JP2014241372A - Photoelectric conversion element and method for manufacturing the same - Google Patents

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城戸 淳二
Junji Kido
淳二 城戸
慎二 中井
Shinji Nakai
慎二 中井
剛 田崎
Takeshi Tazaki
剛 田崎
圭佑 榎本
Keisuke Enomoto
圭佑 榎本
明士 藤田
Akeshi Fujita
明士 藤田
中村 英慈
Eiji Nakamura
英慈 中村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having excellent light absorptivity and charge transportability and capable of exhibiting high photoelectric conversion efficiency without deteriorating current collection efficiency even when a film thickness of a photoelectric conversion layer is thickened so that enough light can be absorbed.SOLUTION: A photoelectric conversion element 10 comprises a photoelectric conversion layer 4 including an organic semiconductor between a positive electrode 2 and a negative electrode 5. An electrode of the positive electrode 2 or the negative electrode 5 has light permeability and a periodical concave-convex structure. The period of the periodical concave-convex structure is 200 to 300 nm. The height of a convex portion of the periodical concave-convex structure is 120 to 220 nm. The distance from an apex of the convex portion of the periodical concave-convex structure to the other facing electrode is 40 to 170 nm.

Description

本発明は、正電極及び負電極のいずれか一方の電極が光透過性で周期凹凸構造を有する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 one of a positive electrode and a negative electrode is light transmissive and has a periodic uneven structure, and a method for manufacturing the photoelectric conversion element.

近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池の普及が拡大している。太陽電池の種類には単結晶シリコン、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が、発電コストが高いことが問題である。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注目されている。   In recent years, the spread of solar cells as a clean energy source is expanding. Types of solar cells include silicon-based solar cells such as single crystal silicon and amorphous silicon, and inorganic compound-based thin-film solar cells such as GaAs, CIGS (copper / indium / gallium / selenium-containing compound) and CdTe. Is a problem. A factor of high cost is a process in which a semiconductor thin film must be manufactured under high vacuum and high temperature. Thus, attention has been paid to organic thin-film solar cells using organic semiconductors, which are expected to simplify the manufacturing process.

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 improvement in photoelectric conversion efficiency is required for practical use of the organic thin film solar cell.

光電変換素子は、光透過性を有する電極から入射した光エネルギーが光電活性層で吸収され、正孔と電子とが結合した励起子を生成する。光電変換層は通常、電子供与性化合物(電子供与性有機半導体)と電子受容性化合物(電子受容性有機半導体)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。発生した正孔は、正電極へ移動し、電子は負電極へ移動することにより外部へ電気エネルギーとして取り出すことができる。励起子の拡散距離は10nm程度しかないため、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体の界面に到達できない励起子は失活して、電気エネルギーとして取り出すことができない。そのため、光電変換層には電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体とがナノスケールで相分離したバルクヘテロ接合が盛んに検討されている。   In the photoelectric conversion element, light energy incident from a light-transmitting electrode is absorbed by the photoelectric active layer, and excitons in which holes and electrons are combined are generated. The photoelectric conversion layer is usually composed of a mixture of an electron-donating compound (electron-donating organic semiconductor) and an electron-accepting compound (electron-accepting organic semiconductor), and when excitons reach these interfaces, Due to the difference in LUMO energy and HOMO energy, holes and electrons are separated, and charges (holes and electrons) that can move independently are generated. The generated holes move to the positive electrode, and the electrons move to the negative electrode, so that they can be taken out as electric energy. Since the exciton diffusion distance is only about 10 nm, excitons that cannot reach the interface between the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor are deactivated and cannot be extracted as electric energy. Therefore, a bulk heterojunction in which an electron-donating organic semiconductor and an electron-accepting organic semiconductor are phase-separated on a nanoscale has been actively studied in the photoelectric conversion layer.

有機薄膜太陽電池の光電変換効率を向上させるには、光吸収能と電荷輸送能とに優れた光電変換層が必要である。光吸収能を向上させるために光電変換層の膜厚を厚くすると、電荷分離により生成した正孔と電子とを電極まで移動させる距離が長くなるため、電気抵抗が増大することや電荷が移動中に再結合することよって、高い光電変換効率が得られない。また、電荷の移動距離を短くするために光電変換層を薄くした場合には、入射した光を十分に吸収することができない。したがって、光吸収能と電荷輸送能の両方の特性を満足するのは難しく、光電変換層は通常100nm程度の膜厚である。   In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the organic thin film solar cell, a photoelectric conversion layer excellent in light absorption ability and charge transport ability is necessary. Increasing the film thickness of the photoelectric conversion layer to improve the light absorption capability increases the distance that the holes and electrons generated by charge separation move to the electrode, increasing the electrical resistance and moving the charge. High photoelectric conversion efficiency cannot be obtained by recombination. In addition, when the photoelectric conversion layer is thinned in order to shorten the charge movement distance, the incident light cannot be sufficiently absorbed. Therefore, it is difficult to satisfy both characteristics of light absorption ability and charge transport ability, and the photoelectric conversion layer has a thickness of about 100 nm.

電荷輸送性能を高めるために、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体とが相互に陥入した秩序構造の光電変換層を有する光電変換素子が提案されている(特許文献1)。無秩序な混合系であるバルクヘテロ接合構造に比べて、規則性の電荷輸送経路が形成されるため電荷輸送能が高くなるが、吸収した光を効果的に電荷分離させるには、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体の相分離サイズを励起子拡散長の10nm程度まで小さくする必要がある。しかし、特許文献1に示されている製造方法では、形成する相分離のサイズに限界があり、理想とする10nm程度のサイズに形成することは困難であるため、期待した効果を発揮できない。   In order to improve charge transport performance, a photoelectric conversion element having an ordered structure photoelectric conversion layer in which an electron-donating organic semiconductor and an electron-accepting organic semiconductor are mutually intruded has been proposed (Patent Document 1). Compared with a bulk heterojunction structure, which is a disordered mixed system, the charge transport ability is enhanced because a regular charge transport path is formed. However, in order to effectively separate the absorbed light, an electron-donating organic semiconductor Therefore, it is necessary to reduce the phase separation size of the electron-accepting organic semiconductor to an exciton diffusion length of about 10 nm. However, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, there is a limit to the size of phase separation to be formed, and it is difficult to form an ideal size of about 10 nm, and thus the expected effect cannot be exhibited.

一方、微細な凹凸構造を有する電極を用いることで、電荷の集電効率を高める方法が提案されている。例えば、対向する突起体の電極が光電変換層において互いの間に挿入されるように配置される構造が開示されている(特許文献2)。このような正電極と負電極の両方が微細な凹凸構造を有する構造を形成できれば、正孔も電子も移動距離は短くなり、集電効率は向上するが、示されている製造方法は実用性に乏しく、実用化は困難である。また、透明なナノ構造体電極を有する光電変換素子が開示されている(特許文献3)。平板電極上にナノ構造体を形成する方法としては、種結晶が形成され平板電極に原料イオンを含む溶液からナノ構造体を成長させる方法が示されている。このような方法により得られたナノ構造体電極は針状で規則性のないナノロッド構造であるため、光電変換層や正孔輸送層又は電子輸送層などのバッファ層をナノ構造体電極上に緻密に形成することが困難である。そのため、光電変換層から電極へ電荷を取り出す際のエネルギー損失が大きくなり、高い光電変換効率が得られない。   On the other hand, there has been proposed a method for increasing the charge collection efficiency by using an electrode having a fine uneven structure. For example, a structure is disclosed in which electrodes of opposing protrusions are arranged so as to be inserted between each other in a photoelectric conversion layer (Patent Document 2). If both the positive electrode and the negative electrode can form a structure with a fine concavo-convex structure, the distance traveled by both holes and electrons will be shortened and the current collection efficiency will be improved, but the manufacturing method shown is practical. Therefore, practical application is difficult. In addition, a photoelectric conversion element having a transparent nanostructure electrode is disclosed (Patent Document 3). As a method for forming a nanostructure on a plate electrode, a method is shown in which a seed crystal is formed and the nanostructure is grown from a solution containing raw material ions on the plate electrode. Since the nanostructure electrode obtained by such a method has a needle-like and non-regular nanorod structure, a buffer layer such as a photoelectric conversion layer, a hole transport layer, or an electron transport layer is densely formed on the nanostructure electrode. It is difficult to form. Therefore, the energy loss at the time of taking out an electric charge from a photoelectric converting layer to an electrode becomes large, and high photoelectric conversion efficiency cannot be obtained.

WO2012−002463号公報WO2012-002463 Publication 特開2008−218702号公報JP 2008-218702 A 特開2012−195512号公報JP 2012-195512 A

このように、光電変換層又は電極に微細な凹凸構造を有する光電変換素子はいくつか知られているものの、実用性に乏しく、また、光電変換効率の向上についても依然として課題を抱えていた。しかして本発明は、十分な光を吸収できるように光電変換層の膜厚を厚くしても、集電効率が低下せず、光吸収能及び電荷輸送能の両方に優れ、高い光電変換効率を発現する光電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   As described above, although several photoelectric conversion elements having a fine concavo-convex structure in the photoelectric conversion layer or electrode are known, the practicality is poor, and there are still problems in improving the photoelectric conversion efficiency. Therefore, the present invention does not decrease the current collection efficiency even if the film thickness of the photoelectric conversion layer is increased so that sufficient light can be absorbed, and has both excellent light absorption ability and charge transport ability, and high photoelectric conversion efficiency. It aims at providing the photoelectric conversion element which expresses, and its manufacturing method.

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、十分な光を吸収できるように光電変換層の膜厚を厚くしても、電荷の移動距離が短くなるように微細凹凸パターンを設計することにより、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 found that fine irregularities are formed so that the charge transfer distance is shortened even if the film thickness of the photoelectric conversion layer is increased so that sufficient light can be absorbed. It has been found that high photoelectric conversion efficiency can be obtained by designing the pattern.

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、前記正電極及び前記負電極のいずれか一方の電極が光透過性で周期凹凸構造を有し、前記周期凹凸構造の周期が200〜300nmであり、前記周期凹凸構造の凸部高さが120〜220nmであり、前記周期凹凸構造の凸部頂点から対向する他方の電極までの距離が40〜170nmであ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. And either one of the positive electrode and the negative electrode is light transmissive and has a periodic concavo-convex structure, the period of the periodic concavo-convex structure is 200 to 300 nm, and the convex part height of the periodic concavo-convex structure Is 120 to 220 nm, and the distance from the top of the convex portion of the periodic concavo-convex structure to the opposite electrode is 40 to 170 nm.

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、前記周期凹凸構造の凸部占有率が5〜30体積%であることを特徴とする。   Similarly, the photoelectric conversion element according to claim 2 is the photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the convex portion occupation ratio of the periodic uneven structure is 5 to 30% by volume.

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、前記周期凹凸構造の凸部形状が円柱乃至円錐台であり、その上辺直径が30〜150nm及び底辺直径が50〜300nmで、前記上辺直径が前記底辺直径を超えないことを特徴とする。   The photoelectric conversion device according to claim 3 is the photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the convex shape of the periodic concavo-convex structure is a cylinder or a truncated cone, and the upper side diameter is 30 to 150 nm and the bottom side The diameter is 50 to 300 nm, and the upper side diameter does not exceed the bottom side diameter.

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、前記周期凹凸構造を有する電極が、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 fourth aspect is the photoelectric conversion element according to any one of the first to third aspects, wherein the electrode having the periodic concavo-convex structure is indium tin oxide.

請求項5に記載の光電変換素子は、請求項1〜4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 5 is the one described in any one of claims 1 to 4, 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6に記載の光電変換素子は、請求項5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電子共役重合体であることを特徴とする。   A photoelectric conversion device according to claim 6 is the photoelectric conversion device according to claim 5, wherein the electron-donating organic semiconductor is thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene, and diketo. It is a π-electron conjugated polymer containing a monomer unit having at least one heterocyclic skeleton selected from pyrrolopyrrole.

請求項7に記載の光電変換素子は、請求項5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 seventh aspect is the photoelectric conversion element according to the fifth aspect, wherein the electron-accepting organic semiconductor is a fullerene derivative.

請求項8に記載の光電変換素子は、請求項1〜7のいずれか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。   The photoelectric conversion element according to claim 8 is the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, wherein the hole transport material includes a hole transport material between the photoelectric conversion layer and the positive electrode. It has a layer.

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9に記載の光電変換素子の製造方法は、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、正孔輸送層を有する光電変換素子の製造方法であって、周期凹凸構造を有する前記正電極の表面上に、溶解させた正孔輸送材料を塗布し、前記正孔輸送層を形成することを特徴とする。   The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 9, which has been made to achieve the above object, includes a photoelectric conversion layer containing an organic semiconductor between a positive electrode and a negative electrode. A method for manufacturing a photoelectric conversion element having a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the positive electrode, wherein the hole transport is dissolved on the surface of the positive electrode having a periodic uneven structure. A material is applied to form the hole transport layer.

本発明の光電変換素子は、正電極と負電極との少なくとも一方が光透過性で周期凹凸構造を有しており、十分な光を吸収できるように光電変換層の膜厚を厚くしても、集電効率が低下しないため、優れた光電変換効率を示すことができる。   In the photoelectric conversion element of the present invention, at least one of the positive electrode and the negative electrode is light transmissive and has a periodic uneven structure, and even if the film thickness of the photoelectric conversion layer is increased so that sufficient light can be absorbed. Since the current collection efficiency does not decrease, excellent photoelectric conversion efficiency can be exhibited.

本発明の光電変換素子の製造方法によれば、周期凹凸構造に緻密な正孔輸送層を形成することができるため、電極と光電変換層との間で生じるエネルギー損失を抑えられ、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。   According to the method for producing a photoelectric conversion element of the present invention, since a dense hole transport layer can be formed in a periodic concavo-convex structure, energy loss generated between the electrode and the photoelectric conversion layer can be suppressed, and high photoelectric conversion can be achieved. A photoelectric conversion element having efficiency can be provided.

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、光電変換層における間隙部及び上残膜を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the gap | interval part and upper remaining film in a photoelectric converting layer of the photoelectric conversion element to which this invention is applied. 本発明を適用する実施例1における光電変換素子の断面の、走査透過型電子顕微鏡写真である。It is a scanning transmission electron micrograph of the cross section of the photoelectric conversion element in Example 1 which applies this invention. 本発明を適用する実施例2における光電変換素子の断面の、走査透過型電子顕微鏡写真である。It is a scanning transmission electron micrograph of the cross section of the photoelectric conversion element in Example 2 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2及び負電極5の間に光電変換層4を有するものである。この一例では、正電極2が光透過性で周期凹凸構造を有している。正電極2と光電変換層4の間に存在する層は、任意の層である正孔輸送層3である。   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 has a photoelectric conversion layer 4 between a pair of positive electrode 2 and negative electrode 5. In this example, the positive electrode 2 is light transmissive and has a periodic uneven structure. The layer existing between the positive electrode 2 and the photoelectric conversion layer 4 is a hole transport layer 3 which is an arbitrary layer.

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。基板1は正電極2側にあってもよく、負電極5側にあってもよい。   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. The substrate 1 may be on the positive electrode 2 side or on the negative electrode 5 side.

本発明の光電変換素子は、正電極及び負電極のうちいずれか一方の電極が光透過性を有し、且つ周期凹凸構造を有することを特徴とする。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が用いられ、中でもITO、FTO、IZO、GZO、AZOなどが好ましい。   The photoelectric conversion element of the present invention is characterized in that either one of the positive electrode and the negative electrode has light transmittance and has a periodic uneven structure. Examples of the transparent or translucent electrode material having optical transparency include a conductive metal oxide 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 films are used, especially ITO, FTO, IZO, GZO, AZO and the like are preferable.

周期凹凸構造を有さない他方の電極は、光透過性を有してもよく、有さなくてもよい。光透過性を有さない電極材料としては、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又はそれらの合金などが挙げられる。   The other electrode that does not have the periodic uneven structure may or may not have optical transparency. As an electrode material that does not have optical transparency, a known metal, a conductive polymer, or the like can be used. For example, metals such as platinum, gold, silver, aluminum, chromium, nickel, copper, titanium, magnesium, calcium, barium, sodium, or alloys thereof can be used.

本明細書において「周期凹凸構造」とは、凸部と凹部の規則的な繰り返し構造を意味する。例えば、円柱形状の凸部が同間隔で配置している構造や、凸部と凹部がラインアンドスペースの形態で配置している構造を意味する。   In this specification, the “periodic concavo-convex structure” means a regular repeating structure of convex portions and concave portions. For example, it means a structure in which cylindrical convex portions are arranged at the same interval, or a structure in which convex portions and concave portions are arranged in a line-and-space form.

本発明の光電変換素子において、正電極2と負電極5との間に存在する光電変換層4は、一方の電極が有する周期凹凸構造の間隙部分に充填された間隙部6と、凸部頂点から対向する他方の電極の間に挟まれた部分(以下、上残膜と称する)からなる。当該模式図を図2に示す。図2に示すとおり、間隙部6と上残膜7を合計した体積が、光電変換層4の体積となり、これにより光電変換層4が吸収する光の量が決まる。このような形状を選択することにより、平板電極上に形成した厚み100nmの光電変換層よりも単位面積あたりの光電変換層の体積が大きくなり、十分な光を吸収することができる。そのため、反射により利用することができない光エネルギーが減少し、光電変換素子の光利用効率が高められる。また、本発明の光電変換素子10は周期凹凸構造を有する電極に集電する方の電荷(図1の例では正孔)の移動距離が短いため、光電変換層の体積を大きくしても、電気抵抗が増大することや電荷が移動中に再結合することが抑えられ、高い集電効率が得られる。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion layer 4 existing between the positive electrode 2 and the negative electrode 5 includes a gap portion 6 filled in a gap portion of a periodic concavo-convex structure of one electrode, and a convex vertex. To the other electrode facing each other (hereinafter referred to as the upper remaining film). The schematic diagram is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the total volume of the gap 6 and the upper remaining film 7 becomes the volume of the photoelectric conversion layer 4, and this determines the amount of light absorbed by the photoelectric conversion layer 4. By selecting such a shape, the volume of the photoelectric conversion layer per unit area becomes larger than that of the 100 nm-thick photoelectric conversion layer formed on the plate electrode, and sufficient light can be absorbed. Therefore, light energy that cannot be used due to reflection is reduced, and the light use efficiency of the photoelectric conversion element is increased. In addition, since the photoelectric conversion element 10 of the present invention has a short moving distance of charges (holes in the example of FIG. 1) that collect current on the electrode having a periodic concavo-convex structure, even if the volume of the photoelectric conversion layer is increased, Increase in electric resistance and recombination of charges during movement can be suppressed, and high current collection efficiency can be obtained.

電荷の移動距離は、簡易的に次の方法により算出することができる。光電変換層を体積が等しい個数10000以上の立方体形状の要素に分割し、各要素の中心から電極表面までの最短距離を計算する。全ての要素でも同様に最短距離を計算し、平均値をとることで電荷の平均移動距離を算出することができる。従来の平板電極上に厚み100nmの光電変換層が形成された光電変換素子の場合、電荷の平均移動距離は正孔も電子も50nmとなる。光電変換素子が十分に光を吸収するには、光電変換層は200〜350nmの膜厚を必要とし、正孔と電子の平均移動距離は100〜175nmとなる。平板電極を用いた場合では、光電変換層の膜厚を厚くした分だけ電荷の平均移動距離が長くなるが、周期凹凸構造を有する電極を用いることで、平均移動距離を短くすることができる。   The movement distance of the charge can be simply calculated by the following method. The photoelectric conversion layer is divided into cube-shaped elements having an equal volume of 10,000 or more, and the shortest distance from the center of each element to the electrode surface is calculated. For all the elements, the shortest distance is calculated in the same manner, and the average moving distance can be calculated by taking the average value. In the case of a photoelectric conversion element in which a photoelectric conversion layer having a thickness of 100 nm is formed on a conventional flat plate electrode, the average moving distance of charges is 50 nm for both holes and electrons. In order for the photoelectric conversion element to absorb light sufficiently, the photoelectric conversion layer needs a film thickness of 200 to 350 nm, and the average distance between holes and electrons is 100 to 175 nm. In the case of using a flat plate electrode, the average moving distance of electric charges is increased by the increase in the film thickness of the photoelectric conversion layer, but the average moving distance can be shortened by using an electrode having a periodic uneven structure.

周期凹凸構造の周期Lは200〜300nmであることが必要である。周期Lが小さいと凸部占有率が大きくなるため、間隙部分に充填される光電変換層4の体積が小さくなり、十分な光を吸収するには上残膜7を厚くする必要がある。この場合、電荷の平均移動距離が長くなり、高い集電効率が得られない。周期Lが大きいと間隙部分に充填された光電変換層4で生成した電荷の平均移動距離が長くなり、高い集電効率が得られない。   The period L of the periodic concavo-convex structure needs to be 200 to 300 nm. If the period L is small, the occupancy ratio of the convex portion is increased. Therefore, the volume of the photoelectric conversion layer 4 filled in the gap portion is reduced, and the upper remaining film 7 needs to be thickened to absorb sufficient light. In this case, the average moving distance of electric charges becomes long, and high current collection efficiency cannot be obtained. When the period L is large, the average movement distance of the charges generated in the photoelectric conversion layer 4 filled in the gap portion becomes long, and high current collection efficiency cannot be obtained.

周期凹凸構造の凸部高さは120nm〜220nmであることが必要である。凸部高さが低いと間隙部分に充填される光電変換層4の体積が小さくなり、十分な光を吸収するには上残膜7を厚くする必要がある。この場合、電荷の平均移動距離が長くなり、高い集電効率が得られない。凸部高さを220nmよりも高くすると、周期凹凸構造を有する電極と対向する電極(図1の例では負電極)に集電する電荷の平均移動距離が長くなるため、集電効果が小さくなる。   The convex height of the periodic concavo-convex structure needs to be 120 nm to 220 nm. When the height of the convex portion is low, the volume of the photoelectric conversion layer 4 filled in the gap portion becomes small, and the upper remaining film 7 needs to be thick in order to absorb sufficient light. In this case, the average moving distance of electric charges becomes long, and high current collection efficiency cannot be obtained. When the height of the convex portion is higher than 220 nm, the average moving distance of the electric charge collected to the electrode (negative electrode in the example of FIG. 1) facing the electrode having the periodic concavo-convex structure is increased, and thus the current collection effect is reduced. .

周期凹凸構造の凸部頂点から対向する電極までの距離は40〜170nmであることが必要であり、70〜160nmであることが好ましい。距離が40nmよりも小さいと上残膜7の厚みが薄いことで両方の電極が接触しやすくなり、電気的に短絡して光電変換素子として動作させることが難しい。距離が170nmより大きいと電荷の平均移動距離が長くなり、高い集電効率が得られない。   The distance from the apex of the convex portion of the periodic concavo-convex structure to the opposing electrode needs to be 40 to 170 nm, and preferably 70 to 160 nm. If the distance is less than 40 nm, the upper remaining film 7 is thin, and both electrodes are likely to come into contact with each other. It is difficult to electrically short-circuit and operate as a photoelectric conversion element. If the distance is larger than 170 nm, the average moving distance of the charge becomes long, and high current collection efficiency cannot be obtained.

周期凹凸構造の凸部占有率は5〜30体積%が好ましく、15〜30体積%がより好ましい。ここで、「凸部占有率」とは、光電変換層の間隙部6に対する周期凹凸構造(正電極の凸部8)の占有率を指す。凸部占有率が5体積%より小さいと周期凹凸構造を有する電極の電気抵抗が大きくなり、集電効率が低下する場合がある。また、凸部占有率が30体積%よりも大きいと、間隙部分に充填される光電変換層の体積が小さくなり、十分な光を吸収するには上残膜を厚くする必要があるため、電荷の平均移動距離が長くなり、集電効率が低下する場合がある。   5-30 volume% is preferable and, as for the convex part occupation rate of a periodic uneven structure, 15-30 volume% is more preferable. Here, the “projection occupancy ratio” refers to the occupancy ratio of the periodic concavo-convex structure (positive electrode protrusion 8) with respect to the gap 6 of the photoelectric conversion layer. When the convex portion occupancy is smaller than 5% by volume, the electric resistance of the electrode having the periodic concavo-convex structure is increased, and the current collection efficiency may be lowered. Further, if the convex portion occupancy is larger than 30% by volume, the volume of the photoelectric conversion layer filled in the gap portion becomes small, and the upper residual film needs to be thickened to absorb sufficient light. In some cases, the average travel distance becomes longer and the current collection efficiency decreases.

本発明の光電変換素子は、周期凹凸構造の凸部形状が円柱乃至円錐台であることが好ましく、その上辺直径が30〜150nmであり、底辺直径が50〜300nmであることがより好ましい。但し、上辺直径は底辺直径以下である。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the convex shape of the periodic concavo-convex structure is preferably a cylinder or a truncated cone, and the upper side diameter is preferably 30 to 150 nm, and the bottom side diameter is more preferably 50 to 300 nm. However, the upper side diameter is equal to or smaller than the bottom side diameter.

該凸部形状が円柱形状である場合、円柱の直径としては30〜150nmの範囲が好ましく、70〜110nmの範囲がより好ましい。直径が30nmよりも小さい場合、光電変換層や正孔輸送層又は電子輸送層などのバッファ層を、周期凹凸構造を有する電極上に緻密に形成することが困難であり、光電変換層から電極へ電荷を取り出す際のエネルギー損失が大きくなり、高い集電効率が得られない。直径が150nmよりも大きい場合、周期の範囲が200〜300nmの範囲であるため、凸部占有率が大きくなり、光電変換層が十分な光を吸収するためには、上残膜を厚くする必要がある。この場合、電荷の平均移動距離が長くなり、高い集電効率が得られない。   When the convex shape is a columnar shape, the diameter of the column is preferably in the range of 30 to 150 nm, more preferably in the range of 70 to 110 nm. When the diameter is smaller than 30 nm, it is difficult to densely form a buffer layer such as a photoelectric conversion layer, a hole transport layer, or an electron transport layer on an electrode having a periodic concavo-convex structure, and from the photoelectric conversion layer to the electrode Energy loss at the time of taking out electric charge becomes large, and high current collection efficiency cannot be obtained. When the diameter is larger than 150 nm, the period is in the range of 200 to 300 nm, so that the convex portion occupancy increases and the photoelectric conversion layer needs to thicken the upper remaining film in order to absorb sufficient light. There is. In this case, the average moving distance of electric charges becomes long, and high current collection efficiency cannot be obtained.

該凸部形状が円錐台である場合、円錐台の上辺直径としては30〜150nmの範囲が好ましく、40〜100nmの範囲がより好ましい。また、底辺直径としては50〜300nmの範囲が好ましく、150〜300nmの範囲がより好ましい。   When the convex shape is a truncated cone, the upper side diameter of the truncated cone is preferably in the range of 30 to 150 nm, and more preferably in the range of 40 to 100 nm. Moreover, as a base diameter, the range of 50-300 nm is preferable, and the range of 150-300 nm is more preferable.

本発明の光電変換素子10は、周期凹凸構造を有する電極が、インジウム・スズ・オキサイドであることが好ましい。インジウム・スズ・オキサイドは光透過性が高く、また電気抵抗が小さいために、周期凹凸構造を有する電極の部分でエネルギーの損失を小さくすることができる。   In the photoelectric conversion element 10 of the present invention, the electrode having a periodic concavo-convex structure is preferably indium tin oxide. Since indium tin oxide has high optical transparency and low electrical resistance, energy loss can be reduced at the electrode portion having the periodic concavo-convex structure.

本発明の光電変換素子10は、正電極2と負電極5との間に有機半導体を含む光電変換層4を有する。光電変換層4は、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からなるものが好ましく、本発明においては、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体とのバルクヘテロ接合構造が形成されたものであることが好ましい。   The photoelectric conversion element 10 of the present invention has a photoelectric conversion layer 4 containing an organic semiconductor between a positive electrode 2 and a negative electrode 5. The photoelectric conversion layer 4 is preferably composed of a mixture of an electron donating organic semiconductor and an electron accepting organic semiconductor. In the present invention, a bulk heterojunction structure of an electron donating organic semiconductor and an electron accepting organic semiconductor is formed. It is preferable that

光電変換層4に用いる電子供与性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、例えば、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、ベンゾジチオフェン、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。これらの中でも電子供与性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 electron donating 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 high molecular compound, a monomer having at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene, diketopyrrolopyrrole and derivatives thereof as part of the chemical structure And a π-electron conjugated polymer containing a body unit. 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 electron-donating 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. A π-electron conjugated polymer is more preferable.

光電変換層4に用いる電子受容性有機半導体は、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。電子受容性有機半導体として、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 electron-accepting organic semiconductor used for the photoelectric conversion layer 4 will not be specifically limited if it is an organic material which has electron-accepting property. Examples of the electron-accepting organic semiconductor include 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic 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 1,3,4-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 derivatives, carbon nanotubes, poly -p- phenylene vinylene-based polymer cyano group to Off to derivatives (CN-PPV) and the like. 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.

前記電子受容性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 electron-accepting 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] Phenyl 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.

本発明の光電変換素子は、周期凹凸構造を有する電極に集電する方の電荷(図1の例では正孔)の移動距離に比べ、対抗する電極に集電する方の電荷(図1の例では電子)の移動距離は長くなる。光電変換層に用いる電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体との電荷移動度が小さい方の電荷を集電する側に、周期凹凸構造を有する電極を用いることが効果的である。例えば、電子供与性有機半導体のポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイルと電子受容性有機半導体の[6,6]−フェニル C61 ブチリックアシッドメチルエステルとの電荷移動度は、それぞれ0.006cm/Vs及び0.02cm/VsであることがWO2012−101241に開示されており、この2つの材料からなるバルクヘテロ接合構造層を光電変換層に用いる場合、正孔を集電する方すなわち正電極を、周期凹凸構造を有する電極とすることが好ましい。 The photoelectric conversion element of the present invention has a charge that is collected on the counter electrode (in FIG. 1) as compared to the movement distance of the charge (hole in the example of FIG. 1) that is collected on the electrode having the periodic uneven structure. In the example, the movement distance of electrons) becomes longer. It is effective to use an electrode having a periodic concavo-convex structure on the side of collecting charges having a smaller charge mobility between the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor used in the photoelectric conversion layer. For example, the charge mobility of poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl as an electron-donating organic semiconductor and [6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester as an electron-accepting organic semiconductor is 0, respectively. It is disclosed in WO2012-101241 that it is 0.006 cm 2 / Vs and 0.02 cm 2 / Vs, and when using a bulk heterojunction structure layer made of these two materials for a photoelectric conversion layer, a method of collecting holes That is, the positive electrode is preferably an electrode having a periodic uneven structure.

光電変換層4の膜厚は、特に限定されるものではないが、周期凹凸構造のない電極(フラット電極)を用いた場合に換算して、200〜350nmであることが好ましく、240〜300nmであることがより好ましい。膜厚がこの範囲内であると、周期凹凸構造を有する電極の効果を最も発揮することができ、光電変換効率が向上しやすい。膜厚がこれより大きい場合には、周期凹凸構造を有する電極を使用したとしても、電荷の移動距離が大きくなるため、電気抵抗が増大し、本発明の効果が得られない場合がある。   The film thickness of the photoelectric conversion layer 4 is not particularly limited, but is preferably 200 to 350 nm when converted to an electrode having no periodic concavo-convex structure (flat electrode), and preferably 240 to 300 nm. More preferably. When the film thickness is within this range, the effect of the electrode having a periodic concavo-convex structure can be most exhibited, and the photoelectric conversion efficiency is easily improved. If the film thickness is larger than this, even if an electrode having a periodic concavo-convex structure is used, the distance of charge movement increases, so that the electrical resistance increases and the effects of the present invention may not be obtained.

本発明の光電変換素子10は、光電変換層4と正電極2との間に、正孔輸送層3を有していてもよい。正孔輸送層3は正孔輸送性材料からなり、光電変換層4で発生した正孔を正電極2側に効率的に取り出すバッファ層として機能を有する。正孔輸送層3を挿入することにより、光電変換層中の電子供与性材料のHOMO準位と正電極のフェルミ準位(仕事関数)との間のエネルギー障壁が低減されることで、正電極2に移動する正孔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、より優れた光電変換効率を発揮できる。   The photoelectric conversion element 10 of the present invention may have a hole transport layer 3 between the photoelectric conversion layer 4 and the positive electrode 2. The hole transport layer 3 is made of a hole transport material, and functions as a buffer layer that efficiently extracts holes generated in the photoelectric conversion layer 4 to the positive electrode 2 side. By inserting the hole transport layer 3, the energy barrier between the HOMO level of the electron donating material in the photoelectric conversion layer and the Fermi level (work function) of the positive electrode is reduced, so that the positive electrode 2 has the effect of reducing the electrical resistance of the holes moving to 2. Thereby, the photoelectric conversion element 10 can exhibit more excellent photoelectric conversion efficiency.

正孔輸送層3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3は1nmから30nmの厚みが好ましく、5nmから20nmの厚みがより好ましい。また、正孔輸送層3を、周期凹凸構造を有する電極の表面上に形成する場合には、周期凹凸構造の表面に均一な厚みで形成され、同様に周期凹凸構造を有する層となっていることが好ましい。 The material for forming the hole transport layer 3 is not particularly limited as long as it has p-type semiconductor characteristics, but 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 3 is preferably 1 nm to 30 nm, and more preferably 5 nm to 20 nm. When the hole transport layer 3 is formed on the surface of the electrode having the periodic uneven structure, the hole transport layer 3 is formed with a uniform thickness on the surface of the periodic uneven structure, and similarly has a layer having the periodic uneven structure. It is preferable.

周期凹凸構造を有する電極が負電極である場合には、周期凹凸構造を有する負電極と光電変換層との間には、電子輸送材料からなる電子輸送層が形成されていることが好ましい。電子輸送層を形成する材料としては、フッ化ナトリウムやフッ化セシウムなどのアルカリ金属ハロゲン化物、フッ化カルシウムなどのアルカリ土類金属ハロゲン化合物、炭酸セシウムなどの炭酸塩、酸化チタンや酸化亜鉛などの無機系n型半導体を挙げることができる。電子輸送層は0.5nm〜30nmの厚さが好ましく、2〜20nmがより好ましい。   When the electrode having the periodic uneven structure is a negative electrode, it is preferable that an electron transport layer made of an electron transport material is formed between the negative electrode having the periodic uneven structure and the photoelectric conversion layer. Materials for forming the electron transport layer include alkali metal halides such as sodium fluoride and cesium fluoride, alkaline earth metal halogen compounds such as calcium fluoride, carbonates such as cesium carbonate, titanium oxide and zinc oxide. An inorganic n-type semiconductor can be mentioned. The thickness of the electron transport layer is preferably 0.5 nm to 30 nm, and more preferably 2 to 20 nm.

本発明の光電変換素子の製造方法について説明する。周期凹凸構造を有する電極を製造する方法は特に限定されず、ポリスチレンなどの熱可塑性樹脂により平板電極上に設けられた周期パターンマスクの開口部分をエッチングする方法を用いることができる。マスクの形状により周期凹凸構造の周期を変えることができる。また、エッチング時間の制御により、周期凹凸構造の凸部高さを変えることができる。熱可塑性樹脂は酸素プラズマ処理やスパッタ処理により除去することが可能である。   The manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated. A method for manufacturing an electrode having a periodic concavo-convex structure is not particularly limited, and a method of etching an opening portion of a periodic pattern mask provided on a flat plate electrode with a thermoplastic resin such as polystyrene can be used. The period of the periodic concavo-convex structure can be changed according to the shape of the mask. Further, the height of the convex portion of the periodic concavo-convex structure can be changed by controlling the etching time. The thermoplastic resin can be removed by oxygen plasma treatment or sputtering treatment.

周期凹凸構造を有する電極を製造する方法の一例として、ナノインプリント法について詳しく述べる。まずインジウム・スズ・オキシドなどの光透過性の平板電極基板の表面に厚み約200nmのポリスチレン薄膜を形成する。次に、微細パターン形状を有するシリコン製のモールドを用いたナノインプリント処理により、インジウム・スズ・オキシドの表面に、ポリスチレンからなる高さ約200nmの円柱状ピラーを形成する。次に酸素プラズマ処理により、凹部に残存するポリスチレン層を除去し、高さ約170nmの円柱状ピラー(以下ナノマスクと称する)を形成する。得られた基板をハロゲンガスなどの反応性気体中に導入し、インジウム・スズ・オキシド上のナノマスク開口部をドライエッチング処理し、次いで、インジウム・スズ・オキシドの上に残存しているナノマスクを酸素プラズマ処理により除去することで周期凹凸構造を有するインジウム・スズ・オキシドを製造する。   A nanoimprint method will be described in detail as an example of a method for manufacturing an electrode having a periodic uneven structure. First, a polystyrene thin film having a thickness of about 200 nm is formed on the surface of a light transmissive flat electrode substrate made of indium, tin, oxide or the like. Next, a columnar pillar made of polystyrene having a height of about 200 nm is formed on the surface of indium tin oxide by nanoimprinting using a silicon mold having a fine pattern shape. Next, the polystyrene layer remaining in the recesses is removed by oxygen plasma treatment to form a cylindrical pillar (hereinafter referred to as a nanomask) having a height of about 170 nm. The obtained substrate is introduced into a reactive gas such as a halogen gas, the nanomask opening on the indium tin oxide is dry-etched, and then the nanomask remaining on the indium tin oxide is oxygenated. By removing by plasma treatment, indium tin oxide having a periodic concavo-convex structure is produced.

光電変換層4は、前記電子供与性有機半導体及び電子受容性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、周期凹凸構造を有する電極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 is manufactured by dissolving the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor in a solvent, forming an organic semiconductor composition solution, and applying the solution onto an electrode having a periodic uneven structure. be able to. 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.

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。周期凹凸構造の間隙部分の底部は溶媒が揮発しにくいため、電子供与性有機半導体と電子受容性有機半導体の溶解度の差が大きいと、溶解度の大きい方が乾燥過程で間隙部分の底部に偏析しやすい。そのため、電子供与性有機半導体及び電子受容性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、電子供与性有機半導体及び電子受容性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 alone or in combination of two or more. Since the solvent hardly evaporates at the bottom of the gaps in the periodic uneven structure, if the difference in solubility between the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor is large, the higher solubility segregates at the bottom of the gap in the drying process. Cheap. Therefore, o-dichlorobenzene, chlorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, chloroform and mixtures thereof having high solubility for each of the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor are preferable. More preferably, o-dichlorobenzene, chlorobenzene, and a mixture thereof having the highest solubility for each of the electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting 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電子供与性有機半導体及び電子受容性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を製膜する過程において、電子供与性有機半導体及び電子受容性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 electron-donating organic semiconductor and the electron-accepting organic semiconductor. In the process of forming a photoelectric conversion layer by containing a high-boiling compound, a fine and continuous phase separation structure of an electron-donating organic semiconductor and an electron-accepting organic semiconductor is formed, so that photoelectric conversion is excellent in photoelectric conversion efficiency. The layer 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. . Among these, from the viewpoint of obtaining a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency, octanedithiol, dibromooctane, diiodooctane, 1- or 2-chloronaphthalene is preferably used.

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、電子供与性有機半導体と電子受容性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 performing the annealing treatment, the crystallinity of the material of the photoelectric conversion layer 4 and the phase separation structure between the electron donating organic semiconductor and the electron accepting 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。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。   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. 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.

本発明の光電変換素子が正孔輸送層を有する場合には、当該正孔輸送層は、前記正孔輸送材料を溶媒に溶解させ、塗布により形成することが好ましい。塗布方法としては、前記の光電変換層の製膜方法で述べた塗布方法のいずれをも採用することができる。ただし、正電極が周期凹凸構造を有する電極である場合には、濃度が低すぎると、周期凹凸構造を有する電極を均一に被覆することが難しく、濃度が高すぎると、周期凹凸構造の間隙部分を埋めてしまい、光電変換層を充填できなくなるため、適切な濃度で塗布することが好ましい。具体的には、正孔輸送材料の濃度が0.05〜1.0重量%が好ましく、より好ましくは0.1〜0.5重量%である。また、溶媒としては、周期凹凸構造を有する電極の濡れ性に応じて、炭素数1〜10の脂肪族アルコール、水及びこれらの混合溶媒などを使用することができる。これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよいが、周期凹凸構造を有する電極の表面との濡れ性の観点で、水と1−プロパノールとの混合溶媒が好ましい。   When the photoelectric conversion element of the present invention has a hole transport layer, the hole transport layer is preferably formed by dissolving the hole transport material in a solvent and applying it. As the coating method, any of the coating methods described in the method for forming a photoelectric conversion layer can be employed. However, when the positive electrode is an electrode having a periodic concavo-convex structure, if the concentration is too low, it is difficult to uniformly cover the electrode having the periodic concavo-convex structure, and if the concentration is too high, It is preferable to apply at a suitable concentration because the photoelectric conversion layer cannot be filled. Specifically, the concentration of the hole transport material is preferably 0.05 to 1.0% by weight, more preferably 0.1 to 0.5% by weight. Moreover, as a solvent, a C1-C10 aliphatic alcohol, water, these mixed solvents, etc. can be used according to the wettability of the electrode which has a periodic uneven structure. These solvents may be used singly or in combination of two or more. From the viewpoint of wettability with the surface of the electrode having a periodic concavo-convex structure, a mixed solvent of water and 1-propanol is used. preferable.

また、本発明の光電変換素子が電子輸送層を有する場合には、電子輸送層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、塗布法などを用いて形成することができる。   Moreover, when the photoelectric conversion element of this invention has an electron carrying layer, the formation method of an electron carrying layer is not specifically limited, It can form using a vacuum evaporation method, sputtering method, the apply | coating method, etc.

周期凹凸構造を有する電極と対向する電極を形成する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。   A method for forming the electrode facing the electrode having the periodic uneven structure is not particularly limited, and a vacuum deposition method, a sputtering method, a coating method, or the like can be used.

本発明の、光透過性で周期凹凸構造が形成された電極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 having an electrode having a light-transmitting and periodic concavo-convex structure is excellent in photoelectric conversion efficiency, and can be applied to various photosensors 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.

[光電変換素子の断面の画像評価]
周期凹凸構造を有する電極を用いた光電変換素子の断面を以下の方法で観察した。光電変換素子の断面方向の薄膜切片を液体窒素で−100℃以下に冷却しながら集束イオンビーム法(日立ハイテクノロジー社製:FB−2000)を用いて、30kVの加速電圧、80〜5200pAのイオン電流にて作製した。作製した薄膜切片は50〜100nmでの膜厚であった。作製した薄膜切片について、STEM法(日立ハイテクノロジー社製:S5500)を用い、加速電圧30kVにて実施することで、光電変換素子の断面の走査透過型電子顕微鏡写真を得た。
[Image evaluation of cross section of photoelectric conversion element]
The cross section of the photoelectric conversion element using the electrode having a periodic uneven structure was observed by the following method. Using a focused ion beam method (Hitachi High Technology Co., Ltd .: FB-2000) while cooling a thin film slice in the cross-sectional direction of the photoelectric conversion element to −100 ° C. or lower with liquid nitrogen, ions of 80 to 5200 pA are accelerating at 30 kV. It produced with the electric current. The prepared thin film slice had a thickness of 50 to 100 nm. About the produced thin film slice, the scanning transmission electron micrograph of the cross section of a photoelectric conversion element was obtained by implementing by STEM method (Hitachi High Technology company_made: S5500) at the acceleration voltage of 30 kV.

(実施例1)
500nm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)に、高さ170nmのポリスチレン製ピラー(ナノマスク)をナノインプリント法により形成した。この基板を反応性イオンエッチング装置に導入し、ナノマスクの開口部分をエッチング処理することにより、深さ約120nmの凹部構造を形成した。次いで、酸素プラズマ処理によりナノマスクを除去した。さらに、得られた基板をイオンビームスパッタ装置に導入し、周期凹凸構造を形成した電極表面をイオンビームスパッタ処理することにより表面の汚れを除去した。得られた電極は、周期凹凸構造の凸部形状が円錐台であった。電極の周期は300nm、凸部高さは122nm、円錐台の上辺直径が45nm、底辺直径が240nmであった。得られた基板は、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。
Example 1
A polystyrene pillar (nanomask) having a height of 170 nm was formed by a nanoimprinting method on a substrate (manufactured by Geomat Co., Ltd.) on which 500 nm of indium tin oxide was formed on a 0.7 mm glass. This substrate was introduced into a reactive ion etching apparatus, and the opening portion of the nanomask was etched to form a recess structure having a depth of about 120 nm. Next, the nanomask was removed by oxygen plasma treatment. Furthermore, the obtained substrate was introduced into an ion beam sputtering apparatus, and surface contamination was removed by ion beam sputtering treatment of the electrode surface on which the periodic uneven structure was formed. In the obtained electrode, the convex shape of the periodic concavo-convex structure was a truncated cone. The period of the electrodes was 300 nm, the height of the convex part was 122 nm, the upper side diameter of the truncated cone was 45 nm, and the bottom side diameter was 240 nm. The obtained substrate was subjected to ultrasonic cleaning for 10 minutes with semi-clean (Furuuchi Chemical Co., Ltd.), ultrapure water, acetone and isopropanol, dried, and then dried for 20 minutes using a UV-O 3 cleaner (manufactured by Filgen). Ozone cleaned.

水と1−プロパノールを5:2(体積比)の割合で混合した溶媒を市販のPEDOT:PSS(クレビオス社製)に添加し、固形分濃度が0.3重量%のPEDOT:PSS液を調製した。洗浄したITO基板に4000rpm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。   A solvent in which water and 1-propanol are mixed at a ratio of 5: 2 (volume ratio) is added to commercially available PEDOT: PSS (manufactured by Clevios) to prepare a PEDOT: PSS solution having a solid content concentration of 0.3% by weight. did. The cleaned ITO substrate was spin-coated at 4000 rpm for 60 seconds. 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.

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)(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4.0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920rpmで120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。 Subsequently, commercially available poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (manufactured by Aldrich) as an electron-donating organic semiconductor and [6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester as an electron-accepting organic semiconductor. (Made by Frontiacabon Co., Ltd.) at a weight ratio of 60:40, and a chlorobenzene solution was added under a nitrogen atmosphere to prepare a solid content concentration of 4.0% by weight, followed by stirring at 40 ° C. for 3 hours. Then, it filtered with the filter made from a 0.45 micrometer polytetrafluoroethylene, and obtained the uniform solution. The prepared solution was spin-coated at 920 rpm for 120 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.

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0.5nmのフッ化リチウム(純度99.99%)を真空蒸着し、電子輸送層を形成した。さらに80nmのアルミニウム(純度99.99%)を真空蒸着し、光電変換素子を作製した。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。 Subsequently, the substrate was introduced into a resistance heating vacuum deposition apparatus, and 0.5 nm of lithium fluoride (purity 99.99%) was vacuum deposited under a reduced pressure condition of 5.0 × 10 −5 Pa. A transport layer was formed. Furthermore, 80 nm aluminum (purity 99.99%) was vacuum-deposited to produce a photoelectric conversion element. 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.

作製した光電変換素子の発電面積は0.04cmであった。また、図3に示した光電変換素子の断面観察の結果から、周期凹凸構造を有する電極である正電極2の凸部頂点から対向する電極である負電極5までの距離は153nm、凸部占有率は20.5体積%であった。 The power generation area of the produced photoelectric conversion element was 0.04 cm 2 . In addition, from the result of cross-sectional observation of the photoelectric conversion element shown in FIG. 3, the distance from the convex vertex of the positive electrode 2 that is an electrode having a periodic concavo-convex structure to the negative electrode 5 that is an opposite electrode is 153 nm. The rate was 20.5% by volume.

図3より、周期凹凸構造の間隙部の光電変換層と上残膜の光電変換層との体積を合計すると、膜厚250nm(フラット換算した膜厚)に相当する体積の光電変換層4が形成されていることが確認できた。なお、周期凹凸構造の間隙部分に形成された光電変換層の膜厚(フラット換算した膜厚)の算出方法は、円錐台形状の凸部高さ122nmに間隙率(1−凸部占有率)を掛け算する方法により求めた。   From FIG. 3, when the volume of the photoelectric conversion layer in the gap portion of the periodic concavo-convex structure and the photoelectric conversion layer of the upper remaining film are totaled, the photoelectric conversion layer 4 having a volume corresponding to a film thickness of 250 nm (film thickness converted to flat) is formed. It has been confirmed that. In addition, the calculation method of the film thickness (film thickness converted to flat) of the photoelectric conversion layer formed in the gap portion of the periodic concavo-convex structure is as follows. It was calculated | required by the method of multiplying.

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3.84%であった。実施例1で得られた光電変換素子は、平板電極上に形成された膜厚100nmの光電変換素子(下記比較例)に比べて、光電変換層の光吸収量が約1.14倍になることを光学計算により算出した。実施例1で得られた光電変換素子の短絡電流量は下記比較例の約1.16倍であり、光電変換層の膜厚を厚くした効果が得られた。また、実施例1で作製した光電変換素子の正孔と電子の平均移動距離は、91nmと125nmであった。   As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.84%. In the photoelectric conversion element obtained in Example 1, the light absorption amount of the photoelectric conversion layer is about 1.14 times that of the 100 nm-thick photoelectric conversion element (the following comparative example) formed on the plate electrode. This was calculated by optical calculation. The amount of short-circuit current of the photoelectric conversion element obtained in Example 1 was about 1.16 times that of the following comparative example, and the effect of increasing the film thickness of the photoelectric conversion layer was obtained. Moreover, the average moving distances of holes and electrons of the photoelectric conversion element manufactured in Example 1 were 91 nm and 125 nm.

また、得られた光電変換素子は、周期凹凸構造を有する電極2と光電変換層4との間に厚み20nm程度のPEDOT:PSS層が形成されていることが確認できる。このように緻密に正孔輸送層3を形成できることは、高い集電効率を得るために必要である。特許文献3で示されている針状で規則性のないナノロッド構造を有する電極の場合には、緻密な正孔輸送層を形成することが困難である。   Moreover, it can confirm that the obtained PEDOT: PSS layer of thickness 20nm is formed between the electrode 2 which has a periodic uneven structure, and the photoelectric converting layer 4 in the obtained photoelectric converting element. The ability to form the hole transport layer 3 densely in this way is necessary to obtain high current collection efficiency. In the case of the needle-shaped electrode having a non-regular nanorod structure shown in Patent Document 3, it is difficult to form a dense hole transport layer.

(実施例2)
実施例1の反応性イオンエッチング処理の時間を2倍にすることで、深さ約180nmの凹部構造を形成した。それ以外は実施例1と同じ方法により光電変換素子を作製した。電極の周期は300nm、凸部高さは185nm、円錐台の上辺直径が65nm、底辺直径が269nmであった。
(Example 2)
A recess structure having a depth of about 180 nm was formed by doubling the time of the reactive ion etching process of Example 1. Otherwise, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1. The period of the electrodes was 300 nm, the height of the convex portion was 185 nm, the top side diameter of the truncated cone was 65 nm, and the base side diameter was 269 nm.

図4に示した光電変換素子の断面観察の結果から、周期凹凸構造を有する電極である正電極2の凸部頂点から対向する電極である負電極5までの距離は116nm、凸部占有率は27.4体積%であった。実施例1と同様の方法により、周期凹凸構造の間隙部分の光電変換層と上残膜の光電変換層との体積を合計すると、膜厚250nm(フラット換算した膜厚)に相当する体積の光電変換層4が形成されていることが確認できた。   From the result of cross-sectional observation of the photoelectric conversion element shown in FIG. 4, the distance from the top of the convex portion of the positive electrode 2 that is an electrode having a periodic concavo-convex structure to the negative electrode 5 that is an opposite electrode is 116 nm, and the convex portion occupation ratio is It was 27.4% by volume. When the volumes of the photoelectric conversion layer in the gap portion of the periodic concavo-convex structure and the photoelectric conversion layer of the upper remaining film are summed up in the same manner as in Example 1, a photoelectric having a volume corresponding to a film thickness of 250 nm (film thickness in flat conversion) is obtained. It was confirmed that the conversion layer 4 was formed.

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3.70%であった。実施例2で得られた光電変換素子は、平板電極上に形成された膜厚100nmの光電変換素子(下記比較例)に比べて、光電変換層の光吸収量が約1.14倍になることを光学計算により算出した。実施例2で得られた光電変換素子の短絡電流量は比較例の約1.14倍であり、光電変換層の膜厚を厚くした効果が得られた。また、実施例2で作製した光電変換素子の正孔と電子の平均移動距離は、72nmと128nmであった。   As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.70%. In the photoelectric conversion element obtained in Example 2, the light absorption amount of the photoelectric conversion layer is about 1.14 times that of the 100 nm-thick photoelectric conversion element (the following comparative example) formed on the plate electrode. This was calculated by optical calculation. The short circuit current amount of the photoelectric conversion element obtained in Example 2 was about 1.14 times that of the comparative example, and the effect of increasing the film thickness of the photoelectric conversion layer was obtained. Moreover, the average moving distances of holes and electrons of the photoelectric conversion element produced in Example 2 were 72 nm and 128 nm.

(比較例)
300nm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。
(Comparative example)
A substrate (manufactured by Geomat Co., Ltd.) on which 300 nm of indium tin oxide is formed on a 0.7 mm glass was ultrasonically cleaned with semicoclean (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), 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.

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。   On the cleaned ITO substrate, commercially available PEDOT: PSS (manufactured by Clevios) was spin-coated at 6000 rpm for 60 seconds. 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.

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]−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4.0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5400rpm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100nmであった。それ以外は、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3.50%であった。 Commercially available poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (manufactured by Aldrich) and [6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester (manufactured by Frontiacabon) as an electron-accepting organic semiconductor Were 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 4.0% by weight. After stirring at 40 ° C. for 3 hours, 0.45 μm polytetrafluoro Filtration through an ethylene filter gave a uniform solution. The prepared solution was spin-coated at 5400 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 100 nm. Otherwise, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1. As a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the produced photoelectric conversion element, the photoelectric conversion efficiency was 3.50%.

実施例1,2及び比較例の結果より、本発明の光電変換素子は、光透過性のある周期凹凸構造を有する正電極を有するため、光電変換層の膜厚を厚くしてもそれによる電荷の再結合や電気抵抗の増大を防ぐことができ、また、光電変換層の体積が増大することにより入射光を十分に吸収することができるため、比較例のような膜厚が100nmである一般的な光電変換素子に比べ、優れた変換効率を発揮できることが明らかとなった。   From the results of Examples 1 and 2 and the comparative example, the photoelectric conversion element of the present invention has a positive electrode having a light-transmitting periodic concavo-convex structure. In general, the film thickness of the comparative example is 100 nm because the incident light can be sufficiently absorbed by increasing the volume of the photoelectric conversion layer. It has been clarified that superior conversion efficiency can be exhibited as compared with typical photoelectric conversion elements.

1は基板、2は周期凹凸構造が形成された正電極、3は正孔輸送層、4は光電変換層、5は負電極、6は光電変換層中の間隙部、7は光電変換層中の上残膜、8は正電極の凸部、10は光電変換素子、Lは周期凹凸構造の周期。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 is a board | substrate, 2 is the positive electrode in which the periodic uneven | corrugated structure was formed, 3 is a positive hole transport layer, 4 is a photoelectric converting layer, 5 is a negative electrode, 6 is a gap | interval part in a photoelectric converting layer, 7 is in a photoelectric converting layer 8 is a convex part of the positive electrode, 10 is a photoelectric conversion element, and L is a period of the periodic uneven structure.

Claims (9)

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、前記正電極及び前記負電極のいずれか一方の電極が光透過性で周期凹凸構造を有し、前記周期凹凸構造の周期が200〜300nmであり、前記周期凹凸構造の凸部高さが120〜220nmであり、前記周期凹凸構造の凸部頂点から対向する他方の電極までの距離が40〜170nmであ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 one of the positive electrode and the negative electrode is light transmissive and has a periodic uneven structure The period of the periodic concavo-convex structure is 200 to 300 nm, the height of the convex part of the periodic concavo-convex structure is 120 to 220 nm, and the distance from the vertex of the convex part of the periodic concavo-convex structure to the opposite electrode is 40 to A photoelectric conversion element having a thickness of 170 nm. 前記周期凹凸構造の凸部占有率が5〜30体積%であ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, wherein a convex portion occupation ratio of the periodic concavo-convex structure is 5 to 30% by volume. 前記周期凹凸構造の凸部形状が円柱乃至円錐台であり、その上辺直径が30〜150nm及び底辺直径が50〜300nmで、前記上辺直径が前記底辺直径を超えない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 convex shape of the periodic concavo-convex structure is a cylinder or a truncated cone, the upper side diameter is 30 to 150 nm and the bottom side diameter is 50 to 300 nm, and the upper side diameter does not exceed the bottom side diameter. Or the photoelectric conversion element of 2. 前記周期凹凸構造を有する電極が、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1〜3のいずれかに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode having the periodic concavo-convex structure 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1〜4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電子共役重合体であることを特徴とする請求項5に記載の光電変換素子。   The electron-donating organic semiconductor includes a π-electron conjugated heavy containing a monomer unit having at least one heterocyclic skeleton selected from thiophene, fluorene, carbazole, dibenzosilole, dibenzogermole, benzodithiophene and diketopyrrolopyrrole. The photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the photoelectric conversion element is a combination. 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5に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the electron-accepting organic semiconductor is a fullerene derivative. 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1〜7のいずれかに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a hole transport layer containing a hole transport material between the photoelectric conversion layer and the positive electrode. 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、正孔輸送層を有する光電変換素子の製造方法であって、周期凹凸構造を有する前記正電極の表面上に、溶解させた正孔輸送材料を塗布し、前記正孔輸送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 method for producing a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer containing an organic semiconductor between a positive electrode and a negative electrode, and having a hole transport layer between the photoelectric conversion layer and the positive electrode, A method for producing a photoelectric conversion element, comprising: applying a dissolved hole transport material on a surface of the positive electrode having a periodic uneven structure to form the hole transport layer.
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