JP2015502048A - ポリマー太陽電池、及び、その製造方法 - Google Patents

ポリマー太陽電池、及び、その製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ポリマー太陽電池（１００）と、ポリマー太陽電池の製造方法を提供する。【解決手段】太陽電池（１００）は、導電陽極基板１０，ホールバッファ層２０，活性ポリマー層３０，電子輸送層４０，及び、陰極５０を有し、電子輸送層４０の材料は、セシウム塩と金属粒子がトープされる電子輸送材料である。太陽電池（１００）は、電子輸送の速度を高め、電子輸送層４０，及び、陰極５０の間の電位バリアを減少させる。

Description

本発明は、太陽電池の分野に関連し、特にポリマー太陽電池、及び、その製造方法に関する。
１９８２年に、ワインバーガーら（Ｗｅｉｎｂｅｒｇｅｒ ｅｔ ａｌ）は、ポリアセチレンの光起電特性について研究し、最初の真の意味での太陽電池を製造した。しかし、太陽電池のエネルギー変換効率は極めて低いレベル（１０−３％）である。
それに続き、グレニスら（Ｇｌｅｎｉｓ ｅｔ ａｌ）は、さまざまなポリチオフェンの太陽電池を製造したが、これらの太陽電池は、開放電圧や光電変換効率がとても低いという問題があった。
１９８６年になり、シー．ダブリュ．タンら（Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ ｅｔ ａｌ）は、初めて、ｐ形半導体とｎ形半導体を二層構造のデバイス中に導入することで、光電流のレベルが大いに改良され、このことがマイルストーンとなって以来、有機ポリマー太陽電池は大いに発展した。
１９９２年に、サリチフトチら（Ｓａｒｉｃｉｆｔｃｉ ｅｔ ａｌ．）によって、２−メトキシ−５−（２−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−スチレン（ＭＥＨ−ＰＰＶ）と複合体系の中に存在する高速光誘起電子の遷移現象が発見され、人々の関心を大きく集めた。
１９９５年に、ユーら（Ｙｕ ｅｔ ａｌ．）は、活性層としてＭＥＨ−ＰＰＶとＣ６０誘導体ＰＣＢＭを混和して活性層とした有機ポリマーバルク・ヘテロ接合太陽電池を製造した。
２０ｍＷ／ｃｍ２，４３０ｎｍの単色光の照射において、デバイスのエネルギー変換効率は、２．９％であり、これは、最初のポリマー材料とＰＣＢＭアクセプタによるバルク・ヘテロ接合太陽電池のものであり、そして、ネットワーク構造に相互浸透する複合膜の概念を提案するものである。
これまでに、ポリマー太陽電池へのバルク・ヘテロ接合構造の応用は、迅速に発展してきた。
この構造は現在、有機ポリマー太陽電池の構造として、広く使用されている。
ポリマー太陽電池の作動原理は主に４つのパートを有している。
（１）光励起と励起子の生成
（２）励起子の拡散
（３）励起子の分列
（４）電荷の移動と収集
最初に、共役重合体は、入射光が照射される下で光子を吸収し、励起子が最高被占軌道（ＨＯＭＯ）から最低空軌道（ＬＵＭＯ）に移動し、励起子が生成される。
励起子は、内部電場の作用を受けてドナー／アクセプタの界面に拡散し、自由電子とホールに分列し、電子はレセプターに移動して陰極に集められ、ホールはドナーを通じて陽極に集められ、結果光電流が発生される。
以上のようにして、有効な光電変換のプロセスが形成される。
従来の一般的なポリマー太陽電池は、導電陽極／ホールバッファ層／活性層／電子バッファ層／陰極を有してなる。
一般には、電子バッファ層は、ふっ化リチウム（ＬｉＦ）から作られ、厚さが比較的薄い約０．７ｎｍとされ、電子注入能力を高めることができる。
しかしながら、この材料の厚さが厚過ぎると（１ｎｍ以上）、デバイスの直列抵抗が大きく上昇し、そして、電圧の大部分がこの領域に下がり、その結果、光電変換効率に影響してしまう。
一方で、厚さが薄過ぎると、成膜性が悪くなり、電子トラップを引き起こして、電子消滅につながり、その結果、エネルギー変換効率に影響する。
このため、バッファ層の厚さは、より厳格なコントロールが必要になり、製造の難易度も高くなった。
さらに、太陽電池においては、電子の輸送速度はホール輸送速度より２けた低いため、電子輸送速度は、既に、太陽電池の発展を制約する重要な要素になっている。
以上のように、電子輸送速度を向上可能なポリマー太陽電池を提供することが必要とされている。
本発明のポリマー太陽電池は、順番に、陽極導電基板、ホールバッファ層、活性層、電子輸送層、および陰極を積層してなる。
電子輸送層の材料は、セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料である。
金属粒子の粒径の範囲は、１ｎｍ〜５０ｎｍである。
金属粒子はアルミニウム、銀、金、およびプラチナのうちから選択される材料で作成される。
好ましくは、電子輸送層のセシウム塩が占める質量比の範囲は、５％〜２０％である。
好ましくは、電子輸送層の金属粒子が占める質量比の範囲は、０．５％〜５％である。
好ましくは、電子輸送層の材料は、２−（４−ビフェニル）−５−（４−第三級ブチル）フェニル−１，３，４−オキサジアゾール、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナンスロリン、１，２，４ートリアゾル誘導体、Ｎ−アリールベンゾイミダゾール、から選択される。
好ましくは、セシウム塩は炭酸セシウム、セシウムアジド、セシウムのフッ化物、および塩化セシウムのうちから選択される材料で作成される。
好ましくは、電子輸送層の厚さの範囲は５ｎｍ〜４０ｎｍである。
好ましくは、ホールバッファ層は、質量比の範囲が２：１〜６：１である、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホナートの混合物で構成される。
好ましくは、活性層は、質量比の範囲が１：０．８〜１：１である、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される。
または、活性層は、質量比の範囲が１：１〜１：４である、ポリ〔２−メトキシ−５−（３，７−（ジメチルオクチル）オキシ）フェニレンビニレン〕とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される。
または、活性層は、質量比の範囲が１：１〜１：４である、ポリ〔２−メトキシ−５−（２’−ビニル−ヘキシルオキシ）ポリフェニレンビニレン〕とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される。
好ましくは、陽極導電基板は、インジウムすず酸化ガラス、フルオレンドープドすず酸化ガラス、アルミニウムドープド亜鉛酸化ガラス、およびインジウムドープド亜鉛酸化ガラスのうちから選択される材料で作成される。
陰極はアルミニウム、銀、金、およびプラチナのうちから選択される材料で作成される。
ポリマー太陽電池の製造方法には、以下のステップが含まれる。
陽極導電基板を前処理し、
スピンコーティングにより陽極導電基板上にホールバッファ層を形成し、
スピンコーティングによりホールバッファ層に活性層を形成し、
活性層の上に、セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料を蒸着プロセスによって、電子輸送層を形成し、
電子輸送層に陰極を形成し、ポリマー太陽電池を形成する。
ポリマー太陽電池の電子輸送層は，セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料で作成される。
ｎ型ドーピングは、セシウム塩を電子輸送材料にドーピングさせることで形成される。そのため、電子輸送速度を有効的に改善し、電子輸送層と活性層の間のエネルギーバンドが湾曲し、その界面にある電子の注入バリアが減少し、電子の注入に有利になる。
さらに、金属粒子がドープ処理されることにより、電子輸送層と陰極の間のバリヤが減少し、電極に注入された電子の収集に有利になり、有効な光電変換が形成される。
さらに、金属粒子の存在により、三成分がドープされて形成された電子輸送層のフィルムの品質は大いに高められ、フィルムの粗さが減少し、フィルムがさらに平滑になる。
これにより、電子輸送において電子トラップが発生する確率が減少し、電子輸送に有利となり、ポリマー太陽電池のエネルギー変換効率が最終的に高められる。
図１はポリマー太陽電池の実施例の概要について示す断面図。
図２は図１に示すポリマー太陽電池の製造方法の実施例のフローチャート。
図３は、従来のポリマー太陽電池と実施例１のポリマー太陽電池の電流密度と電圧の関係を示すグラフ。
以下では、実施例と図面を参照し、ポリマー太陽電池とその製造方法について詳細に説明する。
図１に示すように、一実施例としてのポリマー太陽電池１００は、導電陽極基板１０，ホールバッファ層２０，活性層３０，電子輸送層４０，及び、陰極５０を順番に積層して有している。
導電陽極基板１０は、インジウムすず酸化物ガラス（ＩＴＯ）、フルオレンドープすず酸化ガラス（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛ガラス（ＡＺＯ）、およびインジウムドープ酸化亜鉛ガラス（ＩＺＯ）のうちから選択される材料で作成される。
ホールバッファ層２０は質量比の範囲が２：１〜６：１である、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホナート（ＰＳＳ）の混合物で構成される。
ホールバッファ層２０の厚さの範囲は、２０ｎｍ〜８０ｎｍにコントロールされる。
ホールバッファ層２０は、以下のステップで形成される。
陽極導電基板１０の上に、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホナート（ＰＳＳ）の溶液がスピンコーティングされ、ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比の範囲は２：１〜６：１とし、溶液の質量比の範囲は１％〜５％とする。
１００℃から２００℃の温度で１５分から６０分かけて加熱される。
好ましくは、ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比が６：１であり、溶液の質量比は１．３％とされ、スピンコーティング後は２００℃の温度で３０分加熱され、ホールバッファ層の厚さを４０ｎｍとする。
活性層３０は、受容体としてのフラーレン（ＰＣＢＭ）の酪酸誘導体の混合物で構成される。
活性ポリマー層３０の厚さの範囲は、８０ｎｍから３００ｎｍとする。
具体的には、活性層３０は質量比の範囲が１：０．８〜１：１である、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
または、活性層３０は、質量比の範囲が１：１〜１：４であるポリ〔２−メトキシ−５−（３，７−（ジメチルオクチル）オキシ）フェニレンビニレン〕（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
または、活性層３０は、質量比の範囲が１：１〜１：４であるポリ〔２−メトキシ−５−（２′−ビニル−ヘキシルオキシ）ポリフェニレンビニレン〕（ＭＥＨ−ＰＰＶ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
好ましくは、活性層３０は、質量比を１：３とするＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭで構成され、厚さは２００ｎｍとする。
電子輸送層４０は、セシウム塩と金属粒子がドープされた電子輸送材料で作成される。
セシウム塩と電子輸送層の質量比の範囲は、５％〜２０％である。
セシウム塩は、炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、セシウムアジド（ＣｓＮ３）、セシウムのフッ化物（ＣｓＦ）、および塩化セシウム（ＣｓＣｌ）のうちから選択される材料で作成できる。
電子輸送層に占める金属粒子の質量比の範囲は、０．５％〜５％である。
金属粒子の粒径の範囲は、１ｎｍ〜５０ｎｍである。
好ましくは、金属粒子の粒径の範囲は１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
金属粒子は、導電率が高く、仕事関数が４．２ｅＶを超え、融点が２０００℃未満の金属で構成される。
金属の厚さが１０ｎｍのフィルムを製造する際には、金属の可視光透過率は９０％以上とすることが必要である。
具体的には、金属は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、およびプラチナ（Ｐｔ）のうちから選択される材料で作成することができる。
電子輸送材料は、２−（４−ビフェニル）−５−（４−第三級ブチル）フェニル−１，３，４−オキサジアゾール（ＰＢＤ）、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナンスロリン（Ｂｐｈｅｎ）、１，２，４トリアゾル誘導体（例えば、ＴＡＺなど）、Ｎアリールベンゾイミダゾール（ＴＰＢＩ）のうちから選択される材料で作成できる。
電子輸送層４０の厚さの範囲は、５ｎｍ〜４０ｎｍである。
陰極５０は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、およびプラチナ（Ｐｔ）のうちから選択される材料で作成できる。
陰極５０の厚さの範囲は、８０ｎｍ〜２５０ｎｍである。
好ましくは、陰極５０はアルミニウムで製造される。
陰極５０の厚さは１５０ｎｍである。
ポリマー太陽電池１００において、電子輸送層４０は、セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料で作成される。
ｎ型ドーピングは、セシウム塩を電子輸送材料にドーピングさせることで形成される。そのため、電子輸送速度を有効的に改善し、電子輸送層４０と活性層３０の間のエネルギーバンドが湾曲し、その界面にある電子の注入バリアが減少し、電子の注入に有利になる。
さらに、電子輸送層４０には金属粒子がドープされ、電子輸送層４０と陰極５０の間のバリアが減少し、電極に注入された電子の収集に有利となり、有効な光電変換が形成される。
さらに、金属粒子の存在により、三成分がドープされて形成された電子輸送層４０のフィルムの品質は大いに高められ、フィルムの粗さが減少し、フィルムがさらに平滑になり、これにより、電子輸送において電子トラップが発生する確率が減少し、電子輸送に有利となり、ポリマー太陽電池１００のエネルギー変換効率が最終的に高められる。
図２に示すように，本実施例のポリマー太陽電池１００の製造方法は，以下のステップを含む。
ステップＳ１０：陽極導電基板１０を前処理するステップ。
導電陽極基板１０は、インジウムすず酸化物ガラス（ＩＴＯ）、フルオレンドープすず酸化ガラス（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛ガラス（ＡＺＯ）、およびインジウムドープ酸化亜鉛ガラス（ＩＺＯ）のうちから選択される材料で作成される。
前処理プロセスは、次の工程を含む。
陽極導電基板１０が洗浄され、陽極導電基板１０が酸素プラズマか紫外オゾンにて処理される。
具体的には、陽極導電基板１０はフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄し、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
洗浄後、陽極導電基板１０は５分〜１５分の間酸素プラズマで表面処理され、パワー（工率）は１０Ｗ〜５０Ｗとする。
オゾン−紫外線処理は、５分〜２０分間実施される。
ステップＳ２０：スピンコーティングにより陽極導電基板１０上にホールバッファ層２０を形成する。
ホールバッファ層２０は、質量比の範囲が２：１〜６：１である、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホナート（ＰＳＳ）の混合物で構成される。
ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホナート（ＰＳＳ）の溶液は、ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比の範囲を２：１〜６：１とし、溶液の質量比の範囲を１％〜５％として陽極導電基板１０の上にスピンコーティングされ、１００℃〜２００℃の温度で１５分〜６０分加熱される。
ホールバッファ層２０の厚さの範囲は、２０ｎｍ〜８０ｎｍにコントロールされる。
好ましくは、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液は、スピンコーティングされ、ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比が６：１であり、溶液の質量比は１．３％とされ、スピンコーティング後に２００℃の温度で３０分加熱され、ホールバッファ層２０の厚さは４０ｎｍとされる。
ステップＳ３０：スピンコーティングによりホールバッファ層２０に活性層３０を形成する。
活性物質は、活性物質溶液を形成するために有機溶媒に溶解させる。
保護気体の雰囲気下において、活性物質溶液がホールバッファ層２０の表面にスピンコートされ、乾燥されて活性層３０が得られる。
活性物質溶液中の活性物質の濃度の範囲は、８ｍｇ／ｍＬから３０ｍｇ／ｍＬとする。
活性層３０を形成するために活性物質溶液がスピンコートされる際に、活性物質は、フラーレン（ＰＣＢＭ）の酪酸誘導体となり、受容体を形成する。
具体的には、活性物質は、質量比の範囲が１：０．８〜１：１であるポリ３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
または、活性物質は、質量比の範囲が１：１〜１：４であるポリ〔２−メトキシ−５−（３，７−（ジメチルオクチル）オキシ）フェニレンビニレン〕（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
または、活性物質は質量比の範囲が１：１〜１：４であるポリ〔２−メトキシ−５−（２’−ビニル−ヘキシルオキシ）ポリフェニレンビニレン〕（ＭＥＨ−ＰＰＶ）とフラーレンの酪酸誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物で構成される。
有機溶媒溶液は、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、およびクロロホルムのうちから一つ、又は、二つ選択できる。
好ましくは、活性物質溶液は、質量比が１：３であり、総濃度が２４ｍｇ／ｍＬであるＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭのクロロベンゼン溶液とされる。
保護気体の雰囲気は、窒素雰囲気や不活性ガス雰囲気とされる。
活性ポリマー層３０の厚さの範囲は、８０ｎｍから３００ｎｍである。
好ましくは、活性層３０の厚さは２００ｎｍである。
活性層３０を形成するための乾燥の操作は、具体的には、２４時間から４８時間室温下に放置することや、５０℃〜１００℃の温度で１０分から１００分のアニーリングすることで可能である。
好ましくは、活性層３０は４５分間、１００℃の温度でアニーリングされる。
ステップＳ４０：セシウム塩と金属粒子がトープされる電子輸送材料を蒸着し、活性層３０の上に電子輸送層４０を形成する。
セシウム塩と電子輸送層の質量比の範囲は、５％〜２０％である。
好ましくは、セシウム塩は炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）、セシウムアジド（ＣｓＮ３）、セシウムのフッ化物（ＣｓＦ）、および塩化セシウム（ＣｓＣｌ）のうちから選択される材料で作成される。
電子輸送層４０に占める金属粒子の質量比の範囲は、０．５％〜５％である。
金属粒子の粒径の範囲は１ｎｍ〜５０ｎｍである。
好ましくは、金属粒子の粒径の範囲は１０ｎｍ〜３０ｎｍである。
金属粒子は、導電率が高く、仕事関数が４．２ｅＶを超え、融点が２０００℃未満の金属で構成される。
金属の厚さが１０ｎｍのフィルムを製造する際には、金属の可視光透過率は９０％以上とすることが必要である。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、およびプラチナ（Ｐｔ）である。
電子輸送材料は、２−（４−ビフェニル）−５−（４−第三級ブチル）フェニル−１，３，４−オキサジアゾール（ＰＢＤ）、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナンスロリン（Ｂｐｈｅｎ）、１，２，４トリアゾル誘導体（例えば、ＴＡＺなど）、Ｎアリールベンゾイミダゾール（ＴＰＢＩ）のうちから選択される材料で作成できる。
電子輸送層４０の厚さの範囲は５ｎｍ〜４０ｎｍである。
ステップＳ５０：電子輸送層４０に陰極５０を形成し、ポリマー太陽電池１００を得る。
陰極５０は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、およびプラチナ（Ｐｔ）のうちから選択される材料で作成できる。
陰極５０の厚さの範囲は、８０ｎｍ〜２５０ｎｍである。
好ましくは、陰極５０はアルミニウムで製造される。
陰極５０の厚さは１５０ｎｍである。
以下では具体的な実施例を述べる。
各例で使用される試験機器は、以下の通りである。
高真空コーティング装置（瀋陽科学機器センター株式会社、圧力＜１×１０−３Ｐａ）、電流−電圧テスター（米国キース社、Ｍｏｄｅｌ：２６０２）、５００Ｗキセノンランプ（Ｏｓｒａｍ）にＡＭ１．５フィルタを組み合わせた模擬太陽光の白色光源。
実施例１
ポリマー太陽電池：ＩＴＯ／（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／（ＭＥＨ−ＰＰＶ：ＰＣＢＭ）／（Ｂｈｐｅｎ：Ｃｓ２ＣＯ３：Ａｇ）／Ａｌ。
上述のポリマー太陽電池の製造工程は、以下のごとくである。
まず、ＩＴＯはフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄され、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
ＩＴＯは酸素プラズマ処理され、この処理時間は５分であり、パワー（工率）は３０Ｗとする。
ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比を６：１とし、溶液の質量比を１．３％とし、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液をＩＴＯの表面にスピンコーティングし、２００℃の温度で３０分間加熱し、厚さ４０ｎｍのホールバッファ層が形成される。
次に、乾燥窒素の雰囲気下で、ＭＥＨ−ＰＰＶのＰＣＢＭに対する質量比を１：３とし、クロロベンゼン溶液の総濃度を２４ｍｇ／ｍＬとする、ＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭを混合したクロロベンゼン溶液がホールバッファ層にスピンコートされ、室温で４８時間放置され、厚さ２００ｎｍの活性層が形成される。
続いて、Ｂｈｐｅｎ：Ｃｓ２ＣＯ３：Ａｇ（Ｃｓ２ＣＯ３とＡｇはドープ材料として使用され、Ｃｓ２ＣＯ３が１０％であり、Ａｇ系の粒径が３０ｎｍであり、Ａｇの質量比が１％である）が蒸着プロセスにより、厚さ２５ｎｍの電子輸送層を形成する。
最後に、蒸着プロセスにより、陰極が形成される。陰極はアルミニウムで製造され、その厚さが１５０ｎｍとされ、これにより、必要とされるポリマー太陽電池が形成される。
図３は、従来のポリマー太陽電池と実施例１のポリマー太陽電池の電流密度と電圧の関係を示すグラフである。
曲線１は、実施例１のポリマー太陽電池の電流密度と電圧の関係を示すグラフであり、曲線２は、従来のポリマー太陽電池の電流密度と電圧の関係を示すグラフである。
実施例１のポリマー太陽電池と従来のポリマー太陽電池の相違点は電子輸送層だけである。
従来のポリマー太陽電池の電子輸送層は、ＬｉＦにより製造され、厚さは０．７ｎｍである。
図３に示すように、ポリマー太陽電池は光電流テスト（大気中で１００ｍＷ／ｃｍ２の光度の下で試験され、照射領域は０．０９ｍｍ２））にかけられる。
具体的なデータは以下の表１によって表される。
Figure 2015502048
表から明らかなように、従来のポリマー太陽電池の電流密度が５．２１ｍＡ／ｃｍ２であるのに対し、実施例１のポリマー太陽電池の電流密度は、６．４８ｍＡ／ｃｍ２に増加した。
ポリマー太陽電池の電子転移レートは、三成分がドープ処理された電子輸送層を使用することにより高められ、活性層、電子輸送層と陰極の間のバリアも減少し、電子注入と電子輸送の効率は有効に増加し、最終的に、デバイスのエネルギー変換効率が高められる。
従来のポリマー太陽電池のエネルギー変換効率は１．０２％であり、実施例１のポリマー太陽電池のエネルギー変換効率は１．３８％である。
実施例２
ポリマー太陽電池：ＩＺＯ／（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ：ＰＣＢＭ）／（ＰＢＤ：ＣｓＦ：Ａｌ）／Ａｇ
製造工程は以下のとおりである。
まず、ＩＺＯはフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄され、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
ＩＺＯは酸素プラズマ処理され、この処理時間は５分であり、パワー（工率）は３０Ｗとする。
ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比を２：１とし、溶液の質量比を５％とし、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液をＩＺＯの表面にスピンコーティングし、１００℃の温度で６０分間加熱し、厚さ２０ｎｍのホールバッファ層が形成される。
次に、アルゴン雰囲気下で、ＭＥＨ−ＰＰＶのＰＣＢＭに対する質量比を１：４とし、キシレン溶液の総濃度を８ｍｇ／ｍＬとする、ＭＤＭＯ−ＰＰＶとＰＣＢＭを混合したキシレン溶液が、ホールバッファ層にスピンコートされ、２００℃の温度で５分間アニーリングされ、厚さ３００ｎｍの活性層が形成される。
続いて、ＰＢＤ：ＣｓＦ：Ａｌ（ＣｓＦとＡｌはドープ材料として使用され、ＣｓＦが２０％であり、Ａｌの粒径が１０ｎｍであり、Ａｌの質量比が０．５％である）が蒸着プロセスにより、厚さ５ｎｍの電子輸送層を形成する。
最後に蒸着プロセスにより、陰極が形成される。陰極はＡｇで製造され、その厚さが８０ｎｍとされ、これにより、必要とされるポリマー太陽電池が形成される。
実施例３
ポリマー太陽電池：ＡＺＯ／（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／（Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ）／（ＴＰＢｉ：ＣｓＣｌ：Ａｕ）／Ｐｔ
製造工程は以下のとおりである。
まず、ＡＺＯはフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄され、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
次いで、オゾン−紫外線処理が１５分行われる。
ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比を４：１とし、溶液の質量比を１％とし、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液をＡＺＯの表面にスピンコーティングし、２００℃の温度で１５分間加熱し、厚さ８０ｎｍのホールバッファ層が形成される。
次に、ヘリウム雰囲気下で、Ｐ３ＨＴのＰＣＢＭに対する質量比を１：０．８とし、キシレン溶液の総濃度を３０ｍｇ／ｍＬとするＰ３ＨＴとＰＣＢＭを混合したキシレン溶液が、ホールバッファ層にスピンコートされ、１００℃の温度で３０分間アニーリングされ、１００ｎｍの厚さの活性層が形成される。
続いて、ＴＰＢｉ：ＣｓＣｌ：Ａｕ（ＣｓＣｌとＡｕはドープ材料として使用され、ＣｓＣｌが５％であり、Ａｕの粒径が１ｎｍであり、Ａｕの質量比が５％である）が蒸着プロセスにより、厚さ４０ｎｍの電子輸送層を形成する。
最後に、蒸着プロセスにより、陰極が形成される。陰極はプラチナで製造され、その厚さが２５０ｎｍとされ、これにより、必要とされるポリマー太陽電池が形成される。
実施例４
ポリマー太陽電池：ＦＴＯ／（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／（Ｐ３ＨＴ：ＰＣＢＭ）／（ＴＡＺ：ＣｓＮ３：Ｐｔ）／Ａｕ
製造工程は以下のとおりである。
まず、ＦＴＯはフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄され、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
ＦＴＯは酸素プラズマで処理され、この処理時間は５分であり、パワー（工率）は３０Ｗとする。
ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比を５：１とし、溶液の質量比を２％とし、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液をＦＴＯの表面にスピンコーティングし、１００℃の温度で４５分間加熱し、厚さ６０ｎｍのホールバッファ層が形成される。
次に、乾燥窒素の雰囲気下で、Ｐ３ＨＴのＰＣＢＭに対する質量比を１：１とし、クロロベンゼン溶液の総濃度を２０ｍｇ／ｍＬとする、Ｐ３ＨＴとＰＣＢＭを混合したクロロベンゼン溶液がホールバッファ層にスピンコートされ、５０℃の温度で１００分間アニーリングされ、厚さ８０ｎｍの活性層が形成される。
続いて、ＴＡＺ：ＣｓＮ３：Ｐｔ（ＣｓＮ３とＰｔはドープ材料として使用され、ＣｓＮ３が１０％であり、Ｐｔ系の粒径が２０ｎｍであり、Ｐｔの質量比が２％である）は蒸着プロセスにより厚さ２０ｎｍの電子輸送層を形成する。
最後に、蒸着プロセスにより、陰極が形成される。陰極は金で製造され、その厚さが１００ｎｍとされ、これにより、必要とされるポリマー太陽電池が形成される。
実施例５
ポリマー太陽電池：ＩＺＯ／（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）／（ＭＥＨ−ＰＰＶ：ＰＣＢＭ）／（Ｂｐｈｅｎ：ＣｓＦ：Ａｇ）／Ａｌ
製造工程は以下のとおりである。
まず、ＩＴＯはフォトエッチング処理され、必要なサイズに分離され、洗剤、脱イオン水、アセトン、エタノール、およびイソプロピルアルコールを用い、それぞれ１５分超音波にて洗浄され、ガラス表面の有機汚染物質が除去される。
ＩＴＯは酸素プラズマ処理され、この処理時間は５分であり、パワー（工率）は３０Ｗとする。
ＰＥＤＯＴのＰＳＳに対する質量比を６：１とし、溶液の質量比を５％とし、ＰＥＤＯＴとＰＳＳの溶液をＩＴＯの表面にスピンコーティングし、２００℃の温度で１５分間加熱し、厚さ４０ｎｍのホールバッファ層が形成される。
次に、窒素雰囲気下で、ＭＥＨ−ＰＰＶのＰＣＢＭに対する質量比を１：２とし、総濃度が１６ｍｇ／ｍＬとする、ＭＥＨ−ＰＰＶとＰＣＢＭのクロロホルムとクロロベンゼンの混合溶液が、ホールバッファ層にスピンコートされ、１５０℃の温度で６０分間アニーリングされ、厚さ１６０ｎｍの活性層が形成される。
続いて、Ｂｈｐｅｎ：ＣｓＦ：Ａｇ（ＣｓＦとＡｇはドープ材料として使用され、ＣｓＦが１５％であり、Ａｇ系の粒径が５０ｎｍであり、Ａｇの質量比が２％である）が蒸着プロセスにより、厚さ２５ｎｍの電子輸送層を形成する。
最後に、蒸着プロセスにより、陰極が形成される。陰極はアルミニウムで製造され、その厚さが１５０ｎｍとされ、これにより、必要とされるポリマー太陽電池が形成される。
以上に述べた実施例は、本発明のいくつかの実施例を述べたものに過ぎず、具体的に、また、詳細なものとしたものであるが、本発明の権利範囲を制限するものと理解してはならない。本発明の当業者について言えば、本発明の思想を逸脱しない限りは、若干の変更や改良が可能であり、これらは全て本発明の保護範囲に含まれることは、ここで当然に指摘しておく。
したがって、本発明の特許の保護範囲は、請求の範囲に記載されているものに基づくものである。

Claims (10)

  1. 陽極導電基板、ホールバッファ層、活性層、電子輸送層、および陰極を順番に積層してなるポリマー太陽電池であって、
    前記電子輸送層は、セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料で作成され、
    前記金属粒子の粒径の範囲は、１ｎｍ〜５０ｎｍであり、金属粒子はアルミニウム、銀、金、およびプラチナのうちから選択される材料で作成される、ポリマー太陽電池。
  2. 前記セシウム塩の前記電子輸送層に占める質量比の範囲は、５％〜２０％であることを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  3. 前記金属粒子の前記電子輸送層に占める質量比の範囲は、０．５％〜５％であることを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  4. 前記電子輸送層の材料は、２−（４−ビフェニル）−５−（４−第三級ブチル）フェニル−１，３，４−オキサジアゾール、４，７−ジフェニル−１，１０−フェナンスロリン、１，２，４ートリアゾル誘導体、Ｎ−アリールベンゾイミダゾール、から選択される、ことを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  5. 前記セシウム塩は、炭酸セシウム、セシウムアジド、セシウムのフッ化物、および塩化セシウムのうちから選択される材料で作成される、ことを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  6. 前記電子輸送層の厚さの範囲は、５ｎｍ〜４０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  7. 前記ホールバッファ層は、質量比の範囲を２：１〜６：１とするポリ３，４−エチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホナートの混合物で構成されることを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  8. 前記活性層は、質量比の範囲を１：０．８〜１：１とする、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される、
    または、
    前記活性層は、質量比の範囲が１：１〜１：４とする、ポリ〔２−メトキシ−５−（３，７−（ジメチルオクチル）オキシ）フェニレンビニレン〕とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される、
    または、
    前記活性層は、質量比の範囲が１：１〜１：４とする、ポリ〔２−メトキシ−５−（２’−ビニル−ヘキシルオキシ）ポリフェニレンビニレン〕とフラーレンの酪酸誘導体の混合物で構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  9. 前記陽極導電基板は、インジウムすず酸化ガラス、フルオレンドープドすず酸化ガラス、アルミニウムドープド亜鉛酸化ガラス、およびインジウムドープド亜鉛酸化ガラスのうちから選択される材料で作成され、
    前記陰極は、アルミニウム、銀、金、およびプラチナのうちから選択される材料で作成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のポリマー太陽電池。
  10. 陽極導電基板を前処理し、
    スピンコーティングにより陽極導電基板上にホールバッファ層を形成し、
    スピンコーティングにより前記ホールバッファ層上に活性層を形成し、
    活性層の上に、セシウム塩と金属粒子がドープされる電子輸送材料を蒸着プロセスによって、電子輸送層を形成し、
    電子輸送層の上に陰極を形成し、ポリマー太陽電池を形成する、
    ポリマー太陽電池の製造方法。
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