属錯体型を有さない有機半導体である。また、比較例3では、無機半導体の代わりにC60を使用した。C60とは、フラーレン(アルドリッチ社製)である。
実施例及び比較例で得られた有機薄膜太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表1、2及び3に示した。
有機薄膜太陽電池の電極間に、電源(KEYTHLEY社製、236モデル)を接続し、100mW/cm2の強度のソーラーシミュレータ(山下電装社製)を用いて有機薄膜太陽電池の光電変換効率を測定した。光電変換効率が3%以上の場合をA、2%以上3%未満の場合をB、1%以上2%未満の場合をC、1%未満の場合をDとして4段階で評価した。
有機薄膜太陽電池をガラス封止せずに、温度85℃、湿度85%で24時間経過した後の光電変換効率の劣化率を測定した。24時間経過前後の光電変換効率を上記(1)と同様にして測定し、24時間経過前(初期)に対する24時間経過後の光電変換効率の劣化率を測定した。劣化率が10%未満の場合をA、10%以上50%未満の場合をB、50%以上の場合をCとして3段階で評価した。
Aを4点、Bを3点、Cを2点、Dを1点として、上記(1)及び(2)の合計点を求めた。合計点が5点以上の場合を○、5点未満の場合を×として評価した。
2 基板
3 透明電極(陽極)
4 有機半導体層
5 無機半導体層
6 電子輸送層
7 電極(陰極)
8 有機薄膜太陽電池
9 基板
10 透明電極(陽極)
11 ホール輸送層
12 有機半導体成分
13 無機半導体成分
14 複合膜
15 電子輸送層
16 電極(陰極)
Claims (5)
- 有機半導体と無機半導体とを含有する有機薄膜太陽電池であって、前記有機半導体は、金属錯体型のP型半導体を含有することを特徴とする有機薄膜太陽電池。
- 金属錯体型のP型半導体において、中心金属が、Mg、Zn、Co、Ni、Cu、Pb、Al、Li、Sn、In、Ga、Ti、又は、Beであることを特徴とする請求項1記載の有機薄膜太陽電池。
- 金属錯体型のP型半導体において、中心金属が、2価の金属であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機薄膜太陽電池。
- 金属錯体型のP型半導体において、中心金属が、イオン半径が80pm以下の金属であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の有機薄膜太陽電池。
- 無機半導体は、金属硫化物であることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の有機薄膜太陽電池。
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