JP2014241370A - Photoelectric conversion element and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element which has excellent long-term stability, high photoelectric conversion efficiency, an element structure in which light energy is absorbed from a negative electrode side, and a buffer layer function for improving the efficiency of collecting current of the electrons generated in a photoelectric conversion layer on the negative electrode, and in which formation of the buffer layer is simple.SOLUTION: A photoelectric conversion element 10 comprises a photoelectric conversion layer 4 including an organic semiconductor between a positive electrode 5 and a negative electrode 2. The negative electrode 2 at least has light permeability, and a buffer layer 3 containing sodium halide between the photoelectric conversion layer 4 and the negative electrode 2. The buffer layer 3 is formed by vacuum-depositing the sodium halide on the negative electrode 2.

Description

本発明は、光電変換層と光透過性を有する負電極との間に、ハロゲン化ナトリウムからなるバッファ層が形成された光電変換素子、及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion element in which a buffer layer made of sodium halide is formed between a photoelectric conversion layer and a light-transmissive negative electrode, and a method for manufacturing the photoelectric conversion element.

太陽光発電は、再生可能エネルギーの中でも特に潜在的な利用可能量が多いことから、石油代替エネルギーの筆頭として注目されている。太陽光発電を担う素子として単結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン系太陽電池、GaAs、CIGS(銅・インジウム・ガリウム・セレン含有化合物)、CdTeなどの無機化合物系薄膜太陽電池などがある。これらの太陽電池は比較的高い光電変換効率を有するが、他の発電コストと比較して高価格であることが問題である。コスト高の要因は、高真空且つ高温下で半導体薄膜を製造しなくてはならないプロセスにある。そこで近年特に製造プロセスの簡便化が期待される有機半導体を用いた有機薄膜太陽電池が検討されている。   Photovoltaic power generation is attracting attention as the leading energy alternative to oil because it has a particularly high potential use of renewable energy. Examples of elements responsible for solar power generation include silicon solar cells such as single crystal silicon and amorphous silicon, and inorganic compound thin film solar cells such as GaAs, CIGS (compound containing copper, indium, gallium, and selenium) and CdTe. These solar cells have a relatively high photoelectric conversion efficiency, but are problematic in that they are expensive compared to other power generation costs. A factor of high cost is a process in which a semiconductor thin film must be manufactured under high vacuum and high temperature. Therefore, in recent years, an organic thin film solar cell using an organic semiconductor, which is expected to simplify the manufacturing process, has been studied.

有機半導体薄膜は塗布法や印刷法により製膜できるため、製造プロセスを簡便化し、発電コストを低減できることが期待される。また、軽量且つフレキシブルな素子及びモジュールを作製できることから可搬性に優れ、電気的インフラの整備されていない地域においても利用できる可能性を秘めている。さらに、有機半導体は分子設計により光吸収帯域を制御できることから、様々な色調で意匠性に優れる太陽電池を提供することができる。しかし、これらの利点が期待できるものの、有機薄膜太陽電池の実用化に向けては、さらなる長期安定性と光電変換効率の向上が求められている。   Since the organic semiconductor thin film can be formed by a coating method or a printing method, it is expected that the manufacturing process can be simplified and the power generation cost can be reduced. In addition, since lightweight and flexible elements and modules can be manufactured, it has excellent portability and has the potential to be used even in areas where electrical infrastructure is not established. Furthermore, since the organic semiconductor can control the light absorption band by molecular design, it can provide a solar cell with various colors and excellent design. However, although these advantages can be expected, further long-term stability and improvement in photoelectric conversion efficiency are required for practical use of organic thin-film solar cells.

有機薄膜太陽電池の長期安定性を向上させる一つの方法として、光エネルギーを負電極側から吸収する素子構成(本明細書において「逆セル」と称する)が提案されている。正電極側から光エネルギーを吸収させる素子構成(本明細書において「順セル」と称する)に対して、逆セルは高い長期安定性が得られることが知られている(非特許文献1)。   As one method for improving the long-term stability of an organic thin-film solar cell, an element configuration that absorbs light energy from the negative electrode side (referred to herein as “reverse cell”) has been proposed. It is known that a reverse cell can obtain high long-term stability with respect to an element configuration that absorbs light energy from the positive electrode side (referred to as “forward cell” in this specification) (Non-patent Document 1).

また、有機薄膜太陽電池の光電変換効率を向上させる一つの方法として、バッファ層の挿入がある。バッファ層は、光電変換層で生成した電荷が逆の電極に流入することを遮断し、電荷再結合を抑制する働きや、光電変換層と電極との界面の電子エネルギー障壁を低減し、光電変換層で生成した電荷を集電する効率を向上させる働きがある。   Further, as one method for improving the photoelectric conversion efficiency of the organic thin film solar cell, there is insertion of a buffer layer. The buffer layer blocks the charge generated in the photoelectric conversion layer from flowing into the opposite electrode, suppresses charge recombination, reduces the electron energy barrier at the interface between the photoelectric conversion layer and the electrode, and performs photoelectric conversion. It works to improve the efficiency of collecting charges generated in the layer.

バッファ層としては、例えば、重合可能な置換基を1つ以上有するポリマー又はオリゴマーを含む混合物から形成されたバッファ層が開示されている(特許文献1)。当該バッファ層は、主として順セルの正電極側のバッファ層として有用である。また、順セルの負電極側のバッファ層としては、カルシウムなどの仕事関数の小さい金属(非特許文献2)、炭酸セシウムなどの炭酸塩(非特許文献3)、フッ化リチウムなどのアルカリ金属ハロゲン化物(特許文献2)が知られている。しかし、カルシウムなどの仕事関数の小さい金属は酸素や水と反応しやすく、また、炭酸セシウムは潮解性があるため、不活性雰囲気下で有機薄膜太陽電池を製造する必要がある。また、フッ化リチウムは大気下で安定であり、順セルのバッファ層として用いられた場合には良い性能を示すものの、逆セルに用いられた場合には十分な性能を示すものではなかった。(非特許文献4)。   As the buffer layer, for example, a buffer layer formed from a mixture containing a polymer or oligomer having one or more polymerizable substituents is disclosed (Patent Document 1). The buffer layer is mainly useful as a buffer layer on the positive electrode side of the forward cell. As the buffer layer on the negative electrode side of the forward cell, a metal having a low work function such as calcium (Non-patent Document 2), a carbonate such as cesium carbonate (Non-patent Document 3), or an alkali metal halogen such as lithium fluoride. A chemical (Patent Document 2) is known. However, a metal having a small work function such as calcium easily reacts with oxygen and water, and cesium carbonate has deliquescence, so that it is necessary to produce an organic thin film solar cell in an inert atmosphere. In addition, lithium fluoride is stable in the atmosphere and exhibits good performance when used as a buffer layer in a forward cell, but does not exhibit sufficient performance when used in a reverse cell. (Non-Patent Document 4).

このように、順セルのバッファ層としては種々の化合物が知られているが、逆セルに用いた際に効果的なバッファ層を形成する化合物は未だ知られておらず、逆セルに適用可能で、高い長期安定性と光電変換効率を維持可能なバッファ層の開発が望まれていた。   As described above, various compounds are known as buffer layers for forward cells, but compounds that form an effective buffer layer when used in reverse cells are not yet known, and can be applied to reverse cells. Therefore, the development of a buffer layer capable of maintaining high long-term stability and photoelectric conversion efficiency has been desired.

特開2010−287767号公報JP 2010-287767 A 特表2003−533034号公報Special table 2003-533034 gazette

シン ソリッド フィルムズ(ThinSolid Films)、2005年、第476巻、p.340Thin Solid Films, 2005, 476, p.340 アプライド フィジックス レターズ(Applied Physics Letters)、2009年、第95巻、p.153304Applied Physics Letters, 2009, Vol. 95, p.153304 アプライド フィジックス レターズ(Applied Physics Letters)、2008年、第92巻、p.173303Applied Physics Letters, 2008, Vol. 92, p.173303 アプライド フィジックス レターズ(Applied Physics Letters)、2006年、第88巻、p.253503Applied Physics Letters, 2006, Vol. 88, p.253503

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、長期安定性に優れ、光電変換効率が高く、光エネルギーを負電極側から吸収する素子構成であって、光電変換層で生成した電子を負電極へ集電する効率を高めるバッファ層の機能を有し、そのバッファ層の形成が簡便である光電変換素子、またその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has an element structure that has excellent long-term stability, high photoelectric conversion efficiency, and absorbs light energy from the negative electrode side, and is generated by a photoelectric conversion layer. An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that has a function of a buffer layer that increases the efficiency of collecting current to the negative electrode and that can be easily formed, and a method for manufacturing the photoelectric conversion element.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究をした結果、光電変換層と光透過性を有する負電極との間のバッファ層に、ハロゲン化ナトリウムを用いることで高い光電変換効率が得られることを見出した。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have achieved high photoelectric conversion efficiency by using sodium halide in the buffer layer between the photoelectric conversion layer and the negative electrode having optical transparency. It was found that it can be obtained.

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項1に記載の光電変換素子は、正電極と負電極との間に有機半導体を含む光電変換層を有する光電変換素子であって、少なくとも前記負電極が光透過性を有し、前記光電変換層と前記負電極との間に、ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層を有することを特徴とする。   The photoelectric conversion element according to claim 1, which has been made to achieve the above object, is a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer containing an organic semiconductor between a positive electrode and a negative electrode. In addition, at least the negative electrode has optical transparency, and a buffer layer containing sodium halide is provided between the photoelectric conversion layer and the negative electrode.

同じく請求項2に記載の光電変換素子は、請求項1に記載されたものであって、前記光電変換層と前記正電極との間に、正孔輸送材料を含む正孔輸送層を有することを特徴とする。   Similarly, the photoelectric conversion element according to claim 2 is the one described in claim 1, and has a hole transport layer containing a hole transport material between the photoelectric conversion layer and the positive electrode. It is characterized by.

請求項3に記載の光電変換素子は、請求項1又は2に記載されたものであって、前記負電極がインジウム・スズ・オキサイドであることを特徴とする。   A photoelectric conversion element according to a third aspect is the photoelectric conversion element according to the first or second aspect, wherein the negative electrode is indium tin oxide.

請求項4に記載の光電変換素子は、請求項1〜3のいずれかに記載されたものであって、前記光電変換層が、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との混合物であることを特徴とする。   The photoelectric conversion element according to claim 4 is the one described in any one of claims 1 to 3, wherein the photoelectric conversion layer is a mixture of an electron-donating organic semiconductor and an electron-accepting organic semiconductor. It is characterized by that.

請求項5に記載の光電変換素子は、請求項4に記載されたものであって、前記電子供与性有機半導体が、チオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジベンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ベンゾジチオフェン、及びジケトピロロピロールから選ばれる複素環骨格基を少なくとも一部に有する単量体単位を含むπ電子共役重合体であることを特徴とする。   The photoelectric conversion device according to claim 5 is the photoelectric conversion device according to claim 4, wherein the electron-donating organic semiconductor is thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene, and di It is a π-electron conjugated polymer containing a monomer unit having at least part of a heterocyclic skeleton group selected from ketopyrrolopyrrole.

請求項6に記載の光電変換素子は、請求項4に記載されたものであって、前記電子受容性有機半導体が、フラーレン誘導体であることを特徴とする。   A photoelectric conversion element according to a sixth aspect is the photoelectric conversion element according to the fourth aspect, wherein the electron-accepting organic semiconductor is a fullerene derivative.

また前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項7に記載の光電変換素子の製造方法は、正電極と光透過性を有する負電極との間に、有機半導体を含む光電変換層、及び前記光電変換層と前記負電極との間に、ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層を有し、前記光電変換層と前記正電極との間に正孔輸送層を有してもよい光電変換素子の製造方法であって、前記負電極上にハロゲン化ナトリウムを真空蒸着して前記バッファ層を形成することを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of Claim 7 made | formed in order to achieve the said objective contains an organic semiconductor between the positive electrode and the negative electrode which has a light transmittance. A photoelectric conversion layer, and a buffer layer containing sodium halide between the photoelectric conversion layer and the negative electrode, and a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the positive electrode A good method for producing a photoelectric conversion element, wherein the buffer layer is formed by vacuum-depositing sodium halide on the negative electrode.

本発明の光電変換素子は、光電変換層と光透過性の負電極との間にハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層を有しており、優れた光電変換効率を示すことができる。また、本発明の光電変換素子は、光エネルギーを負電極側から吸収する素子構成を有する「逆セル」であるため、正電極側に仕事関数の大きい酸化安定性の高い金属を使用することができ、長期安定性にも優れる。   The photoelectric conversion element of the present invention has a buffer layer containing sodium halide between the photoelectric conversion layer and the light-transmitting negative electrode, and can exhibit excellent photoelectric conversion efficiency. In addition, since the photoelectric conversion element of the present invention is an “inverse cell” having an element configuration that absorbs light energy from the negative electrode side, it is possible to use a metal having a high work function and high oxidation stability on the positive electrode side. And long-term stability.

本発明の光電変換素子の製造方法によれば、光透過性の負電極の上にハロゲン化ナトリウムを真空蒸着することによりバッファ層を形成することができるため、簡便な工程により高い光電変換効率を有する光電変換素子を提供することができる。また、正電極側に酸化安定性の高い金属を用いるため大気下で取り扱うことができ、不活性層雰囲気下で正電極を製膜する必要がなく、製造プロセスの簡便化も図れる。   According to the method for producing a photoelectric conversion element of the present invention, a buffer layer can be formed by vacuum-depositing sodium halide on a light-transmitting negative electrode, so that high photoelectric conversion efficiency can be achieved by a simple process. The photoelectric conversion element which has can be provided. In addition, since a metal having high oxidation stability is used on the positive electrode side, it can be handled in the atmosphere, and it is not necessary to form the positive electrode in an inert layer atmosphere, and the manufacturing process can be simplified.

本発明を適用する光電変換素子の代表的な一実施例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows one typical Example of the photoelectric conversion element to which this invention is applied. 本発明を適用する光電変換素子の別な実施例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another Example of the photoelectric conversion element to which this invention is applied.

本発明の実施形態を説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。   Although embodiments of the present invention will be described, the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

図1に示すとおり、本発明の一例の光電変換素子10は、基板1の上に形成されるもので、一対の正電極5及び負電極2の間に光電変換層4を有する。負電極2は光透過性であり、正電極5は光透過性であってもよく光透過性でなくてもよい。光電変換層4と負電極2との間に、ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層3を有している。基板1は負電極2側であっても、正電極5側であってもよい。   As shown in FIG. 1, a photoelectric conversion element 10 according to an example of the present invention is formed on a substrate 1 and includes a photoelectric conversion layer 4 between a pair of positive electrodes 5 and a negative electrode 2. The negative electrode 2 is light transmissive, and the positive electrode 5 may be light transmissive or non-light transmissive. Between the photoelectric conversion layer 4 and the negative electrode 2, it has the buffer layer 3 containing a sodium halide. The substrate 1 may be on the negative electrode 2 side or on the positive electrode 5 side.

光電変換素子10の動作機構は、光透過性を有する負電極2から入射した光エネルギーが光電変換層4で吸収され、正孔と電子の結合した励起子を生成する。光電変換層4は、通常、電子供与性化合物と電子受容性化合物との混合物からなり、それらの界面に励起子が達すると、界面でのそれぞれのLUMOエネルギー及びHOMOエネルギーの違いにより正孔と電子とが分離し、独立に動くことができる電荷(正孔と電子)が発生する。発生した正孔が正電極5へ移動し、電子が負電極2へ移動することにより、外部へ電気エネルギー(電流)として取り出すことができる。正電極5から効率良く正孔を取り出すには、電子供与性化合物のHOMOエネルギーに近い仕事関数を有する導電性材料を正電極5に使用することが好ましい。また、負電極2から効率良く電子を取り出すには、電子受容性化合物のLUMOエネルギーに近い仕事関数を有する導電性材料を負電極2に使用することが好ましい。   In the operation mechanism of the photoelectric conversion element 10, light energy incident from the negative electrode 2 having optical transparency is absorbed by the photoelectric conversion layer 4 to generate excitons in which holes and electrons are combined. The photoelectric conversion layer 4 is usually composed of a mixture of an electron-donating compound and an electron-accepting compound. When excitons reach the interface, holes and electrons are caused by the difference in LUMO energy and HOMO energy at the interface. Are separated and charges (holes and electrons) that can move independently are generated. The generated holes move to the positive electrode 5, and the electrons move to the negative electrode 2, so that they can be taken out as electric energy (current). In order to efficiently extract holes from the positive electrode 5, a conductive material having a work function close to the HOMO energy of the electron donating compound is preferably used for the positive electrode 5. In order to efficiently extract electrons from the negative electrode 2, it is preferable to use a conductive material having a work function close to the LUMO energy of the electron accepting compound for the negative electrode 2.

光電変換素子10は、通常、基板1上に形成されているものである。この基板1は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に変化しないものであればよい。基板1の材料としては、例えば、無アルカリガラス、石英ガラス、シリコンなどの無機材料、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、エポキシ樹脂やフッ素系樹脂などの有機材料から任意の方法によって作製されたフィルムや板が使用可能である。不透明な基板1の場合には、反対の電極即ち、基板1から遠い方の電極(図1の例では正電極5)が透明又は半透明であることが好ましい。透明な基板1の場合には、基板1に接する方の電極(図1の例では負電極2)が光透過性を有する電極にしてもよい。   The photoelectric conversion element 10 is usually formed on the substrate 1. The substrate 1 may be any substrate that does not change when an electrode is formed and an organic layer is formed. Examples of the material of the substrate 1 include inorganic materials such as alkali-free glass, quartz glass, and silicon, and organic materials such as polyester, polycarbonate, polyolefin, polyamide, polyimide, polyphenylene sulfide, polyparaxylene, epoxy resin, and fluorine resin. A film or plate produced by any method can be used. In the case of the opaque substrate 1, the opposite electrode, that is, the electrode far from the substrate 1 (the positive electrode 5 in the example of FIG. 1) is preferably transparent or translucent. In the case of the transparent substrate 1, the electrode in contact with the substrate 1 (the negative electrode 2 in the example of FIG. 1) may be an electrode having optical transparency.

負電極2は光透過性を有する。光透過性を有する透明又は半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜などが挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、フッ素・スズ・オキサイド(FTO)、アンチモン・スズ・オキサイド、インジウム・亜鉛・オキサイド(IZO)、ガリウム・亜鉛・オキサイド(GZO)、アルミニウム・亜鉛・オキサイド(AZO)、アンチモン・亜鉛・オキサイドからなる導電性材料を用いて作製された膜や、金、白金、銀、銅の極薄膜が用いられ、中でもITO、FTO、IZO、GZO、AZOなどが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法などが挙げられる。また、透明な電極として、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体などの導電性高分子材料の膜や、カーボンナノチューブ、グラフェンなどのナノカーボン材料の膜を用いてもよい。   The negative electrode 2 is light transmissive. Examples of the transparent or translucent electrode material having optical transparency include a conductive metal oxide film and a translucent metal thin film. Specifically, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, and their composites, indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), antimony tin oxide, indium zinc oxide (IZO), Gallium / Zinc / Oxide (GZO), Aluminum / Zinc / Oxide (AZO), Antimony / Zinc / Oxide conductive films, gold, platinum, silver, copper electrodes A thin film is used, and among them, ITO, FTO, IZO, GZO, AZO and the like are preferable. Examples of the method for producing the electrode include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a plating method. Further, as a transparent electrode, a film of a conductive polymer material such as polyaniline and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, or a film of nanocarbon materials such as carbon nanotubes and graphene may be used.

正電極5は光透過性を有していてもよいし、有さなくてもよい。光透過性を有さない電極としては、公知の金属、導電性高分子などを用いることができる。例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウムなどの金属あるいはそれらの合金などが挙げられる。正電極5の作製方法としては、前述の負電極2の製膜方法として例示したいずれも採用することができる。   The positive electrode 5 may or may not have optical transparency. A known metal, a conductive polymer, or the like can be used as the electrode that does not have optical transparency. For example, metals such as platinum, gold, silver, aluminum, chromium, nickel, copper, titanium, magnesium, calcium, barium, sodium, or alloys thereof can be used. As a method for producing the positive electrode 5, any of those exemplified as the film forming method for the negative electrode 2 described above can be employed.

バッファ層3はハロゲン化ナトリウムからなり、光電変換層4で発生した電子を負電極2側に効率的に取り出す機能を有する。バッファ層3を挿入することにより、光電変換層4中の電子受容性材料のLUMO準位と負電極2のフェルミ準位(仕事関数)との間のエネルギー障壁が低減されることで、負電極2に移動する電子の電気抵抗を小さくする作用がある。これにより、光電変換素子10は、優れた光電変換効率を発揮することができる。   The buffer layer 3 is made of sodium halide and has a function of efficiently extracting electrons generated in the photoelectric conversion layer 4 to the negative electrode 2 side. By inserting the buffer layer 3, the energy barrier between the LUMO level of the electron-accepting material in the photoelectric conversion layer 4 and the Fermi level (work function) of the negative electrode 2 is reduced, so that the negative electrode 2 has the effect of reducing the electrical resistance of the electrons moving to 2. Thereby, the photoelectric conversion element 10 can exhibit the outstanding photoelectric conversion efficiency.

本発明でバッファ層3として用いられるハロゲン化ナトリウムが有するハロゲンの種類は、特に限定されず、フッ素、臭素、塩素、ヨウ素を用いることができる。これらの中でも、フッ素が好ましい。バッファ層3を形成する方法としては、既存の方法を用いることができ、真空蒸着法、スパッタリング法などが挙げられる。ハロゲン化ナトリウムを逆セルに用いた場合、負電極2と光電活性層4との界面に効果的な双極子モーメントが形成され、負電極2のフェルミ準位(仕事関数)と電子受容性材料のLUMO準位との間のエネルギー障壁が低減し、電気抵抗が小さくなると考えられる。   The kind of halogen contained in the sodium halide used as the buffer layer 3 in the present invention is not particularly limited, and fluorine, bromine, chlorine, and iodine can be used. Among these, fluorine is preferable. As a method for forming the buffer layer 3, an existing method can be used, and examples thereof include a vacuum deposition method and a sputtering method. When sodium halide is used in the reverse cell, an effective dipole moment is formed at the interface between the negative electrode 2 and the photoactive layer 4, and the Fermi level (work function) of the negative electrode 2 and the electron-accepting material It is considered that the energy barrier between the LUMO level is reduced and the electric resistance is reduced.

ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層3の膜厚としては、特に限定されるものではないが、0.1〜10nmが好適である。膜厚が薄すぎる場合には、バッファ層3として十分な機能を得ることができない場合がある。膜厚が厚すぎる場合には、抵抗が増大して光電変換効率の低下の原因となる場合がある。より好ましくは0.1nm〜5nmであり、さらに好ましくは0.2nm〜3nmである。   Although it does not specifically limit as a film thickness of the buffer layer 3 containing a sodium halide, 0.1-10 nm is suitable. When the film thickness is too thin, a sufficient function as the buffer layer 3 may not be obtained. If the film thickness is too thick, the resistance may increase and cause a decrease in photoelectric conversion efficiency. More preferably, it is 0.1 nm-5 nm, More preferably, it is 0.2 nm-3 nm.

バッファ層3の膜厚は、ハロゲン化ナトリウムを製膜した基板1の断面形状を電子顕微鏡で観察する方法や、触針式段差計により測定することができる。ハロゲン化ナトリウムの膜厚が薄く前述の方法により測定が難しい場合には、基板1上に製膜したハロゲン化ナトリウムの膜の重量(基板1の単位面積あたりの重量)を測定し、ハロゲン化ナトリウムの比重から膜厚を決定することができる。   The film thickness of the buffer layer 3 can be measured by a method of observing the cross-sectional shape of the substrate 1 formed with sodium halide with an electron microscope, or by a stylus-type step gauge. When the film thickness of sodium halide is thin and it is difficult to measure by the above method, the weight of the sodium halide film formed on the substrate 1 (weight per unit area of the substrate 1) is measured. The film thickness can be determined from the specific gravity.

ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層3は、本発明の効果を損ねない限り、ハロゲン化ナトリウム以外の化合物を少量含んでいてもよい。そのような化合物としては、例えば、アルカリ金属ハロゲン化合物、アルカリ土類金属ハロゲン化合物である。アルカリ金属ハロゲン化合物としては、例えば、フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、フッ化カリウム、塩化カリウム、塩化セシウム、臭化セシウムなどが挙げられる。アルカリ土類金属ハロゲン化合物としては、例えば、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化マグネシウムなどが挙げられる。バッファ層3中のハロゲン化ナトリウム以外の化合物の含有割合は、0〜20重量%が好ましく、0〜10重量%がより好ましい。また、バッファ層3中のハロゲン化ナトリウムの含有割合としては、80〜100重量%が好ましく、90〜100重量%がより好ましい。   The buffer layer 3 containing sodium halide may contain a small amount of a compound other than sodium halide as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such a compound include an alkali metal halogen compound and an alkaline earth metal halogen compound. Examples of the alkali metal halogen compound include lithium fluoride, lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, potassium fluoride, potassium chloride, cesium chloride, cesium bromide and the like. Examples of the alkaline earth metal halogen compound include calcium fluoride, barium fluoride, and magnesium fluoride. The content of the compound other than sodium halide in the buffer layer 3 is preferably 0 to 20% by weight, and more preferably 0 to 10% by weight. Moreover, as a content rate of the sodium halide in the buffer layer 3, 80-100 weight% is preferable and 90-100 weight% is more preferable.

光電変換層4は、通常、電子供与性化合物と電子受容性化合物との混合物からなり、本発明においては、電子供与性有機半導体(p型有機半導体)と電子受容性有機半導体(n型有機半導体)との混合物から形成されたものであることが好ましい。電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との接合は、平面ヘテロ接合でもよく、バルクヘテロ接合でもよい。   The photoelectric conversion layer 4 is usually composed of a mixture of an electron donating compound and an electron accepting compound. In the present invention, the electron donating organic semiconductor (p-type organic semiconductor) and the electron accepting organic semiconductor (n-type organic semiconductor) are used. ) And a mixture thereof. The junction between the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor may be a planar heterojunction or a bulk heterojunction.

光電変換層4に用いるp型有機半導体としては、低分子化合物であっても高分子化合物であってもよい。低分子化合物としては、フタロシアニン、金属フタロシアニン、ポルフィリン、金属ポルフィリン、オリゴチオフェン、テトラセン、ペンタセン、ルブレンなどが挙げられる。高分子化合物としては、化学構造の一部にチオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジベンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ジケトピロロピロール、及びこれらの誘導体から選ばれる複素環骨格を少なくとも一つ有する単量体単位を含むπ電子共役重合体などが挙げられる。これらの中でも、少なくとも1つのチオフェン環を化学構造の一部に含む複素環骨格を有する単量体単位を含むπ電子共役重合体が光電変換効率の観点から好ましい。該複素環骨格としては例えば、シクロペンタジチオフェン、チエノピロール、ジチエノピロール、ジチエノシロール、ジチエノゲルモール、ベンゾジチオフェン、ナフトジチオフェン、及びこれらの誘導体などが挙げられる。これらは、溶解性や極性を制御する目的で主鎖骨格に置換基を有してもよい。また、これらの高分子化合物は、単独重合体、ランダム又はブロック共重合体のいずれでもよく、その分子鎖は直鎖状、分岐状、物理的又は化学的架橋状のいずれでもよい。これらの中でもp型有機半導体としては、塗布プロセスに適用するという観点から、高分子化合物が好ましく、少なくとも1つのチオフェン環を化学構造の一部に含む複素環骨格を有する単量体単位を含むπ電子共役重合体がより好ましい。   The p-type organic semiconductor used for the photoelectric conversion layer 4 may be a low molecular compound or a high molecular compound. Examples of the low molecular weight compound include phthalocyanine, metal phthalocyanine, porphyrin, metal porphyrin, oligothiophene, tetracene, pentacene, and rubrene. As a polymer compound, a monomer unit having at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, diketopyrrolopyrrole, and derivatives thereof as part of the chemical structure. And a π-electron conjugated polymer. Among these, a π-electron conjugated polymer including a monomer unit having a heterocyclic skeleton including at least one thiophene ring as a part of the chemical structure is preferable from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency. Examples of the heterocyclic skeleton include cyclopentadithiophene, thienopyrrole, dithienopyrrole, dithienosilole, dithienogermol, benzodithiophene, naphthodithiophene, and derivatives thereof. These may have a substituent in the main chain skeleton for the purpose of controlling solubility and polarity. These polymer compounds may be either homopolymers, random or block copolymers, and their molecular chains may be linear, branched, physically or chemically cross-linked. Among these, the p-type organic semiconductor is preferably a polymer compound from the viewpoint of application to a coating process, and includes a monomer unit having a heterocyclic skeleton including at least one thiophene ring as part of the chemical structure. An electron conjugated polymer is more preferable.

前記π電子共役重合体の重合度は特に限定されないが、欠陥のない均質な薄膜を得るという観点からは、ゲル浸透クロマトグラフィーを用い、ポリスチレン標準物質により換算された数平均分子量が10,000以上であることが好ましい。また、高い光電変換効率の素子を得るという観点からは、数平均分子量が20,000以上であることがより好ましい。   The degree of polymerization of the π-electron conjugated polymer is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining a homogeneous thin film having no defects, the number average molecular weight converted to polystyrene standard is 10,000 or more using gel permeation chromatography. It is preferable that Further, from the viewpoint of obtaining an element with high photoelectric conversion efficiency, the number average molecular weight is more preferably 20,000 or more.

光電変換層4に用いるn型有機半導体は、電子受容性を有する有機材料であれば特に限定されない。n型有機半導体として、例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボキシリックジアンハイドライド、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ナフチルテトラカルボキシジイミド、2−(4−ビフェニリル)−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,3,4−オキサジアゾール、2,5−ジ(1−ナフチル)−1,3,4−オキサジアゾールなどのオキサゾール誘導体、3−(4−ビフェニリル)−4−フェニル−5−(4−t−ブチルフェニル)−1,2,4−トリアゾールなどのトリアゾール誘導体、フェナントロリン誘導体、C60又はC70フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体にシアノ基を導入した誘導体(CN−PPV)などが挙げられる。これらはそれぞれ単体で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの中でも、安定且つキャリア移動度に優れるn型半導体という観点からフラーレン誘導体が好ましく用いられる。 The n-type organic semiconductor used for the photoelectric conversion layer 4 is not particularly limited as long as it is an organic material having an electron accepting property. As an n-type organic semiconductor, for example, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, N, N′-dioctyl-3,4,9 , 10-naphthyltetracarboxydiimide, 2- (4-biphenylyl) -5- (4-tert-butylphenyl) -1,3,4-oxadiazole, 2,5-di (1-naphthyl) -1, Oxazole derivatives such as 3,4-oxadiazole, triazole derivatives such as 3- (4-biphenylyl) -4-phenyl-5- (4-t-butylphenyl) -1,2,4-triazole, phenanthroline derivatives, C 60 or C 70 fullerene derivative, introducing a carbon nanotube, poly -p- phenylene vinylene-based polymer cyano group And the like derivatives (CN-PPV). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, fullerene derivatives are preferably used from the viewpoint of an n-type semiconductor that is stable and excellent in carrier mobility.

前記n型有機半導体として好適に用いられるフラーレン誘導体は、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94を始めとする無置換のものと、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル(PC61BM)、[5,6]−フェニルC61ブチリックアシッドメチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドn−ブチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドi−ブチルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドヘキシルエステル、[6,6]−フェニルC61ブチリックアシッドドデシルエステル、[6,6]−ジフェニルC62ビス(ブチリックアシッドメチルエステル)(bis−PC62BM)、[6,6]−フェニルC71ブチリックアシッドメチルエステル(PC71BM)、[6,6]−ジフェニルC72ビス(ブチリックアシッドメチルエステル)(bis−PC72BM)、インデンC60−モノ付加体、インデンC60−ビス付加体、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体をはじめとする置換誘導体などが挙げられる。これらの中でも、C60又はC70フラーレン誘導体が特に好ましく使用できる。 Fullerene derivatives suitably used as the n-type organic semiconductor include unsubstituted ones such as C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , C 94 , and [6, 6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PC 61 BM), [5,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester, [6,6] -phenyl C 61 butyric acid n-butyl ester, [ 6,6] -phenyl C 61 butyric acid i-butyl ester, [6,6] -phenyl C 61 butyric acid hexyl ester, [6,6] -phenyl C 61 butyric acid dodecyl ester, [6,6 ] - diphenyl C 62 bis (butyric acid methyl ester) (bis-PC 62 BM) , [6,6] - Fe Le C 71 butyric acid methyl ester (PC 71 BM), [6,6 ] - diphenyl C 72 bis (butyric acid methyl ester) (bis-PC 72 BM) , indene C 60 - monoadduct, indene C 60 - bis-adduct, indene C 70 - monoadduct, indene C 70 - and substituted derivatives including bis adduct thereof. Among these, C 60 or C 70 fullerene derivatives are particularly preferably used.

前記フラーレン誘導体は単独又はそれらの混合物として用いることができる。有機溶媒に対する溶解性の観点から、PC61BM、bis−PC62BM、PC71BM、bis−PC72BM、インデンC60−モノ付加体、インデンC60−ビス付加体、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体が好適に用いられる。さらにこれらの中で、光吸収の観点からは、PC71BM、bis−PC72BM、インデンC70−モノ付加体、インデンC70−ビス付加体が、製造コストの観点からは、PC61BM、bis−PC62BM、インデンC60−ビス付加体がより好適に用いられる。 The fullerene derivatives can be used alone or as a mixture thereof. From the viewpoint of solubility in an organic solvent, PC 61 BM, bis-PC 62 BM, PC 71 BM, bis-PC 72 BM, indene C 60 -mono adduct, indene C 60 -bis adduct, indene C 70 -mono Adducts and indene C 70 -bis adducts are preferably used. Further, among these, from the viewpoint of light absorption, PC 71 BM, bis-PC 72 BM, indene C 70 -mono adduct, and indene C 70 -bis adduct are used. From the viewpoint of production cost, PC 61 BM Bis-PC 62 BM and indene C 60 -bis adduct are more preferably used.

光電変換層4中のp型有機半導体及びn型有機半導体の含有量は、特に限定されない。また、p型有機半導体とn型有機半導体との組成比は、p型有機半導体:n型有機半導体=1〜99:99〜1の範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜80:80〜20の範囲である。また、p型有機半導体とn型有機半導体との質量の和は、後述する溶解溶媒の質量の和100質量部に対して0.1〜10.0質量部であることが好ましく、0.5〜5.0質量部であることがより好ましい。   The contents of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in the photoelectric conversion layer 4 are not particularly limited. The composition ratio of the p-type organic semiconductor to the n-type organic semiconductor is preferably in the range of p-type organic semiconductor: n-type organic semiconductor = 1 to 99:99 to 1, more preferably 20 to 80:80. It is in the range of ~ 20. Moreover, it is preferable that the sum of the masses of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor is 0.1 to 10.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the mass of the dissolving solvent described later, More preferably, it is -5.0 mass parts.

光電変換層4の膜厚は、通常、1nm〜2000nmであり、好ましくは2nm〜1000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmであり、さらに好ましくは20nm〜300nmである。膜厚が薄すぎると光が十分に吸収されず、逆に厚すぎると抵抗損失によって電荷が電極へ到達し難くなる。   The film thickness of the photoelectric conversion layer 4 is usually 1 nm to 2000 nm, preferably 2 nm to 1000 nm, more preferably 5 nm to 500 nm, and further preferably 20 nm to 300 nm. If the film thickness is too thin, the light is not sufficiently absorbed. Conversely, if it is too thick, it becomes difficult for the charge to reach the electrode due to resistance loss.

本発明の別な例の光電変換素子10は、図2に示すように、基板1の上に形成され一対の正電極5及び負電極2の間に光電変換層4を有しており、その光電変換層4と負電極2との間にハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層3を有し、さらに光電変換層4と正電極5との間に、正孔輸送材料を含む正孔輸送層6を有する。基板1は負電極2側であっても、正電極5側であってもよい。   As shown in FIG. 2, the photoelectric conversion element 10 of another example of the present invention has a photoelectric conversion layer 4 formed on a substrate 1 between a pair of positive electrode 5 and negative electrode 2, A buffer layer 3 containing sodium halide is provided between the photoelectric conversion layer 4 and the negative electrode 2, and a hole transport layer 6 containing a hole transport material is further provided between the photoelectric conversion layer 4 and the positive electrode 5. Have. The substrate 1 may be on the negative electrode 2 side or on the positive electrode 5 side.

正孔輸送層6を形成する材料としては、p型半導体特性を有するものであれば特に限定されないが、ポリチオフェン系重合体、ポリアニリン系重合体、ポリ−p−フェニレンビニレン系重合体、ポリフルオレン系重合体などの導電性高分子;フタロシアニン誘導体(HPc、CuPc、ZnPcなど)、ポルフィリン誘導体などのp型半導体特性を示す低分子有機化合物;酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化バナジウムなどの遷移金属酸化物が好ましく用いられる。特に、ポリチオフェン系重合体であるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)やPEDOTにポリスチレンスルホネート(PSS)が添加されたものが好ましく用いられる。正孔輸送層6は、1nmから600nmの厚さが好ましく、20nmから300nmがより好ましい。 The material for forming the hole transport layer 6 is not particularly limited as long as it has p-type semiconductor characteristics, but is a polythiophene polymer, a polyaniline polymer, a poly-p-phenylene vinylene polymer, a polyfluorene polymer. Conductive polymers such as polymers; low molecular organic compounds exhibiting p-type semiconductor properties such as phthalocyanine derivatives (H 2 Pc, CuPc, ZnPc, etc.), porphyrin derivatives; transition metal oxides such as molybdenum oxide, tungsten oxide, vanadium oxide The product is preferably used. In particular, polyethylenedioxythiophene (PEDOT), which is a polythiophene polymer, or PEDOT to which polystyrene sulfonate (PSS) is added is preferably used. The thickness of the hole transport layer 6 is preferably 1 nm to 600 nm, and more preferably 20 nm to 300 nm.

本発明の光電変換素子の製造方法について説明する。光電変換素子10は、光透過性の負電極2の表面にハロゲン化ナトリウムを真空蒸着してバッファ層3を形成する。真空蒸着の方法は特に制限されず、例えば、抵抗加熱式、電子ビーム式などの真空蒸着法を採用することができる。製膜速度など、得ようとする膜特性に応じて製膜方法を選択すればよい。   The manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated. The photoelectric conversion element 10 forms the buffer layer 3 by vacuum-depositing sodium halide on the surface of the light transmissive negative electrode 2. The method of vacuum vapor deposition is not particularly limited, and for example, a vacuum vapor deposition method such as resistance heating type or electron beam type can be adopted. A film forming method may be selected according to the film characteristics to be obtained, such as a film forming speed.

光電変換層4は、前記p型有機半導体及びn型有機半導体を溶媒に溶解させ、有機半導体組成物溶液とし、前記バッファ層3の上に塗布して製膜することで製造することができる。塗布方法は特に制限されず、例えば、浸漬コーティング法、スプレーコ−ティング法、インクジェット法、エアロゾルジェット法、スピンコ−ティング法、ビードコーティング法、ワイヤーバーコ−ティング法、ブレードコーティング法、ローラーコ−ティング法、カーテンコーティング法、スリットダイコーター法、グラビアコーター法、スリットリバースコ−ター法、マイクログラビア法、コンマコーター法などの方法を採用することができる。   The photoelectric conversion layer 4 can be manufactured by dissolving the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor in a solvent, forming an organic semiconductor composition solution, and applying the solution onto the buffer layer 3 to form a film. The coating method is not particularly limited. For example, dip coating method, spray coating method, ink jet method, aerosol jet method, spin coating method, bead coating method, wire bar coating method, blade coating method, roller coating method, Methods such as a curtain coating method, a slit die coater method, a gravure coater method, a slit reverse coater method, a micro gravure method, and a comma coater method can be employed.

塗布方法としてスピンコ−ティング法を採用する場合には、そのスピンコート回転数や溶液濃度を調節することで、所望の膜厚を有する光電変換層4を得ることができる。スピンコート条件は特に限定されるものではないが、回転数が小さいと膜厚ムラが生じる原因になるため、1000〜8000rpmの回転数が好ましく、2000〜6000rpmの回転数がより好ましい。このとき、必要に応じて不活性ガス雰囲気下で製膜することにより、材料の変性を抑制することができる。   When the spin coating method is employed as the coating method, the photoelectric conversion layer 4 having a desired film thickness can be obtained by adjusting the spin coating rotation speed and the solution concentration. The spin coating conditions are not particularly limited, but if the rotational speed is small, film thickness unevenness is caused. Therefore, the rotational speed is preferably 1000 to 8000 rpm, and more preferably 2000 to 6000 rpm. At this time, material denaturation can be suppressed by forming a film in an inert gas atmosphere as necessary.

有機半導体を溶解させる溶媒としては、テトラヒドロフラン、1,2−ジクロロエタン、シクロヘキサン、クロロホルム、ブロモホルム、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、o−ジクロロベンゼン、アニソール、メトキシベンゼン、トリクロロベンゼン、ピリジンなどが挙げられる。これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種類以上混合して用いてもよいが、特にp型有機半導体及びn型有機半導体のそれぞれについて溶解度が高いo−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、クロロホルム、及びこれらの混合物が好ましい。より好ましくは、p型有機半導体及びn型有機半導体のそれぞれについて溶解度が最も高いo−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、及びこれらの混合物が用いられる。   Solvents for dissolving the organic semiconductor include tetrahydrofuran, 1,2-dichloroethane, cyclohexane, chloroform, bromoform, benzene, toluene, o-xylene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, o-dichlorobenzene, anisole, methoxybenzene, Examples include chlorobenzene and pyridine. These solvents may be used singly or in combination of two or more, but o-dichlorobenzene, chlorobenzene, bromobenzene, iodo having high solubility especially for each of p-type organic semiconductor and n-type organic semiconductor. Benzene, chloroform, and mixtures thereof are preferred. More preferably, o-dichlorobenzene, chlorobenzene, and a mixture thereof having the highest solubility for each of the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are used.

前記の工程において、有機半導体組成物溶液中にp型有機半導体及びn型有機半導体以外に高沸点化合物を添加物として含んでもよい。高沸点化合物を含有させることによって光電変換層4を製膜する過程において、p型有機半導体及びn型有機半導体の微細且つ連続した相分離構造が形成されるため、光電変換効率に優れる光電変換層4を得ることが可能となる。   In the above step, the organic semiconductor composition solution may contain a high-boiling compound as an additive in addition to the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor. In the process of forming the photoelectric conversion layer 4 by containing a high-boiling compound, a fine and continuous phase separation structure of a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor is formed, so that the photoelectric conversion layer is excellent in photoelectric conversion efficiency. 4 can be obtained.

高沸点化合物としては、オクタンジチオール(沸点:270℃)、ジブロモオクタン(沸点:272℃)、ジヨードオクタン(沸点:327℃)、ジヨードヘキサン(沸点:142℃[10mmHg])、ジヨードブタン(沸点:125℃[12mmHg])、ジエチレングリコールジエチルエーテル(沸点:162℃)、N−メチル−2−ピロリドン(沸点:229℃)、1−又は2−クロロナフタレン(沸点:256℃)などが例示される。これらの中で、光電変換効率に優れる光電変換素子10を得るという観点から、オクタンジチオール、ジブロモオクタン、ジヨードオクタン、1−又は2−クロロナフタレンが好ましく用いられる。   As high boiling point compounds, octanedithiol (boiling point: 270 ° C.), dibromooctane (boiling point: 272 ° C.), diiodooctane (boiling point: 327 ° C.), diiodohexane (boiling point: 142 ° C. [10 mmHg]), diiodobutane (boiling point) : 125 ° C. [12 mmHg]), diethylene glycol diethyl ether (boiling point: 162 ° C.), N-methyl-2-pyrrolidone (boiling point: 229 ° C.), 1- or 2-chloronaphthalene (boiling point: 256 ° C.), etc. . Of these, octanedithiol, dibromooctane, diiodooctane, 1- or 2-chloronaphthalene is preferably used from the viewpoint of obtaining a photoelectric conversion element 10 having excellent photoelectric conversion efficiency.

高沸点化合物の添加量は、p型有機半導体及びn型有機半導体が析出せず、均一な溶液を与えるものであれば特に限定されないが、溶媒に対して体積分率で0.1%〜20%であると好ましく、0.5%〜10%の範囲であるとより好ましい。添加量が0.1%〜20%の範囲内であることにより、微細且つ連続した相分離構造を有する光電変換層4を形成することができる。添加量が20%よりも多い場合は、溶媒及び添加物の乾燥速度が遅くなる傾向がある。   The amount of the high-boiling compound added is not particularly limited as long as the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor do not precipitate and give a uniform solution, but the volume fraction of the solvent is 0.1% to 20%. % Is preferable, and a range of 0.5% to 10% is more preferable. When the addition amount is in the range of 0.1% to 20%, the photoelectric conversion layer 4 having a fine and continuous phase separation structure can be formed. When there is more addition amount than 20%, there exists a tendency for the drying rate of a solvent and an additive to become slow.

さらに、前記有機半導体組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲において、界面活性剤、バインダー樹脂、フィラーなどの他の添加物成分を含んでいてもよい。   Furthermore, the said organic-semiconductor composition may contain other additive components, such as surfactant, binder resin, and a filler, in the range which does not inhibit the effect of this invention.

光電変換層4を形成する際には、必要に応じて熱又は溶媒アニールを行ってもよい。アニール処理を施すことで、光電変換層4の材料の結晶性と、p型有機半導体とn型有機半導体との相分離構造を変化させ、光電変換特性に優れる素子を得ることができる。   When the photoelectric conversion layer 4 is formed, heat or solvent annealing may be performed as necessary. By applying the annealing treatment, the crystallinity of the material of the photoelectric conversion layer 4 and the phase separation structure between the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor can be changed, and an element having excellent photoelectric conversion characteristics can be obtained.

熱アニールは、光電変換層4を製膜した基板1を所望の温度で保持して行う。熱アニールは減圧下又は不活性ガス雰囲気下で行ってもよく、好ましい温度は40℃〜200℃、より好ましくは70℃〜150℃である。温度が低いと十分な効果が得られず、温度が高すぎると光電変換層4が酸化及び/又は分解し、十分な光電変換特性を得ることができない。   Thermal annealing is performed by holding the substrate 1 on which the photoelectric conversion layer 4 is formed at a desired temperature. Thermal annealing may be performed under reduced pressure or in an inert gas atmosphere, and a preferable temperature is 40 ° C to 200 ° C, more preferably 70 ° C to 150 ° C. If the temperature is low, sufficient effects cannot be obtained, and if the temperature is too high, the photoelectric conversion layer 4 is oxidized and / or decomposed, and sufficient photoelectric conversion characteristics cannot be obtained.

溶媒アニールは、光電変換層4を製膜した基板1を溶媒雰囲気下で所望の時間保持することで行う。このときのアニールに使う溶媒は特に限定されないが、光電変換層4に対する良溶媒であることが好ましい。溶媒アニールは、光電変換層4を構成する有機半導体組成物を、基板1上に形成されているバッファ層3上に塗布して、当該組成物中に溶媒が残存した状態で行ってもよい。   The solvent annealing is performed by holding the substrate 1 on which the photoelectric conversion layer 4 is formed in a solvent atmosphere for a desired time. The solvent used for annealing at this time is not particularly limited, but is preferably a good solvent for the photoelectric conversion layer 4. The solvent annealing may be performed in a state where the organic semiconductor composition constituting the photoelectric conversion layer 4 is applied on the buffer layer 3 formed on the substrate 1 and the solvent remains in the composition.

ここで、必要な場合には前記の正孔輸送層6を光電変換層4上に積層させてもよい。正孔輸送層6の形成方法は特に限定されず、真空蒸着法、スパッタリング法、塗布法などを用いることができる。光電変換素子10を低コストで製造するためには、連続プロセスに適した方法がより好ましく、中でも塗布法が好ましい。さらに、光電変換層4又は正孔輸送層6上に正電極5を形成することで、積層構造を有する本発明の光電変換素子10を製造することができる。   Here, if necessary, the hole transport layer 6 may be laminated on the photoelectric conversion layer 4. The formation method of the positive hole transport layer 6 is not specifically limited, A vacuum evaporation method, sputtering method, the apply | coating method etc. can be used. In order to manufacture the photoelectric conversion element 10 at low cost, a method suitable for a continuous process is more preferable, and a coating method is particularly preferable. Furthermore, by forming the positive electrode 5 on the photoelectric conversion layer 4 or the hole transport layer 6, the photoelectric conversion element 10 of the present invention having a laminated structure can be manufactured.

本発明の光電変換素子は、タンデム型光電変換素子として用いてもよい。タンデム型光電変換素子は、文献公知の方法、例えば、サイエンス,2007年,第317巻,p.222に記載の方法を用いて作製することができる。具体的には、電荷再結合層を、長波長側(〜1100nm)まで光吸収し光電変換可能な光電変換層(I)と紫外〜可視光領域(190〜700nm)の光電変換が可能な光電変換層(II)とで挟み込んだ構造が挙げられる。この光電変換層(I)と光電変換層(II)との接続順は逆であってもよい。   The photoelectric conversion element of the present invention may be used as a tandem photoelectric conversion element. The tandem photoelectric conversion element can be produced by a method known in the literature, for example, the method described in Science, 2007, Vol. 317, p.222. Specifically, the charge recombination layer absorbs light up to the long wavelength side (up to 1100 nm) and can perform photoelectric conversion, and photoelectric conversion capable of photoelectric conversion in the ultraviolet to visible light region (190 to 700 nm). A structure sandwiched between the conversion layers (II) may be mentioned. The order of connection between the photoelectric conversion layer (I) and the photoelectric conversion layer (II) may be reversed.

電荷再結合層とは、正電極側の光電変換層で生じた電子と、負電極側の光電変換層で生じた正孔とを再結合させる働きをする。各光電変換層で電荷分離して生じた正孔及び電子は、光電変換層中の内部電場によってそれぞれ正電極と負電極方向へと移動する。このとき、正電極側の光電変換層で生じた正孔及び負電極側の光電変換層で生じた電子はそれぞれ正電極及び負電極へ取り出され、正電極側の光電変換層で生じた電子及び負電極側の光電変換層で生じた正孔が再結合することによって、各光電変換層が電気的に直列に接続された電池として機能し開放電圧が増大する。   The charge recombination layer functions to recombine electrons generated in the photoelectric conversion layer on the positive electrode side and holes generated in the photoelectric conversion layer on the negative electrode side. Holes and electrons generated by charge separation in each photoelectric conversion layer move toward the positive electrode and the negative electrode, respectively, by an internal electric field in the photoelectric conversion layer. At this time, holes generated in the photoelectric conversion layer on the positive electrode side and electrons generated in the photoelectric conversion layer on the negative electrode side are taken out to the positive electrode and the negative electrode, respectively, and electrons generated in the photoelectric conversion layer on the positive electrode side and When holes generated in the photoelectric conversion layer on the negative electrode side are recombined, each photoelectric conversion layer functions as a battery electrically connected in series, and the open circuit voltage increases.

電荷再結合層は、複数の光電変換層が光吸収できるようにするため、光透過性を有することが好ましい。また、電荷再結合層は、十分に正孔と電子とが再結合するように設計されていればよいので、必ずしも膜である必要はなく、例えば、光電変換層上に一様に形成された金属クラスターであってもかまわない。従って、該電荷再結合層には、金、白金、クロム、ニッケル、リチウム、マグネシウム、カルシウム、錫、銀、アルミニウムなどからなる数nm以下程度の光透過性を有する非常に薄い金属膜や金属クラスター(合金を含む)、ITO、IZO、AZO、GZO、FTO、酸化チタンや酸化モリブデンなどの光透過性の高い金属酸化物膜及びクラスター、PSSが添加されたPEDOTなどの導電性有機材料膜、又はこれらの複合体などが用いられる。例えば、銀を、真空蒸着法を用いて水晶振動子膜厚モニター上で数nm以下となるように蒸着すれば、一様な銀クラスターが形成できる。その他にも、酸化チタン膜を形成するならば、例えば、アドバンスト マテリアルズ,2006年,第18巻,p.572に記載のゾルゲル法を用いればよい。ITO、IZOなどの複合金属酸化物であるならば、スパッタリング法を用いて製膜すればよい。これらの電荷再結合層の形成法や種類は、電荷再結合層形成時の光電変換層への非破壊性や、次に積層される光電変換層の形成法などを考慮して適当に選択すればよい。   The charge recombination layer preferably has optical transparency so that the plurality of photoelectric conversion layers can absorb light. In addition, the charge recombination layer only needs to be designed so that holes and electrons are sufficiently recombined. Therefore, the charge recombination layer does not necessarily have to be a film. For example, the charge recombination layer is uniformly formed on the photoelectric conversion layer. It may be a metal cluster. Therefore, the charge recombination layer includes a very thin metal film or metal cluster made of gold, platinum, chromium, nickel, lithium, magnesium, calcium, tin, silver, aluminum or the like and having a light transmittance of several nm or less. (Including alloys), ITO, IZO, AZO, GZO, FTO, highly transparent metal oxide films and clusters such as titanium oxide and molybdenum oxide, conductive organic material films such as PEDOT to which PSS is added, or These composites are used. For example, uniform silver clusters can be formed by depositing silver so as to be several nm or less on a quartz oscillator film thickness monitor using a vacuum deposition method. In addition, if a titanium oxide film is formed, for example, the sol-gel method described in Advanced Materials, 2006, Vol. 18, p.572 may be used. If it is a composite metal oxide such as ITO or IZO, the film may be formed by sputtering. The formation method and type of these charge recombination layers should be appropriately selected in consideration of the non-destructive property to the photoelectric conversion layer when the charge recombination layer is formed, the formation method of the next photoelectric conversion layer, and the like. That's fine.

本発明の光電変換素子は光電変換効率に優れ、太陽電池をはじめとして各種光センサなどへ応用が可能である。   The photoelectric conversion element of the present invention is excellent in photoelectric conversion efficiency, and can be applied to various optical sensors including solar cells.

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例中の評価は以下のようにして行った。   Examples of the present invention will be described in detail below, but the scope of the present invention is not limited to these examples. In addition, evaluation in an Example was performed as follows.

[光電変換層の膜厚測定]
実施例及び比較例の光電変換層の膜厚は、接触式段差計(DEKTAK8:Veeco社製)を用いて、触針圧:3mg、測定レンジ:50kÅの条件で測定した。
[Measurement of film thickness of photoelectric conversion layer]
The film thickness of the photoelectric conversion layer of an Example and a comparative example was measured on the conditions of a stylus pressure: 3 mg and a measurement range: 50 kÅ using a contact-type step meter (DEKTAK8: manufactured by Veeco).

[光電変換効率の測定]
実施例及び比較例で作製した光電変換素子の光電変換効率は、ソーラーシミュレーター(OTENTO−SUNII:分光計器社製)及びソースメーター(KEITHLEY2400:KEITHLEY社製)を用い、照射スペクトルはAM1.5、照射強度は100mW/cmで測定した。測定時の照射強度は、フォトダイオード(BS−520、分光計器社製)を用い、太陽電池評価基準となるように調節した。測定時には、光電変換素子の受光面積と同じ面積の照射光マスクを着用し、余剰な光の入射を排除した。
[Measurement of photoelectric conversion efficiency]
Photoelectric conversion efficiencies of the photoelectric conversion elements prepared in Examples and Comparative Examples are solar simulator (OTENTO-SUNII: manufactured by Spectrometer Co., Ltd.) and source meter (KEITHLEY2400: manufactured by KEITHLEY), irradiation spectrum is AM1.5, irradiation The intensity was measured at 100 mW / cm 2 . The irradiation intensity at the time of measurement was adjusted to be a solar cell evaluation standard using a photodiode (BS-520, manufactured by Spectrometer Co., Ltd.). At the time of measurement, an irradiation light mask having the same area as the light receiving area of the photoelectric conversion element was worn to eliminate excessive light incidence.

(実施例1)
155nmのインジウム・スズ・オキサイドが0.7mmのガラス上に製膜された基板(ジオマテック社製)を、セミコクリーン(フルウチ化学社製)、超純水、アセトン及びイソプロパノールで10分間超音波洗浄し、乾燥した後、UV−Oクリーナー(フィルジェン社製)を用いて20分間オゾンクリーニングした。
オゾンクリーニングした基板は、抵抗加熱式真空蒸着装置に導入し、5.0×10−5Paの減圧条件下にて、ITO基板の上に、市販のフッ化ナトリウム(99.99%)を真空蒸着することでバッファ層を形成した。真空蒸着中の蒸着レートは水晶振動子によりモニターすることができ、蒸着レートを0.2Å/秒に制御して、膜厚2.0nmのバッファ層を得た。バッファ層を形成したITO基板を、窒素で満たされたグローブボックス中に導入した。
Example 1
A substrate (manufactured by Geomatech) with 155 nm indium-tin-oxide formed on 0.7 mm glass was ultrasonically cleaned with semicoclean (manufactured by Furuuchi Chemical), ultrapure water, acetone and isopropanol for 10 minutes. After drying, ozone cleaning was performed using a UV-O 3 cleaner (manufactured by Philgen) for 20 minutes.
The ozone-cleaned substrate was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus, and a commercially available sodium fluoride (99.99%) was vacuumed on the ITO substrate under a reduced pressure condition of 5.0 × 10 −5 Pa. A buffer layer was formed by vapor deposition. The deposition rate during vacuum deposition can be monitored by a quartz oscillator, and the deposition rate is controlled to 0.2 kg / sec to obtain a buffer layer having a thickness of 2.0 nm. The ITO substrate on which the buffer layer was formed was introduced into a glove box filled with nitrogen.

続いて、電子供与性有機半導体として市販のポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)(P3HT,アルドリッチ社製)と電子受容性有機半導体として[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステル(フロンティアカ−ボン社製)とを重量比60:40で混合し、窒素雰囲気下にてクロロベンゼン溶液を加えて、固形分濃度を2.7重量%に調製し、40℃で3時間攪拌した後、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン製のフィルターでろ過して均一な溶液を得た。調製した溶液を窒素雰囲気下にて、ITO基板上のバッファ層の上に2500rpmで30秒間スピンコートした。3時間真空乾燥後、150℃で30分間熱アニールを行った。得られた光電変換層の膜厚は90nmであった。 Subsequently, commercially available poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT, manufactured by Aldrich) as an electron-donating organic semiconductor and [6,6] -phenyl C 61 butyric acid as an electron-accepting organic semiconductor. Methyl ester (manufactured by Frontier Acabon) was mixed at a weight ratio of 60:40, and a chlorobenzene solution was added under a nitrogen atmosphere to adjust the solid content concentration to 2.7% by weight. After stirring, the solution was filtered through a 0.45 μm polytetrafluoroethylene filter to obtain a uniform solution. The prepared solution was spin-coated at 2500 rpm for 30 seconds on the buffer layer on the ITO substrate under a nitrogen atmosphere. After vacuum drying for 3 hours, thermal annealing was performed at 150 ° C. for 30 minutes. The film thickness of the obtained photoelectric conversion layer was 90 nm.

続いて、該基板を抵抗加熱式真空蒸着装置に導入し、5.0×10−5Paの減圧条件下にて5nmの三酸化モリブデン(純度99.99%)を真空蒸着し、正孔輸送層を形成した。さらに80nmの銀(Ag)(純度99.999%)を真空蒸着し、光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の発電面積は0.25cmであった。続いて、ガラス製の封止キャップにUV硬化樹脂を塗布し、作製した光電変換素子と貼り合わせた後、UVランプを照射することで光電変換素子を封止した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は3.63%であった。 Subsequently, the substrate was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus, and 5 nm molybdenum trioxide (purity 99.99%) was vacuum deposited under a reduced pressure condition of 5.0 × 10 −5 Pa to transport holes. A layer was formed. Furthermore, 80 nm of silver (Ag) (purity 99.999%) was vacuum-deposited to produce a photoelectric conversion element. The power generation area of the produced photoelectric conversion element was 0.25 cm 2 . Subsequently, a UV curable resin was applied to a glass sealing cap, bonded to the produced photoelectric conversion element, and then irradiated with a UV lamp to seal the photoelectric conversion element. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.63%.

(実施例2)
市販のポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)(アルドリッチ社製)と電子受容性有機半導体として[6,6]−ジフェニルC62ビス(ブチリックアシッドメチルエステル)(フロンティアカ−ボン社製)とを重量比55:45で混合し、窒素雰囲気下にてクロロベンゼン溶液を加えて、固形分濃度を2.7重量%に調製し、40℃で3時間攪拌した後、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン製のフィルターでろ過して均一な溶液を得た。続いて、調製した溶液を窒素雰囲気下にて、実施例1と同様の方法で作製したITO基板上のバッファ層の上に3500rpmで30秒間スピンコートした。得られた光電変換層の膜厚は90nmであった。光電変換層の材料を変更した以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は3.68%であった。
(Example 2)
Commercially available poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (manufactured by Aldrich) and [6,6] -diphenyl C 62 bis (butyric acid methyl ester) (Frontier Acabon) as an electron-accepting organic semiconductor Manufactured at a weight ratio of 55:45, and a chlorobenzene solution was added under a nitrogen atmosphere to adjust the solid concentration to 2.7% by weight. After stirring at 40 ° C. for 3 hours, 0.45 μm The solution was filtered through a polytetrafluoroethylene filter to obtain a uniform solution. Subsequently, the prepared solution was spin-coated at 3500 rpm for 30 seconds on the buffer layer on the ITO substrate produced by the same method as in Example 1 in a nitrogen atmosphere. The film thickness of the obtained photoelectric conversion layer was 90 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the material of the photoelectric conversion layer was changed. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.68%.

(実施例3)
電子供与性有機半導体として下記化学式(1)で表される単量体単位からなるπ電子共役重合体(PSiTTPD)と、電子受容性有機半導体として[6,6]−フェニル C71 ブチリックアシッドメチルエステル(フロンティアカ−ボン社製)とを重量比40:60で混合し、窒素雰囲気下にてクロロベンゼン溶液を加えて、固形分濃度が2.2重量%の濃度となるように調製し、80℃で3時間攪拌した後、0.45μmのポリテトラフルオロエチレン製のフィルターでろ過して均一な溶液を得た。続いて、調製した溶液を窒素雰囲気下にて、実施例1と同様の方法で作製したITO基板上のバッファ層の上に1600rpmで30秒間スピンコートした。得られた光電変換層の膜厚は90nmであった。光電変換層の材料を変更した以外は、実施例2と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は6.50%であった。
Example 3
A π-electron conjugated polymer (PSiTTPD) composed of a monomer unit represented by the following chemical formula (1) as an electron-donating organic semiconductor and [6,6] -phenyl C 71 butyric acid methyl as an electron-accepting organic semiconductor Ester (manufactured by Frontiacabon) was mixed at a weight ratio of 40:60, and a chlorobenzene solution was added under a nitrogen atmosphere to prepare a solid concentration of 2.2% by weight. After stirring at 0 ° C. for 3 hours, the solution was filtered through a 0.45 μm polytetrafluoroethylene filter to obtain a uniform solution. Subsequently, the prepared solution was spin-coated at 1600 rpm for 30 seconds on the buffer layer on the ITO substrate produced by the same method as in Example 1 in a nitrogen atmosphere. The film thickness of the obtained photoelectric conversion layer was 90 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2 except that the material of the photoelectric conversion layer was changed. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 6.50%.

Figure 2014241370
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(比較例1)
ITO基板の上にフッ化リチウムからなるバッファ層を形成しないこと以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は1.73%であった。
(Comparative Example 1)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the buffer layer made of lithium fluoride was not formed on the ITO substrate. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 1.73%.

(比較例2)
窒素雰囲気下にて、市販の炭酸セシウムに2−エトキシエタノールを加えて0.2重量%の濃度に調製し、室温で攪拌した後、0.45μmのポリフッ化ビニリデン製のフィルターでろ過して均一な水溶液を得た。窒素雰囲気下にて、前記と同様の方法で洗浄したITO基板の上に、調製した炭酸セシウム溶液を2000rpmで60秒間スピンコートし、ホットプレートを用いて170℃で10分間熱処理を行った。バッファ層を炭酸セシウムに変更した以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は2.78%であった。
(Comparative Example 2)
In a nitrogen atmosphere, 2-ethoxyethanol was added to commercially available cesium carbonate to adjust the concentration to 0.2% by weight, stirred at room temperature, and then filtered through a 0.45 μm polyvinylidene fluoride filter to make it uniform. Obtained an aqueous solution. The prepared cesium carbonate solution was spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds on an ITO substrate cleaned in the same manner as described above in a nitrogen atmosphere, and heat treatment was performed at 170 ° C. for 10 minutes using a hot plate. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the buffer layer was changed to cesium carbonate. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 2.78%.

(比較例3)
窒素雰囲気下にて、市販のチタンイソプロポキシドに脱水エタノールを加えて300倍希釈の溶液を調製し、室温で攪拌した後、0.45μmのポリフッ化ビニリデン製のフィルターでろ過して均一な水溶液を得た。大気下にて、洗浄したITO基板の上に、調製したチタンイソプロポキシド容器を2000rpmで60秒間スピンコートした。室温で12時間静置することで加水分解反応を進行させ、ITO基板の上に酸化チタンの層を形成した。バッファ層を酸化チタンに変更した以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は2.85%であった。
(Comparative Example 3)
In a nitrogen atmosphere, dehydrated ethanol was added to commercially available titanium isopropoxide to prepare a 300-fold diluted solution, stirred at room temperature, and then filtered through a 0.45 μm polyvinylidene fluoride filter to obtain a uniform aqueous solution. Got. In the air, the prepared titanium isopropoxide container was spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds on the cleaned ITO substrate. By allowing it to stand at room temperature for 12 hours, the hydrolysis reaction was advanced to form a titanium oxide layer on the ITO substrate. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the buffer layer was changed to titanium oxide. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 2.85%.

(比較例4)
前記と同様の方法で洗浄したITO基板を抵抗加熱式真空蒸着装置に導入し、5.0×10−5Paの減圧条件下にて膜厚2nmのカルシウム(99.5%)を真空蒸着した。続いて、窒素雰囲気下にて、実施例1で調製した光電変換層用の溶液を2500rpmで30秒間スピンコートし、ホットプレートを用いて150℃で30分間熱アニールを行った。バッファ層をカルシウムに変更した以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は3.20%であった。
(Comparative Example 4)
The ITO substrate cleaned by the same method as described above was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus, and calcium (99.5%) having a thickness of 2 nm was vacuum deposited under a reduced pressure condition of 5.0 × 10 −5 Pa. . Subsequently, the solution for the photoelectric conversion layer prepared in Example 1 was spin-coated at 2500 rpm for 30 seconds in a nitrogen atmosphere, and thermal annealing was performed at 150 ° C. for 30 minutes using a hot plate. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the buffer layer was changed to calcium. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.20%.

(比較例5)
前記と同様の方法で洗浄したITO基板の上に、市販のフッ化リチウム(フルウチ99.99%)を蒸着レート0.2Å/秒の条件で膜厚2.0nmを製膜してバッファ層を形成した以外は、実施例1と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は1.53%であった。
(Comparative Example 5)
On the ITO substrate cleaned in the same manner as described above, a commercially available lithium fluoride (Fluuchi 99.99%) was deposited to a thickness of 2.0 nm under the condition of a deposition rate of 0.2 Å / sec. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that it was formed. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 1.53%.

(比較例6)
前記と同様の方法で洗浄したITO基板の上に、市販のPEDOT:PSS(クレビオス社製)を6000rpmで60秒間スピンコートした。PEDOT:PSSを形成した基板を窒素雰囲気のグローブボックスに導入した後、150℃で10分間熱処理を行った。続いて、実施例1で調製した光電変換層用の溶液を2500rpmで30秒間スピンコートし、ホットプレートを用いて150℃で30分間熱アニールを行った。
続いて、該基板を抵抗加熱式真空蒸着装置に導入し、5.0×10−5Paの減圧条件下にて膜厚0.5nmのフッ化ナトリウムを真空蒸着した。さらに80nmのアルミニウム(純度99.999%)を真空蒸着し、光電変換素子を作製した。光電変換素子の発電面積は0.25cmであった。続いて、ガラス製の封止キャップにUV硬化樹脂を塗布し、作製した光電変換素子と貼り合わせた後、UVランプを照射することで光電変換素子を封止した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は0.73%であった。
(Comparative Example 6)
A commercially available PEDOT: PSS (manufactured by Clevios) was spin-coated at 6000 rpm for 60 seconds on the ITO substrate washed in the same manner as described above. After the substrate on which PEDOT: PSS was formed was introduced into a glove box in a nitrogen atmosphere, heat treatment was performed at 150 ° C. for 10 minutes. Subsequently, the solution for the photoelectric conversion layer prepared in Example 1 was spin-coated at 2500 rpm for 30 seconds, and thermal annealing was performed at 150 ° C. for 30 minutes using a hot plate.
Subsequently, the substrate was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus, and sodium fluoride having a film thickness of 0.5 nm was vacuum deposited under a reduced pressure condition of 5.0 × 10 −5 Pa. Furthermore, 80 nm of aluminum (purity 99.999%) was vacuum-deposited to produce a photoelectric conversion element. The power generation area of the photoelectric conversion element was 0.25 cm 2 . Subsequently, a UV curable resin was applied to a glass sealing cap, bonded to the produced photoelectric conversion element, and then irradiated with a UV lamp to seal the photoelectric conversion element. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 0.73%.

(比較例7)
フッ化ナトリウムの膜厚を2.0nmに変更した以外は、比較例6と同様の方法で光電変換素子を作製した。作製した光電変換素子の光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は0.01%であった。
(Comparative Example 7)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Comparative Example 6 except that the film thickness of sodium fluoride was changed to 2.0 nm. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 0.01%.

実施例1〜3及び比較例1〜7で得られた光電変換素子の変換効率を表1及び表2に示す。   Tables 1 and 2 show the conversion efficiencies of the photoelectric conversion elements obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7.

Figure 2014241370
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Figure 2014241370
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表1及び表2より、実施例1〜3である本発明の光電変換素子は、本発明の適用外である比較例1〜7の光電変換素子に比べて高い変換効率を示すことが明らかとなった。   From Table 1 and Table 2, it is clear that the photoelectric conversion elements of the present invention that are Examples 1 to 3 exhibit higher conversion efficiency than the photoelectric conversion elements of Comparative Examples 1 to 7 that are not applicable to the present invention. became.

本発明の、光透過性の負電極と光電変換層との間にハロゲン化ナトリウムからなるバッファ層を有する光電変換素子は、光電変換効率に優れ、太陽電池をはじめとし各種光センサなどへ応用可能である。   The photoelectric conversion element of the present invention having a buffer layer made of sodium halide between a light-transmissive negative electrode and a photoelectric conversion layer has excellent photoelectric conversion efficiency and can be applied to various photosensors including solar cells. It is.

1は基板、2は光透過性の負電極、3はバッファ層、4は光電変換層、5は正電極、6は正孔輸送層、10は光電変換素子。   1 is a substrate, 2 is a light transmissive negative electrode, 3 is a buffer layer, 4 is a photoelectric conversion layer, 5 is a positive electrode, 6 is a hole transport layer, and 10 is a photoelectric conversion element.

Claims (7)

正電極と負電極との間に有機半導体を含む光電変換層を有する光電変換素子であって、少なくとも前記負電極が光透過性を有し、前記光電変換層と前記負電極との間に、ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層を有することを特徴とする光電変換素子。   A photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer containing an organic semiconductor between a positive electrode and a negative electrode, wherein at least the negative electrode has light transmittance, and between the photoelectric conversion layer and the negative electrode, A photoelectric conversion element having a buffer layer containing sodium halide. 前記光電変換層と前記正電極との間に、正孔輸送材料を含む正孔輸送層を有することを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a hole transport layer including a hole transport material between the photoelectric conversion layer and the positive electrode. 前記負電極がインジウム・スズ・オキサイドであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the negative electrode is indium tin oxide. 前記光電変換層が、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との混合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer is a mixture of an electron donating organic semiconductor and an electron accepting organic semiconductor. 前記電子供与性有機半導体が、チオフェン、フルオレン、カルバゾール、ジベンゾシロール、ジベンゾゲルモール、ベンゾジチオフェン、及びジケトピロロピロールから選ばれる複素環骨格基を少なくとも一部に有する単量体単位を含むπ電子共役重合体であることを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。   The electron-donating organic semiconductor includes a monomer unit having at least part of a heterocyclic skeleton group selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene, and diketopyrrolopyrrole. It is an electron conjugated polymer, The photoelectric conversion element of Claim 4 characterized by the above-mentioned. 前記電子受容性有機半導体が、フラーレン誘導体であることを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the electron-accepting organic semiconductor is a fullerene derivative. 正電極と光透過性を有する負電極との間に、有機半導体を含む光電変換層、及び前記光電変換層と前記負電極との間に、ハロゲン化ナトリウムを含むバッファ層を有し、前記光電変換層と前記正電極との間に正孔輸送層を有してもよい光電変換素子の製造方法であって、前記負電極上にハロゲン化ナトリウムを真空蒸着して前記バッファ層を形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。   A photoelectric conversion layer including an organic semiconductor between a positive electrode and a negative electrode having optical transparency; and a buffer layer including sodium halide between the photoelectric conversion layer and the negative electrode. A method of manufacturing a photoelectric conversion element that may have a hole transport layer between a conversion layer and the positive electrode, wherein the buffer layer is formed by vacuum-depositing sodium halide on the negative electrode. A method for producing a photoelectric conversion element.
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