JP2017157615A - 横方向キャリア収集型有機太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)太陽光が入射される基板と、
該基板の同一表面側に、
所定の距離をおいて形成される1対の電極と、
ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
を備え、
前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にホールまたは電子のキャリアを輸送できる特性を有することを特徴とする横方向キャリア収集型有機太陽電池。
(2)記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層、及び前記n型有機半導体層のうちの一方の有機半導体層と、
該一方の有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
該1対の電極のうちの一方の電極と、前記一方の有機半導体層の間に形成される他方の有機半導体層と、
を備え、
前記一方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm2/V・s以上であることを特徴とする、(1)に記載の有機太陽電池。
(3)前記一方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、
前記一方の電極が電子を収集する第2電極であり、他方の電極がホールを収集する第1電極であり、かつ
前記n型有機半導体層におけるアクセプター材料が、フラーレン誘導体であることを特徴とする、(2)に記載の有機太陽電池。
(4)前記一方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、
前記一方の電極がホールを収集する第1電極であり、他方の電極が電子を収集する第2電極であり、かつ
前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、ジベンゾテトラフェニルペリフランテン又はフタロシアニン誘導体であることを特徴とする、(2)に記載の有機太陽電池。
(5)前記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層及び前記n型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
それぞれの有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
前記1対の電極の電極間に形成される、前記双方の有機半導体層から構成される1以上の積層ユニットと、
を備え、
前記双方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm2/V・s以上であることを特徴とする、(1)に記載の有機太陽電池。
(6)前記1対の電極のうち、前記p型有機半導体層の表面側に形成される電極がホールを収集する第1電極であり、前記n型有機半導体層の表面側に形成される電極が電子を収集する第2電極であることを特徴とする、(5)に記載の有機太陽電池。
(7)前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、
下記式(1)
(式(1)中、
X1及びX2は、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
R1乃至R8は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
R2及びR3並びにR6及びR7は、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物であるか、又は
下記式(5)
(式(5)中、
Rc及びRdは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつRc、Rdが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物であることを特徴とする(1)、(2)、(3)、(5)又は(6)に記載の有機太陽電池。
(8)前記ドナー材料が、下記式(2)
(式(2)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
Ra及びRbは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;
下記式(3)
(式(3)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R9乃至R20は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;又は、
下記式(4)
(式(4)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R21乃至R36は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であることを特徴とする(7)に記載の有機太陽電池。
(9)前記ドナー材料が、前記式(2)で表される化合物であり、
X1及びX2は、それぞれ硫黄原子であり、かつRa及びRbは、それぞれアルキル基であることを特徴とする(8)に記載の有機太陽電池。
(10)前記アクセプター材料が、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドであることを特徴とする(1)、(2)、(4)、(5)又は(6)に記載の有機太陽電池。
(11)前記所定の距離は10μm以上であることを特徴とする、(1)乃至(10)のいずれか1つに記載の有機太陽電池。
本発明における基板は、太陽光を入射させるためのものであるため、透過率が高い材料を使用する。一方で、基板は、電極として使用しないため、電気抵抗が高い材料であることが好ましい。このような特性を有する基板であれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の高分子フィルムや、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス、シリカガラス(石英ガラス)等のガラス材料が挙げられ、好ましくは石英ガラスが使用される。基板の表面は、フラットであっても、凹凸を有しているものでもよい。基板の厚さは、通常0.05mm〜3mmの範囲であり、0.1mm〜1mmの範囲が好ましく、0.3nm〜0.8mmの範囲がより好ましい。
本発明における1対の電極は、相応する有機半導体層からキャリアを収集できるように配置される。1対の電極のうち、一方はホールを収集することから陽極として作用し、他方は、電子を収集することから陰極として作用する。これらの電極の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、互いに同じであっても異なっていてもよい。但し、1対の電極が、有機半導体層の表面側に形成される場合、これらの電極は、太陽光に対して透過性が低い材料であることが望ましい。このような電極の材料として、例えば、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、チタン(Ti)、アルミニウム合金、チタン合金およびニッケルクロム合金(Ni−Cr)等の導電性金属が挙げられ、その中でも、電気抵抗値が比較的低いAl、Au、Ag、Cu等が好ましく、Agが特に好ましい。これらの電極は、例えば、使用する材料を真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法、塗布法等で成膜することができる。また、これらの電極の膜厚は、通常1nm〜500nmの範囲であり、10nm〜300nmの範囲が好ましく、その際、各電極の膜厚は、それぞれ同じであっても異なっていてもよい。
本発明において、p型有機半導体層が横方向にホールを輸送できる特性を付与させるために、比較的高いキャリア移動度(ホール移動度)を有するドナー材料が使用され、好ましくは、横方向に0.01cm2/V・s以上のホール移動度を有するドナー材料が使用される。このようなドナー材料としては、例えば、下記式(1)
(式(1)中、
X1及びX2は、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
R1乃至R8は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
R2及びR3並びにR6及びR7は、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物が挙げられる。
(式(2)中、
X1及びX2は、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
Ra及びRbは、上記式(1)のR1乃至R8に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物;
下記式(3)
(式(3)中、
X1及びX2は、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R9乃至R20は、上記式(1)のR1乃至R8に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物;又は、
下記式(4)
(式(4)中、
X1及びX2は、上記式(1)に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R21乃至R36は、上記式(1)のR1乃至R8に定義された通りであり、好ましくは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物が好ましい。
(式(5)中、
Rc及びRdは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつRc、Rdが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物も挙げられる。
本発明において、n型有機半導体層が横方向に電子を輸送できる特性を付与させるために、比較的高いキャリア移動度(電子移動度)を有するアクセプター材料が使用され、好ましくは、横方向に0.01cm2/V・s以上の電子移動度を有するアクセプター材料が使用される。このようなアクセプター材料としては、例えば、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドが挙げられる。また、アクセプター材料として、有機単結晶を使用する場合には、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(NTCDA)の単結晶を使用することもできる。
本発明における有機太陽電池には、ホールを収集する電極とp型有機半導体層との間に、さらに中間層が積層されていてもよく、また、電子を収集する電極とn型有機半導体層との間に、さらに中間層が積層されていてもよい。中間層を各電極と有機半導体層の界面に介挿させることにより、各電極と有機半導体層とのコンタクトをより良好にすることができる。ホールを収集する電極とp型有機半導体層との間に介挿できるホール輸送用の中間層の材料としては、例えば、PEDOT(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とPSSポリ(4-スチレンスルホネート)とからなる錯体、MoO3(三酸化モリブデン)等が挙げられ、電子を収集する電極とn型有機半導体層との間に介挿できる電子輸送用の中間層の材料としては、例えば、BCP(2,9-ジメチル-4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン)が挙げられる。これらの中間層は、真空蒸着法、スピンコーティング法等によって形成することができ、これらの中間層の膜厚は、1nm〜100nm、好ましくは5nm〜70nmであり、各電極と有機半導体層との間にそれぞれ中間層を形成する場合、各中間層の膜厚は、同じであっても異なっていてもよい。
[実施例1](C8−BTBTを用いた横方向収集型セル)
高真空蒸着ベルジャー(アルバック機工社製:VST−350M/ER)を用いて、厚さが約0.7mmの石英基板上にC8−BTBT(ホール移動度:0.3〜0.8cm2/V・s)を真空蒸着し、膜厚が50nmのホール輸送層(p型有機半導体層)を形成した。次いで、2mm×2mmの開口部をもつ金属マスクをC8−BTBT膜の上に貼り合わせ、開口部に、電子輸送層(n型有機半導体層)としてのフラーレンC60、電子輸送用の中間層としてのBCP、陰極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着した。電子輸送層の膜厚は50nm、電子輸送用の中間層の膜厚は10nm、陰極の膜厚は100nmであった。その後、陰極から陽極までの電極間距離が50μmになるように、同様の金属マスクをC8−BTBT膜の上に貼り合わせ、開口部に、ホール輸送用の中間層としてのMoO3、陽極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着した。ホール輸送用の中間層の膜厚は10nm、陽極の膜厚は100nmであった。なお、有機半導体は大気下に曝すと、大気中の酸素や水分の影響を受けやすいため、上記のセルの作製は、グローブボックスに内蔵した真空蒸着装置を用いて、セルを一切大気に曝すことなく行った。
得られたセルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm2)を真空下で30秒間照射し、セルの電流−電圧特性を測定した。得られたセルの有効セル面積は、接合面全体のうち、縦2mm、横0.018mmの範囲であったことから、0.0036cm2である。この得られたセルの有効セル面積あたりの短絡電流値Jscは、0.39mAcm−2であった。
[比較例1](C8−BTBTを用いた縦方向型標準セル)
陽極として、厚さが約0.7mmのITO電極基板を用意し、高真空蒸着ベルジャー(アルバック機工社製:VST−350M/ER)を用いて、このITO電極基板上に2mm×2mmの開口部をもつ金属マスクを貼り合わせ、開口部に、ホール輸送用の中間層としてのMoO3、ホール輸送層としてのC8−BTBT(ホール移動度:0.3〜0.8cm2/V・s)、電子輸送層としてのフラーレンC60、電子輸送用の中間層としてのBCP、陰極としてのAgの順でそれぞれ真空蒸着し、縦方向型標準セルを作製した。ホール輸送用の中間層の膜厚は10nm、ホール輸送層の膜厚は50nm、電子輸送層の膜厚は50nm、電子輸送用の中間層の膜厚は10nm、陰極の膜厚は100nmであった。すなわち、得られた標準セルは、実施例1における本発明のセルと各層で使用される材料、膜厚は同じであるが、キャリア輸送が横方向ではなく、縦方向である構成をなす。
得られた標準セルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm2)を真空下で30秒間照射し、標準セルの電流−電圧特性を測定した。上記有効セル面積当たりに換算した標準セルの短絡電流値Jscは、0.38mAcm−2であった。
[比較例2](α−NPDを用いた横方向収集型セル)
ホール輸送層の材料として、C8−BTBTの代わりにα−NPD(ホール移動度:10−4〜10−3cm2/V・s)を用いた以外は、実施例1と同様の操作により横方向収集型セルを作製した。
得られたセルに、ソーラーシミュレータ(朝日分光社製:HAL−320)による擬似太陽光(100mW/cm2)を真空下で30秒間照射し、セルの電流−電圧特性を測定した。得られたセルにおいて、短絡電流値Jscは観察されなかった。
2 p型有機半導体層
3 n型有機半導体層
4 第1電極
5 第2電極
6 接合面
7 中間層
8 中間層
Claims (11)
- 太陽光が入射される基板と、
該基板の同一表面側に、
所定の距離をおいて形成される1対の電極と、
ホール輸送可能なドナー材料からなる少なくとも1つのp型有機半導体層、及び電子輸送可能なアクセプター材料からなる少なくとも1つのn型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
を備え、
前記有機半導体層のうちの一方又は双方が、該有機半導体層の横方向にホールまたは電子のキャリアを輸送できる特性を有することを特徴とする横方向キャリア収集型有機太陽電池。 - 前記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層、及び前記n型有機半導体層のうちの一方の有機半導体層と、
該一方の有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
該1対の電極のうちの一方の電極と、前記一方の有機半導体層の間に形成される他方の有機半導体層と、
を備え、
前記一方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm2/V・s以上であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - 前記一方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、
前記一方の電極が電子を収集する第2電極であり、他方の電極がホールを収集する第1電極であり、かつ
前記n型有機半導体層におけるアクセプター材料が、フラーレン誘導体であることを特徴とする、請求項2に記載の有機太陽電池。 - 前記一方の有機半導体層がn型有機半導体層であり、前記他方の有機半導体層がp型有機半導体層であり、
前記一方の電極がホールを収集する第1電極であり、他方の電極が電子を収集する第2電極であり、かつ
前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、ジベンゾテトラフェニルペリフランテン又はフタロシアニン誘導体であることを特徴とする、請求項2に記載の有機太陽電池。 - 前記基板の表面上に形成される、前記p型有機半導体層及び前記n型有機半導体層の双方の有機半導体層と、
それぞれの有機半導体層の表面側に、所定の距離をおいて直接、または中間層を介して形成される1対の電極と、
前記1対の電極の電極間に形成される、前記双方の有機半導体層から構成される1以上の積層ユニットと、
を備え、
前記双方の有機半導体層の横方向に輸送されるべき前記キャリアの移動度は、0.01cm2/V・s以上であることを特徴とする、請求項1に記載の有機太陽電池。 - 前記1対の電極のうち、前記p型有機半導体層の表面側に形成される電極がホールを収集する第1電極であり、前記n型有機半導体層の表面側に形成される電極が電子を収集する第2電極であることを特徴とする、請求項5に記載の有機太陽電池。
- 前記p型有機半導体層におけるドナー材料が、
下記式(1)
(式(1)中、
X1及びX2は、互いに独立して、カルコゲン原子であり、
R1乃至R8は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基であり、
R2及びR3並びにR6及びR7は、それらが結合するベンゼン環と一緒になって、非置換の又は1以上の置換基を有するナフタレン、アントラセン又はフェナントレンの環を形成してもよく、前記置換基は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルキルオキシ基又はアルキルチオ基である)で表される化合物であるか、又は
下記式(5)
(式(5)中、
Rc及びRdは、互いに独立して、水素原子、置換基を有してもよいアリール基、又は置換基を有してもよいアルキル基であり、かつRc、Rdが複数ある場合は、それぞれ同じであっても、異なっていてもよく、
m及びnは、互いに独立して、1〜4の整数である)で表される化合物であることを特徴とする請求項1、2、3、5又は6に記載の有機太陽電池。 - 前記ドナー材料が、下記式(2)
(式(2)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
Ra及びRbは、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;
下記式(3)
(式(3)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R9乃至R20は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であるか;又は、
下記式(4)
(式(4)中、
X1及びX2は、互いに独立して、硫黄原子、セレン原子又はテルル原子であり、かつ
R21乃至R36は、互いに独立して、水素原子、アルキル基又はフェニル基である)で表される化合物であることを特徴とする請求項7に記載の有機太陽電池。 - 前記ドナー材料が、前記式(2)で表される化合物であり、
X1及びX2は、それぞれ硫黄原子であり、かつRa及びRbは、それぞれアルキル基であることを特徴とする請求項8に記載の有機太陽電池。 - 前記アクセプター材料が、N,N’−ジオクチル−3,4,9,10−ペリレンジカルボキシミド又はN,N0−1H,1H−ペルフルオロブチル−シアノペリレンジイミドであることを特徴とする請求項1、2、4、5又は6に記載の有機太陽電池。
- 前記所定の距離は10μm以上であることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の有機太陽電池。
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