JP2016066645A - 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率を向上させることができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１の電極と、第２の電極と、光電変換層と、第１のバッファ層と、を備えた光電変換素子が提供される。前記第２の電極は、前記第１の電極と離隔して設けられる。前記光電変換層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられる。前記第１のバッファ層は、前記第１の電極と前記光電変換層との間および前記第２の電極と前記光電変換層との間のいずれか一方に設けられポリエチレンジオキシチオフェンを含む。前記第１のバッファ層の仕事関数は、前記光電変換層のｐ形半導体材料のＨＯＭＯよりも深い。前記第１のバッファ層の下層の最大高さに対する前記第１のバッファ層の厚さの比率は、１倍以上、２倍以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関する。

有機光電変換材料または有機物と無機物とを含む光電変換材料を用いた太陽電池やセンサーなどが研究開発されている。光電変換材料を塗布あるいは印刷することにより太陽電池等を生産できると、比較的低コストでデバイスを作製できる可能性がある。光電変換素子の変換効率を向上させることができる、あるいは光電変換材料を塗布することにより形成することができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法が望まれる。

特開２０１３−６５８１４号公報

本発明の実施形態は、変換効率を向上させることができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供する。

実施形態によれば、第１の電極と、第２の電極と、光電変換層と、第１のバッファ層と、を備えた光電変換素子が提供される。前記第２の電極は、前記第１の電極と離隔して設けられる。前記光電変換層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられる。前記第１のバッファ層は、前記第１の電極と前記光電変換層との間および前記第２の電極と前記光電変換層との間のいずれか一方に設けられポリエチレンジオキシチオフェンを含む。前記第１のバッファ層の仕事関数は、前記光電変換層のｐ形半導体材料のＨＯＭＯよりも深い。前記第１のバッファ層の下層の最大高さに対する前記第１のバッファ層の厚さの比率は、１倍以上、２倍以下である。

実施形態にかかる光電変換素子を表す模式図である。 実施形態にかかる光電変換素子の製造方法を説明する模式的平面図である。 実施形態にかかる光電変換素子の第１の実施例を説明する表およびグラフ図である。 実施形態にかかる光電変換素子の第２の実施例を説明するグラフ図である。 実施形態にかかる光電変換素子の第３の実施例を説明するグラフ図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態にかかる光電変換素子を表す模式図である。
図１（ａ）は、実施形態にかかる光電変換素子を表す模式的平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に表した切断面Ａ−Ａにおける模式的断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）に表した切断面Ｂ−Ｂにおける模式的断面図である。図１（ｄ）は、図１（ｃ）に表した領域Ａ１を拡大した模式的拡大図である。

実施形態にかかる光電変換素子１０は、第１の電極１と、第１のバッファ層２と、光電変換層３と、第２のバッファ層４と、第２の電極５と、基板６と、第３のバッファ層７と、を備える。実施形態にかかる光電変換素子１０としては、例えば、太陽電池やセンサなどが挙げられる。光電変換層３は、塗布で形成され、有機半導体の材料およびペロブスカイト構造の材料の少なくともいずれかを含む。

図１（ｂ）に表したように、第２の電極５は、第１の電極１と離隔して設けられる。第１の電極１は、基板６と、第２の電極５と、の間に設けられる。第１のバッファ層２は、第１の電極１と、第２の電極５と、の間に設けられる。光電変換層３は、第１のバッファ層２と、第２の電極５と、の間に設けられる。第２のバッファ層４は、光電変換層３と、第２の電極５と、の間に設けられる。

図１（ａ）および図１（ｃ）に表したように、第３のバッファ層７は、第１の電極１の端部１ａに設けられる。
より具体的には、図１（ｄ）に表したように、第２の電極５は、第１の部分５ａと、第２の部分５ｂと、を有する。第１の部分５ａは、第２のバッファ層４の上に設けられる。第２の部分５ｂは、第１の部分５ａから基板６へ延在する。第３のバッファ層は、第１のバッファ部分７ａと、第２のバッファ部分７ｂと、を有する。第１の電極１、第１のバッファ層２、光電変換層３、および第２のバッファ層４は、基板６と、第２の電極５の第１の部分５ａと、の間に設けられる。第３のバッファ層７の第１のバッファ部分７ａは、第１の電極１と、第２の電極５の第１の部分５ａと、の間に設けられる。第３のバッファ層７の第２のバッファ部分７ｂは、第１の電極１と、第２の電極５の第２の部分５ｂと、の間に設けられる。

第１の電極１および第２の電極５のいずれか一方は、陽極となる。第１の電極１および第２の電極５のいずれか他方は、陰極となる。第１の電極１および第２の電極５により、電気が取り出される。光電変換層３は、基板６と第１の電極１と第１のバッファ層２とを通して入射した光、または第２の電極５と第２のバッファ層４とを通して入射した光によって励起され、第１の電極１および第２の電極５のいずれか一方に電子を生じ、第１の電極１および第２の電極５のいずれか他方に正孔を生ずる。
以下、実施形態に係る光電変換素子１０の構成部材について説明する。

（基板６）
基板６は、ほかの構成部材（基板６以外の構成部材）を支持する。基板６は、電極を形成することができる。基板６としては、熱や有機溶媒によって変質しないものが好ましい。基板６の材料としては、例えば、無機材料、プラスチック、高分子フィルム、あるいは金属基板等が挙げられる。無機材料としては、無アルカリガラス、石英ガラス等が挙げられる。プラスチックおよび高分子フィルムの材料としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー等などが挙げられる。金属基板の材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、シリコン等が挙げられる。

基板６は、光が入射する側に配置される場合、透明なものを使用する。つまり、光が入射する側に基板６が配置される場合には、基板６の材料として、光透過性を有する材料が用いられる。基板６とは反対側の電極（実施形態では第２の電極５）が透明または半透明である場合、基板６として不透明な基板を使用してもよい。基板６が他の構成部材を支持するために十分な強度を有していれば、基板６の厚さは、特に限定されない。

基板６は、光が入射する側に配置される場合、例えばモスアイ構造の反射防止膜を光入射面に設置することで光を効率的に取り込み、セルのエネルギー変換効率を向上させることが可能である。モスアイ構造は、１００ナノメートル（ｎｍ）程度の規則的な突起配列を表面に有する。モスアイ構造の突起構造により、厚み方向の屈折率が連続的に変化する。そのため、無反射フィルムを媒介させることで屈折率の不連続的な変化面を減少させることができる。これにより、光の反射が減少し、セル効率が向上する。

（第１の電極１および第２の電極５）
ここでは、第１の電極１を例に挙げ説明する。第２の電極５の材料、第２の電極５の形成方法、および第２の電極５の厚さ等は、第１の電極１の場合と同様である。

第１の電極１は、導電性を有するものであれば特に限定されない。光を透過させる側の電極（例えば第１の電極１）の材料としては、透明または半透明の導電性を有する材料が用いられる。第１の電極１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、塗布法等で形成される。透明または半透明の電極の材料としては、導電性の金属酸化物、半透明の金属等が挙げられる。具体的には、透明または半透明の電極の材料としては、導電性ガラスや、金、白金、銀、銅等が用いられる。導電性ガラスの材料としては、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、インジウム・亜鉛・オキサイド等が挙げられる。例えば、第１の電極１は、導電性ガラスを含む膜（ＮＥＳＡ等）あるいは層として作製される。第１の電極１の材料としては、例えばＩＴＯまたはＦＴＯが好ましい。第１の電極１の材料は、有機系の導電性ポリマーであるポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等であってもよい。

第１の電極１の材料がＩＴＯの場合には、第１の電極１の厚さは、３０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の電極１の厚さを３０ｎｍよりも薄くすると、導電性が低下して抵抗が高くなる。導電性の低下は、光電変換効率の低下の原因のひとつとなる。第１の電極１の厚さを３００ｎｍよりも厚くすると、ＩＴＯの可撓性が低下する。ＩＴＯの可撓性が低下すると、応力が作用したときにＩＴＯが割れることがある。

第１の電極１のシート抵抗は可能な限り低いことが好ましく、１０Ω／□以下であることが好ましい。第１の電極１は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料を含む層が積層された構造を有していてもよい。

第１の電極１を電子輸送層と接して形成する場合には、第１の電極１の材料として仕事関数の低い材料を用いることが好ましい。仕事関数の低い材料としては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属等が挙げられる。具体的には、仕事関数の低い材料としては、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｚｒ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂａ、およびこれらの合金を挙げることができる。第１の電極１は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料を含む層が積層された構造を有していてもよい。また、第１の電極１の材料は、前述した仕事関数の低い材料のうちの少なくともいずれかと、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステン、および錫のうちの少なくともいずれかと、の合金でもよい。合金の例としては、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、マグネシウム−銀合金、カルシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。

第１の電極１を電子輸送層と接して形成する場合には、第１の電極１の厚さは、１ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の電極１の厚さは、１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。第１の電極１の厚さが１ｎｍよりも薄い場合には、第１の電極１の厚さが１ｎｍ以上の場合と比較して、抵抗が大きくなり、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できないことがある。第１の電極１の厚さが５００ｎｍよりも厚い場合には、第１の電極１の形成に比較的長い時間を要する。そのため、材料温度が上昇し、他の材料にダメージを与えて性能が劣化することがある。さらに、材料を大量に使用するため、第１の電極１を形成する装置（例えば成膜装置）の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

第１の電極１を正孔輸送層と接して形成する場合には、第１の電極１の材料として仕事関数の高い材料を用いることが好ましい。仕事関数の高い材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕおよびこれらの合金等が挙げられる。第１の電極１は、単層であってもよく、異なる仕事関数の材料を含む層が積層された構造を有していてもよい。

第１の電極１を正孔輸送層と接して形成する場合には、第１の電極１の厚さは、１ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の電極１の厚さは、１０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。第１の電極１の厚さが１ｎｍよりも薄い場合には、第１の電極１の厚さが１ｎｍ以上の場合と比較して、抵抗が大きくなり、発生した電荷を十分に外部回路へ伝達できないことがある。第１の電極１の厚さが５００ｎｍよりも厚い場合には、第１の電極１の形成に比較的長い時間を要する。そのため、材料温度が上昇し、他の材料にダメージを与えて性能が劣化することがある。さらに、材料を大量に使用するため、第１の電極１を形成する装置（例えば成膜装置）の占有時間が長くなり、コストアップに繋がる。

（第１のバッファ層２、第２のバッファ層４、第３のバッファ層７）
第１のバッファ層２および第２のバッファ層４のいずれか一方は、光電変換層３と第１の電極１との間に設けられる。第１のバッファ層２および第２のバッファ層４のいずれか他方は、光電変換層３と第２の電極５との間に設けられる。図１（ａ）〜図１（ｄ）に表した例では、第１のバッファ層２は、光電変換層３と第１の電極１との間に設けられる。図１（ａ）〜図１（ｄ）に表した例では、第２のバッファ層４は、光電変換層３と第２の電極５との間に設けられる。

第１のバッファ層２および第２のバッファ層４のいずれか一方は、正孔輸送層である。第１のバッファ層２および第２のバッファ層４のいずれか他方は、電子輸送層である。ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）は、正孔輸送層の材料として利用できる。ポリチオフェン系ポリマーの代表的な製品としては、例えば、スタルク社のＣｌｅｖｉｏｓ ＰＨ５００、ＣｌｅｖｉｏｓＰＨ、ＣｌｅｖｉｏｓＰＶ Ｐ Ａｌ ４０８３、ＣｌｅｖｉｏｓＨＩＬ１，１が挙げられる。

正孔輸送層の形成方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されない。例えば、スピンコート等で正孔輸送層の材料を塗布することが可能である。例えば、正孔輸送層の材料を含む溶液（例えばアルコール水溶液など）をスピンコート等により第１の電極１の面に塗布する。正孔輸送層の材料を所望の厚さに塗布した後、ホットプレート等で加熱し乾燥させる。１４０℃以上、２００℃以下で数分間以上、１０分間以下程度、塗布した正孔輸送層の材料を加熱し乾燥させることが好ましい。塗布する溶液は、予めフィルターでろ過したものを使用することが望ましい。

ＰＥＤＯＴの仕事関数は、−４．４ｅＶ（electron volt：電子ボルト）である。但し、ＰＥＤＯＴに別種の材料を混合することで、仕事関数を調整可能である。例えば、ＰＥＤＯＴにＰＳＳを混合することで、−５．０ｅＶ以上、−５．８ｅＶ以下の間において仕事関数を調整できる。これにより、第１のバッファ層２の仕事関数を、光電変換層３のｐ形有機半導体材料のＨＯＭＯ（最高被占軌道）よりも深くすることができる。例えば、正孔輸送層の材料としては、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホネート））等のポリチオフェン系ポリマー、ポリアニリン、ポリピロール等の有機導電性ポリマーを使用することができる。

第２のバッファ層４の材料および第３のバッファ層７の材料としては、ハロゲン化合物または金属酸化物が好ましい。第２のバッファ層４の材料は、第３のバッファ層７の材料と同じであることが好ましい。

ハロゲン化合物の例としては、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＮａＦ、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、 ＮａＩ、ＫＦ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＣｓＦが挙げられる。ハロゲン化合物のより好ましい例としては、ＬｉＦが挙げられる。
金属酸化物の例としては、チタン酸化物、モリブデン酸化物、バナジウム酸化物、亜鉛酸化物、ニッケル酸化物、リチウム酸化物、カルシウム酸化物、セシウム酸化物、アルミニウム酸化物が挙げられる。

電子輸送層は、電子を効率的に輸送する機能を有する。電子輸送層の材料としては、金属酸化物が挙げられる。金属酸化物としては、たとえばゾルゲル法にてチタンアルコキシドを加水分解して得たアモルファス性の酸化チタンなどが挙げられる。

電子輸送層の形成方法は、薄膜を形成できる方法であれば特に限定されない。例えば、電子輸送層の形成方法としては、スピンコート法が挙げられる。電子輸送層の材料として酸化チタンを使用する場合、電子輸送層の厚さは、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。電子輸送層の厚さが５ｎｍよりも薄い場合には、ホールブロック効果が減少する。そのため、発生したエキシトンが電子とホールに解離する前に失活し、効率的に電流を取り出すことができない。電子輸送層の厚さが２０ｎｍよりも厚い場合には、電子輸送層の厚さが２０ｎｍ以下の場合と比較して、電子輸送層の抵抗が大きくなり、発生した電流を制限する。そのため、光変換効率が低下する。塗布する溶液は、あらかじめフィルターで濾過したものを使用することが望ましい。

電子輸送層の材料を規定の厚さに塗布した後、ホットプレートなどを用いて加熱し乾燥させる。５０℃以上、１００℃以下で数分間以上、１０分間以下程度、空気中にて加水分解を促進しながら塗布した電子輸送層の材料を加熱し乾燥させる。無機物の材料としては、金属カルシウムなどが挙げられる。

（光電変換層３）
光電変換層３には、有機半導体からなるヘテロ接合またはバルクヘテロ接合を用いることができる。バルクヘテロ接合は、ｐ形半導体とｎ形半導体とが光電変換層３の中で混合してミクロ層分離構造をとる。混合されたｐ形半導体とｎ形半導体とは、光電変換層３の内でナノオーダーのサイズのｐｎ接合を形成し、接合面において生じる光電荷分離を利用して電流を得る。ｐ形半導体は、電子供与性の性質を有する材料を含む。一方、ｎ形半導体は、電子受容性の性質を有する材料を含む。実施形態においては、ｐ形半導体およびｎ形半導体の少なくとも一方が有機半導体であってよい。

ｐ形有機半導体としては、例えば、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミンを有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、フタロシアニン誘導体、ポルフィリンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体等を使用することができ、これらを併用してもよい。また、これらの共重合体を使用してもよい。共重合体としては、例えば、チオフェン−フルオレン共重合体、フェニレンエチニレン−フェニレンビニレン共重合体等が挙げられる。

ｐ形有機半導体としては、π共役を有する導電性高分子であるポリチオフェンおよびその誘導体が好ましい。ポリチオフェンおよびその誘導体は、比較的優れた立体規則性を確保することができる。ポリチオフェンおよびその誘導体の溶媒への溶解性は、比較的高い。ポリチオフェンおよびその誘導体は、チオフェン骨格を有する化合物であれば特に限定されない。ポリチオフェンおよびその誘導体の具体例としては、ポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェン、ポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテン、ポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェン等が挙げられる。ポリアルキルチオフェン；ポリ３−フェニルチオフェンとしては、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−ブチルチオフェン、ポリ３−ヘキシルチオフェン、ポリ３−オクチルチオフェン、ポリ３−デシルチオフェン、ポリ３−ドデシルチオフェン等が挙げられる。ポリアリールチオフェン；ポリ３−ブチルイソチオナフテンとしては、ポリ３−（ｐ−アルキルフェニルチオフェン）等が挙げられる。ポリアルキルイソチオナフテン；ポリエチレンジオキシチオフェンとしては、ポリ３−ヘキシルイソチオナフテン、ポリ３−オクチルイソチオナフテン、ポリ３−デシルイソチオナフテン等が挙げられる。

また、カルバゾール、ベンゾチアジアゾールおよびチオフェンを含む共重合体であるＰＣＤＴＢＴ（ポリ［Ｎ−９"−ヘプタ−デカニル−２，７−カルバゾール−アルト−５，５−（４'，７'−ジ−２−チエニル−２'，１'，３'−ベンゾチアジアゾール）］）などの誘導体が、比較的優れた光電変換効率を得られる化合物として知られている。

これらの導電性高分子は、溶媒に溶解させた溶液を塗布することにより膜あるいは層として形成可能である。従って、大面積の有機薄膜太陽電池を、印刷法等により、安価な設備にて低コストで製造できる。

ｎ形有機半導体としては、フラーレンおよびその誘導体が好ましい。ここで使用されるフラーレン誘導体は、フラーレン骨格を有する誘導体であれば特に限定されない。具体的には、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４等を基本骨格として構成される誘導体が挙げられる。フラーレン誘導体は、フラーレン骨格における炭素原子が任意の官能基で修飾されていてもよく、この官能基同士が互いに結合して環を形成していてもよい。フラーレン誘導体には、フラーレン結合ポリマーが含まれる。溶剤に親和性の高い官能基を有し、溶媒への可溶性が高いフラーレン誘導体が好ましい。

フラーレン誘導体における官能基としては、例えば、水素原子；水酸基；フッ素原子、ハロゲン原子；メチル基、アルキル基；アルケニル基；シアノ基；メトキシ基、アルコキシ基；フェニル基、芳香族炭化水素基、チエニル基、芳香族複素環基等が挙げられる。ハロゲン原子としては、塩素原子等が挙げられる。アルキル基としては、エチル基等が挙げられる。アルケニル基としては、ビニル基等が挙げられる。アルコキシ基としては、エトキシ基等が挙げられる。芳香族炭化水素基としては、ナフチル基等があげられる。芳香族複素環基としては、ピリジル基等が挙げられる。具体的には、Ｃ_６０Ｈ_３６、Ｃ_７０Ｈ_３６等の水素化フラーレン、Ｃ_６０、Ｃ_７０等のオキサイドフラーレン、フラーレン金属錯体等が挙げられる。

前述した中でも、フラーレン誘導体として、６０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_６１酪酸メチルエステル）または７０ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニルＣ_７１酪酸メチルエステル）を使用することが好ましい。

ｎ形有機半導体として未修飾のフラーレンを使用する場合、Ｃ_７０を使用することが好ましい。フラーレンＣ_７０の光キャリアの発生効率は、比較的高い。フラーレンＣ_７０を有機薄膜太陽電池に使用することが、好ましい。

光電変換層３において、ｎ形有機半導体とｐ形有機半導体との間の混合比率は、ｐ形半導体がＰ_３ＡＴ系の場合には、およそｎ形有機半導体：ｐ形有機半導体＝１：１であることが好ましい。また、ｎ形有機半導体とｐ形有機半導体との間の混合比率は、ｐ形半導体がＰＣＤＴＢＴ系の場合には、 およそｎ形有機半導体：ｐ形有機半導体＝４：１であることが好ましい。

有機半導体を塗布するためには、有機半導体を溶媒に溶解する必要がある。それに用いる溶媒としては、例えば、不飽和炭化水素系溶媒、ハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、エーテル類等が挙げられる。不飽和炭化水素系溶媒としては、トルエン、キシレン、テトラリン、デカリン、メシチレン、ｎ−ブチルベンゼン、ｓｅｃ−ブチルベンゼン、ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン等が挙げられる。ハロゲン化芳香族炭化水素系溶媒としては、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等が挙げられる。ハロゲン化飽和炭化水素系溶媒としては、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン等が挙げられる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が挙げられる。ハロゲン系の芳香族溶剤が、より好ましい。これらの溶剤を単独、もしくは混合して使用することが可能である。

溶液を塗布し膜あるいは層を形成する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、キャスティング法、バーコート法、ロールコート法、ワイアーバーコート法、スプレー法、スクリーン印刷、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、グラビア・オフセット印刷、ディスペンサー塗布、ノズルコート法、キャピラリーコート法、インクジェット法等が挙げられる。これらの塗布法を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。

光電変換層３には、ペロブスカイトを用いることができる。ペロブスカイトは、イオンＡ、イオンＢ、イオンＸからなるＡＢＸ_３で表すことができる。イオンＢがイオンＡに比べて小さい場合には、ＡＢＸ_３は、ペロブスカイト構造を有する場合がある。ペロブスカイト構造は、立方晶系の単位格子をもつ。ペロブスカイト構造では、立方晶の各頂点にイオンＡが配置され、体心にイオンＢが配置され、これを中心として立方晶の各面心にイオンＸが配置されている。ＢＸ_６八面体の向きは、イオンＡとの相互作用により容易にひずみやすい。ＢＸ_６八面体は、対称性の低下により、モット転移を起こす。ＢＸ_６八面体では、イオンＭに局在していた価電子がバンドとして広がることができる。イオンＡは、ＣＨ_３ＮＨ_３であることが好ましい。イオンＢは、ＰｂおよびＳｎの少なくともいずれかであることが好ましい。イオンＸは、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩの少なくともいずれかであることが好ましい。イオンＡ、イオンＢ、およびイオンＸを構成する材料は、単一であっても混合であっても良い。

図２は、実施形態にかかる光電変換素子の製造方法を説明する模式的平面図である。
実施形態では、基板６には、ガラス板を用いることができる。第１の電極１には、ＩＴＯを用いることができる。第１のバッファ層２には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用いることができる。第２のバッファ層および第３のバッファ層７には、ＬｉＦを用いることができる。光電変換層３のｐ形有機半導体の材料としてＰＣＥ−１０（１−マテリアル社）を用いることができる。光電変換層３のｎ形有機半導体の材料として、［７０］ＰＣＢＭを用いることができる。第２の電極４として、ＡｇＭｇを用いることができる。

図２（ａ）に表したように、ガラス板と接する位置に、ＩＴＯ（第１の電極１）をスパッタで形成する。次に、図２（ｂ）に表したように、第３のバッファ層７としてＬｉＦをＩＴＯの端部１ａに蒸着で形成する。次に、図２（ｃ）に表したように、第１のバッファ層２としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスピンコートで形成する。例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを含む溶液（例えばアルコール水溶液など）をスピンコートにより第１の電極１および第３のバッファ層７と接する位置に塗布する。次に、１２０℃で１０分間、第１のバッファ層２を形成した素子を乾燥させる。

次に、図２（ｄ）に表したように、光電変換層３として、ＰＣＥ−１０と［７０］ＰＣＢＭとを含む溶液をスピンコートする。ＰＣＥ−１０と［７０］ＰＣＢＭとの重量比については、ＰＣＥ−１０：［７０］ＰＣＢＭ＝１：２で調整する。溶解液としては、ＤＩＯを３％含むＣＢを利用する。

次に、図２（ｅ）に表したように、第２のバッファ層４として蒸着器で０．０２ｎｍのＬｉＦを形成する。ここで成膜するＬｉＦの膜厚（蒸着機の膜厚計の指示値）は、Ｌｉの原子の直径０．３４ｎｍよりも小さい。連続膜とは考えにくく、平均膜厚を意味している。
次に、図２（ｆ）に表したように、第２の電極５として１００ｎｍのＡｇＭｇ（Ｍｇ：９０ｗｔ％）を形成する。
このようにして、図１（ａ）〜図１（ｄ）に関して前述した光電変換素子１０が製造される。

図３は、実施形態にかかる光電変換素子の第１の実施例を説明する表およびグラフ図である。
図３（ａ）は、第１の実施例および第１の比較例の特性を表す表である。図３（ｂ）は、電圧と電流密度との間の関係を例示するグラフ図である。図３（ｂ）に表したグラフ図の横軸は、電圧Ｖを表す。図３（ｂ）に表したグラフ図の縦軸は、電流密度ＣＤを表す。

本実施例では、基板６にはガラス板を用い、第１の電極１にはＩＴＯを用いている。第１のバッファ層２としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを形成し、第２のバッファ層４としてＬｉＦを形成する。第１のバッファ層２は、正孔輸送層として機能する。光電変換層３のｐ形有機半導体材料としてＰＣＥ−１０を形成し、ｎ型有機半導体材料として［７０］ＰＣＢＭのバルクヘテロを形成する。

ガラス基板にＩＴＯをスパッタで形成した後、第１のバッファ層２としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスピンコートで形成する。ＰＣＥ−１０のＨＯＭＯは、−５．２ｅＶである。第１の実施例のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのＨＯＭＯを、−５．８ｅＶとした。つまり、第１の実施例では、第１のバッファ層２の仕事関数は、光電変換層３のｐ形有機半導体材料のＨＯＭＯよりも深い。一方で、第１の比較例のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのＨＯＭＯを、−５．０ｅＶとした。つまり、第１の比較例では、第１のバッファ層２の仕事関数は、光電変換層３のｐ形有機半導体材料のＨＯＭＯよりも高い。第１の実施例のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さは、ＩＴＯ（第１の電極１）の最大高さＲｚの約１倍程度とした。第１の比較例のＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さは、ＩＴＯ（第１の電極１）の最大高さＲｚの約５倍程度とした。
「最大高さＲｚ」とは、基準長さにおいて、山頂と谷底との間隔をいう。

次に、１２０℃で１０分間、第１のバッファ層２を形成した素子を乾燥させる。次に、光電変換層３として、ＰＣＥ−１０と［７０］ＰＣＢＭとを含む溶液をスピンコートする。ＰＣＥ−１０と［７０］ＰＣＢＭとの間の重量比は、１：２である。溶解液は、ＤＩＯを３％含むＣＢである。次に、第２のバッファ層４として、蒸着機で０．０２ｎｍのＬｉＦを形成し、第２の電極５として、１００ｎｍのＡｇＭｇ（Ｍｇ：９０ｗｔ％）を形成する。ここで形成するＬｉＦの膜厚（蒸着機の膜厚計の指示値）は、Ｌｉの原子の直径０．３４ｎｍよりも小さい。連続膜とは考えにくく、平均膜厚を意味している。

第１の実施例にかかる光電変換素子および第１の比較例にかかる光電変換素子において、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）１．５で１００ｍＷ／ｃｍ^２の入射光で発生する特性を測定した結果の一例は、図３（ａ）および図３（ｂ）に表した通りである。図３（ｂ）に表したグラフ図により、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのＨＯＭＯを−５．０ｅＶとした第１の比較例と比較すると、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのＨＯＭＯを−５．８ｅＶとした第１の実施例において、電流密度ＣＤが増加していることを確認できた。また、図３（ａ）に表した表により、第１の実施例の光電変換素子の変換効率ηが第１の比較例の光電変換素子の変換効率ηよりも高いことを確認できた。

図４は、実施形態にかかる光電変換素子の第２の実施例を説明するグラフ図である。
図４に表したグラフ図の横軸は、下層の最大高さＲｚに対する第１のバッファ層の厚さの比率を表す。図４に表したグラフ図の縦軸は、変換効率を表す。

本実施例では、図３（ａ）および図３（ｂ）に関して前述した第１の実施例における−５．０ｅＶのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳのとしてＰＨ５００を使用する。その他の構造は、図３（ａ）および図３（ｂ）に関して前述した第１の実施例と同様である。ＩＴＯ（第１の電極１）の最大高さＲｚに対するＰＨ５００厚さの比率を変化させた光電変換素子を、第１の実施例の場合と同様に、ＡＭ１．５で１００ｍＷ／ｃｍ^２の入射光で発生する特性を測定した。その結果の例は、図４に表した通りである。図４に表したグラフ図により、より好ましいＰＨ５００の厚さは、下層（本実施例ではＩＴＯ）の最大高さＲｚの５倍以上、１０倍以下であることが確認できる。言い換えれば、下層（本実施例ではＩＴＯ）の最大高さＲｚに対するＰＨ５００の厚さの比率が５倍未満および１０倍よりも大きい場合には、変換効率の低下が起こっている。

図５は、実施形態にかかる光電変換素子の第３の実施例を説明するグラフ図である。
図５（ａ）は、厚さの倍率と変換効率との間の関係を例示するグラフ図である。図５（ｂ）は、厚さの倍率と曲線因子との間の関係を例示するグラフ図である。図５（ｃ）は、厚さの倍率と開放電圧との間の関係を例示するグラフ図である。図５（ｄ）は、厚さの倍率と短絡電流密度との間の関係を例示するグラフ図である。図５（ｅ）は、厚さの倍率と直列抵抗との間の関係を例示するグラフ図である。図５（ｆ）は、厚さの倍率と並列抵抗（シャント抵抗）との間の関係を掲示するグラフ図である。

本実施例では、図３（ａ）および図３（ｂ）に関して前述した第１の実施例における−５．８ｅＶのＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを使用する。その他の構造は、図３（ａ）および図３（ｂ）に関して前述した第１の実施例の構造と同様である。ＩＴＯ（第１の電極１）の最大高さＲｚに対するＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さの比率を変化させた光電変換素子を、第１の実施例の場合と同様に、ＡＭ１．５で１００ｍＷ／ｃｍ^２の入射光で発生する特性を測定した。その結果の例は、図５（ａ）〜図５（ｆ）に表した通りである。図５（ｃ）に表したように、下層（本実施例ではＩＴＯ）の最大高さＲｚに対するＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さの比率が１倍未満の場合には、開放電圧Ｖｏｃの低下が起こっている。図５（ｄ）に表したように、下層（本実施例ではＩＴＯ）の最大高さＲｚに対するＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さの比率が２倍よりも大きい場合には、短絡電流密度Ｊｓｃの低下が起こっている。図５（ａ）に表したように、下層（本実施例ではＩＴＯ）の最大高さＲｚに対するＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの厚さの比率が１倍未満および２倍よりも大きい場合には、変換効率の低下が起こっている。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 第１の電極、 １ａ 端部、 ２ 第１のバッファ層、 ３ 光電変換層、 ４ 第２のバッファ層、 ５ 第２の電極、 ５ａ 第１の部分、 ５ｂ 第２の部分、 ６ 基板、 ７ 第３のバッファ層、 ７ａ 第１のバッファ部分、 ７ｂ 第２のバッファ部分、 １０ 光電変換素子

Claims (7)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極と離隔して設けられた第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた光電変換層と、
   前記第１の電極と前記光電変換層との間および前記第２の電極と前記光電変換層との間のいずれか一方に設けられポリエチレンジオキシチオフェンを含む第１のバッファ層と、
   を備え、
   前記第１のバッファ層の仕事関数は、前記光電変換層のｐ形半導体材料のＨＯＭＯよりも深く、
   前記第１のバッファ層の下層の最大高さに対する前記第１のバッファ層の厚さの比率は、１倍以上、２倍以下である光電変換素子。
2. 前記第１のバッファ層の材料は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳである請求項１記載の光電変換素子。
3. 前記第１の電極と前記光電変換層との間および前記第２の電極と前記光電変換層との間のいずれか他方に設けられた第２のバッファ層をさらに備えた請求項１または２に記載の光電変換素子。
4. 前記第２のバッファ層の材料は、ハロゲン化合物または金属酸化物である請求項３記載の光電変換素子。
5. 前記第２のバッファ層の材料は、ＬｉＦである請求項４記載の光電変換素子。
6. 第１の電極と、
   前記第１の電極と離隔して設けられた第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた光電変換層と、
   前記第１の電極と前記光電変換層との間および前記第２の電極と前記光電変換層との間のいずれか一方に設けられポリエチレンジオキシチオフェンを含む第１のバッファ層と、
   を備えた光電変換素子の製造方法であって、
   前記ポリエチレンジオキシチオフェンを含むアルコール水溶液を塗布する工程と、
   前記アルコール水溶液を塗布した層を加熱する工程と、
   を備えた光電変換素子の製造方法。
7. 前記第１のバッファ層の材料は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳである請求項６記載の光電変換素子の製造方法。

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