JP2014112663A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】光電変換効率が高く、耐久性に優れた太陽電池を提供する。
【解決手段】陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記光電変換層と前記陽極との間に配置された正孔輸送層と、を少なくとも有し、前記正孔輸送層は、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体を含有する太陽電池。
【選択図】なし

Description

本発明は、光電変換効率が高く、耐久性に優れた太陽電池に関する。
従来から、半導体からなる層を複数種積層し、この積層体の両側に電極を設けた光電変換素子が開発されている。また、このような積層体の代わりに、複数種の半導体を混合して複合化した複合膜を用いることも検討されている。このような光電変換素子では、各半導体がP型半導体又はN型半導体として働き、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−正孔対)が生成し、電子がN型半導体を、正孔がP型半導体を移動することで、電界が生じる。
現在、実用化されている光電変換素子の多くは、シリコン等の無機半導体を用いて製造される無機太陽電池である。しかしながら、無機太陽電池は製造にコストがかかるうえ大型化が困難であり、利用範囲が限られてしまうことから、無機半導体の代わりに有機半導体を用いて製造される有機太陽電池(例えば、特許文献1、2)が注目されている。
有機太陽電池においては、N型半導体及びP型半導体を含有する光電変換層と、陽極との間に、正孔輸送層を設けることが多い。
現在、正孔輸送層の材料としては、ほとんどの場合、ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)が用いられている(例えば、特許文献3)。しかしながら、PEDOT:PSSは水溶性であるため、製膜性が悪いという問題があった。また、PEDOT:PSSは強い酸性であるため、有機太陽電池の劣化の原因にもなっていた。
また、正孔輸送層の材料として金属酸化物等の無機物を用いることも検討されているが、この場合には、ある程度の耐久性は得られるものの光電変換効率が低下するという問題があった。
特開2006−344794号公報 特許第4120362号公報 特開2006−237283号公報
本発明は、光電変換効率が高く、耐久性に優れた太陽電池を提供することを目的とする。
本発明は、陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記光電変換層と前記陽極との間に配置された正孔輸送層と、を少なくとも有し、前記正孔輸送層は、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体を含有することを特徴とする太陽電池である。
以下、本発明を詳述する。
本発明者は、陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記光電変換層と前記陽極との間に配置された正孔輸送層と、を少なくとも有する太陽電池において、正孔輸送層を、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体を含有するものとすることにより、高い光電変換効率を維持しつつ耐久性を向上させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の太陽電池は、陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記光電変換層と前記陽極との間に配置された正孔輸送層と、を少なくとも有するものである。
上記陰極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができるが、例えば、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Al/Al混合物、Al/LiF混合物、SnO、FTO、AZO、IZO、GZO、ITO等が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記陽極の材料は特に限定されず、従来公知の材料を用いることができるが、例えば、金等の金属、CuI、ITO(インジウムスズ酸化物)、SnO、AZO、IZO、GZO等の導電性透明材料、導電性透明ポリマー等が挙げられる。これらの材料は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記正孔輸送層は、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体を含有する。このような正孔輸送層は、塗工によって安定的かつ簡便に製膜される。
カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は有機溶剤に溶解可能であり、製膜性に優れるため、このような有機半導体を用いることにより、本発明の太陽電池は光電変換効率が高くなり、耐久性にも優れたものとなる。また、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は弱い酸性であるため、太陽電池を劣化させにくい。このため、本発明の太陽電池は耐久性が更に高くなる。
上記カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は特に限定されず、例えば、カルボキシル基を有し、かつ、チオフェン骨格、パラフェニレンビニレン骨格、ビニルカルバゾール骨格、アニリン骨格、アセチレン骨格、ピロール骨格、ペリレン骨格、フルオレン骨格、インドリン骨格、スピロビフルオレン骨格、フタロシアニン骨格及びポルフェリン骨格からなる群から選択される一種以上の骨格を有することが好ましい。また、これらの誘導体等の骨格であってもよい。なかでも、チオフェン骨格、パラフェニレンビニレン骨格、インドリン骨格及びフタロシアニン骨格からなる群から選択される一種以上の骨格が好ましく、硫黄元素を有することから、チオフェン骨格がより好ましい。
上記チオフェン骨格として、より具体的には例えば、アルキルチオフェン、ベンゾチオフェン、エチレンジオキシチオフェン、チエノチオフェン等が挙げられる。なかでも、側鎖によって有機溶剤への溶解性が向上し、製膜性が向上することから、アルキルチオフェンが好ましい。
また、共役長が伸びることにより、キャリア移動度が高くなることから、上記カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は、共役ポリマーであることが好ましい。上記カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体が共役ポリマーである場合、重量平均分子量は特に限定されないが、好ましい下限が1万、好ましい上限が100万である。上記重量平均分子量が100万を超えると、上記カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体の有機溶剤への溶解性が低下し、製膜性が低下することがある。
上記カルボキシル基を有し、かつ、チオフェン骨格を有する有機半導体のうち、市販品として、例えば、P3CT(Rieke metals社製、カルボキシル基を有し、かつ、チオフェン骨格を有する共役ポリマー、下記式(1)で表される構成単位を有する)等が挙げられる。
Figure 2014112663
式(1)中、nは整数を表す。
上記カルボキシル基を有し、かつ、インドリン骨格を有する有機半導体のうち、市販品として、例えば、D−149(sigma−aldrich社製、下記式(2)で表される構造を有する)等が挙げられる。
Figure 2014112663
上記カルボキシル基を有し、かつ、パラフェニレンビニレン骨格を有する有機半導体として、例えば、カルボキシル基を導入したパラフェニレンビニレン誘導体(下記式(3)で表される構成単位を有する)等が挙げられる。
Figure 2014112663
式(3)中、nは整数を表す。
上記カルボキシル基を有し、かつ、フタロシアニン骨格を有する有機半導体として、例えば、カルボキシル基を導入したフタロシアニン誘導体(下記式(4)で表される構造を有する)等が挙げられる。
Figure 2014112663
上記正孔輸送層の厚みは、好ましい下限は1nm、好ましい上限は2000nmである。上記厚みが1nm以上であると、充分に電子をブロックできるようになる。上記厚みが2000nm以下であると、正孔輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率の低下を防ぐことができる。上記正孔輸送層の厚みのより好ましい下限は3nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は5nm、更に好ましい上限は500nmである。
上記光電変換層は、N型半導体及びP型半導体を含有していれば特に限定されないが、太陽電池の光電変換効率及び耐久性が高くなることから、周期表15族元素の硫化物を含有する層(以下、硫化物層ともいう)と、有機半導体を含有する層(以下、有機半導体層ともいう)とを含む層であることが好ましい。
このような光電変換層においては、上記硫化物層が主にN型半導体として、上記有機半導体層が主にP型半導体として働くと推測されるが、上記硫化物層は、部分的にはP型半導体として働いていてもよいし、上記有機半導体層は、部分的にはN型半導体として働いていてもよい。また、このような光電変換層は、上記硫化物層と上記有機半導体層とを含む積層体であってもよいし、上記硫化物層と上記有機半導体層とを混合して複合化した複合膜であってもよいが、有機半導体の電荷分離効率を向上させることができるため、複合膜であることがより好ましい。
なお、上記光電変換層において主にN型半導体として働く半導体は、上記周期表15族元素の硫化物のほかにも、例えば、周期表15族元素以外の元素の硫化物(例えば、硫化カドミウム)、有機半導体(例えば、フラーレン誘導体)等が挙げられる。
上記周期表15族元素の硫化物は、硫化アンチモン、硫化ビスマスであることが好ましく、硫化アンチモンであることがより好ましい。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、太陽電池の光電変換効率が高くなる。これらの周期表15族元素の硫化物は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記周期表15族元素の硫化物は、周期表15族元素の2種以上の元素を同一の分子に含有する複合硫化物であってもよい。
上記硫化物層は、本発明の効果を阻害しない範囲内であれば、上記周期表15族元素の硫化物に加えて他の元素を含有していてもよい。上記他の元素は特に限定されないが、周期表の第4周期、第5周期及び第6周期に属する元素が好ましく、具体的には例えば、インジウム、ガリウム、スズ、カドミウム、銅、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、銀、チタン、バナジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、鉄、コバルト等が挙げられる。これらの他の元素は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。なかでも、電子の移動度が高くなることから、インジウム、ガリウム、スズ、カドミウム、亜鉛、銅が好ましい。
上記他の元素の含有量は、上記硫化物層中の好ましい上限が50重量%である。上記含有量が50重量%以下であると、硫化物層と有機半導体との相性に悪影響を与えず、光電変換効率の低下が生じにくい。
上記硫化物層は、結晶性半導体であることが好ましい。上記硫化物層が結晶性半導体であることにより、電子の移動度が高くなり、光電変換効率が高くなる。
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。
また、上記硫化物層の結晶性の指標として、結晶化度を用いることもできる。上記硫化物層の結晶化度は、好ましい下限が30%である。上記結晶化度が30%以上であると、電子の移動度がより高くなり、光電変換がより向上する。上記結晶化度のより好ましい下限は50%、更に好ましい下限は70%である。
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。
上記硫化物層の結晶化度を高める方法として、例えば、硫化物層に対して、熱アニール、レーザー又はフラッシュランプ等の強度の強い光の照射、エキシマ光照射、プラズマ照射等を行う方法が挙げられる。なかでも、上記周期表15族元素の硫化物の酸化を低減できることから、強度の強い光の照射、プラズマ照射等を行う方法が好ましい。
上記有機半導体は特に限定されず、例えば、ポリ(3−アルキルチオフェン)等のチオフェン骨格を有する化合物等が挙げられる。また、例えば、ポリパラフェニレンビニレン骨格、ポリビニルカルバゾール骨格、ポリアニリン骨格、ポリアセチレン骨格、スピロビフルオレン骨格等を有する導電性高分子等も挙げられる。更に、例えば、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ペンタセン骨格、ベンゾポルフィリン骨格等のポルフィリン骨格等を有する化合物も挙げられる。なかでも、比較的耐久性が高いことから、チオフェン骨格、フタロシアニン骨格、ナフタロシアニン骨格、ベンゾポルフィリン骨格を有する化合物が好ましい。
上記有機半導体は、上述したような正孔輸送層に含まれるカルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体であってもよい。即ち、上記カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は、上記正孔輸送層と、上記光電変換層において主にP型半導体として働く半導体とを兼ねることも可能である。
上記有機半導体は、長波長領域の光を吸収できることから、ドナー−アクセプター型であることも好ましい。なかでも、チオフェン骨格を有するドナー−アクセプター型の化合物がより好ましく、チオフェン骨格を有するドナー−アクセプター型の化合物のなかでも、光吸収波長の観点から、チオフェン−ジケトピロロピロール重合体が特に好ましい。
上記光電変換層が積層体である場合、上記硫化物層の厚みは、好ましい下限が5nm、好ましい上限が5000nmである。上記厚みが5nm以上であると、充分に光を吸収できるようになり、光電変換効率がより向上する。上記厚みが5000nm以下であると、電荷分離できない領域が発生することを抑制して、光電変換効率の向上につながる。上記硫化物層の厚みのより好ましい下限は10nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は20nm、更に好ましい上限は500nmである。
上記光電変換層が積層体である場合、上記有機半導体層の厚みは、好ましい下限が5nm、好ましい上限が1000nmである。上記厚みが5nm以上であると、充分に光を吸収できるようになり、光電変換効率がより向上する。上記厚みが1000nm以下であると、電荷分離できない領域が発生することを抑制して、光電変換効率の向上につながる。上記有機半導体層の厚みのより好ましい下限は10nm、より好ましい上限は500nmであり、更に好ましい下限は20nm、更に好ましい上限は200nmである。
また、上記光電変換層が複合膜である場合には、硫化物層と有機半導体層との比率が非常に重要である。硫化物層と有機半導体層との比率は、1:9〜9:1(体積比)であることが好ましい。上記比率が上記範囲から外れると、正孔又は電子が電極まで到達することができないことがあり、そのため光電変換効率の低下につながることがある。上記比率は、2:8〜8:2(体積比)であることがより好ましい。
上記複合膜の厚みの好ましい下限は30nm、好ましい上限は3000nmである。上記厚みが30nm以上であると、充分に光を吸収できるようになり、光電変換効率がより向上する。上記厚みが3000nm以下であると、電荷が電極に到達しやすくなり、光電変換効率の向上につながる。上記複合膜の厚みのより好ましい下限は40nm、より好ましい上限は1000nmであり、更に好ましい下限は50nm、更に好ましい上限は500nmである。
本発明の太陽電池は、更に、上記陰極と上記光電変換層との間に、電子輸送層を有していてもよい。
上記電子輸送層の材料は特に限定されず、例えば、N型導電性高分子、N型低分子有機半導体、N型金属酸化物、N型金属硫化物、ハロゲン化アルカリ金属、アルカリ金属、界面活性剤等が挙げられ、具体的には例えば、シアノ基含有ポリフェニレンビニレン、ホウ素含有ポリマー、バソキュプロイン、バソフェナントレン、ヒドロキシキノリナトアルミニウム、オキサジアゾール化合物、ベンゾイミダゾール化合物、ナフタレンテトラカルボン酸化合物、ペリレン誘導体、ホスフィンオキサイド化合物、ホスフィンスルフィド化合物、フルオロ基含有フタロシアニン、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ガリウム、硫化スズ、硫化インジウム、硫化亜鉛等が挙げられる。
上記電子輸送層の厚みは、好ましい下限が1nm、好ましい上限が200nmである。上記厚みが1nm以上であると、充分に正孔をブロックできるようになる。上記厚みが200nm以下であると、電子輸送の際の抵抗になり難く、光電変換効率の低下を防ぐことができる。上記電子輸送層の厚みのより好ましい下限は3nm、より好ましい上限は150nmであり、更に好ましい下限は5nm、更に好ましい上限は100nmである。
本発明の太陽電池を製造する方法は特に限定されず、例えば、基板上に電極(陽極)を形成した後、この電極(陽極)の表面上に正孔輸送層を塗工等により製膜し、次いで、この正孔輸送層の表面上に光電変換層をスピンコート法等の印刷法、真空蒸着法等により製膜し、次いで、必要に応じてこの光電変換層の表面上に電子輸送層を製膜し、更に、この電子輸送層の表面上に電極(陰極)を形成する方法等が挙げられる。また、基板上に電極(陰極)を形成した後、電子輸送層、光電変換層、正孔輸送層、電極(陽極)をこの順で形成してもよい。
本発明によれば、光電変換効率が高く、耐久性に優れた太陽電池を提供することができる。
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
(実施例1)
透明電極(陰極)としてのITO膜の表面上に、電子輸送層としてTiO層をスピンコート法により製膜した。次いで、TiO層の表面上に、硫化アンチモンを蒸着法により積層し、得られた硫化アンチモンからなる層の表面上に、P3HT(Merck社製、3位にヘキシル基を有するチオフェン骨格を有する共役ポリマー、下記式(5)で表される構成単位を有する、重量平均分子量77500)をスピンコート法により膜厚10〜20nm程度となるように塗布し、光電変換層を形成した。次いで、光電変換層の表面上に、P3CT(Rieke metals社製、カルボキシル基を有し、かつ、チオフェン骨格を有する共役ポリマー、上述した式(1)で表される構成単位を有する、重量平均分子量20000)を膜厚15nm程度となるように塗布し、正孔輸送層を形成した。更に、正孔輸送層の表面上に、金属電極(陽極)として蒸着法により金を積層し、太陽電池を得た。
Figure 2014112663
式(5)中、nは整数を表す。
(実施例2〜10、比較例1〜10)
正孔輸送層の材料、光電変換層の材料として表1、2に示したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、太陽電池を得た。なお、実施例及び比較例で使用した材料を以下に示した。
(1)カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体
・P3CT(Rieke metals社製、カルボキシル基を有し、かつ、チオフェン骨格を有する共役ポリマー、上述した式(1)で表される構成単位を有する、重量平均分子量20000)
・D−149(上述した式(2)で表される構造を有する、sigma−aldrich社製の5−[[4−[4−(2,2−Diphenylethenyl)phenyl]−1,2,3−3a,4,8b−hexahydrocyclopent[b]indol−7−yl]methylene]−2−(3−ethyl−4−oxo−2−thioxo−5−thiazolid)
・パラフェニレンビニレン誘導体(上述した式(3)で表される構成単位を有するカルボキシル基を導入したパラフェニレンビニレン誘導体、重量平均分子量50000)
・フタロシアニン誘導体(上述した式(4)で表される構造を有するカルボキシル基を導入したフタロシアニン誘導体)
(2)その他
・P3HT(Merck社製、3位にヘキシル基を有するチオフェン骨格を有する共役ポリマー、上述した式(5)で表される構成単位を有する、重量平均分子量77500)
・D−149誘導体(D−149のカルボキシル基を加水分解によりエステル基としたもの)
・PEDOT:PSS(ポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホン酸)
・PE(ポリエチレン)
・α−6T(下記式(6)で表される構造を有するα−sexuthiophene)
・DPP(下記式(7)で表される構造を有する3,6−Di(2−thienyl)−2,5−dihydropyrrolo[3,4−c]pyrrole−1,4−dione)
・MK−2(下記式(8)で表される構造を有する綜研化学社製の有機半導体)
・PCBM(下記式(9)で表される構造を有するsigma−aldrich社製のフラーレン誘導体)
Figure 2014112663
Figure 2014112663
Figure 2014112663
Figure 2014112663
<評価>
実施例及び比較例で得られた太陽電池について、以下の評価を行った。結果を表1、2に示した。
(1)正孔輸送層の製膜性
光電変換層の表面上に正孔輸送層を形成したときの製膜性について、下記の基準で評価した。
○:可視的にムラがなく、一様な膜が得られた
×:可視的にムラが見られ、一様な膜が得られなかった
(2)光電変換効率の測定、及び、耐久性評価
太陽電池特性評価システムCEP−015(分光計器社製)を用いて、AM1.5(100mW/cm)の疑似太陽光照射下での太陽電池の電流密度電圧特性を測定した。実施例1で得られた太陽電池の電流密度電圧特性を1として規格化した。
また、太陽電池をガラス封止せずに、温度60℃、湿度30%の条件下で72時間経過した後の電流密度電圧特性を測定し、72時間経過前に対する72時間経過後の電流密度電圧特性の値を耐久性として評価した。
(3)総合評価
下記の基準で評価した。
○:正孔輸送層の製膜性が○、かつ、光電変換効率が0.8以上、かつ、耐久性が0.6以上であった
×:正孔輸送層の製膜性が×、又は、光電変換効率が0.8未満、又は、耐久性が0.6未満であった
Figure 2014112663
Figure 2014112663
本発明によれば、光電変換効率が高く、耐久性に優れた太陽電池を提供することができる。

Claims (5)

  1. 陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置された光電変換層と、前記光電変換層と前記陽極との間に配置された正孔輸送層と、を少なくとも有し、
    前記正孔輸送層は、カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体を含有することを特徴とする太陽電池。
  2. カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は、共役ポリマーであり、重量平均分子量が1万〜100万であることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
  3. カルボキシル基を有し、かつ、共役構造を有する有機半導体は、チオフェン骨格、パラフェニレンビニレン骨格、ビニルカルバゾール骨格、アニリン骨格、アセチレン骨格、ピロール骨格、ペリレン骨格、フルオレン骨格、インドリン骨格、スピロビフルオレン骨格、フタロシアニン骨格及びポルフェリン骨格からなる群から選択される一種以上の骨格を有することを特徴とする請求項1又は2記載の太陽電池。
  4. 光電変換層は、周期表15族元素の硫化物を含有する層と、有機半導体を含有する層と、を含むことを特徴とする請求項1、2又は3記載の太陽電池。
  5. 更に、陰極と光電変換層との間に、電子輸送層を有することを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の太陽電池。
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