JP2014120590A - Organic photoelectric conversion element, and organic thin-film solar battery - Google Patents

Organic photoelectric conversion element, and organic thin-film solar battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having an improved photoelectric conversion efficiency and an excellent economical efficiency by modifying a conventional art without employing a novel material nor a tandem structure, and to provide an organic solar battery having the photoelectric conversion element.SOLUTION: A photoelectric conversion element comprises: a P-type organic semiconductor layer; an N-type organic semiconductor layer structure forming a PN junction surface between the N-type organic semiconductor layer structure and the P-type organic semiconductor layer; a first electrode electrically connected with the P-type organic semiconductor layer; and a second electrode electrically connected with the N-type organic semiconductor layer structure. The N-type organic semiconductor layer structure comprises a lamination structure in which an N-type organic semiconductor layer consisting of a fullerene derivative and an N-type organic semiconductor layer having a different light absorption region from the fullerene derivative are laminated. The layer located at the second electrode side in the lamination structure is an N-type organic semiconductor layer having the light absorption region in a visible light region or a near-infrared region and having an absorption coefficient of 4 or more at a film thickness of 1 μm to perform a strong light absorption. Further, an exciton block layer is provided between the N-type organic semiconductor layer structure and the second electrode.

Description

本発明は、有機半導体薄膜太陽電池の材料として有用な入射した光を効率よく電気に変換し得る光電変換素子、およびこれを用いた有機薄膜太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion element capable of efficiently converting incident light useful as a material for an organic semiconductor thin film solar cell into electricity, and an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion element.

エネルギー問題は、現在、科学が解決すべき最も重要な課題の一つとなっており、非枯渇性の再生可能エネルギーの大規模な開発が重要となっている。太陽光発電は、クリーンエネルギーとして注目されているが、発電コストの大幅な低減が喫緊の課題となっている。中でも有機半導体薄膜太陽電池は、プラスチックフィルムなどの基板上に省エネルギープロセスで作製できることから、太陽光発電の低コスト化を実現する上で有力なソリューションと目され、世界中で研究開発が活発に進められている。有機半導体薄膜太陽電池の重要な課題として、変換効率の向上が挙げられる。   The energy problem is now one of the most important issues that science should solve, and the large-scale development of non-depleting renewable energy is important. Photovoltaic power generation is attracting attention as clean energy, but a significant reduction in power generation cost is an urgent issue. In particular, organic semiconductor thin-film solar cells can be produced on substrates such as plastic films by an energy-saving process, so they are considered to be a powerful solution for reducing the cost of solar power generation. It has been. Improvement of conversion efficiency is mentioned as an important subject of an organic semiconductor thin film solar cell.

有機半導体薄膜太陽電池(以下、「有機太陽電池」或いは「有機薄膜太陽電池」とも呼ぶ)は、軽量でフレキシブル化が可能であり、屋根、壁、窓などの曲面に取り付けることができるようになるので、これまでの無機系太陽電池では利用できなかった太陽光を利用することが可能になる。また、ロールツーロールで、印刷、真空蒸着などにより大量生産が可能になるために、太陽光発電素子の製造にかかる低コスト化の実現が可能となり、太陽発電コストを大きく押し下げる効果が期待されている。   Organic semiconductor thin film solar cells (hereinafter also referred to as “organic solar cells” or “organic thin film solar cells”) are lightweight and flexible, and can be attached to curved surfaces such as roofs, walls, and windows. Therefore, it becomes possible to use sunlight that could not be used with conventional inorganic solar cells. In addition, since roll-to-roll enables mass production by printing, vacuum deposition, etc., it is possible to reduce the cost of manufacturing solar power generation elements, which is expected to greatly reduce solar power generation costs. Yes.

有機太陽電池を構成する光電変換素子に関しては、シリコン、砒化ガリウム、硫化カドミウムなどの無機材料に代えて、有機材料を用いることが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、有機材料は光吸収域が狭いため、発電効率の面で従来のシリコン太陽電池に及ばないのが現状である。そこで、光吸収域の異なる複数のセルをタンデム化(直列積層化)した構造や、新たな材料開発が行なわれている。また、光吸収域が広く大きな吸収を有する材料であり、かつ、優れた半導体特性を有するペリレン誘導体をN型有機半導体層として、共蒸着により有機半導体層を形成してなる有機太陽電池(特許文献1)、また、フッ素基をフッ素で置換されたフルオロフェニルアルキル基を有するペリレン誘導体を利用した太陽電池が報告されている(特許文献2)。また、フラーレン誘導体とフタロシアニン誘導体を用いて真空蒸着により作製した有機太陽電池が報告されている。当該技術では、フラーレンの励起子寿命がフタロシアニンに比べて極めて長く、フラーレン内部で発生したフラーレン励起子がPN接合面まで拡散して電荷分離し、高電流に寄与している(特許文献3)。   Regarding the photoelectric conversion element constituting the organic solar cell, it has been proposed to use an organic material instead of an inorganic material such as silicon, gallium arsenide, or cadmium sulfide (see Non-Patent Document 1, for example). However, since organic materials have a narrow light absorption range, the current situation is that they do not reach the conventional silicon solar cells in terms of power generation efficiency. Therefore, a structure in which a plurality of cells having different light absorption regions are tandemd (in-line lamination) and new materials are being developed. In addition, an organic solar cell in which an organic semiconductor layer is formed by co-evaporation with a perylene derivative having a wide light absorption region and a large absorption and having an excellent semiconductor characteristic as an N-type organic semiconductor layer (Patent Document) 1) In addition, a solar cell using a perylene derivative having a fluorophenylalkyl group in which a fluorine group is substituted with fluorine has been reported (Patent Document 2). In addition, an organic solar cell produced by vacuum deposition using a fullerene derivative and a phthalocyanine derivative has been reported. In this technique, the exciton lifetime of fullerene is extremely longer than that of phthalocyanine, and the fullerene exciton generated inside the fullerene diffuses to the PN junction surface and separates charges, thereby contributing to a high current (Patent Document 3).

また、有機太陽電池の有機半導体層を多層化することで、光電変換効率を高める太陽電池が報告されている(特許文献4)。この有機太陽電池では、複数の有機半導体層が積層されたP型有機半導体層において、PN接合面に近い側の有機半導体層はエネルギーギャップが小さく、PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層をエネルギーギャップが大きい構造のものとしている。そして、このような構造としたことで、下記の効果が得られることが記載されている。PN接合面に向けて光が入射した際、PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層で吸収された光エネルギーは、PN接合面に近い側に位置する有機半導体層に励起エネルギーとして移動し励起状態を形成することができる。また、PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層で吸収されずに、PN接合面に近い側に位置する有機半導体層に入射した光は、この有機半導体層で励起状態を形成し、かかる励起状態は、隣接する有機半導体層から移動した励起エネルギーで形成された励起状態と本質的に同一となり、PN接合面付近では電荷分離が効率よく発生するので、大きな電流を取り出すことができる。   Moreover, the solar cell which raises a photoelectric conversion efficiency by multilayering the organic-semiconductor layer of an organic solar cell is reported (patent document 4). In this organic solar cell, in the P-type organic semiconductor layer in which a plurality of organic semiconductor layers are stacked, the organic semiconductor layer on the side close to the PN junction surface has a small energy gap and is positioned on the side far from the PN junction surface. With a structure with a large energy gap. And it is described that the following effect is acquired by setting it as such a structure. When light is incident on the PN junction surface, the light energy absorbed by the organic semiconductor layer located on the side far from the PN junction surface moves to the organic semiconductor layer located on the side closer to the PN junction surface as excitation energy. An excited state can be formed. In addition, light which is not absorbed by the organic semiconductor layer located on the side far from the PN junction surface and is incident on the organic semiconductor layer located on the side close to the PN junction surface forms an excited state in the organic semiconductor layer and takes The excited state is essentially the same as the excited state formed by the excitation energy moved from the adjacent organic semiconductor layer, and charge separation occurs efficiently in the vicinity of the PN junction surface, so that a large current can be taken out.

特開2002−076391号公報JP 2002-076391 A 特表2011−519350号公報Special table 2011-519350 gazette 特開平09−074216号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-074216 特開2010−141268号公報JP 2010-141268 A

C.W.Tang,[Applied Physics Letters], Vol.48, p183C. W. Tang, [Applied Physics Letters], Vol. 48, p183

しかしながら、前記した従来技術で利用しているペリレン誘導体は優れた電子輸送性材料であり、可視光に広い光吸収域をもち大きな吸光係数をもつが、PN接合界面での電荷分離を効率よくすることが困難であり、従って、高い変換効率が求められる有機太陽電池への利用は困難である。また、前記した従来技術で利用されているフラーレン誘導体は、他の有機半導体材料に比べて高価であり、フラーレン誘導体を構成材料に使用したデバイスは、その製作コストの上昇を招く。さらに、このことに加え、フラーレンの対称性により可視光領域での光吸収が小さく、太陽光を有効に利用できないといった課題がある。また、セルのタンデム化は、複数のセルにおいて、発生電流の整合化が図れなかった場合、発生電流の最も小さいセルが太陽電池全体の発生電流を規定し、安定した電流を得ることができないという現象をもたらすという問題点がある。   However, the perylene derivative used in the above-described conventional technology is an excellent electron transporting material and has a wide light absorption range in visible light and a large extinction coefficient, but efficiently improves charge separation at the PN junction interface. Therefore, it is difficult to use the organic solar cell for which high conversion efficiency is required. In addition, the fullerene derivative used in the above-described conventional technology is more expensive than other organic semiconductor materials, and a device using the fullerene derivative as a constituent material causes an increase in manufacturing cost. Furthermore, in addition to this, there is a problem that light absorption in the visible light region is small due to the symmetry of fullerene, and sunlight cannot be used effectively. In addition, cell tandemization means that if the generated currents cannot be matched in a plurality of cells, the cell with the smallest generated current defines the generated current of the entire solar cell, and a stable current cannot be obtained. There is a problem of bringing about a phenomenon.

また、前記した従来技術における有機太陽電池の有機半導体層を多層化することによって効率を高めた太陽電池は、P型有機半導体層の多層化により太陽電池の特性が向上したが、フラーレンとしてC60からなる有機半導体層をN型有機半導体層として利用しているため、本発明者らの検討によれば下記の課題がある。すなわち、フラーレンとしてC60からなる有機半導体層をN型有機半導体層として利用しているため、可視光領域での光吸収が小さく、太陽光を有効に利用できていないという課題がある。さらに、この点だけでなく、高価なフラーレンをN型有機半導体層に使用するので、有機太陽電池素子の高コスト化に繋がり、低コストで汎用な有機太陽電池の提供を可能にするには適しておらず、工業的な利用を促進するための重要な要件である経済性を満足したものにならないという問題点がある。また、フラーレンとしてC70をN型有機半導体層とした有機太陽電池は、電荷分離が効率的に起こり、可視光領域の光吸収を有することにより、高効率の有機太陽として利用できるが、C70は大量に生産することが困難であり、C60を利用した場合よりもさらに高コストな太陽電池となってしまう、という実用上の大きな問題点がある。 Further, the solar cell having improved efficiency by multilayered organic semiconductor layer of the organic solar cell in the above-described prior art, although the characteristics of the solar cell is improved by a multilayer of P-type organic semiconductor layer, C 60 as fullerene Since the organic semiconductor layer made of is used as an N-type organic semiconductor layer, according to the study by the present inventors, there are the following problems. That is, since the organic semiconductor layer made of C 60 as the fullerene is used as the N-type organic semiconductor layer, there is a problem that light absorption in the visible light region is small and sunlight cannot be used effectively. Furthermore, not only this point, but also because expensive fullerene is used for the N-type organic semiconductor layer, it leads to high cost of the organic solar cell element and is suitable for enabling the provision of a general-purpose organic solar cell at low cost. However, there is a problem that the economic efficiency, which is an important requirement for promoting industrial use, is not satisfied. The organic solar cell of the C 70 is N-type organic semiconductor layer as a fullerene, charge separation occurs efficiently by having the light absorption in the visible light region, can be used as an organic solar high efficiency, C 70 Has a large practical problem that it is difficult to produce in large quantities, and the solar cell becomes more expensive than when C 60 is used.

ここで、有機太陽電池の作用について簡単に説明すると、まず、有機太陽電池に光を当てると、主に有機光電変換素子を構成している電子供与体よりなるP型半導体層が光を吸収して励起子が生成する。この生成した励起子はPN接合界面に移動して、P型有機半導体層から電子受容体であるN型有機半導体層に電子が移動し電荷分離状態が起こる。そして、電子供与体に生成されたホールが透明電極基板側に移動し、電子受容体で生成した電子がもう一方の電極に流れることにより外部回路に電流が流れて、太陽電池となる。   Here, the operation of the organic solar cell will be briefly described. First, when light is applied to the organic solar cell, the P-type semiconductor layer made of an electron donor mainly constituting the organic photoelectric conversion element absorbs the light. Exciton is generated. The generated excitons move to the PN junction interface, and electrons move from the P-type organic semiconductor layer to the N-type organic semiconductor layer, which is an electron acceptor, and a charge separation state occurs. Then, the holes generated in the electron donor move to the transparent electrode substrate side, and the electrons generated in the electron acceptor flow to the other electrode, whereby a current flows to the external circuit, thereby forming a solar cell.

しかしながら、本発明者らは、上記した作用を示す有機光電変換素子の更なる高効率化を図り、その実用性を高め、工業上利用できるものにするためには、電子受容体であるN型有機半導体層においても、大きな光吸収域を有し、吸収した光により効率よく励起子を生成し、PN接合界面での電荷分離をする必要があるとの認識を持つに至った。   However, the present inventors have attempted to further increase the efficiency of the organic photoelectric conversion element exhibiting the above-described action, increase its practicality, and make it industrially usable. The organic semiconductor layer also has a large light absorption region, and it has been recognized that it is necessary to efficiently generate excitons by the absorbed light and to perform charge separation at the PN junction interface.

従って、本発明の目的は、以上に挙げた従来技術の問題点に鑑み、太陽電池のコスト高を招く新たな材料の採用や、タンデム構造を採用することなく、従来技術に改良を加えることで、経済性に優れると共に、光電変換効率を向上することのできる光電変換素子、および該光電変換素子を備えてなる有機半導体薄膜太陽電池を提供することにある。   Therefore, in view of the above-mentioned problems of the prior art, the object of the present invention is to improve the prior art without adopting a new material that causes high cost of the solar cell or adopting a tandem structure. Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that is excellent in economic efficiency and can improve photoelectric conversion efficiency, and an organic semiconductor thin film solar cell including the photoelectric conversion element.

上記目的は以下の本発明によって達成される。すなわち、本発明は、P型有機半導体層と、該P型有機半導体層との間にPN接合面を形成するN型有機半導体層構造と、上記P型有機半導体層に電気的に接続される第1電極と、上記N型有機半導体層構造に電気的接続する第2電極と、を有してなる光電変換素子において、上記N型有機半導体層構造が、フラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層と、フラーレン誘導体とは光吸収域が異なる少なくとも一層のN型有機半導体層とが積層されてなる積層構造を備え、かつ、該積層構造中の第2電極側に位置する層が、可視光領域または近赤外領域に光吸収域を有し、1μmの膜厚における吸収係数が4より大きい光吸収が強いN型有機半導体層であり、さらに、上記N型有機半導体層構造と上記第2電極との間に励起子ブロック層を備えてなることを特徴とする光電変換素子を提供する。   The above object is achieved by the present invention described below. That is, the present invention is electrically connected to a P-type organic semiconductor layer, an N-type organic semiconductor layer structure that forms a PN junction surface between the P-type organic semiconductor layer, and the P-type organic semiconductor layer. A photoelectric conversion element having a first electrode and a second electrode electrically connected to the N-type organic semiconductor layer structure, wherein the N-type organic semiconductor layer structure is an N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative. And at least one N-type organic semiconductor layer having a light absorption range different from that of the fullerene derivative, and the layer located on the second electrode side in the stacked structure has a visible light region. Alternatively, it is an N-type organic semiconductor layer having a light absorption region in the near-infrared region and having a strong light absorption with an absorption coefficient larger than 4 at a film thickness of 1 μm, and further, the N-type organic semiconductor layer structure and the second electrode With exciton blocking layer between It becomes possible to provide a photoelectric conversion device characterized.

上記本発明の光電変換素子の好ましい形態としては、下記のものが挙げられる。前記第2電極側に位置するN型有機半導体層のHOMOレベルが、PN接合面に位置する前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のHOMOレベル以下であり、かつ、第2電極側に位置する前記N型有機半導体層のLUMOレベルが、PN接合面に位置するフラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のLUMOレベル以下である光電変換素子。前記励起子ブロック層が、BCP(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)よりなる層である光電変換素子。   The following are mentioned as a preferable form of the photoelectric conversion element of the said invention. The HOMO level of the N-type organic semiconductor layer located on the second electrode side is equal to or lower than the HOMO level of the N-type organic semiconductor layer made of the fullerene derivative located on the PN junction surface, and located on the second electrode side. The photoelectric conversion element whose LUMO level of the said N type organic-semiconductor layer is below the LUMO level of the N-type organic-semiconductor layer which consists of a fullerene derivative located in a PN junction surface. The photoelectric conversion element in which the exciton blocking layer is a layer made of BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline).

前記N型有機半導体構造を構成している、前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層の膜厚が5nmから50nmで、前記第2電極側に位置する層であるN型有機半導体層の膜厚が5nmから50nmで、前記N型有機半導体層構造におけるこれらの層の合計の膜厚が20nmから100nmの範囲内にあり、かつ、その擬似太陽光(AM1.5G)100mW/m2における短絡電流値JSCが2.0mA/cm2以上である光電変換素子。前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層の厚みが、5nmから15nmである光電変換素子。 The film thickness of the N-type organic semiconductor layer, which is the layer located on the second electrode side, is 5 nm to 50 nm in thickness of the N-type organic semiconductor layer made of the fullerene derivative, constituting the N-type organic semiconductor structure. 5 nm to 50 nm, the total film thickness of these layers in the N-type organic semiconductor layer structure is in the range of 20 nm to 100 nm, and the short-circuit current in pseudo sunlight (AM1.5G) 100 mW / m 2 A photoelectric conversion element having a value J SC of 2.0 mA / cm 2 or more. The photoelectric conversion element whose thickness of the N type organic semiconductor layer which consists of said fullerene derivative is 5 nm to 15 nm.

第2電極側に位置する層が、ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層である光電変換素子。前記ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層が、下記式で表される側鎖に共役環式構造を有するペリレンテトラカルボン酸ジイミド誘導体からなる光電変換素子。

Figure 2014120590
A:芳香族環、ヘテロ芳香族環、または、これらの誘導体のいずれかを表す。
Y:アルキル基、または、ヘテロアルキル基を表すが、Yはなくてもよい。 The photoelectric conversion element whose layer located in the 2nd electrode side is an N-type organic-semiconductor layer which consists of a perylene derivative. A photoelectric conversion element in which an N-type organic semiconductor layer made of the perylene derivative is made of a perylene tetracarboxylic acid diimide derivative having a conjugated cyclic structure in a side chain represented by the following formula.
Figure 2014120590
A: represents an aromatic ring, a heteroaromatic ring, or a derivative thereof.
Y: represents an alkyl group or a heteroalkyl group, but Y may not be present.

前記ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層が、下記式で表されるN,N’−ジフェニルペリレンテトラカルボン酸ジイミドからなる光電変換素子。

Figure 2014120590
A photoelectric conversion element in which an N-type organic semiconductor layer made of the perylene derivative is made of N, N′-diphenylperylenetetracarboxylic acid diimide represented by the following formula.
Figure 2014120590

本発明は、別の実施形態として、上記いずれかの光電変換素子を備えてなることを特徴とする有機半導体薄膜太陽電池を提供する。   As another embodiment of the present invention, there is provided an organic semiconductor thin film solar cell comprising any one of the photoelectric conversion elements described above.

本発明によれば、太陽電池のコスト高を招く新たな材料の採用や、タンデム構造を採用することなく、従来技術の特に電子受容体であるN型有機半導体層の構成を改良することで、N型有機半導体層においても、大きな光吸収域を有し、吸収した光により効率よく励起子を生成し、PN接合界面での電荷分離を効率よく行うことを可能とし、経済性に優れると共に、光電変換効率を向上することのできる光電変換素子、および該光電変換素子を備えてなる有機半導体薄膜太陽電池の提供が可能になる。   According to the present invention, without adopting a new material that leads to high cost of solar cells or adopting a tandem structure, by improving the configuration of the N-type organic semiconductor layer that is an electron acceptor in the prior art, Also in the N-type organic semiconductor layer, it has a large light absorption region, efficiently generates excitons by absorbed light, enables efficient charge separation at the PN junction interface, and is excellent in economic efficiency. A photoelectric conversion element capable of improving the photoelectric conversion efficiency and an organic semiconductor thin film solar cell including the photoelectric conversion element can be provided.

より具体的には、P型有機半導体層と、該P型有機半導体層との間にPN接合面を形成するN型有機半導体層構造と、前記P型有機半導体層に電気的接続する第1電極と、前記N型有機半導体層に電気的接続する第2電極と、を有する光電変換素子において、前記N型有機半導体層構造を、フラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層と、フラーレン誘導体とは光吸収域が異なる少なくとも一層のN型有機半導体層とが積層されてなる積層構造とし、該積層構造中の第2電極側に位置する層を、可視光領域または近赤外領域に光吸収域を有し、1μmの膜厚における吸収係数が4より大きい光吸収が強いN型有機半導体層で構成したことで、該光電変換素子は、高光変換効率で大きな電流を安定して得ることができるものとなる。   More specifically, a P-type organic semiconductor layer, an N-type organic semiconductor layer structure forming a PN junction surface between the P-type organic semiconductor layer, and a first electrically connected to the P-type organic semiconductor layer. In a photoelectric conversion element having an electrode and a second electrode electrically connected to the N-type organic semiconductor layer, the N-type organic semiconductor layer structure is composed of an N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative, and a fullerene derivative. A layered structure in which at least one N-type organic semiconductor layer having a different light absorption range is stacked, and a layer located on the second electrode side in the layered structure has a light absorption range in the visible light region or near infrared region. The photoelectric conversion element can stably obtain a large current with a high light conversion efficiency by being composed of an N-type organic semiconductor layer having a light absorption coefficient greater than 4 at a film thickness of 1 μm. It will be a thing.

また、本発明の光電変換素子は、そのN型有機半導体層構造を、第2電極側に位置するN型有機半導体層のHOMOレベルが、PN接合面に位置するフラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のHOMOレベル以下、または、同レベルであり、かつ、第2電極側に位置するN型有機半導体層のLUMOレベルが、PN接合面に位置するフラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のLUMOレベル以下、または、同レベルとなるように構成することによって、各々のN型有機半導体層で生成した励起子がPN接合界面まで効率よく輸送できるものとなる。   Moreover, the photoelectric conversion element of the present invention has an N-type organic semiconductor layer structure in which the HOMO level of the N-type organic semiconductor layer located on the second electrode side is made of a fullerene derivative located on the PN junction surface. The LUMO level of the N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative located on the PN junction surface is equal to or lower than the HOMO level of the layer and the LUMO level of the N-type organic semiconductor layer located on the second electrode side By configuring so as to be the following or the same level, excitons generated in each N-type organic semiconductor layer can be efficiently transported to the PN junction interface.

また、本発明の光電変換素子は、光の波長より小さい膜厚の有機薄膜が多層に積層された積層構造を有する。そして、透明電極から入射した光の一部は、有機半導体層に吸収されずに第2電極まで到達し、第2電極の金属面で反射される。この入射光と電極からの反射光により光の干渉が起こり、光子が多く存在する領域と、光子の存在確率の領域が生じ、いわゆる定在波が生じる。本発明の光電変換素子では、N型有機半導体層の膜厚を規定することにより、有機半導体層を形成する材料の光吸収域波長の定在波の腹(電子密度の高い部分)に有機半導体層を設けることができ、太陽光を有効に利用でき変換効率を高めることができる。   In addition, the photoelectric conversion element of the present invention has a stacked structure in which organic thin films having a thickness smaller than the wavelength of light are stacked in multiple layers. A part of the light incident from the transparent electrode reaches the second electrode without being absorbed by the organic semiconductor layer, and is reflected by the metal surface of the second electrode. The incident light and the reflected light from the electrode cause interference of light, resulting in a region where many photons exist and a region where photons exist, and so-called standing waves are generated. In the photoelectric conversion element of the present invention, by defining the film thickness of the N-type organic semiconductor layer, an organic semiconductor is formed on the antinode of the standing wave of the light absorption region wavelength of the material forming the organic semiconductor layer (portion where electron density is high). A layer can be provided, sunlight can be used effectively, and conversion efficiency can be improved.

また、本発明の光電変換素子の好ましい形態によれば、そのN型有機半導体層構造を、第2電極側に形成するN型有機半導体層をペリレン誘導体により形成された構成とすることにより、可視光領域により励起子を生成する確率がより高まり、生成した励起子が、積層されているフラーレンよりなるN型有機半導体層へ移動し、PN接合界面で電荷の分離がより効率よく行われる。さらに、N型有機半導体層にペリレン誘導体を使用することにより、フラーレンにより形成されるN型有機半導体層を薄くすることが可能となるので、効率がよい低コストの光電変換素子の実現が可能となる。   Moreover, according to the preferable form of the photoelectric conversion element of the present invention, the N-type organic semiconductor layer structure is visible by forming the N-type organic semiconductor layer formed on the second electrode side with a perylene derivative. The probability of generating excitons in the optical region is further increased, and the generated excitons move to the N-type organic semiconductor layer made of stacked fullerenes, so that charge separation is more efficiently performed at the PN junction interface. Furthermore, by using a perylene derivative for the N-type organic semiconductor layer, the N-type organic semiconductor layer formed of fullerene can be thinned, so that an efficient and low-cost photoelectric conversion element can be realized. Become.

本発明の光電変換素子構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the photoelectric conversion element structure of this invention. 本発明の光電変換素子の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子の形成に用いた各材料のエネルギーレベルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the energy level of each material used for formation of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子の形成に用いた各材料の光吸収特性を示す図である。It is a figure which shows the light absorption characteristic of each material used for formation of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子を構成する第2電極側に位置する層(ペリレンの層)の膜厚を変えた場合における素子の光電変換特性の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the photoelectric conversion characteristic of an element when the film thickness of the layer (perylene layer) located in the 2nd electrode side which comprises the photoelectric conversion element of this invention is changed. 本発明の光電変換素子を構成する第2電極側に位置する層(ペリレンの層)の膜厚を変えた場合における素子の光吸収特性の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the light absorption characteristic of an element when the film thickness of the layer (perylene layer) located in the 2nd electrode side which comprises the photoelectric conversion element of this invention is changed. フラーレン誘導体よりなる層が設けられている本発明の光電変換素子と、該層を設けない素子の光電変換特性の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference of the photoelectric conversion characteristic of the photoelectric conversion element of this invention in which the layer which consists of fullerene derivatives is provided, and the element which does not provide this layer. 実施例1〜4、比較例1の光電変換特性を表した図である。6 is a diagram illustrating photoelectric conversion characteristics of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. FIG. 本発明の光電変換素子を構成する第2電極側に位置する層(ペリレンの層)の膜厚の違いによって生じる、380nmと630nmにおける計算した定在波の違いを示す図である。It is a figure which shows the difference in the standing wave calculated in 380 nm and 630 nm produced by the difference in the film thickness of the layer (perylene layer) located in the 2nd electrode side which comprises the photoelectric conversion element of this invention.

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、実施することができる。なお、本発明において使用する各有機材料の、HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)レベルは、イオン化ポテンシャル測定装置で測定した値を用いることができ、また、LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)レベルは、測定した紫外可視吸収スペクトルにおける長波長端と、HOMOのレベルとの和により算出することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be carried out without departing from the gist of the present invention. In addition, the value measured with the ionization potential measuring apparatus can be used for the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) level of each organic material used in the present invention, and the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) level was measured. It can be calculated by the sum of the long wavelength end in the UV-visible absorption spectrum and the HOMO level.

<光電変換素子>
以下、本発明の光電変換素子について説明する。本発明の光電変換素子は、P型有機半導体層と、該P型有機半導体層との間にPN接合面を形成するN型有機半導体層構造と、上記P型有機半導体層に電気的に接続される第1電極と、上記N型有機半導体層構造に電気的接続する第2電極とを有してなり、そのN型有機半導体層構造が、フラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層と、フラーレン誘導体とは光吸収域が異なる少なくとも一層のN型有機半導体層が積層されてなる積層構造を備え、かつ、該積層構造中の第2電極側に位置する層が、可視光領域または近赤外領域に光吸収域を有し、1μmの膜厚における吸収係数が4より大きい光吸収が強いN型有機半導体層であることを特徴とする。
<Photoelectric conversion element>
Hereinafter, the photoelectric conversion element of the present invention will be described. The photoelectric conversion element of the present invention is electrically connected to a P-type organic semiconductor layer, an N-type organic semiconductor layer structure forming a PN junction surface between the P-type organic semiconductor layer, and the P-type organic semiconductor layer. And a second electrode electrically connected to the N-type organic semiconductor layer structure, the N-type organic semiconductor layer structure comprising an N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative, and a fullerene A layered structure in which at least one N-type organic semiconductor layer having a light absorption range different from that of the derivative is stacked, and the layer located on the second electrode side in the layered structure is a visible light region or a near infrared region. It is an N-type organic semiconductor layer having a light absorption region in the region and having a strong light absorption with an absorption coefficient larger than 4 at a film thickness of 1 μm.

本発明の光電変換素子は、透明電極/(バッファ層)/P型有機半導体層/少なくとも2層が積層されたN型有機半導体層構造/励起子ブロック層の積層構造をなす。このため、本発明の光電変換素子は、単純な積層工程による作製が可能である。より具体的には、図1に一例を示したが、本発明の光電変換素子の積層構造は、透明な基板11上に、光透過率の高い透明電極(第1電極)21、必要に応じて設けるバッファ層41、電子供与体(ドナー材料)よりなるP型有機半導体層31、有機電子受容体(アクセプター材料)であるフラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層32、可視光または近赤外領域に吸収を持つ有機電子受容体(アクセプター材料)よりなるN型有機半導体層33、励起子ブロック層42、第2電極12からなる。   The photoelectric conversion element of the present invention has a laminated structure of transparent electrode / (buffer layer) / P-type organic semiconductor layer / N-type organic semiconductor layer structure in which at least two layers are laminated / exciton block layer. For this reason, the photoelectric conversion element of this invention is producible by a simple lamination process. More specifically, although an example is shown in FIG. 1, the stacked structure of the photoelectric conversion element of the present invention has a transparent electrode (first electrode) 21 with high light transmittance on a transparent substrate 11, and if necessary. A buffer layer 41, a P-type organic semiconductor layer 31 made of an electron donor (donor material), an N-type organic semiconductor layer 32 made of a fullerene derivative that is an organic electron acceptor (acceptor material), a visible light or near-infrared region. And an N-type organic semiconductor layer 33 made of an organic electron acceptor (acceptor material) having an absorption at the substrate, an exciton block layer 42 and the second electrode 12.

上記したように、本発明の光電変換素子を形成するN型有機半導体積層は、フラーレンよりなるN型有機半導体層32と、可視光または近赤外領域に吸収を持つN型有機半導体層33とを含む積層構造であることを要する。本発明者らは、このような積層構造にし、さらに励起子ブロック層を設けることにより、N型有機半導体層においても、大きな光吸収域を有し、吸収した光により効率よく励起子を生成し、PN接合界面での電荷分離をすることで、光変換を従来に増して効率よくできる光電変換素子とできることを見出して本発明に至った。   As described above, the N-type organic semiconductor stack forming the photoelectric conversion element of the present invention includes the N-type organic semiconductor layer 32 made of fullerene, and the N-type organic semiconductor layer 33 having absorption in the visible light or near-infrared region. It is necessary to have a laminated structure including The inventors of the present invention have such a laminated structure and further provided an exciton blocking layer, so that an N-type organic semiconductor layer also has a large light absorption region and efficiently generates excitons by absorbed light. The present inventors have found that a photoelectric conversion element capable of increasing the efficiency of light conversion compared to the prior art by performing charge separation at the PN junction interface can be achieved.

(少なくとも2層が積層されたN型有機半導体層構造)
本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体積層32は、フラーレン誘導体により形成されたものであることを要する。フラーレンとしては、C60、C70、C84、PCBM(フェニルC61酪酸メチルエステル)、SIMEF(シリルメチルフラーレン)などを例示することができる。これらのフラーレンのうち、C60は、入手しやすく、コスト面で有利であるなどの利点を有している。しかし、本発明においては、C60、C70、などを特に限定されずに使用できる。
(N-type organic semiconductor layer structure in which at least two layers are laminated)
The N-type organic semiconductor laminate 32 constituting the photoelectric conversion element of the present invention needs to be formed of a fullerene derivative. Examples of fullerenes include C 60 , C 70 , C 84 , PCBM (phenyl C 61 butyric acid methyl ester), SIMEF (silylmethyl fullerene), and the like. Among these fullerenes, C 60 is easily available, has advantages such as is advantageous in cost. However, in the present invention, C 60 , C 70 , etc. can be used without particular limitation.

本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体積層33は、下記に挙げるようなN型半導体材料により形成される。N型有機半導体材料としては、例えば、Alq3((トリス(8−ヒドロキシキノリノール)アルミニウム)錯体)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物(NTCDA)、ジアルキルナフタレンテトラカルボン酸無水物ジイミド(NTCDI)、ペリレン、ペリレンテトラカルボン酸無水物(PTCDA)、ジアルキルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(PTCDI)、ペリレンビスベンゾイミダゾール(PTCBI)、ジアルキルアントラキノン、フルオレニリデンメタン、テトラシアノエチルレン、フルオレノン、ジフェノキノンオキサジアゾール、アントロン、チオピランジオキシド、ジフェノキノン、ベンゾキノン、マロノニトリル、ジニトロベンゼン、ニトロアントラキノン、ペンタセンのフッ素化物、フタロシアニンのフッ素化物、オリゴチオフェンのフッ化アルキル化物、フラーレン類およびカーボンナノチューブ、および、これらの誘導体が挙げられる。   The N-type organic semiconductor stack 33 constituting the photoelectric conversion element of the present invention is formed of an N-type semiconductor material as described below. Examples of the N-type organic semiconductor material include Alq3 ((tris (8-hydroxyquinolinol) aluminum) complex), naphthalenetetracarboxylic anhydride (NTCDA), dialkylnaphthalenetetracarboxylic anhydride diimide (NTCDI), perylene, perylene. Tetracarboxylic anhydride (PTCDA), dialkylperylenetetracarboxylic acid diimide (PTCDI), perylenebisbenzimidazole (PTCBI), dialkylanthraquinone, fluorenylidenemethane, tetracyanoethyllene, fluorenone, diphenoquinone oxadiazole, anthrone, Thiopyran dioxide, diphenoquinone, benzoquinone, malononitrile, dinitrobenzene, nitroanthraquinone, pentacene fluoride, phthalocyanine fluorine Things, fluorinated alkylated oligothiophene, fullerenes and carbon nanotubes, and, derivatives thereof.

上記したような材料からなるN型有機半導体層の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの真空プロセス或いは塗布などの方法が挙げられる。また、このような方法で形成されるN型有機半導体層の膜厚は、使用する材料などによっても異なるが、例えば、1nm〜100nm程度であることが好ましい。すなわち、その厚さが1nm未満の場合は、光発電素子に入射した光を十分に吸収することができずに透過し、薄膜内に欠陥や欠損が生じ十分な効果を得ることができないので好ましくない。また、100nmを超える場合は、光発電素子内の直列抵抗が増加し、光電変換素子の性能が低下するとともに、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。本発明者らの検討によれば、各N型有機半導体層の膜厚は、5nmから50nmとすることがより好ましい。さらに、本発明者らの検討によれば、本発明の効果をより顕著に得るためには、本発明を構成するN型有機半導体層構造を構成するフラーレンよりなるN型有機半導体層32と、可視光または近赤外領域に吸収を持つN型有機半導体層33とを積層した層の膜厚が、20nmから100nmの範囲内になるように構成することが好ましい。この点については、後述する。   Examples of the method for forming the N-type organic semiconductor layer made of the above materials include vacuum processes such as vacuum deposition, sputtering, and CVD, or methods such as coating. Moreover, although the film thickness of the N-type organic semiconductor layer formed by such a method varies depending on the material used, it is preferably about 1 nm to 100 nm, for example. That is, it is preferable that the thickness is less than 1 nm because the light incident on the photovoltaic element cannot be sufficiently absorbed and transmitted, and defects and defects are generated in the thin film, so that a sufficient effect cannot be obtained. Absent. Moreover, when exceeding 100 nm, since the series resistance in a photovoltaic device increases, the performance of a photoelectric conversion element falls and the problem that a manufacturing cost and material cost become high arises, and it is unpreferable. According to the study by the present inventors, the film thickness of each N-type organic semiconductor layer is more preferably 5 nm to 50 nm. Further, according to the study by the present inventors, in order to obtain the effect of the present invention more remarkably, an N-type organic semiconductor layer 32 made of fullerene constituting the N-type organic semiconductor layer structure constituting the present invention, It is preferable that the thickness of the layer in which the N-type organic semiconductor layer 33 having absorption in the visible light or near infrared region is stacked is in the range of 20 nm to 100 nm. This point will be described later.

本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体積層33は、可視光領域、または、近赤外領域に大きな光吸収域があり、有機半導体層(厚さ1μm)における光吸光係数が4以上であるため、10nmの薄膜としても99%以上の光を吸収することができ、光電変換効率を高めることができる。   The N-type organic semiconductor laminate 33 constituting the photoelectric conversion element of the present invention has a large light absorption region in the visible light region or the near infrared region, and has a light absorption coefficient of 4 or more in the organic semiconductor layer (thickness 1 μm). Therefore, even if it is a 10 nm thin film, 99% or more of light can be absorbed, and photoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体積層33を形成する特に好ましい材料としては、下記のような理由から、ジメチルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)で代表されるペリレンテトラカルボン酸誘導体が挙げられる。さらに好ましい材料としては、ペリレンテトラカルボン酸ジイミドのイミド基が、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、トリル基、キシリル基などの芳香族基、ヘテロ芳香族環、シクロヘキシル基を含む置換基により置換されたペリレンテトラカルボン酸誘導体が挙げられる。これらの誘導体は、イミド基に直接結合してもよいが、メチレン基、エチレン基、プロピレン基などのアルキル基、ヘテロ原子を含む基を介して結合してもよい。さらに、好ましい材料としてN,N’−ジフェニルペリレンテトラカルボン酸ジイミドが挙げられる。   As a particularly preferable material for forming the N-type organic semiconductor laminate 33 constituting the photoelectric conversion element of the present invention, perylenetetracarboxylic acid represented by dimethylperylenetetracarboxylic acid diimide (Me-PTCDI) is used for the following reasons. Derivatives. As a more preferable material, the imide group of perylenetetracarboxylic acid diimide is substituted with a substituent including an aromatic group such as a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, a tolyl group, and a xylyl group, a heteroaromatic ring, and a cyclohexyl group. Perylenetetracarboxylic acid derivatives. These derivatives may be directly bonded to the imide group, but may be bonded via an alkyl group such as a methylene group, an ethylene group or a propylene group, or a group containing a hetero atom. Furthermore, N, N'-diphenylperylenetetracarboxylic acid diimide is mentioned as a preferable material.

本発明において、上記したようなペリレンテトラカルボン酸誘導体により形成してなる、そのN型有機半導体層構造の第2電極側に位置する有機半導体層は、可視光領域に大きな吸収域があり、可視光を光電変換することができるものとなる。さらに、芳香族基、ヘテロ芳香族環、シクロヘキシル基を含む置換基を有するペリレンテトラカルボン酸誘導体を用いて形成した有機半導体層の場合は、これらの置換基の効果により分子間のπスタックが強くなり、可視光領域から近赤外領域までの幅広い吸収領域を持つことができ、光電変換素子へ入射した光を光電変換できる波長領域を広げることができる。例えば、N,N’−ジフェニルペリレンテトラカルボン酸ジイミドを真空蒸着法により形成した有機半導体層(厚さ1μm)は、550nm付近での吸光係数が7.2となり、10nmの薄膜でも99%以上の光を吸収することができ、光電変換効率を高めることができる。   In the present invention, the organic semiconductor layer located on the second electrode side of the N-type organic semiconductor layer structure formed by the perylene tetracarboxylic acid derivative as described above has a large absorption region in the visible light region and is visible. Light can be photoelectrically converted. Furthermore, in the case of an organic semiconductor layer formed using a perylenetetracarboxylic acid derivative having a substituent containing an aromatic group, a heteroaromatic ring, or a cyclohexyl group, the π stack between molecules is strong due to the effect of these substituents. Thus, a wide absorption region from the visible light region to the near infrared region can be provided, and the wavelength region in which light incident on the photoelectric conversion element can be photoelectrically converted can be expanded. For example, an organic semiconductor layer (thickness 1 μm) formed by vacuum deposition of N, N′-diphenylperylenetetracarboxylic acid diimide has an extinction coefficient of 7.2 near 550 nm and is 99% or more even with a 10 nm thin film. Light can be absorbed and the photoelectric conversion efficiency can be increased.

本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体層構造は、先に述べたように積層構造を形成するが、隣接する2つの有機半導体層では、前記PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層のLUMO(最低非占有軌道)レベルが、PN接合界面に近いフラーレンよりなる有機半導体層のLUMOレベル以下である構成を採用すればよい。また、PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層のLUMOレベルとPN接合に近い有機半導体層のLUMOレベルとがより低ければ、光電変換素子内の内部抵抗を小さくすることができる。例えば、本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体層の形成材料として好適なペリレンテトラカルボン酸誘導体のエネルギーレベルは、該層と併用する層の材料とできるフラーレンC60のHOMOレベル−6.2eV、LUMOレベル−4.5eVに比べ、HOMOレベルが−6.2から−6.6eV付近、LUMOレベルが−4.5から4.6eV付近にあり、PN界面で生成した電子は効率的に移動することができる。 The N-type organic semiconductor layer structure constituting the photoelectric conversion element of the present invention forms a laminated structure as described above. However, in the two adjacent organic semiconductor layers, the organic layer located on the side far from the PN junction surface is formed. A configuration in which the LUMO (minimum unoccupied orbit) level of the semiconductor layer is equal to or lower than the LUMO level of the organic semiconductor layer made of fullerene close to the PN junction interface may be adopted. Moreover, if the LUMO level of the organic semiconductor layer located far from the PN junction surface and the LUMO level of the organic semiconductor layer close to the PN junction are lower, the internal resistance in the photoelectric conversion element can be reduced. For example, the energy level of a perylene tetracarboxylic acid derivative suitable as a material for forming an N-type organic semiconductor layer constituting the photoelectric conversion element of the present invention is HOMO level −6 of fullerene C 60 that can be used as a material for the layer used in combination with the layer. Compared to .2 eV, LUMO level -4.5 eV, HOMO level is around -6.2 to -6.6 eV, LUMO level is around -4.5 to 4.6 eV, and electrons generated at the PN interface are more efficient Can be moved to.

本発明の光電変換素子を構成するN型有機半導体層構造の、フラーレンよりなるN型有機半導体層32と、可視光または近赤外領域に大きな吸収域を持つ第2電極側のN型有機半導体層33の配置は、N型有機半導体層32が第2電極から5nmから100nm離れた位置に形成され、層の厚みが、5nmから80nmとすることにより、光電変換素子に入射した光が有機半導体層により吸収されずに、第2電極まで到達し、電極により反射されることにより定常波となる光を吸収することができる。フラーレンの吸収領域である波長が380nmの光は、第2電極により反射され定常波となると、第2電極から20から60nmの位置に定常波の腹が形成される。定常波の腹の位置にフラーレンからなるN型有機半導体層を設置することにより、光の吸収が効率よく行われ、より多くの励起子を生成することができる(図9参照)。   The N-type organic semiconductor layer 32 made of fullerene having the N-type organic semiconductor layer structure constituting the photoelectric conversion element of the present invention, and the N-type organic semiconductor on the second electrode side having a large absorption region in the visible light or near infrared region The arrangement of the layer 33 is such that the N-type organic semiconductor layer 32 is formed at a position 5 nm to 100 nm away from the second electrode, and the thickness of the layer is 5 nm to 80 nm, so that light incident on the photoelectric conversion element can be converted into an organic semiconductor. Light that becomes a standing wave can be absorbed by reaching the second electrode without being absorbed by the layer and being reflected by the electrode. When light having a wavelength of 380 nm, which is a fullerene absorption region, is reflected by the second electrode and becomes a standing wave, an antinode of the standing wave is formed at a position of 20 to 60 nm from the second electrode. By installing the N-type organic semiconductor layer made of fullerene at the antinodes of the standing wave, light can be efficiently absorbed and more excitons can be generated (see FIG. 9).

本発明の光発電素子では、例えば、第2電極側のN型半導体層の厚みを5nmから50nmとし、フラーレンからなるN型有機半導体層の膜厚を5nmから50nmとして配置することにより、定常波による光を効率よく利用する光電変換素子とすることができる。ただし、フラーレン材料はペリレン誘導体材料に比べ高価なため、フラーレンからなるN型有機半導体層32と第2電極側に設置するN型有機半導体層33の膜厚の比(32の膜厚:33の膜厚)を1:1から1:10にすることが望ましい。   In the photovoltaic device of the present invention, for example, the thickness of the N-type semiconductor layer on the second electrode side is set to 5 nm to 50 nm, and the thickness of the N-type organic semiconductor layer made of fullerene is set to 5 nm to 50 nm. It can be set as the photoelectric conversion element which utilizes light efficiently. However, since the fullerene material is more expensive than the perylene derivative material, the ratio of the film thickness of the N-type organic semiconductor layer 32 made of fullerene to the N-type organic semiconductor layer 33 provided on the second electrode side (film thickness of 32: 33 The film thickness) is preferably 1: 1 to 1:10.

上記したような材料からなるN型有機半導体層構造の各層は、その膜厚を5から50nmの範囲にすることがより好ましい。すなわち、5nmよりも厚みが薄いと光が十分に吸収されずに透過する光が多くなり、光電変換特性が低下するので好ましくない。また、下記の理由から、50nmよりも厚みを厚くすることはあまり有効ではない。すなわち、有機半導体層内で生成する励起子の励起子拡散長(励起子が安定して移動できる距離)は、約20〜30nmであるために、有機半導体層の厚みは、この励起子拡散長の2倍程度であることが好ましいが、それ以上に厚くしても、光の吸収は起こるが電荷の分離ができないために光電特性が低下することが生じるので好ましくない。また、第2電極側のN型有機半導体層の膜厚を5〜50nmにすることにより、第2電極の反射により生じるフラーレン吸収波長の定在波の腹部分が、フラーレン層に存在し、紫外領域の光を効率的に利用できる有機薄膜太陽電池となる。   It is more preferable that each layer of the N-type organic semiconductor layer structure made of the material as described above has a thickness in the range of 5 to 50 nm. That is, if the thickness is less than 5 nm, light that is not sufficiently absorbed is transmitted, and the photoelectric conversion characteristics are deteriorated. For the following reasons, it is not very effective to increase the thickness beyond 50 nm. That is, the exciton diffusion length of the excitons generated in the organic semiconductor layer (distance that the excitons can move stably) is about 20 to 30 nm. Therefore, the thickness of the organic semiconductor layer is the exciton diffusion length. Although it is preferable that the thickness be larger than that, absorption of light occurs, but charge separation cannot be performed, so that the photoelectric characteristics are deteriorated. Further, by setting the film thickness of the N-type organic semiconductor layer on the second electrode side to 5 to 50 nm, an antinode of the standing wave of the fullerene absorption wavelength caused by the reflection of the second electrode is present in the fullerene layer. It becomes an organic thin-film solar cell which can utilize the light of an area | region efficiently.

(P型有機半導体層)
本発明の光発電素子を構成するP型有機半導体層31の形成材料は、電子供与性を有するものであればよく、特に限定されない。例えば、フタロシアニン類、芳香族三級アミン類、アセン類、チオフェンやセレノフェン誘導体などの化合物や、これらの化合物に水酸基やアルキル基、アミノ基、メチル基などの官能基が導入された誘導体、さらに、芳香族3級アミン、フェニレン、ビニレン、チオフェン、フルオレン、カルバゾール、ビニルカルバゾール、ピロールなどの化合物の重合体、或いは、これらの化合物に、水酸基やアルキル基、アミノ基、メチル基などの官能基が導入された誘導体、の(共)重合体が挙げられる。本発明において特に好ましいP型有機半導体層としては、例えば、ポリ−3ヘキシルチオフェンなどのチオフェンオリゴマー、無金属フタロシアニン、ニッケルフタロシアニン、銅フタロシアニン、錫フタロシアニン、鉛フタロシアニンなどの金属フタロシアニン、BP3T(2,5−ビス(4−ビフェニリル)−2,2’:5’,2’’−ターチオフェン)などの(チオフェン/フェニレン)コオリゴマーが挙げられる。
(P-type organic semiconductor layer)
The material for forming the P-type organic semiconductor layer 31 constituting the photovoltaic device of the present invention is not particularly limited as long as it has an electron donating property. For example, compounds such as phthalocyanines, aromatic tertiary amines, acenes, thiophene and selenophene derivatives, derivatives in which functional groups such as hydroxyl groups, alkyl groups, amino groups, and methyl groups are introduced into these compounds, Polymers of compounds such as aromatic tertiary amines, phenylene, vinylene, thiophene, fluorene, carbazole, vinylcarbazole, pyrrole, etc., or functional groups such as hydroxyl groups, alkyl groups, amino groups, and methyl groups are introduced into these compounds (Co) polymers of the resulting derivatives. Particularly preferable P-type organic semiconductor layers in the present invention include, for example, thiophene oligomers such as poly-3hexylthiophene, metal phthalocyanines such as metal-free phthalocyanine, nickel phthalocyanine, copper phthalocyanine, tin phthalocyanine, and lead phthalocyanine, BP3T (2,5 (Thiophene / phenylene) co-oligomers such as -bis (4-biphenylyl) -2,2 ': 5', 2 "-terthiophene).

上記した材料からなるP型有機半導体層の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの真空プロセス或いは塗布などの方法が挙げられる。本発明を構成するP型有機半導体層は、上記に挙げたような方法により形成され、その膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、5nm〜100nm程度、より好ましくは5nmから50nmであることが好ましい。なお、その厚さが5nm未満の場合は、本発明の光発電素子に入射した光を十分に吸収することができずに透過し、薄膜内に欠陥や欠損が生じる恐れがあり、十分な効果を得ることができない場合があるので好ましくない。また、100nmを超える場合は、光発電素子内の直列抵抗が増加し、光電変換素子の性能が低下するとともに、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じる。本発明の光発電素子を構成するP型有機半導体層は、必要に応じて多層構造とすることができる。前記P型有機半導体層では、PN接合面から遠い側に位置する有機半導体層のHOMO(最高被占軌道)レベルが、前記PN接合に近い有機半導体層のHOMOレベル以上であることが好ましい。このように構成すると、正孔を第1電極までスムーズに取り出すことができる。   Examples of the method for forming the P-type organic semiconductor layer made of the above-described materials include vacuum processes such as vacuum deposition, sputtering, and CVD, or methods such as coating. The P-type organic semiconductor layer constituting the present invention is formed by the method as described above, and the film thickness varies depending on the material used, for example, about 5 to 100 nm, more preferably 5 to 50 nm. Preferably there is. If the thickness is less than 5 nm, the light incident on the photovoltaic device of the present invention cannot be sufficiently absorbed and transmitted, and defects or defects may occur in the thin film. Is not preferable because it may not be obtained. Moreover, when exceeding 100 nm, the series resistance in a photovoltaic device increases, and while the performance of a photoelectric conversion element falls, the problem that manufacturing cost and material cost become high will arise. The P-type organic semiconductor layer constituting the photovoltaic device of the present invention can have a multilayer structure as necessary. In the P-type organic semiconductor layer, it is preferable that the HOMO (maximum occupied orbit) level of the organic semiconductor layer located far from the PN junction surface is equal to or higher than the HOMO level of the organic semiconductor layer close to the PN junction. If comprised in this way, a hole can be taken out smoothly to a 1st electrode.

(第1電極)
本発明の光発電素子を構成する第1電極は、P型有機半導体層に対してオーミック接触可能な仕事関数を有する導電材料であって、光を透過させることが求められる。従って、第1電極としては、例えば、ITO(インジウム錫酸化物)、In23、SnO2、ZnO等の透光性導電材料が用いられる。更に、第1電極としては、Snドープ酸化インジウム(In23:Sn)、Fドープ酸化錫(SnO2:F)、Sbドープ酸化錫(SnO2:Sb)、Alドープ酸化亜鉛(ZnO:Al)、Gaドープ酸化亜鉛(ZnO:Ga)など、上記の透光性導電材料に不純物をドープしたもので構成してもよい。
(First electrode)
The first electrode constituting the photovoltaic device of the present invention is a conductive material having a work function capable of ohmic contact with the P-type organic semiconductor layer, and is required to transmit light. Therefore, as the first electrode, for example, a light-transmitting conductive material such as ITO (Indium Tin Oxide), In 2 O 3 , SnO 2 , or ZnO is used. Furthermore, as the first electrode, Sn-doped indium oxide (In 2 O 3 : Sn), F-doped tin oxide (SnO 2 : F), Sb-doped tin oxide (SnO 2 : Sb), Al-doped zinc oxide (ZnO: The light-transmitting conductive material may be doped with an impurity such as Al) or Ga-doped zinc oxide (ZnO: Ga).

(バッファ層)
本発明の光発電素子は、第1電極21とP型有機半導体層間に、必要に応じてバッファ層を形成してもよい。該バッファ層は、ホールを輸送する材料であれば問題なく利用できる。バッファ層は、特に限定されないが、蒸着法、印刷法により形成されるので、バッファ層を設けることで、これを積層する第1電極の凹凸を補った平滑な層を形成することができる。バッファ層を形成するための材料としては、例えば、前記した有機半導体層に使用できるp型半導体材料が使用できる。例えば、フタロシアニン、ナフタロシアニン、オキサジアゾール、トリフェニルアミン、ポリフィリン、トリアゾール、イミダゾール、またはこれらの誘導体など、正孔輸送材料として通常使用されるものを用いることができる。また、バッファ層の形成材料として市販されている、例えば、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、商品名;CLEVIOS P)(以下、PEDOT:PSSと略記)なども使用することができる。PEDOT/PSSにより形成されたバッファ層は、有機半導体層と第1電極の接触抵抗を下げ、そのエネルギーレベルが約5eVであるために、正孔を効率よく集め、電極へ移すことができる。また、透明性にも優れ、電極表面の欠損を補ない安定した光電変換素子を形成することができる。
(Buffer layer)
In the photovoltaic device of the present invention, a buffer layer may be formed between the first electrode 21 and the P-type organic semiconductor layer as necessary. The buffer layer can be used without any problem as long as it is a material that transports holes. Although the buffer layer is not particularly limited, it is formed by a vapor deposition method or a printing method. Therefore, by providing the buffer layer, it is possible to form a smooth layer that compensates for the unevenness of the first electrode on which the buffer layer is laminated. As a material for forming the buffer layer, for example, a p-type semiconductor material that can be used for the organic semiconductor layer described above can be used. For example, what is normally used as a hole transport material, such as phthalocyanine, naphthalocyanine, oxadiazole, triphenylamine, porphyrin, triazole, imidazole, or derivatives thereof, can be used. In addition, for example, poly-3,4-ethylenedioxythiophene / polystyrene sulfonate (PEDOT / PSS, trade name: CLEVIOS P) (hereinafter abbreviated as PEDOT: PSS), which is commercially available as a buffer layer forming material, is also available. Can be used. Since the buffer layer formed by PEDOT / PSS lowers the contact resistance between the organic semiconductor layer and the first electrode and has an energy level of about 5 eV, holes can be efficiently collected and transferred to the electrode. Moreover, it is excellent in transparency, and the stable photoelectric conversion element which compensates the defect | defect on the electrode surface can be formed.

(第2電極)
本発明の光発電素子を構成する第2電極は、形成したN型有機半導体層とオーミック接触可能な仕事関数を有する導電材料であることが求められる。このような導電材料としては、具体的には、金、白金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、ロジウム、インジウムなどの金属、それらの合金、上記の透光性導電材料、カーボンなどが挙げられる。
(Second electrode)
The second electrode constituting the photovoltaic device of the present invention is required to be a conductive material having a work function capable of ohmic contact with the formed N-type organic semiconductor layer. Specific examples of such a conductive material include metals such as gold, platinum, silver, copper, aluminum, nickel, rhodium, and indium, alloys thereof, the above translucent conductive material, and carbon.

本発明の光電変換素子に用いられる電極を形成する方法としては、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの真空プロセス或いは塗布が挙げられる。これらの方法により形成される電極の膜厚は、使用する材料などによっても異なるが、例えば、10nm〜1,000nm程度であることが好ましい。なお、その厚さが10nm未満の場合、トランジスタ素子として動作しないことがあり、1,000nmを超える場合は、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じる。   Examples of the method for forming the electrode used in the photoelectric conversion element of the present invention include vacuum processes such as vacuum deposition, sputtering, and CVD, or coating. The thickness of the electrode formed by these methods varies depending on the material used, but is preferably about 10 nm to 1,000 nm, for example. Note that when the thickness is less than 10 nm, the transistor element may not operate. When the thickness exceeds 1,000 nm, the manufacturing cost and material cost increase.

(励起子ブロック層)
本発明の光電変換素子は、N型有機半導体層構造と上記第2電極との間に励起子ブロック層を備えてなることを要す。この励起子ブロック層は、正孔ブロック層などとして機能し、キャリア(正孔、電子)の流れを制御し、効率よくキャリアを電極へ到達させることができる。本発明者らの検討によれば、特に、BCP(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)(以下、BCPと略記)からなる励起子ブロック層は、エネルギーダイアグラムにおいて、LUMOレベルがペリレンテトラカルボン酸誘導体とほぼ同じで、HOMOレベルがペリレンテトラカルボン酸誘導体よりも高いにもかかわらず、アルミ電極へと電子が引き抜かれる。これは、BCPの薄膜層を形成する際にバンドギャップ内にエネルギー準位が形成され、そのバンド内準位を経由してアルミ電極へ電子が輸送されるためと考えられている。本発明者らの検討によれば、N型有機半導体層構造と上記第2電極との間に上記したような励起子ブロック層を設けたことで、本発明の光電変換素子は、下記に挙げる効果をも達成した優れたものとなる。本発明の光電変換素子では、上記したような励起子ブロック層を形成することにより、励起子がPN接合界面へ効率よく到達できるだけでなく、電極を形成する原子の有機半導体層の拡散を抑制することができるものになる。具体的には、励起子ブロック層は、第2電極材料、例えば、金属原子の有機半導体層への拡散を抑制することができる。これに対し、励起子ブロック層を持たない光電変換素子は、変換効率が徐々に低下し、光電変換素子として利用できなくなるので、励起子ブロック層を設けることは、実用上の重要な要件になる。
(Exciton block layer)
The photoelectric conversion element of the present invention needs to include an exciton block layer between the N-type organic semiconductor layer structure and the second electrode. This exciton blocking layer functions as a hole blocking layer or the like, controls the flow of carriers (holes, electrons), and allows carriers to reach the electrodes efficiently. According to the study by the present inventors, in particular, an exciton blocking layer made of BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) (hereinafter abbreviated as BCP) Although the LUMO level is almost the same as that of the perylene tetracarboxylic acid derivative and the HOMO level is higher than that of the perylene tetracarboxylic acid derivative, electrons are extracted to the aluminum electrode. This is presumably because energy levels are formed in the band gap when the BCP thin film layer is formed, and electrons are transported to the aluminum electrode via the in-band levels. According to the study of the present inventors, the photoelectric conversion element of the present invention is listed below by providing the exciton block layer as described above between the N-type organic semiconductor layer structure and the second electrode. It will be an excellent one that has achieved the effect. In the photoelectric conversion element of the present invention, by forming the exciton block layer as described above, the excitons can not only efficiently reach the PN junction interface, but also suppress the diffusion of the organic semiconductor layer of the atoms forming the electrode. It will be something that can be done. Specifically, the exciton blocking layer can suppress diffusion of the second electrode material, for example, metal atoms into the organic semiconductor layer. On the other hand, a photoelectric conversion element that does not have an exciton block layer gradually decreases in conversion efficiency and cannot be used as a photoelectric conversion element. Therefore, providing an exciton block layer is an important practical requirement. .

本発明の光電変換素子を製造する際に用いられる励起子ブロック層の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの真空プロセス或いは塗布などの方法が挙げられる。励起子ブロック層は、このような方法により形成されるが、励起子ブロック層の膜厚は使用する材料などによっても異なるが、例えば、0.5nm〜50nm程度であることが好ましい。なお、その厚さが0.5nm未満の場合、薄膜内に欠陥や欠損が生じる恐れがあり、その十分な効果を得ることができない場合があるので好ましくない。また、50nmを超える場合は、光発電素子内の直列抵抗が増加し、光電変換素子の性能が低下する傾向があるとともに、製造コスト、材料コストが高くなるという問題を生じるので好ましくない。   Examples of the method for forming the exciton block layer used in manufacturing the photoelectric conversion element of the present invention include vacuum processes such as vacuum deposition, sputtering, and CVD, or methods such as coating. The exciton blocking layer is formed by such a method, but the thickness of the exciton blocking layer varies depending on the material used, but is preferably about 0.5 nm to 50 nm, for example. In addition, when the thickness is less than 0.5 nm, defects or defects may occur in the thin film, and the sufficient effect may not be obtained. Moreover, when exceeding 50 nm, while the series resistance in a photovoltaic device increases, the performance of a photoelectric conversion element tends to fall, and the problem that manufacturing cost and material cost become high arises, and it is not preferable.

<光電変換素子を備えてなる有機半導体薄膜太陽電池>
上記で説明した本発明の光電変換素子は、常法にしたがって配線を形成し、有機半導体薄膜太陽電池とすることができる。このようにして形成してなる本発明の有機半導体薄膜太陽電池は、可視光領域から近赤外領域までの光を吸収できる、短絡電流値、解放電圧値、などの光電変換特性に優れた特性を示す有用なものになる。この点については、後述する。
<Organic semiconductor thin film solar cell provided with photoelectric conversion element>
The photoelectric conversion element of the present invention described above can be formed into an organic semiconductor thin film solar cell by forming wiring according to a conventional method. The organic semiconductor thin film solar cell of the present invention formed in this way can absorb light from the visible light region to the near infrared region, and has excellent photoelectric conversion characteristics such as a short circuit current value and an open voltage value. Will be useful to show. This point will be described later.

実施例及び比較例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。先ず、使用した各材料について説明する。   The present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. First, each material used will be described.

(有機薄膜材料)
P型半導体層を形成する有機薄膜材料として、BP3T(2,5−ビス(4−ビフェニリル)−2,2’:5’,2’’−ターチオフェン)(BP3Tと略)を用意し、N型有機半導体層を形成する有機薄膜材料として、フラーレン(C60と略)、N,N’−ジフェニルペリレンテトラカルボン酸ジイミド(PTCDI−phと略)を用意した。また、励起子ブロック層を形成する材料として、2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン(BCPと略)を用意した。上記した材料は、すべて昇華精製した材料を用いた。
(Organic thin film materials)
As an organic thin film material for forming the P-type semiconductor layer, BP3T (2,5-bis (4-biphenylyl) -2,2 ′: 5 ′, 2 ″ -terthiophene) (abbreviated as BP3T) is prepared, and N as the organic thin film material for forming the type organic semiconductor layer, fullerene (C 60 substantially), N, was prepared N'- diphenyl-perylenetetracarboxylic diimide (PTCDI-ph substantially). In addition, 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (abbreviated as BCP) was prepared as a material for forming the exciton blocking layer. All the materials described above were purified by sublimation.

(有機薄膜材料の吸収特性)
上記で用意した半導体層の形成用の有機薄膜材料(BP3T、C60、PTCDI−ph)を、各々石英基板に真空蒸着法により蒸着し、厚さ1μmの有機薄膜層を形成し、紫外可視分光光度計により、紫外可視吸収特性を測定した。その結果を図4に示した。図4に示した通り、BP3T及びC60の吸収域は主に400nm以下であるが、PTCDI−phは、400nmから600nmの波長領域において強い光吸収特性(吸収ピーク:568nm、538nm、485nm、458nm)を示した。そして、PTCDI−phの吸収係数は、紫外部から620nm付近まで吸収係数1以上であり、410nmから590nm付近まで吸収係数2以上、さらに、420nmから580nm付近まででは吸収係数が4を超えており、当該材料は、本発明で規定するN型有機半導体層構造を構成する第2電極側に位置する層として有効な、光吸収が強いN型有機半導体層を作製可能なものであることを確認した。
(Absorption characteristics of organic thin film materials)
The organic thin film material (BP3T, C 60 , PTCDI-ph) prepared for the semiconductor layer prepared above is deposited on each quartz substrate by vacuum vapor deposition to form an organic thin film layer having a thickness of 1 μm, and UV-visible spectroscopy Ultraviolet-visible absorption characteristics were measured with a photometer. The results are shown in FIG. Although as shown in FIG. 4, the absorption band of BP3T and C 60 are mainly 400nm or less, PTCDI-ph is strong light absorption characteristics in 600nm wavelength range from 400nm (absorption peak: 568 nm, 538 nm, 485 nm, 458 nm )showed that. The absorption coefficient of PTCDI-ph is 1 or more from the ultraviolet region to 620 nm, 1 or more from 410 to 590 nm, and more than 4 from 420 to 580 nm. It was confirmed that the material can produce an N-type organic semiconductor layer that is effective as a layer located on the second electrode side constituting the N-type organic semiconductor layer structure defined in the present invention and has a strong light absorption. .

(有機薄膜材料のエネルギーレベル)
上記で用意した各有機薄膜材料について、光電子分光装置(AC−3:理研計器製)により測定した値から、HOMO準位を決定した。LUMOレベルは、測定した紫外可視吸収スペクトルにおける長波長端と、HOMO準位のレベルとの和により算出した。各有機薄膜材料のHOMO準位、LUMO準位は、それぞれ、BP3T(HOMO:−5.28eV、LUMO:−2.92eV)、C60(HOMO:−6.2eV、LUMO:−4.5eV)、PTCDI−ph(HOMO:−6.57eV、LUMO:−4.55eV)、BCP(HOMO:−6.7eV、LUMO:−3.2eV)であった。
(Energy level of organic thin film materials)
About each organic thin film material prepared above, the HOMO level was determined from the value measured with the photoelectron spectrometer (AC-3: Riken Keiki make). The LUMO level was calculated by the sum of the long wavelength end in the measured UV-visible absorption spectrum and the level of the HOMO level. The HOMO level and LUMO level of each organic thin film material are BP3T (HOMO: -5.28 eV, LUMO: -2.92 eV), C 60 (HOMO: -6.2 eV, LUMO: -4.5 eV), respectively. , PTCDI-ph (HOMO: -6.57 eV, LUMO: -4.55 eV), BCP (HOMO: -6.7 eV, LUMO: -3.2 eV).

図3に、後述する実施例の光電変換素子の層構成における各材料のエネルギーレベルを示した。PTCDI−phであるN型有機半導体層内で、光吸収により生成した励起子は、C60よりなるN型有機半導体層へと励起子移動を起こし、BP3TとC60からなるPN接合界面で電子と正孔に電荷分離する。BT3TからなるP型有機半導体層、および、C60よりなるN型有機半導体層の各層内で生成した励起子もPN接合界面に移動し、電荷分離をする。本発明の光電変換素子のように、第2電極側(図3に示したAl側)に形成するN型有機半導体層のHOMO、LUMOを、これと積層するC60からなるN型有機半導体層のHOMO、LUMOと同等、若しくは小さくすることにより、電荷分離した電子は問題なく第2電極へと流れることができる。 In FIG. 3, the energy level of each material in the layer structure of the photoelectric conversion element of the Example mentioned later was shown. In PTCDI-ph a is N-type organic semiconductor layer, an exciton generated by light absorption, caused excitons move to N-type organic semiconductor layer made of C 60, electrons in the PN junction interface consisting BP3T and C 60 And charge separation into holes. P-type organic semiconductor layer made of BT3T, and excitons generated in each layer of the N-type organic semiconductor layer made of C 60 is also moved to the PN junction interface, the charge separation. As the photoelectric conversion element of the present invention, HOMO of N-type organic semiconductor layer for forming the second electrode side (Al side shown in FIG. 3), the LUMO, N-type organic semiconductor layer made of C 60 to be laminated therewith By making it equal to or smaller than HOMO and LUMO, charge separated electrons can flow to the second electrode without any problem.

(素子の作製法)
ITO付きガラス基板(表面抵抗値:15Ω/square.、ITO膜厚:150nm)を洗浄し、該基板上に各層と電極とを形成し、光発電素子を作製した。具体的には、先ず、ITO付きガラス基板上に、バッファ層として、PEDOT:PSS〔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)商品名:Clevios P AI 4083,H.C.Starks〕(以下、PEDOT:PSSと略記)を、スピンコート法により膜厚が30nmになるように成膜した。更に、その上に、有機半導体層、励起子ブロック層を真空蒸着法〔真空度:<2.0×10-4、蒸着速度:0.05nm/s)により形成し、最後に真空蒸着法(蒸着速度:1nm/s)により、励起子ブロック層上にアルミニウム電極層(膜厚:150nm)を形成し、光電変換素子とした。素子の有効面積は、6mm2とした。
(Element fabrication method)
A glass substrate with ITO (surface resistance value: 15Ω / square, ITO film thickness: 150 nm) was washed, and each layer and electrode were formed on the substrate to produce a photovoltaic device. Specifically, first, on a glass substrate with ITO, as a buffer layer, PEDOT: PSS [poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) trade name: Clevios P AI 4083, H.R. C. Starks] (hereinafter abbreviated as PEDOT: PSS) was formed by spin coating so as to have a film thickness of 30 nm. Further, an organic semiconductor layer and an exciton block layer are formed thereon by a vacuum deposition method (vacuum degree: <2.0 × 10 −4 , deposition rate: 0.05 nm / s), and finally, a vacuum deposition method ( An aluminum electrode layer (film thickness: 150 nm) was formed on the exciton block layer at a deposition rate of 1 nm / s) to obtain a photoelectric conversion element. The effective area of the element was 6 mm 2 .

(有機薄膜太陽電池の評価)
光電発電素子の評価は、上記で得たものを含め、すべて不活性ガス雰囲気下で行った。具体的には、擬似太陽光AM1.5G(100mW/cm2)を照射し、発電特性を測定し、短絡電流値(JSC)、開回路電圧(VOC)、フィルファクタ(FF)を評価した。また、分光感度特性(IPCE)は、モノクロメータにより分光した単色光を光電変換素子に照射し、光電流値を測定した。
(Evaluation of organic thin film solar cells)
Evaluation of the photoelectric power generation element was performed under an inert gas atmosphere, including the one obtained above. Specifically, artificial sunlight AM1.5G (100 mW / cm 2 ) is irradiated, power generation characteristics are measured, and short circuit current value (J SC ), open circuit voltage (V OC ), and fill factor (FF) are evaluated. did. Moreover, the spectral sensitivity characteristic (IPCE) measured the photocurrent value by irradiating the photoelectric conversion element with monochromatic light separated by a monochromator.

<実施例1>
以下に述べる膜厚は、いずれも乾燥膜厚又は蒸着膜厚である。先に述べた素子の作製法により、図2に示した構造からなる実施例1の光発電素子を得た。まず、バッファ層として、PEDOT:PSS(30nm)を塗工したITO付き基板上に、P型有機半導体層であるBP3T薄膜(10nm)を形成し、その上に、下記の2層が積層してなるN型有機半導体層構造を形成した。具体的には、フラーレン誘導体よりなるN型半導体層であるC60薄膜(40nm)を形成し、次に、N型有機半導体層であるPTCDI−ph薄膜(10nm)を形成した。さらに、励起子ブロック層であるBCP薄膜(6nm)を真空蒸着法により積層し、最後に、アルミ電極を150nmの厚みで形成して、実施例1の光発電素子を得た。上記のようにして得られた実施例1の光電変換素子を用いた有機半導体薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):2.4mA/cm2、開回路電圧(VOC):0.54V、フィルファクタ(FF):0.65であった。実施例1の有機薄膜太陽電池は、長期安定性に優れ、長期使用時の光電変換特性の低下が僅かであった。
<Example 1>
The film thicknesses described below are all dry film thickness or vapor deposition film thickness. The photovoltaic device of Example 1 having the structure shown in FIG. 2 was obtained by the device fabrication method described above. First, a BP3T thin film (10 nm) which is a P-type organic semiconductor layer is formed on a substrate with ITO coated with PEDOT: PSS (30 nm) as a buffer layer, and the following two layers are laminated thereon. An N-type organic semiconductor layer structure was formed. Specifically, a C 60 thin film (40 nm) that is an N-type semiconductor layer made of a fullerene derivative was formed, and then a PTCDI-ph thin film (10 nm) that was an N-type organic semiconductor layer was formed. Further, a BCP thin film (6 nm) as an exciton block layer was laminated by a vacuum deposition method, and finally an aluminum electrode was formed with a thickness of 150 nm to obtain a photovoltaic device of Example 1. The characteristics of the organic semiconductor thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 1 obtained as described above are as follows: short-circuit current value (J SC ): 2.4 mA / cm 2 , open circuit voltage (V OC ): It was 0.54 V, fill factor (FF): 0.65. The organic thin-film solar cell of Example 1 was excellent in long-term stability and had a slight decrease in photoelectric conversion characteristics during long-term use.

<実施例2〜4>
実施例1の光発電素子を構成しているN型有機半導体層であるPTCDI−ph薄膜の厚みを、それぞれ、20nm、30nm、40nmに変えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2、実施例3、実施例4の光電変換素子をそれぞれ作製した。
<Examples 2 to 4>
Example Practically the same as Example 1 except that the thickness of the PTCDI-ph thin film, which is an N-type organic semiconductor layer constituting the photovoltaic device of Example 1, was changed to 20 nm, 30 nm, and 40 nm, respectively. 2, The photoelectric conversion element of Example 3 and Example 4 was produced, respectively.

上記で得られた各光電変換素子を用いた有機太陽電池について、実施例1の場合と同様に評価した。その結果、実施例2の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):2.8mA/cm2、開回路電圧(VOC):0.55V、フィルファクタ(FF):0.65であった。また、実施例3の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):3.4mA/cm2、開回路電圧(VOC):0.57V、フィルファクタ(FF):0.63であった。また、実施例4の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):3.2mA/cm2、開回路電圧(VOC):0.56V、フィルファクタ(FF):0.60であった。 About the organic solar cell using each photoelectric conversion element obtained above, it evaluated similarly to the case of Example 1. FIG. As a result, the characteristics of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 2 were as follows: short-circuit current value (J SC ): 2.8 mA / cm 2 , open circuit voltage (V OC ): 0.55 V, fill factor (FF): It was 0.65. The characteristics of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 3 are as follows: short-circuit current value (J SC ): 3.4 mA / cm 2 , open circuit voltage (V OC ): 0.57 V, fill factor ( FF): 0.63. The characteristics of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 4 are as follows: short-circuit current value (J SC ): 3.2 mA / cm 2 , open circuit voltage (V OC ): 0.56 V, fill factor ( FF): 0.60.

図8に、前記した実施例1の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池、後述するPTCDI−ph薄膜層を形成しない光電変換素子を用いた比較例1の有機薄膜太陽電池、上記の実施例2〜4の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池においてそれぞれ得た光電変換特性値を用い、N型有機半導体層であるPTCDI−ph薄膜の厚みと、光電変換特性との関係を示した。この結果、PTCDI−ph薄膜の厚みによって短絡電流値などの光電変換特性が大きく異なるものとなることを確認した。また、図9(a)は実施例4の光電変換素子(PTCDI−ph薄膜層厚=40nm)を用いた有機薄膜太陽電池の、図9(b)は実施例1の光電変換素子(PTCDI−ph薄膜層厚=10nm)を用いた有機薄膜太陽電池の、380nmと630nmにおける計算した定在波を示す図である。   FIG. 8 shows an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 1 described above, an organic thin film solar cell of Comparative Example 1 using a photoelectric conversion element that does not form a PTCDI-ph thin film layer, which will be described later, and the above examples. Using the photoelectric conversion characteristic values obtained in the organic thin film solar cells using 2 to 4 photoelectric conversion elements, the relationship between the thickness of the PTCDI-ph thin film which is an N-type organic semiconductor layer and the photoelectric conversion characteristics was shown. As a result, it was confirmed that the photoelectric conversion characteristics such as the short-circuit current value greatly differ depending on the thickness of the PTCDI-ph thin film. 9A shows an organic thin film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 4 (PTCDI-ph thin film layer thickness = 40 nm), and FIG. 9B shows the photoelectric conversion element of Example 1 (PTCDI−). It is a figure which shows the standing wave calculated in 380 nm and 630 nm of the organic thin film solar cell using ph thin film layer thickness = 10nm.

<実施例5>
実施例1で行った光電変換素子の作製方法と同様にして、PEDOT:PSS(30nm)を塗工したITO付き基板上に、P型有機半導体層であるBP3T薄膜(10nm)、N型半導体層であるC60薄膜(10nm)、次に、N型有機半導体層であるPTCDI−ph薄膜(30nm)、さらに、励起子ブロック層であるBCP薄膜(6nm)を真空蒸着法により積層し、最後にアルミ電極を150nmの厚みで形成して、本実施例の光発電素子とした。このようにして得た実施例5の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):2.4mA/cm2であった。
<Example 5>
In the same manner as the photoelectric conversion element manufacturing method performed in Example 1, a BP3T thin film (10 nm), which is a P-type organic semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer are formed on a substrate with ITO coated with PEDOT: PSS (30 nm). Next, a C 60 thin film (10 nm), an N-type organic semiconductor layer PTCDI-ph thin film (30 nm), and an exciton blocking layer BCP thin film (6 nm) are laminated by vacuum deposition. An aluminum electrode was formed with a thickness of 150 nm to obtain a photovoltaic device of this example. Thus, the characteristic of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Example 5 obtained was a short circuit current value (J SC ): 2.4 mA / cm 2 .

<比較例1>
実施例1で行った光電変換素子の作製方法で、PTCDI−ph薄膜層を形成しないこと以外は同様にして比較例1の光電変換素子を作製した。このようにして得た比較例1の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):1.9mA/cm2、開回路電圧(VOC):0.51V、フィルファクタ(FF):0.64であり、本発明の実施例の光電変換素子を用いた太陽電池の光電変換特性の優位性が確認できた。
<Comparative Example 1>
The photoelectric conversion element of Comparative Example 1 was prepared in the same manner except that the PTCDI-ph thin film layer was not formed by the photoelectric conversion element manufacturing method performed in Example 1. The characteristics of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Comparative Example 1 thus obtained are as follows: short-circuit current value (J SC ): 1.9 mA / cm 2 , open circuit voltage (V OC ): 0.51 V The fill factor (FF) was 0.64, and it was confirmed that the photoelectric conversion characteristics of the solar cell using the photoelectric conversion element of the example of the present invention were superior.

<比較例2>
実施例3で行った光電変換素子の作製方法で、BP3T薄膜層を形成しないこと以外は同様にして、P型有機半導体層を有さない比較例2の光電変換素子を作製した。このようにして得た比較例2の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):0.4mA/cm2であり、本発明の実施例の光電変換素子を用いた太陽電池の光電変換特性の優位性が確認できた。
<Comparative example 2>
The photoelectric conversion element of Comparative Example 2 having no P-type organic semiconductor layer was prepared in the same manner except that the BP3T thin film layer was not formed by the photoelectric conversion element manufacturing method performed in Example 3. The characteristic of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Comparative Example 2 obtained in this way is a short-circuit current value (J SC ): 0.4 mA / cm 2 , and the photoelectric conversion element of the example of the present invention The superiority of the photoelectric conversion characteristics of the solar cell using this was confirmed.

<比較例3>
実施例5で行った光電変換素子の作製方法で、C60薄膜層を形成しないこと以外は同様にして、C60薄膜層がない比較例3の光電変換素子を作製した。このようにして得た比較例3の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):0.33mA/cm2であり、本発明の実施例の光電変換素子を用いた太陽電池の光電変換特性の優位性が確認できた。
<Comparative Example 3>
In method for manufacturing a photoelectric conversion element was carried out in Example 5, except not forming the C 60 thin layer in the same manner to prepare a photoelectric conversion element of Comparative Example 3 is not C 60 thin layer. The characteristics of the organic thin-film solar cell using the photoelectric conversion element of Comparative Example 3 thus obtained are short-circuit current value (J SC ): 0.33 mA / cm 2 , and the photoelectric conversion element of the example of the present invention The superiority of the photoelectric conversion characteristics of the solar cell using this was confirmed.

<比較例4>
実施例1で行った光電変換素子の作製方法で、N型有機半導体層であるPTCDI−ph薄膜をジメチルペリレンペリレテトラカルボン酸ジイミド(Me−PTCDI)層に変え、更に、励起子ブロック層を形成しないこと以外は同様にして、励起子ブロック層がない比較例4の光電変換素子を作製した。このようにして得た比較例4の光電変換素子を用いた有機薄膜太陽電池の特性は、短絡電流値(JSC):0.5mA/cm2以下であった。このことから、本発明の実施例の光電変換素子を用いた太陽電池の光電変換特性の優位性が確認できた
<Comparative example 4>
In the method for producing a photoelectric conversion element performed in Example 1, the PTCDI-ph thin film, which is an N-type organic semiconductor layer, is changed to a dimethylperyleneperylenetetracarboxylic acid diimide (Me-PTCDI) layer, and an exciton blocking layer is further formed. A photoelectric conversion element of Comparative Example 4 having no exciton blocking layer was produced in the same manner except that it was not formed. The characteristics of the organic thin film solar cell using the photoelectric conversion element of Comparative Example 4 obtained in this manner were a short circuit current value (J SC ): 0.5 mA / cm 2 or less. From this, the superiority of the photoelectric conversion characteristics of the solar cell using the photoelectric conversion element of the example of the present invention could be confirmed.

11:透明基板
12:第2電極
21:透明電極(第1電極)
31:電子供与体(ドナー材料)よりなるP型有機半導体層
32:フラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層
33:可視光または近赤外領域に吸収を持つ有機電子受容体よりなるN型有機半導体層
41:必要に応じて設けるバッファ層
42:励起子ブロック層
11: Transparent substrate 12: Second electrode 21: Transparent electrode (first electrode)
31: P-type organic semiconductor layer made of electron donor (donor material) 32: N-type organic semiconductor layer made of fullerene derivative 33: N-type organic semiconductor made of organic electron acceptor having absorption in the visible light or near infrared region Layer 41: Buffer layer 42 provided as necessary: Exciton block layer

Claims (9)

P型有機半導体層と、該P型有機半導体層との間にPN接合面を形成するN型有機半導体層構造と、上記P型有機半導体層に電気的に接続される第1電極と、上記N型有機半導体層構造に電気的接続する第2電極と、を有してなる光電変換素子において、
上記N型有機半導体層構造が、フラーレン誘導体よりなるN型有機半導体層と、フラーレン誘導体とは光吸収域が異なる少なくとも一層のN型有機半導体層とが積層されてなる積層構造を備え、かつ、該積層構造中の第2電極側に位置する層が、可視光領域または近赤外領域に光吸収域を有し、1μmの膜厚における吸収係数が4より大きい光吸収が強いN型有機半導体層であり、
さらに、上記N型有機半導体層構造と上記第2電極との間に励起子ブロック層を備えてなることを特徴とする光電変換素子。
A P-type organic semiconductor layer; an N-type organic semiconductor layer structure forming a PN junction surface between the P-type organic semiconductor layer; a first electrode electrically connected to the P-type organic semiconductor layer; A photoelectric conversion element having a second electrode electrically connected to the N-type organic semiconductor layer structure,
The N-type organic semiconductor layer structure has a laminated structure in which an N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative and at least one N-type organic semiconductor layer having a different light absorption range from the fullerene derivative are laminated, and The layer located on the second electrode side in the laminated structure has a light absorption region in the visible light region or the near infrared region, and an N-type organic semiconductor having a strong light absorption with an absorption coefficient greater than 4 at a film thickness of 1 μm. Layer,
Furthermore, the exciton block layer is provided between the said N-type organic-semiconductor layer structure and the said 2nd electrode, The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
前記第2電極側に位置するN型有機半導体層のHOMOレベルが、PN接合面に位置する前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のHOMOレベル以下であり、かつ、第2電極側に位置する前記N型有機半導体層のLUMOレベルが、PN接合面に位置するフラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層のLUMOレベル以下である請求項1に記載の光電変換素子。   The HOMO level of the N-type organic semiconductor layer located on the second electrode side is equal to or lower than the HOMO level of the N-type organic semiconductor layer made of the fullerene derivative located on the PN junction surface, and located on the second electrode side. 2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the LUMO level of the N-type organic semiconductor layer is equal to or lower than the LUMO level of the N-type organic semiconductor layer made of a fullerene derivative located on the PN junction surface. 前記励起子ブロック層が、BCP(2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン)よりなる層である請求項1又は2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the exciton blocking layer is a layer made of BCP (2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline). 前記N型有機半導体構造を構成している、前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層の膜厚が5nmから50nmで、前記第2電極側に位置する層であるN型有機半導体層の膜厚が5nmから50nmで、前記N型有機半導体層構造におけるこれらの層の合計の膜厚が20nmから100nmの範囲内にあり、かつ、その擬似太陽光(AM1.5G)100mW/m2における短絡電流値JSCが2.0mA/cm2以上である請求項1〜3のいずれか1項に光電変換素子。 The film thickness of the N-type organic semiconductor layer, which is the layer located on the second electrode side, is 5 nm to 50 nm in thickness of the N-type organic semiconductor layer made of the fullerene derivative, constituting the N-type organic semiconductor structure. 5 nm to 50 nm, the total film thickness of these layers in the N-type organic semiconductor layer structure is in the range of 20 nm to 100 nm, and the short-circuit current in pseudo sunlight (AM1.5G) 100 mW / m 2 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the value J SC is 2.0 mA / cm 2 or more. 前記フラレーン誘導体よりなるN型有機半導体層の厚みが、5nmから15nmである請求項4に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the N-type organic semiconductor layer made of the fullerene derivative has a thickness of 5 nm to 15 nm. 前記第2電極側に位置する層が、ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層である請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the layer located on the second electrode side is an N-type organic semiconductor layer made of a perylene derivative. 前記ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層が、下記式で表される側鎖に共役環式構造を有するペリレンテトラカルボン酸ジイミド誘導体からなる請求項6に記載の光電変換素子。
Figure 2014120590
A:芳香族環、ヘテロ芳香族環、または、これらの誘導体のいずれかを表す。
Y:アルキル基、または、ヘテロアルキル基を表すが、Yはなくてもよい。
The photoelectric conversion element according to claim 6, wherein the N-type organic semiconductor layer made of the perylene derivative is made of a perylene tetracarboxylic acid diimide derivative having a conjugated cyclic structure in a side chain represented by the following formula.
Figure 2014120590
A: represents an aromatic ring, a heteroaromatic ring, or a derivative thereof.
Y: represents an alkyl group or a heteroalkyl group, but Y may not be present.
前記ペリレン誘導体によりなるN型有機半導体層が、下記式で表されるN,N’−ジフェニルペリレンテトラカルボン酸ジイミドからなる請求項6に記載の光電変換素子。
Figure 2014120590
The photoelectric conversion element according to claim 6, wherein the N-type organic semiconductor layer made of the perylene derivative is made of N, N′-diphenylperylenetetracarboxylic acid diimide represented by the following formula.
Figure 2014120590
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電変換素子を備えてなることを特徴とする有機薄膜太陽電池。   An organic thin-film solar cell comprising the photoelectric conversion element according to claim 1.
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