JP4853779B2 - 有機薄膜太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、低イオン化ポテンシャルをもつアセン系又はアセン系置換化合物とＣ６０フラーレンとのＰＮ接合を備え、高開放電圧を有する有機薄膜太陽電池に関する。
有機薄膜太陽電池の性能を現わすパラメータには、短絡光電流、形状因子、開放電圧、及びそれらを掛け合わせた変換効率がある。有機薄膜太陽電池の研究開発の進展により、変換効率の高い高性能有機薄膜太陽電池が開発されている。
このような、変換効率の向上は、バルクへテロ接合、ｐ−ｉ−ｎ構造等の新規デバイス構造の開発により短絡光電流が大幅に向上したことが大きい。しかしながら、デバイス構造制御による短絡光電流の増大には限度があり、短絡光電流以外のパラメータの向上が期待されている。
さらなる変換効率の向上のためには、３つのパラメータのひとつである開放電圧の向上が必要である。しかし、大きな開放電圧をもち、かつ変換効率の大きな有機薄膜太陽電池の作製には、新規デバイス構造の開発では達成できず、新規の有機半導体の導入が必要不可欠であった。
従来の低分子有機半導体材料では、開放電圧は0.6V以下であり、デバイス構造を改良して短絡光電流を向上させても、変換効率は３〜４％が限度であった。したがって、変換効率の向上のためには、もうひとつのパラメータである開放電圧の向上が必要不可欠である。
特開２０００−２７３０５５号公報
従来の低分子有機半導体材料では、開放電圧は0.6V以下であり、デバイス構造を改良して短絡光電流を向上させても、変換効率は３〜４％が限度であった。したがって、変換効率の向上のためには、もうひとつのパラメータである開放電圧の向上が必要不可欠である。
本発明は、開放電圧が大きく変換効率の向上した有機薄膜太陽電池を提供することを課題とする。
上記課題は、次のような有機薄膜太陽電池によって解決される。
ｐ型半導体ルブレン層とｎ型半導体Ｃ６０フラーレン層との積層型ＰＮ接合を備えた有機薄膜太陽電池であって、前記ルブレン層が、真空中で蒸着された薄膜であることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
ｐ型半導体ルブレン層とｎ型半導体Ｃ６０フラーレン層との積層型ＰＮ接合を備えた有機薄膜太陽電池であって、前記ルブレン層が、真空中で蒸着された薄膜であることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
本発明によれば、Ipが大きいルブレン等のアセン系化合物の有機薄膜太陽電池への導入により、高開放電圧を持つ高性能有機薄膜太陽電池を作製することができる。
アセン系化合物の一種である5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene(ルブレン)は、有機電界発光素子、有機単結晶トランジスタ等のホスト有機半導体材料として利用されているが、有機薄膜太陽電池には利用されていない。
そこで本発明は、5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene(ルブレン)等のアセン系化合物を、有機薄膜太陽電池に応用を図るものである。
そこで本発明は、5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene(ルブレン)等のアセン系化合物を、有機薄膜太陽電池に応用を図るものである。
図１は、本発明に係る、ルブレンとC60フラーレンを用いた有機薄膜太陽電池の素子構造説明図である。図１において、３はp型半導体ルブレン層及びルブレンの分子構造であり、４はn型半導体C60フラーレン層及びC60分子構造を示す。p型半導体ルブレン層とn型半導体C60フラーレン層とにより、有機薄膜太陽電池のＰＮ接合を構成している。
２種類の有機半導体が接するＰＮ接合により有機薄膜太陽電池は駆動する。相手側のn型半導体の電子親和力（AE）と、p型半導体のイオン化ポテンシャル（Ip）の差が開放電圧を規定する。このルブレンは図２に示すように、Ipが5.4 eV、AEが3.2 eVであり、相手側にn型半導体C60フラーレン（Ip=6.1 eV、AE=4.5 eV）を用いた場合は、AE（C60）＜Ip（ルブレン）＜Ip（C60）の条件をみたすので有機薄膜太陽電池として利用可能である。またエネルギーギャップはAE(C60)−Ip(ルブレン)=0.9 eVであり、高開放電圧の発現が可能である。
以下本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
ルブレン薄膜とC60フラーレン薄膜を用いて図１に示す有機薄膜太陽電池を作製した。
ルブレン薄膜は大気中に放置すると、酸素や水の吸着により吸光度は急速に劣化するため、有機薄膜太陽電池の材料として用いることはできない（図３参照）。実施例の製作に当たっては、図４に示す真空一貫作成-評価装置を用いて、ルブレンの劣化を防いだ。すなわち、密閉された蒸着チャンバー７内で太陽電池を製作し、連通した測定チャンバー８内で特性を評価した。
ルブレン薄膜とC60フラーレン薄膜を用いて図１に示す有機薄膜太陽電池を作製した。
ルブレン薄膜は大気中に放置すると、酸素や水の吸着により吸光度は急速に劣化するため、有機薄膜太陽電池の材料として用いることはできない（図３参照）。実施例の製作に当たっては、図４に示す真空一貫作成-評価装置を用いて、ルブレンの劣化を防いだ。すなわち、密閉された蒸着チャンバー７内で太陽電池を製作し、連通した測定チャンバー８内で特性を評価した。
下部電極としてＩＴＯ基板、上部電極としてマグネシウム銀合金を用いた。ルブレン25nm、C60フラーレン25nmでトータル50nm厚さの有機層とした。PEDOT:PSSとBCPはバッファ層として用いた。
なお実施例としてルブレンを例示したが、本発明はルブレン以外のアセン系化合物についても適用可能である。図５にアセン系置換化合物の分子構造を示す（R1〜R16は置換基である）。図５に示すアセン系化合物は、半導体性を示す有機材料として知られている。
なお実施例としてルブレンを例示したが、本発明はルブレン以外のアセン系化合物についても適用可能である。図５にアセン系置換化合物の分子構造を示す（R1〜R16は置換基である）。図５に示すアセン系化合物は、半導体性を示す有機材料として知られている。
太陽電池特性は、図４に示す真空一貫作成-評価装置内で、擬似太陽光（Ａｉｒ Mass 1.5 Global 100mW/cm2）照射下で、電流電圧特性を評価し、短絡光電流、開放電圧、形状因子、エネルギー変換効率の太陽電池パラメータを導出した。
図６は、本発明のアセン系化合物ルブレンを用いた有機薄膜太陽電池の擬似太陽光照射下の電流電圧特性を示す図面である。図中aは、有機薄膜太陽電池の暗時の電流電圧特性であり、bは、そのAM1.5G擬似太陽光照射時の電流電圧特性である。開放電圧は0.9Vと従来の有機薄膜太陽電池では最も大きい値を示している。汎用のp型半導体亜鉛フタロシアニンZnPcを用いた有機薄膜太陽電池との比較を表１に示す。本発明の有機薄膜太陽電池では、短絡光電流は小さいが、開放電圧が倍以上なので最終的に変換効率が1.2％から1.5％まで向上している。
アセン系化合物であるルブレンと、大気暴露防止装置を用いることにより高い開放電圧を有する有機薄膜太陽電池の作製が可能となった。実施例では単純な積層型p-n接合有機薄膜太陽電池を例示したが、バルクへテロ接合、ｐ−ｉ−ｎ構造等としてもよい。
アセン系化合物を用いた有機薄膜太陽電池は、低コスト、低環境負荷のクリーンエネルギーとして利用が考えられている。
１ 透明電極
２ PEDOT:PSSバッファ層
３ p型半導体ルブレン層とルブレンの分子構造
４ n型半導体C60フラーレン層とC60分子構造
５ BCPバッファ層
６ マグネシウム銀合金上部電極
７ 蒸着チャンバー
８ 測定チャンバー
９ AM1.5G擬似太陽光光線
１０ ソーラーシミュレーター
１１ 電流電圧測定装置
１２ トランスファーロッド
１３ 窒素ガスボンベ
１４ 排気装置
１５ 有機薄膜太陽電池
１６ 排気装置
２ PEDOT:PSSバッファ層
３ p型半導体ルブレン層とルブレンの分子構造
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１５ 有機薄膜太陽電池
１６ 排気装置
Claims (1)
- ｐ型半導体ルブレン層とｎ型半導体Ｃ６０フラーレン層との積層型ＰＮ接合を備えた有機薄膜太陽電池であって、前記ルブレン層が、真空中で蒸着された薄膜であることを特徴とする有機薄膜太陽電池。
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