JP4643926B2 - 交互積層構造を有する高分子薄膜を用いた光電素子、及び太陽電池 - Google Patents
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Description
このような交互吸着膜の作製方法についての詳細は、例えば、下記特許文献1などに開示されている。
また、前記した従来の薄膜形成方法により光電素子を形成すると、前記した各層を構成する色素や電子機能基が凝集、あるいは、結晶化することにより、ポテンシャルに変動が生じ、励起子や正孔、電子等の移動特性が悪化する問題がある。
このように、従来の薄膜形成方法により形成された光電素子は、一定の膜厚が得られないために、光電変換特性のバラツキが大きく、さらに経時的に劣化しやすい耐久性の課題を有していた。
さらに、交互吸着法により形成された各層は、隣接する層と相互に干渉することもなく化学的に物理的に安定した状態で固定されることになる。これにより、長期間使用しても、性能の経時的な劣化の少ない品質の安定した光電素子を得ることが可能となる。
なお、本発明にかかる光電素子の説明にあたり、特に、光吸収層が交互吸着法で形成されているものを取り上げているのは、前記したように、光電素子の光電変換特性において光吸収層の膜厚のコントロールが光電素子の性能上、特に重要であることによる。
従って、図面において記載がなくとも、光吸収層を除くいずれか一つの層が交互吸着法により形成されている場合も当然に、本発明において保護されるべき範疇に含まれると解されるべきである。
なお、図12において、符号に添字を付して例えば、符号501、502のように示す場合は、それぞれ図面上で示される個々のものを特定して指すこととし、例えば符号50のように添字を省略して示す場合は、省略された添字を含むもの(符号501、502、503…)を総括的に指すこととする。
また、正孔輸送層Pとは、電子供与基が電子を供与することにより、光吸収により発生した正孔を隣接する電極(第1の電極層51)に引き渡す機能を有し、第1の電極層51、正孔輸送層P、光吸収層Aの最高被占電子準位が、前記第1の電極層51に近づくに従い向上するように構成されればかかる機能が実行されるものである。
そして、(4)の光電素子504では、光吸収層A4に加え、さらに正孔輸送層P4も交互吸着法で形成されている。(6)の光電素子506では、光吸収層A6に加え、さらに電子輸送層N6も交互吸着法で形成されている。(7)の光電素子507では、光吸収層A7に加え、さらに正孔輸送層P7及び電子輸送層N7も交互吸着法で形成されている。
このように、光電素子50(502、503、505)は、光吸収層Aを必須の構成要素とすればいずれか存在する正孔輸送層P2,P5または電子輸送層N3の、正孔または電子の輸送作用により、光電素子50の光電変換作用が発揮されうる。
なお、図中、電子供与層Eは、交互吸着法で形成されて示されているが、形成方法はこれに限定されるものではない。
また、電子輸送層Nが、フラーレン高分子錯体(ヌ)により交互吸着法で形成されれば、電子輸送層Nの膜厚制御と光吸収層Aとの接触界面の面積増大を同時に達成させることが可能になる。
クーロン力により吸着することになる。この状態を模式的に示したのが図2(c)である。このように基板(1)を第1の槽(2)と第2の槽(3)とに交互に浸漬させていけば、カチオン高分子からなる層とアニオン高分子からなる層とが交互に吸着して成膜され、電子供与性基(5)を含む多層構造からなる正孔輸送(電子供与)層が形成される。この層数は吸着操作の回数により、1層以上で自由に設定できる。
以上の例ではカチオン高分子に電子供与性基(5)や別種の基(7)が導入されて場合について述べたが、アニオン高分子に導入することも可能である。
なお、与えた条件により変動するが、一回の基板の浸漬により表面に吸着される吸着層の膜厚は、1nm〜数十nmの範囲でコントロールすることができる。そして、カチオン高分子液とアニオン高分子水溶液とを交互に浸漬することにより、この吸着層の層数を積み増して、全体の膜厚を、前記した一層分の膜厚を単位に1nmから1μmの間で定量的にコントロールすることができる。
これらアニオン高分子とカチオン高分子は、上記非特許文献4に詳細に開示されている。
これら色素を光増感基としてアニオン高分子及び/又はカチオン高分子に導入
する方法は特に制限されず、公知の方法を用いることができる。
上記非特許文献5には、これら正孔輸送材料の詳細と、そのイオン化ポテンシャルが記載されている。
上記非特許文献5には、これら電子輸送材料の詳細と、その電子親和力が記載されている。
図4(a) は、第1の電極層(11)、正孔輸送層(12)、光吸収層(13)、電子輸送層(14)、及び第2の電極層(15)からなる光電素子(10)である。これら各層の少なくとも1層は、カチオン高分子及び/又はアニオン高分子の少なくとも一部が機能基で修飾されたカチオン高分子及びアニオン高分子が交互吸着法により形成された交互吸着膜からなる。
次に、太陽電池に代表される光電変換デバイスの一例を示す。
層(31)であるポリアクリル酸(Poly(acrylic acid))を交互に積層した多層膜を用いることができる。
[実施例1]
下記化学式1のような電子供与化合物であるフェロセンを有するカチオン高分子(Fc)、光増感化合物であるカルバゾールを有するカチオン高分子(Cz)、ならびにアニオン高分子(PAA)の三種類の高分子電解質を用いた。
また、上記カルバゾールカチオン高分子(Cz)に換えて、下記化学式2に示すルテニウム含有カチオン高分子(Ru)を用いても同様の光電流が発生した。
上記の他にも、下記化学式3に示す光電機能高分子電解質を用いて交互積層光
電機能薄膜を構築し、光電流測定の実施を行った。
ITO/PEDOT/Ru
ITO/PEDOT/Ru/C60
ITO/PPV/Ru
ITO/PPV/Ru/C60
図10は、ITO/PEDOT/Ru/C60/Alの層構造からなる光電素子の光電流測定の結果である。光源として500Wキセノンランプを用い、モノクロメータにより460 nmの単色光とした。分光後の光強度は、およそ10 mW cm-2であった。
更に、以下の構造を製造した。
増感色素には光吸収係数ならびに光耐性の高いルテニウム錯体を用い、光増感効率を最大とするように適切な厚さを設定した。増感分子からの電荷分離を効率よく実現するとともに電荷再結合を抑制するため、増感層の両側に電子供与層と電子受容層を配置した。光電流を得るには、電子供与層ならびに電子受容層はそれぞれ正孔輸送層ならびに電子輸送層としても機能する必要がある。これらの層は膜厚の増大とともに電荷輸送効率が低下するのでできるだけ薄くする必要があるが、素子を構成するには少なくとも一方が10nmから1μmの厚さを有する必要がある。電子輸送に対する移動度は正孔輸送に比べ低いので、電子輸送層の厚さをできるだけ薄くし、正孔輸送層を厚膜に設計した。したがって、正孔輸送に対して電荷再結合の確率が増大するため、再結合を抑制するため正孔輸送層は
二種以上の材料を用いることが望ましい。以上の用件を満たす構造として図11のような系を構築し、同様の光電変換効果を得た。
次に、3成分吸着系である図12(7)に示す光電素子507の形成方法について示す。なお、ここで正孔輸送層P7は、フェロセン含有高分子(ロ)、光吸収層A7は、ルテニウム錯体含有高分子(イ)、電子輸送層N7はフラーレン高分子錯体(ヌ)から構成されることとした。
ITO基板等の透明電極(第1電極層517)は、トルエン、アセトン、エタノール溶液を用いて各20分間超音波処理を行った後、アルカリ性のピラニア溶液(蒸留水:30%過酸化水素水:25%濃アンモニア水 = 5 : 1 :1)中80℃で15分間煮沸することにより、基板表面を負に帯電させた。ピラニア溶液の代わりに、オゾンクリーナを用いて1時間UV−オゾン処理を行うことによっても基板表面を親水性とすることができる。
メタクリル酸コリン(choline methacrylate)とメタクリル酸ビピリジル(4-(methacryloylmethyl)-4'- methyl-2,2'-bipyridine)をエタノール中にてラジカル共重合し、共重合体を得た。良溶媒としてエタノール貧溶媒としてアセトンを用いて再沈殿精製後、ビス2,2'-ビピリジルジクロロルテニウム(II)錯体との配位子交換反応によりルテニウム錯体を側鎖に有するポリカチオンを合成した。錯化後に、良溶媒としてエタノール貧溶媒として塩化メチレンを用いた再沈殿により精製した。この高分子を超純水に溶解し、10 mM水溶液(光増感ポリカチオン)とした。
メタクリル酸コリンとビニルフェロセンをエタノール中にてラジカル共重合し、フェロセンを側鎖に有するポリカチオンを得た。良溶媒にてエタノール貧溶媒としてアセトンを用いて再沈殿精製した後、アセトニトリルによる洗浄を行った。この高分子を超純水に溶解し、10 mM水溶液(電子供与性ポリカチオン)とした。
4 mgのC60C(COOH)2をポリエチレンイミンメタノール溶液(2.326 mM)21 mLに加え攪拌した。エバポレータを用いてこのメタノール溶液を5 mLに濃縮し、超純水45 mLを加えた。超音波処理を6分行い、分散性を高めた。
水酸化ナトリウム水溶液を適当量加えてpH = 6.5に調製した35wt%のポリアクリル酸水溶液(ポリアニオン)を調製した。
(すすぎ溶液)
イオン交換水を蒸留し、超純水作製装置(Barnstead II)を通して、超純水を作製した。
交互吸着膜の作製は、基板表面を親水処理した後、1)ポリカチオン溶液(吸着)、2)乾燥、3)超純水(すすぎ)、4)乾燥、5)ポリアニオン溶液(吸着)、6)乾燥、7)超純水(すすぎ)、8)乾燥、からなる一連の吸着操作を所定の回数繰り返す。
具体的には、各高分子電解質水溶液および超純水30 mLをそれぞれ50 ( 50 mmの秤量瓶に加え、ターンテーブル上に所定の順序に配置した。吸着条件は、浸漬時間5分、すすぎ時間3分、乾燥時間2分、温度21−24℃、湿度50−60%に設定した。基板の引き上げ、引き下げはステッピングモータを用いて毎秒0.6 mmの速度にて行った。
真空蒸着装置を用いて、上記交互吸着膜に対向電極(第2電極層527)としてアルミニウムを蒸着した。2 nm/sの蒸着速度にて50秒間蒸着を行い、厚さ100 nmのアルミニウム電極を得た。光電流測定の結果、同様の光電変換効果を得た。
次に、図12(4)に示す光電素子504であって、塗布による電子輸送層Nの形成工程を含む場合について示す。なお、ここで正孔輸送層P4はフェロセン(ロ)、光吸収層A4はルテニウム錯体(イ)として上述と同様にして、ITO/Fc/Ru膜を交互吸着法により作製した。そして、この作製した基板上に電子輸送層Nとして、0.2wt%ポリスチレンおよび0.6wt%C60を溶解したオルトジクロロベンゼン溶液(ル)をスピンキャストした。
その後、デシケータ中にて真空乾燥した後、対向電極(第2の電極層524)としてアルミニウムを上記の作製法により蒸着し光電素子504を得た。光電流測定の結果、同様の光電変換効果を得た。
次に、図12(4)に示す光電素子504であって、電解質系による電子輸送層Nの形成工程を含む場合について示す。
上述と同様にして作製した、ITO/Fc/Ru膜の光吸収層A(Ru膜)の表面に、白金ネットの対向電極を隣接して配置する。そして、支持電解質として塩化カリウムを用い、アクセプター分子としてメチルビオロゲンを含む水溶液を用いた。光電流測定の結果、同様の光電変換効果を得た。
次に、図12(4)に示す光電素子504であって、蒸着系による電子輸送層Nの形成工程を含む場合について示す。
上述と同様にして作製した、ITO/Fc/Ru膜の光吸収層A(Ru膜)の表面にC60を真空蒸着法によりコートし、これを電子輸送層Nとする。さらに、この電子輸送層Nの上に第2の電極層52としてアルミニウムを上記の作製法により蒸着して光電素子504を得た。光電流測定の結果、同様の光電変換効果を得た。
次に、図12(4)に示す光電素子504であって、液晶系による電子輸送層Nの形成工程を含む場合について示す。
上述と同様にして作製した、ITO/Fc/Ru膜の光吸収層A(Ru膜)の表面に導電性液晶ヘキシロキシフェニルヘキシロキシヒ゛フェニルオキサシ゛アソ゛ール(hexyloxyphenyl-hexyloxybiphenyloxadiazole)を配置し、これを電子輸送層Nとする。さらに、この電子輸送層Nの上に第2の電極層52として白金板を配置して光電素子504を得た。光電流測定の結果、同様の光電変換効果を得た。
(酸化スズ透明電極の作製)
透明電極としてSnO2(酸化スズ)を用いる場合について記す。ここでは、図12(4)に示す光電素子504の類型に属し、2成分吸着系+1成分表面装飾系である形成方法について示す。なお、ここで電子輸送層N4はフラーレンカルボン酸(C60C(COOH)2)(レ)から構成されることとした。
次に、前記した、ITO電極上へのシランカップリング反応と同様の方法により、SnO2透明電極上に、3-アミノフ゜ロヒ゜ルトリエトキシシラン(3-aminopropyltriethoxysilane)を固定化する。基板はトルエン、アセトン溶液を用いて洗浄した後、それぞれ1 mMのC60C(COOH)2およびヘ゛ンソ゛トリアソ゛ール-1-オール(1H-benzotriazol-1-o1)を含むブロモベンゼン(bromobenzene)溶液に浸漬し、0℃に冷却した後シ゛シクロヘキシルカルホ゛シ゛イミト゛(dicyclohexylcarbodiimide)を加え、室温で撹拌しながら固定化を行う。C60C(COOH)2の固定化量は、浸漬時間を変えることにより任意に制御することが可能である。また、C60C(COOH)2の固定化はシランカップリング剤を用いることなく直接SnO2透明電極基板に対して行うことも可能である。
なお、記載は省略するが、前記したFc層(フェロセン含有高分子(ロ))に代え、正孔輸送能の高いPEDOT/PSS層(PEDOT/PSS(ハ))をスピンコートあるいは交互吸着により付加して正孔輸送層Pとする構造も可能である。また、図12(14)の類型に示すように、Fc層(電子供与層E)と、正極となるITOあるいは金、白金などの電極(第1の電極層51)との間にPEDOT/PSS層を挿入して正孔輸送効率を向上させることも可能である。
2 第1の水槽
3 第2の水槽
4 カチオン高分子
5 電子供与性基
6 アニオン高分子
7 光増感基
10 光電素子
11 第1の電極層
12 正孔輸送層
13 光吸収層
14 電子輸送層
15 第2の電極層
21 ガラス基板
22 透明導電膜
23 電子供与層
24 光吸収層
25 電子受容層
26 電極
27 端子接点
28 導線
29 グリッド線
31 アニオン高分子
32 カチオン高分子
50(501、502、…) 光電素子
51(511、512、…) 第1電極層
52(521、522、…) 第2電極層
60(601、602、…) 薄膜層
P(P1、P2、…) 正孔輸送層
E(E1、E2、…) 電子供与層
A(A1、A2、…) 光吸収層
N(N1、N2、…) 電子輸送層
Claims (10)
- 薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した第1の電極層および第2の電極層とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
光エネルギを光吸収して活性化し、電子と正孔を発生する光増感基を有する光吸収層と、
電子を供与することで、前記光吸収により前記光吸収層にて発生した正孔を前記第1の電極層に引き渡す第1電子供与性基を有する正孔輸送層と、
電子を受容することで、前記光吸収により前記光吸収層にて発生した電子を前記第2の電極層に引き渡す電子受容性基を有する電子輸送層と、を少なくとも含み、
前記正孔輸送層と前記光吸収層との界面には、電子を供与することで、前記光吸収により前記光吸収層にて発生した正孔を前記正孔輸送層に引き渡す、前記第1電子供与性基よりも電子供与性の高い第2電子供与性基を有する電子供与層が設けられ、
前記光吸収層は、
前記光増感基を導入されたカチオン高分子とアニオン高分子との交互吸着膜、または、前記光増感基を導入されたアニオン高分子とカチオン高分子との交互吸着膜で形成される
ことを特徴とする光電素子。 - 薄膜層と、この薄膜層の両面に配置した第1の電極層および第2の電極層とを有する光電素子であって、
前記薄膜層は、
光エネルギを光吸収して活性化し、電子と正孔を発生する光増感基を有する光吸収層と、
電子を供与することで、前記光吸収により前記光吸収層にて発生した正孔を前記第1の電極層に引き渡す第1電子供与性基を有する正孔輸送層と、を少なくとも含み、
前記正孔輸送層と前記光吸収層との界面には、電子を供与することで、前記光吸収により前記光吸収層にて発生した正孔を前記正孔輸送層に引き渡す、前記第1電子供与性基よりも電子供与性の高い第2電子供与性基を有する電子供与層が設けられ、
前記光吸収層は、
前記光増感基を導入されたカチオン高分子とアニオン高分子との交互吸着膜、または、前記光増感基を導入されたアニオン高分子とカチオン高分子との交互吸着膜で形成される
ことを特徴とする光電素子。 - 請求項1に記載の光電素子において、
前記電子輸送層は、
前記電子受容性基を導入されたカチオン高分子とアニオン高分子との交互吸着膜、または、前記電子受容性基を導入されたアニオン高分子とカチオン高分子との交互吸着膜で形成される
ことを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の光電素子において、
前記正孔輸送層は、
前記第1電子供与性基を導入されたカチオン高分子とアニオン高分子との交互吸着膜、または、前記第1電子供与性基を導入されたアニオン高分子とカチオン高分子との交互吸着膜で形成される
ことを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光電素子において、
前記電子供与層は、
前記第2電子供与性基を導入されたカチオン高分子とアニオン高分子との交互吸着膜、または、前記第2電子供与性基を導入されたアニオン高分子とカチオン高分子との交互吸着膜で形成される
ことを特徴とする光電素子。 - 請求項1または請求項3に記載の光電素子において、
前記電子受容性基がフラーレン誘導体からなることを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光電素子において、
前記光増感基がルテニウム錯体系化合物からなることを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の光電素子において、
前記第1電子供与性基がチオフェン系化合物からなり、前記第2電子供与性基がフェロセン系化合物からなることを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の光電素子において、
前記光吸収層は、膜厚が1nmから30nmであることを特徴とする光電素子。 - 請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の光電素子を用い、光エネルギを電気エネルギに変換し、電力として外部に取り出す機能を有することを特徴とする太陽電池。
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