JP4120362B2 - 有機太陽電池 - Google Patents
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を電極間に設けた有機太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在実用化されている太陽電池の大部分は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いた無機太陽電池である。しかし、これらの無機シリコン系太陽電池はその製造プロセスが複雑でコストが高いといった欠点を有しているため一般家庭に広く普及するには至っていない。
【０００３】
このような無機太陽電池の欠点を解消するために、簡単なプロセスで低コスト・大面積化が可能な有機材料を用いた有機太陽電池の研究が盛んになってきている。
【０００４】
しかしこれらの有機太陽電池では、有機材料を用いていることから、シリコン等の無機材料とは異なり、光励起により生成した正孔−電子対の解離度や電極までキャリアを運ぶ際の移動度が低いという問題があった。
【０００５】
そこで近年、電子供与体である導電性高分子と、電子受容体である化合物半導体の球状ナノ結晶を混合した活性層を含む有機太陽電池が注目されている。これは導電性高分子に、より電子移動度の高い化合物半導体を混合させることで、キャリア移動度を改善した有機太陽電池である。またこの有機太陽電池では、生成した電子と正孔の分離が導電性高分子−化合物半導体間で起こるため、キャリアの再結合による失活を抑制できる。その上、化合物半導体のナノ結晶を用いることにより、導電性高分子との界面の面積が増加して、電子−正孔解離確率が増加するものである。
【０００６】
このタイプの太陽電池として、ロッド状ナノ結晶を用いたものが作製されている。例えば、ＩＴＯ電極上に正孔輸送剤であるＰＥＤＯＴ−ＰＳＳをスピンキャスト法により成膜し、その上に同じくスピンキャスト法により、ピリジン−クロロホルム混合溶媒に分散させたＰ３ＨＴとＣｄＳｅナノロッド（７ｎｍ×６０ｎｍ）を成膜し、さらにＡｌを真空蒸着により積層して太陽電池セルを作製している。これにより、ＡＭ１．５光照射で、短絡電流５．７ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧０．７Ｖ、変換効率１．７％が得られている（非特許文献１参照）。
【０００７】
このように導電性高分子と化合物半導体ナノ粒子（ナノ結晶）を混合した活性層を含む有機太陽電池は、一般家庭に普及しうる太陽電池として非常に有望なものである。
【０００８】
【非特許文献１】
Wendy U.Huynh,Janke J.Dittmer,A.paul Alivisatos、「Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells」、SCIENCE、AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE、２００２年３月２９日、第２９５巻、第５５６４号、ｐ２４２５−２４２７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を含む太陽電池であっても、その変換効率はシリコン系太陽電池に比べてかなり低く、未だ有用な有機太陽電池の開発には至っていない。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を含む有機太陽電池において、その光電変換特性を向上した有機太陽電池を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記変換効率の向上という目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、有機電子供与体に比べて光吸収スペクトルが幅広く、より効率よくキャリアを発生させることができ、且つキャリアの移動度が大きい化合物半導体結晶を最大限混合し、すなわち有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含む活性層中における化合物半導体結晶の充填率を最大限に高めることにより、変換効率の高い有機太陽電池が得られることを見出し、本発明の完成に至ったものである。
【００１３】
請求項１の発明は、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含有する活性層６を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶５が平均粒径が異なる二種類のロッド状の結晶を含み、この二種類のロッド状結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／５以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で５〜１５％であることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項２の発明は、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含有する活性層６を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶５が平均粒径が異なる二種類の球状の結晶を含み、この二種類の球状の結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／４以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で２５〜４５％であることを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、化合物半導体結晶５が、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とが化合した化合物を含むことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は有機太陽電池の一例を示すものであり、基板１の表面に透明導電膜からなる陽極２を設け、陽極２の表面にホール輸送層３と、有機電子供与体４と化合物半導体結晶とを含有する活性層６とをこの順番に積層し、更に活性層６の上に陰極７を設けて構成されている。上記ホール輸送層３は必要に応じて形成される。
【００２０】
尚、基板１の表面に陰極７を設け、その上に活性層６、ホール輸送層３、陽極２を順番に設けても良い。
【００２１】
上記の有機太陽電池には、陽極２と陰極７とにそれぞれリード線８，９を接続するなどして、有機太陽電池にて発生した電力を取り出すことができる。
【００２２】
基板１は、光透過性を有するものであり、例えばソーダライムガラスや無アルカリガラス等の透明ガラス板や、各種透明プラスチック板などを用いることができる。
【００２３】
陽極２は仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物からなる電極材料を用いて形成することが好ましく、特に仕事関数が４ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このような電極材料としては、例えば金などの金属、ＣｕＩ、ＩＴＯ（インジウムチンオキサイド）、ＳｎＯ２、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＧＺＯ等の導電性透明材料が挙げられる。陽極２は、例えばこれらの電極材料を基板１の表面に真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の方法で薄膜に成膜することによって形成することができる。
【００２４】
また陰極７は、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物からなる電極材料で形成することが好ましく、特に仕事関数が５ｅＶ以下のものを用いることが望ましい。このような陰極７の電極材料としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３混合物、Ａｌ／ＬｉＦ混合物などが挙げられる。例えばこれらの電極材料を、真空蒸着法やスパッタリング法等の方法により、薄膜に形成することにより陰極７を作製することができる。
【００２５】
またホール輸送層３を形成する正孔輸送材料としては、正孔を輸送する能力を有し、更に電子のホール輸送層３への移動を防止し、且つ薄膜形成能力に優れた化合物を用いることができる。具体的にはフタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）や４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、及びポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリエチレンジオキサイドチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等の導電性高分子などの高分子材料を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
また活性層６に用いる有機電子供与体４としては、フタロシアニン系顔料、インジゴ、チオインジゴ系顔料、キナクリドン系顔料、メロシアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化合物や、また有機電子写真感光体に用いられる電荷移動剤、電気伝導性有機電荷移動錯体などを挙げることができ、更には導電性高分子を挙げることができる。
【００２７】
上記のフタロシアニン系顔料としては、中心金属がＣｕ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｍｇ等の２価のもの、無金属フタロシアニン、アルミニウムクロロフタロシアニン、インジウムクロロフタロシアニン、ガリウムクロロフタロシアニン等のハロゲン原子が配位した３価金属のフタロシアニン、その他バナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の酸素が配位したフタロシアニン等があるが、特にこれに限定されるものではない。
【００２８】
上記の電荷移動剤としては、ヒドラゾン化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルメタン化合物、トリフェニルアミン化合物等があるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２９】
上記電気伝導性有機電荷移動錯体としては、テトラチオフルバレン、テトラフェニルテトラチオフラバレン等があるが特にこれに限定されるものではない。
【００３０】
上記導電性高分子としては、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレンビニレン誘導体等のトルエン等の有機溶媒に可溶なものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。
【００３１】
また活性層６に用いる化合物半導体結晶５としては、化合物半導体ナノ結晶が用いられる。ここでナノ結晶とは、粒径が１〜１００ｎｍであるものである。またナノ結晶の形状にはロッド状、球状が含まれる。具体的な材料としてはＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ族（１３族）元素とＶ族（１５族）元素とが化合した化合物半導体結晶、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ等のＩＩ族（１２族）元素とＶＩ族（１６族）元素との化合物半導体結晶、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物半導体結晶等が挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。
【００３２】
またこのような化合物半導体結晶５としては、特にＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のIII族（１３族）元素とＶ族（１５族）元素とが化合した化合物半導体結晶５を用いることが好ましいものであり、この場合これらの化合物半導体結晶５は、太陽電池材料として好適な禁制帯幅を持ち、太陽光を効率よく吸収できる。
【００３３】
本発明においては、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含む活性層６の形態が重要となる。以下、これについての詳細な説明を、図２〜５を示して行う。
【００３４】
本発明では、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含む活性層６において、この活性層に含まれる化合物半導体結晶５として、平均粒径と結晶形状とのうちの少なくとも一方が異なる複数種のものを用いるものである。すなわち粒径が揃った一種類の化合物半導体結晶５のみが含まれている場合には、活性層６中において化合物半導体結晶５を密充填したとしても、化合物半導体結晶５の間の隙間が大きくなってその充填率が充分に得られないが、平均粒径の異なる複数種の化合物半導体結晶５を用いれば、粒径が大きい化合物半導体結晶５の間の隙間に、粒径が小さい化合物半導体結晶５が入り込んで、化合物半導体結晶５の間の隙間が小さくなり、活性層６中における化合物半導体結晶５の充填率が増大するものである。
【００３６】
そしてこのように活性層６中の化合物半導体結晶５の充填率が増大すると、この活性層６を有する有機太陽電池の変換効率を向上することが可能となるものである。
【００３７】
図２〜５は、上記のような活性層６の構造の例を模式的に示したものである。
【００３８】
図２に示すものでは、活性層６中には化合物半導体結晶５としてロッド状の化合物半導体結晶５ａが含まれると共にこの化合物半導体結晶５ａの間の隙間に有機電子供与体４が存在している。またこの化合物半導体結晶５ａとしては、平均粒径が異なる二種類のものが存在している。このときのロッド状の結晶の粒径は、結晶の長手方向と直交する断面径で規定される。
【００３９】
このように共にロッド状であるが平均粒径が異なる二種の化合物半導体結晶５ａを活性層６中に含有させると、粒径が大きい結晶の間の空隙に粒径が小さい結晶が入り込むことで、化合物半導体結晶５ａの充填率を向上することができる。図２は理想的な密充填状態を示すものであり、密充填配置された粒径の大きい化合物半導体結晶５ａの間に空隙に、粒径の小さい化合物半導体結晶５ａが収まっている。化合物半導体結晶５ａの充填率を向上するためには、このような密充填配置を構成可能にすることが好ましいものであり、そのためには、粒径が小さい方のロッド状の化合物半導体結晶５ａの平均粒径が、粒径が大きい方のロッド状の化合物半導体結晶５ａの平均粒径の１／５以下となるようにする。
【００４０】
またこのとき化合物半導体結晶５ａの充填率を向上するためには、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶５ａに対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶５ａの含有比率が、占有体積比で５〜１５％となるようにする。
【００４１】
図３に示すものでは、活性層６中には化合物半導体結晶５として球状の化合物半導体結晶５ｂが含まれると共にこの化合物半導体結晶５ｂの間の隙間に有機電子供与体４が存在している。またこの化合物半導体結晶５ｂとしては、平均粒径が異なる二種類のものが存在している。このときの球状の結晶の粒径は、結晶の直径で規定される。
【００４２】
このように共に球状であるが平均粒径が異なる二種の化合物半導体結晶５ｂを活性層６中に含有させると、粒径が大きい結晶の間の空隙に粒径が小さい結晶が入り込むことで、化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上することができる。図３は理想的な密充填状態を示すものであり、密充填配置された粒径の大きい化合物半導体結晶５ｂの三つの結晶に囲まれた空隙に、粒径の小さい化合物半導体結晶５ｂが収まっている。化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上するためには、このような密充填配置を構成可能にすることが好ましいものであり、そのためには、粒径が小さい方の球状の化合物半導体結晶５ｂの平均粒径が、粒径が大きい方の球状の化合物半導体結晶５ｂの平均粒径の１／４以下となるようにする。
【００４３】
またこのとき化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上するためには、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶５ｂに対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶５ｂの含有比率が、占有体積比で２５〜４５％となるようにする。
【００５０】
上記のように本発明では活性層６中での化合物半導体結晶５の密充填を可能として、有機太陽電池の変換効率を向上することができるものであるが、好ましくは活性層６中での化合物半導体結晶５の含有量を５０〜９９重量％、より好ましくは９０〜９９重量％の範囲となるようにするものであり、これにより優れた変換効率を有する有機太陽電池を得ることができる。
【００５１】
活性層６を形成するにあたっては、例えば上記の有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを所定の比率でトルエン、ピリジン−クロロフォルム溶液等の適宜の溶媒中に分散・混合した混合液をスピンコート法等により、活性層６が形成される面上に塗布した後、溶媒を揮散させることにより成膜することで形成することができるが、特にこのような手法に限られない。
【００５２】
【実施例】
以下に本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５３】
（実施例１）
ガラス基板上に陽極２として厚み２４０ｎｍのＩＴＯ膜を形成したものを、アセトン、メタノール、イソプロピルアルコールを順に用いて各１０分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
【００５４】
このＩＴＯ膜の表面上にホール輸送層３としてポリエチレンジオキサイドチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）をスピンコート法により１００ｎｍの厚みに成膜した。
【００５５】
次に、活性層６として、８重量部のポリ（３−アルキルチオフェン）と、９２重量部のＩｎＰナノ結晶との混合物を、ピリジン−クロロフォルム溶液中に分散・溶解させた後、スピンコート法により２００ｎｍの厚みに成膜した。
【００５６】
ここで、ＩｎＰナノ結晶としては、長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値７ｎｍのロッド状のものと、長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値１ｎｍのロッド状のものとを、１：０．１６の配合質量比で併用した。
【００５７】
更にこの活性層６の表面上に陰極７として、真空蒸着により厚み１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、有機太陽電池を得た。
【００５８】
（比較例１）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値７ｎｍのロッド状のもののみを用いた。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００５９】
（実施例２）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として平均粒径６０ｎｍの球状のものと平均粒径１５ｎｍの球状のものとを、１：０．０２の配合質量比で併用した。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００６０】
（比較例２）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として長手方向寸法の平均値６０ｎｍの球状のもののみを用いた。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００６４】
（評価）
上記の各実施例及び比較例で得られた各有機太陽電池の電極間に、電源（ＫＥＹＴＨＬＥＹ社製、２３６モデル）を接続し、１００ｍＷ／ｃｍ２の強度のソーラーシミュレータ（山下電装社製）を用いて、有機太陽電池の変換効率を測定し、比較例１の変換効率を１．００として規格化した。
【００６５】
その結果、実施例１では変換効率は１．１２であったのに対して比較例１は１．００であり、平均粒径の異なる二種のロッド状の化合物半導体結晶５ａを用いることで変換効率が向上することが確認された。
【００６６】
また実施例２では変換効率は０．７５であったのに対して比較例２は０．６３であり、平均粒径の異なる二種の球状の化合物半導体結晶５ｂを用いることで変換効率が向上することが確認された。
【００６９】
【発明の効果】
上記のように請求項１の発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類のロッド状の結晶を含み、この二種類のロッド状結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／５以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で５〜１５％であるため、一方の結晶が他方の結晶の間の隙間に収まることにより活性層中の化合物半導体結晶の間の隙間を小さくして活性層中における化合物半導体結晶の充填率を増大することができ、これにより変換効率の高い太陽電池を得ることができるものである。
【００７０】
また請求項２の発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類の球状の結晶を含み、この二種類の球状の結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／４以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で２５〜４５％であるため、一方の結晶が他方の結晶の間の隙間に収まることにより活性層中の化合物半導体結晶の間の隙間を小さくして活性層中における化合物半導体結晶の充填率を増大することができ、これにより変換効率の高い太陽電池を得ることができるものである。
【００７３】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、化合物半導体結晶が、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とが化合した化合物を含むため、太陽光を効率よく吸収し、光電変換効率が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】同上の活性層の微細構造の一例を示す模式図である。
【図３】同上の活性層の微細構造の他例を示す模式図である。
【符号の説明】
４ 有機電子供与体
５ 化合物半導体結晶
６ 活性層
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を電極間に設けた有機太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在実用化されている太陽電池の大部分は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いた無機太陽電池である。しかし、これらの無機シリコン系太陽電池はその製造プロセスが複雑でコストが高いといった欠点を有しているため一般家庭に広く普及するには至っていない。
【０００３】
このような無機太陽電池の欠点を解消するために、簡単なプロセスで低コスト・大面積化が可能な有機材料を用いた有機太陽電池の研究が盛んになってきている。
【０００４】
しかしこれらの有機太陽電池では、有機材料を用いていることから、シリコン等の無機材料とは異なり、光励起により生成した正孔−電子対の解離度や電極までキャリアを運ぶ際の移動度が低いという問題があった。
【０００５】
そこで近年、電子供与体である導電性高分子と、電子受容体である化合物半導体の球状ナノ結晶を混合した活性層を含む有機太陽電池が注目されている。これは導電性高分子に、より電子移動度の高い化合物半導体を混合させることで、キャリア移動度を改善した有機太陽電池である。またこの有機太陽電池では、生成した電子と正孔の分離が導電性高分子−化合物半導体間で起こるため、キャリアの再結合による失活を抑制できる。その上、化合物半導体のナノ結晶を用いることにより、導電性高分子との界面の面積が増加して、電子−正孔解離確率が増加するものである。
【０００６】
このタイプの太陽電池として、ロッド状ナノ結晶を用いたものが作製されている。例えば、ＩＴＯ電極上に正孔輸送剤であるＰＥＤＯＴ−ＰＳＳをスピンキャスト法により成膜し、その上に同じくスピンキャスト法により、ピリジン−クロロホルム混合溶媒に分散させたＰ３ＨＴとＣｄＳｅナノロッド（７ｎｍ×６０ｎｍ）を成膜し、さらにＡｌを真空蒸着により積層して太陽電池セルを作製している。これにより、ＡＭ１．５光照射で、短絡電流５．７ｍＡ／ｃｍ２、開放電圧０．７Ｖ、変換効率１．７％が得られている（非特許文献１参照）。
【０００７】
このように導電性高分子と化合物半導体ナノ粒子（ナノ結晶）を混合した活性層を含む有機太陽電池は、一般家庭に普及しうる太陽電池として非常に有望なものである。
【０００８】
【非特許文献１】
Wendy U.Huynh,Janke J.Dittmer,A.paul Alivisatos、「Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells」、SCIENCE、AMERICAN ASSOCIATION FOR THE ADVANCEMENT OF SCIENCE、２００２年３月２９日、第２９５巻、第５５６４号、ｐ２４２５−２４２７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を含む太陽電池であっても、その変換効率はシリコン系太陽電池に比べてかなり低く、未だ有用な有機太陽電池の開発には至っていない。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を含む有機太陽電池において、その光電変換特性を向上した有機太陽電池を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記変換効率の向上という目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、有機電子供与体に比べて光吸収スペクトルが幅広く、より効率よくキャリアを発生させることができ、且つキャリアの移動度が大きい化合物半導体結晶を最大限混合し、すなわち有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含む活性層中における化合物半導体結晶の充填率を最大限に高めることにより、変換効率の高い有機太陽電池が得られることを見出し、本発明の完成に至ったものである。
【００１３】
請求項１の発明は、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含有する活性層６を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶５が平均粒径が異なる二種類のロッド状の結晶を含み、この二種類のロッド状結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／５以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で５〜１５％であることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項２の発明は、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含有する活性層６を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶５が平均粒径が異なる二種類の球状の結晶を含み、この二種類の球状の結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／４以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で２５〜４５％であることを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、化合物半導体結晶５が、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とが化合した化合物を含むことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は有機太陽電池の一例を示すものであり、基板１の表面に透明導電膜からなる陽極２を設け、陽極２の表面にホール輸送層３と、有機電子供与体４と化合物半導体結晶とを含有する活性層６とをこの順番に積層し、更に活性層６の上に陰極７を設けて構成されている。上記ホール輸送層３は必要に応じて形成される。
【００２０】
尚、基板１の表面に陰極７を設け、その上に活性層６、ホール輸送層３、陽極２を順番に設けても良い。
【００２１】
上記の有機太陽電池には、陽極２と陰極７とにそれぞれリード線８，９を接続するなどして、有機太陽電池にて発生した電力を取り出すことができる。
【００２２】
基板１は、光透過性を有するものであり、例えばソーダライムガラスや無アルカリガラス等の透明ガラス板や、各種透明プラスチック板などを用いることができる。
【００２３】
陽極２は仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物、あるいはこれらの混合物からなる電極材料を用いて形成することが好ましく、特に仕事関数が４ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このような電極材料としては、例えば金などの金属、ＣｕＩ、ＩＴＯ（インジウムチンオキサイド）、ＳｎＯ２、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＧＺＯ等の導電性透明材料が挙げられる。陽極２は、例えばこれらの電極材料を基板１の表面に真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の方法で薄膜に成膜することによって形成することができる。
【００２４】
また陰極７は、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物からなる電極材料で形成することが好ましく、特に仕事関数が５ｅＶ以下のものを用いることが望ましい。このような陰極７の電極材料としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、リチウム、マグネシウム、アルミニウム、マグネシウム−銀混合物、マグネシウム−インジウム混合物、アルミニウム−リチウム合金、Ａｌ／Ａｌ２Ｏ３混合物、Ａｌ／ＬｉＦ混合物などが挙げられる。例えばこれらの電極材料を、真空蒸着法やスパッタリング法等の方法により、薄膜に形成することにより陰極７を作製することができる。
【００２５】
またホール輸送層３を形成する正孔輸送材料としては、正孔を輸送する能力を有し、更に電子のホール輸送層３への移動を防止し、且つ薄膜形成能力に優れた化合物を用いることができる。具体的にはフタロシアニン誘導体、ナフタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）や４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、及びポリビニルカルバゾール、ポリシラン、ポリエチレンジオキサイドチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等の導電性高分子などの高分子材料を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
また活性層６に用いる有機電子供与体４としては、フタロシアニン系顔料、インジゴ、チオインジゴ系顔料、キナクリドン系顔料、メロシアニン化合物、シアニン化合物、スクアリウム化合物や、また有機電子写真感光体に用いられる電荷移動剤、電気伝導性有機電荷移動錯体などを挙げることができ、更には導電性高分子を挙げることができる。
【００２７】
上記のフタロシアニン系顔料としては、中心金属がＣｕ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｍｇ等の２価のもの、無金属フタロシアニン、アルミニウムクロロフタロシアニン、インジウムクロロフタロシアニン、ガリウムクロロフタロシアニン等のハロゲン原子が配位した３価金属のフタロシアニン、その他バナジルフタロシアニン、チタニルフタロシアニン等の酸素が配位したフタロシアニン等があるが、特にこれに限定されるものではない。
【００２８】
上記の電荷移動剤としては、ヒドラゾン化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルメタン化合物、トリフェニルアミン化合物等があるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００２９】
上記電気伝導性有機電荷移動錯体としては、テトラチオフルバレン、テトラフェニルテトラチオフラバレン等があるが特にこれに限定されるものではない。
【００３０】
上記導電性高分子としては、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリパラフェニレンビニレン誘導体等のトルエン等の有機溶媒に可溶なものが挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。
【００３１】
また活性層６に用いる化合物半導体結晶５としては、化合物半導体ナノ結晶が用いられる。ここでナノ結晶とは、粒径が１〜１００ｎｍであるものである。またナノ結晶の形状にはロッド状、球状が含まれる。具体的な材料としてはＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のＩＩＩ族（１３族）元素とＶ族（１５族）元素とが化合した化合物半導体結晶、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ等のＩＩ族（１２族）元素とＶＩ族（１６族）元素との化合物半導体結晶、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物半導体結晶等が挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。
【００３２】
またこのような化合物半導体結晶５としては、特にＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ等のIII族（１３族）元素とＶ族（１５族）元素とが化合した化合物半導体結晶５を用いることが好ましいものであり、この場合これらの化合物半導体結晶５は、太陽電池材料として好適な禁制帯幅を持ち、太陽光を効率よく吸収できる。
【００３３】
本発明においては、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含む活性層６の形態が重要となる。以下、これについての詳細な説明を、図２〜５を示して行う。
【００３４】
本発明では、有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを含む活性層６において、この活性層に含まれる化合物半導体結晶５として、平均粒径と結晶形状とのうちの少なくとも一方が異なる複数種のものを用いるものである。すなわち粒径が揃った一種類の化合物半導体結晶５のみが含まれている場合には、活性層６中において化合物半導体結晶５を密充填したとしても、化合物半導体結晶５の間の隙間が大きくなってその充填率が充分に得られないが、平均粒径の異なる複数種の化合物半導体結晶５を用いれば、粒径が大きい化合物半導体結晶５の間の隙間に、粒径が小さい化合物半導体結晶５が入り込んで、化合物半導体結晶５の間の隙間が小さくなり、活性層６中における化合物半導体結晶５の充填率が増大するものである。
【００３６】
そしてこのように活性層６中の化合物半導体結晶５の充填率が増大すると、この活性層６を有する有機太陽電池の変換効率を向上することが可能となるものである。
【００３７】
図２〜５は、上記のような活性層６の構造の例を模式的に示したものである。
【００３８】
図２に示すものでは、活性層６中には化合物半導体結晶５としてロッド状の化合物半導体結晶５ａが含まれると共にこの化合物半導体結晶５ａの間の隙間に有機電子供与体４が存在している。またこの化合物半導体結晶５ａとしては、平均粒径が異なる二種類のものが存在している。このときのロッド状の結晶の粒径は、結晶の長手方向と直交する断面径で規定される。
【００３９】
このように共にロッド状であるが平均粒径が異なる二種の化合物半導体結晶５ａを活性層６中に含有させると、粒径が大きい結晶の間の空隙に粒径が小さい結晶が入り込むことで、化合物半導体結晶５ａの充填率を向上することができる。図２は理想的な密充填状態を示すものであり、密充填配置された粒径の大きい化合物半導体結晶５ａの間に空隙に、粒径の小さい化合物半導体結晶５ａが収まっている。化合物半導体結晶５ａの充填率を向上するためには、このような密充填配置を構成可能にすることが好ましいものであり、そのためには、粒径が小さい方のロッド状の化合物半導体結晶５ａの平均粒径が、粒径が大きい方のロッド状の化合物半導体結晶５ａの平均粒径の１／５以下となるようにする。
【００４０】
またこのとき化合物半導体結晶５ａの充填率を向上するためには、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶５ａに対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶５ａの含有比率が、占有体積比で５〜１５％となるようにする。
【００４１】
図３に示すものでは、活性層６中には化合物半導体結晶５として球状の化合物半導体結晶５ｂが含まれると共にこの化合物半導体結晶５ｂの間の隙間に有機電子供与体４が存在している。またこの化合物半導体結晶５ｂとしては、平均粒径が異なる二種類のものが存在している。このときの球状の結晶の粒径は、結晶の直径で規定される。
【００４２】
このように共に球状であるが平均粒径が異なる二種の化合物半導体結晶５ｂを活性層６中に含有させると、粒径が大きい結晶の間の空隙に粒径が小さい結晶が入り込むことで、化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上することができる。図３は理想的な密充填状態を示すものであり、密充填配置された粒径の大きい化合物半導体結晶５ｂの三つの結晶に囲まれた空隙に、粒径の小さい化合物半導体結晶５ｂが収まっている。化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上するためには、このような密充填配置を構成可能にすることが好ましいものであり、そのためには、粒径が小さい方の球状の化合物半導体結晶５ｂの平均粒径が、粒径が大きい方の球状の化合物半導体結晶５ｂの平均粒径の１／４以下となるようにする。
【００４３】
またこのとき化合物半導体結晶５ｂの充填率を向上するためには、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶５ｂに対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶５ｂの含有比率が、占有体積比で２５〜４５％となるようにする。
【００５０】
上記のように本発明では活性層６中での化合物半導体結晶５の密充填を可能として、有機太陽電池の変換効率を向上することができるものであるが、好ましくは活性層６中での化合物半導体結晶５の含有量を５０〜９９重量％、より好ましくは９０〜９９重量％の範囲となるようにするものであり、これにより優れた変換効率を有する有機太陽電池を得ることができる。
【００５１】
活性層６を形成するにあたっては、例えば上記の有機電子供与体４と化合物半導体結晶５とを所定の比率でトルエン、ピリジン−クロロフォルム溶液等の適宜の溶媒中に分散・混合した混合液をスピンコート法等により、活性層６が形成される面上に塗布した後、溶媒を揮散させることにより成膜することで形成することができるが、特にこのような手法に限られない。
【００５２】
【実施例】
以下に本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５３】
（実施例１）
ガラス基板上に陽極２として厚み２４０ｎｍのＩＴＯ膜を形成したものを、アセトン、メタノール、イソプロピルアルコールを順に用いて各１０分間超音波洗浄した後、乾燥させた。
【００５４】
このＩＴＯ膜の表面上にホール輸送層３としてポリエチレンジオキサイドチオフェン：ポリスチレンスルフォネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）をスピンコート法により１００ｎｍの厚みに成膜した。
【００５５】
次に、活性層６として、８重量部のポリ（３−アルキルチオフェン）と、９２重量部のＩｎＰナノ結晶との混合物を、ピリジン−クロロフォルム溶液中に分散・溶解させた後、スピンコート法により２００ｎｍの厚みに成膜した。
【００５６】
ここで、ＩｎＰナノ結晶としては、長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値７ｎｍのロッド状のものと、長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値１ｎｍのロッド状のものとを、１：０．１６の配合質量比で併用した。
【００５７】
更にこの活性層６の表面上に陰極７として、真空蒸着により厚み１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、有機太陽電池を得た。
【００５８】
（比較例１）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として長手方向寸法の平均値６０ｎｍ、長手方向と直交する断面径の平均値７ｎｍのロッド状のもののみを用いた。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００５９】
（実施例２）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として平均粒径６０ｎｍの球状のものと平均粒径１５ｎｍの球状のものとを、１：０．０２の配合質量比で併用した。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００６０】
（比較例２）
活性層６を形成するにあたり、ＩｎＰナノ結晶として長手方向寸法の平均値６０ｎｍの球状のもののみを用いた。それ以外は実施例１と同様にして有機太陽電池を得た。
【００６４】
（評価）
上記の各実施例及び比較例で得られた各有機太陽電池の電極間に、電源（ＫＥＹＴＨＬＥＹ社製、２３６モデル）を接続し、１００ｍＷ／ｃｍ２の強度のソーラーシミュレータ（山下電装社製）を用いて、有機太陽電池の変換効率を測定し、比較例１の変換効率を１．００として規格化した。
【００６５】
その結果、実施例１では変換効率は１．１２であったのに対して比較例１は１．００であり、平均粒径の異なる二種のロッド状の化合物半導体結晶５ａを用いることで変換効率が向上することが確認された。
【００６６】
また実施例２では変換効率は０．７５であったのに対して比較例２は０．６３であり、平均粒径の異なる二種の球状の化合物半導体結晶５ｂを用いることで変換効率が向上することが確認された。
【００６９】
【発明の効果】
上記のように請求項１の発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類のロッド状の結晶を含み、この二種類のロッド状結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／５以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で５〜１５％であるため、一方の結晶が他方の結晶の間の隙間に収まることにより活性層中の化合物半導体結晶の間の隙間を小さくして活性層中における化合物半導体結晶の充填率を増大することができ、これにより変換効率の高い太陽電池を得ることができるものである。
【００７０】
また請求項２の発明は、有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類の球状の結晶を含み、この二種類の球状の結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／４以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で２５〜４５％であるため、一方の結晶が他方の結晶の間の隙間に収まることにより活性層中の化合物半導体結晶の間の隙間を小さくして活性層中における化合物半導体結晶の充填率を増大することができ、これにより変換効率の高い太陽電池を得ることができるものである。
【００７３】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、化合物半導体結晶が、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とが化合した化合物を含むため、太陽光を効率よく吸収し、光電変換効率が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】同上の活性層の微細構造の一例を示す模式図である。
【図３】同上の活性層の微細構造の他例を示す模式図である。
【符号の説明】
４ 有機電子供与体
５ 化合物半導体結晶
６ 活性層
Claims (3)
- 有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類のロッド状の結晶を含み、この二種類のロッド状結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／５以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で５〜１５％であることを特徴とする有機太陽電池。
- 有機電子供与体と化合物半導体結晶とを含有する活性層を二つの電極の間に設けた有機太陽電池において、前記活性層は有機電子供与体と化合物半導体結晶とを混合して分散してなり、且つ、化合物半導体結晶が平均粒径が異なる二種類の球状の結晶を含み、この二種類の球状の結晶の一方の平均粒径が他方の平均粒径の１／４以下であると共に、平均粒径がより大きい化合物半導体結晶に対する、平均粒径がより小さい化合物半導体結晶の含有比率が、占有体積比で２５〜４５％であることを特徴とする有機太陽電池。
- 化合物半導体結晶が、III族元素とＶ族元素とが化合した化合物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の有機太陽電池。
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