JP2016134464A - Organic thin film solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極及び負極の間に光電変換層を備える有機薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an organic thin film solar cell including a photoelectric conversion layer between a positive electrode and a negative electrode, and a method for producing the same.
例えば、特許文献1に記載されるように、正極及び負極(以下、これらを総称して電極ともいう)の間に、有機材料を用いた光電変換層を備える有機薄膜太陽電池が着目されている。光電変換層は、電子供与体として作用するドナーと、電子受容体として作用するアクセプタとからなり、太陽光が入射することにより励起子を発生する。この励起子は、ドナーとアクセプタとの界面において電子と正孔とに解離する。これらの電子及び正孔のそれぞれが負極及び正極に到達することで、太陽光エネルギーから変換された電気エネルギーが得られる。 For example, as described in Patent Document 1, attention is paid to an organic thin film solar cell including a photoelectric conversion layer using an organic material between a positive electrode and a negative electrode (hereinafter collectively referred to as an electrode). . The photoelectric conversion layer includes a donor that acts as an electron donor and an acceptor that acts as an electron acceptor, and generates excitons when sunlight enters. The excitons dissociate into electrons and holes at the donor / acceptor interface. When each of these electrons and holes reaches the negative electrode and the positive electrode, electric energy converted from solar energy is obtained.
この種の光電変換層として、例えば、バルクヘテロ接合(BHJ)構造のものが知られている。BHJ構造では、ドナーとアクセプタの各々が互いに相分離したドメインを形成し、且つこれらのドメインが光電変換層内に混在している。このため、BHJ構造では、例えば、ドナーのみからなる層とアクセプタのみからなる層とを積層した平面ヘテロ接合構造等に比して、ドナーとアクセプタの界面を増大させて、電子及び正孔の発生効率を向上できる点で好ましい。 As this type of photoelectric conversion layer, for example, one having a bulk heterojunction (BHJ) structure is known. In the BHJ structure, the donor and acceptor each form a phase-separated domain, and these domains are mixed in the photoelectric conversion layer. For this reason, in the BHJ structure, for example, compared with a planar heterojunction structure in which a layer consisting only of a donor and a layer consisting only of an acceptor are stacked, the interface between the donor and the acceptor is increased to generate electrons and holes. It is preferable at the point which can improve efficiency.
一般的に有機薄膜太陽電池の出力特性は、電流密度と出力電圧との関係、具体的には、電流密度を縦軸とし、出力電圧を横軸として図示した曲線(以下IVカーブともいう)により評価される。ここで、電流密度とは、出力電流を、有機薄膜太陽電池の発電部分の表面積で除して得られる値である。 In general, the output characteristics of an organic thin-film solar cell are the relationship between current density and output voltage, specifically, a curve (hereinafter also referred to as an IV curve) illustrated with the current density as the vertical axis and the output voltage as the horizontal axis. Be evaluated. Here, the current density is a value obtained by dividing the output current by the surface area of the power generation portion of the organic thin film solar cell.
上記の出力特性に影響を及ぼす因子のひとつに、薄膜太陽電池を等価回路で示した場合の並列抵抗(Rsh)がある。この並列抵抗は、漏れ電流に起因する抵抗成分であり、光電変換層での漏れ電流が多いと低下する傾向にある。従って、有機薄膜太陽電池では、その出力特性を向上させるために、並列抵抗が大きいことが好ましい。 One of the factors affecting the output characteristics is a parallel resistance (R sh ) when a thin film solar cell is shown as an equivalent circuit. This parallel resistance is a resistance component resulting from the leakage current, and tends to decrease when the leakage current in the photoelectric conversion layer is large. Therefore, in the organic thin film solar cell, it is preferable that the parallel resistance is large in order to improve the output characteristics.
ここで、BHJ構造の光電変換層では、上記の界面で発生した電子及び正孔のうち、電子がアクセプタドメイン内を移動して負極に到達し、且つ正孔がドナードメイン内を移動して正極に到達することが望ましい。 Here, in the photoelectric conversion layer having the BHJ structure, among the electrons and holes generated at the interface, the electrons move in the acceptor domain and reach the negative electrode, and the holes move in the donor domain and are positive. It is desirable to reach
ところが、ドナー及びアクセプタの各ドメインが光電変換層全体に混在するため、アクセプタドメインが正極に対して直接的に、又は輸送層等を介して間接的に接触する部位が存在する。同様に、ドナードメインが負極に対して直接的又は間接的に接触する部位が存在する。従って、これらの接触部位を介して、アクセプタドメイン内を移動する電子が正極に到達してしまうことや、ドナードメイン内を移動する正孔が負極に到達してしまうことがある。この場合、漏れ電流が増大するため、BHJ構造の光電変換層を備える有機薄膜太陽電池では、並列抵抗を十分に大きくすることが困難になる懸念がある。 However, since the donor and acceptor domains are mixed in the entire photoelectric conversion layer, there is a site where the acceptor domain is in direct contact with the positive electrode or indirectly through the transport layer or the like. Similarly, there is a site where the donor domain directly or indirectly contacts the negative electrode. Therefore, the electrons moving in the acceptor domain may reach the positive electrode through these contact sites, or the holes moving in the donor domain may reach the negative electrode. In this case, since the leakage current increases, there is a concern that it is difficult to sufficiently increase the parallel resistance in the organic thin film solar cell including the photoelectric conversion layer having the BHJ structure.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、並列抵抗を効果的に増大させることが可能な光電変換層を備える有機薄膜太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an organic thin-film solar cell including a photoelectric conversion layer capable of effectively increasing parallel resistance and a method for manufacturing the same.
前記の目的を達成するために、本発明は、正極及び負極の間に光電変換層を有する有機薄膜太陽電池であって、前記光電変換層は、式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか1つを含む電子供与体と、前記電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体とを含み、前記光電変換層のうち、前記正極側に臨む正極側部位では前記電子受容体に比して前記電子供与体を含有する割合が大きく、前記負極側に臨む負極側部位では前記電子供与体に比して前記電子受容体を含有する割合が大きく、前記正極側部位及び前記負極側部位に含まれる前記電子供与体及び前記電子受容体の各々は、互いを相分離するドメインを形成していないことを特徴とする。
本発明に係る有機薄膜太陽電池では、上記の通り、正極及び負極の間に配置された光電変換層のうち、正極側に臨む部位を正極側部位とし、負極側に臨む部位を負極側部位としている。これらの正極側部位及び負極側部位の各々は、ドナー及びアクセプタの両方を含んでいる。そして、正極側部位ではアクセプタに比してドナーを含有する割合が大きく、負極側部位ではドナーに比してアクセプタを含有する割合が大きくなるように設定されている。 In the organic thin-film solar cell according to the present invention, as described above, in the photoelectric conversion layer disposed between the positive electrode and the negative electrode, the portion facing the positive electrode side is the positive electrode side portion, and the portion facing the negative electrode side is the negative electrode side portion. Yes. Each of the positive electrode side portion and the negative electrode side portion includes both a donor and an acceptor. And the ratio which contains a donor is large compared with an acceptor in the positive electrode side site | part, and the ratio which contains an acceptor compared with a donor in the negative electrode side site | part is set large.
また、正極側部位及び負極側部位に含まれるドナー及びアクセプタは、互いを相分離するドメイン(バルク)を形成していない。すなわち、正極側部位では、ドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれ、負極側部位では、アクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれている。 Moreover, the donor and acceptor contained in the positive electrode side part and the negative electrode side part do not form a domain (bulk) that separates each other. That is, the acceptor is dispersed in the donor at the positive electrode site, and the donor is contained in the acceptor at the negative electrode site.
このように、本発明の光電変換層では、正極側部位及び負極側部位の各々がドナー及びアクセプタの両方を含む。このため、ドナーのみ又はアクセプタのみから形成される層を積層してなる光電変換層に比して励起子を解離させ易くすることができる。すなわち、電子及び正孔の発生効率を向上させることができる。 As described above, in the photoelectric conversion layer of the present invention, each of the positive electrode side portion and the negative electrode side portion includes both a donor and an acceptor. Therefore, excitons can be easily dissociated as compared to a photoelectric conversion layer formed by stacking layers formed only from donors or acceptors. That is, the generation efficiency of electrons and holes can be improved.
また、本発明の光電変換層は、漏れ電流を生じさせるような、ドナードメイン及びアクセプタドメインを含んでいない。すなわち、正極側部位では、正極に対して直接的に、又は正極と光電変換層との間に正孔輸送層等が介在する場合には該介在層を介して間接的に接触するような、アクセプタドメインの形成が抑制されている。同様に、負極側部位では、負極に対して直接的に又は間接的に接触するドナードメインが形成されることが抑制されている。 Further, the photoelectric conversion layer of the present invention does not include a donor domain and an acceptor domain that cause a leakage current. That is, at the positive electrode side portion, directly contact the positive electrode or indirectly through the intervening layer when a positive hole transport layer or the like is interposed between the positive electrode and the photoelectric conversion layer, The formation of acceptor domains is suppressed. Similarly, the formation of a donor domain that directly or indirectly contacts the negative electrode is suppressed at the negative electrode side portion.
従って、本発明の光電変換層では、例えば、互いに相分離したドナー及びアクセプタのドメインが光電変換層中に混在するバルクヘテロ接合(BHJ)構造に比して、漏れ電流が生じることを抑制できる。すなわち、並列抵抗を効果的に増大させることができる。 Therefore, in the photoelectric conversion layer of the present invention, for example, leakage current can be suppressed as compared with a bulk heterojunction (BHJ) structure in which donor and acceptor domains phase-separated from each other are mixed in the photoelectric conversion layer. That is, the parallel resistance can be effectively increased.
さらに、本発明のドナーは、式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか一つを含んで構成されている。これらのナノグラフェンポリマーは、全体にわたってπ電子雲が広がった縮合芳香環を構成単位とするπ共役系ポリマーからなり、主鎖に沿ってπ電子雲が広がっている。また、HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さい。 Furthermore, the donor of this invention is comprised including at least any one of the nano graphene polymer represented by Formula (1)-(4). These nano graphene polymers are composed of a π-conjugated polymer having a condensed aromatic ring in which a π electron cloud spreads as a whole as a structural unit, and the π electron cloud spreads along the main chain. Moreover, the energy level difference (band gap Eg) between HOMO and LUMO is small.
従って、本発明の光電変換層では、上記のナノグラフェンポリマーをドナーとして含むことで、吸光係数が大きくなり、励起子が活発に生成されるようになる。また、極大吸収波長が長波長側にシフトして、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになるため、太陽光の利用効率が向上する。すなわち、有機薄膜太陽電池の変換効率を向上させることができる。 Therefore, in the photoelectric conversion layer of the present invention, the above-described nano graphene polymer is included as a donor, so that the extinction coefficient is increased and excitons are actively generated. Moreover, since the maximum absorption wavelength is shifted to the long wavelength side and light of the long wavelength (near infrared side) is favorably absorbed, the utilization efficiency of sunlight is improved. That is, the conversion efficiency of the organic thin film solar cell can be improved.
以上から、本発明に係る有機薄膜太陽電池では、電子及び正孔の発生効率が過度に低下することを抑制しつつ、漏れ電流を低減させて並列抵抗を効果的に大きくすることができ、且つ変換効率の向上を図ることができる。 From the above, in the organic thin film solar cell according to the present invention, it is possible to effectively increase the parallel resistance by reducing the leakage current while suppressing the generation efficiency of electrons and holes from being excessively reduced, and Conversion efficiency can be improved.
また、本発明は、正極及び負極の間に光電変換層を有する有機薄膜太陽電池の製造方法であって、式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか1つを含む電子供与体と、前記電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体と、前記電子供与体及び前記電子受容体の各々に対して良溶媒となる第1溶媒と、前記第1溶媒よりも沸点が高く且つ前記電子供与体に対して貧溶媒となるとともに前記電子受容体に対して良溶媒となる第2溶媒と、を混合して混合液を得る工程と、前記正極の上方に、前記混合液を供給して混合液膜を形成する工程と、前記混合液膜中の前記第1溶媒及び前記第2溶媒を、沸点が低い前記第1溶媒から優先的に蒸発させることにより、前記正極側に前記電子受容体よりも前記電子供与体を含有する割合が大きい正極側部位を形成した後、前記負極側に前記電子供与体よりも前記電子受容体を含有する割合が大きい負極側部位を形成して前記光電変換層を得る工程と、を有し、前記正極側部位及び前記負極側部位の各々に含まれる前記電子供与体及び前記電子受容体が、互いを相分離するドメインを形成していない前記光電変換層を形成することを特徴とする。
本発明に係る有機薄膜太陽電池の製造方法によれば、上記の正極側部位及び負極側部位を有する光電変換層を容易に形成することができる。すなわち、先ず、ドナーと、アクセプタと、第1溶媒と、第2溶媒とを混合して混合液を調製する。この際、第1溶媒としては、第2溶媒よりも沸点が低く、且つドナー及びアクセプタの各々に対して良溶媒となるものが選定される。また、第2溶媒としては、ドナーに対しては貧溶媒となり且つアクセプタに対しては良溶媒となるものが選定される。 According to the method for producing an organic thin-film solar cell according to the present invention, the photoelectric conversion layer having the positive electrode side portion and the negative electrode side portion can be easily formed. That is, first, a donor, an acceptor, a first solvent, and a second solvent are mixed to prepare a mixed solution. At this time, a solvent that has a lower boiling point than the second solvent and that serves as a good solvent for each of the donor and the acceptor is selected as the first solvent. The second solvent is selected to be a poor solvent for the donor and a good solvent for the acceptor.
そして、得られた混合液を正極の上方に供給して混合液膜を形成する。具体的には、正極に直接的に光電変換層を設ける場合は、該正極の表面に混合液膜を形成し、正極と光電変換層との間に正孔輸送層等の介在層を設ける場合は、該介在層の表面に混合液膜を形成する。 Then, the obtained mixed liquid is supplied above the positive electrode to form a mixed liquid film. Specifically, when a photoelectric conversion layer is provided directly on the positive electrode, a mixed liquid film is formed on the surface of the positive electrode, and an intervening layer such as a hole transport layer is provided between the positive electrode and the photoelectric conversion layer. Forms a mixed liquid film on the surface of the intervening layer.
この段階では、混合液膜に含まれるドナーは主に第1溶媒に良好に溶解し、アクセプタは第1溶媒及び第2溶媒に良好に溶解しているため、ドナー及びアクセプタの両方が混合液膜中に略均等に分散した状態である。この混合液膜中から第1溶媒及び第2溶媒を蒸発させることにより、光電変換層を形成する。この際、上記の通り、第2溶媒の沸点は第1溶媒の沸点よりも高いので、同一の条件下では、第1溶媒の方が第2溶媒よりも蒸発しやすい。つまり、混合液膜からは先ず、第1溶媒が優先的に蒸発することとなる。 At this stage, since the donor contained in the mixed liquid film is mainly well dissolved in the first solvent and the acceptor is well dissolved in the first solvent and the second solvent, both the donor and the acceptor are mixed liquid film. It is in a state of being distributed almost evenly inside. The photoelectric conversion layer is formed by evaporating the first solvent and the second solvent from the mixed liquid film. At this time, since the boiling point of the second solvent is higher than the boiling point of the first solvent as described above, the first solvent evaporates more easily than the second solvent under the same conditions. That is, first, the first solvent evaporates preferentially from the mixed liquid film.
これにより、第1溶媒が蒸発するにつれて、混合液膜中の第2溶媒の相対濃度が上昇していくことになる。上記の通り、第2溶媒はドナーに対して貧溶媒であり、アクセプタに対しては良溶媒である。このため、第2溶媒の相対濃度が上昇していくと、混合液膜中に溶解することができないドナーの大部分とアクセプタの一部が正極の上方に析出していく。これによって、正極の上方に、先ず、ドナーを含有する割合の方がアクセプタを含有する割合よりも大きく、且つドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれる正極側部位が形成される。 Thus, as the first solvent evaporates, the relative concentration of the second solvent in the mixed liquid film increases. As described above, the second solvent is a poor solvent for the donor and a good solvent for the acceptor. For this reason, as the relative concentration of the second solvent increases, most of the donor that cannot be dissolved in the mixed liquid film and part of the acceptor are deposited above the positive electrode. As a result, first, a positive electrode-side portion is formed above the positive electrode, in which the proportion containing the donor is larger than the proportion containing the acceptor, and the acceptor is dispersed in the donor.
また、残余のドナー及びアクセプタは第2溶媒に溶解した状態で混合液膜中に存在する。この状態から第2溶媒が蒸発すると、正極側部位上にアクセプタを含有する割合の方がドナーを含有する割合よりも大きく、且つアクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれる負極側部位が形成される。 The remaining donor and acceptor are present in the mixed liquid film in a state dissolved in the second solvent. When the second solvent evaporates from this state, the proportion containing the acceptor on the positive electrode side portion is larger than the proportion containing the donor, and the negative electrode side portion contained in a state where the donor is dispersed in the acceptor is formed. The
その結果、正極側部位及び負極側部位を有し、ドナー及びアクセプタの各々が互いに相分離したドメインを形成していない光電変換層を得ることができる。すなわち、本発明の有機薄膜太陽電池の製造方法では、上記の光電変換層を含む有機薄膜太陽電池を得ることができる。これによって、電子及び正孔の発生効率が過度に低下することを抑制しつつ、漏れ電流を低減させて並列抵抗を効果的に大きくすることができる。また、光電変換層が式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーをドナーとして含むため、有機薄膜太陽電池の変換効率を向上させることが可能になる。 As a result, it is possible to obtain a photoelectric conversion layer having a positive electrode side portion and a negative electrode side portion, in which each of the donor and the acceptor does not form a phase-separated domain. That is, in the manufacturing method of the organic thin film solar cell of this invention, the organic thin film solar cell containing said photoelectric conversion layer can be obtained. As a result, it is possible to effectively increase the parallel resistance by reducing the leakage current while suppressing the generation efficiency of electrons and holes from being excessively lowered. Moreover, since the photoelectric conversion layer contains the nano graphene polymer represented by Formula (1)-(4) as a donor, it becomes possible to improve the conversion efficiency of an organic thin film solar cell.
上記の有機薄膜太陽電池の製造方法において、前記第1溶媒と前記第2溶媒との質量比が94.5:5.5〜86.5:13.5となるように前記混合液を調製することが好ましい。この場合、電極に対して直接的に又は間接的に接触して漏れ電流を生じさせるようなドナー及びアクセプタのドメインが正極側部位及び負極側部位に形成されることを効果的に抑制できる。すなわち、一層良好に並列抵抗を増大させた有機薄膜太陽電池を得ることが可能になる。 In the method for producing an organic thin film solar cell, the mixed solution is prepared so that a mass ratio of the first solvent to the second solvent is 94.5: 5.5 to 86.5: 13.5. It is preferable. In this case, it is possible to effectively suppress the formation of donor and acceptor domains that cause a leakage current by directly or indirectly contacting the electrode at the positive electrode side portion and the negative electrode side portion. That is, it is possible to obtain an organic thin-film solar cell having a further increased parallel resistance.
本発明に係る有機薄膜太陽電池では、ドナー中にアクセプタが分散した正極側部位と、アクセプタ中にドナーが分散した負極側部位とを有する光電変換層を備える。この正極側部位及び負極側部位では、アクセプタ及びドナーの各々が漏れ電流を生じさせるようなドメインを形成していない。このため、本発明の光電変換層では、BHJ構造の光電変換層に比して、漏れ電流を低減することができる。これによって、有機薄膜太陽電池の並列抵抗を効果的に大きくすることが可能になる。 The organic thin film solar cell according to the present invention includes a photoelectric conversion layer having a positive electrode side portion in which an acceptor is dispersed in a donor and a negative electrode side portion in which the donor is dispersed in the acceptor. In the positive electrode side part and the negative electrode side part, the acceptor and the donor do not form domains that cause leakage current. For this reason, in the photoelectric converting layer of this invention, a leakage current can be reduced compared with the photoelectric converting layer of a BHJ structure. This makes it possible to effectively increase the parallel resistance of the organic thin film solar cell.
また、本発明の光電変換層では、ドナーとして、π電子雲の広がりが大きいπ共役系ポリマーからなるナノグラフェンポリマーを含むため、有機薄膜太陽電池の変換効率を向上させることができる。 Moreover, since the photoelectric conversion layer of this invention contains the nano graphene polymer which consists of (pi) conjugated polymer with a large spread of (pi) electron cloud as a donor, the conversion efficiency of an organic thin-film solar cell can be improved.
以下、本発明に係る有機薄膜太陽電池及びその製造方法につき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the organic thin film solar cell and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態に係る有機薄膜太陽電池10の要部概略縦断面図である。この有機薄膜太陽電池10では、正極12と負極14との間に光電変換層16を有している。さらには、正極12と光電変換層16の間に正孔輸送層18が介装され、且つ光電変換層16と負極14との間に電子輸送層20が介装されている。すなわち、有機薄膜太陽電池10は、正極12上に、正孔輸送層18、光電変換層16、電子輸送層20、負極14をこの順で重畳した構成を備える。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a main part of an organic thin film
正極12は、太陽光等の光を十分に透過するものが選定され、例えば、ガラス基板等の透明基板に蒸着されたインジウム−スズ複合酸化物(ITO)等を採用することができる。
As the
正孔輸送層18は、光電変換層16で生成した正孔が正極12に移動することを支援する層である。正孔輸送層18の材料としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸でドープされたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、すなわち、いわゆるPEDOT:PSS等を採用することができる。
The
光電変換層16は、電子供与体として作用するドナーと、電子受容体として作用するアクセプタとを含んで構成されている。このうち、ドナーは、式(1)〜(4)に示すナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか1つを含む。なお、ナノグラフェンポリマーとは、ナノメートルスケールのグラフェン(π電子雲が広がった縮合芳香環)を1つの構成単位とするπ共役系ポリマーである。
The
ただし、式(1)〜(4)中のR1〜R6の少なくとも一つはアルコキシ基であり、R7〜R10はそれぞれ独立に、水素、アルキル基及びアルコキシ基の何れかである。 However, at least one of R1 to R6 in formulas (1) to (4) is an alkoxy group, and R7 to R10 are each independently any one of hydrogen, an alkyl group, and an alkoxy group.
従って、例えば、式(1)〜(4)中の、R1、R3、R4、R6にOC10H21、R7及びR8にC12H25、R9及びR10にCH3を導入した場合、ドナーは、式(5)〜(8)に示すナノグラフェンポリマーの少なくとも一つを含むことになる。
Thus, for example, in the formulas (1) to (4), when R1, R3, R4, and R6 are OC 10 H 21 , R 7 and R 8 are C 12 H 25 , and R 9 and
なお、ドナーに含まれるナノグラフェンポリマーは、式(5)〜(8)に示すものに限定されない。例えば、上記の式(5)〜(8)に示すナノグラフェンポリマーのR1〜R6の全てにOC10H21を導入したものもドナーとして好適に用いることができる。また、ドナーは、例えば、式(1)〜(4)で示すナノグラフェンポリマーの何れか2つ以上がランダムに結合して構成されてもよい。 In addition, the nano graphene polymer contained in a donor is not limited to what is shown to Formula (5)-(8). For example, it can be suitably used as donors obtained by introducing the OC 10 H 21 to all R1~R6 nano graphene polymer shown in the above equation (5) to (8). In addition, the donor may be configured by, for example, any two or more of the nanographene polymers represented by the formulas (1) to (4) bonded at random.
一方、アクセプタは、上記のドナーから供与された電子を受容する材料から構成されればよく、例えば、式(9)〜(15)にそれぞれ示す、フェニルC61酪酸メチルエステル、フェニルC71酪酸メチルエステル、フェニルC61酪酸ブチルエステル、フェニルC61酪酸オクチルエステル、インデンC60ビス付加物、インデンC60モノ付加物、インデンC60トリ付加物等を好適に採用することができる。 On the other hand, the acceptor only needs to be made of a material that accepts electrons donated from the above donor. For example, phenyl C 61 butyric acid methyl ester and phenyl C 71 methyl butyrate shown in formulas (9) to (15), respectively. ester, phenyl C 61 acid butyl ester, phenyl C 61 butyric acid octyl ester, indene C 60 bis adduct, indene C 60 mono-adduct can be suitably adopted indene C 60 tri adducts.
上記のようなドナー及びアクセプタを光電変換材料として含む光電変換層16は、具体的には、正極側部位22と負極側部位24とを有している。正極側部位22は、光電変換層16のうち、正極12側に形成され、アクセプタに比してドナーを含有する割合が大きくなっている。ここで、正極12側とは、少なくとも正孔輸送層18との接触面近傍を含む部位である。なお、正孔輸送層18等の介在層を備えない有機薄膜太陽電池では、正極との接触面近傍を含む部位である。
Specifically, the
また、負極側部位24は、光電変換層16のうち、負極14側に形成され、ドナーに比してアクセプタを含有する割合が大きくなっている。ここで、負極14側とは、少なくとも電子輸送層20との接触面近傍を含む部位である。なお、電子輸送層20等の介在層を備えない有機薄膜太陽電池では、負極との接触面近傍を含む部位である。
Moreover, the negative
これらの正極側部位22及び負極側部位24の何れに含まれるドナー及びアクセプタも、互いを相分離するドメイン(バルク)を形成していない。すなわち、正極側部位22では、ドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれ、負極側部位24では、アクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれている。
The donor and acceptor contained in any of the positive
また、アクセプタ及びドナーの含有割合が連続的に変化するように、正極側部位22と負極側部位24とは連続して形成されている。なお、光電変換層16のうち、正極側部位22と負極側部位24とを除く部位、すなわち、正極側部位22と負極側部位24の間の部位等、正極12及び負極14の何れにも電気的に接触しない部位では、上記のバルクが形成されていても構わない。
Further, the positive
電子輸送層20は、光電変換層16で生成した電子が負極14に移動することを支援する層である。電子輸送層20の材料としては、例えば、2,9−ジメチル−4,7−ジフェニル−1,10−フェナントロリン、すなわち、いわゆるバクトプロイン(BCP)等を採用することができる。
The
負極14は、例えば、電子輸送層20上に蒸着した銀(Ag)等から形成することができる。
The
本実施形態に係る有機薄膜太陽電池10は、基本的には以上のように構成されるものである。次に、有機薄膜太陽電池10の製造方法につき、その一例を挙げて説明する。
The organic thin film
先ず、例えば、ガラス基板にITOを蒸着することによって正極12を形成した透明電極基板を得る。次に、正極12上に、PEDOT:PSS水溶液を滴下し、スピンコートすることにより正孔輸送層18を成膜する。この際、例えば、スピンコートの回転数を1000〜2000rpmとし、PEDOT:PSS水溶液をPEDOT:PSS濃度が1〜3質量%となるように調製すると、膜厚が30〜40nm程度の正孔輸送層18を得ることができる。
First, for example, a transparent electrode substrate on which the
次に、正孔輸送層18上に光電変換層16を形成する。このために、先ず、上記の光電変換材料から各々構成されるドナー及びアクセプタと、第1溶媒と、第2溶媒とを混合して混合液を作製する。第1溶媒は、ドナー及びアクセプタの各々に対して良溶媒となるものが選定される。このような第1溶媒としては、例えば、オルト−ジクロロベンゼン、クロロベンゼン、クロロホルム等を採用することができる。
Next, the
第2溶媒は、第1溶媒よりも沸点が高く、且つドナーに対して貧溶媒となるとともにアクセプタに対して良溶媒となるものが選定される。このような第2溶媒としては、例えば、ジヨードオクタン、オクタンジオール、ジクロロオクタン等を採用することができる。 The second solvent is selected to have a boiling point higher than that of the first solvent and a poor solvent for the donor and a good solvent for the acceptor. As such a second solvent, for example, diiodooctane, octanediol, dichlorooctane or the like can be employed.
ここで、上記の正極側部位22及び負極側部位24を良好に形成して光電変換層16を得るためには、混合液における第1溶媒:第2溶媒の質量比を94.5:5.5〜86.5:13.5とすることが好ましい。また、混合液におけるドナー:アクセプタの質量比は1:2〜1:4程度に調製すればよく、混合液中のドナー及びアクセプタの合計濃度は1〜3質量%程度に調製すればよい。
Here, in order to satisfactorily form the positive
次に、正極12の上方、すなわち、正孔輸送層18上に、混合液を供給して混合液膜を形成する。例えば、正孔輸送層18上に適量の混合液を滴下することで混合液膜を形成することができる。なお、この段階では、混合液膜に含まれるドナーは主に第1溶媒に良好に溶解し、アクセプタは第1溶媒及び第2溶媒の両方に良好に溶解しているため、ドナー及びアクセプタの両方が混合液膜中に略均等に分散した状態である。
Next, the mixed liquid is supplied above the
次に、混合液膜中の第1溶媒及び第2溶媒を、沸点が低い第1溶媒から優先的に蒸発させる。この場合、例えば、上記のようにして正孔輸送層18上に混合液膜を形成した透明電極基板に対して、スピンコートを行えばよい。上記の通り、第1溶媒は、第2溶媒よりも沸点が低いので、同一の条件下では第1溶媒の方が第2溶媒よりも蒸発しやすい。つまり、混合液膜中から先ず、第1溶媒を優先的に蒸発させることができる。
Next, the first solvent and the second solvent in the mixed liquid film are preferentially evaporated from the first solvent having a low boiling point. In this case, for example, spin coating may be performed on the transparent electrode substrate in which the mixed liquid film is formed on the
これによって、第1溶媒が減少していくことにより、混合液膜中の第2溶媒の相対濃度が上昇していく。上記の通り、第2溶媒はドナーに対して貧溶媒であり、アクセプタに対しては良溶媒である。従って、第2溶媒の相対濃度が上昇してゆくと、混合液膜中に溶解することができなくなったドナーの大部分とアクセプタの一部が正孔輸送層18上に析出していく。その結果、先ず、ドナーを含有する割合の方がアクセプタを含有する割合よりも大きく、且つドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれる正極側部位22が正孔輸送層18上に形成される。
As a result, the relative concentration of the second solvent in the mixed liquid film increases as the first solvent decreases. As described above, the second solvent is a poor solvent for the donor and a good solvent for the acceptor. Therefore, as the relative concentration of the second solvent increases, most of the donors and some of the acceptors that can no longer dissolve in the mixed liquid film are deposited on the
上記のようにして第1溶媒が優先的に蒸発した後に、第2溶媒の蒸発が進行すると、混合液中において該第2溶媒に溶解した状態で存在していた残余のドナー及びアクセプタが、正極側部位22上に析出していく。これによって、アクセプタを含有する割合の方がドナーを含有する割合よりも大きく、且つアクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれる負極側部位24が正極側部位22上に形成される。
When the evaporation of the second solvent proceeds after the first solvent evaporates preferentially as described above, the remaining donor and acceptor that existed in the mixed solution in the state of being dissolved in the second solvent are converted into the positive electrode. It is deposited on the
すなわち、正孔輸送層18上に正極側部位22、負極側部位24をこの順に形成して、光電変換層16を得ることができる。このようにして得られる光電変換層16では、正極側部位22及び負極側部位24の各々がドナー及びアクセプタの両方を含み、且つこれらのドナー及びアクセプタが互いを相分離するドメインを形成していない。
That is, the positive
なお、混合液における第1溶媒:第2溶媒の質量比、ドナー:アクセプタの質量比、ドナー及びアクセプタの合計濃度を上記のように調製した場合、スピンコートの回転数は、例えば、1000〜2000rpmとすればよい。この場合、正極側部位22の厚さが10〜15nm、負極側部位24の厚さが30〜35nm程度となる光電変換層16を得ることができる。
When the first solvent: second solvent mass ratio, donor: acceptor mass ratio, and donor and acceptor total concentration in the mixed solution are prepared as described above, the spin coat rotation speed is, for example, 1000 to 2000 rpm. And it is sufficient. In this case, the
次に、光電変換層16上に、例えば、真空蒸着装置により1×10-4Pa以下の真空度にて10Å/sのレートで10nm程度の膜厚となるように、電子輸送層20としてのバクトプロイン層を形成する。
Next, the
さらに、電子輸送層20上に、例えば、真空蒸着装置により1×10-4Pa以下の真空度にて10Å/sのレートで300〜350nmの膜厚となるように、負極14としてのAg層を形成する。
Further, an Ag layer as the
基本的には、以上の工程によって、有機薄膜太陽電池10を得ることができる。この有機薄膜太陽電池10に対して、正極12側から、太陽光等の光を照射すると、この光が正孔輸送層18を通過して光電変換層16に到達し、該光電変換層16において、励起子が生成する。
Basically, the organic thin-film
この励起子は、ドナー中にアクセプタが分散した正極側部位22や、アクセプタ中にドナーが分散した負極側部位24において、電子と正孔に分離する。すなわち、この光電変換層16では、例えば、ドナーのみからなる層とアクセプタのみからなる層とを積層した平面ヘテロ接合構造の光電変換層等に比して、励起子が解離する解離面が大きい。このため、励起子の解離を生じ易くして、電子及び正孔の発生効率を向上させることができる。
The excitons are separated into electrons and holes in the positive
上記のようにして得られた電子及び正孔のうち、電子は、ドナーを含有する割合が大きい正極側部位22よりも、アクセプタを含有する割合が大きい負極側部位24内を移動して、電子輸送層20及び負極14に到達し易くなっている。一方、正孔は、負極側部位24よりも、正極側部位22内を移動して、正孔輸送層18及び正極12に移動し易くなっている。
Of the electrons and holes obtained as described above, the electrons move in the negative
また、上記の通り、正極側部位22及び負極側部位24の何れに含まれるドナー及びアクセプタも、互いを相分離するドメイン(バルク)を形成していない。すなわち、本実施形態の光電変換層16は、正孔輸送層18に接触するアクセプタドメインや、電子輸送層20に接触するドナードメインを有していない。このため、アクセプタドメインを介して電子が正極に到達してしまうことや、ドナードメインを介して正孔が負極に到達してしまうことを回避できる。これにより、バルクヘテロ接合(BHJ)構造に比して、漏れ電流を低減させることができる。
Further, as described above, the donor and acceptor contained in any of the positive
従って、本実施形態に係る有機薄膜太陽電池10では、BHJ構造の光電変換層を備える有機薄膜太陽電池に比して、並列抵抗を効果的に大きくすることができる。
Therefore, in the organic thin film
さらに、上記の通り、光電変換層16のドナーは、式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか一つを含んで構成されている。これらのナノグラフェンポリマーは、全体にわたってπ電子雲が広がった縮合芳香環を構成単位とするπ共役系ポリマーからなり、主鎖に沿ってπ電子雲が広がっている。また、HOMOとLUMOとのエネルギー準位差(バンドギャップEg)が小さい。
Furthermore, as above-mentioned, the donor of the photoelectric converting
従って、光電変換層16では、上記のナノグラフェンポリマーをドナーとして含むことで、吸光係数が大きくなり、励起子が活発に生成されるようになる。また、極大吸収波長が長波長側にシフトして、長波長(近赤外側)の光が良好に吸収されるようになるため、太陽光の利用効率が向上する。すなわち、有機薄膜太陽電池10の変換効率を向上させることができる。
Therefore, in the
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 In addition, this invention is not specifically limited to above-described embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the summary.
[ドナーの作製]
ドナーとして、上記の式(5)〜(8)に示すナノグラフェンポリマーを作製するべく、最初に、式(16)に示す反応を行った。
[Preparation of donor]
In order to produce the nano graphene polymer represented by the above formulas (5) to (8) as a donor, first, the reaction represented by the formula (16) was performed.
具体的には、先ず、窒素雰囲気下において、反応式(16)に示す化合物1(60.00g、361mmol)を、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)(300ml)に溶解した。これによって得られた溶液に、炭酸カリウム(K2CO3)(69.80g、505mmol)と、1−ブロモデカン(95.77g、433mmol)とを加え、80℃で2時間反応させた後、放冷を行った。この溶液に、さらに酢酸エチルと水を加え生成物を抽出した後、水、飽和食塩水で洗浄を行った。そして、減圧濃縮した後、カラム精製(シリカ、ヘキサン/酢酸エチル=100/0〜90/10)することで、収率88%で反応式(16)に示す化合物2を得た。 Specifically, first, Compound 1 (60.00 g, 361 mmol) represented by Reaction Formula (16) was dissolved in N, N-dimethylformamide (DMF) (300 ml) under a nitrogen atmosphere. To this solution, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) (69.80 g, 505 mmol) and 1-bromodecane (95.77 g, 433 mmol) were added and reacted at 80 ° C. for 2 hours. Cooled. To this solution, ethyl acetate and water were further added to extract the product, followed by washing with water and saturated brine. Then, after concentration under reduced pressure, column purification (silica, hexane / ethyl acetate = 100/0 to 90/10) yielded Compound 2 shown in Reaction Formula (16) in a yield of 88%.
次に、式(17)に示す反応を行った。 Next, the reaction shown in Formula (17) was performed.
具体的には、先ず、窒素雰囲気下、ジイソプロピルアミン(i−PR2NH)(35.42g、350mmol)を、テトラヒドロフラン(THF)(200ml)に溶解させた溶液を−50℃に冷却した。そして、この溶液に1.65Mのn−ブチルリチウムヘキサン溶液(202ml、334mmol)を滴下して、30分間反応させた後、さらに、滴下用溶液を滴下し、室温まで自然昇温させながら16時間反応を行った。ここで、滴下用溶液は、化合物2(97.35g、318mmol)をTHF(200ml)に溶解させて得たものである。 Specifically, first, a solution obtained by dissolving diisopropylamine (i-PR 2 NH) (35.42 g, 350 mmol) in tetrahydrofuran (THF) (200 ml) was cooled to −50 ° C. in a nitrogen atmosphere. Then, a 1.65M n-butyllithium hexane solution (202 ml, 334 mmol) was dropped into this solution and reacted for 30 minutes, and then a dropping solution was dropped, and the temperature was naturally raised to room temperature for 16 hours. Reaction was performed. Here, the dropping solution was obtained by dissolving Compound 2 (97.35 g, 318 mmol) in THF (200 ml).
続いて、濃塩酸(20ml)、飽和食塩水(400ml)、水(400ml)を混合して得た塩酸水溶液と、酢酸エチルとを加えて生成物を抽出した後、1Mの塩酸水溶液、水、飽和食塩水で洗浄を行った。そして、減圧濃縮後、カラム精製(シリカ、ヘキサン/酢酸エチル=100/0〜90/10)することで、収率93%で反応式(17)に示す化合物3a及び化合物3bを得た。 Subsequently, a hydrochloric acid aqueous solution obtained by mixing concentrated hydrochloric acid (20 ml), saturated brine (400 ml) and water (400 ml) and ethyl acetate were added to extract the product, and then a 1M hydrochloric acid aqueous solution, water, Washing with saturated saline was performed. Then, after concentration under reduced pressure, column purification (silica, hexane / ethyl acetate = 100/0 to 90/10) yielded Compound 3a and Compound 3b shown in Reaction Formula (17) at a yield of 93%.
次に、式(18)に示す反応を行った。 Next, the reaction shown in Formula (18) was performed.
具体的には、先ず、窒素雰囲気下、化合物3a、3b(85.89g、148mmol)を、エタノール(610ml)及びTHF(490ml)に溶解させて溶液を得た。この溶液に、濃塩酸(200ml)を加え、100℃で、17時間還流させた後、55℃まで放冷した。さらに、水(610ml)を加え、10℃に冷却した。これによって、析出した固体をろ過し、水、冷エタノールで洗浄し、収率90%で反応式(18)に示す化合物4を得た。 Specifically, first, under a nitrogen atmosphere, compounds 3a, 3b (85.89 g, 148 mmol) were dissolved in ethanol (610 ml) and THF (490 ml) to obtain a solution. Concentrated hydrochloric acid (200 ml) was added to this solution, refluxed at 100 ° C. for 17 hours, and then allowed to cool to 55 ° C. Further, water (610 ml) was added and cooled to 10 ° C. Thus, the precipitated solid was filtered and washed with water and cold ethanol to obtain Compound 4 represented by the reaction formula (18) at a yield of 90%.
次に、式(19)に示す反応を行った。 Next, the reaction shown in Formula (19) was performed.
具体的には、先ず、窒素雰囲気下、化合物4(44.86g、85.8mmol)と、式(19)に示す化合物5(14.69g、42.9mmol)とを、n−ブタノール(647ml)に懸濁させ80℃に加熱した。続いて、40%のベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド/メタノール溶液(1.80g、4.3mmol)を滴下し1時間反応させた。その後、さらに、40%のベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド/メタノール溶液(3.60g、8.6mmol)を滴下し30分間反応させた。そして、10℃に冷却した後、得られた固体をろ過し、n−ブタノール、冷エタノール、アセトンで洗浄した。この固体を、THF(240ml)/アセトン(520ml)で再結晶化することで、収率61%で式(19)に示す化合物6を得た。 Specifically, first, under a nitrogen atmosphere, Compound 4 (44.86 g, 85.8 mmol) and Compound 5 (14.69 g, 42.9 mmol) represented by Formula (19) were combined with n-butanol (647 ml). And heated to 80 ° C. Subsequently, 40% benzyltrimethylammonium hydroxide / methanol solution (1.80 g, 4.3 mmol) was added dropwise and allowed to react for 1 hour. Thereafter, a 40% benzyltrimethylammonium hydroxide / methanol solution (3.60 g, 8.6 mmol) was further added dropwise and reacted for 30 minutes. And after cooling to 10 degreeC, the obtained solid was filtered and wash | cleaned with n-butanol, cold ethanol, and acetone. This solid was recrystallized with THF (240 ml) / acetone (520 ml) to obtain a compound 6 represented by the formula (19) in a yield of 61%.
次に、式(20)に示す反応を行った。 Next, the reaction shown in Formula (20) was performed.
具体的には、先ず、化合物6(3.00g)と、式(20)に示す化合物7(1.178g)をジフェニルエーテル(30ml)に分散させた後、凍結脱気を行った。これによって得られた分散液を、200℃で5日間加熱還流させ室温まで冷却した後、アセトンに注ぎ再沈精製を行った。これによって析出した固体をろ過し、アセトンで洗浄することで、式(20)に示す化合物8を得た。 Specifically, first, Compound 6 (3.00 g) and Compound 7 (1.178 g) represented by Formula (20) were dispersed in diphenyl ether (30 ml), and then freeze degassing was performed. The dispersion thus obtained was heated to reflux at 200 ° C. for 5 days, cooled to room temperature, and then poured into acetone for reprecipitation purification. The precipitated solid was filtered and washed with acetone to obtain Compound 8 shown in Formula (20).
次に、式(21)に示す反応を行った。 Next, the reaction shown in Formula (21) was performed.
具体的には、先ず、窒素雰囲気下、化合物8(200mg)を、無水ジクロロメタン(CH2Cl2)(2L)に溶解させて得られた溶液を0℃に冷却した。この溶液に、FeCl3(770mg)/CH3NO2(4.7ml)溶液を、シリンジポンプを用いて30時間かけて滴下し、0℃で3日間反応させた後、室温にて1日反応させた。さらに、オルト−ジクロロベンゼン(1L)を加えた後、ジクロロメタンを減圧留去した。これによって得られた溶液を、水で洗浄し、オルト−ジクロロベンゼンをさらに減圧濃縮した後、アセトンに注ぐことにより再沈精製を行った。これによって析出した固体をろ過し、アセトンで洗浄することで、式(21)に示す化合物9a、9b、9c、9dを得た。この化合物9a〜9dが、それぞれ、上記の式(5)〜(8)に示すナノグラフェンポリマーに対応する。 Specifically, first, under a nitrogen atmosphere, a solution obtained by dissolving Compound 8 (200 mg) in anhydrous dichloromethane (CH 2 Cl 2 ) ( 2 L) was cooled to 0 ° C. To this solution, a FeCl 3 (770 mg) / CH 3 NO 2 (4.7 ml) solution was added dropwise over 30 hours using a syringe pump, reacted at 0 ° C. for 3 days, and then reacted at room temperature for 1 day. I let you. Further, ortho-dichlorobenzene (1 L) was added, and then dichloromethane was distilled off under reduced pressure. The solution thus obtained was washed with water, and ortho-dichlorobenzene was further concentrated under reduced pressure and then poured into acetone for reprecipitation purification. The precipitated solid was filtered and washed with acetone to obtain compounds 9a, 9b, 9c and 9d represented by the formula (21). The compounds 9a to 9d correspond to the nano graphene polymers represented by the above formulas (5) to (8), respectively.
このようにして得られるナノグラフェンポリマーをドナーとして採用し、且つ式(10)に示すフェニルC71酪酸メチルエステルをアクセプタとして採用し、以下に示す通り、実施例1、2及び比較例1、2に係る有機薄膜太陽電池を作製した。 The nanographene polymer thus obtained was employed as a donor, and phenyl C71 butyric acid methyl ester represented by formula (10) was employed as an acceptor. As shown below, in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, The organic thin film solar cell which concerns is produced.
[実施例1]
ガラス基板にITOを蒸着することで正極が形成された透明電極基板として、シグマ アルドリッチ社製の「703192−10PAK」(商品名)を用いた。
[Example 1]
“703192-10PAK” (trade name) manufactured by Sigma-Aldrich was used as a transparent electrode substrate on which a positive electrode was formed by evaporating ITO on a glass substrate.
この正極上に、PEDOT:PSS水溶液として、H.C.Starck Clevios GmbH社製の「Clevios P VP AI4083」(商品名)を滴下し、2500rpmの回転数で60秒間スピンコートした。これにより、30〜40nmの膜厚のPEDOT:PSS薄膜を成膜して、正孔輸送層を形成した。 As a PEDOT: PSS aqueous solution, H.P. C. “Clevios P VP AI4083” (trade name) manufactured by Stark Clevios GmbH was added dropwise and spin coated at a rotational speed of 2500 rpm for 60 seconds. Thus, a PEDOT: PSS thin film having a thickness of 30 to 40 nm was formed to form a hole transport layer.
次に、第1溶媒としてオルト−ジクロロベンゼン(o−DCB)を採用し、第2溶媒としてジヨードオクタン(DIO)を採用して、混合液を作製した。具体的には、混合液は、グローブボックス(酸素濃度0.1ppm以下、水分濃度0.1ppm以下、室温)内で作製した。すなわち、o−DCB(0.94g)とDIO(0.055g)とを混合した溶媒に対する濃度が20mg/mlとなるように、上記のドナー(4mg)及びアクセプタタ(16mg)を溶解した。結局、実施例1では、o−DCB(第1溶媒):DIO(第2溶媒)の質量比を94.5:5.5とした混合液を得た。 Next, ortho-dichlorobenzene (o-DCB) was employed as the first solvent, and diiodooctane (DIO) was employed as the second solvent to prepare a mixed solution. Specifically, the mixed solution was prepared in a glove box (oxygen concentration 0.1 ppm or less, moisture concentration 0.1 ppm or less, room temperature). That is, the donor (4 mg) and the acceptor (16 mg) were dissolved so that the concentration with respect to the solvent obtained by mixing o-DCB (0.94 g) and DIO (0.055 g) was 20 mg / ml. Eventually, in Example 1, a liquid mixture in which the mass ratio of o-DCB (first solvent): DIO (second solvent) was 94.5: 5.5 was obtained.
この混合液を、上記のグローブボックス内で、正孔輸送層上に滴下して混合液膜を形成した。そして、1000rpmの回転数で60秒間スピンコートを行った。これによって、混合液膜中から、先ず、第1溶媒を優先的に蒸発させることで、正孔輸送層上に正極側部位を形成した。その後、第2溶媒を蒸発させることで、正極側部位上に負極側部位を形成した。その結果、正極側部位及び負極側部位を有する光電変換層が得られた。 This mixed liquid was dropped on the hole transport layer in the above glove box to form a mixed liquid film. Then, spin coating was performed for 60 seconds at a rotation speed of 1000 rpm. Thus, first, the first solvent was preferentially evaporated from the mixed liquid film, thereby forming the positive electrode side portion on the hole transport layer. Then, the 2nd solvent was evaporated and the negative electrode side site | part was formed on the positive electrode side site | part. As a result, a photoelectric conversion layer having a positive electrode side part and a negative electrode side part was obtained.
次に、光電変換層上に、真空蒸着装置により1×10-4Pa以下の真空度にて1Å/sのレートで10nmの膜厚となるように、バトクプロインからなる電子輸送層を形成した。さらに、この電子輸送層上に、真空蒸着装置により1×10-4Pa以下の真空度にて10Å/sのレートで300nmの膜厚となるように、Agからなる負極を形成した。 Next, an electron transport layer made of batocuproine was formed on the photoelectric conversion layer so as to have a film thickness of 10 nm at a rate of 1 Å / s with a vacuum degree of 1 × 10 −4 Pa or less using a vacuum deposition apparatus. Furthermore, a negative electrode made of Ag was formed on the electron transport layer by a vacuum vapor deposition apparatus so as to have a film thickness of 300 nm at a rate of 10 Å / s at a degree of vacuum of 1 × 10 −4 Pa or less.
以上のようにして作製された実施例1に係る有機薄膜太陽電池10Aの縦断面について、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて観察した明視野像を図2に示す。なお、説明の便宜上、図2に示す有機薄膜太陽電池10Aの構成要素のうち、図1に示す有機薄膜太陽電池10の構成要素と同一のものに対しては同一の参照符号を付している。
FIG. 2 shows a bright-field image of the organic thin-film
一般的に、STEMによる明視野像において淡色で示される領域は、電子線が試料物質を透過する際に試料物質によって散乱される電子が少なく、試料物質を透過する電子が多い状態を反映するものである。一方、濃色で示される領域は、淡色とは逆に、電子線が試料物質を透過する際に試料物質によって散乱される電子が多く、試料物質を透過する電子が少ない状態を反映するものである。このため、STEMによる明視野像において、相対的に淡色で示される領域に存在する試料物質の密度は、濃色で示される領域に存在する試料物質の密度よりも小さいことが分かる。 In general, the light-colored region in the bright field image by STEM reflects the state in which there are few electrons scattered by the sample material when the electron beam is transmitted through the sample material, and there are many electrons that are transmitted through the sample material. It is. On the other hand, the area shown in dark color reflects the state where many electrons are scattered by the sample material when the electron beam is transmitted through the sample material, and few electrons are transmitted through the sample material, contrary to the light color. is there. For this reason, in the bright field image by STEM, it turns out that the density of the sample substance which exists in the area | region shown with a relatively light color is smaller than the density of the sample substance which exists in the area | region shown with a dark color.
図2の明視野像から、光電変換層16が、略均一な淡色で示される正極側部位22と、略均一な濃色で示される負極側部位24とを有していることが確認された。また、正極側部位22及び負極側部位24の各々の領域内では、顕著な色の濃淡は認められない。従って、正極側部位22及び負極側部位24の何れに含まれるドナー及びアクセプタも、互いを相分離するドメイン(バルク)を形成していないことが分かる。
From the bright field image of FIG. 2, it was confirmed that the
また、図2より、正極側部位22の一方側の面は正極12側の正孔輸送層18と接しており、他方側は負極側部位24の一方側に連続していることが確認できる。さらに、負極側部位24の他方側の面は負極14側の電子輸送層20に接していることが確認できる。
Further, from FIG. 2, it can be confirmed that one surface of the positive
ここで、実施例1、2及び比較例1、2とは別に、上記のドナーのみからなる層を正孔輸送層上に形成した試料1と、上記のアクセプタのみからなる層を正孔輸送層状に形成した試料2とをそれぞれ作製した。そして、試料1、2の各々の縦断面についても同様にSTEMによる明視野像を得て、これらの色の濃淡を比較した。その結果、相対的に、試料1のドナーのみからなる層は淡色であり、試料2のアクセプタのみからなる層は濃色であることが確認された。従って、アクセプタのみからなる層に比して、ドナーのみからなる層の密度の方が小さいといえる。 Here, apart from Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, Sample 1 in which a layer consisting only of the above donor was formed on a hole transporting layer, and a layer consisting only of the above acceptor was formed as a hole transporting layer Sample 2 formed in the above was prepared. And the bright field image by STEM was obtained similarly about each longitudinal section of samples 1 and 2, and the shade of these colors was compared. As a result, it was confirmed that the layer consisting only of the donor of sample 1 was light and the layer consisting only of the acceptor of sample 2 was dark. Therefore, it can be said that the density of the layer consisting only of the donor is smaller than that of the layer consisting only of the acceptor.
さらに、図2の明視野像における正極側部位22及び負極側部位24と、試料1の層及び試料2の層とについて、それぞれの色の濃淡を比較した。その結果、試料1のドナーのみからなる層に比して、正極側部位22の色の方がやや濃く、試料2のアクセプタのみからなる層に比して、負極側部位24の色の方がやや淡いことが確認された。
Further, the shades of the respective colors of the positive
以上の観察から、図2の明視野像における正極側部位22及び負極側部位24のうち、相対的に淡色である正極側部位22は、アクセプタに比して、密度の小さいドナーを含有する割合の方が大きいことが分かる。一方、相対的に濃色である負極側部位24は、ドナーに比して、密度の大きいアクセプタを含有する割合の方が大きいことが分かる。なお、含有する割合は、質量割合、体積割合の何れの割合であってもよい。
From the above observation, of the positive
また、正極側部位22の明視野像が試料1のドナーのみからなる層の明視野像に比して濃色であることから、正極側部位22では、ドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれているといえる。同様に、負極側部位24の明視野像が試料2のアクセプタのみからなる層の明視野像に比して淡色であることから、負極側部位24では、アクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれているといえる。
Further, since the bright field image of the positive
従って、光電変換層16では、正極側部位22及び負極側部位24にアクセプタ又はドナーがそれぞれ分散している分、ドナーのみからなる層とアクセプタのみからなる層とを積層した平面ヘテロ接合構造の光電変換層等に比して、励起子が解離する解離面を大きくできる。これによって、電子及び正孔の発生効率を向上させることができる。
Therefore, in the
なお、電子輸送層20中の略中央部に形成された隆起部分は、蒸着時の核生成、成長時に局所的に凝集した状態を表し、本有機薄膜太陽電池10Aの性能に大きな影響を与えるものではない。
In addition, the raised part formed in the substantially center part in the
[実施例2]
o−DCB(第1溶媒):DIO(第2溶媒)の質量比を86.5:13.5とするべく、o−DCBと、DIOとを混合して混合液を調製した以外は、実施例1と同様にして実施例2の有機薄膜太陽電池を得た。
[Example 2]
Implementation was carried out except that a mixed solution was prepared by mixing o-DCB and DIO so that the mass ratio of o-DCB (first solvent): DIO (second solvent) was 86.5: 13.5. The organic thin film solar cell of Example 2 was obtained in the same manner as Example 1.
実施例2の有機薄膜太陽電池の縦断面についてもSTEMによる明視野像を得て、これらの色の濃淡を比較した。その結果、実施例1の有機薄膜太陽電池10Aと同様に、正極側部位及び負極側部位の何れに含まれるドナー及びアクセプタも、互いを相分離するドメイン(バルク)を形成していなかった。また、正極側部位は、アクセプタに比してドナーを含有する割合の方が大きく、且つドナー中にアクセプタが分散した状態で含まれていることが分かった。一方、負極側部位は、ドナーに比してアクセプタを含有する割合の方が大きく、且つアクセプタ中にドナーが分散した状態で含まれていることが分かった。
Also for the vertical cross section of the organic thin film solar cell of Example 2, bright field images were obtained by STEM, and the shades of these colors were compared. As a result, similar to the organic thin film
[比較例1]
o−DCB(第1溶媒):DIO(第2溶媒)の質量比を98.6:1.4とするべく、o−DCBと、DIOとを混合して混合液を調製した以外は実施例1と同様にして比較例1の有機薄膜太陽電池を得た。
[Comparative Example 1]
Example except that o-DCB and DIO were mixed to prepare a mixed solution so that the mass ratio of o-DCB (first solvent): DIO (second solvent) was 98.6: 1.4. In the same manner as in Example 1, an organic thin film solar cell of Comparative Example 1 was obtained.
比較例1の有機薄膜太陽電池の縦断面についてもSTEMによる明視野像を得て、これらの色の濃淡を比較した。その結果、比較例1の光電変換層では、顕著な色の濃淡が混在して生じていることが確認された。すなわち、この光電変換層は、ドナーとアクセプタの各々が互いに相分離したドメインを形成し、且つこれらのドメインが光電変換層内に混在するBHJ構造であった。 With respect to the longitudinal section of the organic thin-film solar cell of Comparative Example 1, a bright field image was obtained by STEM, and the shades of these colors were compared. As a result, in the photoelectric conversion layer of Comparative Example 1, it was confirmed that remarkable color shading was mixed. That is, this photoelectric conversion layer has a BHJ structure in which each of the donor and acceptor forms a phase-separated domain, and these domains are mixed in the photoelectric conversion layer.
[比較例2]
DIOを使用せずに混合液を調製したこと、すなわち、o−DCB(第1溶媒):DIO(第2溶媒)の質量比を100:0とした以外は実施例1と同様にして比較例2の有機薄膜太陽電池を得た。
[Comparative Example 2]
A comparative example was prepared in the same manner as in Example 1 except that the liquid mixture was prepared without using DIO, that is, the mass ratio of o-DCB (first solvent): DIO (second solvent) was 100: 0. 2 organic thin film solar cells were obtained.
比較例2の有機薄膜太陽電池の縦断面についてもSTEMによる明視野像を得て、これらの色の濃淡を比較した結果、比較例1の光電変換層と同様にBHJ構造であることが確認された。 As for the longitudinal section of the organic thin-film solar cell of Comparative Example 2, a bright field image obtained by STEM was obtained, and as a result of comparing the shades of these colors, it was confirmed that it had a BHJ structure like the photoelectric conversion layer of Comparative Example 1. It was.
上記の実施例1、2及び比較例1、2の有機薄膜太陽電池のそれぞれについて、並列抵抗(Rsh)の評価を行った。具体的には、太陽光ソーラーシミュレータ(英弘精機社製、品番「YSS−150」)を使用し、放射照度1sun(100mW/cm2、25℃)で、測定電圧を−0.3〜1.5Vの範囲として、電圧に対応する電流を測定した。そして、得られた電流値と各有機薄膜太陽電池の発電部分の表面積から電流密度を算出し、電流密度と電圧の関係を示す曲線(IVカーブ)を求めた。 For each of the organic thin film solar cells of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the parallel resistance (R sh ) was evaluated. Specifically, a solar solar simulator (manufactured by Eiko Seiki Co., Ltd., product number “YSS-150”) is used, the irradiance is 1 sun (100 mW / cm 2 , 25 ° C.), and the measurement voltage is −0.3 to 1. The current corresponding to the voltage was measured as a range of 5V. And the current density was computed from the obtained electric current value and the surface area of the electric power generation part of each organic thin film solar cell, and the curve (IV curve) which shows the relationship between a current density and a voltage was calculated | required.
ここで、太陽電池の理論的な電流と電圧の関係は、次式で表される。 Here, the theoretical relationship between the current and voltage of the solar cell is expressed by the following equation.
なお、I、Iph、Io、q、n、Rs、Rsh、k、Tは、それぞれ電流、光電流、逆方向飽和電流、電気素量、ダイオード因子、直列抵抗、並列抵抗、ボルツマン係数、測定温度である。 Incidentally, I, I ph, I o , q, n, R s, R sh, k, T , respectively current, the photocurrent, reverse saturation current, electric charge, the diode factor, series resistance, parallel resistance, Boltzmann Coefficient, measured temperature.
この式と、上記のIVカーブとをフィッティングさせることにより、実施例1、2及び比較例1、2の有機薄膜太陽電池の並列抵抗(Rsh)をそれぞれ求め、その結果を表1に示す。 By fitting this equation and the above IV curve, the parallel resistances (R sh ) of the organic thin film solar cells of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were obtained, respectively, and the results are shown in Table 1.
表1より、実施例1、2の並列抵抗は、比較例1、2の並列抵抗に比べて、3倍以上大きいことが分かる。従って、本発明に係る有機薄膜太陽電池では、BHJ構造の光電変換層を有する有機薄膜太陽電池に比して、光電変換層での漏れ電流を効果的に抑制でき、並列抵抗を顕著に増大させることが可能であることが明らかである。 From Table 1, it can be seen that the parallel resistance of Examples 1 and 2 is three times or more larger than the parallel resistance of Comparative Examples 1 and 2. Therefore, in the organic thin film solar cell according to the present invention, compared with the organic thin film solar cell having the photoelectric conversion layer having the BHJ structure, the leakage current in the photoelectric conversion layer can be effectively suppressed, and the parallel resistance is remarkably increased. It is clear that it is possible.
10、10A…有機薄膜太陽電池 12…正極
14…負極 16…光電変換層
18…正孔輸送層 20…電子輸送層
22…正極側部位 24…負極側部位
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光電変換層は、式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか1つを含む電子供与体と、前記電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体とを含み、
前記光電変換層のうち、前記正極側に臨む正極側部位では前記電子受容体に比して前記電子供与体を含有する割合が大きく、前記負極側に臨む負極側部位では前記電子供与体に比して前記電子受容体を含有する割合が大きく、
前記正極側部位及び前記負極側部位に含まれる前記電子供与体及び前記電子受容体の各々は、互いを相分離するドメインを形成していないことを特徴とする有機薄膜太陽電池。
The photoelectric conversion layer includes an electron donor containing at least one of the nanographene polymers represented by formulas (1) to (4), and an electron acceptor that accepts electrons donated from the electron donor. Including
In the photoelectric conversion layer, the ratio of containing the electron donor is larger in the positive electrode side portion facing the positive electrode side than in the electron acceptor, and the negative electrode side portion facing the negative electrode side is larger than that in the electron donor. And the ratio of containing the electron acceptor is large,
The organic thin-film solar cell, wherein each of the electron donor and the electron acceptor contained in the positive electrode side portion and the negative electrode side portion does not form a domain that separates phases from each other.
式(1)〜(4)で表されるナノグラフェンポリマーの少なくとも何れか1つを含む電子供与体と、前記電子供与体から供与された電子を受容する電子受容体と、前記電子供与体及び前記電子受容体の各々に対して良溶媒となる第1溶媒と、前記第1溶媒よりも沸点が高く且つ前記電子供与体に対して貧溶媒となるとともに前記電子受容体に対して良溶媒となる第2溶媒と、を混合して混合液を得る工程と、
前記正極の上方に、前記混合液を供給して混合液膜を形成する工程と、
前記混合液膜中の前記第1溶媒及び前記第2溶媒を、沸点が低い前記第1溶媒から優先的に蒸発させることにより、前記正極側に前記電子受容体よりも前記電子供与体を含有する割合が大きい正極側部位を形成した後、前記負極側に前記電子供与体よりも前記電子受容体を含有する割合が大きい負極側部位を形成して前記光電変換層を得る工程と、を有し、
前記正極側部位及び前記負極側部位の各々に含まれる前記電子供与体及び前記電子受容体が、互いを相分離するドメインを形成していない前記光電変換層を形成することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。
An electron donor containing at least one of the nanographene polymers represented by formulas (1) to (4), an electron acceptor that accepts electrons donated from the electron donor, the electron donor, and the electron donor A first solvent that is a good solvent for each of the electron acceptors, a boiling point higher than that of the first solvent, a poor solvent for the electron donor, and a good solvent for the electron acceptor A step of mixing a second solvent to obtain a mixed solution;
Supplying the mixed liquid above the positive electrode to form a mixed liquid film;
By preferentially evaporating the first solvent and the second solvent in the mixed liquid film from the first solvent having a low boiling point, the positive electrode side contains the electron donor rather than the electron acceptor. Forming a positive electrode side portion having a large ratio and then forming a negative electrode side portion having a larger ratio of containing the electron acceptor than the electron donor on the negative electrode side to obtain the photoelectric conversion layer. ,
The organic thin film characterized in that the electron donor and the electron acceptor included in each of the positive electrode side part and the negative electrode side part form the photoelectric conversion layer in which a domain for phase separation is not formed. A method for manufacturing a solar cell.
前記第1溶媒と前記第2溶媒との質量比が94.5:5.5〜86.5:13.5となるように前記混合液を調製することを特徴とする有機薄膜太陽電池の製造方法。 In the manufacturing method of the organic thin-film solar cell of Claim 2,
The mixed liquid is prepared so that the mass ratio of the first solvent to the second solvent is 94.5: 5.5 to 86.5: 13.5. Method.
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